CN1153921C - 用空气-燃料燃烧代替氧气-燃料燃烧的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

在氧气供应临时减少或停止时，用来延续氧气-燃料燃烧系统燃烧的方法和装置。将空气或富氧空气和燃料引入待加热的装置，代替氧气和燃料混合物来进行燃烧并维持炉子的加热水平。当按空气或富氧空气的模式运作时，采用对炉子产生的废气进行水冷的方法来减小废气的容积。

Description

用空气-燃料燃烧代替氧气-燃料燃烧的方法和装置
本发明涉及的是在生产像金属，玻璃，陶瓷材料之类产品的工业熔融炉中产生高温的方法和装置。特别是，本发明涉及在出现氧气供应减少或中断时使燃烧继续进行的燃烧、方法和装置。
在如熔化玻璃的一些工业过程中，氧气-燃料燃烧炉的使用使得熔炉设计者可得到各种火势，玻璃熔化的分布以及火焰的辐射特性。这样的燃烧器和燃烧过程的例子在美国专利，U.S.Patent 5,256,058，5,346,390，5,547,368以及5,575,637中已有叙述，这些专利的公开内容引为本发明的参考。
在制造玻璃的过程中利用氧气-燃料燃烧的一个特别有效的方法和装置与分级燃烧有关(staged combustion)，这在美国专利U.S.Patent 5,611,682中已经公开，其说明被本发明引为参考。
九十年代初玻璃制造商们开始将炉子从空气-燃料燃烧转变为氧气-燃烧燃烧。某些空气-燃烧系统已经实现了富氧运行，其中氧的浓度增加到了大约30％。不使用40-80％范围的高浓度氧，这是因为这有增大形成污染物NOx的可能性。又发现，利用氧浓度在90-100％之间的氧气-燃料燃烧时将会给用户带来较大的经济效益。
很多较大的氧气-燃烧玻璃熔炼炉都是利用众所周知的低温和真空回转吸服技术(cryogenic or vacuum swing adsorptiontechniques)现场供氧。迄今为止这种储备现场制氧的常规而唯一的方法是在同一现场储存液氧。这样，当现场的制氧设备由于工艺问题或例行维护而离线时，所储存的液氧就可用来提供氧气-燃烧燃烧所需的氧。这种储备现场制氧的方法要求一些大的绝热罐和蒸发器，前者用来储存氧，后者用来使液态氧转变氧气-燃烧燃烧过程所用的气态氧。常规做法是，利用运输车从较大的空气分离设备处将液体氧拖运至现场。利用液态氧储备与现场制氧系统一起使用，可使用户能连续进行氧气-燃料的燃烧过程而不会间断。任何氧气-燃料的燃烧系统，例如在上述相关专利中被公开的任一系统，都会从具有替代系统的现场生产中受益。
直到现在，用储存的液体氧来支持氧气-燃料的玻璃熔炼炉并不被认为有问题。但是，由于在多炉场地，炉子的更换越来越多，平板或浮法玻璃炉越来越大，氧气-燃料燃烧需要使用的氧越来越多，又由于储存罐和蒸发器的投资费用很高，因而用液态氧来支持成为用户十分关注的事情。除了成本问题外，还有与运输液体氧到现场和短时间内从就近的生产液态氧的空气分离设备得到足够液态氧相关的后勤问题。将液体氧运送到较远地区的用户场地甚至成为一个更大的问题因为存在的困难更大。
通常，当将玻璃熔炼炉从空气-燃料转变为氧气-燃料时，如回热器之类的热回收装置和空气供应系统都可取消。对于用户来说，转变为氧气-燃料的动机之一是降低成本，成本的降低是由于取消了热回收装置。由于氧气-燃料燃烧器设计的问题，不能在今天使用的常规燃烧系统中简单地采用空气代替氧的方法来使炉子运行。当在使用氧气-燃料的燃烧器中使用空气时，提供等量含氧量所要求的空气压力是极高的，因而需要昂贵的空气供应系统。另外，如果燃烧速率相等，那么一些氧气-燃料的燃烧器将会受到音流速的限制。
当使用氧气-燃料燃烧时，如果氧的供应减少或中断，则常规的技术是将炉子维持在所谓的“保温(hot hold)”状态。保温是这样一种状态，在这种状态下生产停止而使炉子保持是热的，可使玻璃不致固化。玻璃固化将会严重地损坏炉子。有几家公司专门研究冷炉修理之后的炉子加热。它们用特殊设计的空气-燃料燃烧器来提供炉内的初始升温。在氧供应中断的情况下，同一空气-燃料燃烧器可被用来提供足够的热来进行保温。在这过程中，不要期望有供生产用的特定温度，这些设备只能提供到华氏2200°F的最高温度，这一温度不足以生产玻璃。因而完全不是玻璃制造者所优选的方案。就失掉产品销售额和玻璃成形线中断而言，对于玻璃制造者来说不生产玻璃代价是很高的。
因而，肯定需要提供一种在氧气供应减少或中断的情况下用来维持玻璃制造炉生产的方法和设备。
本发明涉及一种用空气-燃料燃烧系统代替氧气-燃料燃烧系统以便维持如玻璃熔炼炉之类的工业用炉的生产的方法和装置，该系统能在富氧和不富氧的情形下使用。按照本发明，设计了一个系统，它能在氧气-燃料，和空气-燃料，或富氧的空气-燃料模式下运作。按照本发明的这种燃烧器具有一个独特的特点，即在氧气-燃料模式下可以以低速运行，在空气-燃料模式下运行时，允许在燃烧器上有可接受的压降。按照本发明所述的燃烧器可利用富氧来完成上述过程。
按照本发明，在美国专利U.S.Patent 5,611,682中所述的那种燃烧器单元既可以用于氧气-燃料燃烧又可用于空气-燃料燃烧，使这种燃烧系统能迅速在上述两种模式之间转换。按照本发明，当氧的供应出现问题时，该氧气-燃料的燃烧器就会关闭，断开，并被空气-燃料替代燃烧器代替，该替代燃烧器具有相同的构形，用来连接于上述燃烧器单元。对于上述空气-燃料替代系统来说，用户可以保留原来用于熔化操作的空气-燃料系统上的空气供应系统，或者将鼓风机用作该替代系统的一部分。按照本发明的空气燃料燃烧器将能以显著高于氧气-燃料燃烧器的速率燃烧。
这样，一方面本发明是一个对使用氧气-燃料燃烧到高温的炉子维持加热方法，其中-氧气-燃料火焰被引入上述炉子，及将一氧化剂引入所述火焰之下，当该火焰和氧化剂供应减小或终止时，该维持加热方法包括下述步骤：用一速率引入空气或富氧的空气来取代这火焰，上述速率基本上维持当氧是上述燃烧唯一的氧化剂源时燃烧器的燃烧速率，及用上述燃料替代引入在上述火焰下面的氧化剂以供燃烧并使炉内维持在上述温度。
在另一方面，本发明是一个这种类型的燃烧系统，它具有一个氧气燃料燃烧器，这燃烧器适于用安装在该燃烧器上的预燃器来产生火焰，所述预燃器具有一个第一通道和一个第二独立通道，第一通道的第一端对于所述燃烧器火焰端来说是流体密封的，而第二端则用来将所述燃烧器产生的火焰导向以便以一般类似扁扇构形于工业环境进行加热，第二独立通道设置在所述第一通道的下面并与所述第一通道共同延伸，所述第二通道终止在所述预燃器的所述第二端的一喷嘴端，以便将氧化流体导向该火焰下面并一般来说与其平行，其改进包括：第一机构，将空气或富氧的空气两者之一通过所述燃烧器引入所述预燃器代替所述火焰；和第二机构，将燃料引入所述预燃器的第二独立通道代替所述氧化流体，由此，所述燃烧系统就能在氧气供应中断或减少时继续将所述工业环境加热。
再一方面，按照本发明的方法和设备，本发明可期望通过对排出炉子的废气进行液体水冷来减小被加热的炉内的废气容积。
再一方面，本发明涉及的是用空气-燃料燃烧代替氧气-燃料燃烧以维持在工业设施内的加热，空气或富氧空气可以任何方式引入设施，要引入足够容积的气体以便达到要求的加热水平。在这方面，为了降低废气的容积对废气进行水冷将是有益的。
图1是常规分级燃烧装置的示意透视图。
图2是沿图1的2-2线截取的截面图。
图3是按照本发明所述装置的示意透视图。
图4是图3所示装置的燃烧器单元或预燃器的前视图。
图5是对于从零生产到全额生产各种条件下的归一化的甲烷流速与归一化的氧气流速的关系曲线。
图6是图5中各生产速率下的氧浓度与归一化氧流速的关系曲线。
图7是几个生产速率下的归一化废气流速与归一化氧气流速的关系曲线。
图8是在零生产和全额生产之间的一些生产速率下用空气烯释之后的废气流速与氧气流速的关系曲线。
图9是从零生产到全额生产的各种条件下经水稀释之后的废气流速与氧气流速的关系曲线。
本发明涉及的是一种用-空气-燃料加热系统来代替氧气-燃料系统的方法和装置。按照本发明，该空气-燃料替代系统可以在富氧或不富氧的空气条件下运行。按照本发明的这种燃烧器至少允许两种截然不同的运行模式，例如氧气-燃料或空气-燃料模式。该燃烧器的另一特点在于，对于氧气-燃料模式来说它是以很低的速率运行的，这样，当以空气-燃料模式，在富氧或不富氧的空气条件下运行时，允许燃烧器上有可接受的压降。为了本发明的这个目的，氧气-燃料的燃烧是意味着在80％-100％含氧量之间的燃烧。富氧是意味着含氧浓度在22％和80％之间。
按照本发明，无论是在用氧气-燃料还是在空气-燃料运行过程中都可使用相同的燃烧器单元或预燃器，这就允许该燃烧系统可以迅速地从一种模式转变为另一种模式。当操作者遇到氧气供应发生问题时，就可将氧气-燃料燃烧器关闭，断开，并用同样连接到上述燃烧器单元上的空气-燃料替代燃烧器代替。对于空气-燃料系统，玻璃制造者可以保留在转换到空气-燃料燃烧之前就存在的空气供应系统，或者提供鼓风机作为该替代系统的一部分。重要的是，该空气-燃料替代燃烧器能以明显高于被替代的氧气-燃料燃烧器的速率燃烧。
由于加热和排出氮气所引起的额外能量消耗，对于该替代用的空气-燃料燃烧器来说就要求更高的燃烧速率。而且，在这替代系统中燃烧所用的空气常常不被预热，对于典型的空气-燃料炉来说这会导致炉子效率的降低。一个简化的热力学计算表明，将未预热的空气用于燃烧时，则需要增加燃料的燃烧速率。这个例子的假定是：燃料和氧气都完全反应，没有过剩的氧和没有中间产物残存下来；所有的气体(例如，甲烷，空气，或氧气)都是以77°F的温度进入炉子的；而且所有的气体在完全燃烧后以2800°F的温度排出炉子。在这些条件下，为了维持同样的供热，用空气燃烧所需要的燃烧速度是用100％的氧气燃烧所需要的燃烧速度的2.65倍。可提供的热量传递给熔炼原料并用于补偿炉子的热损耗。
这样，当氧气流速减小时，总氧化剂的容积流速将急剧增加。由于氮气的加入，氧化剂流的容积增加到原来的4.76倍，而且由于更高的燃烧速度的要求又另增2.65倍。这意味着，当用空气完全取代氧气时，氧化剂流的流速就要增加大到12.6倍。
在氧气-燃料燃烧器装置中使用空气-燃料燃烧时所关切的主要事情是为适应所需较大气体容积所要求的空气供应压力问题。本发明利用一低速氧气化剂系统。这样，即使在以空气-燃料模式燃烧时，压降也足够低，使得可以使用相当廉价的鼓风机，同时可把燃烧器的燃烧速率维持在等于或大于使用氧气燃料的燃烧速率。以该替代模式运作的用户，如玻璃熔炼者，在氧气供应紧急断绝或减少期间也能够连续生产。
对于在燃烧器中任何一点氧化剂速度都大于90英尺/秒的氧气-燃料燃烧器来说，在全额生产中把空气用作氧化剂时，其等效燃烧速度下的设计将受声速的限制。声速由方程a＝(kRT)1/2确定，其中k是比热率(对于空气来说，为1.4)，R是气体常数(287J/kg K)T是绝对温度。对于25℃(77°F)的空气而言，声速为346米/秒(1135英尺/秒)。对于氧气速度为100英尺/秒的氧气-燃料燃烧器而言，用空气的等效流速将是这个数值的12.6倍即1260英尺/秒，这个速度是大于声速的。因此，如果完全利用空气来代替氧气而且又不改变燃烧器的任何部件的话，为了避开声速限制，氧气-燃料燃烧器必须按照小于90英尺/秒的氧气流速来设计。另外，按照本发明的一个方面，即当工作模式转换时，改变燃烧器主体，也可避开这种限制。该燃烧主体必须这样设计，对于用空气-燃料运作来说，应使得表面速度小于声速。
对于运行在额定燃烧能力的2.65倍情况下，特别是以12.6倍的容积流速通过氧化剂通道的情况下的传统的氧气-燃料燃烧器来说，火焰的形状也是人们关切的事情。下面公开的本发明的实施例可提供一种对氧气-燃料和空气-燃料两种运行都合适的火焰形状。
这样，按照本发明，关于氧化剂的传输压力，流速限制，以及火焰形状的担忧都可按照本发明加以克服。我们发现当对Air Productsand Chemicals公司提供的Cleanfire HRTM燃烧器的燃烧器主体进行了改进时就可能使用户利用同-燃烧器单元从使用氧气-燃料燃烧转换到使用空气-燃料燃烧，上述公司设在滨州的Allentown。
参考图1，一种分级燃烧装置10包括一个氧气-燃料燃烧器12和一个预燃器或者说燃烧器单元14。该氧气-燃料燃烧器12包括一中心管道16用来接受如天然气之类的燃料，燃料由箭头18标示。由箭头20标示的氧源被引入上述燃料管道16和外面的同心管道22之间管道中。这种燃烧器在美国专利5,611,682中已有详细描述，其说明在此引入作为参考。燃烧器12被安装到燃烧器单元14上，而且该预燃器或者说燃烧器单元14的第一端24与它保持液密的关系。燃烧器单元14包含第一或者说中央通道26，它从第一端24延伸到燃烧器单元14的排气端28。通道26的宽度大于高度，而且具有专利5,611,682所表示和所叙述的喇叭形状。为了进行分级燃烧，由箭头30表示的补给的氧(staging oxygen)被引入燃烧器单元14的第二通道32。正如上面说明的那样，通道32具有与中央通道相似的形状，宽大于高，这在上述专利5,611,682中也作了详述。
参考图2，在预热器14的第一端24上氧气-燃料燃烧器12具有一排气端，中央的燃料管道16被氧气通道22包围。  补给的氧存在于设置在氧气-燃料火焰通道下面的通道3l中，如图2所示。
图3表示一个按照本发明所述的燃烧装置。燃烧装置40包括一燃烧器单元14，它与图1中的燃烧器单元14完全相同。按照本发明，燃烧器42与图1中的氧气-燃料燃烧器12相似，它带有一装置44允许将空气或富氧的空气引入燃烧器42的上通道50。燃烧器42也适于通过燃烧器42的通道48将空气或富氧的空气引入通道50，来自通道44和48的氧化剂在上通道50中混合，箭头46表示将空气，或者空气和氧气引入装置44，装置44又将这空气或富氧的空气顺次引入通道50中，箭头56表示将空气或空气和氧气引入的通道50。空气或富氧的空气从通道50流进燃烧器单元的中央通道26并排向炉子。
当该燃烧器转变为用没有氧气或者有限氧气-燃料燃烧时，补给氧的供应(用图1中的箭头30表示)被箭头54表示的燃烧取代，这样燃料或富氧的燃料就从燃烧器单元14的通道32中流出。在图4中示意表示的是燃烧器单元14前端的通道26和32，通道26用来将空气或富氧的空气引入炉内，通道32用来将燃料或富氧的燃料引进炉中。当燃烧器42用于空气-燃料燃烧模式时，空气或富氧的空气流过通道26，燃料或富氧燃料流过通道32。燃烧器单元的设计是这样的，使得由于在两开口之间存在的循环区而可建立起稳定的空气-燃料火焰。
除了空气-燃料的燃烧能力外，本发明的装置还能实现富氧程度的改变。由于利用氧的富集可减少使用液氧储存器的供氧，因此它提高了替代模式运作过程的灵活性。它还能通过在空气流中加氧的方法调节火焰的长度。
补充氧可通过各种方法来实现。例如，可以使空气是富氧的，可以选择地通过预燃器14的主通道26或分级出口32，或者通过两者向氧炬供氧，或者将分离的氧炬安装在离预燃器14或分级出口32某一距离的位置上，通过分级出口引入的氧和天然气一起可提供一种产生烟灰(soot)的方法，这种烟灰便于更好地把辐射热传递给炉内的装料。
使用本发明的方法和装置，能够维持玻璃生产所需的最高温度和温度分布。最好将富氧的燃烧或氧气-燃料的燃烧使用于燃烧器，使其在炉内的热点附近具有最高燃烧速率。这将减少这些燃烧器所需空气的流速和减小压降。另外，富氧增加了火焰峰值温度，因而增加了热点的热传递。众所周知，为了在玻璃融体内建立适当的对流元，在玻璃制造炉内需要有热点，这是制造质量合格的玻璃所需要的。
空气-燃料的其它技术也可用来维持保温状态，本发明的意图是使用户能连续进行生产。应使空气-燃料替代系统提供的最低燃烧速率至少能保持设计生产速率的20％。应该相信，这一生产速率足能使浮法玻璃生产者在浮法玻璃浮池中维持连续的玻璃带。
可以用添加一个或多个入口的方法把较高速率的氧气-燃料的燃烧器改为低速运行，以便使用在此公开的技术。在氧气-燃料运作过程中通常可以将这些入口关闭或者用来补给。此外，还可在空气-燃料替代系统开始工作之前在不停产的情况下添加一个或多个额外的入口，这可通过在靠近燃烧器口处的耐火墙壁上钻孔的方法来实现。
另一个利用高速燃烧器炉子的方案是用具较大开口的燃烧器单元来替代上述燃烧器单元，以便减小压降。在替代过程中使用这种方法将外面的耐火材料引入玻璃融体中有危险，可能使玻璃产生缺陷。此外，在不停产的情况下替换燃烧器单元需要相当长的时间，时间太长可能导致生产的中断不能避免。
图5表示保温(零生产速率)，20％，50％以及全额生产状态所要求的甲烷流速，它假设了，例如，全额生产状态下炉壁的热损耗量是所获得热量的35％。保温的燃烧速率比图示的低，这是因为总的炉温降低，因而减少了炉壁的热损耗所致。这个曲线假设：无论生产速率或氧气的使用情况如何，热损耗都保持相同。甲烷流速相对100％的氧气-燃料模式全额生产时的甲烷流速做了归一化处理，而氧气的流速则是相对100％的氧气-燃料模式全额生产时的氧气流速来进行归一化的。当用于燃烧的所有氧化剂全部由氧源(没有空气)提供时，归一化的氧流速为1.0，而当用于燃烧的所有氧化剂全部由空气提供时，  则归一化的氧流速为0。
图6是图5所示的各生产速率下作为归一化的氧流速函数的氧浓度的相应曲线。
如图5中A点所示，当只用空气作为燃烧氧化剂进行保温(零归一化氧流速)时，甲烷流速大约与全额生产时100％的氧气-燃料所要求的流速相同(归一化值等于1)。在氧流速为全额生产的氧流速的35％和甲烷流速为全额生产甲烷流速的35％(B点)时也可维持保温。参考图6(B点)，由B点表示的运作条件与未经空气稀释的100％的氧气燃料相对应。
图5表明，为了达到全额生产的20％，氧流速和甲烷流速各自都可减少一半。这意味着，如果生产限于全额生产的20％，则储藏的氧气供应就可延长两倍的时间。按照图6，这与100％的氧气-燃料燃烧相对应。
在50％的生产量时，氧的流速可减少到全额生产时流速的一半，而甲烷流速则可为全额生产时流速的95％。按照图6，这种运作条件的氧浓度大约为35％。
在热回收装置之后从氧气-燃料炉排出的废气温度高于从相应的空气-燃料炉排出的废气温度。因此玻璃制造者应当用某种方法在这些气体进入用金属制造的烟道系统之前降低这些氧气-燃料燃烧的产物温度。由于现今的空气污染管制，对于玻璃熔炼炉的燃料气体处理典型地包括一些悬浮微粒的清除装置，如静电除尘器，袋室等等。这些装置具有的最大温度峰值明显低于氧气-燃料炉的废气温度，典型的约为1000°F。因而，在这些装置之前必须用冷的(环境的)稀释空气(dilution air)来对这些废气进行冷却。
如果用空气取代氧气在为氧气-燃料燃烧而设计的炉内进行燃烧，则废气的容积将会显著增加。图7表示用空气取代氧气时，几种生产速率下的废气是如何增加的。关于入口和出口温度以及热损耗的假设本图与前几个图相同。废气流速相对于使用100％的氧气-燃料进行全额生产的废气流速作了归一化处理。对于全额生产而言，如果氧气完全用空气取代，则废气的增加将超过9倍。在保温状态时，可预期这时的废气流速将是上述废气流速的3倍以上。
由于热废气流的增大，在废气进入烟道系统的金属部分之前，必须提供更多的稀释空气以便将温度降低到同一水平。图8表示热力学的计算的结果，这里，2800°F的炉子废气被77°F的空气稀释以产生1000°F的气流，这是一个适合于烟道系统金属部分的温度。在空气稀释之后，把归一化的废气流速作为归一化氧气流速的函数画成曲线。废气流速相对于100％的氧气-燃料和全额生产的流速进行了归一化处理，这里，为了产生1000°F的废气流用77°F的空气对2800°F的废气进行了稀释。如果在全额生产的条件下，用空气取代氧气并用77°F的空气稀释废气来产生1000°F的气流，则所得到的废气流速将是用氧气-燃料进行全额生产所产生的废气流速的7.5倍。由于压降的限制，烟道系统不能处理这么大的废气流量增加。炉子压力增大，就可能导致结构故障。
有好几种处理烟道气体容积增加的方法：例如，减少生产，富氧燃烧。另一些冷却烟道气体的方法(例如，水冷)，利用添加的烟道气体排放能力，使烟道气体处理部分旁路，或者两个或两个以上上述方法的组合。按照本发明，解决烟道气体容积增加的一个优选方法是水冷加减产的组合方法，如果需要还可加上富氧燃烧。
图9表示热力学的计算结果，这里77°F的液态水提供了直接接触的蒸发冷却。用水稀释之后归一化的废气流速与归一化的氧气流速的关系被画成曲线。废气流速是相对于100％的氧气-燃料和全额生产的废气流速进行归一化的，这里，为了产生1000°F的气流，用77°F的空气对2800°F的废气作了稀释。该图表明，当采用水代替空气作废气流的冷却介质时，对于生产的氧气-燃料运行，废气容积可减少50％。对于利用空气代替氧气燃烧和用水来冷却废气的全额生产情形来说，废气的流速是全氧-燃料的全额生产废气流速的3.6倍，对于利用空气代替氧气作为氧化剂时50％的生产率来说，废气流的容积是全氧-燃料的全额生产时废气流容积的2.5倍左右。
表1                                            替代燃烧器及其方法总结
优选实施例 可选择的实施例
1.氧气-燃料和空气-燃料使用相同的燃烧器单元 替换燃烧器单元，在炉壁上钻一些新孔，或者在使用预先为空气-燃料替代系统而设计的燃烧器单元时将现存的孔打开。
2.氧气-燃料和空气-燃料使用相同的机架(mounting)，替换新的部件 替换燃烧器单元，在炉壁上钻一些新孔，或者在使用预先为空气-燃料替代系统而设计的燃烧器单元时将现存的孔打开。
3.将燃烧器单的横截面做成这样，使得在替代系统运作过程中，在燃烧器或者说燃烧器主体的速度最小的横截面处氧化剂速度小于250英寸/秒 将燃烧器单元的横截面做成这样，使得在替代系统运作过程中，在燃烧器或者说燃烧器主体的最小横截面处氧化剂速度小于500英尺/秒
4.在替代系统运作过程中，将空气用作氧化剂。 在替代系统运作过程中氧气浓度小于50％。
5.用水冷却烟道气体。 用水和空气联合冷却烟道气体
6.氧化剂温度小于150°F 氧化剂温度小于1000°F
7.在空气燃料替代系统运作过程中不需另外的燃烧器单元。 空气-燃料运作的燃烧器数比在氧气-燃料运作中的多达两倍
8.在空气-燃料替代系统运作中的生产能力大于全额生产能力的80％。 空气-燃料替代系统运作的生产能力大于全额生产能力的20％。
9.对于氧气-燃料运作而言，根据总的横截面开口求得的表面速度小于90英尺/秒 对于氧气-燃料运作而言，根据总的横截面开口求得的表面速度小于400英尺/秒
对于所提出的发明的可供选择的方案有：方案1)用较多的氧储量连续地进行100％的氧气-燃料燃烧，方案2)用空气-燃料加热燃烧器进行保温，以及方案3)利用空气代替氧气由高火势的氧气-燃料(high momentum oxy-fuel)燃烧器进行保温或进行一些生产。所提出的发明和方案1之间的差异在于氧气使用的减少和液体氧的储存费用的降低。本发明与方案2之间的差异在连续生产和费用上。本发明与方案3之间的差异在供应高压空气的技术难度上。
与方案1相比，本发明的优点是投资费用较低(很少几个LOX储存罐)。而且由于现场氧气设备供氧的时间减少了，液体氧的后勤供应问题也可避免。上面提出的发明优于方案1的方面在于，当氧气供应管道或气流控制闸瓦(flow control skids)出现问题时，它就可发挥作用。与方案2相比本发明的又一好处是它能进行连续生产。最有效的方法在于利用空气或富氧的空气可使全额生产继续进行。即使在浮法玻璃的浮池内能维持玻璃带最低的生产水平也是极有价值的。重建这玻璃带是费时的，可能要使生产延误一天或几天。例如，对于每天生产600吨的平板玻璃炉来说，如果玻璃价值为300美元/吨，则一天的生产价值就为180,000美元。与方案2相比本发明的另一好处是，该替代系统就在其位。方案2则要求另一公司必须来到现场，安装他们的设备。本发明还有一好处是不需对炉子的耐火材料钻孔，切割，或其它的变动。
本发明给用户提供了利用不同的燃烧器来进行空气-燃料和氧气-燃料运作的能力，为空气-燃料和氧气-燃料燃烧器提供了一种共同的安装系统，与使用空气-燃料的保温燃烧器相比，它还提供了更高的最高炉温。本发明的方法能在炉内产生与玻璃熔炼所需的相同温度分布，能采用先增加氧气浓度的方法使炉子的过热点具有更高的燃烧速度，能利用分离的但间距很近的入口来引入空气-燃料运作所需的空气和燃料，能改变预燃器/分级入口的功能以便进行空气-燃料和氧气-燃料运作。对于氧气-燃料运作来说，利用一较大的开口作为氧气和燃料流的预燃器，较小的开口用于氧气的补给(oxygenstaging)。对于空气-燃料运作来说，较大的开口用于流过空气或富氧空气，而较小的入口主要用于引入燃料。
在炉壁上安置单独的燃烧器单元或者说预燃器，以便各空气或富氧空气和燃料引入炉内，这包含在本发明的范围内。按照这种模式，根据本发明的说法，可以关闭氧气-燃料燃烧器而用独立的燃烧器单元进行燃烧。
将空气和燃料通过一些独立的燃烧器或独立于氧气-燃料燃烧器的管道引入炉子中，也包含在本发明的范围之内，只要空气或富氧空气以及燃料的引入是按照本发明的方法。
在做了这些叙述之后，希望得到美国专利证书保护的发明点将在权利要求书中提出。

Claims (20)

1.一种对使用氧气-燃料燃烧到高温的炉子维持加热方法，其中一氧气-燃料火焰被引入上述炉子，及将一氧化剂引入所述火焰之下，当该火焰和氧化剂供应减小或终止时，该维持加热方法包括下述步骤：
用空气或富氧空气中的一种代替所述氧气-燃料，并将所述空气或富氧气中的一种引入所述炉子中；
用上述燃料代替所述氧化剂，所述燃料的量要足以维持所述炉子的所述温度，并将所述燃料引入上述炉子中以便提供燃烧，且维持所述炉子的所述温度。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：除了在所述熔炉热点附近的那些燃烧器使用富氧空气燃烧器外，所述炉子是一个使用空气燃料燃烧来维持温度分布的玻璃熔炼炉。
3.按照权利要求1所述的方法，它包括用空气代替所述氧气-燃料火焰，该空气引入的流速大约是只使用氧气-燃料燃烧时氧气-燃料或氧气两者之一流速的12.6倍。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述燃烧器的排气端，所述空气或富氧空气两者之一的速度大约小于250英尺/秒。
5.按照权利要求1所述的方法，它包括通过燃烧器单元引入空气或富氧的空气中的一种以及燃料。
6.按照权利要求1所述的方法，它包括一些引入氧气和所述燃料的步骤以便增强向炉内的加热原料传递辐射热的能力。
7.按照权利要求1所述的方法，它包括用液态水来冷却流出上述炉子废气的步骤，与用空气冷却所述废气相比，它可减小所述废气的容积。
8.一个这种类型的燃烧系统，它具有一个氧气燃料燃烧器，这燃烧器适于用安装在该燃烧器上的预燃器来产生火焰，所述预燃器具有一个第一通道和一个第二独立通道，第一通道的第一端对于所述燃烧器火焰端来说是流体密封的，而第二端则用来将所述燃烧器产生的火焰导向以便以一般类似扁扇构形于工业环境进行加热，第二独立通道设置在所述第一通道的下面并与所述第一通道共同延伸，所述第二通道终止在所述预燃器的所述第二端的一喷嘴端，以便将氧化流体导向该火焰下面并一般来说与其平行，其改进包括：
第一机构，将空气或富氧的空气两者之一通过所述燃烧器引入所述预燃器代替所述火焰；和
第二机构，将燃料引入所述预燃器的第二独立通道代替所述氧化流体，由此，所述燃烧系统就能在氧气供应中断或减少时继续将所述工业环境加热。
9.按照权利要求8所述的系统，其特征在于：所述的预燃器的长度在4至18英寸之间。
10.按照权利要求8所述的系统，其特征在于：所述第一通道和第二通道在所述预燃器的第二端具有一宽度比在5到30之间。
11.按照权利要求10所述的系统，其特征在于：确定上述预燃器的第一通道和第二通道宽度的两侧壁在通过上述预燃器的中央垂直平面的任一侧的夹角在-15°到+30°之间。
12.按照权利要求11所述的系统，其特征在于：在所述垂直平面任一侧的上述夹角在0°到+15°之间。
13.按照权利要求8所述的系统，其特征在于：它包括了将氧气引入上述预燃器内燃料中的装置。
14.按照权利要求8所述的系统，其特征在于：它用在加热炉中，该加热炉带有用水来冷却从所述炉子中排放出来的废气的装置。
15.一种对使用氧气-燃料燃烧到高温的炉子维持加热方法，其中一氧气-燃料火焰被引入上述炉子，当该火焰的氧气供应减小或终止时，该维持加热方法包括下述步骤：
将空气或富氧的空气两者之一的气流引入所述炉子；和
将上述燃料的一独立流引入所述炉子，所述燃料的量要足以维持所述炉子的所述温度，以便产生燃烧和维持上述的炉内温度。
16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于：除了在所述熔炉热点附近的那些燃烧器使用富氧空气燃烧器外，所述炉子是一个使用空气燃料燃烧来维持温度分布的玻璃熔炼炉。
17.按照权利要求15所述的方法，它包括用空气代替所述氧气-燃料火焰，空气引入的流速大约是只使用氧气-燃料燃烧时氧气燃料或氧气两者之一流速的12.6倍。
18.按照权利要求15所述的方法，其特征在于：在引入空气或富氧空气两者之一的所述燃烧器的排气端，所述空气或富氧空气两者的所述之一的速度大约小于250英尺/秒。
19.按照权利要求15所述的方法，它包括一些引入氧气和燃料的步骤以增强向炉内的加热原料传递辐射热的能力。
20.按照权利要求15所述的方法，它包括用液态水来冷却流出所述炉子的废气的步骤，与用空气冷却所述废气相比，它可减小所述废气的容积。
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