ГОРЕЛКА, ВКЛЮЧАЮЩАЯ ИЗНАШИВАЕМУЮ ДЕТАЛЬ
BURNER INCLUDING A WEARABLE PART

Настоящее изобретение относится к горелке для стеклоплавильной печи, установке, включающей такую горелку, и использованию такой установки для плавления композиции стеклуемых материалов. Более конкретно, изобретение относится к установкам по производству листового стекла, таким как установки для варки флоат-стекла или проката стекла, но также и к установкам для производства полого стекла типа бутылок или флаконов, более конкретно, к установкам для производства стекловолокна типа минеральной ваты для термо- или звукоизоляции или, так называемой, текстильной стеклопряжи.
Стеклуемые материалы, как правило, представляют собой оксиды и обычно содержат, по меньшей мере, 30% масс. оксида кремния, такого как кремниевое стекло, или силиката, такого как силикат щелочного и/или щелочноземельного металла. Стекло, в частности, может представлять собой известково-натриевое стекло или вулканическое стекло, часто именуемое специалистами в данной области «черное стекло». Таким образом, термины «стеклуемые материалы» и «сырье» охватывают материалы, необходимые для получения стеклообразной (или керамической или стеклокерамической) матрицы, такие как кварцевый песок, кремнистая порода, доменный шлак, а также любые добавки (осветлители), отходы (включая минеральные волокна), все возможные жидкие и твердые топлива (необязательно, композитный пластик, органические материалы, угли) и стеклянный бой любого типа. В описании выражения «жидкое стекло» и «расплав стекла» означают результат плавления этих стеклующихся материалов.
При плавлении стеклующихся материалов простейшим решением является использование горелок, в которые подается холодный воздух. Однако, для повышения производительности печи с точки зрения скорости плавления и теплового КПД желательно, чтобы температура пламени была настолько высокой, насколько это возможно. Двумя наиболее часто используемыми способами достижения этого является либо предварительное нагревание воздуха горения посредством физической теплоты отходящих газов печи при помощи регенеративных теплообменников из огнеупорных материалов или металлических теплообменников воздух/отходящий газ (именуемых в стекольной промышленности рекуперативными теплообменниками), либо использование в качестве окислителей кислорода и/или гиперобогащенного кислородом воздуха. Настоящее изобретение относится ко всем горелкам такого рода, в частности, к горелкам, в которых используется кислород и которые подвержены сильной коррозии из-за высокой рабочей температуры и присутствия в отходящих газах гидроксида натрия в высокой концентрации.
Как известно, горелки могут быть расположены над поверхностью расплавленного стекла, например, у боковой стенки, торцевой стенки или свода, или ниже уровня жидкого стекла, например, в поде печи. Тогда они называются «погружные горелки». Горелка может включать один или несколько инжекторов, расположенных линейно или кольцеобразно.
Обычно горелка включает расположенную в нижней части распределительную сеть воздуха горения, соединенную в верхней части с инжектором.
В системе координат, произвольно выбранной для описания изобретения в настоящем документе, верхняя часть соответствует внутреннему пространству печи, нижняя часть - наружному. Выражение «газ горения» означает смесь, по меньшей мере, ископаемого топлива, например, природного газа, и, по меньшей мере, одного окислителя, например, воздуха и/или кислорода.
В документах предшествующего уровня техники, в том числе, в патентном документе WO2016120346, описана горелка с инжектором, выступающим из поверхности горелки и входящим в стеклоплавильную камеру. Таким образом, инжектор находится «в контакте со стеклом и/или пламенем», что означает, что он приведен в контакт с расплавленным стеклом и/или пламенем горелки, ограниченно, как у находящихся над поверхностью горелок, или постоянно, как у погружных горелок. Подверженность инжектора воздействию пламени особенно значительна, когда оно оттесняется расплавленным стеклом и/или во время изменения давления инжекции. В этом контексте инжектор подвержен коррозии из-за контакта с жидким стеклом и окислению из-за контакта с пламенем и/или отходящими газами горения. Поэтому срок службы инжектора ограничен, а техническое обслуживание инжектора требует высоких затрат.
Чтобы, по меньшей мере, частично преодолеть эти недостатки, предложены неразъемные горелки, например, описанные в патентном документе EP2812632, включающие расположенную в верхней части пластину, контактирующую со стеклом и/или пламенем, которая перекрывает и защищает, по меньшей мере временно, инжектор или инжекторы от эрозии и/или окисления, описанных выше.
Однако, таким неразъемным горелкам свойственны недостатки: сложность изготовления, дороговизна и продолжительность регламентного технического обслуживания. На практике, когда обнаружена неисправность горелки, ее замена требует полной остановки печи. Эта операция, не лишенная риска для оператора, существенно сокращает производительность плавильной установки. Действительно, горелку, демонтированную из печи, полностью заменяют. С точки зрения технического обслуживания это является неприемлемым недостатком, принимая во внимание стоимость горелки и время, необходимое для ее изготовления, особенно при крупномасштабном использовании плавильной установки.
Следовательно, имеется потребность в обеспечении горелки, по меньшей мере, часть которой имеет увеличенный срок службы, и техническое обслуживание которой проще, быстрее и дешевле.
Настоящее изобретение удовлетворяет эту потребность. Более конкретно, по меньшей мере, в одном варианте осуществления изобретение относится к горелке для установки, предназначенной для плавления стеклующихся материалов, включающей:
- инжекторный блок, включающий распределительную сеть газа горения и, по меньшей мере, один инжектор, и
- пластину, контактирующую со стеклом и/или пламенем, которая, по меньшей мере частично, перекрывает инжекторный блок и включает, по меньшей мере, одно инжекторное отверстие, соединенное по текучей среде с указанным инжектором, при этом, указанная горелка отличается тем, что пластина прикреплена к инжекторному блоку с возможностью снятия.
В настоящем описании термином «с возможностью снятия» описывается фиксация, обратимая без повреждения прикрепленных друг к другу деталей. Напротив, сварка двух деталей друг с другом рассматривается как необратимая фиксация. Терминами «установленный» и «на» описывается расположение пластины так, что она, по меньшей мере, частично перекрывает инжекторный блок для обеспечения его защиты от эрозии под действием жидкого стекла и/или окисления пламенем и/или отходящими газами горения, имеющего место внутри печи. Пластина, по меньшей мере частично, перекрывает инжекторный блок в том смысле, что, в соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретения, она возвышается над верхней частью инжекторного блока, но не над инжектором или инжекторами.
Изобретение базируется на новой изобретательской концепции, состоящей в обеспечении горелки, в которой инжекторный блок и пластина являются двумя отдельными деталями, прикрепленными друг к другу с возможностью снятия.
Таким образом, во время технического обслуживания горелки можно заменить только поврежденную деталь, при этом, другая деталь используется повторно. Вообще, деталью, первой выходящей из строя является пластина, поскольку она непосредственно контактирует с жидким стеклом и, следовательно, подвержена коррозии. Кроме того, изготовление инжекторного блока намного сложнее, чем пластины, в частности, в отношении тщательности, требующейся для обработки распределительной сети газа горения. Следовательно, инжекторный блок горелки, соответствующей изобретению, отличается значительно увеличенным сроком службы. Производство инжекторного блока и пластины также упрощается, так как эти две детали изготавливают по отдельности и, потенциально, разными способами, соответствующими техническим особенностям каждой из деталей. Другими словами, горелка, соответствующая изобретению, обладает повышенной эксплуатационной эффективностью.
В соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретения, указанный инжекторный блок и указанная пластина изготовлены из разных материалов.
В технике существует предубеждение против использования деталей, изготовленных из материалов различной природы, учитывая трудности, возникающие при сварке этих деталей друг с другом. Благодаря применению соединения инжекторного блока и пластины с возможностью снятия возможно преодоление этого предубеждения, и проблема несовместимости материалов в таком контексте больше не возникает. Таким образом, можно использовать различные материалы, отвечающие требованиям и рабочим условиям, индивидуальным для каждой детали. Так, пластина, как правило, имеет относительно простую геометрию, тем не менее, находится в экстремальных рабочих условиях, как описано выше. Инжекторный блок остается в холодной зоне. Однако, при его производстве требуется высокая степень точности в отношении соблюдения размеров распределительной сети газа горения инжекторов. Выбор материала также может основываться на ожидаемом поведении материала каждой детали в условиях термического стресса.
Например, можно использовать металлические сплавы или керамику.
В соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретения, указанная горелка относится к типу погружных горелок.
Погружные горелки особенно подвержены разрушению, вызванному эрозией под действием жидкого стекла и окислением пламенем. Таким образом, преимущественные отличительные особенности настоящего изобретения особенно значимы для горелок этого типа. Так, их техническое обслуживание становится проще и экономичнее, тогда как срок службы инжекторного блока значительно увеличивается.
В соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретения, указанный, по меньшей мере, один инжектор, по меньшей мере частично, входит в указанное инжекторное отверстие.
Основным вопросом является правильное распределение газов, инжектируемых в печь горелками. Как известно, реализация этого критерия зависит, в частности, от формы и размера канала или каналов, по которым проходят газы горения перед поступлением в плавильную камеру. В этом отношении, здравый смысл подсказывает неразъемную конструкцию горелки. Действительно, при разделении пластины и инжекторного блока увеличивается риск смещения этих отдельных деталей горелки друг относительно друга при нагревании. Во время работы печи, при одинаковом коэффициенте термического расширения пластина, контактирующая со стеклом и/или пламенем, имеет тенденцию к большему расширению, чем инжекторный блок, расположенный в холодной зоне. Такое относительное движение двух деталей, в частности, может приводить к изменению формы инжекционного(ых) канала(ов) и негативному воздействию на правильное распределение газов горения, подлежащих инжекции в печь.
Несмотря на существующее предубеждение, при использовании горелки, соответствующей изобретению, в которой инжектор, по меньшей мере частично, входит в инжекторное отверстие, возможно достижение и сохранение удовлетворительного правильного расположения инжектора в инжекторном отверстии пластины при одновременном обеспечении больших допустимых отклонений при изготовлении инжектора и/или инжекторного отверстия. Другими словами, регулирование инжекции газов горения в печь упрощается.
В соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретения, указанная пластина прикреплена к инжекторному блоку посредством:
- резьбового болта одноразового применения и/или
- болта и резьбового отверстия и/или
- заклепки и/или
- шпильки.
Средство прикрепления с возможностью снятия, необязательно, может быть одноразового применения.
В соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретения, указанная пластина включает, по меньшей мере, один плоский лист, определяющий периметр вокруг инжектора или инжекторов.
В настоящем описании термин «плоский» в отношении листа следует интерпретировать в макроскопическом масштабе, видимом невооруженным глазом, он не ограничивается состоянием поверхности, другими словами, конкретной текстурой.
Назначением этого листа является защита инжекторного блока и одновременное надлежащее распределение газов горения. Лист подвержен значительному риску окисления, принимая во внимание его расположение в непосредственной близости от пламени.
Таким образом, горелка, вследствие этой отличительной особенности, обладает возможностью замены листа независимо от остальной пластины, следовательно, сокращаются затраты на техническое обслуживание, при этом, увеличивается общий срок службы пластины. Лист, рассматриваемый отдельно, менее сложен в изготовлении, и на этапе его проектирования могут быть выбраны материалы, особенно хорошо соответствующие таким критериям, как стойкость к окислению, теплоемкость, коэффициент термического расширения и стоимость при массовом производстве.
В соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретения, указанный, по меньшей мере, один инжектор образует выступ над листом.
Наличие такого выступа позволяет оптимальным образом регулировать параметры, влияющие на формирование смеси и распределение газов горения. Действительно, все детали, участвующие в распределении, инжекции и горении газов в печи, являются неотъемлемой частью инжекторного блока. Следовательно, пламя, образующееся при горении этих газов, можно регулировать более эффективно.
Несмотря на существующее предубеждение в отношении уязвимости выступа из-за контакта с жидким стеклом, неожиданно оказалось, что он остается защищенным от повреждения вследствие эрозии/окисления, которые могут происходить на поверхности пластины. По существу, инжектор и его выступ даже во время функционирования установки остаются холодными, во-первых, благодаря охлаждению, обеспечиваемому газами горения, когда их инжектируют в печь холодными, и во-вторых, благодаря малой подверженности основания пламени воздействию жидкого стекла и/или газов, образующихся при горении.
В соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретения, указанная пластина включает сплошные боковые части, поднимающиеся над указанным листом.
Боковые части обеспечивают стабильность пламени в потоке стекла, защищая его от оттеснения и задувания.
Следовательно, они больше подвержены коррозии из-за воздействия жидкого стекла и/или газов, чем лист, и меньше подвержены окислению пламенем.
Таким образом, благодаря этой отличительной особенности горелки, имеется возможность замены боковых частей независимо от других частей пластины, вследствие чего сокращаются расходы на техническое обслуживание, и, одновременно, увеличивается общий срок службы пластины. Боковые части, рассматриваемые отдельно, менее сложны в изготовлении, при их проектировании могут быть выбраны материалы, особенно хорошо соответствующие таким критериям, как стойкость к коррозии и/или окислению, теплоемкость, коэффициент термического расширения и стоимость при массовом производстве.
В соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретения, боковые части прикреплены к верхней поверхности инжекторного блока с возможностью снятия, указанный лист точно размещен между боковыми частями и верхней поверхностью инжекторного блока.
Точное соответствие и прикрепление листа к боковым частям пластины и верхней поверхности инжекторного блока допускает упрощенный демонтаж и техническое обслуживание.
В соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретения, указанная пластина и, предпочтительно, указанный лист включает зубцы, выступающие из его верхней поверхности.
Эти зубцы, в частности, обеспечивают возможность стабилизации слоя отвержденного стекла, образующегося у поверхности горелки в непосредственной близости от инжекторов и, следовательно, пламени.
В соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретения, указанная горелка включает слой теплопроводной пасты, расположенный на границе раздела между инжекторным блоком и пластиной.
Теплопроводная паста может быть выполнена на основе, например, силоксана, керамики и/или металлических частиц.
Таким образом, возможно повысить теплопередачу между этими деталями с целью охлаждения пластины с использованием инжекторного блока.
В соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретения, каждый инжектор включает смесительную камеру в форме цилиндра с инжекторным отверстием, трубопроводом подачи топлива и трубопроводом подачи окислителя, открывающимися в смесительную камеру у корпуса цилиндра в направлении, создающем тангенциальный поток топлива и окислителя относительно корпуса цилиндра.
Направление инжекции газов (топливо/окислитель) в смесительную камеру имеет большое значение. Действительно, было отмечено, что предпочтительнее было бы избегать радиального направления, так как это может приводить к высокой степени турбулентности в смесительной камере и нестабильности пламени. По этой причине инжекция топлива и окислителя должна производиться тангенциально, при этом, тангенциальный поток газообразной смеси образует равномерный вихрь.
В соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретения, указанный инжекторный блок включает систему охлаждения, предпочтительно, включающую трубопроводную сеть, предназначенную для циркуляции охлаждающей текучей среды внутри горелки.
Изобретение также относится к способу сборки/демонтажа горелки, описанной выше.
Кроме этого, изобретение относится к установке для плавления стеклующихся материалов, отличающейся тем, что она включает, по меньшей мере, одну плавильную камеру, снабженную, по меньшей мере, одной горелкой, описанной выше, предпочтительно, погружного типа.
Технические преимущества, свойственные горелке настоящего изобретения, такие, как описанные выше в настоящем документе, также относятся к установке для плавления стеклующихся материалов, включающей такую горелку. Благодаря использованию такой горелки становится возможным повышение производительности установки, при этом, частота остановки печи для замены грелки существенно уменьшается.
Изобретение также относится к использованию установки, подобной описанной выше, для плавления композиции стеклующихся материалов.
Другие отличительные особенности и преимущества изобретения описаны ниже со ссылкой на чертежи, на которых:
- фиг. 1 представляет собой схематичный вид в сечении горелки погружного типа, соответствующей конкретному варианту осуществления изобретения;
- фиг. 2 представляет собой вид с пространственным разделением деталей горелки, представленной на фиг. 1;
- фиг. 3 представляет собой вид в изометрии горелки погружного типа, включающей кольцевой инжектор в соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретения;
- фиг. 4 представляет собой схему, изображающую установку для плавления стеклующихся материалов, соответствующую конкретному варианту осуществления настоящего изобретения.
Номера позиций на различных фигурах, относящиеся к подобным или идентичным элементам, одинаковы.
Изобретение относится к горелке 1 для установки 20 для плавления стеклующихся материалов. Горелка 1 включает инжекторный блок 2, содержащий распределительную сеть 3 газа горения и, по меньшей мере, один инжектор 4. Такая горелка 1 включает пластину 5, контактирующую со стеклом и/или пламенем, которая перекрывает инжекторный блок 2 и снабжена, по меньшей мере, одним инжекторным отверстием 6, соединенным по текучей среде с инжектором 4. Причем, пластина 5 прикреплена к инжекторному блоку 2 с возможностью снятия.
Инжекторный блок 2 горелки 1, соответствующей изобретению, имеет значительно больший срок службы. Кроме того, изготовление инжекторного блока 2 и пластины 5 упрощено, так как эти детали изготавливают по отдельности и, потенциально, из разных материалов и/или с использованием различных способов.
На фиг. 1 схематично показано поперечное сечение горелки 1 погружного типа в соответствии с одним из конкретных вариантов осуществления изобретения. В соответствии с альтернативным вариантом его осуществления, горелка 1 также может располагаться над поверхностью. Однако, нужно отметить, что для горелки 1 погружного типа особенно актуальны технические преимущества, обеспечиваемые изобретением, из-за длительного воздействия на нее жидкого стекла, вызывающего эрозию, и пламени, вызывающего окисление.
Горелка 1 включает, в нижней части, инжекторный блок 2 и, в верхней части, пластину 5, которая перекрывает инжекторный блок 2.
Что касается инжекторного блока 2, на фиг. 1 секущая плоскость проходит через инжектор 4, включающий цилиндрическую смесительную камеру 10, открывающуюся в инжекторное отверстие 11, соосное инжекторному отверстию 6 пластины 5. В смесительную камеру 10 открывается трубопровод 13 подачи окислителя, расположенный в секущей плоскости, и трубопровод 12 подачи топлива, расположенный вне секущей плоскости. Трубопроводы 12 и 13 подачи топлива и окислителя соединяют смесительную камеру со впускным трубопроводом 121 топлива и впускным трубопроводом 131 окислителя, соответственно, расположенными в нижней части инжекторного блока 2. Каналы 9 обеспечивают циркуляцию охлаждающей жидкости в горелке 1 и проходят почти по всей ее длине.
Инжекторный блок 2 изготовлен из нержавеющей стали. В соответствии с альтернативными вариантами осуществления изобретения, инжекторный блок 2 изготовлен из другого известного материала, пригодного для промышленного применения.
Как показано на фиг. 1 и 2 и в соответствии с описываемым ниже вариантом осуществления изобретения, пластина 5 образована из совокупности горизонтального листа 7, предназначенного для размещения вблизи инжекторных отверстий 6, и из сплошных боковых частей 8, отходящих в форме ступеней от концов листа 7. На листе 7 также имеются зубцы 14, выступающие из его верхней поверхности. Зубцы 14 предназначены, главным образом, для стабилизации слоя отвержденного стекла, образующегося у поверхности горелки в непосредственной близости от инжекторов 11 и, следовательно, пламени.
Нужно отметить, что в соответствии с альтернативным вариантом осуществления изобретения, пластина 5 является единой деталью. В результате, ей свойственен недостаток, заключающийся в большей сложности изготовления/обслуживания.
Снова обратимся к инжекторному блоку 2; он включает множество выступов, отходящих от листа 7 через инжекторные отверстия 6. Благодаря наличию выступов становится возможным сохранение удовлетворительного правильного относительного положения инжекторных отверстий 6 пластины 5 и инжектора 4 и оптимальное регулирование параметров, влияющих на смешивание и распределение газов горения. Таким образом, более эффективно можно регулировать пламя, возникающее при горении этих газов.
Как уже было указано и пояснено в данном описании, пластина 5 прикреплена к инжекторному блоку 2 с возможностью снятия. Такое прикрепление выполнено при помощи болтов 15 и соответствующих резьбовых отверстий. При помощи соединительных деталей лист 7 прикреплен между верхней поверхностью инжекторного блока 2 и нижней частью сплошных боковых частей 8. В соответствии с альтернативными вариантами осуществления изобретения, лист 7 непосредственно прикреплен к инжекторному блоку 2 любым известным способом прикрепления с возможностью снятия. Кроме этого, лист 7 также может быть непосредственно прикреплен к боковым частям 8 известным способом прикрепления либо с возможностью снятия, либо неразъемно.
В соответствии с другими альтернативными вариантами осуществления изобретения, боковые части 8 могут быть прикреплены к инжекторному блоку 2 с возможностью снятия либо нарезными болтами, либо любым другим известным способом прикрепления вне зависимости от того, включает ли этот способ разрушение средства крепления при демонтаже или нет. Нужно отметить, что вне зависимости от выбранного способа прикрепления целостность инжекторного блока 4 и пластины 5 после сборки/демонтажа не нарушается.
В соответствии с альтернативным вариантом осуществления изобретения и как показано на фиг. 3, горелка включает инжектор 4 кольцевого типа, выступающий из стенки 21а плавильной камеры 21. В качестве альтернативы, стенка 21а, через которую проходит инжектор 4, является дном плавильной камеры или одной из ее боковых стенок. Инжектор 4 цилиндрической формы перекрывается пластиной 5, которая также имеет форму цилиндра и к которой он прикреплен с возможностью снятия двумя винтами 15. В соответствии с этой конфигурацией, инжекторное отверстие 6 пластины 5 расположено так, что является продолжением инжекторного отверстия 11 инжектора 4.
В соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретение относится к способу сборки/демонтажа горелки 1, описанной в настоящем описании, при этом, способ сборки включает следующие стадии, на которых:
- прикрепляют лист 7 к верхней поверхности инжекторного блока 2,
- прикрепляют боковые части 8 по периметру листа 7 и
- обратимо и жестко соединяют боковые части 8 с инжекторным блоком 2 при помощи винтов 15, взаимодействующих с соответствующими отверстиями.
Способ демонтажа состоит в выполнении этих последовательных стадий в обратном порядке.
В соответствии с альтернативным вариантом осуществления изобретения и как показано на фиг. 4, изобретение относится к установке 20 для плавления стеклующихся материалов, включающей плавильную камеру 21. Стеклующиеся материалы вводят в плавильную камеру 1 при помощи загрузочного устройства 22. Плавильная камера 21 включает расположенные у дна погружные горелки 1, описанные выше. Уровень расплавленного стекла 23 определяется расположением перелива 24, через который вытекает полученное жидкое стекло. Плавильная камера 21 включает металлические стенки с системой внутренних каналов 9, по которым циркулирует охлаждающая жидкость. Активное охлаждение стенок вызывает образование слоя отвержденного стекла 25, который изолирует металлические стенки от расплавленного стекла.
В соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретение относится к использованию такой установки для плавления композиции стеклующихся материалов, в частности, для производства полых стеклянных изделий, таких как бутылки, флаконы, стекловолокна типа минеральной ваты для термо- или звукоизоляции или, так называемой, текстильной стеклопряжи.