CN117062783A - 气体燃烧炉 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种使用气态燃料使旋风燃烧炉工作的装置和方法。

Description

气体燃烧炉

技术领域

本发明属于用于熔化矿物材料的炉的领域，特别是用于在制造纤维的过程中熔化矿物材料的炉的领域。

背景技术

旋风炉是在矿物熔化工艺领域中创造的。

现有的旋风炉仅依靠煤或其他固体或液体燃料运行、或主要依靠煤或其他固体或液体燃料运行。在旋风炉的工作过程中，煤作为主要燃料具有特别的好处，因为它能产生缓慢燃烧的火焰。WO2014057130A1使得在旋风炉的中心区域的下端可以选择性地注入占总燃料能量的小于40％的二次气态燃料，以在旋风炉的中心区域的下端提供火焰。用于熔化矿物原料的主要燃料是颗粒。

US3077094公开了一种旋风炉，其中空气、气态燃料和任选的原料在进入该炉之前混合在一起。在这种设置中快速燃烧气态燃料。

WO2016/092100A1使用固体或液体主要燃料来熔化矿物原料。气态燃料可用作二次燃料，在旋风炉中的比主要燃料更低的部分与颗粒燃料共同注入。这在靠近熔池的旋风炉下部产生稳定的火焰，气态燃料快速燃烧并预热二次颗粒燃料。这种设置能够有效地使用更便宜的燃料，如煤，同时获得高质量的熔体。在WO2016/092100A1中，颗粒(即固体或液体)燃料作为主要燃料是必不可少的，并且气态燃料与颗粒燃料一起仅在旋风炉的下部中注入。

EP 1 944 873 A1公开了一种用于熔化矿物材料的旋风炉，其中主要燃料是颗粒，尤其是煤。在燃烧室的顶部仅注入颗粒燃料，从而用于熔化阶段。为了在熔池上方形成火焰，将气态燃料与颗粒燃料组合引入炉的下部部分。据说这种火焰有利于控制熔池的温度，进而有利于控制离开炉的矿物熔体的粘度。然而，作为该文献中的主要燃料，颗粒燃料是必不可少的。

尽管出于经济原因，煤和其他颗粒燃料已被广泛用于旋风炉中，但希望使用气态燃料作为唯一或主要燃料，以改善熔化工艺的环境特性。在本发明的开发过程中，使用相同的炉设置将颗粒燃料直接替换成气态燃料未能成功。气态燃料比颗粒燃料燃烧得更快，并且火焰也比煤更短。如果将颗粒燃料直接替换成气态燃料，由于炉渣的形成而会导致燃料入口堵塞，使得该工艺不可行。气态燃料非常快的燃烧速度导致矿物原料几乎瞬间烧结，由此导致了不希望的入口堵塞。

本发明的目的是提供一种在旋风炉中使用气态燃料生产矿物熔体的装置和方法，从而改善该工艺的环境特性，同时保持熔体质量和装置寿命。

发明内容

本发明提供了一种熔化矿物材料的方法，该方法包括：提供旋风炉、颗粒状矿物原料、气态燃料和氧化剂；在一个或一个以上第一注入口处将气态燃料注入炉中；在一个或一个以上第二注入口处将氧化剂注入炉中；在一个或一个以上第三注入口处将矿物原料注入炉中；使得气态燃料与氧化剂一起燃烧，从而熔化矿物原料；其特征在于，各个第一注入口与一个或一个以上第二注入口以一定角距间隔开，使得围绕通过旋风炉中心的垂直轴测量时，没有第一注入口与任何第二注入口的角距小于20度。

本发明还提供了一种使用气态燃料作为唯一或主要燃料来熔化矿物材料的旋风炉，该炉包括：具有体壁的炉体、炉盖、用于将气态燃料注入炉中的一个或一个以上第一注入口、用于将氧化剂注入炉中的一个或一个以上第二注入口以及用于将矿物原料注入炉中的一个或一个以上第三注入口；其中炉体包括顶部部分、中心部分和底部部分，其特征在于，一个或一个以上第一注入口、一个或一个以上第二注入口和一个或一个以上第三注入口将气态燃料、氧化剂和矿物原料分别注入到炉的顶部部分中，并且各个第一注入口与一个或一个以上第二注入口以一定角距间隔开，使得围绕通过旋风炉中心的垂直轴测量时，没有第一注入口与任何第二注入口的角距小于20度。

本发明的主要燃料是气态燃料。气态燃料可以是天然气、沼气、页岩气或其他可用气体类型，或它们的组合。优选地，该方法中至少60％的能量源自气态燃料，更优选地，至少80％的能量源自气态燃料。在本发明中，唯一的燃料可以是气态的。这具有减少甚至消除颗粒燃料(如煤)的好处，从而改善了该方法的环境特性。

可以将用于焦耳加热的另外的燃烧器或电极设置在熔池上方或浸没在熔池内。这些燃烧器或电极有助于使矿物熔体匀质化。

氧化剂可以是空气、氧气或富氧空气。优选地，在本发明中使用富氧空气，这可以通过将氧气注入空气供给来实现。纯氧的使用使得可使用较小的炉体积，但在这样的工艺中增加了费用，而单独使用空气减少了费用，但需要比富氧空气更大的炉体积。

矿物原料优选为颗粒状。优选原料颗粒具有毫米级的尺寸。优选至少99％(特别是全部)颗粒的直径小于4mm，并且优选按重量计50％的颗粒直径小于2mm。该组合物可以是通常适于形成人造玻璃纤维(MMVF)的任何玻璃、石头或矿渣组合物。优选纤维的组成在以下参数内，以氧化物(重量％)计：

SiO₂：至少30、32、35或37；不超过51、48、45或43

Al₂O₃：至少14、15、16或18；不超过35、30、26或23

CaO：至少8或10；不超过30、25或20

MgO：至少2或5；不超过25、20或15

FeO(包括Fe₂O₃)：至少4或5；不超过15、12或10

FeO+MgO：至少10、12或15；不超过30、25或20

Na₂O+K₂O：0或至少1；不超过10

CaO+Na₂O+K₂O：至少10或15；不超过30或25

TiO₂：0或至少1；不超过6、4或2

TiO₂+FeO：至少4或6；不超过18或12

B₂O₃：0或至少1；不超过5或3

P₂O₅：0或至少1；不超过8或5

其他：0或至少1；不超过8或5。

在该方法中，炉可以具有用于旋风炉的已知构造。特别地，它可以具有这样一种构造，该构造包括优选基本上为圆柱形的顶部部分、优选基本上为截头圆锥形的中心部分和优选基本上为圆柱形的下部部分。使得可以在下部部分形成熔池，用于收集和澄清矿物熔体。

优选将气态燃料、氧化剂和矿物原料均注入炉的顶部中或靠近炉的顶部。

优选各个第二注入口与第三注入口结合为一体，使得将氧化剂和矿物原料一起注入。在这种情况下，气态燃料在注入时与氧化剂和矿物原料分离。

优选通过炉的盖注入气态燃料。

在炉的顶部部分中，优选不注入另外的燃料。

另外的气态燃料可以通过其他注入口注入到炉的底部部分，通常刚好在熔池上方。用于该方法的、由通过靠近炉顶部的第一注入口注入的燃料产生的能量的比例通常为至少40％、优选为45％至55％、特别是约50％。

优选通过炉的侧体壁注入矿物原料和氧化剂。

将用于气态燃料的各个注入口定位成与用于氧化剂的任何入口相距至少20度。这种分隔确保了燃烧和由此产生的热量释放发生得足够慢。围绕穿过炉中心的垂直轴测量角距。

通过盖注入气态燃料进一步促进了在注入到炉中的时候气态燃料与氧化剂的分离。这种分离意味着气态燃料在热能的受控释放情况下燃烧较慢，使得矿物原料在炉内熔化而非在入口处烧结(在入口处烧结反过来可能会导致矿物材料入口的堵塞)。通过盖而不是侧壁注入气态燃料的另一优点是大大减少了炉内壁的磨损。

当通过炉的盖而注入气态燃料时，气态燃料注入口可以与盖成向上的30成至90成的角度。为了更好地混合气态燃料与矿物原料和氧化剂，较低的角度是优选的，使得气态燃料旋动通过空气流并以受控的方式燃烧以熔化矿物原料。低于30的的极低角度是不可取的，因为这需要更长的喷枪，尤其是当使用较厚的水冷炉盖时。

气态燃料和气态氧化剂可以以化学计量比或超化学计量比(过剩氧)提供。天然气与富氧空气的体积比在1:4至1:15的范围内、特别是在1:5至1:8的范围内可能特别适合于本发明的装置。

气态燃料和氧化剂可以独立地具有在20m/s至100m/s、优选在40m/s至80m/s范围内的注入速度。颗粒原料可以具有在20m/s至60m/s、优选在30m/s至40m/s的范围内的注入速度。

附图说明

图1显示了根据本发明的炉的示意性俯视图。

图2显示了根据本发明的炉的上部部分的示意性垂直截面。

图3显示了根据本发明的炉的示意图。

具体实施方式

图中示出了根据本发明的示例性炉。

图1显示了炉1的示意性俯视图。气态燃料注入口2穿过炉的盖3，盖3在中心包括排气出口4。通过位于在炉1侧体壁的顶部的注入口5将矿物原料和氧化剂(如空气或富氧空气)一起注入炉内。炉1的顶部通常是圆柱形的，存在单个连续的侧体壁。

气态燃料注入口2以相等的角度距离彼此间隔开。气态燃料注入口2之间的角度间隔如图1中的角A所示。在这种情况下，角A是90°，因为存在四个这样的注入口2，围绕炉的圆周等距间隔开。用于矿物原料和氧化剂的注入口5以相等的角度距离彼此间隔开。注入口5之间的角距如图1中的角B所示。在这种情况下，角B是90

°，因为存在四个这样的口5，在炉的圆周上等距间隔开。可以看出，各个注入口5与最近的气态燃料注入口2间隔开至少20度的角度距离。各个注入口和最近的气态燃料注入口2之间的角距显示为角C，并且在该实施方案中角C为约45°。在该示意性俯视图的中心的一个点附近测量角距。

将矿物原料、氧化剂和气态燃料切向注入到炉1中，并在旋风系统处或接近旋风系统处以循环流移动。气态燃料注入口2的位置和角度意味着气态燃料被注入到氧化剂和矿物原料的流中，促进较慢的混合和能量释放，使得矿物原料随着气态燃料的燃烧而熔化。

图2显示了根据本发明的炉1的横截面侧视图。矿物原料和氧化剂(通常是空气、氧气或富氧空气)通过口5一起注入。具体地，在该实施方案中，氧化剂通过入口5a进入，矿物原料通过入口5b进入，并且这两种组分一起进入炉1的顶部部分1a。或者(未示出)，可以通过盖3在邻近氧化剂入口的位置处注入原料。如果使用富氧空气作为氧化剂，则可以通过在入口5a处将氧气注入空气流来实现。

炉1内材料流动的基本方向也如图2所示。氧化剂和矿物原料提供了这样的流，其中气态燃料经由穿过炉盖的口2注入到该流中。各个注入口2定位成与炉的盖成30度至90度的角D。这使得可以延迟混合，使得从燃料的燃烧释放的能量可以熔化矿物原料，同时使得在燃烧之前，燃料可以燃烧而不会从排气出口4被抽出。循环流随着矿物材料的熔化而继续流动，并沿着炉下降到中心部分1b和底部部分1c(图2中未显示)。

图3显示了炉1的外部示意图。示出了通常为圆柱形的顶部部分1a、通常为截头圆锥形的中心部分1b和通常为圆柱形的底部部分1c。用于矿物原料和氧化剂的口5和用于气态燃料的口2位于炉1的顶部。具体地，气态燃料口2穿过炉盖3，用于矿物原料和氧化剂的口5穿过炉1的顶部部分1a的侧体壁。

可以在中心部分1b和/或底部部分1c中安装另外的加热装置，例如另外的燃烧器或电极，以加热和精炼熔化的矿物材料。然而，主要燃料源是气态燃料，并且由在炉1的顶部处或接近炉1的顶部处注入的气态燃料提供熔化矿物材料的能量。

在底部部分1c中，设置有用于矿物熔体的出口6。在图3中，出口6采用虹吸管的形式。或者出口6也可以设置在炉1的基部(未示出)。

矿物熔体可以被输送到纤维化装置，例如内部离心装置(旋转杯)或外部离心装置(级联旋转器)。在纤维化装置中，以常规方式将矿物熔体转化为纤维，然后也可以以常规方式形成矿物纤维产品。

Claims (15)

1.一种制备矿物熔体的方法，所述方法包括：

提供旋风炉、颗粒状矿物原料、气态燃料和氧化剂，

在一个或一个以上第一注入口处将气态燃料注入炉中，

在一个或一个以上第二注入口处将氧化剂注入炉中，

在一个或一个以上第三注入口处将矿物原料注入炉中，

其中所述气态燃料、所述氧化剂和所述矿物原料均注入所述炉的顶部，

使所述气态燃料与所述氧化剂一起燃烧，从而熔化所述矿物原料，

其特征在于，各个第一注入口与所述一个或一个以上第二注入口以一定角距间隔开，使得围绕通过所述旋风炉中心的垂直轴测量时，没有第一注入口与任何第二注入口的角距小于20度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中各个第二注入口与第三注入口结合为一体。

3.根据权利要求1所述的方法，其中各个第一注入口与所述一个或一个以上第三注入口以一定角距间隔开，使得围绕通过所述旋风炉中心的垂直轴测量时，没有第一注入口与任何第三注入口的角距小于20度。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过所述一个或一个以上第一注入口注入的所述气态燃料提供所述炉中能量的至少40％、优选至少50％。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述炉包括主体和盖，并且其中所述第一注入口穿过所述盖。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述炉包括具有体壁的主体和盖，所述主体包括顶部部分、中心部分和底部部分，其中所述第二注入口和所述第三注入口穿过所述体壁的顶部部分。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述一个或一个以上第一注入口各自被定位成与所述炉的所述盖成30度至90度的角度。

8.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述矿物原料具有以重量％计的如下组成：

SiO₂：30至51

Al₂O₃：至少14、15、16或18；不超过35、30、26或23

CaO：8至30

MgO：2至25

FeO(包括Fe₂O₃)：4至15

FeO+MgO：10至30

Na₂O+K₂O：至多10

CaO+Na₂O+K₂O：10至30

TiO₂：至多6

TiO₂+FeO：4至18

B₂O₃：至多5

P₂O₅：至多8

其他：至多8。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述氧化剂是空气、氧气或富氧空气，优选富氧空气。

10.一种用于熔化矿物原料的旋风炉，所述旋风炉包括：

炉体、炉盖、用于将气态燃料注入炉中的一个或一个以上第一注入口、用于将氧化剂注入炉中的一个或一个以上第二注入口以及用于将矿物原料注入炉中的一个或一个以上第三注入口，

其中所述炉体包括顶部部分、中心部分和底部部分，

其特征在于，各个第一注入口与所述一个或一个以上第二注入口以一定角距间隔开，使得围绕通过旋风炉中心的垂直轴测量时，没有第一注入口与任何第二注入口的角距小于20度，并且

其中，所述第一注入口、所述第二注入口和所述第三注入口各自被配置为将所述气态燃料、所述氧化剂和所述矿物原料分别注入到所述炉的顶部中。

11.根据权利要求10所述的旋风炉，其中各个第二注入口与第三注入口结合为一体。

12.根据权利要求10或权利要求11所述的旋风炉，其中各个第一注入口与所述一个或一个以上第三注入口以一定角距间隔开，使得围绕通过旋风炉中心的垂直轴测量时，没有第一注入口与任何第三注入口的角距小于20度。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的旋风炉，其中所述炉包括体壁和盖，并且其中所述第一注入口穿过所述盖。

14.根据权利要求13所述的旋风炉，其中所述一个或一个以上第一注入口各自被定位成与所述炉的所述盖成30度至90度的角度。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的旋风炉，其中所述炉包括体壁和盖，所述体壁包括顶部部分、中心部分和底部部分，其中所述第二注入口和所述第三注入口穿过所述体壁的所述顶部部分。