浮法玻璃熔窑的合理设计（连载二）
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）02-0001-13
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
7国内浮法玻璃熔窑存在的一些问题
7.1浮法玻璃熔窑的小炉对数
过去在大確硅砖质量较差时形成了一种观念：认为玻璃熔窑的池宽不能太大，以确保大確的安全。而小炉对数可以多设，来补足熔化区面积。经过近几十年来对大確硅砖质量的改进提高，广泛使用了高性能硅砖（SiO2含量96%、97%）之后，玻璃熔窑大確的跨度已经跨过了14m 左右，正在向15m靠近。增加小炉对数来保证熔化区面积的做法已被淘汰，采用加大熔化区池宽尺寸来保证熔化区面积更科学合理。宁波舟山>哺乳期可以烫染头发吗
江西萍乡玻璃厂的两条浮法线熔窑（一线400t/d，二线500t/d），本世纪初先后建成或改造完成，设计均为6对小炉，实际生产中都只开了5对小炉，第6对小炉喷枪都没有安装，两座窑的实际熔化能力等各项经济技术指标都很稳定达标到位。
二十多年前，由美国TECO公司设计的两座700t/d浮法玻璃熔窑（韩国、土耳其）都是仅有6对小炉。国外有的500t/d浮法熔窑只设5对小炉，说明了在多年前已经舍弃了小炉对数需要多设的老思路。
对于各种不同吨位的浮法玻璃熔窑来说，小炉对数应尽量少设：500~700t/d浮法玻璃熔窑以6对小炉为佳，800~1000t/d浮法玻璃熔窑以7对小炉为佳，1100~1500t/d浮法玻璃熔窑有8对小炉即可足够。
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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7.2—些大吨位浮法玻璃熔窑属于“欠成熟”
熔窑
在本世纪初，随着国内房地产业的迅猛发展，平板玻璃作为重要建筑材料之一，市场需求量很大。一
些玻璃厂家提出了迅速扩大玻璃产能的意愿，急迫要求建造更大吨位的浮法玻璃生产线。可以说我国这些大吨位浮法玻璃熔窑是在既比较仓促、又比较盲目的情况下设计建造的，不同程度地存在一些问题。
玻璃熔窑是属于比较“粗笨类”的工业生产设备，有不少浮法玻璃熔窑投产后发现存在这样那样的问题，但绝大多数还能够坚持运行出玻璃。鉴于此，可以把投产后确实存在一些问题的浮法玻璃熔窑统称之为“欠成熟”熔窑，比较恰当。
这些大吨位“欠成熟”浮法玻璃熔窑的特点是：窑体窄长庞大，小炉对数过多，蓄热室过长又过宽。每座熔窑的耐火材料重量都超过了万吨，有的熔窑已超过17000t，相当于两座半500t/d 浮法玻璃熔窑所用耐火材料（7000t）的重量。由于熔化区内玻璃液面太狭长、炉膛容积太大，熔化区炉膛内的热量太分散了。导致玻璃液面受热强度低，难于实现高温熔化，致使熔化率上不去，熔窑的熔化能力不能达标。
对于窑体尺寸过于庞大的浮法玻璃熔窑，在投产过程中当达到一定的熔化能力时，熔化温度就达到临界、稳定不变了，此时窑体结构散热量也达到了其自身窑体满负荷的散热量（达到了热平衡状态），再继续增加燃料消耗量而多收入的热量，希望用于增加熔化能力。但根据表4的熔化率与熔化温度的关系可知，熔化温度达到临界不能继续升高时，熔化率也不能增加了，熔化能力自然就被限定了。在
这种情况下，窑体结构散热量也满负荷稳定了，就只有排出废气带走的热量可以随着燃料量的增加而增加。此时能够达到的熔化能力就是此熔窑的实际最大熔化能力（与设计熔化能力还有一定差距）。
有些浮法玻璃熔窑的熔化能力长期不达标，怎么烧也上不去，经济效益差。一些特大吨位浮法熔窑因为各种原因有的已经停产，有的还在坚持运行。在玻璃行业内对玻璃熔窑投产后有一种迁就性的说法“只要出了玻璃，就可把心放进肚里了”。这种迁就认识，既说明了玻璃熔窑确实有问题存在，也表明了相关责任人有了台阶可下，又体现出包括业主在内的众人能够宽容接受，可以得过且过了。
其实对于玻璃熔窑来说：吨位越大的比吨位小的容易设计，只要大確砖质量合格、砌筑合规，钢结构设计正确，能够保证大確安全可靠，投产生产出玻璃都是没有问题的。而对于微小吨位玻璃熔窑来说，有时却容易出现设计上的失误，点火之后温度上不去出不来玻璃。
“欠成熟”浮法玻璃熔窑举例：
例1：大约10年前，广东境内建成的一座900 t/d级燃天然气浮法玻璃熔窑，熔化部池宽13m, 8对小炉，投产后总是差几十吨，从来没有达到设计的熔化能力，略微增加拉引量就会出现玻璃质量不好，单位能耗高，经济效益受到影响。
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例2：也是大约10年前，河北境内建成的一座燃天然气浮法玻璃熔窑，设计熔化能力1300 t/d，熔化部
池宽13.6m,9对小炉，熔化区池长约35m。投产后只能接近达到熔化能力1200t/d，熔化能力一直不能达标，单位能耗高，玻璃质量一般，经济效益差。运行不到最低设计窑龄就停窑冷修改造了，但冷修改造之后效果仍然不佳。
例3：近年湖北境内建成投产的某燃石油焦浮法玻璃熔窑，设计熔化能力1250t/d，熔化率2.42t/（m2,d）。熔化部池宽13.6m，熔化区池长约为38m,9对小炉，小炉中心线间距3880 mm，熔化部长度近60m，全窑长度约90m。投产后实际能够达到的熔化能力只有1100t/d（折算实际熔化率为2.13t/（m2-d）），怎么增加燃料烧熔化能力也上不去，而且拉出的玻璃质量一
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般，严重影响经济效益。
“例3”的1250t/d大浮法熔窑，具有代表性。可以将此“欠成熟”特大浮法玻璃熔窑做为研究对象，进行分析研究。前面已经有了“熔窑A”和“熔窑B”两个例子，现将此1250t/d大浮法玻璃熔窑称之为“熔窑C”，对其熔化区小炉蓄热室系统进行热平衡计算、进行综合分析研究。
禁用词7.3“欠成熟”浮法玻璃熔窑的熔化率问题
“欠成熟”的浮法玻璃熔窑由于熔化区长宽尺寸过大，出现了玻璃液面积过大、或过狭长、炉膛容积也
过大，造成熔化区炉膛内的热量太分散。导致玻璃液面受热强度低，炉膛容积热负荷低，达不到实现高温熔化的温度条件，致使熔化率上不去(熔化温度达到临界值后，熔化率就不变了)，必然导致熔化能力不能达标。
有些设计人员把此类“欠成熟”浮法熔窑的熔化能力不达标原因错误地判断为熔化区面积不够所致。因而在之后的熔窑设计中再次加大熔化区面积，如此形成恶性循环，熔化区面积越做越大，导致玻璃液面热强度、炉膛容积热负荷严重不足。
40多年前格拉威伯尔公司的815t/d浮法玻璃熔窑，熔化率已达到2.953t/(m2-d)，很接近3t/(m2-d)。而国内近20年来，设计建造了20多座千吨级的大型浮法玻璃熔窑，却没有一座熔窑熔化率达到或接近达到3t/(m2-d)，而且还差得很远。这些“欠成熟”的千吨级大型浮法玻璃熔窑的熔化率，基本停留在2~2.5t/(m2-d)的水平。
7.4要发挥好浮法玻璃熔窑主体燃烧系统作用
浮法玻璃熔窑的熔化率、熔化区窑池长宽比例、蓄热室格子体参数，是整个浮法玻璃熔窑设计的三个重点要素。这三个要素都能设计正确的情况下，建成投产的浮法玻璃熔窑就应该能够有条件发挥好熔窑主体燃烧系统的强大燃烧功能。只需通过正常的燃料燃烧，完全可以达到熔化区炉膛内的温度制度要求。7.5“欠成熟”的浮法玻璃熔窑蓄热室情况
蓄热室设计是玻璃熔窑设计最重要的内容之一。到目前为止，对玻璃熔窑蓄热室格子体的换热计算仍然是玻璃熔窑设计中最薄弱的环节。长期以来包括一些处于把关位置的玻璃熔窑设计人员还是采用简单的类比法，照小葫芦画大瓢做设计。拍脑门设定格子体的长、宽、高尺寸，所以不同人的设计结果差异很大。在同吨位、同档次耐火材料、玻璃质量同级的情况下，不同人员的设计结果相差可达到30%左右。一些过长、过宽尺寸的蓄热室，不光是浪费了30%左右的投资，关键是其换热面积超过了需要的量，反而造成蓄热室的换热效率低下，烟气的热量不能有效地传给助燃空气，造成助燃空气预热温度升不上来，排出废气温度降不下去。
蓄热室的纵向长度尺寸与熔化区长度尺寸密切相关，同时与各小炉中心线间距尺寸有对应的衔接关系。熔化区长度尺寸已确定的情况下，蓄热室纵向长度也就受到限制很难改变了。特别是对于窄长形的熔化区，相应的蓄热室纵向尺寸随之超长，很容易出现格子体既超长又超宽，与实际需要的格子体换热能力很不匹配。这也是“欠成熟”浮法玻璃熔窑一个很突出的不合理特征。所以熔化区池长尺寸一定要尽量缩短，也就缩短了蓄热室的纵向长度，就可为格子体的长、宽、高尺寸协调设计创造有利条件。
浮法玻璃熔窑蓄热室格子体以往多采用165mm孔径的条形砖，当今多采用160mm孔径的筒形砖。两种格子体的单位体积换热面积参数(m2/m3)差别是很明显的，从这两种格子砖的格子体特性参数表7、表8中可查得分别为14.94 m2/m3和10.586m'/m'，两者之比为1.411。说明相同体积的两种格子体，两
者的换热面积是1.411的倍数关系，因此，可以清楚地认识到：采用不同类型的格子砖，对蓄热室格子体的长、宽、高尺寸设计是有很大差别的。
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似大地水准面表7160m m孔径筒形砖格子体的特性参数
孔径尺寸/mm筒形砖壁厚/mm中心距/mm膨胀缝/mm比表面积/(m2/m3)自由流动面积/(m2/m2)单位体积砖体积/(m3/m3) 16040200614.940.6250.361
表8165m m孔径条形砖编蓝式格子体的特性参数
孔径尺寸/mm格子砖尺寸/mm中心距/mm膨胀缝/mm比表面积/(m2/m3)自由流动面积/(m2/m2)单位体积砖体积/(m3/m3) 165345X114X652302510.5860.5150.424
按助燃空气预热温度要求计算出的蓄热室格子体换热面积，是进行格子体长、宽、高尺寸设计的依据。因为格子体的长度尺寸受到小炉中心线间距和熔化区长度对应关系的限制不容易改变。能够改变的就是格子体的宽度和高度尺寸了，若高度已被限制也不考虑改变的情况下，就只有改变宽度了。在这种情况下，采用筒形砖的格子体宽度尺寸，只需要有条形砖格子体宽度尺寸的1/1.411=0.7076(^70%)，即可达到助燃空气预热温度要求的格子体换热面积，但由于要防止高温烟气
对蓄热室目标墙(蓄热室外侧墙)的冲刷，格子体宽度尺寸也是有最小限制的。
如果蓄热室内宽尺寸过大，不只是浪费了耐火材料和投资，更重要的是烟气与助燃空气在蓄热室横向尺寸范围内流量分布的均匀性会产生不利影响。蓄热室内宽尺寸越大，这种不均匀性就越明显，容易出现高温烟气向下与助燃空气向上在格子体内流动时的路径偏差，严重影响烟气与空气进行良好的热交换，降低了格子体的换热效率。
7.6要尽量减少格子体内空气与烟气的“路径
偏差”
玻璃熔窑蓄热室格子体内高温烟气与助燃空气之间的热交换的理想状态是：蓄热室腔道平面尺寸设计合理，既不偏大、也不偏小。能够保证烟气和空气的流量都能平均分配给腔道内的每个格子孔，使每个格子孔、每块格子砖都能均衡地参与换热。
蹴罢秋千高温烟气从烟气侧的蓄热室上部集气室向下进入格子体时，由于受到大烟囱抽力的作用，在蓄热室腔道的宽度尺寸范围内，高温烟气的流量分布是不均匀的⑷。在蓄热室宽度方向格子孔内烟气流量分布为倾斜直线。靠近蓄热室内侧墙的格子孔中烟气分布流量最大，而靠近蓄热室外侧墙的分布流量最小。
助燃空气从空气侧蓄热室下部集气室向上进入格子体时，由于受到助燃风机压力的作用，在蓄热室的横向尺寸范围内，助燃空气的流量分布也是不均匀的。沿蓄热室宽度方向格子孔内空气流量分布也为倾斜直线，并与烟气的倾斜直线成交叉形式。靠近蓄热室外侧墙的助燃空气分布流量最大，靠近蓄热室内侧墙的分布流量最小。
这种受吸力作用下的气体容易走近路、受推力作用下的气体容易走远路的现象是由流体的运动特性所决定的。这种格子孔内的烟气、空气流量不对等现象，就是因为空气与烟气路径差别造成的，可称之为“路径偏差”。蓄热室宽度尺寸越大，出现空气与烟气的路径偏差现象越严重，对格子体换热效率的不利影响就越大。
要尽量减少格子体内空气与烟气的路径偏差，可采取的主要措施包括：蓄热室内宽尺寸要按所需要的格子体换热面积确定，不能随意加宽；要控制好助燃空气风机的风压和大烟囱的抽力，使烟气/空气能够比较均匀地分布在所有格子孔内；要使蓄热室腔道内壁与格子体四周之间的缝隙宽度保持均匀，为30mm左右，不超过50 mm，以防止因缝隙过宽出现局部流量过大而造成
4嘴角裂口
烟气/空气的偏流，使它们的流量分布更不均匀。
8“熔窑C”多烧的燃料热量随废气跑掉了
“熔窑C”的窑体结构存在不成熟情况
“熔窑C”设计熔化能力1250t/d，设计熔化率2.42t/（m2-d）太保守，两者不匹配。熔化区面积：1250/2.42=516.5m'，超过了500m'，熔化能力应该可以达到1500t/d，但却只到1100t/d就到临界状态了。
对“熔窑C”窑体结构数据情况综合分析，发现至少有以下主要问题：①熔化率太低；
②9对小炉太多；③熔化区太长；④熔化部、全窑长度，都有较大的缩短余地；⑤蓄热室结构参数有不合理之处；⑥格子体换热能力不匹配（此熔窑由于熔化区太长，导致蓄热室纵向超长太多、格子体很难设计）。
“熔窑C”蓄热室结构参数的不合理之处很明显，格子体的长、宽尺寸都超过了所需要的尺寸（高度未知），很容易出现高温烟气向下与助燃空气向上在格子体内流动时比较严重的路径偏差，还有可能存在更严重的情况是有局部区域的格子体（格子孔）处于休眠状态，没有或基本没有参与换热，因为蓄热室腔道平面尺寸太大了。&2对“熔窑C”进行不同燃料量的基本热平衡计算
秦始皇墓增加燃料消耗而不能增加熔化能力，是由于随着燃料消耗量的增加，废气量在增加、蓄热室的换热效率在下降，导致从格子体顶部出来的助燃空气预热温度在下降、格子体底部排入烟道的废气温度在升
高。多消耗的燃料产生的热量，都随着废气量不断增加、排出废气温度不断升高，跑进烟道里去了。对这种现象的分析判断，可以通过熔化区小炉蓄热室系统的基本热平衡计算得到验证。增加燃料量，即增加收入热量，支出的熔化热量不变、窑体结构散热量（饱和）不变，就只有废气带出热量增加。废气量增加、废气温度升高（助燃空气预热温度下降），熔窑随时可以达到新的热平衡状态。
对“熔窑C”进行基本热平衡计算的已知条件（以下条件为本文设定数据，可能与实际数据有差距，但不影响进行计算，因为原理是相同的，只是结果会略有不同）：燃料采用石油焦粉，热值35500kJ（8480kcal）/kg，玻璃熔化热：2720kJ（650kcal）/kg囲。该熔窑最高能够达到1100t/d为临界熔化能力。全窑砖结构重量约为17200t，属于本热平衡计算内容的砖结构（熔化区、小炉、蓄热室）重量约为138OOt，熔窑运行中窑体结构满负荷散热量为20660kj/s （略有波动）。将所用燃料量换算为单位能耗，逐步增加燃料量分别进行多次热平衡计算。
表9为“熔窑C”的熔化区、小炉、蓄热室系统的基本热平衡计算汇总表。从单位能耗r= 5800kJ/kg囲开始，每次递增1OOkJ/kg囲，到/•= 6500kj/kg昨为止，共提供了8组基本热平衡计算结果。这是对同一座熔窑、熔化能力不变、改变燃料消耗量情况下，出现助燃空气预热温度和排出废气温度逐渐发生变化的不同计算结果。
表9“熔窑C”熔化区、小炉、蓄热室系统基本热平衡计算汇总
指标单位1#2#3#4#5#6#7#8#
单位能耗
kj/kg玻璃58005900600061006200630064006500 kcal/kg玻璃13901410143014601480150015301550
燃料耗量kg/s 2.0801 2.1159 2.1518 2.1877 2.2235 2.2594 2.2952 2.331空气量Nm3/s23.07823.47523.87324.29124.66925.06725.46525.863
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