日用玻璃窑炉节能进展课件

日用玻璃窑炉节能与减排日用玻璃窑炉节能与减排山东轻工业学院胡昌盛 教授日用玻璃窑炉节能与减排山东轻工业学院11.引言 节能的意义节能的意义 不但传统意义上的节能，降低生产成本，而且具有节能减排，保护环境的作用。因此，发展节能玻璃窑炉是势在必行的责任。1.引言 节能的意义22.玻璃工厂能耗分析电电7%熔化75%锅炉锅炉3%印刷印刷4%退火退火4%料道料道7%2.玻璃工厂能耗分析电7%熔化75%锅炉3%印刷4%退火3 4 53.3.窑炉节能的途径窑炉节能的途径1）燃烧控制燃烧控制(combustion control)设计2）保温(furnace wall insulation)设计3)废热回收（exhaust heat recovery）设计4)热平衡（heat balancing）设计5)电助熔电助熔（electric booster）设计6)鼓泡鼓泡（bubbling）设计7)富氧燃烧技术富氧燃烧技术(rich oxygen combustion）设计8)料道加热料道加热（electric heating of forehearth）设计9)碎玻璃碎玻璃（using a great number of cullet）工艺10)易熔玻璃配方易熔玻璃配方（low melting temperature batch technique）工艺3.窑炉节能的途径1）燃烧控制(combustion con63.1控制合理的空气过剩系数冷空气降低1%，节能0.5%燃料节约%预热空气/总的空气量3.1控制合理的空气过剩系数冷空气降低1%，节能0.5%燃料73.2高保温技术a)池底保温 由89年的114度降到40度，主要是深澄清技术的采用，加大了池底保温。但在澄清区，温度也小于100度3.2高保温技术a)池底保温8 b)大碹保温 现在的大碹保温多采用350硅砖，20mm的轻质密封料，114mm的轻质硅砖。65mm的耐火保温砖，50mm的轻质保温砖，再涂以白泡石。大碹的温度在50度。实际上，窑体散热包含了对流辐射换热和气体逸出热量，气体的逸出热不但产生热损失，而且对窑炉的使用寿命也是有害的。所以现代窑体设计不但强调保温，更注意密封。b)大碹保温9c)池壁设计 现代池壁设计倾向采用全保温技术一般采用250mm的AZS,230mm粘土耐火砖,50mm的陶瓷纤维。池壁温度一般在40-50度。c)池壁设计 现代池壁设计倾向采用全保温技术一般采用2510d)胸墙的保温d)胸墙的保温国内与国外有很大的区别。国内一般采用硅砖，使用期限一般在4-6年。国外强调使用两个窑期，采用AZS.现代保温一般在60度。d)胸墙的保温d)胸墙的保温国内与国外有很大的区别。国内一般113.3废热回收A）重油回收废热不但只看蓄熔比，重要的指标是看构筑系数。即蓄热室的高度与蓄热室的截面积的比值。通过计算机模拟和实践可知，蓄热室的有效高度达到10米，再增加高度，预热温度不再增加。目前空气预热温度为1320，煤气为1280。排出气体的温度排出气体的温度3.3废热回收A）重油排出气体的温度12 LPG-液化石油气 LPG-液化石油气13LNG-液化天然气 LNG-液化天然气 143.4热平衡3.4热平衡15 16 从热平衡的结果看：从热平衡的结果看：热量来源主要是热量来源主要是-燃料、废气回收的热量（多通道蓄热室）。燃料、废气回收的热量（多通道蓄热室）。主要支出的热量是：热玻璃带出的热量、废气带出的热量、硅酸主要支出的热量是：热玻璃带出的热量、废气带出的热量、硅酸盐反应热、窑体散热，窑顶散失的热量比窑墙散失热量大盐反应热、窑体散热，窑顶散失的热量比窑墙散失热量大 。由此分析：玻璃带出的热量是由工艺条件确定的。减少废气热量由此分析：玻璃带出的热量是由工艺条件确定的。减少废气热量的方法主要有：的方法主要有：(1(1）减少废气量（采用富氧燃烧技术）。（）减少废气量（采用富氧燃烧技术）。（2 2）采）采用碎玻璃、长石、珍珠岩等硅酸盐材料，这些材料已经发生了硅用碎玻璃、长石、珍珠岩等硅酸盐材料，这些材料已经发生了硅酸盐反应。减少原料的二氧化碳引入量。酸盐反应。减少原料的二氧化碳引入量。窑体散热：大部分由胸墙和窑顶散热，减少散热的办法就是采用窑体散热：大部分由胸墙和窑顶散热，减少散热的办法就是采用保温技术和深澄清池技术。深澄清技术增加熔化率。在等产量的保温技术和深澄清池技术。深澄清技术增加熔化率。在等产量的情况下，散热面积减少。达到节能的目的。情况下，散热面积减少。达到节能的目的。从热平衡的结果看：173.5窑炉内部的温度分布（鼓泡）窑炉内部的温度分布（鼓泡）3.5窑炉内部的温度分布（鼓泡）18理想澄清热点理想澄清热点19实际情况实际情况20具有鼓泡和电助熔马蹄焰窑炉具有鼓泡和电助熔马蹄焰窑炉21基本要求基本要求鼓泡线和热点线一致。引入电极的目的是增加底部向上的力。增鼓泡线和热点线一致。引入电极的目的是增加底部向上的力。增加涌泉区的稳定性。加涌泉区的稳定性。这是因为：对于马蹄焰池窑来说，通过控制火焰分布控制热点位这是因为：对于马蹄焰池窑来说，通过控制火焰分布控制热点位置是不可能的。置是不可能的。因为确定热点位置很难，最好用澄清区与熔化区的比值来确定窑因为确定热点位置很难，最好用澄清区与熔化区的比值来确定窑坎和鼓泡的位置。根据国外研究，澄清区的玻璃液与熔化区的玻坎和鼓泡的位置。根据国外研究，澄清区的玻璃液与熔化区的玻璃液的比值一般在璃液的比值一般在14-20%14-20%。用该法能确保体积熔化率在较高的水。用该法能确保体积熔化率在较高的水平。确定澄清区和熔化区的比例。一般来讲，短焰燃烧取大值，平。确定澄清区和熔化区的比例。一般来讲，短焰燃烧取大值，长焰燃烧取小值。也就是说，看产量的瓶颈在何处。长焰燃烧取小值。也就是说，看产量的瓶颈在何处。所以，燃煤马蹄焰窑炉的小炉设计十分重要，即可设计成短焰燃所以，燃煤马蹄焰窑炉的小炉设计十分重要，即可设计成短焰燃烧，也可设计成长焰燃烧，体积熔化率不同。烧，也可设计成长焰燃烧，体积熔化率不同。基本要求鼓泡线和热点线一致。引入电极的目的是增加底部向上的力22 鼓泡位置 鼓泡的位置不是固定不变的。鼓泡的位置不是固定不变的。与流量有关；与流量有关；与玻璃窑炉深浅有关；与玻璃窑炉深浅有关；与玻璃的品种有关；与玻璃的品种有关；鼓泡可提高鼓泡可提高13%13%的产量，但技术参数要的产量，但技术参数要 确定好。否则气泡难以解决，有鼓泡的确定好。否则气泡难以解决，有鼓泡的还要注意澄清剂的选择。还要注意澄清剂的选择。鼓泡位置23 虽然在国际上，一些论文认为鼓泡位置在要看前的位置为池深的1/2，但是我认为，还要根据玻璃本身的特性相关。t1 t2 虽然在国际上，一些论文认为鼓泡位置在要看前的位置为池深的1243.7关于长宽比3.7关于长宽比25 从图上可以看出，中等平方的窑炉最宽。从设计角度来讲，在等周长（围成熔化池AZS）的情况下，以正方形的面积最大，也就是说，在化同样多钱的情况下，正方形的产量最大。但是这不是窑炉设计者刻意追求的。在满足一定条件下可以追求。要考虑火焰长度，小炉的结构等。长宽的比值，不能从教科书上得道规则。对于燃煤马蹄焰，重要的是考虑火焰的长度，通常情况下，火焰的有效长度（指大于1400度）小于11米。因为钠钙玻璃的熔化温度大于1400度。保证火焰向玻璃液传热，而不是玻璃液向废气传热，这样才能设计有大熔化率的窑炉。从图上可以看出，中等平方的窑炉最宽。26影响长宽比的因素影响长宽比的因素1、窑炉的熔化面积窑炉的熔化面积2 2、小炉的设计。小炉的下倾角、小炉的长度（预燃室的长度）、舌、小炉的设计。小炉的下倾角、小炉的长度（预燃室的长度）、舌碹的结构、底板砖的结构、空气碹的结构、底板砖的结构、空气/煤气速度的比值等都影响小炉的煤气速度的比值等都影响小炉的与婚、预燃效果。预燃和预混较好，燃烧火焰的刚性好，火焰短，与婚、预燃效果。预燃和预混较好，燃烧火焰的刚性好，火焰短，熔化率可提高熔化率可提高5-10%5-10%，长宽比可小，否则，火焰长，长宽比大。，长宽比可小，否则，火焰长，长宽比大。3 3、火焰的方向不是平行四边形法则确定。空气、煤气各有自己的预、火焰的方向不是平行四边形法则确定。空气、煤气各有自己的预热温度，对于参考密度来讲（环境温度），发生射流弯曲现象。热温度，对于参考密度来讲（环境温度），发生射流弯曲现象。它的方向应是射流校正后的方向。它的方向应是射流校正后的方向。4 4、空气的速度大于煤气的速度还是小于煤气的速度，也影响的长宽、空气的速度大于煤气的速度还是小于煤气的速度，也影响的长宽比。比。影响长宽比的因素1、窑炉的熔化面积27一个窑炉小炉煤气速度大于空气速度2米一个窑炉小炉煤气速度大于空气速度2米28 计算区域为一长方形区域，该区域的上计算区域为一长方形区域，该区域的上方为一弧面的碹顶。该窑炉模型，火焰空间方为一弧面的碹顶。该窑炉模型，火焰空间的长为的长为10.5m10.5m，宽为，宽为9.9m9.9m，长宽比为，长宽比为1.11.1，高，高为为1.35m1.35m，碹升高为，碹升高为1/101/10，中间隔墙的宽度，中间隔墙的宽度为为1.6m1.6m，喷火口底端距玻璃液面的高度为，喷火口底端距玻璃液面的高度为0.2m0.2m，预燃室长度为，预燃室长度为2.2m2.2m。由于加料口有各。由于加料口有各种封闭方法，这里设定加料口是封闭的，种封闭方法，这里设定加料口是封闭的，A A为进火口，为进火口，B B为出火口。为出火口。计算区域为一长方形区域，该区域的上方为一弧面29 进口中心面速度矢量图 进口中心面速度矢量图 30 进口中心面温度分布图 整个窑长方向温度都不低于1400，能满足玻璃液的工艺要求。进口中心面温度分布图 整个窑长方向温度都不低于1400，31 32距玻璃液面0.01m剖面温度图 距玻璃液面0.01m剖面温度图 33距玻璃液面距玻璃液面0.01m0.01m剖面平均混合分数变化率图剖面平均混合分数变化率图距玻璃液面0.01m剖面平均混合分数变化率图34距玻璃液面距玻璃液面0.6m剖面平均混合分数变化率图剖面平均混合分数变化率图距玻璃液面0.6m剖面平均混合分数变化率图35 通过计算机模拟，可以看出，当煤气速度大于空气速通过计算机模拟，可以看出，当煤气速度大于空气速度时，小炉预燃室虽然长达度时，小炉预燃室虽然长达2005mm,2005mm,但是由于煤气和空但是由于煤气和空气速度都较大，空气、煤气在小炉内预混较差，当属气速度都较大，空气、煤气在小炉内预混较差，当属于长焰燃烧。由此，造成火焰长，且在流液洞处，火于长焰燃烧。由此，造成火焰长，且在流液洞处，火焰仍没完全混合。火焰空间发混浊。这与实际情况相焰仍没完全混合。火焰空间发混浊。这与实际情况相符。所以说，长宽比不是固定值，它与窑炉面积、小符。所以说，长宽比不是固定值，它与窑炉面积、小炉设计密切相关。还与玻璃成分、颜色相关。同样的炉设计密切相关。还与玻璃成分、颜色相关。同样的窑炉，啤酒瓶的火焰短，白料火焰长，所以设计窑炉窑炉，啤酒瓶的火焰短，白料火焰长，所以设计窑炉长宽比的选择要综合考虑，不要过于依靠教科书。长宽比的选择要综合考虑，不要过于依靠教科书。通过计算机模拟，可以看出，当煤气速度大于空气速度时，小炉预36火焰在高度上的分布火焰在高度上的分布373.7气泡排出3.7气泡排出383.7熔化过程中的物理化学变化熔化过程中的物理化学变化3.7熔化过程中的物理化学变化39各种物理化学变化热力学各种物理化学变化热力学各种物理化学变化热力学40熔化区各部的作用熔化区各部的作用熔化区各部的作用41铺面转和鼓泡关系铺面转和鼓泡关系铺面转和鼓泡关系423.83.8易熔玻璃易熔玻璃3.8易熔玻璃433.93.9碎玻璃引入和预热配合料碎玻璃引入和预热配合料3.9碎玻璃引入和预热配合料44 添加碎玻璃与得料率的关系 添加碎玻璃与得料率的关系 45 碎玻璃加入率与节能率的关系 碎玻璃加入率与节能率的关系 46 碎玻璃加入量与能耗之间的关系 碎玻璃加入量与能耗之间的关系 47 逸出气体耗热量与添加碎玻璃的关系 逸出气体耗热量与添加碎玻璃的关系 48 碎玻璃加入量与硅酸盐反应热的关系 碎玻璃加入量与硅酸盐反应热的关系49 加入碎玻璃对节能的影响加入碎玻璃对节能的影响 在玻璃配合料中加入碎玻璃能使玻璃的在玻璃配合料中加入碎玻璃能使玻璃的得料率大大提高得料率大大提高；加入碎玻璃可以大大减少由于原料分解产生的加入碎玻璃可以大大减少由于原料分解产生的气体吸热消耗的那部气体吸热消耗的那部分能量；分能量；由于碎玻璃的加入，使得硅酸盐反应的减少，由于碎玻璃的加入，使得硅酸盐反应的减少，大大降低了硅酸盐反应热大大降低了硅酸盐反应热。改变原料配方对节能的影响改变原料配方对节能的影响玻璃的各主要组成成分都可以通过几种不同的原料引入，各种原料发玻璃的各主要组成成分都可以通过几种不同的原料引入，各种原料发生硅酸盐反应所需要消耗的能量大不相同，通过计算各种原料发生硅生硅酸盐反应所需要消耗的能量大不相同，通过计算各种原料发生硅酸盐反应消耗的热量来比较使用哪种原料更有利于节能；酸盐反应消耗的热量来比较使用哪种原料更有利于节能；通过计算可知，通过长石引入氧化铝、氧化钾、氧化钠等成分比通过通过计算可知，通过长石引入氧化铝、氧化钾、氧化钠等成分比通过氢氧化铝、瓷土、钾碱、氢氧化钠、纯碱等原料引入消耗的能量要少氢氧化铝、瓷土、钾碱、氢氧化钠、纯碱等原料引入消耗的能量要少得多；得多；通过氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐引入氧化物消耗能量的大小顺序为：通过氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐引入氧化物消耗能量的大小顺序为：氢氧化物氢氧化物 碳酸盐碳酸盐 12003154.086Sb2O36525.20Sb2O510503.78CeO21350140019507.30Na2SO414001450884(有碳时338度）20时为2.6731400时为1.57CaSO41400137020时为2.961400时为2.84 表1 澄清剂的放氧温度和密度放氧温度/熔化温度/密度5311、小炉设计 小炉的设计很重要：理想的是预混好，出口火焰温度高，目理想的是预混好，出口火焰温度高，目的是提高熔化率。但是小炉舌碹材质要的是提高熔化率。但是小炉舌碹材质要注意。在使用注意。在使用AZS材质时，在材质时，在1173度时度时有一个晶型转化，易于开裂和剥落。所有一个晶型转化，易于开裂和剥落。所以现在一般采用钢玉莫来石材质以现在一般采用钢玉莫来石材质。一般每预热温度低于1200度，而废气温度高于1400度）。在反复换向时就发生晶型转化。11、小炉设计 小炉的设计很重要：5412、喷火口设计宽度（小炉与后脸墙的比值）宽度（小炉与后脸墙的比值）速度速度下倾角（火焰落点）下倾角（火焰落点）喷火口底板距液面的距离。喷火口底板距液面的距离。12、喷火口设计宽度（小炉与后脸墙的比值）551313、预熔池（加料口）、预熔池（加料口）预熔池设计直接与喷火口设计相关，预熔池设计直接与喷火口设计相关，大家知道，在蓄热室，上部一般采用镁大家知道，在蓄热室，上部一般采用镁砖，如果预熔池和喷火口设计不协调，砖，如果预熔池和喷火口设计不协调，会产生石英细沙飞起，会产生石英细沙飞起，而石英和镁砖产而石英和镁砖产生低共熔点，在铁存在的情况下，低共生低共熔点，在铁存在的情况下，低共熔温度为熔温度为12801280度，会使镁砖熔化度，会使镁砖熔化。舌碹。舌碹不要用镁砖。特别是窑墙加料的更不能不要用镁砖。特别是窑墙加料的更不能采用。因为窑墙加料细砂易于被喷火口采用。因为窑墙加料细砂易于被喷火口吹起。吹起。13、预熔池（加料口）预熔池设计直接与喷火口5614、深熔化玻璃液是透热体，根据比尔定律有 玻璃液越深，玻璃液吸收的热量越多。玻璃液越深，玻璃液吸收的热量越多。到达池底的热量也越小。能耗也越小。到达池底的热量也越小。能耗也越小。H-玻璃液深度Al吸热度；Kl-吸收系数14、深熔化玻璃液是透热体，根据比尔定律有 H-玻璃液深度A57 I0ItIrIa透光度透光度（transmittance)T=It/I0吸光度吸光度(absorbance)A=-lgT朗伯朗伯-比尔定律比尔定律 I0ItIrIa透光度吸光度朗伯-比尔定律581515、蓄热室、蓄热室细长比：多通道蓄热室十子墙560mm边墙345mm边墙460mm15、蓄热室细长比：多通道蓄热室十子墙560mm边墙345m59 60 蓄热室格子砖的选择蓄热室格子砖的选择按每米温降按每米温降80-10080-100选择即可。在蓄热室选择即可。在蓄热室大于大于1010米的情况下，建议不采用镁砖，米的情况下，建议不采用镁砖，镁砖易于与硅砖起反应镁砖易于与硅砖起反应。蓄热室的硅砖在有萤石作为助熔剂的情况下，蓄蓄热室的硅砖在有萤石作为助熔剂的情况下，蓄热室贵砖表面首先矿化，会使铁离子发生像内热室贵砖表面首先矿化，会使铁离子发生像内部迁移，在硅砖的切面上会发现，表面非常白，部迁移，在硅砖的切面上会发现，表面非常白，内部发绿，再往外发红。说明铁发生了迁移。内部发绿，再往外发红。说明铁发生了迁移。蓄热室格子砖的选择6116、局部全氧燃烧1 垂直吹氧2、侧吹3、底板底下16、局部全氧燃烧1 垂直吹氧62垂直 垂直 63 64侧吹 从窑炉胸墙两侧开孔，通入氧气。两侧的氧气随小炉的换向而换向。优点，加强热点温度，强化涌泉的作用，利于节能。侧吹 从窑炉胸墙两侧开孔，通入氧气。两侧的氧气65底板底板下或底板上加入氧气 特点：提高小炉的出口温度；提高熔化率；在通常情况下，煤气与空气交界处温度最高，温度最高处离玻璃液面的距离较大，辐射传热效果较差，而通入氧气，最高混合燃烧温度下移，离玻璃液面近，传热效果好。同时碹顶温度下降。底板底板下或底板上加入氧气6617、流液洞 流液洞的高低大小对于控制玻璃液的回流是重要的。对于产量较小的窑炉采用单流液洞，对于较大的窑炉则采用双流液洞。康宁公司近20年一直采用这个原则。17、流液洞 流液洞的高低大小对于控制玻璃液的回流67流液洞高度对回流的影响 流液洞高度对回流的影响 68 69 70 714深澄清窑炉若干问题深澄清分类：有窑坎 1200mm 流液洞高一般低于300mm 无窑坎 1500mm，流液洞高一般低于300mm目的：阻止澄清部回流。节约能源。气泡加快排出，加速澄清。深澄清窑炉面积熔化率高，但体积熔化率增加不大。深澄清火焰空间的散热面积减少。节能。短焰燃烧增加熔化率，降低单位体积玻璃液的散热量。鼓泡是节能的关键4深澄清窑炉若干问题深澄清分类：7215、几个概念 熔化率（面积熔化率）熔化率（体积熔化率）玻璃液温降。15、几个概念 熔化率（面积熔化率）73 744.污染控制4.污染控制75NOX 控制NOX 控制76一个简单实例 闸板双碱池耐酸泵洗涤塔1洗涤塔2水废气填料袋式除尘器烟道烟囱锅炉引风机一个简单实例 闸板双碱池耐酸泵洗涤塔1洗涤塔2水废气填料袋式77如果不考虑脱硫 1、抽取法抽取法-抽取蓄热室里的煤气，打回到抽取蓄热室里的煤气，打回到煤气管道。煤气管道。缺点，在舌碹处，必须控制好压力点。缺点，在舌碹处，必须控制好压力点。2 2、鼓入法、鼓入法-抽取烟道烟气，打入煤气蓄热抽取烟道烟气，打入煤气蓄热室，将煤气蓄热室的煤气顶出去。室，将煤气蓄热室的煤气顶出去。采用针阀，球阀。采用针阀，球阀。如果不考虑脱硫 1、抽取法-抽取蓄热室里的煤气，打回到煤气管78 79 80