ES2262734T3 - Metodo para controlar la atmosfera en la zona de refinado de un horno de fundicion de vidrio. - Google Patents
Metodo para controlar la atmosfera en la zona de refinado de un horno de fundicion de vidrio.Info
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Abstract
Un método para producir vidrio en un horno (1) que tiene una zona de fusión (5) equipada con quemadores (4) y una zona de refinado sin combustión en ella (6), que comprende: alimentar materiales para fabricación del vidrio a la zona de fusión (5); alimentar combustible y oxidante que tiene un contenido de oxígeno superior a 80% en volumen a dichos quemadores (4); provocar la combustión de dicho combustible y dicho oxidante en la zona de fusión (5) para generar calor para fundir los materiales para la fabricación del vidrio en la zona de fusión (5) para formar vidrio fundido; en donde la superficie del vidrio fundido se expone a la atmósfera gaseosa en la zona de fusión (5) y el contenido de vapor de agua de la atmósfera en la superficie del vidrio fundido en la zona de fusión (5) es mayor de 35% en volumen; hacer pasar el vidrio a dicha zona de refinado (6) y enfriar el vidrio fundido en la zona de refinado (6) sin quemar combustible y oxidante en la zona de refinado; caracterizado porque el método comprende además: inyectar oxidante que tiene un contenido de oxígeno mayor del 80% en volumen en la zona de refinado (6) a una velocidad suficientemente baja, por debajo de 15, 2 m/s (50 pies por segundo) para minimizar la mezcla de dicho oxidante con los gases que están encima de dicho oxidante para desplazar el vapor de agua de la superficie del vidrio fundido en la zona de refinado (6) a la zona de fusión (5) y disminuir el contenido de vapor de agua de la atmósfera en la superficie del vidrio fundido en la zona de refinado (6) a menos de 25% en volumen; en donde la cantidad de oxidante inyectado en la zona de refinado (6) y la cantidad de oxidante alimentado a dichos quemadores (4) juntas son igual a de 85% a 120% de la cantidad estequiométrica que se necesita para completar la combustión de dicho combustible.
Description
Método para controlar la atmósfera en la zona de
refinado de un horno de fundición de vidrio.
Esta invención se refiere a métodos para
producir vidrio, especialmente vidrio flotado.
Hay diferentes técnicas para producir vidrio. En
un horno típico de producción de vidrio, se alimentan los
componentes para fabricación del vidrio a un horno de fabricación de
vidrio, donde se funden de diversas formas o se calientan para
formar vidrio fundido. Las burbujas de gas que se forman durante la
etapa de fusión se eliminan durante la etapa de refinado haciendo
crecer las mismas mediante reacciones de generación de gas,
utilizando agentes de refinado tal como el sulfato de sodio. Las
pequeñas burbujas de gas residuales se reabsorben en el fundido de
vidrio durante la etapa de refinado a medida que el fundido de
vidrio se enfría y se dirige a un refinador a través de una
garganta sumergida. Para el producto conocido como vidrio flotado,
los componentes de fabricación del vidrio se alimentan a un horno
de fabricación de vidrio, donde se funden de diversas formas o se
calientan para formar vidrio fundido. Este vidrio fundido sale del
horno a través de un estrechamiento, denominado "cuello",
luego sufre una etapa de acondicionamiento en temperatura antes de
fluir y caer en la parte superior de un depósito de metal fundido,
típicamente estaño fundido. El vidrio fundido se extiende,
"flotando" sobre el metal fundido y forma una hoja o plancha de
vidrio. Generalmente, se necesita que las láminas o planchas de
vidrio sean de alta calidad, en especial que no tengan defectos
visibles y que no tengan irregularidades en las dos superficies,
superior e inferior y la técnica del vidrio flotado se considera una
técnica eficaz para producir láminas y planchas de vidrio que sean
de la necesaria alta calidad.
Los hornos de vidrio tradicionales se han hecho
funcionar quemando combustible con aire, de modo que el oxígeno
necesario para la combustión es proporcionado por el aire. En los
últimos años, muchos hornos de vidrio se han hecho funcionar con
éxito empleando para quemar el combustible aire enriquecido con
oxígeno (entendiendo por esto un oxidante que comprende al menos un
80% de oxígeno en volumen) u oxígeno esencialmente puro. El
documento de la patente WO 94/06724 describe un horno de ese tipo
para fundir y refinar vidrio en el que quemadores alimentados con
oxígeno se sitúan en paredes opuestas de los depósitos de fundido y
refinado. Estos hornos, denominados a veces hornos
"oxi-combustible" proporcionan numerosas
ventajas entre las que se incluyen (aunque no se limitan a éstas)
mayor eficacia, reacciones de afinado mejoradas, mayor temperatura,
menor volumen de gas a manejar y menor formación de materia
particulada y de NO_{x} (mediante lo cual se quiere decir óxidos
de nitrógeno, como NO, N_{2}O, NO_{2} y similares).
La concentración de vapor de agua en la
atmósfera de un horno que se hace funcionar con
oxi-combustible se halla, típicamente, en un
intervalo entre 50 y 65%, a comparar con 15 a 20% para un horno que
se hace funcionar con aire y combustible. Una mayor presión de
vapor de agua en la atmósfera incrementa la disolución de agua en
el fundido de vidrio, lo que a su vez aumenta y mejora las
reacciones de afinado para crecer las burbujas de gas en el fundido
de vidrio. Durante la etapa de refinado, sin embargo, un mayor
contenido de agua en el fundido de vidrio reduce la velocidad de
disolución de vapor de agua en las pequeñas burbujas de gas residual
de vuelta al fundido de vidrio. En algunos casos, pequeñas burbujas
van a parar al producto final, lo que produce como resultado tasas
de rechazo del producto mayores de lo normal.
Una solución posible para este problema es
disminuir la presión parcial de agua en la superficie del vidrio en
las áreas en las que se tienen que reabsorber las pequeñas burbujas
soplando aire en el horno cerca del extremo de salida (cuello) para
disminuir la concentración de productos de combustión, y, en
consecuencia de agua, en la superficie del vidrio. El objetivo en
esta tentativa sería minimizar la cantidad de aire necesaria
encontrando las mejores situación y técnica para la inyección de
aire.
Inyectar aire en el horno puede beneficiar la
calidad del vidrio, pero ello trae consigo otros efectos colaterales
indeseados. El primero y más destacado es la reducción de la
eficacia energética. El aire añadido será calentado en el horno y
saldrá a la temperatura de los gases de escape del horno,
típicamente alrededor de 2700ºC. Este supone una carga adicional de
calor en el horno, lo que hace necesario usar más combustible para
producir la misma cantidad de vidrio. Este efecto se mitiga
precalentando el aire antes de inyectarlo en el horno. Sin embargo,
esto supondría la necesidad de implantar intercambiadores de calor
adicionales y otro equipo o instalaciones de importancia. Además,
la temperatura a la cual podría ser precalentado el aire está
limitada por el diseño del intercambiador de calor y no alcanzará
el mismo nivel que la temperatura de salida del gas de la
chimenea.
El segundo efecto que tendrá inyectar aire es
aumentar las emisiones de NOx del horno. Parte de la ventaja de
convertir el horno en un horno alimentado por una mezcla
oxi-combustible es eliminar el nitrógeno del proceso
de combustión y, de este modo, permitir emisiones de NOx reducidas
en el proceso de fabricación del vidrio. La introducción de aire en
el procedimiento expresamente disminuirá el valor de utilizar el
sistema de combustión oxi-combustible.
\newpage
El tercer efecto de añadir aire al proceso es
que este incrementará el volumen de gas de chimenea que sale del
horno. Normalmente esto no será un problema, a menos que haya algún
equipo o instalación de tratamiento del gas de chimenea corriente
abajo del horno. El aumento de los volúmenes del gas de chimenea
podría hacer necesaria la reforma o mejora del equipo de
tratamiento del gas de chimenea, lo cual conduciría a un coste
adicional del proceso de fabricación.
De este modo, sigue existiendo la necesidad de
un método de fabricación de vidrio flotante en un horno de
combustión de mezcla oxi-combustible que evite la
posibilidad de formar defectos en la superficie del producto de
vidrio.
Un aspecto de la presente invención es un método
de producir vidrio, que comprende:
proporcionar un horno de fusión de vidrio que
tiene una zona de fusión equipada con quemadores para quemar
combustible y oxidante y una zona de refinado en la que no se
produce combustión;
alimentar los materiales de fabricación del
vidrio en la zona de fusión;
alimentar combustible y oxidante que tiene un
contenido de oxígeno mayor del 80% en volumen a dichos quemadores y
provocar la combustión de dicho combustible y dicho oxidante en la
zona de fusión para general calor para fundir los materiales de
fabricación del vidrio en la zona de fusión para formar vidrio
fundido, en donde la superficie del vidrio fundido se expone a una
atmósfera gaseosa en la zona de fusión y el contenido de vapor de
agua de la atmósfera en la superficie del vidrio fundido es mayor
del 35% en volumen;
hacer pasar el vidrio fundido a dicha zona de
refinado;
enfriar el vidrio fundido en la zona de refinado
sin provocar la combustión de combustible y oxidante en la zona de
refinado e
inyectar oxidante que tiene un contenido de
oxígeno mayor de 80% en volumen en la zona de refinado a una
velocidad suficientemente baja, por debajo de 15,2 m/s (50 pies por
segundo) para minimizar la mezcla de dicho oxidante con los gases
que están encima de dicho oxidante, para desplazar el vapor de agua
de la superficie del vidrio fundido en la zona de refinado a la
zona de fusión y disminuir el contenido de vapor de agua de la
atmósfera en la superficie del vidrio fundido en la zona de
refinado a menos de 25% en volumen;
en donde la cantidad de oxidante inyectado en la
zona de refinado y la cantidad de oxidante alimentado a dichos
quemadores juntas son igual a de 85% a 120% de la cantidad
estequiométrica que se necesita para completar la combustión de
dicho combustible.
La invención supone utilizar una parte del
oxígeno necesario para la combustión e inyectarlo en el extremo de
refinado del horno para controlar la concentración de vapor de agua
en ese extremo del horno. Este oxígeno desviado fluiría luego hacia
los quemadores y sería consumido como parte del proceso de
combustión, utilizando completamente de este modo el gas necesario
para cubrir la superficie del vidrio.
Este método presenta las siguientes ventajas,
entre otras:
- 1)
- No se necesitaría más combustible, puesto que no se están añadiendo gases extra al horno.
- 2)
- Sólo tienen que hacerse pequeñas modificaciones en el sistema de tuberías del oxígeno para implantar la solución.
- 3)
- Se reducirían los niveles de NOx debido al efecto de tramos o fases producido por desviar algo del oxígeno lejos del área de alta temperatura del quemador.
- 4)
- No se produciría un aumento del volumen de gas de chimenea.
- 5)
- El manejo de los quemadores abundantes en combustible tiende a desestabilizar la espuma en los hornos de vidrio. Esto podría ser una ventaja añadida si el funcionamiento con gran cantidad de combustible de los quemadores disminuye el nivel de espuma y permite una transferencia de calor mejor con el vidrio.
- 6)
- El flujo de gas añadido ayuda a enfriar el vidrio en la zona de refinado.
La figura es una vista de plano superior
(planta) de un horno de vidrio flotado que incorpora una realización
de la presente invención.
La figura representa el horno 1 en una vista
superior. Los materiales para fabricar el vidrio se cargan en un
extremo 2 del horno y se retira vidrio fundido en el otro extremo 3.
Entre los materiales de fabricación del vidrio se incluyen uno o
más de los siguientes: arena, sosa, caliza, dolomía, torta de sal,
nitro y chatarra de vidrio (trozos de vidrio) y puede incluir
cualesquiera otros materiales útiles en la producción de vidrio.
Los quemadores, 4, se sitúan en la zona de
fusión, 5, la cual es contigua al extremo de carga del horno, 2.
Los quemadores se sitúan típicamente espaciados en las paredes del
horno. Se puede proporcionar cualquier número de quemadores,
dependiendo del tamaño y de la velocidad de producción deseada del
horno y de la tasa de suministro de calor del quemador concreto que
se use en cada caso. Se puede usar cualquier tipo de quemador que
queme combustible y oxidante en la zona de fusión para generar calor
para la fusión de los materiales para fabricar el vidrio. Entre los
quemadores típicos se incluyen los de cuerpos concéntricos, en los
cuales se inyectan el combustible y el oxidante a través de
conductos dispuestos concéntricamente y los quemadores de fases o
tramos, en los cuales el combustible y el oxidante se inyectan desde
puertas adyacentes y arden juntos.
El oxidante útil en esta invención es un gas o
una mezcla de gases que comprende al menos un 80% en volumen de
oxígeno y , preferentemente, al menos 90% en oxígeno. Entre los
combustibles típicos utilizados con esta invención se incluyen:
metano, gas natural, propano, petróleo e hidrógeno.
Generalmente, la zona de fusión, 5, ocupa
aproximadamente de 50% a 66% de la longitud del horno para
proporcionar la energía necesaria para fundir los materiales de
fabricación del vidrio. El resto del horno (es decir, del 34% al
50% del mismo), constituye la zona de refinado, 6. Esta zona se deja
sin calentar para permitir que el vidrio tenga tiempo de enfriarse
y elimine o pierda por si mismo las burbujas producidas en el
proceso de fusión.
Los gases de combustión de dejan escapar del
horno a través de chimeneas, 9, las cuales se sitúan,
preferentemente, cerca del extremo de alimentación, 2, para
facilitar la transferencia de calor en contracorriente a los
materiales de fabricación del vidrio entrantes, antes de que los
gases de combustión dejen el horno.
Según se ha indicado antes en el texto, algo del
oxidante necesario para el funcionamiento normal del horno que,
convencionalmente, se alimentaría a la zona de fusión, se desvía en
vez de ello de los quemadores a la zona de refinado del horno,
donde normalmente no se inyectan gases. Esto proporciona una
atmósfera con menos agua cerca de la superficie del vidrio fundido.
El oxidante se inyecta en la zona de refinado a través de uno o más
inyectores, 7.
La proporción exacta de oxidante que se desvía a
la zona de refinado y la elección de los quemadores desde donde se
desvía el oxidante se puede determinar fácilmente a fin de optimizar
el rendimiento y la producción de vidrio de calidad satisfactoria.
En general, se ha determinado que los quemadores que están más cerca
de los conductos de las chimeneas deberían hacerse funcionar
preferentemente más cercanos a sus condiciones estequiométricas,
para evitar que combustible sin quemar salga del horno y tenga
impacto sobre la eficacia del horno. Los quemadores restantes del
horno deberían hacerse funcionar en condiciones de "estequiometría
reducida" para proporcionar algo de oxidante para inyectarlo en
la zona de refinado. Estos quemadores pueden funcionar con
cantidades de oxidante entre 15% y 80% desviadas a la zona de
refinado. Sin embargo, en el montaje preferido, se desvía a la zona
de refinado una cantidad más pequeña de oxidante (30% a 50% de la
necesidad normal del horno).
El oxidante se puede inyectar a la zona de
refinado, 6, de cualquiera de varias maneras, utilizando cualquier
inyector convencional. Un punto clave es mantener una velocidad baja
(menos de 15,2 m/s (50 pies/s)) para minimizar la mezcla del
oxidante con cualquier gas o mezcla del horno que contenga agua
presentes en la zona de refinado. Las ubicaciones preferidas para
los inyectores, 7, son aquéllas que están tan cerca como sea
posible de la superficie de vidrio fundido y tan lejos como sea
posible de los quemadores. Las mirillas en el muro posterior del
horno, 8, son una ubicación adecuada para inyectar el oxidante.
Preferentemente, el oxidante inyectado se extiende por la
superficie superior del vidrio fundido y el volumen de oxidante
inyectado y la situación de los inyectores, 7, se proporcionan a
fin de conseguir esto.
Las condiciones de funcionamiento se pueden
optimizar, pero pueden variar de un horno a otro, dependiendo de la
cantidad de oxidante que se necesite inyectar en la zona de refinado
y de las velocidades de combustión de los quemadores más cercanos a
la zona de refinado.
El ensayo del concepto se llevó a cabo en un
modelo físico a escala reducida de un horno de vidrio. Los flujos
de los quemadores se modelaron con chorros de aire y luego partes de
los flujos de los quemadores se desviaron a otras partes del horno
para probar la capacidad de alcanzar una estratificación horizontal.
Las condiciones de ensayo y los resultados conseguidos se muestran
en la tabla que va a continuación.
\newpage
| Cantidad de O_{2} desviada | Situación de la inyección | Concentración de agua |
| estimada en la superficie | ||
| del vidrio (% en volumen) | ||
| 70% de todos los quemadores | Ranura larga en el bloque o | 9,9% |
| ladrillo de cierre - velocidad baja | ||
| 70% de todos los quemadores | Ranura larga en el bloque o ladrillo | 9,9% |
| de cierre - velocidad más alta | ||
| 15% de O_{2} de los quemadores nº 3 - nº 7 | Dos portillos en la pared | 19,7% |
| frontal en el cuello | ||
| 15% de O_{2} de los quemadores nº 3 - nº 7, | Dos portillos en la pared | 19,7% |
| pero inyectado como aire | frontal en el cuello |
La concentración de vapor de agua cerca de la
superficie de vidrio formada en la zona de fusión con la combustión
oxi-combustible y que pasa a la zona de refinado es,
típicamente, mayor de 50% en volumen, a menudo por encima del 60%
en volumen o mayor, incluso tan alta como aproximadamente 66% en
volumen o más alta. Esta concentración dependerá del tipo de
combustible que se esté quemando, siendo los combustibles que
contienen más hidrógeno los que producen concentraciones de agua
mayores en la atmósfera. La presente invención puede bajar la
concentración de vapor de agua en la superficie de vidrio fundido
en la zona de refinado hasta o por debajo de 25% en volumen,
incluso 20% en volumen y preferentemente hasta 18% en volumen o más
baja. La presente invención puede, incluso, bajar todavía más ese
nivel, dependiendo de las condiciones reales, las cuales pueden ser
afectadas por las fugas de aire o los gases de escape que provienen
de la cámara de acondicionamiento, siguiente recipiente corriente
abajo a partir del depósito de fusión.
El oxidante del horno es el gas que resulta más
beneficioso usar como gas inyectado en la zona de refinado para
eliminar vapor de agua. Para esta aplicación se podría considerar
cualquier gas seco que no reaccione químicamente con el vidrio. Sin
embargo todos los gases tales como aire, combustible, CO_{2} y gas
de chimenea recirculado presentan complicaciones o cuestiones
económicas asociadas con su uso. Los únicos gases que se necesita
inyectar en el horno son combustible y oxígeno, por lo que la
disposición o montaje preferida consiste en usar estos gases para
el método de la presente invención. La alternativa más adecuada es
el aire, debido a su bajo coste y a su facilidad de puesta en
práctica. Si para alcanzar una adecuada eliminación de vapor de
agua se necesitan volúmenes muy bajos de gas inyectado, entonces se
pueden evitar los problemas asociados al uso de aire u otros gases,
haciendo de este modo que sean gases viables como sujeto de la
invención.
La ubicación preferida para el o los inyectores,
7, debería proporcionar acceso y cobertura máximos a la superficie
del vidrio fundido, y debería estar lejos de los quemadores y cerca
(preferentemente, tan cerca como sea posible) de la superficie de
vidrio fundido. Preferentemente, el oxidante inyectado cubre
completamente la superficie del vidrio fundido a medida que elimina
el vapor de agua de esa superficie y de la zona de fusión. Asimismo,
la velocidad de inyección debería ser baja de tal modo que el
chorro de oxidante entrante no favorezca la mezcla con los gases
que lo rodean, diluyéndolo de ese modo y disminuyendo así su
influencia sobre la concentración de vapor de agua. Además de
perforar un orificio específicamente para la inyección de oxidante,
podrían resultar satisfactorias las ubicaciones siguientes:
- 1)
- A través de mirillas en las paredes laterales y en la pared del fondo (extremo del cuello del horno).
- 2)
- A lo largo de la unión entre el bloque o ladrillo de cierre y los bloques de las paredes laterales.
- 3)
- En el área del cuello, corriente abajo del fundidor, dirigiendo directamente hacia el fundidor los gases de escape del área del cuello del horno.
- 4)
- A través de la cima o parte superior, con chorros dirigidos hacia abajo.
En la mayoría de los casos, se prefieren
inyectores múltiples, 7, en lugar de uno o dos chorros individuales,
para ayudar a la distribución del flujo y para mantener bajas las
velocidades. La forma de los chorros no es importante; se pueden
usar rendijas u orificios cilíndricos.
Claims (8)
1. Un método para producir vidrio en un horno
(1) que tiene una zona de fusión (5) equipada con quemadores (4) y
una zona de refinado sin combustión en ella (6), que comprende:
alimentar materiales para fabricación del vidrio
a la zona de fusión (5);
alimentar combustible y oxidante que tiene un
contenido de oxígeno superior a 80% en volumen a dichos quemadores
(4);
provocar la combustión de dicho combustible y
dicho oxidante en la zona de fusión (5) para generar calor para
fundir los materiales para la fabricación del vidrio en la zona de
fusión (5) para formar vidrio fundido; en donde la superficie del
vidrio fundido se expone a la atmósfera gaseosa en la zona de fusión
(5) y el contenido de vapor de agua de la atmósfera en la
superficie del vidrio fundido en la zona de fusión (5) es mayor de
35% en volumen;
hacer pasar el vidrio a dicha zona de refinado
(6) y
enfriar el vidrio fundido en la zona de refinado
(6) sin quemar combustible y oxidante en la zona de refinado;
caracterizado porque el método comprende
además:
inyectar oxidante que tiene un contenido de
oxígeno mayor del 80% en volumen en la zona de refinado (6) a una
velocidad suficientemente baja, por debajo de 15,2 m/s (50 pies por
segundo) para minimizar la mezcla de dicho oxidante con los gases
que están encima de dicho oxidante para desplazar el vapor de agua
de la superficie del vidrio fundido en la zona de refinado (6) a la
zona de fusión (5) y disminuir el contenido de vapor de agua de la
atmósfera en la superficie del vidrio fundido en la zona de refinado
(6) a menos de 25% en volumen;
en donde la cantidad de oxidante inyectado en la
zona de refinado (6) y la cantidad de oxidante alimentado a dichos
quemadores (4) juntas son igual a de 85% a 120% de la cantidad
estequiométrica que se necesita para completar la combustión de
dicho combustible.
2. Un método según la reivindicación 1, en el
que la cantidad total de oxidante inyectado en la zona de refinado
(6) es de 15% a 80% de la cantidad estequiométrica de oxidante que
se necesita para la combustión completa de dicho combustible
alimentado a dicho horno (1).
3. Un método según la reivindicación 1, en el
que la cantidad total de oxidante inyectado en la zona de refinado
(6) es de 30% a 50% de la cantidad estequiométrica de oxidante que
se necesita para la combustión completa de dicho combustible
alimentado a dicho horno (1).
4. Un método según la reivindicación 1, en el
que el oxidante inyectado en la zona de refinado (6) cubre toda la
superficie superior del vidrio fundido en la zona de refinado.
5. Un método según la reivindicación 1 en el que
el oxidante alimentado a dicha zona de fusión (5) e inyectado a
dicha zona de refinado (6) comprende al menos 90% de oxígeno en
volumen.
6. Un método según la reivindicación 5, en el
que la cantidad total de oxidante inyectado en la zona de refinado
(6) es de 15% a 80% de la cantidad estequiométrica de oxidante que
se necesita para la combustión completa de dicho combustible
alimentado a dicho horno (1).
7. Un método según la reivindicación 5, en el
que la cantidad total de oxidante inyectado en la zona de refinado
(6) es de 30% a 50% de la cantidad estequiométrica de oxidante que
se necesita para la combustión completa de dicho combustible
alimentado a dicho horno (1).
8. Un método según la reivindicación 5, en el
que el oxidante inyectado en la zona de refinado (6) cubre toda la
superficie superior del vidrio fundido en la zona de refinado.
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