CN109437515B - 一种调控玻璃熔体表面上的泡沫位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于调控玻璃熔体表面上的泡沫位置的方法：在玻璃熔体表面上选取若干预定监测点；监控所述预定监测点处是否存在泡沫；根据泡沫位置调节玻璃窑炉中加入的第一燃料和第二燃料的比例；其中，第一燃料为气体燃料，第二燃料的碳元素含量高于第一燃料的碳元素含量。本发明提供的方法能调节玻璃熔体表面上的泡沫位置，特别是能数字化地进行泡界线位置的调控。通过监测玻璃熔体表面上的泡沫沿玻璃液流动方向的延伸状况，调节两种燃料的比例，以控制泡界线位置；通过泡沫位置传感器，分级地给出调节燃料比例信号，控制泡界线的移动。

Description

一种调控玻璃熔体表面上的泡沫位置的方法

技术领域

本发明涉及一种调控玻璃熔体表面上的泡沫位置的方法，具体来说，涉及一种用于玻璃窑炉内玻璃熔体液面上的泡沫位置监控和调节方法，特别是使用含硫热源或含硫配方的玻璃熔制过程中玻璃熔体液面上的泡沫位置的调控。

背景技术

在玻璃生产过程中，由于硅砂、硫酸盐、碳酸盐等原料在高温分解、熔化过程中会释放SO₂、H₂O、CO₂等气体大量气体，还有一些气体，是通过配合料自然携带或由燃烧热源如含硫的石油焦或煤粉引入熔融玻璃的。多数气体在最初的熔融相中就已经逸出，但也有一些被裹在熔体里形成分散的气体掺杂物，就是所谓的气泡或灰泡。在熔融操作阶段就是所谓“澄清”或“精炼”阶段给予足够的时间，这些气体掺杂物就会升到表面并从熔体中逸出。气泡上升至玻璃液表面后大量停滞在玻璃液表面，外观表现为泡沫层。普通玻璃窑炉的泡沫层覆盖了玻璃窑炉熔化区三分之一左右的面积，其泡层厚度约为10mm-100mm。

泡沫的存在可以阻止热量从玻璃熔炉的热源传递到初始原材料和/或存在于泡沫下面的熔融材料。在常规系统中，热源通常因此必须提供额外的热量以补偿泡沫的隔热效果。泡沫的存在会增加玻璃熔炉的操作成本，影响着玻璃产品的合格率。在有火焰加热的玻璃窑炉中，泡沫会反射大量热量，造成热量浪费的同时也会加速熔窑耐火材料侵蚀，影响窑炉的使用寿命和/或增加特定废气(例如NOx气体和有毒金属氧化物气体)的产生。当以大规模和高产量从玻璃熔体制造玻璃产品的某些条件下，例如原材料粒度水分的变化或者窑炉温度制度变化时，玻璃熔体上的泡沫层会变得很厚，会拖得很长，对生产造成很大危害。无论使用氧气烧嘴还是空气烧嘴，都要求抑制或消除玻璃熔体上的泡沫层。

鉴于上述情况，减少玻璃熔炉中的泡沫可以提高能量的利用效率。据估计，在美国燃烧加热的玻璃熔炉中去除大约一半泡沫的累积影响可能导致每年节能高达12至14万亿BTU。最初的全氧玻璃窑炉没有相对有效的装置来除气泡，主要根据玻璃气泡的浮力作用到玻璃表面，自然除去。在产品形成过程中，大部分的泡沫在玻璃液表面突破表面张力而破裂逸出，但仍然存在有少量泡沫，因无法突破玻璃张力而伴随生产流形成开口泡和长形气泡欠点。因此，整个玻璃的质量就会逊色很多，高质量的玻璃始终难以成型。

一般通过添加消泡剂引起泡沫表面聚合和/或打断泡沫薄膜的表面张力使它们破裂，目前最常用的消泡剂是碱金属化合物或含有钛或铝或铈等金属的化合物。或者设置鼓泡器，通过气体搅拌加速玻璃液的澄清与均化，并将熔化区分成两个单独的循环区域，形成两个反方向流动的“环流”，前面的环流有着阻挡玻璃液回流的作用，后边的环流迫使配合料较长时间滞留在熔化区域中，进行充分熔化，鼓泡器一般置于泡界线的下游有助于稳定或控制泡沫位置，从而提高玻璃的熔化质量。

综上所述，在玻璃窑炉中，泡界线稳应是玻璃熔化控制的根本，料山线和泡界线的波动成为影响整体熔化工艺稳定的关键要因。玻璃熔化过程中的理想状态就是控制泡界线稳定且不能超过热点，否则玻璃质量就会出现严重恶化。泡界线越稳定、越清晰，玻璃质量就越好，工艺带就越宽，能够经得起较大的波动，但同时所需控制措施或能耗就越多。

从中国实用新型专利CN204369749U获知，一种全氧玻璃窑炉除气泡装置，包括：抽液装置、加压罐、压缩空气供气管路与喷枪；所述抽液装置通过管道与所述加压罐连接，所述加压罐通过管路与所述喷枪连接；所述压缩空气供气管路设置两路，一路与所述加压罐连接，另一路连接所述喷枪。可将雾化的消泡燃烧液输送至窑炉内燃烧，使窑炉的气压产生变化，破坏玻璃液表面的应力，使玻璃液表面的泡沫自动破裂，达到清除玻璃表面泡沫层的目的，大大提高了玻璃的质量。

中国发明专利CN101437764B提供了一种高效地除去残存于熔融玻璃表面的气泡的方法、除泡装置及使用上述除泡方法的玻璃的制造方法，以规定的角度对熔融玻璃表面的浮游气泡照射至少1束激光束，解决玻璃基板制造时残存于熔融玻璃表面的气泡在成形时被卷入内部后成为内部气泡的问题，可提供品质良好的玻璃基板，并且可提高玻璃基板的生产性。

美国专利申请US6795484B1公开了一种用于减少或去除存在于玻璃熔炉中的泡沫的方法，其包括将从至少一个超声能量源发出的超声能量提供给位于玻璃熔炉中的熔融材料表面上方的泡沫，超声能有效地减少或去除至少一部分泡沫。

中国发明专利CN1007059B中给出了一种用于真空澄清玻璃料的泡沫控制方法，在真空澄清熔融玻璃或类似物工艺中，采用在泡沫上施加泡沫破裂物质的方法加速泡沫的破灭。该泡沫破裂物质包括水、碱金属化合物如氢氧化钠或碳酸钠以及这些化合物的溶液。中国发明专利CN1177771C公开了一种用于玻璃熔制的方法，将熔制玻璃原料输入玻璃熔炉制得玻璃熔体，向玻璃熔体上形成的泡沫层提供至少一种金属化合物以减少或消除泡沫层，所述金属化合物是至少一种选自铝、钛、硅、锌、镁、铁、铬、钴、铈或钙的这些金属的化合物。

中国发明专利CN100337949C提出了一种用于可玻璃化物质熔化与澄清的方法，可玻璃化物质熔化所需要的全部或部分热能由一种或多种化石燃料与至少一种助燃剂气体燃烧提供，将所述的燃料/煤气或来自燃烧的气态产物在可玻璃化物质熔化物料液面下面喷入，让熔化之后的可玻璃化物质至少部分呈薄层状进行澄清。

虽然目前市场上已经存在多种减少或消除玻璃窑炉内泡沫的方法，但尚无通过监测泡沫层的位置，特别是根据准确监测泡界线的位置，通过调节两种碳元素含量不同的燃料进料比例，来调控泡沫位置的有效方法。

发明内容

本发明的目的是通过泡界线位置来指导玻璃窑炉内泡沫位置的调控，特别是通过监测泡界线的位置和/或大片泡沫的位置，在泡界线延伸超过设定好的临界点时，调节两种燃料的比例，特别当泡界线超过理论泡界线或接近窑炉热点时及时发出警报信号，通过调节两种燃料比例，特别是通过增加碳元素含量高的燃料的比例来调节燃烧条件，控制泡界线的移动，特别是使用含硫热源或含硫配方的玻璃熔制过程中玻璃熔体液面上的泡界线的调控。本发明公开了一种调控玻璃熔体表面泡沫位置的方法，具体来说，涉及一种通过监测玻璃熔体液面上的泡沫位置，特别是泡界线位置，通过调节多种燃料的比例来实时调控泡沫位置的方法。

本发明提供了一种用于调控玻璃熔体表面上的泡沫位置的方法，包含以下步骤：在玻璃熔体表面上选取若干预定监测点；监测玻璃熔体表面上的所述预定监测点处是否存在泡沫；当所述预定监测点处存在泡沫时，通过增加第二燃料的用量和/或减少第一燃料的用量，调节玻璃窑炉中加入的第一燃料和第二燃料的比例；其中，第一燃料为气体燃料，第二燃料的碳元素含量高于第一燃料的碳元素含量。

本方法包含一个或多个以下方面：

第一燃料选自天然气和气态烃类。

第二燃料选自固体燃料或液体燃料，其中所述固体燃料包含：石油焦粉、煤粉、生物质颗粒中的任意一种或几种的混合物，所述液体燃料选自液态烃类和/或煤焦油。

所述预定监测点位于玻璃熔体表面的泡沫区和/或镜面区内，尤其是设置在以下所述的一个或多个位置处：沿玻璃熔体的流动方向位于目标泡界线下游的第一位置，该第一位置优选地在距离目标泡界线0-50cm的范围内，更优选地在距离目标泡界线30-50cm的范围内；沿玻璃熔体的流动方向位于玻璃窑炉热点上游的第三位置，该第三位置优选地在距离玻璃窑炉热点1-50cm的范围内，更优选地在距离玻璃窑炉热点30-50cm的范围内；和位于所述第一和第三位置之间的第二位置，该第二位置优选地处在所述第一和第三位置之间的中间位置。

当位于第一位置的预定监测点处存在泡沫时，减少加入玻璃窑炉的第一燃料的用量，从Q₀调整为0.9Q₀-0.7Q₀，即从Q₀调整为Q₀的0.9倍-0.7倍，相应地调节第二燃料的用量使单位时间的燃料总发热量不变，其中，Q₀为第一燃料初始消耗量，单位是m³/h。

当位于第三位置的预定监测点处存在泡沫时，减少加入玻璃窑炉的第一燃料的用量，从Q₀调整为0.3Q₀-0，即调整为Q₀的0.3倍-0，相应地调节第二燃料的用量使单位时间的燃料总发热量不变，其中，Q₀为第一燃料初始消耗量。

当位于第二位置的预定监测点处存在泡沫时，减少加入玻璃窑炉的第一燃料的用量，从Q₀调整为0.7Q₀-0.3Q₀，即从Q₀调整为Q₀的0.7倍-0.3倍，相应地调节第二燃料的用量使单位时间的燃料总发热量不变，其中，Q₀为第一燃料初始消耗量。

根据本发明的一些方面，还包含以下步骤：在玻璃窑炉内设置泡沫监测装置，监测玻璃熔体表面上的所述预定监测点处的泡沫相关信息，并发送至与所述泡沫监测装置通信连接的控制装置；所述控制装置根据来自所述泡沫监测装置的泡沫相关信息判断在所述预定监测点处是否存在泡沫及是否输出相应的控制信号至与所述控制装置通信连接的调节装置；和所述调节装置根据接收到的控制信号，调节玻璃窑炉的第一燃料和第二燃料的用量。

根据本发明的一些方面，所述泡沫监测装置包括设置在玻璃熔体表面上方的至少一对激光光源和光电元件，所述激光光源配置成将光线发射到玻璃熔体表面上的所述预定监测点处，所述光电元件配置成使得其仅在所述预定监测点处无泡沫的情况下才能够接收到所述光线在玻璃熔体表面上的反射光并生成对应的电信号，所述泡沫相关信息包括所述电信号的有无，并且所述控制装置与所述光电元件通信连接并且配置成在未接收到所述光电元件发出的电信号时判定为所述预定监测点处存在泡沫并生成对应该监测点的第一控制信号。

根据本发明的另一些方面，所述泡沫监测装置包括耐高温摄像设备，所述耐高温摄像设备对玻璃熔体表面上的所述预定监测点进行摄像并将所摄取的图像作为所述泡沫相关信息传送给所述控制装置，并且所述控制装置配置成对所接收到的图像进行分析以判断所述预定监测点处是否存在泡沫，并且在判定为所述预定监测点处存在泡沫时生成对应该监测点的第一控制信号。

根据本发明的再一些方面，所述泡沫监测装置包括位于玻璃熔体泡沫区的上方，设置于玻璃窑炉碹顶上用以探测炉顶温度变化的第一温度传感器，和在玻璃熔体泡沫区的下方，设置于玻璃窑炉池底用以探测池底温度变化的第二温度传感器，所述泡沫监测装置与所述控制装置通信连接并向其发送对应的温度信号；所述控制装置在判定为所述预定监测点处存在泡沫并且所述第一和第二温度传感器的温度信号分别处在各自的预定范围内时生成第二控制信号。

根据本发明的一些方面，在所述第一温度传感器的温度信号表示的炉顶温度相对于炉顶设定温度升高超过第一阈值且所述第二温度传感器的温度信号表示的池底温度相对于池底设定温度降低不超过第二阈值的情况下，所述控制装置输出第一指示信号作为一级第二控制信号。一级第二控制信号用以指示玻璃熔体表面上的泡界线位置延伸至目标泡界线下游距离目标泡界线0-50cm的区域。优选地，第一阈值大于或等于5℃，第二阈值大于或等于2℃。

根据本发明的一些方面，在所述第一温度传感器的温度信号表示的炉顶温度相对于炉顶设定温度升高超过比所述第一阈值大的第三阈值且所述第二温度传感器的温度信号表示的池底温度相对于池底设定温度降低超过比所述第二阈值大的第四阈值的情况下，所述控制装置输出第二指示信号作为二级第二控制信号。二级第二控制信号用以指示玻璃熔体表面上的泡界线位置延伸至目标泡界线下游，目标泡界线和热点的中点位置。优选地，第三阈值大于或等于10℃，第四阈值大于或等于5℃。

根据本发明的一些方面，在所述第一温度传感器的温度信号表示的炉顶温度相对于炉顶设定温度升高超过比所述第三阈值大的第五阈值且所述第二温度传感器的温度信号表示的池底温度相对于池底设定温度降低超过等于或大于所述第四阈值的第六阈值的情况下，所述控制装置输出第三指示信号作为三级第二控制信号。三级第二控制信号用以指示玻璃熔体表面上的泡界线位置延伸至热点上游距离热点0-50cm的区域。优选地，第五阈值大于或等于15℃，第六阈值大于或等于5℃。

本发明还涉及一种玻璃窑炉，包含：限定燃烧室的炉壁，至少一个燃烧端口，定位在所述至少一个燃烧端口的边缘附近的一个或多个燃烧器，所述的玻璃窑炉使用至少一个根据上述的方法调控玻璃熔体表面的泡沫位置。

所述玻璃窑炉使用的第二燃料选自固体燃料或液体燃料，其中所述固体燃料包含：石油焦粉、煤粉、生物质颗粒中的任意一种或几种的混合物，所述液体燃料选自液态烃类和/或煤焦油。

所述玻璃窑炉采用纯氧或富氧空气作为燃烧氧源。

对于使用含硫热源或含硫配方的玻璃熔制过程中，玻璃液中SO₂、SO₃这两种气体浓度较高,将直接影响到玻璃熔体中小气泡内部气体的扩散,导致小气泡难以消除产生气泡缺陷。当减少第一燃料的比例，增加高碳元素含量的第二燃料的比例，可以控制燃烧过程中产生的水分，以及玻璃液表层羟基与SO₂/SO₃等泡沫之间的反应，以抑制泡沫，控制泡界线位置。对于煤或石油焦等固体燃料，其碳元素含量约在80-90wt％左右。在燃烧过程中，煤或石油焦等含碳量高的燃料产生的燃烧产物主要是二氧化碳；而含碳量较低的烃类燃料产生更多的燃烧产物水。

本发明弥补了现有技术中的空白，提供了一种根据玻璃熔体表面上的泡沫位置，调节两种碳元素含量不同的燃料进料比例来控制泡界线位置的方法。本发明通过增加高碳元素含量的第二燃料的比例，控制燃烧过程中产生的水分，以及玻璃液表层羟基与SO₂/SO₃等泡沫之间的反应，以抑制泡沫，控制泡界线位置。特别是能数字化地进行泡界线位置的调控，通过泡沫位置传感器，监测泡沫沿玻璃液流动方向的延伸状况，分级地给出调节燃料比例信号，控制泡界线的移动。此外本发明还结合了温度传感器监测窑炉内部碹顶和窑炉池底温度，碹顶和池底温度的变化，以及两个温度变化的趋势为泡界线的移动和燃料调控提供可靠的参考和校正。

在下面的附图和具体实施方案中进一步说明本发明。然而，这些附图和具体实施方案不应被认为限制本发明的范围，并且本领域技术人员容易想到的改变将包括在本发明的精神和所附权利要求的保护范围内。

附图说明

通过下面结合附图的描述，本发明以及其目的、优点、特征和相关方面将被更清楚地理解。这些附图通常是示意性的并且为了清楚的缘故并不按比例绘制。所有附图对于相同或相应的特征共享相同的附图标记。

图1是不同状态下的玻璃窑炉的沿垂直于玻璃熔体表面的俯视示意图，其中1a示出正常状态下的泡界线，1b示出向下游扩展的泡界线，1c示出向下游严重扩展的泡界线，1d示出泡沫覆盖整个玻璃窑炉的熔化池表面的极端情况，1e示出向上游退缩的泡界线。

图2示出包括根据本发明的一个实施例的泡沫监测装置的玻璃窑炉的剖面图，其中该泡沫监测装置为光电传感器形式，用于监测玻璃窑炉内玻璃熔体液面的泡沫位置。

图3示出了图2中的光电传感器在玻璃/泡沫表面的反射的示意图。

图4示出了包括根据本发明的另一个示例性实施例的监控系统的玻璃窑炉的剖面图，其中该泡沫监测装置为摄像设备形式。

图5示出了包括根据本发明的又一个示例性实施例的监控系统的玻璃窑炉中的俯视图，其中泡沫监测装置包括三个光电传感器。

1-玻璃窑炉，2-加料端，3-料山线，4-目标泡界线，5-泡沫区，6-鼓泡器，7-泡界线，8-热点，9-镜面区，12窑炉碹顶，13-窑炉池底，14-玻璃窑炉的侧壁，15-玻璃熔体表面，16-火焰，17-激光光源，18-光电元件，19-数据收集器，20-温度传感器，21-温度传感器，22-数据收集器，23-数据收集器，24-燃烧器，25-可编程逻辑控制系统PLC，26-燃料进料控制装置，27-耐高温摄像设备，28-数据收集器。

具体实施方式

除非另外限定，本文中所用的全部术语具有本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的含义，在使用部分以下术语的定义时，以单数形式使用的术语也可以包括复数，并且反之亦然。本文给出的部分术语的定义仅是为了描述具体的实施方案，并非旨在限制。

为了描述本文，在此做如下定义：

在玻璃窑炉中，从上游端的原料进口连续送入玻璃原料，在玻璃窑炉两侧设置燃烧器，燃烧器一般为使用天然气等气体燃料或化石类固体燃料作为燃料的空气燃烧器或氧气燃烧器。玻璃原料被燃烧器喷出的火焰所熔化，待原料熔化后，形成的玻璃熔体充分澄清，再由下游端取出，形成特定形状的玻璃产品。其中空气燃烧器是以空气为燃烧氧源，氧气燃烧器是以富氧空气或纯氧气体作为燃烧氧源。

图1为玻璃窑炉的俯视示意图，图1a是正常状态下的泡界线，其中1为玻璃窑炉，2为加料端，3为料山线，4为目标泡界线(理想状态，实测泡界线7与目标泡界线一致)，5为泡沫区，6为鼓泡器，8为热点，9为镜面区。

玻璃原料从加料端2加入，玻璃原料在投料的推进过程中，由燃烧器喷出的火焰加热原料层表面使其逐渐熔化，原料层边前进边被熔化，未融化的玻璃原料沿原料进口向窑炉中心部分前进方向逐渐减少，然后在进料量与其熔化速率相等的位置消失，这条原料消失的边界线一般称为料山线，参见图1a中的3。

在原料层消失区域的周围，由于原料反应而形成泡沫，形成的泡沫区从原料层消失的部位延伸到熔炉内玻璃液温度最高的区域(热点，参见图1a的8)，覆盖在玻璃熔体的表面。在实际操作中，热点可能会随燃烧条件变化有些许移动。由于热点与加料端之间存在的温度差，热点处表层玻璃液向加料端方向存在回流，两种力量共同作用，在热点之前气泡逐渐消失变为玻璃液镜面的部位，形成一条明显的界限，即泡界线，参见图1中1a的7，一般认为是池窑熔化部中段液面上未熔化好的玻璃液与已熔化好的玻璃液间的一条分界线。在泡界线的下游设置有鼓泡器6。在玻璃窑炉内，一般肉眼观测热点位置在泡界线外镜面区距离泡界线约1-3米左右的位置，根据窑炉尺寸不同而不同。玻璃熔体液面上的泡沫区一般是指从上游侧料山线开始至下游侧泡界线为止的一段区域。在一些操作条件下，泡沫区会随着泡沫的增加向下游移动铺展。

在玻璃窑炉正常作业情况下，加料机向炉内的推力、出料流的牵引力以及由于温度差异导致的玻璃熔体对流形成的热点处向加料端方向的作用力，会达成一种动态的平衡。这种平衡使得料山线以及泡界线的位置相对固定，本发明中将窑炉正常作业时的料山线和泡界线称为目标料山线和目标泡界线(参见图1中1a的4)。在设计玻璃窑炉时，会根据物料特性及窑炉参数计算出目标料山线和目标泡界线的位置。在玻璃熔体表面存在处于不同位置的泡界线，参见图1，其中1a是正常状态下的泡界线(即目标泡界线4)，1b是向下游扩展的泡界线7，1c是向下游严重扩展的泡界线，1d是泡沫覆盖整个玻璃窑炉的熔化池表面的极端情况，1e是向上游退缩的泡界线。

泡界线稳定是玻璃熔制过程中最关键的因素之一，料山线和泡界线波动成为影响整体熔化工艺稳定的关键要因。玻璃熔化过程的一个重要要求就是泡界线稳定且不能超过热点，否则玻璃质量就会严重恶化。泡界线越稳定、清晰，玻璃质量就越好，工艺带越宽，能够经得起较大的波动，但同时所需控制措施或能耗就越多。

实际上在玻璃窑炉中熔化的玻璃熔体并不是“齐头并进”向前流动的，受玻璃熔池内液流分布的影响，一般情况下靠近池壁的玻璃熔体粘度大，流动较慢，中间区域粘度小，流动较快。本发明中所述的料山线和目标泡界线多数情况下并非直线，而是曲线。偶有个别情况，玻璃熔体表面会形成不连续的多片泡沫，没有非常明显的泡界线。本文中所述的泡沫位置一般指泡界线的位置，极个别情况下，也可以指不连续大片泡沫的最靠近下游的前端位置。

所述玻璃液流动方向是指玻璃液从玻璃窑炉中一端为原料进口(上游)方向向另一端为成形制品的出口(下游)方向流动。

图2示出包括根据本发明的一个实施例的泡沫监测装置的玻璃窑炉的剖面图，其中该泡沫监测装置为光电传感器形式，用于监测玻璃窑炉内玻璃熔体液面的泡沫位置。其中1为玻璃窑炉，玻璃窑炉的侧壁14上内设置有燃烧器24和泡沫位置传感器，其中泡沫位置传感器为光电传感器，光电传感器包括设置在一侧侧壁上的激光光源17和相对设置在窑炉另一侧侧壁上的光电元件18。激光光源17位于玻璃熔体表面之上，向玻璃熔体表面发射激光，光电元件18接收激光在玻璃熔体表面15发生反射后的反射光，并将光信号转变为电信号输出至数据收集器19，根据电信号的特性判断所述激光在玻璃熔体表面的照射点位置是否存在泡沫。图3示出了图2中的光电传感器在玻璃/泡沫表面的反射的示意，其中3a是激光在表面没有泡沫的玻璃熔体表面反射，3b是激光在玻璃熔体表面的泡沫上的反射。可见当玻璃熔体表面有泡沫的时候，激光会在泡沫上发生反射，该反射光的角度与在玻璃熔体表面发生反射的反射光的角度不同，反射光角度改变，光电元件就接收不到反射光的光信号了，此时可编程逻辑控制系统25判定所述预定监测点处存在泡沫并生成对应于该监测点的第一控制信号。可编程逻辑控制系统25发送第一控制信号至燃料进料控制装置26，燃料进料控制装置26在接收到第一控制信号时调节玻璃窑炉的燃料进料比例或进料量以调控玻璃熔体表面上的泡界线位置。

图5示出了包括根据本发明又一个示例性实施例的监控系统的玻璃窑炉中的玻璃熔体液面的俯视图，其中该监测装置包括三个光电传感器。如图5所示，沿玻璃液流动方向间隔设置了三个光电传感器，其中第一光电传感器17-1发射的激光在玻璃熔体表面的照射点位于第三光电传感器17-3发射的激光在玻璃熔体表面的照射点的上游，第二光电传感器17-2发射的激光在玻璃熔体表面的照射点位于第一和第三光电传感器发射的激光在玻璃熔体表面的照射点之间。第一光电传感器的激光光源在玻璃熔体表面的照射点位于目标泡界线下游，沿玻璃液流动方向与目标泡界线距离为0-50cm的区域；第三光电传感器的激光光源在玻璃熔体表面的照射点位于玻璃窑炉热点上游，在玻璃液流动方向上与热点距离为1-50cm之内的区域；第二光电传感器的激光光源在玻璃熔体表面的照射点在第一和第三光电传感器的激光光源在玻璃熔体表面的照射点的中点位置。三个光电传感器的激光光源在玻璃熔体表面的照射点在窑炉径向方向上均在玻璃窑炉中轴线位置。

在图2中还可以看到，在玻璃熔体的泡沫区上方的玻璃窑炉碹顶12和泡沫区下方的玻璃窑炉池底13分别设置有第一温度传感器20和第二温度传感器21，分别用于探测玻璃窑炉上部空间和池底玻璃液的温度，并将温度信号转化为电信号输出至数据收集器22和23，数据收集器将电信号输出至与其通信连接的可编程逻辑控制系统25，可编程逻辑控制系统25，当可编程逻辑控制系统25判定预定监测点出存在泡沫且第一和第二温度传感器的温度信号分别在各自的预定范围内是生成第二控制信号，并发送第二控制信号至燃料进料控制装置26。

玻璃池炉各个区域温度设定值确定后，其本身就有一个正常的波动范围，在该范围之内，属于正常现象，不需要进行调整。该波动范围对于不同玻璃产品和不同的窑炉，差异会非常大，例如一些电子玻璃控制大碹正常波动范围为正负2℃，但是一些日用玻璃池炉该范围可能高达正负8℃甚至更多。通常情况下，设定温度值Ts(包含炉顶设定温度、池底设定温度)为理想操作条件下，即实际泡界线位于目标泡界线处(如图1的1b)时玻璃窑炉内各个点的温度、允许波动范围Ta(即温度变化阈值)及实测温度Tp之间的关系满足如下条件时，判断为温度超出正常波动范围：|Tp–Ts|>|Ta|。不同类型、不同产品、不同质量要求、不同操作条件的玻璃窑炉，其窑炉内各个点的目标温度设定值Ts，允许波动范围Ta等，都存在较大差异。本申请中的温度阈值，是以Ts为基础，需要根据窑炉的工作参数及具体产品来计算，还需考虑窑炉内温度正常波动。

图4示出了包括根据本发明另一个示例性实施例的监控系统的玻璃窑炉的剖面图。其中1为玻璃窑炉，玻璃窑炉的侧壁14上内设置有燃烧器24，燃烧器产生火焰16和在相对的另一侧侧壁上安装有泡沫监测装置，其中泡沫监测装置为耐高温摄像设备27，用于采集玻璃熔体表面的图像信息，并将图像信息输出至数据收集器28，数据收集器通过网络将信号输出至PLC可编程逻辑控制系统25进行图像信息分析，根据分析结果判断所监测的位置是否存在泡沫。特别是监测以下两个位置附近的泡沫情况：1)目标泡界线下游，沿玻璃液流动方向与目标泡界线距离为0-50cm的区域；2)玻璃窑炉热点上游，在玻璃液流动方向上与热点距离为1-50cm之内的区域。在图4中还可以看到，在泡沫区上方的玻璃窑炉碹顶12和泡沫区下方的玻璃窑炉池底13分别设置有第一温度传感器20和第二温度传感器21，温度传感器20和21分别用于探测玻璃窑炉上部空间和池底玻璃液的温度，并将温度信号转化为电信号输出至数据收集器22和23，根据电信号判断在玻璃熔体表面泡沫的泡沫位置。泡沫监测装置和温度传感器输出的电信号被数据收集器通过无线网络发送至PLC可编程逻辑控制系统25，可编程逻辑控制系统25连接燃料进料控制装置26，调控玻璃窑炉的燃料组分。

以下结合实施例对本发明中玻璃熔体表面泡沫位置的装置和监测方法进行详细描述。

在本发明的一个实施例中，一个日产550T/D的平板玻璃窑炉，采用典型的含硫酸盐钠钙硅玻璃配方。在窑炉两侧间隔共设置了11个燃烧器(一侧5另一侧6个)，采用纯氧/天然气横火焰燃烧。窑炉中在热点上游约1800mm处设置有一排鼓泡器，在设计的目标生产条件下，目标泡沫位置在鼓泡器的上游约1800mm左右，目标料山线位置在目标泡沫位置上游约2500mm左右。

为了监测控制玻璃熔体表面泡沫位置即泡沫位置，设置了三个光电传感器，分别监测目标泡界线附近，热点附近及两者中点处的泡沫状况，采用可以发射红色激光的氦-氖激光器。

本实施例中激光在玻璃液面反射后射向光电元件，光电元件内的柱透镜将光线聚焦到一根光纤通光管上。进入光电元件的光沿着通光管运动，落在通光管端的光电倍增管上，光电倍增管产生的电输出正比于接收到的光量。如果激光照射点出的玻璃液面上有泡沫，激光会在泡沫表面的反射角度就会改变，和激光光源对应的光电元件接收不到原角度的反射光，瞬时信号消失。

第一光电传感器的激光光源在玻璃熔体表面的照射点，即为位于第一位置的预定监测点，位于目标泡界线下游，沿玻璃液流动方向与目标泡界线距离为300mm的区域。第三光电传感器的激光光源在玻璃熔体表面的照射点，即为位于第三位置的预定监测点，位于玻璃窑炉热点上游，在玻璃液流动方向上与热点距离为300mm的区域。第二光电传感器的激光光源在玻璃熔体表面的照射点在第一和第三光电传感器的激光光源在玻璃熔体表面的照射点之间的等分位置，此处即为位于第二位置的预定监测点。此外，在窑炉目标料山线与目标泡界线之间的泡沫区上方碹顶和下方池底分别设置了碹顶热电偶和池底热电偶，作为温度传感器监测泡沫区上部空间和池底玻璃液的温度。

在理想的正常生产情况下，三个为了监测控制玻璃熔体表面泡沫位置即泡沫位置而设置的光电传感器，发射的激光照射在玻璃熔体表面镜面区，对应的光电元件可以接收到激光在玻璃熔体表面的反射光，并将光信号输出至数据收集器在传至可编程逻辑控制系统。在泡界线没有达到目标泡界线下游300mm的位置时，三个光电传感器均能输出光信号，可编程逻辑控制系统自动检测判断为正常状态。在泡界线超过目标泡界线下游300mm的第一位置时，第一光电传感器无法捕获和输出反射光信号，可编程逻辑控制系统自动检测判断为第一位置存在泡沫。当泡界线向目标泡界线下游继续延伸至位于第二位置的预定监测点时，第二光电传感器无法捕获和输出反射光的光信号，可编程逻辑控制系统自动检测判断为第二位置存在泡沫。当泡界线向目标泡界线下游延伸至热点上游300mm的位置时，第三光电传感器无法捕获和输出反射光的光信号，可编程逻辑控制系统自动检测判断为第三位置存在泡沫。本实施例中玻璃窑炉使用的第一燃料为天然气，同时以石油焦粉(碳元素的质量百分比约80％左右)为备用辅助第二燃料，载气为空气。当泡界线向下游移动超过任一预定监测点(目标泡界线下游300mm的第一位置的预定监测点、热点上游300mm的位置的第三位置的预定监测点、及位于第一和第三位置中点的第二位置的预定监测点)，可编程逻辑控制系统监测判断该预定监测点出存在泡沫，并输出相应的控制信号至燃料进料控制装置，燃料进料控制装置调节第一燃料和第二燃料的配比，增加碳元素含量高的第二燃料的进料量，以减少泡沫，控制泡界线。

当由于原材料粒度、水分等因素变化，泡界线向目标线下游延伸，达到300mm延伸距离的情况下，即超过了第一个预定监测点，第一光电传感器丢失信号，可编程逻辑控制系统自动判断泡界线超过目标泡界线300mm且向下游扩展。此时在泡沫区上方的玻璃窑炉碹顶设置的温度传感器已经探测到明显的温度变化，当泡沫区上方的温度升高超过5℃，此时玻璃窑炉池底设置温度传感器并未探测到明显的温度降低或温度降低小于2℃，温度传感器也发出电信号至可编程逻辑控制系统。此时在原来第一燃料(天然气)/第二燃料(石油焦粉)的配比基础上，通过燃料进料控制装置增加碳元素含量高的第二燃料，在相应地调节第二燃料的用量使单位时间的燃料总发热量不变的基础上，减少第一燃料的用量，从Q₀调整为0.9Q₀-0.7Q₀。其中Q₀，单位为m³/h，是第一燃料初始消耗量。

调整过程是在可编程逻辑控制系统中设置好流量比例，通过可编程逻辑控制系统连接控制燃料进料控制装置来调节两种燃料的流量配比实现的。在本实施例中，初始条件下第一燃料为天然气，天然气消耗量为Q₀(m³/h)，第二燃料为固体石油焦粉，消耗量为0(kg/h)，天然气与石油焦粉的低位发热值分别是8450kcal/m³和8350kcal/kg，天然气：石油焦粉的比例由Q₀ m³/h：0kg/h调整为0.8*Q₀ m³/h：(0.2*Q₀)A/B kg/h，单位时间的总发热量一直保持为Q_0*A(kcal/h)，其中，A为第一燃料的低位发热值，单位是kcal/m³；B为第二燃料的低位发热值，单位是kcal/m³；Q_0*A(kcal/h)为单位时间的燃料总发热量。第一燃料和第二燃料流量分别由第一燃料流量控制阀组和第二燃料流量控制阀组来调控，所述阀组的开关及开度及相应比例通过有线或无线网络由可编程逻辑控制系统控制。

其它情况下第一燃料/第二燃料的配比的调整原理与此类似。

当第二光电传感器丢失光信号，可编程逻辑控制系统收到后发出相应的调节燃料比例的控制信号，此时说明泡沫已经继续向目标泡界线下游扩展。通常情况下在泡沫区上方的玻璃窑炉碹顶和泡沫区下方的玻璃窑炉池底设置温度传感器已经发生明显异常变化，即上部温度升高超过10℃且玻璃窑炉池底降低超过5℃。在光电监测系统和温度测量系统同时发现异常的情况下，可编程逻辑控制系统明确判断泡界线过长，第一燃料与第二燃料的比例调整，将固体石油焦粉燃料比例量增加到50％(固体燃料发热量占总燃料发热量的比例)，以快速阻止泡沫层继续扩散。

当位于热点上游300mm的第三光电传感器丢失信号，可编程逻辑控制系统收到后发送调节燃料比例的控制信号，此时泡沫一般已经向下游扩散接近热点，通常情况下该过程持续时间大于2小时(从泡沫从正常位置开始扩散，到达到该状态的演变过程通常情况下大于2小时)此时在泡沫区上方的玻璃窑炉碹顶和泡沫区下方的玻璃窑炉池底设置温度传感器，均可以发现温度的异常变化，并发出调节燃料比例信号，即相比于实际泡界线位于目标泡界线处时窑炉内部相应位置的温度，泡沫区上方温度升高超过15℃，且池底温度降低超过6℃。光电传感器和温度传感器输出的电信号被数据收集器通过有线网络发送至编程逻辑控制系统，光电传感器和温度传感器的信号都显示泡沫已经接近热点，此时编程逻辑控制系统发出调节燃料比例信号，通过燃料进料控制装置，将进一步增加固体石油焦粉燃料在总燃料中所占的比例，流量控制装置将进一步增加第二燃料在总燃料中所占的比例，将第一燃料的进料比例进一步降至0.3Q₀-0Q₀，其中Q₀(m³/h)为第一燃料初始消耗量，来控制泡界线的移动。光电传感器和温度传感器输出的电信号可以起到相互校对的作用，以降低自动控制系统误判的概率。

本实施例用以简要说明本发明的核心内容，注意以上简单示范计算中，没有计入输送风自身对火焰温度和加热效果的影响，以及天然气和石油焦粉火焰对玻璃液传热的影响等因素的计算。实际生产过程可编程逻辑控制系统或计算机的自动计算过程中，可以对以上影响因素进行了补偿调节。本实施例中温度阈值的选择需依据玻璃窑炉的操作参数而定。

上文中，已经描述了本发明的优选的实施方案。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以对所述实施方案进行很多修改，而不脱离本发明的基本思想。一般地，如果适用的话，上述的所有实施方案是可组合的。

应当意识到，存在很多可用于特定应用的上述的各种实施方案之间的更可能的组合。因此，本发明并不局限于所述的实施方案，而是可以在所附的权利要求的全部范围内改变。

Claims (15)

1.一种用于调控玻璃熔体表面上的泡沫位置的方法，其特征在于，包含以下步骤：

a)在玻璃熔体表面上选取若干预定监测点；

b)监测玻璃熔体表面上的所述预定监测点处是否存在泡沫；

c)当所述预定监测点处存在泡沫时，通过增加第二燃料的用量和/或减少第一燃料的用量，调节玻璃窑炉中加入的第一燃料和第二燃料的比例；其中，第一燃料为气体燃料，第二燃料的碳元素含量高于第一燃料的碳元素含量；

所述预定监测点位于玻璃熔体表面的泡沫区和/或镜面区内，设置在以下所述的一个或多个位置处：

沿玻璃熔体的流动方向位于目标泡界线下游的第一位置，该第一位置在距离目标泡界线0-50cm的范围内；

沿玻璃熔体的流动方向位于玻璃窑炉热点上游的第三位置，该第三位置在距离玻璃窑炉热点1-50cm的范围内；和

位于所述第一和第三位置之间的第二位置，该第二位置处在所述第一和第三位置之间的中间位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，：

该第一位置在距离目标泡界线30-50cm的范围内；

该第三位在距离玻璃窑炉热点30-50cm的范围内。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当位于第一位置的预定监测点处存在泡沫时，减少加入玻璃窑炉的第一燃料的用量，从Q₀调整为0.9Q₀-0.7Q₀，相应地调节第二燃料的用量使单位时间的燃料总发热量不变，其中，Q₀为第一燃料初始消耗量。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当位于第三位置的预定监测点处存在泡沫时，减少加入玻璃窑炉的第一燃料的用量，从Q₀调整为0.3Q₀-0，相应地调节第二燃料的用量使单位时间的燃料总发热量不变，其中，Q₀为第一燃料初始消耗量。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当位于第二位置的预定监测点处存在泡沫时，减少加入玻璃窑炉的第一燃料的用量，从Q₀调整为0.7Q₀-0.3Q₀，相应地调节第二燃料的用量使单位时间的燃料总发热量不变，其中，Q₀为第一燃料初始消耗量。

6.根据权利要求2-5中任一项所述的方法，其特征在于，还包含以下步骤：

a)在玻璃窑炉内设置泡沫监测装置，监测玻璃熔体表面上的所述预定监测点处的泡沫相关信息，并发送至与所述泡沫监测装置通信连接的控制装置；

b)所述控制装置根据来自所述泡沫监测装置的泡沫相关信息判断在所述预定监测点处是否存在泡沫及是否输出相应的控制信号至与所述控制装置通信连接的调节装置；和

c)所述调节装置根据接收到的控制信号，调节玻璃窑炉的第一燃料和第二燃料的用量。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述泡沫监测装置包括设置在玻璃熔体表面上方的至少一对激光光源和光电元件，所述激光光源配置成将光线发射到玻璃熔体表面上的所述预定监测点处，所述光电元件配置成使得其仅在所述预定监测点处无泡沫的情况下才能够接收到所述光线在玻璃熔体表面上的反射光并生成对应的电信号，所述泡沫相关信息包括所述电信号的有无，并且所述控制装置与所述光电元件通信连接并且配置成在未接收到所述光电元件发出的电信号时判定为所述预定监测点处存在泡沫并生成对应该监测点的第一控制信号。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述泡沫监测装置包括耐高温摄像设备，所述耐高温摄像设备对玻璃熔体表面上的所述预定监测点进行摄像并将所摄取的图像作为所述泡沫相关信息传送给所述控制装置，并且所述控制装置配置成对所接收到的图像进行分析以判断所述预定监测点处是否存在泡沫，并且在判定为所述预定监测点处存在泡沫时生成对应该监测点的第一控制信号。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述泡沫监测装置包括位于玻璃熔体泡沫区的上方，设置于玻璃窑炉碹顶上用以探测炉顶温度变化的第一温度传感器，和在玻璃熔体泡沫区的下方，设置于玻璃窑炉池底用以探测池底温度变化的第二温度传感器，所述泡沫监测装置与所述控制装置通信连接并向其发送对应的温度信号；

所述控制装置在判定为所述预定监测点处存在泡沫并且所述第一和第二温度传感器的温度信号分别处在各自的预定范围内时生成第二控制信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述第一温度传感器的温度信号表示的炉顶温度相对于炉顶设定温度升高超过第一阈值且所述第二温度传感器的温度信号表示的池底温度相对于池底设定温度降低不超过第二阈值的情况下，所述控制装置输出第一指示信号作为一级第二控制信号，所述一级第二控制信号用以指示玻璃熔体表面上的泡界线位置延伸至目标泡界线下游距离目标泡界线0-50cm的区域。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述第一温度传感器的温度信号表示的炉顶温度相对于炉顶设定温度升高超过比所述第一阈值大的第三阈值且所述第二温度传感器的温度信号表示的池底温度相对于池底设定温度降低超过比所述第二阈值大的第四阈值的情况下，所述控制装置输出第二指示信号作为二级第二控制信号，所述二级第二控制信号用以指示玻璃熔体表面上的泡界线位置延伸至目标泡界线下游，目标泡界线和热点的中点位置。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述第一温度传感器的温度信号表示的炉顶温度相对于炉顶设定温度升高超过比所述第三阈值大的第五阈值且所述第二温度传感器的温度信号表示的池底温度相对于池底设定温度降低超过等于或大于所述第四阈值的第六阈值的情况下，所述控制装置输出第三指示信号作为三级第二控制信号，所述三级第二控制信号用以指示玻璃熔体表面上的泡界线位置延伸至热点上游距离热点0-50cm的区域。

13.一种玻璃窑炉，包含：限定燃烧室的炉壁，至少一个燃烧端口，定位在所述至少一个燃烧端口的边缘的一个或多个燃烧器，所述的玻璃窑炉使用至少一个根据权利要求1至12中任一项所述的方法调控玻璃熔体表面的泡沫位置。

14.根据权利要求13所述的玻璃窑炉，其特征在于，所述玻璃窑炉使用的第二燃料选自固体燃料或液体燃料，其中所述固体燃料包含：石油焦粉、煤粉、生物质颗粒中的任意一种或几种的混合物，所述液体燃料选自液态烃类和/或煤焦油。

15.根据权利要求13所述的玻璃窑炉，其特征在于，所述玻璃窑炉采用纯氧或富氧空气作为燃烧氧源。

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