热流量计在玻璃熔窑中的应用 如何正确选择或使

玻璃熔窑池壁是与原料和玻璃液直接接触的部位, 使用温度一般为1 300~1 600℃。熔窑池壁与玻璃液的接触部位受到火焰的烧损、配合料熔化的冲刷以及玻璃液面波动等多方面影响, 因此玻璃熔窑池壁侵蚀较快 (特别是在液面线附近) 。熔窑池壁的使用寿命己经成为直接制约玻璃熔窑窑龄的主要因素之一, 然而玻璃生产不可能停机检查池壁的烧损情况。目前国内大部分玻璃生产厂家都是凭借经验或者从池壁外观观察是否需要维修, 从而进行加大池壁冷却风量、外贴耐火砖或外加冷却水包等措施。这样的处理不利于玻璃熔窑安全可靠运行、不利于生产出优质的浮法玻璃、更不能满足玻璃行业节能环保的要求。

为了延长玻璃熔窑的使用寿命、更为了节能减排, 本文提出引进热流量计对熔窑池壁进行监测, 通过延长池壁砖的寿命和节能减排两方面探讨引进热流量计的可行性, 并主要介绍热流量计在浮法玻璃熔窑中的应用前景。

傅里叶定律是法国科学家傅里叶在1822年提出的热力学定律。该定律指在导热的过程中, 单位时间内通过已知截面的导热量, 与垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积成正比例关系, 而热量传递的方向则与温度升高的方向恰好相反。

傅里叶定律用热流密度q表示时形式如下:q=-l (dt/dx) ·A或q=A·l· (t w1-t w2) /d式中:q—热流密度:单位面积传导的热量, W/m 2;

dt/dx—温度梯度, ℃/m;

A—传热面积, m2;

l—材料的导热系数, W/ (m·℃) 。

热流密度q是与传输方向垂直的单位面积上, 在x方向上的传热速率。它与该方向上的温度梯度dt/dx成正比。比例常数l称为导热系数 (也称为热导率) 具有输运特性, q是在x方向上的热流密度, 它垂直于被测温表面。

热流密度是一个向量, 也可以将热流密度向量分解为几个分量。

式中:t—温度, ℃;

x、y、z—在导热面上的坐标, m。

上式中负号表示传热方向与温度梯度方向相反。

在玻璃熔窑中存在传导、对流和辐射三种方式的传热, 具体以哪一种或几种传热方式为主计算, 与很多因素有关, 应具体分析。

传导传热分为稳定传导传热和不稳定传导传热两种基本情况, 本文主要用稳定传导来计算, 即流入与流出的热流量相等。稳态传导每小时通过单层平壁的热量计算公式:

式中:Q—稳态传导每小时通过单层平壁的热量, W;

λ—导热系数, W/ (m·℃) ;

F—平壁的面积, m 2;

tw1、tw2—平壁内、外表面的温度, ℃;

δ—壁厚, m。

凡由流体运动而引起的热量转移, 都称为对流传热。目前以牛顿冷却定律作为对流传热的计算基础, 即:

Q=1.163·a k (t f-t w) ·F

式中:∂k—对流传热系数, W/ (m 2·℃) ;

tf—液体的温度, ℃;

tw—与液体接触的固体的壁面温度, ℃;

F—与液体接触的热交换面积, m 2。

玻璃熔窑处在高温环境下运行, 辐射传热起到很重要的作用。辐射热以电磁波的形式进行热量的传递。这些辐射热的电磁波被物体吸收后重新转变为热能, 因而又称为辐射能 (或热射线) 。物体的辐射能力可用斯蒂芬波尔茨曼定律计算:

E=1.163·e·C 0· (T/100) 4

式中:E—物体的辐射能力, W/m 2;

C0—体的辐射系数, 为4.96 W/ (m2·℃40) ;

—物体的黑度;

T—物体表面的温度, ℃。

玻璃熔窑的使用寿命取决于熔窑池壁、大碹、蓄热室等主要部位的侵蚀和烧损, 而熔窑池壁侵蚀程度又是影响熔窑寿命***关键的因素。池壁砖在高温下受到配合料挥发物、玻璃液、燃料燃烧产物、火焰、料堆、气流的冲刷和侵蚀, 使其壁厚逐渐减薄。从玻璃熔窑的生产实践经验来看, 玻璃液面线处及以下300 mm, 由于玻璃液流速快, 特别是气、液、固三相交界的化料区小炉池壁液面线处冲刷侵蚀更为严重, 因此熔窑池壁的液面线处是熔窑池壁侵蚀的***严重部位之一。合理使用维护池壁液面线处的耐火砖是延长熔窑池壁寿命的关键, 对提高玻璃产品质量和延长玻璃窑炉寿命具有重要意义。

为了延长熔窑池壁的使用寿命, 常采用对液面线处池壁砖进行强制吹冷却风的方法。吹冷却风的方法虽然简单、易调节, 但在外界温度变化和一个窑龄周期内, 如何合理的调节冷却风的风量、如何调整风口方向等问题很难合理确定。目前大多生产线的做法是凭经验把风量开的尽可能大来维持使用, 这样是在增加了电耗和增加了窑炉能耗的基础上延长了池壁砖的寿命, 不利于保温和节能减排。浮法玻璃熔窑的能耗占玻璃生产总能耗的90%以上, 降低玻璃生产过程中的能源消耗, 实质上就是降低玻璃熔窑的燃料消耗。在国外玻璃生产厂家已将熔窑的节能保温技术和合理利用燃料作为玻璃熔窑节能的重要组成部分。目前国内外都有大量论著涉及到燃烧控制、窑体保温、生产操作与管理等方面。只有从这几方面综合考虑采取措施, 才能***终达到节能的目的。

总之, 延长熔窑窑龄和节能环保降耗两方面是玻璃企业的发展趋势, 也是今后我国浮法玻璃熔窑的发展方向。需指出的是, 本文提出了引进热流量计监测熔窑池壁的热流密度值, 进而可以计算出熔窑的池壁厚度和熔窑池壁的保温状况以及燃料的使用情况, 以期达到“优质、高产、低耗”的目的。

热流量计是测量热流密度的仪表, 根据热流量计的原理、结构和用途有着不同的分类。按照不同的分类依据, 热流量计分类见表1。

表1 热流量计分类

热流量计也可称为热流密度计, 用于测量热流密度***可靠的测量仪器。热流量计由热流传感器和显示仪表组成, 热流量计的关键组成部件是热流传感器。当有热流通过热流量计时, 在传感器的热阻层上形成了温度梯度, 根据傅里叶定律就可以换算出通过传感器的热流密度。其具体操作是将热流传感器紧贴在被测物体的表面, 直接测出被测表面散失的热流密度。这种方法能够直接获得较准确的热流密度值。热流密度是单位面积上物体传热多少的物理量, 凡是有温度差的地方, 就会有传热现象的存在。热流密度是衡量设备保温性能好坏的重要数值。

热流量计的工作原理:通过热流量计的热流密度与热电势成正比例的关系, 在对热流量计系数进行标定后, 便可以用温度热流自动测试仪来检测热流量计的输出热电势, 从而测得热流密度值。热流量计测量法是利用温差和热流之间的相对应关系对被测对象进行测试, 用热流量计和热电偶检测被测对象的热流密度和内、外表面温度, 然后计算出被测对象的传热系数。热流量计工作原理框图见图1。

图1 热流量计工作原理框图

随着科学技术的不断发展, 热流密度测量技术也得到了提高。热流密度的测量在玻璃熔窑池壁的现场监测中具有重要作用。通过测量热流密度以检测熔窑池壁的热损失、热物性参数以及供热过程中输送热流的大小, 从而分析玻璃熔窑运行的能耗状况, 为调节燃料供给量提供条件。

根据玻璃生产的要求以及玻璃熔窑池壁的特殊运行工况, 选用了热阻式、热电堆型、高温水冷的贴附式热流量传感器, 可以瞬态测量熔窑池壁的传导和辐射两种热流量值。表2简要介绍所选传感器类别的功能和用途。

表2 传感器的功能和用途

针对以上所选热流传感器的类别本系统使用的热流量计由美国某公司的记录仪和法国某公司的高温热流传感器组成。热流量计的主要技术参数见表3。

表3 热流量计的技术参数

由此, 热流量计可以准确测量出玻璃熔窑池壁相关部位的热流密度值, 为***终计算池壁相关部位的厚度和保温节能状况提供可靠的数据。

玻璃熔窑池壁由池壁耐火层和保温层 (多层) 组成 (见图2) , 其传热过程主要有: (1) 窑内火焰、气体、玻璃液与熔窑池壁内表面的辐射和对流; (2) 熔窑池壁耐火层和保温层内部的热传导; (3) 熔窑池壁外表面与大气环境的对流和辐射3个过程。经分析表明, 对连续稳定运行的玻璃熔窑, 可以把熔窑向外的散热看作为一维稳定传热, 这样根据傅里叶 (Fourier) 导热微分方程式和能量守恒原理, 其数学模型应为:

式中:q—热流密度, W/m 2;

tw1—表示内表面的温度, ℃;

tw2—表示外表面的温度, ℃;

di—表示各层材料厚度, m

λi—表示各层材料导热系数, W/ (m·℃) ;

α—窑墙外表面对空气的传热系数, W/ (m 2·℃) 。

图2 熔窑池壁耐火层和保温层

根据傅里叶导热微分的数学模型和熔窑各部位所用的不同材质, 以一次实测采集所记录的数据为例:熔窑内池壁液面线处的温度为1 490℃, 池壁外侧相应液面线处位置的温度t 2为150℃, 用热流量计测得热流密度q为29.5 W/m2, 取耐火砖的导热系数l取5.2 W/ (m·℃) , 此时空气的温度t k为40℃, 熔窑外表面的空气对流系数a为:

式中:Nuf—怒谢尔特准数;

—空气导热系数, 取0.027 W/ (m·℃) ;

d—吹风管的当量直径, 取0.05 m。

由傅里叶导热微分方程式推出耐火砖厚度D的计算公式为:

可以准确地计算出熔窑池壁液面线处的厚度为19.5 cm, 这样能够直观地反应出池壁的侵蚀情况。此原理主要从熔窑池壁热流密度值来考虑, 在池壁热流密度的监测过程中只要合理控制池壁冷却风, 就可以达到延长池壁寿命的目的。具体实施为:利用红外仪检测出玻璃熔窑池壁的外表面温度 (特别是液面线处) , 找出外表面温度高的异常点, 用热流量计测量出池壁液面线处异常点的热流密度值, 代入傅里叶导热微分方程算出池壁的厚度, 然后就可以对池壁侵蚀严重的部位进行相应处理, 还可以根据池壁外表面温度和热流密度值判断熔窑池壁内部的温度分布是否一致, 这样就能够控制熔窑的各小炉燃料使用量、监控玻璃液的温度和稳定泡界线, 从而达到提高浮法玻璃熔化工艺和节能减排的目的。

热流量计存在很多类别, 本文主要介绍了热阻式和辐射式热流量计, 要根据不同使用环境正确选用相匹配的热流量计。对于热流量计的推广应用, 需要了解掌握各种热流传感器的原理、特点及使用环境, 为此, 有必要逐步完善热流密度测量技术, 让热流量计在玻璃熔窑的应用中发挥更大的作用。

以上是热流量计在我公司某条浮法玻璃生产线上的初步应用体会, 根据热流量计在钢铁行业的应用效果和在熔窑池壁的初步实验结果, 说明热流量计在玻璃行业有着广泛的应用前景, 希望广大同仁能够共同学习、开发和扩展热流量计在玻璃行业的应用范围。