Теплотехнический расчет ванной регенеративно стекловаренной печи с поперечным направлением пламени

       В зависимости от производительности ванных печей варьируются и размеры  бассейнов печей, и количество необходимых  для обогрева горелок. Так малые  и средние ванные печи  отапливаются небольшим количеством горелок – 1 пара. По направлению пламени это или печи прямого нагрева или печи с подковообразным направлением пламени. Высокопроизводительные печи имеют значительно большее количество пар горелок, и они располагаются  не в торцах печи, а по боковым стенам. При этом направление пламени является поперечным.  Цикл переключения направления пламени составляет 30 мин., т.е. противоположно расположенные горелки работают на всасывание отходящих газов.

       Максимальная  температура в больших ванных печах, отапливаемых природным газом, составляет 1580…1590 ⁰С.

 

       2.1. Процесс стекловарения  в ванных печах 

 

    Стекловарение – сложный физико-химический процесс, который протекает при изменяющейся высокой температуре и движущейся среде (стекломассы) переменного и сложного состава и зависит от состава стекла, вида топлива, условий теплообмена, а также характера движения газов, стекломассы /1,2/.

    Условно выделяют пять стадий варки:

1. Силикатообразование. Образуются силикаты и другие промежуточные соединения, появляется жидкая фаза за счет плавления эвтектических смесей и солей. К концу этапа силикаты и непрореагировавшие компоненты с жидкой фазой образуют спекшуюся массу. Для стекол обычных составов первый этап заканчивается при 900-1150^оС.
2. Стеклообразование. Образовавшийся на предыдущем этапе спек с повышением температуры плавится. Завершаются реакции силикатообразования, происходит взаимное растворение силикатов. В расплаве силикатов идет постепенное растворение избыточного кварца, составляющее главное содержание этого периода. К концу этапа появляется прозрачный неоднородный по составу расплав, включающий много пузырей. Обычно стадия стеклообразования завершается при 1200^оС .
3. Осветление. В течение этого этапа из расплава удаляются видимые газовые включения. Для осветления используют приемы механического перемешивания, бурление воздухом, газом, паром. Осветлению способствует и центрифугирование. Для ускорения дегазации применяют осветлители. Для интенсификации осветления стекломассы производится бурление ее сжатым воздухом, что позволяет повысить производительность печи и улучшить качество стекломассы. Сопла расположены в зоне открытого зеркала стекломассы. Количество барботажных сопел – 14 штук. Подача сжатого воздуха непрерывна. Интенсивность бурления – 10-30 пузырей в минуту.
4. Гомогенизация. Протекает одновременно со стадией осветления при одних и тех же температурах. На этом этапе происходит усреднение расплава по составу, он становится химически однородным.
5. Студка. На данном этапе происходит подготовка стекломассы к выработке, для чего равномерно снижают температуру на 300-400^оС и добиваются необходимой для формования вязкости стекла (10-10²) Па·с.

 

    2.1.1Силикатообразование.

 

    Реакции в содовой шихте (Na₂CO₃+CaCO₃+SiO₂). При нагревании обычной стекольной шихты при температуре 100—120°C удаляется гигроскопическая вода и, начиная уже с 500—550° С, образуется двойной натриево-кальциевый карбонат CaNa₂(CO₃)₂ с температурой плавления 813° С по реакции: CaCO₃+Na₂CO₃ = CaNa₂(CO₃)₂. Эта реакция возникает еще в твердом состоянии и протекает благодаря диффузии между компонентами шихты. Выделение CO₂ из шихты начинается при температуре 600° С. При этой же температуре образовавшаяся двойная соль CaNa₂(CO₃)₂ начинает взаимодействовать с SiO₂ с выделением CO₂. При температуре 720°C Na₂CO₃ взаимодействует с SiO₂ с выделением CO₂; при температуре 912° С CaCO₃ взаимодействует с SiO₂ с выделением CO₂. Разложение двойного карбоната при действии кремнезема сопровождается выделением CO₂ по реакции:

    CaNa₂(CO₃)₂ + 2SiO₂ = Na₂SiO₃ + CaSiO₃ + 2CO₂.

    Эта реакция протекает в температурном  интервале 600—830° С. При температуре 780° С образуется эвтектический  расплав Na₂CO₃·CaNa₂(CO₃)₂, который с повышением температуры все более активно взаимодействует с SiO₂. По окончании взаимодействия расплава с SiO₂ при 890—900° С начинается реакция между CaO, вновь выделяющейся из CaCO₃, и SiO₂. Процесс взаимодействия эвтектического расплава с SiO₂ можно схематически представить следующим образом:

    первая фаза

    Na₂CO₃ — CaNa₂(CO₃)₂ + 2SiO₂ = 2Na₂SiO₃ + CaCO₃ + 2CO₂; (эвтектический сплав)

    вторая фаза

    CaCO₃ + SiO₂ = CaSiO₃ + CO₂;

    итоговая реакция

    Na₂CO₃ — CaNa₂(CO₃)₂+2SiO₂ = 2Na₂SiO₃ + CaSiO₃ + 3CO₂.

    При температуре 855° С плавится ранее  непрореагировавшая сода; при 912° С  диссоциирует CaCO₃; при 960° С не успевший прореагировать двойной карбонат CaNa₂(CO₃)₂ диссоциирует на CaO, Na₂O и CO₂. Далее при 1010° С непрореагировавшая CaO образует с SiO₂ метасиликат кальция: CaO+SiO₂ = CaSiO₃. К концу силикатообразования шихта будет представлять собой спекшуюся массу расплава силикатов, пронизанную не успевшими выделиться из нее газами.

    Реакции в сульфатной шихте (Na₂S0₄+CaCO₃+SiO₂). Реакции силикато- и стеклообразования в сульфатной шихте протекают значительно сложнее, чем в содовой.

    Скорость  этой реакции приобретает практическое значение только при температуре выше 1300° С; поэтому для того чтобы силикатообразование в сульфатной шихте могло протекать при более низких температурах, необходимо сульфат натрия дополнительно разложить до Na₂O. Это разложение осуществляется при помощи добавки в шихту угля.

    Уголь, не полностью сгорая, образует окись углерода и водород.

    Образующиеся  в результате газы взаимодействуют  с сульфатом натрия, восстанавливая его до сульфита. Сульфат натрия, будучи нестоек, распадается на сульфат натрия и сульфид натрия.

    Образующийся  сульфид натрия Na₂S сразу же взаимодействует с парами воды.

    В присутствии воды Na₂O образуется NaOH, который весьма энергично взаимодействует с зернами кварцевого песка, образуя силикаты натрия. Таким образом, основная масса сульфата натрия восстанавливается не твердым углеродом, а продуктами его взаимодействия с кислородом и парами воды. Роль влаги в процессе варки стекол на сульфатной шихте весьма велика, поскольку влага способствует образованию NaOH и, следовательно, создает возможность активного силикатообразования.

    Самый ответственный этап варки стекла из сульфатной шихты — восстановление сульфата натрия. От того, насколько  полно протекает эта реакция, зависит, в сущности, успех всей дальнейшей варки стекла из сульфатной шихты. При неполном восстановлении сульфата часть его выплывает на поверхность в виде так называемого щелока, который сильно разъедает огнеупор и вызывает ряд пороков в стекле.

    Сульфатную  шихту необходимо вводить непосредственно  в зону наивысших температур.

    В многокомпонентной шихте процессы силикатообразования и плавления  начинаются раньше, идут более энергично  и заканчиваются при более  низких температурах, чем в трехкомпонентной шихте. Это объясняется тем, что  сложные эвтектики плавятся при  более низкой температуре, чем простые. Многокомпонентные стекла провариваются легче и быстрее и обладают лучшими выработочными и эксплуатационными свойствами (кристаллизационная способность, химическая устойчивость и т. д.).

    2.1.2Стеклообразование

    После завершения основных химических реакций в шихте и образования силикатов натрия, кальция и сложных силикатов в появившемся расплаве остаются зерна кварца (песка), не вошедшего в химические реакции. В шихте обычных промышленных стекол примерно 25% песка не связывается в силикаты.

    В результате дальнейшего повышения  температуры резко возрастает скорость растворения избыточных зерен кварца и силикатов в высокощелочном силикатном расплаве. Стеклообразование  протекает в 8—9 раз медленнее, чем  силикатообразование. Зерна кварца растворяются в силикатах натрия и кальция при температуре 1300—1350°С.

    На  интенсивность процесса стеклообразования  существенно влияют:

    – температура варки;

    – химический состав шихты;

    – выбор сырьевых компонентов;

    – применение ускорителей варки;

    – зерновой состав компонентов;

    – однородность шихты.

    При повышении температуры с 1400 до 1450°С время провара сокращается более  чем в 1,5 раза. При дальнейшем повышении  температуры от 1450 до 1500°C продолжительность  варки сокращается еще больше.

    Скорость протекания химической реакции и скорость растворения кварца в силикатном расплаве в значительной мере зависит также от размера зерен кварцевого песка. При их уменьшении процессы силикатообразования и стеклообразования ускоряются. Увеличение степени измельчения остальных компонентов шихты почти не влияет на процесс варки стекла.

    Зависимость времени полного провара t от радиуса  зерен песка r описывается уравнением

    t = k·r³, где k — постоянная.

    Уменьшение  величины зерна кварцевого песка  от 0,28 до 0,03 мм при прочих равных условиях повышает скорость стеклообразования в 8—9 раз.

    2.1.3Осветление

    В шихте могут содержаться:

    –газы, химически связанные и находящиеся в сырьевых материалах шихты;

    –газы, механически занесенные в шихту;

    –летучие вещества, специально введенные в шихту;

    – газы, попадающие в шихту или стекломассу из газовой среды печи. Наиболее часто встречаются газы O₂, CO₂, SO₃, H₂O, N₂, воздух и др. Больше всего газов заносится сырьевыми материалами.

    Шихта обычных промышленных стекол содержит в среднем около 18% газов в химически связанном виде, т. е. на 100 кг шихты примерно 4—5м³. Осветление или освобождение расплава от пузырьков газа происходит двумя путями. Пузырьки больших размеров поднимаются к поверхности стекломассы и лопаются. Пузырьки малых размеров растворяются в расплаве. Значительная часть газов присутствует в стекломассе не только в виде пузырьков, но и в связанной, форме. Газы, растворенные в стекле, способны при определенных условиях вновь выделиться из раствора и образовать пузырьки. Процесс полного освобождения стекломассы от газов или достижение полного равновесия в системе «стекломасса — газ» требует бесконечно длительного времени. Поэтому задача технолога сводится к тому, чтобы довести стекломассу до такого равновесного состояния, при котором мельчайшие пузырьки перестают быть видимыми или при котором из стекломассы исчезают заметные мелкие пузырьки. На этом процесс осветление стекломассы завершается. Создавшееся равновесное состояние системы «стекломасса — газ» не должно быть нарушено вплоть до выработки изделий. В противном случае могут вновь образоваться видимые пузырьки.

    Для обычных стекол осветление заканчивается  при температуре 1400—1500°С.

    Интенсификации  процесса осветления способствуют следующие  мероприятия:

    – удлинение варки;

    – повышение температуры;

    – перемешивание стекломассы;

    – добавка в шихту специальных веществ — осветлителей.

 

    2.1.4 Гомогенизация

 

    Процесс гомогенизации заключается в  ускорении и выравнивании химического  состава стекломассы, в ликвидации свили и гетерогенных слоев.

    В печах периодического действия это  осуществляется путем перемешивания  стекломассы, в печах непрерывного действия — длительным выдерживанием  ее в зоне высоких температур, а  также в результате бурления стекломассы, вызываемого сжатым воздухом.

    Гомогенизация осуществляется главным образом  за счет молекулярной диффузии при  малой вязкости стекломассы. Потоки при этом не играют никакой роли. Процессу гомогенизации до некоторой  степени содействует осветление. Увеличение скорости гомогенизации  достигается тонким измельчением шихты, тщательным ее перемешиванием и равномерным распределением при загрузке в печь.