صنعت شیشه

عملیات های کنونی و دیرگدازهای

صنعت شیشه یک گستره ی وسیع از محصولات را با استفاده از تکنولوژی های فرایندی مختلف، تولید می کنند. تفاوت های درک شده در بخش های مختلف صنعت شیشه، همچنان یک مانع در برابر مشارکت های صنعتی گسترده می باشد. این تفاوت ها، منجر به این مسئله می شود که هر بخش منفردی، تکنولوژی های ذوب مختلفی را استفاده کند. پیشرفت های قابل توجهی در زمینه ی کاهش میزان مصرف انرژی در این زمینه در طی 10 سال گذشته، انجام شده است. این افزایش در بازده اغلب از طریق بهبود سیستم های کنترل فرایند، توسعه و استفاده از مواد دیرگداز پیشرفته، و تکنولوژی های جدید از جمله استفاده از مشعل های اکسی- سوخت و تقویت های الکتریکی انجام شده است که موجب افزایش ظرفیت تولید گشته است. هزینه های سرمایه گذاری و عملیاتی مربوط به بخش های منفرد انعکاس دهنده ی این تفاوت ها در محصولات و فرایندها می باشند. علاوه بر این، تفاوت در انواع شیشه و بخش های مختلف صنعتی، موجب شده است تا قابلیت ها و علایق این بخش های مختلف، تغییر کند. همچنین دغدغه هایی در زمینه ی تعریف و مدیریت تلاش های مشارکتی، هزینه ها زمان بندی، سهم ریسک فنی و مالی و مالکیت معنوی، وجود دارد.
ذوب شدن حمام با استفاده از انواع مختلف کورها انجام می شود. برخی از این کوره ها دارای محفظه های تصفیه می باشند. کوره ها ممکن است پیوسته و یا غیر پیوسته باشند. کوره های پیوسته ممکن است به صورت مستقیم حرارت داشته باشند و یا غیر مستقیم. در این صنعت، کوره های ری ژنراتوری مورد استفاده قرار می گیرد که در آنها هوای احتراقی پیش از ورود در بخش های ری ژنراتور، پیش گرم می شوند. این کار موجب افزایش بازده اشتعال می شود.
معمولاً دیرگدازهای آلومینا- زیرکونیا- سیلیسی برای دیواره های این کوره ها استفاده می شوند که معمولاً بین 33 تا 41 % زیرکونیا دارند. دیرگدازهای کروم دار نیز در صنعت الیاف شیشه استفاده می شوند زیرا مقاومت به خوردگی و ایروژن آنها بالاست. البته به خاطر مسائل زیست محیطی استفاده از آنها محدود می باشد. دیرگدازهای حاوی کروم در صنعت تولید شیشه های فلوت، بطری ها و یا صنعت تولید بطری های فشاری یا بادی استفاده نمی شوند زیرا ناخالصی کروم می تواند موجب تغییر در رنگ شیشه شود. سیلیس همچنین به صورت متداول در تاج کوره استفاده می شود. در کوره های اکسی- سوخت استفاده از مولایت در این بخش ها نیز متداول است. به دلیل عدم تطابق شیمیایی، یک لایه از آلومینا- زیرکونیا- سیلیس اغلب به عنوان بافر میان تاج و دیواره ی کوره، استفاده می شود.
پیشرفت های قابل توجهی در زمینه ی کاهش میزان مصرف انرژی در این زمینه در طی 10 سال گذشته، انجام شده است. این افزایش در بازده اغلب از طریق بهبود سیستم های کنترل فرایند، توسعه و استفاده از مواد دیرگداز پیشرفته، و تکنولوژی های جدید از جمله استفاده از مشعل های اکسی- سوخت و تقویت های الکتریکی انجام شده است که موجب افزایش ظرفیت تولید گشته است. تکنولوژی های پیشرفته موجب کاهش در میزان مصرف سوخت در واحد تن شیشه ی ذوب شده می شود. این میزان کاهش در حدود 25 % است.
هنوز هم بازده انرژی به اندازه ی عملیات و نرخ تولید وابسته می باشد. برای مثال، یک کوره ی تمام الکترونیک بزرگ که از الکتریسته استفاده می کند، بازده 66 % دارد در حالی که یک کوره ی کوچک تمام الکتریکی دارای بازده کل 34 % می باشد. کوره های الکتریکی ذوب شیشه ی به صورت گرمایی مؤثرتر از کوره های اکسی- سوخت هستند زیرا در آنها بار کمتری وجود دارد و مساحت سطح موجود برای اتلاف گرما نیز، کمتر است. این ذوب کننده های اکسی- سوخت به صورت متوسط 3 تا 5 MMBtu انرژی را به ازای هر تن شیشه ی ذوب شده، مصرف می کنند. برای مقایسه باید گفت که میزان مصرف انرژی در کوره های شیشه ی مجهز به المان های حرارتی مقاومتی، حدود 2.7 MMBtu در هر تن شیشه ی مذاب می باشد.
هنوز هم، ذوب شدن مدرن شیشه ها نیازمند وسایل دما بالایی است که یک میزان قابل توجه از انرژی مصرف می کنند. در این بخش ها، انرژی ذوبی بیان کننده ی حدود 15 % هزینه های تولید می باشد. اگر چه برخی تکنولوژی های کاهنده ی انرژی برای ذوب کردن شیشه، وجود دارد، در نظر گرفتن برخی از جوانب موجب کاهش بیشتر مصرف انرژی می شود. این مسئله به دلیل این است که این دید صنعتی، موجب مینیمم شدن هزینه های انرژی بر هر تن شیشه ی تولیدی می شود. به طور خاص، تکنولوژی هایی که نیازمند سرمایه گذاری های قابل توجه می باشد، معمولاً بوسیله ی صنعت شیشه مورد استفاده قرار نمی گیرد. علت این مسئله سرمایه گذاری قابل توجه برای این تکنولوژی ها می باشد. استفاده از انرژی در بخش های مختلف صنعت ششه، در جدول ۱ اورده شده است.
تکنولوژی اکسی- سوخت همچنین یک تکنولوژی قابل اطمینان است و می تواند موجب بهبود بازده در صنعت شیشه می شود. روند استفاده از این تکنولوژی به طور روزافزون، در حال افزایش است زیرا یک کوره ی اکسی- سوخت می تواند همین مقدار از شیشه را با گاز و یا هوا تولید کند اما میزان سوخت ورودی در این تکنولوژی کمتر است. علاوه بر این، وقتی کوره های ری ژنراتوری به سیستم های اکسی- سوخت مجهز می شوند، ساختار دیرگدازهای بخش ری ژنراتور، مورد نیاز نمی باشد. این مسئله موجب حذف حجم اگزوز به میزان 75 % می شود. از سال 1998 تاکنون، تنها 20 % از کوره های شیشه ی موجود در ایالات متحده، از تکنولوژی معمولی به تکنولوژی اکسی – سوخت تبدیل شده اند، بیشترین تبدیل نیز در بخش الیاف انجام شده است. یک افت در تعداد مبدل های تکنولوژی اکسی- سوخت از سال 1998 در هر بخش از صنعت شیشه، در جدول ۲ نشان داده شده است. بنابراین، هنوز هم فرصت های زیادی برای بهبود بیشتر بازده انرژی در صنعت دیرگداز وجود دارد. این کار از طریق استفاده از کوره های با مشعل اکسی- سوخت مقدور می شود. علاوه بر این، بهبودهای ایجاد شده در تکنولوژی دیرگداز نیازمند استفاده ی کامل از مزیت های مربوط به تکنولوژی اکسی- سوخت است.
تقویت با استفاده از اکسیژن، منجر به افزایش تولید می شود اما همچنین موجب افزایش هزینه های ذوب کردن بر واحد تن شیشه ی تولیدی می شود. با سبک و سنگین کردن مزیت های این تکنولوژی، پذیرفته می شود که این تکنولوژی به عنوان تکنولوژی به روز، می باشد. نمونه گیری های صنعتی نشاندهنده ی این است که 125 تا 150 کوره از میان 500 تا 550 کوره ی شیشه به تکنولوژی اکسی- سوخت تبدیل شده اند. این میزان تنها 25 % از کل کوره هایی است که در این صنعت در حال کار می باشند. هنوز هم تعداد زیادی کوره وجود دارد که می تواند به کوره های با بازده بالا تبدیل شده و موجب صرفه جویی قابل توجه در میزان مصرف انرژی و همچنین کاهش در میزان آلودگی ها شود. البته این در صورتی به واقعیت تبدیل می شود که دیرگدازهای با کیفیت بهبود یافته و مقاومت به خوردگی و بازده گرمایی مطلوب، بتواند یافت شود. از بخش های مختلف صنعت شیشه، صنعت الیاف شیشه بیشترین استفاده را از تکنولوژی اکسی- سوخت داشته است. در این صنعت حدود 50 % از این کوره ها، تبدیل شده است. فرصت قابل توجه در زمینه ی صنعت شیشه ی مسطح و تولید بطری های شیشه ای می باشد که در حقیقت نرخ تبدیل 5 تا 15 % را دارا می باشد.

موانع

دیرگدزها و مواد عایق نقش مهم در بسیاری از عملیات های تولید شیشه ایفا می کنند. این تخمین زده شده است که 70 % از انرژی که به صورت مستقیم در این فرایند مورد استفاده قرار می گیرد، تحت تأثیر دیرگدازهاست. بر اساس آنالیز انجام شده بر روی کوره های نمونه وار و واحدهای فرآوری، این فهمیده شده است که بهبود در سیستم دیرگدازهای مورد استفاده در صنعت شیشه منجر به صرفه جویی انرژی تا 13.9 TBtu در سال می شود. موانع خاص موجود در زیر آورده شده است:
• عدم دسترسی به مواد ارزان قیمت و با دوام برای استفاده در بخش های دیرگدازی که با شیشه ی مذاب در تماس هستند. همچنین این مسئله در سایر بخش ها مانند بخش احتراق سوخت و بخش تولید محصولات شیشه ای داغ موجود در کوره ی شیشه نیز مشاهده می شود. این بخش ها معمولاً در دمای 1400 درجه ی سانتیگراد و به صورت پیوسته در حمام مذاب کار می کنند وباید بتوانند در طی 8 تا 10 سال از عمر کوره، به خوبی عمل کنند.
• عدم دسترسی به بخش ها و ادوات عایق کاری شده برای جایگزینی با قطعات و موادی که در طی عملیات های تولید می شکنند (بدون آنکه بخواهیم کوره خاموش شده و یا محصولی از بین برود.
• محدودیت های مربوط به بازده انرژی و کاهش کیفیت شیشه ی تولیدی مخصوصاً در کوره های دارای مشعل اکسی- سوخت به دلیل محدودیت های مربوط به کارایی دیرگدازها.
• فقدان آگاهی در مورد روش های بهبود کارایی و کیفیت دیرگدازهای موجود که در حقیقت در نهایت منجر به افزایش عمر تولید و کاهش هزینه های عایق کاری می شود.
• فقدان مدل سازی در مورد مکانیزم های خوردگی که منجر به تعیین راه حل هایی برای کاهش در خوردگی دیرگدازها شود. همچنین یکی دیگر از موارد موجود عدم وجود سنسورهای آن لاین برای بهینه سازی کنترل فرایند می باشد که در واقع منجر به افزایش عمر دیرگدازها، و از این رو، کاهش در هزینه های سرمایه گذاری در بخش ذوب و شکل دهی شیشه، می شود.
• فقدان دانش در مورد اشکال و خواص ماده به منظور تشخیص تکنولوژی های ذوب جدید و دیرگدازهای مربوطه و روش های بهتر برای ارزیابی دیرگدازها در شرایط سرویس دهی

روش های تحقیق و توسعه

• توسعه ی مدل های کوره ی مجتمع برای پیش بینی روش های مورد نیاز برای بهبود بازده، توسعه ی تکنولوژی های شیشه سازی جدید و بررسی کارایی مواد دیرگداز جدید.
• توسعه ی دیرگدازهایی که دارای استحکام و مقاومت به خوردگی کافی در دماهای عملیاتی بالا هستند مخصوصا در شرایطی که اکسیژن اضافی وجود دارد.
• توسعه ی دیرگدازهای مونولیتیکی و یا پوشش های دیرگدازی که مقاومت بالا در برابر نفوذ مایع های خورنده و گونه های گازی دارند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Refractories for industrial processing: opportunities for improved energy efficiency/ prepared by DOE- EERE industrial technologies program