專利名稱：用諸投配料反應(yīng)制做玻璃的方法
在玻璃的傳統(tǒng)制造中，是將投配的原料混合后置于高溫下使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并溶解，而將投配的混合物轉(zhuǎn)變成熔融的玻璃。過(guò)去，曾有建議在開(kāi)始主要的熔融過(guò)程之前分別進(jìn)行各投配組份之間的某些反應(yīng)。雖然這些建議指出在理論上是省能的，但是附加過(guò)程的費(fèi)用在實(shí)際應(yīng)用中卻通常使得經(jīng)濟(jì)上不利。
美國(guó)專利第3，082，102號(hào)(Cole等人)披露在熔融之前加熱投配的混合物以造成二氧化硅和蘇打灰之間的反應(yīng)來(lái)制造堿的硅酸鹽。對(duì)于堿-石灰-二氧化硅玻璃，溫度限制到820℃以避免生成能導(dǎo)致預(yù)熱裝置的粘附的熔融相。
美國(guó)專利第3，682，666號(hào)(Lacourrege)披露一個(gè)類(lèi)似的工藝過(guò)程，在熔化之前使整個(gè)投配的混合物進(jìn)行反應(yīng)生成硅酸鹽，在該熔化中采用600℃和780℃之間的較低的反應(yīng)溫度，可能含有少量鹵化物。
美國(guó)專利第3，817，776號(hào)(Gringras)通過(guò)與熔融的苛性鈉接觸使預(yù)熱的砂粒部分反應(yīng)生成鈉的硅酸鹽。投配組分的剩余部分隨后加入。該工藝過(guò)程需要用苛性鈉，是個(gè)缺點(diǎn)。作為制作玻璃的鈉源，苛性鈉比蘇打灰要昂貴。而且，以熔融物質(zhì)接觸固體的工藝過(guò)程較難控制，而比固態(tài)反應(yīng)更易于粘爐。
另外一個(gè)有用的配料組分預(yù)處理是煅燒石灰石和/或白云石組分以便將碳酸鹽分解成氧化物，由此而稀釋出二氧化碳。為避免在玻璃中裹住氣體含有物起見(jiàn)，在熔融開(kāi)始之前排除二氧化碳是有利的。一個(gè)煅燒預(yù)處理的實(shí)例披露于美國(guó)專利第4，539，030號(hào)(Demarest)中。煅燒要求溫度超過(guò)1600°F(870℃)，這妨礙整個(gè)投配的混合物的處理，因?yàn)檫@樣的溫度會(huì)造成投配的其它組分熔融，特別是蘇打灰或其它堿的來(lái)源。
總之，以前的預(yù)熱工藝流程通常只包含部分配料，或由于所能達(dá)到的溫度而受到限制。其它工藝則具有不利的工藝特征或包含昂貴的原料。最大限度地從玻璃熔融工藝過(guò)程回收廢熱以及配料的所有部分預(yù)熱和預(yù)反應(yīng)會(huì)是必要的。
在本發(fā)明中，在熔融開(kāi)始之前，將配料的所有部分預(yù)熱和預(yù)反應(yīng)到一種優(yōu)化的程度。將配料按兩個(gè)獨(dú)立的部分預(yù)處理。第一部分以含有大部分鈉源材料(如蘇打灰)為特征，而第二部分以含有大多數(shù)鈣和/或鎂源(如石灰石和/或白云石)為特征。將鈣和鎂的碳酸鹽在1600°F(870℃)以上的溫度下進(jìn)行煅燒。最好，大部分二氧化硅源材料(如砂)在煅燒期間伴隨鈣和鎂的碳酸鹽一起預(yù)熱。由于砂的存在，可利用煅燒過(guò)程來(lái)預(yù)熱該部分配料到大于2000°F(1100°F)或更高。用一小部分二氧化硅源和鈉源混合并在高溫下進(jìn)行固態(tài)反應(yīng)，以產(chǎn)生硅酸鈉，主要是偏硅酸鈉。將這兩個(gè)分別預(yù)處理部分的配料在一個(gè)能促使熔融的液化罐中結(jié)合起來(lái)。
因?yàn)檫M(jìn)入液化器中所有的配料部分已經(jīng)預(yù)熱并預(yù)先進(jìn)行了吸熱反應(yīng)，所以在液化器中促使熔融所需熱量相當(dāng)?shù)匦　Ｔ谳^優(yōu)的操作條件下，主要的能耗發(fā)生于煅燒階段，而從煅燒階段排出的氣體可足以提供硅酸鈉反應(yīng)器相當(dāng)大部分的能量需要。因此，可從煅燒爐排出的氣體可直接進(jìn)入硅酸鹽反應(yīng)器中。液化器中的排出的氣體也可進(jìn)入硅酸鹽反應(yīng)器中。
雖然對(duì)本發(fā)明并非必不可少，但如美國(guó)專利第4，634，461號(hào)(Demarest等人)所披露的，一個(gè)煅燒階段特別有利的具體實(shí)例在和配料部分混合的時(shí)候必然伴有燃料(如煤)的燃燒。
通過(guò)以下優(yōu)選的實(shí)例和圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)會(huì)是顯而易見(jiàn)的。
附圖
為用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的特殊具體實(shí)例的側(cè)視簡(jiǎn)圖。包括分別的煅燒爐、硅酸鹽反應(yīng)器和液化罐。
為了提供對(duì)本發(fā)明更完全的了解，將詳述一個(gè)專門(mén)優(yōu)選的具體實(shí)例。該具體實(shí)例包括回轉(zhuǎn)窯預(yù)處理罐從該預(yù)處理罐向一個(gè)回轉(zhuǎn)液化罐喂料。應(yīng)當(dāng)知道，本發(fā)明的基本原理并不限于所描述的專門(mén)裝置，可以采用其它的方法。
在本圖的具體實(shí)例中，回轉(zhuǎn)窯10用于煅燒包括鈣和鎂碳酸鹽的配料部分。大多數(shù)商品蘇打-石灰-二氧化硅平板玻璃都含有相當(dāng)大量由白云石投配料提供的鎂。然而，鎂并非本發(fā)明所涉及玻璃的品種所必不可少的，而鎂源的預(yù)處理可考慮為本發(fā)明一個(gè)可選的特征。如果投料所有的鈣和鎂的碳酸鹽都經(jīng)過(guò)煅燒預(yù)處理，本發(fā)明的益處可達(dá)到最大限度，但如果只有一部分經(jīng)過(guò)煅燒爐，則可能達(dá)到的益處的程度較小。最好，喂入煅燒爐的配料部分至少有大部分鈣和/或鎂源材料。該配料部分可由一個(gè)螺旋喂料器11在回轉(zhuǎn)窯10的入口端喂入煅燒爐。
在煅燒窯10的一種操作方式中，一個(gè)燃燒器(未示出)可用于加熱窯的內(nèi)部到煅燒溫度。一般，這樣的燃燒器可在螺旋喂料器11對(duì)面一端，而固體和氣體會(huì)相互對(duì)流。然而，加熱回轉(zhuǎn)窯10最好是將與投配料混合一起的燃料進(jìn)行燃燒，這是按照美國(guó)專利第4，519，814號(hào)(Demarest等人)所披露的方法。這項(xiàng)探討的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以沒(méi)有污染或變色困難地使用諸如煤這樣的燃料。投配組分和固體或液體燃料可以在要通過(guò)螺旋喂料器11之前進(jìn)行混合，或分別喂入回轉(zhuǎn)窯10通過(guò)窯的翻滾作用而進(jìn)行混合。螺旋喂料器11的滾筒12可用水冷卻，并裝置導(dǎo)管將空氣或氧引入回轉(zhuǎn)窯10內(nèi)部以便保持燃料的燃燒。為了在窯內(nèi)保持較高的溫度，為減少排放氣體的體積，以及為了減少散發(fā)氮氧化物起見(jiàn)，最好是使用氧。
當(dāng)使用煤作為煅燒回轉(zhuǎn)窯10的燃料時(shí)，煤的需要呈取決于所要求的溫度和該特別的煤的含熱量。已發(fā)現(xiàn)一種砂、石灰石和白云石同6-10%的煤的混合物用氧氣燃燒時(shí)，加熱到1100-1300℃，足以徹底煅燒碳酸鹽。為本發(fā)明的目的考慮合理有效的煅燒約在1600°F(870℃)的溫度下開(kāi)始，但更高些的溫度更好，以便使在這階段的熱輸入達(dá)到最大。碳酸鹽煅燒的程度在1600°F(870℃)以上基本完全分解。因此，材料從回轉(zhuǎn)窯10中卸出可以基本上完全煅燒為特征，即，絕大部分碳酸鹽已分解為氧化物。為了減少后續(xù)的液化器階段能量的需要量以及避免在后續(xù)的液化過(guò)程期間CO2的產(chǎn)生起見(jiàn)，煅燒是高度有利的。在該液化過(guò)程中，該氣體可能變成夾裹在熔融相中。
因?yàn)樵诓糠滞杜淞辖?jīng)煅燒所達(dá)到的溫度較高于在硅酸鹽制品所含部分的溫度，所以最好盡量加大通過(guò)煅燒罐的二氧化硅源材料(砂)部分，以便提供其具有最高的預(yù)熱溫度。由于具有任何主要投配組分的最高熔點(diǎn)，所以砂子可預(yù)熱到極高的溫度而不熔融。必須向硅酸鹽反應(yīng)器供應(yīng)某些二氧化硅源，但其量不需超過(guò)與鈉源完全反應(yīng)形成硅酸鈉所需的量。約二氧化硅源總量的五分之一就足以完成硅酸鈉的反應(yīng)。剩余的二氧化硅可喂入煅燒罐。另一種方法是，一部分二氧化硅可分別預(yù)熱到甚至高于在煅燒過(guò)程所達(dá)到的溫度，然后直接喂入液化器，從而進(jìn)一步減少液化器的能量需要量。由于在通過(guò)煅燒爐的部分投配料中包含最大量的砂，相信具有所要求的抑制其它材料結(jié)塊的作用，從而使得許可隨同煅燒有較高預(yù)熱溫度。
堿的硅酸鹽反應(yīng)可在另一個(gè)罐中進(jìn)行，它可以具有各種各樣的型式，圖中所示另外一個(gè)回轉(zhuǎn)窯20即為一例。一個(gè)另外的硅酸鹽反應(yīng)器罐具體裝置可由如為使固體與氣體接觸的工藝中稱為多層膛式爐組成。后者裝置包括塔盤(pán)的垂直爐身，塔盤(pán)上有許多小孔，當(dāng)粘狀固體被旋轉(zhuǎn)的傾斜度推進(jìn)時(shí)，就通過(guò)小孔從一個(gè)塔盤(pán)落到下面一個(gè)塔盤(pán)上，這時(shí)氣體向上穿過(guò)塔盤(pán)的小孔。二氧化硅和蘇打灰之間固態(tài)反應(yīng)速率取法于溫度和顆粒尺寸。根據(jù)停留時(shí)間的要求選擇反應(yīng)罐的尺寸，停留時(shí)間的要求又決定于反應(yīng)速率。雖然可采用獨(dú)立的熱源，但最好是為了能量效率的緣故而用煅燒爐排放的氣體加熱硅酸鹽反應(yīng)器。在優(yōu)選的操作條件下，煅燒爐排放物的溫度和體積足以提供硅酸鹽反應(yīng)的全部能量需量。在某些情況下，煅燒爐的排放氣體可以需用冷卻器氣體加以稀薄，以避免在硅酸鹽反應(yīng)器中可能造成材料過(guò)早地熔融的高溫。在另一種情況下，由在硅酸鹽反應(yīng)器進(jìn)氣端的一個(gè)輔助燃燒器(未示出)提供附加的所需的熱量。
易受很寬變化范圍影響的反應(yīng)速率的參數(shù)是材料的顆粒尺寸，特別是二氧化硅材料的尺寸。商品狀態(tài)的蘇打灰就足夠工藝上所需的細(xì)度。然而，傳統(tǒng)玻璃配料砂的顆粒尺寸如果用做堿硅酸鹽反應(yīng)的二氧化硅源，卻大得不能產(chǎn)生實(shí)用的反應(yīng)速率。雖然磨細(xì)的二氧化硅是比砂更昂貴的原材料，但是只所有二氧化硅需要量的一小部分(一般約20%)必須喂入硅酸鹽反應(yīng)器。工藝過(guò)程其余部分的二氧化硅源可以是普通砂。與硅酸鹽反應(yīng)有關(guān)的二氧化硅量可以變化，但是因?yàn)殛P(guān)系到磨細(xì)二氧化硅的價(jià)格，提供給硅酸鹽反應(yīng)器中的二氧化硅量最好維持在一個(gè)最低限度，即正好夠與蘇打灰完全反應(yīng)的量。在這些量下，產(chǎn)品會(huì)主要是堿的偏硅酸鹽。如果現(xiàn)有二氧化硅量實(shí)質(zhì)上超過(guò)以化學(xué)當(dāng)量計(jì)完成偏硅酸鹽反應(yīng)所要求的量，則就可產(chǎn)生堿的原硅酸鹽。用于硅酸鹽反應(yīng)器的二氧化硅適宜的顆粒尺寸可以是200-235目(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩尺寸)諸如以“Supersil”的名字出售的磨細(xì)玻璃砂。較大顆粒尺寸可以使用，但反應(yīng)速率就會(huì)降低，從而要求一個(gè)較大的罐來(lái)使反應(yīng)完全。但是，在允許的溫度范圍上面部分，顆粒尺寸對(duì)反應(yīng)速率的影響可以減小，可以采用更粗的砂而無(wú)實(shí)質(zhì)性的不利。使用比上述范圍更細(xì)的顆粒尺寸也更有利，只是受被氣流過(guò)分地帶走更細(xì)材料的傾向的限制。通過(guò)在離開(kāi)硅酸鹽反應(yīng)器的排放氣流上的吸塵器可以允許某些顆粒帶走并加以控制。
硅酸鹽反應(yīng)器中的溫度最好是能最大限度地縮短反應(yīng)時(shí)間，但受到當(dāng)固體處于約1600°F(870℃)的溫度時(shí)發(fā)生熔融傾向的限制，該溫度稍高于蘇打灰的熔點(diǎn)。這種較高的溫度可有所變化，這取決于二氧化硅和蘇打灰的特種混合物以及所提供的拌和量。引入硅酸鹽反應(yīng)器的氣體可處于稍高于固體所需最高溫度的溫度下。例如，從煅燒爐引入硅酸鹽反應(yīng)器的排放氣體可處于高達(dá)1700-1800°F(930℃-980℃)的溫度下。據(jù)報(bào)道，二氧化硅和蘇打灰之間的固態(tài)反應(yīng)在理論上開(kāi)始于低至570°F(300℃)的溫度，但在這樣的溫度下反應(yīng)時(shí)間會(huì)非常慢。據(jù)報(bào)道，在1470°F(800℃)下，形成鈉的硅酸鹽的最大反應(yīng)速率(即在最細(xì)的顆粒尺寸(上)為0.083%/分鐘，這在如圖示的回轉(zhuǎn)窯中實(shí)現(xiàn)完成是可行的?；旧贤瓿商K打灰的反應(yīng)提供最大的益處，但比完全反應(yīng)稍差一些則可以允許減小反應(yīng)器的尺寸。即使只完成50%或更少些，也能達(dá)到相當(dāng)大的益處。
在確定反應(yīng)時(shí)間以后，就可按以下等式計(jì)算給定產(chǎn)量的回轉(zhuǎn)窯20t＝2.28L/NDS，其中t＝停留時(shí)間，分鐘D＝直徑，呎L＝長(zhǎng)度，呎N＝回轉(zhuǎn)速度，轉(zhuǎn)數(shù)/分鐘S＝斜度，吋/呎可用一個(gè)螺旋喂料器21將二氧化硅和蘇打灰的混合物喂入硅酸鹽反應(yīng)器20，或?qū)⒏鹘M分分別喂入。從煅燒器10排出的氣體可通過(guò)排放導(dǎo)管22直接進(jìn)入硅酸鹽反應(yīng)器20。爐套23封閉住回轉(zhuǎn)窯20的另一端并將其排出的氣體引向排放導(dǎo)管24。調(diào)節(jié)進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯20的氣體溫度，可用一報(bào)導(dǎo)管25將從排放導(dǎo)管24再循環(huán)的空氣或氣體在排放導(dǎo)管22上輸送出去。為再循環(huán)排出氣體在導(dǎo)管25中可裝備一個(gè)風(fēng)扇26。
在仍處于高溫時(shí)將從煅燒爐10和硅酸鹽反應(yīng)器20得到的產(chǎn)品匯集在一起，并提供附加熱量促進(jìn)熔融和形成玻璃的反應(yīng)。將兩部分配料匯集在一起并熔融的方式可以變化。一個(gè)簡(jiǎn)單的方法可將兩股液流沉入到一個(gè)傳統(tǒng)的箱型熔爐中。但示于圖中的是最好的裝置，其中將兩股液流在液化罐30中匯合并促進(jìn)熔融。這種類(lèi)型裝置已披露于美國(guó)專利第4，381，934號(hào)(Kunkle等人)中。一個(gè)大型液化器的優(yōu)選的裝置實(shí)體中，該液化器30包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓筒31和一個(gè)固定的蓋板32。蓋板32可由陶瓷耐火材料、水冷的金屬制成，或二者的結(jié)合。投配料材料的傾斜襯33固定在園筒31的內(nèi)部。由于將回轉(zhuǎn)窯10和20的產(chǎn)物喂到襯墊33上，該產(chǎn)物由于園筒旋轉(zhuǎn)通過(guò)各自的喂料位置而成為混合狀態(tài)。當(dāng)材料落下到襯墊33的表面時(shí)，就發(fā)生進(jìn)一步的攪拌?？捎扇紵?4向液化器30內(nèi)部提供熱量，該燃燒器34可延伸穿過(guò)蓋板。這樣的裝置只是用來(lái)激發(fā)熔融過(guò)程，即，使粉狀材料呈半熔融、可流動(dòng)狀態(tài)。由于傾斜的表面33，該半熔融的材料在熔融完成之前從液化器經(jīng)過(guò)輸出口35自由地流動(dòng)。按照本工藝中已知的方法，玻璃的熔融和提純可在隨后的階段(未示出)來(lái)完成。可用于隨后階段的工藝技術(shù)的實(shí)例披露于美國(guó)專利第4，610，711號(hào)(Matesa等人)、第4，654，068號(hào)(Kunkle等人)或第4，738，938(Kunkle等人)。因?yàn)橐谷胍夯?0的材料經(jīng)過(guò)預(yù)熱并經(jīng)受吸熱化學(xué)反應(yīng)，所以液化器熱量的需要量顯著地減少。為了減小在液化器30中要求的燃燒量和加大尺寸相對(duì)小的液化器罐的產(chǎn)量率起見(jiàn)，這是有利的。燃燒器34最好用氧氣燃燒，以便減少排放氣體的體積。從液化器排出的氣體可借助與蓋板32上的開(kāi)口相接的導(dǎo)管36通入硅酸鹽反應(yīng)器。
在一個(gè)計(jì)算的實(shí)例中，200噸/天的堿-石灰-二氧化硅玻璃的產(chǎn)品總共消耗2300萬(wàn)BTU/小時(shí)。煅燒爐是一個(gè)20呎(6米)長(zhǎng)、內(nèi)徑5呎(1.5米)的回轉(zhuǎn)窯，消耗1540萬(wàn)BTU/小時(shí)，燃料為煤。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，硅酸鹽反應(yīng)器是一個(gè)170呎(51米)長(zhǎng)內(nèi)徑6呎(1.8米)的回轉(zhuǎn)窯，可以生產(chǎn)出約800°F(425℃)的出口溫度的硅酸鹽。硅酸鹽反應(yīng)器要求2800萬(wàn)BTU/小時(shí)，其中的180萬(wàn)BTU/小時(shí)由輔助燃燒器提供，其余的由煅燒爐和液化器的廢氣供應(yīng)。液化器燃燒器消耗350萬(wàn)BTU/小時(shí)。
為了披露本發(fā)明所知的最好的模式，根據(jù)特別的具體實(shí)例宣布對(duì)本發(fā)明的描述，但應(yīng)當(dāng)明白其它對(duì)本工藝中的這些技能有明顯修改和改良都可借助，而不脫離本發(fā)明在下述權(quán)利要求中所限定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用包括一種二氧化硅源材料、碳酸鈉和鈣源的搭配材料制做玻璃的方法，包括在第一區(qū)，在足夠的溫度下，用碳酸鈉和至少一部分二氧化硅源材料接觸足夠的時(shí)間，形成主要包含鈉的硅酸鹽的產(chǎn)物；將一種基本上不含碳酸鹽的鈣源喂入第二區(qū)與來(lái)自第一區(qū)的鈉的硅酸鹽產(chǎn)品接觸；以及加熱互相接觸的各材料，以便激發(fā)玻璃的熔融。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中將一小部分二氧化硅源材料攜至與第一區(qū)的碳酸鈉接觸，而將大部分二氧化硅源在攜至與鈉的硅酸鹽接觸之前進(jìn)行預(yù)熱。
3.如權(quán)利要求2的方法，其中將大部分二氧化硅源中的至少一部分在與至少一部分鈣源接觸的同時(shí)進(jìn)行預(yù)熱。
4.如權(quán)利要求3的方法，其中的鈣源由碳酸鈣組成，而與部分二氧化硅源接觸的鈣在足夠的溫度下預(yù)熱使碳酸鈣受到充分煅燒。
5.如權(quán)利要求1的方法，其中的鈣源由碳酸鈣組成，而將碳酸鈣在第三區(qū)加熱，使之在攜至與鈉的硅酸鹽接觸之前經(jīng)過(guò)充分煅燒。
6.如權(quán)利要求5的方法，其中煅燒用的相當(dāng)大部分熱量由煤的燃燒提供。
7.如權(quán)利要求5的方法，其中將第三區(qū)用燃燒加熱，而將第三區(qū)的廢氣通入第一區(qū)。
8.如權(quán)利要求7的方法，其中將第二區(qū)用燃燒加熱，而將第二區(qū)的廢氣通入第一區(qū)。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中第一區(qū)的大部分能量是以廢氣的形式供給。
10.如權(quán)利要求9的方法，其中第一區(qū)的整個(gè)能量需要量基本上由回收廢氣的熱量提供。
11.如權(quán)利要求1的方法，其中將第二區(qū)以燃燒加熱，而將第二區(qū)的廢氣通入第一區(qū)。
全文摘要
二氧化硅與鈉的碳酸鹽反應(yīng)形成鈉的硅酸鹽，作為玻璃熔融過(guò)程的初步階段。最好，將含碳酸鈣的諸投配材料分別煅燒，然后當(dāng)開(kāi)始液化時(shí)而與鈉的硅酸鹽結(jié)合。當(dāng)熔融相開(kāi)始形成時(shí)，該材料是基本上不產(chǎn)生氣泡的碳酸鹽。
文檔編號(hào)C03B3/02GK1040568SQ89106459
公開(kāi)日1990年3月21日 申請(qǐng)日期1989年8月18日 優(yōu)先權(quán)日1988年8月19日
發(fā)明者小·亨利·馬廷·德馬雷斯特 申請(qǐng)人:Ppg工業(yè)公司