專利名稱：玻璃配合料的熱處理方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及玻璃的生產(chǎn)，特別是涉及到在將玻璃生產(chǎn)原料在旋風式熔化室中迅速熔化之前，在燃燒預熱器中對玻璃生產(chǎn)原料進行的預熱處理。本發(fā)明的設備及方法也適用于對其他材料進行熔化以及對有危險性的、有毒的或有傳染性的廢料進行熱處理。
專利文獻US-A-2006947;US-A-3077094;US-A-3443921;US-A-3510289;US-A-3748113;蘇聯(lián)專利SU-A-0708129;US-A-4535997和US-A-4544394中已公開了熔化玻璃用旋風式熔化室，這些出版物僅僅作為參考文獻在這里引用，為了把配合料升溫到玻璃熔化所需的溫度，上述出版物提出對最后一步玻璃熔化采用旋風式反應器，而且其中包括燃燒或其它形式的供熱，如在旋風式熔化室中的貫穿式燃燒器。
本發(fā)明的主要目的在于提供一種用于玻璃生產(chǎn)原料預熱處理的方法及設備，以使玻璃生產(chǎn)原料在進入旋風式熔化器之前迅速而均勻地被加熱。按照本發(fā)明的一個方面，它提供了一種熔化玻璃的方法，該方法包括將顆粒狀玻璃生產(chǎn)原料、燃料和一種氧化性氣體的混合物送入一種預熱室中，使燃料和氧化性氣體在其中燃燒，從而使該玻璃生產(chǎn)原料預加熱，然后將加熱后的混合物送入一個旋風式熔化室中，玻璃生產(chǎn)原料在其中一起被熔化，并與燃燒和其它氣體分離，其特征在于，從一個選擇的方向?qū)⑸鲜鲅趸瘎﹪娚涞筋A熱室中，以使顆粒狀原料與上述燃燒的燃料混合，并均勻地預熱。
優(yōu)選地，該預熱室通常是細長型的，而且上述氧化劑基本上是從至少兩個縱向隔開的位置，以垂直角度噴射到預熱室中的，最好，該預熱室包括一個豎直放置的園筒，而且將氧化劑經(jīng)入口沿切線方向噴入到預熱室的最上部，兩個入口的位置成一高一低放置，從一個入口導入的氣體，其流動方向與從另一入口導入的氣體的流動方向相反，從而在預熱室中至少形成兩個對流渦旋區(qū)。本發(fā)明還提供了該方法所用的設備。
由于上述氧化劑的噴入方向，使玻璃生產(chǎn)原料與燃燒燃料充分混合，從而使其被迅速而均勻地加熱。
為了改進玻璃生產(chǎn)效率，現(xiàn)有的旋風式熔化法在旋風反應器中熔化之前，通常沒有考慮限制揮發(fā)性礦物質(zhì)損失的手段，上述揮發(fā)性礦物質(zhì)是指例如助熔劑、粘度控制劑、澄清劑、或還原劑，特別是在此之前，一直沒有對在懸浮預熱步驟中揮發(fā)性礦物質(zhì)的時間-溫度曲線的控制方法進行改善，由于因煤氣化過程或直接燃燒煤而使經(jīng)濟效益變差，現(xiàn)有的利用含灰分燃料的玻璃熔化法一直沒有獲得成功，因為從質(zhì)量控制的觀點看，玻璃中的灰分摻雜是不能接受的。盡管常用的煤灰中具有與市售玻璃中相同的成份種類，但事實上各種成份的濃度分布是不同的。在煤灰中，氧化鐵的濃度一般大大高于市售玻璃中的濃度，一般，煤灰中氧化鐵的濃度范圍在10～20%，而大部分玻璃組合物中氧化鐵的濃度低于0.1～0.2%，無色瓶罐玻璃若要獲得滿意的著色，其氧化鐵濃度通常必須低于0.02%，琥珀色和綠色瓶罐玻璃的質(zhì)量控制要求較低，但它通常仍要其氧化鐵濃度分別低于0.1%和0.3%。
對于絕緣玻璃纖維，較高含量的氧化鐵是容許的，可接受的氧化鐵濃度為1～2%，氧化鐵含量高于1～2%通常會導致絕緣值下降，且引起與現(xiàn)有成纖器的材料相容性問題，通常用高爐爐渣制成的礦物棉的氧化鐵濃度與煤灰具有相同的范圍，所以該產(chǎn)品的生產(chǎn)對煤灰雜質(zhì)是不敏感的，然而由于上述與高效成纖器的材料相容性問題，礦物棉生產(chǎn)的效率事實上比絕緣纖維的生產(chǎn)率要低。
由于上述灰分雜質(zhì)問題，特別是氧化鐵的污染問題，對于用煤或其它含有適量燃燒灰分的燃料作燃料直接燃燒的過程，現(xiàn)有的玻璃熔化技術中幾乎均沒有獲得認可或獲得成功的。事實上，由于灰分進入蓄熱室，在傳統(tǒng)的平爐型熔窯上用煤粉直接燃燒一直未獲成功，而且熔窯中的熔渣還會導致耐火材料侵蝕和阻塞問題以及在玻璃液中形成結石和條痕。
用摻雜灰分的燃料熔燒玻璃熔化系統(tǒng)的能力目前從燃料的效率來看，是一個重要的課題，高溫加熱是可以獲得的，但用這些燃料至今還沒有獲得過成功，在最近的Demarest等人的美國專利4634461中，提出了在快速熔化玻璃過程中使用煤粉的可能性，但實際上，該專利是把煤灰引入玻璃配合料和最后的玻璃產(chǎn)品中，它沒有對灰分摻雜進行控制。
本發(fā)明進一步的目的是提供一種能使用煤、煤氣、油和漿狀燃料以及其他產(chǎn)生灰分的燃料的方法。
本發(fā)明一方面提供了一種如上所述的方法，其中燃料是一種能產(chǎn)生灰分的燃料，該燃料在進入預熱室之前，首先通過一個排渣氣化器，以便氣化，同時除去一部分產(chǎn)生灰分的成份。
另一方面，本發(fā)明還提供了用于在還原條件下處理顆粒狀物料的設備，該設備包括一個用于產(chǎn)生熱還原氣的氣化器;一個用于接收上述物料并處理該物料的還原室;一個用于加熱還原室的增焓裝置;以及與還原室出口相連的用于接收上述熱顆粒物料，熔化該物料并將該液化物料沉積在熔化器壁上的熔化裝置，其特征在于上述增焓裝置被設計成這樣一種結構，該結構在將加熱后的還原氣導入還原室時，能在上述混合物中產(chǎn)生齋流，從而將該物料迅速而均勻地加熱，并用上述還原氣進行處理。
為了理解本發(fā)明，用附圖作為參考描述各種實施例，其中

圖1是本發(fā)明的玻璃熔化設備的立體圖，它顯示了優(yōu)選實例的主要部件。
圖2是本發(fā)明的一個實施例的示意性剖面圖，它包括一個對流渦旋懸浮預熱器和一個旋風式熔化器。
圖3是上述對流渦旋懸浮預熱器沿圖2中3-3線的剖面圖，它表示了氣/空氣進口的相對渦流方向。
圖4是本發(fā)明的一個實施例的示意性剖面圖，它包括一個碰撞射流渦旋懸浮預熱器和一個旋風式熔化器。
圖5是本發(fā)明的一個實施例的示意性剖面圖，它包括在對流渦旋懸浮預熱器的頂部的一個等離子體吹管的剖面圖。
圖6是本發(fā)明的一個實施例的示意性剖面圖，它包括一個連接到一個對流渦旋懸浮預熱器上的排渣旋風氣化器。
圖7是上述排渣旋風氣化器的沿圖6中7-7線的一個剖視圖，它表示了配合料入口和熱的原始氣體的出口取向。
圖8是本發(fā)明的一個實施例的示意性剖面圖，它包括與排渣旋風氣化器相連的等離子體吹管。
圖9是沿圖8中9-9線的剖視圖，它表示了等離子體吹管相對于氣化器出口部件的取向。
圖10是本發(fā)明的一個實施例的立體圖，它包括等離子體吹管，該吹管與碰撞射流懸浮預熱器/還原室的氣/空氣進口相連。
圖11是本發(fā)明的一個實施例的示意性剖面圖，它包括與對流渦旋懸浮預熱器/還原室的氣/空氣進口相連的等離子體吹管。
圖12是本發(fā)明的一個實施例沿圖11中12-12線的剖視圖。
下面將對本發(fā)明優(yōu)選的實施例作詳細描述，這里主要針對的是氧化條件下的玻璃熔化過程，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，該氧化條件對本發(fā)明是特別適用的，然而，實際上上述用于熔化玻璃的同一設備也能用于熔化熔塊粉，熔渣粉或粉煤灰。粉煤灰和熔渣的熔點一般要比玻璃熔塊的熔點高，玻璃熔塊是預先熔化好的玻璃制品，所以，上述預熱器和熔化室的操作溫度必須增高到可熔化這些高熔點物料的溫度，在這兩種操作中，所用的基本步驟是相同的，當熔化單一成份的材料(如粉煤灰)時，就沒有必要使原料的揮發(fā)損失降至最小，除非為了降低原料的熔化溫度又向系統(tǒng)中加入了助熔劑。
本發(fā)明也可用于在氧化條件下對危險的或有毒的廢料進行鍛燒和玻璃封裝，用本發(fā)明處理有毒或危險廢料的一個實例是對污染土或其他含有一定量惰性礦物質(zhì)的廢料進行鍛燒，從石棉纖維制備玻璃材料是本發(fā)明的另一應用實例，當作為有毒廢料鍛燒器時，應將該裝置的溫度提高到礦渣或灰分的熔渣溫度以上，以便形成熔融物料，根據(jù)所鍛燒的有毒廢料，可以向其中加入粉碎了的玻璃片或其他的玻璃形成成份，以形成一種玻璃基料，該玻璃基料可以被適當?shù)爻尚尾b，從而用于安全陸地填充，如形成玻璃大理石或顆粒狀的、表面積/體積比率較小的碎玻璃，這是處理所形成的玻璃封裝材料的一種適宜方式。由于本發(fā)明需要使用粉狀原料，因此，必須提供減小原料顆粒尺寸以及把上述有毒廢料輸送到加工處理部位的裝置，膠粘的或不能靠氣動裝置運送的物料可以在油或水漿中輸送到熱處理部位，當用油漿輸送時，可以用該油作為鍛燒過程的燃料，由于處理部分的操作溫度一般在2600°F以上，有毒廢料中的任何一種烴類都會被分離出來，并在懸浮預熱器內(nèi)燃燒，一般該預熱器中供有過量的空氣，以便在有毒廢料懸浮預熱過程中揮發(fā)的烴類燃燒。
更詳細的描述可以參照各頁附圖進行，附圖中相似的部分具有類似的特征，本發(fā)明的熔化設備主要用圖1表示，本發(fā)明的設備的主要部分包括一個懸浮式預熱室100，在該預熱室100卸料端的旋風熔化室200，在熔化室200的卸料端的旋風出口部件300，一個排渣旋風氣化器400，一個等離子體吹管氣體預熱部件600，和一個將氣化器400和等離子體吹管裝置與預熱室100連接起來的氣化器/預熱器連接部件500。
圖1表示了所有上述部件的相互聯(lián)接關系，起基本作用的裝置僅包括園筒形燃燒預熱器100，旋風熔化室200和旋風出口部件300。其結構如圖2所示。如圖2所示，燃料30被送入預熱器100的頂部或頭部102，燃料30與玻璃配合料10一起通過一個噴射部件104引入，該噴射部件104位于預熱器100的頂部102處，并與預熱室100的縱軸同軸。
預熱步驟對于本發(fā)明是非常重要的，當預熱容器內(nèi)發(fā)生燃燒時，一旦燃燒穩(wěn)定，均勻攪動/柱流的懸浮預熱器100將增強對顆粒物料的對流傳熱，由于強力混合，就會在發(fā)生的燃燒過程中產(chǎn)生快速熱釋放，通過選擇適當?shù)膰娚湮恢煤退俣龋梢允诡w粒物料與預熱器壁的相互作用達到最小，也可以達到最大，軸向噴射造成與預熱器壁的相互作用最小，而切向噴射造成與反應器壁的相互作用最大，特別是在利用高速旋轉(zhuǎn)的實施例中。
如圖3所示，已預熱的空氣或其它相應的氣體氧化性物質(zhì)20a、20b通過兩個或兩個以上進口106a、106b引入到上述預熱器100中，這些氣體氧化性物質(zhì)20a、20b以這樣一種方式引入，即，使氧化性物質(zhì)20a、20b和玻璃配合料10與噴入的燃料30形成齋流混合，結果使燃料、氧化物質(zhì)和玻璃配合料在預熱器100的上部108區(qū)中形成混合物，在上部108區(qū)中，氣體在充分攪動或充分混合，但是該108區(qū)中的顆粒物料(如玻璃配合料)不一定非要充分攪動或均勻分布在整個108區(qū)域內(nèi)。
當使用如圖2和3所示的對流渦旋預熱器時，進氣口106a、106b是切向地裝在上述器壁上，旦以不同的高度放置，一般地，噴口的垂直間隔范圍為反應器直徑的1/4～1，當使用如圖4所示的相對或碰撞式噴口的預熱器時，噴嘴的進口107a、107b是在同一個高度上，且優(yōu)選的噴射方向是朝上約45°角，該角度的范圍為30°～60°，該相對噴口預熱器的進口107a、107b的位置應使流出的氣流或噴流相互碰撞，或與第三股沿預熱室100的頂端102的中心線流出的、方向朝下的氣流相撞，雖然朝上碰撞的噴流更好些，但正如人們在某些煤氣化裝置中發(fā)現(xiàn)的那樣，方法向下的噴流也是可能的。
在預熱室100的上部區(qū)域108中，燃料30和氧化物質(zhì)20a、20b的燃燒產(chǎn)生高強度的熱釋放，同時還導致了向懸浮于該區(qū)域內(nèi)的顆粒物料(如玻璃配合料)的快速熱傳遞，通過在反應器的充分攪動區(qū)域內(nèi)混和并攪動燃料和氧化物質(zhì)，可以使預熱室中發(fā)生燃燒，借助于一種引火燃燒器或常用的電子點火裝置，可以在預熱室內(nèi)點火，在優(yōu)選的實施例中，高溫空氣預熱(高于1200°F)可以由一種市場上可買到的換熱器來實現(xiàn)，在此情況下，來自耐火材料(作反應器壁的襯里)的熱輻射將使所用的各種燃料和氧化物質(zhì)的混合物自動點火，在預熱器100的上部區(qū)域108中，通過對流渦旋流或碰撞射流引起強力循環(huán)，從而在預熱器內(nèi)提供了使火焰穩(wěn)定的基本手段，如果沒有燃燒氣體的這種強力循環(huán)，在該預熱裝置中由于惰性配合料或其他礦物質(zhì)可能會使火焰淬火，從而使火焰熄滅，這一點對礦物質(zhì)(如石灰石)是特別有用的，該礦物加熱后釋放出一定量的CO2。當使用低熱值燃料時，還需用輔助氣體噴射，獨立的點火器或引火燃燒器作為在預熱器內(nèi)提供火焰穩(wěn)定作用的一種手段。
當預熱器是一種園筒形燃燒室時，主火焰和熱釋放將在上部區(qū)域108中產(chǎn)生，該區(qū)域的長度和直徑比率的范圍約為0.5∶1～1.5∶1，而最好是1∶1，在這個區(qū)域內(nèi)，燃料和氧化物質(zhì)的強力混合能使多種燃料(其中包括氣體、液體、固體或液-固漿狀燃料)在一定量的粉狀玻璃配合料(自然情況下基本不燃燒)存在下有效地燃燒。
漿狀燃料，如煤-水漿或煤-油漿既能通過利用合適的市場上可買到的或改進的噴射/霧化裝置，在充分攪動/柱形流動的預熱器100中直接燃燒，也可以先在旋風氣化器中氣化，然后將熱原氣體在預熱室中燃燒。后一種方法能從燃料中分離出灰分，從而使煤灰對產(chǎn)品的污染降至最小。
在預熱室100內(nèi)上部區(qū)域108的下游是一個位置低一些的或或柱形流區(qū)域110，在該區(qū)域中產(chǎn)生了氣體和固體或液體顆粒的柱形流動，同時燃料30進行最后的燃燒。所謂“柱形流”，就是說氣體的循環(huán)圖形已消失，流動的主要方向與該反應器的縱軸平行，該柱形流區(qū)域110的有效長度-直徑比也是約0.5∶1～1.5∶1，最好是1∶1。在該柱形流區(qū)域110內(nèi)，氣體物料、燃料30和氧化劑20a、20b以及帶入的玻璃配合料10被加速通過預熱室100的收縮部分112。從該收縮部分112出來的氣體和帶入的配合料不再燃燒，在平均溫度超過玻璃制品熔點的條件下被輸入到一個旋風式熔化室200中，在該熔化室中，經(jīng)過預熱的配合料無需再燃燒燃料，就沿著側壁202發(fā)生分離，分散，混合和熔化。
加熱懸浮中的配合料并將沿著預熱器100的側壁而形成的液態(tài)玻璃減至最小是本發(fā)明的目的，然而，當混合料中包括低熔點組分并作為配合料的一部分時，由于氣相凝結或渦旋沉積，將會沿著預熱器的側壁形成一些液態(tài)玻璃，沿預熱器側壁形成的玻璃量與在旋風式熔化器中形成的玻璃量相比應是很少的，一般低于10%。
在旋風熔化室200的側壁202上形成的熔化玻璃產(chǎn)品16和來自旋風室的熱氣32經(jīng)過卸料管道300離開旋風熔化室200，該管道最好與旋風熔化室的側壁相切。
為了在對流渦旋預熱室100的下部柱流區(qū)域110中產(chǎn)生適當?shù)闹鳎枰_地分配氧化物質(zhì)進口射流20a，20b的動量，通過利用適當?shù)某Ｓ每刂崎y調(diào)節(jié)進入預熱器的氧化物質(zhì)射流20a，20b的質(zhì)量流量和進口速度，以及通過調(diào)節(jié)進口處106a、106b的大小尺寸，可以完成該分配。在對流渦旋燃燒器中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)相等動量的進口射流不一定能使充分攪動區(qū)域108產(chǎn)生向下的柱流，所以，為了在預熱器的下部區(qū)域中獲得合適的柱流圖形，必須對各個射流進行動量調(diào)節(jié)，在設計碰撞噴流反應器時，為了在預熱器的下部區(qū)域中獲得良性柱形流(即剩余旋流最小)，通常需使氧化物質(zhì)的射流具有相等的動量。
如果在上部區(qū)域和下部區(qū)域中適當建立了氣體流動圖形，通過適當調(diào)節(jié)配合料的進口位置、進口方向、進口處配合料的速度以及各種配合料的粒度分布可以控制噴射的、離開預熱室的玻璃配合料的時間-溫度曲線。當對將配合料10與預熱器側壁的相互作用降至最小(例如在碎玻璃或玻璃熔塊熔化過程中)的要求不高時，可以通過進口106a、106b將這些配合料與氧化物質(zhì)一起送入預熱器中，例如，如圖3所示，可以將進口106′、106″接到進口部分106a、106b中，進口106′可用來將附加配合料10噴入該進口部分中，以噴入預熱器100中，進口106″可用來將附加燃料30噴入進口部分中。在這個實施例中，循環(huán)渦流中的顆粒濃度較大，且顆粒與預熱器側壁的相互作用也較大。如果導入的物料很容易熔化且沿著反應器的側壁形成可不斷除去的液態(tài)玻璃層，那么上述顆粒與反應器側壁的相互作用就不是一個重要的問題，然而，優(yōu)選的配合料預熱方法是使顆粒與預熱器側壁的相互作用降至最小。
單獨把低熔點的配合料噴入到預熱器100的出口區(qū)116中，或噴入到進入旋風裝置200的進口204附近也是可行的，這樣一個位置是在穿過收縮部分112側壁118的進口114處。
向懸浮于燃燒預熱器100中的配合料對流傳熱是主要的傳熱方式，輻射傳熱在該過程中的作用比在普通平爐中的要小，預熱器100中的平均氣體溫度影響通過其中的配合料獲得的最終預熱溫度，所以，在本發(fā)明中預熱溫度是另一個控制參量，預熱器100的溫度是靠調(diào)節(jié)燃燒配比用量，氧化劑存在量、富氧量和所用的燃料種類來控制的。燃燒配比用量是靠調(diào)節(jié)燃料/空氣的比值來控制的，這一點可以通過常用的燃料和空氣流量控制技術來實現(xiàn)。富氧量是通過利用一個外部氧氣源和利用常用的技術混合并按比例分配該過程中所用的空氣和氧氣量來調(diào)節(jié)的，對于本發(fā)明來說，將空氣和氧氣先混合后再導入預熱室中，溫度也可以通過使用一個輔助熱源來控制(這些將在下文中討論)。
在普通的平爐中，輔助熱常常是通過電輔助加熱加到熔化過程中，常用的電輔助加熱手段是將一對電極浸入到爐中玻璃熔體中，在本發(fā)明中，用等離子體吹管600或電弧放電增加對玻璃熔化過程的熱輸入。等離子體吹管在本領域中是已知的，它是用來產(chǎn)生氣體等離子體的裝置，氣體等離子體是一種已經(jīng)被高度電離的氣體，即大量的電子從上述氣體的原子中逃離出來，使該氣體導電，大部分普通型等離子體吹管既可以是遷移電弧型，也可以是非遷移電弧型。在遷移電弧設計中，等離子支承氣體在一個電極(通常是陰極)和要處理的物質(zhì)(也作為一種電極，通常是陽極)之間通過，熱量主要靠傳導，從等離子體傳送到所處理的物質(zhì)上。在非遷移電弧型裝置中，等離子體支承氣體通過自持電極(陰極和陽極)，同時將熱傳送到上述等離子支承氣體上，然后，該氣體通過輻射和對流把熱傳送到所處理的物質(zhì)上。在本發(fā)明中，對于大多數(shù)目前所想到的應用來說，非遷移等離子體吹管是優(yōu)選的一種設計，其他類型的等離子體發(fā)生裝置，例如利用隨時間變化的磁場的無電極等離子發(fā)生器也適用于實驗室中，但是，現(xiàn)在還不適用于商業(yè)化生產(chǎn)。
在如圖5所示的結構中，等離子體吹管600和進口120、122一起被安裝在對流渦旋預熱器100的頂端102處，燃料30和配合料10分別通過進口120、122進入預熱器100中，通過將經(jīng)過其間的熱傳送氣體40加熱到高于預熱器中平均氣體溫度的溫度，并將被加熱氣體40′噴入到預熱器100中，可以使通過等離子體吹管600增熱的目的得以實現(xiàn)，噴入的傳熱氣體40′的溫度高于在沒有輔助加熱時所存在的溫度，通過將加熱后的傳熱氣體40′與噴入的配合料10、燃料30和氧化氣流20a、20b在預熱器100中混合，就可以在預熱器100的上部區(qū)域108中形成較高溫度的氣-固懸浮體。
上述傳熱氣體可以是空氣、燃料氣體或惰性氣體。實際使用時，傳熱氣體(即氧化劑、燃料或惰性氣體)的性質(zhì)要考慮到在預熱器中產(chǎn)生完全燃燒的配比用量，在一些期望在預熱器中保持氧化條件的運用中，傳熱氣體一般是空氣。在一些期望在預熱器中保持還原條件的運用中，上述傳熱氣體通常是一種還原劑或一種燃料氣。
如果使用等離子體吹管或其他能產(chǎn)生高熱的熱源(如電弧放電)來提高燃燒預熱室的溫度，就沒有必要通過換熱器或增加氧氣濃度來增加燃燒空氣的預熱溫度，使用換熱器來提高燃燒氣體的溫度以及用提高氧氣含量的方法來使燃燒過程獲得高溫是常用的手段，換熱量和富氧量常常受限于經(jīng)濟因素，由于建筑材料以及其他工程因素常常限制用換熱器來獲得高空氣預熱溫度。所以，等離子發(fā)生器的使用提供了一種增加反應器溫度的方法，它給燃料氣體或氧化劑提供了輔助加熱，而無需輔助熱量回收設備或氧氣儲存/發(fā)生設備。在本發(fā)明中，等離子發(fā)生器并不是該過程的基本熱源，它只不過用作一種過程補充或一種輸入調(diào)節(jié)，因此，采用等離子體吹管時，其它的設備和方法仍和針對圖2中所示設備所述的一樣。
在本發(fā)明如圖6所示的實施例中，包括了一種排渣氣化器400，用來提供高溫燃料氣體403，該氣體被噴入到對流預熱器100的上部區(qū)域108中，該排渣氣化器400與該預熱器緊密相連，以便使該連接管道中的熱損失降至最小，其它類型的氣化器也能用，但通常它們只在較低溫度下操作，熱效率不高且價格較高，因此，緊密相連的排渣氣化器是優(yōu)選的一種氣化器，但并不是該過程唯一合適的燃料氣體源。排渣旋風氣化器400也是優(yōu)選使用的，這是因為它能以熔渣401形式除去大部分燃料灰分。
在旋風氣化器400中，燃料30(典型地如粉狀煤)通過一種合適的噴射部件408(如市場上可買到的煤噴射器)在該氧化器頂部406處引入。此外，最好將該預熱的燃燒空氣或其他氧化性物料20，通過進口409切向引入到氣化器園筒400內(nèi)，從而在該氣化器中引起強力的旋轉(zhuǎn)運動。氣體在該氧化器中旋轉(zhuǎn)的結果是使大多數(shù)燃料灰分以熔渣401形式、由煤中分離到該氣化器的壁上，通過一種合適的熔渣收集器410將熔渣從氣化器中除去，一般，仍有少量的煤灰(如低于30%)未在該旋風氣化器中分離，它們隨加熱的燃料氣體403一起被帶入到配合料預熱器100中。
在進入預熱器100之前，原燃料氣體403和灰分攜帶物離開氣化器400，進入氣化器1預熱器連接部件500中，該連接部件500還含有進口502、504，用來將配合料10噴入到熱原氣體403中，熱原氣體403和配合料10在該連接部件中混合，從而產(chǎn)生了一種熱的氣-固懸浮體，該懸浮體被導入預熱器100的上部區(qū)域108中，通過導管或噴嘴506(位于預熱器100的縱軸上)，將該氣-固混合物噴入到預熱器中。
連接部件500是用來使離開旋風氣化器的旋轉(zhuǎn)氣體產(chǎn)生直線流動，從而使壁的傳熱損失降至最小，成直線流動是通過一個與旋轉(zhuǎn)方向相順的切向出口505來實現(xiàn)的，它還是引入配合料502、504的一個較方便的位置，也是等離子體吹管的一個可能連接點(圖8)。在所有情況下，優(yōu)選的配合料引入方向應和該連接部件的出口導管方向相一致。圖6中所示的預熱器及其操作與圖2所示的實施例基本相同。
除了圖6所示的本發(fā)明的實施例以外(在該實施例中有排渣氣化器400)，如圖8所示，還可以將一種等離子體吹管600連接到連接部件500上，該連接部件500將排渣氣化器400與燃燒預熱器100連接在一起。也可以用電弧放電使該過程電升溫，但是，它們不能與該過程緊密且方便地連接，而且很難放入結構中，等離子體吹管600可用來向經(jīng)過其間的傳熱氣體提供熱能，加熱的傳熱氣體40′(即，等離子體支承氣體)一般將被加熱到7000°F～17000°F，而用換熱器預熱的空氣一般其溫度在1200°F～2200°F之間，該過程所能達到的最終溫度主要取決于壁殼材料的承受能力。通過進口602將被等離子體吹管加熱的傳熱氣體40′導入園筒型連接部件500中，該進口602最好與連接部件500的內(nèi)部成切向放置(圖9)，氣體40′、403與配合料10一起在連接部件中混和，從而形成高溫氣-固懸浮體404′，該氣-固懸浮體404′的溫度高于在沒有輔助加熱源/等離子體吹管600下可能達到的溫度。
圖8實施例的其它部分與前面所述的相同。
圖1～9所述的方法及設備主要是針對將該設備在輕度配比不足或氧化條件下用于熔化玻璃配合料或其它礦物質(zhì)而進行的。所謂氧化條件，是指氧氣量高于燃料完全燃燒所需的量，因此，氧氣將成為燃燒產(chǎn)物中的一種組分，而且在燃燒產(chǎn)物中幾乎沒有一氧化碳或氫存在。相反，還原條件是指氧氣量不足以進行完全燃燒。在還原條件下，氫氣和一氧化碳的比例較高，且基本上沒有游離的氧存在。
玻璃熔化氣氛將對玻璃熔化工藝化學產(chǎn)生影響，例如，燃燒配比用量影響氧化鐵的氧化-還原狀態(tài)，該狀態(tài)又影響制得的玻璃的顏色在某些運用中，例如熔煉含金屬礦石或含金屬廢料(如來自電弧爐的廢塵)時，只要能夠達到有效的還原水平，就必須在高還原條件下進行該熔化過程。在如圖10-12所示的實施例中，即表示了能對含金屬礦物或廢料進行還原的設備，和別處一樣，其中的相似部分用相似數(shù)字代表。
該還原實施例的一個目的在于較經(jīng)濟地由礦物或含金屬廢料制備鐵或其它金屬。適宜使用這種技術的例子有熔煉粉狀礦物，從電弧爐廢塵中回收金屬。在本發(fā)明中，將等離子體吹管600a-c作為向該還原過程提供補充焓的一種手段，但是該還原步驟的基本能源來自煤的高溫氣化，以前僅用電驅(qū)動的等離子技術的嘗試之所以未能成功，是因為該過程經(jīng)濟上不合算。
當用本發(fā)明來還原礦物或其它含金屬氧化物物料時，就必須在強還原條件下，在高溫下操作懸浮預熱室100和旋風熔化器200，優(yōu)選的還原工藝實施例應包括一種排渣旋風氣化器400，用于向懸浮預熱器(現(xiàn)在的還原室100′)提供熱還原氣體，旋風熔化器200和等離子體吹管600a-c，用于向該過程加熱器中提供焓增量及附加的高溫還原氣體。該排渣旋風氣化器400僅除去約70%引入到旋風氣化器中的煤灰，因此，在該過程的金屬制備步驟中，仍需使除去的熔渣還原。配比用量低于60%時，氣化器的標準出口溫度為2800°F～3500°F，將需還原的物料引入連接部件500中，該連接部件將氣化器400和還原室100′部件相連，結果降低了還原氣體的溫度，然后氣-固懸浮體404進入充分攪動/柱流的還原室100′中，附加的高溫還原氣體通過等離子體吹管600b-600c噴入到上述還原室100′中，從而向該預熱部件中的氣體和礦物提供附加焓，優(yōu)選的還原氣體是氫氣和一氧化碳，它們可以通過將天然氣重整而獲得。
離開預熱裝置的氣-固懸浮體的平均溫度取決于要還原的物料的種類，當用于制備鐵時，離開預熱裝置的氣-固懸浮體的溫度一般在2800°F以上，經(jīng)預熱的礦物然后進入旋風熔化器200，顆粒物料在其中沿熔化器壁202分離并沉積。
為了達到高度還原，最好將粉碎的固體碳源如焦炭或煤與礦物一起引入到連接部件500中，或者分別引入到還原室100′中，固體碳與液態(tài)礦物相互作用，從而使金屬氧化物高度還原。進行鐵還原時，所發(fā)生的反應可以表達成FeO+C＝Fe+CO;H＝+37084卡/摩爾。
由于一氧化碳是反應產(chǎn)物之一，一般可以認為用碳還原氧化鐵是由一氧化碳間接進行的，且形成的二氧化碳然后又與碳反應，再次形成一氧化碳，過程如下FeO+CO＝Fe+CO2;H＝-4136卡/摩爾C+CO2＝2CO;H＝+41220卡/摩爾由于碳被CO2氣化的過程是高吸熱的，而且需要高溫才能以一定速率進行，所以，總反應速率受碳的氣化速率控制，而碳的氣化速率則取決于碳的活性，溫度以及保持反應的熱量的使用率，因此，用固體碳的還原速率最終將取決于熱能由熱源傳送到反應物料上的速率，在本發(fā)明中，利用在懸浮中加熱的細顆粒以及將在旋風熔化器中形成的液體層對流混和來提高總反應過程的速率。
為使金屬氧化物有效還原，人們已知按下列方式定義的還原氣體比(RGR)至少應為0.6或更高RGR＝(CO+H2)/(CO+CO2+H2+H2O)如前所述，這些實施例的基本組成部分包括排渣旋風氣化器400;連接氣化器400與預熱器/還原室100′的氣化器/預熱器連接部件500;在還原室100′出口端的旋風熔化室200;在旋風熔化室200出口端的旋風出口部件300;一個或多個輔助氣體加熱裝置，一個與連接部件500相連的部件600a和與還原室100′相連的其它部件600b和600c。
預熱器/還原熔化室100′實際上與預熱室100相同，但室100′的耐火襯里將有所不同，以承受其中存在的強還原條件。
排渣旋風氣化器400產(chǎn)生熱還原氣體403，該氣體成為引入還原室100′的粉碎礦物或含金屬廢料的主要還原劑。礦物料15和附加的還原劑50、例如粉煤、粉狀焦炭、液態(tài)烴類燃料或氣態(tài)烴類燃料通過進口502、504引入到連接部件500中。
由于提高離開連接件500、隨后進入還原室100′上部區(qū)域108的氣-固懸浮體404的溫度總是有利無害的，故如圖10-12所示，采用了等離子體吹管600b、600c來加熱還原氣體，這些氣體通過與還原室100′相連的進口606b、606c噴入，這些等離子體吹管可用來在室100′中獲得所需的高溫(3000°F左右)，為了在還原室中保持高還原條件，就沒有必要象前面的實施例那樣向室100′中引入其它的氧化性物料，但是，引入一些附加的還原劑則是允許的和合乎需要的，這些附加的還原劑可以通過等離子體吹管600b、600c或其它的加熱手段導入并加熱，并通過進口606b、606c導入還原室中，這些進口的功能與圖1、2中所示的進入燃燒室的進口106a、106b的功能相似，也就是說是用來在室100′中產(chǎn)生一個區(qū)域，在該區(qū)域中，懸浮的液-固物料和/或其他還原劑如焦炭或煤粒被預熱器中的氣體補償加熱，還原室/預熱器100′的結構是如圖11所示的對流渦旋反應器，在這種反應器中，人們可以通過控制進入其中的質(zhì)量流量和進口速度來控制室100′中上部區(qū)域108中的混合過程，正如前面對預熱器100所述的。
還原室100′的另一種結構是如圖10所示的相對噴流結構，其中，來自等離子體吹管600b、600c的熱還原氣體被向上，相互正對地噴入室100′的上部區(qū)域108中，從而使氣體優(yōu)選地以45°角碰撞并在上部區(qū)域108中產(chǎn)生充分混和的條件。45°角是優(yōu)選的等離子吹管600b、600c的傾斜角，該角度的范圍為30°～60°，該結構與圖4中所述的結構相似。
優(yōu)選的要被輔助熱源600a、600b、和600c加熱的還原氣體包括氫氣、一氧化碳、天然氣或其各種混合物，天然氣可以用作為燃料并作為一種還原氣體。但是，直接用天然氣作為等離子體吹管的還原氣會因CH4的裂解而形成煙灰，而氫氣和一氧化碳的混合物就沒有這個問題。如果時間-溫度要求確定的話，可以通過靠近室100′出口端118導管114噴射附加的礦物物料。其它的還原劑50可以在將附加礦物物料通過進口114噴入預熱器的同時加入到室100′中的懸浮體中，借助于一個適當?shù)倪M口導管部件204，預熱的氣-固懸浮體116(由懸浮的礦物物料和加熱的還原氣體組成)離開室100′、進入旋風熔化室200中。和前面所述的本發(fā)明的實施例一樣，預熱的礦物料沿著礦物發(fā)生熔化的旋風熔化器壁202分離、分散并混和。
為了達到高度還原，有必要在熔化過程中使固體碳與熔化的礦物物料在該旋風熔化室中形成物理接觸，以促進液-固還原反應，為了確保該固體碳物料適用于旋風熔化室200中，應按前面所述對導入預熱器的粉狀含碳物料的時間-溫度曲線進行控制，優(yōu)選的另一種引入固體還原劑52的位置是連接部件500上進口502、504，還原室100′的頂端處進口122，以及靠近室100′出口的進口114。
權利要求
1.一種熔化玻璃的方法，包括將顆粒狀玻璃生產(chǎn)原料、燃料、和一種氧化性氣體的混合物通入一個預熱室中，使燃料與氧化性氣體燃燒，從而預熱該玻璃生產(chǎn)原料，然后將該受熱的混合物通入一種旋風熔化器中，在該熔化器中，玻璃生產(chǎn)原料被熔化并與燃燒及其它氣體分離，其特征在于它還包括沿預選方向?qū)⒃撗趸詺怏w噴入預熱室從而使該粒狀物料與燃燒燃料混和并均勻預熱的步驟。
2.權利要求1所述的方法，其特征在于該預熱室通常是細長型的，而且該氧化性氣體至少是在兩個垂直隔開的位置，以與該預熱室縱軸垂直的角度噴射的。
3.權利要求2所述的方法，其特征在于預熱室包括一個垂直放置的園筒，而且氧化性氣體是通過兩個上下放置的進口、切向噴入預熱室的上部，一個進口的氣體，其流動方向與另一進口的氣流方向相反，從而在該室中至少形成了兩個對流渦旋區(qū)。
4.權利要求3所述的方法，其特征在于上述兩個位置的隔開距離是該室直徑的1/4～1。
5.權利要求3或4所述的方法，其特征在于玻璃生產(chǎn)原料在預熱室的上部被懸浮于受熱氣體混合物中。
6.上述任一權利要求所述的方法，其特征在于預熱室中的溫度被升高到至少與玻璃生產(chǎn)原料的熔化溫度相等。
7.權利要求2所述的方法，其特征在于玻璃生產(chǎn)原料是沿一與預熱室縱軸基本同軸的通道噴入該室上部中的。
8.上述任何一權利要求所述的方法，其特征在于使該受熱混合物在進入旋風熔化器之前由該室上部通過一柱流區(qū)域，在該區(qū)域中，剩余燃料燃燒，而且混合物以與該室側壁基本平行的方向流動。
9.上述任一權利要求所述的方法，其特征在于一種受熱的傳熱氣體被引入該預熱室中，以提高其中的溫度。
10.權利要求9所述的方法，其特征在于該傳熱氣體被一種等離子體吹管加熱。
11.權利要求9或10所述的方法，其特征在于該傳熱氣體是空氣、氣體燃料或一種惰性氣體。
12.上述任一權利要求所述的方法，其特征在于供給預熱室的燃料是氣體、液體或固體狀的。
13.權利要求12所述的方法，其特征在于該燃料被預先氣化，并將形成的氣體供入預熱室中。
14.權利要求12或13所述的方法，其特征在于該燃料是一種會產(chǎn)生灰分的燃料，該燃料在一種排渣氣化器中被預先氣化，在該氣化器中至少除去了部分灰分產(chǎn)生組分。
15.上述任一權利要求所述的方法，其特征在于對噴入預熱室的氧化劑的質(zhì)量流量和流速加以控制，從而使玻璃生產(chǎn)原料在該室上部中懸浮一段時間，該時間應足以使該物料在仍保持固體狀態(tài)下被加熱到最高溫度范圍。
16.一種對送入旋風熔化器的第一種物料進行處理的方法，該方法包括下列步驟將該物料和燃料通入一種基本垂直放置的細長型預熱室中;將一種氧化劑引入該預熱室中;其特征在于該氧化劑至少是在兩個位置噴入該室中的，且以反方向流動，從而在該預熱室的上部形成一對流渦旋齋流區(qū)。
17.權利要求16所述的方法，其特征在于將熔點比第一種物料低的第二種物料導入預熱室較冷的下部區(qū)域中。
18.權利要求16或17所述的方法，其特征在于第一種物料包括玻璃生產(chǎn)原料;粉狀熔塊，或粉碎的熔渣、或粉煤灰、或危險性廢料。
19.用于在氧化條件下處理物料的設備，該設備包括一種用于接受至少一種第一種物料、燃料、一種氧化性氣體的以及用來在氧化性條件下處理第一種物料的預熱室;位于預熱室下方，用來分離經(jīng)處理的第一種物料并將該物料沉積在其壁上的旋風熔化裝置，其特征在于氧化劑進口裝置設置在預熱室壁附近，并設計成能將該氧化劑噴入該室的上部區(qū)中且使其中的混合物對流齋流渦旋。
20.權利要求19所述的設備，其特征在于該預熱室通常是圓筒形的，氧氣進口裝置設計成至少能在兩個垂直隔開的地方將該氧化劑切向噴入預熱室中。
21.用于在還原條件下處理顆粒狀物料的設備，該設備包括用于產(chǎn)生熱還原氣體的氣化器;用來接收并用該還原氣處理物料的還原室;用來加熱還原氣并將受熱的還原氣噴入還原室中的增焓裝置;以及與還原室出口相連的，用來接收熱顆粒物料，熔化該物料并將液化的物料沉積在壁上的熔化裝置;其特征在于所述的增焓裝置其結構能將受熱的還原氣導入還原室中，且使混合物中形成齋流，從而將物料快速且均勻地加熱，并用還原氣處理。
22.權利要求21所述的設備，其特征在于該還原室通常是垂直放置的園筒形室。
23.權利要求22所述的設備，其特征在于該增焓裝置的結構能將該熱還原氣切向噴入還原室中。
24.權利要求23所述的設備，其特征在于該增焓裝置包括至少兩個垂直隔開的等離子發(fā)生器。
25.權利要求21所述的設備，其特征在于該增焓裝置包括至少兩個等離子發(fā)生器，該等離子發(fā)生器被設計成能以與還原室縱軸成30°～60°角的角度噴射熱還原氣。
26.權利要求21所述的設備，其特征在于它還包括一個連接氣化器和還原室的連接部件，還有用于將熱還原氣導入該連接部件的增焓裝置。
全文摘要
一種制造玻璃的方法，它包括向基本垂直放置的圓筒形預熱室中通入玻璃生產(chǎn)原料、燃料和一種氧化性氣體的混合物，燃燒燃料和氧化性氣體，從而預熱該玻璃生產(chǎn)原料，然后，將受熱的混合物通入旋風熔化器中，在該熔化器中，玻璃生產(chǎn)原料被熔化，并與燃燒及其它氣體分離。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，該氧化性氣體至少是在兩個垂直隔開的位置上噴入預熱室的，而且以相反反向流動，從而在該室中形成兩個對流渦旋區(qū)，由此，玻璃生產(chǎn)原料與燃燒的燃料強力混合，并快速、均勻地熔化。
文檔編號B09B3/00GK1047663SQ9010213
公開日1990年12月12日 申請日期1990年3月8日 優(yōu)先權日1989年3月8日
發(fā)明者詹姆斯·納特 申請人:詹姆斯·納特