СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАВЛЕНИЯ ТВЕРДОЙ КОМПОНЕНТЫ ШИХТЫ ПОСРЕДСТВОМ ГОРЕЛОК ПОГРУЖНОГО ГОРЕНИЯ
METHOD AND APPARATUS FOR MELTING SOLID RAW BATCH MATERIAL USING SUBMERGED COMBUSTION BURNERS

Настоящее изобретение относится к устройствам для плавления погружного горения, в частности для плавления стекловидного или стеклующегося материала, и процессам, в которых используется устройство для плавления погружного горения.
Стекловидные материалы в основном произведенные из смеси сырьевых материалов, например силикатов, базальта, известняка, кальцинированной соды и других, вспомогательных компонентов, которые вводятся в устройство для плавления и плавятся до вязкого жидкого состояния при температурах порядка от 1250°С до 1500°С; этот расплав затем проходит процесс формования. В зависимости от предназначения расплава, например для производства плоского стекла, полого стекла, неразрезных волокон для армирования или волокон для изоляции, перед процессом формования может потребоваться дополнительная стадия рафинирования расплава. Химический состав расплава и его физические свойства выбираются в зависимости от предназначения и процесса формования.
Обычные устройства для плавления содержат источник энергии над поверхностью стекломассы, например горелки, создающие пламя в пространстве между поверхностью стекломассы и сводом устройства для плавления, благодаря чему тепло переносится к стекломассе от самого пламени и посредством излучения от материала свода. Твердый сырьевой материал, подлежащий плавлению, загружается в верхней части стекломассы в устройстве для плавления и тепло переносится от расплава к твердому сырьевому материалу, который введен в расплав.
В некоторых устройствах для плавления энергия подается электрически нагретыми электродами, расположенными ниже поверхности расплава; такие электроды могут быть единственным источником тепла или применяться в сочетании с горелками.
Кроме того, тип устройства для плавления имеет одно или несколько сопел горелки, расположенных ниже поверхности расплава так, что пламена горелки и/или продукты сгорания проходят через расплав. Такая конструкция называется погружным горением.
Устройства для плавления, используемые для производства изоляции из каменной ваты, являются традиционно вагранками.
Настоящее изобретение ориентировано на создание высокоэффективного способа спекания и/или плавления твердого сырьевого материала. Такой способ показывает уменьшенное потребление энергии вместе с более эффективными характеристиками расплава, включающими однородность с точки зрения распределения температуры и состава, приводя к более высокому качеству конечного продукта. Это предоставляет возможность плавления широкой разновидности материалов, в частности стеклующегося материала и показывает высокую гибкость в управлении параметрами способа.
Согласно другому объекту настоящее изобретение также ориентировано на создание более эффективного устройства для плавления погружного горения для плавления материалов, в частности стекловидных или стеклующихся материалов, которая показывает, кроме того, повышенную эффективность передачи тепла и плавления сырья.
В частности, настоящее изобретение ориентировано на повышение эффективности поглощения первичного сырья внутри расплава и передачи тепла первичному сырью, в частности, когда оно добавляется в верхней части расплава, таким образом улучшая в общем-то однородность с точки зрения распределения температуры и состава расплава. В то же время, любой проход сырья через устройство для плавления обходным путем практически исключается или по меньшей мере уменьшается, таким образом приводя к эффективному плавлению твердого сырьевого материала и, тем самым, уменьшая размеры устройств для плавления для заданного выходного потока.
Одним из объектов настоящего изобретения является устройство для плавления погружного горения, как определено в пункте 1 формулы изобретения. Другие независимые пункты формулы изобретения определяют другие объекты изобретения. Зависимые пункты определяют предпочтительные и/или альтернативные варианты осуществления.
Один или несколько объектов, описанных в следующих патентных заявках, которые также относятся к плавлению и/или устройствам для плавления погружного горения, можно использовать в изобретениях по настоящей патентной заявке и каждая из этих патентных заявок включена в данный документ посредством ссылки:
Одним конкретным объектом настоящего изобретения является способ плавления материала, в частности стеклующегося материала, включающий стадии введения твердого сырьевого материала в устройство для плавления, плавления твердого сырьевого материала в устройстве для плавления методом погружного горения и придание расплаву формы течения, которая, как показывает моделирование посредством компьютерного анализа динамики текучей среды, является по существу тороидальной формой течения расплава, при этом форма течения представляется векторами основного сходящегося к центру потока у поверхности расплава, а центральная ось вращения тороида является по существу вертикальной. В предпочтительном исполнении расплав в устройстве для плавления содержит одну такую тороидальную форму течения.
Вблизи вертикальной оси вращения указанной тороидальной формы течения векторы потока изменяют ориентацию, показывая нисходящую составляющую, тем самым отражая характерное нисходящее движение расплава вблизи указанной оси. У основания устройства для плавления векторы потока изменяют ориентацию, показывая составляющую, направленную наружу, а затем вверх.
В предпочтительном исполнении код динамической модели текучей среды является кодом ANSYS R14.5, учитывающим многофазное поле потока с фазами, проходящими от твердого сырьевого материала к жидкому расплаву и к различным газовым областям, связанным как со сгоранием топлива и окислителя посредством горелок, так и полученным в процессе превращения твердый сырьевой материал - расплав.
Расплав может быть слит для последующей обработки, включая формование плоского или тарного стекла, образование непрерывного волокна или производства волокна для минеральной ваты. В случае производства волокна минеральной ваты выход продукции предпочтительно осуществлять непосредственно на стадии волокнообразования без стадии рафинирования.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления тороидальная форма течения расплава получается в результате работы горелок погружного горения, расположенных у основания устройства для плавления по существу в кольцевой зоне горелок, придающей по сути вертикальную составляющую скорости газообразным продуктам сгорания. Определенное преимущество обеспечивается тем, что горелки располагаются с расстоянием между смежными горелками около 250-1250 мм, предпочтительно 500-900 мм, более предпочтительно около 600-800 мм, наиболее предпочтительно около 650-750 мм.
Вектор скорости расплава, движущегося вверх над или рядом с погружными горелками, может быть слегка наклонен от вертикали, например под углом ≥1°, ≥2°, ≥3° или ≥5° и/или ≤30°, предпочтительно ≤15°, более предпочтительно ≤10°, в частности в направлении к центру устройства для плавления. Такая конструкция может привести к более эффективному течению и направить поток расплава подальше от выходного отверстия сливного патрубка в направлении центра устройства для плавления, поддерживая, таким образом, тороидальное движение согласно вышеприведенному определению. Предпочтительно, чтобы пламена не могли попадать на стенки устройства для плавления.
В предпочтительном варианте осуществления горелки располагаются по существу на кольцевой линии горелок. В альтернативном варианте можно применить другое расположение горелок для достижения заданной тороидальной формы течения. Устройство для плавления может содержать много горелок и термин "горелки" в настоящем документе понимается в значении функционируемых или эксплуатируемых горелок, т.е. горелок, которые эксплуатируются в соответствии с данным изобретением.
Смоделированная форма течения отражает сходящийся вовнутрь к центру поток у поверхности расплава, следующий за нисходящим потоком вблизи центральной оси вращения тороида. Определенное преимущество достигается тем, что указанная центральная ось вращения соответствует вертикальной оси симметрии устройства для плавления. Под осью симметрии понимается центральная ось симметрии, а если устройство для плавления имеет поперечное сечение, в котором нет ни одной заданной оси симметрии, то понимается ось симметрии окружности, в которую вписано указанное сечение устройства для плавления. Нисходящий поток следует за периферийно-ориентированным потоком у основания устройства для плавления и по существу кольцевого восходящего потока вблизи горелок, отражая рециркуляцию расплава по направлению к зоне горелки и в восходящем движении возврат к поверхности расплава, таким образом устанавливая по существу тороидальную форму течения.
Определенное преимущество заключается в том, что у поверхности расплава векторы сходящегося в центр потока указывают скорость вплоть до около 2 м/с. Направленные вниз векторы скорости вблизи вертикальной центральной оси вращения имеют значительную длину, или величину, отражающую относительно высокую скорость материала, текущего вниз. Нисходящие векторы скорости отражают скорость материала, равной вплоть до около 2 м/с. Расплав и/или сырье внутри устройства для плавления по меньшей мере у одной части устройства для плавления, и в частности у поверхности расплава (в частности векторы сходящегося к центру потока у поверхности расплава) и/или вблизи вертикальной центральной оси вращения, могут достигать скорости ≥0,1 м/с, ≥0,2 м/с, ≥0,3 м/с или ≥0,5 м/с и/или которая ≤2,5 м/с, ≤2 м/с, ≤1,8 м/с или ≤1,5 м/с.
Получение такой тороидальной формы течения гарантирует высокоэффективное смешивание и гомогенизацию расплава с точки зрения распределения температуры и состава. Более того, форма течения, относящаяся к изобретению, содействует погружению сырья в расплав, таким образом улучшая передачу тепла первичному сырью и уменьшая требуемое время пребывания в устройстве для плавления до того, как расплав сольют для дальнейшего формования, при этом исключая или по меньшей мере уменьшая риск преждевременного обрыва сырьем циркуляции расплава.
Другим объектом настоящего изобретения является рабочий узел устройства для плавления для плавления материала, в частности стекловидного твердого сырьевого материала, и этот узел содержит плавильную камеру (3), оборудованную по меньшей мере пятью горелками погружного горения (21, 22, 23, 24, 25), каждая из которых имеет центральную ось горелки, выходящую из ее выходного отверстия, загрузчик сырья (10) и сливной патрубок (9) расплава около основания плавильной камеры, горелки погружного горения, расположенные в по существу кольцевой зоне горелки внизу указанной плавильной камеры с некоторым расстоянием между смежными горелками и управляемыми таким образом, чтобы моделирование посредством компьютерного анализа динамики текучей среды демонстрировало по существу тороидальную форму течения расплава, создаваемую в расплаве, с центральной осью вращения тороида, являющейся по существу вертикальной, и представляла собой векторы сходящегося к центру потока у поверхности расплава, при этом центральная ось релевантных горелок, расположена под углом менее 30° от вертикали.
В одном варианте осуществления каждая центральная ось горелки наклонена на угол завихрения относительно вертикальной плоскости, проходящей через центральную вертикальную ось устройства для плавления и центра горелки. Угол завихрения может быть ≥1°, ≥2°, ≥3°, ≥5° и/или ≤30°, ≤20°, ≤15° или ≤10°. В предпочтительном исполнении угол завихрения каждой горелки почти один и тот же. Расположение каждой оси горелки под углом завихрения сообщает восходящим пламенам небольшую тангенциальную составляющую скорости, таким образом сообщая расплаву вихревое движение в дополнение к тороидальной форме течения. Полученная форма течения расплава дополнительно улучшает вмешивание сырья в расплав и однородность расплава. В предпочтительном исполнении центральная ось релевантных горелок располагается под углом завихрения менее 15°, более предпочтительно менее 10°.
В одном предпочтительном варианте осуществления функциональные горелки располагаются по существу на кольцевой линии горелок.
Как отмечено выше, векторы потока в предпочтительном исполнении изменяют ориентацию, демонстрируя нисходящее направление вблизи центральной вертикальной оси вращения, проходящей через центр по существу кольцевой зоны горелок, тем самым отражая характерное нисходящее движение расплава вблизи указанной оси. В нижней части плавильной камеры векторы потока в предпочтительном исполнении изменяют ориентацию, показывая направление к периферии в зону горелок, а затем восходящее направление вблизи указанных горелок, отражая рециркуляцию расплава по направлению к зоне горелок и по восходящему движению назад к поверхности расплава, таким образом задавая по существу тороидальную форму течения.
Получение тороидальной формы течения расплава, в котором расплав находится в восходящем движении по существу над или рядом с релевантными горелками, в сходящем направлении к центру указанной кольцевой зоны горелок у поверхности расплава и в нисходящем движении в центре, содействует однородности расплава с точки зрения распределения температуры и состава. Расстояние между горелками может изменяться в зависимости от конструкции горелки, рабочего давления, вязкости расплава и других параметров. Следует заметить, однако, что слишком малое расстояние между горелками может привести к слиянию пламен - явлению, которое предпочтительно следует исключить.
Любые две, а предпочтительно все, смежные горелки можно расположить на расстоянии около 250-1250 мм, предпочтительно около 500-900 мм, более предпочтительно около 600-800 мм, наиболее предпочтительно около 650-750 мм.
В предпочтительном варианте осуществления горелки располагаются на допустимом расстоянии около 250-750 мм от боковой стенки упомянутой плавильной камеры; Это содействует реализации потока, описанного выше, и исключает притяжение пламени к боковым стенкам плавильной камеры. Слишком малое расстояние между горелками и боковой стенкой может привести к повреждению или чрезмерному напряжению боковой стенки. Хотя определенный поток расплава между горелкой и стенкой может не нанести вреда или даже может быть желателен, для того чтобы исключить наращивание слишком большого слоя отвердевшего материала на стенках, но слишком большое расстояние будет порождать нежелательные потоки расплава и может вызвать мертвые зоны, в которых смешивание с расплавом хуже, чем в центре устройства для плавления и, следовательно, привести к снижению однородности расплава.
Расстояние между погружными горелками предпочтительно выбрать таким, чтобы гарантировать необходимую тороидальную форму течения внутри расплава, а также исключить слияние смежных пламен и расхождение встречных пламен. Наряду с тем, что это явление зависит от многих параметров, таких как температура и вязкость расплава, давление и другие особенности горелок, обнаружено, что выгодно выбирать диаметр кольцевой линии горелок в интервале около 1200-2000 мм. В зависимости от типа горелки, рабочего давления и других параметров, слишком большой диаметр, может привести к расхождению пламен, а слишком маленький диаметр может привести к слиянию пламен.
В предпочтительном варианте осуществления на кольцевой линии горелок располагаются по меньшей мере 6 горелок, предпочтительно от 6 до 10 горелок, более предпочтительно от 6 до 8 горелок в зависимости от размеров устройства для плавления, размеров горелки, рабочего давления и других параметров проекта.
В частном случае стекловаренной печи в каждую горелку в предпочтительном исполнении подается горючий газ, в частности содержащий углеводороды, например природный газ, и кислородсодержащий газ, в частности кислород, технический кислород (например газ, содержащий кислород в количестве по меньшей мере 95% по массе) или обогащенный кислородом воздух. В предпочтительном исполнении горючий газ и кислородсодержащий газ подаются отдельно в горелку и смешиваются около горелки и/или около сопла(-ел) горелки. В альтернативном исполнении можно применять другие типы топлива, например жидкое топливо или твердое пылевидное топливо, в частности для витрификации отходов.
Для ясности, под тороидальной формой течения подразумевается, что векторы скорости подвижного материала текучей среды, полученные посредством компьютерного анализа динамики текучей среды образуют схему циркуляции, в которой они заполняют сечения тороида, который имеет в качестве центральной оси вращения вертикальную ось, проходящую через центр по существу кольцевой зоны горелки, а в качестве внешнего диаметра приблизительно внешний диаметр указанной кольцевой зоны горелки, с материалом, текущим снаружи к центру у поверхности расплава.
Такой тороидальный поток увлекает первичное сырье к центру и глубоко в стекломассу и повышает эффективность передачи тепла первичному сырью, для того чтобы расплавить его быстро и легко и, кроме того, повысить однородность расплава.
Определенное преимущество заключается в том, что твердое сырье может вводиться над поверхностью расплава. Предпочтительно сырье загружать непрерывно или по существу непрерывно в устройство для плавления, хотя загрузка партиями также возможна.
Рабочий узел устройства для плавления может предоставить возможность для индивидуального управления каждой горелкой или индивидуального управления каждой из нескольких групп горелок, таких как встречные горелки. Горелка(-и) вблизи места подачи сырья может управляться при другой, предпочтительно более высокой скорости газа и/или давления, чем смежные горелки, таким образом предоставляя возможность для более эффективной передачи тепла первичному сырью, которое загружается в устройство для плавления. Более высокие скорости газа могут потребоваться только временно, это значит, что в случае загрузки первичного сырья партиями, только во время временного промежутка, необходимого для погружения используемого твердого сырьевого материала в расплав, содержащийся в устройстве для плавления, относящейся к данному изобретению.
Это также может быть необходимо для управления горелками, которые расположены близко к сливному патрубку, при адаптации предпочтительно к более низкой скорости/давлению газа, чтобы не нарушать работу сливного патрубка.
Плавильная камера является в предпочтительном исполнении по существу цилиндрической; другие возможные формы включают в себя формы с эллиптическим сечением или многоугольным сечением с более чем 4 сторонами, предпочтительно более чем 5 сторонами; сущность заключается в том, что такие конструкции предоставляют возможность получения такого тороидального потока расплава, какое смоделировано в компьютере, с применением общеупотребительных уравнений динамики текучей среды, как описано выше. Следует иметь в виду также, что расстояние между погружной горелкой и боковой стенкой, как указано выше предпочтительно соблюдать по меньшей мере для большинства горелок. Чем более равномерно отстоят горелки от боковой стенки, тем более равномерным будет тороидальный поток расплава.
Высота плавильной ванны внутри устройства для плавления, особенно когда плавильная камера является по существу цилиндрической, предпочтительно с внутренним диаметром плавильной камеры от 1,5 м до 3 м, более предпочтительно от 1,75 м до 2,5 м может быть: ≥ около 0,75 м, ≥ около 0,8 м, ≥ около 0,85 м, или ≥ около 0,9 м и/или ≤ около 2,2 м, ≤ около 2 м, ≤ около 1,8 м, или ≤ около 1,6 м.
Твердый сырьевой материал может быть загружен в устройство для плавления через отверстие в стенке устройства для плавления над поверхностью расплава. Указанное отверстие является закрываемым, например поршнем, чтобы уменьшить отвод тепла и газообразных продуктов сгорания. Сырье может быть приготовлено подходящим образом для того, чтобы получить допустимый расплав, и загрузить его в промежуточный спускной лоток. Когда отверстие в плавильную камеру открывается, сырье падает в устройство для плавления в противоположном направлении от улетучивающихся газообразных продуктов сгорания и, таким образом, предварительно нагревается и падает на поверхность расплава. Твердый сырьевой материал может быть от 20 кг до 50 кг в зависимости от размера и объема производства устройства для плавления. Частота загрузки твердого сырьевого материала также будет зависеть от этих параметров, будучи порядка 20-50 кг/мин для устройства для плавления, производящей вплоть до около 70000 кг/день. По соображениям управления процессом, включающего управление температурой и однородностью расплава, предпочтительно осуществлять подачу мелкими партиями с более высокой частотой, тем самым приближаясь вплотную к непрерывной подаче, а не подавая крупными партиями с уменьшенной частотой.
Расплав из устройства для плавления может сливаться непрерывно или партиями, например сбоку, у основания или в направлении к основанию устройства для плавления. Когда твердый сырьевой материал загружается близко к стенке устройства для плавления, сливной патрубок для вывода расплава предпочтительно располагать напротив входного отверстия для ввода сырья. В случае периодического слива расплава отверстие и затвор сливного патрубка может управляться, например керамическим поршнем.
Погружные горелки в предпочтительном исполнении нагнетают струи продуктов сгорания в расплав под высоким давлением, достаточным для преодоления давления жидкости и создания принудительного восходящего движения пламени и продуктов сгорания. Скорость сгорания и/или горючих газов, в частности на выходе из сопла горелки(ок), может быть ≥ 60 м/с, ≥ 100 м/с или ≥ 120 м/с и/или ≤ 350 м/с, ≤ 330 м/с, ≤ 300 или ≤ 200 м/с. В предпочтительном исполнении скорость газообразных продуктов сгорания находится в диапазоне около 60-300 м/с, предпочтительно 100-200 м/с, более предпочтительно 110-160 м/с.
Температура расплава может быть между 1100°С и 1600°С или 1650°С; она может быть по меньшей мере 1200°С или 1250°С и/или не более 1500°С или 1450°С в зависимости от состава твердого сырьевого материала и от необходимой вязкости расплава. В предпочтительном варианте осуществления стенки плавильной камеры представляют собой двойные стальные стенки, разделенные циркулирующей охлаждающей жидкостью. В частности, в случае цилиндрической плавильной камеры такой узел относительно легко монтируется и способен выдерживать высокие механические напряжения. Цилиндрическая форма устройства для плавления способствует балансу напряжения на внешней стенке. Поскольку стенки охлаждаются, предпочтительно водой, охлаждаемый расплав твердеет и образует защитный слой на внутренней стенке устройства для плавления. В предпочтительном исполнении рабочий узел устройства для плавления не требует никакую внутреннюю футеровку и, следовательно, требует незначительного или менее дорогостоящего технического обслуживания. Кроме того, расплав не загрязняется никакими нежелательными компонентами огнеупорного материала, эродированными из внутренней футеровки. В случае стекломассы, например, стекло твердеет на охлаждаемой стенке и образует изолирующий слой или приграничный слой; стекло, таким образом, плавится в стекле и расплав не загрязняется в результате эрозии приграничного слоя какого бы то ни было огнеупорного материала. Определенное преимущество заключается в том, что внутренняя поверхность стенка устройства для плавления может быть оснащена кляммерами, пластинками или другими мелкими элементами, выступающими вовнутрь устройства для плавления. Это может помочь сформировать и закрепить слой отвердевшего расплава на внутренней стенке устройства для плавления, которая порождает тепловое сопротивление и уменьшает передачу тепла охлаждающей жидкости в двойных стенках устройства для плавления.
Устройство для плавления может быть оснащена рекуператором тепла; горячие газообразные продукты сгорания из устройства для плавления можно использовать для предварительного нагрева твердого сырьевого материала, или тепловую энергию, содержащуюся в них, можно вывести и/или применить в других целях в предыдущей или последующей стадии в технологической линии, т.е. технологической линии для производства изоляционного волокна. Аналогично тепловая энергия, содержащаяся в охлаждающей жидкости, циркулирующей между двумя стенками устройства для плавления, может быть рекуперирована.
Устройство для плавления может быть приспособлена и/или выполнена с возможностью спекать и/или плавить сырье. Это может быть "стекловаренная печь", то есть устройство для плавления, приспособленная и/или выполненная с возможностью плавления стеклообразных материалов, включающих такие материалы, как стекло, стекловидные материалы, камень и куски горной породы. Устройство для плавления может быть использовано для производства плоского стекла, полого стекла, стекловолокон, неразрезных армирующих волокон, минеральных волокон для изоляции, минеральной ваты, каменной ваты или стекловаты. Устройство для плавления можно применить для преобразования сырья в производстве стеклоцементов, цементного клинкера, в частности алюминиевого цементного клинкера или абразивных материалов, в частности абразивных материалов, полученных плавлением. Устройство для плавления можно применить для преобразования сырья, в частности витрификацией, например: витрификации медицинских отходов; витрификация шлака, в частности из мусоросжигателей; витрификации порошков, например опилок чугуна или других металлических отливок; витрификации гальваношлака, кожевенной пыли или отходов горнодобывающей промышленности; обезвреживание отходов, в частности витрификацией, например, загрязненной почвы, почвы, загрязненной тяжелыми металлами или смолой, глиняных фильтров, золы, активированного угля, радиоактивных отходов, шлаки, содержащие свинец или цинк, тугоплавкие материалы, в частности тугоплавкие материалы, содержащие хром. В частном случае стекловаренной печи сырье может представлять собой: силикаты, базальт, известняк, кальцинированную соду, цеолитный катализатор, отработанный катализатор, отработанная футеровка электролизеров, огнеупорные материалы, алюминиевый шлак, пена на алюминиевом расплаве, песок на основе отходов от огнетушителя, шлак, гальваношлак, клинкер, отходы, золу и их комбинацию.
Раскрытые способ и устройство для плавления подходят, в частности, для эффективного плавления всех видов стеклующегося материала, при этом с более низким потреблением энергии и более низкими затратами на техническое обслуживание. Устройство для плавления, согласно изобретению, особенно привлекательно для использования в линии производства минеральных волоконных товаров, например производства стекловолокон, стекловаты и каменной ваты. В частном случае производства волокна минеральной ваты, выход продукции предпочтительно осуществить непосредственно на стадии волокнообразования без стадии рафинирования.
В случае стекломассы состав полученного расплава может содержать один или несколько компонентов из следующей таблицы:
2
3
Содержание бора в полученном стекле, выраженного формулой ВО, может быть ≥ 1 масс. %, ≥ 2 масс. %, ≥ 3 масс. %, ≥ 5 масс. % и/или ≤ 20 масс. %, ≤ 18 масс. %, ≤ 15 масс. % или ≤ 10 масс. %.
Ниже более подробно описывается вариант осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
- на фиг. 1а и 1b представлены изображения тороидальной формы течения, полученные компьютерным моделированием по настоящему изобретению;
- на фиг. 2 представлен вертикальный разрез устройства для плавления; и
- на фиг. 3 представлена упрощенная схема компоновки горелок.
На фиг. 1а и 1b изображена тороидальная форма течения в устройстве для плавления. Расплав следует в восходящем направлении вблизи погружных горелок, расположенных по существу на кольцевой линии горелок, движется в направлении к центру допустимой кольцевой линии у поверхности расплава и затем снова вниз вблизи указанного центра. Такой тороидальный поток гарантирует хорошее смешивание расплава и поглощение первичного сырья.
Как будет показано ниже, может иметь место дополнительная циркуляции потока. Расплав может течь между горелками и боковой стенкой. Другие потоки могут быть между горелками. Это не обязательно недостаток, а, напротив, может быть даже необходимостью.
Тороидальная форма течения получена компьютерным моделированием, основанным на общеизвестном многофазном методе моделирования Эйлера, принятым в динамике текучих сред, известного специалистам в данной области техники. Определенное преимущество заключается в том, что код, принятый в вычислительной динамики текучих сред, выбранный для этой задачи представляет собой код ANSYS R14.5. Преимущество также заключается в том, что модель учитывает многофазное поле потока, охватывающего всю область компонентов смеси от диспергированных пузырей газа в жидкости до распределенных твердых частиц или жидких капель в газе, при этом твердая фаза твердого сырьевого материала вступает в реакцию многофазного термохимического превращения для получения жидкофазного расплава и газофазных продуктов. Система использует погружное горение топлива и газофазного кислородного продукта для производства двуокиси углерода и водяных паров. Кроме того, вязкость расплава обладает сильной температурной зависимостью. Сложный способ превращения твердый сырьевой материал-расплав может быть смоделирован на стадии реакции следующим уравнением Аррениуса для скорости
тверд
жидк
2
2
Сырьевой материал+ΔHr > Расплав+0,074СО+0,093НО,
2
(-E/T)
где скорость реакции Арениуса k=AT е,
2
2
константа скорости Арениуса взята из литературы (см. A Ungan and R Viskanta, "Melting behavior of continuously charged loose batch blankets in glass melting furnaces", Glastech. Ber. 59 (1986) Nr. 10, p. 279-291). Молярные отношения газовых компонент сырьевого материала в этой реакции соответствуют получению 0,0503 кг СО и 0,0258 кг НО из 1 кг сырьевого материала. Теплота реакции отражает всю энергию, необходимую для преобразования твердого сырьевого материала в жидкофазный расплав и газовые продукты, включающую необходимое количество теплоты, как на химическое превращение, так и на фазовый переход. Физические свойства твердого сырьевого материала и расплава можно взять из литературы насколько это возможно и/или могут быть определены общеизвестными способами. Радиационный теплообмен моделируется посредством радиационной модели дискретных ординат с коэффициентом поглощения для газовой фазы, установленным по модели средневзвешенной суммы серых газов, заданным коэффициентом поглощения расплава, (относительно высокого значения 300 л/м) и коэффициент поглощения твердого сырьевого материала, заданный предпочтительно так, чтобы представить его непроницаемым относительно других текучих сред. Пока расплав задан как первичная фаза текучей среды, а газы заданы как вторичная фаза текучей среды, имеющая одинаковый диаметр пузырьков, равный 5 мм. Обмен импульсом между жидкой и газовой фазой выше оценочной высоты ванны искусственно подавляется.
Изображенное устройство для плавления 1 содержит цилиндрическую плавильную камеру 3 диаметром около 2.0 м, которая содержит расплав, и простирается в верхнюю камеру 5, а затем в вытяжную трубу для удаления газообразных продуктов сгорания. Верхняя камера 5 оборудована перегородками 7, которые предотвращают любые выбрасывания расплава, увлекаемого газообразными продуктами сгорания. Загрузчик 10 сырья располагается на уровне верхней камеры 5 и предназначен для загрузки первичного сырья в устройство для плавления 1 в точке 11, расположенной над поверхностью расплава и близко к боковой стенке устройства для плавления. Загрузчик 10 содержит горизонтальное подающее устройство, например винтовой загрузчик, который транспортирует сырьевую смесь в накопитель, прикрепленный к устройству для плавления, дно которого может по требованию открываться вертикальным поршнем под управлением команды устройства для плавления. Дно плавильной камеры содержит погружные горелки, расположенные на кольцевой линии горелок, концентричной оси горелки и имеющей диаметр около 1,4 м. Компоновка горелки упрощенно представлена на фиг 3. Для ясности, проект, представленный на чертежах, имеет предпочтительную компоновку с шестью погружными горелками, распределенными вокруг линии горелок. В зависимости от размеров устройства для плавления, вязкости расплава и характеристик горелок возможны разные компоновки. Крайне важно, чтобы конструкция образовала тороидальный поток расплава согласно вышеприведенному определению. Расплав может сливаться из плавильной камеры через управляемое сливное отверстие 9, расположенное в боковой стенке плавильной камеры близко ко дну устройства для плавления по существу напротив подающего устройства 10.
Температура внутри расплава может находиться в пределах от 1100°С до 1600°С или 1650°С, или от 1200°С до 1500°С, или от 1200°С до 1450°С, предпочтительно от 1250°С до 1400°С в зависимости от состава расплава, требуемой вязкости и других параметров. В предпочтительном варианте осуществления стенка устройства для плавления является двойной стальной стенкой, охлаждаемой охлаждающей жидкостью, предпочтительно водой. Разводка охлаждающей воды предусмотрена на внешней стенке. Такая разводка общеизвестна и ее следует рассчитать, чтобы предусмотреть достаточный поток для отвода энергии от внутренней стенки, чтобы расплав мог твердеть на ней при температуре около 150°С, а охлаждающая жидкость, в данном случае вода, не вскипала.
Определенное преимущество заключается в том, что устройство для плавления, представленное на чертежах, является по существу цилиндрическим. Погружное горение порождает высокие составляющие напряжения, которые действуют на стенках устройства для плавления, в силу чего устройство для плавления подвергается сильным вибрациям. Они могут быть существенно уменьшены в случае цилиндрической плавильной камеры. Кроме того, по желанию, устройство для плавления можно смонтировать на демпфирующих устройствах, которые предназначены для поглощения большей части вибрационных движений.
Погружные горелки могут быть концентричными трубчатыми горелками (также известными как горелки труба в трубе), работающими при газовом потоке или скорости газа в расплаве от 100 м/с до 200 м/с, предпочтительно от 110 м/с до 160 м/с. Горелки предпочтительно разрабатывать так, чтобы порождать сгорание топливного газа и воздуха и/или кислорода внутри расплава. Сгорание и газообразные продукты сгорания порождают тщательное смешивание в расплаве перед тем, как они уйдут в верхнюю камеру, а затем через вытяжную трубу. Эти горячие газы можно использовать для предварительного нагрева сырья и/или топливного газа и/или окислителя (воздуха и/или кислорода), применяемых в горелках. Газообразные продукты сгорания в общем фильтруются перед тем, как выпускаются в окружающую среду. Там, где возникает необходимость в фильтрации при пониженных температурах, можно предварительно применить разбавление газообразных продуктов сгорания с более холодным окружающим воздухом.
Горелки порождают восходящее движение расплава вблизи них и циркуляцию внутри расплава. Расположение горелок на кольцевой линии горелок, у дна плавильной камеры, порождает тороидальное движение, как рассмотрено выше и как это требуется в соответствии с данным изобретением. Специалисты будут вынуждены адаптировать расстояния между горелками и между горелкой и стенкой, для заданных проектов горелки, так, чтобы исключить слияние пламен горелок или их притяжение к стенке или, по-другому, отклонение от центральной оси горелки.
Устройство для плавления, относящееся к данному изобретению, может быть также оборудовано резервной горелкой, которая может быть использована в случае предварительного нагрева устройства для плавления при включении или в случае отказа по меньшей мере одного из погружных горелок, или в других случаях, когда временно требуется дополнительный нагрев. В одной конфигурации резервная горелка монтируется на рельсе так, чтобы она могла быть направлена через закрываемое отверстие в стенке устройства для плавления.
Особое преимущество заключается в том, что устройство для плавления, относящееся к данному изобретению, применяется в производстве стекловолокна, стекловаты или каменной ваты, потому что она очень эффективно приводит к уменьшению энергопотребления и гибкости, которая предоставляет возможность легкого изменения состава сырья. Легкость технического обслуживания устройства для плавления и низкие капитальные затраты на нее также вызывают большой интерес в строительстве такой линии производства.
3
8
2
2
2
Для моделирования описанного выше устройства для плавления в рамках вычислительной динамики текучей среды (см. форму течения, показанную на фиг.1) в модели была установлена скорость подачи твердого сырьевого материала 0,833 кг/с при температуре подачи 27°С, что соответствует объему производства 72 т/день. Вход горелки был в следующей конфигурации: интенсивность сжигания = 5,2 WM (исходя из LHV); массовая скорость потока 0,109 кг/с на горелку; молярный состав = 0,11 СН, 0,89 O; входная температура 15°С. Стенки были смоделированы с указанием равномерной температуры 152°С на поверхности позади толщины затвердевшего стекла, которое служит в качестве изолятора. Удельная теплопроводность, указанная для стекла, равна 1 Вт/м⋅К. Толщина стекла, в пределах 15 мм, варьируется, чтобы достичь среднего потока тепла от 50 кВт/м до 70 кВт/м.