大型全氧燃烧超白玻璃窑的设计要点和应用.pdf
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1、在各类工业生产中,玻璃生产是碳排放高耗能行业之一,玻璃熔窑是我国玻璃工业中碳排放主要来源,迄今玻璃熔窑采用全氧燃烧在平板玻璃工业中仍占有比例很小。多年来实践证明,在超白玻璃行业采用全氧燃烧技术节约降耗、降低碳排放将是当今时代及未来的发展趋势。0前言我国全氧燃烧单窑从早期生产能力250t/d窑炉一窑两线光伏玻璃生产线,现已发展到单窑生产能力650t/d、750t/d、800t/d、850t/d一窑四线等规模,全氧燃烧光伏玻璃产能3860t/d,占光伏玻璃的总产能的19.5%。每年可节能约17万吨标准煤,其窑内单耗均比相同规模生产能力的横火焰窑型降低25%30%。我国自行设计的超白浮法玻璃生产线,
2、除10多年前从国外引进生产线外,以国内多年实践自行设计的超白全氧燃烧浮法玻璃窑以600t/d为主,现国内自行设计的650900t/d一窑多线超白光伏全氧玻璃窑也投入了使用。与空气助燃窑炉工艺相比,全氧燃烧工艺在熔化过程中飞料大幅度降低,整个玻璃熔制过程工况稳定,澄清区气泡释放彻底,玻璃液均化指数大幅提高,产品质量更加稳定,并向超白浮法光热玻璃方向发展。同样全氧燃烧在超白浮法玻璃窑上,均取得了良好的效果。随着全氧燃烧技术的日臻成熟,预计未来几年全氧燃烧技术在建筑节能玻璃、超白光热、超白光伏,特别是对生产宽板1.62.0mm薄光伏玻璃用全氧燃烧技术是最佳选择。所以,全氧燃烧技术已给玻璃行业的生产带
3、来了根本性的影响,更加显示出全氧燃烧在超白玻璃生产窑炉中节能降耗、低碳排放的优势。1规模设计和应用1.1熔化能力因合理的熔化部池宽度是决定熔窑熔化能力和各类规模熔窑的主要因素,也决定了各窑设计中所需的熔化部的尺寸大小和面积,使熔化部和熔化区的长与宽之比都有一个合理的范围值。全氧窑同样与横火焰窑一样,熔化部和熔化区的长度随池宽有成比例的合理值,而不是可以随意加长或缩短,更不能将大型的全氧窑参照吨位数不高的单元窑型长宽比的要求设计。根据国内引进的各类超白玻璃全氧窑和横火焰窑进行比较,同样生产规模,以国内引进的全氧600t/d生产能力为例:全氧窑设计窑宽为10m不到,相应而以国内传统的横火焰窑设计窑
4、宽要12m以上,如超白玻璃全氧窑熔化部宽度以11m设计,超白玻璃生产需适当加大澄清区的长度。现在运行的750t/d全氧超白光伏玻璃窑,澄清区长度的要求其窑长宽比为K1=3.2为35.2m,所取熔化区K2=2.3进行设计。据统计,该750t/d光伏玻璃全氧燃烧窑炉投入生产后,其天然气单耗小于1170kcal/kg,以全氧燃烧比同规模的传统的横火焰熔窑熔化率可提高25左右。相比大型空气助燃的横火焰窑炉天然气节能约30%,同时烟气量及NOx含量大大降低,NOx最低排放浓度111.5mg/m3,远低于新国标 玻璃工业大气污染物排建筑玻璃与工业玻璃2023,6 -3-放标准(GB 264532022)要
5、求的400mg/m3,NOx排放减少72%以上,温室气体CO2的排放量减少20%以上,相对空气助燃窑炉每年可减少碳排放6100吨左右。根据该窑的多年运行实践,证明对该全氧超白光伏玻璃窑的评估是可行的,并充分显示了全氧窑产品质量和成品率、熔化率高、能耗低等优点,是常规同吨位超白光伏玻璃横火焰窑炉无法比拟的。与我国引进的600t/d全氧超白浮法玻璃窑比较,熔化部宽度为10m不到,长度为27.3m,熔化部长宽比为K1=2.73,应该是比较接近的。其主要差距K1数值中澄清带没刻意地放长,如过度加大澄清区的长度,使熔化部窑内火焰空间所需的单位热负荷降低,影响熔窑的热效率,也是目前国内多数玻璃窑热效率低的
6、重要因素之一。1.2熔化区确立规模较大的全氧窑其熔化区域,即在胸墙两侧设立前后两对水平烟道设置。熔化区的范围是以投料池外边沿至后一对水平烟道中心线外1m的尺寸为准进行计算,也是目前设计全氧玻璃窑窑内熔化区确立的主要方法之一。按上以全氧超白光伏玻璃窑的熔化区长宽比要求控制范围:K2=1.62.4计算作为全氧玻璃窑的熔化区;以窑宽K2值也就是各类规模的全氧玻璃窑的熔化面积。为进一步扩大全氧窑的生产规模,在现有的750t/d窑的基础上,扩大至800t/d、850t/d时,在窑宽不变的情况下,使用类如单元窑长宽比的设计方法,以只增加全氧窑熔化部K1=4的长宽。同时在扩大熔化区面积也同时增加全氧燃烧器的
7、对数达到所需的熔化能力。这也是一些企业在全氧窑推广大吨位生产能力上熔窑采用的方法,主要考虑过宽的全氧窑大碹大砌块砖的使用安全性。通过多年实践是一种行之有效的方法。推荐的900t/d全氧超白光伏玻璃窑设计方案:其熔化部总长38.44m左右,窑宽11.75m。长宽比控制在K1=3.27,熔化区后一对水平烟道外1m计,熔化区长宽比K2=2.2左右,是目前国内自行设计最大的全氧超白光伏玻璃窑一窑五线设计。全氧窑窑宽不超过12m,通过计算应该在设计上是可行的,可确保其安全性。合理的全氧玻璃窑的长宽比,更能体现出其优越性。同时,为能进一步提高全氧窑的熔化能力,可通过加长前后烟道的间距,在不扩大窑宽的条件下
8、,增加熔化面积和熔化区内全氧燃烧器的对数,就可以到达千吨级以上的全氧窑燃烧的生产规模。1.3窑池深度由于超白高透过玻璃中Fe2O3含量低,热透过能力强,因此熔窑内玻璃液在池深方向的温度梯度相对2160175401040070002890256009600217153520011000图 1750t/d 全氧超白光伏玻璃一窑五线平面示意图Architectural&Functional Glass 6 2023-4-较小,池底的温度要高于普通透明玻璃。经有关设计单位通过对超白玻璃窑池深的计算机模拟,认为熔化部池深设计为1.5m池深时,熔化部池底最高温度为1278;如将熔化部池深由1.5m
9、减浅为1.35m时,最高温度升高至1291;如再将熔化部池深减浅1.2m时,且最高温度升高至1318。熔化区至少为1.45m以上,但也不宜过深。1.4池底台阶式结构分析其超白玻璃熔窑池底台阶式结构与玻璃熔化质量的关系。一般情况下,与普通浮法玻璃相比,特别是用全氧燃烧其热气流含水量高,会使玻璃液黏度更小。超白玻璃池底对应热电偶的温度值会比普通玻璃高7080。而这一系列的变化,将会导致池底处玻璃液的相对不动层较浅,透过池底耐火材料到达窑底的温度会较高。高温会对耐火材料的寿命带来一定的影响,同时较大的流速也会增加对池底耐火材料的侵蚀。所以,阶梯式池底的阶梯起点以窑内澄清区为主,一是可限制回流,二是可
10、提高玻璃液表面的加权温度,延长停留时间,确保澄清质量。超白玻璃熔窑池底台阶式结构设计注意点:为进一步改善玻璃液流、减少回流、减少“死区”,采用逐级抬高的阶梯形结构是先进窑炉的基本要求,可实现节能并提高玻璃质量。其基本的方法是在熔窑纵向热点后在澄清带纵向范围至卡脖采用四层次分级抬高。由于超白玻璃透热性能好,窑底温度高,窑内垂直流温差小,不利于微气泡的排放。在设计阶梯形结构时,除窑底钢结构的主、次梁同步抬高的方法处理进行设计外,其熔化部铺面砖均采用双层结构设计。通过多座窑运行的实践证明,窑底使用阶梯形结构使得玻璃液的质量得到明显提高。1.5卡脖宽度要求卡脖是熔化部和冷却部之间的通道,也是平板玻璃窑
11、的主要分隔装置,其作用是减少流向冷却部的热气流和玻璃液流量,并且使玻璃液通过卡脖后能用较少的冷却面积把玻璃液冷却到成形所需要的温度。由于超白玻璃液的特性是透热性高,同时由于全氧燃烧火焰特性会使玻璃液含水分量高,使之在相应的温度条件下玻璃液黏度会比横火焰超白玻璃窑降低得更多,会引起冷却部的玻璃液回流量增大。超白玻璃窑采用窄卡脖设计,多年来设计横火焰时卡脖宽度一直是以其熔窑的宽度40%50%计算。在初期设计超白玻璃窑时降低至35%左右,而长度却在不断加长,最长的有7.5m。设计合适的卡脖宽度和卡脖水包插入玻璃液的深度,为控制熔化部回流和热耗热能采用窄卡脖结构设计,为进一步限制卡脖后的玻璃液回流,增
12、加卡脖前的高温回流,根据玻璃液合理流速计算,尽量采用窄的卡脖结构形式和深层的水冷却分隔设备,大大地减少了冷却部玻璃的回流对熔化澄清带窑底“滞止三角区”玻璃液冲击。11750100038440249002160图 2900t/d 一窑五线的全氧超白高强薄光伏玻璃窑平面示意图建筑玻璃与工业玻璃2023,6 -5-同时,为了布置大水管、吊墙,卡脖必须具有一定的长度。因此,全氧超白玻璃窑卡脖宽度的合理设计和使用到超白全氧玻璃窑上,经过多年和多座窑的验证。根据全氧超白玻璃窑玻璃液流动的特性,其卡脖宽度与窑宽的比例仍可降低。采用窄卡脖更是超白玻璃窑的发展趋势。从各类数据上统计目前在使用的比例:250350
13、t/d全氧燃烧熔窑卡脖宽度/熔化部宽度为12%左右;600850t/d全氧燃烧熔窑卡脖宽度/熔化部宽度20%30%。实践证明,针对全氧超白玻璃窑玻璃液黏度小的流动特性,纵向流动量大的特点,为减少玻璃液的回流,超白玻璃窑采用窄卡脖。选择合理的超白玻璃窑的窄卡脖宽度对窑内降低能耗、提高产品质量和可控制具有积极意义。我们曾在250t/d横火焰超白光伏玻璃窑上,在窑宽为9600mm上,原3000mm卡脖提出调整改建为1200mm窄卡脖,比例为17%,其窑改建再次投产后比原窑炉能耗降低10%,成品率从原65%提高到85%。延长玻璃液在澄清带的停留时间,提高澄清质量,卡脖采用窄卡脖与窑宽比例取20%是可行
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