重慶窯爐設計技術--{玻璃窯爐}的設計技術用來制造E玻璃和生產玻璃纖維的窯爐，通常采用一種稱為單元窯的窯型。它是一種窯池狹長，用橫穿爐膛的火焰燃燒和使用金屬換熱器預熱助燃空氣的窯爐。通過設在兩側胸墻的多對燃燒器，使燃燒火焰與玻璃生產流正交，而燃燒產物改變方向后與玻璃流逆向運動。因此在單元窯內的玻璃熔化、澄清行程長，比其它窯型在窯內停留時間長，適合熔制難熔和質量要求高的玻璃。單元窯采用復合式燃燒器，該燃燒器將霧化燃料與預熱空氣同時從燃燒器噴出，經燒嘴磚進入窯爐內燃燒。霧化燃料處在燃燒器中心，助燃空氣從四周包圍霧化燃料，能達到較好的混合。所以與采用蓄熱室小爐的窯型相比，燃料在燃燒過程中更容易獲得助燃空氣。當空氣過剩系數為1.05時能完全燃燒，通過調節(jié)燃料與助燃空氣接觸位置即可方便地控制火焰長度。由于使用多對燃燒器，分別調節(jié)各自的助燃風和燃料量，則可以使全窯內縱向溫度分布和爐內氣氛滿足玻璃熔化與澄清的要求，這也是馬蹄焰窯所無法達到的。單元窯運行中沒有換火操作，窯內溫度、氣氛及窯壓的分布始終能保持穩(wěn)定，這對熔制高質量玻璃有利。現代單元窯都配置有池底鼓泡，窯溫、窯壓、液面及燃燒氣氛實行自動控制等系統(tǒng)，保證了難熔的E玻璃在較高熔化率下能獲取用于直接拉制玻璃纖維的玻璃液。所以迄今在全部上單元窯始終是E玻璃池窯拉絲的優(yōu)選窯型。

單元窯與其它窯型相比的不足之處是能耗相對較高。這是因為單元窯的長寬比非常大，窯爐外圍散熱面積也大，散熱損失相對較高。采用金屬換熱器預熱助燃空氣的優(yōu)點是不用換火，缺點是空氣預熱溫度，受金屬材料舒緩反應、抗高溫蠕變性能的制約，一般設計金屬換熱器的出口空氣溫度為650—850。大多數單元窯熱效率在15%以內，但如能對換熱器后的廢氣余熱再予利用，其熱效率還可進一步提高。


配合料在單元窯的一端投入，投料口設在側墻的一邊或兩邊，也有設在端墻上的。熔化好的玻璃從另一端穿過沉式流液洞流至稱為通路的拉絲作業(yè)部。

靠前節(jié) 單元窯的結構設計

一、
單元窯熔化面積的確定




單元窯熔化面積可用公式


F= G/g

表示。式中 F———熔化面積，M2；


g———熔化率，（t/M2·d）。


熔化率反映單元窯的設計和生產管理水平，包括原料成分、水分、質量的控制和窯爐運行的控制水平等，同時還與纖維直徑有關。一般拉制紡織紗的單元窯，g取 0.8—1.0 t/M2·d，拉制粗直徑紗時可取略大一些1.5 t/M2·d。早期的技術資料表明當年的單元窯平均日產玻璃的熔化面積，可見現在已有非常大進步。


二、熔池長、寬、深的確定


（1）池長L和池寬B是根據熔化面積和熔池長寬比（L/B）來決定的。即：


F
B=————平方


L/B
L/B越大，投入窯爐的玻璃原料從熔化到完成澄清，其間的玻璃“行程”越長，也越有利于熔化和澄清。早期設計的單元窯熔他是很長的，日產量在8—50t/d，（L/B）5—4。隨著單元窯配合料微粉化及熔制工藝和鼓泡技術的發(fā)展與成熟，以及窯體耐火材料的質量提高和采用保溫技術等措施，使熔池長寬比在3左右，也同樣可以獲得滿意的玻璃質量�，F在設計取（L/B）值時，只有在考慮為下屆窯爐有非常大擴產需要時才選取（L/B）大一些，一般情況下取（L/B）為 3—4。


（2）他深h主要取決于玻璃的透熱性及池底耐火材料能承受的溫度。早期池底鋪面磚選用致密結磚時，池底溫度一般控制在1350℃以內，而池底溫度又直接影響玻璃熔化質量和窯爐熔化率�，F在的F 玻璃單元窯，由于池底部位采取保溫和鼓泡技術措施，在提高熔化率的同時，使熱點附近的池底玻璃溫度也提高到1440—1470℃，因此池底 2/3以上高溫區(qū)域的鋪面層磚改用耐溫和耐侵蝕性能更好的致密鉻磚。有時也可通過適當加高池深來達到降低池底溫度。一般而言，E玻璃單元窯單產在以下30t/ d，池深選600—700mm，隨著單產的加大，目前的較高池深可達900mm左右。


三、池底鼓泡位置的確定


單元窯池底設置鼓泡裝置，按其作用大致有以下幾種方式。


（1）將鼓泡器布置在配合料生料堆聚集層較厚的部位有助于打散生料堆。但由于投料口和投料機的改進，目前已沒有必要使用這種方法了。


（2）將鼓泡器排布在生料堆消失的位置，該部位的玻璃液溫度已經比較高了，因此通過鼓泡可強制較高溫度的玻璃液向生料區(qū)推移，底部的玻璃液也可翻到面上吸收窯爐火焰空間更多熱量，起到助熔作用，通過物理和數學模擬也都能證明這一點。要注意的是不能讓生料層覆蓋在鼓泡區(qū)域的玻璃液面上，否則將無法起助熔作用。


（3）將鼓泡器布置在窯池玻璃液較高溫度區(qū)，一般約為池長2/3 處，鼓泡作用可使更多的含氣泡玻璃翻至玻璃液面排泡，起到促進澄清和均化的效果。


E玻璃單元窯的池底鼓泡位置通常按以下兩種原則確定：一是在池長1/3處布置一排鼓泡器起助熔作用，在池長2/3—4/5處布置另一排鼓泡器，起促進澄清和均化作用。這種布置也是輕工窯爐鼓泡常用的方式；二是靠前排鼓泡布置在池長 1m附近，第二排緊隨其后，二排間相距約E或更近。這種布置是近年來E玻璃單元窯常用的方式，理由是當采用細而干的微粉原料熔制 * 玻璃時，熔化不再是難題，但由于玻璃液中存在大量的氣泡，因此良好的澄清和均化是確保玻璃液質量和提高熔化率的主要因素，采用兩排鼓泡集中布置可起到類似窯坎阻擋生料流的作用和加強玻璃液均化的作用。


四、窯池結構設計


（1）E玻璃單元窯的池壁結構有多種排列方式，適合小型池窯，池壁內側沒有橫縫，池壁使用期一般不超過5年，在窯爐運行后期部分池壁要進行噴水冷卻保窯。該結構對部分低溫區(qū)可用致密鋯磚替代昂貴的致密鉻磚，節(jié)約部分投入資金。適用于較低溫的池壁，這種結構一般不用噴水冷卻保窯，而用外層加貼新磚來延長窯爐運行期。結構的池壁采用致密鉻磚橫向排列，因為致密鉻磚不同于致密鋯和AES, 磚，其橫縫與豎縫的侵蝕速度差別不大。


（2）池底結構。A.適合于池底溫度長期不高于1350℃，短期不高于1370℃的窯池。B.采取鼓泡孔二側的致密鉻磚高出池底面，而鼓泡頭又高于兩側鉻磚的方式，這樣可在鼓泡頭位置以下形成液滯流區(qū)，減少由于玻璃液沖刷對池底造成的侵蝕。C.采取鼓泡磚高出池底面而鼓泡頭又高出鼓泡磚50mm左右的方式，同樣也可使池底耐火材料少受玻璃液的沖刷侵蝕。


（3）流液洞結構。當熔化池中已熔化、澄清好的玻璃液流經流液洞時，被強制降溫并流入作業(yè)部的主通路。因此流液洞的作用既是熔池和通路間的連通道，也是熔化部和作業(yè)部的分隔區(qū)。E玻璃單元窯除了采用通常結構流液洞外，也常采用一種帶有擋磚的流液洞結構。擋磚一般用錯磚或鉻磚做成，厚度為100—150mm，包覆合金皮，浸入玻璃液部分的鉑合金皮厚1mm，露在玻璃液上面的鉑合金皮厚0.5mm。包鉑合金皮的擋磚應伸進兩邊側墻各150mm，以致當側墻磚被侵蝕時，擋磚依然完整。為安全起見，在制訂窯爐砌筑計劃時，要使得包鉑擋磚能在砌窯收尾階段插進去。擋磚以下的流液洞尺寸一般是洞高為洞寬的1/2—4/5，這種洞口形式更有利于從熔化池獲取熔制質量好的玻璃進入主通路。此外玻璃液進入流液洞的流速不宜過快，以4_—12m/h范圍為宜，同時流速比較高的玻璃對底磚的侵蝕也非常大，因此在流液洞處底磚要用鉻磚面襯。


鉑銠合金包皮長期在高溫玻璃液中浸泡，晶體會長大、變脆，在玻璃液的沖刷下便容易損壞。為延長擋磚使用時間，可考慮在擋磚側面開兩個直徑 25mm的孔，通入水管冷卻或吹風冷卻，這適合于日產量比非常大的單元窯和玻璃液在洞內流速較快的情況。



五、火焰空間結構設計


火焰空間指大碹以下、玻璃液面以上的空間，它的周邊包括胸墻、前墻和后墻。


窯池長、寬確定之后，影響火焰空間大小的就是胸墻高度。對火焰空間容積的確定，主要考慮燃料的燃燒和發(fā)熱狀況。玻璃窯爐內燃料的燃燒屬于擴散式燃燒。除了高溫環(huán)境及充足的助燃空氣條件外，燃燒速度還取決于氧氣的擴散和不斷與燃料混合 ! 燃燒的過程，氧氣擴散速度將直接影響燃燒的速度，同時必須提供足夠的擴散空間和時間，使燃料達到完全燃燒。送入窯爐空間的燃料的化學能及燃料與空氣的物理能之和與空間容積之比，稱為容積發(fā)熱強度。根據窯爐運行經驗及充分考慮到窯爐耐火材料所允許的承受強度，一般取容積發(fā)熱強度為120—240KW/m3，通過該數值可以計算或核算胸墻高度。一般輕工窯爐的胸墻較高，約為1—2m，而單元窯熔化率低，胸墻高度為0.8—1.0m。


一般胸墻重量都是單獨支撐在立柱上，池壁與胸墻間用掛鉤磚分隔，掛鉤磚砌筑時應與池壁留有鼓脹間隙，烤窯結束后再用鋯泥把余留的縫隙密封。


在胸墻部位沿窯長方向分設多對燒嘴。支撐燒嘴的燒嘴磚，插入兩側胸墻，彼此相對放置。燒嘴間距為600—1000mm，采用氣體燃料或低粘度燃料油，燒嘴間距一般取600mm左右，采用高粘度重油時，燒嘴噴油孔過小容易堵塞，這時可適當放大油孔，燒嘴間距也相應放大。在投料口區(qū)靠前對燒嘴與后池墻之間的距離對生料熔化和排煙溫度都有影響，距離越小該區(qū)溫度高，化料快，但排煙溫度高，會降低熱效率，甚至使金屬換熱器過熱。距離太大不利化料，影響熔化率。一般距離為1.2—1.6mm。前池壁與較末一對燒嘴間距，一般為0.3—0.5mm。為了監(jiān)視窯內熔化狀況和便于對燃燒嘴觀察和調節(jié)，應在胸墻上設置一定數量可開閉的觀察孔。



六、煙道


從熔窯通到換熱器的煙氣，先經水平煙道，再過垂直煙道進入換熱器。水平煙道的截面尺寸，通常按1—2m/s的煙氣流速來選取，高度宜大于寬度。垂直煙道截面又略大于水平煙道截面。煙道耐火材料的侵蝕通常是很嚴重的。這不僅由于排出氣體的速度快，而且還由于煙氣中夾帶有配合料粉塵。所以在水平煙道入口處底面，使用質量好的致密鉻磚，稍后部位才用致密鋯磚，再往后的底面、側墻、磁磚則使用標準鉻磚或電熔AZS磚。垂直煙道與換熱器接口磚采用鉻剛玉磚。


七、通路結構設計


通路的作用是接受從熔窯流液洞或擋磚下通道流過來的玻璃，逐漸降溫、恒溫，并使之達到合適的成型溫度。盡管通路和熔窯兩者實際是相連的，但通路的操作和控制完全與熔窯分開。并在多段通路的情況下，每段也都要單獨控制，以保證滿足拉絲所必須的成型溫度。通常習慣稱與熔窯相連接的通路部分為主通路；裝有拉絲漏板的通路稱為成型通路或作業(yè)通路，而從通路到各段作業(yè)通路間的連接通道稱為過渡通路。


為了有助于玻璃液的均化和溫度調制，不少有經驗人士認為主通路宜長，如5—8m，甚至更長些。而過渡通路的長度以方便拉絲作業(yè)為原則，一般取4.5—5.5m。


通路高層度：主通路液深自流液洞后分幾個臺階逐漸減低，較后一個臺階的液深為 100—160mm，常在該臺階前再設置一塊鉑銠合金包皮的擋磚，擋磚浸入玻璃50—80mm（也有在擋磚前設玻璃液溢流裝置，可放掉上層B2O3揮發(fā)量非常大的那層玻璃液）。過渡通路液深在100—160mm間。成型通路的液深與拉絲作業(yè)區(qū)玻璃的溫度有關，目前常設計為100—110mm。


通路寬度：在通路液深確定后，通路的內部寬度取決于流過它的玻璃量。如果不考慮玻璃和耐火材料之間流動阻力的差別，一般E玻璃選取1.0—2.0Kg/h.cm3的玻璃流量來計算寬度。成型通路的寬度還要充分考慮漏板配置的需要，如果漏板臺數較多，也有在同一條成型通路上采用前后段兩種不同寬度的結構。