PL185575B1 - Sposób i urządzenie do topienia odzyskiwanych materiałów krzemianowych - Google Patents

Abstract

1. Sposób topienia odzyskiw anych m aterialów krzem ianow ych, w którym te m aterialy krzem ianow e w prow adza sie do kom ory spalania, nastepnie topi sie je z w ykorzystaniem ciepla, w ytw arzanego w trakcie do- prow adzania paliw a i pow ietrza dla procesu spalania, z n am ien n y tym , ze w kierunku osi (72) linii srubowej do kom ory spalania (8) w prow adza sie wirujacy stru- m ien nosny (54) pow ietrza o srubow ym m odelu prze- plyw u i m aterial krzem ianow y (70). 10. Urzadzenie do topienia odzyskiw anych m ateria- lów krzem ianow ych, zaw ierajace zespól do w prow adza- nia paliw a i pow ietrza do kom ory spalania, znam ienne tym , ze kom ora wstepna (38) o kolowych przekrojach poprzecznych (42) wzgledem jej osi srodkowej (40) jest usytuowana pomiedzy kom ora spalania (8) a mieszalnikiem (56), a przewód zasilajacy w tryskiw anym strumieniem (50) laczy m ieszalnik (56) z kom ora wstepna (38) i ucho- dzi do tej komory wstepnej (38) m im osrodow o w kierun- ku poprzecznym wzgledem osi srodkowej (40), przy czym kom ora wstepna (38) ma otw ór w ylotowy (36) usytuowa- ny poprzecznie wzgledem srodkowej osi (40) i w pewnej odleglosci osiowej od przewodu zasilajacego (48), laczacy z kom ora spalania (8). Fig.1 PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób topienia odzyskiwanych materiałów krzemianowych, w którym te materiały krzemianowe wprowadza się do komory spalania, następnie topi się je z wykorzystaniem ciepła wytwarzanego w trakcie doprowadzania paliwa i powietrza dla procesu spalania. Ponadto przedmiotem wynalazku jest urządzenie do topienia odzyskiwanych materiałów krzemianowych, zawierające zespół do wprowadzania paliwa i powietrza do komory spalania.

Topienie krzemianowych materiałów wsadowych jest podstawowym warunkiem wstępnym w procesie produkcji wyrobów z wełny mineralnej. Istnieje również potrzeba wykorzystania odpadów wełny mineralnej jako materiałów odzyskanych.

Dostarczanie odzyskiwanych materiałów krzemianowych do komory spalania stwarza problemy, szczególnie w przypadku gdy ciśnienie wewnątrz komory spalania jest wyższe od atmosferycznego. Sytuacja taka zachodzi w przypadku komory spalania typu cyklonu, znanego z niemieckiego opisu patentowego nr 4325726 A. Gdy odzyskiwany materiał krzemianowy, który ma być wprowadzony do komory spalania, ma np. postać drobnych cząstek lub wykazuje duży stosunek powierzchni do swojej masy, wówczas siła ciężkości działająca na jego cząstki nie będzie wystarczająco duża aby pokonać siłę unoszenia wynikającą z nadciśnienia, przy braku której cząstki odzyskiwanego materiału krzemianowego można by ładować tak jak materiał masowy, przez wsypywanie do komory spalania. Gdyby jednak odzyskiwany materiał krzemianowy był wtryskiwany prostoliniowo do komory spalania za pomocą przyspieszonego strumienia nośnego, to mimo iż umożliwiłoby to zwiększenie zdolności penetracji komory spalania przez ten materiał, na skutek dużej prędkości przepływu zmniejszyłby się znacznie czas przebywania odzyskiwanego materiału krzemianowego w komorze spalania, i w rezultacie nie zostałby on stopiony w sposób zadowalający.

W przypadku topienia odzyskiwanych materiałów krzemianowych, zanieczyszczenia organiczne występujące w tych materiałach oraz przywierające do nich odpady, np. resztki środków wiążących lub pozostałości z procesu laminowania, należy utleniać prowadząc jednocześnie proces topienia odzyskiwanego materiału krzemianowego. Wymaga to długiego czasu przebywania tego materiału w komorze spalania. Powstałe produkty spalania nie mogą ponownie się mieszać z uzyskanym czystym, stopionym odzyskanym materiałem krzemianowym. W czasie procesu topienia ciśnienie w komorze spalania, które jak wspomniano powyżej, jest wyższe od atmosferycznego, ulega dalszemu zwiększeniu, ponieważ po spaleniu początkowe, stałe zanieczyszczenia przechodzą w stan gazowy, co wiąże się ze wzrostem ich objętości. Wszystko to zwiększa trudności związane z wprowadzaniem odzyskiwanych materiałów krzemianowych do komory spalania, zwłaszcza wtedy, gdy stosunek powierzchni cząstek do ich masy jest względnie duży.

W procesie topienia odzyskiwanych materiałów krzemianowych pochodzących z wełny mineralnej, przed wprowadzeniem ich do komory spalania rozdrabnia się je w urządzeniu mechanicznym na kawałki o przeciętnej wielkości poniżej 10 mm. Stwierdzono, że nawet

185 575 cząstki wełny mineralnej o nieregularnych kształtach, mające średnice powyżej 10 mm, są w sposób zadowalający przenoszone w strumieniu nośnym bez uprzedniego rozdrabniania.

W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4544393 ujawniono sposób topienia szkła w reaktorze wirowym oraz kilka rozwiązań toroidalnych reaktorów wirowych. Sposób ten w szczególności dotyczy mieszania co najwyżej trzech różnych mieszanin sproszkowanych materiałów będących komponentami przeznaczonymi do produkcji szkła, oraz powietrza lub gazu, a także ich wprowadzania do odpowiednio wykonanego toroidalnego reaktora. Parametry procesu kontroluje się poprzez ustawienie stosunku ilościowego utleniacz/paliwo w ogrzewaczu wstępnym zawiesiny i reaktorze wirowym. Ogrzane cząstki w zawiesinie są mieszane i przenoszone ku ścianom reaktora wirowego pod wpływem wywołanych mechanicznie sił odśrodkowych działających na zawiesinę, przy czym reakcje związane z wytwarzaniem szkła zachodzą wzdłuż ścian reaktora wirowego. We wspomnianym opisie patentowym nie ujawniono odzyskiwania materiału krzemianowego w celu jego zawrócenia do odpowiednio przystosowanego urządzenia.

W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4544394 ujawniono kilka rozwiązań toroidalnych reaktorów wirowych. W szczególności opis ten dotyczy mieszania co najwyżej trzech różnych sproszkowanych materiałów służących do wytwarzania szkła, oraz powietrza lub gazu, a także ich wprowadzania do tych toroidalnych reaktorów.

W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4553997 ujawniono przykład specjalnego wykonania toroidalnego reaktora wirowego oraz sposób topienia szkła, a zatem ww. opis nie ma nic wspólnego ze sposobem ani urządzeniem do topienia odzyskiwanych materiałów krzemianowych.

Z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3555164 i odpowiednio z niemieckiego opisu patentowego nr 3335859 znane jest urządzenie, w którym drobno granulowany koncentrat rudy wraz z gazami reakcyjnymi jest wtryskiwany poziomo z dużą prędkością za pomocą iniektora do górnej strefy komory spalania typu cyklonu. Jednak urządzenie to nie może być wykorzystane do wprowadzania odzyskiwanych materiałów krzemianowych do komory spalania. W przypadku niemieckiego opisu patentowego nr 3335859 wykorzystuje się kilka, np. cztery iniektory lub dysze, usytuowane na przedłużeniach boków kwadratu wpisanego w walcowy kształt komory. Kierunki wtrysku przebiegają wzdłuż siecznych komory spalania, toteż w przypadku stosowania czterech dysz, ledwo unika się przecinania kolejnych strumieni. Każdy z iniektorów wdmuchuje materiał wyjściowy bezpośrednio na przeciwległą ścianę komory spalania w obszarze następnej dyszy lub iniektora. Jest to niekorzystne, gdyż ściana komory spalania jest poddawana dodatkowym, zbędnym naprężeniom mechanicznym, co w konsekwencji prowadzi do szybszego jej zużycia. Zmniejszony okres trwałości jest nie do przyjęcia w przypadku topienia odzyskiwanych materiałów krzemianowych.

Celem wynalazku było nadanie odzyskiwanemu materiałowi krzemianowemu dostatecznej zdolności penetracji komory spalania w celu umożliwienia całkowitego jego stopienia oraz, w zależności od przypadku, całkowite spalenie odpadów i zanieczyszczeń przywierających do niego, a w rezultacie uzyskanie wystarczająco czystego stopionego materiału krzemianowego przeznaczonego do wytwarzania nowych produktów z wełny mineralnej.

Cel ten osiągnięto dzięki temu, że w kierunku osi linii śrubowej do komory spalania wprowadza się wirujący strumień nośny powietrza o śrubowym modelu przepływu i materiał krzemianowy.

Korzystnie strumień nośny wprowadza się współosiowo względem osi wzdłużnej do górnej strefy komory spalania

W korzystnym przykładzie realizacji sposobu według wynalazku powietrze nośne przyspiesza się, po czym wprowadza się doń materiał krzemianowy i wytwarza się liniowy strumień powietrza nośnego i materiału krzemianowego, a następnie liniowemu strumieniowi nadaje się ruch wirowy.

Ponadto w innej postaci realizacji sposobu według wynalazku wprowadzany strumień nośny otacza się wirującym strumieniem obejmującym o śrubowym modelu przepływu, korzystnie płomieniem z palnika, w górnej strefie komory spalania.

185 575

Strumień nośny utworzony z materiału krzemianowego i powietrza nośnego miesza się z wirującym strumieniem obejmującym podczas przepływu ku dołowi wewnątrz komory spalania w kierunku jej osi wzdłużnej.

Korzystnie strumieniowi nośnemu i wirującemu strumieniowi obejmującemu nadaje się ruch wirowy w tym samym kierunku wewnątrz komory spalania, przy czym ich wektory rotacji mają taki sam zwrot.

Zgodnie z dalszym korzystnym przykładem realizacji sposobu według wynalazku, podlegające utlenianiu substancje przywierające do materiału krzemianowego lub w nim zawarte spala się w wysokiej temperaturze w czasie ich przebywania w górnej strefie komory spalania, a produkty spalania przeprowadza się w stan gazowy i miesza się ze spalinami z płomienia, a następnie materiał krzemianowy w środkowej strefie komory spalania topi się i odprowadza wraz ze spalinami jako czysty materiał wyjściowy.

Ponadto korzystnie świeże powietrze ogrzewa się z wykorzystaniem energii cieplnej spalin z kadzi do topienia i/lub spalin z płomienia, a następnie rozdziela się je na częściowy strumień, doprowadzany bezpośrednio do komory spalania oraz częściowy strumień stanowiący powietrze nośne.

Gdy wirujący strumień nośny, zawierający śrubowe elementarne strugi powietrza i odzyskiwany materiał krzemianowy wprowadza się do komory spalania w kierunku osi linii śrubowej, korzystnie wprowadzony materiał uzyskuje dużą energię kinetyczną, co umożliwia dobrą penetrację wnętrza komory spalania, przy jednoczesnym zachowaniu względnie małej składowej prędkości skierowanej wzdłuż osi linii śrubowej. Odzyskiwany materiał krzemianowy dzięki swojemu ruchowi po torach śrubowych, pomimo znacznej energii kinetycznej w chwili wlotu, przebywa i jest poddawany działaniu ciepła we wnętrzu komory spalania przez wystarczająco długi czas, co umożliwia jego całkowite stopienie. Znacząco długie działanie ciepła umożliwia ponadto całkowite utlenienie lub spalenie zanieczyszczeń przywierających do odzyskiwanego materiału krzemianowego lub zmieszanych z nim odpadów, takich jak np. substancje organiczne lub środki wiążące. Dzięki sile odśrodkowej wywołanej śrubowym ruchem strumienia nośnego i różnym gęstościom i/lub różnym stanom skupienia stopionego odzyskiwanego materiału krzemianowego i produktów spalania, możliwe jest ich odpowiednie rozdzielenie. Ponadto gdy działanie ciepła jest dostatecznie duże, wewnątrz komory spalania produkty spalania występują w całości w stanie gazowym i mogą zostać, w przypadku gdy źródłem ciepła jest palnik płomieniowy, zmieszane ze spalinami z płomienia. Dzięki temu można wykluczyć ponowne mieszanie się produktów spalania ze stopionym odzyskiwanym materiałem krzemianowym.

Sposób według wynalazku jest generalnie odpowiedni dla topienia mieszanin składników szklistych, a zastosowanie kilku urządzeń przetwórczych pracujących równolegle zapewnia wzrost wydajności produkcji. W tym przypadku można również dodatkowo wykorzystywać odzyskiwany materiał krzemianowy.

Wprowadzanie strumienia nośnego do górnej strefy komory spalania współosiowo z osią wzdłużnej komory spalania zapewnia w przybliżeniu osiowo-symetryczne powstawanie strumienia nośnego i/lub warunków spalania wewnątrz komory spalania, co umożliwia łatwiejsze sterowanie procesem.

Wirujący strumień nośny można wytworzyć przyspieszając liniowy strumień powietrza dostarczony przewodem np. z turbosprężarki. Sprężarka nadaje jednocześnie pożądany ruch wirowy przyspieszonemu strumieniowi powietrza. Wówczas, do płynącego z dużą prędkością i wirującego strumienia powietrza można wprowadzać odzyskiwany materiał krzemianowy.

W celu wytworzenia strumienia nośnego, strumień powietrza przyspiesza się np. za pomocą iniektora, a odzyskiwany materiał krzemianowy wprowadza się do tego strumienia nośnego w taki sposób, że wytworzonemu strumieniowi nadaje się ruch wirowy. Powietrze przeznaczone do procesu spalania można również wykorzystywać jako powietrze nośne, jeżeli dodatkowa ilość powietrza poprawia warunki spalania odpadów···. Z tym przyspieszonym strumieniem powietrza lub z dodatkowym powietrzem do procesu spalania można zmieszać zmielony lub rozdrobniony w inny sposób odzyskiwany materiał krzemianowy. Wprowadzanie odzyskiwanego materiału krzemianowego do powietrza dodatkowo korzystnie umożliwia

185 575 ustalenia optymalnego stosunku ich mieszania, mając na uwadze spalanie już w tak wczesnym stadium, jakim jest ich mieszanie. Ponieważ przyspieszony strumień powietrza zawierający cząstki odzyskiwanego materiału krzemianowego wstępnie jest wprowadzany liniowo, kontrolowanie proporcji mieszania, np. za pomocą czujników optycznych, jest zasadniczo ułatwione.

Z chwilą gdy przyspieszony strumień powietrza, wprowadzony początkowo jako liniowy strumień, zostanie następnie wprawiony w ruch wirowy, uzyskuje się żądany wirujący strumień nośny zawierający śrubowe strugi elementarne powietrza i odzyskiwanego materiału krzemianowego. Zaletą tego wirującego strumienia nośnego jest to, że cząstki odzyskiwanego materiału krzemianowego zawarte w wirującym strumieniu nośnym w dużej mierze podążają za strugami elementarnymi po stałych torach śrubowych. Dzięki temu raz ustalony stosunek mieszanego powietrza i odzyskiwanego materiału krzemianowego nie ulega zasadniczej zmianie, ponieważ unika się segregacji spowodowanej tworzeniem się niepożądanych miejsc zastoju w strumieniu nośnym oraz powtórnego mieszania będącego wynikiem niekontrolowanych turbulencji.

Do tej pory nie jest jednak jasne, w wyniku jakiej zasady przepływu daje się zaobserwować przemianę liniowego strumienia w wirujący strumień nośny, który wewnątrz komory wstępnej zawiera śrubowe strugi elementarne powietrza i odzyskiwanego materiału krzemianowego. W każdym razie, nieoczekiwanie okazuje się, że strumień nośny wytworzony w komorze wstępnej, można wyobrazić sobie jako strumień płynący wewnątrz rury o kształcie korkociągu, w sposób analogiczny do schodzenia po spiralnych schodach, bez jakichkolwiek istotnych odchyleń.

W przypadku, gdy strumień nośny wprowadzany do wnętrza komory spalania, zostaje otoczony w górnej strefie komory spalania wirującym strumieniem, zawierającym śrubowe strugi elementarne, korzystnie można uniknąć kontaktu pomiędzy strumieniem nośnym i obrzeżem ściany komory spalania w jej górnej strefie, a strumień nośny, dzięki przeważającym prostopadłym do osi linii śrubowej siłom odśrodkowym, może rozszerzać się stopniowo coraz bardziej przenikając do otaczającego go strumienia wzdłuż osi linii śrubowej i w kierunku ruchu. Gdy przykładowo wirujący strumień obejmujący jest płomieniem z palnika, staje się wówczas możliwe optymalne doprowadzanie ciepła do strumienia nośnego. W wyniku tego można całkowicie stopić cząstki odzyskiwanego materiału krzemianowego, a odpady całkowicie utlenić lub spalić.

Gdy strumień nośny i otaczający go wirujący strumień obejmujący lub płomień z palnika mieszają się wzajemnie podczas przepływu ku dołowi w komorze spalania, w ten sposób można uzyskać coraz bardziej intensywne mieszanie strumienia nośnego z otaczającym go wirującym strumieniem obejmującym. Prowadzi to ostatecznie do otrzymania stopionego produktu osadzającego się w dolnej strefie komory spalania poza ścianą komory spalania i płynącego wzdłuż tej ściany, oraz spalin wraz z zawartymi w nich produktami spalania płynących w środku komory spalania wzdłuż jej osi wzdłużnej.

Ponadto można ustalić gradient temperatury w kierunku wzdłużnym przez komorę spalania, np. gdy wirujący strumień obejmujący jest płomieniem z palnika. Umożliwia to utworzenie kolejnych stref o różnych średnich wartościach temperatury w kierunku wzdłużnym. Dzięki ujemnemu gradientowi temperatury, temperatura w komorze spalania zmniejsza się stale w kierunku przepływu, przy czym można dostosować odpowiedni zakres temperatury najbardziej korzystny dla poszczególnego etapu procesu w trakcie przepływu przez komorę spalania. A zatem, np. do utlenienia środka wiążącego lub pozostałości z procesu laminowania wymagana jest wyższa temperatura niż dla stopienia odzyskiwanego materiału krzemianowego, raz stopiony odzyskiwany materiał krzemianowy można z kolei utrzymywać w stanie ciekłym, natomiast spaliny można utrzymywać w stanie gazowym w niższej temperaturze. Ponadto w ten sposób zapewnia się optymalne wykorzystanie doprowadzanej do procesu energii cieplnej.

Strumień nośny i otaczający go wirujący strumień obejmujący mogą wirować w tym samym kierunku. Dzięki temu można uzyskać bardzo spokojne i wolne od turbulencji mieszanie tych strumieni. Gdy wirujący strumień obejmujący ma postać płomienia, można po185 575 nadto uzyskać łagodne spalanie odpadów i topienie odzyskiwanego materiału krzemianowego. Ponieważ strumień nośny i otaczający go wirujący strumień obejmujący mieszają się bardzo powoli, można przyjąć, że gradient temperatury jest względnie mały. Takie prowadzenie procesu jest korzystne ze względu na spokojne topienie odzyskiwanego materiału krzemianowego.

Strumień nośny może również wirować w kierunku przeciwnym niż otaczający go wirujący strumień obejmujący. Dzięki temu można uzyskać intensywne mieszanie strumienia nośnego z otaczającym go wirującym strumieniem obejmującym już w strefie pierwszego spotkania tych dwóch strumieni. W szczególności w przypadku, gdy wirujący strumień obejmujący ma postać płomienia, mogą powstać silne turbulencje w strefie granicznej pomiędzy tymi obydwoma strumieniami, co umożliwia szybkie spalanie odpadów ograniczone do względnie małego obszaru wewnątrz komory spalania. Można założyć, że gradient temperatury w kierunku wzdłużnym komory spalania staje się w tym przypadku stosunkowo duży. Takie przeprowadzenie procesu może znaleźć zastosowanie w przypadku silnie zanieczyszczonego odzyskiwanego materiału krzemianowego zawierającego duże ilości substancji odpadowych wymagających utlenienia.

Utleniane lub spalane odpady lub substancje odpadowe, takie jak np. środki wiążące lub pozostałości z procesu laminowania, przywierające do odzyskiwanego materiału krzemianowego lub w nim zawarte przechodzą w stan gazowy w czasie ich przebywania w górnej strefie komory spalania przy odpowiednio dobranej podwyższonej temperaturze spalania i mogą być zmieszane ze spalinami z palnika z wytworzeniem spalin o złożonym składzie. Dzięki temu substancje odpadowe po ich spaleniu nie mogą się ponownie mieszać ze stopionym odzyskiwanym materiałem krzemianowym. Przez odpowiedni dobór czasu przebywania w komorze spalania i niższej temperatury w środkowej strefie komory spalania, można ustalić optymalne warunki dla topienia odzyskiwanego materiału krzemianowego. W tym przypadku raz stopiony odzyskiwany materiał krzemianowy pozostaje w stanie ciekłym. Ponadto możliwe jest odprowadzanie spalin, a także stopionego odzyskiwanego materiału krzemianowego z komory spalania poprzez wspólny wylot. Spaliny płyną wówczas w środku wzdłuż osi wzdłużnej komory spalania, i dalej poprzez wylot na zewnątrz, a stopiony odzyskiwany materiał krzemianowy płynie w dolnej strefie komory spalania wzdłuż jej ściany w kierunku wylotu i wzdłuż jego krawędzi poza komorę spalania.

Wspólne odprowadzanie spalin i stopionego odzyskiwanego materiału krzemianowego jednym kanałem jest korzystne z punktu widzenia zachowania prostej budowy urządzenia. Oddzielne przewody lub kanały dla stopionego odzyskiwanego materiału krzemianowego i spalin nie są konieczne, ponieważ składniki te są już rozdzielone w chwili wyjścia przez wspólny wylot. Ponadto możliwe jest połączenie spalin wytworzonych w procesie topienia odzyskiwanego materiału krzemianowego ze spalinami pochodzącymi z procesu topienia czystego materiału krzemianowego w kadzi oraz wspólne odprowadzanie tych dwóch rodzajów spalin do wspólnego punktu oczyszczania spalin.

Do świeżego powietrza dla procesu spalania doprowadza się energię cieplną ze spalin z kadzi i/lub z komory spalania, przy czym część tego powietrza wprowadza się bezpośrednio do komory spalania, a pozostałą część do strumienia powietrza. W szczególnie korzystnym trybie prowadzenia procesu, świeże powietrze lub powietrze dla procesu spalania ma temperaturę otoczenia wynoszącą około 20°C i jest wprowadzane do wymiennika ciepła lub rekuperatora. Ten wymiennik ciepła przekazuje energię cieplną ze spalin, które wpływają do wymiennika mając temperaturę około 1000°C, a opuszczają go mając temperaturę około 200°C, powietrzu dla procesu spalania, które ogrzewane jest do temperatury około 650°C. W wyniku tego uzyskuje się zasadniczo lepszy bilans cieplny procesu, przy czym ogrzane powietrze może korzystnie wchłaniać ewentualną wilgoć zawartą w odzyskiwanym materiale krzemianowym. Odzyskiwany materiał krzemianowy jest więc poddawany suszeniu po zmieszaniu go z ogrzanym powietrzem, dzięki czemu można uniknąć tworzenia się skroplin wewnątrz komory wstępnej.

Odnośnie budowy urządzenia, cel wynalazku osiągnięto dzięki temu, że komora wstępna o kołowych przekrojach poprzecznych względem jej osi środkowej jest usytuowana pomiędzy komorą spalania a mieszalnikiem, a przewód zasilający wtryskiwanym strumieniem

185 575 łączy mieszalnik z komorą wstępną i uchodzi do tej komory wstępnej mimośrodowo w kierunku poprzecznym względem osi środkowej, przy czym komora wstępna ma otwór wylotowy usytuowany poprzecznie względem środkowej osi i w pewnej odległości osiowej od przewodu zasilającego, łączący z komorą spalania.

Korzystnie mieszalnik ma iniektor z dyszą, przewód doprowadzania materiału krzemianowego, korzystnie w postaci zsypu i otwór wlotowy do przewodu zasilającego, przy czym przewód jest umieszczony pomiędzy dyszą i otworem wlotowym.

W korzystnym przykładzie palnik jest umieszczony na zewnątrz komory spalania o pionowej osi wzdłużnej, przy czym otwór palnika jest usytuowany w płaszczyźnie równoległej do osi wzdłużnej komory spalania, mimośrodowo w górnej strefie tej komory, przy czym płomień stanowiący otaczający strumień jest skierowany mimośrodowo do komory spalania.

Korzystnie część komory wstępnej usytuowana powyżej otworu wylotowego jest ukształtowana stożkowo zwężając się w kierunku przepływu strumienia i korzystnie łączy się bezpośrednio z komorą spalania.

Ponadto korzystnie komora wstępna ma płaszcz chłodzący dla jej ściany.

Korzystnie komora spalania ma w dolnej strefie otwór wylotowy, usytuowany poprzecznie względem wzdłużnej osi.

Tak więc zaproponowano po raz pierwszy umieszczenie komory wstępnej pomiędzy mieszalnikiem wytwarzającym liniowy strumień a komorą spalania, mającą za zadanie topienie odzyskiwanego materiału krzemianowego. W celu wytworzenia strumienia nośnego z powietrza i odzyskiwanego materiału krzemianowego, liniowy strumień może być doprowadzony do komory wstępnej przewodem zasilającym. Ten przewód zasilający wchodzi mimośrodowo do komory wstępnej w kierunku poprzecznym względem osi środkowej. Komora wstępna ma ponadto otwór wylotowy usytuowany poprzecznie względem osi środkowej i w pewnej odległości osiowej od przewodu zasilającego, przy czym otwór ten łączy komorę wstępną z komorą spalania. W wyniku tego strumień powietrza może zostać początkowo przyspieszony przy użyciu mieszalnika i naładowany odzyskiwanym materiałem krzemianowym, korzystnie w postaci jego cząstek. Strumień powietrza, przyspieszony i naładowany odzyskiwanym materiałem krzemianowym, można następnie wprowadzać w kierunku poprzecznym i mimośrodowo względem osi środkowej komory wstępnej, wskutek czego liniowo wtryskiwany strumień w tym momencie zostaje przekształcony w wirujący strumień nośny, zawierający śrubowe strugi elementarne. Ponieważ otwór wylotowy komory wstępnej jest usytuowany poprzecznie względem osi środkowej komory wstępnej oraz idealnie pokrywającej się z nią osi linii śrubowej, wynikowy wirujący strumień nośny, zawierający śrubowe strugi elementarne powietrza i odzyskiwanego materiału krzemianowego, może opuścić komorę wstępną w układzie podobnym do korkociągu.

Mieszalnik ma iniektor z dyszą, przewód doprowadzający odzyskiwany materiał krzemianowy, np. w postaci zwykłego zsypu, oraz otwór wlotowy do przewodu zasilającego prowadzącego do komory wstępnej, co pozwala na uzyskanie bardzo prostej a zarazem mocnej budowy, przy czym kontrolowanie warunków przepływu strumienia jest łatwe. W szczególności zastosowanie iniektora z dyszą pozwala na bardzo sprawne przyspieszanie strumienia powietrza, optymalne z punktu widzenia mechaniki płynów W tym przypadku powietrze może np. być wstępnie sprężone i przyspieszone w sprężarce lub dmuchawie dostępnej w handlu, a następnie uwolnione i przyspieszone za pomocą dyszy iniektora.

Palnik umieszczony jest na zewnątrz komory spalania, przy czym otwór palnika uchodzi mimośrodowo w górną strefę komory spalania, w płaszczyźnie równoległej do wzdłużnej osi komory spalania tak, że wytwarzany płomień w postaci wirującego strumienia obejmującego może być skierowany mimośrodowo do komory spalania. Pozwala to na uzyskanie szeregu korzyści. Za pośrednictwem wirującego strumienia obejmującego lub płomienia z palnika, bezpośrednio stykającego się ze ścianami komory spalania, komora spalania przyjmuje obciążenie cieplne (jeżeli takie jest), przy czym unika się kontaktu pomiędzy strumieniem nośnym a ścianą komory spalania, dzięki czemu można zapobiec niepożądanemu przywieraniu cząstek odzyskiwanego materiału krzemianowego do ściany komory spalania. Ponadto dzięki temu, że strumień nośny podczas swego przejścia przez komorę spalania może rozpra185 575 szać się w otaczającym go wirującym strumieniu obejmującym, możliwe jest uzyskanie optymalnego dopływu ciepła w dowolnej chwili. W korzystnym wykonaniu, palnik i komora spalania tworzą piec do topienia typu cyklonowego. Takie rozwiązanie ma wszystkie zalety pieca cyklonowego.

Gdy część komory wstępnej usytuowana powyżej otworu wylotowego ma kształt stożkowy, wytworzony strumień nośny może zostać ściśnięty a następnie przyspieszony, ponadto zapobiega się w znacznym stopniu powrotowi ciepła z komory spalania do komory wstępnej. Ponadto dzięki takiemu stożkowemu ukształtowaniu cząstki odzyskiwanego materiału krzemianowego zawierające niecałkowicie utwardzony środek wiążący nie przywierają do ściany komory wstępnej, pomimo że cząstki te mogą zostać lekko ogrzane w wyniku zwrotnego transferu ciepła z komory spalania, czego nie można całkiem wykluczyć.

W korzystnym wykonaniu, otwór wylotowy komory wstępnej łączy ją bezpośrednio z komorą spalania, co zapewnia zwartą budowę połączenia komory wstępnej i komory spalania, a także korzystnie unika się niepotrzebnego opóźniania w wytworzeniu strumienia nośnego.

W celu chłodzenia ściany komory wstępnej ma ona płaszcz chłodzący. Dzięki temu lekko nagrzane cząstki odzyskiwanego materiału krzemianowego, które na skutek obecności niecałkowicie spolimeryzowanych składników środka wiążącego mogłyby przywierać do ściany komory wstępnej, nie przywierają do niej. Mianowicie, przy zetknięciu ze ścianą komory wstępnej, cząstki odzyskiwanego materiału krzemianowego mogą ulec ponownemu ochłodzeniu, przy czym nie utwardzona całkowicie pozostałość środka wiążącego może ulec utwardzeniu, dzięki czemu cząstki odzyskiwanego materiału krzemianowego mogą oddzielić się od ściany komory wstępnej.

Wewnętrzne ściany komory spalania wyłożone są cegłami z materiału ogniotrwałego, co umożliwia uzyskanie wysokiej temperatury we wnętrzu komory spalania.

Komora spalania ma otwór wylotowy dla stopionego odzyskiwanego materiału krzemianowego i spalin, usytuowany prostopadle do osi wzdłużnej, przy czym ten otwór wylotowy łączy się z przewodem zasilającym lub kanałem łączącym, w kierunku kadzi ze stopioną kąpielą. Tak więc spaliny i stopiony odzyskiwany materiał krzemianowy mogą być odprowadzane razem. W ten sposób stopiony odzyskiwany materiał krzemianowy może być doprowadzany do stopionego oddzielnie w kadzi materiału pochodzącego z czystego materiału wyjściowego, a następnie przetworzony na nowe włókna mineralne razem z nim, w dalszych etapach procesu. Spaliny powstałe podczas topienia odzyskiwanego materiału krzemianowego mogą być ponadto doprowadzane do spalin powstałych w kadzi i połączone z nimi, toteż możbwe jest wykorzystanie istniejących instalacji oczyszczania spalin bez dalszych zmian konstrukcyjnych dla oczyszczania spalin pochodzących z odzyskiwanego materiału krzemianowego.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach -wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia w przekroju część urządzenia, składającą się z komory wstępnej, komory spalania i zasobnika odprowadzającego materiał do kadzi do topienia, z płaszczyzną przekroju równoległą do kierunku przepływu strumienia nośnego, fig. 2 - mieszalnik przedstawiony na fig. 1 i komorę wstępną w przekroju w powiększeniu, a fig. 3 - mieszalnik i komorę wstępną w przekroju odpowiadającym przekrojowi na fig. 2.

Figura 1 przedstawia przykład wykonania urządzenia według wynalazku. Cyklonowy piec 1 do topienia jest umieszczony na zasobniku 2, połączonym z wnętrzem kadzi ze stopionym odzyskiwanym materiałem krzemianowym (nie pokazanej). Urządzenie to jest osadzone na dźwigarach 6 z dwuteowych profili stalowych.

Cyklonowy piec 1 do topienia ma komorę spalania 8, zawierającą palnik 10, który za pomocą łącznika 12 jest zamocowany do rury ogniowej 14, która z kolei jest połączona z komorą spalania 8 w cyklonowym piecu 1 do topienia. Palnik 10 ma przyłącze 16 paliwa, przez które może być zasilany paliwem 18. Palnik 10 ma ponadto przyłącze 20 powietrza, przez które może być zasilany powietrzem 22 dla spalania paliwa 18.

Komora spalania 8 cyklonowego pieca 1 do topienia jest połączona z kadzią do topienia (nie pokazaną) poprzez otwór wylotowy 24 i zasobnik 2 i ma kołowe przekroje poprzeczne 26 rozmieszczone wzdłuż osi wzdłużnej 28 komory spalania 8. Komora spalania 8 może być podzielona domyślnie na co najmniej trzy strefy, a mianowicie górną strefę 30, środkową stre10

185 575 fę 32 i dolną strefę 34. W dolnej strefie 34 komory spalania 8, jak już wspomniano, jest usytuowany otwór wylotowy 24, a w górnej strefie 30 jest usytuowana rura ogniowa 14 jako element łączący z palnikiem 10, jak również otwór wylotowy 36 komory wstępnej 38.

Komora wstępna 38 ma kołowe przekroje poprzeczne 42 rozmieszczone wzdłuż osi środkowej 40 tej komory i może być domyślnie podzielona na co najmniej dwie części, a mianowicie na walcową część górną 44 i stożkową część dolną 46 połączoną bezpośrednio z komorą spalania 8.

Przewód zasilający 48 uchodzi do komory wstępnej 38, rozciągając się mimośrodowo i prostopadle względem walcowej części górnej 44, toteż liniowy wtryskiwany strumień 50 płynący przewodem zasilającym 48 może być wprowadzany mimośrodowo do komory wstępnej 38. Płynie on wzdłuż wewnętrznej ściany 52 komory wstępnej i jest odchylany dzięki zakrzywionemu jej ukształtowaniu, w wyniku czego powstaje wirujący strumień nośny 54, który opuszcza komorę wstępną 38 przez otwór wylotowy 36 i wpływa do górnej strefy 30 komory spalania 8.

Mieszalnik 56 jest połączony z wolnym końcem przewodu zasilającego 48 i ma iniektor 58 z dyszą 60, przewód 62 doprowadzający odzyskiwany materiał krzemianowy, stanowiący np. zsyp materiału wyjściowego i otwór wlotowy 64, połączony z przewodem zasilającym 48. Koniec przewodu 62 doprowadzającego odzyskiwany materiał krzemianowy znajduje się pomiędzy otworem wylotowym dyszy 60 i otworem wlotowym 64 przewodu zasilającego 48. Doprowadzane do iniektora 58 powietrze nośne 66 jest przyspieszane za pomocą dyszy 60 do postaci liniowego strumienia 50. Do tego liniowego strumienia 50 wprowadza się rozdrobniony odzyskiwany materiał krzemianowy 70. Przyspieszony liniowy strumień 50 składa się więc z powietrza nośnego 66 i odzyskiwanego materiału krzemianowego 70. Wirujący strumień nośny 54 powstały w komorze wstępnej 38 z liniowego strumienia 50, płynie w kierunku osi 72 linii śrubowej, która idealnie pokrywa się ze środkową osią 40 komory wstępnej 38, poprzez otwór wylotowy 36 z komory wstępnej 33 do komory spalania 8 i przez tę komorę spalania 8 w kierunku otworu wylotowego 24. W trakcie przepływu wirujący strumień nośny 54 stopniowo rozszerza się wewnątrz komory spalania 8 cyklonowego pieca 1 do topienia.

Wirujący strumień obejmujący 74 zawierający śrubowe strugi elementarne, utworzony przez płomień 76 z palnika 10, płynie od palnika 10 przez łącznik 12 i rurę ogniową 14, wewnątrz komory spalania 8 wzdłuż wewnętrznej ściany 78 komory spalania i mimośrodowo w płaszczyźnie równoległej do przekrojów kołowych 26 komory spalania 8 w jej górnej strefie 30 i stamtąd schodzi po torach śrubowych do otworu wylotowego 24 komory spalania 8. Wirujący strumień obejmujący 74 otacza strumień nośny 54, stopniowo rozszerzający się wzdłuż swej drogi od otworu wylotowego 36 do otworu wylotowego 24, w wyniku czego następuje ciągłe mieszanie strumienia nośnego 54 z otaczającym go wirującym strumieniem obejmującym 74.

Wraz z płomieniem 76 z palnika 10, spaliny 80 z tego palnika również wpływają do komory spalania 8. W górnej strefie 30 komory spalania 8, zanieczyszczenia i substancje odpadowe przywierające do odzyskiwanego materiału krzemianowego 70 zostają spalone. Produkty spalania przechodzą w stan gazowy i mieszają się ze spalinami 80, które ostatecznie wypływają przez otwór wylotowy 24 do zasobnika 2. W środkowej części 32 i dolnej części 34 komory spalania 8 odzyskiwany materiał krzemianowy 70 ulega stopieniu i staje się stopionym materiałem wyjściowym 82 płynącym wraz ze spalinami 80 poprzez otwór wylotowy 24 do zasobnika 2 i poprzez niego do kadzi ze stopionym odzyskiwanym materiałem krzemianowym (nie pokazanej). Spaliny 80 odpływają wraz ze spalinami z kadzi do topienia.

Ściana 78 komory spalania oraz wylot 84 palnika są wyłożone wysoce żaroodpornymi i obojętnymi cegłami 86. Komora spalania 8 zawiera ponadto płaszcz chłodzący 88 dla chłodzenia ściany 78 komory spalania i wylotu 84 palnika. Komora wstępna 38 również ma płaszcz chłodzący 94, dzięki któremu ściana 52 komory wstępnej może być chłodzona za pomocą czynnika chłodzącego.

Na figurze 2 pokazano komorę wstępną 38 i mieszalnik 56 w powiększeniu, a na fig. 3 pokazano je w przekroju poprzecznym. Powietrze nośne 66, już wstępnie przyspieszone, jest dostarczane do iniektora 58 i uwalniane przez dyszę 60 z nadaniem mu znacznego przyspie185 575 szenia. W ten sposób można uzyskać prędkość przepływu powyżej 250 m/s. Tak przyspieszone powietrze nośne 66 łączy się z odzyskiwanym materiałem krzemianowym 70 poprzez przewód 62, wskutek czego powstaje liniowy strumień 50 złożony z powietrza nośnego 66 i odzyskiwanego materiału krzemianowego 70.

Liniowy strumień 50 wprowadza się przewodem zasilającym 48 do komory wstępnej 38, w której liniowy strumień 50 jest przekształcany w wirujący strumień nośny 54, zawierający śrubowe strugi elementarne. Ten wirujący strumień nośny 54 płynie wzdłuż osi 72 linii śrubowej, z walcowej górnej części 44 komory-wstępnej, przez dolną część 46 zwężającą się stożkowo w kierunku przepływu strumienia, wypływa z komory wstępnej 38 przez otwór wylotowy 36 i wpływa do komory spalania 8 (nie pokazanej). Stożkowe ukształtowanie dolnej części 46 pełni dwojaką rolę, tj. dalej centruje wirujący strumień nośny 54 jednocześnie przyspieszając go w pewnym stopniu, a ponadto zapobiega wstecznemu przenikaniu ciepła z komory spalania (nie pokazanej) do komory wstępnej 38. W celu zmniejszenia obciążenia cieplnego i zapobieżenia przywieraniu cząstek odzyskiwanego materiału krzemianowego do ściany 52 komory wstępnej 38 jest ona wyposażona w płaszcz chłodzący 94.

185 575

185 575

46

185 575

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims (15)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób topienia odzyskiwanych materiałów krzemianowych, w którym te materiały krzemianowe wprowadza się do komory spalania, następnie topi się je z wykorzystaniem ciepła, wytwarzanego w trakcie doprowadzania paliwa i powietrza dla procesu spalania, znamienny tym, że w kierunku osi (72) linii śrubowej do komory spalania (8) wprowadza się wirujący strumień nośny (54) powietrza o śrubowym modelu przepływu i materiał krzemianowy (70).
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że strumień nośny (54) wprowadza się współosiowo względem osi wzdłużnej (28) do górnej strefy (30) komory spalania (8).
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że powietrze nośne (66) przyspiesza się, po czym wprowadza się doń materiał krzemianowy (70) i wytwarza się liniowy strumień (50) powietrza nośnego (66) i materiału krzemianowego (70), a następnie liniowemu strumieniowi (50) nadaje się ruch wirowy.
4. 4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że wprowadzany strumień nośny (54) otacza się wirującym strumieniem obejmującym (74) o śrubowym modelu przepływu, korzystnie płomieniem (76) z palnika (10), w górnej strefie (30) komory spalania (8).
5. 5. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że wprowadzany strumień nośny (54) otacza się wirującym strumieniem obejmującym (74) o śrubowym modelu przepływu, korzystnie płomieniem (76) z palnika (10), w górnej strefie (30) komory spalania (8).
6. 6. Sposób według zastrz. 4 albo 5, znamienny tym, że strumień nośny (54) utworzony z materiału krzemianowego (70) i powietrza nośnego (66) miesza się z wirującym strumieniem obejmującym (74) podczas przepływu ku dołowi wewnątrz komory spalania (8) w kierunku jej osi wzdłużnej (28).
7. 7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że strumieniowi nośnemu (54) i wirującemu strumieniowi obejmującemu (74) nadaje się ruch wirowy w tym samym kierunku wewnątrz komory spalania (
8. 8), przy czym ich wektory rotacji mają taki sam zwrot.

   , 8. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że podlegające utlenianiu substancje przywierające do materiału krzemianowego (70) lub w nim zawarte spala się w wysokiej temperaturze w czasie ich przebywania w górnej strefie (30) komory spalania (8), a produkty spalania przeprowadza się w stan gazowy i miesza się ze spalinami (80) z płomienia (76), a następnie materiał krzemianowy w środkowej strefie (32) komory spalania (8) topi się i odprowadza wraz ze spalinami (80) jako czysty materiał wyjściowy.
9. 9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że świeże powietrze ogrzewa się z wykorzystaniem energii cieplnej spalin z kadzi do topienia i/lub spalin (80) z płomienia (76), a następnie rozdziela się je na częściowy strumień (22), doprowadzany bezpośrednio do komory spalania oraz częściowy strumień będący powietrzem nośnym (66).
10. 10. Urządzenie do topienia odzyskiwanych materiałów krzemianowych, zawierające zespół do wprowadzania paliwa i powietrza do komory spalania, znamienne tym, że komora wstępna (38) o kołowych przekrojach poprzecznych (42) względem jej osi środkowej (40) jest usytuowana pomiędzy komorą spalania (8) a mieszalnikiem (56), a przewód zasilający wtryskiwanym strumieniem (50) łączy mieszalnik (56) z komorą wstępną (38) i uchodzi do tej komory wstępnej (38) mimośrodowo w kierunku poprzecznym względem osi środkowej (40), przy czym komora wstępna (38) ma otwór wylotowy (36) usytuowany poprzecznie względem środkowej osi (40) i w pewnej odległości osiowej od przewodu zasilającego (48), łączący z komorą spalania (8).
11. 11. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że mieszalnik (56) ma iniektor (58) z dyszą (60), przewód (62) doprowadzania materiału krzemianowego, korzystnie w postaci zsypu i otwór wlotowy (64) do przewodu zasilającego (48), przy czym przewód (62) jest umieszczony pomiędzy dyszą (60) i otworem wlotowym (64).

    185 575
12. 12. Urządzenie według zastrz. 10 albo 11, znamienne tym, że palnik (10) jest umieszczony na zewnątrz komory spalania o pionowej osi wzdłużnej (28), przy czym otwór (84) palnika jest usytuowany w płaszczyźnie równoległej do osi wzdłużnej (28) komory spalania (8), mimośrodowo w górnej strefie (30) tej komory, przy czym płomień (76) stanowiący wirujący strumień obejmujący (74) jest skierowany mimośrodowo do komory spalania (8).
13. 13. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że część (46) komory wstępnej (38) usytuowana powyżej otworu wylotowego (36) jest ukształtowana stożkowo zwężając się w kierunku przepływu strumienia i korzystnie łączy się bezpośrednio z komorą spalania (8).
14. 14. Urządzenie według zastrz. 10 albo 13, znamienne tym, że komora wstępna (38) ma płaszcz chłodzący (94) ściany (52).
15. 15. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że komora spalania (8) ma w dolnej strefie otwór wylotowy (24), usytuowany poprzecznie względem wzdłużnej osi (28).