CN1206180C - 制造玻璃液的方法及玻璃熔窑 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，提供了一种利用至少一个氧气-燃料烧嘴(34)而由玻璃加工原料(30)制造出已澄清好的玻璃液的带耐火材料衬的玻璃熔窑(10)以及一种使用烧嘴(34)的方法，其中所述氧气-燃料烧嘴凹陷在一个装在该熔窑(10)的窑顶(22)中的烧嘴座(38)中。控制来自氧气-燃料烧嘴(34)的气体燃料和氧气的速度，以致气体燃料速度和氧气速度基本上相等，从而产生一个大致分层的气体燃料流和大致分层的氧气流，以在玻璃加工原料(30)的顶面附近燃烧并产生一股舔蚀玻璃加工原料(30)的表面并具有一个大致成柱状的中间部分的火焰。

Description

制造玻璃液的方法 及玻璃熔窑
本发明涉及一种在其顶部装有至少一个氧气-燃料烧嘴以便熔化也被称为炉料的玻璃加工原料的玻璃熔窑以及一种使用该氧气-燃料烧嘴的方法。更确切地说，本发明涉及一种在其顶部装有至少一个氧气-燃料烧嘴以便不采用蓄热器或换热器地熔化玻璃加工原料从而提高熔化速度和玻璃产品的质量的玻璃熔窑以及一种使用该氧气-燃料烧嘴的方法。
包括熔化区和澄清区的蓄热式或换热式窑炉通常被用于制造玻璃。蓄热式或换热式窑炉与其它类型的窑炉不同的是在操作空气-燃料烧嘴时采用了至少一个蓄热器或换热器。形状和尺寸可以有许多变化的至少一个蓄热器或换热器用于预热空气-燃料烧嘴中所用的空气。在蓄热器中，预热通常是通过将现有废气中的热量从熔化室传给按方格板的方式堆砌的耐火砖而实现的。耐火砖又将其热量传递给将在燃烧燃料时使用的输入空气。通常，换热器可以大致由一个双壁管构成，其中来自熔化室的排气在中心管内与经过环形空间的空气逆流或顺流地流动。但是，蓄热器或换热器的性能可能随时间的推移而变差，因为蓄热器或换热器可能在其长期遭受含化学污染物的废气的情况下被局部堵塞或者损坏。局部被堵塞或受损的蓄热器或换热器不利地影响了空气-燃料烧嘴的性能，由此降低了玻璃生产率和燃料效率。
因此，有人已经提出了在许多熔窑中采用氧气-燃料烧嘴来补充或完全代替空气-燃料烧嘴。氧气-燃料烧嘴已被设计成能与传统的空气-燃料烧嘴相似地形成火焰并传热。确切地说，氧气-燃料烧嘴被设计成能够平行于或基本平行于玻璃表面地产生火焰。这些烧嘴向上地将热量传入窑
Figure C9881233700071
和四周的耐火材料中以及传入玻璃中。传热是通过火焰的直接辐射以及玻璃熔窑的耐火上层结构的再辐射而实现的。很少的热量通过对流或热传导被传给玻璃。玻璃熔窑的容量由熔化室内的最高耐火温度限制。因此，使用氧气-燃料烧嘴时要注意的是与烧嘴高温以及窑炉的耐火窑顶和窑壁的过热有关的危险。
本发明利用了可通过氧气-燃料燃烧而获得的更高的火焰温度和更低的质量流速，以便在将耐火温度保持在工作极限范围内的同时明显地增大传给玻璃的热量。这是通过使用至少一个垂直于或基本上垂直于玻璃表面而不是象传统设计中与之平行地产生火焰的氧气-燃料烧嘴而实现的。由于垂直于玻璃表面地使烧嘴点火，所以利用火焰的对流和辐射特性而不是只利用辐射传热地将热量传给玻璃加工原料。因此，火焰的明亮高温部分紧靠或直接接触玻璃加工原料，从而加强了通过辐射的热传导。在辐射是相对热源的距离的指数函数时，由辐射产生的热传递在本发明的玻璃熔窑中比在传统熔窑中大许多。另外，高温火焰对玻璃加工原料的舔蚀在火焰的舔蚀区内明显加强了通过对流产生的热传导。因此，对玻璃和炉料的传热速率的提高导致及其显著地提高了玻璃熔化和澄清的速度。另外，由于大部分传热直接来自高温舔蚀火焰而不是来自耐火材料，所以玻璃熔窑的熔炼能力有所提高，同时又没有对耐火材料造成热损伤。
因此，本发明的一个目的是不增加使炉窑壁和窑顶过热危险地提高玻璃熔窑的熔炼能力。本发明的另一个目的是不使用蓄热器或换热器地保持特定的玻璃生产率。本发明的再一个目的是减少玻璃熔炼中的氮氧化物的生成。本发明的又一个目的是与传统的空气-燃料玻璃熔窑或传统的氧气-燃料玻璃熔窑相比减小单位给定生产能力所需的玻璃熔窑尺寸。本发明的另一个目的是与传统的空气-燃料玻璃熔窑相比减少熔化每吨玻璃所需的总能量。本发明的又一个目的是提供一种允许更好地利用熔窑容量和更灵活地操作的玻璃熔窑，由此降低生产每吨玻璃的熔窑基本投资。
简单地讲，根据本发明，提供了一种用于由玻璃加工原料制造出已澄清好的玻璃液的带耐火炉衬的玻璃熔窑，它包括：一个通过侧壁与窑底相连并在其间形成一个具有一个熔化区和一个下游澄清区的细长窑室的窑顶；以及至少一个设置在玻璃熔窑的窑顶内的氧气-燃料烧嘴。该氧气-燃料烧嘴具有一个用于提供气体燃料的圆柱形的中心燃料内导管和一个与中心燃料出口同心、用以提供氧气的圆柱形氧气外导管。将烧嘴设计成可控制来自氧气-燃料烧嘴的气体燃料和氧气的速度，从而使气体燃料速度和氧气速度基本上相等，以便产生一个大致分层的气体燃料和氧气流，以在玻璃加工原料的上表面附近燃烧并产生一股舔蚀玻璃加工原料的表面而且具有一个成柱状的中间部分的火焰。
本发明还提供了一种用于在带耐火炉衬的玻璃熔窑中由玻璃加工原料制造出已澄清好的玻璃液的方法。该方法包括以下步骤：将玻璃加工原料送入玻璃熔窑的熔化区；在玻璃熔窑的窑顶内设置至少一个氧气-燃料烧嘴，该氧气-燃料烧嘴具有一个用于提供气体燃料的圆柱形的中心气体燃料内导管和一个与中心燃料出口同心、用以提供氧气的圆柱形氧气外导管。要如此地控制来自氧气-燃料烧嘴的气体燃料和氧气的速度，以使得气体燃料速度和氧气速度基本上相等，从而产生一个大致分层的气体燃料流和大致分层的氧气流，以便在玻璃加工原料的顶面附近燃烧并产生一股舔蚀玻璃加工原料的表面并具有一个大致成柱状的中间部分的火焰。火焰在熔化区内通过来自至少一个氧气-燃料烧嘴的火焰覆盖区来熔化玻璃加工原料而不使用蓄热器或换热器。然后从澄清区内取出已澄清好的熔融玻璃。
根据以下结合附图的具体描述，本发明的其它特征和目的及优点将变得更加清楚，其中：
图1是本发明的玻璃熔窑的纵向横截面图；
图2是沿2-2线截取的图1所示玻璃熔窑的剖视平面图；
图3是沿3-3线截取的图1所示玻璃熔窑的截面图，它示出了两个在熔窑的上游端壁附近的氧气-燃料烧嘴；
图4是沿3-3线截取的图1所示玻璃熔窑的另一个剖视平面图，它示出了一个在熔窑的上游端壁附近的氧气-燃料烧嘴；
图5是氧气-燃料烧嘴的截面图并示意性地示出了氧气-燃料烧嘴的火焰；以及
图6是表示本发明的氧气-燃料烧嘴的上工作曲线和下工作曲线的曲线图。
参见附图，其中示出了一个用于给玻璃供料通路12提供熔融玻璃的玻璃熔窑10，熔融玻璃在所述供料通路中被进一步地澄清并随后被送往至少一个玻璃成形机，如容器、成纤器等(未示出)。参见这些附图，人们将理解到，当描述和解释本发明时，为了清楚起见而没有提供构造的某些细节，因为这样的细节是早就存在的并且是本领域的普通技术人员所熟知的。
玻璃熔窑10一般包括一个具有一上游端壁14和一下游端壁16的细长窑室、侧壁18、窑底20和窑顶22，它们都是由合适的耐火材料如矾土、硅石、矾土-硅石、锆石、锆石-矾土-硅石等制成的。窑顶22如图所示地在横向于窑室的纵轴的方向上具有弧形形状，但是窑顶可以具有最常见的任何适当形状。玻璃熔窑10的窑顶22位于玻璃加工原料表面上方大约3-10英尺的地方。如在现有技术中众所周知的那样，玻璃熔窑10可以任选地包括至少一个起泡器24和/或一个电增压电极。起泡器24和/或电增压电极提高了大部分玻璃的温度并加强了在炉料盖下方熔融玻璃的循环流动。
玻璃熔窑10包括两个连续的区域，即一个熔化区26和一个下游澄清区28。熔化区26被认为是玻璃熔窑10的上游区，玻璃加工原料30在这里通过现有技术中公知的装料机构32被装入熔窑中。玻璃加工原料30可以是玻璃生产中常用的原材料的混合物。可以理解，玻璃加工原料30的组成取决于所要生产的玻璃的类型。通常，材料尤其是包括含硅材料，它含有一般被称为“碎玻璃”的细小的圆形废玻璃。也可以采用其它包括长石、石灰石、白云石、苏打灰、碳酸钾、硼砂和矾土的玻璃加工原料。为了改变玻璃的性能，也可以加入少量的砷、锑、硫酸盐、碳和/或氟化物。另外，可以加入成色金属氧化物以便获得所需的颜色。
玻璃加工原料30在玻璃熔窑10的熔化区26中的熔融玻璃的表面上形成了由固体颗粒构成的料层。浮动的玻璃加工原料30的固体炉料颗粒主要通过安装在玻璃熔窑10的窑顶22中的至少一个氧气-燃料烧嘴34被熔化，所述烧嘴具有一个受到控制的舔蚀火焰形状和长度。可以认识到，已发现根据本发明地在玻璃加工原料30上方将至少一个氧气-燃料烧嘴34安装在玻璃熔窑10的窑顶22中提高了固态玻璃加工原料的熔化速度并同时将四周耐火材料的工作温度保持在可接受的工作极限范围内。
如本文所述地，术语“至少一个氧气-燃料烧嘴”是指一个或更多个氧气-燃料燃烧器。另外，如本文所述，术语“主要通过至少一个氧气-燃料烧嘴”是指用于熔化玻璃加工原料的能量的至少70％都来自至少一个氧气-燃料烧嘴的情况。
在一个特殊实施例中，如图1、2和4所示，玻璃熔窑10包括三个氧气-燃料烧嘴34。单个氧气-燃料烧嘴34位于两个相邻布置的下游氧气-燃料烧嘴的上游。但是，显然可以在炉料上方将任意数量的氧气-燃料烧嘴34安装在熔窑10的窑顶22中的任何适当部位上，以便熔化玻璃加工原料30。例如，可以并排地设置两个氧气-燃料烧嘴34(图3)，或者可以使用单个氧气-燃料烧嘴(图4)。尽管如此，根据本发明，各氧气-燃料烧嘴34在玻璃熔窑窑顶22中的角取向必须是这样的，即，使所产生的火焰36基本上垂直于玻璃料面，以产生一个舔蚀玻璃表面的火焰。在一个优选实施例中，氧气-燃料烧嘴34相对于玻璃加工原料30以一个大约为90+/-10度的角度定位。已经发现，玻璃生产率和所生产的玻璃质量可以通过用至少一个向下点火的氧气-燃料烧嘴34熔化玻璃加工原料30而得到提高，所述烧嘴根据本发明地具有受控制的舔蚀火焰形状和长度。
参见图5，装在玻璃熔窑10的窑顶22中的至少一个氧气-燃料烧嘴34具有一个用于提供气体燃料的圆柱形气体燃料中心内导管40和一个与中心燃料出口同心的且用于提供氧气流的圆柱形氧气外导管42。氧气-燃料烧嘴34可以具有约为1-10MM Btu/Hr的热量，这取决于玻璃熔窑10的尺寸和所需的出料率。氧气-燃料烧嘴34被设计成能够利用比空气中存在的氧气更多的氧气，因此在氧气-燃料烧嘴34的火焰36的舔蚀区上方的温度明显高于利用空气-燃料烧嘴的传统玻璃熔窑中的温度。尽管如此，如本领域中的技术人员所熟知的那样，由氧气-燃料烧嘴34所赋予的火焰36的温度取决于燃料的质量和氧气/燃料比。在一个优选实施例中，氧气-燃料烧嘴34的氧气浓度一般在大约是燃烧燃料所需的氧气化学计算量的95％-125％的水平。但是，燃料/氧气比是可以变化的，以便在玻璃熔窑10中产生一个工作条件范围，从而影响例如包括氧化还原水平、小气泡水平和/或大多数任何其它的玻璃性能的性能中的至少一个。
氧气-燃料烧嘴34向下离开位于玻璃熔窑10的窑顶22中的烧嘴座38。各烧嘴座38包括一个其内直径(id)至少等于圆柱形氧气导管42的外直径的开孔。烧嘴座38的开孔的内直径(id)可以约为2英寸-8英寸。氧气-燃料烧嘴34的端部可以从烧嘴座38的端部起凹入一段大约为3英寸-18英寸的距离。可以理解，在氧气-燃料烧嘴34的端部与烧嘴座的端部之间的烧嘴座38的开孔用于集中烧嘴火焰并防止烧嘴火焰向外扩展。烧嘴座38由本领域中熟知的耐火材料制成并可以具有任何适当的形状，如成矩形等。
烧嘴座38的底面可以与窑顶22的内表面平齐，或者底面可以在窑顶内表面下方伸出2英寸-18英寸，以便保护窑顶并促进形成在玻璃加工原料的火焰舔蚀点上具有受控的火焰速度的舔蚀火焰型式。另外，如图5所示，氧气-燃料烧嘴34的燃料导管40和氧气导管42在烧嘴座38内向下延伸并终止于一个距玻璃加工原料30的表面有大致相同的垂直高度的地方。
根据本发明，由至少一个氧气-燃料烧嘴34形成的向下的舔蚀火焰36受到精确的控制以把热能传向玻璃加工原料30和熔融玻璃的表面并使热能远离四周的耐火材料，由此减少了使玻璃熔窑10的侧壁18和窑顶22过热的危险。舔蚀火焰36可以受到那些在化学处理中是标准的和传统的控制装置的控制。例如，可以容易地利用阀、热电偶、与适当的伺服线路相连的热控管、加热器控制装置等，并且过去已经把这些装置用于控制来自氧气-燃料烧嘴34的燃料与氧气的速度和数量。与采用空气-燃料烧嘴的玻璃熔窑相比或与设置在侧壁中的氧气-燃料烧嘴平行于玻璃表面地产生火焰的传统氧气-燃料烧嘴相比，在玻璃熔窑10中形成的最终温度曲线图通常在整个玻璃熔窑的长度范围内更均匀。通常，在采用至少一个氧气-燃料烧嘴34的玻璃熔窑10中的温度在大约2300°F-3100°F之间变化。舔蚀火焰36通过控制来自至少一个氧气-燃料烧嘴34的氧气与燃料的相对速度及其最高速度和最低速度而受到精确控制。
相对速度即气体燃料和氧气的速度必须基本上相等，以便向下地给玻璃加工原料30提供一个大致分层的气体燃料流和大致分层的氧气流。在一个优选实施例中，来自氧气-燃料烧嘴34的气体燃料与氧气的相对速度之间的差别可不超过大约20％。另外，在氧气-燃料烧嘴34出口处的氧气流速度与燃料流速度之间的最大差不能超过大约50标准英尺/秒。可以理解，分层的燃料流和氧气流防止了燃料和氧气过早混合，从而允许在玻璃加工原料30的上表面附近出现延迟混合和燃烧，以便产生一个其中间部分大致成柱状并舔蚀玻璃加工原料表面的火焰，由此为玻璃加工原料提供最佳的热传导。“中间部分”是指以下将进一步描述的自由喷射区54。
除了提供基本相等的氧气流速度和燃料流速度外，舔蚀玻璃加工原料30的表面的燃料和氧气流的最高速度和最低速度必须受到控制，以便在保持对玻璃加工原料表面的最佳的对流式传热的同时防止玻璃炉料侵蚀或移向窑顶22和侧壁18。可以理解，玻璃炉料向侧壁18和窑顶22的移动将不利地影响耐火衬材料并可能缩短玻璃熔窑10的工作寿命。
也可以控制氧气-燃料烧嘴34的氧气和燃料的最高速度和最低速度，以便利用来自舔蚀火焰36的最大能量，而不会损坏四周的耐火材料。来自舔蚀火焰36的最大能量是通过尽可能地减少散发到玻璃熔窑10的燃烧空间中的热量并尽可能地增加向玻璃加工原料30的传热而实现的。在不损坏耐火材料的炉壁和上层结构的情况下向玻璃加工原料30产生可接受的传热速度的氧气-燃料烧嘴34的最高和最低工作速度范围是氧气-燃料烧嘴的同心的套管结构、烧嘴座开孔的几何形状以及来自氧气-燃料烧嘴34的氧气和燃料的速度的函数。
参见图6，其中示出了一个曲线图，它包括一条上工作曲线44和一条下工作曲线46。曲线图的x轴是根据无量纲参数(H/id)定义的，而y轴是根据在烧嘴座尖端的最高火焰速度(VBb)而定义的。上工作曲线44和下工作曲线46代表在给定(H/id)的情况下烧嘴座38尖端的最高允许速度和最低允许速度(VBb)并限定了三个工作区，即一个上工作区48、一个中间工作区50和一个下工作区52。上工作区48代表过高速度或不安全工作区，下工作区52代表热低效区。中间工作区50限定出本发明的氧气-燃料烧嘴34的一个可接受的工作区。如图6所示，(H/id)参数的范围约为6-30，在烧嘴座尖端的最大允许速度(VBb)为550英尺/秒。可以理解，中间工作区50产生了具有柱形形状和对玻璃加工原料30的理想传热性能的所需舔蚀火焰36。
氧气-燃料烧嘴34的上工作曲线44和下工作曲线46由一个四阶线性多项式表示：
VBb＝a+b(H/id)+c(H/id)2+d(H/id)3+e(H/id)4      I
其中：
VBb＝在烧嘴座端部的最大速度(英尺/秒)，
H＝烧嘴座端部与玻璃加工原料的上表面之间的距离(英尺)，
id＝烧嘴座开孔的内直径(英尺)。
对于图6所示的上工作曲线44来说，H/id的比大约在6-20之间，VBb的范围大约在190-550英尺/秒之间，系数的取值是这样的：a＝571.0801，b＝-187.2957，c＝30.1164，d＝-1.8198，e＝0.04。对于图6所示的下工作曲线46来说，H/id的比大约在6-30之间，VBb的范围约在50-300英尺/秒，而且系数的取值是这样的：a＝-103.6111，b＝38.9939，c＝-2.8772，d＝0.1033，e＝-0.00125。在上述特定的(H)和(id)的情况下，设定(H/id)参数(曲线图的x轴)，它又确定了在烧嘴座前端的氧气-燃料烧嘴34的最高速度(VBb)(曲线图的y轴)，这必须位于上工作曲线和下工作曲线之间，以便产生理想的舔蚀柱状火焰36形状和理想的传热性能，以熔化玻璃加工原料30。
参见图5，根据本发明，示出了当在图6的中间工作区内工作时舔蚀火焰36的柱状形状。舔蚀火焰36是一个轴对称的柱状火焰，它具有三个明显的流动区，即一个自由喷射区54、一个滞流区56和一个壁喷射区58。
自由喷射区54是一个不受阻碍的舔蚀火焰区。在自由喷射区54内，火焰36在火焰舔蚀玻璃加工原料30的表面之前发展成柱状。柱状的火焰形状是由于控制氧气和燃料流的流出速度而形成的。更确切地说，在自由喷射区54内，氧气和燃料流流出烧嘴座38的开孔，在两股流体之间产生一个受控制的剪切应力，所述剪切应力产生了一个延长的受控层流，从而实现精确控制地混合这两股流体并部分受控制地燃烧。在自由喷射区54内获得的部分受控制的燃烧对于展开舔蚀火焰36的传热性能很重要。柱状的自由喷射火焰形状在烧嘴座38的端部与玻璃加工原料30的表面之间的距离的一半(H/2)处具有火焰直径D2，这由以下关系式限定：
1.5id≤D2≤id+0.15H           II
其中：
id＝烧嘴座开孔的内直径，
H＝烧嘴座的端部与玻璃加工原料的上表面之间的距离，
D2＝在烧嘴座的端部与玻璃加工原料表面之间的距离的一半(H/2)处的火焰直径。
第二区域即滞流区56是火焰36穿透热边界层并舔蚀玻璃加工原料30的表面的区域。在该区域56内，火焰36穿透热边界层并舔蚀玻璃加工原料的表面，由此在表面上形成了一个加速偏转火焰的水平流动的急剧压力梯度，结果使火焰沿舔蚀表面径向向外地扩展。滞流区56的端部被定义为由舔蚀火焰36产生的压力梯度降为零时玻璃加工原料表面上的位置。在滞流区56内，通过小心地控制火焰36的动量，自然存在于玻璃加工原料30的表面上的热边界层被穿透并被消除，由此减弱了其强大的阻热性能。因此，由舔蚀火焰36产生的热更容易进入部分熔化的玻璃加工原料30中。另外，在滞流区56内，火焰36的明亮度明显提高了，这增强了传入比较冷的玻璃加工原料30中的热辐射。
壁喷射区58起始于滞流区56的径向边界处。在此区域内，火焰36基本上平行于舔蚀表面地流动，并且热分界层沿舔蚀表面扩展并向外离开滞流区56，因此热分界层开始恢复对流入玻璃加工原料表面中的热流的表面阻力。
在自由喷射区54中产生的受控火焰热是由于氧气-燃料烧嘴34的同心套管设计、烧嘴座38开孔的内直径(id)以及氧气流和燃料流的最高速度、最低速度以及相对速度而造成的。通过有选择地控制氧气-燃料烧嘴34的设计结构、烧嘴座38的几何形状以及氧气流和燃料流的速度，在氧气流和燃料流之间产生了减小的剪切应力，由此产生了受控制的部分燃烧和减小的热辐射。可以理解，通过在上述的中间工作区50内操作氧气-燃料烧嘴34，使在自由喷射区54内产生的火焰热以及在滞流区56内的玻璃原料表面上的传热阻力最小化，由此尽可能地增加在滞流区内产生的热。
在自由喷射区54内产生的热是由以下过程引起的。首先，在自由喷射区54内的受控制的部分燃烧允许在玻璃加工原料30的表面上进行受控制的燃烧，由此使燃烧发生在玻璃加工原料的表面附近。使燃烧发生在玻璃加工原料30的表面附近在玻璃加工原料的表面上产生了升高的温度梯度，由此改善了对流传热。其次，在自由喷射区54内的受控制的部分燃烧为化学离解燃烧气体和燃烧产物提供了可接受的温度。这些离解的物质在撞击到比较冷的玻璃加工原料30的表面上时部分放热地重新结合，由此在玻璃加工原料的表面上产生了大量热。来自放热反应的热量进一步增强了对流传热过程。
使在玻璃加工原料30表面的滞流区56内的热阻力降至最低程度是由以下因素造成的。首先，通过受控的火焰36的动量和由经过小心控制的玻璃加工原料30的表面的燃烧特性产生的紊流消除了热分界层。其次，集中地产生表面热允许低导热性的玻璃加工原料30被转变成导热良好的熔融玻璃材料。这种转变允许在表面产生的热更有效地深入玻璃加工原料中。这种提高的热穿透效果降低了熔融玻璃的表面温度，这提高了火焰36与熔融玻璃表面之间的温度梯度并加强了对流传热过程。
熔融玻璃从玻璃熔窑10的熔化区26中流到澄清区28内。在一个优选实施例中，澄清区28包括至少一个安装在玻璃熔窑10的窑顶22中的下游氧气-燃料烧嘴34。下游氧气-燃料烧嘴34具有与上述相同的形状结构并且必须在经历受控制的变动的相同条件下工作，以便获得理想的最终舔蚀火焰效果。例如，舔蚀火焰30可以经过调节而更加明亮，以便影响熔化特性。下游的氧气-燃料烧嘴34被设置成能够在正常的对流会升起的位置上方如在玻璃熔窑10的2/3-3/4的长度上向下点火。
可以理解，已经发现至少一个下游氧气-燃料烧嘴34能够通过显著地提高表面玻璃温度、促进熔化和混合地去除表面缺陷如未完全反应的玻璃加工原料或未充分混合的表面材料而改善向前流入成型区的玻璃的质量。另外，至少一个下游氧气-燃料烧嘴34阻碍了材料的向前流动，促进了熔融玻璃内的自然对流，由此造成更热的玻璃在玻璃加工原料的下方回流，从而防止熔融玻璃向前浪涌，结果提高了熔化效果并提高了澄清区内的玻璃温度。向前流动的玻璃也更热了并且这导致更快速的澄清和在前端区域内的燃料消耗的减少。另外，对于通常在下游玻璃表面上具有一层泡沫的玻璃熔窑来说，已发现下游的氧气-燃料烧嘴34能减少泡沫。可以理解，通过减少泡沫，可以改善传入玻璃材料主体中的热传递，以便减少否则玻璃熔窑10所需的热能并提高了玻璃熔窑的工作效率。
所述的至少一个顶装式氧气-燃料烧嘴34可以安放在一个新的玻璃熔窑10中或改装到现有的玻璃熔窑中，以便相对空气-燃料燃烧式熔窑或传统的侧点火式氧气-燃料熔窑明显缩小设备空间并提高玻璃质量。可以理解，与相同的空气-燃料熔窑或传统的没有改装有所述的至少一个上述顶装式氧气-燃料烧嘴的传统氧气-燃料熔窑相比，本发明有助于明显提高出料率、降低玻璃熔窑10的炉壁温度和改善玻璃质量。另外，如本领域中的技术人员将容易理解的那样，使用至少一个氧气-燃料烧嘴与一个全部采用空气-燃料烧嘴的系统不同地显著减少了氮氧化物的产生。
上述的专利和文件在此作为参考文献被引入。
尽管已经参见某些特定实施例地具体描述了本发明，但是那些本领域中的技术人员将认识到在权利要求书的精神和范围内存在着其它实施例。

Claims (23)

1.一种用于在一个带耐火材料衬的玻璃熔窑中不使用蓄热器或换热器地由玻璃加工原料制造出已澄清好的玻璃液的方法，所述玻璃熔窑具有一个通过侧壁与窑底相连并在其间形成一个具有一个熔化区和一个下游澄清区的细长窑室的窑顶，所述方法包括以下步骤：
将玻璃加工原料装入玻璃熔窑的熔化区；
在玻璃熔窑的窑顶中设置至少一个凹陷在一烧嘴座中的氧气-燃料烧嘴，该氧气-燃料烧嘴具有一个用于提供气体燃料的圆柱形气体燃料中心内导管和一个与中心燃料出口同心、用以提供氧气的圆柱形氧气外导管；
控制来自氧气-燃料烧嘴的气体燃料和氧气的速度，以致气体燃料的速度和氧气速度基本上相等，从而产生一个大致分层的气体燃料流和大致分层的氧气流，以在玻璃加工原料的顶面附近燃烧并产生一股舔蚀玻璃加工原料表面并具有一个大致成柱状的中间部分的火焰；
不使用蓄热器或换热器地在熔化区内通过来自至少一个氧气-燃料烧嘴的火焰覆盖区来熔化玻璃加工原料；以及
从澄清区内取出已澄清好的玻璃液。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，来自氧气-燃料烧嘴的气体燃料的速度与氧气的速度相差不超过大约20％。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的至少一个氧气-燃料烧嘴位于熔化区上方。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个氧气-燃料烧嘴位于下游澄清区的上方。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在下游澄清区上方的那至少一个氧气-燃料烧嘴被定位在玻璃熔窑长度的大约2/3-3/4处。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烧嘴座具有一个其内直径约为2-8英寸的开孔。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的至少一个氧气-燃料烧嘴在所述烧嘴座的所述开孔内凹入一段约为3-18英寸的距离。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由以下关系式来定义在位于玻璃加工原料与烧嘴座的端部之间的距离的一半处的火焰直径：
1.5id≤D2≤id+0.15H          II
其中：
id＝烧嘴座开孔的内直径，
H＝烧嘴座的端部与玻璃加工原料的上表面之间的距离，
D2＝在位于烧嘴座的端部与玻璃加工原料表面之间的距离的一半处的火焰直径。
9.一种用于由玻璃加工原料制造出已澄清好的玻璃液的带耐火材料衬的玻璃熔窑，它包括：
一个通过侧壁与窑底相连并在其间形成一个具有一个熔化区和一个下游澄清区的细长窑室的窑顶；
至少一个凹陷在一个位于玻璃熔窑窑顶内的烧嘴座中的氧气-燃料烧嘴，它具有一个用于提供气体燃料的圆柱形气体燃料中心内导管和一个与中心燃料出口同心、用以提供氧气的圆柱形氧气外导管；以及
用于控制来自氧气-燃料烧嘴的气体燃料和氧气的速度的控制装置，由此使气体燃料速度和氧气速度基本上相等，从而产生一个大致分层的气体燃料流和大致分层的氧气流，以在玻璃加工原料的上表面附近燃烧并产生一股舔蚀玻璃加工原料的表面并具有一个大致成柱状的中间部分的火焰。
10.如权利要求9所述的玻璃熔窑，其特征在于，来自氧气-燃料烧嘴的气体燃料速度与氧气速度相差不超过大约20％。
11.如权利要求9所述的玻璃熔窑，其特征在于，所述的至少一个氧气-燃料烧嘴位于熔化区上方。
12.如权利要求9所述的玻璃熔窑，其特征在于，至少一个氧气-燃料烧嘴位于下游澄清区的上方。
13.如权利要求12所述的玻璃熔窑，其特征在于，在下游澄清区上方的那至少一个氧气-燃料烧嘴被定位在玻璃熔窑长度的大约2/3-3/4处。
14.如权利要求9所述的玻璃熔窑，其特征在于，所述烧嘴座具有一个其内直径约为2英寸-8英寸的开孔。
15.如权利要求9所述的玻璃熔窑，其特征在于，所述的至少一个氧气-燃料烧嘴在所述烧嘴座的所述开孔内凹入一段约为3-18英寸的距离。
16.如权利要求9所述的玻璃熔窑，其特征在于，由以下关系式来定义在位于玻璃加工原料与烧嘴座的端部之间的距离的一半处的火焰直径：
1.5id≤D2≤id+0.15H         II
其中：
id＝烧嘴座的开孔的内直径，
H＝烧嘴座的端部与玻璃加工原料的上表面之间的距离，
D2＝在位于烧嘴座的端部与玻璃加工原料表面之间的距离的一半处的火焰直径。
17.一种用于在一个带耐火材料衬的玻璃熔窑中由玻璃加工原料制造出已澄清好的玻璃液的方法，所述玻璃熔窑具有一个通过侧壁与窑底相连并在其间形成一个具有一个熔化区和一个下游澄清区的细长窑室的窑顶，所述方法包括以下步骤：
将玻璃加工原料装入玻璃熔窑的熔化区；
在熔化区内熔化玻璃加工原料；
在玻璃熔窑的窑顶内并在下游澄清区上方设置至少一个凹陷在一烧嘴座中的氧气-燃料烧嘴，该氧气-燃料烧嘴具有一个用于提供气体燃料的圆柱形气体燃料中心内导管和一个与中心燃料出口同心、用以提供氧气的圆柱形氧气外导管；以及
控制来自氧气-燃料烧嘴的气体燃料和氧气的速度，以致气体燃料速度和氧气速度基本上相等，由此产生一个大致分层的气体燃料流和大致分层的氧气流，以在熔化的玻璃加工原料的顶面附近燃烧并产生这样一股火焰，即它具有一个大致成柱状的中间部分，以便显著地减少来自熔融玻璃表面的泡沫层，从而帮助澄清熔融玻璃；
从澄清区内取出已澄清好的玻璃液。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，来自氧气-燃料烧嘴的气体燃料速度与氧气速度相差不超过大约20％。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，在下游澄清区上方的那至少一个氧气-燃料烧嘴被定位在玻璃熔窑长度的大约2/3-3/4处。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述烧嘴座具有一个其内直径约为2-8英寸的开孔。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述的至少一个氧气-燃料烧嘴在所述烧嘴座的所述开孔内凹入一段约等于3-18英寸的距离。
22.一种用于在带耐火材料衬的玻璃熔窑中不使用蓄热器或换热器地由玻璃加工原料制造出已澄清好的玻璃液的方法，所述玻璃熔窑具有一个通过侧壁与窑底相连并在其间形成一个具有一个熔化区和一个下游澄清区的细长窑室的窑顶，所述方法包括以下步骤：
将玻璃加工原料装入玻璃熔窑的熔化区；
在玻璃熔窑的窑顶中设置至少一个凹陷在一烧嘴座内的氧气-燃料烧嘴，该氧气-燃料烧嘴具有一个用于提供气体燃料的圆柱形气体燃料中心内导管和一个与中心燃料出口同心、用以提供氧气的圆柱形氧气外导管；
在一个工作区内，控制在所述烧嘴座出口处来自氧气-燃料烧嘴的氧气和气体燃料的最高速度，以便在熔融的玻璃加工原料的顶面附近燃烧并产生一股具有一大致成柱状的中间部分的火焰，其中所述工作区由一个根据以下四阶线性多项式的上工作曲线和一个根据以下四阶线性多项式的下工作曲线限定：
上工作曲线的多项式为：
VBb＝a+b(H/id)+c(H/id)2+d(H/id)3+e(H/id)4    I
其中：
H/id＝6-20左右，
VBb＝190-550英尺/秒左右，
a＝571.0801，
b＝-187.2957，
c＝30.1164，
d＝-1.8198，
e＝-0.04；
而下工作曲线的多项式为：
VBb＝a+b(H/id)+c(H/id)2+d(H/id)3+e(H/id)4    I
其中：
H/id＝6-30左右，
VBb＝50-300英尺/秒左右，
a＝-103.6111，
b＝38.9939，
c＝-2.8772，
d＝0.1033，
e＝-0.00125；
不使用蓄热器或换热器地通过所述至少一个氧气-燃料烧嘴的火焰覆盖区在熔化区内熔化玻璃加工原料；以及
在澄清区内澄清熔融的玻璃加工原料；
从澄清区内取出已澄清好的玻璃液。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，它还包括在下游澄清区上方将至少一个凹陷在一烧嘴座中的氧气-燃料烧嘴装在玻璃熔窑的窑顶内的步骤。
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