玻璃熔窯煙道熱工計(jì)算

張凱 趙亮

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 秦皇島 066001）

0 引言

當(dāng)今，節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)依然是玻璃行業(yè)乃至整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的兩大課題，玻璃熔窯生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)過蓄熱室格子體的回收后，在進(jìn)入煙道時(shí)依然有較高的溫度，對于大型熔窯來說，進(jìn)入煙道內(nèi)的煙氣溫度可以達(dá)到550 ℃，甚至更高，最大限度地利用此部分煙氣的余熱正日益引起人們的重視。煙道作為此部分煙氣的流動(dòng)載體，如何更加合理的設(shè)計(jì)各煙道斷面尺寸和優(yōu)化煙道墻體的耐材，從而保證煙氣的熱工需求，成為目前的新問題。

煙道是玻璃熔窯煙氣的流動(dòng)通道，包括分支煙道和主煙道兩部分，其作為熔窯結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，對穩(wěn)定和改善玻璃熔窯的生產(chǎn)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

1 煙道斷面尺寸

1.1 煙氣流量

以1000 t/d級(jí)玻璃熔窯為例，燃料為石油焦，助燃介質(zhì)為空氣，熔化單位玻璃液的耗熱量為5650 kJ/kg，石油焦熱值36000 kJ/kg，則實(shí)際總煙氣量Q＝115796 Nm3/h［1］。

1.2 煙氣溫度

分支煙道和主煙道內(nèi)的煙氣溫度是不同的，同時(shí)也是動(dòng)態(tài)變化的，但為了方便計(jì)算，假定煙道內(nèi)的煙氣溫度是相對穩(wěn)定的，取平均溫度550 ℃。

1.3 煙氣流速

煙氣在煙道內(nèi)流動(dòng)要滿足一定的速度要求，一般取1～3 Nm/s。若流速過低，煙氣的對流換熱系數(shù)小，傳遞的熱量少，煙氣在流動(dòng)過程中溫降大，會(huì)對煙氣的余熱利用不利；若流速過高，煙氣流動(dòng)阻力會(huì)增大，增加煙囪負(fù)擔(dān)，但對于目前以大型引風(fēng)機(jī)為牽引力的機(jī)械排煙煙氣系統(tǒng)來說，這顯然不是主要矛盾。因此，為了更充分的利用煙氣余熱，煙氣流速應(yīng)盡量取上限。在本次計(jì)算中，分支煙道內(nèi)煙氣流速取2.5 Nm/s、主煙道內(nèi)煙氣流速取3 Nm/s。

1.4 煙道斷面尺寸

1000 t/d級(jí)玻璃熔窯分支煙道的數(shù)量一般為每側(cè)8～9個(gè)，由于每個(gè)小爐的風(fēng)火配比不同，導(dǎo)致每個(gè)分支煙道的煙氣量也不同，取煙氣量最大的分支煙道來計(jì)算其截面。

最大流量的分支煙道的煙氣量按9個(gè)分支煙道的平均數(shù)的1.5倍計(jì)算：

根據(jù)面積計(jì)算公式：

式中：S——煙道截面積，m2；

Q——煙氣流量，Nm3/h；

v——煙氣流速，Nm/s。

分別求得：

求得了煙道的截面積，進(jìn)一步確定煙道斷面的寬和高。目前大多數(shù)基本思路都是先人為確定煙道的寬，然后再通過面積求出煙道的高。這樣確定的煙道截面具有很大的人為性和猜測性。

煙道斷面的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 煙道截面尺寸

根據(jù)幾何公式：

同時(shí)根據(jù)“水力最優(yōu)斷面：面積一定而濕周最小的斷面”的概念，可以得到如下方程：

式中：S——煙道截面積，m2；

B——煙道內(nèi)寬，m；

H——煙道墻高，m；

h——煙道拱高，m；

c——濕周，m；

聯(lián)立式（3）、（4）、（5），得：

B分支＝ 1.5 m，H分支＝ 1.2 m，h分支＝0.3 m；

B主＝3.4 m，H主＝2.7 m，h主＝0.7 m。

1.5 煙道內(nèi)煙氣流動(dòng)阻力

煙道數(shù)據(jù)見表1。

表1 煙道數(shù)據(jù)

當(dāng)煙氣在煙道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，將受到煙道帶來的阻力。阻力分為沿程阻力和局部阻力兩種。

煙氣在煙囪內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為湍流［3］。由于煙道內(nèi)煙氣的平均溫度550 ℃遠(yuǎn)高于煙囪出口的溫度80 ℃，因此，煙道內(nèi)煙氣的流動(dòng)同樣為湍流狀態(tài)。

（1）支煙道沿程阻力：

（2）經(jīng)過支煙道矩形閘板的局部阻力：

（3）支煙道進(jìn)主煙道急轉(zhuǎn)擴(kuò)大局部阻力：

（4）主煙道集流局部阻力：

（5）主煙道沿程阻力：

（6）經(jīng)過主煙道旋轉(zhuǎn)閘板局部阻力：

式中：l1——支煙道沿程阻力系數(shù)，無量綱；

l1——支煙道長度，m；

d1——支煙道當(dāng)量直徑，m；

v1——支煙道內(nèi)煙氣流速，Nm/s；

l2——主煙道沿程阻力系數(shù)，無量綱；

l2——主煙道長度，m；

d2——主煙道當(dāng)量直徑，m；

rg0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)煙氣密度，kg/m3；

v2——主煙道內(nèi)煙氣流速，Nm/s；

tg——煙氣溫度，℃；

x1——煙氣經(jīng)過支煙道矩形閘板的局部阻力系數(shù)，無量綱；

x2——煙氣從支煙道進(jìn)入主煙道急轉(zhuǎn)擴(kuò)大的局部阻力系數(shù)，無量綱；

x3——主道內(nèi)煙氣集流的局部阻力系數(shù)，無量綱；

x4——煙氣經(jīng)過主煙道閘板的局部阻力系數(shù)，無量綱。

煙道總阻力：

hS＝h1+h2+h3+h4+h5+h6

＝4.1+12.4+12.4+26.9+10.5+445.9

≈500（Pa）

顯然，500 Pa的阻力損失相對于全壓10000 Pa的大型引風(fēng)機(jī)來說是次要的。

2 煙道保溫層計(jì)算

由于煙氣在煙道內(nèi)的平均溫度達(dá)到550 ℃，遠(yuǎn)高于20 ℃的外界環(huán)境空氣溫度，因此煙氣在煙道內(nèi)流動(dòng)過程中，必然會(huì)有溫降。為了盡可能地減少煙氣的溫降，充分利用其余熱，對煙道進(jìn)行合理的保溫是非常必要的。煙道的保溫結(jié)構(gòu)有多種組合形式，對目前常見的幾種保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳熱計(jì)算。

正常生產(chǎn)過程中的煙氣通過煙道墻體向周圍空氣的散熱，可近似看為穩(wěn)態(tài)平壁傳熱。煙道墻體綜合傳熱示意見圖2。

圖2 煙道墻體綜合傳熱示意圖

煙道墻體內(nèi)表面到外表面的導(dǎo)熱：

煙道墻外表面對周圍空氣的傳熱：

式中：

t2——煙道內(nèi)表面的溫度，℃；

t1——煙道外表面的溫度，℃；

t0——環(huán)境溫度，℃；

d——煙道墻厚，m；

l——煙道墻體導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

a1——煙道外表面與外界環(huán)境之間的對流輻射傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

外界空氣自然流動(dòng)狀態(tài)下的a1：

根據(jù)能量守恒，聯(lián)立式（6）、（7）得：

2.1 黏土磚460 mm的墻體結(jié)構(gòu)

此種結(jié)構(gòu)的煙道墻體全部由厚度d＝460 mm黏土磚組成。黏土磚的導(dǎo)熱系數(shù)：

由式（8）、（9）、（10）得：

煙道外表面溫度t1＝93 ℃

2.2 黏土磚和礦渣棉的復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)

此種結(jié)構(gòu)的煙道墻體由內(nèi)往外分別為厚度460 mm的黏土磚和50 mm的礦渣棉。

黏土磚的導(dǎo)熱系數(shù)：

礦渣棉的導(dǎo)熱系數(shù)：

式中：t2——煙道內(nèi)表面的溫度，℃；

t1——煙道外表面的溫度，℃；

t3——黏土磚與礦渣棉的界面溫度，℃。

聯(lián)立式（8）、（9）、（11）、（12）得：

煙道外表面溫度：t1＝62 ℃

2.3 黏土磚、輕質(zhì)黏土磚和礦渣棉的復(fù)合結(jié)構(gòu)

此種結(jié)構(gòu)的煙道墻體由內(nèi)往外分別為厚度230 mm的黏土磚、厚度230 mm的輕質(zhì)黏土保溫磚（密度為1000 kg/m3）和50 mm的礦渣棉。

黏土磚的導(dǎo)熱系數(shù)：

輕質(zhì)黏土保溫磚的導(dǎo)熱系數(shù)：

礦渣棉的導(dǎo)熱系數(shù)：

式中：t2——煙道內(nèi)表面的溫度，℃；

t1——煙道外表面的溫度，℃；

t4——黏土磚與保溫磚的界面溫度，℃；

t5——保溫磚與礦渣棉的界面溫度，℃。

聯(lián) 立式（8）、（9）、（13）、（14）、（15）得：

煙道外表面溫度：t1＝52 ℃

2.4 黏土磚、紅磚和礦渣棉的復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)

此種結(jié)構(gòu)的煙道墻體由內(nèi)往外分別為厚度230 mm的黏土磚、厚度240 mm的紅磚和50 mm的礦渣棉。

黏土磚的導(dǎo)熱系數(shù)：

紅磚的導(dǎo)熱系數(shù)：

礦渣棉的導(dǎo)熱系數(shù)：

式中：t2——煙道內(nèi)表面的溫度，℃；

t1——煙道外表面的溫度，℃；

t6——黏土磚與紅磚的界面溫度，℃；

t7——紅磚與礦渣棉的界面溫度，℃。

聯(lián) 立式（8）、（9）、（16）、（17）、（18）得：

煙道外表面溫度t1＝58 ℃

2.5 黏土磚、輕質(zhì)黏土保溫磚、紅磚和礦渣棉的復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)

此種結(jié)構(gòu)的煙道墻體由內(nèi)往外分別為厚度230 mm的黏土磚、厚度115 mm的輕質(zhì)黏土保溫磚（密度為1000 kg/m3）、厚度115 mm的紅磚和50 mm的礦渣棉。

黏土磚的導(dǎo)熱系數(shù)：

輕質(zhì)黏土保溫磚的導(dǎo)熱系數(shù)：

紅磚的導(dǎo)熱系數(shù)：

礦渣棉的導(dǎo)熱系數(shù)：

式中：t2——煙道內(nèi)表面的溫度，℃；

t1——煙道外表面的溫度，℃；

t8——黏土磚與保溫磚的界面溫度，℃；

t9——保溫磚與紅磚的界面溫度，℃；

t10——紅磚與礦渣棉的界面溫度，℃。

聯(lián)立式（8）、（9）、（19）、（20）、（21）、（22）得：

煙道外表面溫度t1＝51 ℃

2.6 各結(jié)構(gòu)保溫效果和經(jīng)濟(jì)性比較

不同結(jié)構(gòu)的保溫層參數(shù)見表2。

表2 不同結(jié)構(gòu)的保溫層參數(shù)

根據(jù)表2，保溫效果最差的是第1種結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)榻M成此結(jié)構(gòu)的材料單一，僅有導(dǎo)熱系數(shù)相對較高的黏土磚組成，外側(cè)無保溫材料；保溫效果最好的是第5種結(jié)構(gòu)，這是由于相比其它保溫結(jié)構(gòu)形式，組成此種結(jié)構(gòu)的材料種類最多，由4層不同材料組成，且外側(cè)的輕質(zhì)黏土磚、紅磚及礦渣棉都具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)。

同時(shí)，由表2可知，造價(jià)最高的是第2種結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)橄啾绕渌牧?，黏土磚的單價(jià)最高；造價(jià)最低的是第4種結(jié)構(gòu)，這是由于本結(jié)構(gòu)在墻壁外側(cè)大量使用了價(jià)格最低的紅磚；盡管第5種結(jié)構(gòu)的造價(jià)不是最低的，但是，相比第1、2、3種結(jié)構(gòu)，還是有優(yōu)勢的。

綜上所述，第5種結(jié)構(gòu)的綜合效果最好，因?yàn)榇朔N保溫效果最好，且造價(jià)相對較低。

3 結(jié)論

（1）煙道內(nèi)煙氣流速的取值應(yīng)以減少溫降、有利于煙氣余熱利用為原則，盡量取上限，由此帶來的煙道阻力增加相對于引風(fēng)機(jī)來說是微不足道的。

（2）煙道截面寬、高等尺寸的確定應(yīng)以"水力最優(yōu)斷面"的概念原理進(jìn)行計(jì)算，人為確定具有很大的猜測性。

（3）采用從內(nèi)到外依次為厚度230 mm黏土磚、115 mm輕質(zhì)黏土保溫磚（密度為1000 kg/m3）、115 mm紅磚和50 mm礦渣棉的煙道砌體結(jié)構(gòu)的綜合效果最好。