ПЕЧЬ С ПОГРУЖНОЙ ГОРЕЛКОЙ
FURNACE WITH SUBMERSIBLE BURNER

Настоящее изобретение относится к печи с погружной горелкой, в частности, пригодной для повторного использования фрагментов минеральной ваты и обладающей преимуществом энергоэффективности.
2
В документе US 3294505 описано плавление материала для варки стекла в вагранке («cupola furnace» в англоязычной терминологии), согласно которому исходный материал, смешанный с коксом, подают в вертикальный канал, при этом, восходящий поток воздуха проходит через исходный материал с целью сжигания кокса, нагревания и плавления этого материала. Расплавленный материал для варки стекла собирается ниже смеси исходного материала и кокса. Однако, кокс является важным источником СО. К тому же, сложно вводить в такую печь исходный материал с мелким гранулометрическим составом, как у фрагментов минеральной ваты, так как сильные восходящие потоки газа увлекают его в дымовую трубу.
В документе EP 2100858 A1 предлагается заменить кокс природным газом, используя воздушные горелки. Исходный материал подают в вертикальный канал и удерживают при помощи решетки, при этом, восходящий поток газообразных продуктов горения от воздушных горелок, размещенных между расплавленным материалом и решеткой, проходит сквозь решетку и затем через исходный материал, вызывая его плавление. Расплавленный материал для варки стекла собирается в резервуаре под решеткой, при этом, указанный расплавленный материал для варки стекла затем выводят, сливая через отверстие.
Однако, проведя испытания указанного типа конфигурации, авторы настоящего изобретения обнаружили следующие недостатки:
- фрагменты минеральной ваты, добавленные в исходный материал, легко улетучиваются, принимая во внимание сильные потоки газа, проходящие через исходный материал в противотоке, или блокируют проход для указанных потоков газа при загрузке исходного материала, снижая энергоэффективность системы; для ослабления этого недостатка фрагменты минеральной ваты могут быть спрессованы в форме брикетов, скрепленных связующим типа цемента, однако, это требует дополнительной обременительной подготовки, а при плавлении цемента в брикетах выделяются нежелательные оксиды серы;
- температура расплавленного материала достигает, примерно, 1450°С, что слишком мало для некоторых применений; замена воздуха в качестве вещества, поддерживающего горение, на кислород позволяет повысить температуру, но связана с неприемлемой энергоемкостью.
Анализ функционирования описанных выше печей показал, что радиация пламени воздушных горелок настолько плохо проходит через расплавленный материал для варки стекла, что теплопередача, обеспечиваемая воздушными горелками, по существу, ограничена длительностью стекания расплавленного исходного материала сверху решетки до поверхности расплавленной массы под решеткой и не может проникнуть в глубину ванны расплава. Что касается расплавленной массы в резервуаре, воздушные горелки только нагревают поверхность и не оказывают значительного воздействия на расплавленный материал на большей глубине. Для достижения заданной температуры (а именно, около 1550°С) расплавленного материала для варки стекла нужно использовать чистый кислород, но также нужно, чтобы энергия горения была очень большой, что сопряжено с расходами.
Теперь создана печь, в которой учтены изложенные выше недостатки, при этом, указанная печь сочетает следующие элементы:
- материал для варки стекла в резервуаре нагревают посредством погружного горения; следовательно, тепло непосредственно поступает в расплавленный материал, и поглощение радиации пламени расплавленным материалом относительно умеренно влияет на эффективную теплопередачу;
2
- погружное горение осуществляют путем сжигания горючего газа (выделяющего меньше СО, чем кокс), а именно, природного газа с поддерживающим горение веществом, предпочтительно, обогащенным кислородом (т.е., по меньшей мере, 80% об. кислорода); поскольку горение происходит в глубине расплавленного материала, передача энергии хорошая, и для достижения заданной температуры, обычно, более 1500°С, чрезвычайно сильного горения не требуется;
- фрагменты минеральной ваты вводят в резервуар под уровнем расплавленного материала так, что они не улетучиваются; погружное горение приводит к быстрому плавлению фрагментов минеральной ваты.
Таким образом, изобретение, в первую очередь, относится к устройству плавления материала для варки стекла, включающему печь, оборудованную, по меньшей мере, одной погружной горелкой, системой подвода к погружной горелке горючего газа и вещества, поддерживающего горение, которое содержит, предпочтительно, по меньшей мере, 80% об. кислорода, системой подачи в печь исходного материала, содержащего фрагменты минеральной ваты, под поверхностью расплавленного материала для варки стекла, системой подачи в печь исходного материала, включающей вертикальный канал, пригодный для приема исходного материала через верхний конец и проведения исходного материала вниз к расплавленному исходному материалу, при этом, указанный канал пригоден для приема газообразных продуктов горения, образующихся в печи, и их проведения вверх через находящийся в канале исходный материал, средством опоры твердого исходного материала в канале, при этом, указанное средство распложено над поверхностью расплавленного материала для варки стекла и пригодно для удерживания твердого исходного материала в канале и пригодно для прохождения сквозь него жидкого исходного материала, стекающего и капающего в расплавленный материал для варки стекла, и пригодно для прохождения сквозь него газообразных продуктов горения, образующихся в печи и поднимающихся по каналу.
Средство опоры включает, вообще, решетку, расположенную, по существу, горизонтально над ванной расплавленного материала для варки стекла. Исходный материал, введенный в канал, может лежать непосредственно на решетке, если гранулометрический состав исходного материала и размер ячеек решетки таковы, что исходный материал может удерживаться на решетке. Также до введения в канал исходного материала можно поместить непосредственно на решетку слой тугоплавких шаров. В принципе, шары не предназначены для выполнения роли исходного материала, однако, не исключается, что они немного обогащают материал для варки стекла каким-нибудь соединением, а именно, оксидом алюминия.
Система подвода к погружной горелке горючего газа и вещества, поддерживающего горение, содержащего, предпочтительно, по меньшей мере, 80% об. кислорода, включает источники горючего газа и вещества, поддерживающего горение, трубопроводы для подвода к погружной горелке горючего газа и вещества, поддерживающего горение, систему регулирования количества горючего газа и вещества, поддерживающего горение, подводимых к погружной горелке.
Исходный материал поступает твердым через верхний конец канала и плавится над средством опоры исходного материала, при этом, расплавленный исходный материал стекает в ванну расплавленного материала для варки стекла в печи. Таким образом, этот исходный материал поступает в массу расплавленного материала для варки стекла в расплавленном состоянии, стекая в форме жидкости (жидкими каплями или ручейками) на поверхность ванны расплавленного материала для варки стекла. Вертикальный канал играет тройственную роль: - подача исходного материала; - отведение дымовых газов; - теплообменник, обеспечивающий нагревание исходного материала в канале дымовыми газами. Канал является вертикальным в той мере, в какой направление продвижения исходного материала в нем имеет вертикальную составляющую, даже, по существу, вертикальным, при этом, силы тяжести достаточно для того, чтобы исходный материал опускался в канале под действием собственного веса. Однако, канал может быть наклонным при условии, что материал в ним может опускаться самостоятельно под действием силы тяжести. Так, канал, именуемый вертикальным каналом, представляет собой канал, пригодный для продвижения исходного материала с вертикальной составляющей вниз под действием силы тяжести.
Выражение «фрагменты минеральной ваты» означает все остатки, образующиеся при производстве минеральной ваты, включая минеральные материалы, отвердевшие в форме зерен или волокон или уловленные в форме твердых летучих фрагментов, или скопления волокон, извлеченные (при промывке) с различных поверхностей резервуаров или транспортеров, а также разрезанный войлок из минеральной ваты. Эти отходы также могут быть результатом демонтажа. Следовательно, речь идет об отходах, хорошо известных специалистам, которые в контексте настоящего изобретения предлагается использовать повторно без необходимости их предварительного преобразования в брикеты. Фрагменты минеральной ваты содержат, вообще, асбест или стекловату и клей для соединения волокон ваты. Клей может быть минеральным, однако как правило, является органическим. Композиция клея, вообще, присутствует во фрагментах минеральной ваты в количестве от 0,1 до 10% вес., чаще в количестве от 0,5 до 7% вес. сухого материала клея относительно общего веса фрагментов сухой ваты. Органический материал клея сгорает в печи.
Как правило, минеральная вата содержит (без клея):
2
SiO: от 30 до 75% вес.,
CaO+MgO: от 5 до 40% вес.,
2
3
AlO: от 0 до 30% вес.,
2
2
NaO+KO: от 0 до 20% вес.,
Оксид железа: от 0 до 15% вес.
Основными компонентами асбеста (также именуемого специалистами «горный лен»), как правило, являются (без клея):
2
SiO: от 30 до 50% вес.,
2
3
AlO: от 10 до 22% вес.,
CaO+MgO: от 20 до 40% вес.,
Оксид железа: от 3 до 15% вес.
Основными компонентами стекловаты, как правило, являются (без клея):
2
SiO: от 50 до 75% вес.,
2
3
AlO: от 0 до 8% вес.,
CaO+MgO: от 5 до 20% вес.,
Оксид железа: от 0 до 3% вес.,
2
2
NaO+KO: от 12 до 20% вес.,
2
3
BO: от 2 до 10% вес.
В контексте изобретения фрагменты минеральной ваты являются одним из исходных материалов. Помимо подачи в печь минеральной ваты, в печь также подают исходный материал, отличный от фрагментов минеральной ваты. Речь может идти о порошке, гранулах, шарах, агломератах, гальке, сгустках, обломках, при этом, форма всех этих элементов рассматривается как «зернистая». Зернистая форма может быть регулярной, если элементы согласованные, или нерегулярной, если элементы поступают непосредственно из карьеров или производственных процессов, не ведущих к образованию регулярной формы. А именно, агломераты, гранулы или шары могут быть получены путем уплотнения порошка при помощи бандажного компактора или барабанного гранулятора, как правило, также с использованием связующего. В зависимости от гранулометрического состава, исходный материал подают либо через вертикальный канал над ванной расплавленного материала для варки стекла (крупный гранулометрический состав), либо под поверхностью ванны расплавленного материала для варки стекла (мелкий гранулометрический состав). Действительно, летучий исходный материал подают, предпочтительно, под поверхностью ванны расплавленного материала для варки стекла, а нелетучий исходный материал - сверху, со стороны вертикального канала. Рассматриваемая способность улетучиваться - это летучесть по сравнению с газообразными продуктами горения. Фрагменты минеральной ваты и порошка исходного материала являются летучими, следовательно, их подают под поверхностью ванны расплавленного материала для варки стекла.
Таким образом, исходный материал, подаваемый в вертикальный канал, предпочтительно, таков, что, по меньшей мере, 80% и даже, по меньшей мере, 90% его массы образовано зернами, размер которых больше 30 мм, вообще, размер лежит в диапазоне от 40 до 500 мм. Этот исходный материал, вообще, не содержит фрагменты минеральной ваты. Брикеты, полученные путем прессования фрагментов минеральной ваты, в данном случае не рассматриваются как фрагменты минеральной ваты. Исходный материал, содержащий фрагменты минеральной ваты, подаваемый под поверхностью расплавленного материала для варки стекла, может содержать исходный материал, отличный от фрагментов минеральной ваты, при этом, по меньшей мере, 80%, даже, по меньшей мере, 90%, даже 100% массы этого отличного исходного материала образовано зернами, размер которых меньше 30 мм. Размер зерна - это расстояние между его двумя наиболее удаленными друг от друга точками.
Исходный материал содержит различные соединения, необходимые для получения заданной композиции материала для варки стекла. Вообще, он содержит оксид кремния и, по меньшей мере, один источник щелочноземельного металла и/или щелочного металла, например, карбонат кальция, карбонат магния, карбонат натрия.
Исходный материал, содержащий фрагменты минеральной ваты, подают под поверхностью расплавленного материала для варки стекла, например, при помощи, по меньшей мере, одного шнека, а именно, подобного описанному в документе W0 2013132184. Так, система подачи в печь исходного материала под поверхностью расплавленного материала для варки стекла включает, вообще, по меньшей мере, один шнек. Исходный материал, содержащий фрагменты минеральной ваты, также может быть подан под поверхностью расплавленного материала для варки стекла при помощи поршневой системы, проталкивающей его в печь. Вообще, выгодно иметь в наличии систему, пригодную для проталкивания в расплавленный материал для варки стекла исходного материала, подлежащего подаче под поверхностью расплавленного материала для варки стекла.
Печь включает вертикальный канал, по которому исходный материал перемещается вниз к поверхности расплавленного материала для варки стекла. Этот исходный материал вводят в канал через верхний конец. Средство опоры твердого исходного материала, распложенное над поверхностью расплавленного материала для варки стекла, будь то под нижним концом канала или внутри канала (в нижней части), удерживает твердый исходный материал. Газообразные продукты горения, поступающие из-под средства опоры, проходят сквозь него, направляются вверх и в противотоке пронизывают исходный материал, находящийся в канале. Газообразные продукты горения нагревают исходный материал, вызывая его плавление, расплавленный исходный материал перемещается вниз, проходит сквозь средство опоры и соединяется с расплавленным материалом для варки стекла в печи, стекая в жидком состоянии на поверхность ванны материала для варки стекла. А газообразные продукты горения отводятся по каналу в противотоке с находящимся в нем исходным материалом. Исходный материал, прошедший по вертикальному каналу, и исходный материал, введенный под поверхностью ванны расплава, смешиваются в резервуаре печи, образуя расплавленный материал для варки стекла. Средство опоры проницаемо для расплавленного исходного материала, проходящего через него сверху вниз, и для газообразных продуктов горения, проходящих через него снизу вверх.
Вообще, масса исходного материала, введенного под поверхностью расплавленного материала для варки стекла, составляет от 5 до 70% суммы масс всех исходных материалов, введенных в устройство. Масса фрагментов минеральной ваты составляет, вообще, от 50 до 100% суммарной массы исходного материала, вводимого под поверхностью ванны материала для варки стекла. Система подачи под поверхностью расплавленного материала для варки стекла пригодна для введения в печь исходного материала, содержащего от 50 до 100% масс. фрагментов минеральной ваты.
Вообще, исходный материал, вводимый под поверхностью расплавленного материала для варки стекла, по своему химическому составу отличается от исходного материала, вводимого через верхний конец канала.
Средство опоры твердого исходного материала в канале может включать решетку, непосредственно на которой находится слой шаров. Эти тугоплавкие шары также играют роль решетки и замедляют опускание исходного материала в канале. Тугоплавкие шары могут относиться к оксидному типу. Вообще, они содержат, по меньшей мере, 25% вес. оксида алюминия, в более общем смысле, от 25 до 90% вес. оксида алюминия. Вообще, размер тугоплавких шаров составляет от 5 до 30 см. Под размером тугоплавкого шара понимается расстояние между двумя его наиболее удаленными точками. Тугоплавкие шары являются достаточно тугоплавкими для того, чтобы, по существу, не плавиться в потоке газообразных продуктов горения. Однако, отмечается, что тугоплавкие шары, содержащие оксид алюминия, все же могут служить для обогащения оксидом алюминия расплавленного материала для варки стекла. Следовательно, является предпочтительным, чтобы на решетке находились тугоплавкие шары, содержащие оксид алюминия, а твердый исходный материал в канале опирался на эти шары.
Решетка может включать металлические трубы, по которым протекает охлаждающая вода. Металл труб достаточно устойчив к соответствующей среде. Это может быть сталь.
Печь также может быть оборудована, по меньшей мере, одной воздушной горелкой, пламя которой испускается над поверхностью расплавленного материала для варки стекла и под средством опоры твердого исходного материала в канале, а именно, под решеткой средства опоры. В этом случае, воздушная горелка проходит сквозь боковую стенку или свод печи.
Изобретение также относится к способу подготовки расплавленного материала для варки стекла, включающему плавление материала для варки стекла при помощи устройства, соответствующего изобретению, при этом, исходный материал содержащий фрагменты минеральной ваты, вводится в печь под поверхностью расплавленного материала для варки стекла, исходный материал вводится в вертикальный канал, опускается по каналу и нагревается газообразными продуктами горения вплоть до плавления и стекает на поверхность расплавленного материала для варки стекла, при этом, погружная горелка функционирует путем сжигания горючего газа и вещества, поддерживающего горение, содержащего, по меньшей мере, 80% об. кислорода.
x
Вещество, поддерживающее горение, подаваемое в погружную горелку, является газообразным. Оно содержит, предпочтительно, по меньшей мере, 80% об. кислорода. Это может быть воздух, обогащенный кислородом, или чистый кислород. Горючее вещество, подаваемое в погружную горелку, является газообразным и представляет собой, вообще, природный газ. При горении в печи выделяется достаточно энергии для того, чтобы дымовые газы были настолько горячими, чтобы вызывать плавление твердого исходного материала в канале. Использование вещества, поддерживающего горение, обогащенного кислородом, позволяет свести к минимуму образование NO, а также свести к минимуму объем газообразных продуктов горения по сравнению со сжиганием воздуха. Таким образом можно получить очень горячие дымовые газы, одновременно нагревающие расплавленную массу до температуры, в том числе, более 1500°С и вызывающие плавление твердого исходного материала над средством опоры твердого исходного материала в канале.
Материал для варки стекла может быть нагрет в печи до температуры более 1400°С, даже более 1450°С, даже более 1500°С, даже более 1550°С и, вообще, более 1600°С. Материал для варки стекла может быть нагрет в печи до температуры, лежащей в диапазоне от 1400 до 1600°С.
Резервуар печи, преимущественно, является металлическим и охлаждается потоком воды при помощи системы, которую специалисты называют «водяная рубашка» («water-jacket»). Погружная горелка также, преимущественно, является металлической и охлаждается потоком воды. Печь, преимущественно, оборудована одной или множеством погружных горелок. Погружная горелка, используемая в контексте настоящего изобретения, может иметь цилиндрическую форму, как показано на фиг. 5 документа W0 9935099. Она также может иметь линейную форму, как описано в документе W02013117851, форму, особенно хорошо согласующуюся с настоящим изобретением.
2
Устройство, соответствующее изобретению, предназначено для приготовления расплавленного материала для варки стекла, вообще, на основе оксида, содержащего, вообще, по меньшей мере, 30% масс. оксида кремния, такого как стекло, или силиката, такого как силикат щелочного или щелочноземельного металла. Подготовленный таким образом материал для варки стекла может иметь состав, приведенный выше для минеральной ваты, а именно, стекловаты или асбеста (термин «асбест» (горный лен) в данном случае означает тип состава, а не внешний вид). Вообще, материал для варки стекла содержит от 30 до 75% вес. SiO и от 5 до 40% вес. (CaO+MgO).
Материал для варки стекла может служить, в том числе, для производства волокон или минеральной ваты. Таким образом, устройство, соответствующее изобретению, может сопровождаться волокнообразующим узлом для производства волокон или минеральной ваты.
На фиг. 1 на виде в боковом разрезе показан пример устройства, соответствующего изобретению. Это устройство включает печь 1, оборудованную погружными горелками 2, установленными в поде. Питание погружных горелок осуществляется при помощи системы 3 подвода горючего газа и вещества, поддерживающего горение. Погружные горелки испускают пламя в массу 4 ванны расплавленного материала для варки стекла. Система типа шнека 5 позволяет подавать в печь фрагменты минеральной ваты и, в случае необходимости, исходного материала, отличного от ваты с мелким гранулометрическим составом, под поверхностью 6 расплавленного материала для варки стекла. Вертикальный канал 7 над поверхностью расплавленного материала 4 для варки стекла позволяет подавать в резервуар 8 печи исходный материал 9 с крупным гранулометрическим составом. Исходный материал 9 вводится через верхний конец канала 7 и удерживается над поверхностью 6 расплавленного материала для варки стекла средством опоры, включающим решетку 10 и шары 11, обогащенные оксидом алюминия и лежащие на решетке. Газообразные продукты горения, образуемые горелками под решеткой, проходят сквозь решетку и шары и поднимаются по каналу 7, выполняющему функцию дымовой трубы, сквозь исходный материал 9. Таким образом, исходный материал нагревается этими газами и постепенно плавится. Расплавленный исходный материал 12 стекает сквозь средство опоры (решетку и шары) твердого исходного материала в канале и падает в массу 4 расплавленного материала для варки стекла. Газообразные продукты 13 горения, прошедшие сквозь исходный материал в канале 7, отводят через верхний конец канала 7. Расплавленный материал для варки стекла может быть отведен через отверстие 14 в стенке резервуара 8 печи.