使用熱回收製造水玻璃的方法和設備的製作方法

2023-11-07 13:46:12

專利名稱：使用熱回收製造水玻璃的方法和設備的製作方法
使用熱回收製造水玻璃的方法和設備
本發明涉及在使用熱回收的熔爐、優選槽爐中通過熔融原料並使其凝固來製備產品的方法，優選為製備玻璃、特別是水玻璃的方法，
製備水玻璃的綜述可參見"Henkel-Referaten，， 34，1998，第7 13頁。
在工業上根據三種方法製備水玻璃傳統的槽爐中的熔融方法、迴轉窯中的熔融方法和水熱法。
大部分工業中常見的鹼金屬矽酸鹽由傳統的熔融方法製備。用於製備固態鈉水玻璃的蘇打方法(Sodaverfahren)是一個高溫過程，其中沙子和蘇打的混合物(混合料)在1300~1500。C的溫度下在Siemens-Martin-蓄熱爐類型的槽爐或在迴轉爐中鹼性分解成水玻璃。用於燃燒的空氣經通風設備和換向裝置導入蓄熱腔，並預熱到約1200。C。
在該高溫下，鹼性蘇打與石英砂反應形成矽酸鈉。熔融的水玻璃將從熔爐中連續移出、冷卻並送入倉庫或直接送入溶解設備組(L6seaggregaten)。
在槽爐中的水溶性玻璃的製備參見圖1。
在迴轉爐中進行製備時，將已經準備好的混合料加料入位於高處的爐
側，並通過旋轉圓筒形的熔爐將其從低溫區域輸送到高溫區域。由此連續不斷地形成穩定的新表面。通過齒輪傳動裝置、滾動傳動裝置或蝸輪傳動裝置，傾斜3-7°的熔爐圍繞其軸非常緩慢的旋轉。用油或氣從下面的端部開始加熱。玻璃熔融物(Glasschmelz)在位置較低的端部出料並送入後續加工。
由槽伊或迴轉爐製備的固態水玻璃不是作為固體材料，而是幾乎僅作為水溶液使用，通常濃度為35%。為了進行這種製備，將從熔融過程得到的、冷卻至300。C的固態玻璃塊溶解在常壓IO(TC和150:C之間的壓力罐的水中。根據所需類型，繼續加工所述溶液，即過濾、濃縮和需要時用無機添加劑或有才幾添加劑改性。
在用水熱法製備水玻璃時，在一個工作程序中最後進行分解和溶解過程。在該過程中，避開高溫過程，在約200。C和約20巴高壓的高壓釜中從沙子和氫氧化鈉溶液直接得到作為液態水玻璃的鹼金屬矽酸鹽。除了鈉水玻璃，還使用少量的鉀水玻璃。因為矽酸鉀是價格較高的產 品，所以僅在鈉可能有幹擾的情況下使用矽酸鉀。
工業用熔爐中的熔化過程(例如玻璃和金屬的熔化過程)在很高溫度下
進行，因此消耗大量能量。從熔爐流出後，通常經過所謂的冷卻帶(Ktihlband) 導出熔融物的熱量。通常這種熱量的導出對於後續的加工步驟是必要的。 因此，所述熔融物的熱容量表現為熱損失。
在普遍的生產方法中，常常因隨後的結晶作用而產生的廢熱根本沒有 或者沒有有效地在其他方面得到使用。到目前為止，還沒有知道從熔爐產 生的熔化熱的利用。
在常規的設備中，熔融物釋放出的熱量加熱了冷卻帶的空間。這樣一 來，這種高溫的環境溫度使熔爐附近的操作變得困難，並且損害設備操作 員的效能。
此外，在德國聯邦環保局(Umweltbundesamt)2001年6月的報告"大體 積固體無機化學品，矽酸鈉，，中，詳細地公開了現有4支術中在製備矽酸鈉 時的熱回收設備。在迴轉爐中進行製備時，可用兩種生產方案回收熱量。 第一種是，通過廢氣即高溫廢空氣預熱在迴轉爐上面的端部加入的材料。 這點是可行的，因為在熔爐旋轉的同時，沙子和蘇打以與廢氣導向相反的 流向而導向。另一種是，廢氣從迴轉爐排出後，其殘餘熱量通入同流換熱 器以升溫所需的燃燒空氣，在同流換熱器中廢氣從約60(TC冷卻到200~250 。C。同時外部空氣被升溫到350~400°C，並且接著到達位於迴轉爐下面端部 的燃燒器(brennfackd)。
如在上述報告的第10頁下半部分中所說明的，基於不同的槽爐中製備 過程的方法，投料和廢氣是不可能有對流流向的。因此，在現有技術中還 不存在如在迴轉爐中對原料的預熱。在這種方法中已知的僅是，通過交替 使用更多的煙氣通道(Rauchgasziige)對需要的燃燒空氣進行預熱。此處，熱 煙氣經砌起的通道排出，這樣砌磚體得到了加熱。在一定時間以後，該煙 氣經另一通道排出。接著，仍然冷的燃燒空氣流經被加熱的通道，加熱了 燃燒空氣。通過各通道的有規律轉換實現了準連續操作。
本發明目的在於，在本文開始時所述的方法中，同時實現節約能量、 提高槽爐的生產能力、改善勞動保護並且對於生產出的熔融玻璃消耗更少 的用以冷卻傳送帶的冷卻水。這裡，所述水在冷卻時噴灑在冷卻帶上並蒸發。
根據本發明，本文開始時所述方法中的目的通過下列方法得以實現 所製備產物(特別是在其凝固時)釋放出的熱量中的至少 一部分用於原料的預熱。
根據本發明，至少部分地回收並重新利用剛製備出的仍熔融的水玻璃 的熱容量，特別是其固化熱。在現有技術中完全未知這種熱量的利用，同 時在迴轉爐工藝中也沒有這種利用。到目前已知的僅僅是回收來自廢氣或
廢空氣的熱量。
在從屬權利要求中提及了與本發明相關的有利設計方案。
本發明還涉及權利要求8和9的相關設備。
所述第一換熱器設置在連續傾斜地向上運動的冷卻帶的周圍和在冷卻 帶上方，其中熔融的水玻璃從槽爐滴到或流到冷卻帶上，從而在冷卻帶上 固化並冷卻。在冷卻帶向底部傾斜地返回時，用水噴灑冷卻帶並以這種方 式冷卻。同樣傾斜並設置在冷卻帶上方的外殼加強了外殼與冷卻帶之間的 空氣流，從而提高了從熔融玻璃或高溫冷卻帶到外殼(同時是第一換熱器) 的傳熱的對流部分。優選在外殼中設置平行於冷卻帶走向的(verlaufende)管 道，其中在高壓下流動著熱載體，特別是水。令人吃驚的是，以這種方式 將流入時的冷水(20 30 °C )力d熱到至少約140 °C 。
此處，傳熱主要通過輻射進行。然而在本發明一個有利的設計方案中， 還可以通過在外殼上設置的附加廢氣煙自，其垂直向上引出並導致抽吸作 用增強，從而使氣流速度從約lm/s增加到約2m/s。結果是，由於明顯改善 了傳熱，溫度提高約10%。
在下面所述的實施例中，所述第一換熱器，即外殼，在與同樣從下部 向上部輸送的熔融水玻璃的同向流中工作。但是也可以是對流冷卻，這甚 至也許是特別有利的。
通過回收高溫熔融物的熱容量，本發明導致例如蒸汽的產生。經熔融 物運輸所產生的蒸汽可以用來例如加熱原料。 一方面通過加熱原料可以節 省能量。另一方面可以通過預熱原料提高熔爐的生產能力，因為每單位時 間可以生產更多。除此之外，因為安裝換熱器以屏蔽高溫產品，所以工作 安全性得到了提高。
此外，本發明還具有下列優點 通過預熱原料節省能量
通過將高溫冷凝物用於溶解過程而節省能量
進一步利用能量用於例如產生蒸汽
通過預熱原料增加生產能力
改善了運行時的工作條件，這是因為環境溫度的降低 提高了工作安全性
特別地，本發明在於，經冷卻帶通過新安裝的換熱器而回收目前作為 熱量損失而散失的熱量，並且回流繼續用於加工。可使用該熱量產生例如 過熱的或飽和的蒸汽。
由換熱器所產生的全部蒸汽或大部分蒸汽可以出售或用於其它方面。 一部分在第 一換熱器中產生的蒸汽可以通入例如另 一個合適的換熱器中以 預熱原料。由此，節省了能量並增加了熔爐的生產能力。
從第二換熱器流出的作為冷凝物的蒸汽流能用於另外的過程。當該從 第二換熱器中出來的冷凝物直接用於其他過程時，可以相應地減少必需的 能量消耗。
以下結合附圖詳細說明本發明的實施例，也結合


現有技術。 圖1根據現有技術製備水玻璃的示意圖，
圖2根據實施例的本發明方法和本發明設備的示意圖(沒有精確示出外 殼16周圍的區域)，和
圖3外殼16周圍的區域
在所有附圖中相同的符號具有相同的含義，因此如有可能只解釋一次。 圖1中示意性展示了根據現有技術的製備。經過帶秤1和螺旋式混合 器2(Misch-Schnecke)將沙子和蘇打送入熔爐3,用油燃燒器或氣燃燒器4加 熱熔爐3。或者可用電或結合使用所述加熱方法進行加熱。新鮮空氣經鼓風 機5和蓄熱腔6導入熔爐3。廢氣7從熔爐出來經第二蓄熱腔8、廢氣冷卻 器9和電過濾器(Elektrofilter)lO。
熔融的水玻璃滴到冷卻帶11上，在這裡凝固並從這裡作為塊狀玻璃12 送出。只要不貯存和出售塊狀玻璃12，其將到達所謂的溶解器13。在該容 器中，所述塊狀玻璃12在通入水和加壓的情況下溶解，這樣最終得到了液態玻璃14。
本發明方法和本方明設備的一個實例展示在圖2和3中。煉熔爐料， 也即熔融的水玻璃從熔爐3流到冷卻帶11上，冷卻帶11依照自動樓梯的 方式向上運動。熔融的水玻璃15位於這種"自動樓梯"的"臺階"上。當 抵達樓梯上面時，凝固的水玻璃^f皮從臺階上拋出，並且作為所謂的塊狀玻 璃124皮收集。在臺階A人上面向下面回行時，通過在下面用水噴灑而冷卻所 述"臺階"。
根據本發明，冷卻帶11 一皮A人底部開口的外殼16包圍，在外殼16的內 側設置有平行於冷卻帶走向的管道17。新鮮水經泵18用過壓(約20巴)導 入管道的下面端部，並因冷卻帶的高溫和冷卻帶下方區域(也是熔融水玻璃 的進料處)的約100(TC的熔融物而在管道裡升溫。在出口 ，也即冷卻帶上方， 水玻璃和冷卻帶僅還有約300。C的溫度。水經冷凝器19在過壓下循環回流。 通過在閥25處減壓到4巴產生了 4巴的蒸汽。在管道17的上方端部得到 了 4巴和163。C的飽和蒸汽。蒸汽的一部分經管20作為外部蒸汽送出用於 其他目的，而不用於生產水玻璃。另一部分所產生的蒸汽經管21流入第二 換熱器22，即用於鬆散材料(Schiittgut)的平板換熱器，其將原料即沙子和蘇 打的混合物預熱到約125°C。原料的預熱在熔爐3中實現了更高的生產量， 其中預熱的原料被送入熔爐3。在排出熱量後，蒸汽流入冷凝器23。高溫 的冷凝物經泵24導入溶解器13,在溶解器13中冷^t物起到減少從外部輸 入的4巴蒸汽的作用。
所建議的方法非常適合於例如在製備玻璃時(見圖2和3)有效利用熔融 物的熱容量。根據本發明，藉助合適的管式換熱器(Rohrbiindelwarme-austauscher)，熔融物的熱容量可用來產生蒸汽。可以使用所有本領域技術 人員已知的熱交換器作為在本發明中的換熱器。此外，可通過技術措施， 如安裝外殼、鼓風機等改善傳熱。另外，可以通過最佳化管道或換熱器的 表面屬性(如顏色、塗層、粗糙度)來提高傳熱。
產生0.4噸的4巴蒸汽。所述換熱器由管束組成且帶有外殼(見圖2和3), 以通過抽吸作用以提高空氣流速。這種結構本身具有下列優點
改善對流傳質
通過排出熱空氣降低環境溫度 通過屏蔽高溫熔融物，提高了工作安全性
從第 一換熱器(外殼16)產生的蒸汽的大部分可以出售或用於工廠內部。
至少 一部分在第 一換熱器(外殼16)中產生的蒸汽流入例如另 一個合適的換 熱器中，以根據本發明預熱由沙子和蘇打組成的原料。該混合物在第二換 熱器中加熱到約125。C。此處基本上可以使用所有通用構型的換熱器。平板 換熱器和特別是震動換熱器特別適於預熱固體材料，如所使用的沙子或沙 子和蘇打。在合適的運行條件下，原料的溼度與方法無關。
因預熱的原料，熔爐的生產能力得到了提高，可以節省能量。作為冷 凝物離開第二換熱器22的蒸汽流，可以用於另外的過程。根據本發明，當 所述來自第二換熱器22的冷凝物直接用於溶解過程時，可相應地減少必需 的能量消耗。
但是，所得能量也可用於本過程以及其它任意的過程。 本文所述的新穎的方法對於這種應用具有下列優點
產生4巴的蒸汽
混合料預熱
在溶解過程時節省4巴蒸汽
熔爐生產能力的提高
工作安全性的提高和更舒適的工作條件
溶解過程能量消耗的降低
根據本發明，冷卻帶11主要經第一換熱器16而冷卻。如到目前為止， 用水進行其餘冷卻，其中水從底部噴灑到從上向下運回的帶上面。由此沒
有被汽化的水同樣也可以用於溶解器。
外殼16在結構上的設置要使得可以從外部良好地清潔管道。相關符號列表
1 帶秤
2 螺旋混合器
3 熔爐
4 油/氣燃燒器
5 鼓風機
6 蓄熱腔
7 廢氣
8 蓄熱腔
9 廢氣冷卻器
10 電濾器
11 冷卻帶
12 塊狀玻璃
13 溶解器
14 液態玻璃，含水的
15 炫融的水3皮璃
16 外殼，第一換熱器
17 管道
18 泵
19 冷凝器
20 輸送管
21 輸送管
22 第二換熱器，平板換熱器
23 冷凝器
24 泵
25 閥
權利要求
1.在使用熱回收的熔爐、優選槽爐中通過熔融原料並使其凝固來製備產品的方法，優選為製備玻璃特別是水玻璃的方法，其特徵在於，將至少一部分來自所製備產品的熱量，特別是在其凝固時所產生的熱量用於原料的預熱。
2. 根據權利要求l的方法，其特徵為，所製備的玻璃在第一換熱器(16)上釋放熱量，所述第一換熱器(16)將熱 量傳給第二換熱器(22)，所述第二換熱器(22)預熱原料。
3. 根據權利要求2的方法，其特徵為，所述第一換熱器(16)構建成外殼(16)，其安裝在載有所製備玻璃的一個 或多個冷卻帶(ll)周圍，特別是安裝在其上面。
4. 根據權利要求2或3的方法，其特徵為， 所述第二換熱器(22)構建成用於鬆散材料的平板換熱器。
5. 根據前述權利要求中任一項的方法，其特徵為， 將所製備玻璃在其凝固時釋放出的至少一部分熱量用於所述凝固的玻璃(固態玻璃)(12)溶於水中時的供熱。
6. 根據權利要求5的方法，其特徵為，使用水作為接收來自所製備的固態玻璃(12)釋放出的熱量的熱載體，並 且將至少一部分這種經加熱的熱載體導入用以熔解所述固態玻璃的容器(溶 解器)(13)中。
7. 根據權利要求6的方法，其特徵為， 所述從第二換熱器(22)釋放出的冷凝物導入溶解器(13)中。
8. 製備玻璃特別是水玻璃的設備，其包括熔爐、特別是槽爐(3)，並設 有用於所製備的仍熔融的玻璃的冷卻裝置(ll),其特徵為，將作為第一換熱器構建的外殼(16)設置在冷卻裝置(11)的周圍，優選僅 設置在冷卻裝置(ll)的上面，並設置第二換熱器(22)用以預熱原料，並且向 所述第二換熱器(22)供應從第一換熱器(16)釋放出的經加熱的熱載體。
9. 根據權利要求8的設備，其特徵為，設有將固態玻璃(12)溶解於水中的容器(溶解器)(13),並且溶解器(13) 的入口與第二換熱器(22)的冷凝物出口相連接。
全文摘要
本發明提供了在使用熱回收的熔爐、優選槽爐中通過熔融原料並使其凝固來製備產品的方法，優選為製備玻璃特別是水玻璃的方法，其特徵在於，至少將一部分來自所製備的產品的熱量用於原料的預熱。由此可同時實現節約能量、提高槽爐的生產能力、改善勞動保護並且對於生產出的熔融玻璃消耗更少的用以冷卻傳送帶的冷卻水。
文檔編號C03B3/02GK101541692SQ200780044076
公開日2009年9月23日 申請日期2007年11月17日 優先權日2006年11月27日
發明者伯恩哈德·古奇, 梅米特·阿爾藤奧克, 阿克塞爾·弗蘭克, 馬庫斯·特裡斯特拉姆 申請人:考格尼斯智慧財產權管理有限責任公司