[发明专利]对喷浸没燃烧熔制无机材料的方法及其熔窑

说明书

技术领域

无机物料熔制方法及其熔窑。特别是浸没燃烧方法及其熔窑。

背景技术

无机物料，包括玻璃、金属、陶瓷、耐火材料等的熔制是材料制造工艺中最重要、最核心的工艺。它的优劣对于绿色环保、节能减排以及材料的制造质量和成本的高低，有着举足轻重的作用。

以玻璃熔制为例：目前，用燃料连续熔制玻璃液均采用表面加热的方法。它有着几个难以克服的缺点：一是热效率较低，热损耗严重；二是熔化率较低；三是熔化池燃烧空间的燃气温度高、流速大，对窑炉耐火材料侵蚀较快，降低了窑炉使用寿命。为了节省能源、减少排放和降低成本并提高窑炉使用寿命，国内外都在探索更有效的加热方法代替表面加热，例如浸没燃烧和电极加热。

但是，迄今为止，所谓浸没燃烧是将气态燃料燃烧器从窑底插入窑内，使燃烧的废气以高温高速直接喷入熔池玻璃液中，搅动着玻璃液，并将大部分热量传给玻璃液和配合料，使玻璃料迅速熔化。

这种方法不仅可使燃烧气体的热量被玻璃液充分吸收，热损失小，熔化率高，节能效果十分显著（国外介绍浸没燃烧方法的熔化率可达9~10吨/平方米·日，每公斤玻璃液热耗在1000~1300千卡）。而且由于高温气体翻腾，对玻璃液起搅拌作用，使池内的玻璃液更均匀。又由于离开玻璃液的废气温度基本和熔池中表面玻璃液的温度相同，因而降低了熔窑空间的温度，延长了窑炉的使用寿命。

浸没燃烧方法有许多优点，因此包括中国在内的美、日、法、俄等国都先后进行了深入的研究和试验，但到目前为止均未在大规模工业应用上获得成功。

其原因在于，这种传统浸没燃烧的方法有着难以解决的问题： 1、澄清问题：在向玻璃液中喷入燃气和空气混合物时(燃烧产物)，喷嘴的作业条件比较困难，只有混合气体耗量大大超过用空气或蒸汽鼓抱时，熔制才会正常进行。由于玻璃液的激烈鼓泡翻腾，使玻璃液呈泡沫状，自身的微小气体夹杂物显著增多，因此，使玻璃液澄清很困难。 2、燃料问题：在熔体中吸留或夹杂的灰泡成分主要是未参加反应的不活泼气体，也就是燃料燃烧过程中释放出的氮，如：用天然气一空气混合气体的浸没燃烧喷嘴所产生的燃烧产物中，含氮量超过70%，而一般的燃烧方法则允许在燃烧产物中的含氮量不超过30%，对于平板玻璃，则最好不超过10%(重量)。因此，这也是气体夹杂物多的主要原因。用纯氧燃烧工艺可有效解决上述两个问题，但带来的问题是，火焰温度过高，喷嘴蚀损过快，又无法补偿或更换。 3、燃烧器问题：由于燃烧器是浸没在熔体中的，其质量、安放位置以及操作控制都比以往要求严格，否则，一旦燃烧发生故障，使玻璃液进人其内固化，则不能继续使用。另外，当玻璃液达到一定深度时，喷嘴的冲力不够，火焰则不进玻璃液，而从旁边耐火材料喷出。秦皇岛玻璃研究院在试验中就遇到过这种情况。缩小喷嘴直径可解决上述问题，但又会造成燃烧热量不足的问题。 4、耐火材料问题：由于玻璃液在窑内剧烈翻腾，上部结构空间会被飞溅出来的玻璃液所冲刷，一般的硅砖和铬砖适应不了这种熔窑的需要。当在池底设置多个燃烧喷嘴时，也会削弱耐火材料的强度。另外，如在熔液中燃烧天然气(为供入窑内总量的7-10%),会使热交换大大加强。过多地提高直接在熔窑中燃烧的天然气量，耐火材料受蚀严重。 5、玻璃液粘度、气源压力和流量的波动，对混合气体压力和喷速的影响很大，使其难以长期恒定地保持在玻璃液中燃烧，极易造成脱火或回火现象。 6、最为关键的问题是：由于受材料限制，燃烧器(尤其是喷火嘴)极易损耗、寿命较短，而且既无法补偿也难以更换。所以尽管经过长期的研究和试验，却难以投入实际应用。而电极加热存在的问题是：熔化率低；加热面积有限；电极昂贵并更换困难且易氧化；需先用其它加热方式将玻璃熔化成液体后，才能够通电加热，增加了设备及工艺成本。因此。目前电极加热的玻璃电熔窑仅用于高硼硅玻璃、乳白玻璃等小规模产品的生产。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种对喷浸没燃烧熔制无机材料的方法及其熔窑，其特征是：这种熔窑去除了顶盖和胸墙，只有窑底和池壁构成的熔池；将燃料喷管和助燃剂喷管分别从熔池顶部和熔窑底部相对应位置插入熔池中，并方向相对，喷出燃料和助燃剂，使其在熔液内部相遇燃烧，从而达到熔化物料的目的；在熔融液体上表面，始终铺盖有一层待熔的原料配合料层，熔液内的燃烧烟气经此料层逸出，并通过与料层换热降温后排掉；燃烧烟气中未完全燃烧的燃料，在熔液表面以及原料配合料层中遇氧气燃烧，并给原料配合料加热；随着原料配合料层底层不断熔化，顶层不断铺上新料层，熔窑便能够连续生产出所需要的熔液。