ES2253186T3 - Metodo para aumentar el calentamiento en un horno de fusion de vidrio que utiliza un quemador de combustible y oxigeno montado en el techo. - Google Patents

Abstract

Un método para fundir una carga de materia prima en un horno de vidrio que tiene regeneradores, recuperadores y/o sobrealimentación eléctrica, teniendo dicho horno paredes laterales, una pared posterior, una pared anterior y un techo, que comprende generar una llama a partir de al menos un quemador de combustible y oxígeno montado en el techo del horno sobre dicha carga de materia prima, siendo gaseoso el combustible proporcionado al quemador, teniendo dicha llama una velocidad suficiente para maximizar la transferencia de calor desde dicha llama a dicha carga de materia prima sin alterar sustancialmente dicha carga de materia prima.

Description

Método para aumentar el calentamiento en un horno de fusión de vidrio que utiliza un quemador de combustible y oxígeno montado en el techo.

La invención se refiere al uso de al menos un quemador de combustible y oxígeno en el techo de un horno de fundición de vidrio para sobrealimentar la capacidad de producción o mantener la capacidad de producción de corriente con la reducción del sobrealimentador eléctrico o como resultado del deterioro del equipo de recuperación de calor existente tal como recuperadores o regeneradores. El proceso implica la sustitución de una porción de la capacidad de aire combustible existente o previamente existente o la capacidad de energía eléctrica con energía de combustible y oxígeno. Con la excepción de hornos de recuperación calentados por un extremo y hornos eléctricos el proceso implica el bloqueo de puertos de regeneración o aislamientos de quemadores de recuperación. En particular la selección del diseño, colocación en ángulo y posicionamiento de los quemadores sobre la carga de materia prima que entra al horno mejora la velocidad de fusión, aumenta el rendimiento del producto, mejora la eficacia de energía y mejora la calidad del vidrio. El control preciso de la relación estequiométrica de combustión en el quemador, interacción de la propensión abundante de quemadores y graduación oxígeno/combustible zonal del horno se usan para optimizar la transferencia de calor al tiempo que minimizan las emisiones de óxidos de nitrógeno y dióxido de azufre.

Los hornos de recuperación, de regeneración, eléctricos y de inyección directa han sido comúnmente implicados en la fabricación de vidrio y productos de frita afines.

Los hornos de recuperación de combustible y aire forman dos categorías: de fuego cruzado y caldeados por un extremo. Los hornos de recuperación de fuego cruzado tienen múltiples puertos típicamente tres a ocho en cada lado del horno que se conectan a un regenerador compartimentado o común para precalentar el aire de combustión. Los regeneradores que se presentan en diversas formas y tamaños cambian de marcha cada 15-30 minutos dependiendo del funcionamiento del horno. Durante cada ciclo de cambio de marcha el aire de combustión procedente de un ventilador que pasa a través de un conducto en la válvula inversora entra en la base del regenerador en un lado del horno y se precaliente antes de entrar en los puertos que se conectan al horno. El combustible en la forma de aceite y/o gas se inyecta bajo, por encima, a través o en el lado del puerto para producir una llama que se quema en el horno de fusión del vidrio. Los productos calientes de la combustión salen del horno a través del puerto lateral opuesto, hacia abajo a través de los ladrillos del recuperador liberando calor y entonces saliendo a la torre de escape a través de un segundo pasadizo en la válvula inversora. A medida que el regenerador lateral de aire enfría, el regenerador de escape se calienta hasta que la válvula inversora cambia de marcha y el aire de combustión entra en el regenerador de escape previamente caliente.

El vidrio se derrite parcialmente debido a la radiación de la llama de combustible y aire aunque principalmente a partir de la radiación secundaria del techo y paredes que se calientan por los productos de combustión. Para obtener una capacidad de producción de vidrio del horno más elevada, muchos hornos utilizan la sobrealimentación eléctrica por medio de electrodos inmersos en el vidrio. Esto no es rentable y puede ocasionar daño a las paredes del depósito en contacto con el vidrio. A través del tiempo, los recuperadores se pueden comenzar a bloquear debido al daño estructural/térmico y/o transporte de los materiales que forman el vidrio bruto, también conocidos como materiales de carga o carga, o condensación de especies volátiles liberadas de la carga de vidrio. A medida que los recuperadores comienzan a bloquearse o fallar, se reducirá la temperatura de precalentamiento del aire en el horno. Debido al aumento de la caída de presión, el lado de escape limitará la retirada de los gases de escape y por lo tanto limitará la entrada de energía dentro del horno reduciendo de este modo la producción de vidrio del horno.

Para recuperar la pérdida de capacidad de producción al nivel precedente del regenerador o para aumentar la producción en un horno no afectado, se ha usado el oxígeno mediante cuatro mecanismos: enriquecimiento de aire general con oxígeno, soplado del oxígeno específico bajo las llamas del puerto, instalación de un quemador de combustible y oxígeno entre el primer puerto y que carga la pared extrema, y quemadores de combustible y oxígeno enfriados con agua instalados a través del puerto. Los incrementos de capacidad a partir de estas tecnologías se limitan por acceso, requerimientos de proceso o límites de temperatura refractaria.

El horno de recuperación caldeado por un extremo es similar en funcionamiento a un horno de quemadores de fuego cruzado, sin embargo, tiene sólo dos puertos en la pared extrema que conectan con regeneradores individuales. El deterioro del regenerador consiste en el mismo mecanismo que en los hornos de fuego cruzado y asimismo se utiliza la sobrealimentación de oxígeno y electricidad.

Para recuperar la pérdida de capacidad de producción del nivel del regenerador antes mencionado o el incremento de producción se ha usado el oxigeno mediante tres mecanismos: enriquecimiento de aire general con oxígeno, soplado de oxígeno específico bajo el puerto e instalación de quemadores de combustible y oxígeno a través del depósito dirigido hacia abajo de las paredes laterales del horno. Estas tecnologías son típicamente limitadas en capacidad debido a la localización y son de interés para sobrecalentamiento del horno.

El horno de recuperación utiliza al menos un intercambiador de calor tipo recuperador. A diferencia del regenerador, el recuperador es continuo con intercambiador de calor de flujo simultáneo caliente en el que el aire de combustión precalentado de los gases de escape se conduce a quemadores de combustible y aire individuales a lo largo de los lados del horno. Los hornos pueden también usar la sobrealimentación eléctrica. Como con los hornos de recuperación, los recuperadores pueden comenzar a perder su eficacia y capacidad para precalentar el aire. Se pueden bloquear o también desarrollar orificios.

Para recuperar la pérdida de capacidad de producción a partir de emisiones de los niveles del recuperador antes mencionado o para incrementar la producción, se ha usado el oxígeno mediante tres mecanismos: enriquecimiento de aire general con oxígeno, oxígeno especifico soplado bajo los quemadores de combustible y aire e instalación de quemadores de combustible y oxígeno a través de las paredes laterales y extremas del horno. Estas tecnologías están típicamente limitadas en capacidad debido a las restricciones de localización y son de interés para sobrecalentamiento del horno.

Los hornos de inyección directa no utilizan aire precalentado y son por lo tanto menos eficaces que los ejemplos precedentes de diseño de horno. Para mejorar la eficacia térmica o incrementar la capacidad de producción, los quemadores de combustible y oxígeno de la pared lateral han sustituido los quemadores de combustible y aire.

Los hornos eléctricos u hornos que utilizan electricidad para la mayoría de la fusión son típicamente poco rentables para funcionar y están sujetos a una vida más corta de campaña que los hornos típicos de combustibles fósiles. Una vez diseñado es difícil incrementar la capacidad de producción. Esta invención se refiere a hornos eléctricos de mazarota caliente y templada y no a hornos de mazarota fría.

El documento US-A-5.139.558 describe el uso de un quemador encendido con oxígeno secundario montado en el techo de momento elevado en un horno de fusión de vidrio el cual está dirigido a la interfaz del vidrio sólido y fundido que forma los ingredientes con lo cual el vidrio sólido que forma los ingredientes evita mecánicamente que se escapen de la zona de fusión.

El documento US-A-3.337.324 describe un proceso para fundir el material de carga en un horno de vidrio que usa un quemador posicionado para encender sustancialmente por debajo sobre el extremo de alimentación de un horno enfriado con agua.

El documento WO-A-9931021 describe el uso de quemadores montados en el techo como la fuente principal de calor en un horno de fusión de vidrio que no tiene regeneradores o recuperadores.

Según la presente invención se proporciona un método de fundición de material de carga en un horno de vidrio que tiene regeneradores, recuperadores y/o sobrealimentador eléctrico, teniendo dicho horno paredes laterales, una pared posterior, una pared anterior y un techo, que comprende generar una llama desde al menos un quemador de combustible y oxígeno montado en el techo del horno sobre dicha carga de materia prima, siendo el combustible provisto al quemador gaseoso, teniendo dicha llama una velocidad suficiente para maximizar la transferencia de calor desde dicha llama a dicho material de carga sin sustancialmente alterar dicho material de carga.

Brevemente, según esta presente invención, los hornos de fusión de vidrio de todos los diseños pueden ser sobrealimentados usando al menos un quemador de combustible y oxígeno montado en el techo posicionado sobre la carga de materia prima según los materiales entran en el horno para mejorar la velocidad de fusión y mejorar la calidad del vidrio y/o rendimiento del producto de vidrio. Debido al incremento de la velocidad y rendimiento de la fusión del vidrio generado por el diseño y posicionamiento de estos quemadores, que dependen de la condición y tipo del horno, se pueden lograr al menos uno o más de lo siguiente: incremento de la producción de vidrio, mejora de la calidad del vidrio, reducción en la sobrealimentación eléctrica, recuperación de la pérdida de producción debida a la ineficaz recuperación del calor (es decir, regeneradores bloqueados), reducción del uso de oxígeno remplazando por el oxígeno enriquecido de la atmósfera del horno, reducción del uso de oxígeno remplazando por el oxigeno soplado, reducción del uso de oxígeno remplazando por quemadores de combustible y oxígeno convencionales posicionados a través de las paredes de un horno de vidrio, incremento de la vida de la campaña del horno, mejora de la eficacia de energía, reducción en emisiones de óxidos de nitrógeno y óxidos de azufre, reducción del uso de combustible fósil, reducción en desperdicios de vidrios rotos e incremento del rendimiento del producto de vidrio.

Se puede aplicar esta invención a los tipos siguientes de hornos. En aplicaciones de horno eléctrico de mazarota caliente de esta invención, al menos un quemador y combustible de oxígeno se montará en el techo del horno. En aplicaciones de horno de recuperación de fuego cruzado de esta invención puede necesitar al menos un par de puertos opuestos de modo que sea completa o parcialmente bloqueado o aislado. En aplicaciones de horno de recuperación caldeado por un extremo de esta invención, al menos un quemador de combustible y oxígeno se montará en el techo del horno y el flujo de aire de combustión reducido por una porción del flujo máximo de diseño original. En todas las aplicaciones de horno de recuperación de esta invención, al menos un quemador de combustible y oxígeno se montará en el techo del horno. En hornos de multiquemadores, los quemadores contiguos a los quemadores montados en el techo deben ser retirados y aislado el suministro de aire. En aplicaciones de puerto o quemador único el flujo de aire de combustión se reducirá en una porción del flujo máximo de diseño original.

En todas las aplicaciones de horno de inyección directa de esta invención, se montará al menos un quemador de combustible y oxígeno en el techo del horno. En los hornos de multiquemadores, se deberían retirar los quemadores contiguos a los quemadores montados en el techo y descontinuar el suministro de aire. En aplicaciones de puerto único o quemador único, el flujo de aire de combustión se reducirá en una porción del flujo máximo de diseño original.

En todos los casos anteriores el alcance de la invención es eficazmente el mismo: fusión de vidrio que ha sido realizada previamente por combustible y aire o combustible y oxígeno que incluye aunque no exclusivo de hornos que utilizan métodos de sobrealimentación de oxígeno convencional o sobrealimentación eléctrica se sustituye por quemadores de combustible y oxígeno montados en el techo posicionados sobre la carga de materia prima que entra al horno para mejorar la velocidad de fusión y/o mejorar la calidad del vidrio y/o rendimiento del producto de vidrio. Debido a la capacidad para posicionar estos quemadores en localizaciones específicas, se logra incrementar la transferencia de calor a la carga de materia prima no fusionada.

En todos los casos al menos un quemador de combustible y oxígeno montado en el techo se posiciona sobre la carga de materia prima que entra en el horno para mejorar la velocidad de fusión y mejora en la calidad y se utiliza en todas las aplicaciones de multiquemadores de combustible y aire y multipuertos se aislan al menos un par de puertos o un par de quemadores. En todas las aplicaciones de quemador único y puerto único el aire y combustible se reduce a una porción por debajo del diseño máximo. Los quemadores montados en el techo más eficaces proporcionan energía para remplazar la energía convencional retirada del proceso y la energía adicional para lograr los requisitos del proceso deseado. El posicionamiento de los quemadores sobre la carga de materia prima que entra en el horno mejora la velocidad de fusión. Las relaciones estequiométricas y el control de los quemadores montados en el techo y el resto de los quemadores de combustible y aire son críticos para minimizar la emisión de óxido nitroso y dióxido de
azufre.

Las características y ventajas adicionales de esta invención se harán más evidentes a partir de la siguiente descripción detallada realizada a modo de ejemplo con referencia a los dibujos en los que:

La fig. 1 es una vista longitudinal en sección transversal de un horno de fusión de vidrio según la presente invención.

La fig. 2A es una vista en planta en sección transversal de una realización regenerativa de fuego cruzado del horno de fusión de vidrio de la fig. 1 siguiendo la línea 2-2.

La fig. 2B es una vista en planta en sección transversal de una realización regenerativa caldeada por un extremo del horno de fusión de vidrio de la fig. 1 siguiendo la línea 2-2.

La fig. 2C es una vista en planta en sección transversal de una realización recuperativa de fuego cruzado del horno de fusión de vidrio de la fig. 1 siguiendo la línea 2-2.

La fig. 2D es una vista en planta en sección transversal de una realización recuperativa caldeada por un extremo del horno de fusión de vidrio de la fig. 1 siguiendo las líneas 2-2.

La fig. 2E es una vista en planta en sección transversal de una realización de una unidad de fusión del horno de fusión de vidrio de la fig. 1 siguiendo las líneas 2-2.

La fig. 3 es una vista en sección transversal del horno de fusión de vidrio de la fig. 1 siguiendo las líneas 3-3 que ilustran dos quemadores de combustible y oxígeno contiguos a la pared extrema aguas arriba del horno.

La fig. 4 es una vista en sección transversal alternativa del horno de fusión de vidrio de la fig. 1 siguiendo las líneas 3-3 que ilustran un quemador de combustible y oxígeno contiguo a la pared extrema aguas arriba del horno.

La fig. 5 es una vista en sección transversal de un quemador de combustible y oxígeno y una representación esquemática de una llama de quemador procedente del quemador de oxígeno.

Refiriéndonos a las figuras, se muestra un horno 10 de fusión de vidrio para proporcionar vidrio fundido a un horno de afino de vidrio o refinador 12 en el que el vidrio fundido se refina además y es subsiguientemente alimentado a una o más máquinas formadoras de vidrio tales como, máquinas para fabricar objetos de vidrio tales como recipientes, mezcladores de fibra, baños flotantes y similares (no mostrados). Considerando las figuras, se apreciará que con fines de claridad no se proporcionan ciertos detalles de construcción con vista a que tales detalles son convencionales y bien conocidos por expertos en la técnica una vez que se describe y explica la invención. Los objetos específicos excluidos son los puertos regeneradores, quemadores de combustible y aire y escapes puesto que son diferentes para cada tipo de horno.

El horno 10 de fusión de vidrio incluye típicamente un canal alargado que tiene una pared 14 extrema aguas arriba y una pared 16 extrema aguas abajo, paredes 18 laterales un suelo 20 y un techo 22 todo fabricado de materiales refractarios apropiados tales como alúmina, sílice, alúmina-sílice, circón, zirconio-alúmina-sílice, óxido de cromo y similares. El techo 22 se muestra generalmente teniendo una forma arqueada transversal al eje longitudinal del canal, sin embargo, el techo puede ser de cualquier mejor diseño adecuado. El techo 22 del horno 10 de fusión de vidrio típico se posiciona entre aproximadamente 0,91 - 4,57 metros por encima de la superficie del material que forma el vidrio en bruto. Como se conoce bien en la técnica, el horno 10 de fusión de vidrio puede opcionalmente incluir uno o más borboteadores 24 y/o electrodos de sobrealimentación eléctricos (no mostrados). Los electrodos de sobrealimentación eléctricos y/o borboteadores aumentan la temperatura de la masa de vidrio e incrementan la circulación del vidrio fundido bajo la cubierta de carga.

El horno 10 de fusión de vidrio incluye dos zonas sucesivas, una zona 27 de fusión y una zona 28 de inyección aguas abajo. La zona 27 de fusión se considera zona aguas arriba del horno 10 de fusión de vidrio en la que el material que forma el vidrio en bruto se carga dentro del horno que usa un dispositivo 32 de carga de un tipo bien conocido en la técnica. El material 30 que forma el vidrio en bruto puede ser una mezcla de materia prima típicamente usada en la fabricación del vidrio. Se apreciará que la composición de la materia prima que forma el vidrio en bruto (o carga) 30 depende del tipo de vidrio que se está produciendo. Normalmente, el material comprende, entre otros, materiales que contienen sílice que incluyen vidrio de desecho referido comúnmente como desperdicios de vidrios rotos. Se pueden también usar otros materiales que forman el vidrio que incluyen feldespato, piedra caliza, dolomita, sosa, potasa, bórax y alúmina. Para alterar las propiedades del vidrio, se puede también añadir una menor cantidad de arsénico, antimonio, sulfatos, carbón y/o cloruros. Además, se puede añadir óxidos de metal que forman el color para obtener el color deseado.

El material 30 que constituye el vidrio en bruto forma una capa de carga de partículas sólidas sobre la superficie del vidrio fundido en la zona 27 de fusión del horno 10 de fusión de vidrio. Las partículas de carga sólidas que flotan del material 30 que constituye el vidrio en bruto se funden principalmente por al menos un quemador 34 de combustible y oxígeno que tiene una forma y longitud de llama incidente controlada montada en el techo 22 del horno 10 de fusión de vidrio. Se apreciará que se ha encontrado que la instalación y el control apropiado de al menos un quemador 34 de combustible y oxígeno en el techo 22 del horno 10 de fusión de vidrio sobre el material 30 que forma el vidrio en bruto según la presente invención incrementa la velocidad de fusión del material que forma el vidrio en bruto y, al mismo tiempo, mantiene la temperatura de funcionamiento del material refractario que lo rodea dentro de los límites aceptables de funcionamiento.

Según se usa aquí, la frase "al menos un quemador de combustible y oxígeno" significa uno o más quemadores de combustible y oxígeno. Adicionalmente, según se usa aquí la frase "principalmente por al menos un quemador de combustible y oxígeno" se refiere a la condición en la que la capacidad de producción de vidrio recuperado o adicional y combustible de aire remplazado y o energía de sobrealimentación de oxígeno/electricidad para fusión del material que forma el vidrio en bruto es de al menos un quemador de combustible y oxígeno. En una realización particular, según se muestra en las figs. 1 y 2A el horno 10 de fusión de vidrio incluye tres quemadores 34 de combustible y oxígeno. Un único quemador 34 de combustible y oxígeno se posiciona aguas arriba de dos quemadores de combustible y oxígeno aguas abajo posicionados de forma contigua. Sin embargo, se apreciará que cualquier número de quemadores 34 de combustible y oxígeno se pueden posicionar en casi cualquier colocación adecuada en el techo 22 del horno 10 sobre la carga para fundir el material 30 que forma el vidrio en bruto. Por ejemplo, dos quemadores 34 de combustible y oxígeno se pueden posicionar en una relación yuxtapuesta según se representa en la fig. 3 o se puede usar un quemador de combustible y oxígeno único según se representa en la fig. 4. No obstante, según la presente invención, la orientación angular de cada quemador 34 de combustible y oxígeno en el techo 22 del horno de fusión de vidrio es tal que la llama 36 producida se dirige sustancialmente perpendicular a la superficie de carga del vidrio para producir una llama que incide sobre la superficie del vidrio para formar un área 26 de incidencia. En una realización preferida, los quemadores 34 de combustible y oxígeno se posicionan sustancialmente perpendiculares al material de carga en un ángulo de aproximadamente 90 grados con relación al material 30 que forma el vidrio en bruto. El ángulo se puede desviar de la perpendicular en la dirección de la pared extrema aguas abajo tanto como 30 grados, aunque preferiblemente menos que 10 grados. Se ha encontrado que la velocidad de producción del vidrio y la calidad del vidrio producido pueden ser mejoradas por fusión del material 30 que forma el vidrio en bruto con al menos un quemador 34 de combustible y oxígeno encendiendo hacia abajo que tiene una forma y longitud de llama incidente controlada según la presente invención.

El al menos un quemador de combustible y oxígeno requiere combustible y un oxidante. El combustible puede ser gaseoso o líquido o combinaciones de ambos. Los combustiones gaseosas incluyen gas natural (metano), gas industrial, gas de gasógeno, LPG, propano, butano y mezclas de los gases antes mencionados. Los combustibles líquidos incluyen aceites combustible ligeros y medios, pesados, keroseno y gasóleo. Los combustibles líquidos requieren ser atomizados y/o vaporizados. La atomización puede ser por medios mecánicos o medios de atomización secundarios que incluyen aire, vapor, oxígeno, cualquiera de las combustibles gaseosos antes mencionados y en algunos casos un gas inerte. La vaporización descansa en el calor de los gases de combustión de los productos que la rodean para evaporar el aceite. El oxidante puede ser 100% oxígeno puro o una mezcla de oxígeno y gas inerte con una concentración de oxígeno de 40-100%.

Refiriéndonos a la fig. 5, el al menos un quemador 34 de combustible y oxígeno en el techo 22 del horno 10 de fusión de vidrio tiene al menos un conducto 40 de combustible para proporcionar combustible y al menos un conducto 42 de oxígeno para proporcionar flujo de oxígeno. El quemador 34 de combustible y oxígeno puede tener una capacidad que oscila entre aproximadamente 0,293-4,395 MW que depende del tamaño del horno 10 de fusión de vidrio y la tasa de producción en un tiempo dado. Se diseñan el quemador 34 de combustible y oxígeno para usar un porcentaje más elevado de oxígeno que está presente en el aire y así la temperatura del horno 10 de fusión tamaño y tasa de producción en un tiempo dado. El quemador 34 de combustible y oxígeno se diseña para usar un porcentaje más elevado de oxígeno que el que está presente en el aire y así la temperatura por encima del área de incidencia de la llama 36 a partir del quemador 34 de combustible y oxígeno se encuentra sustancialmente más elevada que en los quemadores de combustible y aire que utiliza el horno de fusión de vidrio convencional. No obstante, como es bien conocido por un experto en la técnica la temperatura de la llama 36 impartida por un quemador 34 de combustible y oxígeno depende de la calidad del combustible y la relación combustible/oxígeno. En una realización preferida, la concentración de oxígeno del quemador 34 de combustible y oxígeno está típicamente a un nivel de aproximadamente 95 - 125 por ciento de la cantidad estequiométrica de oxígeno requerida para quemar el combustible. La relación de combustible a oxígeno se puede variar, sin embargo, para producir un intervalo de condiciones de operación en el horno 10 de fusión de vidrio para efectuar una o más propiedades deseadas, que incluye, por ejemplo, nivel de reducción-oxidación, color del vidrio, nivel de burbujas gaseosas conocidas como semillas en el gremio y otras propiedades del vidrio.

El quemador 34 de combustible y oxígeno se extiende hacia abajo a partir del bloque 38 de quemador localizado en el techo 22 del horno 10 de fusión de vidrio. Cada bloque 38 de quemador principal incluye una abertura que tiene un diámetro interior (di) el cual es al menos tan grande como el diámetro externo del conducto 42 ó 40 más grande que depende de la configuración. El diámetro interno (di) de la abertura del bloque 38 de quemador puede oscilar entre aproximadamente 50,8 - 203,2 mm. El extremo de la zona de combustión principal del quemador 34 de combustible y oxígeno está localizado a partir del extremo del bloque 38 de quemador a una distancia (LBb) entre aproximadamente 0 - 457,2 mm. Preferiblemente, retrocede de 76,2 a 457,2 mm. La zona de combustible secundaria y en algunos casos terciaria es externa al bloque 38 de quemador. Se apreciará que la abertura del bloque 38 de quemador entre el extremo del quemador 34 de combustible y oxígeno y el extremo del bloque de quemador en algunos casos actúa para enfocar la llama del quemador y evitar que la llama del quemador se propague hacia fuera aunque además protege los conductos del quemador. El bloque 38 de quemador se fabrica de un material refractario como es bien conocido en la técnica y puede ser en su mayor parte de cualquier forma externa adecuada tal como rectangular y similares.

La superficie inferior del bloque 38 de quemador puede estar a nivel con la superficie interna del techo 22 o la superficie inferior se puede proyectar por debajo de la superficie interna del techo a una distancia máxima de 50,8 mm para proteger del desgaste el bloque 38 de quemador. Adicionalmente, según se muestra en la fig. 5, los conductos 40 de combustible y conductos 42 de oxígeno del quemador 34 de combustible y oxígeno se extienden hacia abajo dentro del bloque 38 de quemador y terminan en sustancialmente la misma altura vertical o alturas verticales totalmente diferentes de la salida del bloque 38 de quemador.

Dependiendo de la altura del bloque 38 de quemador de carga de materia prima y las condiciones de funcionamiento deseadas del quemador, mientras mayor sea la fracción de graduación del combustible variará la graduación del oxígeno interna y externa al bloque 38 de quemador. Los inyectores 60 de oxígeno adicionales se posicionan para retrasar la completa combustión hasta después que la llama haya incidido sobre la carga de materia prima. La localización de estos inyectores 60 adicionales depende del número y posición de los quemadores montados en el techo, sin embargo se pueden localizar en cualquier punto del techo y paredes.

Según la presente invención, la llama 36 que incide directamente hacia abajo producida por al menos un quemador 34 de combustible y oxígeno se controla precisamente para dar una longitud de llama mayor o igual a la distancia desde la salida del bloque 38 de quemador a la superficie de los ingredientes 30 que forman el vidrio en bruto y la superficie del vidrio fundido y apartándose del material refractario que lo rodea reduciendo de ese modo el riesgo de sobrecalentamiento del techo 22 y paredes 18 laterales del horno 10 de fusión de vidrio. La llama 36 que incide puede ser controlada por tales dispositivos de control ya que son convencionales y estándares en el procesamiento químico. Por ejemplo, válvulas, termopares, termistores acoplados con servo circuitos adecuados, controladores de calefactores y similares están disponibles fácil y convencionalmente usados para controlar la cantidad y velocidad del combustible y oxígeno a partir del quemador 34 de combustible y oxígeno.

La llama 36 que incide es exactamente controlada controlando tanto la velocidad relativa como las velocidades mínima y máxima del combustible y de las corrientes de oxígeno y regulación externo e interno a partir de al menos un quemador 34 de combustible y oxígeno.

La velocidad máxima y mínima del combustible y flujo de oxígeno que incide en la superficie del material 30 que forma el vidrio en bruto deben ser controlados para evitar el desorden de la carga de materia prima y arrastre de o el desplazamiento de la carga de materia prima del vidrio contra las paredes 18 laterales y techo 22 al tiempo que mantiene la transferencia de calor convectiva óptima a la superficie del material que forma el vidrio en bruto. Se apreciará que el desplazamiento de la carga de materia prima del vidrio contra las paredes 18 laterales y techo 22 afectará adversamente el material refractario y posiblemente acortará la vida operativa del horno 10 de fusión de vidrio.

Para determinar la velocidad máxima apropiada para el flujo de oxígeno y combustible se montó verticalmente un quemador y se encendió hacia abajo dentro de una cama de arena de vidrio a través de la cual se habían hecho acanaladuras. Al tiempo que el quemador se ajustaba a diferentes alturas desde la arena y retrocesos del quemador dentro del bloque (LBb) se observaron las velocidades de encendido en cuyo movimiento de arena eran perceptibles. Los datos de estos experimentos se compararon con las simulaciones realizadas en un código de la dinámica de fluido computacional disponible comercialmente produciendo de este modo una velocidad máxima a través de la superficie por encima de la cual se alteraría la arena en los experimentos antes mencionados.

TABLA 1 Máximas Velocidades de Encendido del Quemador (MW)

Altura (m)
L(Bb) mm	1,52 m	1,83 m	2,13 m	2,44 m
330,2	1,14	1,29	1,58	1,82
292,1	1,44	1,46	1,82	1,99
228,6	1,61	1,79	1,87	2,08
165,1	1,79	2,11	2,17	2,37
101,6	2,02	2,58	2,43	2,67

A partir de estos experimentos se confirmó la velocidad de superficie máxima por comparación con los modelos CFD de modo que sea aproximadamente 21 m/s. Debido a las variaciones en la carga de materia prima, carga de glaseado y carga de cohesión de partículas el máximo exacto puede diferir del máximo calculado anteriormente; por lo tanto, debería ser posible para un experto en la técnica variar la velocidad máxima hasta aproximadamente 25 m/seg. Para minimizar el desorden y arrastre de la carga de materia prima, sin embargo, la velocidad máxima debería mantenerse por debajo de 30 m/seg.

La velocidad máxima y mínima del combustible y el oxígeno del quemador 34 de combustible y oxígeno son también controlados para dotar el máximo de energía desde la llama 36 que incide sin dañar el material refractario que la rodea. El máximo de energía de la llama 36 que incide se logra minizando la cantidad de calor liberado al espacio de combustión del horno 10 de fusión de vidrio y maximizando la transferencia de calor al material 30 que forma el vidrio en bruto. La velocidad mínima y máxima operacional oscila para el quemador 34 de combustión y oxígeno para generar un velocidad de transferencia de calor al material 30 que forma el vidrio en bruto sin dañar las paredes del horno del material refractario y la superestructura es una función del diseño y localización del quemador de combustible y oxígeno, geometría de abertura del bloque de quemador, las velocidades del combustible y oxígeno a partir del quemador 34 de combustible y oxígeno, graduación del quemador, interacción de quemadores de combustión y oxígeno contiguo, quemadores de combustible y escape del horno.

La segunda región, la región 56 de estancamiento es la región en la que la llama 36 penetra la capa de demarcación térmica e incide con la superficie del material 30 que forma el vidrio en bruto. Dentro de esta región 56, la llama 36 penetra la capa de demarcación térmica e incide en la superficie del material que forma el vidrio en bruto construyendo un gradiente de presión oxidante en la superficie que acelera el flujo horizontal de la llama desviada que ocasiona que la llama se extienda hacia fuera radialmente a lo largo de la superficie incidida. El extremo de la región 56 de estancamiento se define como el lugar sobre la superficie del material que forma el vidrio en bruto en el que el gradiente de presión generado por la llama 36 incidente cae a cero. Dentro de la región 56 de estancamiento, controlando cuidadosamente el momento de la llama 36, la capa demarcación térmica que naturalmente existe en la superficie del material 30 que forma el vidrio en bruto es penetrada y eliminada y se atenúan de este modo sus fuertes características resistentes al calor. En consecuencia, el calor generado por la llama 36 incidente penetra más fácilmente dentro del material 30 que forma el vidrio en bruto parcialmente fundido. Adicionalmente, dentro de la región 56 de estancamiento la luminosidad de la llama 36 aumenta significativamente lo cual incrementa la transferencia de calor de radiación dentro del material 30 que forma el vidrio en bruto relativamente más frío.

En los límites radiales de la región 56 de estancamiento comienza la región 58 de chorro mural. En esta región, la llama 36 fluye esencialmente paralela a la superficie incidente y la capa de demarcación térmica crece a lo largo de la superficie incidente y hacia fuera de la región 56 de estancamiento, de este modo la capa de demarcación térmica comienza a acumularse restaurando la resistencia de la superficie al flujo de calor dentro de la superficie del material que forma el vidrio en bruto.

La generación de calor de la llama controlada en la región 54 libre de chorro es el resultado del diseño del quemador 34 de combustible y oxígeno, dentro del diámetro de la abertura (di) del bloque 38 de quemador y tanto las velocidades relativas como las velocidades mínimas y máximas del oxígeno y corrientes de combustión. Controlando selectivamente el diseño del quemador 34 de combustible y oxígeno, el diseño geométrico del bloque 38 de quemador y las velocidades de las corrientes de combustible y oxígeno se produce un esfuerzo cortante reducido entre el oxígeno y las corrientes de gas proporcionando la combustión parcial controlada y emisiones de radiación térmica reducidas. Se apreciará que optimizando el diseño del quemador y operación del quemador 34 de combustible y oxígeno, el calor de la llama generado en la región 54 libre de chorro y la resistencia de transferencia de calor en la superficie del vidrio en bruto en la región 56 de estancamiento se minimizan, maximizando de ese modo el calor generado en la región de estancamiento.

El calor generado en la región 54 libre de chorro es el resultado de los procesos siguientes. Primero, la combustión parcial controlada en la región 54 libre de chorro permite la combustión controlada en la superficie del material 30 que forma el vidrio en bruto llevando de ese modo el proceso de combustión próximo a la superficie del material que forma el vidrio en bruto. Llevando el proceso de combustión próximo a la superficie del material 30 que forma el vidrio en bruto se genera un gradiente de temperatura elevado en la superficie del material que forma el vidrio en bruto mejorando de ese modo la transferencia de calor de convección. Segundo, la combustión parcial controlada en la región 54 libre de chorro genera una temperatura aceptable para la disociación química de los gases de combustión y los productos de combustión. Estas especies disociadas, una vez incididas sobre la superficie relativamente más fría del material 30 que forma el vidrio en bruto, recombina parcialmente, generando exotéricamente, calor importante en la superficie del material que forma el vidrio en bruto. El calor de las reacciones exotérmicas aumenta además el proceso de transferencia de calor de convección. La minimización de la resistencia al calor en la región 56 de estancamiento de la superficie del material 30 que forma el vidrio en bruto es el resultado de los factores siguientes.

Primero, la capa de demarcación térmica se elimina a través del momento de la llama 36 controlada y la turbulencia generada por las características de combustión controladas cuidadosamente en la superficie del material 30 que forma el vidrio en bruto. Segundo, la generación de calor localizada en la superficie permite la conversión del material 30 que forma el vidrio en bruto de baja conductividad térmica en un material de vidrio fundido significativamente mejor conductor. Esta conversión permite que el calor generado en la superficie penetre más eficazmente dentro de la profundidad del material que forma el vidrio en bruto.

En el horno de recuperación de fuego cruzado de la figura 2A con regeneradores 81 la realización preferida de la presente invención utiliza al menos un quemador 34 montado en el techo posicionado sobre la carga de materia prima que entra en el horno para mejorar la velocidad de fusión y mejorar en calidad para recuperar o sobrealimentar la capacidad de producción o reducir la capacidad de sobrealimentación eléctrica. El quemador 34 montado en el techo incide en la superficie de la carga de materia prima 30 en el área 26 de incidencia. En todas las aplicaciones de horno de recuperación de fuego cruzado de esta invención al menos un par de los puertos 71 opuestos estarán total o parcialmente bloqueados o aislados. Esto será típicamente el primer puerto y quizás el segundo puerto que depende de la cantidad de sobrealimentación requerida. Los quemadores adicionales montados en el techo se puedan localizar debajo del depósito de vidrio siempre que los quemadores montados en el techo estén posicionados sobre la carga de materia prima no fundida. La energía entregada de los quemadores montados en el techo remplaza la energía retirada de los puertos previamente encendidos, la sobrealimentación de oxígeno o eléctrica convencional retirada.

En el horno de recuperación caldeado por un extremo de la figura 2B con regeneradores 81 la realización preferida de la presente invención utiliza al menos quemadores 34 montados en el techo posicionados sobre la carga de materia prima que entran al horno para mejorar la velocidad de fusión y mejorar la calidad para recuperar o sobrealimentar la capacidad de producción o reducir la capacidad de sobrealimentación eléctrica. En todas las aplicaciones de horno de recuperación de caldeado en un extremo de esta invención la combustión del aire y los requerimientos de combustible convencional se reducirán a partir del diseño previo y se remplazarán con energía de al menos uno de los quemadores 34 montado en el techo posicionado sobre la carga de materia prima e incidiendo la carga de materia prima en el área 26 de incidencia. Los quemadores montados en el techo adicionales se pueden localizar debajo del depósito de vidrio siempre que los quemadores montados en el techo se encuentren posicionados sobre la carga de materia prima no fundida. La energía entregada desde los quemadores montados en el techo remplaza la energía reducida del puerto de encendido, la sobrealimentación de oxígeno o eléctrica convencional retirada.

En el horno de recuperación de fuego cruzado de la figura 2C con recuperador 82, la realización preferida de la presente invención utiliza al menos un quemador 34 montado en el techo posicionado sobre la carga de materia prima que entra al horno para mejorar la velocidad de fusión y mejorar la calidad para recuperar o sobrealimentar la capacidad de producción o reducir la capacidad de sobrealimentación eléctrica. En todas las aplicaciones de horno de recuperación de fuego cruzado de esta invención al menos un par de los quemadores 73 opuestos se encontrarán total o parcialmente bloqueados o aislados usando un bloque 74. Esta típicamente será la primera zona de quemadores y quizás la segunda zona que depende de la cantidad de sobrealimentación requerida. Los quemadores montados en el techo adicionales pueden estar localizados debajo del depósito de vidrio siempre que los quemadores montados en el techo estén posicionados sobre la carga de materia prima no fundida. La energía entregada a partir de los quemadores montados en el techo remplaza la energía retirada de la sobrealimentación de oxígeno o eléctrica convencional retirada.

En el horno de recuperación caldeado por un extremo de la figura 2D con recuperador 82, la realización preferida de la presente invención utiliza al menos un quemador 34 montado en el techo posicionado sobre la carga de materia prima que entra en el horno para mejorar la velocidad de fusión y mejorar en calidad para recuperar o sobrealimentar la capacidad de producción o reducir la capacidad de sobrealimentación eléctrica. En todas las aplicaciones de horno de recuperación caldeado por un extremo de esta invención los requerimientos de combustible convencional y aire de combustión se reducirán a partir del diseño previo y se remplazarán con energía de al menos un quemador 34 montado en el techo posicionado sobre la carga de materia prima. Los quemadores montados en el techo adicionales se pueden localizar debajo del depósito de vidrio siempre que los quemadores montados en el techo se posicionen sobre la carga de materia prima no fundida. La energía entregada de los quemadores montados en el techo remplaza la energía reducida del puerto encendido, la sobrealimentación de oxígeno o eléctrica convencional retirada.

En el horno de inyección directa de la figura 2E la realización preferida de la presente invención utiliza al menos unos quemadores montados en el techo posicionados sobre la carga de materia prima que entra en el horno para mejorar la velocidad de fusión y mejorar en calidad para recuperar o sobrealimentar la capacidad de producción o reducir la capacidad de sobrealimentación eléctrica. En todas las aplicaciones de horno de inyección directa de esta invención los requerimientos de combustible convencional y aire de combustión se reducirán a partir del diseño previo y se remplazarán con energía de al menos uno de los quemadores montados en el techo posicionado sobre la carga de materia prima. En las aplicaciones del quemador 73 de combustible y aire múltiple al menos se aislará un quemador 74. Los quemadores montados en el techo adicionales pueden estar localizados debajo del depósito de vidrio siempre que los quemadores montados en el techo estén posicionados sobre la carga de materia prima no fundida. La energía entregada de los quemadores montados en el techo remplaza la energía reducida del puerto de encendido, la sobrealimentación de oxígeno o eléctrica convencional retirada.

En un horno de mazarota caliente eléctrico la realización preferida de la presente invención utiliza el menos uno de los quemadores montados en el techo posicionado sobre la carga de materia prima que entra en el horno para mejorar la velocidad de fusión y mejorar en calidad para recuperar o sobrealimentar la capacidad de producción o reducir la capacidad de sobrealimentación eléctrica. Los quemadores montados en el techo adicionales se pueden localizar debajo del depósito de vidrio siempre que los quemadores montados en el techo estén posiciones sobre la carga de materia prima no fundida. La energía entregada de los quemadores montados en el techo remplaza la energía reducida del puerto de encendido, la sobrealimentación de oxígeno o eléctrica convencional retirada.

En todos los casos los óxidos de nitrógeno y dióxido de azufre se pueden reducir mediante la selección cuidadosa de la relación estequiométrica de los diferentes quemadores montados en el techo y los restantes quemadores de combustible y aire. Refiriéndonos a la figura 2A como un ejemplo en la aplicación de horno de fuego cruzado, los quemadores 34 montados en las posiciones AL o AR funcionan con exceso de oxígeno estequiométrico para crear una zona escasa de combustible (oxidación) en el horno. Funcionando tanto el quemador 34 en la posición BC y/o los quemadores en el segundo puerto 71 con menos que oxígeno estequiométrico o aire crea una zona rica en combustión (que reduce) en el horno. Los puertos restantes funcionan con exceso de oxígeno estequiométrico para crear una zona de combustible lean (oxidante) en el horno. Haciendo funcionar el quemador 34 en posición BC y/o los quemadores en el segundo puerto 71 con menos que el oxígeno o aire estequiométrico crea una zona rica en combustible (reductora) en el horno. Los puertos restantes funcionan con exceso de oxígeno estequiométrico para crear una zona de escaso combustible (oxidante) en el horno. Esta configuración rica-escasa-rica efectivamente gradúa las zonas de combustión del horno para optimizar la transferencia de calor y minimizar la formación del óxido de nitrógeno creando una pantalla de monóxido de carbono.

El al menos un quemador 34 de combustible y oxígeno montado en el techo puede ser colocado en un nuevo horno 10 de fusión de vidrio de combustible y aire o retromodificado en un horno de fusión de vidrio de combustión de aire existente para aumentar la calidad del vidrio con relación a un horno encendido sólo con combustión y aire. Se apreciará que la presente invención facilita un aumento sustancial de la tasa de producción en un tiempo dado, reducción de la temperatura de la pared en el horno 10 de fusión de vidrio y mejora de la calidad del vidrio comparado con el mismo horno de combustión y aire que no se encuentra retromodificado con al menos un quemador de combustión y oxígeno montado en el techo según se describe en este documento. Adicionalmente, como se comprobará fácilmente por un experto en la técnica, el uso de al menos un quemador de combustible y oxígeno según se opone a todo un sistema de combustible y aire reduce apreciablemente las emisiones NO_{x}.

Una demostración de esta invención consistía en la sobrealimentación de oxígeno, 100% de conversión de oxígeno, reconversión a sobrealimentación de oxígeno y finalmente encendido de combustible y aire convencional de un horno de recuperación de fuego cruzado de 3 puertos caliente existente. El horno fue inicialmente encendido con combustible y aire. El encendido del puerto nº 1 se sustituyó con al menos un quemador de combustible y oxígeno montado en el techo. El horno se encendió convencionalmente con combustible y aire regenerativo en los dos puertos restantes. El puerto nº 2 de encendido se remplazó con al menos un quemador de combustible y aire montado en el techo y el horno se encendió convencionalmente con combustible y aire regenerativo en el tercer puerto. El puerto nº 3 de encendido se remplazó con energía en los quemadores de combustible y montados en el techo ya instalados. La capacidad del horno aumentó de 55 a 85 toneladas por día con entrada de energía reducida de 6,88 MW a 5,27 MW. El horno se reconvirtió a encendido de combustible y aire en etapas progresivas. Este ejemplo demuestra la capacidad para selectivamente sobrealimentar un horno de combustible y aire existente. El proceso no requiere quemadores enfriados con agua.

Claims (9)

1. Un método para fundir una carga de materia prima en un horno de vidrio que tiene regeneradores, recuperadores y/o sobrealimentación eléctrica, teniendo dicho horno paredes laterales, una pared posterior, una pared anterior y un techo, que comprende generar una llama a partir de al menos un quemador de combustible y oxígeno montado en el techo del horno sobre dicha carga de materia prima, siendo gaseoso el combustible proporcionado al quemador, teniendo dicha llama una velocidad suficiente para maximizar la transferencia de calor desde dicha llama a dicha carga de materia prima sin alterar sustancialmente dicha carga de materia prima.

2. Un método según la reivindicación 1, en el que la etapa de generar dicha llama incluye la etapa de controlar la velocidad de dicha llama de modo que sea menor que aproximadamente 30 metros por segundo cerca de la superficie de dicha carga de materia prima.

3. Un método según la reivindicación 2, en el que la velocidad de dicha llama es controlada de modo que sea menor que aproximadamente 25 metros por segundo cerca de la superficie de dicha carga de materia prima.

4. Un método según la reivindicación 2 o la reivindicación 3, en el que la velocidad de dicha llama es controlada de modo que sea menor que aproximadamente 21,1 metros por segundo cerca de la superficie de dicha carga de materia prima.

5. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que se genera la llama para recuperar la producción perdida debido al bloqueo de los regeneradores y/o recuperadores.

6. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el quemador de combustible y oxígeno está posicionado dentro de un bloque de quemador y es retranqueado en una distancia entre 76 mm y 447 mm.

7. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además proporcionar oxígeno adicional a partir de al menos un inyector de oxígeno montado en el techo de dicho horno para completar la combustión en o cerca de la superficie de dicha carga de materia prima.

8. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el quemador de combustible y oxígeno está montado en un bloque de quemador y la etapa de generar dicha llama da como resultado una llama que tiene una longitud de al menos la distancia desde la parte inferior del bloque de quemador a la superficie de la carga de materia prima.

9. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la llama se dirige perpendicular a la superficie de la carga de materia prima.