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CN107108303A - 用于在火焰燃烧炉中熔化可玻璃化材料的优化方法和设备 - Google Patents

用于在火焰燃烧炉中熔化可玻璃化材料的优化方法和设备 Download PDF

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CN107108303A
CN107108303A CN201580067862.9A CN201580067862A CN107108303A CN 107108303 A CN107108303 A CN 107108303A CN 201580067862 A CN201580067862 A CN 201580067862A CN 107108303 A CN107108303 A CN 107108303A
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CN
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heat
transfer fluid
heat exchanger
flue gas
inlet
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Application number
CN201580067862.9A
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吕克·雅里
优素福·周曼尼
伯特兰·勒鲁
瑞米·特斯瓦
马克·瓦格纳
格雷瓜尔·贝亚斯
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

用于在火焰燃烧熔化炉(1)中熔化可玻璃化材料的方法，其中在第一高温热回收阶段期间，通过与来自该炉(1)的热烟道气的间接热交换来预热至少一种燃烧反应物(31，32)并且其中在第二低温热回收阶段期间，对在该第一阶段中获得的温和的烟道气(21)进行清洁并将其用于加热兰金循环的工作流体(13)。

Description

用于在火焰燃烧炉中熔化可玻璃化材料的优化方法和设备
本发明涉及一种用于在火焰燃烧炉中，如特别是火焰燃烧的玻璃熔化炉中熔化可玻璃化材料的方法和设备。
本领域中已知从由火焰燃烧的玻璃熔化炉中排出的烟道气中回收热能。
US-A-20120135362披露了玻璃熔化炉和方法，其中通过氧-燃料燃烧提供热量，并且其中用于该氧-燃烧的氧气通过借助于陶瓷分离膜分离含氧气体混合物诸如空气而产生。在陶瓷分离膜的上游，该气体混合物通过与来自炉的烟道气的热交换在同流换热器中加热，其中烟道气的温度保持高于800℃，即高于烟道气中硫酸盐的冷凝温度，以便防止该同流换热器结垢。
同样，在根据EP-A-0872690的热回收方法和设备中，其中通过在第一热交换装置中与热烟道气进行热交换来加热中间流体，之后通过在第二热交换装置中与该加热的中间流体热交换来预热燃料和/或氧化剂，该第一热交换装置中的烟道气的温度保持高于约1000℃。
因为在上述过程中，从高温烟道气中回收热量，没有由于热回收设备中的烟道气中存在的可冷凝物的冷凝产生问题。
在火焰燃烧熔化炉的技术领域中进一步已知的是通过使电流通过熔体而向该熔体添加额外的热量。这被称为电助熔(electric boosting)。其典型地通过将钼电极放置在炉的侧壁或底部来实现。
电助熔使以下成为可能：
a)增加现有炉的生产率(制成，吨位)而不增加来自该炉的大气排放，或
b)减少来自炉的排放，同时保持炉的生产率
并且这不对该炉进行重大改变。
电助熔典型地在炉中提供约10％至15％的能量需求。例如，对于以25％的效率运行并且每天生产100吨玻璃的现有玻璃熔化炉，添加电助熔可以将产量增加到每天160吨，并且效率增加到35％。
电助熔还可以稳定炉中的对流，使得能够更好地混合并改善熔融产物的均匀性。电助熔特别用于熔化具有高比例碎玻璃的玻璃配料的池窑。
通过经由电极向熔体供应电能，将该熔体更有效地加热：比通过经由燃烧化石燃料向炉供应相同量的热能更高效2至3.5倍。
一般来说，炉工从电力供应商购买用于电助熔的电力，被电助熔消耗的电力的成本加到整个生产成本上。
本领域还已知的是从由火焰燃烧玻璃制造炉中排出的烟道气产生电力。
US-A-20090308073提出了用于在工业过程中进行氧增强燃烧的系统。该系统包括工业过程系统、氧气供应源、热回收单元和本身基于除蒸汽以外的工作流体的替代兰金循环。氧气供应系统为工业过程供应氧气，该工业过程产生废热，该废热作为热源发送到该热回收单元。在该热回收单元中，该废热转移到替代兰金循环的工作流体中。该替代兰金循环将已转移到工作流体的废热转换为动力。该动力被氧气供应系统或工业过程利用，或输出到公用系统。工业过程可以是水泥生产、钢再热应用、玻璃生产、铝和铜熔化等。热源可以是由炉产生的烟道气流。根据US-A-20090308073，热源的温度必须低于600℃并且优选在400℃与100℃之间。
EP-A-0440085披露了用于生产玻璃的集成方法，其中燃烧热用来熔化玻璃制造炉中的玻璃制造材料。该方法包括：
a)通过燃料与富氧的氧化剂流的燃烧来在炉中加热玻璃制造材料。
b)从炉中除去热的烟道气，并通过在同流换热器、特别是壳管型热交换器中与高压气体流进行间接热交换来冷却该烟道气，由此加热所述气体流。然后加热的气体流膨胀通过涡轮机以从其中回收能量。膨胀的气体流被外部冷却流体被冷却并被再压缩以用作在该同流换热器中的高压气体流。
c)燃料和进料到炉的至少一部分玻璃制造材料进一步冷却该部分冷却的烟道气的至少一部分。
d)将二氧化碳以基本上纯的形式与冷却的烟道气分离。
e)回收精制的玻璃作为该方法的产物。
涡轮机产生的净功率可用于玻璃制造炉、空气分离单元或二氧化碳回收系统中的电助熔，或可输出。存在于热烟道气中的任何热的可冷凝物如硫酸钠都从该同流换热器中排出。
EP-A-1338848描述了用于回收通过富氧的燃烧炉产生的热能的系统，在该燃烧炉中氧化剂和燃料气体燃烧，从而产生烟道气。根据EP-A-1338848的系统包括：
a)具有比空气高的氧含量的氧化剂气体源，
b)至少一个热交换器系统，其被适配为接收该烟道气和所述氧化剂气体和该燃料气体中的至少一种，这样使得所述氧化剂气体和燃料气体中的至少一种被加热并且该烟道气被冷却，
c)废热锅炉，其被适配为将热量从烟道气中转移到给水以产生过热的蒸汽，以及
d)涡轮机，用于膨胀该过热的蒸汽并用于从其产生机械动力。
依据根据EP-A-1338848的系统的一个实施例，由蒸汽涡轮机产生的机械动力被传送到用于产生电力的发电机。炉可以是玻璃熔化炉。
在热交换器系统中，烟道气从通常高于1200℃的温度冷却至从约500℃至约1500℃、优选大于1000℃的温度。
根据EP-A-1338848，离开锅炉的烟道气的温度保持在150℃与400℃之间，并且因此足够低以允许其通过至少一个污染减轻系统，例如袋滤室过滤器、EXP或洗涤器，以便在发送到烟囱之前将所有排放物保持在允许的水平内。
在EP-A-1338848中描述的一个实施例中，废热锅炉包括烟道气再循环，这样使得锅炉入口下游的烟道气被来自锅炉出口的上游的一部分冷却的烟道气稀释和冷却至约550℃的温度。这确保了在进入对流传热部分之前所有的玻璃微粒都被完全固化。
在根据EP-A-1338848的系统的替代实施例中，烟道气流在进入锅炉之后不被稀释，而是通过“喷丸清洁”来清洁此锅炉中的传热表面，其中钢珠是从锅炉顶部像雨点般落下，以将任何微粒积聚震松。
当炉是玻璃熔化炉时，冷凝的烟道气组分诸如硫酸钠的隔热层在加热表面积上积累。在运行几天后，层积累和“喷丸清洁”达到平衡状态，其中积累层保持其厚度。
在所有上述已知的技术中，其中在较低温度下从烟道气中回收热量，由于以下出现问题：来自熔化炉的烟道气高度负载有可冷凝物，例如在玻璃熔化炉的情况下的硫酸钠、硼酸盐和氟化物，这些可冷凝物以固体或粘性沉积物的形式从烟道气中冷凝出来，如果其留在原地导致增加的压降、效率损失和最终堵塞。
在根据US-A-20090308073的系统中，热回收单元中的热源的温度在其中以上可冷凝物从玻璃炉烟道气中冷凝出来的温度范围内。
US-A-20090308073没有解释如何防止或去除来自热回收单元或通向其的导管的可冷凝物的沉积物。
在根据EP-A-0440085的方法中，据说可冷凝物从同流换热器中排出。因为所述可冷凝物形成粘附到同流换热器的热交换表面上的沉积物，所以从该同流换热器中除去所述可冷凝物需要使用机械力和中断该同流换热器并且因此中断将热传递到兰金循环的工作流体。
在根据EP-A-1338848的系统的第一实施例中，其中烟道气中的可冷凝物都在锅炉入口与锅炉的对流传热部分之间被收集和固化，锅炉运行以及因此还有过热的蒸汽生产和动力产生必须间歇地中断，以便从锅炉中除去固化的可冷凝物，并避免锅炉的部分或完全堵塞。
即使在根据EP-A-1338848的系统的第二实施例中，其中已经形成在传热表面上的可冷凝物的隔热沉积物通过喷丸清洁除去直到建立平衡，其中沉积物的积累层具有恒定厚度，一旦达到平衡状态，锅炉就可以不中断地运行，这样使得确保连续的动力产生，锅炉中的热交换效率以及因此还有功率产生的效率被在锅炉的热交换面上的所述隔热积累层存在显著损害。
本发明的目的是提供从来自火焰燃烧炉的烟道气中的有效热回收用于熔化可玻璃化材料，并且这既在高于可冷凝物从烟道气中冷凝出来的温度范围的烟道气温度下且在低于和/或与所述温度范围重叠的烟道气温度下。
本发明的另一个目的是提供此种热回收方法，其中从由烟道气中回收的热量产生动力，并且其中所述功率产生不需要中断以便从热回收和/或功率产生系统除去积聚的冷凝的可冷凝物。
当产生的动力用于熔化炉本身的运行，例如用于产生用于电助熔的电力时，不间断的功率产生是特别重要的。
本发明提出借助于用于在火焰燃烧熔化炉中熔化可玻璃化材料的方法来实现所述目的，其中从作为热烟道气从所述熔化炉中排出的燃烧气体中回收热量。
本发明的方法包括分别被称为“高温热回收阶段”和“低温热回收阶段”的第一和第二热回收阶段，特别地通过引用这两个所述阶段中的烟道气的相对温度。
在该高温热回收阶段中：
i.在主热交换器中通过在热烟道气与传热流体之间的热交换从由炉中排出的热烟道气中回收热量，以便获得在至少600℃、优选在600℃与800℃之间的温度下的加热的传热流体以及在至少880℃、优选900℃与1000℃之间的温度下的温和的烟道气，
ii.在富氧的氧化剂和燃料中选择的至少一种燃烧反应物在次级热交换器中通过在该加热的传热流体与该至少一种燃烧反应物之间的热交换来预热，以便获得预热的燃烧反应物和温和的传热流体，以及
iii.将该至少一种预热的燃烧反应物供应到该炉中。
在该高温热回收阶段如此获得的一种或多种预热的燃烧反应物作为一种或多种燃烧反应物供给火焰燃烧熔化炉。
在整个高温热回收阶段，烟道气的温度不下降到低于温和的烟道气离开该主热交换器的温度。
以这种方式，存在于来自熔化炉的烟道气中的可冷凝物在主热交换器内的沉淀被防止，因为烟道气的温度保持高于这些可冷凝物开始冷凝出来的温度。
在随后的低温热回收阶段中：
i.将可冷凝物通过沉淀从温和的烟道气中除去，并且
ii.从该温和的烟道气中回收热量。
根据本发明，在该低温热回收阶段中从温和的烟道气中回收的热量用于在第三热交换器中加热兰金循环的工作流体，并且使用该兰金循环来产生机械动力。
通过兰金循环产生的至少一部分和任选地所有机械动力有利地用于产生电力。在这种情况下，通过兰金循环如此产生的至少一部分和任选地全部电力被供应到炉中的电助熔电极。
可替代地或与上述组合，通过兰金循环产生的至少一部分机械动力可以用于在将富氧氧化剂供应到炉之前，或者如果根据优选实施例富氧氧化剂在高温热回收阶段期间被预热，在该预热的富氧氧化剂进行预热之前，压缩该富氧氧化剂。这可以通过以下方式实现：首先将至少一部分机械能转化为电能并将至少一部分该电能供给到氧化剂压缩机；或将通过兰金循环产生的机械能的至少一部分直接转移到该氧化剂压缩机。
在本发明上下文中，术语“富氧氧化剂”指的是具有的氧含量高于空气的氧含量(其为21％vol)、优选含有从50％vol至100％vol氧气的氧化剂。
该富氧氧化剂有利地具有从80％vol至100％vol、优选至少90％vol、更优选至少95％vol、最优选至少99％vol的氧含量。
术语两种流体之间的“热交换”指的是将热量从一种流体(热源流体)传递到第二种流体(待加热的流体)，而没有在这两种流体之间的任何直接接触或混合。
术语“热交换器”指的是加热设备或加热装置，其中将热量引入热交换器中的热源流体和待加热的流体在不同的外壳或回路中循环，即在这两种流体之间没有直接接触或混合，并且其中跨越隔开不同的披露或回路的一个或多个壁将热量从该热源流体传递到该待加热的流体。
术语“可冷凝物”指的是存在于炉烟道气中的物质，其在从900毫巴至1100毫巴范围内的压力下在从300℃至1000℃的范围内、特别是在从300℃至880℃范围内的温度下液化或固化。硫酸钠、硼酸盐和氟化物是可能存在于来自玻璃熔化炉的烟道气中的此类可冷凝物的实例。
术语“预热”指的是可玻璃化材料或燃烧反应物在其被引入炉内之前的加热。
在本发明上下文中，当两个元件连接时它们彼此“呈流体连接”，以便使流体能够典型地通过一个或多个流体输送导管从这些元件中的一个元件流动到另一个元件。
不同类型的兰金循环可以在根据本发明的方法中使用。兰金循环可以例如使用水/蒸汽作为其工作流体。兰金循环还可以使用有机流体，例如正戊烷或甲苯，作为其工作流体。该工作流体的性质典型地针对兰金循环运行的温度范围来选择。
在本发明的上下文中，术语“兰金循环”指的是兰金循环过程或用于进行兰金循环过程的兰金循环单元。
为了增加通过兰金循环产生的机械动力，来自温和的传热流体的热量和从温和的烟道气中回收的热量二者可用于加热兰金循环的工作流体。另外，第三热交换器可以例如包括两个连续的串联的热交换单元，这样使得，在第一热交换单元中，通过与温和的传热流体的热交换部分地加热工作流体，并且这样使得，在第二热交换单元中，该部分加热的工作流体通过与该温和的烟道气的热交换进一步加热，或反之亦然。
热烟道气典型地在至少1100℃、优选在1100℃与1500℃之间的温度下进入主热交换器。
当两种燃烧反应物都被预热时，它们可在以下项中被预热：
(a)在单独的次级热交换器中，即用于燃料的次级热交换器和用于富氧氧化剂的次级热交换器中，其中所述次级热交换器可以串联或并联耦合，或
(b)在被设计成预热这两种不同的燃烧反应物的同一个次级热交换器中。
在已经用于预热该至少一种燃烧反应物之后，温和的传热流体有利地在至多650℃、优选从200℃至650℃的温度下离开该次级热交换器。
在该低温热回收阶段中，在从所述温和的烟道气中回收热量之前，可从该温和的烟道气中除去可冷凝物，从而获得清洁的温和的烟道气。
可以使用以下方法从温和的烟道气中除去可冷凝物：借助于陶瓷过滤器，例如陶瓷烛状物或陶瓷填充床，借助于袋滤室过滤器或借助于静电沉淀(ESP)。
可以从该清洁的烟道气中以不同方式回收热量。
根据第一实施例，该清洁的烟道气直接用于加热兰金循环的工作流体。在这种情况下，从该清洁的烟道气中回收热量，并且通过在第三热交换器中该清洁的烟道气与工作流体之间的热交换来加热该工作流体。
可替代地，该清洁的烟道气可以间接地用于经由在高温热回收阶段中使用的传热流体加热工作流体。在这种情况下，通过在补充热交换器中该清洁的烟道气与温和的传热流体之间的热交换，从该清洁的温和的烟道气中回收热量，以获得再加热的传热流体。然后通过在第三热交换器中该再加热的传热流体与该工作流体之间的热交换来加热该工作流体。
第二传热流体也可以借助于该清洁的烟道气作为中间流体用于加热该工作流体。这意味着通过在该清洁的烟道气与第二传热流体之间的热交换从该清洁的烟道气中回收热量以便获得加热的第二传热流体。然后通过在第三热交换器中该加热的第二传热流体与该工作流体之间的热传递来加热该工作流体。补充热交换器可用于清洁的烟道气与第二传热流体之间的热交换。
代替如上所述的在从所述温和的烟道气中回收热量之前从该温和的烟道气中除去可冷凝物，还可能的是通过在辅助热交换器中通过沉淀从该温和的烟道气中除去可冷凝物，同时从该温和的烟道气除去热量。在这种情况下，这些可冷凝物在该辅助热交换器内从温和的烟道气中冷凝出来并且在其内形成沉积物，如前所述。
根据此第二选项的第一实施例，在辅助热交换器中通过温和的烟道气与温和的传热流体之间的热交换从该温和的烟道气中回收热量，以便获得再加热的传热流体。然后通过在第三热交换器中该再加热的传热流体与工作流体之间的热传递来加热该工作流体。
根据该第二选项的第二实施例，在辅助热交换器中通过该温和的烟道气与第二传热流体之间的热交换从该温和的烟道气中回收热量。然后通过在第三热交换器中该加热的第二传热流体与该工作流体之间的热传递来加热该工作流体。
该辅助热交换器可以包括两个平行的热交换单元。在这两个热交换单元之一中从该温和的烟道气中回收热量。当所述这两个热交换单元之一的运行被中断以便从其中除去冷凝的可冷凝物时，在这两个热交换单元中的另一个中从该温和的烟道气中回收热量，等等。
还有可能中断辅助热交换器的运行，以便从其中除去冷凝的可冷凝物并且，在该辅助热交换器中断期间，使温和的烟道绕过该辅助热交换器并在当辅助热交换器的运行中断时的所述时间期间通过在第三热交换器中与温和的烟道气的热交换加热工作流体。由于从该辅助热交换器中除去沉积物仅耗费少量时间，所以该辅助热交换器被绕过时在第三热交换器中的沉积物的形成仍然在可接受的水平内，并且不导致兰金循环的效率的大幅降低。
另外的可能性是中断该辅助热交换器的运行，以便从该辅助热交换器中除去冷凝的可冷凝物，并且在当该辅助热交换器的运行中断时的时间期间通过在第三热交换器中温和的传热流体与工作流体之间的热交换来加热该工作流体。以这种方式，在辅助热交换器的运行中断时，兰金循环继续产生机械动力，尽管可能降低动力产生的水平。
根据本发明的方法中使用的一种或多种传热流体可以是气态的。该一种或多种传热流体可以有利地选自下组，该组包括空气、CO2、N2或这些气体中的至少两种的混合物。
可以在该方法中使用各种燃料，例如：天然气、木煤气、煤气和合成气、以及轻质或重质燃料油。
如果燃料在高温热回收阶段期间被预热，则该燃料可以在气体燃料的情况下被预热到至少400℃的温度，或者在液体燃料的情况下被预热到至少100℃的温度。选择预热的最高温度以便避免燃料的劣化(例如通过裂解)。
富氧氧化剂可以具有从80％vol至100％vol、优选至少90％vol、更优选至少95％vol、并且最优选至少99％vol的氧含量。
燃烧反应物可以在高温热回收阶段中被预热到的温度范围的实例列于下表1中。
反应物 预热温度[℃]
具有70至89％vol氧的氧化剂 300℃至700℃
具有90至100％vol氧的氧化剂 300℃至650℃
天然气 200℃至550℃
表1
本发明对于在玻璃熔化方法中使用是特别有用的。在这种情况下，熔化炉是火焰燃烧玻璃熔化炉，例如平板玻璃炉或容器-玻璃炉。
该玻璃熔化炉的制成率可以范围为每天从100到800吨的熔融玻璃。
本发明还涉及适配为用于本发明方法的熔化可玻璃化材料的设备。
此种设备包括熔化炉、主热交换器和次级热交换器以及包括第三热交换器的兰金循环。
火焰燃烧熔化炉具有烟道气排放口、至少一个燃料入口和至少一个燃烧氧化剂入口。
该主热交换器被适配成通过与来自炉的烟道气的热交换来加热第一传热流体。它具有烟道气入口、烟道气出口、传热流体入口和传热流体出口。该烟道气入口与炉的烟道气排放口呈流体连接。该传热流体入口与第一传热流体的来源呈流体连接。
该次级热交换器被适配为通过与来自该主热交换器的第一传热流体的热交换来预热燃烧反应物。它具有传热流体入口、传热流体出口、反应物入口和反应物出口。该传热流体入口与该主热交换器的传热流体出口呈流体连接。该反应物入口与选自富氧氧化剂和燃料的反应物来源呈流体连接。当该反应物是燃料时，该反应物出口与炉的燃料入口呈流体连接。当该反应物是富氧氧化剂时，该反应物出口与炉的燃烧氧化剂入口呈流体连接。
兰金循环用工作流体运行，并且适配为产生机械动力。该兰金循环包括具有热源入口、热源出口、工作流体入口和工作流体出口的第三热交换器。
根据一个实施例，根据本发明的设备包括用于清洁离开主热交换器的烟道气的气体清洁设备。所述气体清洁设备具有气体入口和气体出口，该气体清洁设备的气体入口与该主热交换器的烟道气出口呈流体连接，并且该气体清洁设备的气体出口与第三热交换器的热源入口呈流体连接。该气体清洁设备被适配成从由熔化室排出的烟道气中除去可冷凝物。该第三热交换器被适配成通过与从气体清洁设备经由其气体出口排出的清洁的烟道气进行热交换来加热工作流体。
根据本发明使用的合适的气体清洁设备包括袋滤室过滤器、ESP(静电沉降器)、陶瓷过滤器等。
根据本发明的设备的替代实施例被设计用于在上述方法中使用，其中可冷凝物在辅助热交换器中沉淀。根据所述替代实施例的设备包括如以上关于第一实施例所述的熔化炉、主热交换器、次级热交换器和兰金循环。根据所述第二实施例，代替气体清洁设备，根据本发明的设备包括具有烟道气入口、烟道气出口、传热流体入口和传热流体出口的辅助热交换器。此辅助热交换器的烟道气入口与该主热交换器的烟道气出口呈流体连接。
该辅助热交换器的传热流体入口与该次级热交换器的传热流体出口或与第二传热流体的来源呈流体连接。该辅助热交换器的传热流体出口与第三热交换器的热源入口呈流体连接。在这种情况下，该辅助热交换器被适配成用于再加热从该次级热交换器排出的第一传热流体或者用于加热由该第二传热流体来源供应的第二传热流体。该第三热交换器被适配成通过与该再加热的第一传热流体或者该加热的第二传热流体进行热交换来加热工作流体。
该第一传热流体的来源可以是含有传热流体的储器或产生该第一传热流体作为主产物或作为副产物的设备。
该第一传热流体的来源优选是气态传热流体诸如空气(例如风扇/压缩机)、氮气(例如空气分离单元、氮气管道或氮气储器)或CO2(例如CO2储器或产生CO2作为次级产物的设备)的来源。将理解的是，当该第一传热流体是气体时，其可以储存在储器中或以液化形式在管道中运输。因此，气态氮气或气态CO2的来源可以为液化氮，对应地，CO2的储器，其中在从该储器运输到热交换器期间允许液化的气体蒸发。
类似的考虑适用于第二传热流体及其来源。
在其中两种燃烧反应物都在次级热交换器中(或如上所述的一组单独的次级热交换器中)通过与该第一传热流体的热传递来预热的实施例中，所述次级热交换器(或次级热交换器组)具有第一反应物入口、第二反应物入口、第一反应物出口和第二反应物出口。该第一反应物入口与富氧氧化剂来源呈流体连接，并且该第二反应物入口与燃料来源呈流体连接。
该第一反应物出口与炉的燃烧氧化剂入口呈流体连接，并且该第二反应物出口与炉的燃料入口呈流体连接。
兰金循环有用地连接到发电机，该发电机被适配成将至少一部分产生的机械动力转换成电力。在这种情况下，炉优选地包括连接到该发电机以便从其接收电力的电辅助加热电极。
如前指出的，当炉是玻璃熔化炉时，本发明的设备是特别有用的。
在以下实例中说明了本发明及其优点，参考图1至3，这些图是根据本发明的玻璃熔化设备的实施例的示意图。
图1示出了火焰燃烧玻璃熔化炉1。所述炉配备有多个氧-燃料燃烧器2(仅示出一个燃烧器)。从炉1排出的烟道气7被供给到主热交换器20的烟道气入口。同时，传热流体22(在此是空气)通过主热交换器20的传热流体入口供应到该主热交换器。
在主热交换器20内部，通过与热烟道气7的热交换将所述传热流体22加热至约700℃的温度。
加热的传热流体33从主热交换器20通过其传热流体出口排出，并通过次级热交换器30的传热流体入口引入该次级热交换器中。
次级热交换器30是具有氧化剂入口和氧化剂出口以及燃料入口和燃料出口的多通量热交换器。
在次级热交换器30中，具有的氧含量为从90％vol至100％vol的富氧氧化剂32和气体燃料31诸如天然气通过与热的传热流体33的热交换而预热。将如此预热的富氧氧化剂5和气体燃料6供应到炉1的氧燃烧器2，以便在炉1内产生燃烧以及因此热量，所述热量用于熔化固体玻璃制造材料并产生位于炉1下部的玻璃槽3内的玻璃熔体浴。
将理解的是，代替多通量热交换器30，同样有可能使用两个不同的次级热交换器(相对于传热流体的流动串联或并联)，第一次级热交换器用于预热富氧氧化剂32，第二次级热交换器用于预热(气态)燃料31。
根据本发明，离开主热交换器20的温和的烟道气21中存在的残余热量被开发并用于在第三热交换器14中加热兰金循环的工作流体13。
在图1中所示的实施例中，将温和的烟道气21送到气体清洁设备60，例如一组陶瓷烛状物或陶瓷球的填充床，其中在该烟道气的最少冷却的情况下从所述温和的烟道气中除去可冷凝物。陶瓷烛状物可以由NaHCO3制成，并且可以清洁几十立方米/小时的含NO、NO2、SO2、SO3和灰尘颗粒的烟雾。
然后将从气体清洁设备60发出的清洁的烟道气61送到兰金循环以便加热其工作流体13。此后，如必要的话，在送到烟囱(未示出)之前，将冷却的烟道气42送到烟道气处理设备(未示出)。
借助于兰金循环的动力单元12，由工作流体13如此吸收的热量用于产生机械动力。然后，所述机械动力被发电机10转换成电力。将该电力供给到位于炉1的熔体池3中的辅助加热电极4(仅示出单个电极)，以便向玻璃熔体提供电助熔能，从而改善所述炉1的效率。
在图1中所示的实施例中，除了清洁的烟道气61之外，将从次级热交换器30排出的温和的传热流体41作为附加的热源用于加热兰金循环的工作流体13，从而进一步改善该设备的能量效率。
此后，冷却的传热流体16可以释放到大气中(特别是如果传热流体22是空气)或者可以再循环回到主热交换器20。
替代实施例(未示出)将是使用清洁的烟道气61在补充热交换器中再加热温和的传热流体41，并且使用如此再加热的传热流体作为热源用于加热兰金循环的工作流体13。然后，可以将离开该补充热交换器的冷却的烟道气送到烟道气处理设备(如必要的话)，然后将该烟道气送到烟囱。
在图2中所示的实施例中，代替送到气体清洁设备，将温和的烟道气21至少部分地并且优选作为整体送到辅助热交换器40以再加热从次级热交换器30排出的温和的传热流体41以便产生再加热的传热流体15，该传热流体作为热源用于在第三热交换器14中加热兰金循环的工作流体13。
在辅助热交换器40内部，将烟道气冷却到可冷凝物从烟道气中冷凝出来的温度范围内和低于该温度范围。这些可冷凝物在所述辅助热交换器40的烟道气回路内形成沉积物。为了将辅助热交换器40的热交换效率保持在足够的水平下，将这些沉积物周期性地从热交换器40除去。在此过程期间，所有的温和的烟道气21都作为烟道气流23绕过辅助热交换器40。
根据一个实施例，在从辅助热交换器40除去沉积物期间，温和的传热流体41可以在作为热源引入第三热交换器14之前继续流过所述热交换器40(然而不用温和的烟道气21再加热)。如果在从辅助热交换器40中除去可冷凝物期间使温和的传热流体41流过该辅助热交换器是不可能的或不可取的，则可以提供旁路以便将温和的传热流体41直接从次级热交换器30的传热流体出口引导到第三热交换器14的热源入口。
在图3中所示的实施例中，将清洁的烟道气61和气态的温和的传热流体41混合，并将气体混合物15作为热源供应到兰金循环。在兰金循环的下游，将冷却的混合物15典型地送到烟囱(未示出)。在根据图3的设备中，兰金循环未连接到发电机。
代替地，兰金循环的膨胀器12借助于驱动轴连接到气体压缩机18。
以这种方式，由兰金循环产生的机械动力用于在富氧氧化剂32被引入次级热交换器30之前压缩该富氧氧化剂。确实，富氧氧化剂的某些来源，例如VSA(真空变压吸附)空气分离单元，经常产生处于以下压力的富氧氧化剂，该压力对于将所述富氧氧化剂作为炉中的燃烧反应物太低。
已经发现，本发明使得可能使用炉烟道气来不仅通过预热燃烧反应物来提高炉的效率，而且进一步通过提供熔化过程的至少一部分和通常全部的电助熔能和/或用于压缩富氧氧化剂的能量来增加炉效率。

Claims (15)

1.用于在火焰燃烧炉(1)中熔化可玻璃化材料的方法，该方法包括：
(a)高温热回收阶段，其中：
i.在主热交换器(20)中通过在从该炉(1)中排出的热烟道气(7)与传热流体(22)之间的热交换从该热烟道气(7)中回收热量，以便获得在至少600℃、优选在600℃与800℃之间的温度下的加热的传热流体(33)以及在至少880℃、优选900℃与1000℃之间的温度下的温和的烟道气(21)，以及
ii.在富氧氧化剂(32)和燃料(31)中选择的至少一种燃烧反应物在次级热交换器(30)中通过在该加热的传热流体(33)与该至少一种燃烧反应物(32，31)之间的热交换来预热，以便获得预热的燃烧反应物(5，6)和温和的传热流体(41)；以及
iii.将该至少一种预热的燃烧(5，6)反应物供应到该炉(1)中；
(b)低温热回收阶段，其中：
i.将可冷凝物通过沉淀从该温和的烟道气(21)中除去，并且
ii.从该温和的烟道气(21，61)中回收热量，
在该方法中，从该温和的烟道气(21，61)中回收的热量以及任选地还有来自该温和的传热流体(41)的热量用于在第三热交换器(14)中加热兰金循环的工作(13)流体，并且其中通过该兰金循环产生机械动力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中由该兰金循环产生的该机械动力的至少一部分用于产生电力。
3.根据权利要求2所述的方法，其中将所产生的电力的至少一部分供应到该炉中的电助熔电极(14)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中在将该燃烧氧化剂(32)作为燃烧反应物供应到熔化室之前，或如果在该次级热交换器(30)中预热该富氧氧化剂(32)，则在将该燃烧氧化剂(32)引入所述次级热交换器(30)之前，将由该兰金循环产生的该机械动力的至少一部分用于压缩该燃烧氧化剂(32)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在该低温热回收阶段中，从该温和的烟道气(21)中除去可冷凝物，以便获得清洁的温和的烟道气(61)，然后从该温和的烟道气(61)中回收热量。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中在辅助热交换器中通过沉淀将这些可冷凝物从该温和的烟道气(21)中除去，同时从该温和的烟道气中除去热量。
7.根据权利要求6所述的方法，通过在该辅助热交换器(40)中该温和的烟道气(21)与该温和的传热流体(41)之间的热交换，从该温和的烟道气(21)中回收热量以便获得再加热的传热(15)流体，并且其中通过在该第三热交换器(14)中该再加热的传热流体(15)与该工作流体(13)之间的热传递来加热该工作流体(13)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的用于熔化玻璃的方法。
9.用于熔化可玻璃化材料的设备，该设备包括：
(a)火焰燃烧熔化炉(1)，该火焰燃烧熔化炉具有烟道气排放口、至少一个燃料入口和至少一个燃烧氧化剂入口，
(b)主热交换器(20)，该主热交换器具有烟道气入口、烟道气出口、传热流体入口和传热流体出口，该烟道气入口与该炉(1)的烟道气排放口呈流体连接，该传热流体入口与第一传热流体(22)的来源呈流体连接，该主热交换器(20)被适配成通过与来自该炉(1)的该烟道气(7)的热交换来加热该第一传热流体(22)，
(c)次级热交换器(30)，该次级热交换器具有传热流体入口、传热流体出口、反应物入口和反应物出口，该传热流体入口与该主热交换器(20)的传热流体出口呈流体连接，该反应物入口与选自富氧氧化剂(32)和燃料(31)的反应物的来源呈流体连接，该次级热交换器(30)被适配为通过与该第一传热流体(33)的热交换来预热该反应物，其中如果该反应物是燃料(31)，则该反应物出口与该炉(1)的燃料入口呈流体连接，并且其中如果该反应物是富氧氧化剂(32)，则该反应物出口与该炉(1)的燃烧氧化剂入口呈流体连接，
(d)兰金循环，该兰金循环用于产生机械动力并用工作流体(13)运行并且包括第三热交换器(14)，该第三热交换器具有热源入口、热源出口、工作流体(13)入口和工作流体(13)出口，
其特征在于，该设备还包括气体清洁设备(60)，该气体清洁设备具有气体入口和气体出口，该气体清洁设备(60)的气体入口与该主热交换器(20)的烟道气出口呈流体连接，并且该气体清洁设备(60)的气体出口与该第三热交换器(14)的热源入口呈流体连接，该气体清洁设备被适配成从由该炉(1)中排出的该烟道气(21)中除去可冷凝物并且该第三热交换器(14)被适配成通过与从该气体清洁设备(60)中排出的该清洁的烟道气(61)进行热交换来加热该工作流体(13)。
10.根据权利要求9所述的设备，其中该兰金循环具有：
·一个热源入口，该热源入口与该气体清洁设备(60)的气体出口和该次级热交换器(30)的传热流体出口二者呈流体连接，或
·两个热源入口和两个热源出口，一个热源入口与该气体清洁设备(60)的气体出口呈流体连接，并且另一个热源入口与该次级热交换器(30)的传热流体出口呈流体连接。
11.用于熔化可玻璃化材料的设备，该设备包括：
(a)火焰燃烧熔化炉(1)，该火焰燃烧熔化炉具有烟道气排放口、至少一个燃料入口和至少一个燃烧氧化剂入口，
(b)主热交换器(20)，该主热交换器具有烟道气入口、烟道气出口、传热流体入口和传热流体出口，该烟道气入口与该炉(1)的烟道气排放口呈流体连接，该传热流体入口与第一传热流体(22)的来源呈流体连接，该主热交换器(20)被适配成通过与来自该炉(1)的该烟道气(7)的热交换来加热该第一传热流体(22)，
(c)次级热交换器(30)，该次级热交换器具有传热流体入口、传热流体出口、反应物入口和反应物出口，该传热流体入口与该主热交换器(20)的传热流体出口呈流体连接，该反应物入口与选自富氧氧化剂(32)和燃料(3)的反应物的来源呈流体连接，该次级热交换器(30)被适配为通过与该第一传热流体(33)的热交换来预热该反应物，其中如果该反应物是燃料(31)，则该反应物出口与该炉(1)的燃料入口呈流体连接，并且其中如果该反应物是富氧氧化剂(32)，则该反应物出口与该炉(1)的燃烧氧化剂入口呈流体连接，
(d)兰金循环，该兰金循环用于产生机械动力并用工作流体(13)运行并且包括第三热交换器(14)，该第三热交换器具有热源入口、热源出口、工作流体入口和工作流体出口，
其特征在于，该设备还包括辅助热交换器(40’)，该辅助热交换器具有烟道气入口、烟道气出口、传热流体入口和传热流体出口：
·该辅助热交换器(40’)的烟道气入口与该主热交换器(20)的烟道气出口呈流体连接，
·该辅助热交换器(40’)的传热流体入口与(i)该次级热交换器(30)的传热流体出口或(ii)第二传热流体的来源呈流体连接，
·该辅助热交换器(40’)的传热流体出口与该第三热交换器(14)的热源入口呈流体连接；
该辅助热交换器(40’)被适配成(i)再加热从该次级热交换器(30)中排出的该第一传热流体(41)，或(ii)加热由该第二传热流体来源供应的该第二传热流体，并且该第三热交换器(14)被适配成通过与(i)该再加热的第一传热流体(13)或(ii)该加热的第二传热流体(15)的热交换来加热该工作流体。
12.根据权利要求10和11之一所述的设备，其中该第一传热流体(22)的来源是气态的第一传热流体的来源。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的设备，其中该兰金循环连接到发电机(10)，该发电机被适配成将至少一部分所产生的机械动力转换为电力，其中优选地该发电机连接到该炉(1)的辅助加热电极用于向其供应电力。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的设备，其中该兰金循环连接到用于压缩该富氧氧化剂(32)的压缩机(18)。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的设备，其中该炉(1)为玻璃熔化炉。
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