年产3000吨高硼硅玻璃窑炉的设计.doc

年产3000吨高硼硅
玻璃窑炉的设计

2024年11月15日

目 录
1.前言 1
2.设计任务与原始资料 2
3.窑型选择 2
3.1全电熔窑的优点 2
3.2全电熔窑的缺点 4
4.窑体主要尺寸确定 4
4.1 熔化池面积 4
4.2熔化池的长度与宽度 5
4.3熔化池的深度 5
5.电极选择及插入方式 6
5.1电极尺寸选择 6
5.2钼电极的插入方法 7
6.耐火材料选择及计算 7
6.1可用耐火材料规格 8
6.2耐火材料的使用 8
7.窑炉电工和热工计算 8
7.1玻璃熔化热计算 8
7.2玻璃耗电量 9
7.3玻璃热效率 9
8.小结 9
9.参考文献 10

年产3000吨高硼硅玻璃窑炉的设计
1.前言
1902年，弗尔克（Voelker）获准了一个基本专利，其内容是利用电流通过玻璃配合料产生的热来熔化玻璃。自那以后，玻璃电熔技术得到了广泛应用。1979年，据Russel Burman 估计，世界上近半数的玻璃熔窑都将采用电熔技术。
玻璃电熔窑原理：玻璃电熔是将电流通过电极引入玻璃液中，玻璃液直接通电加热，通电后两电极间的玻璃液在交流电的作用下产生电流焦耳热，从而达到熔化和调温的作用。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。硅酸盐玻璃具有一个稍无序的网络结构，包含硅、氧、玻璃改良剂离子，玻璃改良剂离子是相对自由的，特别是碱金属离子，它们结合能力最弱，是电流的载体，在硼硅酸盐玻璃中，碱金属离子较少，导电性较差。
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，用电熔工艺来生产各类玻璃制品的综合经济效益是很理想的；在电价较高的地区，对于彩色玻璃、乳浊玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅玻璃、高挥发组分玻璃或特种玻璃生产也是合算的。
过去我国小型电熔窑的应用一直进展不大，主要原因有两条：首先是人们普遍认为电容的价格昂贵，熔制成本高，忽视了电熔可带来的整体效益；其次，以往引进的国外电熔窑由于包含大量的技术费用，选材过于讲究，因而投资很大，一座融化面积不到2m2、日产量4吨的小型电熔窑，少则二三百万元，多则近千万元，对于生产一般玻璃制品来说，是难以接受的，即使引进了也往往因为折旧费用太高而被迫停用。所以我们要设计的电熔窑，必须以我国的国情为基础，根据产品特点确定适当的窑龄，着重考虑综合经济效益，大量采用国产优质材料，在满足产品质量要求的前提下，尽量降低电熔窑的造价。以上述规模的电熔窑为例，包括电极和全套电熔自动控温装置在内的设备投资只需约100万元，每次冷修费用也不过十余万元，为玻璃全电熔技术的广泛应用创造了条件。
2.设计任务与原始资料
设计任务：年产3000吨高硼硅玻璃电熔窑炉的设计，年工作日300天
原始资料：
表1.玻璃配方（重量百分比）
SiO2
Al2O3
CaO
Na2O
B2O3
80%
2.6%
0.3%
5.1%
12%

3.窑型选择
根据资料显示，在环保要求严格、电价低廉、玻璃熔化困难、玻璃质量要求高、生产规模小时，可考虑全电熔窑。
3.1全电熔窑的优点
（1）没有废气，防止空气污染。由于没有火焰窑的燃烧气体，厂区外不存在有害烟尘弥散的问题，各种挥发物都被配合料覆盖，唯一的挥发物是二氧化碳，但它不是污染物，况且还能加以回收。
（2）降低挥发性配合料组分的挥发。氟化物的挥发量可降低到火焰加热熔窑的40%左右，氧化铅的挥发量可降低到火焰加热熔窑的10%～20%。由于垂直熔化，在熔化过程中易挥发组分被凝聚在生料层中，当生料熔化时又重新转移到玻璃液中去。表2表明电熔窑使挥发损耗显著地减少。
（3）玻璃均匀。采用全电熔时，全部玻璃基本上都经历相同的热历史，所以供给成型机的玻璃液在成形性能上均匀得多。因此，成型机能工作的很好，使钠钙玻璃瓶罐的合格率提高2%～4%，乳白玻璃、硼硅玻璃和铅玻璃的合格率提高20%以上。

表2.采用电熔窑熔化挥发损耗[%]的减少
挥发组分
柴油、燃气窑炉
电熔窑
氟
60～70
3
铅
10
0.2
硼
10～15
1
（4）降低因结石造成的产品损失。在钠钙玻璃瓶生产的一个窑期中，因结石缺陷造成的制品废品率通常仅为0.3%。
（5）在节假日停产后恢复生产的困难较少。当一座燃料加热的熔窑节假日停产之后，再恢复生产，至少要半天左右时间；若是全电熔窑，则仅需半天左右时间。
（6）熔窑大修较快。一座电熔窑的大修，在10天的期限内（从加碎玻璃烤炉到出玻璃料）可顺利地完成。窑顶和胸墙蚀损不大，因为它们暴露在高温下的时间不长。现在由于采用较厚的电熔锆刚玉砖铺砌池底，所以电熔窑的寿命是令人满意的。有一座熔制琥珀色玻璃的电熔窑，窑底铺砌30cm厚的电熔铬刚玉砖，运转了17年任然状态良好。
（7）在整个窑期内可始终保持满负荷的出料量。在燃料加热的熔窑中，保持热量输入的能力及玻璃的出料量，往往因燃烧系统恶化而受到限制。在电熔窑中，通过提高电压来提高电功率的输入方法，即可迅速而简便地补偿由于侧墙造成的额外热量损失。
（8）占地面积小。电熔窑仅包括熔化池、流液洞和上升道（采用目前的耐火材料，熔化率约为2.2t/m2·d），不需要蓄热室、烟道、烟囱。
（9）二氧化碳的回收。除了能收集其他可蒸发的配合料组分之外，二氧化碳也可以作为电熔的一种副产品加以收集，每生产出100吨玻璃，将放出15吨CO2。这种气体的纯度达99.5%，只需要经过简单的湿法化学洗涤处理，便适用于商业用途。
（10）热量散失减少，能耗大大降低。全电熔窑是靠玻璃液自身导电来实现其熔化的，它是内热式的，由于是垂直熔化，玻璃液面被一层生料所覆盖，上部空间的温度只有100℃~250℃左右。而火焰窑是靠火焰的高温辐射从表面向内部传导对流来实现的，玻璃液上部空间温度高达1600℃，窑顶散热很大，即使经过热交换设备，废气的温度依然很高，热效率只能达到30%。玻璃电熔窑热效率可达78%左右。每公斤玻璃液的电耗仅为0.62~1.2kWh。
（11）玻璃质量好、效率高、成本低。由于熔化是在玻璃液内部进行，沿熔化池深度温差很小；挥发少，玻璃成分稳定；垂直熔化减少了高铅玻璃的分层。所有这些保证了玻璃液有良好的均匀性、稳定性，大大提高了玻璃液的利用系数，一般可达0.44。日产1.3t的电熔窑，熔化池面积0.5m2，熔化率高达2.4t/m2·d；12t/d的电熔窑，熔化池面积4.3m2，熔化率2.8t/m2·d。
（12）建设投资少。由于电熔窑效率高、能耗低，较建设相同生产能力的火焰窑规模小、占地少、辅助设备简单。比如日产1.3t的一台电熔窑仅用一台60kW的单相变压器供电即可。
（13）全电熔易于调节控制，操作范围广，热工制度比火焰窑稳定。
3.2全电熔窑的缺点
（1）很多地区，电力费用仍较昂贵，但是，前述各优点通常可以弥补多花的电力费用。
（2）耐火材料的寿命不长，电熔窑所用耐火材料的寿命不如火焰窑中所用的那么长。在采用合适的加料方法，不出现过高的温度，而且设计的电熔窑大小亦适当，则电熔窑的窑龄可达3~4年。因没有蓄热室，窑顶又不会完全损坏，所以电熔窑每次大修所需的耐火材料费用比较低，停产时间较短，必要时5天（从加碎玻璃烤窑到出玻璃料）便能实现。
4.窑体主要尺寸确定
4.1 熔化池面积
由于配合料的熔化过程仍在窑池表面进行。因此，熔窑的熔化池面积可用下式计算
F熔=G/K
式中： G —— 熔窑的生产能力，t/d;
K —— 熔化率，kg/(ｍ2･d)。
从设计任务与原始资料可知：本设计的G=3000/300=10t/d；
查资料可知：小型高硼硅电熔窑的熔化率K=1.5t/m2·d。
所以熔化池面积F熔=10/1.5≈6.67m2
4.2熔化池的长度与宽度
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，应符合下面条件：
L/B=1～1.5
取 L/B=1则：L≈2.58ｍ,B≈2.58ｍ
4.3熔化池的深度
电熔窑窑池的深度H取决于在其中连续进行熔化、澄清和冷却三个层次的厚度。很明显，玻璃的熔化率将影响各个层次的厚度，而不同组分玻璃的熔化率是由配合料的熔透速度和玻璃液完全排除气泡在高温区逗留时间所决定。因此，电熔窑高度H，可由下列经验公式计算
H=0.1+h1+h2+h3
式中：0.1 — 通常控制的配合料层高度，m；
h1 — 配合料与熔体接触面到上排电极上边缘的距离，m；
h2 — 高温区的高度，m；
h3 — 下排电极下边缘至窑底得距离，m。
配合料与熔体接触面到上排电极上边缘的距离，可以按下式计算
h1=kb
式中：b—成对电极间的距离，m；（若使用单层板状电极，则可以取b=L=2.58m）
k—系数,由玻璃组分中碱金属氧化物的含量决定。
实验证明，当k=0.3时，电流有效增量ΔI实际上已经停止。因此k取0.3最合理。所以h1=0.3×2.58=0.774m。
高温区的高度h2，可由下式计算
h2=0.84K/ρ
式中：0.84—玻璃液在窑池高温区逗留的计算时间，d；
K—给定的熔化率，1.5t/m2·d；
ρ—在澄清温度下玻璃液的密度，2.4t/m3。
所以 h2=0.84×1.5/2.4≈0.525m
h3取0.601则 h=0.1+0.774+0.525+0.601=2m
5.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。
5.1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2～20mm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
lgρ=a-bt×10-3
a=3.8306+0.003761*0.8+0.0326*0.12+0.08514*0.003+0.1776*0.051≈3.8468;
b=1.7738+6.254*0.00001*0.8+0.0087*0.12+0.058*0.003-0.0539*0.051
≈1.7723
∴ρ≈18.92Ω･cm
(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/A
K1—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，cm
∴K1≈0.393 K2≈0.8827 R≈0.31Ω
(4)电熔窑总功率P
P=G×q0=(10000/24)×2.5≈1041.67kw
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j
j=I/A=1833.09/(0.525*10000)≈0.35A/cm2
5.2钼电极的插入方法
由于本窑炉采用的是单层板状钼电极，所以该电极适合在烤炉前或者冷修后放入，用钼棒固定在窑炉壁上，钼棒位置最好呈三角形，稳定安全。如上所述，板状钼电极与池壁距离50mm，高度0.525m，长度1m，与前后壁相距0.79m，厚度10mm。
6.耐火材料选择及计算
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可用耐火材料规格
砖的种类
耐火度
规格（长×宽×高）/mm
硅砖
1670～1750℃
500×150×100
粘土砖
＞1580℃
600×113×300
230×113×30
普通砖

240×120×50
电熔AZS砖
＞1730℃
600×113×300
电熔AZS-33砖
＞1730℃
230×114×32
6.2耐火材料的使用
区域
层次
砖种类
砖的块数/块
窑墙
4*2.58*2=20.64m2
内层
硅 砖
20.64*106/(500*150)≈276
中间层
粘土砖(600*113*300)
305
外层
普通砖
717
窑底
2.582=6.6564m2
内层
电熔AZS砖
99
中间层
粘土砖(600*113*300)
99
外层
普通砖
232
窑顶
6.6564m2
内层
电熔AZS-33砖
254
中间层
粘土砖(230*113*30)
257
外层
普通砖
232
7.窑炉电工和热工计算
7.1玻璃熔化热计算
Qg=q*G
q=404.4 kcal/kg；
G=10*1000/24=416.7 kg/h；
则： Qg=404.4*416.7=168500 kcal/h；
7.2玻璃耗电量
Q=F*G
F=1.6kw/kg; G=416.7kg/h
∴Q=1.6*416.7=666.72kw/h=574206kcal/h
7.3玻璃热效率
ŋ=Qg/Q=168500/574206=0.29
8.小结
本窑炉是设计年产3000吨高硼硅玻璃电熔窑，已知年工作日是300天，则日产量为10吨，显然，这是一个小型窑炉，玻璃电熔窑一般是全电熔的占多数，所以，跟随时代脚步，我选择了全电熔玻璃窑，高度大约为2m，熔化率1.5t/m2d，
玻璃融化温度选择的是1450℃。再由书上的一系列公式推算出熔窑的长宽高，一切遵循最简化原则。电极也是选择最通用的板状钼电极，由于两层比较复杂，所以我选用了一层，但一层也许会对起支撑作用的钼棒产生较大的作用力。电极的长宽高可以大约估算出来。最后的耐火材料选择也是较粗略的估计了砖的块数，根据耐火度的不同来筛选，需要填补的地方可对耐火材料做适当的切割。该熔窑的热效率为29%，所以热量的回收与利用是很有必要的。

9.参考文献
（1）《玻璃工业热工设备》，孙承绪，武汉工业大学出版社。
（2）《玻璃窑炉热工计算与设计》，孙承绪，武汉工业大学出版社。
（3）《硅酸盐工业热工基础》，孙晋涛，武汉工业大学出版社
（4）《玻璃工艺学》，西北轻工业学院，中国轻工业出版社。
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