کوره‌ی شیشه‌ی دارای سقف سیلیسی

چکیده

21 سال قبل، احتراق سوخت- اکسیژن (oxy-fuel combustion) در صنعت ذوب شیشه‌ی هلند، شروع شد. این مقاله به اولین کوره‌ی مجهز به این سیستم احتراق در هلند اشاره دارد و در نظر دارد تا با بررسی این مورد در کشور هلند، بتواند راهنمایی هایی در زمینه‌ی صنعت شیشه به تولید کنندگان این بخش در کشور اسلامی مان، ارائه دهد. ابتدا یک توضیح در مورد محیط قانونی موجود در کشور هلند، بیان می شود. در واقع این قوانین موجب شد تا تولید کنندگام مجبور به استفاده از این کوره های مجهز به احتراق سوخت- اکسیژن، شوند. بعد از آن به توصیف نحوه‌ی اجرای این سیستم احتراق و تجربیات بدست آمده در زمینه‌ی کاهش انتشار گازهای گلخانه ای، مصرف سوخت، سایش دیرگدازها و ترکیب شیشه‌ی مورد استفاده در کوره، می پردازیم.

محیط قانونی موجود در کشور هلند

در انتهای دهه‌ی 1980، دولت هلند برنامه های گسترده ای را با توجه به استانداردهای اروپایی به منظور محافظت از محیط زیست و تشویق به افزایش بهره وری از منابع طبیعی، اجرا کرد. برنامه های محافظت از محیط زیست بر روی کاهش میزان انتشار اجزایی از گازها، تمرکز داشت که موجب ایجاد باران های اسیدی می شد (مانند اکسیدهای گوگرد، اکسید نیتروژن) اما علاوه بر این، انتشار گرد و غبار و میزان مصرف انرژی نیز باید کاهش می یافت. بر اساس این برنامه ها، مقررات مربوط به انتشار گازهای گلخانه ای در هلند (NeR) با وجود پاراگراف های خاص مربوط به صنعت شیشه در سال های 1992- 1993، تصویب گردد. و همچنین در این میان از صنعت شیشه درخواست شد تا یک قرارداد به منظور بهبود راه های سیستماتیک و برنامه ریزی شده به منظور افزایش بازده فرآیند خود، امضا کنند.
در اوایل دهه‌ی 1990، صنعت شیشه‌ی هلند با سرمایه گذاری های قابل توجه به منظور خارج سازی تکنولوژی های لوله ای بود که موجب انتشار حجم قابل توجهی اکسید نیتروژن می شدند. در همان زمان، تکنولوژی احتراق سوخت- اکسیژن به طور روز افزون در ایالات متحده‌ی آمریکا، جایگزین تکنولوژی های قدیمی می شد. صنعت شیشه‌ی هلند به همراه TNO-TPD تصمیم گرفتند تا بر روی احتمال ورود تکنولوژی سوخت- اکسیژن در هلند، سرمایه گذاری کنند. یک سفر به ایالات متحده انجام شد تا شرکت های شیشه ای را که هم اکنون از این تکنولوژی احتراق، استفاده کردند، بازدید شوند.
صنعت شیشه به این نتیجه رسید که استفاده از فرایند سوخت- اکسیژن می تواند میزان انتشار گازهای اکسید نیتروژن را کاهش دهد و بدین صورت می توان کارایی انرژی کوره و یا کیفیت شیشه و ذوب شدن بار می توان بهبود داد و بدین صورت می توان کارایی مشعل های اکسیژنی را افزایش داد. این مسئله موجب به پایان رسیدن تکنولوژی لوله ای (مانند SCR و SNCR) می شود. تکنولوژی قبلی نمی تواند بازده و کارایی کوره را بالا ببرد و بنابراین، نمی تواند تکنولوژی با هزینه ای پایینی باشد.
به دلیل وجود خاصیت یکپارچه در این فرایند، دولت همچنین به تکنولوژی اکسیژن- سوخت، علاقه مند می باشد. دولت علاقه مند بود تا پروژه ای در زمینه‌ی کوره های ذوب مجهز به سیستم احتراق اکسیژن- سوخت را مورد حمایت قرار دهد. شرایط این حمایت مالی این گونه بود که اطلاعات مربوط به آزمایشات انجام شده بر روی سیستم احتراق اکسیژن- سوخت به سایر شرکت های موجود در صنعت شیشه‌ی هلند، نیز داده شود.
صنعت شیشه از طرف NeR این آزادی را داشت که بین دو مسیر مختلف، یکی را انتخاب کند و بدین صورت میزان انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش دهد: اول از همه کاهش میزان انتشار اکسیدهای نیتروژن بوسیله‌ی استفاده از تکنولوژی اکسیژن- سوخت (یک تکنولوژی که در آن روزها، بهترین تکنولوژی آن زمان بود). و مورد دیگرکاهش میزان انتشار ذرات بوسیله‌ی استفاده از فیلترهای غبارگیر یا رسوب دهنده های الکترواستاتیک. سایر اقدامات شامل کارهایی است که در زمینه های مختلف انجام شده است. چیزی که در قانون نوشته شده بود، این است که به جای استفاده از اکسیژن- سوخت، اقدامات lonox همچنین می تواند اجرا شود اگر این مورد نیز مقادیر انتشار مشابه داشته باشد.
هر دو رویه باید در سال 2010 اجرا شود و آخرین مهلت میانی برای یکی از دو مورد، سال 2003 می باشد. مذاکرات به این حقیقت رسید که این اقدامات گسترده می تواند تنها زمانی انجام شود که کوره تحت تعمیر سرد قرار گرفته است.

کوره‌ی اکسیژن- سوخت اولیه

در سال 1994، کوره‌ی شیشه‌ی محفظه ای L4 مربوط به O-I ساخت مجدد شد. کوره‌ی بهسازی شده‌ی موجود، قدیمی بود و دارای بازده انرژی پایینی بود. همچنین ساختار آن برای نگهداری یک کوره‌ی مولد مناسب نبود. این نامناسب بودن هم در بخش خروجی و هم در بخش های جانبی، نمود داشت. به خاطر این دلایل و سایر محدودیت هایی که بر روی انتشار گازهای گلخانه ای ایجاد شد، این تصمیم گرفته شد که یک کوره‌ی اکسیژن- سوخت، ساخته شود. برای این پروژه‌ی بلندپروازانه، چندین الگو جستجو شد.
برای طراحی کوره، Owens-Brockway به عنوان مشاور انتخاب شد که علت این مسئله تجربه طولانی مدت آنها در زمینه‌ی توسعه‌ی کوره های جدید می باشد. آنها طراحی سیستم و سیستم تخلیه‌ی گاز احتراق را بر عهده گرفتند. Owens-Brockway بخش فولادی کوره و دیرگدازهای مربوطه را مهندسی کرد و ویژگی های سیستم جریان گاز خروجی را تعیین کردند.
سیستم گاز خروجی به گونه ای طراحی شده است تا در طی عبور گاز خروجی از آن، این گاز سرد شود و همچنین از چگالش اولیه‌ی سولفات ها بر روی دیرگدازها جلوگیری شود. علت این مسئله این است که هیچ سیستم بازیابی گرمایی مانند تقویت کننده ها (regenerators) نصب نشده بود. آنها همچنین یک تعادل حرارتی با برنامه‌ی حرارتی در نظر گرفتند که برای کوره های اکسیژن- سوخت طراحی شده است.
تخصص مربوط به تولید اکسیژن و انتقال آن به بخش های مربوطه از شرکت Air Liquide بدست آمد. آنها یک واحد واحد جذب نوسانی تحت خلأ (VSA) با ظرفیت 2100 〖nm〗^3/h اکسیژن و اکسیژن با خلوص 91% را مهیا کردند (شکل 1). بعدها این ظرفیت به میزان 1500 〖nm〗^3/h کاهش یافت تا بدین صورت بازده بالاتری را از این تأسیسات بدست بیاورند. برای اطمینان حاصل کردن از مهیا بودن پیوسته‌ی اکسیژن، یک تانک اکسیژن مایع به ظرفیت 70000 لیتر و یک اواپراتور نصب گردید(شکل 2).
آنها همچنین مشعل ها و سیستم کنترل مشعل نصب کردند. علاوه بر این، فروشنده‌ی ادوات اکسیژن ساز همچنین محاسبات مدلی در زمینه‌ی فضای احتراق را با استفاده از ابزار مدل سازی ATHENA ارائه کرد. برای مثال، در شکل 3 یک مثال از مدل مربوط به دمای تاج و دماهای واقعی مربوط به کوره را نشان می دهد.

کوره

در طی بازسازی L4، ناحیه‌ی ذوب کوره به میزان 17 % افزایش یافت در حالی که ظرفیت ذوب بیش از 25 % افزایش یافت (جدول 1 را ببینید).
این کوره در آوریل 1994 ساخته شد و از آن زمان در خط تولید مورد استفاده قرار گرفته است. این کوره احتمالاً بالاترین سن در بین کوره های اکسیژن- سوخت جهان را به خود اختصاص داده است.

بهره وری انرژی

کارایی انرژی مربوط به L4 قدیمی بسیار ضعیف بود (7200 MJ/ton). علت این مسئله دماهای پیش گرم پایین و عایق کاری نامناسب این کوره بود. این بازده به میزان 50% بهبود یافت. با مقایسه ای منصفانه، این فهمیده می شود که انرژی ویژه‌ی مورد نیاز با دو برابر انرژی مصرفی در کوره های با دو خروجی، برابری دارد (جدول 2). خروجی های نهایی که در مقایسه با اکثر کوره های با بازده بالا در جهان، مورد استفاده قرار می گیرد، بوسیله‌ی TNO Eindhoven مورد بررسی قرار گرفت. این بررسی شامل 100 کوره در دنیا بود که نتایج مربوطه در شکل 4 نشان داده شده است.
در مقایسه با کوره های پورت انتهایی (end-port furnace)، شما می توانید ببینید که، اگر چه انرژی برای تولید اکسیژن مورد نیاز است، بازده کوره های اکسیژن- سوخت، با یک کوره‌ی پورت انتهایی، قابل مقایسه است. در این مورد، توان الکتریکی در انرژی اولیه محاسبه نشده است.
به هر حال، به دلیل اینکه هزینه های انرژی الکتریکی در هلند بالاتر از هزینه های مربوط به گاز طبیعی است، شما می توانید در همان گراف مشاهده کنید که کوره‌ی اکسیژن- سوخت دارای صرفه جویی در هزینه های کمتری است.
در طی سال های متمادی، چندین مقایسه برای بررسی مزیت ها و محدودیت های احتراق اکسیژن- سوخت، انجام شده است. افزایش عمر کوره با کوره های پورت انتهایی، مقایسه شد. همانگونه که در نمودار زیر مشاهده می شود، میزان افت بازده در طی سال برای کوره‌ی اکسیژن- سوخت، کمتر از سن یک کوره‌ی معمولی است. یک کوره‌ی با پورت انتهایی معمولی دارای مصرف انرژی است که در هر سال در حدود 1 تا 1.5 % افزایش می یابد در حالی که این مسئله در کوره‌ی اکسیژن- سوخت، مشاهده نمی شود. دلیل اصلی در واقع فقدان تقویت کننده هایی است که در رواقع موجب کاهش بازده می شوند(شکل 5).

موضوعات محیط زیستی

در مقایسه با داده های مربوط به انتشار گازهای آلاینده (جدول 3)، شما می توانید سطوح انتشار اکسید نیتروژن پایین تری را برای کوره های اکسیژن- سوخت در مقایسه با کوره های هوا- سوخت، مشاهده کنید. میزان انتشار بالاتر اکسیدهای گوگرد و میزان انتشار کمتر گرد و غبار، عمدتاً بوسیله‌ی رنگ های شیشه ای ایجاد می شود که این رنگ ها در کوره های اکسیژن- سوخت دارای دماهای سطحی بالاتر و همچنین میزان گوگرد بالاتر در بچ اولیه، ایجاد می شوند. همچنین دماهای بلاتر شعله و میزان آب موجود در گازهای کوره موجب می شود تا نرخ تبخیر افزایش می یابد و غلظت های مربوط به اجزای شیشه در گازهای خروجی، افزایش می یابد. ارقام این جدول در واحد کیلوگرم/ تن مذاب شیشه، ارائه می شود زیرا حجم گازهای خروجی از کوره پایین تر می باشد. به دلیل حجم های بسیار پایین تر مربوط به گازهای خروجی بر واحد تن شیشه‌ی مذاب، غلظت های مربوط به اجزای ساتع شده، بالاتر از غلظت های گازهای خروجی در کوره های هوا- سوخت می باشد. به طور نمونه وار، مقدار گاز خروجی بر واحد تن شیشه‌ی مذاب با فاکتور 3-4 کاهش می یابد.
انتشار اکسیدهای نیتروژن در طی سال ها با افزایش نفوذ هوای سرد (هم هوای وارد شده از طریق باد خنک و هم هوای وارد شده از بخش دوربین)، افزایش می یابد. آب بندی مناسب اتصالات میان دیواره های کناری و سنگ های کناری و استفاده‌ی مناسب از دوربین بدون نشتی گاز موجب می شود تا این فاکتورها تحت تأثیر قرار گیرد.
به دلیل اینکه گازهای طبیعی مورد استفاده در هلند حاوی 12- 14 % نیتروژن است، حصول مقادیر کمتری از اکسیدهای این عنصر، مشکل است. با استفاده از گازهای با انرژی بالاتر (و بدون نیتروژن) و همچنین استفاده از اکسیژن به جای هوا، می توان مقادیر انتشار اکسیدهای نیتروژن را به کمتر از 0.6 کیلوگرم بر تن شیشه برسانیم.
توسعه های اخیر در زمینه‌ی کوره های معمولی، این مسئله را ممکن می سازد که به سطوح انتشار مشابه با احتراق اکسیژن- سوخت، بدست آوریم.

سایش دیرگداز

یک زمان کوتاه بعد از شروع کار این کوره، مشکلات اولیه در زمینه‌ی سایش ابرساختارهای دیرگداز، مشاهده گردید. ریختن محصولات خوردگی دیرگداز در جلوی مشعل و روزنه ها، مشاهده گردید. همچنین شیارهایی در سقف سیلیسی نیز مشهود بود. بعد از چند ماه، سایش در اتصالات سیلیسی مشهود شد.
تمام این مسائل منجر به یک ایجاد سنگ در محصول نهایی می گردد. به دلیل ترکیب شیمیایی سنگ ها، آنها را زاکولین (Zacoline) می نامند. بررسی ها شروع شد و ترکیب گاز خروجی مورد بررسی قرار گرفت. به دلیل حجم پایین گازهای خروجی، غلظت اجزای فرار در گاز خروجی 3-5 برابر بالاتر از غلظت اجزای فرار در گازهای خروجی از کوره های معمولی است مخصوصاً سدیم هیدروکسید. همچنین میزان آب موجود در گازهای خروجی در این کوره ها در مقایسه با کوره های معمولی، بالاتر است (50 % در این کوره ها در مقایسه با 18 % کوره‌ی معمولی). علت این مسئله عدم حضور مقادیر قابل توجه از نیتروژن در فرایند احتراق می باشد.
همچنین، دماهای مورد نیاز برای سقف، برای ذوب شدن مناسب در آن زمان، بسیار پایین بود (کمتر از 1400 ℃ ). این مسئله به این دلیل است که انتقال حرارت به شیشه بسیار عالی است. تمام این مسائل منجر به نفوذ عمیق و واکنش سدیم هیدروکسید با سیلیس موجود در سقف می باشد. این مسئله منجر به تشکیل سدیم سیلیکات با دمای ذوب پایین می شود. واکنش میان بخارات سدیم هیدروکسید ایجاد شده از مذاب و سیلیس در زیر دمای بحرانی رخ می دهد. این مسئله به غلظت هیدروکسید سدیم وابسته می باشد. در کوره های اکسیژن- سوخت، غلظت های NaOH بسیار بالاتر است و این مسئله موجب محدود شدن پنجره‌ی دمایی سقف کوره می شود. این دما بین 1460 تا 1600 ℃ تنظیم می شود. در کوره های هوا- سوخت، این پنجره گسترده تر است مخصوصاً در دمای بین 1380 تا دمای 1600 ℃.
در نواحی سرد تر سقف سیلیسی، سیلیس بوسیله‌ی بخارات NaOH مورد حمله قرار می گیرد و حفره های عمیق تشکیل می شود. این مسئله منجر به افزایش فرایند واکنش خواهد شد. محصولات واکنش می توانند در طی تغییرات دمایی، ذوب شوند.
در طی تغییرات کششی، دمای سقف تغییرمی کند و سیلیس سقف ذوب می شود و بر روی آجرهای نسوز AZS روان می شود. این مسئله منجر به ایجاد شیار در داخل این آجرها و قطعات حاوی آلومینا، سیلیس و زیرکونیا می شود.
بعد از مشاهده ها و انجام آزمایشات، دمای سقف در دمای 1470 ℃ ثابت نگه داشته شد. همچنین دماهای در طی تغییرات کششی، ثابت در نظر گرفته شد.
این مسئله منجر به کاهش سایش در سیلیس می شود اما هیچگاه موجب متوقف شدن این سایش نمی شود. این مسئله منجر می شود تا حفظ و نگهداری مورد نیاز برای این کوره ها، افزایش یابد. از سال 1997 تاکنون، هر ساله، برخی از تعمیرات گرم بر روی سقف این کوره انجام شده است. عمدتاً این تعمیرات شامل جوش سرامیکی و پوشش دهی سقف می باشد (شکل 6 و 7).

عملکرد کوره

به دلیل اینکه احتراق اکسیژن- سوخت، تکنولوژی بسیار جدیدی برای صنعت شیشه هلند محسوب می شود، کارمندان این بخش باید یک سری اصول ایمنی و روش صحیح کار با اکسیژن را بدانند. این مسئله را باید این افراد مد نظر قرار دهند که از ابزارها و لباس های تمیز استفاده کنند و اطمینان حاصل کنند که گرد و غبار یا باقیمانده های روغنی در تماس با اکسیژن قرار نگیرد.
این کوره همچنین نیازمند الزامات ایمنی بیشتری است تا بدین صورت اطمینان حاصل شود که احتراق کوره با اکسیژن، ایمن است. این ویژگی های مربوط به ایمنی، شامل کنترل اضافی بر روی دمای دیرگدازها و فشار کوره می باشد. از طریق زنگ مخصوص باید شرایط احتراق مشعل ها، نشان داده شود.
به دلیل اینکه مسئله‌ی ایمنی اضافی یکی از دغدغه ها برای تمام شرکت هاست، اقدامات ایمنی اضافی باید برای اکسیژن مایع، بیشتر مد نظر قرار گیرد. تمام تأسیسات اکسیژن به صورت سالانه بررسی می شود. این کار بوسیله‌ی یک شرکت خارجی متخصص در این زمینه، انجام می شود. خوشبختانه با انجام تمام اقدامات در طی سال های گذشته، تاکنون هیچ مشکلی در این زمینه و در مدت 19 سال گذشته، رخ نداده است.
با نگاه به هزینه ها، این واضح است که استفاده از اکسیژن به جای هوا به عنوان اکسید کننده، دارای هزینه های مربوط به خود است. محاسبات مربوط به این کوره، برای بررسی امکان انجام این کار از لحاظ اقتصادی انجام شده است. در این مورد، کوره های اکسیژن- سوخت در مقایسه با کوره های معمولی، موجب کاهش هزینه های سرمایه گذاری، کاهش زمان ساخت و ساز و صرفه جویی در انرژی می شود اما همچنین هزینه های متغییری برای تولید اکسیژن، مورد نیاز است. در ان زمان و با توجه به مباحث مطرحی در آن زمان، این پروژه امکان پذیر بوده است.
در این جا، ما می توانیم با توجه به تجربیات خود بگوییم که با انجام نگهداری مناسب، کنترل خوب و تعمیر مناسب اتصال های باز یا حفرات ایجاد شده، این ممکن است که عمر مفید 12 سال را برای این کوره ها داشته باشیم.

خواص شیشه

علاوه بر مسائل مربوط به ایجاد سنگ ریزه در محصول نهایی که قبلاً بدان اشاره شد، برخی از خواص شیشه هستند که به این موضوع ها وابسته اند. میزان آب موجود در شیشه بعد از استفاده از اکسیژن به جای هوا، افزایش می یابد. این مسئله موجب ایجاد فشار بخار آب بالاتر بر روی سطح شیشه می شود. میزان آب بالاتر در مذاب برخی اثرات بر روی قابلیت کارپذیری شیشه دارد. ویسکوزیته‌ی شیشه یکسان نیست و بر حسب ترکیب شیمیایی بچ، تغییر می کند و ضروری است که کنترل شود. به دلیل شرایط اکسیداسیون- کاهش مختلف در شیشه و فضای احتراق، کیک نمک و میزان کربن و نسبت های آنها، باید تغییر کند.
سایر تجربیات مربوط به کوره های اکسیژن- سوخت در هلند
در سال 1997، O-I یک کوره‌ی اکسیژن- سوخت در کارخانه‌ی Schiedam خود ساخت که مشابه با اولین کوره‌ی اکسیژن- سوخت بود و در طراحی دیرگدازهای آن و انتخاب مواد مورد استفاده بهبودهایی انجام شده بود، به جز در مواد مورد استفاده برای سقف. مشعل ها و بخش تهیه‌ی اکسیژن، مشابه با کورهی اولیه بود.
تجربه های بدست آمده در کوره های اکسیژن- سوخت دوم O-I نشاندهنده‌ی وجود تغییرات در طراحی و یک تغییر متفاوت در انتخاب مواد و همچنین کنترل پایداری این کوره بود. این کنترل بر روی دماهای کوره موجب می شد تا میزان سایش کوره، به حداقل برسد. هنوز هم استفاده از اتصال های کوچک می تواند موجب بروز مشکلاتی در زمینه‌ی دیرگدازها و پدید آمدن سوراخ در دیرگدازها شود که این سوراخ ها و آسیب ها نیازمند تعمیر سریع بودند.
11 سال بعد از اولین تعمیر اساس سقف، تخریب های ایجاد شده در سقف موجب ایجاد شرایط نوسانی در تولید می شود.

نتیجه گیری

با نگاه به تجربیات ما در طی 19 سال گذشته، این فهمیده شده است که احتراق اکسیژن- سوخت می تواند به عنوان یک راه جایگزین به منظور کاهش میزان انتشار گازهای دی اکسید کربن برای آینده شود. این مسئله زمانی انجام می شود که موضوعات اقتصادی در این زمینه، حل شوند.
اگر چه تمام مشکلات مربوط به دیرگداز به طور کامل حل نشده است، ما می توانیم نتیجه گیری کنیم که کوره های اکسیژن- سوخت یک مورد جایگزین مناسب برای کاهش میزان انتشار اکسید نیتروژن بر واحد تن شیشه‌ی مذاب می باشد.حتی با استفاده از یک سقف سیلیسی، عمر مفید می تواند با حفظ شرایط پایدار در کوره، در میزان مناسبی، افزایش یابد.
مسائل مربوط به دیرگدازها، عمدتاً به دلیل فضای احتراق است و می تواند با بهبود طراحی، استفاده از شرایط پایدار و نگهداری مناسب، اصلاح گردد.
یک کوره‌ی اکسیژن- سوخت می تواند در یک دوره‌ی زمانی نسبتاٌ طولانی، مورد استفاده قرار گیرد، حتی کوره ای که دارای یک سقف سیلیسی است.
یک ترکیب طراحی مناسب و دستکاری کوره، می تواند عمر مفید طولانی تری را برای کوره ها، بدست آوریم. این مسئله به دلیل این است که با استفاده از شرایط پایدار، می توان کاهش کمتری را در دیواره ها و بخش های دیگر داشت.
مشاهدات انجام شده در L4 نشاندهنده‌ی این است که مشکل های شیشه می تواند با استفاده از بهینه سازی بچ مورد استفاده و شرایط پایدار در کوره، بهبود یابد.
هنوز یک موضوع در زمینه‌ی کوره های اکسیژن- سوخت، حل نشده باقی مانده است. این مسئله، هزینه های مربوط به تولید اکسیژن می باشد. برای این مسئله، باید تدابیری بررسی گردد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.