_Illustrationsseite_245a.jpg/1280px-Die_Bauten_von_Dresden_(1878)_Illustrationsseite_245a.jpg)
Стекловаренная печь предназначена для плавки сырья в стекло . [1]
В зависимости от предполагаемого использования существуют различные конструкции стеклоплавильных печей. [2] [3] [4] Они используют различные источники энергии. Эти источники в основном работают на ископаемом топливе или полностью на электроэнергии. Также реализуется комбинация обоих источников энергии. Стеклоплавильная печь изготавливается из огнеупорного материала . [5]
Стеклянное сырье подается в стекловаренный бак партиями или непрерывно. Компоненты (партия) расплавляются, образуя жидкую стекломассу. Помимо основных компонентов, партия также содержит стеклобой из переработанного стекла для экономии энергии. Содержание боя может составлять примерно до 85% - 90% (зеленое стекло) в зависимости от требований к желаемому цвету стекла. При изменении цвета стекла (перекрашивании) весь процесс часто занимает несколько дней в больших стекловаренных печах. Для экономичной эксплуатации стекловаренные печи работают круглосуточно в течение всего года для так называемого массового стекла (пустотелое стекло, плоское стекло). Помимо одного или максимум двух небольших плановых промежуточных ремонтов, во время которых печь выводится из эксплуатации, так называемый поход печи (кампания) до генерального ремонта (перестройки) может длиться до 16 лет и более (в зависимости от группы продукции). Мощность может варьироваться от одной тонны до более 2000 тонн, а суточная производительность может варьироваться от нескольких килограммов до более 1000 тонн. Рабочая температура внутри печи, над так называемой стекольной ванной, составляет около 1550 °C. Эта температура определяется составом шихты и требуемым количеством расплавленного стекла — суточным производством — а также потерями энергии, связанными с проектированием.
Стекловаренные печи работают с системой рекуперации тепла дымовых газов для повышения энергоэффективности.
Необходимое сокращение выбросов CO2 в связи с необходимостью смягчения последствий изменения климата привело к появлению различных концепций по сокращению или замене использования ископаемого топлива , а также к предотвращению выбросов CO2 во время плавки шихты за счет увеличения доли вторичной переработки.
Этот исторический тип стекловаренного резервуара производит продукцию партиями (прерывисто); он используется для плавки стекол, которые требуются только в небольших количествах. Максимальная площадь плавления дневных резервуаров составляет 10 м2, а производительность плавления составляет от 0,4 до 0,8 т/м2 площади плавления.
Одним из видов такой печи является горшечная печь. Печь состоит из огнеупорной каменной чаши глубиной от 40 до 60 см (нижняя печь), которая перекрыта сводом диаметром от 70 до 80 см (верхняя печь).
В начале XXI века дневные ванны все еще существовали на некоторых стекольных заводах и ремесленных мастерских, а также на некоторых предприятиях по производству специального стекла, где выплавлялись небольшие партии высококачественного стекла, например, оптического стекла.
Суточные баки не выводятся из эксплуатации в конце дня; температура просто понижается на ночь. Поскольку огнеупорный материал обычно не выдерживает больших перепадов температур, и это приводит к его повышенной коррозии (расходу), такое быстрое охлаждение не может произойти в любом случае. Если дневной бак выводится из эксплуатации, например, для технического обслуживания, необходимо соблюдать время охлаждения/нагрева (от двух до нескольких дней), которое адаптировано к огнеупорному материалу. Исключение составляют меньшие печи (студийные печи) в ремесленных мастерских. Там огнеупорная футеровка проектируется соответствующим образом.
Печи непрерывного действия состоят из двух секций: плавильного бака и рабочего бака. Они разделены проходом или сужением (флоат-стекло). В плавильном баке шихта плавится и очищается. Затем расплав проходит через проход в рабочий бак и оттуда в питатель (питатель). Там стекло извлекается. При производстве полого стекла (полое стекло) стекловаренная машина, расположенная ниже, загружается стеклянными каплями. При производстве плоского стекла (флоат-стекло) стекло подается через специальные широкие выпускные отверстия в виде стеклянной ленты над так называемой флоат-ванной с жидким оловом (для плоского стекла без структуры: например, оконное стекло, автомобильное стекло) или для плоского стекла со структурой над профилированным роликом.
Плавильные ванны изготовлены из огнеупорных материалов и состоят из групп глинозема (Al2O3), кремнезема (SiO2), магнезии (MgO), циркония (ZrO2), а также их комбинаций для производства необходимых огнеупорных керамических материалов. При создании стекловаренных печей (плавильная ванна, включая регенеративные камеры) может быть использовано до 2000 т огнеупорного материала для сектора полого стекла и до 9000 т для сектора плоского стекла. Источником тепла в 2021 году обычно являются природный газ, тяжелое и легкое масло, а также электрический ток, подаваемый непосредственно в стеклянную ванну с помощью электродов. Нагрев ископаемым топливом часто сочетается с дополнительным электрическим нагревом. Также используются полностью электрические нагреваемые стекловаренные ванны.
Использование чистого кислорода вместо воздуха для сжигания ископаемого топлива (предпочтительно газа) экономит энергию и, в лучшем случае, снижает эксплуатационные расходы. Температура горения, а следовательно, и теплопередача, выше, а объем нагреваемого газа ниже. 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 «торцевые», «боковые» и «кислородные» печи. Последней разработкой является гибридная печь. В настоящее время ведется строительство ряда проектов для этого типа, и 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).
Для экономии энергии в процессе плавки стекла, помимо использования как можно большего количества переработанного стекла (примерно 2% экономии энергии на каждые 10% стеклобоя), основополагающей частью процесса является нагрев воздуха горения до максимально возможного уровня температуры с помощью системы регенерации или рекуперации.
В наиболее часто используемом регенераторе горячие отходящие газы (1300 °C - 1400 °C) подаются прерывисто в камеры через решетку из огнеупорных, прямоугольных или специальных формованных кирпичей. Эта так называемая решетка нагревается в процессе. После этого периода прогрева (аккумулирования тепловой энергии отходящих газов решеткой) направление потока газа меняется на противоположное, и свежий, холодный воздух, необходимый для сгорания, теперь течет через ранее нагретую решетку камеры. Таким образом, воздух для сгорания предварительно нагревается примерно до 1200 °C - 1300 °C. Это приводит к значительной экономии энергии. После сгорания отходящие газы, в свою очередь, поступают на решетку другой камеры, где они повторно нагревают теперь более ранее охлажденную решетку. Процесс периодически повторяется с интервалом 20-30 минут. Таким образом, камеры работают прерывисто. Степень рекуперации составляет примерно 65%
Рекуператор работает непрерывно и состоит из металлического теплообменника между отработавшими газами и свежим воздухом. Из-за металлической поверхности теплообменника (жаропрочные высоколегированные стальные трубы в сочетании с металлической двойной оболочкой) рекуператор может работать только при более низких температурах отработавших газов и, следовательно, работать менее эффективно (40%). Таким образом, здесь достигаются только относительно более низкие температуры предварительного нагрева (макс. 800 °C).
Рекуператор менее затратен в установке и требует меньше места и инвестиций. Это приводит к экономическим преимуществам с точки зрения инвестиционных затрат, которые, однако, значительно сокращаются из-за меньшей эффективности или даже могут иметь отрицательные последствия в течение длительного периода эксплуатации.
В случае структурных ограничений по установке регенератора также были разработаны и внедрены комбинации регенератора и рекуператора с целью достижения максимально возможной энергосберегающей или эффективной работы системы [6].
В качестве дополнительной меры, чтобы использовать теплосодержание отработавших газов (температура > 700 °C), технически возможно или уже было испытано в больших масштабах соединение тепла/энергии ниже по потоку. Однако необходимые усилия по техническому обслуживанию такой системы связаны со значительными затратами и поэтому должны оцениваться как критические с точки зрения сопутствующих эксплуатационных расходов. Поэтому эта конкретная концепция рекуперации энергии ниже по потоку, как правило, в настоящее время не рассматривается. Инновационные изменения этой концепции должны быть проверены на практике в производственной среде в долгосрочной перспективе с большими затратами. Однако это требует определенной готовности идти на риск со стороны компаний, что из-за жесткой конкуренции в этой отрасли, как правило, не делается.
В связи с климатическими дебатами было запущено несколько разработок и исследовательских проектов, направленных на значительное сокращение выбросов CO2 в атмосферу при производстве. Среди прочего, в Европе была запущена инициатива по созданию нового типа стекловаренной печи. [7] Различные европейские производители стекла работают над этим проектом совместно с поставщиками технологий с целью создания соответствующего завода в промышленных масштабах. Предполагается, что завод будет введен в эксплуатацию в 2022 году с производительностью плавки 350 тонн в день. Эта стекловаренная так называемая гибридная печь будет работать на 80% электроэнергии, вырабатываемой из возобновляемых источников энергии, и, как ожидается, позволит сократить выбросы CO2 на 50%. [8] [9]
Отрасль, представляющая собой сообщество 19 европейских компаний по производству тарного стекла, пыталась получить финансовую поддержку от Инновационного фонда ЕС. [10] Однако получить грант от Инновационного фонда ЕС не удалось, несмотря на то, что проект получил очень высокие оценки с точки зрения инноваций, отраслевого подхода и масштабируемости.
Хотя вовлеченные компании добровольно внесли финансовый вклад в проект, грант ЕС все еще представлял собой значительный вклад в дополнительные CAPEX и OPEX по сравнению с обычной печью. Без гранта ЕС проект не мог быть реализован так, как изначально планировалось. Тем не менее, отрасль сейчас оценивает, как продолжить свои усилия по декарбонизации. [11] К концу 2024 года проектная печь была реализована и поступила в эксплуатацию. [12]
Кроме того, существуют исследовательские проекты по альтернативному нагреву стекловаренных печей так называемым зеленым водородом . При сжигании водорода образуется только водяной пар. Однако водяной пар влияет на процесс плавления и состав стекла, а также на свойства производимого стекла. Способ, которым это влияние можно контролировать и корректировать, является предметом дальнейшего исследования. Масштабное промышленное испытание было успешно проведено в августе 2021 года. [13]
Однако водород имеет значительно более низкую теплотворную способность на кубический метр по сравнению с природным газом. Это составляет всего около одной трети от теплотворной способности природного газа. Это приводит к новым требованиям к газопроводам для транспортировки водорода. Существующая в настоящее время сеть природного газа нелегко спроектировать для этого. Чтобы обеспечить то же количество энергии, трубопроводы должны быть либо примерно на 70% больше, либо рассчитаны на более высокое давление, либо при том же давлении должна быть реализована скорость потока в три раза выше. Последняя мера может быть применена в существующих трубопроводных сетях. Однако это может привести к увеличению 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 охрупчивает материал в этой точке, 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, а также поставщиками труб.
Альтернативное использование биотоплива также было протестировано в крупномасштабном промышленном испытании. Было достигнуто сокращение CO2 на 80%. Однако требуемые объемы газа не были полностью доступны в течение более длительного периода времени, поэтому крупномасштабное испытание было ограничено 4 днями. [14]