格子體設(shè)計(jì)是整個(gè)玻璃熔窯設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。設(shè)計(jì)優(yōu)良的格子體能夠充分提高助燃空氣的預(yù)熱溫度，使燃料產(chǎn)生更高的燃燒溫度，對(duì)整個(gè)熔窯有助燃、助熱作用。能夠更多回收煙氣余熱、排出廢氣溫度更低。能夠減少燃燒廢氣量，從而減少氮氧化物、硫及其氧化物、煙氣粉塵等有害物的排放，對(duì)環(huán)境保護(hù)有比較明顯的作用。
1、蓄熱室格子體的基本情況
玻璃熔窯蓄熱室格子體采用標(biāo)準(zhǔn)格子磚砌筑，磚材尺寸統(tǒng)一、價(jià)格便宜、交貨期短。用于生產(chǎn)格子磚的耐火材料應(yīng)具有較高的密度、較大的熱導(dǎo)率，以便使格子體具有足夠的儲(chǔ)熱、換熱能力。設(shè)定好助燃空氣預(yù)熱溫度和排出廢氣溫度是進(jìn)行格子體設(shè)計(jì)的重要前提條件。
蓄熱室的功能是將玻璃熔窯熔化區(qū)爐膛排出的煙氣余熱交換給助燃空氣，進(jìn)行余熱回收。格子磚的類型、排列方式、格子體孔徑尺寸大小、壁厚(磚厚)、格子磚材料都對(duì)格子體的傳熱性能有影響。燃料的種類對(duì)煙氣輻射起很大作用，也是影響格子體傳熱性能的因素之一。
從熱工技術(shù)的角度來說，格子體孔徑尺寸大小對(duì)熱交換有直接影響，體現(xiàn)為孔徑越小格子體單位受熱面積和熱交換能力越大。但從運(yùn)行角度分析，孔徑越小氣體流動(dòng)阻力就會(huì)增加，并且由于配合料中的超細(xì)粉末或滴落的爐渣而堵塞的可能性也增加，就會(huì)影響格子體的換熱能力。
2、玻璃熔窯蓄熱室格子體的工況條件
玻璃熔窯蓄熱室的工況條件十分惡劣，既要承受高溫堿蒸氣、煙氣和多種固體飛料的侵蝕;又要承受助燃空氣和煙氣換向中的冷熱沖擊;下部的磚材還要承受上部磚材的重壓。大體可分為以下情況：
① 高溫堿蒸氣、煙氣的氣體侵蝕;
② 配合料中的酸、堿性粉塵飛料, 燃料中的有害雜質(zhì)等的固體侵蝕;
③ 冷凝區(qū)內(nèi)液體硫酸鹽作用下的液體侵蝕;
④ 換向引起的溫度交替變化中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、熱應(yīng)力導(dǎo)致磚材產(chǎn)生疲勞破壞;
⑤氧化、還原氣氛中產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)使磚材的結(jié)構(gòu), 晶相破壞;
⑥處在下層的磚材承受其上層磚材的重壓,產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力。
3、格子體的支撐層
蓄熱室格子體不能直接砌筑在爐條碹找平磚上，因?yàn)槿鄹G橫向相鄰爐條碹的中心線間距尺寸是格子體模數(shù)的2倍，而爐條碹的寬度尺寸只有150 mm，其間的間隔尺寸一般要超過格子磚的外形尺寸，一道爐條碹不能直接同時(shí)承托左右兩排格子磚。所以采用一層格子體支撐磚進(jìn)行過渡，在結(jié)構(gòu)學(xué)上這相當(dāng)于在相鄰兩道爐條碹之上增加了一層過渡小梁，在支撐磚之上才能按格子體模數(shù)碼砌格子磚。
格子體支撐磚為兩端帶卡臺(tái)的倒凸字形，支撐磚的上部長(zhǎng)度約為格子體模數(shù)的2倍尺寸，下部的卡臺(tái)長(zhǎng)度約為兩道爐條碹之間的間隔尺寸。支撐磚要按格子體模數(shù)尺寸均勻地碼砌在爐條碹找平層頂面上方，這樣既能將相鄰兩道爐條碹以卡臺(tái)長(zhǎng)度為間隔加以固定，又能使支撐磚頂面構(gòu)成適合格子體模數(shù)的碼砌平臺(tái)。
格子體支撐磚倒凸字形的上部長(zhǎng)度尺寸要比格子體模數(shù)的兩倍尺寸略小些，因?yàn)橐紤]熱膨脹，一般需要減去5 mm的間隙尺寸。靠近內(nèi)、外側(cè)墻的格子體支撐磚，其兩端卡臺(tái)尺寸不同，磚長(zhǎng)尺寸也略不同，需要根據(jù)不同情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。蓄熱室格子體的高度尺寸包含支撐層的高度尺寸。
4、玻璃熔窯蓄熱室格子體的孔徑尺寸
為了達(dá)到設(shè)定的助燃空氣預(yù)熱溫度，玻璃熔窯蓄熱室必須具有相適應(yīng)的格子體體積及其換熱面積。格子體孔徑尺寸對(duì)格子體的體積、以及格子體的長(zhǎng)、寬、高尺寸起重要作用，對(duì)格子體的換熱效率也起重要作用。
根據(jù)國(guó)內(nèi)玻璃配合料超細(xì)粉含量較高的實(shí)際情況，蓄熱室格子體孔徑尺寸應(yīng)為 150～ 170 mm。國(guó)內(nèi)大多數(shù)玻璃熔窯的實(shí)際情況基本是筒形磚160 mm/條形磚165 mm格子體孔徑，這是長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐優(yōu)化得出的結(jié)果，已經(jīng)成熟定型了。
5、蓄熱室格子體水平斷面面積的“合理值”
格子體體積由格子體水平斷面面積和格子體高度乘積決定。格子體水平斷面面積與小爐對(duì)數(shù)、小爐中心線間距尺寸和蓄熱室內(nèi)寬尺寸密切相關(guān)。不同噸位、不同能耗玻璃熔窯蓄熱室的格子體水平斷面面積都應(yīng)有相應(yīng)的“合理值”。這個(gè)合理值并不是唯一確定的數(shù)值，而是在范圍比較窄的區(qū)間里的不連續(xù)、但比較接近的若干個(gè)數(shù)值。
這是因?yàn)楦褡芋w的長(zhǎng)度和寬度尺寸都是按格子磚的模數(shù)尺寸排列規(guī)則確定的，不同類型格子磚的孔徑、壁厚尺寸構(gòu)成不同的格子磚模數(shù)，按此模數(shù)尺寸排列出來的格子體的長(zhǎng)寬尺寸數(shù)據(jù)必定都是不連續(xù)的數(shù)字，則格子體的長(zhǎng)度和寬度尺寸的乘積就更不連續(xù)了。根據(jù)格子磚參數(shù)的多樣性，在此采用“合理值”這一概念比較確切。
如果小爐對(duì)數(shù)、小爐中心線間距尺寸、蓄熱室內(nèi)寬尺寸這三項(xiàng)中的某一項(xiàng)(或幾項(xiàng))設(shè)計(jì)不得當(dāng)，就可能使格子體水平斷面面積偏離“合理值”范圍，就會(huì)造成整個(gè)格子體的每個(gè)格子孔內(nèi)氣流分布量產(chǎn)生變化，氣流速度也產(chǎn)生變化，進(jìn)而引起整個(gè)格子體換熱系數(shù)的變化。從目前國(guó)內(nèi)玻璃熔窯蓄熱室實(shí)際情況來看，比“合理值”偏小的情況極少，而偏大的情況比較多。
比“合理值”偏小了就需要增加格子體的高度，否則格子體換熱能力不足;如果比“合理值”偏大了，格子體的每個(gè)格子孔內(nèi)的氣體流量就會(huì)減少，氣流速度也降低，格子體的換熱系數(shù)也會(huì)降低。雖然加大了格子體的水平斷面積進(jìn)而增大了格子體體積，但格子體的實(shí)際換熱能力并不是成比例地提高，甚至沒有提高多少。若比 “合理值”偏大了太多，可能需要單位能耗增加很多，才能保證熔窯的正常運(yùn)行。
6、格子體的高度尺寸
玻璃熔窯蓄熱室格子體的高度尺寸是隨著時(shí)間的推移在逐漸加高的。早期的玻璃熔窯蓄熱室格子體高度是很低的，這主要是由于當(dāng)時(shí)的格子體耐火材料性能所限。后來逐步加高，在50～60年前，空氣蓄熱室格子體高度已達(dá)到了5～6 m，在30～40年前，空氣蓄熱室格子體高度已達(dá)到8 m左右，今后仍可繼續(xù)加高。
隨著蓄熱室格子體耐火材料性能的不斷提高，以及節(jié)能減排要求的日趨緊迫，應(yīng)將格子體繼續(xù)加高一些。當(dāng)今國(guó)內(nèi)多數(shù)玻璃熔窯蓄熱室格子體高度為8 m左右，對(duì)應(yīng)的助燃空氣預(yù)熱溫度為1 100 ℃左右，排出廢氣溫度為600 ℃左右。若將格子體加高到9～10 m，可將助燃空氣溫度提高到1 200 ℃左右、排出煙氣溫度降低到500 ℃左右，即可實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減排各達(dá)到5%左右。當(dāng)然隨著蓄熱室格子體的加高，廠房基建投資也要增加，這就需要統(tǒng)籌考慮了。
7、玻璃熔窯蓄熱室格子體設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)做法
格子體內(nèi)的傳熱情況很復(fù)雜，屬于不穩(wěn)定傳熱，采用傳熱計(jì)算來進(jìn)行格子體設(shè)計(jì)是很困難的。早期做格子體設(shè)計(jì)時(shí)，是以熔化區(qū)面積做基數(shù)，按25～45倍熔化區(qū)面積確定格子體換熱面積，差別范圍很大、很粗略。后來出現(xiàn)了做格子體設(shè)計(jì)的一些經(jīng)驗(yàn)做法或經(jīng)驗(yàn)公式，是以熔窯運(yùn)行中需要的每秒助燃空氣(燃料氣體)體積量為基數(shù)進(jìn)行格子體設(shè)計(jì)，其準(zhǔn)確度有所提高，簡(jiǎn)單實(shí)用。
原國(guó)際馳名燒結(jié)耐火材料供應(yīng)商德國(guó)DIDIER公司(現(xiàn)已被RHI公司收購(gòu))提出的經(jīng)驗(yàn)做法，是以每秒助燃空氣體積量為計(jì)算基數(shù)，根據(jù)格子體孔徑大小，按每秒每標(biāo)準(zhǔn)立方米(Nm 3/s)助燃空氣，配置定量體積的格子體。這可稱之為“單位助燃空氣的格子體體積變量”，根據(jù)此體積變量和單位助燃空氣量即可求出熔窯單側(cè)蓄熱室的格子體體積，然后就可根據(jù)其它給定條件進(jìn)行格子體設(shè)計(jì)。
美國(guó)TECO公司提出的經(jīng)驗(yàn)公式,也是以每秒助燃空氣體積量為計(jì)算基數(shù)，根據(jù)助燃空氣要達(dá)
到的預(yù)熱溫度，按Nm3 /s助燃空氣量，配置定量換熱面積的格子體。這可稱之為“單位助燃空氣的格子體換熱面積變量”，并給出了以此換熱面積變量計(jì)算助燃空氣預(yù)熱溫度的高次方計(jì)算公式。
采用TECO經(jīng)驗(yàn)公式做格子體設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定出助燃空氣的預(yù)熱溫度，再根據(jù)高次方計(jì)算公式求出能夠達(dá)到此助燃空氣預(yù)熱溫度的“單位助燃空氣格子體換熱面積變量”(有時(shí)要經(jīng)過試算調(diào)整)。然后根據(jù)求出的換熱面積變量和熔窯需要的單位助燃空氣量，計(jì)算出單側(cè)蓄熱室格子體需要的換熱面積，最后根據(jù)其它給定條件完成格子體設(shè)計(jì)。TECO經(jīng)驗(yàn)公式直接與格子體換熱面積掛鉤，更符合實(shí)際換熱情況。
8、蓄熱室格子體設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化公式
雖然玻璃熔窯蓄熱室是不穩(wěn)定傳熱，但是在每個(gè)換向周期中，煙氣釋放出的總熱量和助燃空氣吸收的總熱量，卻都是基本穩(wěn)定不變的量，就應(yīng)能夠?qū)⑦@個(gè)穩(wěn)定的總傳熱量用計(jì)算公式來表達(dá)：傳熱量=傳熱系數(shù)×傳熱面積×溫差。根據(jù)助燃空氣要達(dá)到的預(yù)熱溫度，通過格子體熱平衡計(jì)算即可求出玻璃熔窯需要的總傳熱量，如能求出格子體的總傳熱系數(shù)(單位為：kcal/(m2·周期· ℃))，并求出煙氣與助燃空氣之間對(duì)數(shù)平均溫差，就能求出需要的格子體總傳熱面積，進(jìn)而求出格子體的體積，也就能很容易完成格子體的設(shè)計(jì)。
9、玻璃熔窯蓄熱室常用格子磚的材料選擇
堿性磚用做格子體材料的儲(chǔ)熱能力大，換熱能力也強(qiáng)。從上世紀(jì)五十年代開始，國(guó)外玻璃熔窯蓄熱室就開始采用堿性耐火材料，八十年代國(guó)內(nèi)開始逐漸采用堿性耐火材料。根據(jù)格子體不同高度區(qū)域所處溫度不同，以及煙氣中的粉塵飛料情況，還有溫度周期變化等情況，選用不同材質(zhì)的耐火材料。
堿性磚能夠滿足玻璃熔窯蓄熱室工況條件越來越高的要求，所以近年來越來越普遍地采用堿性磚來建造玻璃熔窯蓄熱室。在格子體高溫段(1100～1450℃)區(qū)域，采用碼砌結(jié)構(gòu)較好的低鐵燒制鎂磚，國(guó)內(nèi)牌號(hào)為電熔鎂磚DMZ-97。
在格子體中溫段800～1 100 ℃區(qū)域，格子體鎂磚會(huì)受到堿性硫酸鹽和SO3明顯的化學(xué)侵蝕。從磚體表面開始發(fā)生變化，MgO和CaO會(huì)被擴(kuò)散走或揮發(fā)掉。這種侵蝕會(huì)使格子磚的壁厚(磚厚)減薄，發(fā)展下去會(huì)危機(jī)到格子體的安全穩(wěn)定性。在此溫度區(qū)域的上半部，可采用國(guó)產(chǎn)電熔鎂磚DMZ-95磚;在此溫度區(qū)域的下半部，可采用國(guó)產(chǎn)直接結(jié)合鎂鉻磚DMC-12磚。
在格子體低溫段(低于800℃)區(qū)域，采用抗冷熱沖擊性能好的低氣孔黏土磚(ZGN-42磚，42%AL 2O3)，使用情況良好。
10、玻璃熔窯常用格子磚類型和排列方式
蓄熱室格子磚有多種類型，最常用的有條形磚(也叫直磚)、筒形磚、十字形磚;還有不常用的工字形與[形的集合磚、槽型磚、煙囪形磚等。以往玻璃熔窯蓄熱室中最常用的格子磚多為條形磚，排列方式有：直排爐條式、對(duì)角錯(cuò)排爐條式、編藍(lán)式、編藍(lán)與爐條組合式排列等。條形磚厚度65 mm，磚長(zhǎng)230～375 mm，磚高114 mm，最常用的格子孔徑尺寸165 mm，磚高最大誤差±0.5 mm，磚高誤差大就會(huì)使磚表面受力不均勻，即使精確碼砌，也會(huì)出現(xiàn)格子體傾斜倒塌。條形磚格子體常用孔徑尺寸150～200 mm，設(shè)計(jì)壽命8～12年的玻璃熔窯蓄熱室推薦選用條形磚格子磚。
近20年來，筒形格子磚(八角筒形磚)在國(guó)內(nèi)玻璃熔窯上的應(yīng)用發(fā)展迅速，筒形格子磚壁厚薄通常為40 mm，單位受熱面積大、熱交換能力強(qiáng)、格子體的重量小、格子孔流通面積大、筒體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性好。筒形格子磚常用孔徑尺寸140～170 mm，設(shè)計(jì)壽命5～8年的玻璃熔窯蓄熱室推薦選用國(guó)產(chǎn)筒形磚格子磚，這是因?yàn)楸诤?0 mm的筒形格子磚受到侵蝕之后壁厚會(huì)逐漸減薄，對(duì)格子體換熱能力和安全性都會(huì)產(chǎn)生影響。若選用國(guó)外高檔次筒形磚也可達(dá)到10年 左右窯爐。
十字形格子磚在國(guó)外玻璃熔窯上應(yīng)用已經(jīng)超過40年(1973年開發(fā)成功)，十字形格子磚壁厚通常為38/40 mm，十字形磚翼的表面為平滑的或波紋的，單位體積格子體的換熱系數(shù)大。格子磚的材料為電熔鋯剛玉磚(1682)和電熔氧化鋁磚(5312)。耐化學(xué)侵蝕性和耐冷熱沖刷性能優(yōu)良。格子孔流通面積大，十字形結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也好，使用壽命最長(zhǎng)，可為其它磚的2倍。十字形格子磚常用孔徑尺寸140/170 mm，設(shè)計(jì)壽命10～15年的玻璃熔窯蓄熱室推薦選用十字形格子磚。
