CN101600903B - 通过玻璃熔炉的顶部或炉顶的氧气注入 - Google Patents

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Abstract

提供了一种促进加热炉内燃烧的方法，所述加热炉包括至少一个燃烧器、进口、出口、以及用来限定该加热炉的燃烧室的侧壁和炉顶，所述方法包括：在燃烧室中确定一个区域，在此区域中炉内气氛中的氧气含量需要增大，以在炉内气氛中进行燃烧；以受控制的流速向该区域提供新鲜氧气以进行燃烧，所提供的新鲜氧气使得炉内气氛循环，使得炉内气氛中已有的气体和已有的氧气与向所述区域提供的新鲜氧气混合以进行燃烧。

Description

通过玻璃熔炉的顶部或炉顶的氧气注入
技术领域
本发明涉及加热炉内的氧气注入。
背景技术
当加热炉，例如玻璃熔炉，需要额外的吨位/品质、或者由于热量回收装置(换热器或蓄热器的形式)发生损坏或变坏而在减小的吨位下操作的时候，会使用氧气和氧气燃烧器，以及燃料燃烧器以获得额外的吨位/品质或利用损失的生产能力。
通常通过在加热炉的强制燃烧风机或鼓风机的下游处，将氧气引入燃烧空气中，完成氧气富集。所需的设备是最少的，因此设备安装成本低。在能够确保氧气与燃烧空气良好混合的位置注入氧气。将100％的纯氧注入空气流中意味着，要提供相同量的氧气，可以省去大约五倍体积的空气。实际的可能的氧气百分比由当地的规范/CGA(压缩气体协会(CompressedGas Association))的规范以及HAZOP(危险操作工艺规程(HazardousOperation Procedures))确定，但是总是小于29体积％，更优选小于25体积％。应当注意的是，对于富集，燃烧点是不加选择的。例如，如果一个四口交叉火焰再生式加热炉的第一口被部分堵塞，则实际需要氧气的位置是在第一口区域。因为余下的口提供了阻力较低的路径，所以更高比例的氧气会流向不需要/不要求氧气的位置。一般的富集就安装成本来说可以是最低廉的，但是这种富集是将氧气用于加热炉中需要氧气的位置的效率最低的方法。
吹氧法通过将氧气喷射到最需要氧气的位置，克服了富集的许多缺点。吹氧通过口下、通过口、口上、口侧面或从换热器目标壁而完成。例如，如果四口交叉火焰再生式加热炉的第一口被部分堵塞，需要氧气的位置是第一口区域，因此，这是注入大部分氧气的区域。再生式加热炉具有反向系 统，因此这种加热炉需要具有较复杂而昂贵的控制系统，从而向正确的口通入正确量的氧气。通常，如果将吹氧系统安装于加热炉，则将要至少向多个口通氧气。因为从一侧到另一侧的氧气要求条件可能变化，因此需要在加热炉的各侧进行流量控制。因此，反向三口吹氧面板将需要六个控制区域。对能够注入口区域的氧气的量也存在限制。口内的氧气含量过高可能会导致口区域内过多的热量释放，从而导致结构性损坏。在口下应用中，火焰可能变得过短，造成热量分布不平衡，会导致玻璃缺陷。
人们采用氧气富集和吹氧最高能够利用10％的熔炉损失掉的熔融能力。
当需要另外的能力的时候，通常需要超出了加热炉安装的空气燃料系统的能力范围的燃料流。氧-燃料增加包括将至少一个(有时候是多个)氧-燃料燃烧器设置在加热炉的零口(加料壁和第一口之间的区域)内或热点(炉内上涌熔融区域的点)内。常规的氧-燃料燃烧器可以将加热炉损失的生产能力利用至少10％，或者将生产能力提高至少10％，偶尔可高达15％。加热炉的设计通常决定了其所能达到的能力，如果可能的话，其中可以设置和安装燃烧器。安装的成本高，这是因为通常需要专用的氧气和燃料控制滑动件(control skid)。系统的总体能力由加热炉的排气能力决定。
当加热炉中存在空间限制的时候，或者当需要生产能力超额15％的时候，可以在加热炉的炉顶或顶部安装氧-燃料燃烧器。可以使用安装在顶部的燃烧器向加热炉内注入大量的能量。这样可以阻挡已有的空气-燃料口，用氧-燃料代替空气-燃料口。在极端的情况下，可以形成100％的氧-燃料炉，或者处于炉的过渡状态，转变成包含用于熔融的氧-燃料和用于精制/调节的空气燃料的混合炉。
氧-燃料增加的一个主要缺陷(特别是当用于交叉火焰再生式加热炉的时候)是燃烧器的关小(turndown)(燃烧能力降低)。这对于常规的或者安装在炉顶的燃烧器都常见的。为了避免火焰扭曲或者相互作用，人们需要最小的流速。在某些时候，由于生产或者产物混合，需要使用高于实际需要量的氧气。
数学模型模拟显示，当将零口常规氧-燃料增加转变为用安装在顶部的燃烧器燃烧相同量的氧气和燃料的时候，排气口中过量的氧气的分布已有变化。相对于常规的卧式燃烧器，当通过炉顶内的燃烧器提供燃料和氧气的时候，在第一口和第二口提供更多的氧气，已知的系统在炉子的某些区域和对于特定的熔融操作仍存在需要时没有足够的氧气来燃烧的缺陷。
因为空气包含20.9％的氧气，余下的为氮气和稀有气体，所以用氧气代替空气可以使得体积减小79.1％。如果加热炉的压力是对燃烧和流动速率的限制，则按下面所讨论的用氧气代替空气(即使是部分代替也)可以解决该问题。
发明内容
提供了一种通过加热炉(例如玻璃熔炉)的炉顶将氧气注入加热炉选定的区域内，以增强炉内气氛对流图形，从而向加热炉内的气体提供更高浓度的氧气的方法。通过使氧气位于最大燃烧需要的位点，使得加热炉内有更高效的燃烧，以利用或提供额外的能力；还提供了将氧气安全并以增加量注入加热炉特定的区域或区段的灵活性。
还提供了一种系统，使得至少一个或多个氧气喷嘴或氧气喷射器设置在加热炉的顶部或炉顶内，根据加热炉口设置在选定的位置，用来将氧气喷射入加热炉的燃烧气氛中，以促进所述气氛的文丘里作用(venturi effect)，将现有炉内气氛中夹带的氧气引导到需要氧气以进行燃烧的区域。
本发明的系统还减少了NOX(氮氧化物(nitrous oxides))。
氧气(O2)注入和选择的氧气流量升高了加热炉的温度，促进了炉内的燃烧。这种方法可以用于没有足够的用来安装另外的燃烧器的空间的现有的加热炉。
本发明在加热炉中提供了选定的区域，该区域需要氧气，因此在加热炉进口附近、加热炉的第一口或燃烧器之前，向加热炉的气氛中注入氧气；所述第一口是最接近加热炉进口的口。O2的注入可以与加热炉的纵向中心线对齐，但是不限于这种情况。
提供了一种促进玻璃熔炉内燃烧的方法，所述玻璃熔炉包括至少一个燃烧器、进口、出口、以及限定所述玻璃熔炉的燃烧室的侧壁和炉顶，所述方法包括：
确定所述燃烧室的一个区域，在该区域中，玻璃熔炉内的气氛中的氧 气含量增大，以在炉内气氛中进行燃烧；
以受控制的流速，通过位于所述玻璃熔炉的炉顶内的喷射器向所述区域喷射新鲜氧气以进行燃烧；
响应于所提供的新鲜氧气，对燃烧室中的炉内气氛产生抽吸作用，其中，炉内气氛循环，使得炉内气氛中已有的气体和已有的氧气与向所述区域提供的新鲜氧气混合以进行燃烧。
附图说明
图1显示了交叉火焰再生式加热炉的纵向截面图，其包括本发明的氧气喷射器，以促进气流沿着加热炉的内部、在炉顶附近、以及朝向加热炉的燃烧区域流动。
图2显示了图1的加热炉的横向截面图，沿着加热炉的宽度具有多个氧气喷射器。
具体实施方式
参见图1和图2，图中显示了加热炉10，例如玻璃熔炉，其包括项部或炉顶12。设置了一个或多个换热器14，与加热炉10连通和操作使用。换热器14与加热炉10的炉气氛“A”相连通。所述换热器14各自包括检验器15。批料加入系统16在加热炉的进口18与加热炉10连通，用来向加热炉提供批料20，在此情况下为玻璃晶种，进行熔融。图中玻璃批料总体表示为22。从加热炉10排出的废气流总体表示为24，其离开加热炉10的燃烧气氛A，流到换热器14。
沿加热炉10的相对侧面设置了一个或多个口26(编号1-7)。将一个或多个氧气喷射器28设置在加热炉10的炉顶12内。各个氧气喷射器28可以由例如金属或陶瓷形成管状。所述氧气喷射器28可以沿加热炉10的炉顶12设置在任意的位置。也就是说，各个氧气喷射器28可以设置成与相应的口26之一对齐，或者设置在口26之间的位置。另外，氧气喷射器28可以如图1所示设置，即设置在所述进口18或批料加入系统16与加热炉10的口26(#1)之间。类似地，氧气喷射器28可以设置在加热炉10的出口30(玻璃排料区段或炉喉部)附近，沿炉顶12的任意位置，例如也可位于加热炉10的纵向中心线“C”的位置。
所述氧气喷射器28可以包括具有必需的密封部件或构件的管子或管道，所述管子被引导通过加热炉10的炉顶12。氧气喷射器28的一端与氧气源(未显示)相连，而氧气喷射器28的相反一端如图1和图2所示，终止于炉内气氛A中。各个喷射器28具有其自身的可控的流速，以提供各自的氧气流动形状(oxygen profile)29。多个喷射器28可以调节其流速，以便为特定的玻璃浴22或熔体提供选定的混合氧气和燃烧形状。
所述氧气喷射器28可以设置在加热炉10的炉顶1 2中一定的位置，使得氧气喷嘴垂直地导入加热炉(与玻璃浴22成90°)中，如图1所示，与垂直方向的夹角32最大为45°。一些加热炉具有炉喉，其位于加热炉的出口处，玻璃线以下。所述氧气喷射器28可以与用于加热炉10的已有的燃烧器一起使用。
通过加热炉10的炉顶12注入氧气流在加热炉内产生文丘里(抽吸)作用，将加热炉其它部分的气体以循环流的形式抽向喷射流，用于燃烧。这种循环流在图中总体用箭头34表示。根据氧气喷射的位点，将决定什么气体会被吸入所述氧气流。例如，在大多数交叉火焰加热炉中，下游口26(例如5-7号口)内的氧气量超过上游口26(1-4号口)。但是，在上游口26有足量的氧气是合乎需要的。因此，在加热炉的上游区域内喷射气流将会把较高氧气浓度的加热炉气体从下游口26(5-7号口)吸到上游口26(例如1-4号口)。
在本发明中，喷射气流的含氧量为20.9-100％。但是，由于从加热炉10中具有局部较高氧气浓度的区域带来额外的氧分子，通过文丘里作用传送到火焰的总氧气量可大于喷射器28喷射的氧气量，燃烧空气供应源在图中总体用编号36表示。这是用氧气喷射器28喷射的氧气加上氧气流中夹带的氧气的总量。夹带的气流包含以下化合物：氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、水、稀有气体、玻璃放出的气体，以及这些化合物的组合。
如图2所示，在炉顶12上设置多个气体喷射器28产生由另外的氧气提供的加热炉的口火焰，所述另外的氧气由氧气喷射器28以及气流34在经过玻璃熔体22的表面时引入。所述加热炉气体的火焰喷射能够通过提高有效燃烧，减少总氮氧化物(NOx)的量。
通过类似循环流的喷射氧气的文丘里作用促进的氧化剂气流34将与 玻璃批料的表面38接触，在用于加热炉10的燃烧空气供应装置36和燃烧器产生的火焰下面提供局部的高浓度的氧气。该气流34将使得火焰燃烧，确保完全燃烧，然后通过加热炉10的排气24离开。加热炉10中所得的火焰温度将会升高，将再提高向玻璃浴22的局部传热。
在试运转过程中使用便携式气体分析仪，对加热炉10进行工艺优化，从而可以使用最少的氧气注入和使用量得到所需的加热炉燃料分布曲线和热量释放。
本发明一个重要的方面是利用炉内气氛中未被使用的氧气，以及减少加热炉内的NOX(氮氧化物)。为达到此目的，可以使得氧气流以一定的角度从加热炉10的横向中心线向下喷射，以扫到口26(1号口)下方。为了减少NOX，在燃烧火焰下方喷射的氧气的量在化学计量上将使得燃料完全燃烧，或者使得氧气在化学计量上过量，以使得燃料完全燃烧。使氧气朝向或在加热炉的中心线C喷射具有以下益处：使输入燃料通过的加热炉壁不会过热，通过使氧气和燃料气在批料上方燃烧而不是在废气流24之处或之内燃烧，或者在换热器14内燃烧，避免了氧气的浪费。当氧气流在燃料气路径下方通过的时候，其在燃料气燃烧时将燃料气往下拉到批料上方，减少会对加热炉或换热器的上部结构进行加热的能量。这相当于一种更有效的将能量传到浴22中并加快批料的熔融的工艺。
所述氧气喷射器28不一定要提供100％的氧气。例如，喷射的氧气含量可以在70％的氧气和30％的气体的范围。使用一些非100％氧气的燃料操作喷射器28具有益处。一个益处是，能够为喷射的氧气流提供推力，以确保其会在第一口26火焰下方通过。这种推力将受到加热炉操作中的不同变量的影响，例如炉顶与浴22之间的距离，通过加热炉的循环流34的速度，以及第一口内的气体的量。
为了在化学计量的减少方面(reducing side of stoichiometry)上提供口燃烧，可以部分或完全地堵塞该口，以限制可能通过该口的燃烧空气的量，或者加入通过该口的额外的燃料，该燃料的量超过了可能通过该口的燃烧空气中氧气的化学计量的量。在此情况下，通过口的空气的量按照该口面积相对于所有进入口的总面积的比例进行分配。这情况发生在换热器14中， 其中所有进入的燃烧空气通过检验器15上方的共用总管，然后进入口。
无论加热炉是用来制造浮法玻璃、容器玻璃、照明玻璃、显示器玻璃或特种玻璃，该氧气喷射器28均可用于所述加热炉10。
应当理解，上文所述的实施方式仅仅是是示例性的，本领域的技术人员可以在不背离本发明精神和范围的前提下进行许多改变和改进。所有的这些改变和改进都包括在本文所述和权利要求书所要求的本发明范围之内。应当理解上述的实施方式不仅可以替换，而且还可以组合。

Claims (8)

1.一种促进玻璃熔炉内燃烧的方法，所述玻璃熔炉包括至少一个燃烧器、进口、出口、以及限定所述玻璃熔炉的燃烧室的侧壁和炉顶，所述方法包括：
确定所述燃烧室的一个区域，在该区域中，玻璃熔炉内的气氛中的氧气含量增大，以在炉内气氛中进行燃烧；
以受控制的流速，通过位于所述玻璃熔炉的炉顶内的喷射器向所述区域喷射新鲜氧气以进行燃烧；
响应于所提供的新鲜氧气，对燃烧室中的炉内气氛产生抽吸作用，其中，炉内气氛循环，使得炉内气氛中已有的气体和已有的氧气与向所述区域提供的新鲜氧气混合以进行燃烧。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷射的新鲜氧气是包含20.9-100％的氧气的气流。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷射器包括设置在所述玻璃熔炉的炉顶处的至少一个喷射口。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述至少一个喷射口包括管状部件，该部件包括与新鲜氧气源相连的第一端，以及终止于所述炉内气氛中、用来为所述区域提供新鲜氧气的第二端，所述新鲜氧气用来与已有的气体和已有的氧气一起燃烧。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在与至少一个燃烧器紧邻的玻璃熔炉的进口附近提供所述新鲜氧气。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以与玻璃熔炉的纵向中心线对齐的方式，将所述新鲜氧气提供给所述区域。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将流体和所述新鲜氧气一起引入，以增加新鲜氧气进入炉内气氛的传输速率。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述流体选自可燃性气体、可燃性液体、以及它们的组合。
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