用于形成人造玻璃質(zhì)纖維的工藝和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及由礦物熔體制造人造玻璃質(zhì)纖維（MMVF)。特別地而非排他性地，本發(fā) 明涉及顆粒狀礦物材料在旋風(fēng)爐中燃燒形成適合的礦物熔體。
【背景技術(shù)】
[0002] 形成用于制造MMVF的礦物熔體的已知方法為借助于豎爐，其中通過(guò)可燃物質(zhì)在 爐中的燃燒對(duì)無(wú)機(jī)顆粒狀材料的自支撐堆疊進(jìn)行加熱。堆疊逐漸熔融，并且從頂部再加料， 熔體順堆疊向下排放，并從爐底部排出。用于該用途的爐通常指的是化鐵爐。
[0003] 在制造礦物熔體時(shí)化鐵爐具有一些缺點(diǎn)。除了難以實(shí)現(xiàn)所期望的效率水平之外， 還存在由以下原因?qū)е碌牧硪粋€(gè)缺點(diǎn)：需要材料的堆疊足以滲透燃燒氣體。這對(duì)能夠用于 化鐵爐的顆粒狀材料造成了限制，特別是阻礙了精細(xì)的顆粒狀材料的使用，因?yàn)榫?xì)的顆 粒狀材料對(duì)燃燒氣體不具備充足的滲透性以使燃燒氣體經(jīng)過(guò)爐筒而點(diǎn)燃可燃物質(zhì)。因此， 如果待熔融的顆粒狀材料為精細(xì)分散的形式，那么首先必須將其形成坯塊。這額外地增加 了工藝的復(fù)雜性和成本，還降低了最終熔體的質(zhì)量，因?yàn)橥ǔＰ枰獙⒄辰Y(jié)劑用于形成這種 坯塊。
[0004] 為了克服其中的一些缺點(diǎn)，已經(jīng)提出了旋風(fēng)爐。在這類(lèi)爐中，將待熔融的顆粒狀材 料與燃料（如粉末狀的煤）一起夾帶在燃燒氣體中引入。隨著材料組合在循環(huán)燃燒室中的 循環(huán)，燃料被點(diǎn)燃。這使得顆粒狀材料開(kāi)始熔融從而形成礦物熔體，然后礦物熔體與剩余的 顆粒狀材料一起被投向室的側(cè)壁，并向下流至出口處。之后，在將熔體取出用于形成MMVF 的工藝之前，出口的輸出物被直接加工或者被收集到單獨(dú)的沉降槽中，在其中可進(jìn)一步進(jìn) 行精煉工藝。
[0005] 關(guān)于旋風(fēng)爐的原理的例子可以在美國(guó)專(zhuān)利No. 3, 077, 094中找到。該文獻(xiàn)描述了 用于熔融玻璃配料的熔爐。顆粒狀材料以氣態(tài)懸浮液的形式被輸送至建于腔室上部的熔融 區(qū)域。將氣態(tài)混合物沿切線引入腔室內(nèi)，從而使其以螺旋路徑通過(guò)腔室。由此形成了熔融 的玻璃，其被拋向腔室壁。然后熔融的玻璃沿著壁向下流動(dòng)，直到其通過(guò)中心流動(dòng)出口離開(kāi) 腔室。
[0006] 在US 3, 077, 094所描述的一個(gè)實(shí)施方案中，熔融的玻璃隨著其流過(guò)腔室底部而 發(fā)生聚結(jié)。通過(guò)使用受限的流動(dòng)出口來(lái)實(shí)現(xiàn)這一效果。之后當(dāng)熔融的玻璃經(jīng)過(guò)該區(qū)域時(shí)， 可使用電極加熱器對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的精細(xì)化，電極加熱器能夠升高玻璃的溫度，從而降低 粘度并有助于仍存在于熔體中的氣體逸出。
[0007] 美國(guó)專(zhuān)利No. 4, 632, 687中描述了另一個(gè)熔融工藝的例子。該文獻(xiàn)也涉及玻璃配 料的熔融。在該工藝中，將玻璃材料與含有燃料的灰分一起引入循環(huán)燃燒室內(nèi)。該文獻(xiàn)描 述了，液化階段發(fā)生在燃燒室中，而明顯的精煉階段發(fā)生在單獨(dú)的沉降槽中。液化階段的 燃料燃燒所產(chǎn)生的廢氣通過(guò)排氣口而從燃燒室中除去，而熔體通過(guò)單獨(dú)的出口落入沉降槽 中，其在沉降槽中利用浸沒(méi)燃燒技術(shù)被進(jìn)一步精煉。浸沒(méi)燃燒階段用于調(diào)整熔體的氧化狀 態(tài)，從而提高玻璃的透射率，即，降低玻璃的色度。
[0008] 以上熔爐都沒(méi)有直接明確地涉及MMVF的制造。相比之下，歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)No. EP 1944272直接涉及用于制造礦物熔體的旋風(fēng)爐，其特別適合MMVF的制造。具體而言，該文獻(xiàn) 中描述的裝置和方法被設(shè)計(jì)為以有效的方式制造礦物熔體，該礦物熔體具有用于制造MMVF 的適當(dāng)性質(zhì)。
[0009] EP 1944272的一個(gè)特別之處在于，不同于上述的熔爐，該文獻(xiàn)的方法不需要沉降 槽，取而代之的是在燃燒室中已包括了對(duì)礦物熔體的收集。這減小了裝置的尺寸，也增加了 裝置的整體效率，因?yàn)槟軌蚶萌紵业臒崃縼?lái)維持熔體池的溫度。
[0010] 然而，在EP 1944272的布置中，由于難以控制熔體的狀態(tài)，熔體的大量生產(chǎn)受到 限制。特別是，在這種燃燒室內(nèi)控制熔體的均勻性受到挑戰(zhàn)。隨著熔體池的容積增加，控制 熔體均勻性的難度也提高。例如，熔體池中產(chǎn)生溫度差，改變了熔體的性質(zhì)（如粘度）。為 了確保在接下來(lái)的纖維化工藝中制造的纖維的質(zhì)量，控制這種變化尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 根據(jù)本發(fā)明，提供一種制造人造玻璃質(zhì)纖維（MMVF)的方法，包括：
[0012] 提供循環(huán)燃燒室；
[0013] 將顆粒狀燃料、顆粒狀礦物材料和第一燃燒氣體注入所述燃燒室的上部區(qū)域內(nèi)并 燃燒所述燃料，由此將所述顆粒狀礦物材料熔融從而形成礦物熔體；
[0014] 在所述燃燒室的底部區(qū)域收集所述礦物熔體；
[0015] 通過(guò)浸沒(méi)加熱在所述燃燒室的底部區(qū)域加熱收集的礦物熔體；
[0016] 將收集的礦物熔體通過(guò)出口從所述燃燒室中取出；以及
[0017] 由取出的礦物熔體形成MMVF，
[0018] 其中所述礦物材料在所述燃燒室中的平均停留時(shí)間為至少15分鐘。
[0019] 本發(fā)明提供一種制造高質(zhì)量礦物熔體的綜合、有效且簡(jiǎn)潔的解決方案，所述礦物 熔體用于制造MMVF。具體而言，借助于燃燒氣體和燃料，在循環(huán)燃燒室中將顆粒狀礦物材料 熔融，并將礦物熔體收集在循環(huán)燃燒室底部的熔體池中。已發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)收集的礦物熔體的 浸沒(méi)加熱，可以提高礦物熔體的質(zhì)量。通過(guò)向熔體池內(nèi)引入湍流，使熔體池中的熔體混合以 減少溫度和組成上的變化，由此使得礦物熔體的浸沒(méi)加熱改善了熔體的均勻性。
[0020] 通過(guò)保證礦物材料在燃燒室內(nèi)至少15分鐘的停留時(shí)間，使得對(duì)熔體池浸沒(méi)加熱 的均勻化效果具有充分的時(shí)間，從而制造高度一致的熔體。特別地，雖然之前的方法致力于 減少在燃燒室內(nèi)的停留時(shí)間，從而避免建立溫差，但是本發(fā)明可以利用熔體的停留時(shí)間以 通過(guò)浸沒(méi)加熱增加均勻性。例如，以上討論的US 3, 077, 094僅僅提到了在部分燃燒室中5 至10分鐘的停留時(shí)間。沒(méi)有暗示更長(zhǎng)的停留時(shí)間。
[0021] 在一些優(yōu)選的實(shí)施方案中，對(duì)收集的礦物熔體進(jìn)行浸沒(méi)加熱的步驟包括對(duì)收集的 礦物熔體進(jìn)行電極加熱。在這種技術(shù)中，將電極浸沒(méi)設(shè)置在收集的礦物熔體內(nèi)，并在電極之 間施加電勢(shì)差。這樣實(shí)現(xiàn)對(duì)熔體的加熱。
[0022] 在其他優(yōu)選的實(shí)施方案中，對(duì)收集的礦物熔體進(jìn)行浸沒(méi)加熱可包括在礦物熔體內(nèi) 實(shí)施浸沒(méi)燃燒工藝。浸沒(méi)燃燒工藝可包括直接將可燃物質(zhì)提供給熔體。這種物質(zhì)在熔體內(nèi) 的燃燒實(shí)現(xiàn)對(duì)熔體的加熱并引入額外的湍流，由此有助于改善熔體的均勻性。
[0023] 在特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，浸沒(méi)燃燒工藝包括通過(guò)一個(gè)或多個(gè)燃燒噴槍注入另外 的燃料和燃燒氣體，所述燃燒噴槍延伸穿過(guò)燃燒室的一個(gè)或多個(gè)側(cè)壁。更優(yōu)選地，燃燒噴槍 與燃燒室的側(cè)壁形成向下的角度。按這樣的方式定向燃燒噴槍?zhuān)山档腿垠w進(jìn)入噴槍中的 風(fēng)險(xiǎn)。這在燃燒室的初始點(diǎn)火以及停止該工藝時(shí)是特別重要的，因?yàn)樵谶@些階段可能不發(fā) 生浸沒(méi)燃燒。盡管如此，在替代的實(shí)施方案中，燃燒噴槍可以按其他定向來(lái)設(shè)置，例如，可以 水平或垂直延伸，或者穿過(guò)燃燒室的底壁而延伸。
[0024] 在優(yōu)選的實(shí)施方案中，循環(huán)燃燒室的出口包括虹吸管。虹吸管能夠?qū)κ占牡V物 熔體的高度提供有效的控制，因此能夠合適地管控停留時(shí)間。優(yōu)選地，虹吸管所在位置的高 度是可調(diào)節(jié)的?？烧{(diào)節(jié)的虹吸管高度能夠用于控制燃燒室內(nèi)所收集的礦物熔體的含量。以 這種方式，能夠適當(dāng)?shù)乜刂魄皇覂?nèi)所收集的礦物熔體的體積。例如，這能夠用于調(diào)節(jié)熔體在 燃燒室內(nèi)的停留時(shí)間，由此保證發(fā)生充分的熔體混合。另外，在初始點(diǎn)火時(shí)，虹吸管位置的 高度能夠用于控制熔體池的高度，以及在制造后用于清空燃燒室。
[0025] 在優(yōu)選的實(shí)施方案中，第一燃燒氣體是含有至少25體積％氧氣的富氧空氣。該富 氧空氣可以是純氧氣。通過(guò)使用氧含量高于空氣的燃燒氣體，能夠減少所需要的燃燒氣體 的體積，能夠使燃燒室更加緊湊。此外，燃燒氣體的體積與制造熔體所需的能量成正比，所 以使用富氧的燃燒氣體能夠增加工藝的能量效率。另外，使用富氧的燃燒氣體還能夠減少 引入至系統(tǒng)的氮?dú)獾牧浚蚨矞p少了有害的NO x氣體的生成。
[0026] 優(yōu)選的實(shí)施方案還包括：將第二燃燒氣體注入到礦物熔體上方，由此引發(fā)在顆粒 狀燃料的燃燒過(guò)程中由于初始熱解而產(chǎn)生的任意炭的燃燒。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這在保持適用于制 造MMVF的礦物熔體的良好質(zhì)量的同時(shí)，能夠提供能量效率方面的重要改進(jìn)。
[0027] 諸如煤之類(lèi)的顆粒狀燃料以?xún)蓚€(gè)階段的過(guò)程進(jìn)行燃燒。在第一階段，即已知的熱 解，揮發(fā)性化合物非?？焖俚厝紵⒀杆籴尫懦鰵怏w。這產(chǎn)生了富含碳的炭顆粒。第二階段 是炭顆粒的燃燒，其通常比第一階段慢得多。因此，盡管當(dāng)燃料顆粒進(jìn)入燃燒室時(shí)，燃燒的 第一階段幾乎可以瞬時(shí)發(fā)生，但是第二階段通常不會(huì)發(fā)生，除非燃料具有足夠的停留時(shí)間。
[0028] 礦物熔體中的炭影響所能制造的礦物纖維的質(zhì)量。已發(fā)現(xiàn)，在礦物熔體上方注入 第二燃燒氣體能夠顯著地加快炭發(fā)生燃燒的速度。這避免了為實(shí)現(xiàn)炭燃燒的預(yù)燃燒或第二 燃燒室的需要，因此能夠得到更緊湊的方案。
[0029] 在優(yōu)選的實(shí)施方案中，第二燃燒氣體為含有至少25體積％氧氣的富氧空氣。由于 第一燃燒氣體中引入的氧氣被燃燒的熱解階段所消耗而導(dǎo)致的低含量的氧就會(huì)抑制炭的 燃燒速率，相反地，額外的氧氣能夠增加炭的燃燒速率。<