減少了鹼性物質的揮發的玻璃製造方法
2023-05-15 19:28:46 1
專利名稱：減少了鹼性物質的揮發的玻璃製造方法
技術領域：
本發明一般地涉及玻璃製造，更具體地說，涉及在玻璃製造原料被加熱和熔融成熔融態玻璃的玻璃製造過程中的熔融步驟。
在玻璃的製造中，玻璃製造原料被提供到玻璃熔爐中熔成熔融態玻璃，其再被傾入模中製成產品諸如象玻璃。玻璃製造原料包括氧化劑投料如鹽餅(硫酸鈣，CaSO4)和硝石(硝酸鈉NaNO3和硝酸鉀KNO3)以控制玻璃的氧化還原狀態。
氧化劑和熔融玻璃的反應導致了重要汙染物硫氧化物(SOx)和氮氧化物(NOx)的產生。
玻璃製造原料通過由燃料和氧化劑的燃燒提供的熱而在熔爐中熔融。燃燒反應也產生燃燒反應產物，主要包括水蒸汽和二氧化碳，也可能包括一氧化碳、氮氣、未燃燒或不完全燃燒的燃料和氧氣。來自燃燒的水蒸氣和在熔融玻璃中的鹼性氧化物反應形成從熔融玻璃氣化出來的鹼性氫氧化物。這些鹼性氫氧化物如氫氧化鈉NaOH和熔爐耐火材料壁反應，引起耐火材料腐蝕，並在熔爐後的煙道中再與氧化硫SO2和氧氣反應而形成硫酸鈉Na2SO4和其它硫酸鹽和亞硫酸鹽化合物，這些化合物形成微粒而常需要昂貴的靜電除塵器或袋濾器來保證它們不被散布到大氣中。
因此提供一種玻璃熔融方法其中鹼物質的揮發被降低同時微粒、SOx和NOx的產生被減少從而無需使用靜電除塵器或袋濾器也能滿足微粒和其它排放物的環境安全標準是非常需要的。
因此本發明的目的是提供能在沒有產生高水平的微粒、SOx和NOx的情況下有效操作的玻璃熔融方法。
本發明的另一目的是減少玻璃熔融時氧化劑投料和其它澄清劑從熔融玻璃中揮發。
本領域技術人員一旦閱讀了本公開就會明了由本發明達到的上述和其它的目標是能使鹼性物質的揮發減少的玻璃熔融方法，包括(A)將包括鹼物質的玻璃製造原料提供到玻璃熔爐中；(B)將燃料和氧化劑提供到熔爐中，並在爐內的燃燒區中將它們燃燒而產生熱和包括水蒸汽的燃燒反應產物，同時熱從燃燒區輻射到玻璃製造原料而形成熔融玻璃；(C)將屏蔽氧氣在燃燒區和熔融玻璃之間的一處以不超過每秒50英尺的速度提供到熔爐中，在燃燒區和熔融玻璃之間形成屏蔽氧氣層以將熔融玻璃和燃燒反應產物的水蒸汽隔開；和(D)使一些屏蔽氧氣和熔融玻璃反應而使熔融玻璃更多地氧化。
唯一的附圖
是可使用本發明方法的橫向火焰熔爐的一方案的簡化橫截面圖。
本發明將按附圖來詳細加以描述。現參照附圖，其顯示了玻璃熔融爐1的垂直橫截面，包括鹼物質的玻璃製造原料被到爐內。玻璃製造原料可能包括砂、蘇打灰、石灰石、白雲石、鹽餅、硝石、鐵丹和碎玻璃的一種或多種。玻璃製造原料隨著它們流過玻璃熔融爐1即在附圖的例證中隨它們朝著觀察者方面流動而被熔融而在熔爐1內形成熔融玻璃2。
燃料3和氧化劑4被提供到熔爐1中。燃料和氧化劑可象附圖所說明的那樣分別提供到熔爐1中，或也可在預混條件下一起提供。可用於本發明方法的實踐中的合適燃料的例子包括甲烷。天然氣、油和氫氣。氧氣可以空氣的方式或氧氣濃度超過空氣的流體的形式提供。所述氧氣優選以具至少30％(摩爾)氧氣濃度、最優選至少80％(摩爾)氧氣濃度的流體形式提供。如果需要，所述氧氣也可以工業純氧氣的形式提供。燃料和氧化劑最好以富燃料比式亞化學計量比提供到玻璃熔爐中，一般比值在化學計量值的5-80％的範圍內。富燃料比能使進行燃燒時不會顯著地產生NOx。當燃料和氧化劑以亞化學計量比提供到熔爐中時，將燃料完全燃燒所需的其餘氧氣由將在後面敘述的屏蔽氧氣來提供。
燃料和氧化劑在熔爐1內燃燒而產生熱和燃燒反應產物。燃料和氧化劑在相對較高的位置以低的質量平均速度提供到熔爐中並在熔爐內形成燃燒區5，質量平均速度優選低於每秒50英尺/秒，最好低於10英尺/秒。燃燒區5包含燃料、氧化劑和燃燒反應產物即水蒸汽和二氧化碳。燃燒反應產物也可能包括一氧化碳和部分燃燒的烴類物質。
屏蔽氧氣6在位於燃燒區5和熔融玻璃2之間的一處提供到熔爐1中而在燃燒區5和熔融玻璃2之間形成屏蔽氧氣層7。優選的這種屏蔽氧氣是含至少30％(摩爾)氧氣的流體。最優選的屏蔽氧氣是含至少80％(摩爾)氧氣的乾燥氧氣。屏蔽氧氣6以不超過50英尺/秒、最好是不超過10英尺/秒的速度提供到熔爐1中。屏蔽氧氣向上緩慢流動以抵銷燃燒反應產物的擴散，並且在需要時提供完成燃燒所需的附加氧氣。一個或多個煙道口位於熔爐的上部用於排放燃燒反應產物。
在燃燒區5產生的熱輻射到玻璃製造原料上使原料熔融而形成熔融玻璃。這種從燃燒區5到玻璃的原料的輻射熱或者通過氧氣屏蔽層7直接輻射到原料上，或者首先輻射到熔爐1的耐火側壁然後再通過氧氣屏蔽層7間接地輻射到制玻璃原料上。玻璃製造原料從燃燒反應得到的對流熱非常少。在常規的玻璃製造方法中，由於燃料和氧化劑以較高速度注入到熔爐中而導致在熔爐內混合，一部分燃燒產生的熱通過燃燒反應產物的對流而導至玻璃製造原料上。對流傳熱的損失通過少量提高有效輻射溫度就大可補償了。
從玻璃投料的鹼性化合物的揮發是涉及傳熱和傳質以及化學反應的複雜過程。在玻璃熔爐氣氛中NaOH是主要的鈉化合物，它主要通過水蒸汽和熔融玻璃內的氧化鈉和投料中的碳酸鈉反應而形成。隨著熔爐煙道氣的冷卻，NaOH氣和在煙道氣中的SO2與O2反應而形成Na2SO4，它隨後在煙道中冷凝成微粒。也有一些Na2SO4直接從熔融玻璃揮發。
在燃料天燃氣的玻璃熔爐中，SO2的排放來源於用于澄清的硫酸鹽投料的分解。SO2的煙囪排放受許多因素的影響。在熱的玻璃熔爐氣氛中，SO2是主要的硫化物，SO3並不是熱動力學上適合的。隨著煙道氣在煙道管和煙囪中冷卻，形成了SO3和各種硫酸鹽化合物並作為硫酸鹽或亞硫酸鹽「微粒」和氣態SO2一起排放。由在玻璃熔爐中的反應性揮發產生的NaOH蒸氣很容易和在煙道管中的SO2和O2反應而形成硫酸鹽顆粒。換句話說，NaOH是SO2的優良洗澤劑。所以如果沒有發生其它變化，減少微料排放的在玻璃熔爐中鈉揮發的減少會增加SO2的排放。為綜合減少微粒和SO2的排放，必須降低與玻璃投料相混合的硫酸鹽材料的量而仍維持良好的澄清反應以消除熔融玻璃的泡沫。對於燧石玻璃，大約一半的在投料中所含的硫可作為SO3而保持在玻璃產品中，餘下的硫則作為SO2逸入爐氣中。大約一半的在玻璃熔爐中產生的SO2被認為是通過離解或通過碳和其它還原物質與硫酸鹽投料的反應而在投料熔融區產生的。因為在該步驟中產生的SO2和O2(或CO)並不有助於玻璃澄清，因此在這個最初的熔融階段產生一種增強硫酸鹽在玻璃中溶解或保留的熔爐氣氛對降低SO2排放是需要的。熱動力學上，投料表面附近氣氛中的高O2濃度降低了硫酸鹽的溶解。水蒸汽促進了SO2的排放。然而，在投料熔融區中蘇打灰的分解產生了大量CO2，這會衝淡爐氣氛的影響。
NOx排放很大程度上歸因於硝石。硝石投料產生的NOx的消除程度取決於熔爐條件。優選的方法是降低玻璃投料中的硝石量，因為這明顯降低了投料的費用。由於硝石主要用作氧化劑，所以必須用另外的氧化劑取代。
本文展現本發明的主要優點。屏蔽氧氣的低速度結合其被提供到熔爐中的位置形成了相對不流動的屏蔽層7，它屏蔽了熔融玻璃2使其不和來自燃料和氧化劑燃燒的燃燒反應產物的主要部分接觸。結果，明顯比常規玻璃熔融方法減少了水蒸汽和熔融玻璃表面的接觸以及和熔融玻璃中鹼性氧化物的反應。因此形成較少的鹼性氫氧化物，從而使微粒形成明顯減少，結果消除了對用於控制微粒排放的靜電除塵器和袋濾器的需要。由於屏蔽氧氣非常低的速度，玻璃澄清劑和氧化劑投料的直接揮發也被顯著降低。
本發明還有第二條重要優點。因為屏蔽層7包含氧氣，屏蔽層的一些氧氣和熔融玻璃反應而使玻璃更多地氧化。這減少了對氧化劑投料的需要量、降低了玻璃熔融操作的費用、也減少了來自氧化劑投料和熔融玻璃的反應的SOx和NOx的產生。減少了SOx的產生導致SO4排放的降低。NOx產生量的減少增加了環境效益。
在燃料和氧化劑以富燃料比提供到熔爐的情況下，屏蔽氧氣會擴散到燃燒區5，而未燃燒和部分燃燒的燃料會擴散到屏蔽層7，從而使燃料的燃燒達到完全。
在熔融玻璃2上面的爐氣最好從在屏蔽氧氣被提供到熔爐之處的上方的某處排放。這有助於屏蔽氧氣層保護熔融玻璃，從而有助於防止大量水蒸汽和熔融玻璃接觸。屏蔽氧氣在熔融玻璃上方和流動最好是層流流動。
下面報告的試驗用來說明本發明的效力。但並不是說該試驗是限定性的。2』×2』×2』的試驗熔爐被用來測定本發明的屏蔽效果。100標準立方英尺/小時流量的天然氣和105標準立方英尺/小時流量的工業純氧氣以約1.5至3英尺/秒的速度提供到試驗熔爐的上部並燃燒。其化學計量比約為50％。其餘的氧氣以約0.5英尺/秒的速度提供到試驗熔爐的較低部。氧氣和二氧化碳濃度的測定在代表熔融玻璃表面的熔爐底部的附近進行，水蒸汽濃度按H2O/CO2比為2的段定值計算。其結果作為試驗A報告於表I中。當所有氧氣均通到試驗熔爐的上部時，所計算的O2、H2O和CO2的濃度作為試驗B報告於表I中。
表I
該試驗證明本發明的氧氣屏蔽層可有效地防止大量由燃燒反應產生的水蒸汽和熔融玻璃接觸。
儘管本發明是按氧化玻璃的熔融來加以討論的，但該方法很容易按還原玻璃的熔融來加以修改。例如，含CO和H2的還原屏蔽氣可代替屏蔽氧氣使用。這種氣氛可原地通過使用含天燃氣或其它烴類和諸如空氣或氧氣等氧化劑的屏蔽氣混合物來產生。設定用於燃燒的、導入的燃料和氧氣的化學計量比以提供過量氧氣而將來自屏蔽氣體混合物的還原物質在其被從熔爐排放前完全燃燒。對於其它玻璃來說，乾燥空氣或惰性氣體如氮氣可用作屏蔽氣體。
為使熔爐運行最佳化，在同樣的玻璃熔爐內也可使用一種以上的屏蔽氣體。例如，已知含CO和H2的還原氣氛有助於消除在熔融玻璃表面產生的泡沫。在玻璃表面的過多泡沫減少了熱傳遞並促進了鹼性物質和其它澄清劑的揮發。在這種情況下，對於易產生泡沫問題的玻璃表面區，使用還原性屏蔽氣體混合物。在該熔爐的其它區，使用氧化性屏蔽氣體。
現在通過應用本發明，人們可在顯著地減少來自水蒸氣和在熔融玻璃中鹼性氧化物的反應和來自氧化劑投料和熔融玻璃的反應的汙染物的排放的情況下進行玻璃熔融。
儘管本發明是按照特定實施方案來加以詳細描述的，本領域技術人員會認識到在本權利要求書的精神和範圍內存在有本發明的其它實施方案。
權利要求
1.能使鹼性物質的揮發減少的玻璃熔化方法，包括(A)將包括鹼物質的玻璃製造原料提供到玻璃熔爐中；(B)將燃料和氧化劑提供到熔爐中，並在爐內的燃燒區中將它們燃燒而產生熱和包括水蒸汽的燃燒反應產物，同時熱從燃燒區輻射到玻璃製造原料而形成熔融玻璃；(C)將屏蔽氧氣在燃燒區和熔融玻璃之間的一處以不超過每秒50英尺的速度提供到熔爐中，在燃燒區和熔融玻璃之間形成屏蔽氧氣層以將熔融玻璃和燃燒反應產物的水蒸汽隔開；和(D)使一些屏蔽氧氣和熔融玻璃反應而使熔融玻璃更多地氧化。
2.權利要求1的方法，其中所述屏蔽氧氣以不超過秒10英尺的速度提供到熔爐中。
3.權利要求1的方法，其中在熔爐中的屏蔽氧氣流是層流。
4.權利要求1的方法，其中燃料和氧化劑以亞化學計量比提供到熔爐中。
5.權利要求1的方法，其中燃料和氧化劑以低於每少50英尺的質量平均速度提供到熔爐中。
6.能使鹼性物質的揮發減少的玻璃熔融方法，包括(A)將包括鹼性物質的玻璃製造原料提供到玻璃熔爐中；(B)將燃料和氧化劑提供到熔爐中並在爐內的燃燒區燃燒而產生熱和包括水蒸汽的燃燒反應產物，同時熱從燃燒區輻射到玻璃製造原料上而形成熔融玻璃；(C)在熔爐內在燃燒區和熔融玻璃之間的一處以不超過每秒50英尺的速度提供包含一氧化碳和氫氣的還原氣體，在燃燒區和熔融玻璃間形成還原氣體層將熔融玻璃和燃燒反應產物的水蒸汽隔開；和(D)一些還原氣體和熔融玻璃反應而使熔融玻璃更多地還原。
7.能使鹼性物質的揮發減少的玻璃熔融方法，包括(A)將包括鹼性物質的玻璃製造原料提供到具有氧化區和還原區的玻璃熔爐中；(B)將燃料和氧化劑提供到熔爐中並在爐內的燃燒區燃燒而產生熱和包括水蒸汽的燃燒反應產物，同時熱從燃燒反應產物輻射到玻璃製造原料上而形成熔融玻璃；(C)將屏蔽氧氣在燃燒區和熔融玻璃之間的一處以不超過每秒50英尺的速度提供到熔爐的氧化區，在燃燒區和熔融玻璃之間形成屏蔽氧氣層以將熔融玻璃和燃燒反應產物的水蒸汽隔開；和(D)在燃燒區和熔融玻璃之間的一處以不超過每秒50英尺的速度在熔爐的還原區內提供包含一氧化碳和氫氣的還原氣體，在燃燒區和熔融玻璃之間形成還原氣體層以將熔融玻璃和燃燒反應產物的水蒸汽隔開。
8.權利要求7的方法，其中一些屏蔽氧氣和在熔爐的氧化區中的熔融玻璃反應。
9.權利要求7的方法，其中一些還原氣體與在熔爐的還原區中的熔融玻璃反應。
全文摘要
本發明涉及玻璃熔融方法，其中燃料和氧化劑在處於熔爐較高水平上的燃燒區中燃燒，同時屏蔽氧氣以低速在熔融玻璃表面上方通過而在燃燒區和熔融玻璃之間形成屏蔽層，從而消去來自燃燒的水蒸汽和熔融玻璃內物質的反應，減少了熔融玻璃的鹼性物質的揮發並使熔融玻璃更多地氧化。還原氣體可代替屏蔽氧氣使用而使熔融玻璃更多地還原。屏蔽氧氣和還原氣體可在多區域熔爐中順序地使用。
文檔編號C03B5/235GK1140696SQ9610882
公開日1997年1月22日 申請日期1996年6月12日 優先權日1995年6月13日
發明者H·小林 申請人:普拉塞爾技術有限公司