ИТС 5-2015 Производство стекла

     2.1.3 Стекловаренные печи

Выбор печи в технологии любого изделия является определяющим, поскольку от него в первую очередь зависит экономическая эффективность производства. Критериями выбора являются вид потребляемого энергоносителя, производительность, химический состав стекла и экологическая эффективность [11, 31, 37].

Существует несколько классификаций стекловаренных печей. Для целей настоящего справочника НДТ за основу взята их производительность.

Первая группа - печи производительностью более 500 т/сут - ванные регенеративные газовые печи непрерывного действия с поперечным направлением пламени. Как правило, их используют для производства листового флоат-стекла. В современных стекловаренных печах коэффициент полезного действия (КПД) достигает 33%-35%.

Вторая группа - печи средней производительности (100-500 т/сут) - ванные регенеративные газовые печи непрерывного действия. В зависимости от вида выпускаемой продукции они бывают двух типов: для производства флоат-стекла - с поперечным направлением пламени, а для производства стеклянной тары - с подковообразным. Печи с подковообразным направлением пламени гораздо экономичнее и экологичнее, поскольку в них работает всего две пары горелок, однако они требуют дополнительных устройств для регулирования окислительно-восстановительных условий, осветления и гомогенизации стекломассы. КПД печей средней производительности с подковообразным направлением пламени может достигать 40% и более.

Третья группа - печи малой производительности (2,5-100 т/сут) - малые регенеративные или рекуперативные газовые ванные печи, электрические печи горизонтального и вертикального вида и стекловаренные печи смешанного типа - газоэлектрические непрерывного действия, которые используются для варки хрустального, оптического и других специальных видов стёкол. Для газовых печей КПД не превышает 25%, для газоэлектрических достигает 35%-40%, для электрических печей составляет около 65%-70%.

Природный газ - основное топливо, используемое в российской стекольной промышленности, главным образом из-за его экономичности и экологичности по сравнению с жидким топливом. Большинство видов жидкого топлива, используемых для варки стекла, нуждаются в предварительном нагреве до 110°С-120°С, с тем чтобы снизить вязкость для заливки в ёмкости при транспортировке и распылении через наконечники горелок.

2.1.3.1 Регенеративные и рекуперативные газовые печи

Стекловаренные печи, использующие в качестве основного энергоносителя природный газ, снабжены системами его подачи и отвода продуктов горения. Для подачи газа и воздуха на горение применяют два типа теплообменников: регенераторы и рекуператоры.

Регенератор - это камера, внутри которой находится насадка из огнеупорного кирпича с системой отверстий. При прохождении через насадку отработанных дымовых газов сверху вниз кирпичи нагреваются и затем отдают тепло пропускаемому снизу вверх воздуху, нагревая его до 1200°С-1350°С. Система управления переключает газовые потоки в парах горелок таким образом, чтобы одна работала на горение топлива, а вторая - на нагрев насадки. Через фиксированный промежуток времени происходит переключение газовых потоков, и тогда вторая горелка сжигает топливо, а насадка регенератора первой нагревается отходящими газами.

Рекуператор - это теплообменник, в котором отходящие газы непрерывно подогревают систему подачи воздуха на горение и через неё сам воздух до температуры 800°С. Конструктивно рекуператоры более массивны и занимают больше места, но с их помощью удобнее регулировать температуру в больших и средних печах.

Рекуперативные печи выгодно использовать там, где масштаб производства слишком мал, чтобы сделать использование регенераторов экономически целесообразным, и где необходимо минимизировать первоначальные затраты.

Регенеративная ванная печь с поперечным направлением пламени состоит из собственно ванны со сводом, нескольких пар горелок, расположенных по обеим сторонам печи, системы загрузки сырьевых материалов и выработочного канала (см. рисунок 2.1.1).

Факел пламени горелок имеет конусообразную форму, настильно располагается над расплавом и перекрывает всё пространство между двумя соседними парами. Отвод отработанных дымовых газов из регенераторов происходит по системе дымоходов, расположенной под стекловаренной печью, соединённой с общей дымовой трубой.

    
Рисунок 2.1.1 - Регенеративная стекловаренная печь с поперечным направлением пламени [11]

Преимущество печей с поперечным направлением пламени состоит в том, что для каждой пары горелок можно задавать своё соотношение газ/воздух, поддерживать необходимую температуру на каждом участке печи и, следовательно, регулировать скорость и направление конвективных потоков стекольного расплава, что весьма важно для больших печей.

В стекловаренной регенеративной печи с подковообразным направлением пламени две пары горелок с регенераторами расположены в одном конце печи. Факел пламени каждой горелки имеет U-образную (подковообразную) форму. Таким образом, каждая работающая горелка обогревает всё пламенное пространство печи. Стекломасса, полученная в таких печах, характеризуется меньшей степенью гомогенизации, чем в печах с поперечным направлением пламени. Такие конструкции идеальны для стекловаренных печей средних размеров, используемых, например, для производства тарного стекла, поскольку стеклянная тара, в отличие от листового стекла, не нормируется по светопропусканию.

Для повышения качества стекломассы в печах с подковообразным направлением пламени рекомендуют использовать дополнительный электроподогрев - локальный подвод дополнительного тепла к расплавленному стеклу в стекловаренной печи путём установки электродов в боковых стенках (горизонтальные электроды) или в дне (вертикальные электроды) зоны максимальной температуры. Технология может быть применена в разные сроки эксплуатации печи, например для поддержания уровня удельного съёма стекломассы по мере приближения окончания кампании.

Дополнительный электроподогрев может также использоваться при производстве цветного стекла из-за пониженной теплопрозрачности у зелёных и коричневых стёкол.

Печи с использованием кислорода для горения основного газового топлива предусматривают полную или частичную замену воздуха подаваемого на горение газа кислородом. Такая замена преследует две цели. Первая - экономическая (избавиться от громоздких регенераторов), вторая - экологическая (уменьшить содержание оксидов азота в отходящих газах). Кроме того, при использовании очищенного кислорода удаётся достичь высоких температур при меньшем количестве газа подаваемого на горение топлива и увеличить полноту его сгорания.

Как правило, такие печи имеют стандартную базовую конструкцию, однако в них вместо регенераторов и рекуператоров стоят скромные по размерам системы питания газовых горелок кислородом. Печи с газокислородным пламенем используют в малотоннажных производствах специальных стёкол, например для выпуска стекловолокна. Широкому распространению подобных технологий для производства других видов продукции препятствует повышенная опасность при работе с кислородом, хотя экологический выигрыш при их использовании не подвергается сомнению [11, 20].

2.1.3.2 Электрические печи прямого нагрева

Электрические печи для варки стекла - самые производительные и экологически безопасные в настоящее время. Существует два основных типа электрических печей прямого нагрева: вертикальные и горизонтальные, - которые различаются по направлению движения стекломассы от загрузки к выработке. Наибольшее распространение в практике стекловарения получили печи вертикального типа (см. рисунок 2.1.2).

Загрузка шихты в таких печах производится на зеркало наваренной стекломассы, т.е. запуск электрической печи осуществляется с помощью газовых горелок, расположенных на уровне загрузочного кармана, назначение которых - расплавить определённое количество шихты и обеспечить необходимый объём расплава для погружения электродов.

Нагрев стекломассы производится за счёт погружённых в неё электродов, расположенных парами с двух сторон в средней части варочной зоны печи. Соответственно, температурный максимум находится вблизи электродов и составляет не менее 1500°С, а температура в загрузочной и придонной частях несколько ниже. Для более равномерного провара порций шихты, поступающих на поверхность сваренной стекломассы, используют загрузчики с разравнивающими устройствами.

    
Рисунок 2.1.2 - Электрическая стекловаренная печь прямого нагрева вертикального типа [11]