玻璃窑炉中的钼电极应用
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- 分类：钼的知识
- 发布于 2012年12月25日
- 作者：CCJ
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玻璃窑炉中的钼电极应用一、序言
目前国内许多全电熔玻璃窑炉和火焰--电助熔玻璃窑炉都使用钼电极。
钼电极是熔化钠钙玻璃和高硼硅玻璃的常用电极有较高的使用温度和表面电流强
度甚至可高达2000℃的使用温度。
正确使用钼电极对于窑炉设计和制造工程师是至关重要的。电极的价值往往只是窑炉价
值的10—15%左右但是对于不同玻璃不同设计的玻璃窑炉来讲,电极的正确应用是窑炉
成功与否的决定因素。
二、钼电极介绍
下表是奥地利攀时公司(Plansee)生产的钼电极的化学成分表。奥地利攀时公司是全球
最领先的钨钼材料生产尚它生产的钼电极也是世界上质量最好的钼电极。各批次化学成分
准确尺寸精确机械性能稳定。表面呈银白色和其他厂家生产工艺不同没有表面机械
加工是精锻后的自然表面。精锻表面具有很强的致密性从而赋予电极以更好的耐腐蚀性
能。
钼电极应用参数
在玻璃窑炉中钼电极表面温度一般高于熔化玻璃温度200℃。
如果钼电极表面温度达到2000℃。那么钼电极的损耗也较大。钼电极表面温度同施加
于钼电极的表面电流密度相关因此表面电流密度越大损耗越快。
我们建议一般窑炉中钼电极表面电流密度应当于1.0—0.7A/cm2为适中。当窑炉要求
较高玻璃质量和较长电极使用寿命时应当采用较低表面电流密度。钼电极最高表面电流密
度应当不大于2A/cm2。
一般说来对于含铁较高的玻璃或者“E”玻璃中钼电极的消耗比较小。
下图中示出钼电极在玻璃中适宜的进入长度不合适的插入长度导致钼电极由于高温造成的
快速氧化现象。
2.1简单的质量判定方法。
国内流行的电极一般是进口的奥地利攀时公司电极其余是产于东北河南陕西等
地的生产厂家质量参差不齐。对于钼电极的选购用户一般都缺乏手段来作精确判断以
下介绍一个简单实用的目视方法供设计人员采购人员参考。
钼金属在382℃以下一般在无酸碱盐作用下氧化极其缓慢。新切割的金属表面呈光亮银
白色放置空气中常温下数年内只变成暗银白色或均匀灰色。纯度越高的钼电极颜色银白
色越好年变化小。如果钼电极表面是经车制颜色是棕色或呈黑棕色这不是钼的氧化物
的颜色而是钼电极中含的各种杂质的氧化物的综合颜色。棕色越淡而且表面颜色均匀度较
好那么质量较高。如果表面为黑棕色而且颜色深浅不同成块状那么此种钼电极质量较差。
质量好的钼电极装上窑炉后在接电的部位应在几个月后电极表面仍保持银白色。用这种相当简单方法至少可以较快定性判定钼电极中杂质含量的程度。
2.2钼电极杂质和密度对玻璃质量的影响
钼电极中杂质含量的比例和钼电极锻制密度的高低和密度均匀性是钼电极质量最重要的
指标。
含有杂质少的钼电极对于玻璃的色度透明度是决定性的因素。钼电极中铁镍钴……
等金属或金属化合物是玻璃着色的主要魁首。铁的含量超过150PPM。玻璃会有明显的绿色
感如果保温48小时那么满池皆是绿色玻璃。
杂质中铁和镍对钼电极寿命的影响是致命的。铁和镍在钼金属中以单相或多项金属化合
物固溶体存在而铁和镍的金属化合物的熔点大大低于钼的熔点并且低于玻璃熔点。这些
杂质首先熔化到熔化玻璃中去带动了玻璃对钼电极的过早侵蚀因此采用低档钼电极的窑
炉往往在窑炉投入生产仅几个月就出现灰色透明度差的玻璃过甚者可以在玻璃中发现连
续的灰线灰泡造成窑炉失败。同样铁和镍在钼电极中的存在是钼电极易断裂的一大原
因。
钼电极的锻制密度是使用寿命和玻璃中产生微型气泡的重要因素。
高质量钼电极是连续精锻的产品表面无需再用车制方法纠直和保证直径尺度。表面精
锻需要大型精密锻造设备高均匀度加热设备。做到这一点对于相应设备投资较小小批
量小型生产厂商来讲做到这一点是十分困难的。密度分布主要指径向分布。一般电极中
心部份密度小于周边部份差别应当小于2-5%左右过大的差别造成过早钼电极被侵蚀
后期大量钼微粒混入玻璃中造成灰色度较大。
纵向密度分布不均造成微量直流电位差极易在熔化导电玻璃中产生微气泡对于高
质量玻璃生产厂家例如光学玻璃来讲是十分有害的。
我国玻璃电熔现状及发展方向(上
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由于环保的要求越来越高玻璃制品的质量要求也越来越高玻璃工厂采用电熔已经大势所
趋。作者从事过十多年玻璃电熔化方面的技术研究和技术推广工作参与设计、引进、翻版
过数十座玻璃电熔窑、电加热料道、电辅助加热玻璃窑炉帮助玻璃厂解决过多起玻璃电熔
化和电加热方面的疑难问题。
进行玻璃的电熔化与电加热设计的单位和个人有数十家之多设计的电熔窑各有特点
水平亦是参差不齐。在此作一总结。
1玻璃的电加热料道
十年前玻璃的电加热料道与煤气多喷嘴加热料道同时作为两项新技术在推广有些厂
家在考虑采用玻璃的电加热料道技术时还要求到处考察。使用该技术的还仅仅是一些具有
开拓精神的厂长。经过近十年来不断努力玻璃的电加热料道已被广大的玻璃厂普遍接受
已成为了大众化的技术有些单位和个人已把它制成了产品出售。
但一些特殊要求的和特种玻璃的电加热料道还是需要专业人员进行设计。玻璃的电加热
料道大体分为硅碳棒辐射电加热料道、平板玻璃通路的电加热、板状钼电极的电加热料道、
棒状钼电极电加热料道、混合式电加热料道、热套法电加热料道、料盆的电加热、氧化锡电
极电加热料道等八类。
2玻璃窑炉的电助熔加热技术
玻璃窑炉的电助熔加热技术主要用来
(1)大幅度地提高熔化率。国外大型燃油平板玻璃池窑一般熔化率为2T/m2·d我国
为1.6T/m2·d左右采用电助熔技术后可使熔化率提高到3.2T/m2·d甚至可达4.2T/m2·d。
熔化率可提高60%甚至100%。(2)提高玻璃的熔化质量。在任何情况下采用电助熔都能改善玻璃的质量。这是因为加
强了玻璃液的流动使玻璃液的均匀性提高了。在玻璃液中引入电能提高玻璃液的温度从而
玻璃液的粘度降低澄清过程加快熔解在玻璃液中的气体量显著减少这对玻璃的成形和
加工有良好的影响。
我国有些中小玻璃厂由于燃料质量不好熔化温度烧不上去玻璃液质量很差。如果有条
件采用电助熔技术玻璃液质量将会得到很大的提高。
(3)灵活调节出料量。采用电助熔加热的池窑能够根据市场需要迅速调节池窑的出料量。
在不增加池窑尺寸的情况下池窑的熔化能力可提高3050%。电助熔特别适合于需要定期
变化出料量的窑炉。这种窑在使用期间熔制玻璃所消耗的矿物燃料不变而电助熔可以使窑
的熔化能力提高到最大限度。
(4)电助熔装置尤其适用于有色玻璃。如果是透热辐射性差的深色玻璃则在熔化部使
用电助熔极为有利。
(5)电助熔装置尤其适用于难熔玻璃。
玻璃窑炉电助熔加热的设计关键点是窑炉的电极排列和功率分布对硼硅酸盐玻璃和有
色玻璃的窑炉的电极排列是为了加强池底的能量对为了增加产量或调节产量的玻璃窑炉电
极排列是为了加强玻璃液的对流。
布置于池底的电极通电后处于熔融状态的玻璃液为一导体。根据电阻的热效应原理
两电极间的玻璃液就会发热。同时由于电极端部的边缘效应电极端部附近的玻璃液温度
最高此处温度甚至可达1700℃以上。由于比重的差别在电极附近就形成了玻璃液流
池深方向各层的玻璃都充分参加了这一流动从而消除了高硼硅玻璃分层所带来的问题。另
外电极端部在玻璃液中的“放热”现象及由此而产生的玻璃液流提高了底层玻璃液的温度
加快了石英颗粒的溶解速度促进了玻璃的澄清和均化。
3全电熔玻璃窑炉
3.1.减少挥发的机理
全电熔厚料层垂直深层电熔工艺熔化池表面复盖冷的配合料配合料在复盖层下加热
从加热到玻璃形成的四个阶段都在同一个地点不同的时间和不同的垂直高度上完成。因
此它可以基本避免在火焰池窑中所造成硼挥发的存在条件。其机理是
(a)配合料层表面工作状态平稳。全电熔厚料层熔制玻璃时由于配合料是很好的绝热
材料料层的表面温度可低达200℃以下而且料层表面没有任何火焰和高温高速气流的冲
击处于平稳状态基本上可以避免“飞料”的物理损耗。
(b)冷炉顶可以回收挥发物。厚料层的料层厚度一般在100200mm表面温度在200℃
以下。从一幅典型的熔制高硼硅玻璃的冷炉顶图1中可以看到配合料表面040mm这一
层温度稳定在120℃仅水份在蒸发可称为冷配合料层。深度在4080mm温度从120℃
提高到250℃硼酸开始分解称为热配合料层深度在80110mm的温度变化最剧烈
从250℃上升到1000℃完成了硼硅酸盐的反应过程称为硼硅酸盐反应带也可称轻质层。
再下一层则是含有大量气泡和带有未熔化好砂粒的熔融玻璃称为玻璃的熔融过程也可称
半熔层。在这层下面就是玻璃的澄清和均化区域。硼硅酸盐配合料从表面的料层到轻质层
经过温度从1201000℃的热过程必然会发生硼酸和硼砂在脱水期中的硼挥发,挥发物由下
向上逸出时遇到冷的表面配合料层凝结起来便产生硼的回凝现象而在反应过程中所产
生的CO2和NOx气体很容易穿过疏松的配合料层逸出。因此硼的挥发物可以在这里被回
收。应用这个原理同样可以回收其它含有氟、铅和硒玻璃的挥发性物质。由此也很容易解
释薄料层全电熔熔制工艺中硼的挥发率较高(10%左右)的原因。
(c)澄清和均化在垂直深层方向中进行。在垂直深层电熔窑中在工作流的作用下玻
璃液从半熔层垂直向下运动流向流液洞(见图1)而玻璃中的气泡依靠斯托克斯的原理由下向上运动由液面排出完成了澄清和均化过程。这个过程与水平式火焰池窑熔制有较大
的区别它好象在垂直管道中进行没有与空气相接触的自由表面因此不可能产生硼从玻
璃结合态中挥发的问题。
从上述的熔化机理可清楚地看到由于硼的烧损减少到极小的程度玻璃成份波动小、稳
定这是获得优质硼硅酸盐玻璃的重要工艺条件之一。
3.2.厚料层垂直深层电熔技术
如果厚料层操作不当不但得不到高质量的玻璃反而会在玻璃中产生结石和条纹使
玻璃质量变坏。要达到稳定作业厚料层电熔的基本工艺技术大致如下
(a)严格控制料层厚度厚料层全电熔窑料层的厚度是一项十分重要的工艺参数正
常操作的料层厚度在100200mm。太厚的料层使其深层造成更多的冷配合料熔融玻璃液
面温度降低玻璃熔化不好。同时由于料层的绝热作用深层的配合料温度升高软化生料
形成一个半硬壳层可能伸长到与四周池壁搭接形成料拱。气泡聚集在料拱下排不出去
玻璃液面很快下降造成脱空现象严重时会发生玻璃液流空的事故。为了防止料拱现象和
使玻璃中气泡能顺利排出配合料不能完全复盖熔化池的表面。按Sorg公司在VSM的全电
熔窑的经验配合料复盖的面积占液面90%留出10%面积的光面。熔制普通玻璃光面
留在六角形的六个角上。熔制乳白玻璃光面留在中心。对矩形的电熔窑在池壁四周留出
75150mm的距离。如果料层太薄配合料表面温度很快上升料层的保温作用和硼的回
凝现象消失、达不到厚料层熔制工艺的目的。另外加料必须是均匀铺盖在玻璃液面上。如
果局部地方形成料堆最后将使料堆下沉热的玻璃液包住冷的生料在玻璃中容易产生结
石、气泡等缺陷。
(b)保证正常条件下的电热平衡当改变熔窑出料量时若电工参数没有及时调整很
快打破了原来工作状态的电热平衡条件而转入不稳定状态窑内温度分布曲线和玻璃液
的运动轨迹都会发生改变。若加大出料量而输入功率不变时玻璃液面温度下降热点下沉
在窑内出现“过冷”现象迫使玻璃液面下降料层变厚大量的配合料下沉生料来不及
熔化。反之出料量变小时玻璃液面温度升高。热点上移在窑内出现过热现象使生料
熔化速度加快料层变薄液面提高引起耐火材料和电极加速侵蚀。因此当改变出料量时
输入功率与出料量要匹配好应尽量保持熔制工艺条件的电热平衡。
(c)建立合理的熔制温度曲线和稳定的玻璃液流窑内玻璃液的温度差异是产生玻璃液
对流的原因在厚料层垂直深层电熔工艺中如温度场不合理表面层(半熔层)未熔化好的
玻璃液常因少量垂直对流进入工作流使熔化好的玻璃液变坏。正常情况下半熔层中玻璃液
小的对流将未熔化好的原料托浮起来固定半熔层和冷料层的位置。当半熔的玻璃进入最高
温度区的加热区时玻璃熔融过程就结束了进入玻璃的澄清均化区域在这个区域内不要
产生强烈的垂直对流使所有玻璃都经过了相同的热过程熔制出均匀度高的玻璃。因此在
最高温度带的温度分布曲线要平坦不要发生大的温差。根据这一原理设计的电熔窑的温度
分布曲线有助于获得热均匀性好的玻璃。
(d)要有足够的玻璃液深度全电熔窑熔化硼硅玻璃熔化率要比火焰窑高2-3倍这样
高的熔化率又要在垂直深层方向上完成玻璃的澄清和均化必须有一个足够的深度满足
玻璃在窑内的停留时间池深与熔窑的生产能力和熔化率等因素有关一般液深在900mm
以上。例如高硼硅玻璃6m2电熔窑中池深1.38m在15-20m2的VSM电熔窑中池深
2.2m。
3.3.几种典型的全电熔玻璃窑炉
3.3.1熔制钠钙玻璃全电熔窑炉
主要使用在以下一些地方
(1)地处风景区烧化石燃料产生的烟气及玻璃熔制过程中产生的粉尘严重影响风景区的风景。环保局要求该厂停业整顿或采取了烟气除尘的地方。
(2)玻璃质量要求特别高的品种。
(3)电价特别低的地方。如一些小的水电站附近。
3.3.2熔制铅玻璃的全电熔窑炉
(1)铅玻璃的熔制
采用火焰加热的池窑熔制铅玻璃这种工艺的一个主要缺点在于熔制过程中氧化铅的挥
发其挥发量比在电熔窑中熔制时增加10%。多年来铅晶质玻璃是在单坩埚窑、多坩埚
窑或日池窑中熔制的。上世纪六十年代以来使用了单元窑、马蹄焰池窑玻璃产量、质量
有了很大提高。用坩埚窑熔化玻璃时很难消除粘土坩埚引起的耐火材料结石。日池窑因玻
璃液面波动冲刷耐火材料也引起比较严重的耐火材料结石和条纹。换热式连续熔化的池窑
其缺点是熔化过程中氧化铅的挥发量大玻璃易分层还原玻璃对耐火材料的侵蚀比较严重
容易引起条纹以及空气污染。这种池窑一般用天然气或城市煤气作燃料。如果用重油会污
染玻璃。
1959年以前建成了第一座电加热坩埚窑采用SiC或MoSi2加热元件(前者水平安装
后者垂直安装)。其功率消耗是相当高的。后来曾用过电辅助加热的日池窑。然而上述电
熔方法并不能克服氧化铅的严重挥发、耐火材料对玻璃的污染比较严重以及环境污染等主要
缺陷。
(2)铅晶质玻璃电熔窑的现状及发展前景
由于铅晶质玻璃易挥发、分层、还原等特性因而在池窑熔化中对温度、气氛、窑压、
对流等工艺参数非常敏感。通过实践及对各种燃料、窑型的综合分析英国、瑞典、捷克及
西德各国都一致认为全电熔窑是最为合理的也是比较经济的。
近十几年来许多国家对于全电熔窑进行了研究取得了重大突破。现在世界上已有不少
电熔窑它的优越性越来越为人们所注意。
前苏联及东欧国家大力发展电熔晶质玻璃技术。前苏联上世纪七十年代初进行工业性试
验七四年推广。在基辅、古雪夫、列宁格勒、乌克兰、明斯克等艺术玻璃厂采用获得了
良好的技术经济效益。
电熔窑在正常操作中当熔化池玻璃液中的电极附近温度为1370℃时熔化池上部空
间仅120℃左右。这是因为在玻璃液的表面有几公分厚的配合料冷料层消除了氧化铅的挥
发(一般火焰熔化池窑中氧化铅的挥发高达10%)使窑内玻璃组成均匀稳定同时使粉料成
本降低、环境污染减少总之电熔窑耗电量虽然较大却节约了大量氧化铅因而电熔窑
还是经济合算的。
(3)铅晶质玻璃全电熔窑内电极的选用
目前在铅玻璃全电熔窑上使用的电极有两种一种是氧化锡电极特点是抗还原能力差
适用于氧化性玻璃另一种是钼电极特点是抗氧化能力差适用于还原性玻璃。氧化锡电
极非常适用于熔制铅玻璃。在熔制铅玻璃的电熔窑中如果使用钼电极会在不同程度上受
到氧化并且玻璃中的氧化铅被还原生成金属铅沉到熔化池底这样设计的电熔窑必须每
天在池底放料。
(4)我国铅玻璃电熔窑的现状及发展前景
我国铅玻璃电熔窑目前主要使用在以下几个地方
铅晶质玻璃器皿。
光学玻璃。
宝石玻璃。
灯饰玻璃。后三者都必须与铂金坩埚共同使用。
(5)我国铅玻璃电熔窑使用的窑型我国铅玻璃电熔窑使用的窑型主要有:
(a)T型窑:即上大下小的形状氧化锡电极垂直安装在两边的台阶上采用单相供电或
三相SCOT供电。
(b)矩形窑上下大小的一样氧化锡电极水平安装在两边的池壁上采用单相供电或
三相SCOT供电。
(6)我国铅玻璃电熔窑有待改进的地方
我国铅玻璃电熔窑使用中常出现一些问题有
(a)水套与银杆断开由于设计上或操作的不当六支银杆全部断在氧化锡电极内造
成无法供电。
(b)氧化锡电极的头部断在窑炉内。
出现上述问题的原因的设计人员没有掌握铅玻璃电熔窑的一些特点。
3.3.3熔制硼硅酸盐玻璃的全电熔窑炉
硼硅酸盐玻璃在传统的火焰池窑熔制过程中常常会遇到硼的挥发逸散损失的问题。硼
的挥发不仅使玻璃液不均匀恶化玻璃质量而且还白白地损失了价格昂贵的硼原料。因此
国外对减少硼的挥发问题进行了长期研究。迄今为止硼的挥发率在1015%如果采用
无水硼砂或硼酐作原料可以降低到510%。
自从厚料层垂直深层全电熔窑出现后给高硼硅玻璃的熔化带来了新方法大幅度降低
了硼的挥发。采用这种方法使硼的挥发率降低到12%。我国硼硅玻璃的生产基本上采用
火焰窑。在高硼硅玻璃系统中玻璃质量达不到理想程度。
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(1)高硼硅玻璃熔化特点
高硼硅玻璃在科学实验和日常生活中有着广泛的用途其制品有各种烧器、量器、各
种实验室用分析食品及各种玻璃化工管道。在科研教学单位的实验室、工矿企业及太阳能综
合利用设备上都可以见到用高硼硅玻璃制做的各种产品。由于高硼硅玻璃产品用途的特殊
性决定了这种玻璃必须具备有良好的热稳性和化稳性。目前国内外高硼硅玻璃的化学组
成基本上如下表1所列。
表1国内外高硼硅玻璃的化学成分及热膨胀系数α
牌号
国别
化学成份
热膨胀系数a(0-300℃)
SiO2
B2O3
Al2O3
CaO
K2O
Na2O
派来克斯PYREX-7740
美国
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/℃
西马克斯SIMAX
捷克
81
12.6
2.0
0.1
4.0
32×10-7/℃
派来克斯PYREX
法国
80.5
13
2.25
01
1.15
3.15
32×10-7/℃
北京特硬料BT-TY(GG-17)
中国
80.7
12.5
2.2
0.6
4.0
32×10-7/℃
从表1中可以看出这种玻璃有一个共同点都含有超过80%的SiO2和超过10%的
B2O3。高含量的SiO2和低含量的Na2O使玻璃结构中的硅氧四面体多以大型四面体的形式
存在四面体间多以硅氧键的形式相连接。而且12%13%含量的B2O3又可以使结构中
被Na2O切断的网络一大部分又以BO三角体结构连接起来。这样就使得高硼硅玻璃的粘
度很大(见表2)。
表2高硼硅玻璃和普通钠钙硅玻璃粘度参考点对比
参考点
种类
操作点
103帕.秒
软化点
106.6帕.秒
退火点
1012帕.秒
应变点
1013.5帕.秒
高硼硅玻璃
1252
821
560
510
普通钠钙硅玻璃
1005
696
514
473
(a)熔化温度高(粘度在10ρa·s时其温度>1680℃)。由于熔化速度的快慢是和配合料
中的石英颗粒的熔解速度直接关联的而熔体的粘度大则减慢了SiO2从石英颗粒表面向周
围的扩散运动。于是为降低熔体的粘度只有提高温度。但就目前窑炉大碹材料来看要
使其熔化温度达到1700℃以上是不实际的。因此只能延长熔化时间。根据计算PyREx
玻璃的熔化速度常数高达7.9而且热能消耗很高(12000KCal/Kg玻璃)。国内这种玻璃的熔
化率只有0.20.3T/m2·d左右。
(b)熔化过程中的玻璃液分层问题。由于普通火焰加热池窑的下层没有热源随着池深
增加温度越来越低。这样下层玻璃液的流动性也就越来越差使成分中比重较大的Al2O3
等组分容易下沉形成含Al2O3量高的变质层。当温度、液流变化时容易被裹入玻璃液
流形成条纹等缺陷。另外由于SiO2的含量很高在温度较低的区域还易出现析晶从
而形成结石。
(c)B2O3的挥发是高硼硅玻璃熔制过程中的又一特点。B2O3挥发使玻璃液表层形成一
层富硅玻璃不但影响到玻璃的化学组成而且B2O3的挥发量随温度的升高而增加这对
于高硼硅玻璃需要高温熔制无疑是不利的。当操作条件发生变化时这层富硅玻璃如被带入
成型流就会在产品中产生条纹、结石等缺陷。
(d)由于以上这些特点构成了高硼硅玻璃的难熔性。所以至今为止国内大多数厂
家都还局限于小型火焰池窑和坩埚窑进行熔化供给人工吹制成型的小批量生产能耗大成
品率低工人劳动强度大。为了满足市场需求提高我国的熔化技术水平国内玻璃界一直
在试图解决这一难题。
(e)想熔化出高质量的高硼硅玻璃一个重要的途径就是提高玻璃液的温度但是考虑
到火焰空间耐火材料的承受能力单纯依靠火焰加热难于将玻璃液加热到1650℃以上国
外对这种玻璃的熔制已普遍采用了电助熔和全电熔两种熔化方式(2)用电熔窑熔化硼硅玻
璃的优越性
我国熔制硼硅酸盐玻璃的电熔窑大多为小型窑冷顶电熔窑与火焰窑相比具有节能、提高质
量、降低成本等显著的优越性。
(1)小型电熔窑有较好的经济性以日产2.0吨的高硼硅玻璃球窑为例,从燃料和硼挥发
两顶进行比较如表3
表3
生产方式
项目
火焰窑
热顶电熔窑
冷顶电熔窑
硼挥发%
18
10
3
窑的热效率%
6.5
40
60
(2)玻璃质量好在火焰池窑中由于窑温、窑压、气氛和产量等工艺条件发生变化都
要引起硼的挥发率的变化使玻璃不均匀。同时火焰窑和热顶电熔窑硼的挥发严重腐蚀了
上部结构不但缩短了窑炉的寿命而且碹滴落入玻璃窑内影响了玻璃质量。冷顶电熔窑
完全可以避免上述弊病获得高质量的玻璃。
3.3.4熔制氟乳浊玻璃的全电熔炉
(1)熔化乳白玻璃的特点
(a)乳白玻璃一般都含有大量极易挥发的组分如氟化物等。在常规火焰加热的熔窑中
当火焰掠过玻璃液表面时就会有相当数量的挥发性成分被带走经过烟道升入烟囱跑掉
既损失了大量的宝贵原料又造成了空气污染。同时由于挥发损失使得表层玻璃在成分
上变得与其下面的深层玻璃差异很大结果造成了玻璃成分的不均匀。
(b)氟化物玻璃对电极及耐火材料的侵蚀严重。
(2)电熔窑熔化乳白玻璃是最好的选择
当采用全电熔工艺时热量是在配合料下面释放出来的各配合料组分产生的气体要通
过配合料层向上逸出。由于配合料温度较低各挥发分的气体就会凝聚在冷的配合料中而
不会挥发掉从而使通过流液洞流出的玻璃液能与投入熔窑的配合料在成分上基本保持一
致而使产品的化学成分稳定。另一方面由于减少了挥发节约了宝贵的原料从而使原
料成本降低。在常规燃料火焰加热的情况下配合料中氟化物有大约40%因挥发而损失掉。
而采用全电熔时氟化物的挥发量仅为2%。
(3)电熔窑熔化乳白玻璃时澄清剂的选择
由于普通玻璃常用的澄清剂As2O3和Na2SO4在高温下氧化能力很强能使钼电极氧
化特别是Na2SO4在高温下分解出O2和SO2的混合体与钼反应生成MoO3和MoS4
对钼电极的侵蚀严重。因此选择硝酸盐作为澄清剂其主要优点是(1)硝酸盐熔点低分
解温度低在配合料的烧结过程中就能与废玻璃的表面作用因此对废玻璃的澄清效果明显。
(2)硝酸盐的引入可促使Fe2+向Fe3+转化有利于乳白色废玻璃的脱色。(3)硝酸盐的分解
反应是在配合料玻璃液的交界面进行的。因此放出的氧气只是集聚在玻璃液上部对钼电
极的侵蚀作用小。
(4)电熔窑熔化乳白玻璃时乳浊剂的选择
乳白玻璃可以通过引入氟化物、磷酸盐和高折射氧化物等方式来获得。考虑到电熔窑的
特点和原料来源选择氟化物为乳浊剂。为了保证制品具有一定的白度乳浊剂的含量(以
F-计算)以45%为宜。乳浊剂用量过低时玻璃半透明、白度偏低用量过高时玻璃的
白度并无明显增大反而易出现析晶严重时会使制品表面变得粗糙。
由于氟化物的挥发是随熔化温度提高而急剧增大的因此一般乳浊玻璃的R2O含量
都较高以降低熔化温度减少氟化物的挥发。为了促进乳浊改善析晶能力提高制品光
泽引入一定量的K2O。考虑到电熔对玻璃液电阻的需求和成形工艺的要求白色玻璃中
R2O的含量约为1819%。
3.3.5熔制有色玻璃的的全电熔炉
深色玻璃对热射线有强烈吸收作用因而采用常规表面辐射加热方法熔化深色玻璃时
常常会出现热渗透问题。辐射能减少与玻璃颜色有关当熔化透明窗玻璃时在玻璃液面下
3060mm处辐射能只减少10%而熔化绿色玻璃时在液面下46mm处辐射能就减
少了10%。玻璃内含铁量对透热性影响极大2mm厚的无色玻璃透过率约为85%。当Fe2O3
含量达到1.5%时玻璃透过率可降至28%。玻璃颜色越深透热性越差。表层玻璃液吸收
热量多在池深方向的温度梯度就较大。因此深层玻璃液温度过低往往造成熔化困难和出
现析晶。
玻璃的强烈着色降低了玻璃熔体的透热性均匀加热玻璃熔体是非常困难的而均匀加
热玻璃熔体恰是获得高质量产品所必须的。因此有色的玻璃基本上是在坩埚中熔化的在
规定的温度下熔体在坩埚炉中须经长时间的加热才能达到要求。
而在全电熔的状态下热能是从玻璃体内释放的电流可以相当均匀地通过大部分玻璃
所以只会出现很小的温度差。熔化高铁含量的琥珀色玻璃时靠近池底的玻璃温度只比靠近
表面的玻璃低约14℃。氧化铁含量高达12%的玻璃和氧化铬含量达1.3%的玻璃都可顺利熔
化。电熔窑开创了生产这种玻璃的新时代。
有色的玻璃由于熔体的透热性低导致电极层附近过热因此在给定条件下尽量将电极
的电流密度降至0.5A/cm2尽可能均匀分配电流通常采用板状电极电熔窑。
文章链接中国食品机械设备网玻璃电熔窑炉的使用寿命与哪些因素有关玻璃电熔炉的使用寿命一般称为窑龄也指熔炉停炉大修期是电熔炉的一个重要设计参数。玻璃电熔炉中主要有耐火材料和电极、变压器控制柜等。影响其使用寿命主要以下原因1、与窑炉的结构有关不同的配方适用不同的炉型主要是考虑电熔炉中玻璃的强制对流对耐火材料的侵蚀。通过设计合适的结构保证各个部位的耐火材料特别是内衬砖的抗侵蚀能力是保证电熔炉的寿命的重要因素。2、与耐火材料的材质有关从窑炉寿命来说优先使用高档次耐火材料而从设计成本来说首先根据设计寿命来选择合适的材料特别是根据部位不同选择不同材质的耐火材料如一般炉底用浇铸电熔33#AZS即可但是流液洞和电极砖均使用无缩孔电熔41#AZS等。3、电极的布置方式也是影响窑炉的原因之一。首先电极的插入方式影响很大如顶插电极由于没有电极砖可以提高窑炉寿命但是相对来说容易形成热顶或对料面的形态要求较高而且电极容易断落而底插电极相对侵蚀较小但对设计及设备要求较高平插电极砖的侵蚀较大若没有特殊手段则对窑炉的侵蚀较大故对操作和使用有较高的要求。4、料方也是影响窑炉寿命的因素之一。不同的料方对电熔砖和电极的侵碰不同如普通钠钙玻璃电熔炉使用寿命高含钛、钡、氟化物的配方窑炉使用寿命较短。5、与厂家的合理正常维护也有很大因素。特别是厂家对炉体的发红情况、砖缝渗料情况的及时处理是延长窑炉寿命的途径之一。一般窑炉使用寿命指冷炉大修期而在这期间可能进行小范围的热修补如常用的补砖、贴砖、强制冷却等措施。6、正确使用电极水套。由于有些电极水套的难以更换特别是底插电极如果出现水套严重漏水会导致停炉。应定期对水套及软化水进行检查和维护严禁停水在使用一段时间后对水套和电极进行移位、变动处理也是延长窑炉及设备的手段之一。要提高窑炉的寿命还要严格按照电熔炉的工艺和热工制度进行生产操作避免产量大幅度波动避免频繁换料避免多次停电停水避免管生产操作避免产量大幅度波动避免频繁换料避免多次停电停水避免管理不当现象的发生
常用的玻璃电熔窑炉的指标有哪些?
(玻璃电熔炉的技术指标主要窑炉熔化率单位能耗产量炉龄等。窑炉的熔化率是指单位面积或单位体积的熔化池每天能进行正常熔化玻璃量一般火焰炉的熔化池较浅一般采用面积熔化率而由于电熔炉采用垂直熔化方式仅用面积熔化率不能很好表达其熔化的能力一般采用体积熔化率。一般电熔炉的体积熔化率为153tm3day其中钠钙玻璃的体积熔化率高硼硅酸盐玻璃的熔化率较低铅晶质玻璃的熔化率居中视产品质量而定。单位能耗是电熔炉的另一个重要指标是指生产单位质量的玻璃需要的能耗。一般有熔化部单位能耗和总单位能耗。一般熔化部单位能耗为0915Kwhkgglass总能耗为1118kWhkgglass。对于电熔炉而舌能耗指标主要与窑炉结构、玻璃料方和玻璃质量有关。一般要求电熔炉冷顶运行、合理的保温结构是窑炉降低能耗的主产量是指窑炉的正常生产的产能。一般这是窑炉设计的基础参数。这个参数与窑炉的熔化率密切相关。由于电熔炉的产能与玻璃配方有关因此在某一产量的窑炉若更换料方则其产能会发生变化。炉龄是指窑炉的大修周期。特别是电极砖、电极、水套和流液洞的使用寿命一般国内普通电熔炉的炉龄为1535年如果采用顶插电极电熔炉的使用寿命可以适当延长但是顶部电极容易断裂当炉底断裂的电极对熔炉的运行构成危险时也需要停炉大修。我国玻璃窑炉的节能
王辰亚
中国节能协会玻璃窑炉专业委员会
前言各级领导的关心和重视中国节能协会玻璃窑炉专业委员会的大力推动使
我国玻璃窑炉节能技术得到了广泛的推广应用科学节能的经营管理得到了加强全国玻璃
窑炉节能已取得了实效节能效果显著。
玻璃窑炉的节能实际是玻璃工业全方位综合性系统工程实施的问题缺一不可。
是玻璃工业
节能技术中的一个大课题本文将试探性的加以论述以达到抛砖引玉的目的。
一、我国玻璃工业窑炉能耗现况
我国大约有40005500座各种类型的玻璃窑炉其中熔化面积80m2以下的中小型
炉数量大约占总量的80
左右使用燃料种类分燃煤炉约占63燃油炉约占29天
然气炉、全电熔炉等约占8。
2008年全国玻璃产量大约为20003000万吨。年耗用标准煤17002100万吨。
其中平板玻璃产量为53192万重量箱所用能耗折合标准煤1000万吨年。平均
能耗为7800干焦公斤玻璃液窑炉热效率2025比国际先进指标30≦低51
0。每年排放SO2约16万吨、烟尘1.2万吨、NOx14万吨。
玻璃熔窑在玻璃工厂中是消耗燃料最多的热工设备一般占全厂总能耗的80
85左右目前我国玻璃工业所用的主要能源是煤、油、电和天然气等燃料。由于燃料价
格几年来持续上涨企业燃料成本逐年增加效益锐减在此形势下玻璃工业根据我国能
源蕴藏品种结构、分布、数量和价格等不得不做使用调整。使以前规划设计推行的使用清洁、
高热值能源的思路发生了一定的变化。即近几年来企业欲争取较大效益。有不少燃油炉改成
燃煤炉以此带来不小的环境保护问题。当然这几年随着我国电力工业的发展全氧炉、电
助熔、全电熔炉有了较大的发展。
2008年日用玻璃产量1445.7万吨如成品率平均为90年玻璃出料量应为1590
万吨年耗标煤557636万吨。完成工业产值865.5亿元、出口额2.1亿美元其单耗平
均为350400公斤标准煤吨玻璃液比较好的为每吨玻璃液150250公斤标准煤(啤酒
瓶、农药瓶、普通白料制品等)较差的多达9001000公斤标准煤二者相差34倍之多。
又如窑炉热有效利用率先进的为2538落后的只有1222之间相差326个百分
点国外日用玻璃包装瓶熔窑单耗为110130kg标煤吨玻璃液左右劳动生产率为200
370吨年人熔化率2.53.8吨m2·日。窑炉大都为日出料量180250吨。热效率在
48左右。国内外差距较大。
我国改革开放以前全国玻璃工业窑炉的炉型和技术等都比较落后能耗很高改
革开放以后引进不少国外玻璃窑炉的先进软硬件配合派人到国外学习参观结合国情我们
的科技工作者经过30多年的引进消化吸收采用众多新技术创新设计出我国高效、长寿命、
节能新型窑炉使我国玻璃工业窑炉节能技术有了长足的进步但与国际最先进技术水平比
还有一定差距以两大玻璃行业窑炉的主要技术指标进行国内外对比见表一。
表一国内外玻璃窑炉主要技术指标对比
2008年全年平板玻璃产量为55493万重量箱同比增长2.35。
2008年111月我国平板玻璃产量为5139032万重量箱同比增长9.0。12
月产量为4102.09万吨同比下降7.72。受国际金融危机的影响平板玻璃全行业亏损
特别是下半年浮法生产线陆续放水停产具有代表性的是11月底福耀玻璃两条浮法线、南
玻三条浮法线放水停产。2009年形势依然严峻据国家统计局最新数据显示12月份累计
生产平板玻璃853733万重量箱比2008年同期减少654万重量箱同比下降7.11。从3
月份开始不少大型工程上马形势有所好转。
玻璃企业的能耗主要在玻璃的熔制过程中消耗熔制玻璃的目的是在高温下将多
种固相的配合料经熔融转变为单一的均匀玻璃液当然在实际生产中玻璃行业抓住了窑炉的
节能就是抓住了行业节能的主题。
玻璃的熔制过程是一个非常复杂的过程它包括一系列物理的、化学的、物理化学
的现象和反应。这些现象和反映的结果使各种配合料经机械混合后送入炉内炉内配合料
在加热过程中经过硅酸盐形成(约在600900℃)→玻璃的形成(普通玻璃约为1200
1250℃)→澄清(普通玻璃约为14001500℃粘度η≈10帕·秒)→均化(玻璃液长时间处
于高温下其化学组成趋向均一)→冷却澄清均化好的玻璃液在不损坏玻璃的质量前题下
需将温度降至加工工艺要求粘度的温度区域(一般降温200300℃)进行成型加工制造出所
需产品。
就目前玻璃窑炉生产技术状况下分析平均熔化每公斤玻璃能耗约为15004000
千卡(
理论值为576624千卡公斤玻璃)由于炉型的差异、采用技术手段先进程度的不
同、熔化玻璃品种不同、工艺技术、日常管理等因素熔化玻璃能耗差距较大。玻璃窑炉有
热效能利用率平均只有1838较低而7265不能被有效利用。
国内比较先进的燃油玻璃窑炉经热测试的结论70m2窑炉热能利用率58.84全
窑热效率38.18。
根据国内部分企业窑炉调查结果显示
1)炉型
当前我国轻工、医药、电子玻璃窑炉大都使用燃油、燃煤气蓄热室马蹄焰玻璃窑炉
炉型换热式玻璃窑炉也有一定市场。平板玻璃窑炉大都为横火焰炉也有少量使用马蹄焰
炉型的。
由于改革开放后引进了不少全电熔窑和电助熔软硬件技术目前我国全电熔和电助
熔窑每年以百多台的速度在增长。全氧炉也有被国人接受的趋势在逐年增加。
2)燃料
我国玻璃窑炉目前所用能源一般可分为液体燃料(重油、原油、柴油等)、固体燃料
(原煤等)、气体燃料(发生炉煤气、天燃气、焦炉煤气、液化石油气、纯氧气等)及电能等。
3)近几年我国玻璃窑炉发展趋势
改革开放以来我国玻璃工业界引进大量的国外先进窑炉的软硬件技术和装备消化
吸收了不少新技术在结合我国国情的基础上有了很多创新大大提升了我国玻璃工业的技
术水平。
近年来随着耐火材料的研发新产品增多成型技术、加工能力产品档次质量提高
为窑炉深熔比池、深澄清池、长寿命设计提供了保证为玻璃窑炉的技术进步创造了条件。
玻璃窑炉的创新突飞猛进大型高效、节能、长寿命窑炉大量涌现节能效果显著。
高热值燃料大量被使用。全方位复合全保温技术应用进一步深化。
电助熔窑、全电熔窑、富氧燃烧技术被采用全氧炉逐年增多。
蓄热室马蹄焰窑向大型化发展换热室窑炉正在被蓄热室窑炉替代。
适当缩小流液洞的截面尺寸增加流液洞的负荷减少玻璃液的回流。
玻璃窑炉设计的跨进变化
(1)近年来窑炉澄清池、熔化池池深的加深设计大量使用。(暂且不讨论其理论根据)
窑炉由过去传统的设计熔化池深度9001200mm现熔化池加深为16002300mm
不等澄清池加深为1600
2600。
(2)窑炉长宽比的变化
传统的设计其长宽比一般为平板大型窑为2.33小型马蹄焰窑为1.41.6。
目前长宽比有缩小的设计趋势如马蹄焰窑炉长宽比已有设计为11.2的。
长宽比的改变与所用燃料、马蹄焰窑炉大型化等有关。
(3)蓄热室采用大蓄熔比单通道蓄热室或三通道蓄热室设计。目前还出现全分隔式
蓄热室结构设计。
一般超过50比1具体一是加高蓄热室或采用三通道蓄热室。二是采用高蓄热
效率的八角筒型或十字型格子砖增加有效蓄热面积。尽量提高空气预热温度至1300℃以
上这样可以提高燃料的燃烧速度节约燃料以达到节能效果。
(4)玻璃仪器、玻璃器皿的生产大量采用全电熔窑设计以保证产品质量。
(5)玻璃窑炉设计同时增加节能减排措施项目并考虑。
(6)玻璃窑炉所用电熔锆刚玉耐火材料一律要求精加工并在生产厂要求组装验收
方能进入现场。
二、近几年玻璃窑炉采用行之有效的几项节能新技术
(1)玻璃窑炉的节能
根据以上的数据和分析我国玻璃工业的节能潜力巨大玻璃窑炉的热能用在熔化
玻璃上只是少量的大部分未能被利用。资料显示输入玻璃窑炉的热能利用和散失大致
可分成三份即三分之一热量用于熔化玻璃、三分之一热量由炉体散失、三分之一热量随
着烟气被排入大气中。
显然第一个三分之一为必不可少的后两个三分之一是我们节能主攻方向。当然第
一个三分之一也要做些文章。今后要结合国情除消化吸收国外的软硬件侧重于先进的节能
经验和行之有效的节能先进技术更主要的是要依靠国内的广大科技工作者和经营管理者
根据自己的实际情况和需求进行研发和创新以科学的严谨态度以不断创新的方式和成果
使窑炉全方位达到运行最佳化以追求窑炉最大的节能效果和经济效益。
节能要在保证玻璃质量的前提下将以现代国内外玻璃窑炉节能先进成熟的技术和
节能措施从窑炉的软硬件入手全方位进行技术创新。做主要提示
窑炉的最新设计理念设计者要采用当代最新设计成果和节能技术。
采用当代最节能的配方设计选用最先进配料系统。
设计最新而先进的燃烧系统和设备。
设计和选用最先进的自动化设施和自控系统。
选用相匹配的优质耐火材料。
余热回收和利用。
窑炉配套系统的节能等。
1玻璃窑炉的设计改革和创新达到节能
玻璃窑炉的设计是一项十分重要的技术性极高的工作它涉及到热力学、燃烧学、
流体力学、玻璃工艺学、材料学、耐火材料学等多种学科。
按设计程序进行设计前任务书、调查了解国内外相似炉型的先进资料等收集相关
资料并在调查研究的基础上选定炉型、根据技术指标和使用方的要求经计算、实验绘制图
纸完成设计初步设计所用燃料类别确定单耗、确定熔化率和出料量、确定熔制工艺制度、
确定熔窑的主要尺寸熔化池尺寸、工作池尺寸、燃料的燃烧计算和耗热量的计算、火焰空
间尺寸、设计小炉尺寸、蓄热室设计、烟道尺寸、烟囱设计等、耐火材料的选择、土建、
燃料及动力的配套工程供应等必须做。窑炉设计和采用先进结构效益。此外筑炉和烤炉及日
常使用也必须注意。一座窑炉设计的成功与否关系到炉投入使用能否按设计指标节能、高效、
长寿命运行关系到企业今后的经济效益。
由于对窑炉技术经济指标的高要求窑炉设计工作者必需采用最新的众多新节能
技术方能满足要求故近年来创建了一大批高效、节能、长寿命窑炉能耗比常规炉降低
2050效益可观。
关于企业窑炉选择设计部门问题
据我们掌握情况目前国内设计窑炉比较混乱大致是1具有国家资质的正规大型设
计院技术实力雄厚收费高对工程有保证。2具有地方工商部门注册的有一定设计能
力和水平的股份公司和私人公司有一定的技术实力对工程有一定保证费用较正规设汁
院低。3有地方工商部门注册的无技术实力的个人(23人不等)公司只管建炉不负责工
程无后期服务收费低。4游击队公司或个人(包括一些筑炉队)只为赚钱对后事不负责
任无技术可言出事率特高出事后根本找不到人负责企业损失大。
为此中国节能协会玻璃窑炉专业委员会在此建议各单位要特别慎重此事以免上当
造成重大损失。
选定炉型
当前国内外比较成熟通用的有火焰炉或全氧燃烧炉、全电熔炉或电气混合炉等。
火焰炉是主用炉型其中马蹄焰炉和横火焰炉是用的最普遍的炉型。换热式也有不少企业在
使用纵观我国玻璃窑炉使用情况建材大都使用大型横火焰炉、其它行业马蹄焰炉型用的
多。此种炉型已经比较成熟节能效果较好。换热式炉也有他的优点和长处但热利用率较
低能耗较高建议如条件许可可改用马蹄焰炉以达到节能的目的。
◎双碹顶换热室池窑是一种老式池窑能耗比马蹄焰蓄热室池窑高许多内碹容易
损坏和坍塌池炉寿命较短国外已不用。在电光源行业的玻璃工厂中大约还有30台仍
在运转熔化面积在1230m2左右以20m2左右居多。在日用玻璃行业中也有些双碹顶
换热室池窑存在大的在40m2左右仍使用这种类型的池炉的原因是其火焰不需换向
燃烧稳定控制相对简单一次性投资少。但其换热的空气预热温度低进烟道的废气温度
高熔化温度低熔化率低能耗高热效率低。
大于20m2的双碹顶换热室池窑应当淘汰用马蹄焰蓄热室池窑代替。
小于20m2的双碹顶换热室池窑应当淘汰用全电熔窑代替。
◎电助熔玻璃熔炉可广泛采用在用火焰直接加热的池窑中采取局部的高效率直
接通电方式加热可提高深层玻璃液的温度和增加出料量。国外的电助熔窑熔化率有的已
达3.5tm2d以上我国的电助熔窑熔化率和国外的差距很大主要是思维观念的差别有
些人认为电助熔只是提高玻璃质量的。熟不知电助熔窑主要是提高产量的当然也是提高玻
璃液质量的但以提高玻璃产量为主。因此发展电助熔窑应引起广泛重视是节能发展方向。
电极的安装有从池壁水平插入和从池底下部插入。目前大多数都是底部插入。
产量小玻璃质量要求较高的而附加值高的产品应多采用电助熔炉或全电炉更能体
现出优越性来是发展方向。
◎大力采用全电熔炉
全电熔炉特别适合于小批量附加值高的玻璃产品的熔制。如硼硅硬料玻璃熔化选用
全电熔炉为最佳。特别是高硼硅玻璃建议采用全电熔池炉。
熔化硼硅硬料的玻璃熔炉的特点是高硼硅料难熔化所需温度高熔化温度达到
1600℃时其熔化率在0.40.7左右还须加火、电混熔。玻璃液粘度大窑炉寿命较短
耐火材料的质量需求高。产品合格率低能耗高。
全电熔窑可以采用冷顶熔化率可从火焰窑的0.40.7左右提高到1.52.0左右
使能耗降低现比较先进的全电熔炉熔化每公斤玻璃液只需1.31.5kwh折合标煤为160
190kg。产品质量提高色泽透明成本降低。
2)选用成熟先进的节能技术提示
(1)采用增加熔化池、澄清池深度及大容量结构设计窑炉。
加大熔化池深和澄清池深(多深要根据实际情况决定)设计时要考虑熔化料种、出
料量、熔化率、窑炉寿命、燃料种类、温度制度(含池底温度)、出料量、造价等因素适当增
加澄清区的深度有助于降低流液洞进口端的玻璃液温度并有利于澄清深度是有限度的
如粘度较大的高硼硅酸盐玻璃就不能太深要结合国内深池成功经验要有科学的理论数据
为依据进行设计。
采用窑坎、池底倾斜式结构、倾斜式或延伸式流液洞、倾斜式池壁砖等技术。
熔化池池壁可采用倾斜式设计有利于延缓三相界面上对耐火材料的侵蚀延长使用期也有
助于冷却风发挥最佳冷却作用。池底也可设计成倾斜式有助于防止池底出现死料。
(2)蓄热室采用大蓄熔比的单通道蓄热室或三通道蓄热室设计
即设计时考虑加大蓄热室格子砖的体积加大蓄熔比可采用八角形格子砖、十字
型格子砖增大蓄热室面积加大有效热回收利用。如受厂房高度等限制则可采用三通道蓄
热室结构就能较好回收热能格子体体积熔化池面积一般为34m2m2以使助燃
空气获得较高预热温度>1300℃此外采用烟气余热利用装置等均可达到节能。大型窑炉
可考虑余热发电进行热回收利用。
蓄熔比一般超过50比1具体一是加高蓄热室或采用三通道蓄热室。二是采用
高蓄热效率的八角筒型或十字型格子砖增加有效蓄热面积。尽量提高空气预热温度至
1300℃以上这样可以提高燃料的燃烧速度节约燃料以达到节能效果。
(3)合理设计小炉和火焰空间
小炉的设计最关键它是池炉供热系统的核心为提高熔化率和玻璃质量设计时
根据所用燃料种类发生炉煤气、燃油、天然气等来计算设计小炉或采用何种燃烧器
要保证所需的火焰长度、宽度、速度、热点位置、辐射能力、方向性、、不发飘、覆盖面积
燃料燃烧完全和可调控等要求应有科学合理的火焰空间确保火焰把最多的热量传给熔化
玻璃液所用并保证火焰不冲刷、烧损碹项、胸墙和喷火口等为最佳。这就必须计算好并设
计好火焰空间高度、二次空气流向和控制、小炉混合室长度和倾角等。
熔池碹顶可选用蜂窝状耐火材料以强化热反射到液面保证充分利用热量达到节
能同时保护碹顶不被烧坏可延长碹顶寿命。
(4)设置窑坎
日用玻璃窑炉熔化区和澄清区间可设置窑坎他对窑池内的玻璃液的流动和传热都
有较大影响可改变玻璃液的温度场他可减少回流如减少澄清均化后玻璃液的回流可
提高熔化能力和玻璃液的质量还可节省燃料约5。
窑坎的发展趋势是由薄变厚由矮变高其有效高度应设计在0.40.8m。而1m为窑
坎的极限高度。数学模拟结果表明合适的窑坎高度范围可按近似式h1—h2≧h0≧2h
式中h1为池深h0窑次高h为流液洞高确定。确定时还要顾及窑熔化率和玻璃成形
温度的需要。
当窑坎0408m高时为窑坎的有效高度当窑坎为0709m高时能合理组
织液流和增强料层下的回流。1m为窑坎的极限高度。
窑坎和鼓泡或电助熔配合使用有可能增强窑坎的作用但窑坎受到的蚀损将加重。
(5)设置鼓泡
玻璃窑炉国内外均采用玻璃池炉鼓泡就是用特殊的喷嘴由池底向上鼓入具有一定
压力的气体使人为形成的气泡上浮来搅拌玻璃液。同时提高窑炉的熔化能力还可达到节
能的目的。目前国内鼓泡技术已经比较成熟热、冷态下均可安装。可请开发商承接完成。
鼓泡的基本作用是有效地控制、强化和改善熔化池内的玻璃液对流体系增强炉
内玻璃液的对流体系增强炉内各物料间的热交换及物理化学反应因此提高了玻璃液熔制
过程中的熔化、澄清、均化的效率故可提高玻璃的质量和成品率产量可增加512。
由于窑内热利用率的提高可使燃料消耗降低510经济上有明显优势。
鼓泡的型式最好采用脉冲式鼓泡鼓泡点分布通常为一排也有两排的。如设两排
一排设在加料口附近后一排鼓泡点通常与窑坎配合。泡频根据需要进行调控。
插入池底的鼓泡管可使用特种合金管、白金鼓泡管、水冷却耐热钢管其孔径为1
3mm每个鼓泡占用气量为60250Lh。
玻璃窑炉鼓泡增设与否视玻璃类别、颜色、窑炉设计等诸多因素决定。
常规池炉内温差自然对流情况图
加鼓泡、窑坎后窑内强化对流情况图
(6)科学合理的设计流液洞
目前玻璃窑炉流液洞的设计日趋科学合理如增加流液洞的长度尺寸采用延伸式、
倾斜式流液洞可最大限度的减少玻璃液的回流达到节能同时对流液洞的维修和检查十
分有利。
(7)采用自动监控装置
采用现代自动化温度、窑压、液面等控制系统强化窑炉监控手段做到科学合理
用能和生产并可延长窑炉使用期做到科学文明生产。
过剩系数是窑炉燃烧特性的一个重要指标可采用测氧装置严格控制空气过剩系
数。
根据装置测出的含氧数据严格控制空气过剩系数。过大浪费燃料过小使燃料燃
烧不完全。目前由于二次空气预热温度比较高空气过剩系数可以适当小些甚至可以1
1左右从而节约了能源。(8)选用优质耐火材料
科学匹配选用优质耐火材料。确保玻璃熔化质量、窑炉寿命、高效节能。耐火材料
一定要选用优质、可靠特别是AZS系列材料、硅砖系列材料等的选用则将出现严重问题
甚至造成设备报废经济损失巨大此问题教训深刻。耐火材料的质量直接关系到熔化玻璃
的质量、窑炉的寿命和企业的效益
(9)采用复合高效强化全保温技术
上面论述窑体散热几乎是投入窑炉总热量的13多年来保温技术有了很大发展
从理论、结构、施工操作形成了一套完善系统特别是耐火材料、保温材料和窑炉高效保温
设计技术的发展不管是大窑还是小窑窑炉保温密封效果越来越好目前稳化保温技术越
来越成熟强化保温蓄积的热量大约是未进行保温的二倍半。如碹顶经强化保温后表面温度
可控制在80℃以下散热损失减少90以上保温窑炉从保温中可节能达20
40或更高
起到节能的效果是目前节能特别注意点。
玻璃窑炉全保温指的是窑炉整体碹顶、胸墙、蓄热室、小炉、池底甚至烟道等全
部密封保温。以目前玻璃窑炉看大、中、小炉都可以做全保温节能效果都好。
有些窑炉保温不很成功主要是保温技术、结构设计所用材料、保温方法不当故
取得效果就不同。只要我们科学保温设计科学选材、施工合理就可以取得预想效果。
窑炉保温与不保温窑体表面温度对比
对保温层结构的选定池窑保温层是多层、多种材料的组合体应该作为一个整体来看待。
这个保温整本既要满足保温要求又要承受下列使用条件
1、较高的窑体表面温度。保温后保温层和窑体接角处的温度可达1000℃甚至
1000℃以上
2、和窑体材料的高温反应。如果保温材料和窑体材料化学性质不一致在高温下
会有材料间的接触反应。如粘土质和硅质材料、粘土质和镁质材料等。
3、火焰烧损。在孔、洞、胀缝处如密封不好会有火焰窜出烧坏保温层尤其
在窑压大时。
4、料粉腐蚀加料时粉尘飞扬。纯碱、硼砂、芒硝等较轻的料粉沉降在保温砖气
孔内或砖缝内引起强烈腐蚀。
5、机械冲压保温层有时会受到窑体钢结构紧固的压力和某些附属设备的冲撞。
为满足上述使用条件保温整体必须是保温性能好、能耐一定温度、有好的体积
稳定性不发生蠕变和析晶、有好的化学稳定性、有一定耐压强度、尽可能轻、价格适中
和施工简便。为更好达到这些要求对保温层结构一定要精心设计并作方案比较。目前。
国内外设计单位已把保温层设计列为玻璃窑炉设计的一个重要组成部分。
一般保温整体由下列各单位层组合而成。
高温保温层既保温耐1200℃以上的高温。如轻质耐火砖、空心微珠砖、氧化铝
空心球制品、莫来石纤维、高铝纤维等。
中温保温层既保温又能承受一定温度6001000℃个别达1200℃。如硅藻
土砖、膨胀珍珠岩制品、微孔硅酸钙板、矿渣棉、硅酸铝纤维等。
密封层能密封砖缝又耐高温耐腐蚀。如AZS质密封捣打料、锆英石质密封捣打
料、硅质密封料等。
密封保温层能密封窑体利保温但耐温在800℃以下。如保温涂料等。
防护保温层有一定保温性能又有一定强度能对保温层起保护作用。如红砖、硅
钙板、石棉板等。
防护反射层既保护保温层、又能对热线起反射作用减少向外辐射损失。如铝皮
等。
耐蚀层能抗玻璃液的侵蚀。如电熔锆刚玉铺面砖。
耐火承载层有相当强度能承受窑池荷重又能耐高温。如浇注大砖。
玻璃池窑各部位由于情况各异、要求不同所以各自的保温层结构也不同。举例如下
窑顶密封层、高温保温层、中温保温层、防护反射层。
胸墙密封层、高温保温层、防护保温层或防护反射层。
池壁密封层、高温保温层、防护保温层。
池底耐蚀层、密封层、耐火承载层、高温保温层、防护保温层。
小炉高温保温层、防护保温层或防护反射层。
蓄热室高温保温层、防护保温层、密封保温层。
由上列各例看出保温层结构内除保温层外一般都考虑密封层和防护层。它们可
以延长保温层的寿命又可增加些保温效果。
同一部位可以有不同的组合。例如轻保温的和重保温的就不同熔化玻璃成分中
含重金属的与不含重金属的就不同逸出气体内含多量碱、硼等腐蚀性组份的与含少量腐蚀
性组份的就不同。总之在选定保温层结构时除应满足规定的基本要求外还要顾及各种特
殊情况。
坚信科学保温工程的概念
实施保温技术并不只是简单地贴一层保温砖而应该以完成一项工程来对待。它
有工程的前期设计中期运作和后期评估。具体来说它包括保温材料选择、保温结构设计、
保温层施工、表面热损失测定、保温效果分析等内容。这些内容联系到材料生产、传热计算、
施工、性能检测、效果评估等环节构成了完整的工程体系。涉及到材料学科、工程热物理
学科、计量测试学科、能源学科、计算机学科等因此它是一个交叉的边缘学科。
保温工程自上世纪七十年代形成后受到能源危机的推动各国普遍重视节能工作
故发展迅速。1984年7月法国西普公司让·塞贡工程师在上海说池窑保温层设计是该公
司一项独立业务。前苏联在1980年出版《玻璃熔窑保温手册》作为保温工程指南1984年
提出用电脑来确定最佳的保温方案。美国康宁公司把保温和熔制工艺联系起来研究保温后池
窑结构的改变。日本专门出版了隔热工程的书籍。我国也努力致力于保温节能工作。在工业
系统有专门的设计施工单位在科研系统把保温课题作为重点科研项目在高教系统开设专
门的保温工程课程。
池窑保温后窑内温度情况、液流情况、化料情况、耐材蚀损情况等都有变化。例如
某熔化钠钙玻璃的四对小炉横焰池窑、池壁和池底保温后在热点处和熔化部末端的玻璃液
温度均有提高见下表。因而窑的操作制度、结构尺寸等需作相应改变。否则会影响
产量和玻璃质量。这是值得重视的。
窑池保温后玻璃液温度[℃]的变化
(10)余热利用
在玻璃熔窑的各项热损失中由蓄热室排出烟气的余热量占有很大比例。如何提高
熔窑排烟余热的回收利用一直是国内外热门的研究课题。现阶段人们对排烟余热回收的
途径主要有余热发电、余热制冷、余热锅炉和余热预热玻璃配合料等几种途经。
我国玻璃工业目前利用烟气的余热主要是利用余热来产生蒸汽用于日常的生产
和生活其中生产主要用于重油的加热但使用的蒸汽量并不大而对使用天然气为燃料的
玻璃生产线其生产中几乎可以不用蒸汽因此烟气的余热并不能被充分的利用。
以500td浮法玻璃生产线为例烟气余热4.9×107kJh通常情况下余热锅
炉的热交换利用率4550相当于可产蒸汽89th0.6MP而一条500td浮法线
重油加热的用量仅需蒸汽th0.6MP余量很大因此在我国除北方寒冷地区的
玻璃线有在取暖季节烟气全通过余热锅炉外其余烟气都是不同程度的直接排放烟气中的
热能未能被有效的利用。
大型玻璃窑炉烟气余热发电利用玻璃熔窑废气余热发电是一项资源综合利用项目不仅节能而且环保玻璃
熔窑废气余热发电。在对废气余热进行综合利用的同时可以大大提高全厂的能源利用率
降低了单位玻璃生产成本的电耗和能耗减少大气污染物的排放减少温室效应。这对于玻
璃生产企业来说在获得显著的经济效益同时还大大地提高了整个玻璃厂的社会效益和环
保效益。这是玻璃企业发展循环经济的重要途径。
(11)全氧、富氧燃烧先进节能技术
全氧燃烧技术是玻璃窑炉的第二次革命是因燃烧介质的改变而使窑炉结构产生了
变革。全氧燃烧技术既然在发达国家被广泛使用是因有它的优越性而被行业肯定的结果。
我国目前处于刚起步的阶段现己在电子玻璃行业中开始引进使用现正在消化吸
收、创新。全氧燃烧技术是节能、高效、环保的先进技术符合我国节能、环保的要求。
展望未来全氧燃烧技术在玻璃窑炉上的应用前景光明。
A、全氧燃烧技术在玻璃窑炉上的应用
玻璃窑炉上采用全氧燃烧技术在环保、节能、灵活掌握炉内温度、提高产品质量和
产量、延长炉龄、减少占地面积和设备投资等诸方面与传统方式空气燃料燃烧系统燃
烧技术的窑炉比较有无可比拟的优势。全氧燃烧技术熔制玻璃使熔化更加稳定、节能、高效
率近乎达到理想的熔制效果。故玻璃行业的全氧燃烧技术被誉为玻璃熔化技术的第二次革
命而玻璃熔化技术的第一次革命是蓄热室式玻璃熔炉的创建。因此全氧燃烧技术被认为是
最经济最有效的玻璃熔制工艺方式因此今后的快速发展就将成为必然。
所谓玻璃窑炉的全氧燃烧熔制技术就是完全以含92以上的氧气代替空气在炉
内形成氧气——燃料燃烧、释放热能熔制玻璃的整个燃烧系统技术。
众所周知玻璃生产过程中需要的热量是通过炉内燃料燃烧获得。燃料的燃烧过程
就是燃料中的可燃元素和氧气在高温下进行剧烈的化学反应并释放出大量的热量的化学反
应过程。通常燃烧所需的氧气由空气中获取空气中氧含量21、氮含量79。而占空
气中约79的氮气对燃烧过程毫无益处相反在燃烧过程中吸收大量的热能被排入大气中
造成热损失和大气污染。
目前欧、美等国使用全氧燃烧技术已经很普遍据资料介绍得知当前已有超过200
座大大小小的全氧燃烧炉在运行效果理想。这是环境和经济效益等多方面因素造就了全氧
燃烧技术的发展。目前已经引起我国行业工作者的高度关注因为他和传统燃烧方式相比太
具有诱惑力了。看来玻璃窑炉上采用全氧燃烧技术已是大势所趋为期不远了。
玻璃窑炉应用全氧燃烧技术的优势特点(1)由于全氧燃烧火焰温度高加速了玻璃熔化过程
故可以大幅度的提高生产能
力达25以上。由于温度制度改变、可控可明显的提高玻璃熔化的质量。
(2)由于助燃为纯氧而无空气中的氮气与空气助燃相比废气排放量氮化物减
少8090有利于环境保护同时还节省了加热氮气所需的大量热能约25以上。
(3)由于废气总排放量的减少大大减少了废气排放过程中夹带粉尘的损失经验
表明可以降低粉尘排放量约70。从而降低了损失成本还可保证了玻璃成份的准确。有利
于环保。
(4)采用全氧燃烧技术后不再需要庞大的蓄热室、小炉、换向系统等结构大大
减少了窑炉的一次性投资可达13同时由于窑炉结构简化实际上就是一个熔化部的单
体构成占地面积大为减少有利于改善窑炉的操作环境和维修。
(5)窑炉结构简单大大减去了蓄热室、小炉等处的散热损失十分有利于节约能
源。
(6)由于全氧燃烧技术的优越性和窑内温度制度科学合理的可控和稳定性减轻了
对碹顶、池壁等处耐火材料的侵蚀有利于延长窑炉的寿命。
(7)全氧燃烧技术完全符合我国节能降耗、环保型企业的发展目标。
秦皇岛玻璃工业研究设计院设计的全氧
关于氧源
玻璃窑炉的全氧燃烧技术所需的氧气是工业气体氧是用工业技术方法从空气中分
离获得。目前制取氧的方法主要是
(1)低温氧气分离法1CO。这种方法己有100多年的历史故工艺成熟产品
纯度高可达98以上同时可生产N2此法还可生产液态氧。该系统比较复杂维修量大。
此法适用用氧量较大的企业如果用氧量较少则成本比较高。
(2)变压吸附法VPSA。此法始于20世纪70年代初此法是分子筛分离O2和
N2的多用双床式轮换操作。具有装置简单、设备数量少、安装便利、工艺流程简单相
当于深冷空分的一个净化系统、操作方便、稳定可靠、适应性强、占地面积小等优点。制
氧纯度9095适用于中等用量的企业。
(3)液氧。液氧是由工业生产供应其纯度高达99.5以上的高压O2。适用于现场难
于制氧且用量小的企业。液氧每吨可产生700NM3。
(4)膜法制氧。膜法分离技术是近代才出现的制富氧技术。工艺方法简单、投资少、
占地少、投资少等优点。但制氧纯度只有2532适用窑炉的富氧燃烧。
燃烧器氧枪
全氧燃烧技术燃烧器是极其重要的关键设备它对窑内火焰状况火焰覆盖面、
火焰长短温度分布、传热效果等均起着重要作用。氧枪要专门设计。
B、采用富氧燃烧技术
目前在国内外富氧燃烧技术是一项比较成熟而节能有效的技术窑炉内由于助燃空
气含氧量的增加燃烧速度加快燃烧完全燃料利用率提高大大提高了炉内火焰温度
可达1600℃实践证明助燃空气中的氧浓度由21增加到26以上实际燃烧温度可提高
80。节能一般可达812。建议有条件的单位可以考虑采用。
北京某单位玻璃窑炉测试实例
由上表可见采用富氧助燃技术可达到节能增效。
(12)推广使用热修补技术和材料
窑炉用到后期出现问题较多有些可用热补技术来解决根据国内近几年对若干座
窑炉热修补情况看效果不错一般补的好时可以增加使用期615个月。延长了使用期。一
般投资不大经济效益显著。
五、展望
玻璃窑炉发展新型节能窑炉使用高热值环保燃料电、纯氧等、窑炉大型化、
自动化、现代化是玻璃工业的发展方向。
玻璃工业现代化要做到节能需考虑众多因素才能实现它是一个系统工程还需
考虑到原料的选择、原料的成分、粒度配合料方的设计、配合料的制备配合料的均匀度、
碎玻璃的清洗和加入量燃料的种类和燃料的管理操作人员的精心操作管理和控制及日
常的维护保养等众多因素。
窑炉是关键玻璃窑炉必须进行结构改革和创新。生产制品量大的玻璃窑炉要大型
化、自动化、现代化能增效的必然趋势。建议今后建炉应采用蓄热式马蹄焰炉、横火焰炉。
马蹄焰炉大型化可达80120平方米或更大。事实证明80120平方米燃煤马蹄焰炉单
耗可达到每吨玻璃液160180公斤标准煤。今后要用马蹄焰炉取代能耗大技术落后的双碹
顶换热室池炉。发展100M2以上大马蹄焰玻璃窑炉。浮法玻璃窑炉发展900吨级以上的大型
炉。
采用全电熔炉、电助熔炉熔化技术。电熔化热利用率高、易控制、占地少、环保等
优点应是今后的发展方向。硼硅玻璃应多采用全电熔化技术。
全氧燃烧炉和富氧燃烧技术
全氧燃烧炉技术被行业人士誉为玻璃窑炉的第二次革命全氧燃烧技术非常先进
目前国外这项成果已广泛被使用效果非常好。国内已在电子行业采用。这项技术具有熔化
玻璃质量更好、易调控、更节能占地少、投资少、环保等优势故在国外得到较快的发展
此项技术应引起我国行业人士的关注。
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