CN1159238C - 使碱腐蚀降低的玻璃熔化方法和装置 - Google Patents

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Abstract

使碱腐蚀降低的玻璃熔化装置，它包括：具有多个壁、窑顶、装料端、配合料熔化区和澄清区的玻璃熔炉；至少两个低动量氧气-燃料燃烧器，它们位于玻璃熔炉的至少一个炉壁上，每个燃烧器具有至少一个气体排出口，每一个燃烧器的每一个气体排出口的最低点在玻璃表面上方的垂直位置提高到约45.72厘米—约91.44厘米的高度；每一个氧气-燃料燃烧器沿着指向玻璃熔炉上相对垂直壁的路径产生火焰；以及所说的玻璃熔炉的壁和窑顶的内部交界处至少在玻璃熔体表面上方约1.676-2.743米的地方。

Description

使碱腐蚀降低的玻璃熔化方法和装置
本发明涉及一种利用氧气—燃料烧嘴进行玻璃熔化的工艺，更进一步地说涉及在窑炉炉顶附近将碱挥发和碱蒸气降低。
在玻璃熔化中，玻璃制造原料被送入到玻璃熔炉中并且熔化成熔融玻璃，然后将其倒入模具中，制备诸如玻璃瓶那样的产品。该玻璃制造原料包括氧化物配合料，如芒硝(硫酸钠)和硝石(硝酸钠，NaNO3，和硝酸钾，KNO3)，从而控制该玻璃的氧化还原状态。
这些玻璃制造原料通过由燃料和氧化剂的燃烧所提供的热量而在窑炉中熔化。由燃烧产生的水蒸汽与熔融玻璃中的碱性氧化物起反应，形成从熔融玻璃中挥发出来的碱性氢氧化物。这些碱性氢氧化物，如氢氧化钠，NaOH，与窑炉耐火材料壁起反应并且造成耐火材料腐蚀，此外还会在位于窑炉之后的烟道通道中与二氧化硫，SO2，和氧气起反应形成硫酸钠和其它的硫酸盐和亚硫酸盐，这些化合物会形成颗粒并且通常需要昂贵的静电沉析器或收集室，从而确保它们不会散发到大气中。
加快的腐蚀在转变成氧气—燃料燃烧的玻璃熔炉中在“超级结构”耐火砖中已经发生了。尤其是，在某些玻璃熔炉，如用于电视屏的玻璃熔炉中已经看到氧化硅窑顶受到了严重损失。通常人们认为加快腐蚀的主要原因在于在氧气—燃料燃烧时挥发性碱性物质，如氢氧化钠(NaOH)和氢氧化钾(KOH)的浓度较高。
在氧气—燃料燃烧中，包含在燃烧空气中氮气大部分被除去并且燃烧产物的体积通常降低到常规空气燃烧的三分之一到四分之一。因此碱性物质的浓度与在常规空气燃烧中产生的挥发性碱性物质的数量相比增加了3-4倍。
加速腐蚀缩短了窑炉的寿命并且明显导致昂贵的窑炉修理。此外，由于料渣滴入玻璃配合料中，腐蚀会使某些玻璃窑炉中的玻璃缺陷上升。人们一直采用耐腐蚀的耐火砖，如钢玉和锆钢玉(AZS)砖来减轻这种腐蚀。举例来说，通常采用AZS做为玻璃窑炉的侧壁和烟道口壁，以控制腐蚀问题。硅砖是窑炉炉顶最常用的耐火材料，其原因在于它与钢玉和AZS砖相比质轻、导热性小并且便宜的多。此外，当采用AZS作为炉顶时，还存在使玻璃缺陷增加的问题，这些缺陷是由于二氧化锆“难熔结石”而形成的。当采用硅砖作为制成窑炉炉顶的材料时，造成料渣滴入玻璃配合料中的腐蚀不一定会导致玻璃缺陷。这是因为二氧化硅是玻璃的主要成分。
为了降低来自玻璃和配合料表面的碱性物质的挥发，应该避免在玻璃和配合料表面上产生热点和高速气体靠近该表面。这一点可以通过采用位于该玻璃熔炉表面上方至少30.48厘米(12英寸)的低动量氧气—燃料火焰来实现。“低动量氧气—燃料火焰”定义为通过将燃料与至少含有30％氧气的氧化剂反应而形成的火焰，该氧化剂的动量平均速度在该燃料器的气体出口的出口平面处低于60.96米/秒(200英尺/秒)，优选地低于30.48米/秒(100英尺/秒)，所说的燃烧器例如为在美国专利5449286中所说的氧气—燃料燃烧器，该专利作为参考而引入本文。该火焰基本上水平地导入，从而避免使火焰与配合料和玻璃表面相撞。人们非常希望提供一种玻璃熔化方法，在该方法中可以采用硅砖作为窑炉的炉顶并且将碱性物质的挥发降低从而使炉顶的腐蚀达到最小。
因此本发明的目的在于提供一种玻璃熔化装置和工艺，它能使在氧气—燃料燃烧下的窑炉上的硅砖和其它耐火砖的腐蚀速度降低到等于或低于常规空气燃烧的腐蚀速度。
使碱腐蚀降低的玻璃熔化的装置包括：
具有多个壁、窑顶、装料端、配合料熔化区点和澄清区的玻璃熔炉；
至少两个低动量氧气—燃料燃烧器，它们位于玻璃熔炉的至少一个炉壁上，每个燃烧器具有至少一个气体排出口，每一个燃烧器的每一个气体排出口的最低点在玻璃表面上方的垂直位置提高到约45.72厘米(18英寸)—约91.44厘米(36英寸)的高度；
每一个氧气—燃料燃烧器沿着指向玻璃熔炉上相对的垂直壁的路径产生火焰；以及
所说的玻璃熔炉的壁和窑顶的内部交界处至少在玻璃熔体表面上方约1.676-2.743米(5.5-9英尺)高度的地方。
根据本发明所说的装置，它还进一步包括至少一个烟道口，它与氧气—燃料燃烧器处在相同的玻璃熔炉壁上并位于该氧气—燃料燃烧器的下方。
根据本发明所说的装置，它还进一步包括至少一个烟道口，它沿每一个燃烧器火焰的路径与氧气—燃料燃烧器处在相对的玻璃熔炉壁上并位于该氧气—燃料燃烧器的下方。
从下列优选实施方案和附图的描述，熟悉本领域的人员可以看到其它的目的、特点及优点，在这些附图中：
图1是具有位于玻璃熔炉中玻璃和配合料水平面上方的氧气—燃料燃烧器的本发明的一种实施方案的侧面截面图；
图2是另一种玻璃熔炉的顶部截面图，它表示氧气—燃料燃烧器相对于烟道口的位置；
图3和4表示本发明的附加实施方案的顶部截面图，它具有相对于烟道口和烟囱布局的不同的氧气—燃料燃烧器布局；以及
图5是玻璃熔炉的纵向视图，它表示位于玻璃和配合料表面上方的氧气—燃料燃烧器和烟道口的高度。
本发明是通过增加氧气—燃料燃烧器在玻璃和配合料表面上方的高度以及相应地提高窑炉顶的高度而实现的。
在图1中，它表示了一种玻璃熔炉1，包含碱性成分的玻璃制造原料(称为玻璃配合料5)从窑炉1的装料端3供入。该玻璃配合料5可以含有一种或多种砂、纯碱、石灰石、白云石、芒硝、硝石、铁粉以及碎玻璃或废玻璃。在进入装料3以后，玻璃配合料5飘浮在玻璃表面上，并且当它在玻璃窑炉1上经过时被熔化，形成窑炉1中的熔融玻璃7。
燃料和氧化剂通过氧气—燃料燃烧器11、13、15和17而供入到窑炉1中，燃料和氧化剂可以分别供入到窑炉1中，也可以以预混合状态一起供入。可用于实施本发明的燃料的例子包括甲烷、天然气、油和氢气。该氧化剂可以以氧气浓度超过空气中的氧化浓度的富氧空气形式供入。优选地，该氧化剂以氧气浓度至少为30摩尔％，最优选地为至少80摩尔％的流体形式供入。如果需要也可以以工业纯氧的形式供入该氧化剂。
碱性氢氧化物由于水蒸汽与玻璃熔体中的碱性氧化物反应而形成，这些水蒸汽是由于燃料和氧化剂的燃烧而形成的。为了将碱性物质转移到玻璃熔炉1的窑顶19中的速度降低，应降低靠近窑顶19的碱(主要是碱性氢氧化物，如氢氧钠和氢氧化钾)浓度和/或气体速度。仅仅通过降低在烟道气体中的平均碱浓度并不能达到相同的效果。靠近典型的氧气—燃料燃烧窑炉窑顶处的氢氧化钠浓度相当高。作为对比，对于横火焰空气燃烧的窑炉来说，靠近窑顶的氢氧化钠浓度要比烟道气中的平均氢氧化钠浓度低好多。
在H.Kobayshi，K.T.Wu和W.Richter的论文(名称为“Numerical Modeling ofAlkali Volatilization in Glass Fumaces and Applications For OXY-Fuel Fird FurnaceDesign”，发表在第四届关于玻璃熔化与操作进展的国际研讨会上，1995年5月)中所说的三维计算窑炉模型预测通过增加在玻璃7和配合料表面5上方的燃烧器11、13、15和17的高度可以降低碱挥发。这种降低主要是由于当燃烧器高度相对于玻璃表面增加到约45.72厘米-91.44厘米(18英寸-36英寸)时靠近玻璃表面的气体速度被降低了。
在玻璃窑炉操作过程中，每一个燃烧器的燃烧速度沿着窑炉的纵向长度而有所调整，从而提供合适的纵向热流分布，它使得玻璃熔体具有一个合适的流动模型，从而有效地熔化玻璃配合料并且使玻璃熔体中的气泡得到澄清。典型的用于容器玻璃的窑炉其炉顶温度分布具有一个最高点(“热点”)，它位于窑炉长度的约60％-80％位置(从装料端计)。装料端通常是最冷的点，与最热点相比可以低37.78-93.33℃(100-200华氏度)。卸料端一般比最热点低约10.00-37.78℃(50-100华氏度)。
硅窑顶的碱腐蚀在装料区通常比较历害，在装料区中，相当高的碱蒸汽浓度与相当低的窑顶温度结合在一起加快了腐蚀。虽然腐蚀的机理还不十分清楚，但是在低温区更容易形成硅酸钠被认为是该问题的主要原因。因此需要保持较高的窑顶温度，以降低在玻璃熔炉装料区中的腐蚀速度，而不影响纵向热流分布。
在图5中的窑炉1D中，配合料熔化区中的燃烧器61和62放在比玻璃成型区9中的燃烧器63和64高出约6英寸-24英寸的地方。燃烧器61和62较高的燃烧器高度在该结构中有两个优点。配合料熔化区5中的窑顶温度由于燃烧器高度较高而得到提高，它有助于降低硅砖的碱腐蚀。燃烧器较高的高度还可以降低在配合料熔化区中的碱挥发速度，其原因在于在配合料表面上方的气体的速度较低。在澄清区中，燃烧器的高度保持较低，这是因为它是窑炉中的最热部分并且在该区域中窑顶温度的进一步增加可以导致超过允许的最高耐火温度。
但是，燃烧器高度的任何增加均会增加窑顶19的温度。因此通过增加窑顶高度，燃烧器的高度根据本发明可以得到增加，而不会进一步增加窑顶的温度。此外增加窑顶温度还会产生其它的优点，例如降低了窑顶附近的碱浓度和速度。结果可以使腐蚀速度得到明显降低。
但是，窑顶高度的增加增加了窑炉壁表面，并且使壁热损耗增加。因此从使窑炉能效最佳化这一点上来看，较低的窑顶高度是优选的。正如在实施例1中所表示的那样，本发明人已经发现一个出乎人们意外的结果，即较高的窑顶高度除了使壁热损耗增大以外还可以增加玻璃窑炉的能量效果。优选地，侧壁的高度为1.676-2.743米(5.5-9英尺)。最优选的是，侧壁的高度为1.829-2.438米(6-8英尺)。
在窑炉燃烧空间10中的碱蒸气的浓度通常高于在玻璃表面9和配合料表面5附近的浓度，并且接近于在该表面处的热力学平衡值。一般，碱蒸汽高浓度的边缘层靠近玻璃和配合料表面而形成，该边缘层的厚度在该表面上沿气流方向而增加。为了使靠近窑顶的碱性物质的浓度达到最小，优选地如图5所示在靠近燃烧器61-64的氧气—燃料燃烧器高度的下方，或者在与每一个燃烧器火焰路径相对的炉壁上配有烟道口60、65，这些烟道口可以将大多数挥发物在它们循环回到窑炉空间以前从玻璃7和配合料5表面处排出。
图2表示本发明的优选实施方案，它通过烟道口的排列而加快了挥发物的排出。在该附图中，玻璃熔炉1A采用梯形排列的六个氧气—燃料燃烧器21、22、23、24、25、26来燃烧，并且带有六个通向烟囱30的烟道口31、33、35和通向烟囱40的烟道口32、33、34。
由于配有多个烟道口并且将它们一起通入一只烟囱在成本上不是有效的，因此可以在靠近挥发性碱性物质大量产生的区域采用较少的烟道口。例如在图3中，玻璃熔炉1B采用正对排列的具有三个烟道口51、53、55的八个氧气—燃料燃烧器41-48。在后壁3中的烟道口53和两个烟道口51和55靠近熔炉的热点或澄清区9。选择这些纵向位置的原因在于在配合料熔化区6和具有最高玻璃表面温度的澄清区9碱挥发速度通常较高。
图4表示具有不同烟道口排列的本发明的另一种实施方案。玻璃熔炉1C采用梯形排列的八个氧气—燃料燃烧器和四个在侧壁中的烟道口来燃烧，其中两个烟道口靠近后壁3，两个烟道口靠近窑炉成型区9。
实施例1
该实施例证实了较高的窑炉炉顶对窑炉能效的令人惊奇的效果。在表1中给出的三种状态是上面所说的三维计算模型模拟的结果，它采用氧气—燃料燃烧344700kg/天(380吨/天)的容器玻璃熔炉，对两种不同的窑顶高度和两种燃烧器高度进行评价。
                            表1
                                   状态A         状态B       状态C
玻璃制造(TPD)[kg/天]              380[344700]   380[344700]  380[344700]
窑炉侧墙高度(英尺)[米]            5.5[1.676]    7.5[2.286]   7.5[2.286]
燃烧器高度(英尺)[米]              (低)          (低)         (低)
                                  1.1[0.3353]   1.1[0.3353]  1.9[0.5791]
燃料输入(MMBtu/小时，LHV)[MW]     43.0[45.4]    43.0[45.4]   43.0[45.4]
配合料气体的可测热量(MMBtu/小时)  1.82[1.92]    1.82[1.92]   1.82[1.92]
[MW]
传送到玻璃熔体上的热量(MMBtu/时)  29.24[30.85]  29.31[30.93] 29.15[30.76]
[MW]
上部结构的墙损耗(MMBtu/小时)[MW]  1.80[1.90]    2.00[2.11]   2.01[2.12]
烟道气体可测热量(MMBtu/小时)[MW]  13.78[14.54]  13.51[14.25] 13.66[14.42]
烟道气体温度(F)[℃]               2784[1529]    2741[1505]   2766[1519]
最高窑顶温度(F)[℃]               2885[1585]    2867[1575]   2876[1580]
特定辐射(Lb/小时)[kg/小时]                      13.53[6.137] 8.02[3.638]
状态A代表采用氧气—燃料燃烧器的常规窑炉设计，其中窑炉侧壁高度为1.676米(5.5英尺)，燃烧器高度(燃烧器喷出的气流的最低点)保持较低，即在玻璃表面上方0.3353米(1.1英尺)。烟道口位于靠近装料端的窑炉侧墙上。
状态B表示在相同窑炉条件下侧墙高度为2.286米(7.5英尺)的高炉顶窑炉的模拟情况。靠近窑炉澄清区的最高窑顶温度由于较高的炉顶而从1585℃(2885华氏度)降低到1575℃(2867华氏度)。由于与状态A相比具有较大的墙面积，上部结构的墙热损耗从状态A中的1.90-2.11MW(1.80增加到2.00MMBtu/小时)。出乎人们意外的效果是烟道气体温度从1529℃(2784华氏度)降低到1505℃(2741华氏度)以及最终烟道气体热损耗得到降低。其净结果是除了墙热损耗较高以外传送到玻璃熔体表面上的热量从30.85-30.93MW(29.24增加到29.31MMBtu/小时)。当窑炉顶较高时，在澄清区(即最热区)和配合料装料区之间的辐射热交换增加。结果，装料区的窑顶温度将会增加。虽然靠近烟道区的较高炉顶温度一般与较高的烟道气体温度有关，但是实际的结果却显示出一种相反的效果。尽管作者不希望限于某一种特定的理论，但是这种现象可以认为是由于在窑顶高度较高时靠近烟道区域气体向配合料较好的辐射而造成的。
状态C表示燃烧器在玻璃熔体表面上方的高度为0.5791米(1.9英尺)的高炉顶窑的模拟情况。其它所有的条件与状态A和B相同。在状态C中，靠近窑炉澄清区的最高炉顶温度为1580℃(2876华氏度)，由于较高燃烧器高度，它比状态B高5℃(9华氏度)，但是由于除了燃烧器高度较高以外，炉顶较高，因此它比状态A低5℃(9华氏度)。由于与状态A相比其墙面积较大，因此其上部结构的墙热损耗从状态A中的1.90-2.12MW(1.80增加到2.01MMBtu/小时)。其优点是烟道气体温度从1529℃(2784华氏度)降低到1519℃(2766华氏度)并且最终烟道气体可测热损耗得到降低。其净结果是除了较高的墙热损耗以外传送到玻璃熔体表面上的热量仅有轻微的增加，从30.85-30.93MW(29.24增加到29.31MMBtu/小时)。这种窑炉设计的主要优点在于其特定的辐射可大大降低，从状态B中的6.137kg/小时(13.53lb/小时)降低到状态C中的3.638kg/小时(8.02lb/小时)。
仅仅为了方便起见，在一个或多个附图中表示了本发明的一些特定特征，因为每一个特征还可以与本发明的其它特征结合起来。熟悉本领域的人员可以认识到其它一些可以替换的实施方案，它们因此被认为属于权利要求书的范围以内。

Claims (5)

1.使碱腐蚀降低的玻璃熔化装置，包括：
具有多个壁、窑顶、装料端、配合料熔化区和澄清区的玻璃熔炉；
至少两个低动量氧气—燃料燃烧器，它们位于玻璃熔炉的至少一个炉壁上，每个燃烧器具有至少一个气体排出口，每一个燃烧器的每一个气体排出口的最低点在玻璃表面上方的垂直位置提高到约45.72厘米—约91.44厘米的高度；
每一个氧气—燃料燃烧器沿着指向玻璃熔炉上相对垂直壁的路径产生火焰；以及
所说的玻璃熔炉的壁和窑顶的内部交界处在玻璃熔体表面上方约1.676-2.743米的地方。
2.权利要求1所说的装置，它还进一步包括至少一个烟道口，它与氧气—燃料燃烧器处在相同的玻璃熔炉壁上并位于该氧气—燃料燃烧器的下方。
3.权利要求1所说的装置，它还进一步包括至少一个烟道口，它沿每一个燃烧器火焰的路径与氧气—燃料燃烧器处在相对的玻璃熔炉壁上并位于该氧气—燃料燃烧器的下方。
4.权利要求1所说的装置，其中某些所说的氧气—燃料燃烧器位于玻璃熔炉的配合料熔化区中并且其在玻璃熔体表面上的高度为约45.72厘米-91.44厘米的地方。
5.一种在具有氧气—燃料燃烧器的玻璃熔炉中使碱腐蚀降低的玻璃熔化方法，它包括：
A)向玻璃熔炉中提供含有碱性物质的玻璃制造原料；
B)通过氧气—燃料燃烧器向窑炉中提供燃料和氧化剂，所说的氧气—燃料燃烧器以梯形结构位于该窑炉中并且其在玻璃表面上的高度为约45.72厘米-91.44厘米的地方；
C)使其中的燃料和氧化剂燃烧，从而向玻璃制造原料提供热量以形成熔融玻璃；以及
D)通过将靠近燃烧器的或在沿每一个燃烧器火焰路径的相对墙上的烟道口置于该燃烧器下方，使靠近窑顶的碱浓度降至最小，
所说的玻璃熔炉的壁和窑顶的内部交界处在玻璃熔体表面上方约1.676-2.743米的地方。
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