玻璃熔炉中的向上倾斜燃烧器的制作方法

本发明涉及玻璃的生产，更具体地讲涉及玻璃熔化熔炉的结构和操作的改良。

背景技术：

在玻璃熔化熔炉中，本发明是可用的，燃料在熔炉内部空间内燃烧以产生燃烧热，该燃烧热熔化存在于玻璃熔化熔炉中的玻璃制造材料。这种玻璃熔化熔炉可遇到若干操作缺陷中的任一种。一个此类缺陷就是玻璃熔化熔炉内的燃烧形成氮氧化物。另一个缺陷是熔炉顶部(“炉冠”)的内表面的可能的劣化，这据信是由炉冠的内表面和熔化的玻璃制造材料所散发的挥发性物质相互作用造成的。本发明提供了独特的熔炉结构和操作模式，其允许减少或避免这些缺陷。

美国专利6,253,578公开了一种降低熔炉冠部损坏风险的熔炉结构。这种结构虽然可用，但在现实的玻璃制造操作中，其适用性可能十分有限。

美国专利8,256,245公开了一种玻璃熔化熔炉，其中燃烧器朝向玻璃制造材料。本发明与该公开内容不同并被认为提供了卓越的操作优势。

技术实现要素：

本发明的一个方面是熔炉，其包括：

(a)彼此面对的后壁和前壁、以及彼此面对的两个侧壁，这四个壁限定了内部空间；位于内部空间上方且与四个壁接触的炉冠；至少一个能够通过其将玻璃制造材料馈送到内部空间中以进行熔化的开口；至少一个位于前壁中的能够通过其将熔融玻璃排出内部空间的开口；以及位于内部空间内且与四个壁的内部接触的熔融玻璃层，其中熔融玻璃的上表面到侧壁与炉冠的接合处的距离为3.5英尺至5.5英尺；和

(b)至少一个燃烧器，其位于侧壁中的开口中，该开口位于熔融玻璃的上表面到侧壁的顶部的距离的35％至65％，其中燃烧器被取向成能够产生朝向炉冠延伸到内部空间中的火焰，火焰沿着相对于穿过燃烧器的水平面形成至多15度的角度的直线。

本发明的另一个方面是玻璃熔化方法，该方法包括：

(a)在熔炉中提供玻璃制造材料，该熔炉包括彼此面对的后壁和前壁、以及彼此面对的两个侧壁，这四个壁限定了内部空间；位于内部空间上方且与四个壁接触的炉冠；至少一个能够通过其将材料馈送到内部空间中以进行熔化的开口；至少一个位于前壁中的能够通过其将熔融玻璃排出内部空间的开口；以及位于内部空间内且与四个壁的内部接触的熔融玻璃层，其中熔融玻璃的上表面到侧壁与炉冠的接合处的距离为3.5英尺至5.5英尺；以及

(b)在燃烧器中燃烧燃料和气态氧化剂，该燃烧器位于侧壁中的开口中，该开口位于熔融玻璃的上表面到侧壁的顶部的距离的35％至65％，并且燃烧器被取向成能够产生朝向炉冠延伸到内部空间中的火焰，火焰沿着相对于穿过燃烧器的水平面形成至多15度的角度的直线，并且其中火焰的可见部分不接触相对的侧壁，不接触熔融玻璃，并且不接触炉冠。

附图说明

图1是可用于实践本发明的玻璃熔化熔炉的透视示意图。

图2是图1的熔炉的顶视图。

图3是图1的熔炉的剖视图，沿穿过燃烧器11的竖直面截取。

图4a是可用于本发明的燃烧器的透视图。

图4b是图4a的燃烧器的顶视图。

图5是另一个可用于本发明的燃烧器的前平面图。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，熔炉1为玻璃熔化熔炉或任何其它熔炉，其中投料机暴露在由于熔炉内的燃烧提供的非常高的温度下。可用于实践本发明的其它熔炉的示例包括焚化炉、以及用于熔化非铁材料(诸如铜或铝)的熔炉以及用于加热或重新加热铁和钢物体(诸如条、杆和锭)的熔炉。

在玻璃熔化熔炉中，玻璃制造成分诸如纯碱、硝石、硅石、硅酸钠和/或玻璃碎片(“碎玻璃”)通过进料口31(图2)馈送到熔炉中，在熔炉中共同熔化以形成熔融玻璃炉底6。熔炉1包括侧壁2a和2b、端壁3和具有开口9的前壁4，存在于熔炉1的内部中的熔融玻璃可通过该开口流出熔炉1。图3所示的炉冠5邻接侧壁2a和2b、端壁3和前壁4。侧壁2a和2b的顶部被认为是熔炉的内部从侧壁的斜面21(通常为竖直的)变化至炉冠内表面23的取向所在的位置，该炉冠内表面可为弯曲的(如图3所示)或平面的，诸如水平的或相对于竖直方向成角度。为了便于观察熔炉1的内部，炉冠5在图1和图2中未示出。

熔炉1可设置有一个燃烧器11，但优选地在侧壁2a和2b上设置多个燃烧器11。图1和图2示出了这种布置方式的多种可能实施方案中的一种，相对侧壁中的燃烧器以交错的布置方式设置使得燃烧器不直接面向彼此。

向每个燃烧器11中馈送气态氧化剂15和燃料16。本文将进一步描述合适的氧化剂和燃料。

参见图3，燃烧器11(如上所述这可能是存在的唯一的此类燃烧器，或者优选地为熔炉中的一个或优选地两个侧壁中的多个其它此类燃烧器11中的一个)位于侧壁2a中，使得熔融玻璃6的上表面8到侧壁中的开口39的距离为熔融玻璃的上表面8到侧壁2a的顶部(开口39位于侧壁2a中)的总距离的35％至65％。

已安装根据本发明的一个或多个燃烧器11，使得燃烧器产生从燃烧器延伸到位于侧壁中的开口39或穿过侧壁中的开口向上朝向炉冠5延伸的火焰，火焰沿着相对于穿过燃烧器的水平面h-h形成至多15度(优选地大于零度)的角度g的线a-a。线a-a被认为是假想线，它与火焰最外侧边缘等距(等间隔)，并沿着从燃烧器的出口进入熔炉的方向延伸。例如，当燃烧器形成宽的扁平火焰时，线a-a被认为是位于火焰平面内的假想线且与平面中火焰的外边缘等距；并且当燃烧器形成锥形火焰时，线a-a被认为是作为该锥形的旋转轴的假想线。线a-a被认为在燃烧器的开口处与燃烧器相交，从该开口处燃料与氧气冒出并燃烧。

火焰沿其从燃烧器延伸出的线a-a优选地位于与侧壁垂直的竖直面中，火焰从该侧壁延伸至熔炉中。也就是说，在四个壁形成一个矩形的熔炉中，火焰优选地“笔直穿过”熔炉内部朝向相对的侧壁延伸。然而，这个竖直面可形成相对于火焰从其延伸的侧壁至多30度的角度。

在操作过程中，每个燃烧器11都在熔炉1的内部内燃烧气态氧化剂15和燃料16。向每个燃烧器11中馈送气态氧化剂15。氧化剂15是含有氧气的任何气体或气态混合物。一种合适的氧化剂15为空气，氧含量为20.9体积％。优选地，气态氧化剂15的氧含量为至少21体积％，更优选地大于50体积％，甚至更优选地大于85体积％。

具有所需氧含量的氧化剂15可通过多种方法中的任一种提供。该氧化剂可购自已具有所需氧含量的独立商业来源。氧化剂可通过将空气与氧含量高于氧化剂15的所需最终氧含量的较高含量料流混合而获得；在这种情况下，较高含量料流可购自独立的商业来源，或可通过现场商业空气分离单元生产，该空气分离单元生产氧含量高于氧化剂15的所需总氧含量的产品料流。

合适的燃料16包括任何气态烃或液态烃，诸如在标准条件下(即在25℃和1个大气压下)呈液态的燃油或一种烃或多种烃的混合物。优选的燃料为在标准条件下呈气态的烃，诸如天然气、甲烷、丙烷等等。

氧化剂15或燃料16或两者可从其来源通过进料管馈送到每个燃烧器11中，每个燃烧器都有单独的进料管。或者，氧化剂15或燃料16或两者可通过歧管馈送到多个燃烧器11中，所述歧管由来自其来源的一根进料管提供。

将氧化剂和燃料馈送到一个或多个燃烧器11并进行燃烧。如本文所公开的提供进料速度和化学计量比以实现本发明的益处。

将氧化剂和燃料馈送到每个燃烧器11的速度应使得当氧化剂和燃料在燃烧器内燃烧时，燃烧所产生的可见火焰部分不接触熔炉1中与燃烧器所在侧壁相对的侧壁。这有助于防止相对的侧壁过度劣化。

此外，将氧化剂和燃料馈送到燃烧器11的速度应使得氧化剂和燃料燃烧所形成的可见火焰部分不接触熔融玻璃6的表面8。可见火焰示出于图3中，如火焰41。

此外，将氧化剂和燃料馈送到燃烧器11的速度应使得氧化剂和燃料燃烧所形成的可见火焰部分不接触炉冠5的内表面。

通过适当地提供氧化剂和燃料的相应进料速度来满足这些条件。燃烧器燃气供应的中心管道中合适进料速度的典型示例为：氧化剂进料速度在70至350(ft/s)的范围内，并且燃料进料速度在70至200(ft/s)的范围内。

在根据本发明的燃烧器11中产生的火焰的特征在于，从火焰的上表面(见图3中的81)流向炉冠5并且在距火焰的上表面的任何给定距离处的辐射热流，小于从火焰的下表面(见图3中的82)流向熔融玻璃6并且在距火焰的下表面的相同给定距离处的辐射热流。

可通过如下方式实现这种条件：在促进位于或靠近火焰的上表面的层83形成的条件下进行燃烧，其中未燃烧燃料、部分地燃烧燃料和燃料的部分地燃烧产生的副产物的总量高于其在该层下方的火焰区域中的量。这种未燃烧燃料、部分地燃烧燃料和部分燃烧产生的副产物也可称为“烟尘”。这种条件可通过采用“分级燃烧”实现，即这样的燃烧：将燃料馈送到熔炉中的仅将使燃料完全燃烧所需的氧气总量的一部分馈送到熔炉中的位置附近，然后将使燃料完全燃烧所需氧气的剩余量馈送到熔炉中距燃料馈送位置更远距离的位置。

所需层83的形成可通过用在熔融玻璃6上方不同的高度处馈送燃料和氧化剂的燃烧器进行燃烧来促进，其中燃料(以及优选地，用于使该燃料完全燃烧所需的氧化剂的仅一部分)在馈送化学计量平衡的氧化剂的位置上方的高度处进料。适用于以这种方式操作的燃烧器的示例如图4a、图4b和图5所示。图4a和图4b中的燃烧器属于美国专利6,132,204中所述的类型，并且通常被称为宽火焰燃烧器，因为这种燃烧器通常所产生的火焰较宽且相对扁平。

在图4a中，燃烧器11采取了燃烧器61的形式，其包括上排62的孔64、66和68和下排63的孔65、67和69。孔64位于通过其馈送氧化剂或燃料中的一者或另一者(优选地氧化剂)的通道的末端。孔64b位于通过其馈送氧化剂或燃料中的另一者(优选地燃料)的通道的末端。孔64b位于孔64内，并且优选地与孔64同心安置，以形成环形空间64c。

类似地，孔66位于通过其馈送氧化剂或燃料中的一者或另一者(优选地氧化剂)的通道的末端。孔66b位于通过其馈送氧化剂或燃料中的另一者(优选地燃料)的通道的末端。孔66b位于孔66内，并且优选地与孔66同心安置，以形成环形空间66c。孔68位于通过其馈送氧化剂或燃料中的一者或另一者(优选地氧化剂)的通道的末端。孔68b位于通过其馈送氧化剂或燃料中的另一者(优选地燃料)的通道的末端。孔68b位于孔68内，并且优选地与孔68同心安置，以形成环形空间68c。

优选地，如图4b中更清楚地示出，孔64和68优选地被取向成使得其相应的轴64a和68a各自相对于孔66的轴66a形成发散角。孔65和69类似地被取向成使得其相应的轴(在图4b的顶视图中不可见)各自相对于孔67的轴形成发散角。

在根据本发明的图4a和图4b的燃烧器的优选操作中，将燃料馈送并通过孔64b、66b和68b进入熔炉1中，并将氧化剂馈送并通过环形空间64c、66c和68c进入熔炉1中。将氧化剂馈送并通过孔65、67和69进入熔炉1中，然后燃料和氧化剂相互燃烧。

根据本发明的所需层83优选地通过如下方式形成：将燃料通过孔64b、66b和68b馈送，并将氧化剂通过孔64、66和68馈送，使得所馈送的氧气量为燃料多于氧气的摩尔过量。优选地，通过孔64、66和68所馈送的氧气的总量应低于使所馈送燃料完全燃烧所需氧气总量的30％。燃料完全燃烧所需的额外氧气量来自通过孔65、67和69馈送的氧化剂中。层83中未燃烧的物质利用此额外的氧气在熔炉中燃烧。

在图5中，燃烧器11采取了燃烧器71的形式，其包括上孔72和下孔73。在根据本发明的图5的燃烧器的优选操作中，将燃料馈送并通过孔72b进入熔炉1中，并将氧化剂馈送并通过孔72和73进入熔炉1中，然后燃料和氧化剂相互燃烧。通过孔72b馈送的燃料相对于通过孔72馈送的氧化剂中的氧化学计量过量，并且通过熔炉中其它孔馈送氧以达到化学计量平衡。

以这种方式燃烧形成的层83为炉冠阻挡了一部分来自火焰81的辐射热传递，而火焰的下部(即远离炉冠5)畅通无阻地为熔融玻璃6提供所需的辐射热传递。这样，加之火焰的向上的角度减小了熔炉气氛在熔融玻璃表面上的速度，进而保护了炉冠免受过多热量的损坏，并且还保护炉冠免受熔炉气氛中各物质(诸如已从熔融玻璃演变的物质)的冲击，这些物质可与炉冠内表面发生反应并加速该表面发生不期望的劣化。

根据本发明的这种操作还提供了减少燃烧气体中氮氧化物和颗粒污染物生成的优点。