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(dòng)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(jī)檢查池壁的燒損情況。目前國(guó)內(nèi)大部分玻璃生產(chǎn)廠家都是憑借經(jīng)驗(yàn)或者從池壁外觀觀察是否需要維修, 從而進(jìn)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(yùn)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(zhǎng)玻璃熔窯的使用壽命、更為了節(jié)能減排, 本文提出引進(jìn)熱流量計(jì)對(duì)熔窯池壁進(jìn)行監(jiān)測(cè), 通過延長(zhǎng)池壁磚的壽命和節(jié)能減排兩方面探討引進(jìn)熱流量計(jì)的可行性, 并主要介紹熱流量計(jì)在浮法玻璃熔窯中的應(yīng)用前景。

傅里葉定律是法國(guó)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(shí)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(shí)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(yùn)特性, q是在x方向上的熱流密度, 它垂直于被測(cè)溫表面。

熱流密度是一個(gè)向量, 也可以將熱流密度向量分解為幾個(gè)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(hào)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(duì)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(jì)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(jì)算, 即流入與流出的熱流量相等。穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)每小時(shí)通過單層平壁的熱量計(jì)算公式:

式中:Q—穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)每小時(shí)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(yùn)動(dòng)而引起的熱量轉(zhuǎn)移, 都稱為對(duì)流傳熱。目前以牛頓冷卻定律作為對(duì)流傳熱的計(jì)算基礎(chǔ), 即:

Q=1.163·a k (t f-t w) ·F

式中:∂k—對(duì)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(yùn)行, 輻射傳熱起到很重要的作用。輻射熱以電磁波的形式進(jìn)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(jì)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(hù)池壁液面線處的耐火磚是延長(zhǎng)熔窯池壁壽命的關(guān)鍵, 對(duì)提高玻璃產(chǎn)品質(zhì)量和延長(zhǎng)玻璃窯爐壽命具有重要意義。

為了延長(zhǎng)熔窯池壁的使用壽命, 常采用對(duì)液面線處池壁磚進(jìn)行強(qiáng)制吹冷卻風(fēng)的方法。吹冷卻風(fēng)的方法雖然簡(jiǎn)單、易調(diào)節(jié), 但在外界溫度變化和一個(gè)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(yàn)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(zhǎng)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(shí)質(zhì)上就是降低玻璃熔窯的燃料消耗。在國(guó)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(guó)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(dá)到節(jié)能的目的。

總之, 延長(zhǎng)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(shì), 也是今后我國(guó)浮法玻璃熔窯的發(fā)展方向。需指出的是, 本文提出了引進(jìn)熱流量計(jì)監(jiān)測(cè)熔窯池壁的熱流密度值, 進(jìn)而可以計(jì)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(dá)到“優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗”的目的。

熱流量計(jì)是測(cè)量熱流密度的儀表, 根據(jù)熱流量計(jì)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(jì)分類見表1。

熱流量計(jì)也可稱為熱流密度計(jì), 用于測(cè)量熱流密度***可靠的測(cè)量?jī)x器。熱流量計(jì)由熱流傳感器和顯示儀表組成, 熱流量計(jì)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(jì)時(shí), 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(cè)物體的表面, 直接測(cè)出被測(cè)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(huì)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(jì)的工作原理:通過熱流量計(jì)的熱流密度與熱電勢(shì)成正比例的關(guān)系, 在對(duì)熱流量計(jì)系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定后, 便可以用溫度熱流自動(dòng)測(cè)試儀來檢測(cè)熱流量計(jì)的輸出熱電勢(shì), 從而測(cè)得熱流密度值。熱流量計(jì)測(cè)量法是利用溫差和熱流之間的相對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)試, 用熱流量計(jì)和熱電偶檢測(cè)被測(cè)對(duì)象的熱流密度和內(nèi)、外表面溫度, 然后計(jì)算出被測(cè)對(duì)象的傳熱系數(shù)。熱流量計(jì)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(cè)量技術(shù)也得到了提高。熱流密度的測(cè)量在玻璃熔窯池壁的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中具有重要作用。通過測(cè)量熱流密度以檢測(cè)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(yùn)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(yùn)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(cè)量熔窯池壁的傳導(dǎo)和輻射兩種熱流量值。表2簡(jiǎn)要介紹所選傳感器類別的功能和用途。

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

由此, 熱流量計(jì)可以準(zhǔn)確測(cè)量出玻璃熔窯池壁相關(guān)部位的熱流密度值, 為***終計(jì)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(duì)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(duì)流和輻射3個(gè)過程。經(jīng)分析表明, 對(duì)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)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(duì)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(shí)測(cè)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(jì)測(cè)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(shí)空氣的溫度t k為40℃, 熔窯外表面的空氣對(duì)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(jì)算公式為:

可以準(zhǔn)確地計(jì)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(cè)過程中只要合理控制池壁冷卻風(fēng), 就可以達(dá)到延長(zhǎng)池壁壽命的目的。具體實(shí)施為:利用紅外儀檢測(cè)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(diǎn), 用熱流量計(jì)測(cè)量出池壁液面線處異常點(diǎn)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(duì)池壁侵蝕嚴(yán)重的部位進(jìn)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(dá)到提高浮法玻璃熔化工藝和節(jié)能減排的目的。

熱流量計(jì)存在很多類別, 本文主要介紹了熱阻式和輻射式熱流量計(jì), 要根據(jù)不同使用環(huán)境正確選用相匹配的熱流量計(jì)。對(duì)于熱流量計(jì)的推廣應(yīng)用, 需要了解掌握各種熱流傳感器的原理、特點(diǎn)及使用環(huán)境, 為此, 有必要逐步完善熱流密度測(cè)量技術(shù), 讓熱流量計(jì)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(jì)在我公司某條浮法玻璃生產(chǎn)線上的初步應(yīng)用體會(huì), 根據(jù)熱流量計(jì)在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用效果和在熔窯池壁的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 說明熱流量計(jì)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(kuò)展熱流量計(jì)在玻璃行業(yè)的應(yīng)用范圍。