КОМБИНИРОВАННАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА НАТРИЕВО-КАЛЬЦИЕВОГО СТЕКЛА
COMBINED FURNACE FOR PRODUCTION OF SODIUM-CALCIUM GLASS

Изобретение относится к области стекольной промышленности. Плавление материалов, из которых состоит стекло, требует ввода большого количества энергии. Температура стекломассы составляет порядка от 1300 до 1500°C. В зависимости от своего состава, стекло предназначено для непосредственно бытового использования, например в бутылках, стаканах для питья, окнах, или для опосредованно бытового использования, например в стеклокерамических листах, или для промышленного использования.
Печь подвергается очень сильным термическим и механическим воздействиям. Печь изготовлена с огнеупорной футеровкой высокого качества. Эта огнеупорная футеровка является дорогостоящей и чувствительной к определенным составляющим стекла, которые могут вступать в химическую реакцию. Поскольку огнеупорная футеровка является плохим проводником тепла, стекломассу нагревают сверху.
Одна или более горелок внутреннего смешения на жидком или газообразном топливе расположены между стекломассой и верхней частью печи, также называемой шахтой. Стекломасса нагревается в основном теплопередачей посредством излучения. Температура на выпускном отверстии для газа составляет от 1300 до 1600°C в зависимости от типа стекла.
Кроме того, при производстве стекла выделяется большое количество газа. Стекломассу дегазируют в течение нескольких часов, чтобы предотвратить образование пузырьков в стекле. Для облегчения дегазации могут использоваться добавки для очистки, такие как сульфаты. Печь производит партии стекла выбранного состава.
Дымовые газы от дегазации и от сгорания отводят через дымоход.
Предпринимались попытки рекуперация энергии, содержащейся в дымовых газах из стеклоплавильной печи. Топливо, будь то жидкое топливо или метан, может предварительно нагреваться дымовыми газами, но только при температуре ниже 550°C. Выше этой температуры происходит разложение на водород и углерод. При работе с водородом сложно обеспечить безопасность. Углерод оседает на стенках труб в виде смол. Прирост энергии медленный, менее 50% от скрытой теплоты дымовых газов.
Другое предложение состоит в том, чтобы заставить дымовые газы поступать в первое устройство рекуперации тепла для сохранения тепловой энергии, а окисляющий воздух поступать во второе устройство для рекуперации тепла, в котором сохраняют тепловую энергию дымовых газов. Чередование контролируется набором клапанов. Эта система, требующая больших капиталовложений, предлагает хорошую эффективность, приблизительно 65%. Температура газов на выпускном отверстии устройства для рекуперации составляет порядка 400 °C.
Заявитель преследовал цель значительного снижения энергопотребления относительно массы произведенного стекла.
Заявитель предлагает комбинированную печь для стекла и камня. Под «печью для камня» подразумевается печь для запекания камня, такого как известняк, доломит, кремень, гидратированный глинозем, который может обеспечивать после обжига сырье, в частности такое, которое образует часть состава стекла.
2
3
2
В натриево-кальциевом стекле основными исходными материалами являются известняк, сода, например в виде карбоната натрия NaCO, и кремнезем в виде кварцевого песка. Известняк и карбонат натрия при производстве стекла выделяют CO.
Экономический баланс, связанный с использованием предварительно произведенного сырья (негашеная известь, магниевая известь и т. д.), является менее благоприятным, чем для обычного сырья, несмотря на сокращение перевозимого и обрабатываемого тоннажа.
Заявитель предлагает установку, содержащую промышленную стеклоплавильную печь, содержащую резервуар для расплавленного стекла, нагревательную камеру сгорания, расположенную над резервуаром, и канал для отвода дымовых газов в сообщении с нагревательной камерой; и печь для камня, содержащую зону обжига, предназначенную для камня для обжига, при этом канал для отвода дымовых газов содержит выпускное отверстие для дымовых газов, которое соединено с зоной обжига камня для обжига, и подает в зону обжига камня для обжига дымовые газы при высокой температуре.
Печь для камня работает в режиме поперечного потока. Камень для обжига загружают в верхнюю часть печи для камня, и он опускается, преобразуясь под воздействием тепла. На дне печи для камня получают известь, магнезию, фрагментированный кремнезем, дегидратированный глинозем и т. д. В печь для камня вводят горячие газы. Тепловую энергию горячих газов передают обжигаемому камню. Температура на выпускном отверстии для газа может быть низкой. Превосходная рекуперация энергии достигается за счет рекуперации неизбежно высвобождаемой энергии.
При температурах, свойственных печи для камня:
2
- известняк превращается в известь путем прокаливания с выделением CO;
2
- доломит превращается в комбинацию оксида магния и оксида кальция путем прокаливания с выделением CO;
- кремень обычно содержит приблизительно 90% кремнезема и приблизительно 10% соединений Mg, Ca, Al и/или Na. Эти виды соединений применяют в производстве стекла. Кремень, нагретый до высокой температуры, становится рыхлым и фрагментированным. Напротив, необожженный кремень имеет высокую твердость, что затрудняет его измельчение. Теперь для более быстрого плавления необходим размер частиц в диапазоне миллиметра. Для обжига можно использовать речной кремень, морской кремень или карьерный кремень;
- гидратированный глинозем дегидратируют при высокой температуре.
Кроме того, немного дымовых газов может быть отправлено в печь для камня, а остальные – в расположенное последовательно альтернативное устройство для рекуперации. Производство извести может быть адаптировано к потребностям.
Стало очевидным еще одно неожиданное преимущество. В настоящей установке хлор, присутствующий в дымовых газах, может осаждаться на поверхности камней для обжига и возвращаться в стеклоплавильную печь. Хлор может присутствовать в сочетании с известью в виде хлорида кальция и магнезией в виде хлорида магния. Хлор является средством для очистки, которое способствует дегазации расплавленного стекла.
Сера является лучшим средством для очистки, чем хлор. Сера, присутствующая в дымовых газах, может осаждаться на поверхности камней для обжига и возвращаться в стеклоплавильную печь. Сера может присутствовать в виде сульфата кальция, сульфата магния или сульфата натрия. Рециркуляция серы в сульфаты, связанные с обожженным камнем, позволяет приблизительно на 50% снизить подачу сульфата, в частности сульфата кальция, в стеклоплавильную печь. Кроме того, обработка дымовых газов перед их выпуском в атмосферу упрощается или даже становится необязательной.
Установка обеспечивает рециркуляцию благодаря своим свойствам (i) самонейтрализации кислотных компонентов, присутствующих в дымовых газах, и (ii) самоочищения, ограничивающего операции технического обслуживания на каналах для дымовых газов.
2
Указанная печь для камня или дополнительная печь для камня может в равной степени служить для производства оксидов магния и кальция. Затем эту смесь производят путем прокаливания доломита. Использование указанной смеси оксидов магния и кальция позволяет уменьшить усадку, а именно, в частности, высвобождение CO.
В одном варианте осуществления указанное выпускное отверстие для дымовых газов выполнено в дымоотводе канала для отвода дымовых газов. Скорость потока дымовых газов в указанном выпускном отверстии для дымовых газов может регулироваться.
В одном варианте осуществления топливо представляет собой газ и/или жидкое топливо.
В одном варианте осуществления окислителем является воздух.
x
В одном варианте осуществления окислителем является кислород. Количество NO в дымовых газах уменьшено, и потребление энергии уменьшено.
В одном варианте осуществления производительность стеклоплавильной печи составляет более 10 тонн стекла в день. Печь представляет собой промышленную печь.
В одном варианте осуществления установка содержит по меньшей мере две стеклоплавильных печи и одну печь для камня. Остановка стеклоплавильных печей может быть ступенчатой, чтобы обеспечить непрерывность нагрева печи для камня. Установка может также содержать устройство для рекуперации энергии из дымовых газов в случае использования воздуха в качестве окислителя.
В одном варианте осуществления установка содержит стеклоплавильную печь, печь для камня и горелку с возможностью дозаправки, приспособленную для нагрева печи для камня. Достигнуто устойчивое и постоянное производство, осуществляемое печью для камня.
В одном варианте осуществления зона обжига является трубчатой, зона подачи камня для обжига расположена выше, а зона извлечения обожженного камня расположена ниже. В традиционной печи обожженный камень охлаждается окисляющим воздухом, подаваемым снизу. В этом случае небольшое снижение давления в зоне извлечения обожженного камня предотвращает утечку дымовых газов вниз. Поэтому создается восходящий поток воздуха. Если дымовые газы имеют слишком высокую температуру, например для футеровки печи для камня, используется большее снижение давления, вследствие чего происходит разбавление дымовых газов в зоне обжига и понижение температуры.
В противоположной ситуации, когда желательно сохранить высокую температуру в зоне обжига, воздух, поступивший через зону извлечения обожженного камня и попавший в нижнюю часть зоны обжига, отводится. Отвод может быть направлен к впускному отверстию для воздуха стеклоплавильной печи. Отвод может быть направлен к впускному отверстию регенератора, позволяя ограничить охлаждение при работе для подачи в стеклоплавильную печь. Отвод может быть направлен к зоне печи для камня, расположенной над зоной обжига.
В изобретении предложен способ обжига камня для обжига:
- камень для обжига вводят в зону обжига камня для обжига, и
- в зону обжига подают дымовые газы сгорания, поступающие из канала для отвода дымовых газов ниже по потоку относительно нагревательной камеры сгорания промышленной стеклоплавильной печи, содержащей резервуар для расплавленного стекла и указанный канал для отвода дымовых газов в сообщении с нагревательной камерой при нагреве стеклоплавильной печи.
2
В одном варианте осуществления камень для обжига выбран из известняка, доломита, кремня и гидратированного глинозема. Обжиг известняка и доломита представляет собой прокаливание, то есть выделение CO или декарбонизацию. Обжиг кремня представляет собой термическую фрагментацию. Обжиг гидратированного глинозема представляет собой высушивание путем удаления связанной воды.
2
Во время повышения температуры камня для обжига удаляется свободная вода, а затем связанная вода, с последующим разложением карбонатов на оксиды и CO. В печи для извести, в которой используется сжигание природного газа, топливо вводят в одну или более зон сгорания печи для извести, а окисляющий воздух частично вводят через нижнюю часть зоны извлечения извести и/или зону или зоны сгорания.
Здесь печь для камня относится к типу, работающему на горячем газе. Горячие газы вводят в зону, расположенную примерно на 2/3 высоты печи для камня.
Печь для камня может иметь высоту от 20 до 30 м и внутренний диаметр от 3 до 5 м, с зоной обжига высотой от 3 до 4 м.
В одном варианте осуществления максимальная температура в зоне обжига составляет более 900°C, предпочтительно более 1000 °C. Декарбонизация происходит быстро.
В одном варианте осуществления посредством обжига камня для обжига понижают температуру дымовых газов ниже 300°C, предпочтительно ниже 200°C. Дымовые газы выходят при 100°C или немного более высокой температуре через горловину печи для камня. Потери энергии очень малы, и предотвращена конденсация водяного пара из дымовых газов и в результате высушивания камня для обжига.
В одном варианте осуществления температуру дымовых газов понижают более чем на 900°C, предпочтительно более чем на 1100°C, более предпочтительно более чем на 1200°C. Дымовые газы могут поступать в каменную печь при температуре более 1300°C, например приблизительно 1500°C. Мощность, рекуперированная в печи, может составлять от 10 до 30 кВт на тонну дневного производства стекла.
В одном варианте осуществления камень для обжига оставляют в зоне обжига камня для обжига в течение от 1 до 24 ч включительно и в печи для камня в течение от 12 до 36 ч.
В одном варианте осуществления камень для обжига перемещают в противотоке с окисляющими газами.
В одном варианте осуществления дымовые газы содержат хлорированные компоненты, и указанные хлорированные компоненты улавливают на камне для обжига в случае использования доломита и известняка. На выпускном отверстии получают смесь оксидов магния и кальция или извести с содержанием хлоридов, совместимым с ее использованием в производстве стекла.
В одном варианте осуществления дымовые газы содержат сульфатированные компоненты, и указанные сульфатированные компоненты улавливают на камне для обжига, в частности при использовании доломита и известняка. На выпускном отверстии печи для камня получают камень, состоящий, в частности, из оксидов магния и кальция или извести, с содержанием сульфатов, совместимым с его использованием в производстве стекла.
Таким образом, печь для камня является самонейтрализующейся и самоочищающейся для дымовых газов, содержание S и Cl в которых при нормальных условиях требует специальной обработки. Обработка для нейтрализации дымовых газов не требуется.
В одном варианте осуществления стекло, полученное в промышленной стеклоплавильной печи, представляет собой натриево-кальциевое, боросиликатное или алюмосиликатное стекло, кварц или стеклокерамику.
Другие особенности, детали и преимущества изобретения станут очевидными при ознакомлении с нижеследующим подробным описанием и из прилагаемых графических материалов, на которых:
- на фиг. 1 представлен вид в разрезе комбинированной установки согласно одному аспекту изобретения;
- на фиг. 2 представлен вид в разрезе комбинированной установки согласно другому аспекту изобретения;
- на фиг. 3 показан вариант по фиг. 2.
Следующее описание и чертежи по существу содержат элементы определенного характера. Таким образом, они могут не только лучше объяснить настоящее изобретение, но и внести вклад в его определение, если это необходимо.
3
2
Заявитель провел пробное прокаливание известняка в канале действующей промышленной стеклоплавильной печи. Масса образцов известняка составляла от 396 до 633 грамм. Температура в начале прокаливания составляла от 1240 до 1340°C включительно. Температура в конце прокаливания составляла от 1290 до 1380°C включительно. Реакция прокаливания CaCOCaO + CO приводит к теоретической потере массы 43%. Время прокаливания менее 1 часа приводит к слишком малым потерям массы, что свидетельствует о неполном прокаливании. Один час прокаливания приводит к потере массы 42,1%. Прокаливание в течение от 1,75 до 2,25 часа приводит к потере массы от 43,7 до 44%, что отражает полное прокаливание, и небольшой потере материала при извлечении образца. Потеря связана с условиями испытаний и может быть предотвращена в производственном процессе. Дымовые газы, выходящие из стеклоплавильной печи, обеспечивают прокаливание известняка. Другие камни для обжига могут включать доломит, кремень, гидратированный глинозем.
Стеклоплавильная печь 1 содержит резервуар 2, содержащий расплавленное стекло 3 для серийного производства. Стеклоплавильная печь 1 содержит камеру 4 сгорания, расположенную над расплавленной стекломассой 3, и верхнюю стенку 5, состоящую из шахты 5a и вертикальных частей 5b, называемых боковыми стенками (по длине) или торцами (по ширине), ограничивающими камеру 4 сгорания. Стеклоплавильная печь 1 содержит по меньшей мере одну горелку 6, в которую подают жидкое топливо или газ, и впускное отверстие 7 для окислителя. Окислителем может быть воздух, см. фиг. 1, или кислород, см. фиг. 2.
Резервуар 2 и верхняя стенка 5 изготовлены из огнеупорных материалов, усиленных внешней металлической конструкцией, удаленной от зон высокой температуры. Горелка 6 создает пламя, ориентированное горизонтально в камере 4 сгорания. Стеклоплавильная печь 1 имеет выпускное отверстие 8 для дымовых газов в одной из вертикальных стенок 5b над расплавленной стекломассой. Горелка 6 и выпускное отверстие 8 для дымовых газов могут быть на одной более короткой стороне, так что пламя и дымовые газы проходят по U-образному пути в камере 4 сгорания. Стеклоплавильная печь 1 может быть печью замкнутого цикла.
Ниже по потоку относительно стеклоплавильной печи 1 в направлении движения дымовых газов установка содержит канал 10. Канал 10 представляет собой по сути горизонтальный канал для дымовых газов. Канал 10 находится в сообщении по текучей среде с камерой 4 сгорания через выпускное отверстие 8 для дымовых газов. Канал 10 изготовлен из огнеупорных материалов, усиленных внешней металлической конструкцией, удаленной от зон высокой температуры. Канал 10 снабжен разветвлением и имеет два выпускных отверстия. Канал 10 не содержит клапанов.
Ниже по потоку относительно стеклоплавильной печи 1 в направлении движения дымовых газов установка содержит печь 11 для камня. Печь 11 для камня может быть печью для извести. Печь 11 для камня имеет вертикально ориентированную конструкцию. Печь 11 для камня имеет округлую форму. Печь 11 для камня изготовлена из огнеупорных материалов, усиленных внешней металлической конструкцией, удаленной от зон высокой температуры. Печь 11 для камня может иметь, например, высоту 25 м и диаметр 4 м. Печь 11 для камня содержит камеру 12 с вертикальной осью, нижнее отверстие 13 и верхнее отверстие 14 или горловину. Нижнее отверстие 13 обеспечивает извлечение обожженного камня и введение достаточного количества воздуха для предотвращения выхода дымовых газов через указанное нижнее отверстие 13.
Верхнее отверстие 14 позволяет вводить камень для обжига, например через люк 15, и выпускать дымовые газы. Верхнее отверстие 14 может быть снабжено сепаратором, с одной стороны, для обработки дымовых газов, в частности для удаления пыли в фильтре 16, а с другой стороны, для подачи камня для обжига в печь 11 для камня. Ниже по потоку относительно фильтра 16 дымоход 17 предусмотрен для отвода охлажденных дымовых газов, из которых была удалена пыль. Ниже по потоку относительно фильтра 16 дымовые газы могут выходить в атмосферу, тогда как фильтр непосредственно принимает дымовые газы, поступающие из печи 11 для камня или из устройства для рекуперации энергии.
Конструкция камеры 12 обычно герметична. Камера 12 содержит зону 20 предварительного нагрева, смежную с верхним отверстием 14, зону 21 обжига, расположенную под зоной 20 предварительного нагрева, и зону 22 охлаждения, расположенную под зоной 21 обжига и смежную с нижним отверстием 13. Между зоной 21 обжига и зоной 22 охлаждения камера содержит отверстие 23 в сообщении по текучей среде с одним из выпускных отверстий канала 10. Зона 22 охлаждения имеет высоту, составляющую от 55 до 75% от высоты камеры 12. Зона 21 обжига имеет высоту, составляющую от 5 до 20% от высоты камеры 12. Зона 20 предварительного нагрева имеет высоту, составляющую от 10 до 25% от высоты камеры 12.
Установка также содержит теплообменник 25 в сообщении по текучей среде с другим выпускным отверстием канала 10. Теплообменник 25 передает тепловую энергию от дымовых газов воздуху, подаваемому в стеклоплавильную печь 1. Передача может осуществляться через теплопроводящие пластины в случае устройства для рекуперации. Передача может осуществляться посредством промежуточного термоаккумулирования в материалах с высокой теплотворной способностью в случае устройства регенератора. Потоки дымовых газов и окисляющего воздуха чередуются, при этом один нагревает, а другой охлаждает устройство регенератора с помощью подвижных заслонок.
Теплообменник 25 имеет впускное отверстие 26 для окружающего воздуха и выпускное отверстие 27 для горячего воздуха. Выпускное отверстие 27 для горячего воздуха соединено каналом 28 с впускным отверстием 7 для окислителя. Теплообменник 25 имеет впускное отверстие 29 для горячих дымовых газов, подача к которому осуществляется посредством другого выпускного отверстия канала 10, и выпускное отверстие 30 для охлажденных дымовых газов, ведущее к фильтру 16.
x
В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, стеклоплавильная печь представляет собой кислородно-газовую печь, то есть в ней используется топливный газ, обычно метан, и кислород в качестве окислителя. Скорости потока газа на впуске и выпуске затем снижаются, в частности на 80%, на впускном отверстии окислителя вследствие отсутствия в воздухе азота. Из-за этого содержание NO может быть разделено на 3. Дымовые газы состоят в основном из водяного пара, образующегося в результате сгорания газа, и диоксида углерода, образующегося в результате сгорания газа и дегазации стекла, вместе с другими дегазационными газами. Скорость потока дымовых газов ниже, чем в предыдущих вариантах, по меньшей мере две стеклоплавильные печи 1 и одна печь 11 для камня могут быть объединены.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 3, в печи 11 для камня предусмотрена горелка 35 с возможностью дозаправки, которая потребляет воздух, поднимающийся в зоне 22 охлаждения или рядом с печью 11 для камня, обеспечивая дополнительную скорость потока дымовых газов при высокой температуре.
2
4
2
4
В вышеупомянутых вариантах осуществления дымовые газы выходят из печи для камня при низкой температуре, потеряв большую часть хлоридов и сульфатов, которые указанный дымовой газ содержит при выходе из стеклоплавильной печи. Таким образом, дымовые газы нейтрализуются и очищаются до такой степени, что нейтрализация дымовых газов ниже по течению не требуется. Нейтрализация производит CaClи CaSO в случае извести, MgClи MgSO в случае доломита, остающиеся в обожженном камне. Эти соединения добавляют хлориды и сульфиды в стекломассу.
Изобретение представляет больший интерес, если стеклоплавильная печь производит сорт стекла, требующий высокой температуры, в частности боросиликатное стекло, например Pyrex, или стеклокерамику.
Иными словами, камень для обжига включает по меньшей мере одно из следующего: известняк, доломит, кремень или гидратированный глинозем. Камень для обжига вводят в печь для камня сверху, и он начинает опускаться, направляясь после обжига к выходу через дно печи для камня, пройдя через ее камеру. Камера содержит зону предварительного нагрева, зону обжига и зону охлаждения в том порядке, в котором опускается камень.
Газы проходят вверх через камеру. Указанные газы могут включать воздух из окружающей среды, поступающий снизу и выходящий либо из верхней части печи для камня, либо из верхней части зоны охлаждения. Указанные газы включают дымовые газы сгорания. Дымовые газы сгорания поступают в нижней части зоны обжига камня для обжига. Дымовые газы сгорания проходят через зону обжига и зону предварительного нагрева. Дымовые газы сгорания поступают из канала для отвода дымовых газов ниже по потоку относительно камеры сгорания промышленной стеклоплавильной печи. Промышленная стеклоплавильная печь содержит резервуар для расплавленного стекла и указанный канал для отвода дымовых газов на выпускном отверстии нагревательной камеры во время нагрева стеклоплавильной печи. Дымовые газы сгорания имеют температуру от 1300 до 1500°C включительно на выпускном отверстии камеры нагрева. Дымовые газы на выпускном отверстии каменной печи имеют температуру от 100 до 200°C включительно, предпочтительно от 100 до 150°C включительно.
Изобретение не ограничивается примерами процессов и емкостей, описанных выше только в качестве примера, и охватывает все варианты, которые могут быть представлены специалистом в данной области, которые находятся в пределах объема следующей формулы изобретения.