ES2227903T3 - Procedimiento de fusion de vidrio que usa un quemador de oxigeno y combustible montado en el techo. - Google Patents
Procedimiento de fusion de vidrio que usa un quemador de oxigeno y combustible montado en el techo.Info
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Abstract
Un procedimiento para producir vidrio refinado a partir de la materia prima para fabricar vidrio (30) en un fundidor de vidrio revestido de ladrillo refractario (10) sin el uso de regeneradores o recuperadores, teniendo el fundidor de vidrio un techo (22) conectado a un suelo (20) por paredes laterales (18) y que definen entre ellas un canal alargado con una zona de fusión (26) y una zona de afinado posterior (28), comprendiendo el procedimiento las etapas de: carga de la materia prima para fabricar vidrio (30) en la zona de fusión (26) del fundidor de vidrio (10); suministro de al menos un quemador de oxígeno y combustible (34) encajado en un bloque quemador (38) en el techo del fundidor de vidrio y dispuesto para quemar de forma perpendicular o sustancialmente perpendicular sobre la superficie de la materia prima para fabricar vidrio, teniendo el quemador de oxígeno y combustible un conducto cilíndrico interior central para combustible gaseoso (40), para proporcionar combustible gaseoso yun conducto exterior cilíndrico para oxígeno (42), concéntrico con el conducto central para combustible, para proporcionar oxígeno; y control de las velocidades del combustible gaseoso y del oxígeno desde el quemador de oxígeno y combustible de manera que las velocidades del combustible gaseoso y del oxígeno son sustancialmente equivalentes, para proporcionar un flujo generalmente laminar de combustible gaseoso y un flujo generalmente laminar de oxígeno para quemar de forma próxima una superficie superior de la materia prima para fabricar vidrio (30) y producir con ello una llama que incida sobre la superficie de la materia prima para fabricar vidrio y que tiene una fracción de central (54) de aproximadamente forma de columna; fusión de la materia prima para fabricar vidrio dentro de la zona de fusión por medio del alcance de la llama desde el quemador de oxígeno y combustible sin el uso de regeneradores o recuperadores; y extracción del vidrio refinado de la zona de afinado.
Description
Procedimiento de fusión de vidrio que usa un
quemador de oxígeno y combustible montado en el techo.
Esta invención se refiere a un procedimiento de
fusión de vidrio que usa al menos un quemador de oxígeno y
combustible en el techo de un horno de fusión de vidrio para fundir
materia prima para fabricar vidrio, también conocido como carga. Más
concretamente, esta invención se refiere a un procedimiento de
fusión de vidrio que usa al menos un quemador de oxígeno y
combustible en el techo de un horno de fusión de vidrio para la
fusión de materia prima para fabricar vidrio sin el uso de
regeneradores o recuperadores para mejorar la velocidad de fusión y
la calidad de los productos de vidrio.
Los hornos regeneradores o recuperadores con
zonas de fusión y afinado se han empleado normalmente para fabricar
vidrio. Los hornos regeneradoras o recuperadoras, en contra de
otros tipos de hornos, emplean al menos un regenerador o
recuperador en quemadores operativos de aire y combustible. Al
menos un regenerador o recuperador, que se puede presentar en muchas
formas y tamaños diferentes, sirve para precalentar el aire usado
en los quemadores de aire y combustible. Por lo general se logra el
precalentamiento en el regenerador mediante la transferencia del
calor en el gas de desecho existente desde una cámara de fusión
hacia los ladrillos refractarios apilados en forma de tablero de
ajedrez. Los ladrillos, a su vez, proporcionar su calor al aire
entrante que se usará para quemar el combustible. Normalmente, el
recuperador puede estar constituido generalmente por un conducto de
pared doble en el que el gas saliente de la cámara de fusión fluye
en la tubería central a contracorriente o en el sentido de la
corriente al aire que está pasando a través del anillo. Sin
embargo, el rendimiento del regenerador o del recuperador se puede
deteriorar con el tiempo ya que el regenerador o el recuperador se
pueden bloquear o destruir parcialmente cuando durante un largo
periodo se someten al gas de desecho que contiene contaminantes
químicos. El regenerador o recuperador bloqueado o destruido
parcialmente afecta de manera adversa al funcionamiento de los
quemadores de aire y combustible, disminuyendo con ello la
velocidad de producción de vidrio y la eficacia del
combustible.
Por lo tanto, se conoce el empleo de quemadores
de oxígeno y combustible, en varios hornos para complementar o
sustituir totalmente los quemadores de aire y combustible. Los
quemadores de oxígeno y combustible se han diseñado para producir
una llama y una transferencia de calor similar a la de los
quemadores de aire y combustible convencionales. De manera
específica, los quemadores de oxígeno y combustible se diseñan para
quemar de forma paralela o sustancialmente paralela sobre la
superficie del vidrio. Estos quemadores transfieren calor de forma
ascendente hacia la parte superior del horno y los ladrillos
refractarios circundantes así como en el vidrio. La transferencia
de calor se consigue por radiación directa desde la llama y por
reradiación desde la superestructura refractaria del horno de
vidrio. Por convección o conducción se transfiere poco calor al
vidrio. La capacidad del horno de vidrio está limitada por la mayor
temperatura refractaria en la cámara de fusión. Por lo tanto, un
problema en el uso de quemadores de oxígeno ha sido el riesgo
asociado con la alta temperatura de los quemadores y el
sobrecalentamiento del techo y las paredes refractarias del horno.
En las Patentes de los Estados Unidos 4.531.960 y 5.500.030 se
describen los ejemplos de hornos que utilizan quemadores de oxígeno
y combustible que queman generalmente paralelos a la superficie del
vidrio.
La presente invención utiliza la mayor
temperatura de llama y el menor caudal de masa factible con la
combustión de oxígeno y combustible para aumentar de forma
significativa la transferencia de calor hacia el vidrio, mientras
que se mantienen las temperaturas refractarias dentro de los
límites operativos. Esto se consigue utilizando al menos un
quemador de oxígeno y combustible que quema de forma perpendicular
o sustancialmente perpendicular sobre la superficie del vidrio
antes que en la configuración paralela convencional. Al quemar los
quemadores perpendicularmente sobre la superficie del vidrio, se
utilizan las propiedades de convección y radiación de la llama para
transferir energía a la materia prima para fabricar vidrio más que
sólo mediante transferencia de calor por radiación. Por lo tanto, la
luminosidad y la fracción de la llama de alta temperatura se
colocan a corta distancia, si no en contacto directo, con la
materia prima para fabricar vidrio para aumentar la transferencia de
calor a través de radiación. Como la radiación es una función
exponencial de la distancia desde la fuente de calor, la
transferencia de calor por radiación es mucho mayor en el horno de
fusión de vidrio según la presente invención que los hornos
convencionales. Además, la incidencia de la elevada temperatura de
la llama sobre la materia prima para fabricar vidrio aumenta
sustancialmente la transferencia de calor mediante convección al
área de incidencia de la llama. Por consiguiente, la velocidad
aumentada de transferencia de calor al vidrio y la carga dan lugar
a un aumento muy considerable en la velocidad de fusión y afinación
del cristal. Por lo tanto, ya que la mayoría de la transferencia de
calor proviene directamente de la llama de incidencia con mayor
temperatura y no desde el ladrillo refractario, se aumenta la
capacidad de fusión del horno de vidrio, sin deterioro térmico del
ladrillo refractario.
La invención consigue sus efectos ventajosos
utilizando un quemador de oxígeno y combustible diseñado para
permitir el control de las velocidades del combustible gaseoso y
del oxígeno desde el quemador, por lo que las velocidades son
fundamentalmente equivalentes para proporcionar generalmente un
flujo gaseoso laminar de combustible y oxígeno para quemar la
superficie próxima de la materia prima para fabricar vidrio. Esto
se va a contrastar con la configuración descrita en la Patente de
los Estados Unidos 3.337.324, cuyo documento se conoce como tal por
configurar al menos un quemador de oxígeno y combustible para
quemar de forma perpendicular o sustancialmente perpendicular sobre
la superficie de la materia prima para fabricar vidrio.
Por lo tanto, la invención pretende aumentar la
capacidad de fusión de un horno de vidrio sin aumentar el riesgo de
sobrecalentamiento del techo y las paredes del horno y para mantener
una velocidad concreta de producción de vidrio sin el uso de
regeneradores o recuperadores. Además pretende reducir la formación
de NOx durante la fusión del vidrio, para reducir el tamaño del
horno de vidrio requerido por capacidad dada frente a un horno de
vidrio convencional de aire y combustible o un horno de vidrio
convencional de oxígeno y combustible, para reducir la energía
total requerida por tonelada de vidrio fundido frente a los hornos
de vidrio convencionales de aire y combustible, y para permitir una
mejor utilización de la capacidad y más flexibilidad de operación,
reduciendo así el fundidor el costo de capital por tonelada de
vidrio producido.
Según la invención, ahora se proporciona un
procedimiento para producir vidrio refinado a partir de materia
prima para fabricar vidrio en un fundidor de vidrio revestido de
ladrillo refractario sin el uso de regeneradores o recuperadores,
el fundidor de vidrio con un techo conectado a un suelo mediante
paredes laterales y definiendo entre ellas un canal alargado con una
zona de fusión y una zona posterior de afinado, comprendiendo el
procedimiento las etapas de:
carga de la materia prima para fabricar vidrio en
la zona de fusión del fundidor de vidrio,
suministro de al menos un quemador de oxígeno y
combustible encajado en un bloque quemador en el techo del fundidor
de vidrio y dispuesto para quemar de forma perpendicular o
sustancialmente perpendicular sobre la superficie de la materia
prima para fabricar vidrio, teniendo el quemador de oxígeno y
combustible un conducto cilíndrico interior central para combustible
gaseoso, para proporcionar combustible gaseoso y un conducto
exterior cilíndrico para oxígeno, concéntrico con el conducto
central para combustible, para proporcionar oxígeno; y
control de las velocidades del combustible
gaseoso y del oxígeno desde el quemador de oxígeno y combustible de
manera que las velocidades del combustible gaseoso y del oxígeno
son sustancialmente equivalentes, para proporcionar un flujo
generalmente laminar de combustible gaseoso y un flujo generalmente
laminar de oxígeno, para quemar de forma próxima una superficie
superior de la materia prima para fabricar vidrio y producir con
ello una llama que incida sobre la superficie de la materia prima
para fabricar vidrio y que tiene una fracción central de
aproximadamente forma de columna;
fusión de la materia prima para fabricar vidrio
dentro de la zona de fusión por medio del alcance de la llama desde
el quemador de oxígeno y combustible sin el uso de regeneradores o
recuperadores; y
extracción del vidrio refinado de la zona de
afinado.
La invención se describe a continuación en mayor
detalle solamente a modo de ejemplo, con referencia a las figuras
adjuntas, en las que:
La figura 1 es una vista longitudinal de sección
transversal de un horno de fusión de vidrio para su uso en el
procedimiento según la presente invención;
La figura 2 es una vista en planta de sección
transversal del horno de fusión de vidrio de la figura 1 a lo largo
de la línea 2-2;
La figura 3 es una vista de sección transversal
del horno de fusión de vidrio de la figura 1 a lo largo de la línea
3-3 que ilustra dos quemadores de oxígeno y
combustible adyacentes a la pared final anterior del horno;
La figura 4 es una vista alternativa en planta de
sección transversal del horno de fusión de vidrio de la figura 1 a
lo largo de la línea 3-3 que ilustra un quemador de
oxígeno y combustible adyacente a la pared final anterior del
horno;
horno;
La figura 5 es una vista de sección transversal
de un quemador de oxígeno y combustible y una representación
esquemática de una llama de quemador del quemador de oxígeno y
combustible; y
La figura 6 es un gráfico que ilustra una curva
superior de operación y una curva inferior de operación para un
quemador de oxígeno y combustible usado según la presente
invención.
Respecto a las figuras, se muestra un horno de
fusión de vidrio 10 para proporcionar un vidrio fundido a un horno
de afino de vidrio 12 en el que el vidrio fundido se refina luego y
se alimenta posteriormente en una o más máquinas para fabricar
vidrio tales como contenedores, fibrizadores y similares (no
mostrado). Considerando las figuras, se apreciará que con el
propósito de claridad, no se proporcionan determinados detalles de
la construcción, en vista de que tales detalles son convencionales
y bien conocidos dentro de la experiencia de la técnica, una vez que
la invención se describa y se explique.
El horno de fusión de vidrio 10 incluye
típicamente un canal alargado con una pared final anterior 14 y una
pared final posterior 16, paredes laterales 18, un suelo 20 y un
techo 22, todos fabricados de materiales refractarios apropiados
tales como alúmina, sílice, alúmina-sílice, circón,
zirconia-alúmina-sílice y similares.
El techo 22 se evidencia generalmente por tener una forma arqueada
transversal al eje longitudinal del canal, sin embargo, el techo
puede ser de cualquiera de la mayoría de los diseños adecuados. El
techo 22 del horno de fusión de vidrio 10 está colocado entre 0,9 -
30 m (aproximadamente 3-10 pies) por encima de la
superficie de la materia prima para fabricar vidrio. Como se conoce
bien en la técnica, el horno de fusión de vidrio 10 puede incluir
opcionalmente uno o más borboteadores 24 y/o electrodos eléctricos
intensificadores. Los borboteadores y/o los electrodos eléctricos
intensificadores aumentan la temperatura del vidrio a granel y
aumentan la circulación de vidrio fundido bajo la cubierta del
grupo.
El horno de fusión de vidrio 10 incluye dos zonas
consecutivas, una zona de fusión 26 y una zona de afinado posterior
28. La zona de fusión 26 se considera la zona anterior del horno de
fusión de vidrio 10 en la que se carga la materia prima para
fabricar vidrio 30 en el horno, usando un dispositivo de carga 32
de un tipo bien conocido en la técnica. La materia prima para
fabricar vidrio 30 puede ser una mezcla de materias primas usadas
típicamente en la fabricación de vidrio. Se apreciará que la
composición de materia prima para fabricar vidrio 30 depende del
tipo de vidrio a producir. Normalmente, la materia comprende, entre
otros, materiales que contienen sílice, incluido el vidrio de
desecho molido finamente denominado comúnmente como vidrio fundante.
También se pueden usar otros materiales para fabricar vidrio,
incluidos el feldespato, la caliza, la dolomita, la sosa, la
potasa, el bórax y la alúmina. Para modificar las propiedades del
vidrio, también se puede añadir una pequeña cantidad de arsénico,
antimonio, sulfatos, carbono y/o fluoruros. Además, se pueden añadir
óxidos metálicos generadores de color para obtener el color
deseado.
La materia prima para fabricar vidrio 30 forma
una capa de carga de partículas sólidas sobre la superficie del
vidrio fundido en la zona de fusión 26 del horno de fusión de
vidrio 10. Las partículas sólidas de carga flotantes de la materia
prima para fabricar vidrio 30 se funden principalmente por al menos
un quemador de oxígeno y combustible 34 con una forma y una longitud
de llama incidente controladas, montado en el techo 22 del horno de
fusión de vidrio 10. Se apreciará que se ha descubierto que la
instalación de al menos un quemador de oxígeno y combustible 34 en
el techo 22 del horno de fusión de vidrio 10 sobre la materia prima
para fabricar vidrio 30 según la presente invención, aumenta la
velocidad de fusión de la materia prima sólida para fabricar vidrio
y, al mismo tiempo, mantiene la temperatura operativa del material
refractario circundantes dentro de unos límites operacionales
aceptables.
Como se usa en la presente memoria, la expresión
\llal menos un quemador de oxígeno y combustible\gg se refiere
a uno o más quemadores de oxígeno y combustible. Por lo tanto, como
se usa en la presente memoria la expresión \llprincipalmente por
al menos un quemador de oxígeno y combustible\gg se refiere al
estado en el que al menos 70% de la energía para fundir la materia
prima para fabricar vidrio parte de al menos un quemador de oxígeno
y combustible.
En una realización particular, como se muestra en
las figuras 1, 2 y 4, el horno de fusión de vidrio 10 incluye tres
quemadores de oxígeno y combustible 34. Un único quemador de
oxígeno y combustible 34 se coloca delante de dos quemadores de
oxígeno y combustible colocados adyacentes posteriormente. Sin
embargo, se apreciará que se puede colocar cualquier número de
quemadores de oxígeno y combustible 34 en cualquiera de la mayoría
de las posiciones adecuadas en el techo 22 del horno 10 sobre el
grupo para fundir la materia prima para fabricar vidrio 30. Por
ejemplo, se pueden colocar dos quemadores de oxígeno y combustible
34 en una configuración paralela (figura 3) o se puede usar un único
quemador de oxígeno y combustible (figura 4). No obstante, según la
presente invención, la orientación angular de cada quemador de
oxígeno y combustible 34 en el techo 22 del horno de fusión de
vidrio debe ser tal que la llama 36 producida se dirija
sustancialmente perpendicular a la superficie de carga del vidrio
para producir una llama que incida sobre la superficie del vidrio.
En una realización preferida, los quemadores de oxígeno y
combustible 34 se posicionan a un ángulo de aproximadamente 90 +/-
10 grados respecto a la materia prima para fabricar vidrio 30. Se
ha descubierto que la velocidad de producción de vidrio y la calidad
del vidrio producido se puede mejorar al fundir la materia prima
para fabricar vidrio 30 con al menos un quemador de oxígeno y
combustible 34 que queme de forma descendente con una forma y una
longitud de llama incidente controladas según la presente
invención.
Respecto a la figura 5, un(os)
quemador(es) de oxígeno y combustible 34 en el techo 22 del
horno de fusión de vidrio 10 tiene un conducto interior central
cilíndrico para combustible gaseoso 40 para suministrar combustible
gaseoso y un conducto exterior cilíndrico para oxígeno 42
concéntrico con la salida central del combustible para suministrar
un flujo de oxígeno. El quemador de oxígeno y combustible 34 puede
tener una capacidad que oscila de 0,29 a 2,9 TW (aproximadamente 1
-10 MM Btu/h) dependiendo del tamaño del horno de fusión de vidrio
10 y la velocidad deseada de salida. El quemador de oxígeno y
combustible 34 está diseñado para usar un porcentaje de oxígeno
mayor del que está presente en el aire y por lo tanto la
temperatura por encima del área de incidencia de la llama 36 desde
el quemador de oxígeno y combustible 34 es sustancialmente mayor
que en una horno de fusión de vidrio convencional que utiliza
quemadores de aire y combustible. A pesar de todo, como alguien
experto en la técnica conoce bien, la temperatura de la llama 36
producida por un quemador de oxígeno y combustible 34 depende de la
calidad del combustible y de la proporción de oxígeno y
combustible. En una realización preferida, la concentración de
oxígeno del quemador de oxígeno y combustible 34 está típicamente a
un nivel de aproximadamente 95-125 por ciento de la
cantidad estequiométrica de oxígeno requerida para quemar el
combustible. Sin embargo, la proporción de combustible a oxígeno se
puede modificar para producir un intervalo de condiciones
operaciones en el horno de fusión de vidrio 10 para desarrollar una
o más propiedades deseadas, incluyendo, por ejemplo, el nivel redox,
el nivel de alimentación y/o la mayoría de cualquier otra propiedad
del vidrio.
El quemador de oxígeno y combustible 34 se
extiende de forma descendente desde un bloque del quemador 38
localizado en el techo 22 del horno de fusión de vidrio 10. Cada
bloque del quemador 38 incluye un orificio con un diámetro interior
(i_{d}) que al menos es tan grande como el diámetro externo del
conducto cilíndrico para oxígeno 42. El diámetro interior (i_{d})
del orificio del bloque del quemador 38 puede oscilar entre
50-200 mm (aproximadamente 2-8
pulgadas). El extremo del quemador de oxígeno y combustible 34 está
encajado desde el extremo del bloque del quemador 38 una distancia
(L_{Bb}) entre 75-450 mm (aproximadamente
3-18 pulgadas). Se apreciará que el orificio del
bloque del quemador 38 entre el extremo del quemador de oxígeno y
combustible 34 y el extremo del bloque del quemador actúa para
concentrar la llama del quemador y prevenir que la llama del
quemador se disperse exteriormente. El bloque del quemador 38 está
fabricado de un material refractario bien conocido en la técnica y
que puede ser de cualquiera de la mayoría de formas adecuadas tal
como rectangular y similares.
La superficie inferior del bloque del quemador 38
se puede nivelar con la superficie interior del techo 22 o la
superficie inferior puede proyectarse por debajo de la superficie
interior de 5,08 a 45,72 cm para proteger al techo y promover la
formación del modelo de llama incidente con una velocidad controlada
de llama en el lugar de incidencia sobre la materia prima para
fabricar vidrio. Por lo tanto, como se muestra en la figura 5, el
conducto de combustible 40 y el conducto de oxígeno 42 del quemador
de oxígeno y combustible 34 se extienden de forma descendente dentro
del bloque del quemador 38 y terminan sustancialmente a la misma
altura vertical desde la superficie de la materia prima para
fabricar vidrio 30.
Según la presente invención, la llama incidente
dirigida de forma descendente 36 producida por uno o más quemadores
de oxígeno y combustible 34 se controla de manera precisa para
dirigir la energía calorífica hacia los componentes brutos para
fabricar vidrio 30 y la superficie del vidrio fundido y lejos del
ladrillo refractario circundante, reduciendo con ello el riesgo de
sobrecalentamiento del techo 22 y las paredes laterales 18 del horno
de fusión de vidrio 10. La llama incidente 36 se puede controlar por
tales dispositivos de control que son convencionales y estándar en
el procesamiento químico. Por ejemplo, válvulas, termopares,
termistores acoplados con servocircuitos adecuados,
termorreguladores y similares están fácilmente disponibles y se
usan convencionalmente para controlar la cantidad y la velocidad
del combustible y el oxígeno desde el quemador de oxígeno y
combustible 34. El perfil resultante de temperatura producido dentro
del horno de fusión de vidrio 10 es por lo general más uniforme a
través de la longitud del horno de fusión de vidrio frente a un
horno de fusión de vidrio que emplea quemadores de aire y
combustible o a un horno convencional de oxígeno y combustible con
quemadores de oxígeno y combustible situados en las paredes
laterales, quemando de forma paralela a la superficie del vidrio.
Típicamente, la temperatura en el horno de fusión de vidrio 10 que
emplea al menos un quemador de oxígeno y combustible 34 oscila
entre 1260-1704ºC (aproximadamente
2300-3100 grados Fahrenheit). La llama incidente 36
se controla de manera precisa controlando tanto la velocidad
relativa como las velocidades máxima y mínima del combustible y del
oxígeno desde al menos un quemador de oxígeno y combustible 34.
La velocidad relativa, es decir, las velocidades
del combustible gaseoso y del oxígeno, deben ser sustancialmente
equivalentes para proporcionar un flujo generalmente laminar de
combustible gaseoso y un flujo generalmente laminar de oxígeno de
forma descendente sobre la superficie de la materia prima para
fabricar vidrio 30. En una realización preferida, la velocidad
relativa del combustible gaseoso y el oxígeno desde el quemador de
oxígeno y combustible 34 puede variar de uno a otro no más de
aproximadamente el 20%. Por lo tanto, la diferencia máxima entre la
velocidad de flujo del oxígeno y el combustible a la salida del
quemador de oxígeno y combustible 34 no puede exceder 15,25 m
(aproximadamente 50 pies estándar) por segundo. Se apreciará que el
flujo laminar de combustible y el flujo de oxígeno previenen la
mezcla prematura del combustible y el oxígeno para tener prevista la
mezcla retardada y la combustión próxima a la superficie superior
de la materia prima para fabricar vidrio 30 para producir una llama
36 que tiene una porción central de una forma cercana a una columna
y que incida sobre la superficie de la materia prima para fabricar
vidrio, proporcionando con ello la óptima transferencia de calor a
la materia prima para fabricar vidrio. La ``porción central'' se
refiere a la región de chorro libre 54 como se describe
posteriormente en la presente memoria.
Además de proporcionar una velocidad de flujo
sustancialmente equivalente de oxígeno y combustible, la velocidad
máxima y mínima del flujo de combustible y de oxígeno que incide
sobre la superficie de la materia prima para fabricar vidrio 30 se
debe controlar para prevenir la entrada o la sustitución de
material de carga de vidrio frente a las paredes laterales 18 y el
techo 22 mientras se mantiene la óptima transferencia de calor por
convección sobre la superficie de la materia prima para fabricar
vidrio. Se apreciará que el desplazamiento del material de carga de
vidrio frente a las paredes laterales 18 y el techo 22 afectará de
manera adversa al material refractario y posiblemente acortará la
vida operativa del horno de fusión de vidrio 10.
También se controlan la velocidad máxima y mínima
del combustible y del oxígeno del quemador de oxígeno y combustible
34 para proporcionar la máxima energía desde la llama incidente 36
sin dañar el material refractario circundante. La máxima energía
desde la llama incidente 36 se alcanza minimizando la cantidad de
calor liberada al espacio de combustión del horno de fusión de
vidrio 10 y maximizando la transferencia de calor a la materia prima
para fabricar vidrio 30. El intervalo operacional de velocidades
máxima y mínima para el quemador de oxígeno y combustible 34 para
generar una tasa aceptable de transferencia de calor a la materia
prima para fabricar vidrio 30, sin dañar las paredes y la
superestructura del horno de material refractario, es función del
diseño concéntrico de los tubos del quemador de oxígeno y
combustible, de la geometría del orificio del bloque del quemador y
de las velocidades del combustible y del oxígeno desde el quemador
de oxígeno y combustible 34.
Respecto a la figura 6, se muestra un gráfico que
incluye una curva operacional superior 44 y una curva operacional
inferior 46. El eje x del gráfico se define en términos de un
parámetro adimensional (H/i_{d}) y el eje y del gráfico se define
en términos de la velocidad máxima de llama en la boquilla del
bloque del quemador (V_{Bb}). La curva operacional superior 44 y
la curva operacional inferior 46 representan las velocidades máxima
y mínima permitidas en la boquilla del bloque del quemador 38
(V_{Bb}) para un (H/i_{d}) dado y define tres zonas operativas:
una zona operativa superior 48, una zona operativa central 50, y
una zona operativa inferior 52. La zona operativa superior 48
representa una velocidad excesivamente elevada o una zona operativa
insegura y la zona operativa inferior 52 representa una zona
térmicamente ineficaz. La zona operativa central 50 define un área
aceptable de operación de los quemadores de oxígeno y combustible
34 según la presente invención. Como se muestra en la figura 6, el
parámetro (H/i_{d}) oscila entre aproximadamente
6-30 y la máxima velocidad permisible en la boquilla
del bloque del quemador (V_{Bb}) es 167 m/s (550 pies por
segundo). Se apreciará que la zona operacional central 50
proporcionar la forma de columna requerida para la llama incidente
36 y las propiedades deseadas de transferencia de calor a la
materia prima para fabricar vidrio 30.
La curva operacional superior 44 y la curva
operacional inferior 46 para el quemador de oxígeno y combustible
34 se describen por un polinomio lineal de cuarto orden:
IV_{Bb} = a +
b \left(\frac{H}{i_{d}}\right) + c \left(\frac{H}{i_{d}}\right)^{2}
+ d \left(\frac{H}{i_{d}}\right)^{3} + e
\left(\frac{H}{i_{d}}\right)^{4}
en el
que,
V_{Bb} = velocidad máxima en el extremo del
bloque del quemador (m o pies/segundo),
H = distancia desde el extremo del bloque del
quemador a la parte superior de la superficie de la materia prima
para fabricar vidrio (m o pies),
i_{d} = diámetro interior del orificio del
bloque del quemador (m o pies).
Como se muestra en la figura 6, para la curva
operacional superior 44, la proporción de H/i_{d} está entre
aproximadamente 6-20 y el intervalo de V_{Bb}
está entre 58-168 m/s (aproximadamente 190 - 550
pies por segundo), y el valor de los coeficientes es el siguiente:
a = 571,0801, b = -187,2957, c = 30,1164, d = -1,8198 y e = 0,04.
Para la curva inferior de operación 46, como se muestra en la
figura 6, la proporción de H/id está entre aproximadamente
6-30 y el intervalo de V_{Bb} está entre
15-91 m/s (aproximadamente 50 - 300 pies por
segundo), y el valor de los coeficientes es el siguiente: a =
-103,6111, b = 38,9939, c = -2,8772, d = 0,1033 y e = -0,00125. Para
una (H) y un (i_{d}) concretos como se ha proporcionado antes, se
fija el parámetro (H/i_{d}) (eje x del gráfico) que a su vez
determina la velocidad máxima del quemador de oxígeno y combustible
36 en la boquilla del bloque del quemador (V_{Bb}) (eje y del
gráfico), el cual debe estar entre la curva operacional superior 44
y la curva inferior de operación 46 para proporcionar la forma de
columna requerida para la llama incidente 36 y las propiedades
deseadas de transferencia de calor para fundir la materia prima
para fabricar vidrio 30.
Respecto a la figura 5, según la presente
invención, se muestra la forma columnar de la llama incidente 36
cuando opera dentro de la zona operativa central 50 de la figura 6.
La llama incidente 36 es una llama axisimétrica columnar con tres
regiones distintas de flujo: una región de chorro libre 54, una
región estancamiento 56 y una región de chorro de pared 58.
La región de chorro libre 54 es una región de
llama incidente sin obstruir. Dentro de la región de chorro libre
54, la llama 36 desarrolla una forma columnar antes de que la llama
incida sobre la superficie de la materia prima para fabricar vidrio
30. La forma columnar de la llama se produce como resultado de las
velocidades controladas de salida de las corrientes de oxígeno y
combustible. Más concretamente, dentro de la región de chorro libre
54, las corrientes de oxígeno y combustible fluyen desde el
orificio del bloque del quemador 38 para producir un esfuerzo al
corte controlado entre las dos corrientes que proporciona una
corriente laminar controlada a lo largo de una longitud extensa,
para proporcionar una mezcla controlada de forma precisa de las dos
corrientes y una combustión parcial controlada. La combustión
parcial controlada que se consigue en la región de chorro libre 54
es crítica para las características de transferencia de calor en el
desarrollo de la llama incidente 36. La forma columnar de la llama
de chorro libre tiene un diámetro de llama D2 a la mitad de la
distancia H/2 entre el extremo del bloque del quemador 38 y la
superficie de la materia prima para fabricar vidrio 30 que se
define por la siguiente relación.
II1,5i_{d}\leq
D2 \leq i_{d} + 0,15H
en la
que,
i_{d} = diámetro interior del orificio del
bloque del quemador,
H = distancia desde el extremo del bloque del
quemador a la superficie alta de la materia prima para fabricar
vidrio,
D2 = diámetro de llama a la mitad de la distancia
entre el extremo del bloque del quemador y la superficie de la
materia prima para fabricar vidrio.
La segunda región, la región de estancamiento 56,
es la región en la que la llama 36 penetra en la capa térmica
limítrofe e incide sobre la superficie de la materia prima para
fabricar vidrio 30. Dentro de esta región 56, la llama 36 penetra
en la capa térmica limítrofe e incide sobre la superficie de la
materia prima para fabricar vidrio generando un gradiente de
presión bien definido en la superficie, que acelera el flujo
horizontal de la llama desviada provocando que la llama se disperse
exteriormente de forma radial a lo largo de la superficie incidida.
El final de la región de estancamiento 56 se define como la posición
sobre la superficie de la materia prima para fabricar vidrio en la
que el gradiente de presión generado por la llama incidente 36
desciende hasta cero. Dentro de la región de estancamiento 56,
mediante el control cuidadoso del impulso de la llama 36, se
penetra y se elimina la capa térmica limítrofe que existe de forma
natural en la superficie de la materia prima para fabricar vidrio
30 y así se atenúan sus fuertes características resistentes al
calor. Por lo tanto, el calor generado por la llama incidente 36
penetra más fácilmente en la materia prima para fabricar vidrio 30
parcialmente fundida. Por lo tanto, dentro de la región de
estancamiento 56, la luminosidad de la llama 36 aumenta de forma
significativa, lo que potencia la transferencia de calor por
radiación en la materia prima para fabricar vidrio 30, relativamente
fría.
En los límites radiales de la región de
estancamiento 56, comienza la región de chorro de pared 58. En esta
región, la llama 36 fluye esencialmente paralela a la superficie de
incidencia y la capa térmica limítrofe crece a lo largo de la
superficie de incidencia y hacia fuera de la región de estancamiento
56, por lo que la capa térmica limítrofe comienza a construir la
restitución de la resistencia de la superficie al flujo de calor en
la superficie de la materia prima para fabricar vidrio.
La generación controlada de calor por la llama en
la región de chorro libre 54 es el resultado del diseño concéntrico
de los tubos del quemador de oxígeno y combustible 34, el diámetro
interior del orificio (i_{d}) del bloque del quemador 38 y las
velocidades relativas y las velocidad máxima y mínima de las
corrientes de oxígeno y combustible. Mediante el control selectivo
del diseño del quemador de oxígeno y combustible 34, del diseño
geométrico del bloque del quemador 38 y de las velocidades de las
corrientes de oxígeno y combustible, se produce un esfuerzo al corte
reducido entre las corrientes de oxígeno y gas, proporcionando una
combustión parcial controlada y unas reducidas emisiones de
radiación térmica. Se apreciará que operando el quemador de oxígeno
y combustible 34 dentro de la zona operativa central 50 descrita en
la presente memoria, se minimiza el calor generado por la llama en
la región de chorro libre 54 y la resistencia a la transferencia de
calor en la superficie del vidrio bruto en la región de
estancamiento 56, maximizando con ello el calor generado en la
región de estancamiento.
El calor generado en la región de chorro libre 54
es el resultado de los siguiente procesos. Primero, la combustión
parcial controlada en la región de chorro libre 54 permite una
combustión controlada en la superficie de la materia prima para
fabricar vidrio 30, aproximando con ello el proceso de combustión a
la superficie de la materia prima para fabricar vidrio. Aproximando
el proceso de combustión a la superficie de la materia prima para
fabricar vidrio 30 genera un elevado gradiente de temperatura en la
superficie de la materia prima para fabricar vidrio, mejorando con
ello la transferencia de calor por convección. Segundo, la
combustión parcial controlada en la región de chorro libre 54 genera
una temperatura aceptable para la disociación química de los gases
de la combustión y los productos de la combustión. Estas especies
disociadas, una vez que inciden sobre la relativamente fría
superficie de la materia prima para fabricar vidrio 30, recombinan
parcialmente, de forma exotérmica, generando una calor
significativo en la superficie de la materia prima para fabricar
vidrio. El calor de las reacciones exotérmicas aumenta después el
proceso de transferencia de calor por convección.
La minimización de la resistencia al calor en la
región de estancamiento 56 de la superficie de la materia prima
para fabricar vidrio 30 es el resultado de los siguientes factores.
Primero, se elimina la capa térmica limítrofe mediante el impulso
controlado de la llama 36 y la turbulencia generada por las
características de combustión cuidadosamente controlada en la
superficie de la materia prima para fabricar vidrio 30. Segundo, la
generación de calor en una superficie limitada tiene en cuenta la
conversión de la materia prima para fabricar vidrio 30 de baja
conductividad térmica en un material de vidrio fundido
significativamente mejor conductor. Esta conversión toma en
consideración el calor generado en la superficie para penetrar más
eficazmente en el interior de la materia prima para fabricar
vidrio. Esta penetración mejorada del calor disminuye la
temperatura de la superficie del vidrio fundido, que aumenta el
gradiente de temperatura entre la llama 36 y la superficie del
vidrio fundido y aumenta el proceso de transferencia de calor por
convección.
El vidrio fundido fluye desde la zona de fusión
26 del horno de fusión de vidrio 10 a la zona de afinado 28. En una
realización preferida, la zona de afinado 28 incluye al menos un
quemador de oxígeno y combustible 34 posterior montado en el techo
22 del horno de fusión de vidrio 10. El quemador de oxígeno y
combustible 34 posterior tiene un diseño idéntico al descrito antes
y debe funcionar en las mismas condiciones sometidas a la variación
controlada, para conseguir el efecto neto deseado de las llamas
incidentes. Por ejemplo, se puede ajustar la llama incidente 30
para ser más luminosa y afectar a las características de fusión. El
quemador de oxígeno y combustible 34 posterior se coloca para
quemar de forma descendente sobre la posición en la que las
corrientes normales de convección tienden a aumentar, por ejemplo
2/3 - 3/4 de la longitud del horno de fusión de vidrio 10.
Se apreciará que se ha descubierto que al menos
un quemador de oxígeno y combustible 34 posterior mejora la calidad
del vidrio que se mueve hacia delante en el área de formación al
eliminar los defectos de la superficie tales como materia prima
para fabricar vidrio reaccionada de forma incompleta o materiales
de la superficie mezclados insuficientemente, al aumentar
sustancialmente la temperatura de la superficie del vidrio,
promoviendo la mezcla y la fusión. Por lo tanto, al menos un
quemador de oxígeno y combustible 34 posterior proporciona una
barrera al flujo hacia adelante de material, promueve las corrientes
naturales de convección dentro del vidrio fundido, provocando que
el vidrio más caliente fluya hacia atrás por debajo de la materia
prima para fabricar vidrio, previniendo de este modo una variación
rápida hacia delante del vidrio fundido, aumentando el efecto de
fusión y aumentando las temperaturas del vidrio en la zona de
afinado. El vidrio que se mueve hacia delante también está caliente
y esto conduce a un afinado más rápido y a un consumo reducido de
combustible en las zonas delanteras. Además, se ha descubierto que
para los hornos de fusión de vidrio que tienen normalmente una capa
de espuma sobre la superficie posterior de vidrio, el quemador de
oxígeno y combustible 34 posterior reduce la espuma. Se apreciará
que al reducir la espuma, se aumenta la transferencia de calor en el
cuerpo del material de vidrio, para reducir la energía térmica que
de otro modo se requería en el horno de fusión de vidrio 10 y
mejorando la eficacia operativa del horno de fusión de vidrio.
El, al menos un, quemador de oxígeno y
combustible 34 montado en el techo se puede colocar en un nuevo
horno de fusión de vidrio 10 o actualizado en un horno de fusión de
vidrio existente para reducir sustancialmente el espacio de la
planta y aumentar la calidad del vidrio respecto a un horno de
combustión con aire y combustible o a un horno ``convencional'' de
combustión lateral de oxígeno y combustible. Se apreciará que la
presente invención facilita un aumento sustancial de la velocidad
de expulsión, una reducción en la temperatura de la pared del horno
de fusión de vidrio 10 y mejora la calidad del vidrio en
comparación con el mismo horno de aire y combustible o un horno
convencional de oxígeno y combustible que no se actualiza con al
menos un quemador de oxígeno y combustible montado en el techo, como
se ha descrito en la presente memoria. Por lo tanto, como apreciará
fácilmente alguien experto en la técnica, el uso de al menos un
quemador de oxígeno y combustible, frente a un sistema quemador de
aire completo y combustible, reduce de manera apreciable las
emisiones de NOx.
Claims (10)
1. Un procedimiento para producir vidrio refinado
a partir de la materia prima para fabricar vidrio (30) en un
fundidor de vidrio revestido de ladrillo refractario (10) sin el uso
de regeneradores o recuperadores, teniendo el fundidor de vidrio un
techo (22) conectado a un suelo (20) por paredes laterales (18) y
que definen entre ellas un canal alargado con una zona de fusión
(26) y una zona de afinado posterior (28), comprendiendo el
procedimiento las etapas de:
carga de la materia prima para fabricar vidrio
(30) en la zona de fusión (26) del fundidor de vidrio (10);
suministro de al menos un quemador de oxígeno y
combustible (34) encajado en un bloque quemador (38) en el techo del
fundidor de vidrio y dispuesto para quemar de forma perpendicular o
sustancialmente perpendicular sobre la superficie de la materia
prima para fabricar vidrio, teniendo el quemador de oxígeno y
combustible un conducto cilíndrico interior central para combustible
gaseoso (40), para proporcionar combustible gaseoso y un conducto
exterior cilíndrico para oxígeno (42), concéntrico con el conducto
central para combustible, para proporcionar oxígeno; y
control de las velocidades del combustible
gaseoso y del oxígeno desde el quemador de oxígeno y combustible de
manera que las velocidades del combustible gaseoso y del oxígeno son
sustancialmente equivalentes, para proporcionar un flujo
generalmente laminar de combustible gaseoso y un flujo generalmente
laminar de oxígeno para quemar de forma próxima una superficie
superior de la materia prima para fabricar vidrio (30) y producir
con ello una llama que incida sobre la superficie de la materia
prima para fabricar vidrio y que tiene una fracción de central (54)
de aproximadamente forma de columna;
fusión de la materia prima para fabricar vidrio
dentro de la zona de fusión por medio del alcance de la llama desde
el quemador de oxígeno y combustible sin el uso de regeneradores o
recuperadores; y
extracción del vidrio refinado de la zona de
afinado.
2. Un procedimiento según la reivindicación 1 en
el que la velocidad del combustible gaseoso y la velocidad del
oxígeno del quemador de oxígeno y combustible no difiere más de
aproximadamente el 20%.
3. Un procedimiento según la reivindicación 3, en
el que el bloque del quemador (38) incluye un orificio con un
diámetro interior de 50 a 200 mm (2 a 8 pulgadas).
4. Un procedimiento según la reivindicación 3, en
el que el quemador de oxígeno y combustible está encajado dentro del
orificio del bloque del quemador una distancia de 75 a 450 mm (3 a
18 pulgadas).
5. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, en el que el diámetro de la llama a la mitad
de la distancia entre el extremo del bloque del quemador y la
materia prima para fabricar vidrio se define por la siguiente
relación:
(II)1,5i_{d}
\leq D2 \leq i_{d} +
0,15H
en la
que
i_{d} = diámetro interior del orificio del
bloque del quemador,
H = distancia desde el extremo del bloque del
quemador a la parte superior de la materia prima para fabricar
vidrio, y
D2 = diámetro de llama a la mitad de la distancia
entre el extremo del bloque del quemador y la superficie de la
materia prima para fabricar vidrio.
6. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que las velocidades máximas del
combustible gaseoso y del oxígeno en el quemador de oxígeno y
combustible a la salida del bloque del quemador se controlan dentro
de una zona operativa definida por las curvas operacionales superior
e inferior, procedentes de la representación gráfica de H/i_{d}
frente a V_{Bb} (en la que H e i_{d} tienen los significados
especificados en la reivindicación 5 y V_{Bb} es la máxima
velocidad de llama en la boquilla del bloque del quemador),
procediendo la curva operacional superior del siguiente polinomio
lineal de cuarto orden:
IV_{Bb} = a +
b \left(\frac{H}{i_{d}}\right) + c \left(\frac{H}{i_{d}}\right)^{2}
+ d \left(\frac{H}{i_{d}}\right)^{3} + e
\left(\frac{H}{i_{d}}\right)^{4}
en el
que:
H/i_{d}= aproximadamente
6-20,
V_{Bb} = 58 a 168 m/s (190 - 550 pies por
segundo),
a = 571,0801,
b = -187,2957,
c = 30,1164,
d = -1,8198 y
e = 0,04.
y procediendo la curva operacional inferior del
siguiente polinomio lineal de cuarto orden:
IV_{Bb} = a +
b \left(\frac{H}{i_{d}}\right) + c \left(\frac{H}{i_{d}}\right)^{2}
+ d \left(\frac{H}{i_{d}}\right)^{3} + e
\left(\frac{H}{i_{d}}\right)^{4}
H/i_{d}= aproximadamente 6 - 30,
V_{Bb} = 15 a 91 m/s (50 - 300 pies por
segundo),
a = -103,6111,
b = 38,9939,
c = -2,8772,
d = 0,1033 y
e = -0,00125.
7. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, en el que al menos un quemador de oxígeno y
combustible (34) está localizado sobre la zona de afinado posterior
(28).
8. Un procedimiento según la reivindicación 7, en
el que se coloca el quemador de oxígeno y combustible sobre la zona
de afinado posterior aproximadamente 2/3 a 3/4 a lo largo de la
longitud del horno de fusión de vidrio desde el extremo anterior
(14) del mismo.
9. Un procedimiento según la reivindicación 7 o
la reivindicación 8, en el que el quemador de oxígeno y combustible
sobre la zona de afinado posterior está encajado dentro de un bloque
del quemador (38).
10. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 9, en el que el quemador de oxígeno y
combustible sobre la zona de afinado posterior (28) opera con los
mismos parámetros de control que el quemador de oxígeno y
combustible sobre la zona de fusión (26).
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