水冷式鼓泡器在玻璃熔窯中的使用維護(hù)

邵正勛，吳 杰

（河南安彩高科股份有限公司，河南安陽 455000）

水冷式鼓泡器在玻璃熔窯中的使用維護(hù)

邵正勛，吳 杰

（河南安彩高科股份有限公司，河南安陽 455000）

鼓泡技術(shù)廣泛應(yīng)用于大型玻璃熔窯，可起到提升熔化效率、提高玻璃質(zhì)量和節(jié)能的作用，但因鼓泡器需要接觸高溫玻璃液，如果使用不當(dāng)，會導(dǎo)致鼓泡器燒損，反而影響玻璃熔制。通過對某型鼓泡器在某浮法玻璃熔窯應(yīng)用中的故障跟蹤，為該類型鼓泡器的使用積累了經(jīng)驗和教訓(xùn)，并可為水冷式鼓泡系統(tǒng)的設(shè)計提供借鑒。

玻璃熔窯；鼓泡技術(shù)；鼓泡器；結(jié)石；燒穿

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.26

0 引言

鼓泡技術(shù)廣泛應(yīng)用于大型玻璃熔窯，其通過鼓泡器向熔窯的玻璃液底層鼓入一定壓力和流量的潔凈氣體，該氣體在高溫玻璃液內(nèi)膨脹形成氣泡，并逐漸上升長大，最終到達(dá)玻璃液面破裂逸出。氣泡在上升和長大過程中，帶動和強化了其周圍的玻璃液流，同時還吸收其周圍的一部分小氣泡，因此鼓泡過程可提高玻璃的熔化效率、加強玻璃液澄清和均化。另外，鼓泡過程中，還可將熔窯底部的低溫玻璃液帶到液面，促進(jìn)其與火焰空間的熱交換，從而提高熱能利用率。

但是，鼓泡器工作環(huán)境溫度較高，尤其是與玻璃接觸部位，需要耐受1100℃以上高溫，因此鼓泡器或采用特殊的耐高溫材料，或采取專門的冷卻裝置。下面以水冷式鼓泡器為例，通過其在某浮法池爐應(yīng)用中的故障分析，為該類鼓泡器的制造、冷卻水系統(tǒng)設(shè)計和日常使用維護(hù)提供借鑒。

1 鼓泡器在某浮法池爐的應(yīng)用情況

某公司浮法玻璃熔窯，為橫火焰蓄熱式池爐，熔化部有6對小爐，熔化池全長40.7 m、寬12.2 m、池深1.4 m，其中熔化帶面積為273.28 m2，設(shè)計出料量為600 t/d，熔化率為2.2 t/（d·m2）。該池爐使用英國F.I.C公司鼓泡器。

1.1 鼓泡器結(jié)構(gòu)

鼓泡器結(jié)構(gòu)示意見圖1。設(shè)計思路是在鼓泡氣管外加裝了水冷套管，以保護(hù)鼓泡氣管。水冷套材料為碳鋼，工作端直徑為40 mm，管壁厚為4.25 mm。水冷套外管直接由鉆頭通過水冷鉆孔而成，與玻璃液接觸部分的管壁四周無焊接，這樣可使得各處導(dǎo)熱性能良好，以保證水冷效果，還可避免從焊點處開裂漏水。正常情況下，鼓泡器使用的冷卻水是工業(yè)軟化水，采用的是水泵和保安水塔相結(jié)合的供水方式，以提高供水的安全性；供水主管路還通過橋閥與消防水管路相連，緊急情況下，可短時間使用消防水進(jìn)行冷卻，以最大可能減少斷水情況的發(fā)生。每根鼓泡器有相對獨立的冷卻水供排管道，在各自進(jìn)出水管路上還安裝有截止閥，以便于在鼓泡器更換時切斷水路，而且每根鼓泡器的回水管路上還安裝有熱電阻，以對回水溫度進(jìn)行測量，并遠(yuǎn)傳至中控制室進(jìn)行日常監(jiān)控。

圖1 F.I.C公司鼓泡器

1.2 鼓泡器的布局及安裝情況

根據(jù)該浮法玻璃池爐的溫度曲線，設(shè)置了一排鼓泡器，其位置在池爐熱點處，具體位置是，鼓泡器中心線距離加料端17 810 mm，位于第四對小爐后，距4#小爐中心線910 mm。在窯寬度方向上共設(shè)置了14根鼓泡器，相鄰兩鼓泡器的中心間距為764 mm，兩邊部鼓泡器中心距池壁1134 mm，以使得相鄰鼓泡之間不相互干擾，還可減輕鼓泡液流對池壁的沖刷。由于浮法玻璃窯爐較深，玻璃液深度就達(dá)1350 mm，因此鼓泡管口高于鼓泡磚635 mm，以減輕鼓泡對池底磚的沖刷，同時考慮到不同品種對鼓泡的要求，鼓泡器還可在一定范圍內(nèi)上下調(diào)整。

2 鼓泡器故障情況及對生產(chǎn)的影響

該窯爐鼓泡器于2011年9月25日投入使用，2012年5月21日首次出現(xiàn)故障，之后又有多根鼓泡器相繼發(fā)生故障，至2012年9月11日共有11根鼓泡器故障，使用壽命都不到1 a，距1個爐齡（約為8 a）的設(shè)計要求相差非常大。

2.1 鼓泡器故障前后的現(xiàn)象

對比這11根鼓泡器故障前后的各種現(xiàn)象，有以下2個共同特征。

（1）回水溫度逐漸升高。鼓泡器在使用一段時間后，各回水溫度均有所升高，但個別回水溫度升高幅度較大，逐步偏離一般情況。當(dāng)鼓泡器回水溫度＞50℃時，其發(fā)生故障的幾率往往較大，且回水溫度越高越易發(fā)行故障，故可據(jù)此進(jìn)行預(yù)警。

（2）泡徑突然變大。在高回水溫度下運行的鼓泡器，一段時間后泡徑會突然變大，為正常泡徑的數(shù)倍，此時即可判斷鼓泡器發(fā)生了故障，圖2為工業(yè)電視中拍攝到鼓泡器故障時的畫面。檢查卸下的鼓泡器，可發(fā)現(xiàn)其外壁上有被燒穿的孔洞，泡徑變大即是漏出的冷卻水被高溫玻璃液加熱汽化所致，這是鼓泡器燒穿的典型特征，且漏水越嚴(yán)重泡徑越大。

圖2 鼓泡器故障時的鼓泡對比

2.2 鼓泡器故障對生產(chǎn)的影響

鼓泡器故障對生產(chǎn)的影響可分為2個方面，一方面是泡徑變大后對玻璃液的劇烈翻騰，有可能攪起窯爐底部的滯留層而導(dǎo)致析晶結(jié)石；另一方面是鼓泡器停用期間，原來其發(fā)揮的作用暫時中斷，影響玻璃液的澄清和均化。

該窯爐鼓泡器首次燒穿后，由于經(jīng)驗不足，對其發(fā)現(xiàn)不及時，判斷和處理不果斷，致使較長時間（約1 h）鼓泡劇烈，將窯爐底部的大量滯留層翻騰起來，導(dǎo)致了長時間的析晶結(jié)石高發(fā)，結(jié)石日數(shù)量由正常時的60枚左右激增至數(shù)千枚，圖3為結(jié)石統(tǒng)計曲線。有了此次教訓(xùn)，之后的鼓泡器故障發(fā)現(xiàn)都比較及時，并立即關(guān)閉其冷卻水，然后將其抽出至安全位，在鼓泡器停用期間，升高池爐后部溫度，以加強玻璃液澄清，沒再出現(xiàn)結(jié)石高發(fā)，但對應(yīng)于故障時段，內(nèi)氣泡有所增多。

圖3 鼓泡器故障前后結(jié)石數(shù)量（枚/日）

3 鼓泡器故障原因分析

｜鼓泡器所處的玻璃液溫度為1100～1350℃，與玻璃液直接接觸的鼓泡器外管材料為碳鋼。碳鋼在高溫下氧化比較快，在高溫玻璃液中會很快被侵蝕，而且溫度越高侵蝕速度越快。采用冷卻水的目的也就是通過水的流動來對鼓泡器進(jìn)行降溫。

3.1 鼓泡器冷卻效果驗算

為了判斷鼓泡器選型是否合適，對鼓泡器的熱工情況進(jìn)行了計算，重點是鼓泡器外壁的換熱計算。任意選用1根新?lián)Q上的鼓泡器，對其相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測算：由內(nèi)側(cè)環(huán)隙進(jìn)水，溫度27℃，從外側(cè)環(huán)隙回水，溫度為32.5℃，回水流量60 L/min。查找得到該溫度下水的密度和比熱容，回水與進(jìn)水溫度差Δt=5.5，冷卻水流量qv=0.001 m3/s，冷卻水密度ρ=995.7 kg/m3，水的比熱容cp= 4.174 kJ/（kg·℃）。根據(jù)公式QT=qvρcpΔt，計算得出鼓泡器正常情況下的熱負(fù)荷為22.86 kJ/s。另一方面，測得鼓泡器與玻璃液接觸的高度為635 mm；鼓泡器外管外直徑40 mm，內(nèi)直徑31.5 mm，碳鋼50℃左右時的導(dǎo)熱系數(shù)λ=50.6 W/（m·℃）。正常情況下，玻璃液→鼓泡器外壁→冷卻水之間的熱量傳遞可視為穩(wěn)態(tài)傳熱，因此冷卻水單位時間帶走的熱量與鼓泡器外壁的傳熱速率是相等的。如果把鼓泡器外壁的傳熱看作簡單的單層圓壁的一維定態(tài)熱傳導(dǎo)，則可由公式Q=2πλL（t2-t1）/ln（r2/r1），其中，Q為傳熱速率，t1為圓筒內(nèi)壁溫度，t2為圓筒外壁溫度，可求出鼓泡器外壁的內(nèi)外溫度差。

綜合上述相關(guān)數(shù)據(jù)，可得出鼓泡器外壁的內(nèi)外溫度差為27℃。這樣，與鼓泡器接觸的玻璃液被冷卻至凝固狀態(tài)，而玻璃的導(dǎo)熱性隨著溫度的降低而降低，即鼓泡器的冷卻效果越好，會使得玻璃液向鼓泡器的傳熱速率越小。通過上述計算可知，正常情況下冷卻水流量，完全可滿足鼓泡器的冷卻需要。

3.2 冷卻水量調(diào)查和故障鼓泡器的解剖

由上述計算結(jié)果可知，如果冷卻水流量保持正常，就可以保護(hù)鼓泡器正常工作。而在對回水溫度偏高（＞50℃）的鼓泡器檢查時，發(fā)現(xiàn)冷卻水流量僅為10 L/min，約是正常流量的1/6。

為進(jìn)一步調(diào)查造成冷卻水量降低的原因，對更換下來的鼓泡器進(jìn)行了解剖，發(fā)現(xiàn)冷卻水的進(jìn)水和回水通路堵塞都非常嚴(yán)重。管壁上粘附大量黑色雜物，中間是大量泥沙，一方面阻擋了水的流動，另一方面影響了管壁的導(dǎo)熱性，因此大大降低了對最外層管壁的冷卻效果，使得管壁局部溫度升高，最終因溫度過高而被玻璃液侵蝕燒穿。

3.3 冷卻水質(zhì)檢查

鼓泡器冷卻用水為工業(yè)軟化水，日常監(jiān)測其硬度為0.4～0.6 mg·N/L，因此可初步排除結(jié)垢的可能。在檢查鼓泡器回水時曾發(fā)現(xiàn)冷卻水中的懸浮物較多，沉淀后主要為泥沙等雜物。鼓泡器的供水系統(tǒng)為半封閉式循環(huán)供水，工藝流程簡圖見圖4。盡管鼓泡器的回水為封閉式，但是熔窯和錫槽的其他用水設(shè)備的回水槽多為開放式集水槽，受周圍環(huán)境影響，容易落入灰塵。

圖4 循環(huán)水工藝流程

對冷卻水供水系統(tǒng)進(jìn)一步檢查又發(fā)現(xiàn)，供水系統(tǒng)的冷卻塔為開式冷卻塔，而它們又緊臨廠內(nèi)道路和碎玻璃堆場，其操作平臺上可見大量粉塵，因此冷卻塔周圍空氣中的灰塵和飛揚的雜物會隨著冷卻氣流進(jìn)入塔內(nèi)，然后隨下降水流進(jìn)入冷水池。盡管在水池內(nèi)一部分泥沙會沉淀，但仍會有大量懸浮泥沙進(jìn)入抽水泵。

再有，冷卻水的原來過濾方式為“旁濾式”，過濾器安裝在與供水管道并聯(lián)的管路上，將水過濾后再送入冷水池，因此它只能起到逐步凈化池內(nèi)水質(zhì)的作用。而一旦冷水池內(nèi)的水被污染，水質(zhì)較差的冷卻水就會直接進(jìn)入供水管道，而過濾器對該部分水中的污染物起不到阻擋作用。

含有大量懸浮物的冷卻水進(jìn)入鼓泡器后，一部分會逐漸在管道內(nèi)沉積吸附，隨著沉積物的增多，管內(nèi)水的流速會降低，這樣使得雜物更易沉積，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致管路的嚴(yán)重堵塞。而由于熔窯和錫槽其他水冷卻設(shè)備內(nèi)腔較大，水中懸浮物對它們的影響非常小。

4 對策措施及效果

4.1 對策措施

經(jīng)過上述討論，已經(jīng)明確了導(dǎo)致鼓泡器燒穿的根本原因，由于冷卻水中懸浮物，造成冷卻水管路的堵塞，因此對策的重點就是提高冷卻水的潔凈度，具體措施有4項。

（1）現(xiàn)場各回水集水槽加裝槽蓋，以避免灰塵的落入。

（2）冷卻塔吸風(fēng)口處加裝兩層過濾網(wǎng)，外層過濾精度為10目，內(nèi)層為40目，并定期進(jìn)行沖洗，以阻擋外界灰塵和雜物通過冷卻塔進(jìn)入集水池。

（3）冷卻塔旁邊的碎玻璃堆場加裝噴淋水管，定期對碎玻璃濕潤，以減少玻璃粉塵的飛揚，從源頭上減少粉塵進(jìn)入冷卻塔。

（4）改進(jìn)冷卻水的凈化措施，由原來的循環(huán)水旁濾，改造為全濾，即在各抽水泵出口加裝高壓反沖洗式過濾器，過濾精度為50 μm，從根本上保證冷卻水的潔凈度。

4.2 對策效果跟蹤

4.2.1 水質(zhì)改善情況

針對于冷卻水中懸浮物的情況，增加了水的“濁度”指標(biāo)測量。濁度是指水中懸浮物對光線透過時所發(fā)生的阻礙程度。水中的懸浮物一般是泥土、砂粒、微細(xì)的有機物和無機物、浮游生物、微生物和膠體物質(zhì)等。水的濁度不僅與水中懸浮物質(zhì)的含量有關(guān)，而且與它們的大小、形狀及折射系數(shù)等有關(guān)。

對策措施在實施時按難易程度分步進(jìn)行，至2013年2月各項措施全部完成，水的濁度也相應(yīng)地逐步下降。嚴(yán)重時濁度14.2 NTU，第一二項措施實施后，濁度10.1 NTU，第三項措施實施后濁度 7.5 NTU，第四項措施實施后3.6 NTU，穩(wěn)定情況后濁度3.3 NTU。2013年3月初，現(xiàn)場檢查各鼓泡器回水，發(fā)現(xiàn)水質(zhì)清澈，肉眼已基本看不到懸浮物。

4.2.2 鼓泡器的使用情況

隨著供水系統(tǒng)改善措施的逐步實施，水質(zhì)在逐步好轉(zhuǎn)，同時回水流量一直保持在55～65 L/min，各鼓泡器的回水溫度沒有出現(xiàn)明顯的偏離性升高。

5 結(jié)束語

水冷式鼓泡器在玻璃窯爐使用過程中，如果冷卻水質(zhì)出現(xiàn)異常，就會造成內(nèi)腔結(jié)垢或堵塞，從而降低冷卻效果而導(dǎo)致鼓泡器回水溫度升高，直到燒穿漏水，進(jìn)而影響玻璃質(zhì)量，因此必須加強水質(zhì)監(jiān)控和管理，包括硬度和懸浮物。由此，鼓泡器冷卻水系統(tǒng)在設(shè)計時，要充分考慮其特殊要求，最好使用相對獨立的封閉式循環(huán)水系統(tǒng)，而且可以對冷卻水溫度和壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，以保證冷卻效果穩(wěn)定。

［1］湯小慧，諸葛勤美.玻璃熔窯鼓泡技術(shù)［J］.玻璃,2009（10）:16-17.

［2］李志進(jìn),陳奇.浮法玻璃熔窯內(nèi)玻璃液溫度的測量［J］.玻璃與搪瓷, 2010（6）:10-12.

［3］胡玉良,肖凱生.水冷式鼓泡器技術(shù)［J］.玻璃,2010（1）:18-19.

［4］盧忠偉.池底鼓泡在我公司浮法玻璃生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.玻璃,2009（3）:44-45.

TQ170.5

B

〔編輯 凌 瑞〕