CN101113069A - 蓄热-换热组合式玻璃池窑 - Google Patents

蓄热-换热组合式玻璃池窑 Download PDF

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蓄热－换热组合式玻璃池窑，除具有现有的蓄热式玻璃池窑的全部特征外，取消常用的余热锅炉，使用烟气－空气换热器，以离开蓄热室的烟气为热源，对助燃空气作第一次预热，使助燃空气在进入蓄热室之前，温度已得到提高；从而达到扩大循环回收烟气余热的温度范围，进一步提高助燃空气的预热温度，较大幅度的降低燃料消耗的目的。

Description

蓄热-换热组合式玻璃池窑
技术领域
本发明涉及玻璃池窑的烟气余热的循环再生利用装置，属于玻璃蓄热式池窑的节能设备领域
背景技术
玻璃连续式池窑；按传统的“烟气余热回收设备”分类，可分为蓄热式池窑和换热式池窑(《硅酸盐词典》建工出版社556页)。
目前，国内外绝大部分的玻璃池窑都属于蓄热式池窑。换热式玻璃池窑数量很少。
蓄热式玻璃池窑和换热式玻璃池窑论述的内容仅限于：配置小炉的熔化部；燃料燃烧系统：烟气余热回收部分；空气提供和烟气排出部分。(《硅酸盐工业热工过程及设备》3、10～14页)
蓄热式(Regenerative，再生式)玻璃池窑被普遍使用是在20世纪初，垂直引上法等机制连续拉引平板(窗玻璃，sheet glass)的方法先后发明之后。当时，玻璃池窑使用的燃料都是低热值的发生炉煤气，必需对助燃空气和发生炉煤气进行预热以后，熔窑的工作温度才能达到工艺要求1480℃以上。
蓄热室(regenerator)是一种烟气余热循环利用装置。蓄热室的烟气热能循环利用的工作原理是，将离开火焰空间的烟气热焓，被蓄热室的格子体中的格子砖吸收存储，经过一段时间后，烟气与空气进行流动方向的更换--换向，助燃空气由格子体下烟道进入格子体底部，空气在向上流动的过程中与格子砖进行热交换，格子砖存储的热量释放传递给空气，空气温度逐步升高，直至格子体顶部。被预热升温的空气，既是燃料燃烧的助燃物，又是来自烟气热能的热载体，进入火焰空间与燃料燃烧时，燃料的燃烧温度得到提高，从而强化火焰空间内的辐射传热过程。助燃空气既是助燃物质，又是烟气热能回收的热载体。
20世纪70年代起，我国的平板玻璃池窑相继将发生炉煤气改为燃油。原因是发生炉煤气的低热值，使玻璃池窑的熔化率的提高受到限制。不过蓄热室的结构并未改变，只是取消煤气蓄热室。
20世纪末，我国浮法玻璃得到迅猛发展，但是浮法玻璃熔窑还是蓄热式玻璃池窑的型式。
近20年，在国内外浮法玻璃池窑得到迅猛发展中，以浮法玻璃熔窑为代表的蓄热室技术，虽然有不少改进，如格子体材质性能的提高，格子砖形状的改进，格子体高度的增加(已增加到8米)。但是体现蓄热室热循环利用的功能没有突破性的进展。其集中表现是，带离蓄热室的烟气热焓，始终占燃料热焓的30％以上。烟气温度在总空气系数为1.4～1.5时，虽然格子体高度逐步加高。达到8米，但烟气温度始终在550～600℃范围内。因此，长期以来，为回收烟气带离蓄热室的热焓，国内外的蓄热式玻璃池窑系统的设计，都是配置余热锅炉，作为回收烟气余热的节能装置。
但是，余热锅炉产生的蒸汽，无论其温度和压力如何，其成本都是极其昂贵的。用通用的燃煤锅炉产生的蒸气的燃料成本，大约只有余热锅炉的1/8。因为，燃油和燃煤的热值的同比价格即8∶1。在燃料的使用上是极不匹配的。是对高品位燃油的浪费。余热锅炉只节能，而无法节油。
我国大部分的日用玻璃窑也是蓄热式池窑。日用玻璃池窑和平板玻璃池窑相比，只是熔化量较小。能耗问题和以浮法玻璃为主的平板玻璃存在的问题是一致的。也都存在蓄热式池窑所共有的缺点。
浮法玻璃经过七五科技攻关和引进技术，熔化能耗已经大幅度降低。但是近20年来的浮法玻璃的迅猛发展的同时，同等规模的熔化能耗还停留在七五攻关成果的水平。
目前，我国玻璃行业的蓄热式玻璃池窑，绝大部分都使用燃油(重油)，是消耗燃油的大户。仅浮法玻璃全年消耗的重油，估计在400万吨以上。燃油由于资源紧缺，价格猛涨。已经成为玻璃企业的沉重的负担。都在寻求降低燃油消耗的途径。(中国建材报2007年5月15日B1，B2版)
企图较大幅度降低燃油消耗，则必需解决蓄热式玻璃池窑600℃以下的低温烟气余热的循环利用问题。其他节能途径，包括余热锅炉、富氧燃烧以及余热发电都不属于在玻璃池窑系统内循环回收利用范畴。
目的
本发明的目的，就是解决蓄热式玻璃池窑长期存在的，烟气在余热循环回收利用后排出温度仍在550～600℃范围内的缺点。本发明的组合式循环回收利用装置，将使离开池窑系统的烟气温度将达到到200-250℃。使玻璃池窑排出的烟气热焓，将由目前占燃油总热焓的30％以上，降低到10～15％。
技术方案
本发明技术方案的核心是，将适合于循环回收高温烟气余热的蓄热室和适合于循环回收低温烟气余热的气-气换热器(以下简称为换热器)组合成一种新型的玻璃池窑，可称之为蓄热-换热组合式玻璃池窑(以下拟简称为组合式玻璃池窑)。组合式玻璃池窑的主要特征是将蓄热室(再生式回收装置)和换热器(热交换式回收装置)组合为一个完整的烟气余热循环回收利用装置。烟气余热循环回收装置以助燃空气为热载体，将烟气的余热最大限度的回收，并返回熔窑的燃烧系统。
组合式玻璃池窑的烟气余热循环回收过程的强化，将使空气预热温度在原有水平上提高250～350℃以上，烟气温度由550～600℃降低到200～250℃。
组合式玻璃池窑的结构可分成两大部分：1)玻璃池窑本体，2)烟气余热循环回收装置，以及烟气和助燃空气的连接管道以及启闭闸板等。
组合式玻璃池窑的池窑由以下部分组成：一个玻璃窑池；一个火焰空间(superconstruction底部结构)；若干对小炉(port)；与小炉匹配的蓄热室格子体；蓄热室底部烟道(分隔式蓄热室则为分支烟道)；一对左右支烟道；一对左右烟/空换向器；一个总烟道；一个窑压调节闸板；若干空气预热器的烟气进口闸板；若干空气预热器的烟气出口闸板；一座(烟)气-(空)气换热式空气预热器；一台空气鼓风机；一台烟气排风机；一套总烟道烟气切断闸板；一座烟囱。
换热器可按现有对流式换热管式金属换热器设计原理进行设计(《硅酸盐工业热工过程及设备》259～272)，但是必需充分考虑到大型浮法玻璃熔窑的烟气量大的特点。仅日熔化量500吨的烟气量即达70000Nm3/h.
和现有的蓄热式池窑相比，组合式池窑只是用换热器取代现有蓄热式池窑的余热锅炉。将换热器纳入池窑系统，使蓄热式池窑改造成既有蓄热室又有换热器的组合式烟气余热回收装置，因而称之为蓄热-换热组合式玻璃池窑
换热器的热交换原理与通常的气-气式换热器相同，烟气进入换热器后在换热管内通过，助燃空气在管壁外作垂直或逆向流动。烟气通过管壁与助燃空气的热交换，管壁处于稳定态导热。
换热器的设计方法可从专业教科书或设计手册(例如《硅酸盐工业热工过程及装备》)及换热器设计手册)查到。其相关参数，如换热面积、烟气温度、预热温度、烟气与空气的流速等都应该认真确定，而且还必须注意玻璃熔化过程中普遍存在的特点，例如，配合料粉尘的沉降、芒硝蒸汽冷凝等问题及其处理方法。
在组合式池窑中，由于窑体和蓄热室部分的结构和运行过程与现有的蓄热式池窑无异，对专业人员而言，非常熟悉，故不赘述。着重对换热器的运行及其与蓄热式之间的连接作较详细的叙述。
换热器的换热管和壳体的材质，应采用金属材料，而且应与烟气的特征，如温度、温降、流量、化学组成、烟尘的化学特性与物理特点，(例如芒硝蒸气冷凝、亚硫酸的露点、烟气的腐蚀性、烟尘的沉降与堵塞等)相适应。
如果原蓄热式池窑设置有余热锅炉的，可取消余热锅炉，其所空出的平面和空间位置，可以设置换热器。
换热器可根据烟气温度的由高到低，分成一级(段)或二级(二段)，换热器换热元件可以全部采用换热管，也可以高温部分用换热管，低温部分可采用热管。
实施例
本发明以一座日熔化量500吨级实际熔化量为543.7吨的式浮法玻璃熔窑为实施例，结合附图加以说明。其中的附图为：
图1是表示现有蓄热式玻璃池窑和组合式玻璃池窑区别的方框图；
图2是横火焰蓄热式和组合式玻璃池窑相同的横断面图，中心线左侧为分隔式蓄热室池窑的横断面；中心线右侧为连通式蓄热室池窑的横断面；
图3是图2所示的烟道水平断面；
图4是组合式池窑总烟道和换热器的平面布置图以及局部断面图；
图5是组合式池窑的换热器总图和断面图；
图6是组合式池窑的换热器管组图。
参照图1可了解现有蓄热式池窑和组合式池窑的区别及其主要特征是：组合式池窑就是在现有的蓄热式池窑系统中，在烟空交换器与烟囱之间，增设一级或多级换热器。由单一的蓄热式(再生式)烟气余热循环利用，改变成由既有现有的蓄热式(再生式)的烟气循环利用系统，又有换热式的烟气循环利用系统。使组合式玻璃池窑的烟气余热循环利用程度，比蓄热式玻璃池窑有一定程度的提高，烟气温度有明显的降低。进而降低玻璃液的熔化能耗。
参照图2，玻璃池窑本体与现有的蓄热式玻璃池窑相同。即由玻璃熔化窑池1、火焰空间2和6对小炉(燃烧器)3，4组成。
参照图2，蓄热室结构可分为分隔式和连通式两种。中心线左侧为分隔式蓄热室7、分隔式格子体9、格子体下烟道11、助燃空气入口13，空气分支烟道14和分支烟道闸板15(有些分隔式蓄热式池窑采用分支烟道换向器，未在附图画出)。中心线右侧为连通式蓄热室8和格子体下烟道12。
参照图3，总烟道20的中心线上半部为分隔式蓄热室格子体下烟道11、分支烟道14、分支烟道闸板15、左侧支烟道16、左侧烟空气交换器18。中心线下半部为连通式蓄热室格子体下烟道12、右侧支烟道17、右侧烟空交换器19。在总烟道20上设置窑压调节闸板21。
参照图4，以换热器25为主的平面布置图和断面图。在总烟道20设置烟气切断闸板31。在切断闸板的烟气上游和下游，有总烟道烟气进口旁通口22和总烟道出口旁通30。换热器25的烟气进口烟道24设置烟气进口闸板23，换热器25的烟气出口27与烟气排烟机28连接，烟气排烟机出口与烟气出口闸板29以及总烟道烟气进口旁通连接。总烟道20的末端与烟囱32底部连接。A-A断面显示换热器25的横断面，以及换热器助燃空气进口35与助燃风机的连接。
图5示出的换热器25的横断面总图及其各个断面图。B-B断面示出，换热器由换热器垂直隔断板42分隔成第一烟气给热室43和第二烟气给热室44。B-B断面、C-C断面和F-F断面示出由换热器垂直隔断板42和换热器水平隔断板51分隔成四个空气预热室：第1空气预热室39、第2空气预热室45、第3空气预热室40和第4空气预热室47。第一烟气给热室43的底部与换热器烟气进口26连接；第二烟气给热室44的底部与换热器烟气出口27连接。换热器的空气进口35与第1空气预热室39连接；第1空气预热室39与第2空气预热室45之间由第1空气连通罩37连接；第2预热室45与第3空气预热室40由空气上升连通罩连接；第3预热室40与第4空气预热室47由第2空气连通罩38连接。第4空气预热室与换热器的空气出口36连接。
图6示出换热器换热管管组48的结构图。每个管组由若干(例如8×8)根换热管49和上下管板50组成。换热管49的长度为1.5～2.0米。
换热器25的烟气在换热管49中流动时，始终处于垂直方向流动；助燃空气气流经过换热管49之间的间隙流动时，始终呈水平方向。
参照图4、图5和图6，就烟气的流程作以下表述。带箭头的粗断续线表示烟气的流向。来自图3总烟道20的烟气，进入总烟道烟气出口旁通22，再经过换热器烟气进口闸板23，然后进入换热器烟气进口烟道24，经过换热器烟气进口26(图5的B-B断面)，再进入第一烟气给热室4 3的底部，均布进入第一烟气给热室换热管管组48的换热管49管内，沿管内壁向上流动至第一烟气给热室43顶部的烟气连通罩41，汇集转向流至第二烟气给热室44顶部，均布进入第二烟气给热室44，沿换热管49内壁向下流向第二烟气给热室底部，汇集转向换热器烟气出口27，通过烟气排风机28排出，再经过换热器烟气出口闸板29和总烟道进口旁通30后，进入总烟道20，再转入烟囱底部，上升至烟囱出口，排入大气。
参照图4的A-A断面、图5和图6，就空气流程作以下表述。带箭头的粗连续线代表空气的流向。空气鼓风机33将来自大气的空气，通过助燃空气风管34，进入换热器空气入口35，以水平方向进入换热器第1空气预热室39，经过换热管49管间间距时，与第二烟气给热室44下层的换热管管内的烟气作第一次热交换，然后水平流向第一空气连通罩37，再水平转向进入第2空气预热室45，与第一烟气给热室43下层换热管内的烟气作第二次热交换；然后进入空气上升连通罩46，上升至第3空气预热室40(图5E-E和F-F断面)，在第3空气预热室40内，继续与第一烟气给热室43的上层换热管内的烟气作第三次热交换后；再进入第二空气连通罩38，转而进入第4空气预热室47，在第4空气预热室内，与第二烟气给热室44换热管内的烟气作第四次(即最后一次)热交换后，离开第4空气预热室47，通过换热器空气出口36。
助燃空气在换热器中经过四次(即4程)的预热后，空气温度将由常温(25℃)升高250℃，达到275℃。然后通过保温良好的空气连通管道，流向窑下左右两侧的烟空交换器18或19的空气入口，再流向蓄热室格子体下烟道12；(或分支烟道14，或空气入口13)，转向蓄热室格子体下烟道11或12，上升至蓄热室格子体9或10，与格子体的格子砖作热交换，以完成助燃空气在蓄热室内的预热。此时的助燃空气温度将达到1200～1250℃。最后进入小炉3或4与小炉下的喷枪5或6喷出的雾状燃油混和燃烧，在火焰空间形成明亮的高温火焰(实际平均约1800℃)。
火焰与窑池液面的配合料及玻璃熔融体之间，通过以辐射为主的热交换，将熔化过程所需的热量传递给配合料和玻璃熔融体。火焰在火焰空间2中的逗留时间约一秒钟，以完成燃烧和加热的功能。形成火焰明亮的碳微粒必须在火焰空间2中燃烬消失，烟气温度因强烈的热交换由理论燃烧温度而大幅度的下降后，离开火焰空间进入对侧的小炉口。
至此，整个组合式玻璃池窑的结构以及两种组合的烟气余热利用方式，进行两次循环回收利用的全过程，已经作出简要的说明。
本实施例的浮法玻璃燃油的相关参数如下：
熔化能力543.7吨/日；熔化能耗7029千焦/千克；燃油热值41003千焦/千克；燃油耗量96.24吨/日；助燃空气系数1.2(过剩空气为20％)；进系统(换热器)的助燃空气量49660标米3/小时；蓄热室格子体、格子体下、支烟道以及烟空交换器的负压部分漏入的空气系数0.54；总烟道总空气系数1.74；进换热器的烟气量66241标米3/小时；进换热器的烟气温度550℃；进换热器的空气温度25℃；助燃空气预热温升250℃；计算换热器热负荷的安全系数1.2；
按常规的换热器设计计算结果得：
进入换热器的烟气热焙为53.3兆千焦/小时；换热器负荷(即烟气传递给空气的热量)为16.11兆千焦/小时，加上安全系数，设定的换热器热负荷为19.32兆千焦/小时；换热器总换热系数为58.3千焦/(小时·米2·℃)；换热器总换热面积为950米2。助燃空气预热温升250℃，按设定的热负荷，烟气的温降为180℃。
下面是同一座窑为实施例的浮法玻璃池窑的热平衡对比表。熔窑体系包括：由空气鼓风机  起、池窑全部、换热器、直至烟气排烟机出口。
进行热平衡的前提是熔化量、玻璃液潜热、玻璃液显热、窑体表面散热以及其他数值不大的项目无论蓄热式窑还是组合式窑都保持不变。须要进行对比的是燃料热值和烟道烟气显 热两项。这两项在蓄热式窑栏所列的数值都是来自该窑的《热工测定报告)》(1990年九月)。组合式窑栏则是按组合式窑实施例所述内容进行的计算，预计可能达到的数值。
实施例熔窑热量平衡表
单位MkJ/h
    输入部分     蓄热式窑     组合式窑     输出部分     蓄热式窑     组合式窑
    输入体系热量     数值     ％     数值     ％     输出体系热量     数值     ％     数值     ％
    燃料热值     158.3     97.83     141.8     97.6     玻璃液潜热     15.00     9.3     15.00     10.4
    燃油显热     0.98     0.61     0.98     0.67     玻璃液显热     32.17     19.9     32.17     22.3
    助燃空气显熟     0.86     0.53     0.86     0.59     窑体表面散热     37.68     23.3     37.68     26.1
    漏入空气显热     0.47     0.29     0.47     0.29     其他热散失     17.58     10.9     17.58     12.18
    配合料显热     1.20     0.74     1.20     0.83     烟道烟气显熟     53.3     33.0     35.90     24.9
    161.8     100.0     145.3     100.0     其他未计及     6.00     3.7     6.00     4.2
161.7 100 144.3 100.00
    换热式窑与蓄热式窑系统的燃料热值相比减少值     MkJ/h   16.5
    换热式窑与蓄热式窑系统的燃料热值相比减少比例     ％   10.4
    换热式窑与蓄热式窑系统的烟道烟气显热相比减少值     MkJ/h   17.4
    换热式窑与蓄热式窑系统的烟道烟气显热相比减少比例     ％   10.76
按热平衡表的结合设计计算的静态的热平衡分析，由换热器的预热，助燃空气返回池窑系统的热焓16.11兆千焦/小时，占烟气进入换热器的热焓的30.1％，烟气还有近70％的热焓未被利用，潜力很大。250℃的空气热焓16.11兆千焦/小时，相当于燃油393公斤/小时。是池窑燃料消耗3860公斤/小时的10.2％。平衡表中，蓄热式和组合式的燃料热值差值为16.5兆千焦/小时，相当于燃油402公斤/小时。此差值就是因为组合式窑的助燃空气返回池窑系统的热焓。表明热平衡表具有参考价值。助燃空气先在换热器中预热，温升250℃，对节能降耗和降低成本就已经相当可观的，何况烟气的热焓还有70％末被利用。
从动态的传热角度分析，在本实施例的测定结果表明，经过蓄热室预热的空气温升为1000℃。加上助燃空气经过换热器先预热250℃后再进入蓄热室继续预热，则预计助燃空气的全预热过程的温升，可望达到1200～1250℃，与国外Ford Motor的浮法玻璃池窑，仅有蓄热室的预热，助燃空气温度实测为1150℃相比(见M.Q.McQUAY：The Effect of Rebuild on theCombustion Performance of an Industrial Gas-Fired Flat GlassFurenace.Combust.Sci.and Tech.，2000，Vol.150，pp.77-97)，可以认为，组合式玻璃池窑的助燃空气的预热温度达到1200～1250℃是可能的。
随着助燃空气预热温度的提高，火焰燃烧温度也随之提高.组合式玻璃池窑的空气预热温度比现有的蓄热式的助燃空气温度提高250℃，可提高火焰的理论燃烧温度180℃，若高温系数为0.60，则实际平均温度可提高110℃.即实际火焰温度，将从1680提高到1790℃。因为火焰空间火焰对玻璃液面以辐射传热方式的传热量约热量的85-90％，而辐射传热量与火焰绝对温度成4次方的正比关系，从而将以大幅度的增加玻璃液面接受到的热量.如果还维持额定的熔化量，则必将减少入窑的燃料量而节省入窑燃料量；如果维持原来的入窑燃料量，则必将提高熔窑的熔化能力，加大玻璃板成型拉引量，从而减少窑体比散热量(玻璃熔化能耗中窑体散热的份额)，而降低单位重量玻璃液的熔化能耗.
因此，组合式玻璃池窑是用两种不同的烟气余热回收方法，在两个温度范围内，在同一个系统中循环利用，可以构成最大限度的烟气余热循环利用，助燃空气的预热温度得到提高，使玻璃熔化过程的能源消耗在现有水平上有较大幅度的降低。前景是可观的。至于能够达到何等水平，还有待于不断的循环实践和提高。

Claims (1)

1.蓄热-换热组合式玻璃池窑除含有一个玻璃窑池(1)、一个火焰空间(2)、一对或多对小炉(3、4)、每对小炉均配置的2～4支燃油或燃气喷枪(5、6)、蓄热室(7、8)、支烟道(16、17)、烟空交换器(18、19)、总烟道(20)、和烟囱(32)、空气鼓风机(33)和烟气排烟机(28)等，(余热锅炉取消)与现有技术-蓄热式池窑共有的技术特征以外，在现有技术的烟空交换器(18、19)和烟囱(32)之间，还与总烟道(20)并联设置一座烟气-空气换热器，即换热器(25)，蓄热室与换热器组合为一个完整的烟气余热循环利用装置。
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