CN101033841A - 竖炉的氧化剂涡旋式矿物燃料喷射器 - Google Patents

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Abstract

一种用来将环绕矿物燃料而涡旋的氧化剂喷入竖炉内的喷射器，该喷射器具有一个收敛型喷嘴以改善矿物燃料的燃烧并减少碳黑的形成。本发明喷射器可将矿物燃料例如煤粉喷入竖炉例如高炉或冲天炉的风道和/或风嘴处焦炭的通道腔内以减少竖炉作业所需的焦炭量。氧化剂(可以是工业级氧气)环绕矿物燃料而涡旋地通过上述的收敛型喷嘴，可改善矿物燃料的燃烧，从而可用更多的矿物燃料替代焦炭。

Description

竖炉的氧化剂涡旋式矿物燃料喷射器
技术领域
本发明总的涉及将矿物燃料喷入竖炉的作业，更具体地说，本发明涉及一种使可以是工业级氧气的氧化剂围绕可以是煤粉的矿物燃料产生涡旋的矿物燃料喷射器，以改善矿物燃料的燃烧，从而可加大矿物燃料对焦炭的替代。
背景技术
一般说来，在竖炉例如高炉或冲天炉内生产铁水时，作为原材料的铁矿石和/或废铁和作为燃料的焦炭从炉顶加入炉内，而将(热)风通过竖炉下部的风嘴鼓入炉内。上述的焦炭具有三种主要功能：燃料、还原剂和气流通道。焦炭作为燃料与鼓入的空气发生反应产生炉子作业所需的大部分热能。焦炭用作还原剂，既作为通过所谓的“简接还原”法还原矿石所需的一氧化碳中的碳组分，又作为通过所谓的“直接还原”法(碳直接与热的并且部分地还原的氧化铁接触)还原矿石所需的碳。焦炭由于具有多孔性而可用作气流通道，使工作气体向上流过竖炉。当焦炭燃烧而铁矿石还原时，便生产出铁水和炉渣。通常从接近炉底的位置引出上述铁水和炉渣。
为了经济起见，将矿物燃料例如油、天然气和煤喷入竖炉内以减少炼铁过程所需的焦炭用量。上述矿物燃料通常喷入竖炉的风道和/或鼓风炉风咀处焦炭的通道腔内。上述风道是由直吹管和风嘴构成的。全世界有许多竖炉尤其是高炉实行着几种喷射矿物燃料的方式，以便用较便宜的矿物燃料替代较昂贵的焦炭。煤粉是最普通的作为矿物燃料喷入以减少焦炭用量的矿物燃料。经济上合算使煤粉的用量增加而焦炭用量减少，但是一些技术上的问题限制了煤粉的应用。
如上所述，焦炭的主要功用之一是用作一种其多孔性提供的气流通道。当炉料(也称装料)向下移动时，工作气体通过焦炭内的孔隙而穿过竖炉向上移动。炉料的透气性最好是均匀分布的，这就可使还原气体流遍炉料而使气沟减至最小。均匀的透气性对于竖炉的顺利作业是重要的，而透气性不足和/或透气性不均匀会导致沿竖炉横截面上气流不均匀，从而引起炉料不平稳下降和不规则的疏散。
增大煤粉的喷射量时，由于喷射的煤粉与鼓入的空气之间混合不足，会使喷入的煤粉燃烧不完全，而导致碳黑的形成。在典型的高炉中，由于煤粉的喷入速度高，且风咀处焦碳的通道腔的长度只有约1～2米，故个别的煤粉颗粒几乎没有时间来完全燃烧或者说反应。这个问题对于其他的矿物燃料例如重油也是存在的。形成的碳黑堵塞了焦炭中的孔隙，降低了气体流动特性，从而限制了可作为焦炭替代品的煤粉的喷入量。
随着喷入的矿物燃料增多，已经在炉子作业中添加工业用氧气，以提高炉子的生产率，并平衡附加喷入的矿物燃料的冷却效应。在设有工业用氧气的情况下喷入矿物燃料时，由于矿物燃料的吸热开裂和较冷的矿物燃料的热容量的缘故而降低通道腔内的温度，而工业用氧气有助于保持通道腔的火焰温度，添加氧气也有助于提高炉子的生产率。既喷入矿物燃料又喷入工业用氧气使操作者可在不致过高的风嘴区温度下提高产量。氧气可通过喷射器内分开的通道与矿物燃料一起喷入，和/或与鼓入的风混合后喷入，工业用氧气可在鼓风炉的上游或下游与鼓风相混合，以形成整体富氧的鼓风。
相关的专利有下列美国专利：No.3758090，3832121，4921532，5333840，5544868，5698010，5746804和6319458。
由于矿物燃料例如煤比焦炭便宜，故希望在保持竖炉顺利地工作的同时，比以前更多地用矿物燃料替代焦炭。
希望矿物燃料燃烧得更完全些，从而最大限度地减少在焦炭的孔隙和缝隙内的未燃矿物燃料例如碳黑的积累。
煤粉是富有磨蚀性的物质，它会磨损喷嘴尖部，最好制造一种抗磨蚀的煤粉喷射器。
最好提供一种用于竖炉的可承受高温的喷射器。
本发明概要
本发明力求克服现有技术中用于竖炉的矿物燃料喷射器的一些缺点，同时获得理想效益。
在一个实施例中，本发明涉及一种将矿物燃料和氧化剂喷入竖炉中的喷射器，该喷射器具有：一个大致终止于一个将氧化剂送入风道和/或通道腔内的收敛型喷嘴的第一导管；一个具有大致设置在上述第一导管的收敛型喷嘴内部用来将矿物燃料送入风道和/或通道腔内的喷嘴的第二导管；和一个用于使氧化剂发生涡旋的具有多条角位移至少为90°或至少为120°的螺旋形流道的装置。
在另一个实施例中，本发明涉及一种将矿物燃料和氧化剂喷入竖炉内的喷射器，该喷射器具有：一个在靠近其出口端部具有逐渐减小的内表面的用来将氧化剂送入风道和/或通道腔内的第一导管；一个具有设置在第一导管的出口端部内用来将矿物燃料送入风道和/或通道腔内的出口端部的第二导管；和一个用于使氧化剂涡旋的具有多条角位移至少为90°或至少为120°的螺旋形流道的装置，其特征在于，两个出口的中心之间的距离小于第二导管的出口的(水力学)直径。
在再一个实施例中，本发明涉及一种将煤粉和工业级氧气喷入高炉内的喷射器，该喷射器具有：一个大致与一个将工业级氧气送入风道和/或通道腔内的收敛型喷嘴终止于的第一导管；和一个具有大致设置在第一导管的收敛型喷嘴内部用来将煤粉喷入风道和/或通道腔内的喷嘴的第二导管，该第二导管的外表面上具有角位移至少为120°的螺旋形流道。
在又一个实施例中，本发明涉及一种竖炉，该竖炉具有：一条风道；一个与上述风道相连通的风咀处焦炭的通道腔；和一个将矿物燃料和氧化剂喷入上述风道和/或通道腔内的喷射器，该喷射器具有：一个大致与一个将氧化剂送入上述风道和/或通道腔内的收敛型喷嘴终止于的第一导管；一个具有大致设置在第一导管的收敛型喷嘴内的用来将矿物燃料送入上述风道和/或通道腔内的喷嘴的第二导管；和一个使氧化剂涡旋喷入的具有多条角位移至少为90°或至少为120°的螺旋形流道的装置。
上述的使氧化剂涡旋喷入的装置可以在第二导管上加工出来，从而使上述第二导管具有使氧化剂涡旋的装置。
上述的使氧化剂涡旋喷入的装置的形状与第一导管的收敛型喷嘴互补，并且可与第一导管的收敛型喷嘴相邻接。
上述的多条螺旋形流道的平均涡旋角为25°～65°。螺旋形流道的涡旋角在螺旋形流道的全长范围内是基本上不变的。
上述第二导管的前缘可以是缩入第一导管的收敛型喷嘴之内的。
上述喷射器具有一个接收来自多条螺旋形流道的氧化剂的渐缩的环形通道，将分散孤立的氧化剂射流扩张和汇合成一股旋转的涡流，从抑制喷射器前端的火焰连接。上述的渐缩的环形通道可以仅伸展到收敛型喷嘴长度的一部分或伸展到收敛型喷嘴的全长范围。
附图简要说明
图1简单示出本发明的一个实施例的喷射器。
图2简单示出喷射器、吹管、风口和通道腔。
图3简单示出本发明的另一个实施例的喷射器。
优选实施例详细说明
本文中用词“一个”是用来泛指说明书和权利要求中的一个或多个特征，除非另有说明，它并不局限于单个特征的意思。用语“任何”笼统地指一个、一些或全部。同理，参考“一个实施例”不局限于单个实施例的意思。
在一个实施例中，本发明涉及一种用于将矿物燃料和氧化剂喷入竖炉内的喷射器。所述竖炉的实例有高炉和冲天炉。参看图1和2，图中示出说明本发明的一种实施例的喷射器1。上述的矿物燃料包括固态矿物燃料例如煤，和液态矿物燃料例如燃油。上述的氧化剂包括空气、工业用氧，或它们的混合物，所述的工业用氧指的是含氧量为80％～100％的气体。
喷射器1具有一根导管10，该导管10的第一端部用于接纳通过氧化剂入口14进入的氧化剂，其第二端部尾接一个内表面逐渐减小的部分12，用于将氧化剂送入风道23，24和风咀处焦炭的通道腔50中的至少一个内，该第二端部具有一个占其至少一部分的逐渐减小的内表面12，该逐渐减小的内表面12相对于导管10的纵轴线的角度(图1中以α表示)可以是5°～45°或10°～30°。上述的风道包括直吹管14内的通道24和风嘴13内的通道23，见图2。
喷射器1可以用现有技术中公知的任何材料制成，例如不锈钢和其他能承受热鼓风温度的抗氧化材料。
喷射器1还具有一根导管20，该导管20的第一端部用于接收通过入口15的矿物燃料，其第二端部大致处于导管10的第二端部之内部。导管20的第二端部构成一个矿物燃料通道26，用于将矿物燃料送入风道23，24和风咀处焦炭的通道腔50中至少一个内。上述导管20可以是与导管10共轴线的。
喷射器1还具有使氧化剂发生涡旋的装置，这种使氧化剂涡旋的装置至少部分地设置在矿物燃料通道26与导管10的第二端部之间，该装置具有多条角位移至少为90°或至少为120°的螺线状流道30，该装置是加工在导管20表面上的，在图中像导管20上的槽。虽然这里示出像导管20上的槽，但是也可以是用现有技术公知的涡旋叶片或其他的使氧化剂涡旋的装置。
本发明的喷射器具有下列特征中的一项或多项，这些特征可以是单独的或者是任何可能的技术组合的特征。
如图1所示，使氧化剂涡旋的装置可具有与导管10的第二端部互补的形状，该装置可延续到导管10的渐缩段，从而使该装置具有一个与逐渐减小的内表面12互补的形状。使氧化剂涡旋的装置可邻接到内表面逐渐减小段12。如图1所示的实施例，由于螺旋状流道30从导管10的非渐缩的圆柱形段持续通过其渐缩段，故多个螺旋形流道30在其入口端18处的螺旋直径大于其出口端19的直径。螺旋形流道的直径可具有与导管10的第二端部互补的形式。
多条螺旋形流道30的长度上平均的涡旋角为25°～65°或35°～45°。所述的涡旋角是指通过螺旋形流道的切线与矿物燃料通道纵轴线之间的夹角，在图1中以β表示。上述的涡旋装置的从螺旋形流道的入口18至出口19的全长范围内的涡旋角可以基本上保持不变。对于螺旋形流道加工在导管20表面上的情况，由于渐缩段的直径变化，故需要将切削刀具的横切线调节到可保持正确的前导，以便保持基本不变的涡旋角。这里定义的基本不变的涡旋角意指相差5°以内。必要时，也可将涡旋装置的涡旋角做成在从螺旋形流道30的入口18至其出口19的全长范围内是变化的。
上述的多条螺旋形流道的横截面可以是大致为矩形的。
虽然图1中示出导管10的前缘与导管20的前缘是彼此齐平的，但是，导管20的前缘也可以缩入导管10的第二端部内，导管20的前缘也可以稍稍伸出导管10的出口之外。
导管10和20的出口可以是圆形的或其他的形状例如大致为椭圆形。如果出口的形状不是圆形的，出口的尺寸可以以水力学直径来表征。横截面为圆形的情况下，上述的水力学直径与直径是相当的。按照本发明的一个方面，导管10出口的几何中心与导管20出口的几何中心之间的距离小于导管20出口的水力学直径。
喷射器1还可具有一个用于接收来自多条螺旋形流道30的氧化剂的渐缩的环形通道16。该环形通道16界定于渐缩的内表面12的至少一部分与导管20和使氧化剂涡旋的装置中的至少一个之间，它可以仅穿过内表面渐缩段12的一部分，如图1所示。渐缩的环形通道16可使来自螺旋形流道30分散孤立的氧化剂射流扩张和汇合，从而使之在与离开导管20的矿物燃料接触之前形成较连续的旋转涡流。通过使高速的氧化剂射流扩张和汇合成旋转的涡流，可以抑制喷射器前端的局部湍流和有潜在破坏性的火焰连接。
如图3所示，上述的渐缩的环形通道16可以穿过内表面渐缩段12的全长范围。图3也示出导管20的前缘稍稍缩入到导管10的第二端部内，也示出导管10的第二端部具有一段随渐缩内表面12顺流的圆柱形段，该圆柱形段实质上不影响氧化剂流的流动特性，并可与终止于渐缩内表面的第二端部相适应。
在另一个实施例中(参看图1和2)，本发明涉及具有风道23、24、风口处焦炭的通道腔50和任何上述实施例的将矿物燃料和氧化剂喷入上述竖炉内的喷射器的竖炉。
本发明的喷射器也可以以同样的方式用作普通的喷射器。
下面举出实例来说明本发明及其好处，但是，这些实例不应认作为对本发明的范围的限制。
                        实例1
制造出本发明的喷射器1，并进行测试，该喷射器具有一个横截面大致为圆形的用于输送矿物燃料的内导管和一个横截面也大致为圆形但包围着上述内导管形成一种用于输送氧化剂并使该氧化剂涡旋的环形套筒的外导管。上述内导管的内径约为8.687mm，外导管的外径约为48.26mm，外导管的内径约为29.49mm，外导管的内表面终止于一个与纵轴线呈大约15°角的逐渐减小的内表面。
用来使氧化剂涡旋的装置包括6条加工在内导管的外表面的互相均匀隔开的螺旋形流道(槽)，这些流道的角位移约为180°，它们的横截面大致为矩形，该矩形的宽度和长度约为2.5mm×2.5mm。螺旋形流道的涡旋角约为40°。涡旋段的轴向长度约为63.5mm，并与渐缩段相连接。所试验的喷射器具有一个长约9mm、高约2.5mm的渐缩的环形通道。内导管的前缘缩入外导管内约3mm。
在试验中用煤粉作为矿物燃料。喷射器在带有涡旋的氧化剂和不带涡旋的氧化剂的情况下进行试验。涡旋的氧化剂是来自液氧罐的氧，实际上是纯氧。在不用涡旋的氧化剂的情况下，喷射器起着一种普通的直镗喷枪的作用。
将环境温度下的燃烧空气以大约2113Nm3/h的流量送入热炉中。喷射器将煤粉和涡旋的氧化剂喷到鼓入热炉的燃烧空气流中，以模拟风道和/或风咀处焦炭的通道腔的状态。通过喷射器输送的煤粉流量约为按输送空气的35m3/h。
对各种试验条件收集废气流中的固体粒子。按烧失率(LOI)法分析上述固体粒子中未燃的碳。样品中出现的碳黑越多，样品重量损失率就越大。对于竖炉的作业来说，希望产生的碳黑少些，因此低LOI颇为理想。
表1综合了上述试验条件和LOI结果。样品1-1#和1-2#与样品2-1#和2-2#相比较，样品3-1#和3-2#与样品4-1#和4-2#相比较。
喷射器在不同的煤粉流量下进行试验。对于比较试验的燃烧空气的流量保持恒定，煤粉流量调节到保持大致相同的总的化学计量比。表1示出废气中的氧浓度相近，这证明总的化学计量比大致相当。
试验结果LOI值表明，平均来说，在带有涡旋的氧化剂的试验条件下试验的样品具有较低的烧失率，这就表明本发明的喷射器产生的碳黑较少。
                              表1
  样品号   煤粉流量(kg/h)   涡旋的氧流量(Nm3/h)   废气中氧含量(vol％)   LOI(％)
  1-11-22-12-23-13-24-14-2   251.0251.0219.5218.7269.7269.5304.7305.3   595900007272   2.752.22.22.21.71.51.71.6   29.5317.8321.5256.8729.5949.6422.1039.22
                        实例2
制成本发明的第二种喷射器并进行试验。该喷射器与实例1中所述的喷射器相类似，但其螺旋形流道的横截面尺寸是，宽约2.5mm，高约1.25mm，因此其横截面积只有实例1喷射器的螺旋形流道的一半，这就使氧化剂在同样流量下具有较高的流动速度。
表2列出了试验条件和在较高的氧化剂涡旋速度下喷射器的试验结果。LOI值表明，相应于带有涡旋的氧化剂的试验条件的样品具有较低的烧失率，表明本发明的喷射器产生的碳黑较少。对于试样6-1#和6-2#未测其废气中的氧含量。
                              表2
  样品号   煤粉流量(kg/h)   涡旋的氧流量(Nm3/h)   废气中氧含量(vol％)   LOI(％)
  6-16-2   250220   590   ------   36.0949.29

Claims (21)

1.一种将矿物燃料和氧化剂喷入竖炉内的喷射器，具有：
一个具有用以接纳该氧化剂的一个第一端部和将该氧化剂送入一风道和一通道腔中的至少一个内的第二端部的第一导管，上述第二端部大致终止于一个渐减的内表面；
一个具有用以接纳矿物燃料的一个第一端部和大致设置在上述第一导管的第二端部内部的第二端部的第二导管，该第二导管的第二端部限定一条将矿物燃料送入该风道和通道腔中的至少一个内的矿物燃料通道；和
一个至少部分地设置在上述矿物燃料通道与上述第一导管的第二端部之间使氧化剂涡旋的装置，该使氧化剂涡旋的装置限定多条旋转至少90°的螺旋形流道。
2.根据权利要求1的喷射器，其特征在于，上述的多条螺旋形通道旋转至少120°。
3.根据权利要求1的喷射器，其特征在于，上述的第二导管具有使该氧化剂涡旋的装置。
4.根据权利要求1的喷射器，其特征在于，上述的用于使该氧化剂涡旋的装置具有与上述第一导管的第二端部互补的形状。
5.根据权利要求1的喷射器，其特征在于，上述的第二导管的前缘是凹入在该第一导管的第二端部内的。
6.根据权利要求1的喷射器，其特征在于，上述的使该氧化剂涡旋的装置与该第一导管的渐缩内表面相邻接。
7.根据权利要求1的喷射器，其特征在于，上述的第一导管的第二端部的渐缩内表面与该第二导管和使该氧化剂涡旋的装置中的至少一个限定一条用于接纳来自多条螺旋形流道的氧化剂的渐缩环形通道。
8.根据权利要求7的喷射器，其特征在于，上述的逐渐减小的环形通道的长度仅伸展到上述的逐渐减小的内表面的一部分。
9.根据权利要求7的喷射器，其特征在于，上述的渐缩的环形通道的长度伸展到上述逐渐减小的内表面的全长范围。
10.根据权利要求1的喷射器，其特征在于，上述的多条螺旋形通道具有一个入口端和一个出口端，其中，上述多条螺旋形流道的入口端的螺旋直径大于出口端的螺旋直径。
11.根据权利要求10的喷射器，其特征在于，上述的螺旋直径与第一导管的第二端部是互补的。
12.根据权利要求1的喷射器，其特征在于，上述多条螺涡旋道的平均涡旋角为25°～65°。
13.根据权利要求12的喷射器，其特征在于，上述螺旋形流道的涡旋角从其入口端至出口端是基本上不变的。
14.一种用于将矿物燃料和氧化剂喷入竖炉内的喷射器，具有：
一个具有用以接收该氧化剂的第一端部和将该氧化剂送入一风道和一通道腔中的至少一个内的第二端部的第一导管，上述第二端部具有一个至少穿过其一部分的逐渐减小的内表面并终止于一个第一出口；
一个具有用以接收矿物燃料的第一端部和基本上设置在该第一导管的第二端部内的第二端部的第二导管，该第二导管的第二端部限定一条用于将矿物燃料送入该风道和通道腔中的至少一个内的矿物燃料通道，该第二导管的第二端部终止于一个具有水力学直径的第二出口；和
一个至少部分地设置在上述矿物燃料通道与该第一导管的第二端部之间使氧化剂涡旋的装置，该用以使氧化剂涡旋装置限定多条旋转至少90°的螺旋形流道；
其中，上述第一出口的几何中心与上述第二出口的几何中心之间的距离小于上述第二出口的水力学直径。
15.根据权利要求14的喷射器，其特征在于，上述的多条螺旋形通道旋转至少为120°。
16.根据权利要求14的喷射器，其特征在于，上述的第一导管的第二端部的逐渐减小的内表面与上述第二导管和使该氧化剂涡旋的装置中的至少一个限定一条用以接收来自上述多条螺旋形流道的氧化剂的渐缩的环形通道。
17.根据权利要求16的喷射器，其特征在于，上述的渐缩的环形通道的长度仅伸展到上述逐渐减小的内表面的一部分。
18.根据权利要求16的喷射器，其特征在于，上述的渐缩的环形通道的长度伸展到上述的逐渐减小的内表面的全长范围。
19.根据权利要求14的喷射器，其特征在于，上述多条螺旋形流道的平均涡旋角为25°～65°，其中，上述螺旋形流道的涡旋角从其入口端至出口端基本上是不变的。
20.一种用以将煤粉和工业级氧气喷入高炉内的喷射器，具有：
一个具有用以接收工业级氧气的第一端部和将该工业级氧气送入一风道和一通道腔中的至少一个内的第二端部的第一导管，上述的第二端部大致与一渐缩的内表面相端接；和
一个具有用以接收该煤粉的第一端部和基本上设置在上述第一管道的第二端部内的第二端部的第二管道，该第二管道的第二端部限定一条将上述煤粉送入该风道和通道腔中的至少一个内的煤粉通道，上述第二管道的第二端部限定在其外表面上旋转至少120°的螺旋形流道。
21.一种竖炉，具有：
一条风道；
一个与上述风道相连通的通道腔；和
一个用以将矿物燃料和氧化剂喷入上述风道和通道腔中的至少一个内的喷射器，该喷射器具有：
一个具有用以接收该氧化剂的第一端部和用以将该氧化剂送入上述风道和通道腔中的至少一个内的第二端部的第一管道，上述的第二端部大致与一渐缩的内表面相端接；
一个具有用以接收矿物燃料的一第一端部和基本上设置在上述第一管道的第二端部内部的第二端部的第二管道，该第二管道的第二端部限定一条用以将矿物燃料送入该风道和通道腔中的至少一个内的矿物燃料通道；和
一个至少部分地设置在上述矿物燃料通道与上述第一导管的第二端部之间使该氧化剂涡旋的装置，该使氧化剂涡旋的装置限定多条旋转至少90°的螺旋形流道。
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