РЕГЕНЕРАТОР СТЕКЛОВАРЕННОЙ ПЕЧИ Российский патент 2005 года по МПК C03B5/237 

Изобретение относится к регенератору стекловаренной печи, который выполняет одновременно функцию устройства для улавливания загрязнения, находящихся в отходящих газах, с целью снижения пылевыделения.

Большинство так называемых "пламенных" стекловаренных печей, т.е. таких, в которых источником энергии служат газовые или мазутные горелки, снабжены регенераторами. Они представляют собой ряд камер, футерованных керамическими элементами, которые образуют насадку, обеспечивая возможность циклической регенерации и восстановления тепла. Горячие газы или дымы, выходящие из работающей печи, поступают в насадку, как правило, через верхнюю часть регенератора, выделяя в насадку высвобождающуюся из них тепловую энергию. В то же время в нижнюю часть другой насадки, нагретой в ходе предыдущего цикла, подводится холодный воздух для регенерации тепловой энергии; этот воздух выходит нагретым через верхнюю часть насадки, откуда он направляется к горелкам печи, обеспечивая сгорание топлива в оптимальных условиях.

Рабочий процесс стекловаренной печи сопровождается выделением значительных объемов отходящих газов. В процессе охлаждения этих газов между входом и выходом регенераторов в них образуется пыль. Под термином "пыль" здесь подразумеваются частицы органических или неорганических веществ как в твердом (без ограничения в размерах), так и в жидком виде (капли).

Эта пыль образуется, главным образом, в результате конденсации химических веществ, образующихся при возгонке и рекомбинации соединений, присутствующих в стекломассе в процессе ее производства. Своим происхождением она обязана также наличию загрязнения в топливах. Кроме того, причиной ее появления служит, хотя и в меньшей мере, унос этих сырьевых материалов в твердой форме.

Специалистам известно, что некоторая часть такой пыли, объем которой зависит от условий эксплуатации печи, может осаждаться во время ее прохождения через регенераторы. Такие отложения имеют тенденцию к закупориванию дымовых и воздушных трактов. Вплоть до сегодняшнего дня постоянно предпринимались попытки разработать такую конструкцию насадки, которая позволяла бы минимизировать указанное засоряющее действие.

В документе FR-A-2756820 предложен способ избирательного нагрева традиционных насадок с целью прочистки частей, закупоренных осажденной пылью.

В настоящее время стандарты, действующие во многих странах, нацелены на все большее ужесточение требований к регулированию и уменьшению испускания частиц. Поэтому специалистам стекольной промышленности приходится разрабатывать новые средства, способствующие уменьшению испускания частиц из стекловаренных печей.

Для этих целей предусмотрен целый ряд технических решений.

Наиболее распространенное из них состоит в использовании электростатического осадителя или электрофильтра. Хотя такое устройство и позволяет собрать большую часть выделяющихся частиц, оно страдает очень серьезными недостатками. Действительно, для такой аппаратуры необходимы чрезвычайно большие капиталовложения и эксплуатационные затраты. Кроме того, кислые газы способствуют быстрому разрушению устройства, так что становится необходимой их предварительная обработка перед пропусканием через фильтр, что создает дополнительные трудности.

Можно также упомянуть рукавные, а в более общем случае мембранные фильтры. Они тоже обеспечивают сбор большей части выделяющихся частиц, но и им свойственны указанные выше недостатки. Кроме того, подобные фильтры работают при низких температурах, что требует охлаждения перед обработкой дымов в фильтре. И, наконец, введение дополнительного фильтрующего устройства создает трудности в ведении рабочего процесса печи в связи с возникающим при этом падением нагрузки.

Таким образом, ощущается настоятельная потребность в создании такого устройства для уменьшения пылевыделения в дымовых газах стекловаренных печей, которое было бы достаточно эффективным и свободным от недостатков существующих до настоящего времени печей.

Целью изобретения является удовлетворение указанной потребности путем создания регенератора, выполняющего одновременно функцию улавливающего устройства для сбора загрязнения, имеющихся в отходящих газах стекловаренных печей, что позволит ограничить пылеобразование и, следовательно, сделает ненужным использование вспомогательной фильтрующей системы.

Это достигается благодаря применению насадки регенератора, конструкция которой оптимизирует и контролирует конденсацию пылеобразующих веществ на поверхности огнеупорных изделий, составляющих насадку, при этом последняя сохраняет, разумеется, свои функции теплообменника.

Говоря более конкретно, изобретение относится к регенератору стекловаренной печи, содержащему насадку из нескольких рядов огнеупорных элементов, образующих множество каналов, и отличающемуся тем, что насадка имеет, если смотреть в направлении потока горячих газов, первую зону быстрого охлаждения горячих газов, расположенную в месте поступления горячих газов; вторую, или среднюю зону конденсации и улавливания химических веществ, которые могут создавать пыль; и третью зону отвода конденсата, расположенную на выходе охлажденных газов, причем ряды образующих насадку огнеупорных элементов, которые составляют указанную среднюю зону, включают в себя, по меньшей мере, два смежных ряда, каналы которых имеют проектную поверхность, меньшую, по меньшей мере, на 20%, чем у каналов первой и третьей зон.

Под "проектной поверхностью каналов" здесь понимается наибольшая поверхность, ограниченная огнеупорными стенками на виде сверху. Так, например, всякое сужение каналов или их сдвиг в двух следующих друг за другом рядах приводит к уменьшению проектной поверхности каналов. Для получения сколько-нибудь заметного эффекта такое уменьшение должно составлять, по меньшей мере, 20%.

Под термином "ряд" понимают один ярус или слой образующих насадку элементов.

Целесообразно выполнить насадку предлагаемого регенератора, по меньшей мере частично, из электроплавленых крестообразных составных элементов.

Авторами было разработано для целей исследования специальное устройство, позволяющее выполнить оценку количества пыли, содержащейся в дымовых газах на промышленном объекте. Оно представляет собой выполненную из нержавеющей стали и охлажденную водой пробоотборную трубку. Благодаря этому устройству можно осуществить изокинетическое извлечение репрезентативной пробы дымовых газов, циркулирующих в насадках, в режиме контролируемого пробоотбора. Твердые частицы собираются на фильтре, в то время как газовый поток проходит через ряд промывных колб, наполненных соответствующими поглощающими растворами. Анализы фильтрата и промывного раствора позволяют дать количественную оценку концентрации уже сформировавшейся пыли, а также содержания пылеобразующх химических веществ в парообразной форме. Такое устройство может быть использовано во всем диапазоне температур и скоростей, наблюдаемых в насадках, и позволяет, кроме того, проследить процессы, протекающие между верхним и нижним объемами регенераторной камеры.

Изучение пыли, собранной на фильтре, подтвердило, что пыль, образующаяся в стекловаренных печах, представляет собой частицы крайне незначительных размеров (менее микрона) и состоит по большей части из сернокислого натрия (в частности, в случае производства натрий-кальциевого стекла). Этот сернокислый натрий образуется в ходе реакции между Na₂O в парообразном состоянии (являющимся результатом возгонки веществ на уровне слоя сырьевых материалов и над самой стекломассой) и SO₂ образующимся из топлива и сырья. Он конденсируется при температуре ниже примерно 1110°С и затем отверждается в ходе охлаждения дымовых газов при температуре ниже примерно 900°С. Указанные этапы имеют место в процессе охлаждения дымовых газов и соответственно в регенераторах, если таковые используются.

На входе насадки SO₂, как и оксид натрия, находится в газообразной форме. Вследствие циклической работы насадок огнеупорные материалы имеют меньшую температуру, чем у дымовых газов. В результате создается перепад температур между дымовыми газами в центре канала и газами, находящимися в контакте с огнеупорными стенками. Как только температура образующих насадку элементов становится меньше температуры конденсации сернокислого натрия, начинают действовать явления конденсации на поверхности огнеупорных элементов. В дальнейшем, когда температура дымовых газов становится практически равной температуре конденсации сернокислого натрия, наблюдается самопроизвольная конденсация последнего в форме тумана в середине канала. Часть капель, из которых образован этот туман, осаждается на огнеупорных стенках. Когда температура дымовых газов становится меньше температуры отверждения сернокислого натрия, происходит переход капель из жидкого в твердое состояние.

Измерения, выполненные на различных промышленных печах, позволили выявить механизм пылеобразования и убедиться в том, что его структура именно такова, как описано выше.

В нижеследующем описании будет интересовать, главным образом, пыль на основе сернокислого натрия, хотя следует иметь в виду, что показанные выше явления имеют также место, но при существенно отличных температурах, при работе с другими веществами (сульфатом, хлоридом, боратами щелочных и щелочно-земельных металлов).

Таким образом, было установлено, что для уменьшения интенсивности пылевыделения при использовании насадок регенераторов необходимо, чтобы они обеспечивали возможность максимального увеличения конденсации пылеобразующих химических веществ на составляющих насадку огнеупорных материалах.

Задача изобретения состоит в разработке различных технических решений, которые обеспечили бы достижение указанной цели. В отличие от традиционных регенераторов, где единственное назначение всей насадки заключается в обеспечении теплопередачи, все предлагаемые варианты насадок согласно изобретению имеют по три зоны, каждая из которых играет вполне определенную роль. Первая зона, оказывающаяся на пути дымовых газов, служит для такой их обработки, чтобы добиться максимальной эффективности работы средней зоны. Таким образом, задача состоит, в частности, в сохранении парообразной формы пылеобразующих веществ и в доведении температуры дымовых газов до более высокого значения, которое было бы, однако, близким к температуре конденсации этих веществ. Такое быстрое тепловое кондиционирование должно обеспечить большее место для средней зоны, где в действительности имеют место явления улавливания. На практике различные возможные конфигурации этой средней зоны должны обеспечить более интенсивную конденсацию, а затем осаждение капель на поверхности элементов насадки.

В одном из вариантов поверхности огнеупорных элементов, образующих ряды средней зоны и находящихся в контакте с горячими газами, выполнены, по существу, гладкими.

Наконец, последняя, третья зона рассчитана таким образом, чтобы облегчить естественный или принудительный отвод конденсата и других отложений, поступающих самотеком из предшествующих зон. В одном из вариантов каналы третьей зоны имеют поперечное сечение, по меньшей мере равное по величине поперечному сечению каналов средней зоны.

Для изготовления насадок согласно изобретению можно использовать любые традиционно применяемые спеченные или плавленые огнеупорные элементы. В примерах, приводимых в настоящей заявке, упоминаются разнообразные крестовидные электроплавленые элементы, которые производит и продает SEPR (Европейское общество огнеупоров) для футеровки регенераторных камер. Установлено, что эти изделия дают особенно хорошие результаты именно в подобных установках, поскольку они демонстрируют чрезвычайно низкую реакционную способность по отношению к парам щелочей, содержащимся в дымовых газах, и исключительно стойки к высоким. температурам и термическим циклам, связанным с работой регенераторов. Кроме того, эти изделия имеют значительную удельную поверхность теплообмена, что способствует теплообмену и позволяет добиться очень высокого коэффициента регенерации. С другой стороны, электроплавленые огнеупорные материалы, из которых выполнены крестообразные элементы SEPR, очень легко поддаются операциям очистки насадок методом термической обработки.

Ниже изобретение поясняется с помощью подробного описания и фигур.

На фиг.1 дано схематическое изображение насадки регенератора согласно изобретению в вертикальном разрезе.

Фиг.2 представляет собой разрез по линии I-I на фиг.1 для части средней зоны насадки регенератора согласно изобретению.

На фиг.3 показан вид, аналогичный представленному на фиг.2, но иллюстрирующий один из вариантов выполнения насадки регенератора согласно изобретению.

На фиг.4 дано схематическое изображение другого варианта выполнения средней зоны насадки регенератора согласно изобретению в вертикальном разрезе.

На фиг.5 дано схематическое изображение в разрезе для еще одного варианта выполнения средней зоны насадки регенератора согласно изобретению.

На всех диаграммах ширина каналов дана в одинаковом масштабе.

На фиг.1 показана насадка с тремя зонами А, В и С.

В горячей зоне А, то есть в первой зоне на пути дымовых газов, используются крестообразные огнеупорные элементы 1, имеющие препятствия в виде гофров 2 типа описанных в патенте ЕР-В-354844, которые имеют очень высокий тепловой КПД. Разность температур дымовых газов и огнеупорных стенок очень велика. В результате в рассматриваемой зоне удается быстро понизить температуру дымовых газов до значения, соответствующего началу конденсации. Для этой зоны пригодны любые изделия или группы изделий, имеющие очень высокий тепловой КПД. Необходимо также, как и в случае с известными насадками, чтобы эти изделия были стойкими к воздействию очень высоких температур, а также сред, насыщенных агрессивными химическими веществами. Высота зоны А определяется режимом работы печи (тягой, избытком воздуха и пр.) и, в частности, температурой и расходом поступающих в насадку дымовых газов.

В средней зоне В использованы гладкие крестообразные элементы 3 производства SEPR типов 3 и 6. По всей зоне предусмотрены разные виды размещения элементов по рядам с тем, чтобы создать множество переходных участков. Такие переходы могут быть образованы благодаря использованию элементов другого типа (либо 3, либо 6) благодаря сдвигу элементов одного типа или наличию препятствий на стенках огнеупорных элементов. Эти возможности проиллюстрированы на примере различных частей зоны В. Под действием указанных переходов искажается поток дымовых газов, в результате чего интенсифицируется массопередача между дымовыми газами и деталями насадки. Начальная часть средней зоны В состоит из двух следующих друг за другом рядов, у которых совокупная проектная поверхность (т.е. с учетом обоих рядов) уменьшена по отношению к поверхности горячей зоны А. Конечная часть средней зоны отличается наличием двух следующих друг за другом рядов, совокупная проектная поверхность которых равна или больше проектной поверхности горячей зоны. Внутри этой средней зоны можно периодически либо воспроизводить, либо не воспроизводить ту же ширину каналов, что и в горячей зоне, как раз с тем, чтобы стимулировать переходной эффект. Так, например, в одном из рядов можно выполнить проектную поверхность равной таковой для горячей зоны, однако при этом все ряды, образующие среднюю зону, будут иметь проектную поверхность, меньшую, чем у горячей зоны. Насадка регенератора согласно изобретению отличается сужением (по меньшей мере, локальным) каналов средней зоны. Предпочтительно, чтобы более половины рядов средней зоны участвовали в уменьшении совокупной проектной поверхности этой зоны. Эти "активные" ряды должны иметь минимальную суммарную высоту в 1 м с тем, чтобы добиться достаточно существенного эффекта. Для этой средней зоны В пригодны также любые другие структуры, позволяющие интенсифицировать действие механизмов перехода на стенку пылеобразующих веществ, и в частности, структуры, обеспечивающие создание переходных участков для стимулирования массопередачи (гофрированные детали, смещение каналов, установка препятствий и т.д. и т.п.).

В холодной зоне С использованы те же элементы, что и в средней зоне В, однако каналы здесь шире, что сделано для стимулирования потока конденсата. Благодаря этому устраняются проблемы, связанные с закупоркой из-за скопления застывших конденсатов.

Пригодны также любые другие элементы или расположения элементов, обеспечивающие естественный отвод конденсата путем слива.

В соответствии с одним из вариантов выполнения изобретения можно выполнить холодную зону С, состоящей из деталей, обладающих высокой стойкостью к циклическим режимам и тепловым ударам (независимо от их формы и размещения). Действительно, при использовании этого варианта удается отводить конденсат путем нагрева насадки по известным для специалистов методам. Благодаря регулярному контролю можно запустить процесс термической прочистки, когда скопление конденсата или пыли становится достаточно значительным для того, чтобы помешать прохождению дымовых газов. Совершенно очевидно, что вместо термической прочистки можно прибегнуть к химическому или механическому способу.

Разумеется, возможно совместное использование технических решений, стимулирующих как естественный отвод, так и термическую прочистку.

Фиг.2 иллюстрирует выполнение насадки с меньшими размерами каналов, чем в зоне А по фиг.1. Заштрихованная зона 4 на фиг.2 образует проектную поверхность канала. Действительно, работать с меньшими каналами выгоднее, так как при этом очень существенно увеличивается поверхность теплообмена между дымовыми газами и элементами насадки. Это оказывается возможным благодаря использованию сдвоенных крестообразных элементов 11, т.е. таких, которые получены соединением двух одиночных крестообразных элементов за конец одной из их ветвей, а также благодаря особому размещению таких сдвоенных крестообразных элементов в один ряд, при котором элементы двух смежных линий данного ряда сдвинуты на половинную длину. Кроме того, применение сдвоенных крестообразных элементов дает преимущества, состоящие в повышении устойчивости насадки и облегчении переходов между отдельными зонами.

На фиг.3 показан вариант осуществления, в соответствии с которым каналы 4 выполнены прямоугольными благодаря использованию крестообразных элементов 21, две противолежащие ветви которых короче, чем две другие ветви. В результате этого увеличивается поверхность теплообмена между дымовыми газами и элементами насадки по сравнению с каналами квадратной формы в конструкции по фиг.2, что позволяет интенсифицировать процесс конденсации. Удовлетворяют также требованиям к средней зоне В и, следовательно, охватываются объемом изобретения любые другие элементы или расположения элементов, которые обеспечивают увеличение поверхности осаждения пылеобразующих веществ.

На фиг.4 показан еще вариант осуществления, в соответствии с которым каналы 14 выполнены периодически смещаемыми от ряда к ряду. Такое решение позволяет максимально увеличить разность температур дымовых газов и огнеупорного материала благодаря смещению каналов. Это увеличение перепада температур стимулирует перенос веществ на стенку, а также позволяет интенсифицировать осаждение пылеобразующих веществ. Кроме того, благодаря такому размещению со сдвигом повышается турбулентность, что также способствует интенсификации осаждения.

На фиг.5 показана насадка, каналы которой имеют прерывистые очертания, характеризующиеся изменением 15 направления потока. Для получения подобного прерывания можно использовать крестообразные элементы, две из ветвей которых выполнены наклонными. В зависимости от угла наклона этих ветвей и, следовательно, от получаемого в насадке излома можно добиться увеличения поверхности теплообмена между дымовыми газами и элементами насадки на 4-13% (для угла в 45°). Такое увеличение поверхности теплообмена приводит к интенсификации конденсации на стенках. Преимуществом такого решения, в частности прерывистой структуры поверхности каналов, является также искажение потока дымовых газов, что опять же способствует интенсификации теплопередачи между дымовыми газами и элементами насадки.

Рассмотренные выше варианты осуществления иллюстрируют различные принципы, обеспечивающие максимальное стимулирование переноса на огнеупорные стенки химических пылеобразующих веществ, что имеет целью интенсификацию осаждения этих веществ на образующих насадку элементах. Кроме того, эти технические решения позволяют свести к минимуму опасность закупорки и способствуют поддержанию высокого теплового кпд. Кроме того, использование подобных насадок дает возможность их очистки посредством термообработки.

Изобретение не ограничивается приведенными здесь конкретными примерами, его объемом охватываются также различные сочетания рассмотренных вариантов выполнения или иных деталей и вариантов.

Изобретение относится к регенератору стекловаренной печи, содержащему насадку из нескольких рядов огнеупорных элементов, образующих множество каналов. Насадка имеет, если смотреть в направлении потока горячих газов, первую зону быстрого охлаждения горячих газов, расположенную в месте поступления горячих газов; вторую, или среднюю, зону конденсации и улавливания химических веществ, которые могут создавать пыль; и третью зону отвода конденсата, расположенную на выходе охлажденных газов. Ряды образующих насадку огнеупорных элементов, которые составляют указанную среднюю зону, включают в себя, по меньшей мере, два смежных ряда, каналы которых имеют проектную поверхность, меньшую, по меньшей мере, на 20%, чем у каналов первой и третьей зон. Позволяет ограничить пылеобразование. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Регенератор стекловаренной печи, содержащий насадку из нескольких рядов огнеупорных элементов, образующих множество каналов, отличающийся тем, что насадка имеет, если смотреть в направлении потока горячих газов, первую зону быстрого охлаждения горячих газов, расположенную в месте поступления горячих газов; вторую, или среднюю, зону конденсации и улавливания химических веществ, которые могут создавать пыль; и третью зону отвода конденсата, расположенную на выходе охлажденных газов, причем ряды образующих насадку огнеупорных элементов, составляющих указанную среднюю зону, включают в себя, по меньшей мере, два смежных ряда, каналы которых имеют проектную поверхность, меньшую по меньшей мере на 20%, чем у каналов первой и третьей зон.2. Регенератор по п.1, отличающийся тем, что образующие насадку огнеупорные элементы, составляющие первую зону, имеют поверхность с препятствиями.3. Регенератор по п.1, отличающийся тем, что средняя зона образована рядами, огнеупорные элементы которых смещены от одного ряда к другому таким образом, чтобы обеспечить искажение потока газов.4. Регенератор по п.1, отличающийся тем, что более половины рядов средней зоны участвуют в уменьшении совокупной проектной поверхности средней зоны.5. Регенератор по п.1, отличающийся тем, что в каналах средней зоны предусмотрено, по меньшей мере, одно изменение направления.6. Регенератор по п.1, отличающийся тем, что каналы третьей зоны имеют поперечное сечение, по меньшей мере, равное по величине поперечному сечению каналов средней зоны.7. Регенератор по п.1, отличающийся тем, что поверхности огнеупорных элементов, образующие ряды средней зоны и находящиеся в контакте с горячими газами, выполнены, по существу, гладкими.8. Регенератор по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что образующие насадку огнеупорные элементы представляют собой элементы крестообразной формы.9. Регенератор по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что образующие насадку огнеупорные элементы выполнены из электроплавленого огнеупорного материала.