玻璃熔窑烟道热工计算

玻璃熔窑烟道热工计算
张凯赵亮
(秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司秦皇岛066001)
摘要以1000询平板玻璃熔窑为例，提岀了运用”水力最优断面”的概念来计算烟道断面尺寸的方法，并给岀了计算步骤；计算了烟道阻力；并对烟道采用不同保温层情况下的隔热性和经济性两方面进行了比较计算。

关键词玻璃熔窑；烟道断面；烟道阻力；保温层
中图分类号：TQ171文献标识码：A文章编号：1003-1987(2021)06-0022-06
Thermal Calculation of Flue in the Glass Melting Furnace
ZHANG Kai,ZHAO Liang
(Qinhuangdao Glass Industry Research and Design Institute Company Limited,Qinhuangdao
066001,China)
Abstract:Taking a1000t/d flat glass furnace as an example,puts forward a method to calculate the section size of the flue by using the concept of“hydraulic optimal section”，gives the calculation steps;calculates the resistance of the flue;and compares the heat insulation and economy of the flue with different insulation layers. Key Words:glass furnace,the cross section size of flue,flue resistance,insulation layer
0引言
当今，节约能源和环境保护依然是玻璃行业乃至整个工业领域重点关注的两大课题，玻璃熔窑生产过程中产生的高温烟气经过蓄热室格子体的回收后，在进入烟道时依然有较高的温度，对于大型熔窑来说，进入烟道内的烟气温度可以达到550甚至更高，最大限度地利用此部分烟气的余热正日益引起人们的重视。

烟道作为此部分烟气的流动载体，如何更加合理的设计各烟道断面尺寸和优化烟道墙体的耐材，从而保证烟气的热工需求，成为目前的新问题。

烟道是玻璃熔窑烟气的流动通道，包括分支烟道和主烟道两部分，其作为熔窑结构的关键组成部分，对稳定和改善玻璃熔窑的生产运行起着至关重要的作用。

1烟道断面尺寸
1.1烟气流量
以1000t/d级玻璃熔窑为例，燃料为石油焦，助燃介质为空气，熔化单位玻璃液的耗热量为5650kJ/kg,石油焦热值36000kJ/kg,则实际总烟气量g=115796Nm3/h[1]。

1.2烟气温度
分支烟道和主烟道内的烟气温度是不同的，同时也是动态变化的，但为了方便计算，假定烟道内的烟气温度是相对稳定的，取平均温度550T。

1.3烟气流速
烟气在烟道内流动要满足一定的速度要求，一般取1~3Nm/s。

若流速过低，烟气的对流换热系数小，传递的热量少，烟气在流动过程中温降大，会对烟气的余热利用不利；若流速过高，烟
作者简介：张凯（1988-）,男，工程师，硕士研究生学历。

研究方向：玻璃窑炉设计。

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气流动阻力会增大，增加烟囱负担，但对于目前以大型引风机为牵引力的机械排烟烟气系统来说，这显然不是主要矛盾。

因此，为了更充分的利用烟气余热，烟气流速应尽量取上限。

在本次计算中，分支烟道内烟气流速取2.5Nm/s、主烟道内烟气流速取3Nm/s o
1.4烟道断面尺寸
1000t/d级玻璃熔窑分支烟道的数量一般为每侧8〜9个，由于每个小炉的风火配比不同，导致每个分支烟道的烟气量也不同，取烟气量最大的分支烟道来计算其截面。

最大流量的分支烟道的烟气量按9个分支烟道的平均数的1.5倍计算：
0分支二二19293Nm3/h（1）根据面积计算公式：
S二一（2）
3600v
式中：S-----烟道截面积，m?；
Q——烟气流量，Nm'/h;
v-----烟气流速，Nm/s。

分别求得：
S分支二2.1甘，S主二10.7甘
求得了烟道的截面积，进一步确定烟道断面的宽和高。

目前大多数基本思路都是先人为确定烟道的宽，然后再通过面积求出烟道的高。

这样确定的烟道截面具有很大的人为性和猜测性。

烟道断面的结构形式如图1所示。

根据几何公式:
同时根据“水力最优断面：面积一定而湿周最小的断面”的概念，可以得到如下方程：
d（2H+E+匹x咀0）
此------------」一（5）
dB dB
式中：S------烟道截面积，m?；
B----烟道内宽，m;
H----烟道墙高，m;
h----烟道拱高，m;
/----湿周，m;
-——烟道確中心角，无量纲。

联立式（3）、（4）、（5），得：
B分支二1.5m,H沁二1.2m,方分支二0.3m;
E主二3.4m,H主二2.7m,方主二0.7m。

1.5烟道内烟气流动阻力
烟道数据见表1。

表1烟道数据
支烟道长度/m10.0
主烟道长度/m40.0
支烟道当量直径/m 1.5
主烟道当量直径/m 3.4
支烟道内烟气流速/（m/s） 2.5
主烟道内烟气流速/（m/s） 3.0
标准状态烟气密度/（kg/m3） 1.32
支烟道闸板开度/%70.0
主烟道旋转闸板开度/（。

）50.0
当烟气在烟道内流动时，将受到烟道带来的阻力。

阻力分为沿程阻力和局部阻力两种。

烟气在烟囱内的流动状态为湍流⑶。

由于烟
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道内烟气的平均温度550°C远高于烟囱出口的温度80T,因此，烟道内烟气的流动同样为湍流状态。

(1)支烟道沿程阻力：
=4.1(Pa)
(2)经过支烟道矩形闸板的局部阻力:
=1.0x—xl.32x 273+550 _273_
=12.4(Pa)
(3)支烟道进主烟道急转扩大局部阻力:
-(273+?J
3$22Pe°273
=1.0x—xl.32x 273+550
273
=12.4(Pa)
(4)主烟道集流局部阻力：
,v22(273+*)心巧"一
=1.5x T xl.32x 273+550
273
=26.9(Pa)
(5)主烟道沿程阻力:
4032273+550
=10.5(Pa)
(6)经过主烟道旋转闸板局部阻力:弘2久。

273
=24.9x T xl.32x 273+550
_273-
=445.9(Pa)
式中：人一支烟道沿程阻力系数，无量纲；
A------支烟道长度，m;
仏一支烟道当量直径，m;
片一支烟道内烟气流速，Nm/s;
九一主烟道沿程阻力系数，无量纲；
12----主烟道长度，m;
d2——主烟道当量直径，m;
P e0---标准状态烟气密度，kg/m‘；
v2-----主烟道内烟气流速，Nm/s;
t e—烟气温度，°C;
&—烟气经过支烟道矩形闸板的局部阻
力系数，无量纲；
&—烟气从支烟道进入主烟道急转扩大
的局部阻力系数，无量纲；
&—主道内烟气集流的局部阻力系数，
无量纲；
&—烟气经过主烟道闸板的局部阻力系
数，无量纲。

烟道总阻力：
hg=h[++瓦+h*+hs+h6
=4.1+12.4+12.4+26.9+10.5+445.9
«500(Pa)
显然，500Pa的阻力损失相对于全压10000
Pa的大型引风机来说是次要的。

2烟道保温层计算
由于烟气在烟道内的平均温度达到550T,
远高于20T的外界环境空气温度，因此烟气在烟
道内流动过程中，必然会有温降。

为了尽可能地
减少烟气的温降，充分利用其余热，对烟道进行
合理的保温是非常必要的。

烟道的保温结构有多
种组合形式，对目前常见的几种保温结构进行传
热计算。

正常生产过程中的烟气通过烟道墙体向周围
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空气的散热，可近似看为稳态平壁传热。

烟道墙体综合传热示意见图2。

图2烟道墙体综合传热示意图
烟道墙体内表面到外表面的导热：
烟道墙外表面对周围空气的传热：
q2=«i（7）式中：
匚—烟道内表面的温度，°C；
t x—烟道外表面的温度，°c；
t0—环境温度，°c；
d---烟道墙厚，m;
A——烟道墙体导热系数，W/（m・°C）;
a I——烟道外表面与外界环境之间的对流辐射传热系数，W/（m2・°C）;
外界空气自然流动状态下的％:
（8）根据能量守恒，联立式（6）、（7）得：
n d
乙+&1・•艺〒
Z=1人/\2.1黏土砖460mm的墙体结构
此种结构的烟道墙体全部由厚度5二460mm 黏土砖组成。

黏土砖的导热系数：
久黏二0.835+0.58x10-3・（10）由式（8）、（9）、（10）得：
烟道外表面温度/严93°C
2.2黏土砖和矿渣棉的复合墙体结构
此种结构的烟道墙体由内往外分别为厚度460mm的黏土砖和50mm的矿渣棉。

黏土砖的导热系数：
久黏1二0.835+0.58x10-3・（11）矿渣棉的导热系数：
久棉1二0.058+0.16x10-3・（12）式中：匚—烟道内表面的温度，°C；
t x—烟道外表面的温度，°c；
t3—黏土砖与矿渣棉的界面温度，°c。

联立式（8）、（9）、（11）、（12）得：
烟道外表面温度：匚二62°C
2.3黏土砖、轻质黏土砖和矿渣棉的复合结构
此种结构的烟道墙体由内往外分别为厚度230mm的黏土砖、厚度230mm的轻质黏土保温砖（密度为lOOOkg/m?）和50mm的矿渣棉。

黏土砖的导热系数：
久黏2二0.835+0.58x10-3・（13）轻质黏土保温砖的导热系数：
久轻2二0.29+0.26x10-3・（14）矿渣棉的导热系数：
2棉2二0.058+0.16x103・（15）式中：t2-----烟道内表面的温度，°C；
ty---烟道外表面的温度，°C；
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t4—黏土砖与保温砖的界面温度，°C；
t5—保温砖与矿渣棉的界面温度，°c。

联立式（8）、（9）、（13）、（14）、（15）得:
烟道外表面温度：入=52七
2.4黏土砖、红砖和矿渣棉的复合墙体结构
此种结构的烟道墙体由内往外分别为厚度230mm的黏土砖、厚度240mm的红砖和50mm的矿渣棉。

黏土砖的导热系数：
怂3=0.835+0.58x103-（16）红砖的导热系数：
,t^+ty,、
=0.47+0.51xl0-3-（17）矿渣棉的导热系数：
心3=0.058+0.16x10—（18）式中：『2------烟道内表面的温度，°C；
匚—烟道外表面的温度，°c；
t6—黏土砖与红砖的界面温度，°c；
f7—红砖与矿渣棉的界面温度，°c。

联立式（8）、（9）、（16）、（17）、（18）得:
烟道外表面温度/严58°C
2.5黏土砖、轻质黏土保温砖、红砖和矿渣棉
的复合墙体结构
此种结构的烟道墙体由内往外分别为厚度230mm的黏土砖、厚度115mm的轻质黏土保温砖（密度为1000kg/m'）、厚度115mm的红砖和50 mm的矿渣棉。

黏土砖的导热系数：
編=0.835+0.58x103-（19）轻质黏土保温砖的导热系数：
A g4=0.29+0.26x（20）
红砖的导热系数：
&缶=0.47+0.51X10~-九
；"1（21）矿渣棉的导热系数：
亦=0.058+0.16x10’•"丁（22）式中：乙---烟道内表面的温度，°C；
匚—烟道外表面的温度，°c；
t s—黏土砖与保温砖的界面温度，°c；
弓一保温砖与红砖的界面温度，°c；
tm红砖与矿渣棉的界面温度，°C。

联立式（8）、（9）、（19）、（20）、（21）、（22）得:
烟道外表面温度Z1=51T
2.6各结构保温效果和经济性比较
不同结构的保温层参数见表2。

表2不同结构的保温层参数
序号保温层结构外温/°C成本/（元/m2）1460mm黏土砖931480
2
460mm黏土砖+
50mm矿渣棉
621580 3
230mm黏土砖+
230mm轻质黏土砖+
50mm矿渣棉
521460 4
230mm黏土砖+
240mm红砖+
50mm矿渣棉
58900 5
230mm黏土砖+
115mm轻质黏土砖+
115mm红砖+
50mm矿渣棉
511180
根据表2,保温效果最差的是第1种结构，这是因为组成此结构的材料单一，仅有导热系数相对较高的黏土砖组成，外侧无保温材料；保温效果最好的是第5种结构，这是由于相比其它保温结构形式，组成此种结构的材料种类最多，由
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4层不同材料组成，且外侧的轻质黏土砖、红砖及矿渣棉都具有较低的导热系数。

同时，由表2可知，造价最高的是第2种结构，这是因为相比其它材料，黏土砖的单价最高；造价最低的是第4种结构，这是由于本结构在墙壁外侧大量使用了价格最低的红砖；尽管第5种结构的造价不是最低的，但是，相比第1、2、3种结构，还是有优势的。

综上所述，第5种结构的综合效果最好，因为此种保温效果最好，且造价相对较低。

3结论
（1）烟道内烟气流速的取值应以减少温降、有利于烟气余热利用为原则，尽量取上限，由此带来的烟道阻力增加相对于引风机来说是微不足道的。

（2）烟道截面宽、高等尺寸的确定应以"水力最优断面"的概念原理进行计算，人为确定具有很大的猜测性。

（3）采用从内到外依次为厚度230mm 黏土砖、115mm轻质黏土保温砖（密度为1000 kg/m'）、115m m红砖和50m m矿渣棉的烟道砌体结构的综合效果最好。

参考文献
[1]孙承绪，陈润生,孙晋涛，等.玻璃窑炉热工计算及设计[M].
中国建筑工业岀版社,1983.
:2]孙晋涛.硅酸盐工业热工基础[M].武汉工业大学岀版社, 1992.
[3]赵亮.玻璃熔窑烟囱热工计算[J].玻璃,2020,（06）：28-31.
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