水冷式鼓泡器在玻璃熔窑中的使用维护

邵正勋，吴 杰

（河南安彩高科股份有限公司，河南安阳 455000）

水冷式鼓泡器在玻璃熔窑中的使用维护

邵正勋，吴 杰

（河南安彩高科股份有限公司，河南安阳 455000）

鼓泡技术广泛应用于大型玻璃熔窑，可起到提升熔化效率、提高玻璃质量和节能的作用，但因鼓泡器需要接触高温玻璃液，如果使用不当，会导致鼓泡器烧损，反而影响玻璃熔制。通过对某型鼓泡器在某浮法玻璃熔窑应用中的故障跟踪，为该类型鼓泡器的使用积累了经验和教训，并可为水冷式鼓泡系统的设计提供借鉴。

玻璃熔窑；鼓泡技术；鼓泡器；结石；烧穿

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.26

0 引言

鼓泡技术广泛应用于大型玻璃熔窑，其通过鼓泡器向熔窑的玻璃液底层鼓入一定压力和流量的洁净气体，该气体在高温玻璃液内膨胀形成气泡，并逐渐上升长大，最终到达玻璃液面破裂逸出。气泡在上升和长大过程中，带动和强化了其周围的玻璃液流，同时还吸收其周围的一部分小气泡，因此鼓泡过程可提高玻璃的熔化效率、加强玻璃液澄清和均化。另外，鼓泡过程中，还可将熔窑底部的低温玻璃液带到液面，促进其与火焰空间的热交换，从而提高热能利用率。

但是，鼓泡器工作环境温度较高，尤其是与玻璃接触部位，需要耐受1100℃以上高温，因此鼓泡器或采用特殊的耐高温材料，或采取专门的冷却装置。下面以水冷式鼓泡器为例，通过其在某浮法池炉应用中的故障分析，为该类鼓泡器的制造、冷却水系统设计和日常使用维护提供借鉴。

1 鼓泡器在某浮法池炉的应用情况

某公司浮法玻璃熔窑，为横火焰蓄热式池炉，熔化部有6对小炉，熔化池全长40.7 m、宽12.2 m、池深1.4 m，其中熔化带面积为273.28 m2，设计出料量为600 t/d，熔化率为2.2 t/（d·m2）。该池炉使用英国F.I.C公司鼓泡器。

1.1 鼓泡器结构

鼓泡器结构示意见图1。设计思路是在鼓泡气管外加装了水冷套管，以保护鼓泡气管。水冷套材料为碳钢，工作端直径为40 mm，管壁厚为4.25 mm。水冷套外管直接由钻头通过水冷钻孔而成，与玻璃液接触部分的管壁四周无焊接，这样可使得各处导热性能良好，以保证水冷效果，还可避免从焊点处开裂漏水。正常情况下，鼓泡器使用的冷却水是工业软化水，采用的是水泵和保安水塔相结合的供水方式，以提高供水的安全性；供水主管路还通过桥阀与消防水管路相连，紧急情况下，可短时间使用消防水进行冷却，以最大可能减少断水情况的发生。每根鼓泡器有相对独立的冷却水供排管道，在各自进出水管路上还安装有截止阀，以便于在鼓泡器更换时切断水路，而且每根鼓泡器的回水管路上还安装有热电阻，以对回水温度进行测量，并远传至中控制室进行日常监控。

图1 F.I.C公司鼓泡器

1.2 鼓泡器的布局及安装情况

根据该浮法玻璃池炉的温度曲线，设置了一排鼓泡器，其位置在池炉热点处，具体位置是，鼓泡器中心线距离加料端17 810 mm，位于第四对小炉后，距4#小炉中心线910 mm。在窑宽度方向上共设置了14根鼓泡器，相邻两鼓泡器的中心间距为764 mm，两边部鼓泡器中心距池壁1134 mm，以使得相邻鼓泡之间不相互干扰，还可减轻鼓泡液流对池壁的冲刷。由于浮法玻璃窑炉较深，玻璃液深度就达1350 mm，因此鼓泡管口高于鼓泡砖635 mm，以减轻鼓泡对池底砖的冲刷，同时考虑到不同品种对鼓泡的要求，鼓泡器还可在一定范围内上下调整。

2 鼓泡器故障情况及对生产的影响

该窑炉鼓泡器于2011年9月25日投入使用，2012年5月21日首次出现故障，之后又有多根鼓泡器相继发生故障，至2012年9月11日共有11根鼓泡器故障，使用寿命都不到1 a，距1个炉龄（约为8 a）的设计要求相差非常大。

2.1 鼓泡器故障前后的现象

对比这11根鼓泡器故障前后的各种现象，有以下2个共同特征。

（1）回水温度逐渐升高。鼓泡器在使用一段时间后，各回水温度均有所升高，但个别回水温度升高幅度较大，逐步偏离一般情况。当鼓泡器回水温度＞50℃时，其发生故障的几率往往较大，且回水温度越高越易发行故障，故可据此进行预警。

（2）泡径突然变大。在高回水温度下运行的鼓泡器，一段时间后泡径会突然变大，为正常泡径的数倍，此时即可判断鼓泡器发生了故障，图2为工业电视中拍摄到鼓泡器故障时的画面。检查卸下的鼓泡器，可发现其外壁上有被烧穿的孔洞，泡径变大即是漏出的冷却水被高温玻璃液加热汽化所致，这是鼓泡器烧穿的典型特征，且漏水越严重泡径越大。

图2 鼓泡器故障时的鼓泡对比

2.2 鼓泡器故障对生产的影响

鼓泡器故障对生产的影响可分为2个方面，一方面是泡径变大后对玻璃液的剧烈翻腾，有可能搅起窑炉底部的滞留层而导致析晶结石；另一方面是鼓泡器停用期间，原来其发挥的作用暂时中断，影响玻璃液的澄清和均化。

该窑炉鼓泡器首次烧穿后，由于经验不足，对其发现不及时，判断和处理不果断，致使较长时间（约1 h）鼓泡剧烈，将窑炉底部的大量滞留层翻腾起来，导致了长时间的析晶结石高发，结石日数量由正常时的60枚左右激增至数千枚，图3为结石统计曲线。有了此次教训，之后的鼓泡器故障发现都比较及时，并立即关闭其冷却水，然后将其抽出至安全位，在鼓泡器停用期间，升高池炉后部温度，以加强玻璃液澄清，没再出现结石高发，但对应于故障时段，内气泡有所增多。

图3 鼓泡器故障前后结石数量（枚/日）

3 鼓泡器故障原因分析

｜鼓泡器所处的玻璃液温度为1100～1350℃，与玻璃液直接接触的鼓泡器外管材料为碳钢。碳钢在高温下氧化比较快，在高温玻璃液中会很快被侵蚀，而且温度越高侵蚀速度越快。采用冷却水的目的也就是通过水的流动来对鼓泡器进行降温。

3.1 鼓泡器冷却效果验算

为了判断鼓泡器选型是否合适，对鼓泡器的热工情况进行了计算，重点是鼓泡器外壁的换热计算。任意选用1根新换上的鼓泡器，对其相关数据进行测算：由内侧环隙进水，温度27℃，从外侧环隙回水，温度为32.5℃，回水流量60 L/min。查找得到该温度下水的密度和比热容，回水与进水温度差Δt=5.5，冷却水流量qv=0.001 m3/s，冷却水密度ρ=995.7 kg/m3，水的比热容cp= 4.174 kJ/（kg·℃）。根据公式QT=qvρcpΔt，计算得出鼓泡器正常情况下的热负荷为22.86 kJ/s。另一方面，测得鼓泡器与玻璃液接触的高度为635 mm；鼓泡器外管外直径40 mm，内直径31.5 mm，碳钢50℃左右时的导热系数λ=50.6 W/（m·℃）。正常情况下，玻璃液→鼓泡器外壁→冷却水之间的热量传递可视为稳态传热，因此冷却水单位时间带走的热量与鼓泡器外壁的传热速率是相等的。如果把鼓泡器外壁的传热看作简单的单层圆壁的一维定态热传导，则可由公式Q=2πλL（t2-t1）/ln（r2/r1），其中，Q为传热速率，t1为圆筒内壁温度，t2为圆筒外壁温度，可求出鼓泡器外壁的内外温度差。

综合上述相关数据，可得出鼓泡器外壁的内外温度差为27℃。这样，与鼓泡器接触的玻璃液被冷却至凝固状态，而玻璃的导热性随着温度的降低而降低，即鼓泡器的冷却效果越好，会使得玻璃液向鼓泡器的传热速率越小。通过上述计算可知，正常情况下冷却水流量，完全可满足鼓泡器的冷却需要。

3.2 冷却水量调查和故障鼓泡器的解剖

由上述计算结果可知，如果冷却水流量保持正常，就可以保护鼓泡器正常工作。而在对回水温度偏高（＞50℃）的鼓泡器检查时，发现冷却水流量仅为10 L/min，约是正常流量的1/6。

为进一步调查造成冷却水量降低的原因，对更换下来的鼓泡器进行了解剖，发现冷却水的进水和回水通路堵塞都非常严重。管壁上粘附大量黑色杂物，中间是大量泥沙，一方面阻挡了水的流动，另一方面影响了管壁的导热性，因此大大降低了对最外层管壁的冷却效果，使得管壁局部温度升高，最终因温度过高而被玻璃液侵蚀烧穿。

3.3 冷却水质检查

鼓泡器冷却用水为工业软化水，日常监测其硬度为0.4～0.6 mg·N/L，因此可初步排除结垢的可能。在检查鼓泡器回水时曾发现冷却水中的悬浮物较多，沉淀后主要为泥沙等杂物。鼓泡器的供水系统为半封闭式循环供水，工艺流程简图见图4。尽管鼓泡器的回水为封闭式，但是熔窑和锡槽的其他用水设备的回水槽多为开放式集水槽，受周围环境影响，容易落入灰尘。

图4 循环水工艺流程

对冷却水供水系统进一步检查又发现，供水系统的冷却塔为开式冷却塔，而它们又紧临厂内道路和碎玻璃堆场，其操作平台上可见大量粉尘，因此冷却塔周围空气中的灰尘和飞扬的杂物会随着冷却气流进入塔内，然后随下降水流进入冷水池。尽管在水池内一部分泥沙会沉淀，但仍会有大量悬浮泥沙进入抽水泵。

再有，冷却水的原来过滤方式为“旁滤式”，过滤器安装在与供水管道并联的管路上，将水过滤后再送入冷水池，因此它只能起到逐步净化池内水质的作用。而一旦冷水池内的水被污染，水质较差的冷却水就会直接进入供水管道，而过滤器对该部分水中的污染物起不到阻挡作用。

含有大量悬浮物的冷却水进入鼓泡器后，一部分会逐渐在管道内沉积吸附，随着沉积物的增多，管内水的流速会降低，这样使得杂物更易沉积，形成恶性循环，最终导致管路的严重堵塞。而由于熔窑和锡槽其他水冷却设备内腔较大，水中悬浮物对它们的影响非常小。

4 对策措施及效果

4.1 对策措施

经过上述讨论，已经明确了导致鼓泡器烧穿的根本原因，由于冷却水中悬浮物，造成冷却水管路的堵塞，因此对策的重点就是提高冷却水的洁净度，具体措施有4项。

（1）现场各回水集水槽加装槽盖，以避免灰尘的落入。

（2）冷却塔吸风口处加装两层过滤网，外层过滤精度为10目，内层为40目，并定期进行冲洗，以阻挡外界灰尘和杂物通过冷却塔进入集水池。

（3）冷却塔旁边的碎玻璃堆场加装喷淋水管，定期对碎玻璃湿润，以减少玻璃粉尘的飞扬，从源头上减少粉尘进入冷却塔。

（4）改进冷却水的净化措施，由原来的循环水旁滤，改造为全滤，即在各抽水泵出口加装高压反冲洗式过滤器，过滤精度为50 μm，从根本上保证冷却水的洁净度。

4.2 对策效果跟踪

4.2.1 水质改善情况

针对于冷却水中悬浮物的情况，增加了水的“浊度”指标测量。浊度是指水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度。水中的悬浮物一般是泥土、砂粒、微细的有机物和无机物、浮游生物、微生物和胶体物质等。水的浊度不仅与水中悬浮物质的含量有关，而且与它们的大小、形状及折射系数等有关。

对策措施在实施时按难易程度分步进行，至2013年2月各项措施全部完成，水的浊度也相应地逐步下降。严重时浊度14.2 NTU，第一二项措施实施后，浊度10.1 NTU，第三项措施实施后浊度 7.5 NTU，第四项措施实施后3.6 NTU，稳定情况后浊度3.3 NTU。2013年3月初，现场检查各鼓泡器回水，发现水质清澈，肉眼已基本看不到悬浮物。

4.2.2 鼓泡器的使用情况

随着供水系统改善措施的逐步实施，水质在逐步好转，同时回水流量一直保持在55～65 L/min，各鼓泡器的回水温度没有出现明显的偏离性升高。

5 结束语

水冷式鼓泡器在玻璃窑炉使用过程中，如果冷却水质出现异常，就会造成内腔结垢或堵塞，从而降低冷却效果而导致鼓泡器回水温度升高，直到烧穿漏水，进而影响玻璃质量，因此必须加强水质监控和管理，包括硬度和悬浮物。由此，鼓泡器冷却水系统在设计时，要充分考虑其特殊要求，最好使用相对独立的封闭式循环水系统，而且可以对冷却水温度和压力进行调节控制，以保证冷却效果稳定。

［1］汤小慧，诸葛勤美.玻璃熔窑鼓泡技术［J］.玻璃,2009（10）:16-17.

［2］李志进,陈奇.浮法玻璃熔窑内玻璃液温度的测量［J］.玻璃与搪瓷, 2010（6）:10-12.

［3］胡玉良,肖凯生.水冷式鼓泡器技术［J］.玻璃,2010（1）:18-19.

［4］卢忠伟.池底鼓泡在我公司浮法玻璃生产中的应用［J］.玻璃,2009（3）:44-45.

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〔编辑 凌 瑞〕