CN104870381A - 用于形成人造玻璃质纤维的工艺和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造人造玻璃质纤维的熔体，其可以通过在循环燃烧室(20)中熔融颗粒状材料形成。所述材料被收集在燃烧室的底部区域(26)，在该底部区域能够利用浸没加热装置(40)对其进行加热。浸没加热增加了熔体池(30)内熔体的均匀性，其一致性通过使用将熔体从燃烧室中取出的虹吸管(50)而得以保持。

Description

用于形成人造玻璃质纤维的工艺和装置
技术领域
本发明涉及由矿物熔体制造人造玻璃质纤维(MMVF)。特别地而非排他性地，本发明涉及颗粒状矿物材料在旋风炉中燃烧形成适合的矿物熔体。
背景技术
形成用于制造MMVF的矿物熔体的已知方法为借助于竖炉，其中通过可燃物质在炉中的燃烧对无机颗粒状材料的自支撑堆叠进行加热。堆叠逐渐熔融，并且从顶部再加料，熔体顺堆叠向下排放，并从炉底部排出。用于该用途的炉通常指的是化铁炉。
在制造矿物熔体时化铁炉具有一些缺点。除了难以实现所期望的效率水平之外，还存在由以下原因导致的另一个缺点：需要材料的堆叠足以渗透燃烧气体。这对能够用于化铁炉的颗粒状材料造成了限制，特别是阻碍了精细的颗粒状材料的使用，因为精细的颗粒状材料对燃烧气体不具备充足的渗透性以使燃烧气体经过炉筒而点燃可燃物质。因此，如果待熔融的颗粒状材料为精细分散的形式，那么首先必须将其形成坯块。这额外地增加了工艺的复杂性和成本，还降低了最终熔体的质量，因为通常需要将粘结剂用于形成这种坯块。
为了克服其中的一些缺点，已经提出了旋风炉。在这类炉中，将待熔融的颗粒状材料与燃料(如粉末状的煤)一起夹带在燃烧气体中引入。随着材料组合在循环燃烧室中的循环，燃料被点燃。这使得颗粒状材料开始熔融从而形成矿物熔体，然后矿物熔体与剩余的颗粒状材料一起被投向室的侧壁，并向下流至出口处。之后，在将熔体取出用于形成MMVF的工艺之前，出口的输出物被直接加工或者被收集到单独的沉降槽中，在其中可进一步进行精炼工艺。
关于旋风炉的原理的例子可以在美国专利No.3,077,094中找到。该文献描述了用于熔融玻璃配料的熔炉。颗粒状材料以气态悬浮液的形式被输送至建于腔室上部的熔融区域。将气态混合物沿切线引入腔室内，从而使其以螺旋路径通过腔室。由此形成了熔融的玻璃，其被抛向腔室壁。然后熔融的玻璃沿着壁向下流动，直到其通过中心流动出口离开腔室。
在US 3,077,094所描述的一个实施方案中，熔融的玻璃随着其流过腔室底部而发生聚结。通过使用受限的流动出口来实现这一效果。之后当熔融的玻璃经过该区域时，可使用电极加热器对其进行进一步的精细化，电极加热器能够升高玻璃的温度，从而降低粘度并有助于仍存在于熔体中的气体逸出。
美国专利No.4,632,687中描述了另一个熔融工艺的例子。该文献也涉及玻璃配料的熔融。在该工艺中，将玻璃材料与含有燃料的灰分一起引入循环燃烧室内。该文献描述了，液化阶段发生在燃烧室中，而明显的精炼阶段发生在单独的沉降槽中。液化阶段的燃料燃烧所产生的废气通过排气口而从燃烧室中除去，而熔体通过单独的出口落入沉降槽中，其在沉降槽中利用浸没燃烧技术被进一步精炼。浸没燃烧阶段用于调整熔体的氧化状态，从而提高玻璃的透射率，即，降低玻璃的色度。
以上熔炉都没有直接明确地涉及MMVF的制造。相比之下，欧洲专利申请No.EP 1944272直接涉及用于制造矿物熔体的旋风炉，其特别适合MMVF的制造。具体而言，该文献中描述的装置和方法被设计为以有效的方式制造矿物熔体，该矿物熔体具有用于制造MMVF的适当性质。
EP 1944272的一个特别之处在于，不同于上述的熔炉，该文献的方法不需要沉降槽，取而代之的是在燃烧室中已包括了对矿物熔体的收集。这减小了装置的尺寸，也增加了装置的整体效率，因为能够利用燃烧室的热量来维持熔体池的温度。
然而，在EP 1944272的布置中，由于难以控制熔体的状态，熔体的大量生产受到限制。特别是，在这种燃烧室内控制熔体的均匀性受到挑战。随着熔体池的容积增加，控制熔体均匀性的难度也提高。例如，熔体池中产生温度差，改变了熔体的性质(如粘度)。为了确保在接下来的纤维化工艺中制造的纤维的质量，控制这种变化尤为重要。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供一种制造人造玻璃质纤维(MMVF)的方法，包括：
提供循环燃烧室；
将颗粒状燃料、颗粒状矿物材料和燃烧气体注入所述燃烧室的上部区域内并燃烧所述燃料，由此将所述颗粒状矿物材料熔融从而形成矿物熔体；
在所述燃烧室的底部区域收集所述矿物熔体；
通过浸没加热在所述燃烧室的底部区域加热收集的矿物熔体；
将收集的矿物熔体通过出口从所述燃烧室中取出，所述出口包括虹吸管；以及
由取出的矿物熔体形成MMVF。
根据本发明的第二个方面，提供一种旋风炉，包括：
循环燃烧室；
一个或多个入口，用于将颗粒状燃料、颗粒状矿物材料和燃烧气体注入到所述燃烧室的上部区域以燃烧所述燃料，由此将所述颗粒状矿物材料熔融从而形成矿物熔体，在所述燃烧室的底部区域收集所述矿物熔体；
浸没加热装置，用于在所述燃烧室的底部区域中直接加热收集的矿物熔体，其中所述燃烧室是一体形成的并且所述底部区域不是单独提供的；以及
出口，用于从所述燃烧室中取出收集的矿物熔体，其中所述出口包括虹吸管。
本发明提供一种制造高质量矿物熔体的综合、有效且简洁的解决方案，所述矿物熔体用于制造MMVF。具体而言，借助于燃烧气体和燃料，在循环燃烧室中将颗粒状矿物材料熔融，并将矿物熔体收集在循环燃烧室底部的熔体池中。已发现，通过对收集的矿物熔体的浸没加热，可以提高矿物熔体的质量。通过向熔体池内引入湍流，使熔体池中的熔体混合以减少温度和组成上的变化，由此使得矿物熔体的浸没加热改善了熔体的均匀性。
虹吸管起到维持收集的矿物熔体池的恒定水平的作用，确保对熔体浸没加热的均匀化效果给予充分的时间从而提供益处。特别地，虽然之前的方法致力于减少在燃烧室内的停留时间，从而避免建立温差，但是本发明可以利用熔体的停留时间以通过浸没加热增加均匀性。特别是，认为在浸没加热过程中，使得熔体中所包含的气泡从熔体中逸出。
同时使用虹吸管和浸没加热具有超过现有技术的一些益处。不同于美国专利No.3,077,094的系统(其中必须对诸如熔体粘度之类的性质进行控制)，由于本发明的出口为虹吸管，因此熔体的排出速度可以只通过原料的供给速度进行控制。将虹吸管与浸没加热相结合，还提供了超过欧洲专利申请No.EP 1944272的系统的优势。在该系统中，因为虹吸管只从腔室的一侧移除材料，所以存在形成冻结熔体的“死区”的风险。本发明允许在熔体池中进行混合和加热，防止了这种潜在的不良后果。
在一些优选的实施方案中，对收集的矿物熔体进行浸没加热的步骤包括对收集的矿物熔体进行电极加热。在这种技术中，将电极浸没设置在收集的矿物熔体内，并在电极之间施加电势差。这样实现对熔体的加热。
在其他优选的实施方案中，对收集的矿物熔体进行浸没加热可包括在矿物熔体内实施浸没燃烧工艺。浸没燃烧工艺可包括直接将可燃物质提供给熔体。这种物质在熔体内的燃烧实现对熔体的加热并引入额外的湍流，由此有助于改善熔体的均匀性。
在特别优选的实施方案中，浸没燃烧工艺包括通过一个或多个燃烧喷枪注入另外的燃料和燃烧气体，所述燃烧喷枪延伸穿过燃烧室的一个或多个侧壁。更优选地，燃烧喷枪与燃烧室的侧壁形成向下的角度。按这样的方式定向燃烧喷枪，可降低熔体进入喷枪中的风险。这在燃烧室的初始点火以及停止该工艺时是特别重要的，因为在这些阶段可能不发生浸没燃烧。尽管如此，在替代的实施方案中，燃烧喷枪可以按其他定向来设置，例如，可以水平或垂直延伸，或者穿过燃烧室的底壁而延伸。
优选地，虹吸管所在位置的高度是可调节的。可调节的虹吸管高度能够用于控制燃烧室内所收集的矿物熔体的含量。以这种方式，能够适当地控制腔室内所收集的矿物熔体的体积。例如，这能够用于调节熔体在燃烧室内的停留时间，由此保证发生充分的熔体混合。另外，在初始点火时，虹吸管位置的高度能够用于控制熔体池的高度，以及在制造后用于清空燃烧室。
在优选的实施方案中，第一燃烧气体是含有至少25体积％氧气的富氧空气。该富氧空气可以是纯氧气。通过使用氧含量高于空气的燃烧气体，能够减少所需要的燃烧气体的体积，能够使燃烧室更加紧凑。此外，燃烧气体的体积与制造熔体所需的能量成正比，所以使用富氧的燃烧气体能够增加工艺的能量效率。另外，使用富氧的燃烧气体还能够减少引入至系统的氮气的量，因而也减少了有害的NOx气体的生成。
优选的实施方案还包括：将第二燃烧气体注入到矿物熔体上方，由此引发在颗粒状燃料的燃烧过程中由于初始热解而产生的任意炭的燃烧。已经发现，这在保持适用于制造MMVF的矿物熔体的良好质量的同时，能够提供能量效率方面的重要改进。
诸如煤之类的颗粒状燃料以两个阶段的过程进行燃烧。在第一阶段，即已知的热解，挥发性化合物非常快速地燃烧并迅速释放出气体。这产生了富含碳的炭颗粒。第二阶段是炭颗粒的燃烧，其通常比第一阶段慢得多。因此，尽管当燃料颗粒进入燃烧室时，燃烧的第一阶段几乎可以瞬时发生，但是第二阶段通常不会发生，除非燃料具有足够的停留时间。
矿物熔体中的炭影响所能制造的矿物纤维的质量。已发现，在矿物熔体上方注入第二燃烧气体能够显著地加快炭发生燃烧的速度。这避免了为实现炭燃烧的预燃烧或第二燃烧室的需要，因此能够得到更紧凑的方案。
在优选的实施方案中，第二燃烧气体为含有至少25体积％氧气的富氧空气。由于第一燃烧气体中引入的氧气被燃烧的热解阶段所消耗而导致的低含量的氧就会抑制炭的燃烧速率，相反地，额外的氧气能够增加炭的燃烧速率。
优选地，使用离心纤维化装置实施形成MMVF的步骤。离心纤维化装置特别适合于由矿物熔体制造MMVF。优选地，离心纤维化装置为纺丝杯(内部离心)或级联纺丝机(外部离心)。已发现，这些类型的离心纤维化装置对于制造MMVF特别有效。
附图简要说明
将参照附图对本发明的优选实施方案进行说明，其中：
图1示出了根据本发明第一个优选实施方案的用于形成MMVF的系统，其包括旋风炉。
具体实施方式
参照图1，示出了用于形成MMVF的系统。该系统包括旋风炉10和离心纤维化装置60。旋风炉10包括循环燃烧室20。循环燃烧室可被认为包括三个区域，从腔室顶部开始被称作上部区域22、中部区域24和底部区域26。循环室绕垂直轴为轴对称，并包括圆柱形部分和截头圆锥形部分。本领域技术人员应该认识到，腔室20的精确几何形状可以适当地选择。但是，轴对称为腔室20内燃烧材料的旋风进展提供特别的益处。
腔室是一体形成的。由此，腔室是由单一部分形成的，而非多个分离的部分。特别地，如下所述，用于收集工艺中的熔体的底部区域26不是单独提供的。这样紧凑的设计在实践中是有利的。例如，底部区域26的直径不超过上部区域22的直径，这与许多常规设计中使用大量分离的沉降槽以收集和精炼熔体是相反的。
除了其它的优点之外，提供紧凑腔室20还能够降低与表面积相关的能量损失。优选地，腔室20的容积小于25m3，更优选小于20m3或15m3，并且能够小于10m3。
旋风炉还包括位于腔室20的上部区域22中的颗粒入口12和气体入口14。气体入口14同轴环绕颗粒入口12，两个入口12、14都与燃烧室的垂直对称轴相偏离。因此，通过入口12、14注入的材料与腔室20的中心轴偏离，并按照虚线螺旋形的箭头所示向注入的材料施加循环运动。
尽管图1中仅示出了单个的颗粒入口12和单个的气体入口14，但是可以将每种类型的多个入口并入腔室20中。例如，在一些实施方案中，优选的是增加额外的气体入口，其以与通过气体入口14不同的速度引入气体。速度差能够用于形成湍流，并促进颗粒材料的充分混合。
旋风炉10还包括废气出口16，用于将废气从腔室20中排出。废气出口16优选地与腔室的轴对齐，并穿过腔室20的顶部而形成。由于注入材料的循环运动，热的废气自然地上升到这个位置并从腔室20中逸出。
旋风炉10还包括一个或多个第二入口18，用于提供第二燃烧气体。另外，第二燃料可以通过第二入口18来供应。
图1示出了位于腔室20底部区域的熔体池30。旋风炉10还包括浸没加热装置40，其浸没在熔体池30内。在该优选的实施方案中，加热装置40为浸没燃烧装置。特别地，浸没燃烧装置40包括多个延伸穿过腔室20侧壁的喷枪，通过该喷枪可以将燃烧气体和燃料的混合物注入到熔体池30内。该混合物在池30中燃烧，由此直接加热熔体池30。“直接”或“浸没”加热熔体池30意味着在所述池自身内部提供热源，而不是通过外部热源。
提供虹吸管50作为腔室20的出口，其用于将熔体从熔体池30中取出。虹吸管50包括在腔室侧壁上的开口52以及中间熔体槽54。中间熔体槽包括熔体从其上排出的出口挡板56，出口挡板在开口52以上的高度延伸。按这种方式，当熔体池30的高度超过出口挡板56的高度时将熔体从腔室20中取出。本领域技术人员应当认识到，图1中示出的开口52的高度仅为了示例性的目的，在实践中开口52可以根据需要在腔室20中设置得更低或更高。
优选地虹吸管所在位置的高度是可以调节的。特别是，出口挡板56的高度是可以调节的，由此来调整腔室20内熔体池30的高度。可以人工进行调节或者根据旋风炉10的特定使用顺序自动调节。
通过虹吸管50从腔室20中取出的熔体被转移到离心纤维化装置60，熔体在该装置中用于形成MMVF。可用于本文的离心纤维化装置可包括级联纺丝机或纺丝杯，但是也可以使用用于形成矿物纤维的替代性装置。有利的是，优选实施方案的旋风炉10能够直接将熔体转移至离心纤维化装置60，而不需要中间沉降槽或类似装置。无论如何，如有需要可以在腔室20和离心纤维化装置60中间插入加工熔体的其他步骤。
使用时，通过入口12、14将颗粒状矿物材料、颗粒状燃料和第一燃烧气体引入到燃烧室内，并且燃料的燃烧导致颗粒状矿物材料的熔融。
颗粒状矿物材料为适合用于制造MMVF的任意材料，所述MMVF可以是玻璃纤维或石头或矿渣纤维。用作颗粒状矿物熔体材料的原材料可选自于多种已知的来源。这些来源包括玄武岩、辉绿岩、霞石正长岩、碎玻璃、矾土、石英砂、石灰石、斜方硼砂、四硼酸钠、白云石、苏打、橄榄石砂、响岩、钾长石、石榴砂和钾碱。矿物材料还可以是废料，如已经使用过的MMVF或者在使用前已经被其他工艺舍弃的MMVF。
将颗粒状矿物材料(其在腔室20中熔融生成矿物熔体)引入至腔室20的上部区域22，使其悬浮在该区域内的气体中。对加入颗粒状矿物材料的位置没有严格要求，其可以与燃料混合并通过与燃料共用的供料管而注入。但是，在一些优选的实施方案中，将颗粒状矿物材料引入燃烧的燃料中。这可以通过以下方式实现：将颗粒状矿物材料按照常规方式通过入口(例如在腔室的顶部或顶部附近)加入到腔室内。
本发明中使用的颗粒状燃料通常为分两个阶段的燃烧过程的燃料，这两个阶段的过程包括初始热解形成炭颗粒，随后炭颗粒进行燃烧。颗粒状燃料可以为液体形式或固体形式。在燃料为液体的情况中，其能够以液滴，即，液体燃料颗粒的形式使用。在本实施方案中，燃料可以是石油颗粒或其他碳基液体的颗粒。
然而，本发明中的颗粒状燃料优选为固体。其一般为含碳材料，并且可以是具有适当热值的任意颗粒状含碳材料。热值可以相对较低，例如低至10000kJ/kg，甚至低至5000kJ/kg。因此，其可以是(例如)干化污水污泥或废纸。优选地，其具有较高的热值，并且可以是来自于铝工业的废弃罐衬套(pot liner)、含煤废物(如煤尾渣或粉煤)。
在优选的实施方案中，燃料为粉煤，并且可以是细煤粉，但是优选地部分的、通常至少50％、优选至少80％、并且通常全部的煤是通过研磨块煤制得的，例如使用球磨机。不论煤最初以细煤还是块煤供应，都是质量好的煤，或者都是无机物含量高的废煤，例如5％至50％的无机物和余量的碳。优选地，煤大部分或全部为质量好的煤(例如烟煤或次烟煤(ASTM D3881984))，并且含有助于点火的挥发物。
燃料颗粒的粒径优选在50μm至1000μm的范围内，优选为约50μm至200μm。通常，至少90重量％的颗粒在此范围内。平均值通常为70μm的平均粒径，小于100μm的颗粒占90％。
可按常规方式通过入口12将燃料供给至腔室，以提供燃料颗粒流。这通常包括载气的使用，燃料颗粒悬浮于载气中。载气可以是空气、富氧空气或纯氧气，这些载气优选地处于环境温度下以避免逆燃；或者是低活性气体，如氮气。载气被认为是第一燃烧气体的一部分。第一燃烧气体整体上包含注入到腔室上部区域的载气和其他气体，优选地比常规空气中存在更多的氧气。入口12优选为圆柱状。
通过颗粒入口12和气体入口14将第一燃烧气体引入到腔室20的上部区域22内，并且第一燃烧气体可以为环境温度或者可以被预热。当气体被加热时，常常在300℃和600℃之间进行预热，通常预热至500℃至550℃。与空气相比，第一燃烧气体富含氧气，并且具有至少25体积％的氧气，而空气通常具有约21体积％的氧气。富氧空气是指，气体含有比自然存在于空气中的更多的氧气，另外，可含有自然存在于空气中的其他气体。其还可以含有非正常存在于空气中的其他气体，如丙烷或甲烷，以提供超过正常存在于空气中的总氧气含量。
第一燃烧气体可以是富氧空气，其包含至少30体积％或35体积％、如至少50体积％、如至少70体积％的氧气，或者为纯氧。在一个实施方案中，为了优化与氧气使用相关的节能，以及与空气相比氧气成本的增加，所述气体包含30％至50％的氧气。当使用纯氧时，其优选为环境温度，而不进行预热。
如上所指出，通过颗粒入口12引入的第一燃烧气体可以具有悬浮于其中的燃料，尤其是当气体处于相对低温时更是如此。在燃料进入腔室前，其不应该在燃料管中开始燃烧(被称为“逆燃”的现象)，因此在该环境中需要相对低的气体温度。但是，单独通过气体入口引入的第一燃烧气体可以处于较高的温度。气体入口14优选位于燃料供料管附近，从而将燃烧气体导入至腔室20中与燃料相同的区域，以进行充分混合。
不论燃料和燃烧气体是否一起被引入，注入到腔室内的燃烧气体的速度都相对较低(优选地介于1m/s和50m/s之间)，从而使装置损耗最小化。当燃料和矿物材料悬浮于燃烧气体中时，速度优选介于5m/s和40m/s之间。当燃料和燃烧气体分别引入时(这是优选的)，燃料的注入速度优选为20m/s至40m/s。
期望的是，要保证将颗粒状燃料与第一燃烧气体快速并彻底混合，因为这确保了将燃料被快速点燃，从而在引入至腔室内后几乎立即开始燃烧。彻底混合还确保了燃料颗粒在第一燃烧气体中的停留时间更加一致，由此带来更加充分的燃料燃烧。
为了帮助快速和彻底的混合，可以将其他的气体引入到上部区域中，其以比第一燃烧气体和颗粒状燃料更高的速度行进，并且由于速度差，导致燃料颗粒流的湍流，由此打破了燃料颗粒流并确保了快速混合。其他的气体一般比燃烧气体的体积小得多，通常占注入到燃烧室内的全部气体的小于40％，优选地占10％至30％。其他的气体可以是任意气体，包括空气、氮气、氧气、或如丙烷或丁烷等可燃气体。其他的气体可以从入口注入，从而使其在腔室中与燃料颗粒流相邻，但是优选地注入到同心环绕燃料入口的入口。这种同心的布置产生充分的混合，特别是当其他的气体在其开口处具有收缩喷嘴时更是如此。其他的气体优选地以比燃料和燃烧气体快至少100m/s的速度行进，通常快至少250m/s，优选地快至少300m/s。在最优选的实施方案中，其他的气体的注入速度为声速或超声速，即，处于或高于声音的速度。
可供替代的是，第一燃烧气体自身是纯氧气，其以比燃料快至少100m/s的速度行进，通常快至少250m/s。氧气第一燃烧气体可以从与燃料颗粒流相邻的入口注入，但是如上所述，在优选的实施方案中，气体入口14同心环绕着输送燃料的颗粒入口12。
因此，对于引入到腔室20内的燃料和燃烧气体，燃料首先进行燃烧的热解阶段。由此产生的热导致颗粒状矿物材料熔融，并且熔融的材料通过气体和材料的循环运动冲向腔室的侧壁。熔体在腔室20的侧壁上汇集，向下流动，并收集至熔体池30中。
燃料的热解还产生炭颗粒。通过第二入口18引入第二燃烧气体，从而在炭颗粒被消耗的第二燃烧阶段进行加速。
如同第一燃烧气体，第二燃烧气体可以为环境温度或者被预热，并且包含至少25％的氧气。第二燃烧气体可以是富氧空气，其包含至少30体积％或35体积％、如至少50体积％、如至少70体积％的氧气，或者包含30％至50％的氧气，或者为纯氧气。在整个说明书中所使用的“纯氧气”是指通过(例如)真空变压吸附技术(VPSA)得到的纯度为92％或更高的氧气，或者可以是通过蒸馏法得到的几乎100％的纯氧气。可以按常规方式引入第二燃烧气体，但是优选地使用具有收缩喷嘴、或者被称作喷枪的入口引入第二燃烧气体。
第二燃烧气体可以由一个入口18注入到中部区域24，但是优选地由至少两个、最优选地由两个以上(如三个、四个、五个或六个，优选为四个入口)入口18注入到中部区域24。
在中部区域24中加入第二燃烧气体对于保证在上部区域进行热解之后生成的炭颗粒的完全烧尽是非常有效的。与仅仅在上部区域22中的第一燃烧气体中加入额外的氧气相比，已发现，在这个位置加入氧气更加有效。第二燃烧气体构成全部燃烧气体的一半以下，全部燃烧气体包括第一燃烧气体、第二燃烧气体和引入的任意其他易燃气体。优选地，第二燃烧气体占全部燃烧气体百分比的10％至50％，优选为20％至40％。
在优选的实施方案中，额外的(或第二)液态或气态燃料被注入到中部区域24，然后在第二燃烧气体的存在下燃烧从而在中部区域24中形成火焰。对第二燃烧气体和第二液态或气态燃料中的氧气的相对量进行选择，使得在第二燃料完全燃烧之后在第二气体中存在过量的氧气。
第二燃料优选地向中部区域24的下端注入，优选地在腔室的下半部，从而使其靠近底部区域26。第二燃料可以为能够立即且完全燃烧的液态或气态燃料。优选的燃料是丙烷、甲烷或天然气。第二燃料比颗粒状燃料的存在量低，占全部燃料能量的低于40％、通常为5％至15％。
在一个实施方案中，第二燃烧气体为纯氧气，并通过燃烧器入口18与燃料一起引入，使得立即发生燃烧。可供替代的是，可通过靠近用于第二燃料的单独的燃料入口的入口18引入第二燃烧气体，并在腔室20中发生混合。
一旦矿物熔体到达熔体池30，其就通过浸没加热器进行加热，如所示出实施方案中的浸没燃烧加热器40。这样的直接加热可进一步控制熔体池30的温度，并且还起到增加熔体池30内的熔体均匀性的作用。特别是，浸没燃烧加热器40引起熔体池30内的湍流。这导致熔体池30内的混合作用，从而增加熔融材料在温度和组成方面的一致性。
为了使燃烧加热器40的混合效果发挥作用，熔融材料30在腔室20内的停留时间优选相对较长。例如，材料可以在腔室内停留超过平均10分钟，更优选地超过平均十五分钟。
可以通过调节引入至腔室20的颗粒状矿物材料的速度以及取出矿物熔体的速度来调节停留时间。这还取决于熔体池30的深度和总容积，因为其影响着将材料从腔室中取出之前材料穿过的有效路径。因此，可以布置虹吸管来提供熔体池的优选深度。在实践中发现，至少15cm的深度是优选的，更优选为至少20cm。在优选的实施方案中，可采取介于30cm和50cm之间的深度。这为浸没燃烧过程的混合作用提供了充足的停留时间，从而保证足够的熔体均匀性。
浸没燃烧工艺的另一个优点是，其可用于控制熔体中不同铁氧化态的相对比例。具体而言，已发现熔体中具有相对于Fe(3+)而言高比例的Fe(2+)产生特别适合于离心纤维化工艺(如纺丝杯或级联纺丝工艺)的熔体。特别是，发现与具有较低比例的Fe(2+)以及较高比例的Fe(3+)的纤维相比，由含有相对高含量的Fe(2+)的熔体形成的MMVF可获得具有改善的高温稳定性的纤维。
增加Fe(2+)比例的需求与一些玻璃制造技术形成对照，这些玻璃制造技术常常设计成增加Fe(3+)的相对比例，因为这能够产生更加透明的玻璃产品，这通常是所期望的。
由浸没燃烧工艺导致的Fe(2+)和Fe(3+)的相对比例至少部分地取决于通过浸没燃烧工艺引入至熔体的氧气和燃料的量。因此，能够通过适当设置这些比例来获得所需的结果。通常，增加氧气供应可导致更高的Fe(3+)比例，而增加燃料供应可提高Fe(2+)的相对比例，这是因为氧化条件变弱。应当理解的是，熔体在腔室内的停留时间也会起到一部分作用，因为这将影响浸没燃烧工艺对于Fe(2+)和Fe(3+)的相对比例的作用。
在优选的实施方案中，对浸没燃烧工艺进行控制，使得在虹吸管处取出的熔体中Fe(2+)相对于总Fe的比例大于80％，优选大于90％，更优选大于95％，最优选大于97％。
如上所述，在腔室20内停留适当的时间后，将熔体经由虹吸管50取出。结果是，按照标准的虹吸管，为了使熔体离开腔室，腔室内部的熔体池30必须足够深，以达到虹吸管出口挡板56的垂直最高点。这种情况发生时，重力导致熔体经过虹吸管50的向上方向的部分，然后向下流过虹吸管50的后面部分，到达纤维化装置60。因此，这造成了系统中的气封，确保废气不能由该路径从腔室20中逸出，而是通过废气出口16从腔室20中排出。
在使用颗粒状燃料(如煤)的实施方案中，使用虹吸管50是特别有利的，并带来熔体质量的提升。这是由于以下原因：作为未完全燃烧的燃料颗粒的炭颗粒可以收集到熔体池30的顶部，并且漂浮在熔体池的顶部。因为开口52低于出口挡板56的高度，所以可通过虹吸管50防止这些炭颗粒与熔体一起离开腔室20。
与不使用虹吸管50的情况相比，通过将炭颗粒收集在熔体池30上，增加了其在腔室20中的停留时间。因此，炭颗粒能够在底部区域26中完全燃烧，从而达到燃料的完全烧尽。这保证了工艺的能量效率达到最优。
另一个优点与熔体中Fe(2+)和Fe(3+)的相对比例有关。如上所述，优选的是促进熔体中具有大含量的Fe(2+)，从而增加所制得的MMVF的高温稳定性。通过使用虹吸管50来增加熔体池30与漂浮的炭颗粒的接触时间，能够提高Fe(2+)的比例。这是因为炭颗粒自身是高度还原性的，因此能够将熔体中的Fe(3+)还原成为Fe(2+)，从而有助于实现所需的Fe(2+)比例。
一旦熔体从虹吸管50中排出，熔体就进入到离心纤维化装置60，在其中被转化成纤维。如上所述，离心纤维化装置60可以是(例如)纺丝杯或级联纺丝机。尽管图1中示出了一种离心纤维化装置，但是本领域技术人员应当认识到，根据需要，虹吸管可以向多种装置供应熔体。离心纤维化装置制造具有多种工业和商业用途的人造玻璃质纤维(MMVF)。例如，所得到的MMVF特别适于用作耐热和/或耐火材料，或植物的生长基质。
虹吸管50，特别是挡板出口56优选地在高度上是可调节的。这使得熔体池30的高度可以调节，能够影响诸如矿物材料在腔室20中的停留时间之类的性质，因此影响通过浸没燃烧工艺所达到的均匀化的程度。在一个实施方案中，可将虹吸管50的位置高度调节为低于浸没燃烧加热器40。这在熔融过程的开始和结束阶段是有利的，因为使得浸没燃烧加热器40在这些阶段中处于熔体池30以外。由此能够有效地保证浸没燃烧加热器40不会被熔融的矿物材料所堵塞。
在以上过程中，应当理解的是，可以根据经验测量来控制各种性质。具体而言，期望的是矿物材料在腔室20内达到特定的停留时间，并且还保证从虹吸管50取出的熔体中Fe(2+)的比例在优选的界限内。可以响应于工艺过程中所采取的测量来调节工艺参数，以实现所需的结果。
例如，可以利用引入到颗粒状矿物材料中的示踪材料来计算停留时间。例如，该示踪材料可以是在用于颗粒状矿物材料的原料中没有的化学元素。例子为ZnO和ZrSiO4，但是其他示踪材料也是适用的。可以将已知量的示踪材料在给定的时间引入到熔体中，然后可对从虹吸管输出的熔体进行分析，从而建立示踪材料在腔体20内的过程中的平均时间周期。可以通过光谱法或用于识别示踪材料的其他合适技术来分析熔体。示踪材料离开腔体20的平均时间周期可以理解为矿物材料在腔体内的停留时间。在本文中，平均值是中值；因此，可以将停留时间理解为一半示踪材料离开腔体20所需的时间周期。
停留时间受参数的影响，如颗粒状矿物材料的输入速度以及熔体池30的高度，其能够利用虹吸管50来控制，虹吸管50所在位置的高度是可调节的。通过按如上所述利用示踪材料来测量停留时间，能够得到用于所需停留时间的工艺参数的合适组合。同样，也能够理解给定存在的一组工艺参数对停留时间的影响。
如上所述，还优选的是保证由虹吸管50所取出的熔体中期望的Fe(2+)比例。这能够通过根据测量的输出物中Fe(2+)比例调整各种工艺参数来完成。可以确定Fe(2+)比例的一种技术是通过穆斯堡尔谱(Spectroscopy)确定Fe(2+)的比例，如“Ferric/Ferrous Ratioin Basalt Melt at Different Oxygen Pressures”(Helgason等人，HyperfineInteract.，45(1989)，第287-294页)中所述。
在以上说明中，描述了制造熔体的持续过程。在该过程中，熔体池30保持在原位，稳定的熔体流流出并转移至离心纤维化装置60。然而，本领域技术人员应当理解的是，首先必须初始化该系统。换言之，首先必须形成熔体池。在此阶段，熔体池30可以不达到浸没燃烧加热器40的高度。可以直到燃烧加热器40被熔体池30浸没时才开启燃烧加热器40。但是，在优选的实施方案中，为了保证整个腔体中的温度一致性以及防止低位熔体池30的凝固或冷却等，即使加热器40还未被浸没，也希望启动加热器40。另外，在此阶段启动加热器40可以减少熔体进入加热器40的风险，而熔体进入加热器40会影响其功能。
同样，当停止该装置时，可以通过逐渐降低出口挡板56或其他技术来清空熔体池30。此外，在这个过程中，燃烧加热器40可以维持运行，以保证熔体池30即使处于低位也能保持在适当的温度。
对于本领域技术人员来说对优选实施方案的各种修改和改变是显而易见的。在一些替代性的实施方案中，例如，浸没加热器40为电极加热器。换言之，在熔体池30内设置一组或多组阴极和阳极对。阴极-阳极对之间所施加的电位差产生经过熔体池的电流。熔体池30的相对高的电阻导致显著的能量损失，从而在熔体池30内进行加热，由此升高熔体池30的温度并提供如上所述加热装置的优点。特别是，升高的温度促进了熔体池30内的湍流，使得温度上升和组成一致。
电极可以从腔体20的底部向上垂直延伸，因为这可以保证对熔体的较好搅拌和良好均匀性。在其他例子中，电极可以通过腔体20的侧壁水平延伸，或者在垂直和水平之间形成角度。优选地，电极由钼构成。对于Fe(2+)比金属铁和Fe(3+)相对含量高的情况，这种材料是特别合适的，因为Fe(2+)不像其他形态的Fe那样对钼有腐蚀性。电极优选地从腔体20底部延伸10cm至30cm，而在优选的实施方案中，熔体槽的高度为30cm至50cm。通常，在使用时电极应当完全被熔体池30覆盖。
在另一个替代性的实施方案中，省去了第二入口18，只通过浸没加热来加热熔体池30。这样的好处是延长了燃烧室20内部衬套的使用寿命，因为其会受到来自于燃烧喷枪18的极度热辐射而被严重损耗。由于只进行浸没加热，燃烧室20内部的衬套仅被矿物熔体的少量炽热所损耗。
其他的变化和修改对于本领域技术人员是显而易见的。这样的变化和修改可以包括已经知晓并且可用于代替或附加于本文所述的特征的等价和其他特征。在分开的实施方案的内容中所描述的特征可以在单个实施方案中进行组合。相反，在单个实施方案的内容中描述的特征也可以分别提供或者以任何合适的子组合来提供。
应当指出的是，术语“包括”不排除其他元件或步骤，术语“一”或“一个”不排除多个，单个特征可以实现权利要求中记载的几个特征的功能，并且权利要求中的附图标记不应当被解释为限制权利要求的范围。还应当指出的是，附图是不必按比例绘制；而重点通常在于阐述本发明的原理。

Claims (19)

1.一种制造人造玻璃质纤维(MMVF)的方法，其包括：
提供循环燃烧室；
将颗粒状燃料、颗粒状矿物材料和第一燃烧气体注入所述燃烧室的上部区域内并燃烧所述燃料，由此将所述颗粒状矿物材料熔融从而形成矿物熔体；
在所述燃烧室的底部区域收集所述矿物熔体；
通过浸没加热在所述燃烧室的底部区域加热收集的矿物熔体；
将收集的矿物熔体通过出口从所述燃烧室中取出，所述出口包括虹吸管；以及
由取出的矿物熔体形成MMVF。
2.根据权利要求1所述的方法，其中对收集的矿物熔体进行浸没加热的步骤包括对收集的矿物熔体进行电极加热。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中对收集的矿物熔体进行浸没加热的步骤包括在所述矿物熔体内实施浸没燃烧工艺。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述浸没燃烧工艺包括由延伸穿过所述燃烧室的一个或多个侧壁的一个或多个燃烧喷枪注入另外的燃料和燃烧气体。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述燃烧喷枪与所述燃烧室的侧壁向下形成角度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述虹吸管所在位置的高度是能够调节的。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一燃烧气体为富氧空气，其包含至少25体积％的氧气。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以下步骤：将第二燃烧气体注入到所述矿物熔体上方，由此引发由所述颗粒状燃料的热解而产生的炭的燃烧。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第二燃烧气体为富氧空气，其包含至少25体积％的氧气。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使用离心纤维化装置实施形成所述MMVF的步骤。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述离心纤维化装置为纺丝杯。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述离心纤维化装置为级联纺丝机。
13.一种旋风炉，包括：
循环燃烧室；
一个或多个入口，用于将颗粒状燃料、颗粒状矿物材料和燃烧气体注入到所述燃烧室的上部区域以燃烧所述燃料，由此将所述颗粒状矿物材料熔融从而形成矿物熔体，所述矿物熔体收集在所述燃烧室的底部区域，其中所述燃烧室是一体形成的并且所述底部区域不是单独提供的；
浸没加热装置，用于在所述燃烧室的底部区域中直接加热收集的矿物熔体；以及
出口，用于从所述燃烧室中取出收集的矿物熔体，所述出口包括虹吸管。
14.根据权利要求13所述的旋风炉，其中用于直接加热收集的矿物熔体的浸没加热装置包括电极。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的旋风炉，其中用于直接加热收集的矿物熔体的所述浸没加热装置包括一个或多个燃烧喷枪，以用于实施所述矿物熔体中的浸没燃烧工艺。
16.根据权利要求15所述的旋风炉，其中所述一个或多个燃烧喷枪延伸穿过所述燃烧室的一个或多个侧壁。
17.根据权利要求16所述的旋风炉，其中所述燃烧喷枪从所述燃烧室的侧壁向下形成角度。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的旋风炉，其中所述虹吸管所在位置的高度是能够调节的。
19.根据权利要求13至17中任一项所述的旋风炉，其包括用于将废气从所述燃烧室中排出的废气出口，其中所述废气出口穿过所述燃烧室的顶部而形成。
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