利用包括百分之60到85的氧的氧化剂的蓄热熔炉操作的制作方法

本发明涉及一种高温熔炉操作，其中通过燃料和具有高于空气的氧含量的含氧流的燃烧将热提供至炉料，如，玻璃制作材料。

背景技术：

许多工业操作需要在熔炉或等同的设备中将材料加热至高温。所需的高温可通过使燃料与空气在足以提供加热材料的燃烧热的速率下燃烧来提供。最近，在称为"氧燃料（oxy-fuel）"的操作中，作为氧源的空气由含有高于90vol.%（体积百分比）的氧的气态进料替代。与具有此高纯度的氧燃烧提供了许多优点，包括达到高温、较少热转移至进料空气的非反应成分，且减少形成氮氧化物的趋势。

氧燃料熔化的一个缺陷在于较高的运营成本。使用具有小于90vol.%的氧的气态进料流作为氧化剂，如，利用空气稀释来自液体供应流的高纯度氧，可降低含有的氧的单位成本。然而，使用低纯度氧降低氧燃料系统的能效，增大燃料消耗，且继而又相对于基础情况增加氧消耗。此外，如果未适当管理，则与高温火焰相关的氧化剂中的所得的较高氮含量可不利地影响来自过程的NOx排放。

然而，本发明认识到，当与余热回收装置如蓄热器关联时，可利用使用含氧量低于氧燃料燃烧中使用的氧化剂的操作来实现甚至更多优点，如，改善能效、减少排放和改善熔炉操作。

技术实现要素：

本发明的一个方面在于一种操作包含炉料的熔炉来加热炉料的方法，包括：

(A)提供包括60vol.%到85vol.%的氧的气态氧化剂；

(B)使气态氧化剂穿过加热的蓄热器且离开氧化剂端口进入熔炉，以使氧化剂在蓄热器中加热，以便其在500℃到1400℃的温度下从氧化剂端口出来，且从而冷却所述蓄热器；以及将气态燃料经由两个或多个燃料端口给送到所述熔炉中，且利用从所述氧化剂端口出来的加热的氧化剂在熔炉中燃烧燃料，以产生加热炉料的所述燃烧的气态热产物；

(C)中断氧化剂流经由蓄热器进入熔炉，且使所述燃烧产物进入所述氧化剂端口，且穿过和离开所述冷却的蓄热器来加热所述蓄热器，其中离开所述蓄热器的燃烧产物的温度为至少500℃；以及

(D)交替步骤(B)和(C)，

其中所述氧化剂端口和所述燃料端口位于所述熔炉中的所述炉料的顶面上方；

其中穿过所述氧化剂端口的中心的垂直线的各侧上设置至少一个所述燃料端口，且所述燃料端口位于离所述氧化剂端口10到60个燃料端口直径；以及

其中与来自给定氧化剂端口的氧化剂燃烧的燃料从在所述线的一侧上的燃料端口在40到350m/sec的速度下且从燃料端口给送到熔炉中，且氧化剂从氧化剂端口在2到20m/sec的速度下给送到熔炉中，其中从所述燃料端口给送的燃料在与高温氧化剂流燃烧之前夹带(entrain)所述熔炉中的气态燃烧产物。

通过经由使用独立的可调整的流动控制器来控制燃料端口的燃料速度，火焰形状和特性可变化，且能量释放分布图可在熔炉内侧且耐火侧壁附近受控制。这种灵活性避免了熔炉耐火壁或炉料材料由于高温火焰过热。

附图说明

图1为可实施本发明的熔炉和相关联设备的实施例的示意性俯视图。

图2为可实施本发明的熔炉和相关联设备的另一个实施例的示意性俯视图。

图3为图1中所示的熔炉的内壁的前部平面视图。

具体实施方式

参看图1和2，熔炉1为玻璃熔化熔炉或炉料暴露于由熔炉内的燃烧提供的很高温度的任何其它熔炉。可实施本发明的其它熔炉的实例包括焚化炉，以及用于熔化有色金属如铜或铝的熔炉，以及用于加热或再热铁和钢物体如条、棒和锭的熔炉。

在玻璃熔化熔炉中，玻璃制作成分如苏打粉、硝石、二氧化硅、硅酸钠和/或碎玻璃块("碎玻璃")给送到熔炉中，在该处，它们熔化在一起来形成熔融玻璃的熔池6。熔炉1包括侧壁2A和2B、端壁3和前壁4，该前壁包括熔融玻璃可经由其流出熔炉1的开口5。

熔炉1可设有侧壁2A和2B中的多个蓄热器11。图1示出了此布置的实施例，其具有侧壁中的两对蓄热器。熔炉1可设有端壁3中的多个蓄热器。图2示出了此布置的实施例，其具有端壁3中的一对蓄热器12。

气态氧化剂流15给送到蓄热器11和12中。氧化剂流15具有60vol.%到85vol.%的氧含量，优选65vol.%到80vol.%,且更优选65vol.%到75vol.%。

具有期望的氧含量的氧化剂流15可以以若干方式中的任何提供。其可从已经在期望的氧含量下的分开的商业源获得。其可通过使空气和较高含量的流组合来获得，该较高含量的流的氧含量高于流15的期望的最终氧含量；在此情况下，较高含量的流可从分开的商业源获得，或可通过现场的商业空气分离单元产生，如，本文所述的产生具有高于60vol.%且更优选高于85vol.%的氧含量的产物流的那些空气分离单元。

最优选的是，具有60vol.%到85vol.%的期望氧含量的氧化剂流15由现场空气分离单元13产生。

空气分离单元13是设备，优选真空变压吸附(VPSA)或变压吸附(PSA)或变温吸附(TSA)设备，其处理进料流14来产生氧化剂流15。优选为空气的进料流14具有低于60vol.%的氧含量。循环吸附过程是公知的，且通常用于使吸附性较大成分的气体与吸附性较小成分的气体分离开。实例包括变压吸附(PSA)或真空变压吸附(VPSA)过程和变温吸附(TSA)过程，变压吸附(PSA)或真空变压吸附(VPSA)过程使用低压或真空和吹扫气体来再生吸附剂，变温吸附(TSA)过程使用热驱动力如加热的吹扫气体来使杂质解吸。此过程大体上用于将氧或氮与空气分离，将其它杂质如烃和/或水蒸汽与进料空气气体分离，将氢与一氧化碳分离，将氧化碳与其它气体混合物分离，等。这些过程还用于在低温空气分离之前从空气除去杂质，如，水蒸汽和烃。用于分离或净化气体成分的任何循环吸附系统都可用于单元13中。

为了图示的目的，用于将氧与空气分离的典型的VPSA过程在本文中描述，但本发明可结合使用离心压缩机的其它循环吸附过程来使用，且不旨在限于此过程。典型循环VPSA过程是一种吸附床经历以下阶段的过程：

(A)将吸附床加压至期望压力，其中待除去的一种或多种气体在进料空气穿过床时将容易地被吸附剂吸附，该吸附床包括优选吸附待除去的一种或多种气体(如，在进料气体为空气时，该气体为氮)的吸附剂；

(B)进料空气中的氮被吸附，产生且回收富氧产物气体；

(C)含有吸附剂的床抽空至低压(通常在真空下)，其中被吸附的氮从吸附床中的吸附剂解吸；且作为优选，

(D)吹扫气体穿过床来除去任何剩余的氮。

本领域的技术人员理解，循环时间意思是完成一个循环所需的时间量；例如，过程按顺序步进，且然后回到起始状态。

适合的吸附剂是本领域的技术人员容易熟悉的，且可在开放的文献中找出。

一些吸附过程将具有更多步骤或多个床，且通常使用一个或多个风机来用于加压和解压步骤中的各个。如果VPSA设备包含两个或多个吸附容器，则各个容器经历以上步骤；然而，两个容器异相操作，以便在一个容器产生产物时，另一个再生。另外，在两个床的过程中，通常使用两个风机，其中一个专用于将气体给送至吸附容器，而另一个专用于抽空吸附容器。

不论使用单个容器、两个容器或甚至更多容器，过程内的压力和流随过程从吸附循环至解吸来快速变化。大体上，在快速周期循环时间内，如，小于一分钟，容器的压力将常压下或低于常压(优选低于常压，如大约6到8psia)的低压状态变成高于常压(如大约19到24psia)的高压状态。一些吸附过程在相似快速循环时间中将需要甚至更宽跨度的压力和/或真空。

存在大量用于产生本文所述的成分的氧化剂流的吸附过程领域中的公开技术文献，包括诸如美国专利第4,643,743号的专利和该专利引用或被引用的专利。

由单元13产生的氧化剂流15的期望的氧含量通过操作单元13在增加氧产物/进料空气比模式中实现。以此方式操作提高了氧回收和由空气分离单元产生的含氧量，同时产物氧化剂流中的氧浓度和能量需求相对于常规操作模式降低，在常规操作模式中，空气分离单元设计成产生具有90%或更高氧纯度的氧化剂产物。

由单元13产生的氧化剂流15通常在19.7到64.7psia的压力下，且通常在低于环境温度到200℃的温度下。氧化剂流15由适合的管路传送至各个蓄热器。

各个蓄热器构造成以便氧化剂15可给送到熔炉1外的蓄热器中，且以便氧化剂可穿过蓄热器且从氧化剂端口20(图3中所见)出现作为加热的氧化剂16进入熔炉1。各个蓄热器还构造成以便包括熔炉1中的气态燃烧产物的烟气可进入端口20中，且穿过蓄热器，且从蓄热器出来作为烟气流19。各个蓄热器由诸如耐火陶瓷材料的材料制成，且可包含由耐火陶瓷材料制成的物体，如，球体或花格，其中材料可由穿过蓄热器的热烟气加热，且材料可加热在低于蓄热器材料温度的温度下穿过蓄热器的气体如氧化剂15。

各个蓄热器均包括适合的阀，且控制阀，以允许操作者控制穿过蓄热器的气流是从熔炉1外流入熔炉1的氧化剂15，还是从熔炉1内流过蓄热器至大气、至收集器、至可回收烟气的热的另一个换热器、或另一工业工程的烟气19。

如图1中所示，至少两股流17和18与从蓄热器出来进入熔炉1的加热氧化剂16的各股流相关联。流17和18包括燃料，其在熔炉1中利用加热的氧化剂16燃烧。

参见图3，氧化剂端口20为开口，加热的氧化剂从开口自蓄热器出来而进入熔炉1的内部中。另外，如所述，烟气19经由氧化剂端口20离开熔炉1的内部进入蓄热器中。还如图3中所见，燃料端口21和22位于假想垂直线L的相对侧上，该线L穿过氧化剂端口20的中心。各个燃料端口离相关联的氧化剂端口20的中心的距离为10到60个燃料端口直径，优选30到50个燃料端口直径。燃料流17经由燃料端口21给送到熔炉1中，且燃料流18经由燃料端口22给送到熔炉1中。燃料流17和18从熔炉1外给送，且不穿过蓄热器。适合的燃料包括任何气态烃，如，天然气、甲烷、丙烷等。

燃料端口21和22定向成以便其轴线水平或形成水平线下方的达到10度的角，优选水平线下方达到6度，且朝穿过氧化剂端口20的中心的假想垂直线L达到10度，优选达到6度。该特征有助于保护熔炉的耐火侧壁和炉帽（crown）免受过量的热。对于端壁构造(图2)，端壁中的氧化剂端口20定向成以便其轴线形成朝熔炉的中心达到10度的角，优选朝熔炉的中心达到6度。该特征有助于保护熔炉的耐火侧壁免受过量的热。

氧化剂端口20自熔融材料的表面6升高，以便燃烧区和火焰不会直接地冲击熔融材料的表面，且加热的氧化剂在熔炉内循环来防止紧邻熔炉的炉帽(即，熔炉的顶部的内表面)的挥发性碱类的累积。通过减少熔炉中的碱挥发的量和炉帽附近的浓度，该特征允许了标准耐火材料如用于空气燃料熔炉中的那些用于本发明的整个熔炉中，降低了熔炉构造的成本。作为优选，氧化剂端口20定位成以便端口开口的底部在熔融玻璃材料上方0.76到1.52m(30到60英寸)的范围中。更优选的是，氧化剂端口20定位成以便端口开口的底部在熔融玻璃材料上方0.89到1.27 m(35到50英寸)的范围中。这样做减少了从熔融玻璃的碱挥发速率，以及炉帽附近的碱类的浓度。

燃料端口21和22自熔融材料的表面6升高，以便夹带熔炉气体，且降低高温氧化剂燃料火焰的峰值温度。此外，升高确保了燃烧区和火焰不会直接冲击熔融材料的表面，且玻璃材料的表面上的火焰的所得速度大小减小。作为优选，燃料端口21和22定位成在熔融玻璃材料上方至少0.7m(27.6英寸)。更优选的是，燃料端口21和22定位在熔融玻璃材料上方至少0.9m(35.5英寸)。这样做减小了玻璃材料的表面上的火焰的速度大小，减小了从熔融玻璃的表面的碱挥发速率，以及炉帽附近的碱类的浓度。

在操作中，各个蓄热器在氧化剂穿过蓄热器且在熔炉1中与燃料燃烧的燃烧阶段与热气态燃烧产物从熔炉1穿过蓄热器且作为流19离开的排放阶段之间交替。

在燃烧阶段中，氧化剂15给送进入且穿过蓄热器，蓄热器已经如本文所述那样加热。氧化剂从氧化剂端口20出来进入熔炉1作为加热的氧化剂16。加热的氧化剂流16的温度为500℃到1400℃，优选800℃到1350℃，且更优选1100℃到1350℃。加热的氧化剂的温度可通过蓄热器加热到的温度、氧化剂15进入和穿过蓄热器的流速和氧化剂15暴露于蓄热器内的热的时间长度的适当调整来实现。从氧化剂端口20出来的氧化剂的速度为每秒2到20米(m/sec)。

燃料从燃料端口21和22给送到熔炉1中，且与加热的氧化剂16燃烧。附加的燃料端口可在本发明的熔炉中使用来将天然气喷射到熔炉内的策略位置，以定制熔炉温度分布图。燃料与氧化剂的化学计量比优选在以促进燃料的完全燃烧和导致烟气中的优选1%到2.5%的过量氧的范围中。来自燃料端口21和22的燃料在40到350m/sec的速度下给送，优选60到250m/sec。端口21和22可在不同速度下操作。两个燃料端口处的不同速度控制熔炉中的火焰的热释放分布图。高燃料速度可用于远离熔炉侧壁的燃料端口，且有助于燃料在与预热氧化剂流燃烧之前使熔炉气氛夹带到燃料中，降低了熔炉中的峰值火焰温度、形成的氮氧化物量，且防止了因为由预热的氧化剂-燃料混合物形成的高火焰温度的耐火壁的过热。低燃料速度可用于熔炉侧壁附近的燃料端口，降低了燃料和高温氧化剂流的混合速率，降低了热释放速率和熔炉侧壁附近的峰值火焰温度。

氧化剂和燃料在压力下分别经由蓄热器端口和燃料喷嘴引入，且朝燃烧区引导。氧化剂的速度和燃料流的速度由燃料喷嘴和蓄热器端口的大小，以及可取决于过程的类型、处理的材料量和使用的燃料类型变化的氧化剂和燃料流给送速率提供。燃料端口21和22将优选具有0.0005到0.0127m²(1到5英寸内径)的范围中的内部面积，且氧化剂端口20将优选具有0.5到4m²的范围中的内部面积。

由于至氧化剂的热传递而冷却蓄热器的穿过蓄热器的氧化剂流持续，直到蓄热器砌块充分冷却，此后熔炉的操作反向。流反向的点基于本领域的技术人员熟知的因素确定；因素包括期望优化来自熔炉烟气的废热的回收且进入熔炉的氧化剂流的预热温度。

然后，穿过蓄热器的氧化剂流截断，且烟气流从熔炉1内进入氧化剂端口20且穿过蓄热器，且离开蓄热器作为流19开始。烟气加热蓄热器，以提供热，热最终加热穿过蓄热器的下一氧化剂流。在图1的实施例中，氧化剂和燃料从附图顶部处的蓄热器流入熔炉1中，而烟气经由附图底部处的蓄热器流出(且加热蓄热器)。

离开熔炉1的烟气(即，热气态燃烧产物)的温度通常为至少1400℃，且通常在1100℃到1550℃的范围中。作为优选，流出蓄热器的烟气的温度降低至少300℃，且为至少500℃。离开蓄热器的烟气的高温有助于减少或防止沉积物形成在蓄热器内的表面上。此沉积物可包括从熔炉1内的熔融炉料的挥发成分，或由此挥发成分与燃料和氧化剂的燃烧产物之间的相互作用形成的产物。烟气的高温有助于确保挥发的副产物穿过和离开蓄热器总是保持挥发性。该特征减小了热回收装置的结垢和堵塞的速率，且延长了蓄热器和熔炉操作的使用寿命。作为优选，由燃料和氧化剂的燃烧产生的所有气态燃烧产物经由一个或多个蓄热器离开熔炉1的内部。

本发明提供了许多优点。

一个优点在于，炉料加热在改善的总体能效下实现，即使用于本发明的氧化剂含有比通常用于氧燃料燃烧的较高纯度的氧流中存在的更多的氮，减少了过程所需的燃料和氧化剂的量。

本发明还减少了熔炉中的NOx形成，即使用于本发明的氧化剂含有比通常用于氧燃料燃烧的较高纯度的氧流中存在的更多的氮。

相比于常规氧燃料熔炉操作，本发明还减少了碱挥发，以及紧邻炉帽的浓度。

本发明还减少了热回收装置的结垢和堵塞，延长了蓄热器的使用寿命。