玻璃窯爐中的钼電極應用
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- 分類：钼的知識
- 發佈於：25 十二月 2012
- 作者 CCJ
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玻璃窯爐中的钼電極應用壹、序言
目前國內許多全電熔玻璃窯爐和火焰--電助熔玻璃窯爐都使用钼電極。
钼電極是熔化鈉鈣玻璃和高硼矽玻璃的常用電極有較高的使用溫度和表面電流強
度甚至可高達2000℃的使用溫度。
正確使用钼電極對于窯爐設計和制造工程師是至關重要的。電極的價值往往只是窯爐價
值的10—15%左右但是對于不同玻璃不同設計的玻璃窯爐來講,電極的正確應用是窯爐
成功與否的決定因素。
二、钼電極介紹
下表是奧地利攀時公司(Plansee)生産的钼電極的化學成分表。奧地利攀時公司是全球
最領先的鎢钼材料生産尚它生産的钼電極也是世界上質量最好的钼電極。各批次化學成分
准確尺寸精確機械性能穩定。表面呈銀白色和其他廠家生産工藝不同沒有表面機械
加工是精鍛後的自然表面。精鍛表面具有很強的致密性從而賦予電極以更好的耐腐蝕性
能。
钼電極應用參數
在玻璃窯爐中钼電極表面溫度壹般高于熔化玻璃溫度200℃。
如果钼電極表面溫度達到2000℃。那麽钼電極的損耗也較大。钼電極表面溫度同施加
于钼電極的表面電流密度相關因此表面電流密度越大損耗越快。
我們建議壹般窯爐中钼電極表面電流密度應當于1.0—0.7A/cm2爲適中。當窯爐要求
較高玻璃質量和較長電極使用壽命時應當采用較低表面電流密度。钼電極最高表面電流密
度應當不大于2A/cm2。
壹般說來對于含鐵較高的玻璃或者“E”玻璃中钼電極的消耗比較小。
下圖中示出钼電極在玻璃中適宜的進入長度不合適的插入長度導致钼電極由于高溫造成的
快速氧化現象。
2.1簡單的質量判定方法。
國內流行的電極壹般是進口的奧地利攀時公司電極其余是産于東北河南陝西等
地的生産廠家質量參差不齊。對于钼電極的選購用戶壹般都缺乏手段來作精確判斷以
下介紹壹個簡單實用的目視方法供設計人員采購人員參考。
钼金屬在382℃以下壹般在無酸堿鹽作用下氧化極其緩慢。新切割的金屬表面呈光亮銀
白色放置空氣中常溫下數年內只變成暗銀白色或均勻灰色。純度越高的钼電極顔色銀白
色越好年變化小。如果钼電極表面是經車制顔色是棕色或呈黑棕色這不是钼的氧化物
的顔色而是钼電極中含的各種雜質的氧化物的綜合顔色。棕色越淡而且表面顔色均勻度較
好那麽質量較高。如果表面爲黑棕色而且顔色深淺不同成塊狀那麽此種钼電極質量較差。
質量好的钼電極裝上窯爐後在接電的部位應在幾個月後電極表面仍保持銀白色。用這種相當簡單方法至少可以較快定性判定钼電極中雜質含量的程度。
2.2钼電極雜質和密度對玻璃質量的影響
钼電極中雜質含量的比例和钼電極鍛制密度的高低和密度均勻性是钼電極質量最重要的
指標。
含有雜質少的钼電極對于玻璃的色度透明度是決定性的因素。钼電極中鐵鎳沽……
等金屬或金屬化合物是玻璃著色的主要魁首。鐵的含量超過150PPM。玻璃會有明顯的綠色
感如果保溫48小時那麽滿池皆是綠色玻璃。
雜質中鐵和鎳對钼電極壽命的影響是致命的。鐵和鎳在钼金屬中以單相或多項金屬化合
物固溶體存在而鐵和鎳的金屬化合物的熔點大大低于钼的熔點並且低于玻璃熔點。這些
雜質首先熔化到熔化玻璃中去帶動了玻璃對钼電極的過早侵蝕因此采用低檔钼電極的窯
爐往往在窯爐投入生産僅幾個月就出現灰色透明度差的玻璃過甚者可以在玻璃中發現連
續的灰線灰泡造成窯爐失敗。同樣鐵和鎳在钼電極中的存在是钼電極易斷裂的壹大原
因。
钼電極的鍛制密度是使用壽命和玻璃中産生微型氣泡的重要因素。
高質量钼電極是連續精鍛的産品表面無需再用車制方法糾直和保證直徑尺度。表面精
鍛需要大型精密鍛造設備高均勻度加熱設備。做到這壹點對于相應設備投資較小小批
量小型生産廠商來講做到這壹點是十分困難的。密度分布主要指徑向分布。壹般電極中
心部份密度小于周邊部份差別應當小于2-5%左右過大的差別造成過早钼電極被侵蝕
後期大量钼微粒混入玻璃中造成灰色度較大。
縱向密度分布不均造成微量直流電位差極易在熔化導電玻璃中産生微氣泡對于高
質量玻璃生産廠家例如光學玻璃來講是十分有害的。
我國玻璃電熔現狀及發展方向(上
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由于環保的要求越來越高玻璃制品的質量要求也越來越高玻璃工廠采用電熔已經大勢所
趨。作者從事過十多年玻璃電熔化方面的技術研究和技術推廣工作參與設計、引進、翻版
過數十座玻璃電熔窯、電加熱料道、電輔助加熱玻璃窯爐幫助玻璃廠解決過多起玻璃電熔
化和電加熱方面的疑難問題。
進行玻璃的電熔化與電加熱設計的單位和個人有數十家之多設計的電熔窯各有特點
水平亦是參差不齊。在此作壹總結。
1玻璃的電加熱料道
十年前玻璃的電加熱料道與煤氣多噴嘴加熱料道同時作爲兩項新技術在推廣有些廠
家在考慮采用玻璃的電加熱料道技術時還要求到處考察。使用該技術的還僅僅是壹些具有
開拓精神的廠長。經過近十年來不斷努力玻璃的電加熱料道已被廣大的玻璃廠普遍接受
已成爲了大衆化的技術有些單位和個人已把它制成了産品出售。
但壹些特殊要求的和特種玻璃的電加熱料道還是需要專業人員進行設計。玻璃的電加熱
料道大體分爲矽碳棒輻射電加熱料道、平板玻璃通路的電加熱、板狀钼電極的電加熱料道、
棒狀钼電極電加熱料道、混合式電加熱料道、熱套法電加熱料道、料盆的電加熱、氧化錫電
極電加熱料道等八類。
2玻璃窯爐的電助熔加熱技術
玻璃窯爐的電助熔加熱技術主要用來
(1)大幅度地提高熔化率。國外大型燃油平板玻璃池窯壹般熔化率爲2T/m2·d我國
爲1.6T/m2·d左右采用電助熔技術後可使熔化率提高到3.2T/m2·d甚至可達4.2T/m2·d。
熔化率可提高60%甚至100%。(2)提高玻璃的熔化質量。在任何情況下采用電助熔都能改善玻璃的質量。這是因爲加
強了玻璃液的流動使玻璃液的均勻性提高了。在玻璃液中引入電能提高玻璃液的溫度從而
玻璃液的粘度降低澄清過程加快熔解在玻璃液中的氣體量顯著減少這對玻璃的成形和
加工有良好的影響。
我國有些中小玻璃廠由于燃料質量不好熔化溫度燒不上去玻璃液質量很差。如果有條
件采用電助熔技術玻璃液質量將會得到很大的提高。
(3)靈活調節出料量。采用電助熔加熱的池窯能夠根據市場需要迅速調節池窯的出料量。
在不增加池窯尺寸的情況下池窯的熔化能力可提高3050%。電助熔特別適合于需要定期
變化出料量的窯爐。這種窯在使用期間熔制玻璃所消耗的礦物燃料不變而電助熔可以使窯
的熔化能力提高到最大限度。
(4)電助熔裝置尤其適用于有色玻璃。如果是透熱輻射性差的深色玻璃則在熔化部使
用電助熔極爲有利。
(5)電助熔裝置尤其適用于難熔玻璃。
玻璃窯爐電助熔加熱的設計關鍵點是窯爐的電極排列和功率分布對硼矽酸鹽玻璃和有
色玻璃的窯爐的電極排列是爲了加強池底的能量對爲了增加産量或調節産量的玻璃窯爐電
極排列是爲了加強玻璃液的對流。
布置于池底的電極通電後處于熔融狀態的玻璃液爲壹導體。根據電阻的熱效應原理
兩電極間的玻璃液就會發熱。同時由于電極端部的邊緣效應電極端部附近的玻璃液溫度
最高此處溫度甚至可達1700℃以上。由于比重的差別在電極附近就形成了玻璃液流
池深方向各層的玻璃都充分參加了這壹流動從而消除了高硼矽玻璃分層所帶來的問題。另
外電極端部在玻璃液中的“放熱”現象及由此而産生的玻璃液流提高了底層玻璃液的溫度
加快了石英顆粒的溶解速度促進了玻璃的澄清和均化。
3全電熔玻璃窯爐
3.1.減少揮發的機理
全電熔厚料層垂直深層電熔工藝熔化池表面複蓋冷的配合料配合料在複蓋層下加熱
從加熱到玻璃形成的四個階段都在同壹個地點不同的時間和不同的垂直高度上完成。因
此它可以基本避免在火焰池窯中所造成硼揮發的存在條件。其機理是
(a)配合料層表面工作狀態平穩。全電熔厚料層熔制玻璃時由于配合料是很好的絕熱
材料料層的表面溫度可低達200℃以下而且料層表面沒有任何火焰和高溫高速氣流的沖
擊處于平穩狀態基本上可以避免“飛料”的物理損耗。
(b)冷爐頂可以回收揮發物。厚料層的料層厚度壹般在100200mm表面溫度在200℃
以下。從壹幅典型的熔制高硼矽玻璃的冷爐頂圖1中可以看到配合料表面040mm這壹
層溫度穩定在120℃僅水份在蒸發可稱爲冷配合料層。深度在4080mm溫度從120℃
提高到250℃硼酸開始分解稱爲熱配合料層深度在80110mm的溫度變化最劇烈
從250℃上升到1000℃完成了硼矽酸鹽的反應過程稱爲硼矽酸鹽反應帶也可稱輕質層。
再下壹層則是含有大量氣泡和帶有未熔化好砂粒的熔融玻璃稱爲玻璃的熔融過程也可稱
半熔層。在這層下面就是玻璃的澄清和均化區域。硼矽酸鹽配合料從表面的料層到輕質層
經過溫度從1201000℃的熱過程必然會發生硼酸和硼砂在脫水期中的硼揮發,揮發物由下
向上逸出時遇到冷的表面配合料層凝結起來便産生硼的回凝現象而在反應過程中所産
生的CO2和NOx氣體很容易穿過疏松的配合料層逸出。因此硼的揮發物可以在這裏被回
收。應用這個原理同樣可以回收其它含有氟、鉛和硒玻璃的揮發性物質。由此也很容易解
釋薄料層全電熔熔制工藝中硼的揮發率較高(10%左右)的原因。
(c)澄清和均化在垂直深層方向中進行。在垂直深層電熔窯中在工作流的作用下玻
璃液從半熔層垂直向下運動流向流液洞(見圖1)而玻璃中的氣泡依靠斯托克斯的原理由下向上運動由液面排出完成了澄清和均化過程。這個過程與水平式火焰池窯熔制有較大
的區別它好象在垂直管道中進行沒有與空氣相接觸的自由表面因此不可能産生硼從玻
璃結合態中揮發的問題。
從上述的熔化機理可清楚地看到由于硼的燒損減少到極小的程度玻璃成份波動小、穩
定這是獲得優質硼矽酸鹽玻璃的重要工藝條件之壹。
3.2.厚料層垂直深層電熔技術
如果厚料層操作不當不但得不到高質量的玻璃反而會在玻璃中産生結石和條紋使
玻璃質量變壞。要達到穩定作業厚料層電熔的基本工藝技術大致如下
(a)嚴格控制料層厚度厚料層全電熔窯料層的厚度是壹項十分重要的工藝參數正
常操作的料層厚度在100200mm。太厚的料層使其深層造成更多的冷配合料熔融玻璃液
面溫度降低玻璃熔化不好。同時由于料層的絕熱作用深層的配合料溫度升高軟化生料
形成壹個半硬殼層可能伸長到與四周池壁搭接形成料拱。氣泡聚集在料拱下排不出去
玻璃液面很快下降造成脫空現象嚴重時會發生玻璃液流空的事故。爲了防止料拱現象和
使玻璃中氣泡能順利排出配合料不能完全複蓋熔化池的表面。按Sorg公司在VSM的全電
熔窯的經驗配合料複蓋的面積占液面90%留出10%面積的光面。熔制普通玻璃光面
留在六角形的六個角上。熔制乳白玻璃光面留在中心。對矩形的電熔窯在池壁四周留出
75150mm的距離。如果料層太薄配合料表面溫度很快上升料層的保溫作用和硼的回
凝現象消失、達不到厚料層熔制工藝的目的。另外加料必須是均勻鋪蓋在玻璃液面上。如
果局部地方形成料堆最後將使料堆下沈熱的玻璃液包住冷的生料在玻璃中容易産生結
石、氣泡等缺陷。
(b)保證正常條件下的電熱平衡當改變熔窯出料量時若電工參數沒有及時調整很
快打破了原來工作狀態的電熱平衡條件而轉入不穩定狀態窯內溫度分布曲線和玻璃液
的運動軌迹都會發生改變。若加大出料量而輸入功率不變時玻璃液面溫度下降熱點下沈
在窯內出現“過冷”現象迫使玻璃液面下降料層變厚大量的配合料下沈生料來不及
熔化。反之出料量變小時玻璃液面溫度升高。熱點上移在窯內出現過熱現象使生料
熔化速度加快料層變薄液面提高引起耐火材料和電極加速侵蝕。因此當改變出料量時
輸入功率與出料量要匹配好應盡量保持熔制工藝條件的電熱平衡。
(c)建立合理的熔制溫度曲線和穩定的玻璃液流窯內玻璃液的溫度差異是産生玻璃液
對流的原因在厚料層垂直深層電熔工藝中如溫度場不合理表面層(半熔層)未熔化好的
玻璃液常因少量垂直對流進入工作流使熔化好的玻璃液變壞。正常情況下半熔層中玻璃液
小的對流將未熔化好的原料托浮起來固定半熔層和冷料層的位置。當半熔的玻璃進入最高
溫度區的加熱區時玻璃熔融過程就結束了進入玻璃的澄清均化區域在這個區域內不要
産生強烈的垂直對流使所有玻璃都經過了相同的熱過程熔制出均勻度高的玻璃。因此在
最高溫度帶的溫度分布曲線要平坦不要發生大的溫差。根據這壹原理設計的電熔窯的溫度
分布曲線有助于獲得熱均勻性好的玻璃。
(d)要有足夠的玻璃液深度全電熔窯熔化硼矽玻璃熔化率要比火焰窯高2-3倍這樣
高的熔化率又要在垂直深層方向上完成玻璃的澄清和均化必須有壹個足夠的深度滿足
玻璃在窯內的停留時間池深與熔窯的生産能力和熔化率等因素有關壹般液深在900mm
以上。例如高硼矽玻璃6m2電熔窯中池深1.38m在15-20m2的VSM電熔窯中池深
2.2m。
3.3.幾種典型的全電熔玻璃窯爐
3.3.1熔制鈉鈣玻璃全電熔窯爐
主要使用在以下壹些地方
(1)地處風景區燒化石燃料産生的煙氣及玻璃熔制過程中産生的粉塵嚴重影響風景區的風景。環保局要求該廠停業整頓或采取了煙氣除塵的地方。
(2)玻璃質量要求特別高的品種。
(3)電價特別低的地方。如壹些小的水電站附近。
3.3.2熔制鉛玻璃的全電熔窯爐
(1)鉛玻璃的熔制
采用火焰加熱的池窯熔制鉛玻璃這種工藝的壹個主要缺點在于熔制過程中氧化鉛的揮
發其揮發量比在電熔窯中熔制時增加10%。多年來鉛晶質玻璃是在單坩埚窯、多坩埚
窯或日池窯中熔制的。上世紀六十年代以來使用了單元窯、馬蹄焰池窯玻璃産量、質量
有了很大提高。用坩埚窯熔化玻璃時很難消除粘土坩埚引起的耐火材料結石。日池窯因玻
璃液面波動沖刷耐火材料也引起比較嚴重的耐火材料結石和條紋。換熱式連續熔化的池窯
其缺點是熔化過程中氧化鉛的揮發量大玻璃易分層還原玻璃對耐火材料的侵蝕比較嚴重
容易引起條紋以及空氣汙染。這種池窯壹般用天然氣或城市煤氣作燃料。如果用重油會汙
染玻璃。
1959年以前建成了第壹座電加熱坩埚窯采用SiC或MoSi2加熱元件(前者水平安裝
後者垂直安裝)。其功率消耗是相當高的。後來曾用過電輔助加熱的日池窯。然而上述電
熔方法並不能克服氧化鉛的嚴重揮發、耐火材料對玻璃的汙染比較嚴重以及環境汙染等主要
缺陷。
(2)鉛晶質玻璃電熔窯的現狀及發展前景
由于鉛晶質玻璃易揮發、分層、還原等特性因而在池窯熔化中對溫度、氣氛、窯壓、
對流等工藝參數非常敏感。通過實踐及對各種燃料、窯型的綜合分析英國、瑞典、捷克及
西德各國都壹致認爲全電熔窯是最爲合理的也是比較經濟的。
近十幾年來許多國家對于全電熔窯進行了研究取得了重大突破。現在世界上已有不少
電熔窯它的優越性越來越爲人們所注意。
前蘇聯及東歐國家大力發展電熔晶質玻璃技術。前蘇聯上世紀七十年代初進行工業性試
驗七四年推廣。在基輔、古雪夫、列甯格勒、烏克蘭、明斯克等藝術玻璃廠采用獲得了
良好的技術經濟效益。
電熔窯在正常操作中當熔化池玻璃液中的電極附近溫度爲1370℃時熔化池上部空
間僅120℃左右。這是因爲在玻璃液的表面有幾公分厚的配合料冷料層消除了氧化鉛的揮
發(壹般火焰熔化池窯中氧化鉛的揮發高達10%)使窯內玻璃組成均勻穩定同時使粉料成
本降低、環境汙染減少總之電熔窯耗電量雖然較大卻節約了大量氧化鉛因而電熔窯
還是經濟合算的。
(3)鉛晶質玻璃全電熔窯內電極的選用
目前在鉛玻璃全電熔窯上使用的電極有兩種壹種是氧化錫電極特點是抗還原能力差
適用于氧化性玻璃另壹種是钼電極特點是抗氧化能力差適用于還原性玻璃。氧化錫電
極非常適用于熔制鉛玻璃。在熔制鉛玻璃的電熔窯中如果使用钼電極會在不同程度上受
到氧化並且玻璃中的氧化鉛被還原生成金屬鉛沈到熔化池底這樣設計的電熔窯必須每
天在池底放料。
(4)我國鉛玻璃電熔窯的現狀及發展前景
我國鉛玻璃電熔窯目前主要使用在以下幾個地方
鉛晶質玻璃器皿。
光學玻璃。
寶石玻璃。
燈飾玻璃。後三者都必須與鉑金坩埚共同使用。
(5)我國鉛玻璃電熔窯使用的窯型我國鉛玻璃電熔窯使用的窯型主要有:
(a)T型窯:即上大下小的形狀氧化錫電極垂直安裝在兩邊的台階上采用單相供電或
三相SCOT供電。
(b)矩形窯上下大小的壹樣氧化錫電極水平安裝在兩邊的池壁上采用單相供電或
三相SCOT供電。
(6)我國鉛玻璃電熔窯有待改進的地方
我國鉛玻璃電熔窯使用中常出現壹些問題有
(a)水套與銀杆斷開由于設計上或操作的不當六支銀杆全部斷在氧化錫電極內造
成無法供電。
(b)氧化錫電極的頭部斷在窯爐內。
出現上述問題的原因的設計人員沒有掌握鉛玻璃電熔窯的壹些特點。
3.3.3熔制硼矽酸鹽玻璃的全電熔窯爐
硼矽酸鹽玻璃在傳統的火焰池窯熔制過程中常常會遇到硼的揮發逸散損失的問題。硼
的揮發不僅使玻璃液不均勻惡化玻璃質量而且還白白地損失了價格昂貴的硼原料。因此
國外對減少硼的揮發問題進行了長期研究。迄今爲止硼的揮發率在1015%如果采用
無水硼砂或硼酐作原料可以降低到510%。
自從厚料層垂直深層全電熔窯出現後給高硼矽玻璃的熔化帶來了新方法大幅度降低
了硼的揮發。采用這種方法使硼的揮發率降低到12%。我國硼矽玻璃的生産基本上采用
火焰窯。在高硼矽玻璃系統中玻璃質量達不到理想程度。
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(1)高硼矽玻璃熔化特點
高硼矽玻璃在科學實驗和日常生活中有著廣泛的用途其制品有各種燒器、量器、各
種實驗室用分析食品及各種玻璃化工管道。在科研教學單位的實驗室、工礦企業及太陽能綜
合利用設備上都可以見到用高硼矽玻璃制做的各種産品。由于高硼矽玻璃産品用途的特殊
性決定了這種玻璃必須具備有良好的熱穩性和化穩性。目前國內外高硼矽玻璃的化學組
成基本上如下表1所列。
表1國內外高硼矽玻璃的化學成分及熱膨脹系數α
牌號
國別
化學成份
熱膨脹系數a(0-300℃)
SiO2
B2O3
Al2O3
CaO
K2O
Na2O
派來克斯PYREX-7740
美國
80.5
12.6
2.1www.docin.com0.1
4.5
32×10-7/℃
杜朗DuRuN-50
西德
80.5
12.5
2.5
0.5
4.0
32×10-7/℃
西馬克斯SIMAX
捷克
81
12.6
2.0
0.1
4.0
32×10-7/℃
派來克斯PYREX
法國
80.5
13
2.25
01
1.15
3.15
32×10-7/℃
北京特硬料BT-TY(GG-17)
中國
80.7
12.5
2.2
0.6
4.0
32×10-7/℃
從表1中可以看出這種玻璃有壹個共同點都含有超過80%的SiO2和超過10%的
B2O3。高含量的SiO2和低含量的Na2O使玻璃結構中的矽氧四面體多以大型四面體的形式
存在四面體間多以矽氧鍵的形式相連接。而且12%13%含量的B2O3又可以使結構中
被Na2O切斷的網絡壹大部分又以BO三角體結構連接起來。這樣就使得高硼矽玻璃的粘
度很大(見表2)。
表2高硼矽玻璃和普通鈉鈣矽玻璃粘度參考點對比
參考點
種類
操作點
103帕.秒
軟化點
106.6帕.秒
退火點
1012帕.秒
應變點
1013.5帕.秒
高硼矽玻璃
1252
821
560
510
普通鈉鈣矽玻璃
1005
696
514
473
(a)熔化溫度高(粘度在10ρa·s時其溫度>1680℃)。由于熔化速度的快慢是和配合料
中的石英顆粒的熔解速度直接關聯的而熔體的粘度大則減慢了SiO2從石英顆粒表面向周
圍的擴散運動。于是爲降低熔體的粘度只有提高溫度。但就目前窯爐大碹材料來看要
使其熔化溫度達到1700℃以上是不實際的。因此只能延長熔化時間。根據計算PyREx
玻璃的熔化速度常數高達7.9而且熱能消耗很高(12000KCal/Kg玻璃)。國內這種玻璃的熔
化率只有0.20.3T/m2·d左右。
(b)熔化過程中的玻璃液分層問題。由于普通火焰加熱池窯的下層沒有熱源隨著池深
增加溫度越來越低。這樣下層玻璃液的流動性也就越來越差使成分中比重較大的Al2O3
等組分容易下沈形成含Al2O3量高的變質層。當溫度、液流變化時容易被裹入玻璃液
流形成條紋等缺陷。另外由于SiO2的含量很高在溫度較低的區域還易出現析晶從
而形成結石。
(c)B2O3的揮發是高硼矽玻璃熔制過程中的又壹特點。B2O3揮發使玻璃液表層形成壹
層富矽玻璃不但影響到玻璃的化學組成而且B2O3的揮發量隨溫度的升高而增加這對
于高硼矽玻璃需要高溫熔制無疑是不利的。當操作條件發生變化時這層富矽玻璃如被帶入
成型流就會在産品中産生條紋、結石等缺陷。
(d)由于以上這些特點構成了高硼矽玻璃的難熔性。所以至今爲止國內大多數廠
家都還局限于小型火焰池窯和坩埚窯進行熔化供給人工吹制成型的小批量生産能耗大成
品率低工人勞動強度大。爲了滿足市場需求提高我國的熔化技術水平國內玻璃界壹直
在試圖解決這壹難題。
(e)想熔化出高質量的高硼矽玻璃壹個重要的途徑就是提高玻璃液的溫度但是考慮
到火焰空間耐火材料的承受能力單純依靠火焰加熱難于將玻璃液加熱到1650℃以上國
外對這種玻璃的熔制已普遍采用了電助熔和全電熔兩種熔化方式(2)用電熔窯熔化硼矽玻
璃的優越性
我國熔制硼矽酸鹽玻璃的電熔窯大多爲小型窯冷頂電熔窯與火焰窯相比具有節能、提高質
量、降低成本等顯著的優越性。
(1)小型電熔窯有較好的經濟性以日産2.0噸的高硼矽玻璃球窯爲例,從燃料和硼揮發
兩頂進行比較如表3
表3
生産方式
項目
火焰窯
熱頂電熔窯
冷頂電熔窯
硼揮發%
18
10
3
窯的熱效率%
6.5
40
60
(2)玻璃質量好在火焰池窯中由于窯溫、窯壓、氣氛和産量等工藝條件發生變化都
要引起硼的揮發率的變化使玻璃不均勻。同時火焰窯和熱頂電熔窯硼的揮發嚴重腐蝕了
上部結構不但縮短了窯爐的壽命而且碹滴落入玻璃窯內影響了玻璃質量。冷頂電熔窯
完全可以避免上述弊病獲得高質量的玻璃。
3.3.4熔制氟乳濁玻璃的全電熔爐
(1)熔化乳白玻璃的特點
(a)乳白玻璃壹般都含有大量極易揮發的組分如氟化物等。在常規火焰加熱的熔窯中
當火焰掠過玻璃液表面時就會有相當數量的揮發性成分被帶走經過煙道升入煙囪跑掉
既損失了大量的寶貴原料又造成了空氣汙染。同時由于揮發損失使得表層玻璃在成分
上變得與其下面的深層玻璃差異很大結果造成了玻璃成分的不均勻。
(b)氟化物玻璃對電極及耐火材料的侵蝕嚴重。
(2)電熔窯熔化乳白玻璃是最好的選擇
當采用全電熔工藝時熱量是在配合料下面釋放出來的各配合料組分産生的氣體要通
過配合料層向上逸出。由于配合料溫度較低各揮發分的氣體就會凝聚在冷的配合料中而
不會揮發掉從而使通過流液洞流出的玻璃液能與投入熔窯的配合料在成分上基本保持壹
致而使産品的化學成分穩定。另壹方面由于減少了揮發節約了寶貴的原料從而使原
料成本降低。在常規燃料火焰加熱的情況下配合料中氟化物有大約40%因揮發而損失掉。
而采用全電熔時氟化物的揮發量僅爲2%。
(3)電熔窯熔化乳白玻璃時澄清劑的選擇
由于普通玻璃常用的澄清劑As2O3和Na2SO4在高溫下氧化能力很強能使钼電極氧
化特別是Na2SO4在高溫下分解出O2和SO2的混合體與钼反應生成MoO3和MoS4
對钼電極的侵蝕嚴重。因此選擇硝酸鹽作爲澄清劑其主要優點是(1)硝酸鹽熔點低分
解溫度低在配合料的燒結過程中就能與廢玻璃的表面作用因此對廢玻璃的澄清效果明顯。
(2)硝酸鹽的引入可促使Fe2+向Fe3+轉化有利于乳白色廢玻璃的脫色。(3)硝酸鹽的分解
反應是在配合料玻璃液的交界面進行的。因此放出的氧氣只是集聚在玻璃液上部對钼電
極的侵蝕作用小。
(4)電熔窯熔化乳白玻璃時乳濁劑的選擇
乳白玻璃可以通過引入氟化物、磷酸鹽和高折射氧化物等方式來獲得。考慮到電熔窯的
特點和原料來源選擇氟化物爲乳濁劑。爲了保證制品具有壹定的白度乳濁劑的含量(以
F-計算)以45%爲宜。乳濁劑用量過低時玻璃半透明、白度偏低用量過高時玻璃的
白度並無明顯增大反而易出現析晶嚴重時會使制品表面變得粗糙。
由于氟化物的揮發是隨熔化溫度提高而急劇增大的因此壹般乳濁玻璃的R2O含量
都較高以降低熔化溫度減少氟化物的揮發。爲了促進乳濁改善析晶能力提高制品光
澤引入壹定量的K2O。考慮到電熔對玻璃液電阻的需求和成形工藝的要求白色玻璃中
R2O的含量約爲1819%。
3.3.5熔制有色玻璃的的全電熔爐
深色玻璃對熱射線有強烈吸收作用因而采用常規表面輻射加熱方法熔化深色玻璃時
常常會出現熱滲透問題。輻射能減少與玻璃顔色有關當熔化透明窗玻璃時在玻璃液面下
3060mm處輻射能只減少10%而熔化綠色玻璃時在液面下46mm處輻射能就減
少了10%。玻璃內含鐵量對透熱性影響極大2mm厚的無色玻璃透過率約爲85%。當Fe2O3
含量達到1.5%時玻璃透過率可降至28%。玻璃顔色越深透熱性越差。表層玻璃液吸收
熱量多在池深方向的溫度梯度就較大。因此深層玻璃液溫度過低往往造成熔化困難和出
現析晶。
玻璃的強烈著色降低了玻璃熔體的透熱性均勻加熱玻璃熔體是非常困難的而均勻加
熱玻璃熔體恰是獲得高質量産品所必須的。因此有色的玻璃基本上是在坩埚中熔化的在
規定的溫度下熔體在坩埚爐中須經長時間的加熱才能達到要求。
而在全電熔的狀態下熱能是從玻璃體內釋放的電流可以相當均勻地通過大部分玻璃
所以只會出現很小的溫度差。熔化高鐵含量的琥珀色玻璃時靠近池底的玻璃溫度只比靠近
表面的玻璃低約14℃。氧化鐵含量高達12%的玻璃和氧化鉻含量達1.3%的玻璃都可順利熔
化。電熔窯開創了生産這種玻璃的新時代。
有色的玻璃由于熔體的透熱性低導致電極層附近過熱因此在給定條件下盡量將電極
的電流密度降至0.5A/cm2盡可能均勻分配電流通常采用板狀電極電熔窯。
文章鏈接中國食品機械設備網玻璃電熔窯爐的使用壽命與哪些因素有關玻璃電熔爐的使用壽命壹般稱爲窯齡也指熔爐停爐大修期是電熔爐的壹個重要設計參數。玻璃電熔爐中主要有耐火材料和電極、變壓器控制櫃等。影響其使用壽命主要以下原因1、與窯爐的結構有關不同的配方適用不同的爐型主要是考慮電熔爐中玻璃的強制對流對耐火材料的侵蝕。通過設計合適的結構保證各個部位的耐火材料特別是內襯磚的抗侵蝕能力是保證電熔爐的壽命的重要因素。2、與耐火材料的材質有關從窯爐壽命來說優先使用高檔次耐火材料而從設計成本來說首先根據設計壽命來選擇合適的材料特別是根據部位不同選擇不同材質的耐火材料如壹般爐底用澆鑄電熔33#AZS即可但是流液洞和電極磚均使用無縮孔電熔41#AZS等。3、電極的布置方式也是影響窯爐的原因之壹。首先電極的插入方式影響很大如頂插電極由于沒有電極磚可以提高窯爐壽命但是相對來說容易形成熱頂或對料面的形態要求較高而且電極容易斷落而底插電極相對侵蝕較小但對設計及設備要求較高平插電極磚的侵蝕較大若沒有特殊手段則對窯爐的侵蝕較大故對操作和使用有較高的要求。4、料方也是影響窯爐壽命的因素之壹。不同的料方對電熔磚和電極的侵碰不同如普通鈉鈣玻璃電熔爐使用壽命高含钛、鋇、氟化物的配方窯爐使用壽命較短。5、與廠家的合理正常維護也有很大因素。特別是廠家對爐體的發紅情況、磚縫滲料情況的及時處理是延長窯爐壽命的途徑之壹。壹般窯爐使用壽命指冷爐大修期而在這期間可能進行小範圍的熱修補如常用的補磚、貼磚、強制冷卻等措施。6、正確使用電極水套。由于有些電極水套的難以更換特別是底插電極如果出現水套嚴重漏水會導致停爐。應定期對水套及軟化水進行檢查和維護嚴禁停水在使用壹段時間後對水套和電極進行移位、變動處理也是延長窯爐及設備的手段之壹。要提高窯爐的壽命還要嚴格按照電熔爐的工藝和熱工制度進行生産操作避免産量大幅度波動避免頻繁換料避免多次停電停水避免管生産操作避免産量大幅度波動避免頻繁換料避免多次停電停水避免管理不當現象的發生
常用的玻璃電熔窯爐的指標有哪些?
(玻璃電熔爐的技術指標主要窯爐熔化率單位能耗産量爐齡等。窯爐的熔化率是指單位面積或單位體積的熔化池每天能進行正常熔化玻璃量壹般火焰爐的熔化池較淺壹般采用面積熔化率而由于電熔爐采用垂直熔化方式僅用面積熔化率不能很好表達其熔化的能力壹般采用體積熔化率。壹般電熔爐的體積熔化率爲153tm3day其中鈉鈣玻璃的體積熔化率高硼矽酸鹽玻璃的熔化率較低鉛晶質玻璃的熔化率居中視産品質量而定。單位能耗是電熔爐的另壹個重要指標是指生産單位質量的玻璃需要的能耗。壹般有熔化部單位能耗和總單位能耗。壹般熔化部單位能耗爲0915Kwhkgglass總能耗爲1118kWhkgglass。對于電熔爐而舌能耗指標主要與窯爐結構、玻璃料方和玻璃質量有關。壹般要求電熔爐冷頂運行、合理的保溫結構是窯爐降低能耗的主産量是指窯爐的正常生産的産能。壹般這是窯爐設計的基礎參數。這個參數與窯爐的熔化率密切相關。由于電熔爐的産能與玻璃配方有關因此在某壹産量的窯爐若更換料方則其産能會發生變化。爐齡是指窯爐的大修周期。特別是電極磚、電極、水套和流液洞的使用壽命壹般國內普通電熔爐的爐齡爲1535年如果采用頂插電極電熔爐的使用壽命可以適當延長但是頂部電極容易斷裂當爐底斷裂的電極對熔爐的運行構成危險時也需要停爐大修。我國玻璃窯爐的節能
王辰亞
中國節能協會玻璃窯爐專業委員會
前言各級領導的關心和重視中國節能協會玻璃窯爐專業委員會的大力推動使
我國玻璃窯爐節能技術得到了廣泛的推廣應用科學節能的經營管理得到了加強全國玻璃
窯爐節能已取得了實效節能效果顯著。
玻璃窯爐的節能實際是玻璃工業全方位綜合性系統工程實施的問題缺壹不可。
是玻璃工業
節能技術中的壹個大課題本文將試探性的加以論述以達到抛磚引玉的目的。
壹、我國玻璃工業窯爐能耗現況
我國大約有40005500座各種類型的玻璃窯爐其中熔化面積80m2以下的中小型
爐數量大約占總量的80
左右使用燃料種類分燃煤爐約占63燃油爐約占29天
然氣爐、全電熔爐等約占8。
2008年全國玻璃産量大約爲20003000萬噸。年耗用標准煤17002100萬噸。
其中平板玻璃産量爲53192萬重量箱所用能耗折合標准煤1000萬噸年。平均
能耗爲7800幹焦公斤玻璃液窯爐熱效率2025比國際先進指標30≦低51
0。每年排放SO2約16萬噸、煙塵1.2萬噸、NOx14萬噸。
玻璃熔窯在玻璃工廠中是消耗燃料最多的熱工設備壹般占全廠總能耗的80
85左右目前我國玻璃工業所用的主要能源是煤、油、電和天然氣等燃料。由于燃料價
格幾年來持續上漲企業燃料成本逐年增加效益銳減在此形勢下玻璃工業根據我國能
源蘊藏品種結構、分布、數量和價格等不得不做使用調整。使以前規劃設計推行的使用清潔、
高熱值能源的思路發生了壹定的變化。即近幾年來企業欲爭取較大效益。有不少燃油爐改成
燃煤爐以此帶來不小的環境保護問題。當然這幾年隨著我國電力工業的發展全氧爐、電
助熔、全電熔爐有了較大的發展。
2008年日用玻璃産量1445.7萬噸如成品率平均爲90年玻璃出料量應爲1590
萬噸年耗標煤557636萬噸。完成工業産值865.5億元、出口額2.1億美元其單耗平
均爲350400公斤標准煤噸玻璃液比較好的爲每噸玻璃液150250公斤標准煤(啤酒
瓶、農藥瓶、普通白料制品等)較差的多達9001000公斤標准煤二者相差34倍之多。
又如窯爐熱有效利用率先進的爲2538落後的只有1222之間相差326個百分
點國外日用玻璃包裝瓶熔窯單耗爲110130kg標煤噸玻璃液左右勞動生産率爲200
370噸年人熔化率2.53.8噸m2·日。窯爐大都爲日出料量180250噸。熱效率在
48左右。國內外差距較大。
我國改革開放以前全國玻璃工業窯爐的爐型和技術等都比較落後能耗很高改
革開放以後引進不少國外玻璃窯爐的先進軟硬件配合派人到國外學習參觀結合國情我們
的科技工作者經過30多年的引進消化吸收采用衆多新技術創新設計出我國高效、長壽命、
節能新型窯爐使我國玻璃工業窯爐節能技術有了長足的進步但與國際最先進技術水平比
還有壹定差距以兩大玻璃行業窯爐的主要技術指標進行國內外對比見表壹。
表壹國內外玻璃窯爐主要技術指標對比
2008年全年平板玻璃産量爲55493萬重量箱同比增長2.35。
2008年111月我國平板玻璃産量爲5139032萬重量箱同比增長9.0。12
月産量爲4102.09萬噸同比下降7.72。受國際金融危機的影響平板玻璃全行業虧損
特別是下半年浮法生産線陸續放水停産具有代表性的是11月底福耀玻璃兩條浮法線、南
玻三條浮法線放水停産。2009年形勢依然嚴峻據國家統計局最新數據顯示12月份累計
生産平板玻璃853733萬重量箱比2008年同期減少654萬重量箱同比下降7.11。從3
月份開始不少大型工程上馬形勢有所好轉。
玻璃企業的能耗主要在玻璃的熔制過程中消耗熔制玻璃的目的是在高溫下將多
種固相的配合料經熔融轉變爲單壹的均勻玻璃液當然在實際生産中玻璃行業抓住了窯爐的
節能就是抓住了行業節能的主題。
玻璃的熔制過程是壹個非常複雜的過程它包括壹系列物理的、化學的、物理化學
的現象和反應。這些現象和反映的結果使各種配合料經機械混合後送入爐內爐內配合料
在加熱過程中經過矽酸鹽形成(約在600900℃)→玻璃的形成(普通玻璃約爲1200
1250℃)→澄清(普通玻璃約爲14001500℃粘度η≈10帕·秒)→均化(玻璃液長時間處
于高溫下其化學組成趨向均壹)→冷卻澄清均化好的玻璃液在不損壞玻璃的質量前題下
需將溫度降至加工工藝要求粘度的溫度區域(壹般降溫200300℃)進行成型加工制造出所
需産品。
就目前玻璃窯爐生産技術狀況下分析平均熔化每公斤玻璃能耗約爲15004000
千卡(
理論值爲576624千卡公斤玻璃)由于爐型的差異、采用技術手段先進程度的不
同、熔化玻璃品種不同、工藝技術、日常管理等因素熔化玻璃能耗差距較大。玻璃窯爐有
熱效能利用率平均只有1838較低而7265不能被有效利用。
國內比較先進的燃油玻璃窯爐經熱測試的結論70m2窯爐熱能利用率58.84全
窯熱效率38.18。
根據國內部分企業窯爐調查結果顯示
1)爐型
當前我國輕工、醫藥、電子玻璃窯爐大都使用燃油、燃煤氣蓄熱室馬蹄焰玻璃窯爐
爐型換熱式玻璃窯爐也有壹定市場。平板玻璃窯爐大都爲橫火焰爐也有少量使用馬蹄焰
爐型的。
由于改革開放後引進了不少全電熔窯和電助熔軟硬件技術目前我國全電熔和電助
熔窯每年以百多台的速度在增長。全氧爐也有被國人接受的趨勢在逐年增加。
2)燃料
我國玻璃窯爐目前所用能源壹般可分爲液體燃料(重油、原油、柴油等)、固體燃料
(原煤等)、氣體燃料(發生爐煤氣、天燃氣、焦爐煤氣、液化石油氣、純氧氣等)及電能等。
3)近幾年我國玻璃窯爐發展趨勢
改革開放以來我國玻璃工業界引進大量的國外先進窯爐的軟硬件技術和裝備消化
吸收了不少新技術在結合我國國情的基礎上有了很多創新大大提升了我國玻璃工業的技
術水平。
近年來隨著耐火材料的研發新産品增多成型技術、加工能力産品檔次質量提高
爲窯爐深熔比池、深澄清池、長壽命設計提供了保證爲玻璃窯爐的技術進步創造了條件。
玻璃窯爐的創新突飛猛進大型高效、節能、長壽命窯爐大量湧現節能效果顯著。
高熱值燃料大量被使用。全方位複合全保溫技術應用進壹步深化。
電助熔窯、全電熔窯、富氧燃燒技術被采用全氧爐逐年增多。
蓄熱室馬蹄焰窯向大型化發展換熱室窯爐正在被蓄熱室窯爐替代。
適當縮小流液洞的截面尺寸增加流液洞的負荷減少玻璃液的回流。
玻璃窯爐設計的跨進變化
(1)近年來窯爐澄清池、熔化池池深的加深設計大量使用。(暫且不討論其理論根據)
窯爐由過去傳統的設計熔化池深度9001200mm現熔化池加深爲16002300mm
不等澄清池加深爲1600
2600。
(2)窯爐長寬比的變化
傳統的設計其長寬比壹般爲平板大型窯爲2.33小型馬蹄焰窯爲1.41.6。
目前長寬比有縮小的設計趨勢如馬蹄焰窯爐長寬比已有設計爲11.2的。
長寬比的改變與所用燃料、馬蹄焰窯爐大型化等有關。
(3)蓄熱室采用大蓄熔比單通道蓄熱室或三通道蓄熱室設計。目前還出現全分隔式
蓄熱室結構設計。
壹般超過50比1具體壹是加高蓄熱室或采用三通道蓄熱室。二是采用高蓄熱
效率的八角筒型或十字型格子磚增加有效蓄熱面積。盡量提高空氣預熱溫度至1300℃以
上這樣可以提高燃料的燃燒速度節約燃料以達到節能效果。
(4)玻璃儀器、玻璃器皿的生産大量采用全電熔窯設計以保證産品質量。
(5)玻璃窯爐設計同時增加節能減排措施項目並考慮。
(6)玻璃窯爐所用電熔锆剛玉耐火材料壹律要求精加工並在生産廠要求組裝驗收
方能進入現場。
二、近幾年玻璃窯爐采用行之有效的幾項節能新技術
(1)玻璃窯爐的節能
根據以上的數據和分析我國玻璃工業的節能潛力巨大玻璃窯爐的熱能用在熔化
玻璃上只是少量的大部分未能被利用。資料顯示輸入玻璃窯爐的熱能利用和散失大致
可分成三份即三分之壹熱量用于熔化玻璃、三分之壹熱量由爐體散失、三分之壹熱量隨
著煙氣被排入大氣中。
顯然第壹個三分之壹爲必不可少的後兩個三分之壹是我們節能主攻方向。當然第
壹個三分之壹也要做些文章。今後要結合國情除消化吸收國外的軟硬件側重于先進的節能
經驗和行之有效的節能先進技術更主要的是要依靠國內的廣大科技工作者和經營管理者
根據自己的實際情況和需求進行研發和創新以科學的嚴謹態度以不斷創新的方式和成果
使窯爐全方位達到運行最佳化以追求窯爐最大的節能效果和經濟效益。
節能要在保證玻璃質量的前提下將以現代國內外玻璃窯爐節能先進成熟的技術和
節能措施從窯爐的軟硬件入手全方位進行技術創新。做主要提示
窯爐的最新設計理念設計者要采用當代最新設計成果和節能技術。
采用當代最節能的配方設計選用最先進配料系統。
設計最新而先進的燃燒系統和設備。
設計和選用最先進的自動化設施和自控系統。
選用相匹配的優質耐火材料。
余熱回收和利用。
窯爐配套系統的節能等。
1玻璃窯爐的設計改革和創新達到節能
玻璃窯爐的設計是壹項十分重要的技術性極高的工作它涉及到熱力學、燃燒學、
流體力學、玻璃工藝學、材料學、耐火材料學等多種學科。
按設計程序進行設計前任務書、調查了解國內外相似爐型的先進資料等收集相關
資料並在調查研究的基礎上選定爐型、根據技術指標和使用方的要求經計算、實驗繪制圖
紙完成設計初步設計所用燃料類別確定單耗、確定熔化率和出料量、確定熔制工藝制度、
確定熔窯的主要尺寸熔化池尺寸、工作池尺寸、燃料的燃燒計算和耗熱量的計算、火焰空
間尺寸、設計小爐尺寸、蓄熱室設計、煙道尺寸、煙囪設計等、耐火材料的選擇、土建、
燃料及動力的配套工程供應等必須做。窯爐設計和采用先進結構效益。此外築爐和烤爐及日
常使用也必須注意。壹座窯爐設計的成功與否關系到爐投入使用能否按設計指標節能、高效、
長壽命運行關系到企業今後的經濟效益。
由于對窯爐技術經濟指標的高要求窯爐設計工作者必需采用最新的衆多新節能
技術方能滿足要求故近年來創建了壹大批高效、節能、長壽命窯爐能耗比常規爐降低
2050效益可觀。
關于企業窯爐選擇設計部門問題
據我們掌握情況目前國內設計窯爐比較混亂大致是1具有國家資質的正規大型設
計院技術實力雄厚收費高對工程有保證。2具有地方工商部門注冊的有壹定設計能
力和水平的股份公司和私人公司有壹定的技術實力對工程有壹定保證費用較正規設汁
院低。3有地方工商部門注冊的無技術實力的個人(23人不等)公司只管建爐不負責工
程無後期服務收費低。4遊擊隊公司或個人(包括壹些築爐隊)只爲賺錢對後事不負責
任無技術可言出事率特高出事後根本找不到人負責企業損失大。
爲此中國節能協會玻璃窯爐專業委員會在此建議各單位要特別慎重此事以免上當
造成重大損失。
選定爐型
當前國內外比較成熟通用的有火焰爐或全氧燃燒爐、全電熔爐或電氣混合爐等。
火焰爐是主用爐型其中馬蹄焰爐和橫火焰爐是用的最普遍的爐型。換熱式也有不少企業在
使用縱觀我國玻璃窯爐使用情況建材大都使用大型橫火焰爐、其它行業馬蹄焰爐型用的
多。此種爐型已經比較成熟節能效果較好。換熱式爐也有他的優點和長處但熱利用率較
低能耗較高建議如條件許可可改用馬蹄焰爐以達到節能的目的。
◎雙碹頂換熱室池窯是壹種老式池窯能耗比馬蹄焰蓄熱室池窯高許多內碹容易
損壞和坍塌池爐壽命較短國外已不用。在電光源行業的玻璃工廠中大約還有30台仍
在運轉熔化面積在1230m2左右以20m2左右居多。在日用玻璃行業中也有些雙碹頂
換熱室池窯存在大的在40m2左右仍使用這種類型的池爐的原因是其火焰不需換向
燃燒穩定控制相對簡單壹次性投資少。但其換熱的空氣預熱溫度低進煙道的廢氣溫度
高熔化溫度低熔化率低能耗高熱效率低。
大于20m2的雙碹頂換熱室池窯應當淘汰用馬蹄焰蓄熱室池窯代替。
小于20m2的雙碹頂換熱室池窯應當淘汰用全電熔窯代替。
◎電助熔玻璃熔爐可廣泛采用在用火焰直接加熱的池窯中采取局部的高效率直
接通電方式加熱可提高深層玻璃液的溫度和增加出料量。國外的電助熔窯熔化率有的已
達3.5tm2d以上我國的電助熔窯熔化率和國外的差距很大主要是思維觀念的差別有
些人認爲電助熔只是提高玻璃質量的。熟不知電助熔窯主要是提高産量的當然也是提高玻
璃液質量的但以提高玻璃産量爲主。因此發展電助熔窯應引起廣泛重視是節能發展方向。
電極的安裝有從池壁水平插入和從池底下部插入。目前大多數都是底部插入。
産量小玻璃質量要求較高的而附加值高的産品應多采用電助熔爐或全電爐更能體
現出優越性來是發展方向。
◎大力采用全電熔爐
全電熔爐特別適合于小批量附加值高的玻璃産品的熔制。如硼矽硬料玻璃熔化選用
全電熔爐爲最佳。特別是高硼矽玻璃建議采用全電熔池爐。
熔化硼矽硬料的玻璃熔爐的特點是高硼矽料難熔化所需溫度高熔化溫度達到
1600℃時其熔化率在0.40.7左右還須加火、電混熔。玻璃液粘度大窯爐壽命較短
耐火材料的質量需求高。産品合格率低能耗高。
全電熔窯可以采用冷頂熔化率可從火焰窯的0.40.7左右提高到1.52.0左右
使能耗降低現比較先進的全電熔爐熔化每公斤玻璃液只需1.31.5kwh折合標煤爲160
190kg。産品質量提高色澤透明成本降低。
2)選用成熟先進的節能技術提示
(1)采用增加熔化池、澄清池深度及大容量結構設計窯爐。
加大熔化池深和澄清池深(多深要根據實際情況決定)設計時要考慮熔化料種、出
料量、熔化率、窯爐壽命、燃料種類、溫度制度(含池底溫度)、出料量、造價等因素適當增
加澄清區的深度有助于降低流液洞進口端的玻璃液溫度並有利于澄清深度是有限度的
如粘度較大的高硼矽酸鹽玻璃就不能太深要結合國內深池成功經驗要有科學的理論數據
爲依據進行設計。
采用窯坎、池底傾斜式結構、傾斜式或延伸式流液洞、傾斜式池壁磚等技術。
熔化池池壁可采用傾斜式設計有利于延緩三相界面上對耐火材料的侵蝕延長使用期也有
助于冷卻風發揮最佳冷卻作用。池底也可設計成傾斜式有助于防止池底出現死料。
(2)蓄熱室采用大蓄熔比的單通道蓄熱室或三通道蓄熱室設計
即設計時考慮加大蓄熱室格子磚的體積加大蓄熔比可采用八角形格子磚、十字
型格子磚增大蓄熱室面積加大有效熱回收利用。如受廠房高度等限制則可采用三通道蓄
熱室結構就能較好回收熱能格子體體積熔化池面積壹般爲34m2m2以使助燃
空氣獲得較高預熱溫度>1300℃此外采用煙氣余熱利用裝置等均可達到節能。大型窯爐
可考慮余熱發電進行熱回收利用。
蓄熔比壹般超過50比1具體壹是加高蓄熱室或采用三通道蓄熱室。二是采用
高蓄熱效率的八角筒型或十字型格子磚增加有效蓄熱面積。盡量提高空氣預熱溫度至
1300℃以上這樣可以提高燃料的燃燒速度節約燃料以達到節能效果。
(3)合理設計小爐和火焰空間
小爐的設計最關鍵它是池爐供熱系統的核心爲提高熔化率和玻璃質量設計時
根據所用燃料種類發生爐煤氣、燃油、天然氣等來計算設計小爐或采用何種燃燒器
要保證所需的火焰長度、寬度、速度、熱點位置、輻射能力、方向性、、不發飄、覆蓋面積
燃料燃燒完全和可調控等要求應有科學合理的火焰空間確保火焰把最多的熱量傳給熔化
玻璃液所用並保證火焰不沖刷、燒損碹項、胸牆和噴火口等爲最佳。這就必須計算好並設
計好火焰空間高度、二次空氣流向和控制、小爐混合室長度和傾角等。
熔池碹頂可選用蜂窩狀耐火材料以強化熱反射到液面保證充分利用熱量達到節
能同時保護碹頂不被燒壞可延長碹頂壽命。
(4)設置窯坎
日用玻璃窯爐熔化區和澄清區間可設置窯坎他對窯池內的玻璃液的流動和傳熱都
有較大影響可改變玻璃液的溫度場他可減少回流如減少澄清均化後玻璃液的回流可
提高熔化能力和玻璃液的質量還可節省燃料約5。
窯坎的發展趨勢是由薄變厚由矮變高其有效高度應設計在0.40.8m。而1m爲窯
坎的極限高度。數學模擬結果表明合適的窯坎高度範圍可按近似式h1—h2≧h0≧2h
式中h1爲池深h0窯次高h爲流液洞高確定。確定時還要顧及窯熔化率和玻璃成形
溫度的需要。
當窯坎0408m高時爲窯坎的有效高度當窯坎爲0709m高時能合理組
織液流和增強料層下的回流。1m爲窯坎的極限高度。
窯坎和鼓泡或電助熔配合使用有可能增強窯坎的作用但窯坎受到的蝕損將加重。
(5)設置鼓泡
玻璃窯爐國內外均采用玻璃池爐鼓泡就是用特殊的噴嘴由池底向上鼓入具有壹定
壓力的氣體使人爲形成的氣泡上浮來攪拌玻璃液。同時提高窯爐的熔化能力還可達到節
能的目的。目前國內鼓泡技術已經比較成熟熱、冷態下均可安裝。可請開發商承接完成。
鼓泡的基本作用是有效地控制、強化和改善熔化池內的玻璃液對流體系增強爐
內玻璃液的對流體系增強爐內各物料間的熱交換及物理化學反應因此提高了玻璃液熔制
過程中的熔化、澄清、均化的效率故可提高玻璃的質量和成品率産量可增加512。
由于窯內熱利用率的提高可使燃料消耗降低510經濟上有明顯優勢。
鼓泡的型式最好采用脈沖式鼓泡鼓泡點分布通常爲壹排也有兩排的。如設兩排
壹排設在加料口附近後壹排鼓泡點通常與窯坎配合。泡頻根據需要進行調控。
插入池底的鼓泡管可使用特種合金管、白金鼓泡管、水冷卻耐熱鋼管其孔徑爲1
3mm每個鼓泡占用氣量爲60250Lh。
玻璃窯爐鼓泡增設與否視玻璃類別、顔色、窯爐設計等諸多因素決定。
常規池爐內溫差自然對流情況圖
加鼓泡、窯坎後窯內強化對流情況圖
(6)科學合理的設計流液洞
目前玻璃窯爐流液洞的設計日趨科學合理如增加流液洞的長度尺寸采用延伸式、
傾斜式流液洞可最大限度的減少玻璃液的回流達到節能同時對流液洞的維修和檢查十
分有利。
(7)采用自動監控裝置
采用現代自動化溫度、窯壓、液面等控制系統強化窯爐監控手段做到科學合理
用能和生産並可延長窯爐使用期做到科學文明生産。
過剩系數是窯爐燃燒特性的壹個重要指標可采用測氧裝置嚴格控制空氣過剩系
數。
根據裝置測出的含氧數據嚴格控制空氣過剩系數。過大浪費燃料過小使燃料燃
燒不完全。目前由于二次空氣預熱溫度比較高空氣過剩系數可以適當小些甚至可以1
1左右從而節約了能源。(8)選用優質耐火材料
科學匹配選用優質耐火材料。確保玻璃熔化質量、窯爐壽命、高效節能。耐火材料
壹定要選用優質、可靠特別是AZS系列材料、矽磚系列材料等的選用則將出現嚴重問題
甚至造成設備報廢經濟損失巨大此問題教訓深刻。耐火材料的質量直接關系到熔化玻璃
的質量、窯爐的壽命和企業的效益
(9)采用複合高效強化全保溫技術
上面論述窯體散熱幾乎是投入窯爐總熱量的13多年來保溫技術有了很大發展
從理論、結構、施工操作形成了壹套完善系統特別是耐火材料、保溫材料和窯爐高效保溫
設計技術的發展不管是大窯還是小窯窯爐保溫密封效果越來越好目前穩化保溫技術越
來越成熟強化保溫蓄積的熱量大約是未進行保溫的二倍半。如碹頂經強化保溫後表面溫度
可控制在80℃以下散熱損失減少90以上保溫窯爐從保溫中可節能達20
40或更高
起到節能的效果是目前節能特別注意點。
玻璃窯爐全保溫指的是窯爐整體碹頂、胸牆、蓄熱室、小爐、池底甚至煙道等全
部密封保溫。以目前玻璃窯爐看大、中、小爐都可以做全保溫節能效果都好。
有些窯爐保溫不很成功主要是保溫技術、結構設計所用材料、保溫方法不當故
取得效果就不同。只要我們科學保溫設計科學選材、施工合理就可以取得預想效果。
窯爐保溫與不保溫窯體表面溫度對比
對保溫層結構的選定池窯保溫層是多層、多種材料的組合體應該作爲壹個整體來看待。
這個保溫整本既要滿足保溫要求又要承受下列使用條件
1、較高的窯體表面溫度。保溫後保溫層和窯體接角處的溫度可達1000℃甚至
1000℃以上
2、和窯體材料的高溫反應。如果保溫材料和窯體材料化學性質不壹致在高溫下
會有材料間的接觸反應。如粘土質和矽質材料、粘土質和鎂質材料等。
3、火焰燒損。在孔、洞、脹縫處如密封不好會有火焰竄出燒壞保溫層尤其
在窯壓大時。
4、料粉腐蝕加料時粉塵飛揚。純堿、硼砂、芒硝等較輕的料粉沈降在保溫磚氣
孔內或磚縫內引起強烈腐蝕。
5、機械沖壓保溫層有時會受到窯體鋼結構緊固的壓力和某些附屬設備的沖撞。
爲滿足上述使用條件保溫整體必須是保溫性能好、能耐壹定溫度、有好的體積
穩定性不發生蠕變和析晶、有好的化學穩定性、有壹定耐壓強度、盡可能輕、價格適中
和施工簡便。爲更好達到這些要求對保溫層結構壹定要精心設計並作方案比較。目前。
國內外設計單位已把保溫層設計列爲玻璃窯爐設計的壹個重要組成部分。
壹般保溫整體由下列各單位層組合而成。
高溫保溫層既保溫耐1200℃以上的高溫。如輕質耐火磚、空心微珠磚、氧化鋁
空心球制品、莫來石纖維、高鋁纖維等。
中溫保溫層既保溫又能承受壹定溫度6001000℃個別達1200℃。如矽藻
土磚、膨脹珍珠岩制品、微孔矽酸鈣板、礦渣棉、矽酸鋁纖維等。
密封層能密封磚縫又耐高溫耐腐蝕。如AZS質密封搗打料、锆英石質密封搗打
料、矽質密封料等。
密封保溫層能密封窯體利保溫但耐溫在800℃以下。如保溫塗料等。
防護保溫層有壹定保溫性能又有壹定強度能對保溫層起保護作用。如紅磚、矽
鈣板、石棉板等。
防護反射層既保護保溫層、又能對熱線起反射作用減少向外輻射損失。如鋁皮
等。
耐蝕層能抗玻璃液的侵蝕。如電熔锆剛玉鋪面磚。
耐火承載層有相當強度能承受窯池荷重又能耐高溫。如澆注大磚。
玻璃池窯各部位由于情況各異、要求不同所以各自的保溫層結構也不同。舉例如下
窯頂密封層、高溫保溫層、中溫保溫層、防護反射層。
胸牆密封層、高溫保溫層、防護保溫層或防護反射層。
池壁密封層、高溫保溫層、防護保溫層。
池底耐蝕層、密封層、耐火承載層、高溫保溫層、防護保溫層。
小爐高溫保溫層、防護保溫層或防護反射層。
蓄熱室高溫保溫層、防護保溫層、密封保溫層。
由上列各例看出保溫層結構內除保溫層外壹般都考慮密封層和防護層。它們可
以延長保溫層的壽命又可增加些保溫效果。
同壹部位可以有不同的組合。例如輕保溫的和重保溫的就不同熔化玻璃成分中
含重金屬的與不含重金屬的就不同逸出氣體內含多量堿、硼等腐蝕性組份的與含少量腐蝕
性組份的就不同。總之在選定保溫層結構時除應滿足規定的基本要求外還要顧及各種特
殊情況。
堅信科學保溫工程的概念
實施保溫技術並不只是簡單地貼壹層保溫磚而應該以完成壹項工程來對待。它
有工程的前期設計中期運作和後期評估。具體來說它包括保溫材料選擇、保溫結構設計、
保溫層施工、表面熱損失測定、保溫效果分析等內容。這些內容聯系到材料生産、傳熱計算、
施工、性能檢測、效果評估等環節構成了完整的工程體系。涉及到材料學科、工程熱物理
學科、計量測試學科、能源學科、計算機學科等因此它是壹個交叉的邊緣學科。
保溫工程自上世紀七十年代形成後受到能源危機的推動各國普遍重視節能工作
故發展迅速。1984年7月法國西普公司讓·塞貢工程師在上海說池窯保溫層設計是該公
司壹項獨立業務。前蘇聯在1980年出版《玻璃熔窯保溫手冊》作爲保溫工程指南1984年
提出用電腦來確定最佳的保溫方案。美國康甯公司把保溫和熔制工藝聯系起來研究保溫後池
窯結構的改變。日本專門出版了隔熱工程的書籍。我國也努力致力于保溫節能工作。在工業
系統有專門的設計施工單位在科研系統把保溫課題作爲重點科研項目在高教系統開設專
門的保溫工程課程。
池窯保溫後窯內溫度情況、液流情況、化料情況、耐材蝕損情況等都有變化。例如
某熔化鈉鈣玻璃的四對小爐橫焰池窯、池壁和池底保溫後在熱點處和熔化部末端的玻璃液
溫度均有提高見下表。因而窯的操作制度、結構尺寸等需作相應改變。否則會影響
産量和玻璃質量。這是值得重視的。
窯池保溫後玻璃液溫度[℃]的變化
(10)余熱利用
在玻璃熔窯的各項熱損失中由蓄熱室排出煙氣的余熱量占有很大比例。如何提高
熔窯排煙余熱的回收利用壹直是國內外熱門的研究課題。現階段人們對排煙余熱回收的
途徑主要有余熱發電、余熱制冷、余熱鍋爐和余熱預熱玻璃配合料等幾種途經。
我國玻璃工業目前利用煙氣的余熱主要是利用余熱來産生蒸汽用于日常的生産
和生活其中生産主要用于重油的加熱但使用的蒸汽量並不大而對使用天然氣爲燃料的
玻璃生産線其生産中幾乎可以不用蒸汽因此煙氣的余熱並不能被充分的利用。
以500td浮法玻璃生産線爲例煙氣余熱4.9×107kJh通常情況下余熱鍋
爐的熱交換利用率4550相當于可産蒸汽89th0.6MP而壹條500td浮法線
重油加熱的用量僅需蒸汽th0.6MP余量很大因此在我國除北方寒冷地區的
玻璃線有在取暖季節煙氣全通過余熱鍋爐外其余煙氣都是不同程度的直接排放煙氣中的
熱能未能被有效的利用。
大型玻璃窯爐煙氣余熱發電利用玻璃熔窯廢氣余熱發電是壹項資源綜合利用項目不僅節能而且環保玻璃
熔窯廢氣余熱發電。在對廢氣余熱進行綜合利用的同時可以大大提高全廠的能源利用率
降低了單位玻璃生産成本的電耗和能耗減少大氣汙染物的排放減少溫室效應。這對于玻
璃生産企業來說在獲得顯著的經濟效益同時還大大地提高了整個玻璃廠的社會效益和環
保效益。這是玻璃企業發展循環經濟的重要途徑。
(11)全氧、富氧燃燒先進節能技術
全氧燃燒技術是玻璃窯爐的第二次革命是因燃燒介質的改變而使窯爐結構産生了
變革。全氧燃燒技術既然在發達國家被廣泛使用是因有它的優越性而被行業肯定的結果。
我國目前處于剛起步的階段現己在電子玻璃行業中開始引進使用現正在消化吸
收、創新。全氧燃燒技術是節能、高效、環保的先進技術符合我國節能、環保的要求。
展望未來全氧燃燒技術在玻璃窯爐上的應用前景光明。
A、全氧燃燒技術在玻璃窯爐上的應用
玻璃窯爐上采用全氧燃燒技術在環保、節能、靈活掌握爐內溫度、提高産品質量和
産量、延長爐齡、減少占地面積和設備投資等諸方面與傳統方式空氣燃料燃燒系統燃
燒技術的窯爐比較有無可比擬的優勢。全氧燃燒技術熔制玻璃使熔化更加穩定、節能、高效
率近乎達到理想的熔制效果。故玻璃行業的全氧燃燒技術被譽爲玻璃熔化技術的第二次革
命而玻璃熔化技術的第壹次革命是蓄熱室式玻璃熔爐的創建。因此全氧燃燒技術被認爲是
最經濟最有效的玻璃熔制工藝方式因此今後的快速發展就將成爲必然。
所謂玻璃窯爐的全氧燃燒熔制技術就是完全以含92以上的氧氣代替空氣在爐
內形成氧氣——燃料燃燒、釋放熱能熔制玻璃的整個燃燒系統技術。
衆所周知玻璃生産過程中需要的熱量是通過爐內燃料燃燒獲得。燃料的燃燒過程
就是燃料中的可燃元素和氧氣在高溫下進行劇烈的化學反應並釋放出大量的熱量的化學反
應過程。通常燃燒所需的氧氣由空氣中獲取空氣中氧含量21、氮含量79。而占空
氣中約79的氮氣對燃燒過程毫無益處相反在燃燒過程中吸收大量的熱能被排入大氣中
造成熱損失和大氣汙染。
目前歐、美等國使用全氧燃燒技術已經很普遍據資料介紹得知當前已有超過200
座大大小小的全氧燃燒爐在運行效果理想。這是環境和經濟效益等多方面因素造就了全氧
燃燒技術的發展。目前已經引起我國行業工作者的高度關注因爲他和傳統燃燒方式相比太
具有誘惑力了。看來玻璃窯爐上采用全氧燃燒技術已是大勢所趨爲期不遠了。
玻璃窯爐應用全氧燃燒技術的優勢特點(1)由于全氧燃燒火焰溫度高加速了玻璃熔化過程
故可以大幅度的提高生産能
力達25以上。由于溫度制度改變、可控可明顯的提高玻璃熔化的質量。
(2)由于助燃爲純氧而無空氣中的氮氣與空氣助燃相比廢氣排放量氮化物減
少8090有利于環境保護同時還節省了加熱氮氣所需的大量熱能約25以上。
(3)由于廢氣總排放量的減少大大減少了廢氣排放過程中夾帶粉塵的損失經驗
表明可以降低粉塵排放量約70。從而降低了損失成本還可保證了玻璃成份的准確。有利
于環保。
(4)采用全氧燃燒技術後不再需要龐大的蓄熱室、小爐、換向系統等結構大大
減少了窯爐的壹次性投資可達13同時由于窯爐結構簡化實際上就是壹個熔化部的單
體構成占地面積大爲減少有利于改善窯爐的操作環境和維修。
(5)窯爐結構簡單大大減去了蓄熱室、小爐等處的散熱損失十分有利于節約能
源。
(6)由于全氧燃燒技術的優越性和窯內溫度制度科學合理的可控和穩定性減輕了
對碹頂、池壁等處耐火材料的侵蝕有利于延長窯爐的壽命。
(7)全氧燃燒技術完全符合我國節能降耗、環保型企業的發展目標。
秦皇島玻璃工業研究設計院設計的全氧
關于氧源
玻璃窯爐的全氧燃燒技術所需的氧氣是工業氣體氧是用工業技術方法從空氣中分
離獲得。目前制取氧的方法主要是
(1)低溫氧氣分離法1CO。這種方法己有100多年的曆史故工藝成熟産品
純度高可達98以上同時可生産N2此法還可生産液態氧。該系統比較複雜維修量大。
此法適用用氧量較大的企業如果用氧量較少則成本比較高。
(2)變壓吸附法VPSA。此法始于20世紀70年代初此法是分子篩分離O2和
N2的多用雙床式輪換操作。具有裝置簡單、設備數量少、安裝便利、工藝流程簡單相
當于深冷空分的壹個淨化系統、操作方便、穩定可靠、適應性強、占地面積小等優點。制
氧純度9095適用于中等用量的企業。
(3)液氧。液氧是由工業生産供應其純度高達99.5以上的高壓O2。適用于現場難
于制氧且用量小的企業。液氧每噸可産生700NM3。
(4)膜法制氧。膜法分離技術是近代才出現的制富氧技術。工藝方法簡單、投資少、
占地少、投資少等優點。但制氧純度只有2532適用窯爐的富氧燃燒。
燃燒器氧槍
全氧燃燒技術燃燒器是極其重要的關鍵設備它對窯內火焰狀況火焰覆蓋面、
火焰長短溫度分布、傳熱效果等均起著重要作用。氧槍要專門設計。
B、采用富氧燃燒技術
目前在國內外富氧燃燒技術是壹項比較成熟而節能有效的技術窯爐內由于助燃空
氣含氧量的增加燃燒速度加快燃燒完全燃料利用率提高大大提高了爐內火焰溫度
可達1600℃實踐證明助燃空氣中的氧濃度由21增加到26以上實際燃燒溫度可提高
80。節能壹般可達812。建議有條件的單位可以考慮采用。
北京某單位玻璃窯爐測試實例
由上表可見采用富氧助燃技術可達到節能增效。
(12)推廣使用熱修補技術和材料
窯爐用到後期出現問題較多有些可用熱補技術來解決根據國內近幾年對若幹座
窯爐熱修補情況看效果不錯壹般補的好時可以增加使用期615個月。延長了使用期。壹
般投資不大經濟效益顯著。
五、展望
玻璃窯爐發展新型節能窯爐使用高熱值環保燃料電、純氧等、窯爐大型化、
自動化、現代化是玻璃工業的發展方向。
玻璃工業現代化要做到節能需考慮衆多因素才能實現它是壹個系統工程還需
考慮到原料的選擇、原料的成分、粒度配合料方的設計、配合料的制備配合料的均勻度、
碎玻璃的清洗和加入量燃料的種類和燃料的管理操作人員的精心操作管理和控制及日
常的維護保養等衆多因素。
窯爐是關鍵玻璃窯爐必須進行結構改革和創新。生産制品量大的玻璃窯爐要大型
化、自動化、現代化能增效的必然趨勢。建議今後建爐應采用蓄熱式馬蹄焰爐、橫火焰爐。
馬蹄焰爐大型化可達80120平方米或更大。事實證明80120平方米燃煤馬蹄焰爐單
耗可達到每噸玻璃液160180公斤標准煤。今後要用馬蹄焰爐取代能耗大技術落後的雙碹
頂換熱室池爐。發展100M2以上大馬蹄焰玻璃窯爐。浮法玻璃窯爐發展900噸級以上的大型
爐。
采用全電熔爐、電助熔爐熔化技術。電熔化熱利用率高、易控制、占地少、環保等
優點應是今後的發展方向。硼矽玻璃應多采用全電熔化技術。
全氧燃燒爐和富氧燃燒技術
全氧燃燒爐技術被行業人士譽爲玻璃窯爐的第二次革命全氧燃燒技術非常先進
目前國外這項成果已廣泛被使用效果非常好。國內已在電子行業采用。這項技術具有熔化
玻璃質量更好、易調控、更節能占地少、投資少、環保等優勢故在國外得到較快的發展
此項技術應引起我國行業人士的關注。
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