用于形成人造玻璃质纤维的工艺和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及由矿物熔体制造人造玻璃质纤维（MMVF)。特别地而非排他性地，本发 明涉及颗粒状矿物材料在旋风炉中燃烧形成适合的矿物熔体。
【背景技术】
[0002] 形成用于制造MMVF的矿物熔体的已知方法为借助于竖炉，其中通过可燃物质在 炉中的燃烧对无机颗粒状材料的自支撑堆叠进行加热。堆叠逐渐熔融，并且从顶部再加料， 熔体顺堆叠向下排放，并从炉底部排出。用于该用途的炉通常指的是化铁炉。
[0003] 在制造矿物熔体时化铁炉具有一些缺点。除了难以实现所期望的效率水平之外， 还存在由以下原因导致的另一个缺点：需要材料的堆叠足以渗透燃烧气体。这对能够用于 化铁炉的颗粒状材料造成了限制，特别是阻碍了精细的颗粒状材料的使用，因为精细的颗 粒状材料对燃烧气体不具备充足的渗透性以使燃烧气体经过炉筒而点燃可燃物质。因此， 如果待熔融的颗粒状材料为精细分散的形式，那么首先必须将其形成坯块。这额外地增加 了工艺的复杂性和成本，还降低了最终熔体的质量，因为通常需要将粘结剂用于形成这种 坯块。
[0004] 为了克服其中的一些缺点，已经提出了旋风炉。在这类炉中，将待熔融的颗粒状材 料与燃料（如粉末状的煤）一起夹带在燃烧气体中引入。随着材料组合在循环燃烧室中的 循环，燃料被点燃。这使得颗粒状材料开始熔融从而形成矿物熔体，然后矿物熔体与剩余的 颗粒状材料一起被投向室的侧壁，并向下流至出口处。之后，在将熔体取出用于形成MMVF 的工艺之前，出口的输出物被直接加工或者被收集到单独的沉降槽中，在其中可进一步进 行精炼工艺。
[0005] 关于旋风炉的原理的例子可以在美国专利No. 3, 077, 094中找到。该文献描述了 用于熔融玻璃配料的熔炉。颗粒状材料以气态悬浮液的形式被输送至建于腔室上部的熔融 区域。将气态混合物沿切线引入腔室内，从而使其以螺旋路径通过腔室。由此形成了熔融 的玻璃，其被抛向腔室壁。然后熔融的玻璃沿着壁向下流动，直到其通过中心流动出口离开 腔室。
[0006] 在US 3, 077, 094所描述的一个实施方案中，熔融的玻璃随着其流过腔室底部而 发生聚结。通过使用受限的流动出口来实现这一效果。之后当熔融的玻璃经过该区域时， 可使用电极加热器对其进行进一步的精细化，电极加热器能够升高玻璃的温度，从而降低 粘度并有助于仍存在于熔体中的气体逸出。
[0007] 美国专利No. 4, 632, 687中描述了另一个熔融工艺的例子。该文献也涉及玻璃配 料的熔融。在该工艺中，将玻璃材料与含有燃料的灰分一起引入循环燃烧室内。该文献描 述了，液化阶段发生在燃烧室中，而明显的精炼阶段发生在单独的沉降槽中。液化阶段的 燃料燃烧所产生的废气通过排气口而从燃烧室中除去，而熔体通过单独的出口落入沉降槽 中，其在沉降槽中利用浸没燃烧技术被进一步精炼。浸没燃烧阶段用于调整熔体的氧化状 态，从而提高玻璃的透射率，即，降低玻璃的色度。
[0008] 以上熔炉都没有直接明确地涉及MMVF的制造。相比之下，欧洲专利申请No. EP 1944272直接涉及用于制造矿物熔体的旋风炉，其特别适合MMVF的制造。具体而言，该文献 中描述的装置和方法被设计为以有效的方式制造矿物熔体，该矿物熔体具有用于制造MMVF 的适当性质。
[0009] EP 1944272的一个特别之处在于，不同于上述的熔炉，该文献的方法不需要沉降 槽，取而代之的是在燃烧室中已包括了对矿物熔体的收集。这减小了装置的尺寸，也增加了 装置的整体效率，因为能够利用燃烧室的热量来维持熔体池的温度。
[0010] 然而，在EP 1944272的布置中，由于难以控制熔体的状态，熔体的大量生产受到 限制。特别是，在这种燃烧室内控制熔体的均匀性受到挑战。随着熔体池的容积增加，控制 熔体均匀性的难度也提高。例如，熔体池中产生温度差，改变了熔体的性质（如粘度）。为 了确保在接下来的纤维化工艺中制造的纤维的质量，控制这种变化尤为重要。
【发明内容】
[0011] 根据本发明，提供一种制造人造玻璃质纤维（MMVF)的方法，包括：
[0012] 提供循环燃烧室；
[0013] 将颗粒状燃料、颗粒状矿物材料和第一燃烧气体注入所述燃烧室的上部区域内并 燃烧所述燃料，由此将所述颗粒状矿物材料熔融从而形成矿物熔体；
[0014] 在所述燃烧室的底部区域收集所述矿物熔体；
[0015] 通过浸没加热在所述燃烧室的底部区域加热收集的矿物熔体；
[0016] 将收集的矿物熔体通过出口从所述燃烧室中取出；以及
[0017] 由取出的矿物熔体形成MMVF，
[0018] 其中所述矿物材料在所述燃烧室中的平均停留时间为至少15分钟。
[0019] 本发明提供一种制造高质量矿物熔体的综合、有效且简洁的解决方案，所述矿物 熔体用于制造MMVF。具体而言，借助于燃烧气体和燃料，在循环燃烧室中将颗粒状矿物材料 熔融，并将矿物熔体收集在循环燃烧室底部的熔体池中。已发现，通过对收集的矿物熔体的 浸没加热，可以提高矿物熔体的质量。通过向熔体池内引入湍流，使熔体池中的熔体混合以 减少温度和组成上的变化，由此使得矿物熔体的浸没加热改善了熔体的均匀性。
[0020] 通过保证矿物材料在燃烧室内至少15分钟的停留时间，使得对熔体池浸没加热 的均匀化效果具有充分的时间，从而制造高度一致的熔体。特别地，虽然之前的方法致力于 减少在燃烧室内的停留时间，从而避免建立温差，但是本发明可以利用熔体的停留时间以 通过浸没加热增加均匀性。例如，以上讨论的US 3, 077, 094仅仅提到了在部分燃烧室中5 至10分钟的停留时间。没有暗示更长的停留时间。
[0021] 在一些优选的实施方案中，对收集的矿物熔体进行浸没加热的步骤包括对收集的 矿物熔体进行电极加热。在这种技术中，将电极浸没设置在收集的矿物熔体内，并在电极之 间施加电势差。这样实现对熔体的加热。
[0022] 在其他优选的实施方案中，对收集的矿物熔体进行浸没加热可包括在矿物熔体内 实施浸没燃烧工艺。浸没燃烧工艺可包括直接将可燃物质提供给熔体。这种物质在熔体内 的燃烧实现对熔体的加热并引入额外的湍流，由此有助于改善熔体的均匀性。
[0023] 在特别优选的实施方案中，浸没燃烧工艺包括通过一个或多个燃烧喷枪注入另外 的燃料和燃烧气体，所述燃烧喷枪延伸穿过燃烧室的一个或多个侧壁。更优选地，燃烧喷枪 与燃烧室的侧壁形成向下的角度。按这样的方式定向燃烧喷枪，可降低熔体进入喷枪中的 风险。这在燃烧室的初始点火以及停止该工艺时是特别重要的，因为在这些阶段可能不发 生浸没燃烧。尽管如此，在替代的实施方案中，燃烧喷枪可以按其他定向来设置，例如，可以 水平或垂直延伸，或者穿过燃烧室的底壁而延伸。
[0024] 在优选的实施方案中，循环燃烧室的出口包括虹吸管。虹吸管能够对收集的矿物 熔体的高度提供有效的控制，因此能够合适地管控停留时间。优选地，虹吸管所在位置的高 度是可调节的。可调节的虹吸管高度能够用于控制燃烧室内所收集的矿物熔体的含量。以 这种方式，能够适当地控制腔室内所收集的矿物熔体的体积。例如，这能够用于调节熔体在 燃烧室内的停留时间，由此保证发生充分的熔体混合。另外，在初始点火时，虹吸管位置的 高度能够用于控制熔体池的高度，以及在制造后用于清空燃烧室。
[0025] 在优选的实施方案中，第一燃烧气体是含有至少25体积％氧气的富氧空气。该富 氧空气可以是纯氧气。通过使用氧含量高于空气的燃烧气体，能够减少所需要的燃烧气体 的体积，能够使燃烧室更加紧凑。此外，燃烧气体的体积与制造熔体所需的能量成正比，所 以使用富氧的燃烧气体能够增加工艺的能量效率。另外，使用富氧的燃烧气体还能够减少 引入至系统的氮气的量，因而也减少了有害的NO x气体的生成。
[0026] 优选的实施方案还包括：将第二燃烧气体注入到矿物熔体上方，由此引发在颗粒 状燃料的燃烧过程中由于初始热解而产生的任意炭的燃烧。已经发现，这在保持适用于制 造MMVF的矿物熔体的良好质量的同时，能够提供能量效率方面的重要改进。
[0027] 诸如煤之类的颗粒状燃料以两个阶段的过程进行燃烧。在第一阶段，即已知的热 解，挥发性化合物非常快速地燃烧并迅速释放出气体。这产生了富含碳的炭颗粒。第二阶段 是炭颗粒的燃烧，其通常比第一阶段慢得多。因此，尽管当燃料颗粒进入燃烧室时，燃烧的 第一阶段几乎可以瞬时发生，但是第二阶段通常不会发生，除非燃料具有足够的停留时间。
[0028] 矿物熔体中的炭影响所能制造的矿物纤维的质量。已发现，在矿物熔体上方注入 第二燃烧气体能够显著地加快炭发生燃烧的速度。这避免了为实现炭燃烧的预燃烧或第二 燃烧室的需要，因此能够得到更紧凑的方案。
[0029] 在优选的实施方案中，第二燃烧气体为含有至少25体积％氧气的富氧空气。由于 第一燃烧气体中引入的氧气被燃烧的热解阶段所消耗而导致的低含量的氧就会抑制炭的 燃烧速率，相反地，额外的氧气能够增加炭的燃烧速率。<