Способ непрерывной плавки в барботажном слое силикатных материалов для получения теплоизоляционного волокна и устройство для его осуществления
METHOD OF CONTINUOUS MELTING IN AIRLIFT LAYER OF SILICATE MATERIALS FOR PRODUCTION OF THERMAL INSULATING FIBER AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Заявляемые способ и устройство для его осуществления относятся к способам и устройствам, предназначенным для плавки силикатных материалов в барботажном слое для производства теплоизоляционного волокна.
Уровень техники
В настоящее время силикатные расплавы очень широко используются для производства строительных материалов, в том числе теплоизоляционных материалов. Силикатный расплав производят в России в основном в ванных печах, а за рубежом для этих целей используются вагранки. Особенностью работы ванных печей является крайне низкая удельная производительность. Наиболее распространенными являются пламенные ванные печи.
Известен способ ведения плавки в стеклоплавильной печи и печь для его осуществления (ЕА 20084 В1, С03В 5/04, приоритет от 25.03.2008, публикация 29.08.2014), содержащей каналообразный плавильный резервуар, в которой сырьевые материалы загружают в верхней по ходу потока концевой части, а расплавленное стекло извлекают в нижней по ходу потока концевой части, нагрев вышеупомянутой печи осуществляют при помощи горелок с условием, что, по меньшей мере, 65% энергии горения вырабатывается в результате кислородотопливного горения, горелки распределены на стенках по длине печи, при этом выпуск топочного газа преимущественно производят вблизи верхней по ходу потока концевой части около отверстий, предназначенных для загрузки сырьевых материалов, оставшийся топочный газ удаляют вблизи нижней по ходу потока концевой части таким образом, чтобы поддерживалась динамическая изоляция по отношению к окружающей атмосфере.
Технологический процесс в пламенной ванной печи заключается в следующем: в объем печи загружается подготовленная шихта и в надслоевом пространстве распространяется факел высокотемпературных продуктов сгорания. Передача теплоты происходит за счет излучения. Это вызывает перегрев той части ванны расплава и шихты, которые непосредственно контактируют и получают тепло за счет лучистого теплообмена. Далее теплота распространяется теплопроводностью, либо конвекцией. В связи с тем, что ванна практически неподвижна, основная часть теплоты передается теплопроводностью. Это наиболее экстенсивный, наиболее медленный процесс передачи теплоты. Таким образом, поверхность ванны расплава воспринимает тепло за счет радиационного теплообмена, самого энергичного теплообмена, и перегревается. А затем теплота с поверхности во внутрь передается уже за счет самого медленного процесса передачи теплоты - за счет теплопроводности. Такая организация процесса плавки не позволяет получить расплав химически-однородного состава, в том числе и в случае использования пневматической продувки ванны расплава через фурмы, установленные в подине печи.
Кроме того, расплав по высоте неравномерно прогрет. Перепад температур между поверхностью и днищем ванны может составлять примерно 200°-250°С. При температурах, близких к 1300°C, в расплаве возникает процесс кристаллизации. Если этот процесс имеет место, то получаемый расплав не может использоваться ни для производства стекла, ни для производства теплоизоляционных материалов.
Вагранки обладают некоторым преимуществом по сравнению с ванными печами, поскольку в них реализуется слоевой режим тепломассообмена. Загрузка шихты в вагранках осуществляется сверху, продувка газом - снизу. Газы соединяются в горне печи с коксом, который одновременно является источником теплоты и восстановителем, а также обеспечивает газопроницаемость шихты. Важной особенностью организации процесса в вагранке является то обстоятельство, что процесс плавления шихты осуществляется по всей высоте шахты.
Самым серьезным недостатком вагранки является необходимость использования кокса, являющугося, во всяком случае, в России самым дорогим топливом.
В связи с этим технической проблемой, решаемой заявляемыми изобретениями, является создание такого способа и устройства для осуществления этого способа, которые позволили бы получить силикатный расплав однородного состава в печи, обладающей высокой удельной производительностью и работающей на природном газе вместо кокса.
Наиболее перспективными для достижения этих целей являются способы плавления силикатных материалов в печах с борботажным слоем.
Известны способ для плавки и осветления стекломассы и устройство для его осуществления (RU 2246454 С2, С03В 5/35, конвенционный приоритет 26.01.1998, публикация 20.02.2005), которое содержит, по меньшей мере, одну камеру для плавки, оборудованную горелками, запитываемыми природным газом и окислителем, например воздухом или кислородом, причем горелки располагаются так, чтобы направлять газы, образующиеся при сгорании, в объем стекломассы, ниже уровня расплава в камере для плавки. В устройстве обеспечивается поступление расплавленной стекломассы на осветление в виде "тонкого слоя". Отсек для осветления является статическим блоком и включает в себя канал для вытекания, состоящий из желоба и свода.
К недостаткам этого изобретения относится установка горелок внутри или снаружи плавильной камеры, что не позволяет регулировать процесс сжигания топлива, а, следовательно, обеспечивать необходимую температуру продуктов сгорания и их химический состав.
Наиболее близким аналогом к заявляемым изобретениям является печь для непрерывного получения расплавленных силикатных строительных материалов, содержащая плавильную камеру с дутьевыми устройствами, устройства для загрузки шихты и выпуска продуктов плавки (RU 2044697 С1, С03В 5/10, дата подачи 29.07.1992, публикация 27.09.1995). Дутьевые устройства в печи размещены на продольных стенах плавильной камеры на расстоянии между осями дутьевых устройств, равном 9-25 диаметрам выходного сечения дутьевого устройства, а расстояние от оси дутьевого устройства до подины камеры составляет не менее 2,5 диаметра выходного сечения дутьевого устройства. Нижняя кромка загрузочного устройства размещена на одной из стен камеры на расстоянии 12-16 диаметров выходного сечения дутьевого устройства от оси дутьевого устройства, а нижняя кромка сливного отверстия устройства для выпуска продуктов плавки размещена на глубине не менее 16,67 диаметра выходного сечения дутьевого устройства от его оси.
Преимущества использования печей с барботажным слоем обусловлены тем, что в рабочем пространстве этой печи за счет вдуваемого в него газа формируется энергично перемешиваемый слой расплава. Этот слой расплава является аппаратом идеального смешения, т.е. таким реактором, в каждой точке которого температура, концентрация химических компонентов, интенсивность тепломассообменных процессов одинаковы, т.е. по всему рабочему объему этой ванны технологические процессы - расплавление компонентов шихты, образование химических соединений в результате взаимодействия расплавленных компонентов шихты и т.д. - протекают с одной и той же скоростью.
Такая организация процесса позволяет значительно уменьшить объем рабочего слоя печи. В ее реакционной зоне химические реакции протекают интенсивно и в результате производительность печи, как правило, на порядки выше, чем в ванных печах или вагранках.
Вместе с тем, все известные способы плавки силикатных материалов и устройства для их осуществления, в том числе, и наиболее близкий аналог, обладают существенными недостатками. В первую очередь к ним можно отнести недостаточную эффективность протекания процессов в ванне расплава, высокие финансовые затраты, а также ограничение производительности печи, обусловленное колебаниями корпуса печи и, как следствие, ограниченную длительность межремонтной кампании.
Раскрытие изобретения
В связи с указанной технической проблемой, решаемой заявляемыми изобретениями, является создание такого способа и устройства для осуществления этого способа, которые позволили бы получить силикатный расплав однородного состава в печи, обладающей высокой удельной производительностью, за счет организации оптимальных режимов протекания процессов в барботируемой ванне расплава без использования дорогого кокса.
В заявленном изобретении поставленная задача в отличие от технического решения, известного по прототипу, решается путем организации оптимального режима протекания процесса непрерывного плавления силикатных материалов в печи с барботажным слоем с точки зрения увеличения удельной производительности печи и продолжительности межремонтной кампании. Такой режим при осуществлении заявляемых изобретений достигается за счет оптимизации гидродинамического режима процессов в ванне расплава и конструкции фурменного пояса, в частности, за счет обеспечения оптимальных параметров подаваемого в ванну расплава газового потока, выбора схемы расположения фурм в фурменном поясе и ширины печи в этой зоне.
В связи с тем, что продувка ванны расплава осуществляется мощными газовыми струями, распадающимися на газовые пузыри, которые всплывают под действием силы Архимеда, нет никакой необходимости использовать кокс. Причем, для эффективного сжигания газообразного топлива и получения высокотемпературных продуктов сгорания, которые вдуваются в рабочее пространство печи, предлагается использовать выносные камеры сгорания, в которых топливо будет сгорать с коэффициентом расхода воздуха близким к стехиометрическому, т.е. к единице. В этом случае температура продуктов сгорания, попадающих в ванну расплава, будет близка к 2000°C, что в свою очередь позволит обеспечить при небольшом объеме расплава в рабочем пространстве печи весьма высокую температуру и, следовательно, высокую производительность.
Кроме температуры продуктов сгорания, подаваемых в расплав, важным параметром, оказывающим влияние на интенсивность протекания тепломассообменных процессов в ванне расплава, является скорость истечения продуктов сгорания из выходного отверстия фурмы. Увеличение скорости газового потока в выходном отверстии фурмы является наиболее эффективным средством повышения интенсивности перемешивания ванны расплава.
Кроме того, при таком режиме продувки облегчаются условия службы фурменной стены. По мере интенсификации продувки при работе в струйном режиме у фурменной стены формируется малоподвижный слой, который защищает ее от механических, тепловых и химических воздействий ванны. При этом область повышенных скоростей смещается вглубь ванны, удаляясь от фурменной стены. В этом случае весь объем ванны участвует в движении в вертикальной плоскости с умеренными скоростями (1-3 м/с), что обеспечит возрастание мощности перемешивания.
Наибольшая межфазная поверхность и высокая эффективность перемешивания имеют место в том случае, когда зона продувки каждой фурмы может полностью развиться, не испытывая воздействия со стороны стен печи или зон продувки соседних фурм.
Для обеспечения оптимального режима перемешивания ванны расплава скорость истечения продуктов сгорания из выходного сечения сопла выбирают, исходя из условия:
o
W=(0,8÷0,9) а,
где а - скорость звука в продуктах сгорания на выходе из сопла камеры сгорания.
Обеспечение скорости истечения продуктов сгорания в указанном диапазоне позволяет достичь оптимального режима перемешивания ванны расплава, что, в свою очередь, приводит к повышению производительности печи при условии получения расплава однородного состава.
Вместе с тем, проведенные нами исследования показали, что газожидкостный поток всплывает от заглубленной фурмы к поверхности ванны, раскачиваясь в поперечном направлении относительно оси фурмы. Под действием раскачивающегося потока на поверхности ванны образуется подвижный бурун жидкости, движущийся вслед за потоком и генерирующий на поверхности ванны колебания низких тонов. При этом ванна колеблется синхронно с газожидкостным потоком.
На возникновение колебаний определяющее влияние оказывают расход газа, диаметр фурмы и высота барботируемого слоя над осью выходного сечения фурмы, а также физические свойства жидкой фазы, прежде всего ее вязкость.
Воздействие раскачивающейся ванны на стены печи аналогично воздействию приливных волн на береговые сооружения и приводит к сокращению межремонтной кампании.
Поэтому другим фактором, оказывающим влияние на длительность межремонтной кампании, являются конструктивные параметры фурменного пояса печи.
Оптимальным будет такой поперечный размер рабочего пространства печи и такая схема расположения фурм, при которых при предельной газовой нагрузке в устойчивом барботажном слое образуется максимально возможная межфазная поверхность системы газ-жидкость, расплав в фурменной зоне перемешивается с высокой эффективностью, а динамические нагрузки на печь и связанные с ней конструкции - минимально возможные. Исходя из этого, в заявленных изобретениях исключение такого рода колебаний обеспечивается за счет того, что диаметр выходного отверстия сопел камер сгорания определяется по формуле:
0,5
do=(3,18÷3,36) (V/a),
где do - диаметр выходного отверстия сопла камеры сгорания, V - объем продуктов сгорания, подаваемых в расплав через одну камеру сгорания, определенный из материального баланса, а - скорость звука в продуктах сгорания на выходе из сопла камеры сгорания.
При этом камеры сгорания с соплами предлагается размещать на противоположных боковых стенах соосно, а поперечный размер печи должен быть не более величины, определяемой по формуле:
,
r
ж
o
где ρ - удельная плотность продуктов сгорания, ρ - удельная плотность силикатного расплава, W - скорость истечения продуктов из выходного сопла камеры сгорания.
Соосное расположение фурм на противоположных продольных стенах печи в сочетании с выполнением печи с поперечным размером, определяемым по вышеприведенной формуле, позволит обеспечить однородность состава ванны за счет максимального вовлечения всего объема ванны в процесс интенсивного перемешивания.
Расстояние между осями соседних фурм предлагается выбирать из условия:
ф
0
l/d>9,
ф
где l - расстояние между продольными осями соседних фурм.
Выполнение этого условия обеспечивает независимое развитие соседних струй, а, следовательно, и оптимальные условия их работы. Увеличение межосевого расстояния больше 9 калибров возможно, исходя из требований других критериев оптимизации, например, эффективности перемешивания и др. Неоправданное увеличение межосевого расстояния приведет к снижению газовой нагрузки, возрастанию низкочастотных вибраций и другим нежелательным явлениям.
Еще одним фактором, лимитирующим удельную производительность печи для плавки силикатных материалов с целью получения минерального волокна, является размер подфурменной зоны.
Если конкретный технологический процесс не требует полной дегазации расплава перед выпуском его из печи, то нет необходимости создавать подфурменную зону, которая в металлургических печах используется для разделения шлаковой и металлической фаз, а также для удаления из расплава газов. В частности, при производстве теплоизоляционных материалов это позволит исключить возможность недопустимого уровня охлаждения расплава, уходящего из реакционной зоны в подфурменную зону и возникновения кристаллизации расплава. Для того, чтобы исключить эти негативные явления, необходимо подфурменную зону печи сделать как можно меньших размеров, причем сделать это таким образом, чтобы в этой зоне осуществлялось перемешивание расплава, что в свою очередь обеспечивает его гомогенность и одинаковую температуру на выходе из ванны. Для того, чтобы обеспечить такие характеристики необходимо, чтобы глубина подфурменной зоны не превышала трех калибров отверстия фурмы по отношению к продольной оси этой фурмы, при этом выпускное отверстие из печи необходимо устанавливать на высоте от подины не менее чем 120-150 мм. Если речь идет о получении теплоизоляционных материалов, то для успешной работы центрифуги очень важно, чтобы расплав, попадающий на нее, не пульсировал. Для того, чтобы получить такой расплав перед выходным отверстием необходимо установить наружный горн, в котором расплав будет успокаиваться и выливаться на желоб, через который подается на центрифугу.
Таким образом, кардинальное улучшение технико-экономических показателей печи для плавки силикатных материалов может быть обеспечено за счет технических решений, направленных на создание оптимальных параметров гидродинамических процессов, протекающих в ванне расплава, обеспечиваемых за счет соответствующих совокупностей существенных признаков, приведенных в независимых пунктах 1 и 3 заявленной формулы.
Реализация заявленных изобретений позволит обеспечить повышение производительности печи для плавки силикатных материалов, а также увеличить длительность межремонтной кампании, что в конечном итоге улучшит общие технико-экономические показатели производства строительных теплоизоляционных материалов.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-2. Устройство состоит из рабочей камеры 1, в боковых продольных стенах которой размещены выносные топки 2 для сжигания природного газа, имеющие выходные сопла 3.
Сопла размещены на противоположных стенах рабочей камеры соосно.
Рабочая камера выполнена в виде кессонированной шахты.
Подача шихты в печь осуществляется из расходных бункеров 4 с весовыми дозаторами. Дозированные компоненты шихты подаются на сборный конвейер и транспортируются к загрузочному отверстию.
В рабочем режиме выносные топки и фурмы постоянно погружены в расплав. Для прекращения подачи дутья в расплав их сопловые отверстия перекрываются стальной пробкой - «притычкой».
Печь снабжена приспособлением для выпуска расплава 5, в котором выполнено сливное отверстие 6. Рабочая камера сообщается с устройством для выпуска расплава с помощью перетока 7. В камере предусмотрен газоход 8.
Осуществление изобретения
Разработанный способ реализуется в печи заявленной конструкции.
Перед пуском агрегата осуществляется сушка и разогрев футеровки путем сжигания природного газа в выносных топках, и пусковых горелках.
Печь работает следующим образом. В рабочую камеру через загрузочные отверстия загружают шихту, которая, попадая в расплав, начинает расплавляться. Через фурмы в плавильную камеру подают продукты сгорания, которые разогревают расплав.
Продукты сгорания интенсивно барботируют расплав. При этом образуется максимально возможная межфазная поверхность и обеспечивается температура расплава не ниже 1500°C. Эти условия интенсифицируют в расплаве протекание технологических процессов плавления, силикатообразования и гомогенизации.
Затем образовавшийся в результате барботирования однородный по химическому составу и температуре расплав поступает в подфурменную зону, откуда перетекает в передний горн и по желобу поступает на центрифугу.
Пример осуществления способа непрерывного получения расплавленных силикатных строительных материалов
2
2
3
Предварительно подготовленную шихту, представляющую собой смесь следующего состава, мас. СаО 40-70; SiO 20-34; MgO 0,3-5; Fe, FeO остальное, расплавляют и заливают в рабочую камеру до уровня над осью фурм, равного 0,6 м. Диаметр выходного сечения отверстия фурмы равен 0,05 м. Расплав продувают продуктами сгорания, которые подают в виде отдельных струй через фурмы, размещенные соосно на противоположных боковых сторонах рабочей камеры на расстоянии 0,15 м от подины. Скорость истечения продуктов сгорания из фурм поддерживают равной 750 м/с. В расплав загружают твердую шихту приведенного выше состава. Температура расплава в процессе продувки поддерживается на уровне не ниже 1350°C. Продукты сгорания подают отдельными струями. Межосевое расстояние струй составляет 22 диаметра выходного отверстия фурмы или 1,1 м. Количество фурм, размещенных по обеим продольным стенам плавильной камеры - 6. Нижняя кромка загрузочного отверстия размещена по вертикали от оси дутьевых устройств на расстоянии 0,75 м.
Оборудованный у торцевой стены шахты печи передний горн соединен с рабочей камерой переточным каналом. Расплав непрерывно выпускается через щелевую летку сифона. Придонная часть стенок сифона оборудована системой шпуровых отверстий для частичного или полного выпуска расплава из печи.
Подина и стены ванны до охлаждаемых элементов, а также подина и стены сифона выполнены из огнеупорных материалов.
Основные показатели работы печи, в которой реализованы технические решения в соответствии с заявленной формулой изобретения, определенные по результатам расчетов материальных и тепловых балансов, в сравнении с аналогичными показателями, рассчитанными для ванной стекловаренной печи, представлены в таблице 1.
Полученные результаты позволяют с уверенностью констатировать преимущества заявленных технических решений по сравнению с известными из уровня техники, выражающиеся, в частности, в повышении компактности печи и удельной производительности процесса не менее, чем в 5 раз, снижении удельного расхода топлива не менее, чем в 2 раза, а также повышению коэффициента полезного теплоиспользования примерно в 2,6 раза.