Современные тенденции в технологии загрузки шихты и стеклобоя в стекловаренные печи с подковообразным направлением пламени

Рассмотрены современные систем загрузки шихты и боя в регенеративные стекловаренные печи с подковообразным направлением пламени, построенные на основе использования инновационных загрузчиков. Отмечено, что применение подобных механизмов и устройств в данных системах приводит не только к экономии энергоресурсов, снижению концентрации пылевидных фракций шихты снаружи печи и сокращению выбросов оксидов азота в окружающую атмосферу, но и повышает эффективность всего процесса варки стекла. Представлен адаптивный алгоритм управления раздельной загрузкой шихты и боя в стекловаренную печь, учитывающий направление пламени.

Загрузка шихты и боя в стекловаренную печь является одной из ключевых операций, от эффективности выполнения которой зависят такие эксплуатационные показатели работы теплового агрегата, как уровень стекломассы и распределение сырьевой смеси в загрузочном кармане, скорость провара куч шихты и протяженность зоны варки стекла, длительность межремонтного периода и срок службы отдельных элементов огнеупорной кладки, концентрация пылевидных фракций шихты снаружи печи и количество выбросов оксидов азота NOx в окружающую атмосферу, а также потери тепла излучением и другие технологические параметры. Причем все эти параметры, оказывающие заметное влияние на производительность варки и качество вырабатываемого стекла, напрямую или косвенно связаны с конструкцией загрузочных карманов, типом применяемых загрузчиков шихты и способами загрузки шихты и боя на поверхность расплава стекломассы.

Традиционно для загрузки шихты и боя в регенеративные стекловаренные печи с подковообразным направлением пламени применяются вибрационные или толкательные загрузчики (иногда их называют веерными), осуществляющие подачу сырьевых материалов в загрузочные карманы открытого типа, и плунжерно-поворотные или эжекторные механизмы, устанавливаемые на закрытые карманы [1]. Значительно реже для этих целей используются лотковые загрузчики, нашедшие более широкое распространение в системах загрузки стекловаренных печей с поперечным направлением пламени, и одношнековые питающие устройства, конструктивное исполнение которых в большинстве случаев не предполагает наличие у печи загрузочного кармана. При этом каждая из указанных конструкций загрузчиков имеет как неоспоримые преимущества, так и существенные недостатки, ограничивающие не только функциональные возможности данных механизмов и устройств, но и в определенной мере снижающие энергоэффективность всего процесса варки стекла.

В связи с этим представляют большой интерес принципиально новые конструкции загрузочных устройств, разработанные в последнее время в таких ведущих европейских компаниях, как SORG, EME, HORN и ZIPPE. Одной из таких разработок, основанной на интегрированной концепции построения современных систем загрузки шихты и боя в стекловаренные печи, является совместная разработка двух немецких компаний SORG и ЕМЕ, включающая в себя комплексное проектирование установки предварительного подогрева стекольной шихты отходящими дымовыми газами, усовершенствование типовой конструкции загрузочного кармана и создание инновационного двухвинтового загрузчика.

Согласно данной концепции усовершенствование загрузочного кармана должно являться неотъемлемой частью всего комплекса работ по модернизации систем загрузки, использующих предварительный подогрев шихты. Подобное требование по внесению изменений в типовую конструкцию узла засыпки шихты обусловлено тем, что подогретая сырьевая смесь всегда имеет пониженную влажность и склонна к пылению. Из сухой шихты при подаче ее в загрузочный карман улетучивается большое количество мелкодисперсных частиц соды и доломита, которые осаждаются не только на боковых стенах и своде печи, но и в регенераторах, образуя в них низкоплавкие соединения, приводящие в конечном итоге к коррозии огнеупорных материалов и активному зашлаковыванию насадок. Не следует забывать и о том, что типовые загрузочные карманы стекловаренной печи с подковообразным направлением пламени имеют небольшую длину и располагаются очень близко от камеры сгорания топлива, где скорость движения потоков газов очень велика и присутствует значительная их турбулентность.

Для уменьшения негативного влияния этих факторов на общий процесс стекловарения компанией SORG были внесены два основных изменения в традиционную конструкцию загрузочного кармана [2], которые явились результатом успешных научных исследований и математического моделирования. Во-первых, была увеличена внутренняя длина зоны засыпки шихты, приведшая к усилению конвекционного потока горячей расплавленной стекломассы из середины ванны к передней стенке кармана и повышенному переносу тепла шихте снизу. Во-вторых, дополнительное излучение тепла, поступающего на шихту сверху от пламенного пространства и нагретых огнеупорных конструкций, было достигнуто за счет поднятия свода кармана. Все это, как показали опытно-промышленные испытания, позволило в совокупности с герметизацией зоны загрузки повысить температуру под шихтой и на ее поверхности и вследствие этого сократило время преобразования сырьевой смеси в расплав. Кроме того, дополнительное тепловое излучение привело в удлиненном кармане к раннему спеканию и остекловыванию поверхности загружаемой шихты, что в свою очередь уменьшило потери тепла в окружающую атмосферу и предотвратило унос пыли в верхнее строение печи.

Повышению эффективности плавления шихты способствует и новая запатентованная конструкция винтового загрузчика марки ЕМЕ - NEND [3], который наряду с усовершенствованным загрузочным карманом также является важной составной частью интегрированной концепции и способствует максимальному использованию преимуществ, получаемых за счет предварительного подогрева сырьевой смеси. В отличие от известных устройств, содержащих только один шнековый механизм подачи шихты, запатентованная конструкция загрузчика 1 (Рис. 1) снабжена двумя винтовыми питателями 2, 3 выгружающими сырьевую смесь из промежуточного накопительного бункера 4, и толкателем 5, который осуществляет проталкивание шихты 6 в загрузочном кармане 7 стекловаренной печи.

Производительность винтовых питателей в таком загрузчике регулируется отдельными преобразователями частоты, что позволяет задавать переменные скорости подачи материала для каждого из питающих механизмов и обеспечивает мелкие кучи при загрузке и более равномерное распределение шихты по всей ширине загрузочного кармана. А расположение винтовых питателей 2, 3 под острым углом друг относительно друга дополнительно создает возможность изменения направления преимущественной подачи шихты без характерного для вибрационных загрузчиков выполнения поворота несущей рамы.

Также как и у вибрационных механизмов, у двухвинтового загрузчика шихты марки ЕМЕ - NEND толкатель имеет самостоятельный канал управления и может производить эффективное проталкивание и перемещение куч шихты по «зеркалу» стекломассы даже в том случае, когда подача сырьевой смеси в загрузочный карман из винтовых питателей прекращена. Непосредственный контакт с шихтой в процессе ее проталкивания осуществляется при этом с помощью водоохлаждаемого шибера 8, который при движении вперед погружается своей нижней кромкой в расплав стекла, и возвращается в исходное положение над загружаемым материалом. Режим такого возвратно-поступательного перемещения шибера, двигающегося по эллиптической траектории, а также длина его хода, скорость и глубина погружения регулируются с помощью системы рычагов 9 и эксцентрикового механизма 10 соответствующего электропривода.

Поскольку траверса 11 (иногда этот элемент системы рычагов толкателя называют консолью) с закрепленным на ней шибером 8 двигается только в вертикальной плоскости и в двух направлениях, выполнить герметизацию загрузочного кармана, оснащенного неподвижным двухвинтовым устройством засыпки шихты, значительно проще, чем осуществить аналогичные меры при эксплуатации кармана с вибрационным загрузчиком, у которого используется еще и дополнительное угловое перемещение по горизонтали. Надежность такой герметизации связана с тем, что в тепловом экране 12, плотно примыкающем к передней стенке загрузочного кармана, присутствует всего лишь одно небольшое негерметичное отверстие, предназначенное для перемещения траверсы толкателя. Через это щелевое отверстие практически не производятся выбросы пыли и оксидов азота в окружающую атмосферу и, что особенно важно, не происходит неконтролируемый и часто непредсказуемый подсос холодного воздуха во внутреннее пространство стекловаренной печи.

Необходимо отметить еще одну конструктивную особенность у толкателя шихты двухвинтового загрузчика, которая связана с возможными изменениями формы шибера и углом крепления его к траверсе. За счет этих изменений можно не только корректировать преимущественное направление движения куч шихты в стекловаренной печи и расширять фронт их загрузки, но и производить эти технологические операции с учетом расположения загрузочного кармана по периметру варочного бассейна. Расширению дифференцированного фронта загрузки шихты в регенеративную стекловаренную печь с подковообразным направлением пламени способствуют и другие аналогичные конструкции загрузчиков, содержащие по три и даже по четыре винтовых питателя [4]. Фронт загрузки шихты у таких многовинтовых устройств в 1,5 – 2 раза шире, чем у загрузчиков с двумя винтовыми питателями, а сами питатели располагаются параллельно друг относительно друга, что позволяет использовать их даже на стекловаренных печах с поперечным направлением пламени.

Однако при эксплуатации большинства подобных винтовых загрузчиков существуют особые ограничения на содержание и размер частиц стекла в шихте из-за высокого износа лопастей их питающих механизмов, что особенно актуально в системах загрузки с предварительным подогревом сырьевой смеси, в которых используется шихта с повышенным (до 80 – 85%) количеством стеклянного боя. А в некоторых случаях, связанных с раздельной или несогласованной подачей шихты и боя, являющегося сильным абразивным материалом, в промежуточный бункер загрузчиков стекловаренной печи и в винтовой питатель может поступать только один бой, усугубляя еще сильнее указанную проблему. Поэтому в конструкциях ряда других питающих устройств, подающих шихту в герметизированные загрузочные карманы, вместо двух винтовых питателей используются один или два вибрационных механизма загрузки, которые, как показывает практика, менее подвержены абразивному износу при транспортировании стеклянного боя, чем шнеки.

Например, загрузчик шихты типа HVR 700 – 2P, разработанный другой известной компанией HORN (Германия) [5], тоже имеет неподвижную рамную конструкцию, защищенную тепловым экраном, и содержит вместо двух винтовых питателей один широкий вибрационный лоток, разделенный перегородкой на два транспортирующих канала, а также два толкателя шихты, оснащенных водоохлаждаемыми шиберами. Шиберы в процессе своей работы сдвигают порции шихты, сбрасываемые на поверхность расплавленной стекломассы с вибрационного лотка, и образуют из них в загрузочном кармане шихтовой ковер, распределение куч в котором может производиться в трех режимах: синхронно; со смещением по фазе проталкивания на 180° и независимо (асинхронно). Режимы такого проталкивания отдельных порций шихты вглубь стекловаренной печи позволяет более эффективно формировать разрывы между кучами, в которые стекает образующийся расплав стекла, и увеличивать тем самым поверхность шихты, взаимодействующей с газопламенным пространством печи.

Дополнительное же разделение загружаемой сырьевой смеси на два потока с помощью продольной перегородки, находящейся внутри вибрационного лотка шириной 700 мм, а также управляемое изменение ритма проталкивания куч шихты и регулирование количества подаваемой смеси в каждый из транспортирующих каналов создают возможность преимущественной подачи шихты слева, справа или по центру загрузочного кармана. Такое смещение максимума загрузки по фронту подачи шихты в загрузочный карман в определенной степени имитирует угловое перемещение вибрационного питателя, хотя вся конструкция загрузчика не поворачивается так, как это происходит при использовании толкательных или веерных устройств засыпки шихты. Отсутствие поворота вибрационного питателя при этом не только упрощает конструкцию данного загрузчика, делая ее неподвижной, но и при наличии плоского теплозащитного экрана обеспечивает лучшую изоляцию загрузочного кармана и уменьшает потери тепла из него. Единственным недостатком загрузчика марки HVR 700 – 2P является то, что при общей скорости подачи шихты в загрузочный карман, изменяемой с помощью частотного преобразователя, раздельное задание количества подаваемой сырьевой смеси в каждый из транспортирующих каналов вибрационного питателя производится вручную с помощью отсечных заслонок, установленных на выходе приемной воронки.

Автоматическое раздельное регулирование количества шихты, подаваемой в боковые и центральную зоны загрузочного кармана, можно реализовать лишь при условии замены у загрузчика одного широкого вибрационного питателя, имеющего внутри своего лотка два канала транспортирования, на два вибрационных механизма, работающих независимо друг от друга. Чтобы выполнить эти условия в сочетании с другими конструктивными требованиями, отвечающими потребностям современного стекольного производства, другая немецкая компания ZIPPE, являющаяся признанным мировым лидером в области проектирования и строительства составных цехов, предложила свою концепцию инновационного загрузчика шихты VIBROTUBE [6].

Среди ключевых особенностей, которые выгодно отличают данный загрузчик от аналогичных механизмов и устройств, предназначенных для подачи шихты и боя в стекловаренные печи можно выделить следующие преимущества: 

• полная герметизация загрузочного кармана;
• сведение к минимуму износа транспортирующих элементов; 
• совместимость с любыми конструкциями загрузочных карманов;
• возможность быстрой замены оборудования; 
• уменьшение количества выбросов NOx; 
• снижение потребления энергии; 
• оптимизированная система управления процессом загрузки и распределения шихты в загрузочном кармане.

Многие из этих показателей работы характерны и для других типов загрузочных устройств, но только загрузчики марки VIBROTUBE позволяют наиболее оптимально производить распределение шихты в зоне ее засыпки при сохранении высокой герметичности и тепловой изоляции кармана. Повышенная герметизация загрузочного кармана в данном случае достигается за счет уменьшения площади двух неизолированных отверстий в теплопоглощающем экране, предназначенных для перемещения и прохождения через экран траверс толкателей шихты.
Базовая конструкция инновационного загрузчика шихты VIBROTUBE включает в себя следующие основные узлы и механизмы: несущую раму 1 (Рис.2 ); два трубных вибрационных питателя 2, 3, расположенных параллельно друг другу; два толкателя 4, 5, проталкивающих шихту 6 вглубь загрузочного кармана 7; теплопоглощающий экран 8 и две приемные воронки 9, 10, выходы которых связаны с входами вибрационных питателей. В общем и целом компоновочные решения этого загрузчика идентичны компоновочным решениям загрузчиков ЕМЕ - NEND и HVR 700 – 2P, но в нем используются совершенно другие толкатели шихты, работающие по иному принципу, чем аналогичные механизмы с эллиптической траекторией перемещения шиберов.

Траверса каждого толкателя шихты в рассматриваемом загрузчике связана со своим линейным сервоприводом и перемещается в режиме реверса только в горизонтальном направлении, поэтому для ее прохождения через экран не требуются вертикальные щелевые отверстия большей площади, как в других рассмотренных моделях. Одновременно с линейным движением участок этой траверсы, соединенный с водоохлаждаемым шибером проталкивания шихты, может осуществлять еще и угловое перемещение относительно продольной оси траверсы, которое обеспечивается пневматическим приводом поворота.
Поворот шибера 11, расположенного ближе к правой стороне загрузочного кармана, производится следующим образом. В исходном положении шибер, имеющий трапецеидальную форму, повернут против часовой стрелки, а его нижняя часть, контактирующая во время проталкивания с шихтой, поднята выше уровня шихты, загружаемой на поверхность стекломассы. Когда начинается движение траверсы толкателя 4 вперед (вглубь загрузочного кармана), пневматический привод поворота по команде системы управления осуществляет поворот траверсы по часовой стрелке, в результате чего нижняя часть шибера заглубляется в шихту и обеспечивает ее перемещение. В конце хода вперед пневматический привод поворачивает шибер в поднятое положение, а линейный сервопривод возвращает толкатель на исходную позицию. Контакт шибера с шихтой в процессе этого движения толкателя назад не происходит. Далее операция следующего проталкивания вновь загружаемых порций шихты производится аналогично.

Аналогично, но с небольшими различиями, происходит и процесс проталкивания порций шихты, подаваемых в загрузочный карман другим толкателем 5. Различия заключаются лишь в том, что в исходное положение второй шибер 12 поворачивается по часовой стрелке, а при движении вперед – против часовой стрелки. Совместное проталкивание шихты обоими толкателями может производиться синхронно, асинхронно и в противофазе, как у загрузчика HVR 700 – 2P.
Еще одним преимуществом такой системы проталкивания шихты по сравнению с другими загрузочными устройствами является возможность автоматически регулировать длину хода траверсы толкателя, а также поднимать и заглублять шибер в шихту в любой точке линейной траектории его движения. У толкателей с эллиптической траекторией перемещения шиберов изменение этих параметров осуществляется только путем ручной механической переналадки рычажных систем механизмов проталкивания, поэтому при их использовании значительно сложнее реализовывать адаптивные алгоритмы автоматического управления процессами загрузки шихты.

Реализация одного из таких алгоритмов, повышающих эффективность загрузки шихты и боя в регенеративную стекловаренную печь с подковообразным направлением пламени [7], становится возможной при использовании схемы раздельной подачи шихты и боя в загрузочный карман с помощью загрузчика VIBROTUBE, в конструкции которого есть две воронки для приема загружаемых материалов. Обычно в обе эти воронки подается смесь шихты и боя из общего промежуточного бункера загрузчика. Если же перед загрузчиком установить два таких бункера, то один из них можно заполнить собственным возвратным боем, а в другой загрузить смесь шихты и привозного боя (два вида боя чаще всего используется в производстве стеклянной тары), что и позволит раздельно загружать эти материалы в разные зоны загрузочного кармана.
Раздельная загрузка шихты и боя, при которой в крайние зоны загрузочного кармана направляется бой, а посередине загружается смесь шихты и боя, известна [8] и много лет успешно используется в производстве флоат-стекла в Саратовском институте стекла. Так как применение этого способа на стекловаренной печи с поперечным направлением пламени, имеющей широкий загрузочный карман, приводит к существенному снижению агрессивного химического воздействия продуктов варки стекла на огнеупоры боковых стен варочного бассейна, представляет интерес адаптации подобной технологии и для печи с подковообразным направлением пламени.

Технология, использующая адаптивный алгоритм автоматического управления процессом загрузки шихты и боя в регенеративную стекловаренную печь 1 (Рис. 3а) с подковообразным направлением пламени, заключается в следующем. Собственный бой, транспортируемый с «горячего» и «холодного» концов производства стеклянной тары, направляется в бункеры 2, 3 загрузчиков шихты 4, 5, а смесь шихты с привозным боем, приготавливаемая в составном цехе, подается с помощью соответствующих конвейерно-элеваторных линий (не показаны) в бункеры 6, 7 этих же загрузочных устройств. С выходов бункеров 2, 3, 6, 7 собственный возвратный бой и смесь шихты с привозным боем раздельно загружаются в приемные воронки загрузчиков 4, 5, каждый из которых соответственно содержит по два вибрационных питателя 8, 9 и 10, 11 , а также по два толкателя шихты 12, 13 и 14, 15.

Вибрационный питатель 8 совместно с толкателем 12 подают и проталкивают собственный бой в загрузочный карман 16 со стороны печи, примыкающей к участку торцевой стены с горелочным устройством 17. Попеременная загрузка смеси шихты с привозным боем в этот же карман производится с другой его стороны и осуществляется с помощью вибрационного питателя 9 и толкателя 13. Засыпка этих же материалов в соответствующие зоны загрузочного кармана 18, расположенного в непосредственной близости от горелочного устройства 19, поочередно выполняется вибрационными питателями 10, 11 и их толкателями 14, 15. Очередность работы вибрационных питателей смеси шихты и боя в обоих карманах зависит при этом от направления пламени в стекловаренной печи.

В ситуации, когда газ на горение поступает в горелочное устройство 17 (пламя слева), а отходящие дымовые газы направляются в регенератор 20 со стороны горелочного устройства 19, образуя тем самым подковообразную форму факела 21, температура пламенного пространства с левой стороны выше, чем справа. Вследствие этого слева целесообразнее загружать в карман 16 собственный бой и смесь шихты с привозным боем, а справа желательно подавать в загрузочный карман 18 только собственный бой. Пылящая шихта в этом случае не поступает в загрузочную зону кармана 18, покрываемую потоками отходящих дымовых газов, имеющих высокую турбулентность, поэтому улетучивание легких фракций с этой стороны практически не происходит. Унос пылевидных частиц шихты слева тоже незначителен, так как шихта при пламени слева загружается только со стороны печи с более высокой температурой факела и быстрее оплавляется.

Преимущественная подача боя в оба загрузочных кармана вибрационными питателями 8, 10 позволяет при этом осуществлять изоляцию угловых элементов 22, 23 огнеупорной кладки печи, подверженных наиболее активному разрушению и коррозии, от контакта с плавящейся шихтой, подаваемой другими питателями. Изоляция этих огнеупоров от взаимодействия с относительно холодной шихтой, продукты плавления которой химически намного агрессивнее, чем расплав боя, происходит за счет более быстрого плавления загружаемых частиц стекла и формирования из них высокотемпературного потока стекломассы, отделяющего огнеупорную конструкцию кармана, примыкающую к торцевой стене печи, от потока плавящихся куч шихты.

За 3 – 5 минут до начала перевода направления пламени с левой стороны печи на правую (цикличность времени перевода обычно составляет 30 минут) подача смеси шихты с привозным боем в загрузочный карман 16 прекращается (Рис. 3б), а загрузка боя в оба кармана питателями 8, 10 продолжается независимо от цикла работы горелочных устройств. Прекращение подачи шихты за несколько минут до смены направления пламени способствует при этом предварительному оплавлению поверхности загружаемой смеси и предотвращает ее пыление при последующем контакте с отходящими дымовыми газами, обращенными к левой стороне печи после окончания операции перевода.

По завершении операции перевода направления пламени температурный максимум факела 24 смещается вправо, поэтому смесь шихты с привозным боем начинает подаваться в загрузочный карман 18 с помощью вибрационного питателя 11 и соответствующего толкателя 15 (Рис. 3в). Частота включения этого толкателя (также как и частота включения толкателя 13 в загрузочном кармане 16) больше частоты проталкивания собственного стеклянного боя, осуществляемого толкателями 12, 14. Потребность в более интенсивном перемещении шихты, смешанной с привозным боем, обуславливается в данном случае не только повышенным количеством загружаемой смеси по отношению к количеству собственного боя, но и необходимостью проталкивания куч шихты дальше в варочную часть печи, из которой осуществляется дополнительный перенос горячей стекломассы в загрузочный карман. В результате этого высокотемпературный обратный поток стекломассы, направляющийся в зону загрузки с пониженной температурой расплава, приводит к повышенному переносу тепла шихте снизу и повышает эффективность плавления сырьевой смеси.

Остальные технологические операции и процессы, связанные с загрузкой шихты справа, происходят аналогично соответствующим процессам, протекающим в стекловаренной печи при направлении пламени с левой стороны, и также способствуют снижению уноса пылевидных фракций сырьевой смеси в регенераторы и частично предотвращают коррозию отдельных элементов огнеупорной кладки соответствующего загрузочного кармана.

Таким образом, использование в современных системах загрузки шихты и боя в регенеративные стекловаренные печи с подковообразным направлением пламени усовершенствованных загрузочных карманов и принципиально новых загрузчиков сырьевой смеси знаменуют собой важный этап в создании экологически безопасных производств. Широкое применение подобных механизмов и устройств в сочетании с внедрением инновационных комплексов подогрева стекольной шихты отходящими дымовыми газами приводит не только к значительной экономии энергоресурсов и сокращению выбросов оксидов азота NOx в окружающую атмосферу, но и существенно повышает эффективность процессов варки стекла. 

В.В. Ефременков - кандидат технических наук, первый заместитель генерального директора ООО «Стромизмеритель» 

Литература

1. Ефременков В.В. Технология загрузки шихты в стекловаренные печи // Технология стекла. Справочные материалы / Под ред. П.Д. Саркисова. Москва. 2012. С. 391 – 404.
2. Пат. РФ на изобретение 2520208, МПК С03В3/02. Ванная стекловаренная печь с выступом и способ нагрева шихты в ванной стекловаренной печи / М. Линдинг, А. Зорг; опубл. 20. 06. 2014 // Бюлл. 2014. №17.
3. Пат. РФ на изобретение 2547865, МПК С03В3/00. Способ и устройство для загрузки стекловаренных печей / В. Эрих; опубл. 10. 04. 2015 // Бюлл. 2015. №10.
4. Пат. РФ на изобретение 2556093, МПК С03В3/00. Загрузочное устройство для стеклоплавильной установки / М. Линдинг, В. Эрих; опубл. 10. 10. 2014 // Бюлл. 2014. №28.
5. Walker Y. Batch charger developments // Glass Worldwide. 2017. May / June. P. 89 – 91.
6. Füger M. Innovation in batch charging // Glass Worldwide (Russian language supplement). 2015. May / June. P. 55.
7. Пат. РФ на изобретение 2595745, МПК С03В3/00. Способ загрузки шихты и стеклобоя в регенеративную стекловаренную печь с подковообразным направлением пламени / В.В. Ефременков; опубл. 27. 08. 2016 // Бюлл. 2016. №24.