專利名稱：用于玻璃熔窯的頂裝式氧氣－燃料燒嘴及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在其頂部裝有至少一個氧氣-燃料燒嘴以便熔化也被稱為爐料的玻璃加工原料的玻璃熔窯以及一種使用該氧氣-燃料燒嘴的方法。更確切地說，本發(fā)明涉及一種在其頂部裝有至少一個氧氣-燃料燒嘴以便不采用蓄熱器或換熱器地熔化玻璃加工原料從而提高熔化速度和玻璃產(chǎn)品的質(zhì)量的玻璃熔窯以及一種使用該氧氣-燃料燒嘴的方法。
包括熔化區(qū)和澄清區(qū)的蓄熱式或換熱式窯爐通常被用于制造玻璃。蓄熱式或換熱式窯爐與其它類型的窯爐不同的是在操作空氣-燃料燒嘴時采用了至少一個蓄熱器或換熱器。形狀和尺寸可以有許多變化的至少一個蓄熱器或換熱器用于預(yù)熱空氣-燃料燒嘴中所用的空氣。在蓄熱器中，預(yù)熱通常是通過將現(xiàn)有廢氣中的熱量從熔化室傳給按方格板的方式堆砌的耐火磚而實(shí)現(xiàn)的。耐火磚又將其熱量傳遞給將在燃燒燃料時使用的輸入空氣。通常，換熱器可以大致由一個雙壁管構(gòu)成，其中來自熔化室的排氣在中心管內(nèi)與經(jīng)過環(huán)形空間的空氣逆流或順流地流動。但是，蓄熱器或換熱器的性能可能隨時間的推移而變差，因?yàn)樾顭崞骰驌Q熱器可能在其長期遭受含化學(xué)污染物的廢氣的情況下被局部堵塞或者損壞。局部被堵塞或受損的蓄熱器或換熱器不利地影響了空氣-燃料燒嘴的性能，由此降低了玻璃生產(chǎn)率和燃料效率。
因此，有人已經(jīng)提出了在許多熔窯中采用氧氣-燃料燒嘴來補(bǔ)充或完全代替空氣-燃料燒嘴。氧氣-燃料燒嘴已被設(shè)計成能與傳統(tǒng)的空氣-燃料燒嘴相似地形成火焰并傳熱。確切地說，氧氣-燃料燒嘴被設(shè)計成能夠平行于或基本平行于玻璃表面地產(chǎn)生火焰。這些燒嘴向上地將熱量傳入窯 和四周的耐火材料中以及傳入玻璃中。傳熱是通過火焰的直接輻射以及玻璃熔窯的耐火上層結(jié)構(gòu)的再輻射而實(shí)現(xiàn)的。很少的熱量通過對流或熱傳導(dǎo)被傳給玻璃。玻璃熔窯的容量由熔化室內(nèi)的最高耐火溫度限制。因此，使用氧氣-燃料燒嘴時要注意的是與燒嘴高溫以及窯爐的耐火窯頂和窯壁的過熱有關(guān)的危險。
本發(fā)明利用了可通過氧氣-燃料燃燒而獲得的更高的火焰溫度和更低的質(zhì)量流速，以便在將耐火溫度保持在工作極限范圍內(nèi)的同時明顯地增大傳給玻璃的熱量。這是通過使用至少一個垂直于或基本上垂直于玻璃表面而不是象傳統(tǒng)設(shè)計中與之平行地產(chǎn)生火焰的氧氣-燃料燒嘴而實(shí)現(xiàn)的。由于垂直于玻璃表面地使燒嘴點(diǎn)火，所以利用火焰的對流和輻射特性而不是只利用輻射傳熱地將熱量傳給玻璃加工原料。因此，火焰的明亮高溫部分緊靠或直接接觸玻璃加工原料，從而加強(qiáng)了通過輻射的熱傳導(dǎo)。在輻射是相對熱源的距離的指數(shù)函數(shù)時，由輻射產(chǎn)生的熱傳遞在本發(fā)明的玻璃熔窯中比在傳統(tǒng)熔窯中大許多。另外，高溫火焰對玻璃加工原料的舔蝕在火焰的舔蝕區(qū)內(nèi)明顯加強(qiáng)了通過對流產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)。因此，對玻璃和爐料的傳熱速率的提高導(dǎo)致及其顯著地提高了玻璃熔化和澄清的速度。另外，由于大部分傳熱直接來自高溫舔蝕火焰而不是來自耐火材料，所以玻璃熔窯的熔煉能力有所提高，同時又沒有對耐火材料造成熱損傷。
因此，本發(fā)明的一個目的是不增加使?fàn)t窯壁和窯頂過熱危險地提高玻璃熔窯的熔煉能力。本發(fā)明的另一個目的是不使用蓄熱器或換熱器地保持特定的玻璃生產(chǎn)率。本發(fā)明的再一個目的是減少玻璃熔煉中的氮氧化物的生成。本發(fā)明的又一個目的是與傳統(tǒng)的空氣-燃料玻璃熔窯或傳統(tǒng)的氧氣-燃料玻璃熔窯相比減小單位給定生產(chǎn)能力所需的玻璃熔窯尺寸。本發(fā)明的另一個目的是與傳統(tǒng)的空氣-燃料玻璃熔窯相比減少熔化每噸玻璃所需的總能量。本發(fā)明的又一個目的是提供一種允許更好地利用熔窯容量和更靈活地操作的玻璃熔窯，由此降低生產(chǎn)每噸玻璃的熔窯基本投資。
簡單地講，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于由玻璃加工原料制造出已澄清好的玻璃液的帶耐火爐襯的玻璃熔窯，它包括一個通過側(cè)壁與窯底相連并在其間形成一個具有一個熔化區(qū)和一個下游澄清區(qū)的細(xì)長窯室的窯頂；以及至少一個設(shè)置在玻璃熔窯的窯頂內(nèi)的氧氣-燃料燒嘴。該氧氣-燃料燒嘴具有一個用于提供氣體燃料的圓柱形的中心燃料內(nèi)導(dǎo)管和一個與中心燃料出口同心、用以提供氧氣的圓柱形氧氣外導(dǎo)管。將燒嘴設(shè)計成可控制來自氧氣-燃料燒嘴的氣體燃料和氧氣的速度，從而使氣體燃料速度和氧氣速度基本上相等，以便產(chǎn)生一個大致分層的氣體燃料和氧氣流，以在玻璃加工原料的上表面附近燃燒并產(chǎn)生一股舔蝕玻璃加工原料的表面而且具有一個成柱狀的中間部分的火焰。
本發(fā)明還提供了一種用于在帶耐火爐襯的玻璃熔窯中由玻璃加工原料制造出已澄清好的玻璃液的方法。該方法包括以下步驟將玻璃加工原料送入玻璃熔窯的熔化區(qū)；在玻璃熔窯的窯頂內(nèi)設(shè)置至少一個氧氣-燃料燒嘴，該氧氣-燃料燒嘴具有一個用于提供氣體燃料的圓柱形的中心氣體燃料內(nèi)導(dǎo)管和一個與中心燃料出口同心、用以提供氧氣的圓柱形氧氣外導(dǎo)管。要如此地控制來自氧氣-燃料燒嘴的氣體燃料和氧氣的速度，以使得氣體燃料速度和氧氣速度基本上相等，從而產(chǎn)生一個大致分層的氣體燃料流和大致分層的氧氣流，以便在玻璃加工原料的頂面附近燃燒并產(chǎn)生一股舔蝕玻璃加工原料的表面并具有一個大致成柱狀的中間部分的火焰。火焰在熔化區(qū)內(nèi)通過來自至少一個氧氣-燃料燒嘴的火焰覆蓋區(qū)來熔化玻璃加工原料而不使用蓄熱器或換熱器。然后從澄清區(qū)內(nèi)取出已澄清好的熔融玻璃。
根據(jù)以下結(jié)合附圖的具體描述，本發(fā)明的其它特征和目的及優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚，其中

圖1是本發(fā)明的玻璃熔窯的縱向橫截面圖；圖2是沿2-2線截取的圖1所示玻璃熔窯的剖視平面圖；圖3是沿3-3線截取的圖1所示玻璃熔窯的截面圖，它示出了兩個在熔窯的上游端壁附近的氧氣-燃料燒嘴；圖4是沿3-3線截取的圖1所示玻璃熔窯的另一個剖視平面圖，它示出了一個在熔窯的上游端壁附近的氧氣-燃料燒嘴；圖5是氧氣-燃料燒嘴的截面圖并示意性地示出了氧氣-燃料燒嘴的火焰；以及圖6是表示本發(fā)明的氧氣-燃料燒嘴的上工作曲線和下工作曲線的曲線圖。
參見附圖，其中示出了一個用于給玻璃供料通路12提供熔融玻璃的玻璃熔窯10，熔融玻璃在所述供料通路中被進(jìn)一步地澄清并隨后被送往至少一個玻璃成形機(jī)，如容器、成纖器等(未示出)。參見這些附圖，人們將理解到，當(dāng)描述和解釋本發(fā)明時，為了清楚起見而沒有提供構(gòu)造的某些細(xì)節(jié)，因?yàn)檫@樣的細(xì)節(jié)是早就存在的并且是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟知的。
玻璃熔窯10一般包括一個具有一上游端壁14和一下游端壁16的細(xì)長窯室、側(cè)壁18、窯底20和窯頂22，它們都是由合適的耐火材料如礬土、硅石、礬土-硅石、鋯石、鋯石-礬土-硅石等制成的。窯頂22如圖所示地在橫向于窯室的縱軸的方向上具有弧形形狀，但是窯頂可以具有最常見的任何適當(dāng)形狀。玻璃熔窯10的窯頂22位于玻璃加工原料表面上方大約3-10英尺的地方。如在現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知的那樣，玻璃熔窯10可以任選地包括至少一個起泡器24和／或一個電增壓電極。起泡器24和／或電增壓電極提高了大部分玻璃的溫度并加強(qiáng)了在爐料蓋下方熔融玻璃的循環(huán)流動。
玻璃熔窯10包括兩個連續(xù)的區(qū)域，即一個熔化區(qū)26和一個下游澄清區(qū)28。熔化區(qū)26被認(rèn)為是玻璃熔窯10的上游區(qū)，玻璃加工原料30在這里通過現(xiàn)有技術(shù)中公知的裝料機(jī)構(gòu)32被裝入熔窯中。玻璃加工原料30可以是玻璃生產(chǎn)中常用的原材料的混合物?？梢岳斫猓ＡЪ庸ぴ?0的組成取決于所要生產(chǎn)的玻璃的類型。通常，材料尤其是包括含硅材料，它含有一般被稱為“碎玻璃”的細(xì)小的圓形廢玻璃。也可以采用其它包括長石、石灰石、白云石、蘇打灰、碳酸鉀、硼砂和礬土的玻璃加工原料。為了改變玻璃的性能，也可以加入少量的砷、銻、硫酸鹽、碳和／或氟化物。另外，可以加入成色金屬氧化物以便獲得所需的顏色。
玻璃加工原料30在玻璃熔窯10的熔化區(qū)26中的熔融玻璃的表面上形成了由固體顆粒構(gòu)成的料層。浮動的玻璃加工原料30的固體爐料顆粒主要通過安裝在玻璃熔窯10的窯頂22中的至少一個氧氣-燃料燒嘴34被熔化，所述燒嘴具有一個受到控制的舔蝕火焰形狀和長度。可以認(rèn)識到，已發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明地在玻璃加工原料30上方將至少一個氧氣-燃料燒嘴34安裝在玻璃熔窯10的窯頂22中提高了固態(tài)玻璃加工原料的熔化速度并同時將四周耐火材料的工作溫度保持在可接受的工作極限范圍內(nèi)。
如本文所述地，術(shù)語“至少一個氧氣一燃料燒嘴”是指一個或更多個氧氣-燃料燃燒器。另外，如本文所述，術(shù)語“主要通過至少一個氧氣-燃料燒嘴”是指用于熔化玻璃加工原料的能量的至少70％都來自至少一個氧氣-燃料燒嘴的情況。
在一個特殊實(shí)施例中，如圖1、2和4所示，玻璃熔窯10包括三個氧氣-燃料燒嘴34。單個氧氣-燃料燒嘴34位于兩個相鄰布置的下游氧氣-燃料燒嘴的上游。但是，顯然可以在爐料上方將任意數(shù)量的氧氣-燃料燒嘴34安裝在熔窯10的窯頂22中的任何適當(dāng)部位上，以便熔化玻璃加工原料30。例如，可以并排地設(shè)置兩個氧氣-燃料燒嘴34(圖3)，或者可以使用單個氧氣-燃料燒嘴(圖4)。盡管如此，根據(jù)本發(fā)明，各氧氣-燃料燒嘴34在玻璃熔窯窯頂22中的角取向必須是這樣的，即，使所產(chǎn)生的火焰36基本上垂直于玻璃料面，以產(chǎn)生一個舔蝕玻璃表面的火焰。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，氧氣-燃料燒嘴34相對于玻璃加工原料30以一個大約為90+／-10度的角度定位。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，玻璃生產(chǎn)率和所生產(chǎn)的玻璃質(zhì)量可以通過用至少一個向下點(diǎn)火的氧氣-燃料燒嘴34熔化玻璃加工原料30而得到提高，所述燒嘴根據(jù)本發(fā)明地具有受控制的舔蝕火焰形狀和長度。
參見圖5，裝在玻璃熔窯10的窯頂22中的至少一個氧氣-燃料燒嘴34具有一個用于提供氣體燃料的圓柱形氣體燃料中心內(nèi)導(dǎo)管40和一個與中心燃料出口同心的且用于提供氧氣流的圓柱形氧氣外導(dǎo)管42。氧氣-燃料燒嘴34可以具有約為1-10MM Btu／Hr的熱量，這取決于玻璃熔窯10的尺寸和所需的出料率。氧氣-燃料燒嘴34被設(shè)計成能夠利用比空氣中存在的氧氣更多的氧氣，因此在氧氣-燃料燒嘴34的火焰36的舔蝕區(qū)上方的溫度明顯高于利用空氣-燃料燒嘴的傳統(tǒng)玻璃熔窯中的溫度。盡管如此，如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員所熟知的那樣，由氧氣-燃料燒嘴34所賦予的火焰36的溫度取決于燃料的質(zhì)量和氧氣／燃料比。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，氧氣-燃料燒嘴34的氧氣濃度一般在大約是燃燒燃料所需的氧氣化學(xué)計算量的95％-125％的水平。但是，燃料／氧氣比是可以變化的，以便在玻璃熔窯10中產(chǎn)生一個工作條件范圍，從而影響例如包括氧化還原水平、小氣泡水平和／或大多數(shù)任何其它的玻璃性能的性能中的至少一個。
氧氣-燃料燒嘴34向下離開位于玻璃熔窯10的窯頂22中的燒嘴座38。各燒嘴座38包括一個其內(nèi)直徑(id)至少等于圓柱形氧氣導(dǎo)管42的外直徑的開孔。燒嘴座38的開孔的內(nèi)直徑(id)可以約為2英寸-8英寸。氧氣-燃料燒嘴34的端部可以從燒嘴座38的端部起凹入一段大約為3英寸-18英寸的距離。可以理解，在氧氣-燃料燒嘴34的端部與燒嘴座的端部之間的燒嘴座38的開孔用于集中燒嘴火焰并防止燒嘴火焰向外擴(kuò)展。燒嘴座38由本領(lǐng)域中熟知的耐火材料制成并可以具有任何適當(dāng)?shù)男螤?，如成矩形等?br> 燒嘴座38的底面可以與窯頂22的內(nèi)表面平齊，或者底面可以在窯頂內(nèi)表面下方伸出2英寸-18英寸，以便保護(hù)窯頂并促進(jìn)形成在玻璃加工原料的火焰舔蝕點(diǎn)上具有受控的火焰速度的舔蝕火焰型式。另外，如圖5所示，氧氣-燃料燒嘴34的燃料導(dǎo)管40和氧氣導(dǎo)管42在燒嘴座38內(nèi)向下延伸并終止于一個距玻璃加工原料30的表面有大致相同的垂直高度的地方。
根據(jù)本發(fā)明，由至少一個氧氣-燃料燒嘴34形成的向下的舔蝕火焰36受到精確的控制以把熱能傳向玻璃加工原料30和熔融玻璃的表面并使熱能遠(yuǎn)離四周的耐火材料，由此減少了使玻璃熔窯10的側(cè)壁18和窯頂22過熱的危險。舔蝕火焰36可以受到那些在化學(xué)處理中是標(biāo)準(zhǔn)的和傳統(tǒng)的控制裝置的控制。例如，可以容易地利用閥、熱電偶、與適當(dāng)?shù)乃欧€路相連的熱控管、加熱器控制裝置等，并且過去已經(jīng)把這些裝置用于控制來自氧氣-燃料燒嘴34的燃料與氧氣的速度和數(shù)量。與采用空氣-燃料燒嘴的玻璃熔窯相比或與設(shè)置在側(cè)壁中的氧氣-燃料燒嘴平行于玻璃表面地產(chǎn)生火焰的傳統(tǒng)氧氣-燃料燒嘴相比，在玻璃熔窯10中形成的最終溫度曲線圖通常在整個玻璃熔窯的長度范圍內(nèi)更均勻。通常，在采用至少一個氧氣-燃料燒嘴34的玻璃熔窯10中的溫度在大約2300°F-3100°F之間變化。舔蝕火焰36通過控制來自至少一個氧氣-燃料燒嘴34的氧氣與燃料的相對速度及其最高速度和最低速度而受到精確控制。
相對速度即氣體燃料和氧氣的速度必須基本上相等，以便向下地給玻璃加工原料30提供一個大致分層的氣體燃料流和大致分層的氧氣流。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，來自氧氣-燃料燒嘴34的氣體燃料與氧氣的相對速度之間的差別可不超過大約20％。另外，在氧氣-燃料燒嘴34出口處的氧氣流速度與燃料流速度之間的最大差不能超過大約50標(biāo)準(zhǔn)英尺／秒?？梢岳斫?，分層的燃料流和氧氣流防止了燃料和氧氣過早混合，從而允許在玻璃加工原料30的上表面附近出現(xiàn)延遲混合和燃燒，以便產(chǎn)生一個其中間部分大致成柱狀并舔蝕玻璃加工原料表面的火焰，由此為玻璃加工原料提供最佳的熱傳導(dǎo)?！爸虚g部分”是指以下將進(jìn)一步描述的自由噴射區(qū)54。
除了提供基本相等的氧氣流速度和燃料流速度外，舔蝕玻璃加工原料30的表面的燃料和氧氣流的最高速度和最低速度必須受到控制，以便在保持對玻璃加工原料表面的最佳的對流式傳熱的同時防止玻璃爐料侵蝕或移向窯頂22和側(cè)壁18?？梢岳斫猓Ａt料向側(cè)壁18和窯頂22的移動將不利地影響耐火襯材料并可能縮短玻璃熔窯10的工作壽命。
也可以控制氧氣-燃料燒嘴34的氧氣和燃料的最高速度和最低速度，以便利用來自舔蝕火焰36的最大能量，而不會損壞四周的耐火材料。來自舔蝕火焰36的最大能量是通過盡可能地減少散發(fā)到玻璃熔窯10的燃燒空間中的熱量并盡可能地增加向玻璃加工原料30的傳熱而實(shí)現(xiàn)的。在不損壞耐火材料的爐壁和上層結(jié)構(gòu)的情況下向玻璃加工原料30產(chǎn)生可接受的傳熱速度的氧氣-燃料燒嘴34的最高和最低工作速度范圍是氧氣-燃料燒嘴的同心的套管結(jié)構(gòu)、燒嘴座開孔的幾何形狀以及來自氧氣-燃料燒嘴34的氧氣和燃料的速度的函數(shù)。
參見圖6，其中示出了一個曲線圖，它包括一條上工作曲線44和一條下工作曲線46。曲線圖的x軸是根據(jù)無量綱參數(shù)(H／id)定義的，而y軸是根據(jù)在燒嘴座尖端的最高火焰速度(VBb)而定義的。上工作曲線44和下工作曲線46代表在給定(H／id)的情況下燒嘴座38尖端的最高允許速度和最低允許速度(VBb)并限定了三個工作區(qū)，即一個上工作區(qū)48、一個中間工作區(qū)50和一個下工作區(qū)52。上工作區(qū)48代表過高速度或不安全工作區(qū)，下工作區(qū)52代表熱低效區(qū)。中間工作區(qū)50限定出本發(fā)明的氧氣-燃料燒嘴34的一個可接受的工作區(qū)。如圖6所示，(H／id)參數(shù)的范圍約為6-30，在燒嘴座尖端的最大允許速度(VBb)為550英尺／秒?？梢岳斫?，中間工作區(qū)50產(chǎn)生了具有柱形形狀和對玻璃加工原料30的理想傳熱性能的所需舔蝕火焰36。
氧氣-燃料燒嘴34的上工作曲線44和下工作曲線46由一個四階線性多項(xiàng)式表示VBb=a+b(H／id)+c(H／id)2+d(H／id)3+e(H／id)4Ⅰ其中VBb=在燒嘴座端部的最大速度(英尺／秒)，H=燒嘴座端部與玻璃加工原料的上表面之間的距離(英尺)，id=燒嘴座開孔的內(nèi)直徑(英尺)。
對于圖6所示的上工作曲線44來說，H／id的比大約在6-20之間，VBb的范圍大約在190-550英尺／秒之間，系數(shù)的取值是這樣的a=571．0801，b=-187．2957，c=30．1164，d=-1．8198，e=0．04。對于圖6所示的下工作曲線46來說，H／id的比大約在6-30之間，VBb的范圍約在50-300英尺／秒，而且系數(shù)的取值是這樣的a=-103．6111，b=38．9939，c=-2．8772，d=0．1033，e=-0．00125。在上述特定的(H)和(id)的情況下，設(shè)定(H／id)參數(shù)(曲線圖的x軸)，它又確定了在燒嘴座前端的氧氣-燃料燒嘴34的最高速度(VBb)(曲線圖的y軸)，這必須位于上工作曲線和下工作曲線之間，以便產(chǎn)生理想的舔蝕柱狀火焰36形狀和理想的傳熱性能，以熔化玻璃加工原料30。
參見圖5，根據(jù)本發(fā)明，示出了當(dāng)在圖6的中間工作區(qū)內(nèi)工作時舔蝕火焰36的柱狀形狀。舔蝕火焰36是一個軸對稱的柱狀火焰，它具有三個明顯的流動區(qū)，即一個自由噴射區(qū)54、一個滯流區(qū)56和一個壁噴射區(qū)58。
自由噴射區(qū)54是一個不受阻礙的舔蝕火焰區(qū)。在自由噴射區(qū)54內(nèi)，火焰36在火焰舔蝕玻璃加工原料30的表面之前發(fā)展成柱狀。柱狀的火焰形狀是由于控制氧氣和燃料流的流出速度而形成的。更確切地說，在自由噴射區(qū)54內(nèi)，氧氣和燃料流流出燒嘴座38的開孔，在兩股流體之間產(chǎn)生一個受控制的剪切應(yīng)力，所述剪切應(yīng)力產(chǎn)生了一個延長的受控層流，從而實(shí)現(xiàn)精確控制地混合這兩股流體并部分受控制地燃燒。在自由噴射區(qū)54內(nèi)獲得的部分受控制的燃燒對于展開舔蝕火焰36的傳熱性能很重要。柱狀的自由噴射火焰形狀在燒嘴座38的端部與玻璃加工原料30的表面之間的距離的一半(H／2)處具有火焰直徑D2，這由以下關(guān)系式限定1．5id≤D2≤id+0．15HⅡ其中id=燒嘴座開孔的內(nèi)直徑，H=燒嘴座的端部與玻璃加工原料的上表面之間的距離，D2=在燒嘴座的端部與玻璃加工原料表面之間的距離的一半(H／2)處的火焰直徑。
第二區(qū)域即滯流區(qū)56是火焰36穿透熱邊界層并舔蝕玻璃加工原料30的表面的區(qū)域。在該區(qū)域56內(nèi)，火焰36穿透熱邊界層并舔蝕玻璃加工原料的表面，由此在表面上形成了一個加速偏轉(zhuǎn)火焰的水平流動的急劇壓力梯度，結(jié)果使火焰沿舔蝕表面徑向向外地擴(kuò)展。滯流區(qū)56的端部被定義為由舔蝕火焰36產(chǎn)生的壓力梯度降為零時玻璃加工原料表面上的位置。在滯流區(qū)56內(nèi)，通過小心地控制火焰36的動量，自然存在于玻璃加工原料30的表面上的熱邊界層被穿透并被消除，由此減弱了其強(qiáng)大的阻熱性能。因此，由舔蝕火焰36產(chǎn)生的熱更容易進(jìn)入部分熔化的玻璃加工原料30中。另外，在滯流區(qū)56內(nèi)，火焰36的明亮度明顯提高了，這增強(qiáng)了傳入比較冷的玻璃加工原料30中的熱輻射。
壁噴射區(qū)58起始于滯流區(qū)56的徑向邊界處。在此區(qū)域內(nèi)，火焰36基本上平行于舔蝕表面地流動，并且熱分界層沿舔蝕表面擴(kuò)展并向外離開滯流區(qū)56，因此熱分界層開始恢復(fù)對流入玻璃加工原料表面中的熱流的表面阻力。
在自由噴射區(qū)54中產(chǎn)生的受控火焰熱是由于氧氣-燃料燒嘴34的同心套管設(shè)計、燒嘴座38開孔的內(nèi)直徑(id)以及氧氣流和燃料流的最高速度、最低速度以及相對速度而造成的。通過有選擇地控制氧氣-燃料燒嘴34的設(shè)計結(jié)構(gòu)、燒嘴座38的幾何形狀以及氧氣流和燃料流的速度，在氧氣流和燃料流之間產(chǎn)生了減小的剪切應(yīng)力，由此產(chǎn)生了受控制的部分燃燒和減小的熱輻射?？梢岳斫猓ㄟ^在上述的中間工作區(qū)50內(nèi)操作氧氣-燃料燒嘴34，使在自由噴射區(qū)54內(nèi)產(chǎn)生的火焰熱以及在滯流區(qū)56內(nèi)的玻璃原料表面上的傳熱阻力最小化，由此盡可能地增加在滯流區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的熱。
在自由噴射區(qū)54內(nèi)產(chǎn)生的熱是由以下過程引起的。首先，在自由噴射區(qū)54內(nèi)的受控制的部分燃燒允許在玻璃加工原料30的表面上進(jìn)行受控制的燃燒，由此使燃燒發(fā)生在玻璃加工原料的表面附近。使燃燒發(fā)生在玻璃加工原料30的表面附近在玻璃加工原料的表面上產(chǎn)生了升高的溫度梯度，由此改善了對流傳熱。其次，在自由噴射區(qū)54內(nèi)的受控制的部分燃燒為化學(xué)離解燃燒氣體和燃燒產(chǎn)物提供了可接受的溫度。這些離解的物質(zhì)在撞擊到比較冷的玻璃加工原料30的表面上時部分放熱地重新結(jié)合，由此在玻璃加工原料的表面上產(chǎn)生了大量熱。來自放熱反應(yīng)的熱量進(jìn)一步增強(qiáng)了對流傳熱過程。
使在玻璃加工原料30表面的滯流區(qū)56內(nèi)的熱阻力降至最低程度是由以下因素造成的。首先，通過受控的火焰36的動量和由經(jīng)過小心控制的玻璃加工原料30的表面的燃燒特性產(chǎn)生的紊流消除了熱分界層。其次，集中地產(chǎn)生表面熱允許低導(dǎo)熱性的玻璃加工原料30被轉(zhuǎn)變成導(dǎo)熱良好的熔融玻璃材料。這種轉(zhuǎn)變允許在表面產(chǎn)生的熱更有效地深入玻璃加工原料中。這種提高的熱穿透效果降低了熔融玻璃的表面溫度，這提高了火焰36與熔融玻璃表面之間的溫度梯度并加強(qiáng)了對流傳熱過程。
熔融玻璃從玻璃熔窯10的熔化區(qū)26中流到澄清區(qū)28內(nèi)。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，澄清區(qū)28包括至少一個安裝在玻璃熔窯10的窯頂22中的下游氧氣-燃料燒嘴34。下游氧氣-燃料燒嘴34具有與上述相同的形狀結(jié)構(gòu)并且必須在經(jīng)歷受控制的變動的相同條件下工作，以便獲得理想的最終舔蝕火焰效果。例如，舔蝕火焰30可以經(jīng)過調(diào)節(jié)而更加明亮，以便影響熔化特性。下游的氧氣-燃料燒嘴34被設(shè)置成能夠在正常的對流會升起的位置上方如在玻璃熔窯10的2／3-3／4的長度上向下點(diǎn)火。
可以理解，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)至少一個下游氧氣-燃料燒嘴34能夠通過顯著地提高表面玻璃溫度、促進(jìn)熔化和混合地去除表面缺陷如未完全反應(yīng)的玻璃加工原料或未充分混合的表面材料而改善向前流入成型區(qū)的玻璃的質(zhì)量。另外，至少一個下游氧氣-燃料燒嘴34阻礙了材料的向前流動，促進(jìn)了熔融玻璃內(nèi)的自然對流，由此造成更熱的玻璃在玻璃加工原料的下方回流，從而防止熔融玻璃向前浪涌，結(jié)果提高了熔化效果并提高了澄清區(qū)內(nèi)的玻璃溫度。向前流動的玻璃也更熱了并且這導(dǎo)致更快速的澄清和在前端區(qū)域內(nèi)的燃料消耗的減少。另外，對于通常在下游玻璃表面上具有一層泡沫的玻璃熔窯來說，已發(fā)現(xiàn)下游的氧氣-燃料燒嘴34能減少泡沫?？梢岳斫?，通過減少泡沫，可以改善傳入玻璃材料主體中的熱傳遞，以便減少否則玻璃熔窯10所需的熱能并提高了玻璃熔窯的工作效率。
所述的至少一個頂裝式氧氣-燃料燒嘴34可以安放在一個新的玻璃熔窯10中或改裝到現(xiàn)有的玻璃熔窯中，以便相對空氣-燃料燃燒式熔窯或傳統(tǒng)的側(cè)點(diǎn)火式氧氣-燃料熔窯明顯縮小設(shè)備空間并提高玻璃質(zhì)量?？梢岳斫猓c相同的空氣-燃料熔窯或傳統(tǒng)的沒有改裝有所述的至少一個上述項(xiàng)裝式氧氣-燃料燒嘴的傳統(tǒng)氧氣-燃料熔窯相比，本發(fā)明有助于明顯提高出料率、降低玻璃熔窯10的爐壁溫度和改善玻璃質(zhì)量。另外，如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將容易理解的那樣，使用至少一個氧氣-燃料燒嘴與一個全部采用空氣-燃料燒嘴的系統(tǒng)不同地顯著減少了氮氧化物的產(chǎn)生。
上述的專利和文件在此作為參考文獻(xiàn)被引入。
盡管已經(jīng)參見某些特定實(shí)施例地具體描述了本發(fā)明，但是那些本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將認(rèn)識到在權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)存在著其它實(shí)施例。
權(quán)利要求
1．一種用于在一個帶耐火材料襯的玻璃熔窯中不使用蓄熱器或換熱器地由玻璃加工原料制造出已澄清好的玻璃液的方法，所述玻璃熔窯具有一個通過側(cè)壁與窯底相連并在其間形成一個具有一個熔化區(qū)和一個下游澄清區(qū)的細(xì)長窯室的窯頂，所述方法包括以下步驟將玻璃加工原料裝入玻璃熔窯的熔化區(qū)；在玻璃熔窯的窯頂中設(shè)置至少一個凹陷在一燒嘴座中的氧氣一燃料燒嘴，該氧氣-燃料燒嘴具有一個用于提供氣體燃料的圓柱形氣體燃料中心內(nèi)導(dǎo)管和一個與中心燃料出口同心、用以提供氧氣的圓柱形氧氣外導(dǎo)管；控制來自氧氣-燃料燒嘴的氣體燃料和氧氣的速度，以致氣體燃料的速度和氧氣速度基本上相等，從而產(chǎn)生一個大致分層的氣體燃料流和大致分層的氧氣流，以在玻璃加工原料的頂面附近燃燒并產(chǎn)生一股舔蝕玻璃加工原料表面并具有一個大致成柱狀的中間部分的火焰；不使用蓄熱器或換熱器地在熔化區(qū)內(nèi)通過來自至少一個氧氣-燃料燒嘴的火焰覆蓋區(qū)來熔化玻璃加工原料；以及從澄清區(qū)內(nèi)取出已澄清好的玻璃液。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，來自氧氣-燃料燒嘴的氣體燃料的速度與氧氣的速度相差不超過大約20％。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的至少一個氧氣一燃料燒嘴位于熔化區(qū)上方。
4．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，至少一個氧氣-燃料燒嘴位于下游澄清區(qū)的上方。
5．如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在下游澄清區(qū)上方的那至少一個氧氣-燃料燒嘴被定位在玻璃熔窯長度的大約2／3-3／4處。
6．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述燒嘴座具有一個其內(nèi)直徑約為2-8英寸的開孔。
7．如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述的至少一個氧氣-燃料燒嘴在所述燒嘴座的所述開孔內(nèi)凹入一段約為3-18英寸的距離。
8．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，由以下關(guān)系式來定義在位于玻璃加工原料與燒嘴座的端部之間的距離的一半處的火焰直徑1．5id≤D2≤id+0．15HⅡ其中id=燒嘴座開孔的內(nèi)直徑，H=燒嘴座的端部與玻璃加工原料的上表面之間的距離，D2=在位于燒嘴座的端部與玻璃加工原料表面之間的距離的一半處的火焰直徑。
9．一種用于由玻璃加工原料制造出已澄清好的玻璃液的帶耐火材料襯的玻璃熔窯，它包括一個通過側(cè)壁與窯底相連并在其間形成一個具有一個熔化區(qū)和一個下游澄清區(qū)的細(xì)長窯室的窯頂；至少一個凹陷在一個位于玻璃熔窯窯頂內(nèi)的燒嘴座中的氧氣-燃料燒嘴，它具有一個用于提供氣體燃料的圓柱形氣體燃料中心內(nèi)導(dǎo)管和一個與中心燃料出口同心、用以提供氧氣的圓柱形氧氣外導(dǎo)管；以及用于控制來自氧氣-燃料燒嘴的氣體燃料和氧氣的速度的控制裝置，由此使氣體燃料速度和氧氣速度基本上相等，從而產(chǎn)生一個大致分層的氣體燃料流和大致分層的氧氣流，以在玻璃加工原料的上表面附近燃燒并產(chǎn)生一股舔蝕玻璃加工原料的表面并具有一個大致成柱狀的中間部分的火焰。
10．如權(quán)利要求9所述的玻璃熔窯，其特征在于，來自氧氣-燃料燒嘴的氣體燃料速度與氧氣速度相差不超過大約20％。
11．如權(quán)利要求9所述的玻璃熔窯，其特征在于，所述的至少一個氧氣-燃料燒嘴位于熔化區(qū)上方。
12．如權(quán)利要求9所述的玻璃熔窯，其特征在于，至少一個氧氣-燃料燒嘴位于下游澄清區(qū)的上方。
13．如權(quán)利要求12所述的玻璃熔窯，其特征在于，在下游澄清區(qū)上方的那至少一個氧氣-燃料燒嘴被定位在玻璃熔窯長度的大約2／3-3／4處。
14．如權(quán)利要求9所述的玻璃熔窯，其特征在于，所述燒嘴座具有一個其內(nèi)直徑約為2英寸-8英寸的開孔。
15．如權(quán)利要求9所述的玻璃熔窯，其特征在于，所述的至少一個氧氣-燃料燒嘴在所述燒嘴座的所述開孔內(nèi)凹入一段約為3-18英寸的距離。
16．如權(quán)利要求9所述的玻璃熔窯，其特征在于，由以下關(guān)系式來定義在位于玻璃加工原料與燒嘴座的端部之間的距離的一半處的火焰直徑1．5id≤D2≤id+0．15HⅡ其中id=燒嘴座的開孔的內(nèi)直徑，H=燒嘴座的端部與玻璃加工原料的上表面之間的距離，D2=在位于燒嘴座的端部與玻璃加工原料表面之間的距離的一半處的火焰直徑。
17．一種用于在一個帶耐火材料襯的玻璃熔窯中由玻璃加工原料制造出已澄清好的玻璃液的方法，所述玻璃熔窯具有一個通過側(cè)壁與窯底相連并在其間形成一個具有一個熔化區(qū)和一個下游澄清區(qū)的細(xì)長窯室的窯頂，所述方法包括以下步驟將玻璃加工原料裝入玻璃熔窯的熔化區(qū)；在熔化區(qū)內(nèi)熔化玻璃加工原料；在玻璃熔窯的窯頂內(nèi)并在下游澄清區(qū)上方設(shè)置至少一個凹陷在一燒嘴座中的氧氣-燃料燒嘴，該氧氣-燃料燒嘴具有一個用于提供氣體燃料的圓柱形氣體燃料中心內(nèi)導(dǎo)管和一個與中心燃料出口同心、用以提供氧氣的圓柱形氧氣外導(dǎo)管；以及控制來自氧氣-燃料燒嘴的氣體燃料和氧氣的速度，以致氣體燃料速度和氧氣速度基本上相等，由此產(chǎn)生一個大致分層的氣體燃料流和大致分層的氧氣流，以在熔化的玻璃加工原料的頂面附近燃燒并產(chǎn)生這樣一股火焰，即它具有一個大致成柱狀的中間部分，以便顯著地減少來自熔融玻璃表面的泡沫層，從而幫助澄清熔融玻璃；從澄清區(qū)內(nèi)取出已澄清好的玻璃液。
18．如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，來自氧氣-燃料燒嘴的氣體燃料速度與氧氣速度相差不超過大約20％。
19．如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在下游澄清區(qū)上方的那至少一個氧氣-燃料燒嘴被定位在玻璃熔窯長度的大約2／3-3／4處。
20．如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述燒嘴座具有一個其內(nèi)直徑約為2-8英寸的開孔。
21．如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述的至少一個氧氣-燃料燒嘴在所述燒嘴座的所述開孔內(nèi)凹入一段約等于3-18英寸的距離。
22．一種用于在帶耐火材料襯的玻璃熔窯中不使用蓄熱器或換熱器地由玻璃加工原料制造出已澄清好的玻璃液的方法，所述玻璃熔窯具有一個通過側(cè)壁與窯底相連并在其間形成一個具有一個熔化區(qū)和一個下游澄清區(qū)的細(xì)長窯室的窯頂，所述方法包括以下步驟將玻璃加工原料裝入玻璃熔窯的熔化區(qū)；在玻璃熔窯的窯頂中設(shè)置至少一個凹陷在一燒嘴座內(nèi)的氧氣-燃料燒嘴，該氧氣-燃料燒嘴具有一個用于提供氣體燃料的圓柱形氣體燃料中心內(nèi)導(dǎo)管和一個與中心燃料出口同心、用以提供氧氣的圓柱形氧氣外導(dǎo)管；在一個工作區(qū)內(nèi)，控制在所述燒嘴座出口處來自氧氣-燃料燒嘴的氧氣和氣體燃料的最高速度，以便在熔融的玻璃加工原料的頂面附近燃燒并產(chǎn)生一股具有一大致成柱狀的中間部分的火焰，其中所述工作區(qū)由一個根據(jù)以下四階線性多項(xiàng)式的上工作曲線和一個根據(jù)以下四階線性多項(xiàng)式的下工作曲線限定上工作曲線的多項(xiàng)式為VBb=a+b(H／id)+c(H／id)2+d(H／id)3+e(H／id)4Ⅰ其中H／id=6-20左右，VBb=190-550英尺／秒左右，a=571．0801，b=-187．2957，c=30．1164，d=-1．8198，e=-0．04；而下工作曲線的多項(xiàng)式為VBb=a+b(H／id)+c(H／id)2+d(H／id)3+e(H／id)4Ⅰ其中H／id=6-30左右，VBb=50-300英尺／秒左右，a=-103．6111，b=38．9939，c=-2．8772，d=0．1033，e=-0．00125；不使用蓄熱器或換熱器地通過所述至少一個氧氣-燃料燒嘴的火焰覆蓋區(qū)在熔化區(qū)內(nèi)熔化玻璃加工原料；以及在澄清區(qū)內(nèi)澄清熔融的玻璃加工原料；從澄清區(qū)內(nèi)取出已澄清好的玻璃液。
23．如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，它還包括在下游澄清區(qū)上方將至少一個凹陷在一燒嘴座中的氧氣-燃料燒嘴裝在玻璃熔窯的窯頂內(nèi)的步驟。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明,提供了一種利用至少一個氧氣－燃料燒嘴(34)而由玻璃加工原料(30)制造出已澄清好的玻璃液的帶耐火材料襯的玻璃熔窯(10)以及一種使用燒嘴(34)的方法,其中所述氧氣－燃料燒嘴凹陷在一個裝在該熔窯(10)的窯頂(22)中的燒嘴座(38)中?？刂苼碜匝鯕猓剂蠠?34)的氣體燃料和氧氣的速度,以致氣體燃料速度和氧氣速度基本上相等,從而產(chǎn)生一個大致分層的氣體燃料流和大致分層的氧氣流,以在玻璃加工原料(30)的頂面附近燃燒并產(chǎn)生一股舔蝕玻璃加工原料(30)的表面并具有一個大致成柱狀的中間部分的火焰。
文檔編號C03B5/00GK1282307SQ98812337
公開日2001年1月31日 申請日期1998年12月16日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月17日
發(fā)明者約翰·R·勒布朗, 里法特·M·K·阿爾查拉比, 戴維·J·貝克, 哈里·P·亞當(dāng)斯, 詹姆斯·K·海沃德 申請人:歐文斯科爾寧格公司, 博克集團(tuán)公司