CN102227384B - 具有多个热回收系统的熔炉 - Google Patents

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Abstract

在一种诸如熔化玻璃的熔炉的熔炉中，通过燃料与气态氧化剂在熔炉内的燃烧所形成的燃烧产物的一部分通过复热式或回热式热交换器系统，以将进入的气态氧化剂的一部分加热，而代替地使燃烧产物的一部分通过次级热交换器系统，其中，通过所述第一热交换器的热燃烧产物和氧化剂以燃烧产物与氧化剂的热容比的比率小于1.3通过。

Description

具有多个热回收系统的熔炉
技术领域
本发明涉及有能效地在熔炉中制造玻璃，具体地涉及从在燃烧中形成的热燃烧产物回收热的方法，进行这种燃烧以产生用于熔化制造玻璃的材料的热。
背景技术
许多工业操作采用熔炉，在这些熔炉中将燃料和氧化剂燃烧，以使燃烧的热能够将熔炉中的材料加热。实例包括将固态材料加热以将其熔化的熔炉，如熔化玻璃的熔炉。其他的实例包括将固态材料或物品（如钢板）加热来升高这种材料的温度（只要不将其熔化）以便于这种材料或物品的成形或其他处理的熔炉。熔炉所面临的挑战在熔化玻璃的熔炉中进行了说明，且本发明在本文的大部分描述参考熔化玻璃的熔炉进行，但本发明也适用于用于许多其他功能的熔炉。
常规的玻璃制造方法要求在熔化玻璃的熔炉中确立温度，这些温度足够地高以熔化制造玻璃的材料（指一种或多种材料，这些材料不是玻璃，但是形成玻璃的成分，如砂石、苏打灰、石灰石、白云石、长石、红铁粉，这些整体上称为“生料”，和/或破碎的、废弃的和回收的玻璃，称为“碎玻璃”）。所要求的高温通常通过烃类燃料如天然气的燃烧来获得。这种燃烧产生气态燃烧产物，也称为废气。即使在实现从燃烧至进行熔化的制造玻璃的材料的相对较高的热传递效率的制造玻璃的设备中，离开熔化容器的燃烧产物也通常具有远超过2000℉的温度，通常在2600至2950℉的范围内，并由此而表示在这些制造玻璃的操作中所产生的能量的大量浪费，除非能够至少部分地从这些燃烧产物回收热能。
现有技术已通过使用废气-空气热交换器来解决这种问题，这些热交换器的类型通常称为复热器或回热器。用在本文中的“复热器”是一种热交换器，两个流能够分别持续地流过这种热交换器而并不发生相互之间的直接物理接触，其中，若这些流在进入复热器时具有不同的温度，则热就在复热器中从具有较高温度的流向具有较低温度的流流动。用在本文中的“回热器”是一种由两个或更多单元（或“床”）组成的热交换器，其中，一个流能够一次穿过每个床，且能够定期将每个流流过的单元从一个床向另一个床交替（“反转”），然后返回（或者到达另一个床），其中，较热的流将其经过的单元加热，而较冷的流经过已经由所经过的较热的流加热的另一个单元，然后较冷的流经过正在被加热的单元并且由该单元加热，而较热的流经过另一个单元，热已经从该另一个单元交换至较冷的流。
在常规的空气燃烧复热式或回热式熔炉中，燃料与作为氧来源的空气一起燃烧，且燃烧的产物穿过复热或回热热交换器来将进入的燃烧空气加热，通过将进入的燃烧空气预加热来在热交换器内将废气中的废热部分地回收，且在经过典型的回热热交换器之后，废气的离开温度降至800至1000℉，或者在经过典型的复热热交换器之后，废气的离开温度降至1000至1600℉。虽然在上个世纪在回热器和复热器回收废热的设计方面已取得了实质性的进步，但在这些热回收设备中在可回收的废热的最大量方面有着固有的局限性。废气流的热容比通常比燃烧空气的热容比高约35%。因此，即使是空气预热温度接近进入的热废气的温度的热动力学理想回热器，进入的废气的热函含量的至少26% [（1.35-1.0）/1.35=0.26]在经过回热器之后仍留在废气中。(A.R. Cooper and Y. Wu: Analysis of Various Modifications on the Thermal Performance of Combustion Heated Continuous Glass Melting Furnaces, Proc. of 16th Intl Congress on Glass, 6, 59-64, Madrid, Spain, Oct 4-9, 1992)。因此，整体上的热回收的进一步改进要求二次热回收系统在回热或复热交换器之后回收含在废气中的显热。现有技术中的二次热回收的方法包括废热锅炉、生料/碎玻璃预热器以及天然气预热器。废热锅炉能够有效地回收作为蒸汽的废热并且能够通过使用蒸汽涡轮来产生功率。不过，可实现的蒸汽的最大温度和压力受限于回热器或复热器之后的废气流的相对较低的温度。
虽然在制造玻璃的领域中已经知道利用来自熔化玻璃熔炉的热气态燃烧产物中的热来预热将在玻璃的制造中熔化的进入的制造玻璃的材料，但迄今为止已知的技术一直认为热燃烧产物的温度在其开始与制造玻璃的材料进行热交换时不应超过约1000至1300℉。从构造热交换器来耐受较高的温度的材料的能力的考虑以及制造玻璃的材料在热交换步骤期间变得太热时趋向于开始变软并变得有粘附性（或“有粘着性”）的考虑而招致了这种最大温度，从而导致产量的降低甚至是热交换器通道的堵塞。制造玻璃的材料变得有粘附性或有粘着性时的温度取决于生料的组成和与制造玻璃的材料接触的材料，而且对于制造瓶子和窗户的碱石灰玻璃的一般生料而言被认为在1000至1300℉的范围内。在常规的空气燃烧回热熔炉中，回热器之后的废气离开温度约为800至1000℉，并且在生料/碎玻璃预热器之前无需冷却废气。几种商业上的容器玻璃熔炉已经采用生料/碎玻璃预热器来通过使用含在从回热器出来的大量废气中的废热来将制造玻璃的材料加热。不过，由于废气的温度相对较低，所以通过这种方法所达到的最大预热温度限制在约600℉。此外，在商业上所提供的生料/碎玻璃预热器的物理尺寸非常大以与大量的废气交换热，从而使其在经济上并无吸引力。
当离开熔化玻璃的熔炉的气态燃烧产物处于高温（如通过氧燃料的燃烧而获得的温度）时，常规的认识一直以来是在与进来的制造玻璃的材料进行热交换开始之前需要将这些产物的温度降至1000至1300℉的范围。有表示现有技术中认为在废气用于将进来的制造玻璃的材料加热之前必须将废气的温度降低的多种实例。这些实例包括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”, presented at NOVEM Energy Efficiency in Glass Industry Workshop (2000), pp. 69-84; 美国专利No. 5,412,882; 美国专利No. 5,526,580; 以及美国专利 No. 5,807,418。
不过，通过将气态稀释剂如空气加到燃烧产物流中和/或将冷却液体如水喷到这种流中来降低燃烧产物流的温度并不有利，因为这些方法降低了残留在这些气态燃烧产物中的可回收热的量、增加了所需的气体处理设备的尺寸并且增加了额外的设备和工艺费用。
从氧燃料燃烧的熔化玻璃的熔炉回收热的技术的最新进展是由本发明人在国际专利申请WO 2007/126685 A1中的描述中所提出的高温辐射生料/碎玻璃预热器。这种新式生料/碎玻璃预热器能够通过使用来自氧燃料燃烧熔炉的热废气来将制造玻璃的材料加热至高达1200℉，而并不通过冷却气体喷注而将其冷却。不过，迄今为止认为这种辐射生料/碎玻璃预热器并不适用于空气燃烧的回热式或复热式熔炉。
需要通过更加有效的废热回收来提高回热式和复热式熔炉的燃料效率，包括熔化玻璃的熔炉和其他熔炉。
发明内容
本发明的一个方面是一种操作熔炉的方法，这种方法包括：
（A）在熔炉中将燃料与气态氧化剂燃烧以产生热，从而产生热的燃烧产物，这种氧化剂具有至少20.9体积百分比的氧的总体平均含氧量；
（B）使来自所述熔炉的热的燃烧产物以及在步骤（B）中燃烧之前的所述气态氧化剂的一部分或全部通过回热式或复热式初级热交换器系统，并且通过来自经过所述初级热交换器系统的热燃烧产物的在所述初级热交换器系统中的热交换将通过所述初级热交换器系统的气态氧化剂加热，其中，通过所述初级热交换器系统的热的燃烧产物和氧化剂以燃烧产物与氧化剂的热容比的比率小于1.3通过；以及
（C）使来自所述熔炉的未通过所述初级热交换器系统的热的燃烧产物通过次级热交换器系统，并且在所述次级热交换器系统中从所述热的燃烧产物回收显热。
本发明的一个优选方面是一种玻璃熔化方法，这种方法包括：
（A）将制造玻璃的材料移入熔化玻璃的熔炉内；
（B）将燃料与气态氧化剂燃烧以产生在所述熔化玻璃的熔炉内熔化所述制造玻璃的材料的热，从而产生热的燃烧产物，这种氧化剂具有至少20.9体积百分比的氧的总体平均含氧量；
（C）使来自所述熔化玻璃的熔炉的热燃烧产物以及在步骤（B）中燃烧之前的所述气态氧化剂的一部分或全部通过回热式或复热式初级热交换器系统，并且通过来自通过所述初级热交换器系统的热燃烧产物的在所述初级热交换器系统中的热交换将通过所述初级热交换器系统的气态氧化剂加热，其中，通过所述初级热交换器系统的热燃烧产物和氧化剂以燃烧产物与氧化剂的热容比的比率小于1.3通过；以及
（D）使来自所述熔化玻璃的熔炉的未通过所述初级热交换器系统的热燃烧产物通过次级热交换器系统，并且在所述次级热交换器系统中从所述热燃烧产物回收显热。
将用在本文中的流的“热容比”限定为这种流的质量流率乘以在热流的温度与冷流温度之间评估的流的平均比热，用Btu/oF/hr或其他等同的单位表示，且两个流的“热容比的比率”是两个流的热容比的比率，即无量纲数。
用在本文中的热交换器“系统”是包括一个或多个热交换器的设备。“初级”热交换器系统和“次级”热交换器系统分别联接到熔炉但并不彼此相连，即它们并不串联，以使在一个中被加热的气体在不经过另一个的情况下进入熔炉。
用在本文中的“氧燃料燃烧”是燃料与含氧量高于空气的含氧量的气态氧化剂的燃烧，且“氧燃料燃烧器”是借助于构成氧燃料燃烧器的材料而进行氧燃料燃烧的燃烧器。
用在本文中的“空气燃料燃烧”是燃料与空气的燃烧，且“空气燃料燃烧器”是借助于构成空气燃料燃烧器的材料而进行空气燃料燃烧的燃烧器。
如下所述，优选对所述第一和第二燃烧产物流的相对体积进行调节，以使两种热交换器的热回收效率得到优化。
本发明的另一个方面是一种变更熔炉的方法，这种方法包括：
提供熔炉和初级热交换器系统，燃料和气态氧化剂能够在熔炉中燃烧以产生用于将所述熔炉内的材料加热或熔化的热并产生热的气态燃烧产物，所述气态氧化剂具有至少20.9体积百分比的含氧量，初级热交换器系统联接到熔炉，所述热的燃烧产物能够通过初级热交换器系统，且将要在所述熔炉内燃烧的所述气态氧化剂能够通过初级热交换器系统并且能够由来自所述热的燃烧产物的间接热交换而被加热；
将次级热交换器系统联接到所述熔炉，以使所述次级热交换器系统能够从所述熔炉接收热的气态燃烧产物；以及
提供能够改变供应到所述初级热交换器系统和所述次级热交换器系统的所述燃烧产物的体积的一个或多个可控节气阀。
附图说明
图1是制造玻璃的设备的示意图，这种设备带有可与本发明的方法一起使用的复热式热交换器。
图2是制造玻璃的设备的示意图，这种设备带有可与本发明的方法一起使用的回热式热交换器。
图3是与本发明结合的制造玻璃的设备的示意图。
图4是与本发明结合的制造玻璃的设备的示意图。
具体实施方式
本发明适用于燃料和氧化剂在其中燃烧的熔炉。优选的实例包括熔化玻璃的熔炉、在其中固态钢物品（如钢板或钢坯）能够被加热的钢再加热熔炉以及在其中固态铝（如铝废料）能够被加热并熔化的铝熔化熔炉。主要参考熔化玻璃的熔炉对本发明进行描述，但并不旨在限定在这种类型的熔炉。
参看图1，将燃料流1和气态氧化剂2加到熔化玻璃的熔炉3并且在其中燃烧以产生足够的热来熔化熔炉3内的制造玻璃的材料。将制造玻璃的材料作为流9加到熔炉3。能够从制造玻璃的熔炉3回收熔融玻璃流4。
适当的燃料包括能够与氧化剂（空气、富氧空气或氧气）燃烧以产生所要求量的燃烧热的任何燃料。优选的燃料包括气态烃类，如天然气。
用流1表示的燃料和用流2表示的氧化剂能够分别作为一个流加到熔炉3内的独立的燃烧器中，但它们更通常作为多个流提供给熔炉3内的若干燃烧器51中的每一个。考虑到所有的这些气态流的聚集，加到熔炉3内并且在其中燃烧的所有氧化剂流的总体平均含氧量至少为空气的含氧量，并且若使用富氧或氧燃料燃烧器，则高于20.9%。含氧量可以为至少35体积百分比的养，并且更优选地为至少50甚至是90体积百分比的氧。即，加到不同的燃烧器的氧化剂流的含氧量可相互不同，例如在操作人员希望一些燃烧器（将较高的含氧量加到这些燃烧器中）燃烧得比其他的燃烧器更热时。获得含有理想的含氧量的气态氧化剂流的优选方式是在特定的燃烧器上游或在燃烧器的出口将空气与具有比空气的含氧量高的气体（如氧为90体积百分比的流）混合。
在加上下面所描述的次级热交换器系统之前和之后的熔炉能够在整体上配备有将燃料与空气燃烧的燃烧器，或者一部分燃烧器将燃料与空气燃烧，另一部分燃烧器将燃料与具有比空气的含氧量高的氧化剂燃烧。此外，在将本文所描述的次级热交换器系统加到熔炉时，可备选地将燃烧燃料与空气或者燃烧燃料与具有比空气的含氧量高的氧化剂的一个或多个燃烧器移去或加上。对于燃烧燃料与具有比空气的含氧量高的氧化剂的燃烧器而言，在热交换器中通常并不将氧化剂预热。
燃料与氧化剂的燃烧产生热的气态燃烧产物。这些燃烧产物50中的一些经过初级热交换器系统52，以由与加到熔炉3的一些或全部进入氧化剂2的间接热交换加热。初级热交换器系统可采用两个或更多的热交换器。热交换器系统52可包括执行这种功能的任何类型的热交换器，如回热式或复热式热交换器系统。
图1示出了利用单复热式热交换器作为初级热交换器系统52的实例。采用复热型初级热交换器系统的熔化玻璃的熔炉通常配备有两个复热器作为初级热交换器系统。
参看图2，熔炉包括熔炉本体12、加料或生料端14、生料加料装置16和出料或熔融玻璃端18。通过熔炉的材料和玻璃的总体流动由箭头20表示。熔炉具有第一热交换器系统，该系统包括回热器床26、28，这些床与端口30、32、34、36、38、44、46、48、50和52关联，这些端口含有空气燃料燃烧器或空气燃料燃烧装置来产生空气燃料火焰54、56、58、60和62，如在现有技术中所公知的那样。在示于图2的操作模式中，回热器床26接收空气66并且将其预热以分别用于空气燃料燃烧火焰54、56、58、60和62。此时，回热器床68正在由从熔炉排出的废气68加热。在一段时间之后，正如由回热器热储存容量所确定的那样，这些火焰54、56、58、60和62熄灭，并且使用通过回热器床28引入的空气在端口44、46、48、50和52产生空气燃料火焰。正如在本领域中所公知的那样，逆流交替地将回热器床26和28加热以提供经过预热的空气。在现有技术中已知通过使用火焰74和76来引入氧燃料增加，这些火焰由位于加料端壁与第一空气燃料端口30和52之间的空间内的氧燃料燃烧器产生。
虽然并未在图中示出，但熔炉可采用其它类型的回热式热交换器，其利用回转床作为热储存和传递介质。
根据本发明，次级热交换器系统从热废气回收热，并且将该热传递到除了氧化剂2之外的材料，氧化剂在初级热交换器系统52中被加热。次级热交换器系统可包括如生料与碎玻璃预热器、碎玻璃预热器、热化学复热器、热化学回热器、废热锅炉、氧预热器或天然气预热器，或不同类型的两种或更多热交换器的组合。用在本文中的热化学复热器或热化学回热器是一种热交换器，在这种热交换器中，来自流过复热器或回热器床的热废气的热被传递至燃料（通常是天然气）与蒸汽的混合物，燃料和蒸汽因此通过吸热重整反应而发生反应，且从热废气传递的热被转换为反应物（即燃料与蒸汽的混合物）的热能和化学能。例如，次级热交换器系统可包括氧预热器和碎玻璃预热器的顺序或并行组合，或者仅包括废热锅炉来产生蒸汽。
在本发明的优选实施例中，次级热交换器系统包括将进入熔化玻璃的熔炉的生料/碎玻璃加热的单元，这种加热通过辐射、对流和/或传导热传递来进行，优选通过辐射热传递与对流热传递段的组合来进行，以在热的气态燃烧产物与进入熔化玻璃的熔炉的制造玻璃的材料之间交换热，如图1或图2所示。这种单元在图3中用单元7表示，其中，燃烧产物的流5进入单元7，并且将进入的制造玻璃的材料9加热，然后将其作为已加热的制造玻璃的材料的流8加到熔炉3中，以在熔炉3内熔化。已将热传递到单元7内的制造玻璃的材料的燃烧产物作为流6离开单元7。
可选地，可通过单独的通气管端口（未示出）将热燃烧产物的一小部分从熔炉排出而并不进行热回收，例如，以稳定地控制熔炉的压力。
本发明的另一个方面是包括本文所描述的第一和第二热交换器的合成设备。
如上所述，本发明的一个显著的优点是，热的燃烧产物的更多能量含量可以加以利用，即使其温度由于未经过回热器或回热器直接从熔炉获得而较高，而并不要求流的温度的任何显著降低（在其进入第二热交换器系统7之前），如通过增加稀释流体流或经过另一个热交换器。
如果需要，来自于热传递单元7或来自于随后的热交换器的冷却后的燃烧产物流6可以经受处理步骤，在该流被排放到大气中或用作至化学处理阶段的加料流之前，这些处理步骤可能是期望的或必须的。例如，可将这种流经过静电沉淀器或等同的设备来去除精细粒子污染物。例如通过使这种流与适当的吸收剂或反应剂接触，如Ca(OH)2或者碳酸钠，可对这种流进行处理来去除气态大气污染物，如氧化硫。
现在转向图4，图中示出了熔化玻璃的熔炉，该熔炉联接到回热器床148和150并且联接到生料/碎玻璃热交换器单元7，这种熔炉的优选运行考虑到了回热器床148和150中的总体热平衡和有效热传递的特征。因此，这种运行提供了许多有益效果。
参看图4，熔炉170包括熔炉本体142、加料或生料端144、生料加料装置181和出料或熔融玻璃端146。通过熔炉的材料和玻璃的总体流动由箭头151表示。熔炉具有初级热交换器系统，该系统包括回热器床148和150，这些床分别与端口152、154、156和158、160、162关联。在示于图4的操作模式中，回热器床148接收空气76并且将其预热以分别用于空气燃料燃烧火焰164、166、168。此时，回热器150被由从熔炉排出的热燃烧产物气体77的一部分加热。在此实例中，次级热交换器系统包括热交换器190和191，这些热交换器是生料/碎玻璃预热器，在这些预热器中，进入的生料/碎玻璃制造玻璃的材料9由通过排气端口184和186从熔炉排出的热燃烧产物气体78的剩余部分加热，这些排气端口将熔炉与热交换单元190和191连接。在此实例中，由空气燃料燃烧所产生的火焰164、166和168靠近熔炉的出料端，且由氧燃料燃烧所产生的火焰174、176、180和182位于熔炉的进料端附近。将已经在热交换单元190和191的次级热交换器系统中被加热的生料/碎玻璃制造玻璃的材料10从单元190和191加到熔炉内以在其中熔化。
在已知的方式中，通过一个回热器床流入熔炉的空气流和通过另一个回热器床流出熔炉的燃烧产物流定期切换，以使每个流都经过另一个床。可用公知的方式来实现这些流的切换，如使用连接到氧化剂（如空气）源并连接到通气管出口堆以及连接到每个回热器的阀门，且阀门能够在一个位置与另一个位置之间交替，在所述一个位置中，氧化剂流至一个床且燃烧产物从另一个床流出，且在所述另一个位置中，氧化剂流至另一个床且从一个床接收燃烧产物。
可改变进入初级热交换器系统（回热器床148或150）以及进入次级热交换器系统单元7或190和191的热废气的分流比，以优化总体热回收效率。如前所述，在用于熔化玻璃的和其他的工业熔炉的回热器和复热器中，对可回收的废热的最大量有着内在的局限性。废气流的热容比通常比燃烧空气的热容比高约35%。因此，即使是空气预热温度接近进入的热废气的温度的热动力学理想的回热器或复热器，进入的废气的热函含量的至少26% [（1.35-1.0）/1.35=0.26]在经过回热器之后仍留在废气中。对于应用于现有的回热式熔炉（如示于图2）的更新应用或新式熔炉应用而言，将总废气的约10－40%，优选约15－30%，引入到示于图3的单元7内或示于图4的单元190和191内，从而将现有的回热器、复热器或存在的其他间接热交换器旁路，以将热废气与燃烧空气的热容比降至小于1.3，优选小于1.2，更优选小于1.1，或甚至小于1.0。回热器中的通道的堵塞尤其是接近于生料加料装置的端口附近的堵塞是一种常见的问题，特别是对于在回热器床的新的周期开始之后的使用时间。通常在目前的并不使用本发明的实践中，因为在接近熔炉周期结束通过这些通道的燃烧空气容量降低，所以熔炉的点火容量必须得降低。本发明提供了对这种问题的一种协同解决方案，同时提高了熔炉生产率并降低了燃料消耗。通过提取通常以其他形式通过这些通道加入的热燃烧产物的一部分，去掉回热器的接近于进料的一段和/或减少了通过堵塞的通道的气流。而且，由于通过将制造玻璃的材料（生料/碎玻璃）预加热来降低燃料消耗，所以成比例地降低了通过剩余通道的燃烧空气的流率。
如在别处所描述的那样，回热式热交换器的操作涉及定期反转这些床的功能，以使热的燃烧产物的流从燃烧产物已流过的一个床改变至另一个床，进入的氧化剂已流过该另一个床，而且进入的氧化剂流从氧化剂已流过的床改变至热燃烧产物已流过的床。在这种反转期间，这种反转发生20至30秒钟，不将燃料加到燃烧器51（或端口，如端口152、154和156，根据情况而定）内，但进入的氧化剂流通过这些回热器继续进入熔炉中。在此反转期间，已预加热的空气的一部分（由于不可得到“热的燃烧产物”）被连续地引入到第二热交换器系统中。
本发明可与熔炉至氧燃料燃烧的局部转换结合，在这种局部转换中，最接近于熔炉的进料端的回热器端口中的一对或两对被关闭并且被一对或两对氧燃料燃烧器所取代。一个或两个通气管端口被置于同一个区域，以提取进入示于图3中的次级热交换器系统7或示于图4中的单元190和191的热的废气，其优选地包括一至两个辐射热交换单元。在本发明中，在用于相同玻璃制造速度的制造玻璃的材料的入口附近要求较少的熔炉加热，因为在加到熔炉内之前，这些制造玻璃的材料已经被预加热。
当示于图3中的次级热交换器系统7或示于图4中的单元190和191是用于进入的制造玻璃的成分的预热器时，从熔炉提取的热燃烧产物的优选量由这些预热器单元中的制造玻璃的材料的所需最大预加热温度确定。对于普通的碱石灰玻璃熔炉来讲，最大预加热温度约为1300℉，因为这些材料在较高温度时具有变粘的趋势。优选地，预加热温度介于600与1300℉之间。更优选地，预加热温度介于700与1100℉之间。为了改进热回收效率，应将示于图3中的单元7或示于图4中的单元190和191设计成将这种废气冷却至低于700℉，优选低于550℉。
实例
表1示出了以下几种情况的能量平衡的例证性比较：（情况1）450短tpd回热式容器玻璃熔化炉，这种熔炉带有至回热式间接热交换器的五个端口；（情况2）同样的熔炉，带有将生料/碎玻璃预热至572℉的常规生料碎玻璃预热器；（情况3）经过改进的450短tpd回热式容器玻璃熔化炉，带有第一对端口，该对端口根据本发明转换为连续的通气管端口，以将生料/碎玻璃预热至932℉；（情况4）经过改进的450短tpd回热式容器玻璃熔化炉，带有第一对端口和第二对端口，第一对端口被转换为连续的通气管端口，且第二对端口被关闭并且由一对或两对根据本发明的氧燃料燃烧器所取代，以将生料/碎玻璃预热至932℉。表2示出了用于这些回热器的性能的相应条件和假设。
在所有的情况下假设50比50的生料与碎玻璃混合。情况1表示用于比较的现有的熔炉的基线条件。在情况2中，在这些回热器之后将废气引入到常规的生料/碎玻璃预热器，以将生料与碎玻璃的混合物预热到572℉。在情况3中，将这些回热器的第一端口（即最接近生料加料装置的端口对）使其不工作并且由一对通气管端口所取代。通过这些通气管端口从空气燃烧的熔化玻璃的熔炉连续提取总废气的24.5%，并直接引入到辐射生料/碎玻璃预热器单元7中以将制造玻璃的材料预热。剩余的废气，即总废气的75.5%经过现有的回热器以将空气预热。随着热的废气与燃烧空气的热容比的比率的降低并接近1.0，这些回热器的热回收效率得到改进。离开这些回热器的废气温度因此而降低，从而导致这些回热器之后的废气的热损耗降低。在情况4中，将这些回热器的第一和第二端口关闭并使其不工作，并且用一对通气管端口取代。将一至两对氧燃料燃烧器安装在这些第一和第二端口附近以控制该区域中的温度。通过这些通气管端口连续地提取总废气的31%，包括从这些氧燃料燃烧器产生的废气，并且直接引入到辐射生料/碎玻璃预热器单元7，以将制造玻璃的材料预热。剩余的废气，即总废气的69%，经过这些现有的回热器以将空气预热。随着热的废气与燃烧空气的热容比的比率的降低并接近1.0，这些回热器的热回收效率得到改进。离开这些回热器的废气温度因此而降低，从而导致这些回热器之后的废气的热损耗降低。在这些氧燃料燃烧器中所使用的氧化剂并不在这些回热器中预热。特定的假设以及计算结果在下面提供以用于比较。
在情况1中，废气在2850℉时进入回热器并且在950℉时离开。在回热器之后的空气预热温度是2300℉。在情况2中，废气在2850℉时进入回热器并且在870℉时离开，原因在于来自从燃料减少的废气和燃烧空气的降低的流率的热交换效率增益，但热容比的比率仍非常接近于情况1。假设回热器之后的空气预热温度为2300℉。然后，废气在约870℉时进入下游常规BCP，并且通过将生料/碎玻璃从77℉预热到572℉来以433℉离开BCP。在情况3中，废气在2850℉时进入回热器，并且由于效率增益而以448℉离开，这种增益来自于（1）热容比的比率从1.36降至1.01，以及（2）废气和燃烧空气的降低的流率。假设回热器之后的空气预热温度为2130℉。进入带有对流热回收段（单元7）的辐射热交换器的废气通过将生料/碎玻璃制造玻璃的材料从77℉预热到932℉而以360℉离开辐射热交换器。在情况4中，废气在2850℉时进入回热器，并且由于效率增益而以480℉离开，这种增益来自于（1）热容比的比率从1.36降至1.0，以及（2）废气和燃烧空气的降低的流率。假设回热器之后的空气预热温度为2200℉。进入带有对流热回收段（单元7）的辐射热交换器的废气通过将生料/碎玻璃制造玻璃的材料从77℉预热到932℉而以418℉离开辐射热交换器。在氧燃料燃烧器中所使用的氧化剂并不在这些回热器中预热。
表 1  熔炉能量平衡
Figure 2009801473921100002DEST_PATH_IMAGE001
表2  回热器能量平衡与热容比
Figure 377194DEST_PATH_IMAGE002
正如在上面的表格中所示出的那样，对燃料的要求从情况1中的基线4.05MMBtu/ton降至具有常规的生料/碎玻璃预热器的情况2中的3.47MMBtu/ton、根据本发明的情况3的3.27MMBtu/ton和具有根据本发明的辅助氧燃料燃烧器的情况4的3.09MMBtu/ton。
与常规的顺序热回收集成方法（情况2）相比，本发明的并行热回收集成方法（情况3和4）明显地更有效率，在顺序热回收集成方法中，总体废气体积首先经过这些回热器，且留在冷却后的废气中的显热在下游生料碎玻璃预热器中回收。本发明允许用于生料/碎玻璃的较高预热温度，并且同时还提高回热器的热回收效率，并因此而改善空气燃烧熔化玻璃熔炉的总体能效。本发明特别适合于结合辐射热交换器使用，这种热交换器带有对流热回收段（单元7），该热回收段能够吸收在约2500-2700℉的热废气，并且将热的废气直接冷却，而并不将空气或水稀释到约400至500℉。
虽然在上面的说明性实例中使用了五端口回热式熔炉，但本发明也适用于末端端口回热式熔炉、复热式熔炉以及其他许多空气燃烧熔炉。将热的燃烧产物的第二流引入到第二热回收系统的通气管端口的位置可以在熔炉的前壁、侧壁、后壁或甚至在顶部上。如前面所提及的那样，次级热交换器系统可包含一种类型以上的热回收单元。例如，可将第二热废气流首先引入到复热器内以预热用于补充氧燃料燃烧器的氧气，然后将部分地冷却的废气引入到碎玻璃预热器，而并不将生料材料预热。另一个实例是首先将第二热废气流引入到不带有对流段的辐射生料/碎玻璃预热器内，然后将冷却的废气引入到废热锅炉内以产生蒸汽。热交换器的许多其他组合也在本发明的范围之内。虽然在上面的实例情况3和情况4中将热容比的比率降至接近于1.0，但最佳的比率不必是1.0，并且在第二热交换器系统能够处理更多的废气体积并且比这些回热器更有效地回收废热时可以大大低于1。当第一和第二热交换器下游的废气温度均降至低于600℉，更优选地低于约为300至400℉的最低实际值时实现用于整个熔炉系统的最有能效的条件。

Claims (13)

1.一种熔化玻璃的方法，所述方法包括：
(A)将制造玻璃的材料移入熔化玻璃的熔炉内；
(B)将燃料与气态氧化剂燃烧以产生在所述熔化玻璃的熔炉内熔化所述制造玻璃的材料的热，从而产生热的燃烧产物，所述氧化剂具有至少20.9体积百分比的氧的总体平均含氧量；
(C)使来自所述熔化玻璃的熔炉的热的燃烧产物以及在步骤（B）中燃烧之前的一部分或全部所述气态氧化剂通过回热式或复热式初级热交换器系统，并且通过来自通过所述初级热交换器系统的热燃烧产物的在所述初级热交换器系统中的热交换将通过所述初级热交换器系统的气态氧化剂加热，其中，通过所述初级热交换器系统的热的燃烧产物和氧化剂以燃烧产物与氧化剂的热容比的比率小于1.3通过；以及
(D)使来自所述熔化玻璃的熔炉的未通过所述初级热交换器的至少一部分热燃烧产物通过次级热交换器系统，并且在所述次级热交换器系统中从所述热燃烧产物回收显热。
2.一种加热固态钢物品的方法，所述方法包括：
(A)将固态钢物品移入用于加热固态钢的熔炉内；
(B)将燃料与气态氧化剂燃烧以产生在所述熔炉内加热所述钢物品的热，从而产生热的燃烧产物，所述氧化剂具有至少20.9体积百分比的氧的总体平均含氧量；
(C)使来自所述熔炉的热的燃烧产物以及在步骤（B）中燃烧之前的一部分或全部所述气态氧化剂通过回热式或复热式初级热交换器系统，并且通过来自通过所述初级热交换器系统的热燃烧产物的在所述初级热交换器系统中的热交换将通过所述初级热交换器系统的气态氧化剂加热，其中，通过所述初级热交换器系统的热燃烧产物和氧化剂以燃烧产物与氧化剂的热容比的比率小于1.3通过；以及
(D)使来自所述熔炉的未通过所述初级热交换器的至少一部分热燃烧产物通过次级热交换器系统，并且在所述次级热交换器系统中从所述热燃烧产物回收显热。
3.一种熔化固态铝的方法，所述方法包括：
(A)将固态铝移入用于熔化铝的熔炉内；
(B)将燃料与气态氧化剂燃烧以产生在所述熔炉内熔化所述铝的热，从而产生热的燃烧产物，所述氧化剂具有至少20.9体积百分比的氧的总体平均含氧量；
(C)使来自所述熔炉的热的燃烧产物以及在步骤（B）中燃烧之前的一部分或全部所述气态氧化剂通过回热式或复热式初级热交换器系统，并且通过来自通过所述初级热交换器系统的热燃烧产物的在所述初级热交换器系统中的热交换将通过所述初级热交换器系统的气态氧化剂加热，其中，通过所述初级热交换器系统的热燃烧产物和氧化剂以燃烧产物与氧化剂的热容比的比率小于1.3通过；以及
(D)使来自所述熔炉的未通过所述初级热交换器的至少一部分热燃烧产物通过次级热交换器系统，并且在所述次级热交换器系统中从所述热燃烧产物回收显热。
4.一种操作熔炉的方法，所述方法包括：
(A)在熔炉中将燃料与气态氧化剂燃烧以产生热，从而产生热的燃烧产物，所述氧化剂具有至少20.9体积百分比的氧的总体平均含氧量；
(B)使来自所述熔炉的热的燃烧产物以及在步骤（B）中燃烧之前的一部分或全部的所述气态氧化剂通过回热式或复热式初级热交换器系统，并且通过来自通过初级热交换器系统的热燃烧产物的在所述初级热交换器系统中的热交换将通过所述初级热交换器系统的气态氧化剂加热，其中，通过所述初级热交换器系统的热燃烧产物和氧化剂以燃烧产物与氧化剂的热容比的比率小于1.3通过；以及
(C)使来自所述熔炉的未通过所述初级热交换器系统的热燃烧产物通过次级热交换器系统，并且在所述次级热交换器系统中从所述热燃烧产物回收显热。
5.如权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中，通过所述初级热交换器系统的所述热燃烧产物和氧化剂以燃烧产物与氧化剂的热容比的比率小于1.0通过。
6.一种变更熔炉的方法，所述方法包括：
提供熔炉和初级热交换器系统，燃料和气态氧化剂能够在所述熔炉中燃烧以产生用于将所述熔炉内的材料熔化的热，并产生热的气态燃烧产物，所述气态氧化剂具有至少20.9体积百分比的含氧量，所述初级热交换器系统联接到所述熔炉，所述热的燃烧产物能够通过所述初级热交换器系统，并且将要在所述熔炉内燃烧的所述气态氧化剂的至少一部分能够通过所述初级热交换器系统并且能够由来自所述热的燃烧产物的间接热交换而加热；
将次级热交换器系统联接到所述熔炉，以使所述次级热交换器系统能够从所述熔炉接收热的气态燃烧产物；以及
提供能够改变供给到所述初级热交换器系统和所述次级热交换器系统的所述燃烧产物的体积的一个或多个可控节气阀。
7.如权利要求1-4和6中的任一项所述的方法，其中，所述次级热交换器系统包括用于进入所述熔炉的材料的预热器、热化学复热器、热化学回热器、废热锅炉、氧预热器或天然气预热器中的一个或多个。
8.如权利要求1-4和6中的任一项所述的方法，其中，所述熔炉在至少一个氧燃料燃烧器中燃烧燃料和氧化剂，其中，在所述氧燃料燃烧器中燃烧的氧化剂不在所述初级热交换器系统中预热。
9.如权利要求6所述的方法，其中，所述熔炉是熔化玻璃的熔炉，且在所述熔炉中的所述材料是制造玻璃的材料，并且其中，所述次级热交换器系统包括预热器，在所述预热器中，将进入所述熔炉内的生料和碎玻璃中的一种或两种预热。
10.如权利要求6所述的方法，其中，所述熔炉是交叉燃烧的熔炉，其中，所述初级热交换器系统是一个回热器，其具有多于一对进入所述回热器的端口，并且其中，所述变更包括将至少一对所述端口关闭。
11.如权利要求6所述的方法，其中，所述次级热交换器系统包括以蒸汽重整燃料的热化学复热器。
12.如权利要求6所述的方法，其中，所述熔炉是末端-端口燃烧的回热式熔炉。
13.如权利要求6所述的方法，其中，所述熔炉在至少一个氧燃料燃烧器中燃烧燃料和氧化剂，其中，在所述氧燃料燃烧器中燃烧的氧化剂不在所述初级热交换器系统中预热。
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