Усовершенствование стекловаренных печей

Обзор.

Стекольная промышленность является энергоемкой отраслью народного  хозяйства. На производство 7,5 млн. тонн стекла в год расходуется около 8 % топлива от общего потребления  в промышленности. В США, Англии, Германии и ряде других стран расход тепла на варку стекла составляет 4,5 — 5,0 МДж/кг, что в 1,5-2 раза ниже отечественных показателей. Значительное различие отмечается в удельной производительности печей. За рубежом она равна 2,5 — 3, на наших заводах не превышает 2 т/(м -сут). Достижение мирового уровня технической эффективности в производстве стекла - приоритетная задача стекольной промышленности страны. На компанию печи влияет удельный съем стекломассы, температурный режим варки, качество огнеупорных материалов и т.п. Параметры организации факела (направленность, длина и др.), конвекционные потоки и распределения температуры расплава в варочном бассейне, однородность стекла и другие характеристики невозможно измерить и тем более подвергнуть систематическому инструментальному контролю.

За последние десятилетия  принципиально изменились внешние  условия работы стекольных предприятий. Непрерывно растет стоимость материальных и топливно-энергетических ресурсов. В этих условиях при определении  параметров проекта реконструкции  или нового производства правомерно ориентация на высшей технический уровень  показателей эффективности. В основном применяются регенеративные ванные печи непрерывного действия. За последние десять лет регенеративная ванная печь не претерпела заметных внешних изменений. В то же время ее основные конструктивные элементы подвергались непрерывной модернизации.  Совершенствование конструкции варочного и выработочного бассейнов, горелочных устройств, регенеративной системы и других привело к тому, что технико – экономические показатели зарубежных печей достигли весьма высокого уровня. Достаточно сказать, что КПД современных стекловаренных печей превышает 50-60%. Развитию стекловаренных печей способствовало применение высококачественных огнеупорных и теплоизоляционных материалов, современных систем контроля и управления тепловой работой, повышение требований к качеству минерального сырья и вторичного боя, используемых для приготовления шихты.

По схеме движения продуктов  сгорания топлива в рабочем пространстве регенеративные ванные печи подразделяются на два типа. Печи с поперечным направлением пламени (рис.1,а) применяются для варки как плоского, так и тарных стекол. Для плоского стекла этот вариант конструкции печи в настоящее время не имеет альтернативы. Сжигание топлива по средствам нескольких пар горелочных устройств, расположенных в боковых продольных стенах пламенного пространства, позволяет достаточно эффективно реализовать многостадийный технологический процесс получения стекла. При этом для каждой стадии при их последовательном протекании как во времени, так и в пространстве (по длине варочного бассейна) можно создать необходимые условия по температуре, давлению, и составу газовой среды в пламенном пространстве.

 Печи с поперечным  направлением пламени до настоящего  времени используются в отечественной  стеклотарной промышленности. Они  проектируются и для новых  заводов, оснащенных современным  стеклоформующим оборудованием.  Данная конструктивная схема  позволяет за счет увеличения  размеров печи с меньшим риском  решать задачу достижения высокой  производительности (200-300 т/сут). При  этом не учитывается, что экстенсивный  подход к проблеме производительности  неизбежно приводит к увеличению  размеров печи, у которых площадь  варочного бассейна может достигать  150-200м² . Более эффективной является регенеративная стекловаренная печь с подковообразным направлением пламени (рис 1 б). Данная конструкция печи имеет ряд приемуществ по сравнению с поперечной схемой отопления. Например, за счет меньшего объема огнеупорной кладки регенераторов и дымоходов количество горелочных устройств и загрузчиков шихты, датчиков контроля и локальных систем автоматического управления тепловым режимом ее стоимость на 20-30% ниже стоимости печи с поперечным направлением пламени. Удельный расход топлива на печах с подковообразным направлением пламени на 15-25% ниже чем при поперечной схеме отопления. Это связано с меньшими потерями теплоты через арки влетов и загрузочных карманов (в 3-5 раз) и большей протяженностью зоны теплообмена между продуктами сгорания и поверхностью ванны (минимум в 2 раза). В настоящее время находят применение стекловаренные печи с подковообразным направление пламени, площадь варочных бассейнов которых равна 30-160м². Увеличение площади ванны усложняет управление тепловой работой печи этим обусловлено и минимальная площадь варочного бассейна печей с поперечным направлением пламени, которая, как правило, не принимается менее 70м². Условное ограничение минимального размера ванны никоим образом не отражается на возможностях повышения производительности печей с подковообразным направлением пламени, поскольку цель достигается за счет повышения удельного съема стекломассы.

Современное развитие стекольной промышленности связано с непрерывным  увеличением производительности печей. Эта тенденция характерна для  производства как плоского, так и  полого стекла (рис 2).

 

Можно отмстить, что до сих  пор находятся в эксплуатации печи меньшей производительности, предназначенные для выработки плоского стекла методом вертикального вытягивания. Однако по мере вывода из эксплуатации морально устаревших систем ВВС доля печей с высокой производительностью будет возрастать.

Задание проектной производительности стекловаренной печи, на первый взгляд, представляется достаточно простой задачей. Известно, что она определяется скоростью работы выработочного оборудования и параметрами производимой продукции. Например, для флоат-процссса производительность печи рассчитывается по формуле:

 

где Р_п — производительность печи, т/сут;

W_л — скорость вытягивания ленты, м/ч;

Ρ_cт — плотность стекла, кг/м³;

 b и d — ширина и толщина ленты стекла соответственно, м.

При этом скорость вытягивания находится  в определенной зависимости от ширины и толщины ленты. Например [10], при b = 3,5 м и d = 1,5, 4 и 6 мм скорость вытягивания равна 1500, 900 и 600 м/ч соответственно. Указанным условиям соответствует производительность печи 472,5 и 756 т/сут.

В любом подходе остаются открытыми два вопроса: о задании проектной производительности печи и управления ее тепловой работой на переходных режимах

Если рассчитывать печь на максимально  востребованную производительность, то при ее уменьшении мы изначально допускаем возможность эксплуатации теплового агрегата с повышенным удельным расходом топлива.

Остановимся на технических аспектах тепловой работы печи в условиях переменной производительности, понимание которых может быть полезным в преодолении последствий переходных режимов эксплуатации. Начнем с "простого" соотношения — заданной производительности печи должна соответствовать заданная температура варки (температурная кривая в пламенном пространстве). Отклонение производительности печи от номинального значения требует изменения температурных условий варки. Управление температурой в печи может осуществляться различными способами. Наиболее отработанными из них являются стабилизация максимальной температуры в пламенном пространстве путем изменения расхода топлива и стабилизация расхода топлива с компенсацией внешних воздействий на температурный режим печи. Оба способа могут быть реализованы лишь при наличии передаточных функций (уравнений регрессии), связывающих производительность печи с температурой варки. Поскольку производители стекла, как правило, не располагают подобного рода сведениями, установление нового температурного режима варки проводят опытным путем, основываясь на визуальном контроле протекания варки шихты на поверхности стекломассы и на качестве готовой продукции. Другими словами — путем проб и ошибок.

В целом следует отметить, что изменение производительности печи в процессе эксплуатации вносит значительные возмущения в ее тепловую работу. Задание новых температурных условий варки и возможностъ их быстрой стабилизации предполагают детальное исследование влияния производительности печи на параметры внешнего и внутреннего теплообмена. Учитывая конструктивные и технологические особенности стекловаренной печи, становится понятным, что задачи подобной сложности могут быть решены лишь с применением численной математической модели печи, учитывающей ее реальные геометрические параметры и теплофизические аспекты технологического процесса.

Если производительность печи определяется выработочным оборудоваиием, то ее удельная величина является одной из важных технических характеристик конструкции теплового агрегата. В обшем случае следует иметь в виду два показателя удельной производительности, характеризующих текущее значение удельного съема Р_хл и суммарную выработку стекла с 1 м^2: площади варочного бассейна Р_уд^Σ за весь период эксплуатации печи:

где F_в — площадь варочного бассейна, м²;

П — межремонтный период печи. сут.

Несмотря  на прямую зависимость, параметры Р_уд и Р_уд^Σ имеют различное смысловое содержание.

Для отечественных  печей интегральная величина удельного  съема стекломассы находится  в пределах 3 - 6 тыс. т/м² для зарубежных 8 -10 тыс. т/м^:. Незначительная величина Р_уд^Σ на отечественных печах обусловлена их малой кампанией и низким удельным съемом стекломассы. До недавнего времени продолжительность межремонтного периода отечественных печей в производстве полого стекла 5 лет и плоского стекла 7 лет считалась большим достижением. В то же время для зарубежных печей она составляет 8 - 10 и 10 - 12 лет соответственно.

Следует отметить, что повышение удельного съема стекломассы — одна из основных тенденций современного развития конструкций стекловаренных печей (рис. 3). Уникальность этой характеристики печи заключается в том, что ее значение определяют не только размеры печи и ее стоимость, но и затраты тепловой энергии на стекловарение.

Исходя из доминирующей роли радиационного теплообмена в высокотемпературных печах, становится понятной вполне определенная зависимость Р_уд от температуры варки (см. рис.3).Чем больше температура варки, тем меньше времени требуется на осуществление основных стадий стекловарения.

Расход потребляемой энергии - важнейшая эксплуатационная характеристика стекловаренных печен. В практике его принято оценивать удельным расходом теплоты на варку 1кг стекла. В зарубежных странах с развитой стекольной промышленностью (США. Англия. Франция. Германия и др.) удельные затраты теплоты на варку плоского и тарного стекла составляют в среднем 5.85 и 5,0 МДж/кг, а на лучших печах 5.1 и 4.33 МДж/кг соответственно. В отечественной стекольной промышленности эти показатели, за редким исключением, в 1,5 раза превышают достигнутый мировой уровень. В общем виде для пламенных печей

 

где q_уд — удельный расход теплоты, кДж/кг;

        В  — расход топлива, м³ /с;

          Q_н^р -низшая рабочая теплотворная способность топлива, кДж/м³;

        Р_п — производительность печи, кг/с.