小炉结构与燃烧器的设计

1、绵阳职业技术学院“玻璃熔制”课程任务书院（系）： 材料工程系 班级： 玻璃141 部门： 二 任务： 三 一、任务题目： 800t/d浮法玻璃熔窑小炉结构与蓄热室的确定 已知条件：燃料为天然气，玻璃实际熔化热耗为6000 kj/kg二、主要内容：1. 确定玻璃池窑小炉的类型与结构尺寸；2. 确定玻璃池窑燃烧器的种类与布置方式；3. 确定玻璃池窑余热回收设备的种类；4. 确定玻璃池窑格子体的布置方式；5. 确定蓄热室的结构尺寸与材质；三、基本要求：1.小炉、蓄热室和燃烧器选择应符合实际生产情况要求，便于组织生产；2.小炉、蓄热室结构尺寸选择合理、先进；3. 熟悉小炉与燃烧器对玻璃质量的影响；4.

2、 提交一份打印的任务说明书和电子文档；5. 提交本小组各成员的成绩表（100分制）；第 小组成员成绩小组平均成绩： 分姓名成绩姓名成绩姓名成绩工段长签名： 年 月 日四、时间要求1、任务下达日期： 2015年 11月 3 日2、任务完成日期： 2009年 11 月 20 日指导教师签字：一确定玻璃池窑小炉的类型与结构尺寸小炉和蓄热室是熔窑结构的主要组成部分，浮法玻璃熔窑的小炉和蓄热室结构组合形式根据燃料形式的不同有两种形式，即箱形组合和半箱形组合。燃油、天然气的熔窑采用箱形组合，燃发生炉煤气的熔窑采用半箱形组合。浮法玻璃熔窑的小炉和蓄热室设置在池窑的两侧，对称布置，根据熔化量的规模不同，设41

3、0对小炉。（1）小炉的类型浮法玻璃熔窑小炉根据使用燃料的不同而有不同的类型。燃料是发生炉煤气的，其燃烧设备称之为小炉，小炉口称之为喷火口。燃料是重油或其他液体燃料时，采用的是喷嘴（既燃烧器），小炉口应称之为喷出口。（2）小炉的作用小炉是玻璃熔窑的重要组成部分，是使燃料和空气预热、混合，组织燃烧的装置。它应该能保证火焰有一定的长度、亮度、刚度、有足够的覆盖面积，不发飘、不分层，还要满足窑内所需的温度和气氛的要求。煤气和空气分别由蓄热室预热后经过垂直通道（上升道）和水平通道进入预燃室，在预燃室内进行混合和部分燃烧，并以一定方向和速度喷入窑内继续燃烧，烟气这时则进入对面的小炉，因此，小炉起到一个空气

4、通道和排烟通道的作用。但是，小炉的结构对于窑内的传热情况及玻璃熔化过程都有着重要的作用。目前，国内生产规模为400t/d以上的浮法玻璃熔窑采用6对小炉的居多，700t/d以上的有的采用7对小炉，最多达到10对小炉。在小炉的设计时由于燃油、燃煤以及燃气的特性决定了其小炉技术参数的差异性。如：小炉喷出口的总面积与熔化部面积的比值以及小炉斜碹的下倾角度等。（3）小炉的结构小炉由顶碹、侧墙和坑底组成。小炉与熔窑连接的碹称为小炉平碹，与蓄热室连接的碹称为后平碹，中间部分碹为斜碹。图1-6为烧油小炉的结构。碹和侧墙、坑底组成小炉空间。浮法玻璃熔窑的平碹采用插入式结构，做成上平下弧形，并与熔窑胸墙匹配，前述

5、防止胸墙内倾的措施是将胸墙设计面内倾式，并且大碹边碹砖直接压在胸墙上。（4）烧煤气小炉的结构特点烧煤气小炉在结构上与烧油小炉除了上述不同点外，最主要的不同之处还有小炉舌头。通常小炉舌头伸出长度为400450，一般烧煤气小炉口的高度为400500，拱的股跨比为1：10.蓄热室烧煤气小炉的斜碹形式目前有两种：一种是直通形；另一种是喇叭形。直通形小炉的优点是：煤气呈扁平状出上升道，容易与助燃空气混合，混合气体对小炉侧墙的冲刷小，而且小炉结构简单，施工方便。喇叭形小炉的优点是：喇叭形状强制性地使火焰形成扩散状，可提高火焰的覆盖面，并能改善因煤气上升道间距较小而造成维修环境恶劣的状况。本次任务燃料为天然

6、气采用烧油小炉。（5）小炉的结构尺寸本设计的熔化量为800t/d，因此取小炉对数为8对。小炉喷出口的面积计算公式如下：式中：池窑熔化面积，m2；小炉对数。 已知熔化面积=347.8m2，则可计算出小炉喷出口面积在1.31.5m2之间，取小炉喷出口面积为1.3m2。为了扩大火焰覆盖面积，小炉喷火口的宽度应不小于1.7m，国外这一宽度一般在2m以上。本次任务取2m。高H=1.3/2=0.65 m二确定玻璃池窑燃烧器的种类与布置方式 1、燃烧方式：长焰燃烧 在烧嘴内完全不和空气混合，待喷出后靠扩散作用与空气混合，火焰较长。特点：火焰的的辐射能力强；烧嘴结构直接影响燃气与空气的混合速度；燃气在烧嘴喷出

7、时不需要很高的压力;有利于提高火焰温度。短焰燃烧燃气与空气部分预先在烧嘴内混合，以一定的速度从烧嘴中喷出与火源，即迅速燃烧，由于混合气流中空气不足，剩余的燃气在扩散过程中遇到周围的空气进一步燃烧，直至烧尽。特点：燃气燃烧速度快；火焰较短且温度高；燃气燃烧易完全，过剩空气系数小；但燃烧稳定性差；易发生脱火或回火现象。无焰燃烧燃气与空气在烧嘴内完全混合，从烧嘴喷出后立即燃烧，由于燃烧迅速，火焰短而且透明，所以然烧时，看不见火焰。特点：空气过剩空气系数小；燃烧温度高，燃烧热力强度大；不完全燃烧损失小。2、烧嘴长焰烧嘴类型:单管式烧嘴和双管式烧嘴特点：结果简单、工作可靠、调节方便；火焰较长，辐射能力高

8、；火焰的温度较高；燃气与空气的压力为7801500Pa混合气体喷出的速度1550m/s；燃气与空气可分别预热到400800而无回火危险。短焰烧嘴类型：低压涡流式烧嘴（DW-I型）、扁缝涡流式烧嘴（DW-II型）套管式烧嘴。无焰烧嘴类型：无焰烧嘴又叫喷气式烧嘴。特点:燃气与空气混合充分空气过剩空气系数小，不完全燃焼损失小；燃气燃烧迅速，燃烧强度高，所需燃烧空间小；但燃气、空气不宜预热至400以上，以免发生爆炸危险。3、喷嘴安装位置的选择因素： 热量尽可能传递给配合料和玻璃液； 热量尽可能少传给玻璃池窑的上部结构； 燃料能够充分的在火焰空间内部燃烧； 火焰不能直接冲击要内的耐火材料砌体； 用最少的

9、过剩空气系数，使燃料与助燃空气充分地混合和完全地燃烧； 便于操作人员的操作与维修。4、天然气烧嘴的安装位置:1 底烧式系统它是燃烧火焰空间传递给玻璃液的热量最多的一种，同时可将小炉设计得宽一些，且可安装多个烧嘴，有较宽的火焰布置。特点是它可以实现天然气和重油之间的转换。2 侧烧式燃烧系统在玻璃工业中常用的一种，特别是又烧重油改为烧天然气时。在小炉的每一例布置一支烧嘴烧嘴的安装使两支烧嘴的中心线成90°，且尽可能地使两中心线的交点在玻璃池窑内侧。其高度要使天然气正好喷在助燃空气流中心。烷嘴要水平安装且与玻璃页面成35°的倾斜角。小炉的上倾角15°综合以上述，在这里我

10、们选用无焰燃烧和底烧式燃烧系统。三确定玻璃池窑余热回收设备的种类1.玻璃池窑余热回收的意义玻璃池窑是玻璃工厂能耗最大的热工设备。其能耗玻璃厂总能耗的80%以上。达从玻璃池窑出来的废气温度高达13001500，从而带走大量热量。合理地利用这部分余热对于玻璃池窑的热利用率有着重大意义。2.玻璃池窑余热回收的主要装置在玻璃厂，预热空气、煤气的主要设备是换热器和蓄热室。换热器只能预热空气；而蓄热室既可以预热空气，也可以预热煤气。由于换热器的换热效率不及蓄热室（尤其对于大型玻璃池窑），所以，蓄热室在玻璃厂比换热器得到了更广泛的应用。（1）蓄热室蓄热室是一种热回收装置。玻璃熔窑之所以必须要有蓄热室，不仅仅

11、是为了节能，更是为了提供熔制高质量的玻璃液所要求的高温。为了使燃烧火焰有足够高的温度，空气、煤气必须预热，即使是对于使用高热值燃料重油和天然气为热源的熔窑，如空气不预热，也很难达到所要求的温度。（2）蓄热室余热回收原理当高温废气通过蓄热室内的格子体时，废气以对流与辐射的方式把热量传给格子体，使得格子体受热升温，积蓄热量，而废气向格子体传热后其本身的温度降低；而当空气通过蓄热室内的格子体时，格子体就把所积蓄的热量以对流的方式再传给空气，使得空气受热升温，格子体散热降温，这样就实现了空气通过格子体获得废气余热目的。（3）蓄热室内的传热方式烟气对格子砖的辐射和对流换热。格子砖内部的传导传热格子砖向空

12、气或煤气的对流及辐射换热。（4）蓄热室的形式1）根据气流方向的不同，有立式与卧式之分，两者比较：立式蓄热室内气流阻力小，可用于自然通风的熔窑，气流分市也较均匀，且格子砖热修方便，所以采用的比较普遍。卧式蓄热室气体分层现象较严重，阻力也较大，需要机械通风。连通式与分隔式烟道分隔式又称半分隔式结构特征：蓄热室相通，支烟道和总烟分隔；支烟道上闸板调节各蓄热室的排烟量和空气供给量废气和空气分别换向。性能特点：增大了换热面积；气流分布均匀；空气预热温度提高；热回收率提高。使用特点：烟道分隔式蓄热室的应用正在逐步推广。也称超级烟道。单通道与多通道多通道即将原单一通道分割成数段。一般用双通道与三通道。常以双

13、通道居多。可在不增加厂房高度下扩大换热面积。蓄热室的利用率和热回收率有所提高，还改善了热修条件，蓄热室的整体寿命也稍有延长。但相应的气流阻力会增大、烟囱要加高。较合适的是双通道蓄热室。（5）蓄热室与小炉部位的连接方式垂直通道式、直后墙、斜后墙、流线型后墙、箱式蓄热室3.换热器凡能将热能有效地从高温载热流体通过器壁传向低温受热流体的设备，都称之为换热器。（1）换热器的工作原理换热器内烟气通过器壁对空气的热交换过程属于综合传热。其中，空气侧器壁向空气的传热几乎完全以对流方式进行，空气内的少量水蒸气的辐射和吸收能力极小，而对流换热系数主要随空气的流速和密度的增加而迅速增大，与温度关系较小。在烟气侧，

14、烟气与器壁的传热过程中，辐射作用远远超过对流作用，其辐射传热系数随烟气温度、成分、气层厚度而变化。（2）换热器的类型按气流流动方向分为：顺流式、逆流式、错流式、复合形式。按材料不同分类分为：陶制换热器、金属换热器两种。常用的陶质换热器：由粘土质（少数用锆刚玉质或碳化硅质）耐火材料砌成。筒形砖立式换热器、筒形砖卧式换热器和用标形砖砌的风火道形式的换热器等，例如坩埚方炉的换热器。常用的金属换热器：根据使用温度不同，用各种耐热铸铁或合金钢材料制成，其结构型式以及连接方式较多。如：辐射式金属换热器、流式金属换热器、同心空气管式换热器（3）几种换热器的特点及适用范围顺逆流换热器：逆流式的空气预热温度最高

15、，而顺流式的器壁温度最低。因此，从传热观点看，换热器以逆流形式为好，但对于要求器壁温度不能过高的某些金属换热器来说，则有时采用顺流式，或者也可采用顺流逆流联合形式。金属换热器：优点：传热系数大；气密性好；能获得较高的空气出口压强；结构紧凑、机械强度高等。缺点：材料耐高温耐侵蚀性能较差，因而限制了它的使用温度和寿命（目前使用的一般空气预热温度700以下。陶质换热器：优点：可用于较高温度（空气预热温度9001100），缺点：气密性差（漏风量甚至达烟气量的2030）如综合传热系数、强度和结构紧凑等方面也都不如前者。玻璃熔窑上使用换热器（陶质）：优点：空气预热温度稳定；不需换向设备，结构紧凑，占地面积

16、小；造价较低；操作简单。缺点：空气预热温度较低；由于气密性问题，一般不用于预热煤气。目前在大中型玻璃窑上很少采用换热器。而小型熔窑上则能显示出它的优越对比蓄热室和换热器的优缺点，在本任务中选连通式蓄热室。四确定玻璃池窑格子体的布置方式（1）格子体的结构特性格子体是蓄热室积蓄和传递热量的主体，它是由格子砖码砌而成的，采用不同方式码砌的格子体，其结构性质有以下几个方面。受热表面积受热表面积：表示每平方米格子体具有的受热表面积（m3）。蓄热室内格子体的受热面积是依据熔化部面积的大小来确定的，即所谓蓄热面积是指格子体能够进行热交换的表面积。相同的格子体体积，受热表面积愈大，其所能满足的热负荷愈大；积蓄

17、的热量愈多，放出的热能也愈多。一般每平方米的熔化部面积大约有1020 蓄热面积的格子体，其中箱式蓄热室较高。流通截面积流通截面积，表示每平方米格子体横截面上气流通道的截面积（m3）。蓄热室内格子体横截面上气流通道的截面积愈大，则可使气流在格子体内的流速降低，阻力减少，但流通截面积增大，会使单位体积的受热表面积减少。填充系数填充系数：表示每平方米格子体内格子砖的体积（m3）。为了增加受热面积，相对地要增加格子砖的体积，既增加填充系数，但填充系数增大，会使通道截面积减少，从而造成气流阻力增大，则对充分提高空气、煤气的预热温度和燃料的燃烧不利。（2）格子砖的排列方式格子砖的列方式有西门子式（井字形）

18、、李赫特式、编篮式等几种形式 西门子式结构简单，砌筑方便，气流阻力小，便于吹扫和热修更换，所以国内玻璃熔窑多采用西门子式码法。在同样蓄热室体积的条件下，李赫特式和编篮式虽然比西门子式的受热表面积热容量要大些，可以获得较高的换热能力，能提高预热温度和减少温度波动，但它们的结构较为复杂，砌筑较难，气流阻力较大，容易堵塞格孔，且受格子砖质量的限制，以前很少采用。但是随着耐火材料质量的提高和新的用作格子砖的优质耐火材料的研制，编篮式与李赫特式也被普遍采用。综合上述，我们选用西门子式格子体五确定蓄热室的结构尺寸与材质蓄热室的结构和尺寸蓄热室的尺寸取决于预热空气（煤气）的流量和要求的预热温度，一般与熔化面

19、积成正比。确定蓄热室的尺寸，实际上就是确定蓄热室格子体的尺寸。用扩大指标的经验计算法计算格子体的尺寸，首先要确定格子体的受热面积和格子体的体积。格子体的受热面积取决于预热空气的（煤气）的流量和要求的预热温度。采用扩大指标的经验计算法时，这两个参数可用熔化面积来代替，则格子体的受热面积F蓄与熔化部面积F熔成正比，即：F蓄=KaF熔对于烧发生炉煤气的熔窑：Ka=2030m2/m2，对于烧高热值燃料的熔窑ka=1525m2/m2在这里Ka=20m2m2F蓄=KaF熔=20×347.8=6956 m2求得格子体的受热面积之后，根据所采用的的格子体的结构形式和砖形尺寸及其基本特征，可计算出单位

20、格子体体积所具有的受热面积。=65，a=75，b=150，h=150f=2+a+b(a+)(b+)+(a+b)h(a+)(b+)=2×65+75+150(75+65)×(150+65)+65×(75+150)150×(75+65)×(150+65)=0.015 m2有计算得到单位格子体所具有的受热面积f，就可以按下式计算格子体的体积V蓄，即：V蓄=F蓄fV蓄=F蓄f=69560.015=463733 m3由式计算得到蓄热窑格子体的体积，即可根据蓄热室结构分别计算确定格子体的尺寸。本次任务中燃料为天然气，所以只需要预热空气。L=d1+(n-1)d

21、2+d3d11#小炉中心线到蓄热室前端墙内侧的距离，一般d1=1.21.6m,或d1=d2 /2；n小炉的对数；d2小炉中心线距；d3末对小路中心线到蓄热室后端墙内侧的距离，一般d3=d1小炉对数取8对，d2=3.7，d1=1.2L=d1+n-1d2+d3=1.2+8-1×3.7+1.2=28.3 m蓄热室格子体的高度H、宽度B和长度L之间存在所谓“构筑系数”的关系，即=HBL构筑系数是衡量格子体结构是否合理、气流分布能否均匀的一个指标，一般为0.61.0。取HBL=0.8，因为V蓄=LBH，LB=V蓄H，得LB=H20.64，则有：V蓄=H20.64，H=V蓄×0.64=

22、463733×0.64=544.78 mV蓄=LBH，B=V蓄LH=463733544.78×28.3=30 m蓄热室的材质在砌筑带有 U 形火焰流向的玻璃熔窑的蓄热 室及烟道时， 其材料消耗量约占窑的材料总消耗 量的 50%左右。 在这些材料中可区分为耐火材料、 隔热材料及格子砖。热内衬和冷内衬。 对于蓄热室的热内衬来说， 选择耐火材料的方法有所不同， 通常采用 MgO 含 量不同的 （从高至低为 97%至 92%） 镁质耐火材 料来砌筑。 因此， 要严格遵循下列程序： 对于碱 性介质， 采用碱性耐火材料。 这是设计蓄热室砌 体结构的常规方法。在蓄热室壁中需要采用镁砖，

23、因为它对窑内 配料中的固体粉状组分 （由窑的熔炼部携出的物 质） 及碱性气体介质 （燃料的燃烧产物及窑配料 的烧损） 的侵蚀作用有抵抗能力。 因此， 蓄热室 高温部位的热内衬应当采用此种耐火材料砌筑。 通常， 为了砌筑蓄热室上部壁， 采用 MgO 含量 97%的镁砖， 并过渡到采用 MgO 含量 95%的镁 砖。 蓄热室壁其余部分的热内衬则选用高铝砖和 粘土砖砌筑， 用以取代镁砖。 取代镁砖的主要原 因是： 镁砖热导率和热膨胀系数高、 与硅酸铝质 隔热材料不能同时并用， 以及成本较高。 还应指 出：在蓄热室的中部和下部， 含粉尘的可燃介质 对砌体的侵蚀作用小。 对于蓄热室顶的砌体而言， 完全可

24、以采用玻 璃熔窑用硅砖来取代镁砖。 根据熔炼时硅砖顶的 性状、 开发的有效隔热层工艺、 较低的操作温度 和在蓄热室上部空间没有循环气流等因素， 可以 认为在蓄热室的此类结构砌体中采用硅质耐火材 料是合理的。 当然在硅砖砌体和镁砖砌体之间应 当采用中性火泥层隔开。 除了镁质耐 火材料之外， 在该结构中还采用了硅砖、 高铝砖、 硅酸铝砖和陶瓷砖， 以及俄罗斯生产的隔热材料。 减少进口镁质耐火材料的使用量不仅 能显著地降低蓄热室的砌筑成本， 而且还能显著地缩小砌体的热膨胀率， 从而可以改变蓄热室整 个结构的垂直尺寸。首先应当注意到的是： 采用镁砖时要求热内衬和冷内衬之间的砌体采用 昂贵的高铝砖。 在这种情况下， 尽管隔热层已经 相当厚， 但室壁的某些部位外部温度高及向周围介质散失的单位热量高。 在横断面 1-1 和 2-2 内 砌体的内部温度相同 （1431）， 硅砖顶的外表面 温度及通过它的热流分别比采用MgO 97%的镁砖 时低 25%和 3%。 横