CN111132941B - 适用于在端焰炉中熔融诸如玻璃的材料的燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了端焰熔融炉和通过端焰熔融炉(10)使原材料熔融的方法，所述端焰熔融炉(10)具有熔融槽(7)、熔融室(8)、第一端口和第二端口(21、22)、至少一个燃烧器(11、12)和至少一个辅助燃料喷射器，所述至少一个辅助燃料喷射器布置在所述端焰熔融炉中的所述顶部中或分别在第一侧壁和第二侧壁中，使得所述至少一个辅助燃料喷射器将再循环燃烧产物(104)的方向上的部分X2的辅助燃料在没有额外的氧化剂的情况下在再循环燃烧产物的流动方向上并且以选择的速度引入所述再循环燃烧产物中，使得X2在被进入所述炉的氧化剂燃烧之前与再循环燃烧产物混合。

Description

适用于在端焰炉中熔融诸如玻璃的材料的燃烧方法

发明背景

发明领域

本发明涉及适用于使诸如玻璃的原材料在端焰炉中熔融的方法的燃烧方法，并且更具体地涉及旨在减少原材料熔融期间使用的火焰中氮氧化物(NOx)的形成的方法。

本发明还涉及实施旨在减少NOx的排放的此类方法的端焰熔融炉。

相关技术的描述

用于生产不同类型的玻璃或其它材料的几种类型的熔融炉是已知的，包括端焰炉。在这些炉中，火焰(有时称为“马蹄形火焰”)和燃烧产物流限定U形。

应注意，端焰炉有时被技术人员称为“端部端口炉”或“U形火焰炉”。在下文，术语“端焰”、“端部端口”和“U形火焰”可以等同地用于描述炉和相同类型的炉。

在本描述中可以使用以下术语。以下定义仅通过实例的方式给出：

-熔融炉，例如玻璃熔融炉：由被燃烧室覆盖的熔融材料浴组成，在燃烧室中燃料被燃烧以产生用于使原材料熔融的热量。

-蓄热式熔融炉(regenerative melting furnace)，例如蓄热式玻璃熔融炉：装配有连接至排出端口和入口端口的填充室并且以规律的间隔反转点燃方向，使得排出气体加热填充物并且氧化剂(例如燃烧空气)交替地被填充物加热的炉子。

-回热式熔融炉(recuperative melting furnace)，例如回热式玻璃熔融炉：在一个方向上连续点燃的炉，其中氧化剂被单独的回热式热交换器加热。

-端焰炉：其中氧化剂和排出端口位于相同的端部壁上的熔融炉。

-端焰炉的后壁：通过入口端口将氧化剂引入其中以及排出端口位于其中的壁。

-前壁：与后壁相对的壁，通常浴中的熔融材料在前壁下方被排出。

-端口：用于将氧化剂引入熔融室的通道(所谓的“入口端口”)或用于从熔融室去除燃烧产物的通道(所谓的“排出端口”)。在反向端焰炉中，位于后壁上的一对端口交替地操作作为入口端口和排出端口。

-燃烧器：与通常喷射用于使原材料熔融的燃料的端口或多个端口相关联的装置。可以存在与给出的端口相关联的多于一个的燃烧器。燃烧器可以位于以下位置中：在端口下-燃烧器位于端口下方，端口的侧边-燃烧器位于端口的侧边，贯穿端口-燃烧器位于端口内。

-辅助燃料喷射器：将辅助燃料喷射进入熔融室中的装置。

-燃烧产物：由燃料与氧化剂的燃烧产生的气体，典型地具有一般小于5％，并且更典型地小于2.5％的氧的比例。

-再循环燃烧产物：在顶部与火焰之间的空间中，朝向燃烧入口端口返回的燃烧产物流。在端焰炉中，所述流处于水平面中。

-生物燃料：来自可再生生物质的燃料。生物燃料可以是气体、液体或固体。

-氧化剂：用于使燃料燃烧的流体，通常是空气。

端焰炉典型地利用蓄热式热交换器操作，蓄热式热交换器交替地使用彼此并排位于炉的一个壁(后壁)上的两个端口。在第一时间段(典型地10分钟至30分钟)期间，燃料和氧化剂(例如空气)仅供应至两个端口中的第一个，而燃烧产物经由排出端口排出。在交替的第二时间段(典型地也是10分钟至30分钟)期间，燃料和氧化剂(例如空气)被供应至两个端口中的另一个，而燃烧产物经由与第一燃烧器相关联的排出端口排出。这些端口交替地用作入口端口或排出端口。

每个端口与一个或多个燃烧器相关联。燃烧器以通过或靠近(通常在下方)用作氧化剂入口的端口供给燃料。在排出端口中或靠近排出端口的燃烧器是闲置的。至两组燃烧器的燃料供应与氧化剂流同步交替。

蓄热器连接氧化剂的供应路径中的入口端口的供应开口的上游。排出侧蓄热器通过离开的排出气体加热。在反转炉点燃方向之后，热的蓄热器加热进入的氧化剂。热量回收至进入的氧化剂中的这种过程增加了熔融炉的热效率并且确保实现使原材料熔融所需的高温(约1500℃、2700°F)。

当氧化剂是空气时，如工业玻璃熔融炉中通常的情况，氮氧化物(NOx)(管控的空气污染物)通常在燃料和氧化剂混合物的燃烧期间出现。空气中的氮与空气中的氧在玻璃熔融炉火焰中的高温下结合以形成“热NOx(thermal NOx)”。在蓄热式玻璃熔融炉的情况下，排出气体中的NOx的浓度在8％O2(用于比较NOx排放的标准条件)下典型地为750mg/Nm3至2500mg/Nm3。

在世界许多地区，尝试降低排出气体中的氮氧化物部分以满足当前或将来的排放法规设定的在8％O2下500mg/Nm3的限度是重要的。这需要“目前发现的”NOx排放减少30％至80％。

通常展开以减少来自玻璃熔融炉(或其它类型的炉)的NOx排放的选择是排出气体的后处理。然而，此类排出气体净化装置是昂贵的并且构成了需要额外的空间以及高操作和维护成本的额外的设备。典型地，在大型端焰玻璃熔融炉上实现高达90％NOx还原的选择性催化还原(SCR)装置具有100万欧元的资本成本和约€100,000的年度操作成本。每年需要更换约1/3的催化剂。它还需要使用氨(NH3或尿素)作为还原剂，其本身是管控的污染物的流体。较低资本的替代方案是在排出蓄热器内进行的选择性非催化还原(SNCR)。SNCR使用氨或尿素与NOx反应并且分解NOx。它必须在870℃至1090℃的非常特定的温度下进行。高于该温度，氨反应以产生更多的NOx，而低于该温度，氨离开蓄热器而未反应以添加至来自装置的排放物中。在反向蓄热式玻璃熔融炉上，仅对于在蓄热器中的任何给定位置处的一小部分的蓄热循环存在有效SNCR的正确条件。这使得SNCR非常无效。

Tsai(EP0882488和US5893940)将额外的燃料和氧化剂引入排出气体中，以试图稳定它们进入蓄热式热交换器的温度，并且因此延长SNCR有效的炉循环的部分。此方法可行，但很难将温度控制在所需范围内。因此，Tsai的方法的有效性是有限的，并且此外，通过将炉的燃料消耗和CO2排放增加几个百分点，增加了氨的消耗。

在排出气体离开熔融室之后清理排出气体的更成功的方法是向废气中或在熔融室内添加过量的燃料，使得没有足够的氧化剂可用于完全燃烧。在这种情况下，在废气(还原气氛)中形成一氧化碳(CO)和氢(H)，并且这些在排出端口中和在蓄热器内将NOx还原成氮气(N2)和二氧化碳(CO2)和水(H2O)。必须在蓄热器的下游端部引入空气(有时称为“过燃烧空气”)以燃烧过量的CO(另一种管控的污染物)并且试图回收在额外的燃料中损失的部分热量。

称为“使燃料再燃烧的技术”的这种方法最初由Quirk提出(EP0599548-所谓的3R工艺)，其在排出端口中或排出端口附近使用无焰燃烧器引入过量燃料。然而，尽管它具有以非常低的资本成本实现所需的80％的NOx减少的可能性，但这是以燃料消耗和CO2排放增加5％至15％为代价。3R方法还在蓄热器上施加化学和热应力，导致蓄热器寿命降低。由于这些原因，这种方法已经几乎被玻璃工业放弃。

在改善这种“使燃料再燃烧的技术”的尝试中，Ichiraku(JP08208240)提出了在蓄热器中使用补燃(after-burning)来减少NOx的方法。在这种方法中，过量的燃料通过冠部或排出端口中的喷射器或者在端焰炉的情况下在前壁附近的喷射器被喷射进入炉中。通过常规燃烧器形成的NOx在高度还原气氛中进入蓄热器，这导致NOx分解成氮和二氧化碳。这种“补燃”反应需要一定的时间，该反应通常通过蓄热器部分地完成。此时，可以喷射空气以在相对低的温度下燃烧过量的燃料。产生的一些热量通过蓄热器回收，并且一些热量在较高温度的气体中从蓄热器离开。该技术类似于Quirk 3R工艺，但在3R中将过量的气体喷射至排出端口颈部。它具有类似的缺点，并且没有被广泛的应用。

总之，虽然以上讨论的所有排出气体清洁方法都能够实现高达80％的所需NOx减少，但它们仅以高资本成本或高运行成本或在一些情况下以二者为代价来实现。此外，Quirk和Ichiraku方法导致CO2排放的大量(约10％)增加。

替代方法是减少或避免熔融室中形成NOx。燃烧器调节(包括减少过量的氧化剂(去除用于NOx形成反应的可用的氧)和延长火焰(降低峰值火焰温度和因此降低NOx形成的速率)是可行的，但在废气中出现高水平的CO之前，通常将产生不高于10％至20％的减少。这种或相关的炉输出损失阻止了它们的进一步使用。

Moreau(US 6047565)提出在通过入口端口进入的氧化剂与通过燃烧器进入的燃料之间产生惰性气体的“覆盖层(blanket)”，从而延迟在主火焰中产生较低温度的主燃料的燃烧，并且因此减少NOx的形成。该方法仅适用于下端口点燃布置,其中燃料通过位于氧化剂端口下方并且氧化剂流流经它们的一个或多个燃烧器引入。Moreau提出了产生这种“覆盖层”的各种方法。通常，通过在主燃料射流与氧化剂之间以低速度引入少量(通常为5％且总是小于30％)的燃料，在燃烧入口端口中或下方形成“覆盖层”。所述方法可以产生过长的火焰，其在炉中不完全燃烧，并且可能在玻璃表面导致不希望的还原条件。US6047565提出了通过在主燃料射流与熔融玻璃表面之间喷射氧或空气的高压射流来克服这些不希望的作用的方法。这是非常复杂的布置,难以控制。通过氧化剂端口和补充氧喷枪供应的总氧化剂被保持在接近或低于完全燃烧所需的量。这种富燃料操作也有助于减少NOx，但发明人没有给出该方法减少NOx的有效性的指示。

Nakamura(JPH05180410)通过经由两个喷射器喷射部分燃料来减少NOx的形成，所述两个喷射器位于与燃烧空气入口端口相同的壁上，位于邻近该口的位置处，并且以与空气和火焰相同的方向定向。来自两个喷射器的燃料与再循环废气混合，所述废气的氧含量低并且因此在较低的温度下缓慢燃烧，导致较低的NOx形成。实际上，难以将喷射器装配在该位置处。由于进入的氧化剂流的接近，在遇到燃烧空气并且与燃烧空气混合之前，喷射器燃料与燃烧产物混合的可用距离不足，从而降低了Nakamura喷射方法的有效性。

文件Demarest(US 4599100)公开了使用过量空气燃烧操作横焰熔融炉的方法。在该文件中，通过额外的燃烧器引入额外的燃料以消耗过量的空气。在该文件中，额外的燃料的喷射使得过量空气的减少位于火焰的顶部，使得火焰与玻璃之间的区域保持氧化，并且来自炉的废气仍然含有一些过量的空气。由于过量空气的总量通常为20％，额外的燃料的量必须小。为了实现显著的NOx减少，必须将总的过量空气减少至非常接近化学计量，这不可能使用所述技术。Demarest没有规定使用这种方法可获得的NOx减少的量。

Ward(WO 2008/074961 A2)公开了用于使玻璃熔融的燃烧方法，其中将相同性质或不同性质的两种燃料通过在彼此远离的两个位置处的燃烧器和辅助喷射器供给进入熔融室中，用于将燃烧器燃料和辅助燃料分配在熔融室中，以便减少NOx排放，氧化剂仅在燃烧器的位置处供应。所述方法利用了占据进入的氧化剂其燃烧器火焰上方大部分空间的再循环燃烧产物流。端口和燃烧器的设计使得这些火焰靠近熔融玻璃的表面，而炉的其余部分被再循环排出气体填充，Ward将部分燃料喷射进入再循环排出气体中。根据Ward，通过燃烧器供应的一部分(10％至100％)的燃料被去除，并且以这样的方式和在这样的位置处被引入再循环燃烧产物中，以便它们在遇到入口端口上方的进入的氧化剂并且在其中完全燃烧之前与贫氧燃烧产物完全混合并且在其中部分燃烧，该过程被称为辅助喷射。

此外，应注意，Ward的教导是通用的并且不适于端焰熔融炉的特性。

此外，可以改善Ward的再循环燃烧产物的使用。

发明目的

本发明提出并且要求保护新的辅助喷射配置，以一定的方式防止NOx的产生并且进一步改善Ward(WO2008/074961 A2)的燃烧方法，所述方式对于设计用于使各种材料熔融的端焰炉配置是特定的。

发明概述

待解决的技术问题是提供用于端焰熔融炉的燃烧方法，所述方法解决了以上提及的问题或缺点并且特别是减少了NOx的产生，同时保持了端焰熔融炉的熔融材料的输出和量。

具体地，本发明旨在以低成本降低排出气体的氮氧化物部分，并且在保持或改善熔融方法的同时不引入麻烦的额外的设备。

在所附权利要求中限定本发明。

本发明提供通过端焰熔融炉使原材料熔融的方法，所述端焰熔融炉具有：

-熔融槽，所述熔融槽用于接收待熔融的原材料并且用于容纳熔融的材料浴；

-熔融室，所述熔融室位于所述熔融槽上方并且包括第一侧壁、第二侧壁、位于所述熔融槽的上游区域处的后壁、位于所述熔融槽的下游区域处的前壁，以及顶部；

-第一端口和第二端口，所述第一端口和第二端口提供在所述后壁的第一和第二水平隔开的位置中；

-至少一个燃烧器，所述至少一个燃烧器与所述端口中的一个相关联以将第一部分X1的燃料喷射至所述熔融室中，

其中再循环燃烧产物在火焰上方以基本上水平的回路流动；所述方法包括：

使用至少一个辅助燃料喷射器引入第二部分X2的辅助燃料，其中X2+X1等于1，至少一个辅助燃料喷射器布置在端焰熔融炉中的所述顶部中或分别在所述第一侧壁和所述第二侧壁中，使得至少一个辅助燃料喷射器将第二部分X2的辅助燃料，

在所述再循环燃烧产物的流动的方向上，

在没有额外的氧化剂的情况下，

引入所述再循环燃烧产物中，辅助燃料喷射器位于其中所述第二部分X2的辅助燃料将在到达通过端口引入的进入的氧化剂之前与再循环燃烧产物混合的位置处，

调整引入部分X1的燃料和部分X2的辅助燃料的射流的速度，使得它们对应的射流动量的总和为与当X2等于零(并且X1等于1)时燃料的射流动量对应的值的-30％至+30％，以及

将第一部分的燃料X1和第二部分的燃料X2的总和的量提供的能量调整成产生用于使所述材料熔融而不使所述炉的燃料供应过量(over-fuelling)的给定的需要的能量。

燃料供应过量是指引入超过可以被可利用的氧化剂燃烧的燃料量的燃料。在燃料被添加至熔融室中的现有技术的解决方案中可能出现燃料供应过量，例如在Ichiraku中。

因此，将第二部分的辅助燃料X2以增强再循环燃烧产物的流动的方式引入再循环燃烧产物中，确保辅助燃料的有效稀释以减少NOx的形成。

这是由引入部分X2的辅助燃料的辅助燃料射流的位置和方向，以及辅助喷射的速度导致的。应注意，在文件Ward中没有公开这个特征，文件Ward没有记载如何引入辅助燃料。事实上，在文件Ward中，可以减少通过燃烧器引入的燃料的量，以便通过辅助燃料喷射器引入其它量的燃料。然而，减少通过燃烧器引入的燃料的量减少了再循环燃烧产物的质量流量(例如以Kg/s表示)。本发明的发明人已经发现，通过改变辅助燃料的喷射方向和速度以及燃烧器的喷射速度，可以保持再循环燃烧产物的质量流量，并且因此获得更好的NOx减少效果。

技术人员知道如何针对给定的炉和应用确定使材料有效地熔融所需的能量。两种流体的动量之和可以从该能量(正或负30％)推导出。此外，可以选择部分X1和部分X2以便获得所需水平的NOx减少。

与需要改变离开熔融室的过量(至化学计量)的氧水平的现有技术的那些已知的解决方案相反，本发明可以在针对炉和特定熔融应用(其中X2等于零)的现有的(对应于X2等于零)化学计量水平内操作。

应注意，表述“X2+X1等于1”等同于以下表述：熔融室中每单位时间引入的燃料的量(例如，质量)(或每单位时间对应的能量)将在通过燃烧器引入的燃料与辅助燃料之间分配或基本上分配。

此外，与当X2等于零时的燃料的射流动量对应的值与当仅使用燃烧器喷射燃料以操作炉并且使相同的材料熔融时的值对应。因此，该值与不使用辅助燃料喷射器的这种应用的炉的正常运作对应。

根据具体实施方案，辅助燃料喷射器具有将加强再循环燃烧产物的质量流量的取向。

根据具体实施方案，至少一个辅助燃料喷射器被布置成使得辅助燃料的射流方向与水平面形成第一锐角θ并且与平行于侧壁的垂直面形成第二锐角α。

根据具体实施方案，至少一个端口与多个单独的燃烧器相关联。

根据具体实施方案，第一燃料和第二辅助燃料是不同或相同的燃料。

在这种具体实施方案中，当使用相同的燃料时，一部分的燃料被送至燃烧器，而其余部分被送至至少一个辅助燃料喷射器。当使用不同燃料时，与将在燃烧器与至少一个辅助燃料喷射器之间分配的能量的量对应地使用两种燃料。

根据具体实施方案，至少一个燃烧器和所述至少一个辅助燃料喷射器各自用选自天然气、LPG、燃料油、焦炉气、高炉气、重整气、生物燃料和氢的燃料操作。

根据具体实施方案，至少一个辅助燃料喷射器位于下游并且在距后壁小于炉子的长度的一半的距离内。

根据具体实施方案，所述方法包括调整或改变引入的部分X2的辅助燃料的射流动量，以便加强再循环燃烧产物的质量流量。例如，这可以通过使用燃料、空气或惰性气体的加压射流，或与辅助燃料射流同心的蒸气来实现。

根据具体实施方案，所述方法包括调整或关闭一些燃烧器，以便加强再循环燃烧产物的质量流量。

根据具体实施方案，所述方法包括交替地操作所述第一端口和所述第二端口作为用于引入氧化剂的入口端口和作为排出端口。

根据具体实施方案，引入第二部分X2的辅助物的所述射流的速度为100m/s至250m/s。

本发明还提供端焰熔融炉，其包括：

-熔融槽，所述熔融槽用于接收待熔融的原材料并且用于容纳熔融的材料浴；

-熔融室，所述熔融室位于所述熔融槽上方并且包括第一侧壁、第二侧壁、位于所述熔融槽的上游区域处的后壁、位于所述熔融槽的下游区域处的前壁，以及顶部；

-第一端口和第二端口，所述第一端口和第二端口提供在所述后壁的第一和第二水平隔开的位置中；

-至少一个燃烧器，所述至少一个燃烧器与所述端口中的一个相关联的以将第一部分X1的燃料喷射至所述熔融室中，

其中再循环燃烧产物在火焰上方以基本上水平的回路流动；

-至少一个辅助燃料喷射器，所述至少一个辅助燃料喷射器用于引入第二部分X2的辅助燃料，其中X2+X1等于1，至少一个辅助燃料喷射器布置在端焰熔融炉中的所述顶部中或分别在所述第一侧壁和所述第二侧壁中，使得至少一个辅助燃料喷射器在所述再循环燃烧产物的流动方向上引入第二部分X2的辅助燃料，

-模块，所述模块用于控制至少一个辅助燃料喷射器，使得其将第二部分X2的辅助燃料，

在没有额外的氧化剂的情况下，

引入所述再循环燃烧产物中，辅助燃料喷射器位于其中所述第二部分X2的辅助燃料将在到达通过端口引入的进入的氧化剂之前与再循环燃烧产物混合的位置处，

调整引入部分X1的燃料和部分X2的辅助燃料的射流的速度，使得它们对应的射流动量的总和为与当X2等于零时燃料的射流动量对应的值的-30％至+30％，以及

将第一部分的燃料X1和第二部分的燃料X2的总和的量提供的能量调整成产生用于使所述材料熔融而不使所述炉的燃料供应过量的给定的需要的能量。

以上限定的端焰熔融炉可以能够进行如以上限定的方法的全部实施方案。

根据具体实施方案，至少一个辅助燃料喷射器具有将加强再循环燃烧产物的质量流量的取向。

根据具体实施方案，至少一个辅助燃料喷射器被布置成使得辅助燃料的射流方向与水平面形成第一锐角θ并且与平行于侧壁的垂直面形成第二锐角α。

根据具体实施方案，至少一个端口与多个单独的燃烧器相关联。

根据具体实施方案，第一燃料和第二辅助燃料是不同或相同的燃料。

根据具体实施方案，所述至少一个燃烧器和所述至少一个辅助燃料喷射器各自用选自天然气、LPG、燃料油、焦炉气、高炉气、重整气、生物燃料和氢的燃料操作。

根据具体实施方案，至少一个辅助燃料喷射器位于下游并且在距后壁小于炉的长度的一半的距离内。

根据具体实施方案，端焰熔融炉包括用于调整或改变引入的部分X2的辅助燃料的射流动量的装置，以便加强再循环燃烧产物的质量流量。

根据具体实施方案，端焰熔融炉包括用于调整或关闭一些燃烧器的装置，以便加强再循环燃烧产物的质量流量。

根据具体实施方案，所述第一端口和所述第二端口被配置成交替地操作作为用于引入氧化剂的入口端口和作为排出端口。

根据具体实施方案，引入第二部分X2的辅助物的射流的速度为100m/s至250m/s。

本发明的其它特征和优点从给出作为实例并且参考附图的具体实施方案的以下描述中变得显而易见。

附图简述

图1是根据本发明的端焰熔融炉的示意性透视图，炉壳的一部分被去除；

图2是根据本发明的实施方案的端焰熔融炉的纵向垂直截面视图，其中辅助燃料喷射器在顶部中；

图3是根据本发明的实施方案的俯瞰图1的端焰玻璃炉的纵向水平截面视图，其中第一端口被操作作为空气进口，并且第二端口被操作作为燃烧产物的出口；

图4是根据本发明的变型实施方案的配备有第一主燃烧器和第二主燃烧器的端焰玻璃炉的实例的透视图，其中第一主燃烧器和第二主燃烧器各自包括多个单独的燃烧器；以及

图5是示出各种炉中的NOx根据部分的辅助燃料而减少的图。

优选实施方案的描述

将结合通过实例的方式给出的优选实施方案描述本发明。在以下实例中，玻璃是待被炉熔融的材料。然而，本发明还涉及熔融其它类型的材料。此外，在以下实例中，端焰熔融炉是反向熔融炉。然而，本发明还应用于其它类型的端焰熔融炉，并且特别是应用于非反向端焰熔融炉。可以组合不同实施方案的特征，除非另外说明。

图1中例示了本发明的实施方案的典型布置，其示意性地示出了用于使该实例中的玻璃熔融的已知类型为端部端口炉的熔融炉10。

如图1中所示，端焰玻璃炉10包括通过入口15、入口16接收待熔融的玻璃(通过箭头105示意性地表示)的熔融槽7，入口15和入口16位于熔融槽7的上游区域中的其侧壁中。具有底部5的熔融槽7容纳熔融的玻璃浴110并且通过出口17输出熔融的玻璃(通过箭头107示意性地表示)，出口17位于熔融槽7的下游区域中的其前壁4中。

熔融室8位于熔融槽7的上方，并且包括第一侧壁1、第二侧壁2、位于熔融槽7的上游区域处的后壁3、位于熔融槽7的下游区域处的前壁4，以及顶部6。

在熔融室8的后壁3中的第一和第二水平隔开的位置中提供第一端口21和第二端口22。第一端口21和第二端口22与第一燃烧器11和第二燃烧器12相关联，用于将第一燃料喷射至熔融室8中。第一端口21和第二端口22可交替地操作作为用于将氧化剂(例如空气)引入室中的入口端口和作为用于燃烧产物的排出端口。当第二端口22是排出端口时，第一端口21是入口端口，而当第二端口22是入口端口时，第一端口21是排出端口。在图1的实例中，第二端口22处于与入口端口对应的状态，并且第一端口21处于与排出端口对应的状态。

如图1中示意性地示出，当第二端口22被操作作为用于将氧化剂引入熔融室8中的入口端口并且第一燃料通过第二燃烧器12以射流J1喷出时产生的加热燃烧器火焰103在熔融浴110之上具有长的形状。火焰103的燃烧在朝向为燃烧产物102的出口的第一端口21的返回路径中产生燃烧产物102。

部分燃烧产物朝向第二端口22再循环并且在通过箭头104示意性地表示的在火焰上方基本上水平的回路中围绕炉流动。自二十世纪五十年代以来，已知此类燃烧产物的再循环存在于反向蓄热式炉中(例如M W Thring&M P Newby,‘Combustion length ofenclosed Turbulent Jet Flames’,Symposium(International)on Combustion,1952，或在下文提及的文件Craya中)。

类似地，在交替的时间段期间，当第一端口21被操作作为入口端口并且第一燃料通过第一燃烧器11喷射时，产生几乎对称的火焰。一致地，燃烧产物流向第二端口22，并且出现燃烧产物在火焰上方以逆时针方向的再循环(从炉的上方看)。

因此，第一端口21和第二端口22以及相关联的第一燃烧器11和第二燃烧器12交替地并且反复地用于分别射出氧化剂(空气或氧)和第一燃料。第一端口21与第二端口22之间的转换以及对应地第一燃烧器11与第二燃烧器12之间的转换循环地出现，循环时间是例如10分钟至30分钟，更具体地20分钟至30分钟。第一部分X1的燃料经由交替地操作的第一燃烧器11和第二燃烧器12喷射至熔融室8中。

为了减少端焰熔融炉10中NOx的形成，所述炉还配备有第一辅助燃料喷射器13和第二辅助燃料喷射器14。

第一辅助燃料喷射器13位于第一侧壁1上，并且第一辅助燃料喷射器13与第一燃烧器11相关联。更确切地，在其中第一端口21引入氧化剂并且第一燃烧器11喷射燃料的时间段内，控制第一辅助燃料喷射器13以喷射第二部分X2的辅助燃料(其中X1+X2＝1)。第一辅助燃料喷射器13位于第一燃烧器11的下游，在距后壁3等于炉的长度的一半的距离内。

炉的长度是后壁3与前壁4之间的距离。

第二辅助燃料喷射器14位于第二侧壁2上，并且第二辅助燃料喷射器14与第二燃烧器12相关联。更确切地，在其中第二端口22引入氧化剂并且第二燃烧器12喷射燃料的另一个时间段内(与图1对应)，控制第二辅助燃料喷射器以喷射部分X2的辅助燃料。第二辅助燃料喷射器位于第二燃烧器12的下游并且在距后壁小于炉的长度的一半的距离内。

在替代方案中，两个辅助燃料喷射器可以定位在顶部中。

在图1的实例中，第二辅助燃料喷射器14在射流J2中引入第二部分X2的辅助燃料。第二辅助燃料喷射器14被布置成使得第二部分X2的辅助燃料的引入是：

在所述再循环燃烧产物的流动的方向上，

在没有额外的氧化剂的情况下，

进入所述再循环燃烧产物中，第二辅助燃料喷射器14位于其中所述第二部分X2的辅助燃料将在到达通过第二端口22引入的进入的氧化剂之前与再循环燃烧产物104混合的位置处，

调整引入部分X1的燃料和部分X2的辅助燃料的射流的速度，使得它们对应的射流动量的总和为与当X2等于零(并且X1等于1)时燃料的射流动量对应的值的-30％至+30％，以及

将第一部分的燃料X1和第二部分的燃料X2的总和的量提供的能量调整成产生用于使玻璃熔融而不使所述炉的燃料供应过量的给定的需要的能量。

选择部分X1和部分X2(即，进入炉的为辅助燃料和为第一燃料的燃料的比例)，以便减少NOx的形成。选择部分X1和X2以及它们对应的能量，使得进入炉的全部能量处于使玻璃熔融所需的水平(其对应于1，X1和X2的总和)。因此，熔融所需的能量的总量(其可以对应于100％)在第一部分X1与第二部分X2之间分配，以便将此保持100％。

应注意，供应至熔融炉的燃料的总量正好保持使原材料(例如玻璃)熔融所需的量，并且在少量过量的氧化剂的条件下在熔融室内完成燃烧，就像常规燃烧系统那样。

以上提及的燃烧产物的再循环以在火焰上方基本上水平的回路延伸一段长度(从入口端口测量)，所述长度优选地是已知的，以便找到用于辅助燃料喷射器的最佳位置。

x＝4，5×h (1)

其中：

x是入口端口壁至其中炉中不再进行再循环的点的距离，

h是玻璃表面与炉顶部之间的高度。

在端焰熔融炉的情况下，在几十年间，最大熔融室长度已经得到发展，使得再循环区域一般到达前壁。这避免了在前壁附近的熔融玻璃上形成停滞的“死”袋。

此外，必须以保持再循环的燃烧产物的质量流量的方式确定辅助燃料的喷射参数。再循环的强度可以例如使用由Craya(Craya A和Curtet R,‘On the spreading of aconfined jet’,Comptes-rendus de l’Academie des Sciences,Paris,241,1955)和其它人得到的以下等式来计算：

其中：

qr是每单位时间再循环的燃烧产物的质量，

Q是每单位时间进入炉的燃料和氧化剂的总质量，

Go是进入的燃料射流X1和X2的射流动量的总和(它们各自的质量流率乘以它们各自的速度)，

Ga是进入的氧化剂的动量(其质量流率乘以其速度)，

Ginf是离开的热的排出气体的动量(当它们填充炉室时，其质量流率乘以其平均速度)，以及

m是无量纲数(Craya Curtet数)，其涉及进入的燃料流和氧化剂流与离开的燃烧产物的相对射流动量。

就再循环燃烧产物的质量流率而言，当应用于等式(2)时，天然气作为燃料和空气作为氧化剂以及典型的空气和气体速度的典型值表明，在顶部下方和火焰上方的水平回路中再循环的排出气体的质量通常为燃料和氧化剂的进入的质量流量的四分之一至四分之三。这证实存在足够的再循环以支持进入炉的高达100％的总燃料流量的辅助喷射(进入炉的总质量流量的约1/20)，而不影响炉的流动模式和炉的操作。

然而，当燃料从燃烧器中被去除以供应辅助燃料喷射器时(例如，因为当引入第二量X2时，第一量X1必须减小相同的量)，等式(2)表明，如果喷射器不在以上限定的方向上并且如果它们不以以上提及的速度喷射，再循环速率将最终下降至太低而不能携带辅助燃料并且保持炉的流动模式的值。

图2是端焰熔融炉的侧视图，其中第二辅助燃料喷射器14置于顶部中。第一辅助燃料喷射器13(尽管未在图2上示出)也置于顶部中。

在图2的实例中，第二辅助燃料喷射器14被布置成使得辅助燃料的射流J2的方向与水平面(例如通过熔融的玻璃浴的表面界定的平面)形成第一锐角θ。θ的取向显示在图2上。

应注意，在图2上，射流J2在再循环燃烧产物的流动方向上向下引导。在其中辅助燃料喷射器被布置在再循环燃烧产物下方的本发明的其它实例中，射流J2可以在再循环燃烧产物的方向上向上引导，同时仍然与水平面形成锐角。

选择图2的角度θ，以便确保与燃烧产物的再循环混合。另外，可以选择该角度，以便防止辅助燃料附着到熔融室顶部。可以为位于侧壁中的辅助燃料喷射器限定类似的角度。

在图2上表示了端焰熔融炉10以及与第二端口22可操作地相关联的第二热交换器24。如图2中所示，冷的氧化剂在热交换器24的一部分中被预热，限定蓄热器R被先前循环的燃烧产物F再加热。然后将预热的氧化剂作为热的氧化剂A朝向用作入口端口的第二端口22引导。然后将产生的燃烧产物朝向限定第二蓄热器R的第一热交换器(例如在图3上炉的另一个实例中描述的热交换器)引导，以便将其再加热并且在下一个循环期间预热待通过第一端口21应用的燃烧空气A。

图3是参考图1描述的端焰熔融炉的俯视图。

在图3的实例中，第二辅助燃料喷射器14被布置成使得辅助燃料的射流J2的方向与平行于侧壁的垂直面形成第二锐角α。图3上示出了α的取向，如图上可以看到，当从具有辅助燃料喷射器的侧壁(或者如果辅助燃料喷射器在顶部中，则是最接近的侧壁)测量时，角度是正的，并且更准确地，从距后壁3最远的侧壁的部分测量这种锐角。

选择角度α，以便确保与再循环燃烧产物混合。可以为位于顶部中的辅助燃料喷射器限定类似的角度。

如图3上所示，端焰玻璃熔融炉配备有第一热交换器23和第二热交换器24。

应注意，对于第一辅助燃料喷射器，当射出辅助燃料时，可以限定另一个第二角度α'。图上还示出了第二角度α'的取向。

图4的实施方案与图1的实施方案类似，但其示出了圆形顶部6的实例并且示出了第一燃烧器11和第二燃烧器12可以各自包括一系列的几个单独的下端口燃烧器。

图5是示出在各种炉中NOx根据辅助燃料的部分而减少的图。在该附图的实例中，通过燃烧器引入的燃料的部分被减小，使得一定百分比或部分的总能量(或燃料量)通过辅助燃料喷射器引入。该附图示出了在根据本发明并且表示为EF1、EF2和中试EF的三个端焰玻璃熔融炉上测量的形成NOx的相对百分比与通过辅助喷射器引入的辅助燃料的百分比之间的反比关系。EF1和EF2对应于生产规模端焰玻璃熔融炉，并且中试EF对应于中试规模的实验室炉。

应注意，在以上实例中，通过辅助燃料喷射器射出的辅助燃料射流具有与再循环燃烧产物104基本上相同的方向。辅助燃料喷射器还可以使引入通过燃烧器喷射的部分的燃料或一定量的不同燃料(同时保持总能量恒定)成为可能。

还应注意，通过第一辅助物和第二辅助物进行的燃料的辅助喷射不是引起补燃的额外的燃料喷射，并且没有额外的氧化剂与经由第一辅助燃料喷射器13和第二辅助燃料喷射器14喷射的燃料一起引入。在本发明的实施方案中，不增加总燃料量(或者如果使用不同的燃料，不增加总能量)，但仅对待熔融的玻璃的量和类型所需的燃料的量的分布进行修改。由于燃料通过第一辅助燃料喷射器13和第二辅助燃料喷射器14的辅助喷射，可以获得朝向待熔融的玻璃的更好的热传递，并且同时减少NOx形成。

更具体地，在通过第一燃烧器11和第二燃烧器12喷射至熔融室8中的燃料以及通过辅助燃料喷射器13和辅助燃料喷射器14喷射的辅助燃料中，通过第一辅助燃料喷射器13和第二辅助燃料喷射器14射出的燃料射流的比例优选地是进入炉的总燃料的10％至100％，并且最优选地是约20％至50％，选择所述量以在给出的炉上实现所需的NOx减少。应注意，比例可以与对应的能量有关，特别是如果通过燃烧器引入的燃料和通过辅助燃料喷射器引入的辅助燃料不同时。

通过第一燃烧器11和第二燃烧器12以及第一辅助燃料喷射器13和第二辅助燃料喷射器14喷射的燃料可以选自天然气、LPG、燃料油、焦炉气、高炉气、重整气、生物燃料和氢。

此外，通过第一辅助燃料喷射器13和第二辅助燃料喷射器14引入的燃料射流与现有火焰103的方向基本上相同，并且更具体地，基本上在U形路径的第一分支中的再循环燃烧产物104的流动方向上，但进行辅助燃料喷射以便使其正好在火焰上方并且在与剩余的燃烧空气(氧化剂)混合之前以同流方式与再循环燃烧产物108流混合。

更具体地，辅助燃料射流可以以优化的速度引入，使得所述燃料从距排出端口一定距离处喷射至再循环回路中，如围绕所述回路测量的。辅助燃料射流的速度和位置可以由本领域技术人员以这样的方式确定，即辅助燃料遵循足够长的路径以在炉内被完全燃烧。

通过辅助燃料喷射器13或辅助燃料喷射器14的辅助燃料的喷射速度(m/s)通常可以是100m/s至250m/s。

根据另一个变型实施方案，第一辅助燃料喷射器13和第二辅助燃料喷射器14各自包括调整或改变引入的第二部分X2的辅助燃料的射流动量的装置。

根据另一个变型实施方案，当减少流经它们的燃料量以供应辅助燃料喷射器时，调整燃烧器，或者它们的数量中的一些被关闭，以便保持它们的动量并且因此保持再循环回路中的燃烧产物的质量流量，特别是当引入高比例的辅助燃料(大于30％)时。

根据另一个变型实施方案，定位并且引导第一辅助燃料喷射器13和第二辅助燃料喷射器14，以便保持或增强再循环回路中的燃烧产物的质量流量，特别是当引入高比例的辅助燃料(大于50％)时。

本发明还涉及通过端焰熔融炉10使原材料熔融的方法，所述端焰熔融炉10具有：

-熔融槽7，所述熔融槽7用于接收待熔融的原材料并且用于容纳熔融的材料浴；

-熔融室8，所述熔融室8位于所述熔融槽上方并且包括第一侧壁、第二侧壁、位于所述熔融槽的上游区域处的后壁、位于所述熔融槽的下游区域处的前壁，以及顶部；

-第一端口21和第二端口22，所述第一端口21和第二端口22提供在所述后壁的第一和第二水平隔开的位置中；

-至少一个燃烧器11、12，所述至少一个燃烧器11、12与所述端口中的一个相关联以将第一部分X1的燃料喷射至所述熔融室中，

其中再循环燃烧产物104在火焰103上方以基本上水平的回路流动；所述方法包括：

使用至少一个辅助燃料喷射器13、14引入第二部分X2的辅助燃料，其中X2+X1等于1，至少一个辅助燃料喷射器布置在端焰熔融炉中的所述顶部中或分别在所述第一侧壁和所述第二侧壁中，使得至少一个辅助燃料喷射器将第二部分X2的辅助燃料，

在所述再循环燃烧产物104的流动方向上，

在没有额外的氧化剂的情况下，

引入所述再循环燃烧产物中，辅助燃料喷射器位于其中所述第二部分X2的辅助燃料将在到达通过端口引入的进入的氧化剂之前与再循环燃烧产物混合的位置处，

调整引入部分X1的燃料和部分X2的辅助燃料的射流的速度，使得它们对应的射流动量的总和为与当X2等于零时燃料的射流动量对应的值的-30％至+30％，以及

将第一部分的燃料X1和第二部分的燃料X2的总和的量提供的能量调整成产生用于使所述材料熔融而不使所述炉的燃料供应过量的给定的需要的能量。

Claims (15)

1.通过端焰熔融炉(10)使原材料熔融的方法，所述端焰熔融炉(10)具有：

-熔融槽(7)，所述熔融槽(7)用于接收待熔融的原材料并且用于容纳熔融的材料浴；

-熔融室(8)，所述熔融室(8)位于所述熔融槽上方并且包括第一侧壁、第二侧壁、位于所述熔融槽的上游区域处的后壁、位于所述熔融槽的下游区域处的前壁，以及顶部；

-第一端口和第二端口(21、22)，所述第一端口和第二端口(21、22)提供在所述后壁的第一和第二水平隔开的位置中；

-至少一个燃烧器(11、12)，所述至少一个燃烧器(11、12)与所述端口中的一个相关联以将第一部分X1的燃料喷射至所述熔融室中，

其中再循环燃烧产物(104)在火焰(103)上方以基本上水平的回路流动；所述方法包括：

使用至少一个辅助燃料喷射器(13、14)引入第二部分X2的辅助燃料，其中X2+X1等于1，所述至少一个辅助燃料喷射器布置在所述端焰熔融炉中的所述顶部中或分别在所述第一侧壁和所述第二侧壁中，使得所述至少一个辅助燃料喷射器将所述第二部分X2的辅助燃料，

在所述再循环燃烧产物(104)的所述流动方向上，

在没有额外的氧化剂的情况下，

引入所述再循环燃烧产物中，所述辅助燃料喷射器位于其中所述第二部分X2的辅助燃料将在到达通过端口引入的进入的氧化剂之前与所述再循环燃烧产物混合的位置处，

调整引入所述部分X1的燃料和所述部分X2的辅助燃料的射流的速度，使得它们对应的射流动量的总和为与当X2等于零时所述燃料的射流动量对应的值的-30％至+30％，以及

将第一部分的燃料X1和第二部分的燃料X2的总和量提供的能量调整成产生用于使所述材料熔融而不使所述炉的燃料供应过量的给定的需要的能量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个辅助燃料喷射器具有将加强所述再循环燃烧产物的质量流量的取向。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述至少一个辅助燃料喷射器被布置成使得所述辅助燃料的射流方向与水平面形成第一锐角θ并且与平行于所述侧壁的垂直面形成第二锐角α。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中至少一个端口与多个单独的燃烧器相关联。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一部分X1的燃料和所述第二部分X2的辅助燃料是不同或相同的燃料。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个燃烧器和所述至少一个辅助燃料喷射器各自用选自天然气、LPG、燃料油、焦炉气、高炉气、重整气、生物燃料和氢的燃料操作。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个辅助燃料喷射器位于下游并且在距所述后壁小于所述炉的长度的一半的距离内。

8.根据权利要求1所述的方法，包括调整或改变所述引入的第二部分X2的辅助燃料的射流动量，以便加强所述再循环燃烧产物的质量流量。

9.根据权利要求4所述的方法，包括调整或关闭一些所述燃烧器，以便加强所述再循环燃烧产物的质量流量。

10.根据权利要求1所述的方法，包括交替地操作所述第一端口和所述第二端口作为用于引入氧化剂的入口端口和作为排出端口。

11.根据权利要求1所述的方法，其中引入所述第二部分X2的辅助物的所述射流的速度为100m/s至250m/s。

12.端焰熔融炉，包括：

-熔融槽(7)，所述熔融槽(7)用于接收待熔融的原材料并且用于容纳熔融的材料浴；

-熔融室(8)，所述熔融室(8)位于所述熔融槽上方并且包括第一侧壁、第二侧壁、位于所述熔融槽的上游区域处的后壁、位于所述熔融槽的下游区域处的前壁，以及顶部；

-第一端口和第二端口(21、22)，所述第一端口和第二端口(21、22)提供在所述后壁的第一和第二水平隔开的位置中；

-至少一个燃烧器(11、12)，所述至少一个燃烧器(11、12)与所述端口中的一个相关联以将第一部分X1的燃料喷射至所述熔融室中，

其中再循环燃烧产物(104)在焰(103)上方以基本上水平的回路流动；

-至少一个辅助燃料喷射器(13、14)，所述至少一个辅助燃料喷射器(13、14)用于引入第二部分X2的辅助燃料，其中X2+X1等于1，所述至少一个辅助燃料喷射器布置在所述端焰熔融炉中的所述顶部中或分别在所述第一侧壁和所述第二侧壁中，使得所述至少一个辅助燃料喷射器在所述再循环燃烧产物(104)的所述流动方向上引入所述第二部分X2的辅助燃料，

-模块，所述模块用于控制所述至少一个辅助燃料喷射器，使得其将所述第二部分X2的辅助燃料，

在没有额外的氧化剂的情况下，

引入所述再循环燃烧产物中，所述辅助燃料喷射器位于其中所述第二部分X2的辅助燃料将在到达通过端口引入的进入的氧化剂之前与所述再循环燃烧产物混合的位置处，

调整引入所述部分X1的燃料和所述部分X2的辅助燃料的射流的速度，使得它们对应的射流动量的总和为与当X2等于零时所述燃料的所述射流动量对应的值的-30％至+30％，以及

将所述第一部分的燃料X1和所述第二部分的燃料X2的总和量提供的能量调整成产生用于使所述材料熔融而不使所述炉的燃料供应过量的给定的需要的能量。

13.根据权利要求12所述的端焰熔融炉，其中所述至少一个辅助燃料喷射器具有将加强所述再循环燃烧产物的质量流量的取向。

14.根据权利要求13所述的端焰熔融炉，其中所述至少一个辅助燃料喷射器被布置成使得所述辅助燃料的射流方向与水平面形成第一锐角θ并且与平行于所述侧壁的垂直面形成第二锐角α。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的端焰熔融炉，其中至少一个端口与多个单独的燃烧器相关联。

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