CN114667412A - 蓄热式玻璃熔炉的同步氧燃料助燃系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于蓄热式玻璃熔炉的同步氧燃料助燃的系统和方法，所述蓄热式玻璃熔炉包括第一组和第二组蓄热式空气燃料燃烧器、安装在第一壁中的第一双级氧燃料燃烧器和安装在第二壁中的第二双级氧燃料燃烧器，每个氧燃料燃烧器具有主氧气阀，用于在主氧气与分级氧气之间分配氧气流，以及分级模式阀，用于在相应燃烧器的上部分级端口与下部分级端口之间分配分级氧气流，以及控制器，被编程以控制第一和第二氧燃料燃烧器中的每一者的主氧气阀和分级模式阀，以根据炉的运行状态调整第一和第二氧燃料燃烧器的火焰特性。

Description

蓄热式玻璃熔炉的同步氧燃料助燃系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请主张于2020年10月19日提交的美国申请案第17/073,451号和于2019年10月25日提交的美国申请案第62/925,949号的优先权，其全部内容通过引用的方式并入本文，如同完全阐述一样。
技术领域
本申请涉及氧燃料助燃燃烧器在蓄热式玻璃熔炉中的使用，并且具体涉及提高那些燃烧器的效率。
背景技术
作为提高玻璃产量和/或提高效率的一种有价值的手段，零端口氧燃料助燃燃烧器已被广泛接受用于浮法玻璃熔炉中。然而，助燃燃烧器的有效性往往受到火焰与高度湍流空气燃料火焰相互作用的限制。此外，在每个蓄热器逆向循环后，这些氧火焰的强度和方向以及它们的空气-燃料火焰的相互作用都会发生显著变化。这些因素可能会造成负面影响，包括装料壁过热和火焰不稳定，导致靠近胸壁的集中热量释放和/或火焰向顶部倾斜。
氧燃料助燃燃烧器已在空气燃烧蓄热式炉中使用了几十年，并且其益处众所周知。主要的益处包括更高的炉效率和/或更低的燃料消耗、更高的生产率、更好的玻璃质量和更低的氮氧化物。尽管氧助燃有其益处，但也存在一些挑战，如保持稳定、高亮度的火焰，这能够承受空气燃烧蓄热式玻璃炉内产生的高水平湍流。蓄热式炉内燃烧方向的周期性特性会产生不断变化的气流和湍流模式，从而导致助燃燃烧器火焰倾斜、偏转，并在其他方面变得不稳定。不稳定的助燃燃烧器火焰可能会导致附近装料壁过热。此外，过早的火焰缩短或掐灭可能会导致极端的火焰条件，诸如，一方面，靠近胸壁的集中热量释放和/或火焰向顶部倾斜。这种情况通常会导致炉耐火材料(胸壁/顶部/装料端壁)过热，并降低火焰与玻璃表面之间的传热速率。另一方面，燃烧空间湍流也会中断燃料与氧气之间的混合，导致不完全燃烧。这一点在分级氧燃料燃烧器中尤其如此，在分级氧燃料燃烧器中，氧气与燃料的混合会因将一部分氧气重新定向到火焰上方或下方，从而产生更长、更明亮的火焰而固有地延迟。因此，燃烧空间湍流与分级氧燃料燃烧器之间的相互作用可能会导致通过炉烟管道排放的一氧化碳的高排放。
图1示意性地描绘了典型的蓄热式炉10，其在炉10的相对侧上具有蓄热器12A和12B、将固体玻璃熔融材料引入炉10的装料端14、和熔融玻璃从炉10离开的出口端16(玻璃流动的方向由标记为G的箭头所示)。每个蓄热器12A、12B均具有一组空气燃料燃烧器端口(在所描述的实施例中显示了六个，从装料端14至出口端16编号为1至6，但一组可以包括一或多个燃烧器)。在所描绘的运行模式中，蓄热器12B正在燃烧(即，其空气燃料燃烧器1～6在工作)，而蓄热器12A正从炉10排出燃烧产物。此外，氧燃料助燃燃烧器显示在“零端口”位置(各自标记为0)，并且无论哪个蓄热器12A、12B正在燃烧，哪个正在排气，两个氧燃料助燃燃烧器都会持续燃烧。在此运行模式下，端口1空气燃烧燃烧器与端口0氧燃料助燃燃烧器之间的水平(燃烧)面上可能会形成潜在的气体再循环区18。这些再循环区可能会导致助燃燃烧器火焰被卷入最近的空气燃烧燃烧器的气流中(当在同一侧燃烧时)，或者会交替阻碍或偏转反向燃烧的助燃燃烧器的气流。这种情况可使用Ansys Fluent计算流体动力学(CFD)模拟工具建模。在三维模拟中，根据每天650吨的生产率，复制了典型的空气燃烧蓄热式炉的大小和几何结构。图2和图3分别显示了水平(燃烧)和垂直(装料壁)平面的CFD建模结果。图2显示了氧燃料火焰(箭头B)朝着炉10的排气侧E上的装料端壁14弯曲(以及氧燃料火焰朝着炉10的燃烧侧F上的空气燃料火焰弯曲)。因此，图3显示了装料端壁14上的潜在过热区14A。这些结果有力地支持了上述关于燃烧空间流场对与流场相对的氧燃料零端口助燃燃烧器有害影响的推断。本文所述系统和方法的主要目的在于消除这些负面影响，同时保持和最大化助燃燃烧器的有益影响。
发明内容
通过了解蓄热式炉的循环空气燃料燃烧器操作与氧燃料助燃燃烧器火焰之间相互作用的性质，本发明人开发了一种先进的燃烧器技术，能够在每次蓄热器逆转时自动调整火焰特性(尤其长度、亮度和动量)，以避免负面影响，同时最大限度地提高氧燃料的性能益处。这项研发结合了先进的控制技术与最近的双级氧燃料平焰燃烧器。本文描述了同步氧燃料助燃燃烧器现场实施的方法和有益结果。
方面1.一种用于蓄热式玻璃熔炉的同步氧燃料助燃的系统，所述蓄热式玻璃熔炉具有第一组蓄热式空气燃料燃烧器和第二组蓄热式空气燃料燃烧器，以及炉控制系统，所述炉控制系统被编程以控制第一组空气燃料燃烧器和第二组空气燃料燃烧器的交替燃烧，使得当第一组空气燃料燃烧器燃烧时，第二组空气燃料燃烧器在蓄热，并且当第一组空气燃料燃烧器在蓄热时，第二组空气燃料燃烧器在燃烧，所述系统包括：第一双级氧燃料燃烧器，安装在炉的第一壁中，并具有主氧气阀以在主氧气与分级氧气之间分配氧气流，以及分级模式阀以在上部分级端口与下部分级端口之间分配分级氧气流；第二双级氧燃料燃烧器，安装在炉的第二壁中，第二壁与第一壁相对，并具有主氧气阀以在主氧气流与分级氧气流之间分配氧气流，以及分级模式阀以在至上部分级端口的上部分级氧气流与至下部分级端口的下部分级氧气流之间分配分级氧气流；以及控制器，被编程以：从炉控制系统接收一第一组和第二组空气燃料燃烧器中的哪一组正在燃烧，以及第一组和第二组空气燃料燃烧器中的哪一组正在蓄热的信号；以及响应于来自炉控制系统的信号，发出信号，以致动第一双级氧燃料燃烧器的主氧气阀和分级模式阀，并致动第二双级氧燃料燃烧器的主氧气阀和分级模式阀，用于调整第一双级氧燃料燃烧器和第二双级氧燃料燃烧器的火焰特性。
方面2.根据方面1所述的系统，其中第一双级氧燃料燃烧器和第二双级氧燃料燃烧器中的每一者都包括被配置和布置以接收燃料流和主氧气流的中央预燃器，其，被配置和布置以接收上部分级氧气流的上部分级端口，以及被配置和布置以接收下部分级氧气流的下部分级端口，其中供应至第一和第二双级氧燃料燃烧器中的每一者的氧气流为主氧气流与分级氧气流的总和，并且其中分级氧气流为上部分级氧气流与下部分级氧气流的总和。
方面3.根据方面2所述的系统，其中第一和第二双级氧燃料燃烧器中每一者的主氧气阀被配置和布置以在主火焰位置与分级火焰位置之间致动，在主火焰位置，大部分氧气流被分配给主氧气流，并且在分级火焰位置，大部分氧气流被分配给分级氧气流；并且其中第一和第二双级氧燃料燃烧器中每一者的分级模式阀被配置和布置以在至少两个位置之间致动，这两个位置选自：泡沫模式位置，其中大部分分级氧气流被分配给上部分级氧气流；分流模式位置，其中分级氧气流在上部分级氧气流与下部分级氧气流之间进行分配；以及熔融模式位置，其中大部分分级氧气流被分配给下部分级氧气流。
方面4.根据方面1所述的系统，其中第一组蓄热式空气燃料燃烧器位于第一壁中，以及第二组蓄热式空气燃料燃烧器位于第二壁中，炉进一步包括垂直于第一壁和第二壁并在其之间互连的装料壁。
方面5.根据方面4所述的系统，其中第一双级氧燃料燃烧器位于第一组空气燃料燃烧器与装料壁之间，并且其中第二双级氧燃料燃烧器位于第二组空气燃料燃烧器与装料壁之间。
方面6.根据方面1所述的系统，其中第一组蓄热式空气燃料燃烧器与第二组蓄热式空气燃料燃烧器均位于一壁中，所述壁垂直于第一壁和第二壁并在其之间互连。
方面7.根据方面4所述的系统，其中当控制器接收到第一组空气燃料燃烧器正在燃烧且第二组燃烧器正在蓄热的信号时，控制器发出信号，以致动第一双级燃烧器的主氧气阀至分级位置，并致动第一双级氧燃料燃烧器的分级模式阀至熔融模式位置，以及致动第二双级氧燃料燃烧器的主氧气阀至主火焰位置，并致动第二双级氧燃料燃烧器的分级模式阀至分流模式位置；并且其中当控制器接收到第二组空气燃料燃烧器在燃烧且第一组燃烧器在蓄热的信号时，控制器发出信号，以致动第一双级燃烧器的主氧气阀至主火焰位置，并致动第一双级氧燃料燃烧器的分级模式阀至分流模式位置，以及致动第二双级氧燃料燃烧器的主氧气阀至分级位置，并致动第二双级氧燃料燃烧器的分级模式阀至熔融模式位置。
方面8.根据方面7所述的系统，进一步包括以下至少一者：第一底部热电偶，其被定位以量测靠近第一壁和装料壁的玻璃底部温度；第二底部热电偶，其被定位以量测靠近第二壁和装料壁的玻璃底部温度；以及顶部热电偶，其被定位以量测装料壁附近的顶部温度；其中控制器进一步被编程以从第一底部热电偶、第二底部热电偶和顶部热电偶中的至少一者接收指示这些相应温度的信号；以及响应于来自炉控制系统和以下至少一者的这些信号：第一底部热电偶、第二底部热电偶和顶部热电偶，发出信号以致动第一双级氧燃料燃烧器的主氧气阀和分级模式阀，并致动第二双级氧燃料燃烧器的主氧气阀和分级模式阀，用于调整第一双级氧燃料燃烧器和第二双级氧燃料燃烧器的火焰特性。
方面9.一种对蓄热式玻璃熔炉进行同步氧燃料助燃的方法，所述蓄热式玻璃熔炉具有第一组蓄热式空气燃料燃烧器和第二组蓄热式空气燃料燃烧器；安装在炉的第一壁中的第一双级氧燃料燃烧器；以及安装在炉的第二壁中的第二双级氧燃料燃烧器；第一双级氧燃料燃烧器和第二双级氧燃料燃烧器中每一者都包括被配置和布置以接收燃料流和主氧气流的中央预燃器，被配置和布置以接收上部分级氧气流的上部分级端口，以及被配置和布置以接收下部分级氧气流的下部分级端口，所述方法包括以下步骤：交替燃烧第一组空气燃料燃烧器和第二组空气燃料燃烧器，使得当第一组空气燃料燃烧器燃烧时，第二组空气燃料燃烧器在蓄热，并且当第一组空气燃料燃烧器蓄热时，第二组空气燃料燃烧器在燃烧；检测第一组和第二组空气燃料燃烧器中的哪一个正在燃烧，以及第一组和第二组空气燃料燃烧器中的哪一个正在蓄热；以及根据第一组和第二组空气燃料燃烧器中的哪一个正在燃烧，以及第一组和第二组空气燃料燃烧器中的哪一个正在蓄热，控制第一双级氧燃料燃烧器和第二双级氧燃料燃烧器中每一者的到预燃器的主氧气流、上部分级氧气流、和下部分级氧气流，用于调整第一双级氧燃料燃烧器和第二双级氧燃料燃烧器的火焰特性。
方面10.根据方面9所述的方法，其中供应至第一双级氧燃料燃烧器的氧气流为主氧气流与分级氧气流的总和，并且其中分级氧气流为上部分级氧气流与下部分级氧气流的总和。
方面11.根据方面9所述的方法，其中第一组蓄热式空气燃料燃烧器位于第一壁中，以及第二组蓄热式空气燃料燃烧器位于第二壁中，炉进一步包括垂直于第一壁和第二壁并在其之间互连的装料壁。
方面12.根据方面11所述的方法，其中第一双级氧燃料燃烧器位于第一组空气燃料燃烧器与装料壁之间，并且其中第二双级氧燃料燃烧器位于第二组空气燃料燃烧器与装料壁之间。
方面13.根据方面9所述的方法，其中第一组蓄热式空气燃料燃烧器和第二组蓄热式空气燃料燃烧器均位于一壁中，所述壁垂直于第一壁和第二壁并在其之间互连。
方面14.根据方面11所述的方法，其中炉的第一壁位于装料壁的右侧，并且炉的第二壁位于装料壁的左侧，进一步包括以下步骤：当第一组空气燃料燃烧器正在燃烧且第二组燃烧器正在蓄热时，致动第一双级燃烧器的主氧气阀至分级位置，并致动第一双级氧燃料燃烧器的分级模式阀至熔融模式位置，以及致动第二双级氧燃料燃烧器的主氧气阀至主火焰位置，并致动第二双级氧燃料燃烧器的分级模式阀至分流模式位置；并且当第二组空气燃料燃烧器在燃烧且第一组燃烧器在蓄热时，致动第一双级燃烧器的主氧气阀至主火焰位置，并致动第一双级氧燃料燃烧器的分级模式阀至分流模式位置，以及致动第二双级氧燃料燃烧器的主氧气阀至分级位置，并致动第二双级氧燃料燃烧器的分级模式阀至熔融模式位置。
方面15.根据方面14所述的方法，进一步包括量测以下至少一者：靠近第一壁和装料壁的第一玻璃底部温度，靠近第二壁和装料壁的第二玻璃底部温度，以及装料壁附近的顶部温度；以及根据第一组和第二组空气燃料燃烧器中的哪一个正在燃烧以及第一组和第二组空气燃料燃烧器中的哪一个正在蓄热、量测的第一玻璃底部温度、量测的第二玻璃底部温度和量测的顶部温度，控制第一双级氧燃料燃烧器和第二双级氧燃料燃烧器中每一者的到预燃器的主氧气流、上部分级氧气流、和下部分级氧气流，用于调整第一双级氧燃料燃烧器和第二双级氧燃料燃烧器的火焰特性。
本文公开的系统的各个方面可以单独使用或彼此组合使用。
附图说明
图1为侧端口蓄热式炉的顶部示意图，示出了零端口氧燃料助燃燃烧器，说明了在装料壁与端口1空气燃料燃烧器之间可以形成一个再循环气体区，其可能导致助燃燃烧器火焰偏转或被吸入附近端口1空气燃料火焰中。
图2示出了带有零端口氧燃料助燃燃烧器的蓄热式炉的顶视图的CFD建模结果，示出了助燃燃烧器附近的再循环模式(图中最左侧)可能导致助燃燃烧器火焰偏转的影响。
图3示出了图2的炉侧视图的CFD建模结果。
图4为燃烧器块热面上双级氧燃料燃烧器的前透视图的照片，示出了中央主喷嘴(燃料和氧气形成富燃料主火焰)以及上部分级端口和下部分级端口(使氧气流动)。
图5A、图5B和图5C为示出图4的双级燃烧器的各种分级模式的示意图。在泡沫模式(图5A)中，氧气主要在主火焰上方分级，以产生具有含还原气体(CO)的烟灰底层的长火焰，用于泡沫失稳。在分流模式(图5B)中，氧气在主火焰的上方和下方进行分级，以产生高动量、高亮度的火焰，其在高湍流位置运行良好。在熔融模式(图5C中，氧气主要被分级在主火焰下方，以便产生具有发光底面的长火焰，用于具有顶部保护的高强度熔融。
图6为双级氧燃料燃烧器的后视图照片，其中安装气动致动器以实现分级模式和主氧气(分级)阀的自动控制。
图7为示出同步氧燃料助燃系统实施例的示意图，包括安装在零端口位置的两个双级燃烧器、两个气动控制箱和一个被配置以控制系统的控制器。
图8为具有氧燃料助燃燃烧器的蓄热式炉的平面示意图，示出了底部热电偶的位置。
图9为示出异步和同步双级燃烧器相对于异步单级燃烧器底部温度变化的结果的图形概要。
图10A、图10B和图10C为比较左侧氧燃料助燃燃烧器与相对(右侧)空气燃料燃烧器燃烧的照片。视图为从喉部端(排放端)壁向后看装料壁。图10A示出了具有最小分级的单级燃烧器；图10B示出了没有同步助燃的双级燃烧器；以及图10C示出了具同步助燃的双级燃烧器。黑色虚线代表每张照片中装料端壁上的相同位置。
图11为炉的平面示意图，示出了距离助燃燃烧器最近的炉顶部热电偶的位置。
图12为比较异步和同步双级燃烧器相对于异步单级燃烧器的最接近助燃燃烧器的平均顶部热电偶温度的图表。
图13为比较异步和同步双级燃烧器相对于异步单级燃烧器的每吨玻璃中玻璃缺陷(关于气泡和石头)的图表。
图14为示出平均比炉能耗的图表，针对异步和同步双级燃烧器相对于异步单级燃烧器的碎玻璃百分比变化进行了校正。
图15为不具有氧燃料助燃燃烧器的端部端口蓄热式炉的平面图，示出了炉内燃烧产物的循环路径。
图16为具有氧燃料助燃燃烧器的端部端口蓄热式炉的平面示意图。
具体实施方式
为了最大化氧助燃的优势并克服目前的挑战，发明人开发了一种同步助燃系统，能够在每次蓄热器逆转时自动调整火焰特性(尤其长度、亮度和动量)。同步助燃系统允许炉工程师根据特定气流和火焰条件定制每个燃烧器的两个燃烧方向的设置。此类系统可以确保每个燃烧器的火焰质量最大化，以克服蓄热器逆向循环产生的湍流的负面影响。
同步助燃系统使用双级燃烧器20，如图4所示，其在通过引用并入本文的美国专利第10,584,051号中详细描述。双级燃烧器设计成实现具高动量和高亮度的高度氧气分级；对于氧燃料助燃应用，火焰特性是理想的。双级燃烧器具有高度的可调节性，包括两个控制分级氧气方向和数量的阀。这些阀在本文中分别称为分级模式阀和主氧气阀。本文将助燃应用中双级燃烧器的性能与早期单级燃烧器(参见美国专利第7,390,189号)进行了比较。此外，本公开示出了对与蓄热式炉的运行同步添加的双级燃烧器的性能的影响。本文描述了三种情况下，单级燃烧器助燃、无同步系统的双级燃烧器助燃和同步的双级燃烧器助燃的各种炉工作参数的影响，包括对能耗、局部炉温和玻璃缺陷的影响。
由于双级燃烧器在控制火焰特性(如动量、长度和亮度)方面的高度可调性，使得同步助燃系统显著有效。双级燃烧器为一种设计用于玻璃行业的平焰氧燃料燃烧器，其具有若干特点，包括增加火焰辐射以提高燃料效率、减少泡沫能力、减少玻璃缺陷并减少NOx排放。
双级燃烧器20的燃烧器块有三个端口；一个中央预燃器端口24，其中燃料和主氧气开始燃烧，火焰扎根并稳定；一个上氧气分级端口22和一个下氧气分级端口26。双级燃烧器20具有独特的氧气分级能力，其中分级氧气可以经由分级模式阀30通过主预燃器附近的一个或两个上部或下部分级端口进行定向控制和比例分配。氧气分级模式包括泡沫控制模式、熔融模式和分流模式。此种分级氧气的定向控制提供了若干益处，包括调整火焰长度、动量、亮度和玻璃表面附近的气体气氛。图5A至图5C描述了双级燃烧器20的各种分级模式。氧气分级进一步通过延迟氧气与天然气的混合来防止NOx的形成，从而降低火焰温度。
分级模式阀30能够实现以下三种不同的燃烧器运行模式：
分流模式。在分流模式下，如图5B所示，基本上等量的氧气被引导至上部氧气分级端口22和下部氧气分级端口26。这导致火焰更短、更亮且动量相对较高，即使在相反的湍流环境中也保持稳定。当助燃燃烧器从蓄热式炉的排气侧燃烧时，分流模式尤其有用。
熔融模式。在熔融模式下，如图5C所示，氧气被引导至燃烧器块的下部氧气分级端口26，所述端口位于主火焰下方。由于分级氧气与火焰射流下侧的燃料的局部燃烧引起的热辐射，火焰将形成明亮的底面。由于在燃料含量较高的射流中形成的烟灰起到了限制向上辐射的光学屏蔽的作用，因此在熔融模式下产生的高辐射优先向下指向玻璃表面，并已被证明加速了熔融过程。
泡沫模式。在泡沫模式(或泡沫控制模式)下，如图5A所示，氧气被引导至燃烧器块的上部氧气分级端口22，所述端口位于主火焰上方。由此产生的火焰烟灰底层，含有主要由一氧化碳(浓度为百分之几)构成的还原性气体。火焰产生的还原性气氛延伸到玻璃表面上方，起到消散表面泡沫的作用。
使用主氧气阀28缓和上述三种分级模式中每种模式的燃烧特性。当主氧气阀28100％打开时，进入燃烧器的总氧气中约有75％通过主喷嘴，进入中央燃烧器块(预燃器)通道。这种情况增强了中央喷嘴中氧气与天然气之间的混合，并产生更短、更稳定、动量更大的火焰。当主氧气阀28关闭时，约5％的燃烧器氧气流透过主喷嘴排出，剩余(95％)氧气流根据所选分级模式被分配到上部和/或下部分级端口。当主氧气阀28关闭时，可以达到最大氧气量分级，火焰长度将成为给定燃料流(燃烧)率下的最大值。此外，由于形成了大量的中间烟灰，NOx排放将减少，而火焰亮度将增加。此外，随着主氧气阀逐渐关闭，火焰动量随时间而减小。
同步助燃系统能够实现最佳的助燃燃烧器火焰特性，尤其是与空气燃烧侧端口炉中的每个蓄热器逆向循环相关的长度、亮度和动量。这是经由使用燃烧器分级模式阀30和主氧气阀28的气动或电动致动对火焰特性进行自动远程控制来实现的。在优选实施例中，燃烧器具备两个氧气阀28、30的气动致动器。两个阀上典型气动致动器的布置在图6中示出。气动致动器通常为双作用的，因此，每个致动器都能够实现两个不同的控制位置，其可以利用机械止动器进行预设。同步燃烧器控制系统与设备或炉整体控制系统一起工作，以在每个蓄热器逆向循环中将阀位置更改为最佳默认位置。例如，在系统初始设置期间，可以通过目视观察助燃燃烧器火焰以及对助燃燃烧器附近的装料壁和胸壁进行光学温度量测来确定最佳燃烧器设置。这可能是重复的过程，涉及评估火焰质量和外观，以及量测不同阀设置下的局部耐火材料温度。应注意，最佳阀位置可能会因各种因素而变化，包括但不限于助燃燃烧器附近的局部湍流、由于不同装置的不同炉几何形状而改变的气流模式、助燃燃烧器的燃烧率、空气燃烧器的燃料分布和蓄热器的流量。随后，将最佳阀位置设置编程到同步系统中，以确保分级模式阀在每个逆向循环中移动到最佳位置。
请注意，尽管双级燃烧器由于能够广泛调整火焰的燃烧特性而非常适合同步助燃，但即使带有单级氧气分级模式阀(例如US 7,390,189)的氧燃料燃烧器也可以轻松适应本发明系统。
如图7所示，同步助燃系统100使用控制器，诸如可编程逻辑控制器(PLC)40，所述控制器从炉分布式控制系统(DCS)42接收指示何时发生逆转的信号。随后，PLC向电磁圈44A和44B分别发出信号，分别驱动与每个助燃燃烧器20A和20B上安装的分级模式阀30相对应的气动致动器。图7描绘了同步助燃系统100的组件的典型布局。
在另一实施例中，一些蓄热式玻璃炉使用端部端口空气燃料燃烧器配置。图15所示为端部端口炉110，其中第一蓄热器112B具有燃烧空气燃料火焰132的第一组空气燃料燃烧器端口130B，而具有第二组空气燃料燃烧器端口130A的第二蓄热器112A正在排气，其中蓄热器112B和112A均位于炉110的装料端114中。每组燃烧器端口130A和130B可包含一或多个空气燃料燃烧器。热燃烧产物134在熔体上向炉110的排放端116循环，之后再循环并作为烟气136离开炉110。固体装料经由装料端口140添加到炉110，并且熔融玻璃如流动箭头G所示离开炉。在常规循环中，蓄热器逆转，以便第一蓄热器112B排气，而第二蓄热器112A燃烧。第一侧壁118B和与第一侧壁118B相对的第二侧壁118A将装料端114连接到排放端116。
图16示出了向炉110同步添加氧燃料助燃燃烧器120A和120B。第一氧燃料助燃燃烧器120B位于第一侧壁118B中，且第二氧燃料助燃燃烧器120A位于第二侧壁118A中。尽管助燃燃烧器120A和120B位于相对的侧壁118A和118B中，但它们不一定直接相对放置。与侧端口蓄热式炉10一样，氧燃料助燃燃烧器120A和120B的运行与空气燃料蓄热器112A和112B的逆向循环同步，以优化性能。
侧端口蓄热式炉中的实例
在一台650吨/天(“tpd”)浮法玻璃炉上开发并安装了一个同步助燃系统，所述浮法玻璃炉具有侧端口配置。系统取代了没有同步分级运行的单级燃烧器。此外，还进行了使用无同步双级燃烧器的中间运行阶段。通过几个月的运行，验证了这三个运行阶段的性能比较结果。本文给出了局部玻璃和耐火材料顶部温度、玻璃缺陷和炉熔融效率的结果。
在试验期间，与炉无关的关键参数包括玻璃拉引(生产)率、两个助燃燃烧器中的每一者的燃烧率以及碎玻璃(回收玻璃)与原玻璃制造材料混合的百分比。牵引率保持在标称650tpd设定值的+/-2％范围内，而助燃燃烧器燃烧率保持在8.25MMBtu/h/燃烧器的恒定值。如表1所示，各个阶段的碎玻璃略有不同。
表1--每个测试阶段的平均碎玻璃百分比
燃烧器类型： 无同步单级燃烧器 无同步双级燃烧器 双级同步燃烧器
平均碎玻璃(％) 18 21.7 20
在致动同步助燃系统之前，对火焰特性进行了手动优化，并因此对默认分级模式阀位置进行了手动优化。使用1微米掌上型高温计进行目视观察和光学温度量测，以确定每个燃烧器和逆转燃烧循环的最佳分级模式和主氧气阀设置。
下表2显示了在试验期间为具同步助燃系统的双级燃烧器确定的最佳阀设置。根据试验期间的局部条件，针对这种特定情况选择了最佳阀设置。由于各种因素，同一装置或不同装置的最佳阀设置可能会随着时间而改变，包括但不限于助燃燃烧器附近的局部湍流、由于不同装置的不同炉几何形状而改变的气流模式、氧燃料助燃燃烧器的燃烧率、空气燃烧燃烧器的燃料分布和蓄热器的流量。一般而言，与空气燃烧燃烧器相对燃烧的氧燃料助燃燃烧器的最佳条件包括增加主氧气流，并将分级模式改为分流模式，从而提供更高动量的火焰。与空气燃烧燃烧器在同一侧燃烧的氧燃料助燃燃烧器的一般最佳条件包括减少主氧气(增加分级氧气)，并将分级模式设置为熔融模式，以最大程度地向下面的批料传递热量。确定最佳状态的准确阀设置应根据火焰和/或温度指示器的观察情况在现场确定，包括但不限于炉热电偶和/或光学温度量测。通常可能包含最佳条件的大量主氧气和分级氧气流包括以下内容：对于与空气燃烧燃烧器相对燃烧的氧燃料助燃燃烧器，60％至90％的主氧气流和剩余(40％至10％)的分级氧气流；对于以与空气燃烧燃烧器相同的方向燃烧的氧燃料助燃燃烧器，5％至40％的主氧气流和剩余(95％至60％)的分级氧气流。
表3和表4分别显示了异步双级燃烧器和异步单级燃烧器的类似信息。
表2--双级同步助燃燃烧器的优化分级设置
Figure BDA0003614582550000111
表3--双级异步助燃燃烧器的分级设置
助燃燃烧器位置 分级模式 主氧气(打开百分比)
左燃烧器 分流 50
右燃烧器 分流 75
表4--单级异步助燃燃烧器的分级设置
Figure BDA0003614582550000112
结果
对玻璃底部温度的影响。增加底部温度可增强玻璃熔体内的自然循环电流，增加玻璃停留时间，从而减少玻璃产品内的气体夹杂物(种子或气泡)数量。玻璃底部温度记录在炉的左侧和右侧，其中最近的热电偶46A(右侧，在图9的图表中标记为“R”)和46B(左侧，在图9的图表中标记为“L”)位于助燃燃烧器油罐下方约12英尺处，如图8所示。
图9示出了双级燃烧器(同步“Sync”和不同步“HRx”)平均底部温度的归一化温差(ΔT)。此处显示的结果归一化为试验开始前安装的无同步单级燃烧器的量测值。与单级燃烧器相比，双级同步助燃情况下的平均底部温度增加了6℉。此外，左侧和右侧热电偶的变化几乎相同，这意味着在蓄热器循环的燃烧和排气部分，火焰均稳定且均衡。相比之下，在没有同步助燃的情况下，双级燃烧器的平均底部温度表现出不同的结果。具体而言，左下热电偶略高于单级燃烧器，而右下热电偶略低。左侧和右侧的不平衡可归因于火焰不稳定，这是由于缺乏燃烧器同步，在蓄热器循环的两半中缺乏最佳火焰。
此外，燃烧器相对于玻璃底部温度的“平均”相对性能可以参考图10A、图10B和图10C中所示的火焰照片定性地理解，这些照片在蓄热器循环的排气阶段拍摄。图10A中的单级异步燃烧器的火焰受湍流影响呈扩散状。图10B中双级异步燃烧器的火焰看起来更直、更一致，但分级仅限于在炉内反向燃烧时保持火焰特性一致。图10C中双级同步燃烧器的火焰更长、更明亮，可以最大化分级，从而更好地向批次传热。总之，这些照片突显了双级同步助燃燃烧器(图10C)相对于两个异步情况(图10A和图10B)实现的更长、更明亮的火焰。图10C中更长、更亮的火焰显然具有更大的表面积和更高的发射率，这将导致火焰到玻璃的传热速率更高；因此，更高的底部温度。
对炉顶部温度的影响。因为这耐火材料的寿命，在相对较低的顶部温度下操作是可取的，并减少耐火材料基玻璃缺陷(石头)。炉10中距离助燃燃烧器20A和20B最近的顶部热电偶48位于助燃燃烧器20A和20B之间的中心位置，距离装料端壁约12英尺，位于燃烧器油罐下方约4英尺的范围内，如图11所示。
图12显示了双级燃烧器局部顶部热电偶(有同步和无同步)与单级燃烧器结果的平均温差。与之前安装的单级燃烧器相比，无同步助燃的双级燃烧器(“HRx”)的平均温度下降约7℉。这主要因为双级燃烧器比单级燃烧器具有更高的火焰动量，并且可以实现更高程度的下火焰分级。如美国专利第10,584,051号所述，下火焰分级的程度越高，火焰上方的烟尘颗粒层就越密，从而阻碍了辐射火焰能量向上传输到顶部。此外，双级燃烧器的较高动量在一定程度上防止火焰向顶部倾斜，也会降低顶部温度。带有同步助燃(“Sync”)的双级燃烧器的平均顶部温度下降了约12℉。这一结果突显了同步助燃系统的有效性，在此系统中，双级燃烧器的火焰特性得到了充分优化，以最大限度地提高火焰亮度和动量，从而将更高比例的热量传递到玻璃熔体中。
对玻璃缺陷的影响。气泡和石头的玻璃缺陷资料会根据每吨生产玻璃的平均缺陷数计算。与单级燃烧器数据相比，有同步和无同步的双级燃烧器的缺陷数据再次归一化，如图13所示。双级同步助燃系统的结果显示，气泡和结石分别减少了8％和21％。从逻辑上讲，这些有利的结果来自于玻璃底部温度的增加，以及使用同步系统实现的顶部温度的降低。也就是说，如前所述，由于玻璃熔体内的自然循环增强，底部温度较高会导致气泡减少，而顶部温度较低会减少流入玻璃的耐火材料，从而减少“石头”。没有同步助燃的双级燃烧器显示出缺陷气泡的轻微增加，考虑到图9所示的平均底部温度(左热电偶和右热电偶的平均值)略低，这并不意外。此外，在没有同步助燃的情况下，双级燃烧器的石头减少了12％，这可能也是由于顶部温度较低。
比能耗。炉比能耗为最难评估的参数，因为它为一个涉及多个测试变量的间接计算，并非所有测试变量都在测试程序期间得到控制。具体而言，能耗通过将空气燃料燃烧器的天然气总消耗率乘以天然气热值，再除以评估期间生产的玻璃总吨来评估。随后，根据三个测试周期中每个周期使用的碎玻璃平均百分比的变化，对能耗结果进行校正。图14所示的结果表明，两个双级燃烧器的校正能耗比单级燃烧器低约2.5％。应注意，能耗结果可能受到炉控制系统的影响，所述系统在试验开始前已投入运行。控制系统不是依赖于关键炉温直接调节燃料流率的传统类型。相反，它基于从持续学习/数据缩减衍生的复杂的非线性算法来调整空气燃料燃率。因此，在试验阶段之间进行硬件(氧燃料燃烧器)与操作更改(燃烧器同步)可能会影响学习模式和控制响应。即便如此，很明显，与基准单级燃烧器相比，双级燃烧器(有无同步)降低了能耗。
综上所述，同步助燃系统的设计旨在克服空气燃烧蓄热式侧端口炉内氧助燃固有的高湍流和不断变化的气流。通过允许在每个蓄热器逆向循环中为每个燃烧器自动设置定制的火焰特性(动量、亮度)，氧燃料助燃燃烧器的性能得到了改善。本文所述的测试结果表明，同步助燃系统能够产生更有利的炉顶和炉底温度，并显著改善玻璃质量，能耗降低2-3％。
本发明的范围不受实例中公开的特定方面或实施例的限制，这些特定方面或实施例旨在说明本发明的几个方面，并且功能等效的任何实施例都在本发明的范围内。除了本文所示和描述的那些修改之外，本发明的各种修改对于熟习本领域者而言将变得显而易见，并且意在落在所附申请专利范围的范围内。

Claims (15)

1.一种用于蓄热式玻璃熔炉的同步氧燃料助燃的系统，所述蓄热式玻璃熔炉具有第一组蓄热式空气燃料燃烧器和第二组蓄热式空气燃料燃烧器，以及炉控制系统，所述炉控制系统编程以控制第一组空气燃料燃烧器和第二组空气燃料燃烧器的交替燃烧，使得当所述第一组空气燃料燃烧器燃烧时，所述第二组空气燃料燃烧器在蓄热，并且当所述第一组空气燃料燃烧器在蓄热时，所述第二组空气燃料燃烧器在燃烧，所述系统包括：
第一双级氧燃料燃烧器，其安装在所述炉的第一壁中，并且具有主氧气阀以在主氧气与分级氧气之间分配氧气流，以及分级模式阀以在上部分级端口与下部分级端口之间分配分级氧气流；
第二双级氧燃料燃烧器，其安装在所述炉的第二壁中，所述第二壁与所述第一壁相反，并且所述第二双级氧燃料燃烧器具有主氧气阀以在主氧气流与分级氧气流之间分配氧气流，以及分级模式阀以在至所述上部分级端口的上部分级氧气流与至所述下部分级端口的下部分级氧气流之间分配所述分级氧气流；以及
控制器，其编程以：
从所述炉控制系统接收指示第一组和第二组空气燃料燃烧器中的哪个在燃烧以及第一组和第二组空气燃料燃烧器中的哪个在蓄热的信号；以及
响应于来自所述炉控制系统的所述信号，发出信号，以致动所述第一双级氧燃料燃烧器的主氧气阀和分级模式阀，并致动所述第二双级氧燃料燃烧器的主氧气阀和分级模式阀，以调整所述第一双级氧燃料燃烧器和所述第二双级氧燃料燃烧器的火焰特性。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一双级氧燃料燃烧器和所述第二双级氧燃料燃烧器中的每一者包括配置和布置用于接收燃料流和所述主氧气流的中央预燃器、配置和布置用于接收所述上部分级氧气流的上部分级端口、以及配置和布置用于接收所述下部分级氧气流的下部分级端口，其中供应至第一和第二双级氧燃料燃烧器中的每一者的氧气流为所述主氧气流与所述分级氧气流的总和，并且其中所述分级氧气流为所述上部分级氧气流与所述下部分级氧气流的总和。
3. 根据权利要求2所述的系统，
其中所述第一和第二双级氧燃料燃烧器中每一者的所述主氧气阀配置和布置以在主火焰位置与分级火焰位置之间致动，在所述主火焰位置，大部分所述氧气流分配给所述主氧气流，并且在所述分级火焰位置，大部分所述氧气流分配给所述分级氧气流；并且
其中所述第一和第二双级氧燃料燃烧器中的每一者的所述分级模式阀配置和布置以在至少两个位置之间致动，所述两个位置选自：泡沫模式位置，其中大部分所述分级氧气流分配给所述上部分级氧气流；分流模式位置，其中所述分级氧气流在所述上部分级氧气流与所述下部分级氧气流之间进行分配；以及熔融模式位置，其中大部分所述分级氧气流分配给所述下部分级氧气流。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一组蓄热式空气燃料燃烧器位于所述第一壁中，并且所述第二组蓄热式空气燃料燃烧器位于所述第二壁中，所述炉还包括垂直于所述第一壁和所述第二壁并在其之间互连的装料壁。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述第一双级氧燃料燃烧器位于所述第一组空气燃料燃烧器与所述装料壁之间，并且其中所述第二双级氧燃料燃烧器位于所述第二组空气燃料燃烧器与所述装料壁之间。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一组蓄热式空气燃料燃烧器与所述第二组蓄热式空气燃料燃烧器均位于壁中，所述壁垂直于所述第一壁和所述第二壁并在其之间互连。
7. 根据权利要求4所述的系统，
其中当所述控制器接收到所述第一组空气燃料燃烧器在燃烧且所述第二组燃烧器在蓄热的信号时，所述控制器发出信号，以致动所述第一双级燃烧器的所述主氧气阀至分级位置，并致动所述第一双级氧燃料燃烧器的所述分级模式阀至所述熔融模式位置，以及致动所述第二双级氧燃料燃烧器的所述主氧气阀至所述主火焰位置，并致动所述第二双级氧燃料燃烧器的所述分级模式阀至所述分流模式位置；并且
其中当所述控制器接收到所述第二组空气燃料燃烧器在燃烧且所述第一组燃烧器在蓄热的信号时，所述控制器发出信号，以致动所述第一双级燃烧器的所述主氧气阀至所述主火焰位置，并致动所述第一双级氧燃料燃烧器的所述分级模式阀至所述分流模式位置，以及致动所述第二双级氧燃料燃烧器的所述主氧气阀至所述分级位置，并致动所述第二双级氧燃料燃烧器的所述分级模式阀至所述熔融模式位置。
8.根据权利要求7所述的系统，还包括以下至少一者：第一底部热电偶，其定位以量测靠近所述第一壁和所述装料壁的玻璃底部温度；第二底部热电偶，其定位以量测靠近所述第二壁和装料壁的玻璃底部温度；以及顶部热电偶，其定位以量测所述装料壁附近的顶部温度；
其中所述控制器进一步编程以从所述第一底部热电偶、所述第二底部热电偶和所述顶部热电偶中的至少一者接收指示相应温度的信号；以及响应于来自所述第一底部热电偶、所述第二底部热电偶和所述顶部热电偶中的所述至少一者以及所述炉控制系统的所述信号，发出信号以致动所述第一双级氧燃料燃烧器的主氧气阀和分级模式阀，并致动所述第二双级氧燃料燃烧器的主氧气阀和分级模式阀，以调整所述第一双级氧燃料燃烧器和所述第二双级氧燃料燃烧器的火焰特性。
9.一种对蓄热式玻璃熔炉进行同步氧燃料助燃的方法，所述蓄热式玻璃熔炉具有第一组蓄热式空气燃料燃烧器和第二组蓄热式空气燃料燃烧器；安装在所述炉的第一壁中的第一双级氧燃料燃烧器；以及安装在所述炉的第二壁中的第二双级氧燃料燃烧器；所述第一双级氧燃料燃烧器和所述第二双级氧燃料燃烧器中的每一者包括配置和布置以接收燃料流和主氧气流的中央预燃器，配置和布置以接收上部分级氧气流的上部分级端口，以及配置和布置以接收下部分级氧气流的下部分级端口，所述方法包括：
交替燃烧第一组空气燃料燃烧器和第二组空气燃料燃烧器，使得当所述第一组空气燃料燃烧器在燃烧时，所述第二组空气燃料燃烧器在蓄热，并且当所述第一组空气燃料燃烧器在蓄热时，所述第二组空气燃料燃烧器在燃烧；
检测第一组和第二组空气燃料燃烧器中的哪个在燃烧以及第一组和第二组空气燃料燃烧器中的哪个在蓄热；以及
基于所述第一组和第二组空气燃料燃烧器中的哪个在燃烧以及所述第一组和第二组空气燃料燃烧器中的哪个在蓄热，控制关于所述第一双级氧燃料燃烧器和所述第二双级氧燃料燃烧器中每一者的至所述预燃器的所述主氧气流、所述上部分级氧气流和所述下部分级氧气流，以调整所述第一双级氧燃料燃烧器和所述第二双级氧燃料燃烧器的火焰特性。
10.根据权利要求9所述的方法，其中供应至所述第一双级氧燃料燃烧器的所述氧气流为所述主氧气流与所述分级氧气流的总和，并且其中所述分级氧气流为所述上部分级氧气流与所述下部分级氧气流的总和。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一组蓄热式空气燃料燃烧器位于所述第一壁中，并且所述第二组蓄热式空气燃料燃烧器位于所述第二壁中，所述炉还包括垂直于所述第一壁和所述第二壁并在其之间互连的装料壁。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一双级氧燃料燃烧器位于所述第一组空气燃料燃烧器与所述装料壁之间，并且其中所述第二双级氧燃料燃烧器位于所述第二组空气燃料燃烧器与所述装料壁之间。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一组蓄热式空气燃料燃烧器和所述第二组蓄热式空气燃料燃烧器均位于壁中，所述壁垂直于所述第一壁和所述第二壁并在其之间互连。
14. 根据权利要求11所述的方法，其中所述炉的所述第一壁位于所述装料壁的右侧，并且所述炉的所述第二壁位于所述装料壁的左侧，还包括：
当所述第一组空气燃料燃烧器在燃烧且所述第二组燃烧器在蓄热时，致动所述第一双级燃烧器的所述主氧气阀至所述分级位置，并致动所述第一双级氧燃料燃烧器的所述分级模式阀至所述熔融模式位置，以及致动所述第二双级氧燃料燃烧器的所述主氧气阀至所述主火焰位置，并致动所述第二双级氧燃料燃烧器的所述分级模式阀至所述分流模式位置；以及
当所述第二组空气燃料燃烧器在燃烧且所述第一组燃烧器在蓄热时，致动所述第一双级燃烧器的所述主氧气阀至所述主火焰位置，并致动所述第一双级氧燃料燃烧器的所述分级模式阀至所述分流模式位置，以及致动所述第二双级氧燃料燃烧器的所述主氧气阀至所述分级位置，并致动所述第二双级氧燃料燃烧器的所述分级模式阀至所述熔融模式位置。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括量测以下至少一者：靠近所述第一壁和所述装料壁的第一玻璃底部温度，量测靠近所述第二壁和所述装料壁的第二玻璃底部温度，以及量测所述装料壁附近的顶部温度；以及
基于所述第一组和第二组空气燃料燃烧器中的哪个在燃烧和所述第一组和第二组空气燃料燃烧器中的哪个在蓄热、所量测的第一玻璃底部温度、所量测的第二玻璃底部温度和所量测的顶部温度，控制关于所述第一双级氧燃料燃烧器和所述第二双级氧燃料燃烧器中每一者的至所述预燃器的所述主氧气流、所述上部分级氧气流和所述下部分级氧气流，以调整所述第一双级氧燃料燃烧器和所述第二双级氧燃料燃烧器的火焰特性。
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