向玻璃熔池的燃烧用空气通道中减少氮氧化物地加入可燃气体的制作方法

专利名称：向玻璃熔池的燃烧用空气通道中减少氮氧化物地加入可燃气体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种所谓的用于减小氮氧化物的一次措施，尤其涉及一种减小用矿物燃料加热的玻璃熔池的火焰中氮氧化物的方法和所属的装置。
所谓的一次措施可简单和狭义地理解成在燃烧炉内应用的、用于减少氮氧化物(NOx)生成的这样一些措施。本发明更狭义地涉及一种用于减少氮氧化物控制燃烧的措施。
与二次措施相比，一次措施通常费用较低。当然，一次措施往往达不到期望的减少氮氧化物的效果。尤其是侧向配设有燃烧器的横向火焰式玻璃熔池的问题特别大，因为它们有特别高的氮氧化物排出量，而已知的一次措施不太有效。例如在使用减少氮氧化物的燃烧器时，尽管这些燃烧器在与下通道燃烧(unterportbefeuerten)的熔池一起使用时有高的效力，但在这种横向火焰式玻璃熔池中达不到明显的效果。
抑制NOx的形成就热NOx而言主要是要减少在高的温度下因空气中的氮和空气中的氧燃烧而产生NOx。在这里在材料方面重要的是当地的氧和氮的浓度积，浓度积越大NOx的生成增加。在热力学方面火焰尤其是火焰根部的温度是关键。减少NOx的出发点一方面是燃烧空气的空气预热温度、冷的“辅助空气”、(当地)燃料-空气比、以及空气成分，亦即空气中废气含量、N2含量和O2含量。与此相关联地开发出了一系列方法，例如羟基燃料(Oxyfuel)法，其中用几乎纯氧替代燃烧用空气，或按WO98/02386的近化学计算的炉况法(nahstchiometrische Ofenbetriebsweise)等，其中全都避免多余的空气。
其他措施是在炉子上进行技术改造，如在喷嘴座上设密封板用于避免注入环境空气，或设密封装置防止炉子侵入空气。按DE4301664A1的“空气分级法(Luftstufungsverfahren)”避免在关键的火焰根部有局部高的浓度积。
为了达到减少NOx的目的还使用改型后的燃烧器或新型燃烧器。
废气回授同样可降低当地的氧和氮的浓度积，与此同时，如也在其他方法中那样，在这里利用第二种减少措施并减缓点火，这具有使温度下降的作用。例如在燃烧器内无火焰的氧化应能避免NOx，以及仅仅由废气来实现热量传导。
还有一些方法也追求达到冷却火焰根部的目的，在这些方法中延迟燃料和空气的混合。为此的技术解决方案已知的例如有DE3441675A1中提到的“梯级燃烧”和DE4415902C1中提到的增碳台阶。
在此通常延迟火焰或主焰的点燃。废气添加到燃烧用空气中，或包络燃料射流地加入废气。火焰根部用水蒸气冷却。用于将空气流低紊流度地加入炉内的装置的几何造型已公知的有“自由射流通道(Freistrahlport)”。这减小了空气的紊流度和燃料与空气早期偶然混合情况的发生。已知一些用于燃料油的燃烧器，它们在油雾化时避免很细小的油滴。将可燃气体以低紊流度的射流加入炉内的燃气燃烧器还能避免产生高热的火焰根部。这样的燃烧器已公知的例如有自由射流燃烧器。
在美国为了节能长期以来还已知和采用同类的门坎方案(Schwellenlsung)，例如可见“Melting Furnace Design in the Glass Industry”(Alexis G，Piucus，1976)。但其中也出现同样的问题。“梯级燃烧”与此方案的区别无疑在于，通过一小的预火焰，将一低氧的燃气射流设置在下层燃烧装置(Unterbankbefeuerung)中的主燃烧器上方，由此在这里减少这种危险。
最近在梯级法的一种进一步发展中，类似于上述方法采用在通道内设一门坎。这已公开在“Kaskadenbefeuerung zweiter Generation mit in tegrierterBufflewall-Technologie”(Glasingenieur 5/98)中。其中的缺点是，通过梯级喷入构成的废气层本身首先要通过一火焰产生，以及废气层本身成为强的NOx排放源。在这方面取得的减少氮氧化物的效果差。此外，此方法不能应用于有侧向燃烧通道的熔池。
第二代增碳台阶和梯级燃烧有共同点，它们都将可燃气体加入台阶或门坎的一个死空气流的区域内，该死空气流的区域背对空气入流侧地处于台阶上。此台阶的特点是通道底沿气流方向有一个负的水平阶跃。在第二代增碳台阶和梯级之间的差别主要在于，可燃气体全部或只是其中一部分在此门坎/台阶之后加入。
增大燃料加入点与空气加入点之间间距的下级燃烧法(Unterbankbefeuerung)是一项通过比较不同的炉子结构得出的专业化措施。火焰的数量因此往往减少，并因而导致特别热的或完全绝热的火焰区的范围与之成正比地减小，而这些火焰区正是形成NOx的主源。
与本发明最接近的先有技术一些年来应用在容器玻璃的一个U形火焰熔池上。此方案主要是在燃烧空气通道内设一增碳台阶，其中，分别用一个传统的可燃气体燃烧器从两个通道侧壁将燃料加入燃烧用空气流的流动死区(Strmungsschatten)中，使得这两个彼此对准的可燃气体射流的冲量至少部分抵消。这种减少NOx的方案主要的构思是以对于这种装置所生成的NOx的计算为基础，而这种装置又是基于由以前的文献和自己的试验所获取的通过加入可燃气体来增碳的自增碳和外来增碳方法改善火焰热辐射特性来设计的。其中，该外来增碳方法在更迟的时候才被使用者所了解并被推荐使用。在对上述方案进行风险评估时曾指出其冒出火焰极不稳定并且会有碳黑生成。但对于所生成的NOx却没有测量结果，因为增碳台阶在针对NOx问题进行生态学评估前曾长期仅应用于节能的目的。这种减少NOx的方法后来由一家德国玻璃炉制造公司进行了实际应用，并且已证实在上述方法多年的实际应用中也定量地进行了所述对于NOx生成量的计算。该公司称这种装置和方法尤其在减少NOx方面与先有技术相比是卓有成效的。但在通道内生成积炭的问题却无法控制并可在另一些情况下容易成为关键性问题。因而需要采取一些无创造性的补偿措施，如在燃烧时采取高的空气系数。火焰形状的设计和火焰在炉室内的位置几乎仅取决于炉门门坎和通道的结构形状。对于燃烧器的调整操作无论是对于普通的目标参数还是对革新的和技术上有重要意义的目标参数都只有很小的影响。一旦炉子结构已经设计确定，此装置就没有多少灵活性。例如德国专利DE 19520649A1所公开的可有效减少NOx和提高功效的斜火焰燃烧法便不能移植到这类设备上。
现在的问题是，上述方法中许多只能付出高的代价才能使用，对于某些炉子结构完全不适用或在那里只能低效率地使用。在这方面的例子就有经常采用的在燃烧用空气通道侧面布置燃烧器的横向火焰熔池。在这种横向火焰熔池中，燃烧空气在燃料从喷嘴座横向喷出后立刻与之混合。其结果是生成大量的NOx。所有上述方法包括大有前途的在通道中设置借助加入可燃气体来增碳的增碳台阶，都不能解决此基本问题或有负面的副作用。对于减少NOx本身有效的增碳台阶为了明显地减少NOx要求有大的结构高度，这带来的副作用是对于燃烧用空气的供入会造成不希望的强烈节流。此外，在横向火焰熔池中，当所有通道中只有一部分配备增碳台阶时，废气和空气会比较强烈地转移分配到其他通道中。并且因顾及这种效果而对于通道的结构改造也有负面的副作用，因为至少必须相当费劲地增大通道的结构尺寸。
但最重要的是此方法用于有高质量要求的熔池时受到限制，因为作为实施增碳台阶方法必备前提的碳元素的生成，不能确保仅限制在精细分布的碳颗粒上，在台阶背阴区内也会形成较多的也有可能进入玻璃内的石墨灰垢。这对于玻璃制品是巨大的潜在危险。
因此本发明要解决的技术问题是开发一种用于在玻璃熔池的燃烧用空气通道内有效减少氮氧化物地加入可燃气体的方法和装置，在最大程度上解决与现有方法和装置所存在的问题，并基本上能有效地适用于所有类型的炉子，尤其是侧向布置有燃烧器的能有效减少NOx的横向火焰熔池。
出人意料地发现，通过为一个燃烧用空气通道重新配备一个按照本发明的壁段，并使之与一个可气体动力学地垫升燃烧用空气的按照本发明的垫升件相组合来作为一个火焰根部屏蔽器的主要构件，基本上避免或抑制了增碳台阶的所有副作用，并能实现有效地减少NOx。
上述技术问题按照本发明的权利要求1、2或3所述的方法和权利要求6、15和20所述的装置来解决。
优选地在一个流动阻塞件或流动障碍迎着空气入流的底部区内加入一定量的气体射流，此气体量在有关的燃烧用空气通道中的燃料流量中占1％至5％。
本发明的装置涉及一种防止燃烧用空气在玻璃熔池的燃烧用空气通道中直接流过燃料加入区的保护装置，它设计为所谓的火焰根部屏障，其特点在于一个堵塞空气路径的壁段，它与通道底和通道侧壁构成一个三侧封闭的立体角。本发明的壁段有一个明显短于通道底二分之一宽度的长度，壁段设置为基本上侧向垂直于通道侧壁地伸入燃烧用空气通道内，以及，它相对于理想的可燃气体射流下部外形轮廓线的最大高度大体等于或大于可燃气体进口直径与壁段长度的1/3之和。该壁段有利地设计为有大的壁厚，其中该阻挡空气路径的壁段宽的顶部有一个约10°的平面上升坡度，此坡度是沿空气流动方向相对于通道底面来测得。
按本发明另一项优选的设计，壁段顶部的拱顶沿燃烧用空气的入流方向仿效一个气体自由射流在垂直平面上的投影来构成。优选地该拱顶从通道侧壁到其远端有一个约20°的连续的或台阶状上升坡度。
此外，壁段面朝通道中央的垂直端面至少沿其宽度的大部分有一稳流面，它与空气流方向约成10°夹角，所以它与处于相对位置的壁段按同样大小折角的端面构成一缩窄口。
按另一种实施形式，燃烧用空气沿壁段气体动力学地上升通过带有耐火材料的壁段朝向空气入流侧的斜坡状设计来实现，所以入流的空气在其路径上沿斜坡道开始被迫上升约10°至30°，然后在末端再上升约10°。通道底大约在其中央可有一个沿燃烧用空气的流动方向约成10°下降的大体终止在壁段处的围壁通道(Schacht)。
此外，本发明还要求保护一种火焰根部屏蔽装置，它能通过安设在一个燃烧空气通道内部的一个壁段形式的用于阻挡空气途径的壁状装入构件，来气体动力学地同时还减少紊流度地垫升燃烧用空气，该燃烧空气通道的特征在于，优选地借助一个按照本发明的排挤喷管，在壁段面朝空气入流侧，尤其穿过通道侧壁将回引或复燃的废气喷入借助于所述壁段构成的火焰根部屏蔽立体角内，在这里喷入点处于立体角顶点附近，该立体角由壁段、通道底和与壁段面朝燃烧空气入流的那一侧相邻的通道侧壁构成。
废气喷入装置在上升的顶部后构成按本发明的火焰根部屏蔽装置的第二个气体动力学部件。
在燃烧用空气沿其流动阻塞件减少紊流度地上升的一项优选设计中，在燃烧用空气流动阻塞件迎着入流空气一侧的底部设有一排挤喷管。
排挤喷管的一种实施形式是设计为大体平行于通道底平放的圆柱管，它的一端用于输入一种燃烧混合气或一种可燃气体，另一端则封闭，其上制有至少一个用于排出气体的轴向纵缝。排挤喷管及其气体排出缝可通过相对于燃烧用空气流动阻塞件轴向移动和径向旋转实现定位和调整。
排挤喷管的另一种实施形式是设计为大体上垂直穿过通道底的多层外套的喷射管枪，在喷枪的两管之间由循环冷却剂构成至少一个冷却剂层，该冷却剂层有一个比喷枪短的且在端侧封闭的可输入可燃气体的外套，此外套在封闭的端侧具有至少一个沿径向定向并沿径向扩张的可燃气体排出缝，冷却剂层的环管(Umrohrung)在此处中断。排挤喷管基本上垂直定向地设置成通过通道底，使得从该喷管排出的可燃气体射流从燃烧用空气流动阻塞件的底部发射出，在此，该喷管端面沿空气流动方向的前棱边直接迎着燃烧空气入流，在这种情况下，燃气射流靠近通道底部和燃烧用空气流动阻塞件地射向与燃烧用空气流动阻塞件相连接的通道侧壁。
往燃烧用空气通道内加入燃料在壁段背对空气的流动死区中进行，且尤其可在火焰根部屏蔽的立体角内进行，由此使得燃料的喷入如此接近于这个从火焰根部屏蔽出发且三侧开启的空腔的原点，以致燃料射流的外轮廓线近似与壁段和通道底的流动正面(Fluchten)相切。
低紊流度地加入可燃气体以抑制在燃烧用空气通道内部可燃气体进口处燃烧用空气与可燃气体的强烈混合的一种优选装置是一个可燃气体燃烧器，通过此燃烧器燃气射流作为本身低紊流度的燃气射流以这样的方式加入燃烧用空气通道内，即，使燃气由燃烧器和/或燃烧器喷嘴座喷出的出口设计为一种自然的自由射流的形式，其中，燃烧器和/或燃烧器喷嘴座作为燃气出口有一般的张角约20°的扩散器的形式。
处于流动死区内的立体角中的燃料出口优选地这样定位和定向，即，使燃料射流在燃烧用空气通道内进口处的外轮廓线和/或燃烧器和/或燃烧器喷嘴座出口延长的外轮廓线近似与壁段和通道底的流动正面相切，但不相交。
优选地考虑使用适用产生自由射流的燃气燃烧器。这可以是纯自由射流燃烧器，也可以是通过调整操作对于自由射流燃烧器或紊流燃烧器的改型。
前面提到的这些燃气燃烧器的特征在于，燃烧器配设有一冷却套，并且与一圆柱形燃气供给管相连地设有一长扩散器，该长扩散器构成与燃烧器出口的连接并具有20°的自由射流张角，其中，该燃烧器有最小约50mm的燃烧器出口直径，因此比传统的燃烧器大得多，在这种情况下在燃烧器后面不设喷嘴座，而是在炉室内由燃烧器出口本身构成直接的可燃气体出口。此外，该燃烧器优选设计成，向长度约为燃气供给管直径5倍的长扩散器供给燃气的装置不包含固定的或通过调整操作装在此位置的内部配件，这样的内部配件尤其会影响管内燃气流动的轴线。
本发明的火焰根部屏蔽按一种最优选的实施方案从三个方面来实现。第一个方面是由壁段沿径向在几何上(geometrisch)完全覆盖火焰根部所实现的机械的流动保护，该壁段沿火焰轴向延伸并在其端部突然释放全部燃料射流让其与空气混合。第二个方面是壁段的气体动力学垫升作用以及随后通过优选地10°坡度的顶部造型水平地平整后续的空气流的下侧。第三个方面是抑制紊流和通过斜坡状壁段构件或通过给负压腔充填废气减少紊流度地提升燃烧空气，该负压腔由在壁段空气入流侧的立体角构成，由此通过机械的强迫流动或借助膨胀的废气，使燃烧用空气平滑和气体动力学地沿壁段上升。在此过程中此废气可在冷的状态下从外部供入，或在通道内通过可燃气体和空气或废气构成。
本发明尤其可有利地工业应用在具有从侧旁将燃料加入燃烧用空气通道内的装置的玻璃熔炉上。这些炉子在结构上有绝对的优点，但是近来由于其在作为未来解决方案的用于减少NOx的一次措施方面能力低下而面临危险。本发明的火焰根部屏蔽装置适合于弥补此缺点，并能将这种炉子类型中燃烧器数量较少的优点转化成相对于迄今占优势的下级燃烧熔池而言能更有利地减少NOx的优点。这种炉子的运行者可以保留业已证实对于玻璃生产可靠的炉子类型，不必强制采取昂贵的系统外的二次措施或按PL9224852的“3R”措施，也不必在持续运行中通过转换炉子类型来最佳地减少NOx。
通过恰当的设计可获得如下具有正面效应的副作用节省了能量、降低了炉室温度、功率提高和炉子寿命得以延长。在火焰位置可调整性方面，将本发明的装置设在燃烧空气通道的燃烧器口附近起有利的作用。
与门坎或台阶的差别是，可以没有缺点地取消从燃气喷入口到燃烧器口的较长的途径，所以改变燃烧器的角度(Brennerauswinklung)对火焰的位置有明显的影响并因而在技术上可灵活控制燃烧过程。
按本发明的装置与已知的先有技术相比有许多其他优点。
虽然本发明的火焰根部屏蔽装置的增碳效果比增碳台阶小，但采取如下措施可调整成能较多地减少NOx，即，所述造型设计工作量较小的用于屏蔽火焰根部的壁段可在任何空间维度上没有大的副作用地设计成所需要的尺寸，尤其是设计成更高，从而使得火焰根部的自由射流造型能完全避免被直接的空气入流覆盖。与空气的起始反应和混合在屏蔽的末端才允许完满地进行，而不允许在火焰根部的上部区域内就已部分进行。但在那里燃烧流构成一足够宽的正面，它以其大的表面有能力通过向周围环境辐射散热进行如此大量的换热，以致始终能避免传统的火焰根部通常因蓄热引起的绝热温度。在这里，按本发明沿空气流动方向上升的顶部在气体动力学方面有重要的作用，因为有利于空气在其分离边缘(Abrisskante)处后续的水平地平面扩展。
与之相反，在增碳台阶中，平行于通道底延伸的、以分离边终止的水平的工作台(Bank)有助于燃烧空气之后按约10°的下降角扩展，因此已公知的增碳台阶(包括梯级台阶)在流动技术上错误地或只有限地满足想象的功能，并且在火焰发展过程中偶而会对本身处于门坎后面的通道底造成高的热负荷。
与增碳台阶比较，本发明的火焰根部屏蔽装置在火焰根部处只利用很小的并不昂贵的结构性费用，就完成对火焰核心的封闭但同时只是不完全的屏蔽，有效地减少了燃料与空气的混合，并由此抑制在火焰根部处形成火焰特别热的或绝热的温度区。空气在壁段入流侧上升的有害的紊流度(这首先是由于要求强制改造设计成壁所造成)，气体动力学地通过将回引的缺氧废气或与废气或空气结合的可燃气体加入位于前面的负压区内而显著地得以减小，因此在屏蔽处新形成的第二流动死区的问题通过在那里膨胀的废气得到缓和。为了产生废气和提升空气必要时要事先使用的燃料量较小，而且有利地正好使得随空气流被夹带进来的废气在负压区能平衡地连续置换，这一点通过NOx排放的最小化可以看出。在这里不再出现蓄热和绝热温度的问题，因为供入的燃料量基本上或优选地完全在外部与废气混合并通过在炉内比一般更冷的地点燃烧。由带入炉内的残余可燃气体所造成的附加的NOx源保持很小而不引人注意。
火焰根部屏蔽装置作为一次措施例如与增碳台阶相比能容易地再配备，它具有折衷地优化功能的结构尺寸，并且无论是在流动技术上还是在气体动力学方面都是最佳的。
第三个功能方面带来的有利的副作用是，在空气进入屏蔽后的反应区之前，废气通过在壁段上流过的空气的虹吸效应从壁段前的空间混合到燃烧空气的下层内。因此在火焰的上部区，或更准确地说在燃料与空气的交界层处附加地在材料上减少了起始反应。通过更多地加入燃料以造成一个厚的废气隔离层(如由梯级燃烧已知的)在火焰根部屏蔽装置中却没有效果，因为存在众所周知的缺点，亦即在预燃处会构成一新的NOx源，在燃料过剩时通过充填废气同样可能是不利的。在火焰根部屏蔽处入流区的废气充填相宜地仅仅消除整个火焰根部在几何上已经完全获得保护时所存在的一个流动技术的缺陷，这种缺陷是壁段位于前面的结构使入流所产生的紊流，为此将废气连续充填到那里的负压区内并减少该壁段前部结构对于空气流的气体动力学影响。
有轴向燃气排出缝的排挤喷管有利的设计，保证即使它以小的可燃气体量工作，仍始终构成比较大并因而冷的火焰面，从而生成少的NOx。冲量小地供入废气通过径向的燃气排出口按几何上适配的形式直接在壁段底部区的负压区内实现。
通常彼此相对地对称排列的壁段的短结构长度，使通道底上有一大段没有气流障碍。因此在这一段的容易积炭的门坎或台阶处，现在由于有一股强烈的燃烧空气流而不再有积炭。因而熔体的质量风险不会超过利用传统通道带来的质量风险，在传统的通道中没有使流动缩窄的附件。
按一项有利的设计，燃料借助一自由射流燃烧器按本发明在火焰根部屏蔽处和至少分别偏离三个构成所述空腔的壁各约10°地喷入，其中偏离通道壁的角度最大。在这里在流动技术上特别有效地避免了在火焰根部偶然点燃。比较有利的是，壁段不需要为运行连续消耗，以及火焰根部屏蔽用此简单结构已是高效能的。
另一些优点在于，所述装置可用低的费用装备现有的设备，以及在其投入运行后，即使对于在燃料与燃烧用空气之间有强烈横向混合的熔池，也能有效地采取另一些用于减少NOx的一次措施。例如，除了可优选地使用的自由射流燃烧器外，也可利用另一些有小的燃气冲量的燃烧器来发挥其减少NOx的效果。喷嘴和燃烧器通过火焰根部屏蔽更好地得到热防护。
下面借助附图所示实施方式进一步说明本发明，其中

图1为按照本发明对火焰根部实施机械屏蔽的一种优选实施形式的透视图；图2为按照本发明对火焰根部实施全套屏蔽的另一种优选实施形式的透视图；图3示出按照本发明对火焰根部实施机械屏蔽的装置，它带有一个减小紊流度的附加块来使燃烧用空气上升；图4表示在按本发明的壁段内加入废气；
图5示出按照本发明的排挤喷管的一个实施形式，它具有一个沿径向定向的燃料和空气出口；图6表示带有径向废气出口的排挤喷管的另一种实施形式及其在壁段上的布置状况；图7表示一种有利的空气冷却式自由射流燃气燃烧器。
图1在立体示意图中表示浮法玻璃熔池的一个燃烧用空气通道1带有侧向配置的燃烧器3。燃烧用空气通道1在连续运行中配备有按照本发明的一个火焰根部屏蔽装置。为此一些横向于气流2的方向和沿气流方向在燃烧器喷嘴座或燃烧器出口3a前方可堆叠的砖块，作为壁段4重叠地设置在与通道侧壁11邻接的通道底5上，这些砖块在它们的内部支承面上有形状相配的轮廓形状。燃烧器3沿燃烧用空气流动方向安置在壁段4的后面。燃烧器喷嘴座或燃烧器出口3a延伸出的轴线偏离壁段4沿流动方向在后部的壁面4b，沿燃烧空气流2相对于壁段4壁面4b的方向水平测量，此偏离该壁面4b的角度约为10°。此同一轴线相对于通道底5的平面有一10°的垂直上升角。
作为燃烧器可采用例如在德国DE19520650中公开的所谓自由射流燃气燃烧器，或那种其出口不象传统那样连接在面朝燃烧器的燃烧器喷嘴座上而是由喷嘴本身构成此出口的燃气燃烧器。这种燃烧器表示在图7中并在后面要予以详细说明。
在后面一种情况下，燃料进口3a的直径便是燃烧器的孔径。它的尺寸例如为95mm，通道宽度为1.5m。按本发明的屏蔽火焰根部的壁段4的尺寸例如长500mm，宽250mm，高300mm。此高度相应地作为燃烧器出口3a的直径和壁段4长度的1/3之和确定，在本实施方式中燃烧器出口3a提高了的位置在计算壁段4高度时被一起予以考虑，以便补偿燃烧器出口3a的位置相对于壁段4原点10因结构引起的误差，因为燃料射流8在本实施方式中偏离优选的按本发明的定位未与通道底5相切。
在本实施方式中，燃烧器进口的下边缘在通道底5上方40mm，并且后续的假设为自由射流的射流在下部的外形轮廓线平行于通道底5地按此尺寸抬高后处于通道底5上方。要不然在燃烧射流8上部的外形轮廓线区域内会更早地掺入空气。因此壁段4恰当地设计为高出40mm。
壁段4沿其全宽有一个相对于通道底5沿气流2方向上升10°的顶部4c。
彼此相对地对称布置的壁段4较短的结构长度，给通道底5留下了一大段其上未设置阻碍空气流动附件的区段。由此这一区段通过强烈的燃烧空气流避免了积炭。因而熔体的质量风险不会超过利用传统通道带来的质量风险，在传统的通道中没有使流动缩小变窄的附件。在壁段4的远端，整个燃料射流在燃烧用空气通路7处突然被释放出而可供混入燃烧空气。
为了安装按本发明的壁段4，业已证实有两种方法是很实用的。在第一种方法中，通道侧壁11在燃烧器喷嘴座或燃烧器出口3a的侧旁可打开，以便通过从侧面插入并通过在通道1内叠层安装壁段构件。在第二种方法中通道底5从下面锯开。这一底段然后用起重平台下降、运出和丢弃。将一个新的底段和屏蔽火焰根部的壁段4一起放在起重平台上并借助它重新升入通道1内略低于老的通道底5的水平，或将壁段埋入地装在此新的通道底段内，并因而可靠地避免壁段4在通道底5上滑动。这种通过锯开通道底的方法在加工成本和加工难度方面是有利的。
上述实施方式的结果是使NOx的生成量下降约50％。同时炉子运行带来另一些有利的副作用。主要是燃料消耗量下降，炉子的顶部温度减小并因而减小对耐火材料的腐蚀。熔池的熔化功率同样明显得以提高。
图2表示火焰根部屏蔽的另一种有利的实施形式，与图1所示实施形式相比另外附加地设有用于屏蔽火焰根部的第二气体动力学部件，其屏蔽火焰根部的方式是通过在壁段4前加入废气使燃烧空气减小紊流度地上升。为了简化视图只示出了一个壁段，设在相对的那个通道侧壁上的壁段则被略去。此外，在按照本发明的壁段的此实施形式中使用了特殊的构件，它不同于普通的砖块形状，其中，壁段4的顶部4c从通道侧壁11到壁段4朝向通道中央方向的远端按一个约20°的附加上升角上升，并因而使壁段4的外部几何形状更好地与一个自然的自由射流的燃气射流形状8相匹配，以及在更好地屏蔽火焰根部的情况下，由于其较小的结构尺寸，同时对废气循环(Abgasperiode)有较小的阻塞作用以及在横向火焰熔池中有较小的空气分配副作用。按权利要求7所述的对NOx有效的壁段4的最大高度则予以保留。
在本实施方式中，作为燃烧器技术上用于加入废气的装置建议采用一种本身已公知的用于无火焰氧化的燃烧器，按其已知的设计它迄今不能用于加热玻璃熔池。这一使用限制是基于过低的废气温度和在燃烧器内的完全燃烧，但在这里这一点通过采取下列措施成为有利的它现在仅仅将废气加入炉子内并且不再出现由附加的火焰导致的附加的NOx源效应。该燃烧器从通道侧壁11那里装入，它的废气射流9沿壁段4在前部壁面4a的那一侧斜向上方地引向通道中央。所需要的废气量只占到废气总量的1至几个百分点。作为专业性补充措施，该装置还在壁段4下层附加地设有一砖块13，它能减少低位地且无效地引出的废气量而将这些废气迂回转移到高效的上方路径中。此外按照专业化措施还将壁段4后壁面4b处的燃烧射流侧设计为凹的。
在图3所示的壁段4中，代替以气体动力因素(气体动力学部件)使燃烧空气上升的是借助一机械的装置来实现燃烧空气的上升，该机械装置例如是减小紊流度的一附加砖块12，它沿空气的流动方向设置为从通道底5连续和无台阶地约成10°上升地直至壁段4的顶部4c。但此方案相对于气体动力学部件有缺点，即，对于在连续运行中的通道的重新装备尚未找到有利的方案或简单的技术，并因而该附加砖只能在熔池新建或冷维修时才能使用而在简单维修时则几乎无法接触到该附加砖块。
图4表示在壁段4内加入废气用于按本发明气体动力学地使燃烧空气上升。该壁段4由适当成形的壁段构件14构成，其中上部的壁段构件14作如下的改造缩短其在前部壁面4a侧的支承板14a而使该支承板14a非形状封闭地位于下部的壁段构件14上方，并因而构成一个出气缝15，由废气输入孔6穿过壁输入的废气可通过该出气缝15流出。在图4中由对于壁段4的剖面可以看出其内部结构，壁段4端侧封闭的耐火层在图4中却没有示出。从通道侧壁11将废气加入壁段4的上部壁段构件14内可借助一种已知的设计结构来进行，该设计结构由废气输入孔6和已公知的(图中未示出的)带有陶瓷燃烧管的用于无火焰氧化的燃烧器组成。在图中没有示出的另一个替代方案中，在一个结构紧凑的壁段上制有一盲孔，该盲孔在图4中所表示的类似位置上有一侧缝。在燃烧周期内可向该盲孔内喷入可燃气体、废气或一种可燃的气体混合物。
图5表示按照本发明的一种带有径向定向的燃料和空气出口的排挤喷管的剖视图，其中，在此图中的冷端27相对于为实施此方法和装置重要的热端26顺时针旋转90度示出。通过一个冷却水进口20引入一个外部的水循环，该水循环在热端26的端板22附近具有一个水冷套环管形式的半圆柱形的外部缺口。此缺口释放一个径向的可燃气体出口16和一个径向的空气出口17。在未示出的俯视图中这些出口大体成半圆形。冷却水循环与可燃气体出口16通过一个截锥段23的外套隔开，其中，该截锥段外套同时使燃气射流的上部侧面从轴向的入流向径向偏转约50°。该截锥段外套与本身有约70°径向偏转的扩散段24一起，迫使燃气射流在可燃气体出口有一出口角，它相对于径向平面有一个30°的上升角。该间隙状开口本身有一张开角为20°，因而在一剖切面内满足(即使只是部分满足)构成自然的自由射流的准则。径向的空气出口17同样按已提及的部分自由射流准则向上通过扩散段24的下侧和向下通过盘段25构成。其结果是在燃气自由射流下层是空气自由射流，它的下部外套平行于径向平面延伸。这一点对于此方法是重要的，因为在通道底的装配状态下同样平行于径向平面延伸并因而空气不对准通道底定向。所形成的火焰通过两个自由射流尽最好可能地得到稳定以及同时尽最大可能地邻近通道底，同时又不对着通道底定向。冷端27作为介质接头具有可燃气体接头18、空气接头19、冷却水进口20和冷却水回流口21。冷却水进口和回流口为了避免高的结构性费用设计为半壳状，在另一种多外套式设计中缺点便是有高的结构性费用。所述排挤喷管对于可燃气体和雾化空气优选用近似的气压工作。仅仅为了清楚表明该排挤喷管的作用原理，在图5中的空气出口才表示为与燃气出口相比有近似相同的大小。而通常为了实施此方法，决定流通量大小的最小的空气缝隙尺寸要比可燃气体的开缝尺寸大许多倍。
图6简略地表示一个具有轴向缝隙30的排挤喷管28，它水平安装在壁段4底部的立体角内并处于壁段4迎着燃烧空气2入流的那一侧4a。
在本实施方式中，该排挤喷管28具有两个轴向缝30，它们相对于入流的燃烧空气如此定向，即，使从缝30排出的废气通过进气冲量和气体热膨胀构成一个气体动力学的废气扰流器，它减小紊流度地提升燃烧空气越过壁段4形式的流动障碍。由于该排挤喷管通过壁孔29可移动和可转动地装在通道侧壁11的冷侧(图中未表示)，因此可方便地调节喷管的位置。
图7表示燃烧器(当要优选产生可燃气体自由射流时)用于产生可燃气体自由射流的一种可能的实施形式。燃烧过程的技术对产品质量、能量经济性、工业炉的预期寿命和生产能力也有大的影响。但它对于NOx的生成有特别大的影响。对用于玻璃熔池的燃气燃烧器而言业已证实特别有效的是一种所谓的自由射流燃气燃烧器，它能在很大程度上减少生成氮氧化物。
按本发明使用的燃烧器优选是一种可改型的燃烧器，它不需要喷嘴座，而是设计为全金属封闭的和可冷却的，其中一个长扩散器构成外部的燃气流动空间，在此空间内设一可轴向移动的圆柱形燃气供给管，而冷却空气则可借助一个可调节的冷却空气流转向装置作为外包络的燃烧用一次空气流供给燃烧器出口。因此火焰的特性可基本上调整为和传统结构的燃烧器中的一样。在有不清楚的原因破坏质量的情况下，可按照保证质量的老经验采取已公知的手段和措施来进行调整。为此只需要通过在扩散器根部区内对中央喷嘴实施定位来调整燃烧器。因此可以构成一种过去早已公知的强紊流的火焰，它可按选择再借助一次空气进一步改进成能获得灵敏迅速的起始反应。因此可以利用以前的对于保证质量的炉子运行方式的笔录。以自由射流方式来有效工作的燃烧器的运行方式因而可通过以传统的燃气射流为基础逐步调整来实现。
下面说明作为自由射流燃烧器的燃烧器结构，这种燃烧器优选地与按照本发明的壁段和气体动力学地使燃烧空气上升相结合使用。
为此，圆柱形中央喷嘴管35由长扩散器33全面回撤，中央喷嘴管35的喷嘴出口36距离长扩散器33的根部37有圆柱形燃气供给管32直径五倍远地定位在燃气供给管32内。冷却空气流转向装置41堵塞了燃烧用一次空气流40在冷却套31与燃烧器安装座39之间进入燃烧器插入孔38缝隙内的路径。在燃烧器出口34排出低紊流度的燃气自由射流。减弱外界空气的掺入、和随后利用带有高成分碳颗粒的可燃气体来实施增碳以及只是在火焰的一个大表面区内亦即在有良好的热辐射条件的区域内才实施点火，都是降低燃烧器NOx排放的调节手段，这些调节手段可靠地避免了通常很高的或甚至绝热的火焰温度。
权利要求
1.一种在玻璃熔池的燃烧用空气通道内减少氮氧化物的方法，其特征为为了防止燃烧用空气直接流过在燃烧用空气通道内部的燃料射流注入区，借助一个沿径向几何尺寸完全覆盖此区域的机械的燃烧用空气流动阻塞件构成一个流动死区，它沿气流方向与燃烧用空气流动阻塞件连接作为与通道底基本平行的流动死区，其中，整个燃料射流在燃烧用空气流动阻塞件的远端突然可让燃烧用空气通道处的空气混入。
2.一种在玻璃熔池的燃烧用空气通道内减少氮氧化物的方法，其特征为往流动障碍前的涡流区内喷入至少一束气体射流，使原本在那里存在的负压区通过主动和动态地充填如此大量的气体后，借助该气体的热膨胀就能在此区域内基本上形成一个小的过压。
3.一种在玻璃熔池的燃烧用空气通道内减少氮氧化物的方法，其特征在于该方法是权利要求1和2所述方法的组合。
4.按照权利要求2或3所述的方法，其特征为所述气体射流优选作为气体层加入所述流动阻塞件/流动障碍迎着空气入流的底部区内，所加入的气体量为所涉及的燃烧用空气通道内的燃料流的1％与5％之间。
5.按照权利要求1至4之一所述的方法，其特征为所述可燃气体作为预成形的自然的自由射流喷入在燃烧用空气流动阻塞件下游的一个三侧封闭的立体角内。
6.一种实施按照权利要求1、3、4或5所述方法以构成一个防止燃烧用空气直接流过在燃烧用空气通道内部的燃料射流区的流动死区的装置，其特征在于一个阻挡空气路径的壁段(4)，它与通道底(5)和一个通道侧壁(11)构成一个三侧封闭的立体角。
7.按照权利要求6所述的装置，其特征为所述壁段(4)具有一个明显短于通道底(5)二分之一宽度的长度，该壁段(4)设置为基本上垂直于通道侧壁(11)地伸入燃烧用空气通道(1)内，以及，它相对于理想自由射流(8)下部外形轮廓线的最大高度大体等于或大于所述可燃气体进口(3a)直径与1/3壁段(4)长度之和。
8.按照权利要求6或7所述的装置，其特征为所述壁段(4)的顶部(4c)至少沿其长度的一部分以及至少沿其宽度的大部分，设有一沿燃烧用空气(2)流动方向平面地上升的、带有尖锐的分离棱边的空气导引面。
9.按照权利要求8所述的装置，其特征为所述上升平面的坡度设计为相对于后续的通道底具有一个约10°的上升角。
10.按照权利要求6至9中一项或多项所述的装置，其特征为所述壁段(4)顶部(4c)的拱顶沿燃烧用空气(2)的入流方向仿效一束气体自由射流在垂直平面上的投影来构成。
11.按照权利要求10所述的装置，其特征为所述顶部(4c)的拱顶从通道侧壁(11)到其远端有一个约20°的连续或台阶状坡度。
12.按照权利要求6至11之一所述的装置，其特征为所述壁段(4)面朝通道中央的垂直端面至少沿其宽度的大部分有一稳流面，它与气流方向约成10°夹角，所以它与一个处于相对位置的壁段(4)按同样大小折角的端面构成一缩窄。
13.按照权利要求6至12中一项或多项所述的装置，其特征为燃烧用空气流动阻塞件面朝空气入流的那一侧呈斜坡道状地配备耐火材料(12)，使入流的空气在其路径上沿此斜坡道一开始被迫上升约10°至30°，然后在该斜坡道末端再上升约10°。
14.按照权利要求13所述的装置，其特征为所述斜坡道设计为水平的平坦面；所述通道底在该斜坡道的长度上及其延长线上沿气流方向相对于该水平面约成10°下降。
15.一种实施按照权利要求2、3或4所述方法用于喷入一束气体射流的装置，其特征为在燃烧用空气流动阻塞件的空气入流侧的底部，设有一个用于输入至少一束气体射流的排挤喷管。
16.按照权利要求15所述的装置，其特征为所述排挤喷管设计为大体平行于通道底平放的圆柱管，它在其一个端侧有至少一个输入一种气体混合物或一种可燃气体的输入孔，它的另一端侧则封闭，该圆柱管上制有至少一个轴向纵缝用于排出气体。
17.按照权利要求16所述的装置，其特征为通过使排挤喷管通过通道侧壁上的一个孔大体水平地插入通道内，以及通过在通道外部使排挤喷管的杆装在至少一个管夹内，所述排挤喷管及其气体排出缝可通过相对于燃烧用空气流动阻塞件轴向移动和径向旋转地定位和调整。
18.按照权利要求15所述的装置，其特征为所述排挤喷管是一个大体上垂直穿过通道底的多层外套的喷射管枪，在该喷枪的两管之间由循环的冷却剂构成至少一个冷却剂层，该喷枪有一个比其短的端侧封闭的气体输入外套，此外套在封闭的端侧有至少一个沿径向定向和沿径向扩张的气体排出缝，在这里冷却剂层的环管中断。
19.按照权利要求18所述的装置，其特征为所述排挤喷管基本上垂直通过通道底地如此定向和设置，使得由排挤喷管排出的可燃气体射流优选从燃烧用空气流动阻塞件的底部处的这样一些位置上发出，即，在这样的位置，该燃烧用空气流动阻塞件的端面沿气流方向的前棱边直接迎着燃烧用空气入流，在这种情况下，在通道底附近和在燃烧用空气流动阻塞件附近的所述射流对准与燃烧用空气流动阻塞件相连的通道侧壁。
20.一种实施按照权利要求5所述方法的装置，用于抑制在燃烧用空气通道内部的可燃气体进口处燃烧用空气与可燃气体的强烈混合，以便低紊流度地将可燃气体加入池窑的燃烧用空气通道内，其特征为往一个燃烧用空气通道内加入可燃气体的燃烧器的燃气射流，作为本身低紊流度的燃气射流以这样的方式加入该燃烧用空气通道内，即，燃气从燃烧器和/或燃烧器喷嘴座的出口设计为一种自然的自由射流的形式，其中，燃烧器和/或燃烧器喷嘴座作为燃气出口具有张角约为20°的一般的扩散器的形式，以及该扩散器的长度大于其最小直径。
21.按照权利要求20所述的装置，其特征为所述燃料出口在所述处于流动死区内的立体角内这样定位和定向，即，使燃料射流在其进入燃烧用空气通道内进口处的环形线和/或燃烧器和/或燃烧器喷嘴座出口延长的环形线，近似与壁段和通道底的流动面相切，但不相交。
全文摘要
本发明涉及一种减少玻璃熔池中氮氧化物的燃烧装置，该玻璃熔池有优选将燃料侧向加入其燃烧用空气通道中的装置，借助于设在燃烧用空气通道中的壁段抑制燃烧用空气与可燃气体的交叉流动，通过用废气充填负压区，减少壁段处的空气涡流并产生一次的低紊流度火焰根部，该火焰根部基于自由射流状的可燃气体加入。所述壁段和废气充填共同构成一种所谓的火焰根部屏蔽。二次的自由射流这样保持，即，令可燃气体射流的加入在火焰根部屏蔽的本影中进行。所述壁段优选沿入流的燃烧用空气的流向看过去具有一个气体自由射流的理想投影后的形状。涡流腔的废气充填优选地借助于一个排挤喷管通过加入废气和/或燃料进行，并在壁段前构成一种气体动力学的废气扰流器，它使入流的燃烧用空气紊流度减少地上升越过该壁段。该排挤喷管优选具有至少一个轴向气体排出缝，它水平地位于壁段在空气入流侧的底部处，并可相对于该壁段沿轴向和径向定位。
文档编号C03B5/00GK1449364SQ01814978
公开日2003年10月15日 申请日期2001年7月5日 优先权日2000年7月5日
发明者弗兰克·赫格沃尔德, 彼得·赫曼, 赫尔穆特·希尔曼 申请人:科特布斯玻璃设计及技术有限责任公司