專利名稱：高溫管式爐的固定床過濾預熱器系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般來說涉及高溫熔爐領域，特別是適用于玻璃制造，其中玻璃形成材料被熔融。
傳統(tǒng)上用于熔融玻璃形成材料的玻璃熔融爐是空氣燃燒爐。因為玻璃形成材料的熔融需要非常高的溫度，所以玻璃熔融爐的操作溫度是所有工業(yè)熔爐中最高的其中之一。這種高操作溫度使得大量燃燒爐產生的熱在煙道上損失。當燃燒爐使用周圍空氣和天然氣進行燃燒時，一般只有燃燒爐產生能量的百分之十五至二十左右可在玻璃熔融爐中作為可用熱而被利用。
本領域技術人員已經有了解決該問題的辦法，那就是將玻璃熔融爐的煙道氣和輸入的空氣進行間接熱交換將輸入空氣預熱從而將熱傳遞回玻璃熔融爐中而不是從煙道中白白逸走。本領域技術人員均知道這種熱交換器是再生換熱爐，它們顯著地提高了工業(yè)用空氣燃燒玻璃熔融爐的效率。
大家所知的NOx即氮氧化物被認為是有害的環(huán)境污染物，NOx排放量的減少量是一個日益重要的目標?；诙矫娴脑?，傳統(tǒng)的空氣燃燒玻璃熔融過程是NOx的重要發(fā)生源。首先，空氣的近80％是氮，因而大量的氮被帶入形成NOx的燃燒過程中。其次，玻璃熔融操作所需的高溫動力學上適于NOx的形成。
大家知道通過使用氧或富氧空氣作為氧化劑可以提高玻璃熔融步驟的熱效率。此外，氧或富氧空氣的使用減少了燃燒區(qū)中存在的氮量，取而代之的是等量的氧分子。然而盡管使用氧可提高熱效率，但是氧的耗費經常使得到用氧作為氧化劑的玻璃熔融比傳統(tǒng)的利用空氣作為氧化劑的玻璃熔融花費為高。
在玻璃熔融領域一項最近重要的進展是美國專利4973364中Kobayashi所公開并進行權利要求的方法，其中玻璃形成材料在輸入到熔融器皿之前進行了預熱。
盡管碎玻璃即循環(huán)使用的廢玻璃的預熱最近已成功地在工業(yè)上的空氣燃燒玻璃熔爐生產中采用，但是原材料的預熱則有幾方面的困難而限制了其在工業(yè)上的成功應用。一個問題是一些玻璃形成材料即使在低于1000°F的溫度下也易在預熱器中燒結從而使被預熱的玻璃形成材料難以順暢的流動。另一個問題是細的原料混入了煙道氣中使煙道氣出現(xiàn)高粉塵濃度，從而在排氣管道上需要昂貴的污染控制設備投資。
在使用氧氣或富氧空氣的玻璃熔融爐中，高的煙道氣溫度帶來了一個另外的技術難題。目前工藝水平的碎玻璃預熱器和分批原料預熱器的設計均是針對處理同流換爐或交流熱熱爐換熱后的來自空氣燃燒爐的較低溫度的煙道氣的。一般煙道氣的最大入口溫度低于1500°F。高溫煙道必須通過用卻冷空氣稀釋或用熱交換器來冷卻。這會減低總的熱效率，并增加系統(tǒng)的復雜性。
因此，需要建立能克服在此以前預熱器方面所遇到的各種問題的改良方法，因此本發(fā)明的目的就是提供一種能顯著降低排氣中污染物水平的帶高效預熱器的系統(tǒng)。
一旦本領域技術人員閱讀了本發(fā)明的專利公開，上述目標及其它目標都將要得甚為明了，本發(fā)明的一個方面是預熱玻璃形成顆粒的方法，包括(A)在玻璃熔融區(qū)產生熱煙道氣，所述的熱煙道氣包含粒狀物和可冷凝的揮發(fā)性物質；(B)將熱煙道氣從玻璃熔融區(qū)通到包含氣體冷卻區(qū)和過濾區(qū)的預熱器皿中；(C)將冷的制備玻璃的顆粒物送到預熱器中，在過濾區(qū)形成一張制備玻璃的顆粒物的床；(D)將熱煙道氣通過冷卻壓，同時通過對制備玻璃的顆粒物的熱輻射使煙道氣的溫度至少降低200°F；(E)將來自冷卻區(qū)的煙道氣通過保持固定狀態(tài)的制備玻璃的顆粒物床，將煙道氣中的粒狀物在床上過濾下來，并且將煙道氣中的揮發(fā)性物質在制備玻璃的顆粒物上冷凝下來，同時加熱了所述床；和(F)將加熱后的制備玻璃的顆粒物從預熱器轉移到玻璃熔融區(qū)，將凈化的煙道氣從預熱器中排除。
本發(fā)明的另一方面包括玻璃熔融設備，其中包括(A)玻璃熔融器皿；(B)包含冷卻區(qū)和過濾區(qū)的預熱器皿；(C)將制備玻璃的顆粒物送到預熱器皿中的裝置和在預熱器皿的過濾區(qū)形成制備玻璃的顆粒物固定床的裝置；(D)將未自玻璃熔融器皿的煙道氣送到預熱器皿的冷卻區(qū)、通過在過濾區(qū)中的制備玻璃的顆粒物床并從預熱器中排擊的裝置；和(E)將預熱器中的制備玻璃的顆粒物送到玻璃熔融器皿的裝置。
本文所用的術語“可冷凝的揮發(fā)性物質”是指在玻璃熔融器皿中可以處于氣態(tài)而在預熱器皿中可以處于液態(tài)或固態(tài)的物質。
本文所用的術語“熱煙道氣”是指一般超過1500°F的煙道氣，并且當可冷凝的揮發(fā)性物質存在時，其溫度足夠高到至少可使一部分可冷凝的揮發(fā)性組分處于氣態(tài)。
本文所用的術語“泠的制備玻璃的顆粒物”是指處于足夠低到至少使一些可冷凝的揮發(fā)性物質成為液態(tài)或固態(tài)溫度的制備玻璃的顆粒物。
本文所用的術語“床”是指處于容器內的固體顆粒物的可透聚集體。
本文所用的術語“固定床”和“非移動床”是指非流動性顆粒物構成的床。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的一個實施方案的簡化截面示意圖。
圖2是本發(fā)明的某一截面的更詳盡的示意圖。
圖3是用于本發(fā)明的含氣體冷卻區(qū)的預熱器的示意圖，其使用流動批料。
下面將參照附圖來詳細描述本發(fā)明的情況。
現(xiàn)在參照圖1和圖2，在玻璃熔融器皿或熔融區(qū)2產生了熱煙道氣1。區(qū)2也可以是熔爐區(qū)。在圖1和圖2中各常規(guī)組成單元的編號是一致的。熱煙道氣在某種程度上是通過諸如天然氣等燃料和氧氣濃度在30％以上的富氧空氣或純度超過99.5％的工業(yè)純氧氣一起燃燒而產生。氧氣或富氧空氣的使用減少了當空氣作氧化劑時存在的含氮廢氣，因此減少了煙道氣的體積，并使其能有效地順流通過床，從而能獲得本發(fā)明的有益結果，其中流動過床的情況將在下面關于預熱器的章節(jié)中描述。燃燒過程由圖中未標出的燃燒爐進行。優(yōu)選的燃燒爐是在Kobayashi的US5076779和Kobauashi等的US5267850中所公開的燃燒爐。這樣產生的熱煙道氣為將玻璃形成材料加熱和熔化的玻璃熔融區(qū)提供了熱。一般來說，熱煙道氣的溫度會超過約2400°F，一般是在2000°F到3000°F的溫度范圍內。熱煙道氣包含氮和燃燒產物。如二氧化碳和水蒸汽。
在玻璃熔融區(qū)加熱玻璃形成材料的過程中，熱煙道氣會吸收玻璃形成材料中的顆粒物質和可冷凝的揮發(fā)性物質。這種顆粒物質的例子包括在玻璃原料中的小顆粒，而這種可冷凝的揮發(fā)性材料的例子包括硫酸鈉、氫氧化鈉和偏硼酸鈉。
包含顆粒物質和揮發(fā)性物質的熱煙道氣從玻璃熔融區(qū)2通過傳遞裝置3進入包含氣體冷卻區(qū)14和過濾區(qū)20的預熱容器或預熱室4中。傳遞裝置3橫切面小，以使輻射熱傳遞達到最大，但又必須足夠大使得壓力能保持在一英寸水柱以下。在圖2所說明的優(yōu)選的實施方案中，預熱器4和傳統(tǒng)的玻璃熔融爐相結合形成了熔爐和普通玻璃浴的獨立區(qū)。正象圖3中所說明的，預熱容器也可和玻璃熔爐完全分離，而通過煙道氣導管相連。冷的玻璃形成顆粒物6也通過進料裝置5輸入到預熱容器4中。玻璃形成材料或制備玻璃的材料一般包括一種或多種諸如砂、蘇打灰、石灰石、白云石、鐵丹和碎玻璃等材料。冷的玻璃形成材料一般在室溫下輸入。
所述的冷的劑制備玻璃的材料一般在預熱容器內諸如在支座7上形成二張或多張床9?？梢元毩⒀b料和卸料的多張床可以象圖2中所示的那樣重直排列或平行排列。床9可以如圖1所示的那樣構成冷卻區(qū)和過濾區(qū)之間分界線的一部分。也可以成為側壁以提供大的暴露于熱煙道氣的表面積。在圖2所示的實施方案中，通過將顆粒物流過旋轉閥7和通過進料推動裝置13將顆粒物輸送或推動到水平支座7上而形成床9。熱煙道氣例如通過誘導通風扇或噴射器而流進冷卻區(qū)14并從那里通過床9。圖1和圖2說明了優(yōu)選的排列方式，其中所述床表面和通過床的氣體的流動方向成一角度。成角度的床的排布以及床材料構成的敞開表面提供了獨特的優(yōu)點，那就是通過床9使金屬支座7和推動裝置13避免與熱煙道氣直接接觸。床的角度保持與進料的放置的正常角度相近從而使床的厚度達到均勻。機械振動裝置可以被用來促進床材料的順暢流動來形成均勻的厚度。選擇好床的厚度以便在沒有過大壓降情況下獲得良好的過濾效果。由于熱煙道氣流過了容器4，所以發(fā)生了大量有利影響。伴隨著在冷卻區(qū)14的熱煙道氣，熱煙道氣的熱通過輻射至玻璃形成材料和容器壁而傳遞，因而將玻璃形成材料預熱并提高了玻璃熔融過程的熱效率。所述的輻射熱傳遞是傳遞到形成床9的冷顆粒物上，也可以是傳遞到浮于熔融的玻璃浴器8上的加熱后的顆粒物12上。要使熱煙道氣的熱有效地輻射傳遞到玻璃形成材料上，具有大的敞開的氣體空間、大的床表面積和良好絕熱的壁體是重要的。這種輻射熱傳遞可將煙道氣的溫度降低至少200°F，最好達到至少500°F，一般可使其溫度降到1500°F以下。然后這種降溫后的煙道氣通過所述床。伴隨著煙道氣通過床，煙道氣的顆粒物被濾到床上，同時由于來自煙道氣的對流和傳導熱傳遞而將床進一步加熱。同時，可冷凝揮發(fā)性物質從煙道氣被冷凝到床上。一些床顆?？赡艹霈F(xiàn)有益的燒結現(xiàn)象。提高了床的過濾能力，當床被加熱至所需溫度時，通過關閉床的煙道氣的通道出口(未繪出)而停止煙道氣流向所述床而繼續(xù)通過其它的床。通過加料裝置將預熱后的床用新鮮的玻璃形成材料更新。在裝料時可以用反清洗氣流來防止粉塵夾帶到所述床的下游通道。
由于熱傳遞、冷凝和過濾的結果，三方面互相獨立的有益的作用被簡單、同步而有效地發(fā)揮。清除了顆粒物和可冷凝的揮發(fā)性物質的經冷卻的煙道氣10通過排氣裝置11而從預熱器4排出。預熱后的玻璃形成顆粒12通過諸如通道3進入玻璃熔融區(qū)2。煙道氣的熱被有效地用來預熱所述顆粒物。
本發(fā)明不同于傳統(tǒng)的與諸如玻璃熔融爐等熔爐連用的預熱系統(tǒng)，處于加熱狀態(tài)時，本發(fā)明的顆粒物床是固定的或非移動的床。對于傳統(tǒng)的移動床系統(tǒng)來說，床顆粒物的移動會導致其俘獲的顆粒物和冷凝的物質的釋放。因此，即使煙道氣中的一些顆粒物可以除去，但是經過移動床重新釋放的顆粒物依然排入煙道管中。玻璃制造業(yè)中還會遇到的另一個問題是由于玻璃形成材料顆粒與熱煙道氣的直接接觸而導致預熱器中玻璃形成材料的軟化或部分熔融。這種軟化或部分熔融會導致嚴重的材料處理困難。通過本發(fā)明可克服該問題。在本發(fā)明中具有含氣體冷卻區(qū)和過濾區(qū)的預熱器，熱煙道氣在直接與過濾區(qū)的原料的顆粒物床接觸前先在氣體冷卻區(qū)通過輻射熱傳遞而冷卻，例如冷卻至低于1500°F的溫度。此外，圖2所說明的特殊的床設計也使該床表面的融化只局限于一定程度。
由于使用工業(yè)純氧氣或富氧空氣作為氧化劑進行燃燒，其產生的煙道氣的體積流速較低，從而使本發(fā)明實踐中的煙道氣流速比相應的傳統(tǒng)的玻璃熔融系統(tǒng)低三至五倍。
組成床的玻璃形成材料的平均粒徑量好在0.1至5毫米的范圍內。盡管更小的平均粒徑可以改善該過程的過濾和熱傳遞性質，但是因此而導致的越過所述床的高壓降會使該過程的進行不經濟。
因為一些玻璃形成材料具有較好的作為過濾介質的物理性質，所選擇的玻璃形成材料的組分可在過濾床中使用。例如，各批原料一般均制備成低于1mm的大小。碎玻璃可以粉碎并使之達到1至5mm的尺寸后再用到床上，這樣降低了壓降。在各批原料中砂量占原料總量的百分之六十至七十，它具有良好的固體流動性和溫度穩(wěn)定性。砂可以用作唯一的過濾介質，在進料到玻璃熔融爐之間經預熱的砂可以和其它制備玻璃的材料混合。
也可以將預熱器設計成能使熱煙道氣最大程度地熱傳遞到預熱器壁上，這樣可以改善對冷的玻璃形成材料析熱傳遞。最好使用帶機械送料裝置的循環(huán)多床系統(tǒng)，因為它比連接移動床系統(tǒng)在技術操作上麻煩較少。圖1所示的整體化預熱器設計和將經預熱的玻璃形成材料成為熔化態(tài)玻璃的直接過程具有另一優(yōu)點，那就是從預熱器到玻璃熔化爐的正常材料輸送階段時間內實際上沒有熱的損失。
在圖3所示的實施方案中，預熱器60包含冷卻區(qū)61和過濾區(qū)65。在冷卻區(qū)61中，熱煙道氣62流過大量下降的冷的顆粒物63，產生輻射熱傳遞以及增強了的對流熱傳遞?？衫淠膿]發(fā)性材料可以煙道氣中在顆粒物63上冷凝出來。諸如玻璃形成材料等顆粒物在煙道氣流過的過濾區(qū)65內形成垂直或懸掛的固定床64。凈化后的煙道氣68通過排氣口66從預熱器60排除，而經預熱的材料67和69則輸送到玻璃熔融爐或熔爐中。玻璃形成材料67和69可以是選自整個組合物中的一種或多種組分，二者在輸送到玻璃熔融爐之前或之時相互混合。例如，只有砂才可被用作顆粒物63，只有碎玻璃才可被用作固定床介質64。盡管圖3中沒有說明，但為能連續(xù)處理煙道氣而需要二張或更多張循環(huán)運作的固定床。
下面將通過適當?shù)膶嵤├齺碚f明本發(fā)明的情況。但本發(fā)明并不因此而受局限。例中使用了三床循環(huán)系統(tǒng)，每具系統(tǒng)均類似于圖1和圖2所示的系統(tǒng)，一般包含蘇打—石灰玻璃原料和占比例百分之三十五的碎玻璃的冷的玻璃形成材料被用于構成具有80平方英寸面積和六英寸平均深度的床。所述的玻璃形成材料的平均粒徑為0.5毫米。通過流速為8,600,000BTU/hr的工業(yè)純氧氣與天然氣的燃燒產生的溫度為2870°F并包含顆粒物質和硫酸鈉的熱煙道氣被通過所述的冷卻區(qū)，其中熱煙道氣通過輻射冷卻到大約1000°F的溫度。其后，所述氣體以0.17英尺/秒的平均流速通過具有8.5英寸水柱的所述床。所述床顆粒被預熱至平均為900°的溫度，而顆粒物床的表面溫度則大約為1000°F。凈化的煙道氣的溫度為500°F，將這種煙道氣和新進的熱煙道氣作比較。比較結果表明百分之九十九的顆粒物質和實際上所有的硫酸鈉均已通過過床而除去。
本發(fā)明也可推廣到其它高溫爐中，諸如水泥窯、石灰窯或加工鐵礦或任何成丸狀的材料的熔爐中。在這種應用中，除了可冷凝的揮發(fā)性物質可能不存在外，本發(fā)明將以和玻璃熔融中所采用的同樣方式來運作。這種方法精確的定義將是如下這樣的
預熱顆粒物的方法包括(A)在爐區(qū)產生熱煙道氣，所述的熱煙道氣包含顆粒狀物；(B)將熱煙道氣從爐區(qū)通到包含氣體冷卻區(qū)和過濾區(qū)的預熱器中；(C)將冷顆粒物送到預熱器中，在所述過濾區(qū)形成一張顆粒物床；(D)將熱煙道氣通過冷卻區(qū)，通過對顆粒物的熱輻射將煙道氣的溫度降低至少200°F。(E)將來自冷卻區(qū)的煙道氣通過顆粒物床，同時維持床的被固定狀態(tài)，將煙道氣的顆粒物在床上過濾下來同時將床加熱；和(F)將經加熱的顆粒從預熱器輸送到所述爐區(qū)，并將凈化后的煙道氣從預熱器排除。
盡管本發(fā)明已根據(jù)一些實施方案詳細地加以闡述，但本領域技術人員會認識到在本權利要求書的精神和范圍內本發(fā)明還可有其它實施方案。
權利要求
1.預熱制備玻璃的顆粒的方法，它包括(A)在玻璃熔融區(qū)產生熱煙道氣，所述熱煙道氣包含顆粒物和可冷凝揮發(fā)性物質；(B)將熱煙道氣從玻璃熔融區(qū)通到包含氣體冷卻區(qū)和過濾區(qū)的預熱器中；(C)將冷的制備玻璃的顆粒物送到預熱器中，在過濾區(qū)形成一張制備玻璃的顆粒物的床；(D)將熱煙道氣通過冷卻區(qū)，通過對制備玻璃的顆粒物的熱輻射使熱煙道氣的溫度降低至少200°F。(E)將來自冷卻區(qū)的煙道氣通過保持固定狀態(tài)的制備玻璃的顆粒物的床，將煙道氣中的顆粒物在床上過濾下來并將煙道氣中的揮發(fā)性物質在制備玻璃的顆粒上冷凝下來，在這同時床也被加熱；和(F)將加熱后的制備玻璃的顆粒從預熱器輸入到玻璃熔融區(qū)，將凈化后的煙道氣從預熱器中排除。
2.權利要求1的方法，其中至少部分煙道氣是通過燃料和至少含30％氧的氧化劑的燃燒產生的。
3.權利要求1的方法，其中所述的煙道氣沿和床表面成一定角度的方向流過床。
4.權利要求1的方法，進一步包括在冷卻區(qū)內將熱煙道氣通過大量下降的玻璃形成顆粒流。
5.權利要求1的方法，其中在過濾區(qū)的制備玻璃的顆粒的床基本上由砂組成，另外還包括將得到的經加熱的砂和其它制備玻璃的材料一起送入到玻璃熔融區(qū)。
6.制備玻璃的設備，包括(A)玻璃制備容器；(B)包含冷卻區(qū)和過濾區(qū)的預熱器；(C)將制備玻璃的顆粒送到預熱器中的裝置和在預熱器的過濾區(qū)形成制備玻璃的顆粒的固定床的裝置；(D)將來自玻璃熔融容器的煙道氣送到預熱器的冷卻區(qū)并通過在過濾區(qū)中的制備玻璃的顆粒床和從預熱器中排出的裝置；和(E)將制備玻璃的顆粒從預熱器送到玻璃熔融容器的裝置。
7.權利要求6的裝置，還包括將大量下降的制備玻璃的顆粒流送到所述冷卻區(qū)的裝置。
8.預熱顆粒的方法，包括(A)在爐區(qū)產生熱煙道氣，所述的熱煙道氣包含粒狀物；(B)將熱煙道氣從爐區(qū)通過到包含氣體冷卻區(qū)和過濾區(qū)的預熱器中；(C)將冷的顆粒送到預熱器中，在所述的過濾區(qū)形成一張顆粒物床；(D)將熱煙道氣通過冷卻區(qū)，通過對顆粒物的熱輻射將煙道氣的溫度降低至少200°F。(E)維持床的固定狀態(tài)，同時將冷卻區(qū)的煙道氣通過顆粒物床，將粒狀物從煙道氣中過濾到床上，同時將床加熱；和(F)將經加熱的顆粒從預熱器輸送到爐區(qū)，并將凈化后的煙道氣從預熱器排除。
9.權利要求8的方法，其中至少部分煙道氣是通過燃料和至少含30％氧的氧化劑的燃燒產生的。
10.權利要求8的方法，其中所述的顆粒包括水泥窯的原材料。
11.權利要求8的方法，其中所述的顆粒包括石水窯的原材料。
12.權利要求8的方法，其中所述的顆粒包括鐵礦。
13.權利要求8的方法，其中所述的熱煙道氣的溫度至少為1500°F。
全文摘要
本發(fā)明涉及玻璃熔融物或顆粒加熱系統(tǒng)，其中熱煙道氣在預熱器內的氣體冷卻區(qū)輻射冷卻，原料構成的固定床或非移動床在預熱器的過濾區(qū)中形成以讓煙道氣通過，煙道通氣過床引發(fā)了熱傳遞、過濾作用，如果揮發(fā)性可冷凝物質存在，也引發(fā)了揮發(fā)性可冷凝物的冷凝作用。
文檔編號C04B7/43GK1126179SQ95109539
公開日1996年7月10日 申請日期1995年9月11日 優(yōu)先權日1994年9月12日
發(fā)明者H·小林 申請人:普拉塞爾技術有限公司