專利名稱：用于預(yù)加熱玻璃制造材料的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及玻璃生產(chǎn)，更具體地，涉及通過與燃燒產(chǎn)物(煙氣) 的熱交換對玻璃制造材料的加熱，所述燃燒產(chǎn)物在燃燒中形成，所述 燃燒被實(shí)施以產(chǎn)生用于使玻璃制造材料熔化的熱。
背景技術(shù)：
常規(guī)玻璃制造方法需要建立于玻璃熔爐溫度，所述玻璃熔爐溫度 足夠高以熔化玻璃制造材料(所述玻璃制造材料表示一種或多種材料 例如砂、純堿、石灰石、白云石、長石、紅鐵粉(它們被統(tǒng)稱為"批 料")和/或破碎的、邊角料的和回收的玻璃(稱為"碎玻璃"))。 所需的高溫一般通過烴類燃料(例如天然氣)的燃燒獲得。所述燃燒 產(chǎn)生氣態(tài)燃燒產(chǎn)物(也稱作煙氣)。即使在實(shí)現(xiàn)了從燃燒到待熔化玻 璃制造材料的較高傳熱效率的玻璃制造設(shè)備中，離開熔融槽的燃燒產(chǎn)
物通常也具有遠(yuǎn)超過2000。F的溫度，從而造成在玻璃制造操作中所產(chǎn) 生能量的相當(dāng)大的浪費(fèi)，除非可以從所述燃燒產(chǎn)物至少部分地回收熱 能。現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)通過使用稱作再生器的煙氣-空氣換熱器來解決該 問題。在常規(guī)的空氣焙燒再生爐中，通過預(yù)加熱輸入的燃燒空氣以在 再生器中部分地回收煙氣中的廢熱，煙氣在通過再生器后的出口溫度 被降低至大約800-1000。F。
相比于燃料與空氣的燃燒，烴類燃料與平均氧體積百分比至少為 35的氣態(tài)氧化劑的燃燒(稱作"全氧燃燒")為玻璃制造操作提供了許 多優(yōu)點(diǎn)。在這些優(yōu)點(diǎn)中包括提供了較高傳熱和較短熔化時(shí)間的較高 火焰溫度；以及減小了離開玻璃熔爐的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物的總體積，這使 得所需的氣體處理設(shè)備的尺寸減小。在具有這種較高氧含量的氧化劑 的燃燒中形成的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物可具有1800。F或更高的溫度，甚至 2000。F或更高的溫度。因此，全氧燃燒的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物比常規(guī)空氣焙 燒燃燒的燃燒產(chǎn)物含有更多的熱能，所述熱能應(yīng)當(dāng)有利地用于改善玻 璃制造操作的總能量效率。
雖然在玻璃制造領(lǐng)域已注意到使用來自玻璃熔爐的熱氣態(tài)燃燒
5產(chǎn)物中的熱來預(yù)加熱在玻璃制造中送入的待熔化玻璃制造材料，但迄
料換熱時(shí)應(yīng)當(dāng)不超^^約1000-1300。F?？糹、二構(gòu)成::器的材料承 受較高溫度的能力，以及考慮到玻璃制造材料在換熱步驟中如果變得 過熱則會開始軟化并且變粘著(或"膠粘")，導(dǎo)致生產(chǎn)量降低乃至換 熱器通道堵塞的趨勢，因而確定了上述最高溫度。玻璃制造材料變粘 著或膠粘的溫度取決于批料成分以及與玻璃制造材料接觸的材料，并 且認(rèn)為對于用普通批料制造用于瓶罐和窗玻璃的納鈣玻璃，該溫度應(yīng) 在1000-1300。F之間。在常規(guī)空氣焙燒再生爐中，在再生器之后的煙 氣出口溫度大約為800-1000。F，并且不需要在批料/碎玻璃預(yù)熱器之前 使煙氣冷卻。
當(dāng)氣態(tài)燃燒產(chǎn)物是通過全氧燃燒獲得的燃燒產(chǎn)物時(shí)，傳統(tǒng)觀念認(rèn) 為所述燃燒產(chǎn)物需要在可以與引入的玻璃制造材料開始換熱之前被 冷卻到1000-1300。F的范圍。有很多實(shí)例表明了現(xiàn)有技術(shù)認(rèn)為必須在
煙氣被用于加熱引入的玻璃制造材料之前使煙氣的溫度降低。這樣的 實(shí)例包括C. P. Ross等人，"Glass Melting Technology: A Technical and Economic Assessment", Glass Manufacturing Industry Council, August 2004， pp. 73-80; G. Lubitz等人，"Oxy-fuel Fired Furnace in Combination with Batch and Cullet Preheating",發(fā)表于NOVEM Energy Efficiency in Glass Industry Workshop (2000)， pp. 69-84; 美 國專利No.5,412，882 ; 美國專利No.5,526，580 ;以及美國專利 No.5，807，418。
然而，通過向燃燒產(chǎn)物流添加氣態(tài)稀釋劑(例如空氣)和/或?qū)?冷卻液噴到該燃燒產(chǎn)物流中以降低該燃燒產(chǎn)物流的溫度是不利的，因 為這種方法減少了留在氣態(tài)燃燒產(chǎn)物中可回收的熱量，增加了氣體處 理設(shè)備的尺寸，并且添加了附加設(shè)備和工藝費(fèi)用。
因此，在本領(lǐng)域中需要允許從全氧燃燒的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物到玻璃制 造材料的實(shí)用且有效地?fù)Q熱的方法和裝置，其即使在玻璃制造操作中 使用全氧燃燒時(shí)遇到相對較高溫度的情形下也能被實(shí)施。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一種方案是玻璃熔化方法，包括(A) 將加熱的玻璃制造材料送入玻璃熔爐中；
(B) 將燃料與具有總平均氧含量至少為35 vol.。/。的氧的氧化劑 燃燒，從而產(chǎn)生用于在所述玻璃熔爐中熔化所述加熱的玻璃制造材料 的熱，并且產(chǎn)生具有大于1800。F溫度的熱燃燒產(chǎn)物；
(C) 從所述玻璃熔爐收回所述熱燃燒產(chǎn)物并將所述熱燃燒產(chǎn)物 送入換熱單元的第一通路中，其中，進(jìn)入所述第一通路的所述熱燃燒 產(chǎn)物的溫度為至少1800°F;
(D) 使所述熱燃燒產(chǎn)物流過所述第一通路并從中流出；
(E) 將玻璃制造材料送入并且通過所述換熱單元的第二通路，所 述第二通路由隔板與所述第一通路分隔開，所述玻璃制造材料和所述 熱燃燒產(chǎn)物不能通過所述隔板，來自所述熱燃燒產(chǎn)物的熱通過所述隔 板傳給所述玻璃制造材料，從而形成所迷加熱的玻璃制造材料；以及
(F) 將從所述第一通路中的熱燃燒產(chǎn)物到所述隔板的熱通量保
1600°F，并且使所述玻璃制造材料的溫度不達(dá)到或不超過玻璃制造材 料變粘著的溫度。
如本文中所使用的，玻璃制造材料是"粘著的，，是指當(dāng)室溫下呈 自由流動顆粒形式的250克玻璃制造材料在金屬容器中被加熱至給定 溫度并保持該溫度30分鐘，然后倒置所述容器時(shí)，所述玻璃制造材料 的至少1%粘附到所述容器的表面，其中所述金屬容器由與所述玻璃 制造材料所要流經(jīng)的隔板的材料相同的材料制成；所述玻璃制造材料 "變粘著，，的溫度是所述玻璃制造材料在被加熱至該溫度時(shí)因此"粘 著，，的最低溫度。


圖l是能夠用來實(shí)施本發(fā)明方法的玻璃制造裝置的示意圖。
圖2是適用于實(shí)施本發(fā)明的換熱單元的剖視圖。
圖3是適用于實(shí)施本發(fā)明的替代性換熱單元的剖視圖。
圖4是適用于實(shí)施本發(fā)明的替代性換熱單元的剖視圖。
圖5是適用于實(shí)施本發(fā)明的替代性裝置的剖視圖。
圖6是適用于實(shí)施本發(fā)明的替代性換熱單元的剖視圖。
圖7是適用于實(shí)施本發(fā)明的替代實(shí)施例的從上方觀察的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖l,燃料流1和氣態(tài)氧化劑2被送到玻璃熔爐3并在該玻璃熔 爐3中燃燒，從而產(chǎn)生足夠的熱來熔化存在于爐3內(nèi)的玻璃制造材料。 熔融玻璃流4可從玻璃熔爐3中回收。
合適的燃料包括任何可與氧燃燒產(chǎn)生所需的燃燒熱量的燃料。優(yōu) 選的燃料包括氣態(tài)烴類，例如天然氣。
繪制為流2的氧化劑可作為 一 個流被送到爐3內(nèi)的單獨(dú)燃燒器，但 是更通常地作為多個流提供給爐3內(nèi)的多個燃燒器中的每個燃燒器。 考慮到所有這種氣態(tài)流的總數(shù)，送到爐3并在爐3中燃燒的所有流的總 平均氧含量應(yīng)當(dāng)氧體積百分比至少為35,更優(yōu)選氧體積百分比至少為 50。也就是，例如，如果操作者希望使某些燃燒器(對這些燃燒器供 給較高的氧含量)比其它燃燒器燃燒得更熱，那么送到不同燃燒器的 氧化劑流的氧含量可以彼此不同。獲得含有期望氧含量的氣態(tài)氧化劑 流的優(yōu)選方式是在特定燃燒器的上游或在燃燒器出口處使空氣和氧 含量比空氣的氧含量高的氣體(例如氧體積百分比為90的氣流)混合。
燃料和氧化劑的燃燒產(chǎn)生熱的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物流5，從爐3移除該氣 態(tài)燃燒產(chǎn)物流5并將其送至換熱單元7(在下文將進(jìn)一步描述該換熱單 元7)，冷氣態(tài)燃燒產(chǎn)物流6從所述換熱單元7排出。任選的旁通流8 不經(jīng)過換熱單元7從流5運(yùn)送熱燃燒產(chǎn)物以與排出流6匯合。
通過使作為流9的玻璃制造材料流經(jīng)換熱單元7來獲得待送至爐3 并在爐3中熔化的加熱的玻璃制造材料流8。任選的旁通流10表示也將 送至爐3的與流8中加熱的玻璃制造材料結(jié)合的玻璃制造材料，但是所 述旁通流10不經(jīng)過換熱單元7。流9和任選的流10通常從常規(guī)設(shè)計(jì)的合 適料倉和給料機(jī)接收玻璃制造材料。
圖2示出了換熱單元7的一個優(yōu)選實(shí)施例。通常，所述單元的水平 剖面是圓筒形或矩形的。在圖2所示的實(shí)施例中，通路ll被一條或多 條通路12包圍，所述通路12通過隔板13與通路11分離?？紤]該換熱單 元7的最簡單形式，該換熱單元7的這個實(shí)施例是能夠以間接換熱的方 式(指的是熱量可以穿過隔板13而不會有燃燒產(chǎn)物和玻璃制造材料之 間的直接物理接觸，因?yàn)闅鈶B(tài)、液態(tài)或固態(tài)材料不能穿過隔板13)使 熱從通路11通過隔板13交換到通路12的換熱器。換熱單元7可具有圓
8形、矩形或任何其它幾何構(gòu)造的水平剖面形狀，但是優(yōu)選圓形和矩形，
尤其是正方形?？梢杂幸粭l完全包圍通路11的通路12，或者通路12 可以通過在緊密圍繞通路ll的空間內(nèi)適當(dāng)定位的豎直間隔物而分為 兩條或多條這樣的通路。
來自玻璃熔爐的熱燃燒產(chǎn)物流5通過單元7的底部中的進(jìn)口噴嘴 14送入通路11的內(nèi)部。有利地，流5在管道中被輸送至換熱單元7，所 述管道具有能夠承受該流的高溫的合適的耐熱耐火內(nèi)襯。流5在其進(jìn) 入通路11時(shí)處于至少1800。F的溫度下，而且可能在2000。F以上甚至在 2200。F以上。因此，實(shí)施本發(fā)明的一個優(yōu)點(diǎn)在于不需要在開始從熱燃 燒產(chǎn)物向玻璃制造材料傳熱之前顯著降低所述熱燃燒產(chǎn)物的溫度來 實(shí)施本發(fā)明。重要地是，在玻璃熔爐和單元7之間不需要向流5添加稀 釋空氣或其它冷卻介質(zhì)。
如圖2所示，待預(yù)加熱的引入的玻璃制造材料流9被送至通路12。 流9可被送入單元7的側(cè)面之外的通路中，或者可以在上表面17的頂部 饋送(如果該表面是傾斜的話)，因此所述材料沿著傾斜表面朝通路 12運(yùn)動，然后進(jìn)入通路12。所述玻璃制造材料優(yōu)選具有從小片碎玻璃 直到細(xì)碎顆粒狀玻璃制造材料范圍內(nèi)的尺寸，使得玻璃制造材料能夠 在重力作用下向下穿過通路12。在玻璃制造材料穿過通路12時(shí)，其溫 度由于從通路11中的熱燃燒產(chǎn)物流過隔板13的熱量而增加。由此加熱 的玻璃制造材料作為流8離開換熱單元7，然后所述流8可被送至玻璃 熔爐。在圖5中示出了對加熱的玻璃制造材料的替代性處理，這將在 下文討論。冷燃燒產(chǎn)物流6以一般1400。F以下的溫度通過頂部17離 開換熱單元7，但是在該點(diǎn)的溫度可根據(jù)換熱單元7的操作特性并根據(jù) 操作者是否希望將該流傳到另一單元來調(diào)整，由所述另一單元可有利 地從流6收回附加熱量，所述另一單元例如是將熱量傳給引入的玻璃 制造材料或傳給將在玻璃熔爐3中進(jìn)行的m^t^^p^Ht#^ 化劑流的另一換熱單元。如果需要，從引入的玻璃制造材料經(jīng)過的通 路(例如本實(shí)施例中的通路12)收回一個或多個廢氣流21，優(yōu)選在上 端收回所述廢氣流21并送至流5，或者送至熱燃燒氣體經(jīng)過的通路(本 實(shí)施例中的通路ll)，或者送至焚燒爐或其它單元，從而氧化、分解 或者去除來自所述廢氣(例如在進(jìn)入的碎玻璃材料上出現(xiàn)的水蒸汽、 有機(jī)煙氣或副產(chǎn)物)的不良組分。如上所述，流9可從提供玻璃制造材料的儲料倉或類似裝置獲得， 或者作為離開另一換熱單元的加熱材料流而獲得，玻璃制造材料在所 述另一換熱單元中例如通過與熱燃燒產(chǎn)物(例如流6)的換熱而被預(yù) 先力口熱。
換熱單元7可由能夠承受在本文所述操作中遇到的溫度的任何材 料構(gòu)成。優(yōu)選地，隔板13由金屬制成，例如碳鋼、不銹鋼或其它高溫 合金。單元7的頂部和底部應(yīng)當(dāng)由絕緣陶瓷材料制成。如圖2或如圖2 所示，頂部17可以是扁平的。圍繞通路12的外部的殼體可由金屬或耐 火磚制成。噴嘴14優(yōu)選由能夠承受進(jìn)入的熱燃燒產(chǎn)物流的溫度的陶瓷 材料構(gòu)成。
玻璃制造材料可以如下速率饋送通過通路12，即，該速率使得所 述通路基本上^皮正在加熱的玻璃制造材料的填充運(yùn)動床(moving bed)或流化床(fluidizedbed)充滿。然而，優(yōu)選地，為了實(shí)現(xiàn)更快 的傳熱并使玻璃制造材料被加熱至更均勻的溫度，所述玻璃制造材料 以被加熱玻璃制造材料的流化床的形式來饋送，或者以分散方式饋 送，使得離散的材料微粒作為材料"降雨"流的形式落入通路12中的空 間。對降雨流中的玻璃制造材料傳熱的效率可通過提供適當(dāng)?shù)恼哿靼?(baffle)來更進(jìn)一步地提高，所述折流板例如是設(shè)置在降落微粒的 路徑中的向下凹入的角鐵，從而使所述樣i粒從其路徑偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而增加 停留時(shí)間并更進(jìn)一 步增強(qiáng)傳熱。在美國專利No.5，992,041中描述了使
用這種折流板的換熱器的例子。
已經(jīng)確定的是，如果熱燃燒產(chǎn)物被送入的通路構(gòu)造成使得與通路 12中的玻璃制造材料接觸的隔板13的表面溫度不超過1600。F，并且通
的溫度，'那么可以獲得對玻璃制^材^的;效傳熱，而不會遇到前述 傳熱設(shè)備的問題。
各種玻璃中的典型組分及所述組分的量的范圍可由公開的資源 和常規(guī)試驗(yàn)確定。為了說明的目的，所提到的情況是，很多種玻璃可 包含55 wt.o/o至85wt.。/。的硅石(Si02 );總共4.5 wt.。/o至20 wt.。/o的 Na20和K;jO;總共0.05 wt.。/。至25 wt.。/o的CaO和MgO; 0至15wt.。/。的 A1203;以及任選的其它組分，例如Fe20" PbO(用于晶體玻璃和鉛 晶質(zhì)玻璃中)、B203 (用于硼硅酸鹽玻璃中)、和/或Ti、 S、 Cr、 Zr、Sb和/或Ba的氧化物的混合物或包含所述氧化物的混合物。
然而，對實(shí)施本發(fā)明的適當(dāng)溫度的確定取決于在玻璃制造材料通
分的混合物的性質(zhì)。如在本領(lǐng)域中所:的，這些成分需要包含所需的 玻璃制造組分，或者在施加高溫后能夠轉(zhuǎn)變成所需的玻璃制造組分。 合適的成分可以不僅包括前述的混合物，而且包括前軀體 (precursor)，例如(但不限于)堿金屬硅酸鹽、碳酸鹽及氫氧 化物；堿土金屬硅酸鹽、碳酸鹽及氫氧化物；以及前述的任一種的水 合物。較低的粘著溫度(如本文所使用的術(shù)語)一般與較高量的堿金 屬和堿土金屬的氧化物和氫氧化物相關(guān)聯(lián)。
對于在相對較低溫度下變粘著的成分(例如用于普通納鈣玻璃或 硼硅酸鹽玻璃的成分)，所述溫度不應(yīng)超過1300。F,優(yōu)選不超過 1200°F。由于很多不同的成分用于玻璃制造并且玻璃制造材料的粘著 特性不僅取決于所述成分，而且也取決于所述玻璃制造材料的粒度分 布以及取決于用于隔板13的金屬、折流板或與加熱的批料材料接觸的 其它金屬，因此應(yīng)當(dāng)進(jìn)行確定最高溫度的試驗(yàn)，從而避免膠粘問題。 推薦的試驗(yàn)程序是將室溫下呈自由流動顆粒形式的250克玻璃制造
材料在金屬容器(或坩堝)中加熱至給定溫度并將所加熱的材料保持 在該溫度30分鐘，其中所述金屬容器由與將要接觸加熱的批料材料的 隔板13相同的金屬制成。然后，加熱的容器被倒置以接近如此試驗(yàn)的 材料的流動特性。所述材料的至少1%在經(jīng)受這些步驟后粘附到所述 容器表面的最低溫度被定義為所述材料對用于所述容器的金屬的"粘 著溫度"。材料在單元7中被加熱到的溫度不應(yīng)超過所述粘著溫度，優(yōu) 選不應(yīng)超過低于所述粘著溫度100。F的溫度。滿足這些條件就確保了 玻璃制造材料不會變得過熱以至于軟化、變得膠粘并隨后開始堵塞通 路或加熱的玻璃制造材料離開通路12的開口 。
已經(jīng)確定的是，可以滿足這些條件以適用于任何給定組的操作條 件，如下文所述，只要流向隔板13的全部傳熱表面的熱通量(每單 位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)隔板13處的傳熱表面的單位面積的能量)保持足夠得 低，使得暴露于玻璃制造材料的隔板13的表面不達(dá)到超出1600。F的溫
造材料變粘著的溫度。通過輻射和對流傳:計(jì)算^可^估計(jì)隔板13上的
ii熱通量和溫度分布，其中，所述計(jì)算考慮了進(jìn)入的熱燃燒產(chǎn)物流的溫
度和流率、進(jìn)入換熱單元7的玻璃制造材料的溫度和流率、通路ll的 幾何構(gòu)造、以及隔板13的熱性質(zhì)和物理性質(zhì)(即，傳導(dǎo)率、發(fā)射率和 厚度)。雖然可以實(shí)現(xiàn)對溫度分布的精確預(yù)測，但這通常是困難的并 且需要應(yīng)用詳細(xì)的數(shù)學(xué)傳熱模型以便于優(yōu)化。 一種實(shí)現(xiàn)實(shí)施本發(fā)明的 實(shí)用方法是提供足夠高的傳熱表面積和足夠大的燃燒產(chǎn)物所送入的 通路ll的空間。選擇通路ll的幾何結(jié)構(gòu)以允許在所有隔板壁和熱燃燒 產(chǎn)物之間的良好輻射換熱。狹長的通路ll趨向于使進(jìn)入的熱燃燒產(chǎn)物 流的進(jìn)口 (噴嘴14)附近的區(qū)域過熱。
例如，矩形通路的長寬比(定義為所述通路的豎直長度與矩形的 短邊之比)優(yōu)選小于5，更優(yōu)選小于3。 一種優(yōu)選方法是引入噴嘴14 所穿過的底部16的中心附近的燃燒產(chǎn)物，因此，甚至燃燒產(chǎn)物的最熱 部分距傳熱壁的距離足夠地大，使得通向隔板表面的熱通量不會變得 過高而使得隔板表面溫度(玻璃制造材料暴露于所述隔板表面溫度) 變得過高。因此，在提供根據(jù)本發(fā)明的操作中可最容易作為決定因素 來調(diào)整的因素是隔板13的總換熱表面積，以及從燃燒產(chǎn)物在被送入換 熱單元時(shí)所述燃燒產(chǎn)物最熱時(shí)的點(diǎn)(通常這是當(dāng)熱燃燒產(chǎn)物通過一個 或多個噴嘴被送入換熱單元的通路11時(shí)在噴嘴14處)到暴露于熱燃燒 產(chǎn)物的隔板13的內(nèi)表面上的最近點(diǎn)的距離。
在并非是要受到對本發(fā)明效果的任何具體解釋的限制的情況下， 從燃燒產(chǎn)物到分離燃燒產(chǎn)物與玻璃制造材料的隔壁的傳熱的主要方 式是輻射而不只是對流。因此，為確定傳熱表面積和合適的進(jìn)口噴嘴 位置所進(jìn)行的計(jì)算是在描述輻射傳熱的特征時(shí)進(jìn)行的計(jì)算。
圖3示出了本發(fā)明的另一個有益實(shí)施例。在圖3所示的換熱單元7 的實(shí)施例中，待加熱的玻璃制造材料流9被送入通路11中，所述通路 11被熱燃燒產(chǎn)物5流過的通路12包圍。除了玻璃制造材料通過相對于 熱燃燒產(chǎn)物流過的通路12定位在中心的通路11以外，上文關(guān)于圖2所 示實(shí)施例的描述也適用于圖3所示的實(shí)施例。優(yōu)選地，12表示完全圍 繞中央通路ll的通路，但是這種圍繞式通路12可由適當(dāng)定位的豎直間 隔物分為扇形區(qū)段。無論這種通路12是完整的還是剖分的，優(yōu)選的是 以多于一個流的方式將熱燃燒產(chǎn)物送入通路12中，優(yōu)選為環(huán)繞通路12 的底部間隔開的2-16個流。提供附加的流有助于在通路12內(nèi)的任何給
12定高度處提供環(huán)繞通路ll的相對均勻的溫度條件。暴露于玻璃制造材
料且溫度不應(yīng)當(dāng)允許超過1600。F的隔板13的表面在本實(shí)施例中是隔 板13的內(nèi)表面。因此，通過以下方法最有效地實(shí)現(xiàn)對所述條件的觀測， 即適當(dāng)?shù)卮_定不僅僅隔板13的總傳熱表面積，而且確定通路ll的幾 何結(jié)構(gòu)和一個或多個進(jìn)口噴嘴14的位置及所述進(jìn)口噴嘴14距隔板13 的相應(yīng)距離，使得從通路12到隔板13的表面(燃燒產(chǎn)物暴露于所述表 面)的熱通量可被適當(dāng)?shù)乜刂疲瑥亩刂聘舭?玻璃制造材料暴露于 所述隔板)的溫度。
圖4示出了本發(fā)明的另 一個有益實(shí)施例。圖4繪制了圖3的實(shí)施例， 但是向圖3添加了"掩壁(shadow wall) "15。每個掩壁15優(yōu)選位于進(jìn) 口噴嘴14和隔板13之間，使得從進(jìn)口噴嘴14的開口到隔板13的直線必 須穿過掩壁15。掩壁由合適的可承受進(jìn)入的熱燃燒產(chǎn)物流的溫度的耐 火材料制成，例如耐高溫的陶瓷材料。每個掩壁具有開口，通過所述 掩壁僅僅部分地將輻射熱通量從熱燃燒產(chǎn)物向隔板13傳送，從而減小 受控方式中的輻射熱通量。所述開口可以是圓形的或多邊形的，或者 可以是細(xì)長槽的形式。 一般地，所述開口可占據(jù)所述掩壁的表面的 10%-90%;具體的百分比可容易用實(shí)驗(yàn)方法確定。所述開口可在掩 壁的表面上均勻地隔開，或者可以在離底部較近的位置(即，離熱燃 燒產(chǎn)物進(jìn)入通路的點(diǎn)較近)提供較少的開口 ，在離底部較遠(yuǎn)的位置提 供較多的開口。掩壁15也可從熱燃燒產(chǎn)物吸熱，并且向隔板13的表面 輻射熱。這些掩壁15使得操作者能夠通過減小來自燃燒產(chǎn)物流過的通 路的最熱區(qū)域的熱通量來減小換熱單元7的總尺寸，所述最熱區(qū)域通 常是最接近于熱燃燒產(chǎn)物進(jìn)入所述通路的的區(qū)域。任何掩壁15的有效 尺寸(尤其是開口的數(shù)量及開口的尺寸)可容易地用實(shí)驗(yàn)方法確定。
當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解，通過包括位于一個或多個進(jìn)口和隔板13的內(nèi)表 面之間的掩壁，圖2所示類型的實(shí)施例(其中，熱燃燒產(chǎn)物流過由玻 璃制造材料通過的一條或多條通路所圍繞的中央通路)也是適用的， 燃燒產(chǎn)物通過所述進(jìn)口進(jìn)入中央通路。
圖5示出了一種在玻璃制造材料通過換熱單元7后將加熱的玻璃 制造材料輸送到玻璃熔爐3的方式。加熱的玻璃制造材料8下降到床18 上，玻璃制造材料從所述床18流入爐3中。床18可以是水平的或傾斜 的(即，仍然具有水平分量)。床18上的材料可在重力作用下運(yùn)動，但是優(yōu)選借助于市場上可買到的用于使加熱的固體的床運(yùn)動的活動 傳送帶、轉(zhuǎn)底爐或類似設(shè)備(例如活動爐排)來運(yùn)動。在本實(shí)施例中，
熱燃燒產(chǎn)物可按流的形式流入通路ll中而不需使用噴嘴。分隔壁20 可輔助保持爐3內(nèi)的熱玻璃熔融氣氛。熱燃燒產(chǎn)物經(jīng)過床18的上表面 離開爐3，因此甚至在熱燃燒產(chǎn)物進(jìn)入通路11以與通路12中的材料換 熱之前就會發(fā)生一定量的換熱。
圖6示出了適用于本發(fā)明的另一個實(shí)施例。在本實(shí)施例中，熱燃 燒產(chǎn)物和玻璃制造材料同向地流動，而不是如圖2、 3和4所示的反向 流動。在圖2和5中采用的附圖標(biāo)記在圖5中具有與圖2中相同的含義。 如圖可見，區(qū)別在于，熱燃燒產(chǎn)物通過進(jìn)口噴嘴14送入通路11的頂部 中，冷燃燒產(chǎn)物流6從通路11的底部離開。應(yīng)當(dāng)想到，圖3和4的實(shí)施 例也可適于提供同向流動的換熱流。
本發(fā)明在各實(shí)施例中也可按以下方式來實(shí)施，即各自被自身隔 板13限制的兩條或多條(通常為2-10，優(yōu)選2-6)通路ll彼此位于足夠 緊密的位置，使得通路12置于兩條(或多條)通路11之間。 一個這樣 的實(shí)施例示于圖7，其中，四條通路11各自通過進(jìn)口14接收隨后向上 流過通路ll的一部分熱燃燒氣體。所述四條通路ll相對于彼此定位， 使得一些通路12被限定在成對的相鄰?fù)?1之間。熱量流過隔板13。 優(yōu)選地，熱燃燒產(chǎn)物流過通路ll,玻璃制造材料流過通路12，在該情 況下，熱量從通路11流入通路12中。圖7所示的裝置也可按如下方式 來使用，即，熱燃燒產(chǎn)物流過通路12，玻璃制造材料流過通路ll，但 這不是更為優(yōu)選的，因?yàn)橥?2較緊密的尺寸使得必須提供掩壁或等 同物以避免流向壁13的熱通量不會過度。
如上所述，本發(fā)明的一個顯著優(yōu)點(diǎn)在于，即使在從全氧燃燒獲得 熱燃燒產(chǎn)物流時(shí)所述熱燃燒產(chǎn)物流的溫度較高，但是也可以更多地利 用所述熱燃燒產(chǎn)物流的內(nèi)能，而不需要例如通過添加稀釋流體流來使 所述流的溫度產(chǎn)生任何顯著的降低。其它的內(nèi)在優(yōu)點(diǎn)在于，熱燃燒產(chǎn) 物和玻璃制造材料之間的傳熱是間接的，這意味著在引入的玻璃制造 材料中不會有夾帶灰塵或其它顆粒的危險(xiǎn)，也不會有使離開的燃燒產(chǎn) 物流被夾帶的灰塵或其它顆粒物質(zhì)污染的危險(xiǎn)，還不會有嚴(yán)重氧化對 制造琥珀有色玻璃重要的批料材料的碳含量的危險(xiǎn)。
本發(fā)明可利用進(jìn)入的燃燒產(chǎn)物流(比現(xiàn)有實(shí)施方案具有更高的可利用的溫度)來加熱引入的玻璃制造材料也意味著離開傳熱單元7的 冷燃燒產(chǎn)物流的溫度仍然足夠高，使得該流可用于附加的換熱。例如， 離開的燃燒產(chǎn)物流6可被送至常規(guī)換熱器，所述換熱器通過與引入的 玻璃制造材料、與隨后在玻璃熔爐中燃燒的氧化劑或燃料、或者與其 它氣體、液體或固體材料的對流換熱，從而從具有約1000。F以下溫度 的燃燒產(chǎn)物流換熱。作為進(jìn)一步有利的實(shí)施例，在玻璃制造材料作為 流9被送至本文所述的換熱單元之前，作為流9饋送的所述玻璃制造材 料可以是已經(jīng)被加熱的(例如通過流過這種常規(guī)對流換熱單元)。所 述換熱可適用于冷卻的但仍然產(chǎn)生熱量的燃燒產(chǎn)物，或者適用于其它 的熱材料流。
如果需要，從傳熱單元7或者從隨后的換熱器排出的冷燃燒產(chǎn)物 流可接受在所述流被排放到大氣或用作化學(xué)處理階段的原料流之前 所希望或所需要的處理步驟。例如，所述流可流過靜電除塵器或等同 設(shè)備來去除微細(xì)顆粒污染物。例如通過使所述流與合適的吸收劑或反 應(yīng)物(例如Ca(OH)2或碳酸鈉)接觸，從而所述流可被處理以去除氣 態(tài)大氣污染物(例如氧化疏)。
在以下示例中描述根據(jù)在實(shí)際玻璃制造操作中可能遇到的 一組 假設(shè)操作條件的 一組示例性計(jì)算。
示例
450 tpd (p屯l曰)的短火石《器(flint container) &璃溶,戶酉己
備有串聯(lián)安裝的高溫輻射式批料/碎玻璃預(yù)熱器和常規(guī)低溫批料/碎玻 璃預(yù)熱器。所述爐用47000 SCFH (標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/小時(shí))的天然氣和 105000 SCFH的商業(yè)氧氣(92 %02、 4% ]\2和4% Ar )作為燃料。來 自熔爐的總排氣氣體流率約為192000SCFH，所述氣體包括從標(biāo)準(zhǔn)容 器批料材料和一定量的空氣滲透所產(chǎn)生的氣體。排氣氣體在其離開熔 爐時(shí)的溫度是2500。F。未加熱的批料/碎玻璃混合物(按重量50/50) 首先在常規(guī)低溫批料/碎玻璃預(yù)熱器中被干燥并加熱至316。F。在美國 專利No.5，412，882和No.5，526,580中描述了合適的低溫批料/碎玻璃預(yù) 熱器。所述低溫批料/碎玻璃預(yù)熱器從輻射式批料/碎玻璃預(yù)熱器獲取 冷卻的排氣氣體。來自常規(guī)低溫批料/碎玻璃預(yù)熱器的預(yù)加熱的批料/ 碎玻璃混合物被引入本發(fā)明的輻射式批料/碎玻璃預(yù)熱器中，并通過
15與來自熔爐的排氣氣體的換熱進(jìn)一步加熱至1050。F，所述排氣氣體通 過耐火襯管被引導(dǎo)至反向流輻射式批料/碎玻璃預(yù)熱器的底部中心。 由于在煙氣離開所述爐后的10000 SCFH的冷空氣滲透和大約0,5 MMBtu/hr (百萬英熱單位/小時(shí))的壁面熱損失，在噴嘴14處的氣體 溫度約為2325。F。在輻射式批料/碎玻璃預(yù)熱器中，需要7.2 MMBtu/hr 的能量來預(yù)熱來自前述316。F-1050。F的批料和碎玻璃。近似輻射傳熱 計(jì)算表明，通過通路ll中的氣體輻射可以獲得對隔板13大約6325 Btu/ft2/hr (英熱單位/英尺2/小時(shí))的平均傳熱率。因此，所需要的隔 板13的總傳熱表面積變成約1164 ft2。平均氣體溫度和平均隔板表面 溫度可從熱端(hot end)處的1760。F和1350。F變化到冷端處的1000。F 和700。F。例如，可以建立和試驗(yàn)25，WxlO，Dxl6.6，H的矩形通路的近 似尺寸。由于在該示例中的大矩形通路ll的小長寬比，因此沿預(yù)熱器 高度的實(shí)際氣體溫度分布可變得更均勻，例如在熱端中的1600。F和在 冷端中的1100。F，從而降低傳熱。通過增加高度同時(shí)保持相同的總面 積，例如尺寸為10，WxlO，Dx29.1，H，可使得沿著高度的氣體和隔板 溫度分布更接近于希望的設(shè)計(jì)條件。然后，優(yōu)選通過使用三維數(shù)學(xué)模 型和/或中試實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)輻射傳熱計(jì)算來獲得對最佳尺寸的最終的更 充分優(yōu)化的確定。
權(quán)利要求
1. 一種玻璃熔化方法，包括A)將加熱的玻璃制造材料送入玻璃熔爐中；B)將燃料與具有總平均氧含量至少為35vol.％氧的氧化劑進(jìn)行燃燒，從而產(chǎn)生用于在所述玻璃熔爐中熔化所述加熱的玻璃制造材料的熱，并且產(chǎn)生具有大于1800℉溫度的熱燃燒產(chǎn)物；C)從所述玻璃熔爐收回所述熱燃燒產(chǎn)物并將所述熱燃燒產(chǎn)物送入換熱單元的第一通路中，其中，進(jìn)入所述第一通路的所述熱燃燒產(chǎn)物的溫度至少為1800℉；D)使所述熱燃燒產(chǎn)物流過并流出所述第一通路；E)將玻璃制造材料送入并通過所述換熱單元的第二通路，所述第二通路通過隔板與所述第一通路分隔開，所述玻璃制造材料和所述熱燃燒產(chǎn)物不能通過所述隔板，來自所述熱燃燒產(chǎn)物的熱通過所述隔板傳給所述玻璃制造材料，從而形成所述加熱的玻璃制造材料；以及F)將從所述第一通路中的熱燃燒產(chǎn)物到所述隔板的熱通量保持為足以使與所述玻璃制造材料接觸的所述隔板表面的溫度不超過1600℉，并且使所述玻璃制造材料的溫度不達(dá)到或不超過玻璃制造材料變粘著的溫度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，在步驟G)中，所 述第一通路中的熱燃燒產(chǎn)物到所述隔板的熱通量足以使與所述玻璃 制造材料接觸的所述隔板表面的溫度不超過1400。F，并且使所述玻璃 制造材料的溫度不超過1200。F。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，在步驟G)中，所 述第一通路中的熱燃燒產(chǎn)物到所述隔板的熱通量足以使與所述玻璃 制造材料接觸的所述隔板表面的溫度不超過1200。F,并且使所述玻璃 制造材料的溫度不超過1000。F。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，在所述步驟D)中 饋送的熱燃燒產(chǎn)物具有至少2000。F的溫度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，在所述步驟D)中 饋送的熱燃燒產(chǎn)物具有至少2200。F的溫度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，在所述步驟B)中 燃燒的氧化劑具有總平均氧含量至少50 vol.%的氧。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，在所述步驟B)中 燃燒的氧化劑具有總平均氧含量至少90 vol.%的氧。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，從所述熱燃燒產(chǎn)物 流向所述隔板的熱的一部分被吸收在所述第一通路中的掩壁中，并且 減少從所述熱燃燒產(chǎn)物到所述隔板的直接輻射傳熱。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述玻璃制造材料 與流過所述第一通道的所述熱燃燒產(chǎn)物反向地流過所述第二通路。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述玻璃制造材 料與流過所述第一通道的所述熱燃燒產(chǎn)物同向地流過所述第二通路。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，在所述玻璃制造 材料被送入所述第二通路中之前，所述玻璃制造材料在第二換熱單元 中通過間接換熱而被加熱。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述燃燒產(chǎn)物在 流出所述第一通路后在第二換熱單元中通過間接換熱而被冷卻。
13. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，在所述玻璃制造 材料被送入所述第二通路中之前，所述玻璃制造材料在第二換熱單元 中通過與已經(jīng)流出所述第 一通路的所述燃燒產(chǎn)物的間接換熱而被加 熱。
14. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，從所述玻璃熔爐 收回的熱燃燒產(chǎn)物在流入所述第一通路中之前流動經(jīng)過已經(jīng)流過所 述第二通路的所述玻璃制造材料的床，并且與所述玻璃制造材料的床 換熱。
15. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，從所述第二通路 收回至少一個廢氣流并將所述廢氣流送入所述第一通路中。
16. —種玻璃熔化方法，包括A) 將加熱的玻璃制造材料送入玻璃熔爐中；B) 將燃料與具有總平均氧含量至少為35 vol.。/。氧的氧化劑進(jìn) 行燃燒，從而產(chǎn)生用于在所述玻璃熔爐中熔化所述加熱的玻璃制造材 料的熱，并且產(chǎn)生具有大于。F溫度的熱燃燒產(chǎn)物；C) 從所述玻璃熔爐收回所述熱燃燒產(chǎn)物并將所述熱燃燒產(chǎn)物 送入換熱單元的二至十條第一通路的各個通路中，其中，進(jìn)入所述第 一通路的所述熱燃燒產(chǎn)物的溫度至少為1800°F;D) 使所述熱燃燒產(chǎn)物流過并流出所述第一通路；E) 將玻璃制造材料送入并通過所述換熱單元的多條第二通路， 所迷多條第二通路通過隔板與所述第一通路分離，所述玻璃制造材料 和所述熱燃燒產(chǎn)物不能通過所述隔板，來自所述熱燃燒產(chǎn)物的熱通過 所述隔板傳給所述玻璃制造材料，從而形成所述加熱的玻璃制造材 料；以及F) 將從所述第一通路中的熱燃燒產(chǎn)物到所述隔板的熱通量保1600。F，并且使所述玻璃制造材料的溫度不達(dá)到或不超過玻璃制造材 料變粘著的溫度。
全文摘要
從全氧燃燒加熱的玻璃熔爐獲得的燃燒產(chǎn)物流中的熱在換熱器中流向引入的玻璃制造材料，而不需要降低所述流的溫度，而且不引起所述玻璃制造材料的軟化。
文檔編號C03B3/02GK101460415SQ200780020197
公開日2009年6月17日 申請日期2007年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月31日
發(fā)明者H·科巴亞施, K·T·吳 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司