利用安装于顶部的、分段燃烧的氧燃料燃烧器来加热玻璃熔融炉的方法

摘要

一种可任意地容纳同流换热器、交流换热器、电力增热或用于向玻璃批料提供热量的其它装置的工业玻璃熔炉,该熔炉顶部装有至少一个分级燃烧的氧燃料燃烧器,通过向氧燃料燃烧器提供燃料流,提供热量,来熔化玻璃批料;提供与所述氧燃料燃烧器相联系的气体氧化剂流;将燃料和氧化剂喷入熔炉;以及燃烧燃料,以使在所述玻璃成形材料附近实现至少一部分的燃烧,使传递至所述玻璃成形材料的对流和辐射热增强,并且不会显著地扰动玻璃成形材料。在一实施例中,氧燃料燃烧器适合喷射液体燃料。在另一实施例中,氧燃料燃烧器适合燃料的分级燃烧,并包括至少一个外部氧化剂喷射器和两个内部燃料喷射器,最内部的燃料喷射器适合高速燃料喷射,而位于最内部的燃料喷射器和外部的氧化剂喷射器之间的另一个燃料喷射器适合低速燃料喷射。

说明书

相关申请的相互对照

本申请是1999年8月16日提交的美国申请No.09/374,921的部分继续申请。

技术领域

本发明涉及用于玻璃熔融的、安装于顶部的氧燃料燃烧器的使用。本发明还涉及在玻璃熔融炉顶部中利用内部或外部燃烧分段的至少一个氧燃料燃烧器的使用。本发明既可应用于燃烧100％氧燃料的熔炉，又可应用于电力或非氧燃料的装置(例如一或多个空气燃料炉或其结合)加热的熔炉。

背景技术

在一实施例中，本发明涉及玻璃熔融炉的顶部中的至少一个氧燃料燃烧器的使用，以使生产能力扩大或保持现有的生产能力，而且可减少电力增热或产生损坏已有的热量回收设备(例如同流换热器或间流换热器)的结果。该过程包括用氧燃料的能量更换一部分现有的或先前存在的空气燃料或电能容量。除了端部燃烧式交流换热炉和电炉以外，该过程包括阻塞交流换热口或隔离同流换热燃烧器。特别是设计的选择，进入熔炉的未加工批料上方的燃烧器的角度和定位可提高熔融率、使产量增加、提供更好的能量效率以及改善玻璃的质量。燃烧器中的燃烧的化学计量比、燃烧器的富-贫相互作用以及熔炉区域的燃料/氧气分段的精确控制可以在使一氧化氮和二氧化硫的散发量最小的同时用于优化热传递。

交流换热器、同流换热器、电力和直接燃烧式熔炉通常已经包括在玻璃和相关的玻璃烧结产品的制造中。

空气燃料的交流换热炉分为两类：交叉燃烧式和端部燃烧式。交叉燃烧式交流换热炉具有多个开口，熔炉的每一侧通常具有三至八个与共同的或隔开的交流换热器相连的开口，以便预热燃烧空气。根据熔炉的运行，具有多种形状和尺寸的交流换热器每隔15-30分钟转换一次。在每次转换循环期间，来自风扇的燃烧空气通过换向阀中的通道进入熔炉一侧上的交流换热器的基部，并且在进入与熔炉相连的开口之前被预燃。在开口下方、上方、通过该开口或开口的侧面喷射油和/或气体形式的燃料，产生在玻璃熔融炉中燃烧的火焰。燃烧的热产物通过相对侧的开口、并通过交流换热器的格子砖向下地离开熔炉，释放热量然后通过换向阀中的第二通道离开排气烟囱。在引入燃烧的空气侧的交流换热器冷却时，排气交流换热器加热，直至转向阀转换以及燃烧空气进入先前的热排气交流换热器。

玻璃的熔化一部分是由于空气燃料火焰的辐射，但主要是被燃烧产物加热的顶部和壁面的再辐射。为使熔炉获得更高的玻璃生产能力，许多熔炉借助浸没在玻璃中的电极使用电力增热，该方法较为昂贵，并且会导致玻璃接触池壁的损坏。经过一段时间，由于热/结构损坏和/或未加工的玻璃成形材料(也被称为原料或批料)的转移或玻璃批料释放的挥发性物质的冷凝，可以使交流换热器阻塞。当交流换热器开始阻塞或失效时，炉中空气的预热温度降低，而炉中的气压升高，炉的热效率降低。为保持相同的玻璃生产率，需要更多燃料和燃烧空气。更重要的是，由于炉中压力增加，玻璃的生产率必须降低，以致不会破坏构成熔炉的上层结构的耐火材料。

为了恢复不再受前面的交流换气器问题的影响的生产能力，或者为了增加无阻碍熔炉的生产，可通过四种装置使用氧气：富含氧气的普通空气、开口火焰下方的特殊氧气枪、在第一开口与进气端壁之间安装氧气燃料燃烧器以及安装通过开口的水冷式氧燃料燃烧器。这些技术所增加的能力受到通道、工艺要求或耐火温度极限的限制。

端部燃烧式交流换热炉的运行与交叉燃烧式炉类似；然而，该炉在端壁上只有两个与单独交流换热器相连的开口。使用与交叉燃烧式熔炉相同的机理以及类似地利用电力和氧气增热会使交流换热器损坏。

为了恢复不再受上述交流换气器问题的影响的生产能力，或者为了增加生产，可通过三种装置来使用氧气：富含氧气的普通空气、开口下方的特殊氧气枪以及安装通过熔炉的氧燃料燃烧器。由于炉内的温度极限、位置并涉及熔炉的过热，这些技术的能力通常会受到限制。

同流换热炉采用至少一个同流换热型热交换器。与交流换气器不同，同流换热器与使用废气预热燃烧空气的热顺流换热器是顺次排列的，该燃烧空气通过管道沿熔炉的两侧输送至单独空气燃料燃烧器。同流换热炉也可电力增热。与交流换热炉相同，同流换热器的效率和预热空气的能力开始失去。它们会被阻塞或者在分离燃烧空气和废气的诸壁之间产生渗漏。

为了恢复不再受上述同流换气器问题的影响的生产能力，或者为了增加生产，可通过三种装置来使用氧气：富含氧气的普通空气、空气燃料燃烧器下方的特殊氧气枪以及安装通过熔炉护壁的氧燃料燃烧器。由于熔炉位置的限制并涉及熔炉的过热，这些技术的能力通常会受到限制。

直接燃烧式熔炉不利用预热的空气，因此其效率小于前面的熔炉设计示例。为了提高热效率或增加生产能力，侧壁氧燃料燃烧器已经代替了空气燃料燃烧器。

电炉或使用电力进行大多数熔化的熔炉的运行成本通常较为昂贵，并且其炉龄短于通常燃烧化石燃料的熔炉。一旦设计出来，很难使其生产能力增加。本发明涉及在工业中通常称为热顶(hot top)和暖顶的电炉，并且不应用于冷顶炉。

授予Lauwers的美国专利No.5,139,558揭示了玻璃熔融炉中的水冷、高动量的安装于顶部的、燃烧辅助氧气的燃烧器的使用，该燃烧器以相对于玻璃流指向下游的角度指向已熔化和固体玻璃成形组分的分界面，藉此用机械的方法保持固体玻璃成形组分，从而防止逸出熔化区域。

授予Cable的美国专利No.3,337,324揭示了使用一向下燃烧的燃料器来熔化玻璃熔炉中的批料的方法，该燃烧器位于水冷炉的进给端的上方。

在过去，曾设想过玻璃工业中的安装于顶部的燃烧器，但又被忽视了。已经察觉到安装于顶部的燃烧器释放的热量过大，导致炉顶(顶部)的熔化。另外，来自燃烧器的高动量火焰吹动周围的批料，损坏炉壁并且在玻璃熔化表面产生一层气泡(通常称为泡沫)。

近来，提议将安装于顶部的氧燃料燃烧器安装在具有耐火材料衬里的玻璃熔化器。这些燃烧器以受控的速度相对于玻璃成形材料的表面以大于45°的角度向下引导，以致不会将松散的批料输送到炉气中，还可进一步地控制所述燃烧器，以使大致呈圆柱形的燃料和氧气流在玻璃成形材料的顶面附近燃烧。这将使传递入玻璃的热量显著增加，同时使耐火材料的温度保持在安全运行极限内，避免熔炉顶部和壁面的过热。该技术途径使用安装于顶部的燃烧器(未分段)作为未装备交流换热器或同流换热器玻璃熔融炉中的主要热源，在授予LeBlanc的美国专利申请No.08/992,136中叙述了这种技术途径，如果在下面写出的话，本文将援引该专利作为参考。

在授予Taylor的美国专利No.5,458,483中揭示了具有整体分段的氧燃料燃烧器的设计。然而，该设计并未考虑其在安装于顶部的结构中的作用。

在安装于玻璃熔融炉顶部的至少一个氧燃料燃烧器运行时，需要提供在改善热传递和/或降低一氧化氮散发量的实施例中用于燃烧分段的方法。

发明内容

本发明涉及使用或不使用交流换热器或同流换热器的余热回收装置和/或富含氧气的100％氧燃料玻璃熔炉和空气燃料熔炉的氧燃料增热。因此，本发明涉及现有玻璃熔炉的修改和用于专门用途的最新设计的玻璃熔炉。

根据本发明，可使用至少一个安装于顶部的氧燃料燃烧器使所有设计的玻璃熔融炉得以提高，该燃烧器位于未加工批料的上方，当材料进入熔炉时，该燃烧器可提高熔融率并改善玻璃的质量和/或玻璃的产量。根据熔炉的条件和类型，由于这些燃烧器的设计和定位产生的玻璃熔化的速率和产量增加，因此可实现下列情况中的至少一种或多种：玻璃产量增加；玻璃质量改善；电力增压的减少；由于热量回收的效率较低(即交流换热器被阻塞)，使废品率复原；代替富含氧气的炉气，可减少氧气的使用；代替氧气喷枪，可减少氧气的使用；代替通过玻璃熔炉的诸壁进行定位的传统的氧燃料燃烧器，可减少氧气的使用；降低熔炉上层结构的温度；增加熔炉的炉龄；改善能量的效率；减少氧化氮和二氧化硫的散发量；减少化石燃料的使用；减少重复利用的碎玻璃；控制玻璃离开时的温度以及增加玻璃的产量。

本发明可应用于以下类型的熔炉。在本发明的热顶电炉的应用中，将至少一个氧燃料燃烧器安装于熔炉的顶部。在本发明的交叉燃烧式交流换热炉的应用中，有时必须使至少一对相反的开口完全或部分地阻塞或分离。在本发明的端部燃烧式交流换热炉的应用中，将至少一个氧燃料燃烧器安装于熔炉的顶部，燃烧空气流将减少原始设计的最大气流的一部分。在本发明的所有交流换热炉的应用中，将至少一个氧燃料燃烧器安装于熔炉的顶部。在多个燃烧器的熔炉中，应移走靠近安装于顶部的燃烧器的安装于壁面的燃烧器，以使空气供应隔绝。在单个燃烧器或单个开口的应用中，燃烧空气流将减少原始设计的最大气流的一部分。

在本发明的所有直接燃烧式熔炉的应用中，将至少一个氧燃料燃烧器安装于熔炉的顶部。在多个燃烧器的熔炉中，应移走靠近安装于顶部的燃烧器的安装于壁面的燃烧器，以使空气供应终止。在单个燃烧器或单个开口的应用中，燃烧空气流将减少原始设计的最大气流的一部分。

在所有以上情况中，本发明的范围实际上是相同的：先前由空气燃料或氧气燃料包括但未排除使用电力增热或传统的氧气增热的方法完成的玻璃熔化被安装于顶部的氧燃料燃烧器代替，该氧燃料燃烧器位于进入熔炉的未加工批料的上方，以便提供熔融率和/或改善玻璃的质量和/或玻璃产量。由于这些燃烧器具有定位于特定位置的能力，因此使传递至未熔化的未加工批料的热量增加。

在所有情况下，至少一个安装于顶部的氧燃料燃烧器位于进入熔炉的未加工批料的上方，以提高熔融率并改善玻璃的质量，而在所有多个开口和多个燃烧器的空气燃料应用中，至少一对开口或一对燃烧器被隔绝。在所有单个开口和单个燃烧器的应用中，燃烧空气和燃料减少到最大设计的下面部分。安装于顶部的更高效率的燃烧器可提供代替过程中消耗的传统能量的能量以及达到工艺要求所需的附加的能量。将燃烧器定位在进入熔炉的未加工批料的上方，以提高熔融率。可以控制氧气和燃料的化学计量比以及安装于顶部的燃烧器和剩余的空气燃料燃烧器的流动特性，以使玻璃熔炉中散发的一氧化氮和二氧化硫的数量最小。

本发明的又一实施例涉及利用内部或外部燃烧分段的至少一个氧燃料燃烧器，该燃烧器位于玻璃熔融炉的顶部。该实施例可应用于燃烧100％氧燃料的熔炉和使用电力或非氧燃料(例如空气燃料燃烧器)装置进行加热的熔炉。应用于氧燃料燃烧式熔炉可使熔融率增加，其结果达到改善玻璃质量、玻璃生产能力和玻璃的单位产量的能量效率(通过化石燃料或电力增热的减少)中的至少一种。将本发明应用于非氧燃料熔炉可改善玻璃的质量，以及提高生产能力或保持现有的生产能力，而且可减少电力增热或已有的热量回收设备的破坏。在改型安装中，其工艺过程包括通过位于熔炉顶部的、具有整体或外部燃烧分段的至少一个氧燃料燃烧器，用氧燃料能量补充或更换一部分现有的或先前存在的氧燃料、空气燃料或电能容量。

在新的玻璃熔炉的安装中，本发明使用100％氧燃料燃烧器，包括至少一个安装于顶部的氧燃料燃烧器，该燃烧器可用于整体或外部分段燃烧。或者，所有燃烧器都安装于顶部。

因此，本发明提供一种在玻璃熔融炉中熔化玻璃成形材料的方法，所述熔炉具有一后壁、诸侧壁上方的护壁以及一与顶部相连的下游前壁，其中，用于装填玻璃成形批料的至少一批料装填装置容纳于所述后壁和所述侧壁中的至少一个之中，所述方法包括：

在所述批料上方的所述熔炉的顶部设置至少一氧燃料燃烧器，其中，所述至少一氧燃料燃烧器适合分段燃烧；

向所述至少一氧燃料燃烧器提供燃料流；

提供与至少一氧燃料燃烧器相联系的气体氧化剂流；

将燃料和氧化剂喷入所述熔炉；以及

燃烧来自所述至少一氧燃料燃烧器的所述燃料，以便在所述玻璃成形材料附近实现至少一部分燃烧，使传递至所述玻璃成形材料的对流和辐射热增强，并且不会显著地扰动所述玻璃成形材料。

在一实施例中，本发明提供了一种在玻璃熔融炉中熔化玻璃成形材料的方法，所述熔炉具有一后壁、诸侧壁上方的护壁以及一与顶部相连的下游前壁，其中，用于装填玻璃成形批料的至少一批料装填装置容纳于所述后壁和所述侧壁中的至少一个之中，所述方法包括：

在所述批料上方的所述顶部中提供至少一个氧燃料燃烧器；

向至少一氧燃料燃烧器提供液体燃料流；

提供与至少一氧燃料燃烧器相联系的气体氧化剂流；

将燃料和气体氧化剂喷入所述熔炉；以及

燃烧所述燃料。

在该实施例中，一氧燃料燃烧器适合分段燃烧，该方法包括：

燃烧来自至少一个所述氧燃料燃烧器的所述燃料，以便在所述玻璃成形材料附近实现至少一部分燃烧，使传递至所述玻璃成形材料的对流和辐射热量增强，并且不会显著地扰动所述玻璃成形材料。

在又一实施例中，本发明提供了一种在玻璃熔融炉中熔化玻璃成形材料的方法，所述熔炉具有一后壁、诸侧壁上方的护壁以及一与顶部相连的下游端前壁，其中，用于装填玻璃成形批料的至少一批料装填装置容纳于所述后壁和所述侧壁中的至少一个之中，所述方法包括：

在所述批料上方的所述熔炉的顶部设置至少一氧燃料燃烧器，其中，所述至少一氧燃料燃烧器适合燃料的分段燃烧，并包括至少一个外部氧化剂喷射器和两个内部燃料喷射器，最内部的燃料喷射器适合高速燃料喷射，而位于最内部的燃料喷射器与外部氧化剂喷射器之间的另一燃料喷射器适合低速喷射；

向所述至少一氧燃料燃烧器提供燃料流，其中通过最内部的燃料喷射器的燃料流具有的动量高于通过另一燃料喷射器的燃料流的动量；

向外部氧化剂喷射器提供气体氧化剂流，所述外部氧化剂喷射器具有的动量低于通过最内部的燃料喷射器的燃料流的动量；

燃烧来自所述至少一氧燃料燃烧器的所述燃料，以便在所述玻璃成形材料附近实现至少一部分燃烧，使传递至所述玻璃成形材料的对流和辐射热量增强，并且不会显著地扰动所述玻璃成形材料。

在又一实施例中，本发明提供了一种氧燃料燃烧器，它包括至少一个外部的氧化剂喷射器和两个内部的燃料喷射器，最内部的燃料喷射器适合高速燃料喷射，而另一燃料喷射器适合低速燃料喷射。

在又一实施例中，本发明提供了一种在玻璃熔炉中熔化批料的方法，该玻璃熔炉具有交流换热器、同流换热器和/或电力增热，所述熔炉具有诸侧壁、一后壁、一前壁和一顶部，该方法包括：

在所述批料上方的所述熔炉的顶部中设置至少一个燃烧器；

向所述至少一个燃烧器提供气体氧化剂流；

向所述至少一个燃烧器提供气体燃料流；

产生来自至少一个所述燃烧器的火焰，所述火焰具有的速度足以使从所述火焰向所述批料传递的热量最大，而且不会显著地扰动所述批料；以及

从所述熔炉顶部的至少一个氧气喷射器向所述批料的表面或其附近的完全燃烧提供另外的氧气。

附图说明

下面将结合附图对本发明进行详细叙述，这将使本发明的特征和其它目的和优点变得更为清楚，其中：

图1是本发明的玻璃熔融炉的纵截面图。

图2A是图1中沿线2-2截取的玻璃熔融炉的交叉燃烧式交流换热的实施例的截面图。

图2B是图1中沿线2-2截取的玻璃熔融炉的端部燃烧式交流换热的实施例的截面图。

图2C是图1中沿线2-2截取的玻璃熔融炉的交叉燃烧式同流换热的实施例的截面图。

图2D是图1中沿线2-2截取的玻璃熔融炉的端部燃烧式同流换热的实施例的截面图。

图2E是图1中沿线2-2截取的玻璃熔融炉的单元熔炉实施例的截面图。

图3是图1中沿线3-3截取的玻璃熔融炉的截面图，该图示出了靠近熔炉的上游端壁的两个氧燃料燃烧器。

图4是图1中沿线3-3截取的玻璃熔融炉的又一截面图，该图示出了靠近熔炉的上游端壁的一氧燃料燃烧器。

图5是一氧燃料燃烧器的截面图，该图示意性地表示了来自氧燃烧器的燃烧器火焰。

图6是具有整体分段燃烧的、安装于顶部的氧燃料燃烧器的玻璃熔融炉的截面图。

图7是具有相关的外部燃烧分段装置的、安装于顶部的氧燃料燃烧器的截面图。

图8是玻璃熔融炉的平面示意图，该玻璃熔融炉具有一组安装于顶部的、以不同的化学计量比运行的氧燃料燃烧器，以实现中间燃烧器的分段。

图9是玻璃熔融炉的截面图，该玻璃熔融炉具有一安装于顶部的氧燃料燃烧器和一相关的氧气起泡器，该起泡器可以通过熔化向玻璃批料的表面提供分段的氧气。

图10是本发明的具有分段氧气喷射器的、安装于顶部的氧油燃烧器的截面图。

图11是一燃料分段的氧燃料燃烧器的剖切示意图。

具体实施方式

在用于本发明的玻璃熔炉中，一典型燃烧器以燃料与氧化剂的特定比率排出燃料与空气或氧气的混合物，产生一可燃混合物。一旦点火，该可燃混合物将燃烧，产生用于加热和融化玻璃批料的火焰。本发明的工艺不用于利用传统的化石燃料来燃烧的空气燃料和氧燃料炉，后者主要是通过来自熔炉的壁面和顶部的直接辐射和来自火焰的直接辐射来实现传热。因此除了辐射传热部分以外，该工艺过程利用至少一个安装于顶部的氧燃料燃烧器来向玻璃批料表面的诸如二氧化碳和水蒸汽的稳定的燃烧产物提供显著的对流传热，该对流传热起因于反应中间物质(例如一氧化碳、氢气和羟基)的冲击和最终反应。当氧燃料燃烧器整体(在燃烧炉体内)或外部分段时，该类型的传热增强，以使一部分燃烧延迟，藉此降低火焰温度和辐射热损耗，直至到达玻璃表面。结果，向熔炉的上层结构传递的热量减少。

用于燃烧的适当燃料包括但不限于具有环境温度或处于预热形态的甲烷、天然气、液化天然气、丙烷、液化丙烷气、丁烷、诸如城市煤气、发生炉煤气或类似的低BTU气体、汽化或雾化油、煤油或柴油或其混合物。较佳的氧化剂包括：富氧的空气，其含氧体积大于20.9％至约80％，最好大于50％，例如采用过滤、吸收、薄膜分离或类似方法生产的富氧的空气；不纯净的氧气，其含氧体积为约80％至约95％，例如采用诸如真空摆动吸附工艺生产的不纯净的氧气；以及“工业”纯氧，其含氧体积为约90％至约100％，例如采用低温空气分离装置生产的“工业”纯氧。可引入具有环境温度或处于预热形态的氧化剂。通常通过一燃烧器组件将燃料和氧化剂引入熔炉。

燃烧器组件通常包括：一燃烧炉体，该燃烧炉体包括一具有入口和出口的燃烧室；燃烧器装置，该燃烧器装置用来将燃料注入燃烧炉体中形成的燃烧室；以及用来将氧气注入燃烧室的装置。在操作中，排放的氧气与燃烧室内部的排放燃烧器装置提供的燃料混合。点燃这种可燃的燃料和氧气混合物，形成根部在燃烧室中、梢部在燃烧室外的火焰。如果待使用的燃烧器组件包括用于次级燃烧目的的“内部分段”燃烧器，燃烧炉体还可包括用于引导燃烧室外部的氧气通到诸如燃烧室出口周围的氧气排放口的旁通装置，例如燃烧室入口周围的氧气排放口。在操作中，氧气可通过燃烧炉体中形成的旁通装置到达氧气排放口，并且从燃烧炉体中被喷入包含一部分火焰的、位于熔炉燃烧室外部的一下游“第二段”区域，以便加热或熔化玻璃批料。

在某些特定的较佳实施例中，整体分段的燃烧炉体由耐火材料制成，并包括一外壁，该外壁包括燃烧室入口和入口周围的多个氧气进入口。燃烧炉体还包括一炉壁，该炉壁被构造成位于炉子中，并且包括燃烧室出口和出口周围的多个氧气排放口。在可替代的实施例中，如下所述，可将一或多个氧化剂进入装置设置于燃烧炉体的外部，以使炉中实施分段燃烧。

用于耐火燃烧炉体的适当材料包括但不限于二氧化硅、富铝红柱石、氧化锆(ZrO₂)、熔铸的氧化铝—氧化锆—二氧化硅(AZS)、重新结合的AZS或结合的氧化铝(Al₂O₃)。在某种程度上，玻璃熔炉中待熔化的玻璃类型可确定被选择的特定材料。

已经提出了用于玻璃熔炉燃烧器的分段燃烧，例如将富含氧燃料混合物的燃料从燃烧器中注入熔炉以及通过燃烧炉体外部的装置注入另外的氧气，以便提供完全燃烧来代替从燃烧器排出。在安装于顶部的燃烧器的情况中，完全燃烧最好发生在未加工批料的表面附近。较佳地是，安装若干另外的氧气喷射器以使完全燃烧延迟至火焰紧密接触到未加工批料的表面以后。另外的喷射器的位置取决于燃烧器的所需的操作条件以及燃烧器的位置和数量。根据本发明，尽管为获得理想的延迟燃烧效果，氧气喷射器可定位于其它位置，但将至少一个氧气喷射器装置安装在熔炉的顶部或拱顶可较佳地提供外部分段燃烧。

根据本发明，最好将至少一个氧燃料燃烧器定位在未加工批料(或碎玻璃)上方的熔炉顶部(或拱顶)，并且指向批料的表面。燃烧器的位置尽可能地靠近最冷的批料的批料装填装置，并接近装填有玻璃成形材料的熔炉后壁，以便由于更高的温差而迅速地熔融。传统的空气燃料或氧气燃料燃烧器可通过安装于顶部的燃烧器下游的炉壁进行定位，以提供一精炼区域并确保反应物完全燃烧。或者，安装于顶部的氧燃料燃烧器可以向靠近熔炉的下游端壁(即熔炉的前壁)的批料装填装置的下游传热。

由于一部分燃烧发生在玻璃熔炉的批料表面，将对流式传热加入到传统的辐射式传热，因此本发明的安装于顶部的氧燃料燃烧器是成功的。此外，根据本发明的较佳实施例，设有整体或外部分段燃烧的、安装于顶部的氧燃料燃烧器的使用可延迟氧气与燃料的混合，以设计燃烧区域进一步远离顶部。这将导致更多的燃烧局限在玻璃的未加工批料或熔化材料的表面，以便增加对流传热和辐射传热。将高温火焰移离顶部以避免破坏结构，以及使其更靠近玻璃以促进热传递。另一优点是本发明的安装于顶部的分段燃烧实施例允许工艺在具有更高顶部的熔炉结构中运行。通过分离足够数量的两气流(只有氧气/只有燃料或者燃料贫乏/富含燃料的混合)来形成延迟，在一实施例中，两气流相互成一角度，以使其中心流线汇集在批料或熔化表面上。

当天然气是纯甲烷、氧化剂是纯氧时，氧气/天然气燃烧器在化学计量比为2∶1的情况下运行。传统的锥形火焰氧气/气体燃烧器使用管中的同心管结构——内管提供气体、外管提供氧气。于是火焰长度变成两气流的速度和两气流之间的相对速度差的函数，它将影响两气流之间的分界面处的混合速率，并因而影响燃烧速率。由于两气流将在离开管子时开始膨胀，因此它们立即开始混合，并且在十分靠近燃烧器排放点的位置开始燃烧。

本发明将两气流(燃料和氧化剂)分离成两股或多股分离的气流，在一实施例中，燃料气流可以仅作为气体燃料或作为小于氧气化学计量比的同心管燃烧器进行操作。通过一或多根另外的管引入需要完全燃烧的剩余氧气(可任意选择直至所需氧气的100％)，所述诸管的位置与气管的距离足够地远，直至它们向目标(玻璃材料的表面)行进一段充分的距离，两股气流才会混合。只要混合发生在超过燃烧器的排放点，两气流分离的角度可低至0°(平行)或者高达90°(如果通过炉壁突起)或者达到180°(如果从熔化表面的下方冒泡)。

如上所述，本发明的工艺的一个优点是使安装于顶部的燃烧器进一步地远离目标(即从顶部到玻璃材料表面的距离更大)的运行能力。该情况允许安装于顶部的氧燃料燃烧器在已有的熔炉设计中运行，对于未分段的、安装于顶部的燃烧器来说，其顶部通常离批料过远，以致无法实现任何有效的对流传递率。

请参见附图，图中示出了一玻璃熔融炉10，该熔融炉用于向玻璃前炉或精炼器12提供熔化的玻璃，熔化的玻璃在该前炉或精炼器中进一步地被精炼，随后被送至一或多个玻璃成形机，例如容器、成纤器、漂浮池及类似装置(图中未示出)。考虑到附图，可以理解的是一旦揭示或解释本发明，考虑到某些细节是传统的且是本技术领域中的熟练人士众所周知的，因此为清晰起见，没有提供结构的某些细节。由于每种熔炉的交流换热器开口、空气燃料燃烧器和排气装置各不相同，因此这些特定零件被排除在外。

玻璃熔融炉10通常包括一伸长槽，该槽具有一上游端壁14和一下游端壁16、侧壁18、一底部20和一顶部22，它们都是由合适的耐火材料制成的，例如氧化铝、二氧化硅、氧化铝—二氧化硅、锆石、氧化锆—氧化铝—二氧化硅、氧化铬和类似材料。所示顶部22通常是在垂直槽的纵向轴线的横向上是拱形的，然而，顶部可以是任何适当的设计。典型的玻璃熔融炉10的顶部22位于未加工的玻璃成形材料的表面上方约3-15英尺之间。如同本技术领域中众所周知的那样，玻璃熔融炉10可随意地包括一或多个起泡器24和/或成对的电力增热电极(图中未示出)。起泡器和/或电力增热电极使大块玻璃的温度升高，并使批料覆盖层下的已熔化玻璃的循环增加。

玻璃熔融炉10包括两连续区域：一熔融区域27和一下游净化区域28。熔融区域27被认为是玻璃熔融炉10的上游区域，使用一种本技术领域中众所周知的装料装置32将未加工的玻璃成形材料装入熔炉。未加工的玻璃成形材料30可以是通常在玻璃制造中使用的原料的混合物。可以理解的是未加工的玻璃成形材料(或批料)30的成分取决于生产的玻璃的类型。通常，该材料尤其包括含有二氧化硅的材料，包括玻璃碎片(通常称为碎玻璃)。也可使用其它玻璃成形材料，所述材料包括但不限于长石、霞石正长岩、石灰石、白云石、纯碱、碳酸钾、硼砂、高岭粘土和氧化铝。为了改变玻璃的特性，也可加入少量的砷、锑、硫酸盐、硫化物、碳、氟化物和/或其它成分。此外，可加入钡、锶、锆和铅的氧化物用于特殊目的的玻璃，可加入其它成色金属氧化物以获得理想的颜色。

未加工的玻璃成形材料30在玻璃熔融炉10的熔融区域27中的已熔化玻璃表面上形成固体颗粒的批料层。主要通过至少一个氧燃料燃烧器34来熔化未加工的玻璃成形材料30的漂浮固体批料颗粒，该氧燃料燃烧器可控制安装在玻璃熔融炉10的顶部22中的冲击火焰的形状和长度。应予理解的是根据本发明发现在未加工的玻璃成形材料30上方的玻璃熔融炉10的顶部22中的至少一个氧燃料燃烧器34的安装和正确控制可使未加工的固体玻璃成形材料的熔化速率增加，并同时在可接受的运行限制内保持周围的耐火材料的运行温度。

本文使用的短语“至少一个氧燃料燃烧器”的含义是一或多个氧燃料燃烧器。同样本文使用的100％氧燃料的含义是所有燃烧器适宜采用氧气或富含氧气的空气(与仅采用空气相比)作为氧化剂。此外，本文使用的短语“主要使用一或多个氧燃料燃烧器”指的是改型安装的条件，其中另外或恢复玻璃生产能力和代替空气燃料以及用于熔化未加工的玻璃成形材料的电力/氧气增热能量来自至少一个氧燃料燃烧器。在一特定实施例中，如图1和2A所示，玻璃熔融炉10包括三个氧燃料燃烧器34。一单个的氧燃料燃烧器34位于两个邻近放置的下游氧燃料燃烧器的上游。然而，应予理解的是几乎可将任何数量的氧燃料燃烧器34置于批料上方的熔炉10的顶部22的任何适当位置，以使未加工的玻璃成形材料30熔化。例如，可将两个氧燃料燃烧器34放置成图3描述的并排关系或如图4描述的一单个氧燃料燃烧器。尽管如此，根据本发明，玻璃熔融炉的顶部22中的每一氧燃料燃烧器34的角度可如此定向：产生大体上垂直指向玻璃批料表面的火焰36，以产生紧密接触玻璃表面的火焰，形成一冲击区域26。在一较佳实施例中，氧燃料燃烧器34的位置相对于未加工的玻璃成形材料30约以90度的角度基本垂直于批料。在某些实施例中，在下游端壁(即前壁)方向上偏离垂线的角度可达到45度，但最好小于10度。已经发现使用本发明的至少一个向下点燃的氧燃料燃烧器34来熔化未加工的玻璃成形材料30可改善玻璃生产率和玻璃生产的质量，该氧燃料燃烧器可控制冲击火焰的形状和长度。

至少一个氧燃料燃烧器需要燃料和氧化剂。燃料可以是气体或液体或两者的组合。气体燃料包括上面列出的燃料以及上述气体的混合物。液体燃料包括重燃料油、中等燃料油和轻燃料油、煤油和柴油。液体燃料需要雾化和/或汽化。可通过机械装置或次级雾化介质进行雾化，所述次级雾化介质包括空气、蒸汽、氧气、任何上述气体燃料以及某些情况下的惰性气体。汽化依靠燃烧气体的周围产物的热量使油蒸发。如上所述，氧化剂可以是100％的纯氧气或氧气与惰性气体的混合(较佳的氧气浓度为50-100％)。

请参见图5，玻璃熔融炉10的顶部22中的至少一个氧燃料燃烧器34具有至少一根用于提供燃料的燃料导管40和至少一根用于提供氧气流的氧气导管42。取决于玻璃熔融炉10的尺寸和所需的拖动速率，氧燃料燃烧器34的容量范围从约0.5到约15MM Btu/小时。将氧燃料燃烧器34设计成使用氧气的百分比高于空气中存在的氧气的百分比，因而使来自氧燃料燃烧器34的火焰36的冲击区域上方的温度基本上高于利用空气燃料燃烧器的传统玻璃熔融炉的温度。尽管本技术领域中的熟练人士众所周知的是氧燃料燃烧器34产生的火焰36的温度取决于燃料的质量和氧气/燃料的比例。在一较佳实施例中，氧燃料燃烧器34的氧气浓度通常处于燃烧燃料所需氧气的化学计量的大约95％-125％的水平。然而，可以改变燃料对氧气的比例，以产生玻璃熔融炉10中的运行条件的范围，影响一或多个要求的特性，包括诸如氧化还原级别、玻璃的颜色、交易中称为气泡和气眼的气泡级别以及其它玻璃特性。

氧燃料燃烧器34从位于玻璃熔融炉10的顶部22的燃烧炉体38处向下延伸。每一初级燃烧炉体38包括一开口，该开口的内径(id)根据结构至少与最大导管42或40的外径相同。燃烧炉体38的开口的内径(id)的范围约在2-8英寸之间。氧燃料燃烧器34的初级燃烧区的端部位置与燃烧炉体38的端部的距离(LBb)约在0-18英寸之间。次级与某些情况下的三级燃烧区在燃烧炉体的外部。应予理解的是：在某些情况下，氧燃料燃烧器34的端部与燃烧炉体的端部之间的燃烧炉体38的开口可使燃烧器的火焰集中并防止燃烧器的火焰向外扩展，但此外还能保护燃烧器的导管。燃烧炉体38由业界众所周知的耐火材料构成，并且可以是任何适当的外形，例如矩形及类似形状。

燃烧炉体38的底面可与底部22的内表面平齐，或者底面可从顶部的内表面的下方突出约2英寸的距离，以保护燃烧炉体38和邻近的顶部免受磨损。此外，如图5所示，氧燃料燃烧器34的燃料导管40和氧气导管42在燃烧炉体38中向下延伸，并且终止在距离燃烧炉体的出口基本相同的垂直高度或完全不同的垂直高度处。

根据燃烧炉体38与未加工批料相距的高度和燃烧器的理想运行条件，燃烧炉体38的内部和外部的燃料分段和氧气分段的比例将会变大。设置另外的氧气喷射器60可使完全燃烧延迟至火焰紧密接触未加工批料之后。这些另外的喷射器60的设置取决于安装于顶部的燃烧器的数量和位置，然而它们实际上可设置于顶部和壁面的任意一点。

根据本发明，可精确地控制至少一个氧燃料燃烧器34产生的方向向下的冲击火焰36，以使火焰的长度大于或等于从燃烧炉体38出口到未加工的玻璃成形批料30的表面或已熔化的玻璃表面的距离，火焰远离周围的耐火材料，藉此降低玻璃熔融炉10的顶部22和侧壁18过热的风险。用诸如化学处理中的传统及标准的控制装置来控制冲击火焰36。例如，阀门、热电偶、与适当的伺服电路耦合的热敏电阻、热控制器及类似装置是容易获得的，并可传统地用于控制来自氧燃料燃烧器34的燃料和氧气的数量和速度。

通过控制燃料和氧气流的相对速度和最大及最小速度以及来自至少一个氧燃料燃烧器34的内部和外部分段可以精确地控制冲击火焰36。

必须控制紧密接触未加工的玻璃成形材料30的燃料和氧气流的最大及最小速度，以便在保持对未加工的玻璃成形材料表面的最佳对流传热的同时，防止批料的扰动以及抵靠于熔炉的侧壁18和顶部22的玻璃批料的挟带或位移。应予理解的是抵靠于侧壁18和顶部22的玻璃批料的位移会有害地影响耐火材料，并且可能缩短玻璃熔融炉10的运行寿命。

为了确定用于燃料和氧气流的适当的最大速度，垂直地安装燃烧器，并使该燃烧器向下烧进多条槽横过的一层玻璃砂。在将燃烧器调整到从砂层到燃烧器缩入炉体(LBb)的不同高度的同时，记录觉察砂层在运动时的燃烧率。将来自这些实验的数据与在商业上可购得的计算流体动力学程序上运行的模拟数据作比较，从而得出上述实验中跨过扰动的砂层面上的最大速度。

        表1  最大的燃烧器燃烧速率(MM Btu/小时)

                     高度(英尺)

    (LBb)   5英尺   6英尺   7英尺   8英尺    13    3.9    4.4    5.4    6.2    11.5    4.9    5.0    6.2    6.8    9    5.5    6.1    6.4    7.1    6.5    6.4    7.2    7.4    8.1    4    6.9    8.8    8.3    9.1

通过与CFD模型的比较，可以从这些实验中确定最大表面速度约为21米/秒。由于批料、批料抛光和批料微粒内聚的差异，准确的最大值与上面计算出的最大值不同，因此，业界中的熟练人士可使最大速度改变至25米/秒。然而，为使批料的扰动和挟带减至最小，最大速度应保持在30米/秒以下。

还可以控制氧燃料燃烧器34的燃料和氧气的最大和最小速度，以便利用来自冲击火焰36的最大能量，而不损坏周围的耐火材料。通过使向玻璃熔融炉10的燃烧空间释放的热量减至最小，并且使传递至未加工的玻璃成形材料30的热量增至最大，以此可获得来自冲击火焰36的最大能量。用氧燃料燃烧器34的最大和最小运行速度的范围产生可接受的向未加工的玻璃成形材料30传热的速率，并且不会破坏耐火材料制成的炉壁和上层结构，该范围是氧燃料燃烧器的设计和定位、燃烧炉体开口的几何形状、来自氧燃料燃烧器34的燃料和氧气的速度、燃烧器的分段、邻近的氧燃料燃烧器、燃料燃烧器和炉膛排烟的相互作用的函数。

滞止区域56是火焰36透过热边界层并紧密接触未加工的玻璃成形材料30的表面的区域。在该区域56中，火焰36透过热边界层并紧密接触未加工的玻璃成形材料表面，在表面处形成使偏转的火焰的水平流加速的一急剧的压力梯度，该压力梯度使火焰沿冲击表面径向向外地伸展。将滞止区域56的端部定义为未加工的玻璃成形材料表面上的冲击火焰36产生的压力梯度降至零的位置。在滞止区域56中，通过仔细地控制火焰36的动量，以便穿透并消除自然存在于未加工的玻璃成形材料30的表面的热边界层，从而削弱其强热阻特征。因此，冲击火焰36产生的热量更容易地透入部分熔化的未加工的玻璃成形材料30。此外，在滞止区域56中，火焰36的发光度显著增加，使进入相对较冷的未加工的玻璃成形材料30的辐射传热增强。

贴壁射流区域58开始于滞止区域56的径向界限处。在该区域中，火焰36的流动基本上与冲击表面平行，而热边界层沿冲击表面并从滞止区域56处向外发展，因而热边界层开始增大，使热量流入未加工的玻璃成形材料表面的表面阻力恢复。

自由射流区域54中受控的火焰发热量是氧燃料燃烧器34、燃烧炉体38的开口的内径(id)以及氧和燃料流的相对速度和最大及最小速度的设计的结果。有选择地控制氧燃料燃烧器34的设计、燃烧炉体38的几何设计以及氧和燃料流的速度，以便在氧气与气流之间产生降低的剪应力，提供受控的局部燃烧和减少的热辐射散发。应予理解的是通过优化燃烧器的设计和氧燃料燃烧器34的运行，自由射流区域54中产生的火焰热量和滞止区域56中的未加工的玻璃表面处的传递热阻降至最小，从而使滞止区域中产生的热量增至最大。

自由射流区域54中产生热量是以下过程的结果。首先，自由射流区域54中的受控的局部燃烧可控制未加工的玻璃成形材料30的表面处的燃烧，从而使燃烧过程靠近未加工的玻璃成形材料的表面。燃烧过程靠近未加工的玻璃成形材料30的表面可在未加工的玻璃成形材料的表面处产生升高的温度梯度，从而改善对流传热。其次，自由射流区域54中的受控的局部燃烧产生可接受的温度，该温度可用于燃烧气体和燃烧产物的化学分解。这些分解物质一旦紧密接触未加工的玻璃成形材料30的相对较冷的表面，所述物质将会部分重组并放热，在未加工的玻璃成形材料的表面产生显著的热量。来自放热反应的热量进一步地增加对流传热过程。未加工的玻璃成形材料30的表面的滞止区域56处的热阻的最小化是以下因素的结果。

首先，通过受控的火焰36的动量以及仔细地控制未加工的玻璃成形材料30的表面处的燃烧特性所产生的紊流来消除热边界层。其次，局部表面产生的热量可将热传导性较低的未加工的玻璃成形材料30转化成传导性较好的已熔化的玻璃材料。该转化可使表面产生的热量更有效地透入未加工的玻璃成形材料的深度。

在图2A的具有交流换热器81的交叉燃烧式交流换热炉中，本发明的较佳实施例采用至少一个安装于顶部的燃烧器34，该燃烧器位于进入熔炉的未加工材料的上方，以便提高熔融率并改善质量，恢复或促进生产能力或降低电力增热容量。安装于顶部的燃烧器34在冲击区域26中冲击批料30的表面。在本发明所有的交叉燃烧式交流换热炉的应用中，完全或部分地阻塞或隔离至少一对相对的开口71。根据所需的增热量，这通常是第一开口、或许是第二开口。如果有若干安装于顶部的燃烧器设置在未熔化的批料上方，另外的安装于顶部的燃烧器可位于玻璃池的下方。安装于顶部的燃烧器释放的能量可代替脱离先前的点燃口释放的能量以及传统电力或氧气增热的能量。

在图2B的具有交流换热器81的端部燃烧式交流换热炉中，本发明的较佳实施例采用至少一个安装于顶部的燃烧器34，该燃烧器位于进入熔炉的未加工材料的上方，以便提高熔融率并改善质量，恢复或促进生产能力或降低电力增热能力。在本发明所有的端部燃烧式交流换热炉的应用中，燃烧空气和传统燃料的需求从先前的设计中减少，并可用来自至少一个安装于顶部的燃烧器34的能量进行代替，该燃烧器位于未加工批料的上方，并且在冲击区域26中冲击批料。如果有若干安装于顶部的燃烧器设置在未熔化的批料上方，另外的安装于顶部的燃烧器可位于玻璃池的下方。安装于顶部的燃烧器释放的能量可代替从点燃口减少的能量以及传统电力或氧气增热释放的能量。

在图2C的具有同流换热器82的交叉燃烧式同流换热炉中，本发明的较佳实施例采用至少一个安装于顶部的燃烧器34，该燃烧器位于进入熔炉的未加工材料的上方，以便提高熔融率并改善质量，恢复或促进生产能力或降低电力增热能力。在本发明所有的交叉燃烧式同流换热炉的应用中，使用一挡块74来完全或部分地阻塞或隔离至少一对相对的燃烧器73。根据所需增热量，这通常是第一燃烧器区域、或许是第二区域。如果有若干安装于顶部的燃烧器设置在未熔化的批料上方，另外的安装于顶部的燃烧器可位于玻璃池的下方。安装于顶部的燃烧器释放的能量可代替先前的点燃口释放的能量以及传统电力或氧气增热释放的能量。

在图2D的具有同流换热器82的端部燃烧式交流换热炉中，本发明的较佳实施例采用至少一个安装于顶部的燃烧器34，该燃烧器位于进入熔炉的未加工材料的上方，以便提高熔融率并改善质量，恢复或促进生产能力或降低电力增热能力。在本发明所有的端部燃烧式同流换热炉的应用中，先前的设计使燃烧空气和传统燃料的需求减少，并可用来自至少一个安装于顶部的燃烧器34的能量进行代替，该燃烧器位于未加工材料的上方。如果有若干安装于顶部的燃烧器设置在未熔化的批料上方，另外的安装于顶部的燃烧器可位于玻璃池的下方。安装于顶部的燃烧器释放的能量可代替从点燃口减少的能量以及传统电力或氧气增热释放的能量。

在图2E的直接燃烧式熔炉中，本发明的较佳实施例采用至少一个安装于顶部的燃烧器，该燃烧器位于进入熔炉的未加工材料的上方，以便提高熔融率并改善质量，恢复或促进生产能力或降低电力增热能力。在本发明所有的直接燃烧式熔炉的应用中，先前的设计使燃烧空气和传统燃料的需求减少，并可用来自至少一个安装于顶部的燃烧器的能量进行代替，该燃烧器位于未加工材料的上方。在多个空气燃料燃烧器应用中，至少一个燃烧器74将被隔离。如果有若干安装于顶部的燃烧器设置在未熔化的批料上方，另外的安装于顶部的燃烧器可位于玻璃槽的下方。安装于顶部的燃烧器释放的能量可代替从点燃口减少的能量以及传统电力或氧气增热释放的能量。

在一热顶电炉中，本发明的较佳实施例采用至少一个安装于顶部的燃烧器，该燃烧器位于进入熔炉的未加工材料的上方，以便提高熔融率并改善质量，恢复或促进生产能力或降低电力增热能力。如果有若干安装于顶部的燃烧器设置在未熔化的批料上方，另外的安装于顶部的燃烧器可位于玻璃池的下方。安装于顶部的燃烧器释放的能量可代替从点燃口减少的能量以及传统电力或氧气增热释放的能量。

在所有的情况下，仔细地选择不同的安装于顶部的燃烧器和剩余的空气燃料燃烧器的化学计量比，可使氧化氮和二氧化硫减少。请参见图2A交叉燃烧式熔炉的应用示例，安装在AL或AR位置的燃烧器34在氧气的化学计量比过量的情况下运行，在炉中形成一燃料贫乏(氧化)区域。位置BC处的燃烧器34和/或第二开口71处的燃烧器在氧气或空气的化学计量比较小的情况下运行，在炉中形成一富含燃料(还原)区域。剩余的开口在氧气的化学计量比过量的情况下运行，在炉中形成一燃料贫乏(氧化)区域。这种富-贫-富的结构有效地将熔炉的燃烧区域分段，通过形成一氧化碳的过滤网来优化热传导，并使氧化氮的形成降至最低。

可将至少一个安装于顶部的氧燃料燃烧器34放置在新的空气燃料的玻璃熔融炉10或改装成现有的空气燃料的玻璃熔融炉，以便相对于只点燃空气燃料的熔炉提高玻璃的质量。应予理解的是与本文所述的未改装至少一个安装于顶部的氧燃料燃烧器的同样的空气燃料燃烧器相比，本发明促使拖动速率显著地增加、玻璃熔融炉10的壁面温度下降以及玻璃质量改善。此外，如同业界的熟练人士容易理解的那样，与一个全空气燃料系统不同，至少一个氧燃料燃烧器的使用是明显地降低NOx散发量，这将取决于氧燃料火焰和空气燃料火焰的化学计量比。

示例1改装有安装于顶部的氧燃料燃烧器

本发明的一示范是氧气增热——转化成100％的氧气，再转化成氧气增热，最终形成现有的3热开口交叉燃烧式交流换热炉的传统空气燃料点燃。熔炉最初点燃所有的空气燃料。用至少一个安装于顶部的氧燃料燃烧器来代替开口#1的点燃。熔炉用传统的方式点燃在剩余的两开口上交流换热的空气燃料。在第二阶段中，然后用至少一个安装于顶部的氧燃料燃烧器来代替开口#2的点燃，并用传统的方式点燃在第三开口上交流换热的空气燃料。在第三阶段中，用已安装于顶部的氧燃料燃烧器中的能量来代替开口#3的点燃。炉容量从每天55吨增加至85吨，能量输入从23.5mm BTU/小时降低至18mm BTU/小时。在递增阶段中，将熔炉重新转化成空气燃料点燃。该示例证明了对现有的空气燃料炉选择性增热的能力，以及提供来自安装于顶部的氧燃料燃烧器的用于玻璃熔炉的全部热量输入。该过程不需要水冷燃烧器。

示例2具有整体氧气分段的燃烧器和燃烧炉体

借助燃烧器的结构或与燃烧炉体相结合的燃烧器示出了一种设有氧气整体分段的氧燃料燃烧器，该燃烧器可增加热传递并降低NO_x。根据本发明，玻璃熔融炉110的顶部111设有至少一个该类型的整体分段的燃烧器103。燃烧器103理想地位于未加工批料130的上方，并且最好成这样一角度，以使角α(图6中的α)沿炉中的玻璃流104的方向约等于91°至135°。

示例3具有外部氧气分段的燃烧器和燃烧炉体

请参见图7，该图示出了位于安装于玻璃熔融炉111的顶部的带有燃烧炉体121的燃烧器122，燃烧器122具有位于燃烧器122和炉体121外部的2-8个氧气喷射器112，该燃烧器可产生比未分段燃烧器高的热传递。燃烧器122相对于玻璃表面并沿炉中的玻璃流的方向所成的角度最好是从约91°至约135°。根据该示例，通过初级氧燃烧器133喷射化学计量比为0％至约90％的喷射氧气，通过氧燃烧器112喷射剩余的100％至约10％的次级燃烧氧气134，该氧喷射器112相对于玻璃表面所成的角度从约0°至约90°。如同本业界中的熟练人士所理解的那样，为每个熔炉特定地设计分段开口的数量、角度和程度，以使燃料145的燃烧延迟至紧密接触未加工的玻璃批料的表面或其附近。

示例4至少两个安装于顶部的燃烧器之间的中间燃烧器的分段

根据本发明，通过至少两个安装于顶部的燃烧器之间的中间燃烧器的分段可实现利用氧燃料燃烧器的燃烧分段。燃烧器之一运行于亚化学计量等级(即处于富含燃料模式)，而第二或另外的燃烧器在完全燃烧要求的氧气平衡(即处于燃料贫乏模式)情况下运行。在传统的空气燃料交流换热的玻璃熔炉110增热时进行实验，后燃烧器162中的两个燃烧器在燃料贫乏模式中运行，而上游的安装于顶部的氧燃料燃烧器161在富含燃料的模式中运行(图8)。该运行模式在空气燃料贫乏区域的后面产生氧燃料贫乏区域，该氧燃料贫乏区域靠近富含氧燃料的区域。根据该方法运行玻璃熔炉的结果是熔炉的容量增大，而以每吨为基础的氮的氧化物的散发量减少。也可结合两个先前详细叙述的分段燃烧实施例来应用这种中间燃烧器的分段方法。

示例5在具有氧气泡的玻璃熔融炉中分段燃烧

本发明的分段燃烧的方法之一包括与至少一个安装于顶部的燃烧器(图9)结合的氧气起泡器的使用。氧气泡可应用于一些玻璃制造中，例如用机械的方法在已融化的玻璃内促进对流。氧气可以溶解在玻璃中，在正常的运行条件下只有极少量(化学计量比小于5％)的氧气被注入玻璃。将至少一个安装于顶部的氧燃料燃烧器105放置在单个氧气起泡器108或一排或一束起泡器的上方，可使安装于顶部的氧燃料燃烧器105在化学计量或亚化学计量的状态下运行，并借助位于玻璃熔炉110的底部的起泡器108提供剩余的燃烧氧气134。这将增强玻璃131表面处的、用于燃料的次级燃烧或局部氧化燃烧产物或反应中间物的氧气的利用率。

示例6氧油燃烧器

传统的用于玻璃熔融炉的燃油和氧油燃烧器依靠双流体喷雾器(使用蒸汽或压缩气体)或机械喷雾器(使用压力或旋转能)雾化的油滴的燃烧。通过喷雾的推力和微滴的尺寸来控制火焰的形状。传统的氧油燃烧器在靠近顶部的位置释放高比例的热量。

如图10所示，在该氧油燃烧器的设计中，通过至少二个喷嘴136或多个喷嘴将大部分燃烧氧气(大于约60％)喷射至超过油雾的不可见燃烧区域的位置，所述喷嘴形成与油流137分离、但基本上在该油流周围的同心环。这些喷嘴的中心线最好与水平线成约45°至约101°的角度。氧气的分段产生诸如上文所述的反应中间物质，并使完全燃烧延迟至紧密接触未加工的批料或其附近。例如借助雾化介质138、借助一另外的同心氧气管(图中未示出)或诸如使用一氧气枪(图中未示出)在炉中进行第三级喷射，在靠近油流137并与该油流同心处立即喷射剩余的氧气，以获得完全燃烧。由于表面上另外的对流传热，因此该氧油、分段、安装于顶部的燃烧器使向顶部释放的热量最小，同时使向未加工批料传递的热量最大。可使用具有入口139和出口140的水冷套来冷却燃烧器。

使用激光多普勒安尼姆测量仪(Laser Doppler Annemometry)对来自该喷雾器的油滴微粒的尺寸进行测量，已经示出的玻璃工业中通常用于传统融化的油雾化器在用压缩空气雾化时产生的平均微粒直径约为50微米(50×10E-06米)。

我们已经发现在该燃烧器和其它系列的燃烧器中，油雾的燃烧将延迟至油遇到氧气流。可以看到可见的“无火焰”距离喷雾器顶端达18英寸。在热玻璃熔融炉中的不可见燃烧阶段期间，吸热蒸发使油微粒的尺寸减小。在利用一安装于顶部的燃烧器时，该吸热反应从周围环境吸收辐射热能，并有利地降低向炉顶传递的净热辐射。

本发明包括喷雾器的使用，该喷雾器产生的微粒尺寸明显大于约100微米(100×10E-6米)。产生较大微粒所需的热量较少，结果使火焰的推力减少。部分雾化的大油滴从安装于顶部的燃烧器中自由落下，并且至少在靠近顶部的吸热、不可见燃烧区域中部分地蒸发。

然而，燃烧反应物和燃料产物在未加工批料表面处的最大速度应小于30米/秒，以避免未加工原料的含空气的运动。

由于气体(例如氧气)自由射流扩展约11°，紧靠燃料出口设置的氧气出口使氧气紧密接触紧靠出口点的燃油射流。因此，最好使氧气出口所成的角度从约45°地会聚于燃料流的轴线到与约11°地从燃料流的轴线处发散，以实现氧气的分段及因此的燃烧。使用外部分级燃烧器以及设置于燃烧炉体中的氧气出口处的整体分级燃烧器可实现上述情况。

改变在火焰中导致含碳物质异常辐射的机理可以进一步地降低氧油火焰产生的辐射损失。导致这些物质形成的两个共同过程是：油滴中较少的挥发成分的液相裂解与重整以及导致煤烟形成的气相凝结反应。大的油滴尺寸和芳香族化合物(例如沥青烯)的存在将加剧前面的机理。在高温和富含燃料的区域中促进第二机理，借助多条反应路径使部分饱和的气相反应物(例如乙炔)在该区域中发生反应，最终形成芳香族网状物和固体煤灰。

在一实施例中，本发明较佳地利用高度雾化来产生量级为大约5至50微米、最好是大约10至50微米的小油滴，以便缩短液相消耗的时间。因而，液相裂解将减至最小，并且使任何生成的固体碳质残渣细致地分开，从而通过其增加的表面积更容易氧化，在初始燃烧器区域中快速混合雾化介质。例如通过导出燃料雾化与氧化剂流之间产生的相对速度差来增加气相中的切应变率，这种快速混合迅速地稀释每一油滴周围的富含燃料的区域，从而形成基本上更同质均匀的混合物，该混合物包括汽化的燃料微滴、氧化剂、雾化介质和局部燃烧产物。

燃料蒸汽与氧化的雾化介质的反应形成不易生成碳黑的局部预燃混合物。火焰的初始区域中引入的雾化介质的数量在很大程度上取决于燃料自身的碳黑生成性质，这是其化学构成的主要职能。

众所周知，碳黑的生成程度与油的碳氢比有关，较大的氢浓度可大量减少碳黑的生成趋势已成为一条广泛的规律。然而，在燃料的芳香度增加时，该趋势变得十分不稳定，例如石脑油极易于生成碳黑。因而，借助C∶H比的改变可有利地选择雾化介质本身，以降低碳黑的生成趋势。阻止碳黑生成趋势的雾化介质包括空气、氧气、蒸汽、天然气和氢气或其混合物。前两种物质具有单纯的氧化作用，后两种物质具有改变靠近燃烧器区域中的燃料蒸汽/雾化介质混合物中的C∶H比的作用，因而可避免碳黑的生成条件。蒸汽具有复合作用(与来自主火焰和/或熔炉的辐射热相结合)，可产生气化反应，使CO和H₂进一步反应。

在最初靠近燃烧器区域之后，原始的液体燃料流基本上变成气体燃料流，并以与上面讨论的分段气体燃烧器的使用经历相同的方式对周围的次级氧气流产生影响。

示例7燃料分级式氧燃料燃烧器

图11中示出了一种氧燃料燃烧器150，将该燃烧器设计成用于安装于顶部的玻璃熔融炉的应用，该设计使用的燃料分段原则来自一个外部氧化剂(氧气)喷射器和两个内部燃料喷射器；一中心燃料喷射器适合高速喷射和一环形燃料喷射器适合低速喷射。诸喷射器最好包括至少三根同心管。通过中央高压燃料射流142来控制燃烧器的火焰长度和氧化剂-燃料的混合，该燃料射流通过管壁152从第一燃料供给147处得到供给。高速、高动量的该气流控制火焰的形状和混合，而不是动量较低的燃料气体管套(shroud)143。该气流也高于氧气流的动量，以便控制混合。第二燃料供给148通过管壁152和管壁153形成的至少一个环形燃料喷射器同心地供应剩余的燃料143(约90-10％)，氧气供给146借助管壁151和管壁153形成的外部环形喷射器供应燃烧氧气141。由于喷射的动量较高，中央高压喷射器的尺寸可控制混合速率。由于次级气流的管套，可使中央射流分段。该配置提供用于推进燃料气体(例如天然气)并允许燃料气体以分段的方式在玻璃熔炉中的批料的表面附近与未加工批料和氧气相互反应的装置。或者，只要中央射流的动量较高，则中央高速射流的质量就低于低速燃料射流。

在一实施例中，高速中央射流可包括液体燃料燃烧器供应的液体燃料(例如油燃烧器)，而不是气体燃料，而低速燃料管套可包括气体燃料。

本文将援引所述专利和文件作为参考。

尽管已经结合某些特定的实施例详细地叙述了本发明，但本业界中的熟练人士将认识到的是在权利要求的精神和范围内具有其它实施例。因此，应予理解的是本发明并不限于上述特定实施例，还包括下面的权利要求定义的变型、修改和等价

实施例。