CN101636357B - 制造矿物熔体的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造矿物熔体的方法，包括：提供循环燃烧室(1)，该循环燃烧室包括上部区域(2)、下部区域(3)和基部区域(4)；将颗粒燃料、颗粒矿物材料和具有按体积计至少25％的选择性氧含量的主燃烧气体喷入循环燃烧室的上部区域，使得燃料在上部区域热解产生炭，从而熔融颗粒矿物材料以形成矿物熔体，并产生废气；将选择性地具有按体积计至少25％的氧含量的二次燃烧气体喷入循环燃烧室的下部区域，使得炭燃烧，从而使燃料完全燃烧；以及从热的废气分离矿物熔体，使得热的废气通过循环燃烧室的出口，并在基部区域收集矿物熔体。选择性地使该熔体纤维化。本发明还涉及适合于在该方法中使用的装置。

Description

制造矿物熔体的方法和装置

技术领域

本发明涉及矿物熔体的制造，通过在存在有无机颗粒材料的情况下燃烧可燃材料，从而形成熔体。然后使该熔体纤维化以形成矿物纤维或用于其它工业处理。

背景技术

传统地，制造用于矿渣纤维、石头纤维或岩石纤维的熔体的常规方法是使用竖炉，其中，通过炉内可燃材料的燃烧，无机颗粒材料的自支持材料堆被加热。该材料堆逐渐熔融，并从顶部进行补充，熔体沿材料堆向下流动，并从炉底排出。用于此目的的常见炉是冲天炉。

材料堆必须是自支持的，并且通常由于材料堆中含碳材料燃烧所产生的燃烧气体能透过该材料堆。因此，材料堆中的所有物质必须相对较粗(以便使材料堆有渗透性)，并具有高的物理强度，并且在燃烧或熔融很好地进展之前不会塌陷。实践中这是指，含碳材料是焦炭，颗粒材料是粗大的粉碎岩石、粉碎石头或粉碎矿渣，或者是由微小颗粒材料形成的块。

因此，如果可用的材料只能是细分的形式，那么必然将导致将其成块化的开支和不方便增加。成块化通常使用含硫材料作为粘合剂，例如含有石膏的普通硅酸盐水泥(Portland cement)，这意味着排出物倾向于具有高的含硫量，这是必须进行处理的。

冲天炉或其它料堆炉系统还具有这样的缺陷，即：炉内的条件总是倾向于充分地还原，使得一些铁被还原成金属铁。因此，这就导致必须从熔体中分离出金属铁，减少了矿棉产量，导致废铁的形成，而且在容纳铁和矿渣的区域中还往往存在发生腐蚀的危险。

另一个缺陷是该方法的热效率不高。

尽管有这些缺陷，使用冲天炉或其它料堆炉的方法一直在全世界广泛采用，来制造岩石纤维、石头纤维或矿渣纤维。

在申请人的早期专利申请公开WO03/002469中公开了一种替代的和完全不同的用于生产矿物熔体的系统，其避免或减少了冲天炉系统的缺陷。该系统包括在预热的燃烧空气中悬浮粉末状的煤或其它燃料，以及在循环燃烧室中在存在有悬浮颗粒矿物材料的情况下燃烧悬浮燃料，循环燃烧室是这样一种燃烧室，其中，悬浮的颗粒材料和空气在旋风循环系统或类似于旋风循环系统的系统中循环。这通常被称为旋风炉。

在预热空气中悬浮的煤和颗粒矿物材料通过燃烧室顶部或在燃烧室顶部附近被引入。在燃烧室中，颗粒煤发生燃烧，颗粒材料被转变成熔体。熔体和还未熔融的颗粒材料被循环气体甩到燃烧室的壁上并沿燃烧室向下流动。

在WO03/002469中，燃烧室优选地向下通到一个大的沉降槽，该沉降槽具有相当大的容积。可以布置一气体燃烧器或其它装置，用于向沉降槽提供额外的能量，以便提高废气的温度。该燃烧器朝向沉降槽的顶部定位。没有熔体的废气通过燃烧室顶部的管道从沉降槽或燃烧室向上排出。

在WO03/002469中为了提高旋风炉的能量效率，使用以温度范围在1400～1700℃离开循环室的废气来预热颗粒材料，从而利用而不是浪费该热能。这一步骤可以在还原氮氧化物(NOx)的条件下进行，从而减小了废气的环境影响。然后废气经过另一个热交换器，废气通过该热交换器与燃烧空气间接换热。

与冲天炉或其它料堆炉相比，旋风炉具有明显的优点。对于燃料而言，旋风炉避免了将细颗粒制块的需要，并且可以使用各种燃料，包括例如塑料。使用熔炼旋风炉消除了将矿石还原成铁的风险，并且释放出合乎环境要求的废气。熔融能力的灵活性比冲天炉好得多，这意味着生产能够容易和快速地例如从总能力的40％切换到100％，从而大大减少了响应需求变化所花的时间。此外，旋风炉中的熔融比冲天炉更快，其数量级为分钟，而不是小时。

因此，使用熔炼旋风炉系统在经济上和环境方面是理想的，在WO03/002469中公开的系统可以很好地工作。然而，还存在对该方法改进的余地。

特别地，尽管采取了若干步骤来回收在制造熔体时使用的大量能量，但是不可避免的是由于沉降槽的大容积和所用的大量燃烧空气而导致大量能量损失。期望的是进一步提高系统的能量效率。

WO03/002469提出了在图2中示出的第二实施例，其中，沉降槽被处于燃烧室基部的相对小的收集区代替。由于使能量发生损失的装置容积减小，这种系统增大了能量效率。然而，发明人发现在该系统中熔体品质降低。

在制造矿物纤维的方法中，例如在WO03/002469中，熔体的纯度极其重要，因为它对制造的矿物纤维的质量有直接的影响。

US4,365,984也涉及使用熔炼旋风炉生产矿棉，并且包括将含有无机不可燃成分和有机可燃成分的颗粒废料供给到燃烧空气中。如在WO03/002469中一样，该系统包括大的收集区。废气在热交换器中被冷却，据说废热适合于干燥煤或其它废料，或者可用于其它处理过程或用于加热目的。燃料是粉碎的煤。据说，粗燃料颗粒不会完全燃烧，并因此夹杂在熔融的矿渣中。

US 4,544,394涉及一种在涡旋反应器中熔融玻璃的方法。该方法设计成使用液体燃料或气体燃料。燃料在引入发生进一步燃烧的涡旋反应器之前，在烧气或烧油的悬浮式预热器中进行初步燃烧。

US6,047,566涉及一种用于熔融回收的硅酸盐材料的方法。由于需要氧化回收硅酸盐材料中作为杂质而存在的有机材料，需要在燃烧室内有长的驻留时间。在该文献中，在燃烧室的外部设置了用于燃烧燃料和燃烧空气的预燃烧器。

US4,957,527涉及在旋风熔炼反应器中制造玻璃。该文献提到，在过去，由于玻璃中的灰污染，因此使用含灰的燃料例如煤是困难的。该装置使用大的预热的悬浮室，矿物材料在引入旋风室之前在该悬浮室中被熔融，而材料的分离和分散在旋风室中进行。

熔炼旋风炉在其它领域也是已知的，特别是在火法冶金处理领域(例如在US 4,566,903和US 5,282,883中)。在这些处理方法中，最终产品是熔融的金属，并且存在的任何熔融的矿物材料是废料。因此，矿物熔体的品质在这些方法中是不重要的。

在US 2005/0039654中，使用旋风室来燃烧燃料，以产生能量来用于其它目的。不将矿物材料添加到系统，因为目的不是制造熔体；但可被使用的燃料可以是所谓的“造渣煤”，其包含有一些当煤燃烧时不可燃但熔融而形成矿渣的矿物材料。该公开涉及在旋风燃烧器的筒中某个位置选择性地使用富氧，以维持矿渣处于熔融形式，从而使NOx排放物最少和使筒中细煤颗粒的逸出最少。空气(指的是按体积计氧浓度为大约21％的第一氧化剂或主氧化剂)与燃料一起被引入到燃烧器中。浓度比第一氧化剂更高的第二氧化剂流可被引入到邻近煤的区域，或者被引入到筒中。该第二氧化剂与一部分第一氧化剂混合，以产生混合氧化剂区域，所述区域据说包含按体积计小于大约31％的氧(因此总氧化剂即燃烧气体的氧含量远小于31％)。在该公开中没有建议增大主空气流和二次空气流中的氧含量。

因此，在已知的使用旋风炉制造矿物纤维的方法中，通常需要使用超过一个室来实施燃烧和熔体收集的过程。

发明内容

本发明涉及提高使用熔炼旋风炉系统制造矿物纤维的已知方法的能量效率，同时确保高的熔体品质。

根据第一方面，本发明提供一种制造矿物熔体的方法，包括：

提供循环燃烧室，该循环燃烧室包括上部区域、下部区域和基部区域，

将颗粒燃料、颗粒矿物材料和具有按体积计至少25％的氧含量的主燃烧气体喷入循环燃烧室的上部区域，使得燃料在上部区域热解而产生炭，从而熔融颗粒矿物材料以形成矿物熔体，并产生废气，

将具有按体积计至少25％的氧含量的二次燃烧气体喷入循环燃烧室的下部区域，使得炭燃烧，从而使燃料完全燃烧，以及

将矿物熔体从热的废气分离，使得热的废气通过循环燃烧室的出口，并在基部区域收集矿物熔体。

根据第二方面，本发明提供一种根据本发明的第一或第三方面用于制造矿物熔体的装置，包括：

循环燃烧室，该循环燃烧室包括圆柱形顶部、底部和基部，其中，循环燃烧室包括

在顶部用于颗粒燃料、颗粒矿物材料和主燃烧气体的入口，

在底部用于二次燃烧气体的一个或多个入口，

用于废气的出口，以及

在基部用于矿物熔体的出口。

根据第三方面，本发明提供一种制造矿物纤维的方法，包括：

提供循环燃烧室，该循环燃烧室包括上部区域、下部区域和基部区域，

将颗粒燃料、颗粒矿物材料和主燃烧气体喷入循环燃烧室的上部区域，使得燃料在上部区域热解产生炭，从而熔融颗粒矿物材料以形成矿物熔体，并产生废气，

将二次燃烧气体喷入循环燃烧室的下部区域，使得炭燃烧，从而使燃料完全燃烧，以及

将矿物熔体从热的废气分离，使得热的废气通过循环燃烧室的出口，并在基部区域收集矿物熔体，以及使收集的矿物熔体流过基部区域的出口而流到离心纤维化装置，并形成纤维。

在本发明的所有方面必要的是将二次燃烧气体喷入循环燃烧室的下部区域，使得炭在该区域燃烧，从而使燃料完全燃烧。该特征显著地改进了能量效率，同时保持了适合于制造矿物纤维的矿物熔体的良好品质。

颗粒燃料例如煤在两阶段的过程中燃烧。在称为热解的第一阶段，挥发性化合物随着气体的快速析出而非常快速地燃烧。这样就产生富含碳的炭颗粒。第二阶段是炭颗粒的燃烧，它比第一阶段慢得多。第二阶段时间是第一阶段时间的10～100倍。因此，尽管当燃料颗粒进入燃烧室时燃烧的第一阶段几乎立刻发生，但是第二阶段通常不发生，除非燃料具有显著的驻留时间。

一般地，一旦燃烧的初始阶段已在燃烧室的上部区域进行，炭颗粒就被抛向燃烧室的侧壁，并可混到熔体中。在优选使用旋风炉产生矿物熔体以随后形成矿物纤维的系统中，像在本发明中的一样，离开旋风炉的熔体品质是非常重要的。如果燃料没有完全燃烧而在熔体中遗留了一些炭，则熔体品质将很差，并会包括气泡或其它异质性。

过去，用于制造矿棉的旋风炉倾向于使用大的第二室或大的预燃烧室。这就导致在燃烧的初始阶段和熔体的收集之间有长的驻留时间。因此，炭颗粒通常有时间完全燃烧。

US4,365,984提出，煤颗粒应该被粉碎到低于3mm(1/8英寸)的大小。然而，即使非常小的大约70μm的燃料颗粒也具有不完全燃烧的问题。低于该尺寸，煤颗粒倾向于结块，因此简单地减小燃料的粒径不能令人满意地解决不完全燃烧的问题。

在本发明中，通过将二次燃烧气体喷入燃烧室的下部区域，解决了因减小的燃烧室容积和因此较低的驻留时间所导致的熔体品质降低的问题。这样可以使燃料燃烧的第二阶段比通常情况进行地更快，其中，在通常情况下，该区域的氧含量通常较低。

因此，本发明可使旋风炉紧凑，并且在旋风室之前或之后不需要大的槽。由于燃烧室的大小和燃烧气体的量都与制造矿物纤维所需的能量和随后的能量损失有关，因此本发明可获得能量效率更高的系统。这对增大经济生存能力和减小环境影响有很大的益处。

本发明的第一和第二实施例中的必要特征和第三实施例中优选的特征是在循环燃烧室上部区域使用氧含量(按体积计至少25％)比空气中氧含量(按体积计大约21％)更高的主燃烧气体，和在循环燃烧室下部区域也引入氧含量比空气氧含量更高的二次燃烧气体。在通过一个以上的入口引入主燃烧空气的情况下，主燃烧气体中的氧含量指的是对于主燃烧空气的总量来说主燃烧气体中的平均氧含量，即所有入口的平均值。这同样适用于二次气体的氧含量。

该特征可以进一步减小气体的量(因为氧是燃烧气体的唯一活跃成分)，并且该特征意味着该装置可以更加紧凑。燃烧气体的量与制造熔体所需的能量成比例，因此根据本发明使用富氧空气对能量效率有很大的益处。使用富氧空气或纯氧还减少了引入到系统的氮的量，因此也减少了有害的NOx气体的形成。

在一优选的实施例中，使炭颗粒烧尽的另一手段是提供虹吸出口。这也促进了利用火焰对熔体的有效加热，并防止了炭颗粒离开燃烧室进入熔体。

本发明中循环燃烧室是通常被称为旋风炉的类型。合适的旋风炉的结构在各个专利中有描述，包括US3,855,951，4,135,904，4,553,997，4,544,394，4,957,527，5,114,122和5,494,863。

燃烧室通常是竖直的炉，而不是水平的炉。其通常具有圆柱形的顶部、截头圆锥形的底部，和基部，但是也可以整体上是圆柱形。基部优选是燃烧室的一体部分，也可以仅仅是截头圆锥形底部区域的端部，或者可以是处于底部区域端部的圆柱形部分。

与常常在具有增大容积的燃烧室基部使用一槽的传统系统相比，基部的直径不大于顶部的直径。在下部区域使用二次气体可加快燃料的完全燃烧，这意味着系统可以紧凑，且不需要大的收集槽。

因此在本发明中，使用富氧空气或纯氧作为主燃烧气体和二次燃烧气体就允许使用紧凑的燃烧室。因此，在本发明中优选的是，燃烧室是整体式燃烧室。整体式燃烧室是指，燃烧室不是由可彼此分离的部件组成。与现有技术的系统相比，能够使用紧凑炉就使能量从炉的表面积损失最小化。燃烧室的容积优选地小于25m³，优选地小于20m³，或15m³，以及可以小于10m³。

例如，为了使用30％的氧作为主燃烧气体来制造每小时大约20吨的熔体，循环燃烧室的容积将需要大约15m³。作为对比，当使用纯氧作为主燃烧气体时，燃烧室的容积仅需要大约5m³。因此，当利用本发明可以使用纯氧作为主燃烧气体时，对于特定的产量可以使用更小且因此能量效率更高的旋风炉。

在本发明的方法中使用燃烧室时，燃烧室包括上部区域、下部区域和基部区域。

上部区域的特征在于发生热解，即颗粒燃料燃烧的初始阶段。上部区域大致地对应于燃烧室的圆柱形顶部。颗粒燃料以及优选地还有颗粒矿物材料和主燃烧气体被喷射到上部区域中。燃烧室还包括热的废气通过的出口，优选地位于上部区域中。然而，热的废气可以从炉的另一区域中的出口排出。

燃料在上部区域中的热解产生炭，即富碳材料。炭颗粒通常被循环气体抛向燃烧室的表面，并和熔体一起在重力的作用下沿燃烧室的表面向下流动。

下部区域的特征在于炭的燃烧。因此，下部区域通常对应于燃烧室的截头圆锥形底部，特别是在该底部中燃烧室的表面。炭颗粒也可存在于顶部的表面上，以及漂浮在基部区域的熔体上。

因此，上部区域通常遍及燃烧室顶部的大部分，而下部区域遍及底部的大部分，特别是燃烧室底部的表面，并且下部区域也可以一定程度地延伸到燃烧室顶部的表面。

一般地，即使将过量的氧添加到上部区域，但在这种循环燃烧室的下部区域中氧含量也较低，该循环燃烧室把气体分离在顶部和把熔体分离在底部。因此，传统系统中的炭需要长的驻留时间以便在该区域中燃烧。在本发明中，二次燃烧气体被喷射到下部区域，以帮助燃烧的第二阶段，即炭颗粒的燃烧。因此，在本发明的方法中，燃料在下部区域完全燃烧。

燃料在上部区域中的热解产生热量，该热量使颗粒矿物材料熔融形成矿物熔体。矿物熔体通常借助于循环气体的作用被抛向燃烧室的壁，并顺着燃烧室流下到达收集该矿物熔体的基部区域。

在基部区域熔体被收集。由于炭已经在下部区域中大体上完全燃烧，因此在该区域基本上不存在炭。

熔体的品质在本发明中是重要的，因为它应该适合于制造矿物纤维。由于本发明能够使燃料完全燃烧，因此对矿物纤维产品有害的炭颗粒在熔体中大体上不存在。

该基部区域具有用于矿物熔体的出口，熔体作为流从该出口流出。然后熔体流以任何常规的方式进行纤维化，例如使用级联离心器或离心杯或任何其它常规的离心纤维化方法。

替代地，矿物熔体可以用于其它工业处理，例如用废原料制造矿物材料颗粒。

优选的是，在矿物熔体的出口离开燃烧室基部区域的位置，该出口并不是立即向下延伸，相反地，该出口是虹吸管。“虹吸管”是指，通常为管或排放槽形式的出口先是相对于燃烧室的开口具有向上的定向，随后在通到纤维化装置之前具有向下的定向。

正如使用虹吸管时的通常情况一样，其结果是，为了使熔体离开燃烧室，燃烧室内的熔池必须足够深以达到虹吸出口在竖直方向上的最高点。当这种情况发生时，重力使熔体向上通过虹吸管的向上定向的部分并随后沿虹吸管的后续部分向下流到纤维化装置。因此，在系统中形成气闸，从而确保废气不会从燃烧室的基部逸出。

在使用颗粒燃料例如煤的实施例中使用虹吸管是特别有利的，并改进了熔体品质。这是由于，作为在燃烧室的顶部或底部没有完全燃烧的燃料颗粒的炭颗粒可以在熔池的顶部聚集，并在此漂浮。利用虹吸管就防止了这些炭颗粒随熔体一起排出燃烧室。

与不使用虹吸管的情况相比，通过使炭颗粒能在熔体上聚集，就增大了炭颗粒在燃烧室中的驻留时间。因此，炭颗粒可以在基部区域完全燃烧，以使燃料完全地烧尽。这样确保了该方法的能量效率最优化。

通过将二次燃烧气体添加到循环燃烧室的底部，增强了漂浮在熔体上的炭颗粒在基部区域的烧尽。

另一个优点涉及熔体中二价铁和三价铁的相对比例。传统上，使用具有强还原气氛的冲天炉来制造矿物熔体。其结果是，利用冲天炉制造的熔体中几乎所有的铁都是二价铁的形式。二价铁对于纤维的耐火性有益，因为二价铁在高温下会被转变成三价铁的晶体结构。

然而，旋风炉系统例如本发明的旋风炉系统氧化性更强，特别是当主气体是富氧空气时。在这种情况下，熔体中相当大比例的氧化铁的形式是三价铁，而不是二价铁。当使用虹吸管时，熔体与被捕获的漂浮于熔体上的炭颗粒相接触。由于炭颗粒是高度还原性的，它们可用于将熔体中的三价铁还原成二价铁，从而确保维持了纤维的良好耐火性。

在上部区域中燃烧的初始阶段和在下部区域中燃烧的第二阶段都会产生热的废气。该废气在燃烧室中循环，最后向上流动通过燃烧室上部区域中的出口。

气体和悬浮的颗粒材料在循环燃烧室中的通常的运动是气旋运动。这是通过以合适的角度引入主燃烧气体以及颗粒燃料和矿物材料来形成的，从而维持涡旋运动。优选地还沿相同的方向将二次燃烧气体引入，以维持循环气流。

在本发明的第一和第三方面，就制造矿物熔体的方法的各个阶段而言限定了上部区域、下部区域和基部区域。本发明的第二方面涉及一种适合于在根据本发明的第一和第三方面的方法中使用的装置。因此，在循环燃烧室的圆柱形顶部设置了用于颗粒燃料、颗粒矿物材料和主燃烧气体的入口以及热废气的出口，该顶部包括并且大致对应于装置使用时的上部区域。二次气体被喷入循环燃烧室的底部，该底部包括并且大致对应于装置使用时的下部区域。该装置还包括在使用过程中熔体聚集的基部，该基部包括用于矿物熔体的出口。

在本发明中使用的颗粒燃料可以是在两阶段过程中燃烧的任何燃料，所述两个阶段包括初始热解形成炭颗粒，随后是该炭颗粒的燃烧。颗粒燃料可以是液体或固体形式。在燃料是液体的情况下，其使用形式是液滴，即液体燃料颗粒。在该实施例中，燃料可以是石油颗粒或其它碳基液体。

然而，在本发明中的颗粒燃料优选是固体。该颗粒燃料通常是含碳材料，并且可以是具有合适热值的任何颗粒性含碳材料。该热值可以相对较低，例如低至10000kJ/kg，或甚至低至5000kJ/kg。这样，它例如可以是干燥过的污泥或纸废料。优选地，它具有较高的热值，并且可以是来自铝工业的废电解槽内衬(spent pot liner)、含有例如尾煤之类废料的煤，或者粉煤。

在一个优选的实施例中，燃料是粉煤，并且可以是煤精粉，但是，优选地一些煤、通常至少是50％、优选地是至少80％以及通常是所有的煤通过研磨块煤获得，例如使用球磨机。无论最初是以精粉形式供给还是以块煤形式供给，煤可以是优质煤，或者可以是含有高含量无机成分的废煤，例如含5％～50％的无机物，余量为碳。优选地，煤主要是或者完全是优质煤，例如烟煤或亚烟煤(ASTM D388 1984)，且包含促进点燃的挥发物。

优选地，燃料颗粒的粒径范围为50～1000μm，优选地是大约50～200μm。通常，至少90％的颗粒(按重量计)处于该范围。通常，平均来说平均粒径是大约70μm，该范围中90％的粒径低于100μm。

可以以常规的方式通过供给管将燃料供给到燃烧室中，以获得燃料颗粒流。这通常涉及到使用载气，燃料颗粒悬浮在载气中。载气可以是空气、富氧空气或纯氧，优选是在环境温度下，以避免逆燃；或者载气可以是活性较低的气体，例如氮。载气被认为是主燃烧气体的一部分。包括有被喷入燃烧室上部区域的载气和其它气体在内的主燃烧气体作为一个整体必须具有比通常空气中存在的氧更多的氧。供给管优选为圆柱形。

颗粒矿物材料是适合于制造矿物纤维的任何材料，该矿物纤维可以是玻璃纤维、岩石纤维、石头纤维或矿渣纤维。该玻璃纤维就氧化物重量而言的典型化学分析为：10％以上Na₂O+K₂O，3％以下FeO形式的铁，20％以下的CaO+MgO，50％以上的SiO₂和5％以下的Al₂O₃。岩石纤维、石头纤维或矿渣纤维就氧化物重量而言的典型化学分析为：10％以下的Na₂O+K₂O，20％以上的CaO+MgO，3％以上FeO形式的铁，50％以下的SiO₂以及通常10％以上的Al₂O₃。矿物材料可以是废料，例如已经用过或者在使用之前被其它处理过程拒收的矿物纤维。

把要在燃烧室中熔融以形成矿物熔体的颗粒矿物材料引入燃烧室的上部区域，使得颗粒矿物材料悬浮在燃烧室中的气体中。颗粒矿物材料在何位置添加不是关键的，它可以与燃料混合并通过燃料供给管喷入。然而，优选地是将颗粒矿物材料添加到正在燃烧的燃料中。这可以通过以常规的方式从入口将颗粒矿物材料添加到燃烧室中实现，例如从燃烧室顶部处或其附近的入口。

主燃烧气体被引入燃烧室的上部，并且可以是处于环境温度或者可以被预热。当主燃烧气体被加热时，主燃烧气体被预热到的最高满意温度是大约600℃，优选预热到300℃～600℃，最优选的是预热到大约500℃～550℃。和空气相比，主燃烧气体是富氧的，其具有按体积计至少25％的氧，而空气通常具有按体积计大约21％的氧。“富氧空气”是指，主燃烧气体包含的氧比空气中自然存在的氧更多，此外，主燃烧气体可以包含有空气中自然存在的其它气体。主燃烧气体还可以包含有在空气中通常不存在的其它气体，例如丙烷或甲烷，只要氧的总含量保持超过空气中通常存在的氧含量。

在这些优选的实施例中，主燃烧气体是包括有按体积计至少30％或35％、优选的是至少50％、更优选的是至少70％氧的富氧空气，或者主燃烧气体是纯氧。在一个实施例中，为了使与氧的使用相关的节能最优化，由于与空气相比随着氧成本的增大，该富氧空气包括30～35％的氧。在使用纯氧的情况下，其优选的是处于环境温度，而不是被预热。

主燃烧气体可以和悬浮于其中的燃料一起通过供给管被引入，特别是当主燃烧气体处于相对低的温度时。燃料在进入燃烧室之前不应该在燃料管中开始燃烧(一种称为“逆燃”的现象)，因此在该实施例中需要低的气体温度。然而，优选地分别通过一个或多个燃烧气体入口引入主燃烧气体，该燃烧气体入口可位于燃料供给管附近，以使得燃烧气体在与燃料相同的区域被引导到燃烧室中，从而进行有效的混合。

无论燃烧气体和燃料是否一起引入，燃烧气体被喷入到燃烧室的速度都相对较低(优选地1～50m/s)，从而使装置的磨损最小。当燃料和矿物材料悬浮在燃烧气体中时，速度优选地是5～40m/s。当燃烧气体和燃料优选的是分别引入时，燃料的喷射速度优选为20～40m/s。

期望的是确保颗粒燃料与主燃烧气体快速充分地混合，因为这可以确保燃料被快速点燃，使得燃料可以在引入燃烧室后就几乎立即进行热解。充分地混合还可以确保燃料颗粒在主燃烧气体中的驻留时间更加均匀，从而导致更加有效的燃料燃烧。

在本发明的一个实施例中为了帮助确保快速充分的混合，可以在上部区域引入附加的气体，该附加的气体的速度比主燃烧气体和颗粒燃料的速度更高，并且，由于速度差，导致燃料颗粒流的湍流，从而使燃料颗粒流分散并确保快速混合。附加气体的量通常远小于燃烧气体的量，典型地是占喷射到燃烧室的总气体的小于40％，优选地是10～30％。附加的气体可以是任何气体，包括空气、氮气、氧气，或易燃气体，例如丙烷或丁烷。附加气体可以从入口喷入，使得其靠近燃烧室中的燃料颗粒流，但是优选地是被喷射到同心地包围燃料入口的入口。这种同心布置可导致有效的混合，特别是在附加气体的入口在其开口处具有收敛喷嘴的情况下。附加气体的速度优选地比燃料和燃烧气体的速度快至少100m/s，通常至少250m/s，优选地至少300m/s。在最优选的实施例中，附加气体的喷射速度是声速，即等于或超过声音的速度。

替代地，主燃烧气体本身是纯氧，其速度比燃料的速度快至少100m/s，通常至少250m/s。可以从一入口喷射氧主燃烧气体，使得其靠近燃料颗粒流，但是优选被喷入到同心地包围燃料入口的入口。

二次燃烧气体被引入燃烧室的下部区域。像主燃烧气体一样，二次燃烧气体可以处于环境温度或者被预热，并包含至少25％的氧。优选地二次燃烧气体是富氧空气，其包括按体积计至少30％或35％、优选地至少50％、更优选地至少70％的氧，或者包括30％～50％的氧，或者是纯氧。在整个说明书和权利要求书中关于“纯氧”是指通过例如真空变压吸附法(VPSA)获得的纯度为92％或更高的氧，或者也可以是利用蒸馏法获得的几乎为100％的纯氧。可以以任何常规的方式引入二次燃烧气体，但优选地是使用具有收敛喷嘴(也被称为喷枪)的入口引入。

二次燃烧气体可以从下部区域中的一个入口喷入，但优选地从至少两个入口喷入，最优选地从超过两个入口喷入，例如三个、四个、五个或六个，优选地是四个入口。

本发明人已经发现，在下部区域中添加燃烧气体对确保使在上部区域中热解后形成的炭颗粒的完全烧尽是非常有效的。已经发现，在这个位置添加氧比简单地在上部区域随着主燃烧气体添加附加的氧更有效。二次燃烧气体占总燃烧气体的不到一半，所述总燃烧气体包括主燃烧气体、二次燃烧气体和被引入的可燃的任何附加气体。优选地，二次燃烧气体占总燃烧气体比例的10％～50％，优选地占20％～40％。

在一个优选的实施例中，将附加的(或二次)液体燃料或气体燃料喷入下部区域，并在存在二次燃烧气体的情况下燃烧，以在下部区域形成火焰。二次燃烧气体中的氧和二次液体燃料或气体燃料的相对量选择成使得该二次燃料完全燃烧后在二次燃烧气体中存在过量的氧。

将二次燃料喷入下部区域是有利的，因为它可以用于调节已在基部区域收集的熔体的温度。为此，优选将二次燃料朝下部区域的下端喷射，优选地在燃烧室的截头圆锥形底部的下半部分喷入，使得其靠近基部区域。二次燃料可以是立即燃烧且完全燃烧的任何液体燃料或气体燃料。因此，二次燃料不仅仅是被喷入上部区域在两个阶段中燃烧的颗粒材料，而是可包含少量(按体积计小于50％，优选地按体积计小于20％、10％或5％)的这些材料。优选的燃料是丙烷、甲烷或天然气。二次燃料的量比颗粒燃料的量少，占总燃料能量的不到40％，通常是5％～15％。

在该实施例中，二次燃烧气体优选是纯氧，并通过燃烧器入口和燃料一起引入，使得燃烧立刻进行。替代地，二次燃烧气体可以通过靠近用于二次燃料的入口的入口引入，并在燃烧室中进行混合。

附图说明

图1是适合于在本发明的优选实施例中使用的装置的示意图；

图2是在图1的椭圆形虚线中示出的虹吸管的前视图；

图3是在图1的椭圆形虚线中示出的虹吸管的侧视图。

具体实施方式

图1示出了循环燃烧室1，该燃烧室包括顶部2、底部3和基部4。主燃料和颗粒材料通过入口5引入，而主燃烧气体通过同心包围入口5的入口6引入。主燃料被点燃并且在上部2燃烧，然后在作为熔池7的基部4收集。热的废气通过位于燃烧室顶部的燃料气体出口8。二次燃料和二次燃烧气体通过氧燃料燃烧器9喷射，并在底部区域3中形成火焰，用于加热熔池7。通过位于底部区域3中的氧气口10引入另一二次燃烧气体，帮助燃料在该区域烧尽。熔体流过虹吸管11到达纤维化装置12，并在此形成纤维。

图2示出了虹吸管11的前视图，其中熔体流13正在排出虹吸管11。

图3示出了虹吸管11的横截面，该虹吸管具有向上定向的部分14，该部分竖直地升高超过燃烧室1中的开口15。一旦熔池7高于竖直定向的部分14的高度时，熔体就作为熔体流13溢出该部分。

Claims (15)

1.一种制造矿物纤维的方法，包括：

提供循环燃烧室，该循环燃烧室包括上部区域、下部区域和基部区域，

将颗粒燃料、颗粒矿物材料和主燃烧气体喷入循环燃烧室的上部区域，使得颗粒燃料在上部区域热解而产生炭，从而熔融颗粒矿物材料以形成在基部区域收集的矿物熔体，并产生废气，其中，炭聚集在基部区域中的矿物熔体的顶部上，

将二次燃烧气体喷入循环燃烧室的下部区域，使得炭燃烧，从而使颗粒燃料完全燃烧，以及

从热的废气分离矿物熔体，使得热的废气通过循环燃烧室的出口，以及使收集的矿物熔体经基部区域的出口流到离心纤维化装置，并形成纤维，其中，该出口是虹吸管。

2.如权利要求1所述的方法，其中，主燃烧气体是氧含量按体积计至少为25％的富氧空气。

3.如权利要求1所述的方法，其中，二次燃烧气体是氧含量按体积计至少为25％的富氧空气。

4.如权利要求1所述的方法，其中，主燃烧气体和/或二次燃烧气体是富氧空气，其包括按体积计至少30％的氧。

5.如权利要求4所述的方法，其中，主燃烧气体和/或二次燃烧气体是包括按体积计至少35％氧的富氧空气。

6.如权利要求5所述的方法，其中，主燃烧气体和/或二次燃烧气体是包括按体积计至少50％氧的富氧空气。

7.如权利要求6所述的方法，其中，主燃烧气体和/或二次燃烧气体是包含按体积计至少70％的氧的富氧空气。

8.如权利要求7所述的方法，其中，主燃烧气体和/或二次燃烧气体是纯氧。

9.如权利要求1所述的方法，其中，通过至少两个入口将二次燃 烧气体喷入下部区域。

10.如权利要求9所述的方法，其中，通过至少三个入口将二次燃烧气体喷入下部区域。

11.如权利要求1所述的方法，其中，二次燃烧气体是纯氧，并且附加的液体燃料或气体燃料被添加到下部区域，以便在下部区域形成火焰。

12.如权利要求1所述的方法，其中，颗粒燃料是固体。

13.如权利要求12所述的方法，其中，颗粒燃料是煤。

14.如权利要求1所述的方法，其中，离心纤维化装置是离心杯。

15.如权利要求1所述的方法，其中，离心纤维化装置是级联离心器。