浮法玻璃熔窑的合理设计（连载-）
唐福恒
（北京长城工业炉技术中心北京102208）
摘要对浮法玻璃熔窑的熔化率设计，熔化区的长宽比例设计，熔化区、小炉、蓄热室系统的基本热平衡计算，窑体结构散热量与窑体砖结构重量的关系，熔化率与单位能耗指标之间的关系，以及个别浮法玻璃熔窑存在的不达产、多烧的燃料热量随排岀废气跑掉了等问题进行了分析验证。提岀了浮法玻璃熔窑合理设计的10个要点。
关键词浮法；玻璃；熔窑；设计
中图分类号：TQ171文献标识码：A文章编号：1003-1987（2021）01-0007-14
Reasonable Design of Float Glass Melting Furnace
TANG Fuheng
(Technology Center ofBeijing Great Wall industrial Furnace,Beijing10220&China) Abstract:Design for m
elting rate of float glass furnace,length-width ratio design of melting area,the basic heat balance calculation of melting area,pot,regenerator system,the relationship between heat loss of kiln body structure and the mass of bricks,the relationship between the melting rate and unit energy consumption indicators,as well as the production yield is not up to standard and more fuel is combusted, heat energy ran away with the discharged waste gas,ten key points of reasonable design of float glass melting furnace are put forward.
Key Words:float glass,furnace,design
1概述
1.1近50年国内玻璃熔窑概况
台机电源在1980年以前，国内玻璃熔窑的基本情况是：熔窑吨位小、最大吨位300t/d（九机窑），最大熔化部池宽只有9m左右，蓄热室格子体高度一般为5~6m；燃料以发生炉煤气为主，单位能耗高，普遍超过2000kcal/kg披霜（1kcal=4.1868 kJ）；砌筑玻璃熔窑所用的耐火材料质量差，耐高温、耐冲刷、抗侵蚀性能都比较弱；窑龄短，一般不超过3年。随着玻璃制品需求量的不断增加，特别是国内房地产行业开始起步发展，推动了平板玻璃工业的快速发展。设计建造大吨位、低能耗、生产高质量浮法玻璃的任务迫在眉睫。
在1980年之后的10年间，国内开始自行设计建造了洛阳、太原、秦皇岛、沈阳四座500t/d级的浮法玻璃熔窑。熔化部池宽10m左右，蓄热室格子体加高到8m左右，燃料开始采用重油或焦炉煤气。这几座熔窑的建成投产，标志着国内的玻璃熔窑设计水平已经有了长足的进步，但与国外先进水平相比还有很大差距。由于当时的条件，这四座浮法玻璃熔窑不同程度地存在一些问题，熔化区池宽基本合适，但池长有余，小炉对数过多，熔化率太低，单位能耗高，熔化能力不能达标，玻璃质量一般。
虽然有许多不足之处，但与1980年之前相比，这10年间国内浮法玻璃熔窑技术还是有了比较大的进步。从窑形主体尺寸、熔化率、能耗指
作者简介：唐福恒（1945-），教授级高级工程师，主要从事玻璃熔窑设计。已发表玻璃熔窑设计论文50篇。
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标等数据的确定，投料口结构的改进，前脸L形吊墙、卡脖吊墙的应用，到窑体各部位耐火材料的选配，都积累了比较多的经验，80年代以前延续了多年的一些老传统落后做法已不再延用。
1.2引进国外浮法玻璃熔窑先进技术
1990年，由当时的国家建材局牵头，秦皇岛、蚌埠、杭州三个玻璃设计院参加，引进了美国托莱多公
论证过程司(TECO)浮法玻璃熔窑技术，首先应用于内蒙古通辽玻璃厂的浮法玻璃熔窑改造，将原250t/d小型浮法熔窑改造成了400t/d中型浮法熔窑，于1992年建成投产。经考核：熔化能力、熔化率、单位能耗和玻璃质量全部达标。
通过这次浮法熔窑技术引进，使国内的玻璃熔窑设计水平上了一个较大台阶：从熔窑各部位工艺参数的设计、各部位耐火材料的选配、关键部位窑体结构的构造做法、窑体钢结构设计、窑体不同部位砖结构砌筑特点和要求、烤窑升温曲线控制以及浮法玻璃熔窑的自动控制系统等，都比较接近或达到了国外先进水平。此次玻璃熔窑技术引进是很成功的，基本实现了与国外浮法玻璃熔窑技术的接轨，为后来国内浮法玻璃工业的迅猛发展奠定了良好的基础。
1.3秦皇岛耀华国投线500t/d浮法玻璃熔窑简单的日语
通辽400t/d浮法玻璃熔窑投产后，在玻璃市场行情的推动下，国内设计建造了一大批400~ 500t/d级的浮法线。以秦皇岛耀华国投线500t/d浮法线为代表，当时定名为“秦皇岛耀华500t/d浮法玻璃示范线”，后来改称为“国投线”。由当时国内的三大玻璃工业设计院分别设计熔窑、锡槽、退火窑，秦皇岛院负责熔窑设计。
耀华500t/d浮法示范线熔窑1996年4月建成投产，熔化能力、熔化率、单位能耗等各项经济技术指标很快全面达到了设计指标要求，浮法玻璃质量属全国一流。2008年，因北京奥运会要求大气环境达标
而停止运行了华北地区多座玻璃熔窑，秦皇岛 耀华国投线500t/d熔窑也在停窑之列，至此，该熔窑连续运行了12年多，是迄今为止国内自行设计的浮法玻璃熔窑运行寿命最长的熔窑。
1.4特大吨位浮法玻璃熔窑
上世纪末以前国外的浮法玻璃熔窑技术基本情况：①熔化能力为400~800t/d,②玻璃熔窑热效率为35%~55%,③普通钠钙硅原料玻璃的理论熔化热量638-748kcal/kg披搭，④生产中的单位能耗为5300-8500kj(1260~2020kcal)/kg披搭,
⑤熔化钠钙玻璃的熔化率一般是2~3t/(m2-d),
⑥小炉对数为5~6对,⑦格子体高度一般为8m左右，⑧助燃空气预热温度为1100~1200°C，排出废气温度为500-700T o
从零开始练瑜伽从21世纪初开始，随着国内房地产业和汽车工业的快速发展，推动了浮法玻璃生产线的规模逐步向更大发展。国内开始设计更大吨位的浮法玻璃熔窑，先是从900t/d起步，后来逐步到1000t/d、1 100t/d，现在最大的已经达到1200t/d、1300t/d了。到2019年末为止，初步统计国内已设计建造了大约20余座特大吨位浮法玻璃熔窑。可以把它们统称为“千吨级特大型浮法玻璃熔窑”。1.5浮法玻璃熔窑的吨位趋势
浮法玻璃工业化生产以来，全世界建成的不同吨位浮法玻璃熔窑有600-700座，国内占50%左右。国外正在运行的浮法玻璃熔窑多为500~800t/d的吨位。在多年前国外曾有907t/d浮法玻璃熔窑的记载⑴，还有研究千吨级浮法玻璃熔窑方案的国家。近年来只有圣戈班公司建有900t/d浮法玻璃生产线及其熔窑，另外也有几个国外玻璃厂家采用了中国设计的千吨级的浮法玻璃生产线及其熔窑。
2019年，在北京国际玻璃展览会上，有外国专业公司介绍曾做过900t/d浮法玻璃熔窑的初步设计方案(被称之为“模板”)，但还没有国外玻璃厂家接手准备实施。根据这些情况可以认为：在浮法玻璃熔窑技术没有重大突破的情况下，今后一段时期国内、国外还都将以500-
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800t/d为主。
纯碱
统筹考虑：建窑投资、建设用地、大確的安全性、生产中的灵活性、故障的牵连影响性、单位能耗指标、玻璃质量的稳定性、大吨位浮法玻璃熔窑技术的成熟性、综合经济效益等等，特大吨位浮法玻璃熔窑目前并没有显现出来有明显优势。
1.6对浮法玻璃熔窑合理设计提出10个要点
①浮法玻璃熔窑熔化区池长Z与池宽B之比值K，应为K=Z/B q2；
迷路的女孩②浮法玻璃熔窑的熔化区池宽尺寸应W15 m；池长尺寸应W30m;
③小炉中心线间距尺寸应W3800mm;
④全窑的窑体结构散热量与窑体砖结构耐火材料重量成近似正比的关系；
⑤浮法玻璃熔窑的“标定熔化率”表达式为q=2+P/1000（P为熔化能力）;
⑥熔化率与单位能耗之间有反向递进关系，熔化率越低单位能耗越高；
⑦熔化区玻璃液面热强度与炉膛容积热负荷是玻璃熔窑的两项重要技术指标；
⑧浮法玻璃熔窑主体燃烧系统产热功能足够强大，要少用或不用辅助燃烧装置；
⑨有些熔窑怎么烧熔化能力也不达标的原因，是多烧的燃料热随排出废气跑掉了；
⑩蓄热室过宽会产生烟气与空气流动“路径偏差”现象，影响格子体换热效率。
2浮法玻璃熔窑熔化区窑池的长宽比例
2.1熔化区窑池需要采用长方形
浮法玻璃熔窑熔化区需要采用横火焰、四边形池窑结构，从减少熔化区炉壳（炉壁）的热损失来说，采用正方形窑池最合理，窑体表面散热面积最小。但由于池窑四边形的每一个边，在功能方面有不同需求，必须两组对边的长度不相同。因此，需要熔化区的窑池形状采用长方形：其中横向的前端短边设置投料口、用于进入配合料，后侧短边用于流出玻璃液（实际并无此边，而是熔化区与澄清区的理论分界线位置）；纵向的左右长边用于布置小炉及其喷枪，向熔化区炉膛内喷入火焰和排出烟气，两侧交替运行。
另外，进入窑内的玻璃配合料在熔化区内的熔制过程中，要完成硅酸盐形成阶段和玻璃液形成阶段以及热点之后的初期澄清段。这些过程都需要经过一定的路程和时间才能完成，因此也需要熔化区窑池形状采用长方形。而且这两种功能上的原因与需要的熔化区窑池长方形方向正好一致，纵向长、横向短，所以就形成了浮法玻璃熔窑熔化区、熔化部窑池的长方形。
2.2熔化区窑池的池长与池宽之比为32
在浮法玻璃熔窑内，从投料口进入的玻璃配合料，要在熔化区内受热完成硅酸盐形成和玻璃液形成两个阶段。通过长期对浮法玻璃熔窑运行经验的积累和总结，可以得到的结论是：在接近熔化区池宽2倍的池长范围内，完全能够使投入的玻璃配合料完成熔化过程、形成合乎质量要求的玻璃液，然后进入澄清区。
假设浮法玻璃熔窑熔化区的池宽为B、池长为L，池长与池宽之比为K，则可以得到比值《= LIB=2。设定熔化区面积为则有表达式：4= BxL=Bx2B=2B‘，由此即可求出熔化区池宽B=V^，池长Z=的数值。
通过公式计算出的池宽和池长都是理论数据，还需要根据实际情况对理论数据进行适当的调整和取整才能满足工程上的要求。从接触到的国外设计的不同吨位浮法玻璃熔窑数据显示，熔化区的长、宽比值是：K^2O熔化区长宽比K值可以比2略小一些，只要能够满足熔窑两侧的小炉和喷枪布置即可；太大了会造成熔化区炉膛内火焰分散，火焰温度下降，导致熔化速度减慢，熔化率降低。
500t/d浮法玻璃熔窑的熔化区池宽10.5m、池
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长20m即可，更大一些吨位的浮法熔窑是否可以只加宽熔化部池宽，池长20m不变？女口：700t/d浮法玻璃熔窑，熔化区池长20m，池宽13m，熔化区面积260m2，熔化率2.692t/（m2-d），是否可行？
从熔化区每米池宽投料率来说，500t/d熔窑：500/10.5=47.62,700t/d熔窑：700/13=53.85, 53.85/47.62=1.13,700t/d熔窑增加了13.5%的池宽投料率，这也就体现出投入窑内的料层厚度增加了13.5%，因此配合料的熔化行程和时间都应加长一些；另外从熔窑两侧小炉及其喷枪布置来说，熔化区也需要加长一些。所以700t/d浮法熔窑应当还有更好的设计方案：熔化区池宽11.5m，池长22.6m，长宽比为K=22.6/11.5=1.965~2，熔化区面积259.9m2，熔化率2.693t/（m2-d），更为合适。
熔化区内需要比较集中的火焰，才能产生高温熔化的效果，既能快速又能高质量地熔化出合格的玻璃液。既能达到较高的熔化率，同时也能够达到较低的单位能耗。无论大小吨位的浮法玻璃熔窑，熔化区池长达到其池宽的两倍（S2）都足够了。
对于特大吨位浮法熔窑来说，因为小炉对数较多，小炉中心线间距尺寸也较大，组合起来的熔化区长度尺寸有时会稍大一些。所以，对于特大吨位浮法熔窑，将熔化区长宽比适当放宽一些，允许做到KW2.1，更长是有害无益的。
2.3确定熔化区窑池的池宽和池长尺寸
设计浮法玻璃熔窑的熔化区平面尺寸时，首先要根据浮法玻璃熔窑的熔化能力P和与熔化能力相适应的“标定熔化率q，初步确定出熔化区面积A=g然后按照B=唱，计算出熔化区的
池宽尺寸。此时计算出的熔化区池宽尺寸往往是带有小数的数字，可以叫“毛坯尺寸”，还要按工程上的要求进行调整。设计熔化区池宽尺寸需要考虑燃料喷枪的火焰长度、窑確结构强度的安全性以及熔窑厂房跨度等，统筹考虑取整确定，最后根据熔化区面积计算出熔化区池长尺寸。
熔化区池长尺寸是个组合尺寸，由1#小炉中心线之前的预熔区长度、各小炉喷火口宽度、小炉之间的垛墙宽度、以及末对小炉中心线之后加1000mm来组合确定；而国外略有不同，其熔化区池长尺寸是
计算到末对小炉喷火口的唇边为止（更为合理）。最后确定出的熔化区池长与池宽之比要符合K~2的要求。仅在特殊情况下允许放宽到KW2.1，为上限，对下限没有要求，能够满足小炉及其喷枪布置即可。
考虑到将来熔化部池宽发展情况，笔者在2003年曾发表过“硅质大跨度窑確的安全可靠性分析⑵”的文章，对10~15m池宽的熔化部大雀进行了受力分析。对于当今的特大吨位浮法玻璃熔窑来说，熔化部大確跨度尺寸已达到14m多，小炉中心线间距尺寸已超过4000mm，熔化区池长有的已经达到接近38m。熔化区的池宽、池长尺寸以及小炉中心线间距尺寸是否还能继续发展？有没有限度？很值得研究探讨。
2.4熔化区池宽、池长、小炉对数的界限问题
对于熔化区池宽、池长尺寸的界限问题，笔者认为：熔化部大確仍采用硅砖（SiO2含量96%、97%）的情况下，熔化区池宽最大尺寸应W15m，以15m为界；熔化区池长最大尺寸应s=30m，以30m为界，并且符合K~2的要求。这个15m的熔化区池宽、30m的熔化区池长尺寸界限，即使对于1500t/d级的特大浮法玻璃熔窑也足够。
特大吨位浮法玻璃熔窑最多也只需采用8对小炉，小炉中心线间距最大尺寸应W3800mm，以3800mm为界。对此有两个考虑：一是小炉中心线间距尺寸太大，有可能造成空气、烟气在格子体纵向分布不
均匀，影响格子体换热效率；二是小炉喷火口確的安全性问题，特别是对于大確直接压在胸墙上、无上间隙砖的情况，否则就应当采用欧洲熔窑的吊挂大確结构形式。国内已经
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设计过采用吊挂大確的特大吨位浮法玻璃熔窑。2.5窄长形与宽短形浮法玻璃熔窑的对比
根据浮法玻璃熔窑熔化区池长与池宽之比值K的情况，当K〉2.1时，可称之为窄长形浮法玻璃熔窑，将被逐渐淘汰；KW2.1时，称之为宽短形浮法玻璃熔窑。这是对各种不同吨位浮法玻璃熔窑的熔化区长宽比进行划分的一种界限说法。K=2.1是上限的界限值，是对浮法玻璃熔窑熔化区长宽之比合理性进行判断的一个分界数值，它是个经验数，没有理论的依据。绝不是K=2.1最好，而是K值尽量小一些更好。
在1980年之后的10年间，我国几个设计单位自行设计的四座浮法玻璃熔窑，熔化能力均为450~500t/d，其中两座的熔化部池宽是10500 mm，另两座是10000mm；有三座是8对小炉，一座是7对小炉；四座熔窑熔化区的长宽比值K各不相同，都是K〉2.1，其中最小的K=25.5/10.5= 2.43，最大的K=29/10=2.9，这四座浮法玻璃熔窑均可称为“窄长形”熔窑。
投产以后情况表明，这四座熔窑的实际熔化能力都只是达到或勉强接近达到设计熔化能力的下限，达
不到设计熔化能力的上限。后来根据引进的500t/d级浮法熔窑的熔化区都比较短、熔化区池长与池宽之比都比较小、均为K<2、最多只有6对小炉、而且小炉中心线间距都还比较小等各种不同情况，国内开始对这四座熔窑在冷修时逐步减少小炉对数、缩短熔化区和蓄热室长度。
但后来对于吨位更大一些的浮法玻璃熔窑设计，没有国外同吨位熔窑的参考，国内一些设计人员仍然没有吸取这四座“窄长形”熔窑的经验教训，习惯地采用较多的小炉对数，甚至到了2003年7月，在给浙江某玻璃厂提交的《1100t/d 浮法线项目建议书》中，还提出了1100t/d浮法玻璃熔窑要采用10对小炉。
在国内的四座“窄长形”的450~500t/d浮法玻璃熔窑中，选择熔化区长宽比值最大的熔窑为“窄长形”的代表，标记为“A”、其熔化区池宽10m、池长29m、8对小炉、小炉中心线间距3500mm；同时以1997年建成投产的辽宁凌源玻璃厂400~450t/d浮法玻璃熔窑为“宽短形”的代表，标记为“B”、其熔化区池宽10m、池长20 m、6对小炉、小炉中心线间距3150mm。两座浮法熔窑投产后的实际熔化能力都达到了430t/d,炒花甲的做法
荸荠的功效与作用将“A”和“B”两座浮法熔窑的窑体数据和实际运行结果进行对比，见表1。
表1“A”和“B”两座浮法玻璃熔窑的窑体结构数据和运行结果对比
浮法玻璃熔窑A窄长形B宽短形
设计熔化能力/(t/d)450〜500400〜450
实际熔化能力/(t/d)430430
小炉对数/n86
小炉中心线间距/mm35003150
熔化区池宽/mm1000010000
熔化区池长/mm2900020000
熔化区长宽比K 2.9 2.0
熔化部池长/mm3900033000
单位能耗/(kj(kcal)/kg瞬)7500/17906500/1550
全窑耐火材料重量/t96006700
根据国内“A”和“B”两座浮法玻璃熔窑结构尺寸及其运行结果对比，并结合国外的浮法玻璃熔窑情况，
可以清楚地认识到：在浮法玻璃熔窑熔化部的前部区域，在2倍熔化区池宽的长度范围内，完全能够使投入的玻璃配合料完成熔化过程、形成玻璃液。超过2倍熔化区池宽长度之后的区域属于多余的区域。熔窑A比熔窑B的熔化区池长多出的9m长度完全是多余的。
两座浮法熔窑使用耐火材料重量相差约1/3,
建窑费用也基本相差1/3。还有熔窑厂房、占地面 积等都可节省不少费用。最关键的是熔窑A的熔化能力不达标，玻璃质量差，单位能耗高，运行
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