浮法玻璃熔窯的保溫節(jié)能

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(1.海南中航特?？萍加邢薰荆Ｄ??？?571924； 2.特種玻璃國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?571924； 3.中航三鑫股份有限公司，廣東 深圳 518054)

1 引 言

熔窯是玻璃廠主要耗能設(shè)備，其能耗占全廠的80%左右。玻璃熔窯的熱量約有30%消耗在窯體散熱上[1]，主要熱損失方式為表層散熱[2]；因此，浮法玻璃熔窯的保溫一直被視作玻璃生產(chǎn)過程中一條行之有效的節(jié)能降耗措施。據(jù)統(tǒng)計(jì)[3]，窯體保溫后，可減少散熱25～30%，節(jié)約燃料7～15%。另外，窯池保溫還可提高玻璃液溫度、縮短熔化時(shí)間、增加澄清因子、降低火焰溫度，同時(shí)，它也增加了回流以及微小氣泡(半徑小0.1mm)隨出料流流出池窯的可能性。

影響熔窯散熱的因素有窯體的外表面溫度和環(huán)境溫度，窯體外表面溫度的降低，就意味著散熱損失的降低，而窯體外表面溫度和熔窯結(jié)構(gòu)及保溫材料密切相關(guān)。相對(duì)于傳統(tǒng)保溫技術(shù)，熔窯全保溫技術(shù)可使熔窯外表面溫度降至80℃以下，散熱損失減少80%以上，節(jié)能效果明顯。玻璃熔窯亦可進(jìn)行二次保溫，可大幅度降低表面溫度。保溫后窯體外表面溫度和保溫材料本身有很大關(guān)系，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)越低，保溫效果越好[4]。

目前，對(duì)于熔窯熱力學(xué)計(jì)算模型已有相關(guān)研究[4-5]，但是主要集中在窯爐整體散熱方面，而計(jì)算窯體外表面溫度的理論模型相對(duì)較少，窯體外表面溫度是進(jìn)行熔窯保溫設(shè)計(jì)以及計(jì)算散熱量的重要依據(jù)。因此本文通過分析熱力學(xué)平衡方程式，從理論上探討計(jì)算窯體外表面溫度的理論途徑。本文著重于先確定傳熱系數(shù)與外表面溫度和表面散熱量的關(guān)系，提出最優(yōu)的窯體保溫材料配置方案，對(duì)熔窯保溫技術(shù)以及保溫材料選擇具有理論指導(dǎo)意義。

2 熔窯散熱量理論研究

為了確定各層保溫材料的冷面溫度以及散熱量，分析節(jié)能效果，需要進(jìn)行全面的熱量平衡計(jì)算。

理論模型假設(shè)：(1)窯內(nèi)高溫氣體傳熱方式為對(duì)流換熱和輻射換熱；(2)窯體各層材料之間只存在傳導(dǎo)傳熱；(3)窯體外壁與周圍環(huán)境只存在對(duì)流換熱；(4)耐火保溫材料之間緊密接觸；(5)忽略換料等因素對(duì)換熱的影響。理論模型示意圖如圖1所示。

圖1 理論模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the theoretical model

2.1 熔窯內(nèi)壁保溫單元之間的熱量傳遞過程

(i=1,2,3，…，n)

(1)

式中：qi為單位表面積單位時(shí)間的散熱量/W·m-2；ki為第i層保溫單元的傳熱系數(shù)/W·m-2·℃-1；λi為第i層保溫單元的導(dǎo)熱系數(shù)/W·m-1·℃-1，λi=ai+bit；xi為第i層保溫單元的厚度/m；ti為第i層保溫單元與第i+1層保溫單元之間的界面溫度/℃。

2.2 熔窯外壁向周圍環(huán)境的傳熱過程

(2)

式中：αi為熔窯外壁與空氣之間的對(duì)流輻射換熱系數(shù)/W·m-2·K-1；Aw為散熱位置系數(shù)，碹頂處取2.8(胸墻處取2.2、底板處取1.8)[6]；tn和ta分別為最外層保溫單元外壁溫度和環(huán)境溫度。

2.3 熱平衡原理

當(dāng)以上傳熱過程達(dá)到熱平衡[8]后，則有：

q1=q2=…qn=qn+1=q

(3)

式(1)、(2)和(3)給出了玻璃熔窯的多層保溫?zé)崃W(xué)計(jì)算，當(dāng)熔窯的內(nèi)壁溫度、環(huán)境溫度、各層的厚度和保溫材料傳熱系數(shù)確定時(shí)，用迭代法，運(yùn)用VB編寫程序就可以求得該模型近似解，得到各層保溫材料的表面溫度和窯體表面溫度，從而計(jì)算散熱量。

3 表面溫度與散熱量之間關(guān)系及效益評(píng)估

3.1 表面溫度與散熱量之間的影響

由以上分析可知，對(duì)于一定的窯型而言，影響熔窯整體散熱量的主要因素是環(huán)境溫度、表面積和保溫材料性能參數(shù)(如：傳熱系數(shù))。本文利用推導(dǎo)所得的理論計(jì)算公式，通過改變表面溫度，計(jì)算保溫前后散熱量差異，研究不同表面溫度對(duì)保溫效果的影響(以保溫前表面溫度為200℃為基準(zhǔn))。

由表1可知，通過理論公式計(jì)算保溫前后表面溫度每降低20℃，都會(huì)引起散熱量的大幅度降低，理論上甚至達(dá)到80%以上，根據(jù)熔窯節(jié)能和實(shí)際生產(chǎn)的要求，經(jīng)加強(qiáng)保溫后散熱量約減少50%[8]。因此，引入有效的新型保溫技術(shù)或新型保溫材料，對(duì)熔窯節(jié)能是非常行之有效的。

3.2 理論公式計(jì)算實(shí)例

以某公司熔化部碹頂保溫為實(shí)例，研究計(jì)算固定保溫層下外表面溫度。表2為各層耐火材料相關(guān)參數(shù)。

假設(shè)窯內(nèi)溫度t為1600℃，外部溫度ta為50℃。已知散熱位置系數(shù)Aw在頂部處，取2.8，當(dāng)傳熱達(dá)到平衡時(shí)，根據(jù)上述熱力學(xué)平衡式(1)、(2)和(3)，建立平衡方程式(4)：

表1 熔窯頂部外壁表面溫度變化對(duì)散熱量影響

表2 熔窯頂部各層耐火材料性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of refractories at the top of the furnace

(4)

其中，q為熔窯散熱量，k為各保溫層材料整體平均傳熱系數(shù)，各層材料視為一個(gè)整體，各層材料的傳熱系數(shù)通過調(diào)和平均數(shù)的計(jì)算方法得到整體平均傳熱系數(shù)[9]，如式(5)所示：

(5)

通過迭代計(jì)算法，利用VB編程該方程，求解該方程表面溫度tx=123.3℃。同時(shí)已知外表面溫度情況下，可利用公式(4)求解窯體散熱量q=1225.7W·m-2。

3.3 熔窯二次保溫節(jié)能效益評(píng)估計(jì)算

以某公司采用新型保溫材料進(jìn)行二次保溫的熔窯為例，經(jīng)過模擬計(jì)算，提出使用鈦鈉硅高效保溫復(fù)合層納米絕熱保溫材料作為二次保溫材料，該保溫復(fù)合層主要由微晶纖維毯層(一層厚度：50mm)、酸鋁纖維毯層(兩層，每層厚度：6mm，共計(jì)12mm)、高效保溫氣凝膠層(三層，每層厚度：6mm，共計(jì)18mm)復(fù)合構(gòu)成，實(shí)施于原窯體的保溫輕質(zhì)硅磚外側(cè)，緊貼保溫輕質(zhì)硅磚；然后在復(fù)合層表面再覆蓋鍍鋅鐵皮(一層厚度0.4mm)，完成施工。

已知環(huán)境溫度為50℃，通過模擬計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的溫度參數(shù)，保溫前后外表面溫度及散熱量等具體參數(shù)如表3所示。

熔窯保溫后節(jié)能率測(cè)算如下：

(1) 復(fù)合節(jié)能保溫后散熱量減少量：

2528284-1217977=1310307kcal/h

(2) 熔窯輸入的總熱量：

已知：?jiǎn)魏?500kcal/kg玻璃液；平均拉引量600t/d。則輸入熔窯的總熱量為：

1500×600×1000=900000000kcal/d

表3 保溫參數(shù)計(jì)算Table 3 Calculation of thermal insulation parameters

(3) 節(jié)能率：

(1310307×24÷900000000)×100%=3.5%

熔窯總節(jié)能率是衡量一座窯爐能耗是否節(jié)能的重要指標(biāo)，通過模擬計(jì)算二次保溫后的節(jié)能率達(dá)到3.5%，但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于熔窯本身存在孔口輻射、保溫部位熱橋效應(yīng)等客觀因素[10]，使得節(jié)能率肯定會(huì)略有降低，實(shí)測(cè)實(shí)際節(jié)能率約為3.24%。

通過對(duì)模擬計(jì)算公式的分析，以及二次保溫后熔窯內(nèi)部溫度的測(cè)量，熔窯保溫后散熱量的降低，冷面溫度的下降，但熔窯內(nèi)部溫度變化甚微，因此窯齡并不會(huì)受到影響。

4 結(jié) 論

1.通過簡(jiǎn)化熔窯結(jié)構(gòu)材料傳熱的理想模型，并且結(jié)合熱工原理推導(dǎo)出適用于熔窯熱工環(huán)境的計(jì)算公式，最后使用VB程序，將各個(gè)影響熔窯散熱量的主要因素進(jìn)行編程計(jì)算，最后得到模擬計(jì)算結(jié)果，計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了理論計(jì)算公式的可行性。

2.通過總結(jié)熱力學(xué)平衡式得出表面溫度的理論公式，分析表面溫度與散射量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表面溫度降低60℃，理論上可降低散射量50%以上。

3.在某公司的一座熔窯上，以及對(duì)熔窯散熱量的測(cè)算，預(yù)估得節(jié)能率為3.5%；施工完成實(shí)測(cè)節(jié)能率為3.24%，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

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