CN108388759A - 一种马蹄焰玻璃窑能耗建模与局部能耗标杆方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种马蹄焰玻璃窑能耗建模与局部能耗标杆方法，烧空间能耗模型、熔化池能耗模型和蓄热室能耗模型；步骤B，将马蹄焰玻璃窑的墙壁散热损失分为三大控制体边界，建立窑壁散热损失模型；步骤C，通过获取燃烧空间能耗模型、熔化池能耗模型和蓄热室能耗模型的能耗预测数据，建立玻璃窑局部能耗标杆，并通过玻璃窑局部能耗标杆分析马蹄焰玻璃窑的能耗，优化玻璃窑的比能耗。反映了玻璃窑各关键模块能源消耗情况、能源浪费百分比、能耗标杆管理效率以及玻璃窑节能潜力所在，为企业制定切实可行的目标和采取节能降耗工作提供了重要依据。

Description

一种马蹄焰玻璃窑能耗建模与局部能耗标杆方法

技术领域

本发明涉及玻璃窑领域，尤其涉及一种马蹄焰玻璃窑能耗建模与局部能耗标杆方法。

背景技术

蓄热式马蹄焰玻璃熔窑的燃烧空间有一宗火焰流股回转形成U型火焰并在回转处形成热带，由于对火焰长度的限制以及对回转动力的要求，因此该窑形短宽，结构紧凑。玻璃生产是一个高耗能行业，其中玻璃窑耗能量占全厂能耗的80％以上，其能源成本占据总生产成本的50％以上。玻璃窑作为玻璃生产的核心设备，对企业而言，是企业的“心脏”。其普遍存在保温措施方面不够合理、操作工艺水平落后和不尽完善的能源管理造成能流损失严重的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种马蹄焰玻璃窑能耗建模与局部能耗标杆方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种马蹄焰玻璃窑能耗建模与局部能耗标杆方法，包括以下步骤：

步骤A，采集马蹄焰玻璃窑的生产数据，根据物料守恒与热平衡，分别建立燃烧空间能耗模型、熔化池能耗模型和蓄热室能耗模型；步骤B，将马蹄焰玻璃窑的墙壁散热损失分为三大控制体边界，所述三大控制体边界由燃烧空间碹顶和炉墙、熔化池池底和池壁以及蓄热室碹顶和墙壁组成，并建立窑壁散热损失模型；步骤C，通过获取燃烧空间能耗模型、熔化池能耗模型和蓄热室能耗模型的能耗预测数据，建立玻璃窑局部能耗标杆，并通过玻璃窑局部能耗标杆分析马蹄焰玻璃窑的能耗，优化玻璃窑的比能耗。

优选地，所述步骤A中建立熔化池能耗模型具体为：步骤A5，采集马蹄焰玻璃窑的熔化池的生产数据，根据质量平衡原理，在不考虑溢流的情况下输入的配合料总质量流量等于玻璃液质量流量加上玻璃反应产生的气体质量流量，即熔化池的质量平衡为：从熔化池输入输出角度得： 为单位时间输入的配合料质量流量，为单位时间输出的玻璃液质量流量；

从熔化池输入配合料成分角度得： 为单位时间输入的原料质量流量，为单位时间输入的碎玻璃质量流量，为单位时间输入的配合料水分质量流量；步骤A6，根据热平衡原理，熔化池的玻璃液面从燃烧空间中接收热量并将热量用在玻璃液的显热和玻璃反应，从而熔化池能耗模型为：

即

其中h为配合料带入显热，为玻璃熔融反应热，为玻璃液带走的显热，为玻璃反应产生的气体带走的显热，为玻璃窑池与池壁的散热损失，C_batch为入熔化池时配合料的比热，C_glass为熔融时玻璃液的比热，C_batch,flue为玻璃反应气体的平均比热。

优选地，所述步骤C中建立玻璃窑局部能耗标杆具体为：

步骤C1，分别对燃烧空间能耗模型、熔化池能耗模型和蓄热室能耗模型的输入参数进行采样，并将获得的采样数据对应输入到所述燃烧空间能耗模型、熔化池能耗模型和蓄热室能耗模型，利用MATLAB在多个燃烧工艺周期下迭代循环实现逐次代换计算并求解出采样点下的模型输出响应结果；

步骤C2，定义一个燃烧工艺周期为T_b，定义燃烧空间为关键模块A，定义燃烧空间为关键模块A，定义熔化池为关键模块B，定义蓄热室为关键模块C，分别计算出多个燃烧工艺周期下关键模块A、B、C的对应的平均能耗值E_ave、最大能耗值E_max和能耗最小值E_min：

E_max＝maxE_bi，E_min＝minE_bi，T_bi为一批料完成五个熔制阶段并输出该批次玻璃液的燃烧工艺周期数；

步骤C3，计算输入每批配合料的整个马蹄焰玻璃窑的能源基准值，即理论最小能耗步骤C4，获得一批配合料的燃烧空间、熔化池和蓄热室的增值能耗，其中燃烧工艺周期中换向前与换向后的能耗被认为是增值能耗：

E_v＝E_ave-T_bi×60×Q_x,wall，Q_x,wall为各个关键模块的窑壁散热损失；

步骤C5，通过计算增值能耗相对总能耗的比值得到能效，一批配合料的每个关键模块能耗标杆管理效率为最小能耗标杆效率为最大能耗标杆效率为其中E_total为整个马蹄焰玻璃窑***生产一批玻璃液的总能耗。

所述马蹄焰玻璃窑能耗建模与局部能耗标杆方法,将马蹄焰玻璃窑划分为三级结构，即燃烧空间、熔化池和蓄热室，并逐级展开分析建模；然后在能耗建模分析的基础上建立玻璃窑局部能耗标杆，反映了玻璃窑各关键模块能源消耗情况、能源浪费百分比、能耗标杆管理效率以及玻璃窑节能潜力所在，为企业制定切实可行的目标和采取节能降耗工作提供了重要依据。

附图说明

附图对本发明做进一步说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明其中一个实施例的马蹄焰玻璃窑整体结构示意图；

图2是本发明其中一个实施例的马蹄焰玻璃窑热量传递关系图；

图3是本发明其中一个实施例的预测误差关系图；

图4是本发明其中一个实施例的碎玻璃含量对玻璃窑的能效影响图；

图5是本发明其中一个实施例的空气过剩系数对玻璃窑的能效影响图；

图6是本发明其中一个实施例的烟气出口温度与玻璃窑的能效关系图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

本实施例的马蹄焰玻璃窑能耗建模与局部能耗标杆方法，包括以下步骤：

步骤A，采集马蹄焰玻璃窑的生产数据，根据物料守恒与热平衡，分别建立燃烧空间能耗模型、熔化池能耗模型和蓄热室能耗模型；步骤B，将马蹄焰玻璃窑的墙壁散热损失分为三大控制体边界，所述三大控制体边界由燃烧空间碹顶和炉墙、熔化池池底和池壁以及蓄热室碹顶和墙壁组成，并建立窑壁散热损失模型；步骤C，通过获取燃烧空间能耗模型、熔化池能耗模型和蓄热室能耗模型的能耗预测数据，建立玻璃窑局部能耗标杆，并通过玻璃窑局部能耗标杆分析马蹄焰玻璃窑的能耗，优化玻璃窑的比能耗。

所述马蹄焰玻璃窑能耗建模与局部能耗标杆方法,将马蹄焰玻璃窑划分为三级结构，即燃烧空间、熔化池和蓄热室，并逐级展开分析建模；然后在能耗建模分析的基础上建立玻璃窑局部能耗标杆，反映了玻璃窑各关键模块能源消耗情况、能源浪费百分比、能耗标杆管理效率以及玻璃窑节能潜力所在，为企业制定切实可行的目标和采取节能降耗工作提供了重要依据。

蓄热式马蹄焰玻璃窑是玻璃生产中的一种中小型窑炉，设有双通道蓄热室，马蹄焰玻璃窑整体结构如图1所示。马蹄焰玻璃窑炉由小炉、燃烧器、窑炉配料***、投料口、玻璃熔化部、蓄热室、格子体等构成。小炉主要是负责热源的输入，窑炉配料***主要是负责原料的输入，玻璃熔化部又分为两个紧密联系的两部分，上部是燃料的燃烧空间，下部是玻璃熔化池。从小炉的燃烧器喷射出的火焰必须确保与玻璃熔化表面之间有最佳热传递。燃烧空间产生的烟气由闲置喷枪端的蓄热室进入，故蓄热室是余热回收能源循环再利用并预热助燃空气的重要设备。马蹄焰玻璃窑的四大核心模块的热量传递关系如图2所示。

马蹄焰玻璃窑的能源消耗模型的建立是根据热力学第一、第二定律以及质量守恒理论来进行研究的。基于质量平衡和能源守恒，空气质量流量和燃料质量流量以及配合料质量流量的输入总和要等于玻璃液质量流量和烟气质量流量的输出总和；燃料提供的热量和空气的热量的输入总和要等于烟气带走的热量和玻璃液带走的热量与炉壁散热的输出总和：

其中，为单位时间输入的空气质量流量[kg/s]，为单位时间输入的燃料质量流量[kg/s]；为单位时间输入的配合料质量流量[kg/s]；为单位时间输出的玻璃液质量流量[kg/s]；为单位时间输出的烟气质量流量[kg/s]；为单位时间燃料输入热量[J/s]；

为单位时间空气输入热量[J/s]；为单位时间烟气带走的输出热量[J/s]；为单位时间玻璃液带走的输出热量[J/s]；为单位时间窑炉墙壁散热损失[J/s]；C_i，C_j均为对应物质的比热[J/(kg.℃)]；t_i，t_j为温度[℃]。因此对马蹄焰玻璃窑能源消耗模型的建立，转化为对燃烧空间、熔化池和蓄热室这三大关键模块的物料平衡与能源守恒的模型建立。

燃烧空间的输入流是助燃空气和燃料，燃料燃烧产生的热量主要是用于玻璃熔制过程，输出流是烟气，燃烧空间的输出流是蓄热室的输入流。因此，从热力学角度分析，整个马蹄焰玻璃窑炉***燃烧空间的能源消耗主要是由燃料燃烧产生的烟气与玻璃液面吸收净热量，还包括碹顶和墙体散热。本实施例的燃烧空间能耗模型不细致考虑化学反应过程中的燃烧反应和气相流动的细节，并将雾化的重油视为不可压缩流颗粒，利用单粒子轨道模型来处理燃烧空间中的两相流动和燃烧。

优选地，所述步骤A中建立燃烧空间能耗模型具体为：

步骤A1，采集马蹄焰玻璃窑的燃烧空间的生产数据，根据质量平衡原理，燃烧空间质量平衡主要涉及燃料和空气，以蓄热室提供给小炉的空气以及玻璃反应气体为输入流，以烟气为输出流，燃烧空间的主要空气除了蓄热室提供外，还有冷却空气和油雾化空气，进入燃烧空间的燃烧产物由N₂、CO₂、H₂O和SO₂组成，同时考虑燃烧空间的烟气溢流，即燃烧空间的质量平衡为：

其中，为单位时间输入的燃料质量流量，为单位时间输入的助燃空气质量流量，为单位时间输入的油雾化空气质量流量，为单位时间玻璃反应生成气体质量流量，为单位时间燃烧空间产生的总干烟气质量流量；

步骤A2，根据热平衡原理，燃料提供的热量和空气的热量的输入总和等于烟气带走的热量、玻璃液带走的热量与炉壁散热的输出总和，从而燃烧空间能耗模型为：

其中，为单位时间燃料输入热量，为单位时间助燃空气输入热量，为单位时间烟气带走热量，为单位时间玻璃液带走热量，为单位时间窑炉墙壁散热损失，C₁为预热助燃空气进口比热，C₂为预热助燃空气出口比热,C_flue,reg为燃烧空间出口烟气的比热，t₁，t₂,t_flue,reg分别为助燃空气进口温度、助燃空气出口温度和燃烧空间出口烟气温度；

步骤A3，根据燃烧空间能耗模型可知，对于能源输入，需要分析与计算燃料的燃烧热与助燃空气带入热量：

计算所述燃烧空间能耗模型中的单位时间燃料输入热量

单位时间燃料与氧气的燃烧热其中Q_d为燃料的燃值，R_h为每小时燃料的消耗量，R_h＝P·1000·r/Q_d÷24，P为马蹄焰玻璃窑炉的拉引量，r为马蹄焰玻璃窑炉单位能耗；

单位时间燃料带入的物理热其中，t_fuel为重油燃烧前温度，C_fuel为燃料在重油燃烧前温度t_fuel时的比热，C_fuel＝1.74+0.0025t_fuel，重油的比热随着温度的升高而增大，一般为1.88～2.1kJ/(kg.℃)；

从而获得单位时间燃料输入热量

步骤A4，计算所述燃烧空间能耗模型中的单位时间玻璃液带走热量

火焰直接辐射给液面的热量其中，ε_f为火焰黑度，C₀为黑体辐射系数，t_f为火焰温度，F_m为熔化面积；

炉墙通过燃烧空间辐射给液面的热量其中为炉墙对液面的角系数，Q_ef,w为炉墙有效辐射；

液面本身的辐射其中ε_m为液面黑度，t_m为液面温度；被液面反射出去的火焰辐射被液面反射出去的炉墙辐射从而液面的有效辐射为：

则单位时间玻璃液带走热量为：

C_fm为火焰对液面的辐射系数，为火焰对液面的对流换热量。

在实际热工测算时，火焰在燃烧空间内以辐射方式传递的热量占很大比例，而以对流方式传递的热量只占10％不到。燃烧空间炉墙内表面温度t_w是玻璃窑热工计算和操作中的重要数据，其计算公式可根据炉墙热平衡式推得：

助燃空气带入热量要根据理论计算公式算出1kg重油燃料所需要的氧气含量。根据重油化学成分(表1)可知，每种元素与空气助燃发生燃烧反应时要消耗氧气，产生氧化物，产生燃烧生成物即烟气。1kg重油可燃元素以助燃空气助燃时的消耗结果见表2。

表1

根据重油化学成分(表1)，再由1kg重油可燃元素以助燃空气助燃时的消耗结果(表2)，可计算出100kg重油燃烧参与的O₂量与产生的烟气量，计算结果见表3。因此得出1kg重油燃烧消耗的氧气量、空气量及产生烟气量见表4。

表2

表3

表4

由此得出助燃空气带入的热量和燃烧空间总烟气热量(包括燃烧产生烟气的热量和玻璃反应气体带入热量)：其中C₁，C₂，C_flue分别为预热助燃空气的比热和燃烧空间出口总烟气的平均比热[kJ/(m3.℃)]；t₁，t₂，t_flue为助燃空气预热后温度和燃烧空间出口烟气温度[℃]。根据燃烧空间的能耗模型可知，对于能源输出，除了要计算燃烧产生烟气量带走热量，还应该计算出熔化池玻璃液面通过燃烧空间对流换热与辐射传热形式吸收热量这部分热量被称为有效能。

熔化池的玻璃液面从燃烧空间中接收热量，也就是前面提到燃烧空间能耗模型的E_glass那部分，玻璃熔化池接收热量用在玻璃液的显热和玻璃反应。当然，熔化池能源输入还有配合料本身带入一定焓值的热量。热能的某些部分也会被玻璃产生的气体和窑炉墙壁耗热损失，所有的焓和反应热均以标准条件298k为基准，即常温25℃。优选地，所述步骤A中建立熔化池能耗模型具体为：

步骤A5，采集马蹄焰玻璃窑的熔化池的生产数据，根据质量平衡原理，熔化池质量平衡主要输入参数是配合料，配合料主要由原料、碎玻璃和水分组成，其中原料的化学成分被假定为与最终的玻璃成分相同，在不考虑溢流的情况下输入的配合料总质量流量等于玻璃液质量流量加上玻璃反应产生的气体质量流量，即熔化池的质量平衡为：

从熔化池输入输出角度得： 为单位时间输入的配合料质量流量，为单位时间输出的玻璃液质量流量；

从熔化池输入配合料成分角度得： 为单位时间输入的原料质量流量，为单位时间输入的碎玻璃质量流量，为单位时间输入的配合料水分质量流量；

假设玻璃熔融反应后生成的气体主要由CO₂、O₂、H₂O和SO₂组成，则

为单位时间玻璃反应生成气体CO₂、O₂、H₂O和SO₂质量流量[kg/s]；基于原料组合物，物料平衡对所需玻璃组成进行估算，以估算玻璃液的质量流量和反应气体CO₂、O₂、H₂O和SO₂的质量流量，其中碎玻璃是可以循环利用的，故假设没有气体从碎玻璃的熔化中产生；因此原料中碎玻璃百分比的增加那么配合料的气体量也会一定数量的减少，假设对于100％碎玻璃，则配合料没有反应气体产生；CO₂和SO₂气体的主要释放是在玻璃反应温度在900℃～1200℃范围内；在玻璃熔融时达到1400℃的澄清均化过程，一定量的CO₂也会得到释放；因为水是在100℃释放，H₂O的浓度可能在预加热区即附近小炉处更高，待玻璃液流动到后面的熔制阶段就几乎都蒸发完；在这个模型中，CO₂和SO₂气体被假定为均匀释放，而H₂O被假定为在小炉附近处释放；

步骤A6，根据热平衡原理，熔化池的玻璃液面从燃烧空间中接收热量并将热量用在玻璃液的显热和玻璃反应，从而熔化池能耗模型为：

即

其中h为配合料带入显热，为玻璃熔融反应热，为玻璃液带走的显热，为玻璃反应产生的气体带走的显热，为玻璃窑池与池壁的散热损失，C_batch为入熔化池时配合料的比热，C_glass为熔融时玻璃液的比热，C_batch,flue为玻璃反应气体的平均比热。

因此根据熔化池的能耗模型可知，对于能源输出，需要分析与计算玻璃反应形成热(潜热)、玻璃液带走的热量(显热)与反应产生的气体带走的热量以及窑炉墙壁散热。各项热量计算方法如下：玻璃反应形成热(潜热)与配合料的原料组成成分有关。本实施的马蹄焰玻璃窑主要生产瓶罐玻璃，其原料的化学成分与配合料中各原料成分的质量分数见表5所示。设配合料量中的碎玻璃的含量为40％，水分为5％，碎玻璃含量一般低于50％，太高会严重影响玻璃质量。

表5

玻璃的反应热(潜热)包括生成硅酸盐耗热q₁与玻璃成形耗热q₂两部分。根据玻璃反应热平衡计算，生成1kg玻璃液需要1.2kg配合料。经计算其中1kg配合料在熔化池中生成硅酸盐耗热q₁＝334kJ，玻璃成形耗热q₂＝300KJ。100kg配合料经硅酸盐生成阶段和玻璃成形阶段的逸出气体量见表6。反应产生的气体带走热量可由各种逸出气体量乘以对应温度与压力下的比焓(比焓，是单位质量的焓值，单位是J/kg)。

表6

格子体是蓄热室性能的核心，如果带有炉尘的大量燃烧空间烟气进入到蓄热室，将导致很多炉尘沉积在蓄热室的格子体上，这些沉积物造成堵塞，导致传热面积减少和烟气出口温度上升。从而燃烧空间的比能耗也升高。蓄热室的性能通常取决于蓄热室的出口温度，烟气出口温度越低，那么对空气的传热越高。蓄热室出口温度也受环境空气进入烟气中负压的影响，而周围环境空气漏入会导致蓄热室效能下降可能很大。优选地，所述步骤A中建立蓄热室能耗模型具体为：步骤A7，采集马蹄焰玻璃窑的蓄热室的生产数据，根据质量平衡原理，蓄热室从燃烧空间接收烟气，助燃空气通过鼓风机供给蓄热室换热，烟气流和助燃空气流是分开的，在蓄热室中，不需要任何混合，烟囱抽风对烟气流侧的负压导致周围环境空气漏入到蓄热室，当然从助燃空气流的那个蓄热室通道中漏入与溢流的空气量是非常少量的，可忽略不计，从而蓄热室的质量平衡为：

其中，为单位时间流入到蓄热室烟气质量流量，为单位时间蓄热室负压一侧漏入空气质量流量，为单位时间进入蓄热室的助燃空气质量流量，为单位时间烟气出口质量流量，为单位时间经蓄热室预热后助燃空气出口质量流量；

步骤A8，根据热平衡原理，以燃烧空间的高温烟气和负压一侧漏入空气带入的热量作为蓄热室能耗模型的能源输入，以出口废气带走的热量、蓄热室预热助燃空气的热量、蓄热室壁的散热损失与沉积在蓄热室格子体上的炉尘的能源消耗作为能源输出，从而蓄热室能耗模型为：

其中，为高温烟气带入显热，为漏入空气带入显热，为助燃空气带走显热，为出口废气带走显热，为蓄热室墙壁的散热损失，为格子体炉尘耗热损失，为蓄热室负压一侧漏入空气质量流量，h_air,leak为漏入空气单位质量焓值，为助燃空气预热到t₂时的比焓，h_flue,out为蓄热室出口废气比焓；烟气中的原料挥发分带入热量为6％，则高温烟气带入显热为：

C_flue1400℃为烟气气体热容量，T_flue1400℃为烟气气体温度；同理可得出口废气带走显热格子体炉尘耗热损失占蓄热室总能源消耗的2％～5％。

优选地，所述步骤B中建立窑壁散热损失模型具体为：

即

其中，为窑炉碹顶与炉墙墙壁总散热损失，为燃烧空间碹顶与炉墙墙壁散热损失，为熔化池池壁与炉墙墙壁散热损失，为蓄热室碹顶与炉墙墙壁散热损失，为单位时间窑壁散发的热量，C_fw为窑墙外壁与空气间的对流辐射传热系数，t_wi为窑壁外各截面平均表面温度，t_fi为窑壁外周围环境温度，F为散热面积；A_w取决于散热面位置的热传递系数，对于散热面朝上的情况如碹顶A_w＝2.49，对于散热面朝下的情况如池底A_w＝1.29，对于散热面垂直的情况如炉墙A_w＝1.99。

窑炉墙壁散热分为三大控制体边界，由燃烧空间碹顶和炉墙、熔化池池壁和炉墙以及蓄热室墙壁组成。玻璃窑墙壁散热损失一般有三个阶段：一是火焰与内壁面的对流传热和辐射传热；二是保温材料的多层传导传热；三是窑炉外表面与周围环境对流传热和辐射传热。而在玻璃窑炉上，散热损失需要尽量减少，往往用多层材料堆砌炉墙。窑炉壁的综合传热难以准确获得火焰的实际温度及火焰与窑炉内表面的C_fw。

优选地，所述步骤C中建立玻璃窑局部能耗标杆具体为：

步骤C1，分别对燃烧空间能耗模型、熔化池能耗模型和蓄热室能耗模型的输入参数进行采样，并将获得的采样数据对应输入到所述燃烧空间能耗模型、熔化池能耗模型和蓄热室能耗模型，利用MATLAB在多个燃烧工艺周期下迭代循环实现逐次代换计算并求解出采样点下的模型输出响应结果；

步骤C2，定义一个燃烧工艺周期为T_b，定义燃烧空间为关键模块A，定义燃烧空间为关键模块A，定义熔化池为关键模块B，定义蓄热室为关键模块C，分别计算出多个燃烧工艺周期下关键模块A、B、C的对应的平均能耗值E_ave、最大能耗值E_max和能耗最小值E_min：

E_max＝max E_bi，E_min＝min E_bi，T_bi为一批料完成五个熔制阶段并输出该批次玻璃液的燃烧工艺周期数；

步骤C3，计算输入每批配合料的整个马蹄焰玻璃窑的能源基准值，即理论最小能耗

步骤C4，获得一批配合料的燃烧空间、熔化池和蓄热室的增值能耗，其中燃烧工艺周期中换向前与换向后的能耗被认为是增值能耗：

E_v＝E_ave-T_bi×60×Q_x,wall，Q_x,wall为各个关键模块的窑壁散热损失；

步骤C5，通过计算增值能耗相对总能耗的比值得到能效，一批配合料的每个关键模块能耗标杆管理效率为最小能耗标杆效率为最大能耗标杆效率为其中E_total为整个马蹄焰玻璃窑***生产一批玻璃液的总能耗。

建立马蹄焰玻璃窑的局部能耗标杆能够实现对每一个模块的能耗状况细节进行详细分析并有助于确定整个玻璃窑的工艺生产过程中各模块每个周期内不必要的能源消耗，减少每个燃烧工艺周期内各模块相应熔制工艺阶段下的非增值能耗。能耗标杆的确定过程是能源管理规划和能效目标制定的重要先决条件，这也是玻璃窑炉能效优化的重要手段。局部能耗标杆是指在一个特定窑炉工厂的指定玻璃窑设备中设置局部目标。

假设马蹄焰玻璃窑炉一个燃烧工艺周期内的换向前与换向后喷火工艺状态下的生产活动三大关键模块的能源消耗称为增值能耗，这种假设是合理的，因为换向前和换向后期间三大模块的能源消耗对于执行玻璃熔制这个工艺是必要的。由于窑炉内壁长期处在高温环境下使得耐火材料和绝缘层需要计划维护以及周期性产生的烟气循环进入蓄热室通道使得格子体砖需要定期性清扫或更换等诸如此类的异常情况，被认为是非增值活动，包括一个燃烧工艺周期内，蓄热室通道的气流进行换向操作与喷火位置改变操作的工艺状态下三大关键模块产生的能耗称为非增值能耗。整个马蹄焰玻璃窑炉***在多个完整燃烧工艺周期下生产每批玻璃液的全部生产活动所消耗的所有能源称为总能耗。

优选地，步骤C3中理论最小能耗具体为：将多个燃烧工艺周期中不同熔制工艺阶段下的关键模块A、B、C的最小能耗进行求和，得到：T_bs为关键模块A、B、C的燃烧工艺周期中识别的熔制工艺阶段数。

优选地，步骤C5的总能耗E_total具体为：首先，一天未使用时间及非增值能耗为：其中，T_r为完整的玻璃熔制阶段的时间[h]，T_m为平均每日计划维护时间[min]，为窑炉碹顶与墙壁散热损失；然后，计算时间T_w内窑炉墙壁散热损失即可算出非增值能耗部分E_w,将非增值能耗E_w加上增值能耗E_v,从而获得整个马蹄焰玻璃窑***生产一批玻璃液的总能耗：E_total＝E_v+E_w，其中E_v为马蹄焰玻璃窑稳定生产一批玻璃液的增值能耗，E_w为马蹄焰玻璃窑稳定生产一批玻璃液的非增值能耗。

非增值能耗是通过取喷火转换操作时间内(40～60s)窑炉墙壁散热计算得到，还包括玻璃窑计划维护情况下的非增值活动产生的能耗。假设平均每日计划维护时间为T_m，这些能源浪费假定对于每个工作日的剩下未使用时间来说，是连续消耗的。未使用时间可从总时间减去一天中的燃烧工艺周期内的生产时间得一天内喷火转换操作时间再加上维护时间，一批料要经过五个完整的玻璃熔制阶段后才会产出玻璃液。

优选地，还包括步骤C6：通过比能耗评估关键模块A、B、C和整个马蹄焰玻璃窑的能效：比能耗为对于整个马蹄焰玻璃窑来说，m为对应时间段玻璃液的产量，总能耗E_total为对应周期内增值能耗E_v与非增值能耗E_w的总和；对于关键模块A、B、C来说，m为对应时间段窑炉稳定生产出玻璃液的质量或烟气出口量，总能耗E_total为各关键模块对应的能源输出。比能耗是指单位能耗，是一个依赖于时间的评估指标，显示能耗趋势。因此从***角度和工艺角度，窑炉以及各关键模块的比能耗数学表达式可表示为：

SEC_system为整个玻璃窑的比能耗[KJ/kg]；SEC_process为各关键模块的比能耗[KJ/kg]。

实施例二

本实施例以广东某玻璃厂的玻璃窑结构与操作工艺参数以及采集的现场温度与流量数据作为模型输入参数并对实施例一中各关键模块的能耗模型进行求解，再基于能耗模型计算出的各个周期的能耗预测数据建立玻璃窑局部能耗标杆，然后利用局部能耗标杆实现对每一个模块的能耗状况细节的详细分析，进而得出玻璃窑最小SEC，最后对玻璃窑能耗进行局部标杆管理分析，从而确定整个玻璃窑的工艺生产过程中各模块每个周期内不必要的能源消耗，为指导玻璃窑节能优化的实际生产提供理论依据与方法支撑。

燃烧空间能耗模型输入参数见表7所示，在实际燃烧中，要使得燃料能燃烧完全，通常实际的空气消耗量要大于理论空气量，故其中空气过剩系数定义为燃料实际消耗的空气量与理论空气量的比值。

表7

熔化池能耗模型输入参数见表8所示，根据实际热工测定，每批配合料经过五个完整的熔制工艺阶段后平均需要8h才从流液洞产出合格的玻璃液。因玻璃窑开炉生产后需要一天连续24h工作，并且一年之内只有1到2次的维护性关闭。则按马蹄焰玻璃窑100t/d的熔化能力进行计算需要单位时间产出1.157kg玻璃液。根据玻璃反应热平衡计算，生成1kg玻璃液需要1.2kg配合料，经计算其中1kg配合料在熔化池中生成硅酸盐耗热为334kJ，玻璃成形耗热为300KJ。

表8

蓄热室能耗模型输入参数见表9所示。

表9

基于物料守恒和热平衡分析方法，可分别计算出燃烧空间能耗、熔化池能耗、蓄热室能耗。利用MATLAB(Version 7.11.0(R2010b))进行模型仿真分析，该窑炉***涉及64个非线性方程，在MATLAB中实现了一个周期内逐次代换的迭代计算过程。并用MS Excel开发了一个前端可视化程序。

为了验证能耗模型精度以用于马蹄焰玻璃窑局部能耗标杆分析中周期能耗的计算，按照马蹄焰玻璃窑能耗建模分析可得到窑炉生产每批玻璃液总能耗E_total，将模型计算结果与企业数据进行对比分析。以重油为燃料，在进行热平衡计算时，并关闭玻璃窑的各个观察孔。计算时，燃料热值以低发热量热值作为参考，以25℃为参考温度。热平衡测试使用的主要仪器有：智能温度传感器、热电偶、智能温度表、红外辐射高温仪器、烟气分析仪以及各种流量计等。根据从广东某玻璃厂采集到的生产数据，记录企业生产某批玻璃液所需配合料共40.2t，主要成分为原料和碎玻璃，待玻璃窑炉进入稳定工作状态后，以2/3h(用T_b表示)为间隔采集燃料消耗量、玻璃液产量以及环境参数，总记录时间8h。小炉燃料为雾化重油，将采集的燃料消耗数据(kg/h)按照标准煤参数折算(kgce/kg)为热量与模型计算值对比，结果如表10所示，结果显示，该模型所得的结果具有较高的准确度。

表10

通过表10中的数据得到了每个采样周期内的实际燃料消耗值与模型预测值，为了更直观的表示实测值和模型预测值之间的预测误差大小，如图3所示。经对比分析可以发现，马蹄焰玻璃窑能耗模型分析计算得到的窑炉生产每批玻璃液总能耗E_total的平均模拟精度高达91.71％，从图3看出，平均误差率基本稳定在10％以内。分析误差产生的原因为马蹄焰玻璃窑能耗模型并未考虑配合料入窑时配合料中的水分在小炉附近处带走的热量损失。

分别对燃烧空间能耗模型、熔化池能耗模型和蓄热室能耗模型的输入参数进行采样，采样时间间隔为10s，采样次数为33198次，将采样数据输入燃烧空间、熔化池以及蓄热室能耗模型，利用MATLAB在多个燃烧工艺周期下迭代循环实现逐次代换计算并求解出采样点下的模型输出响应结果。

各模块不同工艺阶段的能耗数据如表11所示，分别计算多个燃烧工艺周期下关键模块A、B、C的对应的平均能耗值E_ave、最大能耗值E_max和能耗最小值E_min：

E_ave,comb＝5.427×10⁶kJ,E_max,comb＝5.471×10⁶kJ,E_min,comb＝5.102×10⁶kJ

E_ave,glass＝4.705×10⁶kJ,E_max,glass＝4.744×10⁶kJ,E_min,glass＝4.23×10⁶kJ

E_ave,reg＝1.562×10⁶kJ,E_max,reg＝1.576×10⁶kJ,E_min,reg＝1.344×10⁶kJ

表11

玻璃窑的增值能耗、非增值能耗与能耗标杆数据如表12所示。

表12

得到该马蹄焰玻璃窑及其各模块能耗基准下的最小SEC分别为：4780KJ/kg、2780KJ/kg、3850KJ/kg、1075KJ/kg。同时通过不同操作工况下的关键能耗影响因素如空气过剩系数α、烟气出口温度与配合料中碎玻璃含量对SEC的影响进行仿真分析。为验证最小SEC的可行性，其模型输入参数范围如表13所示，三个关键参数对SEC的影响如图4至图6所示。

表13

由图4至图6可知，每增加10.5％的碎玻璃含量，玻璃窑SEC相应的减少32％，碎玻璃含量为40％，而最小SEC对应的玻璃含量是50％，当然根据实践经验，碎玻璃含量太大也会严重影响熔制质量。而空气过剩系数α每减小25％，玻璃窑SEC对应减少34％，当燃空气过剩系数过低会导致不完全燃烧，能耗反而增大。烧空间内平均温温度于1500℃以上，空气过剩系数每增大10％，热效率就会降低18％。空气过剩系数α为1.25，最小SEC对应的空气过剩系数α是1.1。同样地，蓄热室烟气出口温度每降低50℃，玻璃窑SEC可减少16.7％。结果显示，将配合料中碎玻璃含量控制在45％～50％范围内，不仅保证玻璃熔制质量，同时大大降低玻璃窑能耗；将空气过剩系数控制在1.1～1.2范围内，不仅保证燃烧充分，同时不会产生太过量的烟气以致于增大烟气量带走的热量损失，导致能源浪费；同样地，尽量降低烟气出口温度对玻璃窑的节能降耗具有显著效果。因此基于马蹄焰玻璃窑能耗建模分析及各关键模块的能耗标杆(最小SEC)应用在马蹄焰玻璃窑实际生产过程中是可行的，且具有很大的节能潜力。

由表12可知，非增值活动消耗了大量能源(能源浪费)。其主要原因是由于燃烧空间烟气泄漏与碹顶散热带走不少热量损失，每增加2％的烟气泄漏就会增大1.6％的玻璃窑SEC。燃烧空间平均能耗的标杆管理效率为71.2％，能效为77.8％，可见有必要对失效的保温材料进行计划维护以降低能耗提高能效。同时熔化池平均能耗的标杆管理效率为67.8％，能效为76.2％。可见熔化池中的对流传热损失过大，应设置流液洞并增加窑坎的高度，防止液流回流增大能源消耗，而且由于燃烧工艺周期长，投料口更换位置频繁，导致熔化区的温度制度不稳定，从而玻璃形成耗热损失增大。尤其是蓄热室中，蓄热室平均能耗的标杆管理效率为43.7％，能效仅为47.8％，可见蓄热室格子体堵塞导致蓄热室能源利用不充分，这个未充分利用的问题是很显著的，它的能效最低(小于50％)。因此，局部能耗标杆分析方法可为蓄热室的清洁计划提供决策依据。

对马蹄焰玻璃窑标杆管理前后的结果分析：在未采用标杆管理前，100t/d型马蹄焰玻璃窑一天稳定生产多批次玻璃液的能耗高达44.62×10⁷KJ，通过使用实施例一的局部能耗标杆管理后，玻璃窑的能效提高了24.3％，同时在使用标杆管理后，可以降低很多非增值活动产生的能耗，减少能源浪费，使非增值能耗降低24.7％。建立的局部能耗标杆分析方法所得的4780kJ/kg玻璃液标杆值远低于国家同类型同吨位玻璃窑单位能耗限额6500kJ/kg玻璃液标准，且局部能耗标杆管理效率高达75.3％，平均能效也在67％以上，与国外发达国家平均水平相比也不相上下。因此，实施例一的结合能耗模型的局部能耗标杆分析方法的应用对于优化格子体清洁和窑体漏风密封与保温材料失效修复的工艺计划提供了切实可行的决策依据，加强马蹄焰玻璃窑生产过程的能源管理和节能改造。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种马蹄焰玻璃窑能耗建模与局部能耗标杆方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，采集马蹄焰玻璃窑的生产数据，根据物料守恒与热平衡，分别建立燃烧空间能耗模型、熔化池能耗模型和蓄热室能耗模型；

步骤B，将马蹄焰玻璃窑的墙壁散热损失分为三大控制体边界，所述三大控制体边界由燃烧空间碹顶和炉墙、熔化池池底和池壁以及蓄热室碹顶和墙壁组成，并建立窑壁散热损失模型；

步骤C，通过获取燃烧空间能耗模型、熔化池能耗模型和蓄热室能耗模型的能耗预测数据，建立玻璃窑局部能耗标杆，并通过玻璃窑局部能耗标杆分析马蹄焰玻璃窑的能耗，优化玻璃窑的比能耗。

2.根据权利要求1所述的马蹄焰玻璃窑能耗建模与局部能耗标杆方法，其特征在于，所述步骤A中建立燃烧空间能耗模型具体为：

步骤A1，采集马蹄焰玻璃窑的燃烧空间的生产数据，根据质量平衡原理，燃烧空间的质量平衡为：

其中，单位时间输入的燃料质量流量，为单位时间输入的助燃空气质量流量，为单位时间输入的油雾化空气质量流量，为单位时间玻璃反应生成气体质量流量，为单位时间燃烧空间产生的总干烟气质量流量；

步骤A2，根据热平衡原理，燃料提供的热量和空气的热量的输入总和等于烟气带走的热量、玻璃液带走的热量与炉壁散热的输出总和，从而燃烧空间能耗模型为：

其中，为单位时间燃料输入热量，为单位时间助燃空气输入热量，为单位时间烟气带走热量，为单位时间玻璃液带走热量，为单位时间窑炉墙壁散热损失，C₁为预热助燃空气进口比热，C₂为预热助燃空气出口比热,C_flue,reg为燃烧空间出口烟气的比热，t₁，t₂,t_flue,reg分别为助燃空气进口温度、助燃空气出口温度和燃烧空间出口烟气温度；

步骤A3，计算所述燃烧空间能耗模型中的单位时间燃料输入热量单位时间燃料与氧气的燃烧热其中Q_d为燃料的燃值，R_h为每小时燃料的消耗量，R_h＝P·1000·r/Q_d÷24，P为马蹄焰玻璃窑炉的拉引量，r为马蹄焰玻璃窑炉单位能耗；

单位时间燃料带入的物理热其中，t_fuel为重油燃烧前温度，C_fuel为燃料在重油燃烧前温度t_fuel时的比热，C_fuel＝1.74+0.0025t_fuel；

从而获得单位时间燃料输入热量

步骤A4，计算所述燃烧空间能耗模型中的单位时间玻璃液带走热量

火焰直接辐射给液面的热量其中，ε_f为火焰黑度，C₀为黑体辐射系数，t_f为火焰温度，F_m为熔化面积；

炉墙通过燃烧空间辐射给液面的热量其中为炉墙对液面的角系数，Q_ef,w为炉墙有效辐射；

液面本身的辐射其中ε_m为液面黑度，t_m为液面温度；被液面反射出去的火焰辐射被液面反射出去的炉墙辐射从而液面的有效辐射为：

则单位时间玻璃液带走热量为：

C_fm为火焰对液面的辐射系数，为火焰对液面的对流换热量。

3.根据权利要求2所述的马蹄焰玻璃窑能耗建模与局部能耗标杆方法，其特征在于，所述步骤A中建立熔化池能耗模型具体为：

步骤A5，采集马蹄焰玻璃窑的熔化池的生产数据，根据质量平衡原理，在不考虑溢流的情况下输入的配合料总质量流量等于玻璃液质量流量加上玻璃反应产生的气体质量流量，即熔化池的质量平衡为：

从熔化池输入输出角度得： 为单位时间输入的配合料质量流量，为单位时间输出的玻璃液质量流量；

从熔化池输入配合料成分角度得： 为单位时间输入的原料质量流量，为单位时间输入的碎玻璃质量流量，为单位时间输入的配合料水分质量流量；

步骤A6，根据热平衡原理，熔化池的玻璃液面从燃烧空间中接收热量并将热量用在玻璃液的显热和玻璃反应，从而熔化池能耗模型为：

即

其中为配合料带入显热，为玻璃熔融反应热，为玻璃液带走的显热，为玻璃反应产生的气体带走的显热，为玻璃窑池与池壁的散热损失，C_batch为入熔化池时配合料的比热，C_glass为熔融时玻璃液的比热，C_batch,flue为玻璃反应气体的平均比热。

4.根据权利要求3所述的马蹄焰玻璃窑能耗建模与局部能耗标杆方法，其特征在于，所述步骤A中建立蓄热室能耗模型具体为：

步骤A7，采集马蹄焰玻璃窑的蓄热室的生产数据，根据质量平衡原理，蓄热室从燃烧空间接收烟气，助燃空气通过鼓风机供给蓄热室换热，从而蓄热室的质量平衡为：

其中，为单位时间流入到蓄热室烟气质量流量，为单位时间蓄热室负压一侧漏入空气质量流量，为单位时间进入蓄热室的助燃空气质量流量，为单位时间烟气出口质量流量，为单位时间经蓄热室预热后助燃空气出口质量流量；

步骤A8，根据热平衡原理，以燃烧空间的高温烟气和负压一侧漏入空气带入的热量作为蓄热室能耗模型的能源输入，以出口废气带走的热量、蓄热室预热助燃空气的热量、蓄热室壁的散热损失与沉积在蓄热室格子体上的炉尘的能源消耗作为能源输出，从而蓄热室能耗模型为：

其中，为高温烟气带入显热，为漏入空气带入显热，为助燃空气带走显热，为出口废气带走显热，为蓄热室墙壁的散热损失，为格子体炉尘耗热损失,为蓄热室负压一侧漏入空气质量流量，h_air,leak为漏入空气单位质量焓值，h_air,t2为助燃空气预热到t₂时的比焓，h_flue,out为蓄热室出口废气比焓；

烟气中的原料挥发分带入热量为6％，则高温烟气带入显热为：

C_flue1400℃为烟气气体热容量，T_flue1400℃为烟气气体温度；同理可得出口废气带走显热格子体炉尘耗热损失占蓄热室总能源消耗的2％～5％。

5.根据权利要求1所述的马蹄焰玻璃窑能耗建模与局部能耗标杆方法，其特征在于，所述步骤B中建立窑壁散热损失模型具体为：

即

其中，为窑炉碹顶与炉墙墙壁总散热损失，为燃烧空间碹顶与炉墙墙壁散热损失，为熔化池池壁与炉墙墙壁散热损失，为蓄热室碹顶与炉墙墙壁散热损失，为单位时间窑壁散发的热量，C_fw为窑墙外壁与空气间的对流辐射传热系数，t_wi为窑壁外各截面平均表面温度，t_fi为窑壁外周围环境温度，F为散热面积；

A_w取决于散热面位置的热传递系数，对于散热面朝上的情况如碹顶A_w＝2.49，对于散热面朝下的情况如池底A_w＝1.29，对于散热面垂直的情况如炉墙A_w＝1.99。

6.根据权利要求1所述的马蹄焰玻璃窑能耗建模与局部能耗标杆方法，其特征在于，所述步骤C中建立玻璃窑局部能耗标杆具体为：

步骤C1，分别对燃烧空间能耗模型、熔化池能耗模型和蓄热室能耗模型的输入参数进行采样，并将获得的采样数据对应输入到所述燃烧空间能耗模型、熔化池能耗模型和蓄热室能耗模型，利用MATLAB在多个燃烧工艺周期下迭代循环实现逐次代换计算并求解出采样点下的模型输出响应结果；

步骤C2，定义一个燃烧工艺周期为T_b，定义燃烧空间为关键模块A，定义燃烧空间为关键模块A，定义熔化池为关键模块B，定义蓄热室为关键模块C，分别计算出多个燃烧工艺周期下关键模块A、B、C的对应的平均能耗值E_ave、最大能耗值E_max和能耗最小值E_min：

E_max＝maxE_bi，E_min＝minE_bi，T_bi为一批料完成五个熔制阶段并输出该批次玻璃液的燃烧工艺周期数；

步骤C3，计算输入每批配合料的整个马蹄焰玻璃窑的能源基准值，即理论最小能耗

步骤C4，获得一批配合料的燃烧空间、熔化池和蓄热室的增值能耗，其中燃烧工艺周期中换向前与换向后的能耗被认为是增值能耗：

E_v＝E_ave-T_bi×60×Q_x,wall，Q_x,wall为各个关键模块的窑壁散热损失；

步骤C5，通过计算增值能耗相对总能耗的比值得到能效，一批配合料的每个关键模块能耗标杆管理效率为最小能耗标杆效率为最大能耗标杆效率为其中E_total为整个马蹄焰玻璃窑***生产一批玻璃液的总能耗。

7.根据权利要求6所述的马蹄焰玻璃窑能耗建模与局部能耗标杆方法，其特征在于，步骤C3中理论最小能耗具体为：

将多个燃烧工艺周期中不同熔制工艺阶段下的关键模块A、B、C的最小能耗进行求和，得到：T_bs为关键模块A、B、C的燃烧工艺周期中识别的熔制工艺阶段数。

8.根据权利要求7所述的马蹄焰玻璃窑能耗建模与局部能耗标杆方法，其特征在于，步骤C5的总能耗E_total具体为：

首先，一天未使用时间及非增值能耗为：

其中，T_r为完整的玻璃熔制阶段的时间，T_m为平均每日计划维护时间，为窑炉碹顶与墙壁散热损失；

然后，计算时间T_w内窑炉墙壁散热损失即可算出非增值能耗部分E_w,将非增值能耗E_w加上增值能耗E_v,从而获得整个马蹄焰玻璃窑***生产一批玻璃液的总能耗：E_total＝E_v+E_w，其中E_v为马蹄焰玻璃窑稳定生产一批玻璃液的增值能耗，E_w为马蹄焰玻璃窑稳定生产一批玻璃液的非增值能耗。

9.根据权利要求8所述的马蹄焰玻璃窑能耗建模与局部能耗标杆方法，其特征在于，还包括步骤C6：

通过比能耗评估关键模块A、B、C和整个马蹄焰玻璃窑的能效：

比能耗为对于整个马蹄焰玻璃窑来说，m为对应时间段玻璃液的产量，总能耗E_total为对应周期内增值能耗E_v与非增值能耗E_w的总和；对于关键模块A、B、C来说，m为对应时间段窑炉稳定生产出玻璃液的质量或烟气出口量，总能耗E_total为各关键模块对应的能源输出。