ES2218565T3 - Metodo de fusion de vidrio con volatilizacion reducida de especies alcalinas. - Google Patents
Metodo de fusion de vidrio con volatilizacion reducida de especies alcalinas.Info
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Abstract
UN METODO PARA EL FUNDIDO DE VIDRIO EN DONDE EL COMBUSTIBLE Y EL OXIDANTE COMBUSTIONEN EN UNA ZONA DE COMBUSTION EN EL NIVEL SUPERIOR DE UN HORNO Y EL OXIGENO DE ESCUDO ES PASADO A LA SUPERFICIE DE VIDRIO FUNDIDO A BAJA VELOCIDAD PARA FORMAR UNA CAPA PROTECTORA ENTRE LA ZONA DE COMBUSTION Y EL VIDRIO FUNDIDO A BAJA VELOCIDAD PARA FORMAR UNA CAPA PROTECTORA ENTRE LA ZONA DE COMBUSTION Y EL VIDRIO FUNDIDO, PARA IMPEDIR LA REACCION DEL VAPOR DE AGUA, RESULTANTE DE LA COMBUSTION CON ESPECIES DENTRO DEL VIDRIO FUNDIDO, PARA REDUCIR LA VOLATILIZACION DE LAS ESPECIES ALCALINAS DEL VIDRIO FUNDIDO, Y PARA HACER AL VIDRIO MAS OXIDANTE. LA REDUCCION DE GAS PUEDE SER USADA EN LUGAR DE OXIGENO DE ESCUDO PARA HACER AL VIDRIO FUNDIDO MAS DESOXIDANTE. EL OXIGENO DE ESCUDO Y EL GAS DESOXIDANTE PUEDEN SER USADOS SECUENCIALMENTE EN UN HORNO MULTIZONAL
Description
Método de fusión de vidrio con volatización
reducida de especies alcalinas.
Esta invención se refiere, en general, a la
fabricación de vidrio, y, más concretamente, al paso de fusión en el
proceso de fabricación de vidrio, en el que los materiales para
fabricar de vidrio se calientan y funden para formar vidrio
fundido.
En la fabricación de vidrio, los materiales para
su fabricación se disponen y funden en un horno para fundir vidrio,
formando vidrio fundido que, a continuación, se vierte en moldes
para fabricar productos tales como, por ejemplo, botellas de
vidrio. Los materiales para la fabricación de vidrio incluyen
oxidantes de lote tales como torta de sal (sulfato cálcico,
CaSO_{4}) y nitro (nitrato sódico, NaNO_{3}, y nitrato
potásico, KNO_{3}), para controlar el estado de
oxidación-reducción del vidrio.
La reacción de los oxidantes con el vidrio
fundido da lugar a la generación de óxidos de azufre (SO_{x}) y
óxidos de nitrógeno (NO_{x}), que son contaminantes
significativos.
Los materiales para fabricar vidrio se funden en
el horno mediante el calor proporcionado por la combustión de
combustible y oxidante. La reacción de combustión también genera
productos, que incluyen, principalmente, vapor de agua y dióxido de
carbono, pero también pueden incluir monóxido de carbono, nitrógeno,
combustible sin quemar o quemado de forma incompleta, y oxígeno. El
vapor de agua que resulta de la combustión reacciona con los óxidos
alcalinos del vidrio fundido para formar hidróxidos alcalinos que
se evaporan del vidrio fundido. Estos hidróxidos alcalinos, tales
como hidróxido sódico, NaOH, reaccionan con las paredes refractarias
del horno y producen la corrosión del refractario, y, además,
reaccionan en la salida de humos, a continuación del horno, con
dióxido de azufre, SO_{2}, y oxígeno, para formar sulfato sódico,
Na_{2}SO_{4}, y otros compuestos de sulfato y sulfito que forman
partículas, y con frecuencia requieren costosos precipitadores
electrostáticos o instalaciones de filtración para asegurarse que
no son emitidos a la atmósfera.
Por el documento WO 90/04571 se conoce un método,
según el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 6, en el que se
inyecta oxígeno en el horno a una velocidad relativamente alta, de,
al menos, 70 m/s, para hacer bajar la llama desde la zona de
combustión al vidrio fundido, para mejorar la transmisión de energía
calorífica desde la llama al vidrio.
Sería muy deseable proporcionar un método para
fundir vidrio en el que se reduzca la volatilización de especies
alcalinas y se reduzca la generación de partículas SO_{x} y
NO_{x}, de modo que no sea necesario emplear precipitadores
electrostáticos ni instalaciones de filtración, y que,
simultáneamente, satisfaga niveles seguros, desde el punto de vista
medioambiental, de partículas y otras emisiones.
En consecuencia es un objeto de esta invención
proporcionar un método para fundir vidrio que pueda funcionar de
forma efectiva sin generar niveles elevados de partículas SO_{x}
y NO_{x}.
Otro objeto de esta invención es reducir la
volatilización de oxidantes de lote y otros agentes de afinado del
lote de vidrio fundido durante la fusión del vidrio.
Los anteriores y otros objetos, que resultarán
evidentes a los expertos en la técnica a partir de la lectura de
esta descripción, se consiguen mediante la presente invención, que
es un método para fundir vidrio como se define en las
reivindicaciones 1 y 6.
La única figura es una representación
simplificada en sección transversal de una realización de un horno
de quemadores transversales en el que puede practicarse el método
de esta invención.
La invención se describirá con detalle haciendo
referencia al dibujo. Con referencia ahora a la figura, en ella se
muestra, en sección transversal vertical, un horno 1 para fundir
vidrio en el que se disponen materiales para fabricar vidrio, que
incluyen especies alcalinas. Los materiales para fabricar vidrio
pueden incluir uno o más de entre arena, carbonato sódico, caliza,
dolomita, torta de sal, nitro, rojo de Inglaterra y cascos o
desperdicios de vidrio. Los materiales para fabricar vidrio se
funden a medida que pasan a través del horno 1 para fundir vidrio,
es decir, a medida que fluyen hacia el observador de la figura de
la ilustración, para formar vidrio fundido 2 en el horno 1.
Se proporcionan combustible 3 y oxidante 4 al
horno 1. El combustible y el oxidante pueden proporcionarse
separadamente al horno 1, como se ilustra en la figura, o pueden
proporcionarse juntos, en condición premezclada. Ejemplos de
combustibles adecuados que pueden usarse en la práctica del método
de esta invención incluyen metano, gas natural, gasóleo e hidrógeno.
El oxígeno puede proporcionarse en forma de aire o de fluido con
una concentración de oxígeno que exceda a la del aire.
Preferiblemente, el oxígeno se proporciona en forma de fluido con
una concentración de oxígeno, como mínimo, igual a 30, en
porcentaje molar, y, de modo más preferible, como mínimo igual a
80, en porcentaje molar. Si se desea, el oxígeno puede
proporcionarse en forma de oxígeno comercialmente puro.
Preferiblemente, el combustible y el oxidante se proporcionan al
horno para fundir vidrio en una relación rica en combustible o
inferior a la estequiométrica, generalmente en el intervalo de entre
el 5 y el 50% de la estequiométrica. La relación rica en combustible
permite que la combustión se realice sin generación significativa
de NO_{x}. Cuando el combustible y el oxidante se proporcionan al
horno en una relación inferior a la estequiométrica, el resto del
oxígeno requerido para quemar completamente el combustible es
proporcionado por el oxígeno de protección, como se describirá más
tarde.
El combustible y el oxidante se queman en el
horno 1 generando calor y productos de la reacción de combustión. El
combustible y el oxidante se proporcionan al horno en una posición
relativamente elevada y con una velocidad másica media reducida,
preferiblemente inferior a 15,24 m/s (50 pies por segundo (fps)), y,
de modo más preferible, inferior a 3,05 m/s (10 fps), y forman la
zona de combustión 5 dentro del horno. La zona de combustión 5
comprende combustible, oxidante y productos de la reacción de
combustión, es decir, vapor de agua y dióxido de carbono. Los
productos de la reacción de combustión pueden comprender, también,
monóxido de carbono e hidrocarburos quemados parcialmente.
El oxígeno de protección 6 se proporciona al
horno 1 en un punto situado entre la zona de combustión 5 y el
vidrio fundido 2, para formar la capa de oxígeno de protección 7
entre la zona de combustión 5 y el vidrio fundido 7. El oxígeno de
protección se encuentra preferiblemente en forma de fluido con una
concentración de oxígeno igual a 30 en porcentaje molar, o
superior. De modo más preferible, el oxígeno de protección es
oxígeno seco, que contenga oxígeno en un porcentaje molar igual a
80, como mínimo. El oxígeno de protección 6 se proporciona al horno
1 con una velocidad no superior a 15,24 m/s (50 fps), y que,
preferiblemente, no exceda los 3,05 m/s (10 fps). El oxígeno de
protección fluye lentamente hacia arriba, oponiéndose a la difusión
de los productos de la reacción de combustión, y proporcionando, si
es necesario, más oxígeno para completar la combustión. En la parte
superior del horno están situadas una o más salidas de humos para
dar salida a los productos de la reacción de combustión.
El calor generado en la zona de combustión 5 se
irradia a los materiales para fabricar vidrio, para que se fundan y
formen el vidrio fundido. Este calor se irradia desde la zona de
combustión 5 a los materiales para fabricar vidrio, directamente, a
través de la capa de protección de oxígeno 7, o indirectamente,
primero a las paredes laterales refractarias del horno 1, y, a
continuación, a través de la capa de protección de oxígeno 7 y a
los materiales para fabricar vidrio. A partir de la reacción de
combustión pasa muy poco calor a los materiales para fabricar
vidrio. En la práctica convencional de la fusión de vidrio, debido
a la relativamente alta velocidad de inyección del combustible y
del oxidante en el horno, y la consiguiente mezcla dentro del mismo,
parte del calor generado por la combustión es hecho pasar a los
materiales para fabricar vidrio por convección de los productos de
la reacción de combustión. La pérdida de transmisión de calor por
convección puede compensarse de sobra mediante un aumento
relativamente pequeño de la temperatura efectiva de radiación.
La volatilización de los compuestos alcalinos del
lote de vidrio es un proceso complejo que implica transmisión de
calor, transferencia de masa y reacciones químicas. El NaOH es la
especie de sodio predominante en la atmósfera del horno de
vidriería, y se forma, principalmente, por la reacciones del vapor
de agua con los óxidos de sodio del vidrio fundido y con el
carbonato sódico del lote. A medida que los gases de chimenea del
horno se enfrían, los vapores de NaOH reaccionan con el SO_{2} y
el O_{2} de los gases de chimenea para formar Na_{2}SO_{4},
que subsiguientemente se condensa y forma partículas de tamaño
submicrométrico en la chimenea. También se produce una cierta
volatilización directa del Na_{2}SO_{4} a partir del vidrio
fundido.
En los hornos de vidriería alimentados con gas
natural se producen emisiones de SO_{2} por la descomposición de
materiales de sulfato del lote usados para el afinado. Las
emisiones de chimenea de SO_{2} están influidas por muchos
factores. En la atmósfera caliente del horno de vidriería, el
SO_{2} es el compuesto de azufre predominante, y no se favorece
la formación de SO_{3} desde el punto termodinámico. A medida que
los gases de chimenea se enfrían en el conducto de salida de humos
y en la chimenea, se forman SO_{3} y distintos compuestos de
sulfato, que se emiten como "partículas" de sulfato o sulfito,
así como SO_{2} gaseoso. El vapor de NaOH generado en el horno de
vidriería por volatilización reactiva reacciona fácilmente con el
SO_{2} y el O_{2} en los conductos de salida de humos para
formar partículas de sulfatos. En otros términos, el NaOH es un
excelente agente para depurar el SO_{2}. Por lo tanto, la
reducción de la volatilización del sodio en el horno de vidriería,
que reduce las emisiones de partículas, tiende a aumentar la
emisión de SO_{2}, si no se efectúan otros cambios. Para reducir
las emisiones combinadas de partículas y SO_{2}, debe reducirse
la cantidad de materiales de sulfatos mezclados en el lote de
vidrio, manteniéndose simultáneamente reacciones de afinado
adecuadas para eliminar burbujas del vidrio fundido. En lo que se
refiere al vidrio extrablanco, aproximadamente la mitad del azufre
contenido en el lote puede quedar retenido en el producto de vidrio
en forma de SO_{3}, y el resto escaparse a la atmósfera del horno
en forma de SO_{2}. Se considera que aproximadamente la mitad del
SO_{2} producido en el horno de vidriería se genera en la zona de
fusión del lote por disociación o por reacciones de los sulfatos
del lote con carbono u otras especies reductoras. Puesto que el
SO_{2} y el O_{2} (o el CO) generados en este paso no
contribuyen al afinado del vidrio, es deseable crear una atmósfera
de horno que aumente la disolución y la retención de sulfatos en el
vidrio en esta fase inicial de la fusión, para reducir las emisiones
de SO_{2}. Desde el punto de vista termodinámico, una elevada
concentración de O_{2} en la atmósfera junto a la superficie del
lote reduce la disociación de sulfatos. El vapor de agua favorece
la liberación de las emisiones de SO_{2}. Sin embargo, se genera
una cantidad substancial de CO_{2} por la descomposición del
carbonato sódico en la zona de fusión del lote, que tiende a diluir
los efectos de la atmósfera del horno.
El nitro contribuye substancialmente a las
emisiones de NO_{x}. El alcance de la destrucción del NO_{x}
generado a partir del nitro del lote depende de la condición del
horno. El enfoque preferido es la reducción del nitro usado en el
lote de vidrio, ya que ello reduce el coste del lote
significativamente. Puesto que el nitro se usa principalmente como
oxidante, debe substituirse por un oxidante alternativo.
En ello radica una ventaja importante de la
invención. La baja velocidad del oxígeno de protección junto con la
posición en la que éste se proporciona al horno, conforman una capa
de protección 7 relativamente inmóvil que protege al vidrio fundido
2 del contacto con una parte significativa de los productos de la
reacción de combustión que resultan de la combustión del
combustible y del oxidante. En consecuencia, significativamente
menos vapor de agua entra en contacto con la superficie del vidrio
fundido y reacciona con los óxidos alcalinos del vidrio fundido que
en el caso de la práctica convencional de fusión de vidrio. Por lo
tanto se forman menos hidróxidos alcalinos, dando lugar,
significativamente, a la formación de menos partículas, y
eliminando, en consecuencia, la necesidad de precipitadores
electrostáticos o instalaciones de filtración para el control de la
emisión de partículas. Se reduce también de modo significativo la
volatilización directa de agentes de afinado de vidrio y oxidantes
de lote debido a la velocidad sumamente baja del oxígeno de
protección.
La invención tiene, también, una segunda ventaja
significativa. Como la capa de protección 7 comprende oxígeno,
parte del oxígeno de la capa de protección reacciona con el vidrio
fundido haciendo más oxidante al vidrio. Esto reduce la necesidad
de oxidantes de lote, disminuyendo los costes de la operación de
fusión de vidrio, y disminuyendo, también, la generación de
SO_{x} y NO_{x}, que resultan de la reacción de los oxidantes
de lote con el vidrio fundido. La reducida generación de SO_{x} da
lugar a emisiones de SO_{x} reducidas. La reducida generación de
NO_{x} es una ventaja medioambiental añadida.
El oxígeno de protección se difundirá en la zona
de combustión 5, y se difundirá combustible sin quemar y quemado
parcialmente en la capa de protección 7, que sirve, por lo tanto,
para completar la combustión del combustible en los casos en que
éste y el oxidante se dispongan en el horno con una relación rica en
el primero.
Preferiblemente, los gases del horno que se
encuentran sobre el vidrio fundido 2 son expulsados del horno desde
un punto situado por encima del punto a través del cual se
proporciona el oxígeno de protección al horno. Esto contribuye a
evitar, de modo significativo, que el vapor de agua entre en
contacto con el vidrio fundido, ayudando a la capa de oxígeno de
protección a proteger el vidrio fundido. De modo más preferible, el
flujo del oxígeno de protección sobre la superficie de vidrio
fundido es laminar.
La prueba siguiente se presenta para ilustrar la
efectividad de la invención. No está previsto que esta prueba sea
limitativa. Para establecer el efecto de protección de la invención
se usó un horno de prueba de 0,61 m \times 0,61 m \times 0,61 m
(2' \times 2' \times 2'). Se proporcionó un caudal de gas
natural de 2,83 m^{3}/h (100 pies cúbicos estándar por hora
(pceh)) y un caudal de oxígeno comercialmente puro de 2,97 m^{3}/h
(105 pceh) a la parte superior del horno de prueba, con una
velocidad de entre, aproximadamente, 0,46 y 0,91 m/s (1,5 y 3 pps),
y se procedió a su combustión. Esta se realizó según una relación
estequiométrica de, aproximadamente, un 50%. El resto del oxígeno se
proporcionó a la parte inferior del horno de prueba con una
velocidad de, aproximadamente, 0,15 m/s (0,5 pps). Se midieron las
concentraciones de oxígeno y dióxido de carbono junto al fondo del
horno, que representaban la superficie de vidrio fundido, y se
calculó la concentración de vapor de agua suponiendo un valor de la
razón H_{2}O/CO_{2}igual a 2. Estos resultados se presentan en
la Tabla I como Prueba A. Las concentraciones calculadas de
O_{2}, H_{2}O y CO_{2} cuando todo el oxígeno fue hecho pasar
hacia la parte superior del horno de prueba se presentan en la
Tabla I como Prueba B.
| PRUEBA | CONCENTRACION (PORCENTAJE MOLAR) | ||
| O_{2} | H_{2}O | CO_{2} | |
| A | 72,2 | 18,5 | 9,2 |
| B | 2,0 | 65,3 | 32,7 |
Esta prueba demuestra que la capa de protección
de oxígeno de la invención puede impedir de modo efectivo que
grandes cantidades de vapor de agua generadas en la reacción de
combustión entren en contacto con el vidrio fundido.
Aunque la invención se ha descrito en relación
con la fusión de vidrio oxidado, el proceso puede modificarse
fácilmente para fundir vidrio reducido. Por ejemplo, puede usarse
un gas de protección reductor que contenga CO y H_{2} en lugar de
oxígeno de protección. Una atmósfera de esta clase puede generarse
in situ usando una mezcla de gas de protección que contenga
gas natural u otros hidrocarburos, y un oxidante tal como aire u
oxígeno. La relación estequiométrica del combustible y del oxígeno
introducidos para la combustión se ajusta para proporcionar oxígeno
en exceso para la combustión completa de las especies reductoras de
la mezcla de gas de protección antes de que sean evacuadas del
horno. Pueden usarse aire seco o gas inerte, tal como nitrógeno,
como gas de protección para otros vidrios.
También es posible usar más de un gas de
protección en el mismo horno de fusión de vidrio, para optimizar el
funcionamiento del horno. Por ejemplo, se sabe que una atmósfera
reductora que contenga CO o H_{2} tiende a limpiar la espuma
generada en la superficie de vidrio fundido. Un exceso de espuma en
la superficie del vidrio reduce la transmisión de calor y favorece
la volatilización de especies alcalinas y otros agentes de afinado.
En tal caso, se usa una mezcla reductora de gas de protección para
la zona de la superficie de vidrio susceptible al problema de la
espuma y en el resto de las zonas del horno puede usarse un gas de
protección oxidante.
Ahora, mediante el uso de esta invención puede
realizarse la fusión de vidrio con una emisión significativamente
reducida de contaminantes que resultan de la reacción del vapor de
agua con los óxidos alcalinos del vidrio fundido y de la reacción de
los oxidantes de lote con el vidrio fundido.
Aunque esta invención ha sido expuesta en detalle
con referencia a ciertas realizaciones, los expertos en la técnica
reconocerán que hay otras realizaciones de la invención dentro del
ámbito de las reivindicaciones.
Claims (8)
1. Un método para fundir vidrio, que
comprende:
- A)
- proporcionar materiales para fabricar vidrio a un horno (1) para fundir vidrio;
- B)
- proporcionar combustible (3) y oxidante (4) al horno, quemarlos en él para generar calor y productos de la reacción de combustión, que incluyen vapor de agua, en una zona de combustión (5) dentro del horno (1), e irradiar calor desde los productos de la reacción de combustión a los materiales para fabricar vidrio a fin de formar vidrio fundido (2);
caracterizado por
- C)
- proporcionar oxígeno de protección (6) al horno con una velocidad que no exceda los 15,24 m/s (50 pies por segundo), a un punto situado entre la zona de combustión (5) y el vidrio fundido (2), y formar una capa de oxígeno de protección (7) entre la zona de combustión (5) y el vidrio fundido (2), para proteger el vidrio fundido (2) del vapor de agua de los productos de la reacción de combustión; y,
- D)
- hacer reaccionar parte del oxígeno de protección (6, 7) con vidrio fundido (2) para hacer más oxidante al vidrio fundido (2);
incluyendo dichos materiales para fabricar vidrio
especies alcalinas, y permitiendo dicho método una volatilización
reducida de las especies alcalinas.
2. El método de la reivindicación 1, en el que el
oxígeno de protección (6) se proporciona al horno (1) a una
velocidad que no exceda los 3,05 m/s (10 pies por segundo).
3. El método de la reivindicación 1, en el que el
flujo de oxígeno de protección en el horno (1) es laminar.
4. El método de la reivindicación 1, en el que el
combustible (3) y el oxidante (4) se proporcionan al horno (1)
según una relación inferior a la estequiométrica.
5. El método de la reivindicación 1, en el que el
combustible (3) y el oxidante (4) se proporcionan al horno (1) a
una velocidad másica media inferior a 15,24 m/s (50 pies por
segundo).
6. Un método de fusión de vidrio, que
comprende:
- A)
- proporcionar materiales para fabricar vidrio a un horno (1) para fundir vidrio; y,
- B)
- proporcionar combustible (3) y oxidante (4) al horno (1), quemarlos en él para generar calor y productos de la reacción de combustión, que incluyen vapor de agua, en una zona de combustión (5) dentro del horno (1), e irradiar calor desde los productos de la reacción de combustión a los materiales para fabricar vidrio, a fin de formar vidrio fundido (2);
caracterizado por
- C)
- proporcionar al horno un gas reductor que comprenda monóxido de carbono e hidrógeno, con una velocidad que no exceda los 15,24 m/s (50 pies por segundo), en un punto situado entre la zona de combustión (5) y el vidrio fundido (2), y formar una capa de gas reductor entre la zona de combustión (5) y el vidrio fundido (2), para proteger el vidrio fundido (2) del vapor de agua de los productos de la reacción de combustión; y,
- D)
- hacer reaccionar parte del gas reductor con el vidrio fundido para hacer más reductor al vidrio fundido;
incluyendo dichos materiales para fabricar vidrio
especies alcalinas, y permitiendo dicho método la volatilización
reducida de especies alcalinas.
7. El método de la reivindicación 1, en el que
dicho horno (1) para fundir vidrio tiene una zona oxidante y una
zona reductora; dicho oxígeno de protección (6) se proporciona a la
zona oxidante del horno; y se proporciona un gas reductor que
comprenda monóxido de carbono e hidrógeno a la zona reductora del
horno (1), a una velocidad que no exceda los 15,24 m/s (50 pies por
segundo), en un punto situado entre la zona de combustión (5) y el
vidrio fundido (2), formando, de ese modo, una capa de gas reductor
entre la zona de combustión (5) y el vidrio fundido (2), para
proteger al vidrio fundido (2) del vapor de agua de los productos
de la reacción de combustión.
8. El método de la reivindicación 7, en el que
parte del gas reductor reacciona con vidrio fundido (2) en la zona
reductora del horno (1).
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