专利名称：用于制造矿物纤维的方法和装置的制作方法
本申请涉及通过燃烧含有无机颗粒状材料的可燃材料，形成一种熔体，接着对这种熔体进行纤维化处理，从而形成纤维的方式来制造矿物纤维的方法和装置。
在一个电炉或其它箱炉中，当纤维是玻璃纤维时，熔体通常是通过向一熔体的预成形池中加入无机颗粒状材料而形成的。当从化学特性、物理特性以及制造玻璃纤维的经济性角度进行考虑时，通过化学分析，下述氧化物重量的百分比是合适的10％以上的Na2O+K2O，3％以下的氧化铁(FeO)那样的铁，20％以下的CaO+MgO，50％以上的SiO2以及5％以下的AL2O3，而且通常还含有一定量的硼。但，当从制造岩石、石头或矿渣纤维的熔融温度、其它的物理特性和经济性的角度考虑时，该系统既不实际也不经济，通常通过分析，氧化物的重量百分比分别为10％以下的Na2O+K2O，20％以上的CaO+MgO，3％以上的氧化铁(FeO)那样的铁，50％以下的SiO2以及通常10％以上的AL2O3，而且通常还含有极少量的硼。
用于制造岩石、石头或者矿渣纤维的熔体的常规方法是利用一个竖炉，在该竖炉中，一个无机颗粒状材料的自架材料堆是通过炉内燃烧材料的燃烧来加热的。该材料堆逐渐熔化并从上部进行补充，熔体将从材料堆向下流并从炉的底部流出。通常执行此目的的炉子是冲天炉。
需要自架材料堆并且使其具有能透过燃烧气体的能力，其中，该燃烧气体是通过含碳材料在材料堆中的燃烧而产生的。因此，需要材料堆中的一切都比较粗糙(为了使材料堆具有可透过性)并具有高的物理强度，从而确保在燃烧或熔融正常进行之前该材料堆都不会倒塌。实际上，这意味着含碳材料是焦炭，而且颗粒状材料可以是质地粗糙的碎岩石、石头或者矿渣，或者也可以是由细颗粒状材料形成的团块。
因此，如果在使用中获得了呈细分裂状的材料，在将其制成团块的过程中，会引起开支增加和不方便之处。在制成团块的过程中，通常使用含硫材料作为粘合剂，诸如用石膏处理的硅酸盐水泥，而且该装置产生的废物往往硫的含量高，而且还必须对其进行处理。如果不进行二次燃烧，则气体通常含有H2S和CO。
针对这个和其它的因素，通常需要对从冲天炉产生的废气进行二次燃烧处理，从而使排入到大气中的废气是环保的，同时也希望能避免需要使用二次燃烧室。
冲天炉或其它的材料堆炉系统都具有缺点，炉内的状态通常会使一些铁能还原成金属铁。因此，就需要将金属铁从熔体中分离出来，减少纤维产品，从而导致出现含铁的费料，而且，在含铁和矿渣的区域中还往往存在发生腐蚀的危险。
另一个缺点在于该方法不具有高的热效率。
尽管存在这些缺点，但，正如上面所进行的分析，在世界范围内已经广泛采用了这种利用冲天炉或其它的竖炉来制造岩石、石头或者矿渣纤维的方法。
然而，毫无疑问还是希望能设计出能克服一些或者全部上述缺点的系统，而且已经盼望了很长时间。因此，本发明的目的在于提供一种具有高热效率的系统，该系统可提供环保的排出物，最好不使用二次燃烧室或者其它的用于专门控制污染的废物处理工艺。而且，还希望该系统不会引起铁的还原反应，也不需要制成团块。
二十年前，美国专利4,365,984揭示了加工岩石、石头或者矿渣纤维的全然不同的方法。该方法包括将粉状煤悬浮在预热的助燃空气中，接着，在循环燃烧室中，使含有悬浮的颗粒状矿物材料的悬浮煤燃烧，即，在燃烧室中，使悬浮的颗粒状矿物材料和空气在一个系统中循环，该系统为或者接近一个气旋式循环系统。
该方法将导致矿物熔体和热废气的形成。将该熔体收集在熔池中，然后通过离心式纤维化装置使熔体流纤维化。在助燃空气与煤混合之前，通过空气和废气之间的热交换，利用热废气来预热助燃空气。在这种方法中，助燃空气与煤和颗粒状材料进行混合的的温度希望是在430至650℃之间，而且在炉内，火焰的温度希望是在1500至1900℃之间。可优选的是，从精煤清洗回路的废煤渣中，可提供出一些或者全部的无机颗粒状材料来用作悬浮的煤。
尽管该方法在理论上是可行的，而且可能避免需要形成块状化，还可消除使铁还原的危险，上述的方法显然存在严重的环境污染的问题并且效率低。因此，与现有的竖炉加工方法相比，该方法实际上既不经济也不环保，因此这项循环燃烧室技术并没有发展成用于制造岩石、石头或者矿渣纤维的方法。尽管如此，在这二十年中仍然公开了许多用于各种矿物产品的循环燃烧室技术。
废气中含有的NOx逐渐成为了一个值得关注的环境污染问题。冲天炉内的还原状态往往会将此问题减至最小，但还原状态越弱，所述的氧化状态将会在循环燃烧室中占主流，在高温加工时，将易于导致废气中含有大量的NOx，而其将成为一个严重的环境问题。
因此，希望能够避免由于燃烧室内非还原状态的加工而引发的这个和其它的环境问题，而且，也希望能避免各种与冲天炉和竖炉有关的技术、经济和环境问题。
本发明提供了一种用于制造用来形成矿物纤维的矿物熔体的方法，该方法包括下述步骤将粉状含碳燃料悬浮在预热的助燃空气中并使悬浮的含碳燃料燃烧从而形成火焰，将至少已经预热到700℃的矿物材料悬浮在火焰中并在循环燃烧室中使该矿物材料熔融，从而形成矿物熔体和热废气，从熔体中分离出热废气并将熔体收集在一起，在NOx的还原状态下，通过使需要预热和熔化的颗粒状矿物材料在气旋预热器中与熔体中的废气相接触，从而将废气中的NOx还原出来并且将颗粒状材料预热到至少700℃，以及通过空气与来自气旋预热器中的废气的热交换从而使助燃空气预热。
本发明还包括制造熔体的方法，其中，将收集到的熔体以液流方式注入到一个纤维化装置中，该装置通常为一离心式纤维化装置，然后，对收集到的纤维进行纤维化，例如，以现有的方式形成一纤维网并转变成粘结的或其它的矿棉产品。熔体的组成物基本上是呈通常所述的矿渣、石头和岩石纤维状的纤维。
本发明还包括将收集到的熔体用于某些全然不同目的的方法，例如用于制造浇铸产品。
本发明还包括用于制造该熔体的设备，例如，用于形成火焰和用于将颗粒状矿物材料送入到火焰中并使燃烧室为此循环的装置，而且还包括含有气旋预热器的循环系统。
与现有利用竖炉的方法相比，本发明的方法易于操作，因而具有经济和环保的优点。尤其是，可以一种成本经济的方式来操作该方法，从而提供不含还原的铁和废气的熔体，而且废气中基本不含NOx和其它所不希望的杂质，或者废气中污染物的含量处于环境可接受的足够低的水平。
这种NOx还原状态最好通过在气旋预热器中包括有含氮材料而产生，其中，该含氮材料能够在预热器中的主流状态下将NOx还原。含氮材料可包含在输入到预热器的热废气中或者也可以直接加入到预热器中。
包含在预热器中的含氮材料最好是氨或者铵的化合物、胺或尿素，其中，尿素可以是单体的，更可取的为一种树脂产品，诸如尿素甲醛或苯酚尿素甲醛树脂。尤其是，NOx还原状态是通过在送入到气旋预热器中的废粘结矿棉中包括有颗粒状材料而产生，其中，该废粘结矿棉含有尿素树脂(通常为苯酚尿素树脂)和/或氨或者铵的化合物(例如在废棉中用于树脂的缓冲剂)。这样，本发明可以在利用废料的同时，使其在适当的状态下发生反应，从而将废气中大量的NOx还原成氮。
可优选的是，氨、氨派生物或其它NOx还原化合物的量为每摩尔(mole)Nox对应1-4摩尔(优选为1-2，最好是1-1.7)，而且反应优选在800℃-1050℃的温度范围内进行。反应持续时间优选至少为0.3秒，最好为1秒。通常，这个时间也是颗粒状矿物材料在气旋预热器和/或管道中停留的时间，最后，将废气在反应温度以下进行冷却，诸如800℃以下。在这些情况下，即使在预热器中的环境适宜为氧化性的，但，在优选800℃-1050℃的温度范围内，基本上能将所有的NOx都还原成氮。
因此，本发明的另一个特征是，在气旋预热器内的气体环境中含有过量的氧，以气态空气的重量体积计，可优选的是氧的含量至少为1％或2％，更可取的为至少4％，甚至达到8％。尽管环境具有氧化的特性，但是，通过向预热器形成定的状态下加入氨或其它的含氮化合物，可以使NOx还原出来。
因此，预热器在能用作Nox的还原器的同时，还能用作氧化性的二次燃烧器，从而将来自循环燃烧室中的诸如硫化氢和一氧化碳的污染物进行燃烧。
从熔体中分离出并再输入到气旋预热器中的废气所含有的氧最好比气旋预热器中所含有的氧要少，因此，在预热器中或者在熔体和预热器之间，将适宜的空气或者其它的氧源输入到废气中。
可优选的是，循环燃烧室内的燃烧接近于化学计量，甚至是亚化学计量。结果，燃烧过程中产生的氧化氮的量为最小。氧与可燃材料之间的比率通常在0.8至1，优选为0.85至0.99，最好约为0.92至0.97。
因此，在本发明优选的方法和装置中，颗粒状含碳材料的燃烧和颗粒状矿物材料的熔融都是在略为亚化学计量的状态下来进行的，然后把由此产生的废气调整到略为氧化，接着，在一个气旋预热器中，仅通过单一的操作就使废气发生氧化、二次燃烧和NOx还原。
当废气从熔体中分离出时，其温度优选为1400℃-1700℃，最好为1500℃-1600℃。输入到气旋预热器中的废气的温度通常在1000℃-1500℃的范围内。此时，在正常情况下，此温度小于气体离开熔体时的温度，该温度的降低能通过空气和/或液态氨的稀释而获得。在气旋预热器中，输入的废气和颗粒状矿物材料的比例应该能使矿物材料预热到希望的温度，通常为700℃或800℃至1050℃。
利用气旋预热器排出的废气来预热用于使含碳材料燃烧的空气，而且，通常废气从气旋预热器中排出时的温度在800℃-900℃之间。可优选的是，将这些废气和输入的助燃空气进行热交换，从而将该助燃空气的温度预热到至少500℃，可优选的为600℃至900℃，最好约在700至800℃。
用作燃料的含碳材料可以是任何的具有适当热值的颗粒状含碳材料。该热值可以比较低，例如低至10000kJ/kg，或者甚至低至5000kJ/kg。这样，其可使诸如污水污泥或废纸脱水。可优选的是，该含碳材料具有更高的热值，这些热值可以用在由铝制成的罐体衬垫上，含有诸如煤渣或粉状煤的煤废物上。
可优选地，燃料和空气最好可使绝热的火焰温度(即，在没有与颗粒状矿物材料或其它环境进行热函交换的情况下，从燃料和空气的燃烧中获得的温度)为1800℃至2500℃或更高的范围内，最好为2000℃至2500℃的范围内。
在将预热的颗粒状材料加入到火焰中之前就希望开始含碳材料的燃烧，从而在较冷的颗粒状矿物材料加入之前，火焰的温度将变得比较高，否则将显著地降低效率。可优选的是，在预热的矿物材料加入之前，火焰的温度至少约为1000℃，更可取的为至少1200℃。然而，如果火焰的温度太高，则会增加NOx产物，因此，在颗粒状矿物材料加入时，最好使火焰的温度不超过1500℃或者1600℃。
总之，将材料和状态最好能使循环燃烧室内具有最高的温度，而且使从其中排出的废气的温度不超过1600℃。
下面结合附图对本发明进行说明。
图1为本发明一种方式的装置和方法的流程图；图2为图1中燃烧室25和熔池8的另一种方式的结构示意图。
来自螺旋送料器1或其它送料器的粉状煤用喷射器3喷入来自管道2的预热的燃料空气中。
在螺旋送料器1中的粉状煤可以是煤粒，但，最好其中的一些，通常至少50％、可优选的为80％或者全部的煤是利用诸如球磨机4来对块煤进行研磨而制成，其中，块煤可以从料斗5来供给。无论最初供给的煤是呈粒状或块状，都可以是好品质的煤，或者也可以是高无机含量的次煤，例如，具有与碳相平衡的5％至50％的无机含量。可优选的是，这些煤主要或者全部是由好品质的煤构成的，例如，生煤或者次生煤(ASTM D388 1984)并且含有助燃的挥发物。
要注入到预热的助燃空气中的煤或其它的含碳微粒优选具有50至1000μm范围内的颗粒尺寸，最好约为50-200，总体约为70μm的平均尺寸，而且在此范围内90％是在100μm以下。
预热的助燃空气优选具有500-800℃的温度，更可取的是，在与粉状煤接触时具有700℃的温度。
悬浮在空气道中的煤流通常以20-40m/s的速度经管道24进入到循环燃烧室25中。将一个或者多个燃烧器6设置在方便的位置上，例如，如流程图所示的和/或在管道24中，从而在需要的时候开始燃烧。
将颗粒状无机材料通过送料器7输入到管道24内的悬浮在空气中的粉状煤流中。
燃烧室25内的压力通常高于旋流器22内的压力，因此，尽管压力增加，仍需要将送料器7设计成能确保固体向下流动。例如，送料器7可以包括一个通过重量压力阀排放的螺旋推进器，或者其可以包括一个流化床阀。
在颗粒状无机材料加入之前，必须确保煤已经开始燃烧，否则可能出现较差和不良燃烧。在实际中，火焰的温度通常至少为1200℃，而且最好不超过1500℃，此时，可将颗粒状材料加入到火焰中。
通常，在非常靠近燃烧室25的情况下，将颗粒状无机材料加入到火焰中。因此，在实际中，送料器7通常靠近燃烧室25的入口，甚至可以将其直接对准燃烧室25。
由于通过对燃烧室入口进行适当的设计，就能向燃烧室内喷射煤和预热的空气，所以对于火焰的形成而言，水平管道24并不是必不可少的。也可以将颗粒状材料在一位置上直接送入到燃烧室中，从而在矿石颗粒材料接触火焰之前，使火焰的温度达到足够高。
通常，将循环燃烧室25设计成气旋炉的型式。该燃烧室优选为水冷的。适合的气旋炉的结构已经在各种专利中都进行过描述，如US3,855,951，US4,135,904，US4,553,997，US4,544,394，US4,957,527，US5,114,122和US5,494,863。
在循环燃烧室25内，粒状煤的燃烧可连续进行，并将颗粒状矿物材料转变成熔体而悬浮在空气中。可将熔体和颗粒状材料喷射到燃烧室的壁上，然后，流到燃烧室中主要构成熔体。
循环燃烧室25可以是水平或者倾斜的旋流器，但是通常是垂直的。可以将其向下延伸到用于收集熔体的熔池中。可优选的是，燃烧室直接通向熔池而不经过一圆锥形或其它限制性的排出管道，其中，这些类型的管道已经在许多系统中使用过，然而，设置一圆锥形的管道来作为出口不具有优点，而且还阻碍从燃烧室底部中的流出。
熔池可设置在燃烧室的底部(例如，在US4,553,997中描述的)，或者如图1所示，其可以是具有加大体积的沉淀池8。沉淀池8应具有足够的气体体积以允许熔体滴从废气中沉淀出来，并且具有足够的熔体体积以确保只是部分熔融的颗粒分解，并使熔体均质化。如果需要，燃烧器6或者其它的装置可能向沉淀池提供额外的能量，以便提高废气的温度，尤其是在开始燃烧的过程中。
从熔池中排出的熔体，在适当的时候，通过液流的槽沟9，然后，以现有的方式进行纤维化，例如利用级联旋转器或纺丝杯或者任何其它的现有离心式纤维化装置。可替换的是，可以对排出的熔体进行某些其它的加工过程，例如浇铸加工。
来自循环燃烧室25，或者从沉淀池8的不含熔体的废气排放出去。这些废气将通过管道10直接从该燃烧室排出。
大部分或者全部的需要熔融的颗粒状材料通过废气而预热，而且，通过送料器11将其呈颗粒状加入到管道10中的废气流中，然后，将悬浮在气体中的这些颗粒加入到气旋预热器22中。
由送料器11加入到废气中的矿物材料的粒子尺寸通常在0-10mm的范围内，优选为0-4mm，最好为0-2mm。
当颗粒状材料悬浮在废气中时，废气的流速通常在10-40m/s的范围内。该速度涉及主管道的直径，但是，通过在进料口插入文丘里部件还可增加该速度，从而可使速度达到100m/s甚至更大。当颗粒状材料接近气旋预热器或者位于气旋预热器中时，可将颗粒状材料加入到废气中。
通过送料器11加入的颗粒状材料是从料斗12和13供给的，其中的料斗13非常重要，这是因为其含有废物颗粒状材料，是氮的来源，诸如粘结的矿棉，而其使用的粘结剂是一种尿素树脂。从料斗12和13中加入的各种材料，如果需要，首先，在球磨机和其它的研磨机中进行粉碎，然后，将它们混合并加入到筒仓14中，接着，从此处连续地排放到送料器11中。
在靠近送料器11时，管道10内的废气通常由于空气和/或氨(没有示出)的稀释而冷却，其温度将在1200℃-1500℃的范围内，该温度适于将旋流器22内的颗粒状材料预热到700℃-1000℃的范围内，通常约为800℃。
这些废气通常会使旋流器22的温度处于800℃-1000℃的范围内，可优选约为900℃。在这些温度上，将有选择地非催化还原Nox，将其绝大部分都还原成氮。结果，从旋流器22经由管道15而排出的废气中，具有非常低的NOx含量，而且，最好基本不含有NOx。
然后，废气流经热交换器16，在该热交换器中，废气与来自通风器17的助燃空气进行间接的热交换，这样，通过管道2产生需要的预热的助燃空气流。废气通过通风器27和过滤器18再经排气管19排出。
图2示意性示出了一种变化方式，在图2中，燃烧室25和熔池8由水冷的锥形旋流器的燃烧室28来代替，该燃烧室28在其底部具有较小的收集区29，该收集区29通向用于排出熔体的可控制的槽沟9。燃烧室28设有一个切向入口30，这样，从喷射器3(在这种情况下，火焰在旋流器28内产生)或者从管道24(在这种情况下，至少部分进入到入口30之前就产生了火焰)，可将粉状煤或其它的颗粒状燃料和预热的空气引入到向旋流器中。送料器7通过位于旋流器室28上的一个或多个入口26和27，将预热的无机颗粒状材料加入进来，从而使产生的火焰在遇到无机材料之前就达到足够的温度。废气通过出口10从旋流器排出。
权利要求
1.一种用于制造矿物熔体的方法，该方法包括下述步骤将粉状含碳燃料悬浮在预热的助燃空气中并使悬浮的含碳燃料燃烧从而形成火焰，将至少已经预热到700℃的颗粒状矿物材料悬浮在火焰中并在循环燃烧室(25，28)中使该矿物材料熔融，从而形成矿物熔体和热废气，从熔体中分离出热废气并将熔体收集在一起，在NOx的还原状态下，通过使需要熔化的颗粒状矿物材料在气旋预热器(22)中与熔体中的废气相接触，从而将废气中的NOx还原出来并且将颗粒状材料预热到至少700℃，以及通过空气与来自气旋预热器(22)中的废气的热交换从而提供预热的助燃空气。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括一步骤使收集到一起的熔体流流到离心式纤维化装置中，并且通过使熔体流离心地进行纤维化而形成矿物纤维。
3.根据权利要求1或者2所述的方法，其中，在气旋预热器(22)内的环境中含有氧。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，燃烧在亚化学计量的状态下进行。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在预热器(22)中，NOx的还原是通过在700℃-1050℃的温度时，与氨或其它的含氮的化合物、NOx还原化合物的反应来获得的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，循环燃烧室是一个锥形的气旋燃烧室，该燃烧室在其顶部具有一个用于废气的轴向出口，和一个非径向地连接到气旋燃烧室的顶部上用于粉状煤和预热空气和/或火焰的入口，以及一个用于从底部排出熔体的出口。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将预热的颗粒状矿物材料直接送入到燃烧室中并且使其悬浮在燃烧室的火焰中。
8.一种用于执行前述权利要求中任一项所述方法的装置，该装置包括用于将粉状含碳燃料悬浮在预热的助燃空气中并使悬浮的含碳燃料燃烧从而形成火焰的装置(1，2，3，24，30)，用于将已经预热到至少700℃的颗粒状矿物材料悬浮在火焰中的装置(7，26，27)，一个循环燃烧室(25，28)，在该燃烧室中，使颗粒状材料熔融在火焰中，从而形成矿物熔体和热废气，用于从熔体中分离出热废气并将熔体收集在一起的装置(8，28，9，10)，在NOx的还原状态下，通过使需要熔化的颗粒状矿物材料在气旋预热器(22)中与熔体中的废气相接触，从而将废气中的NOx还原出来并且将颗粒状材料预热到至少700℃的装置(11，22)，以及用于通过使空气与来自气旋预热器(22)中的废气的热交换从而提供预热的助燃空气的装置(15，16，2)。
9.根据权利要求8所述的装置，还包括一个能够容纳熔体并使其纤维化的离心式纤维化装置。
全文摘要
本发明公开了一种制造矿物纤维的方法和装置，通过使粉状含碳燃料和预热的空气燃烧而形成火焰，在火焰中，使适于形成可纤维化的熔体的颗粒状矿物材料熔融，然后，在气旋预热器(22)中，将该矿物材料预热并且使废气中的NOx还原出来。
文档编号C03B3/02GK1520385SQ02812965
公开日2004年8月11日 申请日期2002年6月26日 优先权日2001年6月27日
发明者莱夫·M·延森, 奥勒·安德烈亚森, 汉斯·霍耶, 特赖因·弗里克曼, 拉尔斯·伯尔伦, 伯尔伦, 弗里克曼, 安德烈亚森, 莱夫 M 延森, 霍耶 申请人:罗克伍尔国际公司