CN103596889B - 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（2）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（4）的空气被传送到干燥组件（S），在该干燥组件（S）中其与预先以粒料或压缩的聚结料的形式构成的可玻璃化炉料接触。

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WO 2009/118333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。

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。

不过，原材料的加热带来了与所考虑的材料的性质有关的众多问题。在玻璃的构成中所含的基础产品以它们的常规形式提供，例如为大体上细的粉末。在所有这些材料当中，构成玻璃基质并且具有最高熔融温度的最丰富材料依然是砂形式的二氧化硅。其它最丰富的成分：碳酸钠、碳酸钙、碳酸镁(被称作“熔剂”)可导致各组分在低得多的温度下聚结，尤其是在高水分含量的情况下。

在原材料的预热中，当然合适的是不超过可玻璃化炉料的成分变为粘性的温度，以避免聚结并且保持一定的流动性，以使得不需要复杂的布置就可以输送这些材料。

所用材料通常还具有一定的水分含量。这种天然或非天然的水分在运输这些炉料时并且在其本身的装炉中(相当强烈的气流经过所述炉)具有限制飞灰的优点。优选此水分含量不要过高。在这些材料中所含的水的蒸发也参与了能量平衡。此外，高含量的存在尽管避免了飞灰，但不利于混合物的输送。

为了有利于粉状原材料的处理(尤其是通过避免灰尘夹带的方式)，先前已经提出形成粒料(granules)，尤其是具有特性组合的粒料，其目的在于促进各成分的熔融，同时改善炉的供料操作。在实践中，以粉末状组分为原料构成粒料意味着要添加粘结剂并且在机械造粒机上经过。所用粘结剂基本上由水构成，可任选地向其中添加可溶性碱金属硅酸盐或氢氧化钠。

该造粒操作在所有情况下在给定阶段均导致构成可玻璃化炉料的材料的水含量增加，此水在粒料形成之后应当至少部分地被除去以利于输送并且限制在与熔融浴接触时的蒸发。

为了降低聚结的配混料的水含量，在2012年3月15日提交的申请BE 2012/0180中还提出通过压制材料构成“饼块”形式的聚结料。为了便于实施，在此同一申请中还提出将碳酸钠溶液用作粘结剂。饼块形式的聚结使得能够限制水含量到大约2-6％重量的值，相比于常规粒料的含量为大约10-12％。这种聚结料的使用通过限制干燥操作而有利于根据本发明的随后处理。

发明内容

在包括以原材料粒料形式供料的氧燃烧运行的炉中，本发明提出至少部分地干燥饼块(briquette)类型的粒料或聚结料(agglomérats),并且任选地，在将它们引入到炉中之前使它们预热。所考虑的干燥通过使用在烟气(fumées)中所含的能量来进行。

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WO 2009/118333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 A 2145151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干燥材料的粒料，并且任选地用来预热这些粒料。

离开第一交换器的烟气仍处于高温下。在能够将它们排放之前，这些烟气应当进行脱硫处理。对于传统脱硫技术，烟气应当返回到有利地为300-400℃的温度。

通过与用于加热氧气的载热空气的交换所引起的烟气的冷却在以上所指的条件下可能不足以返回到该温度。在这种情况下，可在额外的交换器中布置第二交换。

粒料的水含量是可变的。取决于组分的初始状态，该水含量可升高到大约10-12％重量或更高的比率。这样的比例尽管有利于粒料的形成，但对于其输送并且对于炉供料来说都不令人满意。

粒料的干燥旨在使水分含量尽可能低，同时保持这些粒料的内聚力。在如上所指的传统供料中，炉料的水分含量为大约4％重量。粒料取代这些粉末状材料的使用使得能够显著降低水含量。如上所指出的，压缩的聚结料的使用可导致初始水含量显著降低。在这两种情况下，该干燥使得能够进一步降低水含量。在根据本发明的干燥之后，有利地采用2％或更小的值。

当水尤其为大于4％重量的比例时，根据本发明的干燥的实施可去除多余的水。粒料或压缩的聚结料的干燥在热交换器中使用已经加热氧气的空气，其中该热交换器使所述粒料和该干燥气体直接接触。这带走蒸汽形式的水。合适的是避免这种蒸汽在该交换器中的冷凝。

当然，有利地使粒料或聚结料达到与它们的成分的性质相容的尽可能高的温度。因而需要不超过使它们变为“粘性”的温度。在实践中，在交换器中这些产品的温度不应超过550℃并且优选不应大于500℃。

为了考虑所用合金的耐受性，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概略示出了包括粒料干燥模式的炉运行；

-图4示出了本发明的另一种变化形式；

-图5类似于图4，并且还包括粒料的额外加热；

-图6表示图3和4中所示方式的另一种变化形式。

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(charge)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，所述管道将空气引向用于加热氧气的交换器。

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WO 2009/118333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、5和6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干燥器S，以在粒料或压缩的聚结料G装炉之前将它们干燥。

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干燥粒料或聚结料G。不过优选增加额外的来源以达到更为显著的干燥/加热。如图3和5所示，一种措施在于采用载热空气的另外供给(apport)。如图3和5所示，这种供给由离开交换器2的载热空气的一部分构成，但其被直接送到干燥器S而不用于加热氧气并且因此处于明显更高的温度。这部分的空气被添加到用于加热氧气的空气中。这两个来源的组合使得能够达到适合于进入干燥器的温度。在需要时，环境空气的额外供给使得能够降低该温度。

通常，在交换器2之后，烟气仍处于过高的温度而不能进行脱硫。不进行如图3所示的烟气/空气逆流流通，烟气的出口温度通常不小于700℃。

当然，可在利用环境空气稀释以使温度返回到与在静电过滤器(électro-filtres)上的脱硫相容的水平之后排出这些烟气。但这种操作方式在能量方面不是特别有利。优选地，例如如图4所示，重复与新鲜供给的空气的热交换，该空气还通过与来自交换器2的烟气的在交换器7中的热交换进行加热，该空气被添加到已经用于加热氧气的空气中，它们的组合用于干燥粒料或聚结料。

图6所示的变化形式在于使用离开交换器2的烟气以使先前用于加热氧气的空气过热。该操作在位于该干燥上游的交换器8中进行。

无论被引向该干燥的热空气的来源如何，其温度不应超过可使产品变得“粘性”的温度。对于这些粒料或聚结料的典型可玻璃化组合物，该温度不应超过600℃。

如果空气温度大于600℃，则可例如通过添加额外的处于环境温度的空气来降低。

粒料或聚结料的干燥通常伴有加热。这由于水蒸发的高能量吸收的原因是保持适度的。可有利地延长产品的加热而不超过以上所示的极限值。

图5示出了与由该干燥操作所导致的模式不同的粒料或聚结料的加热模式。在这种变化形式中，来源于交换器2的烟气被送到交换器6，在其中它们被用来加热由该干燥产生的粒料或聚结料。

在此交换器6中，烟气和粒料或聚结料在分开的线路中。该加热主要通过传导获得，粒料或聚结料与被烟气加热的交换器6的壁接触。这种配置还使得能够使烟气返回到适合于它们的脱硫处理的温度，并且粒料或聚结料可以达到与它们的组成相容的尽可能高的温度。

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3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℃

1个交换器(2)

-烟气出口温度450℃

-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29000Nm³/h，其中的15300Nm³/h被用来加热氧气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℃的空气和350℃的空气，导致在干燥器S入口处流量为29000Nm³/h，温度为550℃

粒料：

-重量组成％：硅砂59；碳酸钠20；白云石20；硫酸钠0.4；氧化铝0.6；其中硅酸钠溶液作为粘结剂，整体上占未玻璃化的原材料的80％，向其中添加20％的玻璃屑

-初始水含量为10％重量，相对于未玻璃化的原材料

-直径为2mm

-进入该干燥时的温度为环境温度，并且

-在干燥器中的停留时间平均为10分钟

-在出口处具有小于1％重量的水含量和大于250℃的温度。

对原材料实施干燥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。粒料的干燥/加热大致导致大约15％的能量增益，即大约0.82GJ/吨玻璃，外加在氧气消耗方面的相应节约。粒料的干燥/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％，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，在此第一热交换器(2)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(4)的空气被传送到干燥组件(S)，在该干燥组件(S)中其与预先以粒料或压缩的聚结料的形式构成的可玻璃化炉料接触。

2.权利要求1的炉，其日产量为至少300吨。

3.权利要求1的炉，其中在第一热交换器(2)中加热的空气部分地被送到该用于加热助燃剂的一个或多个第二交换器(4)并且部分地与离开这一个或这些第二交换器(4)的空气混合，以用于干燥粒料或聚结料。

4.权利要求1的炉，其中离开第一热交换器(2)的燃烧气体送到第三交换器(7)中，在该第三交换器(7)中它们加热空气，该空气随后与离开该一个或多个第二交换器(4)的空气混合，以用于干燥粒料或聚结料。

5.前述权利要求之一的炉，其中干燥空气流以及粒料或聚结料流使得它们的温度不超过550℃。

6.权利要求5的炉，其中进入干燥组件的空气的温度不大于600℃。

7.权利要求1的炉，其中在干燥之前的粒料或聚结料具有以重量计大于4％的水含量。

8.权利要求1的炉，其中离开第一热交换器(2)的燃烧气体的至少一部分被传送到第四交换器(6)，在该第四交换器(6)中这些气体被用来无接触地加热预先干燥的粒料或聚结料。

9.权利要求8的炉，其中在第四交换器(6)中，粒料或聚结料借助重力前进并且燃烧气体的流通与这种可玻璃化炉料是逆流的并且与可玻璃化炉料无接触。