CN103596887A - 玻璃熔融炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及借助于燃烧器加热的玻璃熔融炉，其中燃烧能量通过氧燃烧产生至少65%并且优选至少80%，在炉出口处的燃烧气体被传送到在其中流通有空气的第一热交换器（2）中，该空气和该燃烧气体处于不同的且分开的线路中，在此第一交换器中加热的空气被传送到至少一个旨在预热氧基助燃剂的第二交换器（4）中，该助燃剂和该空气在不同的且分开的线路中流通，离开此第二交换器的空气被传送到第三交换器（6），用于无接触地预热包含原材料和任选的玻璃屑的可玻璃化炉料的至少一部分。

Description

玻璃熔融炉

技术领域

本发明涉及玻璃熔融炉，其中熔融能量基本上由供应有燃料和氧气或非常富氧气体的燃烧器产生。这些炉通常被称作“氧燃烧（oxy-combustion）”炉。

背景技术

出于简化的原因，在本文的以下内容中提及氧燃烧和氧气。除非另外指出，关于此主题的开发包括实施使用可包含小比例空气的氧气的氧燃烧，或者包括有限部分的空气燃烧与占主要部分的氧燃烧组合的整体。

在使用氧燃烧技术的众多优点中，主要包括较低的能量消耗以及不希望的烟气的排放减少。

氧燃烧使得能够实现能量增益，这至少是因为燃烧气体的能量不会部分地被空气中的氮气吸收。在传统炉中，即使氮气所夹带的能量的一部分在再生器中被回收，最终排放的烟气仍然带走了其相当大的一部分。氮气的存在是这种损失的原因之一。

每生产单位的能量消耗的减少因而还具有以下优点：限制二氧化碳的排放，并且因而满足在此领域中的法定要求。

氮气的存在还是所谓NOx的氧化物形成的原因，而该氧化物的排放由于与这些化合物在大气中的存在有关的危害而是被严格控制的。

氧气的使用可以摆脱与空气中的氮气有关的问题，条件是炉的运行要确保除了助燃剂（comburant）之外，空气以及因此的氮气不会意外地进入到进行该燃烧的腔室中。

公开文献WO2009/118333提出使大容量玻璃熔融炉在氧燃烧下运行。如上所指出的，使这些炉相对于使用空气作为助燃剂的传统炉具有尽可能多的优点的条件之一在于该燃烧在没有氮气的气氛中进行。

通过氧燃烧的玻璃熔融的经济性是与氧气使用有关的成本密不可分的。为了使这项技术保持经济上的吸引力，需要由同时在以下方面的增益来补偿这种额外的成本：在熔融所需的能量消耗方面的增益，以及在不立即用于熔融的热量的回收技术方面的增益。由于离开所述炉的燃烧气体处于非常高的温度，因此与这些气体一起排放的能量的回收是必不可少的。在上述公开文献中的这种能量被用于使消耗的氧气升温。此现有技术文献详细展示了用于氧气预热的烟气的热量的回收模式。

发明内容

在热氧气腐蚀所容许的温度限度内的氧气预热并不会耗尽烟气中所含的能量。因而额外的回收是所希望的。在此意义上，加热原材料是针对此问题的一种可能的解决方案。

已经提出了各种技术用于使用烟气（fumées）中所含能量进行原材料的预热操作。与通过预热原材料进行回收有关的限制是多重的。这首先与以下因素有关：所使用的热源、燃烧气体、它们的性能并且尤其是它们的温度。这还涉及处理的材料的性质、粉末状砂基础产品、碳酸钠、碳酸钙、氧化镁......，还涉及再循环的产品（玻璃屑）及其在整体中的比例。

即使未达到以空气燃烧运行的炉的温度，从炉排出的烟气仍处于高温下。在所考虑的氧燃烧炉的情况下，可玻璃化炉料（charge）与燃烧气体之间的热交换通过延长燃烧气体在炉中的停留时间来提高。实际上，所述燃烧气体在它们已经冲扫了在熔融浴上漂浮的原材料的整个区域之后在炉的上游被大部分或完全回收。

在氧燃烧炉的情况下，从炉排出的烟气通常低于1500℃，而在空气燃烧中，它们可超过1600℃。

正如在上述公开文献中，烟气中所含的能量被用来加热向炉的燃烧器供料的氧气。这通过热交换来实现，所述热交换有利地分两步来进行，其原因将在下文中描述，并且归因于需要在燃烧器附近加热氧气。

热氧气对于所有合金来说都是极其腐蚀性的。对安全性的要求需要在输送此热氧气的管道中最大限度地限制任何焊缝、任何接头、任何阀、甚至能够提高腐蚀机理的过大弧形部分的存在。在氧气的加热与其在炉的燃烧器中使用之间的线路必须要尽可能短。大容量炉在长度上延伸，这使得不能通过保持在燃烧器附近布置仅一个交换器来加热所有的氧气。出于此原因，该加热在多个与燃烧器紧邻定位的受限尺寸的交换器中进行，并且用于加热氧气的这些交换器中的每一个只向非常少数目（甚至只一个）的燃烧器供料。

为了使重新集合的烟气的处理与定位在燃烧器附近的氧气的处理相一致，需要求助于双重热交换。一方面，在第一交换器中，烟气被用来加热构成载热流体的空气。这种加热的空气供应给用于加热氧气的第二交换器。

在第一交换器中，烟气可使空气达到大约800℃或更高的温度。所考虑的空气因而运载烟气中所含的能量的大部分。

根据本发明，氧气的预热有利地在由显示优异耐热氧气性的钢构成的交换器中进行。适合于此用途的交换器和材料在专利申请EP A2145151中描述。

使由该交换器提供的热氧气达到最多可达650℃的温度。这个值取决于利用具有最佳特性的金属合金可获得的耐受性。这种限制温度使得能够确保与所考虑的设备类型相符的使用持续时间。

在实践中，为了更好的安全性，优选将氧气的温度保持在小于600℃。

为了使氧气的预热足以显著地改善能量平衡，优选调节该交换的条件以使得氧气的温度不小于350℃。

用于加热氧气的交换器的出口处的载热空气的温度因而被降低到至多600℃并且可根据在热交换中所涉及的气体的各自流量一直下降到大约350℃。

在所有的配置中，氧气的加热（即使是达到如上所指的最高可行温度）不能吸收烟气的所有能量，也不能吸收在第一和第二交换器之间起到载热体作用的空气中所含的全部能量。在这些条件下，根据本发明已加热氧气的空气被用来预热可玻璃化炉料或者其一部分。

如上所指出的，烟气在仍处于高温下离开第一交换器。在这些温度下，它们仍运载了可观的能量，为了系统的经济性，需要回收这些能量。优选地，根据本发明，通过组合来自已经加热氧气的空气以及离开用于加热载热空气的第一交换器的烟气的能量来获得原材料的预热。

除了上述与烟气和氧气有关的限制，还有与可玻璃化炉料的加热有关的限制。这种加热也在热交换器中进行。为了避免从粉末状炉料夹带灰尘的风险，经加热的固体产品在不与气体、空气和烟气（用作载热体）接触的情况下在交换器中流通。二者在分开的空间中流通并且原材料的加热基本上通过由气体加热的交换器的壁的接触传导来进行。

原材料加热的困难之一在于要确保它们在不形成可堵塞设备的聚结物的情况下输送。在粉末状炉料中水分的存在增加了这种风险。传统上是有一定的水含量的，以避免在将炉料引入到炉中的过程中的飞灰。原材料与加热气体的分离消除了由于这种水含量的风险的增加。

为了避免在接收原材料的交换器的部分中过高的水含量，此交换器的任何点的温度优选大于100℃并且优选不小于150℃。

当然，有利地使原材料达到与这些材料的性质相容的尽可能高的温度。因而需要不超过使得这种可玻璃化炉料中的某些化合物变得“粘性”的温度。在实践中，在交换器中该可玻璃化炉料的温度不应超过550℃并且优选不应大于500℃。

同样应当避免与气体在它们所流通的交换器的部分中所特有的困难。当用于加热原材料的气体是烟气和空气的混合物时，在该交换器出口处的这些气体的温度应当被精确地调节以使得能够按照用于这些操作的传统模式在静电过滤器（électro-filtres）上进行脱硫处理。此温度应当为300-400℃并且优选300-350℃。

为了达到合适的交换，来自于氧气加热的空气和来自第一交换器的烟气的混合物的温度应当是相对高的。但是，尤其为了考虑合金的耐受性，进入到交换器中的气体的温度优选不超过650℃，并且有利地小于或等于600℃。

任选地，如果进入到用于加热原材料的交换器的气体混合物的温度过高，则可通过用有限供应的环境空气稀释来进行调节。

附图说明

下面参考附图详细描述本发明，其中：

-图1是显示大容量玻璃熔融炉的氧燃烧运行模式的总图；

-图2更详细地示出了图1的烟气处理；

-图3概略示出了包括原材料预热模式的炉运行；

-图4示出了图3的预热的一种变化形式；

-图5类似于图4，并且还包括与氧气的加热同时的燃料的加热。

具体实施方式

在图1中示意性显示的炉的类型是用于大容量生产的炉，例如用于向通过“浮法”玻璃技术向平板玻璃生产供料的炉。这种类型的炉连续地生产可最高达1000吨/天的玻璃量。为了达到这些性能，所述炉应当具有达到60MW的功率。对于这种类型的炉来说，产量不小于300吨/天。炉的运行模式（并且尤其是与如在下文具体说明的能量消耗的优化问题有关的所有方面）至少部分地取决于其容量。

该炉包括熔融精制池（bassin）1，在其一端向其中装入构成可玻璃化炉料的材料M，并且在另一端提取熔融玻璃V，以继续其在调理区中的处理，然后一直到在“浮法”浴上形成板材。

在该炉上，并且特别是在该炉的上游部分中，采用氧燃烧的燃烧器被分配在该熔融池的两侧。未示出的这些燃烧器的定位在图中以点划线体现。

燃烧气体或烟气F在邻近原材料装炉位置在炉的上游部分被基本上甚至完全排出。在需要时，适中部分的这些气体F’可被引向该炉的下游端，目的在于防止来源于位于下游的调理区的空气渗透到炉的腔室（enceinte）中。

与玻璃流动的总方向逆流的燃烧气体的流通使得能够将该腔室中的传热最大化。不过，集中离开该炉的燃烧气体的温度保持非常高。它们通常为大约1200-1400℃的温度。

在第一热交换器2中的经过使得能够降低这些气体的温度并且尤其回收它们所运载的热量的一部分。

在图1的示意图中，示出了两个交换器2，在炉的每一侧上有一个以促进该处理。任选地，两个交换器的存在使得能够中断它们之一的运行以便进行维护，而另一个交换器暂时地处理全部的燃烧气体。在这种未示出的假设中，与烟气交换的载热气体-空气A还应当供应两个对称管道3。

回收交换器2中的热量的气体应当被用来加热在燃烧器中使用的氧气O。出于尤其是氧气的加热应当在其使用位置的最近处发生的原因，该加热系统性地在接近燃烧器5的交换器4中进行，正如图2中所示出的。交换器4一方面接收由交换器2中的烟气预热的载热气体，典型地是空气A，并且另一方面接收氧气。与热氧气相反，热空气A可以在一定距离上无损害地输送。

在交换器4中，氧气从环境温度变为可达到最高550-600℃的温度。

在图2中，每个燃烧器5经由交换器4供应热氧气O。在需要时，交换器4可供应多个燃烧器。但是，通常，每个交换器不同时供应多于两个燃烧器。

在上述申请WO2009/118333中，载热气体进行双重交换。一方面，它被烟气加热，而另一方面，它加热氧气。载热气体在交换器之间的流通在封闭线路中进行。在图2中再现的这种气体的线路使得该气体在已经加热了氧气之后返回到交换器2。以此方式，仍存在于此载热气体A中的能量被保持。

在已经在交换器4中加热了氧气之后的这种气体的温度仍然是相对高的。它可以达到500℃或者更高。在此气体中保存的能量的使用因而仍是重要的。本发明的主题在于使用这种载热气体A的能量来加热原材料。

与对应于所引述的现有技术的图2中所示相反，根据本发明，如图3、4和5中所示，载热空气A在加热氧气O之后并不返回交换器2。这种来自不同交换器4的空气被合并而且被引向交换器6以用于在可玻璃化炉料M装炉之前将其加热。

在加热氧气之后的空气A所运载的能量使得能够至少部分地加热原材料M。不过优选增加额外的来源以达到更为显著的加热。如图4和5所示，一种措施在于采用离开交换器2的烟气F。

在交换器2之后，烟气仍处于高温下。若不使用超大尺寸的交换器，该温度通常不小于700℃。

当然，这些烟气可被排出。但是，即使是以这种在能量方面不太有利的程序，它们也必须进行去污染处理以尤其去除来自它们的硫氧化物。这种去除例如在静电过滤器上进行，并且为了避免对这些过滤器造成损害，应当进一步降低温度到大约300-400℃。

这些烟气F的使用再加上来自氧气O加热的空气A的使用使得能够同时实现原材料M的提高的加热以及温度的降低，这确保了交换器的保护。

离开交换器2的烟气和来自交换器4的空气的混合物AF不应导致比可用在用于加热原材料的交换器6中的温度更高的温度。可玻璃化炉料不应超过的温度取决于其组成。玻璃屑（calcin）不会带来特别的问题，因为其软化温度大于所用其它原材料中的一些可接受的温度，所述其它原材料尤其是碳酸盐，其在远低于玻璃屑软化温度的温度下变得“粘性”。

通常，对于典型的可玻璃化组合物，该温度不应超过600℃。

如果混合物AF的温度大于600℃，则可例如通过添加额外的处于环境温度的空气来降低。

在图5中再现了与图3和4类似的图。对于此图，在交换器2中由烟气加热的空气一方面如上所述用于在交换器4中加热氧气，并且另一方面用于在换热器7中加热由燃烧器使用的燃料。

在交换器2和7中的相应流动条件根据适合于被加热的不同产品的温度来调节。燃料不可达到非常高的温度，尤其是，液体燃料在不劣化的情况下只耐受不超过180℃并且优选不超过150℃的温度。天然气可达到更高的温度。这些温度可达到500℃而没有可能污染燃烧器的裂化的风险。

离开交换器7的空气要么被排出，要么与来自氧气加热的空气一起还用于加热原材料（如图5的虚线所示）。

用于加热原材料的交换器6应当具有两个分开的线路，一个用于热气体，而另一个用于固体粉末状原材料。这种类型的交换器在现有技术中是已知的。尤其是，根据本发明优选用于此操作的交换器安排原材料借助于简单重力前进，这些材料在交换器的顶部引入并且从顶部向下流动。在这种前进中，所述原材料在与由气体加热的交换器的壁接触的情况下前进。

交换器6的壁可包括偏向器，所述偏向器使炉料的前进发生转向。这些偏向器还参与了促进热传导的接触。它们还使得能够避免这种炉料的过度压实，这通过使这种炉料的质量不导致与交换器的整个高度对应的压制来实现。这些偏向器在某种意义上形成中间平台（paliers），在这些平台中的每一个上的压力被限制到置于两个相继平台之间的质量。为此，所述偏向器有利地在器壁上以梅花形布置。

在所使用的并且处于根据本发明推荐的温度下的将原材料炉料与加热气体分开的交换器类型中，所存在的玻璃屑的比例并不重要。任选地，炉料总体可由基础原材料构成。

例如，根据本发明的技术在以氧燃烧运行的每天生产750吨玻璃的玻璃熔炉中进行。运行示意图是在图4中所示的图。该模式如下建立：

在炉中

-气体消耗3900Nm³/h

-氧气消耗8000Nm³/h

-炉出口处的烟气流量18700Nm³/h

-炉出口处的烟气温度1400℃

2个交换器(2)

-烟气出口温度800℃

-空气进入时处于环境温度并且在离开时被加热到800℃

-空气流量15300Nm³/h

10个燃烧器和交换器(4)（用于加热氧气）

-交换器(4)出口处的氧气温度550℃

-交换器(4)出口处的空气温度350℃

混合800℃的烟气和350℃的空气，导致在单一交换器(6)入口处流量为34000Nm³/h，温度为600℃,原材料以50℃供应，在交换器中停留平均8小时，并且达到420℃。

对原材料实施加热所带来的在能量节约方面的益处大于加热氧气所带来的益处。原材料的预热大致导致大约18%的能量增益，即大约1GJ/吨玻璃，外加在氧气消耗方面的相应节约。原材料的加热因而显著地有助于以氧燃烧方式运行的炉的总节约。这种节约使得这些技术可被使用，尽管需要额外的投资。所考虑的炉的容量越大，资产平衡越为正。

Claims (9)

1.借助于燃烧器加热的玻璃熔融炉，其中燃烧能量通过氧燃烧产生至少65%并且优选至少80%，在炉出口处的燃烧气体被传送到在其中流通有空气的第一热交换器（2）中，该空气和该燃烧气体处于不同的且分开的线路中，在此第一交换器中加热的空气被传送到至少一个旨在预热氧基助燃剂的第二交换器（4）中，该助燃剂和该空气在不同的且分开的线路中流通，离开此第二交换器的空气被传送到第三交换器（6），用于无接触地预热包含原材料和任选的玻璃屑的可玻璃化炉料的至少一部分。

2.权利要求1的炉，其日产量为至少300吨。

3.上述权利要求之一的炉，其中在加热原材料的第三交换器（6）中流通之前，来自该一个或多个第二交换器（4）的空气与离开第一交换器（2）的燃烧气体混合。

4.权利要求3的炉，其中进入用于预热可玻璃化炉料的交换器（6）的空气和燃烧气体的混合物的温度不大于600℃。

5.上述权利要求之一的炉，其中可玻璃化炉料在其预热的过程中达到不大于550℃并且优选不大于500℃的温度。

6.上述权利要求之一的炉，其中布置用于预热可玻璃化炉料的热交换器以使炉料基本上借助于重力前进。

7.上述权利要求之一的炉，其中在用于预热可玻璃化炉料的交换器（6）中气体的流通与可玻璃化炉料的流通是逆流的。

8.上述权利要求之一的炉，其中调节用于预热可玻璃化炉料的交换器（6）中的物料流，以使得在此交换器出口处的气体的温度为300-400℃。

9.上述权利要求之一的炉，其中在交换器（2）中加热的空气的一部分被用来加热交换器（7）中的燃料。

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