玻璃熔爐中的向上傾斜燃燒器的製作方法

2023-05-30 14:29:34

本發明涉及玻璃的生產，更具體地講涉及玻璃熔化熔爐的結構和操作的改良。

背景技術：

在玻璃熔化熔爐中，本發明是可用的，燃料在熔爐內部空間內燃燒以產生燃燒熱，該燃燒熱熔化存在於玻璃熔化熔爐中的玻璃製造材料。這種玻璃熔化熔爐可遇到若干操作缺陷中的任一種。一個此類缺陷就是玻璃熔化熔爐內的燃燒形成氮氧化物。另一個缺陷是熔爐頂部(「爐冠」)的內表面的可能的劣化，這據信是由爐冠的內表面和熔化的玻璃製造材料所散發的揮發性物質相互作用造成的。本發明提供了獨特的熔爐結構和操作模式，其允許減少或避免這些缺陷。

美國專利6,253,578公開了一種降低熔爐冠部損壞風險的熔爐結構。這種結構雖然可用，但在現實的玻璃製造操作中，其適用性可能十分有限。

美國專利8,256,245公開了一種玻璃熔化熔爐，其中燃燒器朝向玻璃製造材料。本發明與該公開內容不同並被認為提供了卓越的操作優勢。

技術實現要素：

本發明的一個方面是熔爐，其包括：

(a)彼此面對的後壁和前壁、以及彼此面對的兩個側壁，這四個壁限定了內部空間；位於內部空間上方且與四個壁接觸的爐冠；至少一個能夠通過其將玻璃製造材料饋送到內部空間中以進行熔化的開口；至少一個位於前壁中的能夠通過其將熔融玻璃排出內部空間的開口；以及位於內部空間內且與四個壁的內部接觸的熔融玻璃層，其中熔融玻璃的上表面到側壁與爐冠的接合處的距離為3.5英尺至5.5英尺；和

(b)至少一個燃燒器，其位於側壁中的開口中，該開口位於熔融玻璃的上表面到側壁的頂部的距離的35％至65％，其中燃燒器被取向成能夠產生朝向爐冠延伸到內部空間中的火焰，火焰沿著相對於穿過燃燒器的水平面形成至多15度的角度的直線。

本發明的另一個方面是玻璃熔化方法，該方法包括：

(a)在熔爐中提供玻璃製造材料，該熔爐包括彼此面對的後壁和前壁、以及彼此面對的兩個側壁，這四個壁限定了內部空間；位於內部空間上方且與四個壁接觸的爐冠；至少一個能夠通過其將材料饋送到內部空間中以進行熔化的開口；至少一個位於前壁中的能夠通過其將熔融玻璃排出內部空間的開口；以及位於內部空間內且與四個壁的內部接觸的熔融玻璃層，其中熔融玻璃的上表面到側壁與爐冠的接合處的距離為3.5英尺至5.5英尺；以及

(b)在燃燒器中燃燒燃料和氣態氧化劑，該燃燒器位於側壁中的開口中，該開口位於熔融玻璃的上表面到側壁的頂部的距離的35％至65％，並且燃燒器被取向成能夠產生朝向爐冠延伸到內部空間中的火焰，火焰沿著相對於穿過燃燒器的水平面形成至多15度的角度的直線，並且其中火焰的可見部分不接觸相對的側壁，不接觸熔融玻璃，並且不接觸爐冠。

附圖說明

圖1是可用於實踐本發明的玻璃熔化熔爐的透視示意圖。

圖2是圖1的熔爐的頂視圖。

圖3是圖1的熔爐的剖視圖，沿穿過燃燒器11的豎直面截取。

圖4a是可用於本發明的燃燒器的透視圖。

圖4b是圖4a的燃燒器的頂視圖。

圖5是另一個可用於本發明的燃燒器的前平面圖。

具體實施方式

參見圖1、圖2和圖3，熔爐1為玻璃熔化熔爐或任何其它熔爐，其中投料機暴露在由於熔爐內的燃燒提供的非常高的溫度下。可用於實踐本發明的其它熔爐的示例包括焚化爐、以及用於熔化非鐵材料(諸如銅或鋁)的熔爐以及用於加熱或重新加熱鐵和鋼物體(諸如條、杆和錠)的熔爐。

在玻璃熔化熔爐中，玻璃製造成分諸如純鹼、硝石、矽石、矽酸鈉和/或玻璃碎片(「碎玻璃」)通過進料口31(圖2)饋送到熔爐中，在熔爐中共同熔化以形成熔融玻璃爐底6。熔爐1包括側壁2a和2b、端壁3和具有開口9的前壁4，存在於熔爐1的內部中的熔融玻璃可通過該開口流出熔爐1。圖3所示的爐冠5鄰接側壁2a和2b、端壁3和前壁4。側壁2a和2b的頂部被認為是熔爐的內部從側壁的斜面21(通常為豎直的)變化至爐冠內表面23的取向所在的位置，該爐冠內表面可為彎曲的(如圖3所示)或平面的，諸如水平的或相對於豎直方向成角度。為了便於觀察熔爐1的內部，爐冠5在圖1和圖2中未示出。

熔爐1可設置有一個燃燒器11，但優選地在側壁2a和2b上設置多個燃燒器11。圖1和圖2示出了這種布置方式的多種可能實施方案中的一種，相對側壁中的燃燒器以交錯的布置方式設置使得燃燒器不直接面向彼此。

向每個燃燒器11中饋送氣態氧化劑15和燃料16。本文將進一步描述合適的氧化劑和燃料。

參見圖3，燃燒器11(如上所述這可能是存在的唯一的此類燃燒器，或者優選地為熔爐中的一個或優選地兩個側壁中的多個其它此類燃燒器11中的一個)位於側壁2a中，使得熔融玻璃6的上表面8到側壁中的開口39的距離為熔融玻璃的上表面8到側壁2a的頂部(開口39位於側壁2a中)的總距離的35％至65％。

已安裝根據本發明的一個或多個燃燒器11，使得燃燒器產生從燃燒器延伸到位於側壁中的開口39或穿過側壁中的開口向上朝向爐冠5延伸的火焰，火焰沿著相對於穿過燃燒器的水平面h-h形成至多15度(優選地大於零度)的角度g的線a-a。線a-a被認為是假想線，它與火焰最外側邊緣等距(等間隔)，並沿著從燃燒器的出口進入熔爐的方向延伸。例如，當燃燒器形成寬的扁平火焰時，線a-a被認為是位於火焰平面內的假想線且與平面中火焰的外邊緣等距；並且當燃燒器形成錐形火焰時，線a-a被認為是作為該錐形的旋轉軸的假想線。線a-a被認為在燃燒器的開口處與燃燒器相交，從該開口處燃料與氧氣冒出並燃燒。

火焰沿其從燃燒器延伸出的線a-a優選地位於與側壁垂直的豎直面中，火焰從該側壁延伸至熔爐中。也就是說，在四個壁形成一個矩形的熔爐中，火焰優選地「筆直穿過」熔爐內部朝向相對的側壁延伸。然而，這個豎直面可形成相對於火焰從其延伸的側壁至多30度的角度。

在操作過程中，每個燃燒器11都在熔爐1的內部內燃燒氣態氧化劑15和燃料16。向每個燃燒器11中饋送氣態氧化劑15。氧化劑15是含有氧氣的任何氣體或氣態混合物。一種合適的氧化劑15為空氣，氧含量為20.9體積％。優選地，氣態氧化劑15的氧含量為至少21體積％，更優選地大於50體積％，甚至更優選地大於85體積％。

具有所需氧含量的氧化劑15可通過多種方法中的任一種提供。該氧化劑可購自已具有所需氧含量的獨立商業來源。氧化劑可通過將空氣與氧含量高於氧化劑15的所需最終氧含量的較高含量料流混合而獲得；在這種情況下，較高含量料流可購自獨立的商業來源，或可通過現場商業空氣分離單元生產，該空氣分離單元生產氧含量高於氧化劑15的所需總氧含量的產品料流。

合適的燃料16包括任何氣態烴或液態烴，諸如在標準條件下(即在25℃和1個大氣壓下)呈液態的燃油或一種烴或多種烴的混合物。優選的燃料為在標準條件下呈氣態的烴，諸如天然氣、甲烷、丙烷等等。

氧化劑15或燃料16或兩者可從其來源通過進料管饋送到每個燃燒器11中，每個燃燒器都有單獨的進料管。或者，氧化劑15或燃料16或兩者可通過歧管饋送到多個燃燒器11中，所述歧管由來自其來源的一根進料管提供。

將氧化劑和燃料饋送到一個或多個燃燒器11並進行燃燒。如本文所公開的提供進料速度和化學計量比以實現本發明的益處。

將氧化劑和燃料饋送到每個燃燒器11的速度應使得當氧化劑和燃料在燃燒器內燃燒時，燃燒所產生的可見火焰部分不接觸熔爐1中與燃燒器所在側壁相對的側壁。這有助於防止相對的側壁過度劣化。

此外，將氧化劑和燃料饋送到燃燒器11的速度應使得氧化劑和燃料燃燒所形成的可見火焰部分不接觸熔融玻璃6的表面8。可見火焰示出於圖3中，如火焰41。

此外，將氧化劑和燃料饋送到燃燒器11的速度應使得氧化劑和燃料燃燒所形成的可見火焰部分不接觸爐冠5的內表面。

通過適當地提供氧化劑和燃料的相應進料速度來滿足這些條件。燃燒器燃氣供應的中心管道中合適進料速度的典型示例為：氧化劑進料速度在70至350(ft/s)的範圍內，並且燃料進料速度在70至200(ft/s)的範圍內。

在根據本發明的燃燒器11中產生的火焰的特徵在於，從火焰的上表面(見圖3中的81)流向爐冠5並且在距火焰的上表面的任何給定距離處的輻射熱流，小於從火焰的下表面(見圖3中的82)流向熔融玻璃6並且在距火焰的下表面的相同給定距離處的輻射熱流。

可通過如下方式實現這種條件：在促進位於或靠近火焰的上表面的層83形成的條件下進行燃燒，其中未燃燒燃料、部分地燃燒燃料和燃料的部分地燃燒產生的副產物的總量高於其在該層下方的火焰區域中的量。這種未燃燒燃料、部分地燃燒燃料和部分燃燒產生的副產物也可稱為「煙塵」。這種條件可通過採用「分級燃燒」實現，即這樣的燃燒：將燃料饋送到熔爐中的僅將使燃料完全燃燒所需的氧氣總量的一部分饋送到熔爐中的位置附近，然後將使燃料完全燃燒所需氧氣的剩餘量饋送到熔爐中距燃料饋送位置更遠距離的位置。

所需層83的形成可通過用在熔融玻璃6上方不同的高度處饋送燃料和氧化劑的燃燒器進行燃燒來促進，其中燃料(以及優選地，用於使該燃料完全燃燒所需的氧化劑的僅一部分)在饋送化學計量平衡的氧化劑的位置上方的高度處進料。適用於以這種方式操作的燃燒器的示例如圖4a、圖4b和圖5所示。圖4a和圖4b中的燃燒器屬於美國專利6,132,204中所述的類型，並且通常被稱為寬火焰燃燒器，因為這種燃燒器通常所產生的火焰較寬且相對扁平。

在圖4a中，燃燒器11採取了燃燒器61的形式，其包括上排62的孔64、66和68和下排63的孔65、67和69。孔64位於通過其饋送氧化劑或燃料中的一者或另一者(優選地氧化劑)的通道的末端。孔64b位於通過其饋送氧化劑或燃料中的另一者(優選地燃料)的通道的末端。孔64b位於孔64內，並且優選地與孔64同心安置，以形成環形空間64c。

類似地，孔66位於通過其饋送氧化劑或燃料中的一者或另一者(優選地氧化劑)的通道的末端。孔66b位於通過其饋送氧化劑或燃料中的另一者(優選地燃料)的通道的末端。孔66b位於孔66內，並且優選地與孔66同心安置，以形成環形空間66c。孔68位於通過其饋送氧化劑或燃料中的一者或另一者(優選地氧化劑)的通道的末端。孔68b位於通過其饋送氧化劑或燃料中的另一者(優選地燃料)的通道的末端。孔68b位於孔68內，並且優選地與孔68同心安置，以形成環形空間68c。

優選地，如圖4b中更清楚地示出，孔64和68優選地被取向成使得其相應的軸64a和68a各自相對於孔66的軸66a形成發散角。孔65和69類似地被取向成使得其相應的軸(在圖4b的頂視圖中不可見)各自相對於孔67的軸形成發散角。

在根據本發明的圖4a和圖4b的燃燒器的優選操作中，將燃料饋送並通過孔64b、66b和68b進入熔爐1中，並將氧化劑饋送並通過環形空間64c、66c和68c進入熔爐1中。將氧化劑饋送並通過孔65、67和69進入熔爐1中，然後燃料和氧化劑相互燃燒。

根據本發明的所需層83優選地通過如下方式形成：將燃料通過孔64b、66b和68b饋送，並將氧化劑通過孔64、66和68饋送，使得所饋送的氧氣量為燃料多於氧氣的摩爾過量。優選地，通過孔64、66和68所饋送的氧氣的總量應低於使所饋送燃料完全燃燒所需氧氣總量的30％。燃料完全燃燒所需的額外氧氣量來自通過孔65、67和69饋送的氧化劑中。層83中未燃燒的物質利用此額外的氧氣在熔爐中燃燒。

在圖5中，燃燒器11採取了燃燒器71的形式，其包括上孔72和下孔73。在根據本發明的圖5的燃燒器的優選操作中，將燃料饋送並通過孔72b進入熔爐1中，並將氧化劑饋送並通過孔72和73進入熔爐1中，然後燃料和氧化劑相互燃燒。通過孔72b饋送的燃料相對於通過孔72饋送的氧化劑中的氧化學計量過量，並且通過熔爐中其它孔饋送氧以達到化學計量平衡。

以這種方式燃燒形成的層83為爐冠阻擋了一部分來自火焰81的輻射熱傳遞，而火焰的下部(即遠離爐冠5)暢通無阻地為熔融玻璃6提供所需的輻射熱傳遞。這樣，加之火焰的向上的角度減小了熔爐氣氛在熔融玻璃表面上的速度，進而保護了爐冠免受過多熱量的損壞，並且還保護爐冠免受熔爐氣氛中各物質(諸如已從熔融玻璃演變的物質)的衝擊，這些物質可與爐冠內表面發生反應並加速該表面發生不期望的劣化。

根據本發明的這種操作還提供了減少燃燒氣體中氮氧化物和顆粒汙染物生成的優點。