بهبود کوره های ذوب شیشه ی اکسیژن- سوخت

خلاصه

احتراق اکسیژن- سوخت، یکی از راه حل های رقابتی برای ذوب شیشه در دهه های گذشه می باشد. فشارهای محیطی، هزینه های سرمایه گذاری و هزینه های مربوط به سوخت، نیروهای محرکی هستند که استفاده از این نوع از کوره ها را منتج شده است. بهبودهای متعددی در تکنولوژی احتراق اکسیژن، در گذشته، انجام شده است اما یکی از دغدغه های باقیمانده، در واقع این است که احتراق سوخت- اکسیژن موجب ایجاد دماهای بالایی در گاز خروجی می شود.
شرکت SORG مطالعات مدل سازی گسترده ی را برای آدرس دهی این موضوع، انجام داده است. این کارها منجر به یک طراحی جدید کوره، بر اساس ویژگی هایی بود که بوسیله ی SORG تعیین شد. ذوب کن LoNOx که بوسیله ی SORG مورد استفاده قرار گرفت، به عنوان مرجعی برای این توسعه، مطرح است.
به عنوان نتیجه ای از این مطالعه، یک کوره ی اکسیژن- سوخت، با یک دیواره ی تابشی توسعه یافت. در اصل تانک ذوب فلز از آن دسته از ویژگی های طراحی استفاده کرده اند که برای LoNOx برشمرده می شود. ابعاد محفظه ی احتراق تانک ذوب در طی مطالعه ی مدل سازی، بهینه سازی شد.
این طراحی کوره یک کاهش در مصرف انرژی به میزان حدود 10 % دارد که در واقع معادل با کاهش دمای جریان گاز به میزان بیش از 200 ℃ می باشد. هزینه های سرمایه گذاری به عنوان نتیجه ای از افزایش وسایل مورد نیاز می باشد که این میزان از افزایش هزینه های سرمایه گذاری، در حدود 13 % می باشد و صرفه جویی ایجاد شده در دیواره ی تابشی، این هزینه ی افزایش یافته در سرمایه گذاری را در طی 2 سال، جبران می کند. تأسیسات بازیابی حرارت اتلاف یافته بر روی تأسیسات کوره، نصب می شوند.

بازده ذوب شدن شیشه

مصرف انرژی ویژه برای کوره های شیشه ی معمولی در طی 50 سال گذشته، کاهش یافته است. این کاهش با کاهشی به میزان 50 % انتشار گاز آلاینده ی دی اکسید کربن، همراه است (شکل 1).
این مسئله با استفاده از بهبود های مختلفی ایجاد می شود که در بخش پیش گرم هوای احتراقی، عایق کاری و احتراق، انتقال مناسب حرارت به حمام شیشه و همچنین افزایش بازده ذوب، انجام می شود. بازده فرایند ذوب کردن با استفاده از اصلاح طراحی تانک، بهبود شرایط مخلوط سازی و تصفیه ی مذاب در کوره، افزایش می یابد. سیستم های حباب ساز و تمام بوسترها یا موانع، ابزارهای نمونه واری هستند که موجب بهبود بازده ذوب شدن، می شوند. مثال هایی از بهبود در بازده ذوب شدن بر اساس استفاده از بوستر، در جدول 1 آورده شده است.
در مقایسه با موارد ذکر شده، بهبودهای دیگری در بازده انرژی می تواند پیچیده، هزینه بر و سخت باشد.
مطالعات معیاری و مثال های هنری انجام شده بوسیله ی SORG نیز در تطابق مناسبی است. شکل 2 نشاندهنده ی یک مثال در مورد مصرف انرژی ویژه در این کوره هاست.
مصرف انرژی ویژه ی برابر با 3500 MJ/mt ممکن است نزدیک به حد فیزیکی مربوط به کوره های معمولی مجهز به پیش گرم کن و بدون هیچ بازیابی حرارتی می باشد.
علارغم این بهبودها، فشارها بر روی پیشرفت بیشتر در این زمینه، افزایش یافته است. هزینه های سوخت به طور قابل توجهی در حین 5 سال گذشته، افزایش یافته است و محدودیت ها بر روی انتشار گازهای آلاینده، موجب شده است تا فشار قابل توجهی بر روی تغییر در فرایند ذوب شیشه در آینده ی نزدیک، ایجاد گردد و بدین وسیله، میزان انتشار گازهای دی اکسید نیتروژن و دی اکسید کربن، افزایش یابد.
امروزه، کارایی انتشار دی اکسید نیتروژن در یک کوره ی ذوب شیشه ی گاز سوز و معمولی، برابر با 800 mg/〖sm〗^3 می باشد که میزان این انتشار در طی دوره های زمانی کوتاه تر، اندکی کمتر است. در آینده، ایجاد محدودیت بر روی انتشار دی اکسید نیتروژن در بسیاری از کشورها، مطرح خواهد گردید. با انجام اقدامات معمولی درکوره های معمولی قادر نخواهیم بود تا میزان انتشار دی اکسید نیتروژن را کاهش دهیم. از این رو، نیازمند انجام سرمایه گذاری های اضافی در زمینه ی ادواتی همچون رآکتورهای کاتالیست برای DeNOx می باشد.

کوره های اکسیژن- سوخت تولید شیشه

احتراق اکسیژن - سوخت به عنوان یکی از اقدامات اولیه به منظور کاهش میزان انتشار دی اکسید نیتروژن برای حداقل 15 سال آینده، مطرح است. در یک مقاله ی کامل در این زمینه، Beerkens توسعه و رویه ی تکنولوژی احتراق اکسیژن- سوخت را مورد ارزیابی قرار داده است. نتایج مشابهی بوسیله ی Kobayashi منتشر شده است.
مشکلات قابل توجه در مورد این تکنولوژی، دمای و سرعت بالای شعله است که مشکلاتی را در زمینه ی موقعیت قرارگیری مشعل ها، ایجاد می کند. همچنین استفاده از این تکنولوژی، موجب افزایش سایش دیرگدازهای سیلیسی مورد استفاده در سقف کوره و افزایش لایه ی تفاله ی قرار گرفته بر روی حمام شیشه می شود. در عین حال، فروشندگان مشعل، بهبودهای قابل توجهی در زمینه ی مشعل های مورد استفاده، بدست آوردند، همچنین محل قرارگیری مشعل ها را اصلاح و طراحی محفظه ی احتراق و چیدمان دیرگدازها در این ساختارها را نیز بهبود دادند. به عنوان یک نتیجه، احتراق اکسیژن- سوخت یک روش قابل اطمینان برای کاربردهای متعدد صنعت شیشه شد. این کاربردها عبارتند از تولید الیاف شیشه و شیشه های بطری. همچنین این تکنولوژی، کاربردهایی در زمینه ی صنعت تولید شیشه ی فلوت نیز پیدا کرده است.
تبدیل ساختار احتراق از حالت معمولی به حالت احتراق اکسیژن- سوخت و موضوعات محیط زیستی مربوطه و همچنین هزینه های سرمایه گذاری و هزینه های عملیاتی، نیز از جمله مسائل مطرح شده در این زمینه می باشد.
بر طبق دیدگاه ارائه شده بوسیله ی Beerkens، دمای گازهای خروجی، ممکن است یکی از موضوعات کلیدی برای بهبودهای ممکنه در کوره های ذوب شیشه ی با احتراق اکسیژن- سوخت، باشد. این تفکر دقیقاً با انگیزه ی گروه طراحی کوره ی SORG تطابق دارد. در واقع این گروه در پی بهبودهای دیگری در این کوره ها بودند.
اگر چه سرمایه گذاری در زمینه ی کوره های اکسیژن- سوخت، ممکن است برخی مزیت ها در مقایسه با کوره های معمولی، داشته باشد، تولید اکسیژن، هنوز هم فاکتور مهمی در زمینه ی هر مقایسه در زمینه های هزینه های عملیاتی می باشد. قصد SORG در واقع کاهش میزان مصرف انرژی در زمانی است که حرارت کلی کوره، به تعادل رسیده است.
بهبودهای ایجاد شده در بازده، باید با حداقل هزینه ی سرمایه گذاری و عدم نیاز به فرآیند بازیابی حرارتی اضافی، انجام شود. هر تأسیسات بازیابی حرارتی اضافی دیگر که بعد از فرایند بهینه سازی شده قرار دارد، باید مورد نظر باشد.
وسایل بازیابی حرارتی مانند پیش گرم کن های خرده شیشه و بچ مواد اولیه نیز باید در کوره های اکسیژن- سوخت مورد استفاده قرار گیرد اما بهبودهای دیگر در این زمینه، به دلیل شرایط خاص ایجاد شده در مورد گازهای خروجی از این کوره، باید انجام شود. رویه ی SORG برای این بررسی و نتایج نهایی حاصل شده، در ادامه، بیان شده است.
اصلاحات انجام شده بر روی محفظه ی احتراق کوره های اکسیژنی
دمای گاز خروجی از دودکش در یک ذوب کننده ی اکسیژن- سوخت، به طور قابل توجهی بالاتر از دمای گاز خروجی از کوره های ری ژنراتوری می باشد. به هر حال، میزان حرارت گازهای خروجی از اگزوز، در هر دو مورد قابل مقایسه است زیر در دواقع با استفاده از اکسیژن، میزان گاز خروجی از اگزوز، بیشتر می شود و از این رو، دمای گاز در این مورد، افزایش می یابد (جدول 2).
روش SORG در واقع ترکیبی از تجربیات ذوب کننده های SORG LoNOx و تکنولوژی احتراق اکسیژن- سوخت است. شکل 3 نشاندهنده ی دیاگرام شماتیک ذوب کننده ی LoNOx (یک ذوب کننده ی اصلاح شده) می باشد. ویژگی های کلیدی مربوط به این طراحی، دو دیواره ی تابشی است که برای تقسیم کردن محفظه ی احتراق به دو بخش متساوی، استفاده شده اند (یک بخش، بخش حرارت داده شده و دیگری، بخش بدون احتراق).
بخش دوم، به عنوان یک بخش پیش گرم برای بچ ماده ی اولیه، عمل می کند. انتقال حرارت، بهینه سازی می شود و گازهای خروجی از اگزوز، با دمایی در حدود 1200 ℃ خارج می شوند. این دما 200 درجه کمتر از دمای خروجی از ذوب کننده های متداول است. با استفاده از ذوب کننده های LoNOx، این ممکن است که مقادیر انتشار دی اکسید نیتروژن، بسیار اندکی را ایجاد کنیم. یک سیستم پیش گرم شیشه ی خرده که به ذوب کننده ی اشاره شده، متصل می شود، منجر به این می شود که مصرف انرژی ویژه ی مربوط به این این کوره ها، با کوره های ری ژنراتوری، قابل مقایسه گردد. یک خلاصه ی کامل از طراحی کوره و کارایی آن بوسیله ی Sims منتشر شده است.
طراحی بهبود یافته ی کوره های اکسیژن- سوخت، بر اساس تکنولوژی ذوب کننده های LoNOx انجام شده است و بهبودهای قابل توجهی در زمینه ی بازده این سیستم ، در نظر گرفته شده است. بررسی در مورد این طراحی جدید، بر اساس مطالعات مدل سازی ریاضی، انجام شده است.
به عنوان مرحله ی اول، محاسبات مرجع برای ذوب کننده های LoNOx و برای یک کوره ی اکسیژن- سوخت SORG انجام شد. پارامترهای فرایند و ابعاد کوره ی در هر دو مورد، در جدول 3 آورده شده است.
نتایج مربوط به مدل سازی، توافق خوبی با نتایج بدست آمده در عمل داشته است.
بر اساس این نتایج، مدل کوره های اکسیژن- سوخت به یک دیوار تابشی مجهز گردید و پارامترهای عملیاتی، ثابت در نظر گرفته شد. این مسئله به زودی فهمیده شد که رژیم دمایی در انتهای بخش شارژ مواد اولیه، نمی تواند در یک سطح قابل قبول، حفظ گردد. استفاده از بوستینگ الکتریکی بیشتر موجب می شود تا دماهای پایین در انتهای بخش شارژ ماده ی اولیه، اصلاح گردد.
چندین اصلاح در ارتفاع سقف، محل قرارگیری دیوار تابشی و هندسه ی تانک انجام شد. طراحی نهایی پیشنهاد شده برای کوره های اکسیژن- سوخت، در مقایسه با کوره های اکسیژن- سوخت معمولی، در شکل 4 آورده شده است.

نتایج آزمون مدل سازی و مقایسه ی کارایی

نتایج مربوط به مطالعه ی مدل پیشنهادی در شکل 5 آورده شده است. در محاسبه ی طرح نهایی، رژیم دمایی در بخش انتهای شارژ مواد، بسیار مشابه شرایط ایجاد شده در ذوب کننده های SORG LoNOx کنونی است. دمای گاز اتلاف یافته حتی کمتر است و در یک مقدار 1160 ℃ قرار دارد. در هنگامی که 50 % خرده شیشه استفاده می شود، تقریباً 400 kW انرژی در بخش شارژ کننده مورد استفاده قرار می گیرد. البته این انتظار وجود دارد که سیستم بوستینگ در انتهای بخش شارژکننده، نیازمند یک میزان بالاتر شیشه خرده، نمی باشد. این کاهش در دمای گازهای اتلاف یافته، برابر 10 % کاهش انرِژی است.
طراحی ویژه ی تانک با بخش تصفیه و تصفیه کننده ی عمقی، ممکن است به منظور اطمینان یافتن از تصفیه ی کامل مذاب، ضروری باشد. محاسبات مربوط به طراحی استاندارد تانک، نشاندهنده ی شاخص ذوب شدن و تصفیه ی پایین تر است.
در مقایسه با یک کوره ی استاندارد اکسیژن- سوخت، هزینه های سرمایه گذاری این کوره ها، اندکی بیشتر است که علت آن، نیاز فزاینده به دیرگدازهای ریخته گری شده از حالت مذاب، برای استفاده در دیواره ی تابشی و بخش پایه ی کوره می باشد. این افزایش نیاز اندکی بیشتر از 13 % می باشد. ارقام کلیدی مربوط به مقایسه ی تعادلی انرژی میان کوره های اصلاح شده ی SORG و گوره های با طراحی معمولی در جدول 4 آورده شده است.

جنبه های اقتصادی و مقایسه ای

هزینه های سرمایه گذاری اضافی و طراحی های بهبود یافته ی کوره ها، به صورت سالانه مورد محاسبه و مقایسه قرار گرفته است. این محاسبات، نشاندهنده ی کاهش انرژی مصرفی در کوره های اصلاح شده است. این محاسبات با استفاده از یک بازگشت سرمایه بعد از حدود 2 سال تطابق دارد. میزان رقابت پذیری مربوط به طراحی بهبود یافته در کوره های اکسیژن- سوخت و احتراق اکسیژن- سوخت، به طور قابل توجهی به هزینه های انرژی مورد استفاده در کوره، وابسته است. هزینه های مربوط به انرژی الکتریکی همواره از هزینه ی سوخت های فسیلی، بالاتر است. در کل، از دید احتراق اکسیژن- سوخت، اصلاح طراحی می تواند یک رویه ی منطقی باشد.

نتیجه گیری

SORG یک مطالعه ی بر پایه ی مدل سازی، را به منظور اصلاح یک ذوب کننده ی اکسیژن -سوخت انجام داد تا بدین صورت بتواند میزان مصرف انرژی را کاهش دهد. سطح دمای گاز خروجی در محفظه ی احتراق، اصلی ترین موضوع این مطالعه است. ذوب کننده ی نام آشنای SORG که با نام LoNOx معروف است، به عنوان مرجعی برای این مطالعه، استفاده شده است. این مطالعه راه حل استفاده از دیواره ی تابشی را به همراه اصلاح ویژگی های طراحی، ارائه کرده است. با استفاده از اصلاح طراحی، می توان میزان دمای گاز خروجی از کوره را به میزان 200 درجه ی سانتیگراد، کاهش داد. این مسئله موجب صرفه جویی 10 % در مصرف انرژِی می شود. علاوه بر این، اقدامات مربوط به بازیابی حرارت از گازهای خروجی از سیستم، یکی از اقدامات خوب می باشد. افزایش هزینه های سرمایه گذاری، بوسیله ی کاهش در مصرف انرژی و در طی یک دوره ی زمانی محدود، جبران می شود.