加熱玻璃窯投料的方法
2023-04-25 11:47:11
專利名稱：加熱玻璃窯投料的方法
技術領域：
本發明涉及一種加熱玻璃窯投料的萬法。
最近已注意到，在常規裝有燃燒空氣和燃料混合物的空氣-燃料燒嘴的工業窯中，出現用燒燃料和氧混合物的氧-燃料燒嘴代替全部或部分常規空氣-燃料燒嘴的情況。象那些空氣-燃料燒嘴那樣，通常氧-燃料燒嘴呈流體定域噴射的單一設備的形式，它常常引起溫度分布的問題以及引起熱量通過氧-燃料燒嘴的火焰傳遞到所述段的問題。
在玻璃工業中，常規用空氣燒嘴操作的窯越來越多地部分或全部安裝氧-燃料燒嘴。雖然新窯很容易設計成完全用氧氣操作(或者按一般的方式，使用燃料和含有大於50％(體積)氧，優選大於88％(體積)氧的氧化劑的混合物)，但是現有的窯不能完全改變，也就是說簡單地用氧-燃料燒嘴完全替代空氣-燃料燒嘴，因為火焰的幾何形狀不同，這些燒嘴的燃燒效率是不同的。
因此，加熱玻璃熔池的空氣-燃料燒嘴照原樣用氧-燃料燒嘴替代不可能不發生任何變化，氧-燃料燒嘴不能對玻璃熔池提供相同的覆蓋(對於相同的功率來說)。
而且，玻璃窯通常有一些蓄熱器(或換熱器)，它使得在熱的火焰氣體從窯中排出以前從中回收熱量成為可能。在端焰窯的情況下，通常有兩個這樣的蓄熱器，它們安裝在窯的上遊部分，靠近將玻璃送入窯中的區段。在橫焰窯的情況下，蓄熱器安裝在窯的每一側。在這兩種情況下，它們通過所謂的「通道」的開孔與窯相連，在端焰窯的情況下，每一蓄熱器的一個通道有規則地沿窯的側壁分布，在橫焰窯的情況下，這些通道沿窯的側壁均勻地分布。通常，燃料在用蓄熱器的熱量預熱的空氣從這些通道噴入的下方注入。
在橫焰窯的情況下，形成的火焰產生的油煙通過在對面側壁的通道排出，該側壁也有燃料噴嘴。火焰定期反向(如每20分鐘)，以便交替加熱蓄熱器(它預熱送入窯的空氣以便產生火焰，從而節省能量)。
為了用氧-燃料組合件替代空氣(來自通道)和燃料(來自噴嘴)組合件，最顯而易見的解決方法是將氧-燃料燒嘴裝在燃料噴嘴的位置上，不再用另外的燃料噴嘴以及不再通過安裝在所述噴嘴上方的通道注入空氣。如此得到的氧焰長度大致等於以前產生的空氣焰長度，而同時替代了空氣燒嘴的功率。
這一解決方法有這樣一個缺點它大大降低了火焰對玻璃熔池的覆蓋。這是因為空氣焰如有約1～1.5m寬，而代之的氧焰的寬度為約40cm。
為了解決覆蓋降低的問題，可設想不是安裝一個燒嘴，而是並排安裝兩個有一半功率的燒嘴。
這一解決方法的優點是火焰能更好地橫向覆蓋玻璃熔池，但它的主要缺點是火焰的長度縮短約40％。
為了使氧焰有空氣焰同等的寬度和長度，本發明提出使用兩個並排的氧-燃料燒嘴，並相對這兩個燒嘴通過在兩個燒嘴之間加一個噴槍並在燒嘴和噴槍之間分配氧氣來實現所謂的分段燃燒。通過優選僅使60％燃料流完全燃燒所需的氧氣送入燒嘴，而將其餘約40％的氧氣送入噴槍的方法，有可能產生與空氣焰有相同長度和寬度特徵的氧焰。
分段燃燒也使火焰溫度下降以及使NOx生成量下降成為可能。
從WO90/12760申請書已知，通過給玻璃窯增加幾個氧-燃料燒嘴，通常在窯進料段加兩個氧-燃料燒嘴以及在玻璃精煉段加兩個氧-燃料燒嘴以增加熱能傳遞到玻璃上，用這種方法提高使用空氣和燃料的燒嘴操作的玻璃窯的效率。
但是，這樣的窯「增壓」體系加到現有燒嘴上，從而使總的能量供應量增加。
在實踐中，這樣的解決方法不易應用，因為通常玻璃窯沒有另外的通道供新的燒嘴裝在窯上。
US5116399公開了一種類似的解決方法，特別是對端焰型窯(「 V或U」型火焰，端焰蓄熱窯)的解決方法，其中將一個有高火焰動量(速度大於100米/秒)的氧-燃料燒嘴安裝在窯的精煉段前壁上，以便提供更多的能量使玻璃熔化並藉助火焰的高動量使未熔化的組分保持在熔化段中。這一方法的缺點是，高動量的火焰使未熔化的玻璃顆粒飛濺出玻璃窯，在粉塵發散汙染的情況下，它是有害的。
1993年4月28日在法國裡昂「Glassman Europe93」發表的題為「GLASSMAN EUROPE』93-氧燃料焰玻璃熔融器的工業經驗」的工業小冊子描術了對於無論橫焰型或是端焰型玻璃窯(有蓄熱器或換熱器)的「增加」，除了窯中現有的空氣/燃料燒嘴外在窯中還用了一個或多個氧-燃料燒嘴，以便提高窯的效率。
上述所有專利都涉及用另外的氧-燃料燒嘴來提高玻璃窯，設想用氧-燃料燒嘴來增加傳遞給玻璃的能量。但是，它們中沒有一個涉及用氧-燃料燒嘴來替代空氣-燃料燒嘴以及沒有一個涉及為了得到有優良效率並降低燃料消耗的玻璃窯所解決的各種問題。
本發明的目的是提供一種加熱玻璃窯的方法，其中至少一個燒嘴安裝在窯壁上以便加熱玻璃熔池，該法的特徵在於，至少一個由第一燒嘴和第二燒嘴構成的組合件安裝在窯的一壁上，彼此距離至少等於約3m，燃料氣和含有至少50％(體積)氧的氧化氣體供給燒嘴；一個氧氣噴槍安裝在第一燒嘴和第二燒嘴之間，第一燒嘴、第二燒嘴和噴槍構成燃燒組合件；將大約30至約80％(體積)氧化氣體送入噴槍，而將約20至約70％(體積)氧化氣體按基本上相等的比例送到第一燒嘴和第二燒嘴，以便使燃料和氧化氣體產生延遲燃燒，並與未將氧化氣體送入噴槍得到的火焰長度相比顯著延長了火焰長度。
優選的是，將約30至約70％(體積)氧化氣體送入噴槍，其餘的送入燃燒嘴。
一般來說，本發明的方法使用兩個氧-燃料燒嘴，而在兩燒嘴之間安有一個氧氣噴槍，該法可用作調節氧-燃料燒嘴火焰的幾何形狀(長度和寬度)的方法，以便模擬或替代空氣-燃料燒嘴火焰。當噴槍中的氧流速趨於零時，火焰的長度變短；當該流速為零時，火焰長度達到最小值。但是，注入噴槍的氣體在0至約30％(體積)氧時，火焰的長度較短，變化不大；而當約30％(體積)氧注入噴槍時，火焰明顯變長。
相比，噴槍中氧的數量越多，火焰的長度越長，在分開噴入燃料/氧化劑/燃料的情況下得到最長的長度，也就是說，100％的氧化劑注入噴槍。
但是，已觀測到，在這種情況下，火焰的亮度明顯低於空氣火焰的亮度或明顯低於使用兩個相鄰的氧-燃料燒嘴而沒有氧注入噴槍時得到的火焰亮度。但是，火焰的亮度(與油煙生成有關)直接與從火焰輻射傳遞到玻璃熔池有關，通常用戶希望得到至少象用氧-燃料燒嘴而沒有氧注入噴槍時得到的火焰一樣亮度的火焰。為此，已觀測到按本發明的方法，將注入噴槍的氧限制到至多80％(體積)，優選至多70％(體積)是必要的，以便得到足夠明亮的火焰，因此得到象空氣火焰一樣大的輻射功率的火焰。
在埠型或端焰型玻璃窯的情況下，也就是說在窯的端壁安裝有空氣注入通道和在玻璃熔池上方有環形火焰，優選將送到燃燒組合件的氧氣總體積的約50至約80％(體積)氧，優選50～70％(體積)氧送入噴槍，以便得到長度足以達到精煉段的火焰。當然，在上述條件下產生的環形火焰優選用補充注入的氧得到，通常用噴槍或用氧-燃料燒嘴，它安裝在油煙通過上述由氧-燃料燒嘴和氧氣噴槍形成的燃燒體系處通道對面的通道排出之前窯中的某處。
在橫焰型窯的情況下，其中蓄熱器安裝在窯的側面，有側通道進入窯中，這時通過注入全部燃料燃燒所需總氧量的30～80％(體積)氧，優選30～70％(體積)氧可使火焰達到適合的亮度。
優選的是，氧氣噴槍的末端與氧-燃料燒嘴的末端基本上成一線，優選間隔相等距離。
但是，視希望在熔池上方產生的氣氛類型(氧化氣氛或還原氣氛)而定，噴槍可相對於氧-燃料燒嘴面向下(氧化氣氛)或向上(還原氣氛)移動。
如果用D表示燒嘴末端(如果為圓柱形燒嘴時為中心)之間的距離，而用d表示氧氣噴槍和由兩個通常彼此基本上平行排列的氧氣-燃料燒嘴確定的面之間距離，那麼為了得到可接受的分段燃燒必須滿足以下的不等式(對於D/d比)2≤D/d≤20
在這裡使用的術語「氧」通常表示含有至少50％(體積)氧，優選至少88％(體積)氧氧化氣體，特別是包括由稱為PSA(變壓吸附)、VSA(真空切換吸附)等的吸附型氧氣生產裝置得到的氧氣。
根據本發明優選的實施方案，噴槍這樣排列，以致噴槍的軸基本上在燒嘴軸之間的一半處，使它們成小於約10°的角，優選由兩個燒嘴和一個噴槍形成的燃燒體系的兩燒嘴軸之間的距離在0.4～2m之間，它與窯的類型有關。
根據本發明的另一特徵，燒嘴的軸或噴槍的軸相對於水平面的夾角為±25°，優選±20°。
根據本發明的另一方面，氧的噴射速率，特別是在氧氣噴槍中的噴射速率不大於60米/秒，優選為10～30米/秒，以便防止玻璃顆粒從窯中飛濺出以及粉塵發射造成汙染的問題。
如上所述，本發明同樣可很好地用於端焰型窯和橫焰型窯。
通常，燃燒體系保持某種對稱性是優選的，也就是說兩個氧-燃料燒嘴是相同的，優選以平行或對稱的方式排列，噴槍在一半的位置上，同樣以對稱方式排列。
氧化劑和燃料的流速在每一燒嘴中也優選相同。
從以下實施方案的描述中本發明的其他特徵和優點將變得很清楚，用非限定的實施例結合附圖進行說明-
圖1是裝有本發明燃燒組合件的玻璃熔融窯部分的平面圖；-圖2是裝有本發明燃燒組合件的玻璃熔融窯的垂直截面圖；-圖3表示有本發明各種替代形式燃燒組合件的玻璃熔融窯的通道；-圖4表示火焰亮度隨注入燃燒組合件的噴槍中的總氧的體積百分數變化的曲線圖；-圖5說明端焰窯情況下的本發明；圖6說明橫焰窯情況下的本發明。
圖1表示本發明的燃燒組合件，它包括兩個氧-燃料型燒嘴1，其軸2基本上平行，以及至少一個氧氣噴槍3，其軸與燒嘴軸平行。該組合件安裝在玻璃窯的壁5上，在加熱的玻璃質19的上方。優選的是，軸2和4在同一平面內。軸2和4優選與水平面成±20°的角。噴槍3的軸4優選基本上與燒嘴1的軸2等距。軸2和4的水平投影使它們之間成±10°的角。在需要有更寬的火焰的情況下，可並排安裝3個、4個、5個等燒嘴，這一點是在本發明的範圍內，如上所述，兩個相鄰的燒嘴被一個氧氣噴槍分開。特別是當窯很寬時，在不同的窯壁上，優選在相對的壁上安裝幾個燃燒組合件也是可能的。同樣優選這些組合件按分段的方式安裝，在一個壁上的一個燒嘴的軸基本上在相對壁上兩相鄰燒嘴軸之間一半位置上。
兩相鄰燒嘴軸2之間的距離D取決於窯的幾何形狀、燒嘴的功率等，但這一距離通常總是小於3m，優選為0.4～2m。為了在熔池上有更好的燃燒分布，在噴槍的末端有漸擴的氧氣噴射體系常常是有好處的。例如如果希望氧氣的流量和動量是十分高，在噴槍的末端安裝兩個有相同剖面的類似的噴嘴，構成單獨的漸擴噴嘴是可能的，有可能在噴槍的末端安裝兩個成≤20°角的類似的噴嘴，優選噴嘴基本上在平行於燒嘴的軸面中。
每一燒嘴有進料管線6和7，分別為燃料進料管線和氧化劑進料管線，每一噴槍3都裝有氧化劑進料管線8。根據本發明的一個方面，相同的燃燒組合件的氧化劑管線與相同的氧化劑源9相連，氧化劑源含有大於50％(體積)氧，優選至少88％(體積)氧，通常用稱為PSA(變壓吸附)或VSA(真空切換吸附)的吸附型空氣分離裝置製得。燃料優選呈氣態，通常為天然氣，它也可通過用氣體如空氣、氧化劑或水蒸汽使液體燃料霧化或用機械噴霧或任何其他適合的方法製得。根據本發明的一個方面，相同燃燒組合件的燒嘴有相同的燃料/氧化劑流，在兩個燒嘴中總的氧化劑流在燃料完全燃燒所需的理論流的20～70％(體積)之間，優選在30～70％(體積)之間，由噴槍提供燃料完全理論燃燒所需的補充氧。甚至推薦提供稍大於完全燃燒所需的理論量的氧氣，至多過量約10％(體積)，以便在油煙排出以前從油煙中除去所有可燃燒的產物。在某些情況下，這一補充的氧可由另外的氧噴槍或有超過化學計量的氧含量的氧-燃料燒嘴提供。
相同的窯可在不同部分有一個和多個本發明的燃燒組合件，該燃燒組合件可與空氣-燃料燒嘴組合或不與空氣-燃料燒嘴組合，如在10處出現的，與圖2中玻璃窯F表示的再生器11相連。
圖3表示裝有本發明燃燒體系的玻璃熔融窯的通道。
圖3a表示本發明燃燒體系的第一個結構。在空氣-燃料燒嘴操作的的玻璃窯中，通道20與窯的再生器相連，再生器通常用來預熱隨後通過該通道送入窯中的空氣，同時燃料通過安裝在該通道20下方的噴射器噴入窯中。
在本發明中，通道不再用來排放預熱的空氣。另一方面，它可繼續用於從窯中排放燃燒油煙或者另一方面或許部分關閉或完全關閉。在該通道下方是本發明的燃燒體系，燃料噴射器通常在這一位置，燃燒體系包括一個氧-燃料燒嘴22、一個氧氣噴槍23和一個第二氧-燃料燒嘴21，噴槍和兩個燒嘴基本上在相同平面中，有等距離。
圖3b表示圖3a結構中的另一形式，其中改變朝向玻璃熔池表面31、32的氧氣噴槍23，在玻璃熔池31、32上方直接產生氧化氣氛。
兩燒嘴之間的距離D(小於3m)和噴槍與兩燒嘴21、22確定的面之間的距離d之比為約2和20之間。
圖3c表示與圖3b相反的結構，它對應於用戶希望在玻璃熔池上方有還原火焰，D/d比按相同的比例變化。
在圖3中，由組合件中噴槍23發射的氧化劑流的動量優選為由組合件中燒嘴21、22發射的氧化劑/燃料流動量的0.5～3倍。
圖4表示燃燒組合件產土的火焰的亮度隨相對於提供給燃燒體系的總氧量注入噴槍的氧的百分數變化的曲線。
當提供給噴槍的氧的百分數為零時，由相鄰兩氧-燃料燒嘴得到的火焰亮度為L0。
當注入噴槍的氧的百分數增加時，在注入噴槍的氧約40～60％(體積)前火焰亮度增加，然後下降，注入噴槍大約80％總氧量時，亮度達到L0的範圍。對於100％氧注入噴槍來說，再次得到分開注入氧和燃料的結構，它對應於亮度L100的火焰，L100顯著小於L0。
對應於70％氧注入噴槍的亮度L70通常顯著大於L0，它被認為是為得到很好亮度的火焰對氧-燃料燒嘴優選的限制。
圖5表示在端焰窯中實現本發明。
圖5a是裝有本發明的燃燒體系，有蓄熱器的端焰窯的縱剖面圖，圖5b表示相同窯的俯視圖。
當空氣-燃料燃燒用於端焰窯時，空氣例如通過蓄熱器28進入窯，它在蓄熱器中預熱，然後送入窯中，同時燃料在通道20下方注入，因此產生長的環形火焰，它達到窯的背面(精製段)，返回窯的進入壁，油煙通過對應於蓄熱器29的通道排出，再生器29然後通過油煙和蓄熱器29折流板中的耐火材料熱交換而加熱。大約每20分鐘將體系切換一次，也就是說空氣通過蓄熱器29注入，燃料通過位於蓄熱器29空氣進入通道下方的注射器注入，而油煙通過蓄熱器28排出。
使用本發明的體系，也就是說將燃燒組合件21、22、23安裝在通道20的下方(如圖3所示)，不再使用對應於安裝在燃燒組合件上方的通道20的蓄熱器如28。蓄熱器29也僅用於排出油煙。
玻璃連續通過進料器30送入窯內，火焰順序加熱熔融段31和安在一鼓泡器36外面的精煉段32。熔融的精煉玻璃通過孔道33流出進入玻璃成型機的體系或「進料器」34。37圖示說明的是閥系(圖6中未詳細說明)，它使來自生產裝置(如VSA裝置或液氧儲罐)的氧分配成為可能，對於熟悉本專業的技術人員來說，該閥系是已知的。
圖6說明本發明的燃燒體系在所謂橫焰窯上的應用。
圖6a是沿橫焰窯玻璃流動方向的垂直截面圖，圖6b是由上圖得到的部分視圖，而圖6c為垂直於窯內玻璃流動方向的垂直截面圖。
這類窯通常在每一側壁裝有空氣的燃燒體系，並且大約每20～30分改變一次操作。
根據本發明，在圖3的一種結構中，至少一個由空氣進料通道和在其下方的燃料注射器構成的空氣的燃燒體系用本發明的燃燒組合件替代。可用本發明的燃燒組合件替代一個或多個組合件(通道＋燃料注射器)，它們可相鄰也可不相鄰，以及它們可相對或不相對。因為本發明的燃燒體系不用蓄熱器，但通過安裝本發明的燃燒體系使窯保持某種對稱性是優選的，以致彼此相對除外，例如蓄熱器中一個損壞，在這種情況下在相應於蓄熱器的位置僅安裝一個本發明的燃燒體系可能是有好處的。
權利要求
1.一種加熱玻璃窯投料的方法，其中至少一個燒嘴安裝在窯壁上以便加熱玻璃熔池，該法的特徵在於，至少一個由第一燒嘴和第二燒嘴(21、22)構成的組合件安裝在窯(20)的一壁上，彼此距離(D)至少等於約3m，燃料氣和含有至少50％(體積)氧的氧化氣體供給燒嘴，；一個氧氣噴槍(23)安裝在第一燒嘴(21)和第二燒嘴(22)之間，第一燒嘴(21)、第二燒嘴(22)和噴槍(23)構成燃燒組合件；將大約30至約80％(體積)氧化氣體送入噴槍(23)，而將約20至約70％(體積)氧化氣體按基本上相等的比例送到第一燒嘴(21)和第二燒嘴(22)，以便使燃料和氧化氣體產業延遲燃燒，並與未將氧化氣體送入噴槍(23)得到的火焰長度相比顯著延長了火焰長度。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於，將約30至約70％(體積)氧化氣體送入噴槍(23)，其餘的送入燒嘴(21、22)。
3.根據權利要求1和2的方法，其特徵在於，第一燒嘴(21)和第二燒嘴(22)與噴槍(23)基本上在相同平面內。
4.根據權利要求1和2的方法，其特徵在於，噴槍(23)在相對於第一燒嘴(21)和第二燒嘴(22)的平面有移位的平面內。
5.根據權利要求4的方法，其中第一燒嘴(21)和第二燒嘴(22)彼此相距D安裝，其特徵在於，噴槍(23)相對第一燒嘴和第二燒嘴的平面移位一段距離d，以致2≤D/d≤20
6.根據權利要求4和5的方法，其特徵在於，相對於玻璃熔池，噴槍(23)安裝在第一燒嘴(21)和第二燒嘴(22)的平面的上方，以致在熔池上方得到還原氣氛。
7.根據權利要求4和5的方法，其特徵在於，相對於玻璃熔池，噴槍(23)安裝在第一燒嘴(21)和第二燒嘴(22)的平面的下方，以致在熔池上方得到氧化氣氛。
8.根據權利要求1～7中任一項的方法，其中窯為端焰型窯，有至少兩個與再生器相連的通道，通道安裝在靠近玻璃進料段的窯後壁上，其特徵在於，燃燒組合件安裝在與蓄熱器相連的通道下方；燃料和氧化劑送入氧化劑噴槍或燒嘴，所述的氧化劑含有大於50％(體積)氧，噴槍或燒嘴在窯中安裝在油煙排出通道的前面；送入燃燒組合件的50～80％(體積)的氧化劑注入噴槍。
9.根據權利要求1～7中任一項的方法，窯為橫焰型窯，其中有許多安裝在窯的至少一壁上的空氣注入通道/燃料注入組合件，其特徵在於，至少一個燃燒組合件裝在窯的一壁上，以便替代一個空氣注入通道/燃料注入組合件。
10.根據權利要求1～9中任一項的方法，其特徵在於，噴槍的軸基本上在燒嘴(21、22)的軸之間一半的位置。
11.根據權利要求10的方法，其特徵在於，噴槍(23)的軸與燒嘴(21、22)軸成不大於10°的角。
12.根據上述權利要求中任一項的方法，其特徵在於，燒嘴(21、22)之間的距離為0.4～2米。
13.根據上述權利要求中任一項的方法，其特徵在於，噴槍(23)有至少兩個氧化劑噴射噴嘴，它們在軸面內分叉。
14.根據上述權利要求中任一項的方法，其特徵在於，送入燒嘴(21、22)和噴槍(23)的氧化劑含有至少88％氧。
15.根據權利要求14的方法，其特徵在於，組合件中的燒嘴(21、22)有相同的燃料/氧化劑流速。
16.根據上述權利要求中任一項的方法，其特徵在於，組合件的噴槍(23)噴射的氧化劑流的動量為組合件的燒嘴(21、22)噴射的氧化劑/燃料流的動量的0.5～3倍。
17.根據權利要求9～12中任一項的方法，其特徵在於，由吸附型空氣分離裝置(9)提供氧化劑。
全文摘要
為了確定窯中玻璃物料均勻加熱，使用兩個氧-燃料燒嘴(21、22)和一個氧氣噴槍(23)，優選噴槍在兩燒嘴之間一半處。通過改變噴槍和燒嘴中氧的相對百分數，得到高亮度的火焰。
文檔編號C03B3/02GK1163866SQ97102109
公開日1997年11月5日 申請日期1997年1月3日 優先權日1996年1月5日
發明者E·杜查逖奧, L·菲利普, D·約瓦德, R·普萊希爾, C·琵瓦爾德, E·萊波特裡, J·T·杜伯丁 申請人:喬治·克勞德方法的研究開發空氣股份有限公司