Стеклоплавильная печь
предназначена Стеклоплавильная печь для плавки сырья в стекло . [1]
В зависимости от предполагаемого использования существуют различные конструкции стекловаренных печей. [2] [3] [4] Они используют разные источники питания. Эти источники в основном работают на ископаемом топливе или полностью на электричестве. Также реализовано сочетание обоих источников энергии. Стекловаренная печь изготавливается из огнеупорного материала . [5]
Основы
[ редактировать ]Стекольное сырье подается в стекловаренный бак порциями или непрерывно. Компоненты (шихту) плавят с образованием расплава жидкого стекла. Помимо основных компонентов в состав партии также входит стеклобой из вторичного стекла для экономии энергии. Содержание стеклобоя может достигать прибл. 85% - 90% (зеленое стекло), в зависимости от требований желаемого цвета стекла. При изменении цвета стекла (перекрашивании) весь процесс часто занимает несколько дней в больших стекловаренных печах. Для экономичной работы стекловаренные печи работают круглосуточно в течение года для так называемого массового стекла (пустое стекло, листовое стекло). Кроме одного и до макс. два небольших плановых промежуточных ремонта, при которых печь выводится из эксплуатации, так называемый путь печи (кампания) до общего ремонта (перестройки) может длиться до 16 лет и более (в зависимости от группы продукции). Производительность может варьироваться от одной тонны до более 2000 тонн, а ежедневная пропускная способность может варьироваться от нескольких килограммов до более 1000 тонн. Рабочая температура внутри печи, над так называемой стеклянной ванной, составляет около 1550 °C. Эта температура определяется составом шихты и необходимым количеством расплавленного стекла (дневная производительность), а также расчетными потерями энергии.
Стекловаренные печи работают с системой рекуперации тепла дымовых газов для повышения энергоэффективности.
Требуемое сокращение выбросов CO 2 в результате смягчения последствий изменения климата привело к появлению различных концепций по сокращению или замене использования ископаемого топлива , а также для предотвращения выбросов CO 2 во время плавления шихты за счет увеличения содержания вторичной переработки. .
Дневные танки
[ редактировать ]
Этот исторический тип стеклоплавильного резервуара производит партиями (прерывисто); его используют для плавления стекол, которые требуются только в небольших количествах. Максимальная площадь плавления расходных резервуаров составляет 10 м2, а производительность плавления составляет от 0,4 до 0,8 т/м2 площади плавления.
Горшечная печь является одним из таких типов. Печь состоит из чаши из огнеупорной кладки глубиной от 40 до 60 см (низовая печь), перекрытой сводом диаметром от 70 до 80 см (верхняя печь).
В начале 21 века дневные резервуары все еще существовали на некоторых заводах по производству ротового стекла и в ремесленных мастерских, а также на некоторых предприятиях по производству специального стекла, где плавятся небольшие количества высококачественного стекла, например оптического стекла.
Дневные резервуары не выводятся из эксплуатации в конце дня; температура просто снижается за ночь. Поскольку огнеупорный материал обычно не переносит больших изменений температуры, что приводит к усилению его коррозии (расхода), такое быстрое охлаждение в любом случае произойти не может. Если расходный резервуар выводится из эксплуатации, например, для технического обслуживания, необходимо соблюдать время охлаждения/нагрева (от двух до нескольких дней), адаптированное к огнеупорному материалу. Исключением являются печи меньшего размера (студийные печи) в ремесленных мастерских. Там огнеупорная футеровка спроектирована соответствующим образом.
Стекловаренные печи непрерывного действия
[ редактировать ]Печи непрерывного действия состоят из двух секций: плавильной и рабочей. Они разделены проходом или перегородкой (флоат-стекло). В плавильном резервуаре шихта плавится и рафинируется. Далее расплав по проходу поступает в рабочую емкость, а оттуда в питатель (мажор). Там стекло снимается. При производстве полого стекла (пустое стекло) в расположенную ниже машину по производству стекла подаются стеклянные капли. При производстве листового стекла (флоат-стекла) стекло подается через специальные широкие выпускные отверстия в виде стеклянной ленты в так называемую флоат-ванну с жидким оловом (для плоского стекла без структуры: например, оконного стекла, автомобильного стекла) или для листового стекла с структура над профилированным роликом.
Плавильные ванны изготавливаются из огнеупорных материалов и состоят из групп глинозема (Al2O3), кремнезема (SiO2), магнезии (MgO), циркония (ZrO2), а также их комбинаций для получения необходимых огнеупорных керамических материалов. При создании стекловаренных печей (варочный бак, включая регенеративные камеры) для сектора полого стекла может быть использовано до 2000 т огнеупорного материала, для сектора листового стекла - до 9000 т. Источником тепла в 2021 году обычно является природный газ, тяжелая и легкая нефть, а электрический ток подается непосредственно в стеклянную ванну с помощью электродов. Отопление, работающее на ископаемом топливе, часто сочетается с дополнительным электрическим отоплением. Также используются полностью электрически обогреваемые стекловаренные баки.
Использование чистого кислорода вместо воздуха для сжигания ископаемого топлива (предпочтительно газа) экономит энергию и, в лучшем случае, снижает эксплуатационные расходы. Температура сгорания и, следовательно, теплоотдача выше, а объем нагреваемого газа меньше. Однако кислородные стекловаренные печи обычно не подходят для производства объемного стекла, такого как полое и плоское стекло, из-за высокой стоимости производства кислорода. Существует множество различных типов стекловаренных печей. Типы печей, используемых в производстве стекла, включают так называемые печи с торцевым обогревом, печи с боковым обогревом и кислородно-топливные печи. Последней разработкой является гибридная печь. В настоящее время строится ряд проектов этого типа, а некоторые из них будут введены в эксплуатацию уже в 2023 году. Обычно размер печи классифицируется по ее производственной мощности в метрических тоннах в день (MTPD).
В целях экономии энергии в процессе варки стекла, помимо использования как можно большего количества переработанного стекла (около 2% экономии энергии на каждые 10% стеклобоя), необходимо нагревать воздух для горения до как можно более высокого температурного уровня путем Использование регенеративной или рекуператорной системы является фундаментальной частью процесса.
Регенератор
[ редактировать ]В наиболее часто используемых регенераторах горячие отходящие газы (1300–1400 °C) подаются в камеры прерывисто через решетчатую конструкцию из огнеупорного, прямоугольного кирпича или кирпича специальной формы. Эта так называемая решетчатая конструкция при этом нагревается. После этого периода прогрева (аккумулирования тепловой энергии выхлопных газов решеткой) направление потока газа меняется на противоположное, и свежий холодный воздух, необходимый для горения, теперь проходит через ранее нагретую решетчатую конструкцию камеры. При этом воздух для горения предварительно нагревается прибл. 1200°С - 1300°С. Это приводит к значительной экономии энергии. После сгорания выхлопные газы в свою очередь поступают на решетку другой камеры, где повторно нагревают уже более охлажденную ранее решетку. Процесс повторяется периодически с интервалом от 20 до 30 минут. Таким образом, камеры работают прерывисто. Степень восстановления ок. 65%
Восстановитель
[ редактировать ]Рекуператор работает непрерывно и состоит из металлического теплообменника между выхлопными газами и свежим воздухом. Из-за металлической поверхности теплообменника (жаростойкие трубы из высоколегированной стали в сочетании с двойной металлической оболочкой) рекуператор может работать только при более низких температурах выхлопных газов и, следовательно, работать менее эффективно (40%). Таким образом, здесь достигаются лишь относительно более низкие температуры предварительного нагрева (макс. 800 °C).
Рекуператор дешевле в установке, требует меньше места и инвестиций. Это приводит к снижению затрат с точки зрения инвестиционных затрат, которые, однако, значительно сокращаются из-за более низкой эффективности или даже могут иметь негативное влияние в течение длительного периода эксплуатации.
В случае конструктивных ограничений по установке регенератора также были разработаны и реализованы комбинации регенератора и рекуператора для достижения максимально энергосберегающей или эффективной работы системы. [6]
В качестве дополнительной меры для использования теплосодержания выхлопных газов (температура > 700 °C) технически возможно или уже испытано в больших масштабах соединение тепла и мощности на выходе. Однако необходимые усилия по техническому обслуживанию такой системы связаны со значительными затратами и поэтому должны оцениваться как критические с точки зрения связанных с ними эксплуатационных расходов. Таким образом, эта конкретная концепция последующей рекуперации энергии в настоящее время, как правило, не получает дальнейшего развития. Инновационные версии этой концепции должны быть проверены на практике в производственной среде в долгосрочной перспективе с большими затратами. Однако для этого требуется определенная готовность идти на риск со стороны компаний, на которую из-за жесткой конкуренции в этой отрасли, как правило, не идут.
Будущее развитие
[ редактировать ]В результате дебатов о климате было запущено несколько разработок и исследовательских проектов, направленных на значительное сокращение вредного для климата выброса CO 2 в производстве. Среди прочего, в Европе стартовала инициатива по созданию стекловаренной печи нового типа. [7] Различные европейские производители стекла работают над этим проектом совместно с поставщиками технологий с целью реализации соответствующего завода в промышленном масштабе. Завод планируется ввести в эксплуатацию в 2022 году мощностью плавки 350 тонн в сутки. Эта так называемая гибридная печь для плавки стекла будет работать на 80% электроэнергии, вырабатываемой из возобновляемых источников энергии, и, как ожидается, позволит сократить выбросы CO 2 на 50%. [8] [9]
Отрасль, объединяющая 19 европейских компаний по производству тарного стекла, попыталась получить финансовую поддержку со стороны Инновационного фонда ЕС. [10] Однако ему не удалось получить грант Инновационного фонда ЕС, несмотря на то, что проект получил очень высокие оценки с точки зрения инноваций, отраслевого подхода и масштабируемости.
Хотя участвующие компании вызвались внести финансовый вклад в проект, грант ЕС по-прежнему представлял собой значительный вклад в дополнительные капитальные и эксплуатационные затраты по сравнению с обычной печью. Без гранта ЕС проект не мог бы быть реализован, как первоначально планировалось. Однако сейчас отрасль оценивает, как продолжить усилия по декарбонизации. [11] В конце 2024 года проект печи был реализован и сдан в эксплуатацию. [12]
Кроме того, существуют исследовательские проекты по альтернативному нагреву стекловаренных печей так называемым зеленым водородом . При горении водорода образуется только водяной пар. Однако водяной пар оказывает влияние на процесс плавления и состав стекла, а также на свойства производимого стекла. Каким образом это влияние можно контролировать и корректировать, является предметом дальнейшего исследования. В августе 2021 года было успешно проведено масштабное промышленное испытание. [13]
Однако водород имеет значительно более низкую теплотворную способность на кубический метр по сравнению с природным газом. Это лишь около трети от добычи природного газа. Это приводит к новым требованиям к газопроводам для транспортировки водорода. Существующая в настоящее время сеть природного газа с трудом приспособлена для этого. Чтобы обеспечить такое же количество энергии, трубопроводы должны иметь длину ок. На 70% больше или рассчитан на более высокое давление, либо расход в три раза выше должен быть реализован при том же давлении. Последняя мера может быть применена в существующих трубопроводных сетях. Однако это может привести к усилению вибраций, в основном вызванных существующими установками на трубопроводе, которые способствуют образованию трещин и, таким образом, вызывают серьезные повреждения в долгосрочной перспективе. Известно, что при определенных условиях 100% водород в этот момент сделает материал хрупким, ускоряя образование более глубоких трещин. Однако первоначально частичная примесь водорода к природному газу возможна и уже реализована. В настоящее время по этому поводу ведется широкая научная дискуссия, в том числе среди поставщиков труб.
Альтернативное использование биотоплива также было опробовано в ходе крупномасштабных промышленных испытаний. Было достигнуто снижение выбросов CO 2 на 80%. Однако необходимые количества газа не были полностью доступны в течение более длительного периода времени, поэтому масштабное испытание ограничилось четырьмя днями. [14]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Свод федеральных правил: 1949–1984 гг . Управление общих служб США, Национальная служба архивов и документации, Управление Федерального регистра. 1982.
- ^ «Плавильные печи и оборудование» .
- ^ «Печи флоат-стекла» .
- ^ Орлов, Д.Л.; Байбург, LG; Токарев В.Д.; Игнатов С.В.; Чубинидзе, В.А. (1 июля 1986 г.). «Комбинированный электронагрев стекла в печах для листового стекла». Стекло и керамика . 43 (7): 285–288. дои : 10.1007/BF00694861 . ISSN 0361-7610 . S2CID 136857250 .
- ^ Регистр Федерального управления (август 2010 г.). Свод федеральных правил, Раздел 40, Охрана окружающей среды, PT. 61-62, В редакции от 1 июля 2010 г. Государственная типография. ISBN 9780160860300 .
- ^ «Новая реальность для стекловаренных печей с улучшенной рекуперацией тепла» (PDF) .
- ^ «Фундаментальная веха на пути к климатически нейтральной стеклянной упаковке» .
- ^ «Видение климатически нейтральной упаковки» .
- ^ «Печи будущего: общие стремления стекольной промышленности к низкоуглеродному будущему» .
- ^ «Инновационный фонд Европейского Союза» .
- ^ «Фундаментальная веха на пути к климатически нейтральной стеклянной упаковке» .
- ^ «Ardagh Glass Packaging приветствует партнеров стекольной отрасли на мероприятии, посвященном запуску печи NextGen» .
- ^ «Первое в мире производство архитектурного стекла на основе водорода» (PDF) .
- ^ «Испытание биотоплива, проведенное стеклянным гигантом Сент-Хеленс, знаменует собой первый в мире путь к декарбонизации» .