平板玻璃熔窯電助熔設(shè)計(jì)與計(jì)算

0引言玻璃液在高溫熔融狀態(tài)下是一種電導(dǎo)體。電熔化已在玻璃行業(yè)廣泛使用，電助熔熱效率高、玻璃的熱穩(wěn)定性和均勻性好，具有提高玻璃質(zhì)量和降低能耗等優(yōu)點(diǎn)，有廣闊的發(fā)展空間。傳統(tǒng)大型平板玻璃熔窯電助熔負(fù)荷未超過(guò)10%，節(jié)能效果有限，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排技術(shù)性突破，增大電助熔負(fù)荷勢(shì)在必行。平板玻璃熔窯穩(wěn)定的玻璃液流和合理的液流位置及形態(tài)對(duì)玻璃熔窯的操作至關(guān)重要，電助熔玻璃熔窯的電功率輸入及位置設(shè)計(jì)同樣要以保證玻璃熔窯的配合料層、環(huán)流Ⅰ、環(huán)流Ⅱ以及生產(chǎn)流的穩(wěn)定為前提。電助熔功率分配和分區(qū)設(shè)計(jì)及電極布置是電助熔玻璃熔窯的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和設(shè)計(jì)關(guān)鍵，需結(jié)合火焰空間熱負(fù)荷保證工藝制度和溫度梯度，為保證設(shè)計(jì)合理，必要時(shí)需借助數(shù)學(xué)模擬或物理模型等輔助手段。1電助熔玻璃熔窯的設(shè)計(jì)與計(jì)算（1）電助熔加熱功率及裝機(jī)功率計(jì)算普通平板玻璃（12%碎玻璃）理論熔化熱由以下幾部分組成：①生成硅酸鹽耗熱：272kJ/kg玻璃液；②玻璃液加熱至1400℃所需熱量：1842kJ/kg玻璃液；③生成玻璃耗熱：314kJ/kg玻璃液；④蒸發(fā)水分耗熱：104kJ/kg玻璃液；理論熔化總熱耗：2533kJ/kg玻璃液（不含玻璃液生成氣加熱耗熱），轉(zhuǎn)換為電能為0.7kWh/kg玻璃液，考慮到電極水套及變壓器等能量損失，電助熔的熱效率可達(dá)85%～90%，那么玻璃液所需輸入功率為32～34kW/t玻璃液（不包含窯爐散熱損失），裝機(jī)功率按40～45kVA/t玻璃液配置。（2）電助熔分區(qū)設(shè)計(jì)投料口區(qū)域池底溫度低，一般理所當(dāng)然地認(rèn)為電助熔大部分功率應(yīng)增設(shè)在該區(qū)域，事實(shí)上國(guó)內(nèi)確實(shí)有廠家這樣分區(qū)布置電助熔，但效果并不理想。對(duì)此做數(shù)學(xué)模擬，方案1：前置四區(qū)均布電極，裝機(jī)功率3600kVA；方案2：前區(qū)均布三排電極，裝機(jī)功率1500kVA，熱障區(qū)兩排電極，裝機(jī)功率2100kVA。圖1為600t/d顏色玻璃電助熔數(shù)學(xué)模擬玻璃液流示意圖。圖1600t/d顏色玻璃電助熔數(shù)學(xué)模擬玻璃液流示意圖數(shù)學(xué)模擬對(duì)比顯示，方案1池底熱點(diǎn)前移，較大地改變了玻璃窯爐縱向液流形態(tài)，不利于玻璃的熔化和澄清。（3）電極分布設(shè)計(jì)與計(jì)算通常一個(gè)電助熔玻璃熔窯電功率及分區(qū)確定之后，下一個(gè)問(wèn)題就是如何確定變壓器的二次側(cè)電壓參數(shù)。由電功率公式可知，電助熔玻璃熔窯電極間電阻計(jì)算的準(zhǔn)確性直接影響到輸電設(shè)備參數(shù)的準(zhǔn)確性。

①電極的選擇及插入方式平板玻璃熔窯電助熔所用電極一般采用鉬電極。平板玻璃熔窯規(guī)模尺寸大，底部有足夠的空間滿足電極的布置需求，底插垂直電極電流分布均勻，電流密度小，一般可滿足使用一個(gè)窯期的要求。鉬電極適合平板玻璃電助熔，但配合料中含有PbO、As2O3、Sb2O3等氧化物時(shí)，鉬電極有被氧化的風(fēng)險(xiǎn)，從而影響電極使用壽命。鉬電極的侵蝕速率很大程度上與電流密度有關(guān)，當(dāng)電流密度低于0.5A/cm2時(shí)，腐蝕速度極低，電極長(zhǎng)期使用，尺寸幾乎不變。當(dāng)電流密度升高到1.0A/cm2以上時(shí)，腐蝕速度會(huì)突然升高，鉬電極侵蝕很快。鉬電極在平板玻璃電助熔中使用時(shí)建議電流密度為：0.7～1.0A/cm2。

②電極間電阻的計(jì)算電極間玻璃液電阻可使用電阻計(jì)算公式：

平板玻璃熔窯電助熔電極之間連接簡(jiǎn)單，電極間電阻一般有以下兩種計(jì)算方式：兩支垂直底插布置的平行棒狀電極之間的電阻可簡(jiǎn)化按式（2）計(jì)算：

③二次側(cè)電壓計(jì)算玻璃液的導(dǎo)電行為遵從歐姆定律和焦耳定律。電助熔功率及電極間電阻確定之后便可以計(jì)算二次側(cè)電壓，為變壓器選型提供設(shè)計(jì)參數(shù)。由于高溫玻璃液之間的電阻很小，電極間的電流會(huì)很大，從對(duì)電極的保護(hù)角度考慮，對(duì)電極電流密度進(jìn)行復(fù)核非常有必要。計(jì)算電阻比實(shí)際電阻小會(huì)導(dǎo)致計(jì)算電流密度比實(shí)際電流密度小，復(fù)核電流密度時(shí)將計(jì)算電阻按0.5～0.8系數(shù)進(jìn)行修正。另外，電極之間的電力線不是均勻分布的，電極正面電流密度大于電極背面電流密度，計(jì)算電流密度為整個(gè)電極面的平均值，不合理的電極布置會(huì)導(dǎo)致電極電流密度大的部位侵蝕嚴(yán)重。2結(jié)論（1）合理設(shè)置電助熔有利于提高熔窯的熔化能力，玻璃熔窯的設(shè)計(jì)熔化率可提高20%～30%，減少單位玻璃液散熱面積，降低能耗，如果只是簡(jiǎn)單的將電助熔部分替代生物燃料，單位玻璃液散熱面積沒(méi)有減少，節(jié)能預(yù)期可能不會(huì)太明顯。（2）底插式電助熔電極布置，可提升池底玻璃液溫度，增加池深有利于提高熔化能力，可適當(dāng)減少玻璃熔窯平面尺寸，同時(shí)設(shè)計(jì)深池可提高最底層玻璃液電阻，有利于對(duì)池底的保護(hù)，特別是對(duì)大功率電助熔玻璃熔窯尤為重要。（3）電助熔功率輸入分區(qū)及電極布置，應(yīng)遵從工藝操作制度，與火焰空間熱負(fù)荷相結(jié)合，保證玻璃窯爐縱向?qū)α餍螒B(tài)不發(fā)生大的變動(dòng)及玻璃液溫度梯度滿足工藝操作要求。（4）復(fù)雜電極排布的電阻計(jì)算難度大，準(zhǔn)確度不高，因此，電熔窯用的隔離變壓器的電壓和電流往往需要較大的適應(yīng)范圍。計(jì)算相對(duì)