玻璃熔窯池壁是與原料和玻璃液直接接觸的部位, 使用溫度一般為1 300~1 600℃。熔窯池壁與玻璃液的接觸部位受到火焰的燒損、配合料熔化的沖刷以及玻璃液面波動等多方面影響, 因此玻璃熔窯池壁侵蝕較快 (特別是在液面線附近) 。熔窯池壁的使用壽命己經(jīng)成為直接制約玻璃熔窯窯齡的主要因素之一, 然而玻璃生產(chǎn)不可能停機檢查池壁的燒損情況。目前國內(nèi)大部分玻璃生產(chǎn)廠家都是憑借經(jīng)驗或者從池壁外觀觀察是否需要維修, 從而進行加大池壁冷卻風(fēng)量、外貼耐火磚或外加冷卻水包等措施。這樣的處理不利于玻璃熔窯安全可靠運行、不利于生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的浮法玻璃、更不能滿足玻璃行業(yè)節(jié)能環(huán)保的要求。

為了延長玻璃熔窯的使用壽命、更為了節(jié)能減排, 本文提出引進熱流量計對熔窯池壁進行監(jiān)測, 通過延長池壁磚的壽命和節(jié)能減排兩方面探討引進熱流量計的可行性, 并主要介紹熱流量計在浮法玻璃熔窯中的應(yīng)用前景。

傅里葉定律是法國科學(xué)家傅里葉在1822年提出的熱力學(xué)定律。該定律指在導(dǎo)熱的過程中, 單位時間內(nèi)通過已知截面的導(dǎo)熱量, 與垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積成正比例關(guān)系, 而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向恰好相反。

傅里葉定律用熱流密度q表示時形式如下:q=-l (dt/dx) ·A或q=A·l· (t w1-t w2) /d式中:q—熱流密度:單位面積傳導(dǎo)的熱量, W/m 2;

dt/dx—溫度梯度, ℃/m;

A—傳熱面積, m2;

l—材料的導(dǎo)熱系數(shù), W/ (m·℃) 。

熱流密度q是與傳輸方向垂直的單位面積上, 在x方向上的傳熱速率。它與該方向上的溫度梯度dt/dx成正比。比例常數(shù)l稱為導(dǎo)熱系數(shù) (也稱為熱導(dǎo)率) 具有輸運特性, q是在x方向上的熱流密度, 它垂直于被測溫表面。

熱流密度是一個向量, 也可以將熱流密度向量分解為幾個分量。

式中:t—溫度, ℃;

x、y、z—在導(dǎo)熱面上的坐標(biāo), m。

上式中負(fù)號表示傳熱方向與溫度梯度方向相反。

在玻璃熔窯中存在傳導(dǎo)、對流和輻射三種方式的傳熱, 具體以哪一種或幾種傳熱方式為主計算, 與很多因素有關(guān), 應(yīng)具體分析。

傳導(dǎo)傳熱分為穩(wěn)定傳導(dǎo)傳熱和不穩(wěn)定傳導(dǎo)傳熱兩種基本情況, 本文主要用穩(wěn)定傳導(dǎo)來計算, 即流入與流出的熱流量相等。穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)每小時通過單層平壁的熱量計算公式:

式中:Q—穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)每小時通過單層平壁的熱量, W;

λ—導(dǎo)熱系數(shù), W/ (m·℃) ;

F—平壁的面積, m 2;

tw1、tw2—平壁內(nèi)、外表面的溫度, ℃;

δ—壁厚, m。

凡由流體運動而引起的熱量轉(zhuǎn)移, 都稱為對流傳熱。目前以牛頓冷卻定律作為對流傳熱的計算基礎(chǔ), 即:

Q=1.163·a k (t f-t w) ·F

式中:∂k—對流傳熱系數(shù), W/ (m 2·℃) ;

tf—液體的溫度, ℃;

tw—與液體接觸的固體的壁面溫度, ℃;

F—與液體接觸的熱交換面積, m 2。

玻璃熔窯處在高溫環(huán)境下運行, 輻射傳熱起到很重要的作用。輻射熱以電磁波的形式進行熱量的傳遞。這些輻射熱的電磁波被物體吸收后重新轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮? 因而又稱為輻射能 (或熱射線) 。物體的輻射能力可用斯蒂芬波爾茨曼定律計算:

E=1.163·e·C 0· (T/100) 4

式中:E—物體的輻射能力, W/m 2;

C0—體的輻射系數(shù), 為4.96 W/ (m2·℃40) ;

—物體的黑度;

T—物體表面的溫度, ℃。

玻璃熔窯的使用壽命取決于熔窯池壁、大碹、蓄熱室等主要部位的侵蝕和燒損, 而熔窯池壁侵蝕程度又是影響熔窯壽命***關(guān)鍵的因素。池壁磚在高溫下受到配合料揮發(fā)物、玻璃液、燃料燃燒產(chǎn)物、火焰、料堆、氣流的沖刷和侵蝕, 使其壁厚逐漸減薄。從玻璃熔窯的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗來看, 玻璃液面線處及以下300 mm, 由于玻璃液流速快, 特別是氣、液、固三相交界的化料區(qū)小爐池壁液面線處沖刷侵蝕更為嚴(yán)重, 因此熔窯池壁的液面線處是熔窯池壁侵蝕的***嚴(yán)重部位之一。合理使用維護池壁液面線處的耐火磚是延長熔窯池壁壽命的關(guān)鍵, 對提高玻璃產(chǎn)品質(zhì)量和延長玻璃窯爐壽命具有重要意義。

為了延長熔窯池壁的使用壽命, 常采用對液面線處池壁磚進行強制吹冷卻風(fēng)的方法。吹冷卻風(fēng)的方法雖然簡單、易調(diào)節(jié), 但在外界溫度變化和一個窯齡周期內(nèi), 如何合理的調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)的風(fēng)量、如何調(diào)整風(fēng)口方向等問題很難合理確定。目前大多生產(chǎn)線的做法是憑經(jīng)驗把風(fēng)量開的盡可能大來維持使用, 這樣是在增加了電耗和增加了窯爐能耗的基礎(chǔ)上延長了池壁磚的壽命, 不利于保溫和節(jié)能減排。浮法玻璃熔窯的能耗占玻璃生產(chǎn)總能耗的90%以上, 降低玻璃生產(chǎn)過程中的能源消耗, 實質(zhì)上就是降低玻璃熔窯的燃料消耗。在國外玻璃生產(chǎn)廠家已將熔窯的節(jié)能保溫技術(shù)和合理利用燃料作為玻璃熔窯節(jié)能的重要組成部分。目前國內(nèi)外都有大量論著涉及到燃燒控制、窯體保溫、生產(chǎn)操作與管理等方面。只有從這幾方面綜合考慮采取措施, 才能***終達到節(jié)能的目的。

總之, 延長熔窯窯齡和節(jié)能環(huán)保降耗兩方面是玻璃企業(yè)的發(fā)展趨勢, 也是今后我國浮法玻璃熔窯的發(fā)展方向。需指出的是, 本文提出了引進熱流量計監(jiān)測熔窯池壁的熱流密度值, 進而可以計算出熔窯的池壁厚度和熔窯池壁的保溫狀況以及燃料的使用情況, 以期達到“優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗”的目的。

熱流量計是測量熱流密度的儀表, 根據(jù)熱流量計的原理、結(jié)構(gòu)和用途有著不同的分類。按照不同的分類依據(jù), 熱流量計分類見表1。

熱流量計也可稱為熱流密度計, 用于測量熱流密度***可靠的測量儀器。熱流量計由熱流傳感器和顯示儀表組成, 熱流量計的關(guān)鍵組成部件是熱流傳感器。當(dāng)有熱流通過熱流量計時, 在傳感器的熱阻層上形成了溫度梯度, 根據(jù)傅里葉定律就可以換算出通過傳感器的熱流密度。其具體操作是將熱流傳感器緊貼在被測物體的表面, 直接測出被測表面散失的熱流密度。這種方法能夠直接獲得較準(zhǔn)確的熱流密度值。熱流密度是單位面積上物體傳熱多少的物理量, 凡是有溫度差的地方, 就會有傳熱現(xiàn)象的存在。熱流密度是衡量設(shè)備保溫性能好壞的重要數(shù)值。

熱流量計的工作原理:通過熱流量計的熱流密度與熱電勢成正比例的關(guān)系, 在對熱流量計系數(shù)進行標(biāo)定后, 便可以用溫度熱流自動測試儀來檢測熱流量計的輸出熱電勢, 從而測得熱流密度值。熱流量計測量法是利用溫差和熱流之間的相對應(yīng)關(guān)系對被測對象進行測試, 用熱流量計和熱電偶檢測被測對象的熱流密度和內(nèi)、外表面溫度, 然后計算出被測對象的傳熱系數(shù)。熱流量計工作原理框圖見圖1。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展, 熱流密度測量技術(shù)也得到了提高。熱流密度的測量在玻璃熔窯池壁的現(xiàn)場監(jiān)測中具有重要作用。通過測量熱流密度以檢測熔窯池壁的熱損失、熱物性參數(shù)以及供熱過程中輸送熱流的大小, 從而分析玻璃熔窯運行的能耗狀況, 為調(diào)節(jié)燃料供給量提供條件。

根據(jù)玻璃生產(chǎn)的要求以及玻璃熔窯池壁的特殊運行工況, 選用了熱阻式、熱電堆型、高溫水冷的貼附式熱流量傳感器, 可以瞬態(tài)測量熔窯池壁的傳導(dǎo)和輻射兩種熱流量值。表2簡要介紹所選傳感器類別的功能和用途。

針對以上所選熱流傳感器的類別本系統(tǒng)使用的熱流量計由美國某公司的記錄儀和法國某公司的高溫?zé)崃鱾鞲衅鹘M成。熱流量計的主要技術(shù)參數(shù)見表3。

由此, 熱流量計可以準(zhǔn)確測量出玻璃熔窯池壁相關(guān)部位的熱流密度值, 為***終計算池壁相關(guān)部位的厚度和保溫節(jié)能狀況提供可靠的數(shù)據(jù)。

玻璃熔窯池壁由池壁耐火層和保溫層 (多層) 組成 (見圖2) , 其傳熱過程主要有: (1) 窯內(nèi)火焰、氣體、玻璃液與熔窯池壁內(nèi)表面的輻射和對流; (2) 熔窯池壁耐火層和保溫層內(nèi)部的熱傳導(dǎo); (3) 熔窯池壁外表面與大氣環(huán)境的對流和輻射3個過程。經(jīng)分析表明, 對連續(xù)穩(wěn)定運行的玻璃熔窯, 可以把熔窯向外的散熱看作為一維穩(wěn)定傳熱, 這樣根據(jù)傅里葉 (Fourier) 導(dǎo)熱微分方程式和能量守恒原理, 其數(shù)學(xué)模型應(yīng)為:

式中:q—熱流密度, W/m 2;

tw1—表示內(nèi)表面的溫度, ℃;

tw2—表示外表面的溫度, ℃;

di—表示各層材料厚度, m

λi—表示各層材料導(dǎo)熱系數(shù), W/ (m·℃) ;

α—窯墻外表面對空氣的傳熱系數(shù), W/ (m 2·℃) 。

根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱微分的數(shù)學(xué)模型和熔窯各部位所用的不同材質(zhì), 以一次實測采集所記錄的數(shù)據(jù)為例:熔窯內(nèi)池壁液面線處的溫度為1 490℃, 池壁外側(cè)相應(yīng)液面線處位置的溫度t 2為150℃, 用熱流量計測得熱流密度q為29.5 W/m2, 取耐火磚的導(dǎo)熱系數(shù)l取5.2 W/ (m·℃) , 此時空氣的溫度t k為40℃, 熔窯外表面的空氣對流系數(shù)a為:

式中:Nuf—怒謝爾特準(zhǔn)數(shù);

—空氣導(dǎo)熱系數(shù), 取0.027 W/ (m·℃) ;

d—吹風(fēng)管的當(dāng)量直徑, 取0.05 m。

由傅里葉導(dǎo)熱微分方程式推出耐火磚厚度D的計算公式為:

可以準(zhǔn)確地計算出熔窯池壁液面線處的厚度為19.5 cm, 這樣能夠直觀地反應(yīng)出池壁的侵蝕情況。此原理主要從熔窯池壁熱流密度值來考慮, 在池壁熱流密度的監(jiān)測過程中只要合理控制池壁冷卻風(fēng), 就可以達到延長池壁壽命的目的。具體實施為:利用紅外儀檢測出玻璃熔窯池壁的外表面溫度 (特別是液面線處) , 找出外表面溫度高的異常點, 用熱流量計測量出池壁液面線處異常點的熱流密度值, 代入傅里葉導(dǎo)熱微分方程算出池壁的厚度, 然后就可以對池壁侵蝕嚴(yán)重的部位進行相應(yīng)處理, 還可以根據(jù)池壁外表面溫度和熱流密度值判斷熔窯池壁內(nèi)部的溫度分布是否一致, 這樣就能夠控制熔窯的各小爐燃料使用量、監(jiān)控玻璃液的溫度和穩(wěn)定泡界線, 從而達到提高浮法玻璃熔化工藝和節(jié)能減排的目的。

熱流量計存在很多類別, 本文主要介紹了熱阻式和輻射式熱流量計, 要根據(jù)不同使用環(huán)境正確選用相匹配的熱流量計。對于熱流量計的推廣應(yīng)用, 需要了解掌握各種熱流傳感器的原理、特點及使用環(huán)境, 為此, 有必要逐步完善熱流密度測量技術(shù), 讓熱流量計在玻璃熔窯的應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。

以上是熱流量計在我公司某條浮法玻璃生產(chǎn)線上的初步應(yīng)用體會, 根據(jù)熱流量計在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用效果和在熔窯池壁的初步實驗結(jié)果, 說明熱流量計在玻璃行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景, 希望廣大同仁能夠共同學(xué)習(xí)、開發(fā)和擴展熱流量計在玻璃行業(yè)的應(yīng)用范圍。