CC BY
126Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова 2010, №3
Костенко С.Е., аспирант Онищук В.И., доц., канд. тех. наук Жерновая Н.Ф., проф., канд. тех. наук Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.Шухова
СОВРЕМЕННЫЕ СТЕКЛОВАРЕННЫЕ ПЕЧИ И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
В статье рассмотрены технико-экономические показатели работы современных стекловаренных печей, представлены усредненные затраты тепла на производство стекломассы. Освещены пути повышения энергоэффективности работы стекловаренных печей, описаны перспективные направления повышения их технико-экономических показателей.
Ключевые слова: стекловаренная печь, стекловарение, теплогенерация, теплообмен, тепловые потери, конвекция, гидродинамика, моделирование.
Производство стекла и стеклоизделий является одной из наиболее энергоемких отраслей промышленности, при этом до 80% топливно-энергетических ресурсов затрачивается непосредственно на процесс стекловарения [1].
Теоретически для получения 1 т стекломассы требуется 2,85 ГДж энергии, но промышленность потребляет намного больше из-за потерь, которые связаны с неэффективностью работы стекловаренных печей. В среднестатистической газопламенной печи до 30-40% энергии уходит на нагрев шихты и обеспечение необходимой температуры для протекания реакций силикато- и стеклообразования. Около 20% энергии теряется через ограждающие конструкции печи, 40-30% уносится с дымовыми газами. В итоге для получения 1 т стекломассы затрачивается до 9,1 ГДж энергии [2].
В регенеративных стекловаренных печах для подогрева воздуха используются системы, обеспечивающие возврат в рабочую камеру печи до 30% общей теплоты, затрачиваемой на стекловарение. В регенеративных стекловаренных печах с поперечным направлением пламени, которые, в основном, применяются для варки листового стекла, средняя потребность энергии составляет: для печи производительностью 500 т/сут - 6,85 ГДж/т, а производительностью 800 т/сут - 5,75 ГДж/т. Самая эффективная стекловаренная печь для производства флоат-стекла потребляет 5,1 ГДж/т [3].
В рекуперативных стекловаренных печах для регенерации тепла используют металлические теплообменники, обеспечивающие подогрев воздуха до 800...850°С. Рекуперативные печи менее эффективны с точки зрения использования энергии по сравнению с регенеративными. Поскольку конструкция печи прямого нагрева относительно недорога и позволяет обеспечить очень хорошую управляемость распределением темпе-
ратур в бассейне, такие печи применяются, когда необходимо обеспечить высокую гибкость процесса с минимальными капитальными затратами, в особенности в тех случаях, когда объем производства слишком мал для того, чтобы оправдать применение регенераторов [3].
В печах с кислородным дутьем воздух для горения топлива заменяется кислородом, при этом сокращаются тепловые потери за счет уменьшения объема отходящих дымовых газов на %, но с учетом затрат энергии на производство кислорода технико-экономические показатели (ТЭП) таких печей сравнимы с регенеративными стекловаренными печами [3]. Однако в печах с принудительным кислородным дутьем не используются методы утилизации избыточной теплоты для подогрева поступающего на горение кислорода в связи с требованиями безопасности [4]. Дымовые газы на выходе из печи имеют довольно высокую температуру - 1200...1300°С. Из-за высокого содержания паров воды и веществ, вызывающих коррозию (хлоридов, сульфатов и др.), возврат тепла, теряемого с отходящими дымовыми газами, затруднителен и, в некоторых случаях, отсутствует, охлаждение в таком случае осуществляется за счет разбавления продуктов горения воздухом. Принудительное кислородное дутье позволяет получать высокие температуры пламени и в ряде случаев может обеспечить более высокий (на 25%) удельный съем стекломассы. Это особенно важно в тех случаях, когда есть необходимость в увеличении объемов производства, но отсутствует дополнительная площадь, требуемая для установки печи большего размера, а отсутствие систем подогрева воздуха позволяет отказаться от материалоемких конструкций регенеративных или рекуперативных систем. Наряду с этим, принудительное кислородное дутье также способствует повышению качества стекла [4].
В стекловаренной промышленности используется также способ частичного кислородного дутья. При этом либо воздух для горения дополнительно насыщается кислородом для повышения теплопередачи, либо печь оснащается дополнительными горелками с подачей кислорода. Обычно этот метод применяется для повышения качества стекла и удельного съема, поскольку позволяет расположить высокотемпературное пламя на поверхности стекломассы, повысить градиент температур по глубине стекломассы и, тем самым, усилить конвективные потоки в расплаве [4].
Универсальным способом повышения ТЭП перечисленных конструкций печей, является применение дополнительного электрического подогрева (ДЭП), который может устанавливаться в квельпункте, в подшихтной зоне, в загрузочном кармане, протоке и т.д. Мощность системы дополнительного электроподогрева может составлять 50...2500 кВт. Тепло выделяется при непосредственном пропускании электрического тока через расплав. Для ДЭП используются стержневые молибденовые электроды, устанавливаемые как в дно, так и в боковые стены варочного бассейна. Вокруг электродов образуются мощные восходящие потоки, позволяющие интенсивно усреднять стекломассу [5]. Использование электроподогрева, безусловно, повышает эффективность печи, однако если принять во внимание стоимость электроэнергии, эффективность производства и распределения энергии, общее изменение ТЭП становится менее значительным, а в некоторых случаях даже негативным. Таким образом, ДЭП может быть использован для повышения производительности печи, но не для повышения ее энергоэффективности [4].
В полностью электрических стекловаренных печах эффективность определяется малыми тепловыми потерями и отсутствием отходящих дымовых газов. Такие печи являются экологически чистыми, но, несмотря на все их преимущества, они не получили широкого применения в связи со сравнительно дорогой стоимостью электроэнергии по сравнению с природным газом.
Одной из самых энергоэффективных стекловаренных печей является печь LoNOx, разработанная фирмой SORG, в которой газопламенное пространство разделено на зону загрузки и зону варки. Горелочные устройства устанавливаются в передней части печи - в зоне варки, отходящие газы отсасываются к загрузочному. Промежуточная арка, установленная в газопламенном пространстве, позволяет исключить
нагрев шихты непосредственно тепловым излучением от зоны варки, что создает большую теплоотдачу между отходящими газами и шихтой. Дымовые газы вначале проходят через рекуператоры для подогрева воздуха, идущего на горение, а затем используются для подогрева стеклобоя. Хотя температура подогретого воздуха является относительно низкой по сравнению с регенеративными печами, степень сохранения энергии в печах ЬоКОх остается более высокой за счет низкой температуры отходящих газов (порядка 200°С). Таким образом, потребление энергии печами ЬоКОх сравнимо с лучшими регенеративными стекловаренными печами.
Расход энергии на получение 1 т стекломассы в печах различных конструкций [2] представлен на рис. 1
Использование стеклобоя при варке стекла может существенно снизить потребление энергии на всех типах печей: использующих ископаемое топливо, принудительное кислородное дутье или электроподогрев. Доля вводимого стеклобоя обычно находится в диапазоне от 10 до 25%. Для плавления стеклобоя затрачивается меньше энергии, чем для сырьевых материалов шихты, поскольку в нем уже прошли эндотермические реакции. Таким образом, увеличение доли стеклобоя позволяет сэкономить энергетические ресурсы. Считается, что каждые дополнительные 10% стеклобоя приводят к снижению потребления энергии печью на 2,5.. .3,0% [4].
В конструкциях современных стекловаренных печей начинают применять технологию подогрева воздуха, идущего на горение, до подачи его в поднасадочный канал. При этом воздух, проходя по тонкостенной металлической трубе, расположенной вдоль дна стекловаренной печи, нагревается и при подаче в поднасадочный канал уже имеет температуру 350...380оС. Такое конструктивное решение позволяет уменьшить размеры регенераторов, в частности, высоту, не снижая температуру воздуха, подаваемого на горение.
В настоящее время все большее внимание уделяется способам повышения технической эффективности стекловаренных печей. По механизму воздействия на процесс стекловарения их можно классифицировать следующим образом [6]:
- химические;
- термические;
- гидродинамические;
- совершенствование конструкций стекловаренных печей.
Рис. 1. Сопоставление затрат энергии на получение 1 т стекломассы в печах различной конструкции
Применение химических методов активации процесса стекловарения создает необходимость в установке дополнительного оборудования и затрат дополнительной энергии на предварительную подготовку сырьевых материалов и шихты.
Интенсификация процессов стекловарения за счет повышения температуры варки на сегодняшний день практически полностью исчерпана и ограничивается температурой использования огнеупоров - для отечественного динаса ^^=1580°^ для высококачественного импортного динаса ^^=1600°^ электроплавленного бадделеито-корундового огнеупора до ^=1650^ [7].
Гидродинамические способы интенсификации процесса стекловарения связаны с перемешивающим воздействием и направлены на ускорение взаимодействия компонентов в расплавах и гомогенизацию стекломассы. Перемешивание увеличивает коэффициент массопередачи вследствие замены молекулярной диффузии конвективной, уменьшается толщина диффузионных слоев и увеличивается поверхность соприкосновения реагирующих фаз [6]. Вместе с тем, движение стекломассы в стекловаренной печи сопровождается тепломассопереносом, определяющим интенсивность всех стадий стекловарения [8]. В результате оптимизации гидродинамической картины стекловаренной печи той или иной конструкции возможно без существенных капитальных и текущих затрат значительно повысить не только эффективность самой стекловаренной печи, но и качество получаемой стекломассы.
Как подчеркивалось ранее, применение ДЭП позволяет снизить расход топлива за счет снижения потерь тепла с отходящими дымовыми газами, благодаря увеличению доли потребления тепла стекломассой от электроподогрева. Кроме того, установка ДЭП в зоне квельпункта (зона максимальных температур) позволяет дополнительно фиксировать его местоположение, что особенно актуально для печей с подковообразным направлением пламени. Это позволяет сделать вывод, что применение ДЭП дает возможность проектировать современные высокоэффективные стекловаренные печи, но на сегодняшний день не существует четких представлений о влиянии ДЭП на гидродинамическую картину стекловаренной печи.
Моделирование процессов, протекающих в стекловаренных печах, подтвердили, что небольшие изменения конструкции печи и эксплуатационных условий могут привести к значительным изменениям их мощности и энергоэффективности [9]. Исследованиями особенностей развития гидродинамической картины, возникающей в стекловаренных печах, методами физического и математического моделирования сегодня занимаются многие зарубежные фирмы, такие как: Glass Service, SORG и др. Но их предложения носят сугубо коммерческий характер. Поэтому исследования в данном направлении перспективны и своевременны.
Знания об особенностях движения стекломассы, массо- и теплообмена позволяют уже на стадии проектирования печей различных конструкций обеспечивать необходимые условия для оптимизации процессов стекловарения. В этой пока еще малоисследованной области
скрыт большой потенциал для дальнейшего развития и совершенствования конструкций и параметров работы стекловаренных печей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Дзюзер, В.Я. Современные тенденции развития стекольного производства / В.Я. Дзюзер // Стекло и керамика. - 2004. - №4. - С. 3-8.
2. Как выгоднее сжигать деньги // Стеклянная тара. - 2008. - №5.- С. 4-8.
3. Сравнение энергоэффективности стекловаренных печей [электронный ресурс] // TNO-TPD по заказур Правительства Королевства Нидерландов. -Режим доступа: http://www.14000.ru/proiects/glass/Benchmarking.pdf
4. Справочник по наилучшим доступным техническим методам использования энергоресурсов в стекольной промышленности: Производство сортового и тарного стекла [электронный ресурс] // TNO-TPD по заказур Правительства Королевства Нидерландов. - Режим доступа: http ://www .14000. ru/proj ects/glas s/B AT_in_Energy_use .pdf
5. Системы дополнительного электроподогрева [электронный ресурс] / Научно-производственный комплекс «Стекловаренные печи». - Режим доступа: http://www.steklogaz.ru/produkciq/sistemy/
6. Гулоян, Ю.А. Эффективность технологических процессов в производстве стеклянных изделий / Ю.А. Гулоян // М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. - 168 с.
7. Дзюзер, В.Я. Современное развитие стекловаренных печей для производства тарного стекла/ В.Я. Дзюзер // Междунар. конгр. «Пече-, трубостроение: тепловые режимы, конструкции, автоматизация и экология». - М.: Теплотехника, 2004. - С. 48-45.
8. Дзюзер, В.Я. Проектирование энергоэффективных стекловаренных печей/ В.Я. Дзюзер // Стекло и керамика. - 2008. - №9. - С. 5-9.
9. Масарик, К. Математическое моделирование стекловаренной печи и процесса варки стекла/ К. Масарик // Стекло мира. - 2008. - №3. - С. 55-56.
