郭勇 趙偉 李亞霖
(河南奧克金泰窯爐技術(shù)有限公司 安陽 455000)
全氧燃燒(又稱為純氧燃燒)技術(shù)的燃燒模式為燃料+氧氣,摒棄了空氣助燃技術(shù)中氮?dú)鈳淼哪芎倪^高、NOX污染因素的環(huán)節(jié)。隨著制氧技術(shù)的發(fā)展及電力成本的降低,由氧氣+燃料組成的純氧燃燒技術(shù)在玻璃熔窯中成為取代由空氣、燃料組成的常規(guī)燃燒方式的更好的選擇方案,這是因?yàn)榧冄跞紵诃h(huán)保、節(jié)能、產(chǎn)量、質(zhì)量、減少設(shè)備投資和節(jié)省廠房場(chǎng)地等諸多方面均有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。
由于純氧燃燒技術(shù)在玻璃窯爐上應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)日益明顯,對(duì)純氧燃燒技術(shù)研究和應(yīng)用已逐步在國內(nèi)展開。2001年起,隨著國內(nèi)第一座CRT全氧燃燒窯爐的誕生,一些有前瞻性的企業(yè)和機(jī)構(gòu)看到了未來燃燒技術(shù)的新的發(fā)展方向,開始不斷加大關(guān)注及投入的力度。
在中國,隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,能源和環(huán)境保護(hù)的問題愈加突出,綠色經(jīng)濟(jì)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、碳中和、碳達(dá)峰正在成為經(jīng)濟(jì)生活中的一種潮流。工信部早在《平板玻璃工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中就明確提出要大力推廣全氧燃燒技術(shù)的應(yīng)用?!吨腥A人民共和國國家發(fā)展和改革委員會(huì)2019年第29號(hào)令》中明確鼓勵(lì)節(jié)能環(huán)保型窯爐(含全氧燃燒技術(shù))的推廣和使用。從2001年到現(xiàn)在的20多年的時(shí)間里,全氧燃燒技術(shù)在眾多高溫燃燒領(lǐng)域取得了飛速的發(fā)展。在玻璃行業(yè),無論是日用玻璃還是特種玻璃領(lǐng)域,均得到完美的應(yīng)用。
首先,全氧燃燒玻璃窯爐相比傳統(tǒng)的空氣助燃窯爐,沒有了體積巨大、耐材用量超多的蓄熱室,取而代之的是結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單的煙道。
其次,大碹部分的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)有本質(zhì)的區(qū)別。傳統(tǒng)空氣助燃窯爐的大碹以硅磚為最多,多以咬碴砌筑為主,硅磚厚度300~500 mm為多,泥縫在1~2 mm。全氧燃燒窯爐則多以電熔磚作為大碹的主要材料,材料以電熔AZS、a-b、b為多,采用預(yù)組裝模式,單環(huán)不咬碴,干砌無泥縫。
由于多數(shù)的日用玻璃均屬有堿組分,而全氧燃燒窯爐的燃燒尾氣中的水蒸氣濃度是普通空氣助燃窯爐的7~8倍以上,火焰空間和煙道部位極易形成堿性氣氛和堿液,對(duì)傳統(tǒng)的硅磚等酸性材料的侵蝕更加厲害。所以火焰空間的耐火材料多選用中性或堿性的材料,如:熔鑄AZS、a-b、b、燒結(jié)AZS、鋯莫來石、剛玉莫來石、鉻剛玉等。砌筑方式以干砌和傳統(tǒng)砌筑相結(jié)合,這對(duì)膨脹量設(shè)計(jì)、砌筑的把控上提出了新的要求。
作為近年來一項(xiàng)新興的技術(shù),目前國內(nèi)完全掌握全氧燃燒窯爐的設(shè)計(jì)、耐材選擇、預(yù)組裝、窯爐砌筑、烤窯裝料、熱保的技術(shù)團(tuán)隊(duì)還是比較少的,國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也處于擬定起草的階段。近年來各地運(yùn)行的全氧燃燒窯爐也出了一些事故,走了一些彎路。
目前全氧燃燒玻璃窯爐出現(xiàn)的主要問題有:
①玻璃質(zhì)量不能滿足設(shè)計(jì)要求;
②能耗水平不能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo);
③窯爐壽命短,不能達(dá)到經(jīng)濟(jì)型目標(biāo);
④環(huán)保方面,個(gè)別項(xiàng)目NOX達(dá)標(biāo)困難;
⑤生產(chǎn)安全方面,有發(fā)生爆炸事件、回火燃燒到閥組等現(xiàn)象;
⑥窯爐安全方面:大碹垮塌;池壁、流液洞、加料口漏料;胸墻燒穿;池底漏料。
在窯爐的施工方面,僅對(duì)大碹等差異部位的施工做出闡述。
相比傳統(tǒng)的空氣助燃窯爐,全氧燃燒窯爐的大碹為干砌、無泥縫,不咬碴結(jié)構(gòu),所以一旦出現(xiàn)問題,對(duì)窯爐來講就是致命的。從對(duì)窯爐安全性的排名看,出現(xiàn)問題的嚴(yán)重性排名依次為:
①大碹垮塌、池底漏料;
②池壁、流液洞、加料口、工作池或分配料道漏料;
③山墻、胸墻、煙道、掛鉤穿火;
④料道、供料機(jī)侵蝕、漏料。
在大碹的處理上,干砌的大碹在磚材和鋼結(jié)構(gòu)上的特殊性決定其任何部位出現(xiàn)問題幾乎不可修補(bǔ)。所以全氧燃燒窯爐大碹的砌筑顯得更加關(guān)鍵,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。
全氧燃燒窯爐的鋼結(jié)構(gòu)主要作用是支持和固定耐火材料,與傳統(tǒng)的空氣助燃窯爐沒有本質(zhì)的區(qū)別。只是在大碹碹腳的安裝、調(diào)整上由于其大尺寸單環(huán)碹不咬碴砌筑的特點(diǎn),通常有單獨(dú)調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu),窯爐的其它部分的鋼結(jié)構(gòu)處理方法上基本相同。
雖然熔鑄材料的體積密度較大,但大碹的設(shè)計(jì)上厚度相比硅磚更薄,同時(shí)大碹的跨度要小一些,所以同等規(guī)模的窯爐大碹的總體重量上全氧燃燒窯爐和傳統(tǒng)空氣助燃窯爐相差不多,這也決定了立柱、后座樑的選材上不用特別的加大設(shè)計(jì)。
由于多數(shù)的全氧燃燒窯爐的胸墻和大碹是獨(dú)立的結(jié)構(gòu),且立柱間距不是很大,所以胸墻托板及下巴掌鐵相比傳統(tǒng)空氣助燃窯爐也沒有增大。
由于鋼結(jié)構(gòu)選型問題或烤窯過程中鋼結(jié)構(gòu)調(diào)整問題造成的立柱變形、頂絲彎曲等問題,與傳統(tǒng)窯爐的處理方法沒有區(qū)別。
由于全氧燃燒玻璃窯爐的大碹多采用熔鑄材料、干砌的原因,其在砌筑時(shí)與現(xiàn)有硅磚大碹的帶泥砌筑有較大的區(qū)別。電熔材料大碹的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 電熔材料大碹的典型結(jié)構(gòu)
為保證每環(huán)之間的一致性(弧度、拱高、跨度),要求耐材生產(chǎn)廠家必須在工廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)組裝,在預(yù)組裝時(shí)對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行必要的修整。達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,在磚材的指定位置噴涂合縫標(biāo)記,并做大碹組裝的數(shù)據(jù)記錄。
預(yù)組裝的工作非常重要,一般由經(jīng)驗(yàn)豐富的組裝工完成。組裝時(shí)應(yīng)使用專用工具,避免在組裝過程中磚材的磕碰。
預(yù)組裝在組裝平臺(tái)上完成。組裝平臺(tái)需具有平臺(tái)、夾緊裝置、支撐裝置、組裝碹胎等。
組裝用碹胎是耐材廠家預(yù)組裝使用的重要工具,也是工程施工時(shí)大碹砌筑的重要工具。一般組裝和砌筑使用一套相同的碹胎,避免因碹胎不同造成的砌筑吻合性不好。常見的碹胎有鋼碹胎、木碹胎和土石碹胎。無論哪一種碹胎均應(yīng)保證其可靠性、穩(wěn)定性。
施工人員在大碹砌筑時(shí),應(yīng)根據(jù)耐材廠家提供的預(yù)組裝數(shù)據(jù)進(jìn)行砌筑。保證砌筑質(zhì)量的第一步是碹胎安裝,保證橫平豎直。安裝每一環(huán)最后一塊鎖磚時(shí),要保證每一環(huán)的間隙相同,一致的落高尺寸(大碹砌筑時(shí),撤出碹胎后大碹拱高的下落高度)才能保證拱高的一致性。圖2為大碹砌筑時(shí)對(duì)重要尺寸的要求說明。
高校的大型儀器設(shè)備應(yīng)用廣泛,國有資產(chǎn)管理部門在做好基本管理的同時(shí),還應(yīng)該加強(qiáng)學(xué)校內(nèi)部各個(gè)部門之間,各個(gè)高校之間的大型儀器設(shè)備的共享機(jī)制。國內(nèi)已有部分高校推行了大型儀器設(shè)備共享試點(diǎn),在滿足本校教學(xué)科研任務(wù)的同時(shí),也對(duì)校外開放,提高大型儀器設(shè)備的利用率,實(shí)現(xiàn)資源共享,達(dá)到了“以機(jī)養(yǎng)機(jī)”的效果。
圖2 大碹砌筑時(shí)對(duì)重要尺寸的要求說明
目前的全氧燃燒窯爐多以熱風(fēng)烤窯為主。個(gè)別也有直接使用全氧燃燒器升溫的,這種情況多為小規(guī)模窯爐,不具有普遍性。熱風(fēng)烤窯也被稱之為快速烤窯,使用專用的烤窯器,將經(jīng)過火焰加熱的過量助燃風(fēng)吹入窯爐。這種技術(shù)上世紀(jì)60年代在美國興起,我國在80年代中后期引入該技術(shù),并在很短的時(shí)間內(nèi)獲得了廣泛的推廣應(yīng)用。
熱風(fēng)烤窯主要設(shè)備:烤窯器多把;配套風(fēng)機(jī);控制柜;燃燒器槍前組件(穩(wěn)壓閥、球閥、調(diào)整用針閥、逆止閥、流量計(jì));配套熱電偶、導(dǎo)線;便攜式窯壓測(cè)量?jī)x;手持紅外線測(cè)溫儀(高低溫各一臺(tái));水銀溫度計(jì)??靖G工具:調(diào)整頂絲、拉條扳手(或管鉗);加力桿;木槌;潤滑油;手電;記號(hào)筆;標(biāo)尺;鐵絲、鐵鏈;高溫毯;焊機(jī);氣割;鐵鉤。熱風(fēng)烤窯布置示意見圖3。
與傳統(tǒng)的烤窯方式相比,熱風(fēng)烤窯技術(shù)有以下特點(diǎn):
①烤窯溫度均勻,各部位膨脹均勻;②升溫快,節(jié)省時(shí)間和燃料;③升溫速度控制精準(zhǔn),可達(dá)到±2.5 ℃;④烤窯設(shè)備可重復(fù)利用;⑤過大火穩(wěn)定;⑥正壓烤窯,避免冷空氣進(jìn)入導(dǎo)致磚材炸裂;⑦窯爐安全有保障;⑧更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
有別于傳統(tǒng)窯爐,鋼結(jié)構(gòu)的調(diào)整主要集中在大碹的鋼結(jié)構(gòu)部分,大碹的調(diào)整有拉條松緊及頂絲調(diào)整兩種方式,這主要取決于窯爐設(shè)計(jì)方根據(jù)窯爐跨度大小和材料的選擇所采取的立柱緊固方式。
鋼結(jié)構(gòu)的調(diào)整要嚴(yán)格執(zhí)行烤窯計(jì)劃,根據(jù)不同部位、不同耐材的特性結(jié)合升溫曲線進(jìn)行調(diào)整。原則上保證勤調(diào)、少調(diào)。結(jié)合烤窯工對(duì)拉條和頂絲松緊的手感經(jīng)驗(yàn),保證鋼結(jié)構(gòu)的松緊程度與耐材膨脹幅度的匹配。
大碹的鋼結(jié)構(gòu)調(diào)整,要結(jié)合拱高數(shù)據(jù)和大碹上部開裂程度進(jìn)行調(diào)整,保證最終大碹磚為略微上開口,開口寬度最好控制在0~3 mm。注意烤窯升溫時(shí)碹磚下開口會(huì)導(dǎo)致大碹的受力點(diǎn)集中在上部,極容易造成大碹垮塌。圖4為兩種常見的大碹支撐用鋼結(jié)構(gòu)示意。
圖4 兩種常見的大碹支撐用鋼結(jié)構(gòu)
大碹的調(diào)整以大碹拱起量和上開口數(shù)據(jù)綜合評(píng)判,以烤窯結(jié)束后鋼結(jié)構(gòu)定型時(shí)的大碹上部開口量作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)耐火材料的選擇,制定升溫曲線。需要注意的幾個(gè)節(jié)點(diǎn):排除水分階段、過大火階段、耐材收縮及鋼結(jié)構(gòu)定型階段等。
窯爐內(nèi)部的水的來源主要有以下幾個(gè)方面:電熔磚加工時(shí)的冷卻水;窯爐砌筑時(shí)泥料中的水;搗打料、澆注料中的水;天氣潮濕,耐火材料吸收的潮氣。
不同的窯爐,因所處的地理位置不同、砌筑的時(shí)間不同、砌筑完成與烤窯間隔不同、在排水階段的表現(xiàn)不同,需要現(xiàn)場(chǎng)工作人員密切關(guān)注,甚至有項(xiàng)目在300 ℃時(shí)出現(xiàn)大量排水的情況,出現(xiàn)這種情況應(yīng)及時(shí)對(duì)烤窯計(jì)劃做出相應(yīng)的調(diào)整。
(2)1000 ℃(±50 ℃)為常規(guī)過大火階段(也有稱之為過本火)。是將熱風(fēng)烤窯器加熱升溫切換到全氧燃燒器加熱升溫的過程,一般會(huì)考慮4 h的切換時(shí)間。切換時(shí),應(yīng)注意煙氣量大幅下降后窯內(nèi)氣氛的變化,操作人員應(yīng)密切監(jiān)視窯壓的變化并及時(shí)調(diào)整。切換本火后,由于全氧燃燒燒槍的排布問題,多只燒槍的情況下盡量考慮窯爐溫度的均衡,避免局部溫度過高或過低,影響窯爐的整體膨脹。
(3)1300~1350 ℃為鋼結(jié)構(gòu)定型、鋯質(zhì)密封料燒結(jié)階段(部分熔鑄材料在此期間有一個(gè)明顯的收縮階段,鋼結(jié)構(gòu)調(diào)整時(shí)必須密切關(guān)注)。一般計(jì)劃保溫8 h。鋼結(jié)構(gòu)在此之后基本定型,除個(gè)別部位外鋼結(jié)構(gòu)不再做出調(diào)整。
(4)1350~1600 ℃為投料階段(根據(jù)不同的產(chǎn)品決定)。前期采用碎玻璃投料,有人工推料和吹料模式。當(dāng)液位升至距生產(chǎn)液位300 mm時(shí),可切換加料機(jī)加料并考慮由全碎玻璃改為碎玻璃加粉料的配合料模式,以便盡早正常生產(chǎn)。
(5)部分窯爐投產(chǎn)前會(huì)安排一定時(shí)間的悶料,通常在8 h左右。也有部分廠家不經(jīng)過悶料階段直接出料生產(chǎn)。
升溫速度的制定需要考慮窯爐主要材料的膨脹特性。在關(guān)鍵點(diǎn)要保證升溫的穩(wěn)定,并且給鋼結(jié)構(gòu)調(diào)整留出充足的時(shí)間。
烤窯時(shí),現(xiàn)場(chǎng)的工程師要根據(jù)具體情況,及時(shí)調(diào)整烤窯進(jìn)度。
2011年某個(gè)項(xiàng)目,由于熱電偶分度連接錯(cuò)誤,造成窯爐顯示溫度與實(shí)際溫度發(fā)生較大偏差,直接表現(xiàn)為多數(shù)拉條鎖死無法松動(dòng),大碹持續(xù)上漲。這時(shí)采取的措施是,停止升溫保溫36 h,加強(qiáng)裸露耐火材料的保溫,待溫度一致后繼續(xù)升溫。
2021年,某工廠使用小廠生產(chǎn)的電熔材料,由于其質(zhì)量不過關(guān),大碹在膨脹時(shí)與理論曲線相差很大。最后在現(xiàn)場(chǎng)工程師的精密監(jiān)控指導(dǎo)下,多次調(diào)整升溫計(jì)劃,最后基本達(dá)成烤窯目標(biāo)。
2018年某項(xiàng)目,由于工廠地處南方,且窯爐砌筑結(jié)束后直接烤窯,高于200 ℃時(shí)窯爐底部排水量很大。通過保溫延長(zhǎng)排水時(shí)間后解決。
(1)膨脹縫的處理
全氧燃燒窯爐的燒結(jié)材料和保溫材料的處理與傳統(tǒng)窯爐基本相同。本文主要特指熔鑄材料的膨脹縫的處理。
不同的設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)熔鑄材料的結(jié)構(gòu)時(shí)均應(yīng)充分考慮材料的膨脹特點(diǎn),在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留合適的余量。余量太大,烤窯結(jié)束時(shí)不容易漲死,處理起來比較困難,窯爐長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)容易在此處穿火;預(yù)留膨脹量太小,烤窯時(shí)容易漲死,嚴(yán)重的可能會(huì)拱起,甚至引起磚材損壞,后期熱處理會(huì)更加困難。
作為施工單位,為處理好膨脹縫,應(yīng)在材料的選擇、施工順序、處理的節(jié)點(diǎn)上予以重點(diǎn)關(guān)注。
(2)保溫涂料
作為窯爐保溫的最后一道屏障,保溫涂料的應(yīng)用具有非常重要的作用。保溫涂料運(yùn)用得當(dāng),對(duì)窯爐的節(jié)能有非常明顯的作用。
目前市場(chǎng)上的保溫涂料由于過度競(jìng)爭(zhēng),質(zhì)量和價(jià)格參差不齊。
保溫涂料施工時(shí)應(yīng)在窯爐加料完成后進(jìn)行,此時(shí)窯爐鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成定型,不再有較大的變化,保溫涂料施工后會(huì)相對(duì)穩(wěn)定,可以達(dá)到預(yù)期的目的。
施工關(guān)注點(diǎn):除了大面積的覆蓋外,側(cè)面咬碴處的覆蓋同樣重要;立面施工時(shí),應(yīng)多次涂抹;施工厚度,根據(jù)設(shè)計(jì)方要求及保溫涂料的品質(zhì),一般在30~150 mm。
由于全氧燃燒窯爐的煙氣中的水蒸氣濃度相比傳統(tǒng)的空氣助燃的窯爐要高很多,所以玻璃表面的黏度相對(duì)會(huì)更小。加之為提高熔化率,局部溫度偏高。窯爐在后期的運(yùn)維過程中特別需要關(guān)注池壁磚磚縫的滲玻璃現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)問題要及早解決,避免發(fā)生事故。
對(duì)于全氧燃燒窯爐來講,由于火焰空間多采用熔鑄耐火材料干砌。所以其在烤窯時(shí)對(duì)膨脹縫的處理、鋼結(jié)構(gòu)的調(diào)整上提出了更高的要求。雖然熱風(fēng)烤窯在使用大風(fēng)量助燃時(shí),窯爐內(nèi)部的溫度會(huì)相對(duì)均衡。但是,隨著特種玻璃窯爐的不斷發(fā)展,其對(duì)窯爐砌筑、烤窯技術(shù)提出了更高的要求。
(1)布置更多的烤窯器
根據(jù)窯爐的結(jié)構(gòu),為獲得更加均衡的溫度,通常會(huì)在窯爐的更多部位安裝更多的烤窯器,結(jié)合測(cè)溫點(diǎn)的信息對(duì)烤窯器做單獨(dú)調(diào)整,以期獲得更均勻的升溫?cái)?shù)據(jù)。
(2)自動(dòng)控制系統(tǒng)
新型的烤窯系統(tǒng),采用了更多的檢測(cè)點(diǎn)(包括更密集的熱電偶、窯壓、光學(xué)高溫計(jì)),來保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。
自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)系統(tǒng)收集到的窯爐各部位數(shù)據(jù),對(duì)不同位置的烤窯器的燃料用量及風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)目標(biāo)溫度超出設(shè)定的升溫計(jì)劃時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào),現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行人為干預(yù)。
(1)電極涂層的應(yīng)用
原有的鉬電極通常是在玻璃液位到達(dá)預(yù)定位置后才開始將電極推送到位。但是作為板狀電極、蘑菇頭電極是必須預(yù)裝在窯爐或料道內(nèi)部的,以前的做法是玻璃纖維布加水玻璃覆蓋,但是這樣有一定的風(fēng)險(xiǎn)。也有項(xiàng)目是在烤窯前即將碎玻璃裝滿窯爐,這樣的好處是可以完美地保護(hù)電極不受氧化,缺點(diǎn)是烤窯時(shí)間偏長(zhǎng),成本無法有效控制。
在高溫涂層技術(shù)到來時(shí),這些問題均迎刃而解。目前國內(nèi)已有不少企業(yè)掌握了電極的高溫涂層技術(shù),為特種玻璃窯爐的發(fā)展提供了更多的選擇。
(2)耐火材料內(nèi)部涂層的應(yīng)用
窯爐內(nèi)部涂層技術(shù)是近年來發(fā)展起來的,主要是采用納米分子材料對(duì)窯爐內(nèi)部(主要是窯爐火焰空間耐材)進(jìn)行噴涂,起到增大熱反射能力、增加耐火材料表面致密度、降低侵蝕速度、延長(zhǎng)窯爐壽命的作用。
目前已知有硅質(zhì)、剛玉質(zhì)、鋯剛玉質(zhì)、鋁硅質(zhì)的噴涂材料用于生產(chǎn)實(shí)踐中。
歷史在發(fā)展,技術(shù)在進(jìn)步。隨著越來越多的有識(shí)之士投入全氧燃燒技術(shù)領(lǐng)域,全氧燃燒窯爐在玻璃行業(yè)一定會(huì)得到更快發(fā)展,也會(huì)催生更多先進(jìn)技術(shù)和裝備的應(yīng)用。更低的能耗、更低的排放、更好的產(chǎn)品質(zhì)量、更好的經(jīng)濟(jì)效益、更長(zhǎng)的窯爐壽命、更合理的建造和運(yùn)營費(fèi)用,是行業(yè)不斷追求的目標(biāo)。