音速喷射炉的制作方法

本发明涉及用于玻璃熔化的低nox端焰炉(foursàboucle)的领域。本领域技术人员通常通过“nox”表示为来自不希望的氮的氧化反应的no和/或no2类型氮氧化物的排放物。氮气的重要来源是在氧化剂中所含的氮气，如空气或富氧空气。大多数燃烧方法，特别是在玻璃制造炉中使用的那些过程，面临着在燃烧烟气中不希望的nox排放问题。nox对人类和环境都具有有害影响。这是因为一方面，no2是引起呼吸系统疾病的刺激性气体。另一方面，与大气接触，它可逐渐形成酸雨。最后它导致光化学污染，因为与挥发性有机化合物和太阳辐射相结合，nox是形成“对流层”臭氧的来源，其在低空的浓度增加变得对人体有害，尤其是在高热时期。这就是为什么nox排放标准日益严格的原因。由于这些标准的存在，炉的制造商和开发商如玻璃制造炉的制造商和开发商不断地关注最大地限制nox的排放，优选地限制其含量低于800mg/nm3，以干燥烟气中的8％氧气进行标准化。在本申请的范围中，nox含量总是以mg/nm3表示，以在干燥烟气中的8％氧气进行标准化，所述单位通常由本领域技术人员使用。本领域技术人员通常认为低于700mg/nm3的nox含量已经是好的含量，和低于600mg/nm3的nox含量是非常好的。知道获得更低的nox含量是有用的。玻璃熔炉已经设计经营数十年，其建造是昂贵的。这就是为什么它们的设计变化缓慢。事实上，在工业炉中进行测试实际上是几乎不可行的，因为如果改变操作参数如设备尺寸，风险承担是非常高的。尤其是，通入炉壁中的空气入口是由耐火陶瓷制成的管道，在不必须关闭炉以重建其中的一部分的情况下，其尺寸不能很容易地改变。这就是为什么不能容易地修改炉的设计，以便改变在燃烧室内的流动，特别地空气的冲量，而不改变其流量。由喷射器喷出的气体射流的冲量i由下式给出：i=qm.v+s.δp其中：-qm表示气体射流的质量流量；-v代表喷射器出口处的气体速度；-s代表喷射器在其出口处的横截面积；-δp表示喷射器的出口与腔室中的压力之间的压力差。定性气体射流的术语“音速”规定所述射流在所喷射的气体温度(喷射器出口处的温度)时具有声速。ep2508827a1教导了根据分级燃烧原理将氧化气体注入端焰炉的侧壁中以终止燃料的燃烧。这种注入同时在上游壁的方向上和在相对壁的方向上斜向地进行，因此更确切地在某种程度上在燃烧烟气的气流相同的方向上进行。气体的再循环因此被大大地加强，这将被认为是降低nox的浓度，但是没有给出精确的示例性实施例。该文献教导了难以降低到低于1100mg/nm3的nox，并且提出了用于将nox含量降低到该值以下的解决方案。本发明的发明人已经能够确定在炉的实验室中的水平再循环实际上被增加，然而，垂直再循环还被减少。从平行于玻璃表面的上方看时，火焰不是强烈展开的。这时火焰的发展被禁锢并限制在靠近与包含气体喷射器的侧壁相对的侧壁的区域中。这种在集中状态的火焰朝向侧壁的靠近导致侧壁的温度升高，这对于其随时间的稳定性是非常不利的。此外，火焰的稀释是部分的，实际上不是非常有效的。事实上，这些强烈的再循环与火焰几乎具有很少的相互作用，这在减少nox方面并不是很有效。本发明的发明人已经能够确定，该解决方案在不注入附加气体的情况下对于降低已经低于700mg/nm3的炉中的nox含量不是有效的。根据本发明，现在已经发现了一种通过作用于在燃烧室内的气流而影响火焰燃烧的简单手段，而不需要进行大量的形成炉壁的耐火材料的拆卸，特别是空气入口。事实上，已经简单地在用于接收烟气的管道附近或在用于接收烟气的管道中并与烟气流逆流地设置了至少一个为音速或超音速或准音速(准音速表示声速的至少80％)状态工作的压缩气体喷射器，被称为“音速喷射器”。这时实现了由这种音速喷射器提供的降低nox含量的巨大优点。在本申请的范围内，音速喷射器以音速的至少80％，优选至少95％的输送其气体。一般来说，这个速度不会超过音速的300％。音速喷射器末端的形状允许超过或不超过音速。为了超过音速，建议使用具有收敛然后发散形状的喷射器。通常用于玻璃领域中的喷射器具有收敛末端。这种形状允许实现音速而不会超过音速。本发明涉及用于熔化玻璃的配备有顶部燃烧器的端焰炉，该燃烧器包含在其上游壁中的用于供应包含15％至30％氧气的氧化剂的管道，在其上游壁中的用于接收烟气的管道，和音速喷射系统，该系统包含至少一个以至少等于音速的80％的速度喷射气体射流的喷射器(称为音速喷射器)，所述音速喷射器通向上游壁中或通向用于接收燃烧烟气的管道中，所述音速喷射器将与朝向用于接收燃烧烟气的管道移动的燃烧烟气流逆流地喷射其气体。本发明允许获得优异的在烟气中的nox含量，因为nox含量可以小于600甚至小于570mg/nm3，甚至小于500mg/nm3，甚至小于450mg/nm3。与燃烧烟气体逆流地喷射音速气体有利于在火焰上方的燃烧气体的垂直再循环。事实上，在实验室容积中的气体流动的数值模拟已经表明，根据本发明的音速气体的喷射抑制了水平再循环，以有利于在火焰上方的垂直再循环。这有利于火焰在玻璃表面上的铺展，并因此将热量传递给玻璃，并且还提高了在火焰与燃烧气体之间的交换面积。因此，火焰在燃烧气体中的稀释被提高，nox的浓度被降低。音速喷射系统可以仅包括单个音速喷射器(用于具有至少等于音速的80％的速度的气体射流的喷射器)或多个音速喷射器，也就是说2或3或4或5或6甚至更多个音速喷射器。氧化剂通常是空气。用于供应氧化剂的管道供应大部分氧化剂，即进入燃烧室的总氧化剂流量的至少95％，其余为诱导空气。这种用于供应氧化剂的管道由在用耐火材料制成的壁中的开口形成。看起来由音速喷射器输送到燃烧废气中的压缩气体射流有助于显著改变在炉内气流的路径和再循环。由此在炉内产生的火焰被更加稀释，因此其提供的热量分布在更大的长度上，并且烟气在燃烧室中的停留时间总体上被增加。这在两个方面是有利的：a)由于较低的火焰温度而形成较少的nox，b)炉的耐火材料的热应力较小，因此使用寿命增加。音速喷射器通向包含用于接收燃烧烟气的管道的壁中或通向用于接收燃烧烟气的管道中，并且以与燃烧烟气流逆流地喷射音速气体，燃烧烟气流(在燃烧室)朝向上游壁移动。术语“上游”和“下游”是指从上游流到下游的玻璃的流动方向。在端焰炉中，火焰从上游壁的燃烧器(即，由用于供应氧化剂的管道和所述一个或多个燃料喷射器形成的组件)开始，以朝向下游移动，然后转弯以返回到用于接收燃烧烟气的管道，该管道同样位于上游壁并且在氧化剂入口管的一侧。根据本发明，音速喷射器沿着从上游到下游的方向，但是与燃烧烟气逆流地(即，当该燃烧烟气朝向在上游壁中的用于接收烟气的管道移动时，与烟气流相碰，并且在与烟气流相反的方向上)喷射其气体。为此，优选地，音速喷射系统的所有音速喷射器通向用于接收烟气的管道中或者在更靠近用于接收烟气的管道(与用于供应氧化剂的管道相比)的位点处的上游壁中。优选地，音速喷射系统的所有音速喷射器在距离用于接收烟气的管道的边缘小于1m或甚至小于0.5m处开通。这对于其中音速喷射器通向用于接收烟气的管道中或通向上游壁中的情况是有效的。用于接收烟气的管道的边缘是由用于接收烟气的管道在包含所述管道的壁(即在燃烧室一侧的上游壁)中形成的轮廓。即使必要时，音速喷射器通到用于接收烟气的管道内部，其是足够大功率的以扰乱仍然在炉内并且朝向用于接收烟气的管道移动的烟气流的流动。这就是为什么当提到音速气体以与朝向上游壁移动的燃烧烟气流逆流地喷射气体时，它指仍然还在炉内并且将进入用于接收烟气的管道的烟气流。代表在音速喷射器出口处的气体速度的矢量具有非零的与进入用于接收烟气的管道的烟气流平行的并且在与该流的方向相反方向上的分量。可以认为，进入用于接收烟气的管道中的烟气流具有基本与该炉的包含该用于接收烟气的管道的上游壁垂直的方向。优选地，与包含用于接收燃烧烟气的管道的壁垂直的音速喷射系统的冲量分量大于5牛顿，优选大于10牛顿。根据后一个特征，考虑所述音速喷射系统的所有音速喷射器，并且确定该系统的整体分量与上游壁垂直。这个分量是由所有音速喷射器喷射的与包括用于接收燃烧烟气的管道的壁垂直的所有冲量分量的结果。该分量大于5牛顿，优选大于10牛顿。由音速喷射器喷射的压缩气体可以是任何种类的，特别地可以是天然气或氧气，但优选空气。端焰炉(英文为“end-firedfurnace”)对于玻璃熔化领域的技术人员来说是众所周知的。端焰炉的上游壁包括两个交替地作为用于供应氧化剂的管道和作为用于接收烟气的管道的开口。对于端焰炉的操作，特别地可以参考wo2008/078049，特别是其图1和2。因此，为了操作本发明，这两个开口中的每一个均设有音速喷射但是仅使与作为用于接收烟气的管道运行的开口相关联的那个进行运行。当使炉的运行转换时，这两个音速喷射系统的运行也被转换过来。因此，与已变成用于供应氧化剂的管道的开口相关联的音速喷射系统被关闭，并且与已变成用于接收烟气的管道的开口相关联的音速喷射系统被启动。用于供应氧化剂的管道通过在由耐火材料制成的炉的上游壁中的开口通向炉的燃烧室。该管道的顶部通常沿着氧化剂的流通方向下降，以与水平面成14°至30°之间的角度。因此，氧化剂被导向燃料流，因为后者通常由位于氧化剂入口管下方的喷射器喷射。这些燃料喷射器可以被定向以使得它们的射流在氧化剂流的方向上稍微向上定向。燃料喷射方向通常可以与水平面形成在0和15°之间，特别是在3°和15°之间的角度。用于供应氧化剂的管道及其燃料喷射器构成燃烧器。通常，使用多个燃料喷射器并放置在空气流下。这些燃料喷射器被分布在空气流的下方，当从上面看时，这些燃料喷射器一个挨一个地分布，从而当从上面看时，平行于玻璃表面散布火焰。蓄热器通常被设置在炉上游壁的两个开口的每一个后面。氧化剂通过蓄热器并在到达用于供应氧化剂的管道之前由其再加热。当炉“逆转”操作时，用于供应氧化剂的管道变成用于接收烟气的管道，并且与所述管道相关的蓄热器这时被烟气再加热。蓄热器填充有耐火材料(砖，十字砖(cruciformes)等)，根据运行阶段形成由烟气或氧化剂经过的网络。当烟气通过蓄热器时，烟气的热量被传递到蓄热器的耐火元件。当氧化剂通过蓄热器时，蓄热器的耐火材料的热量加热氧化剂。在氧化剂入口通道中的氧化剂基本上处于大气压力下，通常处于略高于大气压的压力下，即在大气压力与大气压力+100pa之间的压力，为绝对压力。因此，在根据本发明的端焰炉中，在上游壁中的用于供应氧化剂的管道的横截面面积通常在从0.5至3m2的范围内。用于接收烟气的管道通常与用于供应氧化剂的管道相同，因为这些管道中的每一个交替地起到提供氧化剂和接收烟气的作用。因此，在上游壁中的用于接收烟气的管道的横截面积通常在从0.5至3m2的范围内。一个或多个音速喷射器，特别是两个或三个或四个或五个或六个音速喷射器或甚至更多，可通过形成根据本发明的音速喷射系统来装备用于接收烟气的管道。音速喷射器可以由耐火金属，尤其由不锈钢制成的管子形成，该管子插入在用于接收烟气的管道的耐火材料中产生的孔口中或围绕用于接收烟气的管道。音速喷射器可以通向炉中在用于接收烟气的管道的上方，下方或两侧，或者在烟气的接收管道本身中。优选地，音速喷射器的轴线对准指向上游壁的烟气流并与烟气流逆流。音速喷射系统的排放横截面优选具有在从0.2至4cm2的范围内的总面积。对于使用单个音速喷射器的情况，它是音速喷射器末端的截面。对于音速喷射系统包括多个音速喷射器的情况，它是气体通过所有音速喷射器的喷射面积的总和。音速系统以由用于供应氧化剂的管道引入的氧化剂的标准体积的0.2％至5％，优选0.2％至2％的比例输送气体。因此，在这里取由音速喷射系统的所有喷射器输送的气体的总量。本发明还涉及一种用于制备熔融玻璃的方法，其包括在根据本发明的端焰炉中熔化玻璃。尤其是，引入到炉内的氧化剂的量优选地相对于引入到炉内的燃料量是过量的。尤其是，除通过音速喷射系统之外被引入炉中的氧化剂的量优选地相对于除经由音速喷射系统之外被引入到炉中的燃料量是过量的。附图不是按比例的。图1示出了以截面显示的从侧面看的根据本发明的端焰炉1。图2示出了不同音速喷射系统，其可以与用于在根据本发明的炉中用于接收烟气的管道相结合。图3示出了横截面侧视图示出了通向根据本发明的炉的相同上游壁中的配备有音速喷射器的用于接收烟气的管道。图4表示了根据不同构造的端焰炉中的气体流动。图1表示以截面显示的从侧面看的端焰炉1，熔融玻璃2从左到右流动。穿过该用于接收烟气的管道3获得该截面，烟气被送入包含耐火元件5的蓄热器4，烟气将再加热。在阶段转换之后，该开口将用作燃烧器的用于供应氧化剂(用于火焰)的管道，所述氧化剂这时被耐火元件5再加热。如图所示，管道处于烟气接收阶段。压缩气体喷射器6通向上游壁7中，该上游壁7也是在其中用于接收烟气的管道开通的壁。压缩气体的射流8被引向烟气流(由虚线9所体现)同时与其逆流，烟气流朝向用于接收烟气的管道移动。图2示出了可以与用于接收烟气的管道20结合的不同音速喷射系统。这些不同的结构通过示例来说明。音速喷射系统可以包括3个喷射器21，并且恰好位于用于接收烟气的管道20上方(图2a)或者位于烟气上方的一定距离处(图2b)。音速喷射系统的喷射器可以位于用于接收烟气的管道下面(图2d)。在图2e中，使用了单一喷射器26，并且位于用于接收烟气的管道20下方。在这里，喷射器略微靠左，在炉的纵向轴线的一侧。在图2c)中，在音速喷射系统中结合了在用于接收烟气的管道上方和下方的音速喷射器。用“d”指示在喷射器与管道边缘之间的距离所表示的内容。考虑到音速喷射器的小直径，从轴线开始取距离d。图3表示从侧面看的用于接收烟气的管道30，其装备有通向炉的相同上游壁33的音速喷射器(31)。音速喷射器与管道边缘的距离为d。音速喷射器将以由矢量32表示的冲量输送其气体，矢量32可以分解成垂直于上游壁33的分量34和平行于壁的另一分量35。图4表示在炉中的气体流动：在没有经由壁附加注入气体的参考端焰炉(构造a)中，在根据本发明的具有音速喷射的端焰炉(构造b)中，以及具有在侧壁中音速喷射的端焰炉(结构c)中。实施例1至10这些试验是用一个包含两个转换运行的燃烧器的端焰炉进行实施，燃烧器功率为13.3兆瓦，并且其氧化剂为空气。每个用于供应空气的管道的面积为1.55平方米(宽2200毫米，高800毫米)。该炉用钠钙类型可玻璃化批料进行供料，其95重量％为碎玻璃。它以每天330吨的产量进行运行。该炉具有94平方米的表面积。在炉出口处的玻璃温度为约1300℃。炉顶温度在1600℃左右。将一个或多个压缩空气的音速喷射器设置在用于接收燃烧烟气的管道附近以形成音速喷射系统。这些喷射器具有收敛的末端。喷射的气体为25℃。表1给出了各种操作条件以及在烟气中nox含量的结果。测试了四种可能的音速喷射器位置：-在烟气接收器正上方：喷射器恰好在用于接收燃烧烟气的管道的边缘处，具有相对于水平方向向下20°的角度；-在用于接收烟气的管道的稍微上方：喷射器在用于接收燃烧烟气的管道上侧上方400mm处，具有相对于水平方向向下20°的角度；-在用于接收烟气的管道下方：喷射器在用于接收燃烧烟气的管道下方250mm处，具有相对于水平面向上5°的角度。用于接收烟气的管道上方的所有压缩空气音速喷射器具有5mm的内径。在用于接收烟气的管道下方的压缩空气音速喷射器具有6mm的内径。在表1中列出的是：-相对压力：这是供应音速喷射器的储存器的压力；-流量：这是压缩空气的总流量(所有音速喷射器的流量之和)；-喷射速度：这是在压缩空气音速喷射器出口处的空气速度；-音速冲量：这是音速喷射器的冲量的总和(在实施例2的情况下，喷射都不是音速的，但是为简化起见在该“音速冲量”栏中气体的冲量已经被描述为音速的50％)；-nox：这是以在干燥烟气中8％氧气进行标准化的mg/nm3为单位的浓度；-变化：这是相对于参照的nox的变化(没有压缩空气的音速喷射)。实施例2至7的“变化”结果是相对于实施例1给出的。实施例9至10的“变化”结果是相对于实施例8给出的。实施例11和12这些试验是用包括两个转换运行的燃烧器的端焰炉进行实施的，燃烧器功率为11兆瓦，并且其氧化剂为空气。每个燃烧器的用于供应空气的管道(或用于接收烟气的管道，取决于转换的阶段)具有2平方米(2300毫米宽和960毫米高)的面积。该炉用钠钙类型可玻璃化批料进行供料，其60重量％为碎玻璃。它以每天250吨的产量进行运行。该炉具有85平方米的表面积。在炉出口处的玻璃温度为约1300℃。炉顶温度在1600℃左右。音速喷射系统仅包括单个具有收敛末端的压缩空气音速喷射器。后者被设置在用于接收烟气的管道下方300mm处，距最靠近炉纵轴线的用于接收烟气的管道下角650mm处。音速喷射器以相对于水平方向向上5°的角度喷射其气体，并具有直径8mm的内径。喷射的气体为25℃。表1给出了各种操作条件以及在烟气中nox含量的结果。实施例编号在正上方的喷射器数量在上方400毫米的喷射器数量在下方250毫米的喷射器数量相对压力[巴]流速[nm3/h]音速%喷射速度[m/s]音速冲量[n]nox[mg/nm3@8%o2]变化1(对比)601-2(对比)30.2355017426071%330.765842897559-7%431.710410034614546-9%534.220010034633405-33%6034.220010034633390-35%724.220010034633397-34%8(对比)----778-934.220010034633494-37%10324.240010034665354-54%1113132100346214571213.514810034624381表1。实施例13至15在运行中的端焰炉中的燃烧烟气的流动进行了数值模拟，其结构如下：a)参照：不喷射附加气体(见图4a))；b)根据本发明在上游壁中附加喷射181nm3/h的音速气体；c)在侧壁中附加喷射150nm3/h的音速气体(见图4b，附加注入用粗箭头表示)；喷射器与上游壁侧的侧壁形成60°的角度，并且与上游壁的距离等于侧壁总长度的23％；这个实施例是作为比较给出的，并不是根据本发明；d)根据本发明，在上游壁上附加喷射150nm3/h的音速气体(见图4c，附加喷射用粗箭头表示)。端焰炉包括两个转换运行的燃烧器，其功率为11兆瓦，其氧化剂为空气。燃烧器的每个空气进入管(或用于接收烟气的管道，取决于转换阶段)具有1.55平方米(2200毫米宽，800毫米高)的面积。该炉具有94平方米的表面积。在炉出口处的玻璃温度为约1300℃。喷射的音速气体为25℃。图4显示了这些喷射对炉的实验室容积中的气体流动的影响。为了使这些流动可视化，速度矢量已经显示在通过空气该进入管道中心的垂直平面中。这种显示允许使气体的垂直再循环可看到。观察到根据结构的很大差异。可以看出，根据本发明的音速喷射导致在实验室容积中最宽的再循环。此外，如表2所示，相对于没有音速喷射的参考值表示的nox的结果证明了根据本发明的注入的优越性。“变化”列给出相对于参考配置的nox的浓度，而没有附加的气体注入(图4a)。根据本发明的喷射导致nox分别降低15％和20％。在侧壁注入音速气体不会使nox显著降低。实验室编号在侧壁的喷射器的数量在用于接收烟气的管道下方250毫米的喷射器数量流速[nm3/h]%音速喷射速度[m/s]音速冲量[n]变化(%)13(图4b)218110034627-19%14(对比)(图4c)11509432617-1%1511509432617-15%表2。当前第1页12