1、日用玻璃窑炉节能与减排,山东轻工业学院 胡昌盛 教授,1.引言,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。,2. 玻璃工厂能耗分析,电7%,熔化75%,锅炉3%,印刷4%,退火4%,料道7%,3.窑炉节能的途径,1）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（electric booster） 设计 鼓泡（
2、bubbling） 设计 富氧燃烧技术(rich oxygen combustion）设计 8) 料道加热（electric heating of forehearth）设计 9) 碎玻璃（using a great number of cullet） 工艺 10)易熔玻璃配方（low melting temperature batch technique）工艺,3.1控制合理的空气过剩系数,冷空气降低1%，节能0.5%,燃料节约%,预热空气/总的空气量,3.2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,b)大碹
3、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。,c)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。,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
4、60度。,3.3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,LPG-液化石油气,LNG-液化天然气,3.4热平衡,从热平衡的结果看： 热量来源主要是-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。减少废气热量的方法主要有：(1）减少废气量（采
5、用富氧燃烧技术）。（2）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。,3.5窑炉内部的温度分布（鼓泡）,理想,澄清,热点,实际情况,具有鼓泡和电助熔马蹄焰窑炉,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坎和鼓泡的位置。根据国外
6、研究，澄清区的玻璃液与熔化区的玻璃液的比值一般在14-20%。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，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，即可设计成短焰燃烧，也可设计成长焰燃烧，体积熔化率不同。,鼓泡位置鼓泡的位置不是固定不变的。与流量有关；与玻璃窑炉深浅有关；与玻璃的品种有关；鼓泡可提高13%的产量，但技术参数要 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。,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。t1t2,3.7关于
7、长宽比,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。,影响长宽比的因素,1、窑炉的熔化面积 2、小炉的设计。小炉的下倾角、小炉的长度（预燃室的长度
8、）、舌碹的结构、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5-10%，长宽比可小，否则，火焰长，长宽比大。 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。 4、空气的速度大于煤气的速度还是小于煤气的速度，也影响的长宽比。,一个窑炉小炉煤气速度大于空气速度2米,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，火焰空间的长为10.5m，宽为9.9m，长宽比为1.1，高为1.35m，碹升高为1/10，中间隔墙的
9、宽度为1.6m，喷火口底端距玻璃液面的高度为0.2m，预燃室长度为2.2m。由于加料口有各种封闭方法，这里设定加料口是封闭的，A为进火口，B为出火口。,进口中心面速度矢量图,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。,距玻璃液面0.01m剖面温度图,距玻璃液面0.01m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,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2005mm,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
10、。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，所以设计窑炉长宽比的选择要综合考虑，不要过于依靠教科书。,火焰在高度上的分布,3.7气泡排出,3.7熔化过程中的物理化学变化,各种物理化学变化热力学,熔化区各部的作用,铺面转和鼓泡关系,3.8易熔玻璃,3.9碎玻璃引入和预热配合料,添加碎玻璃与得料率的关系,碎玻璃加入率与节能率的关系,碎玻璃加入量与能耗之间的关系,逸出气体耗热量与添加碎玻璃的关系,碎玻璃加入量与硅酸盐反应热的关系,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得料率大大提高；加
11、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分能量； 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。 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； 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： 氢氧化物碳酸盐硫酸盐； 引入氧化镁如使用菱镁矿要比用白云石节能。,10.澄清剂,
12、玻璃窑炉节能一个重要因素是；熔化-澄清-均化要协调。如果协调，可以大大提高体积熔化率。 澄清剂对玻璃能耗有很大影响。复合澄清剂特点低温 380形成液体，润湿玻璃配合料，使配合料中的空气排出，增加了配合料的导热能力，节约燃料。过多增加氟硅酸钠等，对耐火材料的腐蚀加快。,表1 澄清剂的放氧温度和密度,11、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，目的是提高熔化率。但是小炉舌碹材质要注意。在使用AZS材质时，在1173度时有一个晶型转化，易于开裂和剥落。所以现在一般采用钢玉莫来石材质。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。,12、喷
13、火口设计,宽度（小炉与后脸墙的比值） 速度 下倾角（火焰落点） 喷火口底板距液面的距离。,13、预熔池（加料口）,预熔池设计直接与喷火口设计相关，大家知道，在蓄热室，上部一般采用镁砖，如果预熔池和喷火口设计不协调，会产生石英细沙飞起，而石英和镁砖产生低共熔点，在铁存在的情况下，低共熔温度为1280度，会使镁砖熔化。舌碹不要用镁砖。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吹起。,14、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。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,I0,It,Ir,Ia,透光度 （tran
14、smittance) T=It/I0,吸光度 (absorbance) A= -lgT,朗伯-比尔定律,15、蓄热室,细长比：多通道蓄热室,十子墙560mm,边墙345mm,边墙460mm,蓄热室格子砖的选择 按每米温降80-100选择即可。在蓄热室大于10米的情况下，建议不采用镁砖，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，内部发绿，再往外发红。说明铁发生了迁移。,16、局部全氧燃烧,1 垂直吹氧 2、侧吹 3、底板底下,垂直,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
15、向。优点，加强热点温度，强化涌泉的作用，利于节能。,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。,17、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。,流液洞高度对回流的影响,4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
16、 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,15、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。,4.污染控制,NOX 控制,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,如果不考虑脱硫,1、抽取法-抽取蓄热室里的煤气，打回到煤气管道。缺点，在舌碹处，必须控制好压力点。 2、鼓入法-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。采用针阀，球阀。,
