[发明专利]二氧化硅熔体的制备方法

说明书

本发明涉及一种通过利用细二氧化硅粉末例如飞灰(fly ash)和/或稻壳灰(rice husk ash)制备二氧化硅基熔体的方法。

飞灰通常被定义为煤燃烧后除了粗底灰之外的剩余的细残留物。大于约80重量％的飞灰显示出小于45μm的颗粒尺寸。飞灰可能含有一些残留的碳，即至多25重量％的碳，尽管这种残留碳在飞灰的某些用途中可能是不希望的。其主要成分是二氧化硅。飞灰是通过垃圾填埋处置或混合到水泥组合物中的废弃物。还提出将飞灰与原料或矿物废料混合以制备合成渣料或其他玻璃质材料。

稻壳灰是例如在动力或蒸汽发生单元中燃烧稻壳后剩余的残留物。它由二氧化硅组成，水平为80至95％以上。颗粒尺寸变化约35μm。稻壳灰通常用于水泥和混凝土制备中、用于油漆、阻燃剂和其他应用中。

然而，考虑到操作这种细粉状材料的难度，仍然需要用于经济上感兴趣和环境友好的处置细二氧化硅粉末的进一步选择，该细二氧化硅粉末含有大于50重量％，优选大于60重量％，甚至更优选大于70重量％或大于80重量％的显示小于50微米，优选小于45微米的颗粒尺寸的颗粒，如飞灰和稻壳灰。

本发明提出了在浸没式燃烧熔炉中制备二氧化硅熔体，其包含至少35重量％的二氧化硅，优选至少40重量％的二氧化硅，更优选至少45重量％的二氧化硅或至少50重量％的二氧化硅，该浸没式燃烧熔炉包含优选地设置在熔炉底部的至少一个浸没式燃料燃烧器，以及在熔炉中的熔体水平下方和/或起泡熔体水平下方进料的细二氧化硅粉末例如飞灰和/或稻壳灰。可以将熔体的至少一部分从熔炉中取出并在冷却时使其玻璃化以产生玻璃化的产物。然后可以适当地进一步处理玻璃化的产物，并在制备混凝土组合物、建筑元件、道路施工等方面得到应用。在玻璃制造工艺中，更具体在玻璃熔化工艺中，还可以进一步发现作为玻璃化的原料(基本是二氧化硅)的用途。相比细粉状材料如飞灰或稻壳灰，更容易和更环境友好地操作、运输和使用玻璃化的产物。本发明还提供了一种处置这种细二氧化硅粉末的方法，并找到其用途而不是填埋它。

可以使用在WO 2015/014919，WO 2015/014920或WO 2015/014921中公开的方法和/或熔炉进行制备二氧化硅熔体的方法，其各自通过引用并入本文。

将细粉状二氧化硅(如飞灰或稻壳灰)与用于在标准玻璃熔炉中装料的原料(例如在熔体顶部上方)混合似乎不合适，因为来自熔体的烟道气将轻质粉状材料从熔炉设备带出。观察浸没式燃烧熔炉，从熔体水平上方装载包含细粉状二氧化硅的原料配合料似乎更不合适，这归因于倾向于将轻质粉状材料从系统中抽出的升高的烟道气流和熔池的高湍流。通过浸没式燃烧器的底部燃烧器吹入作为燃料仍显示出降低碳含量的飞灰或稻壳灰可能将灰排放系统，这归因于在这种浸没式燃烧燃烧器中产生的高的气体速度。

浸没式燃烧熔炉是已知的。这些熔炉的特征在于它们具有设置在熔体水平下方，优选地在熔炉底部的一个或多个燃烧器喷嘴，使得燃烧器火焰和/或燃烧产物通过熔体并直接将能量转移到熔体。浸没式燃烧熔炉进一步确保熔体中的有效混合，并在温度分布和组成方面使熔体均匀化。它还有利于将原料吸收到熔体中，从而减少灰尘颗粒通过烟囱逸出的风险，并改善对新原料的热传递。这在取出用于下游处理和/或成形之前减少了在熔炉中所需的停留时间。

现在已经发现，可以有利地在起泡熔体水平下方和/或熔体水平下方下将细二氧化硅粉末引入到浸没式燃烧熔炉中，优选地通过螺旋给料器或液压进料器引入，而无需任何预先的调节或制备，所述浸没式燃烧熔炉包含设置在该熔炉底部中的浸没式燃烧器。

在本上下文中，将“起泡熔体水平下方”理解为意指在熔炉操作期间由熔体的起泡和/或泡沫物质达到的离熔炉底部的最高点的下方。

在一个说明性实施方案中，在熔体水平下方引入细二氧化硅粉末意指在熔炉操作期间在离熔炉底部的一定高度处，在此液体熔体与熔炉侧壁连续接触。

包含在浸没式燃烧熔炉中的熔体有利地保持在湍流状态中。已知浸没式燃烧在熔池中产生高度搅拌和湍流，这归因于在高压下注入到熔体中的燃烧气体并且归因于由此在熔体中产生的对流流动。优选地，对浸没式燃烧器进行控制，使得湍流熔体的体积比没有任何燃烧器烧制时将会具有的体积大至少8％，更优选至少10％，甚至更优选至少15％。已经发现，在液体熔体中的气体注入和由此在熔体中产生的对流流动降低了其密度。氧-燃料燃烧器的适当控制产生所需的密度降低或体积增加。优选地，运行该方法，使得在熔体水平的顶部上方完全不产生显著的泡沫层或没有泡沫层。已经发现，这样的泡沫层对于在熔炉内的能量传递是不利的，因此不利于其效率。