СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА МИНЕРАЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
METHOD FOR PRODUCTION OF MINERAL INSULATION

Уровень техники
Минеральная вата является волокнистым материалом, находящим широкое применение в строительстве. Области ее применения - это тепловая изоляция стен и перекрытий, изоляция высокотемпературных поверхностей (печи, трубопроводы и т.д.), а также огнезащита и звукоизоляция различных конструкций.
Для производства минеральной ваты используют силикатные расплавы горных пород, металлургических шлаков и их смесей, которые получают путем плавления сырья в печах различных типов: шахтных (вагранках), ванных электродуговых, циклонных и конверторных.
Вагранки - наиболее распространенный тип шахтной плавильной печи непрерывного действия, которые представляют собой вертикальный цилиндр с загрузкой каменного материала сверху и подачей воздуха, дополнительно обогащенного кислородом, в нижней части через специальные устройства - фурмы. Процесс плавления каменного материала в коксовой вагранке реализуется за счет его нагрева до температуры плавления газами, проходящими сквозь слой шихты снизу вверх, с высокой температурой, получаемой от окисления углерода кокса кислородом, содержащимся в дутьевом воздухе. Эффективность процесса плавления в производстве расплава для минеральной ваты обеспечивается за счет максимального использования окислительной реакции и минимизации восстановительной реакции, которая является эндотермической (проходит с поглощением тепла) и негативно влияет на производительность и удельный расход кокса, что повышает стоимость плавления. Полностью исключить восстановительную реакцию нельзя, а ее минимизация достигается применением литейного кокса с низкой реакционной способностью и снижением общего объема применяемого твердого топлива.
Фурмы для подачи дутьевого воздуха расположены в нижней части вагранки на одном уровне по окружности вагранки и на одинаковом расстоянии друг от друга, что создает максимально равномерное распределение температур по сечению вагранки. Это позволяет обеспечить равномерный прогрев и плавление каменного материала и впоследствии получить максимально гомогенный расплав каменного материала, что требуется для получения минерального волокна высокого качества.
В условиях возрастающего дефицита литейного кокса и его стоимости актуальной становится задача по замене кокса более дешевыми газообразным и жидким видами топлива, например, природным газом, и по созданию эффективных способов их сжигания.
Еще одной проблемой, связанной с использованием кокса в шахтных печах при производстве минеральной ваты, является загрязнение окружающей среды токсичными выхлопными газами, в частности монооксидом углерода СО - угарным газом, который образуется при сжигании кокса в результате побочной реакции.
Процесс получения тепла от твердого топлива (кокса или его заменителей) описывается следующими основными реакциями.
2
2
1. С + О = СО + 94,05 ккал/моль или 7830 ккал/кг (основная реакция);
2
Воздух, вдуваемый в вагранку через фурмы, содержит до 21% кислорода. Кислород сразу же вступает во взаимодействие с углеродом раскаленного кокса. В условиях избытка кислорода (в зонах вдувания воздуха) горение кокса происходит с образованием продуктов полного сгорания CO и выделением большого количества теплоты.
2
2. 2С + О = 2СО + 52,83 ккал/моль или 4400 ккал/кг (побочная реакция, которая протекает ближе к центру печи, где преобладает дефицит кислорода).
По мере удаления от фурм к центральной оси вагранки содержание свободного кислорода снижается, при этом горение кокса уже происходит и с образованием продукта неполного сгорания (СО) и выделением меньшего количества теплоты.
2
Соотношение окисления углерода в вагранке по первой и второй реакциях в среднем составляет 75%/25%, на это указывает соотношение CO и СО в отходящих газах.
2
3. С + CO = 2СО - 41,3 ккал/моль или 3440 ккал/кг (восстановительная реакция, протекающая выше кислородной зоны).
2
Выше уровня фурм, появляется зона, где свободный кислород практически отсутствует по причине полного расходования в нижележащих слоях. В этих условиях горение кокса происходит за счет кислорода, химически связанного в CO, с образованием монооксида углерода СО.
Реакция протекает с поглощением теплоты. Это способствует снижению температуры ваграночных газов в верхних слоях шахты.
Таким образом, в около фурменных зонах шахты, где горение кокса происходит с участием свободного кислорода и выделением большого количества теплоты, достигается максимальная температура. Ближе к центру вагранки и выше зоны фурм, где есть дефицит кислорода, сгорание кокса происходит значительно менее эффективно.
Таким образом, особенности процесса в коксовой вагранке не позволяют избежать значительной доли реакций с неэффективным расходованием кокса.
Процесс окисления природного газа протекает по следующей реакции:
4
2
2
2
3
4. СН + 2O = CO + 2HO + 8555 ккал/нм
В результате замещения части энергии, получаемой от сжигания кокса на энергию от сжигания газа, которая выделяется в результате прямой реакции стехиометрического состава газа и кислорода и не имеющих побочных реакций, как в случае со сжиганием кокса, получается снижение выбросов СО в отходящих газах. При замене хотя бы части кокса на природный газ количество выбросов угарного газа сократится, в результате чего производство станет более экологичным.
Таким образом, одним из способов получения минеральной ваты в коксовой вагранке, ведущим к экономии дефицитного кокса и снижению количества выбросов выхлопных газов, является способ, связанный с частичной заменой твердого топлива, т.е. кокса, на более дешевый и экологичный природный газ.
В патентной публикации US 2015176095 A1, 25.06.2012 описана шахтная печь, а именно вагранка, для плавления металлических материалов, в частности чугуна. Однако в данной публикации указано, что такая печь может быть также использована для производства неметаллических материалов, в том числе минеральной ваты.
В известном устройстве используется измельченное (мелкодисперсное) твердое топливо (кокс и антрацит) и исходное сырье, которое загружается сверху навстречу потокам горячих газов с образованием вихревых потоков, внутри которых происходит плавление материала, т.е. это так называемая циклонная печь. В этой печи часть фурм оборудована топливно-кислородными горелками, в которые подают природный газ и газообразный кислород, необходимый для его сжигания, для замещения части энергии, получаемой от сжигания кокса на энергию, получаемую от сжигания природного газа. Вторая часть фурм оснащена инжекторами газообразного кислорода для интенсификации сгорания кокса внутри вагранки.
В описанной конструкции нет постоянного слоя шихты и, соответственно, нет сопротивления отходящим газам и проблем равномерного проникновения горячих газов и кислорода по всему сечению печи, важен объем кислорода, его направление и скорость.
Таким образом, в известном устройстве реализуется способ, являющийся комбинацией частичной замены энергии от сжигания кокса на энергию от сжигания природного газа и кислородного обогащения, в котором непосредственно в фурму подают кислород и в результате чего повышается скорость плавления исходного сырья и снижается расход используемого кокса.
К недостаткам такого подхода следует отнести конструктивную сложность используемого устройства, поскольку вагранку необходимо оборудовать как инжекторами кислорода, так и топливно-кислородными горелками, а также низкую гибкость процесса производства.
Таким образом, до настоящего времени существует потребность в разработке вагранки для производства минеральной ваты, позволяющей получить продукт (минеральную вату) с меньшими финансовыми и трудовыми затратами, повышенной гибкостью управления процессом плавления сырья, увеличенной производительностью и экологичностью по сравнению с существующими коксовыми вагранками и с сохранением высокого качества.
Раскрытие сущности изобретения
Для решения указанной задачи в настоящем изобретении предложен способ производства минеральной ваты в шахтной плавильной печи непрерывного действия с частичной (до 30%) заменой твердого топлива на более дешевый и экологичный природный газ, что позволяет увеличить производительность печи на 5-15%. Технические возможности изменения настройки мощности горелок позволяют варьировать снижение дозирования кокса или его заменителей в вагранку до 30%, а в предельных режимах работы системы даже до 50%. Дальнейшее снижение дозирования кокса приводит к ухудшению процесса плавления в вагранке по причине критического уменьшения объема газов, которые передают тепловую энергию камню, и падению производительности вагранки. Также это может привести к повышенной термической нагрузке на детали печи и быстрому износу и выходу из строя оборудования.
Предлагаемый способ позволяет обеспечить снижение расхода твердого топлива в вагранке по производству минеральной ваты и продуктов из нее, за счет конструктивного решения, заключающегося в объединении газокислородных горелок и кислородного обогащения в одном устройстве, и технологического решения, заключающегося в установке этих устройств во все без исключения штатные фурмы, объединив таким образом со штатной системой подачи воздуха в вагранку. Поскольку применяемое газообразное (жидкое) топливо значительно дешевле, чем твердое, то его применение позволяет снизить себестоимость минеральной ваты.
Для решения поставленной задачи разработана и применена система газо-кислородного горения, которая предусматривает использование в вагранке горелочных устройств цилиндрической формы для размещения в горизонтальной плоскости, в сечение фурмы, через которую подается воздух непосредственно в вагранку.
Конструкция горелок и места установки их в вагранку, а также соответствующая система регулирования контроля горения, разработаны с учетом необходимости обеспечить максимальную равномерность тепловых и воздушных потоков внутри вагранки.
В частности, предложен способ производства минеральной ваты с использованием шахтной плавильной печи непрерывного действия, в котором:
обеспечивают непрерывную подачу в верхнюю часть печи каменного материала в смеси с твердым углеродным топливом;
обеспечивают одновременную подачу через фурмы в нижней части печи как обогащенного кислородом воздуха, так и природного газа, необходимого для его сжигания, с помощью горелок, размещенных в каждой фурме равномерно по окружности печи;
причем подачу кислорода через каждую фурму осуществляют через концентрически расположенные каналы горелки, где с первой скоростью кислород подают через центральный канал, окруженный каналом подачи природного газа, а через наружный канал горелки, концентрически расположенный вокруг канала подачи природного газа, подают кислород со второй скоростью, величина которой составляет от 1 до 5 величин первой скорости; причем кислород и природный газ подают через горелки в фурмы печи в соотношении от 0,9:1 до 1,4:1, соответственно;
обеспечивают смешивание газо-кислородно-воздушной смеси в горелках и ее горение для осуществления плавления каменного материала;
направляют полученный расплав на установку волокнообразования, а затем на установки формирования минераловатного ковра.
В качестве установки волокнообразования используют центрифугу, которая представляет собой устройство с четырьмя валками, вращающимися навстречу друг другу, где расплав переходит с последовательно с одного валка на другой. В ходе этого процесса за счет центробежной силы частицы расплава отделяются от поверхности валка и вытягиваются в волокно, которое далее подхватывается потоком воздуха отдува центрифуги и завершается формирование волокна. Одновременно с этим происходит нанесение распыленного до мелкодисперсного состояния раствора связующего вещества. Далее волокна осаждаются на перфорированную поверхность транспортера камеры волокноосаждения и происходит формирование первичного ковра. Затем полученный ковер раскладывается специальным устройством - маятником, для придания ему в дальнейшем лучших потребительских свойств, после чего ковер поступает в камеру полимеризации связующего, где происходит испарение влаги и твердение связующего. После выхода их камеры ковер охлаждают, нарезают на плиты и упаковывают.
В одном варианте осуществления способа по изобретению обеспечивают повышенную скорость истечения дутьевых газов, образующихся в фурме в результате горения природного газа, в диапазоне 50-65 м/с, предпочтительно 54-60 м/с.
При этом повышение скорости истечения дутьевых газов обеспечивают путем уменьшения выходного сечения фурмы на 15-20% по сравнению с исходным диаметром штатной фурмы печи без установленных горелок.
В одном варианте осуществления способа по изобретению соотношение объема кислорода, подаваемого через центральный и наружный каналы, регулируют в диапазоне от 0,1:1 до 1:1.
В одном варианте осуществления способа по изобретению подачу кислорода через центральный канал осуществляют со скоростью 40-340 м/с.
В одном варианте осуществления способа по изобретению подачу кислорода через наружный канал осуществляют в горизонтальном направлении со скоростью 40-60 м/с.
Для подбора наиболее эффективного режима плавления плавно регулируют мощность всех горелок или по выбору отключают часть горелок.
При этом общую вырабатываемую тепловую мощность можно распределять поровну между всеми работающими горелками, в частности, ее можно регулировать путем изменения объемов кислорода и природного газа, а также количества работающих горелок. При выключении более двух горелок мощность остальных работающих горелок должна быть повышена не более, чем на 400 кВт на горелку.
Предложенная технология позволяет сохранить высокое качество получаемой минеральной ваты, повысить производительность вагранки, повысить гибкость управления режимами печи, повысить экологические показатели работы вагранки.
Предлагаемый способ позволяет снизить расход твердого топлива в вагранке на величину до 50% за счет замещения энергии от сжигания кокса на энергию, получаемую от сжигания другого топлива, без существенных изменений процесса плавления каменного материала и состава отходящих газов.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлено изображение устройства усовершенствованной коксовой вагранки, в которой реализован способ по изобретению.
На Фиг. 2 показано схематическое изображение фурмы вагранки, оснащенной газокислородной горелкой, в поперечном разрезе.
На Фиг. 3 показано расположение газокислородных горелок в фурмах вагранки, вид сверху.
Осуществление изобретения
На Фиг. 1 показано устройство коксовой вагранки для производства минеральной ваты, содержащей топливно-кислородные горелки 2 (см. также Фиг. 2), размещенные в фурмах 1 с помощью фланцев 6, оснащенных устройствами для крепления горелок 2.
На Фиг. 3 показано размещение горелок в фурмах вагранки, проходящих через внутренний корпус 8 и внешний корпус 9.
Вагранка по изобретению имеет два источника энергии, необходимой для расплавления сырьевого материала. Часть энергии получают от сгорания твердого топлива (кокса), а другую часть от сгорания смеси жидкого или газообразного топлива с кислородом.
Конструкция топливно-кислородной горелки 2 в комплексе ваграночной (шахтной) печи предусматривает возможность ее работы в различных режимах. Общую тепловую мощность горелок можно регулировать путем изменения объемов топлива и окислителя, подаваемого по каналам 3, 4 и 5, а также количества работающих горелок. Поддув воздуха осуществляют через газоход 7.
Общая вырабатываемая горелками 2 тепловая мощность может быть поровну распределена между всеми горелками. Также, для подбора наиболее эффективного режима работы вагранки, часть горелок 2 по выбору может быть выключена. Для обеспечения равномерного процесса плавления управление последовательностью включения горелок и их мощностью может осуществляться согласно заложенному в программу алгоритму.
Для обеспечения достижения максимального эффекта от использования газокислородных горелок необходимо обеспечить оптимальную скорость истечения воздуха из фурмы. В результате многочисленных экспериментов с использованием различных диаметров сечения фурм, фракций кокса и объема дутьевого воздуха был рассчитан диапазон оптимальных скоростей истечения потока воздуха из фурм для коксовой вагранки, который составляет 50-65 м/с, предпочтительно 54-60 м/с. При отклонении от этого диапазона снижается эффективность сжигания твердого топлива. При меньшей скорости будет меньше концентрация кислорода по мере удаления от фурм к центру вагранки, выше доля реакции 2 с менее эффективным тепловыделением. Если выше, то увеличение доли реакции 1 не происходит по причине сопротивления слоя твердого топлива, но растет давление в вагранке что приводит к нестабильному истечению расплава из вагранки и ухудшению процесса волокнообразования. Это позволило минимизировать объем зон, где есть дефицит кислорода и сгорание кокса происходит значительно менее эффективно.
При загрузке коксовой вагранки уровень смеси шихты и кокса постоянно пополняют путем непрерывной загрузки порций каменного материала и кокса. Для обеспечения достаточной проницаемости слоя шихты для горячих газов, идущих снизу вверх и прогревающих материал до температуры плавления, необходимо использовать крупные фракции кускового материала. Кроме того, при снижении количества используемого кокса равномерность его распределения снижается. В этом случае может возникнуть некоторая неравномерность распределения крупных кусков кокса по сечению вагранки, что приведет к неравномерному количеству кокса в зоне работы разных фурм и нарушит равномерность процесса плавления. Такую неравномерность процесса плавления можно устранить путем регулирования мощности горелок, а также включения или выключения отдельных горелок, то есть выборочно задействовав отдельные фурмы, что повышает гибкость в настройках вагранки.
Предложенная конфигурация системы по изобретению позволяет выравнивать суммарную мощность системы при выключении части горелок за счет других горелок. При этом при выключении одной или двух горелок необходимо выравнивать суммарную мощность для баланса работы остальных горелок. Если выключается больше двух горелок, мощность остальных горелок не должна повышаться более, чем на 400 кВт на горелку, что обусловлено техническими ограничениями конструкции горелок и размером фурменного пространства.
При этом в ходе промышленных испытаний определено, что для плавности протекания процессов опасно регулировать процесс отключением горелок. Оптимальным является плавное регулирование мощности.
Газокислородная горелка 2 состоит из трех коаксиально расположенных трубчатых каналов, между которыми установлены центрирующие ребра:
центральный канал (кислородное копье) со сменным инжекторами, предназначенными для инжекции кислорода с высокой или низкой скоростью 40-340 м/с,
средний канал - для инжекции природного газа,
наружный канал- для инжекции кислорода с низкой скоростью 40-60 м/с.
Такая конструкция обеспечивает, по существу, кольцевую струю окислителя снаружи топливного потока. При этом внешняя струя кислорода имеет меньший импульс, чем центральная струя топлива.
Газокислородную горелку 2 устанавливают коаксиально в воздушную фурму 1 вагранки, вдоль ее продольной оси, на глубину равную 2-4 выходных внутренних диаметра фурмы от переднего края фурмы. Если установить ее глубже (более 4 диаметров), то факел раскрывается и пламя негативно воздействует на материал фурмы. В случае размещения горелки на глубине менее 2 диаметров снижается эффективность реакции горения, так как газ с кислородом не успевает прореагировать. Таким образом, в предложенном варианте размещения образуется, по сути, газо-кислородо-воздушная водоохлаждаемая горелка, дополненная камерой смешения, где все среды: природный газ, кислород и воздушное дутье инжектируются концентрически, смешиваются в определенном соотношении топлива к окислителям, для получения горючей смеси. При возгорании эта топливо-кислородная смесь горит в камере смешения фурмы в избытке воздушного дутья, также обогащенного кислородом, образуя высокоэнергетические дутьевые газы, содержащие продукты газо-кислородо-воздушного горения и непрореагировавший избыточный кислород, которые, проходя через выходное сечение фурмы, инжектируются в вагранку и используются частично для нагрева и плавления материалов каменной шихты. Избыточный кислород воздуха дутьевых газов используется для горения твердого топлива как основного топлива вагранки, используемого для плавления шихты.
Через саму горелку концентрически подается кислород копья, природный газ и чистый кислород горелки, а через фурму подается подогретое воздушное дутье, которое также может быть обогащено кислородом.
Учитывая, что горелка располагается внутри фурмы, тремя основными факторами данной системы, обеспечивающими стабильность технологического режима плавления шихты в вагранке, являются:
1. Температура дутьевого газа на выходе из фурмы.
2. Объем и скорость истечения дутьевого газа из фурмы.
3. Длина факела в камере смешения от горения природного газа в окислительной среде.
2
2
2
2
Дутьевые газы образуются в фурме в результате горения природного газа в окислительной среде воздушного дутья и чистого кислорода. Их основной состав, в который входит N, О, СО, НО неизменен, но объемная доля газов, входящих в состав дымовых газов, может изменяться за счет изменения подачи природного газа и кислорода через горелку, а также воздушного (окислительного) дутья через фурму. Высокая температура дутьевых газов на выходе из фурмы, а также чрезмерно избыточное содержание кислорода в них, оказывают негативное влияние на конструктивные элементы фурмы. Металлический наконечник и корпус фурмы, локально перегреваясь, начинают активно взаимодействовать с кислородом проплавляя оба конструктивных элемента. В итоге это может привести к их прожигу, внеплановому простою и дорогому ремонту вагранки.
Для уменьшения негативного влияния данного фактора, экспериментально были определены режимы работы системы «Фурма-Газокислородная горелка», а именно, соотношение подаваемого на газокислородную горелку чистого кислорода и природного газа выдерживается в соотношении от 0,9:1 до 1,4:1, соответственно, т.е. стехиометрический коэффициент по кислороду α составляет от 0,45 до 0,7. В этом случае часть природного газа при истечении из горелки активно реагирует с кислородом и сгорает вблизи ее устья, а непрореагировавший газ догорает в объеме воздушного дутья, подаваемом для горения кокса в вагранке. Таким образом, в способе по изобретению обеспечена возможность подобрать и поддерживать постоянное стехиометрическое соотношение реагирующих веществ.
Также вследствие того, что горелка располагается коаксиально внутри фурмы, воздушное дутье в системе «Фурма-Газокислородная горелка», подается к газовому и кислородному потокам концентрически. За счет этого азот, находящийся в воздушном дутье, снижает реакционную активность свободного кислорода от горелки, создавая по внутреннему диаметру фурмы своеобразный экранирующий эффект. В результате снижается негативное термическое и химическое воздействие на конструктивные элементы фурмы.
3
3
При расчете объема и скорости истечения дутьевого газа из фурмы принимали во внимание следующее. При использовании газокислородной горелки и замещении 20-30% тепловой энергии от горения твердого топлива на газообразное, требуется снижение объема подачи воздушного дутья через фурму с 11000-13000 Нм/ч до 9000-11000 Нм/ч.
При этом объем дутьевых газов на выходе из фурмы также будет ниже на 15-30% от первоначального объема. Это приводит к снижению скорости истечения дутьевых газов из фурмы, то есть снижению упругости дутья. Это влечет за собой снижение проникновения дутьевых газов, содержащих кислород, к центру вагранки. Для решения данной проблемы в настоящем изобретении уменьшено выходное сечение фурмы, обеспечивающее при новых условиях необходимую скорость истечения дутьевых газов в пределах 54-60 м/с. Уменьшение выходного сечения фурмы и снижение объема камеры смешения в системе «Фурма-Газокислородная горелка», позволило увеличить перемешивание дутьевых газов на дистанции между устьем горелки и выходным сечением фурмы, обеспечивая таким образом полное сгорание остатков топлива в камере смешения фурмы и продуваемость вагранки.
Что касается длины факела от горения природного газа в камере смешения, то она зависит от распределения чистого кислорода, подаваемого для горения природного газа, между центральным и наружным кислородными каналами горелки. Соотношение объема кислорода, подаваемого через центральный и наружный каналы, может составлять от 0,1:1 до 1:1. При инжекции кислорода по двум каналам одновременно увеличивается интенсивность смешивания газообразного топлива с кислородом, тем самым увеличивая реакционное взаимодействие природного газа с кислородом. В результате ряда экспериментов, путем различных вариантов распределения порции кислорода для горения между каналами №3 и №4 горелки (см. Фиг. 2), при постоянной подаче воздушного дутья через фурму, было установлено, что длина факела может быть уменьшена на 1/3 от первоначальной длины факела, когда кислород подавался только по наружному каналу горелки №3. В ходе экспериментов количество кислорода, подаваемого для горения природного газа, распределяли в разных пропорциях (2:1, 1:1) между каналами 3 и 4 горелки соответственно. В случае неполного горения газа в камере смешения наблюдается вымах пламени за пределы фурмы, и его негативное влияние на конструктивные элементы фурмы, из-за отражения языков пламени от кускового кокса холостой калоши, находящегося перед фурмой.
Указанные факторы обеспечили важное условие применения в вагранке для производства минеральной ваты - получение максимально равномерного распределения тепловых потоков от горелок и воздушных потоков из фурм. Это обеспечивает максимально равномерный процесс плавления смеси сырьевых материалов в вагранке и получения гомогенизированного расплава с необходимой и максимально стабильной температурой расплава, что крайне важно для дальнейшего получения качественного волокна.