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玻璃熔窯保溫材料的選擇及新型玻璃窯用保溫材料介紹

通過對各類浮法玻璃熔窯保溫材料的了解,依據保溫材料的選取原則,明確玻璃熔窯傳熱機理后,再利用計算機軟件輔助,得到材料的傳熱系數、冷面溫度和熱面溫度的曲線圖。將目前涌現的幾種新型保溫材料與傳統保溫材料進行比較,對比分析證明,采用新型保溫材料在節能效果和經濟性方面取得效果。
0前言
國內浮法玻璃市場競爭激烈,國家對節能環保要求不斷提高。熔窯作為浮法玻璃生產的三大熱工設備 之一,進入玻璃熔窯的熱量約有30%左右消耗在窯體散熱上,這不僅造成能源的浪費,而且惡化了生產操作環境,因此,熔窯保溫已成為玻璃行業行之有效的節能手段之一。熔窯保溫不僅可以大大減少窯體向外界的散熱,而且可以增加窯體的熱容量,提高火焰溫度,提高熔化率和改善玻璃質量;同時也降低能耗,節約燃料,從而可以降低生產成本,節約資金,最終提高企業的市場競爭力。
目前熔窯的保溫技術主要是從熔窯的結構設計及保溫材料的選擇等方面著手,其中,保溫材料的選擇對熔窯保溫具有舉足輕重的作用。近幾十年來關于熔窯隔熱保溫材料的研發有很大的進展,本文重點對幾類玻璃熔窯隔熱保溫材料與傳統保溫材料進行對比分析。
1、熔窯保溫材料選取的原則
由于熔窯保溫材料所處的環境較惡劣,所以選取保溫材料應遵循以下幾點原則:
(1) 具有良好的保溫性能,即導熱系數入矣λ≤0.14W/(m·K)(350K);
(2) 具有一定的耐火度,特別是在復合保溫下,各保溫層應能滿足界面溫度的要求,否則會極大影響保 溫性能,甚至失效;
(3) 具有高溫穩定性,能夠保證在使用溫度條件下不粉化、不脫落;
(4) 具有較好的化學穩定性,使用過程中不得被侵蝕或腐蝕本體結構,且可固定貼合耐火材料;
(5) 具有一定抗沖擊強度和較輕的自重;
(6) 材料配置方案應具有經濟性。
熔窯的大碹頂、池底、池壁等是散熱最多的部位,總計占整個熔窯窯體散熱的85%左右,而窯體表面傳熱方式為對流換熱與輻射傳熱,這跟窯體的表面溫度和環境溫度有關,窯體的表面溫度與外界環境的溫差越小,散熱損失就越低。因此,為了實現保溫節能的目的,必須降低窯體表面的溫度。而保溫后的窯體表面溫度的降低與保溫材料物性有很大關系,尤其是保溫材料的導熱系數,兩者呈正相關的關系。
2、熔窯保溫材料的分類及新型保溫材料的介紹
根據熔窯保溫材料的發展歷程,可以分為很早已開發出的傳統保溫材料和近年來研發出來的新型熔窯 保溫材料。傳統的熔窯保溫材料主要包括:輕質黏土磚、硅酸鋁纖維板、輕質硅酸鈣板、輕質硅磚、耐高溫涂料等新型的納米熔窯保溫材料主要包括高性能纖維噴涂材料、納米級微孔隔熱板、鈦納硅納米保溫毯、 高發射率節能材料等。傳統保溫材料都比較熟悉,這里不再贅述,而著重來介紹新型的保溫材料。
2.1 高性能纖維噴涂材料
主要用于熔窯散熱面外層,產品保溫和密封性能出色,節能環保效果顯著。
2.2 納米級微孔隔熱板
納米級為空隔熱板是最新高科技技術制作的新材料,是用特殊的無機耐火粉末,形成了微笑的超級氣孔,其導熱系數比靜止空氣還要小,性能參數如表2所示。該產品為板狀,可以組合PE塑料薄膜、鋁箔、纖維布等形式的外保護層材料。該產品的工作原理:
(1) 傳導傳熱:納米級微細粉,固體顆粒很微小的納米級點接觸熱阻很大,使得傳導傳熱作用很小;
(2) 對流傳熱:納米級氣孔平均20 nm .靜止空氣常溫熱運動平均自由程60 nm,空氣分子被鎖住而不能做對流傳熱,使得對流傳熱作用非常小;
(3)輻射傳熱:隔熱材料加入了納米級的反紅外輻射物質,使得高溫下以輻射為主的輻射傳熱被降到最低點。
2.3 鈦納硅氣凝膠納米保溫毯 - - -
利用含鈦的二氧化硅連續材料內部的特殊納米孔穴結構,如圖1所示,材料的組成特點:三維立體骨架、小于空氣自由程的納米級孔穴、高孔隙率使得導熱系數極低,該類產品主要為硅酸鋁纖維毯層、高效保溫氣凝膠層多次復合構成,其性能參數如下:
(1) 導熱系數低,0.012~0.016 W/(m • K);
(2) A1級不燃,且高溫下不分解;
(3) 使用溫度范圍廣(0~1 050℃);
(4) 極強的耐壓、防震、抗伸縮等性能;
(5) 不吸潮、不老化,長期使用保溫性能不下降;
(6) 熱膨脹系數極小,避免熱脹冷縮出現斷裂斷層;
(7) 安裝體積小,節省空間,顯著降低安裝和運輸成本;
(8) 極輕型柔性材料,施工極其簡便,任意裁剪、拼貼。
2.4 高發射率節能材料
傳統保溫材料的保溫機理是通過隔熱減少熱量傳遞,一般用于耐火材料的冷面,而高發射率節能材料在熔窯上應用是噴涂于熔窯散熱面內壁,能夠在增加窯內熱輻射量的同時,減少玻璃液對外傳遞的熱量。這樣不但減少玻璃液面以上的耐火材料中流失的熱量,更大大減少了煙氣中帶走的熱量。其性能參數如下:
(1) 適用于耐火材料表面,噴涂、固化后的厚度只有0.1 ~0.2 mm。
(2) 抗熱震性能強,延展性極佳,可隨著噴涂基體的膨脹而延展,以抵消熱震產生的剝離力。
(3) 耐酸堿腐蝕能力高,適用于玻璃溶窯內復雜的燃燒氣氛。
(4) 高發射率材料區別于上述幾種保溫材料,它本身并不是一種保溫材料。而是在高溫條件下吸收輻射和對流的熱量,并將其中95%再輻射出去,使得熱量可以在熔窯內部循環。
(5) 發射系數在高溫下保持在0.85 ~0.95之間不變,而一般耐火材料在高溫條件下的發射系數只有0.2 ~0.3之間。
3、保溫材料的選擇
3.1 熔窯不同部位的保溫材料類別選擇
(1) 由于熔窯的碹頂部位都是曲面,因而在選擇這些部位保溫材料的時候,應該使用可噴涂或者毯狀的 保溫材料,不使用板狀的保溫材料,避免材料因折彎被破壞。
(2) 熔窯各個部位的內表面溫度相差較大,所以,在選擇保溫材料的時候(特別是復合保溫),必須考慮 各層材料之間的界面溫度是否在適合的工作溫度范圍內,以防止保溫性能失效。
3.2 保溫材料使用方案的配置
在確定了保溫材料的使用種類以后,還需要通過計算才能確定使用的保溫材料的規格以及用量。
熔窯傳熱的機理可簡化為:熔窯內壁向熔窯外壁傳熱的過程和熔窯外壁向周圍環境的傳熱過程,忽略熔窯孔口輻射、換向等等對熔窯傳熱的影響,建立一個理想的熔窯散熱模型。該模型利用傳熱系數與冷曲溫度、熱面溫度作為變量,通過熱力學方程建立熱平衡公式,然后用軟件編程計算程序獲得數據組,最后得到這3個變量的曲線圖如圖3所示,根據熔窯需要做保溫的部位熱而溫度和想要達到的冷面溫度.從曲線圖中即可得到該部位各層材料的總傳熱系數,以這個傳熱系數為標準,在原有耐火材料上配置保溫材料規格和用量即可。
4、不同保溫材料的經濟性與實用性對比
根據以上的保溫材料性能和傳熱系數與溫度曲線圖,為國內某條600 t/d浮法玻璃生產線提出的保溫 材料使用方案。
5、結論
(1) 通過建立理想的玻璃熔窯模型,分析其傳熱機理及熱平衡公式,提出傳熱系數與溫度曲線圖,方便 計算熔窯保溫的熱工參數。
(2) 新型保溫材料的選擇應由熔窯的保溫部位外表面形貌以及使用溫度來確定,本文提到的多種新型 保溫材料具有低導熱、耐高溫、高發射率等特點,因此,靈活設計復合新型保溫材料應用方案,可以達到更好的節能保溫效果。
(3) 通過對比分析熔窯新型保溫材料和傳統保溫材料的設計方案,使用新型保溫材料的熔窯散熱量較 之傳統保溫材料有明顯降低,節能率更高,整體保溫性能持續性更好。


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