CN107250065A - 制造矿物熔体的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制备矿物熔体的方法，该方法包括：提供循环燃烧室，该循环燃烧室包括上部区域、下部区域和基部区域；将主颗粒燃料和颗粒矿物材料和主燃烧气体喷射到所述循环燃烧室的上部区域中，从而至少部分地燃烧主颗粒燃料，并且从而使所述颗粒矿物材料熔融以形成矿物熔体并产生废气；通过至少一个第一燃烧器将二次燃烧气体和气体燃料和二次颗粒燃料喷射到所述循环燃烧室的下部区域中，其中经由单个第一燃烧器喷射所述二次燃烧气体和所述气体燃料和所述二次颗粒燃料，其中经由各个第一燃烧器喷射的二次燃烧气体的量不足以使通过该第一燃烧器喷射的气体燃料和二次颗粒燃料的总量进行化学计量燃烧，以及通过至少一个三次燃烧气体喷射器将三次燃烧气体喷射到所述循环燃烧室的下部区域中，由此所述三次燃烧气体能够完成所述气体燃料和所述二次颗粒燃料的燃烧，从所述热废气中分离所述矿物熔体，使得所述热废气通过所述循环燃烧室中的出口并且所述矿物熔体收集在所述基部区域中。本发明还涉及适合在该方法中使用的装置。

Description

制造矿物熔体的方法和装置
技术领域
本发明涉及矿物熔体的制造，通过在存在有无机颗粒材料的情况下燃烧可燃材料，从而形成熔体。然后，可以使该熔体纤维化以形成矿物纤维或者用于其他工业过程中。
背景技术
在申请人的早期专利申请公开WO2008/086991中公开了一种已知的用于制造矿物熔体的系统。该系统供应燃料和燃烧气体，并且在循环燃烧室中在存在有悬浮颗粒矿物材料的情况下燃烧悬浮燃料，该循环燃烧室是这样一种燃烧室，其中悬浮的颗粒材料和空气在旋风循环系统或类似于旋风循环系统的系统中循环。这通常被称为旋风炉。
燃料、燃烧气体和颗粒状矿物材料通过顶部或在燃烧室的顶部附近被引入。在燃烧室中，燃料发生燃烧并将颗粒材料转化成熔体。熔体和还未熔融的颗粒材料被循环气体甩到燃烧室壁上并沿燃烧室向下流动。
在该系统中，循环燃烧室包括上部区域、下部区域和基底区域，并且该方法包括：提供包括顶部、底部和基部的供循环燃烧室，将主燃料、颗粒矿物材料和主燃烧气体喷射到循环燃烧室的顶部并燃烧主燃料，从而使熔融颗粒材料以形成矿物熔体并产生废气，从废气中分离矿物熔体，其中废气通过循环燃烧室中的出口，并在循环燃烧室的基部收集矿物熔体，将二次燃料和二次燃烧气体喷射到循环燃烧室的底部，以在底部形成加热熔体的火焰，并且使所收集的熔体流通过基部的出口流动到离心纤维化装置，并形成纤维。
该专利申请公开还描述了在该方法中使用的装置，其包括循环燃烧室，该循环燃烧室包括大体上圆柱形的顶部、底部和基部，其中循环燃烧室包括在顶部用于主燃料、颗粒矿物材料和主燃烧气体的入口，在底部用于二次燃料和二次燃烧气体的入口，用于废气的出口，在基部中的出口和离心纤维化装置，其中基部中的出口通到离心纤维化装置。
该专利申请公开的方法包括在燃烧室的底部形成火焰。这是通过将二次燃料和二次燃烧气体喷射到底部中来实现的。在该底部中形成火焰是有利的，因为正是通过该机制可以控制熔体温度。提供二次燃烧气体还可以有助于主燃料的完全燃烧，特别是在其为进行两个阶段燃烧的固体颗粒燃料(例如煤)的情况中。在被称为热解的第一阶段中，挥发性化合物随着气体的快速发展而非常快速地燃烧。这样会产生富含碳的炭颗粒。第二阶段是炭颗粒的燃烧，它比第一阶段慢得多。通常，第二阶段花费的时间是第一阶段时间的10到100倍。因此，尽管当燃料颗粒进入燃烧室时燃烧的第一阶段几乎立即发生，但是第二阶段通常不会发生，除非燃料具有相当长的停留时间。
通常，一旦燃烧的初始阶段已经在燃烧室的上部区域中发生，则炭颗粒被甩到燃烧室的侧壁并且可能会结合到熔体中。在旋风炉优选用于产生矿物熔体以便随后形成矿物纤维的系统中，离开炉的熔体的质量是至关重要的。如果燃料不完全燃烧，而在熔体中留下一些炭，则熔体品质将降低并且可能包括气泡或其他不均匀性。
在WO2008/086991的系统中，通过将二次燃烧气体喷射到燃烧室的下部区域来解决熔体品质降低的问题，该熔体品质降低是由于燃烧室容积减小，因此停留时间缩短而导致的。这使得燃料的第二阶段的燃烧比通常在氧水平通常较低的区域中更快地发生。
二次燃料可以全是固体燃料(例如煤)，但优选还包括液体或气体燃料。据公开：可以经由氧-燃料燃烧器将二次燃烧气体和二次燃料一起引入，这对于液体或气体燃料是特别有用的。
也通常公开二次气体入口，例如，对于添加过量氧的情况。
据公开：二次燃料和二次燃烧气体的比例可以是亚化学计量比(二次燃烧气体不足以使二次燃料完全燃烧)、化学计量比(这是优选的)或超化学计量比(过量的二次燃烧气体)。据说这些选择中的第一种选择具有产生更广泛的火焰的效果，而据说最后一种选择具有有助于在需要时完成主燃料的燃烧的效果。
在循环燃烧室的底部内，矿物熔体沿着燃烧室壁流下，以被收集在基部中。在该区域中，熔体以薄膜形式存在于燃烧室的壁上，并且以浴的形式(其通常较浅)存在于基部中。因此，在该区域中施加辐射热是特别有效的，因为其能够容易地穿透全部熔体。因此，在该区域中使用火焰对于均匀地加热熔体是特别有效的。使用火焰还可以快速且精确地加热熔体，使得通过改变二次燃料和二次燃烧气体的流速，可以将熔体温度保持在精确的范围内。
然而，尽管该系统具有许多优点，但仍然有改进的余地，特别是在能量效率以及在燃烧室的下部区域中提供稳定的火焰方面。
本发明涉及使用熔融旋风炉系统来提高已知的制造矿物纤维的方法的能量效率和工艺稳定性。
发明内容
根据第一方面，本发明提供了一种制造矿物熔体的方法，该方法包括：
提供循环燃烧室，该循环燃烧室包括上部区域、下部区域和基部区域，
将主颗粒燃料和颗粒矿物材料和主燃烧气体喷射到所述循环燃烧室的所述上部区域中，从而至少部分地燃烧主颗粒燃料，并且从而使所述颗粒矿物材料熔融以形成矿物熔体并产生废气，
通过至少一个第一燃烧器将二次燃烧气体和气体燃料和二次颗粒燃料喷射到所述循环燃烧室的下部区域中，其中通过单个第一燃烧器喷射所述二次燃烧气体和所述气体燃料和所述二次颗粒燃料，
其中经由各第一燃烧器喷射的二次燃烧气体的量不足以使通过该第一燃烧器喷射的气体燃料和二次颗粒燃料的总量进行化学计量燃烧，以及
通过至少一个三次燃烧气体喷射器将三次燃烧气体喷射到所述循环燃烧室的下部区域中，由此所述三次燃烧气体能够完成所述气体燃料和所述二次颗粒燃料的燃烧，
从所述热废气中分离所述矿物熔体，使得所述热废气通过所述循环燃烧室中的出口并且所述矿物熔体收集在所述基部区域中。
根据第二方面，本发明提供根据本发明的第一方面的用于制造矿物熔体的装置，包括循环燃烧室，该循环燃烧室包括圆柱形顶部、底部和基部，其中所述循环燃烧室包括：
在所述顶部用于主颗粒燃料、颗粒矿物材料和主燃烧气体的入口，
在所述底部用于喷射二次颗粒燃料、气体燃料和二次燃烧气体的至少一个双氧-燃料燃烧器，
在所述底部用于喷射三次燃烧气体的至少一个三次燃烧气体喷射器，
用于废气的出口和
在所述基部用于使矿物熔体释放的出口。
本发明中的循环燃烧室是经常被称为旋风炉的类型。它具有顶部(上部)、底部(下部)和基部。在燃烧室的使用期间，燃烧室包括上部区域、下部区域和基部区域。上部区域是发生热解(主颗粒燃料的初始燃烧阶段)的地方。这大致对应于燃烧室的圆柱形顶部。下部区域是发生炭燃烧的区域。因此，下部区域通常对应于燃烧室的截头圆锥形底部，特别是该部分中的燃烧室的表面。
该方法以及适合于实施该方法的相关装置均需要特定的特征组合并具有许多优点。
在下部区域中提供二次燃烧具有可以控制所形成的熔体的温度和质量的优点。在下部区域中提供二次燃烧还允许能够确保主颗粒燃料的充分燃烧。
在WO2008/086991中公开的情况下，并且最直接地在实践中，二次燃料仅为气体(例如天然气)，则直接通过单个氧-燃料燃烧器来供应该气体和二次燃烧气体。在本发明中，与使用气体燃料作为唯一燃料相比，通过与二次燃烧气体和气体燃料(称为双氧-燃料燃烧器)相同的燃烧器将二次颗粒燃料包括在内，节约了成本和能量效率。
这本身已经发现会导致这样的困难：如果通过该双氧-燃料燃烧器供应的二次燃烧空气的量相对于通过该燃烧器供给的总燃料而言是化学计量所需的量，则产生的火焰不够稳定。
本发明人发现，二次燃烧气体与通过双氧燃料燃烧器供应的总燃料的亚化学计量比，特别是二次燃烧气体的量(其限于仅气体燃料的化学计量燃烧所需的量)的慎重致使提供了特别稳定的火焰。
因此，本发明需要与各个第一燃烧器相关联的三次燃烧气体喷射器，该三次燃烧气体喷射器提供足够的三次燃烧气体，以允许二次颗粒燃料和气体燃料的完全燃烧并且优选地允许主颗粒燃料的完全燃烧，其将在实践中进行热解以在燃烧室的上部区域中形成炭。在实践中，通过第一燃烧器供应的气体燃料将与二次燃烧气体一起快速燃烧，并且二次颗粒燃料将被预热并且可能开始燃烧，但是不会进行完全燃烧，直到该二次颗粒燃料与三次燃烧气体接触。
上述方法令人惊奇地获得了能量效率，特别是与其中通过单独的燃烧器或入口来分别供给二次颗粒燃料与气体燃料的方法相比。
此外，即使当使用低成本且易于获得的诸如煤和炭之类的燃料(相对于使用天然气作为二次燃料的方法)时，本发明的方法也能够维持能量使用和效率。此外，相对于仅使用天然气作为燃料的方法而言，已经意外地发现本发明的方法不会导致CO的排放增加。相对于使用天然气作为燃料的等效方法，在本发明的方法中还可以降低冷却水损失。因此，本发明允许有效地且环境上可接受地使用颗粒燃料(例如炭细粉和粉末状的或粉碎的煤)，该颗粒燃料通常难以融入具有适当水平的能量效率的熔化过程中。
发明详述
本发明中的循环燃烧室是通常被称为旋风炉的类型。其具有顶部(上部)、底部(下部)和基部。合适的旋风炉的结构在各个专利中有所描述，包括US 3,855,951、4,135,904、4,553,997、4,544,394、4,957,527、5,114,122和5,494,863以及上述讨论的WO2008/086991。
燃烧室通常是竖直倾斜的，而不是水平倾斜的。其通常具有圆柱形的顶部，截头圆锥形的底部和基部，但是也可以完全是圆柱形。基部优选是燃烧室的一体部分，也可以仅仅是截头圆锥形底部的端部或者是处于底部端部的圆柱形部分。
与通常在大容积燃烧室的基部采用槽的传统系统不同的是，基部的内径不大于顶部的内径。
本发明的优点，特别是在使用富氧空气或纯氧作为主燃烧气体的实施方案中的优点是，可以使用紧凑的燃烧室。因此，在本发明中优选的是，燃烧室是整体式燃烧室。整体式燃烧室是指，燃烧室不是由可以彼此分离的不同部件组成。与现有技术系统相比，能够使用紧凑炉的能力可使能量从炉的表面积损失最小化。
燃烧室的容积优选小于约25m3。取决于旋风炉的容量，燃烧室的容积通常小于约20m3或15m3，甚至小于10m3。
在燃烧室的使用期间，燃烧室包括上部区域、下部区域和基部区域。
上部区域是发生热解的地方，即主颗粒燃料燃烧的初始阶段。上部区域大致对应于燃烧室的圆柱形顶部。主颗粒燃料以及优选地还有颗粒状矿物材料和主燃烧气体被喷射到上部区域中。该上部区域还包括热气体通过的出口。
在上部区域中燃料的热解产生炭(富碳材料)。炭颗粒通常被循环气体甩向燃烧室的表面，并且随着熔体在重力的作用下沿燃烧室的表面流下。
下部区域是发生炭燃烧的区域。因此，下部区域通常对应于燃烧室的截头圆锥形底部，特别是该底部中燃烧室的表面。炭颗粒也可以存在于燃烧室的顶部中的熔体的表面上，以及漂浮在基部区域中的熔体池的水平表面上。
因此，上部区域通常遍及燃烧室的顶部的大部分，而下部区域遍及底部的大部分，特别是燃烧室的底部的表面，下部区域也可以在一定程度上延伸到燃烧室顶部的表面。
通常，即使将过量的氧添加到上部区域中，但在这种循环燃烧室的下部区域中的氧含量也较低，该循环燃烧室把气体分离在顶部并且把熔体分离在底部。因此，传统系统中的炭需要长的停留时间以在该区域燃烧。在本发明中，喷射到下部区域的二次和三次燃烧气体将帮助燃烧的第二阶段，即炭颗粒的燃烧。因此，在本发明的方法中，燃料在下部区域发生完全燃烧。
主颗粒燃料可以是液体或固体形式。在主燃料是液体的情况下，其使用形式是液滴，即液体燃料的颗粒。在该实施方案中，燃料可以是油颗粒或其他碳基液体。
然而，本发明中的主颗粒燃料优选是固体。其通常是含碳材料，并且可以是具有合适热值的任何含碳颗粒材料。该热值可以相对较低，例如低至10000kJ/kg或甚至低至5000kJ/kg。因此，其例如可以是干燥过的污泥或纸废料。优选地，其具有较高的热值，并且可以是来自铝工业的废电解槽内衬(spent pot liner)，含有诸如尾煤之类的废料的煤或粉煤。
在优选的实施方案中，主燃料是粉煤，并且可以是煤精粉，但是优选一些煤，通常为至少50％，优选为至少80％以及通常是所有的煤通过研磨块煤而制成的，例如使用球磨机。无论是最初是以精粉形式供给还是以块煤形式供给，煤可以是优质煤，或者可以是含有高无机物含量的废煤，例如含5％至50％的无机物，余量为碳。优选地，煤主要是或完全是优质煤，例如烟煤或亚烟煤(ASTM D388 1984)，且包含促进点燃的挥发物。
主燃料颗粒的粒径范围优选为50μm至1000μm，优选为大约50μm至200μm。通常，至少90％(按重量计)的颗粒处于该范围内。通常，平均来说平均粒径为大约70μm，90％的粒径低于100μm。
可以以常规的方式通过供给管将主颗粒燃料供给到燃烧室中，以获得燃料颗粒流。这通常涉及使用载气，燃料颗粒悬浮在载气中。载气可以是空气、富氧空气或纯氧，优选是在环境温度下以避免逆燃，或者载气可以是活性较低的气体(如氮气)。供给管优选为圆柱形。
优选地，顶部包括：用于主颗粒燃料的至少两个(例如两个或四个)入口，以及用于主燃烧气体的至少两个(例如两个或四个)入口。
主燃烧气体被引入燃烧室的顶部，并且可以处于环境温度下或者可以被预热。当气体被加热时，主燃烧气体被预热到的最高期望温度为约600℃，优选的预热温度为在300℃和600℃之间，最优选为约500℃至550℃。主燃烧气体可以是主颗粒燃料能在其中燃烧的任何气体，例如空气、富氧空气或纯氧。主燃烧气体还可以包括丙烷或甲烷。
在优选的实施方案中，主燃烧气体含有至少25％的氧。主燃烧气体优选的是包含至少30％，优选至少50％的富氧空气。主燃烧气体可以为至少70体积％的氧，甚至为纯氧。富氧空气可以包括少量的通常空气中不存在的气体。
当使用纯氧时，其优选的是处于环境温度，而不是被预热。在主燃烧气体是富氧空气或纯氧的实施方案中，所使用的主燃烧气体的总体积可以远小于在仅使用空气作为主燃烧气体的情况，因为仅使用氧来用于燃烧。因此，通过使用富氧空气或纯氧可以显著的节能，因为较少体积的燃烧气体需要更少的能量来加热。使用富氧空气或纯氧也意味着循环燃烧室可以比使用空气时更小。这样也可以节能。
主燃烧气体可以通过供给管与悬浮于主燃烧气体中的主颗粒燃料一起被引入，特别是当主燃烧气体处于相对低的温度时。燃料在进入燃烧室内之前不应该在燃料管中开始燃烧(一种称为“逆燃”的现象)，所以在本实施方案中需要低的气体温度。然而，优选地通过一个或多个燃烧气体入口分别引入主燃烧气体，该燃烧气体入口可以位于主颗粒燃料供给管附近，使得燃烧气体被引导到在与燃料相同的区域的燃烧室中，从而进行有效的混合。在最优选的实施方案中，主燃烧气体入口同心地围绕主颗粒燃料供给管。
无论它们是否一起引入，主燃烧气体和主颗粒燃料被喷射到燃烧室中的速度都相对较低(优选地在1m/s和50m/s之间)，以便使装置的磨损最小化。当主颗粒燃料悬浮在主燃烧气体中时，速度优选为5m/s至40m/s。当优选地分别引入主燃烧气体和主颗粒燃料时，燃料的喷射速度优选为20m/s至40m/s。
期望的是确保主颗粒燃料与主燃烧气体快速且充分地混合，因为这确保燃料被快速点燃，使得燃料可以在引入燃烧室后就几乎立即进行热解。充分地混合还确保主燃料颗粒在主燃烧气体中的停留时间更加均匀，从而获得更有效的燃料燃烧。
为了帮助确保快速且充分地混合，在本发明的一个实施方案中，可以在上部区域中引入附加的气体，该附加的气体的速度比主燃烧气体和主颗粒燃料的速度更快，并且由于速度差，导致燃料颗粒流的湍流，从而使燃料颗粒流分散并确保快速混合。这种系统的细节在申请人的早期专利申请公开WO2008/086991中进行了描述，并且在适用的情况下，其可以并入本发明的方法和装置中。
颗粒状矿物材料是适合于制造矿物纤维的任意材料，该矿物纤维可以是玻璃纤维或岩石纤维或矿渣纤维。该玻璃纤维就氧化物重量而言的典型化学分析为：10％以上的Na2O+K2O，3％以下FeO形式的铁，20％以下的CaO+MgO，50％以上的SiO2和5％以下的Al2O3。岩石纤维、石头纤维或矿渣纤维就氧化物重量而言的典型化学分析为：10％以下的Na2O+K2O，20％以上的CaO+MgO，3％以上的FeO形式的铁，50％以下的SiO2和通常10％以上的Al2O3。矿物材料可以是废料，例如已经使用过或者在使用之前被其他处理过程拒收的矿物纤维。
将在燃烧室中熔融以产生矿物熔体的颗粒矿物材料引入燃烧室的上部，使得颗粒矿物材料悬浮在燃烧室中的气体中。添加颗粒状矿物材料的位置不是关键的，并且颗粒状矿物材料可以与燃料混合并通过燃料供给管喷入。然而，优选地是将颗粒矿物材料添加到正在燃烧的主颗粒燃料中。这可以通过以常规方式从入口将颗粒矿物材料添加到燃烧室中来实现，例如从燃烧室的顶部或其附近的入口。
将主颗粒燃料和颗粒矿物材料和主燃烧气体喷射到燃烧室的通常为圆柱形的顶部中。该燃烧室具有出口，其中热废气可以从该出口排出燃烧室。该出口优选在顶部，虽然也可以在底部。在顶部，主颗粒燃料在燃烧气体中燃烧并使颗粒矿物材料熔融。然后，通过循环气流的作用将矿物熔体甩到燃烧室的侧壁上，矿物熔体由于重力沿燃烧室的侧壁流下，并被收集在燃烧室的基部中。该基部具有用于矿物熔体的出口，熔体以熔体流的形式从该出口流出，然后以任意常规的方式进行纤维化，例如使用级联离心器或离心杯或任意其他常规的离心纤维化方法。
优选的是，在用于矿物熔体的出口离开燃烧室的基部的位置处，该出口不是立即向下延伸，相反地，该出口是虹吸管。“虹吸管”是指，通常为管或排放槽形式的出口先是相对于燃烧室开口具有向上的定向，随后在通向纤维化装置之前具有向下的定向。
如同使用虹吸管时通常的情况那样，结果是，为了使熔体离开燃烧室，燃烧室内的熔体池必须足够深以到达虹吸管出口在竖直方向上的最高点。当这种情况发生时，重力会使熔体向上通过虹吸管的向上定向的部分，随后沿虹吸管的后续部分向下流到纤维化装置。因此，这样就在系统中产生气闸，从而确保废气不会从燃烧室的基部逸出。
使用虹吸管可以改进熔体品质。这是由于，作为在燃烧室内未完全燃烧的燃料颗粒的炭颗粒可能会在熔体池的顶部聚集并在漂浮在此。利用虹吸管防止了这些炭颗粒随熔体一起排出燃烧室。
与没有使用虹吸管相比，通过使炭颗粒能在在熔体上聚集，增加了炭颗粒在燃烧室中的停留时间。因此，炭颗粒可以在基部区域完全燃烧，以实现燃料的完全燃尽。这样确保了该方法的能量效率最优化。
通过将二次燃烧气体添加到循环燃烧室的底部(见下文)，增强了漂浮在熔体上的炭颗粒在基部中的烧尽。
循环燃烧室中的气体和悬浮的颗粒材料的通常运动是气旋运动。这是通过以适当的角度引入主燃烧气体以及颗粒燃料和矿物材料来形成的，从而维持涡旋运动。优选地还将全部喷入下部区域中的二次和三次燃烧气体和燃料以相同的定向动量引入，从而维持循环气流。
在通常为截头圆锥形状的循环燃烧室的下部区域中，经由至少一个第一燃烧器喷射二次颗粒燃料和气体燃料和二次燃烧气体。在本发明中，必须存在至少一个第一燃烧器，通过该第一燃烧器将二次颗粒燃料、气体燃料和二次燃烧气体一起注入。这种第一燃烧器通常称为双氧-燃料燃烧器。
下部区域可以包括多于一个这样的第一燃烧器，在特别优选的实施方案中包括一个或两个第一燃烧器。
通过下部区域中的至少一个第一燃烧器引入的燃料包括气体燃料，并且特别地可以包括任何高度易燃的气体。优选地，气体燃料选自由丙烷、甲烷和天然气所构成的组中，并且最优选为天然气。
二次颗粒燃料可以(例如)选自固体燃料(如煤或炭)，或液体燃料(如油滴)。
在优选的实施方案中，二次颗粒燃料包含高达100％的固体燃料。该固体燃料可以是任意含碳材料，其具有如上谈到主颗粒燃料所述的合适热值，但是如同主颗粒燃料一样，优选为煤。
该实施方案具有经济的优点，因为煤比诸如天然气之类的气体燃料更为便宜。此外已经发现，使用诸如煤之类的固体燃料可减少NOx的形成。这可能是由于煤在燃烧室的下部区域创造了还原条件。
或者，二次颗粒燃料可以包括焦炭精粉，和/或上面讨论的用作主颗粒燃料的任何类型的颗粒燃料。可以使用不同类型的二次颗粒燃料的组合。
本发明的优点在于，尽管二次颗粒燃料可以具有上述关于主颗粒燃料的尺寸特征，但是其不必具有这样小的颗粒尺寸。例如，可以使用粉碎的或颗粒状固体颗粒材料而不是粉状固体燃料。例如，固体二次燃料可以由这样的颗粒而形成，所述颗粒具有至少50％高于100微米或至少50％高于150微米，优选至少80％在1至7mm范围内，更优选至少80％在3至5mm的范围内的尺寸(粒径，通过筛分确定)。提供这种尺寸的颗粒而不是上述较小尺寸的颗粒是更节能和更具成本效益的。
在最优选的实施方案中，通过各个第一燃烧器供应的燃料包括至少50％，优选70％至90％的固体颗粒二次燃料(例如煤)，通过下部区域中的各个第一燃烧器供应的燃料的其余部分是气体燃料(例如天然气)。
二次颗粒燃料和气体燃料一起通常以比主颗粒燃料更低的量存在，并且构成总燃料能量的不足40％，通常为15％至30％。
二次燃烧气体可以处于环境温度或被预热，并且优选地包括比空气更高的氧含量，例如超过25％的氧。二次燃烧气体通常是富氧空气或纯氧。当二次燃烧气体是富氧空气时，其优选包含至少30体积％，优选至少35体积％，更优选至少50体积％，最优选至少70体积％，或者甚至至少90体积％的氧。只要总的氧含量超过空气中的氧含量(空气中氧含量为约21体积％)，富氧空气还包括存在于空气中的其他气体，例如氮气，以及可以包含通常不存在于空气中的气体，例如惰性气体或易燃气体(如丙烷或丁烷)。
在最优选的实施方案中，二次燃烧气体是纯氧。“纯氧”是指利用(例如)真空变压吸附技术(VPSA)获得的纯度为92％以上的氧，或者可以是利用蒸馏法获得的纯度几乎为100％的氧。
在另一个实施方案中，为了优化与空气相比使用氧导致成本增加相关的节能，二次燃烧气体包含30％至50％的氧。
通过单个第一燃烧器将二次燃烧气体和二次颗粒燃料引入下部区域，以在底部形成火焰。该燃烧器入口位于循环燃烧室的底部的最下面的半部分，优选地位于下部区域的底部，靠近基部，使得产生的火焰可以有效地加热熔体。优选地，二次燃烧气体、气体燃料和二次燃料的流量是可调节的，因此可以根据需要改变熔体温度。
按比例将二次颗粒燃料和气体燃料和二次燃烧气体引入，使得二次燃烧气体中的氧不足以使二次颗粒燃料进行完全燃烧。优选地，将存在足够的燃烧气体以使得气体燃料能够进行完全燃烧。在实践中，气体燃料将在给定燃烧气体的量的程度下迅速点燃并燃烧，优选完全燃烧。优选地，二次燃烧气体的量在气体燃料的化学计量燃烧所需的量的95％至110％的范围内，更优选在100％至105％的范围内。
然而，二次颗粒燃料点燃更慢，然后由于通过相关的第一燃烧器喷射的亚化学计量的燃烧空气，该二次颗粒燃料将不完全燃烧。例如，可以是能够使二次颗粒燃料进行完全燃烧所需的二次燃烧气体中的氧的量的0至15％，优选小于10％，更优选小于5％。这意味着火焰倾向于延及宽的区域。
通常，燃烧室的底部的气氛中具有一些氧，但是含氧较低。因此，和氧含量更高时相比，火焰在底部上蔓延地更加宽。在这种情况下，形成了大的火焰，从而能够有效地加热更大面积的熔体。
本发明人发现，如果不采取这种方法，并且使用第一燃烧器来提供足够的用于燃烧二次颗粒燃料的燃烧空气，则存在火焰不够稳定的趋势，特别是相对于由仅使用气体燃料的氧-燃料燃烧器产生的火焰。通过使用通过第一燃烧器的亚化学计量的燃烧空气并提供与各个第一燃烧器相关联的三次燃烧气体喷射器来缓解这个问题。
在本发明中，重要的是在下部区域设置三次燃烧气体喷射器，其供应足够的三次燃烧气体以使得二次颗粒燃料完全燃烧。
在实践中，各个第一燃烧器通常与三次燃烧气体喷射器相关联。相对于第一燃烧器，将该相关联的三次气体喷射器定位在由第一燃烧器产生的火焰的下游(在燃烧室中的循环运动的方向上)，从而将三次燃烧气体引导到火焰的燃烧方向中的火焰中。
当使用的主要颗粒燃料是在两个阶段中燃烧的一种(例如煤)时，有利的是以这样的量引入三次燃烧气体，该量使得在二次燃烧气体和三次燃烧气体中存在足够的使二次颗粒燃料和气体燃料进行完全燃烧的总氧。有利的是，氧的量为至少为将会使二次颗粒燃料和气体燃料完全燃烧所需的量，优选为能够完成来自主颗粒燃料的炭的燃烧的量。因此，三次燃烧气体中的氧的量在二次颗粒燃料的化学计量燃烧所需的量的95％至110％的范围内，更优选在100％至105％的范围内。当三次燃烧气体的量提供少于二次颗粒燃料的化学计量燃烧所需的氧的量的100％时，所需氧的其余部分通常设置在二次燃烧气体中，使得二次颗粒燃料进行完全燃烧。
燃烧室优选包括一个或两个第一燃烧器/三次燃烧空气喷射器对，该第一燃烧器的数目与三次燃烧空气喷射器的数目相同。
三次燃烧气体喷射器可以是喷枪或另外的燃烧器，在喷枪的情况下，该三次燃烧气体喷射器仅喷射燃烧气体，在另外的燃烧器情况下，该三次燃烧气体喷射器也喷射额外的燃料。喷枪是优选的。
三次燃烧气体可以处于环境温度或被预热，并且优选地包括比空气更高的氧含量，例如超过25％的氧。三次燃烧气体通常是富氧空气或纯氧。当三次燃烧气体是富氧空气时，其优选包含至少30体积％，优选至少35体积％，更优选至少50体积％，最优选至少70体积％，或者甚至至少90体积％的氧。只要总的氧含量超过空气中的氧含量(空气中氧含量为约21体积％)，富氧空气还包括存在于空气中的其他气体，例如氮气，以及可以包含通常不存在于空气中的气体，例如惰性气体或易燃气体(如丙烷或丁烷)。
在最优选的实施方案中，三次燃烧气体是纯氧。“纯氧”是指利用(例如)真空变压吸附技术(VPSA)获得的纯度为92％以上的氧，或者可以是利用蒸馏法获得的纯度几乎为100％的氧。
除了第一燃烧器之外，可以包括一个或多个第二燃烧器，通过第二燃烧器喷射气体燃料和另外的二次燃烧气体。这些第二燃烧器(如果存在)不需要与三次燃烧气体喷射器相关联。
附图说明
图1是适合于在本发明中使用的装置的垂直截面的示意图。
图2是适合于在本发明中使用的装置的底部(下部区域)的示意性俯视截面图。
具体实施方式
图1示出了循环燃烧室1，该循环燃烧室包括顶部2、底部3和基部4。主颗粒燃料和颗粒矿物材料通过入口5引入，而主燃烧气体通过同心包围入口5的入口6引入。主颗粒燃料被点燃，并在上部2中燃烧，然后在作为熔体池7的基部4中收集。热废气通过位于燃烧室顶部的烟气出口8。
二次颗粒燃料和气体燃料以及二次燃烧气体通过双氧-燃料燃烧器9喷射，并在底部区域3中形成火焰，用于加热熔体池7。
三次燃烧气体通过底部区域3中的燃烧气体喷枪10引入，这有助于由各个双氧-燃料燃烧器产生的火焰的稳定化，并且还有助于燃料在该区域烧尽。
熔体流过虹吸管11到达纤维化设备12，并在此形成纤维。
如图2所示，通过双氧-燃料燃烧器9引入气体燃料(例如天然气)和二次颗粒燃料(例如颗粒煤)，通过入口13供应气体燃料，并且通过入口14供应二次颗粒燃料。经由相同的双氧-燃料燃烧器9，通过入口15供应燃烧气体(例如氧)，并且该燃烧气体仅足以化学计量燃烧气体燃料。
双氧-燃料燃烧器产生火焰16。该双氧-燃料燃烧器具有燃烧气体燃料的第一燃烧区域17。
相关联的三次燃烧气体喷射器是气体(例如氧)喷枪10。在燃烧室内的循环运动的方向A中，用于三次燃烧气体的入口在双氧-燃料燃烧器9的入口的下游。这允许第二燃烧区域18中的二次颗粒燃料的燃烧，其还允许完成主颗粒燃料的燃烧。

Claims (17)

1.一种制造矿物熔体的方法，所述方法包括：
提供循环燃烧室，其中悬浮的颗粒材料和气体在这样的系统中循环，该系统为旋风循环系统或接近旋风循环系统，所述循环燃烧室包括上部区域、下部区域和基部区域，
将主颗粒燃料和颗粒矿物材料和主燃烧气体喷射到所述循环燃烧室的所述上部区域中，从而至少部分地燃烧主颗粒燃料，并且从而使所述颗粒矿物材料熔融以形成矿物熔体并产生废气，
通过至少一个第一燃烧器将二次燃烧气体和气体燃料和二次颗粒燃料喷射到所述循环燃烧室的下部区域中，其中经由单个第一燃烧器喷射所述二次燃烧气体和所述气体燃料和所述二次颗粒燃料，
其中经由各个第一燃烧器喷射的二次燃烧气体的量不足以使经由该第一燃烧器喷射的气体燃料和二次颗粒燃料的总量进行化学计量燃烧，以及
通过至少一个三次燃烧气体喷射器将三次燃烧气体喷射到所述循环燃烧室的下部区域中，由此所述三次燃烧气体能够完成所述气体燃料和所述二次颗粒燃料的燃烧，
从所述热废气中分离所述矿物熔体，使得所述热废气通过所述循环燃烧室中的出口并且所述矿物熔体收集在所述基部区域中。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括通过使所收集的矿物熔体通过所述基部区域中的出口流动到离心纤维化装置并形成纤维，从而由所述矿物熔体制造矿物纤维的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述二次燃烧气体和/或三次燃烧气体为富氧空气，该富氧空气包含至少30体积％，优选至少35体积％，更优选至少50体积％的氧。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述二次燃烧气体和/或三次燃烧气体为含有至少70体积％的氧的富氧空气。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述二次燃烧气体和/或三次燃烧气体是纯氧。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述三次燃烧气体喷射器是燃烧器或喷枪。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中各个第一燃烧器设置有三次燃烧气体喷射器。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述二次颗粒燃料是固体。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述二次颗粒燃料是粉煤。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述二次颗粒燃料是炭细粉。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中至少50重量％的所述颗粒燃料颗粒的尺寸为至少100微米。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中经由各个第一燃烧器喷射的二次燃烧气体的量在足以使通过所述第一燃烧器喷射的所述气体燃料进行化学计量燃烧的量的95％至110％的范围内。
13.根据权利要求12所述的方法，其中经由各个第一燃烧器喷射的二次燃烧气体的量在足以使通过所述第一燃烧器喷射的所述气体燃料进行化学计量燃烧的量的100％至105％的范围内。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中经由各个三次燃烧气体喷射器喷射的三次燃烧气体的量为足以使通过相关联的第一燃烧器喷射的所述二次颗粒燃料进行化学计量燃烧的量的至少95％。
15.根据权利要求14所述的方法，经由各个三次燃烧气体喷射器喷射的三次燃烧气体的量在足以使通过相关联的第一燃烧器喷射的所述二次颗粒燃料进行化学计量燃烧的量的100％至105％的范围内。
16.根据权利要求14的方法，其中主燃烧气体和三次燃烧气体的总量在足以使所述主颗粒燃料、所述气体燃料和所述二次颗粒燃料进行化学计量燃烧的量的100％至105％的范围内。
17.一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的矿物熔体的装置，包括：
循环燃烧室，其布置成使得悬浮的颗粒材料和气体在这样的系统中循环，该系统为旋风循环系统或接近旋风循环系统，所述循环燃烧室包括圆柱形顶部、底部和基部，其中所述循环燃烧室包括：
在所述顶部中用于主颗粒燃料、颗粒矿物材料和主燃烧气体的入口，
在所述底部中用于喷射二次颗粒燃料、气体燃料和二次燃烧气体的至少一个双氧-燃料燃烧器，
在所述底部中用于喷射三次燃烧气体的至少一个三次燃烧气体喷射器，
用于废气的出口，和
在所述基部中用于使矿物熔体释放的出口。
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