專利名稱：使用爐頂安裝的氧氣燃料燒嘴對玻璃熔爐進(jìn)行輔助加熱的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在玻璃熔爐頂部使用至少一個氧氣燃料燒嘴，用來提高產(chǎn)率，或者由于減少電輔助加熱或由于現(xiàn)有熱回收設(shè)備如同流換熱器或交流換熱器劣化時采用來保持原有產(chǎn)率。這種方法涉及以氧氣燃料能源代替部分現(xiàn)用或以前用的空氣燃料能源或電能。除了端焰的交流換熱爐和電爐外，這種方法涉及交流換熱通氣口的封閉，或同流換熱爐的隔離。具體是，設(shè)計的選擇，在進(jìn)入熔爐的玻璃原料上方燒嘴的角度和位置的確定，都會提高熔化速度，提高產(chǎn)率，增大能效，并改善玻璃質(zhì)量。利用對燒嘴中燃燒的化學(xué)計量比值精確控制，燒嘴的燃料貧和富的相互作用和熔爐的中燃料/氧氣的區(qū)域分配，可以在使氮氧化物和二氧化硫排放最小的同時，優(yōu)化熱傳遞。
制造玻璃和有關(guān)的玻璃料產(chǎn)品中，通常用到交流換熱爐、同流換熱爐、電爐和直接燃燒爐。
空氣-燃料交流換熱爐分為兩類橫焰的和端焰的。橫焰交流換熱爐在爐子的兩側(cè)通常分別有3-8個通氣口，它們連接到一個共用的或劃區(qū)的交流換熱器，用來預(yù)熱燃燒空氣。交流換熱器有各種形狀和尺寸，根據(jù)爐子的操作情況，每15-30分鐘變換一次。一個變換周期中，來自轉(zhuǎn)風(fēng)機的燃燒用空氣通過換向閥中一個路徑，進(jìn)入在爐子一側(cè)的交流換熱器底部，并在進(jìn)入連接爐子的通氣口之前進(jìn)行預(yù)熱。油和/或燃?xì)庑问降娜剂媳粐娚涞酵饪诘南虏俊⑸喜?、?nèi)部或側(cè)面，產(chǎn)生在玻璃熔爐內(nèi)燃燒的火焰。燃燒的熾熱產(chǎn)物通過對面一側(cè)的通氣口排出，向下通過交流換熱器格子磚，釋放熱量，然后經(jīng)過換向閥中的第二路徑排放到排氣煙囪。隨著空氣側(cè)交流換熱器的冷卻，排氣交流換熱器就加熱直到換向閥變換，燃燒空氣進(jìn)入已預(yù)熱的排氣交流換熱器。
由于空氣燃料火焰的輻射，但主要是來自燃燒產(chǎn)物從爐頂和爐壁的再輻射，玻璃原料就部分熔化。要達(dá)到高的熔爐玻璃產(chǎn)率，許多熔爐采用浸在玻璃中的電極進(jìn)行電輔助加熱。這樣的加熱成本高，并且可能對玻璃接觸的爐壁造成危害。由于交流換熱器的熱/結(jié)構(gòu)損壞和/或玻璃原料(也稱作批料)的吹入，或玻璃批料所釋放揮發(fā)物的冷凝，交流換熱器隨時間推移可能開始堵塞。當(dāng)交流換熱器開始堵塞或失效時，熔爐內(nèi)空氣的預(yù)熱溫度降低。因為提高了壓降，在排氣側(cè)廢氣的除去會受到限制，從而限制了能量輸入熔爐，降低熔爐的玻璃產(chǎn)率。
要恢復(fù)產(chǎn)率的損失至原來交流換熱器時的情況，或者提高未受阻塞時熔爐的產(chǎn)率，采用了四種方式來使用氧氣對空氣的一般富氧，在通氣口火焰下面使用特定的氧氣噴槍，在第一通氣口和加料端壁之間安裝氧氣燃料燒嘴，通氣口內(nèi)安裝水冷氧氣燃料燒嘴。這些方法對生產(chǎn)率的提高受到安裝方便程度、過程要求或耐火材料使用溫度的限制。
端焰交流換熱熔爐的操作與橫焰熔爐相同，在端壁僅有兩個通氣口，連接到各交流換熱器。端焰交流換熱器損壞的機理與橫焰交流換熱器相同，也可同樣采用電輔助加熱和氧氣補充。
要恢復(fù)產(chǎn)率損失至原來交流換熱器時的情況，或者提高產(chǎn)率，采用了三種方式使用氧氣對空氣的一般富氧，在通氣口火焰下面使用特定的氧氣噴槍，在熔爐下流的爐壁中安裝氧氣燃料燒嘴。這些方法的效率通常由于裝設(shè)的位置和過熱帶來的問題而受到限制。
同流換熱熔爐使用至少一個同流換熱型熱交換器。與交流換熱器不同，同流換熱器是連續(xù)于熾熱的并流熱交換器的，在其中，廢氣對燃燒空氣預(yù)熱，燃燒空氣通入沿熔爐側(cè)面的各空氣燃料燒嘴。同流換熱熔爐也可以使用電輔助加熱。象交流換熱熔爐一樣，同流換熱器會開始損失其效率和預(yù)熱空氣的能力。它們會堵塞或形成孔洞。
要從上述交流換熱器情況恢復(fù)產(chǎn)率損失或增加產(chǎn)率，通過三種方式使用氧氣對空氣的一般富氧，在通氣口火焰下面使用特定的氧氣噴槍，通過熔爐側(cè)壁或端壁安裝氧氣燃料燒嘴。這些方法的效率通常由于裝設(shè)位置的困難和熔爐過熱的問題而受到限制。
直接燃燒的熔爐不使用預(yù)熱空氣，因此其效率小于前述熔爐設(shè)計的例子。為提高熱效率或產(chǎn)率，側(cè)壁氧氣燃料燒嘴已取代了空氣燃料燒嘴。
使用電熔爐，操作成本通常很高，其壽命比常用的礦物燃料熔爐短。電熔爐在設(shè)計好后，很難再提高產(chǎn)率。本發(fā)明涉及熱頂部的熔爐，本發(fā)明不能應(yīng)用于冷頂部的熔爐。
美國專利5,139,558(Lauwers)公開了在玻璃熔爐中使用安裝在頂部的高動量用氧進(jìn)行燃燒的輔助燒嘴，該燒嘴朝向形成玻璃的固體原料和玻璃熔體的界面，從而機械地防止玻璃的固體原料從熔化區(qū)逸出。
美國專利3,337,324(Cable)揭示一種在玻璃熔爐中熔化批料的方法，所述方法使用的燒嘴位置，是使得它基本上在水冷熔爐進(jìn)料端上方向下燃燒。
美國專利臨時申請08/992,136公開使用安裝在爐頂?shù)臒熳鳛椴Ａ蹱t的主要熱源，這種玻璃熔爐沒有交流換熱器或同流換熱器。
簡言之，根據(jù)本發(fā)明，使用至少一個安裝在頂部，位于批料進(jìn)入熔爐位置的上方的氧氣燃料燒嘴，可強化各種設(shè)計的玻璃熔爐，即可提高熔化速率，改善玻璃質(zhì)量和/或玻璃產(chǎn)品的收率。因為視熔爐的條件和類型的不同，這種燒嘴的設(shè)計和安放位置會提高玻璃熔化的速度和產(chǎn)率，所以能達(dá)到下面至少一個或多個效果提高玻璃產(chǎn)率，改進(jìn)玻璃質(zhì)量，減少電輔助加熱，彌補由于無效的熱量回收(即交流換熱器的堵塞)導(dǎo)致的產(chǎn)率損失，通過取代熔爐富氧氣氛而減少氧用量，通過取代氧噴槍而減少氧用量，通過取代常規(guī)裝在玻璃熔爐壁上的氧氣燃料燒嘴而減少氧用量，提高熔爐壽命，提高能效，減少氮氧化物和二氧化硫的排放，減少的礦物燃料用量，減少回爐碎玻璃，提高玻璃產(chǎn)品的產(chǎn)率。
本發(fā)明可應(yīng)用于下列類型的熔爐。本發(fā)明應(yīng)用于熱頂部電爐時，在熔爐爐頂安裝至少一個氧氣燃料燒嘴。本發(fā)明應(yīng)用于橫焰交流換熱熔爐時，必須有至少一對面對面的通氣口被完全或部分封閉或者隔離。本發(fā)明應(yīng)用于端焰交流換熱熔爐時，在熔爐爐頂至少安裝一個氧氣燃料燒嘴，并且燃燒用空氣的流量比原設(shè)計的最大流量要減少一部分。本發(fā)明應(yīng)用于所有同流換熱熔爐中時，在熔爐爐頂至少安裝一個氧-燃料燒嘴。在多燒嘴的熔爐中，應(yīng)除去在爐頂安裝的燒嘴附近的燒嘴并將空氣供應(yīng)隔絕。在單個燒嘴或單個通氣口的應(yīng)用中，燃燒用空氣流量比原設(shè)計最大流量要減少一部分。
本發(fā)明在所有直接燃燒的熔爐應(yīng)用中，在熔爐爐頂安裝至少一個氧氣燃料燒嘴。多燒嘴熔爐中，應(yīng)除去在爐頂安裝的燒嘴附近的燒嘴并將空氣供應(yīng)間斷。在單個燒嘴或單個通氣口的應(yīng)用中，燃燒用空氣流量比原設(shè)計最大流量要減少一部分。
對上面所有情況，本發(fā)明范圍實際上都是相同的原先由空氣燃料或氧燃料進(jìn)行的玻璃熔制，包括但不排除使用電輔助加熱或常規(guī)氧氣強化方法的熔爐，都被安裝在爐頂且位于進(jìn)入熔爐的批料上方的氧氣燃料燒嘴所取代，結(jié)果能提高熔化速度和/或改進(jìn)玻璃質(zhì)量和/或玻璃產(chǎn)品的產(chǎn)率。因為能夠在一些特定位置安裝這些燒嘴，達(dá)到增加向未熔化批料進(jìn)行熱量傳遞的效果。
在所有情況下，在進(jìn)入熔爐的批料上方的爐頂至少安裝一個氧氣燃料燒嘴，用以提高熔化速度，并改進(jìn)玻璃質(zhì)量改進(jìn)，而且在所有多通氣口和多燒嘴的空氣燃料應(yīng)用中，至少一對通氣口或一對燒嘴隔離。在所有單個通氣口或單個燒嘴的應(yīng)用中，空氣和燃料減小到少于最大設(shè)計的一部分。安裝在爐頂?shù)母鼮橛行У臒炜商峁┠芰看鎻倪^程中除去的常規(guī)能量，并提供額外能量以達(dá)到所需過程的要求。燒嘴安裝在批料進(jìn)入熔爐位置的上方，可以提高熔化速度?；瘜W(xué)計量比和爐頂安裝的燒嘴以及余下的空氣燃料燒嘴的控制，對于減少氮氧化物和二氧化硫的排放氣很重要的。
參照附圖，由下面的詳細(xì)描述可以清楚地理解本發(fā)明的進(jìn)一步的特征、其它目的以及優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明玻璃熔爐的縱截面圖。
圖2A是圖1玻璃熔爐沿2-2剖線的一種橫焰交流換熱器的截面平視圖。
圖2B是圖1玻璃熔爐沿2-2剖線的一種端焰交流換熱器的截面平視圖。
圖2C是圖1玻璃熔爐沿2-2剖線的一種橫焰同流換熱器的截面平視2D是圖1玻璃熔爐沿2-2剖線的一種端焰同交流換熱器的截面平視圖。
圖2E是圖1玻璃熔爐沿2-2剖線的一種實施方案的截面平視。
圖3是圖1玻璃熔爐沿3-3剖線的截面圖，表示靠近熔爐上游端壁的兩個氧氣燃料燒嘴。
圖4是圖1玻璃熔爐沿3-3剖線的另一個截面圖，表示靠近熔爐上游端壁的一個氧氣燃料燒嘴。
圖5是一個氧氣燃料燒嘴的截面圖，并示意表示氧燃燒燒嘴產(chǎn)生的火焰。
參看圖1，玻璃熔爐10用于將玻璃熔體提供給玻璃前爐或精煉爐12，玻璃熔體在后者中進(jìn)一步精煉，隨后送入一個或多個玻璃成形機器如容器、玻璃纖維化器、金屬液槽等(圖中未示)。在參看附圖時，應(yīng)當(dāng)理解，為清楚起見，圖中并未提供那些一旦公開和說明本發(fā)明后，本領(lǐng)域技術(shù)人員不難理解的常規(guī)細(xì)節(jié)。圖中還未表示的裝置是交流換熱器的通氣口、空氣燃料燒嘴和排氣裝置，因為對各種類型的熔爐，這些裝置各不相同。
玻璃熔爐10通常包括一個長形的通氣口，該通氣口具有上游端壁14和下游端壁16、側(cè)壁18、爐底20和爐頂22，它們都是由合適的耐火材料如氧化鋁、二氧化硅、氧化鋁-二氧化硅、鋯石、氧化鋯-氧化鋁-二氧化硅氧化鉻等構(gòu)成。爐頂22一般為橫與通氣口縱軸垂直的弧形，然而，爐頂22可以設(shè)計為任何合適的形狀。典型玻璃熔爐10的爐頂22在玻璃原料表面上方大約3-15英尺處。本領(lǐng)域皆知，玻璃熔爐10還可以包括一個或多個鼓泡器24和/或電輔助電極(未示出)。鼓泡器和/或電輔助電極可提高整體玻璃的溫度，并增加在批料層下面的玻璃熔體循環(huán)。
玻璃熔爐10包括兩個相連的區(qū)域，熔化區(qū)27和下游精煉區(qū)28。熔化區(qū)27在玻璃熔爐10的上游，在這里用本領(lǐng)域已知類型的加料裝置32將玻璃原料加入熔爐。玻璃原料30可以是制造玻璃通常使用的原料混合物。玻璃原料(或稱批料)的組成取決于要制造的玻璃類型。通常，原料中包括含二氧化硅的材料包括通常稱作碎玻璃的廢玻璃。還可以使用的其它原料包括長石、石灰石、白云石、純堿、鉀堿、硼砂和氧化鋁。要改變玻璃的性質(zhì)，還可以加入少量砷、銻、硫酸鹽、碳和/或氟化物。而且，可以加入著色的金屬氧化物，使玻璃獲得要求的顏色。
玻璃原料30，在玻璃熔爐10熔化區(qū)27的玻璃熔體表面形成固體顆粒的批料層。主要通過至少一個產(chǎn)生受控形狀和長度的沖擊火焰，裝在玻璃熔爐10爐頂22的氧氣燃料燒嘴34，使浮在上面的玻璃原料30的固體顆粒發(fā)生熔化。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明，在玻璃原料30上方，于玻璃熔爐10的頂部22裝設(shè)至少一個氧氣燃料燒嘴34并適當(dāng)加以控制，會提高玻璃固體原料的熔化速度，同時保持周圍耐火材料的操作溫度在允許的操作限度之內(nèi)。
本文中，“至少一個氧氣燃料燒嘴”是指一個或多個氧氣燃料燒嘴。而且，本文中“主要由至少一個氧氣燃料燒嘴”是指增加的或恢復(fù)的玻璃產(chǎn)率以及用于熔化玻璃原料的被取代的空氣燃料和或電/氧氣補充能量來自至少一個氧氣燃料燒嘴。在一個具體的實施方案中，如圖1和2A所示，玻璃熔爐10采用三個氧-燃料燒嘴34。一個氧氣燃料燒嘴34位于兩個相鄰的下游氧氣燃料燒嘴的上游位置。然而，任意數(shù)量的氧氣燃料燒嘴34都可以位于在批料上方的玻璃熔爐10爐頂部22的幾乎任何合適位置，以便熔化玻璃原料30。例如，兩個氧氣燃料燒嘴34可位于并排的位置(如圖3所示)，也可以使用一個氧氣燃料燒嘴(如圖4所示)。然而，根據(jù)本發(fā)明，位于玻璃熔爐爐頂22的每個氧氣燃料燒嘴34的角度取向，必須使產(chǎn)生的火焰36基本上垂直于玻璃批料的表面，產(chǎn)生沖擊在玻璃表面的火焰，形成一個沖擊區(qū)26。在一個較好實施方案中，氧氣燃料燒嘴34以相對于玻璃原料30大約90°角度，基本上垂直于批料。該角度可朝下游端壁方向偏離于垂直方向，高達(dá)30°，但小于10°為宜。發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明，以至少一個產(chǎn)生受控的沖擊形狀和長度向下燃燒的火焰的氧氣燃料燒嘴34，來熔化玻璃原料30，可提高玻璃生產(chǎn)速度并改善玻璃質(zhì)量。
這至少一個氧氣燃料燒嘴需要燃料和氧化劑。燃料可以是氣態(tài)或液態(tài)，或者兩者的組合。氣態(tài)燃料包括天然氣(甲烷)、城市煤氣、發(fā)生爐煤氣、LPG、丙烷、丁烷、以及上述氣體的混合物。液態(tài)燃料包括重質(zhì)、中等和輕質(zhì)燃料油、煤油和柴油。液態(tài)燃料需經(jīng)霧化和/或蒸發(fā)?？梢酝ㄟ^機械方式或輔助霧化介質(zhì)包括空氣、蒸氣、氧氣、上述氣態(tài)燃料的任一種、以及有些情況下的惰性氣體來霧化。蒸發(fā)則依賴于燃燒氣體周圍產(chǎn)物的熱量來使油蒸發(fā)。氧化劑可以是100％的純氧或氧和惰性氣體的混合物(其氧濃度為40-100％)。
參看圖5，在玻璃熔爐10的爐頂22的至少一個氧氣燃料燒嘴34，具有至少一個用于提供燃料的燃料管導(dǎo)40和至少一個用于提供氧氣流的氧氣導(dǎo)管42。視玻璃熔爐10的尺寸以及要求的提拉速度，氧氣燃料燒嘴34的容量范圍約為1-15MMBtu/hr。氧氣燃料燒嘴設(shè)計為使用比空氣高的氧百分含量，因此，來自氧氣燃料燒嘴34的火焰36的沖擊區(qū)域上方的溫度明顯高于使用空氣燃料燒嘴的常規(guī)玻璃熔爐內(nèi)相同位置的溫度。然而，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，由氧氣燃料燒嘴34提供的火焰36的溫度取決于燃料質(zhì)量和氧氣/燃料比值。在一較好的實施方案中，氧氣燃料燒嘴34的氧氣濃度通常約為燃燒該燃料所需氧氣的化學(xué)計量量的大約95-120％。然而，可以改變?nèi)剂吓c氧氣的比值，在玻璃熔爐中產(chǎn)生一定的操作條件范圍，從而影響一個或多個要求的性能，包括例如氧化還原程度、玻璃顏色、玻璃中氣泡的多少以及其它玻璃性能。
氧氣燃料燒嘴34裝在位于玻璃熔爐10爐頂部22的燒嘴磚38中，噴口朝下。各個燒嘴磚38中有一個開口，其內(nèi)徑至少和最大導(dǎo)管42或40(視燒嘴構(gòu)型而異)的外徑一樣。燒嘴磚38中該開口的內(nèi)徑范圍約為2-8英寸。氧氣燃料燒嘴34初級燃燒區(qū)的終端離燒嘴磚38終端的距離(LBb)約為0-18英寸。二級和有些情況下會有的三級燃燒區(qū)在燒嘴磚38的外面。有些情況下，在氧氣燃料燒嘴34終端和燒嘴磚終端之間的燒嘴磚開口起著集中燒嘴火焰，防止燒嘴火焰向外散開的作用，但更為重要的是保護(hù)燒嘴的導(dǎo)管。燒嘴磚38由本領(lǐng)域皆知的耐火材料制成，可以是任何合適的形狀如長方形等。
燒嘴磚38的底面可以和爐頂22的內(nèi)表面齊平，或者突出在爐頂內(nèi)表面的下方，最大距離達(dá)2英寸，保護(hù)燒嘴磚38不致磨損。而且，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在燒嘴磚38內(nèi)向下延伸，它們的末端與燒嘴磚38的出口處于基本相同的垂直高度，或不相同的垂直高度。
在燒嘴磚38內(nèi)外的燃料分配和氧分配的分?jǐn)?shù)可能改變很大，視燒嘴磚38距批料的高度以及要求的燒嘴操作條件而異。安裝了另外的氧氣噴射器60，用來延緩?fù)耆紵?，直到火焰沖擊在批料上。這些另外的氧氣噴射器60的位置取決于爐頂安裝的燒嘴的數(shù)目和位置，然而可以位于爐頂和爐壁上的任何位置。
根據(jù)本發(fā)明，精確控制由至少一個氧氣燃料燒嘴34產(chǎn)生的向下沖擊的火焰36，使火焰長度大于或等于從燒嘴磚38出口到玻璃原料30表面和玻璃熔體表面的距離，并使火焰不靠近周圍的耐火材料，減少玻璃熔爐10的爐頂22和側(cè)壁18過熱的危險。通過如化學(xué)過程中常規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的控制裝置，可以對沖擊火焰36進(jìn)行控制。例如，閥、熱電偶、與合適的伺服線路連接的熱敏電阻器、加熱器控制器等不難購得，通常用來控制來自氧氣燃料燒嘴34的燃料和氧氣的量以及速度。
通過控制燃料和氧氣流的相對速度與最大和最小速度，以及來自至少一個氧氣燃料燒嘴34的內(nèi)外分配，可以精確控制沖擊火焰36。
必須控制好沖擊在玻璃原料30表面的燃料和氧氣流的最大和最小速度，防止批料受到擾動，并防止玻璃原料相對于側(cè)壁18和爐頂22耐火材料的沖刷運動因而將耐火材料碎片夾帶其中，同時又要保持最佳的對流熱傳遞到玻璃原料的表面。應(yīng)該理解，玻璃原料相對于側(cè)壁18和爐頂22的沖刷運動對熔爐耐火材料是有害的，會縮短玻璃熔爐10的操作壽命。
為了測定燃料和氧氣流的合適最大速度，將燒嘴垂直安裝，在表面呈許多槽形的玻璃砂床的上方，令燒嘴向下噴出火焰燃燒。調(diào)節(jié)燒嘴距離砂床不同的高度和燒嘴在燒嘴磚(LB6)中后退的距離，記錄下可覺察砂運動時的燃燒速度。將這些實驗結(jié)果與在一個市售計算機流體動力學(xué)程序上進(jìn)行的模擬比較，從而獲得一個表面最大速度，超過這個速度在上述實驗中砂會受到擾動。
表1．燒嘴最大燃燒速度(MMBtu/小時)高度(英尺)
由這些試驗，通過與CFD模型比較可以確定最大表面速度大約為21米/秒。由于批料類別，批料玻璃化和批料顆粒內(nèi)聚力的差異，此最大值會不同于上面計算的最大值，因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以改變最大速度，達(dá)到約25米/秒。要使批料受擾動和發(fā)生夾帶的程度最小，最大速度應(yīng)保持小于30米/秒。
氧氣燃料燒嘴34的燃料和氧氣的最大和最小速度也加以控制，從而控制沖擊火焰36的最大能量，而不致?lián)p害周圍的耐火材料。通過使釋放到玻璃熔爐10的燃燒空間的熱量最小，并使傳遞至玻璃原料30的熱量最大，可從沖擊火焰36獲得最大的能量。對氧氣燃料燒嘴34，要產(chǎn)生合理的將熱量傳遞到玻璃原料30的速度，而又不損壞耐火材料爐壁和支撐結(jié)構(gòu)的最大和最小操作速度的范圍與氧氣燃料燒嘴的設(shè)計和位置、燒嘴磚開口的形狀、來自氧氣燃料燒嘴34的燃料和氧氣的速度、燒嘴內(nèi)外氧氣和燃料的分配、相鄰氧氣燃料燒嘴的相互作用、燃料燒嘴和熔爐廢氣的排放有關(guān)。
第二區(qū)是停滯區(qū)56，在其中火焰36穿過熱邊界層，沖擊在玻璃原料30的表面。在該區(qū)56內(nèi)，火焰36穿過邊界層，沖擊在玻璃原料表面，在此表面形成很陡的壓力梯度，從而加速方向被偏轉(zhuǎn)的火焰的水平流動，使火焰沿被沖擊表面向外徑向散布。停滯區(qū)56的終端定義為在玻璃原料的表面，在該處由沖擊火焰36產(chǎn)生的壓力梯度下降為零。在停滯區(qū)56內(nèi)，通過小心控制火焰36的動量，自然存在于玻璃原料表面的熱邊界層會被穿透乃至消除，因此可減弱其很強的對熱傳遞的阻力。因此，由沖擊火焰36產(chǎn)生的熱就較易穿透進(jìn)入部分熔化的玻璃原料層30。而且，在停滯區(qū)56內(nèi)，火焰36的亮度明顯提高，向相對較冷的玻璃原料30的輻射傳熱就得以加強。
在停滯區(qū)56的徑向極限位置，開始了壁噴射區(qū)58。在該區(qū)域中，火焰36基本上平行于被沖擊表面散布，熱邊界層就沿被沖擊表面從停滯區(qū)56向外又重新形成，因此熱邊界層開始長厚，恢復(fù)對熱量傳遞到玻璃原料表面的表面阻力。
在自由噴射區(qū)54內(nèi)受控火焰產(chǎn)生的熱量是氧氣燃料燒嘴34的設(shè)計、燒嘴磚38開口內(nèi)徑以及氧氣和燃料流的相對速度和最大及最小速度的結(jié)果。通過選擇性控制氧氣燃料燒嘴34的設(shè)計、燒嘴磚38的幾何設(shè)計、以及氧氣和燃料流的速度，在氧氣流和燃料流之間產(chǎn)生的剪切應(yīng)力就會減小，就能提供受控的部分燃燒并會降低熱輻射。可以理解，通過優(yōu)化燒嘴設(shè)計以及氧氣燃料燒嘴34的操作，在自由噴射區(qū)54中產(chǎn)生的火焰熱量在停滯區(qū)56中的玻璃原料表面的傳熱阻力能夠盡量減小，從而使停滯區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的熱量最大。
自由噴射區(qū)54內(nèi)產(chǎn)生的熱量是下列過程的結(jié)果。首先，在自由噴射區(qū)54內(nèi)的受控部分燃燒導(dǎo)致了在玻璃原料30表面的受控燃燒，從而能在鄰近玻璃原料表面發(fā)生燃燒過程。在鄰近玻璃原料表面發(fā)生的燃燒過程，提高了在玻璃原料表面產(chǎn)生的溫度梯度，從而改進(jìn)了對流傳熱。第二，由于在自由噴射區(qū)54內(nèi)是受控部分燃燒，就為燃燒氣體和燃燒產(chǎn)物的化學(xué)分解提供了合適溫度，這些分解的物質(zhì)一旦沖擊在玻璃原料30的較冷表面，就部分地重新化合，并放出熱量，在形成玻璃原料表面產(chǎn)生大量熱量。放熱反應(yīng)帶來的熱量進(jìn)一步促進(jìn)對流傳熱過程。在玻璃原料表面的停滯區(qū)56的傳熱阻力最小化是下列因素的結(jié)果。
首先，通過受控火焰36的動量以及由在玻璃的原料30表面上小心控制的燃燒特征所產(chǎn)生的湍流，可以消除熱邊界層。第二，局限在表面產(chǎn)生的熱量使熱導(dǎo)率低的玻璃原料30轉(zhuǎn)變?yōu)闊釋?dǎo)率明顯高的玻璃熔體。這種轉(zhuǎn)變可以使在表面產(chǎn)生的熱量更有效地穿入玻璃原料的深層。
圖2A所示的具有交流換熱器81的橫焰交流換熱熔爐中，使用了至少一個頂部安裝的燒嘴34，該燒嘴34位于進(jìn)入熔爐的批料上方，能夠提高熔化速度，改善玻璃質(zhì)量，恢復(fù)或提高產(chǎn)率，降低電輔助加熱量。頂部安裝的燒嘴34的火焰沖擊在沖擊區(qū)26中的批料表面上。本發(fā)明所有橫焰的交流換熱熔爐應(yīng)用中，至少一對面對面的通氣口71要完全或部分封閉或隔離。根據(jù)要求的對熔爐的強化量而異，這通常是第一通氣口，并可能是第二通氣口。另外的爐頂安裝的燒嘴可位于玻璃熔爐的比較下游的位置，只要爐頂安裝的燒嘴位于未熔化的批料上方。從爐頂安裝的燒嘴釋放的能量取代了以前使用的燃燒通氣口，以前使用的常規(guī)電輔助加熱或使用氧方法所提供的能量。
在圖2B所示具有交流換熱器81的端焰交流換熱熔爐中，使用至少一個爐頂安裝的燒嘴34，位于進(jìn)入熔爐的批料上方，能提高熔化速度，改進(jìn)玻璃質(zhì)量，恢復(fù)或提高產(chǎn)率或者降低電輔助加熱量。本發(fā)明所有的端焰交流換熱熔爐應(yīng)用中，燃燒空氣和常規(guī)的燃料用量比原設(shè)計的量有所減少，由來自至少一個爐頂安裝的燒嘴34的能量所取代，該燒嘴34位于批料上方，其火焰沖擊在沖擊區(qū)26中的批料上。另外的爐頂安裝的燒嘴可位于玻璃熔爐比較下游的位置，只要爐頂安裝的燒嘴位于未熔化的批料上方。從爐頂安裝的燒嘴釋放的能量取代從以前所用的燃燒通氣口、除去的常規(guī)電輔助加熱或使用氧方法所提供的能量。
在圖2C所示具有同流換熱器82的橫焰同流換熱熔爐中，使用至少一個爐頂安裝的燒嘴34，位于進(jìn)入熔爐的批料上方，能夠提高熔化速度，改進(jìn)玻璃質(zhì)量，恢復(fù)或提高產(chǎn)率或者降低電輔助加熱量。本發(fā)明所有橫焰同流換熱熔爐應(yīng)用中，至少一對面對面的通氣口73要完全部分封閉或使用一塊爐磚74隔離。根據(jù)要求的對熔爐的強化量，這通常是第一通氣口，并可能是第二通氣口。另外的爐頂安裝的燒嘴可位于玻璃熔爐比較下游的位置，只要爐頂安裝的燒嘴位于未熔化的批料上方。從爐頂安裝的燒嘴釋放的能量取代了以前使用的燃燒通氣口，以前使用的常規(guī)電輔助加熱或使用氧方法所提供的能量。
在圖2D所示具有同流換熱器82的端焰同流換熱熔爐中，使用至少一個爐頂安裝的燒嘴34，位于進(jìn)入熔爐的批料上方，能夠提高熔化速度，改進(jìn)玻璃質(zhì)量，恢復(fù)或提高產(chǎn)率或者降低電輔助加熱量。本發(fā)明所有的端焰同流換熱熔爐應(yīng)用中，燃燒空氣和常規(guī)的燃料用量比原設(shè)計的量有所減少，由來自至少一個爐頂安裝的燒嘴34的能量所取代，該燒嘴34位于批料上方，其火焰沖擊在沖擊區(qū)26中的批料上。另外的爐頂安裝的燒嘴可位于玻璃熔爐比較下游的位置，只要爐頂安裝的燒嘴位于未熔化的批料上方。從爐頂安裝的燒嘴釋放的能量取代了以及的燃燒通氣口、除去的常規(guī)電輔助加熱或使用氧方法所提供的能量。
圖2E所示的直接燃燒熔爐中，使用至少一個爐頂安裝的燒嘴34，它位于進(jìn)入熔爐的批料上方，能提高熔化速度，改進(jìn)玻璃質(zhì)量，恢復(fù)或提高產(chǎn)率或者降低電輔助加熱量。本發(fā)明所有的直接燃燒熔爐應(yīng)用中，燃燒空氣和常規(guī)的燃料用量比原設(shè)計量有所減少，由來自至少一個爐頂安裝的燒嘴34的能量所取代，該燒嘴34位于批料上方。在多氧氣燃料燒嘴73的應(yīng)用中，至少一個燒嘴74被隔離。另外的爐頂安裝的燒嘴可位于提供的玻璃熔爐比較下游的位置，只要爐頂安裝的燒嘴位于未熔化批料上方。從爐頂安裝的燒嘴釋放的能量取代了以前的燃燒通氣口、除去的常規(guī)電輔助加熱或使用氧方法所提供的能量。
在熱頂部電熔爐中，使用至少一個爐頂安裝的燒嘴34，位于進(jìn)入熔爐的批料上方，能提高熔化速度，改進(jìn)玻璃質(zhì)量，恢復(fù)或提高產(chǎn)率或降低電輔助加熱量。另外的爐頂安裝的燒嘴可位于玻璃熔爐較為下游的位置，只要爐頂安裝的燒嘴位于未熔化批料上方。從爐頂安裝的燒嘴釋放的能量取代了以前的燃燒通氣口、除去的常規(guī)電輔助加熱或使用氧方法所提供的能量。
所有情況下，仔細(xì)選擇不同的爐頂安裝的氧氣燃料燒嘴和余下的空氣燃料燒嘴的化學(xué)計量比值，可以減少氮氧化物和二氧化硫的排放。參照圖2A的橫焰熔爐的應(yīng)用，安裝在AL或AR位置的燒嘴34在氧超過化學(xué)計量的條件下操作，在熔爐內(nèi)形成一個燃料貧乏(氧化性)區(qū)。而以小于化學(xué)計量的氧或空氣的條件操作位于BC的燒嘴34或在第二通氣口71的燒嘴，在熔爐內(nèi)形成一個富燃料(還原性)區(qū)。其余的通氣口以超過化學(xué)計量的氧操作，在熔爐內(nèi)形成一個燃料貧乏(氧化)性區(qū)。這種富一貧-富的構(gòu)型使熔爐內(nèi)燃燒區(qū)能有效地分配氧氣和燃料，優(yōu)化了傳熱，并且通過形成一氧化碳屏障，最大限度地減少了氮氧化物的生成。
至少一個爐頂安裝的氧氣燃料燒嘴34可置于新的空氣燃料玻璃熔爐10內(nèi)，或改型應(yīng)用在一個現(xiàn)有的空氣燃料玻璃熔爐中，相對于僅使用空氣燃料燃燒的熔爐，提高了玻璃質(zhì)量。應(yīng)理解，與不使用至少一個所述爐頂安裝的氧氣燃料燒嘴進(jìn)行改型的同樣空氣燃料熔爐相比，本發(fā)明實現(xiàn)了顯著提高提拉速度、降低玻璃熔爐壁溫，改善玻璃質(zhì)量。而且，本領(lǐng)域的技術(shù)人員不難理解，使用至少一個氧氣燃料燒嘴與全部使用空氣燃料的系統(tǒng)相比，能有效地降低NOx排放。
本發(fā)明的一個證據(jù)是一個現(xiàn)有的熱3一通氣口橫焰交流換熱熔爐的氧強化，100％氧轉(zhuǎn)化，再轉(zhuǎn)化為氧強化和最終常規(guī)的用空氣進(jìn)行燃料燃燒。此熔爐最初燃燒是全部用空氣和燃料。然后通氣口#1的燃燒被至少一個頂部安裝的氧氣燃料燒嘴取代。熔爐在其余兩個通氣口是用常規(guī)的空氣和燃料交流換熱燃燒的。通氣口#2的燃燒被至少一個爐頂安裝的空氣燃料燒嘴取代，并且熔爐在第三個通氣口是用常規(guī)的空氣和燃料交流換熱燃燒的。通氣口#3的燃燒被已安裝的爐頂安裝的氧氣燃料燒嘴中的能量代替。結(jié)果熔爐產(chǎn)量從55噸/天增加至85噸/天，而能量輸入從23.5mmBTU/hr降低為18mmBTU/hr。熔爐以遞增步驟再轉(zhuǎn)化為空氣燃料燃燒。這一例子證明了能夠選擇性地強化現(xiàn)有的空氣燃料熔爐。
在此描述的專利和文獻(xiàn)均被參考結(jié)合于本發(fā)明。
盡管參考一些具體的實施方案詳細(xì)描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，在權(quán)利要求精神和范圍之內(nèi)還有其它的實施方案。
權(quán)利要求
1．在玻璃熔爐中熔化玻璃批料的方法，所述玻璃熔爐具有交流換熱器、同流換熱器和/或電輔助加熱器，具有側(cè)壁、后壁、前壁和爐頂，所述方法包括下列步驟在所述熔爐爐頂，于批料上方安裝至少一個燒嘴；向所述至少一個燒嘴提供氣態(tài)氧化劑流；向所述至少一個燒嘴提供氣態(tài)燃料流；從至少一個所述燒嘴產(chǎn)生火焰，所述火焰具有足以將所述火焰的熱量最大限度地傳遞給所述批料，而基本上不會干擾所述批料的速度。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于產(chǎn)生所述火焰的步驟包括在靠近所述批料的表面，將所述火焰的速度控制到小于約30米/秒的步驟。
3．如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于在靠近所述批料的表面，將所述火焰的速度控制到小于約25米/秒。
4．如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于在靠近所述批料的表面，將所述火焰的速度控制到小于約21.1米/秒。
5．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法還包括至少部分封閉所述熔爐內(nèi)的任一交流換熱器或同流換熱器的步驟。
6．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于安裝所述燒嘴的步驟還包括使所述燒嘴在燒嘴磚內(nèi)后退3-18英寸。
7．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法還包括在所述熔爐爐頂安裝至少一個氧噴射器的步驟，在所述批料表面或靠近該表面提供為使燃燒完全用的額外氧氣。
8．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于產(chǎn)生所述火焰的步驟產(chǎn)生的火焰長度至少為燒嘴磚底部到達(dá)批料表面的距離。
9．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述燒嘴安裝時要基本上垂直于批料表面。
10．如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于安裝的燒嘴安裝時要偏離垂直線達(dá)到30°，并對著熔爐下游的端壁。
11．如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于安裝的燒嘴與垂直線的偏離不大于10°，并對著熔爐下游的端壁。
全文摘要
在具有同流換熱器、交流熱器、電輔助加熱器的工業(yè)玻璃熔爐或其它向玻璃批料提供熱量的裝置中,在熔爐爐頂?shù)闹辽僖粋€氧氣燃料燒嘴提供了額外的熱量,用于熔化批料。安裝和使用這種爐頂安裝的氧氣燃料燒嘴的方法包括操作各個參數(shù),使傳熱最大化,同時使對批料的干擾最小。
文檔編號F23L7/00GK1306945SQ00126228
公開日2001年8月8日 申請日期2000年8月16日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月16日
發(fā)明者N·G·辛普森, T·G·克萊頓, G·F·普魯沙, A·P·理查森, S·M·卡尼, J·R·勒布朗 申請人:波克股份有限公司