本发明涉及一种用于制造玻璃纤维材料的方法和设施，其中在经由用富氧氧化剂燃烧燃料加热的熔化炉(10)中产生熔融玻璃。所产生的烟被用于以两个步骤来预热燃烧反应物：第一步，其中经由与这些烟热交换来加热空气，以及第二步，其中经由与该热空气热交换来预热该燃烧反应物。然后在用于将该熔融玻璃转变成玻璃纤维材料的方法中使用该空气。
用于制造玻璃纤维材料的方法和设施
[0001] 本发明涉及玻璃纤维产品的制造。
[0002] 术语“玻璃纤维产品”应理解为是指玻璃纤维本身以及还有含有它们的产品。
[0003] 已知的是通过以下方法制造玻璃纤维，该方法包括：借助于套管将来自熔化炉的玻璃纺成流、细化如此获得的流并且收集如此获得的细化的玻璃流。
[0004] 在以下各项之间进行区别：
[0005] a)借助于缠绕器或类似的缠绕构件的机械细化，
[0006] b)借助于一个或多个气体细化流通过气体摩擦的细化，以及
[0007] c)借助于离心机的离心细化。
[0008] 离心细化在工业实践中通常与通过气体摩擦的细化组合。
[0009] 根据通过气体摩擦细化的第一实施例(还被称为火焰细化)，玻璃流被冷却并固化，其中获得了玻璃棒。将该玻璃棒引入到火焰中。该棒的末端因此被熔化，并且随后被该火焰的燃烧气体细化，以便形成一根或多根玻璃棉长丝。火焰细化使得可能生产极细的玻璃纤维，但是展现出消耗大量能量的缺点，特别是因为该玻璃的双重熔化。火焰细化总体上用于具有高附加值的产品。
[0010] 根据通过气体摩擦细化的第二种方法(其是稍微较不耗能的，还被称为气体细化)，该熔融玻璃流直接地，也就是说不经过固化阶段，受一个或多个细化气体的流或者射流(如蒸汽或燃烧气体的流)的影响。
[0011] 根据将离心细化和通过气体摩擦细化组合的已知的方法，将该熔融玻璃流引入到离心机中并通过离心力转变成大量的熔融玻璃长丝。所述长丝随后被围绕该离心机的细化气体的圆柱形幕细化。后者方法提供了大部分用于隔离的玻璃纤维的生产。
[0012] 为了使通过气体摩擦的细化有效，在该细化期间玻璃的粘度必须足够低，这反过来要求该细化气体是非常热的，并且使得可能使该玻璃达到和/或将其维持在对应于低粘度的高温下。
[0013] 本发明的目的是提供一种用于制造玻璃纤维产品的方法，该方法被优化为消耗较少的能量。
[0014] 本发明的目的更具体地是提供此种优化的制造方法，而对这些玻璃纤维产品的品质没有负面影响。
[0015] 根据本发明，这特别地通过熔融玻璃生产的阶段和纤维化阶段的更好的能量集成来产生。
[0016] 本发明的另一个目的是提供一种用于实施此种优化方法的合适的设备。
[0017] 在根据本发明的制造方法中，将熔融玻璃转变成玻璃纤维产品。这种转变包括以下阶段：
[0018] ο将该熔融玻璃纺成至少一个流，
[0019] ο将该至少一个流细化成一根或多根长丝，并且
[0020] ο收集该一根或多根长丝。
[0021] 熔融玻璃到玻璃纤维产品的转变任选地还包括以下阶段中的至少一个：
[0022] ο在该一根或多根长丝的收集的上游上浆它们，
[0023] ο干燥该一根或多根长丝，
[0024] ο将粘合剂施加到该一根或多根长丝上并且交联该一根或多根收集的粘合剂处理过的长丝，以及
[0025] ο使该一根或多根长丝或含有它们的丝束变形。
[0026] 长丝的上浆是在玻璃纤维产品(如特别是玻璃丝束、玻璃织物和增强纤维)的制造中经常必要的普遍做法。
[0027] 这是因为在丝束形成(由纤维制造丝束)期间、在捻丝或加捻期间、在变形期间、在针织或织造期间等，该上浆使这些长丝润滑并保护它们(特别是免于磨损)。
[0028] 将粘合剂施加到长丝上并且交联这些粘合剂处理过的长丝是在制造隔离产品并且特别是隔热或隔音产品以及还制造防火产品中的普遍做法。施加粘合剂和交联还可以在制造非织造玻璃纤维织物中发生。
[0029] 这些长丝的干燥特别地可以具有用途以便通过蒸发或挥发存在于上浆剂/粘结剂中的水或另一种溶剂来将该上浆剂或该粘着性粘结剂固定到这些长丝上。
[0030] 这些长丝或含有它们的丝束的变形是在制造玻璃纤维纺织品产品(如特别是针织、织造或非织造玻璃纤维织物)中的普遍做法。该变形使得可能增加这些长丝或丝束的体积以及有时弹性。
[0031] 被转变成玻璃纤维产品的熔融玻璃是在通过用富氧化剂燃烧燃料而加热的熔化炉中产生的。在本发明上下文中，术语“富氧化剂”应理解为是指具有80vol％至100vol％的氧含量的气体。该燃烧产生了用于熔化的热量以及烟道气。将这些产生的烟道气在1000℃与1600℃之间的温度下从该熔化炉中排出。
[0032] 用富氧化剂的燃烧以高效率加热该炉。
[0033] 应该注意，通过用富氧化剂燃烧燃料加热该炉不排除该炉还通过附加的手段例如像电极进行加热。
[0034] 根据本发明，进行该制造方法的第一能量优化：
[0035] ο在于将空气通过与排出的烟道气在热交换组件中热交换来进行加热，其中获得热空气，
[0036] ο在于将反应物通过与该热空气在该热交换组件中热交换来进行预热，其中产生预热的反应物以及在200℃与500℃之间的温度的经调节空气，并且
[0037] ο在于将该预热的反应物用作该炉中的燃烧反应物。
[0038] 该反应物选自富氧化剂和气态燃料。根据优选的实施例，在该炉中使用富氧化剂之前预热该富氧化剂。
[0039] 还可能的是在该炉中使用富氧化剂和气态燃料之前预热该富氧化剂和气态燃料两者。在这种情况下，这两种反应物的预热可以串联或并联进行。
[0040] 进行该制造方法的第二能量优化在于在将该熔融玻璃转变成玻璃纤维产品期间采用由该热交换组件产生的经调节空气，以便利用仍存在于此经调节空气中的残余热量。
[0041] 此经调节空气可以用于该熔融玻璃的转变的一个或多个阶段中。
[0042] 因此，根据本发明的优选的实施例，在该流的细化期间可以采用经调节空气。在这种情况下，经调节空气可以用于产生一个或多个细化气体流或用于产生一个或多个细化火焰。
[0043] 当该转变包括上浆该一根或多根长丝的阶段时，在该上浆阶段期间可以采用经调节空气，例如通过使用经调节空气作为用于上浆剂的喷雾剂。
[0044] 当该转变包括通过喷雾将粘合剂施加到该一根或多根长丝上的阶段时，可以使用经调节空气作为用于粘着性粘结剂的喷雾剂。
[0045] 当该转变包括干燥该一根或多根长丝的阶段时，可以采用经调节空气作为与该一根或多根长丝接触的干燥剂。
[0046] 当该转变包括变形阶段时，可以使用经调节空气作为变形气体流并且更特别地作为变形空气湍流射流。
[0047] 由该热交换组件产生的经调节空气可以用于上述阶段之一或所述阶段中的若干个中。
[0048] 根据本发明，因此在一方面该熔化与另一方面该熔化下游的该熔融玻璃的转变之间产生能量协同作用，并且在这一点上在将该熔融玻璃转变成玻璃纤维产品期间采用由该热交换组件产生的经调节空气。
[0049] 在本发明上下文中，在不同温度的两种流体之间的“热交换”应理解为是指热量或热能从这两种流体之一(较热的流体)向这两种流体中的另一种(较冷的流体)通过一个或多个壁的传递，而无需这两种流体直接接触或混合。
[0050] “热交换器”或“交换器”应理解为是指设备或装置，其中不同温度的两种流体在分开的腔室或回路中移动，而没有在这两种流体之间的直接接触或混合，其中设备或装置热量从最热的流体通过分开这两个腔室或回路的一个或多个壁传输到最冷的流体。
[0051] 术语“长丝”指的是细化的流。
[0052] 为了改进该玻璃流的均匀性以及因此通过细化该流而获得的该一根或多根长丝的均匀性和品质，在该纺丝之前可以精炼该熔融玻璃。
[0053] 然后该玻璃的熔化和精炼可以在该炉的同一个熔化/精炼腔室中进行，然后精炼区位于熔化区的下游以及该熔融玻璃出口的上游(在该玻璃的流动的方向上)。
[0054] 该熔化和该精炼还可以在该炉的分开的腔室中进行，该精炼腔室位于该熔化腔室的下游。然后考虑的是该炉包括这两个腔室。
[0055] 根据一个实施例，该熔融玻璃直接地在该炉的出口挤出，例如通过位于该炉的熔融玻璃出口的套管。
[0056] 根据替代实施例，由该炉产生的熔融玻璃通过管道从该炉、也就是说从该炉的熔融玻璃出口向用于将该熔融玻璃纺成一个或多个流的套管运输。
[0057] 在本发明上下文中，术语“套管”指的是使得可能从熔融玻璃浴产生一个或多个熔融玻璃流的任何纺丝装置。该套管可以在若干个实施例中提供，如穿通金属板。该套管本身可以例如被电加热，以便防止一个或多个挤出/纺丝穿孔被(部分)固化的、确实甚至结晶的玻璃部分或完全阻塞。
[0058] 热交换组件有利地包括主交换器和次交换器。空气然后通过与从该熔化炉排出的烟道气在该主交换器中热交换来进行加热，并且反应物在该次交换器中通过与由该主交换器产生的热空气热交换来进行预热。
[0059] 根据该方法的一个实施例，该热交换组件包括主交换器和次交换器，空气通过与从该炉中排出的烟道气在该主交换器中热交换来进行加热，其中获得了在500℃与800℃之间的温度的热空气，并且燃烧反应物在该次交换器中通过与由该主交换器产生的热空气热交换来进行预热。
[0060] 如以上指出的，经调节空气有利地用于气体摩擦细化阶段中并且更特别地用于产生一个或多个细化气体流。
[0061] 根据一个此种实施例，该细化是火焰细化。
[0062] 在这种情况下，此火焰细化有利地借助于通过用由该热交换组件产生的经调节空气燃烧燃料产生的细化火焰进行。
[0063] 该经调节空气的残余热量使得可能在被认为是消耗能量的这种方法中实现显著的能量节约。
[0064] 根据另一个实施例，该细化是气体细化。在这种情况下，有利地利用通过用由该热交换组件产生的经调节空气燃烧燃料产生的细化气体射流。
[0065] 再次在这种情况下，可能的是凭借使得可能实现显著的能量节约的该经调节空气的残余热量来实现显著的能量节约。
[0066] 如以上描述的，该细化还可以是离心细化、接着是气体细化。根据本发明的优选的实施例，该离心细化之后是借助于通过用由该热交换组件产生的经调节空气燃烧燃料产生的细化气体射流的气体细化。
[0067] 该一个或多个流的细化优选地在罩内部发生，以便对细化条件并且特别是细化温度以及还有特别地当该流被细化成若干长丝时施加更好的控制，以防止或限制长丝的逃走。还可以将该一根或多根长丝在该罩内部上浆和/或用粘合剂处理和/或干燥。当该一根或多根长丝被收集在输送机上时，则后者有利地在该罩的底部中。
[0068] 根据本发明的方法具有在生产大范围的玻璃纤维产品中并且特别是在生产产品如增强纤维或丝束、增强织物、纺织品织物、隔热产品、隔音产品或防火产品中的用途。当该玻璃纤维产品是织物时，这种织物可以是针织织物、织造织物或非织造织物。
[0069] 本发明还涉及一种能够用于实施根据本发明的制造方法的设备。
[0070] 该设备包括玻璃熔化炉以及用于将熔融玻璃转变成玻璃纤维产品的转变单元。
[0071] 该设备的炉旨在由固体材料产生熔融玻璃。它包括熔融玻璃出口、用于烟道气的出口以及用于用富氧化剂(也就是说，具有80vol％至100vol％的氧含量的氧化剂)燃烧燃料的至少一个燃烧器。
[0072] 该炉总体上包括这种类型的若干个燃烧器。
[0073] 如以上已经指出的，该炉还可以包括补充该至少一个上述燃烧器的其他加热装置。
[0074] 该设备的转变单元包括用于将由该熔化炉产生的熔融玻璃纺成至少一个流的装置(被称为套管)，将该套管更具体地流体地连接到该炉的熔融玻璃出口上。
[0075] 该转变单元还包括用于将由该套管产生的至少一个流细化成一根或多根长丝的细化装置、以及还有用于收集由该细化装置产生的该一根或多根长丝的收集器。
[0076] 该转变单元还任选地包括以下装置中的一个或多个：
[0077] ο上浆器，其在该收集器的上游用于上浆该一根或多根长丝，
[0078] ο粘合剂施加器，其用于将粘合剂(粘结剂)施加到该一根或多根长丝上，以及交联腔室，其用于交联该一根或多根粘合剂处理过的长丝；该交联腔室位于该收集器的下游并且经常被称为交联烘箱，
[0079] ο干燥器，其用于干燥该一根或多根长丝(特别是该一根或多根上浆的或粘合剂处理过的长丝)，以及
[0080] ο用于使该一根或多根长丝或含有它们的丝束变形的腔室。
[0081] 该设备的细化装置有利地适于实施以上提及的任何一种细化过程。因此，该细化装置可以包括：
[0082] ·一个或多个机械细化装置，如缠绕器或类似器件，或者
[0083] ·一个或多个用于火焰细化的燃烧器，或
[0084] ·一个或多个用于气体细化的气体流产生器，已知的是所述气体流产生器可以是产生用作细化气体流的燃烧气体流的燃烧器。
[0085] 该细化装置还可以包括用于离心细化的离心机与用于由该离心机产生的流的气体细化的一个或多个气体流产生器的组合，可能的是如以上指出的所述产生器是燃烧器。
[0086] 当该细化装置产生一根或多根连续长丝时，该收集器可以是缠绕器或用于缠绕该一根或多根长丝的另一装置。因此可能的是使用缠绕器作为机械细化装置和收集器两者。
[0087] 该收集器还可以是在其上收集该一根或多根长丝的输送机。当该一个或多个流被细化以产生大量长丝并且特别是产生大量短长丝(如用于制造隔热和/或隔音和/或防火产品)时，特别指示此种输送机。
[0088] 设计根据本发明的设备以便使得该熔化炉的高能量效率以及还有在该熔化炉与位于该炉的下游的转变单元之间的能量协同作用是可能的。
[0089] 为此，该设备包括热交换组件，该热交换组件用于通过与从该熔化炉排出的烟道气热交换来加热空气并且用于通过与如此获得的热空气热交换来预热燃烧反应物。
[0090] 因此获得了预热的燃烧反应物和经调节空气。该热交换组件流体地连接到空气源、该炉的烟道气出口以及燃烧反应物源上，后者源是富氧化剂源或气态燃料源。
[0091] 该热交换组件展现出经调节空气出口和预热的反应物出口。
[0092] 将该热交换组件的预热的燃烧反应物出口流体地连接到该熔化炉的一个或多个燃烧器上，以便使得使用该预热的反应物作为该熔化炉中的燃烧反应物是可能的。
[0093] 根据本发明，该热交换组件的经调节空气出口流体地连接到以下装置中的至少一个上：
[0094] ·该细化装置：用于借助于由该热交换组件产生的经调节空气生产细化火焰或气体细化流；
[0095] ·该上浆器(如果存在)：用于使用由该热交换组件产生的经调节空气作为用于上浆剂的喷雾剂；
[0096] ·该粘合剂施加器(如果存在)：用于使用由该热交换组件产生的经调节空气作为用于喷雾粘合剂的试剂；
[0097] ·该干燥器(如果存在)：用于使用由该热交换组件产生的经调节空气作为与该一根或多根长丝接触的干燥剂；
[0098] ·该变形腔室(如果存在)：用于使用由该热交换组件产生的经调节空气作为变形气体流并且更特别地作为变形空气湍流射流。
[0099] 在本发明上下文中，当两个元件通过管或管道连接以便使流体从这两个元件之一向这两个元件中的另一个通过这个管或管道的流动是可能的时，这两个元件是“流体地连接的”。
[0100] 该空气源例如可以是鼓风机。
[0101] 该热交换组件优选地至少使得富氧化剂的预热、确实甚至富氧化剂和气态燃料的预热是可能的。
[0102] 该富氧化剂源例如可以是用于分离空气的气体的单元或用于液化的富氧化剂的管道或槽。
[0103] 该热交换组件有用地包括用于在从该炉排出的烟道气与待加热的空气之间的热交换的第一热交换器(被称为“主交换器”或“主热交换器”)，以及还有用于在由该主交换器产生的热空气与待预热的反应物之间的热交换的第二热交换器(被称为“次热交换器”或“次交换器”)。
[0104] 在这种情况下，该主交换器流体地连接到该空气源以及该炉的烟道气出口上。该次交换器流体地连接到该待预热的反应物源上。该次交换器还展现出该预热的燃烧反应物出口和该经调节空气出口。
[0105] 根据使得富氧化剂和气态燃料的预热是可能的实施例，该热交换组件包括第一和第二次交换器，该第一次交换器流体地连接到富氧化剂源上，并且该第二次交换器流体地连接到气态燃料源上。
[0106] 可以将这两个次交换器相对于由该主交换器产生的热空气的流动串联或并联地定位。
[0107] 该炉可以是如以上描述的熔化/精炼炉。
[0108] 该套管可以位于该熔化炉的熔融玻璃出口处。该设备还可以包括用于从这个熔融玻璃出口向该套管运输熔融玻璃的管道。
[0109] 依据根据本发明的设备的优选实施例，该细化装置包括用于产生细化火焰或者用于通过用由该热交换组件产生的经调节空气燃烧燃料来产生细化气体流的细化燃烧器，然后将所述细化燃烧器与该热交换组件的经调节空气出口流体地连接。
[0110] 根据特别优选的实施例，该细化装置包括用于离心细化该一个或多个流的离心机，以及还有用于气体细化由该离心机产生的长丝的细化燃烧器。
[0111] 在这种情况下，该细化燃烧器有利地是环形的，能够在该离心机周围产生细化气体流，并且流体地连接到该热交换组件的经调节空气出口上用于将经调节空气作为氧化剂提供给该细化燃烧器。
[0112] 根据本发明的设备有用地包括围绕该细化装置的罩。该罩还可以围绕以下装置中的一个或多个：该上浆器、该粘合剂施加器和该干燥器。当该设备旨在生产大量的短长丝时，该罩使得可能防止或限制长丝在该设备的操作期间的逃走。更通常地，该罩还使得可能更好地控制细化条件、确实甚至干燥、上浆和/或施加粘合剂的条件。
[0113] 当该设备旨在生产大量的短长丝时，该收集器优选地位于该罩的下方或底部处。
[0114] 根据本发明的设备可以是用于生产增强纤维或丝束，增强或纺织针织、织造或非织造织物，或者还有隔音和/或隔热和/或防火产品的设备。
[0115] 图1是用于制造隔热/隔音和/或防火羊毛状物的方法和设备的图解表示。
[0116] 图1中说明的设备包括由多个燃烧器12(该图中示出了仅仅一个燃烧器)加热的玻璃熔化炉10。
[0117] 为此，向所述燃烧器12供应富氧化剂28a(典型地含有在80vol％与100vol％之间的氧气的气体)和气态燃料29a(如天然气)。
[0118] 将通过用富氧化剂28a燃烧燃料29a产生的烟道气或燃烧气体从熔化炉10排出并引入到主交换器20中，以便加热由压缩机或风扇23供应的压缩或未压缩的空气24。
[0119] 在主交换器20的下游，将这些烟道气典型地在已经经受了用于去除污染物和灰尘的处理之后通过烟囱11排出。
[0120] 将由主交换器20产生的热空气25引入到用于预热富氧化剂28a的第一次交换器21中，并且随后以部分经调节空气26的形式引入到用于预热气态燃料29a的第二次交换器22中。
[0121] 将由第一次交换器21产生的预热的富氧化剂28b和由第二次交换器22产生的预热的气态燃料29b作为燃烧反应物供给燃烧器12。
[0122] 这使得根据本发明的制造方法中的第一非常显著的能量节约是可能的。
[0123] 将由熔化炉10产生的熔融玻璃以熔融玻璃流的形式引入到离心机34中，并且将由离心机34产生的长丝借助于通过冠形细化燃烧器31产生的细化气体的环形流来细化。
[0124] 将由该细化组件产生的长丝通过粘结剂35的喷雾器32用粘合剂进行处理，并且随后通过由干燥器33注射的气态干燥剂射流36进行干燥。
[0125] 细化、施加粘合剂和干燥的阶段在罩30内部在受控环境中进行。
[0126] 将这些干燥过的粘合剂处理过的长丝以长丝的羊毛状物44的形式通过在罩30的底部中的输送机42来收集。
[0127] 输送机42带着羊毛状物44朝向交联烘箱40，在该交联烘箱中这些粘合剂处理过的长丝在热量的作用下交联并因此结合在一起。
[0128] 在烘箱40的下游，刚性、半刚性或柔性羊毛状物被成形并缠绕起来。
[0129] 根据本发明，为了改进熔化炉10的下游的转变过程的能量效率，利用了由次交换器21，22产生的经调节空气27中存在的残余热量。
[0130] 因此，将经调节空气27的一部分作为氧化剂引入到细化燃烧器31中，以便更有效地产生细化气体流。
[0131] 将经调节空气27的另一部分用作通过干燥器33的干燥气体36，经调节空气27的残余热量使得可能加速这些长丝的干燥。
[0132] 在所说明的实施例中，将经调节空气27的最终部分引入到该交联烘箱中，并通过该烘箱内部的羊毛状物44吸收，以便促进羊毛状物44中的长丝的交联。
[0133] 在以下实例中说明了本发明的优点。
[0134] 该熔化炉从5MW的热功率产生了100tpd的隔离纤维。根据生产条件，大约1至5MWe的电能的贡献可能是必要的。这些燃烧烟道气在1350℃下离开并且可以通过用周围空气稀释来冷却以在同流换热器的入口处达到1200℃的温度。
[0135] 将500Sm3/h的天然气(95％的甲烷、2％的丁烷、2％的丙烷以及1％的CO2)预热到450℃。将1000Sm3/h的氧气预热到550℃。为了预热这些气体，接近于4000Sm3/h是必要的。在主交换器中加热到650℃，该空气在次交换器的出口处被冷却到400℃。
[0136] 随后将此经调节空气(具有530kW的能量值)在优选地由不锈钢制成的管中输送：
[0137] ·一方面，朝向围绕这些细化离心机的热细化气体的产生器
[0138] ·另一方面，朝向干燥气体枪的组。
[0139] 凭借此热空气，在细化期间消耗的燃料的量显著减少(10％)。
