PL B1. Sposób poprawy drożności rurkowych rekuperatorów ceramicznych i rurkowy rekuperator umożliwiający stosowanie tego sposobu

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. C03B 5/237 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Sposób poprawy drożności rurkowych rekuperatorów ceramicznych i rurkowy rekuperator umożliwiający stosowanie tego sposobu (73) Uprawniony z patentu: Krośnieńskie Huty Szkła KROSNO S.A.,Krosno,PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 15/04 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 01/10 (72) Twórca(y) wynalazku: Władysław Hejnar,Krosno,PL Wacław Piwowar,Krosno,PL Janusz Siwiec,Krosno,PL (74) Pełnomocnik: Marek Leszczak, Syndyk, Krośnieńskie Huty Szkła "KROSNO" S.A. PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób poprawy drożności rurkowych rekuperatorów ceramicznych i umożliwiający stosowanie tego sposobu rurkowy rekuperator odzyskujący ciepło ze spalin z pieca topiącego masę szklaną. Rekuperatory ceramiczne lub metalowe wykorzystuje się do odzysku ciepła spalin powstałych ze spalania mieszanki paliwa z powietrzem w procesie topienia lub ujednoradniania masy szklanej. To odpadowe ciepło wykorzystuje się do ogrzewania powietrza lub innego medium służącego następnie do spalania. Najczęściej stosuje się rekuperatory przeciwprądowe, w których spaliny i ogrzewane medium poruszają się w przeciwnych kierunkach i z różnych stron ścianek rurek, które pośredniczą w przewodzeniu ciepła. Do budowy rekuperatorów ceramicznych używa się rurowych kształtek, zapewniając szczelność ich połączenia w temperaturach pracy C. Kształtki przeznaczone do przepływu spalin stanowią odcinki rurowe posiadające u góry głowicę i poniżej część rurową, której dolne zakończenie stanowi kształtowa część uszczelniająca, przy czym głowica jest najczęściej prostopadłościanem lub stanowi inną regularną bryłę z otworem o kształcie dolnego zakończenia części rurowej, tak aby złożone jeden nad drugim odcinki rurowe tworzyły szczelną rurę, a boczne powierzchnie głowic stanowią szczelne, najczęściej poziome ścianki - warstwy przekładkowe, tworzące kanał przepływu podgrzewanego medium. Stosuje się również symetryczne kształtki rurowe i oddzielnie wykonane głowice tworzące łącznie szczelny układ. Na poziomie głowic, rekuperator wyposażony jest w krótkie rury - przeloty, o zewnętrznym kształcie głowic odcinków rurowych, przeznaczone do przepływu ogrzewanego medium pomiędzy poziomymi warstwami przekładkowymi i rozmieszczone tak, że zapewniają zygzakowaty przepływ ogrzewanego medium od dołu do góry rekuperatora. Ogrzewane medium przepływa zygzakowato ku górze, oddzielone warstwami przekładkowymi omywając z zewnątrz gorące rurowe kształtki, a spaliny przepływają pionowo w dół wewnątrz rurowych kształtek. Znane rekuperatory opisano w książce Jerzego Piecha pt. Piece ceramiczne i szklarskie Wydawnictwo AGH - Kraków 1993 na stronach lub pt. Wyłożenia ogniotrwałe pieców i urządzeń cieplnych Wydawnictwo AGH - Kraków 1999 na stronach; 80, Materiał kształtki z jednej strony powinien posiadać korzystny współczynnik przewodnictwa cieplnego, a z drugiej strony musi posiadać dobrą wytrzymałość mechaniczną i stosunkowo niewielki współczynnik rozszerzalności liniowej, a także odporność na nagłe zmiany temperatury i na chemiczne działanie związków zawartych w spalinach powstających podczas topienia szkła lub porywanych przez płomień składników zestawu szklarskiego. Materiałem powszechnie stosowanym na kształtki rurowe i głowice jest szamot. Stosuje się również kształtki z topionych materiałów ogniotrwałych korundowo - cyrkonowych posiadających korzystne własności mechaniczne i cieplne. Wysoki koszt tych kształtek dyskwalifikuje je w zastosowaniu do tanich, o kilkuletniej żywotności rekuperatorów używanych przy piecach stosowanych do wytapiania popularnych szkieł sodowych lub przy urządzeniach pomocniczych. W przemyśle szklarskim powszechnie używa się rekuperatory z rurowymi kształtkami szamotowymi, a więc materiałem, którego cząsteczki jeśli dostaną się z podgrzanym powietrzem do basenu topliwnego pieca z płynnym szkłem, to nie wpływają ze względu na swój skład, na jakość wytapianego szkła. Rurowe kształtki rekuperatorów współpracujących z piecami topiącymi masę szklaną, przy przepływie spalin wewnątrz nich, ulegają w trakcie eksploatacji zanieczyszczeniu składnikami zestawu szklarskiego i kondensującymi lotnymi składnikami masy szklanej osadzającymi się na wewnętrznych ściankach rurowych kształtek. Pogarsza to przewodzenie ciepła i zwiększa opory odciągu spalin. Przyjętym i stosowanym, znanym sposobem czyszczenia rurowych kształtek, zwłaszcza wykonanych z szamotowych materiałów ogniotrwałych, jest okresowe mechaniczne usuwanie zanieczyszczeń w temperaturach pracy rekuperatora. Do tego celu stosowane jest różne oprzyrządowanie. Typowym działaniem jest kolejne udrażnianie rur rekuperatora od góry ku dołowi metalowymi przebijakami wprowadzanymi do każdej udrażnianej rury i zbieranie u dołu rekuperatora usuniętych zanieczyszczeń. Tym sposobem niemożliwe jest usunięcie wszystkich zanieczyszczeń przylegających do ścianek rurowych kształtek, bowiem własności mechaniczne stosowanych materiałów w temperaturach pracy C stanowią znaczne ograniczenie sposobu. Te osadzające się na wewnętrznych ściankach rur pozostałości zanieczyszczeń doprowadzają z biegiem czasu do pogorszenia parametrów wymiany ciepła, a w krańcowym przypadku do niedrożności części rurek rekuperatora, zaś zbyt intensywne mechanicznie czyszczenie może doprowadzić do uszkodzeń rurowych ścianek prowadzące do utraty szczelności. Powoduje to pogorszenie wymiany ciepła, ograniczenie drożności rurowych kształtek rekuperatora albo niedrożność części kształtek. Powolna lub skokowa utrata szczelności wpływa nie-

3 PL B1 3 korzystnie na stabilność spalania paliwa i wytopu masy szklanej, prowadzi do obniżenia temperatur podawanego do spalania powietrza, co w pierwszym okresie wpływa na wzrost zużycia paliwa, a następnie do pogorszenia jakości wytapianego szkła. Utrata szczelności powoduje narastający upływ powietrza podawanego do podgrzania, do spalin płynących we wnętrzu rurowych kształtek, wspomagany różnicą ciśnień powierza i spalin, co może doprowadzić, na skutek wzrastającej ilości spalin, do utraty zdolności regulacji parametrów w piecu topiącym szkło. Nasilenie wpływu tych czynników z biegiem czasu pracy pieca, mimo okresowego mechanicznego czyszczenia, doprowadza do konieczności wymiany wypełnienia rekuperatora na nowe, przed upływem żywotności pieca szklarskiego, z którym rekuperator współpracuje. Prowadzony remont rekuperatora w czasie pracy pieca powoduje długookresowe zakłócenia w wytopie szkła. Celem wynalazku jest opracowanie bezpiecznego technicznie sposobu oczyszczania rurkowych kształtek rekuperatora z osadów, głównie powstających przy topieniu szkła oraz rekuperatora ceramicznego posiadającego bardzo dobre własności cieplne, mechaniczne i chemiczne, przystosowanego do stosowania sposobu czyszczenia kształtek według wynalazku, a więc zapewniającego wymaganą żywotność i sprawność energetyczną rekuperatorów w zastosowaniu do pieców topiących szkło przy równoczesnym uzyskaniu ekonomicznej konkurencyjności do obecnie stosowanych rozwiązań. Zgodnie z wynalazkiem sposób poprawy drożności rurkowych rekuperatorów ceramicznych charakteryzuje się tym, że podnosi się temperaturę spalin przed rekuperatorem i w rekuperatorze do osiągnięcia w kanale spalinowym za rekuperatorem temperatury C, do kanału spalin przed rekuperatorem podaje się dodatkowo spaliny z palników o mocy, co najmniej 200 KW oraz zwiększa się podciśnienie w kanale spalinowym za rekuperatorem i/lub zwiększa się nadciśnienie w kanale spalin przed rekuperatorem, a także zmniejsza się ilość powietrza podawanego do kolektora zimnego powietrza o 10-20%, przy czym temperaturę za rekuperatorem podnosi się lub obniża z szybkością co najwyżej 100 C/h i temperaturę C za rekuperatorem utrzymuje się w czasie do 4 godzin. Korzystnie do wnętrza rurek rekuperatora podaje alkaliczny topnik lub mieszaninę alkalicznych topników takich jak NaCO 3 i/lub NaCI i/lub KCO 3 i/lub KCI. Rurkowy rekuperator ceramiczny do realizacji sposobu według wynalazku posiadający: fundament z kanałem spalinowym i regulatorem odciągu, ruszt na kanale spalinowym, ściany boczne, rurkowe wypełnienie, warstwy przekładkowe z przemiennie umieszczonymi przelotami zapewniającymi zygzakowaty przepływ powietrza od dołu do góry, otwory zimnego powietrza z kolektorem zimnego powietrza i otwory odprowadzenia gorącego powietrza, u góry sklepienie tworzące z ścianami bocznymi i rusztem górnym kanał spalin, charakteryzuje się tym, że kształtki ceramicznego rurkowego wypełnienia wykonane są ze spiekanego magnezytu o zawartości MgO co najmniej 96%, zaś połączenie warstw przekładkowych ze ścianami bocznymi ma uszczelnienie, a ścianki kanału spalin mają co najmniej jeden otwór, w którym umieszczony jest korek lub palnik o mocy, co najmniej 200 KW. Warstwy przekładkowe wykonane są z tworzywa szamotowego lub spiekanego magnezytu o zawartości MgO, co najmniej 96%, zaś materiałem uszczelnienia jest włókno ceramiczne. Rurkowy rekuperator ceramiczny oraz sposób poprawy drożności według wynalazku umożliwia powtarzalne okresowo oczyszczanie wewnętrznych powierzchni rurowych kształtek z zanieczyszczeń składnikami zestawu szklarskiego i kondensującymi lotnymi składnikami masy szklanej przez wytapianie tych składników, Stopione składniki zanieczyszczeń, po ewentualnym dodaniu topników ściekają przez ruszt na dno kanału spalinowego skąd mogą być usuwane po zakończonym cyklu oczyszczania i obniżeniu temperatur. Proces wytapiania jest szybszy, znacznie skuteczniejszy i tańszy oraz bezpieczniejszy niż mechaniczne czyszczenie kształtek. Parametry prowadzenia procesu i konstrukcja rekuperatora umożliwiają po przeprowadzeniu czyszczenia, szybki powrót do typowej pracy całego agregatu szklarskiego i wytopu masy szklanej wysokiej jakości. Brak uszkodzeń mechanicznych kształtek rekuperatora zapewnia wydłużony okres trwałości konstrukcji, a także utrzymanie przez cały okres jego pracy stabilnych parametrów odzysku ciepła ze spalin, poprawiając sprawność energetyczną, jakość i ekonomię prowadzenia wytopu szkła. Poprawa trwałości konstrukcji eliminuje konieczność wymiany wypełnienia rekuperatora w okresie między remontowym całego pieca. Wynalazek jest bliżej przedstawiony w przykładach wykonania oraz na rysunku, na którym przedstawiono schemat rekuperatora w przekroju. P r z y k ł a d I Rurkowy rekuperator według wynalazku umożliwiający stosowanie sposobu według wynalazku posiada fundament z kanałem 1 spalinowym i regulatorem 2 odciągu, ruszt 3 na kanale spalinowym, ściany 15 boczne, kształtki rurkowe 4 wypełnienia, warstwy przekładkowe 5 z przemiennie umiesz-

4 4 PL B1 czonymi przelotami 12 zapewniającymi zygzakowaty przepływ powietrza od dołu do góry, otwory 6 zimnego powietrza z kolektorem 7 zimnego powietrza i otwory 8 odprowadzenia gorącego powietrza, u góry ruszt 16 z ścianami 13 bocznymi tworzące kanał spalin 9. Kształtki rurkowe 4 ceramicznego wypełnienia wykonane są ze spiekanego magnezytu o zawartości MgO, co najmniej 96%. Połączenie warstw przekładkowych 5 ze ścianami 15 bocznymi ma uszczelnienie 10 wykonane z włókien ceramicznych. Ścianki 13 kanału spalin 9 zaopatrzone są w dwa otwory 11, w którym umieszczone są typowe palniki 14 podmuchowe o mocy po 200 KW. Warstwy przekładkowe 5 mogą być wykonane z tworzywa szamotowego lub spiekanego magnezytu o zawartości MgO, co najmniej 96%. Spaliny przepływają w dół rekuperatora wewnątrz kształtek rurkowych 4 do kanału 1 spalinowego, a następnie na zewnątrz, zaś zimne powietrze przeznaczone do ogrzania wpływa do kolektora 7, po czym dostaje się pomiędzy warstwy przekładkowe 5 i przepływa zygzakowato od dołu ku górze pomiędzy przelotami 12 umieszczonymi w warstwach przekładkowych 5 omywając z zewnątrz kształtki rurkowe 4 i odbiera od nich ciepło tak, że już nagrzane wypływa przez otwór 8. Zanieczyszczenia znajdujące się w spalinach osadzają się na wewnętrznych powierzchniach kształtek rurkowych 4 destabilizując parametry przepływu spalin i przenoszenia ciepła do ogrzewanego powietrza. Poprawę drożności kształtek rurkowych 4 sposobem według wynalazku przeprowadza się w czasie eksploatacji pieca przez podwyższenie temperatury spalin wpływających do kształtek rurkowych 4 rekuperatora, co uzyskuje się przez wprowadzanie do dwóch otworów 11 typowych palników 14 podmuchowych, każdy o mocy 200 KW i skierowanie wytworzonych spalin do kanału spalin 9 przed rekuperatorem. Równocześnie zwiększa się podciśnienie w kanale 1 spalinowym o Pa oraz nadciśnienie spalin w kanale spalin 9 o Pa oraz rozpoczyna się zmniejszanie ilości zimnego powietrza podawanego do kolektora 7 o 5% co 1/2 godziny, łącznie o 10%. Temperaturę w kanale 1 spalinowym pod rekuperatorem podnosi się z szybkością 80 C na godzinę aż do osiągnięcia 900 C, którą utrzymuje się na tym poziomie przez okres dwóch godzin. W tym czasie następuje stopienie osadów i szkliw osadzonych na wewnętrznych powierzchniach kształtek rurkowych 4 i ich spłynięcie przez ruszt 3 na dno kanału 1 spalinowego. Po upływie czasu przeznaczonego na wytapianie obniża się temperaturę w kanale 1 spalinowym z szybkością 80 C na godzinę, zwiększa się ilość zimnego powietrza podawanego do kolektora 7 z szybkością 5% co 1/2 godziny, łącznie o 10%. Powraca się również do ciśnień w kanale spalin 9 i w kanale 1 spalinowym jakie panowały tam przed rozpoczęciem poprawy drożności, a także wyłącza się palniki 14 i usuwa się je z otworów 11 uszczelniając je korkami 17. Po zakończeniu procesu poprawy drożności rekuperatora ustala się na nowo parametry jego pracy. Konstrukcja rekuperatora umożliwia okresowe powtarzanie czynności związanych z poprawą drożności kształtek rurkowych 4 sposobem według wynalazku bez ujemnych skutków dla jej trwałości. P r z y k ł a d II Rurkowy rekuperator według wynalazku umożliwiający stosowanie sposobu według wynalazku opisano w przykładzie I. Posiada on w ściance kanału spalin 9 jeden otwór 11, w którym umieszczony jest typowy palnik 14 podmuchowy o mocy 250 KW. Poprawę drożności kształtek rurkowych 4, sposobem według wynalazku, przeprowadza się w czasie eksploatacji pieca przez podwyższenie temperatury spalin wpływających do kształtek rurkowych 4 rekuperatora, co uzyskuje się przez wprowadzenie do otworu 11 typowego palnika 14 podmuchowego o mocy 250 KW i skierowanie wytworzonych spalin do kanału spalin 9 przed rekuperatorem. Równocześnie zwiększa się podciśnienie w kanale 1 spalinowym o Pa oraz nadciśnienie spalin w kanale spalin 9 o 5-15Pa oraz rozpoczyna się zmniejszanie ilości zimnego powietrza podawanego do kolektora 7 o 5%, co 1/2 godziny, łącznie o 20%. Temperaturę w kanale 1 spalinowym pod rekuperatorem podnosi się z szybkością 50 C na godzinę aż do osiągnięcia 800 C, którą utrzymuje się na tym poziomie przez okres czterech godzin. W czasie podnoszenia temperatury w kanale 1 spalinowym pod rekuperatorem podaje się do kształtek rurkowych 4 mieszaninę alkalicznych topników złożoną z 50% Na 2 CO % KCI. W tym czasie następuje przy udziale alkalicznych topników, stopienie osadów i szkliw osadzonych na wewnętrznych powierzchniach kształtek rurkowych 4 i spłynięcie ich przez ruszt 3 na dno kanału 1 spalinowego. Po upływie czasu przeznaczonego na wytapianie obniża się temperaturę w kanale 1 spalinowym z szybkością 50 C na godzinę, zwiększa się ilość zimnego powietrza podawanego do kolektora 7 z szybkością 5% co 1/2 godziny, łącznie o 20%. Powraca się również do ciśnień w kanale spalin 9 i w kanale 1 spalinowym jaki panowały tam przed rozpoczęciem poprawy drożności, a także wyłącza się palnik 14 i usuwa z otworu 11 uszczelniając go korkiem 17. Po zakończeniu procesu poprawy drożności rekuperatora ustala się na nowo parametry jego pracy. Konstrukcja rekuperatora umożliwia okresowe powtarzanie czynności związanych z poprawą drożności kształtek rurkowych 4, sposobem według wynalazku, bez ujemnych skutków dla jej trwałości.

5 PL B1 5 Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób poprawy drożności rurkowych rekuperatorów ceramicznych, znamienny tym, że podnosi się temperaturę spalin przed rekuperatorem i w rekuperatorze do osiągnięcia w kanale spalinowym /1/ za rekuperatorem temperatury C. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do kanału spalin /9/ przed rekuperatorem podaje się dodatkowo spaliny z palników o mocy, co najmniej 200 KW. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że zwiększa się podciśnienie w kanale spalinowym /1/ za rekuperatorem i/lub zwiększa się nadciśnienie w kanale spalin /9/ przed rekuperatorem. 4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że zmniejsza się ilość powietrza podawanego do kolektora /7/ zimnego powietrza o 10-20%. 5. Sposób według zastrz. 1, albo 2, albo 3, albo 4, znamienny tym, że temperaturę za rekuperatorem podnosi się lub obniża z szybkością co najwyżej 100 C/h. 6. Sposób według zastrz. 1, albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, znamienny tym, że temperaturę C za rekuperatorem utrzymuje się w czasie do 4 godzin. 7. Sposób według zastrz. 1, albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, znamienny tym, że do rurek /4/ rekuperatora podaje alkaliczny topnik lub mieszaninę alkalicznych topników. 8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że topnikiem może być Na 2 CO 3 i/lub NaCI i/lub K 2 CO 3 i/lub KCI. 9. Rurkowy rekuperator ceramiczny posiadający: fundament z kanałem spalinowym i regulatorem odciągu, ruszt na kanale spalinowym, ściany boczne, rurkowe wypełnienie, warstwy przekładkowe z przemiennie umieszczonymi przelotami zapewniającymi zygzakowaty przepływ powietrza od dołu do góry, otwory zimnego powietrza z kolektorem zimnego powietrza i otwory odprowadzenia gorącego powietrza, u góry sklepienie tworzące z ścianami bocznymi i rusztem górnym kanał spalin, znamienny tym, że kształtki /4/ ceramicznego rurkowego wypełnienia wykonane są ze spiekanego magnezytu o zawartości MgO, co najmniej 96%, zaś połączenie warstw przekładkowych /5/ ze ścianami /15/ bocznymi ma uszczelnienie /10/, a ścianki kanału spalin /9/ mają co najmniej jeden otwór /11/, w którym umieszczony jest korek /17/ lub palnik /14/ o mocy, co najmniej 200 KW. 10. Rurkowy rekuperator według zastrz. 9, znamienny tym, że warstwy przekładkowe /5/ wykonane są tworzywa szamotowego lub spiekanego magnezytu o zawartości MgO, co najmniej 96%. 11. Rurkowy rekuperator według zastrz. 9, znamienny tym, że materiałem uszczelnienia /10/ jest włókno ceramiczne.

6 6 PL B1 Rysunek Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,00 zł.