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        玻璃熔窯煙道熱工計(jì)算

        2021-07-06 01:45:12張凱趙亮
        玻璃 2021年6期
        關(guān)鍵詞:黏土磚礦渣煙道

        張凱 趙亮

        (秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 秦皇島 066001)

        0 引言

        當(dāng)今,節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)依然是玻璃行業(yè)乃至整個工業(yè)領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的兩大課題,玻璃熔窯生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)過蓄熱室格子體的回收后,在進(jìn)入煙道時依然有較高的溫度,對于大型熔窯來說,進(jìn)入煙道內(nèi)的煙氣溫度可以達(dá)到550 ℃,甚至更高,最大限度地利用此部分煙氣的余熱正日益引起人們的重視。煙道作為此部分煙氣的流動載體,如何更加合理的設(shè)計(jì)各煙道斷面尺寸和優(yōu)化煙道墻體的耐材,從而保證煙氣的熱工需求,成為目前的新問題。

        煙道是玻璃熔窯煙氣的流動通道,包括分支煙道和主煙道兩部分,其作為熔窯結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分,對穩(wěn)定和改善玻璃熔窯的生產(chǎn)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

        1 煙道斷面尺寸

        1.1 煙氣流量

        以1000 t/d級玻璃熔窯為例,燃料為石油焦,助燃介質(zhì)為空氣,熔化單位玻璃液的耗熱量為5650 kJ/kg,石油焦熱值36000 kJ/kg,則實(shí)際總煙氣量Q=115796 Nm3/h[1]。

        1.2 煙氣溫度

        分支煙道和主煙道內(nèi)的煙氣溫度是不同的,同時也是動態(tài)變化的,但為了方便計(jì)算,假定煙道內(nèi)的煙氣溫度是相對穩(wěn)定的,取平均溫度550 ℃。

        1.3 煙氣流速

        煙氣在煙道內(nèi)流動要滿足一定的速度要求,一般取1~3 Nm/s。若流速過低,煙氣的對流換熱系數(shù)小,傳遞的熱量少,煙氣在流動過程中溫降大,會對煙氣的余熱利用不利;若流速過高,煙氣流動阻力會增大,增加煙囪負(fù)擔(dān),但對于目前以大型引風(fēng)機(jī)為牽引力的機(jī)械排煙煙氣系統(tǒng)來說,這顯然不是主要矛盾。因此,為了更充分的利用煙氣余熱,煙氣流速應(yīng)盡量取上限。在本次計(jì)算中,分支煙道內(nèi)煙氣流速取2.5 Nm/s、主煙道內(nèi)煙氣流速取3 Nm/s。

        1.4 煙道斷面尺寸

        1000 t/d級玻璃熔窯分支煙道的數(shù)量一般為每側(cè)8~9個,由于每個小爐的風(fēng)火配比不同,導(dǎo)致每個分支煙道的煙氣量也不同,取煙氣量最大的分支煙道來計(jì)算其截面。

        最大流量的分支煙道的煙氣量按9個分支煙道的平均數(shù)的1.5倍計(jì)算:

        根據(jù)面積計(jì)算公式:

        式中:S——煙道截面積,m2;

        Q——煙氣流量,Nm3/h;

        v——煙氣流速,Nm/s。

        分別求得:

        求得了煙道的截面積,進(jìn)一步確定煙道斷面的寬和高。目前大多數(shù)基本思路都是先人為確定煙道的寬,然后再通過面積求出煙道的高。這樣確定的煙道截面具有很大的人為性和猜測性。

        煙道斷面的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

        圖1 煙道截面尺寸

        根據(jù)幾何公式:

        同時根據(jù)“水力最優(yōu)斷面:面積一定而濕周最小的斷面”的概念,可以得到如下方程:

        式中:S——煙道截面積,m2;

        B——煙道內(nèi)寬,m;

        H——煙道墻高,m;

        h——煙道拱高,m;

        c——濕周,m;

        聯(lián)立式(3)、(4)、(5),得:

        B分支= 1.5 m,H分支= 1.2 m,h分支=0.3 m;

        B主=3.4 m,H主=2.7 m,h主=0.7 m。

        1.5 煙道內(nèi)煙氣流動阻力

        煙道數(shù)據(jù)見表1。

        表1 煙道數(shù)據(jù)

        當(dāng)煙氣在煙道內(nèi)流動時,將受到煙道帶來的阻力。阻力分為沿程阻力和局部阻力兩種。

        煙氣在煙囪內(nèi)的流動狀態(tài)為湍流[3]。由于煙道內(nèi)煙氣的平均溫度550 ℃遠(yuǎn)高于煙囪出口的溫度80 ℃,因此,煙道內(nèi)煙氣的流動同樣為湍流狀態(tài)。

        (1)支煙道沿程阻力:

        (2)經(jīng)過支煙道矩形閘板的局部阻力:

        (3)支煙道進(jìn)主煙道急轉(zhuǎn)擴(kuò)大局部阻力:

        (4)主煙道集流局部阻力:

        (5)主煙道沿程阻力:

        (6)經(jīng)過主煙道旋轉(zhuǎn)閘板局部阻力:

        式中:l1——支煙道沿程阻力系數(shù),無量綱;

        l1——支煙道長度,m;

        d1——支煙道當(dāng)量直徑,m;

        v1——支煙道內(nèi)煙氣流速,Nm/s;

        l2——主煙道沿程阻力系數(shù),無量綱;

        l2——主煙道長度,m;

        d2——主煙道當(dāng)量直徑,m;

        rg0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)煙氣密度,kg/m3;

        v2——主煙道內(nèi)煙氣流速,Nm/s;

        tg——煙氣溫度,℃;

        x1——煙氣經(jīng)過支煙道矩形閘板的局部阻力系數(shù),無量綱;

        x2——煙氣從支煙道進(jìn)入主煙道急轉(zhuǎn)擴(kuò)大的局部阻力系數(shù),無量綱;

        x3——主道內(nèi)煙氣集流的局部阻力系數(shù),無量綱;

        x4——煙氣經(jīng)過主煙道閘板的局部阻力系數(shù),無量綱。

        煙道總阻力:

        hS=h1+h2+h3+h4+h5+h6

        =4.1+12.4+12.4+26.9+10.5+445.9

        ≈500(Pa)

        顯然,500 Pa的阻力損失相對于全壓10000 Pa的大型引風(fēng)機(jī)來說是次要的。

        2 煙道保溫層計(jì)算

        由于煙氣在煙道內(nèi)的平均溫度達(dá)到550 ℃,遠(yuǎn)高于20 ℃的外界環(huán)境空氣溫度,因此煙氣在煙道內(nèi)流動過程中,必然會有溫降。為了盡可能地減少煙氣的溫降,充分利用其余熱,對煙道進(jìn)行合理的保溫是非常必要的。煙道的保溫結(jié)構(gòu)有多種組合形式,對目前常見的幾種保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳熱計(jì)算。

        正常生產(chǎn)過程中的煙氣通過煙道墻體向周圍空氣的散熱,可近似看為穩(wěn)態(tài)平壁傳熱。煙道墻體綜合傳熱示意見圖2。

        圖2 煙道墻體綜合傳熱示意圖

        煙道墻體內(nèi)表面到外表面的導(dǎo)熱:

        煙道墻外表面對周圍空氣的傳熱:

        式中:

        t2——煙道內(nèi)表面的溫度,℃;

        t1——煙道外表面的溫度,℃;

        t0——環(huán)境溫度,℃;

        d——煙道墻厚,m;

        l——煙道墻體導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);

        a1——煙道外表面與外界環(huán)境之間的對流輻射傳熱系數(shù),W/(m2·℃);

        外界空氣自然流動狀態(tài)下的a1:

        根據(jù)能量守恒,聯(lián)立式(6)、(7)得:

        2.1 黏土磚460 mm的墻體結(jié)構(gòu)

        此種結(jié)構(gòu)的煙道墻體全部由厚度d=460 mm黏土磚組成。黏土磚的導(dǎo)熱系數(shù):

        由式(8)、(9)、(10)得:

        煙道外表面溫度t1=93 ℃

        2.2 黏土磚和礦渣棉的復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)

        此種結(jié)構(gòu)的煙道墻體由內(nèi)往外分別為厚度460 mm的黏土磚和50 mm的礦渣棉。

        黏土磚的導(dǎo)熱系數(shù):

        礦渣棉的導(dǎo)熱系數(shù):

        式中:t2——煙道內(nèi)表面的溫度,℃;

        t1——煙道外表面的溫度,℃;

        t3——黏土磚與礦渣棉的界面溫度,℃。

        聯(lián)立式(8)、(9)、(11)、(12)得:

        煙道外表面溫度:t1=62 ℃

        2.3 黏土磚、輕質(zhì)黏土磚和礦渣棉的復(fù)合結(jié)構(gòu)

        此種結(jié)構(gòu)的煙道墻體由內(nèi)往外分別為厚度230 mm的黏土磚、厚度230 mm的輕質(zhì)黏土保溫磚(密度為1000 kg/m3)和50 mm的礦渣棉。

        黏土磚的導(dǎo)熱系數(shù):

        輕質(zhì)黏土保溫磚的導(dǎo)熱系數(shù):

        礦渣棉的導(dǎo)熱系數(shù):

        式中:t2——煙道內(nèi)表面的溫度,℃;

        t1——煙道外表面的溫度,℃;

        t4——黏土磚與保溫磚的界面溫度,℃;

        t5——保溫磚與礦渣棉的界面溫度,℃。

        聯(lián) 立式(8)、(9)、(13)、(14)、(15)得:

        煙道外表面溫度:t1=52 ℃

        2.4 黏土磚、紅磚和礦渣棉的復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)

        此種結(jié)構(gòu)的煙道墻體由內(nèi)往外分別為厚度230 mm的黏土磚、厚度240 mm的紅磚和50 mm的礦渣棉。

        黏土磚的導(dǎo)熱系數(shù):

        紅磚的導(dǎo)熱系數(shù):

        礦渣棉的導(dǎo)熱系數(shù):

        式中:t2——煙道內(nèi)表面的溫度,℃;

        t1——煙道外表面的溫度,℃;

        t6——黏土磚與紅磚的界面溫度,℃;

        t7——紅磚與礦渣棉的界面溫度,℃。

        聯(lián) 立式(8)、(9)、(16)、(17)、(18)得:

        煙道外表面溫度t1=58 ℃

        2.5 黏土磚、輕質(zhì)黏土保溫磚、紅磚和礦渣棉的復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)

        此種結(jié)構(gòu)的煙道墻體由內(nèi)往外分別為厚度230 mm的黏土磚、厚度115 mm的輕質(zhì)黏土保溫磚(密度為1000 kg/m3)、厚度115 mm的紅磚和50 mm的礦渣棉。

        黏土磚的導(dǎo)熱系數(shù):

        輕質(zhì)黏土保溫磚的導(dǎo)熱系數(shù):

        紅磚的導(dǎo)熱系數(shù):

        礦渣棉的導(dǎo)熱系數(shù):

        式中:t2——煙道內(nèi)表面的溫度,℃;

        t1——煙道外表面的溫度,℃;

        t8——黏土磚與保溫磚的界面溫度,℃;

        t9——保溫磚與紅磚的界面溫度,℃;

        t10——紅磚與礦渣棉的界面溫度,℃。

        聯(lián)立式(8)、(9)、(19)、(20)、(21)、(22)得:

        煙道外表面溫度t1=51 ℃

        2.6 各結(jié)構(gòu)保溫效果和經(jīng)濟(jì)性比較

        不同結(jié)構(gòu)的保溫層參數(shù)見表2。

        表2 不同結(jié)構(gòu)的保溫層參數(shù)

        根據(jù)表2,保溫效果最差的是第1種結(jié)構(gòu),這是因?yàn)榻M成此結(jié)構(gòu)的材料單一,僅有導(dǎo)熱系數(shù)相對較高的黏土磚組成,外側(cè)無保溫材料;保溫效果最好的是第5種結(jié)構(gòu),這是由于相比其它保溫結(jié)構(gòu)形式,組成此種結(jié)構(gòu)的材料種類最多,由4層不同材料組成,且外側(cè)的輕質(zhì)黏土磚、紅磚及礦渣棉都具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)。

        同時,由表2可知,造價最高的是第2種結(jié)構(gòu),這是因?yàn)橄啾绕渌牧?,黏土磚的單價最高;造價最低的是第4種結(jié)構(gòu),這是由于本結(jié)構(gòu)在墻壁外側(cè)大量使用了價格最低的紅磚;盡管第5種結(jié)構(gòu)的造價不是最低的,但是,相比第1、2、3種結(jié)構(gòu),還是有優(yōu)勢的。

        綜上所述,第5種結(jié)構(gòu)的綜合效果最好,因?yàn)榇朔N保溫效果最好,且造價相對較低。

        3 結(jié)論

        (1)煙道內(nèi)煙氣流速的取值應(yīng)以減少溫降、有利于煙氣余熱利用為原則,盡量取上限,由此帶來的煙道阻力增加相對于引風(fēng)機(jī)來說是微不足道的。

        (2)煙道截面寬、高等尺寸的確定應(yīng)以"水力最優(yōu)斷面"的概念原理進(jìn)行計(jì)算,人為確定具有很大的猜測性。

        (3)采用從內(nèi)到外依次為厚度230 mm黏土磚、115 mm輕質(zhì)黏土保溫磚(密度為1000 kg/m3)、115 mm紅磚和50 mm礦渣棉的煙道砌體結(jié)構(gòu)的綜合效果最好。

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