СТЕКЛОВАРЕННАЯ ПЕЧЬ И СПОСОБ ВАРКИ СТЕКОЛ
GLASS-MELTING FURNACE AND METHOD OF MELTING GLASS

Изобретение относится к стекловаренной печи для варки стекол, в частности из группы натриевоизвестковых стекол, в частности посудного стекла, или плоского стекла для процессов прокатки и технических стекол, в частности боросиликатного стекла или нейтрального стекла, содержащей ванну и верхнее строение со сводом и имеющей внутреннюю общую длину (Lg), которые включают в себя сообща зону подогрева шихты, по меньшей мере, с одним выпускным отверстием для отходящих газов, топочное пространство с горелками, донное возвышение, зону гомогенизации, донный проход и канал для подъема стекломассы, причем к горелкам помимо присоединения для ископаемых топлив присоединен источник богатого кислородом окислительного газа, а в топочном пространстве перед донным возвышением расположен, по меньшей мере, один ряд барботеров.
В качестве ближайшего уровня техники рассматривается документ ЕР 0864543 В1, в котором подробно раскрыты диаметрально противоположные при варке стекла проблемы, такие как плохая теплопередача из-за плохой теплопроводимости шихты и стекломассы, трудная гомогенизация стекломассы из-за ее высокой вязкости, опасность испарения легколетучих компонентов стекла из-за длительного времени выдержки на путях течения, неизбежное возникновение оксидов азота при сжигании ископаемых топлив и их восстановление за счет повышения доли кислорода в окислительном газе, необходимость высоких температур стенок печи, стекломассы и газообразных продуктов сгорания, обусловленная этим термическая и химическая нагрузка минеральных конструктивных материалов печи и загрязнение окружающей среды токсичными веществами в отходящих газах, в частности азотно-кислородными соединениями. С одной стороны, за счет повышения доли кислорода в окислительном газе при уменьшении доли азота снижается образование опасных оксидов азота, а, с другой стороны, снижается количество газообразных продуктов сгорания, так что при данном объеме печи уменьшаются скорости течения и тем самым необходимая теплопередача, а также общая поверхность печи, что вызвано в зависимости от размера энергозатратами, будь то за счет теплопроводности и излучения или охлаждения критических компонентов. То же относится к обогреваемым внешним агрегатам.
Эту проблему предлагалось решать путем устранения излучающих стенок верхнего строения печи, известных из уровня техники. Печь раскрытого в ЕР 0864543 В1 типа, известная на употребляемом в данной области жаргоне как «Boro-Oxi-Melter», наилучшим образом зарекомендовала себя в течение многих лет. Однако между тем резко ужесточились законодательные требования в отношении удельного расхода энергии и загрязнения окружающей среды как за счет энергопотребления, так и за счет отходящих газов, как для поставщиков энергии, так и в результате эксплуатации самой стекловаренной печи, так что приходится заново продумывать приведенные выше комплексные взаимосвязи.
Не только экономические причины вынуждают при производстве стекла отказываться от концепций плавильной установки, в которой такие моменты, как использование тепла, теплопередача стекломассе и тепловые потери всей установки из уровня техники, исчерпали все, чего позволяли достичь накопленный опыт и накопленные знания. Кроме этого, содержание оксидов азота в отходящих газах заметно ограничено существующими законодательными предельными значениями и в будущем будет еще больше ограничиваться. Помимо рентабельности все большее значение приобретает выброс парниковых газов. К ним относится оксид углерода от сжигания ископаемых топлив в плавильной установке. Количества распределяются между эксплуатационниками. За выбросы, которые превышают назначенное эксплуатационнику количество, на него налагаются штрафы.
При использовании плавильных установок, обогреваемых сжиганием ископаемых топлив, известно, что утилизация тепла отходящих газов и тем самым подогрев воздуха имеют решающее значение для рентабельности плавильной установки. Высокая степень утилизации тепла равносильна высоким температурам сгорания. Подводимый к топливу воздух приводит к значительному повышению температуры пламени. Это также является одной из основных причин образования загрязняющего окружающую среду оксида азота. Известно, что с помощью регенеративной утилизации тепла в противоположность рекуперативной достигаются заметно более высокие температуры подогрева воздуха. Правда, также соответственно выше и содержание оксидов азота.
Чтобы, тем не менее, сделать работу плавильной установки с регенеративным обогревом более рентабельной в отношении энергопотребления, было разработано описанное в ЕР 0638525 В1 устройство, известное под названием «LoNox Melter». Существенными признаками этой технологии являются особая конструкция камеры сгорания с двумя внутренними излучающими стенками, утилизация тепла для нагрева воздуха для горения во внешнем теплообменнике и отказ от донных электродов в зоне загрузки. Благодаря этому возможен удельный расход энергии, сопоставимый с очень производительной плавильной установкой с регенеративной утилизацией тепла. Однако эта технология имеет недостаток, заключающийся в том, что требуется не только внешний теплообменник для передачи тепла к воздуху для горения, но и большие длина и глубина ванны, а также комплексное оформление верхнего строения печи или свода ванны. Большая глубина ванны обусловлена тем, что горячая стекломасса в донной зоне должна снова направляться обратно в загрузочную часть с тем, чтобы компенсировать действие отсутствующих там донных электродов. Однако с комплексной конструкцией по всей длине печи и на большой поверхности связана соответствующая потеря тепла в окружающее пространство, которую нельзя существенно уменьшить за счет обычной теплоизоляции. Из-за этого вся установка требует высоких инвестиционных и эксплуатационных затрат.
В качестве альтернативы этому решению, которое касается, однако, только содержания оксидов азота, существует возможность обогрева плавильной установки ископаемым топливом и почти чистым кислородом или кислородом со степенью чистоты, по меньшей мере, 90%. Достигаемые тем самым значения содержания оксидов азота составляют в массовом потоке токсичных веществ по отношению к стекломассе порядка, возможного при рекуперативной утилизации тепла. Это решение также имеет недостаток, заключающийся в том, что рентабельность не повышается. Как известно, расход энергии можно снизить, перейдя на топливно-кислородный обогрев, однако не в такой степени, чтобы компенсировать затраты на получение кислорода в такой степени, которая позволила бы достичь эксплуатационных затрат, обычных при эксплуатации плавильной установки с газовоздушным обогревом и регенеративной утилизацией тепла. При этом важным фактором является энтальпия отходящих газов, покидающих топочное пространство. Обычно эти отходящие газы с их энтальпией больше не используются для утилизации тепла, поскольку энергия непосредственно снова подается к плавильной установке.
Чтобы учитывать частично противоположные причины и возникающие из-за этого противоположные результаты при соблюдении и выполнении требований к охране окружающей среды и снижению перерасхода энергии, для улучшения энергобаланса за счет утилизации тепла уже многократно предлагалось использовать избыток тепла в отходящих газах для подогрева во внешних теплообменниках твердых веществ, т.е. смеси или шихты, и окислительных газов для сжигания перед вводом в стекловаренную ванну.
Внешние теплообменники являются дорогими и требующими интенсивного обслуживания дополнительными агрегатами, которые, в свою очередь, вызывают потери тепла, поскольку абсолютная теплоизоляция неизвестна. К тому же в результате нагрева уже происходит предварительное плавление некоторых компонентов смеси, за счет чего теплообменные поверхности склеиваются и при непосредственном контакте отходящих газов со смесью помимо предварительного плавления определенных компонентов происходит также расслоение смеси или подхватываются определенные компоненты смеси, из-за чего запыленность отходящих газов недопустимо повышается или требуются очень дорогие пылевые фильтры. Склеиванию дополнительно способствует вода, содержащаяся в шихте и превращающаяся в пар, который может содержаться также в газообразных продуктах сгорания.
Так, например, в U.Trappe «Verfahrenstechnische Möglichkeiten zur Aufwärmung von Gemenge und Glasscherben mittels Abgas», HGV-Mitteilung №24, август 1983 г., описано, что известно использование печных отходящих газов также в винтовых транспортерах для подогрева шахты противотоком. Однако в реферате настоятельно указывается на то, что, в частности, при подогреве смеси необходимо принимать во внимание тот факт, что возникает опасность расслоения смеси и тем самым, изменения ее состава.
Из US 5807418 известно, что при использовании окислителей с повышенной долей кислорода во внешних теплообменниках посредством отходящих газообразных продуктов сгорания подогреваются как сырье для варки стекла, так и различные газы, такие как воздух, кислород и природный горючий газ, и что за счет излучающей стенки ограничивается особенно узкая зона загрузки. Это обуславливает несколько контуров для газов и большое число трубопроводов. Поскольку для этого и для теплообменников большого объема не существует абсолютно «теплонепроницаемых» изолирующих средств, невозможно избежать повышения расхода горючего газа и потери тепла в окружающую среду, причем к тому же преждевременный вывод газообразных продуктов сгорания также представляет собой источник потери для топочного пространства.
Поэтому в основе изобретения лежит задача создания стекловаренной печи и способа ее эксплуатации, с помощью которых удалось бы найти компромисс между частично противоположными причинами и возникающими из-за этого противоположными результатами при соблюдении и выполнении законодательных требований к охране окружающей среды и снижению перерасхода энергии без использования внешних теплообменников и избежать подогрева компонентов смеси и склеивания между собой и с теплообменными поверхностями, а также расслоения смеси. Кроме того, должны быть уменьшены захват определенных компонентов смеси и запыленность отходящих газов и тем самым также влияние на качество газов. При этом содержание оксидов азота должно быть снижено уже в плавильной установке без снижения рентабельности и без необходимости привлечения дополнительных способов, дополнительного оборудования и дополнительного персонала.
Эта задача решается в части стекловаренной печи описанного выше рода за счет того, что
а) между зоной подогрева и топочным пространством расположена единственная излучающая стенка с нижней кромкой над шихтой, за счет которой длина Lv зоны подогрева ограничена значениями от 15 до 35% внутренней общей длины Lg, а длина Lf топочного пространства увеличена до значений от 65 до 85% внутренней общей длины;
б) зона подогрева рассчитана на подогрев шихты исключительно внутри печи;
в) источник окислительного газа содержит долю кислорода, по меньшей мере, 85 об.%;
г) по меньшей мере, одно выпускное отверстие зоны подогрева для отходящих газов сообщено с атмосферой без промежуточного теплообменника.
Благодаря изобретению решена поставленная задача и предложены стекловаренная печь и способ ее эксплуатации, которые позволяют, насколько это возможно, найти компромисс между частично противоположными причинами и возникающими из-за этого противоположными результатами при соблюдении и выполнении законодательных требований к охране окружающей среды и снижению перерасхода энергии без использования внешних теплообменников и избежать подогрева компонентов смеси и склеивания между собой и с теплообменными поверхностями, а также расслоения смеси.
Также уменьшаются захват определенных компонентов смеси и запыленность отходящих газов и тем самым также влияние на качество газов. Кроме того, содержание оксидов азота снижается уже в плавильной установке без снижения рентабельности и без необходимости привлечения дополнительных способов, дополнительного оборудования и дополнительного персонала. В частности, за счет предлагаемого изобретения заметно снижается удельный расход энергии по отношению к тонне стекломассы.
В других вариантах осуществления изобретения особенно предпочтительно, если либо по отдельности, либо в комбинации
- в зоне подогрева в дне ванны расположен, по меньшей мере, один ряд электродов;
- барботеры расположены вблизи конца горелочной зоны перед донным возвышением;
- барботеры расположены в удерживающей плите, верхняя сторона которой выступает вверх за дно ванны;
- дно ванны выполнено понижающимся в направлении донного возвышения;
- дно ванны выполнено поднимающимся в направлении донного возвышения;
- дно ванны выполнено ступенчатым;
- конструктивная высота h2 стекла над донным возвышением составляет от 25 до 50% конструктивной высоты h1 в ванне непосредственно перед донным возвышением;
- зона гомогенизации за донным возвышением имеет конструктивную высоту h3, составляющую от 0,8 до 2,0-кратного значения конструктивной высоты h1 непосредственно перед донным возвышением;
- горелки расположены в горелочной зоне Bb, заканчивающейся перед донным возвышением;
- между ванной и верхним строением печи расположено загрузочное отверстие и/или
- длина LL донного возвышения в направлении течения составляет от 0,5 до 15% общей длины Lg.
Изобретение относится также к способу варки стекол, в частности из группы натриевоизвестковых стекол, в частности посудного стекла, или плоского стекла для процессов прокатки и технических стекол, в частности боросиликатного стекла или нейтрального стекла, из шихты в стекловарочной печи с внутренней общей длиной Lg, содержащей ванну, загрузочное отверстие, зону подогрева и топочное пространство, причем шихта без внешнего подогрева подается в загрузочное отверстие и на стекломассу и в пределах зоны подогрева подогревается на длине Lv, которая составляет от 15 до 35% общей длины Lg и ограничена единственной излучающей стенкой, причем шихта
а) нагревается сверху газообразными продуктами сгорания и газами барботеров из топочного пространства, которые под излучающей стенкой текут обратно в зону подогрева и покидают ее через, по меньшей мере, одно выпускное отверстие, и
б) снизу за счет доли стекломассы, которая транспортируется вверх посредством барботеров, а затем непосредственно под шихтой возвращается в направлении загрузочного отверстия,
причем газообразные продукты сгорания образуются с помощью горелок в топочном пространстве из ископаемых топлив и окислительного газа, содержащего, по меньшей мере, 85% кислорода, топочное пространство по другую сторону излучающей стенки имеет длину Lf от 65 до 85% общей длины Lg, а стекломасса направляется в зону гомогенизации сначала через ряд барботеров, а затем через донное возвышение.
При этом особенно предпочтительно, если либо по отдельности, либо в комбинации
- в случае необходимости стекломасса нагревается снизу посредством электродов и/или
- стекломасса на длине от 0,5 до 15% общей длины Lg направляется через донное возвышение.
Эффект двойного нагрева шихты сверху и снизу поясняется следующим образом. С одной стороны, за счет сжигания с окислителем, имеющим по сравнению с воздухом повышенную долю кислорода, достигаются более высокие температуры пламени, а, с другой стороны, уменьшаются удельное количество отходящих газов, а при неизменном объеме камеры сгорания - также скорость течения. За счет этого возникает ситуация, когда ввод тепла в зону топки, т.е. излучающего пламени, является сравнительно высоким, а в зоне вне пламени и здесь в зоне загрузки шихты ввод тепла является сравнительно низким. К этому сводятся известные предложения, например в US 5807418, касающиеся расположения внешних теплообменников для подогрева шихты и газов. Однако изобретение за счет использования барботеров и их газов предлагает иной и предпочтительный вариант: газы барботеров создают над каждым местом входа высокую подъемную силу в стекломассе, в результате чего усиливаются обратное течение к загрузочному концу печи под шихтой и ее «нижний жар». В то же время, однако, газы барботеров при своем подъеме нагреваются, по меньшей мере, в основном, до температуры стекломассы, которая в этом месте имеет, как правило, максимальное значение. Затем газы барботеров за счет подсоса горелочных газов подмешиваются к ним, в результате чего возрастают количество газа и скорость течения этой смеси над шихтой в направлении загрузочного конца и тем самым также влияние «верхнего жара». Этот очень эффективный ввод тепла происходит исключительно внутри печи и потому кратчайшим путем, что улучшает тепловой баланс и снижает конструктивные, эксплуатационные и сервисные затраты, а также подверженность всей установки к сбоям. При этом сохраняется небольшая доля оксидов азота в отходящих газах.
Пример выполнения объекта изобретения, принцип его действия и другие преимущества более подробно поясняются ниже с помощью чертежа, на котором изображен вертикальный разрез середины стекловаренной печи.
Верхнее строение 1 печи содержит на стороне загрузки первую торцевую стенку 2, а на стороне выгрузки - вторую торцевую стенку 3, между которыми простирается выпуклый свод 4. С обеих сторон свод 4 переходит в вертикальные боковые стенки 4а, из которых показана только задняя. Под верхним строением 1 печи находится ванна 5, служащая для приема и обработки стекломассы 6, зеркало которой обозначено поз. 6а. Ванна 5 содержит дно 5а, от которого вверх направлена удерживающая плита 7 с рядом барботеров 8. Затем дно 5а ванны 5 ступенчато переходит в донное возвышение 9, за которым следуют зона 10 гомогенизации, донный проход 11 и подъемный канал 12.
Под нижней кромкой торцевой стенки 2 и над зеркалом 6а стекломассы 6 расположено загрузочное отверстие 13, которое может простираться по всей ширине ванны 5. Шихта 14, загружаемая здесь без внешнего подогрева, представлена узким черным клином, заканчивающимся у линии 14а. Длина этой зоны внутри печи называется загрузочной длиной Lb.
Важное значение здесь имеют расположение и пространственное положение единственной вертикальной излучающей стенки 15, которая отходит от свода 4 и заканчивается над шихтой 14 нижней кромкой 15а, которая может быть выполнена дугообразной. Расстояние до вершины нижней кромки 15а может быть выбрано в зависимости от размера печи от 500 до 1500 мм. Для упрощения описания излучающей стенке 15 придана виртуальная средняя плоскость М. Внутренняя общая длина Lg печи может составлять до 25 м, а внутренняя ширина - до 10 м, однако эти значения не являются критическими пределами.
Газы барботеров 8 поднимаются в виде рядов пузырьков, которые вызывают высокую подъемную силу стекломассы 6 и, в частности, сильное обратное течение части количества стекломассы 6 непосредственно под ее зеркалом 6а и шихтой 14 в направлении загрузочного отверстия 13. Сильно нагретые газы барботеров 8 после выхода из стекломассы 6 увлекаются за счет подсоса пламенных газов, смешиваются с ними и усиливают при этом нагревательное воздействие пламенных газов на стекломассу 6 и верхнюю сторону шихты 14, как это уже было описано выше.
Важно при этом, что излучающая стенка 15 по отношению к ее средней плоскости М отстоит от внутренней стороны 2а торцевой стенки 2 на расстоянии Lv, составляющем от 15 до 35% общей длины Lg. В результате возникает относительно короткая по сравнению с уровнем техники зона 16 подогрева. В этой зоне 16 подогрева в стекломассе 6 могут дополнительно располагаться электроды 17, а именно в дне 5а ванны 5 вертикально, по меньшей мере, в один ряд поперек продольной оси печи, как это показано на чертеже, а в качестве альтернативы - также горизонтально в боковых стенках ванны 5. Точно так же в зоне 16 подогрева, по меньшей мере, в одной боковой стенке 4а предусмотрено, по меньшей мере, одно выпускное отверстие 18 для подводимых под излучающей стенкой 15 газообразных продуктов сгорания и газов барботеров 8. В результате в пределах относительно короткого отрезка Lv к шихте 14 сверху и снизу подводятся дозированные, однако достаточные количества тепла, благодаря чему соответственно улучшается тепловой баланс.
Излучающая стенка 15 и внутренняя сторона За торцевой стенки 3 отстоят друг от друга на расстоянии Lf, на котором находится топочное пространство 19. Оно обозначено двумя рядами горелок 20, расположенными эквидистантно в противоположных стенках 4а верхнего строения 1 печи в пределах горелочной зоны Bb. За счет действия горелок 20 и излучения стеновых поверхностей топочного пространства 19 шихта 14 и стекломасса 6 все больше нагреваются, пока температуры стекломассы 6 на донном возвышении 9 не достигнет заданного максимума. Газообразные продукты сгорания текут из топочного пространства 19 под излучающей стенкой 15 в зону 16 подогрева, а из нее - через, по меньшей мере, одно выпускное отверстие 18, по меньшей мере, в одну вытяжную трубу (не показана). В продолжение расчета длин расстояние Lf образует отношение длин от 65 до 85% к общей длине Lg. Отношение длины LL донного возвышения 9 к общей длине Lg выбирается предпочтительно от 0,5 до 15%.
В пределах горелочной зоны Вb с каждой стороны топочного пространства 19 расположены, например, семь горелок 20, причем горелочная зона Вb заканчивается перед донным возвышением 9, поскольку над ним имеется достаточно тепла излучения.
За счет вертикального транспортирующего действия барботеров 8 и при определенных условиях также электродов 17 в зоне поверхности стекломассы 6 возникают обратное течение стекла в направлении электродов 17 и встречное донное течение от электродов 17 в направлении барботеров 8. Этот эффект способствует теплопередаче, в частности от стекломассы 6 к шихте 14, как это было описано выше.
В отношении высот необходимо сказать следующее. Высота h1 стекломассы над дном 5а ванны может изменяться по длине ванны в зависимости от того, имеет ли дно ванны в направлении донного возвышения уклон или подъем, причем уклон и подъем могут быть выполнены также ступенчатыми.
Высота h2 стекломассы над донным возвышением 9 составляет предпочтительно от 25 до 50% от h1 непосредственно перед ним. Высота в зоне 16 подогрева имеет максимально такое же значение, что и высота непосредственно перед донным возвышением, причем отношение может составлять от 80 до 100%. В направлении течения за донным возвышением 9 для высоты h3 в зоне 10 гомогенизации выбирается предпочтительно значение, составляющее от 0,8 до 2,0-кратного значения h1 непосредственно перед донным возвышением 9.
Предлагаемая в изобретении стекловаренная печь содержит ванну 5 и верхнее строение 1 со сводом 4 и имеет внутреннюю общую длину Lg, зону 16 подогрева шихты 14 и топочное пространство 19 с горелками 20 и барботерами 8. Для решения названной задачи предложено, что а) между зоной 16 подогрева и топочным пространством 19 расположена единственная излучающая стенка 15, за счет которой длина Lv зоны подогрева ограничена значениями от 15 до 35% внутренней общей длины Lg, а длина Lf топочного пространства 19 увеличена до значений от 65 до 85% внутренней общей длины Lg; б) зона 16 подогрева рассчитана на подогрев шихты 14 исключительно внутри печи; в) источник окислительного газа содержит долю кислорода, по меньшей мере, 85 об.%; г) по меньшей мере, одно выпускное отверстие 18 зоны 16 подогрева для отходящих газов сообщено с атмосферой без промежуточного теплообменника.
Перечень ссылочных позиций
1 - верхнее строение печи
2 - торцевая стенка
2а - внутренняя сторона
3 - торцевая стенка
4 - свод печи
4а - боковые стенки
5 - ванна
5а - дно ванны
6 - стекломасса
6а - зеркало стекломассы
7 - удерживающая плита
8 - барботеры
9 - донное возвышение
10 - зона гомогенизации
11 - донный проход
12 - подъемный канал
13 - загрузочное отверстие
14 - шихта
14а - линия
15 - излучающая стенка
15а - нижняя кромка
16 - зона подогрева
17 - электроды
18 - выпускное отверстие
19 - топочное пространство
20 - горелки
Bb - горелочная зона
h1 - высота в ванне
h2 - высота над донным возвышением
h3 - высота зоны 10 гомогенизации
Lb - загрузочная длина
Lf - расстояние
Lg - общая длина
LL - длина донного возвышения 9
Lv - расстояние
М - средняя плоскость