日产8吨的高硅硼玻璃的全电熔窑炉设计.doc

日产8吨的高硅硼玻璃的 全电熔窑炉设计1.前言所谓全电容窑炉，通常是指配合料熔成导电介质后，玻璃液体本身成为电阻组件，实现玻璃的连续融化。但配合料（含有部分熟料）未熔成导电介质之前，即在烤窑阶段，仍需要气体或液体来加热。玻璃电熔技术是目前国际上最先进的熔制工艺，是玻璃生产企业提高产品质量，降低能耗，从根本上消除环境污染的十分有效的途径。对于15t/d以下的小型玻璃熔窑来说，在电力充足和电价适中的地区，用电熔工艺生产各种玻璃制品的综合经济效益是很理想的；在电价高的地区，对于生产彩色玻璃、乳浊玻璃、硅酸盐玻璃、铅玻璃、高挥发组分玻璃或特种玻璃也是很合算的。电熔窑炉产生的废气量少，防止空气污染；能降低挥发性配合料组分的挥发；降低因结石造成的产品损失；而且玻璃成分均匀，在整个窑炉期间可始终保持满负荷的出料量。另外它的建设投资少，占地面积小。玻璃质量好，效率高，但成本低。玻璃电熔窑炉也有耐火寿命短的缺陷，而且窑炉的用电成本和初期安装成本高。玻璃电熔窑炉工作原理：玻璃在低温下几乎是绝缘的，但在高温下熔融的玻璃是一种良导体。玻璃电熔窑炉就是将电流引入玻璃液中，玻璃液直接通电加热，通电后两极间的玻璃液在交流电的作用下产生焦耳热，从而达到熔化和调温的目的。玻璃液之所以具有导电性，主要是因为电荷通过离子发生迁移。导电性的难易是以电阻率（cm）或其倒数（cm）-1）来表示，值越小，则电导本领越强。玻璃在室温下为绝缘体，它的电导率约为10-1310-15（cm）-1。如果提高温度，玻璃的电导率会急剧增加，在熔融状态可达到0.11（cm）-1。电熔化能用来融化几乎所有品种的玻璃以及某些呈现高阻值的硅酸盐材料。各种玻璃的电导率随其成分不同可有很大差别，对同一种玻璃，电导率则是温度的函数。在网状结构中，含有其他改良剂离子时，能降低Na+离子的迁移和玻璃的电导率。例如，加入Ca2+，Ba2+，Pb2+离子会大大增加玻璃的电导率。玻璃的电阻率强烈依赖于温度，这是因为网状结构空穴中的改良离子，在电场和电场方向影响下移动，从一个空穴流向另一个空穴，离子需要能量，该能量随温度升高而降低，因此，温度升高玻璃液电阻率减小，电导率增加。目前国外在中小型玻璃电熔窑炉的机理、技术、工艺等方面已经日趋成熟，有许多可以借鉴的理论和经验。就中小型玻璃玻璃电熔窑炉的设计而言，不仅需要遵循玻璃电熔窑炉的常规设计原则，而且还要进一步深入探索和实践，在实际工作中应着重注意开发设计中存在的几个问题：（1）选择适当的单位熔化率 为保证设备的生产效率和使用寿命，应按炉型、生产纲领等因素在0.81.6t/m3之间选取。（2）炉型的选择 应按熔料量的大小、电极对称布置等要求确定。（3）电极布置 根据熔料量、炉型结构及供电方式，熔化池电极可采用水平插入和垂直插入。流液洞、上升道和工作池也要布置辅助电极。（4）流洞的设计 应考虑玻璃不产生回流、保持稳定流速和不能过冷三个问题。（5）钼电极保护 在钼电极上加上循环水套冷却电极。2.设计任务及原始资料2.1玻璃配方成分SiO2Al2O3CaONa2OB2O3%80.52.10.34.512.6 2.2原始化学成分（%）原料SiO2Al2O3CaONa2OB2O3砂岩98.40.760.21硼砂16.4536.21无水硼酸100化工Al(OH)365.38方解石56.00设配合料水分5，配合料中熟料（碎玻璃）占20；玻璃液电阻率11（cm)；电极材料为50钼棒，每支电极水冷套吸收的热损功率为2kw,窑型可取单室，供电方式可单相、两相或三相，电极布置可水平、垂直。2.3参数1.熔窑生产能力：G = 8 t / d； 2.熔化率：K = 1.5 t/(m2d)； 3.k系数：k = 0.3； 4.玻璃熔化温度：t =1650 ； 5.玻璃液密度：= 2.4 t/m3； 6.窑炉长宽比：L/B = 1 1.5；3.电熔窑的结构设计3.1熔化池的尺寸在确定电熔窑主要尺寸之前，首先要知道所熔制的玻璃成分和窑的日熔化量，电熔窑的熔化率取决于玻璃的种类、电熔窑的大小。玻璃电熔窑的热量是通过所熔化的玻璃的整个体积引入的，应以每天、每立米的体积熔化量来确定电熔窑的结构。由于配合料的熔化过程仍在窑池表面进行。因此，熔窑的融化池面积让可以用下式计算： F熔 =G / K 式中：G 熔窑的生产能力，kg / d; K 熔化率，kg / (m2 d)。取K = 1.5 则：F熔 = 8 / 1.5 = 5.33（m2）。 为了提高熔窑的热效率，熔窑的散热比表面积应比较小，熔化池的长度L和宽度B之比，应符合L / B= 1 1.5。 取L/B=1 则： L = 2.31 m, B = 2.31m3.2熔化池的深度（2） 熔化池玻璃液深度与对角线比大致取1:1，或玻璃液深度略大于对角线的长度。我们取电熔窑的玻璃液深度为H=3.3m，配合料的深度为200mm。4.成分及配料计算根据玻璃的配方计算其配合料的配方：设玻璃熔化温度1650，配合料水分5。按玻璃的配方计算其配合料的组成，设计原料均为干燥状态，计算时不考虑水分问题。（按每100kg用量计算）(1)砂岩的用量：80.5 98.4100=81.809（kg）(2)硼砂的计算：由于硼砂中含B2O3和Na2O，而Na2O含量较少，所以根据Na2O计算硼砂的含量，并且除开砂岩中含少量Na2O，硼砂的量为： （4.5100-0.2181.809） 16.45=26.311 （kg）(3)无水硼酸的计算：考虑到硼的挥发5-10取8的挥发量，及除开硼砂所含B2O3，所以应加入无水硼酸为： 12.6 （1-8）-26.3110.3621=4.169 (kg)(4)引入Al2O3加入化工Al(OH)3的量的计算：由于砂岩中含有Al2O3量为： 81.8090.76 100=0.622 （kg)所以引入Al(OH)3为（2.1-0.622） 65.38100=2.261 (kg)(5)引入CaCO3的计算：0.3 56.00100=0.536（kg）生产100 kg玻璃时原料的用量如下：砂岩81.809 kg硼砂26.311 kg无水硼酸4.169 kg化工Al(OH)32.261 kg方解石0.536 kg合计115.086 kg气体率为： （115.086-100）115.086=13.11玻璃产率为：1-13.11=86.89配料百分比如下：砂岩硼砂无水硼酸 化工Al(OH)3CaCO3合计71.08422.8623.6231.9650.4661005.热工计算100kg湿粉（含水量5%）料中形成氧化物的量：原料形成玻璃液的氧化物量的计算氧化物的量(kg)SiO2Al2O3B2O3CaONa2O砂岩71.0840.950.984=66.45066.45071.0840.950.0076=0.5130.51371.0840.950.0021=0.1420.142硼砂22.8620.950.3621=7.8647.86422.8620.950.1645=3.5733.573无水硼酸3.6231.00=3.6233.623Al(OH)31.9560.950.6583=1.2151.215CaCO30.4660.950.56=0.2480.248100kg湿粉料逸出气体的组成：原料名称逸出气体量计算逸出气体量（kg)CO2H2O合计硼砂22.8620.950.4734=10.28210.28210.282Al(OH)31.9650.950.3462=0.6460.6460.646CaCO30.4660.950.44=0.1950.1950.195湿粉料1000.05=5.05.05.0质量（kg)0.19515.92816.123配合料用量计算：配合料中生料（粉料）占80，熟料（碎玻璃）占20，熟料 生料=20 80=0.25，即1kg生料中加熟料0.25kg，可得到： 1-1 10016.123+0.25=1.09 （kg玻璃液）因此熔化成1kg玻璃液需要生料量G生和熟料量G熟分别为： G生=1 1.09 =0.917 (kg) G熟=0.251.09=0.229 (kg)熔化成1kg玻璃液需要配合料量： G生+G熟=0.917+0.229=1.146 (kg)在熔化1kg玻璃液中，由熟料形成的G熟占0.229kg玻璃液，由生料形成的G生占(1-0.229)=0.771kg玻璃液。生料熔化耗热量的计算：（1）生成1kg玻璃液时生料熔化热量q1 熔化硅酸盐玻璃耗热GiHi以形成100kg玻璃液计算：CaO CaOSiO2 0.31456.908=437.072(kcal）Al2O3Al2O3SiO2 2.1724.58=1521.618(kcal）Na2ONa2O3SiO2 4.52662.0976=10179.439(kcal） GiHi=12138.129(kcal）加热剩余SiO2耗热（GsHs)(以形成100kg玻璃液计算）：引入SiO2数为：80.6560=1.344（kmol)生成硅酸盐用去SiO2数：引入CaO:0.156=0.001786（kmol)引入Na2O:34.5 62=0.21774（kmol)引入Al2O3:2.1 102=0.02059（kmol)剩余SiO2数为：1.344-0.001786-0.21774-0.02059=1.104（kmol) GsHs=1.10460507.068=33588.18(kcal)生成1kg玻璃液时生料熔化热量q1： q1=G生（GiHi+GsHs）1 100=352.55(kcalkg）（2）熟料加热熔融耗热量q2的计算： a=0.01Giai C平=0.01GiCi系数ai与Ci的值：氧化物aiCiSiO20.0004680.1657Al2O30.0004530.1765CaO0.0004100.1709B2O30.0005980.1935Na2O0.0008290.2229a=0.01(80.50.000468+2.10.000453+0.30.000410+4.50.000829+ 12.60.000598) =0.0005001C平=0.01(80.50.1657+2.10.1765+0.30.1709+12.60.1935+4.50.2229) =0.1720C真=(0.00050011650+0.1720)(0.001461650+1) =0.2925kcal （kg）q2=G熟C真（t熔化-t入） =0.2290.2925 （1650-30）=108.51（kcal kg）（3）配合料水分蒸发耗热量q3的计算：q3=595G生G水=5950.7710.05=22.937（kcal kg）所以形成1kg玻璃液需耗热量q玻计算考虑到结晶水排除，多晶转变，盐类分解生成复盐等耗热量，将q1加大3： q玻=1.03q1+q2+q3=1.03352.55+108.51+22.937=494.57（kcalkg）Q熔=Gq玻=81000494.57 =3956560（kcalh） =39565604.1863600(kw) =4600.6(kw)6.耐火材料选择与界面温度合理选用全电熔窑各部位耐火材料，以满足熔制工艺上的要求，直接关系到电熔窑的产量、玻璃的质量、电熔窑的寿命、投资的成本。全电熔窑对耐火材料的要求：（1）对玻璃无污染或污染程度很小。（2）在正常使用温度下，必须具有很高的化学稳定性，能抗玻璃液和配合料的侵蚀，相邻耐火材料之间无接触反应。（3）必须具有很高的高温机械强度。（4）必须具有很高的耐火度。（5）必须具有很高的抗热冲击性能。（6）在正常使用温度下，体积的固定性要好，重烧收缩率和膨胀率应尽可能小。（7）在正常使用温度下，必须具有很高的电阻率。（8）尺寸要精准。此外，选择耐火材料时要全盘考虑，不要由于局部薄弱环节而对整座电熔窑的寿命造成不良影响。一般来讲，熔制硼硅酸盐玻璃和乳浊液时，用纯锆英石质耐火材料衬砌窑底、流液洞、工作池等部位。6.1耐火砖选用（1）可用耐火砖砖的种类耐火度规格（长宽高）/mm硅砖16701750500150100粘土砖158060011330023011330普通砖24012050电熔AZS砖1730600113300电熔AZS-33砖173023011432（2）耐火砖的用量区域层次砖种类砖的块数/块窑墙4*2.31*3.2=29.568m2内层硅 砖29568*106/(500*150)395中间层粘土砖(600*113*300)437外层普通砖1027窑底2.312=5.3361m2内层电熔AZS砖79中间层粘土砖(600*113*300)79外层普通砖186窑顶5.3361m2内层电熔AZS-33砖204中间层粘土砖(230*113*30)206外层普通砖1866.2界面温度检验（1）窑墙热损失最接近池墙的熔融温度预计为1650，即t1=1650,为了能确定合适的导热系数，估计t2=1430,t3=1350,t4=1180,t5=120,则（查硅酸盐手册根据温度系数确定导热系数）(t1 + t2) 2= 1540 1 = 2.286W/(m)(t2 + t3) 2= 1390 2= 4.672W/(m)(t3 + t4) 2= 1265 3= 1.806W/(m)(t4 + t5) 2= 650 4 = 0.196W/(m)则tw,2=t5=120,周围空气温度t2=30窑墙外表面对空气的传热系数2（kCal/m2h): =13.632千卡/(m2h） =13.6210004.186/3600(W/m2) =15.851(W/m2)通过窑墙散失的热量：=1782.36(W/m2)通过q1检验各层耐火材料界面温度：T1= 1650T2= t1-q11/1=1650-17820.3/2.286=1416T3= t2-q12/2=1416-17820.05/4.672=1397T4= t3-q13/3=1397-17820.23/1.806=1170T5= t4-q14/4=1170-17820.113/0.196=143界面温度与假设的温度基本吻合，故假设成立，无须再进行假设计算，且界面温度均低于材料的最高使用温度，设计合理，予以采纳。（2）窑底热损失通过窑墙散失的热量，参考公式：由于池底耐火材料与池壁相同，所以q2=q1=1782.36(W/m2)配合料由此投入，该处温度较低，还是假定与窑墙同样的温度1650，利用耐火材料为AZS-33，还假定每平的损失系数与侧墙相同。（3）窑炉上部结构热损失由于熔融玻璃表面在熔化过程中被配合料覆盖，碹顶应该是冷的，但一定要考虑到当表面上某一点被熔化后，碹顶被加热，但当熔化中断后，液面暴露出来，因而碹顶被加热，在计算热损失时没有必要将此计算在内，我们只假设有一部分暴露的表露的表面，只有一部分碹顶被加热，当正常操作过程，配合料以上和碹顶之间的温度不会超过700。上部结构的胸墙熔化池液面以上的侧墙，其耐火材料的组成与碹顶相同，因此其窑墙内表面温度假设也相同，故每平方的散热损失也相同。（4）冷却水带走的热量冷却水进口的温度为42，出口温度为56，流量为210-6m3/min,一个电极套吸收的热量为2kw,共有8个电极套。由以上计算可得热量的损失为： P=P损1+P损2=1782238+17828+28=115.792(kw)由于未计算冷顶损失和水冷损失以及辐射损失，所以对计算结果进行修正： P损=kP，由于考虑到计算误差很大，所以取k=1.8，即P损=1.8115.792=208.43(kw)输入功率P总=P玻+P损=115.02+208.43=323.45(kw)由于以上计算难免有一些误差或遗漏的地方，故对功率进一步扩大，所以P实=1.2P总=388.13(kw)7.电极选择及插入方式金属电极中以钼电极最为普遍，除含铅玻璃外，是对多种玻璃熔制都适用的材料。钼的熔点高，约为2620，导电性好，机械强度大，热膨胀系数底，加工容易，不污染玻璃液，是比较理想的电极材料。本设计是日产10吨的小型电熔窑，且内部是长方形，适合用单相电源，就小型单相电熔窑而言，板状电极实际上是最适合的，它们把长度增至最大并有效地利用了钼电极，从而产生均匀而又低的电流密度。所以本窑炉采用一对板状钼电极，用适当的方法使钼棒与板状电极相连，使电极与窑壁平行放置。7.1电极尺寸选择(1)根据玻璃工业热工设备，板状钼电极一般厚度为220mm之间，最大面积为1m2,因此，本窑炉中的钼电极可取厚度10mm，电极与窑池壁间距50mm。取电极的高度为h2，即0.525m，长度选1m，则钼电极面积为0.525m2。(2) 玻璃液电阻率与温度有关lg=a-bt10-3a=3.8306+0.003761*0.8+0.0326*0.12+0.08514*0.003+0.1776*0.0513.8468;b=1.7738+6.254*0.00001*0.8+0.0087*0.12+0.058*0.003-0.0539*0.051 1.772318.92cm(3)板状电极间玻璃液电阻玻璃导电的有效面积A=0.525m2，则电极间玻璃液电阻R=K1K2b/AK1考虑窑池形状影响因素，K1=h2/H+0.145(H/b)0.5；K2考虑电极至池底的影响因素，K2=1-0.0455(H/h2)(h3/H)0.325式中：b电极间的几何距离，cmK10.393 K20.8827 R0.31(4)电熔窑总功率PP=Gq0=(10000/24)2.51041.67kw式中：q0为单位耗电量（度/kg玻璃液）。(5)电熔窑电压 U和电熔窑电流I电熔窑通常采用隔离变压器供电。一次电压采用可控硅恒温、恒压(或恒流)控制仪控制，变压器二次则通过电极向熔体供电。计算出的电压和电流，既能供操作时参考，又能用来复核事先选定电极大小和布置位置是否合适。U= 568.26V I= 1833.09A(6)电极电流密度jj=I/A=1833.09/(0.525*1000