ПЛАВИЛЬНЫЙ АППАРАТ ПОГРУЖНОГО ГОРЕНИЯ
MELTING APPARATUS OF SUBMERSIBLE COMBUSTION

Настоящее изобретение относится к горелке для использования в плавильных аппаратах погружного горения и к плавильным аппаратам погружного горения, в частности для плавления стекловидного или стеклуемого материала.
Стекловидные материалы обычно получают из смеси сырьевых материалов, например, силикатов, базальта, известняка, кальцинированной соды, и других дополнительных компонентов, которые вводят в плавильный аппарат и плавят до состояния вязкой жидкости при температурах порядка 1250-1500°С; расплав затем подают в процесс формовки. В зависимости от предполагаемого использования расплава, например, для изготовления плоского стекла, полого стекла, непрерывных волокон для целей армирования или волокон для изоляционных целей, надлежащая дополнительная стадия очистки расплава может требоваться выше по потоку относительно процесса формовки. Химический состав расплава и его физические свойства выбирают в зависимости от предполагаемого использования и процесса формовки.
Обычные стеклоплавильные аппараты содержат источник энергии над поверхностью стекломассы, например, от горелок, дающих пламя в пространстве между поверхностью стекломассы и сводом плавильного аппарата, при этом тепло переносится к стекломассе самим пламенем и излучением от материала свода. Исходный сырьевой материал, который следует расплавить, загружают сверху стекломассы в плавильном аппарате, и тепло передается от расплава к исходному материалу, который вводят в расплав. В некоторых стеклоплавильных аппаратах энергию подводят при помощи электроподогреваемых электродов, расположенных под поверхностью расплава; такие электроды могут обеспечивать единственный источник тепла или использоваться совместно с горелками.
Стеклоплавильные аппараты, используемые для изготовления изоляции из каменной ваты, обычно представляли собой вагранки.
При плавлении с погружным горением сырьевые материалы обычно плавятся путем подачи топлива и кислородсодержащего газа через массу расплавленного материала, вызывая смешивание и горение указанного топлива и кислорода в указанной массе, расплавляя дополнительный сырьевой материал при помощи тепла, получаемого горением горючей смеси. Альтернативно, топливный газ и воздух и/или кислород сжигают снаружи указанной массы и продувают горячие дымовые газы через стекломассу.
Обычные горелки, используемые для погружного горения, обычно дают пламя, которое может становиться нестабильным, в частности при предельных условиях перемешивания в стекломассе. Обычные горелки или сжигают топливный газ и окислитель в камере сгорания и выпускают дымовые газы в стекломассу, или выпускают топливный газ и окислитель через концентрические трубки в стекломассу для их сжигания.
Обычные горелки для плавления с погружным горением стеклуемого материала обычно содержат горелки в виде концентрических труб, также называемые горелки типа «труба в трубе». Внутренняя труба обычно выполнена для продувания топливного газа, а наружная труба выполнена для продувания окислителя.
Известные горелки для погружного горения создают сильное перемешивание и повышенные скорости материала в ванне расплава плавильного аппарата погружного горения.
Настоящее изобретение направлено на предоставление улучшенной горелки для погружного горения, способной давать пламена горелок, которые имеют улучшенную стабильность пламени, и/или сниженное перемешивание в ванне расплава. Настоящее изобретение также направлено на предоставление улучшенного плавильного аппарата погружного горения, который имеет сниженное перемешивание ванны расплава. Горелка для погружного горения настоящего изобретения содержит по меньшей мере одну трубку для подачи окислителя, по меньшей мере одну трубку для подачи топлива, головку горелки, имеющую внешнюю оболочку, причем трубки для подачи топлива и окислителя соединены встык с головкой горелки, по меньшей мере две, предпочтительно по меньшей мере три, периферийные направленные наружу форсунки, причем каждая из форсунок имеет выпускное отверстие форсунки, причем выпускные отверстия форсунок расположены по периметру внешней оболочки головки горелки, причем ось выпускных отверстий форсунки наклонена под углом 5-30° к горизонтали, и причем форсунки, используемые на практике в головке горелки, соединены с трубкой для подачи окислителя и с трубкой для подачи топлива.
Плавильный аппарат погружного горения настоящего изобретения содержит по меньшей мере одну горелку для погружного горения согласно настоящему изобретению. Предпочтительно по меньшей мере две или более предпочтительно по меньшей мере три таких погружных горелки предусмотрены в плавильном аппарате, предпочтительно на днище плавильного аппарата погружного горения.
Плавление можно проводить при помощи способа и/или плавильного аппарата, раскрытых в любом из документов WO 2015/014917, WO 2015/014918, WO 2015/014919, WO 2015/014920 или WO 2015/014921, каждый из которых при этом включен в настоящую завку в виде ссылки.
Обнаружили, что конструкция горелки настоящего изобретения обеспечивает сниженную скорость газа, с которой дымовые газы выходят из головки горелки, с сопутствующим снижением скоростей материала в ванне расплава и, таким образом, сниженным перемешиванием в ванне расплава. Кроме того, расположение форсунок горелки сбоку, на внешней оболочке головки горелки, снижает риск закупоривания горелки отверждающимся или отвердевшим расплавом в необычных, или экстремальных, или переходных ситуациях.
Горелки предпочтительно содержат круглую головку горелки. Согласно предпочтительному варианту осуществления трубки для подачи являются концентрическими. Согласно одному варианту осуществления горелка содержит две концентрические трубки для подачи. Согласно другому варианту осуществления предусмотрены три концентрические трубки для подачи. В предпочтительной конструкции такой горелки внутренняя трубка для подачи представляет собой трубку для подачи окислителя, средняя трубка для подачи представляет собой трубку для подачи топлива, а внешняя трубка представляет собой трубку для подачи окислителя. Горелка и/или плавильный аппарат могут быть приспособлены и/или сконфигурированы для обжига и/или плавления сырьевых материалов. Это может быть «стеклоплавильный аппарат», другими словами плавильный аппарат, приспособленный и сконфигурированный для плавления стеклоподобных материалов, включая материалы, выбранные из стекла, стекловидных материалов, камня и горной породы. Стеклоплавильный аппарат можно использовать для изготовления плоского стекла, полого стекла, стекловолокна, непрерывных волокон для целей армирования, минеральных волокон для изоляционных целей, минеральной ваты, каменной ваты или стекловаты. Плавильный аппарат можно использовать для превращения сырьевых материалов для получения фритты, цементного клинкера, а именно глиноземного цементного клинкера, или абразивов, а именно абразивов, полученных плавлением. Плавильный аппарат можно использовать для превращения сырьевых материалов, в частности стеклованием, например: стеклование медицинских отходов; стеклование золы, в частности из мусоросжигательных установок; стеклование порошков, например, пыли от чугунного литья или других цехов литья металла; стеклование гальванического шлама, шлама дубилен или отходов горнодобывающей промышленности; уничтожение отходов, в частности стеклованием, например, загрязненной почвы, почвы, загрязненной тяжелыми металлами или смолой, глиняных фильтров, шлама, активированного угля, радиоактивных отходов, шламов, содержащих свинец или цинк, огнеупоров, в частности огнеупоров, содержащих хром. Особенно в случае стеклоплавильного аппарата сырьевые материалы могут включать: силикаты, базальт, известняк, кальцинированную соду, цеолитный катализатор, отработанный катализатор, отработанную футеровку емкостей, огнеупорные материалы, алюминиевый шлак, шлаки от плавления алюминия, отходы средств пожаротушения на основе песка, шлак, гальванический шлак, клинкер, производственные отходы, золу и их комбинации.
Расплав в плавильном аппарате при работе может достигать температуры, в именно температуры, при которой его удаляют из плавильного аппарата, которая составляет по меньшей мере 1100°С, по меньшей мере 1200°С или по меньшей мере 1250°С и которая может быть не выше 1650°С, не выше 1600°С, не выше 1500°С или не выше 1450°С. Топливный газ может содержать природный газ; он может содержать пропан и/или бутан.
Горелка может также содержать соединение с источником инертного газа, в частности источником азота. Если горение прерывают, может быть желательно продувать через блок горелки азот под высоким давлением, а не окислитель и/или топливный газ, для предотвращения поступления материала, например, расплава, в частности жидкого стекла, в горелку и затвердевания в ней.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления часть, по меньшей мере, длины горелки может быть охвачена охлаждающей рубашкой, закрытой с обоих концов и содержащей впускное отверстие, соединенное с источником охлаждающей жидкости, предпочтительно водой, и выпускное отверстие, соединенное с контуром охлаждающей жидкости. Эта конструкция облегчает охлаждение горелки при использовании. Согласно предпочтительному варианту осуществления охлаждающая рубашка проходит над частью длины трубок для подачи до головки горелки, причем охлаждающая рубашка имеет первую соединительную трубку, головка горелки содержит крышку горелки, определяющую пространство головки горелки между крышкой горелки и головкой горелки, причем головка горелки также содержит сквозные отверстия, соединяющие рубашку с пространством головки горелки, и трубку для подачи охлаждающей жидкости, проходящую по существу концентрически во внутренней трубке для подачи газа и соединяющую пространство головки горелки со второй соединительной трубкой. Эта конструкция обеспечивает охлаждение головки горелки путем пропускания охлаждающей жидкости над головкой горелки и аксиально через нее.
Предпочтительно головка горелки содержит по меньшей мере два, предпочтительно по меньшей мере три отверстия форсунки, проходящих по существу радиально через головку горелки, начиная от выпускного отверстия форсунки; каждое отверстие форсунки соединено питающими отверстиями с соответствующими трубками для подачи, проходящими до головки горелки и соединенными встык с ней.
Таким образом, также предоставлен способ подачи пламени и/или продуктов сгорания из горелки для погружного горения в расплав через множество форсунок, по существу радиально расположенных в головке горелки, причем выпускные отверстия указанных форсунок находятся под углом 5-30° к горизонтали. Такие горелки являются особенно подходящими для использования в плавильных аппаратах погружного горения, например, для производства стекловолокон, минеральной стекловаты, штапельного стекловолокна и волокон из каменной ваты. Особенно в таких случаях указанные горелки обычно расположены в днище плавильных аппаратов погружного горения и могут несколько выступать в ванну жидкого стекла. Подходящее охлаждение конца, выступающего из днища печи, таким образом защищает горелку от чрезмерного износа. Рабочее давление такой горелки для погружного горения, которое является давлением газов, получаемых внутри горелки, должно быть достаточным для преодоления газами давления жидкости в расплаве и, таким образом, барботирования через расплав и создания перемешанного расплава. Предпочтительно давления регулируют таким образом, что частицы расплава достигают скорости до 2 м/с. Расплав и/или сырьевые материалы в плавильном аппарате могут достигать скорости, которая составляет ≥0,1 м/с, ≥0,2 м/с, ≥0,3 м/с или ≥0,5 м/с и/или которая составляет ≤2 м/с, ≤1,8 м/с или ≤1,5 м/с. Скорость дымовых и/или горючих газов, а именно на выходе из форсунки(ок) горелки, может составлять ≥60 м/с или ≥100 м/с и/или ≤300 или ≤200 м/с. Предпочтительно скорость дымовых газов находится в диапазоне от приблизительно 60 до 200 м/с, предпочтительно 110-150 м/с.
Кислородсодержащий газ может представлять собой воздух, но предпочтительно является кислородом, техническим кислородом, например, газом с содержанием кислорода по меньшей мере 95 масс. %, или обогащенным кислородом воздухом. Согласно предпочтительному варианту осуществления кислородсодержащий газ, подаваемый во внутреннюю трубку, представляет собой или воздух, или обогащенный кислородом воздух, или кислород, тогда как кислородсодержащий газ, подаваемый во внешнюю трубку, предпочтительно представляет собой кислород.
Предпочтительно подаваемый газ поддерживает расплавленную массу в состоянии перемешивания, что представляет собой пузырящуюся массу. Перенос тепла таким образом является значительным, и перемешивание ванны желательно для однородности готового продукта. Дымовые газы, выходящие из ванны, можно поддерживать под высоким давлением, и они могут проходить через свежий сырьевой материал для ускорения теплообмена и подогрева указанного сырьевого материала.
Высота ванны расплава в плавильном аппарате, в частности когда плавильная камера по существу цилиндрическая, предпочтительно с внутренним диаметром плавильной камеры 1,5-3 м, более предпочтительно 1,75-2,5 м, может составлять:
≥ приблизительно 0,75 м, ≥ приблизительно 0,8 м, ≥ приблизительно 0,85 м или ≥ приблизительно 0,9 м; и/или
≤ приблизительно 2,2 м, ≤ приблизительно 2 м, ≤ приблизительно 1,8 м или ≤ приблизительно 1,6 м.
Плавильный аппарат погружного горения может иметь несколько таких горелок для погружного горения, число которых составляет ≥2, ≥3, ≥4 или ≥5 и/или ≤30, ≤25, ≤20, ≤18, ≤15, ≤12 или ≤10.
Состав расплава, получаемого погружным горением в случае стеклоплавильного аппарата, может содержать одно или более из:
Настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на приложенные фигуры, на которых:
- фиг. 1: представляет собой вид в перспективе предпочтительного варианта осуществления горелки настоящего изобретения;
- фиг. 2: представляет собой продольное сечение горелки для погружного горения настоящего изобретения;
- фиг. 3: представляет собой частичное продольное сечение в соответствии с другой плоскостью относительно использованной на фиг. 2;
- фиг. 4: представляет собой увеличенное поперечное сечение головки горелки; и
- фиг. 5 представляет собой схематическое изображение плавильного аппарата погружного горения.
Показанная горелка 1 для погружного горения содержит внутреннюю трубку 5 для подачи окислителя, среднюю концентрическую трубку 7 для подачи топлива, внешнюю концентрическую трубку 9 для подачи окислителя и головку 11 горелки, имеющую внешнюю оболочку 13. Трубки 5, 7, 9 для подачи топлива и окислителя соединены встык с головкой 11 горелки. Головка 11 горелки предпочтительно круглая и оснащена множеством периферийных направленных наружу форсунок 21, причем каждая из форсунок 21 имеет выпускное отверстие 23 форсунки, расположенное по периметру 25 внешней оболочки 13 головки 11 горелки. Ось 22 выпускного отверстия форсунки наклонена под углом 5-30° к горизонтали. Каждая форсунка 21, применяемая в головке 11 горелки, соединена с трубками 5 и 9 для подачи окислителя и с трубкой 7 для подачи топлива соответствующими питающими отверстиями 27, 28 и 29. Трубка 5 для подачи окислителя имеет соединительную трубку 6 для соединения с источником окислительного газа, таким как источник технического кислорода, или обогащенного кислородом воздуха, или воздуха. Трубка 7 для подачи топлива имеет соединительную трубку 8 для соединения с источником топлива, таким как источник природного газа, газообразного пропана или бутана. Аналогично, трубка 9 для подачи окислителя содержит соединительную трубку 10 для соединения с источником газообразного окислителя, который может быть одинаковым или отличным от источника газообразного окислителя, соединенного с трубкой 5 для подачи. Часть или все трубки для подачи могут периодически соединяться с источником инертного газа, а именно источником азота, чтобы обеспечивать продувку азота высокого давления через горелку и, в частности, через форсунки для предотвращения вхождения жидкого стеклуемого материала в форсунки, отверждения его в них и, таким образом, закупоривания горелки. Согласно типичному варианту осуществления часть длины горелки охвачена охлаждающей рубашкой 31, закрытой с обоих концов и содержащей впускное отверстие 32, соединенное с источником охлаждающей жидкости, предпочтительно водой. Охлаждающая рубашка 31 проходит над частью длины трубок подачи до головки 11 горелки. Головка 11 горелки содержит крышку 33 горелки, определяющую пространство 35 головки горелки между крышкой 33 горелки и головкой 11 горелки. Головка 11 горелки также содержит сквозные отверстия 37, соединяющие рубашку 31 с пространством 35 головки горелки. Трубка 39 для подачи охлаждающей жидкости, проходящая по существу концентрически во внутренней трубке 5 для подачи газа через головку 11 горелки, соединяет пространство 35 головки горелки с выпускным патрубком 41 для охлаждающей жидкости. Эта конструкция обеспечивает охлаждение трубок для подачи газа, а также головки горелки путем пропускания охлаждающей жидкости вокруг трубок для подачи и через них и над головкой горелки и аксиальнно через нее.
Горелка для погружного горения, как описано выше в настоящем документе, является особенно подходящей для плавильного аппарата погружного горения. Плавильный аппарат погружного горения может содержать по меньшей мере одну горелку для погружного горения, как описано. Предпочтительно по меньшей мере две или более, предпочтительно по меньшей мере три, по меньшей мере четыре или по меньшей мере пять и/или менее 30, менее 25, менее 20, менее 18, менее 16, менее 14, менее 12 или менее 10 таких погружных горелок предусмотрены в плавильном аппарате погружного горения в зависимости от его размеров, предпочтительно на дне плавильного аппарата погружного горения. Обнаружили, что горелки обеспечивают сниженную скорость газа, с которой дымовые газы выходят из головки горелки, с сопутствующим снижением скоростей материала в ванне расплава и, таким образом, сниженным перемешиванием в ванне расплава. Кроме того, расположение форсунок горелки сбоку, на внешней оболочке головки горелки, снижает риск закупоривания горелки отверждающимся или отвердевшим расплавом в необычных, или экстремальных, или переходных ситуациях.
Горелки могут проходить через стенку или предпочтительно днище плавильного аппарата погружного горения и прикрепляться к ним при помощи установочного фланца 45, приспособленного для закрепления его на днище печи, например, посредством винтов или других крепежных элементов, проходящих через соответствующее число крепежных отверстий 47 фланца для плотного прикрепления горелки 1 на днище печи. Расстояние между установочным фланцем 45 и верхней частью крышки горелки достаточно для нахождения горелки поперек стенки или днища плавильного аппарата и для выступания в плавильный аппарат. Это расположение обеспечивает поддержание пламени горелки на желаемом расстоянии от соответствующей стенки или днища. Подходящее охлаждение горелки, как описано выше, таким образом защищает горелку от чрезмерного износа. Плавильный аппарат погружного горения настоящего изобретения содержит печь 100, содержащую плавильную камеру 103, оборудованную по меньшей мере одной горелкой, как описано, которая содержит расплав и находится в связи с верхней камерой 105 и трубой для отвода дымовых газов. Верхняя камера 105 снабжена перегородками 107, которые блокируют выброс вверх любого расплава, отбрасываемого с поверхности расплава путем перемешивания, вызванного пламенами и/или газами горелки. Эти горячие газы можно использовать для подогрева сырьевого материала, и/или топливного газа, и/или окислителя, используемого в горелках. Дымовые газы, выходящие из ванны, можно поддерживать под высоким давлением, и они могут проходить через свежий сырьевой материал для ускорения теплообмена и подогрева указанного сырьевого материала. Дымовые газы обычно отфильтровывают перед высвобождением в окружающую среду, необязательно после разбавления свежим воздухом для снижения их температуры. Подаваемый газ поддерживает расплавленную массу в состоянии перемешивания, что представляет собой пузырящуюся массу. Перенос тепла таким образом является значительным, и перемешивание ванны желательно для однородности готового продукта.
Расплав можно отводить из топочной камеры через регулируемое выпускное отверстие (не показано), расположенное на боковой стенке топочной камеры, вблизи от днища печи по существу напротив устройства 110 подачи сырьевого материала.
Стенка печи предпочтительно содержит двойную стальную стенку, охлаждаемую охлаждающей жидкостью, предпочтительно водой. Соединения для охлаждающей воды расположены на внешней стенке печи. Поток охлаждающей жидкости предпочтительно достаточен для отвода энергии от внутренней стенки так, что расплав может отверждаться на внутренней стенке, и охлаждающая жидкость, здесь - вода, не закипает.
Если это желательно, печь может быть установлена на демпферах, которые выполнены для поглощения вибрационного движения.
Плавильный аппарат особенно предпочтителен для изготовления стекловолокон, минеральной ваты, стекловаты или каменной ваты. Его энергоэффективность снижает потребление энергии, а его универсальность обеспечивает простое изменение состава сырьевого материала. Эта простота эксплуатации и низкие капитальные затраты также являются преимуществом.