玻纤熔窑熔制能量综合管理

玻纤熔窑熔制能量综合管理

0尽快实现高效低生产成本的生产线针对电子、军事和民用行业的高强度和高刚性纤维增强材料，面临着来自纤维材料和其他材料的强大挑战。提高玻璃纤维的性能和降低生产成本是当前玻璃纤维工业的重大课题。近年来中国玻纤工业若干高效先进生产线是国际上玻璃纤维制造技术的重大发展。本文主要阐述熔制高质量无碱、低硼玻璃纤维先进熔窑技术的基本原理和主要生产技术的发展——大型E-玻璃纤维熔窑熔制能量综合管理。1e-玻纤熔窑E-玻璃是无碱玻璃,熔点高,相对黏度大,熔制E-玻璃所需要能量远高于其他玻璃。目前运行中的E-玻纤熔窑,火焰窑、中小功率火—电混合加热窑和大功率电—火混合加热窑处于并存状态。多数E-玻纤细纱熔窑仍采用火焰窑,火焰加热窑多数采用全氧燃烧,少部分仍采用空气助燃。从熔制技术和采用设备来看,全国几十台玻纤熔窑可谓高低参差、现代-古老混杂运行,以至于产量、质量、可应用程度相差甚巨。1.1热辐射和热传导火焰窑分为空气助燃和全氧燃烧两种主要方式。目前国内大多数玻璃火焰窑为空气助燃。随着燃料价格上涨和节能减排要求,已经有很多熔窑采用全氧燃烧方式。采用全氧燃烧后,熔窑热利用率从空气助燃的30%左右上升到50%左右,无论从节能减排和降低建炉费用、易于控制、提高玻璃成品率来讲都大有好处。但也面临氧气供应问题。一座氧气产量1400m3/h的氧厂投资在人民币4000万元到8000万元之间。空气助燃是在玻璃上方用天然气或重油燃烧,利用热辐射和热传导方式加热玻璃。熔窑的尺寸、小炉和喷枪的布置(包括马蹄焰的长度)、玻璃液成分和深度以及流量一经确定,在熔窑内就会产生一个固定的玻璃液流动模式,热点的位置也从此确定。通常火焰窑玻璃液的流动缓慢,热效率低下。空气助燃中非燃烧气体带走大部分燃烧热量,由于热利用率低,熔窑熔化率低,因此熔窑面积大,液面深度浅,建窑成本相应较高。采用全氧燃烧后,取消了小炉,由于采用较高碹顶,较多使用铬砖,成本有所提高,但排放减少80%以上对环境保护大为有利。对于某些玻璃来讲,料道、成型前和分配区的保温所用的燃料十分接近主熔窑的消耗,因此在这个区域采用全氧燃烧将有重大意义。目前在玻璃纤维工业中,已经广泛采用全氧燃烧料道,国内也已有若干项目采用全氧料道,目前国外采用全氧氧枪替代空气助燃系统,据说可以节约40%的燃料。较先进的设计是采用全氧顶吹加热技术,一个好处是不再采用整个料道高密度加热,仅局部加热,这样在改进保温结构后,效果十分好;第二个好处是采用顶吹氧枪,可精确控制火焰长度,这样不仅节约了燃料,玻璃拉丝前的温度控制很精确,采用全氧顶吹局部加热系统节约燃料70%。全氧顶吹不同于通常的全氧横向燃烧,本质上的差别是横向燃烧仍依赖于热辐射为主的能量交换,而全氧顶吹基于直接加热原理,效率要高很多。全氧顶吹技术的难题是不可以过量地用顶吹火焰过烧玻璃液表面。因此精确控制供气是成败的关键。1.2设备落后,导致熔窑尺寸增中小型火-电混合加热窑是指电功率在玻璃熔化总能量中仅为10%～30%的火焰窑。这些熔窑中输入电能的设备通常称为电助熔系统,已经广泛应用于规模大小不同的玻璃熔窑。输入电功率占熔化能量10%左右的电助熔系统无法判断其效果,也许对提高玻璃质量有点好处。国内若干平板玻璃公司(包括台资企业)在过去的5年中采用约占熔化能量10%的电助熔系统,几年实践下来,部分已经停用,主要原因是效果不明显,次要原因是采用设备过于简陋,事故不断。采用电助熔系统希望可以提高产量和质量,降低建窑成本,但是当电助熔功率小于玻璃熔化能量的15%时,熔窑尺寸没有减小,加上电助熔设备费用,建窑成本反而提高。运行中效果不明显,运行成本上升,造成产品价格上升。1.3熔窑横向布置无论是空气助燃窑或全氧燃烧窑都属于间接加热窑,熔窑中的玻璃液流动性很小,流速缓慢,无论对产量和气体排出都是十分不利的。尤其对于大型平板玻璃熔窑,为了保证玻璃质量,采用大面积熔化池附加澄清池,浅液面设计,占地面积大,建窑成本高、能耗高,产量、质量相对较差。火焰窑加电助熔系统,目的是在原有流动模式的基础上增强熔化效率。但低功率的局部加热造成总体上破坏固有流动模式而带来负作用。例如,对于E-玻纤熔窑和平板玻璃熔窑而言,长宽比达到1∶3的情况下仅在热点加10%左右的功率,推动玻璃液流动的总体效果差,而在热点处造成局部高温是不合适的,实践中也已证实这一点。通常电助熔功率小于1500kW而熔窑面积较大时,仅能在热点加电功率,部分熔窑在熔化区增加一个电助熔区,见图5。当熔化面积达到100m2,E-玻璃产量达到120～150t/d时,电功率应相应达到3000kW左右。为了提高电助熔效率,对熔窑玻璃熔化功率可以进行分布剪裁。当E-玻璃窑产量为8～12万t/a(200～300t/d),电功率达到4000～6500kW时,占到总熔化功率的60%以上。对全熔窑的熔化能的分布剪裁就成为可能。这时改造熔窑固有的自然流动模式也成为可能。两种大功率电功率布局见图6和图7。当电功率达到或超过熔化玻璃总能量50%时称为电主熔,火焰为辅系统。目前在国内已经有3个E-玻璃生产线电功率超过总能量60%的熔窑在运行中。所谓熔化功率剪裁是指用电功率结合火焰熔化能来形成良好的功率分配,进行温度分布的立体调节,以取得良好的玻璃熔化质量和产品高成品率。由于有了容易控制的电功率布局,则可以沿熔窑的纵向和垂直方向来控制玻璃液的温度分布。玻璃熔化需要的必要充分条件是:(1)充分的熔化功率密度,产生足够高的温度区;(2)在高温区内吸收足够的能量,保证足够的滞留时间。从图6和图7可以看到,E-玻璃大功率电助熔系统具有沿熔窑纵向可独立控制的可多达13个以上的加热区,每个加热区的电功率都是独立不相互连接的供电,调节范围都是可以从零载-满载变动。图6左图中①、②区的功率调节,用于控制左右两侧由于加料量变化造成温度分布的差别。沿纵向功率分配可以改变熔窑基本流动方式,并从总体和局部加强玻璃流动,从而提高热效率和玻璃气泡的溢出。应当指出,这种加热方式在传统的热点位置后仍有少量加热,以加速微气泡的溢出。整个熔窑保持在相当高的高能量输入状态没有必要,这样不仅浪费能源,而且会造成局部过热,因为对熔窑温度分布要求并不仅仅是为熔化这一单纯目的而确定。例如熔化玻璃的高能量密度区温度高达1650℃甚至可以更高。但是炉底温度一般不会高于1450℃,否则带来主通道的冷却问题。不论及玻璃液横向流动形成的能量交换,在熔窑横截面上,能量垂直方向的传递是极其重要的。上部火焰对玻璃液主要为辐射加热,因此熔窑上部的温度高达1600℃,炉顶温度高达1550～1600℃。这样对炉顶的压力非常大,一般的耐火材料,无论采用AZS或铬砖,1650～1670℃已经十分临近使用极限,因此采用大量增加燃气来提高产量的方式是十分危险的。液面温度保持在1550℃左右相当重要。E-玻璃较充分的熔制温度应当在1600～1650℃为宜,仅仅依靠火焰来熔制合格E-玻璃效率一定不会很高,空气助燃的热利用率仅为30%,全氧燃烧的热利用率一般可达50%以上,但还存在诸多制约。这就是为什么火焰窑的单位面积熔化率低的重要原因。在熔窑中采用电加热方法已经有较长历史,随着熔化技术和设备的改进,电加热由单一形式走向合理化,出现了高效率的熔窑。当电功率达到足够可以控制熔窑内玻璃的主流动模式以形成良好的熔化状态时,在垂直方向的能量分布管控就显得异常重要。目前比较合理的垂直方向的温度分布是:当采用空气助燃料道或整个料道全氧燃烧时,炉顶温度为1600～1550℃,液面温度为1500～1550℃,主熔区温度为1650℃,炉顶温度为1400～1350℃。当料道采用局部全氧顶吹时,要求炉底温度略高,约为1400～1450℃。整个熔窑的温度分布和功率分布是匹配的。图10为E-玻纤熔窑炉底温度沿纵向分布和电功率沿纵向分布。此熔窑的热效率为(转换成电功率计)1.15kW·h/kg(合格低硼E-玻璃)。目前在国际和国内都是最好的。垂直方向电功率分配主要采用钼电极插入深度来控制,采用空气助燃时,要求较低炉底温度,当液面深度在1200～1250mm时,钼电极插入达950～1050mm。在上部玻璃液形成1650℃的高温层,这是玻璃充分化学反应重要熔制区,同时上部高温玻璃液减少了对空间火焰强度的要求,减少燃料消耗。由于上部高温玻璃液远离炉底,因此炉底温度可以下降到需要的温度1400℃左右,这样熔窑若干年来工作一直正常。当需要较高炉底温度(1400～1450℃)时,电极插入深度约850mm。当炉底温度为1450℃左右时,熔窑能耗只有1.15kW·h/kg。一台全氧燃烧加电加热系统E-玻纤熔窑,成品率达95%～97%,已稳定工作接近2年时间。由于炉底温度低,液面温度低,炉顶温度低,可以肯定熔窑寿命会大大提高。熔窑的能耗主要是由三大部分组成:熔化玻璃的能量、熔窑结构的散热和排出废气的能量。图12表示采用全氧燃烧加电熔系统的一台年产量6万t的E-玻璃熔窑在采用不同电熔功率下的能耗变化。可见当电熔解能量达到全部耗能60%～65%,仍能够精确控制熔窑各部位玻璃温度情况下,熔窑熔化玻璃的耗能只有1.1kW·h/kg左右。足见这条生产线的优越。根据我们的实践经验,当电助熔功率达到全部熔化功率40%时,电功率已经可以对熔窑玻璃流动进行温度剪裁,以达到优化熔化的目的。我们已经达到了电功率占全部熔化能的65%的熔窑设计,实际运行良好,效益优良。由于大规模采用电加热,缓解了燃料供应的压力和减少50%以上的废气排放。2采用大e-玻璃电、火混合加热炉的电极结构、系统控制和配置方式2.1长丝电熔系统平衡布置目前E-玻璃纤维工业中采用的高压电极分布有两种主要方式:(1)三相平衡布局。目前8万t/a熔窑电极布局推荐按图6方式,电加热方式一般安装功率在5000kW左右,电熔系统运行功率在3600kW。这种布局是三相平衡接线,配以法国B-B公司造三相供电变压器,每相之间几乎没有相互电磁干扰,运行稳定。(2)二相布局。目前若干6万t/a和4万t/aE-玻璃熔窑电极布置采用图7方式,每区4支电极。约有8～10区的设计,接线较特殊。安装功率在3000kW,运行功率为2000～2200kW,电熔生产玻璃产量约90t/d。有一台熔窑已经运行18个月,生产平稳,低耗能达到世界领先水平。2.2scr自动+2.2变压器多区电加热熔窑温控剪裁技术的关键是对各区电功率的调控。除了采用先进控制技术外,关键是采用了两种高科技设备:(1)法国B-B公司生产的加载状态自动全程可调变压器。这种变压器可以按二相供电,斯科特供电等方式提供,非标准件按要求的技术指标设计、制造。(2)SCR系统。是由德国AEG公司提供零部件,由英国FIVES-STEIN,PENELECTROTECHNOLOGY提供功率控制。无论是采用6支电极、4支电极或2支电极为一个加热区,以上两种方式供电都可以按合适方式接线,达到每个加热区独立功率控制。图13所示三种接线单元都是已经实际使用方式,与传统方式是不相同的。2.3玻璃成品率和空氧助燃电熔窑国内现有两台典型的E-玻璃熔窑的运行实例:(1)全氧燃烧电熔窑。E-玻纤熔窑6万t/a,电安装功率3000kW,玻璃成品率95%～97%,实际熔化合格玻璃耗能相当于1.17kW·h/kg。(2)空氧助燃电熔窑。E-玻纤窑8万t/a,电安装功率4700kW,玻璃成品率为95%,熔化玻璃耗能相当于1.2kW·h/kg。3自动控制方案设计一个成功的熔窑电熔化系统是由三部分组成:(1)熔窑和电加热系统设计,包括分区、电极布局、电极尺寸、炉底耐火材料设计和电缆布局等。(2)相应配套设备,例如控制柜、变压器、电极、电极冷却水套、附件和零备件。(3)自动控制软件。上述内容已经阐述了设计和自动控制基本原理。实践证明,相应配套设备是系统成功运行的重要保证。3.1采用b-b变压器B-B变压器是专门为玻璃工业设计的。该变压器为油浸冷却变压器。变压器油有两种冷却方式,较常用的是水冷却法,带有水冷却交换器;也提供风冷方式,带有冷却风扇用来冷却变压器油。由图14可知,这种变压器上部为变压部分,下部为调压部分,从调压原理可知,变压效率高达95%,电流为正弦波(见图15)。B-B变压器为全窑闭变压器,外壳为钢筒结构,一个装机功率为1500kW的变压器重约7t,有脚轮可以推动到位,安装尺寸大约为2.5m×1.5m×1.5m。两台变压器间距为1.5～2m,供货时已经调试完毕,可直接接电源使用。B-B变压器造价昂贵,但B-B变压器是一种高效节能设备,优点是直接接受电网三相高压输入(在变压器高压前需要有安全要求高压开关柜),一般10～6kV为常用。按电熔系统要求,一般输到钼电极电压在400V左右。通常1台1500～2000kW变压器可带动1～2个加热区工作,而且每区独立调节。例如有10个加热区的电助熔系统可以只用5台变压器。3.2市场上主要的电流密度国内已经有近千支由该公司提供的钼电极在运行,大多数都在E-玻璃生产线上,6年来无一断裂例子。当一支电极上平均功率达到80～100kW时,应采用Ф76.2mm钼电极,实践证明,无论从电极表面温度、寿命和保养来讲都十分成功,此时钼电极表面平均电流密度一般不大于0.3A/cm2。使用较细电极也有先例,但其表面电流密度甚至接近于1.0A/cm2,大约一年消耗钼电极(奥地利进口电极)500mm,电极断裂比例大约为每2年断20%左右。这种情况显然是不能接受的,不仅影响生产,增加维修费用,而且由于钼和钼金属盐的颗粒进入玻璃,造成玻璃纤维强度、刚性模量下降的严重问题和较低的成品率,这一点对于细纱来讲尤其重要,因为电子级电路板不允许玻纤表面有导电粒子。E-玻纤熔窑用钼电极一般都长达2m以上,加上外接0.5m,通常达到2.5m,重达114～118kg/支,由于较长,并和水套配合要求,希望采用表面车削或磨削的钼电极,直度较好,推进方便。3.3水套的运行问题钼电极冷却水套仅占电熔系统费用很小一部分,但是几乎所有玻纤生产者都深刻理解冷却水套对电助熔系统是否能正常运行、维护方便和生产效率起着十分重要的作用。英国PENELECTRO公司的电极水套是用312耐热钢锻坯整体机械加工的水套,在热区没有焊接缝,为整体结构水套,使用寿命保证期为8年。国内已有近千支水套在运行中,最长的运行时间已有7年,至今尚未发现有漏水现象。由于312耐热钢允许工作温度在1000～1100℃,因此短期停水不会有大问题,但在重新进水前要保持较慢速度,以免过快的冷却造成周围耐火材料损坏。冷却水套的直径和水流量决定水套在运行中带走热量的多少。较大直径的水套散失在耐火材料和其他结构上的热量较多,因此能量损失较大。PENELECTRO公司用于E-玻璃生产线上的冷却水套,一般电极直径为Ф76.2mm,数量40～50支情况下,大约带走5%～7%的热量。如表1和表2所示。整体水套直径小,冷却效果好,能耗小。由于E-玻璃熔窑钼电极直径粗,重量大,为了易于操作,水套带有推进式支架,并且不带电,用于E-玻璃熔窑十分成功。3.4完善熔窑控制系统熔窑和电加热控制系统是熔窑工程公司的核心技术。由于控制技术的发展,大大减少了由于各种原因导致的系统关闭、运行震荡和电磁干扰造成的损失