本发明涉及一种废料排放箱,该废料排放箱包括废料入口管和主体,主体包括下部、连接至入口管的中部、以及上部。将冷却空气引入主体以与废料混合。通过避免入口管中的直接混合,可避免或减少入口管中的固体积聚。侧端口和底部托盘可安装在主体上或主体内,从而便于维护和固体去除。本发明尤其有利于排放来自烧燃料的玻璃熔化器的废料,该玻璃熔化器熔化的玻璃材料包括诸如B
1.一种废料排放装置,包括:(I)废料入口管,用于从废料源吸入废气;以及(II)主排放管,所述主排放管包括:上部,所述上部在其壁上具有至少一个上部冷却气体进气孔,用于将冷却气体吸入所述主排放管,所述上部还具有与排放管流体连通的上端;中部,所述中部固定至所述入口管并与所述入口管流体连通;以及下部,所述下部具有下端;以及(III)入口冷却气体护套,所述入口冷却气体护套包围所述入口管的至少一部分,其中,引入到所述入口冷却气体护套中的冷却气体被引入废气流。
2.如权利要求1所述的废料排放装置,其特征在于,还包括:(IV)下部冷却气体护套,所述下部冷却气体护套包围所述主排放管的所述下部和/或所述中部的至少一部分。
3.如权利要求2所述的废料排放装置,其特征在于,所述下部冷却气体护套通过所述中部的壁上的端孔与所述主排放管的所述中部流体连通。
4.如前述权利要求中任一项所述的废料排放装置,其特征在于,所述主排放管的所述下部在其壁上具有至少一个下部冷却气体进气孔,用于将冷却气体吸入所述主排放管的所述下部。
5.如权利要求4所述的废料排放装置,其特征在于,还包括:(V)下部冷却气体进气增压室,所述下部冷却气体进气增压室包围至少一个下部冷却气体进气孔,并具有至少一个冷却气体入口,冷却气体通过所述冷却气体入口进入所述下部冷却气体进气增压室。
6.如权利要求1至3中任一项所述的废料排放装置,其特征在于,还包括:(VI)上部冷却气体进气增压室,所述上部冷却气体进气增压室包围至少一个上部冷却气体进气孔,并具有至少一个冷却气体入口,冷却气体通过所述冷却气体入口进入所述上部冷却气体进气增压室。
7.如权利要求6所述的废料排放装置,其特征在于,所述入口冷却气体护套通过所述主排放管的壁上的端孔与所述主排放管流体连通。
8.如权利要求7所述的废料排放装置,其特征在于,所述入口冷却气体护套包括至少一个叶片或隔壁,所述叶片或隔壁将所述入口冷却气体护套的内部空间分成迂回的通道。
9.如权利要求1至3中任一项所述的废料排放装置,其特征在于,所述主排放管的所述下部的所述下端包括用于维护所述主排放管的可打开端口。
10.一种使用玻璃熔化炉来制造玻璃材料的方法,所述玻璃熔化炉具有如前述权利要求中任一项所述的废料排放装置,所述废料排放装置连接至所述熔化炉以从所述熔化炉排放废气流。
11.如权利要求10所述的制造玻璃材料的方法,其特征在于,在所述上部的末端处,气流的平均温度低于约600°C。
12.如权利要求10或11所述的制造玻璃材料的方法,其特征在于,所述玻璃材料具有包括至少一种在所述熔化炉内在玻璃熔化温度下易挥发的组分的组合物。
13.如权利要求12所述的制造玻璃材料的方法,其特征在于,所述玻璃材料具有包括B₂O₃和/或SnO₂的组合物。
14.如权利要求10或11所述的制造玻璃材料的方法,其特征在于,直接排出所述玻璃熔化炉的废气流具有至少1400°C的平均温度。本申请要求2009年8月25日提交的美国临时专利申请第61/236557号的优先权权益。技术领域
本发明涉及熔化炉废料排放装置和方法。具体地说,本发明涉及熔化炉高温废料排放装置和方法,其使形成或夹带在废料中的固体具有较低的堵塞趋向。本发明例如用在熔化玻璃的玻璃熔化器中,用于制造诸如用作LCD衬底的玻璃板的各种玻璃产品。
背景技术
许多高温工艺会产生大量废料,这些废料包括许多固体颗粒或形成颗粒的气体,需要进行冷却和适当排出。例如,在熔化炉中、尤其是燃气罐中熔化玻璃材料的过程中,产生大量高温废料,这些废料可能包括大量配合料颗粒、成形玻璃材料、以及一旦冷却就可冷凝的气体,诸如玻璃材料的各种组分。高温废料在排出熔化炉时可能具有高达1500°C以上的温度,在将高温废料引入正常排放管之前必须对其进行冷却。先前已经联系各种玻璃熔化器设计和使用了各种废料排放装置和系统。然而,对于包含大量颗粒和可冷凝物的废料来说,许多排放装置具有以下缺点:易于形成、收集和积聚固体,这会最终导致排放通道收缩,降低排放效率和效力,导致频繁清洁甚至排放系统失效和工艺停机。这种不合需要的固体收集和积聚有时称作堵塞。本发明满足了有效和高效地排放高温废料的系统的需要,且不易发生堵塞。
发明内容
这里披露了本发明的几个方面。应能理解,这些方面可彼此交叠或不交叠。因此,一个方面的一部分可落入另一方面的范围内,反之亦然。每个方面通过多个实施例来说明,其又可包括一个或多个具体实施例。应能理解,这些实施例可彼此交叠或不交叠。因此,一个实施例的一部分或其具体实施例可落入或不落入另一实施例或其具体实施例的范围之内,反之亦然。本发明的第一方面是一种废料排放装置(101,201),该废料排放装置包括:(I)废料入口管(103),用于从废料源吸入废气(133);以及(II)主排放管(105,107,109;205,207,209),所述主排放管包括:上部(105,205),所述上部在其壁(129)上具有至少一个上部冷却气体进气孔(111),用于将冷却气体(138)吸入所述主排放管,所述上部还具有与排放管流体连通的上端(131);中部(107,207),所述中部固定至所述入口管(103)并与所述入口管流体连通;以及下部(109,209),所述下部具有下端(115)。在本发明第一方面的某些实施例中,装置(201)还包括:(III)下部冷却气体护套(219),所述下部冷却气体护套包围所述主排放管的所述下部(109)和/或所述中部(207)的至少一部分。在本发明第一方面的某些实施例中,所述下部冷却气体护套(219)通过所述中部(207)的壁(124)上的端孔(235)与所述主排放管的所述中部(207)流体连通。在本发明第一方面的某些实施例中,所述主排放管的所述下部(109)在其壁(120)上具有至少一个下部冷却气体进气孔(117),用于将冷却气体(134)吸入所述主排放管的所述下部(109)。在本发明第一方面的某些实施例中,排放装置(101)还包括:(IV)下部冷却气体进气增压室(119),所述下部冷却气体进气增压室包围至少一个下部冷却气体进气孔(117),并具有至少一个冷却气体入口(121),冷却气体通过所述冷却气体入口进入所述下部冷却气体进气增压室(119)。在本发明第一方面的某些实施例中,排放装置(101,201)还包括:(V)上部冷却气体进气增压室(113),所述上部冷却气体进气增压室包围至少一个上部冷却气体进气孔(111),并具有至少一个冷却气体入口(115),冷却气体(138)通过所述冷却气体入口进入所述上部冷却气体进气增压室(113)。在本发明第一方面的某些实施例中,排放装置(101,201)还包括:(VII)入口冷却气体护套(143),所述入口冷却气体护套包围所述入口管(103)的至少一部分。在本发明第一方面的某些实施例中,所述入口冷却气体护套通过所述主排放管的壁(124)上的端孔(235)与所述主排放管流体连通。在本发明第一方面的某些实施例中,所述入口冷却气体护套包括至少一个叶片或隔壁,所述叶片或隔壁将所述入口冷却气体护套的内部空间分成迂回的通道。在本发明第一方面的某些实施例中,排放装置(101,201)还包括:可拆卸的托盘,所述托盘设置在所述主排放管的所述下部(109,209)内以收集固体。在本发明第一方面的某些实施例中,所述主排放管的所述下部(109,209)的所述下端(115)包括用于维护所述主排放管的可打开端口。在本发明第一方面的某些实施例中,所述主排放管的所述中部(107,207)包括用于维护所述主排放管和/或所述入口管(103)的可打开侧端口(127)。在本发明第一方面的某些实施例中,所述侧端口(127)位于所述主排放管的与所述入口管相对的一侧上。在本发明第一方面的某些实施例中,所述上部(105,205)的上段具有沿着气流在工作过程中在主排放管内流动的方向渐缩的几何形状。本发明的第二方面是一种使用玻璃熔化炉来制造玻璃材料的方法,所述玻璃熔化炉具有如前述权利要求中任一项所述的废料排放装置(101,201),所述废料排放装置连接至所述熔化炉以从所述熔化炉排放废气流。在本发明第一方面的某些实施例中,主排放管的上端(131)处的气体压力低于熔化炉内的气体压力。在本发明第一方面的某些实施例中,主排放管的上端(131)处的气体压力低于用于吸入冷却气体的进气孔(111,117)或冷却空气入口(147,221)中的任一处的气体压力。在本发明第一方面的某些实施例中,在所述上部(105,205)的末端处,气流(139)的平均温度低于约600°C。在本发明第一方面的某些实施例中,所述玻璃材料具有包括至少一种在所述熔化炉内在玻璃熔化温度下易挥发的组分的组合物。在本发明第一方面的某些实施例中,所述玻璃材料具有包括B₂O₃或SnO₂或两者的组合物。在本发明第一方面的某些实施例中,直接排出所述玻璃熔化炉的废气流(133)具有至少1400°C的平均温度。在本发明第一方面的某些实施例中,没有冷却气体直接引入所述废料入口管(103)。在本发明第一方面的某些实施例中,在所述入口管的固定至所述主排放管的末端处,气体的平均温度为至少1000°C。在本发明第一方面的某些实施例中,基本上避免了入口管中的固体物质的积聚。在本发明第一方面的某些实施例中,废料排放装置的主排放管(105,107,109;205,207,209)定位成基本垂向的。在本发明第一方面的废料排放装置的某些实施例中,上部具有至少两个围绕上部的壁大致均匀分布的上部冷却气体进气孔。在本发明第一方面的废料排放装置的某些实施例中,下部具有至少两个在相同高度处、围绕下部的壁大致均匀分布的下部冷却气体进气孔。本发明各个方面的一个或多个实施例具有一个或多个下列优点。由于避免了高温废气流与冷却气体在水平入口管中混合,减少了在该入口管中可冷凝组分的冷凝和粉尘颗粒的沉淀,因此减少了固体材料在该区域累积的速度和量,从而导致排放箱堵塞的总体降低。此外,侧端口提供了维护废料入口管和主排放管的便利性,用于定期地去除入口管和主排放管内积聚的固体物质。此外,下端口可用作沉淀的粉尘颗粒和冷凝物在正常运行和维护期间的收集器,从而便于维护排放管并去除任何沉淀的固体材料。而且,入口管和主排放管被经过护套的冷却气流冷却,可延长排放箱的寿命,使排放箱能用较低成本的材料来构造。将在以下详细说明书中阐述本发明的其它特征和优点,对于本领域的技术人员来说,其部分可从说明书中容易地理解到或通过本文所述的本发明的实践而认识到,说明书包括详细说明、权利要求书以及附图。可以理解的是,以上的总体描述和以下的详细描述都只是本发明的示例,是为了提供对本发明的本质和特征的总体或构架的理解。包括附图是为了提供本发明的进一步理解,附图包含在该说明书中并构成该说明书的一部分。
附图说明
在附图中:图1是根据本发明一实施例的废料排放箱的示意图。图2是根据本发明另一实施例的废料排放箱的示意图。
具体实施方式
如同这里所使用的那样,“冷气体”、“冷稀释气体”、“稀释气体”、“冷却气体”和“冷却稀释气体”可互换地用来表示温度低于引入的或用来冷却的气流的气体。因此,“冷气体”、“冷稀释气体”、“稀释气体”、“冷却气体”或“冷却稀释气体”可以是温度低于要冷却的废料气流的空气流,或是低温的N₂、CO₂、H₂O、O₂或其它气体或其混合物的气流。来自烧燃料的玻璃熔化炉的废料流尤其可包括:(i)空气的正常组分,诸如O₂、N₂、CO₂、H₂O;(ii)氮氧化物(NO₂、NO等,统称为NO_x);(iii)玻璃材料的气态易挥发组分,诸如B₂O₃、SnO₂、P₂O₅等;(iv)熔化玻璃的固体颗粒;以及(v)装入熔化炉的各种配合料的固体颗粒,诸如硅、铝等。因此,废料流在可安全地排入大气之前,通常需要减轻污染的步骤。这些减轻污染的步骤可包括但不局限于降减NO_x、收集粉尘颗粒等。通常采用排放管道或导管来将废气排入远程的减轻污染设备。在这些废料排放管道中观察到的典型问题是粉尘颗粒的结团和易挥发组分在内壁上冷凝,这会长期导致堵塞以及排放效率和效力降低,假如在熔化炉的正常工作过程中无法去除堵塞的话,最终导致工艺停机。离开烧燃料的玻璃熔化炉的新鲜废气通常处于非常高的温度,典型地是1000°C以上,诸如高达约1500°C。为了降低管道的材料成本和维护成本,废料在进入废料管道的主要长段之前的冷却是非常需要的。这种冷却通常通过将低温冷却气体引入废料流来实现。参见图1,示出根据本发明一实施例的废料排放箱101。排放箱101包括废料入口管103,该废料入口管在其端部具有凸缘102以适于与废料源连接从而吸入废料流133。废料流133受限于入口管的内壁104内。在某些尤其有利的实施例中,废料入口管103是基本水平的,其允许废料流133沿着基本垂直于重力的方向行进。这种布置可降低入口管中的颗粒收集量,并降低该段中堵塞的可能性。入口管还可部分地或整体地采取其它定向,从而适应特定熔化炉设计和几何尺寸的需要。如上所述,对于烧燃料的玻璃熔化炉来说,进入入口管103的新鲜废料流133通常处于非常高的温度。因此,用来制造入口管103的材料应该理想地具有耐受这种高温的耐受力。尤其,耐受高温氧化的不锈钢是选择用于入口管103的良好材料。此外,如图1所示,入口管可通过经过冷却气体入口管144引入护套143的冷却气流147来冷却,该护套由包围废料入口管103的外部护套壁145来限定。如图1所示,冷却气流147经过主排放管(这将在下文更详细地描述)中部的壁124上的至少一个孔149引入废气流133。如图1所示,孔149的位置选定为冷却气流147不直接引入入口,从而避免高温废料133在入口管103内的直接混合和冷却,这种直接混合和冷却会引起入口管103的冷凝和堵塞。在其它实施例中,冷却气流147可排出护套143进入周围的大气,而不进入废气流133。冷却气流147的一个主要功能是降低入口管103的温度从而延长入口管的寿命。在一个有利实施例中,冷却气体护套143可包括一个或多个叶片或隔壁,这些叶片或隔壁将护套内部空间分成迂回的通道以供冷却气流通过,从而能更佳有效地冷却入口管103。废料排放箱101还包括主排放管,该主排放管包括三个部分:上部105、中部107和下部109。如图1所示,这三个部分是基本垂向的、同轴的(即三个部分的轴向彼此平行),且垂直于入口管103。然而,三个部分可沿不同方向定向,即,它们的轴线可相对于彼此形成非零角度,且它们的轴线可相对于入口管103的轴线呈现锐角或钝角。例如,下部109可经由肘管连接至中部107,该肘管具有0°-90°的角度,诸如15°、30°、45°、60°等。然而,无论下部相对于中部的定向如何,非常希望下部定位成使通过重力利于固体颗粒的积聚主要发生在下部,尤其发生在下部的下段。为此,下部的轴线可基本上垂向地定位。中部107固定至废料入口管103并与其流体连通。因此,废气流133与冷却气流147一起进入排放箱的中部107。侧端口127安装在中部107的与入口管103相对或相邻的侧壁124上。在一个实施例中,侧端口包括窗口,可通过该窗口观察中部107和入口管103。在另一实施例中,侧端口127包括门,可通过该门接近并维护排放箱和入口管,诸如清洁结团的粉尘颗粒。在中部下方,下部109固定至中部并与其流体连通,该下部包括壁120,该壁具有容纳在下部冷却气体进气增压室119内的多个下部冷却气体进气孔117。图1所示的冷却气体进气孔117基本上是圆形的,并且基本上处于壁120上的相同高度。然而,在其它实施例中,冷却气体进气孔117可采取其它几何形状,诸如槽形式,可位于不同高度,只要冷却气流134可以足够的流量和所需的方向引入下部109即可。例如,冷却气体进气孔117可以是容纳在增压室119内的错列的槽。下部冷却气流134可通过下部冷却气体入口121进入增压室119。一旦下部冷却气流进入下部109,它就形成向上行进的气流135。在上游位置,下部冷却气流135与废气流133和废料入口管冷却气流147组合起来,从而形成向上行进到排放箱的上部105的较大气流137。如图1所示,下部109还包括渐缩部123,该渐缩部位于冷却气体进气孔117和下部进气增压室119下方且终止于下端口115。在一个实施例中,下端口115包括用于收集粉尘颗粒的可滑动托盘(未示出)。因此,托盘可用来在熔化炉和排放箱正常工作过程中收集来自主排放管的粉尘颗粒,或在维护过程中去除的入口管103和主排放管的内壁上的沉积颗粒。在另一实施例中,下端口115包括门,可通过该门时时维护垂向管。如图所示,上部105包括壁129,该壁具有容纳在上部冷却气体进气增压室113内的多个上部冷却气体进气孔111。上部冷却气流138通过侧入口115进入增压室113,与气流137组合以形成更大的气流139,该气流139被例如下游泵或风机产生的低压141进一步向上驱动而行进。如图所示,上部包括具有渐缩直径的上游段和适于与下游气体管路连接的凸缘131。在其它实施例中,上游段可具有基本上圆柱形。图2示意地示出根据本发明第二实施例的废料排放箱201,其包括与图1实施例基本上相同的、被冷却气体护套143包围的废料入口管103。排放箱还包括与图1实施例的上部105基本上相同的上部205,中部207和下部209。排放箱201和排放箱101之间的主要差别在于下部和中部。如图2所示,下部209包括壁120,该壁不具有下部冷却气体进气孔或下部冷却气体进气增压室。相反,下部209的壁120和中部207的壁124的大部分在壁不被入口管103和侧端口127占据之处被冷却气体护套219包围。冷却气流234通过入口221引入护套219,向上行进,并通过壁124上的孔235进入主排放管。类似于用于废料入口管103的冷却气体护套143,冷却气体护套219可包括一个或多个叶片或隔壁(未示出),这些叶片或隔壁将护套的内部空间分成迂回的通道以供冷却气体通过,从而实现较高的冷却效率。冷却气体234的主要作用是保持主排放管的下部和中部的低温,从而减少氧化并因此降低维护需要。如图1和2的两个实施例所示,可在入口103内基本上避免废气流133与冷却气流135和138的直接混合。这种布置保持入口管内的相对高温,因此减少诸如B₂O₃、SnO₂和P₂O₅的可冷凝组分的冷凝,并减少冷凝物和其它固体的积聚。允许废气流与冷却气体的混合和降温主要发生在主排放管中,这里,冷凝物和掉落的粉尘颗粒可通过侧端口127和下部中的可滑动托盘进行收集和去除。本发明的第二方面涉及一种通过使用玻璃熔化炉熔化玻璃材料的方法,该玻璃熔化炉包括这里所述的废料排放装置。由于该设计能改进气流型式并关联地降低堵塞倾向,本发明的废料排放箱对于与熔化玻璃材料的燃气玻璃熔化器一起使用是尤其有利的,这些玻璃材料包括较高含量的易挥发组分,诸如B₂O₃、SnO₂和/或P₂O₅,它们易于冷凝和引起堵塞。如上联系排放装置的描述所述,该方法可有利地用于玻璃熔化工艺,导致对温度至少为1000°C、甚至高达约1500°C和更高的废气进行排放。该方法能在排放装置的末端在废气流进入常规导管之前,将废气流降温至低于800°C的温度,诸如低于700°C或低于600°C,该常规导管可能包含会被高于600°C的温度损坏的部件。对本领域的技术人员来说很明显,可对本发明进行各种修改和改变而不背离本发明的范围和精神。这样,本发明应涵盖对本发明的各种修改和变型,只要它们在所附权利要求及其等效内容的范围内即可。