大型全氧燃烧超白玻璃窑的设计要点和应用.pdf

在各类工业生产中，玻璃生产是碳排放高耗能行业之一,玻璃熔窑是我国玻璃工业中碳排放主要来源，迄今玻璃熔窑采用全氧燃烧在平板玻璃工业中仍占有比例很小。多年来实践证明，在超白玻璃行业采用全氧燃烧技术节约降耗、降低碳排放将是当今时代及未来的发展趋势。0前言我国全氧燃烧单窑从早期生产能力250t/d窑炉一窑两线光伏玻璃生产线，现已发展到单窑生产能力650t/d、750t/d、800t/d、850t/d一窑四线等规模，全氧燃烧光伏玻璃产能3860t/d，占光伏玻璃的总产能的19.5%。每年可节能约17万吨标准煤，其窑内单耗均比相同规模生产能力的横火焰窑型降低25%30%。我国自行设计的超白浮法玻璃生产线，除10多年前从国外引进生产线外，以国内多年实践自行设计的超白全氧燃烧浮法玻璃窑以600t/d为主，现国内自行设计的650900t/d一窑多线超白光伏全氧玻璃窑也投入了使用。与空气助燃窑炉工艺相比，全氧燃烧工艺在熔化过程中飞料大幅度降低，整个玻璃熔制过程工况稳定，澄清区气泡释放彻底，玻璃液均化指数大幅提高，产品质量更加稳定，并向超白浮法光热玻璃方向发展。同样全氧燃烧在超白浮法玻璃窑上，均取得了良好的效果。随着全氧燃烧技术的日臻成熟，预计未来几年全氧燃烧技术在建筑节能玻璃、超白光热、超白光伏，特别是对生产宽板1.62.0mm薄光伏玻璃用全氧燃烧技术是最佳选择。所以，全氧燃烧技术已给玻璃行业的生产带来了根本性的影响，更加显示出全氧燃烧在超白玻璃生产窑炉中节能降耗、低碳排放的优势。1规模设计和应用1.1熔化能力因合理的熔化部池宽度是决定熔窑熔化能力和各类规模熔窑的主要因素，也决定了各窑设计中所需的熔化部的尺寸大小和面积，使熔化部和熔化区的长与宽之比都有一个合理的范围值。全氧窑同样与横火焰窑一样，熔化部和熔化区的长度随池宽有成比例的合理值，而不是可以随意加长或缩短，更不能将大型的全氧窑参照吨位数不高的单元窑型长宽比的要求设计。根据国内引进的各类超白玻璃全氧窑和横火焰窑进行比较，同样生产规模，以国内引进的全氧600t/d生产能力为例：全氧窑设计窑宽为10m不到，相应而以国内传统的横火焰窑设计窑宽要12m以上，如超白玻璃全氧窑熔化部宽度以11m设计，超白玻璃生产需适当加大澄清区的长度。现在运行的750t/d全氧超白光伏玻璃窑，澄清区长度的要求其窑长宽比为K1=3.2为35.2m，所取熔化区K2=2.3进行设计。据统计，该750t/d光伏玻璃全氧燃烧窑炉投入生产后，其天然气单耗小于1170kcal/kg，以全氧燃烧比同规模的传统的横火焰熔窑熔化率可提高25左右。相比大型空气助燃的横火焰窑炉天然气节能约30%，同时烟气量及NOx含量大大降低，NOx最低排放浓度111.5mg/m3，远低于新国标 玻璃工业大气污染物排建筑玻璃与工业玻璃2023，6 -3-放标准（GB 264532022）要求的400mg/m3，NOx排放减少72%以上，温室气体CO2的排放量减少20%以上，相对空气助燃窑炉每年可减少碳排放6100吨左右。根据该窑的多年运行实践，证明对该全氧超白光伏玻璃窑的评估是可行的，并充分显示了全氧窑产品质量和成品率、熔化率高、能耗低等优点，是常规同吨位超白光伏玻璃横火焰窑炉无法比拟的。与我国引进的600t/d全氧超白浮法玻璃窑比较，熔化部宽度为10m不到，长度为27.3m，熔化部长宽比为K1=2.73，应该是比较接近的。其主要差距K1数值中澄清带没刻意地放长，如过度加大澄清区的长度，使熔化部窑内火焰空间所需的单位热负荷降低，影响熔窑的热效率，也是目前国内多数玻璃窑热效率低的重要因素之一。1.2熔化区确立规模较大的全氧窑其熔化区域，即在胸墙两侧设立前后两对水平烟道设置。熔化区的范围是以投料池外边沿至后一对水平烟道中心线外1m的尺寸为准进行计算，也是目前设计全氧玻璃窑窑内熔化区确立的主要方法之一。按上以全氧超白光伏玻璃窑的熔化区长宽比要求控制范围：K2=1.62.4计算作为全氧玻璃窑的熔化区；以窑宽K2值也就是各类规模的全氧玻璃窑的熔化面积。为进一步扩大全氧窑的生产规模，在现有的750t/d窑的基础上，扩大至800t/d、850t/d时,在窑宽不变的情况下，使用类如单元窑长宽比的设计方法，以只增加全氧窑熔化部K1=4的长宽。同时在扩大熔化区面积也同时增加全氧燃烧器的对数达到所需的熔化能力。这也是一些企业在全氧窑推广大吨位生产能力上熔窑采用的方法，主要考虑过宽的全氧窑大碹大砌块砖的使用安全性。通过多年实践是一种行之有效的方法。推荐的900t/d全氧超白光伏玻璃窑设计方案：其熔化部总长38.44m左右，窑宽11.75m。长宽比控制在K1=3.27，熔化区后一对水平烟道外1m计，熔化区长宽比K2=2.2左右，是目前国内自行设计最大的全氧超白光伏玻璃窑一窑五线设计。全氧窑窑宽不超过12m，通过计算应该在设计上是可行的，可确保其安全性。合理的全氧玻璃窑的长宽比，更能体现出其优越性。同时，为能进一步提高全氧窑的熔化能力，可通过加长前后烟道的间距，在不扩大窑宽的条件下，增加熔化面积和熔化区内全氧燃烧器的对数，就可以到达千吨级以上的全氧窑燃烧的生产规模。1.3窑池深度由于超白高透过玻璃中Fe2O3含量低，热透过能力强，因此熔窑内玻璃液在池深方向的温度梯度相对2160175401040070002890256009600217153520011000图 1750t/d 全氧超白光伏玻璃一窑五线平面示意图Architectural&Functional Glass 6 2023-4-较小，池底的温度要高于普通透明玻璃。经有关设计单位通过对超白玻璃窑池深的计算机模拟，认为熔化部池深设计为1.5m池深时，熔化部池底最高温度为1278；如将熔化部池深由1.5m减浅为1.35m时，最高温度升高至1291；如再将熔化部池深减浅1.2m时，且最高温度升高至1318。熔化区至少为1.45m以上，但也不宜过深。1.4池底台阶式结构分析其超白玻璃熔窑池底台阶式结构与玻璃熔化质量的关系。一般情况下，与普通浮法玻璃相比，特别是用全氧燃烧其热气流含水量高，会使玻璃液黏度更小。超白玻璃池底对应热电偶的温度值会比普通玻璃高7080。而这一系列的变化，将会导致池底处玻璃液的相对不动层较浅，透过池底耐火材料到达窑底的温度会较高。高温会对耐火材料的寿命带来一定的影响，同时较大的流速也会增加对池底耐火材料的侵蚀。所以，阶梯式池底的阶梯起点以窑内澄清区为主，一是可限制回流，二是可提高玻璃液表面的加权温度，延长停留时间，确保澄清质量。超白玻璃熔窑池底台阶式结构设计注意点：为进一步改善玻璃液流、减少回流、减少“死区”，采用逐级抬高的阶梯形结构是先进窑炉的基本要求，可实现节能并提高玻璃质量。其基本的方法是在熔窑纵向热点后在澄清带纵向范围至卡脖采用四层次分级抬高。由于超白玻璃透热性能好，窑底温度高，窑内垂直流温差小，不利于微气泡的排放。在设计阶梯形结构时，除窑底钢结构的主、次梁同步抬高的方法处理进行设计外，其熔化部铺面砖均采用双层结构设计。通过多座窑运行的实践证明，窑底使用阶梯形结构使得玻璃液的质量得到明显提高。1.5卡脖宽度要求卡脖是熔化部和冷却部之间的通道，也是平板玻璃窑的主要分隔装置，其作用是减少流向冷却部的热气流和玻璃液流量，并且使玻璃液通过卡脖后能用较少的冷却面积把玻璃液冷却到成形所需要的温度。由于超白玻璃液的特性是透热性高，同时由于全氧燃烧火焰特性会使玻璃液含水分量高，使之在相应的温度条件下玻璃液黏度会比横火焰超白玻璃窑降低得更多，会引起冷却部的玻璃液回流量增大。超白玻璃窑采用窄卡脖设计，多年来设计横火焰时卡脖宽度一直是以其熔窑的宽度40%50%计算。在初期设计超白玻璃窑时降低至35%左右，而长度却在不断加长，最长的有7.5m。设计合适的卡脖宽度和卡脖水包插入玻璃液的深度，为控制熔化部回流和热耗热能采用窄卡脖结构设计，为进一步限制卡脖后的玻璃液回流，增加卡脖前的高温回流，根据玻璃液合理流速计算，尽量采用窄的卡脖结构形式和深层的水冷却分隔设备，大大地减少了冷却部玻璃的回流对熔化澄清带窑底“滞止三角区”玻璃液冲击。11750100038440249002160图 2900t/d 一窑五线的全氧超白高强薄光伏玻璃窑平面示意图建筑玻璃与工业玻璃2023，6 -5-同时，为了布置大水管、吊墙，卡脖必须具有一定的长度。因此，全氧超白玻璃窑卡脖宽度的合理设计和使用到超白全氧玻璃窑上，经过多年和多座窑的验证。根据全氧超白玻璃窑玻璃液流动的特性，其卡脖宽度与窑宽的比例仍可降低。采用窄卡脖更是超白玻璃窑的发展趋势。从各类数据上统计目前在使用的比例：250350t/d全氧燃烧熔窑卡脖宽度/熔化部宽度为12%左右；600850t/d全氧燃烧熔窑卡脖宽度/熔化部宽度20%30%。实践证明，针对全氧超白玻璃窑玻璃液黏度小的流动特性，纵向流动量大的特点，为减少玻璃液的回流，超白玻璃窑采用窄卡脖。选择合理的超白玻璃窑的窄卡脖宽度对窑内降低能耗、提高产品质量和可控制具有积极意义。我们曾在250t/d横火焰超白光伏玻璃窑上，在窑宽为9600mm上，原3000mm卡脖提出调整改建为1200mm窄卡脖，比例为17%，其窑改建再次投产后比原窑炉能耗降低10%，成品率从原65%提高到85%。延长玻璃液在澄清带的停留时间，提高澄清质量，卡脖采用窄卡脖与窑宽比例取20%是可行的。2熔化区燃烧器的合理配置2.1全氧燃烧器的火焰特性全氧超白玻璃窑熔化区燃烧器的合理配置直接与窑的热效率相关，也与全氧超白玻璃窑的熔制工艺的控制特性相关，特别对生产能力较大的全氧超白玻璃窑合理配置熔化区内的全氧燃烧器，是全氧超白玻璃窑内的重要环节。超白玻璃熔制工艺的特性。由于超白玻璃化学组成中的Fe2O3含量远低于普通无色透明浮法玻璃，其工艺特性与普通无色透明玻璃有显著的不同。而Fe2O3含量的变化对玻璃熔化过程热传递有着直接的影响，同时由于全氧燃烧其烟气含水量高，会使玻璃液黏度大幅度降低。增加窑内玻璃液的对流，正是由于超白玻璃所具有的上述玻璃液流动特点，导致玻璃液的澄清和微气泡控制困难，因此，主要反映在超白玻璃的热导率高，透热性好。保证其超白玻璃熔化时要有较强的氧化气氛，以防Fe2O3转化为FeO而着色，影响超白玻璃的透光率。合理确定全氧窑内的熔化回路和澄清回路的热负荷，根据其特性针对性地制订适宜的熔化工艺制度，需对全氧超白玻璃窑熔化区燃烧器的合理配置。大型的全氧超白玻璃窑的熔化区，主要是指前后两对水平烟道区域内全氧燃烧器的合理的布局和分配。2.2现有熔化区燃烧器的配置型式全氧超白玻璃窑熔化区燃烧器的配置大概有三种型式。（1）现国内设计的750t/d，800t/d、850t/d窑宽均11m以上的熔化部，在熔化区域胸墙两侧采用中心交叉排列8对燃烧器。根据熔化区的熔制工艺的要求配置不同功率的燃烧器进行燃气和氧气的流量控制。（2）900t/d全氧光伏一窑五线为确保其窑熔化能力，在水平烟道前加一对“零”号全氧燃烧器，熔化区胸墙两侧采用不同间距顺排5对，中心交叉3对燃烧器排列，共9对燃烧器。（3）第三种排列是在窑宽为11.75m时，在熔化区内均采用了5对等距排列（包括水平烟道前加一对），4对燃烧器不等距交叉排列进行控制。2.3燃烧器配置要点不管窑炉大小，玻璃在熔制过程中的工艺要求是不变的，主要布置在熔化区内。为确保玻璃液熔化质量，每千克玻璃液所需的能耗必需得到保证，其单耗根据熔化率等各种因素决定。通常全氧燃烧器的设计和安装应达到下列要求：（1）所需提供燃料的热值必须稳定。如果热值变化，窑内必需根据相应变化调整供给量和与氧气的比例，确保玻璃液熔化所需的单耗和火焰的稳定及所需的火焰的覆盖面积。火焰的覆盖面积大，使燃料燃烧的热量尽可能多地传递给配合料和玻璃液，尽可能少地传递给上部结构。火焰对耐火材料砌体烧损要尽可能的少。（2）纵向分布的燃烧器对数直接影响到窑内工艺温度曲线的变化。同时不管用多少对数，如果窑内生产量不变的情况下，其单耗是不能变的，所以对数的变化只是对燃料的再分配而已。使用合理的对数量才能确保窑内泡界线位置稳定而清晰，热点温度突出，澄清明亮和干净。才能提供高质量的玻璃液供成形生产用。（3）按现设计窑炉的长度设计配置喷嘴，根据不Architectural&Functional Glass 6 2023-6-同时期的窑炉生产量调整对数量和各对喷嘴合理的能耗分配量，确保窑内所需的工艺作业温度曲线的控制和稳定。2.4全氧燃烧器与玻璃液面的设计高度全氧燃烧器与玻璃液面的设计高度也是全氧玻璃窑设计中一个重要因素。与液面的高度不同直接反映其窑内火焰流动的变化。但在安装全氧燃烧器中全窑个别位置上同样也有相对的下倾角度的要求。其角度控制在5左右，全氧燃烧器均直接安装在胸墙挂钩砖上。根据结构要求，如池墙上口与挂钩砖间隙设计为75mm，挂钩砖前口厚度为220mm，如果用扁平全氧燃烧器其高度为230mm。即75mm+220mm+115mm=410mm池墙上沿与玻璃液面为25mm，所以全氧燃烧器的中心与玻璃液面控制在435mm左右。现大型全氧窑为提高火焰的覆盖面积，均使用扁平型全氧燃烧器，其扩散角比圆柱型全氧燃烧器增大30%左右，提高了燃烧器的热效率，对节能具有积极意义。3其它结构设计3.1投料口玻璃窑炉的投料口是由前脸墙和投料池组成。设计投料池的宽度均控制在熔化部宽度的80%左右，这样可展开投料面，有利于薄层投料和加速配合料的熔化。大型玻璃窑前脸墙现在大都已由原来的双碹单片墙改为L型吊墙。根据L型吊墙的角度30和45，全氧窑由于烟气温度较高，而又为氧化性火焰，建议使用L型吊墙角度为45为适。同时为防超白玻璃配合料中低熔点物质过早熔化，全氧超白玻璃窑投料池要设置预熔池，可将长度适当加长。生产规模较大的全氧窑其投料方式的设计与横火焰窑相同。以熔化部正面纵向投料，其窑投料池的宽度均设计成两侧为池墙砖重叠的结构形式。因为全氧窑燃烧相对比横火焰窑相比其烟气温度要高，同时超白玻璃的熔化速度快，其透热性好玻璃液深层温度高，全氧窑烟气水分含量大，玻璃液黏度更小，使纵向对流增大，对投料两侧的池墙深层的加速侵蚀，设计成两侧为池墙砖重叠的结构形式有利于保护深层的池墙加速侵蚀。同样其池墙的保温结构也要区别于常规的池墙的保温方法。3.2水平烟道内排放的进口截面积这个进口截面积对全氧窑窑内热气流的调节和窑内热平衡具有重要的作用。引进的全氧超白浮法玻璃窑其前一对水平烟道内排放的进口截面积比后一对水平烟道内排放的进口截面积小60%左右。可以理解为因前一对水平烟道的进口截面积过大会使烟气流量增大，其排放的高温烟气对前吊墙冲损的影响较大。同时因靠近生料熔化区是整窑吸热量最大区域，要延长和控制热气流的停留时间，提高热效率。如果进口截面积过大，会使熔化区的热气流大量集中从前烟道排放造成窑内热量过早损失，会影响生料熔化带的熔化质量和增大粉尘的飞扬的同时，更不能平衡窑内热气流对吸热量最大的生料熔化区需求。目前，国内自行设计的在用大型超白玻璃窑包括光伏窑和浮法窑存在两种方式：一是前后烟道进口截面积相同；二是前烟道进口截面积设计时大于后烟道进口截面积，只能通过相关的操作手段调正。3.3水平烟道与前脸墙的距离规模较大的全氧窑，其前一对水平烟道的中心线与投料池前脸墙的距离也要严格控制。由于全氧窑烟气温度高，所以投料池与前一对水平烟道的中心距离控制得长一点。一是可以保证前脸吊墙的使用寿命而又能达到配合料有充分的时间得到预熔的效果；二是以防配合料内助熔剂等过早挥发，影响超白玻璃料的熔化质量。3.4超白玻璃窑冷却部面积浮法玻璃窑在设计中一般强调冷却部的面积大小根据温降来确定，再用冷却部面积与熔化部面积来复核，不同的成形方法有不同的比值。按浮法玻璃窑结构要求，以往均以冷却部面积与熔化部面积之比0.3:1左右。现超白玻璃中全氧窑的设计中其冷却部的面积其设计方法也是相同的，但其比值比现有常规设计要小得多，一般控制在0.20.25:1。所以自行设计的600t/d超白浮法玻璃全氧窑其冷却部面积要小得多，从实际效果来看也确实可行。（下转第13页）建筑玻璃与工业玻璃2023，6 -13-4总结（1）生产能力较大的超白全氧玻璃窑熔化区域的熔化能力可高于一般同类的超白横火焰窑25%，可极大地减少熔窑的建设成本。但全氧超白玻璃窑也要按规律合理选择各类不同的熔化能力熔窑所需的长宽比，包括全氧超白玻璃熔窑的熔化面积和熔化部面积也应有一个合理配比，才能充分体现全氧超白玻璃窑能节能降耗、低碳排放的优点。（2）超白玻璃生产窑炉的设计有其特有的要求，超白玻璃生产中熔化速度快，深层玻璃液温度高，窑内玻璃液对流强特点，在设计也应结合全氧燃烧的火焰特性的变化加以统筹协调平衡。（3）超白玻璃澄清难的特点，要适当扩大澄清带的长度，但不能无限地扩大澄清带的长度。会使窑内单位空间热负荷降低，熔化率与其的生产规模不相匹配，能耗也会有所提高。（4）窑底结构目前有多种形式。现多数超白玻璃窑设计上，包括光伏和浮法玻璃，窑底在澄清带热点后采用阶梯形结构，主要是能更好地控制玻璃液的回流量和降低能耗，其阶梯形结构型式合理设计和使用，也直接影响到超白玻璃的澄清效果，特别是玻璃液的垂直对流微气泡的排放。（5）合适的卡脖结构。从现多座全氧超白玻璃窑的生产实践证明：窄卡脖的推广使用对限制卡脖后的玻璃液回流其实际效果比单纯推广应用澄清带热点后采用阶梯形结构作用更为明显，特别是在全氧超白玻璃窑上更显示其优越性。根据现各类在运行的超白玻璃窑炉数据显示，窄卡脖宽度与熔窑宽度的比值不大于20%，其质量和成品率均高于其他同类型生产线。（6）全氧超白玻璃窑全氧燃烧器在熔化区内合理布置。玻璃熔窑熔化区的加热特性可用熔化区火焰空间容积热负荷指标和熔化区玻璃液面受热强度指标两个指标来衡量。同时熔化区的加热特性与熔窑的熔化能力、单位面积熔化率、单位能耗指标以及熔窑运行寿命（即玻璃熔窑四大技术指标）等密切相关，同样也要对全氧燃烧器在熔化区内热负荷与热强度进行控制。全氧燃烧器在熔化区内合理布置达到区域控制的目的。（上接第6页）O2-（熔体）+SO2（气体）+12O2 SO4-（熔体）SO2的二次溶解同时消耗了玻璃液析出到气泡中的O2，SO2的二次溶解也是这类型气泡压力偏低和N2比例提高的原因。该类型二次气泡的产生往往领先于析晶的出现。如果能够对玻璃生产过程中产生气泡的气体成分进行日常检测，就可以实现对析晶问题的提前预判，从而避免或减少后续的经济损失。3结论-硅灰石是浮法玻璃生产中较为常见的因玻璃析晶而引起的结石缺陷。（1）-硅灰石的形状规则，可以发育成较大尺寸；（2）在偏光显微镜下可以看到鲜艳的正交干涉色，平行消光，两端有层状蚀刻痕迹；（3）-硅灰石析出的晶体化学组成为CaO53.85%和SiO245.59%；（4）-硅灰石的析出经常伴有气泡问题的发生，这主要是由于溶解到玻璃液中的SO2因为玻璃组成的变化二次析出的原因，这类气泡的特征是气泡表面有凝结物，气泡的气体成分中有一定比例的SO2和N2。参考文献1 屈慧.玻璃工艺结石的岩相形态学鉴定M.湖北：武汉工业大学出版社，1989.2 姜宏，赵会峰，王桂荣，等.浮法玻璃固相缺陷显微结构图测M.北京：化学工业出版社，2006.3 伍宏发，高火金.玻璃生产中硅灰石析晶的成因及处理办法J.玻璃，2005，182（05）：4445.4 E.L.Swarts.Gas in GlassJ.46th Conference on Glass Problem，Illinouis USA，1986.5 H.基普生-马威德，R.布吕克纳.玻璃制造中的缺陷M.北京：轻工业出版社，1988.