EA018516B1 - Стеклоплавильная печь - Google Patents

Abstract

Данное изобретение относится к стеклоплавильной печи, содержащей плавильный каналообразный резервуар, с возможностью загрузки сырьевых материалов в верхней по ходу потока части и получения расплавленного стекла в нижней по ходу потока части, снабжённой для нагрева горелками, распределёнными на стенках по длине печи таким образом, чтобы по меньшей мере 40% энергии для печи поступало в плавильную зону с возможностью получения от кислородотопливных горелок в печи по меньшей мере 65% энергии нагрева, причём выпуск основной части топочного газа расположен вблизи верхней по ходу потока части около отверстий для загрузки сырьевых материалов, а остального топочного газа - вблизи нижней по ходу потока части для поддержания динамической изоляции в отношении окружающей среды.

Description

Данное изобретение относится к стеклоплавильным печам, в которых энергия плавления вырабатывается, главным образом, при помощи горелок, снабжаемых топливом и кислородом, или газом, высоко насыщенным кислородом. Эти печи обычно называются печами кислородотопливного горения.

Дополнительное использование горелок кислородотопливного горения хорошо известно в стеклоплавильных печах. На печи, традиционно работающие с использованием воздуха, добавляется одна горелка кислородотопливного горения или некоторое их количество. Целью введения в употребление этих дополнительных горелок является обычно увеличение производительности существующих печей, возможно, когда их использование рассматривается с точки зрения отказа по причине их старости. Такая ситуация возникает, например, когда регенераторы таких печей снижают свою работоспособность и больше не способны нагревать воздух, используемый для горения, в достаточной мере. Производительность данных печей может также быть повышена просто путем введения дополнительных энергетических источников.

Как правило, обычно дополнительные горелки кислородотопливного горения располагаются вблизи зоны, в которой сырье загружается в печь. Таким образом, эти горелки расплавляют сырье. Добавление нескольких кислородотопливных горелок в печи большой емкости обычно выполняется без какой-либо существенной модификации общего процесса работы печи в том смысле, что, в частности, регенераторы продолжают работать и, следовательно, перемещают как топочный газ горения, поднимающийся от горелок, работающих на воздухе, так и поднимающийся от горелок, работающих на кислороде.

Кроме факта наличия дополнительного источника энергии эти системы, работающие в так называемом режиме кислородного наддува, не обеспечивают полного использования всех известных преимуществ, которые могут быть достигнуты в результате кислородотопливного горения. В числе потенциальных преимуществ, главным образом, снижение расхода энергии и сокращение выбросов нежелательных топочных (дымовых) газов.

Кислородотопливное горение обеспечивает экономию энергии, по меньшей мере, по той причине, что энергия сгорания газа не поглощается частично азотом воздуха. В стандартных печах, даже если некоторое количество энергии, поглощенное азотом, восстанавливается в регенераторах, топочный газ, выпускаемый, в конечном счете, тем не менее, выделяет значительное количество энергии. Присутствие азота способствует этой потере.

Снижение потребления энергии производственной установкой, о которой идет речь, имеет дополнительное преимущество в связи с ограничением выброса двуокиси углерода и поэтому отвечает установленным требованиям в этой области.

Присутствие азота является также источником формирования оксидов азота, называемых ΝΟ_Χ, выброс которых практически запрещен, из-за вреда, вызываемого присутствием этих соединений в атмосфере. На практике, пользователи стремятся к эксплуатации печей в условиях, ведущих к наиболее низкому количеству выбросов. В случае стеклоплавильных печей, эта практика недостаточна для соответствия весьма строгим действующим стандартам, и необходимо осуществлять операцию по обеззараживанию дорогостоящих топочных газов с применением катализаторов.

При использовании кислорода возможно обойти проблемы, связанные с азотом воздуха, чего не происходит при технологиях кислородного нагнетания.

Несмотря на вышеуказанные преимущества использование кислородотопливного горения в крупных стеклоплавильных печах требует совершенствования. Причин для этого несколько. Прежде всего, использование кислорода заведомо значительно дороже, нежели воздуха.

Экономическая оценка результата использования кислородотопливного горения является позитивной только в том случае, если существует возможность восстановления значительного количества тепла из топочных газов. До сих пор, не представлялось возможным достигнуть удовлетворительного восстановления этой энергии и, фактически, не было достигнуто потенциального энергосбережения

Более того, применение кислородотопливного горения по-прежнему создает технические проблемы, которые сводят на нет некоторые имеющиеся преимущества. Одной из признанных трудностей является коррозия (разрушение) огнеупоров, эта коррозия снижает сроки службы кремнеземных огнеупоров свода печи. Это вызвано высоким содержанием Н₂О в атмосфере сгорания, что является причиной двух ухудшающих эффектов:

первый вызван диффузией Н₂О в стеклофазу огнеупорных блоков, и второй вызван конденсацией гидроксида натрия, присутствующего в окружающей среде огнеупоров, что влечет за собой высокую степень окисления, фактически, в шесть раз выше в случае использования печи кислородотопливного горения.

Чтобы устранить эти обстоятельства, необходимо использовать материалы, являющиеся более устойчивыми к коррозии (разрушению), чем те, которые обычно выбираются. Обычно по различным причинам свод крупных стекловаренных печей выполняется из силикатного кирпича. В случае печи кислородотопливного горения, необходимо вместо этого использовать такие материалы, как глинозем, алюмосиликат циркония (ΑΖ8) или шпинели. Однако данные материалы более дорогостоящие, а также создают проблемы в плане того, что они значительно тяжелее.

Экономичность, особенно в том, что касается энергии, требует, чтобы теплота топочного газа была

- 1 018516 восстановлена. Принцип известен, но трудность обусловлена применением восстановительных технологий для эксплуатации самой печи.

Решение проблем, которые требуют специфических новых эксплуатационных условий, позволяющих эффективно использовать технику кислородно-топливного горения в данной области с теоретической выгодой, решается предложенной стеклоплавильной печью, содержащей плавильный каналообразный резервуар, с возможностью загрузки сырьевых материалов в верхней по ходу потока части, и получения расплавленного стекла в нижней по ходу потока части, снабжённой для нагрева горелками, распределёнными на стенках по длине печи таким образом, чтобы по меньшей мере 40% энергии для печи поступало в плавильную зону, с возможностью получения от кислородотопливных горелок в печи по меньшей мере 65% энергии нагрева, причём выпуск основной части топочного газа расположен вблизи верхней по ходу потока части около отверстий для загрузки сырьевых материалов, а остального топочного газа - вблизи нижней по ходу потока части для поддержания динамической изоляции в отношении окружающей среды.

Желательно чтобы горелки были распределены на стенках по длине печи таким образом, чтобы обеспечивалось поступление в плавильную зону энергии, не превышающей 80% от общей энергии печи, предпочтительно не превышающей 70%. А также, чтобы горелки были расположены на расстоянии от зоны загрузки сырьевых материалов и от мест выпуска топочного газа.

Предпочтительно, чтобы горелки, первые в направлении движения стекла, были расположены по длине печи над зоной, где присутствует надосадочный слой. А также были расположены с возможностью подачи максимальной энергии по длине печи на границе между зонами плавления и осветления.

Предпочтительно, чтобы энергоёмкость первых и последних горелок была меньше энергоёмкости других горелок.

Также предпочтительно, чтобы горелки были открыты внутрь печи и расположены на расстоянии над расплавом, которое составляет не менее 0,25 м, предпочтительно не менее 0,40 м, а также расположены на расстоянии над расплавом, которое не превышает 1,0 м, предпочтительно не превышает 0,8 м.

Предпостительно, чтобы зона загрузки содержала электроды для подачи ограниченного количества энергии в этой зоне, а также, чтобы электроды подавали не более 10% энергии, а предпочтительно не более 5% от общего количества энергии, используемой в печи.

Изобретатели решили использовать энергию топочного газа, в частности, для предварительного нагрева кислорода. По очевидным причинам, использование регенераторов для такого восстановления исключается. Данная операция должна выполняться в особых теплообменниках, операция не очень проста, так как горячий кислород является чрезвычайно агрессивным для всех материалов, с которыми вступает в контакт. Этот агрессивный характер становится все более выраженным по мере того, как повышается температура кислорода.

В соответствии с изобретением также необходимо для печи, о которой идет речь, в значительной степени освободиться от азотосодержащей атмосферы. С этой целью, в отличие от некоторых решений, предложенных ранее, предпочтительно обеспечить работу всех горелок печи в режиме кислородотопливного горения.

Частичное использование воздушно-топливного горения может быть обусловлено ограниченным количеством горелок, работающих полностью в режиме воздушно-топливного горения, но это может также быть обусловлено использованием кислорода, содержащего некоторое количество воздуха. В последнем случае, так как горелки, используемые в режиме кислородотопливного горения, имеют особые характеристики, содержание кислорода в кислородовоздушной смеси должно быть по меньшей мере 80% и предпочтительно по меньшей мере 90%.

Независимо от компонентов атмосферы печи, выделяющихся в результате горения, также необходимо максимально предотвратить поступление воздуха снаружи, с одной стороны, с целью избежания потери энергии связанной с нагреванием этого воздуха, но более важно, с целью максимально возможного предотвращения формирования нежелательных ΝΟ_Χ, обусловленного тем, что воздух достигает высоких температур в пламени горения (эти температуры находятся в пределах от 1800 до 2300°С в зависимости от вида выбранной кислородной горелки).

Независимо от рассматриваемой конструкции стеклоплавильная печь не может быть полностью изолирована от внешней атмосферы. Меры, принимаемые с этой целью, были главным образом связаны с установкой физических барьеров, что ограничивает поток газа снаружи внутрь печи. Эти мероприятия, безусловно, полезны, но представляются недостаточными, если желательно сохранить атмосферу, создаваемую, главным образом, в результате сгорания газов.

Поэтому в соответствии с данным изобретением приток окружающей атмосферы предотвращается таким устройством печи, при котором создается динамическая изоляция. В соответствии с изобретением для того, чтобы осуществить это, приток топочного газа в печь должен регулироваться, таким образом, как это детально описано ниже.

В крупных стеклоплавильных печах, особенно в тех, в которых используются регенераторы, газы поступают в печь в поперечном направлении. Горелки располагаются на каждой стороне резервуара, содержащего расплавленное стекло, и они работают попеременно. Во время одного периода все горелки,

- 2 018516 расположенные на одной стороне печи, активизируются, и соответствующий топочный газ выпускается через воздуховоды, расположенные на стенке, которая обращена к ним. Топочный газ проходит над регенераторами, соответствующими той стороне, о которой идет речь. Во время следующего периода работают горелки на другой стороне, воздух проходит над предварительно нагретыми регенераторами и т.д.

В случае использования печей кислородотопливного горения горелки, расположенные на каждой стороне печи, работают непрерывно. Распределение горелок на обеих сторонах не определяется необходимостью такого чередования, поскольку ее не существует, но больше из-за стремления оптимизировать теплообмен между пламенем и расплавом стекла или между пламенем и надосадочным сырьем (сырьевыми материалами).

При одинаковой мощности пламя кислородотопливных горелок короче, чем пламя воздушнотопливных горелок. Причина этого, в частности, заключается в том, что поток газа менее объемный из-за отсутствия азота. Для того чтобы распределение энергии было максимально однородным по ширине аналогичных печей, желательно располагать горелки на обеих сторонах таким образом, чтобы поверхность расплава подвергалась лучшему воздействию.

Любое увеличение скорости выбросов газов при кислородотопливном горении, которое могло бы удлинить пламя, нежелательно, в особенности, чтобы не стимулировать выбросов пыли.

Желательно также обеспечить условия, чтобы пламя распространялось наименее рассеянно. Чтобы предотвратить столкновение пламени от расположенных противоположно горелок, горелки преимущественно располагаются в шахматном порядке.

В соответствии с другой специфической особенностью пламени кислородотопливных горелок для того, чтобы достичь ступенчатого горения над длиной пламени, что является предпочтительным, как в горелках воздушнотопливного горения, имеет смысл обеспечить условия, при которых пламя этих горелок распространяется в виде листа, лежащего в плоскости, в основном параллельно поверхности расплава стекла. Это достигается, например, путем применения горелок, имеющих множество кислородных инжекционных форсунок, расположенных на каждой стороне впускных топливных форсунок, все эти форсунки, по существу, устанавливаются таким образом, чтобы располагаться параллельно поверхности расплава.

Топочный газ от пламени не распространяется поперечно, как при воздушно-топливном горении. Поток организуется в соответствии с двумя целями.

Первое - необходимо обеспечить условия для максимальной доставки тепла от топочного газа к расплаву стекла. Другими словами, прикладываются усилия для обеспечения условий, при которых температура топочного газа на выходе из печи максимально низкая, также принимая во внимание тот факт, что пламя кислородотопливного горения имеет более высокую температуру и, что в целом топочный газ также имеет более высокую температуру, чем при режиме воздушно-топливного горения.

Для достижения более высокого уровня теплообмена время пребывания в печи продлевается.

Ввиду того, что для получения одинакового объема рассеиваемой энергии объем топочного газа уменьшается более чем на половину по сравнению с тем же при воздушнотопливном горении для печи идентичного объема, все остальные условия, эквивалентные времени присутствия топочного газа, необходимо продлить.

Второе - средства обеспечения, связанные с потоком топочного газа, также помогают улучшить передачу тепла к расплаву. В частности, это является результатом расположения выпускных отверстий для топочного газа, расположения горелок и распределения энергии, распространяемой локально каждой из этих горелок.

В соответствии с данным изобретением и с целью достижения лучшей передачи энергии к расплаву и к сырью, необходимо заставить топочный газ или, по меньшей мере, основную его часть, двигаться в направлении, противоположном движению расплава. Таким образом, температура топочного газа по мере того, как он продвигается внутри печи, уменьшается к месту, где он выпускается из печи.

С этой целью выпускное отверстие для топочного газа или, по меньшей мере, основной его части, располагается в непосредственной близости к тому месту, где сырье загружается в печь. Одним вариантом является обеспечение выпуска топочного газа через каналы, которые отделены от тех, через которые сырье подается в печь. Другим вариантом этого выпуска является прохождение через сами загрузочные каналы и, следовательно, против движения сырья. Во втором варианте необходимо, в частности, избегать риска всяческой агломерации вызываемой конденсацией содержащегося в топочном газе водяного пара в результате контакта с холодным сырьем.

Для получения наилучшей передачи тепла большая часть топочного газа выпускается в месте, расположенном вблизи места загрузки сырья в печь. На практике это означает по меньшей мере 65% и предпочтительно по меньшей мере 75% топочного газа.

Избыточный топочный газ, который не выпускается, как это было указано выше, движется по пути, предназначенном, в частности, для поддержания динамической изоляции в отношении внешней атмосферы. По меньшей мере часть этих излишков преимущественно выпускается в направлении нижней по ходу потока концевой части печи. Как указано, эта часть топочного газа максимально мала, преимущественно составляет менее чем 35% и предпочтительно менее чем 25% от всего объема топочного газа.

- 3 018516

Нижнее по ходу потока выпускное отверстие для топочного газа располагается за последними горелками. Необходимо предотвратить выпуск воспламененных газов до осуществления максимально полной теплопередачи. Для достижения этого газы должны оставаться некоторое время внутри печи, отсюда возникает необходимость не располагать горелки слишком близко к выпускным воздуховодам.

Наличие воздуховодов по ходу потока ниже зоны расположения горелок позволяет, в частности, предотвратить поступление воздуха из этой зоны, проходящего через зону расположения горелок, поскольку большая часть воздуха ниже по ходу потока поступает из зоны кондиционирования. Содержание ΝΟ_Χ систематически определяется у верхнего по ходу потока воздуховода. Если содержание ΝΟ_Χ оказывается слишком высоким, существует возможность скорректировать его в соответствии с данным изобретением путем регулирования выпускных потоков. Увеличение нижнего выпуска уносит больше воздуха, поступающего из нижней части печи, и предотвращает прохождение этого азотосодержащего воздуха через пламя и формирование ΝΟ_Χ.

Преимущественно результатом этих регулировок является максимально низкое содержание азота в топочном газе, выпускаемом через верхние по ходу потока воздуховоды. Это содержание предпочтительно уменьшено до уровня ниже 10% и более предпочтительно ниже 5%.

Температура газа, выпускаемого ниже по ходу потока, обычно немного выше температуры топочного газа, выпускаемого выше по ходу потока, по той причине, что топочный газ находится в контакте с наименее горячими зонами печи, так как, в частности, вблизи места загрузки печи обычно нет горелок и так как покрытие надосадочных сырьевых материалов поглощает значительную часть энергии плавления этих сырьевых материалов.

Время пребывания топочного газа в печи зависит от ряда условий. Они включают в себя помимо организации потока топочного газа, как указано выше, дополнительно, скорость потока полученного топочного газа и объем, занимаемый этим топочным газом внутри печи. Для заданной скорости потока топочного газа среднее время пребывания зависит от имеющегося в распоряжении объема. Чем больше объем, тем продолжительнее время пребывания, и, в принципе, более полная теплопередача.

На практике, увеличение объема печи имеет ограниченное влияние и может привести к менее удовлетворительным экономическим показателям, если оно плохо контролируется, по следующим причинам. В первую очередь, опыт показывает, что теплопередача на массу, которая должна быть расплавлена и на расплав, главным образом, осуществляется через излучение. Конвекция топочного газа обеспечивает всего лишь менее 10% поступления тепла, а чаще менее 8%. При таких условиях увеличение времени пребывания топочного газа мало что прибавляет к этому конвективному снабжению. Более того, увеличение объема печи также ведет к дополнительным капиталовложениям в отношении огнеупоров и выливается в дополнительные потери энергии, рассеиваемые во внешнюю среду, каким бы ни было качество изоляции печи, эти потери зависят от площади стенок, подвергающихся воздействию окружающей атмосферы.

Преимущественно температура выпускаемого топочного газа немного понижена в результате его пребывания в печи. Обычно в печах воздушнотопливного горения температура топочного газа ниже 1650°С, предпочтительно ниже 1600°С и особенно предпочтительно ниже 1550°С. Однако в случае печей кислородотопливного горения его температура ниже 1500°С, предпочтительно ниже 1450°С и особенно предпочтительно ниже 1350°С.

Более того, объем печи также определяет скорость движения топочного газа в ней. Предпочтительно обеспечить условия, при которых скорость потока топочного газа в печи остается умеренной, чтобы таким образом избежать сбивания пламени. Также необходимо предотвращать выброс пыли в то время, когда газ проходит над сырьевыми материалами, эта пыль должна будет затем удаляться до того, как газ пройдет через теплообменники.

Из опыта известно, что среднее время присутствия топочного газа в печи воздушнотопливного горения составляет 1-3 с. Согласно изобретению с использованием печи кислородотопливного горения среднее время пребывания топочного газа лежит в пределах между 10 и 40 с, а преимущественно между 15 и 30 с.

Расположение горелок или, еще лучше, уже упомянутое распределение энергоснабжения, является важным фактором не только в том, что касается энергопотребления печи, но также качества производимого стекла.

Крупные стеклоплавильные печи условно включают в себя две зоны, связанные с плавлением и осветлением соответственно. За пределами зоны осветления стекло продолжает проходить через кондиционирующий канал (канал предварительного формирования), в котором температура стекла постепенно снижается до тех пор, пока не достигнет температуры формирования. Для производства плоского (листового) стекла с применением технологии плавки эта температура составляет около 1100°С.

Обычно зона осветления отделена от зоны предварительного формирования шейкой (поперечным сужением), которая позволяет, в частности, ограничить атмосферу одной зоны, проходящей в другую. В соответствии с изобретением предпринимаются усилия для сведения к минимуму соответствующего отверстия и, следовательно, потока воздуха выходящего из зоны предварительного формирования и посту

- 4 018516 пающего в зону осветления. Во всяком случае, топочный газ не должен проникать в зону предварительного формирования, в противном случае, пыль, находящаяся еще в состоянии суспензии, может быть захвачена им и осесть на поверхность стекла.

Проникновение газа, не выделяющегося в процессе горения и, в частности газа, проникающего через шейку (поперечное сужение), также максимально ограничивается и преимущественно не превышает 15%, а предпочтительно составляет менее 10% от общего объема газа, продвигающегося через печь.

Различие между зоной плавления и зоной осветления включает в себя то, что условно называется конвективными потоками в стекле. Эти конвективные потоки создаются двумя явлениями: естественной конвекцией и принудительной конвекцией. Во-первых, естественное конвекционное движение связано с температурными условиями и с распределением энергии по длине печи (называемым кривой горения). Во-вторых, принудительное конвекционное движение связано с изменением потока, вызванным, например, барботерами, перемешивающими устройствами (миксерами) или перемычками. Эти два конвекционных явления улучшают стекло, которое в зоне плавки распространяется вперед текучими движениями на поверхности и назад текучими движениями близко к нижней части печи. В зоне осветления направление циркуляции выполняется в обратном порядке.

В целом, зоной плавления является та, которая требует наибольшего подвода энергии и, следовательно, та, в которой общая мощность горелок самая высокая. Распределение таково, что эта величина теплоснабжения составляет не менее чем 40%, предпочтительно не менее чем 50% от общего. Она может составлять до 80% подачи тепла, но предпочтительно не составляет более чем 70% от поставляемой энергии. Процент, о котором идет речь, относится к энергии, поставляемой горелками, которые подвешиваются над зоной, о которой идет речь.

Для того, чтобы печь работала максимально эффективно, горелки должны быть соответствующим образом размещены по длине печи. Однако это размещение не однородно.

Необходимо избегать расположения наиболее мощных горелок вблизи выпускных воздуховодов для топочного газа с целью сведения к минимуму потерь энергии топочного газа. Однако если температура стекла под поверхностным слоем расплавленного сырьевого материала слишком низкая и есть риск затвердения стекла, вспомогательные горелки могут быть расположены вблизи места загрузки сырьевых материалов, либо вмонтированы в стены печи или в свод. Альтернативный способ сведения к минимуму потерь энергии топочного газа - использование дополнительного электрообогревателя (стекло, будучи нагретым электродами продвигается по полу печи). Нагревание с применением погружных электродов имеет то преимущество, что оно обеспечивает температурный контроль с возможностью точной регулировки в соответствии с локальными техническими требованиями. Более того, эффективность этого электроэнергоснабжения значительно выше, чем при нагревании пламенем, что позволяет ей сохраняться на более низких уровнях.

Горелки располагаются на некотором расстоянии как от мест загрузки сырья, так и от верхних по ходу потока выпускных воздуховодов для топочного газа. Результатом необходимого энергоснабжения в этой зоне, следовательно, в первую очередь являются конвекционные течения внутри расплава, которые становятся более интенсивными в зависимости от того, чем больше разница температур между поверхностью, покрытой сырьевыми материалами, предназначенными для расплавления и далее ниже по ходу потока в расплавленном стекле. Во-вторых, это энергоснабжение поступает от топочного газа, который движется в противоположном направлении, будучи направленным к выпускным воздуховодам, расположенным выше по ходу потока. Повсеместно температура в этой верхней по ходу потока зоне не самая высокая в печи, но она все же остается достаточной для поддержания плавления.

Хотя первые горелки располагаются на некотором расстоянии от мест выпуска топочного газа, для того чтобы не замедлять плавления сырья, тем не менее, необходимо расположить эти первые горелки в зоне печи, в которой расплав еще покрывается нерасплавленными сырьевыми материалами. Эта зона преимущественно не превышает половины длины печи, и, в частности, более предпочтительно составляет не более одной трети ее. Это является необходимым потому, что помимо расплавления этого покрывала (поверхностного слоя), необходимо обеспечить, чтобы частицы материала, рассеянные в расплаве, хорошо расплавились и чтобы температура поднялась до наивысшей точки, позволяющей не только завершить процесс плавления, но также довести расплав до гомогенизированного состояния.

Кроме расположения горелок значительным фактором является распределение поставляемой энергии. Мощность горелок наиболее высока в той части зоны плавления, которая расположена близко к зоне осветления, в этой зоне достигаемая температура наиболее высокая.

В зоне осветления температура расплава должна, в основном, поддерживаться, следовательно, необходимое энергоснабжение будет более ограничено. Предпочтительно горелки в этой зоне располагаются в части, наиболее приближенной к зоне плавления. Предпочтительно энергоснабжение уменьшается в направлении продвижения через зону осветления.

Необходимо обеспечить возможность внесения изменений в эксплуатационные параметры печи, прежде всего, относительно общей подводимой энергии. Эти изменения, вызванные свойствами сырьевых материалов, изменениями в продукции и т.д., обычно ограниченного масштаба. Для поддержания, по возможности, условий оптимизированного распределения энергии, изменения традиционно касаются,

- 5 018516 главным образом, горелок, расположенных ниже по направлению продвижения стекла. Этот конкретный аспект имеет следствием то, что в этой зоне существуют изменения в объеме топочного газа. Следовательно, для того, чтобы избежать изменений далее выше по ходу потока, из-за разрыва динамического равновесия полезно в соответствии с данным изобретением регулировать скорость потока топочного газа посредством выпускных воздуховодов расположенных в нижней по ходу потока зоне печи, как указывалось выше.

В конвекционных печах, работающих в режиме воздушнотопливного горения, горелки размещаются в боковых стенках печи таким образом, чтобы пламя распространялось вблизи от поверхности расплава. Такое размещение возникает, частично, из-за ограниченного по времени пребывания в печи топочного газа, который, по существу, выпускается непосредственно на той стороне печи, которая обращена к горелкам. Появляется необходимость максимизировать теплообмен, включая конвекционный теплообмен в течение этого короткого времени пребывания и, следовательно, необходимо обеспечить, чтобы пламя также находилось в контакте с поверхностью расплава.

В случае работы в режиме кислородотопливного горения как в изобретении поступление теплоснабжения путем конвекции ограничено, как указывалось выше. Поэтому желательно располагать горелки на стороне стенок на некотором расстоянии от поверхности расплава, гарантируя достаточное распределение энергии поступающей непосредственно от пламени, как в направлении расплава, так и в направлении свода.

Как указано выше, использование кислородотопливного горения изменяет атмосферу печи, которая практически не содержит азота. С другой стороны, она сравнительно более насыщена водяным паром. Эта особенность имеет значительное влияние на протекание процесса плавления. В частности, повышение содержания воды в атмосфере над расплавом сопровождается повышением ее содержания в стекле.

Таким образом, наличие высокого содержания воды способствует дегазации стекла и облегчает процесс осветления.

Одним из возможных побочных эффектов высокого содержания воды является образование пены на поверхности расплава. Присутствие пены нежелательно особенно потому, что она создает препятствие для хорошего теплообмена. Известны средства для снижения количества пены в случае ее появления. Эти средства независимо от мер, принимаемых с целью предотвращения образования пены, изменяют поверхностное натяжение стекла, например использование технологии описанной в публикации ЕР 1046618.

Другие средства для минимизации риска образования пены в зонах, где это может создавать особенные проблемы, особенно в зоне осветления, включают в себя ограничение содержания водяного пара посредством выбора топлива, используемого в этой части печи.

Кислородотопливное горение может осуществляться с использованием различных видов топлива без потери полезности вышеупомянутых преимуществ. Наиболее часто используемыми видами топлива являются природный газ или жидкие топлива.

Что касается содержания водяного пара, оно выше при использовании газа, чем при использовании жидких топлив. По этой причине, помимо вышеупомянутых вопросов, касающихся энергозатрат, может быть выгодно в соответствии с изобретением осуществлять питание горелок, расположенных в зоне осветления, жидким топливом. В этом случае риск образования пены в той части печи, где это может быть наиболее предсказуемо, снижается.

Экономическая оценка кислородотопливного горения базируется, с одной стороны, на стоимости кислорода и стоимости применяемых огнеупоров и, с другой стороны, на экономии топлива и экономии, связанной с частичным отказом от очистки топочного газа. Для получения положительного результата необходимо восстановить значительную часть тепла, содержащегося в топочном газе, выходящем из печи. На практике, как и в случае печей воздушнотопливного горения, наиболее эффективное использование заключается в прогреве реагентов, вводимых в печь, а именно кислорода, топлива и, возможно, сырьевых материалов.

По сравнению с технологиями воздушнотопливного горения, особенно с той, при которой используются регенераторы, одна из трудностей проистекает из характера необходимых установок. Топочный газ может поступать в регенераторы практически собранным на выходе печи. Материалы, из которых изготавливаются регенераторы, особенно футеровка, в основном, изготавливаются из огнеупорной керамики, без труда выдерживающей температуру топочного газа и пыль, которую этот газ может содержать. Впоследствии прогретый в горячих регенераторах воздух не требует принятия никаких особых мер предосторожности. Наоборот, гораздо больше мер предосторожности требуется принимать, когда нагретые продукты используются для кислородотопливного горения, практически, при нагревании кислорода. Установки, в которых движется кислород, должны быть полностью газонепроницаемыми, устойчивыми к высоким температурам и устойчивыми к воздействию кислорода, передаваемого при этих температурах.

В отношении топочного газа усилия должны направляться на обеспечение того, чтобы он захватывал минимальное количество пыли. Нахождение пламени на определенном расстоянии от поверхности расплава, особенно в зонах, где расплав покрыт материалами, которые еще не расплавились, способствует минимизации этого захвата. Также способствует этому тот факт, что горелки, когда они расположены

- 6 018516 в шахматном порядке, минимизируют турбулентность, которая может возникнуть в результате воздействия потоков газа, вытекающих из горелок, расположенных напротив друг друга.

Средняя скорость движения топочного газа в продольном направлении, как правило, не превышает 3 м/с и обычно составляет менее 2 м/с. В пламени эта скорость гораздо выше, в пределах от 30 до 100 м/с, эта скорость обычно ниже скорости в пламени воздушно-топливного горения.

В соответствии с изобретением кислород предварительно, главным образом, прогревается в теплообменниках, изготовленных из стали, обладающей превосходной устойчивостью к воздействию горячего кислорода. Теплообменники и материалы, пригодные для такого использования, описаны в неопубликованной европейской патентной заявке ЕР № 07/107 942, зарегистрированной 10 мая 2007.

Горячий кислород, поставляемый теплообменником, доводится до температуры, которая может максимально составлять 650°С. Это значение зависит от устойчивости, которая может быть достигнута сплавами металлов, имеющими наилучшие характеристики. Этот предел создает возможность гарантировать продолжительность использования в отношении вида установки, о которой идет речь.

На практике, для обеспечения лучшей безопасности желательно поддерживать температуру кислорода ниже 600°С.

Для того, чтобы прогрев кислорода был достаточным для значительного повышения экономических показателей, желательно установить температурный уровень не ниже 350°С.

Аналогичным образом, используемое топливо, главным образом, прогревается независимо от того, используется природный газ или жидкое топливо. Температуры, которые достигаются топливом, не зависят от резистентности установки. Однако они могут зависеть от возможного разрушения этого топлива. В частности, необходимо предохранять его от крекинга, даже частичного, результатом чего является засорение установок. Для природного газа благоприятной температурой прогрева является температура ниже 650°С и предпочтительно ниже 550°С. Для тяжелых нефтянных топлив температура обычно ниже, не превышающая 180°С и предпочтительно не превышающая 150°С.

Восстановленного тепла топочного газа вполне достаточно для того, чтобы позволить кислороду и топливу нагреваться до указанных температур, независимо от эффективности теплообмена, когда это выполняется при условиях, приведенных в вышеупомянутой патентной заявке. Также возможно избыточно прогревать сырьевые материалы или подавать питание на котлы (бойлеры) независимо от использования получаемого пара.

Изобретение описано ниже в некоторых деталях со ссылкой на листы чертежей, на которых фиг. 1 - схематический вид печи по изобретению в перспективе;

фиг. 2 схематически иллюстрирует в виде сверху механизмы, показанные на фиг. 1;

фиг. 3 - общая схематическая диаграмма циклов теплообмена, применяемых для печи согласно изобретению;

фиг. 4 - элемент схематической диаграммы, относящийся к потоку в варианте для прогрева кислорода, и фиг. 5 показывает частично вид сверху механизма горелок в печи согласно изобретению.

Печь, показанная на фиг. 1, является типом печи, используемым для производства больших объемов стекла, например, тех, которые служат для питания производственных единиц, производящих листовое стекло, использующих технологию плавки. Печи этого типа работают непрерывно и производят стекло в объемах, которые могут достигать 1000 т/день. Для достижения такой производительности печи должны иметь мощность до 60 МВт(МУ).

Печь 1 включает в себя резервуар, расположенный в изолированной камере. Устройство выполнено из огнеупорных материалов, устойчивых к высоким температурам, разрушению под воздействием топочного газа и агрессивному воздействию расплавленных материалов. Уровень расплава в резервуаре показан пунктирной линией 2.

Сырьевые материалы загружаются в печь с одного конца. Отверстие, через которое эти сырьевые материалы загружаются, показано цифрой 3. На практике, для облегчения распределения по поверхности расплава обычно предусматривается несколько мест загрузки. Выпуск расплавленного стекла (показано стрелкой V) происходит на противоположном конце через шейку 4 небольшой ширины, по сравнению с шейкой резервуара. Чаще всего, нижняя часть шейки 4 находится на уровне нижней части печи.

Шейка не полностью заполнена расплавленным стеклом - остается пространство между верхней частью шейки и поверхностью слоя стекла. Рабочий режим в отношении газовых потоков в печи регулируется таким образом, что атмосфера печи не проходит через шейку, для того чтобы избежать любого риска захватывания пылевой взвеси. Для обеспечения этого режима желательно поддерживать слабый газовый поток, указанный стрелкой А, движущийся в противоположном направлении к потоку расплавленного стекла. Будучи предназначенным только для предотвращения движения потока газа в противоположном направлении, этот поток А поддерживается максимально слабым. Важно минимизировать его, так как он обычно формируется воздухом присутствующим над зоной кондиционирования, не показанной на фиг. 1 (но со ссылкой 5 на фиг. 2), которая следует за шейкой.

Установленные горелки, обозначенные как 6, располагаются по длине боковых стенок печи на каж

- 7 018516 дой ее стороне таким образом, что пламя простирается по всей ширине резервуара. Горелки расположены на расстоянии друг от друга таким образом, чтобы распределить энергоснабжение над значительной частью длины этого резервуара плавления/осветления.

Газообразные продукты сгорания Г выпускаются преимущественно через выпускные воздуховоды 7, расположенные рядом с зоной загрузки печи и на некотором расстоянии от ближайших горелок. На чертеже показаны (фиг. 1 и 2) два выпускных воздуховода 7, расположенные симметрично на боковых стенках там, где сырьевые материалы (МР) загружаются вдоль осевой линии печи. Это предпочтительный вариант, но возможны также и другие конструкции, как, например, выпуск газа в стенке 8, закрывающей печь в ее верхней по ходу потока части. Эти выпускные воздуховоды могут быть также распределены по разному, важным моментом является обеспечение того, чтобы топочный газ двигался назад в противоположном направлении движению стекла V в печи. При необходимости, выпуск топочного газа, в частности, может быть осуществлен, по меньшей мере, частично, через отверстие или отверстия для загрузки сырья.

Как определено выше, согласно изобретению принимаются меры для обеспечения того, чтобы корпус печи являлся практически непроницаемым для проникновения наружного воздуха. Движение топочного газа по направлению к верхней по ходу потока концевой части предотвращает проникновение воздуха на этой стороне печи. Проходы, которые, по возможности, обеспечены на боковых стенках, также практически непроницаемы для проникновения окружающего воздуха. Чтобы не пропустить то небольшое количество воздуха, которое может проникнуть из части кондиционирования 5, целесообразно очень ограниченный поток газа подавать по направлению к нижней по ходу потока концевой части печи. Этот топочный газ Г' выпускается через выпускные воздуховоды 9.

Для регулировки количества воздуха, движущегося из зоны кондиционирования в зону осветления, помимо потоков газа, создаваемых горелками, также важно, как было ранее указано, иметь возможность регулировать количество топочного газа, выделившегося в нижней по ходу потока зоне печи и, который выпускается через выпускные воздуховоды 9.

Стеклоплавильная печь большого объема условно включает в себя две зоны, одна из которых называется зона плавления, а другая зона осветления. Эти две зоны не разграничены на фиг. 1 и 2.

Граница между плавкой и осветлением обычно не очевидна в структуре печи. В частности, если перегородка располагается на нижней части такой печи, то эта перегородка обычно не совпадает с данной границей, несмотря на то, что это играет роль в определении месторасположения этой границы.

Различие между зоной плавки и зоной осветления - это во всех случаях функциональные различия. Это связано с циркуляцией стекла в резервуаре.

Это включает в себя первое конвекционное течение в части плавки и второе конвекционное течение в части осветления, которое поворачивается в противоположном направлении к первому течению. В отсутствие средств, имеющих непосредственное влияние на эту циркуляцию, расположение границы зоны плавления/зоны осветления определяется рядом рабочих параметров, которые включают в себя, в частности, распределение энергии горелками. На фиг. 2 эти две зоны показаны как I и II.

Как общее правило, энергоснабжение, необходимое для расплавления сырьевых материалов больше, чем то, которое необходимо для поддержания стекла при температуре, необходимой для осветления. Поэтому число горелок и особенно энергия, которую они поставляют, больше в зоне плавки.

Хотя целесообразно доставлять максимальное количество энергии для плавления, и поэтому непосредственно с загрузки печи сырьем также необходимо избегать расположения первых горелок слишком близко к выходам топочного газа 7, иначе этот очень горячий топочный газ будет уносить с собой избыточное количество энергии. Выбор того, где установить первые горелки, является поэтому результатом компромисса. Первые горелки устанавливаются таким образом, чтобы они располагались выше надосадочных материалов.

Опять же, для того, чтобы ограничить потери энергии через топочный газ, как указано выше, также возможно изменять мощность горелок в соответствии с их положением. Первые горелки могут, главным образом, работать на более низкой мощности, чем те горелки, которые установлены далее, ниже по ходу потока.

В отношении режимов работы, которые наиболее выгодны, кривая горения, т.е. распределение температуры по длине печи сначала продвигается от верхнего конца до центральной части близко к началу зоны осветления. Затем температура изменяется немного, слегка понижаясь до шейки 4, подготавливая проход в зону кондиционирования. По этой причине нижняя по ходу потока концевая часть печи обычно не имеет горелок.

Распределение горелок показано на фиг. 2 осью. Предпочтительно их расположение в шахматном порядке на каждой стороне резервуара так, чтобы обеспечить выход языков пламени в противоположных направлениях, чтобы они не сталкивались друг с другом. Они разнесены друг от друга в сторону, для наилучшего покрытия поверхности расплава. В этом смысле также предпочтительно используются горелки такого вида, которые распространяют пламя в форме листа приблизительно параллельно поверхности расплава. Номинальная мощность каждой горелки зависит от того, какие горелки выбраны и от количества используемых горелок.

- 8 018516

Свободное пространство на боковых стенках печи 11 (фиг. 5) ограничено присутствием металлической арматуры 12, поддерживающей свод печи. Балки, составляющие эту арматуру, тем ближе расположены друг к другу, чем шире печь и чем тяжелее огнеупорные керамические материалы. Для очень широких печей только две плоские горелки 13 данного типа, описанные в публикации νΟ 2004/094902, могут быть установлены между двумя последовательными балками на каждой стороне печи. Эти горелки создают ступенчатое горение, начиная от центрального устройства подачи топлива 14, соосного с первым устройством подачи кислорода 15, затем посредством нескольких вторичных устройств подачи кислорода 16, 17 параллельных первому, которые расположены на расстоянии друг от друга в одной приблизительно горизонтальной плоскости. Эти горелки ступенчатого горения 13 подают пламя, которое распространяется в плоскости приблизительно параллельной поверхности расплава. В зависимости от их конструкции, эти горелки имеют определенную ширину, следовательно, их количество ограничено пространством между двумя балками.

Как показано на фиг. 1, горелки открыты во внутреннюю полость печи на некотором расстоянии над поверхностью расплава. Этот механизм, как объяснялось выше, позволяет излучаемой пламенем энергии правильно распределяться и это также позволяет совместно с высотой свода обеспечить правильное движение газообразных продуктов сгорания топлива, особенно тех, которые направлены в сторону основных выпускных воздуховодов 7, возвращающихся в сторону верхней по ходу потока концевой части печи. В отличие от печей воздушнотопливного горения топочный газ, который следует, по существу, в поперечном направлении, в случае печи кислородотопливного горения, в соответствии с изобретением топочный газ направляется по длине печи и, следовательно, поперечно к пламени, которое этот топочный газ не должен загасить. Посредством создания свободного пространства как под пламенем, так и над ним топочный газ может продвигаться, не создавая чрезмерной турбулентности препятствующей правильному распределению пламени.

Топочный газ, выпускаемый из печи, используется в устройствах, предназначенных для восстановления некоторого количества энергии, перемещаемой этим газом. Хотя, в принципе, существует возможность осуществления прямого теплообмена между топочным газом и продуктом, предназначенным для прогрева, с целью оптимальной организации работы, в целях эффективности и безопасности с использованием, более комплексных, установок теплообмена.

Однако на фиг. 3 с целью упрощения теплообменные установки показаны в общем как 18 и 19. В этих установках кислород и/или топливо прогревается перед подачей к горелкам по линиям 20, 21.

Топочный газ на выходе из печи первоначально имеет температуру в пределах от 1200 до 1400°С. При таких температурах желательно, чтобы топочный газ проходил через рекуператор, другими словами, суммарный теплообменник, позволяющий снизить температуру топочного газа с целью обработки его до того, как он будет выпущен в атмосферу через дымоход 24. Рекуператор представляет собой систему, в которой газ движется в противоположном направлении с топочным газом. В его наиболее элементарной форме он включает в себя две концентрические трубки. Более усовершенствованная система формируется из пучка трубок, проходящих через камеру, в которой движется жидкий теплоноситель. Эти два типа могут комбинироваться.

После прохождения через этот рекуператор топочный газ все еще имеет высокую температуру, обычно не ниже 700°С за исключением тех случаев, когда используются очень большие рекуператоры. Перед выпуском топочный газ проходит обезвреживающую обработку с целью, в частности, удаления оксидов серы. Эта операция удаления производится, например, в электрофильтрах. Во избежание повреждения этих фильтров температура должна быть еще понижена до примерно 300-400°С. Один из экономичных способов осуществления этого состоит в разбавлении топочного газа наружным воздухом.

Пониженная до этих температур смесь все еще может быть использована, например, как средство питания паровых котлов. Пар, о котором идет речь, может быть использован, в частности для прогрева жидких топлив. Они, главным образом, прогреваются до температур между 100 и 150°С, предпочтительно между 120 и 140°С.

Жидкостный теплообменник, используемый в рекуператорах, со своей стороны, используется, как указано ниже со ссылкой на фиг. 4.

На изображении, показанном на фиг. 3, две теплообменные установки 18, 19 расположены по одной на каждой стороне печи. Две линии топочного газа соединены линией 22. Последняя линия, в случае необходимости осуществления технического обслуживания или ремонта одной из установок, позволяет мгновенно отвести, по меньшей мере, некоторое количество топочного газа на вторую установку, а остальной может быть также выпущен через линию 27 или 28. Аналогичным образом, линия 23 используется, при необходимости, для питания жидким теплоносителем обеих сторон.

Линии 27 и 28 используются, при необходимости, для избежания прохода топочного газа через рекуператоры, отправляя его прямо к месту выпуска 24.

На фиг. 3 топочный газ Б', выходящий ниже по ходу потока, не показан, равно, как и трубки для теплообменников. В зависимости от конструкции установки также возможно соединить эти выпускные воздуховоды таким образом, чтобы весь топочный газ был восстановлен. Если восстановленной энер

- 9 018516 гии больше, чем она может быть использована, от этого восстановления можно при необходимости отказаться.

По причинам, указанным выше, выгодно осуществлять теплообмен в два этапа. В первом рекуператоре топочный газ нагревает промежуточный газ, например воздух, азот, СО₂ или любую другую подходящую газовую среду, которая, например, циркулирует в цикле между этим рекуператором и теплообменником, или еще лучше, несколькими теплообменниками, в котором теплообменник(и) нагревают кислород или топливо. Альтернативная ситуация касается промежуточного газа, такого как воздух, который можно не использовать в цикле, но восстановить горячий воздух у выпускного воздуховода вторичных теплообменников посредством бойлера или других средств восстановления энергии.

Фиг. 4 иллюстрирует этот принцип. На рекуператор 25 поступает топочный газ Р и в противоположном направлении к нему газ А, например воздух. Нагретый воздух отправляется на ряд теплообменников 26, в которых он движется в противоположном направлении к кислороду, который прогревается перед подачей на горелки 13.

На практике, из-за трудности подачи горячего кислорода над длинными линиями из-за стоимости линий или из-за потерь тепла в соответствии с изобретением, главным образом, предлагается прогревать кислород в непосредственной близости от горелок, которые этот кислород будут потреблять. Для этой цели необходимо увеличить число теплообменников, каждый из которых будет в зависимости от ситуации осуществлять питание одной горелки или малого числа горелок, расположенных в промежуточной зоне прохода.

На фиг. 4 каждая горелка 13 получает питание от теплообменника 26.

Воздух после прогрева кислорода возвращается в рекуператор 25 или возвращается в воздуховод печи для топочного газа для направления в бойлер (котел).

Claims (10)

1. Стеклоплавильная печь, содержащая плавильный каналообразный резервуар, с возможностью загрузки сырьевых материалов в верхней по ходу потока части и получения расплавленного стекла в нижней по ходу потока части, снабжённая для нагрева горелками, распределёнными на стенках по длине печи таким образом, чтобы по меньшей мере 40% энергии для печи поступало в плавильную зону с возможностью получения от кислородотопливных горелок в печи по меньшей мере 65% энергии нагрева, причём выпуск основной части топочного газа расположен вблизи верхней по ходу потока части около отверстий для загрузки сырьевых материалов, а остального топочного газа - вблизи нижней по ходу потока части для поддержания динамической изоляции в отношении окружающей среды.

2. Печь по п.1, отличающаяся тем, что горелки распределены на стенках по длине печи таким образом, что обеспечивают поступление в плавильную зону энергии, не превышающей 80% от общей энергии печи, предпочтительно не превышающей 70%.

3. Печь по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что горелки расположены на расстоянии от зоны загрузки сырьевых материалов и от мест выпуска топочного газа.

4. Печь по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что горелки, первые в направлении движения стекла, расположены по длине печи над зоной, где присутствует надосадочный слой.

5. Печь по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что горелки расположены с возможностью подачи максимальной энергии по длине печи на границе между зонами плавления и осветления.

6. Печь по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что энергоёмкость первых и последних горелок меньше энергоёмкости других горелок.

7. Печь по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что горелки открыты внутрь печи и расположены на расстоянии над расплавом, которое составляет не менее 0,25 м, предпочтительно не менее 0,40 м.

8. Печь по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что горелки открыты внутрь печи и расположены на расстоянии над расплавом, которое не превышает 1,0 м, предпочтительно не превышает 0,8 м.

9. Печь по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что зона загрузки содержит электроды для подачи ограниченного количества энергии в этой зоне.

10. Печь по п.9, в которой электроды подают не более 10% энергии, а предпочтительно не более 5% от общего количества энергии, используемой в печи.