Способ плавления стеклообразующего материала в стеклоплавильной печи и кислородотопливная горелка

Изобретение относится к кислородотопливным горелкам, установленным в своде стеклоплавильной печи. Технический результат изобретения заключается в увеличении производства стекла, улучшении качества стекла, уменьшении электрической энергии, восстановление производственной мощности, уменьшение использования кислорода. В своде печи устанавливается, по меньшей мере, одна кислородотопливная горелка ступенчатого сгорания. Струя впрыскиваемого топлива и струя впрыскиваемого окислителя разделены и образуют угол одна относительно другой от 0° до 90°. Сжигания топлива производят таким образом, что часть сгорания происходит вблизи стеклообразующего материала для увеличения конвективной и излучательной передачи тепла стеклообразующему материалу. Кислородотопливная горелка содержит, по меньшей мере, один наружный инжектор окислителя и два внутренних инжектора топлива. Центральный инжектор топлива предназначен для впрыскивания топлива с высокой скоростью, и один кольцевой инжектор топлива предназначен для впрыскивания топлива с низкой скоростью. Центральный инжектор топлива предназначен для обеспечения центральной струи топлива высокого давления, содержащей, по меньшей мере, одно газообразное топливо или жидкое топливо, кольцевой инжектор топлива предназначен для обеспечения по существу кольцевой топливной оболочки более низкого давления, содержащей газообразное топливо снаружи концентрично центральной струи топлива. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 табл.

 

Изобретение касается использования установленных в своде печи кислородотопливных горелок для варки стекла. Изобретение также касается использования, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелки, в которой применяется внутреннее и внешнее ступенчатое сгорание в своде стеклоплавильной печи. Изобретение касается как печей со 100%-ным кислородотопливным нагревом, так и печей, нагреваемых электрическими или другими некислородными средствами, как например, воздухотопливная, с естественной тягой, горелка (горелки) или их сочетания, так и способа плавления стеклообразующего материала.

В одном примере реализации это изобретение касается использования, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелки в своде стеклоплавильной печи для увеличения производственной мощности или сохранения текущей производственной мощности либо при снижении электрического подогрева, либо в результате износа существующего оборудования для рекуперации теплоты, таких как рекуператоры или регенераторы. Процесс включает замену части существующей или ранее используемой воздухотопливной мощности печей или электрической мощности с кислородотопливной мощностью. За исключением стеклоплавильных регенеративных печей с подковообразным пламенем и электрических печей, процесс включает блокировку пламенных окон регенеративных печей или отключение рекуперативных горелок. В частности, выбор конструкции, изгиб и расположение горелок над материалами шихты, поступающими в печь, улучшает скорость варки стекла, увеличивает выход продукта, улучшает энергетический к.п.д. и качество стекла. Точное регулирование стехиометрического отношения сгорания в горелке, взаимодействие горелок, работающих на богатой и бедной топливной смеси, и ступенчатое изменение технологического зонального топливно/кислородного процесса в печи используются для увеличения теплоотдачи, при уменьшении выбросов оксидов азота и двуокиси серы.

Регенеративные, рекуперативные, электрические печи и пламенные печи прямого нагрева широко используются в производстве стекла и подобных продуктов стеклообразной фритты.

Воздухотопливные регенеративные печи делятся на две категории: печи с поперечным направлением пламени и печи с подковообразным пламенем. Регенеративные печи с поперечным направлением пламени имеют множество окон, обычно от трех до восьми с каждой стороны печи, которые соединены либо с общим регенератором, либо с изолированными одно от другого отделениями регенератора для подогрева воздуха для горения. Регенераторы различной формы и размеров переключаются каждые 15-30 минут в зависимости от работы печи. Во время каждого цикла переключения воздух для горения из вентилятора, проходящий через один канал в реверсионном клапане, входит в основание регенератора с одной стороны печи и подогревается перед поступлением в окна, соединенные с печью. Топливо в виде нефти и/или газа впрыскивается либо под, над, через, либо сбоку окна для получения пламени, которое сгорает в стеклоплавильной печи. Горячие продукты сгорания выходят из печи через противоположное боковое окно, вниз через насадочный кирпич регенератора, выделяя тепло и затем в выхлопной патрубок через второй канал в реверсивном клапане. Когда регенератор, находящийся со стороны входящего воздуха для горения, охлаждается регенератор на стороне выхлопа нагревается до тех пор, пока реверсивный клапан не переключается, и воздух для горения входит в нагретый до этого регенератор выхлопа.

Стекло плавится частично вследствие излучения пламени воздухотопливной смеси, но главным образом, вследствие повторного излучения от свода и стенок, которые нагреваются продуктами сгорания. Для повышения производительности процесса производства стекла, во многих печах используются электрические средства дополнительного подогрева с помощью электродов, погружаемых в стекло. Это дорогостоящая технологиями, и она может привести к повреждению стенок ванны стеклоплавильной печи, находящихся в контакте со стеклом. Со временем регенераторы могут закупориваться из-за теплового/конструктивного повреждения или из-за уноса жидких или твердых частиц материалов сырья, образующих стекло, известных как материалы шихты, или вследствие конденсации летучих молекул, выделяющихся из стекольной шихты. Когда регенераторы начинают закупориваться или выходить из строя, температура обогрева воздуха в печи будет снижаться, а атмосферное давление внутри печи будет расти, снижая термический к.п.д. печи. Для сохранения того же уровня производительности стекла потребуется больше топлива и воздуха для горения. Что более важно, из-за увеличения давления в печи, производительность процесса изготовления стекла должна быть уменьшена, чтобы не повредить огнеупорные материалы, составляющие верхнюю обвязку печи.

Для восстановления производственной мощности, снижающейся в результате возникновения упомянутых проблем регенератора, или для увеличения производства в незагромажденной печи использовались четыре способа подачи кислорода: общее обогащение воздуха кислородом, специальную продувку кислорода под пламенем окон, установку кислородотопливной горелки между первым окном и стеной загрузочного конца и установку проходящих через окно водоохлаждаемых кислородотопливных горелок. Увеличение мощности в результате этих технологий ограничивается доступом, технологическими требованиями или температурными пределами огнеупоров.

Регенеративная печь с подковообразным пламенем в работе подобна печи с поперечным направлением пламени; однако, она имеет только два окна в концевой стенке, которые соединены с отдельными регенераторами. Износ регенератора может происходить таким же образом, как в печах с поперечным направлением пламени, и таким же образом используется дополнительный электрический и кислородный подогрев.

Для восстановления производственной мощности, снижающейся в результате упомянутых выше проблем регенератора, или для увеличения производства использовались три способа подачи кислорода: общее обогащение воздуха кислородом, специальную продувку кислорода под окном и установку кислородотопливных горелок, проходящих через печь. Мощность этих технологий обычно ограничивается из-за температурных ограничений в печи вследствие расположения горелок и опасности перегрева печи. В рекуперативной печи используется, по меньшей мере, один теплообменник типа рекуператора. В отличие от регенератора, действие рекуператора непрерывное, с прямоточным теплообменником для горячего потока, где выхлопные газы подогревают воздух для горения, который подается по трубам к отдельным воздухотопливным горелкам вдоль боковых сторон печи. В рекуперативных печах также может использоваться дополнительный электрический подогрев. Так же как регенеративные печи, рекуператоры могут терять свой к.п.д и способность подогрева воздуха. Они могут закупориваться, или в них могут образовываться места утечки между стенками, отделяющими воздух для горения и выхлопные газы.

Для восстановления производственной мощности, снижающейся в результате упомянутых выше проблем рекуператора, или для увеличения производства, использовались три способа подачи кислорода: общее обогащение воздуха кислородом, специальную продувку кислорода под воздухотопливными горелками и установку кислородотопливных горелок, проходящих также через разделительные стенки воздухонагревателя печи. Эти технологии обычно ограничиваются по мощности из-за ограничений, связанных с положением горелок и опасностью перегрева печи.

В пламенных печах прямого нагрева не используется подогретый воздух и поэтому они менее эффективны, чем предыдущие примеры конструкций печей. Для улучшения энергетического к.п.д. или увеличения производственной мощности кислородотопливные горелки в боковых стенках заменили воздухотопливные горелки.

Электрические печи или печи, в которых используется электричество для большей части плавок, обычно не экономичны и имеют более короткую кампанию футеровки печи в отличие от обычных печей, работающих на ископаемом топливе. В сконструированной готовой печи трудно увеличивать производственную мощность. Это изобретение касается того, что в промышленности называется электропечами с горячей и теплой крышкой и не относится к печам с холодной крышкой.

В патенте США №5139588 описана высокоимпульсная, установленная в своде, вспомогательная кислородотопливная горелка с водяным охлаждением, установленная в стеклоплавильной печи, которая направлена на поверхность раздела расплавленных и твердых стеклообразующих ингредиентов под углом, направленным вверх относительно потока стекла, в результате чего твердые стеклообразующие ингредиенты механически задерживаются, что препятствует их прохождению мимо зоны плавления.

В патенте США №3337324 описан способ плавления материала шихты в стеклоплавильной печи с использованием горелки, расположенной таким образом, чтобы разогревать по существу сверху вниз всю загрузочную сторону печи с водяным охлаждением.

В прошлом установленные в своде печи горелки изучались для использования в стеклоплавильной промышленности, но были отвергнуты. Считалось, что выделение тепла из установленных в своде печи горелок слишком велико, что может привести к плавлению свода печи. К тому же, высокоимпульсное пламя горелок будет рассеивать материалы шихты, вызывая повреждение стенок печи, и создавая слой газообразных пузырьков, обычно называемых пеной, на поверхности расплава стекла.

Недавно было предложено устанавливать расположенные в своде печи кислородотопливные горелки в плавильных частях печи, снабженных огнеупорной футеровкой. Эти горелки направлены вниз под углом, превышающим 45° относительно поверхности стеклообразующего материала, при регулируемой скорости, чтобы не переносить рыхлый материал шихты в атмосферу печи, и также регулируются таким образом, чтобы по существу столб потока топлива и кислорода сгорал вблизи верхней поверхности стеклообразующего материала, для получения пламени, которое ударяется о поверхность стеклообразующего материала. Это позволяет значительно увеличить отдачу тепла в стекло, сохраняя при этом температуры огнеупоров в безопасных пределах, а также избежать перегрева свода и стенок печи. Этот технологический принцип использования установленных в своде печи горелок (не обеспечивающих ступенчатое сгорание) в виде основного источника тепла в стеклоплавильной печи, не имеющей регенераторов или рекуператоров, описан в патентной заявке США №08/992136, которая включена здесь посредством ссылки.

Конструкция кислородотопливной горелки, встроенной для обеспечения ступенчатого сгорания, описана в патенте США №5458483. Ее использование в виде установленной в своде печи конструкции, однако, не предусматривалось.

Необходимо обеспечить процессы ступенчатого сгорания в примерах реализации изобретения, которые улучшают отдачу тепла и/или снижают выбросы оксидов азота в работе, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелки, установленной в своде стеклоплавильной печи.

Настоящее изобретение касается как 100%-ных кислородотопливных стеклоплавильных печей, так и кислородотопливного дополнительного подогрева воздухотопливных печей, в которых используются или не используются регенераторы или рекуператоры тепла и/или кислородное обогащение. Следовательно, настоящее изобретение касается как модификации существующих стеклоплавильных печей, так и новых специально сконструированных для определенной цели печей.

Согласно настоящему изобретению стеклоплавильные печи всех конструкций могут подогреваться, по меньшей мере, одной установленной в своде печи кислородотопливной горелкой (горелками), расположенной над материалами шихты, когда материалы входят в печь для улучшения скорости плавления и улучшения качества стекла и/или выхода стекольного продукта. Вследствие увеличения скорости плавления и выхода стекольного продукта плавления стекла, что обеспечивается конструкцией и расположением этих горелок, в зависимости от состояния и типа печи может быть достигнуто, по меньшей мере, следующее: увеличение производства стекла, улучшение качества стекла, уменьшение электрической энергии, используемой для дополнительного подогрева, восстановление производственной мощности, снижающейся вследствие неэффективной рекуперации тепла (из-за закупорившихся регенераторов), уменьшение использования кислорода вследствие замены кислородного обогащения атмосферы печи, уменьшенное использование кислорода вследствие замены кислородной продувки, уменьшенное использование кислорода вследствие замены обычных кислородотопливных горелок, расположенных по стенкам стеклоплавильной печи, уменьшение температуры обвязки печи, увеличение кампании футеровки печи, улучшение энергетического к.п.д, снижение выбросов оксидов азота и оксидов серы, уменьшенное использование ископаемых видов топлива, уменьшение стеклобоя для повторной обработки, регулирование температуры выходящего стекла, и повышение выхода стекольного продукта.

Это изобретение может применяться со следующими типами печей. Согласно настоящему изобретению, в электрических печах с горячей крышкой, по меньшей мере, одна кислородотопливная горелка может быть установлена в своде печи. Согласно настоящему изобретению, с регенеративными печами поперечного направления пламени может возникнуть необходимость блокировать или изолировать, по меньшей мере, одну пару противоположных окон полностью или частично. Согласно настоящему изобретению, с регенеративными печами с подковообразным пламенем, по меньшей мере, одна кислородотопливная горелка может быть установлена в своде печи, и поток воздуха для горения будет уменьшаться на часть первоначально запланированного максимального потока. Во всех рекуперативных печах, использующих это изобретение, в своде печи устанавливается, по меньшей мере, одна кислородотопливная горелка. В печах, имеющих множество горелок, горелки, которые установлены на стенках примыкают к горелкам, установленным в своде, должны быть убраны, и подача воздуха изолирована. В печах с одной горелкой или одним окном поток воздуха для горения будет уменьшен на часть максимального первоначально запланированного потока.

Во всех пламенных печах прямого нагрева, использующих это изобретение, по меньшей мере, одна кислородотопливная горелка может быть установлена в своде печи. В печах, имеющих множество горелок, горелки, установленные в стенках, и примыкающие к горелкам, установленным в своде, должны быть убраны и подача воздуха прекращена. В печах с одной горелкой или одним окном поток воздуха для горения может быть уменьшен на часть максимального первоначально запланированного потока.

Во всех упомянутых случаях объем изобретения эффективно сохраняется: плавление стекла, которое до сих пор осуществлялось с помощью воздухотопливных или кислородотопливных средств, включая, а не исключая печи, которые используют электрический дополнительный подогрев или обычные способы кислородного дополнительного подогрева, заменяется установленными в своде печи кислородотопливными горелками, расположенными над материалами шихты, входящими в печь, для улучшения скорости плавления и/или улучшения качества стекла и/или выхода стекольного продукта. Вследствие того, что эти горелки могут быть установлены в определенных местах, достигается увеличение теплоотдачи в нерасплавленные материалы шихты.

Во всех случаях, по меньшей мере, одна установленная в своде печи кислородотопливная горелка расположена над материалами шихты, входящими в печь, для улучшения скорости плавления стекла и качества стекла, а во всех печах с множеством окон и множеством воздухотопливных горелок, по меньшей мере, одна пара окон или пара горелок изолирована. Во всех печах с одним окном и одной горелкой, воздух для горения и топливо уменьшаются до количества, ниже максимального запланированного значения. Более эффективные, установленные в своде печи горелки, обеспечивают энергию, заменяющую обычную энергию, забираемую у процесса, и дополнительную энергию, необходимую для достижения технологических условий. Расположение горелок над входящей в печь партией шихты улучшает скорость плавления. Стехиометрические отношения кислорода и топлива и характеристики потока, с установленными в своде печи горелками и остающимися воздухотопливными горелками, могут регулироваться с целью уменьшения до минимума выбросов оксида азота и двуокиси серы из стеклоплавильной печи.

Следующий пример реализации этого изобретения касается использования, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелки, в которой используется внутреннее и внешнее ступенчатое сгорание, и которая расположена в своде стеклоплавильной печи. Этот пример реализации относится как к печам 100%-ного кислородотопливного нагрева, так и к печам, нагреваемым электрическими средствами или некислородным топливом, например воздухотопливной горелкой (с естественной тягой). Это применение в печах с кислородотопливным нагревом обеспечивает увеличение скорости плавления, что приводит, по меньшей мере, к улучшению качества стекла, увеличению производственной мощности и повышению энергетического к.п.д (путем уменьшения дополнительного подогрева ископаемым топливом или дополнительного нагрева электричеством) на единицу выхода стекла. Применение настоящего изобретения в печах, работающих на некислородном топливе, позволяет улучшить качество стекла и увеличить производственную мощность, или сохранить текущую производственную мощность при уменьшении электрического дополнительного нагрева, или при износе существующей системы для рекуперации теплоты. В модернизированных установках процесс включает обеспечение или замену части существующей или существовавшей до этого кислородотопливной, воздухотопливной или электрической энергии, кислородотопливной энергией, подводимой через, по меньшей мере, одну кислородотопливную горелку, обеспечивающую внутреннее или внешнее ступенчатое сгорание, и расположенную в своде печи.

В новых установках стеклоплавильной печи настоящее изобретение позволяет использовать горелки 100%-ного кислородотопливного нагрева, включая, по меньшей мере, одну, установленную в своде кислородотопливную горелку, с помощью которой внутри ее или снаружи обеспечивается ступенчатое сгорание. По выбору, все горелки установлены в своде.

Настоящее изобретение обеспечивает способ плавления стеклообразующего материала в стеклоплавильной печи, которая имеет заднюю стенку, разделительные стенки воздухонагревателя над боковыми стенками, и расположенную ниже по ходу потока переднюю стенку, соединенные со сводом, при этом, по меньшей мере, один дозатор загрузки шихты для загрузки стеклообразующего материала шихты размещают в, по меньшей мере, в одной задней стенке или боковой стенке, включающий:

обеспечение, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелки в своде печи над материалом шихты, в котором, по меньшей мере, одна кислородотопливная горелка предназначена для ступенчатого сгорания,

обеспечение потока топлива к, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелке,

обеспечение потока газообразного окислителя, связанного с, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелкой,

впрыскивание топлива и окислителя в печь, при этом струя топлива содержит по существу только одну струю топлива или богатую топливом смесь топлива-окислителя, струя окислителя содержит по существу только одну струю окислителя или бедную топливом смесь топлива-окислителя, причем струя впрыскиваемого топлива и струя впрыскиваемого окислителя разделены и по выбору расположены под углом к другой, достаточным, чтобы заставить потоки, соответственно, сходиться близко к поверхности или на поверхности стеклообразующего материала, предпочтительно, где струя топлива и струя окислителя разделены и образуют угол одна относительно другой от 0° до около 90°, и

сжигание топлива из, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелки таким образом, что, по меньшей мере, часть сгорания происходит вблизи стеклообразующего материала для увеличения конвективной и излучательной передачи тепла стеклообразующему материалу без существенного нарушения стеклообразующего материала,

по выбору, смешение топлива и окислителя задерживают для локализации сгорания вблизи или на поверхности стеклообразующего материала, по выбору ступенчатую подачу потока топлива из кислородотопливной горелки, и также по выбору полное сжигание химически активных промежуточных молекул вблизи или на поверхности стеклообразующего материала.

Способ плавления стеклообразующего материала в стеклоплавильной печи включает, по меньшей мере, одно из следующего:

(I) в котором окислитель выбран из группы, состоящей из обогащенного кислородом воздуха, примесного кислорода и "технически" чистого кислорода,

(II) в котором топливо является газом, выбранным из группы, состоящей из метана, природного газа, сжиженного природного газа, пропана, сжиженного пропана, бутана, газов с низким БТЕ, бытового газа, промышленного газа и их смесей,

(III) в котором топливо является жидкостью, выбранной из тяжелого нефтяного топлива, среднего нефтяного топлива, легкого нефтяного топлива, керосина и дизельного топлива.

В одном примере реализации, изобретение обеспечивает способ плавления стеклообразующего материала в стеклоплавильной печи, которая имеет заднюю стенку, разделительные стенки воздухонагревателя над боковыми стенками, и расположенную ниже по ходу потока переднюю стенку, соединенные со сводом, при этом, по меньшей мере, один дозатор загрузки шихты для загрузки стеклообразующего материала шихты размещают в, по меньшей мере, одной задней стенке или боковой стенке, включающий:

обеспечение, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелки, предназначенной для ступенчатого сгорания, в своде печи над материалом шихты,

обеспечение потока жидкого топлива в, по меньшей мере, одну кислородотопливную горелку,

обеспечение потока газообразного окислителя, связанного с, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелкой,

впрыскивание топлива и газообразного окислителя в печь, включающее впрыскивание большего количества окислителя, отделенного от потока жидкого топлива и по существу окружающего поток жидкого топлива до точки, лежащей за пределами начальной зоны невидимого сгорания, и

сжигание топлива таким образом, что, по меньшей мере, часть сгорания происходит вблизи стеклообразующего материала для увеличения конвективной и излучательной передачи тепла стеклообразующему материалу без существенного нарушения стеклообразующего материала,

по выбору включающий, по меньшей мере, одно из следующего:

(I) расположение осевой линии сопел впрыскиваемого топлива и впрыскиваемого окислителя под углом от около 45° до около 101° от горизонтали,

(II) впрыскивание остального окислителя вблизи и концентрично впрыскиваемому топливу,

(III) ступенчатую подачу потока топлива из кислородотопливной горелки,

(IV) впрыскивание остального окислителя третичным впрыскиванием в печь,

(V) причем окислитель выбирают из группы, состоящей из обогащенного кислородом воздуха, примесного кислорода и "технически" чистого кислорода, и

(VI) жидкое топливо выбирают из группы, состоящей из тяжелого нефтяного топлива, среднего нефтяного топлива, легкого нефтяного топлива, керосина и дизельного топлива.

Способ плавления стеклообразующего материала в стеклоплавильной печи включает, по меньшей мере, одно из следующего:

(а) впрыскиваемое жидкое топливо имеет размер капель приблизительно более 100 микрон,

(б) распыление жидкого топлива для получения капель в пределах приблизительно от 5 микрон до 50 микрон, по выбору включающее одно из (I)-(III):

(I) быстрое смешение капель с распыляющей средой в начальной зоне горелки для образования по существу однородной смеси,

(II) распыление жидкого топлива с окислительной распыляющей средой для получения смеси частичного предварительного сгорания,

(III) распыление жидкого топлива с распыляющей средой, выбранной из группы, состоящей из воздуха, кислорода, пара, природного газа и водорода или их смесей для снижения соотношения С:Н в смеси топлива/распыляющей среды.

Способ плавления стеклообразующего материала в стеклоплавильной печи включает, по меньшей мере, одно из следующего:

(I) размещение кислородотопливной горелки в блоке горелки, обеспечивающем встроенную ступень подачи окислителя впрыскиванием из того же блока кислородотопливной горелки,

(II) размещение кислородотопливной горелки в блоке горелки, обеспечивающим наружную ступень подачи окислителя впрыскиванием, отдельно от блока кислородотопливной горелки,

(III) обеспечение, по меньшей мере, одного инжектора вторичного окислителя в своде печи для обеспечения дополнительного окислителя для завершения сгорания вблизи или на поверхности стеклообразующего материала, по выбору включающего впрыскивание от 0 до 90% стехиометрического окислителя через блок кислородотопливной горелки и впрыскивание от 100% до приблизительно 10% стехиометрического окислителя через, по меньшей мере, один инжектор вторичного окислителя отдельно от блока кислородотопливной горелки, и

(IV) барботирование окислителя из-под поверхности стеклообразующего материала.

В способе согласно изобретению стеклообразующий материал вводят в печь через, по меньшей мере, один дозатор загрузки шихты, включающий обеспечение, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелки в своде печи вблизи, по меньшей мере, одного дозатора загрузки шихты над стеклообразующим материалом.

Предпочтительно горелку устанавливают так, что она имеет направление по существу от перпендикулярного к поверхности стеклообразующего материала до направления, образующего 45 градусов от перпендикулярного, в сторону расположенной ниже по ходу потока передней стенки печи.

Способ плавления стеклообразующего материала в стеклоплавильной печи включает, по меньшей мере, одно из следующего:

(I) обеспечение, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелки в своде вблизи расположенной ниже по ходу потока передней стенки,

(II) обеспечение всех горелок печи в виде кислородотопливных горелок,

(III) обеспечение всех горелок печи в виде горелок, установленных в своде печи,

(IV) работу, по меньшей мере, одной установленной в своде печи кислородотопливной горелки в богатом топливном режиме, и, по меньшей мере, одной установленной в своде печи кислородотопливной горелки, в бедном топливном режиме.

В другом примере реализации, изобретение обеспечивает способ плавления стеклообразующего материала в стеклоплавильной печи, которая имеет заднюю стенку, разделительные стенки воздухонагревателя над боковыми стенками, и расположенную дальше по ходу потока торцевую переднюю стенку соединенные со сводом, при этом, по меньшей мере, один дозатор загрузки стеклообразующего материала шихты размещают, по меньшей мере, в одной задней стенке или боковой стенке, включающий:

обеспечение, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелки в своде печи над материалом шихты, причем, по меньшей мере, одна кислородотопливная горелка предназначена для ступенчатого сгорания топлива и содержит, по меньшей мере, один наружный инжектор окислителя и два внутренних инжектора топлива, при этом один центрально расположенный инжектор топлива предназначен для впрыскивания топлива с высокой скоростью, а один кольцевой инжектор топлива предназначен для впрыскивания топлива с меньшей скоростью,

обеспечение потока топлива к, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелке, в которой поток топлива, проходящий через центрально расположенный инжектор топлива имеет более высокий импульс, чем поток топлива, проходящий через кольцевой инжектор топлива,

обеспечение потока газообразного окислителя к наружному инжектору окислителя, имеющего меньший импульс, чем поток топлива, проходящий через кольцевой инжектор топлива, сжигание топлива, по меньшей мере, из одной кислородотопливной горелки таким образом, что, по меньшей мере, часть сгорания происходит вблизи стеклообразующего материала для увеличения конвективной и излучательной передачи тепла стеклообразующему материалу без существенного нарушения стеклообразующего материала,

по выбору, в котором (а) приблизительно от 10% до 90% потока топлива используют расположенным центрально инжектором топлива, или (б) жидкое топливо подают к расположенному центрально инжектору топлива, а газообразное топливо подают в кольцевой инжектор топлива, в котором жидкое топливо выбирают из группы, состоящей из тяжелого нефтяного топлива, среднего нефтяного топлива, легкого нефтяного топлива, керосина и дизельного топлива, а газообразное топливо выбирают из группы, состоящей из метана, природного газа, сжиженного природного газа, пропана, сжиженного пропана, бутана, газов с низким БТЕ, бытового газа, промышленного газа и их смесей.

В еще другом примере реализации настоящее изобретение обеспечивает кислородотопливную горелку, содержащую, по меньшей мере, один наружный инжектор окислителя и два внутренних инжектора топлива, при этом один центральный инжектор топлива предназначен для впрыскивания с высокой скоростью, и один кольцевой инжектор топлива предназначен для впрыскивания с низкой скоростью, причем центральный инжектор топлива предназначен для обеспечения центральной струи топлива высокого давления, содержащей, по меньшей мере, одно газообразное топливо или жидкое топливо, кольцевой инжектор топлива предназначен для обеспечения по существу кольцевой топливной оболочки более низкого давления, содержащей газообразное топливо снаружи концентрично центральной струи топлива, а инжектор окислителя предназначен для обеспечения по существу кольцевой струи окислителя снаружи концентрично топливной оболочки, при этом струя окислителя имеет меньший импульс, чем центральная струя топлива.

В следующем примере реализации настоящее изобретение обеспечивает способ плавления материала шихты в стеклоплавильной печи, имеющей регенераторы, рекуператоры и/или электрический подогрев, причем печь имеет боковые стенки, заднюю стенку, переднюю стенку и свод, включающий:

обеспечение, по меньшей мере, одной горелки в своде печи над материалом шихты;

обеспечение потока газообразного окислителя к, по меньшей мере, одной горелке;

обеспечение потока газообразного топлива к, по меньшей мере, одной горелке;

получение пламени из, по меньшей мере, одной горелки, при этом пламя имеет скорость, достаточную для максимального увеличения отдачи тепла от пламени материалу шихты без существенного нарушения материала шихты; и

обеспечение дополнительного кислорода для завершения сгорания на поверхности или вблизи поверхности материала шихты, из, по меньшей мере, одного инжектора кислорода в своде печи.

Следующие признаки и другие задачи и преимущества этого изобретения станут понятными из следующего подробного описания со ссылкой на чертежи, на которых:

На фиг.1 показано продольное изображение в поперечном сечении стеклоплавильной печи согласно настоящему изобретению.

На фиг.2А показан вид в плане в поперечном сечении регенеративного с поперечным направлением пламени примера реализации стеклоплавильной печи на фиг.1 по линии 2-2.

На фиг.2В показан вид в плане в поперечном сечении регенеративного с подковообразным пламенем, примера реализации стеклоплавильной печи на фиг.1 по линии 2-2.

На фиг.2С показан вид в плане в поперечном сечении рекуперативного с поперечным пламенем примера реализации стеклоплавильной печи на фиг.1 по линии 2-2.

На фиг.2D показан вид в плане в поперечном сечении рекуперативного с подковообразным пламенем примера реализации стеклоплавильной печи на фиг.1 по линиям 2-2.

На фиг.2Е показан вид в плане, в поперечном сечении примера реализации плавильной части стеклоплавильной печи на фиг.1 по линиям 2-2.

На фиг.3 показано изображение в поперечном сечении стеклоплавильной печи на фиг.1 по линиям 3-3, показывающим две кислородотопливные горелки, прилегающие к ближней по ходу потока торцевой стенке печи.

На фиг.4 показано альтернативное изображение в поперечном сечении стеклоплавильной печи на фиг.1 по линии 3-3, показывающим одну кислородотопливную горелку, прилегающую к расположенной выше по ходу движения материала торцевой стенке печи.

На фиг.5 показан вид в разрезе кислородотопливной горелки и схематическое изображение пламени из кислородной горелки.

На фиг.6 показана вертикальная проекция в поперечном сечении стеклоплавильной печи, имеющей кислородотопливную горелку, установленную в своде, со встроенной ступенью для ступенчатого сгорания.

На фиг.7 показана вертикальная проекция в поперечном сечении установленной в своде кислородотопливной горелки со связанным с ней наружным средством ступенчатого сгорания.

На фиг.8 показан схематический вид в плане стеклоплавильной печи, имеющей установленную в своде группу кислородотопливных горелок, работающих с разными стехиометрическими отношениями для достижения ступеней между горелками.

На фиг.9 показана вертикальная проекция в поперечном разрезе стеклоплавильной печи, имеющей установленную в своде кислородотопливную горелку и связанный с ней кислородный барботер для обеспечения кислорода ступенчатого процесса к поверхности стекольной шихты, через расплав.

На фиг.10 показана вертикальная проекция в поперечном сечении установленной в своде кислородонефтяной горелки с кислородными инжекторами ступенчатого процесса согласно настоящему изобретению.

На фиг.11 показан схематический отсеченный вид кислородотопливной горелки ступенчатого сгорания топлива.

В стеклоплавильных печах, для которых предназначено настоящее изобретение, обычная горелка выделяет смесь топлива и либо воздух, либо кислород в определенном соотношении топлива к окислителю, для получения горючей смеси. При возгорании, эта горючая смесь горит, образуя пламя, которое используется для нагрева и плавления материалов стекольной шихты. Способ согласно настоящему изобретению отличается от способа, который используется в обычных печах, работающих на ископаемом топливе с воздухотопливным и кислородотопливным нагревом, где теплоотдача осуществляется главным образом излучением непосредственно от стенок свода печи и прямого излучения от пламени.

Способ, в котором используют, по меньшей мере, одну установленную в своде кислородотопливную горелку (горелки), помимо компоненты излучательной теплопередачи, обеспечивает значительную конвективную теплопередачу вследствие удара пламени и конечной реакции химически активных промежуточных молекул, таких как моноксид углерода, водород, радикалы гидроксильных групп, в устойчивые продукты сгорания, как например диоксид углерода и водяной пар на поверхности стекольной шихты. Этот тип теплоотдачи увеличивается, когда кислородотопливная горелка имеет либо встроенное (внутри блока горелки), либо установленное снаружи средство ступенчатого сгорания, чтобы задержать частично сгорание, снижая таким образом температуру и потери излучательного тепла до достижения поверхности стекла. В результате, передача тепла верхней обвязке печи снижается.

Подходящие виды топлива для сгорания включают (но не ограничиваются этим): метан, природный газ, сжиженный природный газ, пропан, сжиженный пропан, бутан, газы с низким БТЕ (британская тепловая единица) как, например, бытовой газ, промышленный газ и т.д., распыляемое или испаряемое нефтяное топливо, керосин или дизельное топливо, или их смеси, при температуре окружающей среды или в подогретом виде. Предпочтительные окислители включают обогащенный кислородом воздух, содержащий кислород от более 20,9 объемного процента до 80 объемных процентов, предпочтительно, более 50 объемных процентов, который получают фильтрацией, абсорбцией, мембранным отделением и т.д.; примесной кислород, полученный процессом вакуумного дифференциального поглощения и содержащий приблизительно от 80 объемных процентов до приблизительно 95 объемных процентов кислорода, и "технический" кислород, содержащий приблизительно от 90 объемных процентов до приблизительно 100 объемных процентов кислорода, какой получают в криогенной установке разделения воздуха. Окислитель может вводиться либо при температуре окружающей среды, или в подогретом виде. Топливо и окислитель вводятся в печь через узел горелки.

Узел горелки в основном содержит блок горелки, включающий пламенную камеру, имеющую входное и выходное отверстия, средства горелки для подачи топлива в пламенную камеру, выполненную в блоке горелки, и средства для подачи кислорода в пламенную камеру. В процессе работы поданный кислород смешивается с топливом, которое подается средствами подачи горелки внутри пламенной камеры. Смесь горючего топлива и кислорода может возгораться, образуя пламя, имеющее основание в пламенной камере, и язык пламени снаружи камеры. Если используемый узел горелки содержит горелку со "встроенной ступенью" для вторичного сгорания, блок горелки может также включать перепускные средства для вывода кислорода из пламенной камеры, например, в выпускные каналы для кислорода вокруг выходного отверстия пламенной камеры. В процессе работы кислород может проходить через перепускные средства, выполненные в блоке горелки, в выпускные каналы для кислорода и впрыскиваться из блока горелки в расположенный дальше участок "второй ступени", содержащий часть пламени и находящийся снаружи пламенной камеры, в печи для нагрева материалов шихты или расплава.

В некоторых предпочтительных примерах реализации блок горелки со встроенной ступенью выполнен из огнеупорного материала и включает наружную стенку, содержащую входное отверстие пламенной камеры и несколько впускных каналов для кислорода вокруг входного отверстия. Блок горелки также включает стенку печи, выполненную такой формы, чтобы размещаться в печи, и включающую выходное отверстие пламенной камеры и несколько выпускных каналов для кислорода вокруг выходного отверстия. В альтернативных примерах реализации снаружи блока горелки могут быть размещены одно или более средств подвода окислителя, как описано ниже, для осуществления ступенчатого сгорания в печи.

Подходящие материалы для огнеупорного блока горелки включают (но не ограничиваются этим), диоксид кремния, муллит, диоксид циркония (ZrO₂), сплав оксида алюминия-диоксида циркония-диоксида кремния (AZS), или повторно связанного AZS или связанного оксида алюминия (Al₂О₃). Конкретный материал выбирается частично в зависимости от типа стекла, которое должно плавиться в стеклоплавильной печи.

Ступенчатое сгорание было предложено для горелок стеклоплавильных печей, в которых из горелки в печь впрыскивается богатая топливом кислородотопливная смесь, и дополнительный кислород впрыскивается средством, расположенным снаружи блока горелки, чтобы обеспечить полное сгорание, смещенное от выхода горелки. В том случае, когда используются установленные в своде печи горелки, предпочтительно, полное сгорание будет происходить вблизи поверхности материалов шихты. Предпочтительно, инжекторы дополнительного кислорода должны быть установлены для задержки полного сгорания до тех пор, пока пламя не ударится о поверхность шихты. Расположение дополнительных инжекторов зависит от требуемых технологических условий горелки (горелок), а также количества и расположения горелок. Согласно настоящему изобретению обеспеченное снаружи ступенчатое сгорание предпочтительно выполняется установкой, по меньшей мере, одного кислородного инжектора в своде печи, однако кислородные инжекторы могут быть расположены в других местах для получения необходимого эффекта задержки сгорания.

Согласно настоящему изобретению, по меньшей мере, одна кислородотопливная горелка (горелки) предпочтительно установлена в своде печи (или замке свода) над материалами стекольной шихты (или стеклобоем), и направлена на поверхность материала. Горелки могут быть установлены как можно ближе к дозаторам загрузки шихты, где расположены самые холодные материалы шихты, вблизи задней стены печи, где загружается стеклообразующий материал, чтобы обеспечить быстрое плавление вследствие роста температурного напора. Обычные воздухотопливные или кислородотопливные горелки могут быть установлены через стены печи ниже установленных в своде печи горелок, чтобы обеспечить зону осветления и способствовать полному сгоранию реагентов. В качестве альтернативы, кислородотопливные, установленные в своде печи горелки могут обеспечивать теплоотдачу ниже по ходу движения материала, за дозаторами загрузки шихты, ближе к расположенной ниже по ходу потока торцевой стенке печи, то есть, передней стенке печи.

Установленная в своде кислородотопливная горелка с успехом используется согласно настоящему изобретению, так как часть сгорания происходит на поверхности шихты плавильной ванны, что добавляет конвективную теплоотдачу к обычной излучательной теплоотдаче. Также, согласно предпочтительному примеру реализации этого изобретения, использование установленных в своде кислородотопливных горелок, снабженных встроенными внутри или установленными снаружи средствами ступенчатого сгорания, обеспечивает задерживание смешения кислорода и топлива, выдвигая зону сгорания дальше от свода. Это приводит к локализации большей части сгорания на поверхности или у поверхности материалов стекольной шихты, что увеличивает передачу конвективного тепла и излучательного тепла. Пламя с высокой температурой перемещается от свода, предотвращая повреждения конструкции, приближаясь к стеклу и способствуя теплоотдаче. Одним дополнительным преимуществом является то, что пример реализации согласно настоящему изобретению, с установленными в своде средствами ступенчатого сгорания, позволяет использовать способ в конструкциях печей с более высокими сводами. Задержка создается разделением двух потоков газа (или только кислорода/только топлива, или бедной топливной смеси/богатой топливной смеси) на достаточное количество, и в одном примере реализации, установкой их под углом в направлении друг к другу, чтобы их осевые линии сходились на поверхности стекольной шихты или расплава.

Горелки, работающие на кислороде/природном газе, имеют стехиометрическое отношение 2:1, когда природным газом является чистый метан, а окислителем является чистый кислород. В обычной горелке с конусным пламенем (кислородной/газовой) используется концентрическая конструкция труба в трубе, где внутренняя труба подает газ, а наружная труба подает кислород. Длина пламени тогда становится функцией скорости двух потоков и относительных разностей скорости между двумя потоками, что влияет на скорость смешения на поверхности раздела между двумя струями, и следовательно, скорость сгорания. Так как обе струи будут расширяться при выходе из труб, они начнут немедленно смешиваться и сгорание начнется очень близко к выходному отверстию из горелки.

Согласно настоящему изобретению два потока (топлива и окислителя) разделяются на две, или более, отдельные струи. В одном варианте реализации струя топливного газа может служить только в качестве газообразного топлива, или как горелка с концентрической трубой, имеющая уровень кислорода, меньше стехиометрического отношения. Оставшийся кислород, необходимый для полного сгорания, по выбору до 100% требующегося кислорода, вводится через одну или более дополнительных труб, расположенных на расстоянии от газовой трубы достаточном, чтобы две струи не смешивались до тех пор, пока они не пройдут значительное расстояние до требуемой поверхности материалов стекла. Угол, отделяющий две струи, может быть очень небольшим, например 0° (параллельное расположение) или доходить до 90°, при движении через стенки печи, а также доходить до 180° при барботировании из-под поверхности расплава, пока за пределами выходного отверстия горелки происходит смешение.

Как указывалось выше, одним преимуществом способа настоящего изобретения является возможность использования горелки, установленной в своде дальше от поверхности стеклообразующего материала, т.е. иметь большее расстояние от свода до поверхности стеклообразующего материала. Это позволяет использовать установленную в своде кислородотопливную горелку (горелки) в существующих конструкциях печей, где свод находится слишком далеко от шихты, что в случае использования горелки, установленной в своде, но не предназначенной для ступенчатого сгорания, представляет трудность для достижения более или менее существенной скорости конвективной теплоотдачи.

Со ссылкой на фигуры, показана стеклоплавильная печь 10 для обеспечения расплавленного стекла в канал питателя или зону осветления 12, в которой расплавленное стекло затем осветляется и подается в одно или более стеклообразующих устройств, например контейнеры, аппараты для превращения в волокнистую массу, флоат-ванны и т.д. (не показаны). При рассмотрении фигур станет понятно, что для ясности некоторые детали конструкции не представлены, так как они являются обычными и хорошо известными специалистам в данной области. Особыми, включенными сюда признаками являются отверстия генераторов, воздухотопливные горелки и выхлопные отверстия, так как они отличаются для каждого типа печи.

Стеклоплавильная печь 10 обычно включает удлиненный канал, имеющий выше по ходу потока торцевую стенку 14 и ниже по ходу потока торцевую стенку 16, боковые стенки 18, под 20 и свод 22, выполненные из соответствующих огнеупорных материалов, таких как оксид алюминия, диоксид кремния, циркон, сплав диоксида циркония, оксида алюминия и диоксида кремния, оксид хрома и т.д. Свод 22 показан в основном как имеющий форму арки, расположенной поперек продольной оси канала; однако свод может иметь любую другую подходящую форму. Свод 22 типичной стеклоплавильной печи 10 расположен на расстоянии от 3 до 15 футов над поверхностью стеклообразующего материала. Как хорошо известно в этой области, стеклоплавильная печь 10 может по выбору включать один или более барботеров 24 и/или пары электродов для электрического подогрева (не показаны). Барботеры и/или электроды электрического подогрева увеличивают температуру стекломассы и увеличивают циркуляцию расплавленного стекла под оболочкой шихты.

Стеклоплавильная печь 10 включает две последовательно расположенные зоны, зону плавления 27 и расположенную ниже по ходу потока зону осветления 28. Зона плавления 27 считается зоной выше по ходу потока в стеклоплавильной печи 10, где сырьевой стеклообразующий материал загружается в печь загрузочным устройством 32 известного в данной области типа. Стеклообразующий материал 30 может быть смесью сырьевых материалов, обычно используемых в производстве стекла. Понятно, что состав сырьевого стеклообразующего материала (или шихты) 30 зависит от типа производимого стекла. Обычно материал содержит, помимо прочего, материалы, содержащие диоксид кремния, включая стеклобой. Другие стеклообразующие материалы, включающие (но не ограниченные этим) полевой шпат, нефелинсиенит, доломит, известняк, кальцинированную соду, углекислый калий, буру, каолиновую глину и оксид алюминия, также могут использоваться. Для изменения свойств стекла также может использоваться небольшое количество мышьяка, сурьмы, сульфатов, сульфидов, углерода, фторидов и/или других компонентов. Для стекла особого предназначения могут добавляться оксиды бария, стронция, циркония и свинца, а также другие цветообразующие оксиды металлов для достижения нужного цвета.

Сырьевой стеклообразующий материал 30 образует слой шихты из твердых частиц на поверхности расплавленного стекла в зоне плавления 27 стеклоплавильной печи 10. Загруженные плавающие твердые частицы стеклообразующего материала 30 плавятся главным образом, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелкой 34, имеющей пламя отрегулированной формы и длины, и установленной в своде 22 стеклоплавильной печи 10. Понятно, как было обнаружено, установка и правильное регулирование, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелки 34 в своде 22 стеклоплавильной печи 10 над стеклообразующим материалом 30, согласно настоящему изобретению, обеспечивают увеличение скорости плавления твердого стеклообразующего материала, и в то же время поддерживают рабочую температуру окружающего огнеупорного материала в допустимых рабочих пределах.

Используемое здесь выражение "по меньшей мере, одна кислородотопливная горелка" означает одну или более кислородотопливных горелок. Также, под 100%-ным кислородотопливным нагревом имеется в виду, что все горелки предназначены для использования кислорода или обогащенного кислородом воздуха, в отличие от одного воздуха, в качестве окислителя. Кроме того, используемое здесь выражение "в основном с помощью одной кислородотопливной горелки" касается модернизированных установок, в которых дополнительная или восстановленная производственная мощность получения стекла и замена энергии дополнительного подогрева воздухотопливными и/или электрическими/кислородными средствами для плавления стеклообразующего материала, достигается с помощью, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелки. В одном конкретном примере реализации, как показано на фиг.1 и 2А, стеклоплавильная печь 10 включает три кислородотопливные горелки 34. Одна кислородотопливная горелка 34 расположена выше по потоку от двух прилегающими одна к другой кислородотопливных горелок, расположенных ниже по потоку. Однако понятно, что любое количество кислородотопливных горелок 34 может быть установлено почти в любом подходящем месте в своде 22 печи 10 над шихтой для плавления сырьевого стеклообразующего материала 30. Например, две кислородотопливные горелки 34 могут быть установлены бок-о-бок, как показано на фиг.3, или может быть использована одна кислородотопливная горелка, как показано на фиг.4. Тем не менее, согласно настоящему изобретению, расположение под углом каждой кислородотопливной горелки 34 в своде 22 стеклоплавильной печи может быть таким, что пламя 36 будет направлено по существу перпендикулярно поверхности стекольной шихты для получения пламени, которое ударяется о поверхность стекла, образуя площадь удара пламени 26. В предпочтительном варианте реализации кислородотопливные горелки 34 расположены по существу перпендикулярно материалу шихты под углом около 90 градусов относительно стеклообразующего материала 30. Угол может меняться от перпендикулярного в направлении торцевой стенки, расположенной ниже по ходу потока (т.е. передней стенки), в некоторых примерах реализации примерно на 45 градусов, но предпочтительно, менее чем на 10 градусов. Было обнаружено, что производительность и качество стекла можно улучшить плавлением сырьевого стеклообразующего материала 30 с помощью, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелки 34, направленной вниз, и имеющей пламя отрегулированной формы и длины согласно настоящему изобретению.

По меньшей мере, для одной кислородотопливной горелки требуется топливо и окислитель. Топливо может быть либо газообразным, либо жидким, или их комбинациями. Газообразные виды топлива включают упомянутые выше, а также смеси вышеупомянутых газов. Жидкие виды топлива включают тяжелое, среднее и легкое нефтяное топливо, керосин и дизельное топливо. Жидкие виды топлива необходимо превращать в распыляемые и испаряемые. Распыление может выполняться либо механическими средствами, либо вспомогательными распылительными средствами, которые включают воздух, пар, кислород, любые из указанных газообразных видов топлива, и в некоторых случаях инертный газ. Испарение зависит от теплоты окружающих продуктов сгорания газов для испарения топлива. Окислителем может быть либо 100%-ный чистый кислород, либо смесь кислорода и инертного газа с концентрацией кислорода предпочтительно 50-100%, как описано выше.

Со ссылкой на фиг.5, по меньшей мере, одна кислородотопливная горелка 34 в своде 22 стеклоплавильной печи 10 имеет, по меньшей мере, один трубопровод 40 для обеспечения топлива и, по меньшей мере, один кислородный трубопровод 42 для обеспечения потока кислорода. Кислородотопливная горелка 34 может иметь мощность приблизительно от 0,5 до приблизительно 15 мм БТЕ (британских тепловых единиц)/час в зависимости от размера стеклоплавильной печи 10 и удельного съема стекломассы. Кислородотопливная горелка 34 предназначена для использования большего процента кислорода, чем имеющийся в воздухе, и таким образом температура над площадью удара пламени 36 из кислородотопливной горелки значительно выше, чем в обычной стеклоплавильной печи, использующей воздухотопливные горелки. Естественно, как известно специалистам в данной области, температура пламени 36, передаваемая кислородотопливной горелкой 34, зависит от качества топлива и соотношения кислорода/топлива. В предпочтительном примере реализации концентрация кислорода кислородотопливной горелки 34 обычно находится на уровне приблизительно около 95-125% стехиометрического количества кислорода, требующегося для сжигания топлива. Соотношение топлива к кислороду может изменяться, обеспечивая диапазон рабочих условий в стеклоплавильной печи 10 для достижения одной или более требующихся характеристик, включая например уровень окисления-восстановления, цвет стекла, уровень наличия газообразных пузырьков, известных как мелкий пузырь в производстве стекла, и т.д.

Кислородотопливная горелка 34 проходит вниз от блока горелки 38, расположенного в своде 22 стеклоплавильной печи 10. Каждый первичный блок 38 горелки включает отверстие, имеющее внутренний диаметр (id), который, по меньшей мере, равен наружному диаметру большего трубопровода 42 или 40, в зависимости от формы. Внутренний диаметр (id) отверстия блока 38 горелки может составлять приблизительно от 2 до 8 дюймов. Конец первичной зоны сгорания кислородотопливной горелки 34 расположен от конца блока горелки на расстоянии длиной (LBb) 0-18 дюймов. Вторичная, и в некоторых случаях, третичная зона сгорания находится снаружи блока 38 горелки. Понятно, что отверстие блока 38 горелки между концом кислородотопливной горелки 34 и концом блока горелки в некоторых случаях служит для концентрации пламени горелки и предотвращает распространение пламени наружу, но кроме того, служит защитой для трубопроводов горелки. Блок 38 горелки выполнен из огнеупорного материала, известного в данной области, и может иметь снаружи любую подходящую форму, например прямоугольную, и т.д.

Нижняя поверхность блока горелки 38 может быть выполнена заподлицо с внутренней поверхностью свода 22, или нижняя поверхность может проходить под внутреннюю поверхность свода на расстоянии приблизительно 2 дюйма для защиты блока горелки и прилегающих огнеупорных материалов свода от износа. Кроме того, как показано на фиг.5, топливные трубопроводы 40 и кислородные трубопроводы 42 кислородотопливной горелки 34 проходят вниз внутри блока 38 горелки и оканчиваются либо по существу на одинаковой вертикальной высоте или на различной вертикальной высоте от выхода блока 38.

В зависимости от высоты блока 38 горелки над материалом шихты и требующихся технологических условий для работы горелки, будут отличаться доли топливной ступени и кислородной ступени внутри и снаружи блока 38 горелки. Инжекторы 60 дополнительного кислорода установлены для задержания полного сгорания до тех пор, пока пламя не ударится о материал шихты. Расположение этих дополнительных инжекторов 60 зависит от количества и расположения установленных в своде печи горелок, однако практически они могут быть установлены в любом месте в своде и стенках.

Согласно настоящему изобретению, направленное вниз падающее пламя 36, вырабатываемое, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелкой, точно регулируется, чтобы длина пламени была больше или равна расстоянию от выхода блока 38 горелки до поверхности сырьевых стеклообразующих ингредиентов 30 или поверхности расплавленного стекла, и на расстоянии от окружающих огнеупорных материалов, что снижает опасность перегрева свода 22 и боковых стен 18 стеклоплавильной печи 10. Падающее пламя 36 может регулироваться средствами, которые являются обычными и стандартными в химической технологии. Например, клапаны, термопары, терморезисторы, соединенные с подходящими сервомеханизмами, регуляторы нагрева, которые есть в продаже и обычно используются для регулирования количества и скорости топлива и кислорода, выходящих из кислородотопливной горелки 34.

Падающее пламя 36 точно регулируется как регулированием относительной скорости, максимальной и минимальной скорости струй топлива и кислорода, так и регулированием внутренней и внешней ступени, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелки 34.

Максимальная и минимальная скорость потока топлива и кислорода, направленного на поверхность стеклообразующего материала 30 должна регулироваться, чтобы предотвратить нарушение режима материала шихты и смещение материала шихты на боковые стенки 18 и свод 22 печи, а также сохранить оптимальную конвективную теплоотдачу поверхности стеклообразующего материала. Понятно, что смещение стеклообразующего материала на боковые стенки 18 и свод 22 отрицательно скажется на огнеупорном материале, и может сократить срок службы стеклоплавильной печи 10.

Для определения нужной максимальной скорости для потока топлива и потока кислорода, горелка установлена вертикально и ее пламя направлено вниз в ванну стекольного песка, поперек которой выполнены канавки. Когда горелка регулировалась на разную высоту от песка и регулировались отводы горелки в блок (LBb) замечался расход топлива, при котором начиналось движение песка. Данные этих опытов сравнивались с моделируемыми на компьютере данными вычислительной гидродинамики для получения максимальной скорости на поверхности, превышение которой приводит к нарушению режима песка в опытах.

Таблица 1 Максимальный расход тепла горелки (мм британских тепловых единиц/час) Высота(футы)
(LBb)	5 футов	6 футов	7 футов	8 футов
13	3,9	4,4	5,4	6,2
11,5	4,9	5,0	6,2	6,8
9	5,5	6,1	6,4	7,1
6,5	6,4	7,2	7,4	8,1
4	6,9	8,8	8,3	9,1

Из этих опытов определялась максимальная скорость на поверхности, посредством использования моделирования вычислительной гидродинамики, которая составляла приблизительно 21 м/сек. Вследствие изменения материала шихты, несвоевременного остекления материала шихты и склеивания частиц шихты, точное максимальное значение может отличаться от вычисленного выше максимума, поэтому специалист в данной области может изменять максимальную скорость приблизительно до 25 м/сек. Однако для уменьшения нарушения режима и смещения материала шихты, максимальная скорость должна сохраняться на уровне ниже 30 м/сек.

Максимальная и минимальная скорости топлива и кислорода кислородотопливной горелки 34 также регулируются для использования максимальной энергии удара пламени 36, не нарушающего окружающего огнеупорного материала. Максимальная энергия падающего пламени 36 достигается уменьшением количества тепла, выделяемого в пространство сгорания стеклоплавильной печи 10 и увеличением теплоотдачи в стеклообразующий материал 30. Диапазон рабочей максимальной и минимальной скорости, необходимый для выработки кислородотопливной горелкой 34 приемлемой величины отдачи тепла стеклообразующему материалу, без повреждения огнеупорного материала стенок печи и обвязки, зависит от конструкции и расположения кислородотопливной горелки, геометрической формы отверстия блока горелки, скоростей выхода топлива и кислорода из кислородотопливной горелки 34, ступенчатого устройства горелки, взаимодействия прилегающих кислородотопливных горелок, топливных горелок и выхлопного отверстия печи.

Застойная зона 56 является зоной, где пламя 36 проникает в слой тепловой границы и сталкивается с поверхностью стеклообразующего материала 30. Внутри этой зоны 56 пламя 36 пронизывает слой тепловой границы и сталкивается с поверхностью стеклообразующего материала, создавая резкий градиент давления на поверхности, который ускоряет горизонтальный поток отклоненного пламени, заставляя пламя распространяться наружу в радиальном направлении вдоль нагретой поверхности. Конец застойной зоны 56 определяется как место на поверхности стеклообразующего материала, где градиент давления, создаваемый пламенем 36 падает до нуля. Внутри застойной зоны 56, тщательным регулированием импульса пламени 36, слой тепловой границы, который обычно существует на поверхности стеклообразующего материала, плавится и перестает существовать, и таким образом его сильное сопротивление теплу ослабляется. Соответственно, тепло, вырабатываемое пламенем 36, легче проникает в частично расплавленный стеклообразующий материал 30. Кроме того, внутри застойной зоны 56, яркость пламени 36 значительно увеличивается, что увеличивает излучательную теплоотдачу в относительно более холодный стеклообразующий материал 30.

У радиальных границ застойной зоны 56 начинается пристеночная струйная зона 58. В этой зоне пламя 36 проходит по существу параллельно нагреваемой поверхности и слой тепловой границы растет вдоль ударяемой пламенем поверхности наружу от застойной зоны 56, и таким образом начинает образовываться слой тепловой границы, восстанавливающий сопротивление поверхности потоку тепла, поступающему в стеклообразующий материал.

Регулируемая выработка теплоты пламени в свободной струйной зоне 54 является результатом конструкции кислородотопливной горелки 34, величины внутреннего диаметра (id) отверстия блока 38 горелки и как относительных скоростей, так и максимальных и минимальных скоростей кислородной и топливной струй. Избирательно регулируя конструкцию кислородотопливной горелки 34, геометрическую форму блока 38 горелки и скорости кислородной и топливной струй, уменьшают касательное напряжение между струями кислорода и газа, что обеспечивает регулируемое частичное сгорание и уменьшение выбросов теплового излучения. Понятно, что посредством оптимизации конструкции горелки и работы кислородотопливной горелки 34 уменьшается тепловыделение пламени в свободной струйной зоне 54 и сопротивление теплоотдаче на поверхности сырьевого стекольного материала в застойной зоне 56, увеличивая таким образом тепло, образующееся в застойной зоне.

Тепло, вырабатываемое в свободной струйной зоне 54, является результатом следующих процессов. Прежде всего, регулируемое частичное сгорание в свободной струйной зоне 54 обеспечивает регулирование сгорания на поверхности стеклообразующего материала 30, таким образом приближая процесс сгорания ближе к поверхности стеклообразующего материала. Сдвиг процесса сгорания ближе к поверхности стеклообразующего материала 30 создает градиент повышенной температуры на поверхности стеклообразующего материала, что улучшает конвективную теплоотдачу. Затем регулируемое частичное сгорание в свободной струйной зоне 54 вырабатывает температуру, способствующую химической диссоциации газов для горения и продуктов сгорания. Эти распавшиеся молекулы, попав на относительно более холодную поверхность стеклообразующего материала 30, частично воссоединяются экзотермически, вырабатывая достаточное количество тепла на поверхности стеклообразующего материала. Тепло от экзотермических реакций способствует дальнейшему увеличению конвективной теплоотдачи. Уменьшение сопротивления теплу поверхности стеклообразующего материала 30 в застойной зоне 56 является результатом следующих факторов.

Во-первых, слой тепловой границы устраняется путем регулирования момента импульса пламени 36 и турбулентности, что достигается тщательным регулированием характеристик сгорания на поверхности стеклообразующего материала 30. Во-вторых, локализация поверхности термовыделения позволяет превращать стеклообразующий материал 30 шихты с низкой теплопроводной способностью в материал расплавленного стекла со значительно лучшей теплопроводностью. Это превращение позволяет теплу, выделяемому у поверхности, более эффективно проникать вглубь стеклообразующего материала.

В регенеративной печи с поперечным направлением пламени на фиг.2А с регенераторами 81 в предпочтительном примере реализации настоящего изобретения используется, по меньшей мере, одна горелка 34, установленная в замке свода печи над входящими в печь материалами шихты для улучшения скорости плавления и качества для восстановления или увеличения производственной мощности или уменьшения мощности электрического дополнительного подогрева. Установленная в замке свода горелка 34 вырабатывает пламя, падающее на поверхность материала шихты 30 на площади 26 удара пламени. Во всех регенеративных печах с поперечным направлением пламени, использующих это изобретение, по меньшей мере, одна пара противоположных окон 11 будет полностью или частично заблокирована или изолирована. Обычно это будет первое, и возможно, второе окно в зависимости от требуемого подогрева. Дополнительно установленные в своде печи горелки могут быть расположены вплоть до ванны стеклоплавильной печи, если над нерасплавленными материалами шихты есть горелки, которые расположены в замке свода печи. Энергия от установленных в замке свода печи горелок заменяет энергию ранее используемых пламенных окон, и энергию дополнительного электрического и кислородного подогрева.

В регенеративной печи с подковообразным пламенем на фиг.2В с регенераторами 81 в предпочтительном примере реализации настоящего изобретения используется, по меньшей мере, одна установленная в замке свода печи горелка 34 над входящими в печь стеклообразующими материалами для улучшения скорости плавления и качества для восстановления или увеличения производственной мощности или уменьшения мощности электрического дополнительного подогрева. Во всех регенеративных печах с подковообразным пламенем, использующих настоящее изобретение, потребность в кислороде и обычном топливе, присущая ранее используемой конструкции, снижается и заменяется энергией от, по меньшей мере, одной установленной в замке свода печи горелки 34 над материалами шихты, вырабатывающей пламя, падающее на площадь 26 удара пламени. Дополнительно установленные в своде горелки могут быть расположены вплоть до ванны стеклоплавильной печи, если над нерасплавленными материалами шихты есть горелки, установленные в замке свода печи. Энергия от установленных в замке свода печи горелок заменяет энергию, полученную от заблокированного пламенного окна, и энергию дополнительного электрического или кислородного подогрева.

В рекуперативной печи с поперечным направлением пламени на фиг.2С с рекуператором 82 в предпочтительном примере реализации используется, по меньшей мере, одна установленная в своде горелка 34, установленная над входящими в печь материалами шихты для улучшения скорости плавления и качества для восстановления или увеличения производственной мощности или снижения мощности дополнительного электрического подогрева. Во всех рекуперативных печах с поперечным направлением пламени, использующих это изобретение, по меньшей мере, одна пара противоположных горелок 73 будет полностью или частично заблокирована или изолирована посредством использования блока 74. Обычно это будет первая зона горелок и, возможно, вторая, в зависимости от количества требуемого подогрева. Дополнительно установленные в своде горелки могут быть расположены вплоть до ванны стеклоплавильной печи, если над нерасплавленными материалами шихты есть горелки, установленные в замке свода печи. Энергия от установленных в замке свода горелок заменяет энергию не работающих пламенных окон и энергию обычного дополнительного электрического или кислородного подогрева.

В рекуперативной печи с подковообразным пламенем на фиг.2D с рекуператором 82 в предпочтительном примере реализации настоящего изобретения используется, по меньшей мере, одна установленная в замке свода горелка 34, расположенная над материалами шихты, входящими в печь, для улучшения скорости плавления и качества для восстановления производственной мощности или уменьшения мощности дополнительного электрического подогрева. Во всех рекуперативных печах с подковообразным пламенем, использующих это изобретение, потребность в воздухе для сгорания и топливе, присущая ранее используемой конструкции, уменьшается и заменяется энергией от, по меньшей мере, одной установленной в замке свода печи горелки 34, расположенной над материалами шихты. Дополнительно установленные в своде печи горелки могут быть расположены вплоть до ванны стеклоплавильной печи, если в замке свода печи над нерасплавленными материалами шихты установлены горелки. Энергия от установленных в замке свода печи горелок заменяет энергию недействующего пламенного окна и энергию обычного дополнительного электрического или кислородного подогрева.

В пламенной печи прямого нагрева на фиг.2Е в предпочтительном примере реализации настоящего изобретения используется, по меньшей мере, одна установленная в замке свода печи горелка, расположенная над материалами шихты, входящими в печь для улучшения скорости плавления и качества для восстановления или увеличения производственной мощности или уменьшения мощности дополнительного электрического подогрева. Во всех печах прямого нагрева, использующих это изобретение, потребность в воздухе для сгорания и обычном топливе, присущая ранее используемой конструкции, будет снижена и заменена энергией от, по меньшей мере, одной установленной в замке свода печи горелки, расположенной над материалами шихты. В случае использования множества воздухотопливных горелок 73, по меньшей мере, одна горелка 74 будет изолирована. Дополнительно установленные в своде печи горелки могут быть расположены вплоть до ванны стеклоплавильной печи, если над нерасплавленными материалами шихты в замке свода печи установлены горелки. Энергия от установленных в замке свода печи горелок заменяет энергию недействующего пламенного окна, и энергию обычного дополнительного электрического или кислородного подогрева.

В электрических печах с горячей крышкой в предпочтительном примере реализации изобретения используется, по меньшей мере, одна установленная в замке свода печи горелка, расположенная над входящими в печь материалами шихты для улучшения скорости плавления и качества для восстановления или повышения производственной мощности или снижения мощности дополнительного электрического подогрева. Дополнительно установленные в своде печи горелки могут быть расположены вплоть до ванны стеклоплавильной печи, если над нерасплавленными материалами шихты установлены горелки в замке свода печи. Энергия от установленных в замке свода горелок заменяет энергию недействующего пламенного окна, и энергию обычного дополнительного электрического или кислородного подогрева.

Во всех случаях образование оксида азота и диоксида серы может быть снижено тщательным выбором стехиометрического отношения разных установленных в своде печи горелок и остальных воздухотопливных (с естественной тягой) горелок. Ссылаясь на фиг.2А, в качестве примера использования печи с поперечным направлением пламени, горелки, установленные в положении AL или AR, работают с избыточным стехиометрическим уровнем кислорода для создания в печи бедной топливной (окислительной) зоны. При работе горелки 34 в позиции ВС и/или горелок у второго окна 71 с уровнем кислорода или воздуха, меньше стехиометрического, в печи образуется богатая топливная зона (восстановительная). Остальные окна работают с избыточным стехиометрическим кислородом для создания бедной топливной (окислительной) зоны в печи. Эта конфигурация зон (богатая-бедная-богатая) эффективно образует ступени зон сгорания печи, оптимизируя теплоотдачу и уменьшая образование оксида азота обеспечением экрана из моноксида углерода.

По меньшей мере, одна установленная в своде печи кислородотопливная горелка 34 может быть расположена либо в новой воздухотопливной стеклоплавильной печи 10, либо в модернизированной существующей воздухотопливной стеклоплавильной печи для повышения качества стекла по сравнению с печью, использующей только воздухотопливную энергию. Понятно, что настоящее изобретение способствует значительному повышению удельного выхода стекломассы, уменьшению температуры стен стеклоплавильной печи 10 и повышению качества стекла по сравнению с такой же печью с естественной тягой, которая не была модернизирована с помощью, по меньшей мере, одной установленной в своде печи горелки, описанной здесь. Кроме того, как будет понятно специалисту, использование, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелки, в противоположность полностью воздухотопливной системе, может значительно снизить выбросы NO_x (токсичных веществ), в зависимости от стехиометрии кислородотопливного пламени и воздухотопливного пламени.

Пример 1. Модернизация с помощью установленных в своде печи кислородотопливных горелок.

Одним из вариантов изобретения было использование дополнительного кислородного подогрева, 100%-ной кислородной конверсии, повторной конверсии для дополнительного кислородного подогрева и, наконец, обычного воздухотопливного нагрева в существующей горячей регенеративной печи с поперечным направлением пламени и с тремя окнами. Сначала печь нагревали только воздухотопливной энергией. Пламенное окно 1 было заменено, по меньшей мере, одной установленной в своде печи кислородотопливной горелкой. В печи работали два остальных окна с естественной тягой. Во второй стадии окно 2 затем было заменено, по меньшей мере, одной установленной в своде печи кислородотопливной горелкой и продолжали обычный воздухотопливный нагрев печи на третьем окне. В третьей стадии окно 3 заменили энергией уже установленных в своде печи кислородотопливных горелок. Мощность печи была увеличена от 55 до 85 тонн в день, при этом потребляемая энергия снизилась от 23,5 мм БТЕ (британских тепловых единиц)/час до 18 мм БТЕ/час. Печь постепенно снова переводили в режим воздухотопливного нагрева. Этот пример демонстрирует способность избирательно увеличивать существующую воздухотопливную энергию печи, а также обеспечить общую подводимую теплоту для стеклоплавильной печи из установленных в своде кислородотопливных горелок. В процессе не требуется использование горелок с водяным охлаждением.

Пример 2. Горелка и блок горелки со встроенной кислородной ступенью.

Была показана кислородотопливная горелка со встроенной ступенью кислорода, обеспеченной конфигурацией горелки или горелкой в комбинации с блоком горелки, предназначенная для увеличения теплоотдачи и уменьшения NO_X (токсичных веществ). Согласно настоящему изобретению, по меньшей мере, одна из горелок 103 со встроенной ступенью такого типа установлена в своде 111 стеклоплавильной печи 110. Горелка 103 идеально расположена над материалами шихты 130 и предпочтительно под углом, так что угол альфа (α на фиг.6) составляет приблизительно от 91° до 135° в направлении потока стекла 104 в печи.

Пример 3. Горелка и блок горелки с наружной кислородной ступенью.

Со ссылкой на фиг.7, было показано, что горелка 122 с блоком 121 горелки, установленные в своде стеклоплавильной печи 111, с расположенными снаружи горелки 122 и блока 121, в количестве от 2 до 8 инжекторами кислорода 112 могут вырабатывать более высокую теплоотдачу, чем горелка, не имеющая ступени. Горелка 122 предпочтительно установлена под углом приблизительно от 91° до 135° относительно поверхности стекла и в направлении потока стекла в печи. Согласно этому примеру, от 0% до приблизительно 90% стехиометрического количества кислорода для сгорания впрыскивается через горелку 133 для первичного кислорода, а оставшийся, от 100% до приблизительно 10%, кислород 134 вторичного сгорания впрыскивается через инжекторы кислорода 112, которые расположены под углом приблизительно от 0° до 90° относительно поверхности стекла. Как будет понятно специалисту, число, угол и количество образующих ступени каналов специально конструируются для каждой печи, и предназначены для задержки сгорания топлива 145 до тех пор, пока пламя не упадет на поверхность или вблизи поверхности материалов стекольной шихты.

Пример 4. Расположение ступеней в промежутке между, по меньшей мере, двумя установленными в своде горелками.

Ступенчатый процесс сгорания с использованием кислородотопливных горелок может быть выполнен согласно изобретению посредством расположения ступеней между горелками, по меньшей мере, между двумя расположенными в своде печи горелками. Одна из горелок работает с уровнями ниже стехиометрических, то есть в богатом топливном режиме, а вторая или дополнительная горелка (горелки) работает с остальным кислородом, необходимым для полного сгорания, то есть в бедном топливном режиме. Был проведен эксперимент на дополнительный подогрев обычной воздухотопливной регенеративной стеклоплавильной печи 110, где две задние горелки 162 работали в бедном топливном режиме, а установленная выше по ходу потока в своде печи кислородотопливная горелка 161 работала в богатом топливном режиме (фиг.8). Этот режим работы создавал бедную кислородотопливную зону, примыкающую к богатой кислородотопливной зоне, после которой следовала бедная воздухотопливная зона. В результате использования этого способа работы стеклоплавильной печи увеличивалась мощность печи, при снижении выбросов оксидов азота на тонну массы. Этот способ обеспечения технологических ступеней между горелками также может использоваться с двумя примерами реализации ступенчатого сгорания описанными подробно ранее.

Пример 5. Ступенчатое сгорание в стеклоплавильной печи с кислородными барботерами.

Один способ ступенчатого сгорания согласно изобретению включает использование кислородных барботеров в сочетании с, по меньшей мере, одной установленной в своде печи горелкой (фиг.9). Кислородное барботирование использовалось в нескольких установках для производства стекла, чтобы механически способствовать развитию конвективных потоков внутри расплавленного стекла. Кислород растворим в стекле, и в нормальных рабочих условиях в стекло впрыскивается только незначительное количество (менее 5% стехиометрического количества) кислорода. Расположив, по меньшей мере, одну установленную в своде печи горелку 105 над одним кислородным барботером 108, или над рядом или группой барботеров, можно обеспечить работу установленной в своде горелки (горелок) 105 в условиях ниже стехиометрических, и подавать остальной кислород 134 через барботеры 108, расположенные в поде 107 стеклоплавильной печи 110. Это увеличивает доступ кислорода на поверхности стекла 131 для вторичного сгорания топлива или частично окислившихся продуктов сгорания, или промежуточных продуктов реакции.

Пример 6. Кислородонефтяные горелки.

Обычные нефтяные (мазутные) и кислородонефтяные горелки для стеклоплавильных печей основаны на сгорании нефтяных капель, распыленных либо с помощью двухпоточных распылительных форсунок (с использованием пара или сжатого газа), либо механических форсунок (использующих давление или вращательную энергию). Форма пламени управляется напором распыленного материала и размером капель. Обычные кислородонефтяные горелки выделяют высокую пропорцию тепла вблизи свода.

Как показано на фиг.10, в этой конструкции кислородонефтяной горелки большая часть кислорода для сгорания (более 60%) впрыскивается, по меньшей мере, двумя соплами 136, или несколькими соплами до концентрического кольца, находящегося на расстоянии, но по существу окружающего струю нефти 137, до точки, лежащей за пределами начальной зоны невидимого сгорания нефтяного распыленного материала. Осевая линия этих сопел предпочтительно имеет угол от 45° до приблизительно 101° от горизонтали. Такая ступень кислорода обеспечивает химически активные промежуточные молекулы, описанные выше, и задерживает полное сгорание, пока оно не начнется на поверхности и вблизи материалов шихты. Остальной кислород может впрыскиваться в непосредственной близости и концентрично струе нефти 137, например, через распыляющую среду 138 посредством дополнительной концентрической кислородной трубы (не показана), или третичным впрыскиванием в печь, например, кислородной продувкой (не показана) для достижения полного сгорания. Эта кислородотопливная установленная в своде печи горелка ступенчатого сгорания уменьшает выделение тепла в свод, увеличивая в то же время теплоотдачу в материал шихты вследствие дополнительной конвективной теплоотдачи на поверхности. Горелка может охлаждаться водяной рубашкой, имеющей входное отверстие 139 и выходное отверстие 140.

Распылительная форсунка для нефти, которая используется в производстве стекла для обычного плавления, была исследована с помощью лазерной допплеровской аннемометрии, для измерения размера частиц в капле нефти, чтобы вычислить средний диаметр частиц, который составил 50 микрон при распылении сжатым воздухом.

Было обнаружено, что в этой и в других рядах горелок сгорание распыленного материала нефти задерживается до тех пор, пока нефть не столкнется со струей кислорода. Визуальное "отсутствие пламени" могло наблюдаться на расстоянии до 18 дюймов от наконечника распылительной форсунки. Во время этой фазы невидимого сгорания в горячей стеклоплавильной печи размер частиц нефти уменьшается вследствие эндотермического испарения. При использовании в установленной в своде горелке эта эндотермическая реакция поглощает излучательную тепловую энергию из окружающей среды и эффективно снижает общую излучательную теплоотдачу в свод печи.

Настоящее изобретение включает использование распылительной форсунки, которая дает значительно больший размер частиц, приблизительно более 100 микрон. Для получения этой частицы большего размера требуется меньше энергии, и в результате, напор пламени уменьшается. Частично распыленные большие капли нефти свободно падают из установленной в своде горелки, и, по меньшей мере, частично испаряются в эндотермической зоне невидимого сгорания, прилегающей к своду.

Максимальная скорость реагентов и продуктов сгорания на поверхности шихты, однако, должна быть менее 30 м/сек, чтобы избежать движения материалов шихты под воздействием воздуха.

Так как свободная струя газа (такого, как кислород) расширяется приблизительно на 11°, выпускное отверстие для кислорода, расположенное близко к выходному отверстию для топлива, заставит кислород падать на струю топлива вблизи выхода топлива. Поэтому предпочтительно, чтобы ступенчатое расположение кислорода, и следовательно сгорание выполнялось посредством расположения выпускных отверстий для кислорода с углом схождения к оси потока топлива приблизительно от 45° до приблизительно 11° угла расхождения с осью потока топлива. Это может быть выполнено как с помощью горелок, имеющих наружную ступень сгорания, так и горелок со встроенной ступенью, где выпускные отверстия для кислорода выполнены в блоке горелки.

Возможно дополнительно уменьшить потери излучательного тепла кислородонефтяного пламени изменением механизмов, которые могут привести к возникновению чрезмерно ярких углеродных молекул в пламени. Двумя обычными процессами, которые приводят к образованию этих молекул, являются расщепление жидкой фазы и преобразование менее летучих компонентов в каплях нефти и реакции конденсации газовой фазы, приводящие к образованию сажи. Первый процесс усугубляется большими размерами капель и присутствием ароматических соединений, например битумов. Второй процесс развивается при высоких температурах и в богатых топливных зонах, где частично насыщенные реагенты газовой фазы, например, ацетилен, могут входить в реакции через множественные реакционные пути, чтобы затем образовывать ароматические сетки и, затем твердую сажу.

В одном примере реализации настоящего изобретения предпочтительно используется высокая степень распыления для получения капель нефти малого размера, порядка от 5 до 10 микрон, предпочтительно приблизительно от 10 до 50 микрон, чтобы сократить время жидкой фазы. Таким образом расщепление жидкой фазы уменьшается и полученный твердый углеродный осадок будет тонко измельчен и будет легче окисляться по своей увеличенной площади поверхности. Быстрое смешение с распыляющей средой в начальной зоне горелки, например созданием относительной разности скоростей между распыляющей топливо струей и струей окислителя для увеличения скорости сдвига в газовой фазе, обеспечивает быстрое разбавление богатых топливных зон вокруг капель нефти, создавая более однородную общую смесь из испарившихся капель топлива, окислителя, распыляющей среды и продуктов частичного сгорания. Реакция топливного пара с окислительной распыляющей средой создает смесь частичного предварительного сгорания, которая меньше подвержена сажеобразованию. Количество вводимой в начальную зону пламени распылительной среды в значительной мере зависит от природы сажеобразования самого топлива, что сильно зависит от его химического состава.

Известно, что, как правило, степень сажеобразования зависит от соотношения С:Н нефти, с тенденцией снижения образования сажи при больших концентрациях Н. Однако эта тенденция становится чрезвычайно неустойчивой, когда ароматическое содержание топлива увеличивается, например, тяжелый бензин очень подвержен сажеобразованию. Таким образом, сама распыляющая среда может быть целесообразно выбрана для снижения сажеобразования изменением соотношения С:Н. Распыляющими средами, полезными для предотвращения тенденции сажеобразования, является воздух, кислород, пар, природный газ и водород, или их смесь. Первые два имеют чисто окислительное воздействие, последние два имеют воздействие на изменение соотношения С:Н в смеси топливный пар/распыляющая среда в зоне около горелки, так что условия для образования сажи не возникают. Пар имеет совмещенное воздействие, и объединившись с излучательной теплотой от основного пламени и/или печи, вызывает реакции газификации, выделяя СО и Н₂, для дальнейшей реакции.

За начальной зоной вблизи горелки первоначальная струя жидкого топлива по существу становится струей газообразного топлива и взаимодействует с окружающими струями вторичного кислорода таким же образом, как это происходит при использовании горелок со ступенчатой подачей газа, которые были описаны выше.

Пример 7. Кислородотопливная горелка со ступенчатой подачей топлива.

Кислородотопливная горелка 150, показанная схематично на фиг.11, была предназначена для установки в своде стеклоплавильной печи для ступенчатого сгорания топлива, выполняемого с помощью одного наружного инжектора окислителя (кислорода) и двух внутренних инжекторов топлива; один центральный инжектор топлива предназначен для впрыскивания с высокой скоростью, и один кольцевой инжектор топлива предназначен для впрыскивания с низкой скоростью. Инжекторы предпочтительно включают, по меньшей мере, три концентрические трубы. Длина пламени горелки и смешение окислителя и топлива регулируется струей топлива 142 высокого давления, которая подается через стенки 152 труб от первого устройства 147 подачи топлива, использующего от 10 до 90% топливного пара. Этот высокоскоростной, высокоимпульсный поток обеспечивает форму пламени и смешение в большей степени, чем поток топливной газовой оболочки 143 с меньшим импульсом. Этот поток газа также имеет большую скорость, чем скорость потока кислорода для регулирования смешения. Остальное топливо 143 (приблизительно от 90-10%) подается из второго устройства подачи топлива 148, концентрично, через, по меньшей мере, один кольцевой инжектор топлива, образованный стенками 152 и 153 труб, причем кислород для сгорания 141 подается из устройства подачи 146 через наружный кольцевой инжектор, образованный стенками труб 151 и 153. Размер центрального инжектора большого давления регулирует скорость смешения благодаря высокоимпульсной струе. Ступенчатое сгорание центральной струи обеспечено оболочкой вторичных газовых струй. Это устройство образует средства направления топливного газа, например, природного газа, и обеспечивает ступенчатое взаимодействие топливного газа с материалом шихты и кислородом около поверхности шихты в стеклоплавильной печи. При необходимости, центральная высокоскоростная струя может иметь меньшую массу, по сравнению со струей топлива, имеющей низкую скорость, если импульс центральной струи выше.

В одном примере реализации высокоскоростная центральная струя может содержать жидкое топливо, подаваемое горелкой жидкого топлива, например нефтяной горелкой, а не газообразное топливо, а топливная оболочка с меньшей скоростью может содержать газообразное топливо.

Патенты и документы, описанные здесь, включены посредством ссылки.

Несмотря на то, что изобретение было описано подробно со ссылкой на определенные конкретные примеры реализации изобретения, специалисты в данной области поймут, что в пределах существа и объема формулы изобретения есть другие примеры реализации. Поэтому понятно, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными примерами реализации изобретения, описанными выше, но включает варианты, модификации и равнозначные примеры реализации, определяемые следующей далее формулой изобретения.

1. Способ плавления стеклообразующего материала в стеклоплавильной печи, которая имеет заднюю стенку, разделительные стенки воздухонагревателя над боковыми стенками и расположенную ниже по ходу потока переднюю стенку, соединенные со сводом, при этом, по меньшей мере, один дозатор загрузки шихты для загрузки стеклообразующего материала шихты размещают в, по меньшей мере, одной задней стенке или боковой стенке, включающий:

обеспечение, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелки в своде печи над материалом шихты, в котором, по меньшей мере, одна кислородотопливная горелка предназначена для ступенчатого сгорания,

обеспечение потока топлива к, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелке,

обеспечение потока газообразного окислителя, связанного с, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелкой,

впрыскивание топлива и окислителя в печь, при этом струя топлива содержит, по существу, только одну струю топлива или богатую топливом смесь топлива-окислителя, струя окислителя содержит, по существу, только одну струю окислителя или бедную топливом смесь топлива-окислителя, причем струя впрыскиваемого топлива и струя впрыскиваемого окислителя разделены и по выбору расположены под углом к другой, достаточным, чтобы заставить потоки, соответственно, сходиться близко к поверхности или на поверхности стеклообразующего материала, предпочтительно, где струя топлива и струя окислителя разделены и образуют угол относительно одна другой от 0 до около 90°, и

сжигание топлива из, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелки таким образом, что, по меньшей мере, часть сгорания происходит вблизи стеклообразующего материала для увеличения конвективной и излучательной передачи тепла стеклообразующему материалу без существенного нарушения стеклообразующего материала,

по выбору, смешение топлива и окислителя задерживают для локализации сгорания вблизи или на поверхности стеклообразующего материала, по выбору, ступенчатую подачу потока топлива из кислородотопливной горелки и также по выбору, полное сжигание химически активных промежуточных молекул вблизи или на поверхности стеклообразующего материала.

2. Способ по п.1, включающий, по меньшей мере, одно из следующего:

(I) в котором окислитель выбран из группы, состоящей из обогащенного кислородом воздуха, примесного кислорода и "технически" чистого кислорода,

(II) в котором топливо является газом, выбранным из группы, состоящей из метана, природного газа, сжиженного природного газа, пропана, сжиженного пропана, бутана, газов с низким БТЕ, бытового газа, промышленного газа и их смесей,

(III) в котором топливо является жидкостью, выбранной из тяжелого нефтяного топлива, среднего нефтяного топлива, легкого нефтяного топлива, керосина и дизельного топлива.

3. Способ плавления стеклообразующего материала в стеклоплавильной печи, которая имеет заднюю стенку, разделительные стенки воздухонагревателя над боковыми стенками и расположенную ниже по ходу потока переднюю стенку, соединенные со сводом, при этом, по меньшей мере, один дозатор загрузки шихты для загрузки стеклообразующего материала шихты размещают в, по меньшей мере, одной задней стенке или боковой стенке, включающий:

обеспечение, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелки, предназначенной для ступенчатого сгорания, в своде печи над материалом шихты,

обеспечение потока жидкого топлива в, по меньшей мере, одну кислородотопливную горелку,

обеспечение потока газообразного окислителя, связанного с, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелкой,

впрыскивание топлива и газообразного окислителя в печь, включающее впрыскивание большего количества окислителя, отделенного от потока жидкого топлива и, по существу, окружающего поток жидкого топлива до точки, лежащей за пределами начальной зоны невидимого сгорания, и

сжигание топлива таким образом, что, по меньшей мере, часть сгорания происходит вблизи стеклообразующего материала для увеличения конвективной и излучательной передачи тепла стеклообразующему материалу без существенного нарушения стеклообразующего материала, по выбору, включающий, по меньшей мере, одно из следующего:

(I) расположение осевой линии сопел впрыскиваемого топлива и впрыскиваемого окислителя под углом от около 45 до около 101° от горизонтали,

(II) впрыскивание остального окислителя вблизи и концентрично впрыскиваемому топливу,

(III) ступенчатую подачу потока топлива из кислородотопливной горелки,

(IV) впрыскивание остального окислителя третичным впрыскиванием в печь,

(V) причем окислитель выбирают из группы, состоящей из обогащенного кислородом воздуха, примесного кислорода и "технически" чистого кислорода, и

(VI) жидкое топливо выбирают из группы, состоящей из тяжелого нефтяного топлива, среднего нефтяного топлива, легкого нефтяного топлива, керосина и дизельного топлива.

4. Способ по п.3, включающий одно из следующего:

(а) впрыскиваемое жидкое топливо имеет размер капель приблизительно более 100 мкм,

(б) распыление жидкого топлива для получения капель в пределах приблизительно от 5 до 50 мкм, по выбору, включающее одно из (I)-(III):

(I) быстрое смешение капель с распыляющей средой в начальной зоне горелки для образования, по существу, однородной смеси,

(II) распыление жидкого топлива с окислительной распыляющей средой для получения смеси частичного предварительного сгорания,

(III) распыление жидкого топлива с распыляющей средой, выбранной из группы, состоящей из воздуха, кислорода, пара, природного газа и водорода или их смесей для снижения соотношения С:Н в смеси топлива/распыляющей среды.

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором обеспечение потока газообразного окислителя включает, по меньшей мере, одно из:

(I) размещение кислородотопливной горелки в блоке горелки, обеспечивающем встроенную ступень подачи окислителя впрыскиванием из того же блока кислородотопливной горелки,

(II) размещение кислородотопливной горелки в блоке горелки, обеспечивающем наружную ступень подачи окислителя впрыскиванием, отдельно от блока кислородотопливной горелки,

(III) обеспечение, по меньшей мере, одного инжектора вторичного окислителя в своде печи для обеспечения дополнительного окислителя для завершения сгорания вблизи или на поверхности стеклообразующего материала, по выбору включающего впрыскивание от 0 до 90% стехиометрического окислителя через блок кислородотопливной горелки и впрыскивание от 100 до приблизительно 10% стехиометрического окислителя через, по меньшей мере, один инжектор вторичного окислителя отдельно от блока кислородотопливной горелки, и

(IV) барботирование окислителя из-под поверхности стеклообразующего материала.

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором стеклообразующий материал вводят в печь через, по меньшей мере, один дозатор загрузки шихты, включающий обеспечение, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелки в своде печи вблизи, по меньшей мере, одного дозатора загрузки шихты над стеклообразующим материалом.

7. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором горелку устанавливают так, что она имеет направление, по существу, от перпендикулярного к поверхности стеклообразующего материала до направления, образующего 45° от перпендикулярного, в сторону расположенной ниже по ходу потока передней стенки печи.

8. Способ согласно любому предшествующему пункту, включающий, по меньшей мере, одно из следующего:

(I) обеспечение, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелки в своде вблизи расположенной ниже по ходу потока передней стенки,

(II) обеспечение всех горелок печи в виде кислородотопливных горелок,

(III) обеспечение всех горелок печи в виде горелок, установленных в своде печи,

(IV) работу, по меньшей мере, одной установленной в своде печи кислородотопливной горелки в богатом топливном режиме и, по меньшей мере, одной установленной в своде печи кислородотопливной горелки в бедном топливном режиме.

9. Способ плавления стеклообразующего материала в стеклоплавильной печи, которая имеет заднюю стенку, разделительные стенки воздухонагревателя над боковыми стенками и расположенную дальше по ходу потока торцевую переднюю стенку, соединенные со сводом, при этом, по меньшей мере, один дозатор загрузки стеклообразующего материала шихты размещают, по меньшей мере, в одной задней стенке или боковой стенке, включающий:

обеспечение, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелки в своде печи над материалом шихты, причем, по меньшей мере, одна кислородотопливная горелка предназначена для ступенчатого сгорания топлива и содержит, по меньшей мере, один наружный инжектор окислителя и два внутренних инжектора топлива, при этом один центрально расположенный инжектор предназначен для впрыскивания топлива с высокой скоростью, а один кольцевой инжектор топлива предназначен для впрыскивания топлива с меньшей скоростью,

обеспечение потока топлива к, по меньшей мере, одной кислородотопливной горелке, в которой поток топлива, проходящий через центрально расположенный инжектор топлива, имеет более высокий импульс, чем поток топлива, проходящий через другой инжектор топлива, обеспечение потока газообразного окислителя к наружному инжектору окислителя, имеющего меньший импульс, чем поток топлива, проходящий через кольцевой инжектор топлива,

сжигание топлива, по меньшей мере, из одной кислородотопливной горелки таким образом, что, по меньшей мере, часть сгорания происходит вблизи стеклообразующего материала для увеличения конвективной и излучательной передачи тепла стеклообразующему материалу без существенного нарушения стеклообразующего материала, по выбору, в котором (а) приблизительно от 10 до 90% потока топлива используют расположенным центрально инжектором топлива или (б) жидкое топливо подают к расположенному центрально инжектору топлива, а газообразное топливо подают в кольцевой инжектор топлива, в котором жидкое топливо выбирают из группы, состоящей из тяжелого нефтяного топлива, среднего нефтяного топлива, легкого нефтяного топлива, керосина и дизельного топлива, а газообразное топливо выбирают из группы, состоящей из метана, природного газа, сжиженного природного газа, пропана, сжиженного пропана, бутана, газов с низким БТЕ, бытового газа, промышленного газа и их смесей.

10. Кислородотопливная горелка, содержащая, по меньшей мере, один наружный инжектор окислителя и два внутренних инжектора топлива, при этом один центральный инжектор топлива предназначен для впрыскивания топлива с высокой скоростью и один кольцевой инжектор топлива предназначен для впрыскивания топлива с низкой скоростью, причем центральный инжектор топлива предназначен для обеспечения центральной струи топлива высокого давления, содержащей, по меньшей мере, одно газообразное топливо или жидкое топливо, кольцевой инжектор топлива предназначен для обеспечения, по существу, кольцевой топливной оболочки более низкого давления, содержащей газообразное топливо снаружи концентрично центральной струи топлива, а инжектор окислителя предназначен для обеспечения, по существу, кольцевой струи окислителя снаружи концентрично топливной оболочки, при этом струя окислителя имеет меньший импульс, чем центральная струя топлива.