张守和

    国内的日玻行业的炉型选择首先要针对国内能源政策并结合所在区域的具体的能源分布状况；还要结合所熔制生产的玻璃类型和产品附加值；目前还要充分考虑所在地区的环保政策。只有上述三条基本原则确定之后，对于炉型的选择才会有一个基本的判断。
    对于日玻企业采用什么能源，即决定熔制生产选用什么能源炉型最为经济，从目前来看，选用全电熔池窑、全氧燃烧池窑、火焰池窑及火焰+电助熔池窑来生产玻璃各类制品是目前日玻行业的主流技术炉型和技术路线，但是首先必须考虑的应是当地的能源情况（能源定位）及生产什么样的产品（产品定位）。现对目前各主流炉型分述如下：
    一、全电熔窑炉（All-electric furnace）
    现在国内比较成熟的全电熔池窑每天可生产钠钙玻璃60吨左右，每吨玻璃耗电约为858~980kwh。目前国内最大的电熔池窑每天可生产200吨，是云南平板玻璃厂，是全部引进国外技术及设备建造的。从技术观点出发，理论上说应该是没有什么原则可限制电熔池窑的容量，例如，耗电量的多少取决于玻璃中的碱金属含量的多少、保温状况、配合料加入的操作以及冷顶温度的等。但是实践过程中发现，全电熔池炉在实际运行过程中，如果日出料量过大，易于出现“冰芯”现象，也就是池炉的中心区域会出现能量分配不足的现象，专业术语叫做“能量缺口（Energy gap）”，池炉越大此现象越明显，从而对玻璃液的滞留时间、石英砂的熔解质量、玻璃液的混合均匀度及气泡排出等产生负面影响，最终影响玻璃的熔化品质。为了避免“冰芯”现象，各窑炉设计公司都期望通过花盆形状、长方形状等炉型得以减弱此现象，但是效果有待长期实践的验证，因此，钠钙玻璃的全电熔窑的日出料量很少有超过200t/d的，对于熔化精白料的全电炉的日出料量则更少，一般在40t~60t/d的范围之内为最佳。
    全电熔池窑具有以下优缺点：
    优点：1、电熔池窑热效率高, 因为离子导电直接产生焦耳热，能量供给直接，内部直接发热。
    2、由于全电熔池窑都是采用冷顶操作，因此最适宜熔制高挥发物组份的玻璃（硼硅酸盐玻璃、含氟的乳浊玻璃及部分颜色玻璃）。
    3、电熔池窑构造简单, 管理方便, 不需用蓄热室，占地面积小, 大修时间短。
    4、排放污染很少，仅需处理好加料过程中的粉尘即可，不需要另外投入脱硫脱硝等环保设备。
    缺点：1、对电价及电力稳定性敏感。如果当地电价高或经常性断电，即不适宜上电熔池窑。冷顶全电熔炉由于其本身特点最适宜应用于高硼硅玻璃及易挥发组份的玻璃、难熔玻璃，本身并不适宜熔化普通钠钙玻璃，如果当地具有水电等便宜电能可以考虑，如果电价高企则不适宜熔制较低附加值产品玻璃。特别是近期要求提高电价的呼声渐起，更应引起业内的注意。
    2、对与电极相关的耐火材料要求严格，耐火材料，特别是电极砖及熔窑的上层耐火材料质量要求更高。目前国内窑炉寿命在3年左右，如果想增加全电窑炉的使用寿命，采用顶插电极不失为一种明智的选择，但是要面对需要定期更换电极的现实。
    二、火焰池窑（Gas fired furnace）
    火焰池窑属于传统型炉型，发展至今技术路线已经非常成熟。并由于生产能力高、单位消耗低、作业易于自动控制、适合规模化机械化大生产，因此是日玻企业普遍采用的主要窑型。
    1、火焰池窑中的主力炉型当属马蹄焰池窑，此炉型以天然气或煤气、重油等为燃料通过火焰燃烧的辐射加热熔化玻璃，并通过蓄热室结构进行废气余热利用来加热助燃空气保证燃料的充分燃烧，每30分钟左右换向一次，周而复始的保证池炉的稳定运行。目前大池炉每天可生产300~600吨玻璃，熔化温度在1400℃~1600℃左右。多年以来日玻行业基本上采用熔化面积在40~70m2的池窑，近年来有很多大企业为了提高生产效率降低单位能耗，逐步扩大熔池面积，采用100m2左右大池窑，一般是一窑带4条生产线，目前国内最大的马蹄焰窑约180m2左右。
    马蹄焰池窑由于采用辐射加热方式，频繁的换向操作及火焰燃烧的长度及温度分布稳定性的限制，很难应用于高品质玻璃的熔化。例如，国内可以采用此炉型熔制低硼硅药用玻璃的生产，但是对于生产高品质的5.0中性硼硅药用玻璃则远远不能够胜任。
    2、现代平板玻璃企业所采用的都是大型横火焰池窑，这种池窑的池宽可达10~12m，熔化面积超过250m2。最大的可达300平方米，炉窑使用周期8~10年左右，主要用于浮法玻璃的生产。为了进一步提升熔化能力，部分日玻企业借鉴浮法玻璃横火焰池炉熔制技术，采用横火焰池窑生产瓶罐产品。这也是日玻瓶罐玻璃熔窑大型化的必然趋势，也符合国际潮流。例如，德国索尔格公司2020年在英国为Encirc公司所建造的目前世界上最大的900t/d的瓶罐池炉就是采用的横火焰加电助熔炉型。
    3、火焰池窑缺点主要是排放污染，尽管采用环保设备在脱硫方面可以达标，但对NOX排放控制仍有一定的难度,随着国家对环保力度的加大，日常运行过程中要平稳达标的设备设施投资较大，运行成本较高。特别是以天然气替换煤为燃料，氮氧化合物排放更高。从目前国家能源现状看，尚不能取消以煤为能源的火焰池窑，未来政策应是大力发展清洁煤制气为燃料的火焰池窑，以解决国内天然气及电力的不足问题，而不能实行一刀切的政策。
    三、电助熔池窑（Electric boosting furnace）
    电助熔池窑不是一种单一能量输入炉型，也并非是一种完全独立的炉型，它是在用化石燃料加热的池窑作业中，同时向玻璃液中通入电能，使之增加一部分能量，可以在不增大池窑熔化面积的情况下增加产量，也称之为辅助电熔。当火焰加热的池窑生产达到极限时，不能再用提高火焰空间温度的方法来增加产量时，就要考虑采用电助熔的方式，通过电流所产生的焦耳热直接加热玻璃液，不需要提高火焰空间上部结构温度,从而增加炉窑的产量。电助熔池炉一般采用底插电极方式，这对于增加池炉深度，提升熔化池底部玻璃液的温度都有着积极的作用，更适用于难熔玻璃及颜色玻璃的熔制生产。
电助熔系统的使用非常灵活，其电极布置多样，电能输入能量的调节简单易控，可以与马蹄焰池窑、横火焰池窑及全氧池窑配合优化使用，大大丰富了火焰池窑的使用边界，是火焰池窑的有益的拓展和延伸，目前国际上最新的窑炉设计已经大大提升了电助熔电能的输入比例，某种意义上说，已经从电助熔池窑变成了火焰助熔池窑，或者也可称之为“热顶电炉”。
    日玻行业电助熔池炉的用电量通常为每增产1吨玻璃液，大约需提供24kw的电能。如一座普白料池窑，当增加电助熔系统后，其日产量可从原129吨提升约25~30％的产能，增加到160吨左右的出料量，增产效果及经济效益都十分明显。但是电助熔池窑的缺点仍是当地电力价格高低及供应是否充足。
    四、纯氧燃烧池窑（Oxygen fuel fired furnace）
    传统的玻璃池窑，无论以什么为能源，均需要空气进行助燃。因空气中79％的氮气不参与燃烧，既带走了大量热量，还生成了大量的氮氧化合物造成排放污染，增加了日玻企业废气处理的成本代价。在这种情况下有了全氧燃烧池窑的出现，采用氧气助燃，大大降低了废气量和氮氧化合物的产生。以天然气空气助燃池炉为例，天然气：空气约为 1：11，而采用纯氧助燃，天然气：氧气约为1：2.5。
    近代由于制氧技术的进步，液氧及现场制氧技术及装备的发展，氧气价格大幅降低，玻璃企业现场可以很便利的得到稳定的氧气供应，因此全氧燃烧池窑更广泛应用到了更多的玻璃细分领域。
    全氧燃烧池窑兼具了横火焰池炉特点，无马蹄焰池窑缺点的困扰，熔化面积选择余地更大，可从0.24m2~500m2；燃烧平稳，更加充分高效，在燃料消耗不变的状况下, 可以缩短火焰长度和提高火焰黑度系数，更高效的把辐射热量传递给配合料，同时还降低了池炉碹顶温度，减少烧损并提高熔化率和热效率，提升熔化质量，所生产玻璃的单位能耗更低；全氧燃烧池窑最大好处是废气量可减少约70%,企业不再需要花巨资上烟气环保处理系统，所产生的NOX经简单的SNCR处理即可达到国家超低排放标准。
    全氧燃烧池窑目前的缺点是要增加现场制氧氧气站或外购液氧，氧气获得成本直接制约了日玻企业的选择。若所在地电价便宜，则全氧燃烧池窑应是首选，但是其熔池大碹不能采用普通硅砖，对碹顶耐材的质量要求很高。全氧燃烧池窑寿命与所熔制的玻璃品类、耐材质量及日常的操作密切相关，目前日玻行业平均水平约50~70个月左右。除去初期投资和运行成本较高之外，全氧燃烧池窑一般都需要与电助熔或鼓泡系统进行结合，其空间氧气燃烧与底部电助熔能量的有效分布及熔制过程中工艺温度制度的合理制定，对于池炉设计的技术性都提出了很高的要求。
    采用哪种炉型，各日玻企业必须要根据生产什么类型的玻璃及产品的附加值、当地燃料能源现状及环保政策，因地制宜，综合评判，选择最适合的炉型或炉型组合（例如，冷顶电炉与纯氧燃烧池炉结合、纯氧燃烧多级熔化室等等），总之要综合考虑，慎重决策，从而确定出最适合的技术路线，而不能凭主观简单决定。

2021年11月6日于北京

备注说明：
1、［玻璃工艺学］西北轻工业学院；
2、本文得到陈兴孝、石景作、黄荣发、王志立、雷特、李德余、郭勇、杨德博等专家的修改补充。
3、本文最后由杨德博专家编辑改稿。