水冷式鼓泡器在玻璃熔窯中的使用維護

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

邵正勛，吳 杰

（河南安彩高科股份有限公司，河南安陽 455000）

鼓泡技術廣泛應用于大型玻璃熔窯，可起到提升熔化效率、提高玻璃質量和節能的作用，但因鼓泡器需要接觸高溫玻璃液，如果使用不當，會導致鼓泡器燒損，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用中的故障跟蹤，為該類型鼓泡器的使用積累了經驗和教訓，并可為水冷式鼓泡系統的設計提供借鑒。

玻璃熔窯；鼓泡技術；鼓泡器；結石；燒穿

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.26

0 引言

鼓泡技術廣泛應用于大型玻璃熔窯，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膨脹形成氣泡，并逐漸上升長大，最終到達玻璃液面破裂逸出。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用中的故障分析，為該類鼓泡器的制造、冷卻水系統設計和日常使用維護提供借鑒。

1 鼓泡器在某浮法池爐的應用情況

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 鼓泡器結構

鼓泡器結構示意見圖1。設計思路是在鼓泡氣管外加裝了水冷套管，以保護鼓泡氣管。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軟化水，采用的是水泵和保安水塔相結合的供水方式，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行冷卻，以最大可能減少斷水情況的發生。每根鼓泡器有相對獨立的冷卻水供排管道，在各自進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，以對回水溫度進行測量，并遠傳至中控制室進行日常監控。

圖1 F.I.C公司鼓泡器

1.2 鼓泡器的布局及安裝情況

根據該浮法玻璃池爐的溫度曲線，設置了一排鼓泡器，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上下調整。

2 鼓泡器故障情況及對生產的影響

該窯爐鼓泡器于2011年9月25日投入使用，2012年5月21日首次出現故障，之后又有多根鼓泡器相繼發生故障，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）的設計要求相差非常大。

2.1 鼓泡器故障前后的現象

對比這11根鼓泡器故障前后的各種現象，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。當鼓泡器回水溫度＞50℃時，其發生故障的幾率往往較大，且回水溫度越高越易發行故障，故可據此進行預警。

（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，為正常泡徑的數倍，此時即可判斷鼓泡器發生了故障，圖2為工業電視中拍攝到鼓泡器故障時的畫面。檢查卸下的鼓泡器，可發現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 鼓泡器故障對生產的影響

鼓泡器故障對生產的影響可分為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致析晶結石；另一方面是鼓泡器停用期間，原來其發揮的作用暫時中斷，影響玻璃液的澄清和均化。

該窯爐鼓泡器首次燒穿后，由于經驗不足，對其發現不及時，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，導致了長時間的析晶結石高發，結石日數量由正常時的60枚左右激增至數千枚，圖3為結石統計曲線。有了此次教訓，之后的鼓泡器故障發現都比較及時，并立即關閉其冷卻水，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，沒再出現結石高發，但對應于故障時段，內氣泡有所增多。

圖3 鼓泡器故障前后結石數量（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行了計算，重點是鼓泡器外壁的換熱計算。任意選用1根新換上的鼓泡器，對其相關數據進行測算：由內側環隙進水，溫度27℃，從外側環隙回水，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·℃）。根據公式QT=qvρcpΔt，計算得出鼓泡器正常情況下的熱負荷為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，內直徑31.5 mm，碳鋼50℃左右時的導熱系數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態傳熱，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熱傳導，則可由公式Q=2πλL（t2-t1）/ln（r2/r1），其中，Q為傳熱速率，t1為圓筒內壁溫度，t2為圓筒外壁溫度，可求出鼓泡器外壁的內外溫度差。

綜合上述相關數據，可得出鼓泡器外壁的內外溫度差為27℃。這樣，與鼓泡器接觸的玻璃液被冷卻至凝固狀態，而玻璃的導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 冷卻水量調查和故障鼓泡器的解剖

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

為進一步調查造成冷卻水量降低的原因，對更換下來的鼓泡器進行了解剖，發現冷卻水的進水和回水通路堵塞都非常嚴重。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 冷卻水質檢查

鼓泡器冷卻用水為工業軟化水，日常監測其硬度為0.4～0.6 mg·N/L，因此可初步排除結垢的可能。在檢查鼓泡器回水時曾發現冷卻水中的懸浮物較多，沉淀后主要為泥沙等雜物。鼓泡器的供水系統為半封閉式循環供水，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備的回水槽多為開放式集水槽，受周圍環境影響，容易落入灰塵。

圖4 循環水工藝流程

對冷卻水供水系統進一步檢查又發現，供水系統的冷卻塔為開式冷卻塔，而它們又緊臨廠內道路和碎玻璃堆場，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入塔內，然后隨下降水流進入冷水池。盡管在水池內一部分泥沙會沉淀，但仍會有大量懸浮泥沙進入抽水泵。

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水質的作用。而一旦冷水池內的水被污染，水質較差的冷卻水就會直接進入供水管道，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入鼓泡器后，一部分會逐漸在管道內沉積吸附，隨著沉積物的增多，管內水的流速會降低，這樣使得雜物更易沉積，形成惡性循環，最終導致管路的嚴重堵塞。而由于熔窯和錫槽其他水冷卻設備內腔較大，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

經過上述討論，已經明確了導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）冷卻塔吸風口處加裝兩層過濾網，外層過濾精度為10目，內層為40目，并定期進行沖洗，以阻擋外界灰塵和雜物通過冷卻塔進入集水池。

（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入冷卻塔。

（4）改進冷卻水的凈化措施，由原來的循環水旁濾，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”指標測量。濁度是指水中懸浮物對光線透過時所發生的阻礙程度。水中的懸浮物一般是泥土、砂粒、微細的有機物和無機物、浮游生物、微生物和膠體物質等。水的濁度不僅與水中懸浮物質的含量有關，而且與它們的大小、形狀及折射系數等有關。

對策措施在實施時按難易程度分步進行，至2013年2月各項措施全部完成，水的濁度也相應地逐步下降。嚴重時濁度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，穩定情況后濁度3.3 NTU。2013年3月初，現場檢查各鼓泡器回水，發現水質清澈，肉眼已基本看不到懸浮物。

4.2.2 鼓泡器的使用情況

隨著供水系統改善措施的逐步實施，水質在逐步好轉，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明顯的偏離性升高。

5 結束語

水冷式鼓泡器在玻璃窯爐使用過程中，如果冷卻水質出現異常，就會造成內腔結垢或堵塞，從而降低冷卻效果而導致鼓泡器回水溫度升高，直到燒穿漏水，進而影響玻璃質量，因此必須加強水質監控和管理，包括硬度和懸浮物。由此，鼓泡器冷卻水系統在設計時，要充分考慮其特殊要求，最好使用相對獨立的封閉式循環水系統，而且可以對冷卻水溫度和壓力進行調節控制，以保證冷卻效果穩定。

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

［2］李志進,陳奇.浮法玻璃熔窯內玻璃液溫度的測量［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［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中的應用［J］.玻璃,2009（3）:44-45.

TQ170.5

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〔編輯 凌 瑞〕