Производство стекла
В Великобритании нет отдельно статистики о расходе энергии на производство стекла, однако имеющиеся данные позволяют предположить, что на производство стеклянной тары и листового стекла расходуется 90% всей энергии, потребляемой на производство фарфора, керамики и стеклоизделий.
В производстве стекла наблюдается тенденция замены твердого топлива как источника энергии природным газом и жидким топливом.Энергопотребление по стадиям технологического процесса показапо на диаграмме рис. 4.6. Основное сырье: оксид кремния, известняк, карбонат натрия а измельченный стеклобой — смешивают и нагревают до тех пор, пока оксиды металлов не вступают в реакцию при температурах от 600 до 1200 °С. Образующиеся соединения расплавляются в печи до образования жидкого стекла которое затем поступает на стадию формирования. На этой стадии стекло может выдуваться для получения тары и вытягиваться для получения тр\б и листового стекла с использованием флоат-проце'сса или других методов. В ходе формирования происходит охлаждение стекла с помощью принудительной воздушной вентиляции или другими способами, при которых происходит потребление электроэнергии.
Остаточные напряжения в стекле, имеющие место в большинстве процессов формирования во время быстрого затвердевания, последовательно удаляются в печах отжига, где происходит вторичный нагрев и охлаждение по определенной программе.
Процесс производства стеклоизделий непрерывный. Для получения 1 т продукции требуется приблизительно 15—20 ГДж теплоты. Наиболее энергоемким является производство технического стекла и ручное изготовление стеклоизделий (до 90 ГДж/т).
Стекловаренные печи. На стекольных заводах 70—80% общего расхода энергии потребляется при сварке стекла в стекловаренных печах. Поэтому для обеспечения экономии энергии наибольшее внимание должно быть уделено стекловаренным печам.
Имеются два типа стекловаренных печей, классифицируемых по применяемой в них системе утилизации теплоты, а именно регенеративные и рекуперативные.В печах регенеративного типа бассейн печи обычно имеет прямоугольную форму и разделен на два отделения — первое для варки, второе — для студки. В некоторых типах печей отходящие газы используют для подогрева воздуха, поступающего в печь на горение, а именно: за бассейном печи устанавливаются регенераторы, куда поступают отходящие• газы с целью подогрева воздуха, идущего на горение. Температура в бассейне печи достигает 1450 СС, а температура отходящего газа за регенератором — около 400 °С. Потери теплоты с отходящими газами составляют 1600 кДж/кг, а потери теплоты через кладку печи —.3950 кДж/кг. Сведение потерь теплоты к минимуму, зависит, от качества кладки печи, и ее теплоизоляции.
Рис, 4.6. Энергопотребление по стадиям технологического процесса производства сТекла
В США предлагается использование печи с погруженными горелками. Ведутся исследования по эффективности на опытной и промышленной установках [4.12].
Несмотря на то что регенераторы на стекловаренных печах утилизируют существенную часть теплоты отходящих газов, потери теплоты остаются еще значительными. Котел-утилизатор, установленный за непрерывно действующей печью мощностью 250 т/сут и потреблением газа 4300 м3/ч, производит 5 т пара в час [4.13]. При этом температура газов на входе в котел составляет 320—340 °С, Котел обязательно должен быть снабжен шунтировкой и дымососом производительностью 140 тыс. м3/ч для обеспечения тяги. Опыт показывает, что установка котла не оказывает вредного влияния на работу печи и искусственная тяга способствует стабилизации работы стекловаренной печи. «0
До сих пор развитию рекуперации сбросной теплоты стекловаренных" печей мешало отсутствие подходящих материалов, поскольку температура варки стекла постепенно повышалась и невозможно было найти приемлемых огнеупорных материалов для изготовления труб рекуператора.
Но в настоящее время имеются керамические рекуператоры с хорошей изоляцией (гл. 3 и 7).В Великобритании фирма Teisen Furnaces применяет рекуператоры на все большем числе крупных стекловаренных печей, размещая рекуператор ниже бассейна, и экономя таким образом площадь. Ведутся дополнительные разработки по усовершенствованию конструкции рекуператора и оптимизации систем автоматического контроля за печью, что сделает печь более экономичной и улучшит качество продукта.
При сравнении действующих цен на регенеративные и рекуперативные печи было показано, что если расход топлива в регенеративной печи увеличивался примерно на 1% в месяц, а через четыре года — соответственно на 50%, то этого не наблюдалось в рекуперативной системе, которая со временем давала только 25—30% увеличения расхода топлива. Отходящие газы печи выводятся по двум вертикальным газоходам, у основания которых имеются отстойники для их очистки. Прежде чем подать подогретый воздух на горение, отходящие газы после очистки поступают в камеру смешивания, пройдя до этого через трубки трех рекуператорных камер. Допускается варьирование мощностью рекуператора, с тем чтобы получить оптимальные условия при сжигании топлива в каждом канале.
В настоящее время растет тенденция к повторному использованию стеклобоя, что позволяет уменьшить расход сырьевых материалов и топлива для его плавления благодаря более высокой теплопроводности стеклобоя в сравнении с сырьевой смесью, образующей основу загрузки печи.
Эффективность’ процесса горения. В производстве стекла, так же же как и во многих других отраслях, где печи являются основными потребителями энергии, влияние эффективности процесса горения на расход топлива может быть значительным.
Улучшение эффективности процесса горения обычно достигается относительно просто (гл. 5), но при этом желательно иметь возможность проводить анализ состава газов, поступающих на горение.
Фирма BGIRA разработала оборудование для кислородного анализа, которое успешно применяется на газовых регенеративных печах.
До установки этого оборудования на печи было проведено исследование условий горения через определенные промежутки времени путем измерения вертикального градиента концентрации кислорода во входных каналах печи [4.12].В 14.11] высказано мнение, что в воздухе, подаваемом на горение, не полностью используется энтальпия азота, что приводит к потере 690 Дж/кг. Эти потери можно сократить, если обогатить воздух, подаваемый на горение, кислородом.
Процесс формования стекла. Очевидно, что на этой стадии мало что можно сделать для экономии энергии в значительном масштабе. Во время формования стекло должно охлаждаться, и обычно для этого применяют принудительное конвективіное охлаждение воздухом. Ряд усовершенствований в охлаждении сводится к увеличению поверхности форм, что приводит к уменьшению себестоимости за счет снижения расхода энергии на вентиляцию. Количество рассеянной теплоты при этом высокое — 2320 кДж/кг, однако конфигурация многих формующих аппаратов такова, что утилизация этой теплоты крайне затруднена. Там, где для приведения в действие формующих установок используется сжатый воздух, должны применяться обычные методы экономии энергии, описываемые в гл. 5.
Рис. 4.7. Состав новой рециркуляционной печи дли отжига стекла с полным температурным регулированием:
/—секция нагрева и отжига; % — секция охлаждения; 9 — брызгальная секция; 4 — секция принудительного охлаждения
В США применяется охлаждение воздуха, подаваемого в компрессор 14.14]. При этом регенерируется теплота вторичного холодильника, в результате чего расход энергии на компрессор снижается почти на 25%. Эта теплота может быть также использована для нагрева сухого воздуха.
Процесс отжига. После формирования стекла остаточные напряжения снимаются пропусканием стекла через печь отжига. Имеющиеся в настоящее время новейшие рециркуляционные печи отжига (рис.
4.7) потребляют значительное количество энергии, при этом используются вентиляторы мощностью до 45 кВт, а также горелки мощностью свыше 600 кВт. В печи отжига стекло сначала нагревается до температуры на несколько градусов выше точки отжига (для стеклянных силикатнонатриевых емкостей эта температура равна приблизительно 1000— 1050 °С). Затем стекло пропускают через зону отжига, где оно постепенно охлаждается до температуры деформации, причем скорость охлаждения определяется необходимостью сведения до минимума перепада температуры между внутренней и внешней поверхностями стекла. После отжига стекло должно быть достаточно охлаждено, чтобы с ним можно было работать дальше. Поскольку в стекло после стадии отжига содержится 80% первоначальной температуры, необходимо его эффективное охлаждение, чтобы снизить до минимума длину печи и поддерживать выход продукта на достаточно высоком уровне.В США ведутся исследования по экономии энергии в печах отжига и успешно прошли испытания ряд систем, усовершенствование которых производится для снижения эксплуатационных расходов [4.15]. В одном агрегате три из пяти отделений отжига, которые были оборудованы рециркуляционными вентиляторами и горелками, были заменены плоскими секциями, как показано на рис. 4.8. В остальных двух секциях сохранились горелки, вентиляторы, системы регулиро- 62
P|ic. 4.8. Реконструкция рециркуляционной печи отжига (введение трех пдоски*
секций отжига):
1 — Секция радиационного нагрева; 2 — секции рециркуляционного отжига; Я—плоские сек* цен отжига . .
вания температуры, что оказалось вполне достаточным для поддержания правильного температурного режима отжига с экономией расхода газа и электроэнергии. Эта конструкция совершенствуется да- лее, из нее-убирается все, кроме последней секции отжига (где стабилизация температуры наиболее важна) с естественным конвективным охлаждением, как это показано на рис.
4.9. Наряду с дальнейшим снижением расхода энергии снижаются также капитальные затраты й затраты на ремонт.Еще одним новшеством в конструкции печи отжига является использование высокоскоростных горелок. Они достаточно эффективно обеспечивают циркуляцию теплоты, что позволяет отказаться от вентиляторов, так как продукты горения способны захватывать воздух и создавать достаточно' высокий уровень турбулентности для обеспечения заданных температур.
Расход энергии также снижается за счет возвращения линии печного конвейера через внутреннюю часть печи, что предотвращает его охлаждение, и, следовательно, отпадает необходимость подогрева при вторичном вводе стеклоизделий в печь отжига.
До того как стекло на конвейере достигнет зоны вторичного нагрева, конвейер должен иметь температуру печи отжига, иначе он будет поглощать теплоту. Так как основание печн — чаще всего самая утолщенная ее часть, то предварительно нагретый конвейер будет способствовать значительному уменьшению времени вторичного нагрева.
Чтобы увеличить температуру конвейера с 38 СС до температуры отжига в печи производительностью 1 кг стекла в секунду, потребуется 260 кВт. Чтобы нагреть стекло с 480 °С (при размещении печи отжига вблизи формующих аппаратов) до 565 °С, требуется 84 кВт. При КПД процесса, равном 67%, общий расход природного газа составля-
Рис. 4.9. Применение естественного конвективного охлаждения в печи отжига, исключая большинство вентиляторов:
/ — муфели конвективного охлаждения; 2 — зона управления отжигом
Рис. 4.10. Система аккумулирования теплоты для печей отжига:
І — гофрированная мембрана; 2 —¦
вентилятор
ет 13,8 л/с. Если же конвейер возвращается через внутреннюю часть печи отжига при потере теплоты от конвейера только 20%, общий расход газа падает до 5,5 л/с. Таким образом, годовая экономия в пересчете на цену газа 9,5 X X 10~2 пенс/МДж составит до 9070 ф. ст.
Были внесены предложения по использованию аккумуляции теплоты в пёчах отжига с электронагревом [4.16]. Если часть подведен-, ной энергии может быть обеспечена за счет аккумуляции теплоты, то эксплуатационные расходы могут быть значительно снижены. Это также наиболее эффективно в тех случаях, когда нагрузка колеблется в течение суток.
Такая система, размещенная с одной стороны печи отжига, приводится на рис. 4.10. Ее аккумулирующая способность составляет 1,3 ГДж с четырехчасовым режимом перезарядки и максимальной производительностью 0,36 ГДж/ч (при средней 0,14 ГДж/ч).
Так как на печь отжига приходится небольшая часть (обычно 5%) общего расхода энергии в производстве стекла, то эти и другие меры могут привести к быстрой экономии топлива с малыми затратами. Этой же цели служит уменьшение расстояний между печами, формовочными аппаратами и печами отжига.
Резкое снижение удельного расхода энергии получают в том слу- - чае, если масса стеклянных изделий уменьшается. Новые, более легкие стеклянные молочные бутылки (170 г) могут отжигаться при меньшем расходе энергии. Необходимо также помнить, что в течение срока службы тара многократно моется или подвергается пастеризации или стерилизации, при этом ее опять нагревают и охлаждают. Бутылки с меньшей массой в течение этих операций потребляют меньше теплоты, что дает экономию энергии на молокозаводах, пивоваренных заводах и пр.