CN1203890A - 降低玻璃熔窑中NOx排放物的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种控制玻璃熔化过程中的NOx排放物的方法,其中在熔窑中的燃料燃烧产生了含有NOx化合物的废气。来自熔窑的废气通过一个蓄热室到达蓄热室的下游区域。在该下游区域,当所说的窑炉废气在要求的温度范围内时,向所说的窑炉废气中喷入氨气,以减少NOx化合物的含量。当在所说的下游区域处的窑炉废气的温度在要求的温度范围之外时,向窑炉废气中引入另外的气体,从而调整窑炉废气的温度,使得当窑炉废气到达所说的下游区域时,其温度在要求的温度范围内。

Description

降低玻璃熔窑中NOx排放物的方法和设备

本发明涉及通过控制窑炉废气温度降低大型玻璃熔窑中产生的NO_x排放物。

为了通过直接加热提供要求的熔化温度，大规模熔化玻璃需要在熔窑中燃烧大量燃料。为了确保燃料在窑炉内完全燃烧，尤其是在平板玻璃熔窑的运行中，为了确保窑炉内的氧化条件，通常把燃料(一般为天然气或燃料油)与过量空气混合，即空气量超过完全燃烧的理论需要量。这种燃烧条件导致了助燃空气中氮气的氧化，形成NO_x。

NO_x是NO和／或NO₂的缩写。在玻璃熔窑的高温条件下，形成的氮的氧化物主要是含有少量NO₂的NO，但是在含有NO的废气排放到大气中以后，大部分NO转变为NO₂，NO₂是一种主要的空气污染物，一般认为在酸雾形成的化学过程中就涉及到这种物质。因此，大体积的燃烧源，如玻璃熔窑，容易受到可能严重限制其运行的政府法规的影响。

在Lyon的美国专利3，900，554提出了一种通过向废气流中注入氨气而选择性地把NO还原成氮气和水的非催化方法。在Hughes的美国专利4，328，020中提出了在玻璃熔窑废气流中可以使用这种方法。该专利提出，在窑炉中排出的废气在870～1090℃范围内时(当氨气中含有氢气时为700～1090℃)，可以有效地进行NO_x的还原，而且这样的温度条件可以在玻璃熔窑的每个加热周期的大部分时间内存在于烟道中或在烟道中产生，所说的烟道连接熔窑热回收***的一级和二级蓄热室。该专利还提出，只要通过烟道的窑炉废气温度在这个优选的运行范围之外，就停止氨气的注入。虽然这种方法能从玻璃熔窑废气中除去大部分NO_x，但是由于在废气温度不合适时，在熔窑的每个加热周期的选择部分时间内氨气还原技术的效率低，降低了其总体效果。

为了延长氨气注入***的有效运行时间，Krumwiede等人的美国专利4，372，770提出了一种玻璃熔窑，其中注入额外的燃料，并在玻璃熔化过程中的选择时间内，在窑炉废气进入一级蓄热室时与废气中的过量氧气燃烧，从而提高窑炉废气温度，使其在氨气注入法的有效NO_x还原所要求的温度范围内。

虽然这些类型的***用于还原NO_x排放物，但是在玻璃熔窑的加热周期内，仍然有不能用氨气注入***还原NO_x排放物的时候。

最好有一种玻璃熔窑的布置，可以增大氨气注入***的使用及其更有效的使用，以进一步减少NO_x排放物。

本发明提供了一种控制玻璃熔窑排出的NO_x的方法，其中在熔窑中燃料产生了含有NO_x化合物的废气。来自熔窑的窑炉废气通过蓄热室到蓄热室的下游区域。当窑炉废气在理想的温度范围内时，在该下游区域中把氨气注入窑炉废气中以减少NO_x混合物的含量。当所说的下游区域处的窑炉废气温度超出理想的温度范围时，在窑炉废气从蓄热室向所说的下游区域流动时向窑炉废气中加入额外的气体以调整窑炉废气温度，使窑炉废气在到达所说的下游区域时在理想的温度范围内。在本发明的一个特定实施方案中，所说的额外的气体是来自过量空气燃烧器的废气，在一定温度把所说的废气注入窑炉废气中，使得在所说的下游区域处的窑炉废气和注入气体的混合温度在约870～1090℃。

本发明还提供了一种熔化玻璃的窑炉，有一个相互连通的熔化室和蓄热室，使得来自熔化室的废气进入并通过蓄热室到达蓄热室的下游区域。氨气注入器位于所说的下游区域内，用于当通过下游区域的窑炉废气在预定温度范围内时，向窑炉废气中注入氨气以还原NO_x化合物。气体注入器以预定温度向蓄热室和所说的下游区域之间的窑炉废气中引入气体，使得在所说的下游区域处的窑炉废气和注入气体的混合温度在预定的温度范围内。在本发明的一个特定实施方案中，所说的气体注入器至少包括一个过量气体燃烧器。

图1是一个平板玻璃熔窑沿纵剖面通过蓄热室***的侧视图。所说的蓄热室包括一级蓄热室和二级蓄热室和一个位于两个蓄热室之间的氨气注入器。

图2是图1的玻璃熔窑沿图1的2-2线的剖视图。

图3是放大的沿蓄热室的喷口和其上部的横截面图。

本文将参照典型的平板玻璃熔窑描述本发明，例如本文引作参考的美国专利4，372，770所提出的玻璃熔窑。但是，本发明的原理可以应用于满足相同或类似条件的任何玻璃熔窑。

图1和2表示有一个熔化室12的传统平板玻璃熔窑10。玻璃配合料从喂料斗14喂入该窑炉的入口的伸出部分16，并沉入包括在熔化室12内的熔融玻璃池18中。窑炉10是熟知的横焰蓄热式，其中熔化室12侧面是具有相同结构的一对一级蓄热室20和22。每个蓄热室包括一个耐火砖外壳24，外壳内是一个允许空气和废气从其中通过的由格子结构的耐火砖构成的蓄热室砖垛。每个蓄热室20和22通过沿熔化室12的侧壁间隔排列的多个喷口28与熔化室12相连。每个喷口28一端伸入熔化室12的内部，另一端与一级蓄热室的砖垛26上方的压力空间30相连。在每个蓄热室中的砖垛26下面是一端与烟道34相通的分配空间32。在图1所示的实施方案中，烟道34连接到二级蓄热室36，二级蓄热室36可以包括一级格子砖垛38和二级格子砖垛40。来自二级蓄热室的废气流过换向机构42，然后进入烟囱44。

周期性地对通过窑炉10的气流进行换向(例如约每10分钟换向一次)。在附图中所示的运行模式中，气流从左向右流动(如图2所示)，其中进来的助燃空气通过左侧的蓄热室20进入，熔化室12的废气通过右侧的蓄热室22排出。进来的助燃空气通过蓄热室20的砖垛预热，燃料通过左侧喷口28的喷嘴燃烧器46与预热的空气混合，所得的火焰在熔化室12内的熔融玻璃上方从左到右喷出。在加热循环的这个阶段，右侧喷口28中的燃烧器喷嘴不工作。废气通过右侧喷口28离开熔化室12并通过一级蓄热室22，在这里把废气中的热量传给格子砖垛26。在图1和2所示的实施方案中，通过蓄热室***回收的废热仅有部分由一级蓄热室22完成。另外的热回收由下游的二级蓄热室36完成。在预定长度的时间后，喷嘴46的燃烧换向。更具体地，窑炉10左侧的燃烧器喷嘴关闭，右侧喷嘴打开，进来的助燃空气通过右侧蓄热室22，废气通过左侧的蓄热室20离开熔化室12。

仍然参考图1和2，表示了一种用于NO_x的选择性非催化还原的布置。更具体地，氨气注入***48位于每个一级蓄热室和相应的二级蓄热室之间的每个烟道34和34＇中。虽然不是意在限制本发明，如图2所示的氨气注入***48包括由多个耐热材料制成的伸入烟道34中的管子52构成的管网。每个管子52与集管54相通，而集管54又与供气管56相通。沿着每个管子52安排多个开口或喷口以促进氨气与通过烟道34的整个废气流的完全混合。在窑炉10的另一侧的烟道34＇中提供相同的管网布置。在这种类型的玻璃熔窑中，已经发现通过烟道34的废气在加热周期的一部分排放阶段处于优选的NO_x还原温度范围内，即870～1090℃(1598～1994°F)。如美国专利4，372，770所提出的，当氨气与氢气混合时，这个范围可以扩大到700～1090℃(1292～1994°F)。窑炉废气在这个温度范围内保持的时间取决于加热速度、加热周期、格子砖密度和格子砖体积。

在附图中所示的加热模式中，在右侧的氨气注入***48中进行氨气的注入，而左侧***48＇关闭。一般来说，废气在约1537～1704℃(2800～3100°F)的温度排出窑炉12，进入蓄热室。在废气通过蓄热室时，把热量传给格子砖而被冷却。在刚刚加热换向之后，通过废气一侧的烟道34的废气的温度一般低于理想的NO_x的还原范围，但是在约1～3分钟内升高到理想的温度范围，此时可以开始氨气的注入。在烟道中的窑炉废气温度继续升高时，连续进行氨气的注入，直到其温度超过理想的NO_x还原温度范围时，可以停止氨气的注入。然而，应该理解的是，取决于加热速度、加热周期、格子砖密度和格子砖体积的不同，窑炉废气在刚刚进行加热换向之后可能在要求的温度范围内。在这样的情况下，可以预期的是，所说的窑炉废气将会变得太热而不能通过氨气注入有效地还原NO_x。

通过氨气注入还原NO_x的方法可能包括一些变化，例如，象美国专利3，900，554；4，115，515；4，328，020和4，372，770所提出的那样。

为了进一步还原NO_x排放物，如美国专利4，372，770所提出的那样，可以把补充燃烧引入到熔化过程中。补充燃烧是一种把燃料注入到窑炉废气中并使其在通过一级蓄热室20和22时与窑炉废气燃烧的一种方法。补充燃烧用于通过消耗窑炉废气中的氧气来减少NO_x的形成。否则这些氧气可能用于NO_x的形成。也有人认为缺少氧气导致窑炉废气中的NO_x分解，可燃燃料的存在导致NO_x的化学还原。所有的上述机理要求补充燃烧在NO_x可能形成的温度下进行。有人认为当燃料与窑炉废气在至少1420℃(2600°F)的温度混合可以得到最好的结果。在图2和3所示的本发明的特定的实施方案中，燃料在一级蓄热室的上端与窑炉废气混合。更具体地，布置燃料喷嘴58，使其从上面伸入喷口28的颈部。使喷嘴58的角度与废气流方向相对，希望燃料的注入速度为约50～500英尺每秒(STP)(15～150米每秒)以便有效地与窑炉废气混合。图3中的虚线表示的燃料注入喷嘴60和62表示了另一种但是效果较差的燃料注入位置，位于上部的压力空间30区域中并与各个喷口28近似在一条直线上。可以把燃料从与每个喷口结合的多个喷嘴喷出以便进一步增强混合。燃料的注入也可以在喷口的出口之前在熔化室内进行。应该理解的是，没有必要在每个喷口28处注入燃料，仅使一部分喷口具有补充燃烧能力可以获得一些优点。在多喷口窑炉中，不同喷口具有不同的加热速度和不同的燃／气比是很常见的。所以，在某些情况下，把补充燃烧限制于那些具有较大加热速度和／或在废气中残留最大量过剩空气的喷口可能是最有效的。

补充燃烧所用的燃料可以是常用于窑炉燃料的任何可燃碳氢化合物，最方便的是熔化室12中所用的同种燃料，最常见的是天然气(甲烷)。注入的燃料量优选的是接近注入处的废气流中的氧气完全消耗所需的化学计量比的量。来自窑炉10的废气流的最大补充燃烧要求补充燃料的使用量最高为熔化室12所耗燃料量的15％，这取决于废气中的过剩空气量。当废气中含有较低的空气量时，需要较少量的燃料。这种补充燃料可以集中在几个过剩氧气量最大的喷口中，因为如上所讨论的那样，不同的喷口具有不同的氧化程度在玻璃熔窑的运行中是常见的。那些具有最高空气／燃料比的喷口可能形成了大部分的NO_x，因此补充燃烧应该集中在那些喷口的废气一侧。

应该理解的是补充燃烧也会更快地提高窑炉废气的温度，使得通过氨气注入***48进行的NO_x的还原在加热循环中更早地开始。但是，还应该理解的是，已经发现补充燃烧产生了蓄热室格子砖温度的提高，例如在40～45℃(70～80°F)左右。所以，在格子砖的支撑部件接近其上限温度的情况下，监测其温度并据此限制补充燃烧的量是需要的。

窑炉废气在离开一级蓄热室20和22，进入分布空间32时，其温度会发生变化。例如，如上所讨论的，在刚刚换向之后有一段时间从一级蓄热室20和22排出并进入分配空间的废气的温度低于用氨气注入***48进行有效的NO_x还原的优选温度范围。此外，根据每个加热周期的长度，废气可能达到高于理想温度范围的温度使得氨气注入***48不能有效地除去NO_x排放物。为了控制窑炉废气在其在加热周期中流过分配空间32和烟道34到达氨气注入***48时的温度，本发明利用了一个过剩空气燃烧器64。过剩空气燃烧器是一个把燃料(例如，天然气、油或其它可燃的碳氢化合物)和过剩的室温或预热的空气混合的燃烧器，即用比使所说的燃料燃烧所需的化学计量的空气更多的空气。供给到燃烧器的过剩空气量用于控制燃烧器64产生的热量。更具体地，当燃烧器64的废气与窑炉废气混合时，窑炉废气的温度将会提高或降低，从而改变了在分配空间32和烟道34中的窑炉废气温度。通过控制燃料／空气比和燃烧器64燃烧的燃料量，可以控制窑炉废气的温度。如果当废气通过分配空间32时，废气中存在额外的可燃物质，过剩空气燃烧器64也可以使其燃烧。

在图1所述的本发明的特定实施方案中，燃烧器64位于一级蓄热室22壁66的下部使其废气直接进入分配空间32中。作为一个替补方案，可以沿空间32布置多个燃烧器。控制器68与燃烧器64相连以控制燃烧器64燃烧的燃料量和空气量，从而控制分配空间32内的窑炉废气温度。如果需要，可以在空间32和／或烟道34中安装温度显示器70以监测一级蓄热室20和22出来的窑炉废气的温度。该显示器70可以与控制器68相连以控制燃烧器64的燃料／空气混合物，并确保窑炉废气和燃烧器气体的混合气流在其通过氨气注射***48的管网时，其温度在有效还原窑炉废气所需要的温度范围内。应该理解的是，当温度监测器70安装在烟道34中，在向分配空间32引入过剩空气燃烧器的废气之前，监测器70只监测窑炉废气的温度，而在引入过剩空气燃烧器64的废气之后，温度显示器70监测窑炉废气和燃烧器废气的混合温度。如果显示器70安装在蓄热室砖垛之内或底部，它将仅监测窑炉废气的温度。

作为使用过剩空气燃烧器64的一种替换方法，为了控制窑炉废气温度，优化在氨气注入***48处NO_x的还原，可以在窑炉废气通过分配空间32时，把大气注入到窑炉废气中。但是，优选的是如上所述使用过剩空气燃烧器，因为燃烧器64可以在很宽的温度范围内燃烧并提供更好的废气温度控制。

本文所提出的过剩空气燃烧器64以两种方式减少NO_x排放物。首先，它通过改变窑炉废气的温度延长了氨气注入***48有效运行的时间，使其在理想的运行温度范围内维持更长的时间。更具体地，燃烧器64可以点火以提供温度高于窑炉废气的废气并提供多余的热量，在加热周期的早期提高窑炉废气的温度。燃烧器64还可以点火以产生温度低于窑炉废气温度的废气，如果需要，可以在加热周期的后期降低窑炉废气温度。其次，如果需要，燃烧器64可以用于进一步控制窑炉废气温度在较窄的温度范围内，使得氨气注入***48可以在其峰值效率运行。如前面所讨论的，优选的是废气的温度在870～1090℃，但是可以相信，如果在927～1010℃的温度范围内把窑炉废气送入***48，可以改进氨气注入***48的效率。

在本说明书中所表示的和描述的本发明的形式表示了优选的实施方案，可以理解的是，可以作出各种变化而不离开下面的权利要求书所确定的本发明的范围。

Claims (19)

1、一种控制玻璃熔化过程的NO_x排放物的方法，其中，熔窑中的燃料燃烧产生了含有NO_x化合物的废气，所说的窑炉废气从所说的熔窑通过一个蓄热室，到达所说的蓄热室的下游区域，这种方法包括下列步骤：当所说的窑炉废气在预定的温度范围内时，在所说的下游区域向所说的窑炉废气中注入氨气，以减少NO_x化合物的含量，在所说的下游区域内的窑炉废气的温度在所说的预定温度范围之外时，在所说的窑炉废气从所说的蓄热室向所说的下游区域流动时向所说的窑炉废气中引入另外的气体，使得当窑炉废气到达所说的下游区域时，所说的窑炉废气和所说的另外的气体的混合温度在所说的预定温度范围内。

2、根据权利要求1的方法，其中，所说的气体引入步骤包括在一定温度下注入气体的步骤，使得在所说的下游区域，所说的窑炉废气和所说的注入气体的混合温度在约870～1090℃之间。

3、根据权利要求2的方法，其中，所说的气体注入步骤包括在所说的蓄热室和所说的下游区域之间的一个区域内，以要求的温度向所说的窑炉废气中引入来自至少一个过剩空气燃烧器的废气的步骤。

4、根据权利要求3的方法，其中，当所说的窑炉废气温度低于所说的预定温度范围时，所说的燃烧器气体温度高于所说的窑炉废气温度，当所说的窑炉废气温度高于所说的预定温度范围时，所说的燃烧器废气温度低于所说的窑炉废气温度。

5、一种控制玻璃熔化过程的NO_x排放物的方法，其中，熔窑中的燃料燃烧产生了含有NO_x化合物的废气，所说的窑炉废气从所说的熔窑通过一个蓄热室，到达所说的蓄热室的下游区域，其中，所说的窑炉废气在所说的下游区域的温度在第一个温度范围内波动，这种方法包括下列步骤：当所说的窑炉废气在第二个温度范围内时、第二个温度范围在所说的第一个温度范围之内，在所说的下游区域向所说的窑炉废气中注入氨气，以减少NO_x化合物的含量，在所说的窑炉废气从所说的蓄热室向所说的下游区域流动时向所说的窑炉废气中引入另外的气体以调整所说的窑炉废气温度，使得当窑炉废气到达所说的下游区域时，所说的窑炉废气和所说的另外的气体的混合温度在所说的第二个温度范围内。

6、根据权利要求5的方法，其中，所说的另外的气体引入步骤包括在一定温度下注入气体的步骤，使得在所说的下游区域，所说的窑炉废气和所说的注入气体的混合温度在约870～1090℃之间。

7、根据权利要求6的方法，其中，所说的气体引入步骤包括在一定温度下注入气体的步骤，使得在所说的下游区域，所说的窑炉废气和所说的注入气体的混合温度在约927～1010℃之间。

8、根据权利要求6的方法，其中，所说的气体注入步骤包括在所说的蓄热室和所说的下游区域之间的一个区域内，以要求的温度向所说的窑炉废气中引入来自至少一个过剩空气燃烧器的废气的步骤。

9、根据权利要求8的方法，其中，所说的燃烧器废气引入步骤包括把所说的燃烧器废气引入到所说的蓄热室之下的分配空间中的步骤。

10、根据权利要求8的方法，还包括在所说的氨气注入步骤中把氢气注入到所说的窑炉废气中的步骤。

11、根据权利要求8的方法，还包括下列步骤，即监测所说的窑炉废气温度并根据所说的窑炉废气温度的变化相应调整所说的燃烧器废气温度，使得所说的窑炉废气和所说的燃烧器废气的混合温度在到达所说的下游区域时在所说的第二个温度范围内。

12、根据权利要求11的方法，其中，当所说的窑炉废气温度低于所说的第二个温度范围时，所说的燃烧器气体温度高于所说的窑炉废气温度，当所说的窑炉废气温度高于所说的第二个温度范围时，所说的燃烧器废气温度低于所说的窑炉废气温度。

13、根据权利要求11的方法，还包括当所说的窑炉废气从所说的蓄热室到所说的下游区域时，监测所说的窑炉废气的温度。

14、根据权利要求13的方法，还包括在所说的熔窑和所说的蓄热室之间的一个区域内向所说的窑炉废气中喷入燃料的步骤，从而通过所说的喷入的燃料的燃烧消耗所说的窑炉废气中氧气。

15、一种熔化玻璃的窑炉，包括：

一个熔化室；

一个蓄热室，其中来自熔化室的窑炉废气通过所说的蓄热室，到达所说的蓄热室的下游区域；

安装在所说的下游区域处的氨气喷射器，用于在通过所说的下游区域的所说的窑炉废气在预定温度范围内时，喷入氨气以还原NO_x化合物；

在所说的蓄热室和所说的下游区域之间向所说的窑炉废气中引入预定温度的气体的气体注入器，使得在所说的下游区域处，所说的窑炉废气和所说的注入的气体的混合温度在所说的预定温度范围内。

16、根据权利要求15的窑炉，其中，所说的气体注入器包括至少一个过剩空气燃烧器。

17、根据权利要求16的窑炉，还包括一个位于所说的蓄热室之下的分配空间，并安装所说的过剩空气燃烧器向所说的分配空间内的窑炉废气中引入废气。

18、根据权利要求17的窑炉，还包括一个温度显示器，以监测窑炉废气温度。

19、根据权利要求17的窑炉，还包括当所说的窑炉废气通过所说的蓄热室时，向所说的窑炉废气中喷入燃料的燃料喷射器。

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