BRPI0709919A2 - mÉtodo de fusço de vidro - Google Patents
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Abstract
<B>MÉTODO DE FUSçO DE VIDRO<D>Calor em uma corrente (5) de produtos de combustão obtidos de um forno de fusão de vidro (3) aquecido por combustão de óxicombustível é passado para os materiais de fabricação de vidro entrantes (9) em um trocador de calor (7) sem requerer redução da temperatura da corrente ainda sem causar amolecimento do material de fabricação de vidro. Material de fabricação de vidro no trocador de calor (7) é separado da corrente de produtos de combustão por uma barreira (13).
Description
"MÉTODO DE FUSÃO DE VIDRO"Campo da Invenção
A presente invenção refere-se à produção de vidro, e maisparticularmente ao aquecimento de material de fabricação de vidro por trocade calor com produtos de combustão (gás de combustão) formados nacombustão que é realizada para gerar calor para fundir o material defabricação de vidro.
Fundamentos da Invenção
Métodos de fabricação de vidro convencionais requerem oestabelecimento em um forno de fusão de vidro de temperaturas que sãosuficientemente altas para fundir o material de fabricação de vidro (o qualsignifica um ou mais materiais tais como areia, barrilha, calcário, dolomita,feldspato, mínio, que são coletivamente conhecidos como "batelada" e/ouvidro quebrado, refiigado e reciclado, conhecido como "fragmentos devidro"). A temperatura alta requerida é geralmente obtida pela combustão decombustível hidrocarboneto tal como gás natural. A combustão produzprodutos gasosos de combustão, também conhecidos como gás de combustão.Até mesmo em equipamento de fabricação de vidro que alcança umaeficiência de transferência de calor relativamente alta da combustão para omateriais de fabricação de vidro a ser fundido, os produtos de combustão quesaem do vaso de fusão tipicamente possuem uma temperatura bem acima de1.093°C, e assim representa um desperdício considerável de energia que égerada nas operações de fabricação de vidro a menos que a energia caloríficapossa ser pelo menos parcialmente recuperada dos produtos de combustão. Atécnica anterior tem solucionado este problema pelo uso de gás de combustãoem trocadores de calor de ar conhecidos como regeneradores. Em um fornoregenerativo ignizado a ar, calor desperdiçado no gás de combustão éparcialmente recuperado nos regeneradores por pré-aquecimento do ar decombustão entrante e a temperatura de saída do gás de combustão após passaratravés dos regeneradores é reduzida para cerca de 427°C a 537,8°C.
Combustão do combustível hidrocarboneto com oxidantegasoso possuindo uma média de pelo menos 35 porcento em volume deoxigênio (conhecida como "combustão de óxi-combustível") proporciona àoperação de fabricação de vidro numerosas vantagens comparada com acombustão do combustível com ar. Dentre aquelas vantagens são atemperatura de chama mais alta, que proporciona transferência de calor maiselevada e tempos de fusão mais curtos, e volume total reduzido de produtosde combustão gasosos que saem do forno de fabricação de vidro, que propiciauma redução no tamanho do equipamento de manuseio de gás que énecessário. Os produtos de combustão gasosos formados na combustão comoxidantes possuindo um teor de oxigênio mais alto podem exibir temperaturasde 982,2°C ou maiores, até mesmo de 1.093°C ou maiores. Assim, osprodutos de combustão gasosos de combustão de óxi-combustível contêmainda mais energia calorífica, comparados com os produtos de combustão decombustão ignizada a ar convencional, que deve ser usada vantajosamentepara melhorar a eficiência de energia total da operação de fabricação de vidro.
Embora a técnica de fabricação de vidro esteja ciente do usode calor nos produtos de combustão gasosos quentes do forno de fusão de vidro para pré-aquecer o material de fabricação de vidro entrante que é paraser fundido na manufatura do vidro, a tecnologia até agora conhecida temcrido que a temperatura dos produtos de combustão quentes não deveultrapassar cerca de 537,8°C a 704,4°C porque à medida que é alimentadocomeça a trocar calor com o material de fabricação de vidro. Esta temperatura máxima é imposta por considerações da capacidade dos materiais dos quais otrocador de calor é construído para suportar temperaturas mais altas, econsiderações da tendência do material de fabricação de vidro para começar aamolecer e se tornar aderente (ou "pegajoso") se ele se tornar muito quentedurante a etapa de troca de calor, levando a uma produtividade reduzida e atémesmo ao bloqueio das passagens do trocador de calor. A temperatura na qualo material de fabricação de vidro se torna aderente ou pegajoso depende dacomposição da batelada e do material em contato com o material defabricação de vidro e é crido que está dentro de uma faixa de entre 537,8°C e704,4°C para uma batelada comum para preparar vidro de sódio e cálcio paragarrafas e janelas. Em um forno regenerativo ignizado a ar convencional, atemperatura de saída do gás de combustão após os regeneradores é de cercade 427°C a 537,8°C e não há necessidade de esfriar o gás de combustão antesde um pré-aquecedor de batelada/fragmentos de vidro.
Quando os produtos de combustão gasosos são aqueles obtidospor combustão de óxi-combustível, a crença convencional tem sido quenecessitam ser esfriados para dentro da 537,8°C a 704,4°C antes de podercomeçar a troca de calor com os materiais de fabricação de vidro entrantes.Existem numerosos exemplos mostrando a crença da técnica anterior de que atemperatura do gás de combustão tem que ser reduzida antes de o gás decombustão ser usar o para aquecer materiais de fabricação de vidro entrantes.Tais exemplos incluem C.P. Ross et al., "Glass Melting Technology: ATechnical and Economic Assessment", Glass Manufacturing IndustryCouncil, August 2004, pp. 73-80; G. Lubitz et al., "Oxy-fuel Fired Furnace inCombination with Batch and Cutlet Preheating", apresentado em NOVEMEnergy Efficiency in Glass Industry Workshop (2000), pp. 69-84; PatenteU.S. 5.412.882; Patente U.S. 5.526.580; e Patente U.S. 5.807.418.
Contudo, redução da temperatura desta corrente de produtos decombustão pela adição nela de um diluente gasoso tal como ar, e/oupulverização de um líquido de esfriamento tal como água na corrente, édesvantajosa porque tais abordagens reduzem a quantidade de calorrecuperável restante nos produtos de combustão gasosos, aumentam otamanho do equipamento de manuseio de gás que é necessário, e aumenta ocusto de processo e de equipamento adicional.Assim, permanece uma necessidade neste campo de método eaparelho que permitam a troca de calor prática e eficiente dos produtos decombustão gasosos da combustão de óxi-combustível com o material defabricação de vidro, que possa ser praticada até mesmo nas temperaturasrelativamente altas encontradas quando se usa combustão de óxi-combustívelem operações de fabricação de vidro.
Breve Sumário da Invenção
Um aspecto da invenção é um método de fusão de vidrocompreendendo
(A) passar material de fabricação de vidro aquecido dentro deum forno de fusão de vidro;
(B) queimar combustível com oxidante possuindo um teor deoxigênio médio total de pelo menos 35% em volume de oxigênio paraproduzir calor para fundir citado material de fabricação de vidro aquecidodentro de citado forno de fusão de vidro e produzir produtos de combustãoquentes possuindo uma temperatura maior do que 982,2°C;
(C) remover citados produtos de combustão quentes de citadoforno de fusão de vidro e alimentar citados produtos de combustão quentespara dentro de uma primeira passagem de uma unidade de troca de calor, noqual a temperatura de citados produtos de combustão quentes entrando nacitada primeira passagem é pelo menos 982,2°C.;
(D) fluir citados produtos de combustão quentes através e parafora da citada primeira passagem;
(E) alimentar material de fabricação de vidro para dentro eatravés de uma segunda passagem de citada unidade de troca de calor que estáseparada de citada primeira passagem por uma barreira através da qual citadomaterial de fabricação de vidro e citados produtos de combustão quentes nãopodem passar e através da qual calor de citados produtos de combustãoquentes passa para citado material de fabricação de vidro para formar citadomaterial de fabricação de vidro aquecido; e
(F) manter o fluxo de calor dos produtos de combustão quentesem citada primeira passagem para citada barreira suficiente de modo que atemperatura da superfície de citada barreira que está em contato com citadomaterial de fabricação de vidro não ultrapasse 871,10C e que a temperatura decitado material de fabricação de vidro não alcance ou ultrapasse a temperaturana qual o material de fabricação de vidro se torna aderente.
Como aqui usado, que o material de fabricação de vidro é"aderente" significa que quando 250 gramas do material de fabricação devidro que está na forma particulada de fluidez livre na temperatura ambientesão aquecidos para uma dada temperatura em um recipiente de metal feito domesmo material que o da barreira que o material é para fluir atrás e é mantidonaquela temperatura por 30 minutos e o recipiente é invertido, pelo menos 1%do material adere na superfície do recipiente; e a temperatura na qual omaterial "se torna aderente" é a temperatura mais baixa na qual o material éassim "aderente" quando é aquecido para aquela temperatura.
Breve Descrição dos Desenhos
Figura 1 é uma visão esquemática de aparelho de fabricação devidro com a qual o método da presente invenção pode ser praticado.
Figura 2 é uma vista de seção transversal de uma unidade detroca de calor útil na prática da presente invenção.
Figura 3 é uma vista de seção transversal de uma unidade detroca de calor alternativa útil na prática da presente invenção.
Figura 4 é uma vista de seção transversal de uma unidade detroca de calor alternativa útil na prática da presente invenção.
Figura 5 é uma vista de seção transversal de um aparelhoalternativo útil na prática da presente invenção.
Figura 6 é uma vista de seção transversal de uma unidade detroca de calor alternativa útil na prática da presente invenção.Figura 7 é uma vista de seção transversal, vista de cima, deuma modalidade alternativa útil na prática da presente invenção.
Descrição Detalhada da Invenção
Referindo-se à Figura 1, corrente de combustível 1 e oxidantegasoso 2 são alimentados no forno de fusão de vidro 3 e combustados dentrodo mesmo para gerar calor suficiente para fundir o material de fabricação devidro presente dentro do forno 3. Corrente 4 de vidro fundido pode serrecuperada do forno de fabricação de vidro 3.
Combustíveis adequados incluem qualquer um que possa sercomburido com oxigênio para gerar a quantidade requerida de calor decombustão. Combustíveis preferidos incluem hidrocarbonetos gasosos, talcomo gás natural.
O oxidante mostrado como corrente 2 pode ser alimentadocomo uma corrente em um queimador solitário dentro do forno 3, mas é maisfreqüentemente proporcionado como uma pluralidade de correntes para cadauma dos vários queimadores dentro do forno 3. Considerado sobre o agregadode todas tais correntes gasosas, o teor de oxigênio médio total de todas ascorrentes alimentadas ao e queimadas no forno 3 deve ser pelo menos 35porcento em volume de oxigênio, e mais preferivelmente pelo menos 50porcento em volume de oxigênio. Isto é, os teores de oxigênio das correntesde oxidante alimentadas aos diferentes queimadores podem diferir de um parao outro, por exemplo se o operador desejar ter alguns queimadores (aos quaisum teor de oxigênio mais alto é alimentado) queimando mais quente do queos outros queimadores. A maneira preferida de obter uma corrente gasosa deoxidante contendo um teor de oxigênio desejado é misturar ar e um gáspossuindo um teor de oxigênio maior do que aquele do ar (uma tal corrente de90 porcento em volume de oxigênio) quer a montante de um queimadorparticular quer nas saídas do queimador.
Combustão do combustível e oxigênio produz corrente 5 deprodutos de combustão quentes gasosos que é removida do forno 3 ealimentada à unidade de troca de calor 7, que é descrita adicionalmente aquiabaixo, da qual emerge corrente 6 de produtos combustão gasosos esfriados.Corrente de desvio opcional 8 transporta produtos de combustão quentes da corrente 5 para a corrente de saída de junção 6 sem passar através da unidadede troca de calor 7.
Corrente 8 de material de fabricação de vidro aquecido a seralimentada ao forno 3 e fundida em forno 3 é obtida pela passagem dematerial de fabricação de vidro alimentado como corrente 9 através daunidade de troca de calor 7. Corrente de desvio opcional 10 denota materialde fabricação de vidro que é combinado com material de fabricação de vidroaquecido em corrente 8, a ser alimentada também no forno 3, mas que não épassada através da unidade de troca de calor 7. Corrente 9 e corrente opcional10 tipicamente recebem o material de fabricação de vidro de recipientes ealimentadores adequados de projeto convencional.
Figura 2 ilustra uma modalidade preferida de unidade de trocade calor 7. Tipicamente, a unidade é cilíndrica ou retangular em sua seçãotransversal horizontal. Na modalidade mostrada em Figura 2, passagem 11está circundada por uma ou mais passagens 12 que estão separadas dapassagem 11 por barreira 13. Considerada em sua forma mais simples, estamodalidade de troca de calor 7 é um trocador de calor que permite que calorseja trocado da passagem 11 através da barreira 13 para passagem oupassagens 12 em troca de calor indireta (a qual significa que calor pode passaratravés da barreira 13 sem contato físico direto entre os produtos decombustão e o material de fabricação de vidro, porque materiais gasosos,líquidos ou sólidos não podem passar através da barreira 13). A unidade detroca de calor 7 pode possuir forma de seção transversal horizontal que écircular, retangular, ou qualquer outra configuração geométrica, emboracircular e retangular, particularmente quadrada, sejam preferidas. Pode haveruma passagem 12 completamente circundando a passagem 11, ou passagem12 pode ser dividida em duas ou mais tais passagens por divisores verticaisapropriadamente posicionados dentro do espaço imediatamente circundando apassagem 11.
Corrente 5 de produtos de combustão quentes do forno defusão de vidro é alimentada através de um bocal de entrada 14 no fundo daunidade 7 para dentro do interior da passagem 11. Vantajosamente, corrente 5é transportada para a unidade de troca de calor 7 em um tubo que possui umrevestimento interno refratário resistente ao calor adequado que pode suportara temperatura alta desta corrente. Corrente 5 quando entra na passagem 11está em uma temperatura de pelo menos 982,2°C e pode estar acima de1.093°C ou até mesmo acima de 1.204°C. Assim, uma vantagem da prática dapresente invenção é que ela pode ser realizada sem requerimento de qualquerredução significativa na temperatura dos produtos de combustão quentes antesdo início da transferência de calor dos produtos de combustão quentes para omaterial de fabricação de vidro. Significativamente, não é necessária adiçãode ar de diluição ou de outro meio de esfriamento na corrente 5, entre o fornode fusão de vidro e a unidade 7.
Como visto em Figura 2, a corrente 9 de material de fabricaçãode vidro entrante a ser pré-aquecida é alimentada nas passagem ou passagens12. Correntes 9 podem ser alimentadas para dentro das passagens fora doslados da unidade 7, ou podem ser alimentadas no topo da superfície superior17 se aquela superfície estiver inclinada, de modo que o material se mova aolongo da superfície inclinada, na direção das e para dentro das passagem(ns)12. O material de fabricação de vidro é preferivelmente de um tamanho,variando de pedaços pequenos de fragmentos de vidro a até um material defabricação de vidro particulado finamente dividido, de tal modo que omaterial de fabricação de vidro seja capaz de passar descendentemente atravésda(s) passagem ou passagens 12 sob a influência da gravidade. A medida queo material de fabricação de vidro passa através da(s) passagem ou passagens12, sua temperatura aumenta em virtude do fluxo de calor dos produtos decombustão quentes em passagem 11 através da barreira 13. O assim materialde fabricação de vidro aquecido sai da unidade de troca de calor 7 comocorrente 8 que pode ser então alimentada ao forno de fusão de vidro. Umtratamento alternativo do material de fabricação de vidro aquecido é ilustradoem Figura 5 e discutido aqui abaixo. Corrente 6 de produtos de combustãoesfriados sai da unidade de troca de calor 7 através do topo 17 em umatemperatura de tipicamente 760°C ou menor, embora a temperatura nesteponto possa ser ajustada dependendo das características operacionais daunidade de troca de calor 7 e dependendo de se o operador deseja passar estacorrente em outra unidade da qual calor adicional pode ser removido dacorrente 6, tal como outra unidade de troca de calor que passa calor paramaterial de fabricação de vidro entrante ou para uma ou mais correntes deoxidante a serem empregadas na combustão que é realizada no forno defabricação de vidro 3. Se desejado, uma ou mais correntes de gás de saída 21são removidas da(s) passagem(ns) através das quais os materiais de fabricaçãode vidro entrantes passam, tais como passagens 12 nesta modalidade,preferivelmente sendo removido na extremidade superior, e são alimentadasna corrente 5, ou na passagem através da qual os gases de combustão quentespassam (passagem 11 nesta modalidade), ou em um incinerador ou outraunidade para oxidar, decompor ou diferentemente remover componentesindesejáveis do gás de saída (tal como vapor de água, fumos orgânicos ousubprodutos que estavam presentes nos materiais de fragmentos de vidroentrantes).
Corrente 9 pode, como indicado acima, ser obtida de umrecipiente de armazenagem ou de aparelho similar que proporciona o materialde fabricação de vidro, ou pode ser obtida como uma corrente de materialaquecido saindo de outra unidade de troca de calor na qual o material defabricação de vidro é preliminarmente aquecido, por exemplo por troca decalor com produtos de combustão quentes tal como a corrente 6.
Unidade de troca de calor 7 pode ser construída de qualquermaterial que é capaz de suportar as temperaturas encontradas na operaçãoaqui descrita. Preferivelmente, barreira 13 é feita de metal, tal como açocarbono, aço inoxidável, ou outras ligas de temperatura alta. O topo e o fundoda unidade 7 devem ser feitos de materiais cerâmicos isolantes. O topo 17pode ser plano como mostrado em Figura 2 ou como mostrado em Figura 2. Oenvoltório circundando o exterior da(s) passagem ou passagens 12 pode serfeito de metal ou de tijolos refratários. Bocal 14 é preferivelmente construídode material cerâmico que pode suportar a temperatura da corrente de produtode combustão quente entrante.
O material de fabricação de vidro pode ser alimentado atravésda(s) passagem ou passagens 12 em uma vazão tal que aquelas passagensestão essencialmente cheias com um leito empacotado, móvel ou um leitofluidizado de material de fabricação de vidro sendo aquecido.Preferivelmente, contudo, para alcançar transferência de calor mais rápida epara alcançar uniformidade maior da temperatura para a qual o material defabricação de vidro é aquecido, o material de fabricação de vidro é alimentadoem um leito fluidizado de material de fabricação de vidro sendo aquecido, ouem uma maneira dispersada de tal modo que partículas discretas de materialcaiam através do espaço na(s) passagem ou passagens 12 como um fluxo dematerial "chovendo". A eficiência da transferência de calor para o material defabricação de vidro no fluxo chovendo pode ser aumentada ainda mais pelaprovisão de defletores apropriados tais como ferros descendentementeangulados côncavos dispostos no percurso das partículas caindo, para defleti-las de seus percursos aumentando deste modo o tempo de residência eintensificando ainda mais a transferência de calor. Um exemplo de trocadoresde calor usando tais defletores é descrito em Patente U.S. 5.992.041.Tem sido determinado que a transferência de calor eficientepara o material de fabricação de vidro pode ser obtida, sem encontrar osproblemas dos dispositivos prévios de transferência de calor, se a passagempara dentro da qual os produtos de combustão quentes são alimentados for configurada de tal modo que a temperatura da superfície de barreira 13 queestá em contato com o material de fabricação de vidro em passagem oupassagens 12 não ultrapasse 871,10C e a temperatura do material defabricação de vidro nas passagens 12 não alcance ou ultrapasse a temperaturana qual o material de fabricação de vidro se torna aderente. Componentes e faixas típicas de quantidades dos mesmos emvários tipos de vidro podem ser determinados de fontes publicadas e de testerotineiro. Para propósitos ilustrativos, pode ser mencionado que muitos tiposde vidro podem conter 55% em peso a 85% em peso de sílica (SiO2)5 um totalde 4,5% em peso a 20% em peso de Na2O e K2O, um total de 0,05% em peso a 25% em peso de CaO e MgO, e 0 a 15% em peso de Al2Os, e opcionalmenteoutros componentes tais como 3, PbO (usados em vidro cristal e cristal dechumbo), B2O3 (em vidro de borossilicato), e/ou compostos que são ou quecontêm óxidos de Ti, S, Cr, Zr, Sb e/ou Ba.
Contudo, determinação da temperatura apropriada na qual a presente invenção é realizada é baseada nas propriedades da mistura dosingredientes do materiais de fabricação de vidro que são alimentados atravésdas passagens 11 ou 12 em seu caminho para o forno de fabricação de vidro.Como é conhecido neste campo, aqueles ingredientes necessitam conter, ouserem capazes sob aplicação de temperaturas altas de serem convertidos, nos componentes de fabricação de vidro desejados. Ingredientes adequadospodem incluir não apenas os compostos acima mencionados mas tambémprecursores tais como (mas não limitados a) silicatos, carbonatos e hidróxidosde metal alcalino, e silicatos, carbonatos e hidróxidos de metal alcalino-terroso, bem como hidratos de qualquer um dos mencionados acima.Temperaturas aderentes menores (como aquele termo é aqui usado) estãogeralmente associadas com quantidades maiores de hidróxidos e óxidos demetal alcalino e de metal alcalino-terroso.
Para ingredientes que se tornam aderentes em temperaturasrelativamente baixas (tais como os ingredientes usados para preparar vidro desódio e cálcio ou vidro de borossilicato), a temperatura não deve ultrapassar704,4°C, preferivelmente não deve ultrapassar 648,9°C. Visto que muitosingredientes diferentes são usados na fabricação de vidro e as característicasaderentes dos materiais de fabricação de vidro não apenas dependem dosingredientes, mas também das distribuições de tamanhos de partícula e dosmetais usados para a barreira 13, os defletores ou outros metais que entramem contato com os materiais de batelada aquecidos, devem ser conduzidostestes para determinar a temperatura máxima para se evitarem os problemasde pegajosidade. Um procedimento de teste recomendado é aquecer 250gramas de material de fabricação de vidro, que está na forma de particuladode fluidez livre na temperatura ambiente, para uma dada temperatura em umrecipiente de metal (ou cadinho) feito de mesmo metal que o da barreira 13 épara entrar em contato com os materiais de batelada aquecidos, e manter omaterial aquecido naquela temperatura por 30 minutos. O recipiente aquecidoé então invertido para avaliar as características de fluxibilidade do materialsendo assim testado. A temperatura mais baixa na qual pelo menos 1% domaterial adere na superfície do recipiente após ser submetido a estas etapas édefinida como a "temperatura aderente" do material para o metal usado para orecipiente. A temperatura na qual o material é aquecido em unidade 7 nãodeve ultrapassar a temperatura aderente, e preferivelmente não deveultrapassar 37,8°C abaixo da temperatura aderente. Satisfazendo-se estascondições é garantido que o material de fabricação de vidro não se tornará tãoquente de modo que ele amoleça e se torne pegajoso e então comece abloquear as passagens ou as aberturas através das quais o material defabricação de vidro aquecido deixa as passagens 12.
Tem sido determinado que estas condições podem sersatisfeitas por qualquer conjunto dado de condições operacionais, comodescritas abaixo, pela provisão de que o fluxo de calor (em unidades deenergia por área de superfície de transferência de calor na barreira 13 porunidade de tempo) para toda a superfície de transferência de calor da barreira13 permaneça suficientemente baixo de modo que a superfície da barreira 13que é exposta ao material de fabricação de vidro não alcance uma temperaturaacima de 871,1°C e a temperatura do material de fabricação de vidro empassagens 12 não alcance ou ultrapasse a temperatura na qual ele se tornaaderente. O fluxo de calor e as distribuições de temperatura sobre a barreira13 podem ser estimados por cálculos de transferência de calor radiante ouconvectivo levando-se em consideração, dentre outras coisas, a temperatura ea vazão de fluxo entrantes da corrente de produtos de combustão quentes, atemperatura e a vazão de fluxo do material de fabricação de vidro entrando naunidade de troca de calor 7, a configuração geométrica da passagem 11, e aspropriedades térmicas e físicas (i.e., condutividade, emissividade e espessura)da barreira 13. Predição acurada da distribuição de temperatura, emboraalcançável, é geralmente difícil e requer uma aplicação de um modelo detransferência de calor matemático detalhado para otimização. Um modoprático para realizar a prática da presente invenção é proporcionar uma áreade superfície de transferência de calor suficientemente alta e um espaçosuficientemente grande da passagem 11 para dentro da qual os produtos decombustão são alimentados. A geometria da passagem 11 é selecionada parapermitir trocas de calor radiantes entre todas as paredes de barreira e osprodutos de combustão quentes. Uma passagem 11 longa estreita tende atornar muito quente a área próxima da entrada (bocal 14) da corrente deproduto de combustão quente entrante.
Por exemplo a razão de aspecto de uma passagem retangular,definida como a razão do comprimento vertical da passagem para o lado maiscurto do retângulo, é preferivelmente menor do que 5 e mais preferivelmentemenor do que 3. Um método preferido é introduzir os produtos de combustãopróximo do centro do fundo 16 através do qual o bocal 14 passa de modo quea distância da porção mais quente dos produtos de combustão das paredes detransferência de calor seja suficientemente grande de maneira que o fluxo decalor para as superfícies de barreira não se torne muito alto de maneira que setorne muito elevada a temperatura da superfície de barreira à qual o materialde fabricação de vidro é exposto. Assim, os fatores que podem ser maisprontamente ajustados como determinantes na provisão de operação deacordo com esta invenção são a área de superfície de troca de calor total dabarreira 13, e a distância da qual o ponto ou os pontos no(s) qual(ais) osprodutos de combustão são mais quentes à medida que são alimentados paradentro da unidade de troca de calor (tipicamente isto está no bocal ou bocais14 quando os produtos de combustão quentes são alimentados para dentro dapassagem 11 da unidade de troca de calor através de um ou mais bocais) ao(s)ponto(s) mais próximo(s) sobre as superfícies internas da barreira 13 que sãoexpostos aos produtos de combustão quentes.
Sem a intenção de se ligar a qualquer explanação particular daeficácia desta invenção, parece que o modo predominante de transferência decalor dos produtos de combustão para a barreira separando os produtos decombustão do material de fabricação de vidro é radiante em vez de apenasconvectivo. Assim, os cálculos que são realizados para determinar uma áreade superfície de transferência de calor e localização adequada do bocal ou dosbocais de entrada são aqueles realizados na caracterização de transferência decalor radiante.
Figura 3 ilustra outra modalidade útil da presente invenção. Namodalidade de unidade de troca de calor 7 ilustrada em Figura 3, corrente 9de material de fabricação de vidro a ser aquecida é alimentada na passagem11 que está circundada pela(s) passagem ou passagens 12 através da qual(ais)fluem os produtos de combustão quentes 5. A descrição acima com respeito àmodalidade mostrada em Figura 2 também é aplicável à modalidade mostradaem Figura 3, exceto que o material de fabricação de vidro passa através deuma passagem 11 que está centralmente localizada com respeito à(s)passagem ou passagens 12 através da(s) qual(ais) fluem os produtos decombustão quentes. Preferivelmente, 12 denota uma passagemcompletamente circundando a passagem central 11, embora uma tal passagemcircundante 12 possa ser dividida em setores por divisores verticaisapropriadamente localizados. Se tal passagem 12 é ou não integral ousubdividida, é preferido alimentar os produtos de combustão quentes paradentro da passagem 12 como mais do que uma corrente, e preferivelmentecomo 2-16 correntes espaçadas ao redor do fundo de passagem 12. Provisãode correntes adicionais ajuda a proporcionar condições de temperaturarelativamente uniforme ao redor da passagem 11, em qualquer dada elevaçãodentro da passagem 12. A superfície da barreira 13 que é exposta ao materialde fabricação de vidro e cuja temperatura não deve ser permitida ultrapassar871,1°C está nesta modalidade a superfície interna de barreira 13.
Conseqüentemente, observação desta condição é mais efetivamente realizadapelo dimensionamento adequado não apenas da área de transferência de calortotal da barreira 13, mas também da geometria da passagem 11 e dalocalização de um ou mais bocais de entrada 14 e suas distâncias respectivasda barreira 13, de modo que de novo o fluxo de calor da(s) passagem oupassagens 12 para a superfície da barreira 13 à qual os produtos de combustãosão expostos possa ser adequadamente controlado de maneira a controlar atemperatura da superfície da barreira à qual o material de fabricação de vidroé exposto.
Figura 4 ilustra outra modalidade útil da presente invenção.
Figura 4 mostra a modalidade da Figura 3, mas à qual tem sido adicionada"parede de sombra" 15. Cada parede de sombra está preferivelmentelocalizada entre um bocal de entradas 14 e barreira 13, de tal modo que umalinha reta traçada da abertura de um bocal de entrada 14 até a barreira 13tenha que passar através de uma parede de sombra 15. A parede de sombra éfeita de material refratário adequado, tal como materiais cerâmicos tolerantesà temperatura alta, que podem suportar a temperatura da corrente de produtode combustão quente entrante. Cada parede de sombra possui aberturasatravés dela para apenas parcialmente passar fluxo de calor radiante dacorrente de produto de combustão quente na direção da barreira 13, reduzindoassim o fluxo de calor radiante em uma maneira controlada. As aberturaspodem ser circulares ou poligonais, ou podem estar na forma de fendasalongadas. Geralmente, as aberturas podem ocupar de 10% a 90% dasuperfície da parede de sombra; a percentagem particular pode serprontamente determinada experimentalmente. As aberturas podem estaruniformemente espaçadas sobre a superfície da parede de sombra, ou pode-seproporcionar menos aberturas mais perto do fundo (i.e. mais perto do pontoonde os produtos de combustão quentes entram na passagem) e mais aberturasmais longe do fundo. Parede de sombra 15 também pode absorver calor dosprodutos de combustão quentes, e re-irradiar o calor na direção da superfícieda barreira 13. Estas paredes de sombra 15 permitem que o operador reduza otamanho total da unidade de troca de calor 7 pela redução do fluxo de calor daregião mais quente da passagem através da qual o produto de combustão estáfluindo, que é normalmente a região mais próxima de onde os produtos decombustão quentes entram naquela passagem. As dimensões efetivas dequaisquer paredes de sombra 15, especialmente o número de aberturas e suasdimensões, podem ser prontamente determinados experimentalmente.
Claro que deve ser reconhecido que modalidades do tipoilustrado em Figura 2, nas quais os produtos de combustão quentes fluematravés de uma passagem central circundada por uma ou mais passagensatravés das quais o material de fabricação de vidro passa, também podem seradaptadas pela inclusão de uma ou mais paredes de sombra localizadas entreuma ou mais das entradas através das quais os produtos de combustão entramna passagem central, e a superfície interna da barreira 13.
Figura 5 ilustra uma maneira de transportar o material defabricação de vidro aquecido para o forno de fusão de vidro 3 após o materialde fabricação de vidro ter passado através da unidade de troca de calor 7. Omaterial de fabricação de vidro aquecido 8 desce sobre um leito 18 do qual omaterial de fabricação de vidro passa para dentro do forno 3. Leito 18 podeser horizontal ou estar inclinado, i.e. ainda possuindo um componentehorizontal. O material sobre o leito 18 pode ser mover sob a influência dagravidade, mas preferivelmente é movido com o auxílio de uma correiatransportadora móvel, canal rotativo, ou equipamento similar, tal como umagrade móvel, que está comercialmente disponível para leitos móveis de sólidosaquecidos. Nesta modalidade, os produtos de combustão quentes podem fluirpara dentro da passagem 11 como uma corrente para o uso de um bocal. Umaparede divisória 20 pode auxiliar na retenção de atmosfera de fusão de vidroquente dentro do forno 3. Os produtos de combustão quentes saem do forno 3atrás da superfície superior do leito 18 de modo que alguma troca de calor podeocorrer até mesmo antes de os produtos de combustão quentes entrarem napassagem 11 para trocar calor com o material em passagem ou passagens 12.
Figura 6 ilustra outra modalidade útil na presente invenção.Nesta modalidade, os produtos de combustão quentes e o material defabricação de vidro flui concorrentemente em vez de contra-correntementecomo ilustrado em Figuras 2, 3 e 4. Os números de referência empregados emambas as Figuras 2 e 5 possuem os mesmos significados em Figura 5 comoem Figura 2. A diferença, como pode ser vista, é que os produtos decombustão quentes são alimentados através do bocal de entrada 14 paradentro do topo de passagem 11 e corrente 6 de produtos de combustãoesfriados sai do fundo da passagem 11. Deve ser reconhecido que asmodalidades de Figuras 3 e 4 também podem ser adaptadas para proporcionarfluxo concorrente de correntes extraindo calor.
A presente invenção também pode ser realizada emmodalidades nas quais duas ou mais, tipicamente 2-10 e preferivelmente 2-6,passagens 11 cada uma ligada por sua própria barreira 13 estão situadassuficientemente próximas umas das outras de modo que as passagens 12estejam localizadas entre duas (ou mais) passagens 11. Uma tal modalidade émostrada em Figura 7, na qual quatro passagens 11 cada uma recebe atravésde uma entrada 14 uma porção dos gases de combustão quentes que entãofluem ascendentemente através das passagens 11. As quatro passagens 11estão localizadas umas com respeito às outras de modo que algumaspassagens 12 sejam definidas entre pares de passagens 11 adjacentes. Fluxosde calor através de barreiras 13. Preferivelmente, os produtos de combustãoquentes passam através das passagens Ileo material de fabricação de vidroflui através das passagens 12, em cujo caso calor flui das passagens 11 paradentro das passagens 12. O aparelho mostrado em Figura 7 também pode serusado de modo que os produtos de combustão quentes passem através daspassagens 12 e material de fabricação de vidro flua através das passagens 11,mas isto é menos preferido porque as dimensões mais próximas nas passagens12 necessitariam proporcionar paredes de sombra ou equivalente para evitarque o fluxo de calor para as paredes 13 seja excessivo.
Como notado acima, uma vantagem significativa da presenteinvenção é que mais do teor de energia da corrente de produtos de combustãoquentes pode ser usado vantajosamente, embora sua temperatura seja maisalta por ser obtido da combustão de óxi-combustível, sem o requerimento dequalquer redução significativa na temperatura da corrente tal como pelaadição de uma corrente de fluido diluente. Outras vantagens são inerentespelo fato de que a transferência de calor entre os produtos de combustãoquentes e o material de fabricação de vidro é indireta, o que significa que nãohá risco de arraste de poeira ou de outros particulados no material defabricação de vidro entrante, nem de contaminação da corrente de produto decombustão saindo com poeira e outro material particulado arrastada(o), nemde oxidação do teor de carbono dos materiais de batelada que é importantepara fabricar vidros amarelos ambarinos.
O fato de que a presente invenção pode se beneficiar de umacorrente de produto de combustão entrante possuindo uma temperatura maiordo que o pensamento da prática anterior poderia ser empregada para aquecer omaterial de fabricação de vidro entrante também significa que a temperaturada corrente de produto de combustão esfriado que sai da unidade de transferênciade calor 7 e ainda é suficientemente alta que esta corrente pode ser usada paratroca de calor adicional. Por exemplo, aquela corrente de produto de combustãosaindo 6 pode ser alimentada a um trocador de calor convencional que troca calorde uma corrente de produto de combustão possuindo uma temperatura da ordemde 538°C ou menor, por troca de calor convectivo com o material de fabricação devidro entrante, com oxidante ou combustível a ser subseqüentemente comburidono forno de fusão de vidro, ou com outro material gasoso, líquido ou sólido.
Como uma outra modalidade vantajosa, o material de fabricação de vidro que éalimentado como corrente 9 pode já ter sido aquecido, por exemplo pela passagematravés de uma tal unidade de troca de calor convectiva convencional, antes de seralimentado como corrente 9 à unidade de troca de calor aqui descrita. A troca decalor pode ser com produtos de combustão frios mas ainda possuindo calor, oucom uma corrente de outro material quente.
A corrente de produtos de combustão esfriados emergindo daunidade de transferência de calor 7, ou do trocador de calor subseqüente, podese desejado ser ajustada para as etapas de tratamento que podem serdesejáveis ou necessárias antes da corrente ser descarregada para a atmosferaou empregada como uma corrente de alimentação para um estágio deprocessamento químico. Por exemplo, a corrente pode ser passada através deum precipitador eletrostático ou aparelho equivalente para remover oscontaminantes particulados finos.
A corrente pode ser tratada para remover poluentesatmosféricos gasosos tais como óxidos de enxofre, tal como pelo contato dacorrente com um absorvente ou reagente adequado tal como Ca(OH)2 oucarbonato de sódio.
Um conjunto amostra de cálculos, baseado em um conjuntohipotético de condições operacionais que poderia ser encontrado em umaoperação de fabricação de vidro real, é descrito no seguinte exemplo.
EXEMPLO
Um forno de fusão de vidro de recipiente de sílex de 450toneladas curtas por dia é equipado com um pré-aquecedor debatelada/fragmentos de vidro radiante de temperatura alta e um pré-aquecedorde batelada/fragmentos de vidro de temperatura baixa convencional,instalados em série. O forno é ignizado com 1.330,9 m/h padrão de gásnatural e 2.973,27 m3/h padrão de oxigênio comercial (92 % de O2, 4% de N2e 4% de Ar). A vazão de fluxo de gás de exaustão total do forno de fusão écerca de 5.436,83 m /h padrão que inclui os gases gerados dos materiais debatelada de recipiente normal e alguma infiltração de ar. A temperatura do gásde exaustão assim que deixa o forno de fusão é de 1.3 71°C. Uma mistura debatelada/fragmentos de vidro não-aquecida (50/50 em peso) é primeiro seca eaquecida para 158°C no pré-aquecedor de batelada/fragmentos de vidro detemperatura baixa adequado. Um pré-aquecedor de batelada/fragmentos devidro de temperatura baixa adequado é descrito em Patentes U.S. 5.412.882 e5.526.580. Ele recebe o gás de exaustão esfriado do pré-aquecedor debatelada/fragmentos de vidro radiante. A mistura de batelada/fragmentos devidro pré-aquecida do pré-aquecedor de batelada/fragmentos de vidro detemperatura baixa convencional é introduzida no pré-aquecedor debatelada/fragmentos de vidro radiante da presente invenção e aquecidaadicionalmente para 565,6°C por troca de calor com o gás de exaustão doforno de fusão que é introduzido através de um duto revestido refratário parao centro do fundo do pré-aquecedor de batelada/fragmentos de vidro radianteem contra-corrente. A temperatura de gás no bocal 14 é de cerca de 1.274°Cdevido a 283,17 m /h padrão de infiltração de ar frio e perdas de calor deparede de cerca de 527,5 MJ/h após o gás de combustão deixar o forno. Nopré-aquecedor de batelada/fragmentos de vidro radiante 7.596 MJ/h deenergia são requeridos para pré-aquecer batelada e fragmentos de vidro daacima mencionada temperatura de 158°C para 565,6°C. Cálculos detransferência de calor radiante aproximados mostram que uma taxa detransferência de calor média de cerca
de 71.830 MJ/m7h
para a barreira 13
pode ser obtida por radiação de gás na passagem 11. Assim, a área desuperfície de transferência de calor total de barreira 13 requerida torna-secerca de 108,1 m . As temperaturas de superfície de barreira média e do gásmédia podem mudar de 960,00C e 732,2°C η extremidade quente para 281°Ce 371°C na extremidade fria. Por exemplo, as dimensões aproximadas de umapassagem retangular de 25' W χ 10' D χ 16,6' H podem ser construídas etestadas. Devido às razões de aspecto pequenas da passagem retangulargrande 11 neste exemplo, a distribuição de temperatura de gás real ao longoda altura do pré-aquecedor pode ser tornar mais uniforme, por exemplo871,1°C na extremidade quente e 593,3°C na extremidade fria, e resultar emtransferência de calor menor. Pelo aumento da altura ao mesmo tempomantendo a mesma área total, por exemplo para as dimensões de 10' W χ 10'Dx 29,1' Η, a distribuição de temperatura da barrira e do gás pode ser tornadamais próxima das condições de projeto desejadas. A determinação final maistotalmente otimizada das dimensões ótimas é então preferivelmente obtidapor cálculos detalhados de transferência de calor radiante usando um modelomatemático tridimensional e/ou experimentos em escala piloto.
Claims (16)
1. Método de fusão de vidro, caracterizado pelo fato decompreender:(A) passar material de fabricação de vidro aquecido dentro deum forno de fusão de vidro;(B) queimar combustível com oxidante possuindo um teor deoxigênio médio total de pelo menos 35% em volume de oxigênio paraproduzir calor para fundir citado material de fabricação de vidro aquecidodentro de citado forno de fusão de vidro e produzir produtos de combustãoquentes possuindo uma temperatura maior do que 982,2°C;(C) remover citados produtos de combustão quentes de citadoforno de fusão de vidro e alimentar citados produtos de combustão quentespara dentro de uma primeira passagem de uma unidade de troca de calor, noqual a temperatura de citados produtos de combustão quentes entrando nacitada primeira passagem é pelo menos 982,2°C.;(D) fluir citados produtos de combustão quentes através e parafora da citada primeira passagem;(E) alimentar material de fabricação de vidro para dentro eatravés de uma segunda passagem de citada unidade de troca de calor que estáseparada de citada primeira passagem por uma barreira através da qual citadomaterial de fabricação de vidro e citados produtos de combustão quentes nãopodem passar e através da qual calor de citados produtos de combustãoquentes passa para citado material de fabricação de vidro para formar citadomaterial de fabricação de vidro aquecido; e(F) manter o fluxo de calor dos produtos de combustão quentesem citada primeira passagem para citada barreira suficiente de modo que atemperatura da superfície de citada barreira que está em contato com citadomaterial de fabricação de vidro não ultrapasse 871,1°C e que a temperatura decitado material de fabricação de vidro não alcance ou ultrapasse a temperaturana qual o material de fabricação de vidro se torna aderente.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que em etapa (G) o fluxo de calor dos produtos de combustão quentesem citada primeira passagem para citada barreira é suficiente de modo que atemperatura da superfície de citada barreira que está em contato com citadomaterial formador de vidro não ultrapassa 760,00C e que a temperatura decitado material de fabricação de vidro não ultrapassa 648,9°C.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que na etapa (G) o fluxo de calor dos produtos de combustão quentesem citada primeira passagem para citada barreira é suficiente de modo que atemperatura da superfície de citada barreira que está em contato com citadomaterial formador de vidro não ultrapassa 648,9°C e que a temperatura decitado material de fabricação de vidro não ultrapassa 538°C.
4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que os produtos de combustão quentes alimentados em (D) possuemuma temperatura de pelo menos 1.093°C.
5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que os produtos de combustão quentes alimentados em etapa (D)possuem uma temperatura de pelo menos 1.204°C.
6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o oxidante comburido em etapa (B) possui um teor de oxigêniomédio total de pelo menos 50% em volume de oxigênio
7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o oxidante comburido em etapa (B) possui um teor de oxigêniomédio total de pelo menos 90% em volume de oxigênio
8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que a porção do calor que flui de citados produtos de combustãoquentes para citada barreira é absorvida em uma parede de sombra em citadaprimeira passagem e reduz a transferência de calor radiante direta de citadosprodutos de combustão quentes para citada barreira.
9. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que citado material formador de vidro passa através de citada segundapassagem em contra-corrente com o fluxo de citados produtos de combustãoquentes através de citada passagem.
10. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que citado material formador de vidro passa através de citadasegunda passagem concorrente com o fluxo de citados produtos de combustãoquentes através de citada primeira passagem.
11. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que, antes de citado material de fabricação de vidro seralimentado na segunda passagem, ele é aquecido em uma segunda unidade detroca de calor por troca de calor indireta.
12. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que os citados produtos de combustão após fluírem para fora decitada primeira passagem são esfriados em uma segunda unidade de troca decalor por troca de calor indireta.
13. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que, antes de o citado material de fabricação de vidro seralimentado para dentro da segunda passagem, ele é aquecido em uma segundaunidade de troca de calor por troca de calor indireta com citados produtos decombustão que têm fluído para fora de citada primeira passagem.
14. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que os produtos de combustão quentes removidos de citado fornode fusão de vidro, antes de passarem dentro de citada primeira passagem,fluem atrás de um leito de citado material de fabricação de vidro que tempassado através de citada segunda passagem, e trocam calor com o citadoleito de material de fabricação de vidro.
15. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que pelo menos uma corrente de gás de saída é retiradade citada segunda passagem e alimentada para dentro de citada primeirapassagem.
16. Método de fusão de vidro, caracterizado pelo fato decompreender:(A) passar material de fabricação de vidro aquecido dentro deum forno de fusão de vidro;(B) queimar combustível com oxidante possuindo um teor deoxigênio médio total de pelo menos 35% em volume de oxigênio paraproduzir calor para fundir citado material de fabricação de vidro aquecidodentro de citado forno de fusão de vidro e produzir produtos de combustãoquentes possuindo uma temperatura maior do que 982,2°C;(C) remover citados produtos de combustão quentes de citadoforno de fusão de vidro e alimentar citados produtos de combustãoquentes para dentro de cada uma de 2 a 10 primeiras passagens de umaunidade de troca de calor, no qual a temperatura de citados produtos decombustão quentes entrando nas citadas primeiras passagens é pelo menos 982,2°C;(D) fluir citados produtos de combustão quentes através e parafora das citadas primeiras passagens;(E) alimentar material de fabricação de vidro para dentro eatravés de uma pluralidade de segundas passagens de citada unidade de trocade calor que são separadas de citadas primeiras passagens porbarreiras através das quais citado material de fabricação de vidro e citadosprodutos de combustão quentes não podem passar e através das quais calor decitados produtos de combustão quentes passa para citado material· defabricação de vidro para formar citado material de fabricação de vidroaquecido; e(F) manter o fluxo de calor dos produtos de combustão quentesem citadas primeiras passagens para citadas barreiras suficiente para que atemperatura das superfícies de citadas barreiras que estão em contato com ocitado material de fabricação de vidro não ultrapasse 871,1°C e que atemperatura de citado material de fabricação de vidro não alcance ouultrapasse a temperatura na qual o material de fabricação de vidro se tornaaderente.
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