MX2008012608A

MX2008012608A - Metodo y aparato para precalentar materiales para fabricar vidrio.

Info

Publication number: MX2008012608A
Application number: MX2008012608A
Authority: MX
Inventors: Hisashi Kobayashi; Kuang Tsai Wu
Original assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2009-03-06
Also published as: US20070227191A1; CA2647869A1; CN103435251A; BRPI0709919A2; US8056366B2; WO2007126685A1; EP2001810B1; CA2647869C; KR20080113270A; KR101395462B1; CN101460415A; EP2001810A1; US20100212362A1; ES2546335T3

Abstract

El calor en una corriente (5) de productos de combustión obtenidos desde un horno de fundición de vidrio (3) calentado por combustión de oxicombustible es pasado en los materiales de elaboración de vidrio (9) en un intercanibiador de calor (7) sin requerir reducción de temperatura de la corriente sin causar ablandamiento del material para fabricar vidrio. El material para fabricar vidrio en el intercainbiador de calor (7) es separado de la corriente de productos de combustión por una barrera (13).

Description

METODO Y APARATO PARA PREC ALIENTAMIENTO DE MATERIALES DE FABRICACION DE VIDRIO Campo de la Invención La presente invención se refiere a la producción de vidrio, y más particularmente al calentamiento de material de fabricación de vidrio por intercambio de calor con productos de combustión (gas combustible) formados en la combustión que se realiza para generar calor para fundir el material de fabricación de vidrio. Antecedentes de la Invención Los métodos de fabricación de vidrio convencionales de la invención requieren el establecimiento a temperaturas de fundición de vidrio en horno que son suficientemente altas para fundir el material de fabricación de vidrio (por lo cuál se entiende uno o más materiales tales como arena, sosa cáustica, piedra caliza, dolomita, feldespato, materiales rojizos, que se conocen colectivamente como vidrio de desecho y reciclado de "destajo" y/o roto, conocido como "vidrio molido"). La temperatura alta requerida es obtenida generalmente por la combustión de combustible de hidrocarburo tal como gas natural. La combustión proporciona productos de combustión gaseosos, también conocidos como gas combustible. Incluso en el equipo de fabricación de vidrio que logra una eficacia relativamente alta de transferencia térmica a partir de la combustión a los materiales de fabricación de vidrio que se fundirán, los productos de combustión que salen del recipiente de fusión comúnmente tienen una buen temperatura superior a 2000°F, y por lo tanto representa una considerable pérdida de energía que se genere en las operaciones de fabricación de vidrio, a menos que esa energía térmica por lo menos se pueda recuperar parcialmente de los productos de combustión. La técnica anterior ha tratado este problema usando el gas combustible para ventilar intercambiadores de calor conocidos como regeneradores. En un horno regenerador accionado por aire, el calor residual en el gas combustible es recuperado parcialmente en los regeneradores precalentando el aire de combustión entrante, y la temperatura de salida del gas combustible después de pasar a través de los regeneradores se reduce a aproximadamente 800 a 1000°F. La combustión del combustible de hidrocarburo con el oxidante gaseoso que tiene un promedio de por lo menos de 35 por ciento en volumen de oxígeno (conocido como "combustión de oxígeno-combustible") proporciona a la operación de fabricación de vidrio numerosas ventajas en comparación a la combustión del combustible con aire. Entre esas ventajas están una temperatura de flama más alta, que produce ún transferencia térmica más alta y periodos de fusión más cortos, y un volumen total reducido de los productos de combustión gaseosos que salen del horno de fusión de vidrio, lo cual produce una reducción del tamaño del equipo de manejo de gas que es necesario. Los productos de combustión gaseosos formados en la combustión con oxidantes que tienen un contenido de oxígeno más alto, pueden exhibir temperaturas de 1800°F o más altas, incluso de 2000°F o más. Por lo tanto, los productos de combustión gaseosos de la combustión de oxígeno-combustible contienen aún más energía térmica, en comparación a los productos de combustión de la combustión activada por aire convencional, que se debe utilizar para favorecer el mejoramiento del rendimiento energético total de la operación de fabricación de vidrio. Aunque la técnica de fabricación de vidrio conoce el uso de calor en los productos de combustión gaseosos calientes del horno de fusión de vidrio para precalentar el material de fabricación de vidrio entrante que se fundirá durante la fabricación del vidrio, la tecnología conocida hasta ahora ha creído que la temperatura de los productos de combustión calientes no deben exceder de aproximadamente 1000 a 1300°F puesto que mientras se alimenta comienza el intercambio de calor con el material de fabricación de vidrio. Esta temperatura máxima es impuesta por las consideraciones de la capacidad de los materiales a partir de los cuales el cambiador de calor constituye las temperaturas más altas estables, y las consideraciones de la tendencia del material de fabricación de vidrio a comenzar a ablandarse y llegar a adherirse (o ser "pegajoso") si llega a estar demasiado caliente durante la etapa de intercambio térmico, conduciendo al rendimiento reducido e incluso al bloqueo de los pasajes del intercambiador de calor. La temperatura a la cual el material de fabricación de vidrio se vuelve adherente o pegajoso depende de la composición del lote y del material en contacto con el material de fabricación de vidrio y se cree que está en un intervalo entre 1000 y 1300°F para que un lote común haga vidrio de cal sodada para botellas y ventanas. En un horno regenerador activado con aire convencional, la temperatura de salida del gas combustible después de los regeneradores es de aproximadamente 800 a 1000°F y no se necesita enfriar el gas combustible antes de un precalentador de lote/vidrio de desecho.

Cuando los productos de combustión gaseosos son los obtenidos por la combustión de oxígeno-combustible, la creencia convencional ha sido que se necesitan enfriar a un intervalo de 1000 a 1300°F antes de que pueda comenzar el intercambio de calor con los materiales de fabricación de vidrio entrantes. Existen numerosos ejemplos que muestran la creencia de la técnica anterior que la temperatura del gas combustible debe ser reducida antes de que el gas combustible se utilice para calentar los materiales de fabricación de vidrio entrantes. Tales ejemplos incluyen el CP. Ross y col., "Glass Melting Technology: A Technical and Economic Assessment", Glass Manufacturing Industry Council, agosto 2004, pp. 73-80; G. Lubitz y col., "Oxy- fuel Fired Furnace in Combination with Batch and Cullet Preheating", presentado en NOVEM Energy Efficiency in Glass Industry Workshop (2000), pp. 69-84; Patente Norteamericana No. 5,412,882; Patente Norteamericana No. 5,26,580; y Patente Norteamericana No. 5,807,418. Sin embargo, la reducción de la temperatura de esta corriente de productos de combustión agregando un diluyente gaseoso tal como aire, y/o rociando un líquido de enfriamiento tal como agua en la corriente, es desventajoso puesto que sigue tales métodos reducen la cantidad de calor recuperable restante en los productos de combustión gaseosos, lo cual aumenta el tamaño del equipo de manejo de gas que es necesario, y agrega costo al equipo adicional y al proceso. Por lo tanto, aún existe la necesidad en este campo de un método y aparato que permita el intercambio de calor práctico y eficiente de los productos de combustión gaseosos de la combustión de oxígeno-combustible al material de fabricación de vidrio, que se pueda practicar incluso a temperaturas relativamente más altas a las encontradas usando la combustión de oxígeno-combustible en las operaciones de fabricación de vidrio. Breve Descripción de la Invención Un aspecto de la invención es un método de fusión de vidrio que comprende (A) hacer pasar el material de fabricación de vidrio calentado a un horno de fusión de vidrio; (B) quemar el combustible con el oxidante que tiene un contenido de oxígeno promedio total de por lo menos 35% vol. oxígeno para producir el calor para fundir el material de fabricación de vidrio calentado en el horno de fusión de vidrio y producir los productos de combustión calientes que tienen una temperatura mayor a 1800°F; (C) eliminar los productos de combustión calientes del horno de fusión de vidrio y alimentar los productos de combustión calientes a un primer pasaje de una unidad de intercambio térmico, en donde la temperatura de los productos de combustión calientes que entran al primer pasaje, es de por lo menos 1800°F; (D) hacer fluir los productos de combustión calientes a través y fuera del primer pasaje; (E) alimentar el material de fabricación de vidrio a y a través de un segundo pasaje de la unidad de intercambio térmico que está separado del primer pasaje por una barrera a través de la cual el material de fabricación de vidrio y los productos de combustión calientes no pueden pasar y a través del cual los productos de combustión calientes pasan al material de fabricación de vidrio para formar el material de fabricación de vidrio calentado; y (F) mantener el flujo de calor de los productos de combustión calientes en el primer pasaje para limitar suficientemente la temperatura de la superficie de la barrera que está en contacto con el material de fabricación de vidrio tal que no exceda 1600°F y tal que la temperatura del material de fabricación de vidrio no alcance ni exceda la temperatura a la cual el material de fabricación de vidrio se vuelva adherente.

Según lo utilizado en la presente, el material de fabricación de vidrio es "adherente" significa que cuando 250 gramos de material de fabricación de vidrio que está en forma particulada de flujo libre a temperatura ambiente, se calientan a una temperatura específica en un envase de metal hecho del mismo material que la barrera del material de flujo y entonces se mantiene a tal temperatura durante 30 minutos y el envase entonces se invierte, por lo menos 1% del material se adhiere a la superficie del envase; y la temperatura a la cual el material "se vuelve adherente" es la temperatura más baja a la cual el material por lo tanto es "adherente" cuando se calienta a tal temperatura. Breve Descripción de los Dibujos La figura 1 es una vista esquemática del aparato de fabricación de vidrio con el cual el método de la presente invención se puede practicar. La figura 2 es una vista seccionada transversalmente de una unidad de intercambio térmico útil en la práctica de la presente invención. La figura 3 es una vista seccionada transversalmente de una unidad alternativa de intercambio térmico útil en la práctica de la presente invención. La figura 4 es una vista seccionada transversalmente de una unidad alternativa de intercambio térmico útil en la práctica de la presente invención. La figura 5 es una vista seccionada transversalmente de un aparato alternativo útil en la práctica de la presente invención. La figura 6 es una vista seccionada transversalmente de una unidad alternativa de intercambio térmico útil en la práctica de la presente invención. La figura 7 es una vista seccionada transversalmente, vista desde arriba, de una modalidad alterna útil en la práctica de la presente invención. Descripción Detallada de la Invención Refiriéndose a la figura 1, la corriente de combustible 1 y el oxidante gaseoso 2 se alimentan al horno fusión de vidrio 3 y se queman en el mismo para generar suficiente calor para fundir el material de fabricación de vidrio presente dentro del horno. La corriente 4 del vidrio fundido se puede recuperar del horno de fabricación de vidrio 3. Los combustibles convenientes incluyen cualquiera que se pueda quemar con oxígeno para generar la cantidad requerida de calor de combustión. Los combustibles preferidos incluyen los hidrocarburos gaseosos, tales como gas natural. El oxidante representado como corriente 2 se puede alimentar como una corriente a una hornilla solitaria dentro del horno 3, pero se proporciona más frecuentemente como una pluralidad de corrientes a cada una de varias hornillas dentro del horno 3. Considerado con respecto a la adición de todas las corrientes gaseosas, el contenido de oxígeno promedio total de todas las corrientes alimentadas a y quemadas en el horno 3 debe ser de por lo menos 35 por ciento en volumen de oxígeno, y preferiblemente de por lo menos 50 por ciento en volumen de oxígeno. Es decir, los contenidos de oxígeno de las corrientes de oxidante alimentadas a diferentes hornillas pueden diferenciarse entre sí, por ejemplo si los deseos del operador son tener algunas hornillas (a las cuales se alimenta el contenido de oxígeno más alto) que quemen con más calor que otras hornillas. La manera preferida de obtener una corriente gaseosa de oxidante tiene contiene un contenido de oxígeno deseado es mezclar aire y un gas que tiene un contenido de oxígeno más alto que el del aire (tal como una corriente del oxígeno de 90 por ciento en volumen) contra la corriente ascendente de una hornilla particular o en las salidas de la hornilla. La combustión del combustible y del oxidante produce la corriente 5 de los productos de combustión gaseosos calientes que se elimina del horno 3 y se alimenta a la unidad de intercambio térmico 7, que se describen adicionalmente en la presente, de cuya corriente 6 de los productos de combustión gaseosos enfriados emerge. La corriente de desviación opcional 8 tiene productos de combustión calientes de la corriente 5 para unir la corriente de desviación 6 sin el paso a través de la unidad de intercambio térmico 7. La corriente 8 del material de fabricación de vidrio calentado que se alimentará al horno 3 y fundido en el horno 3, es obtenida pasando el material de fabricación de vidrio alimentado como corriente 9 a través de la unidad de intercambio térmico 7. La corriente de desviación opcional 10 denota el material de fabricación de vidrio que se combina con el material de fabricación de vidrio calentado en la corriente 8, que se también alimentará al horno 3, pero que no se hace pasar a través de la corriente 9 de la unidad de intercambio térmico 7. La corriente 9 y la corriente opcional 10 comúnmente reciben el material de fabricación de vidrio de los compartimientos y alimentadores convenientes de diseño convencional. La figura 2 ilustra una modalidad preferida de la unidad de intercambio térmico 7. Comúnmente, la unidad es cilindrica o rectangular en su sección transversal horizontal. En la modalidad mostrada en la figura 2, el pasaje 11 es rodeado por uno o más pasajes 12 cuáles están separados del pasaje 11 por la barrera 13. Considerada en su forma más simple, esta modalidad de la unidad de intercambio térmico 7 es un intercambiador de calor que permite que el calor sea intercambiado del pasaje 11 a través de la barrera 13 al pasaje o pasajes 12 en intercambio térmico indirecto (por lo cual se entiende que el calor puede pasar a través de la barrera 13 sin contacto físico directo entre los productos de combustión y el material de fabricación de vidrio, debido a que los materiales gaseosos, líquidos o sólidos no pueden pasar a través de la barrera 13). La unidad de intercambio térmico 7 puede tener una forma seccionada transversalmente horizontal que es circular, rectangular, o de cualquier otra configuración geométrica, aunque sea circular y rectangular, se prefiere particularmente cuadrada. Puede haber un pasaje 12 totalmente circundante al pasaje 11, o el pasaje 12 se puede dividir en dos o más pasajes por divisores verticales apropiadamente colocados dentro del espacio inmediatamente circundante al pasaje 11. La corriente 5 de los productos de combustión calientes del horno de fusión de vidrio se alimenta a través de un inyector de entrada 14 en la parte inferior de la unidad 7 en el interior del pasaje 11. Ventajosamente la corriente 5 se transporta a la unidad de intercambio térmico 7 en una tubería que tiene un recubrimiento interior refractario resistente al calor conveniente que puede soportar la temperatura alta de esta corriente. La corriente 5 mientras entra al pasaje 11 está a una temperatura de por lo menos 1800°F y puede estar por encima de 2000°F o incluso por encima de 2200°F. Por lo tanto, una ventaja de la práctica de la presente invención es que se puede realizar sin requerir ninguna reducción significativa en la temperatura de los productos de combustión calientes antes de comenzar a transferirse el calor de los productos de combustión calientes al material de fabricación de vidrio. Significativamente, no hay adición de aire de dilución u otros medios de enfriamiento para la corriente 5, entre el horno y la unidad fusión de vidrio 7, necesarios. Según lo visto en la figura 2, la corriente 9 del material de fabricación de vidrio entrante que se precalentará se alimenta al pasaje o a los pasajes 12. Las corrientes 9 se pueden alimentar a los pasajes fuera de los lados de la unidad 7, o se pueden alimentar arriba de la superficie superior 17 si la superficie está inclinada, a modo que el material se mueva a lo largo de la superficie inclinada, hacia y después a los pasajes 12. El material de fabricación de vidrio es preferiblemente de un tamaño, que oscila de pequeñas piezas de vidrio de desecho a material de fabricación de vidrio particulado finamente dividido, tal que el material de fabricación de vidrio puede pasar hacia abajo a través del pasaje o pasajes 12 bajo la influencia de la gravedad. Mientras que el material de fabricación de vidrio pasa a través del pasaje o pasajes 12, su temperatura aumenta en virtud del flujo de calor de los productos de combustión calientes en el pasaje 11 a la barrera 13. El material de fabricación de vidrio calentado de tal manera sale de la unidad de intercambio térmico 7 como la corriente 8 que entonces se puede alimentar al horno fusión de vidrio. Un tratamiento alternativo del material de fabricación de vidrio calentado se ilustra en la figura 5 y se discute de aquí en adelante. La corriente 6 de los productos de combustión enfriados sale de la unidad de intercambio térmico 7 a la parte superior 17 a una temperatura comúnmente de 1400°F o menos, aunque la temperatura en este punto se puede ajustar dependiendo de las características operacionales de la unidad de intercambio térmico 7 y dependiendo de si el operador desea que esta corriente pase a otra unidad de la cual el calor adicional se puede extraer ventajosamente de la corriente 6, tales como otra unidad de intercambio térmico que pasa calor al material de fabricación de vidrio entrante o a una o más corrientes de oxidante que se utilizara en la combustión que se realiza en el horno de fabricación de vidrio 3. Si se desea, una o más corrientes de gas de escape 21 se extraen de los pasajes a través de los cuales los materiales de fabricación de vidrio entrantes pasan, por ejemplo los pasajes 12 en esta modalidad, que extraen preferiblemente en el extremo superior, y se alimentan a la corriente 5, o al pasaje a través del cual el gas de combustión caliente pasa (pasaje 11 en esta modalidad), o al incinerador u otra unidad para oxidar, descomponer o de otra manera eliminar los componentes indeseables del gas de escape (tal como vapor de agua, gases orgánicos o subproductos que estuvieron presentes en los materiales entrantes de vidrio de desecho). La corriente 9 puede, según lo indicado arriba, obtenerse de un compartimiento de almacenamiento o aparato similar que proporcione el material de fabricación de vidrio, o se puede obtener como una corriente de material calentado que sale de otra unidad de intercambio térmico en la cual el material de fabricación de vidrio se calienta de manera preliminar, por ejemplo por intercambio térmico con los productos de combustión calientes tales como la corriente 6. La unidad de intercambio térmico 7 se puede construir de cualquier material que sea capaz de soportar las temperaturas encontradas en la operación descrita en la presente. Preferiblemente, la barrera 13 se hace de metal, tal como acero de carbón, acero inoxidable, u otras aleaciones de alta temperatura. La parte superior y la parte inferior de la unidad 7 se deben hacer de materiales de cerámica aislantes. La partes superior 17 puede ser plana según lo mostrado en la figura 2. El alojamiento que rodea el exterior del pasaje o pasajes 12 se puede hacer de metal o bloques refractarios. El inyector 14 se construye preferiblemente de material de cerámica que puede soportar la temperatura de la corriente caliente entrante del producto de combustión. El material de fabricación de vidrio se puede alimentar a través del pasaje o pasajes 12 a una velocidad tal que los pasajes esencialmente sean llenados por un lecho empaquetado, móvil o un lecho fluidificado del material de fabricación de vidrio que es calentado. Preferiblemente, sin embargo, para alcanzar una transferencia térmica más rápidamente y alcanzar la mayor uniformidad de la temperatura a la cual el material de fabricación de vidrio es calentado, el material de fabricación de vidrio se alimenta adentro de un lecho fluidificado de material de fabricación de vidrio que es calentado, o de una manera dispersa tal que las partículas discretas de material caigan a través del espacio en el pasaje o pasajes 12 mientras se "precipita" el flujo de material. La eficacia de la transferencia térmica al material de fabricación de vidrio en el flujo de precipitación puede mejorarse incluso adicionalmente proporcionando los deflectores apropiados tales como hierros angulados descendentes cóncavos ubicados en la trayectoria de las partículas precipitadas, para desviarlas de sus trayectorias de tal modo que aumenten el tiempo de residencia e incluso mejoren adicionalmente la transferencia térmica. Un ejemplo de los intercambiadores de calor que usan tales deflectores se describe en la Patente Norteamericana No. 5,992,041. Se ha determinado que la transferencia térmica eficiente al material de fabricación de vidrio se puede obtener, sin encontrar los problemas de los dispositivos de transferencia térmica anteriores, si el pasaje en el cual los productos de combustión calientes se alimenta se configura tal que la temperatura de la superficie de la barrera 13 que está en contacto con el material de fabricación de vidrio en el pasaje o pasajes 12, no exceda 1600°F y la temperatura del material de fabricación de vidrio en los pasajes 12 no alcance ni exceda la temperatura en la cual el material de fabricación de vidrio se vuelve adherente. Los componentes e intervalos comunes de sus cantidades en varios tipos de vidrio se pueden determinar de fuentes publicadas y de la prueba rutinaria. Para propósitos ilustrativos, se puede mencionar que muchos tipos de vidrio pueden contener 55% en peso a 85% en peso sílice (Si02), un total de 4.5% en peso a 20% en peso de Na20 y K20, un total de 0.05% en peso a 25% en peso de CaO y MgO, y 0 a 15% en peso de AI2Oa, y opcionalmente otros componentes tales como Fe2Os, PbO (usado en vidrio cristalino y cristal de plomo), B203 (en vidrio de borosilicato), y/o compuestos que sean o que contiene óxidos del Ti, S, Cr, Zr, Sb y/o Ba. Sin embargo, la determinación de la temperatura apropiada a la cual se realiza la presente invención se basa en las características de la mezcla de ingredientes de los materiales de fabricación de vidrio que se alimentan a través de los pasajes 11 ó 12 en su manera al horno de fabricación de vidrio. Según lo conocido en este campo, los ingredientes necesitan contener, o ser capaces de la aplicación a temperaturas altas a las que se transformaran los componentes de fabricación de vidrio deseados. Los ingredientes convenientes pueden incluir no sólo los compuestos ya mencionados sino también precursores tales como (pero sin limitarse a) silicatos alcalinos, carbonatos e hidróxidos, y silicatos de metales de alcalinotérreos, carbonatos e hidróxidos, así como hidratos de precedente de cualquiera de los anteriores. Las temperaturas adherentes inferiores (como el término utilizado en la presente) se asocian generalmente a cantidades más altas de óxidos y hidróxidos alcalinos y alcalinotérreos. Para los ingredientes que se vuelven adherentes a temperaturas relativamente más bajas (tales como los ingredientes usados para hacer el vidrio de cal sodada común o vidrio de borosilicato), la temperatura no debe exceder 1300°F, preferiblemente no exceder 1200°F. Puesto que muchos y diferentes ingredientes se utilizan en la fabricación de vidrio y las características adherentes de los materiales de fabricación de vidrio no sólo dependen de los ingredientes, pero también de sus distribuciones dimensionales de partícula y de los metales usados para la barrera 13, deflectores u otros metales que entran en contacto con los materiales de lote calentados, las pruebas para determinar la temperatura máxima para evitar llegar a los problemas de adhesión. Un método de prueba recomendado es calentar 250 gramos del material de fabricación de vidrio, que está en forma de partículas de flujo libre a temperatura ambiente, a una temperatura específica en un envase de metal (o crisol) hecho del mismo metal que la barrera 13 que entra en contacto con los materiales de lote calentados, y mantener el material calentado a tal temperatura durante 30 minutos. El envase calentado entonces se invierte para determinar las características de fluidez del material que es probado de tal manera. La temperatura más baja a la cual por lo menos 1% de material se adhiere a la superficie del envase después de someterse sujetado a estas etapas se define como la "temperatura adherente" del material para el metal usado para el envase. La temperatura a la cual el material se calienta en la unidad 7 no debe exceder la temperatura adherente, y preferiblemente no debe exceder 100°F debajo de la temperatura adherente. Cumpliendo estas condiciones se asegurar que el material de fabricación de vidrio no llegue a estar tan caliente que se ablande y se vuelva pegajoso y después comience a bloquear los pasajes o las aberturas a través de las cuales el material de fabricación de vidrio calentado deja los pasajes 12. Ha sido determinado que estas condiciones pueden ser cumplidas por cualquier conjunto de condiciones de operación específicas, según lo descrito más abajo, proporcionando que el flujo de calor (en unidades de energía por área de la superficie de transferencia térmica en la barrera 13 por unidad de tiempo) a toda la superficie de transferencia térmica de la barrera 13 sigua siendo suficientemente bajo para que la superficie de la barrera 13 que se expone al material de fabricación de vidrio no alcanza una temperatura por encima de 1600°F y para que la temperatura del material de fabricación de vidrio en los pasajes 12 no alcance ni excede la temperatura a la cual se vuelve adherente. Las distribuciones del flujo térmico y de la temperatura sobre la barrera 13 se pueden estimar por los cálculos de la transferencia térmica radiativa y de convección considerando, entre otras cosas, la temperatura entrante y el flujo de la corriente de los productos de combustión calientes, temperatura y flujo del material de fabricación de vidrio que entra a la unidad de intercambio térmico 7, la configuración geométrica del pasaje 11, y las propiedades térmicas y físicas (es decir conductividad, emisividad y espesor) de la barrera 13. La predicción exacta de la distribución de temperatura, mientras sea realizable, generalmente es difícil y requiere una aplicación de un modelo matemático detallado de transferencia térmica para la optimización. Una manera práctica de lograr la práctica de la presente invención es proporcionar una superficie de transferencia suficientemente alta y un espacio suficientemente grande del pasaje 11 en el cual se alimentan los productos de combustión. La geometría del pasaje 11 se selecciona para permitir un buen intercambio térmico radiativo entre todas las paredes de la barrera y los productos de combustión calientes. Un pasaje estrecho largo 11 tiende a hacer demasiado caliente el área cerca de la entrada (inyector 14) de la corriente entrante del producto de combustión caliente. Por ejemplo la relación de aspecto de un pasaje rectangular, definida como la relación de longitud vertical del pasaje al lado más corto del rectángulo, es preferiblemente menor de 5 y preferiblemente menor de 3. Un método preferido, es introducir los productos de combustión cerca del centro de la parte inferior 16 a través de cuyo inyector 14 pasa a modo que la distancia incluso de la porción más caliente de los productos de combustión de las paredes de transferencia térmica, sea suficientemente grande para que el flujo de calor a las superficies de la barrera no llegue a ser demasiado alto que sea demasiado alta la temperatura superficial de la barrera a la cual se expone el material de fabricación de vidrio. Así, los factores que pueden ser ajustados muy fácilmente como un aspecto determinante en el suministro de la operación de acuerdo a esta invención, son la superficie de intercambio térmico total de la barrera 13, y la distancia del punto o puntos en los cuales los productos de combustión son los más calientes puesto que se alimentan en la unidad de intercambio térmico (comúnmente esto es en el inyector o inyectores 14 cuando los productos de combustión calientes se alimentan en el pasaje 11 de la unidad de intercambio térmico a través de uno o más inyectores) al punto o puntos más cercanos en las superficies internas de la barrera 13 que se exponen a los productos de combustión calientes. Sin intentar limitarse por cualquier explicación particular de la eficacia de esta invención, parece que el modo predominante de transferencia térmica de los productos de combustión a la barrera que separa los productos de combustión del material de fabricación de vidrio es radiativo en lugar de solamente de convección. Por lo tanto, los cálculos que se realizan para determinar una superficie de transferencia térmica y la localización conveniente del inyector o inyectores de entrada, son los realizados en la caracterización de la transferencia térmica radiativa. La figura 3 ilustra otra modalidad útil de la presente invención. En la modalidad de la unidad de intercambio térmico 7 ilustrada en la figura 3, la corriente 9 del material de fabricación de vidrio que será calentado se alimenta al pasaje 11 que es rodeado por el pasaje o pasajes 12 a través de los cuales fluyen los productos de combustión calientes 5. La descripción anterior con respecto a la modalidad representada en la figura 2 también es aplicable a la modalidad representada en la figura 3, salvo que el material de fabricación de vidrio pase a través de un pasaje 11 que se localiza centralmente con respecto al pasaje o pasajes 12 a través de los cuales fluyen los productos de combustión calientes. Preferiblemente, 12 denota un pasaje que rodea completamente un pasaje central 11, aunque tal pasaje circundante 12 se pueda dividir en sectores por divisores verticales localizados de manera apropiada. Independientemente de si tal pasaje 12 es integral o subdividido, se prefiere alimentar los productos de combustión calientes en el pasaje 12 como más de una corriente, y preferiblemente como 2-16 corrientes separadas alrededor de la parte inferior del pasaje 12. Proporcionar las corrientes adicional, ayuda a proporcionar condiciones de temperatura relativamente uniformes alrededor del pasaje 11, a cualquier elevación dada dentro del pasaje 12. La superficie de la barrera 13 que se expone al material de fabricación de vidrio y cuya temperatura no se debe dejar exceder 1600°F en esta modalidad es la superficie interna de la barrera 13. Por consiguiente, la observación de esta condición es lograda muy eficazmente dimensionando convenientemente no sólo la superficie de transferencia térmica total de la barrera 13, sino también la geometría del pasaje 11 y la localización de uno o más inyectores de entrada 14 y sus distancias respectivas desde la barrera 13, a modo que nuevamente el flujo de calor del pasaje o pasajes 12 a la superficie de la barrera 13 a la cual se exponen los productos de combustión, se pueda controlar convenientemente para controlar la temperatura de la superficie de barrera a la cual se expone el material de fabricación de vidrio. La figura 4 ilustra otra modalidad útil de la presente invención. La figura 4 representa la modalidad de la figura 3, pero a la cuál se ha sido agregado la "pared falsa" 15. Cada pared falsa 15 se establece preferiblemente entre un inyector de entrada 14 y la barrera 13, tal que una línea recta trazada desde la abertura de un inyector de entrada 14 a la barrera 13 se debe hacer pasar a través de una pared falsa 15. La pared falsa se hace de un material refractario conveniente, tal como materiales de cerámica resistentes a altas temperaturas, que pueden soportar la temperatura de la corriente de producto de combustión caliente entrante. Cada pared falsa tiene aberturas a través de la cual solamente pasa parcialmente el flujo de calor radiativo de la corriente del producto de combustión caliente hacia la barrera 13, por lo tanto reduce el flujo de calor radiativo de una manera controlada. Las aberturas pueden ser circulares o poligonales, o pueden estar bajo la forma de ranuras alargadas. Generalmente, las aberturas pueden ocupar de 10% a 90% de la superficie de la pared falsa; el porcentaje particular se puede determinar fácilmente de manera experimental. Las aberturas se pueden separar uniformemente en la superficie de la pared falsa, o se pueden proporcionar pocas aberturas más cercanas a la parte inferior (es decir más cerca al punto donde los productos de combustión calientes entran en el pasaje) y más aberturas lejanas a la parte inferior. La pared falsa 15 también puede absorber el calor de los productos de combustión calientes, y retransmitir el calor hacia la superficie de la barrera 13. Estas paredes falsas 15 permiten al operador reducir el tamaño total de la unidad de intercambio térmico 7 reduciendo el flujo de calor de la región más caliente del pasaje a través del cual el producto de combustión fluye, que es generalmente la región más cercana a donde los productos de combustión calientes entran al pasaje. Las dimensiones eficaces de cualquier pared falsa 15, especialmente el número de aberturas y sus dimensiones, se pueden determinar fácilmente de manera experimental. Por supuesto se debe apreciar que las modalidades del tipo ilustrado en la figura 2, en donde los productos de combustión calientes atraviesan un pasaje central rodeado por uno o más pasajes a través de los cuales pasa el material de fabricación de vidrio, también se pueden adaptar por la inclusión de una o más paredes falsas ubicadas entre una o más de las entradas a través de las cuales los productos de combustión entran al pasaje central, y la superficie interna de la barrera 13. La figura 5 ilustra una manera de transporte del material de fabricación de vidrio calentado al horno de fusión de vidrio 3 después de que el material de fabricación de vidrio haya pasado a través de la unidad de intercambio térmico 7. El material de fabricación de vidrio calentado 8 desciende sobre una cama 18 desde la cual el material de fabricación de vidrio pasa al horno 3. El lecho 18 puede ser horizontal o inclinado, es decir aún tiene un componente horizontal. El material en el lecho 18 puede moverse bajo la influencia de la gravedad, pero se mueve preferiblemente con la ayuda de una banda transportadora móvil, de una solera giratoria, o equipo similar, tal como una rejilla móvil, que está comercialmente disponible para los lechos móviles de sólidos calentados. En esta modalidad, los productos de combustión calientes pueden fluir en el pasaje 11 como una corriente sin el uso de un inyector. Una pared de división 20 puede ayudar a la retención de la atmósfera fusión de vidrio caliente dentro del horno 3. Los productos de combustión calientes salen del horno 3 más allá de la superficie superior del lecho 18 a modo que un cierto intercambio térmico pueda ocurrir incluso antes de que los productos de combustión calientes entren al pasaje 11 para intercambiar el calor al material en el pasaje o pasajes 12. La figura 6 ilustra otra modalidad útil en la presente invención. En esta modalidad, los productos de combustión calientes y el material de fabricación de vidrio fluyen de manera paralela en lugar de a contracorriente según lo ilustrado en las figuras 2, 3 y 4. Los números de referencia utilizados en ambas figuras 2 y 5 tienen los mismos significados en la figura 5 que en la figura 2. La diferencia, como se puede observar, es que los productos de combustión calientes están alimentados a través del inyector de entrada 14 en la parte superior del pasaje 11 y la corriente 6 de los productos de combustión enfriados sale de la parte inferior del pasaje 11. Se debe reconocer que las modalidades de las figuras 3 y 4 también se pueden adaptar para proporcionar el flujo paralela de las corrientes de intercambio térmico. La presente invención también se puede realizar en las modalidades en las cuales dos o más, comúnmente 2-10 y preferiblemente 2-6, pasajes 11 unidos cada uno por su propia barrera 13, se ubiquen lo suficientemente cerca entre sí que los pasajes 12 que están ubicados entre dos (o más) pasajes 11. Tal modalidad se muestra en la figura 7, en el cual cuatro pasajes 11 reciben cada uno a través de una entrada 14, una porción de los gas de combustión calientes que entonces fluyen hacia arriba a través de los pasajes 11. Los cuatro pasajes 11 están ubicados con respecto entre sí para definir algunos pasajes 12 entre los pares de pasajes adyacentes 11. El calor fluye a través de las barreras 13. Preferiblemente, los productos de combustión calientes pasan a través de los pasajes 11 y el material de fabricación de vidrio atraviesa los pasajes 12, en este caso el calor fluye desde los pasajes 11 en los pasajes 12. El aparato mostrado en la figura 7 también se puede utilizar a modo que los productos de combustión calientes pasen a través de los pasajes 12 y el material de fabricación de vidrio atraviese los pasajes 11, pero esto es menos preferido puesto que las dimensiones más cercanas en los pasajes 12 harían necesario proporcionar paredes falsas o el equivalente para evitar que el flujo de calor en las paredes 13 sea excesivo. Según lo notado anteriormente, una ventaja significativa de la presente invención es que más del contenido de energía de la corriente de los productos de combustión calientes se pueda utilizar para favorecer, aunque su temperatura sea más alta que la obtenida de la combustión de oxígeno-combustible, sin requerir ninguna reducción significativa de la temperatura de la corriente por ejemplo agregando una corriente de fluido diluyente. Otras ventajas son inherentes en el caso de que la transferencia térmica entre los productos de combustión calientes y el material de fabricación de vidrio sea indirecto, por lo tanto significa que no hay riesgo de arrastrar polvo u otras macropartículas al material de fabricación de vidrio entrante, ni de contaminar la corriente saliente del producto de combustión con polvo transportado y otra materia particulada, ni sustancialmente oxidar el contenido de carbono de los materiales de lote que es importante para hacer los vidrios de color ámbar. El hecho de que la presente invención pueda aprovechar una corriente entrante de producto de combustión que tiene una temperatura más alta que la practica anterior pensada para utilizarse para calentar el material de fabricación de vidrio entrante, también significa que la temperatura de la corriente del producto de combustión enfriado que sale la unidad de transferencia térmica 7 y todavía suficientemente superior que esta corriente, se puede utilizar para el intercambio térmico adicional. Por ejemplo, la corriente saliente del producto de combustión 6 se puede alimentar a un intercambiador térmico convencional que intercambia calor de una corriente del producto de combustión que tiene una temperatura en el orden de 1000°F o menos, por el intercambio térmico de convección con el material de fabricación de vidrio entrante, con el oxidante o combustible que se quemará posteriormente en el horno de fusión de vidrio, o con el otro material gaseoso, líquido o sólido. Como una modalidad ventajosa adicional, el material de fabricación de vidrio que se alimenta mientras la corriente 9 puede haber sido ya calentada, por ejemplo por el paso a través de una unidad de intercambio térmico convectiva convencional, antes de que se alimente como el vapor 9 a la unidad de intercambio térmico descrita en la presente. El intercambio térmico puede ser con los productos de combustión enfriados pero aún con calor, o con una corriente de otro material caliente. La corriente de los productos de combustión enfriados que emergen de la unidad de transferencia térmica 7, o de un intercambiador de calor subsecuente, puede si se desea someterse a las etapas de tratamiento que pueden ser deseables o necesarias antes de que la corriente se descargue a la atmósfera o se utilice como una corriente de alimentación para una etapa de procesamiento químico. Por ejemplo, la corriente puede pasar a través de un precipitador electrostático o aparato equivalente para eliminar los contaminantes de partículas muy finos. La corriente se puede tratar para eliminar los agentes contaminadores atmosféricos gaseosos tales como óxidos de azufre, tal como por el contacto de la corriente con un absorbente o reactivo conveniente tal como Ca(OH)2 o carbonato de sodio. Un conjunto de muestra de cálculos, basado en un conjunto hipotético de condiciones de operación que se podría encontrar en una operación de fabricación de vidrio actual, se describe en el siguiente ejemplo. Ejemplo Un horno fusión de vidrio de envase de sílex de tpd corto de 450 se equipa con un precalentador radiativo de alta temperatura de lote/vidrio de desecho y un precalentador convencional de baja temperatura de lote/vidrio, de desecho, instalado en serie. El horno se acciona con 47,000 SCFH de gas natural y 105.000 SCFH de oxígeno comercial (92% 02, 4% N2 y 4% AR). El caudal del gas de escape total del horno de fusión es de aproximadamente 192,000 SCFH que incluye los gases generados de los materiales de lote de envase normal y una cierta infiltración de aire. La temperatura del gas de escape mientras sale del horno de fusión es de 2500 °F. Una mezcla sin calentar de lote/vidrio de desecho (50/50 en peso) primero se seca y calienta a 316°F en el precalentador convencional de baja temperatura de lote/vidrio de desecho. Un precalentador conveniente de baja temperatura de lote/vidrio de desecho se describe en las Patentes Norteamericanas Nos. 5,412,882 y 5,526,580. Admite el gas de escape enfriado del precalentador radiativo de lote/vidrio de desecho. La mezcla precalentada de lote/vidrio de desecho del precalentador convencional de baja temperatura lote/vidrio de desecho se introduce en el precalentador radiativo de lote/vidrio de desecho de la presente invención y se calienta adicionalmente a 1050 °F por intercambio térmico con el gas de escape del horno de fusión que se introduce a través de un conducto alineado refractario al centro inferior del precalentador radiativo a contra corriente de lote/vidrio de desecho. La temperatura del gas en el inyector 14 es de aproximadamente 2325°F debido a 10,000 SCFH de la infiltración del aire frío y el calor de la pared pierde aproximadamente 0.5 MMBtu/hr después de que el gas combustible sale del horno. En el precalentador radiativo de lote/vidrio de desecho de 7.2 MMBtu/hr de energía se requiere precalentar el loté y el vidrio de desecho de 316°F a 1050 °F. Los cálculos de transferencia térmica radiativas aproximados muestran que un índice promedio de transferencia térmica de aproximadamente 6325 BTU/p2/hr a la barrera 13 se puede obtener por la radiación de gas en el pasaje 11. Por lo tanto, el área de superficie de transferencia térmica total de la barrera 13 requerida se convierte en aproximadamente 1164 pies2. El gas promedio y las temperaturas superficiales de barrera promedio pueden cambiar de 1760°F y 1350°F en el extremo caliente a 1000°F y 700°F en el extremo frío. Por ejemplo, las dimensiones aproximadas de un pasaje rectangular de 25'W x 10'D x 16.6"H se pueden hacer y probarse. Debido a las pequeñas relaciones de aspecto del pasaje rectangular grande 11 en este ejemplo, la distribución de temperatura de gas actual a lo largo de la altura del precalentador puede volverse más uniforme, por ejemplo 1600°F en el extremo caliente y 1100°F en el extremo frío, y resulta en una transferencia térmica más baja. Aumentando la altura mientras se mantiene la misma superficie total, por ejemplo a las dimensiones de 10"W x 10'D x 29.1?, la distribución de temperatura de la barrera y gas a lo largo de la altura se puede hacer más cercana a las condiciones de diseño deseadas. La determinación final optimizada más completamente de las dimensiones óptimas entonces es obtenida preferiblemente por los cálculos de transferencia térmica radiativas detallados usando un modelo matemático tridimensional y/o experimentos de escala experimental.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método de fusión de vidrio que comprende (A) hacer pasar el material de fabricación de vidrio calentado a un horno de fusión de vidrio; (B) quemar el combustible con el oxidante que tiene un contenido de oxígeno promedio total de por lo menos 35% vol. oxígeno para producir el calor para fundir el material de fabricación de vidrio calentado en el horno de fusión de vidrio y producir los productos de combustión calientes que tienen una temperatura mayor a 1800°F; (C) eliminar los productos de combustión calientes del horno de fusión de vidrio y alimentar los productos de combustión calientes a un primer pasaje de una unidad de intercambio térmico, en donde la temperatura de los productos de combustión calientes que entran al primer pasaje, es de por lo menos 1800°F;

(D) hacer fluir los productos de combustión calientes a través y fuera del primer pasaje; (E) alimentar el material de fabricación de vidrio a y a través de un segundo pasaje de la unidad de intercambio térmico que está separado del primer pasaje por una barrera a través de la cual el material de fabricación de vidrio y los productos de combustión calientes no pueden pasar y a través del cual los productos de combustión calientes pasan al material de fabricación de vidrio para formar el material de fabricación de vidrio calentado; y (F) mantener el flujo de calor de los productos de combustión calientes en el primer pasaje para limitar suficientemente la temperatura de la superficie de la barrera que está en contacto con el material de fabricación de vidrio tal que no exceda 1600°F y tal que la temperatura del material de fabricación de vidrio no alcance ni exceda la temperatura a la cual el material de fabricación de vidrio se vuelva adherente. 2. Un método de acuerdo a la reivindicación 1, en donde en la etapa (G) el calor fluye desde los productos de combustión calientes en el primer pasaje a la barrera lo suficiente para que la temperatura de la superficie de barrera que está en contacto con el material de formación de vidrio no exceda 1400°F y para que la temperatura del material de fabricación de vidrio no exceda 1200°F.

3. Un método de acuerdo a la reivindicación 1, en donde en la etapa (G) el calor fluye desde los productos de combustión calientes en el primer pasaje a la barrera lo suficiente para que la temperatura de la superficie de barrera que está en contacto con el material de formación de vidrio no exceda 1200°F y para que la temperatura del material de fabricación de vidrio no exceda 1000°F.

4. Un método de acuerdo a la reivindicación 1, en donde los productos de combustión calientes alimentados en la etapa (D) tienen una temperatura de por lo menos 2000°F.

5. Un método de acuerdo a la reivindicación 1, en donde los productos de combustión calientes alimentados en la etapa (D) tienen una temperatura de por lo menos 2200°F.

6. Un método de acuerdo a la reivindicación 1, en donde el oxidante quemado en la etapa (B) tiene un contenido de oxígeno promedio total de por lo menos 50% vol. de oxígeno.

7. Un método de acuerdo a la reivindicación 1, en donde el oxidante quemado en la etapa (B) tiene un contenido de oxígeno promedio total de por lo menos 90% vol. de oxígeno.

8. Un método de acuerdo a la reivindicación 1, en donde una porción del calor que fluye de los productos de combustión calientes a la barrera, se absorbe en una pared falsa en el primer pasaje y reduce la transferencia térmica radiativa directa de los productos de combustión calientes a la barrera.

9. Un método de acuerdo a la reivindicación 1, en donde el material de formación de vidrio pasa a través del segundo pasaje a contracorriente al flujo de los productos de combustión calientes a través del primer pasaje.

10. Un método de acuerdo a la reivindicación 1, en donde el material de formación de vidrio pasa a través del segundo pasaje en contracorriente al flujo de los productos de combustión calientes a través del primer pasaje.

11. Un método de acuerdo a la reivindicación 1, en donde antes de que el material de fabricación de vidrio se alimente al segundo pasaje es calentado en una segunda unidad de intercambio térmico mediante el intercambio térmico indirecto.

12. Un método de acuerdo a la reivindicación 1, en donde los productos de combustión después de fluir fuera del primer pasaje son enfriados en una segunda unidad de intercambio térmico mediante el intercambio térmico indirecto.

13. Un método de acuerdo a la reivindicación 1, en donde antes de que el material de fabricación de vidrio se alimente al segundo pasaje se calienta en una segunda unidad de intercambio térmico mediante el intercambio térmico indirecto con los productos de combustión que han fluido fuera del primer pasaje.

14. Un método de acuerdo a la reivindicación 1, en donde los productos de combustión calientes retirados del horno de fusión de vidrio, antes de pasar al primer pasaje, fluyen más allá de un lecho de material de fabricación de vidrio que ha pasado a través del segundo pasaje, e intercambian el calor al lecho del material de fabricación de vidrio.

15. Un método de acuerdo a la reivindicación 1, en donde por lo menos una corriente de gas de escape se retira del segundo pasaje y se alimenta al primer pasaje.

16. Un método de fusión de vidrio, que comprende: (A) hacer pasar el material de fabricación de vidrio calentado a un horno de fusión de vidrio; (B) quemar el combustible con el oxidante que tiene un contenido de oxígeno promedio total de por lo menos 35% vol. oxígeno para producir el calor para fundir el material de fabricación de vidrio calentado en el horno de fusión de vidrio y producir los productos de combustión calientes que tienen una temperatura mayor a 1800°F; (C) eliminar los productos de combustión calientes del horno de fusión de vidrio y alimentar los productos de combustión calientes a un primer pasaje de una unidad de intercambio térmico, en donde la temperatura de los productos de combustión calientes que entran al primer pasaje, es de por lo menos 1800°F; (D) hacer fluir los productos de combustión calientes a través y fuera del primer pasaje; (E) alimentar el material de fabricación de vidrio a y a través de una pluralidad de segundos pasajes de la unidad de intercambio térmico que están separados del primer pasaje por una barrera a través de la cual el material de fabricación de vidrio y los productos de combustión calientes no pueden pasar y a través del cual los productos de combustión calientes pasan al material de fabricación de vidrio para formar el material de fabricación de vidrio calentado; y (F) mantener el flujo de calor de los productos de combustión calientes en el primer pasaje para limitar suficientemente la temperatura de la superficie de la barrera que está en contacto con el material de fabricación de vidrio tal que no exceda 1600°F y tal que la temperatura del material de fabricación de vidrio no alcance ni exceda la temperatura a la cual el material de fabricación de vidrio se vuelva adherente.