ES2339639T3

ES2339639T3 - Metodo para fundir vidrio utilizando quemadores de oxigeno-combustible montados en la boveda de un horno.

Info

Publication number: ES2339639T3
Application number: ES02251476T
Authority: ES
Inventors: Neil George Simpson; Greg Floyd Prusia; Thomas Grant Clayton; Andrew Peter Richardson; John Robert Leblanc
Original assignee: BOC Group Inc
Current assignee: Linde LLC
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2002-03-02
Publication date: 2010-05-24
Anticipated expiration: 2022-03-02
Also published as: NO20021033D0; AU785329B2; BR0200582B1; JP2002356331A; US20010039813A1; KR20020070869A; SG129219A1; ZA200201227B; HUP0200698A3; CZ2002757A3; NZ517368A; CN1245339C; EP1236691A2; HU0200698D0; MXPA02002281A; US6705117B2; EP1236691A3; CA2371620A1; AU1681702A; RU2288193C2

Abstract

Un método de fundir material formador de vidrio en un horno de fusión de vidrio, teniendo dicho horno una pared trasera, unas paredes de parapeto por encima de paredes laterales y una pared frontal de aguas abajo, conectadas a una bóveda, que comprende: cargar material de hornada formador de vidrio desde al menos un cargador de hornada dispuesto al menos una de entre la pared trasera y las paredes laterales; disponer al menos un quemador de oxígeno-combustible en la bóveda de dicho horno sobre dicho material de hornada; habilitar un flujo de combustible hacia dicho al menos un quemador de oxígeno-combustible para la inyección de un chorro de combustible en el horno; habilitar un flujo de oxidante gaseoso en asociación con dicho al menos un quemador de oxígeno-combustible para la inyección de un chorro de oxidante en el horno; inyectar el chorro de combustible y el chorro de oxidante en el horno, en donde el chorro de combustible es de combustible solamente o es de una mezcla de combustible-oxidante rica en combustible, y en donde el chorro de oxidante es sustancialmente de sólo oxidante o es de una mezcla de combustible-oxidante pobre en combustible; y quemar dicho chorro de combustible de tal manera que al menos una porción de la combustión se efectúe en las proximidades de dicho material formador de vidrio para intensificar la transferencia de calor convectivo y radiante a dicho material formador de vidrio sin perturbar sustancialmente dicho material formador de vidrio; en donde se retarda el mezclado de dicho chorro de combustible y dicho chorro de oxidante para localizar la combustión cerca de la superficie de dicho material formador de vidrio o en dicha superficie, caracterizado porque se gradúa la combustión para producir el retardo de combustión y efectuar la combustión de dicha porción del chorro de combustible en las proximidades del material formador de vidrio, separándose el chorro de combustible inyectado y el chorro de oxidante inyectado y orientándolos opcionalmente en ángulo uno con respecto a otro en una cuantía suficiente para hacer que el respecto fluido converja cerca de la superficie del material formador de vidrio o en dicha superficie.

Description

Método para fundir vidrio utilizando quemadores de oxígeno-combustible montados en la bóveda de un horno.

La invención se refiere al uso de quemadores de oxígeno-combustible montados en la bóveda de un horno para fundir vidrio. La invención se refiere, además, al uso de al menos un quemador de oxígeno-combustible que utiliza graduación de combustión interna o externa en la bóveda de un horno de fusión de vidrio. La invención se aplica tanto a hornos operados al 100% con oxígeno-combustible como a hornos calentados por medios eléctricos o por medios de combustible sin oxígeno, tales como uno o más quemadores de aire-combustible o sus combinaciones.

En una realización esta invención se refiere al uso de al menos un quemador de oxígeno-combustible en la bóveda de un horno de fusión de vidrio para reforzar la capacidad de producción o mantener la capacidad de producción actual con reducción del electrorrefuerzo o como resultado del deterioro de un equipo de recuperación de calor existente, tal como recuperadores o regeneradores. El proceso implica la sustitución de una porción de la capacidad de energía de aire-combustible o de energía eléctrica existente o previamente existente por energía de oxígeno-combustible. Con la excepción de hornos regenerativos caldeados por un extremo y hornos eléctricos, el proceso implica el bloqueo de lumbreras regenerativas o el aislamiento de quemadores recupetivos. En particular, la selección del diseño, la orientación angular y el posicionamiento de los quemadores sobre las materias primas de la hornada que entran en el horno mejoran la tasa de fusión, aumentan el rendimiento de producto, proporcionan una mejor eficiencia de energía y mejoran la calidad del vidrio. Se usan un control preciso de la relación estequiométrica de combustión en el quemador, una interacción pobre-rico de los quemadores y una graduación zonal de combustible-oxígeno del horno para optimizar la transferencia de calor, al tiempo que se minimizan las emisiones de óxidos de nitrógeno y de dióxido de azufre.

Los hornos regenerativos, recuperativos, eléctricos y directamente caldeados han estado corrientemente implicados en la fabricación de vidrio y productos fritados relacionados.

Los hornos regenerativos de aire-combustible caen dentro de dos categorías: caldeados transversalmente y caldeados por un extremo. Los hornos regenerativos caldeados transversalmente tienen múltiples lumbreras, típicamente tres a ocho en cada lado del horno, que se conectan a un regenerador común o compartimentalizado para precalentar el aire de combustión. Los regeneradores, que se presentan en diversas formas y tamaños, se invierten cada 15-30 minutos dependiendo del funcionamiento del horno. Durante cada ciclo de inversión, aire de combustión de un ventilador que atraviesa un paso en una válvula de inversión entra en la base del regenerador en un lado del horno y se precalienta antes de entrar en las lumbreras que se conectan al horno. El combustible en forma de petróleo y/o gas es inyectado debajo, sobre, a través o lateralmente respecto de la lumbrera para producir una llama que se quema en el horno de vidrio. Los productos de combustión calientes salen del horno a través de la lumbrera lateral opuesta y bajan por los ladrillos aplantillados del regenerador, cediendo calor y saliendo luego a la chimenea de escape a través de un segundo pasaje de la válvula de inversión. A medida que se enfría el regenerador del lado del aire de combustión entrante, se calienta el regenerador de escape hasta que se invierte la válvula de inversión y entra aire de combustión en el regenerador de escape previamente caliente.

El vidrio se funde parcialmente debido a la radiación de la llama de aire-combustible, pero principalmente por efecto de la radiación procedente de la bóveda y de las paredes, que son calentadas por los productos de combustión. Para obtener una mayor capacidad de producción de vidrio del horno, muchos hornos utilizan un refuerzo eléctrico por medio de electrodos sumergidos en el vidrio. Esto es costoso y puede producir daños en las paredes de los tanques en contacto con el vidrio. Con el tiempo, los regeneradores pueden llegar a obstruirse debido a los daños térmicos/estructurales y/o al arrastre de materias primas formadoras de vidrio, también conocidas como materiales de hornada u hornada, o a la condensación de especies volátiles desprendidas de la hornada de vidrio. Cuando los regeneradores comiencen a obstruirse o a fallar, disminuirá la temperatura de precalentamiento del aire en el horno y aumentará la presión atmosférica dentro del horno, reduciendo la eficiencia térmica del horno. Se requeriría más combustible y más aire de combustión para mantener la misma tasa de producción de vidrio. Más importante es el hecho de que, debido al aumento de la presión del horno, se tiene que disminuir la tasa de producción de vidrio para que no se dañen los materiales refractarios que constituyen la superestructura del horno.

Para recuperar la capacidad de producción perdida a causa de las cuestiones precedentes del regenerador o para aumentar la producción en un horno no obstruido se ha usado oxígeno de cuatro maneras: enriquecimiento general del aire con oxígeno, inyección específica de oxígeno con lanza debajo de las llamas de las lumbreras, instalación de un quemador de oxígeno-combustible entre la primera lumbrera y la pared extrema de carga, y quemadores de oxígeno-combustible refrigerados por agua instalados a través de la lumbrera. Los aumentos de capacidad con estas tecnologías son limitados por el acceso, los requisitos del proceso o los límites de temperatura del material refractario.

El horno regenerativo caldeado por un extremo es similar en funcionamiento a un horno caldeado transversalmente; sin embargo, tiene solamente dos lumbreras en la pared extrema que se conectan a regeneradores individuales. El deterioro de los regeneradores puede producirse por el mismo mecanismo que en los hornos caldeados transversalmente y se utiliza de manera similar un refuerzo eléctrico y un refuerzo de oxígeno.

Para recuperar la capacidad de producción perdida a causa de las cuestiones antes mencionadas de los regeneradores o para aumentar la producción se ha usado oxígeno de tres maneras: enriquecimiento general del aire con oxígeno, inyección específica de oxígeno con lanza debajo de la lumbrera e instalación de quemadores de oxígeno-combustible a través del horno. Estas tecnologías están típicamente limitadas en su capacidad debido a limitaciones de temperatura dentro del horno, así como debido a localización y problemas de sobrecalentamiento del horno.

El horno recuperativo utiliza al menos un intercambiador de calor del tipo de recuperador. A diferencia del regenerador, el recuperador es continuo con un intercambiador de calor de flujo concurrente caliente en donde los gases de escape precalientan aire de combustión que es canalizado hacia quemadores de aire-combustible individuales a lo largo de los lados del horno. Los hornos recuperativos pueden utilizar también un refuerzo eléctrico. Al igual que con los hornos regenerativos, los recuperadores pueden comenzar a perder su eficiencia y capacidad para precalentar el aire. Pueden quedar obstruidos o desarrollar

\hbox{fugas entre las paredes que separan  el aire de
combustión y los gases de escape.}

Para recuperar la capacidad de producción perdida a causa de las cuestiones antes mencionadas de los recuperadores o para aumentar la producción se ha usado oxígeno de tres maneras: enriquecimiento general del aire con oxígeno, inyección específica de oxígeno con lanza debajo de los quemadores de oxígeno-combustible e instalación de quemadores de oxígeno-combustible a través de las paredes de parapeto del horno. Estas tecnologías están típicamente limitadas en su capacidad debido a las limitaciones de localización de los quemadores y a problemas de sobrecalentamiento del horno.

Los hornos directamente caldeados no utilizan aire precalentado y, por tanto, son menos eficientes que los ejemplos precedentes de diseño de hornos. Para mejorar la eficiencia térmica o aumentar la capacidad de producción, unos quemadores de oxígeno-combustible de las paredes laterales han sustituido a quemadores de aire-combustible.

Los hornos eléctricos o los hornos que utilizan electricidad para la mayor parte de la operación de fusión son típicamente costosos de operar y están sujetos a una vida de campaña más corta que la de los hornos típicos caldeados con combustible fósil. Una vez diseñados, es difícil aumentar la capacidad de producción. Esta invención se refiere a lo que se denominan corrientemente en la industria con el término de hornos eléctricos de techo caliente y techo templado y no se aplica a hornos de techo frío.

La patente US No. 5,139,558 describe el uso de un quemador de oxígeno auxiliar montado en la bóveda, refrigerado por agua y dotado de alta cantidad de movimiento, en un horno de fusión de vidrio, que se dirige hacia la interfase de los ingredientes formadores de vidrio, fundidos y sólidos, bajo un ángulo orientado hacia arriba con relación al flujo de vidrio, con lo que los ingredientes sólidos formadores de vidrio son retenidos mecánicamente, impidiéndose así que escapen de la zona de fusión.

La patente US No. 3,337,324 describe un procedimiento para fundir material de hornada en un horno de vidrio utilizando un quemador posicionado para enviar su calor sustancialmente hacia abajo sobre el extremo de alimentación de un horno refrigerado por agua.

En el pasado, se dio consideración en la industria del vidrio a quemadores montados en la bóveda, pero éstos fueron descartados. Se percibió que el desprendimiento de calor de quemadores montados en la bóveda era demasiado grande, dando como resultado la fusión de la corona (bóveda) del horno. Además, las llamas de alta cantidad de movimiento de los quemadores soplarían sobre los materiales de la hornada en todas las direcciones, estropeando las paredes del horno y generando una capa de burbujas gaseosas, corrientemente denominadas espuma, sobre la superficie de la masa fundida de vidrio.

Recientemente, se ha propuesto instalar quemadores de oxígeno-combustible montados en la bóveda de fundidores de vidrio revestidos de refractario. Estos quemadores se dirigen hacia abajo bajo un ángulo mayor que 45º con respecto a la superficie del material formador de vidrio a una velocidad controlada para no transportar material suelto de la hornada hacia la atmósfera del horno, y se controlan además de tal manera que un flujo de combustible y oxígeno generalmente columnar arda cerca de la superficie superior del material formador de vidrio para producir una llama que incida sobre la superficie de la materia prima formadora de vidrio. Esto permite un significativo aumento en la transferencia de calor hacia el vidrio, al tiempo que mantiene las temperaturas del refractario dentro de límites de funcionamiento seguro y evita el sobrecalentamiento de la bóveda y las paredes del horno. Este enfoque de la tecnología consistente en utilizar quemadores montados en la bóveda (no graduados) como fuente primaria de calor en un horno de fusión de vidrio que no tiene regeneradores ni recuperadores se describe en la solicitud de patente US No. 08/992,136, que se incorpora aquí por referencia como si se hubiera trascrito completamente más abajo y que corresponde al documento WO-A-99/31021.

El diseño de un quemador de oxígeno-combustible con graduación integral se describe en la patente US No. 5,458,483. Sin embargo, no se contempló su uso en una configuración montada en la bóveda.

Es deseable proporcionar procedimientos para la graduación de la combustión en realizaciones que mejoren la transferencia de calor y/o aminoren las emisiones de óxidos de nitrógeno en el funcionamiento de al menos un quemador de oxígeno-combustible montado en la bóveda de un horno de fusión de vidrio.

La presente invención se refiere tanto a hornos de vidrio 100% de oxígeno-combustible como al reforzamiento con oxígeno-combustible de hornos de aire-combustible con o sin uso de regeneradores o dispositivos recuperadores de recuperación de calor y/o de enriquecimiento con oxígeno. En consecuencia, la presente invención se refiere tanto a la modificación de hornos de vidrio existentes como a hornos de vidrio de nuevo diseño y de finalidad dedicada.

Según la presente invención, se proporciona un método de fundir material formador de vidrio en un horno de fusión de vidrio, siendo el método como se define en la reivindicación 1 siguiente.

Características preferidas del método según la invención se exponen en las reivindicaciones 2 a 16 siguientes.

Esta invención puede aplicarse a los siguientes tipos de hornos. En aplicaciones de hornos eléctricos de techo caliente de esta invención al menos un quemador de oxígeno-combustible estará montado en la bóveda del horno. En aplicaciones de hornos regenerativos caldeados transversalmente de esta invención se pueden necesitar a veces que al menos un par de las lumbreras opuestas estén parcial o totalmente obstruidas o aisladas. En aplicaciones de hornos regenerativos caldeados por un extremo de esta invención al menos un quemador de oxígeno-combustible estará montado en la bóveda del horno y el flujo de aire de combustión será reducido en una porción del flujo máximo de diseño original. En todas las aplicaciones de hornos recuperativos de esta invención al menos un quemador de oxígeno-combustible estará montado en la bóveda del horno. En hornos de múltiples quemadores se deberán retirar los quemadores montados en la pared adyacentes a los quemadores montados en la bóveda y se deberá aislar el suministro del aire. En aplicaciones de un solo quemador o una sola lumbrera se reducirá el flujo de aire de combustión en una porción del flujo máximo de diseño original.

En todas las aplicaciones de hornos directamente caldeados de esta invención al menos un quemador de oxígeno-combustible estará montado en la bóveda del horno. En hornos de múltiples quemadores se deberán retirar los quemadores montados en la pared adyacentes a los quemadores montados en la bóveda y se deberá interrumpir el suministro de aire. En aplicaciones de un solo quemador o una sola lumbrera se reducirá el flujo de aire de combustión en una porción del flujo máximo de diseño original.

En todos los casos anteriores el alcance de la invención es efectivamente el mismo: la fusión del vidrio que se realizaba anteriormente con aire-combustible u oxígeno-combustible, incluyendo, pero sin excluirlos, hornos que utilizan métodos de refuerzo eléctrico o de reforzamiento convencional con oxígeno, se sustituye por un quemador o quemadores de oxígeno-combustible montados en la bóveda posicionados sobre las materias primas de la hornada que entran en el horno para mejorar la tasa de fusión y/o mejorar la calidad del vidrio y/o el rendimiento del producto de vidrio. Debido a la posibilidad de posicionar estos quemadores en localizaciones específicas se consigue una transferencia de calor incrementada a las materias primas no fundidas de la hornada.

En todos los casos se posiciona al menos un quemador de oxígeno-combustible montado en la bóveda sobre las materias primas de la hornada que entran en el horno para mejorar la tasa de fusión y mejorar la calidad del vidrio, y en todas las aplicaciones de aire-combustible con múltiples lumbreras y múltiples quemadores se aíslan al menos un par de lumbreras o un par de quemadores. En todas las aplicaciones de una sola lumbrera y un solo quemador el aire de combustión y el combustible se reducen a una porción inferior a la del diseño máximo. El quemador o quemadores más eficientes montados en la bóveda proporcionan energía para reponer la energía convencional retirada del proceso y la energía adicional requerida para satisfacer los requisitos deseados del proceso. El posicionamiento del quemador o quemadores sobre la hornada de materia prima que entra en el horno mejora la tasa de fusión. Se pueden controlar las relaciones estequiométricas de oxígeno y combustible y las características de flujo del quemador o quemadores montados en la bóveda y de los quemadores de aire-combustible restantes para minimizar la emisión de óxido nitroso y dióxido de azufre desde el horno de vidrio.

Otra realización de esta invención se refiere al uso de al menos un quemador de oxígeno-combustible que utiliza graduación interna o externa de la combustión, posicionado en la bóveda de un horno de fusión de vidrio. Esta realización se aplica tanto a hornos caldeados al 100% por oxígeno-combustible como a hornos calentados por medios eléctricos o por medio de material no oxígeno-combustible (tal como un quemador de aire-combustible). La aplicación a hornos caldeados por oxígeno-combustible proporciona una velocidad de fusión incrementada, dando como por resultado al menos una de entre una mejora de la calidad del vidrio, la capacidad de producción de vidrio y la eficiencia de energía (por reducción en el refuerzo con combustible fósil o en el refuerzo eléctrico) por unidad de producción de vidrio. La aplicación de la presente invención a quemadores de material no oxígeno-combustible permite mejorar la calidad del vidrio y reforzar la capacidad de producción o mantener la capacidad de producción actual con reducción del refuerzo eléctrico o a pesar del deterioro del equipo de recuperación de calor existente. En instalaciones reacondicionadas el proceso implica la suplementación o sustitución de una porción de una capacidad de energía de oxígeno-combustible, aire-combustible o eléctrica existente o previamente existente por energía de oxígeno-combustible a través de al menos un quemador de oxígeno-combustible con graduación integral o externa de la combustión localizado en la bóveda del horno.

En nuevas instalaciones de horno de vidrio la presente invención permite el uso de quemadores 100% de oxígeno-combustible, incluyendo al menos un quemador de oxígeno-combustible montado en la bóveda, para el cual está integral o externamente escalonada la combustión. Opcionalmente, todos los quemadores están montados en la bóveda.

Otras características y otros objetos y ventajas de esta invención resultarán evidentes por la siguiente descripción detallada hecha con referencia a los dibujos, en los que:

La figura 1 es una vista longitudinal en sección transversal de un horno de fusión de vidrio de acuerdo con la presente invención.

La figura 2A es una vista en planta y en sección transversal de una realización regenerativa transversalmente caldeada del horno de fusión de vidrio de la figura 1 a lo largo de la línea 2-2.

La figura 2B es una vista en planta y en sección transversal de una realización regenerativa caldeada por un extremo del horno de fusión de vidrio de la figura 1 a lo largo de la línea 2-2.

La figura 2C es una vista en planta y en sección transversal de una realización recuperativa transversalmente caldeada del horno de fusión de vidrio de la figura 1 a lo largo de la línea 2-2.

La figura 2D es una vista en planta y en sección transversal de una realización recuperativa caldeada por un extremo del horno de fusión de vidrio de la figura 1 a lo largo de la línea 2-2.

La figura 2E es una vista en planta y en sección transversal de una realización de fundidor unitario del horno de fusión de vidrio de la figura 1 a lo largo de la línea 2-2.

La figura 3 es una vista en sección transversal del horno de fusión de vidrio de la figura 1 a lo largo de la línea 3-3 ilustrando dos quemadores de oxígeno-combustible adyacentes a la pared del extremo de aguas arriba del horno.

La figura 4 es una vista en sección transversal alternativa del horno de fusión de vidrio de la figura 1 a lo largo de la línea 3-3 ilustrando un quemador de oxígeno-combustible adyacente a la pared extrema de aguas arriba del horno.

La figura 5 es una vista en sección transversal de un quemador de oxígeno-combustible y una representación esquemática de una llama de quemador procedente del quemador de oxígeno.

La figura 6 es una vista en alzado y en sección transversal de un horno de fusión de vidrio que tiene un quemador de oxígeno-combustible montado en la bóveda y dotado de combustión integralmente graduada.

La figura 7 es una vista en alzado y en sección transversal de un quemador de oxígeno-combustible montado en la bóveda con medios externos asociados de graduación de la combustión.

La figura 8 es una vista esquemática en planta de un horno de fusión de vidrio que tiene una agrupación de quemadores de oxígeno-combustible montados en la bóveda que operan a relaciones estequiométricas diferentes para conseguir una graduación interquemadores.

La figura 9 es una vista en alzado y en sección transversal de un horno de fusión de vidrio que tiene un quemador de oxígeno-combustible montado en la bóveda y un burbujeador de oxígeno asociado para proporcionar oxígeno graduado a la superficie de la hornada de vidrio a través de la masa fundida.

La figura 10 es una vista en alzado y en sección transversal de un quemador de oxígeno-petróleo montado en la bóveda con inyectores de oxígeno graduado de acuerdo con la presente invención.

La figura 11 es una vista esquemática recortada de un quemador de oxígeno-combustible graduado en combustible.

En los hornos de vidrio a los cuales está destinada la presente invención, un quemador típico descarga una mezcla de combustible y aire u oxígeno en una relación particular de combustible a oxidante para producir una mezcla combustible. Una vez encendida, esta mezcla combustible arde produciendo una llama que se utiliza para calentar y fundir los materiales de la hornada de vidrio. El proceso de la presente invención difiere del utilizado en hornos de aire-combustible y oxígeno-combustible convencionales caldeados con combustible fósil, en donde la transferencia de calor se efectúa principalmente por radiación directa desde las paredes y la bóveda del horno y radiación directa desde las llamas. El proceso, que utiliza al menos un quemador o quemadores de oxígeno-combustible montados en la bóveda, además de un componente de transferencia de calor de radiación, proporciona una significativa transferencia de calor convectivo debido al choque y reacción final de especies intermedias reactivas, tales como monóxido de carbono, hidrógeno y radiales hidroxilo, a productos de combustión estables, tales como dióxido de carbono y vapor de agua en la superficie de la hornada de vidrio. Este tipo de transferencia de calor se intensifica cuando el quemador de oxígeno-combustible está integralmente graduado (dentro del bloque quemador) o externamente graduado a fin de retardar una porción de la combustión, aminorando así la temperatura de la llama y las pérdidas de calor radiante hasta que se alcance la superficie del vidrio. Como resultado, se reduce la transferencia de calor a la superestructura del horno.

Combustibles adecuados para la combustión incluye, pero sin limitarse a ellos, metano, gas natural, gas natural licuado, propano, gas propano licuado, butano, gases de baja BTU, tales como gas ciudad, gas pobre o similares, petróleo, queroseno o gasóleo vaporizado o atomizado, o mezclas de ellos, a temperatura ambiente o en forma precalentada. Oxidantes preferidos incluyen aire enriquecido en oxígeno, conteniendo más de 20,9% en volumen de oxígeno hasta aproximadamente 80% en volumen y preferiblemente más de 50% en volumen, tal como es producido por filtración, absorción, separación con membrana o similares; oxígeno no puro, tal como el producido por, por ejemplo, un proceso de adsorción oscilante en vacío y conteniendo aproximadamente 80% en volumen a aproximadamente 95% en volumen de oxígeno; y oxígeno "industrialmente" puro conteniendo aproximadamente 90% en volumen a aproximadamente 100% en volumen de oxígeno, tal como es producido por una planta de separación criogénica de aire. El oxidante puede introducirse a temperatura ambiente o en forma precalentada. El combustible y el oxidante se introducen generalmente en el horno a través de un conjunto quemador.

El conjunto quemador incluye generalmente un bloque quemador conformado para incluir una cámara de llama que tiene aberturas de entrada y salida, medios quemadores para descargar combustible en una cámara de llama formada en el bloque quemador y medios para descargar oxígeno en la cámara de llama. En funcionamiento, el oxígeno descargado se mezcla con combustible proporcionado por los medios quemadores de descarga dentro de la cámara de llama. Esta mezcla combustible de material combustible y oxígeno puede ser encendida para definir una llama dotada de una porción de raíz en la cámara de llama y una porción de punta fuera de la cámara de llama. Si el conjunto quemador que ha de utilizarse comprende un quemador "internamente graduado" para fines de combustión secundaria, el bloque quemador puede incluir, además, unos medios de derivación para conducir oxígeno fuera de la cámara de llama, tal como hasta lumbreras de descarga de oxígeno dispuestas alrededor de la abertura de salida de la cámara de llama. El funcionamiento, puede hacerse pasar oxígeno por los medios de derivación formados en el bloque quemador hasta las lumbreras de descarga de oxígeno, y este oxígeno puede ser expulsado del bloque quemador hacia una región de "segunda etapa" dispuesta aguas abajo que contiene una porción de la llama y está situada fuera de la cámara de llama del horno, para calentar los materiales de la hornada de vidrio o la masa fundida.

En ciertas realizaciones preferidas el bloque quemador integralmente graduado está hecho de un material refractario e incluye una pared exterior formada para incluir la abertura de entrada de la cámara de llama y una pluralidad de lumbreras de admisión de oxígeno alrededor de la abertura de entrada. El bloque quemador incluye también una pared de horno configurada para quedar situada en un horno y formada para incluir la abertura de salida de la cámara de llama y la pluralidad de lumbreras de descarga de oxígeno dispuestas alrededor de la abertura de salida. En realizaciones alternativas uno o más medios de entrada de oxidante pueden estar dispuestos externamente con respecto al bloque quemador, tal como se describe seguidamente, para permitir que se efectúe una combustión graduada dentro del horno.

Materiales adecuados para el bloque quemador refractario incluyen, pero sin limitarse a ellos, sílice, mullita, circonia (ZrO_{2}), alúmina-circonia-sílice (AZS) fundida condensada, AZS religada o alúmina ligada (Al_{2}O_{3}). El material particular elegido viene determinado, en parte, por el tipo de vidrio que se ha de fundir en el horno de vidrio.

Se ha propuesto una combustión graduada para quemadores de horno de vidrio tales como aquéllos en los que se inyecta una mezcla de oxígeno-combustible rica en combustible en el horno desde un quemador y se inyecta oxígeno adicional por medios externos al bloque quemador a fin de proporcionar una combustión completa desplazada respecto de la salida del quemador. En el caso de quemadores montados en la bóveda se produciría una combustión preferiblemente completa en las proximidades de la superficie de las materias primas de la hornada. Preferiblemente, se posicionarían unos inyectores de oxígeno adicionales para retardar la combustión completa hasta después de que la llama haya incidido en la superficie de la hornada de materia prima. La localización de los inyectores adicionales depende de las condiciones de funcionamiento deseadas del quemador o quemadores, así como de la localización y número de quemadores. Según la presente invención, se proporciona preferiblemente una combustión externamente graduada instalando al menos un medio inyector de oxígeno en la bóveda o corona del horno, aunque se pueden posicionar inyectores de oxígeno en otros sitios a fin de obtener los efectos de combustión retardada deseados.

Según la presente invención, los al menos un quemador o quemadores de oxígeno-combustible están posicionados preferiblemente en la bóveda (o corona) del horno por encima de las materias primas (y, opcionalmente, los desperdicios de vidrio) de la hornada y están dirigidos hacia la superficie de la hornada. Los quemadores pueden posicionarse tan cerca como sea posible de los cargadores de la hornada, en donde los materiales más fríos de la hornada están próximos a la pared posterior del horno en la que se carga el material formador del vidrio, para obtener una fusión rápida debido a la mayor diferencia térmica. Se pueden posicionar quemadores convencionales de aire-combustible o de oxígeno-combustible a través de las paredes del horno aguas debajo de los quemadores montados en la bóveda para proporcionar una zona de refino y asegurar una combustión completa de los reaccionantes. Como alternativa, unos quemadores de oxígeno-combustible montados en la bóveda pueden proporcionar una transferencia de calor aguas debajo de los cargadores de la hornada cerca de la pared extrema de aguas debajo del horno, es decir, la pared frontal del horno.

El quemador de oxígeno-combustible montado en la bóveda es satisfactorio de acuerdo con la presente invención debido a que una porción de la combustión tiene lugar en la superficie de la hornada del fundidor de vidrio, lo que añade transferencia de calor convectivo a la transferencia de calor radiativo convencional. Además, de acuerdo con la realización preferida de esta invención, el uso de quemadores de oxígeno-combustible montados en la bóveda provistos de combustión integral o externamente graduada retarda el mezclado del oxígeno y el combustible para proyectar la zona de combustión más lejos de la bóveda. Esto da como resultado que se localice una proporción mayor de la combustión sobre o en la superficie de las materias primas de la hornada o la masa fundida de vidrio para aumentar la transferencia de calor convectivo y de calor radiativo. La llama de alta temperatura se mueve alejándose de la bóveda para evitar que se dañe la estructura y se acerca más al vidrio para promover la transferencia de calor. Una ventaja adicional es que la realización inventiva de combustión graduada, montada en la bóveda, permite que el proceso opere en construcciones de horno que tengan bóvedas más altas. El retardo se crea separando los dos flujos de gas (oxígeno solo/combustible solo o una mezcla pobre en combustible/rica en combustible) en una cuantía suficiente y, en una realización, orientándolos en ángulo uno hacia a otro para hacer que sus líneas centrales de flujo converjan sobre la superficie de la hornada o la masa fundida.

Los quemadores de oxígeno/gas natural operan a una relación estequiométrica de 2:1 cuando el gas natural es metano puro y el oxidante es oxígeno puro. El quemador convencional de oxígeno/gas de llama cónica utiliza un tubo concéntrico en una construcción de tubos en la que el tubo interior suministra el gas y el tubo exterior suministra el oxígeno. La longitud de la llama resulta ser entonces función de la velocidad de los dos flujos y de las diferencias de velocidad relativa entre los dos flujos, lo que afectará a la tasa de mezclado en la interfase entre las dos corrientes y, por tanto, a la tasa de combustión. Debido a que ambas corrientes se expandirán a medida que salen de los tubos, éstas comenzarán a mezclarse inmediatamente y la combustión se iniciará muy cerca del punto de descarga del quemador.

La presente invención separa los dos flujos (combustible y oxidante) en dos o más corrientes independientes. En una realización, una corriente de gas combustible puede operarse como combustible gaseoso solamente o como un quemador de tubos concéntricos con una relación de oxígeno inferior a la estequiométrica. El oxígeno restante requerido para la combustión completa, opcionalmente hasta el 100% del oxígeno requerido, se introduce a través de uno o más tubos adicionales que están situados lo bastante lejos del tubo de gas como para que las dos corrientes no se mezclen hasta que hayan recorrido una distancia sustancial hacia el objetivo, esto es, la superficie de los materiales de vidrio. El ángulo que separa las dos corrientes puede ser tan bajo como 0º (corrientes paralelas) o tan alto como 90º si estas corrientes se proyectan a través de las paredes del horno, y hasta 180º si son hechas burbujear desde debajo de la superficie de la masa fundida, en tanto el mezclado se produzca más allá del punto de descarga del quemador.

Como se ha indicado anteriormente, una ventaja del proceso de la presente invención es la posibilidad de hacer que el quemador montado en la bóveda funcione más lejos del objetivo, es decir que haya una distancia mayor de la bóveda a la superficie del material de vidrio. Esto permite que el quemador o quemadores de oxígeno-combustible montados en la bóveda operen en diseños de horno existentes, en donde la bóveda está corrientemente demasiado lejos de la hornada para que un quemador montado en la bóveda y no graduado alcance alguna tasa significativa de transferencia convectiva.

Haciendo referencia a las figuras, se muestra un horno 10 de fusión de vidrio para proporcionar vidrio fundido a un antecrisol o refinador 12 de vidrio, en el que se refina aún más el vidrio fundido y subsiguientemente se le alimenta a una o más máquinas de conformación de vidrio, tales como recipientes, fibririzadores, baños de flotación o similares (no mostrados). Considerando las figuras, se apreciará que, para fines de claridad, no se proporcionan ciertos detalles de construcción en vista de que tales detalles son convencionales y serán bien conocidos por los expertos en la materia una vez que se describa y explique la invención. Elementos específicos excluidos son las lumbreras de los regeneradores, los quemadores de aire-combustible y los escapes, ya que éstos son diferentes para cada tipo de
horno.

El horno 10 de fusión de vidrio incluye típicamente un canal alargado que tiene una pared extrema 14 de aguas arriba y una pared extrema 16 de aguas abajo, unas paredes laterales 18, un piso 20 y una bóveda 22, todos hechos de materiales refractarios adecuados, tales como alúmina, sílice, alúmina-sílice, circón, circonia-alúmina-sílice, óxido de cromo y similares. La bóveda 22 se muestra generalmente como teniendo una forma arqueada transversal al eje longitudinal del canal, pero la bóveda puede de prácticamente cualquier diseño adecuado. La bóveda 22 del horno típico 10 de fusión de vidrio está posicionada entre 3 y 15 pies por encima de la superficie de la materia prima formadora de vidrio. Como es bien conocido en el ramo, el horno 10 de fusión de vidrio puede incluir opcionalmente uno o más burbujeadores 24 y/o pares de electrodos de refuerzo eléctrico (no mostrados). Los burbujeadores y/o los electrodos de refuerzo eléctrico aumentan la temperatura del vidrio a granel y aumentan la circulación de vidrio fundido por debajo de la cubierta de la hornada.

El horno 10 de fusión de vidrio incluye dos zonas sucesivas, una zona de fusión 27 y una zona de afino 28 de aguas abajo. La zona de fusión 27 se considera como la zona de aguas arriba del horno 10 de fusión de vidrio, en la que se carga materia prima formadora de vidrio en el horno utilizando un dispositivo de carga 32 de un tipo bien conocido en el ramo. La materia prima 30 formadora de vidrio puede ser una mezcla de materias primas típicamente utilizadas en la fabricación de vidrio. Se apreciará que la composición de la materia prima formadora de vidrio (u hornada) 30 depende del tipo de vidrio que se esté produciendo. Normalmente, el material comprende, entre otras cosas, materiales que contienen sílice, incluyendo vidrio de desecho corrientemente denominado desperdicios de vidrio. Se pueden utilizan también otros materiales formadores de vidrio, incluyendo, pero sin limitarse a ellos, feldespato, nefelina-sienita, piedra caliza, dolomita, ceniza de sosa, potasa, bórax, arcilla caolínica y alúmina. Para alterar las propiedades del vidrio se puede añadir también una cantidad menor de arsénico, antimonio, sulfatos, sulfuros, carbono, fluoruros y/u otros componentes. Además, se pueden añadir óxidos de bario, estroncio, circonio y plomo para vidrio de usos especiales y se pueden añadir otros óxidos metálicos formadores de color para obtener el color deseado.

La materia prima 30 formadora de vidrio constituye una capa de hornada de partículas sólidas sobre la superficie del vidrio fundido en la zona de fusión 27 del horno 10 de fusión de vidrio. Las partículas sólidas flotantes de la hornada de materia prima 30 formadora de vidrio son fundidas principalmente por al menos un quemador 34 de oxígeno-combustible que tiene una forma y longitud controladas de la llama incidente, montado dentro de la bóveda 22 del horno 10 de fusión de vidrio. Se apreciará que se ha encontrado que la instalación y el control apropiado de al menos un quemador 34 de oxígeno-combustible en la bóveda 22 del horno 10 de fusión de vidrio sobre la materia prima 30 formadora de vidrio de acuerdo con la presente invención aumentan la tasa de fusión de la materia prima sólida formadora de vidrio y, al mismo tiempo, mantienen la temperatura de funcionamiento del material refractario circundante dentro de límites de funcionamientos aceptables.

Tal como se utiliza en esta memoria, la frase "al menos un quemador de oxígeno-combustible" significa uno o más quemadores de oxígeno-combustible. Tal como se utiliza en esta memoria, por 100% de oxígeno-combustible se quiere a dar a entender que todos lo quemadores están adaptados para utilizar oxígeno o aire enriquecido en oxígeno como oxidante, en contraste con aire solo. Además, tal como se utiliza en esta memoria, la frase "principalmente por al menos un quemador de oxígeno-combustible" se refiere en instalaciones reacondicionadas a la condición en la que la capacidad de producción de vidrio adicional o recuperada y la energía de aire-combustible restituida y/o la energía de refuerzo eléctrico/refuerzo de oxígeno para fundir la materia prima formadora de vidrio provienen de al menos un quemador de oxígeno-combustible. En una realización particular, como se muestra en las figuras 1 y 2A, el horno 10 de fusión de vidrio incluye tres quemadores 34 de oxígeno-combustible. Un solo quemador 34 de oxígeno-combustible está posicionado aguas arriba de dos quemadores de oxígeno-combustible de aguas abajo situados en posiciones adyacentes. Sin embargo, se apreciará que puede posicionarse cualquier número de quemadores 34 de oxígeno-combustible en casi cualquier localización adecuada de la bóveda 22 del horno 10 sobre la hornada para fundir la materia prima 30 formadora de vidrio. Por ejemplo, se pueden posicionar dos quemadores 34 de oxígeno-combustible en relación del lado con lado, como se ilustra en la figura 3, o se puede utilizar un solo quemador de oxígeno-combustible como se ilustra en la figura 4. No obstante, de acuerdo con la presente invención, la orientación angular de cada quemador 34 de oxígeno-combustible en la bóveda 22 del horno de fusión de vidrio puede ser tal que la llama 36 producida sea dirigida en sentido sustancialmente perpendicular a la superficie de la hornada de vidrio para producir una llama que incida en la superficie de vidrio formando un área de incidencia 26. En una realización preferida los quemadores 34 de oxígeno-combustible se colocan en posiciones sustancialmente perpendicular al material de la hornada bajo un ángulo de aproximadamente 90º con relación a la materia prima 30 formadora de vidrio. En algunas realizaciones el ángulo puede desviarse de la perpendicular en la dirección de la pared extrema de aguas abajo (es decir, la pared frontal) en tanto como 45º, pero preferiblemente menos de 10º. Se ha encontrado que la velocidad de producción de vidrio y la calidad del vidrio producido puedan mejorarse fundiendo la materia prima 30 formadora de vidrio con al menos un quemador 34 de oxígeno-combustible que caldea hacia abajo y que tiene una forma y longitud controladas de la llama incidente de acuerdo con la presente invención.

El al menos un quemador de oxígeno-combustible requiere un combustible y un oxidante. El combustible puede ser gaseoso o líquido o combinaciones de ambos. Los combustibles gaseosos incluyen los listados anteriormente, así como mezcla de los gases antes mencionados. Los combustibles líquidos pueden incluir petróleos combustibles pesados, medios y ligeros, queroseno y gasóleo. Se requiere que los combustibles líquidos sean atomizados y/o vaporizados. La atomización puede realizarse con elementos mecánicos o con medios atomizadores secundarios que incluyen aire, vapor, oxígeno, cualquiera de los combustibles gaseosos antes mencionados y, en algunos casos, un gas inerte. La vaporización se basa en el calor de los gases circundantes de los productos de combustión para evaporar el petróleo. El oxidante puede ser oxígeno 100% puro o una mezcla de oxígeno y gas inerte con una concentración de oxígeno de preferiblemente 50 a 100%, según se ha descrito anteriormente.

Haciendo referencia a la figura 5 el al menos un quemador 34 de oxígeno-combustible situado dentro de la bóveda 22 del horno 10 de fusión de vidrio tiene al menos un conducto de combustible 40 para proporcionar combustible y al menos un conducto de oxígeno 42 para proporcionar un flujo de oxígeno. El quemador 34 de oxígeno-combustible puede tener una capacidad que vaya de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 15 MM Btu/h, dependiendo del tamaño del horno 10 de fusión de vidrio y de la tasa de producción deseada. El quemador 34 de oxígeno-combustible está diseñado para utilizar un porcentaje de oxígeno más alto que el que está presente en el aire y, por tanto, la temperatura por encima del área de incidencia de la llama 36 procedente del quemador 34 del oxígeno-combustible es sustancialmente más alta que en un horno convencional de fusión de vidrio que utilice quemadores de aire-combustible. No obstante, como es bien sabido de los expertos de la materia, la temperatura de la llama 36 impartida por un quemador 34 de oxígeno-combustible depende de la calidad del combustible y de la relación de oxígeno/combustible. En una realización preferida la concentración de oxígeno del quemador 34 de oxígeno-combustible está típicamente a un nivel de aproximadamente 95 a 125% de la cantidad estequiométrica de oxígeno requerida para quemar el combustible. Sin embargo, la relación de combustible a oxígeno puede variarse para producir un rango de condiciones de funcionamiento en el horno 10 de fusión de vidrio con miras a afectar a una o más propiedades deseadas, incluyendo, por ejemplo, el nivel redox, el color del vidrio, el nivel de burbujas gaseosas conocidas como semillas y ampollas en el ramo y otras propiedades del vidrio.

El quemador 34 de oxígeno-combustible se extiende hacia abajo desde un bloque quemador 38 situado en la bóveda 22 del horno 10 de fusión de vidrio. Cada bloque quemador primario 38 incluye una abertura que tiene un diámetro interior (id) que es al menos tan grande como el diámetro externo del conducto más grande 42 o 40, dependiendo de la configuración. El diámetro interior (id) de la abertura del bloque quemador 38 puede oscilar entre aproximadamente 2 y 8 pulgadas. El extremo de la zona de combustión primaria del quemador 34 de oxígeno-combustible está localizado con respecto al extremo del bloque quemador 38 a una distancia (LBb) comprendida entre aproximadamente 0 y 18 pulgadas. La zona de combustión secundaria y, en algunos casos, la zona de combustión terciaria son externas al bloque quemador 38. Se apreciará que la abertura del bloque quemador 38 situada entre el extremo del quemador 34 del oxígeno-combustible y el extremo del bloque quemador actúa en algunos casos para enfocar la llama del quemador e impedir que esta llama del quemador se extienda hacia afuera, pero, además, protege los conductos del quemador. El bloque quemador 38 está hecho de un material refractario, como es bien conocido en la técnica, y puede ser de prácticamente cualquier forma exterior adecuada, tal como una forma rectangular y similares.

La superficie inferior del bloque quemador 38 puede estar a haces con la superficie interior de la bóveda 22 o bien la superficie inferior puede proyectarse por debajo de la superficie interior de la bóveda hasta una distancia de aproximadamente 2 pulgadas a fin de proteger el bloque quemador 38 y los refractarios de la corona adyacente contra el desgaste. Además, como se muestra en la figura 5, los conductos de combustible 40 y los conductos de oxígeno 42 del quemador 34 de oxígeno-combustible se extienden hacia abajo dentro del bloque quemador 38 y terminan sustancialmente a la misma altura vertical o a alturas verticales totalmente diferentes respecto de la salida del bloque quemador 38.

Dependiendo de la altura del bloque quemador 38 respecto de la hornada de materia prima y de las condiciones de funcionamiento deseadas del quemador, tanto mayor será la variación de la fracción de graduación del combustibles y de graduación del oxígeno interna y externa al bloque quemador 38. Unos inyectores de oxígeno adicionales 60 están posicionados para retardar la combustión completa hasta después de que la llama haya incidido en la hornada de materia prima. La localización de estos inyectores adicionales 60 depende del número y la posición de quemadores montados en la bóveda, pero dichos inyectores pueden localizarse prácticamente en cualquier punto de la bóveda y las paredes.

Según la presente invención, la llama incidente 36 dirigida hacia abajo producida por el al menos un quemador 34 de oxígeno-combustible es controlada con precisión para proporcionar una longitud de la llama mayor o igual que la distancia desde la salida del bloque quemador 38 hasta la superficie de los ingredientes brutos 30 formadores de vidrio o la superficie del vidrio fundido, y que se aleja del refractario circundante, reduciendo así el riesgo de sobrecalentamiento de la bóveda 22 y las paredes laterales 18 del horno 10 de fusión de vidrio. La llama incidente 36 puede ser controlada por dispositivos de control tales como los que son convencionales y de naturaleza estándar en el procesamiento químico. Por ejemplo, válvulas, termopares, termistores acoplados con servocircuitos adecuados, controladores de calentadores y similares están fácilmente disponibles y se utilizan convencionalmente para controlar la cantidad y velocidad del combustible y el oxígeno procedentes del quemador 34 del oxígeno-combustible.

La llama incidente 36 es controlada con precisión controlando tanto la velocidad relativa como las velocidades máxima y mínima de la corriente de combustible y la corriente de oxígeno y la graduación interna y externa desde el al menos un quemador 34 de oxígeno-combustible.

Las velocidades máxima y mínima del flujo de combustible y oxígeno que incide en la superficie de la materia prima 30 formadora de vidrio han de controlarse para impedir la perturbación del material de la hornada y el arrastre o el desplazamiento de material de la hornada de vidrio contra las paredes laterales 18 y la bóveda 22 del horno, al tiempo que se mantiene una transferencia óptima de calor convectivo a la superficie de la materia prima formadora de vidrio. Se apreciará que el desplazamiento de material de la hornada de vidrio contra las paredes laterales 18 y la bóveda 22 afectará adversamente al material refractario y posiblemente acortará la vida de funcionamiento del horno 10 de fusión de vidrio.

Para demostrar la velocidad máxima apropiada del flujo de combustible y oxígeno se montó verticalmente un quemador y se dirigió su calor hacia abajo y hacia adentro de un lecho de arena para vidrio a través del cual se habían hecho ranuras. Mientras se ajustaba el quemador a alturas diferentes respecto de la arena y las retracciones del quemador dentro del bloque (LBb), se anotaron las tasas de caldeo a las que se discernió movimiento de la arena. Los datos de estos experimentos se compararon con simulaciones ejecutadas sobre un código computacional comercialmente disponible de dinámica de fluidos, obteniendo así una velocidad máxima a través de la superficie, por encima de la cual se perturbaría la arena en los experimentos antes mencionados.

TABLA 1 Máximas tasas de caldeo del quemador (MMBtu/Hora)

1

A partir de estos experimentos se averiguó, por comparación con los modelos CFD, que la velocidad superficial máxima era de aproximadamente 21 m/s. Debido a variaciones del material de la hornada, al vidriado de la hornada y a la cohesión de las partículas de la hornada, el máximo exacto puede diferir del máximo anteriormente calculado; por tanto, sería posible para un experto en la materia variar la velocidad máxima hasta aproximadamente 25 m/s. Sin embargo, para minimizar la perturbación y el arrastre del material de la hornada, la velocidad máxima deberá mantenerse por debajo de 30 m/s.

Las velocidades máxima y mínima del combustible y del oxígeno del quemador 34 de oxígeno-combustible son controladas también para aprovechar la máxima energía de la llama incidente 36 sin dañar el material refractario circundante. La máxima energía de la llama incidente 36 se consigue minimizando la cantidad de calor cedido al espacio de combustión del horno 10 de fusión de vidrio y maximizando la transferencia de calor a la materia prima 30 formadora de vidrio. El rango de velocidades operativas máxima y mínima para que el quemador 34 de oxígeno-combustible genere una tasa de transferencia de calor aceptable a la materia prima 30 formadora de vidrio sin dañar las paredes de material refractario y la superestructura del horno es función del diseño y la localización del quemador de oxígeno-combustible, la geometría de aberturas del bloque quemador, las velocidades del combustible y el oxígeno del quemador 34 de oxígeno-combustible, la graduación del quemador, la interacción de quemadores de oxígeno-combustible y quemadores de combustible adyacentes y el escape del horno.

La región de estancamiento 56 es la región en la que la llama 36 penetra en la capa límite térmica e incide sobre la superficie de la materia prima 30 formadora de vidrio. Dentro de esta región 56, la llama 36 penetra en la capa límite térmica e incide en la superficie de la materia prima formadora de vidrio estableciendo un pronunciado gradiente de presión en la superficie que acelera el flujo horizontal de la llama desviada, haciendo que esta llama se disemine radialmente hacia afuera a lo largo de la superficie incidida. El extremo de la región de estancamiento 56 se define como el lugar de la superficie de la materia prima formadora de vidrio en el que el gradiente de presión generado por la llama incidente 36 cae a cero. Dentro de la región de estancamiento 56, controlando cuidadosamente la cantidad de movimiento de la llama 36, se penetra y se elimina la capa límite térmica que existe naturalmente en la superficie de la materia prima 30 formadora de vidrio y se atenúan así sus características de fuerte resistencia al calor. Por consiguiente, el calor generado por la llama incidente 36 penetra más fácilmente en la materia prima 30 formadora de vidrio parcialmente fundida. Además, dentro de la región de estancamiento 56 aumenta significativamente la luminosidad de la llama 36, lo que intensifica la transferencia de calor de radiación a la materia prima 30 formadora de vidrio relativamente más fría.

En los límites radiales de la región de estancamiento 56 comienza la región de chorro 58 de la pared. En esta región la llama 36 fluye en dirección esencialmente paralela a la superficie incidida y la capa límite térmica crece a lo largo de la superficie de incidencia y hacia afuera de la región de estancamiento 56, con lo que comienza a aumentar la capa límite térmica, restableciendo la resistencia de la superficie al flujo de calor hacia adentro de la superficie de la materia prima formadora de vidrio.

La generación de calor con llama controlada en la región 54 libre de chorro es el resultado del diseño del quemador de oxígeno-combustible 34, el diámetro interior de la abertura (id) del bloque quemador 38 y tanto las velocidades relativas como las velocidades máxima y mínima de las corrientes de oxígeno y combustible. Controlando selectivamente el diseño del quemador 34 de oxígeno-combustible, el diseño geométrico del bloque quemador 38 y las velocidades de las corrientes de oxígeno y combustible se produce un reducido esfuerzo de cizalladura entre las corrientes de oxígeno y gas, lo que proporciona una combustión parcial controlada y unas reducidas emisiones de radiación térmica. Se apreciará que, optimizando el diseño del quemador y el funcionamiento del quemador 34 de oxígeno-combustible, se minimizan el calor de la llama generado en la región 54 libre de chorro y la resistencia a la transferencia de calor en la superficie del vidrio bruto en la región de estancamiento 56, maximizando así el calor generado en la región de estancamiento.

El calor generado en la región 54 libre de chorro es el resultado de los procesos siguientes. En primer lugar, la combustión parcial controlada en la región 54 libre de chorro permite una combustión controlada en la superficie de la materia prima 30 formadora de vidrio, llevando así el proceso de combustión hasta las proximidades de la superficie de la materia prima formadora de vidrio. La aproximación del proceso de combustión a la superficie de la materia prima 30 formadora de vidrio genera un elevado gradiente de temperatura en la superficie de dicha materia prima formadora de vidrio, mejorando así la transferencia de calor de convección. En segundo lugar, la combustión parcial controlada en la región 54 libre de chorro genera una temperatura aceptable para la disociación química de los gases de combustión y los productos de combustión. Estas especies disociadas, una vez que han incidido en la superficie relativamente más fría de la materia prima 30 formadora de vidrio, se recombinan químicamente en parte por vía exotérmica, generando calor suficiente en la superficie de la materia prima formadora de vidrio. El calor de la reacciones exotérmica aumenta, además, el proceso de transferencia de calor convectivo. La minimización de la resistencia al calor en la región de estancamiento 56 de la superficie de la materia prima 30 formadora de vidrio es el resultado de los factores
siguientes.

En primer lugar, se elimina la capa límite térmica por efecto de la cantidad de movimiento de la llama controlada 36 y se genera la turbulencia debido a las características de combustión cuidadosamente controlada en la superficie de la materia prima 30 formadora de vidrio. En segundo lugar, la generación de calor superficial localizado permite la conversión de la materia prima 30 formadora de vidrio de baja conductividad térmica en un material de vidrio fundido significativamente mejor conductor. Esta conversión permite que el calor generado en la superficie penetre más eficientemente en la profundidad de la materia prima formadora de vidrio.

En el horno regenerativo transversalmente caldeado de la figura 2A con regeneradores 81 la realización preferida de la presente invención utiliza al menos un quemador 34 montado en la corona y posicionado por encima de las materias primas de la hornada que entran en el horno a fin de mejorar la tasa de fusión y de mejora de calidad para recuperar o reforzar la capacidad de producción o reducir la capacidad de refuerzo eléctrico. El quemador 34 montado en la corona incide en la superficie del material 30 de la hornada dentro de un área de incidencia 26. En todas las aplicaciones del horno regenerativo transversalmente caldeado de esta invención al menos un par de las lumbreras opuestas 71 estarán total o parcialmente bloqueadas o aisladas. Esto ocurrirá típicamente con la primera lumbrera y quizá con la segunda lumbrera, dependiendo de la cantidad de refuerzo requerida. Unos quemadores adicionales montados en la bóveda pueden estar localizados abajo en el tanque de vidrio, siempre que haya quemadores montados en la corona posicionados sobre los materiales no fundidos de la hornada. La energía entregada desde los quemadores montados en la corona reemplaza a la energía retirada de las lumbreras de caldeo previo, al refuerzo eléctrico convencional retirado o al refuerzo con oxígeno retirado.

En el horno regenerativo caldeado por un extremo de la figura 2B con regeneradores 81 la realización preferida de la presente invención utiliza al menos un quemador 34 montado en la corona y posicionado sobre las materias primas de la hornada que entran en el horno a fin de mejorar la tasa de fusión y de mejora de calidad para recuperar o reforzar la capacidad de producción o reducir la capacidad de refuerzo eléctrico. En todas las aplicaciones del horno regenerativo caldeado por un extremo de esta invención se reducirán los requisitos de aire de combustión y combustible convencional con respecto al diseño anterior y éstos se reemplazarán con energía proveniente de los al menos un quemador 34 montado en la corona, posicionados sobre las materias primas de la hornada y que inciden sobre los materiales de la hornada en el área de incidencia 26. Unos quemadores adicionales montados en la bóveda pueden estar localizados abajo en el tanque de vidrio, siempre que haya quemadores montados en la corona posicionados sobre los materiales no fundidos de la hornada. La energía entregada desde los quemadores montados en la corona reemplaza a la energía reducida de la lumbrera de caldeo, al refuerzo eléctrico convencional retirado o al refuerzo con oxígeno retirado.

En el horno recuperativo transversalmente caldeado de la figura 2C con un recuperador 82 la realización preferida de la presente invención utiliza al menos un quemador 34 montado en la bóveda y posicionado sobre las materias primas de la hornada que entran en el horno a fin de mejorar la tasa de fusión y de mejora de calidad para recuperar o reforzar la capacidad de producción o reducir la capacidad de refuerzo eléctrico. En todas las aplicaciones del horno recuperativo transversalmente caldeado de esta invención al menos un par de los quemadores opuestos 73 serán total o parcialmente bloqueados o aislados utilizando un bloque 74. Esto ocurrirá típicamente con la primera zona de quemadores y quizá con la segunda zona, dependiendo de la cantidad de refuerzo requerida. Unos quemadores adicionales montados en la bóveda pueden estar localizados abajo en el tanque de vidrio, siempre que haya quemadores montados en la corona posicionados sobre los materiales no fundidos de la hornada. La energía suministrada desde los quemadores montados en la corona reemplaza a la energía retirada de las lumbreras de caldeo previo, al refuerzo eléctrico convencional retirado o al refuerzo con oxígeno retirado.

En el horno recuperativo caldeado por un extremo de la figura 2D con un recuperador 82 la realización preferida de la presente invención utiliza al menos un quemador 34 montado en la corona y posicionado sobre las materias primas de la hornada que entran en el horno a fin de mejorar la tasa de fusión y de mejora de calidad para recuperar o reforzar la capacidad de producción o reducir la capacidad de refuerzo eléctrico. En todas las aplicaciones del horno recuperativo caldeado por un extremo de esta invención se reducirán los requisitos de aire de combustión y combustible convencional con respecto al diseño anterior y éstos se reemplazarán con energía procedente del al menos un quemador 34 montado en la corona y posicionados sobre las materias primas de la hornada. Unos quemadores adicionales montados en la bóveda pueden estar localizados abajo en el depósito de vidrio, siempre que haya quemadores montados en la corona posicionados sobre los materiales no fundidos de la hornada. La energía entregada desde los quemadores montados en la corona reemplaza a la energía reducida de la lumbrera de caldeo, al refuerzo eléctrico convencional retirado o al refuerzo con oxígeno retirado.

En el horno directamente caldeado de la figura 2E la realización preferida de la presente invención utiliza al menos un quemador montado en la corona y posicionado sobre las materias primas de la hornada que entran en el horno a fin de mejorar la tasa de fusión y de mejora de calidad para recuperar o reforzar la capacidad de producción o reducir la capacidad de refuerzo eléctrico. En todas las aplicaciones del horno directamente caldeado de esta invención se reducirán los requisitos de aire de combustión y de combustible convencional con respecto al diseño anterior y éstos se reemplazarán con energía procedente de los al menos un quemador montado en la corona posicionados sobre las materias primas de la hornada. En aplicaciones de multiquemadores 73 de aire-combustible se aislará al menos un quemador 74. Unos quemadores adicionales montados en la bóveda pueden estar localizados abajo en el tanque de vidrio, siempre que haya quemadores montados en la corona posicionados sobre los materiales no fundidos de la hornada. La energía entregada desde los quemadores montados en la corona reemplaza a la energía reducida de la lumbrera de caldeo, al refuerzo eléctrico convencional retirado o al refuerzo con oxígeno
retirado.

En un horno eléctrico de techo caliente la realización preferida de la presente invención utiliza al menos un quemador montado en la corona y posicionado sobre las materias primas de la hornada que entran en el horno a fin de mejorar la tasa de fusión y de mejora de calidad para recuperar o reforzar la capacidad de producción o reducir la capacidad de refuerzo eléctrico. Unos quemadores adicionales montados en la bóveda pueden estar localizados abajo en el tanque de vidrio, siempre que haya quemadores montados en la corona posicionados sobre los materiales no fundidos de la hornada. La energía entregada desde los quemadores montados en la corona reemplaza a la energía reducida de la lumbrera de caldeo, al refuerzo eléctrico convencional retirado o al refuerzo con oxígeno
retirado.

En todos los casos se pueden reducir óxido de nitrógeno y dióxido de azufre mediante la cuidadosa selección de la relación estequiométrica de los diferentes quemadores montados en la bóveda y los restantes quemadores de aire-combustible. Haciendo referencia a la figura 2A como ejemplo en la aplicación del horno transversalmente caldeado, los quemadores 34 montados en las posiciones AL o AR son hechos funcionar con oxígeno en exceso de la proporción estequiométrica a fin de crear una zona pobre en combustible (oxidante) en el horno. Haciendo que funcione un quemador 34 en la posición BC y/o quemadores en la segunda lumbrera 71 con oxígeno en proporción inferior a la estequiométrica o con aire se crea una zona rica en combustible (reductora) en el horno. Las lumbreras restantes son hechas funcionar con un exceso de oxígeno superior a la proporción estequiómetrica para crear una zona pobre en combustible (oxidante) en el horno. La configuración rica-pobre-rica gradúa efectivamente las zonas de combustión del horno para optimizar la transferencia de calor y minimizar la formación de óxidos de nitrógeno mediante la creación de una pantalla de monóxido de carbono.

El al menos un quemador 34 de oxígeno-combustible montado en la bóveda puede ser colocado en un horno nuevo 10 de aire-combustible fundidor de vidrio o añadido como equipamiento posterior a un horno existente de aire-combustible fundidor de vidrio para aumentar la calidad del vidrio con relación a un horno caldeado solamente por aire-combustible. Se apreciará que la presente invención facilita un incremento sustancial de la tasa de producción, una reducción en la temperatura de la pared del horno 10 de fusión de vidrio y una calidad mejorada del vidrio en comparación con el mismo horno de aire-combustible que no lleve como equipamiento adicional al menos un quemador de oxígeno-combustible montado en la bóveda, según se describe en esta memoria. Además, como será apreciado fácilmente por un experto en la materia, el uso de al menos un quemador de oxígeno-combustible, en contraposición a un sistema enteramente de aire-combustible, puede reducir apreciablemente las emisiones de NO_{x}, dependiendo de la estequiometría de las llamas de oxígeno-combustible y de las llamas de aire-combustible.

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Ejemplo 1

Reacondicionamiento con quemadores de oxígeno-combustible montados en la bóveda

Una demostración de esta invención fue el reforzamiento con oxígeno, la conversión a 100% de oxígeno, la reconversión a refuerzo con oxígeno y finalmente el caldeo convencional con aire-combustible de un horno regenerativo existente de tres lumbreras calientes y de caldeo transversal. Inicialmente, el horno estaba siendo caldeado enteramente con aire-combustible. Se reemplazó el caldeo de la lumbrera #1 por al menos un quemador de oxígeno-combustible montado en la bóveda. El horno se caldeó convencionalmente en forma regenerativa con aire-combustible en las dos lumbreras restantes. En la segunda fase se reemplazó después el caldeo de la lumbrera #2 por al menos un quemador de oxígeno-combustible montado en la bóveda y se caldeó convencionalmente el horno en forma regenerativa con aire-combustible en la tercera lumbrera. En la tercera fase se reemplazó el caldeo de la lumbrera #3 por energía de los quemadores de oxígeno-combustible montados en la bóveda ya instalados. Se incrementó la capacidad del horno de 55 a 85 toneladas por día con aportación de energía reducida de 23,5 mm BTU/h a 18 mm BTU/h. Se reconvirtió el horno a caldeo con aire-combustible en etapas incrementales. Este ejemplo demuestra la posibilidad de reforzar selectivamente un horno de aire-combustible existente y también de proporcionar una aportación de calor total para un horno de vidrio desde quemadores de oxígeno-combustible montados en la bóveda. El proceso no requiere quemadores refrigerados por agua.

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Ejemplo 2

Quemador y bloque quemador con graduación de oxígeno integral

Se ha demostrado que un quemador de oxígeno-combustible provisto de graduación integral de oxígeno, por medio de la configuración del quemador o por medio del quemador en combinación con el bloque quemador, proporciona una transferencia de calor incrementada y una cantidad reducida de NOx. Según la presente invención, se dispone al menos un quemador de este tipo de quemador integralmente graduado 103 en la bóveda 111 de un horno 110 de fusión de vidrio. El quemador 103 se posiciona idealmente sobre las materias primas 130 de la hornada y se le da preferiblemente una orientación angular tal que el ángulo alfa (\alpha en la figura 6) tiene un valor de aproximadamente 91º a aproximadamente 135º en la dirección del flujo de vidrio 104 en el horno.

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Ejemplo 3

Un quemador y un bloque quemador con graduación de oxígeno externa

Haciendo referencia a la figura 7, se ha visto que un quemador 122 con un bloque quemador 121 montado en la bóveda de un horno 111 de fusión de vidrio, con 2 a 8 inyectores de oxígeno 112 externos al quemador 122 y al bloque 121, puede producir mayor transferencia de calor que un quemador no graduado. El quemador 122 tiene preferiblemente una orientación angular de aproximadamente 91º a aproximadamente 135º con relación a la superficie del vidrio y en la dirección del flujo de vidrio en el horno. Según este ejemplo, se inyecta 0% a aproximadamente 90% del oxígeno de combustión estequiométrico a través del quemador de oxígeno primario 133 y se inyecta el restante 100% hasta aproximadamente 10% de oxígeno de combustión secundario 134 a través de los inyectores de oxígeno 112, los cuales tienen una orientación angular de aproximadamente 0º a aproximadamente 90º con relación a la superficie del vidrio. Como puede apreciarse por un experto en la materia, el número, el ángulo y la cantidad de lumbreras de graduación están diseñados específicamente para cada orden a fin de retardar la combustión del combustible 145 hasta que éste incida en o cerca de la superficie de las materias primas de la hornada de vidrio.

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Ejemplo 4

Graduación interquemadores entre al menos dos quemadores montados en la bóveda

La graduación de la combustión utilizando quemadores de oxígeno-combustible puede materializarse según la invención mediante una graduación interquemadores entre al menos dos quemadores montados en la bóveda. Uno de los quemadores se hace funcionar a niveles subestequiométricos, es decir, en un modo rico en combustible, y el quemador o quemadores segundos o adicionales operan con el resto del oxígeno requerido para una combustión completa, es decir, en un modo pobre en combustible. Se realizó experimentación sobre el reforzamiento de un horno de vidrio regenerativo convencional 110 de aire-combustible, en donde dos de los quemadores traseros 162 fueron hechos funcionar en un modo pobre en combustible, mientras que el quemador 161 de oxígeno-combustible montado aguas arriba en el techo se hizo funcionar en un modo rico en combustible (figura 8). Este modo de funcionamiento produjo una zona pobre en oxígeno-combustible, adyacente a una zona rica en oxígeno-combustible, seguida por una zona pobre en aire-combustible. El resultado del funcionamiento del horno de vidrio según este método fue un aumento de la capacidad del horno, al tiempo que se reducían las emisiones de óxidos de nitrógeno sobre una base de por tonelada. Este método de graduación interquemadores puede aplicarse también en unión de las dos realizaciones de combustión graduada anteriormente detalladas.

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Ejemplo 5

Graduación de combustión en un horno de fusión de vidrio con burbujeadores de oxígeno

Un método de graduación de combustión según la invención implica el uso de burbujeadores de oxígeno en unión de al menos un quemador montado en la bóveda (figura 9). El burbujeo con oxígeno se ha utilizado para varias aplicaciones de fabricación de vidrio, tal como para promover mecánicamente las corrientes de convección dentro del vidrio fundido. El oxígeno es soluble en el vidrio, y en condiciones de funcionamiento normales solamente se inyecta en el vidrio una pequeña cantidad (menos del 5% de la estequiométrica) de oxígeno. Posicionando al menos un quemador 105 de oxígeno-combustible montado en la bóveda por encima de un único burbujeador de oxígeno 108, o de una fila o mazo de burbujeadores, es posible hacer que el quemador o quemadores 105 de oxígeno-combustible montados en la bóveda funcionen en condiciones estequiométricas o subestequiométricas, y suministrar el resto del oxígeno de combustión 134 a través de burbujeadores 108 situados en el piso 107 del fundidor de vidrio 110. Esto mejora la disponibilidad de oxígeno en la superficie del horno 131 para la combustión secundaria de combustible o de productos de combustión parcialmente oxidados o de intermedios reactivos.

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Ejemplo 6

Quemadores de oxígeno-petróleo

Los quemadores convencionales de petróleo y de oxígeno-petróleo para hornos de fusión de vidrio se basan en la combustión de gotas de petróleo que han sido atomizadas por atomizadores de fluido gemelos (utilizando vapor o gas comprimido) o atomizadores mecánicos (utilizando presión o energía rotacional). La forma de la llama es gobernada por el empuje de la pulverización y el tamaño de las gotitas. Los quemadores convencionales de oxígeno-petróleo liberarían una alta proporción del calor en la posición próxima a la bóveda.

Como se muestra en la figura 10, en este diseño de quemador de oxígeno-petróleo la mayoría del oxígeno de combustión (más de aproximadamente el 60%) se inyecta por al menos dos boquillas 136 o una pluralidad de boquillas hasta formar un juego de anillos concéntricos espaciados de la corriente de petróleo 137, pero rodeando sustancialmente a esta última, hacia un punto más allá de la zona de combustión inicial no visible de la pulverización de petróleo. La línea central de estas boquillas forma preferiblemente un ángulo de aproximadamente 45º a aproximadamente 101º con la horizontal. La graduación del oxígeno produce especies intermedias reactivas, tal como se ha descrito anteriormente, y retarda la combustión completa hasta que el oxígeno incida o en cerca de las materias primas de la hornada. El oxígeno restante puede ser inyectado en posición inmediatamente adyacente y concéntrica a la corriente de petróleo 137, tal como a través del medio atomizador 138, a través de un tubo de oxígeno concéntrico adicional (no mostrado) o a través de inyección terciaria en el horno, tal como por medio de una lanza de oxígeno (no mostrada), para conseguir una combustión completa. El horno graduado de oxígeno-petróleo, montado en la bóveda, minimiza el desprendimiento del calor hacia la bóveda, al tiempo que maximiza la transferencia de calor a la hornada de materia prima debido a la transferencia adicional de calor convectivo producida en la superficie. El quemador puede ser refrigerado por una camisa de agua que tenga una entrada 139 y una salida 140.

Con ayuda de mediciones hechas del tamaño de partículas de las gotitas de petróleo de este atomizador utilizando anemometría Doppler de láser se ha demostrado que un atomizador de petróleo comúnmente utilizado en la industria del vidrio para fines de fusión convencional produce un diámetro medio de partículas de aproximadamente 50 micras (50 x 10E-06m) cuando se atomiza con aire comprimido.

Hemos encontrado que en esta y en otra serie de quemadores se retarda la combustión de la pulverización de petróleo hasta que el petróleo se encuentra con la corriente de oxígeno. Se puede testimoniar una "ausencia de llama" visible a una distancia de hasta 18 pulgadas de la punta del atomizador. Durante esta fase de combustión no visible en el horno caliente de fusión de vidrio se reduce el tamaño de las partículas de petróleo debido a evaporación endotérmica. Cuando se utiliza en un quemador montado en la bóveda, esta reacción endotérmica absorbe energía de calor radiativo procedente del ambiente circundante y reduce ventajosamente la transferencia neta de calor radiativo a la bóveda del horno.

La presente invención incluye el uso de un atomizador que produce un tamaño de partículas significativamente mayor, de más de aproximadamente 100 micras (100 x 10E-06m). Se requiere menos energía para producir estas partículas de mayor tamaño y, como resultado, se reduce el empuje de la llama. Las gotitas grandes de aceite parcialmente atomizadas caen libremente desde el quemador montado en la bóveda y se evaporan al menos parcialmente en la zona de combustión endotérmica no visible adyacente a la bóveda.

Sin embargo, la máxima velocidad de los reaccionantes y productos de combustión en la superficie de la hornada de materia prima deberá ser inferior a 30 m/s para evitar un movimiento aerotransportado de materias primas de la hornada.

Debido a que un chorro libre de gas (tal como oxígeno) se expande aproximadamente 11º, una salida de oxígeno posicionada cerca de una salida de combustible hará que incida oxígeno en el chorro de combustible cerca del punto de salida. Por tanto, se prefiere que la graduación del oxígeno, y de aquí de la combustión, se realice orientando angularmente las salidas de oxígeno desde convergentes a aproximadamente 45º respecto del eje de la corriente de la combustible hasta divergentes a aproximadamente 11º respecto del eje de la corriente de combustible. Esto puede conseguirse con quemadores externamente graduados, así como con quemadores integralmente graduados, en donde las salidas de oxígeno están dispuestas en el bloque quemador.

Es posible reducir aún más las pérdidas radiativas de llamas de oxígeno-petróleo alterando los mecanismos que pueden conducir a especies carbonosas extremadamente radiativas en la llama. Dos procesos comunes que conducen a la formación de estas especies son el craqueo y la reformación en fase líquida de los componentes menos volátiles de las gotitas de aceite y las reacciones de condensación en fase gaseosa que conducen a la formación de hollín. El primer mecanismo es exacerbado por grandes tamaños de gotitas y la presencia de compuestos aromáticos, por ejemplo asfaltenos. El segundo mecanismo es promovido a altas temperaturas y en regiones ricas en combustible, en donde los reaccionantes en fase gaseosa parcialmente saturados, por ejemplo acetileno, pueden reaccionar a través de una multitud de rutas de reacción para formar finalmente redes aromáticas y finalmente hollín sólido.

En una realización la presente invención utiliza preferiblemente un alto grado de atomización para producir pequeñas gotitas de petróleo, del orden de aproximadamente 5 a aproximadamente 50 micras, preferiblemente alrededor de 10 a alrededor de 50 micras, de modo que el tiempo gastado en la fase líquida sea corto. Así, se minimiza el craqueo en fase líquida y se divide finamente cualquier residuo carbonoso sólido resultante, y, por tanto, éste será oxidado más fácilmente debido a su área superficial incrementada. Un mezclado rápido con un medio atomizador en la región inicial del quemador, tal como induciendo una diferencia de velocidad relativa entre la corriente atomizadora de combustible y la corriente de oxidante para aumentar la tasa de cizalladura en la fase gaseosa, diluye rápidamente las regiones ricas en combustible que rodean a cada gotita de petróleo, creando así una mezcla total sustancialmente más homogénea de gotitas de combustible vaporizadas, oxidante, medio atomizador y productos de combustión parcial. Las reacciones del vapor de combustible con un medio atomizador oxidante crean una mezcla parcialmente prequemada que es menos propensa a la formación de hollín. La cantidad de medio atomizador introducido en la región inicial de la llama depende en muy alto grado de la naturaleza de formación de hollín del propio combustible, la cual es una fuerte función de su constitución química.

Es sabido que, como regla general, el grado de formación de hollín que se produce está relacionado con la razón C:H del petróleo, con una tendencia muy reducida a formar hollín a mayores concentraciones de H. Sin embargo, la tendencia se hace extremadamente errática cuando aumenta la aromaticidad del combustible; por ejemplo, las naftas son extremadamente propensas a la formación de hollín. Así, se puede escoger ventajosamente el propio medio atomizador de modo que reduzca la tendencia a la formación de hollín mediante alteración de la razón C:H. Medios atomizadores útiles para contrarrestar la tendencia a la formación de hollín incluyen aire, oxígeno, vapor, gas natural e hidrógeno o una mezcla de éstos. Los dos primeros tienen un efecto puramente oxidante y los dos últimos tienen el efecto de alterar la razón C:H en la mezcla de vapor de combustible/medio atomizador en la región próxima al quemador, con lo que se evitan condiciones de formación de hollín. El vapor tiene un efecto combinado y, acoplado con calentamiento radiativo desde la llama principal y/o desde el horno, hace que se produzcan reacciones de gasificación, proporcionando CO y H_{2} para una reacción adicional.

Después de la región inicial próxima al quemador, la corriente original del combustible líquido se convierte esencialmente en una corriente de combustible gaseoso e interactúa con corrientes circundantes de oxígeno secundario de la misma manera que se ha experimentado con el uso de los quemadores de gas graduados discutidos más arriba.

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Ejemplo 7

Quemador de oxígeno-combustible graduado con combustible

Se diseñó un quemador 150 de oxígeno-combustible, mostrado esquemáticamente en la figura 11, para uso en aplicaciones de hornos de fusión de vidrio montadas en la bóveda, utilizando principios de graduación con combustible, con un inyector exterior de oxidante (oxígeno) y dos inyectores interiores de combustible; estando adaptado un inyector central de combustible para inyección a alta velocidad y estando adaptado un inyector anular de combustible para inyección a baja velocidad. Los inyectores comprenden preferiblemente al menos tres tubos concéntricos. Se controlan la longitud de la llama del quemador y el mezclado de oxidante-combustible por medio de un chorro central 142 de combustible a alta presión, el cual es suministrado a través de paredes de tubo 152 desde la primera alimentación de combustible 147, utilizando aproximadamente 10 a 90% de la corriente de combustible. El flujo de alta velocidad y alta cantidad de movimiento gobierna la forma de llama y el mezclado en vez de hacerlo la cubierta 143 de gas combustible de menor cantidad movimiento. El flujo de gas es más alto que el flujo de oxígeno a fin de controlar el mezclado. El combustible restante 143 (aproximadamente 90 a 10%) es suministrado desde la segunda alimentación de combustible 148 concéntricamente a través de al menos un inyector de combustible anular formado por paredes de tubo 152 y paredes de tubo 153, siendo suministrado el oxígeno de combustión 141 desde la alimentación de oxígeno 146 a través de un inyector anular exterior formado por paredes de tubo 151 y paredes de tubo 153. El dimensionamiento del inyector central de alta presión gobierna la tasa de mezclado debido a la alta cantidad de movimiento del chorro. El chorro central es graduado debido al envolvimiento de las corrientes de gas secundario. Esta disposición proporciona un medio para propulsar el gas combustible, tal como el gas natural, y para permitir que el gas combustible interaccione con la hornada de materia prima y el oxígeno de una manera graduada cerca de la superficie de la hornada en una aplicación de horno de vidrio. Opcionalmente, el chorro central de alta velocidad puede tener una masa más baja que la del chorro de combustible de alta velocidad, en tanto la cantidad de movimiento del chorro central sea más alta.

En una realización el chorro central de alta velocidad puede comprender un combustible líquido suministrado por un quemador de combustible líquido, tal como un quemador de petróleo, en lugar de un combustible gaseoso, y la envuelta de combustible de menor velocidad puede comprender un combustible gaseoso.

Claims

1. Un método de fundir material formador de vidrio en un horno de fusión de vidrio, teniendo dicho horno una pared trasera, unas paredes de parapeto por encima de paredes laterales y una pared frontal de aguas abajo, conectadas a una bóveda, que comprende:

cargar material de hornada formador de vidrio desde al menos un cargador de hornada dispuesto al menos una de entre la pared trasera y las paredes laterales;

disponer al menos un quemador de oxígeno-combustible en la bóveda de dicho horno sobre dicho material de hornada;

habilitar un flujo de combustible hacia dicho al menos un quemador de oxígeno-combustible para la inyección de un chorro de combustible en el horno;

habilitar un flujo de oxidante gaseoso en asociación con dicho al menos un quemador de oxígeno-combustible para la inyección de un chorro de oxidante en el horno;

inyectar el chorro de combustible y el chorro de oxidante en el horno, en donde el chorro de combustible es de combustible solamente o es de una mezcla de combustible-oxidante rica en combustible, y en donde el chorro de oxidante es sustancialmente de sólo oxidante o es de una mezcla de combustible-oxidante pobre en combustible; y

quemar dicho chorro de combustible de tal manera que al menos una porción de la combustión se efectúe en las proximidades de dicho material formador de vidrio para intensificar la transferencia de calor convectivo y radiante a dicho material formador de vidrio sin perturbar sustancialmente dicho material formador de vidrio;

en donde se retarda el mezclado de dicho chorro de combustible y dicho chorro de oxidante para localizar la combustión cerca de la superficie de dicho material formador de vidrio o en dicha superficie, caracterizado porque se gradúa la combustión para producir el retardo de combustión y efectuar la combustión de dicha porción del chorro de combustible en las proximidades del material formador de vidrio, separándose el chorro de combustible inyectado y el chorro de oxidante inyectado y orientándolos opcionalmente en ángulo uno con respecto a otro en una cuantía suficiente para hacer que el respecto fluido converja cerca de la superficie del material formador de vidrio o en dicha superficie.

2. Un método según la reivindicación 1, en el que se selecciona el oxidante dentro del grupo consistente en aire enriquecido en oxígeno, oxígeno no puro y oxígeno "industrialmente" puro.

3. Un método según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el combustible es un gas seleccionado dentro del grupo consistente en metano, gas natural, gas natural licuado, propano, gas propano licuado, butano, gases de baja BTU, gas ciudad, gas pobre y mezclas de éstos.

4. Un método según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el combustible es un líquido.

5. Un método según la reivindicación 4, en el que el combustible líquido inyectado tiene un tamaño de gotitas de más de aproximadamente 100 micras.

6. Un método según la reivindicación 4, que incluye adicionalmente atomizar el combustible líquido para producir gotitas con un tamaño dentro del intervalo de 5 micras a 50 micras.

7. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el quemador de oxígeno-combustible está contenido en un bloque quemador que proporciona una graduación integral de dicho oxidante mediante su inyección desde el mismo bloque quemador de oxígeno-combustible.

8. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el quemador de oxígeno-combustible está contenido en un bloque quemador que proporciona una graduación externa de dicho oxidante mediante su inyección por separado del bloque quemador de oxígeno-combustible.

9. Un método según la reivindicación 8, en el que dicha inyección por separado del bloque quemador de oxígeno-combustible es proporcionada por al menos un inyector de oxidante secundario dispuesto en la bóveda de dicho horno.

10. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye adicionalmente burbujear oxidantes desde debajo de la superficie del material formador de vidrio.

11. Un método según cualquier reivindicación anterior, en el que el material formador de vidrio entra en el horno a través de al menos un cargador, incluyendo dicho método disponer el al menos un quemador de oxígeno-combustible en la bóveda del horno cerca de la al menos un cargador por encima del material formador de vidrio.

12. Un método según cualquier reivindicación anterior, en el que se monta el quemador desde una orientación sustancialmente perpendicular a la superficie del material formador de vidrio hasta una orientación que se desvía de la perpendicular en hasta 45º y que va hacia la pared frontal de aguas abajo del horno.

13. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que se dispone al menos un quemador de oxígeno-combustible en la bóveda cerca de la pared frontal de aguas abajo.

14. Un método según cualquier reivindicación anterior, que incluye adicionalmente disponer todos los quemadores del horno como quemadores montados en la bóveda.

15. Un método según la reivindicación 1, que incluye adicionalmente hacer que al menos un quemador de oxígeno-combustible montado en la bóveda funcione en un modo rico en combustible y que al menos un quemador de oxígeno-combustible montado en la bóveda funcione en un modo pobre en combustible, y graduar la combustión entre los dos quemadores.

16. Un método según la reivindicación 1, en el que dicho al menos un quemador de oxígeno-combustible contiene al menos un inyector exterior de oxidante y dos inyectores interiores de combustible, estando adaptado el inyector más interior de combustible para inyección de combustible a alta velocidad y estando adaptado el otro inyector de combustible - dispuesto entre el inyector más interior de combustible y el inyector exterior de oxidante - para inyección de combustible a alta velocidad;

el flujo de combustible a través del inyector más interior de combustible tiene una cantidad de movimiento mayor que la del flujo de combustible a través del otro inyector de combustible; y

el flujo de oxidante gaseoso hacia el inyector exterior de oxidante tiene una cantidad de movimiento más pequeña que la del flujo de combustible a través del inyector más interior de combustible.