一种全氧燃烧窑炉的火焰空间、全氧燃烧窑炉和制备玻璃液的方法与流程

本发明涉及玻璃制备领域，具体地，涉及一种全氧燃烧窑炉的火焰空间、全氧燃烧窑炉和制备玻璃液的方法。

背景技术：

高铝高碱盖板玻璃(Cover Glass)熔化温度高，其混合料在窑炉内熔化时，从玻璃液中蒸发出来的碱蒸汽(氢氧化碱)如NaOH等与窑炉墙壁和大碹的耐火材料发生反应，造成侵蚀。在全氧燃烧窑炉中，由于氮气的去除，氢氧化碱的浓度是传统空气助燃窑炉的三至四倍，因而使窑炉材料的侵蚀加快。侵蚀加快不但缩短窑炉寿命，同时侵蚀造成渣滓落入玻璃液中，增加玻璃的缺陷，降低良品率。

全氧燃烧的火焰温度、火焰刚度、火焰速度都高于传统空气助燃火焰。全氧火焰对窑炉大碹的热辐射、热冲击更剧烈。剧烈的热冲击会造成窑炉碹顶砖的过早烧损，缩短窑炉寿命，同时也会加快窑内碱蒸汽对碹顶砖的侵蚀。

因此，针对上述玻璃液的特性和火焰特点，研发一种能够制备高质量、稳定均一的玻璃液且使用寿命延长的全氧燃烧窑炉，具有重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的上述缺陷，提供一种全氧燃烧窑炉的火焰空间、全氧燃烧窑炉和制备玻璃液的方法，包括本发明所述火焰空间的全氧燃烧窑炉，能够制备高质量、稳定均一的玻璃液，提高熔化率和玻璃良品率，且其使用寿命明显得到延长。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种全氧燃烧窑炉的火焰空间，所述火焰空间为由前后山墙、胸墙和大碹所围成的空间，所述火焰空间与位于其下方的熔化池配套设置，且所述胸墙内设置有燃烧器，所述熔化池的池壁上设置有液面刻度线，h1/L＝1：(7.5-9)，(h1+h2)/H＝(1.3-1.8)：1，L1＝90-110cm，h1为所述大碹的拱高，L为所述大碹的拱跨，h2为所述胸墙的高度，H为所述液面刻度线与所述熔化池池底之间的垂直高度，L1为所述燃烧器与所述大碹的碹顶之间的垂直高度。

优选地，烟气出口设置在窑炉投料区上方的大碹的碹顶上，进一步优选地，所述烟气出口的孔砖的材料为电熔锆刚玉砖。

优选地，h1/L＝1：(7.8-8.5)，(h1+h2)/H＝(1.5-1.7)：1，L1＝95-105cm。

优选地，所述大碹的圆弧角为53°-60°，进一步优选为54°-58°。

优选地，所述燃烧器与所述液面刻度线之间的垂直高度为40-50cm，进一步优选为42-48cm。

优选地，所述大碹的碹顶砖的材料为电熔锆刚玉砖、α-β刚玉砖和β刚玉砖中的至少一种；和/或胸墙砖的材料为α-β刚玉砖和/或β刚玉砖。

第二方面，本发明提供了一种全氧燃烧窑炉，所述全氧燃烧窑炉包括本发明前述的火焰空间。

第三方面，本发明提供了一种制备玻璃液的方法，该方法包括：利用本发明所述的全氧燃烧窑炉将玻璃原料进行熔化，得到玻璃液。

优选地，熔化过程中，氧气与燃料天然气的体积流量比为(2-3)：1，进一步优选为(2.4-2.8)：1。

优选地，所述玻璃原料为高铝高碱玻璃的原料，以所述玻璃原料的重量为基准，以氧化物计，玻璃原料中Al₂O₃的含量为11-16重量％，碱金属氧化物的含量为14-23重量％。

本发明提供了一种用于全氧横火焰燃烧窑炉的火焰空间结构，可用于熔料量8-20吨/天、以天然气为燃料的全氧燃烧横火焰窑炉，通过优化窑炉火焰空间结构设计(优选采用特定的材料配置)，尤其适用于高铝高碱玻璃(如高碱高铝盖板玻璃基板，Cover Glass)窑炉或者其他电子玻璃基板窑炉的玻璃熔化，其火焰温度为1200-1600℃，熔化率为1.2-1.8吨/m²/天，该窑炉结构上部空间有温度梯度，火焰气氛稳定，熔料速度快，能够有效降低碱挥发和窑炉大碹附近的碱蒸汽浓度，减轻碱蒸汽对碹顶的侵蚀，使全氧燃烧窑炉的碱蒸汽侵蚀速度降低至与传统空气燃烧窑炉同等或更低的水平，同时能够降低高温火焰对碹顶砖的热冲击，进而获得高质量、稳定均一的玻璃液，提高熔化率(熔化率为1.2-1.8吨/m²/天，传统空气燃烧窑炉的熔化率为0.9-1.2吨/m²/天，现有的全氧燃烧窑炉的熔化率为0.9-1.1吨/m²/天)和玻璃良品率(玻璃良品率在80％以上，传统空气燃烧窑炉的玻璃良品率为70-75％，现有的全氧燃烧窑炉的玻璃良品率为72-78％)，并延长窑炉寿命(使用寿命为4-5年，现有的全氧燃烧窑炉的使用寿命一般不超过4年)。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的火焰空间的结构示意图。

图2是本发明的火焰空间的横剖结构示意图。

附图标记说明

1为大碹，2为胸墙，3为燃烧器，4为熔化池，5为烟气出口，6为燃烧后火焰，7为玻璃液，8为前山墙，9为热电偶孔，10为投料口，11为液面刻度线，h1为大碹的拱高，h2为胸墙的高度，H为液面刻度线与熔化池池底之间的垂直高度，L1为燃烧器与大碹的碹顶之间的垂直高度，L2为燃烧器与液面刻度线之间的垂直高度，L为大碹的拱跨，α为大碹的圆弧角。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指附图所示的上、下、左、右。

第一方面，如图1-2所示，本发明提供了一种全氧燃烧窑炉的火焰空间，所述火焰空间为由前后山墙、胸墙2和大碹1所围成的空间，所述火焰空间与位于其下方的熔化池4配套设置，且所述胸墙2内设置有燃烧器3，所述熔化池4的池壁上设置有液面刻度线11，h1/L＝1：(7.5-9)，(h1+h2)/H＝(1.3-1.8)：1，L1＝90-110cm，h1为所述大碹1的拱高，L为所述大碹1的拱跨，h2为所述胸墙2的高度，H为所述液面刻度线11与所述熔化池4池底之间的垂直高度，L1为所述燃烧器3与所述大碹1的碹顶之间的垂直高度。

本发明的火焰空间中，优选情况下，烟气出口5设置在窑炉投料区上方的大碹1的碹顶上(或近乎垂直于窑内混合料预熔反应区)。相较于现有技术中烟气出口设置在胸墙或前后山墙上的设置方式，本发明的烟气出口5的独特的设置方式能够进一步降低窑炉大碹附近的碱蒸汽浓度和窑内碱蒸汽对碹顶砖的侵蚀。

其中，对于投料口10的位置没有特别的限定，可以为本领域常用的各种位置，例如投料口10可以位于前山墙8上，投料时投料机由设置在前山墙8上的投料口10投入配料。

其中，对于热电偶孔9的位置没有特别的限定，可以为本领域常用的各种位置，例如热电偶孔9可以设置在大碹1的碹顶上，热电偶孔9可以设置为二个盲孔，一深一浅，盲端可以预留30-50mm不等。

对于烟气出口5的孔砖的材料没有特别的限定，可以为本领域常用的各种材料，为了有效抵抗碱性气体侵蚀，延长窑炉寿命，优选情况下，烟气出口5的孔砖的材料为电熔锆刚玉砖，例如可以为33#～41#电熔锆刚玉砖。

本发明的火焰空间中，为了进一步减轻高温火焰对碹顶的冲刷和烧损，减少碱蒸汽浓度，快速辐射热量，提高融化率，优选情况下，h1/L＝1：(7.8-8.5)，(h1+h2)/H＝(1.5-1.7)：1，L1＝95-105cm。

本发明的火焰空间中，为了进一步减轻高温火焰对碹顶的冲刷和烧损，减少碱蒸汽浓度，快速辐射热量，提高融化率，优选情况下，大碹1的圆弧角α为53°-60°，进一步优选为54°-58°。

本发明的火焰空间中，为了快速辐射热量，提高融化率，优选情况下，燃烧器3与液面刻度线11之间的垂直高度L2为40-50cm，进一步优选为42-48cm。其中，燃烧器3可以镶嵌在胸墙2中，成对对称排列或者交错排列，在燃烧时形成燃烧后火焰6。

其中，本领域技术人员应该理解的是，液面刻度线11的位置一般是指在投料且配料融化后熔化池4中玻璃液7液面的位置，该位置与熔化池4的上沿之间的垂直距离一般为6-10cm，此为本领域技术人员所熟知。

本发明的火焰空间中，对于大碹1的碹顶砖的材料和胸墙砖的材料没有特别的限定，可以分别为本领域常用的各种材料，为了有效抵抗碱性气体侵蚀，延长窑炉寿命，优选情况下，大碹1的碹顶砖的材料为电熔锆刚玉砖(例如可以为33#～41#电熔锆刚玉砖)、α-β刚玉砖和β刚玉砖中的至少一种；胸墙砖的材料为α-β刚玉砖和/或β刚玉砖。前述各材料均可通过商购获得。

本发明的火焰空间中，对于前述火焰空间的安装砌筑方法没有特别的限定，可以为本领域常用的各种方法，只要其结构设计和材料选择满足前述要求即可，例如安装砌筑的方法可以包括：

(1)砌筑胸墙2墙体：将胸墙砖按照设计高度，按照层次依次将耐火砖砌筑在胸墙托铁上面，直至到达标高尺寸，形成胸墙墙体。同时在窑炉每一侧胸墙砖墙体的既定位置，砌筑燃烧器预留孔砖，以利于竣工后安装燃烧器3；

(2)砌筑大碹1：先将大碹的碹脚砖固定在碹脚梁内，并且顶紧贴实。然后在窑内安装大碹砌筑专用的木碹胎，二侧碹脚砖砌筑完毕之后，在碹脚砖斜面上，开始由二侧向中间中心线部位，沿木碹胎的上表面，同步砌筑大碹砖，直至合拢封顶，完成窑炉顶部大碹砌筑。在砌筑窑炉大碹的同时，在投料区上部预定位置，同步安装和砌筑烟气出口5孔砖，烟气由此处排出。大碹砌筑完毕，依次砌筑少量或部分前后山墙墙体，其中前山墙砌筑时，在预定位置安装投料口孔砖。

(3)竣工合拢：完成上述步骤之后，拆掉临时支撑件，升高一定的拱度之后，拆除木碹胎，全部封闭前后山墙，至此窑炉上部火焰空间结构完全砌筑安装完毕。

本发明的火焰空间中，全氧火焰在此空间中完成燃料燃烧、热量辐射、构建气层和建立温度梯度，且使混合料完成气液固三相反应，实现玻璃液熔化均化过程，该火焰结构适用于全氧燃烧的火焰窑炉，尤其适用于高铝高碱玻璃盖板玻璃(Cover Glass)的熔化，在最大化的提高熔化效率的同时，也减少了上部火焰空间砖材的侵蚀、掉落现象，使玻璃液质量得到提高，同时延长了窑炉使用寿命。

第二方面，本发明提供了一种全氧燃烧窑炉，所述全氧燃烧窑炉包括本发明所述的火焰空间。

第三方面，本发明提供了一种制备玻璃液的方法，该方法包括：利用本发明所述的全氧燃烧窑炉将玻璃原料进行熔化，得到玻璃液。

本发明的方法中，为了更好的保持窑内的氧化气氛，快速辐射热量，提高熔化效率，优选情况下，熔化过程中，氧气与燃料天然气的体积流量比为(2-3)：1，进一步优选为(2.4-2.8)：1。

本发明的方法中，优选情况下，所述玻璃原料为高铝高碱玻璃的原料，以所述玻璃原料的重量为基准，以氧化物计，玻璃原料中Al₂O₃的含量为11-16重量％，碱金属氧化物的含量为14-23重量％。即利用该方法制备得到的玻璃液能够制备高铝高碱玻璃，玻璃中Al₂O₃的含量为11-16重量％，碱金属氧化物的含量为14-23重量％。其中，碱金属氧化物包括氧化锂、氧化钠和氧化钾中的至少一种。

本发明的方法中，对于操作燃烧器和调节燃烧后火焰的方法没有特别的限定，可以为本领域常用的各种方法，优选情况下，该方法包括：依据玻璃配合料的熔化温度、玻璃液的澄清温度和天然气的热值，在自控系统界面中设定好天燃气总流量、大碹内空间各部位温度梯度的加权平均值以及氧气天然气混合比例，开启各对燃烧器，依次点燃燃烧器的混合气，窑内二侧喷射出数对火焰，在氧燃比为2-3之间微调混合气比例，根据窑炉内各部位热电偶显示温度和烟气残氧含量，将火焰温度调整至1200-1600℃之间，火焰面积调整至0.5-0.8m²之间，残氧含量低于15％；使火焰覆盖大部分生料和熔融的玻璃液，建立起刚强有力的、氧化气氛的火焰空间结构，即可完全具备熔化高铝高碱玻璃所需要火焰空间和气氛，而且能够有效的降低碱蒸汽浓度，减轻碱蒸汽对碹顶的侵蚀，获得高质量、稳定均一的玻璃液，提高玻璃良品率，并延长窑炉寿命。

实施例

以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但并不因此限制本发明。以下实施例中，如无特别说明，所用的各材料均可通过商购获得，所用的各方法均为本领域的常规方法。

实施例1

如图1-2所示，本实施例的火焰空间结构，用于熔料量10吨/天、以天然气为燃料的全氧燃烧窑炉，其为由前后山墙、胸墙2和大碹1所围成的空间，所述火焰空间与位于其下方的熔化池4配套设置，且所述胸墙2内设置有燃烧器3，燃烧器3成对对称排列，在燃烧时形成燃烧后火焰6，所述熔化池4的池壁上设置有液面刻度线11，烟气出口5设置在窑炉投料区上方的大碹1的碹顶上，投料口10位于前山墙8上，投料时投料机由设置在前山墙8上的投料口10投入玻璃原料，烟气出口5的孔砖的材料为33#电熔锆刚玉砖，大碹1的碹顶砖的材料为33#电熔锆刚玉砖，胸墙砖的材料为α-β刚玉砖；其中，h1/L＝1：8.3，(h1+h2)/H＝1.7：1，L1为100cm，大碹1的圆弧角α为54°，L2为45cm，h1为大碹1的拱高，L为大碹1的拱跨，h2为胸墙2的高度，H为液面刻度线11与熔化池4池底之间的垂直高度，L1为燃烧器3与大碹1的碹顶之间的垂直高度，L2为燃烧器3与液面刻度线11之间的垂直高度。

本实施例的全氧燃烧窑炉包括上述的火焰空间，为熔料量10吨/天、以天然气为燃料的窑炉，将玻璃原料从投料口10投入，在氧气与燃料天然气的体积流量比为2.5：1、火焰温度为1540℃、火焰面积为0.7m²的条件下，利用该全氧燃烧窑炉将玻璃原料进行熔化，得到玻璃液，并制备玻璃，其中，以玻璃原料的重量为基准，该玻璃原料中，以氧化物计，Al₂O₃的含量为12重量％，Li₂O的含量为0.6重量％，Na₂O的含量为14重量％，K₂O的含量为1.5重量％。

利用上述全氧燃烧窑炉连续制备玻璃液，熔化率为1.4吨/m²/天，利用制备得到的玻璃液制备玻璃，玻璃良品率为84％，全氧燃烧窑炉的使用寿命为5年。

实施例2

如图1-2所示，本实施例的火焰空间结构，用于熔料量10吨/天、以天然气为燃料的全氧燃烧窑炉，其为由前后山墙、胸墙2和大碹1所围成的空间，所述火焰空间与位于其下方的熔化池4配套设置，且所述胸墙2内设置有燃烧器3，燃烧器3成对对称排列，在燃烧时形成燃烧后火焰6，所述熔化池4的池壁上设置有液面刻度线11，烟气出口5设置在窑炉投料区上方的大碹1的碹顶上，投料口10位于前山墙8上，投料时投料机由设置在前山墙8上的投料口10投入玻璃原料，烟气出口5的孔砖的材料为36#电熔锆刚玉砖，大碹1的碹顶砖的材料为36#电熔锆刚玉砖，胸墙砖的材料为α-β刚玉砖；其中，h1/L＝1：8.2，(h1+h2)/H＝1.5：1，L1为95cm，大碹1的圆弧角α为55°，L2为48cm，h1为大碹1的拱高，L为大碹1的拱跨，h2为胸墙2的高度，H为液面刻度线11与熔化池4池底之间的垂直高度，L1为燃烧器3与大碹1的碹顶之间的垂直高度，L2为燃烧器3与液面刻度线11之间的垂直高度。

本实施例的全氧燃烧窑炉包括上述的火焰空间，为熔料量10吨/天、以天然气为燃料的窑炉，将玻璃原料从投料口10投入，在氧气与燃料天然气的体积流量比为2.6：1、火焰温度为1550℃、火焰面积为0.7m²的条件下，利用该全氧燃烧窑炉将玻璃原料进行熔化，得到玻璃液，并制备玻璃，其中，以玻璃原料的重量为基准，该玻璃原料中，以氧化物计，Al₂O₃的含量为12重量％，Li₂O的含量为0.6重量％，Na₂O的含量为14重量％，K₂O的含量为1.5重量％。

利用上述全氧燃烧窑炉连续制备玻璃液，熔化率为1.6吨/m²/天，利用制备得到的玻璃液制备玻璃，玻璃良品率为86％，全氧燃烧窑炉的使用寿命为5年。

实施例3

如图1-2所示，本实施例的火焰空间结构，用于熔料量10吨/天、以天然气为燃料的全氧燃烧窑炉，其为由前后山墙、胸墙2和大碹1所围成的空间，所述火焰空间与位于其下方的熔化池4配套设置，且所述胸墙2内设置有燃烧器3，燃烧器3成对对称排列，在燃烧时形成燃烧后火焰6，所述熔化池4的池壁上设置有液面刻度线11，烟气出口5设置在窑炉投料区上方的大碹1的碹顶上，投料口10位于前山墙8上，投料时投料机由设置在前山墙8上的投料口10投入玻璃原料，烟气出口5的孔砖的材料为41#电熔锆刚玉砖，大碹1的碹顶砖的材料为α-β刚玉砖，胸墙砖的材料为β刚玉砖；其中，h1/L＝1：7.8，(h1+h2)/H＝1.7：1，L1为105cm，大碹1的圆弧角α为58°，L2为42cm，h1为大碹1的拱高，L为大碹1的拱跨，h2为胸墙2的高度，H为液面刻度线11与熔化池4池底之间的垂直高度，L1为燃烧器3与大碹1的碹顶之间的垂直高度，L2为燃烧器3与液面刻度线11之间的垂直高度。

本实施例的全氧燃烧窑炉包括上述的火焰空间，为熔料量10吨/天、以天然气为燃料的窑炉，将玻璃原料从投料口10投入，在氧气与燃料天然气的体积流量比为2.8：1、火焰温度为1545℃、火焰面积为0.75m²的条件下，利用该全氧燃烧窑炉将玻璃原料进行熔化，得到玻璃液，并制备玻璃，其中，以玻璃原料的重量为基准，该玻璃原料中，以氧化物计，Al₂O₃的含量为12重量％，Li₂O的含量为0.6重量％，Na₂O的含量为14重量％，K₂O的含量为1.5重量％。

利用上述全氧燃烧窑炉连续制备玻璃液，熔化率为1.5吨/m²/天，利用制备得到的玻璃液制备玻璃，玻璃良品率为87％，全氧燃烧窑炉的使用寿命为5年。

实施例4

按照实施例1的方法，不同的是，h1/L＝1：7.5，(h1+h2)/H＝1.4：1，L1为110cm，大碹1的圆弧角α为60°，L2为50cm。

利用上述全氧燃烧窑炉连续制备玻璃液，熔化率为1.2吨/m²/天，利用制备得到的玻璃液制备玻璃，玻璃良品率为80％，全氧燃烧窑炉的使用寿命为4年。

实施例5

按照实施例1的方法，不同的是，烟气出口5设置在一侧的胸墙2上，且烟气出口5距离大碹1碹顶的垂直高度为130cm。

利用上述全氧燃烧窑炉连续制备玻璃液，熔化率为1.4吨/m²/天，利用制备得到的玻璃液制备玻璃，玻璃良品率为82％，全氧燃烧窑炉的使用寿命为4年。

实施例6

按照实施例1的方法，不同的是，氧气与燃料天然气的体积流量比为3：1。

利用上述全氧燃烧窑炉连续制备玻璃液，熔化率为1.3吨/m²/天，利用制备得到的玻璃液制备玻璃，玻璃良品率为82％，全氧燃烧窑炉的使用寿命为4.5年。

实施例7

按照实施例1的方法，不同的是，氧气与燃料天然气的体积流量比为2：1。

利用上述全氧燃烧窑炉连续制备玻璃液，熔化率为1.2吨/m²/天，利用制备得到的玻璃液制备玻璃，玻璃良品率为80％，全氧燃烧窑炉的使用寿命为4.5年。

对比例1

按照实施例1的方法，不同的是，h1/L＝1：7.2，(h1+h2)/H＝1.3：1，L1为75cm，大碹1的圆弧角α为62°，L2为70cm。

利用上述全氧燃烧窑炉连续制备玻璃液，熔化率为0.96吨/m²/天，利用制备得到的玻璃液制备玻璃，玻璃良品率为70％，全氧燃烧窑炉的使用寿命为3.5年。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。