Эффективность стекловаренной печи напрямую зависит от производительности ее регенератора. Как ведущий поставщик высококачественных огнеупорных материалов, наша компания глубоко понимает критическую роль, которую играет оптимальная конструкция насадочного тела и правильный выбор шамотного кирпича для стекловаренных печей. Данная статья освещает ключевые аспекты проектирования и выбора материалов, демонстрируя наш экспертный подход к повышению энергоэффективности, сокращению выбросов и увеличению срока службы вашего производства. Мы предлагаем не просто кирпич, а комплексные инженерные решения, основанные на глубоких знаниях технологических процессов.

Насадочное тело регенератора стекловаренной печи

Проектирование насадочного тела является важной частью общего проекта стекловаренной печи. Хорошо спроектированное насадочное тело позволяет значительно повысить температуру подогрева воздуха для горения, что обеспечивает более высокую температуру горения топлива и оказывает вспомогательное воздействие на горение и нагрев всей печи. Оно позволяет рекуперировать больше тепла отходящих газов, а температура выбрасываемых отходящих газов становится ниже. Это сокращает объем продуктов сгорания, тем самым уменьшая выбросы вредных веществ, таких как оксиды азота, сера и ее оксиды, пыль дымовых газов и т.д., что оказывает заметное положительное влияние на окружающую среду.

Основная информация о насадочном теле регенератора

Насадочное тело регенератора стекловаренной печи сооружается из стандартного насадочного кирпича, который имеет унифицированные размеры, невысокую стоимость и короткие сроки поставки. Огнеупорные материалы, используемые для производства насадочного кирпича, должны обладать высокой плотностью и высокой теплопроводностью, чтобы насадочное тело имело достаточную способность аккумулировать и передавать тепло. Установление требуемой температуры подогрева воздуха для горения и температуры отходящих газов является важным предварительным условием для проектирования насадочного тела.

Функция регенератора заключается в передаче тепла от дымовых газов, отходящих из плавильной зоны стекловаренной печи, воздуху для горения, осуществляя рекуперацию тепла. На теплообменные характеристики насадочного тела влияют тип насадочного кирпича, способ укладки, размер каналов насадочного тела, толщина стенки (толщина кирпича) и материал насадочного кирпича. Вид топлива также сильно влияет на радиацию дымовых газов и является одним из факторов, влияющих на теплообмен насадочного тела.

С точки зрения теплотехники, размер каналов насадочного тела непосредственно влияет на теплообмен: чем меньше каналы, тем больше удельная площадь поверхности нагрева и теплообменная способность насадочного тела. Однако с эксплуатационной точки зрения, уменьшение каналов увеличивает сопротивление газовому потоку, а также повышает вероятность засорения из-за ультрамелкодисперсной пыли из шихты или капель шлака, что может ухудшить теплообменную способность насадочного тела.

Условия работы насадочного тела регенератора стекловаренной печи

Условия работы регенератора стекловаренной печи крайне суровы: он должен выдерживать воздействие высокотемпературных щелочных паров, дымовых газов и различных твердых летучих материалов; выдерживать тепловые удары при реверсе воздуха для горения и дымовых газов; кирпичи в нижней части также должны выдерживать вес вышележащей кладки. В целом это можно разделить на следующие случаи:

① Газовую эрозию от высокотемпературных щелочных паров и дымовых газов;
② Твердую эрозию от кислотных и щелочных пылевых частиц шихты, вредных примесей в топливе и т.д.;
③ Жидкую эрозию под действием жидких сульфатов в зоне конденсации;
④ Разрушение материала из-за усталости, вызванной структурными и термическими напряжениями при циклических изменениях температуры из-за реверсов;
⑤ Химические реакции в окислительной и восстановительной атмосфере, разрушающие структуру и кристаллические фазы кирпича;
⑥ Огнеупорный кирпич в нижних слоях испытывает большое давление от веса вышележащих слоев кирпича.

Опорный слой насадочного тела

Насадочное тело регенератора нельзя укладывать непосредственно на выравнивающий кирпич арок балок (ребер) под решеткой, потому что расстояние между осями смежных арок балок по ширине печи в два раза превышает модуль насадочного тела, а ширина самой арки балки составляет всего 150 мм. При этом расстояние между арками обычно превышает внешние размеры насадочного кирпича, и одна арка балки не может напрямую поддерживать два ряда насадочного кирпича с обеих сторон. Поэтому используется переходной слой из опорного кирпича насадочного тела. С точки зрения конструкции это эквивалентно добавлению переходной балки поверх смежных арок балок. Только поверх опорного кирпича можно укладывать насадочный кирпич в соответствии с модулем насадочного тела.

Опорный кирпич насадочного тела имеет перевернутую Т-образную форму с выступами (заплечиками) на обоих концах. Верхняя часть опорного кирпича имеет длину примерно в два раза больше модуля насадочного тела, а длина нижних выступов примерно соответствует расстоянию между арками балок. Опорный кирпич равномерно укладывается на верхнюю поверхность выравнивающего слоя арок балок в соответствии с модулем насадочного тела. Это позволяет зафиксировать смежные арки балок с интервалом, равным длине выступов, и создать на верхней поверхности опорного кирпича платформу для укладки, соответствующую модулю насадочного тела.

Длина верхней части опорного кирпича должна быть немного меньше удвоенного модуля насадочного тела для учета теплового расширения; обычно вычитается зазор в 5 мм. Огнеупорный кирпич для опоры насадочного тела, расположенный near внутренней и внешней стенок, имеет выступы разного размера на концах, и его длина также немного отличается, что требует проектирования в зависимости от конкретной ситуации. Высота насадочного тела регенератора включает высоту опорного слоя.

Размер каналов насадочного тела регенератора стекловаренной печи

Для достижения заданной температуры подогрева воздуха для горения регенератор стекловаренной печи должен иметь соответствующий объем насадочного тела и площадь теплообмена. Размер каналов насадочного тела играет важную роль в определении объема насадочного тела, его длины, ширины и высоты, а также значительно влияет на эффективность теплообмена.

Учитывая реальная ситуация с высоким содержанием ультрамелкодисперсных частиц в стекольной шихте в Китае, размер каналов насадочного тела регенератора должен составлять 150–170 мм. На большинстве стекловаренных печей в Китае фактически используются каналы размером 160 мм для цилиндрического кирпича и 165 мм для брускового кирпича. Это результат оптимизации долгосрочной производственной практики, который стал зрелым и устоявшимся.

«Рациональное значение» площади горизонтального сечения насадочного тела

Объем насадочного тела определяется произведением площади его горизонтального сечения на высоту. Площадь горизонтального сечения тесно связана с количеством пар горелок, расстоянием между осями горелок и внутренней шириной регенератора. Для регенераторов стекловаренных печей разной производительности и энергопотребления должна существовать соответствующее «рациональное значение» площади горизонтального сечения насадочного тела. Это значение не является единственно определенным, а представляет собой несколько дискретных, но близких значений в довольно узком диапазоне.

Это связано с тем, что длина и ширина насадочного тела определяются правилами укладки в соответствии с модулем насадочного кирпича. Размеры каналов и толщины стенок различных типов насадочного кирпича формируют разные модули, и размеры длины и ширины насадочного тела, уложенного по этому модулю, обязательно будут дискретными числами, а произведение длины и ширины будет еще более дискретным. Учитывая разнообразие параметров насадочного кирпича, использование концепции «рационального значения» здесь вполне уместно.

Если какое-либо одно или несколько из трех условий — количество пар горелок, расстояниемежду осями горелок, внутренняя ширина регенератора — спроектированы неадекватно, площадь горизонтального сечения насадочного тела может выйти за пределы диапазона «рационального значения». Это приведет к изменению расхода газа в каждом канале насадочного тела, изменению скорости потока и, как следствие, к изменению общего коэффициента теплообмена насадочного тела. Судя по текущей ситуации с регенераторами стекловаренных печей в Китае, случаи, когда площадь меньше «рационального значения», крайне редки, в то время как случаи, когда она больше, встречаются чаще.

Если площадь меньше «рационального значения», необходимо увеличить высоту насадочного тела, иначе его теплообменная способность будет недостаточной. Если площадь больше «рационального значения», расход газа через каждый канал насадочного тела уменьшится, скорость потока снизится, и коэффициент теплообмена насадочного тела также уменьшится. Хотя увеличение площади горизонтального сечения увеличивает объем насадочного тела, фактическая теплообменная способность увеличивается не пропорционально, а может даже почти не возрасти. Если площадь превышает «рациональное значение» слишком сильно, может потребоваться значительное увеличение удельного энергопотребления для обеспечения нормальной работы печи.

Высота насадочного тела

Высота насадочного тела регенератора стекловаренной печи со временем постепенно увеличивалась. Ранние насадочные тела регенераторов были очень низкими, что в основном было обусловлено ограниченными свойствами огнеупорных материалов того времени. Позже высота постепенно увеличивалась: 50–60 лет назад высота насадочного тела воздушного регенератора достигла 5–6 м, 30–40 лет назад — около 8 м, и в будущем она может продолжать увеличиваться.

По мере постоянного улучшения свойств огнеупорных материалов для насадочных тел регенераторов и ужесточения требований к энергосбережению и сокращению выбросов, высоту насадочного тела следует продолжать увеличивать. В настоящее время высота насадочного тела регенератора большинства стекловаренных печей в Китае составляет около 8 м, что соответствует температуре подогрева воздуха для горения около 1100 °C и температуре отходящих газов около 600 °C. Если увеличить высоту насадочного тела до 9–10 м, можно повысить температуру воздуха для горения до около 1200 °C и снизить температуру дымовых газов до около 500 °C, что позволит достичь экономии энергии и сокращения выбросов примерно на 5% каждое. Конечно, с увеличением высоты насадочного тела регенератора возрастут и капитальные затраты на строительство здания, что требует комплексного рассмотрения.

Традиционные методы проектирования насадочного тела регенератора стекловаренной печи

Теплопередача в насадочном теле очень сложна и относится к нестационарной, поэтому проектирование насадочного тела с помощью расчетов теплообмена является трудной задачей. На раннем этапе проектирование насадочного тела основывалось на площади плавильной зоны, при этом площадь теплообмена насадочного тела определялась в 25–45 раз больше площади плавильной зоны, что давало большой разброс и было очень грубым. Позже появились некоторые эмпирические методы или формулы для проектирования насадочного тела, основанные на объеме воздуха для горения (газа-топлива), требуемом в секунду during работы печи, что повысило точность и было простым и практичным.

Эмпирический метод, предложенный известным международным поставщиком спеченных огнеупоров немецкой компанией DIDIER (ныне поглощена компанией RHI), использует в качестве базиса расчета объем воздуха для горения в секунду. В зависимости от размера каналов насадочного тела, на каждый нормальный кубический метр в секунду (Nm³/s) воздуха для горения требуется определенный объем насадочного тела. Это можно назвать «переменной объема насадочного тела на единицу воздуха для горения». Исходя из этого объема и расхода воздуха для горения, можно найти объем насадочного тела для одной стороны регенератора печи, а затем, на основе других заданных условий, завершить проектирование насадочного тела.

Эмпирическая формула, предложенная американской компанией TECO, также использует в качестве базиса расчета объем воздуха для горения в секунду. В зависимости от требуемой температуры подогрева воздуха для горения, на Nm³/s расхода воздуха требуется определенная площадь теплообмена насадочного тела. Это можно назвать «переменной площади теплообмена насадочного тела на единицу воздуха для горения», и для расчета этой переменной площади в зависимости от температуры подогрева воздуха приводится формула с высокой степенью.

При использовании эмпирической формулы TECO для проектирования насадочного тела сначала необходимо определить температуру подогрева воздуха для горения, затем по формуле высокой степени найти «переменную площади теплообмена насадочного тела на единицу воздуха для горения», способную достижения этой температуры (иногда требуется корректировка методом проб). Затем, на основе полученной переменной площади и требуемого расхода воздуха для горения для печи, вычисляется требуемая площадь теплообмена насадочного тела для одной стороны регенератора, и, наконец, на основе других заданных условий завершается проектирование насадочного тела. Эмпирическая формула TECO напрямую связана с площадью теплообмена насадочного тела, что более соответствует actual процессу теплообмена.

Упрощенная формула для проектирования насадочного тела регенератора

Хотя теплообмен в регенераторе стекловаренной печи является нестационарным, в каждом цикле реверса общее количество тепла, отданное дымовыми газами, и общее количество тепла, поглощенное воздухом для горения, являются стабильными величинами. Следовательно, это стабильное общее количество переданного тепла должно быть可以 выражено формулой: количество тепла = коэффициент теплопередачи * площадь теплообмена * разность температур. Исходя из требуемой температуры подогрева воздуха для горения, необходимое общее количество передаваемого тепла для стекловаренной печи можно найти through расчета теплового баланса насадочного тела. Если можно найти общий коэффициент теплопередачи насадочного тела (единица измерения: ккал/(м²·цикл·°C)) и логарифмическую среднюю разность температур между дымовыми газами и воздухом для горения, то можно найти требуемую общую площадь теплообмена насадочного тела, затем его объем, и thus легко завершить проектирование насадочного тела.

Выбор материала для обычного насадочного кирпича регенератора стекловаренной печи

Основной огнеупорный кирпич, используемый для насадочного тела, обладает высокой теплоаккумулирующей способностью и сильной теплообменной способностью. С 1950-х годов за рубежом в регенераторах стекловаренных печей начали использовать основные огнеупоры, а в 1980-х годах их постепенно начали применять и в Китае. В зависимости от температуры в различных зонах высоты насадочного тела, наличия пылевых частиц в дымовых газах и циклических изменений температуры выбираются огнеупорные материалы разного состава.

Основные огнеупоры способны удовлетворять все более высоким требованиям условий работы регенераторов стекловаренных печей, поэтому в последние годы они все более широко используются для строительства регенераторов. В высокотемпературной зоне насадочного тела (1100–1450 °C) используется периклазовый кирпич с низким содержанием железа, обожженный и обладающий хорошей структурой для укладки, отечественной марки ДМЗ-97 (электроплавленный периклазовый кирпич).

В среднетемпературной зоне насадочного тела (800–1100 °C) периклазовый кирпич подвергается значительной химической эрозии со стороны щелочных сульфатов и SO₃. Изменения начинаются с поверхности кирпича, оксиды магния и кальция вымываются или улетучиваются. Эта эрозия приводит к истончению стенки кирпича, и ее развитие может угрожать безопасности и стабильности насадочного тела. В верхней части этой температурной зоны можно использовать отечественный электроплавленный периклазовый кирпич марки ДМЗ-95; в нижней части этой зона можно использовать отечественный периклазохромитовый кирпич прямой связи марки ДМХ-12.

В низкотемпературной зоне насадочного тела (ниже 800 °C) используется шамотный кирпич с низкой пористостью и хорошей стойкостью к термическим ударам (кирпич ZGN-42, 42% Al₂O₃), который показал хорошие результаты в эксплуатации.

Типы насадочного кирпича и способы укладки, обычно используемые в стекловаренных печах

Существует множество типов насадочного кирпича для регенераторов, наиболее часто используемые включают брусковый кирпич (также называемый прямым кирпичом), цилиндрический кирпич, крестообразный кирпич; а также реже используемые сборные кирпичи тавровой и [-образной формы, канальный кирпич, дымоходный кирпич и т.д. Ранее в регенераторах стекловаренных печей наиболее часто использовался брусковый кирпич со способами укладки: прямая корзиночная, шахматная корзиночная, корзинная, комбинированная корзинно-решетчатая и др. Брусковый кирпич имеет толщину 65 мм, длину 230–375 мм, высоту 114 мм, наиболее часто используемый размер канала 165 мм. Максимальная погрешность по высоте кирпича составляет ±0,5 мм; большая погрешность высоты приводит к неравномерному распределению нагрузки на поверхность кирпича, и даже при точной укладке может произойти наклон и обрушение насадочного тела. Обычный размер каналов для насадочного тела из брускового кирпича составляет 150–200 мм. Для регенераторов стекловаренных печей с расчетным сроком службы 8–12 лет рекомендуется выбирать брусковый насадочный кирпич.

За последние 20 лет применение цилиндрического насадочного кирпича (восьмигранный цилиндрический кирпич) на стекловаренных печах в Китае быстро развивалось. Толщина стенки цилиндрического кирпича обычно составляет 40 мм, он обладает большой удельной поверхностью нагрева, высокой теплообменной способностью, малым весом насадочного тела, большой площадью проходного сечения каналов и хорошей стабильностью цилиндрической структуры. Обычный размер каналов для цилиндрического кирпича составляет 140–170 мм. Для регенераторов стекловаренных печей с расчетным сроком службы 5–8 лет рекомендуется выбирать отечественный цилиндрический насадочный кирпич, поскольку после эрозии толщина стенки цилиндрического кирпича 40 мм постепенно уменьшается, что влияет на теплообменную способность и безопасность насадочного тела. Если выбрать высококачественный импортный цилиндрический кирпич, срок службы печи также может достигать около 10 лет.

Крестообразный насадочный кирпич используется на зарубежных стекловаренных печах уже более 40 лет (разработан в 1973 году). Толщина стенки крестообразного кирпича обычно составляет 38/40 мм, поверхность крыльев кирпича может быть гладкой или волнистой. Коэффициент теплообмена на единицу объема насадочного тела высок. Материал кирпича — электроплавленный цирконовый корундовый кирпич (1682) и электроплавленный глиноземный кирпич (5312). Он обладает отличной стойкостью к химической эрозии и термическим ударам. Площадь проходного сечения каналов велика, стабильность крестообразной структуры также хорошая, а срок службы является самым длительным — может в два раза превышать срок службы других кирпичей. Обычный размер каналов для крестообразного кирпича составляет 140/170 мм. Для регенераторов стекловаренных печей с расчетным сроком службы 10–15 лет рекомендуется выбирать крестообразный насадочный кирпич.

Наша компания готова предложить вам полный спектр решений для регенераторов стекловаренных печей: от технических консультаций и проектирования до поставки высококачественного огнеупорного кирпича для стекловаренных печей, включая магнезитовые, магнезито-хромитовые и циркониевые изделия различных конфигураций (брусковые, цилиндрические, крестообразные). Мы поможем вам подобрать оптимальный шамотный кирпич для каждой температурной зоны, максимизируя эффективность рекуперации тепла и обеспечивая долговечность вашей установки.

Свяжитесь с нашими экспертами сегодня, чтобы найти наиболее эффективное и экономичное решение для модернизации или строительства вашей стекловаренной печи.