Приложение Б (справочное). Применяемое оборудование и методы производства стекла

Приложение Б
(справочное)

Применяемое оборудование и методы производства стекла

Б.1 Основным оборудованием для производства стекла являются печи, идентификация которых представлена в подразделах данного приложения.

Б.1.1 Регенеративные печи

Печи этого типа обычно более эффективны по сравнению с другими традиционными типами печей, использующих ископаемые топлива, так как система подогрева воздуха для сжигания топлива в регенеративной печи обеспечивает нагрев до 1400 °С. Низкое энергопотребление на тонну стекломассы приводит к снижению удельных выбросов загрязняющих веществ и углекислого газа (СO₂), но более высокие температуры подогрева воздуха приводят к увеличению образования оксидов азота (NO_X).

Печи с подковообразным направлением пламени обычно характеризуются лучшей энергоэффективностью и более низкими уровнями выбросов по сравнению с другими регенеративными печами. Их конструкция также несколько дешевле, хотя обеспечивает меньше возможностей управления распределением температур в печи.

Высокие капитальные затраты на регенеративные печи обусловливают экономическую целесообразность их применения для больших объемов производства (обычно более 100 т стекломассы в сутки). Для печей со съемом более 500 т стекломассы в сутки и для всех печей флоат-процесса, для того чтобы обеспечить лучший контроль температур по длине печи, обычно используют поперечное направление пламени.

Б.1.2 Рекуперативные печи

Рекуперация - распространенный метод утилизации теплоты, обычно используемый на малых печах. В рекуперативных печах поступающий воздух нагревается непрямым образом за счет пропускания через металлический (или в исключительных случаях керамический) теплообменник. Поскольку температуры подогрева для металлических рекуператоров ограничены 800 °С, рекуперативные печи менее эффективны с точки зрения использования энергии по сравнению с регенеративными. Тем не менее они позволяют использовать значительную долю теплоты дымовых газов. Повышение энергоэффективности возможно за счет дополнительных мер, например электроподогрева котлов-утилизаторов избыточной теплоты, предварительного подогрева газа, а также шихты и стеклобоя. Более низкие температуры нагрева воздуха позволяют достичь хороших результатов в отношении контроля образования оксидов азота (NO_X). Одним из следствий применения этого метода является то, что удельная производительность рекуперативных печей ограничена 2 т/, что существенно ниже типичной производительности регенеративных печей, составляющей 3,0-3,3 т/.

Поскольку эксплуатация печи прямого нагрева относительно недорога и ее конструкция позволяет обеспечить очень хорошую управляемость распределением температур в стекловаренном бассейне, такие печи применяют в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую гибкость процесса с минимальными капитальными затратами, особенно когда объем производства слишком мал, для того чтобы оправдать применение регенераторов. Он больше подходит для печей малого объема, хотя известны и рекуперативные печи большой производительности (до 400 т/сут).

Б.1.3 Принудительное кислородное дутье

Метод основан на замене воздуха для горения кислородом (чистотой выше 90 %). Удаление основной доли азота из атмосферы горения ведет к уменьшению объема дымовых газов на 75 %-80 % в зависимости от чистоты используемого кислорода. В результате обеспечивается экономия энергии, поскольку нет необходимости в нагревании атмосферного азота до температуры пламени. Масштаб достигаемых результатов зависит от сравниваемых печей и рассмотрен ниже. Естественно, что существенно снижается и образование NO_X, источниками которого служат остаточный азот в подающемся кислороде (криогенный метод: меньше 0,5 %; вакуумный: 4 %-6 %), азот в топливе (содержание в природном газе (2 %-15 %), азот, выделяющийся в результате разложения нитратов, и азот из подсосов воздуха через неплотности в огнеупорной кладке. В связи с высокими температурами пламени остаточный азот легче преобразуется в NO_X, и даже относительно низкие концентрации N₂ приводят к значительным выбросам NO_X.

В целом печи с принудительным кислородным дутьем основаны на конструкции печи прямого нагрева, имеют несколько боковых горелок и один порт дымовых газов. Современные печи имеют конструкцию, оптимизированную для использования кислорода и минимизации образования NO_X. Однако в печах с принудительным кислородным дутьем не используют методы утилизации избыточной теплоты для нагрева поступающего на горение кислорода в связи с требованиями безопасности.

Дымовые газы на выходе из печи имеют довольно высокую температуру - 1200 °С-1300 °С, и обычно требуется их охлаждение. Из-за высокого содержания воды и концентрации веществ, вызывающих коррозию (например, хлоридов и сульфатов), охлаждение обычно осуществляют за счет разбавления воздухом.

Горелки для принудительного кислородного дутья должны иметь специальную конструкцию, отличную от традиционных газовоздушных систем; наилучшими являются высокоспециализированные горелки с низким образованием NO_X, специально разработанные для стекловарения. Ниже перечислены основные характеристики систем:

- более длинное и широкое пламя, имеющее большую светимость и дающее более глубокую и однородную теплопередачу;

- более плоское пламя с широкой областью покрытия;

- задержанное перемешивание топлива и кислорода для уменьшения пиковых температур пламени в зоне высоких концентраций O₂;

- не требуется водяное охлаждение;

- возможна настройка мощности и формы пламени;

- могут быть использованы различные виды топлив.

Экономия энергии может превышать 50 % на малых печах, не эффективных с тепловой точки зрения. Для средней по размеру рекуперативной печи без применения специальных мер по экономии энергии при стандартном уровне теплоизоляции и использовании только внутреннего стеклобоя переход на принудительное кислородное дутье позволит снизить потребление энергии на 20 %-50 % (обычно в диапазоне 25 %-35 %). Однако для больших энергоэффективных регенеративных печей с оптимизированными тепловыми характеристиками экономия будет намного меньшей (в диапазоне 5 %-10 %) и потенциально стремящейся к нулю. В таком случае маловероятно, что экономия энергии скомпенсирует стоимость кислорода.

Б.2 Стекловарение с комбинированным использованием ископаемых топлив и электроэнергии

Существуют два подхода к комбинированному использованию для стекловарения ископаемых топлив и электроэнергии:

- нагрев за счет использования энергии топлива и нагрев с помощью электроэнергии;

- стекловарение с использованием электроэнергии и вспомогательным нагревом с использованием топлива.

Оборудование для электроподогрева установлено на многих печах и может обеспечивать от 2 % до 20 % общей энергии на стекловарение. В производстве тарного стекла, также как и при производстве листового стекла, использование электроподогрева обычно ограничивается стоимостью электроэнергии и составляет менее 5 %.

Высокая стоимость электроэнергии, связанная с электроподогревом, обычно означает, что этот метод может быть использован только как средство обеспечения необходимых параметров технологического процесса при условии экономической эффективности. В частности, электроподогрев можно использовать для улучшения конвективных потоков в объеме стекломассы, что приводит к интенсификации теплопередачи и способствует осветлению стекломассы.

Б.3 Стекловарение в электрических печах

Экономическая целесообразность использования электрических печей зависит в основном от разницы цен на электроэнергию и ископаемые топлива. Электрические печи чрезвычайно теплоэффективны, обычно они требуют в 2-4 раза меньше энергии, чем традиционные топливные печи, и чем меньше печи, тем больше это различие. Кроме того, обычно электрические печи обеспечивают больший удельный съем стекломассы с площади варочного бассейна.

Электрические печи требуют значительно меньших капитальных затрат на установку и ремонт по сравнению с традиционными печами, что частично компенсирует высокие текущие расходы. Однако такие печи выдерживают меньшую продолжительность кампании до ремонта или полного восстановления; продолжительность кампании составляет от 2 до 6 лет по сравнению с 10-12 годами для традиционных печей. Для малых (10-50 т стекломассы в сутки) печей из-за относительно высоких потерь теплоты в топливных печах электрические печи могут быть более конкурентоспособны.

Существует верхний предел целесообразности использования электрических печей, тесно связанный с более высокой стоимостью электроэнергии:

- использование электрических печей мощностью меньше 75 т обычно может быть оправдано;

- использование электрических печей мощностью от 75 до 150 т стекломассы в сутки может быть оправдано в определенных условиях;

- использование электрических печей мощностью более 150 т стекломассы в сутки обычно не может быть оправдано.

Электрические печи могут применяться в различных подотраслях стекольной промышленности и широко используются, в частности, при производстве специальных стекол, сортовой посуды и в меньшей степени при производстве тарного стекла. Метод также широко используют для производства стекла в тех случаях, когда это потенциально связано с высокой летучестью и токсичностью (например, при производстве хрусталя или опалового стекла), и для производства продукции с высокой добавленной стоимостью. Обычно электрические печи обеспечивают гомогенное стекло высокого качества, что может быть определяющим для использования метода при производстве сортовой посуды и специальных стекол.

Низкие потери сырьевых материалов, характерные для использования этого метода, облегчают утилизацию уловленной средозащитным оборудованием шихты, а также снижают потери материалов, в особенности значимые для токсичных и/или дорогих материалов, в частности оксидов свинца, фторидов, соединений мышьяка, тетрабората натрия и т.п. Полная замена процесса сжигания ископаемых топлив устраняет выделение продуктов горения, в частности NO_X, диоксида углерода, диоксида серы. Однако, если учитывать эффективность процессов производства и передачи электроэнергии и связанное с ними выделение загрязняющих веществ, использование электроэнергии для стекловарения является менее эффективным с точки зрения минимизации воздействия на окружающую среду и, в частности, выделения парниковых газов.

Б.4 Периодическое плавление шихты

Традиционно используемым методом для периодического производства малых объемов стекла является применение горшковой печи, хотя ванные печи периодического действия также приобретают популярность. Выбор метода определяется условиями конкретной установки, в особенности требуемым объемом производства, числом различных используемых составов стекла, а также требованиями клиентов. Основным методом минимизации воздействия на окружающую среду, применимым к таким печам, является оптимизация состава шихты и методов сжигания топлива. В связи с конструкцией горшковых печей эти методы обычно будут давать лучшие результаты для ванных печей периодического действия и частично непрерывных печей. Там, где это возможно по техническим и экономическим соображениям, следует использовать ванные печи периодического действия или частично непрерывные печи, поскольку они обычно позволяют обеспечить большую эффективность использования энергии и меньшие выбросы вредных веществ.

Б.5 Выбор методов стекловарения и конструкции печи

Выбор метода стекловарения является одним из ключевых факторов, определяющих энергоэффективность.

Для обычных печей, использующих ископаемые топлива, основной особенностью конструкции является способ утилизации теплоты дымовых газов для нагрева поступающего воздуха с помощью регенераторов или рекуператоров. Другим существенным фактором является размер печи.

Регенеративные печи позволяют достичь более высоких, вплоть до 1400 °С, температур подогрева воздуха по сравнению с рекуперативными печами (дающими температуру порядка 800 °С), что обеспечивает большую эффективность стекловарения. Чаще всего регенеративные печи больше по размерам, чем рекуперативные, что также делает их в целом более эффективными. Современная регенеративная печь для производства тарного стекла может иметь общую тепловую эффективность около 50 %, потери теплоты с дымовыми газами около 20 % и структурные потери, отвечающие за основную долю оставшейся теплоты. При этом тепловая эффективность рекуперативной печи без дополнительной утилизации теплоты будет ближе к 20 %.

Регенеративные печи могут иметь подковообразное или поперечное направление пламени. Печи с подковообразным направлением пламени имеют более высокую тепловую эффективность (выше на величину вплоть до 10 %), но возможности управления горением в таких печах ограничены, и существует верхний предел размеров печи такого типа (в настоящее время около 150 м² для производства тарного стекла). Печи флоат-процесса менее эффективны, чем печи производства тарного стекла из-за значительно меньшего удельного съема стекломассы в связи с требованиями к качеству.

Использование избыточной энергии с помощью регенераторов может быть максимизировано путем увеличения количества огнеупорных элементов регенеративных насадок в камерах. На практике это может быть реализовано посредством увеличения камер регенераторов или создания раздельных, но связанных между собой камер, получивших название многопроходных регенераторов. По мере приближения к возможному максимуму утилизации теплоты эффективность таких мер падает. Принципиальным ограничением является стоимость дополнительного огнеупорного материала, а в случае действующих печей - ограничения доступного пространства и дополнительные затраты на изменение инфраструктуры печи. Этот принцип чаще реализуется для печей с подковообразным направлением пламени в связи с более простой геометрией регенераторов, хотя его применяли и на печах с поперечным направлением пламени. Модификация структуры регенераторов на действующих печах (если это технически и экономически целесообразно) может быть выполнена только в ходе холодного ремонта. Энергопотребление может быть снижено на величину вплоть до 15 % по сравнению с аналогичной печью с обычными однопроходными регенераторами.

Значительная доля дополнительного огнеупорного материала, использованного для увеличения регенераторов, выдерживает две и более кампании, таким образом снижая капитальные затраты. Хотя потенциально повышение температуры подогрева воздуха может приводить к повышению температуры пламени и, следовательно, увеличению образования NO_X, на практике, если применяются меры по контролю образования NO_X, печи с многопроходными регенераторами не отличаются от обычных по выбросам NO_X.

Существует большое количество новых материалов, предназначенных для сохранения теплоты и ее передачи в блоках регенераторов. Самым простым решением является использование огнеупорных кирпичей, установленных в шахматном порядке, что обычно обеспечивает эффективность регенератора порядка 50 % (отношение утилизированной теплоты к теплоте, содержащейся в дымовых газах). Однако теплопередача может быть увеличена путем использования насадочных элементов, изготовленных из электроплавленных огнеупоров крестообразной формы, обеспечивающих сокращение расхода топлива на 7 % по сравнению с печами, оснащенными регенеративными насадками, изготовленными из обычных огнеупорных элементов в форме кирпичей. Кроме того, такие материалы более устойчивы к химическому воздействию агрессивных веществ в дымовых газах и обеспечивают существенно меньшее снижение эффективности регенераторов за период кампании печи.

Максимальная теоретическая эффективность регенераторов составляет 80 %. На практике эффективность ограничивается ростом структурных потерь по мере увеличения размеров регенераторов. Строительство регенераторов с эффективностью выше 70 %-75 % неосуществимо.

Улучшение качества огнеупорных материалов позволяет обеспечить большую продолжительность кампаний печей с лучшим уровнем теплоизоляции. Максимальные температуры, при которых может функционировать печь, в прошлом являлись сдерживающим фактором для ее хорошей теплоизоляции. Теплоизоляция проектируется с учетом всех характеристик печи (ее изолируемой части, температуры, типа стекла и т.п.). Не все части печи могут быть изолированы. Кладка стекловаренного бассейна на уровне линии зеркала стекломассы и в районе протока должна быть открыта, для того чтобы обеспечить охлаждение и продлить кампанию печи. Большинство огнеупорных материалов для печей, используемых в контакте со стекломассой и для строительства печи, изготовляют путем литья, они имеют очень высокую плотность и малую пористость, и поэтому устойчивы к расплаву стекла и агрессивным компонентам дымовых газов. Они также имеют более высокую теплопроводность и в целом требуют более высокой теплоизоляции, тем самым способствуя значительной экономии энергии. При производстве натрий-кальций-силикатного стекла свод печи изготовляют из динаса и плотно изолируют. При этом максимальная температура в печи составляет 1600 °С-1620 °С.

Дополнительная изоляция может быть нанесена на некоторые участки печи без заметного риска для ее структуры. Изоляция напылением волокна может существенно снизить потери теплоты, если ее нанести на структуру регенераторов. Этот простой и экономически эффективный метод позволяет снизить структурные потери теплоты регенераторов на 50 % и обеспечить экономию энергии порядка 5 %.

Б.6 Управление процессом горения и выбор источника энергии

Наиболее распространенным топливом для производства стекла в России является природный газ. Использование природного газа ведет к более низким выбросам SO_X, но обычно более высоким выбросам NO_X. Это связано с тем, что пламя природного газа обладает меньшей светимостью и обычно приводит к большему, приблизительно на 7 %-8 %, потреблению энергии. Однако с накоплением опыта использования природного газа уровни результативности постепенно растут и позволяют достичь величин, сравнимых с использованием жидкого топлива. Природный газ также имеет более высокое отношение доли водорода к углероду и, таким образом, приводит к меньшим, вплоть до 25 %, выбросам СO₂ при фиксированном съеме стекломассы.

Развитие систем с низким выделением NO_X при сжигании также приводит к экономии энергии. При уменьшении количества воздуха горения до уровня, близкого к стехиометрическому отношению, снижаются потери теплоты с дымовыми газами. Оптимизация систем горения, теплообмена и общие усовершенствования в управлении процессом, направленные на снижение выбросов NO_X, во многих случаях также приводит к более стабильному функционированию и повышенной результативности печей.

Метод обогащения кислородом воздуха горения часто используют для повышения энергоэффективности и увеличения съема стекломассы. Уменьшение объемов газа и более высокие температуры пламени способствуют росту эффективности использования энергии топлива. Если не используют системы, обеспечивающие низкое образование NO_X, уровень выбросов NO_X существенно возрастает, что ограничивает использование этого метода.

Б.7 Уменьшение отношения воздух-топливо

Обычно печи работают при избытке воздуха в 5 %-10 % (т.е. при избытке кислорода в 1 %-2 %) для обеспечения полного сгорания. Путем снижения соотношения воздух-топливо до уровней, близких к стехиометрическим, можно достичь существенной экономии энергии и снижения образования NO_X. Для того чтобы эффективно использовать этот метод, необходимо постоянно контролировать содержание NO, СО и O₂ в дымовых газах. Если горение окажется ниже стехиометрического, возрастет концентрация СО, изменятся окислительно-восстановительные условия стекломассы и может ускориться разрушение огнеупоров.

Это изменение должно в