玻璃熔融装置及其操作方法.pdf

本发明涉及一种玻璃熔融装置及一种操作这种装置的方法，这种装置包括熔化器(4)，燃烧矿物燃料的燃烧器(6，7)以及至少一个用于预热氧化气体的蓄热器(1)，其中在至少一个蓄热器(1)与熔化器(4)之间安装至少两个无阶形结构的炉颈(2，3)用于交替运行氧化气体的输入和燃烧气体的排出，其中炉颈(2，3)安装有侧面输入口(8，9)用于输入辅助氧化气体。为了实现本发明的目的，为了在向废气流注入氧化气体时不产生方向性影响，并达到构造简单、能量利用效率佳的效果，建议使输入辅助氧化气体的输入口(8，9)垂直于炉颈(2，3)中无阶形底面(2d)之上的自由截面。

1.  一种玻璃熔融装置，包括熔化器(4)，燃烧矿物燃料的燃烧器(6，7)以及至少一个用于预热氧化气体的蓄热器(1)，其中在至少一个蓄热器(1)与熔化器(4)之间安装至少两个炉颈(2，3)用于交替运行氧化气体的输入和燃烧气体的排出，其中炉颈(2，3)安装有侧面输入口(8，9)用于输入附加氧化气体，其中炉颈在横截面上没有阶形变化，其特征在于，
a)用于输入附加氧化气体的输入口(8，9)与炉颈(2，3)的底面(2d)上部的自由截面成一线，
b)用于输入附加氧化气体的输入口(8，9)通过管道(10，11)与氧化气风机相连，而且
c)用于输入附加氧化气体的输入口(8，9)在炉颈(2，3)内以直角开口。

2.  按照权利要求1所述的玻璃熔融装置，其特征在于，氧化气体输入口(8，9)安装于炉颈(2，3)的底面(2d)与顶面(2e)之间的垂直距离(“H”)的中间区域附近。

3.  按照权利要求1所述的玻璃熔融装置，其特征在于，氧化气体输入口(8，9)安装于炉颈(2，3)两端(2b，2c)之间的气流通道(“S”)的中央区域。

4.  按照权利要求1所述的玻璃熔融装置，其特征在于，氧化气体输入口(8，9)的横截面积介于20-350cm²。

5.  按照权利要求4所述的玻璃熔融装置，其特征在于，氧化气体输入口(8，9)的横截面积介于50-80cm²。

6.  按照权利要求1所述的玻璃熔融装置，其特征在于，氧化气体输入口(8，9)由圆柱形的壁面围成。

7.  按照权利要求6所述的玻璃熔融装置，其特征在于，氧化气体输入口(8，9)的直径(“D”)介于50-200mm之间。

8.  按照权利要求7所述的玻璃熔融装置，其特征在于，氧化气体输入口(8，9)的直径(“D”)介于80-100mm之间。

9.  按照权利要求1所述的玻璃熔融装置，其特征在于，氧化气体输入口(8，9)的长度(“L”)介于100-500mm之间。

10.  按照权利要求1所述的玻璃熔融装置，其特征在于，氧化气体输入口(8，9)的长度(“L”)介于300-400mm之间。

11.  一种操作玻璃熔融装置的方法，其所操作的玻璃熔融装置包括熔化器(4)，燃烧矿物燃料的燃烧器(6，7)以及至少一个用于预热氧化气体的蓄热器(1)，其中在至少一个蓄热器(1)与熔化器(4)之间通过至少两个炉颈(2，3)进行连接，用于交替运行氧化气体的输入和燃烧气体的排出，其中炉颈(2，3)安装有侧面输入口(8，9)用于输入附加氧化气体，其中炉颈(2，3)内部的气流不会被阶式结构阻断，其特征在于，
a)在燃烧气体的排气阶段，附加氧化气体的输入路线与炉颈(2，3)的底面(2d)上部的自由截面成一线，
b)通过使用鼓风机将附加氧化气体引入炉颈(2，3)内，且
c)氧化气体以直角被吹入炉颈(2，3)内。

12.  按照权利要求11所述的方法，其特征在于，附加氧化气体被引入至炉颈(2，3)的底面(2d)与顶面(2e)之间垂直距离(“H”)的中间区域附近。

13.  按照权利要求11所述的方法，其特征在于，附加氧化气体被输入至炉颈(2，3)两端(2b，2c)之间气流通道(“S”)的中间区域附近。

14.  按照权利要求11所述的方法，其特征在于，附加氧化气体通过烧嘴砖(12)内的圆柱形壁面被注入炉颈(2，3)内。

15.  按照权利要求11所述的方法，其特征在于，附加氧化气体的输入流速介于5-20m/s。

16.  按照权利要求15所述的方法，其特征在于，附加氧化气体的输入流速介于8-10m/s。

17.  按照权利要求11所述的方法，其特征在于，附加氧化气体的选用量占主燃烧所需氧化气体量的比例介于1-7％。

18.  按照权利要求17所述的方法，其特征在于，附加氧化气体的选用量占主燃烧所需氧化气体量的比例介于4-6％。

玻璃熔融装置及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种玻璃熔融装置，其包括熔化器，矿物燃料燃烧器以及至少一个用于预热氧化气体的蓄热器(换热器)；其中在熔化器与至少一个蓄热器之间安装有至少两个炉颈，用于交替进行氧化气体的输入和燃烧气体的排除；其中所述炉颈上配置有边孔用于输入附加氧化气体，其中所述炉颈的底面在构造上相对于其横截面没有阶形变化。
背景技术
德国专利DE198 18 953 C1介绍了一种玻璃熔炉，其包括蓄热器和交替反转运行的成对炉颈；在这种熔炉中，通过使用风机吹入充足空气，在蓄热器的基底即蓄热器网格下边产生或多或少的化学当量的后烧，可以减少废气中NOx及CO的含量。然而在此过程中，由于热量会预先被转移到蓄热器的网格内，蓄热器基底的温度就会相对较低，这就需要提供过量的燃料以支持后烧。据该文献记载，后烧使温度提升至至少400摄氏度，热能可通过将废气通入原料预热器加以回收利用。同样依文献所述，减少NOx和CO含量的条件是完全相反的。
类似的思路也在德国专利DE 195 43 743 A1中得以体现，其中用于后烧的空气以类似的方式被引入到蓄热器网格之下。在此专利中，一个指向下方的喷嘴矩阵对上升的空气会产生一种逆向阻碍，这就需要对蓄热器的设计进行相当大的改动。
从德国专利DE 101 188 80 C2及相应的欧洲专利EP 1 252 105 B1中得知，为了防止烟尘及石墨的沉积，同时不增加玻璃熔炉废气中的NOx含量，可以在交替运行的成对炉颈的边壁上以联合喷嘴的形式安装辅助燃烧器，并在相应炉颈处于加热相时利用这些喷嘴输入辅助燃料气体和氧化剂，而主燃烧器则在炉颈下边按照常规底孔的布置进行安装。为了增加辅助燃烧器或者辅助火焰的侧向效果，这些炉颈含有阶形结构，辅助火焰就在其中燃烧。依该专利文献所述，在排气相中，即燃烧气体从熔化室排出过程中，即使没有燃料气体，氧化剂也会被持续引入这些炉颈。但是实践证明，阶形结构会阻碍存在于废气中的过量燃料的后烧，因为氧化剂不能与废气混合充分，而会回流至熔化室，在熔化室氧化剂将不能再起到减少废气中危险的CO含量的作用。
德国专利DE 43 01 664 A1公开了一种玻璃熔炉，其包括蓄热器和交替逆向运行的成对炉颈；在该专利中，尽管是分级燃烧，但在加热相中，通过获取蓄热器上部的热空气并将其传输经过熔化器，再引至相对的燃烧口上部，与废气流呈逆行方向，即可达到缩短燃烧焰路径的目的。一方面，在第一阶段产生的亚化学当量的燃烧转变为第二阶段的完全化学当量燃烧，而另一方面，这种安排会在燃烧室内熔融的玻璃之上如所预期地产生强湍流，这会对主火焰及热量分布产生消极影响。
美国专利No.5,795,364公开了一种玻璃熔炉，其包括蓄热器和交替逆向运行的成对炉颈；在该专利中，主燃料在燃烧相中被加入燃烧器口，而被称为“复烧燃料”的辅助燃料则在排气相中被加入。当空气沿着与废气流逆行的方向被吹入蓄热器的上部网格以产生湍流并确保继之而来的气体燃料相对不足时，辅助燃料就会产生强烈的后烧。这个过程会导致燃料损耗，因为蓄热器的热量回收会有损失。
德国专利DE 100 44 237 A1以及相应的专利文件No.WO 02/02468 A1进一步披露，为了减少玻璃熔炉废气中NOx的含量，可以在炉颈两个边壁上安装燃烧器，并依需要安装废气进口，又被称为燃烧气口，另外再安装垂直于燃烧气流的所谓火焰根部防护结构，空气通过这些防护结构留下的缝隙可侧向进入，产生可以减少湍流和废气流底流的交叉流。火焰根部防护结构产生了避开气流的区域，并可以有多种形状，如与气流同向或相垂直的楔形、斜坡顶或矩形。在任何实施例中，沿着向外流动的方向会设置两个边缘锋利的阶式结构。因此，有必要对由陶瓷材料制成的炉颈的壁和底部进行广泛和昂贵的改动，文献中关于剔除底部材料的必要性的说明也暗示了这一点。这种结构安排类型几乎不适用于已有炉颈的改装。文献没有阐述在交替运行过程中废气从燃烧室回流越过熔化器的情况，没有阐述二次氧化，也没有记载对废气中CO含量会产生何种影响的有关信息。
美国专利No.6,047,565公开的玻璃熔炉内的炉颈，其底部表面在构造上可以有阶式结构，也可以没有阶式结构。如果喷嘴安装在炉颈的边壁上，其用途在于注入少量的燃料，燃料注入量占全部用量的比例介于5％-30％之间。该专利文件没有说明氧化剂即使在燃烧气体的回流过程中也应通过这些喷嘴加入，如果应该这样做，当喷嘴向熔炉内部做小角度调整时就会造成压力增加，这就会阻滞来自熔炉内部的排气流并改变其内的化学当量关系。
据美国专利No.5,755,846记载，用于加入附加燃料的喷嘴可以安装在炉颈的顶部、底部和其中的一个边壁上，从而产生亚化学当量和过化学当量的气体混合物的分层燃烧。该文献没有记载有关辅助氧化剂注入的情况。
据欧洲专利EP 1634 856 A1文献可知，可以在相对的炉颈上安装移动喷嘴，并使它们的开口指向熔炉膛内。即使在废气排气阶段，也可以通过这些喷嘴将氧化剂注入到熔炉燃烧室内。然而，这些喷嘴也会对废气产生阻碍作用，从而限制其流动，同时使后烧被限制在熔炉内部。
据美国专利No.5,417,731文献可知，可以在排气相时将辅助氧化剂加入炉颈以实现一氧化碳的后烧。然而，喷嘴在指向熔炉内部做小角度调整时也还会造成压力增加，从而阻滞来自熔炉内部的废气排气流。
通过概述现有技术可以发现仍存在以下问题：优化燃烧气体中的燃气-空气比使之接近完全化学当量的燃烧，是使用矿物燃料加热的玻璃熔炉的现有技术。接近完全化学当量的燃烧可保证最佳的火焰温度和能量利用。完全化学当量的燃烧作为术语是指，选用精确数量的燃烧气体从而使其中的氧含量恰好满足需要以将燃料中的碳氢化合物分子完全转化为反应产物水和二氧化碳。温度在超过燃料燃点之上时放热过程即发生，释放出热量。这里需要注意到，该两种反应产物也都具有传热的作用。
亚化学当量燃烧或过化学当量燃烧过程都会偏离能量利用效率的最佳值。使燃烧接近完全化学当量燃烧是减少NOx排放的主要办法。通常以废气中过剩氧的含量作为衡量燃气-空气比的指标。以标准参照条件下的干燥废气为测量基础，过剩氧的含量通常接近0.5％。
高温条件下气体不断增加的粘性会阻碍预热的燃烧空气与燃料充分混合。供燃烧的预热空气温度会接近1250℃，因而其粘性会达到0.5*10^-3kg/ms，这个数值达到了液体粘性的数量级。当专家评价燃烧产物在废气流中可测量而又不均匀的分布状况时，将这种状况称之为“条纹构成”。在接近完全化学当量燃烧的情况下，尤其存在一种不断增大的风险——在废气中仍会发现含有一氧化碳，尽管废气中也残存着少量的氧。
可能是为解决这个问题，为了确保燃烧完全，有人选择在操作早期即将燃料与燃烧空气尽可能充分地混合。但实践显示，当燃料旋动时，氧化氮的组成含量增加了。因此气体旋动会产生一种相反的、非常负面的效果。实践证明，为了降低燃烧中的污染物排放量，保持稳定的火焰是必要的。
按照现有技术，迄今，附加的燃料和氧化剂主要被添加至燃烧室前部，在蓄热式燃烧装置的新鲜空气一侧。这就是所谓的“多级加热”。已知这种添加辅助燃料的操作方式的目的，是在实际燃烧之前创造一个火焰前锋，延迟现实中的主火焰。但这会延迟主燃气流的燃烧，在火焰根部周围产生一种亚化学当量的混合，并降低火焰心周围的温度。不管怎样，这两种效果仅仅会导致构成中NOx含量的减少。
进一步的研发表明，在炉颈内的一个阶式结构之后注入辅助燃料(如德国专利DE 101 18 880 C2所记载)是有利的。这样可以确保辅助燃料能够分散至炉颈和空气输入流的全部宽度。然而，这种阶式结构也能导致积灰的增加，并在附加燃料的进口附近造成不良的烟尘沉积。为解决这一问题曾有人尝试向辅助燃料中添加少量的辅助空气。这种辅助空气同时也作为一种氧化剂使用，尽管这主要用于支持燃烧。辅助燃料的添加在排气阶段被中断，但为了消除烟尘沉积，氧化剂的供给却持续不断。在这种情况下，阶式结构产生了负面作用，因为其阻碍了氧化剂与排放气体的混合。因此这种方法不能证明在有效减少废气中CO含量方面具有有益效果，阶式结构阻碍了氧化剂与本可以进行后烧的废气进行混合。
发明内容
因此本发明的目的在于提供改进前述玻璃熔融装置的方法手段，通过这些方法手段可以对已有的炉颈进行简单有效的翻新改型，可以使火焰温度达到最佳值，实现高效的能源利用，籍此还可以使燃料中未完全燃烧及/或未完全氧化的成分再被氧化，使废气中的CO含量大大降低，同时不增加其中NOx的含量。特别是，本发明的目的还在于避免或限制那些不得不进入炉颈内部的结构性改造措施。
使用本发明设备的优势
前述玻璃熔炉通过下述方式实现本发明的目的：
a)用于输入附加氧化气体的开口与炉颈的自由截面在炉颈底面之上成一线；
b)用于输入氧化气体的开口通过管道与氧化气体鼓风机相连；
c)氧化气体输入口以直角伸入炉颈。
将特征b)和c)结合起来十分重要。无论是在相关燃烧器的燃烧相中吹入氧化气体，还是在相关燃烧器的废气排放相中吹入氧化气体，其对一定流动方向的氧化气体的成分影响都是中性的。尤其是，在朝向熔炉内部的方向上，不会出现能阻碍燃烧气体排出的压力增大现象，这就会促成在熔炉室内发生完全化学当量的化学变化。直到目前，没有任何现有技术揭示了这一技术信息。相反，美国专利No.5,417,731实际推荐了一种与此相反的技术，即在与燃烧反应气体所流经的废气路线相反的方向上，向熔炉引入辅助氧化气体。
本发明的主要贡献，在于通过它可以对已有的炉颈进行简单有效的翻新改型，还在于通过它可以使火焰温度达到最佳值，实现高效的能源利用，籍此还可以使燃料中未完全燃烧及/或未完全氧化的成分再被氧化，特别是还可以使废气中的CO含量降低至近乎零，同时不增加其中NOx的含量。尤其，本发明还避免或限制了那些不得不进入炉颈内部的结构性改造措施。
本发明特别有助于接近完全化学当量条件下的主燃烧，在熔炉内的这种燃烧，只有少量未燃烧或部分燃烧的燃料残存，并至少在最大程度上可以被转化为几乎不含CO的废气。本发明也可以解决因气体混合不充分所导致的问题。气体混合不充分源于这样的事实：通常在温度达到1250℃左右时，用于主燃烧的预热燃烧空气的粘性为0.5*10^-3，这种粘性会导致混合气体的条块分割。
尤其是，利用本发明可以在不求助于附加措施的情况下使得废气中的CO含量符合法律规定。在熔炉燃烧室内形成的CO可以在离开燃烧室不久即被氧化。实践中，一氧化碳含量的区域值在100mg/Nm³，还已知其峰值为1000mg/Nm³。本发明可以将一氧化碳的含量值减低至近乎零。
作为前述玻璃熔融装置的更多实施例，如果具有下述一项或多项特征，就会更加有利：
·氧化气体输入口安装在炉颈底面与顶面之间垂直距离的中间区域附近，
·氧化气体输入口安装在炉颈两端间距的中间区域附近，
·氧化气体输入口的横截面大小介于20-350cm²之间，优选50-80cm²，
·氧化气体输入口由圆柱形壁面围成，
·氧化气体输入口的直径介于50-200mm之间，优选直径介于80-100mm之间，及/或
·氧化气体输入口的长度介于100-500mm之间，优选介于300-400mm之间的长度。
利用本发明方法的优势：
本发明还涉及一种操作玻璃熔融装置的方法，其所操作的玻璃熔融装置包括一个熔化器，矿物燃料燃烧器以及至少一个用于预热氧化气体的蓄热器；其中在熔化器与至少一个蓄热器之间安装有至少两个炉颈，用于交替进行氧化气体的输入和燃烧气体的排除；所述炉颈上配置有边孔用于输入附加的氧化气体，其中所述炉颈内的气流不会被任何阶式结构阻断。
为了实现前述任务并达到相同的有益效果，本方法具有如下特征：
a)输入的附加氧化气体在燃烧气体的排气阶段被导入至炉颈底面上部的自由截面，
b)附加氧化气体通过一个鼓风机被吹入炉颈内，并
c)氧化气体以相对于气流垂直的角度被吹入炉颈内。
作为前述方法的更多实施例，如果具有下述一项或多项特征，效果会相当有利：
·附加氧化气体被引入至炉颈底面与顶面之间垂直距离的中间区域附近，
·附加氧化气体被引入至炉颈两端间距的中间区域附近，
·附加氧化气体通过烧嘴砖内的圆柱形壁面区域被引入至炉颈内，
·附加氧化气体的输入流速介于5-20m/s之间，优选流速介于8-10m/s，及/或
·附加氧化气体占主燃烧所需要量的比例介于1-7％，优选比例介于4-6％。
附图说明
有关本发明的目的、操作方法及其更多优点，将通过下面的一个实例进行详细阐述，并参照图1-5。图示如下：
图1.一幅穿过蓄热器及其两个腔膛、两个炉颈和熔化器装料区的水平截面图；
图2.一副穿过其中一个炉颈的竖直截面图；
图3.图1所示的一个炉颈的水平截面图的放大效果图；
图4.一个烧嘴砖的三维视图，其上有一个用于向炉颈输入氧化气体的开口；
图5.炉颈的一个边壁及与之联成一体的烧嘴砖的竖直截面图。
具体实施方案
图1显示一个蓄热器1，其包括两个已知类型的蓄热室1a和1b，每一个蓄热室分别通过炉颈2和炉颈3与一个熔化器4的备料端区相连接。其中的炉料，也被称为成批配料，通过一个所谓的投料口5投入；在熔化器相对的一边也可以安装一个同样的投料口。燃烧矿物燃料的燃烧器6和7安装于炉颈2、3的下部并在熔化器4之内容物的上部，因而图中只标出了燃烧器6和7的开口。点火方式采用底孔点火方式，这是已知方法。
如图1所示，加热过程发生于图下边的炉颈3内，来自蓄热室1b的被预热的氧化气体，通常是空气，沿着长箭头的方向加入到燃烧气体中。同时，当燃烧气体将其大部分热能传递至熔化器4后，其会流经另外一个炉颈2(图中上边部分所示)，此时相关的燃烧器6的操作处于停止。这个过程大约每20分钟反转一次。该构造及操作方法属于现有技术，例如，属于本申请人的德国专利DE 198 18 953 C1公开了这一技术。
本发明的关键点在于：在每一个炉颈2和3的外边壁2a或3a上安装有输入口8和9，用于将附加氧化气体垂直输入到炉颈2和3的自由截面内。每一个输入口分别连接到管道10和11.
在此之前所使用的参照数字在图2中继续使用，该图显示：炉颈有一个左手端2b，其连接至蓄热室1a，还有一个右手端2c，其位于熔化器4的边缘4a之上。可以清楚地看到，尽管炉颈2有一个呈轻微斜角的底面2d，但在横截面上没有阶形变化，并且输入口8以特定方式安装于底面2d之上，从而使来自输入口8的附加氧化气体被导向炉颈2的底面2d上部的自由截面处。还可以看到，输入口8位于底面2d与拱形顶面2e之间的垂直距离“H”的中间区域附近。而且，输入口8还位于炉颈两端2b和2c之间气流通道“S”的中央区域。
在图3中蓄热室1a中的蓄热室网格结构被省略了，其与图2结合起来作如下显示：粗箭头代表燃烧气体在排气相中从熔化器流向蓄热室1a。附加氧化气体(通常是用风机吹入管道10的周边空气)通过输入口8以一定的动力被吹进，在此动力下，其最初垂直移动，从而在细箭头所指的方向上不产生方向影响，并与燃烧气体混合，氧化剩余的一氧化碳。这个氧化过程将持续到进入蓄热室1a。
图4和图5显示的是输入口8和9所体现的特别有助益的设计：输入口8是一种连续性的通道，由一个直径为“D”的圆柱形边壁围成，安装在一个矩形的由耐热矿物材料制成的烧嘴砖12内。直径“D”介于50-200mm之间，优选80-100mm。长度“L”介于300-400mm之间。如果直径“D”是80mm，选择高度“h”为200mm、宽度“b”也为200mm是有利的。如果把上述装置按照图5所示装入一个高和宽均为380mm、由耐热矿物材料砖制成的方砖13内，一个墙插物就形成了，可以用于在已有的玻璃熔融装置内进行安装或更新，非常简易和廉价。
当在输入口8的出口处的流速介于5-20m/s，优选流速为8-10m/s时，氧化气体可以穿越燃烧气体流，从而确保气体充分混合和燃烧。如果附加氧化气体量占用于玻璃熔化的主燃烧所需氧化气体量的比例介于1-7％，结果是有益的，只要恰当选定附着于管道10及11的风机(图中没有显示)的尺寸，就可以实现这一点。当然这也适用于炉颈3在相应时间段的操作。
图1所显示的是一种所谓的马蹄形火焰炉内的情况，在该炉中熔化玻璃之上的燃烧气体流反转180°。当本发明用于所谓的横焰炉时也会产生同样的益处，在横焰炉中协同运行的成对炉颈被分别安装在熔炉相对的边壁上。
通过上面的描述，可以清楚看出本发明的目的得以实现。尽管只阐述了一种具体实施例，但基于上述描述所产生的可替代实施例及各种改型，对于本领域技术人员来说是显而易见的。这些以及其它替代实施例应被认为属于等同物，并被包括在本发明的原理范围之内。应当这样理解，我们希望将那些可以合理地、恰当地归入我们对现有技术所做贡献的范围之内的所有改型，均纳入此授权专利的保护范围。
1     蓄热器
1a    蓄热室
1b    蓄热室
2     炉颈
2a    边壁
2b    端口
2c    端口
2d    底面
2e    顶面
3     炉颈
3a    边壁
4     熔化器
4a    边缘
5     投料口
6     燃烧器
7     燃烧器
8     输入口
9     输入口
10    管道
11   管道
12   烧嘴砖
13   方砖
“b”宽度
“D”直径
“H”竖直距离
“h”高度
“S”气流通道
“L”长度