Тепловая изоляция огнеупорной кладки в стекловаренных печах

УДК 666.1.031

ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ОГНЕУПОРНОЙ КЛАДКИ В

СТЕКЛОВАРЕННЫХ ПЕЧАХ

Д-р техн. наук , д-р техн. наук

(e-mail: *****@***ru)

Уральский федеральный университет им. первого Президента России

(Россия, г. Екатеринбург)

По результатам математического моделирования определена средняя и максимальная температура нагрева боковых стен рабочего пространства стекловаренной печи с удельным съемом стекломассы 2,9 т/(м2∙сут). Рассмотрено влияние термического сопротивления кладки на потери теплоты в окружающую среду. Разработана энергоэффективная структура тепловой изоляции огнеупорной кладки, обеспечивающая снижение удельных потерь теплоты до 400 Вт/м2.

-----------------------------------------------------------------------------------------------

Ключевые слова: стекловаренная печь, огнеупорная кладка, тепловая изоляция, термическое сопротивление, температура, тепловой поток

Повышение производительности и энергоэффективности стекловаренных печей является важнейшей задачей стекольной промышленности страны.

Для непрерывного технологического процесса основная характеристика производительности – удельный съем стекломассы с 1 м2 площади варочного бассейна в сутки Руд. Современный мировой уровень производства характеризуется Руд = 2,7–3 т/(м2∙сут). Энергоэффективность процесса определяется удельным расходом теплоты на варку 1 кг стекломассы qуд, который не должен превышать 4600 кДж/кг. Параметры Руд и qуд взаимосвязаны и зависят от величины потерь теплоты в окружающую среду. Эта зависимость проявляется в количестве дополнительной тепловой энергии необходимой для повышения удельной производительности печи [1].

Структура кладки печных ограждений включает горячую (огнеупорную) и холодную (тепловая изоляция) футеровки. Энергоэффективная тепловая изоляция огнеупорной кладки, обеспечивающая снижение потерь теплоты в окружающую среду до 8–10 % от расходных статей теплового баланса, позволяет достигнуть Руд = 2,5 т/(м2∙сут) при максимальной температуре динасового свода 1580±10 оС [2]. Дальнейшее повышение удельного съема стекломассы при сохранении максимальной температуры варки предполагает применение более эффективной холодной футеровки огнеупорной кладки и снижение потерь теплоты до 5–7 %.

В стекловаренных печах основная доля потерь теплоты приходится на бадделеитокорундовую кладку стен рабочего пространства. В настоящее время холодная футеровка AZS (алюмо-циркониево-силикатных) огнеупоров выполняется, как правило, легковесными алюмосиликатными и муллитокорундовыми кирпичами стандартных размеров. Добавление пенодиатомитового наружного слоя в холодную футеровку повышает суммарное термическое сопротивление кладки до R = 1,46 (м2∙К)/Вт. При этом тепловой поток в окружающую среду составляет q = 968,7 Вт/м2, а температура внешней поверхности тепловой изоляции tнар = 100,6 оС [3]. Более эффективной является комбинация стандартных легковесных кирпичей и волокнистых изделий. Она обеспечивает R = 2,47 (м2∙К)/Вт. При этом q = 583,8 Вт/м2 и tнар = 84,7 оС [4]. На наш взгляд, дальнейшее повышение энергоэффективности тепловой изоляции бадделеитокорундовых огнеупоров видится в увеличении термического сопротивления кладки за счет замены традиционных легковесных изделий волокнистыми материалами с низким коэффициентом теплопроводности.

Новая структура тепловой изоляции разработана для регенеративной стекловаренной печи с подковообразным пламенем производительностью 320 т/сут, характеризуемой Руд = 2,9 т/(м2∙сут) и qуд = 4526,5 кДж/кг. Печь отапливается природным газом с низшей рабочей теплотворной способностью 33496 кДж/м3. Исходя из реверсивного режима отопления стекловаренных печей, тепловая изоляция рассчитывается при средней температуре внутренней поверхности (tср, оС) огнеупорной кладки. Кроме того, выполняется поверочный расчет на пригодность теплоизоляционных изделий к эксплуатации при локальном нагреве огнеупорной кладки до максимальной температуры (tмак, оС). Значения указанных температур для конструктивных элементов кладки определяется математическим моделированием внешнего теплообмена в рабочем пространстве печи. При задании граничных условий теплопередачи через кладку, принимается 5 % уровень потерь теплоты в окружающую среду.

Анализ температурного поля боковой стены рабочего пространства на отапливаемой стороне печи (рис. 1) показывает, что средняя и максимальная температуры ее нагрева равны 1527,0 и 1577,3 оС соответственно. Распределение температуры соответствует условиям организации факела, полная длина которого принята равной длине рабочего пространства. На поверхности стены отсутствуют участки локального перегрева. Для продольной стены на отводящей стороне печи tср = 1449,8 и tмак = 1507,9 оС. Нагрев торцевой стены у протока характеризуется средней и максимальной температурами 1528,7 и 1596,2 оС соответственно (рис. 2). С учетом округления полученных данных, расчет и конструирование унифицированной тепловой изоляции стен выполняется при tмак = 1600 оС. Для характеристики тепловых потерь через кладку используется средняя температура tср = 1530 оС. Расчеты теплопередачи через многослойную стенку выполняются в предположении стационарного режима теплообмена при смешанной постановке граничных условий. Методика расчета приведена в работе [3]. При выборе материалов для тепловой изоляции приоритет отдается волокнистым изделиям с низкой теплопроводностью и соответствующей температурой применения.

Рассмотрим влияние суммарного термического сопротивления теплоизолированной кладки на тепловые потери в окружающую среду и температуру наружной поверхности холодной футеровки. Данные рис. 3, полученные при tср = 1530 оС, свидетельствуют о том, что наибольшее воздействие аргумента на величину функций q(R) и tнар(R) наблюдается при R → 2,8 (м2∙К)/Вт. Данная величина термического сопротивления кладки обеспечивает q = 516,4 Вт/м2 и tнар = 80,4 оС Дальнейший рост термического сопротивления приводит к менее значительному уменьшению теплового потока и наружной температуры. Поэтому при разработке структуры холодной футеровки можно ограничиться указанным значением R или задаться некоторой конкретной величиной потерь теплоты в окружающую среду.

В стекловаренных печах толщина теплоизолированной стены рабочего пространства конструктивно ограничена величиной 730 мм. При толщине огнеупорной кладки 200 мм, на тепловую изоляцию приходится не более 530 мм. С учетом этого ограничения разработана структура холодной футеровки AZS огнеупора, характеризуемая q < 400 Вт/м2 (рис. 4). Особенность новой структуры заключается в сочетании высокотемпературных и низкотемпературных теплоизоляционных изделий с относительно низкой теплопроводностью. От огнеупорной кладки холодная футеровка отделена слоем (до 5 мм) водного раствора цирконо-муллитового мертеля, который, затвердевая при комнатной температуре, герметизирует швы AZS блоков, что исключает диффузию печных газов в тепловую изоляцию. Высокотемпературный слой тепловой изоляции выполнен жесткими волокнистыми плитами (2 слоя по 100 мм) PROMAFORM®-1600. Температурные условия для их использования создаются установкой перед ними легковесного муллитокорундового кирпича, температура применения которого превышает максимальный нагрев огнеупора. Волокнистая огнеупорная плита CERABOARD-110 обеспечивает температуру применения последующих слоев футеровки из низкотемпературных плит BLOK 607. Последний слой холодной футеровки выполнен микропористой сэндвич-плитой PROMALIGHT®-310, характеризуемой самым низким коэффициентом теплопроводности. В результате суммарное термическое сопротивление кладки достигает 3,68 (м2∙К)/Вт. Как следствие, тепловой поток в окружающую среду снижается до 395,6 Вт/м2, а температура наружной поверхности холодной футеровки – до 72,4 оС (табл. 2).

Результаты расчета теплопередачи свидетельствуют о том, что температура между слоями холодной футеровки не превышает температуру применения всех использованных теплоизоляционных изделий (см. табл. 1). При tср = 1530 оС суммарное термическое сопротивление кладки обеспечивает самую низкую, на сегодняшний день, величину тепловых потерь и наружной температуры холодной футеровки. Высокой эффективностью отличается и тепловая изоляция опорного зуба подвесной стены. Для этого конструктивного элемента q = 752,0 Вт/м2 и tнар = 94,8 оС. С учетом высоты простенка и зуба средневзвешенная величина удельного теплового потока в окружающую среду составляет 435,5 Вт/м2.

Таким образом, применение теплоизоляционных волокнистых изделий позволяет разработать структуру тепловой изоляции бадделеитокорундовой кладки, энергоэффективность которой значительно превышает известные технические решения [2–4]. В то же время следует отметить, что при конструировании холодной футеровки необходимо учитывать затраты на тепловую изоляцию и достигаемые при этом результаты по экономии топлива.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Дзюзер проблемы стекловарения // Стекло и керамика. 2013. № 5.

С. 3–5.

Dzyuzer V. Ya. Topical problems of glassmaking // Glass and Ceram. 2013. V. 70.

N 5–6. P. 167 – 169.

Дзюзер печные ограждения высокопроизводительной

стекловаренной печи // Огнеупоры и техническая керамика. 2009. № 11–12.

С. 54–48.

, , Садыков условия теплопередачи

через кладку стекловаренной печи // Стекло и керамика. – 2012. – № 5. – С. 28–33.

Dzyuzer V. Ya., Shvydkii V. S., Sadykov E. B. Boundary conditions for heat transfer

through glass furnace brickwork // Glass and Ceram. 2012. V. 69. N 5–6. P. 163 – 167.

Дзюзер тепловая изоляция бадделеитокорундовой кладки

       в стекловаренных печах // Новые огнеупоры. – 2013. – № 10. – С. 13–16.

Рисунки к статье ,

Тепловая изоляция огнеупорной кладки в стекловаренных печах

Рис. 1. Температурное поле продольной стены на отапливаемой стороне рабочего пространства печи: x, z – длина и высота стенки

Рис. 2. Температурное поле торцевой (у протока) стены рабочего пространства печи:

y – ширина рабочего пространства

Рис. 3. Влияние термического сопротивления теплоизолированной кладки на тепловой поток в окружающую среду (1) и наружную температуру холодной футеровки (2)

Рис. 4. Теплоизолированная стена рабочего пространства стекловаренной печи:

1 – AZS-33 – 200 мм; 2 – Цирконо-муллитовый мертель – 5 мм; 3 – Кирпич легковесный муллитокорундовый MD-1650 – 65 мм; 4 – Волокнистая плита PROMAFORM®-1600 – 200 мм; 5 – Волокнистая плита CERABOARD-110 – 50 мм; 6 – Волокнистая плита BLOK 607-1100 – 100 мм; 7 – Волокнистая плита BLOK 607-800 – 75 мм; 8 – Микропористая сэндвич-плита PROMALIGHT®-310 – 25 мм; 9 – Волокнистая плита PROMAFORM®-1600 – 100 мм

Таблицы к статье ,

Тепловая изоляция огнеупорной кладки в стекловаренных печах

Таблица 1. Характеристика огнеупорных и теплоизоляционных изделий

Изделие*	Марка изделия	Плотность**, кг/м3	Температура применения, оС	Теплопроводность, Вт/(м·К)
1	AZS (33 % ZrO2)	3500	1700	8,84 – 11,9·10-3t + 7,0·10-6t2
2	Цирконо-муллитовый мертель (31 % ZrO2 , 49 % Al2O3)	2500	1650	–
3	MD–1650 (73 % Al2O3)	1000	1650	0,384 + 0,07·10-3t
4	PROMAFORM®–1600 (59 % Al2O3)	170	1600	0,1 + 0,04·10-3t + 0,03·10-6t2
5	CERABOARD–110	310	1260	0,053 + 0,022·10-3t + 0,12·10-6t2
6	Blok 607–1100	320	1100	0,042 + 0,07·10-3t + 0,07·10-6t2
7	Blok 607–800	320	800	0,077 – 0,09·10-3t + 0,25·10-6t2
8	PROMALIGHT®–310 (20 % ZrO2 , 77,5 % SiO2)	330–400	1000	0,019 + 0,03·10-3t + 0,019·10-6t2
9	AZS (36 % ZrO2)	3600	1700	8,84 – 11,9·10-3t + 7,0·10-6t2
* Производство фирмы: поз. 3 – Zibo Jiahui Refractory CO., LTD; поз. 4, 8 – Promat GmbH; поз. 5–7 – терминал керамикс Сухой Лог»; ** Для поз. 3–8 – кажущаяся плотность.

Таблица 2. Результаты расчета теплопередачи через

теплоизолированную стенку рабочего пространства печи

Параметры расчета	Внутренняя температура стенки
tср = 1530 оС	tмак =1600 оС
t1.2 *, оС	1518,6	1588,8
t2.3, оС	1466,0	1532,2
t3.4, оС	1068,2	1113,8
t4.5, оС	971,9	1015,2
t5.6, оС	708,2	742,0
t6.7, оС	429,4	455,1
tнар, оС	72,4	74,7
R, (м2·К)/Вт	3,68	3,56
q, Вт/м2	395,6	429,7
* Температура между слоями кладки

УДК 666.1.031

Тепловая изоляция огнеупорной кладки в стекловаренных печах

, «Стекло и керамика», 2014, №

По результатам математического моделирования определена средняя и максимальная температура нагрева боковых стен рабочего пространства стекловаренной печи с удельным съемом стекломассы 2,9 т/(м2∙сут). Рассмотрено влияние термического сопротивления кладки на потери теплоты в окружающую среду. Разработана энергоэффективная структура тепловой изоляции бадделеитокорундовой кладки, обеспечивающая снижение удельных потерь теплоты до 400 Вт/м2.

Ключевые слова: стекловаренная печь, огнеупорная кладка, тепловая изоляция, термическое сопротивление, температура, тепловой поток

Табл. 2, ил. 4, библиогр.: 4 назв.