高熔化率的蓄热-换热组合式玻璃池窑的制作方法

专利名称：高熔化率的蓄热-换热组合式玻璃池窑的制作方法
技术领域：
本专利涉及为提高玻璃池窑的熔化率，对玻璃池窑燃烧空间和小炉(port、烟、空气进出口)等结构的改进，属于玻璃池窑结构设计的增产节能减排的技术领域。
背景技术：
降低现有的蓄热式玻璃池窑(以下简称“蓄热式窑”)燃料消耗的主要途径有三一，强化池窑窑体的保温20世纪80年代，先后通过科技攻关和技术引进，池窑窑体达到中强度的保温，但窑体散热量仍占熔化热耗的20%以上，还有继续强化保温的空间。二，强化烟气余热循环回收现有的蓄热式窑的蓄热室，就是烟气余热循环回收装置，但是，由于蓄热室在结构上受到局限，虽然经历了近百年的使用和不断改进，其受热面积和换热系数已接近极限，烟气余热的回收率最高只达到60%，燃烧空气预热温度只能徘徊在1000°C左右，而理论最大的烟气余热回收率则为84%。显然烟气余热循环回收还有相当大的空间。专利申请号为200710137739. 7，名称为蓄热-换热组合式玻璃池窑的发明专利， 为强化烟气余热循环回收，有效提升烟气余热回收率和燃烧空气预热温度，并逐步接近理论最大值提供了有效的途径。三，大幅度提高熔化率熔化率是玻璃池窑的首要技术指标。从1985至1990年间， 通过科技攻关和引进国外技术，我国的蓄热式平板玻璃窑的熔化率，得到较大的提高，然而，之后至今的20年间，就一直处于2. 2士0.1吨/(日 米2)的水平，停滞不前。与之关系密切的玻璃熔化热耗指标，也停留在攻关水平。(见附件1 有关熔化率的参考资料)蓄热式窑熔化率长时期处于停滞不前的根本原因，除去蓄热室存在前述的结构上的原因以外，在近百年的设计过程中，始终沿用传统的经验设计方法。作为燃烧系统的主要参数蓄热式窑的燃烧空间的尺寸与体积，一直没有得到应有的重视。在《平板玻璃工厂设计规范》也从未出现。熔化率实际上是一个热工参数，当熔化率乘以单重的熔化热耗，即等于单位熔化面积单位时间需要得到热能。这部分热能只能由火焰(热源)自身的热量，在高温下通过辐射传热传递给配合料与玻璃熔体表面。因此，火焰对配合料和玻璃熔体的给热强度应该与配合料和玻璃熔体表面受热强度达到并保持供求平衡。提升熔化率必然提高受热强度，亦即，火焰对配合料与玻璃熔体表面的给热强度也随之提升，以达到新的供求平衡。，才能保证火焰对受热面(配合料与玻璃熔体)的给热强度得到大幅度提高，最终达到大幅度提高熔化率。这是熔窑设计的基础(核心)，否则，熔窑的熔化率就难以提升。以美国为代表的玻璃池窑技术，由于也是采用经验设计的方法，在熔化率问题上也就存在同样的问题。
发明内容[0011]本发明内容是以大幅度提高玻璃池窑的熔化率为目的。(1)要解决的技术问题针对技术背景的论述，名为高熔化率的蓄热-换热组合式玻璃池窑(以下简称“高熔化率组合式窑”)发明专利，要解决的技术问题有二 一，解决蓄热式窑蓄热室的受热面积受限的问题。由于结构上的原因，每对小炉的蓄热室的受热面积被限定在一个相当窄的范围内。(见GB 50435-2007《平板玻璃工厂设计规范 >》(以下简称《设计规范》)第20页)为此，采用发明专利蓄热-换热组合式玻璃池窑(申请号200710137739. 7)。二，加大燃烧空间。加大燃烧空间的基本途径是，加大改变小炉喷火口的高度。目前这个数值已成为业内默认的定值G50 500毫米)的经验数据。在《设计规范》中，有关小炉设计的条文，只有小炉对数和小炉喷火口总宽度等的规定，而没有小炉喷火口高度和与之相关的火焰空间的高度的规定(《设计规范》2007版20 页)。因此，与小炉喷火口高度关系密切的燃烧空间的高度也就成为定值。小炉喷火口高度的定值，必然使小炉燃烧空间的高度、燃烧空间的体积、小炉热荷载以及给热强度，乃至熔化率等一系列的热工参数被固定在一定数值范围内。当小炉喷火口的高度，由默认定值改变成可按设计程序予以设定的可变参数后， 将进而解决小炉燃烧空间的高度、燃烧空间的体积、小炉热荷载以及给热强度，乃至熔化率等一系列的热工参数受限的问题。(2)技术方案高熔化率组合式窑的技术方案，是以发明专利蓄热-换热组合式玻璃池窑(申请号200710137739. 7)(以下简称组合式窑)取代现有的蓄热式玻璃池窑为前提。技术方案的核心是，在保持现有的蓄热式玻璃池窑熔化部水平二维全部尺寸不变，燃烧强度基本不变、池窑窑体散热量(保温结构)基本不变、水风冷系统热损失基本不变和配合料条件不变的前提下，加大火焰(燃烧产物)对受热面的给热强度。实现加大给热强度的技术方案，采取以下三项技术措施一,确保烟气金热循环回收系统的换热器有足够的换热能力在原蓄热室三维尺寸只能维持不变的条件下，加大燃料系统热荷载，必需使组合式池窑的换热器有足够的的换热面积和换热系数，以确保燃烧空气预热温度仍维持在1250 1300°C以上的水平。二，加大熔窑的的热荷载(入窑燃料量)根据提高熔化率的目标倌，设定加大溶窑的热荷载的数值，对燃烧空气预热温度和总热荷载的设定用“逼近法”进行反复设定和计算，并作出热平衡表。衡量所得出的热平衡表，是否认可的标准，是以“未计及因素与误差” 项目小于10%，其数值越小越好。三，加大燃烧空间的体积在燃料燃烧过程中，燃烧空间的体积是一个不可或缺的主要参数。不同的工业炉以及不同的燃料及其燃烧方法不同，燃烧空间的定义也各有不同。 玻璃池窑，尤其是横火焰蓄热式玻璃池窑，其燃烧空间是由小炉(port)以及相关砖构件在燃烧过程中形成，故具有其特殊性。运行中的燃烧空间(见附图1)是由小炉喷火口 3喷出的预热燃烧空气流股与由设置于小炉喷火口 3下的燃油(气)喷枪喷出的雾化了的燃油流股相交过程中形成的。燃烧空间被雾状燃油颗粒、燃油在高温下蒸发和裂解的产物、预热空气、燃烧产物所充满。透过蓝玻璃可以观察到亮白的辉焰和透明的灰焰。要加大燃烧空间只有加大喷火口的高度。现有的蓄热式窑的小炉喷火口高度已经定型在450-500毫米范围内。要加大燃烧空间的体积，只有将小炉喷火口高度由定型的经验数据改变为可变的参变数。小炉喷火口的高度，可以由现有的450-500毫米，加大到等于小炉喷火口宽度(由矩形变成正方形)。

为便于说明本专利的技术方案和实施例中燃烧空间和循环气流空间(非燃烧空间)的特征，以及燃烧空间和循环气流空间在火焰空间中的位置，需要结合附图加以说明。图1为现有蓄热式玻璃池窑和高熔化率的蓄热-换热组合式玻璃池窑结构相似的横断面图。图中玻璃液2的液面以上，大碹5内表面以及两侧小炉口 3(含胸墙)所形成的空间为火焰空间。在实际运行中，火焰空间被两种不同的气流所充满，从而分别形成不同特征的燃烧空间6 (有斜短线段剖面线)和循环气流空间1 (无剖面线的非燃烧空间)两部分。 燃烧空间6是指燃烧过程中，燃料和燃烧空气以及燃烧产物所占有的空间，循环气流空间1 是燃烧空间以外被循环气流所充满的空间。以下所提到的火焰空间，由燃烧空间和循环气流空间两部分组成。(参见附件1有关燃烧空间特征的资料)图2为现有蓄热式窑(图左半部)与高熔化率的蓄热-换热组合式池窑(图右半部、)横断面的对比图。表明由于小炉喷火口 3的高度，由450毫米增加至700毫米，燃烧空间6高度也随之增高。图3为现有蓄热式窑和高熔化率的蓄热-换热组合式窑相同的平剖面图，表明池窑的水平二维尺寸保持不变，并显示在运行中由6对小炉4形成的6个燃烧空间6，以及7 个与燃烧空间6并列的循环气流空间1图4为实施例的原有蓄热式窑和高熔化率的蓄热-换热组合式池窑相似的纵断面，但由于小炉喷火口 3的高度分别为450毫米和700毫米，两者的燃烧空间高度有所差别，此差别已在图2示出，故在图4中，不再示出。图4表明，6对小炉4各自形成独立的燃烧空间6的断面。6个燃烧空间之间则并列有7个循环气流空间1，而且在熔化部大碹5之下和7个燃烧空间6的上平之间则形成一个占整个熔化区长度的循环气流空间1.燃烧空间6与燃烧过程密切联系，燃烧空间6的形状和大小是分析与计算燃烧强度的基础参数。因此，图1、图2、图3、图4、都是为表述燃烧空间的特征而绘制。燃烧空间6 (见图1)的特征可进一步作以下描述通过附件1有关燃烧空间特征的资料中的文字资料、研究报告的模拟图、现场拍摄的照片的复制品等，可以将燃烧空间定义为燃烧空间6是由小炉喷火口 3喷出的预热燃烧空气流股和由小炉喷火口 3下的多支燃料喷枪喷出高速油和雾化介质形成的燃料流股，以25 30°夹角相遇，形成强烈的紊流流股。在此流股中，同时存在混合、蒸发、裂化、燃烧、传热等过程。在燃烧空间6中，燃料的燃烧具有“边燃烧边传热”的特点。燃烧空间6的外观特征是由可见辉焰(正在燃烧)和灰焰(透明，燃料燃烬)两部分所充满。。燃料在燃烧空间 6中燃烧形成的辉焰长度，约占燃烧空间总长的70 80%，其余部分的灰焰(透明)为尚处于高温的燃烧产物继续对受热面继续加热。各对小炉4在燃烧过程中各自形成独立的长方形的燃烧空间。其长度等于各对小炉喷火口 3之间的距离(见图1)，其宽度等于各小炉喷火口 3宽度，(见图3、图4)其高度等于自池窑玻璃液面与小炉喷火口 3最高点之间的距离(见图1、图4、)。燃烧空间6的数量即为小炉的对数3 (见图3、图4)燃烧空间6的体积以燃烧强度不大于实际可能达到的标准，即1，200, 000千焦/ (米3燃烧空间 小时)为前提。进入燃烧空间6中的燃烧空气实际流速为11 士2米/秒。在通称的火焰空间中，不属于燃烧空间的其余部分，即为循环气流空间1(见图3、 图4)。循环气流空间中的循环气流，不参与燃烧，其成分接近燃烧产物。其温度比火焰温度略低。
具体实施方式
本专利是以原有的一座日熔化量500吨级，实际熔化量为544吨的蓄热式玻璃窑为基础的实施例。假定利用该窑停产冷修条件，在实施发明专利蓄热-换热组合式玻璃池窑(申请号200710137739. 7)的同时，结合本专利的技术方案所述的三项技术措施，将该蓄热式窑改造成高熔化率的蓄热-换热组合式玻璃池窑。本实施例的原有蓄热式窑有前国家建材局平板玻璃热工测试的热平衡测定报告， 并经过本专利申请人的复核和小量的修正。其相关参数摘列如下熔化量M3. 7吨/日；熔化面积M9. 4米2 ；熔化率2. 18吨/米2 ·日；小炉喷火口高度450毫米；熔化热耗70 千焦/千克；燃油耗量96. M吨/日；燃油热值41000千焦/千克；燃烧空气系数1. 15 (过剩空气量为15% )；理论助燃空气量10. 71米7千克；计算的助燃空气量47477米7小时，烟气在总烟道的空气系数为1. 74。改造目标将原有蓄热式窑改造成高熔化率的蓄热-换热组合式玻璃池窑，改造后熔化率提高50%，即由2. 18提高到3. 27吨/米2 小时，熔化能力由543. 7提高到815.6 吨/日。根据本专利的三项技术措施形成以下具体改造方案1，保持原蓄热式窑的水平二维尺寸全部不变(见图3平剖面图)、燃烧强度基本不变、窑体散热量(保温结构)基本不变、水风冷系统热损失基本不变和配合料条件不变.2，配合料的配料表不变，配合料量增加50%。3，小炉喷火口 3加高250毫米，由450毫米增至700毫米。(见图幻其余相关部分(包括钢结构)同步加高250毫米。4，根据初步测算和所做的热平衡，燃料量增加10%。喷枪数量，由3支增至4支。 作炉下式的距离均勻布置。5，燃烧空气预热温度在原有预热温度1000°C的基础上再提升300°C .达1300°C。 烟气余热循环回收系统的蓄热室的结构与尺寸不变，受热面积仍为6270米2，换热器总换热面积为1600米2，换器的总换热系数为70千焦/ (米2 · °C ·小时)。原有的蓄热式窑的烟气余热利用装置为“蓄热室+余热锅炉”模式，余热锅炉有3 台，故组合式池窑的余热循环回收装置可利用原余热锅炉的位置与厂房。配置3台换热器， 每台换热器的换热面积为800米2，两台并联运行，另一台作备用和检修。本专利的运行与原有的蓄热式窑基本相同。相关的运行参数，如各小炉的燃料量和燃烧空气量，小炉靶墙、左右支烟道、进入和离开换热器等处的温度，以及定时定点烟气取样成分分析等热工检测系统必须连续定时检测，并作出简易快速的热平衡。为确认在所定的目标和前提条件下，实施本专利的技术改造方案，是否具备实现达标的可能性，需要将原有蓄热式玻璃池窑(以下制表时，在窑型栏，简称为原有蓄热式) 和改造后的高熔化率组合式玻璃池窑(以下制表时，在窑型栏，简称高熔化率组合式窑)， 制表进行对比分析。为简化对比表名称，又将原有蓄热式窑和高熔化率组合式窑简称两窑。 对比表列如下(10-12页)表1两窑火焰空间及小炉热平衡对比表表2两窑烟气余热循环回收系统热平衡对比表表3两窑整个池窑系统的热平衡对比表表4两窑辐射传热能力对比表表5两窑主要参数汇总对比表用于对比的原有蓄热式的数据均来自某浮法玻璃池窑热平衡测定报告，高熔化率组合式窑即为本专利的实施例进行工艺和热工计算的结果。通常情况下的玻璃熔窑热平衡，都是以整个熔窑作为体系进行编制。但是，这种平衡表中，熔窑系统内部的燃烧空气通过蓄热室进行循环回收得不到量化的反应，，难以了解预热空气进入燃烧空间的热量数值及其在燃烧系统中所起的作用。为此，本说明书先以小炉4和蓄热室7的连接面为界，将熔窑分成两个单元整个窑池及其上部结构与小炉(燃烧与加热)单元、蓄热室与换热器(烟气余热循环回收装置) 单元(参阅图1)，分别编制成表1和表2.然后再将熔窑整个系统编制热平衡表。以下是对上列的5个对照表作出的简要说明。表1两窑玻璃熔窑窑体(窑池及其上部结构)及小炉的热平衡对比表建立两窑玻璃熔窑窑体(窑池及其上部结构)及小炉的热平衡对照表的目的是， 考查分析进入高熔化率组合式窑燃料量比原有蓄热式窑增加10%;空气预热温度由1000°C 提高到1300°C后，各项参数的变化；未计及因素与误差的大小；热量输入与输出是否平衡。 分析并得出高熔化率组合式窑达到提高熔化率50%的可能性。体系包括现有的玻璃熔窑普遍具有的由投料口起，至冷却部出口第一道闸板前的全部窑体(熔化部的均化区、卡脖、冷却部未在图内示出)以及小炉，体系的烟气与燃烧空气进出界面为小炉与蓄热室的交接面。表1表明，输出部分总计略小于输入部分，即略有金量,这金量作为输出部分未计及因素与误差栏。此数值两窑分别为12. 3和10. 3兆千焦/小时。未计及因素与误差栏所占的比例分别为5. 4%和3. 7%，比例数都较小，说明平衡表中的数据可用。表1输入部分的高熔化率组合式窑比蓄热式窑总计增加45. 5兆千焦/小时，其中燃料燃烧热为15. 8兆千焦/小时，空气预热显热为29. 7兆千焦/小时，后者几乎为前者的 2倍，说明烟气余热回收系统的节能效果明显。表1输出部分的主要项目有二 一是熔化过程需要的玻璃液潜热和显热，由于高熔化率组合式窑的熔化率，比原有蓄热式窑增加50%，玻璃液潜热和显热，也相应增加 50%。其增加值为23. 6兆千焦/小时。二是烟气离开体系的显热为23. 9兆千焦/小时。除去未计及因素与误差为负2. 0兆千焦/小时，输出部分增加值合计为45. 5兆千焦/小时， 与输入部分的增加值45. 5兆千焦/小时持平。两窑的其它三项(窑本体散热、小炉散热、孔口与冷却)均未增加。本体散热与小炉散热的数值都未增加的原因是保温结构未改变，小炉喷火口高度和胸墙高度增加0. 25 米，引起的散热面增加的散热量，估算值不大于2. 5兆千焦/小时，可列入未计及因素与误差栏10. 3兆千焦/小时内。孔口与冷却带走的热量都未增加的原因是，池窑的水平尺寸未变，孔口的数量与尺寸未变，水冷却和风冷却系统的状态没有变化，故可视为数值未变。表1表明，在燃料量增加10% ；燃烧空气预热温度提高300°C，可以满足熔化率增加50%的热能要求。但表1反映的是处于稳定状态下的热平衡。对于火焰是否能将自身的热量，按热平衡的数值，以辐射方式如数传递给受热面，则仍需通过表4加以核定。表2两窑烟气余热循环回收系统的热平衡表表2是将蓄热室和换热器作为一个烟气余热循环系统作出的热平衡表。表2的输入部分的主要项目——两窑烟气显热数倌分别为116. 1和140. 0兆千焦 /小时即等于表1输出部分的两窑烟气离开体系显热的数倌。表2表明，输入部分略大于输出部分。甚^itm^iiM—栏，在原有蓄热式窑与高熔化率组合式窑的所占的比例，分别为7. 5%和4.3%，数值未超10%，说明平衡表所列的数据可用。表2输出部分的燃饶空气显热一栏，高熔化率组合式窑比原有蓄热式窑高出四.7 兆千焦/小时，增幅达43. 0%，说明蓄热-换热组合式烟气余热循环回收系统中的换热器， 在烟气循环回收系统中的重要作用。这部分热量只能靠换热器从烟气回收后向燃烧空气提{共。在计算换热器的换热面积时。设定安全系数为1. 2，则设计换热器的热负荷(热交换值)为35.609.7X1.》兆千焦/小时。设换热器换热系数为70千焦/(平米 小时·。C )，换热器平均温差为320°C，计算可得换热器换热面积为1600平米。现有的蓄热式平板玻璃池窑的烟气利用，绝大多数均为“蓄热室+余热锅炉”。本实施例的原有蓄热式窑配置的3台余热锅炉所占有的建筑面积，可配置三台并联的换热器。每台换热器面积为800平米。正常运行时为，两台运行一台检修或备用。换热器采用立管式。换热管采用耐热铸铁。总重约100吨(主要材料为普通耐热铸铁)换热器外形尺寸可根据现场条件而定。表3两窑整个玻璃池窑系统的热平衡对照表表3的两座窑的热平衡都是输入略大于输出，未计及因素与误差分别为4. 3%和 5.6%,数值不大，故表3的各个数值可用。表3表明，输入部分的燃料燃烧热增加10%，输出部分的玻璃液潜热和玻璃液显热均增加50%，之所以还能够达到输入与输出平衡，除窑系统散热及其它散热基本不变外, 主要原因是两窑带离整个池窑系统的烟气显热，高熔化率组合式比原有蓄热式减少10.9 兆千焦/小时，烟气带离系统的热量在全部输出部分的比例，由32. 7降至23. 8%。说明烟气热量循环回收系统的回收能力有很大的空间。表4两窑辐射传热能力对比表表4是考查两窑的辐射传热能力的变化。因为玻璃池窑内火焰对受热面传热主要是辐射传热。表4中列出两窑的理论燃烧温度，高熔化率组合式窑比蓄热式窑高202°C，是因为燃烧空气预热温度提高了 300°C。相对的辐射传热能力增加沈7825千焦/米2 ·小时，即增加32%。而表1中的高熔化率窑燃烧空间内的热量全部输出增加23. 6兆千焦/小时，需辐射传递的热量增加23. 6%，故辐射能力还有8. 4个百分点的余量。此外，由于小炉喷火口高度加高，辉焰和透明火焰的厚度也随之加大，这些提高辐射传热能力的有利因素，还未计及在内。因此，可以预计，燃烧空间的火焰(包括辉焰和灰焰)可以释放并传递的热量可满足熔化率增加50%所需的热量。表5有关专利的主要参数汇总对比表表5表明，当高熔化率组合式窑在原有蓄热式窑的基础上，以提高熔化率50%为目标，采取燃油用量增加10%、燃烧空气预热温度提升300°C达1300°C、小炉喷火口高度增加0. 25米三项措施，则相关的主要参数都将随之改变。表5将相关的主要参数汇总对比如下表5所列的主要参数都是与实现熔化率提高50%有密切关系。其中除燃烧强度外，其余或增或减的幅度都比较大。表5的熔化量和熔化率之所以能够达到增加50%，除去采取燃烧空气预热温度由1000提高到1300°C、燃料用量增加10%和小炉喷火口高度由450毫米提高到700毫米三项措施以外的同时，燃烧空间高度和燃烧空间体积、燃烧空气喷出速度、火焰理论燃烧温度、火焰实际温度、相对辐射传热能力、烟气热量回收系统回收能力、熔窑热效率、烟道烟气温度、烟气热量回收系统回收率等主要参数都得到较大幅度的提高。其中烟气热量循环回收能力增加81. 7%尤为重要，成为节能的主要因素；同时，也表明只有高熔化率组合式窑的烟气余热回收系统才能将预热空气温度提高300°C，达到1300°C，这是熔化率提高50% 不可缺少的条件。综上所述，高熔化率组合式玻璃池窑除具有节能，熔化单重热耗，降低26. 7% ；高效，熔化率增加50%、熔化量增加50% ；同时还具有降低池窑折旧、减少企业管理费等成本， 以及改造投入少(主要铸铁管材不超过100吨)等特点。
权利要求1.高熔化率的蓄热-换热组合式玻璃池窑，包含现有蓄热式玻璃池窑的大碹(5)、循环气流空间(1)、燃烧空间(6)、一对或多对小炉喷火口(3)及小炉0)、玻璃液O)、蓄热室 (7)等，以及由蓄热室与换热器组合成的烟气余热循环利用装置，其特征是小炉喷火口高度最大值等于现有小炉喷火口宽度，燃烧空间高度等于玻璃液面至小炉喷火口最高点之间距离。
专利摘要高熔化率的蓄热-换热组合式玻璃池窑，是以已公开的发明专利蓄热-换热组合式玻璃池窑(专利申请号200710137739.7，公开号CN 101113069A)为基础，除具有蓄热-换热组合式玻璃池窑的全部特征以外，将现有的蓄热-换热组合式玻璃池窑的小炉喷火口高度，由长期经验设计形成的、数值基本不变的经验数值，改变为与燃烧空间的高度和体积、小炉热负荷、燃烧空气预热温度、燃烧空气喷出速度等参数相关联的可变参数，使燃烧空间在1250℃以上的预热燃烧空气条件下，以较大的热负荷进行燃烧，从而使火焰对配合料及玻璃熔体表面的给热强度得到较大幅度的提高，构成高熔化率的蓄热-换热组合式玻璃池窑。
文档编号C03B5/04GK202038964SQ20102055560
公开日2011年11月16日 申请日期2010年9月26日 优先权日2010年9月26日
发明者伍捷申 申请人:伍捷申