在分级燃烧中减少结垢的制作方法

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本申请要求于2017年10月13日提交的美国临时申请序列号62/571,934的权益，该临时申请以引用方式并入本文。

本发明涉及工业熔炉中的燃烧，诸如玻璃熔炉、水泥窑、焚烧炉等。还涉及分级燃烧以减少氮氧化物的形成。

背景技术：

分级燃烧用于熔炉，例如氧燃料玻璃熔炉，以减少氮氧化物的产生和排放。在分级燃烧中，燃料和气态氧化剂以亚化学计量比进料到燃烧区并燃烧。以亚化学计量是指与燃料一起进料的气态氧化剂的量不足以完全燃烧进料的燃料。靠近高温火焰的较低氧和氮浓度减少了形成的氮氧化物的量。完成燃料燃烧所需的氧化剂(在此称为“分级氧气”)量的余量被进料到燃烧单元内的不同位置。然而，现已发现，当进行分级氧-燃料燃烧时，用于进料分级氧的端口开口非常容易结垢和劣化，从而快速堵塞该端口开口。

本发明解决了分级燃烧的这些弊端。

技术实现要素：

本发明的一个方面是一种在熔炉中燃烧燃料的方法，包括：

(a)将第一燃料流进料到所述熔炉中，将第一气态氧化剂流进料到所述熔炉中，其提供的氧气量少于完全燃烧进料到所述第一燃料流中的所述燃料所需的氧气量，并且在所述熔炉中使所述第一燃料流中的所述燃料与所述第一气态氧化剂流中的所述氧气燃烧，以产生燃烧产物和未完全燃烧燃料的混合物；

(b)将第二燃料流进料到凹入所述熔炉的壁中并朝向所述熔炉内部开口的端口的内部空间中，并将第二气态氧化剂流进料到所述端口的所述内部空间中，其量相对于进料到所述第二燃料流中的所述燃料提供化学计量过量的氧气，以及在底部位于所述端口内的火焰中燃烧进料到所述端口的所述内部空间的所述燃料和气态氧，以将所述端口加热到至少1500华氏度，并产生第二混合物，所述第二混合物包含所述燃烧的产物和来自所述第二氧化剂流的未反应的氧气，所述第二混合物处于至少1500华氏度的温度并填充所述第二端口；并且

(c)将所述第二混合物通入所述熔炉中，并在所述熔炉中使未完全燃烧的燃料与所述未反应的氧气燃烧。

本发明的优选实施方案是一种生产熔融玻璃的方法，包括：

将包含选自钠和钾的氧化物、氢氧化物、硅酸盐和硫酸盐及其混合物的材料的玻璃制造成分进料到玻璃熔炉中，并在所述熔炉中通过燃烧的热量熔化所述玻璃制造成分，所述燃烧通过以下步骤产生：

(a)将第一燃料流进料到所述熔炉中，将第一气态氧化剂流进料到所述熔炉中，其提供的氧气量少于完全燃烧进料到所述第一燃料流中的所述燃料所需的氧气量，并且在所述熔炉中使所述第一燃料流中的所述燃料与所述第一气态氧化剂流中的所述氧气燃烧，以产生燃烧产物和未完全燃烧燃料的混合物；

(b)将第二燃料流进料到凹入所述熔炉的壁中并朝向所述熔炉内部开口的端口的内部空间中，并将第二气态氧化剂流进料到所述端口的所述内部空间中，其量相对于进料到所述第二燃料流中的所述燃料提供化学计量过量的氧气，以及在底部位于所述端口内的火焰中燃烧进料到所述端口的所述内部空间的所述燃料和气态氧，以将所述端口加热到至少1500华氏度，并产生第二混合物，所述第二混合物包含所述燃烧的产物和来自所述第二氧化剂流的未反应的氧气，所述第二混合物处于至少1500华氏度的温度并填充所述第二端口；并且

(c)将所述第二混合物通入所述熔炉中，并在所述熔炉中使未完全燃烧的燃料与所述未反应的氧气燃烧。

附图说明

图1是可以实施本发明的熔炉的一部分的剖视图。

图2是可以实施本发明的熔炉的壁的一部分的前侧平面图。

图3是可以实施本发明的熔炉的透视图。

图4是可以实施本发明的熔炉的另一个实施方案的一部分的剖视图。

图5是可以实施本发明的熔炉的另一个实施方案的壁的一部分的前侧平面图。

图6是可以实施本发明的熔炉的又一实施方案的壁的一部分的前侧平面图。

具体实施方式

本发明可用于包括封闭空间的任何类型的熔炉，在该封闭空间中产生燃烧以加热存在于该封闭空间中的材料。加热可用于熔化或熔合材料(诸如通过玻璃熔炉和水泥窑)，或用于焚烧材料(诸如通过焚烧炉)。如下所述，一个优选的应用是玻璃熔炉，尤其是熔化材料的玻璃熔炉，这些材料易于散发出能够在燃烧器及其相关端口的表面上可以冷凝的物质。

本发明在熔炉中实施，其中前述第一燃料流和前述第一气态氧化剂流通过一个或多个在本文描述中称为出口的开口向熔炉内部进料，并且其中前述第二燃料流和前述第二气态氧化剂流通过一个或多个在本文描述中称为端口的开口向熔炉内部进料。

根据常规设计(包括熔炉的尺寸和对熔炉中待加热或熔化的材料的燃烧热量的期望分布)考虑，可以实施本发明的熔炉可以具有一到五十个出口，以及一到五十个端口。典型地，出口和端口位于熔炉的相对的壁上，即位于熔炉的两侧。本文描述了出口和端口的进一步优选布置。

图3示出了可以实施本发明的代表性熔炉100。壁1形成前述的封闭空间，该封闭空间容纳要在熔炉中加热或熔化的材料101。典型地，熔炉还具有由壁支撑的顶部(未示出，以便更好地示出熔炉的内部)，该顶部有助于抑制熔炉中产生的热量。示出了如本文所述的出口4和端口5，通过出口4和端口5氧化剂和燃料被进料和燃烧，本文进一步描述了相应的氧化剂的源10和11以及燃料的源14和15。图3示出了在一个壁1中的三个出口4和三个端口5，并且从源10、11、14和15延伸的进料管指示在面对的壁1中存在三个出口和三个端口。

然而，可以实施本发明的熔炉可以沿着每个壁具有额外的出口4和额外的端口5，如本文所描述的那样发挥作用。

图1和图2示出了出口4和端口5的一种代表性布置，利用该布置可以实现本发明。图1示出了壁1的一部分的横截面，该壁1是限定了封闭内部空间2的多个壁中的一个，封闭内部空间2中产生了燃烧。在该截面图中示出了一个代表性出口4和一个代表性端口5。

在图1中，出口4包括内部空间6，该内部空间6从壁1的内表面3凹进，并向熔炉的内部空间2开口。可以实施本发明的出口4可以改为与壁1的内表面3齐平，这意味着燃料和气态氧化剂从它们被进料的相应通道直接进入熔炉内部。图4描述了该实施方案。

端口5包括内部空间7，该内部空间7从内表面3凹进，并且朝向内部空间2开口。在图1和图2所示的该实施方案中，出口4位于比端口5更高的高度。优选地，如图2所示，在竖直方向上，出口4位于端口5正上方。如果有多于一个出口，它们优选地为排列在同一水平面上，如图2所示。类似地，如果存在多于一个端口，它们优选地为排列在同一水平面上，如图2所示。

在其他实施方案中，端口5可以在出口4上方，如图5所示。图6描绘了可以实施本发明的另一个可能的实施方案，其中每个出口4与两个端口5相关联，其中一个端口在出口4上方，而另一个端口在出口4下方。在任一实施方案中，燃料和气态氧化剂以与本文中参考图1和图3所述相同的方式从出口4和端口5的源进料到出口4和端口5。

再次转向图1，出口4包括氧化剂出口8，气态氧化剂从氧化剂出口8进入空间6。该气态氧化剂从合适的源10进料，该源10可以打开和关闭氧化剂流，并控制氧化剂流入空间6的流量和速度。出口4还包括燃料出口12，燃料从燃料出口12进入空间6。该燃料从合适的源14进料，该源可以打开和关闭燃料流，并控制燃料流入空间6的流量和速度。出口8优选地为环形空间，与出口12同心并环绕出口12，如图2所示。

端口5包括氧化剂出口9，气态氧化剂从该出口进入空间7。该气态氧化剂从合适的源11进料，该源11可以打开和关闭氧化剂流，并控制氧化剂流入空间7的流量和速度。端口5还包括燃料出口13，燃料从燃料出口13进入空间7。该燃料从合适的源15进料，该源可以打开和关闭燃料流，并控制燃料流入空间7的流量和速度。氧化剂出口9优选地为环形空间，与燃料出口13同心并环绕燃料出口13，如图2所示。相同的源可以提供进料到氧化剂出口8和9的气态氧化剂，只要氧化剂到出口8和9的流量可以单独控制。相同的源可以提供进料到燃料出口12和13的燃料，只要到燃料出口12和13的燃料流可以单独控制。

前述出口和端口可以形成在熔炉的现有壁1中，或者它们可以形成在预组装的燃烧器块中，该燃烧器块装配在壁1中的相应空间中并连接到相应的源10、11、14和15。在任一实施方案中，内部空间6(当存在时)和7从熔炉的最近壁1的内表面3测量的深度通常为3至10英寸。其中存在出口4和端口5的壁1以及燃烧器块(如果使用燃烧器块的话)应当由能够承受超过1500华氏度至3500华氏度的温度而不熔化或分解的材料构成。适用于这种用途的材料在高温炉的领域中是众所周知的，并且包括耐火无机材料，诸如azs。

进料到氧化剂出口8和9的氧化剂每个优选地为至少70体积％的氧气，更优选地至少90体积％的氧气。

进料到燃料出口12和13的合适燃料优选地为在25摄氏度下为气态的任何碳氢化合物或碳氢化合物的混合物。示例包括天然气、甲烷、乙烷、丙烷和丁烷及其混合物。

在操作中，气态氧化剂和燃料从它们各自的源进料到出口4，并且从它们各自的出口8和12出来，进入出口4的内部空间6(在图1的实施方案中)或者直接进入熔炉内部(在图4的实施方案中)，并且燃烧。进料到一个或多个出口4的燃料和氧化剂以相对比率进料，使得相对于进料到一个或多个出口4的氧气量，存在化学计量过量的燃料。也就是说，进料到出口4的氧化剂中存在的氧气量应该小于进料到出口4的所有燃料完全燃烧(即完全转化成h2o和co2)所需的氧气量。进料到出口4的氧化剂流中的氧气量应该是进料到出口4的燃料完全燃烧所需的氧气量的5％至50％，并且优选地在进料到出口4的燃料完全燃烧所需的氧气量的20％至36％的范围内。基于对氧化剂流的氧含量以及氧化剂流和燃料流的流量的了解，可以容易地满足合适的化学计量比。

出口4处的典型流量为：氧化剂，每秒10至50英尺；以及燃料，每秒70到250英尺。

在出口4处进料的燃料和氧化剂的燃烧在熔炉中产生燃烧产物的混合物，其包括未完全燃烧的燃料，其在本文中是指选自如上所述的没有与氧完全反应的碳氢化合物、一氧化碳、元素碳和部分氧化的碳氢化合物的物质。这种燃烧产物混合物的典型温度为1500华氏度至2800华氏度。

当燃烧在出口4发生时，燃料和气态氧化剂也被进料到端口5。也就是说，气态氧化剂和燃料从它们各自的源、通过它们各自的出口9和13被进料到端口5的凹陷的内部空间7中，并且被燃烧以形成火焰51，火焰51的底部52在内部空间7中，并且火焰51延伸到熔炉的内部空间2中。进料到内部空间7中的燃料和氧化剂以相对比率进料，使得相对于进料到空间7中的燃料，存在化学计量过量的氧气。也就是说，进料到内部空间7中的氧化剂应当以一定的比率进料(考虑到被进料的气态氧化剂的氧含量)，该比率提供足够的氧气以完全燃烧(即完全转化为h2o和co2)进料到空间7中的所有燃料，以及额外的氧气以与在出口4处燃烧产生的燃烧产物的混合物中的未完全燃烧的燃料燃烧。在进料到端口5的燃料中，20％至95％的燃料在内部空间7中燃烧，其余的在熔炉中燃烧。内部空间7中的燃烧产生氧气和燃烧产物(以及任何未燃烧的燃料)的热混合物，其温度为1500华氏度至3500华氏度，其填充内部空间7并进入熔炉。

根据氧化剂的氧含量、进料到端口5的氧化剂流量和进料到两个端口的燃料流的流量，可以容易地确定进料到端口5的氧的合适化学计量比。

端口5处的氧化剂典型流量为每秒10至60英尺。燃料进入端口5的流量应该至少为每秒100英尺，通常为每秒100至1000英尺，并且优选地为每秒300至700英尺。这种燃料的速度有助于向熔炉提供足够的热传递。

为了熔炉操作的整体效率，进料到出口4和端口5的氧化剂流中提供的氧气总量应该足以完全燃烧进料到出口4和端口5的所有燃料。与仅在出口4处燃烧所有燃料所产生的氮氧化物形成物相比，通过仅部分燃烧进料到出口4的燃料并将未完全燃烧的燃料送入熔炉中，然后将未完全燃烧的燃料与从端口5进入熔炉中的氧气更完全地燃烧，来分级燃烧进料到熔炉中的燃料，导致较少的氮氧化物形成物(这意味着氮氧化物和氮氧化物混合物)。为了分级燃烧和减少氮氧化物的形成，用于燃烧进料到熔炉的燃料的氧气的20体积％到30体积％应该被进料到出口4，并且剩余的氧气应该通过端口5进料。此外，相对于进料到出口和端口的燃料总量，优选5体积％至50体积％的燃料进料到端口。通过将端口5与出口4间隔约3至12英寸，本发明实现减少氮氧化物形成的能力可以得到增强。

进料到每个端口5中并在那里燃烧的燃料量应该足以将内部空间7中的温度保持在1500华氏度或更高的温度，但不会高到导致形成端口5的固体材料熔化或分解。

在端口5处燃烧燃料提高了端口5的内部7的温度，并提高了内部空间7内的表面以及内部空间7与表面3相交的熔炉表面3的温度。这些位置的温度升高提供了许多优点。

一个显著的优点是减少或消除了内部空间7和表面3上固体沉积物的形成。发明人已经确定，在使熔炉内部温度达到1500华氏度至3500华氏度的熔炉操作过程中，熔炉内大气中的处于气态的物质或细分的悬浮颗粒状态的物质可能凝结在内部空间7的表面上或表面3上，因为将氧化剂送入并通过第二端口5使这些表面相比熔炉内大气的其余部分较冷。无论这些冷凝的沉积物是固体还是液体，沉积物的形成都会导致操作困难，诸如开口变窄和堵塞、火焰的均匀性丧失、压力变化以及沉积物碎片落入熔融玻璃104并损害熔融玻璃104的质量或均匀性。

本发明的减少或消除这类沉积物的形成的优点在玻璃熔炉的操作中特别有价值，因为通常被送入玻璃熔炉并在其中熔化的玻璃制造材料通常包含在被加热到玻璃熔化温度时形成产品的材料，该产品包括钠和/或钾的氧化物、氢氧化物和/或硫酸盐，或者甚至完全还原的金属钠和/或金属钾。这些产品可以进入熔炉中的气体环境，然后可以冷凝以在第二端口5中和第二端口5处的熔炉表面上形成前述沉积物。

因此，本发明的一个特别优选的方面是一种操作玻璃熔炉的方法，其中将包含选自钠的氧化物、氢氧化物、硅酸盐和碳酸盐以及钾的氧化物、氢氧化物、硅酸盐和碳酸盐及其混合物的材料的玻璃制造材料送入熔炉中，并通过燃料燃烧的热量熔化，其中燃烧包括使用在第一和第二端口处进行的分级燃烧以本文所述的方式燃烧燃料和氧化剂，燃料在如本文所述的第一和第二端口两者处燃烧。

如现在将要描述的，本发明的一个特别优选的实施方式是在玻璃的制造中。再次参考图3，如本文所述，熔炉100包括壁1和出口4以及端口5。玻璃制造材料101在进料站102被送入熔炉。典型的玻璃制造成分包括纯碱、硝石、硅石、硅酸钠和/或碎玻璃片(“碎玻璃”)。熔炉100中的燃烧热量熔化玻璃制造材料101并形成熔融玻璃105，熔融玻璃105在卸料站103从熔炉100中取出，用于由104表示的进一步加工，该加工可包括澄清和玻璃制造中常规的其它步骤。

玻璃熔炉内部的温度足够高，使得一些气态物质可以从熔融玻璃105散发到熔融玻璃105上方的熔炉内部的大气中。这些气态物质可以包括氢氧化钠、氧化钠、氢氧化钾、氧化钾、元素钠蒸气、元素钾蒸气中的任何一种或多种，或者在1500华氏度或更高温度下为气态并且在1500华氏度以下为液态或固态的其他物质。如本文所述的使用出口4和端口5的燃烧操作抑制或防止这些气态物质在出口4内和端口5内的表面上凝结为液体或固体，并抑制或防止这种凝结出现在开口6和7与熔炉表面3相交的表面3上。

因此，当进料到端口5中的气态氧化剂处于环境温度，即20摄氏度至40摄氏度的温度时，本发明能够实现这些优点。也就是说，没有必要给进料到端口5的气态氧化剂预热。

下表1列出了本发明的优选操作条件：