TW564243B - Method of heating a glass melting furnace using a roof mounted, staged combustion oxygen-fuel burner - Google Patents

Description

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564243 A7 B7 五、發明説明（2 2氣-燃料蓄熱式爐可分成二類：交叉燒火（cr〇ss-fired) 及尾端燒火（end-fired)。交叉燒火蓄熱式爐有連接至一共 同或分隔之蓄熱室以預熱燃燒空氣之多個孔口，通常在爐 之每一邊各有3至8個。蓄熱室有各種形狀及大小，視爐 操作而定，每15-30分交換一次。在每一交換週期期間， 來自風扇通過交換閥一通路之燃燒空氣即進入爐一邊之蓄 熱室之底部並在進入連接至爐之孔口前被預熱。油及/或 氣m形感之燃料或自孔口下面、上面、貫穿或自側面喷入 以產生在玻璃熔爐内燃燒之火陷。熱燃燒產物經由對面孔 口由爐排出’向下通過蓄熱室格子碑（checker brick )，釋 出熱量’然後經由交換闕第二通路排至排氣煙道。在送燃 燒空氣侧之蓄熱室冷卻時，排氣蓄熱室將繼續加熱直至交 換閥反轉及燃燒空氣進入先前之熱排氣蓄熱室為止。 玻璃部份係由於空氣-燃料火陷之輻射，但大部份係由 被燃燒產物加熱之爐頂及爐壁之再輻射所熔解。為獲得較 高的爐玻璃產能，許多熔爐都使用將電極插入玻璃内之電 助熔。這所費不貲，而且會對與玻璃接觸之槽壁產生破 壞。過一段時間後，蓄熱室會由於熱/結構破壞及/或破璃 形成原料（又稱配料或批料）飛揚（carry_〇ve〇，或破璃配 料釋出之揮發性物種冷凝而堵塞。在蓄熱室開始堵塞或失 效時，爐中空氣之預熱溫度將降低及爐内氣壓將升高，而 降低爐之熱效率。將需要更多的燃料及燃燒空氣始能維持 相同的玻璃生產速度。更重要的是/因為爐壓上升，破璃 生產速度必須降低以便不致破壞構成爐上部結構之耐火材 •5-

564243 A7 B7 五、發明説明（3 ) 料。 為回復先前蓄熱室問題所損失的產能或為提高無礙（non-encumbered)爐生產，氧曾以四種方式使用：一般的冨氧 空氣，孔口火焰下的特定氧長槍，在第一孔口與加料端壁 之問安裝氧燃料燃燒器及貫穿孔口安裝之水冷式氧燃料燃 燒器。這四種技術所產生的產能提高受到接近使用、製程 需求或耐火磚溫度限制所限制。 尾端燒火蓄熱式爐在操作上與交叉燒火爐相似；然而， 它在端壁只有連接至個別蓄熱室的二個孔口。蓄熱室變壞 會以與交叉燒火爐相同的機制發生，並且同樣地可使用電 及氧助溶。 為回復上述蓄熱室問題所損失的產能或為提高生產，氧 曾以三種方式使用：一般的富氧空氣，孔口下的持定氧長 槍，及貫穿爐安裝氧燃料燃燒器。這些技術由於因為位置 及關心爐過熱的爐内溫度限制，一般在產能上都受到限 制。 復熱式爐使用至少一個復熱室型熱交換器。不像蓄熱 室，復熱室係連續式的熱並行流熱交換器，由排氣預熱用 導管送至爐兩邊之個別空氣燃料燃燒器之燃燒空氣。復熱 式爐也可使用電助熔。與蓄熱式爐一樣，復熱室會開始失 去其預熱空氣的效率及能力。復熱室也會被堵塞或在分隔 燃燒空氣與排氣之壁之問發生漏氣。 為回復上述復熱室問題所損失的產能或為提高生產，氧 曾以三種方式使用：一般的富氧空氣，孔口下的特定氧長 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)

564243 A7 B7 搶’及貫穿爐胸壁安裝氧燃料燃燒器。這些技術由於因為 燃燒器位置限制及關心爐過熱，一般在產能上受到限制。 直接燒火爐並不使用預熱空氣，而因此其效率較前述爐 設計實例為差。為改良熱效率或提高產能，曾用侧壁氧燃 料燃燒器代替空氣燃料燃燒器。 包爐或大部份之熔解使用電之爐一般操作起來所費不 貨’且運轉週期壽命較典型化石燃料燒火之爐為短。一旦 設計完成’便很難提高產能。本發明係有關於本工業上通 系所稱之熱頂及暖頂電爐，並不適用於冷頂爐。 美國專利第5，139,558號（頒予Lauwers)揭示在玻璃熔爐 中使用水冷式高動量頂置式輔助氧燒火燃燒器，其係以一 角度對向玻璃流動方向之上游以對向已熔解及固體玻璃形 成材料之界面，藉以機械式地擋住固體玻璃形成材料，可 防止其逃離溶解區。 美國專利第3,337,324號（頒予Cable)揭示一種利用安裝 成可實質向下對水冷式爐之加料端燒火之燃燒器在玻璃爐 内溶解配料之方法。 、在過去，玻璃工業曾考慮過頂置式燃燒器，但都被漠 視。”咸認為頂置式燃燒器之熱釋出大太，會造成爐冠（頂） ’么解此外，燃燒器所產生的高動量火焰會將配料吹向各 處傷害爐壁並在玻璃熔體表面產生氣泡層（通稱為泡 沫）。 =近，有人提議在有耐火磚内襯之玻璃熔爐内安裝頂置 式氧燃料燃燒器。這些燃燒器係以與玻璃形成材料之表面

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成大於45度之角度及控制之速度向下對向玻璃形成材 料’俾不致將鬆散之配料運送到爐大氣中；同時進一步加 以控制以使得一般柱狀的燃料及氧氣流在破璃形成材料之 上表面附近燃燒，以產生撞及玻璃形成原料表面之火焰。 這可使傳輸至玻璃之熱量明顯增加，而同時維持耐火磚溫 度於安全操作範圍内並避免爐頂及壁過熱。這種利用頂置 式燃燒器（非分級式）作為無蓄熱室或復熱室玻璃熔爐之主 要熱源的技術方法，己說明於美國專利申請案 08/992，136(LeBlanc提出申請）中，其以如同全部書明於下 併於此以供參考。 具有整體分級之氧燒料燃燒器之設計己揭示於美國專利 第5,458,483號（頒予Taylor)。然而，其並未涵蓋頂置式形 態之使用。 有需要在以玻璃熔爐頂安裝之至少一氧燃料燃燒器操作 以改良熱傳輸及/或低氮氧化物排放之具體例中提供燃燒 分級之方法。 發明概述 本發明係有關於1 0 0 %氧燃料玻璃爐，及用或不用蓄熱 室或復熱室熱回收裝置及/或富氧之空氣-燃料爐之氧燃料 助熔二者。因此，本發明係有關於現有玻璃爐及新設計特 定用途玻璃爐之改良。 -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x 297公釐)

裝 訂

線 564243 A7 - —_ B7 五、發明説明（β ) 6 7 根據本發明，各種設計的玻璃熔爐都可使用至少一固定 在原配料上方之頂置式氧燃料燃燒器在配料進入爐内時f 助溶解’以改良熔解速度及改良玻璃品質及/或玻璃產 率。由於這些燃燒器之設計及定位所產生的玻璃熔解速度 及產率的增加，視爐狀況及型式而定，可達成以下至少一 或多項：增加產量，改良玻璃品質，減少電助熔，回復因 無效熱回收（即，堵塞之蓄熱室）所損失的產量，取代爐内 大氣之富氧降低氧之用量，取代氧長槍降低氧之用量，取 代通過玻璃爐壁之傳統氧燃料燃燒器降低氧之用量，降低 爐上部結構之溫度，增長爐運轉週期壽命，改良能源效 率，降低氮氧化物及硫氧化物之排放，降低化石燃料之用 量，降低回收玻璃碎量，控制出口玻璃溫度及增加產品玻 璃產率。 本發明可應用於以下各型爐。本發明在熱頂電爐應用 時，爐頂將安裝至少一氧燃料燃燒器。本發明在交叉燒火 畜熱式爐應用時，有時也許需將至少一對相對的孔口完全 或部份堵住或隔離。本發明在尾端燒火蓄熱式爐應用時， 爐頂將安裝至少-氧燃料燃燒器及燃燒空氣流量將減少原 始設計最大流量之一部份。本發明在全部復熱式爐應用 時，爐頂將安裝至少-氧燃料燦燒器。在多燃燒器爐時， 頂置式燃燒器附近之壁置式燃燒器都必須移走並斷絕空氣 供應。在單燃燒器或單孔口應用時，燃燒空氣流量將減少 原始設計最大流量之一部份。 本發明在全部直接燒火爐應用時，爐頂將安裝至少一氧 -9 - 1 紙張尺度適用中國國家標準(CNS) 297公^了------

564243 A7 ___— ____B7 五、發明説明（7 ) t:料燃燒备。在多燃燒器爐時，頂置式燃燒器附近之壁置 式燃燒器都必須移走並中斷空氣供應。在單燃燒器或單孔 口應用時，燃燒空氣流量將減少原始設計最大流量之一部 份。 产在以上全部情形中，本發明之範圍有效相同：先前以空 氣-燃料或氧燃料包括但不排除利用電助熔或習知氧助熔 方法之爐進行之玻璃熔解，係以固定在進入爐中原配料上 方之頂置式氧燃料燃燒器替代以改良熔解速度及/或改良 玻璃品質及/或玻璃產率。由於能將這些燃燒器固定在特 疋位置，故可達成使傳輸至未熔解原配料之熱量增加。 在全邵情形，至少一頂置式氧燃料燃燒器可定位在進入 爐中之原配料上方以改良熔解速度及改良玻璃品質；而在 全部多孔口及多燃燒器空氣_燃料應用時，至少一對之孔 口或一對之燃燒器須隔絕。在全部單孔口及單燃燒器應用 時’燃燒空軋及燃料都降至最大設計量以下一部份。更有 效的頂置式燃燒器可提供能量以代替自製程所移走的習用 能量及達成所要製程需求所需的額外能量。燃燒器之定位 於進入爐中之原配料上方可改良熔解速度。頂置式燃燒器 及剩下2氣-燃料燃燒器之化學計量氧與燃料比及流動特 徵可掛以控制以使玻璃爐之氧化亞氮及二氧仁硫之排放降 至最少。 本發明之進一步具體例係有關於使用至少一固定於玻璃 熔爐頂、利用内或外燃嬈分級之氧燃料燃燒器。此一具體 例適用於1 0 0 °/。氧-燃料燒火之爐及藉電或非氧-燃料（如空 -10- 本紙張尺度適用中國國豕標準(CMS) A4規格(210X297公釐) 564243 A7 B7 五、發明説明（8 ) 氣-燃料燃燒器）方法加熱之爐。應用在氧-燃料燒火爐時 可提供增加的熔解速度，導致至少玻璃品質，玻璃產能及 每單位玻璃產出能源效率（藉由減少化石燃料或電助熔）之 一獲得改良。本發明應用在非氧-燃料爐時容許吾人改良 玻璃品質，及增進產能或在降低電助熔或儘管現有熱回收 設備已變壞時維持現有產能。在後裝安裝（retrofit installations )時，此一過程包括以通過位於爐頂具有整體 或外燃燒分級之至少一氧燃料燃燒器之氧燃料能量補充或 代替一部份之現有或先前既有之氧-燃料、空氣-燃料或電 能量。 在新玻璃爐安裝時，本發明容許使用1 0 0 %氧燃料燃燒 器，包括燃燒係整體或外分級之至少一頂置式氧燃料燃燒 器。視需要而定，全部燃燒器都係頂置式。 訂

線 因此，本發明提供一種在玻璃熔爐内熔解玻璃形成材料 之方法，該爐具有連接至頂之後壁、邊壁上方之胸壁及下 游前壁，其中至少後壁及壁牆之一包括至少一用於加入玻 璃形成配料之配料加料機，包含： 在該爐之頂、該配料上方提供至少一氧燃料燃燒器，其 中該至少一氧燃料燃燒器適用於分級燃燒； 提供該至少一氧燃料燃燒器燃料流； 隨同該至少一氧燃料燃燒器提供氣體氧化劑流； 隨同該至少將燃料及氧化劑喷入爐内；及 將自該至少一氧燃料燃燒器噴出之燃料燃燒，使得至少 一部份之燃燒係在該玻璃形成材料之附件進行以增強對流 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 564243 A7 B7 五、發明説明（。） 及輻射熱傳輸至該玻璃形成材料而實質不攪亂該破璃形成 材料。 在一具體例中，本發明提供一種在玻璃熔爐内熔解玻璃 形成材料之方法，該爐具有連接至頂之後壁、邊壁上方之 胸壁及下游前壁，其中至少後壁及邊壁之一包括至少一用 於加入玻璃形成配料之配料加料機，包含： 在該爐之頂、該配料上方提供至少一氧燃料燃燒器； 提供該至少一氧燃料燃燒器液體燃料流； 隨同該至少一氧燃料燃燒器提供氣體氧化劑流； 將燃料及氣體氧化劑噴入爐内；及 將該燃料燃燒。 在此一具體例中，該一氧燃料燃燒器可適合於分級燃 燒，包括 將自該至少一氧燃料燃燒器噴出之燃料燃燒，使得至少 一部份之燃燒係在該玻璃形成材料之附件進行以增強對流 及輻射熱傳輸至該玻璃形成材料而實質不攪亂該玻璃形成 材料。 、在另一具體例中，本發明提供一種在玻璃熔爐内熔解玻 璃形成材料之方法，該爐具有連接至頂之後壁、邊壁上方 之胸壁及下游端前壁，其中至少後壁及邊壁之一包括至少 一用於加入玻璃形成配料之配料加料機，包含： 在該爐之頂、該配料上方提供至少一氧燃料燃燒器，其 中該至少一氧燃料燃燒器適合於燃料分級燃燒且包含至少 外氧化劑噴射器及二内燃料噴射器，最内燃料噴射器適 _____ · 12- I紙張尺度制中® ®家標準(CNS) A4規格m〇X297公釐) ' ----- 564243 A7

:ϋ高繼喷射而配置在最内燃料喷射器與外氧化劑嘴 射：《間的另-燃料噴射器則適合於較低速燃料噴射；、 才疋供该至少一氧燃料燃燒器败拉 ^ , + 、虼斋燃枓泥，其中通過最内燃料 贺射器之燃料流具有較通過另一漱 、 、 、力燃枓貧射态足燃料流為高 <動量； 提供外氧化射射H氣體氧化劑流，該氣㈣化劑流具 有較通過最内燃料喷射器之燃料流為高之動量； 將自至少該-氧燃料燃燒器噴出之燃料燃燒，使得至少 一部份之燃燒係在該纟璃形成材料之附件進行以增強對流 及輕射錢輸至該玻璃形成材料而實質不㈣該玻璃形成 材料。 在另一具體例中，本發明提供一種包含至少一外氧化劑 噴射器及二内燃料噴射器之氧燃料燃燒器，該最内燃料噴 射器適用於高速燃料噴射而另一燃料噴射器則適用於較低 速燃料噴射。 在又一具體例中，本發明提供一種在具有蓄熱室、復熱 室及/或電助溶之玻璃爐内溶解配料之方法，該爐具有邊 壁、後壁、前壁及頂，包含： 在該爐之頂、该配料之上方提供至少一燃燒器； 提供該至少一燃燒器氣體氧化劑流； 提供該至少一燃燒器氣體燃料流； 自至少該一燃燒器產生火焰，該火焰具有足以使自該火 焰傳輸至該配料之熱I達到最大而實質不揽亂該配料之速 度，及 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) 564243 A7 B7 五、發明説明（彳彳） 自該爐頂之至少一氧嘴射器提供額外氧以在該配料之表 面或附近完成燃燒。 圖式之簡要說明 本發明之進一步特徵及其他目的及優點，自以下參照附 圖之詳細說明將很明白，附圖中： 圖1係根據本發明之破璃熔爐之縱剖面圖。 圖2 A係圖1玻璃熔爐沿線2 - 2之交叉燒火蓄熱式具體例 之平副面圖。 圖2 B係圖1玻璃熔爐沿線2 - 2之尾端燒火蓄熱式具體例 之平剖面圖。 圖2 C係圖1玻璃溶爐沿線2 · 2之交又燒火復熱式具體例 之平剖面區。 圖2 D係圖1玻璃溶爐沿線2 - 2之尾端燒火復熱式具體例 之平剖面圖。 圖2 E係圖1玻璃熔爐沿線2 - 2之單元溶解爐具體例之平 剖面圖。 圖3係圖1玻璃熔爐沿線3 - 3之剖面圖，顯示鄰近爐上游 端壁之二氧燃料燃燒器。 圖4係圖1玻璃溶爐沿線3 - 3之替代剖面圖，顯示鄰近爐 上游端壁之一氧燃料燃燒器。 圖5係乳燃料燃燒器之剖面圖及氧燃燒器喷出之燃燒器 火焰之概略表示圖。 圖ό係具有整體分級燃燒之頂置式氧燃料燃燒器之玻璃 熔爐之側剖面圖。 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X 297公釐) 564243 A7 B7 五、發明説明（12 ) 圖7係頂置式氧燃料燃燒器與相關外燃燒分級裝置之側 剖面圖。 圖8係具有頂置式氧燃料燃燒器群，以不同化學計量比 操作以達到燃燒器問分級之玻爐熔爐之概略平面圖。 圖9係具有頂置式氧燃料燃燒器及用於經由熔體提供分 級氧至玻璃配料表面之相關氧發泡器之玻爐熔爐之側剖面 圖。 圖1 0係具有本發明分級氧噴射器之頂置式氧-油燃燒器 之側剖面圖。 圖1 1係燃料分級氧-燃料燃燒器之概略切開圖。 圖式元件符號說明 符號 意義 2 平剖面圖（圖2) 3 平剖面圖（圖3) 10 玻璃熔爐 12 玻璃前爐或淨化室 14 上游端壁 16 下游端壁 18 側壁 20 地板 22 頂 24 發泡器 26 撞擊區 27 熔解區 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 564243 A7 B7 五、發明説明（ 13 ) 28 下游淨化區 30 玻璃形成原料(配料） 32 加料裝置 34 氧燃料燃燒器 36 火焰 38 燃燒器座 40 燃料導管 42 氧導管 54 自由噴射區 56 停滯區 58 壁喷射區 60 額外氧喷射器 71 相對孔口 73 空氣-燃料-燃燒器 74 燃燒器 81 蓄熱室 82 復熱室 103 整體分級燃燒器 104 玻璃流動 105 頂置式氧燃料燃燒器 107 地板 108 氧發泡器 110 玻璃熔爐 111 頂 -16· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210x 297公釐) 564243 A7 B7 五、發明説明（14 ) 112 氧噴射器 121 燃燒器座 122 燃燒器 130 原配料 131 玻璃 133 一級氧燃燒器 134 二級燃燒氧 136 噴嘴 137 油流 138 霧化介質 139 入口 140 出订 141 燃燒氧 142 中央高壓燃料噴射 143 燃料 145 燃料 146 氧進料 147 第一燃料進料 148 第二燃料進料 150 氧燃料燃燒器 151 管壁 152 管壁 153 管壁 161 上游頂置式氧燃料燃燒器 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 564243 五 A7 B7 、發明説明（ 15 ) 162 後燃燒器 2， 2吋 AL 位置 AR 位置 BC 位置 D2 在二分之一(1/2)距離’’1/2H”之火焰直徑 Η 自燃燒座之底部至玻璃形成原料表面之頂部之距 id 内徑 LBd 距離 發明之詳細說明 在欲使用本發明之玻璃爐中，典型之燃燒器會將特定燃 料與氧化劑比之燃料與空氣或氧之混合物排出以產生可燃 燒混合物。一旦點燃，此一可燃燒混合物即會燃燒產生用 以加熱及熔解玻璃配料之火焰。本發明之方法與習知化石 燃料燒火之空氣燃料及氧燃料爐所用方法不同；在習知化 石燃料燒火之空氣燃料及氧燃料爐中，熱傳輸主要係由爐 壁及頂直接輻射及由火焰直接輻射而進行。使用至少一頂 置式氧燃料燃燒器之方法，除輻射熱傳輸分量外，還由於 反應中間物種如一氧化碳、氫及經基之撞擊及最後反應成 為穩定之燃燒產物如玻璃配料表面之二氧化碳及水蒸氣而 提供顯著的對流熱傳輸。這種熱傳輸係在氧燃料燃燒器整 體（燃燒器座内）或外分級以延遲一部份之燃燒，從而降低 火焰溫度及輻射熱損失，直至到達玻璃表面為止時而增 強。因此，傳輸至爐上部結構之熱即減少。 -18- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 564243 A7 B7 五、發明説明（16 ) 適當之燃燒用燃料包括，但不限於，甲烷、天然氣、液 化天然氣、丙烷、液化丙烷氣、丁烷、低BTU氣體如城市 瓦斯、水煤氣或類似物、蒸發或霧化油、煤油或柴油、或 其混合物，室溫或預熱形態。較佳氧化劑包括含多於2 〇 · 9 體積％氧至約8 0體積％，較佳多於5 0體積％氧之富氧空 氣，如過瀘、吸收、隔膜分離或類似法製得者；如藉真空 交換吸附方法所產生且含有約8 0體積％至約9 5體積％氧之 非純氧；及含約9 0體積％至約1 〇 〇體積％氧之”工業，，純 氧’如冷;東空氣为離工廢所產生者。氧化劑可以室溫或預 熱形態引入。燃料及氧化劑一般都係經由燃燒器總成引入 爐中。 燃燒器總成一般包括形成包括具有入口及出口之火培室 之燃燒器座，用於將燃料排入燃燒器座中所形成之火焰室 之燃燒器構件及用於將氧排入火焰室之構件。在操作時， 排出之氧即與火焰室内排出燃燒器構件所提供之燃料混 合。此一可煤燒之燃料與氧混合物可經點燃以界定具有火 焰室内根部及火焰室外端部之火焰。若欲使用之燃燒器總 成包含供二級燃燒用之”内分級”燃燒器，則燃燒器座可^ 步包括用於導引氧氣至火焰室外，如至火焰室出口週圍 (氧排出口 <繞迢構件。操作時，氧氣可通過燃燒器座内 所形成之繞道構件至氧氣排出口，並自燃燒器座噴入含有 一邵份火焰且在爐内火焰室外之下游，，第二級，，區域，以 玻璃配料加熱或熔解。 、 在某些較佳具體例中，整體分級燃燒器座係由耐火材料 -19 -

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製成且包括形成包括火焰室入口及入口周圍之眾多氧氣進 入口之外壁。燃燒器座也包括作成位於爐内且作成包括火 絡▲入口及入口周圍之眾多氧氣進入口之爐壁。在另類具 體例中，如以下所述可在燃燒器座外提供一或多個氧化劑 進入構件，以能在爐内進行分級燃燒。 财火燃燒為座之適當材料包括，但不限於，氧化碎、舍 鋁紅柱石、氧化錘（Zr〇2)、熔鑄氧化鋁-氧化锆，氧化矽 (AZS)、再燒結AZS或燒結氧化鋁（A12〇3)。選用之特定材 料邵份係由玻璃爐内欲熔解之玻璃種類來決定。 有人建議在玻璃爐燃燒器使用分級燃燒，如自燃燒器將 富燃料之氧燃料噴入爐内並藉由燃燒器座外部之構件將額 外氧噴入以在離開燃燒器出口提供完全燃燒。在頂置式燃 燒器之情形時，完全燃燒較佳在原配料表面之附近發生了 額外氧氣噴射器較佳定位在可將完全燃燒延遲至火焰撞及 配料表面後。額外噴射器之位置端視所要燃燒器操作條 件，及燃燒器位置及數量而定。根據本發明，外分級燃燒 較佳係由安裝在爐頂之至少一氧氣噴射器構件提供，雖然 氧氣噴射器可安置在任何位置以獲得所要延遲燃燒效果。 根據本發明，該至少一氧燃料燃燒器較佳係在爐頂中定 j在原配料（及視情況玻璃碎）上方並對向配料表面。燃燒 器可儘可能靠近最冷配料所在之配料加料機、靠近加入玻 璃形成材料之爐後壁安裝，以由於較高熱差而獲得快速嫁 解。習决口空氣燃料或氧燃料燃燒器可遍過頂置式燃燒器下 游之爐壁安裝，以提供淨化區並確保反應物完全燃燒。或 •20- 本紙張尺度適财關家標準(CNS) A4規格(靜297公@ 564243 A7 B7 五、發明説明（18 ) 者，氧燃料頂置式燃燒器可在配料加料機下游靠近爐下游 端壁，亦即爐之前壁，提供熱傳輸。 根據本發明，頂置式氧燃料燃燒器是成功的，因為一部 份的燃燒係在玻璃熔解室之配料表面發生，此會將對流熱 傳輸加到傳統輕射熱傳輸上。再者，根據本發明之較佳具 體例，附有整體或外分級燃燒之頂置式氧燃料燃燒器之使 用會延遲氧及燃料之混合以喷出遠離爐頂之燃燒區。這將 使更多之燃燒侷限於玻璃原配料或熔融料之表面上以增加 對流熱及輻射熱傳輸。高溫火焰遠離爐頂可避免破壞結 構，而更接近玻璃可促進熱傳輸。一項額外優點為本發明 之頂置式分級燃燒具體例可使本方法在具有較高爐頂之爐 構造中使用。延遲係由將二氣體流（惟氧/惟燃料，或貧燃 料/富燃料混合物）以充分量分流，及在一具體例中，係由 將彼等以一定角度對向彼此以使彼等之流動中心線匯聚在 配料或溶體表面而產生。 氧氣/天然氣燃燒器，當天然氣為甲烷及氧化劑為純氧 時，係以化學計量比2 : 1操作。習知錐形火焰氧氣/氣體 燃燒器係使用同心管，其管構造為有内管供應氣體及外管 供應氧。於是，火焰長度即變成為二氣體流之速度及二氣 體流間之相對速度差之函數；此相對速度差將影響二氣體 流間之界面的混合速度而因此燃燒速度。由於二氣體流都 會在彼等從管冒出時膨脹，故彼等會立即開始混合並在非 常靠近燃燒器之排出點開始燃燒。 本發明可將二流（燃料及氧化劑）分離成二或更多分開氣 -21 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 564243 A7 B7 五、發明説明（19 ) 流。在一具體例中，燃料氣體流可僅以氣態燃料成以低於 氧之化學計量比之同心管燃燒器使用。完全燃燒所需之剩 餘氧，視情況高達所需氧之1 〇 〇 %，係經由遠離氣體管之 一或多支額外管引入；此額外管遠到使二氣體流直到已行 進相當距離至目標玻璃材料表面才會混合。將二氣體流分 開之角度可低到0度（平行），或若經由爐壁嘴入時可高到 9 0度及若自熔體表面以下發泡時可高達1 8 0度，祇要在燃 燒器排出點外發生混合即可。 如上所述，本發明方法之一優點為在遠離目標，亦即由 爐頂至玻璃材料表有較大距離，操作頂置式燃燒器之能 力。此容許頂置式燃燒器在既存爐設計中操作，其爐頂目 前在非分級頂置式燃燒器時離開配料太遠而不能獲得任何 明顯的對流傳輸速度。 請參閱各圖式，其所示為用於提供熔融坡璃至玻璃前爐 或淨化室1 2之玻璃溶爐1 〇 ;溶融玻璃在前爐或淨化室中 進一步淨化並隨後途至一或多個玻璃成形機，奶製容器 機、抽拉纖維機、浮式浴及類似者（未示出）。在考慮這些 圖式時，應了解為了清晰起見，並未提供某些構造細節， 因為此等細節係習知者且在本發明一經揭示及解釋後熟諳 本技藝者所熟知者。特定項目排除蓄熱室孔口、空氧·燃 料燃燒器及煙道，因為這些在每一種爐均不同。 破璃熔爐10 —般包括長形槽，其具有上游端壁14及下 游端壁16、側壁18、地板20及頂22，全部由適當耐火材 料如氧化銘、氧化矽、氧化銘-氧化矽、氧化結、氧化結- -22- 巾國國家標準(CNS) M規格(21G x 297公复）------- 564243 A7

氧化鋁氧化矽、氧化鉻及類似物製成。頂2 2 —般所示為 具有橫越槽縱長軸拱起之形狀，但頂可為大部份任何適當 設計。典型玻璃熔爐1〇之頂22係安裝在玻璃形成原料上 方、、々3-1 5呎之位置。如本技藝所熟知，玻璃熔爐丨〇可視情 況I括或^個發泡器2 4及/或一或多對電助熔電極（未示 出）。發泡器及/或電助熔電極可提高整體玻璃之溫度並可 增加配料覆蓋下熔融玻璃之循環。 玻璃熔爐1 0包括二個連續區域，熔解區2 7及下游淨化 區2 8。熔解區2 7被認為是玻璃熔爐丨〇之上游區，其中玻 璃形成原料係利用本技藝所熟知類型之加料裝置W加入 =中。玻璃形成原料3 〇可為玻璃製造一般所用原料之混 合物。應了解，破璃形成原料（配料）之組成係視所製造玻 璃之種類而定。正常而言，原料包含，除別的外，含氧化 夕材料匕括通稱為玻璃碎之廢玻璃。其他玻璃形成材料包 括，但不限於，長石、霞石正長石、石灰石、白雲石、純 鹼、碳酸鉀、硼砂、高嶺土及氧化鋁也都可使用。為改變 玻璃之性質，也可加入少量的砷、銻、硫酸鹽、亞硫化 物又氟化物及/其他成分。而且，為了特殊用途玻 堝，可加入鋇、鳃、錐及鉛之氧化物，及可加其他形成顏 色之金屬氧化物以獲得所要顏色。 玻璃形成原料30會在玻璃熔爐10之熔解區27中之溶融 玻璃表面上形成一固體顆粒配料層。玻璃形成原料3 〇之 /示浮固體配料顆粒主要係由安裝在玻璃熔爐1 〇頂2 2内具 有控制之撞擊火焰形狀及長度之至少一氧燃料燃燒器3 4 __ -23- 本紙張尺i適用fii^(CNS) A4規格(21〇><297公董)--—-- 五、發明説明（21 所溶解。應了解，頃萨 22 Λ ^ ^ " 據本聲明在玻璃熔爐1 0頂 :'=，3°上方安裝及正確控制至少-氧燃 行U k斋3 4可提鬲固體玻璃形 時維持周圍耐火材料之操作、、w ^ 谷解k度，而同 ,4於可接受操作界限内。 =此處所用，，’至少—氧燃料燃燒器語係 支氧燃料燃燒器。又如此處所 ’、 /夕 浐入報《、眭抑4 、 所渭1 〇〇%氧燃料係意 二:二 合使用氧或富氧空氣，而非單獨空氣， 作為乳化劑。再者，如此處所用，"主要由至少一氧 Ϊ燒器"―語，在後裝安裝時，係指增加或回復之玻璃產 形成原料之替代空氣燃料及/或電/氧助 ⑽里係末自土 y —氧燃料燃燒器之情況。在一特別具體 例中，如圖1及2 A所示，玻璃炫炉 抑士产 圾璃熔爐10包括三支氧燃料燃 疋為34。一早支氧燃料燃燒器34係定位在二相鄰定位之 下游氧燃料燃燒器34之上游。然而，應了解，可她〇 頂22(幾乎任何適當位置於配料上方安裝任何數量之氧 燃料燃燒器34，以炫解玻璃形成原料3〇。例如， 燃料燃燒器34可如圖3所示以並置關係安裝，或單支氧取 料燃燒器可如圖4所示使用。雖然如此，根據本發明，玻 墒熔爐頂22中每支氧燃料燃燒器34之角度定位可使得所 產生的火焰3 6實質垂直對向玻璃配料表面，以產生撞擊 玻璃表面而形成撞擊區26之火培。在較佳具體例中，氧 燃料燃燒器3 4係以與玻璃形成原料3 〇成約9 〇度之角度實 質垂直一於配料定位。該角度在某些具體例中可在下游= (即，前壁）之方向偏離垂直達45度，但較佳少於1〇度。 22 564243 五、發明説明（ 煤 械 已發現，玻璃生產速度及所生產玻璃之品質可藉由使 據本發明具有經控制之撞擊火培形狀及長度之向 氧燃料燃燒器34熔解破璃形成原料30而改良。疋 該至少-氧燃料燃燒器需要燃料及氧化劑。燃 態或液體’或兩者之组合。氣態燃料包括以上所列，以及 上述氣體之掺混物。液體燃料包括重、中及輕燃科油、 油及柴油。液體燃料需經露仆 、 饤而、、工務化及/或蒸發。霧化可用機本 万式或二，人格化介質，包括空氣、蒸汽、^、任何 態燃料及在有些情形惰性氣體進行。蒸發係依賴周圍燃炎 氣體產物之熱量來蒸發油。氧化劑可為如上所述1〇嶋 氧或具氧濃度較隹為5〇·1〇〇%之氧與惰性氣體之換混物Ο: J青參閱圖5，坡璃熔爐1〇頂22内之該至少一氧燃料㈣ 器3〃4具有至少一個提供燃料之燃料導管4〇及至少一個相 供氧氣流之氧導管42。氧燃料燃燒器34，視破璃熔爐ι( <大小及所要拉製速度而定，可具有容量自約〇·5至約[ 時。氧燃料燃燒器34係設計成可使用比空氣中所 存在更高百分比之氧，而因此氧燃料燃燒器34之火焰h 撞擊之區域上方的溫度實質上較利用空氣燃料之習知玻璃 熔$為高。儘管如此，如熟諳本技藝者所熟知，氧燃料燃 燒器34所賦予火焰36之溫度係视燃料之品質及氧/燃料比 而定。在較佳具體例中，氧燃料燃燒器34之氧濃度一般 係在燃燒燃料所需化學計量之氧量之約95_125%水準。然 而，燃料與氧之比可改變以在玻璃熔爐i 〇内產生一定範 圍之操作條件，以實現-或多種所要性質，包括例如氧化巳 564243

還原程度、玻璃顏色、商業上稱為小氣泡及大氣泡之氣泡 及其他玻璃性質。

裝 氧燃料燃燒器3 4係從位於玻璃熔爐丨〇頂2 2之燃燒器座 3—8向下伸入。每一主燃燒器座38包括一開口，視=型而 足，其内徑（id)與最大導管42或40之外徑至少一樣大。 燃燒器座38之開口之内徑（id)可自約2至8吋。氧燃料燃 燒器3 4 —緞燃燒區之末端離燃燒器座3 8 約。至則之距離（通）。二級及在有些情心二= 係在燃燒器座38之外。應了解，氧燃料燃燒器34末端與 燃燒器座3 8末端之問的燃燒器座3 8之開口，在有些情 形，可用於燃燒器火焰對焦及防止燃燒器火焰向外擴散， 進而保護燃燒器導管。燃燒器座3 8係如本技藝所熟知由 耐火材料製成，且可製成大部份任何適當外形，如長方米 等。 ’ 訂

線 燃燒器座38之底表面可與頂22之内表面齊平，或底表 面可突出至頂内表面以下一段約2吋之距離以保護燃燒器 座3 8及相鄰爐頂耐火磚免受損。再者，如圖$所示，氧總 料燃燒器3 4之燃料導管40及氧氣導管42在然燒器座3 8之 内向下延伸並在距燃燒器座;38之出口實質相同之垂直高 度或完全不同之垂直高度終止。 視燃燒器座3 8距配料之高度及所要燃燒器操作條件而 定’燃燒器座3 8内及外之燃料分緞及氧分級之比率將變 化愈大。額外氧噴射器6 0係定位在可將完全燃燒延遲直 至火焰已撞擊原配料之後。這些額外氧噴射器6 0之位置

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係 壁 視頂置式燃燒器之數吾芬p $二a , 、 致！及位置而疋，但彼等可位於頂及 之實際上任何一點。 、、根據本發明，該至少—氧燃料燃燒器3 4所產生的向下對 準的扣擊火焰3 6係經精確控制，以產生大於或等於燃燒 益厘38出口至玻璃形成原料3〇之表面或熔融玻璃之表面 <距離且遠離周S耐火_之火⑬長度，因而降低玻璃嫁爐 1〇頂22及側壁18過熱之危險。撞擊火培36可藉諸如化學 處理習知及標準之控制裝置加以控制。例如，閥、熱電 偶與適當伺服迴路偶合之熱阻器、加熱器控制器及類似 物都t易可獲得，且習慣上用於控制氧燃料燃燒器以之 燃料及氧之量及速度。 撞擊火焰3 6係藉控制該至少一氧燃料燃燒器3 4之燃料 及氧氣流之相對速度與最高及最低速度而精確控制。 撞擊玻璃形成原料3 〇表面之燃料及氧氣流之最高及最低 速度必須加以控制以防止配料被攪亂及配料被夾帶或移向 爐 < 邊壁1 8及頂2 2，而同時維持對玻璃形成原料之表面 <最適對流熱傳輸。應了解，玻璃配料移向邊壁1 8及頂 2 2對耐火碑材料會有不良影響且可能縮短玻璃熔爐1 〇之 壽命。 為了決定燃料及氧氣流之正確最高速度，特將燃燒器垂 直安裝並向下燒火至整面做成凹溝之玻璃砂床上。一邊調 整燃燒器距砂不同高度及燃燒器回縮進入燃燒器座 (LBb )， 一邊記錄看出砂移動之燒火速度。將這些試驗所 得數據與市售計算流體動力模式所作模擬比較，因此在砂 ___ 晒 27- 本紙張尺度適用巾a國家鱗(CNs) ^規格(⑽〉<297公愛) 564243 A7 B7 五、發明説明（ 在上述試驗中會被攪亂之整個表面上方產生最高速度。 表1最大燃燒器燒火速度（MMBtu /小時） ____南度（叹） LBb 5呎 6呎 7呎 8呎 13 3.9 4.4 5.4 6.2 11.5 4.9 5.0 6.2 6.8 9 5.5 6.1 6.4 7.1 6.5 6.4 7.2 7.4 8.1 4 6.9 8.8 8.3 9.1 從這些試驗，最高表面速度經與C f D模式比較確定為約 21米/秒。由於配料、配料釉化及配料顆粒内聚變異之 故’正確最高會與以上計算之最高不同，因此熟諳本技藝 者應改變取咼速度至約2 5米/秒。然而，為使配料之攪亂 及夾帶降至最低，最高速度必須保持在3 〇米/秒以下。 氧燃料燃燒告3 4之燃料及氧之最高及最低速度亦經控制 以駕御撞擊火焰36之最大能量而不破壞周圍耐火材料。 撞擊火焰3 6之最大能量係藉使釋放至玻璃熔爐1 〇燃燒空 問之熱量減至最少及使傳輸至玻璃形成原料3 〇之熱量達 到最大而達成。氧燃料燃燒器3 4對玻璃形成原料3 〇產生 了接义熱傳輸速度而不破壞耐火材料爐壁及上部社構之可 用最高及最低速度範圍，係氧燃料燃燒器設計及位置、燃 燒器座開口形狀、氧燃料燃燒器3 4之燃料及氧之速产、 燃燒器分級、相鄰氧燃料燃燒器之交互作用、燃料燃燒器 及爐排氣之函數。 &"

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26564243 A7 B7 五、發明説明（ 停滞區5 6係火幻6穿透熱界限層並撞擊坡璃形成原料 30之表面之區域。在此區56内，纟焰冗穿透熱、 撞擊玻璃形成原料30之表面，在表面建立顯著壓力梯 度，加速轉向火…平流動，使火培沿被撞擊表面向外 徑向擴散。停滞區56之末端係定義為玻璃形成原料之表 面上撞擊火焰36所產生之壓力梯度降至零之位置。在此 停滯區56内，藉由謹慎控制火焰36之動量，自然存在於 玻璃形成原料30之表面之熱界限層即會被穿透並消除，、 而因此其強力熱阻特性即會減弱。因此，撞擊火焰以所 產生 < 熱量更容易穿透部份熔解之玻璃形成原料。再 者，在停滯區56内，火焰36光度明顯增高，而加強輻射 熱傳輸至相對較冷之玻璃形成原料3 〇中。 在停滯區56徑向界限處，壁噴射區58開始。在此區， 火焰3 6基本上與受撞擊表面平行且熱界限層沿撞擊表面 並自停滯區56向外成長，因此熱界限層開始建立，恢復 對流入玻璃形成原料表面之熱之表面阻力。 自由噴射區54中經控制之火焰熱產生係氧燃料燃燒器 34設計、、燃燒器座38開口之内徑(id)、及氧與燃料流之 相對速度及最高與最低速度二者之結果。藉由選擇地控制 氧燃料燃燒器34之設計、燃燒器座3 8之幾何設計及氧盥 燃料流之速度，即可在氧與氣體流之間產生降低之剪切應 力，而提供控制之部份燃燒及降低之熱輻射發射。應了 解，藉由使燃燒器設計及氧燃料燃燒器34操作最適化， 自由噴射區54中所產生的火焰熱及停滯區％原玻璃表面 -29- 本紙張尺度適财@ S家標準(CNS) A4規格(21〇 X 297公董） 修 裝 訂 線 564243

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之熱傳輸阻力即會降至最少，因而使停滞區所產生的熱達 到最大。 自由喷射區5 4所產生的熱係以下過程的結果。首先，自 由噴射區54之經控制部份燃燒容許在玻璃形成原料“表 面進行控制之燃燒，因而將燃燒過程帶到破璃形成原料表 面之附近。將燃燒過程帶到玻璃形成原料3〇表面之附近 會在玻璃形成原料之表面產生升高的溫度梯度，因而改良 對流熱傳輸。其次，自由噴射區54之經控制部份燃燒會 產生可供燃燒氣體及燃燒產物化學離解之可接受溫度。這 些離解之物種·，一旦撞擊相對較冷之玻璃形成原料”之 表面即會部份再化合放出熱量，而在玻璃形成原料之表 面產生顯著的熱量。放熱反應所產生的熱量將進一步增強 對流熱傳輸過程。玻璃形成原料3 0表面停滯區5 6之熱阻 之最小化係以下因素之結果。 首先’熱界限層係經由控制之火焰3 6動量以及謹慎控制 义玻璃形成原料3 0表面之燃燒特徵所產生的湍流而消 除。其次，局部化之表面熱量產生可將低熱傳導之破璃形 成原料30轉變成為明顯較會傳導之熔融玻璃料。此一轉 邊可讓表面所產生的熱量更有效地穿透玻璃形成原料深 度。 t 在圖2 A具有蓄熱室8丨之交叉燒火蓄熱式爐中，本發明 之較佳具體例使用至少一安裝在進入爐中之原配料上方之 頂置式燃燒器3 4，以改良熔解速度及品質以回復或增加 產能或降低電助熔能量。頂置式燃燒器3 4會在撞擊區域 -30- 564243 A7 ____ B7 五、發明説明 1"""28~) "~~'~~' 26撞擊配料30之表面。在本發明之全部交叉燒火蓄熱式 爐應用中’至少-對相對之孔口 7 i將完全或部份堵住或 隔絕。這通常將是第-孔π，也許是第：孔口，視所需助 熔之量而定。可沿玻璃槽下方設置額外頂置式燃燒器，設 若有頂置式燃燒益安裝在未熔解配料上方。頂置式燃燒器 所傳輸之能量可取代自先前燒火孔口、移除之習用電或氧 助熔所移除之能量。 在圖2B具有蓄熱室81之尾端燒火蓄熱式爐中，本發明 之較佳具體例使用至少一安裝在進入爐中之原配料上方之 頂置式燃燒器34 ’以改良溶解速度及品質以回復或增加 產能或降低電助熔能量。在本發明之全部尾端燒火蓄熱式 爐應用中，燃燒空氣及習知燃料需求將較先前設計降低， 並以至少一支安裝在原配料上方且在撞擊區域2 6撞擊配 料之頂置式燃燒器3 4之能量代替。可沿玻璃槽下方設置 額外頂置式燃燒器，設若有頂置式燃燒器安裝在未熔解配 料上方。頂置式·燃燒器所傳輸之能量可取代燒火孔口、 移除之習用電或氧助熔所降低之能量。 在圖2 C具有復熱室8 2之交叉燒火復熱式爐中，本發明 之較佳具體例使用至少一安裝在進入爐中之原配料上方之 頂置式燃燒器3 4，以改良溶解速度及品質以回復或增加 產此或降低電助溶能量。在本發明之全部交叉燒火復熱式 爐應用中，至少一對相對之燃燒器73將利用堵塞物74完 全或部伤堵住或隔絕。這通常將是第一區之燃燒器，也許 是第二區，視所需助熔量而定。可沿破璃槽下方設置額外 -31 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 564243 A7 B7 五、發明説明（29 ) 頂置式燃燒器，設若有頂置式燃燒器安裝在未熔解配料上 方。頂置式燃燒器所傳輸之能量可取代自先前燒火孔口、 移除之習用電或氧助熔所移除之能量。 在圖2 D具有復熱室8 2之尾端燒火蓄熱式爐中，本發明 之較佳具體例使用至少一安裝在進入爐中之原配料上方之 頂置式燃燒器3 4，以改良熔解速度及品質以回復或增加 產能或降低電助熔能量。在本發明之全部尾端燒火復熱式 爐應用中，燃燒空氣及習知燃料需求將較先前設計降低， 並以安裝在原配料上方之至少一頂置式燃燒器3 4之能量 代替。可沿玻璃槽下方設置額外頂置式燃燒器，設若有頂 置式燃燒器安裝在未熔解配料上方。頂置式燃燒器所傳輸 之能量可取代燒火孔口、移除之習用電或氧助熔所降低之 能量。 在圖2 E之直接燒火爐中，本發明之較佳具體例使用至少 一安裝在進入爐中之原配料上方之頂置式燃燒器，以改良 熔解速度及品質以回復或增加產骼或降低電助熔能量。在 本發明之全部直接燒火爐應用中，燃燒空氣及習知燃料需 求將較先前設計降低，並以安裝在原配料上方之至少一頂 置式燃燒器之能量代替。在多空氣-燃料-燃燒器7 3應用 中，至少一燃燒器7 4將被隔絕。可沿玻璃槽下方設置額 外頂置式燃燒器，設若有頂置式燃燒器安裝在未熔解配料 上方。頂置式燃燒器所傳輸之能量可取代燒火孔口、移除 之習用電或氧助熔所降低之能量。 在電熱頂爐中，本發明之較佳具體例使用至少一安裝在 -32- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 564243 A7 ___B7 五、發明説明（~~ ~ 進入爐中之原配料上方之頂置式燃燒器，以改良熔解速度 及品質以回復或增加產能或降低電助熔能量。可沿玻璃槽 下方設置額外頂置式燃燒器，設若有頂置式燃燒器安裝^ 未熔解配料上方。頂置式燃燒器所傳輸之能量可取代燒火 孔口、移除之習用電或氧助熔所降低之能量。 在全邵情形，氮氧化物及二氧化硫皆可藉由謹慎選擇不 同頂置式燃燒器及餘下空氣燃料燃燒器之化學計量比而降 低。請參閱圖2A作為交叉燒火爐應用之實例，安裝在 或AR位置的燃燒器34係以過量化學計量之氧操作以在爐 中建a貧燃料（氧化）區。藉由以低於化學計量之氧戈空氣 操作位置BC之燃燒器34及/或第二孔口 71之燃燒器，即 :在爐中建立富燃料（還原）區。餘下孔口則以過量化學計 量 < 氧操作以在爐中建立貧燃料（氧化）區。此一富-貧-富 組態有效地將爐中燃燒區分級以藉由建立一氧化碳屏蔽使 熱傳輸最適化並使氮氧化物之形成降至最少。 該至少一頂置式氧燃料燃燒器34可放置在新空氣-燃料 玻璃熔爐10中或後裝於現有空氣-燃料玻璃熔爐中，以相 對於僅用空氣·燃料燒火之爐，冑高玻璃品f。應了解， 本發明與不後裝此處所述至少_頂置式氧燃料燃燒器之相 同空氣-燃料爐相比，可促進實質之拉製速度提高、玻璃 2爐10壁溫度降低及玻璃品質改良。再者，如熟諳本技 藝者所應輕易了解，相對於全空氣-燃料系統，至少一頂 置式虱燃料燃燒器之使用，視氧燃料火焰與空氣_燃料火 培《化學計量而^，可明顯降低Ν0χ排放。 -33- 564243 A7 B7 五、發明説明（31 ) 實例1後裝頂置式氧燃料燃燒器 本發明之一示範為現有熱3孔口交叉燒火蓄熱式爐之氧 助熔、1 0 0 %氧轉換、再轉換為氧助熔及最後習知空氣燃 料燒火。爐最先全用空氣-燃料燒火。孔口 # 1燒火以至少 一頂置式氧燃料燃燒器取代。該爐其餘二個孔口照常用空 氣-燃料蓄熱式燒火。在第二階段，孔口 #2燒火然後以至 少一頂置式氧燃料燃燒器取代，且該爐在第三孔口照常用 空氣-燃料蓄熱式燒火。在第三階段，孔口 # 3燒火以早已 安裝之頂置式氧燃料燃燒器之能量取代。爐產能由5 5噸/ 日提高至8 5噸/日，而能量輸入則由23.5 mm BTU /時降至 1 8 mm BTU /時。將爐逐段再轉回空氣燃料燒火。此一實 例證明了頂置式氧燃料燃燒器可選擇地增進現有空氣-燃 料爐之熔解以及提供玻璃爐之總熱量輸入。此一方法不需 要水冷式燃燒器。 實例2具整體氧分級之燃燒器及燃燒器座 由燃燒器構型或燃燒器與燃燒器座之組合而具有氧整體 分級之氧燃料燃燒器，已顯示可攆供增加之熱傳輸及降低 之N0X。根據本發明，可在玻璃熔爐1 1 0之頂1 1 1提供至 少一此種類型之整體分級燃燒器1 0 3。該燃燒器1 0 3理想 上係安裝在原配料1 3 0上方且較佳成一角度，以使得角度 阿爾發（圖6中X )在爐内玻璃流動之方向1 0 4等於約9 1度 至約1 3 5度。 實例3具外氧分級之燃燒器及燃燒器座 請參閱圖7，頃已顯示，在燃燒器1 2 2及座1 2 1外具有 -34- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

裝 訂 564243 A7 B7 32 五、發明説明（ 2 - 8個氧噴射器1 1 2之玻璃熔爐頂1 1 1中安裝具燃燒器座 1 2 1之燃燒器1 2 2，可產生較非分級燃燒器為高之熱傳 輸。燃燒器1 2 2較佳與玻璃之表面及爐内玻璃流動之方向 成一約9 1度至約1 3 5度之角度。根據此一實例，〇%至約 9 0 %之化學計量燃燒氧係經由一級氧燃燒器丨3 3噴入及其 餘1 0 0 %至約1 0 %之二級燃燒氧丨3 4則經由與玻璃之表面 成約0度至約9 0度之氧噴射器丨丨2喷入。熟諳本技藝者應 可了解’分級口之數量、角度及出量每一爐皆經特別設 計’以將燃料1 4 5之燃燒延遲至其撞擊玻璃原配料表面或 附近。 實例4至少二頂置式燃燒器問之燃燒器間分級 使用氣燃料燃燒器之燃燒分級可根據本發明藉至少二頂 置式燃燒森問之燃燒為間分級而完成。燃燒器之一係在次 化學計量水準下，即在富燃料模式下操作，而第二或額外 之燃燒器則以完全燃燒所需剩餘之氧，即在貧燃料模式下 操作。試驗係對習知空氣燃料蓄熱式玻璃爐丨丨〇之助溶進 行；後二燃燒器丨6 2以貧燃料模式操作，而上游頂置式氧 燃料燃燒器1 6 1則以§燃料模式操作。（圖8 )。此一操作 模式產生貧氧-燃料區，緊鄰之富氧-燃料區，再接貧空 氣-燃料區。根據本方法操作玻璃爐之結果為提高爐產能 而同時降低氮氧化物之排放（以每噸為準）。此一燃燒器間 为級之方法也可配合二先前詳述之分級燃燒具體例應用。 實例5坡璃熔爐内以氧發泡器分級燃燒 根據本發明之一種分級燃燒之方法係包括使用氧發泡器 35- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

裝 訂

線 564243 A7 ___ _ B7 五、發明説明( 7 """""" 33 配合至少一頂置式燃燒器（圖9)。氧發泡一直都在若干玻 璃製造應用上使用，以便機械式地促進熔融破璃内之對 流。氧可溶於玻璃，且在正常操作條件下僅有小量（低於 5〇/。化學計量）之氧被注人玻璃内。將至少_氧燃料燃燒器 1 0 5定位在單一氧發泡器丨〇 8或一排或一捆發泡器上方， 即可在化學計量或次化學計量條件下操作頂置式氧燃料燃 燒器並經由位於玻璃熔爐丨丨〇之地板i 〇 7之發泡器i 〇 8供 應剩餘之燃燒氧1 3 4。此將增強玻璃丨3丨表面可供燃料或 部份氧化之燃燒產物或反應中間物二次燃燒用之氧之可用 性。 實例6氧-油燃燒器 玻璃溶爐用之習知油及氧油燃燒器係依賴已藉雙流體霧 化器（使用蒸汽或壓縮氣體）或機械霧化器（使用壓力或轉 動能）霧化之油滴之燃燒。火焰形狀受噴霧之衝力及油滴 之大小所支配。習知氧-油燃燒器會在靠近爐頂之位置釋 出南比率之熱量。 如圖1 0所示，在此一氧-油燃燒器設計中，大部份的燃 燒氧（大於約6 0 % )係由至少二噴嘴i 3 6或眾多噴嘴至隔開 叉實質包圍油流1 3 7之同心環噴至油噴霧初始無形（n〇n_ visible)燃燒區外之一點。這些噴嘴之中心線較佳與水平 成約4 5度至約1 〇 1度之角度。此種氧之分級可產生如上所 述反應中間物種，並可延遲完全燃燒直至其撞擊原配料或 附近。剩餘之氧可立即在油流丨3 7之附近及同心，如經由 霧化介質1 3 8、經由額外同心氧管（未示出）或藉爐内三級 36 - 本紙張尺度適财g a家標準(CNS) μ規格(21GX297公羡) —

装 訂

線 564243 A7

如氧長槍（未示出）噴出以達成完全燃燒。此-氧-油 :::置式燃燒器，由於表面之額外對流熱傳輸之故，可 1釋出至頂之熱量減至最少而同時使傳輸至原配料之孰量 =到最大。燃燒器可用具有入口 139及出口 14〇之水夾套 冷卻。 破璃工業晋遍用於習知熔解之油霧化器，經藉由利用 Laser D0ppler Annem〇metry測量此一霧化器所產生的油滴 粒度，已顯示以壓縮空氣霧化時可產生約5〇微米（5〇 χ ι〇 Ε-06 m)之平均粒徑。 已毛現在此一及其他系列燃燒器中，油噴霧之燃 k係延遲至油與氧氣流會合時才發生。可看見距霧化器端 達1 8吋之可見”無火烙”。在熱玻璃熔爐中之此一無形燃 燒階段期間，由於吸熱蒸發之故，油粒度會減小。當使用 在頂置式燃燒器時，此一吸熱反應會吸收周圍環境的輻射 熱邊’同時有利地減少傳輸至爐頂的淨輻射熱。 本發明包括使用可產生大於約100微米（100 χ 1〇 E-06 之顯著較大粒度之霧化器。產生此一較大顆粒需用較少之 能量’而因此火焰之衝力亦降低。部份霧化之大油滴會自 頂置式燃燒器自由落下，且會在其附近的吸熱無形燃燒區 至少邵份蒸發。 然而’燃燒反應物與產物在原配料表面之最高速度應低 於3 0米/秒以避免原配料空漂移動。 由於氣體（如氧氣）自由噴射會擴展約1 1度，故安置在靠 近燃料出口之氧出口會使氧撞擊靠近出口點的燃料噴射。 -37- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 564243 A7

因此，較佳為氧之分級及因此燃燒必須藉由將氧出口由向 燃料流 < 軸會聚之約4 5度變成為自燃料流之軸擴開之约 1 1度而冗成。這可使用外分級之燃燒器以及氧出口在燃 燒器座中之整體分級之燃燒器來完成。 藉由改變會在火焰中產生極度輻射含碳物種之機制，即 可進步卩牛低氧-油火焰之輻射損失。導致形成這些物種 之一種晋通過程為油滴中較不會揮發組份之液相裂解及導 致煙灰形成之氣相冷凝反應。前者機制會因大液滴尺寸及 芳族化合物例如瀝青婦之存在而惡化。第二種機制則會在 高溫及富燃料區域促進，在該區域中部份飽和氣相反應物 例如丙炔可經由多種反應途徑反應而最終形成芳族網構及 最後固體煙灰。 在一具體例中，本發明較佳使用高霧化度以產生約5至 約50微米，較佳約10至約5〇微米之小油滴，俾用在液相 的時間很短。因此，液相裂解減至最少，且任何所產生的 固體含碳殘渣都很細小，而因此會因其增加之表面積而更 4易氧化。在初始燃燒器區域中與霧化介質之快速混合， 如在燃料霧化與氧化劑流之間引發相對速度差以提高氣相 之；切速度，會快速地將包圍每一油滴之富燃料區域稀 釋’因此產生整個由蒸發之燃料滴、氧化劑、霧化介質及 部份燃燒產物所形成之更實質均質之混合物。燃料蒸氣與 氧化霧化介質之反應會產生一種較不容易煙灰化之部份預 燃燒混合物。初始火焰區域所引入之霧化介質之量很大程 度視燃料本身之煙灰化性質而定；該燃料本身之煙灰化性 __ 義 38- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 五、 36 564243 發明説明（ 男係其化學組成之有力函數。 已知，一般而言，所發生的煙灰化程度係與油之c ·· e 比有關，Η濃度愈高煙灰化之傾向愈低。然而，這種趨勢 :燃料之芳族性增加時會變得不規則，例如，石腦油即非 吊容易煙灰化。因此，霧化介質本身可經由c : η比之改 變有㈣選擇以降低煙灰化之傾向。可料抗衡煙灰化傾 :《：化介貝包括2氣、氧、蒸汽、天然氣及氫或其混 '則一種具有純氧化效果，最後二種有在靠近燃燒器區 域改變燃料蒸氣/霧化介質混合物之c : Η比，俾避免煙灰 化情況之效果。蒸汽具有合併之絲，且結合來自主火培 及/或爐之輻射熱會使氣化反應發生，產生c〇&H2以供進 一步反應。

Ik著初始附近火焰區域，原始液態燃料流基本上變成氣 態燃料流，且以與使用上述階段氣體燃燒器之相同方式與 周圍之第二氧流交互作用。 實例7燃料分級氧燃料燃燒器 圖11概略所示之氧燃料燃燒器150係利用燃料分級原理 由一外氧化劑（氧）噴射器及二内燃料噴射器設計以供用於 頂置式玻璃熔爐應用·，中央燃料噴射器適合於高速噴射而 一環形燃料噴射器則適合於低速噴射。噴射器較佳包含至 少三個同心管。燃燒器火焰長度及氧化劑_燃料混受 使用約10-90%之燃料流自第一燃料進料147經由管辟152 供應之中央高壓燃料噴射142所控制。支配火培及混 合的即是此一高速度之高動量流而非蛟低動量之燃料氣體 -39- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

564243 A7 B7 五、發明説明（37 ) 覆罩1 4 3。為了控制混合，此一氣體流動也較氧氣流動為 快。剩餘燃料1 4 3 (約90-10 % )由第二燃料進料丨4 8經由 至少一由管壁1 5 2及管壁1 5 3所形成之環形燃料噴射器同 心供應，而燃燒氧1 4 1則由氧進料1 4 6經由管壁丨5 i及管 壁1 5 3所形成之外環形噴射器供應。由於高動量之喷射， 中央高壓噴射器之大小即支配混合之速度。由於二級氣體 流覆罩之故，中央噴射即分級。此一配置提供一種推動燃 料氣體如天然氣並令燃料氣體與配料及氧以分級方式靠近 玻璃爐應用之配料表面相互作用之方法。視需要而定，中 央高速喷射可具有較低速噴射為低之質量，祇要中央喷射 之動量較高即可。 在一具體例中，高速中央噴射可包含由液體燃料燃燒 器，如油燃燒器供應之液體燃料，而非氣體燃料，及較低 速燃料覆罩可包含氣體燃料。 此處所述之專利及文件均併於此以供參考。 雖然本發明己參照某些特定具體例詳細加以說明，但熟 Tf本技蟄者應認知在申請專利範圍之精神及範圍内有其他 具體例。因此，應了解，本發明並不限於以上所述特定具 體例，但包括以下申請專利範圍所界定之變異、修正及相 當具體例。 -40-

Claims (1)

1. 564243 申請專利範 圍 5.如申請專利範圍第η之方法，包括玻璃形成材料表面 或附近之完全燃燒反應中間物種。 6·如申請專利範圍第卜頁之方法，其中氧燃料燃燒器係裝 在燃燒器座内，叉其中該提供氣體氧化劑流包含經由自 相同氧燃料燃燒器座噴入提供該氧化劑之整體分級。 7·如申請專利範圍第i項之方法，其中氧燃料十然燒器係裝 f燃燒器座内，又其中該提供氣體氧化劑流包含經由自 氧燃料燃燒器座外噴入提供該氧化劑之外分級。 8· ^申請專利範圍第7項之方法，尚包含在該爐頂提供至 少一二級氧化劑喷射器以提供用於在該玻璃形成原料表 面或附近完成燃燒之額外氧化劑。 9.如申請專利第β之方法，其中玻璃形成原料係經 由至少一加料機進入爐内，包括在靠近該至少一加料， 之玻璃形成材料上方之爐頂提供至少一氧燃料紙焊 10·如申請專利範圍第1項之方法，其中氧化劑係自;氧 氣、非純氧及”工業”純氧所組成之族群中所選出。 11·如申請專利範圍第i項之方法，包括將氧燃料燃燒器 燃料流分級。 & 12·如申請專利範圍第！項之方法，其中燃料係自甲烷、八 然氣、液化天然氣、丙烷、液化丙烷氣、丁烷、低 氣體、城市瓦斯、水煤氣及其混合物所組成之族群中 選出之氣體。 13·如申請專利範圍第i項之方法，其中燃料係自重燃 油、中燃料油、輕燃料油、煤油及柴油所組成之族群中 機 空 之 天 所 料 -2- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公 所選出之液體。 其中至少一氧燃料燃燒 頂中。 包括全部之爐燃燒器皆 包括以富燃料模式操作 以貧燃料模式操作該至 14·如申請專利範圍第1項之方法， 器係裝在靠近下游前壁附近之爐 15·如申請專利範圍第1項之方法， 以氧燃料燃燒器提供。 16·如申請專利範圍第1項之方法， 該至少一頂置式氧燃料燃燒器及 少一頂置式氧燃料燃燒器。 Π· —種在玻璃熔爐内熔解玻璃形成材料之方法，該爐具有 連接至頂之後壁、側壁上之胸壁及下游前壁，其於 加入玻璃形&配料之至少一配料加料機係裝在該至 壁及側壁之一，包含·· 在㈣頂、該配料上方提供至少一適合分級燃燒之氧 燃料燃燒器； 提供該至少一氧燃料燃燒器液體燃料流； 隨同該至少一氧燃料燃燒器提供氣體氧化劑流； 將燃料及氣體氧化劑喷入爐内，包括將分開而實質包 圍液體燃料流之大部份氧化劑嘴至初始無形燃燒區外之 一點；及 將該燃料燃燒，以使得至少一部份之燃燒在該玻璃形 成材料 <附近進行，以增強對流及輻射熱傳輸至該玻璃 形成材料而實質不攪亂該破璃形成材料。 18·如申請專利範圍第1 7項之方法，其中氧燃料燃燒器係裝 在燃燒器座内，又其中該噴入氣體氧化劑包含經由自相 -3 - 本紙張尺度適用中國國家襟準(CNS) A4規格(210X297公I) 564243

   同氧燃料燃燒器座噴入提供該氧化劑之整體分級。 19. 如申叫專利範圍第丨7項之方法，其中氧燃料燃燒器係裝 在燃燒器座内，叉其中該噴入氣體氧化劑包含經由自氧 燃料燃燒器座外噴入提供該氧化劑之外分級。 20. 如申請專利範圍第！ 7項之方法，尚包含將至少一氧喷射 备安裝於該爐頂以提供額外氧以在該配料表面或附近完 成燃燒之步驟。 21·如申請專利範圍第！ 7項之方法，包括將該噴入之燃料及 噴入之氧化劑與水平形成4 5度至101度之角度。 22.如申請專利範圍第1 7項之方法，包括將剩餘氧化劑自噴 入燃料附近及同心噴入。 23·如申請專利範圍第】7項之方法，包括藉三級噴入將剩餘 氧化劑噴入爐中。 24.如申請專利範圍第1 7項之方法，包括將氧燃料燃燒器之 燃料流分級。 25·如申請專利範圍第1 7項之方法，其中液體燃料係自重燃 料油、中燃料油、輕燃料油、煤油及柴油所組成之族群 中所選出。 26·如申請專利範圍第1 7項之方法，包括將液體燃料霧化以 產生在5微米至5 0微米範圍内之液滴。 27·如申請專利範圍第2 6項之方法，包括在初始燃燒器區域 將液滴與霧化介質快速混合以形成實質均質之混合物。 28.如申請專利範圍第2 6項之方法，包括將液體燃料以氧化 霧化介質霧化以產生部份預燃燒之混合物。 -4 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4规格(210 χ 297公釐) 564243 A8 B8 C8

   29.如申請專利範圍第2 6項之方法，包括將液體燃料以自空 氣、氧、瘵汽、天然氣及氫或其混合物所組成之族群中 所選出之霧化介質霧化以降低燃料/霧化介質混合物中 之C : Η比。 30· —種在玻璃熔爐内熔解玻璃形成材料之方法，該爐具有 連接至頂之後壁、側壁上之胸壁及下游前壁，其中用於 加入玻璃形成配料之三少一配料加料機係裝在該至少後 壁及側壁之一，包含： 在該爐頂、該配料上方提供至少一氧燃料燃燒器，其 中該至少一氧燃料燃燒器適合於燃料分級燃燒且含有至 少一外氧化劑噴射器及二内燃料噴射器，最内燃料噴射 器適於高速燃料噴射及配置在最内燃料嘴射器與外氧化 劑噴射器之間的另一燃料噴射器則適於較低速燃料喷 c疋二土父一氧燃料燃燒器燃料流，其中通過最内燃料 貧射备〈燃料流具有較通過另_燃料噴射器之燃料 高之動量； 、提供氣態氧化劑燃料流至外氧化劑噴射器，其具有較 通過最内燃料噴射器之燃料流為低之動量； 心：該至少-氧燃料燃燒器噴出之燃料燃燒，以使得至 ^ Μ <燃燒在該玻璃形成材料之附近進彳，以增強 璃二：：熱傳輸至該玻璃形成材料而實質不攪亂該玻 碼开;^成材料。 31·如申請專利範圍第 g之方 、万去其中約1 〇 0/〇至約9 0 %之 -5-

   、申請專利範園 火忒料成係由最内燃料嘴射器使用。 撚：:：:：圚第項之方法，其中最内燃料喷射器之 33.如命：：貝：一燃科噴射器之燃料流之質量為低。 嫩料：、：，園第3〇項之方法，其中最内燃科噴射器之 %如、Γ二貝Γ較另-燃料嘴射器之燃科流之質量為大。 -I利圍第3 〇項之方法’其中液體燃科係提供至 :。燃料噴射器，及氣體燃料係提供至另—燃料噴: 35.Π請=圍第34項之方法，其中液體燃科係自重燃 中所：U料油、輕燃料油、煤油及柴油所組成之族群 斤選出；及氣體燃科係自甲燒、天然氣、液化天然 氣、^化丙燒氣、丁燒、低btu氣體、城市煤 36 4 7煤氣及其混合物所組成之族群中所選出。 ·=請專利範圍第30項之方法，其中燃料係自甲燒、天 所 氣2 Γ匕=然氣、丙燒、液化丙燒氣、丁燒、低则 Ϊ二=水煤氣及其混合物所 空 3^申^利範圍第30項之方法，其中氧化劑係自富氧 非純氧及工業純氧所組成之族群中所選出。 氧 另 種包含至少一外氧化劍喑勒哭 _ 燦料燃燒器，最内J射燃料噴射器之 1料噴射器適合於=料：於㈣料噴射及 39.=申請專利範圍第38項之氧燃料燃燒器’其中最内燃料 買射益適合於提供中央高壓燃料嘴射；另一燃料喷射 -6 - 564243 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 適合於提供同心外圍於中央燃料噴射之實質環形低壓燃 料覆罩；及氧化劑噴射器適合於提供同心外圍於燃料覆 罩之實質環形氧化劑流；氧化劑流係以較中央燃料喷射 低之動量提供。 40. 如申請專利範圍第3 8項之氧燃料燃燒器，其中燃料噴射 器適合於提供氣體燃料。 41. 如申請專利範圍第3 8項之氧燃料燃燒器，其中最内燃料 噴射器適合於提供液體燃料及另一燃料噴射器適合於提 供氣體燃料。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)