CZ302602B6 - Zpusob vytápení tavicí sklárské pece pri použití odstupnovaného kyslíko-palivového horáku ve strope pece - Google Patents

Abstract

V prumyslových sklárských pecích, které volitelne obsahují rekuperátory, regenerátory, elektrický príhrev nebo jiná zarízení pro dodávku tepla do materiálu (30) vsázky sklárského kmene, se ve strope (22, 111) pece (10, 110) montuje alespon jeden kyslíko-palivový horák (103, 122) s odstupnovaným spalováním tak, aby poskytoval teplo pro tavení materiálu (30) vsázky zajištením prítoku paliva do kyslíko-palivového horáku (103, 122), privedením proudu plynného okyslicovadla (134) ve spojení s kyslíko-palivovým horákem (103, 122), vstrikováním paliva a okyslicovadla (134) do pece (10, 110) a spalováním paliva takovým zpusobem, že alespon cást spalování se uskutecnuje v blízkosti materiálu (30) vsázky tak, aby se zlepšil prenos tepla konvekcí a sáláním do materiálu (30) vsázky bez jejího podstatného mechanického narušení. V jednom provedení je kyslíko-palivový horák (103, 122) uzpusoben pro vstrikování kapalných paliv. V jiném provedení je kyslíko-palivový horák (103, 122) uzpusoben pro odstupnované spalování paliva a obsahuje alespon jeden vnejší injektor okyslicovadla (134) a dva vnitrní injektory paliva, pricemž nejvnitrnejší injektor paliva je uzpusoben pro velkou rychlost vstrikování paliva a další injektor paliva, umístený mezi tímto injektorem a vnejším injektorem paliva, je uzpusoben pro nižší rychlost vstrikování paliva.

Description

Způsob vytápění tavící sklářské pece při použití odstupňovaného kyslíko-palivového hořáku ve stropě pece

Oblast techniky

Vynález se týká použití kyslíko-palivového hořáku s montáží ve stropě pece pro tavení skla. Tento vynález se dále týká použití alespoň jednoho kyslíko-palivového horáku, který využívá vnitřního nebo vnějšího spalování při umístění ve stropě sklářské tavící pece. Vynález se týká jak pecí s plně kyslíkovým vytápěním, tak pecí s vytápěním elektřinou nebo nekyslíkovým plamenem, jako jsou vzducho-palivové hořáky, nebo jejich kombinací.

Dosavadní stav techniky

První provedení tohoto vynálezu se týká použití alespoň jednoho kyslíko-palivového hořáku, umístěného ve stropě tavící sklářské pece, za účelem zvýšení výrobní kapacity nebo zachování současné výrobní kapacity při snížení elektrického přitápění nebo v důsledku zhoršení funkce existujícího zařízení pro regeneraci tepla, jako je rekuperátor nebo regenerátor. Postup zajišťuje částečné nahrazení existujícího nebo dřívějšího vytápění vzducho-palivovým plamenem nebo elektrickou energií ze spalování paliva s kyslíkem. S výjimkou regeneračních pecí, vytápěných U-plamenem z tavícího konce, a elektrických pecí proces obsahuje blokování regenerativních vletů nebo izolaci rekuperačních hořáků. Zejména konstrukce, nasměrování a umístění hořáků nad materiálem (30) vsázky, vstupující do pece, zlepšuje tavitelnost, zvyšuje výtěžnost produktu, zajišťuje vyšší energetickou účinnost a zlepšuje jakost skla. K optimalizaci přenosu tepla pri současné minimalizaci emisí oxidů dusíku a kysličníku siřičitého se používá přesné řízem stechiometrického poměru spalování v horáku, řízení rozdělení výkonu mezi jednotlivé hořáky a zónové rozdělování poměru palivo/kyslík.

Pece s regenerativním, rekuperativním, elektrickým a přímým vytápěním se všeobecně používají pri výrobě skla a příbuzných fritových produktů.

Regenerativní pece typu vzduch-palivo se dělí na dvě kategorie: vytápěné z tavícího konce a s příčnými plameny mají větší množství vletů, typicky tři až osm na každé straně pece, které jsou spojeny buď do společného, nebo děleného regenerátoru, jehož úkolem je předehřívání spalovacího vzduchu. Regenerátory, které mohou mít různé tvary a velikosti, každých 15 až 30 minut reverzují v závislosti na provozu pece. Při každém cyklu reverzace spalovací vzduch z ventilátoru prochází jedním průchodem v reverzačním ventilu a vstupuje do základny regenerátoru na jedné straně pece a je předehříván před vstupem do vletů, které ústí do pece. Palivo, jímž je olej a/nebo plyn, se vstřikuje buď spodem, vrchem, středem, nebo bokem vletu a vznikající plamen tak hoří uvnitř sklářské tavící pece.

Horké produkty spalováni opouštějí pec vlety v protějším boku, dále procházejí dolů skrze mřížovky (děrované cihly) regenerátoru, kde odevzdávají teplo a odcházejí výfukovým komínem a druhým průchodem v reverzačním ventilu. Protože regenerátor se na straně vstupu spalovacího vzduchu ochlazuje, výfukové plyny regenerátor ohřívají tak dlouho, dokud reverzaČní ventil nereverzuje, a spalovací vzduch pak vstupuje původně horkým výfukovým regenerátorem.

Sklo se taví částečně díky přímému vyzařování plamene, ale hlavně díky sekundárnímu vyzařování stropu a stěn, které jsou vyhřívány produkty spalování. Za účelem zvýšení výrobní kapacity skla jsou mnohé pece vybaveny elektrickým prihřevem pomocí elektrod, ponořených do skla. Tento způsob je nákladný a může způsobit poškozování stěn nádrží skla. Regenerátory se Časem mohou zablokovat vlivem tepelněstrukturálních změna a nanášením materiálů, které tvoří surové sklo a jimž se také říká kmen, nebo i kondenzací těkavých složek, uvolňovaných ze sklářského kmene. Když se regenerátory začínají blokovat nebo vynechávat, teplota předehřátého vzduchu

-1 CZ 302602 B6 začíná klesat a atmosférický tlak uvnitř pece začne stoupat, přičemž se snižuje tepelná účinnost pece. Pro zajištění stejné výrobní kapacity je pak třeba větší množství paliva a spalovacího vzduchu. A co je ještě důležitější, protože stoupá tlak v peci, je třeba snižovat produkci skla, aby se předešlo poškozování žáruvzdorných materiálů, které tvoří vyzdívku pece.

Aby se obnovil objem výroby, snížený vlivem uvedených příčin, nebo aby se zvýšila produkce nepoškozené pece, používá se kyslík, a to čtyřmi způsoby: všeobecně pro obohacení vzduchu, vstřikováním kyslíku pod plameny v otvorech, instalaci kyslíko-palivových hořáků, chlazených vodou, přímo ve vletech. Nárůst kapacity těmito technikami je omezen přístupností, požadavky výrobního procesu a maximální přípustnou teplotu žáruvzdorných materiálů.

U regeneračních pecí, vytápěných U-plamenem z tavícího konce, je provoz podobný pecím s křížovými plameny. Mají však jen dva spojovací vlety k individuálním regenerátorům v koncové stěně. K poškozování regenerátorů dochází na základě stejného mechanismu jako v pecích s křížovými plameny a podobně se zde používá elektrický a kyslíkový příhřev.

Aby se obnovila výrobní kapacita, ztracená v důsledku uvedených poškozování regenerátorů, nebo aby se zvýšila, používají se zde tři prostředky: obohacení vzduchu kyslíkem, vstřikování kyslíku pod vlety a instalace kyslíko-palivových hořáků uvnitř pece. Tyto techniky jsou však typicky omezené z kapacitního hlediska v důsledku omezení maximální teploty v peci, umístění a přehřívání pece.

Rekuperační pece využívají alespoň jeden výměník rekuperačního typu. Na rozdíl od regenerátoru pracuje rekuperátor kontinuálně, má souběžný výměník tepla, ve kterém výfukové plyny předehřívají spalovací vzduch, který je pak veden k jednotlivým vzducho-palivovým hořákům, umístěným podél stěn pece. Rekuperační pece mohou také využívat elektrického příhřevu. Podobně jako u regenerativních pecí, mohou také rekuperátory začít ztrácet účinnost a schopnost předehřívat vzduch. Mohou se zablokovat nebo mohou vzniknout netěsnosti mezi stěnami, oddělujícími spalovací vzduch a výfukové plyny.

Aby se obnovila výrobní kapacita, ztracená v důsledku uvedených poškozování regenerátorů, nebo aby se zvýšila, používá se zde kyslík třemi způsoby: obohacení vzduchu kyslíkem, vstřikování kyslíku pod vzducho-palivové hořáky a instalace kyslíko-palivových hořáků uvnitř pece. Tyto techniky jsou však typicky omezené z kapacitního hlediska v důsledku omezení při umísťování hořáků v peci a přehřívání pece.

Pece s přímým spalováním nepoužívají předehřátý vzduch a jsou proto méně účinné než předchozí typy konstrukce pecí. Aby se zvýšila tepelná účinnost nebo zvýšila výrobní kapacita, nahrazují se vzducho-palivové hořáky stěnovými kyslíko-palivovými hořáky.

Elektrické pece nebo pece, využívající elektrický ohřev pro většinu tavení, mají typicky nákladný provoz a mají kratší dobu životnosti než typické pece, využívající vytápění fosilními palivy. U jednou hotových pecí tohoto typu je obtížné zvýšit výrobní kapacitu. Předmět vynálezu se týká toho, čemu se v průmyslu obvykle říká elektrická pec s vytápěným stropem a teplými stěnami a netýká se pecí s chladným stropem.

Americký Lauwersův patent US 5139558 chrání použití pomocného kyslíkového hořáku, chlazeného vodou, s vysokou hybností a umístěním ve stropě tavící sklářské pece, který je zamířen na povrch směsi roztaveného a pevného skla v úhlu, směřujícím proti toku skla, přičemž pevné složky skla jsou mechanicky zadržovány, čímž se zabrání jejich úniku z tavící zóny.

Americký Cableův patent US 3337324 chrání postup tavení vsázkového materiálu ve sklářské peci pri použití hořáku, umístěného tak, aby plameny směřovaly podstatně dolů přes násypnou stranu pece chlazené vodou.

-2CZ 302602 B6

V minulosti se o hořácích, umístěných ve stropě sklářské pece, uvažovalo, ale tato myšlenka byla opuštěna. Myslelo se, že uvolňování tepla z horáků ve stropě by bylo příliš velké a že by vedlo k tavení stropu (koruny) pece. Navíc by plameny s velkou pohybovou energií rozprašovaly vsázkový materiál do okolí, přičemž by poškozovaly stěny pece a vytvářely by vrstvu plynových bublin na povrchu skelné taveniny, obvykle nazývanou pěna.

V poslední době se navrhuje instalovat kyslíko-palivové hořáky ve stropě tavících sklářských pecí, vyzděných žáruvzdorným materiálem. Tyto hořáky míří dolů v úhlu větším než 45° vzhledem k povrchu vsázky sklářského kmene, přičemž výtoková rychlost spálených plynů je řízena tak, aby nedocházelo k unášení vsázkového materiálu do atmosféry pece, a dále řízena tak, aby obecně sloupcovitý tok paliva a kyslíku se spaloval v blízkosti povrchu vsázky a aby takto vzniklý plamen dopadal na povrch materiálu vsázky. To umožňuje podstatné zvýšení přenosu tepla do skla, přičemž je zajištěno, že teplota žáruvzdorné vyzdívky se udržuje v bezpečných provozních mezích a zabrání se přehřívání stěn a stropu pece. Toto technologické řešení, používající stropní hořáky (bez odstupňování) jako primárního zdroje tepla ve sklářské tavící pecí bez regenerátorů a rekuperátorů, je popsáno v americkém LeBlancově patentu US 6237369, který je zde uveden jako odkaz.

Konstrukce kyslíko-palivového hořáku se zabudovaným odstupňováním je chráněna americkým Taylorovým patentem US 5458483. Jeho využití pro stropní montáž však nebylo uvažováno.

V provedeních je žádoucí zajistit proces odstupňování spalování, které zlepší přenos tepla a/nebo sníží emise oxidů dusíku při provozu alespoň jednoho kyslíko-palivového hořáku, umístěného ve stropě sklářské taviči pece.

Podstata vynálezu

Předmět vynálezu se týká sklářských pecí, vyhřívaných jak zcela kyslíko-palivovým plamenem, tak pecí s vytápěním vzduch-palivo a kyslíko-palivovým příhřevem, ať už využívajících nebo nevyužívajících obnovy tepla regenerátory nebo rekuperátory a/nebo obohacováni kyslíkem.

Předmět tohoto vynálezu se tudíž týká jak modifikace existujících sklářských pecí, tak nově konstruovaných speciálních sklářských pecí.

Podle předmětu vynálezu lze zvýšit výkon sklářské taviči pece jakékoliv konstrukce použitím alespoň jednoho ve stropě pece instalovaného kyslíko-palivového hořáku, umístěného nad vstupem vsázky sklářského kmene, takže se zlepší množství taveniny a jakost skla a/nebo výtěžek produktu. Vzhledem ke zvýšenému množství a výtěžku skleněné taveniny, získané díky konstrukci a umístění těchto hořáků, lze s ohledem na stav a typ pece docílit jedné nebo více z následujících výhod: zvýšení produkce skla, zlepšení jakosti skla, snížení elektrického příhřevu, snížení výrobních ztrát v důsledku málo účinného získávání tepla (zablokované regenerátory), snížení spotřeby kyslíku náhradou obohacení atmosféry v peci kyslíkem, snížení spotřeby kyslíku náhradou vstřikování kyslíku, snížení spotřeby kyslíku náhradou konvenčních kyslíko-palivových hořáků, nasměrovaných proti stěnám sklářské pece, snížení teploty v konstrukci pece, zvýšení doby životnosti pece, zlepšení energetické účinnosti, snížení emisí kysličníků dusíku a síry, snížení spotřeby fosilních paliv, snížení spotřeby skelného odpadu, možnost řízení výstupní teploty skla a zvýšená výtěžnost skla.

Tento vynález lze aplikovat na následující typy pecí. V elektrických pecích s horkým stropem se podle tohoto vynálezu nainstaluje alespoň jeden kyslíko-palivový hořák do stropu pece. V regenerativních pecích s křížovými plameny může použití tohoto vynálezu někdy vyžadovat, aby alespoň jeden pár protilehlých vletů byl zcela nebo zčásti zablokován nebo izolován. V regenerativních pecích s ohřevem z tavícího konce se podle tohoto vynálezu instaluje alespoň jeden kyslíko-palivový hořák ve stropě pece a přítok spalovacího vzduchu se sníží o část původně

-3CZ 302602 B6 navrženého maximálního toku. Ve všech aplikacích tohoto vynálezu v rekuperačních pecích se do stropu pece instaluje alespoň jeden kyslíko-palivový horák. V pecích s více hořáky se odstraní stěnové hořáky v sousedství horáků ve stropě a přívody vzduchu se uzavřou. V aplikacích sjedním hořákem nebo jedním vletem se přítok spalovacího vzduchu sníží o část původně navrženého maximálního toku.

Při použití tohoto vynálezu v pecích s přímým vytápěním se alespoň jeden kyslíko-palivový horák instaluje ve stropě pece. U pecí s více hořáky se odstraní stěnové hořáky v sousedství hořáků ve stropě a přívody vzduchu se uzavrou.

V aplikacích sjedním horákem nebo jedním vletem se přítok spalovacího vzduchu sníží o část původně navrženého maximálního toku.

Ve všech uvedených případech je rozsah využití vynálezu prakticky totožný: při tavení skla, které se uskutečňovalo pomocí vzducho-palivových nebo kyslíko-palivových hořáků, včetně pecí, využívajících elektrický příhřev nebo konvenční kyslíkové přihřívání, se původní hořáky nahradí kyslíko-palivovými hořáky, umístěnými ve stropě nad vstupující vsázkou tak, aby se zlepšila rychlost tavby a/nebo jakost skla a/nebo výtěžnost produktu. Díky možnosti umístit tyto hořáky na specifická místa je možno docílit zvýšeného přenosu tepla do neroztaveného surového vsázkového materiálu.

Ve všech případech je nad vstupem surové vsázky do pece umístěn alespoň jeden kyslíko-palivový hořák, čímž se zvýší rychlost tavení a zlepší jakost skla, a ve všech vícevletových a vícehořákových aplikacích lze odpojit alespoň jednu dvojici vletů nebo hořáků. Ve všech aplikacích sjedním vletem nebo jedním hořákem se množství spalovacího vzduchu a paliva sníží pod navrhovanou maximální hodnotu. Účinnější hořáky, instalované ve stropě, zajišťují energii, která nahradí konvenční energii, potřebnou v procesu výroby, a poskytnou dodatečnou energii pro dosažení požadovaných vlastností výroby. Umístění hořáků nad vstupem vsázky do pece zlepšuje rychlost tavení. Stech iometrický poměr kyslíku a paliva a průtokové charakteristiky hořáků, instalovaných ve stropě, a ostatních hořáků typu vzduch-palivo lze řídit tak, aby se minimalizovaly emise kysličníků dusíku a kysličníku siřičitého ze sklářské pece.

Další provedení tohoto vynálezu se týká použití alespoň jednoho kysl íko-pal i vo vého hořáku, který využívá vnitřního nebo vnějšího odstupňování spalování a kteiý je umístěn ve stropě sklářské tavící pece. Toto provedení se týká jak pecí, vytápěných elektricky nebo nekyslíkovým plamenem (jako je např. vzducho-palivový horák). Použití předmětu vynálezu v pecích, vytápěných kyslíkový plamenem, přináší zvýšenou rychlost tavení, z níž vyplývá alespoň jeden z následujících důsledků: zlepšení jakosti skla, zvýšení výrobní kapacity a energetické účinnosti (omezením příhřevu fosilními palivy nebo elektřinou) na jednotku vyrobeného skla. Využití předmětu vynálezu v pecích s nekyslíkovým plamenem dovoluje zlepšit jakost skla a zvýšit výrobní kapacitu nebo udržet současnou výrobní kapacitu buď při snížení elektrického příhřevu, anebo pri zhoršení vlastností existujícího systému rekuperace tepla. Pri dodatečné instalaci postup umožňuje dodání nebo náhradu části existujícího nebo dřívějšího kyslíko-palivového vytápění, vzducho-palivového nebo elektrického, prostřednictvím energie z alespoň jednoho kyslíko-palivového hořáku s vnitřním nebo vnějším odstupňováním spalování, umístěného ve stropě pece.

Při instalaci nových pecí dovoluje předmět vynálezu plné využití kyslíkových hořáků včetně alespoň jednoho kyslíkového hořáku ve stropě pece s vnitřním nebo vnějším odstupňováním spalování. Případně mohou být všechny hořáky umístěny ve stropě pece.

Předmětem tohoto vynálezu je tudíž způsob tavení materiálu vsázky sklářského kmene ve sklářské taviči peci, přičemž pec má přední koncovou stěnu v přední oblasti, boční stěny a zadní koncovou stěnu v zadní oblasti, spojenou se stropem, obsahující naplnění materiálu vsázky z alespoň jednoho plniče vsázky v přední oblasti,

-4CZ 302602 B6 umístění alespoň jednoho kyslíko-palivového hořáku ve stropě pece nad materiálem vsázky, přivedení proudu paliva do alespoň jednoho kyslíko-palivového hořáku pro vstřikování proudu paliva do pece, přivedení přítoku plynného okysličovadla ve spojení s alespoň jedním kyslíko-palivovým hořákem pro vstřikování proudu okysličovadla do pece, vstřikování paliva a okysličovadla do pece, přičemž proud paliva obsahuje proud podstatně samotného paliva nebo proud bohaté směsi palivo-okysličovadlo, a kde proud okysličovadla obsahuje proud podstatně samotného okysličovadla nebo směsi palivo-okysliěovadlo, chudé na palivo, a spalování paliva v alespoň jednom kyslíko-palivovém hořáku tak, že alespoň část spalování se uskutečňuje v blízkosti vsázky sklářského kmene pro zvýšení konvekčního a sálavého přenosu tepla do materiálu vsázky bez podstatného mechanického narušení materiálu vsázky sklářského kmene, přičemž směšování paliva a okysličovadla je zpožděno pro lokalizaci spalování poblíž nebo na povrchu materiálu vsázky, jehož podstatou je, že spalování alespoň v jednom kyslíko-palivovém hořáku je odstupňované pro vyvolání zpoždění spalování a uskutečnění spalování části proudu paliva v blízkosti materiálu vsázky, přičemž vstřikovaný proud paliva a vstřikovaný proud okysličovadla jsou od sebe oddělené a volitelně spolu svírají úhel o velikosti dostatečné pro sbíhání příslušných proudů v blízkosti nebo na povrchu materiálu vsázky, přičemž volitelně jsou proud paliva a proud okysličovadla oddělené a vykloněné v úhlu vůči sobě v rozmezí 0° až přibližně 90°, volitelně obsahující odstupňování proudu paliva z kyslíko-palivového hořáku a dále volitelně obsahující dokonalé spalování reaktivních meziproduktů v blízkosti nebo na povrchu materiálu vsázky.

Ve výhodném provedení tohoto vynálezu obsahuje způsob alespoň jedno z následujících:

(i) okysličovadlo se vybere ze skupiny, sestávající ze vzduchu obohaceného kyslíkem, nečištěného kyslíku a průmyslově čistého kyslíku, (ii) palivo je plyn, vybraný ze skupiny, sestávající z metanu, zemního plynu, zkapalněného zemního plynu, propanu, zkapalněného propanu, butanu, plynů s nízkou výhřevností, svítiplynu, průmyslového plynu ajejich směsí, (iii) palivo je kapalina, vybraná ze skupiny, sestávající z těžkého palivového oleje, středního palivového oleje, lehkého palivového oleje, petroleje a motorové nafty.

V dalším výhodném provedení tohoto vynálezu způsob obsahuje:

přivedení proudu kapalného paliva do alespoň jednoho kyslíko-palivového hořáku, a vstřikování paliva a plynného okysličovadla do pece, včetně vstřikování většiny okysličovadla odděleně od paliva a podstatně kolem proudu kapalného paliva do bodu pod počátkem neviditelné zóny spalování, volitelně obsahující alespoň jedno z následujících:

(i) vychýlení vstřikovaného paliva a vstřikovaného okysličovadla v úhlu přibližně 45° až přibližně 101° od vodorovné roviny, (ii) vstřikování zbývajícího okysličovadla v blízkosti a koncentricky se vstřikovaným palivem nebo (iii) odstupňování toku paliva z kyslíko-palivového hořáku.

-5CZ 302602 B6

V dalším výhodné provedení podle tohoto vynálezu způsob obsahuje alespoň jedno z následujících:

(a) vstřikované kapalné palivo má kapičky větší než přibližně 0,1 mm (100 pm), (b) rozprašování kapalného paliva pro vznik kapiček o velikosti v rozmezí přibližně 0,005 mm (5 pm) až přibližně 0,05 mm (50 pm), volitelně obsahující jeden z bodů (i) až (iii):

(i) rychlé směšování kapiček rozprašujícím médiem v počáteční oblasti hořáku pro vytvoření podstatně homogenní směsi, (ii) rozprášení kapalného paliva okysličujícím rozprašujícím médiem pro vytvoření částečně předběžně spálené směsi, (iii) rozprášení kapalného paliva rozprašujícím médiem, vybraným ze skupiny, sestávající ze vzduchu, kyslíku, páry, zemního plynu a vodíku nebo jejich směsí, pro snížení poměru C:H ve směsi palivo/rozprašující médium.

V dalším výhodném provedení přivedení proudu plynného okysličovadla obsahuje alespoň jedno z následujících:

(i) kyslíko-palivový hořák je uložen v bloku horáku, přičemž zajišťuje vnitřní odstupňování okysličovadla vstřikováním ze stejného bloku kyslíko-palivového hořáku, (ii) kyslíko-palivový hořák je uložen v bloku hořáku, přičemž zajišťuje vnější odstupňování okysličovadla vstřikováním mimo blok kyslíko-palivového hořáku, (iii) umístění alespoň jednoho sekundárního injektoru okysličovadla ve stropě pece pro zajištění dodatečného okysličovadla pro dokončení spalování poblíž nebo na povrchu materiálu vsázky, volitelně obsahující vstřikování 0% až 90% stech iometrického množství okysličovadla prostřednictvím bloku kyslíko-palivového hořáku a vstřikování 100 % až 10 % stech iometrického množství okysličovadla prostřednictvím alespoň jednoho sekundárního injektoru okysličovadla mimo blok kyslíko-palivového horáku, nebo (iv) probublávání okysličovadla z pod povrchu materiálu vsázky.

V dalším výhodném provedení materiál vsázky vstupuje do pece alespoň jedním plničem vsázky, obsahující umístění alespoň jednoho kyslíko-palivového horáku ve stropě pece v blízkosti alespoň jednoho plniče vsázky nad materiálem vsázky.

V dalším výhodném provedení tohoto vynálezu je hořák namontován z orientace v podstatě kolmé k povrchu materiálu vsázky do orientace v úhlu až 45° od svislice a směrem k zadní koncové stěně pece.

V dalším výhodném provedení podle tohoto vynálezu obsahuje způsob alespoň jedno z následujících:

(i) alespoň jeden kyslíko-palivový hořák je umístěn ve stropě pece v blízkosti zadní koncové stěny pece, (ii) všechny hořáky pece jsou kyslíko-palivové horáky, nebo (iii) všechny hořáky pece jsou namontovány ve stropě.

V dalším výhodném provedení podle tohoto vynálezu způsob obsahuje:

-6CZ 302602 B6 alespoň jeden kyslíko-palivový hořák ve stropě pece nad materiálem vsázky, přičemž alespoň jeden kyslíko-palivový hořák je uzpůsobený pro odstupňované spalování paliva a obsahuje alespoň jeden vnější injektor okysličovadla a dva vnitřní injektory paliva, přičemž nejvnitřnější injektor paliva je uzpůsoben pro vstřikování paliva vysokou rychlostí a zbývající injektor, umístěný mezi vnitřním injektorem paliva a vnějším injektorem paliva, je uzpůsoben pro vstřikování paliva nižší rychlostí, přivádění proudu paliva do alespoň jednoho kyslíko-palivového hořáku, přičemž proud paliva nejvnitřnějším injektorem paliva má vyšší hybnost než proud paliva zbývajícího injektoru, přivádění proudu plynného okysličovadla do vnějšího injektoru okysličovadla, kteiý má nižší ío hybnost než proud paliva nejvnitřnějším injektorem paliva, spalování paliva z alespoň jednoho kyslíko-palivového hořáku tak, že alespoň část spalování se uskutečňuje v blízkosti materiálu vsázky pro zlepšení konvekčního a sálavého přenosu tepla do materiálu vsázky, aniž by se podstatně mechanicky narušil materiál vsázky, přičemž volitelně (a) přibližně 10% až přibližně 90% toku paliva se využije v nejvnitřnějším injektoru paliva, nebo (b) kapalné palivo se přivádí do nejvnitřnějšího injektoru a plynné palivo se přivádí do zbývajícího injektoru paliva, přičemž kapalné palivo se vybere ze skupiny, sestávající z těžkého palivového oleje, středního palivového oleje, lehkého palivového oleje, petroleje a motorové nafty a plynné palivo se vybere ze skupiny, sestávající z metanu, zemního plynu, zkapalněného zemního plynu, propanu, zkapalněného propanu, butanu, plynů s nízkou výhřevností, svítiplynu, průmyslového plynu ajejich směsí.

Dalším předmětem tohoto vynálezu je kyslíko-palivový hořák, obsahující alespoň jeden vnější injektor okysličovadla a dva vnitřní injektory paliva, přičemž nej vnitřnější injektor paliva je uzpůsoben pro vstřikování paliva vysokou rychlostí a zbývající injektor paliva je uzpůsoben pro vstřikování paliva nižší rychlostí, přičemž volitelně je nejvnitrnější injektor paliva uzpůsoben pro přivádění proudu paliva o středně vysokém tlaku, obsahujícího alespoň jedno z plynného nebo kapalného paliva, přičemž zbývající injektor paliva je uzpůsoben pro přivádění podstatně kruhové obálky paliva o nižším tlaku, obsahující plynné palivo vně koncentrické se středovým proudem paliva, a injektor okysličovadla je uzpůsoben pro přivádění podstatně kruhového proudu okysličovadla vně koncentrického s obálkou paliva, přičemž proud okysličovadla má nižší hybnost než středový proud paliva.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže vysvětlen prostřednictvím konkrétních příkladů provedení, znázorněných na výkresech, na kterých představuje obr. 1 podélný řez sklářskou tavící pecí podle tohoto vynálezu 40 obr. 2A řez provedením sklářské taviči pece se zkříženými plameny a regenerací podle obr. 1, podél roviny 2-2 obr. 2B řez provedením sklářské tavící pece vytápěné U-plamenem z tavícího konce a regene45 raci podle obr. 1, podél roviny 2-2 obr. 2C řez provedením sklářské tavící pece se zkříženými plameny a rekuperací podle obr. 1, podél roviny 2-2 obr. 2D řez provedením sklářské tavící pece vytápěné U-plamenem z tavícího konce a rekuperací podle obr. 1, podél roviny 2-2 obr. 2E řez provedením tavící jednotky sklářské tavící pece podle obr. 1, podél roviny 2-2

-7CZ 302602 B6 obr. 3 řez provedením sklářské tavící pece podle obr. 1, podél roviny 3-3, znázorňující dva kyslíko-palivové hořáky v blízkosti přední koncové stěny pece obr. 4 jiný řez provedením sklářské taviči pece podle obr. 1, podél roviny 3-3, znázorňující kyslíko-palivový hořák v blízkosti přední koncové stěny pece obr. 5 řez kyslíko-palivovým hořákem a schématické znázornění plamene kyslíkového hořáku obr. 6 řez sklářskou tavící pecí s kyslíko-palivovým hořákem, namontovaným ve stropě, se zabudovaným odstupňováním spalováním obr. 7 řez sklářskou tavící pecí s kyslíko-palivovým hořákem, namontovaným ve stropě, s přidaným externím prostředkem pro odstupňování spalování obr. 8 schématický půdorys sklářské tavící pece se seskupením kyslíko-palivových hořáků ve stropě pece, pracujících s různými stechiometrickými poměry pro zajištění odstupňování spalování mezi jednotlivými hořáky obr. 9 řez sklářskou taviči pecí s kyslíko-palivovým hořákem ve stropě a přidaným kyslíkovým probublávačem pro zajištění odstupňovaného prokysličení povrchu vsázky sklářského kmene v průběhu tavení obr. 10 řez kyslíko-naftovým hořákem se zabudovaným kyslíkovým injektorem pro odstupňování spalování podle tohoto vynálezu obr. 11 schématický řez kyslíko-palivového hořáku s odstupňováním paliva

Příklady provedení vynálezu

Ve sklářských pecích, pro něž je určen tento vynález, vytvářejí typické hořáky směs paliva a kyslíku nebo vzduchu v takovém poměru, aby vznikla spalitelná směs. Je-li zapálena, hoří spalitelná směs plamenem, který se využívá k ohřevu a tavení vsázky sklářského kmene. Postup podle tohoto vynálezu se liší od procesu, obvykle užívaného v pecích, vyhřívaných fosilními palivy, spalovanými se vzduchem nebo kyslíkem, kdy se předávání tepla uskutečňuje hlavně vyzařováním přímo ze stěn a stropu pece a přímým vyzařováním plamene. Postup, využívající mimo sálavé složky přestupu tepla také alespoň jednoho kyslíko-palivového hořáku, umístěného ve stropě pece, přináší výrazný přenos tepla konvekcí (vedením) díky dopadu a reakci reaktivního meziproduktu, jakým je např. oxid uhlíku, vodík a hydroxylové radikály, na stabilní produkty spalování, jako jsou dioxid uhlíku a vodní pára, na povrchu vsázky. Tento typ konvekce se posílí, má-li kyslíko-palivový horák buď integrální (uvnitř bloku hořáku), nebo vnější odstupňování spalování, čímž se část spalování zpozdí a tím se sníží teplota plamenů a ztráty tepla sáláním před dosažením povrchu skla. Výsledkem je snížení přenosu tepla do konstrukce pece.

Mezi paliva vhodná pro spalování patří, ne však výhradně, metan, zemní plyn, zkapalněný zemní plyn, propan, zkapalněný propan, butan, plyny s nízkou výhřevností jako svítiplyn, průmyslový plyn apod., odpařená nebo zplynovaná ropa, petrolej nebo motorová nafta nebo jejich směs, a to buď na teplotě okolí, nebo předehřáté. Mezi okysličovadla patří výhodně vzduch obohacený kyslíkem, obsahující od 20,9 do přibližně 90 objemových procent kyslíku, výhodně více než 50 objemových procent, který se vyrábí filtrací, absorpcí, membránovou separací apod., nečištěný kyslík, který se vyrábí např. vakuovým průchodovým adsorpčním postupem a obsahuje od 80 do 95 objemových procent kyslíku, a průmyslově čistý kyslík, obsahující přibližně 90 až přibližně 100 objemových procent kyslíku, který se vyrábí kryogenickou separací ze vzduchu. Okysličovadlo se zavádí buď při pokojové teplotě, nebo předehřáté. Palivo a okysličovadlo se do pece zavádí obvykle nějakým hořákovým zařízením.

-8CZ 302602 B6

Sestava hořáku obvykle obsahuje blok hořáku, sestavený tak, že tvoří spalovací komoru s v letovými a výtokovými otvory, zařízení pro vypouštění paliva do spalovací komory, vytvořené v bloku hořáku, a zařízení pro vypouštění kyslíku do spalovací komory. V provozu se vstřikova5 ný kyslík ve spalovací komoře směšuje s palivem z hořáku. Hořlavá směs paliva a kyslíku může být zapálena a vznikne tak plamen, jehož kořenová část je ve spalovací komoře a vrcholová Část mimo ni. Je-li použitá sestava hořáku vybavena hořákem s vnitřním odstupňováním pro účely sekundárního spalování, může blok hořáku dále obsahovat obchozí vedení kyslíku mimo spalovací komoru, např. k otvorům pro vstřikování kyslíku, umístěným kolem výtoku spalovací komory, ίο V provozu může kyslík procházet obchozím vedením, vytvořeným v bloku hořáku k výpustným otvorům, a tryská z bloku hořáku do oblasti „druhého stupně“, která obsahuje část plamene a leží v peci mimo spalovací komoru, přičemž ohřívá vsázku sklářského kmene nebo taveninu.

V některých výhodných provedeních je blok horáku s integrálně odstupňovaným spalováním (5 vyroben z žáruvzdorného materiálu a obsahuje vnější stěnu, vytvořenou tak, že obsahuje vletový otvor spalovací komory a větší počet výpustných otvorů kyslíku okolo vletového otvoru. Blok hořáku obsahuje dále stěnu, která leží uvnitř pece a obsahuje výstupní ústí spalovací komory, a větší počet výpustných otvorů kyslíku okolo výstupního ústí. V alternativních provedeních může být jeden nebo více vstupních zařízení okysličovadla umístěn mimo blok hořáku, jak je popsáno dále, aby se v peci mohlo uskutečňovat odstupňované spalování.

Mezi vhodné materiály pro stavbu bloků hořáku patří, ne však výhradně, tyto: kysličník křemičitý, mulit, kysličník zirkoničitý (ZrO₂), tavená směs kysličníků hliníku, zirkonu a křemíku (AZS), regenerovaný AZS (s přísadou pojivá) nebo pojený kysličník hlinitý (AI2O3). Konkrétní materiály se volí v závislosti na typu skla, které se má v peci zpracovávat.

Odstupňované spalování bylo navrženo pro hořáky sklářských pecí, ve kterých se z hořáku vstřikuje do pece bohatá palivová směs kyslík-palivo a dodatečný kyslík se vstřikuje prostřednictvím vnějšího zařízení do bloku hořáku, aby k dokonalému spalování docházelo mimo výstup hořáku. V případě hořáků, umístěných ve stropě pece, by mělo k dokonalému spalování docházet výhodně v blízkosti povrchu vsázky sklářského kmene. Přídavné injektory kyslíku by měly být umístěny výhodně tak, aby se dokonalé spalování zpozdilo do okamžiku, kdy plamen narazí na povrch vsázky. Umístění dodatečných injektorů kyslíku je závislé na žádaných provozních podmínkách hořáku/ů, jakož i na jejich počtu a umístění. Podle předmětu vynálezu se spalování s externím odstupňováním docílí výhodně instalací alespoň jednoho injektorů kyslíku ve stropě nebo koruně pece, injektory kyslíku však mohou být umístěny kdekoliv, pokud se tím dosáhne požadovaného zpoždění spalovacích efektů.

Podle tohoto vynálezu je alespoň jeden z kyslíko-palivových hořáků výhodně umístěn ve stropě (nebo koruně) pece nad vsázkou (a případně drceným odpadovým sklem) a namířen na povrch vsázky. Hořáky mohou být umístěny co nejblíže vstupů vsázky, kde je materiál vsázky nejchladnější, blízko zadní stěny pece, kudy se vkládá vsázka, aby se docílilo rychlého roztavení v důsledku vyššího teplotního rozdílu. Obvyklé hořáky vzduch-palivo nebo kyslík-palivo mohou být umístěny ve stěně pece dále od vstupu vsázky za horáky ve stropě, kde realizují rafinační zónu a dokonalé spálení reagujících složek. Alternativně mohou kyslíko-palivové hořáky, umístěné ve stropě, zajistit přenos tepla ve směru od vstupu vsázky ke vsázce v blízkosti zadní koncové stěny pece, to znamená čelní stěny pece.

Podle tohoto vynálezu je kyslíko-palivový hořák, umístěný ve stropě pece, úspěšný, protože spalování se odehrává částečně na povrchu vsázky v tavící peci, což k tradičnímu přestupu tepla sáláním přidává ještě přestup konvekční. Dále se podle výhodného provedení podle předmětu tohoto vynálezu použitím kyslíko-palivových hořáků, umístěných ve stropě pece a vybavených vnitřním nebo vnějším odstupňováním spalování odsune dále od stropu. Výsledkem toho je, že většina procesu spalování se odehraje na povrchu vsázky sklářského kmene nebo taveného materiálu nebo v jeho těsné blízkosti, čímž se zvýší konvekce í přestup tepla sáláním. Plamen

-9CZ 302602 B6 s vysokou teplotou se přesune dále od stropu, takže nebude ohrožovat jeho konstrukci, a blíže ke sklu, čímž se podpoří přestup tepla. Další výhodou je, že provedení se stropní montáží a odstupňovaným spalováním podle tohoto vynálezu umožňuje provádění postupu i v pecích s vyššími stropy. Zpoždění se dosáhne dostatečným oddělením toku obou plynů (buď samotný kyslík !samotné palivo, nebo chudá směs/bohatá směs) a v jednom provedení jejich vzájemným nasměrováním tak, že středové přímky jejich toků se protnou na povrchu vsázky nebo taveniny.

Hořáky typu kyslík - zemní plyn pracují se stechíometrickým poměrem 2:1, přičemž zemní plyn je čistý metan a okysličovadlem je čistý kyslík. Obvyklý kyslíko-plynový hořák s kuželovitým plamenem používá koncentrické trubky, přičemž vnitřní trubka vede plyn a vnější trubky kyslík. Délka plamene je potom funkcí rychlosti obou plynů a relativního rozdílu jejich rychlostí, který ovlivní rychlost směřováni na rozhraní mezi oběma toky a tím i rychlost spalování. Protože oba toky při opuštění trubky expandují, začnou se míchat okamžitě a spalování začne velice blízko u výstupu hořáku.

Tento vynález odděluje oba plyny (palivo a okysličovadlo) do dvou nebo více oddělených toků. V jednom provedení může být tok plynného paliva použit samotný nebo v koncentrickém trubkovém hořáku s menším přísunem kyslíku, než by odpovídalo stechiometrickému poměru. Zbývající kyslík, potřebný pro dokonalé spalování, volitelně až do 100 %, se zavádí jednou nebo dalšími přídavnými trubkami, umístěnými dostatečně daleko od trubky, přivádějící plyn, tak, aby se oba toky nemíchaly, dokud neurazí podstatnou část vzdálenosti k cíli, tj. k povrchu skelného materiálu. Úhel, oddělující oba toky, může být velmi malý (až 0° - rovnoběžné) nebo velký (až 90°), pokud se vstřikuje stěnou pece, nebo až 180°, pokud kyslík probublává zespodu povrchem taveniny, kde ke směšování dochází pod výtokovým otvorem hořáku.

Jak bylo uvedeno, výhodou postupu podle tohoto vynálezu je schopnost provozu hořáku, umístěného ve stropě pece ve větší vzdálenosti od cíle, tj. dovoluje větší vzdálenost mezi stropem pece a povrchem skelného materiálu. To umožňuje provoz kyslíko-palivového hořáku/ů v již existujících pecích, v nichž je strop pro provoz hořáku bez odstupňování spalování, umístěného ve stropě, příliš vzdálen od vsázky, než aby se mohlo docílit nějakého podstatného přenosu tepla konvekcí.

Na obrázcích je uvedena sklářská tavící pec 10 pro dodávku taveného skla do předpecí nebo čeřící části pece 12, přičemž tavené sklo se dále čistí a poté dodává do jednoho nebo více sklářských tvarovacích strojů, jakými jsou nádrže, rozvlákňovací stroje, plavící lázně a další (neznázoměno). Na obrázcích nejsou v zájmu přehlednosti uvedeny některé podrobnosti konstrukce, protože jsou obvyklé a velmi dobře známé odborníkům v oboru. Vynechané položky jsou vlety regenerátoru, hořáky vzduch-palivo a výfuky, protože ty jsou pro každý typ pece specifické.

Sklářská taviči pec 10 typicky obsahuje podélný kanál, mající přední koncovou stěnu 14 a zadní koncovou stěnu 16, boční stěny 18, podlahu 20 a strop 22, které jsou vyrobeny z vhodného žáruvzdorného materiálu, jako je kysličník hlinitý, křemičitý, jejich směs, kysličník zirkoničitý, směs kysličníků zirkonu, hliníku a křemíku, kysličník chromitý apod. Strop 22 je znázorněn obecně, jako by měl tvar klenutý příčně vůči podélné ose tunelu. Strop však může mít jakoukoliv vhodnou konstrukci. Strop 22 typické sklářské tavící pece W je umístěn ve výšce 1 až 5 m nad povrchem vsázky. Jak je v oboru známo, sklářská tavící pec JO může být volitelně vybavena jedním nebo více probublávači 24 a/nebo páry elektrod elektrického príhrevu (není znázorněno). Probublávače a/nebo elektrody elektrického príhrevu zvyšují teplotu skelné náplně pece a zlepšují cirkulaci taveniny pod vsázkou.

Sklářská tavící pec 10 má dvě po sobě následující zóny: tavící zónu 27 a druhou, dolní, čeřící zónu 28. Tavící zóna 27 tvoří první, horní zónu sklářské tavící pece 10, přičemž surový materiál vsázky se plní do pece pomocí zavážecího zařízení 32 typu dobře známého v oboru. Surový materiál 30 vsázky může být směsí surovin, typicky používaných při výrobě skla. Složení

- 10CZ 302602 Β6 sklářského kmene (materiálu 30 vsázky) závisí na typu vyráběného skla. Normálně materiál obsahuje mj. surovinu obsahující kysličník křemičitý včetně skelného sběru, kterému se obecně říká drcené sklo. Ostatní materiály, tvořící vsázku, jsou, ne však výhradně, živec, nefelín, syenit, vápenec, dolomit, kalcinová soda, potaš, borax, kaolínový jíl a kysličník hlinitý. Pro změnu vlastností skla se může přidat malé množství arzénu, antimonu, síranů, simíků, uhlíku, fluoridů a/nebo dalších složek. Pro výrobu speciálních skel se dále přidávají oxidy barya, stroncia, zirkonu a olova, případně další barvotvomé oxidy kovů pro dosažení žádané barvy.

Materiál 30 sklářského kmene tvoří vrstvu vsázky pevných částic na povrchu roztaveného skla v tavící zóně 27 sklářské tavící pece 10. Plovoucí pevné Částice surového materiálu 30 vsázky se taví především alespoň jedním kyslíko-palivovým hořákem 34 s řízeným tvarem a délkou dopadajícího plamene, umístěným ve stropě 22 sklářské tavící pece 10. Bylo zjištěno, že instalace a správné řízení alespoň jednoho kyslíko-palivového horáku 34, umístěného ve stropě 22 sklářské tavící pece W nad materiál 30 vsázky sklářského kmene podle předmětu tohoto vynálezu, zvyšuje rychlost tavení vsázky a současně zajišťuje provozní teplotu okolního žáruvzdorného materiálu v přijatelných provozních mezích.

Fráze „alespoň jeden kyslíko-palivový hořák“, jak je používána zde, znamená jeden nebo více kyslíko-palivových hořáků. Další obrat „100% kyslíko-palivový ohřev“ znamená, že všechny hořáky jsou uzpůsobeny pro použití kyslíku nebo kyslíkem obohaceného vzduchu, na rozdíl od hořáků, které jako okysličovadla používají jen vzduch. Další fráze „podstatně alespoň jedním kyslíko-palivovým hořákem“ se týká přestavby pecí, kdy zvýšená nebo obnovená výrobní kapacita skla a náhrada vzducho-palivového a/nebo elektrického příhřevu pro tavení se realizuje alespoň jedním kyslíko-palivovým hořákem. V jednom provedení má sklářská tavící pec W tri kyslíko-palivové hořáky 34, jak ukazují obr. 1 a 2A. Jeden kyslíko-palivový horák 34 je umístěn proti směru přítoku suroviny od dvou navzájem sousedících kyslíko-palivových hořáků. Je však třeba si uvědomit, že jakýkoliv počet kyslíko-palivových hořáků 34 může být umístěn v téměř jakémkoliv vhodném místě stropu 22 pece 10 nad vsázkou tak, aby tavily materiál 30 vsázky. Například dva kyslíko-palivové hořáky 34 mohou být umístěny vedle sebe podle obr. 3 nebo může být použit jediný kyslíko-palivový hořák podle obr. 4. Podle předmětu tohoto vynálezu však může být úhlová orientace každého kyslíko-palivového hořáku 34 ve stropě 22 sklářské tavící pece 10 taková, že vytvářený plamen je směrován podstatně kolmo k povrchu vsázky sklářského kmene tak, aby dopadající plamen vytvořil na povrchu vsázky oblast 26 dopadu. V jednom výhodném provedení jsou kyslíko-palivové hořáky 34 směrovány podstatně kolmo na povrch skelné vsázky s úhlem přibližně 90° vzhledem k povrchu skelného materiálu 30 vsázky. Tento úhel se od 90° může odchylovat ve směru k zadní koncové stěně (tj. čelní stěně pece) υ některých provedení až o max. 45°, výhodně ale méně než o 10°. Bylo zjištěno, že rychlost výroby skla a jeho jakost lze zvýšit tavením materiálu 30 vsázky sklářského kmene při použití alespoň jednoho kyslíko-palivového hořáku 34 směrovaného dolů, který má řízený tvar a délku dopadajícího plamene podle tohoto vynálezu.

Uvedený alespoň jeden kyslíko-palivový hořák vyžaduje přísun paliva a oky sličo vadla. Palivo může být plynné nebo kapalné nebo směs obou. Mezi plynná paliva patří ta, která již byla uvedena, a také směsi uvedených plynů, mezí kapalná paliva patří těžké, střední a lehké topné oleje, petrolej a motorová nafta. Kapalná paliva musí být rozprášena a/nebo odpařena. Rozprášení se provádí buďto mechanickými prostředky, nebo pomocí sekundárních rozprašujících médií, mezi něž patří vzduch, pára, kyslík, jakékoliv z uvedených plynných paliv a v některých případech i nějaký inertní plyn. Odpařování oleje spočívá na teple okolních spalin hořících plynů. Okysličovadlem může být buď 100% čistý kyslík, nebo směs kyslíku a inertního plynu pri koncentraci kyslíku výhodně 50 až 100 %, jak bylo uvedeno výše.

Jak ukazuje obr. 5, uvedený alespoň jeden kyslíko-palivový hořák 34 ve stropě 22 sklářské taviči pece 10 má alespoň jeden kanálek 40 pro přívod paliva a alespoň jeden kanálek 42 pro přívod okysličovadla. Kyslíko-palivový hořák 34 může mít výkon v rozsahu od přibližně 500 do přibližně 15 815 MJ/h (od přibližně 0,5 do přibližně 15 MM BTU/h), v závislosti na velikosti

- 11 CZ 302602 B6 sklářské taviči pece 10 a požadované rychlosti tažení skla. Kyslíko-palivový hořák 34 je navržen pro vyšší procentní obsah kyslíku, než obsahuje vzduch, a tak je teplota, dosažená nad oblastí dopadu plamene 36 podstatně vyšší, než v konvenční sklářské taviči peci, používající vzducho-palivové hořáky. Jak je však každému odborníkovi dobře známo, teplota plamene 36 kyslíko-palivového hořáku 34 je závislá na vlastnostech paliva a poměru palivo/kystík. V jednom výhodném provedení je koncentrace kyslíku v kyslíko-palivovém hořáku 34 typicky přibližně 90 až 125 % stechiometrického množství kyslíku, nutného pro spálení paliva. Poměr palivo / kyslík však může být různý tak, aby byla zajištěna celá řada provozních parametrů sklářské taviči pece 10, které ovlivňují více či méně žádané vlastnosti, mezi něž patří například oxidačně-redukční hladina, barva skla, množství plynných bublinek, známých jako zrnička a puchýře, a další vlastnosti skla.

Kyslíko-palivový hořák 34 vyčnívá směrem dolů z bloku 38 hořáku, umístěného ve stropě 22 sklářské tavící pece JO. Každý primární blok 38 hořáku obsahuje ústí s vnitřním průměrem id, který je alespoň tak velký, jako vnější průměr nej širšího kanálku 42 nebo 40, v závislosti na uspořádání. Vnitřní průměr id ústí bloku 38 hořáku může mít velikost mezi 5 a 20 cm..Konec primární zóny spalování kyslíko-palivového hořáku 34 se od ústí bloku 38 hořáku nachází ve vzdálenosti LBb, která činí 0 až 45 cm. Sekundární a v některých případech i terciární zóna spalování jsou mimo blok 38 hořáku. Je žádoucí, když ústí bloku 38 hořáku mezi koncem kyslíko-palivového hořáku 34 a koncem bloku hořáku v některých případech soustřeďuje plamen hořáku a brání jeho rozšiřování a navíc i chrání potrubí hořáku. Blok 38 horáku je vyroben ze žáruvzdorného materiálu, jak je to v tomto oboru obvyklé, a může mít jakýkoliv vhodný vnější tvar, jako např. pravoúhlý apod.

Spodní plocha bloku 38 hořáku může být v rovině s vnitřní plochou stropu 22 nebo může vyčnívat z vnitřní plochy stropu do vzdálenosti přibližně 5 cm, aby chránila blok 38 hořáku a okolní vyzdívku koruny před opotřebením. Dále, jak ukazuje obr. 5, vyčnívající kanálek 40 paliva a kanálek 42 kyslíku kyslíko-palivového hořáku 34 dolů v bloku 38 hořáku a končí buď v podstatně stejné výšce, nebo v úplně jiné výšce, vzhledem k ústí bloku 38 hořáku.

V závislosti na výšce bloku 38 hořáku nad vsázkou sklářského kmene a na žádaných provozních podmínkách horáku se mění poměr odstupňování paliva a kyslíku uvnitř a vně bloku 38 hořáku. Přídavné injektory 60 kyslíku jsou umístěny tak, aby oddálily dokonalé spalování až do okamžiku dopadu plamene na hladinu vsázky. Umístění těchto přídavných injektorů 60 je závislé na počtu a umístění hořáků ve stropě, mohou však být umístěny prakticky kdekoliv ve stropě a stěnách.

Podle tohoto vynálezu je dolů nasměrovaný dopadající plamen 36 vytvářený alespoň jedním kyslíko-palivovým hořákem 34 přesně řízen tak, aby poskytoval plamen o délce větší nebo rovné vzdálenosti mezi ústím bloku 38 hořáku a povrchem materiálu 30 vsázky nebo povrchem roztaveného skla a co nejdále od okolní vyzdívky, čímž se snižuje nebezpečí přehřívání stropu 22 a bočních stěn 18 sklářské tavící pece 10. Dopadající plamen 36 může být řízen podobným řídicím zařízením, jaké je obvyklé v chemické výrobě. Skládá se např. z ventilů, termočlánků, termistorů, propojených s vhodnými servoobvody, ovládači vyhřívání a podobně, které jsou běžně dostupné a používané pro řízení množství a rychlosti paliva a kyslíku do kyslíko-palivového hořáku 34.

Dopadající plamen 36 je přesně řízen ovládáním jak relativní rychlosti, tak i maximální a minimální rychlosti přítoku paliva a kyslíku, a vnitřního i vnějšího odstupňování alespoň jednoho kyslíko-palivového hořáku 34.

Maximální a minimální rychlost přítoku paliva a kyslíku, dopadajících na povrch materiálu 30 vsázky sklářského kmene, musí být řízeny tak, aby se zabránilo narušování jejího povrchu a strhávání nebo vytlačování vsázky na boční stěny a strop 22 pece a současně aby se zajistil optimální konvekční přenos tepla do povrchu materiálu vsázky. Je třeba si uvědomit, že

- 12CZ 302602 B6 přenášení materiálu vsázky na boční stěny 18 a strop 22 pece by nežádoucím způsobem ovlivňovalo žáruvzdorný materiál vyzdívky a zřejmě zkracovalo dobu životnosti taviči sklářské pece 10.

Pro určení správné maximální rychlosti přítoku paliva a kyslíku do hořáku byl tento upevněn 5 a nasměrován kolmo dolů do lože ze skelného písku, v němž byly vytvořeny příčné žlábky.

Hořák byl poté nastavován do různých výšek nad pískovým ložem a různě zasouvám do bloku 38 hořáku (hodnota LBb), přitom byla zaznamenávána rychlost hoření, při které bylo možno zjistit pohyb písku. Výsledky těchto pokusů byly srovnávány sdaty získanými pomocí běžně dostupného počítačového programu pro stimulaci dynamického proudění (model CFD), čímž io byly získány hodnoty maximální rychlostí vůči povrchu, nad níž již byl písek narušován.

Tabulka 1 - Maximální výkony hoření v MJ/h v závorkách v MM BTU/h

Výška

LBb	1,5 m (5 stop)	1,8 m (6 stop)	2,1 m (7 stop)	2,4 m (8 stop)
33 cm (13 palců)	4110 (3,9)	4640 (4,4)	5690 (5,4)	6540 (6,2)
29,2 esa (11,5 palce)	5170 (4,9)	5270 (5,0)	6540 (6,2)	7170 (6,8)
22,9 cm (9 palců)	5800 (5,5)	6430 (6,1)	6750 (6,4)	7490 (7,1)
16,5 cm (6,5 palce)	6750 (6,4)	7590 (7,2)	7800 (7,4)	8540 (8,1)
10,2 cm (4 palce)	7280 (6,9)	9280 (8,8)	8750 (8,3)	9590 (9,1)

Těmito pokusy a srovnáním s modelem CFD byla určena maximální povrchová rychlost na přibližně 21 m/s. Vlivem změn v materiálu vsázky, v jejím urovnání a kohezi jejich částic, se přesné maximum může lišit od vypočteného maxima, takže by odborník měl mít možnost měnit maximální rychlost až do přibližně 25 m/s. Pro minimalizaci narušování povrchu vsázky a jejího roznášení by však maximální rychlost neměla nikdy přesáhnout 30 m/s.

Maximální a minimální rychlost paliva a kyslíku v kyslíko-paíivovém hořáku 34 jsou také řízeny tak, aby se maximálně využila energie dopadajícího plamene 36 bez poškozování vyzdívky. Maximálního využití energie dopadajícího plamene 36 se dosáhne minimalizací množství tepla, uvolňovaného do spalovacího prostoru sklářské tavící pece 10, a maximalizací přenosu tepla do materiálu 30 vsázky. Rozsah maximální a minimální provozní rychlosti pro kyslíko-palivový hořák 34 je takový, aby se realizoval přijatelný přenos tepla do materiálu 30 vsázky bez poškozování žáruvzdorné vyzdívky stěn a konstrukce pece, je funkcí konstrukce a umístění kyslíko-palivového hořáku, geometrie ústí bloku hořáku, rychlosti paliva a kyslíku na výstupu kyslíko-palivového hořáku 34, odstupňování hořáku, interakce se sousedními kyslíko-palivo30 vými hořáky, palivovými hořáky a uspořádání výfuku pece.

Mrtvá oblast 56 je oblast, ve které plamen 36 proniká vrstvou tepelné hranice a dopadá na povrch materiálu 30 vsázky. V této oblasti 56 plamen 36 proniká termální hraniční vrstvou a dopadá na povrch materiálu 30 vsázky, přičemž na tomto povrchu vytváří strmý tlakový gradient, který urychluje horizontální tok vychýleného plamene, což způsobuje rozšiřování plamene radiálně do okolí zasažené oblasti povrchu vsázky. Konec mrtvé oblasti 56 je definován jako místo na povrchu vsázky, kde tlakový gradient, vytvářený dopadajícím plamenem 36, klesá na nulu. Uvnitř mrtvé oblasti 56 lze pečlivým řízením rychlosti plamene 36 dosáhnout toho, že termální hraniční vrstva, která na povrchu materiálu 30 vsázky přirozeně existuje, může být překonána a odstraněna a tím je zeslaben její silný tepelně-izolační vliv. V návaznosti na to může teplo, vytvářené dopadajícím plamenem 36, pronikat snáze do částečně roztaveného materiálu 30 skelné vsázky. Navíc v mrtvé oblasti 56 podstatně stoupá svítivost plamene 36, což zvyšuje přenos tepla vyzařováním do relativně chladnějšího materiálu 30 skelné vsázky.

- 13 CZ 302602 B6

Na obvodové hranici mrtvé oblasti 56 začíná oblast 58 proudu, rovnoběžného se stěnou. V této oblasti proudí plamen 36 v podstatě paralelně se zasaženým povrchem a termální hraniční vrstva podél zasaženého povrchu narůstá ve směru ven z mrtvé oblasti 56, takže postupně narůstá její odpor vůči pronikání tepla do materiálu skelné vsázky.

Řízené generování tepla plamenem v oblasti 54 s volným proudem je výsledkem návrhu kyslíko-palivového horáku 34 uvnitř průměru otvoru id bloku 38 hořáku a jak relativní rychlosti, tak maximální a minimální rychlosti proudu kyslíku a paliva. Selektivním řízením návrhu kyslíko-palivového hořáku 34, geometrického návrhu bloku 38 hořáku a rychlostí proudů kyslíku a paliva se vytvoří snížené napětí ve smyku mezi proudem kyslíku a plynu, zajišťující řízené částečné spalování a snížené vyzařování tepla sáláním. Bude oceněno, že optimalizací návrhu hořáku a provozováním kyslíko-palivového hořáku 34 se minimalizuje teplo plamene, generované v oblasti 54 s volným proudem, a odpor přenosu tepla na povrchu surového skla v mrtvé oblasti 56, čímž se maximalizuje teplo, generované v mrtvé oblasti.

Generování tepla řízeným plamenem v oblasti s volným proudem 54 je výsledkem dále popsaného procesu. Řízené částečné spalování v oblasti s volným proudem 54 umožňuje především řízené spalování na povrchu materiálu 30 skelné vsázky, čímž se spalovací proces dostane blíže k povrchu vsázky. Přesunutí spalovacího procesu k povrchu materiálu 30 vsázky vytváří zvýšený teplotní gradient na povrchu vsázky, čímž se zlepšuje přenos tepla vedením. Za druhé, řízené částečné spalování v oblasti svolným proudem 54 vytváří vhodnou teplotu pro chemickou disociaci produktů spalování - plynů a ostatních spalin. Tyto disociované produkty, jakmile dopadnou na relativně chladnější povrch materiálu 30 vsázky sklářského kmene, částečně exotermicky rekombinují, čímž na povrchu vsázky generují další významné množství tepla. Toto teplo zexotermické reakce dále zesiluje proces konvekčního přenosu tepla. Minimalizace tepelného odporu v mrtvé oblasti 56 na povrchu materiálu 30 skelné vsázky je důsledkem následujících faktorů.

Za prvé, termická hraniční vrstva je odstraněna hybností řízeného plamene 36 a turbulencí, vytvářenou pečlivě řízenou spalovací charakteristikou na povrchu materiálu 30 vsázky sklářského kmene. Za druhé, vytváření lokálního povrchového tepla dovoluje přeměnu materiálu 30 vsázky sklářského kmene s malou tepelnou vodivostí v podstatně vodivější skelnou taveninou. Tato přeměna umožňuje teplu, vytvářenému na povrchu, mnohem účinněji pronikat do hloubky vsázky sklářského kmene.

V regenerativní peci se zkříženými plameny podle obr. 2A s regenerátory 81 používá výhodné provedení podle tohoto vynálezu alespoň jeden hořák 34, instalovaný v koruně pece nad materiálem vsázky, vstupujícím do pece, aby se zlepšila rychlost tavení a kvalita, obnovila nebo zvýšila výrobní kapacita nebo snížila potřeba elektrického příhřevu. Plamen hořáku 34, instalovaný v koruně pece, dopadá na povrch materiálu 30 vsázky v oblasti 26 dopadu. Ve všech aplikacích tohoto vynálezu v pecích se zkříženými plameny je alespoň jedna dvojice protilehlých vletů 7.1 úplně nebo částečně blokována nebo izolována. Typicky to bývá první nebo druhý vlet, v závislosti na velikosti potřebného příhřevu. Nad vanou skla ve směru od těchto vletů mohou být umístěny dodatečné stropní horáky za předpokladu, že nad neroztavenou vsázkou jsou instalovány horáky v koruně pece. Energie, dodávaná těmito hořáky v koruně pece, nahrazuje energii z původních hořákových vletů, ze zrušeného konvenčního elektrického nebo kyslíkového příhřevu.

U pece vytápěné U-plamenem z tavícího konce na obr. 2B s regenerátory 81 využívá výhodné provedení tohoto vynálezu alespoň jeden hořák 34, instalovaný v koruně pece nad vstupujícím materiálem skelné vsázky, aby se zlepšila rychlost tavení a kvalita, obnovila nebo zvýšila výrobní kapacita nebo snížila potřeba elektrického příhřevu. Ve všech aplikacích tohoto vynálezu v pecích, vytápěných U-plamenem z tavícího konce, se požadavky na vzduch a palivo pro vytápění proti původnímu návrhu snižují a energie je nahrazena energií alespoň jednoho hořáku 34, instalovaného v koruně pece nad materiálem skelné vsázky a zasahujícího materiál vsázky

- 14CZ 302602 B6 v oblasti 26 dopadu. Nad vanou skla ve směru od vletů mohou být umístěny dodatečné stropní hořáky za předpokladu, že nad neroztavenou vsázkou jsou instalovány hořáky v koruně pece. Energie, dodávaná těmito hořáky v koruně pece, nahrazuje energii z původního hořákového vletu, ze zrušeného konvenčního elektrického nebo kyslíkového příhřevu.

U rekuperační pece se zkříženými plameny na obr. 2C s rekuperátorem 82 využívá výhodné provedení tohoto vynálezu alespoň jeden hořák 34, instalovaný ve stropě pece nad vstupujícím materiálem skelné vsázky, aby se zlepšila rychlost tavení a kvalita skla, obnovila nebo zvýšila výrobní kapacita nebo snížila potřeba elektrického příhřevu. Ve všech aplikacích tohoto vynálezu v pecích se zkříženými plameny je alespoň jedna dvojice protilehlých hořáků 73 úplně nebo částečně blokována nebo izolována použitím bloku 74. Typicky to bývá první nebo druhá zóna hořáků, v závislosti na velikosti potřebného příhřevu. Nad vanou skla ve směru od hořáků mohou být umístěny dodatečné stropní hořáky za předpokladu, že nad neroztavenou vsázkou jsou instalovány hořáky v koruně pece. Energie, dodávaná těmito hořáky v koruně pece, nahrazuje energii z původních hořákových vletů, ze zrušeného konvenčního elektrického nebo kyslíkového příhřevu.

U pece, vytápěné U-plamenem z tavícího konce, na obr. 2D s rekuperátorem 82, využívá výhodné provedení tohoto vynálezu alespoň jeden hořák 34, instalovaný v koruně pece nad vstupujícím materiálem skelné vsázky, aby se zlepšila rychlost tavení a kvalita, obnovila nebo zvýšila výrobní kapacita nebo snížila potřeba elektrického příhřevu. Ve všech aplikacích tohoto vynálezu v rekuperačních pecích, vytápěných U-plamenem z tavícího konce, se požadavky na vzduch a palivo pro vytápění proti původnímu návrhu snižují a energie je nahrazena energií alespoň jednoho hořáku 34, instalovaného v koruně pece nad materiálem skelné vsázky. Nad vanou skla ve směru od vletů mohou být umístěny dodatečné stropní hořáky za předpokladu, že nad neroztavenou vsázkou jsou instalovány hořáky v koruně pece. Energie, dodávaná těmito hořáky v koruně pece, nahrazuje energii z původního hořákového vletu, ze zrušeného konvenčního elektrického nebo kyslíkového příhřevu.

U přímo vytápěné pece na obr. 2E využívá výhodné provedení tohoto vynálezu alespoň jeden hořák, instalovaný v koruně pece nad vstupujícím materiálem skelné vsázky, aby se zlepšila rychlost tavení a kvalita, obnovila nebo zvýšila výrobní kapacita nebo snížila potřeba elektrického příhřevu. Ve všech aplikacích tohoto vynálezu v přímo vytápěných pecích se požadavky na vzduch a palivo pro vytápění proti původnímu návrhu snižují a energie je nahrazena energií alespoň jednoho hořáku, instalovaného v koruně pece nad materiálem skelné vsázky. V aplikaci s více vzducho-palivovýmt hořáky 73 je alespoň jeden hořák 74 izolován. Nad vanou skla ve směru od hořáků mohou být umístěny dodatečné stropní hořáky za předpokladu, že nad neroztavenou vsázkou jsou instalovány hořáky v koruně pece. Energie, dodávaná těmito hořáky v koruně pece, nahrazuje energii z původního hořákového vletu, ze zrušeného konvenčního elektrického nebo kyslíkového příhřevu.

U pece s elektricky vytápěným stropem využívá výhodné provedení tohoto vynálezu alespoň jeden hořák, instalovaný v koruně pece nad vstupujícím materiálem skelné vsázky, aby se zlepšila rychlost tavení a kvalita, obnovila nebo zvýšila výrobní kapacita nebo snížila potřeba elektrického příhřevu. Nad vanou skla ve směru od vstupu vsázky mohou být umístěny dodatečné stropní hořáky za předpokladu, že nad neroztavenou vsázku jsou instalovány hořáky v koruně pece. Energie, dodávaná těmito hořáky v koruně pece, nahrazuje energii z původního hořákového vletu, ze zrušeného konvenčního elektrického nebo kyslíkového příhřevu.

Ve všech případech lze omezit vznik kysličníků dusíku a síry pečlivým nastavením stechiometrického poměru jednotlivých stropních hořáků a ostatních vzducho-palivových hořáků. Obr. 2A je příkladem aplikace pece s křížovými hořáky, kdy hořáky 34. instalované v pozicích AL a AR. jsou provozovány s nadbytkem stechiometrického kyslíku tak, aby v peci vznikla (okysličující) zóna s chudou směsí. Provozem buď hořáku 34 v pozici BC. a/nebo hořáků u druhého vletu 71 s nižším než stechiometrickým přítokem kyslíku nebo vzduchu, vznikne

- 15CZ 302602 B6 v peci (redukční) zóna s bohatou směsí. Tato konfigurace zón (bohatá-chudá-bohatá) účinně odstupňuje zóny spalování v peci, takže se vytvořením oddělovací přehrady z kysličníku uhelnatého optimalizuje přenos tepla a minimalizuje vznik kysličníku dusíku.

Uvedený alespoň jeden stropní kyslíko-palivový hořák 34 může být použit buď v nové vzduchopalivové sklářské tavící peci 10, nebo dodatečně osazen do existující vzducho-palivové sklářské tavící pece, aby se zvýšila jakost skla v porovnání s pecí vytápěnou jen vzducho-palivovým plamenem. Je výhodné, že předmět vynálezu umožňuje podstatný nárůst rychlosti tažení, snížení teploty stěn sklářské tavící pece J_0 a zvýšení jakosti skla ve srovnání se stejnou vzducho-palivovou pecí, která není do vy ba véna alespoň jedním stropním kyslíko-palivovým horákem, jak bylo popsáno zde. Navíc, což odborník okamžitě ocení, použitím alespoň jednoho kyslíko-palivového hořáku může v protikladu k systému, využívajícímu pouze vzducho-palivové hořáky, výrazně snížit emise NO_X, a to díky rozdílné stechiometrii kyslíko-palivového a vzducho-palivového plamene.

Příklad 1 - Dovy bavení stropními kyslíko-palivovým i hořáky

Příkladem byla přestavba existující regenerativní pece se zkříženými plameny, třemi vlety a konvenčním vzducho-palivovým vytápěním postupně na kyslíkový příhřev, na úplné kyslíkopalivové vytápění, zpětný přechod na kyslíkový příhřev a konečně na původní vzducho-palivové vytápění. Pec byla původně kompletně vytápěna vzducho-palivové. Vytápění jedním, prvním vletem bylo nahrazeno alespoň jedním stropním kyslíko-palivovým hořákem. Ve zbývajících dvou vletech bylo zachováno původní vzducho-palivové vytápění. Ve druhé fázi přestavby bylo vytápění druhého vletu nahrazeno alespoň jedním stropním kyslíko-palivovým hořákem a pec dále vytápěna konvenčně do třetího vletu. Ve třetí fázi bylo vytápění třetího vletu nahrazeno z již instalovaných stropních kyslíko-palivových horáků. Kapacita pece se zvýšila z 50 000 na 77 000 kg (z 55 na 85 tun/den) při snížení vstupní energie z24 800 MJ/h na 19 000MJ/h (z 23,5 MM BTU/h na 18 MM BTU/h). Pec pak byla postupně znovu přestavěna na vzduchopalivové vytápění. Tento příklad ukazuje možnost selektivně přihřívat existující vzducho-palivovou pec a možnost totálního přechodu pece na vytápění stropními kyslíko-palivovým i hořáky. Postup nevyžaduje hořáky chlazené vodou.

Příklad 2 - Hořák a blok hořáku s vnitřním kyslíkovým odstupňováním

V předchozím textu bylo ukázáno, že kyslíko-palivový hořák s vnitřním odstupňováním kyslíku konfigurací horáku nebo hořákem v kombinaci s blokem hořáku přinese zvýšení přestupu tepla a snížení emisí NO_X. Podle předmětu vynálezu je alespoň jeden z těchto typů vnitřně odstupňovaného hořáku 103 použit ve stropě 111 sklářské tavící pece í 10. Horák 103 ie ideálně umístěn nad materiálem 130 skelné vsázky a výhodně nasměrován pod úhlem a (na obr. 6), rovným přibližně 91° až přibližně 135° ve směru toku 104 skla v peci.

Příklad 3 - Hořák a blok hořáku s vnějším kyslíkovým odstupňováním

Prostřednictvím obr. 7 bylo ukázáno, že hořákem 122 s blokem 121 hořáku, instalovaným ve stropě sklářské tavící pece 111, s 2 až 8 kyslíkovými injektory 112 mimo hořák 122 i blok 121 horáku, lze docílit vyššího přestupu tepla než u neodstupňovaného hořáku. Hořák 122 je výhodně nasměrován pod úhlem přibližně 91° až přibližně 135° vůči povrchu skla ve směru toku skla v peci. Podle tohoto příkladu se primárním kyslíkovým hořákem 133 vstřikuje 0 až 90 % kyslíku, stechiometricky potřebného ke spalování, a zbývajících přibližně 10 % sekundárního spalovacího kyslíku 134 se vstřikuje kyslíkovými injektory 112. které jsou nasměrovány pod úhlem přibližně 0° až přibližně 90° vůči povrchu skla. Odborník zjistí, že počet, úhel a průtok odstupňovacích

- 16CZ 302602 B6 vstupů je navržen konkrétně pro každou pec tak, aby ke spálení paliva 145 došlo až při dopadu paliva na povrch materiálu skelné vsázky nebo v jeho těsné blízkosti.

Příklad 4 - odstupňování mezi alespoň dvěma stropními horáky

Odstupňování spalování, využívajícího kystíko-palivové hořáky, může být podle předmětu vynálezu realizováno podle předmětu vynálezu odstupňováním mezi hořáky, a to alespoň mezi dvěma. Jeden z hořáků je provozován pod stechiometrickou úrovní kyslíku, tj. s bohatou směsí, io a druhý nebo další s vyváženým poměrem kyslíku, potřebným pro dokonalé spalování, tzn. s chudou směsí. Proběhly pokusy s příhřevem konvenční sklářské taviči pece 110 se vzduchopalivovým vytápěním, přičemž dva ze zadních hořáků 162 byly provozovány s chudou směsí, zatímco další dva kyslíko-palivové stropní hořáky 161, umístěné po proudu skla, s bohatou směsí (obr. 8). Tento provozní režim vytvářel kyslíko-palivovou zónu s bohatou směsí, následovanou vzducho-palivovou zónou s chudou směsí. Výsledkem provozu sklářské pece podle této metody bylo zvýšení kapacity pece při snížení emisí oxidů dusíku na tunu produktu. Tato metoda odstupňování spalování mezi hořáky může být též použita ve spojení se dvěma podrobně popsanými provedeními odstupňování spalování.

Příklad 5 - odstupňované spalování ve sklářské tavící peci s kyslíkovými probublávači

Jeden způsob odstupňovaného spalování podle předmětu vynálezu obsahuje použití kyslíkových probublávačů ve spojení s alespoň jedním stropním hořákem (obr. 9). Probublávání kyslíkem se používá v několika sklářských výrobních aplikacích jako mechanická podpora konvekčních proudů ve skelné tavenině. Kyslík je ve skle rozpustný a při normálních provozních podmínkách se jej do skla injektuje jen malé množství (méně než 5 % stechiometrického množství). Umístěním alespoň jednoho stropního kyslíko-palivového horáku 105 nad jeden kyslíkový probublávač 108 nebo nad řadu ěi skupinu probublávačů je možno provozovat stropní hořák(y) 105 za stechiometrických nebo sub-stechíometrických podmínek a dodávat zbytek kyslíku 134 pro spalování pomocí probublávačů 108, umístěných ve dně 107 tavící vany skla. To zlepšuje dostupnost kyslíku na povrchu 131 skla pro sekundární spalování paliva nebo částečně zoxidovaných produktů spalování nebo reaktivních meziproduktů.

Příklad 6 - Kyslíko—olejové hořáky

Konvenční olejové a kyslíko-olejové hořáky pro sklářské taviči pece spočívají ve spalování kapiček oleje, které vznikly rozprášením buď dvojitým fluidním rozprašovačem (používajícím páru nebo stlačený plyn), nebo mechanickým rozprašovačem (používajícím buďto tlakovou, nebo rotační energii). Tvar plamene je řízen tlakem vznikající mlhoviny a velikostí kapiček. Obvyklé kyslíko-olejové hořáky uvolňují značnou část tepla v blízkosti stropu.

Jak je vidět na obr. 10, v této konstrukci kyslíko-olejového hořáku je většina kyslíku pro spalování (více než přibližně 60 %) vstřikováním alespoň 2 hubicemi 136 nebo větším počtem hubic, uspořádaných do koncentrického kruhu, obklopujícího přítok oleje 137, i když s ním přímo nesouvisejí, do bodu pod počáteční neviditelnou zónou spalování olejové mlhy. Osa těchto hubic je výhodně nasměrována pod úhlem přibližně 45° až přibližně 101° vzhledem k vodorovné rovině. Toto odstupňování kyslíku vytváří reaktivní meziprodukt, jak bylo popsáno dříve, a zpož50 ďuje dokonalé spálení až do dopadu na hladinu materiálu skelné vsázky nebo do její těsné blízkosti. Zbývající kyslík může být vstřikován do bezprostřední blízkosti a koncentricky s přítokem oleje 137, tj. rozprašovačem 138, přídavnou koncentricky uspořádanou trubkou pro přívod kyslíku (není znázorněna) nebo terciárním vstřikováním do pece pomocí kyslíkové vstřikovací trysky (není znázorněna), čímž se dosáhne dokonalého spalování. Tento kyslíko-olejový odstup55 ňovaný, ve stropě pece instalovaný hořák minimalizuje uvolňování tepla do stropu, zatímco díky

- 17CZ 302602 B6 přídavnému konvekčnímu přenosu tepla do povrchu vsázky přenos tepla do materiálu vsázky maximalizuje. Hořák může být ochlazován vodním pláštěm, kteiý má vstup 139 a výstup 140.

Je znázorněn rozprašovač oleje, obvykle používaný ve sklářském průmyslu pro běžné tavení. Pomocí anemometru s dopplerovským laserem bylo provedeno měření velikosti olejových částeček, kterým bylo zjištěno, že střední průměr částeček je při rozprašování stlačeným vzduchem přibližně 0,05 mm (50 pm).

Zjistili jsme, že u této i jiných sérií hořáků ke spálení olejové mlhy dojde až v okamžiku, kdy se olej setká s proudem kyslíku. Oblast viditelně bez plamene lze pozorovat až do vzdálenosti 45 cm od zakončení rozprašovače. V této „neviditelné“ fázi spalování v horké sklářské tavící peci se velikost olejových částeček snižuje vlivem endoterm ického odpařování. Při aplikaci ve stropním hořáku tato endotermická reakce odebírá vyzařovanou tepelnou energií z okolního prostředí, čímž výhodně snižuje čistý přenos vyzařované tepelné energie do stropu pece.

Předmět vynálezu zahrnuje použití rozprašovače, který vytváří částečky s podstatně větší velikostí, tedy větší než přibližně 0,1 mm (100 pm). K vytváření větších částic stačí méně energie, což vede ke snížení tlaku plamene. Částečně rozprášené velké olejové kapičky vypadávají ze stropního hořáku a alespoň částečně se odpařují v endoterm ické zóně neviditelného spalování v blízkosti stropu.

Maximální lychlost složek spalování a spalovacích produktů na povrchu vsázky by však měla být nižší než 30 m/s, aby se předešlo rozfoukávání materiálu vsázky.

Protože volný proud plynu (např. kyslíku) se rozšiřuje v úhlu přibližně 11°, dopadne proud kyslíku z kyslíkové trysky, umístěné v blízkosti trysky paliva, na proud paliva v blízkosti obou trysek. Je proto lepší, když se odstupňování kyslíku a tudíž spalování, realizuje při rozmezí vzájemného úhlu os trysek kyslíku a paliva od přibližně -45° až přibližně +11°. Toho lze dosáhnout externě odstupňovanými hořáky nebo i interně odstupňovanými hořáky s výstupy kyslíku v bloku hořáku.

Je možné dále snížit ztráty sáláním z kyslíko-olejových plamenů, a to změnou mechanismu, který může vést k vytváření extrémně vyzařujících uhlíkových částic v plameni. K vytváření těchto částic vedou obecně dva procesy, a to štěpení kapalné fáze a znovuvytváření méně těkavých složek v olejových kapičkách, a kondenzační reakce plynné fáze, která vede k vytváření sazí. První mechanismus je zhoršován velkými kapkami a přítomností aromatických složek, jako např. asfalténů. Druhý mechanismus podporují oblasti s vysokou teplotou a bohatou směsí, ve kterých mohou reagovat částečně nasycené plynné reagující složky, např. acetylén, mnoha reakčními cestami a vytvářet tak aromatické mřížky a konečně i pevné saze.

V jednom provedení využívá tento vynález výhodně vysoký stupeň rozprášení, aby se vytvořily malé olejové kapičky, o velikosti výhodně od přibližně 5 do přibližně 50 pm, takže čas setrvání v kapalné fázi je krátký. Štěpení kapalné fáze je tak minimalizováno a jakékoliv výsledné pevné uhlíkové částečky jsou jemně rozprášeny a mohou tak být oxidovány mnohem rychleji díky svému zvětšenému povrchu. Rychlé promíchání s rozprašujícím médiem v počáteční oblasti hořáku, vyvolané rozdílem relativních rychlostí rozprášeného paliva a okysličovadla, který zvýší smykové napětí v plynné fázi, rychle rozpouští oblasti bohaté směsi, obklopující každou kapičku paliva, čímž vzniká homogennější směs odpařených kapiček paliva, okysličovadla, rozprašujícího média a částečně spálených produktů hoření. Reakce palivové mlhy s okysličujícím rozprašujícím médiem vytváří částečně spálenou směs, která je méně náchylná k vytváření sazí. Množství rozprašujícího média, přiváděného do počáteční oblasti plamene, je velmi závislé na náchylnosti samotného paliva k vytváření sazí, která je výraznou funkcí jejího chemického složení.

Jako všeobecné pravidlo platí, že stupeň vytváření sazí závisí na poměru C:H použitého oleje, přičemž tendence k vytváření sazí se snižuje s rostoucí koncentrací H. Tento trend se však stává

- 18CZ 302602 B6 výrazně kolísavý s rostoucím obsahem aromatických látek v palivu. Např. nafty mají extrémně velký sklon k vytváření sazí. Tento sklon lze výhodně redukovat volbou rozprašujícího média, které může změnit poměr C:H. Mezi rozprašující média vhodná pro snižování tendence k vytváření sazí patří vzduch, kyslík, pára, zemní plyn a vodík nebo jejich směs. První dvě mají čistě okysličující efekt, poslední dvě upravují poměr C:H ve směsi palivové mlhy a rozprašujícího média v oblasti blízké hořáku, takže zabrání podmínkám pro vznik sazí. Pára má kombinovaný efekt a ve spojení s teplem, vyzařovaným z hlavního plamene a/nebo pece, podporuje zplynování, při kterém dojde ke vzniku CO a H₂ pro další reakci.

Po opuštění výchozí oblasti v těsné blízkosti hořáku přechází proud kapalného paliva podstatně v tok plynného paliva a reaguje s okolními proudy sekundárního kyslíku stejným způsobem, jak jsme to viděli výše u odstupňovaných plynových hořáků.

Příklad 7 - Kyslíko-palivový hořák s odstupňováním paliva

Kyslíko-palivový hořák 150, znázorněný schématicky na obr. 11, byl navržen pro použití ve stropě sklářské tavící pece, využívající principů odstupňování paliva pomocí jednoho vnějšího injektoru okysličovadla (kyslíku) a dvou vnitřních injektorů paliva, z nichž jeden (středový) injektor paliva je uzpůsoben pro vysokorychlostní vstřikování a druhý (prstencový) injektor je uzpůsoben pro nízkorychlostní vstřikování. Injektory se výhodně skládají alespoň ze tří koncentrických trubek. Délka plamene hořáku a směšování paliva s okysličo vad lem jsou řízeny centrální vysokotlakou tryskou 142 paliva, které je dodáváno stěnami trubky 152 z prvního vedení paliva 147, přivádějícího přibližně 10 až 90% přítoku paliva. Tento vysokorychlostní tok s velkou hybností řídí tvar plamene a směřování více než tok 143 plynného paliva s nízkou hybností, Kvůli řízení směřování je přítok plynu vyšší než přítok kyslíku. Zbytek paliva 143 (přibližně 90 až 10%) se přivádí druhým vedením 148 paliva koncentricky alespoň jedním prstencovitým injektorem paliva, vytvořeným stěnami trubky 152 a stěnami 153 trubky, přičemž kyslík 141 pro spalování je dodáván přívodem 146 kyslíku vnějším prstencovitým injektorem, skládajícím se ze stěn 151 trubky a stěn 153 trubky. Rozměr centrálního vysokotlakého injektoru je rozhodující pro rychlost směšování, která vyplývá z vysoké hybnosti proudu. Středový proud je odstupňován obalením sekundárními proudy plynu. Toto uspořádání poskytuje prostředek pro pohon plynného paliva, jakým je např. zemní plyn, a dovoluje plynnému palivu interagovat s materiálem vsázky a kyslíkem odstupňovaně v blízkosti povrchu vsázky ve sklářské peci. Středový vysokorychlostní proud může mít volitelně nižší hmotnost než nízkorychlostní proud paliva, pokud je hybnost středového proudu vyšší.

V jednom provedení může vysokorychlostní středový proud obsahovat kapalné palivo, dodávané hořákem na kapalné palivo, jakým je např. olejový hořák, spíše než hořákem na plynné palivo, a obálka paliva s nižší rychlostí může obsahovat plynné palivo.

Vynález a dokumenty zde popisované jsou zde uvedeny jako příklad.

Ačkoliv vynález je zde popsán podrobně s odkazem na konkrétní provedení, odborníci zjistí, že v podstatě a rozsahu patentových nároků mohou existovat další provedení. Je proto třeba si uvědomit, že předmět vynálezu není omezen na zde konkrétně popsaná provedení, definovaná následujícími patentovými nároky.

Claims (9)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob tavení materiálu vsázky sklářského kmene ve sklářské tavící peci, přičemž pec má přední koncovou stěnu v přední oblasti, boční stěny a zadní koncovou stěnu v zadní oblasti, spojenou se stropem, přičemž způsob tavení obsahuje naplnění materiálu vsázky z alespoň jednoho plniče vsázky v přední oblasti, umístění alespoň jednoho kyslíko-palivového hořáku ve stropě pece nad materiálem vsázky, přivedení proudu paliva do alespoň jednoho kyslíko-palivového hořáku pro vstřikování proudu paliva do pece, přivedení proudu plynného okysličo vadla pro vstřikováni proudu okysličovadla do pece pro spalování proudu paliva, vstřikování paliva a okysličovadla do pece, přičemž proud paliva obsahuje proud podstatně samotného paliva nebo proud bohaté směsi palivo okysličovadlo, a kde proud okysličovadla obsahuje proud podstatně samotného okysličovadla nebo směs palivookysličovadlo, chudou na palivo, a spalování paliva z alespoň jednoho kyslíko-palivového hořáku tak, že alespoň část spalování se uskutečňuje v blízkosti materiálu vsázky pro zlepšení konvekčního a sálavého přenosu tepla do materiálu vsázky, aniž by se podstatně mechanicky narušil materiál vsázky, přičemž směšování paliva a okysličovadla je zpožděno pro lokalizaci spalování poblíž nebo na povrchu materiálu vsázky, přičemž přenos tepla do vsázky ze spalování paliva má za následek tavení vsázky, vyznačující se tím, že spalování alespoň v jednom kyslíko-palivovém hořáku je odstupňované přidáním alespoň části paliva nebo oxidantu za komorou s plamenem hořáku pro vyvolání zpoždění spalování a uskutečnění spalování části proudu paliva v blízkosti materiálu vsázky, přičemž vstřikovaný proud paliva a vstřikovaný proud okysličovadla jsou od sebe oddělené a volitelně spolu svírají úhel o velikosti dostatečné pro sbíhání příslušných proudů v blízkosti nebo na povrchu materiálu vsázky, přičemž volitelně jsou proud paliva a proud okysličovadla oddělené a vykloněné v úhlu vůči sobě v rozmezí 0° až přibližně 90°, a zahrnutí přivedení proudu kapalného paliva do alespoň jednoho kyslíko-palivového hořáku, a vstřikování paliva a plynného okysličovadla do pece, obsahující vstřikování většiny okysličovadla odděleně od paliva a podstatně kolem proudu kapalného paliva do bodu pod počátkem neviditelné zóny spalování, přičemž volitelně způsob obsahuje alespoň jeden z následujících znaků:

   (i) vychýlení vstřikovaného paliva a vstřikovaného okysličovadla v úhlu přibližně 45° až přibližně 101° od vodorovné roviny, a/nebo (ii) vstřikování zbývajícího okysličovadla v blízkosti a koncentricky se vstřikovaným palivem, a/nebo (iii) odstupňování proudu paliva z kyslíko-palivového hořáku přidáváním alespoň části z paliva za komorou s plamenem hořáku, a dále volitelně obsahující dokonalé spalování reaktivních meziproduktů v blízkosti nebo na povrchu materiálu vsázky.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje alespoň jedno z následujících:

   (i) okysličovadlo se vybere ze skupiny, sestávající ze vzduchu obohaceného kyslíkem, nečištěného kyslíku a průmyslově čistého kyslíku,

   -20CZ 302602 B6 (ii) kde kapalné palivo je kapalina vybraná ze skupiny, sestávající z těžkého palivového oleje, středního palivového oleje, lehkého palivového oleje, petroleje a motorové nafty.
3. 3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje alespoň jedno z násle5 dujících:

   (a) vstřikované kapalné palivo má kapičky větší než přibližně 100 pm, (b) rozprašování kapalného paliva pro vznik kapiček o velikosti v rozmezí přibližně 5 pm až io přibližně 50 pm, volitelně obsahující jeden z bodů (i) až (iii):

   (i) rychlé směšování kapiček rozprašujícím médiem v počáteční oblasti hořáku pro vytvoření podstatně homogenní směsi,

   15 (ii) rozprášení kapalného paliva okysličujícím rozprašujícím médiem pro vytvoření částečně předběžně spálené směsi, (iii) rozprášení kapalného paliva rozprašujícím médiem, vybraným ze skupiny, sestávající ze vzduchu, kyslíku, páry, zemního plynu a vodíku nebo jejich směsí, pro snížení poměru C:H ve

   20 směsi palivo/rozprašující médium.
4. 4. Způsob podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že přivedení proudu plynného okysličovadla obsahuje alespoň jedno z následujících:

   25 (i) kyslíko-palivový hořák je uložen v bloku horáku, přičemž zajišťuje vnitřní odstupňování okysličovadla vstřikováním ze stejného bloku kyslíko-palivového hořáku, (ii) kyslíko-palivový hořák je uložen v bloku hořáku, přičemž zajišťuje vnější odstupňování okysličovadla vstřikováním mimo blok kyslíko-palivového hořáku, (iii) umístění alespoň jednoho sekundárního injektoru okysličovadla ve stropě pece pro zajištění dodatečného okysličovadla pro dokončení spalování poblíž nebo na povrchu materiálu vsázky, volitelně obsahující vstřikování 0 % až 90 % stechiometrického množství okysličovadla prostřednictvím bloku kyslíko-palivového hořáku a vstřikování 100% až 10% stechiometric35 kého množství okysličovadla prostřednictvím alespoň jednoho sekundárního injektoru okysličovadla mimo blok kyslíko-palivového horáku, nebo (iv) probublávání okysličovadla z pod povrchu materiálu vsázky.

   40
5. 5. Způsob podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že materiál vsázky vstupuje do pece alespoň jedním plničem vsázky, obsahující umístění alespoň jednoho kyslíko-palivového hořáku ve stropě pece v blízkosti alespoň jednoho plniče vsázky nad materiálem vsázky.

   45
6. 6. Způsob podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že hořák je namontován v libovolném rozsahu úhlů vzhledem k povrchu vsázky pro namontování v podstatě kolmo k povrchu materiálu vsázky na jednom konci v rozsahu úhlu až 45° od svislice a směrem k zadní koncové stěně pece.

   50
7. 7. Způsob podle kteréhokoliv předchozího nároku, vyznačující se tím, že obsahuje alespoň jedno z následujících:

   (i) alespoň jeden kyslíko-palivový hořák je umístěn ve stropě pece v blízkosti zadní koncové stěny pece,

   -21 CZ 302602 B6 (ii) všechny hořáky pece jsou kyslíko-palivové hořáky, nebo (iii) všechny hořáky pecejsou namontovány ve stropě.
8. 8. Způsob podle kteréhokoli předchozího nároku, vyznačující se tím, že obsahuje:

   alespoň jeden kyslíko-palivový hořák ve stropě pece nad materiálem vsázky, přičemž alespoň jeden kyslíko-palivový hořák je uzpůsobený pro odstupňované spalování paliva a obsahuje alespoň jeden vnější injektor okysličovadla a dva vnitřní injektory paliva, přičemž nej vnitřnější injektor paliva je uzpůsoben pro vstřikování kapalného paliva vysokou rychlostí a zbývající injektor, umístěný mezi vnitřním injektorem paliva a vnějším injektorem paliva, je uzpůsoben pro vstřikování plynného paliva nižší rychlostí, přivádění proudu paliva do alespoň jednoho kyslíko-palivového hořáku, přičemž proud paliva nej vnitřnějším injektorem paliva má vyšší hybnost než proud paliva zbývajícího injektoru, přivádění proudu plynného okysličovadla do vnějšího injektoru okysličovadla, který má nižší hybnost než proud paliva nej vnitřnějším injektorem paliva, přičemž volitelně (a) přibližně 10% až přibližně 90% toku paliva se využije v nej vnitřnějším injektoru paliva, nebo (b) plynné palivo se vybere ze skupiny, sestávající z metanu, zemního plynu, zkapalněného zemního plynu, propanu, zkapalněného propanu, butanu, plynů s nízkou výhřevností, svítiplynu, průmyslového plynu ajejich směsí.
9. 9. Kyslíko-palivový hořák, obsahující alespoň jeden vnější injektor okysličovadla a dva vnitřní injektory paliva, přičemž nejvnitřnější injektor paliva je uzpůsoben pro vstřikování paliva vysokou rychlostí a zbývající injektor paliva, umístěný mezi nej vnitřnějším injektorem paliva a vnějším injektorem okysličovadla, je uzpůsobený pro vstřikování paliva nižší rychlostí; obsahující prostředky pro poskytování proudu paliva nej vnitřnějším injektorem paliva větší hybností než má proud paliva zbývajícím injektorem paliva; a prostředky pro přivádění proudu plynného okysličovadla do vnějšího injektoru okysličovadla s nižší hybností než proud paliva nej vnitřnějším injektorem paliva; kde volitelně injektory obsahují alespoň tři soustředné trubky; přičemž volitelně je nejvnitřnější injektor paliva uzpůsoben pro přivádění proudu paliva o středně vysokém tlaku, obsahujícího alespoň jedno z plynného nebo kapalného paliva, přičemž zbývající injektor paliva je uzpůsoben pro přivádění podstatně kruhové obálky paliva o nižším tlaku, obsahující plynné palivo vně koncentrické se středovým proudem paliva, a injektor okysličovadla je uzpůsoben pro přivádění podstatně kruhového proudu okysličovadla vně koncentrického s obálkou paliva, přičemž proud okysličovadla má nižší hybnost než středový proud paliva.