CN104350013B - 用于熔化玻璃的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于熔化玻璃或石头的设备，其包括：‑第一储槽(1)，其被称为熔化储槽，具有可玻璃化材料入口(3)、加热装置(9)、液体玻璃出口(6)，加热装置能够加热可玻璃化材料，直至获得液体玻璃，以及‑在熔化储槽的下游的第二储槽(2)，其被称为加热储槽，具有金属壁，金属壁不被耐火隔离材料覆盖并且设有容许冷却剂循环的内部导管系统和多个浸没式燃烧器喷射器(8)，所述加热储槽包括溢流口(7)形式的液体玻璃出口，其将所述加热储槽中的玻璃池的高度限制为在50毫米至300毫米之间的值。本发明还涉及一种利用这种熔化设备来熔化玻璃或石头的工艺。

Description

用于熔化玻璃的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于熔化玻璃或石头的设备，其尤其关于制造矿棉，优选石棉，该设备包括熔化单元和高温快速加热单元，并且还涉及一种用于利用这种设备熔化玻璃或石头的工艺。
背景技术
熔化石头(玄武岩或高炉矿渣)通常需要将原材料加热至显著高于熔化标准玻璃的温度。其传统地在冲天炉中执行，用大量的焦炭加热至接近于1500℃的温度。这是因为传统用于熔化玻璃的耐火炉不能承受用于熔化石头所必要的高温。
本申请人近些年已经在2012年2月8日提交的法国申请1251170中提出了一种新颖的炉，其使得在高温(大约1500℃)下，在浸没式燃烧器炉中执行石头的熔化成为可能，而这种类型的炉首先一直用于熔化玻璃。这种新颖的炉包括裸露的金属壁，也就是说没有受到内部导管系统穿过其中的耐火材料的保护，冷却剂例如水在所述导管中进行循环。在以下被称为水套炉的这种类型的炉中，在液体玻璃池和受冷却壁的界面之间形成或多或少脱玻玻璃的固体层，并且其保护受冷却壁免于磨损和氧化。
容易理解这种方案是极端消耗能量的，该方案在于在炉中执行高温熔化，其中壁不仅缺乏隔离耐火涂层，而且还被主动冷却。
当这种水套炉用于熔化可玻璃化材料并使其到达用于纺织玻璃绒或石棉所需要的温度时，能量消耗是特别高的，因为高的温差将在较大的接触面积上保持很长的时期。
发明内容
本发明提出了改进法国申请1251170中所述用于熔化玻璃或石头的设备，以便显著地减少利用这种设备的熔化工艺的能量消耗。虽然下面详细描述的提出的改进的好处对于在高温下利用具有被主动冷却的金属壁的炉来熔化石头的设备是特别显著的，但是这种好处在较小的程度上对于具有由耐火混凝土制成的传统炉的设备或对于使用较低温度的玻璃熔化工艺也是存在的。
这是为什么虽然本发明在水套炉中用于熔化石头的工艺的应用对应于一个优选实施例，但是本发明并不局限于这种应用，并且可有利地用于不同类型的玻璃熔化设备且用于标准玻璃熔化工艺。
本发明的根本思想是将需要相对较低温度但相当长时间的熔化可玻璃化材料的步骤与熔融材料的高温加热步骤分离，并在独立的单元或储槽中执行这两个步骤。在优选在水套炉中执行的第一步骤(熔化步骤)期间，能量消耗因而得到有利地限制，因为原材料到达相对较低，但足以使原材料熔化并获得液体的温度。低温熔融物然后被传送至第二单元，以下被称为“加热单元”或“快速加热单元”或“闪速单元”，在这里，其在一定空间中被浸没式燃烧器加热，所述空间经过优化，以便尽可能地减少在非常热的玻璃和加热单元的受冷却壁之间的接触面积和接触时间。
在这种加热单元中的热能损失基本上与熔化材料的池和受冷却壁之间的接触面积成比例，并且这个接触面积极大程度上依赖于熔融材料池的高度，该高度因此应该尽可能地减少。然而，在这种具有浸没式燃烧器的加热单元中，池的高度减少受到在由燃烧器产生的热的燃烧气体和玻璃池之间的热传递效率的限制。实际上，当熔融材料池具有不足的深度时，从浸没式燃烧器喷射器升高到玻璃表面上的燃烧气体不能将所有其热能传递给池。当燃烧气体的温度在气泡达到玻璃表面的时刻大于池的温度时，某些热能将随燃烧气体逃逸，这不利于工艺的能量平衡。因此，在燃烧气体和玻璃池之间的热传递越快，池的高度可越低。
为了能够使用具有较低高度的玻璃池，热传递的效率在本发明中由于使用了大量小尺寸和低功率的喷射器分配燃烧气体的小气泡而得以优化。这导致了在燃烧气体和池之间的热传递表面的增加和粘性玻璃池中的气泡上升的减缓。
本发明的三个基本要素因此是：
-设备的熔化储槽和加热储槽的分离，
-确定具有低的玻璃池高度的熔化储槽的尺寸，和
-使用多个低功率的浸没式燃烧器喷射器。
更具体地说，本发明的主题是一种用于熔化玻璃或石头的设备，其包括：
-第一储槽，其被称为熔化储槽，其具有可玻璃化材料入口、加热装置、液体玻璃出口，加热装置能够加热可玻璃化材料，直至获得液体玻璃，以及
-在熔化储槽的下游的第二储槽，其被称为加热储槽，具有金属壁，金属壁不被耐火隔离材料覆盖并且设有容许冷却剂循环的内部导管系统和多个浸没式燃烧器喷射器，加热储槽包括溢流口形式的液体玻璃出口，其将加热储槽中的玻璃池的高度限制为在20 毫米至300 毫米之间，优选在50 毫米至200 毫米之间，且尤其在70至120 毫米之间的值。
在本发明中使用的术语“液体玻璃”包含通过熔化硅砂获得的液体玻璃以及通过熔化石头(尤其玄武岩石头和高炉矿渣)获得的液体玻璃，并且还包含这两种类型的可玻璃化材料的所有混合物，其可选地包含再循环的可玻璃化材料(碎玻璃)和传统辅助剂，例如含沥青油或精制剂。
在熔化储槽的出口获得的液体玻璃是足够液态的，以能够从熔化储槽流向快速加热储槽。其粘性优选在3至100泊之间。液体玻璃可包含一小部分难熔材料，其通常小于5%。在熔化单元的出口获得的液体玻璃的未熔化材料的整个含量(可熔的和难熔的)小于10%，优选小于5%。
熔化储槽和快速加热储槽优选具有不同的容量，加热储槽的容量小于熔化储槽。储槽的容量应理解为意味着当设备操作时储槽包含的玻璃池的体积。这个体积等于储槽底部的表面面积和玻璃池的高度的乘积，高度通过液体玻璃出口的位置来确立。本发明的设备的熔化储槽和快速加热储槽的容量因此可基于操作期间的设备，以及空的设备来确定。快速加热储槽的容量相对熔化储槽的容量的比率优选在1/1000至1/3之间，尤其在1/100至1/10之间。
熔化储槽的液体玻璃出口优选是溢流口，其使液体玻璃直接流入到加热储槽中，优选不与炉的其它元件相接触。熔化储槽的溢流口的高度必须足够高，以避免热玻璃由于溅射而返回的任何风险。熔化储槽的溢流口的高度(=熔化储槽的玻璃池的高度)优选定位在高于加热储槽的溢流口的高度(=加热储槽的玻璃池的高度)至少500 毫米，优选至少1000 毫米。
溢流口区域的几何结构可经过有利地配置(壁的高度和/或定向)，从而优化液体和气体在溢流口和加热室之间的流动。
如介绍中解释的那样，为了能够以低的玻璃池高度进行操作，快速加热储槽必须包括大量低功率操作的喷射器，其各传送小尺寸的燃烧气泡。各个喷射器可为一个浸没式燃烧器，或者一个浸没式燃烧器可包括多个喷射器。在本申请人名义下的法国申请1251170中详细描述了一种浸没式燃烧器，其包括对准的多个低功率单独的喷射器。
本发明设备的加热储槽优选包括50至300个/米2底部之间的数量的浸没式燃烧器喷射器，优选在80至250个/米2底部之间，且尤其在90至180个燃烧器/米2底部之间。这些喷射器优选均匀地设置在加热储槽的整个底部。当熔化储槽包括包含对准的喷射器的浸没式燃烧器时，这些燃烧器优选定位成彼此相隔相等的距离，并且彼此平行，尤其垂直于玻璃的流动方向。
快速加热储槽的底部的总的表面面积优选在0.05至5米2之间，更优选在0.1至3米2之间，且尤其在0.2至2米2之间。
加热储槽的喷射器的总数有利地在50至1000个之间，优选在100至500个之间。
加热储槽的浸没式燃烧器优选被供给氧气和气态燃料，例如甲烷的混合物的供给。用于燃烧空气/气体混合物的浸没式燃烧器的使用从能量效率的观点来看实际上不太令人满意：在1500℃下的熔融玻璃池中的空气/玻璃火焰的能量转换效率大约只有27%左右，而其大约等于O2/气体火焰的75%。
然而，这个较好的能量效率的优点伴随着炉壁的氧化问题的增加，这些问题在氧化剂的氧气含量和火焰温度较高时甚至变得更大。然而，气体/O2火焰具有大约3000K的温度，其比仅仅大约2000K的气体/空气火焰的温度高得多。
为了保护快速加热储槽的裸露的金属壁免于氧化性退化，在这些壁上保持介绍中所提到固化玻璃层是很重要的。为此目的，应该有利地确保在加热储槽的金属壁和最靠近的喷射器之间的距离在20 毫米至150 毫米之间，优选在30至100 毫米之间。
虽然加热储槽中的液体玻璃池的高度对于对能量损耗起作用是一个重要的参数，但是这不是有待考虑的唯一参数。实际上，对于给定的玻璃池高度，当长/宽比接近1时，加热储槽的能量损耗将甚至更低。本发明设备的加热储槽的底部在其是矩形时因而具有相对较小的长/宽比，优选在1和4之间，尤其在1和3之间。当然还可以设想具有非矩形底部的储槽。本领域中的技术人员将发现不会难以确定储槽的尺寸，使得底部的周长/表面面积比尽可能低。
本发明的另一主题是用于利用根据本发明的设备来熔化玻璃或石头的工艺。这种工艺是连续的工艺，并且下面所述的步骤必须理解为同时且连续地执行。
更具体地说，本发明用于熔化玻璃或石头的工艺包括：
-为熔化储槽供给固体可玻璃化材料；
-加热所述可玻璃化材料直至获得液体玻璃；
-将从熔化储槽获得的液体玻璃传送至加热储槽；
-在加热储槽中通过浸没式燃烧器将液体玻璃从入口温度(T1)加热至出口温度(T2)，出口温度(T2)高于温度T1至少50℃；且
-通过内部导管系统中的冷却剂的循环而冷却加热储槽的金属壁。
如介绍中提到的那样，加热储槽可为耐火炉，其传统地用于熔化玻璃(从硅砂开始)，并通过例如电极、电阻器、顶板安装的燃烧器和浸没式燃烧器进行加热。在本发明工艺的一个优选的实施例中，类似于加热储槽，熔化储槽是一种具有被冷却剂冷却的金属壁并且利用浸没式燃烧器进行操作的储槽。
玻璃池在熔化储槽的出口处的温度(T1)优选至多等于1400℃，尤其至多等于1350℃，理想地至多等于1300℃左右。这个温度首先依赖于可玻璃化材料的熔化特性和它们的熔化粘度。原材料的熔化温度和熔化粘度越低，那么从熔化储槽传送至快速加热储槽的液体玻璃所处的温度(T1)越低。这里近似假定T1是玻璃池熔化储槽的出口处的温度和液体玻璃在加热储槽的入口处的温度，液体玻璃在加热储槽中从T1被加热至T2，T2比T1至少高50℃。T2和T1之间的差异优选在50℃至300℃之间，尤其在100℃至300℃之间，并且理想地在150℃至280℃之间。
加热储槽的浸没式燃烧器通常数量为50至1000个，其在每单位底部面积上传递的功率为0.2至2兆瓦/米2储槽底部之间，优选在0.3至1.8兆瓦/米2储槽底部之间，各个浸没式燃烧器喷射器优选传递2至20千瓦之间的单位功率。
本发明的玻璃熔化设备的尺寸不受特别的限制，并且设备可以在例如每24小时10至500吨之间的输出下进行操作。
本发明设备的加热储槽总地具有比熔化储槽小的尺寸，并且玻璃因而在比快速加热储槽相对更低的温度下操作的熔化储槽中有利地停留更长的时间，在快速加热储槽中，能量损耗由于在壁和玻璃池之间的温差而特别高。换句话说，加热储槽大于或等于熔化储槽的比输出的比输出进行操作，比输出以吨/天/米2储槽底部来表示。加热储槽的比输出相对熔化储槽的比输出的比率有利地在1至100之间，优选在2至30之间。
附图说明
现在将参照单个附图举例说明本发明的设备和熔化工艺，其示意性地以横截面显示了在操作期间的根据本发明的玻璃熔化设备。
具体实施方式
这种设备包括熔化储槽1和快速加热储槽2，快速加热储槽2位于熔化储槽的下游。可玻璃化材料通过加料器3引进熔化储槽1中。熔化储槽1和加热储槽2在其底部包括浸没式燃烧器8,9。在各个储槽1,2中，玻璃池4,5的液位通过供液体玻璃流出的溢流口6,7的位置来确定。在熔化储槽1的出口所获得的液体玻璃通过溢流口6直接流入到熔化储槽2中，在这里其从温度T1加热至温度T2。两个储槽包括被内部导管系统10穿过的金属壁，其中冷却剂在内部导管系统10中进行循环。壁的主动冷却导致形成一层固化玻璃11，其将金属壁与玻璃池隔离开。

Claims (24)

1.一种用于熔化玻璃或石头的设备，包括：
-第一储槽，其被称为熔化储槽，具有可玻璃化材料入口、加热装置、液体玻璃出口，所述加热装置能够加热可玻璃化材料，直至获得液体玻璃，以及
-在所述熔化储槽的下游的第二储槽，其被称为加热储槽，具有金属壁，所述金属壁不被耐火隔离材料覆盖并且设有容许冷却剂循环的内部导管系统和多个浸没式燃烧器喷射器，所述加热储槽包括溢流口形式的液体玻璃出口，其将所述加热储槽中的玻璃池的高度限制为在20 毫米至300 毫米之间的值；
其中，所述加热储槽的浸没式燃烧器喷射器的数量在50至300个/米2之间。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述加热储槽中的玻璃池的高度在50 毫米至200 毫米之间。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述加热储槽中的玻璃池的高度在70至120 毫米之间。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述加热储槽的容量小于所述熔化储槽的容量，所述加热储槽的容量相对所述熔化储槽的容量的比率在1/1000至1/3之间。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述熔化储槽的液体玻璃出口是溢流口，其使液体玻璃直接流入到所述加热储槽中。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述加热储槽的浸没式燃烧器喷射器的数量在80至250个/米2之间。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述加热储槽的底部的总的表面面积在0.05至5米2之间。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述加热储槽的底部的总的表面面积在0.1至3米2之间。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述加热储槽的底部的总的表面面积在0.2至2米2之间。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述加热储槽的喷射器的总数量在50至1000个之间。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述加热储槽的喷射器的总数量在100至500个之间。
12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述加热储槽的金属壁和最靠近的喷射器之间的距离在20 毫米至150 毫米之间。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，在所述加热储槽的金属壁和最靠近的喷射器之间的距离在30至100 毫米之间。
14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述加热储槽的底部具有在1至4之间的长/宽比。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述加热储槽的底部具有在1至3之间的长/宽比。
16.一种利用根据前述权利要求中的任一项所述的熔化设备而熔化玻璃或石头的连续工艺，包括：
-为所述熔化储槽供给可玻璃化材料；
-加热所述可玻璃化材料直至获得液体玻璃；
-将从所述熔化储槽获得的液体玻璃传送至所述加热储槽；
-在所述加热储槽中通过浸没式燃烧器将所述液体玻璃从入口温度(T1)加热至出口温度(T2)，所述出口温度(T2)高于所述温度T1至少50℃；且
-通过内部导管系统中的冷却剂的循环而冷却所述加热储槽的金属壁；
其中，所述加热储槽的浸没式燃烧器喷射器的数量在50至300个/米2之间，并且其中，各个浸没式燃烧器喷射器传递的功率在2至20千瓦之间。
17.根据权利要求16所述的工艺，其特征在于，所述加热储槽的浸没式燃烧器传递的表面功率密度在0.2和2兆瓦/米2储槽底部之间。
18.根据权利要求16所述的工艺，其特征在于，T2和T1之间的差异在50℃至300℃之间。
19.根据权利要求18所述的工艺，其特征在于，T2和T1之间的差异在100℃至300℃之间。
20.根据权利要求19所述的工艺，其特征在于，T2和T1之间的差异在150℃至280℃之间。
21.根据权利要求16所述的工艺，其特征在于，所述浸没式燃烧器被供给氧气和气态燃料的混合物。
22.根据权利要求16所述的工艺，其特征在于，所述工艺在每24小时10至500吨之间的输出下进行操作。
23.根据权利要求16所述的工艺，其特征在于，所述加热储槽在大于或等于所述熔化储槽的比输出的比输出下进行操作，所述比输出以吨/天/米2表示，所述加热储槽的比输出相对所述熔化储槽的比输出的比率在1至100之间。
24.根据权利要求23所述的工艺，其特征在于，所述加热储槽的比输出相对所述熔化储槽的比输出的比率在2至30之间。
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