CN1126179A - 高温管式炉的固定床过滤预热器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及玻璃熔融物或颗粒加热系统，其中热烟道气在预热器内的气体冷却区辐射冷却，原料构成的固定床或非移动床在预热器的过滤区中形成以让烟道气通过，烟道通气过床引发了热传递、过滤作用，如果挥发性可冷凝物质存在，也引发了挥发性可冷凝物的冷凝作用。

Description

高温管式炉的固定床过滤预热器系统

本发明一般来说涉及高温熔炉领域，特别是适用于玻璃制造，其中玻璃形成材料被熔融。

传统上用于熔融玻璃形成材料的玻璃熔融炉是空气燃烧炉。因为玻璃形成材料的熔融需要非常高的温度，所以玻璃熔融炉的操作温度是所有工业熔炉中最高的其中之一。这种高操作温度使得大量燃烧炉产生的热在烟道上损失。当燃烧炉使用周围空气和天然气进行燃烧时，一般只有燃烧炉产生能量的百分之十五至二十左右可在玻璃熔融炉中作为可用热而被利用。

本领域技术人员已经有了解决该问题的办法，那就是将玻璃熔融炉的烟道气和输入的空气进行间接热交换将输入空气预热从而将热传递回玻璃熔融炉中而不是从烟道中白白逸走。本领域技术人员均知道这种热交换器是再生换热炉，它们显著地提高了工业用空气燃烧玻璃熔融炉的效率。

大家所知的NOx即氮氧化物被认为是有害的环境污染物，NOx排放量的减少量是一个日益重要的目标。基于二方面的原因，传统的空气燃烧玻璃熔融过程是NOx的重要发生源。首先，空气的近80％是氮，因而大量的氮被带入形成NOx的燃烧过程中。其次，玻璃熔融操作所需的高温动力学上适于NOx的形成。

大家知道通过使用氧或富氧空气作为氧化剂可以提高玻璃熔融步骤的热效率。此外，氧或富氧空气的使用减少了燃烧区中存在的氮量，取而代之的是等量的氧分子。然而尽管使用氧可提高热效率，但是氧的耗费经常使得到用氧作为氧化剂的玻璃熔融比传统的利用空气作为氧化剂的玻璃熔融花费为高。

在玻璃熔融领域一项最近重要的进展是美国专利4973364中Kobayashi所公开并进行权利要求的方法，其中玻璃形成材料在输入到熔融器皿之前进行了预热。

尽管碎玻璃即循环使用的废玻璃的预热最近已成功地在工业上的空气燃烧玻璃熔炉生产中采用，但是原材料的预热则有几方面的困难而限制了其在工业上的成功应用。一个问题是一些玻璃形成材料即使在低于1000°F的温度下也易在预热器中烧结从而使被预热的玻璃形成材料难以顺畅的流动。另一个问题是细的原料混入了烟道气中使烟道气出现高粉尘浓度，从而在排气管道上需要昂贵的污染控制设备投资。

在使用氧气或富氧空气的玻璃熔融炉中，高的烟道气温度带来了一个另外的技术难题。目前工艺水平的碎玻璃预热器和分批原料预热器的设计均是针对处理同流换炉或交流热热炉换热后的来自空气燃烧炉的较低温度的烟道气的。一般烟道气的最大入口温度低于1500°F。高温烟道必须通过用却冷空气稀释或用热交换器来冷却。这会减低总的热效率，并增加系统的复杂性。

因此，需要建立能克服在此以前预热器方面所遇到的各种问题的改良方法，因此本发明的目的就是提供一种能显著降低排气中污染物水平的带高效预热器的系统。

一旦本领域技术人员阅读了本发明的专利公开，上述目标及其它目标都将要得甚为明了，本发明的一个方面是：

预热玻璃形成颗粒的方法，包括：

(A)在玻璃熔融区产生热烟道气，所述的热烟道气包含粒状物和可冷凝的挥发性物质；

(B)将热烟道气从玻璃熔融区通到包含气体冷却区和过滤区的预热器皿中；

(C)将冷的制备玻璃的颗粒物送到预热器中，在过滤区形成一张制备玻璃的颗粒物的床；

(D)将热烟道气通过冷却压，同时通过对制备玻璃的颗粒物的热辐射使烟道气的温度至少降低200°F；

(E)将来自冷却区的烟道气通过保持固定状态的制备玻璃的颗粒物床，将烟道气中的粒状物在床上过滤下来，并且将烟道气中的挥发性物质在制备玻璃的颗粒物上冷凝下来，同时加热了所述床；和

(F)将加热后的制备玻璃的颗粒物从预热器转移到玻璃熔融区，将净化的烟道气从预热器中排除。

本发明的另一方面包括：

玻璃熔融设备，其中包括：

(A)玻璃熔融器皿；

(B)包含冷却区和过滤区的预热器皿；

(C)将制备玻璃的颗粒物送到预热器皿中的装置和在预热器皿的过滤区形成制备玻璃的颗粒物固定床的装置；

(D)将未自玻璃熔融器皿的烟道气送到预热器皿的冷却区、通过在过滤区中的制备玻璃的颗粒物床并从预热器中排击的装置；和

(E)将预热器中的制备玻璃的颗粒物送到玻璃熔融器皿的装置。

本文所用的术语“可冷凝的挥发性物质”是指在玻璃熔融器皿中可以处于气态而在预热器皿中可以处于液态或固态的物质。

本文所用的术语“热烟道气”是指一般超过1500°F的烟道气，并且当可冷凝的挥发性物质存在时，其温度足够高到至少可使一部分可冷凝的挥发性组分处于气态。

本文所用的术语“泠的制备玻璃的颗粒物”是指处于足够低到至少使一些可冷凝的挥发性物质成为液态或固态温度的制备玻璃的颗粒物。

本文所用的术语“床”是指处于容器内的固体颗粒物的可透聚集体。

本文所用的术语“固定床”和“非移动床”是指非流动性颗粒物构成的床。

图1是本发明系统的一个实施方案的简化截面示意图。

图2是本发明的某一截面的更详尽的示意图。

图3是用于本发明的含气体冷却区的预热器的示意图，其使用流动批料。

下面将参照附图来详细描述本发明的情况。

现在参照图1和图2，在玻璃熔融器皿或熔融区2产生了热烟道气1。区2也可以是熔炉区。在图1和图2中各常规组成单元的编号是一致的。热烟道气在某种程度上是通过诸如天然气等燃料和氧气浓度在30％以上的富氧空气或纯度超过99.5％的工业纯氧气一起燃烧而产生。氧气或富氧空气的使用减少了当空气作氧化剂时存在的含氮废气，因此减少了烟道气的体积，并使其能有效地顺流通过床，从而能获得本发明的有益结果，其中流动过床的情况将在下面关于预热器的章节中描述。燃烧过程由图中未标出的燃烧炉进行。优选的燃烧炉是在Kobayashi的US5076779和Kobauashi等的US5267850中所公开的燃烧炉。这样产生的热烟道气为将玻璃形成材料加热和熔化的玻璃熔融区提供了热。一般来说，热烟道气的温度会超过约2400°F，一般是在2000°F到3000°F的温度范围内。热烟道气包含氮和燃烧产物。如二氧化碳和水蒸汽。

在玻璃熔融区加热玻璃形成材料的过程中，热烟道气会吸收玻璃形成材料中的颗粒物质和可冷凝的挥发性物质。这种颗粒物质的例子包括在玻璃原料中的小颗粒，而这种可冷凝的挥发性材料的例子包括硫酸钠、氢氧化钠和偏硼酸钠。

包含颗粒物质和挥发性物质的热烟道气从玻璃熔融区2通过传递装置3进入包含气体冷却区14和过滤区20的预热容器或预热室4中。传递装置3横切面小，以使辐射热传递达到最大，但又必须足够大使得压力能保持在一英寸水柱以下。在图2所说明的优选的实施方案中，预热器4和传统的玻璃熔融炉相结合形成了熔炉和普通玻璃浴的独立区。正象图3中所说明的，预热容器也可和玻璃熔炉完全分离，而通过烟道气导管相连。冷的玻璃形成颗粒物6也通过进料装置5输入到预热容器4中。玻璃形成材料或制备玻璃的材料一般包括一种或多种诸如砂、苏打灰、石灰石、白云石、铁丹和碎玻璃等材料。冷的玻璃形成材料一般在室温下输入。

所述的冷的剂制备玻璃的材料一般在预热容器内诸如在支座7上形成二张或多张床9。可以独立装料和卸料的多张床可以象图2中所示的那样重直排列或平行排列。床9可以如图1所示的那样构成冷却区和过滤区之间分界线的一部分。也可以成为侧壁以提供大的暴露于热烟道气的表面积。在图2所示的实施方案中，通过将颗粒物流过旋转阀7和通过进料推动装置13将颗粒物输送或推动到水平支座7上而形成床9。热烟道气例如通过诱导通风扇或喷射器而流进冷却区14并从那里通过床9。图1和图2说明了优选的排列方式，其中所述床表面和通过床的气体的流动方向成一角度。成角度的床的排布以及床材料构成的敞开表面提供了独特的优点，那就是通过床9使金属支座7和推动装置13避免与热烟道气直接接触。床的角度保持与进料的放置的正常角度相近从而使床的厚度达到均匀。机械振动装置可以被用来促进床材料的顺畅流动来形成均匀的厚度。选择好床的厚度以便在没有过大压降情况下获得良好的过滤效果。由于热烟道气流过了容器4，所以发生了大量有利影响。伴随着在冷却区14的热烟道气，热烟道气的热通过辐射至玻璃形成材料和容器壁而传递，因而将玻璃形成材料预热并提高了玻璃熔融过程的热效率。所述的辐射热传递是传递到形成床9的冷颗粒物上，也可以是传递到浮于熔融的玻璃浴器8上的加热后的颗粒物12上。要使热烟道气的热有效地辐射传递到玻璃形成材料上，具有大的敞开的气体空间、大的床表面积和良好绝热的壁体是重要的。这种辐射热传递可将烟道气的温度降低至少200°F，最好达到至少500°F，一般可使其温度降到1500°F以下。然后这种降温后的烟道气通过所述床。伴随着烟道气通过床，烟道气的颗粒物被滤到床上，同时由于来自烟道气的对流和传导热传递而将床进一步加热。同时，可冷凝挥发性物质从烟道气被冷凝到床上。一些床颗粒可能出现有益的烧结现象。提高了床的过滤能力，当床被加热至所需温度时，通过关闭床的烟道气的通道出口(未绘出)而停止烟道气流向所述床而继续通过其它的床。通过加料装置将预热后的床用新鲜的玻璃形成材料更新。在装料时可以用反清洗气流来防止粉尘夹带到所述床的下游通道。

由于热传递、冷凝和过滤的结果，三方面互相独立的有益的作用被简单、同步而有效地发挥。清除了颗粒物和可冷凝的挥发性物质的经冷却的烟道气10通过排气装置11而从预热器4排出。预热后的玻璃形成颗粒12通过诸如通道3进入玻璃熔融区2。烟道气的热被有效地用来预热所述颗粒物。

本发明不同于传统的与诸如玻璃熔融炉等熔炉连用的预热系统，处于加热状态时，本发明的颗粒物床是固定的或非移动的床。对于传统的移动床系统来说，床颗粒物的移动会导致其俘获的颗粒物和冷凝的物质的释放。因此，即使烟道气中的一些颗粒物可以除去，但是经过移动床重新释放的颗粒物依然排入烟道管中。玻璃制造业中还会遇到的另一个问题是由于玻璃形成材料颗粒与热烟道气的直接接触而导致预热器中玻璃形成材料的软化或部分熔融。这种软化或部分熔融会导致严重的材料处理困难。通过本发明可克服该问题。在本发明中具有含气体冷却区和过滤区的预热器，热烟道气在直接与过滤区的原料的颗粒物床接触前先在气体冷却区通过辐射热传递而冷却，例如冷却至低于1500°F的温度。此外，图2所说明的特殊的床设计也使该床表面的融化只局限于一定程度。

由于使用工业纯氧气或富氧空气作为氧化剂进行燃烧，其产生的烟道气的体积流速较低，从而使本发明实践中的烟道气流速比相应的传统的玻璃熔融系统低三至五倍。

组成床的玻璃形成材料的平均粒径量好在0.1至5毫米的范围内。尽管更小的平均粒径可以改善该过程的过滤和热传递性质，但是因此而导致的越过所述床的高压降会使该过程的进行不经济。

因为一些玻璃形成材料具有较好的作为过滤介质的物理性质，所选择的玻璃形成材料的组分可在过滤床中使用。例如，各批原料一般均制备成低于1mm的大小。碎玻璃可以粉碎并使之达到1至5mm的尺寸后再用到床上，这样降低了压降。在各批原料中砂量占原料总量的百分之六十至七十，它具有良好的固体流动性和温度稳定性。砂可以用作唯一的过滤介质，在进料到玻璃熔融炉之间经预热的砂可以和其它制备玻璃的材料混合。

也可以将预热器设计成能使热烟道气最大程度地热传递到预热器壁上，这样可以改善对冷的玻璃形成材料析热传递。最好使用带机械送料装置的循环多床系统，因为它比连接移动床系统在技术操作上麻烦较少。图1所示的整体化预热器设计和将经预热的玻璃形成材料成为熔化态玻璃的直接过程具有另一优点，那就是从预热器到玻璃熔化炉的正常材料输送阶段时间内实际上没有热的损失。

在图3所示的实施方案中，预热器60包含冷却区61和过滤区65。在冷却区61中，热烟道气62流过大量下降的冷的颗粒物63，产生辐射热传递以及增强了的对流热传递。可冷凝的挥发性材料可以烟道气中在颗粒物63上冷凝出来。诸如玻璃形成材料等颗粒物在烟道气流过的过滤区65内形成垂直或悬挂的固定床64。净化后的烟道气68通过排气口66从预热器60排除，而经预热的材料67和69则输送到玻璃熔融炉或熔炉中。玻璃形成材料67和69可以是选自整个组合物中的一种或多种组分，二者在输送到玻璃熔融炉之前或之时相互混合。例如，只有砂才可被用作颗粒物63，只有碎玻璃才可被用作固定床介质64。尽管图3中没有说明，但为能连续处理烟道气而需要二张或更多张循环运作的固定床。

下面将通过适当的实施例来说明本发明的情况。但本发明并不因此而受局限。例中使用了三床循环系统，每具系统均类似于图1和图2所示的系统，一般包含苏打—石灰玻璃原料和占比例百分之三十五的碎玻璃的冷的玻璃形成材料被用于构成具有80平方英寸面积和六英寸平均深度的床。所述的玻璃形成材料的平均粒径为0.5毫米。通过流速为8,600,000BTU/hr的工业纯氧气与天然气的燃烧产生的温度为2870°F并包含颗粒物质和硫酸钠的热烟道气被通过所述的冷却区，其中热烟道气通过辐射冷却到大约1000°F的温度。其后，所述气体以0.17英尺/秒的平均流速通过具有8.5英寸水柱的所述床。所述床颗粒被预热至平均为900°的温度，而颗粒物床的表面温度则大约为1000°F。净化的烟道气的温度为500°F，将这种烟道气和新进的热烟道气作比较。比较结果表明百分之九十九的颗粒物质和实际上所有的硫酸钠均已通过过床而除去。

本发明也可推广到其它高温炉中，诸如水泥窑、石灰窑或加工铁矿或任何成丸状的材料的熔炉中。在这种应用中，除了可冷凝的挥发性物质可能不存在外，本发明将以和玻璃熔融中所采用的同样方式来运作。这种方法精确的定义将是如下这样的：

预热颗粒物的方法包括：(A)在炉区产生热烟道气，所述的热烟道气包含颗粒状物；(B)将热烟道气从炉区通到包含气体冷却区和过滤区的预热器中；(C)将冷颗粒物送到预热器中，在所述过滤区形成一张颗粒物床；(D)将热烟道气通过冷却区，通过对颗粒物的热辐射将烟道气的温度降低至少200°F。(E)将来自冷却区的烟道气通过颗粒物床，同时维持床的被固定状态，将烟道气的颗粒物在床上过滤下来同时将床加热；和(F)将经加热的颗粒从预热器输送到所述炉区，并将净化后的烟道气从预热器排除。

尽管本发明已根据一些实施方案详细地加以阐述，但本领域技术人员会认识到在本权利要求书的精神和范围内本发明还可有其它实施方案。

Claims (13)

1.预热制备玻璃的颗粒的方法，它包括：

(A)在玻璃熔融区产生热烟道气，所述热烟道气包含颗粒物和可冷凝挥发性物质；

(B)将热烟道气从玻璃熔融区通到包含气体冷却区和过滤区的预热器中；

(C)将冷的制备玻璃的颗粒物送到预热器中，在过滤区形成一张制备玻璃的颗粒物的床；

(D)将热烟道气通过冷却区，通过对制备玻璃的颗粒物的热辐射使热烟道气的温度降低至少200°F。

(E)将来自冷却区的烟道气通过保持固定状态的制备玻璃的颗粒物的床，将烟道气中的颗粒物在床上过滤下来并将烟道气中的挥发性物质在制备玻璃的颗粒上冷凝下来，在这同时床也被加热；和

(F)将加热后的制备玻璃的颗粒从预热器输入到玻璃熔融区，将净化后的烟道气从预热器中排除。

2.权利要求1的方法，其中至少部分烟道气是通过燃料和至少含30％氧的氧化剂的燃烧产生的。

3.权利要求1的方法，其中所述的烟道气沿和床表面成一定角度的方向流过床。

4.权利要求1的方法，进一步包括在冷却区内将热烟道气通过大量下降的玻璃形成颗粒流。

5.权利要求1的方法，其中在过滤区的制备玻璃的颗粒的床基本上由砂组成，另外还包括将得到的经加热的砂和其它制备玻璃的材料一起送入到玻璃熔融区。

6.制备玻璃的设备，包括：

(A)玻璃制备容器；

(B)包含冷却区和过滤区的预热器；

(C)将制备玻璃的颗粒送到预热器中的装置和在预热器的过滤区形成制备玻璃的颗粒的固定床的装置；

(D)将来自玻璃熔融容器的烟道气送到预热器的冷却区并通过在过滤区中的制备玻璃的颗粒床和从预热器中排出的装置；和

(E)将制备玻璃的颗粒从预热器送到玻璃熔融容器的装置。

7.权利要求6的装置，还包括将大量下降的制备玻璃的颗粒流送到所述冷却区的装置。

8.预热颗粒的方法，包括：

(A)在炉区产生热烟道气，所述的热烟道气包含粒状物；

(B)将热烟道气从炉区通过到包含气体冷却区和过滤区的预热器中；

(C)将冷的颗粒送到预热器中，在所述的过滤区形成一张颗粒物床；

(D)将热烟道气通过冷却区，通过对颗粒物的热辐射将烟道气的温度降低至少200°F。

(E)维持床的固定状态，同时将冷却区的烟道气通过颗粒物床，将粒状物从烟道气中过滤到床上，同时将床加热；和

(F)将经加热的颗粒从预热器输送到炉区，并将净化后的烟道气从预热器排除。

9.权利要求8的方法，其中至少部分烟道气是通过燃料和至少含30％氧的氧化剂的燃烧产生的。

10.权利要求8的方法，其中所述的颗粒包括水泥窑的原材料。

11.权利要求8的方法，其中所述的颗粒包括石水窑的原材料。

12.权利要求8的方法，其中所述的颗粒包括铁矿。

13.权利要求8的方法，其中所述的热烟道气的温度至少为1500°F。

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