ЗАГРУЗОЧНОЕ УСТРОЙСТВО СО СЪЕМНОЙ ГОЛОВКОЙ ДЛЯ ПОГРУЖНОЙ ЗАГРУЗКИ
LOADING DEVICE WITH REMOVABLE HEADS FOR SUBMERSIBLE LOADING

Описание
Настоящее изобретение касается загрузочного устройства для стеклующихся материалов, содержащего головку, образованную съемной шиберной заслонкой, стекловаренной установки, содержащей такое загрузочное устройство, и способа варки стекла, использующего такую установку.
В стекловаренной печи загрузку исходных стеклующихся материалов осуществляют обычно помещением этих материалов на стеклянную ванну. В печи с обычными горелками, расположенными выше уровня стекла, необходимо увлажнять стеклующиеся материалы, чтобы предотвратить их унос горячими дымовыми газами (см., например, US 3725022 и US 6349570). Это предварительное увлажнение представляет тем не менее энергетическую затрату, связанную с испарением воды, которой нельзя пренебречь.
С другой стороны, известно повторное использование минеральных волокон, содержащих органические компоненты (органическое связующее). Это повторное использование требует тем не менее предварительного удаления органических компонентов, обычно, путем выжигания, самое позднее в загрузочном устройстве (см., например, ЕР 2072474). Такое предварительное выжигание, непосредственно выше печи, препятствует увлажнению повторно используемых волокнистых материалов перед подачей в печь.
Целью настоящего изобретения является разработка способа и стекловаренной установки, позволяющих устранить проблемы уноса исходных материалов в отсутствие какого-либо предварительного увлажнения, и это также для повторно используемых первичных материалов, таких как минеральная вата, содержащих значительную долю органических материалов. В способе согласно настоящему изобретению нет необходимости подвергать повторно используемые исходные материалы стадии предварительного выжигания, предназначенной для удаления органических компонентов. Благодаря способу согласно настоящему изобретению, стекловата или минеральная шерсть, содержащая органическое связующее, даже в значительных пропорциях, может быть введена в печь такой, какая есть, то есть без предварительного выжигания или увлажнения.
Эта цель достигается в настоящем изобретении, благодаря совместному использованию:
- особого способа загрузки ниже уровня ванны расплавленных материалов, называемого ниже «глубокая загрузка» или «погружная загрузка», и
- погружных горелок, дающих возможность выжигания органических компонентов, подаваемых с повторно используемыми исходными материалами, даже в сердцевине расплавленного стекла.
Глубокая загрузка стеклующихся материалов очень сильно ограничивает унос до количеств, приемлемых для способа. Органические компоненты повторно используемых исходных материалов более не рассматриваются как проблематичный ингредиент, подлежащий удалению перед плавлением, а расцениваются как горючее, улучшающее таким образом энергетический баланс способа. В самом деле, когда органические материалы (бумага, клей, полимерное связующее), подаваемые с повторно используемыми исходными материалами, входят в контакт с горячей стеклянной ванной, происходит пиролиз и газообразные продукты пиролиза сгорают при контакте с кислородом. Этот кислород может происходить из оксидов стеклянной ванны, и потребление этого кислорода приводит в таком случае к восстановлению стеклянной ванны. Или он может присутствовать в атмосфере над ванной с расплавленным стеклом. Разумеется, когда доля органических материалов значительна, можно соответственно вводить кислород, например, с использованием веществ, генерирующих кислород, или химических окислителей.
Энергетический баланс способа варки стекла согласно настоящему изобретению улучшен также за счет отсутствия предварительного увлажнения волокнистых или порошкообразных исходных материалов.
Использование органических компонентов, подаваемых с исходными стеклующимися материалами, в качестве горючего теоретически позволяет, таким образом, полную замену газообразного топлива (природный газ), питающего обычно погружные горелки, жидкими или твердыми топливами, например, из органических отходов или биомассы.
Погружное загрузочное устройство, используемое в настоящем изобретении, генерирует тем не менее напряжения и ставит проблемы безопасности. Наличие отверстия в боковой стенке ванны печи ниже уровня расплавленного стекла создает опасности утечки в случае повреждения системы герметизации. Кроме того, в случае повреждения загрузочного устройства любая операция на нем будет требовать опорожнения и остановки печи. Наконец, загрузочное устройство подвергается существенно более значительным термическим воздействиям, чем обычное загрузочное устройство для загрузки выше уровня стеклянной ванны.
В настоящем изобретении эти технические проблемы, вытекающие из погружной загрузки исходных стеклующихся материалов, были разрешены благодаря новому загрузочному устройству, приспособленному, в частности, к способу согласно настоящему изобретению. Это загрузочное устройство содержит съемную головку, образованную шиберной заслонкой, по меньшей мере одна подвижная часть которой (гильотинный затвор) пронизана системой внутренних каналов для циркуляции охлаждающей жидкости. Шиберная заслонка обеспечивает простое и быстрое закрывание загрузочного отверстия без предварительной остановки печи или опорожнения ванны. Активное охлаждение шибера заслонки после закрытия сопровождается образованием защитной корки из твердых материалов и позволяет предотвратить термическое разрушение головки загрузочного устройства.
Съемный характер головки загрузочного устройства дает возможность удаления и/или быстрой замены загрузочного устройства установки с полной ванной. Наконец, введение охлаждаемой головки загрузочного устройства между боковой стенкой ванны и верхушкой загрузочного устройства отдаляет эту последнюю от ванны с расплавленным стеклом и делает его защищенным от избыточных термических воздействий.
Итак, объектом настоящего изобретения является загрузочное устройство для загрузки смеси стеклующихся материалов в стекловаренную печь на уровне, расположенном ниже уровня расплавленного стекла, содержащее:
- корпус с кожухом и механическую систему транспортирования стеклующихся материалов, размещенную в указанном кожухе,
- головку с шиберной заслонкой, закрепленную съемным образом на конце кожуха, и трубчатый соединительный элемент, закрепленный на шиберной заслонке и предназначенный для введения, по меньшей мере частично, в загрузочное отверстие, предусмотренное в боковой стенке ванны печи, причем шиберная заслонка и соединительный элемент содержат систему внутренних каналов, которая может быть соединена с источником охлаждающей жидкости.
Корпус загрузочного устройства согласно настоящему изобретению, то есть кожух, содержащий систему механического транспортирования стеклующихся материалов, не имеет особых технических характеристик. Механическая система транспортирования стеклующихся материалов может представлять собой, например, поршень или один или несколько шнеков. Корпус загрузочного устройства представляет собой в таком случае, например, обычный одношнековый или двухшнековый экструдер.
Благодаря системе охлаждения головки загрузочного устройства, корпус не нуждается в активном охлаждении для того, чтобы быть защищенным от тепла печи. В предпочтительном способе осуществления изобретения ни кожух, ни механическая система транспортирования стеклующихся материалов не содержат, следовательно, системы активного охлаждения, такой как система каналов, которая может быть соединена с источником охлаждающей жидкости.
Питающие приспособления загрузочного устройства также являются приспособлениями известного типа (бункеры, вторичный экструдер и т.д.). Загрузочное устройство, кроме того, имеет по меньшей мере одно входное отверстие, расположенное выше или ниже приспособления для подачи исходных материалов, которое будет служить для введения потока инертного газа, например азота, в процессе работы. Этот поток инертного газа предназначен для продувки кислорода и предотвращения преждевременного сгорания органических компонентов в корпусе загрузочного устройства.
Как изложено выше, головка загрузочного устройства содержит шиберную заслонку, закрепленную, предпочтительно, непосредственно на верхушке загрузочного устройства, и трубчатый соединительный элемент, закрепленный на шиберной заслонке.
Трубчатый соединительный элемент, предпочтительно, является почти коаксиальным по отношению к шнеку, то есть ось вращения шнека совмещается с осью симметрии поперечного сечения трубы. Внешняя поверхность соединительного элемента, предпочтительно, является цилиндрической и будет вставляться в загрузочное отверстие в боковой стенке ванны. Само собой разумеется, что наружный диаметр соединительного элемента должен для этого очень немного отличаться от диаметра загрузочного отверстия таким образом, чтобы облегчить герметичность этого соединения. Эта герметичность обеспечивается слоем затвердевшего стекла, который образуется при контакте с активно охлаждаемым соединительным элементом.
Внутренняя поверхность трубчатого соединительного элемента, предпочтительно, не является строго цилиндрической, но слегка расширяется в направлении печи. Предпочтительно, соединительный элемент имеет полностью коническую внутреннюю поверхность (усеченный конус), расширяющуюся от конца, контактирующего с шиберной заслонкой, к концу, находящемуся на расстоянии от него. Это расширение или раструб принципиально предназначен для предотвращения образования пробки из частично расплавленных исходных материалов, забивающей просвет соединительного элемента и блокирующей регулярное введение исходных материалов без перебоев.
Степень расширения или угол раскрытия усеченного конуса внутренней поверхности соединительного элемента находится, предпочтительно, в интервале от 7 до 13°, в частности от 8 до 12° и, идеально, от 9 до 10°.
Между концом кожуха и соединительным элементом расположена заслонка, которая представляет собой важный элемент загрузочного устройства согласно настоящему изобретению. Эта заслонка имеет неподвижную часть и подвижную часть (шибер).
Неподвижная часть заслонки закреплена съемным образом на кожухе загрузочного устройства. Отверстие заслонки имеет, предпочтительно, круглую форму с диаметром, близким к внутреннему диаметру трубчатого соединительного элемента, причем эти две детали образуют таким образом гладкий «загрузочный канал», по которому стеклующиеся материалы могут проходить без опасности закупорки.
Кроме того, внутренний диаметр трубчатого соединительного элемента, предпочтительно, самое большее на 20%, в частности, самое большее, на 10% и, идеально, на 5% меньше внутреннего диаметра кожуха загрузочного устройства.
По меньшей мере, подвижная часть заслонки содержит систему внутренних каналов, которая может быть соединена с источником охлаждающей жидкости. Во время процесса варки стекла согласно настоящему изобретению охлаждающую жидкость заставляют циркулировать, предпочтительно непрерывно, в системе внутренних каналов шибера и трубчатого соединительного элемента. Разумеется, неподвижную часть шиберной заслонки тоже можно охлаждать при помощи системы внутренних каналов. Однако такое охлаждение не является необходимым, когда системы охлаждения двух других деталей (подвижная часть, соединительный элемент) являются эффективными. Хотя активное охлаждение подвижного элемента в принципе необходимо только в случае закрытия заслонки, его предпочтительно охлаждать даже в открытом состоянии, чтобы обеспечить возможность очень быстрого закрытия и избежать незапуска, по забывчивости, системы охлаждения, что могло бы оказаться пагубным.
Чтобы обеспечить возможность быстрого закрывания заслонки в случае необходимости, важно, чтобы во время работы верхушка шнека загрузочного устройства не выступала из кожуха и не преграждала плоскость закрытия шиберной заслонки.
Тем не менее выгодно можно представить себе механическую систему, дающую возможность двигать вперед и отодвигать шнек скольжением в кожухе, чтобы иметь возможность с силой толкнуть пробку из стеклующихся материалов, образующуюся в загрузочном канале в процессе загрузки или после закрытия и повторного открытия шиберной заслонки.
Объектом настоящего изобретения является также стекловаренная установка, содержащая загрузочное устройство, такое, как описанное перед этим, и стекловаренную печь с загрузочным отверстием, расположенным в боковой стенке ванны ниже теоретического уровня стекла, определяемого положением сливного желоба для расплавленного материала. Трубчатый соединительный элемент загрузочного устройства вставлен, по меньшей мере частично, в загрузочное отверстие печи.
Стекловаренная печь установки может нагреваться при помощи известных средств нагрева, таких как сводовые горелки, электрические сопротивления, электроды или погружные горелки.
В предпочтительном способе реализации стекловаренная установка содержит погружные горелки, питаемые смесью воздух/газообразное топливо (например, природный газ) или смесью кислород/газообразное топливо. Молярное отношение кислород/топливо может быть сверхстехиометрическим, причем избыток кислорода может быть отрегулирован таким образом, чтобы поставить кислород, необходимый для сгорания газообразных продуктов пиролиза, образующихся в зоне загрузки.
Наконец, объектом изобретения является способ варки стекла, использующий такую установку, как описанная перед этим.
Такой способ варки стекла включает в себя:
- подачу смеси стеклующихся материалов в стекловаренную печь через загрузочное отверстие, расположенное в боковой стенке ванны печи ниже уровня расплавленного стекла, при помощи загрузочного устройства согласно изобретению, при этом головка загрузочного устройства соединена посредством трубчатого соединительного элемента с загрузочным отверстием таким образом, что стеклующиеся материалы поступают в печь через открытую шиберную заслонку и трубчатый соединительный элемент на уровне, находящемся ниже уровня расплавленного стекла, и
- охлаждение головки загрузочного устройства за счет циркуляции охлаждающей жидкости в системе внутренних каналов шиберной заслонки, в частности ее подвижной части, и соединительного элемента.
Способ варки стекла является известным способом. Таким образом, введение стеклующихся материалов и охлаждение применяют одновременно и, предпочтительно, непрерывно, благодаря непрерывному поступлению исходных материалов и охлаждающей жидкости.
В случае необходимости, например в случае блокирования или нарушения работы загрузочного устройства, наличие съемной шиберной заслонки позволяет отсоединить загрузочное устройство без необходимости в остановке и опорожнении печи. Способ согласно настоящему изобретению включает в себя в таком случае закрытие шиберной заслонки и отделение корпуса загрузочного устройства от его головки, причем последняя остается жестко соединенной с печью.
В случае, когда подвижный элемент шиберной заслонки не охлаждается активно, когда заслонка открыта, этапу закрытия, очевидно, должен предшествовать, или осуществляться одновременно с ним, запуск активного охлаждения за счет циркуляции охлаждающей жидкости. После закрытия охлажденный шибер быстро покрывается слоем затвердевшего стекла, который представляет собой эффективное средство теплоизоляции между ванной расплавленного стекла и шибером.
Стеклующиеся материалы, подаваемые в стекловаренную установку согласно настоящему изобретению, выгодно представляют собой, по меньшей мере, частично повторно используемые стеклующиеся материалы, такие как минеральные волокна, битое стекло, происходящее из бытовых отходов. Большая часть повторно используемых отходов содержит определенную долю органических материалов, которые нет необходимости предварительно удалять. Повторно используемые материалы представляют собой, предпочтительно, минеральные волокна, связанные или не связанные органическим связующим.
Благодаря особой конструкции загрузочного устройства и способу загрузки, повторно используемые материалы могут составлять до 100% стеклующихся материалов. Они составляют по меньшей мере 10%, предпочтительно от 20 до 80% от совокупности стеклующихся материалов.
Смесь стеклующихся материалов содержит, выгодно, по меньшей мере 2% масс., предпочтительно от 5% до 50% масс., в частности, от 10% масс. до 40% масс. органических соединений, это процентное содержание указано по отношению к общей массе минеральных и органических материалов, питающих загрузочное устройство.
Хотя способ согласно изобретению мог бы быть осуществлен с влажными исходными материалами, содержащими до 50% масс. воды, одно из его преимуществ заключается в том, что как раз нет необходимости увлажнять исходные материалы с целью уменьшения или подавления уноса частиц и волокон (см. введение). В предпочтительном варианте осуществления способа согласно изобретению смесь стеклующихся материалов содержит, таким образом, меньше 5% воды, предпочтительно меньше 3% воды.
Теперь настоящее изобретение будет проиллюстрировано и изложено более подробно со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых:
- фиг. 1 представляет собой разрез в поперечном сечении загрузочного устройства со съемной головкой согласно изобретению, вставленного в боковую стенку ванны стекловаренной печи с погружной загрузкой в открытом положении,
- фиг. 2 представляет собой разрез в поперечном сечении того же самого загрузочного устройства в закрытом положении и
- фиг. 3 представляет собой вид в перспективе подвижной части шиберной заслонки загрузочного устройства, представленного на фиг. 1 и 2.
В частности, на фиг. 1 представлен корпус загрузочного устройства, содержащий кожух 1 и шнек 2, размещенный в этом кожухе. Бункер 12 на кожухе позволяет подавать исходные материалы (стеклующиеся материалы и органические компоненты). Головка загрузочного устройства содержит шиберную заслонку 3 и трубчатый соединительный элемент 4. Шиберная заслонка содержит неподвижную часть 7 и подвижную часть 6, называемую шибером. На неподвижной части 7 заслонки 3 закреплен трубчатый соединительный элемент 4, внутренняя поверхность которого слегка расширяется в направлении от печи, только боковая стенка ванны 9 которой представлена. Трубчатый соединительный элемент 4 вставлен в загрузочное отверстие 10. Соединительный элемент 4 и шибер 6 заслонки 3, каждый, пронизаны системой внутренних каналов 5, обеспечивающих циркуляцию охлаждающей жидкости. На этой фигуре шибер 6 находится в открытом положении, то есть его круглое отверстие совпадает с круглым поперечным сечением кожуха 1 и круглым поперечным сечением соединительного элемента 4, определяя таким образом канал для загрузки исходных материалов, выходящий в загрузочное отверстие 10. Теоретический уровень стеклянной ванны 11 представлен пунктирной линией.
Фиг. 2 со всех точек зрения идентична фиг. 1 с единственной разницей, что подвижная часть 6 (шибер) закрыта, отделяя таким образом внутреннюю часть кожуха 1 от просвета соединительного элемента 4 и, следовательно, от внутренней части печи.
Фиг. 3 показывает подвижную часть 6, отделенную от неподвижной части заслонки и остальной части загрузочного устройства. Эта подвижная часть, или шибер, представляет собой полую металлическую пластину, содержащую, посредине, круглое отверстие 13. Первый подводящий патрубок 5а и второй выходной патрубок 5b, сообщающиеся с полостью полой металлической пластины, образуют систему внутренних каналов для циркуляции охлаждающей жидкости.