ES2204809T3 - Horno y procedimiento de fusion de vidrio con combustion sobre la zona de fusion y combustion de aire sobre la zona de afino. - Google Patents
Horno y procedimiento de fusion de vidrio con combustion sobre la zona de fusion y combustion de aire sobre la zona de afino.Info
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Abstract
Un procedimiento para fundir ingredientes formadores de vidrio en un horno (140; 200) que tiene un extremo (144) de carga, un extremo (142) de descarga, una zona de fusión (184; 236) adyacente al extremo (144) de carga, que contiene una cantidad significativa de productos sólidos en lote no fundidos flotando en la superficie del baño de vidrio fundido, y una zona de afino (170; 270) adyacente al extremo (142) de descarga, que no contiene una cantidad significativa de productos sólidos en lote no fundidos flotando en la superficie del baño de vidrio fundido, en el que los ingredientes formadores de vidrio se introducen en la zona de fusión (184; 236), se desplazan según un camino desde la zona de fusión (184; 236) a la zona de afino (170; 270) y se extraen como vidrio fundido de la zona de afino (170; 270); y se suministra energía de combustión según se requiera tanto a la zona de fusión (184; 236) como a la zona de afino (170; 270); caracterizado porque: (i) la mayor parte de la energía decombustión sobre la zona de fusión (184; 236) se suministra por combustión de oxígeno y combustible donde la corriente de oxidante contiene entre 50% y 100% de oxígeno, proporcionando una llama (172-184; 238-248) de combustión de oxígeno y combustible dirigida hacia los ingredientes formadores de vidrio con un ángulo entre 0º y 30º con respecto a la horizontal; y (ii)la mayor parte de la energía de combustión (164-168; 224- 234) sobre la zona de afino (170; 270) se suministra por combustión de aire y combustible, donde la corriente de oxidante contiene entre 21% y 30% de oxígeno.
Description
Horno y procedimiento de fusión de vidrio con
combustión sobre la zona de fusión y combustión de aire sobre la
zona de afino.
El presente invento se refiere a un procedimiento
y un horno para fundir ingredientes formadores de vidrio. En el
horno típico de fusión de vidrio, o tanque de vidrio como se le
hace referencia comúnmente, las materias primas de fabricación del
vidrio, denominadas materias primas en lote, se cargan en la zona
de fusión del horno. Los tanques de vidrio se hacen funcionar
continuamente, y por tanto hay un baño existente de vidrio fundido,
denominado hornada, en la zona de fusión sobre la que está colocada
la materia prima. Al vidrio fundido y a las materias en lote no
fundidas se hace referencia colectivamente como "la carga". El
lote bruto se puede cargar en el tanque mediante uno cualquiera de
los dispositivos de carga mecánica bien conocidos. En la práctica,
los materiales en lote flotan en la superficie del baño fundido
formando una capa semisumergida que contiene sólidos no fundidos
denominada una capa de lote. La capa a veces se rompe para formar
pilas separadas de lote o islas de lote (también denominadas balsas
o troncos). Para los fines de esta descripción, se define como la
zona de fusión la sección del horno que contiene productos sólidos
en lote no fundidos flotando en la superficie de un baño de vidrio
fundido.
El tanque de vidrio consta usualmente de la zona
de fusión y de la zona de afino. Para los fines de esta
descripción, la zona de afino se define como la sección del horno
que no contiene una cantidad significativa de sólidos en lote no
fundidos flotando en la superficie de un baño de vidrio fundido.
Pueden existir espuma o escoria en la superficie del baño de vidrio
fundido en la zona de afino, o bien dicha superficie puede estar
limpia, denominándose en ese caso vidrio de "superficie
especular". En la zona de afino, el vidrio se homogeneiza y se
eliminan los defectos, tales como burbujas pequeñas. El vidrio se
extrae continuamente de la zona de afino. La zona de fusión y la
zona de afino de un tanque de vidrio pueden estar en una sola
cámara, o bien el tanque de vidrio puede constar de dos o más
cámaras conectadas y distintas.
Históricamente, el vidrio se ha fundido en hornos
de aire y combustible donde los quemadores dirigen las llamas a
través del vidrio fundido, y el gas de escape procedente de las
llamas se extrae por medio de dispositivos de recuperación de calor
para mejorar el rendimiento máximo del horno, reduciendo de ese
modo el consumo de combustible. Los recuperadores y los
regeneradores son dispositivos comunes de recuperación de calor
usados en la industria del vidrio. Un recuperador es típicamente un
intercambiador de calor estilo envuelta metálica y tubos que
calienta indirectamente el aire de combustión con el calor extraído
de los gases de escape. En el caso de los regeneradores, los gases
de escape atraviesan los regeneradores transmitiendo su calor a la
empaquetadura termorrecuperadora o a otros medios de almacenamiento
de calor instalados dentro del regenerador. La empaquetadura
termorrecuperadora se construye generalmente de material
refractario. El regenerador puede ser una cámara común por cada
lado del horno, una serie de cámaras separadas y distintas añadidas
al horno, o bien se puede incorporar a los conductos de
alimentación de quemadores. La empaquetadura caliente se usa para
precalentar el aire de combustión que se combina con el combustible
utilizado para producir las llamas durante el ciclo de encendido
del funcionamiento del calentamiento. Estos dispositivos de
recuperación de calor son costosos y a veces limitan la vida del
horno debido a limitaciones de diseño, a fallos causado por choque
térmico al material refractario, a corrosión, o a obstrucciones.
Ocasionalmente, el vidrio se funde en un fundidor unitario que es un
horno sin un dispositivo de recuperación de calor para precalentar
el aire de combustión.
En el caso de los regeneradores, el medio de
almacenamiento de calor, es decir, los termorrecuperadores, llega a
atascarse por la presencia de productos volátiles y partículas
procedentes del procedimiento de fusión del vidrio, resultando en un
flujo insuficiente de aire de combustión a las lumbreras. Por
consiguiente, los fabricantes de vidrio limpian rutinariamente las
empaquetaduras termorrecuperadoras para mantener el flujo de aire.
El problema del atascamiento es notablemente peor para las
lumbreras conectadas a la zona de fusión del horno. El producto
acumulado en la empaquetadura del regenerador que está en contacto
con los gases de la zona de fusión del horno es a menudo viscoso y
difícil de extraer. El control de la acumulación de material en la
empaquetadura termorrecuperadora de un regenerador es el tema del
documento: US-A-5.840.093. El
producto acumulado en los termorrecuperadores inferiores del tanque
que está en contacto con los gases de la zona de afino del horno es
más seco y más polvoriento, lo que da lugar a que su extracción sea
más sencilla. Debido a que su ataque es menos agresivo, los
termorrecuperadores inferiores de tanque se han usado para más de
una campaña de horno.
Cerca del final de una campaña de horno, a veces
se da el caso de que los termorrecuperadores llegan a degradarse en
gran escala, a veces incluso derrumbándose, y no es posible disponer
de un flujo suficiente de aire aún después de una limpieza. El
problema usualmente se manifiesta por sí solo en la sección del
regenerador que recibe gases de la zona de fusión del horno. Se han
utilizado tecnologías de combustión con aumento de oxígeno en estos
hornos "mutilados" de aire y combustible para alargar la vida
del horno. Aunque las tecnologías de combustión con aumento de
oxígeno no impiden el problema del atascamiento de los
termorrecuperadores, sí es cierto que aportan un método para el
funcionamiento continuo del horno, si bien a veces con un coste de
funcionamiento más elevado.
Durante varias décadas se ha usado oxígeno
industrial para mejorar la combustión en la industria del vidrio.
La combustión con aumento de oxígeno se puede llevar a cabo
mediante (i) quemadores suplementarios de oxígeno y combustible,
(ii) enriquecimiento con oxígeno premezclado del aire de
combustión, o (iii) alanceado de oxígeno a la lumbrera o al
quemador. El uso de quemadores suplementarios de oxígeno y
combustible es la práctica de instalar uno o más quemadores de
oxígeno y combustible en un horno de aire y combustible. El
enriquecimiento con oxígeno premezclado es la práctica de
introducir oxígeno en el aire de combustión usualmente hasta un
nivel de hasta 30% del oxígeno total contenido (es decir, un
enriquecimiento de 9% de oxígeno). La magnitud del enriquecimiento
de oxígeno viene limitada por problemas de compatibilidad de los
materiales en ambientes muy oxidantes. El alanceado es la práctica
de inyectar oxígeno en puntos estratégicos por medio de una lanza
en la zona de combustión. Estas técnicas de aumento de oxígeno se
aplican a hornos con quemadores que tengan diseños estándar de aire
y combustible. El concepto básico de horno de aire y combustible
no se ha modificado significativamente al aplicar las tecnologías
anteriormente mencionadas de enriquecimiento de oxígeno.
La combustión suplementaria de oxígeno y
combustible se ha aplicado a hornos de vidrio de aire y
combustible, y ha demostrado beneficios. A una modalidad de
combustión suplementaria de oxígeno y combustible se hace
referencia comúnmente como refuerzo de oxígeno y combustible. El
refuerzo de oxígeno y combustible es una tecnología en la que se
añaden quemadores de oxígeno y combustible a un horno de aire y
combustible. Se han propuesto dos ubicaciones para los quemadores de
oxígeno y combustible: cerca de la posición de punto caliente, y en
la posición de ausencia de lumbrera (en adelante, posición de
"lumbrera cero"). Típicamente, los quemadores de oxígeno y
combustible están encendidos constantemente, incluso durante el
ciclo inverso de un horno regenerativo.
Lo racional para colocar los quemadores de
oxígeno y combustible en la posición de punto caliente es reforzar
el punto caliente con calor adicional, con objeto de influir
positivamente en los patrones de flujo de convección en la hornada
de vidrio, y, según se describe en varias patentes, de afectar a la
posición de la línea de lote. El patrón del flujo total de vidrio
sufre una gran influencia por parte del flujo accionado por
flotabilidad, y el perfil de temperatura en el horno es importante
para el flujo accionado por flotabilidad. Por último, se afecta a la
calidad del vidrio. Esta es la razón de que los fabricantes de
vidrio controlen y vigilen el perfil de temperaturas en un
horno.
De forma similar al refuerzo con oxígeno y
combustible en punto caliente, el documento
US-A-3.592623 describe un
procedimiento y un horno en el que al menos parte del calentamiento
del horno se provee mediante una llama de oxígeno y combustible
desde una posición aguas abajo del punto caliente. Los productos de
combustión de la llama chocan con los materiales no fundidos de
fabricación del vidrio (es decir, con el lote) haciendo que los
materiales no fundidos permanezcan cerca del extremo de
alimentación del tanque hasta que funden. Un objetivo es controlar
la posición del material en lote no fundido (línea de lote) en el
tanque de vidrio. El calentamiento restante se proporciona por
combustión de aire y combustible como se muestra en las figuras del
documento US-A-3.592.623.
El documento
US-A-4.473.388 describe un
procedimiento de refuerzo de oxígeno y combustible en el que las
llamas de la mezcla de oxígeno y combustible cubren sustancialmente
la anchura total del horno y se dirigen en la línea de lote.
El documento
US-A-5.139.558 describe un
procedimiento en el que al menos parte del calentamiento del horno
se proporciona mediante al menos una llama de cómo mínimo un
quemador de oxígeno y combustible instalado en el techo del horno,
siendo la posición del quemador tal que la punta de su llama está
dirigida aproximadamente en la línea de lote. Un objetivo de los
procedimientos descritos en ambos documentos
US-A-3.592.623 y
US-A-5.139.558 es aumentar la
velocidad de fusión de los materiales sólidos que forman el vidrio
y controlar la posición de la línea de lote.
El encendido de oxígeno y combustible sobre el
vidrio fundido de la parte inferior del tanque en un horno de aire
y combustible del tipo de regenerador o de recuperador es el tema
del documento US-A-5.116.399. El
objeto de esta descripción es usar una llama de oxígeno y
combustible con velocidad superior a 100 m/seg. para barrer los
ingredientes no fundidos formadores de vidrio que flotan en la
superficie de la hornada en las proximidades de la salida de
vidrio, para impedir que se introduzcan en la salida del vidrio
cualesquiera ingredientes no fundidos formadores de vidrio. Se
describe también en dichos documentos el uso de quemadores
suplementarios de oxígeno y combustible combinados con el quemador
de oxígeno y combustible para barrer ingredientes formadores de
vidrio no fundidos dentro de la configuración de horno de aire y
combustible.
El refuerzo suplementario de oxígeno y
combustible de un horno regenerativo de aire y combustible se
describe en el documento US-A- 5.147.438 donde el
quemador auxiliar de oxígeno y combustible está doblado, formando un
ángulo, o inclinado para dirigir su llama hacia la línea de lote o
a las proximidades de la línea de lote.
Como una alternativa a la posición de punto
caliente, el refuerzo de oxígeno y combustible se puede instalar en
el extremo de carga de un horno. En un horno con encendido por un
costado, a esta posición se le hace referencia comúnmente como
posición de lumbrera cero. Es el espacio entre la pared del extremo
de carga y la primera lumbrera de aire-combustible.
Lo racional para esta ubicación es lograr mayores velocidades de
transmisión de calor desde las llamas calientes de oxígeno y
combustible hasta el lote frío. El refuerzo de oxígeno y combustible
en lumbrera cero es un método común usado por la industria y se
describe en la publicación de Hope y Schemberg (1997). Esta
referencia enseña que, como resultado de una transmisión de calor
radiante más intensa al lote frío desde la llama de refuerzo de
oxígeno y combustible, se produce un fritado y una vidriería más
tempranos de lo que es posible sólo con fusión con aire y
combustible. El porcentaje de encendido de oxígeno y combustible
para la tecnología del refuerzo en lumbrera cero ha sido de
aproximadamente hasta el 15% de la velocidad total de encendido, y
a menudo está limitado por la máxima temperatura admisible de la
superestructura refractaria. Usando el refuerzo de oxígeno y
combustible en lumbrera cero, se han logrado aumentos de la
producción del orden del 5 al 10% con perfeccionamiento simultáneo
en la calidad del vidrio.
El documento
US-A-4.531.960 (correspondiente al
EP-A-0127513) muestra un refuerzo de
oxígeno y combustible en lumbrera cero en el que las llamas
suplementarias (auxiliares) de oxígeno y combustible están rodeadas
con una corriente de gas auxiliar en la que el gas auxiliar
preferiblemente es aire y el gas auxiliar se dirige hacia el lote
frío (pilas o islas de lote no fundidas). Uno de los objetivos del
gas auxiliar es eliminar el uso de refrigeración con agua del
quemador de oxígeno y combustible, que fue una característica común
de los quemadores de oxígeno y combustible en el tiempo de la
presentación de la patente. Los expertos en la técnica de las
tecnologías de NOx notarán fácilmente que la práctica de esta
enseñanza resultaría en una mayor formación de NOx, porque el
nitrógeno del aire se mezclaría en la llama de alta temperatura de
oxígeno y combustible.
La práctica de estas tecnologías suplementarias
de oxígeno y combustible sin elevadas velocidades de formación de
NOx requiere metodologías especiales.
Una extensión de las tecnologías suplementarias
de oxígeno y combustible sería combinar los refuerzos de oxígeno y
combustible en lumbrera cero y en punto caliente para captar los
beneficios de una fusión perfeccionada en el control de la zona de
fusión y de la línea de lote. Sin embargo, este procedimiento tiene
probabilidades de causar preocupación en relación con un aumento en
la propensión a la formación de NOx, porque existirán más llamas más
calientes de oxígeno y combustible para formar NOx con el nitrógeno
migratorio desde la sección de combustión de aire y combustible.
Por tanto, un proceso que utilizase ambas combustiones de oxígeno y
combustible y de aire y combustible en el mismo horno sin tener en
cuenta el problema de la formación de NOx sería una solución
incompleta.
Para minimizar la formación de NOx asociada con
el aumento del suplemento de oxígeno y combustible en los hornos de
aire y combustible, ha existido una tendencia general en la
industria del vidrio de pasar de la combustión con aire y
combustible a una combustión con 100% de oxígeno y combustible. De
esta manera, el nitrógeno formador de NOx se elimina como parte de
la alimentación a los quemadores. Debido a esta cuestión de NOX y a
otras cuestiones, el movimiento hacia la combustión con 100% de
oxígeno y combustible es la elección obvia si se desea aumentar el
uso de oxígeno y combustible, especialmente en niveles adecuados
para un suministro de oxígeno generado in situ. En contraste
con las tecnologías de aumento de combustión de oxígeno, se hacen
modificaciones significativas a un horno para aplicar la combustión
de 100% de oxígeno y combustible en los hornos. En los hornos de
combustión de 100% de oxígeno y combustible, el aire necesario para
la combustión se sustituye por oxígeno industrial con una pureza
comprendida típicamente entre 90% y 100%. Los dispositivos de
recuperación de calor usados en los hornos de combustible y aire
tales como los regeneradores y recuperadores generalmente no se
usan una vez que el horno se ha convertido a oxígeno y combustible.
Se han usado diferentes sistemas de quemadores y flujos, y la
disposición general de los quemadores y de los escapes es casi
siempre diferente de los diseños anteriores de horno de aire y
combustible.
La combustión con 100% de oxígeno y combustible
es una tecnología demostrada y probada. Eleazer y Hoke en el
capítulo 7 titulado Vidrio, de la publicación Combustión con
aumento de oxígeno, editada por Charles E. Baukal, 1998,
páginas 212-236, informan de 110 conversiones a
combustión del 100% de oxígeno y combustible en América del Norte.
La implementación de la combustión de 100% de oxígeno y combustible
en hornos de vidrio es el tema de los documentos
US-A-5.417.732 y
US-A-5.655.464. Algunos de los
beneficios informados para el funcionamiento con 100% de oxígeno y
combustible son: ahorros de combustible debido al mayor rendimiento
del horno, aumento de la producción como consecuencia de la mejor
transmisión de calor, menores costes de energía eléctrica por la
sustitución de la energía eléctrica de refuerzo por la energía de
combustión, prolongación de la vida del horno por solucionar las
limitaciones de producción del aire de combustión ocasionadas por el
atascamiento de termorrecuperadores o por el fallo de un
recuperador, prolongación de la vida del horno por sustituir la
energía eléctrica de refuerzo por la energía de combustión,
reduciendo de ese modo el desgaste del refractario causado por el
refuerzo con energía eléctrica, menores emisiones de contaminantes
tales como NOx, partículas, y dióxido de carbono, mejor calidad
del vidrio resultante del perfil perfeccionado de temperatura del
horno, menor volatilización, mejor control de línea de lote, y
menores costes de capital por la reducción o eliminación de
sistemas de post-tratamiento y/o sistemas de
recuperación de calor.
Sin embargo, el uso de la combustión con 100% de
oxígeno y combustible no deja de plantear problemas y
preocupaciones. Se ha averiguado que la atmósfera generada por la
combustión de oxígeno y combustible sobre una hornada de vidrio es
más agresiva a la superestructura refractaria que una atmósfera de
aire y combustible. En varios artículos de la 57ª Conferencia sobre
problemas del vidrio en 1996 se describía el aumento de corrosión
de la superestructura refractaria resultante de la combustión de
oxígeno y combustible. Por consiguiente, se han propuesto para
hornos que quemen oxígeno y combustible nuevas técnicas de
construcción y nuevos materiales de construcción que a menudo
resultan más caros. Además de la preocupación obvia por la
integridad del horno, la corrosión del material refractario puede
ser perjudicial para la calidad del vidrio si la superestructura
refractaria licuada alcanza al vidrio.
Los operadores de hornos de vidrio de oxígeno y
combustible han comunicado un aumento en la espuma de la superficie
del vidrio en comparación con el funcionamiento con aire y
combustible. Se cree que la espuma tiene un impacto negativo en la
transmisión de calor y en la calidad del vidrio. La transmisión de
calor resulta afectada porque la espuma tiene unas propiedades
deficientes de conducción del calor. El documento
US-A-3.350.185 soluciona el problema
de la formación de espuma y de su eliminación.
El aumento de la transmisión de calor usando
oxígeno y combustible es el tema del documento
WO-A-9931021, que describe un
procedimiento y aparato con quemador de oxígeno y combustible
montado en techo para producir vidrio refinado sin el uso de
regeneradores y recuperadores. Esta aplicación describe la
utilización de alto nivel de la combustión con oxígeno y
combustible con colisión en la superficie del lote en la zona de
fusión del horno para aumentar la transmisión de calor. Esta
aplicación enseña el uso de al menos un quemador de oxígeno y
combustible montado en techo en la zona de afino para material
formador de vidrio fundido en la superficie superior próximo a la
combustión, con el fin de reducir la capa de espuma de la superficie
del vidrio fundido para ayudar al refino del vidrio fundido. Se
dice que se ha averiguado que al menos un quemador de oxígeno y
combustible montado en techo en la zona de afino mejora la calidad
del vidrio que se mueve en el área de formación mediante la
eliminación de defectos tales como materia prima formadora de
vidrio que no ha reaccionado completamente, o materiales de
superficie insuficientemente mezclados por elevar sustancialmente la
temperatura superficial del vidrio, promoviendo la fusión y la
mezcla. Además, al menos un quemador de oxígeno y combustible
instalado aguas abajo proporciona una barrera de protección al flujo
hacia delante del material, promueve corrientes de convección
natural dentro del vidrio fundido dando lugar a que el vidrio más
caliente circule hacia atrás bajo la materia prima formadora de
vidrio, impidiendo de ese modo un aumento súbito hacia delante del
vidrio fundido, aumentando el efecto de fusión y las temperaturas
del vidrio en la zona de afino. Como es ésta una tecnología de
horno con combustión de 100% de oxígeno y combustible, esta
solicitud de patente establece que las emisiones de NOx se reducen
en comparación con una tecnología de horno con 100% de aire y
combus
\hbox{tible.}
El funcionamiento de un horno de combustión con
100% de oxígeno y combustible depende de la disponibilidad
constante de oxígeno. Muchos de los hornos más grandes de oxígeno y
combustible se alimentan con oxígeno generado in situ usando
técnicas bien conocidas de destilación criogénica o de adsorción
oscilante de vacío. Es costumbre y, hasta la fecha, el único método
para reforzar el suministro de oxígeno generado in situ,
mantener un inventario de oxígeno líquido en el mismo emplazamiento.
De ese modo, cuando la instalación de generación in situ se
retira de la línea de producción debido a un problema de proceso o
para mantenimiento rutinario, se utiliza el inventario de oxígeno
líquido para suministrar el oxígeno necesario para la combustión de
oxígeno y combustible. Este método de refuerzo del oxígeno generado
in situ requiere grandes tanques aislados para almacenar el
oxígeno en estado líquido, y evaporadores para permitir que el
oxígeno líquido se convierta en oxígeno gaseoso para uso en el
procedimiento de combustión de oxígeno y combustible. Es
convencional utilizar camiones - cisterna para transportar oxígeno
líquido al emplazamiento desde una instalación de separación de aire
de mayor tamaño. La utilización de un refuerzo de oxígeno líquido
con un sistema de oxígeno generado in situ permite al
usuario continuar utilizando un procedimiento de combustión con
oxígeno y combustible sin interrupción. Una tecnología alternativa,
donde la combustión con aire y combustible, con y sin
enriquecimiento de oxígeno, se usa para reforzar un horno de oxígeno
y combustible se describe en el documento
EP-A-1094273, expedido el 16 de
enero de 2000, publicado el 25 de abril de 2001 y reivindicando
prioridad de la solicitud de patente de EE.UU. con Nº de serie
09/420.215 presentada el 14 de octubre de 1999 y de ese modo
entrando en los términos del Artículo 54(3) EPC.
Dado que el rendimiento de un horno varía durante
la vida de éste usando combustión con 100% de oxígeno y combustible,
y que el ritmo de producción del vidrio puede variar durante la
campaña del horno, el generador asociado de oxígeno se dimensiona
típicamente para el máximo ritmo de utilización planificado. Esto
resulta en una infrautilización del generador de oxígeno durante un
gran porcentaje de la campaña del horno.
McMahon y colaboradores (de aquí en adelante
"McMahon") en un artículo titulado "La conversión parcial a
combustión con oxígeno y combustible puede ser una solución a los
problemas de los hornos" (Industria del vidrio, diciembre 1994)
describen una conversión parcial de un horno de aire y combustible
a un horno de oxígeno y combustible antes de y como parte de una
remodelación completa a un horno de oxígeno y combustible. Un
factor clave en el artículo de McMahon es que las lumbreras en el
sistema anterior de recuperación de calor se dejaron abiertas en la
sección convertida del estado parcialmente convertido del horno, a
pesar de que la combustión de oxígeno y combustible no requiere
recuperación de calor. La combustión de oxígeno y combustible, que
se produce con más calor que la combustión de aire y combustible, no
requiere recuperar calor de los productos de combustión del escape
del horno con el fin de precalentar los productos reaccionantes en
la combustión y de reforzar las temperaturas de combustión.
El hecho de dejar abiertas las lumbreras en el
artículo de McMahon en la sección convertida está relacionado con
las emisiones de NOx. En particular, esto permitía la entrada de
aire a la sección convertida, facilitando así el principio de
aspiración por el que el aire entrante y los gases del horno se
integran con los quemadores de oxígeno y combustible de tal manera
que el oxígeno y el combustible entran en contacto solamente en
concentraciones bajas, dando lugar de ese modo a temperaturas
máximas de llama iguales o menores que las de las llamas de hornos
regenerativos, y por tanto reduciendo la emisión de NOx. Sin
embargo, el aire que entra a la sección convertida plantea la
pregunta de si la combustión con oxígeno y combustible (definida en
la solicitud como la combustión en la que la corriente de oxidante
está comprendida entre 50 y 100% de oxígeno y preferiblemente
entre 90 y 100% de oxígeno) se producía en la sección convertida
o bien, como es más probable de acuerdo con los cálculos del
inventor, en la sección convertida solamente se producía una
combustión "enriquecida en oxígeno".
El hecho de dejar abiertas las lumbreras en la
sección convertida en el artículo de McMahon mitigaba también la
migración de productos de combustión desde la sección convertida a
la sección sin convertir, impidiendo así que los productos
volátiles del lote (que están mezclados conjuntamente con los
productos de combustión del oxígeno y del combustible de la sección
convertida) entren en la sección no convertida y salgan como escape
de la sección no convertida y subsiguientemente atasquen y/ corroan
al sistema de recuperación de calor necesario para la sección no
convertida. No obstante, al dejar abiertas las lumbreras en la
sección convertida, se permite que los productos de combustión
procedentes de la sección no convertida salgan como escape de la
sección convertida, permitiendo de ese modo que el nitrógeno
contenido en el aire usado para la combustión con aire y
combustible en la sección no convertida se introduzca en la sección
convertida y se mezcle con oxígeno y subsiguientemente forme los
NOx.
Ninguna de las referencias anteriormente citadas
describe un procedimiento o un horno con calentamiento de
combustión de oxígeno y combustible predominantemente en la zona de
fusión y calentamiento de combustión de aire y combustible
predominantemente en la zona de afino.
El documento
EP-A-1077201, publicado el 21 de
febrero de 2001, presentado el 15 de agosto de 2000 y reivindicando
una fecha de prioridad de 16 de agosto de 1999 y por ello acogido a
las cláusulas del Artículo 54(3) EPC, describe un horno de
vidrio que contiene un recuperador, un regenerador, un refuerzo
eléctrico u otro dispositivo para suministrar calor al material en
lote de vidrio y que tiene al menos un quemador de oxígeno y
combustible montado en el techo del horno para proporcionar calor
adicional para fundir el material en lote. El ángulo de la llama de
la combustión del oxígeno y del combustible puede desviarse de la
perpendicular en la dirección aguas abajo hasta 30 grados, pero
preferiblemente se desvía menos de 10 grados.
El presente invento es un procedimiento y un
horno para fundir vidrio en el que la mayor parte de la energía de
combustión sobre la zona de fusión del horno se suministra por la
combustión de oxígeno y combustible, aportando una llama de
combustión de oxígeno y combustible dirigida hacia los ingredientes
formadores de vidrio en un ángulo comprendido entre 0º y 30º con la
horizontal, mientras que una mayor parte de la energía de combustión
sobre la zona de afino del horno se suministra por combustión de
aire y combustible. En muchos casos, será preferible suministrar más
del 70% y hasta el 100% inclusive de la energía de combustión
sobre la zona de fusión por combustión de oxígeno y combustible, y
más del 70% y hasta el 100% inclusive de la energía de combustión
sobre la zona de afino por combustión de aire y combustible.
Ajustando adecuadamente la atmósfera del espacio de la combustión
por medio de la combustión de oxígeno y combustible y de la
combustión de aire y combustible, el presente invento puede
resultar en un perfeccionamiento en la productividad y calidad del
vidrio. El presente invento es aplicable a la construcción de un
horno nuevo, o puede aplicarse a los actuales hornos de aire y
combustible.
Para los fines de esta descripción, la combustión
de oxígeno y combustible se define como una combustión en la que la
corriente oxidante contiene entre 50% y 100% de oxígeno y
preferiblemente entre 90% y 100% de oxígeno. La combustión de
aire y combustible se define como una combustión en la que la
corriente oxidante contiene entre 21% y 30% de oxígeno. La
energía de combustión se define como el valor calorífico del
combustible, típicamente expresado en Btu/lb o medida convertida en
unidades equivalentes (Kilocalorías/Kg), multiplicado por el caudal
másico del combustible, típicamente expresado en lb/h o medida
convertida en unidades equivalentes (kg/h). Se pueden usar caudales
volumétricos con una conversión apropiada de unidades usando la
densidad de un gas combustible.
El concepto del presente invento en el que se
mezclan la combustión de oxígeno y combustible y la combustión de
aire y combustible es contrario al concepto convencional, puesto que
el aumento de la combustión de oxígeno y combustible en un horno de
aire y combustible puede conducir a un aumento en la propensión a la
formación de NOx y a los problemas relacionados con la misma. Como
se ha citado en la sección de antecedentes, existe un aumento en
la propensión a la formación de NOx porque se producen mayores
cantidades de llamas más calientes de oxígeno y combustible
disponibles para formar NOx con el nitrógeno procedente de la
combustión de aire y combustible. De hecho, el principal objeto del
documento US-A- 5.655.464 citado en la sección de
antecedentes es impedir que el aire entre en el compartimento de
fusión/refino (zonas de fusión y afino) de un horno de oxígeno y
combustible. Sin embargo, los inventores presentes han averiguado
que hasta la fecha se han obtenido beneficios impensables de un
sistema con mezcla de combustión de aire y combustible y de oxígeno
y combustible, y, con una administración adecuada de la mayor
propensión a la formación de NOx, estos beneficios pueden compensar
la propensión a la formación de NOx.
En comparación con las tecnologías de combustión
del 100% de oxígeno y combustible, el presente invento aporta la
fusión del vidrio con la reducción o eliminación de los problemas
que plantea dicha clase de combustión, tales como el desgaste del
material refractario, suministro de oxígeno de refuerzo, formación
de espuma en el vidrio, y plena utilización del oxígeno generado
in situ.
En comparación con las tecnologías de combustión
de aire y combustible, el presente invento aporta la fusión del
vidrio con la reducción o eliminación de los problemas que plantea
dicha clase de combustión, tales como vida del dispositivo de
recuperación de calor, estabilidad del lote, y emisiones de
productos contaminantes por medio del uso bien instalado de llamas
de oxígeno y combustible y de los gases de escape.
Adicionalmente, los inventores creen que se puede
conseguir una productividad mayor y un aumento de la fusión del
lote por el presente invento, a la vista de los datos limitados
aportados por A Dietzel. Dietzel, en el capítulo 22 titulado
Aceleración de la fusión del vidrio, de la publicación El
procedimiento de fusión en la industria del vidrio (Editor
Alexis G. Pincus, 1980, páginas 138-139), que han
demostrado y vuelto a comunicar en 1943 que el vapor de agua reduce
la temperatura donde el material en lote empieza a fundir y por
ello acelera el procedimiento de fusión del lote. Agentes de
reducción de la temperatura de fusión, en este caso agua, se añaden
típicamente al material en lote para disminuir la temperatura donde
se produce la primera hornada. Como consecuencia de la formación
temprana de la fase líquida, aumentan las velocidades de
transmisión de calor y de las reacciones químicas, lo cual mejora
el proceso total de fusión del vidrio y la calidad de éste.
Mientras que la combustión de aire y combustible
aportará más moléculas totales de agua en el espacio de combustión
en virtud de que se requiere una velocidad equivalente de combustión
más elevada para la energía transferida a una carga, la combustión
de oxígeno y combustible proporcionará una concentración mayor de
agua en el espacio de combustión. Aunque el aumento de la
concentración de agua en puntos próximos al material en lote se
puede realizar humidificando el lote entrante con agua o inyectando
vapor en el espacio de combustión, estas técnicas resultan en un
menor rendimiento del combustible en comparación con el concepto de
combustión de oxígeno y combustible.
A continuación se describen, a título de ejemplo
y con referencia a los dibujos adjuntos, realizaciones actualmente
preferidas del invento. En los dibujos:
La Figura 1 es una vista esquemática desde arriba
de un horno de la técnica anterior que utiliza combustión de aire y
combustible con refuerzo de combustión de oxígeno y combustible en
la posición de punto caliente;
La Figura 2 es una vista esquemática desde arriba
de un horno de la técnica anterior que utiliza combustión de aire y
combustible con refuerzo de combustión de oxígeno y combustible en
la posición de lumbrera cero;
La Figura 3 es una vista esquemática desde arriba
de un horno de la técnica anterior que utiliza solamente combustión
de oxígeno y combustible;
La Figura 4 es una vista esquemática en planta
desde arriba de una primera realización del horno del presente
invento;
La Figura 5 es una vista esquemática en planta
desde arriba de una segunda realización del horno del presente
invento;
La Figura 6 es una vista esquemática en planta
desde arriba de una tercera realización del horno del presente
invento;
La Figura 7 es una vista esquemática en planta
desde arriba de una cuarta realización del horno del presente
invento;
La Figura 8 es una vista esquemática en planta
desde arriba de una quinta realización del horno del presente
invento;
La Figura 9 es una vista en corte transversal que
ilustra una técnica para proteger la corona o techo del horno del
presente invento;
La Figura 10 es una vista en corte transversal
que ilustra el uso de combustión escalonada con oxígeno en un horno
del presente invento;
La Figura 11 es una vista esquemática en planta
desde arriba que ilustra el enriquecimiento con oxígeno del aire de
combustión en la realización de la Figura 6 del horno del presente
invento; y
La Figura 12 es una vista esquemática en planta
desde arriba que ilustra el alanceado con oxígeno de la llama de
aire y combustible en la realización de la Figura 6 del horno del
presente invento.
El presente invento se comprende mejor en
relación con la técnica anterior como se ha representado por las
Figuras 1 a 3. Con referencia a la Figura 1, un horno 10 de fusión
de vidrio, incluye una parte principal 12 de horno que tiene un
primer extremo o extremo 14 de carga con un dispositivo 16 de carga
de lote y un segundo extremo o extremo 18 de descarga. El flujo
total de materiales en lote y de vidrio que pasa a través del horno
se ha indicado mediante la flecha 20. El horno tiene una zona de
fusión que contiene el lote 22 y una zona de afino que contiene el
vidrio fundido 24. Se requiere una energía de combustión tanto
sobre la zona de fusión como sobre la zona de afino.
El horno 10 es del tipo de calentamiento
regenerativo con lumbrera lateral, que tiene unos regeneradores 26
y 28 en ambos lados del cuerpo 12 del horno, como es bien conocido
en la técnica. Los regeneradores están conectados a lumbreras 30,
32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50 y 52 que contienen
quemadores de aire y combustible o dispositivos de combustión de
aire y combustible que producen unas llamas 54, 56, 58, 60, 62 y 64
como es bien conocido en la técnica. En el encendido del horno, las
llamas de aire y combustible 54, 56, 58, 60, 62 y 64 utilizan aire
66 que se precalienta en el regenerador 26. Transcurrido un período
de tiempo, que viene determinado por la capacidad de almacenamiento
de calor del horno, las llamas 54, 56, 58, 60, 62 y 64 se apagan y
como llamas de aire y combustible se producen en las lumbreras 42,
44, 46, 48, 50 y 52 utilizando aire introducido a través del
regenerador 28. El regenerador 28 se ha precalentado mediante los
gases 68 que escapan del horno. Como es bien conocido en la
técnica, el flujo invertido calienta alternativamente a los
termorrecuperadores de regenerador 26, 28 para suministrar aire
precalentado. En la técnica anterior se ha conocido la introducción
de llamas 70, 72 de oxígeno y combustible en el centro del horno
para reforzar o aumentar la capacidad de calentamiento del horno y
controlar la línea de lote. El refuerzo de oxígeno y combustible que
utiliza llamas 70 y 72 tiene lugar en lo que se denomina posición
de punto caliente del horno 1
Con referencia a la Figura 2, esta Figura es
idéntica a la Figura 1 (las características comunes usan la misma
identificación) con la excepción de que el refuerzo de oxígeno y
combustible que utiliza llamas 74 y 76 se realiza en la posición de
lumbrera cero (es decir, el espacio comprendido entre la pared
extrema de carga y la primera lumbrera 30 de aire y combustible) en
lugar de en la posición de punto caliente.
Con referencia a la Figura 3, esta Figura muestra
un horno de fusión de vidrio que utiliza combustión con 100% de
oxígeno y combustible con el fin de proveer calentamiento del horno
desde un extremo 110 de lote hacia un extremo 112 de descarga. Como
se ha indicado con la flecha 121, el flujo total de materiales de
lote y de vidrio que atraviesa el horno comienza en el extremo 110
de carga y termina en el extremo 112 de descarga. Cada una de las
llamas representadas como 114, 116, 118,120, 122, 124, 126, 128, 130
y 132 se produce usando combustión de oxígeno y combustible
utilizando quemadores conocidos de oxígeno y combustible. Los
productos de la combustión de oxígeno y combustible se descargan a
la atmósfera a través de escapes 131 y 133.
Con referencia a la realización del presente
invento de la Figura 4, un horno 140 incluye un cuerpo 142 de
horno, un extremo de carga o de lote 144 y un extremo de descarga o
de vidrio fundido 146. El flujo total de materiales en lote y de
vidrio que atraviesa el horno se ha indicado con la flecha 151. El
horno puede tener regeneradores 148 y 150 que están asociados con
lumbreras 152, 154, 156 y 158, 160 y 162. El regenerador 148 recibe
aire 76 y lo precalienta para las llamas 164, 166 y 168 de
combustión de aire y combustible, respectivamente. El regenerador
150 se precalienta por los gases 77 que escapan del horno. Las
llamas 164, 166 y 168 de combustión de aire y combustible están
situadas sobre el vidrio fundido en la zona 170 de afino del horno
140 y proporcionan toda la energía de combustión sobre la zona de
afino. Las llamas 172, 174, 176, 178, 180 y 182 de combustión de
oxígeno y combustible están situadas sobre los materiales de lote
en la zona 184 de fusión del horno 140, y proporcionan toda la
energía de combustión sobre la zona de fusión.
Con referencia a la realización del presente
invento de la Figura 5, esta figura es similar a la Figura 4, con
la excepción de que el horno 200 no tiene capacidad de regeneración
de calor. Dicho horno 200 está adaptado para usar una recuperación
de calor en la que los gases de escape 233 que salen del horno se
extraen a través de un escape 220 instalado en el extremo 222 de
carga del horno 200. Los gases de escape se conducen a un
recuperador que se calienta y recibe y calienta el aire usado para
las llamas de aire y combustible 224, 226, 228, 230, 232 y 234 que
están agrupadas sobre la zona 270 de afino del horno 200 y
proporcionan toda la energía de combustión sobre esta zona. Las
llamas de oxígeno y combustible 238, 240, 244, 246 y 248 se
utilizan sobre la zona 236 de fusión del horno 200, y suministran
toda la energía de combustión sobre esta zona. El flujo total de
materiales de lote y de vidrio que atraviesa el horno se ha
indicado con la flecha 221.
Con referencia a la realización del presente
invento de la Figura 6, esta figura es idéntica a la Figura 4 (las
características comunes usan la misma identificación) con la
excepción de que se usan escapes auxiliares separados 141 y 143 (es
decir, separados del escape en el regenerador 150 donde se
descargan los gases 78) para servir de escape principalmente a los
productos de la combustión de oxígeno y combustible 145 y 147 de la
zona de fusión. Esto se hace para impedir que los productos
volátiles del lote, que están mezclados conjuntamente con los
productos de combustión de oxígeno y combustible, usen, y atasquen o
corroan, el dispositivo de recuperación de calor. En la Figura 6,
los escapes auxiliares se muestran situados cerca del centro de la
zona de afino. Alternativamente, los escapes auxiliares podrían
consolidarse en un solo escape auxiliar situado en el extremo de
carga del horno.
Con referencia a la realización del presente
invento de la Figura 7, esta Figura es idéntica a la Figura 6 (las
características comunes usan la misma identificación) con la
excepción de que los escapes auxiliares separados 141 y 143 están
situados en el extremo de la zona de fusión que es adyacente a la
zona de afino, con el fin de ayudar a impedir que los productos de
la combustión de aire y combustible entren en la zona de
fusión.
Con referencia a la realización del presente
invento de la Figura 8, esta Figura es idéntica a la Figura 5 (las
características comunes usan la misma identificación) con la
excepción de que (i) el escape auxiliar separado 223, situado en el
extremo de carga del horno, se usa para dar salida los productos
de combustión de oxígeno y combustible 231 del horno, y (ii) hay
dos escapes para el dispositivo de recuperación de calor con
recuperador, a saber, 201 y 203, cuyos escapes se usan para dar
salida a los productos de la combustión de aire y combustible 241 y
243 del horno. En la Figura 8, el escape auxiliar se muestra
situado en el extremo de carga del horno. Alternativamente, este
escape auxiliar podría dividirse en dos escapes auxiliares situados
a ambos lados de la zona de fusión. Y, análogamente al sistema
refractario de la Figura 7, dichos escapes auxiliares en este
sistema recuperativo podrían estar situados en el extremo de la
zona de fusión que es adyacente a la zona de afino, con el fin de
ayudar a impedir que los productos de la combustión de aire y
combustible entren a la zona de fusión.
En las Figuras 6, 7 y 8, las presiones de los
escapes individuales de los múltiples escapes se controlan para
impedir que el flujo de nitrógeno contenido en el aire usado para
la combustión de aire y combustible en la zona de afino entre en la
zona de fusión. Otra opción para impedir dicho flujo de nitrógeno
sería colocar una barrera física de protección entre la zona de
fusión y la zona de afino. Los escapes auxiliares 141 y 143 de las
Figuras 6 y 7 y el escape auxiliar 223 de la Figura 8 se pueden
conectar también a un sistema de recuperación de calor, como sería
conocido por los expertos en la técnica.
Las personas con experiencia práctica observarán
que un refractario más resistente a la corrosión sólo tiene que
utilizarse en la sección de oxígeno y combustible del horno del
presente invento, reduciendo así los costes de capital. La Figura 9
ilustra una alternativa al uso de un refractario más resistente a la
corrosión en la sección de oxígeno y combustible del horno del
presente invento. La Figura 9 es una vista en corte transversal que
ilustra una técnica para proteger la corona, o techo, de cualquiera
de los dos hornos del presente invento 140 y 200 mediante la que se
introduce un gas de dilución a través de un conducto superior 300
justo debajo de una parte 302 de la corona del horno. Esta vista
del horno 140 y 200 muestra también una capa de material 308 de
lote sobre una capa de vidrio fundido 309. Hay una concentración más
baja de productos de combustión procedentes de la llama 304 de
oxígeno y combustible (que se produce introduciendo oxígeno y
combustible a través del conducto 306) lo cual reduce los efectos
corrosivos de una atmósfera de oxígeno y combustible próxima al
techo del horno. El gas de dilución puede consistir en aire, aire
precalentado, nitrógeno, productos de la combustión de aire y
combustible, o mezclas de los mismos. Los productos de combustión de
aire y combustible podrían proceder de la introducción de gases de
escape desde la sección de aire y combustible del horno, o bien
crearse in situ en el horno. Como en el procedimiento
descrito en el documento
US-A-5.755.818, se crea una
atmósfera estratificada en el horno.
A diferencia de lo expuesto en el documento
US-A-5.755.818, en la Figura 9 se
proporciona una atmósfera con gran concentración de productos de la
combustión de oxígeno y combustible próxima a la carga, y se provee
una atmósfera diluida próxima a la corona. El procedimiento del
documento US-A-5.755.818 usa un
método de combustión escalonada para formar una atmósfera próxima a
la superficie de la carga más oxidante o más reductora de lo que
sería en el caso de una atmósfera homogénea de horno.
La Figura 10 es una vista en corte transversal
que ilustra el uso de una combustión escalonada de oxígeno con
cualquiera de los dos hornos (140 y 200). Se prefieren quemadores
de oxígeno y combustible con escalonamiento de oxígeno como se
describe en el documento
US-A-5.611.682 para calentamiento
direccional hacia el material en lote en lugar de hacia la corona.
Con referencia a la Figura 10, se produce una llama 304 de oxígeno
y combustible mediante la introducción de oxígeno y combustible a
través del conducto 306, y se usa un conducto 310 para introducir
oxígeno en el horno 140 y 200, dirigiéndose el oxígeno debajo de
la llama 304. Mediante la utilización del escalonamiento de oxígeno
con oxígeno entre la llama y la carga como se muestra en la Figura
10, se puede obtener una región 312 de mayor temperatura de llama en
la envuelta de la llama más próxima al material en lote, resultando
en un calentamiento direccional hacia el material en lote. Se ha
averiguado que las velocidades de formación de NOx son bajas cuando
se usa el quemador de oxígeno y combustible descrito en el documento
US-A-5.611.682, aún en hornos con
concentraciones significativas de
nitrógeno.
nitrógeno.
La sección de aire y combustible del presente
invento puede incluir tecnologías de combustión aumentada en
oxígeno familiares a los expertos en la técnica. El oxígeno podría
usarse para compensar cualquier deficiencia de oxidante en una
lumbrera de aire y combustible mediante la adición de oxígeno, para
mejorar el rendimiento máximo del horno, o para técnicas de
reducción de los NOX familiares para los expertos en la técnica. Un
enriquecimiento general en oxígeno de hasta un 30% o mayor,
dependiendo del sistema de recuperación de calor, se puede inyectar
directamente en la corriente de aire de combustión o situar
estratégicamente para enriquecer en oxígeno una lumbrera específica.
Se puede usar el alanceado con oxígeno para obtener niveles más
altos de enriquecimiento de oxígeno en la llama si se desea. Se
podría usar también oxígeno en una serie de nuevas tecnologías para
mejorar el rendimiento energético o la reducción de NOX tales como
las descritas en el documento
US-A-5.725.366.
La Figura 11 es una vista esquemática en planta
desde arriba que ilustra el enriquecimiento en oxígeno del aire de
combustión en la realización de la Figura 6 del horno del presente
invento. Se introduce oxígeno 320 en el aire 76 de combustión antes
de introducir el aire en el regenerador 148 para enriquecer en
oxígeno las llamas 164, 166 y 168 de aire y combustible. Aunque se
ha mostrado en relación con la realización de la Figura 6 que usa
recuperación de calor con regenerador, el experto en la práctica
apreciará que el enriquecimiento con oxígeno es aplicable igualmente
a la realización de la Figura 5 que usa recuperación de calor con
recuperador.
La Figura 12 es una vista esquemática en planta
desde arriba que ilustra el alanceado con oxígeno de la llama de
aire y combustible de la realización de la Figura 6 del horno del
presente invento, en la que se usa la introducción de oxígeno por
medio de una lanza 330 de oxígeno para enriquecer la llama 164 de
aire y combustible en el horno 140. Aunque se ha mostrado en
relación con la realización de la Figura 6 que usa recuperación de
calor con regenerador, el experto en la técnica apreciará que el
alanceado con oxígeno es aplicable igualmente a la realización de la
Figura 5 que usa recuperación de calor con recuperador.
Las llamas de oxígeno y combustible forman un
ángulo hacia el material en lote comprendido entre 0º y 30º desde
la horizontal. Esta técnica se aplica también para calentamiento
direccional hacia el material en lote en lugar de hacia la corona y
para la colocación de la atmósfera de combustión de oxígeno y
combustible próxima al material en lote, especialmente en el caso
de diluir la atmósfera de oxígeno y combustible cerca de la corona
con aire, aire precalentado, nitrógeno, productos de la combustión
de aire y combustible, y mezclas de los mismos.
En otra realización del presente invento, se
contempla incluir un sistema de control avanzado para administrar y
optimizar el uso de oxígeno en el horno. El sistema de control
avanzado vigilaría y controlaría el uso de oxígeno dependiendo, por
ejemplo, de los requisitos de emisiones de productos contaminantes,
de la variabilidad en la pureza y ritmo de producción del generador
de oxígeno, y del ritmo de producción de vidrio.
En otra realización del presente invento, se
contempla proporcionar un procedimiento y un horno para fundir
vidrio con bajas emisiones de NOx mediante la limitación del flujo
de gases que contengan nitrógeno desde la sección de aire y
combustible a la sección de oxígeno y combustible. El método
preferido para reducir flujo desde la sección de aire y combustible
a la sección de oxígeno y combustible es mediante el diseño del
horno en el que se usa una altura menor de corona en la sección de
oxígeno y combustible. Otros métodos para reducir flujo desde la
sección de aire y combustible a la sección de oxígeno y combustible
consisten en proveer una pared divisoria o tabique entre las
secciones de aire y combustible y de oxígeno y combustible, o la
instalación apropiada en número, tamaño, y situación de los escapes
del horno, y el control apropiado de la presión en los mismos. La
Figura 6 ilustra una disposición general de escapes en la que los
tubos de humos para el escape de principalmente los productos de la
combustión de oxígeno y combustible y los productos volátiles del
lote están situados entre la sección de oxígeno y combustible y la
sección de aire y combustible. Los productos de la combustión de
aire y combustible salen preferencialmente a través de estos escapes
en lugar de penetrar en la sección de oxígeno y combustible.
Alternativamente, la configuración mostrada en la Figura 4, con
ningún escape separado para los productos de la combustión de
oxígeno y combustible y productos volátiles del lote, podría usarse
para crear una presión más alta en la sección de oxígeno y
combustible y forzar al flujo desde la sección de oxígeno y
combustible a la sección de aire y combustible, minimizando así las
concentraciones de nitrógeno en la sección de oxígeno y
combustible.
En otra realización del presente invento, se
contempla proporcionar bajas emisiones de NOx mediante técnicas
operativas. El método preferido es hacer funcionar a los dos
quemadores de oxígeno y combustible más próximos a la sección de
aire y combustible con una combustión rica en combustible (es
decir, con una cantidad sub-estequiométrica de
oxidante), condición que reconocerán los expertos en la técnica,
para formar menos NOx. Por funcionar los otros quemadores con mezcla
pobre en combustible, o por usar lanzas de oxígeno, el horno
funciona en total con cantidades estequiométricas. Otras técnicas
operativas adecuadas para reducir los NOx son el escalonamiento
extremo de oxígeno de los quemadores de oxígeno y combustible. El
escalonamiento extremo es la práctica por la que se suministra una
proporción de oxígeno mayor del 50% para la combustión para un solo
quemador a través de una lumbrera de escalonamiento.
En otra realización del presente invento, se
contempla proveer capacidad de refuerzo de aire y combustible de la
sección de oxígeno y combustible del horno en el caso de una
interrupción del suministro de oxígeno. En el caso de dicha
interrupción, se pueden sustituir los quemadores de oxígeno y
combustible por quemadores adecuados de aire y combustible,
disponibles en Air Products and Chemicals Inc., Allentown, PA. El
aire de combustión se puede suministrar preferiblemente de la fuente
de aire precalentado usada en la sección de aire y combustible del
horno, o bien mediante un suministro separado de aire con o sin
precalentamiento.
En otra realización del presente invento, se
contempla colocar los quemadores de oxígeno y combustible, los
escapes, y las lumbreras y quemadores de aire y combustible de modo
que se minimicen las interacciones negativas de las llamas. Puesto
que las llamas de oxígeno y combustible tendrán típicamente una
cantidad de movimiento menor que las llamas de aire y combustible,
las llamas de oxígeno y combustible tienen mayor riesgo de ser
interrumpidas por las llamas de aire y combustible. La interrupción
de las llamas puede impactar negativamente en las características de
la llama (estabilidad, geometría, superficie de vidrio cubierta por
la llama, etc.) lo cual resulta en un rendimiento menor de la
fusión en el horno, así como en causar potencialmente daños físicos
al horno. El diseño apropiado de la geometría del horno se puede
realizar mediante experimentos, a través de la experiencia, o
preferiblemente por el uso de modelos informáticos de dinámica de
fluidos. Para el caso de un horno regenerativo, el quemador de
oxígeno y combustible, las lumbreras opcionales de escape de oxígeno
y combustible, y la configuración de las lumbreras de aire y
combustible deben ser adecuados para las condiciones deseadas de
funcionamiento donde la combustión de aire y combustible está
funcionando de izquierda a derecha y de derecha a izquierda. Para
evaluar configuraciones adecuadas se pueden usar modelos
informáticos de dinámica de fluidos.
En otra realización del presente invento, se
contempla hacer funcionar los quemadores de oxígeno y combustible
con velocidades de salida del bloque de quemadores mayores de 30 m/s
(100 pies/segundo). La cantidad de movimiento de las llamas de
oxígeno y combustible debe ser suficiente para minimizar los
impactos negativos de las llamas de aire y combustible, de elevada
cantidad de movimiento.
La mayor utilización de un encendido estacionario
y constante de oxígeno y combustible de acuerdo con el invento
proporciona más estabilidad de la posición y forma del material en
lote, especialmente en hornos regenerativos, resultando en mejor
calidad de vidrio. Debido al ciclo inverso en una horno regenerativo
de aire y combustible, el flujo calorífico de las llamas de aire y
combustible varía y puede impactar en el movimiento del material en
lote. Las velocidades relativamente elevadas de las llamas de aire y
combustible pueden influir también en el movimiento del material en
lote. Una forma de lote más estable y más controlada es importante
para patrones de flujo de convección de hornada de vidrio, y por
tanto influye en la calidad del vidrio. El movimiento del material
en lote es tan importante, que los hornos lisos de vidrio a menudo
usan medios mecánicos para controlar dicho movimiento.
Para los hornos de vidrio donde los atascos o las
obstrucciones de los dispositivos de recuperación de calor plantean
problemas, el horno del presente invento puede incluir uno o más
escapes separados con recuperación limitada de calor o sin
recuperación de calor para los productos de la combustión de oxígeno
y combustible y productos volátiles originados en el horno. Si la
velocidad de volatilización del vidrio que se está fundiendo es
elevada, deberían instalarse uno o más tubos de humos no conectados
con el dispositivo de recuperación de calor de la sección de aire y
combustible en la sección de oxígeno y combustible del horno, para
servir de escape principalmente a los productos de la combustión de
oxígeno y combustible y a los productos volátiles del lote. Un
beneficio del presente invento es la reducción de los atascos y
obstrucciones en el dispositivo de recuperación de calor.
El oxígeno necesario para los hornos reforzados
de oxígeno y combustible se proporciona típicamente mediante un
suministro líquido a granel (LOX), mientras que el horno de acuerdo
con el invento se alimentará probablemente mediante oxígeno generado
in situ debido a la mayor tasa de utilización de oxígeno. Los
generadores de oxígeno in situ se dimensionan típicamente
dependiendo de la máxima demanda anticipada durante la totalidad de
la campaña del horno y/o de los diseños estándar de equipos
proyectados por el suministrador de oxígeno. Los usuarios de la
tecnología de hornos con refuerzo de oxígeno y combustible han
utilizado históricamente sólo oxígeno en quemadores de oxígeno y
combustible, dado que el procedimiento LOX es más caro que el del
oxígeno generado in situ, y el máximo beneficio se logra
mediante el uso del oxígeno de este modo. Debido al menor coste
del oxígeno generado in situ y a la superproducción esperada
de oxígeno, se usa oxígeno en la sección de aire y combustible del
horno de acuerdo con el presente invento para compensar por
cualquier deficiencia de oxidante para una lumbrera de aire y
combustible mediante la adición de oxígeno. Esto mejorará el
control de la temperatura del horno por permitir una mayor
individualización de la distribución de combustible, mejorará el
rendimiento del horno, o proporcionará una reducción de NOx por
medio de técnicas similares a las conocidas por loe expertos en la
técnica. El suministro de oxidante para el presente invento no está
limitado por los caudales o la distribución de aire, puesto que se
puede controlar la concentración de oxígeno para cada lumbrera
usando oxíge
\hbox{no.}
El presente invento usa tanto la combustión de
oxígeno y combustible como la combustión de aire y combustible con
recuperación de calor convencional, mientras que la combustión
total con oxígeno y combustible usa solamente oxígeno y
combustible. La combustión de aire y combustible se aplica en la
sección del horno donde se ha comunicado formación de espuma, como
un problema en los hornos de combustión del 100% de oxígeno y
combustible, mitigando así la cantidad de espuma en la superficie
del vidrio y mejorando la calidad del vidrio.
Los materiales refractarios estándar usados en
los hornos de aire y combustible se pueden usar en la sección de
aire y combustible del horno del presente invento. Un beneficio de
usar refractarios estándar de aire y combustible en la sección de
aire y combustible es que tienen un historial probado para minimizar
la adición de defectos al vidrio. Como los refractarios
alternativos propuestos para oxígeno y combustible son más
resistentes a la corrosión, tienen mayores dificultades de fundirse
en el vidrio en el caso de que trozos del refractario alternativo
entren en la hornada de vidrio, bien como un líquido o bien como un
sólido. En forma líquida, los defectos conocidos como cuerdas o
nudos viscosos son aparentes en el producto final. Los refractarios
alternativos propuestos para la combustión de oxígeno y combustible
pueden proporcionar defectos al vidrio que son más difíciles de
eliminar en el proceso global de fusión del vidrio. La sección de
aire y combustible de acuerdo con el presente invento está más cerca
de la salida de la hornada de vidrio del horno, y por tanto se
dispone de poco tiempo adicional de proceso para eliminar
cualesquiera defectos que pudieran haberse introducido por el
refractario del tanque de la parte inferior (zona de afino).
El oxígeno suministrado tanto al horno de acuerdo
con el invento como al horno con combustión del 100% de oxígeno y
combustible lo será probablemente desde un generador de oxígeno
in situ. Los generadores de oxígeno in situ se
dimensionan típicamente dependiendo de la máxima demanda anticipada
durante la totalidad de la campaña del horno y/o de los diseños
estándar de equipos proyectados por el suministrador del oxígeno.
Para un horno con combustión del 100% de oxígeno y combustible, esto
a menudo resulta en una utilización incompleta del oxígeno
producido durante una parte o la totalidad campaña del horno. El
oxígeno extra producido de un generador de oxígeno in situ a
menudo no se usa, en el caso de un horno con combustión del 100% de
oxígeno y combustible, lo cual da lugar a una penalización en el
coste. El oxígeno extra producido in situ se puede usar en
una serie de modalidades. Podría usarse en el horno del invento
para mejorar el control de temperaturas del horno, puesto que el
operador del horno puede individualizar mejor el perfil de
distribución del combustible y compensar por cualquier deficiencia
de oxidante para una lumbrera de aire y combustible mediante la
adición de oxígeno. El suministro de oxidante para una lumbrera de
aire y combustible no está limitado por los caudales o la
distribución del aire, dado que la concentración de oxígeno para
cada lumbrera se puede controlar usando oxígeno Además, se puede
utilizar oxígeno para mejorar el rendimiento del horno o para
técnicas de reducción de NOx, conocidas por los expertos en la
técnica. El beneficio es una utilización mejor del oxígeno generado
in situ a lo largo de la totalidad de la campaña del horno
para un horno comparado con el de combustión del 100% de oxígeno y
combustible.
Como se ha descrito en la sección de
antecedentes, se considera que el refuerzo del suministro de
oxígeno generado in situ es un motivo de preocupación para
grandes hornos de combustión de 100% de oxígeno y combustible y
emplazamientos con múltiples horno de combustión de 100% de oxígeno
y combustible. En el caso de una interrupción del suministro de
oxígeno generado in situ, el funcionamiento continuado de un
horno de combustión de 100% de oxígeno y combustible dependerá del
oxígeno líquido almacenado que debe suministrarse mediante camiones
cisterna que transporten oxígeno líquido desde una instalación
cercana de separación de aire. Un beneficio de la tecnología del
horno de acuerdo con el presente invento es una menor dependencia
de un suministro de oxígeno en comparación con un horno de
combustión de 100% de oxígeno y combustible. En el caso de una
interrupción del suministro de oxígeno, se sustituyen los
quemadores de oxígeno y combustible por quemadores adecuados de
aire y combustible. El horno del invento tiene una fuente de aire de
combustión precalentado, mientras que un horno de combustión del
100% de oxígeno y combustible típicamente no la tiene. El aire de
la combustión se puede suministrar preferiblemente de la fuente de
aire precalentado usada en la sección de aire y combustible del
horno, o mediante una fuente separada de aire. Debido al sistema de
recuperación de calor, es posible lograr una mayor capacidad de
producción del horno en el modo de refuerzo del horno de aire y
combustible, en comparación con el funcionamiento del refuerzo de
aire y combustible de un horno de combustión de 100% de oxígeno y
combustible.
En otra realización del presente invento, se
contempla proveer un procedimiento y un horno para fundir vidrio
con bajas emisiones de NOx mediante la limitación del flujo de
nitrógeno que contiene gases desde la sección de aire y combustible
a la sección de oxígeno y combustible. Como se ha citado
anteriormente, las soluciones para limitar la migración de los
gases que contienen nitrógeno desde la zona de afino a la zona de
fusión incluyen instalar barreras físicas entre la zona de fusión y
la zona de afino, tales como las barreras físicas que resultan de
un diseño de horno donde (i) se usa una altura menor de corona o
techo en la zona de fusión comparada con la de la zona de afino, y
(ii) se usa una pared divisoria para separar las dos zonas. Con
referencia a lo dicho en (i) anteriormente, debe hacerse notar que
la solución de menor altura de corona se puede usar sola o bien
puede usarse ventajosamente en combinación con una solución en la
que se use una anchura menor de horno en la zona de fusión comparada
con la de la zona de afino. Los cálculos de dinámica de fluidos han
demostrado que la combinación de una corona o techo más bajos en la
zona de fusión con una anchura pequeña de horno en la zona de fusión
es especialmente efectiva y puede mitigar casi por completo la
migración de nitrógeno de la combustión de aire y combustible en la
zona de afino a la combustión de oxígeno y combustible en la zona
de fusión. En esta solución combinada, el diseño del horno es
esencialmente tal que la sección transversal del horno en la zona
de fusión es menor que la sección transversal del horno en la zona
de afino. Con referencia a lo expuesto anteriormente en (ii), debe
hacerse notar que la pared divisoria necesita separar sólo
parcialmente la zona de fusión de la zona de afino.
Se ha descrito el presente invento con referencia
a una serie de realizaciones del mismo. Estas realizaciones no
deben considerarse como limitaciones al presente invento, cuyo
alcance debe determinarse por las reivindicaciones siguientes.
Claims (25)
1. Un procedimiento para fundir ingredientes
formadores de vidrio en un horno (140; 200) que tiene un extremo
(144) de carga, un extremo (142) de descarga, una zona de fusión
(184; 236) adyacente al extremo (144) de carga, que contiene una
cantidad significativa de productos sólidos en lote no fundidos
flotando en la superficie del baño de vidrio fundido, y una zona de
afino (170; 270) adyacente al extremo (142) de descarga, que no
contiene una cantidad significativa de productos sólidos en lote no
fundidos flotando en la superficie del baño de vidrio fundido, en el
que los ingredientes formadores de vidrio se introducen en la zona
de fusión (184; 236), se desplazan según un camino desde la zona de
fusión (184; 236) a la zona de afino (170; 270) y se extraen como
vidrio fundido de la zona de afino (170; 270); y se suministra
energía de combustión según se requiera tanto a la zona de fusión
(184; 236) como a la zona de afino (170; 270);
caracterizado porque:
(i) la mayor parte de la energía de combustión
sobre la zona de fusión (184; 236) se suministra por combustión de
oxígeno y combustible donde la corriente de oxidante contiene entre
50% y 100% de oxígeno, proporcionando una llama (172- 184;
238-248) de combustión de oxígeno y combustible
dirigida hacia los ingredientes formadores de vidrio con un ángulo
entre 0º y 30º con respecto a la horizontal; y
(ii) la mayor parte de la energía de combustión
(164-168; 224-234) sobre la zona de
afino (170; 270) se suministra por combustión de aire y combustible,
donde la corriente de oxidante contiene entre 21% y 30% de
oxígeno.
2. Un procedimiento como el reivindicado en la
reivindicación 1, en el que más de 70% y hasta 100% inclusive de
la energía de combustión (172-184;
238-248) sobre la zona de fusión es suministrada
por combustión de oxígeno y combustible.
3. Un procedimiento como el reivindicado en la
Reivindicación 1 o en la Reivindicación 2, en el que más de 70% y
hasta 100% inclusive de la energía de combustión
(164-168; 224-234) sobre la zona de
afino (170; 270) es suministrada por combustión de aire y
combustible.
4. Un procedimiento como el reivindicado en una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que existe al
menos un escape auxiliar (141; 143; 220; 223; 201; 203) en la zona
de fusión (184; 236) para servir de escape principalmente a los
productos de combustión de oxígeno y combustible (145; 147; 231;
233; 241; 243) de la zona de fusión (184; 236).
5. Un procedimiento como el reivindicado en la
Reivindicación 4, en el que al menos un escape auxiliar (141; 143;
201; 203) está situado junto a la zona de afino (170; 270).
6. Un procedimiento como el reivindicado en una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el aire
para la combustión de aire y combustible se precalienta mediante un
dispositivo (148; 150) de recuperación de calor que tiene un escape
(77; 78).
7. Un procedimiento como el reivindicado en la
Reivindicación 6, cuando depende de la Reivindicación 5, en el que
las presiones individuales de escape del escape (77; 78) del
dispositivo de recuperación de calor y de al menos un escape
auxiliar (141; 143; 201; 203) se controlan para impedir que el flujo
de nitrógeno contenido en el aire usado para la combustión de aire
y combustible en la zona de afino (170; 270) entre en la zona de
fusión (184; 236).
8. Un procedimiento como el reivindicado en una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el horno
tiene una barrera física entre la zona de fusión (184; 236) y la
zona de afino (170; 270) para impedir que el flujo de nitrógeno
contenido en el aire usado para la combustión de aire y combustible
en la zona de afino (170; 270) entre en la zona de fusión (184;
236).
9. Un procedimiento como el reivindicado en la
Reivindicación 8, en el que dicha barrera física se selecciona de
(i) la barrera resultante del uso de un techo o corona de menor
altura en la zona de fusión (184; 236) en comparación con la zona de
afino (170; 270) y/o el uso de un horno de menor anchura en la zona
de fusión (184; 236) en comparación con la zona de afino (170;
270); y (ii) una pared divisoria o tabique que separa al menos
parcialmente la zona de fusión (184; 236) de la zona de afino
/(170; 270).
10. Un procedimiento como el reivindicado en una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la
combustión de oxígeno y combustible se proporciona mediante una
pluralidad de quemadores de oxígeno y combustible y en el que una
cantidad sub-estequiométrica de oxidante se
introduce en al menos uno de los quemadores de oxígeno y
combustible adyacentes a cualquiera de las llamas (164- 168;
224-234) de la combustión de aire y combustible.
11. Un procedimiento como el reivindicado en una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que se
introduce (300) un gas auxiliar entre una llama (304) de oxígeno y
combustible y el techo (302) del horno (140; 200) para diluir la
atmósfera del horno que contiene productos de combustión de oxígeno
y combustible próxima al techo (302) del horno.
12. Un procedimiento como el reivindicado en una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la
combustión de oxígeno y combustible es proporcionada por al menos un
quemador de oxígeno y combustible con escalonamiento de oxígeno, y
al menos el 50% del oxígeno para el al menos un quemador de oxígeno
y combustible con escalonamiento de oxígeno se dirige a través de
una lumbrera de escalonamiento (310) en el quemador.
13. Un procedimiento como el reivindicado en una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el aire
para la llama (164-168; 224-234) de
combustión se enriquece (320) con hasta 50% de oxígeno en
volumen.
14. Un procedimiento como el reivindicado en una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que se usa una
lanza (330) para introducir oxígeno a la llama
(164-168; 224-234) de aire y
combustible para aumentar la llama (164-168;
224-234) de aire y combustible.
15. Un horno para fundir ingredientes formadores
de vidrio mediante un procedimiento de la Reivindicación 1, que
comprende:
(a) un extremo (144) de carga, un extremo
(142) de descarga, una zona de fusión (184; 236) adyacente al
extremo (144) de carga, y una zona de afino (170; 270) adyacente al
extremo (142) de descarga;
(b) medios para introducir los ingredientes
formadores de vidrio en la zona de fusión (184; 236);
(c ) medios para extraer los ingredientes
formadores de vidrio de la zona de afino (170; 270) como vidrio
fundido;
(d) medios para suministrar energía de
combustión (172-184; 238-248) sobre
la zona de fusión (184; 236) y
(e) medios para suministrar energía de
combustión (164-168; 224-234) sobre
la zona de afino (170; 270),
caracterizado porque:
(i) dichos medios para suministrar energía de
combustión sobre la zona de fusión (184; 236) proporcionan una
mayor parte de la energía de combustión (172- 184;
238-248) por combustión de oxígeno y combustible
dirigiendo la llama (172-184;
238-248) de combustión de oxígeno y combustible
hacia los ingredientes formadores de vidrio formando un ángulo
entre 0º y 30º con la horizontal; y
(ii) dichos medios para suministrar energía de
combustión sobre la zona de afino (184; 236) proporcionan una mayor
parte de la energía de combustión (164-168;
224-234) por combustión de aire y combustible.
16. Un horno como el reivindicado en la
Reivindicación 5, que comprende además un dispositivo (148; 150) de
recuperación de calor para precalentar el aire para la combustión
de aire y combustible y que tiene un escape (77; 78).
17. Un horno como el reivindicado en la
reivindicación 15 o en la Reivindicación 16, que comprende además
al menos un escape auxiliar (141; 143; 220; 223; 201; 203) en la
zona de fusión (184; 236) para servir de escape principalmente a
productos de combustión (145; 147; 231; 233; 241; 243) de oxígeno y
combustible de la zona de fusión (184; 236).
18. Un horno como el reivindicado en la
Reivindicación 17, en el que al menos un escape auxiliar (141; 143;
201; 203) está situado adyacente a la zona de afino (170; 270).
19. Un horno como el reivindicado en la
Reivindicación 17 o en la Reivindicación 18, que comprende además
un dispositivo (148; 150) de recuperación de calor para precalentar
el aire para la combustión de aire y combustible y que tiene un
escape (77; 78) y unos medios para controlar las presiones
individuales de escape del escape (77;78) del dispositivo de
recuperación de calor y de al menos un escape auxiliar (141; 143;
201; 203) para impedir que el flujo de nitrógeno contenido en el
aire usado para la combustión de aire y combustible en la zona de
afino (170; 270) entre en la zona de fusión (184; 236).
20. Un horno como el reivindicado en una
cualquiera de las Reivindicaciones 15 a 19, que comprende además
una barrera física entre la zona de fusión (184; 236) y la zona de
afino (170; 270) para impedir que el flujo de nitrógeno contenido en
el aire usado para la combustión de aire y combustible en la zona
de afino (170; 270) entre en la zona de fusión (184; 236).
21. Un horno como el reivindicado en la
reivindicación 20, en el que dicha barrera física se selecciona de
(i) la barrera resultante del uso de una altura menor de techo o
corona en la zona de fusión (184; 236) en comparación con la zona de
afino (170; 270) y/o el uso de una anchura menor de horno en la
zona de fusión (184; 236) en comparación con la zona de afino (170;
270); y (ii) una pared divisoria que separa al menos parcialmente
la zona de fusión (184; 236) de la zona de afino (170; 270).
22. Un horno como el reivindicado en una
cualquiera de las Reivindicaciones 15 a 21, en el que los medios
para proporcionar la combustión de oxígeno y combustible comprenden
una pluralidad de quemadores de oxígeno y combustible con al menos
uno de los quemadores de oxígeno y combustible adyacente a una
cualquiera de las llamas (164-168;
224-234) de combustión de aire y combustible que
recibe una cantidad sub-estequiométrica de
oxidante.
23. Un horno como el reivindicado en una
cualquiera de las Reivindicaciones 15 a 22, que comprende además
unos medios (300) para introducir un gas auxiliar entre la llama
(304) de oxígeno y combustible y el techo (302) del horno (140; 200)
para diluir la atmósfera que contiene productos de combustión de
oxígeno y combustible próxima al techo (302) del horno.
24. Un horno como el reivindicado en una
cualquiera de las Reivindicaciones 15 a 23, en el que el techo
(302) del horno (140; 200) situado sobre la zona de fusión (184;
236) es más bajo que el techo del horno (140; 200) situado sobre la
zona de afino (170; 270).
25. Un horno como el reivindicado en la
Reivindicación 15, en el que la combustión de oxígeno y combustible
se proporciona por al menos un quemador de oxígeno y combustible
con escalonamiento de oxígeno, por la que al menos 50% del
oxígeno para el al menos un quemador de oxígeno y combustible con
escalonamiento de oxígeno puede dirigirse a través de una
lumbrera (310) de escalonamiento en el quemador.
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