專利名稱：靜電批料預(yù)熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用玻璃熔化過程的廢熱預(yù)熱玻璃生產(chǎn)原料的方法和裝置。本發(fā)明使用靜電力改善常規(guī)方法預(yù)熱玻璃批料材料的性能。另外，靜電力用于從玻璃熔爐排出氣體中除去細(xì)顆粒物質(zhì)，這樣同時(shí)完成污染排放物的處理。
通過將固體原料混合物加熱和熔化到液態(tài)來制備玻璃。在熔爐內(nèi)部進(jìn)行熔化，并必定需要大量的熱量。一般通過燃燒礦物燃料產(chǎn)生熱量，燃燒后的排出氣體排出熔爐。剛排出熔爐的廢氣溫度是非常高，一般為1300℃-1450℃。通常包括燃燒空氣預(yù)熱器，其回收這些氣體中的一些熱量。即使如此，排放到大氣中的氣體溫度還是非常高，因此浪費(fèi)了大量的熱量。在生產(chǎn)玻璃的費(fèi)用中，熔爐的燃料費(fèi)用是主要部分。
玻璃的原料一般地叫做批料(batch)。單詞玻璃料通常是指包括石英砂、石灰石、純堿、芒硝和各種其它輔助組分的不同粉末材料的組合。仔細(xì)地選擇材料和混合比來生產(chǎn)所需性能和質(zhì)量的玻璃。通常制備這些細(xì)分散形式的材料以加速它們的熔化速度。尺寸一般為100-200μm，最大尺寸為1毫米。來自工廠或來自外源的回收玻璃也可用作原料。這些回收的玻璃被稱作碎玻璃。為了容易處理，在碎玻璃用于玻璃熔爐以前，通常被壓碎到小于50毫米。有時(shí)，將碎玻璃磨碎到與其他原料相似的大小。為了進(jìn)一步描述，單詞批料是指單獨(dú)的玻璃料、單獨(dú)的碎玻璃或玻璃料和碎玻璃的混合物，碎玻璃或者是壓碎的或者是磨碎的。
玻璃熔爐放出帶有廢氣的各種污染物，通常為顆粒物質(zhì)(細(xì)粉塵)和SO2。因?yàn)轭w粒物質(zhì)的直徑小于1μm，且廢氣溫度高，所以尤其難以收集顆粒物質(zhì)。一般使用非常大的靜電除塵器，常常優(yōu)先通過吸收塔用不同的試劑與SO2污染物化學(xué)反應(yīng)。有時(shí)存在其它的氣體污染物，具體地說為HF和HCl的酸性氣體。許多地方性法規(guī)要求減少這些排放到大氣中的污染物的數(shù)量。
美國(guó)專利說明書4696890描述了一種裝置，其中熔爐廢氣通過批料倉內(nèi)部的“流動(dòng)管道(flow ducts)”。流動(dòng)管道的上半?yún)^(qū)是由等邊角形截面形成的，該截面在料倉內(nèi)部形成類似屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)。該角具有一開孔的底部，而由于其休止角低于頂部，批料本身形成流動(dòng)管道的下半?yún)^(qū)。
通過其頂部開口將批料引入料倉中。批料靠重力向下移動(dòng)，因此在暴露于熔爐廢氣中的流動(dòng)管道中，提供連續(xù)不斷更新的表面。主要由于與熱氣體直接接觸，所以將熱量傳遞到批料。
流動(dòng)管道以水平方式排列，分開的爐內(nèi)氣體并行流過給定組的管道。許多組流動(dòng)管道一個(gè)在另一個(gè)上方設(shè)置，并設(shè)置內(nèi)部通道以使流動(dòng)連續(xù)地從下排流到上排。結(jié)果是熱氣體逆向流動(dòng)，同時(shí)，將批料向下移動(dòng)到料倉。通過常規(guī)裝置例如振動(dòng)的、螺旋或其它機(jī)械式送料器控制管口，使批料從裝置中送出。
已經(jīng)成功地和可靠地操作這種裝置，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在玻璃工業(yè)中使用受到限制。已經(jīng)較好地說明了批料的預(yù)熱和熔爐的燃料消耗降低。同時(shí)，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到部分除去SO2、HCl和HF。該裝置的主要缺點(diǎn)是來自批料材料的粉塵被帶進(jìn)流過流動(dòng)管道的爐內(nèi)氣體。通過降低管道中的氣流速度可以使氣流攜出物減到最小，但是這樣一種方法大大地增加裝置的尺寸和成本。一般地，為了截留攜帶的粉塵和防止它釋放到大氣中，在該裝置的下游安裝靜電除塵器。然而，這導(dǎo)致整體設(shè)備昂貴。預(yù)熱批料材料的經(jīng)濟(jì)效益不能證明設(shè)備的全部安裝成本是合算的。
需要的是對(duì)該裝置進(jìn)行改進(jìn)，使其操作時(shí)不帶入粉塵。而且，如果玻璃制造方法要滿足政府有關(guān)減少從熔爐排放污染物的法規(guī)，那么能夠同時(shí)除去來自熔爐廢氣的顆粒物質(zhì)和SO2，以滿足這些法規(guī)的裝置會(huì)省去對(duì)增添污染控制設(shè)備的需要。因而，本發(fā)明的方法在設(shè)備方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。這是本文描述的本發(fā)明的目的和結(jié)果。
考慮到上述情況，下面是本發(fā)明所述實(shí)施方案的目的或效益1．通過與熔爐廢氣直接接觸，利用其熱量來預(yù)熱批料材料，供玻璃熔融爐使用。
2．消除了隨著離開直接接觸處理的氣體一起帶走粉塵。
3．同時(shí)除去來自進(jìn)氣的細(xì)顆粒物質(zhì)，因此減少了污染排放物。
4．通過與批料組分化學(xué)反應(yīng)和形成固體反應(yīng)產(chǎn)物，同時(shí)，除去進(jìn)氣中的氣體污染物，此氣體污染物也許是進(jìn)氣的組分。
5．通過高氣體速度操作以及逆向流動(dòng)氣體和固體而得到該方法的最佳效率。
通?？梢赃_(dá)到這些目的或效果的本發(fā)明的一方面是一種在用于玻璃熔爐之前加熱玻璃批料材料的方法，該玻璃批料材料包括固體顆粒原料或碎玻璃，或兩者的混合物，該方法包括下列步驟a)在料斗中提供大量的玻璃批料材料；b)提供至少一個(gè)通過大量批料材料的氣流通道，該通道的至少一部分表面由批料材料的(自由)表面組成；c)使玻璃熔爐排出氣體通過該通道；d)在通道內(nèi)提供導(dǎo)電電極；e)提供與批料材料接觸的導(dǎo)電表面；和f)在步驟d)的電極和步驟e)的表面兩者之間施加足夠數(shù)量的電位差，在通道內(nèi)部產(chǎn)生電暈放電，該電暈放電由通過爐內(nèi)氣體的氣體離子流組成，至少一部分氣體離子流入玻璃批料材料中。
通道的頂部?jī)?yōu)選包括導(dǎo)電板，以在松散材料內(nèi)形成頂部并與批料材料接觸。優(yōu)選地，該頂部的設(shè)置是使通道的底部包括殘留在頂部下方的重力休止角內(nèi)的批料材料。
可以優(yōu)選將未受熱的批料材料供給到料斗的頂部?？梢詮牧隙返牡撞恳谱邿岬呐喜牧?，以便批料材料由于重力作用而移動(dòng)穿過料斗。
通道具有圓筒形形狀，且通常優(yōu)選水平地置于料斗內(nèi)。
本發(fā)明的另一方面是實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，氣體中的細(xì)粉塵污染物通過靜電沉降在氣流通道的內(nèi)部而從該氣體中除去，該靜電沉降包括直接沉積在批料表面上，接著與批料材料一起從料斗中移走。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施方案中，將隨氣體引入的氣體污染物與批料材料的組分起化學(xué)反應(yīng)，形成固體反應(yīng)產(chǎn)物，即隨著批料材料從料斗中移走。
在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案中，設(shè)置許多這種通道，氣體首先引入料斗底部附近的通道中，最后從料斗頂部附近的通道中移走。氣體連續(xù)地從料斗的底部到頂部流過通道，或通道組。批料在頂部引入并從料斗底部移走，以便氣體和批料彼此通常以逆流方向流動(dòng)。
本發(fā)明可以方便地利用來自廢氣的熱量預(yù)熱批料。在將這些材料引入熔爐之前將其預(yù)熱，可以減少熔爐中加熱并熔化這些批料所需要的燃料量。這些燃料的減少可以給玻璃制造方法帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，以及僅僅因?yàn)槿紵^少的燃料而減少所謂的溫室氣體的排放物(例如NOx和CO2)。同時(shí)由于這種預(yù)熱，可以高效減少污染物排放物例如細(xì)粉塵、SO2、HCl和HF，以滿足嚴(yán)格的法規(guī)規(guī)定。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的玻璃批料材料含有大量的可與這些酸性氣體起化學(xué)反應(yīng)的材料，具體地說為純堿(Na2CO3)和石灰石(CaCO3)，所以可以減少SO2、HCl和HF排放物。
燃燒礦物燃料的玻璃熔爐具有若干種不同的設(shè)計(jì)。當(dāng)空氣與燃料燃燒時(shí)，一般在交流換熱器或同流換熱器中利用排出熔爐的一些廢熱預(yù)熱空氣。同時(shí)，名義上純氧也可以用于燃燒，在這種情況下，一般沒有廢熱回收設(shè)備。
盡管本發(fā)明可以有利地應(yīng)用于任何玻璃生產(chǎn)系統(tǒng)中，但在氧氣燒油爐情況中的效益最大。這是因?yàn)閺U氣溫度較高，因此可以將批料預(yù)熱到高溫，伴隨熔爐的供氧(和成本)按比例減低，且熔爐的燃料需要量減少。
現(xiàn)在參考附圖，通過實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的上述及其他方面，其中

圖1是本發(fā)明預(yù)熱器的優(yōu)選的實(shí)施方案的透視剖視圖；圖2是優(yōu)選的實(shí)施方案的內(nèi)部的橫剖面視圖；圖3A和3B是表示電流流動(dòng)的單管道的詳細(xì)橫截面視圖；圖4A和4B是管道的另一方案的詳細(xì)橫剖面視圖；圖5是表示放電電極和氣流模式的另一方案的詳細(xì)的橫剖面視圖；和圖6是說明應(yīng)用于玻璃熔窯的優(yōu)選實(shí)施方案的工藝流程圖。
在圖1中描述了本發(fā)明的靜電批料預(yù)熱器(或E-批料預(yù)熱器)，這是該裝置的透視剖視圖。大量的玻璃批料材料(未示于圖1中)裝入料斗1中。該料斗通常具有正方形或長(zhǎng)方形的平面截面2。在料斗的底部，第二個(gè)錐形卸料斗3允許材料經(jīng)由送料器4卸料24，在料斗中產(chǎn)生基本上均勻流動(dòng)的材料。這種在料斗中獲得“物流”的技術(shù)在本領(lǐng)域中為大家所熟知。通過常規(guī)料倉和原料處理設(shè)備，穿過料斗頂部17均勻地補(bǔ)充批料材料。料斗1通常是保持滿載狀態(tài)。
通過提供具體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在大料斗內(nèi)部形成內(nèi)部氣流通道22的組5，參考圖2可以更好地理解。圖2是料斗1內(nèi)部的橫剖面視圖。在大量批料材料20中水平開孔的底部管道6形成開孔通道22。批料材料以其自然休止角裝填在管道下面形成表面7，因此批料材料本身形成管道周邊。圖2表示了一種六角形管結(jié)構(gòu)，批料材料在其底部形成兩個(gè)平面7。六角形的兩個(gè)上表面8和兩個(gè)側(cè)面9一般是金屬板材。材料休止角一般地與水平面成大約30°，因此使用六角形幾何結(jié)構(gòu)保持了全部流動(dòng)通道的良好對(duì)稱性。如下所述，對(duì)于在通道內(nèi)均勻產(chǎn)生電暈放電來說對(duì)稱性是重要的。還可以使用其它管道幾何結(jié)構(gòu)例如圓柱狀。
該管道延伸到大料斗的壁10，且適合的孔11與料斗壁相交使每個(gè)通道內(nèi)部與料斗外連通便于氣體流通。這樣構(gòu)造管道的兩端，以便形成氣流穿過料斗1的整個(gè)寬度的自由通道。一般提供許多排這樣的管道。
在料斗外部提供正壓室(Plenum)結(jié)構(gòu)12、13和14，且它們?cè)试S所需路線的氣流穿過該裝置。來自玻璃熔爐的熱氣體15經(jīng)由入口管56直接到入口正壓室12。此入口正壓室12包括多排流通通道。此一排排通道的集合稱為通道組(bank)。這樣設(shè)計(jì)正壓室結(jié)構(gòu)，為了使氣體大致相等地分開并流過由正壓室圍住的所有通道組。氣體流過第一組的通道之后，使用第二正壓室13收集氣體，然后使氣體直接到第一組之上的通道。通過第二組通道之后，在出口正壓室14收集氣體。然后，冷卻氣體16經(jīng)由排氣管57從該裝置排出。
雖然圖1所示只有兩組通道，但是在實(shí)際使用中，在料斗較高位置上可以連續(xù)地設(shè)置若干組這樣的通道。附加的通風(fēng)室直接使氣體連續(xù)地流過附加通道組。
因?yàn)榕喜牧?batch material)20經(jīng)由送料器4送入該裝置的底部24，所以料斗中的整批批料材料以蠕動(dòng)方式在料斗中移動(dòng)19并通過通道。此移動(dòng)產(chǎn)生暴露在流動(dòng)通道里面的批料材料的連續(xù)更新的表面7。如果交替的一排排通道以中心交錯(cuò)的方式配置，如圖2所示，當(dāng)原料流過料斗時(shí)，全部的批料材料可暴露在熱氣體中。通過直接接觸，氣體中的熱量轉(zhuǎn)移到批料材料。同時(shí)，SO2、HCl和HF與批料材料的組分起化學(xué)反應(yīng)，形成固體反應(yīng)產(chǎn)物。用這種方法，這些氣體污染物從爐內(nèi)氣體中去除。
現(xiàn)有技術(shù)的根本局限性是供應(yīng)給料斗中的任何批料材料都含有一定量細(xì)粉塵。當(dāng)這些細(xì)粉塵和通道中的流動(dòng)氣體接觸時(shí)，灰塵被帶入氣流中并被攜帶到料斗中。從該裝置排出的氣體16表明大量的灰塵填料由裝置中的批料攜帶走。這些轉(zhuǎn)移是不可接受的，因?yàn)樗诺酱髿庵袠?gòu)成了污染排放物。
而且，從氣體到批料的傳熱速度相對(duì)低，因此需要相對(duì)大的裝置。為了使上述的灰塵轉(zhuǎn)移減到最小，通道中的氣體速度必須保持低速。這種低流速在通道表面附近呈現(xiàn)具有極低氣體速度的明顯“邊界層”的氣流模式。實(shí)質(zhì)上，熱量必須通過這些幾乎停滯氣體的邊界層擴(kuò)散，以便加熱批料。在裝置的傳熱速度方面這是主要的缺點(diǎn)。這種缺點(diǎn)迫使工藝設(shè)計(jì)師提供很大的裝置來完成所需的批料預(yù)熱，因此設(shè)備的費(fèi)用高。
由于同樣的原因，將污染物氣體轉(zhuǎn)移至與批料材料表面接觸的質(zhì)量轉(zhuǎn)移率是低的，因此氣體污染物的除去效果一般達(dá)不到政府機(jī)構(gòu)要求的排放標(biāo)準(zhǔn)。
現(xiàn)在進(jìn)一步描述E-批料預(yù)熱器的發(fā)明點(diǎn)。
每一通道裝備有沿軸方向排列并中心位于通道內(nèi)的放電電極18。雖然顯示了簡(jiǎn)單的導(dǎo)線，但是可以使用其它的引入尖銳的接觸點(diǎn)的設(shè)計(jì)以產(chǎn)生電暈。所示通道組中的導(dǎo)線18在支架50和支撐該支架的電絕緣體51的任何一個(gè)端連接在一起。這種絕緣體一般是陶瓷結(jié)構(gòu)。同樣的支架(未顯示)裝備在通風(fēng)室13中。因此導(dǎo)線和支架與通風(fēng)室12,13,14和料斗1電絕緣。支架和絕緣體的這種排列和設(shè)計(jì)為靜電沉降領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知。
高壓直流電源57經(jīng)由支架伸出部分59穿過支柱絕緣子連接到支架上。一個(gè)電源可以用于整個(gè)設(shè)備，或者，分開的電源可以供給每組通道。該料斗電接地60。每一管子的導(dǎo)電板8和9連接到料斗壁10，因此也是電接地的。
高壓直流電源57用于給放電電極18施加高壓。給放電電極18施加的足夠數(shù)量的高壓將在圖2描述的通道之內(nèi)產(chǎn)生電暈放電52。該電暈放電為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知，因此不需要深入說明電暈方法。該電暈方法從放電電極向環(huán)繞電極的接地表面產(chǎn)生氣體離子流。該金屬管子是導(dǎo)電的和接地，因此它提供電離子流向接地的流暢路徑。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)電暈放電離子流還可以流向通道的批料材料表面7。然后這些離子53流過大部分批料材料進(jìn)入金屬管子，然后到圖3A描述的地線。這在足夠低電阻率的批料材料的情況下可發(fā)生如圖3A的情況。然而，如果批料材料具有高電阻率，如圖3B所述，電流不能流過批料。來自電暈的離子在批料表面產(chǎn)生靜電電荷54的積聚。因?yàn)樨?fù)電暈放電極性通常用于靜電沉降，所以這里的實(shí)施例使用負(fù)極。對(duì)正極也進(jìn)行相同的操作和分析。這些電荷聚集會(huì)防止離子連續(xù)流到批料。
在高電阻率的情況，靜電電荷聚集54將結(jié)束電暈放電，和電暈氣體離子將停止流動(dòng)。這些將在沒有電暈放電離子流的通道中產(chǎn)生寂靜區(qū)55。然而，電暈放電離子流將繼續(xù)在該區(qū)域與導(dǎo)電板8和9連接，如圖3B所示。如果批料材料的電阻率非常高，那么這種電荷聚集將產(chǎn)生可以使靜電除塵器遭到破壞操作的眾所周知的“后電暈”現(xiàn)象。在非常高電阻率的條件下，電荷聚集53是如此大以致于從電阻材料的表面產(chǎn)生第二次電暈放電，激發(fā)正離子進(jìn)入該氣體中。這些正離子將逆向流向電極18并有效地抵消了正常的負(fù)電暈放電離子流。在此情況下，靜電除塵器顯示出在減電壓下的極大增加的火花放電速度。顯著地降低了除塵性能。通常，此現(xiàn)象的極限體電阻率大約為108Ω-米。
在電阻率不太高的情況下，來自電暈放電的氣體離子52流過通道中批料7的表面，穿過原料的所得到的電流63產(chǎn)生與電流相應(yīng)的電場(chǎng)。容易理解的是在批料材料中產(chǎn)生的電場(chǎng)與批料材料的電流密度和體電阻率有關(guān)，由歐姆定律表示Eb=Jb÷ρb其中；Eb=電場(chǎng)強(qiáng)度(伏特/米)Jb=電流密度(安培/平方米)ρb=批料材料體電阻率(Ω-米)這種電場(chǎng)在原料內(nèi)依次產(chǎn)生壓力，實(shí)際上是一種內(nèi)聚力。
Fb=εb×Eb2其中Fb=內(nèi)聚力(牛頓/平方米)εb=批料材料的體介電常數(shù)(法拉/米)由于電荷守恒，流向批料表面的氣體離子流的電流密度Ji必須等于穿過批料材料的電流密度Jb。
Ji=Jb其中Ji=批料表面的電暈電流強(qiáng)度(安培/平方米)使用歐姆定律，我們可以用電暈放電離子電流強(qiáng)度來表示批料表面上原料的內(nèi)聚力Fb=εb×(ρb×Ji)2此力62垂直指向批料材料的自由表面7，因此防止灰塵從批料進(jìn)入氣流中。該等式表明內(nèi)聚力強(qiáng)烈依賴于手批料材料的電阻率和電暈放電離子電流強(qiáng)度。
通常因此可以說批料必須有足夠低的電阻率，使電暈電流流過原料到接地的管子。通常，我們可以說電阻率必須低于108Ω-米。
批料的電阻率主要是批料化學(xué)成分和批料溫度的函數(shù)。一般地，批料是若干組分的混合物，因此電阻率也是混合物中不同化學(xué)組分的物理性能的函數(shù)。批料中電導(dǎo)的主要方式是通過隨溫度而變的批料的鈉組分來離子導(dǎo)電。在大約200℃以上的溫度下，純堿通常提供足夠?qū)щ娐?，即電阻率保持臨界的108Ω-米之下。在干空氣中，電阻率只隨著溫度降低而增加，且低于大約200℃時(shí)電阻率將超越臨界點(diǎn)。
然而，在存在熔爐排氣的情況下，電阻率曲線遵循高溫下的干空氣曲線，但是對(duì)于低于大約200℃的溫度來說，電阻率實(shí)際上隨溫度降低而減少。此原因是爐內(nèi)氣體一般含有高含量的水蒸汽和微量的酸性氣體。在低于大約200℃的溫度下，酸將凝縮在固體表面上，即所謂的酸露點(diǎn)。首先，雖然只有微量的酸凝結(jié)在固體表面上，但是此微小的表面膜是足以產(chǎn)生導(dǎo)電。該導(dǎo)電機(jī)理有效地將通過批料的鈉成分的離子導(dǎo)電轉(zhuǎn)換成通過批料顆粒表面的酸膜的表面導(dǎo)電。因?yàn)榕系碾娮杪实陀诤箅姇炇┘拥臉O限值，但是仍然足夠高以在批料表面7產(chǎn)生很強(qiáng)的內(nèi)聚力，所以可以防止灰塵從批料中移走。
這種很強(qiáng)的內(nèi)聚力將防止灰塵及其他批料顆粒進(jìn)入氣流中。這可設(shè)計(jì)E-批料的氣流速度顯著地大于現(xiàn)有技術(shù)。較高的氣體速度意味著可以裝備較小的裝置以處理相同數(shù)量的氣流和固體流。
不但提供與批料材料的內(nèi)聚力和防止灰塵進(jìn)入流動(dòng)氣體中，而且電暈放電將提供兩個(gè)其它重要的功能。第一，熔爐排氣中任何細(xì)小的顆粒物質(zhì)靜電充電，然后迫使它們朝向金屬管子8和9的內(nèi)表面，或者批料材料的表面7。這是常規(guī)的靜電除塵器操作。通常，如果提供充足的收集表面面積，那么將從爐內(nèi)氣體中高效率地除塵細(xì)小的顆粒物質(zhì)。
第二，電暈放電中的氣體離子流在氣體中產(chǎn)生強(qiáng)的小規(guī)模湍流。這種湍流有改善從流動(dòng)氣體到批料材料表面的傳熱速度和質(zhì)量傳遞速度的作用。這具有增加從該裝置排出的批料的預(yù)熱溫度的作用，以及通過與批料材料化學(xué)反應(yīng)增加除去來自爐內(nèi)氣體的氣體污染物的作用。如前所述，傳熱和傳質(zhì)速度一般地受在固體表面附近形成的氣流“邊界層”的限制。在此邊界層處氣體速度低，而且該層成為熱傳遞或質(zhì)量轉(zhuǎn)移過程中的瓶頸。熱量或質(zhì)量必須以很慢的速度擴(kuò)散通過該層。在顯著地減小此邊界層厚度方面，電暈感應(yīng)的湍流尤其有效，因此增加了傳遞速度。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，E-批料法實(shí)際上可在較小裝置中完成較好的批料預(yù)熱和較好地除去氣體污染物。
此電暈感應(yīng)的湍流通常被稱為電暈風(fēng)。結(jié)果是穿過氣體的靜電推進(jìn)的氣體離子實(shí)際上對(duì)周圍氣體的產(chǎn)生一拉力，從而使其運(yùn)動(dòng)。對(duì)要求更高的熱量和質(zhì)量傳遞速度的情況下，可以通過合適的電極設(shè)計(jì)使此效果最佳化。參看圖5，表示了一種改進(jìn)的電極以優(yōu)化用于傳熱傳質(zhì)的電暈感應(yīng)的湍流。
用足夠大直徑的桿66替代該導(dǎo)線，在它的表面產(chǎn)生較少的電暈。對(duì)于典型的應(yīng)用來說，管子的內(nèi)橫截面尺寸可以是6-12英寸。這種桿的直徑可以是1/2-2英寸。將尖銳的針尖67每隔一定間隔固定到該桿上，并指向批料表面7。鄰接針尖的間距可以是1英寸-6英寸。設(shè)置針尖，在針尖67處導(dǎo)致局部電暈放電，氣體離子流69幾乎完全地流向批料表面7。通道的另一個(gè)區(qū)域68相對(duì)于氣體離子流實(shí)質(zhì)上是靜止的。如此設(shè)置有兩個(gè)好處。
第一，所有的電暈放電離子電流直接進(jìn)入批料。于是，批料表面7處的內(nèi)聚力將大于離子電流均勻分布在通道整個(gè)周邊周圍時(shí)的內(nèi)聚力。第二，不均勻的電暈離子流將在通道內(nèi)部形成電暈感應(yīng)的氣流模式70，氣體速度指向批料表面7。這種氣體循環(huán)將氣體從整個(gè)通道橫截面運(yùn)送到批料表面7。這將大大地改善所需的傳熱傳質(zhì)過程。
可以使用其它幾何結(jié)構(gòu)如圖4A所示的導(dǎo)電管子。這里提供了去除下部的圓筒96。選擇孔口的尺寸，以便批料材料表面7幾乎形成圓圈。此幾何結(jié)構(gòu)提供最均勻分布的電暈放電52。其它的細(xì)節(jié)與前面幾何結(jié)構(gòu)的描述相同。
同時(shí)，可以使用不同類型的擋板以促進(jìn)批料材料的良好流動(dòng)，如圖4B所示。這里，在管子96上方的陡峭傾斜擋板97排除了批料材料滯留在管子96上部的可能性。此滯留滯區(qū)可以形成大量批料的聚積，其可以沉積，然后阻礙原料正常地流過料斗。
本發(fā)明的基本目標(biāo)是預(yù)熱用于玻璃熔爐的批料材料，同時(shí)減少排出氣體中污染排放物。如前所述，本發(fā)明的E-批料法的好處在氧氣燒油爐的情況下最大，因?yàn)?．排出氣體的溫度高于其它類型的加熱爐，和2．批料的預(yù)熱減少了熔爐要求的燃料和氧氣，因此節(jié)約了與兩者有關(guān)的費(fèi)用。
因此，以氧氣燒油爐為例說明優(yōu)選用于玻璃熔爐，但是E-批料法也同樣適用于其它的加熱爐，包括交流換熱的或同流換熱的空氣燃料燃燒的玻璃熔爐。
在溫度最惡劣的條件同時(shí)保持非常精確的使用條件下操作玻璃熔窯。排出氣體是熱的和化學(xué)侵蝕的氣體。批料材料由若干不同的化學(xué)和物理組成(即活性的的研磨料、吸濕的和有產(chǎn)生灰塵傾向)的混合物組成。應(yīng)用于玻璃熔爐的設(shè)備，尤其是處理批料材料和排出氣體的設(shè)備，必須是簡(jiǎn)單的和可靠的。這樣的描述是重要的，當(dāng)了解了它與玻璃制造工藝的組合時(shí)，與替換物相比，E-批料法的優(yōu)點(diǎn)是顯然的。
參看圖6，玻璃熔爐71是包括熔融態(tài)玻璃池72和燃燒空間73的耐火磚結(jié)構(gòu)。燃燒燒嘴74供應(yīng)氧氣和燃料，且在燃燒空間內(nèi)部產(chǎn)生火焰。來自火焰的熱量熔化玻璃72。熔融態(tài)玻璃通過出口(此圖未示出)排出熔爐。批料材料經(jīng)由裝料機(jī)4裝進(jìn)熔爐。通常使用許多類型的裝料機(jī)，包括振動(dòng)式給料器、螺旋給料機(jī)、往復(fù)式推料機(jī)等等。以可變的速度將批料材料裝進(jìn)熔爐，以便保持熔爐中熔融態(tài)玻璃72的頂部液位95不變。照這樣，送料器4必須能夠以可變的速度將批料供應(yīng)到熔爐中。
預(yù)熱批料的效果是減少熔爐中燃燒燒嘴的燃燒速度。預(yù)熱批料比不預(yù)熱批料需要較少能源來熔化。減小燃燒燒嘴的燃燒速度減少了燃燒燒嘴所需要的氧氣和燃料的量。
來自燃燒空間的排出氣體75通過出口76排出熔爐并進(jìn)入煙道通道77。這些排出氣體75一般有1300℃-1400℃，因此煙道通道也必須由耐火磚材料建造。
批料材料一般在大約600℃溫度下開始熔化。如果這些熔化發(fā)生在E-批料預(yù)熱器內(nèi)部，那么批料將粘在一起和粘在裝置的金屬表面上，這使裝置不能工作。為了防止批料的過熱，來自熔爐的熱氣體在進(jìn)入E-批料設(shè)備以前必須調(diào)溫。
調(diào)溫空氣78經(jīng)過風(fēng)扇79通過入口80噴入煙道通道?？諝?8與爐內(nèi)氣體75混合以在煙道通道的下部產(chǎn)生調(diào)溫的排出氣體81。這些調(diào)溫氣體81一般在大約550℃-600℃，通常，測(cè)量此溫度并控制送風(fēng)機(jī)79的速度以保持要求的溫度。
另外，排出E-批料設(shè)備的冷卻氣體87可以再循環(huán)95以提供所需的煙氣調(diào)溫。用這種方法，由于冷氣滲入，所以不需要引入額外的氧氣到系統(tǒng)中，且不會(huì)損失熱量。
金屬管和煙道可以處理這些調(diào)溫氣體。然后，調(diào)溫廢氣81流過煙囪82和管道83。這些管道和煙囪最好絕熱的以保持廢氣溫度。使用送風(fēng)機(jī)84克服氣體流過E-批料設(shè)備時(shí)產(chǎn)生的反壓力。氣體通過E-批料器中的多個(gè)通道需要一定壓力，但是通常用于這一目的的常規(guī)送風(fēng)機(jī)可以達(dá)到此目的?？刂扑惋L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以便保持熔爐的燃燒空間73內(nèi)部的正常壓力。燃燒空間73中的穩(wěn)定壓力對(duì)于玻璃制造工藝來說是至關(guān)重要的。
另外，送風(fēng)機(jī)可以位于E-批料設(shè)備的下游。這樣可處理冷卻的和純凈的氣體。
煙囪82裝備有緊急排氣口85和閘門86。在E-批料設(shè)備發(fā)生故障或送風(fēng)機(jī)84損壞的情況，熔爐排氣必須很快地排到大氣中。玻璃熔爐不能關(guān)閉或允許冷卻，否則會(huì)嚴(yán)重破壞熔爐。一旦發(fā)生故障，很快地打開排氣口85并關(guān)閉閘門86。然后將控制器置于安全排氣口85的活葉上，以便保持熔爐工作壓力，因?yàn)樗惋L(fēng)機(jī)84將不再用于這些目的。
在正常運(yùn)行情況下，調(diào)溫氣體82由送風(fēng)機(jī)84排出，并進(jìn)入E-批料預(yù)熱器的入口通風(fēng)室12中。示于圖6中的E-批料預(yù)熱器與前面的描述的一致，但還有一些特殊方面。在這些實(shí)施例中裝備有若干組(總共八個(gè))通道。因此，提供附加的中間通風(fēng)室13，干凈而冷卻氣體87從出口通風(fēng)室14排出E-批料預(yù)熱器。煙囪89將這些氣體87排放到大氣中。
使用的多組通道允許每組有不同的設(shè)計(jì)，以便適合該工藝中的各具體點(diǎn)的要求。當(dāng)氣體往上流過E-批料預(yù)熱器時(shí)，氣體被冷卻。由于此冷卻的結(jié)果，實(shí)際體積的氣流減少了。因此，所希望的是下層組包括比上層組更多的通道，以便在每組通道中提供最佳氣體流速。
同時(shí)，氣體的電特性隨著溫度而變化。通常，在高溫下，降低了產(chǎn)生適當(dāng)?shù)碾姇灧烹娝蟮碾妷骸Ｒ虼?，所希望的是給各組通道提供獨(dú)立的高壓電源57。通常，獨(dú)立的電源有益于該方法的操作，因?yàn)楦鱾€(gè)電源可以在不同的電壓下操作，在此點(diǎn)上產(chǎn)生最佳操作。然而，幾組共用一個(gè)電源，在成本上是有利的。本實(shí)施例是8組通道共用4個(gè)電源。
最后一組通道88具有最多數(shù)量的通道，這有益于降低此最后一組的氣體速度，以保證基本上沒有批料材料粉塵進(jìn)入離開此組的氣體中，因?yàn)檫@些氣體直接排放到大氣中。同時(shí)，這最后一組具有自己的高壓電源，以便在每次操作中都保持最優(yōu)的靜電操作。
E-批料設(shè)備裝有緩沖漏斗90，以將批料材料保持在它的有效截面上。重要的是，在緩沖漏斗中的批料92的頂層沒有降到在E-批料預(yù)熱器中最高通道93之下。通過常規(guī)的物料輸送設(shè)備91例如斗式提升機(jī)和皮帶運(yùn)輸機(jī)將批料材料17輸送到緩沖漏斗的頂部。一般地，這些設(shè)備是間歇地運(yùn)轉(zhuǎn)，因此貯藏處的容量必須適合于批料傳遞之間的間隔。同時(shí)，緩沖漏斗的容量必須足夠，在修理物料輸送設(shè)備91損壞的所需任何時(shí)段中，可以通過送料器4給熔爐供應(yīng)批料。
來自E-批料設(shè)備下部料斗3底部的熱批料通過重力滑槽94流向熔爐裝料機(jī)4。熱批料是干的且有產(chǎn)生揚(yáng)塵排放物的傾向，因此盡量較少地處理這些材料。料斗3和滑槽94以密閉灰塵的方式密封。同時(shí)，料斗3和滑槽94最好是絕熱以保持預(yù)熱批料的溫度。
權(quán)利要求
1．一種在用于玻璃熔爐以前加熱玻璃批料材料的方法，該玻璃批料材料包括固體顆粒原料或碎玻璃、或兩者的混合物，該方法包括下列步驟a)在料斗中提供大量的玻璃批料材料；b)提供至少一個(gè)通過大量批料材料的氣流通道，該通道的至少一部分表面由批料材料的表面組成；c)使玻璃熔爐排出氣體通過該通道；d)在通道內(nèi)提供導(dǎo)電電極e)提供與批料材料接觸的導(dǎo)電表面；和f)在步驟d)的電極和步驟e)的表面兩者之間施加足夠數(shù)量的電位差，在通道內(nèi)部產(chǎn)生電暈放電，該電暈放電由通過爐內(nèi)氣體的氣體離子流組成，至少一部分氣體離子流入玻璃批料材料中。
2．權(quán)利要求1的方法，其中氣體以足夠速度流過該通道，以便如果不施加步驟f)的電位差，至少一些批料材料進(jìn)入流動(dòng)氣體中。
3．權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的方法，其中批料材料的體電阻率不到108Ω一米。
4．權(quán)利要求1到3的任何之一的方法，包括附加的步驟a)從底部移走熱的批料材料，以便批料材料經(jīng)過重力作用移動(dòng)穿過料斗；b)在料斗的頂部提供未加熱的批料材料。
5．權(quán)利要求4的方法，其中批料材料的移動(dòng)使批料材料的表面在通道中更新。
6．權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)的方法，其中a)通道具有圓筒形形狀，且通常水平地配置在料斗內(nèi)；b)圓筒形通道的頂部部分由導(dǎo)電板組成，該導(dǎo)電板在松散材料內(nèi)形成頂壁；c)頂壁設(shè)置為使圓筒形通道的底部部分由在頂壁下方以其休止角殘留的批料材料組成；和d)步驟b)中的頂壁包括權(quán)利要求1步驟e)的導(dǎo)電表面。
7．權(quán)利要求6的方法，其中圓筒形通道是具有向上的六角形頂尖的六角形圓筒，該導(dǎo)電板形成六角形圓筒的兩個(gè)頂面和兩個(gè)側(cè)面部分，而批料材料形成六角形圓筒的底部?jī)蓚€(gè)部分。
8．權(quán)利要求6或權(quán)利要求7的方法，其中圓筒的頂部部分b)是具有移動(dòng)的底部截面的圓筒狀。
9．權(quán)利要求6到8的任何之一的方法，其中放電電極由導(dǎo)線、小半徑桿、或裝有小半徑觸點(diǎn)或邊緣的桿組成，該放電電極沿軸向排列，且基本上位于圓筒中心。
10．權(quán)利要求6到10的任何一個(gè)的方法，包括多個(gè)通道，因此形成通道組，爐內(nèi)氣體分開流過并行的通道。
11．權(quán)利要求10的方法還包括a)多個(gè)通道，其中一組位于另一組的上方；b)氣體首先流過最下層的組，然后連續(xù)地流過各個(gè)垂直鄰接的組；和c)從料斗底部處移走熱的批料材料，并將未加熱的批料材料以基本上連續(xù)的方式加入到料斗的頂部，以便批料材料經(jīng)過重力作用通過料斗移動(dòng)。
12．權(quán)利要求1到11的任何一個(gè)的方法，其中玻璃熔爐排出氣體含有顆粒物質(zhì)，且至少一部分顆粒物質(zhì)是從氣體中靜電除塵在通道的內(nèi)表面上。
13．權(quán)利要求1到12的任何一個(gè)的方法，其中玻璃熔爐排出氣體含有氣體污染物，批料材料至少部分地由能與污染物起化學(xué)反應(yīng)的組分組成，且至少一些氣體污染物經(jīng)過與批料材料成分的反應(yīng)從熔爐排氣中去除。
14．權(quán)利要求13的方法，其中氣體污染物是二氧化硫，而批料成分是純堿或石灰石。
15．權(quán)利要求13的方法，其中氣體污染物是氯化氫，而批料成分是純堿或石灰石。
16．權(quán)利要求13的方法，其中氣體污染物是氟化氫，而批料成分是純堿或石灰石。
17．一種在用于玻璃熔爐以前加熱玻璃批料材料的裝置，該玻璃批料材料由固體顆粒原料或碎玻璃，或兩者的混合物組成，包括a)包含大量玻璃批料材料的料斗；b)至少一個(gè)通過大量批料材料的氣流通道，該通道的至少一部分表面由批料材料的自由表面組成；c)使玻璃熔爐排出氣體通過該通道的設(shè)備；d)在通道內(nèi)的導(dǎo)電電極；e)與批料材料接觸的導(dǎo)電表面；f)在步驟d)的電極和步驟e)的表面兩者之間施加足夠數(shù)量的電位差以在通道內(nèi)部產(chǎn)生電暈放電的設(shè)備，該電暈放電由通過爐內(nèi)氣體的氣體離子流組成，至少一部分氣體離子流入玻璃批料材料中。
18．權(quán)利要求1的裝置，其中氣體以足夠速度流過該通道，以便如果不施加步驟f)的電位差，至少一些批料材料進(jìn)入流動(dòng)氣體中。
19．權(quán)利要求17或權(quán)利要求18的裝置，其中批料材料的整體電阻率小于108Ω-米。
20．權(quán)利要求17到19的任何一個(gè)的裝置，還包括a)從底部去除熱批料材料的設(shè)備，以便批料材料經(jīng)過重力作用通過料斗移動(dòng)；和b)將未加熱批料材料供入料斗頂部的裝置。
21．權(quán)利要求20的裝置，其中批料材料的移動(dòng)在通道中提供更新的批料材料表面。
22．權(quán)利要求17到21的任何一個(gè)的裝置，其中a)通道具有圓筒形形狀，且通常水平地配置18料斗內(nèi)；b)圓筒形通道的頂部部分由導(dǎo)電板組成，該導(dǎo)電板在松散材料內(nèi)形成頂壁；c)頂壁設(shè)置為圓筒形通道的底部部分由在頂壁下方以其休止角殘留的批料材料組成；和d)步驟b)中的頂壁包括權(quán)利要求17中步驟e)的導(dǎo)電表面。
23．權(quán)利要求22的裝置，其中圓筒形通道是具有向上的六角形頂尖的六角形圓筒，該導(dǎo)電板形成六角形圓筒的兩個(gè)頂面和兩個(gè)側(cè)面部分，而批料材料形成六角形圓筒的兩個(gè)底部部分。
24．權(quán)利要求22或權(quán)利要求23的裝置，其中圓筒的頂部部分b)是具有移動(dòng)的底部截面的圓筒狀。
25．權(quán)利要求22到25的任何之一的裝置，其中放電電極由導(dǎo)線、小半徑桿、或裝有小半徑觸點(diǎn)或邊緣的桿組成，該放電電極沿軸向排列，且基本上位于圓筒中心。
26．權(quán)利要求22到25的任何一個(gè)的裝置，包括多個(gè)通道，因此形成通道組，爐內(nèi)氣體分開流過并行的通道。
27．權(quán)利要求26的裝置，還包括a)多個(gè)通道組，其中一組位于另一組的上方；b)首先使氣體流過最下層的組，然后連續(xù)地流過各個(gè)垂直鄰接組的設(shè)備；c)從底部移走熱的批料材料的設(shè)備，以便批料材料經(jīng)過重力作用通過料斗移動(dòng)；d)給料斗的頂部提供未加熱的批料材料的設(shè)備。
28．權(quán)利要求17到27的任何一個(gè)的裝置，其中玻璃熔爐排出氣體含有顆粒顆粒物質(zhì)，且至少一部分顆粒顆粒物質(zhì)是從氣體中靜電除塵在通道的內(nèi)表面上。
29．權(quán)利要求17到28的任何一個(gè)的裝置，其中玻璃熔爐排出氣體含有氣體污染物，批料材料至少部分地由能與污染物起化學(xué)反應(yīng)的組分組成，且至少一些氣體污染物經(jīng)過與批料材料成分的反應(yīng)從熔爐排氣中去除。
30．權(quán)利要求29的方法，其中氣體污染物是二氧化硫，而批料成分是純堿或石灰石。
31．權(quán)利要求29的方法，其中氣體污染物是氯化氫，而批料成分是純堿或石灰石。
32．權(quán)利要求29的方法，其中氣體污染物是氟化氫，而批料成分是純堿或石灰石。
全文摘要
一種在用于玻璃熔爐以前加熱玻璃批料材料的方法,該玻璃批料材料包括固體顆粒原料或碎玻璃、或兩者的混合物,該方法包括下列步驟:a)在料斗中提供大量的玻璃批料材料;b)提供至少一個(gè)通過大量批料材料的氣流通道,該通道的至少一部分表面由批料材料的表面組成;c)使玻璃熔爐排出氣體通過該通道;d)在通道內(nèi)提供導(dǎo)電電極;e)提供與批料材料接觸的導(dǎo)電表面;和f)在步驟d)的電極和步驟e)的表面兩者之間施加足夠數(shù)量的電位差,在通道內(nèi)部產(chǎn)生電暈放電,該電暈放電由通過爐內(nèi)氣體的氣體離子流組成,至少一部分氣體離子流入玻璃批料材料中。
文檔編號(hào)C03B3/02GK1310142SQ0111629
公開日2001年8月29日 申請(qǐng)日期2001年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月18日
發(fā)明者J·C·亞歷山大 申請(qǐng)人:英國(guó)氧氣集團(tuán)有限公司