玻璃窑炉设计技术之单元窑的结构设计

       用来制造E玻璃和生产玻璃纤维的窑炉，通常采用一种称为单元窑的窑型。它是一种窑池狭长，用横穿炉膛的火焰燃烧和使用金属换热器预热助燃空气的窑炉。通过设在两侧胸墙的多对燃烧器，使燃烧火焰与玻璃生产流正交，而燃烧产物改变方向后与玻璃流逆向运动。因此在单元窑内的玻璃熔化、澄清行程长，比其它窑型在窑内停留时间长，适合熔制难熔和质量要求高的玻璃。单元窑采用复合式燃烧器，该燃烧器将雾化燃料与预热空气同时从燃烧器喷出，经烧嘴砖进入窑炉内燃烧。雾化燃料处在燃烧器中心，助燃空气从四周包围雾化燃料，能达到较好的混合。所以与采用蓄热室小炉的窑型相比，燃料在燃烧过程中更容易获得助燃空气。当空气过剩系数为1.05时能完全燃烧，通过调节燃料与助燃空气接触位置即可方便地控制火焰长度。由于使用多对燃烧器，分别调节各自的助燃风和燃料量，则可以使全窑内纵向温度分布和炉内气氛满足玻璃熔化与澄清的要求，这也是马蹄焰窑所无法达到的。单元窑运行中没有换火操作，窑内温度、气氛及窑压的分布始终能保持稳定，这对熔制高质量玻璃有利。现代单元窑都配置有池底鼓泡，窑温、窑压、液面及燃烧气氛实行自动控制等系统，保证了难熔的E玻璃在较高熔化率下能获取用于直接拉制玻璃纤维的优质玻璃液。所以迄今在国际上单元窑始终是E玻璃池窑拉丝的首选窑型。
    单元窑与其它窑型相比的不足之处是能耗相对较高。这是因为单元窑的长宽比较大，窑炉外围散热面积也大，散热损失相对较高。采用金属换热器预热助燃空气的优点是不用换火，缺点是空气预热温度，受金属材料抗氧化、抗高温蠕变性能的制约，一般设计金属换热器的出口空气温度为650—850。大多数单元窑热效率在15%以内，但如能对换热器后的废气余热再予利用，其热效率还可进一步提高。
    配合料在单元窑的一端投入，投料口设在侧墙的一边或两边，也有设在端墙上的。熔化好的玻璃从另一端穿过沉式流液洞流至称为通路的拉丝作业部。
 
第一节 单元窑的结构设计
  
一、   单元窑熔化面积的确定
 
    单元窑熔化面积可用公式
                    F= G/g 
表示。式中 F———熔化面积，M²；
           g———熔化率，（t/M²·d）。
     熔化率反映单元窑的设计和生产管理水平，包括原料成分、水分、质量的控制和窑炉运行的控制水平等，同时还与纤维直径有关。一般拉制纺织纱的单元窑，g取 0.8—1.0 t/M²·d，拉制粗直径纱时可取略大一些1.5 t/M²·d。早期的技术资料表明当年的单元窑平均日产玻璃的熔化面积，可见现在已有较大进步。

二、熔池长、宽、深的确定

   （1）池长L和池宽B是根据熔化面积和熔池长宽比（L/B）来决定的。即：
                   F
B=————平方
                  L/B
L/B越大，投入窑炉的玻璃原料从熔化到完成澄清，其间的玻璃“行程”越长，也越有利于熔化和澄清。早期设计的单元窑熔他是很长的，日产量在8—50t/d，（L/B）5-4。随着单元窑配合料微粉化及熔制工艺和鼓泡技术的发展与成熟，以及窑体耐火材料的质量提高和采用保温技术等措施，使熔池长宽比在3左右，也同样可以获得满意的玻璃质量。现在设计取（L/B）值时，只有在考虑为下届窑炉有较大扩产需要时才选取（L/B）大一些，一般情况下取（L/B）为 3-4。
   （2）他深h主要取决于玻璃的透热性及池底耐火材料能承受的温度。早期池底铺面砖选用致密结砖时，池底温度一般控制在1350℃以内，而池底温度又直接影响玻璃熔化质量和窑炉熔化率。现在的F 玻璃单元窑，由于池底部位采取保温和鼓泡技术措施，在提高熔化率的同时，使热点附近的池底玻璃温度也提高到1440-1470℃，因此池底 2/3以上高温区域的铺面层砖改用耐温和耐侵蚀性能更好的致密铬砖。有时也可通过适当加高池深来达到降低池底温度。一般而言，E玻璃单元窑单产在以下30t/ d，池深选600-700mm，随着单产的增大，目前的最高池深可达900mm左右。

三、池底鼓泡位置的确定

     单元窑池底设置鼓泡装置，按其作用大致有以下几种方式。
   （1）将鼓泡器布置在配合料生料堆聚集层最厚的部位有助于打散生料堆。但由于投料口和投料机的改进，目前已没有必要使用这种方法了。
   （2）将鼓泡器排布在生料堆消失的位置，该部位的玻璃液温度已经比较高了，因此通过鼓泡可强制较高温度的玻璃液向生料区推移，底部的玻璃液也可翻到面上吸收窑炉火焰空间更多热量，起到助熔作用，通过物理和数学模拟也都能证明这一点。要注意的是不能让生料层覆盖在鼓泡区域的玻璃液面上，否则将无法起助熔作用。
   （3）将鼓泡器布置在窑池玻璃液最高温度区，一般约为池长2/3 处，鼓泡作用可使更多的含气泡玻璃翻至玻璃液面排泡，起到促进澄清和均化的效果。
      E玻璃单元窑的池底鼓泡位置通常按以下两种原则确定：一是在池长1/3处布置一排鼓泡器起助熔作用，在池长2/3—4/5处布置另一排鼓泡器，起促进澄清和均化作用。这种布置也是轻工窑炉鼓泡常用的方式；二是第一排鼓泡布置在池长 1m附近，第二排紧随其后，二排间相距约E或更近。这种布置是近年来E玻璃单元窑常用的方式，理由是当采用细而干的微粉原料熔制 * 玻璃时，熔化不再是难题，但由于玻璃液中存在大量的气泡，因此良好的澄清和均化是确保玻璃液质量和提高熔化率的主要因素，采用两排鼓泡集中布置可起到类似窑坎阻挡生料流的作用和加强玻璃液均化的作用。

四、窑池结构设计

  （1）E玻璃单元窑的池壁结构有多种排列方式，适合小型池窑，池壁内侧没有横缝，池壁使用期一般不超过5年，在窑炉运行后期部分池壁要进行喷水冷却保窑。该结构对部分低温区可用致密锆砖替代昂贵的致密铬砖，节约部分投资。适用于较低温的池壁，这种结构一般不用喷水冷却保窑，而用外层加贴新砖来延长窑炉运行期。结构的池壁采用致密铬砖横向排列，因为致密铬砖不同于致密锆和AES, 砖，其横缝与竖缝的侵蚀速度差别不大。
  （2）池底结构。A.适合于池底温度长期不高于1350℃，短期不高于1370℃的窑池。B.采取鼓泡孔二侧的致密铬砖高出池底面，而鼓泡头又高于两侧铬砖的方式，这样可在鼓泡头位置以下形成液滞流区，减少由于玻璃液冲刷对池底造成的侵蚀。C.采取鼓泡砖高出池底面而鼓泡头又高出鼓泡砖50mm左右的方式，同样也可使池底耐火材料少受玻璃液的冲刷侵蚀。
  （3）流液洞结构。当熔化池中已熔化、澄清好的玻璃液流经流液洞时，被强制降温并流入作业部的主通路。因此流液洞的作用既是熔池和通路间的连通道，也是熔化部和作业部的分隔区。E玻璃单元窑除了采用通常结构流液洞外，也常采用一种带有挡砖的流液洞结构。挡砖一般用优质错砖或铬砖做成，厚度为100—150mm，包覆合金皮，浸入玻璃液部分的铂合金皮厚1mm，露在玻璃液上面的铂合金皮厚0.5mm。包铂合金皮的挡砖应伸进两边侧墙各150mm，以致当侧墙砖被侵蚀时，挡砖依然完整。为安全起见，在制订窑炉砌筑计划时，要使得包铂挡砖能在砌窑收尾阶段插进去。挡砖以下的流液洞尺寸一般是洞高为洞宽的1/2—4/5，这种洞口形式更有利于从熔化池获取熔制质量好的玻璃进入主通路。此外玻璃液进入流液洞的流速不宜过快，以4_—12m/h范围为宜，同时流速比较高的玻璃对底砖的侵蚀也较大，因此在流液洞处底砖要用铬砖面衬。
      铂铑合金包皮长期在高温玻璃液中浸泡，晶体会长大、变脆，在玻璃液的冲刷下便容易损坏。为延长挡砖使用时间，可考虑在挡砖侧面开两个直径 25mm的孔，通入水管冷却或吹风冷却，这适合于日产量比较大的单元窑和玻璃液在洞内流速较快的情况。
   
五、火焰空间结构设计

       火焰空间指大碹以下、玻璃液面以上的空间，它的周边包括胸墙、前墙和后墙。
       窑池长、宽确定之后，影响火焰空间大小的就是胸墙高度。对火焰空间容积的确定，主要考虑燃料的燃烧和发热状况。玻璃窑炉内燃料的燃烧属于扩散式燃烧。除了高温环境及充足的助燃空气条件外，燃烧速度还取决于氧气的扩散和不断与燃料混合燃烧的过程，氧气扩散速度将直接影响燃烧的速度，同时必须提供足够的扩散空间和时间，使燃料达到完全燃烧。送入窑炉空间的燃料的化学能及燃料与空气的物理能之和与空间容积之比，称为容积发热强度。根据窑炉运行经验及充分考虑到窑炉耐火材料所允许的承受强度，一般取容积发热强度为120—240KW/m³，通过该数值可以计算或核算胸墙高度。一般轻工窑炉的胸墙较高，约为1m-2m，而单元窑熔化率低，胸墙高度为0.8—1.0m。
       一般胸墙重量都是独立支撑在立柱上，池壁与胸墙间用挂钩砖分隔，挂钩砖砌筑时应与池壁留有鼓胀间隙，烤窑结束后再用锆泥把余留的缝隙密封。
      在胸墙部位沿窑长方向分设多对烧嘴。支撑烧嘴的烧嘴砖，插入两侧胸墙，彼此相对放置。烧嘴间距为600—1000mm，采用气体燃料或低粘度燃料油，烧嘴间距一般取600mm左右，采用高粘度重油时，烧嘴喷油孔过小容易堵塞，这时可适当放大油孔，烧嘴间距也相应放大。在投料口区第一对烧嘴与后池墙之间的距离对生料熔化和排烟温度都有影响，距离越小该区温度高，化料快，但排烟温度高，会降低热效率，甚至使金属换热器过热。距离太大不利化料，影响熔化率。一般距离为1.2—1.6mm。前池壁与最末一对烧嘴间距，一般为0.3—0.5mm。为了监视窑内熔化状况和便于对燃烧嘴观察和调节，应在胸墙上设置一定数量可开闭的观察孔。

六、烟道

       从熔窑通到换热器的烟气，先经水平烟道，再过垂直烟道进入换热器。水平烟道的截面尺寸，通常按1—2m/s的烟气流速来选取，高度宜大于宽度。垂直烟道截面又略大于水平烟道截面。烟道耐火材料的侵蚀通常是很严重的。这不仅由于排出气体的速度快，而且还由于烟气中夹带有配合料粉尘。所以在水平烟道入口处底面，使用质量好的致密铬砖，稍后部位才用致密锆砖，再往后的底面、侧墙、磁砖则使用标准铬砖或电熔AZS砖。垂直烟道与换热器接口砖采用铬刚玉砖。
   
七、通路结构设计

      通路的作用是接受从熔窑流液洞或挡砖下通道流过来的玻璃，逐渐降温、恒温，并使之达到合适的成型温度。尽管通路和熔窑两者实际是相连的，但通路的操作和控制完全与熔窑分开。并在多段通路的情况下，每段也都要单独控制，以保证满足拉丝所必须的成型温度。通常习惯称与熔窑相连接的通路部分为主通路；装有拉丝漏板的通路称为成型通路或作业通路，而从通路到各段作业通路间的连接通道称为过渡通路。
      为了有助于玻璃液的均化和温度调制，不少专业人士认为主通路宜长，如5—8m，甚至更长些。而过渡通路的长度以方便拉丝作业为原则，一般取4.5—5.5m。
      通路深度：主通路液深自流液洞后分几个台阶逐渐减低，最后一个台阶的液深为 100—160mm，常在该台阶前再设置一块铂铑合金包皮的挡砖，挡砖浸入玻璃50—80mm（也有在挡砖前设玻璃液溢流装置，可放掉上层B₂O₃挥发量较大的那层玻璃液）。过渡通路液深在100—160mm间。成型通路的液深与拉丝作业区玻璃的温度有关，目前常设计为100—110mm。
      通路宽度：在通路液深确定后，通路的内部宽度取决于流过它的玻璃量。如果不考虑玻璃和耐火材料之间流动阻力的差别，一般E玻璃选取1.0—2.0Kg/h.cm³的玻璃流量来计算宽度。成型通路的宽度还要充分考虑漏板配置的需要，如果漏板台数较多，也有在同一条成型通路上采用前后段两种不同宽度的结构。