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本申请要求2015年6月26日提交的名为“具有氧气/气体加热燃烧器系统的玻璃熔化器”的美国临时专利申请序列号62/185,026的优先权和全部权益，其全部公开内容通过引用全部并入本文。
总体发明构思总体上涉及用于生产熔融玻璃的玻璃熔化器系统，并且更具体地涉及具有氧气/气体加热(heat-up)燃烧器系统的玻璃熔化器系统。
背景技术：
在连续玻璃长丝的制造中，批料被装入熔化器中以生成玻璃组合物。该批料在炉中熔化，并且玻璃经过精炼过程流动到长丝形成装置中的一个或多个套管中。典型地，每个套管包括许多喷嘴或尖端，熔融玻璃流流动经过该喷嘴或尖端。淬火的玻璃流通过卷绕装置而被从喷嘴机械地拉出以形成连续玻璃长丝。
关于这种工艺的熔化器部分，传统熔化器被构造成一个大的单罐。熔化器内的环境保持相对平静，特别是在受控启动期间。熔化器需要较长的时间进行设置，并且然后达到操作温度。为了操作效率，每种类型的玻璃组成的周期相对较长。在该工艺中任何不希望的或意外的停工可能是极其昂贵的，因为大量的玻璃材料可能被浪费。此外，意外的停工也可是危险的，因为该工艺在有限的空间中涉及极热、熔融的玻璃和可燃气体。
已经开发出各种新的熔化器设计来克服传统熔化器的负面性质。一种类型的新设计是浸没燃烧熔化器。这种类型的熔化器的热源位于炉的内部和底部，也就是说，在熔融玻璃池下方的浸没位置中。在这个浸没位置中，熔化器内的环境比传统熔化器要强烈和激烈得多。使熔化器达到操作温度的时间比传统熔化器要短得多。例如，与浸没燃烧熔化器相关的熔化和精炼工艺的时间可少于4小时。
该浸没燃烧熔化器的一个优点是操作者根据需要启动和停止熔化过程的能力。照此则能够更为容易地改变玻璃组成，并且操作者能够以一种迅速且不贵得多的方式对下游的意外问题作出反应。但是，启动和停止熔化过程需要每次熔化器被重启时都进行受控的启动，包括预热循环。
技术实现要素：
总体发明构思考虑了用于预热玻璃熔化器的系统和方法。
在一种示例性实施方案中，浸没燃烧熔化系统可以包括浸没燃烧熔化器，所述浸没燃烧熔化器具有壳体，所述壳体具有至少部分地限定熔化室的一个或多个侧壁、地板和天花板。该系统还可包括沿着壳体的地板定位的一个或多个主燃烧器以及可拆装附接于多个侧壁之一或天花板的氧气/气体燃烧器，该氧气/气体燃烧器被布置为使得来自氧气/气体燃烧器的火焰被向下引导入熔化室中。
在一种示例性实施方案中，用于玻璃熔化器的加热燃烧器可包括具有第一侧和第二侧的夹套主体部分。该主体部分可具有冷却流体入口、冷却流体出口以及从第二侧延伸到第一侧的吹扫空气通道。该燃烧器还可包括相对于吹扫空气通道以一定角度延伸的燃烧器通道，该燃烧器通道包括与内部气体通道同心的外部氧气通道并且在第一侧具有燃烧器通道出口。
在一种示例性实施方案中，预热玻璃熔化器的熔化室的方法包括将氧气/气体燃烧器附接到位于熔化器的天花板或侧壁中的燃烧器端口，使吹扫空气流过燃烧器并且进入熔化室一定的时间周期，停止吹扫空气流过燃烧器，使氧气和气体流到氧气/气体燃烧器，在燃烧器出口处点燃氧气和气体混合物，并将来自氧气/气体燃烧器的火焰向下引导入熔化室中。
当根据附图进行阅读时，本领域技术人员由以下的详细描述将更加清楚该总体发明构思的其它方面、优点和特征。
附图说明
为了更全面地理解该总体发明构思的性质和优点，应当参考结合附图的以下详细描述，在附图中：
附图1是处于初始启动状态的浸没燃烧熔化系统的示例性实施方案的横截面图；
附图2是处于操作状态的附图1的浸没燃烧熔化系统的横截面图；
附图3是用于附图1的浸没燃烧熔化系统的预热燃烧器的示例性实施方案的侧视图；并且
附图4是附图3的预热燃烧器的端视图。
具体实施方式
尽管总体发明构思允许许多不同形式的实施方案，但是在附图中示出并且将在此详细描述本发明的特定实施方案，但是应理解的是，本公开内容应被认为是总体发明构思的原理的范例。因此，该总体发明构思并不意图被限制到在此说明的特定实施方案。
除非另外定义，否则这里使用的术语具有与涵盖该总体发明构思的本领域中的普通技术人员通常所理解的相同的含义。这里使用的术语仅用于描述该总体发明构思的示例性实施方案，并且不意图限制该总体发明构思。如在所附权利要求和该总体发明构思的描述中所使用的，单数形式“a”、“an”和“the”旨在也包括复数形式，除非上下文另外清楚地指出。
现在参照附图，附图1和2示出了玻璃熔化系统90的示例性实施方案。玻璃熔化系统90包括熔化器100。熔化器100可以以各种方式配置。在所示的示例性实施方案中，熔化器100是浸没燃烧熔化器。但在其它实施方案中，熔化器100可以是不同类型的熔化器，例如传统的玻璃熔化器，如在本领域中已知的。
熔化器100包括限定出熔化室110的多个侧壁104、地板106和顶板108。典型地，熔化器100将包括至少四个侧壁104。在一种示例性实施方案中，熔化器100包括六个侧壁104。侧壁104、地板106和/或顶板108可由适合于耐受熔化器100内部的环境的任何材料制成。在一种示例性实施方案中，侧壁104、地板106和/或顶板108是水冷式钢壁。在一种示例性实施方案中，侧壁104、地板106和/或顶板108包括附接于其内表面或者与其内表面接合的耐火材料。
玻璃制造材料(例如原料)通过供料系统102被输送到熔化器100的熔化室110。如附图1和2所示的示例性供料系统102包括入口开口112、箱114、溜槽116、螺杆轴118、设置在螺杆轴118内的螺杆供料器120以及出口开口122。供料系统102主要地与熔化器100相邻且外部地定位，仅螺杆轴118的一部分延伸到熔化室110中(例如通过侧壁104之一)。以此方式，供料系统102的出口开口122被布置在熔化器100内，使得原料能够被输送到熔化室110中。因此，螺杆轴118起到原料进入熔化器100中的导管的作用。
在操作中，原料首先通过供料系统102的入口开口112被放置在箱114中。在一种示例性实施方案中，手动将原料放置在箱114中。在一种示例性实施方案中，原料经由自动输送系统(未示出)进入箱114。
在原料进入箱114的同时，它们沿着溜槽116向下行进(例如由于重力)，并收集在螺杆轴118的后面。螺杆供料器120在螺杆轴118内旋转，以拉动或以其它方式移动来自溜槽116的原料并且通过螺杆轴118。当原料被携带通过螺杆供料器120时，它们经过出口开口122离开螺杆轴118，并下落到或以其它方式进入熔化室110，在那里它们被处理(即被熔化)。
如附图2所示，在熔化器100的操作期间，原料将进入熔化室110并且通常停留在熔化器100内的熔融玻璃126的顶表面130上。以此方式，原料与熔融玻璃126混合并被熔化以增加熔化器100中的熔融玻璃126的量。熔化器100中的熔融玻璃126的量增加的速率能够至少部分地通过改变由供料系统102将原料供料到熔化室110的速率来控制。
此外，由于螺杆供料器120的操作以可测量的或可预测的速率移除或以其它方式减少在溜槽116和/或箱114中累积的原料，因此可定期地向供料系统102添加额外的原料以补充被供料到熔化室110中的那些原料。在一种示例性实施方案中，根据设定的时间表将额外的原料添加到供料系统102中。在一种示例性实施方案中，根据来自控制系统(未示出)的反馈，将额外的原料添加到供料系统102中。因此，通过可用原料的连续供料，熔化器100的连续操作(即，熔融玻璃126的连续生产)是可能的。
为了熔化通过供料系统102携带到熔化室110中的原料并由此形成熔融玻璃126，熔化器100使用浸没燃烧。因此，多个浸没燃烧式燃烧器128延伸穿过熔化器100的地板106。如本文所用的短语“浸没燃烧式燃烧器(submergedcombustionburners)”是指下述这样的燃烧器：该燃烧器被配置为使得由燃烧器产生的火焰和/或由火焰产生的燃烧气体出现在被熔化的原料的实际本体之下和/或之内。通常，浸没燃烧式燃烧器128被定位成与熔化器100的地板106齐平或略微突出。在一种示例性实施方案中，燃烧器128被定位成与一个或多个侧壁104齐平或略微突出。在一种示例性实施方案中，燃烧器128被定位成与地板106和一个或多个侧壁104齐平或略微突出。
在浸没燃烧式燃烧器128中，燃料和氧化剂的混合物(也被称为燃料-氧化剂混合物)被点燃以开始燃烧，并且所产生的燃烧产物被直接引入到被熔化的原料的体积中。燃料-氧化剂混合物的恒定、可靠且快速的点燃被提供，同时在熔融玻璃126的表面130之下保持稳定的火焰，使得该混合物快速燃烧并将燃烧热直接释放到熔融玻璃126中。
传感器(未示出)或相关装置可被用于在操作期间测量燃烧器128的特性。在一种示例性实施方案中，压力计被附接到每个燃烧器128的燃料管线，使得能够测量由在其中浸没有燃烧器128的熔融玻璃126施加到燃烧器128的压力。
燃烧器128能够燃烧单独或组合的气体和液体燃料，包括但不限于天然气、液化低btu-气体、废气、氢气、富氢燃料气体、其它可燃气体和各种组成的燃料油。在一种示例性实施方案中，燃料是气态燃料。合适的氧化剂的实例包括氧气、富氧空气(最高达80％的氧气)、空气(其含有21％的氧气)或任何含有氧气的气体。燃烧器128能够以贫燃料和富燃料两种模式操作，从而提供氧化或还原气氛。
燃烧器128加热玻璃形成原料的批料以熔化该原料并形成熔融玻璃126。从燃烧器128释放的气泡提高了熔化室110内的熔融玻璃126的循环。在一种示例性实施方案中，燃烧器128是氧气-燃料燃烧器，其被配置为将熔化器100中的温度维持在从大约2,200°f至大约3,000°f的范围内。在一种示例性实施方案中，燃烧器128被配置为维持熔化器100中的温度在从大约2,650°f到大约2,800°f的范围内。要理解，熔化器100内的温度将基于待熔化的玻璃和其它材料的熔化温度来确定。因此，燃烧器128可被配置为将熔化器100中的温度维持在任何希望的水平，包括低于约2200°f以及高于约3000°f。此外，可使用其它类型的燃烧器，例如空气-气体燃烧器。
浸没燃烧式燃烧器128以热能(热释放)和机械能(燃料-氧化剂混合物的注射)的形式向被熔化的原料和其它玻璃成分提供能量。同时，通过被熔化的原料内的燃烧产物的作用而产生充分混合或均匀的熔融玻璃126。充分混合或均匀的熔融玻璃126通过向熔融玻璃126中注入燃烧产物的高动量射流来实现，这改善了熔融玻璃126的均匀性和最终产物的质量。如本文中所用的“高动量(high-momentum)”是指足以克服液体压力的动量，以在熔体中产生希望的混合模式并且产生火焰和燃烧产物的强制向上行进。
与常规熔化系统和方法相比，浸没燃烧提供了增强的混合，更高的剪切力以及从浸没燃烧式燃烧器128到高温熔融玻璃126的更直接的热传递。这导致原料的更快和更完全的熔化，同时使熔融玻璃126中的温度梯度最小化。结果是获得更为有效的产生高温熔融玻璃的过程。
包括从熔融玻璃126逸出的气态内含物的浸没燃烧过程的副产物可经由排气管道132离开熔化器100的熔化室110。在一种示例性实施方案中，排气管道132在熔化器100的顶板108中形成。在一种示例性实施方案中，如果经由供料系统102进入熔化室110的任何原料被抽入排气管道132中，则它们可被再循环或以其它方式回收。例如，可使用袋式收集室(未示出)来再循环利用逸出的原料。
熔化器100还包括熔融玻璃出口134。熔融玻璃出口134用于将熔融玻璃126运载或以其它方式输送出熔化器100以用于进一步处理。例如，在熔化器100中产生的熔融玻璃126可经由熔融玻璃出口134离开熔化器100，并且向下游行进到精炼设备/站(未示出)和/或玻璃生产(例如纤维化)设备/站(未示出)。在一种示例性实施方案中，熔融玻璃出口134在侧壁104之一中形成。在一种示例性实施方案中，熔融玻璃出口134在熔化器100的与螺杆轴118延伸通过的侧壁104相对和/或不相邻的侧壁104中形成。
如上所述，熔化器100的侧壁104、地板106和/或顶板108典型地例如通过流体来冷却。这种流体冷却的壁可增加壁的使用寿命。此外，已知这些冷却的壁沿着壁的内表面形成冷冻玻璃层(未示出)，这是有利的，因为它使熔融玻璃126与壁的耐火材料之间的腐蚀性相互作用最小化。通常至少在熔融玻璃126的体积的周围，包括在侧壁104上，在熔融玻璃126的表面130下方和熔化器100的地板106上形成该冷冻玻璃层。
由于浸没燃烧过程的挥发性，熔融玻璃126的表面随着燃烧气体突破表面而不断起伏。结果，熔融玻璃126的羽流或部分136可升至熔化室110内的熔融玻璃126的表面130上方，正如附图2中所示。最初，熔融玻璃126的羽流或部分136中的至少一些将与熔化器100内部的经冷却的壁接触。当该羽流或部分136接触熔融玻璃126的表面130上方的经冷却的壁时，熔融玻璃可沿着经冷却的壁流动，直到它最终硬化以在其上形成更多的冷冻玻璃层。一旦形成足够厚的冷冻玻璃层以使熔化器100内的壁隔热，则该羽流或部分136典型地流动或下落回到置于熔化器100的地板106上的熔融玻璃126的池中。
附图1示出了其中在熔化室110内没有玻璃的初始启动状态下的熔化器100。如上所述，燃烧器128能够燃烧单独或组合的气体和液体燃料。为了点燃燃烧器128，熔化室110可被预热到高于所用燃料的自动点火温度的温度。例如，在一种示例性实施方案中，燃烧器128燃烧天然气，并且熔化室110可被预热到高于天然气的自动点火温度(即，高于大约1076°f)。一旦温度达到或超过该自动点火温度，则可将燃料引入到燃烧器128中，使得由燃烧器供应的燃料在引入到熔化室110中时自动点火。
为了使熔化室110内的温度高于燃料的自动点火温度，可提供预热燃烧器系统300。在附图1的图示实施方案中，燃烧器端口142在熔化器100的侧壁104中提供。在其它实施方案中，一个或多个燃烧器端口142可在多个侧壁104、顶板108或地板106中提供。预热燃烧器系统300可被配置为安装到燃烧器端口142或与燃烧器端口142相邻安装，以使得燃烧器系统300可到达熔化室110，以对该室进行加热。
预热燃烧器系统300可以采用各种方式配置。可以使用适合用在浸没燃烧熔化器中并且能够将熔化室110预热高于用于主燃烧器128的燃料的自动点火温度的任何配置。在示例性实施方案中，预热燃烧器系统300是氧气/煤气燃烧器。但在其它实施方案中，预热燃烧器系统300可以使用其它燃料-氧化剂混合物。
附图3和4示出了氧气/气体预热燃烧器系统300的示例性实施方案。燃烧器系统300可包括具有第一侧304和第二侧306的夹套主体部分302。第一侧304被配置为安装在熔化器100的侧壁104上的燃烧器端口142之上或之内。在示出的实施方案中，为了便于附接到熔化器100上，第一侧304具有基本平坦的面308以与熔化器100的侧壁104配合，并且包括围绕主体部分302的安装凸缘310。安装凸缘310包括一个或多个孔口312以容纳用于将燃烧器系统300附接到熔化器100的紧固件。但在其它实施方案中，燃烧器300可包括用于将燃烧器安装到熔化器上的平坦面和凸缘之外的其它结构。可使用任何合适的附接结构。
在所示实施方案中的夹套主体部分302是基本上盘形的。但在其它实施方案中，夹套主体部分302可以是任何合适的形状。在示例性实施方案中，夹套主体部分302可限定吹扫空气通道314和燃烧器通道316。吹扫空气通道314从第二侧306上的吹扫空气入口318延伸到第一侧304上的吹扫空气出口320。附接到吹扫空气入口318的是吹扫空气供应导管322，以将吹扫空气供应到熔化器。吹扫空气供应导管322流体连接到压缩空气供应(未示出)。吹扫空气供应导管322可以是任何合适的导管(conduit)，例如管子(pipe)或软管(hose)，并且导管322的至少一部分可与主体部分302一体地形成。
燃烧器通道316可以采用各种方式进行配置。在所示的实施方案中，燃烧器通道316被配置为通道中通道(passage-in-passage)设计。特别地，燃烧器通道316包括内部气体通道324和与内部气体通道324同心或大体上同心的外部氧气通道326。作为通道中通道设计的结果，在燃烧器通道316中不存在氧气和气体的预混合。氧气和气体在离开燃烧器通道316时混合。内部气体通道324从气体入口328延伸到第一侧304上的气体出口330。附接到气体入口328的是用于将气体供应到燃烧器系统300的气体供应导管332。气体供应导管332流体连接到气体燃料供应(未示出)，所述气体燃料例如是天然气。气体供应导管332可以是任何合适的导管，例如管子或软管，并且气体供应导管332的至少一部分可以与燃烧器通道316一体地形成。
外部氧气通道326从氧气入口338延伸至第一侧304上的氧气出口340。附连到氧气入口338的是氧气供应导管342，以供应氧气到燃烧器系统300。氧气供应导管342流体连接到氧气燃料供应(未示出)。氧气供应导管342可以是任何合适的导管，例如管子或软管，并且氧气供应导管342的至少一部分可以与燃烧器通道316一体地形成。
燃烧器系统300还可包括点火器344。点火器344可以采用各种方式进行配置。可以使用能够在气体出口330处或附近点燃气体燃料的任何点火装置。在所示的实施方案中，点火器344是火花塞，其包括将火花塞连接到点火系统(未示出)的端子346，沿着内部气体通道324内的燃烧器通道316延伸的延长型主体348，以及在第一侧304处或附近的尖端350。尖端350包括中心电极352，并且点火器344被配置为产生在中心电极352和气体通道324的壁354之间放电的高压，以为燃烧器系统300提供点火源。
夹套主体部分302在第一侧304处用冷却流体通道围绕吹扫空气通道314和燃烧器通道316。夹套主体部分302包括通过冷却流体通道流体联接到冷却流体出口358的冷却流体入口356。冷却流体入口356通过冷却流体入口导管360流体连接到冷却流体(例如水或冷却剂)供应(未示出)，并且冷却流体出口358流体连接到冷却流体出口导管362。冷却流体导管360、362可以是任何合适的导管，例如管子或软管，并且冷却流体导管360、362的至少一部分可以与夹套主体部分302一体地形成。
燃烧器通道316能够相对于空气吹扫通道314成角度α布置。在一个实施方案中，空气吹扫通道314垂直于或大体垂直于平坦面308延伸，并且燃烧器通道316向下成角度，使得一旦燃烧器被安装到熔化器的侧壁104，则燃烧器通道316以及该通道产生的任何火焰将被向下引向地板106、燃烧器128、或相对侧壁104的下部，如附图1中的虚线364所示。可以使用将火焰向下引向地板106、燃烧器128、和/或相对侧壁104的下部的任何角度。例如，在一种实施方案中，角度α在大约20度到大约60度的范围内，或者在大约30度到大约50度的范围内，或者在大约35度到45度的范围内，或者大约40度。在一种示例性实施方案中，角度α被选择为使得燃烧器通道316朝向地板106和相对侧壁104之间的交叉部366(附图1)。
燃烧器300还可包括火焰检测器368。火焰检测器368可以采用各种方式进行配置。可以使用任何能够提供在燃烧器通道316的气体出口330处存在火焰的指示的检测装置。在所示实施方案中，火焰检测器368是紫外(uv)检测器。但在其它实施方案中，火焰检测器368能够利用任何合适的火焰检测方法，例如近红外(ir)、红外(ir)、紫外/红外(uv/ir)、双重红外(ir/ir)、三重ir(ir3)、电离电流或其它合适的火焰检测方法。在所示的实施方案中，火焰检测器368被定位在气体出口330处或附近。火焰检测器368可被配置为向安全电路提供反馈信号，该安全电路能够激活可见/可听到的警报并且关闭向燃烧器的气体和氧气供应。
燃烧器系统300还可包括空气流量传感器370，该空气流量传感器370被布置成测量吹扫空气供应导管322或吹扫空气通道314中的空气流量。空气流量传感器370可以是任何合适的空气流量传感器，并且可被配置为向安全电路提供反馈信号，该安全电路能够激活可见/可听到的警报并且关闭向燃烧器的气体和氧气供应。
参考附图1，为了开始熔化器100的加热(heat-up)过程以及随后的点火，燃烧器系统300可以在燃烧器端口142处附接到熔化器。吹扫空气供应导管322、气体供应导管332、氧气供应导管342、冷却流体入口导管360和冷却流体出口导管362也可以连接到燃烧器系统300。另外，点火器344可以连接到点火系统(未示出)，并且火焰检测器368和空气流量传感器370可被安装并且合适地连接到例如安全电路。为了预热熔化器100，燃烧器系统300可以使吹扫空气流动到熔化室110中一定的时间周期，以确保在点燃燃烧器系统300之前在室中不会积聚可燃气体。在一种示例性实施方案中，燃烧器系统300使吹扫空气流动到熔化室110至少2分钟。例如，在一种实施方案中，燃烧器系统300使吹扫空气流动到熔化室110中大约3分钟。如果传感器未检测到空气流动，则空气流量传感器370能够验证吹扫空气正流过燃烧器系统300并提供信号或禁用燃烧器系统300。
一旦熔化室110已经被充分吹扫，则吹扫空气流可以停止，并且可以开始氧气和气体流过燃烧器通道316。点火器344然后可被激活，从而产生点燃燃烧器系统300的氧气/气体混合物的高压火花。穿过夹套主体部分302的冷却流体流可在点火之前或之后打开。夹套主体部分302降低燃烧器系统300的表面温度，以便操作者安全。一旦被点燃，氧气和气体流量可以升高以增加热量和火焰尺寸来加热熔化室100。如前所述，燃烧器通道316的角度α允许燃烧器火焰被向下引入主燃烧器128所在的熔化室110，以优先加热将发生自动点火的区域。
一旦熔化室110达到用于主燃烧器128的燃料的自动点火的足够温度，则到主燃烧器的燃料可以被打开，从而导致主燃烧器128的自动点火。在传统的玻璃熔化器中，熔化室通常使用过量的空气/气体燃烧器进行预热。然而，氧气/气体预热燃烧器系统300的示例性实施方案在操作期间比过量空气/气体燃烧器产生显著更少的废气。在一些示例性实施方案中，燃烧器300产生的废气比传统的过量空气/气体燃烧器少大约80％。结果，当使用示例性的氧气/气体预热燃烧器系统300时，熔化室110中的废气的速度降低，这降低了在初始自动点火期间或之后不久废气流将熄灭主燃烧器的火焰(熄火)的可能性。
在自动点火之后，加热燃烧器系统300可被关闭并从熔化器100断开。夹套主体部分302冷却燃烧器系统300的外表面以允许在断开期间的安全操作。在预热燃烧器系统300已经被移除之后，在熔化器100的操作期间，盖板372(附图2)或其它合适的结构可被附接在燃烧器端口142上。
已经通过实例给出了对特定实施方案的以上描述。根据所给出的公开内容，本领域技术人员将不仅理解总体发明构思及其伴随的优点，而且还将发现对所公开的结构和概念的明显的各种改变和修改。例如，尽管在此描述的实施方案使用用于浸没燃烧熔化器的氧气/气体燃烧器作为示例，但该总体发明构思可应用于其它类型的燃烧器和玻璃熔化器。此外，尽管所示的预热燃烧器被描述为具有通道中通道设计、吹扫空气通道和夹套主体，但是也可以使用其它的燃烧器设计。因此寻求涵盖落入如本文以及所附权利要求及其等同物所定义的总体发明构思的精神和范围内的所有这些改变和修改。