CN102786201A - 一种等离子体复合加热玻璃速熔方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种等离子体复合加热玻璃速熔方法及装置，属于玻璃制造技术领域。利用多相交流电弧等离子体产生的电弧等离子体与燃料在空气气氛下产生的燃烧火焰相结合产生等离子体复合火焰，火焰中心温度在5000℃以上，然后将需要熔化的玻璃破碎后混合制成球形颗粒，并喷射进入等离子体复合火焰，得到熔化后的玻璃液滴。装置的结构为包括空气燃烧器1和多相交流电弧等离子体电极7，空气燃烧器1通过喷嘴4喷射燃烧火焰5，多相交流电弧等离子体电极7对准空气燃烧器1的燃烧火焰5。本方法和装置能够解决现有玻璃熔化工艺所存在的熔化温度低、时间长、澄清难、热效率低、能耗高、污染重等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种等离子体复合加热玻璃速熔方法及装置，可用于平板玻璃、瓶罐玻璃、玻璃纤维、电子玻璃以及一些高熔化温度的特种玻璃制造生产过程中的熔化过程，属于玻璃制造技术领域。
背景技术
燃烧器作为玻璃熔化窑炉的重要部件，其结构、类型等对火焰状况、温度分布、传热效果、窑炉耐火材料寿命等都有重要影响。它的工作效率直接影响火焰的温度，其结构和操作参数，直接关系到燃料的完全燃烧程度、燃烧的稳定及火焰的长度，直接关系到能否满足窑炉的工艺要求。而传统燃烧器采用的是水冷式套管，喷出的火焰短、窄，覆盖面小，局部温度高，不合要求。
近年来，世界玻璃工业发展十分快速，玻璃年产量已高达上亿吨。随着科学技术的发展和人们生活水平的日益提高，玻璃及其加工制品应用领域不断扩大，广泛应用于建筑、交通运输、装饰装修、电子信息、太阳能利用及其他新兴工业，在国民经济建设中发挥着至关重要的作用。
玻璃生产主要包括熔化和成型两大工艺。在玻璃生产制造过程中，用于玻璃熔化的能耗占整个工业总能耗的75%，能源成本占总成本的30%以上。因此，玻璃熔化是玻璃生产节能降耗环节中的重中之重。至今140多年，众多玻璃生产厂家和科研人员在优化炉窑设计、原料预热、燃料和助燃剂的选择、电炉助熔、负压澄清、延长炉窑寿命等方面做了很多工作，也取得了一定的效果。但总的来说，这些改进没有从根本上改变传统的玻璃熔化工艺，没有推动玻璃工业的大步前进。
目前各种大规模生产用玻璃熔化池窑主要包括两种：火焰池窑和电熔窑炉。火焰池窑是在19世纪60年代德国西门子兄弟研制的蓄热式连续熔化池窑基础上改进的，其熔化过程主要利用料堆上方燃料燃烧产生的火焰辐射加热，存在熔化温度低、熔化时间长、热效率低、单位能耗大、污染重等缺点。电熔窑炉虽然在热效率、玻璃质量和减少污染物上有明显提高，但依然存在熔化温度低、生产规模小、熔化时间长、电力资源消耗大、成本高等缺点。现在有些企业将火焰池窑和电熔技术相结合应用混熔炉来熔化玻璃，虽然熔化时间有所减少，能耗也降低了些，但炉窑的复杂程度、维修率和投资也增大不少，实用性不高。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供一种等离子体复合加热玻璃速熔方法及装置。结合多相交流电弧等离子体温度高、颗粒滞留时间长、设备便宜和空气燃烧技术能量损失少、碱性物质挥发少、喂料速度大等各自优点，采用等离子体复合加热（多相交流电弧等离子体-火焰）玻璃速熔新技术，以解决现有玻璃熔化工艺所存在的熔化温度低、时间长、澄清难、热效率低、能耗高、污染重等问题。
本发明的等离子体复合加热玻璃速熔方法的具体步骤为：利用多相交流电弧等离子体产生的电弧等离子体与燃料在空气气氛下产生的燃烧火焰相结合产生等离子体复合火焰，火焰中心温度在5000℃以上，然后将需要熔化的玻璃破碎后混合制成球形颗粒并喷射进入等离子体复合火焰，超高温等离子体复合火焰使喷射进入火焰中心的球形混合原料在飞行瞬间完成盐类分解和熔化，得到熔化后的玻璃液滴。
所述燃料为粉煤、重油、天然气、丙烷或者其他化石燃料中的一种。
所述需要熔化的玻璃为常规所述的玻璃，比如硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、石英玻璃、磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃或碲酸盐玻璃等中的一种。
所述球形颗粒在超高温复合火焰中瞬间完成了各种化学反应和熔化，时间不超过10s。
所述制成的球形颗粒是将各种玻璃组分混合破碎后利用各种制球法制备成的球形混合原料，粒径不超过1000μm。
所述燃料、多相交流电弧等离子体可以按照任意功率比例相结合产生等离子体复合火焰。
所述需要熔化的玻璃与燃料、多相交流电弧等离子体的比例以能够使玻璃熔化即可。
本发明的等离子体复合加热玻璃速熔装置的结构为包括空气燃烧器1和多相交流电弧等离子体电极7，空气燃烧器1通过喷嘴4喷射燃烧火焰5，多相交流电弧等离子体电极7对准空气燃烧器1的燃烧火焰5。
所述空气燃烧器1的上端设置有物料入口2，燃料和需要熔化的玻璃从物料入口2进入空气燃烧器1，空气燃烧器1通过喷嘴4喷射燃烧火焰5和需要熔化的玻璃3，多相交流电弧等离子体电极7喷射多相交流电弧等离子体6，燃烧火焰5与多相交流电弧等离子体6产生复合火焰，将需要熔化的玻璃3快速熔融得到溶化后的玻璃液滴9。
所述多相交流等离子体电极7的数量是3的整数倍，如3相、6相、12相等，该电极安装可以是单层的也可以是多层的。
本技术和现有技术相比具有以下优点和积极效果：
（1）由多相交流电弧等离子体和燃烧火焰产生的复合火焰温度可以达到5000℃以上，这种超高温可以保证球形玻璃混合原料的瞬间熔化；
（2）球形颗粒在高温飞行瞬间可完成盐类的分解、硅酸盐和玻璃的形成以及局部均质等反应；
（3）各种盐类分解所产生的气体从玻璃熔液上方排出不进入玻璃熔液，大大减轻了后续玻璃液除泡澄清工序的负担；
（4）颗粒熔化过程主要采用传导和辐射加热，改变了传统工艺仅靠火焰辐射或电熔传导加热的方式，大大提高了热传递效率；
（5）大幅缩短了玻璃熔化时间，提高了产能和产品质量，降低了能耗、环境污染和运行成本；
（6）与现有加热技术相比，可大幅减少投资成本和占地面积。
附图说明
图1等离子体复合加热玻璃速熔模型图；
图2是实施例1得到的钠钙硅玻璃颗粒照片；
图3 实施例2得到的铝硼酸盐玻璃照片。
图中各标号为：1-空气燃烧器，2-物料入口，3-需要熔化的玻璃，4-喷嘴，
5-燃烧火焰，6-多相交流电弧等离子体，7-多相交流电弧等离子体电极，8-超高温等离子体复合火焰，9-熔化后的玻璃液滴。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明不限于以下所述范围。
实施例1：本实施例的等离子体复合加热速熔的具体步骤包括：利用多相交流电弧等离子体产生的电弧等离子体与燃料（粉煤、重油、天然气、丙烷）在空气气氛下产生的燃烧火焰相结合产生等离子体复合火焰，火焰中心温度在5000℃以上，然后将需要熔化的钠钙硅玻璃（质量62%的石英砂SiO2、23.3%的纯碱Na2CO3、14.9%的石灰石CaCO3和0.8%的芒硝Na2SO4）破碎后混合制成粒径不超过1000μm的球形颗粒，并喷射进入等离子体复合火焰，10s后得到熔化后的玻璃液滴。将得到的玻璃进行感应耦合等离子体质谱分析，其质量组成为：72.4%SiO2、15.8%Na2O、11.8%CaO。如图2所示。
本实施例的等离子体复合加热速熔装置的结构（如图1所示）为包括空气燃烧器1和多相交流电弧等离子体电极7，空气燃烧器1通过喷嘴4喷射燃烧火焰5，多相交流电弧等离子体电极7对准空气燃烧器1的燃烧火焰5。空气燃烧器1的上端设置有物料入口2，燃料和需要熔化的玻璃从物料入口2进入空气燃烧器1，空气燃烧器1通过喷嘴4喷射燃烧火焰5和需要熔化的玻璃3，多相交流电弧等离子体电极7喷射多相交流电弧等离子体6，燃烧火焰5与多相交流电弧等离子体6产生复合火焰，将需要熔化的玻璃3快速熔融得到溶化后的玻璃液滴9。多相交流等离子体电极7的数量是3相，该电极安装可以是2层的。
实施例2：本实施例的等离子体复合加热速熔的具体步骤包括：利用多相交流电弧等离子体产生的电弧等离子体与燃料（粉煤、重油、天然气、丙烷）在空气气氛下产生的燃烧火焰相结合产生等离子体复合火焰，火焰中心温度在5000℃以上，然后将需要熔化的铝硼酸盐（质量比为41.2%的石英砂SiO2、22.4%的硼酸H2BO3、8.4%的氧化铝Al2O3，27.1%的碳酸钡BaCO3和0.9%的三氧化二锑Sb2O3）破碎后混合制成粒径不超过1000μm的球形颗粒，并喷射速率等离子体复合火焰，8s后得到熔化后的玻璃液滴。熔化后的铝硼酸盐玻璃液待其冷却后取出，其样品照片如图3所示。将少许玻璃样品研磨后进行XRD、TG-DTA、ICP等分析，结果表明：球形无碱原料在12相交流电弧等离子体复合火焰中飞行瞬间已经全部熔化成铝硼酸盐玻璃（如图3所示），原料中各种盐类的分解率为100%，熔化率也为100%，玻璃成分的质量组成为：50.2%SiO2、12.8%B2O3、10%Al2O3、26.1%BaO,0.9%Sb2O3。熔化后的玻璃成分与设计成分相近。
本实施例的等离子体复合加热速熔装置的结构为包括空气燃烧器1和多相交流电弧等离子体电极7，空气燃烧器1通过喷嘴4喷射燃烧火焰5，多相交流电弧等离子体电极7对准空气燃烧器1的燃烧火焰5。空气燃烧器1的上端设置有物料入口2，燃料和需要熔化的玻璃从物料入口2进入空气燃烧器1，空气燃烧器1通过喷嘴4喷射燃烧火焰5和需要熔化的玻璃3，多相交流电弧等离子体电极7喷射多相交流电弧等离子体6，燃烧火焰5与多相交流电弧等离子体6产生复合火焰，将需要熔化的玻璃3快速熔融得到溶化后的玻璃液滴9。多相交流等离子体电极7的数量是3相、6相、12相等，该电极安装可以是单层的也可以是多层的。
实施例3：本实施例的等离子体复合加热速熔的具体步骤包括：利用多相交流电弧等离子体产生的电弧等离子体与燃料（粉煤、重油、天然气、丙烷）在空气气氛下产生的燃烧火焰相结合产生等离子体复合火焰，火焰中心温度在5000℃以上，然后将需要熔化的硅酸盐玻璃破碎后混合制成粒径不超过1000μm的球形颗粒，并喷射进入等离子体复合火焰，6s后得到熔化后的玻璃液滴。
本实施例的等离子体复合加热速熔装置的结构为包括空气燃烧器1和多相交流电弧等离子体电极7，空气燃烧器1通过喷嘴4喷射燃烧火焰5，多相交流电弧等离子体电极7对准空气燃烧器1的燃烧火焰5。空气燃烧器1的上端设置有物料入口2，燃料和需要熔化的玻璃从物料入口2进入空气燃烧器1，空气燃烧器1通过喷嘴4喷射燃烧火焰5和需要熔化的玻璃3，多相交流电弧等离子体电极7喷射多相交流电弧等离子体6，燃烧火焰5与多相交流电弧等离子体6产生复合火焰，将需要熔化的玻璃3快速熔融得到溶化后的玻璃液滴9。多相交流等离子体电极7的数量是12相等，该电极安装是3层。
Claims (7)
1.一种等离子体复合加热玻璃速熔方法，其特征在于具体步骤包括如下：利用多相交流电弧等离子体产生的电弧等离子体与燃料在空气气氛下产生的燃烧火焰相结合产生等离子体复合火焰，火焰中心温度在5000℃以上，然后将需要熔化的玻璃破碎后混合制成球形颗粒并喷射进入等离子体复合火焰，得到熔化后的玻璃液滴。
2.根据权利要求1所述的等离子体复合加热玻璃速熔方法，其特征在于：所述燃料为化石燃料。
3.根据权利要求1所述的等离子体复合加热玻璃速熔方法，其特征在于：所述需要熔化的玻璃为常规所述的玻璃。
4.根据权利要求1所述的等离子体复合加热玻璃速熔方法，其特征在于：所述制成的球形颗粒是将各种玻璃组分混合破碎后利用常规制球法制备成的球形混合原料，粒径不超过1000μm。
5.一种如权利要求1所述的等离子体复合加热玻璃速熔装置，其特征在于具体结构为：包括空气燃烧器（1）和多相交流电弧等离子体电极（7），空气燃烧器（1）通过喷嘴（4）喷射燃烧火焰（5），多相交流电弧等离子体电极（7）对准空气燃烧器（1）的燃烧火焰（5）。
6.根据权利要求5所述的等离子体复合加热玻璃速熔装置，其特征在于：所述空气燃烧器（1）的上端设置有物料入口（2）。
7.根据权利要求5所述的等离子体复合加热玻璃速熔装置，其特征在于：所述多相交流等离子体电极（7）的数量是3的整数倍。
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