Poniższy artykuł jest pierwszym, w którym przedstawiane będą możliwości wykorzystywania kamer wizyjnych oraz peryskopu piecowego do obserwacji procesu wytopu szkła w topliwnych piecach szklarskich. Badania endoskopowe przestrzeni ogniowej pozwalają ocenić stan techniczny pieca oraz przeanalizować skuteczność płomieniowych systemów grzewczych. Wykorzystane to może być do poprawy ich pracy cieplnej poprzez intensyfikacje topienia na lustrze szkła, dzięki pracom konserwacyjnym kształtek palnikowych i odpowiednią regulację palników. Przyczynić się one mogą do podjęcia decyzji o konieczności udrożnienia wypełnień regeneratorów, co poprawi ich sprawność energetyczną.

 

Wprowadzenie

 

 

Wcześniejszy rozwój przemysłu szklarskiego i jego osiągnięcia oparte były w głównej mierze na czynnikach ekstensywnych. Obecnie czynniki ekstensywne ustępują miejsca czynnikom intensywnym. Teraz dominującą rolę odgrywają czynniki intensyfikacji procesów technologicznych pod kątem wzrostu wydajności i poprawy jakości, przy jednoczesnym obniżeniu wskaźników zużycia energii na jednostkę produkcji, czyli wzroście sprawności cieplnej pieców szklarskich. W związku z intensyfikacją procesu topienia szkła znaczenia nabierają odpowiedzi na pytania dotyczące wymiany ciepła i wydajności topienia przemysłowych pieców szklarskich. Istnieją realne możliwości obniżenia zużycia energii i zwiększenia wydajności w procesach technologicznych, konieczne jest jednak dokładniejsze poznanie tych procesów. Proces topienia szkła w wannowych piecach szklarskich przebiega w trzech podstawowych strefach: zestawu, piany i ujednorodnienia. Model przepływu masy i wymiany ciepła służy do sporządzania strefowych bilansów cieplnych. Z bilansów tych można znaleźć zależności na długości poszczególnych stref topienia, temperatur stref, wielkości strumieni cieplnych doprowadzonych, wielkości stosunków uwzględniających wymianę ciepła pomiędzy płynną masą a wsadem i płynną masą a pianą oraz na wydajność topienia. Wymianę ciepła w piecach szklarskich określa głównie gradient temperatury pomiędzy powierzchniami zestawu i piany a płomieniem, sklepieniem i ścianami bocznymi w przestrzeni ogniowej. Istotnym jest również skład chemiczny topionego szkła i geometryczna forma zestawu na lustrze szkła [1].

 

 

Płomieniowe systemy grzewcze opalania pieców szklarskich i ich efektywność

 

 

Stosowane w praktyce przemysłowej konwencjonalne piece służące do topienia szkła wykorzystują efekt energetyczny spalanego paliwa w objętości przestrzeni ogniowej ponad lustrem masy szklanej. Proces wymiany ciepła odbywa się głównie w kierunku pionowym, na granicy faz, na drodze promieniowania od płomienia spalanego paliwa do powierzchni lustra masy szklanej. Udział tego sposobu przekazywania ciepła określa się w granicach 85-90%, pozostałą ilość ciepła dostarcza się do masy szklanej drogą jego wnikania, czyli sumarycznym efektem konwencjonalnej wymiany ciepła od strumienia gorących spalin i przewodzenia ciepła w cienkiej warstwie na powierzchni granicy faz. Taki mechanizm wymiany ciepła praktycznie nie daje możliwości pełnego wykorzystania entalpii paliwa w procesie technologicznym topienia szkła. Pomimo licznych prac badawczych nad racjonalizacją funkcjonowania systemów opalania nie udało się w istotnym stopniu pokonać bariery techniczno-technologicznej dla pieców konwencjonalnych, wynikającej z powierzchniowego sposobu ogrzewania masy szklanej. W rozwoju konstrukcji topliwnych wanien szklarskich obserwuje się dwa zasadnicze kierunki:

  • doskonalenie konstrukcji basenów pieców wannowych,
  • poszukiwanie bardziej efektywnych rozwiązań konstrukcyjnych układów opalania .

 

Zdecydowana większość pieców topliwnych stosowanych w masowej produkcji szkła w Polsce to piece regeneracyjne, opalane dyfuzyjnymi palnikami gazowymi. Na bazie aktualnych tendencji w zakresie konstrukcji pieców obserwuje się:

  • stosowanie regeneracyjnych, poprzeczno-płomiennych systemów opalania jest energetycznie uzasadnione dla dużych pieców przy produkcji szkła płaskiego (budowlanego) ponad 500 t/24 h;
  • przy produkcji automatycznej szkła opakowaniowego 100-400 t/24 h korzystniejsze jest stosowanie systemu U-płomiennego, przy którym proces spalania paliwa przebiega na znacznie dłuższej drodze (można przyjąć, że jej wielkość równa się prawie podwójnej długości basenu topliwnego). Zatem o wiele dłuższy będzie czas termicznego oddziaływania płomienia na zestaw szklarski, w porównaniu do analogicznego czasu w piecach poprzeczno-płomiennych, a dzięki temu większa ilość ciepła zostanie przekazana do masy szklanej; 
  • w zakresie wydajności poniżej 40-50 t/24 h (szkło gospodarcze i opakowaniowe) lepszą sprawność od pieców U-płomiennych wykazują piece rekuperacyjne opalane palnikami kinetycznymi z efektywniejszym spalaniem paliwa i skuteczną rekuperacją ciepła spalin odlotowych.

 

Większość pieców szklarskich opalana jest jednak za pomocą palników dyfuzyjnych. Warunkiem podstawowym przebiegu reakcji spalania jest molekularne mieszanie tlenu zawartego w strudze podgrzanego powietrza i paliwa. Przebieg procesu spalania uzależniony jest w głównej mierze od uformowania strugi powietrza w przestrzeni ogniowej pieca. Wynika to z faktu, że w przypadku spalania dyfuzyjnego płomień musi znajdować się w strudze przepływającego powietrza. Odchylenie tego przepływu wynikające z oddziaływania strugi gazowej jest większe przy stosowaniu opalania podwałowego, o ciśnieniu podawanego gazu większym niż 10 kPa. Tak więc, lokalizując przepływ strugi powietrza przez przestrzeń ogniową, określa się z niewielkim błędem usytuowanie płomienia. Z kolei ukształtowanie płomienia jest funkcją geometrii przelotów palnikowych i przestrzeni ogniowej, a mniejszy wpływ wywiera rodzaj i miejsce zabudowy dysz gazowych [2].

 

Problemem zasadniczym dla efektywnej pracy pieca jest dokonanie wyboru konstrukcji przelotów palnikowych i przestrzeni ogniowej zapewniającej prawidłowe ukształtowanie płomienia, a zatem intensyfikacji wnikania ciepła do masy szkła. Chcąc określić ich optymalny kształt poddaje się analizie zmiany: 

  • kąta nachylenia sklepienia przelotu palnikowego α,
  • kąta nachylenia dolnej ławy przelotu palnikowego β,
  • wysokości przestrzeni ogniowej h.

 

Wychodząc z założenia, że wzrost pokrycia płomieniem lustra szkła jest wprost proporcjonalny do obniżenia zużycia paliwa w piecu, analizuje się tę wielkość dla każdej konstrukcji. Wielkość procentowego pokrycia płomieniem lustra szkła P dla pieców poprzeczno-płomiennych oblicza się ze wzoru:

 

P = (St – x1 – x2) 100% / St         (1)

 

gdzie:

St – szerokość basenu topliwego w [m]

x1 – odległość od ściany basenu do miejsca padania płomienia na lustro szkła w [m]

x2 – odległość od ściany basenu do miejsca oderwania się płomienia od lustra szkła w [m]

 

Natomiast dla pieców U-płomiennych we wzorze (1) w miejsce wielkości St wprowadza się 2Lt a Lt to długość basenu topliwnego.

 

Wyniki badań na modelach fizykalnych pieców (2) oraz modelach matematycznych dla poszczególnych klas pieców i wielkości pozwalają wysunąć hipotezę, że funkcje określające wpływ kątów nachylenia sklepienia α oraz ławy β przelotów palnikowych na procentowy stopień pokrycia płomieniem lustra masy P są klasy: 

 

P = A + BΦ + CΦ2           (2)

 

gdzie : 

Φ = 0,5 (α + β)                (3)

 

Badania na modelach oraz ich weryfikacje przemysłowe pozwalają na sformułowanie wniosku, że prawidłowy kształt i długość płomienia powinny zapewnić efektywny przebieg procesu technologicznego. W celu zagwarantowania prawidłowego przebiegu procesu spalania paliwa należy zapewnić ewakuację powstających spalin. W przypadku prawidłowego zaprojektowania układu odprowadzania spalin należy zwrócić uwagę na konstrukcje palników. Pod tym pojęciem rozumie się w regeneracyjnych wannach szklarskich skorelowane ze sobą stalowe dysze gazowe oraz przeloty palnikowe doprowadzające podgrzane powietrze do spalania i odprowadzające spaliny. Ich konstrukcja ma zasadniczy wpływ na uformowanie płomienia a w konsekwencji na efektywność wykorzystania entalpii paliwa. Dla określonej konstrukcji przelotu palnikowego powinny być starannie dobrane dysze gazowe, których funkcją jest prawidłowe wprowadzenie strugi gazu do strugi powietrza spalania. W zależności od wymaganej długości płomienia, która z kolei związana jest z konstrukcją przestrzeni ogniowej pieca, należy zaprojektować optymalnie wyprofilowane przeloty palnikowe. Na bazie prac badawczych wykonanych na modelach fizycznych określono empiryczną zależność uśrednionego przelotu palnikowego ф w zależności od długości płomienia lp w zakresie 4-10 m [2].

 

ф = -2lp + 28 [ o ] (4)

 

gdzie: 

lp – w [m]

ф= 0,5 (α + β) [ o ]

α – kąt nachylenia sklepienia przelotu palnikowego [ o ]

β – kąt nachylenia dolnej ławy przelotu palnikowego [ o ].

 

Warunkiem prawidłowej pracy systemów jest odpowiednia regulacja palników gwarantująca odpowiednią długość i geometrię płomienia. Często jednak, zwłaszcza w dłuższym okresie eksploatacji pieców, następuje rozregulowanie i występują pewne nieprawidłowości w pracy systemów opalania, wynikające np. z „zarośnięcia”, czy przytkania kształtek palnikowych lub utraty szczelności w obszarze przestrzeni ogniowej przelotów palnikowych.

 

Kontrolne obserwacje płomienia oraz procesu topienia pozwalają wykryć te nieprawidłowości. Nie zawsze jest to jednak możliwe poprzez otwory wziernikowe podczas wizualnych obserwacji okiem nieuzbrojonym. Dużo lepsze efekty daje obserwacja obrazów rejestrowanych z wnętrza pieca przez kamerę wizyjną zamontowaną w górnej części komory pieca i przesyłanych do sterowni. Innym, równie pomocnym sposobem w obserwacjach wnętrza pieca, jest stosowanie metody endoskopowej z wykorzystaniem peryskopu piecowego.

 

 (...)

 

Badania peryskopowe pieców szklarskich w obszarze przestrzeni ogniowych

 

 

Badania peryskopowe przestrzeni ogniowych pieców szklarskich wykorzystywane są przede wszystkim w diagnostyce piecowej do oceny ich stanu technicznego. Pozwalają obserwować trudnodostępne wnętrza pieców, lokalizować i określać wielkość uszkodzenia wymurówki (rys. 1-2). Peryskop chłodzony wodą służy do obserwacji wewnętrznej strony wymurówki i całej przestrzeni piecowej, łącznie z lustrem szkła, podczas pracy pieca. Obserwacje peryskopowe mogą być wykonywane w dwóch kierunkach: z widokiem na wprost o zmiennym kącie widzenia i z widokiem bocznym pod kątem 90o. Z peryskopem współpracuje aparat fotograficzny, za pomocą którego wykonuje się zdjęcia potrzebne do opracowania dokumentacji fotograficznej. 

 

 

 2015 04 53 1

Rys. 1. Obraz peryskopowy sklepienia pieca. Widoczne na wewnętrznej powierzchni sklepienia wytopione ubytki materiału ogniotrwałego

 

 

2015 04 53 2

Rys. 2. Widok ściany bocznej oraz łączenia jej ze sklepieniem. Widoczne ubytki i korozja powierzchni ściany oraz wytopione szczeliny na łączeniu jej ze sklepieniem 

 

 

Peryskopowe obserwacje płomieniowych systemów grzewczych i ocena ich pracy cieplnej w opalaniu pieców szklarskich

 

Badania peryskopowe mogą być również wykorzystywane do oceny pracy cieplnej układów opalania. Możliwe jest wtedy określenie geometrii i długości płomieni, a także kontrola ułożenia i topienia zestawu na lustrze szkła. Kontrolne obserwacje płomienia oraz procesu topienia pozwalają wykryć wszelkie nieprawidłowości, co nie zawsze jest możliwe podczas wizualnych obserwacji przez otwory wziernikowe. Badania peryskopowe pozwalają ocenić, jak przebiegają procesy „starzenia się” pieca w trakcie jego eksploatacji oraz jaki wpływ ma to na jego cieplne prowadzenie.

 

Obserwacje peryskopowe umożliwiają analizowanie procesów zarastania, zagruzowania, nadtapiania i utraty drożności przez kształtki i przeloty palnikowe (rys. 3). Powodować to może niewłaściwe oddziaływanie płomienia na lustro szkła, pogarszając intensywność topienia, a odginanie się płomienia w kierunku np. ściany bocznej czy sklepienia może być przyczyną nadmiernego ich zużywania się.

 

 

2015 04 53 3

Rys. 3. Obrazy peryskopowe zarośniętych i skorodowanych przelotów palnikowych z ławą palnikową i kształtkami palnikowymi oraz poważnie zużyte bloki na poziomie lustra szkła

 

 

Badania te mogą być wykorzystywane do celów technologicznych, podczas których obserwuje się proces topienia zestawu i jego ułożenie na powierzchni (strefa zestawu i piany). Możliwa jest także ocena stopnia oddziaływania płomienia (jego długości, kształtu i ułożenia względem lustra) na zestaw, a zatem na intensywność topienia [3].

 

Tak prowadzone obserwacje procesu topienia i systemu opalania umożliwiają podjęcie właściwych działań konserwacyjnych pieca. W połączeniu z regulacjami cieplnymi wpływają one na wolniejsze niszczenie materiałów, co w konsekwencji wydłuża kampanie pieca i zmniejsza zużycie gazu. Na rys. 4-6 przedstawiono kontrolne obserwacje płomienia w piecu szklarskim i obrazy topienia zestawu.

 

 

2015 04 53 4

Rys. 4. Kontrolna obserwacja płomienia w piecu szklarskim – peryskopowy obraz płomienia wychodzącego z zagruzowanego przelotu palnikowego

 

 

2015 04 54 3

Rys. 5. Kontrolna obserwacja płomienia w piecu szklarskim – peryskopowy obraz nieprawidłowo ukształtowanego płomienia, wynikający z niewłaściwej regulacji palnika

 

 

2015 04 54 4

Rys. 6. Kontrolna obserwacja płomienia w piecu szklarskim – peryskopowy obraz prawidłowo ukształtowanego płomienia, gwarantującego możliwie duże pokrycie lustra szkła płomieniem

 

 

Peryskopowe obserwacje przestrzeni ogniowych pieców szklarskich w ocenie ich stanu technicznego

 

Szczególnie istotne jest zastosowanie peryskopu piecowego do oceny stopnia zużycia materiałów zabudowanych w przestrzeni ogniowej pieca, przelotów palnikowych (rys. 7) i komór, zwłaszcza pod koniec kampanii oraz w przypadkach awaryjnego zagrożenia. Na ocenę taką składają się wizualna obserwacja zużycia materiałów ogniotrwałych w sklepieniu, ścianach bocznych i wylotach palnikowych oraz określenie drożności przelotu palnikowego kratownicy. Podczas badań w jednej z hut szkła okazało się, że oczka kratownicy są znacznie zmniejszone, co wynikało z osiadającego zestawu oraz zwiększenia objętości materiału w wyniku reakcji chemicznej (rys. 8). Obserwacje peryskopowe na obiektach przeprowadzane cyklicznie oraz sporządzana dokumentacja fotograficzna umożliwiają dokonanie pełnej analizy zjawisk zachodzących w piecu. Obserwacje te pozwalają lokalizować miejsca zagrożeń i podejmować w odpowiednim czasie stosowne działania. Analiza wielkości i ich zmiany w czasie są pomocne w podejmowaniu decyzji odnośnie dalszej, bezpiecznej eksploatacji pieca, zakresu zastosowanej naprawy, bądź jego awaryjnym wygaszeniu [3].

 

 

2015 04 54 1

2015 04 54 2

Rys. 7. Uszkodzone materiały ogniotrwałe oraz powysuwane bloki w przelocie palnikowym wanny U-płomiennej spowodowane niewłaściwym doborem materiałów: a) widok od strony komory regeneracyjnej, b) widok od strony wnętrza pieca.

 

 

2015 04 54 5

Rys. 8. Widok górnej części przestrzeni komory regeneracyjnej, widoczna jest mocno „zarośnięta” i przytkana powierzchnia kratownicy oraz przelot palnikowy 

 

 

Podsumowanie

 

 

Badania pieców szklarskich w obszarze przestrzeni ogniowych są ważne i mają duże znaczenie ponieważ służą zmniejszeniu energochłonności i podnoszeniu wydajności. Uruchamiane po remontach i ustawione pod względem cieplnym piece w trakcie eksploatacji ulegają rozregulowaniu i wymagają okresowego doregulowania. Peryskopowe badania pieców służą przede wszystkim zapobieganiu awariom, określeniu zakresu remontu. Wykonywane w oparciu o ich wyniki ekspertyzy stanu technicznego pieców i lokalizacja miejsc zagrożonych dają możliwość działań zabezpieczających w odpowiednim czasie. W wielu przypadkach pozwalają one na dalszą, bezpieczną eksploatację pieców oraz wydłużenie kampanii międzyremontowej. Korzyści wynikające ze stosowania badań peryskopowych są następujące:

  • w przypadkach awaryjnych możliwe jest określenie zakresu i miejsca awarii oraz ustalenie przyczyn jej powstania,
  • w trakcie eksploatacji pieca możliwe jest zlokalizowanie i określenie wielkości uszkodzenia (zużycia) wymurówki pozwalające na podjecie prac zapobiegawczych i remontowych, a to zmniejsza ryzyko powstania awarii.

 

Praktyczne wykorzystanie badań umożliwia więc:

  • precyzyjnie ocenić stan techniczny pieca określając czas bezpiecznej eksploatacji, 
  • określić moment oraz zakres wymaganego remontu, 
  • wydłużyć zakładaną kampanie eksploatacyjną z zachowaniem normalnej produkcji.

 

Oprócz efektów z tytułu wydłużenia kampanii badania peryskopowe przyczyniają się również do poprawy pracy systemów opalania. Wyniki tych badań i ekspertyz mogą być również wykorzystane w przyszłych pracach projektowych. Zastosowanie racjonalnego sterowania pracą cieplną pieca przyczyni się również do optymalizacji procesu topienia w piecu oraz oszczędności energii. Programy regulacji i korekty parametrów eksploatacyjnych w zależności od wydobycia pozwalają na optymalizację cieplnego funkcjonowania pieca i obniżenie jednostkowego wskaźnika zużycia energii.

 

 

Józef Osiadły

DIAGNOTERM

Kraków

 

Literatura:

1. Michałowski A.: Wpływ wybranych parametrów cieplnych na efektywność procesu topienia masy szklanej w płomieniowych piecach wannowych (praca doktorska AGH 1978).

2. Bulga Z.: Energooszczędność i ekologia w produkcji szkła – II Konferencja Szkło-Piec pt. „Oszczędność energii i ekologia w produkcji szkła”, Kraków 1997. 

3. Osiadły J., Karcz S.: Badania przestrzeni ogniowych pieców szklarskich – Sympozjum Szklarskie ISIC Oddział w Krakowie 1999. 

4. Karcz S., Osiadły J.: Badania peryskopowe przestrzeni ogniowych wannowych pieców szklarskich – Prace ISIC 1996-2002.

 

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji: Świat Szkła 4/2015

 

  • Logo - alu
  • Logo aw
  • Logo - fenzi
  • Logo - glass serwis
  • Logo - lisec
  • Logo - mc diam
  • Logo - polflam
  • Logo - saint gobain
  • Logo termo
  • Logo - swiss
  • Logo - guardian
  • Logo - forel
  • vitrintec wall solutions logo

Copyright © Świat Szkła - Wszelkie prawa zastrzeżone.