Термохимическая регенерация и рекуперация тепла в стекловаренных печах
Изобретение относится к способам выполнения сжигания в стекловаренной печи. Техническим результатом является усовершенствование способа рекуперации тепла путем включения системы предварительного нагрева шихты ниже по потоку. Газообразные продукты сгорания из стекловаренной печи после пропускания через регенератор используются для нагревания подаваемого материала стекольной шихты и пиролиза органических веществ, содержащихся на подаваемом материале. Газообразные продукты пиролиза и продукты сгорания объединяются с топливом для реформинга и пропускаются через регенератор, нагретый в предыдущем цикле, с образованием синтетического газа, который подается в печь и сжигается. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 11 ил., 3 пр.
Область применения изобретения
Настоящее изобретение относится к сжиганию в печах, таких как стекловаренные печи, при котором материал подается в печь и нагревается и/или плавится под действием тепла от сгорания, которое происходит в печи.
Предпосылки создания изобретения
Для высокотемпературных печей разработано много систем рекуперации отходящего тепла из горячего дымового газа. Они включают регенераторы и рекуператоры для предварительного нагрева окислителя для сжигания, такого как воздух и кислород, котлы-утилизаторы отходящего тепла для производства пара, предварительные нагреватели для твердых материалов, подаваемых в печь, и термохимические рекуператоры и регенераторы для нагрева и реформинга топлива. В стекловаренной печи, работающей на топливе и кислороде, единственная система рекуперации отходящего тепла, такая как регенераторы нагрева кислорода, описанные в патенте США № 5,921,771, способна рекуперировать только часть отходящего тепла, содержащегося в горячем дымовом газе. Путем сочетания двух или более различных систем рекуперации тепла параллельно или последовательно можно рекуперировать больше тепла из горячего дымового газа. Например, котел-утилизатор отходящего тепла может быть установлен после первичной высокотемпературной системы рекуперации тепла для выработки пара и для охлаждения дымового газа. Другим примером является сочетание регенераторов нагрева кислорода и термохимического рекуператора или термохимических регенераторов.
В патенте США № 6,113,874 описаны термохимические способы рекуперации тепла, пригодные для использования в печах с регенераторами, в которых поток продуктов сгорания, образующихся в печи, пропускают через первый регенератор для нагрева первого регенератора и охлаждения продуктов сгорания, а затем часть охлажденных продуктов сгорания объединяют с топливом для образования смеси, которую пропускают через второй нагретый регенератор, причем смесь подвергается эндотермической реакции с образованием синтетического газа, который затем проходит в печь и сжигается.
Настоящее изобретение содержит усовершенствование этого способа рекуперации тепла путем включения системы предварительного нагрева шихты или стеклобоя ниже по потоку, что особенно пригодно в производстве стекла.
Краткое изложение сущности изобретения
Один аспект настоящего изобретения представляет собой способ выполнения сжигания в стекловаренной печи, включающий в себя
(A) сжигание топлива в стекловаренной печи для образования газообразных продуктов сгорания, и
(B) поочередное
(1) (a) пропускание газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный первый регенератор и через него для нагрева первого регенератора и охлаждения указанных газообразных продуктов сгорания,
(b) пропускание по меньшей мере первой части (под которой понимается до 100%) указанных охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного первого регенератора при теплообмене с твердым материалом стекольной шихты, который содержит органические вещества, для дополнительного охлаждения охлажденных газообразных продуктов сгорания и нагрева материала стекольной шихты и пиролиза содержащихся в нем органических веществ с образованием продуктов пиролиза, и
(c) пропускание дополнительно охлажденных газообразных продуктов сгорания, газообразных продуктов пиролиза и топлива в нагретый второй регенератор, взаимодействие во втором регенераторе газообразных продуктов сгорания, газообразных продуктов пиролиза и топлива в эндотермической реакции с образованием синтетического газа, содержащего водород и СО, пропускание указанного синтетического газа из второго регенератора в печь и сжигание его в печи, и
(d) подачу указанного нагретого материала стекольной шихты в указанную печь; и
(2) (a) пропускание газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный второй регенератор и через него для нагрева второго регенератора и охлаждения указанных газообразных продуктов сгорания,
(b) пропускание первой части (под которой понимается до 100%) указанных охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного второго регенератора при теплообмене с твердым материалом стекольной шихты, который содержит органические вещества, для дополнительного охлаждения охлажденных газообразных продуктов сгорания и нагрева материала стекольной шихты и пиролиза содержащихся в нем органических веществ с образованием газообразных продуктов пиролиза, и
(c) пропускание дополнительно охлажденных газообразных продуктов сгорания, газообразных продуктов пиролиза и топлива в нагретый первый регенератор, взаимодействие в первом регенераторе газообразных продуктов сгорания и топлива в эндотермической реакции с образованием синтетического газа, содержащего водород и СО, пропускание указанного синтетического газа из первого регенератора в печь и сжигание его в печи, и
(d) подачу указанного нагретого материала стекольной шихты в указанную печь.
Теплообмен с твердым материалом стекольной шихты может осуществляться путем теплообмена с непосредственным контактом сред, косвенного теплообмена или путем комбинации теплообмена с непосредственным контактом и косвенного теплообмена. При теплообмене с непосредственным контактом сред твердый материал стекольной шихты нагревается путем непосредственного контакта с газообразными продуктами сгорания и газообразными продуктами пиролиза, образованными из смеси твердого материала стекольной шихты с газообразными продуктами сгорания. Это достигается путем одновременного пропускания потока фрагментов и частиц материала стекольной шихты и газообразных продуктов сгорания через одну и ту же трубу или другой канал, в котором газ протекает сквозь промежутки между фрагментами и частицами материала стекольной шихты и контактирует с их поверхностями, передавая при этом тепло материалу стекольной шихты. При косвенном теплообмене твердый материал стекольной шихты не вступает в непосредственный контакт с газообразными продуктами сгорания и газообразными продуктами пиролиза, образованными из твердого материала стекольной шихты, и не смешивается с газообразными продуктами сгорания в теплообменном агрегате. Поток газа и материал стекольной шихты не вступают друг с другом в контакт, так как физически разделены барьером (таким как металлическая стенка между смежными трубами), который допускает теплопередачу между газом и твердым материалом стекольной шихты.
В контексте настоящего документа «пиролиз» означает термическое разложение с образованием газообразных, жидких и твердых продуктов, при котором материал может также подвергаться или не подвергаться химической реакции (такой как частичное окисление), в результате которой меняется молекулярное строение или молекулярная масса материала или образуются продукты реакции, без полного окисления 100% материала до полностью окисленных конечных продуктов, таких как углекислый газ и вода. В контексте настоящего документа «газообразные продукты пиролиза» представляют собой образованные в результате пиролиза продукты, которые являются газами и могут содержать мелкие частицы жидкости и/или твердого вещества, переносимые в газовой фазе.
В другом аспекте настоящего изобретения используется вышеописанный способ с предварительным нагревом газообразного окислителя, который подается в печь.
Например, данный аспект настоящего изобретения представляет собой способ выполнения сжигания в стекловаренной печи, включающий в себя
(A) сжигание топлива в стекловаренной печи для образования газообразных продуктов сгорания, и
(B) поочередное (1) (i) пропускание первого количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный первый регенератор и через него для нагрева первого регенератора и охлаждения указанного первого количества газообразных продуктов сгорания,
(ii) пропускание второго количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный второй регенератор и через него для нагрева второго регенератора и охлаждения указанного второго количества газообразных продуктов сгорания,
(iii) пропускание охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного первого регенератора, из указанного второго регенератора или из обоих указанных первого и второго регенераторов при теплообмене с твердым материалом стекольной шихты, который содержит органический материал, для дополнительного охлаждения охлажденных газообразных продуктов сгорания и нагрева материала стекольной шихты и пиролиза органического материала в материале стекольной шихты с образованием газообразных продуктов пиролиза и подачу указанного нагретого материала стекольной шихты в указанную печь,
(iv) пропускание топлива для реформинга, дополнительно охлажденных газообразных продуктов сгорания, газообразных продуктов пиролиза и охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного первого регенератора, охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного второго регенератора или охлажденных газообразных продуктов сгорания из обоих из указанных первого и второго регенераторов в нагретый третий регенератор,
(v) взаимодействие газообразных продуктов сгорания и топлива для реформинга и газообразных продуктов пиролиза в эндотермической реакции в третьем регенераторе при условиях, способствующих образованию синтетического газа, содержащего водород и окись углерода, и охлаждение третьего регенератора вследствие этой реакции,
(vi) пропускание газообразного окислителя в нагретый четвертый регенератор и через него для нагрева газообразного окислителя и охлаждения четвертого регенератора, и
(vii) пропускание указанного синтетического газа и любых непрореагировавших продуктов пиролиза из указанного третьего регенератора в указанную печь, пропускание указанного нагретого газообразного окислителя из четвертого регенератора в печь и сжигание синтетического газа, любых непрореагировавших продуктов пиролиза и указанного нагретого газообразного окислителя в печи;
при поддержании разности температур продуктов сгорания, выходящих из указанных первого и второго регенераторов, на уровне 148,9°C (300°F) или менее; и
(2) (i) пропускание первого количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный третий регенератор и через него для нагрева третьего регенератора и охлаждения указанного первого количества газообразных продуктов сгорания,
(ii) пропускание второго количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный четвертый регенератор и через него для нагрева четвертого регенератора и охлаждения указанного второго количества газообразных продуктов сгорания,
(iii) пропускание охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного третьего регенератора, из указанного четвертого регенератора или из обоих указанных третьего и четвертого регенераторов при теплообмене с твердым материалом стекольной шихты, который содержит органический материал, для дополнительного охлаждения охлажденных газообразных продуктов сгорания и нагрева материала стекольной шихты и пиролиза органического материала в материале стекольной шихты с образованием газообразных продуктов пиролиза и подачу указанного нагретого материала стекольной шихты в указанную печь,
(iv) пропускание топлива для реформинга, дополнительно охлажденных газообразных продуктов сгорания, газообразных продуктов пиролиза и охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного третьего регенератора, охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного четвертого регенератора или охлажденных газообразных продуктов сгорания из обоих указанных третьего и четвертого регенераторов в нагретый первый регенератор,
(v) взаимодействие газообразных продуктов сгорания и топлива для реформинга и продуктов пиролиза в эндотермической реакции в первом регенераторе при условиях, способствующих образованию синтетического газа, содержащего водород и окись углерода, и охлаждение первого регенератора вследствие этой реакции,
(vi) пропускание газообразного окислителя в нагретый второй регенератор и через него для нагрева газообразного окислителя и охлаждения второго регенератора, и
(vii) пропускание указанного синтетического газа и любых непрореагировавших продуктов пиролиза из указанного первого регенератора в указанную печь, пропускание указанного нагретого газообразного окислителя из второго регенератора в печь и сжигание синтетического газа, любых непрореагировавших продуктов пиролиза и указанного нагретого газообразного окислителя в печи;
при поддержании разности температур продуктов сгорания, выходящих из указанных третьего и четвертого регенераторов, на уровне 148,9°C (300°F) или менее.
Краткое описание графических материалов
На фиг. 1 и 1a представлены технологические схемы вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2 и 3 представлены виды в поперечном сечении частей вариантов осуществления, показанных на фиг. 1 и 1a.
На фиг. 4 и 4a представлены технологические схемы других вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 5 и 6 представлены виды в поперечном сечении частей вариантов осуществления, показанных на фиг. 4 и 4a.
На фиг. 7A, и 7b, и 7c схематически представлены варианты осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение может использоваться в печах, таких как стекловаренные печи, печи для нагрева и/или плавки металлов и руд; мусоросжигательные печи; цементообжигательные печи; и т.п., причем материал подается в печь и нагревается и/или плавится под действием тепла от сгорания, которое происходит внутри печи. Сгорание происходит в процессе реакций между топливом, которым может быть любой горючий газообразный углеводород или распыленный жидкий углеводород (предпочтительно содержащий соединения C1–C4, такие как метан), а также синтетический газ, получаемый согласно описанию в настоящем документе, и газообразным окислителем, который включает в себя воздух и любую газообразную смесь, содержащую больше кислорода, чем воздух.
Настоящее изобретение особенно подробно описано в настоящем документе в отношении предпочтительного типа печи, а именно такого, где используется способ рекуперации тепла, в котором полезное тепло извлекается из выпускных потоков дымового газа с высокой температурой. Данный процесс рекуперации тепла состоит из двух циклов, которые в настоящем документе называются циклом отвода и циклом реформинга. Эти два цикла выполняются поочередно в двух или более регенераторах, заполненных насадками. Процесс рекуперации тепла предпочтительно осуществляют в сочетании с печами и другими камерами сгорания с применением «кислородно-топливных» процессов сжигания, т.е. сжигания топлива с газообразным окислителем, содержащим по меньшей мере 50% об. кислорода, предпочтительно — по меньшей мере 80% об. кислорода, более предпочтительно — по меньшей мере 90% об. кислорода и даже по меньшей мере 99% об. кислорода, поскольку дымовые газы, образующиеся при сгорании кислородно-топливной смеси, имеют более высокие концентрации H2O и CO2, оба из которых поддерживают реакции эндотермического реформинга, которые используются в способе по настоящему изобретению. В течение цикла отвода насадки в первом регенераторе извлекают и сохраняют тепло дымового газа с высокой температурой, который подается из печи в данный регенератор и через него. Затем в цикле реформинга часть (которую в настоящем документе называют рециклированным дымовым газом, или RFG) охлажденного дымового газа, который выходит из первого регенератора, подается в другой регенератор и смешивается с потоком топлива (которое в настоящем документе называют топливом для реформинга, или RF). Для наглядности в представленном ниже описании в качестве топлива для реформинга описан чистый метан (CH4). Другие подходящие виды топлива для реформинга включают в себя любой горючий газ, содержащий значительную концентрацию углеводородов, смесь газов или испаренные жидкие топлива, включая, без ограничений, природный газ, пропан и сжиженный нефтяной газ (СНГ). Виды топлива, преимущественно содержащие H2 и CO, такие как генераторный газ, получаемый при газификации угля, непригодны для использования в качестве топлива для реформинга. Таким образом, топливо для реформинга должно содержать по меньшей мере 25% об. одного или более газообразных углеводородов с формулой CH4 и/или CXHY, где X равно 2–4, а Y составляет от X до (4X–2).
В цикле реформинга смесь из RFG и топлива для реформинга поступает во второй регенератор, в котором насадка уже нагрета, как описано в настоящем документе, и протекает через регенератор к печи. Температура смеси RFG/RF, проходящей через второй регенератор, продолжает расти по мере извлечения тепла из предварительно нагретой насадки. По мере прохождения через второй регенератор смесь RGF/RF достигает температуры, при которой начинаются и продолжают проходить реакции термической диссоциации и реформинга, продукты которых включают в себя H2 и CO. Эти реакции являются эндотермическими, и необходимое для их поддержания тепло поглощается из нагретой насадки. Реакции термической диссоциации топлива известны как реакции крекинга, в результате которых образуются многие топливные продукты, такие как H2, C2H2, C2H4 и сажа. В результате реакций реформинга образуется газообразная композиция, которая обычно содержит один или более компонентов, таких как H2, CO, и непрореагировавшие газы, содержащие H2O, CO2 и CH4. Полученную таким способом газообразную композицию в настоящем документе также называют «синтетическим газом». Смесь газообразных продуктов выходит из второго регенератора в печь, где горючие газообразные компоненты сгорают под воздействием окислителя с выделением тепловой энергии, которая используется для нагрева и/или плавки материала в печи. В процессе этого сгорания вместе с газообразными продуктами может также сгорать часть любой находящейся сажи.
Как более подробно описано ниже, газообразный окислитель для сжигания в печи нагревают перед подачей в печь. Окислитель нагревают путем его пропускания в предварительно нагретый регенератор и через него. В то же время часть образовавшихся в печи газообразных продуктов сгорания пропускают из печи через другой регенератор для нагрева этого регенератора.
Через некоторое время два регенератора меняются циклами, т.е. регенератор, который использовался в цикле отвода, переключается в цикл реформинга, а регенератор, который использовался в цикле реформинга, переключается в цикл отвода. Перед сменой циклов поток топлива для реформинга прекращается, а поток RFG продолжает движение до тех пор, пока часть или весь объем остаточного топлива для реформинга и синтетического газа в регенераторе не будут продуты из регенератора и сгорят в печи. Этот этап продувки также служит для удаления сажи, отложившейся на поверхностях насадок в регенераторе, поскольку сажа взаимодействует с RFG и переходит в газообразное состояние. После этой смены циклов регенератор, который был нагрет исходящим дымовом газом, переключается, начиная нагрев поступающего окислителя, а регенератор, который использовался для нагрева поступающего окислителя, переключается таким образом, что выходящий из печи дымовой газ проходит через него для повторного нагрева для дальнейшего использования при нагреве окислителя. Еще через некоторое время две пары регенераторов снова меняются циклами. Периодичность смены циклов можно определять по времени, прошедшему с момента предыдущей смены циклов, или по другим критериям, таким как температура дымового газа, выходящего из первого регенератора, работающего в цикле отвода. Процесс смены циклов выполняется согласно предварительно определенным механизму и плану, в соответствии с которыми клапаны открываются и закрываются в определенное время.
Ниже описаны управление и контроль в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения со ссылкой на фиг. 1–3. Примером служит стекловаренная печь (10) с торцевыми горелками, оснащенная двумя регенераторами в торцевой стенке (3).
Как показано на фиг. 1, стекловаренная печь (10) с торцевыми горелками оснащена загрузочной станцией (20), через которую в печь загружают сырье (30) для нагрева и плавки, содержащее твердые материалы стекольной шихты (которые называют шихтой и/или стеклобоем). Нагревательная станция (20) и необязательная нагревательная станция (20A) дополнительно описаны ниже. Поток расплавленного стекла на выходе из печи (10) обозначен элементом (90). Печь (10) оборудована первым регенератором (100), расположенным с левой стороны печи, и вторым регенератором (200), расположенным с правой стороны печи. Виды в вертикальном поперечном сечении двух регенераторов более подробно показаны на фиг. 2 и 3.
Показанный на фиг. 2 регенератор (200) находится в цикле отвода, в котором поток (50) дымового газа из внутренней части печи (10) поступает во входной проход (240), а затем протекает в верхний отдел (530) регенератора (200) мимо анализатора (250) кислорода. Поток дымового газа нагревает насадки (обозначены элементом (520)), когда он проходит по каналам между насадками внутри регенератора (200), а затем попадает в нижний отдел (500) через газовые каналы (515), поддерживаемые на арке (510), которая также удерживает вес всего слоя насадок. Как показано на фиг. 1, часть (52) дымовых газов, образовавшихся в печи (10), можно пустить в обход по трубопроводу (70) через частично открытый клапан (350) и далее в дымоход (340) на выход, т.е. этот дымовой газ не вернется в печь, а вместо этого будет выпущен в атмосферу, и/или направлен на одну или более других станций для хранения и/или дополнительной обработки, или поступит на любую комбинацию из таких назначений. Для максимальной рекуперации тепла предпочтительно, чтобы клапан (350) был закрыт, чтобы по существу весь дымовой газ печи поступал на регенератор (200) в виде потока (50) дымового газа.
Как показано на фиг. 1 и 2, охлажденный поток (201) дымового газа выходит из регенератора (200) в трубопровод (260), проходит через открытый клапан (210) и разделяется на два потока (204) и (204A).
Материал (209) стекольной шихты подается в загрузочную станцию (20), в которой материал стекольной шихты может нагреваться и затем подаваться в печь (10). Материал (209) стекольной шихты включает твердый материал, который при расплавлении образует расплавленное стекло, которое затем можно формовать в стеклянные изделия. Материал стекольной шихты может включать материал, известный как стеклобой, который содержит фрагменты стекла, такие как вторичная стеклотара и бутылки. Материал стекольной шихты в потоке (209), особенно стеклобой, содержит в себе или на себе органический материал, под которым понимается любое (-ые) твердое (-ые), полутвердое (-ые) или жидкое (-ие) вещество (-а), имеющее (-ие) в своем молекулярном строении по меньшей мере углерод и водород, а также необязательно кислород. Примеры органического материала включают углеводы, углеводороды, полимеры, жирные кислоты, воски, жиры и другие глицериды, и включают такие материалы, как бумага и адгезивные вещества. Материал (209) стекольной шихты может также содержать материалы, которые при расплавлении образуют стекло или вступают в реакции с образованием стекла. Такие материалы называются «шихтой»; примеры включают кварцевый песок, кальцинированную соду, известняк, доломит, другие карбонаты, сульфаты, оксиды и гидроксиды натрия, кальция, магния и калия. Материалы шихты при их наличии могут также содержать в себе органические вещества.
Поток (201) охлажденных газообразных продуктов сгорания (дымовой газ) разделяется на два потока (204) и (204A). Поток (204) представляет собой рециклированный дымовой газ (RFG), используемый в качестве реагентов в регенераторе (100) для реакций реформинга. Поток (204) проходит в станцию (20) и через нее, где он нагревает материалы (209) стекольной шихты в станции (20) и тем самым дополнительно охлаждается. Дополнительно охлажденный дымовой газ (206) содержит газообразные продукты пиролиза из материалов (209) стекольной шихты и выходит из станции (20), проходит через вытяжной вентилятор (300) и клапан (360), смешивается с топливом для реформинга из потока (130) в точке (127) и поступает в нижнюю часть регенератора (100) в виде потока (128). Топливо для реформинга, которое должно подаваться на регенератор (100), поступает по трубопроводу (130) через клапан (120). Подходящие виды топлива для реформинга включают в себя метан (предпочтителен), а также любой другой горючий газ, смесь газов или испаренные жидкие топлива, включая, без ограничений, природный газ, пропан и сжиженный нефтяной газ (СНГ).
Нагретый материал 219 стекольной шихты, который выходит из станции (20), подается в печь (10) через питающий канал (21).
Поток (204A) охлажденных газообразных продуктов сгорания пропускается в необязательный нагреватель (20A) шихты/стеклобоя, в котором поток (204A) нагревает материал (209A) стекольной шихты, который отдельно подается в нагреватель (20A). В данном варианте осуществления материал (209A) стекольной шихты может представлять собой шихту или стеклобой, но должен по существу не содержать органических веществ. Материал (209A) стекольной шихты, нагретый в станции (20A), подается в печь (10). Дополнительно охлажденный дымовой газ (206A) выходит из станции (20A), проходит через вытяжной вентилятор (300A) и может подаваться на выход (340). Нагретый материал (219A) стекольной шихты подается в печь (10) через питающий канал (21).
Следует отметить, что станция (20A) вместо этого может представлять собой любой другой компонент для рекуперации тепла, который эффективно использует тепло, содержащееся в потоке (204A). Примеры других компонентов для рекуперации тепла включают котел, который преобразует питающую воду в пар.
Теплообмен между потоком (204) и материалами стекольной шихты и между потоком (204A) и материалами стекольной шихты предпочтительно осуществляется путем теплообмена с непосредственным контактом, который является предпочтительным, но может осуществляться и путем косвенного теплообмена или путем комбинации непосредственного и косвенного теплообмена.
В станции (20) поток (204) газа осуществляет пиролиз органического вещества, содержащегося в материале стекольной шихты. Газообразные продукты пиролиза объединяются с потоком (206) газа, который выходит из станции (20). Непосредственный теплообмен облегчает такое объединение, поскольку газообразные продукты пиролиза присоединяются к потоку газа сразу же после пиролиза. В случае использования косвенного теплообмена нагретые материалы стекольной шихты можно известным способом отделить от газа, вместе с которым они захватываются при выходе из непрямого теплообменника, и с помощью подходящей системы каналов поток выделенного газа, содержащий газообразные продукты пиролиза, можно ввести в поток (206).
На фиг. 1a изображена схема, в которой в станции (20) применяется косвенный теплообмен. Газообразные продукты (229) пиролиза не присоединяются к потоку (206) в этой схеме, а смешиваются с потоком (303) рециклированного дымового газа (RFG) и подаются в генератор (100) реформинга. Поток (301) дымового газа не содержит газообразных продуктов (229) пиролиза и отводится в дымоход (340).
В процессе пиролиза не происходит полного преобразования всего присутствующего органического вещества в полностью окисленные формы, т.е. углекислый газ и воду. Таким образом, продукты пиролиза включают соединения, которые могут участвовать в таких реакциях, как реформинг и горение. Любые продукты пиролиза, которые не участвуют в реакциях реформинга в регенераторах (100) и (200), поступают в печь (10) и там полностью сжигаются.
Поток (204) газа при контакте с материалом стекольной шихты в станции (20) обычно имеет температуру от 426,7°C до 648,9°C (от 800°F до 1200°F). При температуре 537,8°C (1000°F) или ниже может происходить размягчение и прилипание части материалов стекольной шихты, что может препятствовать равномерному потоку материалов стекольной шихты в станции 20. Во избежание проблем, связанных с прилипанием, необходимо контролировать максимальную температуру газа в потоке (204). Материал стекольной шихты, поступающий в станцию (20), может иметь температуру окружающей среды или выше. Материал стекольной шихты, содержащий органические вещества, должен нагреваться газовым потоком (204) до температуры по меньшей мере 148,9°C (по меньшей мере 300°F), предпочтительно до по меньшей мере 260°C (по меньшей мере 500°F). Это достигается путем соответствующей регулировки температуры газового потока (204) и промежутка времени, в течение которого газ и материал стекольной шихты находятся в контакте друг с другом. В данной области техники известно подходящее оборудование для обеспечения требуемого контакта между газом и твердыми веществами.
Как показано на фиг. 3, топливо для реформинга (RF) из потока (130) пересекается и смешивается с RFG (303) в точке (127) в трубопроводе (128), который, в свою очередь, соединен с нижним отделом (400) регенератора (100). Данная смесь RFG/RF поступает в предварительно нагретую систему (420) насадок регенератора (100) через газовые каналы (415) на арке (410). Регенератор (100) уже был нагрет в предыдущем цикле посредством пропускания дымового газа из печи в регенератор (100) и через него. Температура смеси RFG/RF возрастает по мере прохождения через систему насадок регенератора (100). Когда температура RFG/RF становится достаточно высокой и достигает температуры реформинга, начинают происходить реакции термической диссоциации и эндотермические реакции реформинга, в процессе которых топливо для реформинга (например, CH4) взаимодействует с CO2 и H2O в RFG с образованием CO, H2 и, возможно, сажи. Необходимое для эндотермических реакций реформинга тепло отбирается от нагретых насадок. Реакция реформинга продолжается, в то время как смесь RFG/RF продолжает продвигаться к верхнему отделу (430). Поток (425) газов (называемый в настоящем документе «подвергнувшийся реформингу» поток газа или поток «синтетического газа») выходит из верхней части системы (420) насадок. Поток (425) имеет высокую температуру и может включать в себя такие соединения, как CO, H2, сажа, непрореагировавший CH4 и непрореагировавшие CO2 и H2O. Поток (425) проходит через входной проход (140) и датчик (150) кислорода и поступает в печь (10). Этот поток покидает систему (420) насадок с температурами, которые, например, находятся в диапазоне от 982,2°C до 1371°C (от 1800°F до 2500°F).
Окислитель, необходимый для сжигания синтетического газа, поступает по трубопроводу (135) через открытый клапан (115). Данный окислитель может представлять собой воздух или иметь большее содержание кислорода, чем воздух, т.е. по меньшей мере 21% об., предпочтительно — не менее 80% об., более предпочтительно — не менее 90% об. или даже по меньшей мере 99% об.
Обычно в процессе рекуперации тепла один регенератор работает в цикле отвода, и один регенератор — в цикле реформинга, как показано на фиг. 1, в течение приблизительно от 20 до 40 минут или пока насадки в регенераторе реформинга не остынут настолько, что перестанут обеспечивать достаточное количество тепла для поддержания требуемых эндотермических химических реакций. С этого момента в настоящем описании считается, что, когда регенератор (200) работал в цикле отвода, а регенератор (100) работал в цикле реформинга, печь (10) подвергается процедуре реверсирования, при которой регенератор (200) переводится в цикл реформинга для рекуперации тепла, а регенератор (100) переводится в цикл отвода для накопления тепла. Перед реверсированием оставшаяся в регенераторе (100) часть синтетического газа должна продуваться в печь (10). В этом случае сначала блокируется подача топлива для реформинга на регенератор посредством закрытия клапана (120) и в то же время поддерживается поток RFG от вентилятора (300). Оставшаяся в регенераторе (100) часть синтетического газа продувается с помощью RFG (например, описанным ниже способом) в течение заданного времени, так что практически весь синтетический газ в регенераторе вытесняется в печь и в конечном итоге сжигается.
После смены циклов дымовой газ из печи проходит через регенератор (100), при этом регенератор (100) нагревается, а дымовой газ охлаждается, и часть его поступает на выход (в соответствии с определением в настоящем документе), а часть (или остаток) дымового газа подается на станцию (20) или также на станцию (20A), и часть или остаток дымового газа не проходит через станции (20) и (20A). Дымовой газ, который не поступает на выход, который проходит через станцию (20) или обходит эти станции, смешивается с топливом, и эта смесь пропускается через регенератор (200) и в печь. Клапан (110), находившийся в закрытом положении, теперь открыт, клапан (210) закрыт, клапан (360) закрыт, а клапан (380) открыт, что позволяет нагретому дымовому газу проходить из регенератора (100) к станции (20) и вентилятору (300) и через них и позволяет потоку (320), который является частью (204) данного дымового газа, проходить в регенератор (200) после смешивания с топливом (230) для реформинга, которое поступает через клапан (220), который раньше был закрыт, а теперь открыт. Клапан (115), находившийся в открытом положении, теперь закрыт, поскольку в данной фазе не происходит сжигания с участием окислителя, поступающего через клапан (115), а клапан (225) открыт. Образовавшаяся смесь топлива для реформинга, рециклированного дымового газа и дополнительно охлажденного дымового газа, содержащего газообразные продукты пиролиза, вступает в регенераторе (200) в эндотермические реакции реформинга, которые проходили в предыдущем цикле в регенераторе (100), как описано в настоящем документе, с образованием потока (425) синтетического газа, который поступает в печь (10), где сжигается с участием окислителя (235), который подается через клапан (225).
В течение процесса рекуперации тепла печь (10) может поджигаться вместе с другими горелками, такими как элементы (60) и (65), таким образом, чтобы как пламя (40) от синтетического газа, так и пламя (62) и (64) от горелок существовали одновременно. Кроме того, горелки (60) и (65) могут поджигаться или не поджигаться в течение процесса смены циклов, когда работавший в цикле реформинга регенератор (например, (100) или (200), в зависимости от обстоятельств) подвергается описанной выше последовательности продувки. Для максимальной рекуперации тепла предпочтительно, чтобы горелки (60) и (65) не горели одновременно с пламенем (40) синтетического газа. Также предпочтительно, чтобы горелки (60) и (65) не горели в течение последовательности продувки.
Настоящее изобретение можно также использовать в вариантах осуществления, в которых окислитель для сжигания в печи предварительно нагревается в регенераторах, которые циклически предварительно нагреваются газообразными продуктами сгорания из печи. Т.е. как показано на фиг. 4, 4a, 5 и 6, нагретый окислитель для сжигания синтетического газа подается в печь (10) через трубопровод (135). Окислитель может представлять собой воздух или может иметь большее содержание кислорода, чем воздух, т.е. по меньшей мере 21% об., предпочтительно — не менее 80% об., более предпочтительно — не менее 90% об. или даже по меньшей мере 99% об. Окислитель подается из подходящего источника, такого как резервуар для хранения или установка разделения воздуха (примеры которых известны и доступны в продаже), через трубопровод (605) в нагретый регенератор (600) и через него. Регенератор (600) может иметь обычную конструкцию и принцип работы, при которых система (691) насадок поддерживается на арке (692), через которую проходят газовые каналы (693), благодаря которым газ протекает между системой (691) насадок и нижним отделом (694). В этом рабочем цикле газообразный окислитель поступает из линии (606) в нижний отдел (694), в систему (691) насадок и через нее, в верхний отдел (695) и в линию (135). Окислитель нагревается в регенераторе (600) и проходит из регенератора (600) в трубопровод (135) и в печь. Клапан (115) открыт, что позволяет потоку окислителя поступать в линию (606), по которой окислитель проходит в регенератор (600). Клапан (620), который регулирует поток дымового газа через регенератор (600) и из него в трубопровод (610), который соединен с входом (стороной всасывания) вентилятора (300), в этом цикле закрыт. В другом цикле, описанном в настоящем документе, положения клапанов меняются на противоположные, и дымовой газ течет из линии (135) в регенератор (600) и через него по противоположному пути в линию (606).
В этом рабочем цикле, как показано на фиг. 4, 4a и 5, некоторая часть газообразных продуктов сгорания (дымового газа) проходит из печи (10) в трубопровод (235), а затем в регенератор (700) и через него. Регенератор (700) может иметь обычную конструкцию и принцип работы, при которых система (791) насадок поддерживается на арке (792), через которую проходят газовые каналы (793), благодаря которым газ протекает через верхний отдел (795) и через систему (791) насадок в нижний отдел (794). Этот поток продуктов сгорания из линии (235) нагревает регенератор (700). Продукты сгорания охлаждаются и выходят из регенератора (700) через трубопроводы (701) и (710). Клапан (720), который регулирует поток дымового газа через регенератор (700) и из него в трубопроводы (701) и (710), в этом цикле открыт, а клапан (225), который регулирует поток окислителя из подходящего источника, такого как резервуар для хранения или установка разделения воздуха, из трубопровода (705) в нагретый регенератор (700) и через него на следующий цикл, закрыт. В другом цикле, описанном в настоящем документе, положения клапанов меняются на противоположные, а дымовой газ течет из линии (710) в регенератор (700) и через него по противоположному пути в линию (235) в печь (10).
Кроме того, еще раз ссылаясь на фиг. 4, 4a, 5, поток (710) охлажденного дымового газа проходит через клапан (720), присоединяется к линии (204) и поступает в станцию (20) для того, чтобы дымовой газ из регенератора (700) также можно было использовать для предварительного нагрева материала стекольной шихты и пиролиза органических веществ, содержащихся на материале (209) стекольной шихты, подаваемом на станцию (20). В том случае, если также используется необязательная вторая станция (20A), линия (204A) может переносить дымовой газ из линии (710) в станцию (20A).
Поток (206) в данном варианте осуществления содержит дополнительно охлажденный дымовой газ, полученный из регенератора (200) или из регенератора (700), или из обоих регенераторов (200) и (700). Поток (206) также содержит газообразные продукты пиролиза, которые образуются из органических веществ в материале стекольной шихты, как описано выше.
На фиг. 4a изображена схема, в которой в станции (20) применяется косвенный теплообмен. Газообразные продукты (229) пиролиза не присоединяются к потоку (206) в этой схеме, а смешиваются с потоком (303) рециклированного дымового газа (RFG) и подаются в генератор (100) реформинга. Поток (301) дымового газа не содержит газообразных продуктов (229) пиролиза и отводится в дымоход (340).
В процессе теплообмена между дымовым газом из регенераторов (600) и (700) окислителя и материалом стекольной шихты, содержащим органическое вещество, также образуются газообразные продукты пиролиза, как описано выше, которые содержатся в газовых потоках (также содержащих RF и RFG), которые поочередно поступают в регенераторы (100) и (200) и в которых происходят эндотермические реакции реформинга с образованием синтетического газа, который поступает в печь (10) и сжигается. Любые непрореагировавшие продукты пиролиза, которые не вступают в реакции реформинга, поступают в печь и полностью сгорают в печи.
Когда регенератор для нагрева окислителя достаточно охлажден, а другой регенератор, который нагревает окислитель, достаточно нагрет, происходит смена циклов. В этот момент дымовой газ пропускается из печи (10) через регенератор (600), затем через клапан (620) на станцию (20) и необязательную станцию (20A).
Как правило, в процессе рекуперации тепла один из регенераторов (100) и (200) работает в цикле отвода, а один из этих регенераторов — в цикле реформинга, как показано на фиг. 4, и один из регенераторов (600) и (700) окислителя работает в режиме нагрева окислителя, а один повторно нагревается проходящим через него дымовым газом в течение приблизительно от 20 до 40 минут или до тех пор, пока насадки в регенераторе реформинга не остынут настолько, что перестанут обеспечивать достаточное количество тепла для поддержания требуемых эндотермических химических реакций. В этот момент, если продолжать описание, представленное в настоящем документе, где регенератор (200) находился в цикле отвода, регенератор (100) находился в цикле реформинга, а окислитель нагревался в регенераторе (600) и подавался в печь, в то время как газообразные продукты сгорания выходили из печи (10) и нагревали регенератор (700), в работе печи (10) происходит смена циклов, при которой регенератор (200) переключается на цикл реформинга для рекуперации тепла, регенератор (100) переключается на цикл отвода для аккумулирования тепла, регенератор (600) переключается на прием дымового газа для повторного нагрева регенератора (600), а регенератор (700) переключается на прием и нагрев окислителя, проходящего через него в печь. Перед сменой циклов оставшаяся в регенераторе (100) часть синтетического газа и оставшаяся в регенераторе (600) часть окислителя должны продуваться в печь (10). В этом случае подача топлива для реформинга в регенератор (100) и подача окислителя в регенератор (600) прекращаются сначала посредством закрытия клапана (120) и клапана (115) соответственно и открытия клапана (365) линии продувки окислителя, чтобы RFG от вентилятора (300) протекал по линиям (320) и (305) через клапан (365) в линию (606). Оставшаяся в регенераторе (100) часть синтетического газа и оставшаяся в регенераторе (600) часть окислителя продуваются с помощью RFG в течение установленного времени для вытеснения в печь и полного сгорания практически всего количества синтетического газа в регенераторе (100) и всего количества окислителя в регенераторе (600).
После смены циклов дымовой газ из печи проходит через регенератор (100), и часть его проходит в выпускную трубу (как определено в настоящем документе), а другая часть или остаток смешивается с топливом, и смесь проходит через регенератор (200) и в печь. Клапан (110), находившийся в закрытом положении, теперь открыт, клапан (210) закрыт, клапан (360) закрыт, а клапан (380), находившийся в закрытом положении, теперь открыт, что позволяет дымовому газу проходить из регенератора (100) к вентилятору (300) и через него, а части (303) данного дымового газа проходить в регенератор (200) после его смешивания с топливом (230) для реформинга, которое поступает через клапан (220), который раньше был закрыт, а теперь открыт. Клапан (115), находившийся в открытом положении, теперь закрыт, поскольку в данной фазе не происходит сжигания с участием окислителя, поступающего через клапан (115), а клапан (225) открыт. Полученная смесь топлива для реформинга и рециклированного дымового газа вступает в регенераторе (200) в эндотермические реакции реформинга, которые проходили в предыдущем цикле в регенераторе (100), как описано в настоящем документе, с получением синтетического газа, который проходит во входной проход (240) и через него и затем в печь (10), где сжигается с помощью окислителя из трубопровода (237), который был нагрет после подачи через клапан (225). Кроме того, после смены циклов дымовой газ проходит через регенератор (600), а поток окислителя через регенератор (600) перекрывается, тогда как поток дымового газа из печи через регенератор (700) перекрывается и начинается движение потока окислителя через регенератор (700) в печь. Клапаны (115) и (720) закрыты, а клапаны (620) и (225) открыты.
Перед сменой циклов оставшаяся в регенераторе (200) часть синтетического газа и оставшаяся в регенераторе (700) часть окислителя должны продуваться в печь (10). В этом случае подача топлива для реформинга в регенератор (200) и подача окислителя в регенератор (700) прекращаются сначала посредством закрытия клапана (220) и клапана (225) соответственно и открытия клапана (385) линии продувки окислителя, чтобы RFG от вентилятора (300) протекал из линии (301) через линию (307) в линии (710) и (701). Оставшаяся в регенераторе (200) часть синтетического газа и оставшаяся в регенераторе (700) часть окислителя продуваются с помощью RFG в течение установленного времени для вытеснения в печь и полного сгорания практически всего количества синтетического газа в регенераторе (200) и всего количества окислителя в регенераторе (700).
Таким образом, можно видеть, что в одном цикле рециклированный дымовой газ (721), который подается с топливом (130) для реформинга и газообразными продуктами пиролиза в регенератор (100), может содержать рециклированный дымовой газ из регенератора (200), рециклированный дымовой газ из регенератора (700) или рециклированный дымовой газ из обоих регенераторов (200) и (700). В другом цикле рециклированный дымовой газ (610), который подается с топливом (230) для реформинга и газообразными продуктами пиролиза в регенератор (200), может содержать рециклированный дымовой газ из регенератора (100), рециклированный дымовой газ из регенератора (600) или рециклированный дымовой газ из обоих регенераторов (100) и (600).
Поток (204) газа при контакте с материалом стекольной шихты в станции (20) обычно имеет температуру от 426,7°C до 648,9°C (от 800°F до 1200°F). При температуре 537,8°C (1000°F) или ниже может происходить размягчение и прилипание части материалов стекольной шихты, что может препятствовать равномерному потоку материалов стекольной шихты в станции 20. Во избежание проблем, связанных с прилипанием, необходимо контролировать максимальную температуру газа в потоке (204). Материал стекольной шихты, поступающий в станцию (20), может иметь температуру окружающей среды или выше. Материал стекольной шихты, содержащий органические вещества, должен нагреваться газовым потоком (204) до температуры по меньшей мере 148,9°C (по меньшей мере 300°F), предпочтительно до по меньшей мере 260°C (по меньшей мере 500°F). Это достигается путем соответствующей регулировки температуры газового потока (204) и промежутка времени, в течение которого газ и материал стекольной шихты находятся в контакте друг с другом. В данной области техники известно подходящее оборудование для обеспечения требуемого контакта между газом и твердыми веществами.
В настоящем изобретении вышеописанное устройство и процедуры используются для достижения неожиданных преимуществ.
Одно преимущество заключается в том, что теплотворная способность органических веществ используется в печи, что повышает эффективность способа в целом. Другое преимущество заключается в том, что этот способ позволяет избежать риска наступления ответственности за запахи и выбросы, который может возникнуть, если просто подавать стеклобой, содержащий органические вещества, непосредственно в печь. Еще одно преимущество заключается в том, что размеры и стоимость оборудования для рециклирования дымового газа, которое необходимо для процесса термохимической регенерации в целом, существенно сокращаются из-за намного более низкой температуры охлажденного дымового газа, выходящего из станции (20). В обычном способе термохимической регенерации температура охлажденного дымового газа составляет приблизительно от 648,9 до 760°С (приблизительно от 1200 до 1400°F), и часть этого потока рециклируется для создания газовой смеси реформинга. Контур рециклированного дымового газа содержит вентилятор, каналы и множество клапанов, и все они должны быть способны работать при высокой температуре газа, что требует использования дорогостоящей нержавеющей стали. По сравнению с этим ожидается, что температура охлажденного дымового газа будет находиться в диапазоне от 93,3 до 260°C (от 200 до 500°F) в зависимости от количества стеклобоя, имеющегося для предварительного нагрева. Таким образом, объемный расход рециклированного дымового газа (а следовательно, размеры вентилятора, каналов и клапанов в контуре рециклированного дымового газа) существенно уменьшается.
Также, в вариантах осуществления, в которых используется предварительный нагрев кислорода в регенераторах (фиг. 4–6), было неожиданно обнаружено, что в каждом таком цикле пара регенераторов, через которые пропускаются газообразные продукты сгорания, должна эксплуатироваться таким образом, чтобы обеспечить поддержание любого или обоих наборов условий. Один набор условий заключается в том, что отношение молярного расхода газообразных продуктов сгорания, выходящих из регенератора, который будет использоваться для обеспечения тепла для эндотермической реакции в следующем цикле, к молярному расходу газообразных продуктов сгорания, выходящих из регенератора, который будет использоваться для предварительного нагрева окислителя, который будет нагреваться и подаваться в печь в следующем цикле, должно поддерживаться таким образом, чтобы это отношение составляло менее чем 70 : 30, когда молярное отношение RFG/RF равно 1 : 1, а отношение молярного расхода дымового газа к молярному расходу смеси RFG/RF равно 2 : 1. Предпочтительно, чтобы это отношение было менее чем 65 : 45 и по меньшей мере 55 : 45. Более предпочтительным диапазоном для данного отношения является (57–65) : (43–35).
В противоположность предшествующей идее патента США № 6,113,874, автор настоящего изобретения также обнаружил, что более эффективной является эксплуатация регенератора реформинга при молярном отношении RFG/RF ниже 0,5 или даже в отсутствие потока RFG, т.е. при молярном отношении RFG/RF, равном 0, когда подаваемый в печь окислитель нагревается в отдельном регенераторе, который был нагрет путем протекания через него дымового газа из печи. Без смешивания RFG с RF никакие реакции реформинга происходить не могут; однако некоторые из компонентов топлива подвергаются крекингу с образованием водорода, C2H4, C2H2, сажи и многих других соединений. Эти реакции крекинга также являются эндотермическими и способствуют рекуперации тепла в газообразные соединения из регенератора. Без смешивания рециклированного дымового газа с «топливом для реформинга» отношение молярного расхода газообразных продуктов сгорания, выходящих из регенератора, который использовался для нагрева регенератора и, таким образом, обеспечивает тепло для эндотермической реакции в следующем цикле, к молярному расходу газообразных продуктов сгорания, выходящих из регенератора, который использовался для предварительного нагрева окислителя, который будет нагреваться и подаваться в печь в следующем цикле, должно поддерживаться таким образом, чтобы это отношении было менее чем 65 : 35. Предпочтительно, чтобы это отношение было менее чем 60 : 40, а более предпочтительно по меньшей мере 50 : 50. Более предпочтительным диапазоном для данного отношения является (55–60) : (45–40).
Особенным преимуществом является то, что общее количество продуктов сгорания, выходящих из печи, образовано количествами в двух каналах, подающих продукты сгорания в регенераторы. Требуемое соотношение соответствующих молярных расходов можно контролировать и получать с помощью подходящих измерительных устройств в трубопроводе, размещенных после каждого регенератора, и с помощью надлежащей установки клапанов, регулирующих расход газов в каждом трубопроводе. Например, в одном цикле такими молярными расходами являются молярные расходы в трубопроводах (201) и (710), а в другом цикле такими молярными расходами являются молярные расходы в трубопроводах (128) и (610).
Другой набор условий, который следует поддерживать в варианте осуществления настоящего изобретения, который включает циклическое использование регенераторов для предварительного нагрева окислителя, заключается в том, что температуры потоков газообразных продуктов сгорания, выходящих из каждой пары регенераторов, через которые продукты сгорания проходят в каждом чередующемся цикле (т.е. со ссылкой на фиг. 1, регенераторы (200) и (700) в одном цикле и регенераторы (100) и (600) в другом цикле), должны находиться в пределах 148,9°C (в пределах 300°F) или менее относительно друг друга, предпочтительно в пределах 93,3°C (в пределах 200°F) и более предпочтительно в пределах 37,8°C (в пределах 100°F) или менее относительно друг друга. Иными словами, разность температур между этими двумя потоками газообразных продуктов сгорания должна составлять 148,9°C (300°F) или менее, предпочтительно 93,3°C (200°F) или менее, а более предпочтительно — 37,8°C (100°F) или менее. Как показано на фиг. 4, это относится к разности температур потоков (201) и (710) в одном цикле и к разности температур потоков (128) и (610) в другом цикле. Эти температуры можно легко измерить и сопоставить с помощью обычного оборудования, которое доступно в продаже. Одним преимущественным способом поддержания соответствующих разностей температур в пределах указанной близости друг к другу является регулирование молярных расходов каждого из потоков продуктов сгорания, поступающих из печи в каждый регенератор и через него, который нагревается продуктами сгорания в данном цикле.
В настоящем документе приведены типичные температуры для эксплуатации изобретения со стекловаренной печью.
Поток (240) дымового газа, поступающий в регенератор (200), обычно имеет температуру от 1371°С до 1648,9°C (от 2500°F до 3000°F), а поток (201), выходящий из регенератора (200), обычно имеет температуру от 260°C до 537,8°C (от 500°F до 1000°F). Поток (235), поступающий в регенератор (700), также обычно имеет температуру от 1371°C до 1648,9°C (от 2500°F до 3000°F), а поток (701), выходящий из регенератора (700), обычно имеет температуру от 260°C до 537,8°C (от 500°F до 1000°F). Поток (128) смеси рециклированного дымового газа и топлива для реформинга, поступающий в регенератор (100), обычно имеет температуру от 148,9°C до 537,8°C (от 300°F до 1000°F), а поток (140) продукта, подвергнувшегося реформингу, обычно имеет температуру от 982,2°C до 1315,6°C (от 1800°F до 2400°F). Поток (606) окислителя, поступающий в регенератор (600), обычно имеет температуру ноль градусов C (ноль градусов F) или температуру окружающей среды и до 37,8°C (100°F). Поток (135) нагретого окислителя, выходящий из регенератора (600), обычно имеет температуру от 982,2°C до 1315,6°C (от 1800°F до 2400°F).
Ожидается, что температуры внутри регенератора будут расти и падать на протяжении каждого цикла, и в разных местах внутри регенераторов температуры будут различаться. При эксплуатации изобретения с типичной стекловаренной печью температуры внутри регенератора (200) в начале цикла могут составлять порядка от 260°C до 482,2°C (от 500°F до 900°F) в нижней части регенератора и от 982,2°C до 1260°C (от 1800°F до 2300°F) в верхней части, и к концу этого цикла можно ожидать их повышения до температур порядка от 315,6°C до 537,8°C (от 600°F до 1000°F) в нижней части и от 1037,8°C до 1315,6°C (от 1900°F до 2400°F) в верхней части. В этом же цикле температуры внутри регенератора (700) в начале цикла могут составлять порядка от 260°C до 482,2°C (от 500°F до 900°F) в нижней части регенератора и от 982,2°C до 1260°C (от 1800°F до 2300°F) в верхней части, и к концу этого цикла можно ожидать их повышения до температур порядка от 315,6°C до 537,8°C (от 600°F до 1000°F) в нижней части и от 1037,8°C до 1260°C (от 1900°F до 2300°F) в верхней части. В этом же цикле температуры внутри регенератора (100) в начале цикла могут составлять порядка от 315,6°C до 537,8°C (от 600°F до 1000°F) в нижней части регенератора и от 1037,8°C до 1315,6°C (от 1900°F до 2400°F) в верхней части, и к концу этого цикла можно ожидать их понижения до температур порядка от 260°C до 482,2°C (от 500°F до 900°F) в нижней части и от 982,2°C до 1260°C (от 1800°F до 2300°F) в верхней части. В этом же цикле температуры внутри регенератора (600) в начале цикла могут составлять порядка от 315,6°C до 537,8°C (от 600°F до 1000°F) в нижней части регенератора и от 1037,8°C до 1315,6°C (от 1900°F до 2400°F) в верхней части, и к концу этого цикла можно ожидать их понижения до температур порядка от 260°C до 482,2°C (от 500°F до 900°F) в нижней части и от 982,2°C до 1260°C (от 1800°F до 2300°F) в верхней части.
Эти значения можно ожидать, если смена циклов происходит приблизительно каждые 20 минут. При более редкой смене циклов можно ожидать, что разность между температурами в начале и в конце каждого цикла (37,8°C (100°F) в данном примере) будет больше, и даже в два раза, т.е. приблизительно 93,3°C (приблизительно 200°F) больше этих значений, если смена циклов осуществляется вдвое реже, т.е. каждые 40 минут.
Пример 1
В стекловаренной печи производительностью 350 тонн в сутки (т/сут), работающей за счет сжигания природного газа с участием кислорода («кислородно-топливный» процесс) с использованием дополнительного электроподогрева 2,6 МВт, количество стеклобоя, загружаемого в печь, соответствует 50% стекла, производимого печью. Подвод тепла от природного газа составляет 11,2 МВт ВТС (высшая теплотворная способность) (38,1 млн БТЕ ВТС/ч), а дополнительный электроподогрев обеспечивает 2,5 МВт (8,4 млн БТЕ/ч) чистой энергии в печь. Теплопотери через стенки печи составляют 1,9 МВт (6,4 млн БТЕ/ч), а расплавленное стекло, произведенное в печи, содержит 6,9 МВт (23,4 млн БТЕ/ч) контактной и химической энергии. Остаток теплового баланса — теплопотери дымового газа 4,8 МВт ВТС (16,3 млн БТЕ ВТС/ч) при 1482,2°C (2700°F) и потери на излучение через выход дымохода 0,09 МВт (0,3 млн БТЕ/ч).
В такой же печи, оборудованной термохимическим регенератором и расположенным ниже по потоку предварительным нагревателем (20A) стеклобоя с непосредственным контактом для дополнительной рекуперации тепла, все, как показано на фиг. 1 и фиг. 7a, горячий дымовой газ при температуре 1482,2°C (2700°F) выходит из печи и поступает в регенератор (200). С комбинированной системой с термохимическим регенератором и предварительным нагревателем стеклобоя расход топлива сокращается на 24,7% до 8,41 МВт ВТС (28,7 млн БТЕ ВТС/ч). Расход дымового газа из печи составляет приблизительно 4360,8 станд. куб. м/ч (приблизительно 154 000 станд. куб. фут/ч), а расчетная температура дымового газа, выходящего из регенератора (200), составляет приблизительно 537,8°C (приблизительно 1000°F). Если температура дымового газа слишком высока для непосредственного ввода в расположенную ниже станцию (20) предварительного нагрева стеклобоя, можно факультативно применить впрыскивание воды или рециклирование дымового газа для регулирования температуры дымового газа.
Дымовой газ из регенератора (200) разделяется на два потока (204) и (204A). Поток (204) вводится в станцию (20) предварительного нагрева стеклобоя, в которую также загружается бывший в употреблении стеклобой (внешний стеклобой), содержащий органические примеси, такие как остатки пищи и бумага. В данном примере приблизительно 70% стеклобоя составляет бывший в употреблении стеклобой, и приблизительно 30% стеклобоя составляет чистый стеклобой внутреннего происхождения. При массовом отношении RFG/ПГ, равном 1, в станцию (20) вводится приблизительно 792,9 станд. куб. м/ч (приблизительно 28 000 станд. куб. фут/ч) дымового газа, и охлажденный дымовой газ, выходящий из станции (20), который содержит органические продукты пиролиза, рециклируется, смешивается с топливом для реформинга и вводится в регенератор (100) для рекуперации тепла, образования синтетического газа и разрушения газообразных продуктов пиролиза в системе насадок. Поток (204) (3568 станд. куб. м/ч (126 000 станд. куб. фут/ч)) можно вводить в необязательную станцию рекуперации тепла, такую как предварительный нагреватель чистого стеклобоя, или предварительный нагреватель шихты, или котел-утилизатор отходящего тепла, и выпускать в атмосферу после пропускания через надлежащую систему очистки дымового газа.
Пример 2
Такая же печь, что и описанная в примере 1, была оборудована термохимическим регенератором, регенераторами предварительного нагрева кислорода и секцией (20) предварительного нагрева стеклобоя, как описано на фиг. 4–6 и показано на фиг. 7b. Горячий дымовой газ при температуре 1482,2°C (2700°F) выходит из печи и поступает в регенераторы (200) и (700). С комбинированной системой рекуперации тепла расход топлива сокращается на 28,9% до 7,9 МВт ВТС (27,1 млн БТЕ ВТС/ч). Расход дымового газа из печи составляет приблизительно 4162,6 станд. куб. м/ч (приблизительно 147 000 станд. куб. фут/ч), а расчетная температура дымового газа после сдвоенной системы термохимического регенератора и регенераторов нагрева кислорода составляет приблизительно 407,2°C (приблизительно 765°F). Дымовой газ из регенераторов (200) и (700) разделяется на два потока (204) и (204A). Поток (204) используется в качестве реагентов реформинга и вводится в предварительный нагреватель (20) стеклобоя с непосредственным контактом, в который загружен бывший в употреблении стеклобой, содержащий органические примеси, такие как остатки пищи и бумага. В данном примере приблизительно 70% стеклобоя составляет бывший в употреблении стеклобой, и приблизительно 30% стеклобоя составляет чистый стеклобой внутреннего происхождения. При отношении расходов RFG/ПГ, равном 1, в предварительный нагреватель (20) вводится приблизительно 764,6 станд. куб. м/ч (приблизительно 27 000 станд. куб. фут/ч) дымового газа, и охлажденный дымовой газ после предварительного нагревателя (20), который содержит органические продукты пиролиза, рециклируется, смешивается с топливом для реформинга и вводится в термохимический регенератор (100) для рекуперации тепла, образования синтетического газа и разрушения газообразных продуктов пиролиза в системе насадок. Поток (204A) (3398 станд. куб. м/ч (120 000 станд. куб. фут/ч)) вводится в необязательный блок (20A) рекуперации тепла, такой как предварительный нагреватель чистого стеклобоя, или предварительный нагреватель шихты, или котел-утилизатор отходящего тепла, и выпускается в атмосферу после пропускания через надлежащую систему очистки дымового газа.
Предпочтительный диапазон расхода для потока (204) определяется частично исходя из предпочтительного отношения расхода RFG к расходу ПГ для работы термохимического регенератора, которое составляет от 0,5 до 3. Существует предпочтительный минимальный расход потока (204) для испарения воды и пиролиза органического вещества в стеклобое. Предпочтительно довести пиролиз органического вещества до максимума, так как стеклобой, содержащий органическое вещество, влияет на окислительно-восстановительные процессы в стекле во время плавки в печи, и минимизировать изменения содержания органического вещества в стеклобое. Благодаря пиролизу органического вещества в стеклобое и шихте окислительно-восстановительные процессы в стекле становятся более стабильными, что благоприятным образом сказывается на работе печи.
Пример 3
Такая же печь, что и описанная в примере 1, была оборудована термохимическим регенератором и секцией (20) косвенного предварительного нагревателя стеклобоя, как описано на фиг. 1a и показано на фиг. 7c. Горячий дымовой газ при температуре 1482,2°C (2700°F) выходит из печи и поступает в регенератор (200). С комбинированной системой с термохимическим регенератором и косвенным предварительным нагревателем стеклобоя расход топлива сокращается до приблизительно 8,1 МВт ВТС (27,5 млн БТЕ ВТС/ч). Расход дымового газа из печи составляет приблизительно 4162,6 станд. куб. м/ч (приблизительно 147 000 станд. куб. фут/ч), а расчетная температура дымового газа, выходящего из регенератора (200), составляет приблизительно 537,8°C (приблизительно 1000°F). Если температура дымового газа слишком высока для непосредственного ввода в расположенную ниже станцию (20) предварительного нагрева стеклобоя, можно факультативно применить впрыскивание воды или рециклирование дымового газа для регулирования температуры дымового газа.
Дымовой газ из регенератора (200) вводится в станцию (20) косвенного предварительного нагревателя стеклобоя, в которую загружаются как внутренний, так и бывший в употреблении стеклобой (внешний стеклобой), содержащий органические примеси, такие как остатки пищи и бумага. Весь дымовой газ вводится в станцию (20), и органические продукты пиролиза смешиваются с рециклированным дымовым газом (RFG) и вводятся в регенератор (100) с топливом для реформинга для рекуперации тепла, образования синтетического газа и разрушения газообразных продуктов пиролиза в системе насадок.
1. Способ выполнения сжигания в стекловаренной печи, включающий в себя:
(A) сжигание топлива в стекловаренной печи для образования газообразных продуктов сгорания, и
(B) поочередное
(1) (a) пропускание газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный первый регенератор и через него для нагрева первого регенератора и охлаждения указанных газообразных продуктов сгорания,
(b) пропускание первой части указанных охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного первого регенератора при теплообмене с твердым материалом стекольной шихты, который содержит органические вещества, для дополнительного охлаждения охлажденных газообразных продуктов сгорания и нагрева материала стекольной шихты и пиролиза содержащихся в нем органических веществ с образованием продуктов пиролиза, и
(c) пропускание дополнительно охлажденных газообразных продуктов сгорания, продуктов пиролиза и топлива в нагретый второй регенератор, взаимодействие во втором регенераторе газообразных продуктов сгорания, продуктов пиролиза и топлива в эндотермической реакции с образованием синтетического газа, содержащего водород и СО, пропускание указанного синтетического газа из второго регенератора в печь и сжигание его в печи, и
(d) подачу указанного нагретого материала стекольной шихты в указанную печь; и
(2) (a) пропускание газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный второй регенератор и через него для нагрева второго регенератора и охлаждения указанных газообразных продуктов сгорания,
(b) пропускание первой части указанных охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного второго регенератора при теплообмене с твердым материалом стекольной шихты, который содержит органические вещества, для дополнительного охлаждения охлажденных газообразных продуктов сгорания и нагрева материала стекольной шихты и пиролиза содержащихся в нем органических веществ с образованием продуктов пиролиза, и
(c) пропускание дополнительно охлажденных газообразных продуктов сгорания, продуктов пиролиза и топлива в нагретый первый регенератор, взаимодействие в первом регенераторе газообразных продуктов сгорания и топлива в эндотермической реакции с образованием синтетического газа, содержащего водород и СО, пропускание указанного синтетического газа из первого регенератора в печь и сжигание его в печи, и
(d) подачу указанного нагретого материала стекольной шихты в указанную печь.
2. Способ по п. 1, в котором на этапах (B)(1)(b) или (B)(2)(b), или на обоих этих этапах указанный теплообмен является непосредственным.
3. Способ по п. 1, в котором на этапах (B)(1)(b) или (B)(2)(b), или на обоих этих этапах указанный теплообмен является косвенным.
4. Способ по п. 1, дополнительно включающий в себя поочередное пропускание части указанных охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного первого регенератора при теплообмене со вторым потоком твердого материала стекольной шихты для дополнительного охлаждения указанной части охлажденных газообразных продуктов сгорания и нагревания второго потока материала стекольной шихты и подачу указанного нагретого второго потока материала стекольной шихты в указанную печь; и пропускание части указанных охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного второго регенератора при теплообмене со вторым потоком твердого материала стекольной шихты для дополнительного охлаждения указанной части охлажденных газообразных продуктов сгорания и нагревания второго потока материала стекольной шихты и подачу указанного нагретого второго потока материала стекольной шихты в указанную печь.
5. Способ по п. 1, в котором дополнительно охлажденные газообразные продукты сгорания из указанного первого регенератора, образованные при указанном их теплообмене, и дополнительно охлажденные газообразные продукты сгорания из указанного второго регенератора, образованные при указанном их теплообмене, содержат продукты пиролиза.
6. Способ по п. 1, в котором охлажденные газообразные продукты сгорания из указанного первого регенератора и охлажденные газообразные продукты сгорания из указанного второго регенератора дополнительно охлаждаются при их косвенном теплообмене и указанный косвенный теплообмен не образует в них продуктов пиролиза.
7. Способ выполнения сжигания в стекловаренной печи, включающий в себя:
(A) сжигание топлива в стекловаренной печи для образования газообразных продуктов сгорания, и
(B) поочередное (1) (i) пропускание первого количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный первый регенератор и через него для нагрева первого регенератора и охлаждения указанного первого количества газообразных продуктов сгорания,
(ii) пропускание второго количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный второй регенератор и через него для нагрева второго регенератора и охлаждения указанного второго количества газообразных продуктов сгорания,
(iii) пропускание охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного первого регенератора, из указанного второго регенератора или из обоих указанных первого и второго регенераторов при теплообмене с твердым материалом стекольной шихты, который содержит органический материал, для дополнительного охлаждения охлажденных газообразных продуктов сгорания и нагрева материала стекольной шихты и пиролиза органического материала в материале стекольной шихты с образованием продуктов пиролиза и подачу указанного нагретого материала стекольной шихты в указанную печь,
(iv) пропускание топлива для реформинга, дополнительно охлажденных газообразных продуктов сгорания, продуктов пиролиза и охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного первого регенератора, охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного второго регенератора или охлажденных газообразных продуктов сгорания из обоих из указанных первого и второго регенераторов в нагретый третий регенератор,
(v) взаимодействие газообразных продуктов сгорания и топлива для реформинга и продуктов пиролиза в эндотермической реакции в третьем регенераторе при условиях, способствующих образованию синтетического газа, содержащего водород и окись углерода, и охлаждение третьего регенератора вследствие этой реакции,
(vi) пропускание газообразного окислителя в нагретый четвертый регенератор и через него для нагрева газообразного окислителя и охлаждения четвертого регенератора, и
(vii) пропускание указанного синтетического газа и любых непрореагировавших продуктов пиролиза из указанного третьего регенератора в указанную печь, пропускание указанного нагретого газообразного окислителя из четвертого регенератора в печь и сжигание синтетического газа, любых непрореагировавших продуктов пиролиза и указанного нагретого газообразного окислителя в печи;
при поддержании разности температур продуктов сгорания, выходящих из указанных первого и второго регенераторов, на уровне 148,9°C (300°F) или менее; и
(2) (i) пропускание первого количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный третий регенератор и через него для нагрева третьего регенератора и охлаждения указанного первого количества газообразных продуктов сгорания,
(ii) пропускание второго количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный четвертый регенератор и через него для нагрева четвертого регенератора и охлаждения указанного второго количества газообразных продуктов сгорания,
(iii) пропускание охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного третьего регенератора, из указанного четвертого регенератора или из обоих указанных третьего и четвертого регенераторов при теплообмене с твердым материалом стекольной шихты, который содержит органический материал, для дополнительного охлаждения охлажденных газообразных продуктов сгорания и нагрева материала стекольной шихты и пиролиза органического материала в материале стекольной шихты с образованием продуктов пиролиза и подачу указанного нагретого материала стекольной шихты в указанную печь,
(iv) пропускание топлива для реформинга дополнительно охлажденных газообразных продуктов сгорания, продуктов пиролиза и охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного третьего регенератора, охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного четвертого регенератора или охлажденных газообразных продуктов сгорания из обоих из указанных третьего и четвертого регенераторов в нагретый первый регенератор,
(v) взаимодействие газообразных продуктов сгорания и топлива для реформинга и продуктов пиролиза в эндотермической реакции в первом регенераторе при условиях, способствующих образованию синтетического газа, содержащего водород и окись углерода, и охлаждение первого регенератора вследствие этой реакции,
(vi) пропускание газообразного окислителя в нагретый второй регенератор и через него для нагрева газообразного окислителя и охлаждения второго регенератора, и
(vii) пропускание указанного синтетического газа и любых непрореагировавших продуктов пиролиза из указанного первого регенератора в указанную печь, пропускание указанного нагретого газообразного окислителя из второго регенератора в печь и сжигание синтетического газа, любых непрореагировавших продуктов пиролиза и указанного нагретого газообразного окислителя в печи;
при поддержании разности температур продуктов сгорания, выходящих из указанных третьего и четвертого регенераторов, на уровне 148,9°C (300°F) или менее.
8. Способ по п. 7, в котором на этапах (B)(1)(iii) или (B)(2)(iii), или на обоих этих этапах указанный теплообмен является непосредственным.
9. Способ по п. 7, в котором на этапах (B)(1)(iii) или (B)(2)(iii), или на обоих этих этапах, указанный теплообмен является косвенным.
10. Способ по п. 7, дополнительно включающий в себя поочередное пропускание части указанных охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного первого регенератора, из указанного второго регенератора или из обоих указанных первого и второго регенераторов при теплообмене со вторым потоком твердого материала стекольной шихты для дополнительного охлаждения указанной части охлажденных газообразных продуктов сгорания и нагревания второго потока материала стекольной шихты и подачу указанного нагретого второго потока материала стекольной шихты в указанную печь; и пропускание части указанных охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного третьего регенератора, из указанного четвертого регенератора или из обоих указанных третьего и четвертого регенераторов при теплообмене со вторым потоком твердого материала стекольной шихты для дополнительного охлаждения указанной части охлажденных газообразных продуктов сгорания и нагревания второго потока материала стекольной шихты и подачу указанного нагретого второго потока материала стекольной шихты в указанную печь.
11. Способ по п. 7, в котором дополнительно охлажденные газообразные продукты сгорания из указанного первого регенератора, из указанного второго регенератора или из обоих указанных первого и второго регенераторов, образованные при их теплообмене, содержат продукты пиролиза, и дополнительно охлажденные газообразные продукты сгорания из указанного третьего регенератора, из указанного четвертого регенератора или из обоих указанных третьего и четвертого регенераторов, образованные при указанном их теплообмене, содержат продукты пиролиза.
12. Способ по п. 7, в котором охлажденные газообразные продукты сгорания из указанного первого регенератора, из указанного второго регенератора или из обоих указанных первого и второго регенераторов и охлажденные газообразные продукты сгорания из указанного третьего регенератора, из указанного четвертого регенератора или из обоих указанных третьего и четвертого регенераторов дополнительно охлаждаются при их косвенном теплообмене, и указанный косвенный теплообмен не образует в них продуктов пиролиза.
