專利名稱：用空氣－燃料燃燒代替氧氣－燃料燃燒的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是在生產(chǎn)像金屬，玻璃，陶瓷材料之類產(chǎn)品的工業(yè)熔融爐中產(chǎn)生高溫的方法和裝置。特別是，本發(fā)明涉及在出現(xiàn)氧氣供應(yīng)減少或中斷時(shí)使燃燒繼續(xù)進(jìn)行的燃燒、方法和裝置。
在如熔化玻璃的一些工業(yè)過程中，氧氣－燃料燃燒爐的使用使得熔爐設(shè)計(jì)者可得到各種火勢，玻璃熔化的分布以及火焰的輻射特性。這樣的燃燒器和燃燒過程的例子在美國專利，U.S.Patent 5，256，058，5，346，390，5，547，368以及5，575，637中已有敘述，這些專利的公開內(nèi)容引為本發(fā)明的參考。
在制造玻璃的過程中利用氧氣－燃料燃燒的一個(gè)特別有效的方法和裝置與分級燃燒有關(guān)(staged combustion)，這在美國專利U.S.Patent 5，611，682中已經(jīng)公開，其說明被本發(fā)明引為參考。
九十年代初玻璃制造商們開始將爐子從空氣－燃料燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)檠鯕猓紵紵Ｄ承┛諝猓紵到y(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了富氧運(yùn)行，其中氧的濃度增加到了大約30％。不使用40-80％范圍的高濃度氧，這是因?yàn)檫@有增大形成污染物NOx的可能性。又發(fā)現(xiàn)，利用氧濃度在90-100％之間的氧氣－燃料燃燒時(shí)將會給用戶帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。
很多較大的氧氣－燃燒玻璃熔煉爐都是利用眾所周知的低溫和真空回轉(zhuǎn)吸服技術(shù)(cryogenic or vacuum swing adsorptiontechniques)現(xiàn)場供氧。迄今為止這種儲備現(xiàn)場制氧的常規(guī)而唯一的方法是在同一現(xiàn)場儲存液氧。這樣，當(dāng)現(xiàn)場的制氧設(shè)備由于工藝問題或例行維護(hù)而離線時(shí)，所儲存的液氧就可用來提供氧氣－燃燒燃燒所需的氧。這種儲備現(xiàn)場制氧的方法要求一些大的絕熱罐和蒸發(fā)器，前者用來儲存氧，后者用來使液態(tài)氧轉(zhuǎn)變氧氣－燃燒燃燒過程所用的氣態(tài)氧。常規(guī)做法是，利用運(yùn)輸車從較大的空氣分離設(shè)備處將液體氧拖運(yùn)至現(xiàn)場。利用液態(tài)氧儲備與現(xiàn)場制氧系統(tǒng)一起使用，可使用戶能連續(xù)進(jìn)行氧氣－燃料的燃燒過程而不會間斷。任何氧氣－燃料的燃燒系統(tǒng)，例如在上述相關(guān)專利中被公開的任一系統(tǒng)，都會從具有替代系統(tǒng)的現(xiàn)場生產(chǎn)中受益。
直到現(xiàn)在，用儲存的液體氧來支持氧氣－燃料的玻璃熔煉爐并不被認(rèn)為有問題。但是，由于在多爐場地，爐子的更換越來越多，平板或浮法玻璃爐越來越大，氧氣－燃料燃燒需要使用的氧越來越多，又由于儲存罐和蒸發(fā)器的投資費(fèi)用很高，因而用液態(tài)氧來支持成為用戶十分關(guān)注的事情。除了成本問題外，還有與運(yùn)輸液體氧到現(xiàn)場和短時(shí)間內(nèi)從就近的生產(chǎn)液態(tài)氧的空氣分離設(shè)備得到足夠液態(tài)氧相關(guān)的后勤問題。將液體氧運(yùn)送到較遠(yuǎn)地區(qū)的用戶場地甚至成為一個(gè)更大的問題因?yàn)榇嬖诘睦щy更大。
通常，當(dāng)將玻璃熔煉爐從空氣－燃料轉(zhuǎn)變?yōu)檠鯕猓剂蠒r(shí)，如回?zé)崞髦惖臒峄厥昭b置和空氣供應(yīng)系統(tǒng)都可取消。對于用戶來說，轉(zhuǎn)變?yōu)檠鯕猓剂系膭?dòng)機(jī)之一是降低成本，成本的降低是由于取消了熱回收裝置。由于氧氣－燃料燃燒器設(shè)計(jì)的問題，不能在今天使用的常規(guī)燃燒系統(tǒng)中簡單地采用空氣代替氧的方法來使?fàn)t子運(yùn)行。當(dāng)在使用氧氣－燃料的燃燒器中使用空氣時(shí)，提供等量含氧量所要求的空氣壓力是極高的，因而需要昂貴的空氣供應(yīng)系統(tǒng)。另外，如果燃燒速率相等，那么一些氧氣－燃料的燃燒器將會受到音流速的限制。
當(dāng)使用氧氣－燃料燃燒時(shí)，如果氧的供應(yīng)減少或中斷，則常規(guī)的技術(shù)是將爐子維持在所謂的“保溫(hot hold)”狀態(tài)。保溫是這樣一種狀態(tài)，在這種狀態(tài)下生產(chǎn)停止而使?fàn)t子保持是熱的，可使玻璃不致固化。玻璃固化將會嚴(yán)重地?fù)p壞爐子。有幾家公司專門研究冷爐修理之后的爐子加熱。它們用特殊設(shè)計(jì)的空氣－燃料燃燒器來提供爐內(nèi)的初始升溫。在氧供應(yīng)中斷的情況下，同一空氣－燃料燃燒器可被用來提供足夠的熱來進(jìn)行保溫。在這過程中，不要期望有供生產(chǎn)用的特定溫度，這些設(shè)備只能提供到華氏2200°F的最高溫度，這一溫度不足以生產(chǎn)玻璃。因而完全不是玻璃制造者所優(yōu)選的方案。就失掉產(chǎn)品銷售額和玻璃成形線中斷而言，對于玻璃制造者來說不生產(chǎn)玻璃代價(jià)是很高的。
因而，肯定需要提供一種在氧氣供應(yīng)減少或中斷的情況下用來維持玻璃制造爐生產(chǎn)的方法和設(shè)備。
本發(fā)明涉及一種用空氣－燃料燃燒系統(tǒng)代替氧氣－燃料燃燒系統(tǒng)以便維持如玻璃熔煉爐之類的工業(yè)用爐的生產(chǎn)的方法和裝置，該系統(tǒng)能在富氧和不富氧的情形下使用。按照本發(fā)明，設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)，它能在氧氣－燃料，和空氣－燃料，或富氧的空氣－燃料模式下運(yùn)作。按照本發(fā)明的這種燃燒器具有一個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)，即在氧氣－燃料模式下可以以低速運(yùn)行，在空氣－燃料模式下運(yùn)行時(shí)，允許在燃燒器上有可接受的壓降。按照本發(fā)明所述的燃燒器可利用富氧來完成上述過程。
按照本發(fā)明，在美國專利U.S.Patent 5，611，682中所述的那種燃燒器單元既可以用于氧氣－燃料燃燒又可用于空氣－燃料燃燒，使這種燃燒系統(tǒng)能迅速在上述兩種模式之間轉(zhuǎn)換。按照本發(fā)明，當(dāng)氧的供應(yīng)出現(xiàn)問題時(shí)，該氧氣－燃料的燃燒器就會關(guān)閉，斷開，并被空氣－燃料替代燃燒器代替，該替代燃燒器具有相同的構(gòu)形，用來連接于上述燃燒器單元。對于上述空氣－燃料替代系統(tǒng)來說，用戶可以保留原來用于熔化操作的空氣－燃料系統(tǒng)上的空氣供應(yīng)系統(tǒng)，或者將鼓風(fēng)機(jī)用作該替代系統(tǒng)的一部分。按照本發(fā)明的空氣燃料燃燒器將能以顯著高于氧氣－燃料燃燒器的速率燃燒。
這樣，一方面本發(fā)明是一個(gè)對使用氧氣－燃料燃燒到高溫的爐子維持加熱方法，其中一氧氣－燃料火焰被引入上述爐子，及將－氧化劑引入所述火焰之下，當(dāng)該火焰和氧化劑供應(yīng)減小或終止時(shí)，該維持加熱方法包括下述步驟用一速率引入空氣或富氧的空氣來取代這火焰，上述速率基本上維持當(dāng)氧是上述燃燒唯一的氧化劑源時(shí)燃燒器的燃燒速率，及用上述燃料替代引入在上述火焰下面的氧化劑以供燃燒并使?fàn)t內(nèi)維持在上述溫度。
在另一方面，本發(fā)明是一個(gè)這種類型的燃燒系統(tǒng)，它具有一個(gè)氧氣燃料燃燒器，這燃燒器適于用安裝在該燃燒器上的預(yù)燃器來產(chǎn)生火焰，所述預(yù)燃器具有一個(gè)第一通道和一個(gè)第二獨(dú)立通道，第一通道的第一端對于所述燃燒器火焰端來說是流體密封的，而第二端則用來將所述燃燒器產(chǎn)生的火焰導(dǎo)向以便以一般類似扁扇構(gòu)形于工業(yè)環(huán)境進(jìn)行加熱，第二獨(dú)立通道設(shè)置在所述第一通道的下面并與所述第一通道共同延伸，所述第二通道終止在所述預(yù)燃器的所述第二端的一噴嘴端，以便將氧化流體導(dǎo)向該火焰下面并一般來說與其平行，其改進(jìn)包括第一機(jī)構(gòu)，將空氣或富氧的空氣兩者之一通過所述燃燒器引入所述預(yù)燃器代替所述火焰；和第二機(jī)構(gòu)，將燃料引入所述預(yù)燃器的第二獨(dú)立通道代替所述氧化流體，由此，所述燃燒系統(tǒng)就能在氧氣供應(yīng)中斷或減少時(shí)繼續(xù)將所述工業(yè)環(huán)境加熱。
再一方面，按照本發(fā)明的方法和設(shè)備，本發(fā)明可期望通過對排出爐子的廢氣進(jìn)行液體水冷來減小被加熱的爐內(nèi)的廢氣容積。
再一方面，本發(fā)明涉及的是用空氣－燃料燃燒代替氧氣－燃料燃燒以維持在工業(yè)設(shè)施內(nèi)的加熱，空氣或富氧空氣可以任何方式引入設(shè)施，要引入足夠容積的氣體以便達(dá)到要求的加熱水平。在這方面，為了降低廢氣的容積對廢氣進(jìn)行水冷將是有益的。


圖1是常規(guī)分級燃燒裝置的示意透視圖。
圖2是沿圖1的2-2線截取的截面圖。
圖3是按照本發(fā)明所述裝置的示意透視圖。
圖4是圖3所示裝置的燃燒器單元或預(yù)燃器的前視圖。
圖5是對于從零生產(chǎn)到全額生產(chǎn)各種條件下的歸一化的甲烷流速與歸一化的氧氣流速的關(guān)系曲線。
圖6是圖5中各生產(chǎn)速率下的氧濃度與歸一化氧流速的關(guān)系曲線。
圖7是幾個(gè)生產(chǎn)速率下的歸一化廢氣流速與歸一化氧氣流速的關(guān)系曲線。
圖8是在零生產(chǎn)和全額生產(chǎn)之間的一些生產(chǎn)速率下用空氣烯釋之后的廢氣流速與氧氣流速的關(guān)系曲線。
圖9是從零生產(chǎn)到全額生產(chǎn)的各種條件下經(jīng)水稀釋之后的廢氣流速與氧氣流速的關(guān)系曲線。
本發(fā)明涉及的是一種用一空氣－燃料加熱系統(tǒng)來代替氧氣－燃料系統(tǒng)的方法和裝置。按照本發(fā)明，該空氣－燃料替代系統(tǒng)可以在富氧或不富氧的空氣條件下運(yùn)行。按照本發(fā)明的這種燃燒器至少允許兩種截然不同的運(yùn)行模式，例如氧氣－燃料或空氣－燃料模式。該燃燒器的另一特點(diǎn)在于，對于氧氣－燃料模式來說它是以很低的速率運(yùn)行的，這樣，當(dāng)以空氣一燃料模式，在富氧或不富氧的空氣條件下運(yùn)行時(shí)，允許燃燒器上有可接受的壓降。為了本發(fā)明的這個(gè)目的，氧氣－燃料的燃燒是意味著在80％-100％含氧量之間的燃燒。富氧是意味著含氧濃度在22％和80％之間。
按照本發(fā)明，無論是在用氧氣－燃料還是在空氣－燃料運(yùn)行過程中都可使用相同的燃燒器單元或預(yù)燃器，這就允許該燃燒系統(tǒng)可以迅速地從一種模式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N模式。當(dāng)操作者遇到氧氣供應(yīng)發(fā)生問題時(shí)，就可將氧氣－燃料燃燒器關(guān)閉，斷開，并用同樣連接到上述燃燒器單元上的空氣－燃料替代燃燒器代替。對于空氣－燃料系統(tǒng)，玻璃制造者可以保留在轉(zhuǎn)換到空氣－燃料燃燒之前就存在的空氣供應(yīng)系統(tǒng)，或者提供鼓風(fēng)機(jī)作為該替代系統(tǒng)的一部分。重要的是，該空氣－燃料替代燃燒器能以明顯高于被替代的氧氣－燃料燃燒器的速率燃燒。
由于加熱和排出氮?dú)馑鸬念~外能量消耗，對于該替代用的空氣－燃料燃燒器來說就要求更高的燃燒速率。而且，在這替代系統(tǒng)中燃燒所用的空氣常常不被預(yù)熱，對于典型的空氣－燃料爐來說這會導(dǎo)致爐子效率的降低。一個(gè)簡化的熱力學(xué)計(jì)算表明，將未預(yù)熱的空氣用于燃燒時(shí)，則需要增加燃料的燃燒速率。這個(gè)例子的假定是燃料和氧氣都完全反應(yīng)，沒有過剩的氧和沒有中間產(chǎn)物殘存下來；所有的氣體(例如，甲烷，空氣，或氧氣)都是以77°F的溫度進(jìn)入爐子的；而且所有的氣體在完全燃燒后以2800°F的溫度排出爐子。在這些條件下，為了維持同樣的供熱，用空氣燃燒所需要的燃燒速度是用100％的氧氣燃燒所需要的燃燒速度的2.65倍?？商峁┑臒崃總鬟f給熔煉原料并用于補(bǔ)償爐子的熱損耗。
這樣，當(dāng)氧氣流速減小時(shí)，總氧化劑的容積流速將急劇增加。由于氮?dú)獾募尤?，氧化劑流的容積增加到原來的4.76倍，而且由于更高的燃燒速度的要求又另增2.65倍。這意味著，當(dāng)用空氣完全取代氧氣時(shí)，氧化劑流的流速就要增加大到12.6倍。
在氧氣－燃料燃燒器裝置中使用空氣－燃料燃燒時(shí)所關(guān)切的主要事情是為適應(yīng)所需較大氣體容積所要求的空氣供應(yīng)壓力問題。本發(fā)明利用－低速氧氣化劑系統(tǒng)。這樣，即使在以空氣－燃料模式燃燒時(shí)，壓降也足夠低，使得可以使用相當(dāng)廉價(jià)的鼓風(fēng)機(jī)，同時(shí)可把燃燒器的燃燒速率維持在等于或大于使用氧氣燃料的燃燒速率。以該替代模式運(yùn)作的用戶，如玻璃熔煉者，在氧氣供應(yīng)緊急斷絕或減少期間也能夠連續(xù)生產(chǎn)。
對于在燃燒器中任何一點(diǎn)氧化劑速度都大于90英尺/秒的氧氣－燃料燃燒器來說，在全額生產(chǎn)中把空氣用作氧化劑時(shí)，其等效燃燒速度下的設(shè)計(jì)將受聲速的限制。聲速由方程a=(kRT)1/2確定，其中k是比熱率(對于空氣來說，為1.4)，R是氣體常數(shù)(287J/kg K)T是絕對溫度。對于25℃(77°F)的空氣而言，聲速為346米/秒(1135英尺/秒)。對于氧氣速度為100英尺/秒的氧氣－燃料燃燒器而言，用空氣的等效流速將是這個(gè)數(shù)值的12.6倍即1260英尺/秒，這個(gè)速度是大于聲速的。因此，如果完全利用空氣來代替氧氣而且又不改變?nèi)紵鞯娜魏尾考脑?，為了避開聲速限制，氧氣－燃料燃燒器必須按照小于90英尺/秒的氧氣流速來設(shè)計(jì)。另外，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，即當(dāng)工作模式轉(zhuǎn)換時(shí)，改變?nèi)紵髦黧w，也可避開這種限制。該燃燒主體必須這樣設(shè)計(jì)，對于用空氣－燃料運(yùn)作來說，應(yīng)使得表面速度小于聲速。
對于運(yùn)行在額定燃燒能力的2.65倍情況下，特別是以12.6倍的容積流速通過氧化劑通道的情況下的傳統(tǒng)的氧氣－燃料燃燒器來說，火焰的形狀也是人們關(guān)切的事情。下面公開的本發(fā)明的實(shí)施例可提供一種對氧氣－燃料和空氣－燃料兩種運(yùn)行都合適的火焰形狀。
這樣，按照本發(fā)明，關(guān)于氧化劑的傳輸壓力，流速限制，以及火焰形狀的擔(dān)憂都可按照本發(fā)明加以克服。我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對Air Productsand Chemicals公司提供的CleanfireHRTM燃燒器的燃燒器主體進(jìn)行了改進(jìn)時(shí)就可能使用戶利用同一燃燒器單元從使用氧氣－燃料燃燒轉(zhuǎn)換到使用空氣－燃料燃燒，上述公司設(shè)在濱州的Allentown。
參考圖1，一種分級燃燒裝置10包括一個(gè)氧氣－燃料燃燒器12和一個(gè)預(yù)燃器或者說燃燒器單元14。該氧氣－燃料燃燒器12包括一中心管道16用來接受如天然氣之類的燃料，燃料由箭頭18標(biāo)示。由箭頭20標(biāo)示的氧源被引入上述燃料管道16和外面的同心管道22之間管道中。這種燃燒器在美國專利5，611，682中已有詳細(xì)描述，其說明在此引入作為參考。燃燒器12被安裝到燃燒器單元14上，而且該預(yù)燃器或者說燃燒器單元14的第一端24與它保持液密的關(guān)系。燃燒器單元14包含第一或者說中央通道26，它從第一端24延伸到燃燒器單元14的排氣端28。通道26的寬度大于高度，而且具有專利5，611，682所表示和所敘述的喇叭形狀。為了進(jìn)行分級燃燒，由箭頭30表示的補(bǔ)給的氧(staging oxygen)被引入燃燒器單元14的第二通道32。正如上面說明的那樣，通道32具有與中央通道相似的形狀，寬大于高，這在上述專利5，611，682中也作了詳述。
參考圖2，在預(yù)熱器14的第一端24上氧氣－燃料燃燒器12具有一排氣端，中央的燃料管道16被氧氣通道22包圍。補(bǔ)給的氧存在于設(shè)置在氧氣－燃料火焰通道下面的通道31中，如圖2所示。
圖3表示一個(gè)按照本發(fā)明所述的燃燒裝置。燃燒裝置40包括一燃燒器單元14，它與圖1中的燃燒器單元14完全相同。按照本發(fā)明，燃燒器42與圖1中的氧氣－燃料燃燒器12相似，它帶有一裝置44允許將空氣或富氧的空氣引入燃燒器42的上通道50。燃燒器42也適于通過燃燒器42的通道48將空氣或富氧的空氣引入通道50，來自通道44和48的氧化劑在上通道50中混合，箭頭46表示將空氣，或者空氣和氧氣引入裝置44，裝置44又將這空氣或富氧的空氣順次引入通道50中，箭頭56表示將空氣或空氣和氧氣引入的通道50。空氣或富氧的空氣從通道50流進(jìn)燃燒器單元的中央通道26并排向爐子。
當(dāng)該燃燒器轉(zhuǎn)變?yōu)橛脹]有氧氣或者有限氧氣－燃料燃燒時(shí)，補(bǔ)給氧的供應(yīng)(用圖1中的箭頭30表示)被箭頭54表示的燃燒取代，這樣燃料或富氧的燃料就從燃燒器單元14的通道32中流出。在圖4中示意表示的是燃燒器單元14前端的通道26和32，通道26用來將空氣或富氧的空氣引入爐內(nèi)，通道32用來將燃料或富氧的燃料引進(jìn)爐中。當(dāng)燃燒器42用于空氣－燃料燃燒模式時(shí)，空氣或富氧的空氣流過通道26，燃料或富氧燃料流過通道32。燃燒器單元的設(shè)計(jì)是這樣的，使得由于在兩開口之間存在的循環(huán)區(qū)而可建立起穩(wěn)定的空氣－燃料火焰。
除了空氣－燃料的燃燒能力外，本發(fā)明的裝置還能實(shí)現(xiàn)富氧程度的改變。由于利用氧的富集可減少使用液氧儲存器的供氧，因此它提高了替代模式運(yùn)作過程的靈活性。它還能通過在空氣流中加氧的方法調(diào)節(jié)火焰的長度。
補(bǔ)充氧可通過各種方法來實(shí)現(xiàn)。例如，可以使空氣是富氧的，可以選擇地通過預(yù)燃器14的主通道26或分級出口32，或者通過兩者向氧炬供氧，或者將分離的氧炬安裝在離預(yù)燃器14或分級出口32某一距離的位置上，通過分級出口引入的氧和天然氣一起可提供一種產(chǎn)生煙灰(soot)的方法，這種煙灰便于更好地把輻射熱傳遞給爐內(nèi)的裝料。
使用本發(fā)明的方法和裝置，能夠維持玻璃生產(chǎn)所需的最高溫度和溫度分布。最好將富氧的燃燒或氧氣－燃料的燃燒使用于燃燒器，使其在爐內(nèi)的熱點(diǎn)附近具有最高燃燒速率。這將減少這些燃燒器所需空氣的流速和減小壓降。另外，富氧增加了火焰峰值溫度，因而增加了熱點(diǎn)的熱傳遞。眾所周知，為了在玻璃融體內(nèi)建立適當(dāng)?shù)膶α髟?，在玻璃制造爐內(nèi)需要有熱點(diǎn)，這是制造質(zhì)量合格的玻璃所需要的。
空氣－燃料的其它技術(shù)也可用來維持保溫狀態(tài)，本發(fā)明的意圖是使用戶能連續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)。應(yīng)使空氣－燃料替代系統(tǒng)提供的最低燃燒速率至少能保持設(shè)計(jì)生產(chǎn)速率的20％。應(yīng)該相信，這一生產(chǎn)速率足能使浮法玻璃生產(chǎn)者在浮法玻璃浮池中維持連續(xù)的玻璃帶。
可以用添加一個(gè)或多個(gè)入口的方法把較高速率的氧氣－燃料的燃燒器改為低速運(yùn)行，以便使用在此公開的技術(shù)。在氧氣－燃料運(yùn)作過程中通?？梢詫⑦@些入口關(guān)閉或者用來補(bǔ)給。此外，還可在空氣－燃料替代系統(tǒng)開始工作之前在不停產(chǎn)的情況下添加一個(gè)或多個(gè)額外的入口，這可通過在靠近燃燒器口處的耐火墻壁上鉆孔的方法來實(shí)現(xiàn)。
另一個(gè)利用高速燃燒器爐子的方案是用具較大開口的燃燒器單元來替代上述燃燒器單元，以便減小壓降。在替代過程中使用這種方法將外面的耐火材料引入玻璃融體中有危險(xiǎn)，可能使玻璃產(chǎn)生缺陷。此外，在不停產(chǎn)的情況下替換燃燒器單元需要相當(dāng)長的時(shí)間，時(shí)間太長可能導(dǎo)致生產(chǎn)的中斷不能避免。
圖5表示保溫(零生產(chǎn)速率)，20％，50％以及全額生產(chǎn)狀態(tài)所要求的甲烷流速，它假設(shè)了，例如，全額生產(chǎn)狀態(tài)下爐壁的熱損耗量是所獲得熱量的35％。保溫的燃燒速率比圖示的低，這是因?yàn)榭偟臓t溫降低，因而減少了爐壁的熱損耗所致。這個(gè)曲線假設(shè)無論生產(chǎn)速率或氧氣的使用情況如何，熱損耗都保持相同。甲烷流速相對100％的氧氣－燃料模式全額生產(chǎn)時(shí)的甲烷流速做了歸一化處理，而氧氣的流速則是相對100％的氧氣－燃料模式全額生產(chǎn)時(shí)的氧氣流速來進(jìn)行歸一化的。當(dāng)用于燃燒的所有氧化劑全部由氧源(沒有空氣)提供時(shí)，歸一化的氧流速為1.0，而當(dāng)用于燃燒的所有氧化劑全部由空氣提供時(shí)，則歸一化的氧流速為0。
圖6是圖5所示的各生產(chǎn)速率下作為歸一化的氧流速函數(shù)的氧濃度的相應(yīng)曲線。
如圖5中A點(diǎn)所示，當(dāng)只用空氣作為燃燒氧化劑進(jìn)行保溫(零歸一化氧流速)時(shí)，甲烷流速大約與全額生產(chǎn)時(shí)100％的氧氣－燃料所要求的流速相同(歸一化值等于1)。在氧流速為全額生產(chǎn)的氧流速的35％和甲烷流速為全額生產(chǎn)甲烷流速的35％(B點(diǎn))時(shí)也可維持保溫。參考圖6(B點(diǎn))，由B點(diǎn)表示的運(yùn)作條件與未經(jīng)空氣稀釋的100％的氧氣燃料相對應(yīng)。
圖5表明，為了達(dá)到全額生產(chǎn)的20％，氧流速和甲烷流速各自都可減少一半。這意味著，如果生產(chǎn)限于全額生產(chǎn)的20％，則儲藏的氧氣供應(yīng)就可延長兩倍的時(shí)間。按照圖6，這與100％的氧氣－燃料燃燒相對應(yīng)。
在50％的生產(chǎn)量時(shí)，氧的流速可減少到全額生產(chǎn)時(shí)流速的一半，而甲烷流速則可為全額生產(chǎn)時(shí)流速的95％。按照圖6，這種運(yùn)作條件的氧濃度大約為35％。
在熱回收裝置之后從氧氣－燃料爐排出的廢氣溫度高于從相應(yīng)的空氣－燃料爐排出的廢氣溫度。因此玻璃制造者應(yīng)當(dāng)用某種方法在這些氣體進(jìn)入用金屬制造的煙道系統(tǒng)之前降低這些氧氣－燃料燃燒的產(chǎn)物溫度。由于現(xiàn)今的空氣污染管制，對于玻璃熔煉爐的燃料氣體處理典型地包括一些懸浮微粒的清除裝置，如靜電除塵器，袋室等等。這些裝置具有的最大溫度峰值明顯低于氧氣－燃料爐的廢氣溫度，典型的約為1000°F。因而，在這些裝置之前必須用冷的(環(huán)境的)稀釋空氣(dilution air)來對這些廢氣進(jìn)行冷卻。
如果用空氣取代氧氣在為氧氣－燃料燃燒而設(shè)計(jì)的爐內(nèi)進(jìn)行燃燒，則廢氣的容積將會顯著增加。圖7表示用空氣取代氧氣時(shí)，幾種生產(chǎn)速率下的廢氣是如何增加的。關(guān)于入口和出口溫度以及熱損耗的假設(shè)本圖與前幾個(gè)圖相同。廢氣流速相對于使用100％的氧氣－燃料進(jìn)行全額生產(chǎn)的廢氣流速作了歸一化處理。對于全額生產(chǎn)而言，如果氧氣完全用空氣取代，則廢氣的增加將超過9倍。在保溫狀態(tài)時(shí)，可預(yù)期這時(shí)的廢氣流速將是上述廢氣流速的3倍以上。
由于熱廢氣流的增大，在廢氣進(jìn)入煙道系統(tǒng)的金屬部分之前，必須提供更多的稀釋空氣以便將溫度降低到同一水平。圖8表示熱力學(xué)的計(jì)算的結(jié)果，這里，2800°F的爐子廢氣被77°F的空氣稀釋以產(chǎn)生1000°F的氣流，這是一個(gè)適合于煙道系統(tǒng)金屬部分的溫度。在空氣稀釋之后，把歸一化的廢氣流速作為歸一化氧氣流速的函數(shù)畫成曲線。廢氣流速相對于100％的氧氣－燃料和全額生產(chǎn)的流速進(jìn)行了歸一化處理，這里，為了產(chǎn)生1000°F的廢氣流用77°F的空氣對2800°F的廢氣進(jìn)行了稀釋。如果在全額生產(chǎn)的條件下，用空氣取代氧氣并用77°F的空氣稀釋廢氣來產(chǎn)生1000°F的氣流，則所得到的廢氣流速將是用氧氣－燃料進(jìn)行全額生產(chǎn)所產(chǎn)生的廢氣流速的7.5倍。由于壓降的限制，煙道系統(tǒng)不能處理這么大的廢氣流量增加。爐子壓力增大，就可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)故障。
有好幾種處理煙道氣體容積增加的方法例如，減少生產(chǎn)，富氧燃燒。另一些冷卻煙道氣體的方法(例如，水冷)，利用添加的煙道氣體排放能力，使煙道氣體處理部分旁路，或者兩個(gè)或兩個(gè)以上上述方法的組合。按照本發(fā)明，解決煙道氣體容積增加的一個(gè)優(yōu)選方法是水冷加減產(chǎn)的組合方法，如果需要還可加上富氧燃燒。
圖9表示熱力學(xué)的計(jì)算結(jié)果，這里77°F的液態(tài)水提供了直接接觸的蒸發(fā)冷卻。用水稀釋之后歸一化的廢氣流速與歸一化的氧氣流速的關(guān)系被畫成曲線。廢氣流速是相對于100％的氧氣－燃料和全額生產(chǎn)的廢氣流速進(jìn)行歸一化的，這里，為了產(chǎn)生1000°F的氣流，用77°F的空氣對2800°F的廢氣作了稀釋。該圖表明，當(dāng)采用水代替空氣作廢氣流的冷卻介質(zhì)時(shí)，對于生產(chǎn)的氧氣－燃料運(yùn)行，廢氣容積可減少50％。對于利用空氣代替氧氣燃燒和用水來冷卻廢氣的全額生產(chǎn)情形來說，廢氣的流速是全氧－燃料的全額生產(chǎn)廢氣流速的3.6倍，對于利用空氣代替氧氣作為氧化劑時(shí)50％的生產(chǎn)率來說，廢氣流的容積是全氧－燃料的全額生產(chǎn)時(shí)廢氣流容積的2.5倍左右。
表1替代燃燒器及其方法總結(jié)
對于所提出的發(fā)明的可供選擇的方案有方案1)用較多的氧儲量連續(xù)地進(jìn)行100％的氧氣－燃料燃燒，方案2)用空氣－燃料加熱燃燒器進(jìn)行保溫，以及方案3)利用空氣代替氧氣由高火勢的氧氣－燃料(high momentum oxy-fuel)燃燒器進(jìn)行保溫或進(jìn)行一些生產(chǎn)。所提出的發(fā)明和方案1之間的差異在于氧氣使用的減少和液體氧的儲存費(fèi)用的降低。本發(fā)明與方案2之間的差異在連續(xù)生產(chǎn)和費(fèi)用上。本發(fā)明與方案3之間的差異在供應(yīng)高壓空氣的技術(shù)難度上。
與方案1相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是投資費(fèi)用較低(很少幾個(gè)LOX儲存罐)。而且由于現(xiàn)場氧氣設(shè)備供氧的時(shí)間減少了，液體氧的后勤供應(yīng)問題也可避免。上面提出的發(fā)明優(yōu)于方案1的方面在于，當(dāng)氧氣供應(yīng)管道或氣流控制閘瓦(flow control skids)出現(xiàn)問題時(shí)，它就可發(fā)揮作用。與方案2相比本發(fā)明的又一好處是它能進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)。最有效的方法在于利用空氣或富氧的空氣可使全額生產(chǎn)繼續(xù)進(jìn)行。即使在浮法玻璃的浮池內(nèi)能維持玻璃帶最低的生產(chǎn)水平也是極有價(jià)值的。重建這玻璃帶是費(fèi)時(shí)的，可能要使生產(chǎn)延誤一天或幾天。例如，對于每天生產(chǎn)600噸的平板玻璃爐來說，如果玻璃價(jià)值為300美元/噸，則一天的生產(chǎn)價(jià)值就為180，000美元。與方案2相比本發(fā)明的另一好處是，該替代系統(tǒng)就在其位。方案2則要求另一公司必須來到現(xiàn)場，安裝他們的設(shè)備。本發(fā)明還有一好處是不需對爐子的耐火材料鉆孔，切割，或其它的變動(dòng)。
本發(fā)明給用戶提供了利用不同的燃燒器來進(jìn)行空氣－燃料和氧氣－燃料運(yùn)作的能力，為空氣－燃料和氧氣－燃料燃燒器提供了一種共同的安裝系統(tǒng)，與使用空氣－燃料的保溫燃燒器相比，它還提供了更高的最高爐溫。本發(fā)明的方法能在爐內(nèi)產(chǎn)生與玻璃熔煉所需的相同溫度分布，能采用先增加氧氣濃度的方法使?fàn)t子的過熱點(diǎn)具有更高的燃燒速度，能利用分離的但間距很近的入口來引入空氣－燃料運(yùn)作所需的空氣和燃料，能改變預(yù)燃器/分級入口的功能以便進(jìn)行空氣－燃料和氧氣－燃料運(yùn)作。對于氧氣－燃料運(yùn)作來說，利用一較大的開口作為氧氣和燃料流的預(yù)燃器，較小的開口用于氧氣的補(bǔ)給(oxygenstaging)。對于空氣－燃料運(yùn)作來說，較大的開口用于流過空氣或富氧空氣，而較小的入口主要用于引入燃料。
在爐壁上安置單獨(dú)的燃燒器單元或者說預(yù)燃器，以便將空氣或富氧空氣和燃料引入爐內(nèi)，這包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。按照這種模式，根據(jù)本發(fā)明的說法，可以關(guān)閉氧氣－燃料燃燒器而用獨(dú)立的燃燒器單元進(jìn)行燃燒。
將空氣和燃料通過一些獨(dú)立的燃燒器或獨(dú)立于氧氣－燃料燃燒器的管道引入爐子中，也包含在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，只要空氣或富氧空氣以及燃料的引入是按照本發(fā)明的方法。
在做了這些敘述之后，希望得到美國專利證書保護(hù)的發(fā)明點(diǎn)將在權(quán)利要求書中提出。
權(quán)利要求
1．一種對使用氧氣-燃料燃燒到高溫的爐子維持加熱方法，其中一氧氣－燃料火焰被引入上述爐子，及將一氧化劑引入所述火焰之下，當(dāng)該火焰和氧化劑供應(yīng)減小或終止時(shí)，該維持加熱方法包括下述步驟用空氣或富氧空氣中的一種代替所述氧氣－燃料，并將所述空氣或富氧空氣中的一種引入所述爐子中；用上述燃料代替所述氧化劑，并將所述燃料引入上述爐子中以便提供燃燒，且維持所述爐子的所述溫度。
2．按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于除了在所述熔爐熱點(diǎn)附近的那些燃燒器使用富氧空氣燃燒器外，所述爐子是一個(gè)使用空氣燃料燃燒來維持溫度分布的玻璃熔煉爐。
3．按照權(quán)利要求1所述的方法，它包括用空氣代替所述氧氣－燃料火焰，該空氣引入的流速大約是只使用氧氣－燃料燃燒時(shí)氧氣－燃料或氧氣兩者之一流速的12.6倍。
4．按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在所述燃燒器的排氣端，所述空氣或富氧空氣兩者之一的速度大約小于250英尺/秒。
5．按照權(quán)利要求1所述的方法，它包括通過燃燒器單元引入空氣或富氧的空氣中的一種以及燃料。
6．按照權(quán)利要求1所述的方法，它包括一些引入氧氣和所述燃料的步驟以便增強(qiáng)向爐內(nèi)的加熱原料傳遞輻射熱的能力。
7．按照權(quán)利要求1所述的方法，它包括用液態(tài)水來冷卻流出上述爐子廢氣的步驟，與用空氣冷卻所述廢氣相比，它可減小所述廢氣的容積。
8．一個(gè)這種類型的燃燒系統(tǒng)，它具有一個(gè)氧氣燃料燃燒器，這燃燒器適于用安裝在該燃燒器上的預(yù)燃器來產(chǎn)生火焰，所述預(yù)燃器具有一個(gè)第一通道和一個(gè)第二獨(dú)立通道，第一通道的第一端對于所述燃燒器火焰端來說是流體密封的，而第二端則用來將所述燃燒器產(chǎn)生的火焰導(dǎo)向以便以一般類似扁扇構(gòu)形于工業(yè)環(huán)境進(jìn)行加熱，第二獨(dú)立通道設(shè)置在所述第一通道的下面并與所述第一通道共同延伸，所述第二通道終止在所述預(yù)燃器的所述第二端的一噴嘴端，以便將氧化流體導(dǎo)向該火焰下面并一般來說與其平行，其改進(jìn)包括第一機(jī)構(gòu)，將空氣或富氧的空氣兩者之一通過所述燃燒器引入所述預(yù)燃器代替所述火焰；和第二機(jī)構(gòu)，將燃料引入所述預(yù)燃器的第二獨(dú)立通道代替所述氧化流體，由此，所述燃燒系統(tǒng)就能在氧氣供應(yīng)中斷或減少時(shí)繼續(xù)將所述工業(yè)環(huán)境加熱。
9．按照權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的預(yù)燃器的長度在4到18英寸之間。
10．按照權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于所述第一通道和第二通道在所述預(yù)燃器的第二端具有一寬度高度比在5到30之間。
11．按照權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于確定上述預(yù)燃器的第一通道和第二通道寬度的兩側(cè)壁在通過上述預(yù)燃器的中央垂直平面的任一側(cè)的夾角在-15°到+30°之間。
12．按照權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于在所述垂直平面任一側(cè)的上述夾角在0°到+15°之間。
13．按照權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于它包括了將氧氣引入上述預(yù)燃器內(nèi)燃料中的裝置。
14．按照權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于它用在加熱爐中，該加熱爐帶有用水來冷卻從所述爐子中排放出來的廢氣的裝置。
15．一種對使用氧氣－燃料燃燒到高溫的爐子維持加熱方法，其中一氧氣－燃料火焰被引入上述爐子，當(dāng)該火焰的氧氣供應(yīng)減小或終止時(shí)，該維持加熱方法包括下述步驟將空氣或富氧的空氣兩者之一的氣流引入所述爐子；和將上述燃料的一獨(dú)立流引入所述爐子以便產(chǎn)生燃燒和維持上述的爐內(nèi)溫度。
16．按照權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于除了在所述熔爐熱點(diǎn)附近的那些燃燒器使用富氧空氣燃燒器外，所述爐子是一個(gè)使用空氣燃料燃燒來維持溫度分布的玻璃熔煉爐。
17．按照權(quán)利要求15所述的方法，它包括用空氣代替所述氧氣－燃料火焰，空氣引入的流速大約是只使用氧氣－燃料燃燒時(shí)氧氣燃料或氧氣兩者之一流速的12.6倍。
18．按照權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于在引入空氣或富氧空氣兩者之一的所述燃燒器的排氣端，所述空氣或富氧空氣兩者的所述之一的速度大約小于250英尺/秒。
19．按照權(quán)利要求15所述的方法，它包括一些引入氧氣和燃料和步驟以增強(qiáng)向爐內(nèi)的加熱原料傳遞輻射熱的能力。
20．按照權(quán)利要求15所述的方法，它包括用液態(tài)水來冷卻流出所述爐子的廢氣的步驟，與用空氣冷卻所述廢氣相比，它可減小所述廢氣的容積。
全文摘要
在氧氣供應(yīng)臨時(shí)減少或停止時(shí),用來延續(xù)氧氣—燃料燃燒系統(tǒng)燃燒的方法和裝置。將空氣和富氧空氣和燃料引入待加熱的裝置,代替氧氣和燃料混合物來進(jìn)行燃燒并維持爐子的加熱水平。當(dāng)按空氣或富氧空氣的模式運(yùn)作時(shí),采用對爐子產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行水冷的方法來減小廢氣的容積。
文檔編號F23N1/02GK1296148SQ0013144
公開日2001年5月23日 申請日期2000年10月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月18日
發(fā)明者小B·C·霍克, A·G·斯拉維科韋, M·D·德亞戈斯丁尼, K·A·利弗, J·M·彼得拉托尼奧 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司