Технологический режим стекловарения

1. Классификация печей и основные технологические параметры работы

Во многих случаях для характеристики ванной стекловаренной печи используют ее варочную производительность. По производительности печи условно делят на крупногабаритные (от 50 т/сут до 150 и выше), среднегабаритные (от 10 до 50 т/сут) и малогабаритные (от 3 до 10 т/сут). При увеличении удельного съема стекломассы эти показатели в целом не характеризуют размеры ванной печи. В зависимости от типа вырабатываемого стекла печи подразделяются на ванные печи листового, тарного стекла, сортовой посуды, технических и специальных стекол. Для производства листового стекла используют печи производительностью 600 - 800 т/ сут и более. Для производства тары - печи производительностью 300 - 400 т/ сут. Техническая характеристика крупных и средних ванных печей, по данным проф. М. Г. Степаненко, приведена в таблице 1.

Таблица 1

Группа печей

Тип бассейна печи

Выпускаемое стекло

Площадь бассейна печи,м2

Удельный съем   стекла с отап. площади, кг/м2   в сут.

Удельный расход   тепла, кДж/кг продукции

Отапливаемая часть

Выра-боточная

 

 

 

Крупные   ванные печи(60-450 т/сутки)

Без   преград

листовое

800-300

60-180

600-1500

15000-19000

 

 

Проточный

Бутылочное (темно-зеленое)

60-85

15-20

900-1800

18000-20000

Сортовое (полубелое)

50-70

12-20

700-1500

12500-13500

Консервная тара (полубелая)

100-120

20-25

800-1500

12500-14000

Средние   ванные печи (15-60 т/сут)

 

 

 

Проточный

Бутылочное   (полубелое и зеленое)

20-60

8-15

700-1500

12500-14000

Сортовое   (полубелое)

20-60

8-15

700-1500

21000-25000

Консервная тара (полубелая и   зеленая)

25-60

10-15

700-1500

16500-21000

Парфюмерное, аптечное, кол-бовое   (полубелое)

15-45

8-15

600-1500

16500-25000

 

 

Общий

 

Тарное   (полубелое и зеленое)

15-30

-

400-800

16500-29000

Разное   (полубелое и зеленое)

10-25

-

400-1000

55000-71000

 

По направлению пламени.  В ванных печах газы могут двигаться в поперечном, подковообразном и комбинированном направлениях по отношению к направлению движения стекломассы (рис. 1).

                                                                   

    
    Рис. 1. Типы ванных печей в зависимости от направления топливного факела: а) – регенеративная печь поперечным направлением пламени; б) – то же, с подковообразным; в) – рекуперативная печь с продольным направлением пламени; г) – то же, с комбинированным; д) и е) – то же, с подковообразным   
    

  Поперечное направление газов понимается как перпендикулярное производственному потоку стекломассы, а продольное как параллельное или совпадающее с ним. В регенеративных печах применяют поперечное и подковообразное направление газов, а в рекуператив­ных, кроме того, продольное и комбинированное. В ма­лых регенеративных или рекуперативных ванных печах горелки чаще всего располагают с торца, а газы дви­жутся подковообразно. При этом удлиняется путь газов, что дает возможность более полно завершить горение и использовать тепло отходящих газов. В средних и крупных ванных печах обычно применяют поперечное направление газов и горелки располагают на продоль­ных сторонах печи.Такое расположение горелок позво­ляет регулировать распределение температур, давлений и состава газовой среды по длине печи.

По конструкции бассейна. Варочный бассейн является существенной конструктивной частью печи, при этом его геометрические размеры, как основная площадь, соотношение длины к ширине и глубина ванны должны соответствовать производственным требованиям. В ванных печах непрерывного действия все стадии процесса стекловарения протекают в определенной по­следовательности непрерывно и одновременно в различ­ных частях бассейна печи. Различают зоны варки, осветления, студки и выработки, которые располагаются одна за другой на различных участках по длине бассей­на печи. Смесь шихты и боя, непрерывно загружаемая в одном конце печи, постепенно проходит зоны бассейна с различными температурными условиями и прев­ращается в однородную гомогенную стекломассу, которая вырабатывается в противоположном конце печи. В каждой зоне необходимо поддерживать неизменный во времени (стационарный) температурный режим. Возможность установления определенного температурного режима в ванных печах непрерывного действия предусматривается конструкцией их рабочей камеры. В зависимости от того, насколько сильно разграничены зона студки и зона осветления, настолько отличаются между собой ванны с протоком и «открытые» ванны. Ванная печь с протоком является типичной ванной для изготовления полого стекла, так называемые «открытые» печи применяют для изготовления листового стекла. На рис. 2 представлены схемы бассейна ванный печей.

Рис. 2. Схемы бассейна ванных печей: а – регенеративная печь с газовым пространством, разделенным сплошным экраном, и с поперечным направ­лением пламени; б- регенеративная печь с полностью разделенным газовым пространством и поперечным направлением пламени; в -  регенеративная печь с газовым пространством, разделенным решетчатым экраном, и с поперечным направлением пламени;  г - регенеративная печь с решетчатым экраном и под­ковообразным направлением пламени; д - рекуперативная печь с подковооб­разным направлением пламени; е - рекуперативная печь с продольным направ­лением пламени; ж- рекуперативная печь с продольным направлением пламе­ни и двойным сводом; з - рекуперативная печь с противоточным движением газов и стекломассы и продольным направлением пламени; и - трехзонная печь с регулятором уровня отбора стекломассы и поперечным направлением пламе­ни; к - печь с выделенной варочной зоной и поперечным на­правлением пламени; / -проток; 2 - лодка; 3 - решетчатый экран; 4 - горел­ки; 5 - загрузочный карман; 6 -  рекуператор; 7 - варочная часть; 8 - зона ос­ветления; 9 - зона студки или выработки; 10 - пороги на дне бассейна.

Для выделения отдельных зон с различными темпера­турными режимами газовое пространство рабочей ка­меры разделяют приспособлениями из огнеупорных ма­териалов различной конструкции. Регулирование режима варки улучшается при разделении газового пространства рабочей камеры печи сплошными или решетчатыми перегородками (экранами), шиберами или сниженными арками. Поддержанию необходимого температурного режима по длине бассейна печи способствуют и устанав­ливаемые в стекломассе огнеупорные разделительные приспособления  - заградительные лодки, пороги, прото­ки. Устройство протоков и других разделительных при­способлений позволяет изменить характер движения по­токов стекломассы и отбирать для выработки более ох­лажденную и проваренную стекломассу.

По способам использования тепла отходящих газов печи подразделяются  на рекуперативные, регенеративные и прямого нагрева.

Рекуперативная утилизация тепла. Ванные печи для варки стекла небольших размеров работают на постоянном пламени, поэтому для рекуперации отработанных газов, непрерывно работающих теплообменников, необходимы так называемые рекуператоры. Применяются для этой цели керамические и стальные рекуператоры. На рис. 3. показан принцип действия керамического рекуператора. Горячие дымовые газы отводятся через трубы из материала с хорошей теплопроводностью. Воздух, необходимый для горения, проходит трубами в перекрестном потоке и таким образом подогревается. При использовании керамических рекуператоров можно получить подогретый воздух до 1000 °С. Основная проблема при применении керамических рекуператоров заключается в уплотнении путей для отработанных газов по отношению к воздуху. При не герметичности труба вместе с отработанным газом отсасывает воздух, необходимый для горения, что мешает образованию пламени.               

Рис. 3. Схема керамического рекуператора:  1 – вход дымовых газов; 2 – выход дымовых газов; 3 – вход воздуха; 4 – выход воздуха.

На рис. 4 дано схематичное изображение металлического рекуператора типа радиационного рекуператора с двойным кожухом. Дымовые газы проходят с малой скоростью через внутренний цилиндр, в то время как нагреваемый воздух, необходимый для горения, с высокой скоростью устремляется через кольцевую щель между внутренними и внешними цилиндрами. Максимальная температура для предварительного нагрева воз металлических рекуператорах составляет 600 - 700 °С. Преимущество рекуператоров перед регенераторами состоит в том, что они, с одной стороны, имеют невысокую стоимость, с другой стороны, достигается постоянная температура подогрева воздуха для горения, и таким образом поддерживаются стабильные условия горения. Недостатком является их незначительный к.п.д. рекуперации тепла, особенно у стальных рекуператоров.

       

 Рис. 4. Схема металлического рекуператора     

Регенеративная утилизация тепла. Утилизация тепла через регенераторы происходит дискретно из-за переменного нагрева, например в ванной печи с поперечными горелками. Обычно регенераторы состоя из вытянутых  вверх камер, расположенных по обеим сторонам стекловаренной печи. Эти регенеративные камеры выполнены из огнеупорных кирпичей таким образом, чтобы обеспечить свободное прохождение через каналы горячих дымовых газов. При этом тепло дымовых газов передается огнеупорам. Насадка регенератора должна быть сконструирована с максимальной площадью нагрева по объему. С другой стороны сопротивление потока дымовых газов или воздуха, необходимого для горения, должно быть не слишком большим. Вертикальная кладка насадки регенератора и открытая корзиночная насадка являются самыми распространенными видами кладки огнеупорных кирпичей в регенеративных камерах. Когда огнеупоры нагреваются до определенной температуры (свыше 1100 оС) направление обогрева меняется. Воздух для горения проходит через  нагретые камеры и там приобретает необходимую температуру. Переключение направления пламени происходит почти каждые 20 мин.  Использование регенераторов дает возможность получать температуру предварительного нагрева на 300 - 500 °С выше, чем при применении рекуператоров. Улучшение использования тепла дымовых газов и большая жесткость установки являются дальнейшими преимуществами регенераторов.

Печи прямого нагрева. В ряде случаев в линиях сравнительно небольшой производительности применяют печи прямого нагрева. На рис. 5 представлен вид печи прямого нагрева. Термин «прямой нагрев» не характеризует сущности обогрева, т.к. во всех пламенных печах газы непосредственно нагревают шихту и стекломассу. Отсутствие регенераторов в этих печах делает их более компактными и дешевыми. Горелки располагают вдоль боковых сторон по длине печи. Продукты горения движутся в противотоке с шихтой и поверхностным слоем стекломассы и отводятся со стороны загрузки,  в результате чего продукты уноса шихты не осаждаются на кладке пламенного пространства, износ ее уменьшается, и она может, снабжена хорошей тепловой изоляцией. Условия печи прямого нагрева могут быть улучшены, если ее снабдить металлическим рекуператором, а также дополнительными устройствами для использования тепла отходящих газов после рекуператора, например для получения пара или подогрева воды.

 Рис. 5. Печь прямого нагрева