專利名稱：通過爐頂燃燒器熔煉批量原料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用安放在爐子頂部的燃燒器熔煉批量原料的方法。
背景技術(shù)：
許多工業(yè)處理都包括熔煉原料的步驟，所述熔煉原料的步驟尤其是用于生產(chǎn)不以自然狀態(tài)存在或者雖以自然狀態(tài)存在但量不足或純度級(jí)別低的材料。在冶金工業(yè)中金屬和合金就是這樣熔煉的。同樣，玻璃、釉料和搪瓷是通過熔化可玻璃化的批料而以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的。特別地，用于制造平板玻璃特別是堿石灰型平板玻璃的工廠包括容量和尺寸很大的熔煉爐。
在熔煉領(lǐng)域，將原料的混合物稱為“批料”，所述混合物中原料的比例按照所希望得到的材料確定。批料一般是基本上均勻的粉末的形式，所述粉末比較干并且完全分開。
為得到高的熔融材料輸出量，采用連續(xù)運(yùn)行的大容量爐子。批料在爐子的第一側(cè)被連續(xù)地加到爐槽中，而熔融的材料也連續(xù)地在爐子的一般與第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè)排出。安裝這種爐子時(shí)的一個(gè)主要難點(diǎn)是保持熔煉條件的連續(xù)性和穩(wěn)定性，其中尤其是所得熔融材料的均質(zhì)性。
利用加料機(jī)將批料以某種規(guī)定寬度的形式在爐槽的裝填高度的上部加到爐槽中。如此加入的批料流近似恒定且均勻地沿整個(gè)加料寬度分布。倘若加入的批料的密度比熔融材料的密度小，則仍呈粉末狀的批料將停滯在熔體的表面上。這樣形成了浮在熔體上的批料層。通過持續(xù)注入的批料的永久流動(dòng)緩慢地將該批料層推向爐子的下游端。
當(dāng)批料層到達(dá)爐槽中溫度足夠高的位置時(shí)，批料層中所含的批料沿明確限定的前沿熔化。這種通常稱為“斜坡”的熔化前沿是批料層的邊界。
一般，熔化前沿的形狀和方向源自很難控制的復(fù)雜機(jī)理。熔體內(nèi)熔融的液體和熔體上方氣體流的對(duì)流形成這些機(jī)理的一部分。
燃燒熱經(jīng)常用于這類爐子。為此，將一個(gè)或多個(gè)燃燒器放置在爐槽的上方。因而熔煉條件的穩(wěn)定性關(guān)鍵性地取決于許多參數(shù)，例如燃燒器的安裝、燃燒器的數(shù)量、所用的燃料與氧化劑的比例、各燃器的火焰之間的距離以及爐槽的裝填液面等。
當(dāng)使用歐洲專利申請(qǐng)1319150或074898中所述類型的燃燒器時(shí)，得到狹窄的火焰。當(dāng)火焰對(duì)準(zhǔn)批料層時(shí)，在受限制的火焰沖擊區(qū)域中形成熔化前沿。當(dāng)爐子在穩(wěn)定的狀態(tài)下工作時(shí)，批料層的熔化前沿朝向爐子的下游端具有V形開口的形狀。因此，不同的批料部分在爐子中的不同部位處熔化，所述不同的部位對(duì)應(yīng)于沿加料方向前進(jìn)不同的液面。另外，批料塊沿批料的前沿隨機(jī)塌陷，突然落到熔體中。因此斜坡不規(guī)則地減耗掉，從而造成熔化前沿不受控制的運(yùn)動(dòng)。因此，爐子的工作不穩(wěn)定。
可以垂直于加料方向安放多個(gè)與前一燃燒器相同的燃燒器，以將整個(gè)熔化前沿推入爐子的上游部分中。采用許多燃燒器使得這種解決方案成本高且難以實(shí)施，特別是因?yàn)橛纱怂匦璧膶?duì)燃燒器的頻繁的維護(hù)工作。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提出一種熔煉方法，所述熔煉方法沒有上述缺點(diǎn)或者這些缺點(diǎn)較少。
為此，本發(fā)明提出一種熔煉批量原料的方法，所述方法包括以下步驟-將批料沿平行于爐子的縱向中心軸線的加料方向加入爐中，并使批料基本上連續(xù)且均勻地在限定的加料寬度上分布，以便在熔體的表面上形成批料層；和-在熔體的上方安放氧氣燃料燃燒器，使該燃燒器對(duì)準(zhǔn)批料層，以便形成批料層中的批料的熔化前沿。
該方法還包括調(diào)節(jié)燃燒器的參數(shù)的步驟，所述步驟如此實(shí)施，以便-燃燒器產(chǎn)生具有水平細(xì)長橫截面的扁平火焰；
-包含火焰的縱向剖面及垂直于爐子軸線的水平方向的平面在一高度下與批料的熔化前沿相交，并沿垂直于爐子軸線的直線與熔體的表面相交，上述高度處于從熔體的表面開始測(cè)得的批料層厚度的三分之一和一半之間；以及-火焰基本上通過輻射將熱量傳遞到批料的熔化前沿。
因此，在按照本發(fā)明所述的方法中，調(diào)節(jié)燃燒器的參數(shù)以便得到對(duì)準(zhǔn)熔化前沿的寬覆蓋火焰。另外，倘若從火焰到批料的熔化前沿的熱傳遞基本為輻射方式，則這種熱傳遞在熔化前沿處基本上在爐子的部分寬度內(nèi)進(jìn)行。因此，熔化前沿具有垂直于爐子的縱向軸線定向的長的平直部分。
因此，批料的主要部分是在爐子中相同的前進(jìn)水平下，沿爐子的縱向軸線熔化。此外，對(duì)位于熔化前沿的平直部分上不同點(diǎn)處的批量部分，熔煉條件基本相同。因此，批料是在特別穩(wěn)定的條件下以連續(xù)且均勻的方式熔煉的。尤其是，在熔化前沿的平直部分中，不再會(huì)發(fā)生批料塊的突然塌陷。
這種穩(wěn)定性也源自下述事實(shí)，即熔化前沿的形狀和取向由燃燒器所產(chǎn)生的火焰的性質(zhì)固定?，F(xiàn)在熔化前沿的構(gòu)型僅少量地取決于不受控制的作用，例如爐槽中所含的液體材料的對(duì)流，或者例如由批料層正上方的火焰所引起的氣流。因此批料熔煉的條件得到了很好地控制。
本發(fā)明所述的方法一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是單個(gè)燃燒器的參數(shù)限定火焰的性質(zhì)并由此限定在垂直于爐子縱向軸線的相當(dāng)大距離范圍內(nèi)的熔化前沿的構(gòu)型。單個(gè)燃燒器足夠?qū)⒋蟛糠秩刍把氐臉?gòu)型固定，因而使方法容易實(shí)施。另外，加熱整個(gè)爐子所需燃燒器的數(shù)量的減少使得本發(fā)明的方法在初期投資和爐子工作期間的維修保養(yǎng)工作兩方面都特別經(jīng)濟(jì)。
優(yōu)選地，調(diào)節(jié)爐子的參數(shù)以使火焰的縱向端不觸及批料的熔化前沿。因此火焰短，并且進(jìn)一步增大了輻射傳遞在火焰的整個(gè)熱傳遞中的比值。因此，熔化前沿的平直部分甚至更大。
發(fā)明人已經(jīng)注意到，當(dāng)按照本發(fā)明所述的方法調(diào)節(jié)燃燒器參數(shù)時(shí)，燃燒器產(chǎn)生動(dòng)量特別低的火焰。術(shù)語“低動(dòng)量火焰”應(yīng)理解為是指由噴射流體支持的火焰，其中流體是燃料和含氧氣體，該火焰將有限的總動(dòng)量傳送到上述流體。該動(dòng)量尤其取決于燃燒器的幾何參數(shù)和操作參數(shù)。


本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)從下面參照附圖所作的非限制性實(shí)施例的說明將變得顯而易見，其中圖1示出在其中實(shí)施按照本發(fā)明所述的方法的爐子；和圖2示出圖1的爐子的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
為清楚起見，附圖中所示的裝置的尺寸與實(shí)際尺寸不成比例。尤其是，在這些圖中與不同實(shí)際方向有關(guān)的測(cè)量尺寸不是按相同比例變換的。另外，在兩個(gè)附圖用同樣標(biāo)號(hào)代表相同的元件。
如圖1所示，爐100包括槽101、側(cè)壁102和叫做爐頂?shù)纳w結(jié)構(gòu)103。作為示例，該爐可以是玻璃生產(chǎn)爐。
批量原料通過在其中一個(gè)側(cè)壁102中形成的長度為L的水平開口104加入。批料被注入其形式為在整個(gè)長度L上延伸的基本連續(xù)的隔板1的爐中。所述長度L稱為加料寬度。
熔融的批料形成含在槽101中的熔體4。在開口104相對(duì)側(cè)的爐壁中設(shè)有流槽105，熔融的物料通過上述流槽105以連續(xù)輸出流5的形式流出。
爐100中所含的物料全部沿稱為加料方向的方向D從加料開口104移向流槽105。熔體4的表面在爐100的下游部分露出，而在爐100的上游部分中被仍是固體的批料層2覆蓋，所述批料層2浮在熔體上。在這兩部分之間，批料層2具有一明顯的邊界3，在該邊界3處批料層2中所含的批料熔化并轉(zhuǎn)變成液體，所述液體進(jìn)入熔體4中。批料層2的邊界3是批料的熔化前沿。
在圖1中，X-X代表爐100的中心縱向軸線。該軸線是水平軸線。槽101具有矩形基底，并且軸線X-X在沿爐100的寬度的一半處與該爐100的寬度Lf相交。P代表包括X-X軸線的垂直平面。
按照本發(fā)明所述的方法采用氧氣燃料燃燒器10。如已知的，這種燃燒器利用液態(tài)或氣態(tài)燃料的噴射以及由氣體構(gòu)成的氧化劑的噴射產(chǎn)生火焰，所述氣體包含按體積計(jì)至少60％的氧氣。優(yōu)選地，含氧氣體包含按體積計(jì)至少90％的氧氣。這種氧氣燃料燃燒器比空氣燃料燃燒器緊湊且輕。這使它特別容易安裝在爐中。尤其是，燃燒器10可以穿過貫穿爐頂103的孔106定位在熔體的上方。管道13穿過孔106，以向燃燒器10供應(yīng)含氧氣體和燃料。由于燃燒器10的尺寸小且重量輕，所以不必在爐頂103中設(shè)置用于使管道13通過的燃燒器口。因而使?fàn)t頂103的設(shè)計(jì)和制造更方便。
燃燒器10位于平面P中。燃燒器10對(duì)準(zhǔn)批料層2，以便產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)分布在平面P的每側(cè)的燃料和含氧氣體的射流11。為此，燃燒器10可相對(duì)于圖1中用H表示的垂直方向傾斜并向下定向。由燃燒器10所產(chǎn)生的射流的平均出口方向F與方向H之間的角度用α表示。角度α優(yōu)選的是在30°和75°之間，而更優(yōu)選的是在45°和65°之間。在圖1中，標(biāo)號(hào)12代表由燃燒器10所產(chǎn)生的火焰。
燃燒器10可以具有如美國專利6068468中所述的型式。這種燃燒器具有多個(gè)燃料出口和多個(gè)含氧氣體出口。它特別適于得到寬覆蓋面的火焰。
適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)燃燒器10以采用傳遞由火焰12所產(chǎn)生的熱能的主要方式，這種傳遞用輻射進(jìn)行。優(yōu)選對(duì)由火焰12發(fā)出的熱的傳遞至少60％以輻射方式進(jìn)行。很大部分的熔體因此接受由火焰12所產(chǎn)生的熱。當(dāng)燃燒器10如此調(diào)節(jié)以對(duì)準(zhǔn)批料層2時(shí)，熔體前沿3位于火焰12熱沖擊的區(qū)域中。倘若該沖擊區(qū)域?qū)?，則熔體前沿3在爐子朝向燃燒器10的部分中具有與X-X軸線垂直的大的平直部分。在圖1中，該前沿3的平直部分的長度為d。
因?yàn)槿紵?0相對(duì)于爐100的寬度居中，所以熔體前沿3相對(duì)于平面P對(duì)稱。這樣，批料層2在爐100相對(duì)于平面P的兩側(cè)以相同的方式熔化。
為進(jìn)一步促進(jìn)輻射加熱方式而不是對(duì)流加熱方式，可進(jìn)一步調(diào)節(jié)燃燒器10以產(chǎn)生短而明亮的火焰12。為此，火焰12是低動(dòng)量火焰并具有富燃料層。利用氧氣燃料燃燒器10代替空氣燃料燃燒器特別適于實(shí)現(xiàn)這種燃燒條件。因而溫度在富燃料層中特別高，并且對(duì)爐中爐料的傳遞熱基本以輻射方式進(jìn)行。因此，從火焰到批料層的熱傳遞是在火焰遠(yuǎn)離批料層一定的距離的情況下進(jìn)行，從而能更容易得到具有大的平直部分的熔化前沿。
燃燒器10的可調(diào)節(jié)以實(shí)施按照本發(fā)明所述的熔煉方法的某些參數(shù)可選自如下參數(shù)用于將流體噴射到爐100中的孔口的數(shù)量、尺寸、位置和斜度，上述流體包括燃料和含氧氣體。因此，在專利公報(bào)EP-A1-0754912中所描述的氧氣燃料燃燒器特別適合于實(shí)施按照本發(fā)明所述的方法。
為了得到低動(dòng)量火焰12，調(diào)節(jié)燃燒器10的某些參數(shù)，以使通過燃燒器噴射到爐100的流體具有0.58N-5N的總動(dòng)量。優(yōu)選地，這些流體的總動(dòng)量在1.2N和2.5N之間。
圖2是在平面P中貫穿爐100的剖面，其更精確地示出燃燒器10和火焰12的幾何參數(shù)?；鹧?2具有對(duì)稱地分布在平面P兩側(cè)的弄平的形狀。F對(duì)應(yīng)于火焰12在平面P中的方向。穿過燃燒器10并平行于方向F的Z-Z軸線在平面P中在點(diǎn)A處與熔化前沿3相交。A位于這樣的高度處從熔體4的表面測(cè)量，該高度位于批料層2的厚度e的三分之一和一半之間?；鹧?2的末端與熔化前沿3之間的距離是W。因?yàn)閃不是零，所以火焰12不觸及批料層2。
包含Z-Z軸線和與平面P垂直的水平方向的傾斜平面包含火焰12的縱向剖面。該縱向剖面沿與X-X軸線垂直的直線通過點(diǎn)B與熔體4的表面相交。
當(dāng)建立穩(wěn)態(tài)熔煉時(shí)，下列方程使由火焰所輸送的加熱功率P與批料層2的特性相關(guān)P＝ΔHρ2V，式中，ΔH代表熔煉批料的平均焓，ρ代表批料層2中批料的密度，而V是進(jìn)料速率。因此，能按照流槽105的期望輸出量調(diào)節(jié)燃燒器10的功率P。因此，可以將氧氣和燃料的消耗減少到正好夠熔化與輸出量相對(duì)應(yīng)的批料量的值。作為例子，對(duì)于玻璃制造中12Kg/h的批料進(jìn)給速率，能通過燃燒器10噴射10Sm3/h的天然氣以用于20Sm3/h的氧氣。
按照本發(fā)明所述方法的改進(jìn)，也可將熔化前沿3沿X-X軸線在熔體4的表面上前進(jìn)的位置用作調(diào)節(jié)燃燒器10的某些參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。特別地，燃料流量、含氧氣體的流量、燃料噴射壓力、含氧氣體的噴射壓力以及角度α都可以用這種方式調(diào)節(jié)。
可選地，該方法還可包括安裝用于檢測(cè)熔化前沿3沿X-X軸線前進(jìn)的位置的系統(tǒng)。這樣可將燃燒器的某些參數(shù)伺服于待檢測(cè)的熔化前沿前進(jìn)的位置。
為了舉例，用于檢測(cè)熔化前沿3前進(jìn)的位置的系統(tǒng)可以包括激光器(未示出)。一旦激光束因熔化前沿3的運(yùn)動(dòng)而相交或改變，則向用于控制燃燒器10的參數(shù)的自動(dòng)控制單元發(fā)送反饋信號(hào)，以便校正某此參數(shù)從而補(bǔ)償前沿3的運(yùn)動(dòng)。
已經(jīng)證明，按照本發(fā)明所述的熔煉方法具有許多優(yōu)點(diǎn)，其中可想到或提及的優(yōu)點(diǎn)包括-該方法提供了特別穩(wěn)定的熔煉條件；-該方法可在大容量爐中實(shí)施；-燃燒器安裝簡單，并且在爐頂中只需要少量配件；-減少了爐子設(shè)備費(fèi)和維修費(fèi)；-減少了燃料和氧氣的消耗；-從爐子中提取的熔融材料很均勻；-對(duì)準(zhǔn)熔化前沿的火焰構(gòu)成屏障，該屏障防止批料層中的批料粉塵朝爐子的下游端方向傳播到爐子外部并穿過燃料；-該方法靈活，并可簡單地適用于在同一爐子中相繼熔煉不同批料的情況。只對(duì)每批批料調(diào)節(jié)燃燒器參數(shù)，以便恢復(fù)熔化前沿的平直形狀?？蛇x地，也可調(diào)節(jié)所述參數(shù)以便對(duì)于每批批料都使熔化前沿沿裝料方向位移到合適位置；以及-該方法可以很容易地自動(dòng)化。
權(quán)利要求
1.熔煉批量原料的方法，包括以下步驟；-將批料沿與爐子的中心縱向軸線(X-X)平行的加料方向(D)加入到該爐子(100)中，并使批料在預(yù)定的加料寬度(L)上基本連續(xù)且均勻地分布，以便在熔體(4)的表面上形成批料層(2)；和-在熔體(4)的上方放置氧氣燃料燃燒器(10)，該燃燒器指向批料層(2)以形成該批料層中所含批料的熔化前沿(3)，該方法還包括調(diào)節(jié)燃燒器(10)的參數(shù)的步驟，該步驟實(shí)施成使得-燃燒器產(chǎn)生具有水平細(xì)長橫截面的扁平火焰(12)；-包含火焰的縱向剖面以及與爐子的軸線(X-X)相垂直的水平方向的平面在批料層的從熔體(4)的表面開始測(cè)量的厚度(e)的三分之一和一半之間的高度(h)處與批料的熔化前沿相交，并沿垂直于爐子的軸線(X-X)的直線與熔體(4)的表面相交；和-該火焰(12)產(chǎn)生對(duì)批料的熔化前沿(3)的基本為輻射的熱傳遞。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)燃燒器(10)的參數(shù)，以使火焰(12)的縱向端不觸及批料的熔化前沿(3)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，將燃燒器(10)設(shè)置在包括爐子的中心縱向軸線(X-X)的垂直平面中。
4.如上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，使燃燒器(10)相對(duì)于垂直方向(H)傾斜。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，使燃燒器(10)相對(duì)于垂直方向(H)向下傾斜45°至65°的角度(α)。
6.如上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，通過穿透爐頂結(jié)構(gòu)(103)的孔(106)在熔體(4)的上方設(shè)置燃燒器(10)。
7.如上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)燃燒器(10)的某些參數(shù)，以使通過燃燒器噴射到爐子(100)中的燃料具有0.58N至5N的總動(dòng)量。
8.如上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，根據(jù)熔化前沿(3)沿爐子的軸線(X-X)的前進(jìn)位置調(diào)節(jié)燃燒器(10)的某些參數(shù)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，根據(jù)熔化前沿(3)的前進(jìn)位置調(diào)節(jié)的燃燒器(10)的參數(shù)選自燃料的流量、含氧氣體的流量、燃料噴射壓力、含氧氣體的噴射壓力和燃燒器(10)相對(duì)于垂直方向(H)傾斜的角度(α)。
10.按照權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述方法還包括安裝用于檢測(cè)熔化前沿(3)沿爐子的軸線(X-X)的前進(jìn)位置的系統(tǒng)，其中使燃燒器(10)的某些參數(shù)伺服于所檢測(cè)的熔化前沿的前進(jìn)位置。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，用于檢測(cè)熔化前沿(3)的前進(jìn)位置的系統(tǒng)包括激光器。
12.如上述權(quán)利要求之一所述的熔化方法，其特征在于，該方法用于生產(chǎn)玻璃。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于熔煉原料混合物的方法，包括將混合物加入爐子中，以在熔池(4)的表面形成混合物層(2)。在熔池上方布置氧氣燃燒器(10)，并使之指向混合物層(2)以產(chǎn)生熔化前沿(3)。調(diào)節(jié)燃燒器的參數(shù)已產(chǎn)生大覆蓋面的火焰(12)，該火焰主要引起基于輻射的熱傳遞。此外，包括火焰的縱向剖面(Z－Z)以及與爐子的軸線(X－X)垂直的水平方向的平面在一處于混合物厚度(e)的三分之一至一半之間的高度(h)處與熔化前沿(3)相交。這種方法為爐子提供了穩(wěn)定的運(yùn)行條件并且特別適用于大容量爐子。
文檔編號(hào)F27B3/20GK101076500SQ200580042430
公開日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2005年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月9日
發(fā)明者R·P·齊阿瓦 申請(qǐng)人:喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司