专利名称：玻璃配合料的熔化方法及设备的制作方法
本玻璃熔制工艺具有大型燃煤气的蓄热室窑炉系统的特征。组成配合料的原料经过非常细心处理，使其尽可能充分混合以促进熔化形成均匀的玻璃液。仔细制备好的玻璃配合料加入玻璃熔窑的熔化端。未熔化的配合料通常要复盐在占窑长2/3的玻璃液上。玻璃配合料和玻璃液的加热都是由窑中上部空间的火焰来完成。大部分的传热都是通过辐射的形式由火焰传递到配合料和玻璃液的。一部分热量是从窑拱辐射到配合料和玻璃液的，料的不透明性和火焰本身都可以降低来自火焰上方窑拱的辐射效率。
典型情况下，玻璃料在窑内的平均停留时间是35-45小时。在这期间，固体进行反应并熔化，玻璃液加热到1540℃。在加工过程中会产生气体(例如CO2，SO2等等)而形成气泡。这些气泡要在窑中随着澄清时间的延续而逐渐消除。这种澄清作用常常是朝着窑熔的熔化器的澄清带进行的。可以使玻璃液进行循环，以加速澄清过程和获得均匀玻璃液。在这样的加工期间，有一些挥发性物质形成气体而放出，一部分干配合料形成粉尘进入端流的燃烧气体中而造成损失。
现行的玻璃熔制工艺主要依靠辐射传热，这种传热方式使玻璃生产的能量利用率很低。在典型的玻璃熔化池窑中，射向玻璃液的热辐射来自温度为1500℃的窑拱和火焰本身，火焰本身的温度从1900℃到估计可达2400℃，由燃烧空气的予热温度决定，而此予热温度常常随蓄热室的温度变化。配合料“低温”进入时，辐射传热效率最高。随着配合料、玻璃液、窑拱和火焰本身之间的温差的减小，这种传热的速度连续不断地下降。当玻璃液趋近1100℃以上的澄清温度时，这种传热的效率变得相当的低。这时，为使温度稍稍增加，则需要大量的燃料，而延长加热时间导致更大的热损耗。
本发明的目的为提供能降低生产玻璃能量消耗的方法和设备。
本发明是通过设计较少地依赖辐射传热，较多地依赖对流传热的装置，来达到节约能量消耗的目的。
本发明还提供较短的加热和澄清时间、较低的火焰温度和尺寸较小的玻璃熔窑，使这一低能耗过程更为完善。
本发明的重点是在固体和气体反应物进入玻璃熔窑之前对它们进行予处理。
最后，本发明的首要目的是使高熔点的难熔原料进入玻璃熔体之前已开始熔化。
根据这些目的，本玻璃生产方法在广义上包括难熔物料与助熔剂分开处理;难熔物料的予热;助熔剂的熔化;被予热过的难熔物用助熔剂熔体进行复盖和将被复蓄的难熔物引入玻璃熔窑中。
助熔剂熔体和予热过的难熔物的混合，主要是在燃气喷射器中进行。使用燃烧气体通过文丘里喷咀来输送固体难熔物颗粒，在喷咀里熔化了的助熔剂通过计量进入文丘里管，与固体混合并复盖在固体表面。被复盖的颗粒借助燃烧气体送入玻璃熔窑时，它的温度可低于、几乎等于或高于窑中玻璃液的温度。
助熔剂和难熔物料典型地使用熔窑废气和新鲜燃烧气相结合来进行予热。在本发明的方法中，碎玻璃也可以使用废气予热，直接加入炉内或加入助熔剂/难熔物料混合区下游的难熔物料中。
图1是本方法的难熔原料予热/予煅烧分系统的示意流程图。
图2是本方法助熔剂予热和熔化分系统的示意流程图。
图3是本方法予热碎玻璃的附加分系统的示意流程图。
图4是本方法的助熔剂复盖/配合料注入分系统的示意流程图。
图5是根据本发明的一个实施方案制造玻璃的整个过程的组合流程示意图。
本发明的玻璃熔化系统包括了配合料在注入玻璃熔窑之前的予热、予煅烧和予助熔。在这些过程中，物料的加热是采用更有效的对流传热，而不采用在传统熔窑操作条件的辐射加热。在配合料喷射入熔窑的过程中，它们已被熔化的助熔剂复盖并已被熔化，或正处在熔化反应的过程中。
玻璃配合料的原料分成两股，或(有时也)分成三股供进行高温处理1)熔点很高的难熔物料;2)低熔点的助熔剂物料;3)在400℃或较高的温度下可以软化的碎玻璃。为使大多数配合料在串联式的旋风予热装置中可以进行很高温度的(1450-1550℃)予热，这种分法是必要的。在这样的予热期间可以熔化的物料一定能与高温的物料流分开，从而防止物料结块和堵塞旋风器。
高熔点的物料(例为矾土，硅石，石灰石，白方石等等)都是在图1所示的分系统中进行予热和予煅烧的。这些配合料的予热主要是由对流传热进行的。这种传热方式很有效，因为粒状配合料有很大表面积和这些颗粒表面有热气湍流洗涤作用。随着原料温度而增加，这些原料发生了煅烧，煅烧的结果放出了气体(例如碳酸盐将放出CO2，硫酸盐将放出SO2，水合物将放出H2O等等)。这些气体在进入炉子之前就放出对于系统是大有禅益的，因为这些气体以后与玻璃液中配合料起泡沫或气泡的产生就无任何的关系了。这样可以直接地减少玻璃的澄清时间。
如图1所示，难熔的粗配合料引入旋风器的串级组中，串级组从第一个旋风器1开始，接着第2个旋风器2和第3个旋风器3。旋风器串级组主要靠逆流的窑燃烧气来操作，这种逆流的窑燃烧气在1500-1600℃的温度下离开熔窑。还可在燃烧室5中使补充的燃料和空气进行反应，以保证物料煅烧达所需要的程度。当玻璃配合料通过3个旋风器的时候，它们的温度将迅速而有效地增加。在第1和第2旋风器进行予热和予煅烧。在第3级旋风器，象石灰石和白云石之类的原料将进行煅烧。据估计，这些原料80-100%将被煅烧成CaO和MgO，同时释放出也许有配合料所需要的25-330%的热量。所放出的气体不会使系统引起显著的挟带和升压。煅烧过的产物应足够干燥而不会与在场的物料形成团块或粘团。在旋风器和燃烧器煅烧后，配合料固体通过第4个旋风器4和配合料控制器6输送到下面将要说明的助熔剂复盖/配合料喷射装置。
提供排气装置以处理旋风器系统中的压力降。通过每个旋风器的估算压力降约为1200帕。旋风器可以是金属结构，必要时，内加耐火衬里。
本发明提出的予热装置和传统燃烧熔窑相比具有另一优点。虽然图1所示的燃烧器5可能只是一个简单的燃油燃烧器或燃气燃烧器，对于某些玻璃配合料这种燃烧器也可以用粉煤或重油加热的流化床燃烧器来代替。使用煤或重油可以大大地降低燃料的价格。例如对于某些玻璃来讲，煤可能具有着色的有害杂质。但是对于另外一些玻璃，例如有色瓶玻璃，某些煤杂质的存在是允许的。
图2展示了本发明的助熔剂熔化分系统，这种分系统设计使用1000-1050℃的熔窑废气在两级过程中来予热助熔剂(例如碳酸钠)。废气通过进口13进入第二个予热旋风器11，接着进入第一个子热旋风器10，再进入换热器。助熔剂物料则通过予热旋风器10和11与气流成逆流的方式运动，然后进入助熔剂熔化器14。助熔剂的熔化要借助外加的能量，例为电或天然气。熔体约在870-930℃从熔化器被输送到助熔剂复盖/配合料喷射装置。
与难熔氧化物的情况一样，助熔剂颗粒大小最好应在1000美制目或稍大些。颗粒最小尺寸的规定将使夹带进入废气流的助熔剂最少。最大碳酸钠颗粒粒度应该是小于美制16目。粒度上限的规定是为了提供良好的传热性能。
旋风器由金属或合金制作，根据操作条件需要内衬耐火材料。旋风器使用金属壳体能有效地避免过量空气的漏入，因而可以有效地加热助熔剂。为了增大旋风器内衬的抗磨性和抗热性耐火材料内衬是必需的。
如果在制玻璃的过程中使用了碎玻璃，则可以使用废气予热碎玻璃。为图3所示，选定的碎玻璃予热分系统包括20和21两个旋风器，从逆流方向在22进入熔窑废气。碎玻璃进入旋风器后，与热气接触进行热交换，可以预热到尽可能高的温度，但不可结成团块。碎玻璃经过予热后通过配料控制器6由碎玻璃喷射器送入窑内。这种原料的通常粒度范围为16-1000美制目。
图4示出了关键的助熔剂复盖/配合料喷射分系统。这种复盖喷射分系统32用来1)促使配合料中各种组分紧密混合，2)将予热过的、予煅烧过的、予助熔过的配合料引入熔窑的熔化端。推荐的复盖喷射器32包括燃烧器33、储存器31、文丘里喷咀34和小孔35，从这里注入计量的熔融助熔剂。燃烧器33的燃气燃烧产物提供了另外的热量，并将予热过的、予煅烧过的固体30从储存器31输送到文丘里混合/复盖喷咀34，在喷咀处熔化了的助熔剂定量地从小孔35进入。混合/复盖喷咀提供了很高的混合和接触效率。这种情况连同物料互相之间的化学亲合力，会导致固体颗粒完全被熔化的助熔剂复盖。由于温度很高(例如1500℃的硅石、矾土、石灰颗粒和870℃的助熔剂熔体)，当助熔剂复盖固体颗粒形成粘性表面层时，就立即出现固体颗粒被助熔剂强烈的侵蚀融化。可以期望，在固体颗粒、助熔剂和热的喷射气流中含有足够的热能，因而无需另外加热就足以使熔化反应完成。来自燃烧器33的燃烧气体最终将复盖的固体喷送入玻璃熔窑37中的玻璃液36内。也可采用多级复盖喷射器。
上面已叙述了向喷射器加补充热量的推荐方法。但是这个助熔剂复盖/配合料喷射装置也可作为单纯的混合装置。这时用助熔剂复盖难熔颗粒，和喷射时的温度可保持在约900℃，然后将颗粒喷射入例如电炉中作进一步加热。两种流体高切变接触即使在低温下也能产生迅速的混合和复盖，因此可以使用小型喷射装置。其他的大型装置，象前面工艺中采用的旋风炉，在这样低的温度下都会出现玻璃凝结的严重问题。
喷咀式接触/混合装置对于本发明是必不可少的，因为此装置能提供高切变的混合和复盖。根据喷咀结构，我们打算采用一般的具有缩喉截面文丘里喷咀装置，在缩喉截面处，玻璃液(或颗粒)被载有颗粒(或载有熔体)的气体吸入。可是我们也打算采用无喉截面的直壁喷咀和用于吸熔体或颗粒的交叉孔。当然流体的初始速度在这种直壁喷咀中不会升高。但是它能合理地提供高切变的混合和复盖。传统的带缩喉截面文丘里喷咀是优选的，因为它有较高的切变作用。
图4所示的文丘里喷咀是一个称作干喉的文丘里喷咀，在这种喷咀里使用固体和气体来吸喉部的熔融助熔剂。也可使用其他的喷咀结构将助熔剂喷涂在固体颗粒上。例如，所谓的湿文丘里喷咀也是可用的，在这种喷咀里，熔化的助熔剂被燃烧气雾化，流态化的固体配合料在喉部被含有助熔剂的燃烧气吸入并被复盖。
图5示意地表示了综合过程和设备的一个实施例。玻璃熔窑37含有熔化的玻璃液36，用传统的加热方法维持玻璃液的温度。排出的废气经过38离开玻璃熔窑，直接通过燃烧器5和废气分配器43被送到难熔原料、碎玻璃和助熔剂予热旋风器中。难熔的玻璃配合料组分经过旋风器1、2和3被予热和部分煅烧。分解反应将使气体从原料中排出。如果可能和实用的话，这些物料最好用附加的燃烧，例如燃烧器5中的燃烧加热到玻璃窑中的熔化温度，以便在玻璃熔窑中需要很少的熔化热或不需要熔化热。这会充分利用在玻璃熔窑外进行对流传热的优点。
碎玻璃料也用类似的方法在旋风器20、21的中进行一级或二级予热到接近它的软化点。
低熔点的助熔剂物料在旋风器10、11的单独装置中使用窑废气被予热到尽可能高的温度，只要不引起旋风器的操作故障。这个温度估计是接近700-760℃，在这个温度时，物料仍旧处于颗粒状。这些被予热了的物料将在工作温度为870-930℃的熔化器14中熔化。
经过难熔物料、碎玻璃和助熔剂的予热后的乏气排入管道44，可以通到换热器39将输入的燃料及助燃空气予热。传统的集尘器40可用来回收微细颗粒从41排出，并从42排出烟道废气。微细颗粒可以导回原料喷射系统经入口46进配合料控制器6。予热过的予煅烧过的难熔固体由配合料控制器6计量而进入复盖/喷射器32，再被燃烧气喷射器接收和输送。燃烧器33产生的燃烧产物提供了补充热量，并将予热过的颗粒输送到最佳的文丘里混合/复盖喷咀里，熔化的助熔剂也被计量而进入喷咀。混合/复盖喷咀提供了很高的混合和接触效率，促使固体颗粒被熔化的助熔剂很迅速地复盖。有些颗粒在进入玻璃熔窑内的玻璃液之前就完全熔化了。有些颗粒则局部熔化，在进入玻璃液后将继续熔化。
予热过的碎玻璃流可以间歇地或连续地引入配合料喷射装置，但是碎玻璃不需要助熔剂的复盖层。碎玻璃可以用不加助熔剂的复盖/混合喷咀喷射，也可用单独的喷射系统喷射，即只用一个喷射器而不带助熔剂复盖喷咀。
物料通过混合/复盖喷咀时所具有的速度应该足以将它们带入玻璃熔窑的熔化区。为了保证配合料能到达预定的地点，装设方向性的定位控制器是必要的。这两股物料的含热量理想情况下足以完成熔化反应。用于加热配合料喷射器的高温燃烧气体，可以对助熔剂复盖层和碎玻璃颗粒增加额外的热量。典型情况下，玻璃熔窑不需要补充的熔化热。只需加入能维持使玻璃液澄清所需的温度。当然，如果要求或者必须的话，这些物料也可以在较低的温度下喷入，在低温的场合下，窑中需要提供最终的熔化能。氧化物也可在混合/复盖喷咀和玻璃熔窑中进行调节，这样就能保持能使玻璃高度澄清的还原条件。
玻璃熔窑中的停留时间是为了达到熔化完全和玻璃液的澄清。升高环境温度和使大部分配合料熔化所需要的时间，对于这里提供的熔化技术来说几乎是无关紧要的了。通过串联的旋风器组将原料予热所需要的时间大约为1-2分钟。和现行的配合料熔化技术相比较，这几乎可以说是瞬时加热。由于约有1/2的反应气体在予煅烧阶段的旋风器被排出，因此澄清时间(气泡清除)也将大量减少。实践中，喷射入窑的混合料在完成熔化反应的过程中还要放出一些残余反应气体。当然，为了保证大颗粒完全熔化，保证玻璃液的充分混合，必须给以适当的澄清时间。在配合料喷射入窑后，本发明系统与现有玻璃熔化技术没有很大的差别。玻璃熔窑的基本操作原理同样适用。
本发明系统还包括通过换热器39对助燃用空气进行予热。与现有的操作情况对比，它是将助燃空气在蓄热室中加热到超出1100℃，而本发明系统中的换热器只用600℃左右的乏气加热，所以能够使用标准金属换热器。较低的400℃的空气予热温度可获得到较低的火焰温度和较低的窑拱温度，最终也导致较少的热的NOX的产生。
本发明系统中的传热主要是通过对流进行的。即使由于颗粒在旋风器中从较低温度的气体进入较高温度的气体而使其温度增加的时候，传热的速度仍旧是很高的。根据旋风器予热期间产生的气体排出的有效程度，以通常的辐射为主的方法为基准，澄清时间可以减少了1/3或1/2。
由于本发明中所应用的对流传热比辐射传热快的多，造成热损耗的时间也大量缩短。此外，熔化时间和澄清时间都缩短了，窑的尺寸也可以减小很多。熔窑表面积的减少将会直接地减少逸入周围环境中的热损耗。在现行操作中，玻璃通常要在熔窑中停留数日。而本发明的操作中的停留时间不到一半。与现有的玻璃熔化技术相比较，可获得的其他的直接好处包括加热、熔化和澄清时间较短熔化和澄清窑的体积较小火焰和拱顶温度较低挥发物再循环配合料/助熔剂的混合更紧密更完全消除了配合料的挟带间接的好处包括通过窑炉系统热损耗的减少，燃料的热效率更大，传热更有效燃烧化学计量控制得到改进熔窑噪音较小SOX和NOX的产生和逸出较少废气结渣现象较少熔窑概率寿命较大装置第一次熔化的费用可能较低
权利要求
1.对含有难熔粒状物料和低熔点助熔剂的制作玻璃的原料进行予处理的方法，此方法包括使助熔剂熔化，用一次气通过喷咀输送难熔粒状物料，和将熔化的助熔剂送入喷咀，从而使难熔的粒状物料与熔化的助熔剂高切变混合、接触和粘附。
2.根据权利要求1的方法，该方法还包括将难熔物料和助熔剂送入玻璃熔窑中已熔化的玻璃液内。
3.根据权利要求2的方法，其中熔化了的助熔剂是在正压下注射入喷咀中。
4.根据权利要求2的方法，其中难熔物料通过具有缩喉截面的文丘里喷管输送。
5.根据权利要求4的方法，其中熔化了的助熔剂被吸入文丘里喷咀的缩喉截面内。
6.根据权利要求4的方法，其中的混合阶段还包括一次气加热和粒状难熔物料与文丘里喷咀上游的一次气接触而被加热。
7.根据权利要求6的方法，其中一次气还将复盖的粒状难熔物料送到玻璃熔窑中的熔化玻璃液内。
8.根据权利要求6的方法，其中还包括用一次气将预热过的粒状难熔物料，进一步加热到几乎接近玻璃熔窑中已熔化的玻璃温度。
9.根据权利要求2的方法，该方法还包括将喷咀上游的粒状难熔物料进行予热。
10.根据权利要求9的方法，其中将粒状难熔物料进行予热时还包括使粒状难熔物料和玻璃熔窑产生的高温废气，以对流热交换的方式逆向流动使粒状难熔物料予热。
11.根据权利要求10的方法，该方法还包括使粒状难熔物料和高温废气呈逆向流动通过一系列的旋风热交换器。
12.根据权利要求11的方法，该方法还包括从另一个来源经过予热的助燃空气补充到高温废气中。
13.根据权利要求10的方法，该方法还包括将助熔剂在熔化之前，用来自玻璃熔窑的高温废气进行予热。
14.根据权利要求13的方法该方法还包括使用粒状的碎玻璃料，用来自玻璃熔窑的高温废气予热粒状碎玻璃料，将予热过的碎玻璃料引入玻璃熔窑中的已熔化的玻璃液内。
15.对含有难熔粒状物料和低熔点助熔剂的制作玻璃原料进行予处理的方法，此方法包括使助熔剂熔化，将已熔化的助熔剂分散成液滴，用一次气通过喷咀输送助熔剂液滴，将难熔粒状物料引入喷咀，从而使难熔物料与熔化助缩剂高切变混合、接触和粘附。
16.根据权利要求15的方法，该方法还包括将粒状的难熔物料吸入文丘里喷咀的缩喉截面。
17.根据权利要求16的方法，该方法还包括在粒状的难熔物料引入喷咀之前，对这些粒状的难熔物料进行予热。
18.对含有粒状难熔物料和低熔点助熔剂的制作作玻璃的原料进行予处理的设备，包括使助熔剂熔化的设备，喷射装置包含使粒状难熔物料与已熔化的助熔剂接触，并使熔化的助熔剂与粒状难熔物料进行混合的喷咀。
19.根据权利要求18的设备，该设备还包括将复盖的粒状难熔物料送入玻璃熔窑的装置。
20.根据权利要求19的设备，其中的喷射装置还包括使粒状难熔物料通过喷咀输送的一次气源。
21.根据权利要求20的设备，其中的喷射装置还包括将熔化的助熔剂在正压下输入喷咀的装置。
22.根据权利要求20的设备，其中的喷咀是具有缩喉截面的文丘里管，并包括将熔化的助熔剂吸入缩喉截面的装置。
23.根据权利要求22的设备，该设备还包括将喷咀上游的粒状难熔物料进行予热的装置。
24.根据权利要求23的设备，其中喷射装置包括为了对予热过的粒状难熔物料进行补充加热，并将这样的物料通过喷咀进行输送，而产生热燃烧气体的燃烧器。
25.根据权利要求23的设备，其中予热装置包括一系列对流热交换器，粒状难熔物料和来自玻璃熔窑的高温废气呈逆向流动的方式通过，进行热交换。
全文摘要
玻璃熔化系统包括配合料注入玻璃熔窑之前的预热、预煅烧和预助熔。原料在本发明的熔窑中依靠对流方式加热，而不是辐射加热。配合料注入玻璃熔窑内时，它已紧密地被熔化了的助熔剂覆盖，以便在进入熔化的玻璃液之前进行熔化反应或至少开始熔化反应的过程。
文档编号C03B3/02GK1030396SQ8810370
公开日1989年1月18日 申请日期1988年6月20日 优先权日1987年7月6日
发明者亚历山大·G·法斯本德, 保罗·C·沃尔克普, 莱尔·K·马奇 申请人:巴特尔发展公司