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    玻璃熔窯蓄熱室耐火材料的選擇

    發布日期:2022-07-11 16:52:40

    0引言

    現代大型玻璃熔窯,如浮法玻璃熔窯,目前都使用蓄熱室來回收熱量,它是周期性換向工況不穩定的熱交換裝置。蓄熱室的三大優點:廢氣和空氣之間無需氣密性分隔;空氣的預熱溫度很高(1100~1300℃);從廢氣中回收的熱量相當高,回收熱量高的可以高達60%~70%。蓄熱室性能的優劣很大程度上取決于耐火材料的選擇及其砌筑是否合理、匹配是否得當,它對玻璃質量、能源消耗、熔窯壽命和產品成本起著重要的作用,必須重視蓄熱室耐火材料的選材及配置。

    1 蓄熱室的溫度和環境條件

    當蓄熱室結構與操作參數中的格子體總高H和上、下部溫度t1、t0確定之后(見圖1),可按以下公式估算出任一層面處的煙氣溫度ti,以此作為耐火材料選擇的依據之一。

    蓄熱室的環境特征如表1所示,因此,蓄熱室耐火材料的選擇應滿足以下使用條件:

    (1)溫度循環變化;

    (2)氧化∕還原效應;

    (3)固體飛料侵蝕;

    (4)揮發性飛料和凝聚物的作用。

    對于格子體耐火材料還需具備良好的熱交換值,以滿足格子體熱效率的需要。

    2 耐火材料的合理選擇

    2.1格子體上層

    蓄熱室內每米溫降一般在80~100℃,格子體頂部溫度最高達到1380~1400℃。在1300℃以上溫度的格子體上層,宜選用直接結合高純鎂磚,該磚采用高純電熔砂高溫燒成(1780~1800℃),CaO、SiO2和Fe2O3含量低,方鎂石直接結合,氣相、液相難以進入磚內,磚體抗侵蝕性強可減少表面粘結粉料發生封頂現象。

    由于飛料中的SiO2會逐漸進入磚體龜裂縫中并改變基質部分CaO/SiO2比值,形成低熔相透輝石CMS2、鎂方柱石C2MS2、鎂橄欖石M2S及鎂薔薇輝石C3MS2等,產生較大體積效應,方鎂石晶體在堿蒸氣的作用下也可逐漸長大,致使磚體開裂破碎與剝落,縮短磚體使用壽命。

    其化學反應式與體積效應如下:

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    此外,若重油中的V2O5濃度較高,與鎂磚中的CaO會發生以下反應:

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    在非弱還原氣氛下礬酸鈣呈液相,滲入磚內促使方鎂石晶體長大,也會導致磚體變形。

    目前,國內浮法玻璃熔窯玻璃配合料中石英砂顆粒小于0.1mm的超細粉占比多,不少廠家不使用顆粒純堿(重堿),粒度也較細。因此,在靠投料口的1#、2#小爐位置蓄熱室格子體上層,最好使用4~5行燒結鋯莫來石磚(見表2),可抗SiO2質飛料的侵蝕,防止難以進行維修清除的“結瘤”沾掛堵塞格子孔。

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    表2  幾種格子體耐火材料的性能

    2.1格子體中層

    格子體中層溫度約800~1100℃,可選用鎂鉻質、鎂橄欖石質和鎂鋁質耐火材料。鎂鋁質材料抗硫酸鹽侵蝕性強,但價格昂貴,國內目前尚未普遍采用這種耐火材料。而鎂橄欖石磚的使用溫度不宜超過1050℃,應用于中層的低溫區。

    格子體中層存在硫酸鹽反復液化、固化的現象,這是重油中含有殘留的V2O5碳鏈裂化催化劑,使煙氣中SO2變成SO3對格子體耐火材料逐漸侵蝕而形成的,其固化膨脹可對磚體組織結構產生相應的應力脆變損壞。其化學反應式如下:

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    在1000℃以上,硫酸鹽會與MgSO4反應生成NaxMg(yS2O2)2,反應的劇烈程度隨Na2O/SO3比值增大而加劇。為了提高鎂鉻磚抗侵蝕性能,應盡可能提高其Cr2O3含量,并提高礦相的直接結合程度,使鉻尖晶石包裹方鎂石顆粒,可以延長其使用壽命。

    2.1格子體下層及其他部位

    格子體下層溫度800℃以下,化學侵蝕較弱,但一個蓄熱室格子體的總重至少40~50t,格子體低層的單位負荷高達8~10t/m2。此外,還有使用火焰法對格子體進行燒熔清掃的需要。因而,宜采用抗蠕變能力強,抗熱震性好的優質低氣孔率黏土磚。為防止堿性磚與黏土磚之間的接觸反應,可以在格子體中、下層之間用高鋁磚作過渡層。

    蓄熱室其他部位包括碹頂、側墻和爐條碹等部位,這些部位耐火材料的侵蝕相對較弱。一般的蓄熱室碹頂采用優質硅磚,側墻分三部分,格子體上部空間蓄熱室墻用優質硅磚,目標墻也可采用直接結合鎂鉻磚,從爐條以上至格子體頂面高度的部分,較好的方案是采用與同一高度區段格子體相同的材質,可以延長墻體的使用壽命。另一種方案是上段選用比相

    應格子體材質低一級的堿性磚或直接結合鎂鉻磚,中段采用直接結合鎂鉻磚,下段用低氣孔率黏土磚,爐條以下可選用一級黏土磚,爐條碹一般選用低氣孔率黏土磚,也可采用熔鑄AZS材質,加黏土質護條碹。

    3 格子體的結構形式

    在玻璃熔窯中蓄熱室格子體通常以直形磚作西門子式和編籃式排列。然而,格子孔時常被堵塞,堵塞嚴重時采取熱修調換格子磚等措施,熱修條件十分惡劣,勞動強度極大。采用八角筒形磚取代原直形磚,格子體呈煙囪式不易堵塞,在整個窯期內無需熱修,只要定期檢查,若有少量堵塞,在格子體下部由下向上采取火焰法燒熔清掃即可。

    大型玻璃熔窯重要的節能技術之一即推廣使用筒形格子磚。八角筒形格子磚保留了原直形磚的理化性能,并且砌筑方便,磚體上下對齊基本無自由懸掛部分,結構穩定,單位體積格子體受熱面積高,使用壽命長而日益受到重視。筒形磚的壁厚可以減薄至40mm,既減輕單位格子體的重量,又增加了熱傳導性。筒形格子體造價比編籃式格子體約高15%,比十字形格子體約低15%。但在節能上,筒形格子體與十字形格子體相差不大,編籃式格子體熱耗每年增加1%~2%,筒形格子體熱耗每年增加約0.5%,由于“老化”減緩而節約大量能源。

    在蓄熱室結構設計中,應特別注意筒形格子磚與爐條碹的連接方式,在筒形格子磚與爐條碹之間應采用直條磚西門子排列方式過渡,高度1m左右。這樣格子孔才能上下順暢相通,并改善氣體進入筒形格子體分布的均勻性,充分發揮筒形格子磚的優越性,提高玻璃熔窯熱效率。

    4 國外玻璃熔窯蓄熱室格子體材料的選用情況

    為了避免“鉻公害”問題,防止污染環境,已限制并逐漸減少鎂鉻質耐火材料在格子體上使用。其中采用的耐侵蝕的熔鑄十字形格子磚,與燒結格子磚相比,具有熱容量大,導熱系數高和壁薄的特點,能獲得最高的熱交換效率,如圖2所示。

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    圖2  格子磚的熱交換量(a)及熱容量(b

    世界五大平板玻璃企業中,英國皮爾金頓公司于1959年發明創立了玻璃浮法工藝技術,其浮法玻璃熔窯技術水平較先進,熔窯壽命長達10年以上,能耗低熱效率高。

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    圖3是該公司某座700噸/日浮法玻璃熔窯蓄熱室格子體耐火材料的磚型、總體配置情況,各對蓄熱室的溫度、格子孔尺寸大小和格子體侵蝕環境有一定的差別,格子體的材質及配置也不盡相同,材料的化學成分見表3,經過10年窯齡的運行以及拆窯觀察,表明6對箱形蓄熱室都滿足了設計要求。

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    圖3PB窯蓄熱室格子體的總體配置

    5 結語

    目前,國內玻璃熔窯蓄熱室已逐步由傳統的上升道結構改為箱形分隔式或連通式結構。進一步加強蓄熱室耐火材料合理選材、分區配置使用研究及新品種的研制工作,可以滿足提高蓄熱室效能與使命壽命的要求。對于國內玻璃熔窯高質量玻璃的生產以及早日實現低能耗、高熱效率、大噸位規模和窯齡長的發展目標具有重要意義。

    中國建筑材料科學研究總院瑞泰科技股份有限公司



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