大型浮法玻璃熔窑热工节能设备节能效果研究

摘要：本文对大型浮法玻璃熔窑窑头、窑中和窑尾三个区域的热工节能设备的节能效果进行了专项研究,第一次提出了“热工节能设备优化集成”的概念。对大型浮法玻璃熔窑的设计和设备选型具有指导性的意义。

大型浮法玻璃熔窑热工节能设备

节能效果研究

王贵祥

摘要：本文对大型浮法玻璃熔窑窑头、窑中和窑尾三个区域的热工节能设备的节能效果进行了专项研究，第一次提出了“热工节能设备优化集成”的概念。对大型浮法玻璃熔窑的设计和设备选型具有指导性的意义。 关键词：浮法玻璃熔窑窑 节能 效果 装备 优化集成

玻璃行业是一个高能耗行业，而玻璃熔窑是玻璃生产线能耗最多的设备，在玻璃生产成本中，燃料成本约占玻璃生产总成本的35%～50%。因此探索浮法玻璃熔窑的节能技术途径，减低玻璃熔化单耗，是各生产厂家在激烈的市场竞争中降低生产成本的主要途径之一。

在浮法玻璃熔窑的节能技术研究方面，目前基本上通过两种途径：1、在燃烧工艺方面作出改进。如富氧燃烧和全氧燃烧技术、电助熔技术和窑底鼓泡技术等。2、在熔窑密封和保温方面下功夫。这包括：熔窑密封隔断技术和全保温技术。本文所要着重介绍的就是浮法玻璃熔窑密封隔断技术。它主要是采用先进节能设备对浮法玻璃熔窑窑头（投料口区域）、窑中（卡脖区域）和窑尾（流液道进口区域）等关键节点进行充分密封和隔断，以减少孔口散热损失和无用对流传热。提高熔窑的热效率，从而降低玻璃单耗，起到节能作用。

本文所指的浮法玻璃熔窑热工节能设备，就是针对熔窑密封隔断技术而开发出来的系列密封和隔断设备。它是通过对浮法玻璃熔窑的密封隔断技术和节能技术进行系统分析和研究，而研发出来的、一套经过优化和集成的浮法玻璃熔窑系列热工节能设备（见图一）。从而针对性地解决大型浮法玻璃熔窑能耗高、密封隔热性能差、设备性能不稳定等问题。极大地提升中国浮法玻璃熔窑的节能技术水平和装备水平。

以下，我们分别就1、投料口区域的密封隔断系统；2、卡脖区域密封隔断系统；3、流液道入口处密封隔断系统等三个区域的节能设备和节能效果作一个简单的阐述：

一、投料口区域的密封节能系统

投料口区域密封节能系统由L型吊墙、挡焰墙和投料口密封装置三个关键

摘要：本文对大型浮法玻璃熔窑窑头、窑中和窑尾三个区域的热工节能设备的节能效果进行了专项研究,第一次提出了“热工节能设备优化集成”的概念。对大型浮法玻璃熔窑的设计和设备选型具有指导性的意义。

摘要：本文对大型浮法玻璃熔窑窑头、窑中和窑尾三个区域的热工节能设备的节能效果进行了专项研究,第一次提出了“热工节能设备优化集成”的概念。对大型浮法玻璃熔窑的设计和设备选型具有指导性的意义。

设备组成（见图二）。它的主要作用是对投料口区域进行密封和覆盖。在三个设备中，45°风冷吊柱式L型吊墙是关键中关键。其决定着投料口密封节能效果的好坏，也是决定熔窑的使用寿命重要因素之一。

1.

2.

1. L型吊墙

前脸L型吊墙用于对投料口上部火焰空间的密封和隔断，是玻璃熔窑关键设备之一。该设备通过多组钢结构吊墙挂体，将耐火砖吊挂在投料口上部，直到阻挡火焰、密封窑体、加速配合料预熔的综合效果。

L型吊墙上世纪八十年代末首次在国内玻璃窑炉上被引进。九十年代初完成国产化。经过近二十年的发展，已经是在国内浮法玻璃熔窑上被广泛普及使用。L型吊墙国产化得成功，极大地促进了中国浮法玻璃技术的发展。用它来取代传统的前脸结构，在浮法玻璃窑炉节能史上具有划时代的历史意义。

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1.1 传统前脸结构存在的问题

传统前脸结构是在投料池的上方采用拱形碹支撑山墙的墙体结构，由于该结构是采用拱形碹作支撑，同时其上方还存在大量荷重。因此传统的结构存在以下的几个问题：

1) 熔窑的窑池宽度和熔化能力等受到制约。由于碹跨的跨度不可能设计

太大，一般最大跨度也只有7m左右，这样投料池的宽度一般也只能设计到7m左右，熔窑的池宽、熔化能力和规模等都受到制约。

2) 前脸的结构稳定性差。由于传统前脸结构在烤窑过程中易出现变形，

导致前脸内倾。同时在生产过程中该处温度不能太高，否则其结构安全性会受到影响。

3) 制约熔窑的使用寿命。由于这种前脸结构稳定性差，也就制约了熔窑

的使用寿命，通常熔窑的使用寿命也只有3～5年。

4) 熔化效果差，热效率低。由于出于安全性考虑，这种结构在正常使用

过程中，该处温度不能太高，同时投料池的长度最长也只有1.5m，投料池也起不到高温预熔效果。在生产过程中通常前两对小炉的负荷也不能开大，这样也就大大地制约了前两对小炉对生料的强制预熔作用。

5) 投料口飞料多，扬尘大，前两对蓄热室格子体易堵塞。由于投料口区

域温度温度低，入窑的配合料不能及时熔化，造成投料口区域粉尘飞扬，同时飞料容易被助燃风吹入对面的蓄热室中，造成格子体的堵塞。

1.2 L型吊墙的优点

采用L型吊墙结构来取代传统的拱形碹加山墙结构，可以针对性的解决传统前墙结构所带来的种种问题，它的应用所带来的优点如下：

1) 满足大型浮法玻璃熔窑宽投料池和等宽投料口的设计需要。用L型吊

墙代替传统的前墙结构，可加宽投料池的宽度及熔窑的宽度，充分实现薄层投料，提高熔窑的熔化能力。

2) 结构稳定性好。用L型吊墙代替传统前墙结构，避免了传统前脸结构

在烤窑过程中易出现变形的影响。使得前脸结构性能稳定。消除了烤窑隐患。

3) 使用寿命长。用L型吊墙代替传统前墙结构，可以大大提高前脸的使

用寿命。使得窑龄从传统设计的3～5年，提高到如今的10～12年。

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而可更换式吊墙的使用可以将吊墙的寿命提高到15年以上。

4) 增加预熔效果，提高熔化效率。采用L型吊墙后，可以在投料口形成

一个预熔区，增加配合料入窑的预熔效果。而且由于取消了老式的前脸结构，采用高配置的耐火材料作前脸吊墙。可以提高前脸的设定温度（前脸温度可以提高到1450℃），进一步促进配合料的预熔化。另外，L型吊墙鼻部呈45°反射角，可以将窑内传过来的辐射热有效地反射到配合料的料堆上，提高了配合料的预熔温度，明显提高预熔效果和熔窑热效率。

5) 减少飞料对前两对蓄热室格子体的堵塞。L型吊墙的使用，提高了投

料口的预熔温度，加速了配合料入窑后的熔化。而且由于加大了1#小炉到前墙的距离，使得配合料入窑后，推进到1#和2#小炉时，基本已经完成物化反应，即粉料已经全部泡沫化。因此大大地减少了粉料被吹进1#和2#小炉及蓄热室的可能性。减少了飞料堆前两对蓄热室格子体的堵塞，增加了蓄热室格子体的使用寿命。

1.3 L型吊墙的节能效果：

由于采用L型吊墙后，熔窑的前两对小炉热负荷可明显提高，投料口区域玻璃液的温度也就相应得到提高。由于窑内配合料的熔化其热量主要来源于两个方面：一方面是来自配合料上方的热辐射，另一方面是来自玻璃液与配合料之间的对流热交换。采用L型吊墙后由于窑池可明显加宽，配合料的覆盖面明显加大，其接受上下两面的热源面积就相应地加大。

采用传统前脸结构，熔窑的规模最高仅能做到300t/d，所以我们以300 t/d浮法窑使用L型吊墙前后的节能效果比较。并以此类推至大型浮法玻璃熔窑上。

在300t/d浮法玻璃熔窑中，采用传统结构时，受传统前脸拱形碹的制约，在窑头结构设计上，与采用L型吊墙有明显的区别，而且由于前两对小炉的热负荷不能充分发挥作用，前脸的温度设置也受到制约，熔窑的热效率明显低。具体参数见下表：

我们可以计算一下采用传统结构和采用L型吊墙结构时，配合料吸收热量的变化：

如仅考虑辐射传热，则辐射传热热流为：

Q=C·F·[(T1/100)4-(T2/100)4]

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300t/d浮法窑采用传统结构和采用L型吊墙时的结构参数对照表

式中 Q为配合料吸收的热量（kJ）；

T1为火焰的温度（K）；

T2为配合料的温度（K）；

C为综合辐射系数（kJ/m2hk4）；

F为加热面积（m2）

采用传统前脸结构时, T1≈1300+273=1573K，T2≈750+273=1023K，则

Q≈50271 C·F (W/m2)

采用L型吊墙结构时, T1≈1450+273=1723K，T2≈1050+273=1323K，则

Q≈57497 C·F (W/m2)

由上可知，单从配合料上方的热辐射来说：采用L型吊墙结构后其热流就可增加14%左右，这还不考虑窑宽加宽和火焰覆盖面积增大对熔窑的热效率的影响。对于同样300t/d级的浮法玻璃熔窑，采用传统前脸结构其热耗约为2300～2500kcal/kg，而采用L型吊墙后其热耗可降至2000 kcal/kg以下。对于日熔化量在600～1000t/d大型浮法玻璃熔窑，则其热耗可降至1250～1450 kcal/kg。L型吊墙结构所带来的直接节能效果以5%计，也可以节约热耗65～76 kcal/kg。对于900t/d熔窑而言，每天可节约重油6～7吨。

2. 剪式独立吊挂挡焰墙

传统的L型吊墙都用对开式水冷门（即水包）作为吊墙下方孔口的密封和隔断。但是水包的寿命短、易损坏、易漏水，容易造成吊墙砖的炸裂。在出现意外断电时，还容易造成水包内残留水被高温汽化，发生水包爆炸的危险。在实际生产过程中，绝大多数吊墙是无法更换的。这样就会影响窑炉的寿命。另外水包中的冷却水会带走大量的热量，不利于熔窑的节能要求。

以900t/d浮法玻璃熔窑为例，投料口水包冷却水量约为48t/h,某厂冷却

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水包进口水温为29℃，出口温度为41℃

根据冷却水带走热量计算公式：

Q=4.18×m×(t2-t1)

式中 Q为水冷门带走的热量（kJ/h）；

m为冷却水量（kg/h ）

t1、t2为冷却水进出口的温度（℃）

那么，吊墙水包冷却水带走的热量为：

Q=4.18×48×1000×(41-29)

=2.41×106 (kJ/h)

每天有前脸吊墙水包冷却水带走的油耗为（重油热值为9600Kcal/kg）：

2.41×106×24÷（9600×4.18）=1441kg≈1.44吨重油

综上所述，用对开式水包作为吊墙下方的密封，不但有安全隐患，而且会带走大量的热量，对浮法玻璃熔窑的节能非常不利。在这种背景下，一种代替水包的“剪式独立吊挂挡焰墙”应运而生。具体的说，就是将挡焰墙分成若干个独立吊挂的模块，每个模块由一块挡焰砖和剪式吊挂结构组成，这个单元组合采用剪刀叉式的卡钩分别卡住挡焰砖的两侧，在挡焰砖重力的作用下，将剪刀叉式的卡钩收紧并紧紧夹住挡焰砖。剪刀叉式的卡钩的上端设计成一个吊环，并通过这个吊环吊挂在支撑梁上。在某一块挡焰砖烧损需要更换时，可以方便的取下吊环，将挡焰砖换掉，在换上新的挡焰砖，重新紧固在剪刀叉式卡钩上，并挂在支撑梁上即可。支撑梁吊挂在对开式吊挂系统上，可以通过这个吊挂系统可以方便的调节挡焰墙的高度或拉出检修。

这种剪式独立吊挂挡焰墙结构的优点是：1）能够充分实现吊墙下的孔口密封和火焰隔断。避免了用水包作挡焰设备时，其中的冷却水带走大量的热量。具有良好的节能效果。2）热修和维护方便，可以做到即损即换。3)无安全隐患。

南方某厂700t/d浮法玻璃熔窑L型吊墙投产初期用的是吊墙冷却水包，后来在生产过程中换成挡焰墙结构。在拉引量和其他工艺参数不变的的情况下，更换后成挡焰墙后比更换前使用吊墙水包时减少油耗1.4吨/天。与我们计算结果基本相符（700t/d投料口与 900t/d投料口宽度相差只有0.8m，两者相差不大）。因此可以认为，在大型浮法玻璃熔窑中，用挡焰墙代替挡焰水包，其节能效果是非常明显的。

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3. 全钢结构投料口密封装置

在大型浮法玻璃熔窑投料口区域，仅仅采用L型吊墙和挡焰墙作为投料口区域的密封和隔断是不完备的，受投料机投料行程（即投料机的最大推进距离）的制约，L型吊墙前端一般留600mm左右的敞开区（见图一）。

这个敞开区的存在，一方面加大了投料口区域附近的粉尘飞扬，污染窑头附近的工作环境，同时一些轻质小料的飞逝，也将会影响玻璃配合料的成分，对配合料的熔化效果和玻璃质量都会有微妙的影响。另一方面敞开区的存在也增加了玻璃熔窑的散热，不利于熔窑的节能。所以，开发一种既能降低玻璃熔窑窑头粉尘污染，保持玻璃熔窑清洁生产；又能降低窑头散热，满足玻璃熔窑节能需要的投料口全密封装置，就显得尤为迫切。

正是在这种背景下，全钢结构投料口密封装置被适时开发出来。这种密封装置与投料机和挡焰墙相配合，将投料机及吊墙前端的投料口敞开区完整的密封与覆盖。

具体的说，投料口密封装置主要包括以下两个系统：对开式吊挂系统和对开式空气冷却箱。对开式吊挂系统主要由导轨、吊架和支撑牛腿组成。主要起调节高度和方便拉出检修的作用。对开式空气冷却箱与投料机和挡焰墙相配合，主要作用是完成对投料口敞开区的密封与覆盖。

全钢结构投料口密封装置的主要优点是，与L型吊墙和挡焰墙相配合，最大限度地完成了投料口区域的密封与覆盖。从而充分满足投料口区域的节能降耗的需要。大大改进投料口区域的工作环境，减少粉尘飞扬，对玻璃配合料熔化质量的提高以及实现清洁生产，都有及其重要的意义。

综上所述，投料口区域密封节能系统经过多年的研究该进和优化集成，已经形成了一套节能效果好、安全稳定性高、性价比优的、具有多项自主知识产权的系列节能设备组合。这套投料口密封节能系统经过在数条大中型浮法玻璃熔窑上投放运行后，起到了良好的节能效果。

二、卡脖区域密封隔断系统

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大型浮法玻璃熔窑卡脖区域密封隔断系统（见图三），是由双J型吊墙和 卡脖吊平碹组成。双J型吊墙是将卡脖进口和出口处独立碹加山墙的老式结构，采用两个互相对称的J型吊墙来替代。卡脖吊平碹是将原来老式的卡脖矮碹结构用数组高低错落的吊平碹组来取代。这种取代的最终目的都是最大限度的压低卡脖上部空间，实现熔化部与冷却部充分隔断。既能减少熔化部温度和压力的波动对冷却部的影响，又能防止冷却部稀释风吹向熔化部，从而降低熔化部的温度。

2.1 传统卡脖上部空间结构存在的问题

传统熔化部后山墙（即卡脖进口处的山墙）和冷却部前山墙（即卡脖出口处的山墙）和老式的前脸结构一样，都是在卡脖上方采用拱形碹支撑山墙的墙体结构，由于该结构是采用拱形碹作支撑，同时其上方还存在大量荷重。因此存在以下的几个问题：

1) 山墙的结构稳定性差。由于传统卡脖进口和出口处的山墙结构是在卡

脖上方采用拱形碹支撑山墙的墙体结构，烤窑过程中易出现变形，导

摘要：本文对大型浮法玻璃熔窑窑头、窑中和窑尾三个区域的热工节能设备的节能效果进行了专项研究,第一次提出了“热工节能设备优化集成”的概念。对大型浮法玻璃熔窑的设计和设备选型具有指导性的意义。

致山墙内倾。

2) 空间隔断效果差，影响玻璃成型质量。老式的卡脖进出口拱形碹和矮

碹，在碹拱下方存在一个拱形空间通道。不利于熔化部和冷却部的空间隔断。难以减少熔化部温度与压力的波动对成型的影响。从而影响玻璃的成品率。

3) 节能效果差。由于老式结构存在一个拱形的通路，使得工作部稀释风

（冷风）由于窑压的作用吹向熔化部。从而降低了澄清部的温度，增加了熔窑能耗。另外在熔窑换火瞬间，熔化部的温度和压力波动较大，通过这个拱形通道，可以将熔化部温度与压力的波动传递到工作部（即冷却部），从而对造成成型工艺的影响。也因此进一步影响到玻璃品质。

2.2 双J型吊墙及卡脖吊平碹的优点

采用双J型吊墙结构和卡脖吊平碹来取代老式的卡脖上部空间结构，可以针对性的解决传统前墙结构所带来的种种问题，它的应用所带来以下优点：

1) 结构稳定性好。用双J型吊墙代替传统的拱形碹支撑山墙的墙体结构，，

既取消了影响山墙稳定性的拱形碹，又将超长山墙分成三段（即J型吊墙和两侧的翼墙），有效防止由于结构问题导致山墙在烤窑过程中易出现变形，出现山墙内倾的现象。

2) 分隔效果好。由于取消了拱形碹，在卡脖进出口处采用J型吊墙以及

在卡脖中部采用吊平碹来取代老式卡脖上部矮碹结构，充分压低卡脖上部空间，既可以防止熔化部压力波动对工作部成型的影响，又可以减少冷却部稀释风吹向熔化部，导致澄清部的温度降低。

3) 节能效果明显。老式的卡脖独立碹加矮碹的结构，其在能耗上的缺点

主要表现在两个方面：

1 熔化部在换火的瞬间，由于窑压瞬间突然变大而导致热气流通○

过卡脖进口独立碹和矮碹，从卡脖孔口，诸如深层水包孔口和水平搅拌器孔口溢出，造成溢流热损失。从而增加能耗。

我们可以计算一下根据我们热工测定的数据，使用传统独立碹加

矮碹卡脖结构，在卡脖处的孔口（深层水包和搅拌口）的热损失为

4.86×104KJ/h。采用双J型吊墙和卡脖吊平碹结构后，卡脖处孔口热损失1.25×104KJ/h。因此，我们可以认为节约了3.61×104KJ/h

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的热量。

2 在熔化部窑压平稳后，由于冷却部压力大于熔化部，造成稀释○

风通过卡脖通过卡脖吹向澄清部，造成澄清部温度降低，从而增加能耗。以900 t/d浮法玻璃熔窑为例，稀释风量为4500m3/h,澄清部末端温度设定为1380℃，采用传统结构时，假定有40%温度为1000℃的稀释风从冷却部吹向澄清部（气体升温按升至1300℃考虑），那么将会多消耗的热量为：

Q=（C1T1-C2T2）V

式中Q为稀释风吸收的热量（kJ）；T1为稀释风在冷却部的温度（K）；

T2为稀释风在澄清部的温度（K）； C1为气体在1000℃（即

1000+273=1273K）平均热容量，约为0.3367（kcal/m3·℃）； C1为

气体在1300℃（即1300+273=1573K）平均热容量，约为0.3447（kcal/m3·℃）；V为气体标态体积（m3）

Q =（0.3447×1573-0.3367×1273）×4.18×4500×40%

=854681KJ/h （相当于500kg重油/天）

采用双J型吊墙加卡脖吊平碹的结构形式后，可以充分压低卡脖上部空间，防止冷却部稀释风吹向熔化部。实现每天节约500kg重油的节能效果。

大型浮法玻璃熔窑卡脖区域密封隔断系统,既可以实现熔化部与冷却部的充分隔断，减少熔化部换火是温度和压力的波动对冷却部的影响。稳定工作部成型工况。提高玻璃成品率和优质品率。又可以隔断冷却部稀释风吹向澄清部的通道，起到良好的节能效果。

三、 流液道入口处密封隔断系统

流液道入口处密封隔断系统是指在冷却部山墙后、流液道入口处平直段部分上部空间的密封隔断装置。我们称之为流液道吊平碹。它主要有一组吊平碹组成。吊平碹与卡脖吊平碹一样，采用水包梁作支撑，耐火砖通过吊钩挂在水包梁上。

用流液道吊平碹来代替流道碹，可以充分压低流道的上部空间，实现流道上部空间的隔断和覆盖。防止工作部的稀释风在窑压的作用下，夹带一些脏东

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西吹到流道的安全闸板上。这些脏东西会在以后的生产过程中滴落下来，从而影响玻璃液的成型质量。其次，在流道上部采用流道吊平碹代替流道碹，可以增加流道上部结构稳定性。同时由于流道吊平碹的结构整体独立性，可以在需要的时候，进行方便的维修和更换。

综上所述，经过优化集成的大型浮法玻璃熔窑关于窑头、窑中和窑尾三个区域的系列热工节能设备，能够极大的满足窑炉密封和隔断的需要，具有良好的节能效果。其直接节能效果大约可降低8～10%左右的燃料消耗。从而满足了大型浮法玻璃熔窑节能降耗的需要。既能达到节能减排的目的，又能降低生产成本、提升产品竞争力。

此外，由于采用了三大系列热工设备，使得窑炉功能区划更加独立和完善，各功能区作用更加显著。对维持窑炉工况的稳定，提高玻璃生产的合格率和优

质品率，以及提高熔窑使用寿命，都有及其重要的作用。

摘要：本文对大型浮法玻璃熔窑窑头、窑中和窑尾三个区域的热工节能设备的节能效果进行了专项研究,第一次提出了“热工节能设备优化集成”的概念。对大型浮法玻璃熔窑的设计和设备选型具有指导性的意义。

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