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影响烧天然气浮法熔窑蓄热室寿命因素的探讨

2012年9月7日

    影响烧天然气浮法熔窑蓄热室寿命因素的探讨
    何代菊
    (四川玻璃股份有限公司自贡市 643000)
    摘要结合天然气和重油作燃料在玻璃窑内燃烧的不同点，针对天然气燃烧的火焰特性，从结构、选材及生产运行等方面对影响蓄热室寿命的因素进行了探讨。
    关键词蓄热室天然气熔窑耐火材料配套

    1 情况简介

    蓄热室作为余热回收设备，其效能对熔窑热效率有直接的影响。蓄热室结构应能满足熔化工艺的要求，有足够的受热面积和蓄热能力，能保证使空气达到足够高的预热温度，且温度稳定，气流在蓄热室横截面上均匀分布。在蓄热室中各部位耐火材料共同经受着周期性的温度变化，固体飞料的作用、挥发性物和蒸气冷凝物的作用，以及各种氧化还原反应；只是在不同的部位受上述侵蚀作用的程度各异。因此，蓄热室结构设计与耐火材料的配套选择尤其重要，它关系着整座熔窑的建造费用和窑龄。据国内外有关资料，燃天然气熔窑蓄热室隔墙出现穿火、倒塌、格子体堵塞在正常窑期内时有发生，甚至出现严重的格子体、炉条碹等关键结构垮
    塌事故，严重影响生产和熔窑寿命。近年来，随着我国浮法玻璃行业燃天然气熔窑的增多，燃天然气与重油比较，火焰长、蓄热室内的温度高的问题必须认真解决，同时对蓄热室结构和配材更需慎重。
    从我公司燃天然气熔窑两窑期蓄热室运行情况看，几乎其它厂家蓄热室出现的问题在我公司蓄热室上都出现过，给公司生产经营带来严重影响。痛定思痛，认真分析原因总结教训，是本文的目的，也希望能为我国玻璃行业在燃天然气熔窑技术方案提供参考。

    2 炉条碹结构设计与耐火材料选择

    炉条碹是承受格子体高温荷重的拱碹结构，是支撑格子体的基础，它的稳定是蓄热室安全运行的前提。有的厂家发生过炉条碹局部坍塌情况，烧天然气的蓄热室炉条碹设计更应注意，因天然气火焰黑度小于重油，火焰较长，有时在炉条碹底能见到火焰。可见炉条碹的选材必然要有较高的强度和抗热震稳定性，否则运行2～3年就开始断裂“掉牙”。

    2．1 炉条碹结构

    结构上，一般浮法窑由9～ll根连通式炉条碹组成，碹砖的宽度150～ 200 mm，厚度大于
    350 mm，间隔距离大于150 mm，跨度在2500 mm左右。从我公司使用情况看，格子体无论是条形砖还是筒形砖，炉条碹砖的宽度宜在160 mm 左右，厚度宜在460 mm 左右，间隔距离260 mm 左右，跨度不宜超过2 500 mm。若跨度太大宜用如图1所示的二段碹结构形式，以提高碹的强度和稳定性。炉条筋砖嵌入在炉条碹内的形式比筋砖只嵌入在找平层内的形式更稳定。
    炉条碹砌筑泥缝的控制，在施工验收规程中把炉条碹列为Ⅱ类砌体，泥缝按2．0 mm控制，而根据炉条碹的承重要求和受冷热冲击频繁易炸裂的特点，应把它列为I类砌体，泥缝按1．0 mm控制更妥当。

    2．2 耐火材料选择

    炉条碹出废气侧的温度为400～700℃ ，烧天然气时该处的温度为500～800℃ ，进空气时炉条碹处的温度为100～300℃ ，炉条碹砖经受着周期性的强烈热震。对窑龄在6～8年烧天然气的窑炉，炉条碹建议用抗热震稳定性好的DN一15低气孔黏土砖，除对砖材的理化指标严格要求外，对砖的外形尺寸也要严格控制，尤其表面翘曲应控制在0．5 mm以内，当然经济条件好的厂家可选用硅线石砖；窑龄在8年以上的窑炉，选用硅线石砖或电熔AZS。

    3 格子体

    3．1 结构

    格子砖的规格与码法和热交换及通道截面积有关，通道宽度为115～ 170 mm，条形砖厚度多数是65 mm，厚度大于80 mm 不利于热交换且热稳定性差；长度230～ 395 mm、高度为100～150 mm为宜，条形砖的码法多样，有以下几种：西门子式、李赫特式、编篮式、开口编篮式等。浮法熔窑大多采用开口编篮式，以便增大受热面积。
    近10年随着能源供给紧张，节能降耗成为行业的主要任务，在提高热效率方面，借鉴了国外的先进经验，浮法熔窑普遍采用筒形砖和十字形格子砖，它们的受热面积为见表1。

    设计时在碱蒸气冷凝区建议采用如图2所示的筒形砖，对原料细粉控制不好的厂家宜选用格孔为170 mm×170 mm的砖型。

    3．2 材料配套

    要延长蓄热室的使用寿命，格子砖的合理选材就成为问题的关键。顶部格子砖在1400～1500℃长期受碱蒸气和飞料侵蚀严重，宜采用高纯电熔镁砖(MgO~98 9／6、MgO~97 )，这种大晶体方镁石烧结而成的低气孔率的高纯度电熔镁砖在高温下具有极好的耐蠕变性，在1650℃ 温度下，变形仅为0．09 。近年来，格子体顶部2～4层选用镁锆砖或烧结锆莫来石，由于镁锆砖内部的MgO粗颗粒被外层镁橄榄石层保护而使其侵蚀程度减轻，成为该区域用砖的最佳选择。
    上部格子体温度在1 100～1400℃ ，一般选用含MgO 95 9／6～97 的电熔镁砖。中部格子体温度1 100~800℃ ，是碱金属硫酸盐凝聚区域，易使镁砖与飞料反应形成硅酸镁MgSiO。，同时芒硝反复固液化导致体积膨胀而破坏，所以此部位不宜选用镁砖，而应选用热稳定性好、气孔率低的直接结合镁铬砖DMC一12或DMC一20。下部温度冷热交替、荷重大，受碱性物料侵蚀少，需要热稳定性好、承重强度好的材料，一般选用低气孔黏土砖DN一12、DN一13、DN一15。

    4 墙体

    4．1 结构设计

    采用箱式蓄热室，使格子体的高度比传统上升道式蓄热室高2．0 m左右，有利于提高空气预热温度。箱式蓄热室由内侧墙、目标墙、端墙和隔墙组成，隔墙的设置有利也有弊，全连通蓄热室取消了隔墙，能增大格子体面积，但失去隔墙支撑的内侧墙、目标墙即使有锚拉结构也易在烤窑和使用过程中造成侧墙内倾，影响蓄热室的正常运行和寿命。采用两两分隔形式的隔墙可以解决侧墙内倾的问题，但使格子体面积减小，不利于废气余热利用。

    4．1．1 内侧墙、目标墙

    侧墙及目标墙厚度一般为578 mn'l，其中硬砖为348 mm，中、高温段墙体要设置锚拉结构，以增加墙体的稳定性，低温墙体可取消锚拉结构。内侧墙与小炉人口处要用锆英石砖分隔，防止共熔反应。以前留膨胀缝时的做法是2～3 m集中留30～5O mm，这样做烤窑时易造成膨胀不匀，有膨胀缝的位置没胀到位而其它部位却拉裂了。为便于烘烤时膨胀均匀，应该根据砖材自身的热膨胀性，采用分散多点方式留设胀缝，每处留10 mm左右并用多晶纤维填塞。

    4．1．2 分隔墙

    分隔墙插入内侧墙和目标墙中解决自身稳定问题，还须处理好与蓄热室碹的衔接关系，主要要解决好分隔墙的膨胀和密封穿火问题；以前分隔墙留膨胀缝时的做法是每道隔墙分两处分别留20--~30 rrllrn，这样做烤窑时易造成膨胀不匀。应考虑分散多点留设胀缝，每处留10 rnln左右并用多晶纤维填塞。

    4．1．3 碹

    我国浮法熔窑多数采用蓄热室碹跨度与墙体内空尺寸一致的结构，该结构由于碹与墙体的间隙烤窑后不易密封致使该处常穿火烧钢结构，造成碹脚和碹的变形而坍塌。笔者认为碹与墙体间可采用传统的上间隙砖密封结构来保护碹碴钢和顶丝、立柱，碹的跨度应比蓄热室内空大200～300 mm 为宜；冷态时，根据蓄热室墙所用耐材的热膨胀性，留设好上间隙与碹脚砖的间隙，一般为90～100 mm；碹与墙体间隙除用泥料处理好外，同时运行中应加强风冷，保护碹碴角钢。

    4．2 配材

    4．2．1 目标墙、内侧墙

    目标墙、内侧墙按Ⅱ类砌体砌筑；温度在800℃ 以下选用低气孔黏土砖，温度在800～1 200℃选用直接结合镁铬砖，1 200℃ 以上选用含95 9／6的MgO或97 的MgO电熔镁砖或电熔AZS砖，以抗飞料及碱蒸气的侵蚀，8年以上窑宜选电熔AZS砖。

    4．2．2 隔墙

    隔墙材质配置也至关重要，否则隔墙易烧蚀成较大孔洞，严重者隔墙倒塌封堵了格子体孔。隔墙的选材与侧墙基本一致，只是上层墙体要选高温强度好且抗碱性气体和飞料侵蚀的材料，宜选DM一97高纯电熔镁砖、锆英石砖等材料，8～12年窑宜选电熔AZS砖。

    4．2．3 碹

    蓄热室碹宜选优质硅砖。

    5 蓄热室的非设计因素的影响

    过去影响窑龄的主要因素是大碹、池壁和蓄热室。随着耐火材料水平的提高，良好的结构设计和维护措施，大碹、池壁不再是影响窑龄的主要因素，而蓄热室格子体的严重堵塞被迫热修或冷修，成了困扰我国浮法窑窑龄的关键因素，除上述谈到的蓄热室结构设计和耐火材料配置外，烤窑、原料、运行等非设计因素的影响不可小视。

    5．1 烤窑

    蓄热室烘烤中应注意，烤窑前仔细检查各胀缝中是否有堵塞物影响砌体自由膨胀，特别是碹与墙体的间隙，此外就是隔墙胀缝问题。升温前能保温的部位采取临时保温，尽量减少内外温差，升温一定要均匀缓慢，绝不能局部过热而剧烈膨胀造成砌体拉成裂缝而影响寿命，尤其要注意过大火后升温过快墙体易变形。

    5．2 原料

    原料粒度是影响窑炉寿命的主要因素，石英砂、纯碱、白云石的超细粉是蓄热室格子体堵塞的
    主要因素，纯碱应采用重质纯碱。石英砂、纯碱、白云石的超细粉含量都应小于5．0 。控制好原料粒度有利于熔化，且对蓄热室格子体的堵塞会大大减轻。

    5．3 运行与维护

    浮法玻璃原料及生产工艺的特点，决定了蓄热室格子体的堵塞和老化是一种不可避免的趋势。因此熔窑运行中，要特别注意烧天然气熔窑的分支烟道的温度不宜过高，宜在600℃ 左右，防止火焰过长烧坏炉条碹和格子体。此外，蓄热室要经常性的疏通和维护。配合料中的细粉和碱蒸气，由烟气带入蓄热室内，沉积在格子体表面，冷凝后粘结堵塞格子体形成“瘤子”，除瘤的方法可以分机械方式、上烧方式、下烧方式。这三种方式都是在格子体刚结瘤不严重时采取的未雨绸缪的方法。一般格子体第一次除瘤应在新窑运行2年左右，以后每半年进行一次，一旦工作疏忽或不仔细，格子体就会大面积堵塞，捅烧都无法解决，只能采取大型热修更换格子体或局部打通格子体免强维持生产的办法来解决堵塞严重的问题。


    参考文献
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