گزینه های صرفه جویی در انرژی در کوره های شیشه (2)

سیستم های پیش گرم کن غیر مستقیم بچ و خرده شیشه ی Zippe

سه سیستم در گذشته ساخته شده است که از آنها در صنعت شیشه ی مظروف، استفاده می شود. یکی از این سیستم ها، هنوز هم کار می کند. این کوره از زمان 1996 تاکنون در حال کار بوده است.
شکل 1 به طور شماتیک نشاندهند ی این مفهوم است. بچ و خرده شیشه از بالا به پیش گرم کن، وارد می شود و به سمت پایین حرکت می کند. بیشتر این گازهای خروجی که از ری ژنراتور می آید، از بخش پایین وارد پیش گرم کن می شود. بخشی از گازهای خروجی گرم برای خشک کردن بچ و خرده شیشه ی اولیه، مصرف می شود. در بخش بالایی، بخارات در نواحی سرد تر کندانس می شوند و یا می توانند به صورت بخار از سیستم خارج شود. طراحی و ابعاد بخش خشک کن، یکی از موارد مهم است که به منظور جلوگیری از گیر کردن پیش گرم کن ها، مهم می باشد. دودهای خارج شده از این بخش، حاوی اجزای الی هستند که در برخی موارد، نیاز است سوزانده شوند.
گازهای خارج شده از کوره که در واقع وارد بخش پایینی پیش گرم کن می شوند، از طریق کانال های مجزایی انتقال می یابند که عمود بر جهت پیش گرم کن قرار گرفته اند.
انتقال حرارت از گازهای خارج شده به بچ، از طریق دیواره های فولادی انجام می شود. گازهای خروجی به طور نمونه وار خنک سازی می شوند تا دمای انها به دمایی بین 500-200 ℃ برسد. این پیش گرم کن، ترجیحاً به طور مسقیم بر روی داگ هوس کوره نصب می شود تا بدین صورت از بروز اتلاف حرارتی، جلوگیری شود.
ویژگی های مهم تر مربوط به سیستم های پیش گرم کن بچ و خرده ی شیشه ی Zippe عبارتند از:

• هیچ ارتباطی میان گازهای خروجی و بچ ماده ی اولیه، وجود ندارد.
• 4 تا از این تأسیسات در صنعت شیشه ی مظروف اروپا، مورد استفاده قرار گرفته است که یکی از آنها هنوز در حال کار است. این سیستم با سن 12.5 سال در هلند، نصب گردیده است. اولین سیستم از این نوع در سوییس و در سال 1991 افتتاح شد و از آن در صنعت شیشه ی استفاده شده است.
• با توجه کارهای انجام شده بوسیله ی Zippe، این سیستم ها برای بچ های محتوی 50 تا 80 % خرده شیشه، می تواند مورد استفاده قرار گیرد. بچ به همراه خرده شیشه، پیش گرم می شوند و به هر حال، بچ های دارای مقادیر کمتر خرده شیشه، با مشکلاتی روبرو هستند که قبلاً بدان اشاره شد.
• ارتفاع نمونه وار مربوط این پیش گرم کن ها، برابر با 20-25 متر است.
• ظرفیت نمونه وار این پیش گرم کن ها، در حدود 12 تن در ساعت است اما این سیستم می تواند ظرفیت های بیشتری نیز داشته باشد زیرا ساختاری مدولار دارد.
• عرض کانال های ماده ی اولیه برابر با 100 mm است و کانال های گاز خروجی دارای عرضی برابر با 65- 80 mm هستند.
• سرعت های گاز خروجی 6-8 m/s و افت فشار در این بخش ها برابر با 500 Paskal می باشد.
• بچ ماده ی اولیه به همراه خرده شیشه، بر اساس نیروی وزن آنها، با سرعت 1 متر بر ثانیه پایین می آیند.
• هزینه های سرمایه گذاری در سال 1996، برابر با 1.75- 2 میلیون دلار آمریکاست.
• دمای پیش گرم شدن در حدود 260-325 ℃ می باشد و از این رو، دمای گاز خروجی که در حدود 500 ℃ می باشد، با استفاده از رقیق سازی به دماهای ذکر شده می رسند.
• صرفه جویی در مصرف انرژی که بواسطه ی استفاده از این سیستم ایجاد می شود، 12 تا 15 % می باشد.
• در مورد بوستینگ الکتریکی، پیش گرم کردن بچ ماده ی اولیه موجب کاهش نیاز به بوستینگ الکتریکی می شود و همچنین نیاز به استفاده از برق را کاهش می دهد.
• بچ خشک ممکن است موجب افزایش انباشتگی بچ در کوره شود و از این رو، موجب بروز اشکالات بیشتر در ری ژنراتورها شود.
• به دلیل وجود آلودگی های آلی در خرده شیشه ها، با پیش گرم شدن این مواد، بو ایجاد می شود که از بالای بخش پیش گرم کن، خارج می شود. این دود و بو که محتوی مواد آلی و آب است، بر روی برخی بخش ها کندانس می شود. در یک مورد، یک بخش سوزاننده باید گازهای خروجی از این بخش را بسوزاند. هزینه های سوزاندن در حدود 350000 دلار آمریکا می باشد و همچنین نیاز به مصرف 20Nm^3 گاز طبیعی برای انجام این عمل می باشد. با انجام تغییرات ساختاری، نسل های بعدی این پیش گرم کن ها، اصلاح و بهسازی شدند.
• در یک مورد، بعد از 10 سال کار این سیستم، یک تعمیر اساسی با صرف هزینه ای بیش از یک میلیون یورو، انجام شد.

شکل 2 مصرف انرژی ویژه ی یک کوره ی ذوب شیشه ی مظروف را با یک پیش گرم کن بچ و خرده شیشه نشان می دهد. این سیستم از 10 سال پیش در اروپا در حال کار است. در طی حفظ و نگهداری این پیش گرم کن، مصرف انرژی ویژه در حدود 4950 MJ/ton شیشه ی مذاب می باشد. بعد از پیش گرم کردن، کشش می تواند به میزان 9 % افزایش یابد و بدی صورت مصرف انرژی ویژه در این بخش، برابر با 4100 MJ/ton شیشه ی مذاب می شود که به میزان 17 % کاهش یافته است.
از سال 2006، شرکت آلمانی Zippe نسل جدید این پیش گرم کن ها را برای کوره های ذوب شیشه، توسعه داد که در انها مشکلات گرفتگی و همچنین بوی بد آنها، حل شد.
هزینه های سرمایه گذاری مربوط به سیستم های پیش گرم کن بچ و خرده شیشه برای کوره های شیشه ی مظروف، عبارتست از هزینه های نمونه واری که برای کامل کردن سیستم پیش گرم کن ضروری است. این هزینه ها، شامل هزینه ی نصب، ایجاد ارتباط میان جریان های گاز و ارتباط های میانی، کارهای عمرانی، انجام تغییرات در سیستم شارژ بچ در کوره ی شیشه و هزینه های مربوط به نصب فیلترهای مورد نیاز، می باشد.
یک سیستم پیش گرم کن با بستر ماده ی اولیه ی سیال، در مقیاس صنعتی در اروپا مورد بررسی قرار گرفت. این بررسی بوسیله ی انستیتوی تحقیقات گاز (GRI) انجام شد. گازهای خروجی از این کوره های شیشه، برای سیال سازی و پیش گرم کردن بچ معولی، پیش از شارژ آنها به کوره ی شیشه، مورد استفاده قرار گرفت. بچ نرمال برای تولید شیشه های مظروف، تا دمایی بین 300-350 ℃، حرارت داده می شوند. تشکیل مقادیر قابل توجه از گردوخاک در این بسترهای سیال، یکی از مسائل مشکل آفرین است که موجب افزایش هزینه های مربوط به انرژی می شود. این سیستم به دلیل وجود مشکلات مربوط به انتقال مواد اولیه، مورد استفاده قرار نگرفت.

توسعه ی جدید با سیستم BCP

اخیراً PRAXAIR یک سیستم جدید توسعه داد که در سطح آزمایش های پایلوت و آزمایش، می باشد. این سیستم برای پیش گرم کردن بچ ماده ی اولیه به همراه خرده شیشه (BCP) مناسب است و در آن از گازهای خارج شده از کوره های اکسیژن- سوخت، استفاده می شود. گازهای خروجی از کوره، تنها اندکی سرد می شود و در دمایی در حدود 1200-1400 ℃ وارد پیش گرم کن می شود.
برخی از ویژگی های این پیش گرم کن، عبارتند از:
• بچ و خرده شیشه تا دمای 460-600 ℃ پیش گرم می شود.
• گازهای خروجی از کوره های اکسیژن- سوخت (گاز طبیعی و نفت) اندکی با هوای سرد، رقیق سازی می شود.
• ترکیبات آلی در خرده شیشه ها، به طور کامل زدایش می یابند.
• این واحد یک سیستم مدولار است و می تواند در اندازه ی مورد نظر، تغییر کند.
• در زمان انجام عملیات های نگهداری، می تواند گازهای بچ و گازهای خروجی از کوره را از طریق مسیرهای فرعی انتقال داد.
• سیستم های ساده و با هزینه ی پایین، می تواند زمان های بازگشت سرمایه را کاهش دهد.
• توجه خاصی باید به منظور جلوگیری از انباشت بیش از حد ماده ی اولیه در داخل کوره، اتخاذ گردد. این کار با استفاه از شارژ کننده های مناسب ماده اولیه، انجام می شود.
• انتقال غیر مستقیم حرارت از گاز خروجی از کوره به بچ ماده ی اولیه و خرده شیشه، در پیش گرم کن، انجام می شود.
• این سیستم برای تمام نسبت های بچ ماده ی اولیه به خرده شیشه، قابل استفاده می باشد.
• مرحله ی اول، بخش انتقال غیر مستقیم حرارت می باشد. در این کار، گاز خروجی بدون رقیق سازی به این بخش وارد می شود و در این حالت، این گاز دارای دمای نمونه وار 1200-1400 ℃ می باشد.

مزیت های گزارش شده برای این سیستم ها:

• صرفه جویی در مصرف سوخت: 1 GJ/ton شیشه ی مذاب
• صرفه جویی در مصرف اکسیژن: 1/12 ton اکسیژن به ازای هر تن شیشه ی مذاب.
• افزایش نرخ تولید: 10-20 %
• کاهش میزان انتشار گاز: 15 -30 % در مقایسه با کوره های اکسیژن- سوخت بدون پیش گرم کن
• پیش بینی بازپرداخت هزینه ها: بین 1 تا 3 سال بعد از نصب
یک سیستم در مقیاس پایلوت، بوسیله ی PRAXAIR در سال 2007، مورد بررسی قرار گرفته است. در این سیستم، دمای پیش گرم سازی در حدود 480-535 ℃ می باشد. مرحله ی بعدی در این توسعه، طراحی یک سیستم بزرگتر است که در کوره های تجاری شیشه، قابل استفاده باشد.
ویژگی های مهم سیستم پیش گرم سازی بچ و خرده ی شیشه
هدف اصلی مربوط به پیش گرم سازی بچ و خرده شیشه، صرفه جویی در مصرف انرژی است که این استراتژی با استراتژی افزایش نرخ کشش مذاب، همراه می شود و بدین صورت، صرفه جویی مناسبی در مصرف انرژی انجام می شود. هزینه های سرمایه گذاری به اندازه و نوع پیش گرم کن، وابسته است. تغییرات ایجاد شده در بخش انتقال بچ، نیازمند این است که از ارتباط های فرعی و داگ هوس استفاده شود. زمان بازگشت سرمایه در این سیستم ها، 3 تا 4 سال است اما هزینه های انرژی ممکن است در آینده موجب کاهش زمان بازگشت سرمایه در این قطعات گردد.
جنبه های مهم مربوط به پیش گرم سازی بچ و خرده شیشه، عبارتند از:
• بچ و خرده شیشه ی خشک شده، مستعد انباشته شدن بیش از حد در طی انتقال و شارژ به کوره هستند. وقتی بچ شارژ شده، به صورت مستقیم با گازهای خروجی، در تماس باشند، انباشتگی بیش از حد در کوره ممکن است رخ دهد. این ذرات ریز ایجاد شده در گازهای خروجی، ممکن است با مواد دیرگدازهای موجود در سیستم جریان گاز، واکنش دهند و موجب تخریب این بخش ها شود. مخصوصاً در مورد کوره های اند فایر، بخش های مشعل و چک کننده های ری ژنراتورها، بیشترین آسیب را می بینند. شکل 3 نشاندهنده ی غلظت های گردوخاک و ترکیب شیمیایی گردوغبار است که در گازهای خروجی از کوره های اند فایر، اندازه گیری شده است. اولین ستون نشاندهنده ی میزان و ترکیب شیمیایی گردوغبار در بالای بخش چک کننده است. ستون دوم نشاندهنده ی میزان گردوغبار در بخش خروجی سیستم می باشد. تفاوت میان اولین و دومین ستون در میزان گردوغبار می باشد.
ستون سوم نشاندهنده ی غلظت های غبار در گازهای خروجی است که از بالای ری ژنراتور نمونه گیری شده اند.
طراحی های مربوط به داگ هوس برای کوره ها، مخصوصاً در کوره های اند فایر، به احتمال زیاد اصلاح خواهند شد تا بدین صورت، از مشکلات بیان شده در شکل 3، جلوگیری شود. این همچنین مهم است که از تماس مستقیم میان شعله و بچ تازه شارژ شده، جلوگیری شود. این مسئله نیازمند برخی اصلاحات در موقعیت مشعل ها و طراحی پورت های مشعل ها، می باشد. برای سیستم های پیش گرم کن بچ و خرده شیشه غیر مستقیم، تجمع بیش از حد ماده ی اولیه در کوره، ممکن است نسبت به سیستم های پیش گرم کن مستقیم، بیشتر نمود دارد.
• برای کوره های اکسیژن- سوخت، مسئله ی ایجاد غبار ممکن است بوسیله ی ایجاد اصلاحات در ساختار کوره و قراردهی مناسب مشعل های اکسیژن- سوخت، کنترل گردد. همچنین این کار می تواند با انتخاب صحیح پورت های گاز خروجی و جلوگیری از ایجاد سرعت بالای گاز در داخل این سیستم ها، قابل انجام می باشد. TNO اندازه گیری های مناسبی را بر روی میزان گردوغبار موجود در گازهای خروجی از کوره های شیشه، انجام داده است. بر طبق اطلاعات بدست آمده از TNO، تفاوت اندکی در میزان گردوغبار مشاهده شده است.
• دود ایجاد شده از خرده شیشه، اغلب حاوی بخارات آلی و محصولات تجزیه شده است. این دودها ممکن است موجب ایجاد بوی بد در کارخانه ی شیشه و محیط اطراف آن می شود. این مسئله به ارتفاع دودکش و میزان مواد آلی موجود در خرده شیشه وابسته است. در یک مورد، یک سیستم سوزاننده ی متعاقب، باید برای سوزاندن این دودها، استفاده شود.
• پیش گرم کردن خرده شیشه، موجب کاهش میزان مواد آلی موجود در خرده شیشه می شود و موجب حذف کامل اجزای آلی می گردد. بنابراین، حالت اکسیداسیون بچ، اکسیدی تر می شود و این مسئله موجب بروز نوسان های بیشتری در سیستم می شود. بنابراین، با وجود این حالت در کوره، کنترل رنگ و اکسایش کاهش در این کوره ها، بهتر انجام می شود. در مورد بچ های شیشه ی کهربایی که مقادیری از مواد آلی یا کک، که به بچ افزوده می شود، ممکن است، در طی فرایند پیش گرم سازی، حذف شوند. پیش گرم کردن بچ و خرده شیشه، همچنین یک راه حل مناسب در زمانی است که افزایش ظرفیت تولید، مد نظر باشد و بخواهیم از حداکثر ظرفیت کوره، استفاده شود.

نتیجه گیری

کاربرد پیش گرم سازی بچ و خرده شیشه، هنوز بسیار محدود است و تنها در آلمان، مقبولیت داشته است. بسته به نسبت بچ به خرده شیشه و حد مورد قبول آلاینده های خاص (گردوغبار، اکسیدهای گوگرد، HCl و HF)، یکی از سیستم های بیان شده در بالا، انتخاب بهینه می باشد. پیش گرم سازی بچ ماده ی اولیه و خرده شیشه، به احتمال زیاد، یکی از تکنولوژی های موجودی است که می تواند منجر به افزایش صرفه جویی در مصرف انرژی به میزان 15 تا 25 % شود. مخصوصاً در کوره های اکسیژن- سوخت و کوره های بهبود یافته، دماهای پیش گرم سازی نسبتاً بالا، موجب افزایش صرفه جویی در مصرف انرژی می شود.
مسائل مربوط به انباشت بیش از حد ماده ی اولیه در کوره، بوی بد و دودهای سمی، احتمالا می تواند راه حل های مناسبی پیدا کند و بدین صورت، این تکنولوژی می تواند موجب مزیت های قابل توجهی برای صنعت شیشه شود.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.