CN101457930B - 用于燃烧器的方法和燃烧器装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于工业炉(1)的燃烧器装置(2)包括燃料通道(3)、第一氧化剂通道(4)、烟道气出口(9)、控制装置(10)和热缓冲器(7)，其中第一氧化剂和烟道气被交替地引导通过热缓冲器(7)。本发明的特征在于设置分离的喷枪装置(6)来用于向燃烧器装置(2)供应第二氧化剂。

Description

用于燃烧器的方法和燃烧器装置
技术领域
本发明涉及一种用于在工业炉的加热过程中增加效率的方法和燃烧器装置。尤其是，本发明涉及一种具有提高的燃烧效率的所谓再生式燃烧器(regenerative burner)。
背景技术
在此，术语“再生式”燃烧器装置用于指一种燃烧器装置，其中冷氧化剂和热烟道气(flue gas)交替地被引导通过热缓冲器，以使烟道气的热量用于预热氧化剂。这样增加了燃烧过程中的效率。
例如，热缓冲器可以由部分填充有吸热材料(比如由陶瓷或金属材料制成的球或蜂巢结构)的管子构成。通常所用的操作方案包括热烟道气渗透穿过缓冲器大约30秒钟，随后是周围环境调节的氧化剂(ambiently tempered oxidant)渗透大约30秒钟，该氧化剂因而被吸热材料加热。燃烧可在两个或更多个燃烧器之间交替进行，由此来自其它燃烧器的热烟道气一次通过燃烧器之一的氧化剂通道并且通过热缓冲器从炉中引导出，或者一个燃烧器可以配备有几个氧化剂通道，所述几个氧化剂通道用于交替地向燃烧器供应氧化剂并且将烟道气从炉中运出去。
这种再生式燃烧器装置通常被优化为特定的高功率。这对于连续加热良好适用，但是对于分批式加热却是一个问题。也就是说，金属材料的分批式加热常常发生两个步骤，其中，初步的高功率步骤(在此表示为“加热步骤”)旨在将炉和金属材料的表面加热到预定的最终温度，而最终的低功率步骤(在此表示为“温度均匀化步骤”)旨在使整个金属材料穿过热导管呈现预定的均匀温度分布图(profile)。
例如，加热步骤根据先决条件可以持续2到10小时，在该时间期间，一个或多个燃烧器在其最佳的高功率下或接近其最佳的高功率操作。温度均匀化步骤可相应地持续1到40小时，并且涉及显著较低的燃烧器功率。
在加热步骤部分中，炉温基本上低于期望的处理温度，这就是为何热缓冲器中的吸热材料不能被加热到燃烧器达到最大效率所需的温度的原因。
而且，尺寸适用于加热步骤的再生式燃烧器同时对于温度均匀化步骤来说则是超尺寸的，这就是为何在该步骤中必须将它们的功率调整到较低水平。举例来说，这一点可通过使用所谓的开/关程序来完成，其中燃烧器被交替地且周期性地开或关。尤其是，这样还导致了热缓冲器中的温度在关闭时间内降低，从而大大降低了燃烧器的效率。
由于关于最佳燃烧功率选择的上述因素，再生式燃烧器常常设计成具有接近加热步骤期间所需的最大功率。结果，如果以后出于某些原因需要更高的功率，则需要较多成本和/或结构改造，这是由于再生式燃烧器设计得相对很大且占据大体积，而且由于每个这种燃烧器通常还需要用于通过热缓冲器运送气体的适当尺寸的风机装置，因此，该风机也需要改造。
发明内容
本发明解决了上述问题。
因而，本发明涉及一种用于工业炉的燃烧器装置，其包括燃料通道、第一氧化剂通道、烟道气出口、控制装置和热缓冲器，其中第一氧化剂和烟道气被交替地引导通过热缓冲器，其特征在于设置分离的喷枪装置(lancing device)来用于向燃烧器装置提供第二氧化剂。
此外，本发明涉及一种主要具有如权利要求11所述的特征的方法。
附图说明
在下文中，将参照本发明的示例性实施例和附图详细描述本发明，其中：
图1是从侧面看的主要显示根据本发明的燃烧器装置的概略图。
具体实施方式
再生式燃烧器装置2设置在用于对金属材料进行分批式加热的工业炉1中。根据实际应用，可以将多于一个的燃烧器装置设置在炉1内。特别地，可以将燃烧器装置成对地设置在工业炉1中，由此可以交替地操作这种燃烧器对。
燃烧器装置2包括燃料通道3和第一氧化剂通道4。燃料可以是任意合适的气态燃料，例如丙烷或天然气。第一氧化剂例如是空气，但也可以是富氧空气或氧的重量百分含量至少为80％的含氧气体。燃烧器装置2产生火焰(未显示)，该火焰被引入加热炉空间并且因而加热炉空间。而且，燃烧器装置2可以是DFI(直焰冲击)型的和/或所谓无焰型的，由此没有可视的火焰。
此外，燃烧器装置2包括燃料供应导管5和第一氧化剂供应导管8。第一氧化剂通过供应导管8供应并且供应到包括如上所述的吸热材料的热缓冲器7中，并在其后继续供应到通道4中。
烟道气出口导管9也从热缓冲器7伸出。
燃料供应导管5、第一氧化剂供应导管8和烟道气出口导管9全部连接到控制装置10上，所述控制装置控制燃烧器装置2的操作。
控制装置10可以控制燃烧器装置2以便按燃烧模式或者重新加热模式进行操作。在燃烧模式中，燃料和第一氧化剂分别通过导管5和8供应，并且使混合物燃烧从而加热炉空间。在重新加热模式中，既不供应燃料也不供应第一氧化剂，而是通过第一氧化剂通道4将烟道气从炉空间运送出，接着运送到热缓冲器7并通过出口导管9送出，以便随后将其清除。因而，在重新加热模式操作期间由热烟道气加热热缓冲器7中的吸热材料，而在燃烧模式操作期间由热缓冲器7中的相同材料预热室温调节(room tempered)的第一氧化剂。
控制装置10以适当的方式控制运入和运出的气流，例如使用阀装置(未图示)和/或适当的已知风机(未图示)。
燃烧器装置2也可以包括单独设置的烟道气出口导管，该烟道气出口导管从炉空间伸出并且伸入热缓冲器7中。
在操作期间，控制装置10实现了燃烧器装置2在燃烧模式和重新加热模式之间的交替操作，由此回收烟道气内的热能以便用于加热第一氧化剂，这样就增加了燃烧效率。可使用一个单燃烧器装置，该单燃烧器装置在这种情况下只在燃烧模式下操作时加热炉空间，或者可以在燃烧过程中使用几个燃烧器装置。在使用几个燃烧器装置的情况下，一个或几个燃烧器装置可以在加热模式下操作而其余的燃烧器装置在重新加热模式下操作，致使总是不中断地加热炉空间。根据一个优选实施例，在燃烧器集合体中除了一个之外的所有燃烧器装置都在燃烧模式下操作，而仅剩的一个燃烧器装置在重新加热模式下操作。
根据另一个优选实施例，燃烧器装置成对操作，从而第一装置在加热模式下操作，同时第二装置在重新加热模式下操作，之后角色转换，等等。
几个燃烧器可共用同一个热缓冲器7。在该情况下，适当的已知阀装置用于通过热缓冲器7中的第一通道将第一氧化剂运送到正在加热模式下操作的燃烧器装置中，同时将烟道气从正在重新加热模式下操作的燃烧器装置运送通过热缓冲器7中的第二分离的通道并且通过出口导管9送出。在该情况下，第一和第二通道是热连接的，例如通过以公共壁等形式共用同一吸热材料。
在第一氧化剂的通道4中设置了供给第二氧化剂的喷枪(lance)6。优选的是，该第二氧化剂包括至少80％重量百分比的氧气，更优选的是至少95％的重量百分比的氧气。尤其是，第二氧化剂中的这种高的氧浓度导致高的燃烧效率。
喷枪6也与控制装置10连接并受其控制。
在再生式燃烧器装置中，一个限制最大燃烧功率的重要因素是单位时间可能通过氧化剂通道4导出的被预热氧化剂的量。这取决于热缓冲器7的容量以及被加热的氧化剂具有比较冷氧化剂低的密度的事实，这样导致了需要较大体积的氧化剂以便达到相同重量。相反，增加所供应的燃料量是比较容易的。
由于第二氧化剂通过喷枪6供应，因此能够在不必以其它方式增加燃烧器装置2的部件尺寸的情况下增加最大燃烧功率，某些增加尺寸的情况会导致上述的在温度均匀化步骤中超尺寸的问题。
此外，优选的是以提高的速度供应第二氧化剂，优选高于约200m/s的速度，更优选至少等于声速的速度。这样就形成了喷射器效果，减小了热缓冲器7下游的压力，这又导致增加被预热的氧化剂流量并且因而导致提高效率。同时，当然所供应的第二氧化剂也参与燃烧反应，从而导致了更高的燃烧功率。
通过喷枪6供应的第二氧化剂的数量可以通过调整喷枪6的孔口大小或者通过调整通过喷枪6供应的第二氧化剂的压力来进行控制，并且可以根据实际应用目的来选择，例如根据燃烧功率、期望的富氧量和各种不同燃烧产品(例如NOx气体)的限定量。该控制可以通过连续改变喷枪6下游的压力、或者根据开/关程序而在操作期间连续进行，或者在某个操作步骤初始化之前单次进行。
不同于已知再生式燃烧器装置的情况，通过这种控制，从而可能在宽功率区间内控制燃烧器装置2的功率，而在该区间内的给定功率下效率不会变差。
因此，当功率需求较低时，再生式燃烧器装置2也可以在温度均匀化步骤内对其操作进行优化，该优化导致高效率。从而，在该步骤中很少或没有第二氧化剂通过喷枪6供应。由于此时的燃烧器装置2的功率很低，因此减少需要或完全不需要在该步骤中使用开/关程序来额外减少功率。
另一方面，在温度均匀化步骤之前的加热步骤过程中，当燃烧器装置2的功率需求较高时，第二氧化剂较大程度地通过喷枪6供应。这样导致燃烧功率显著增加，但仍具有保持的效率。事实上，以提高的速度供应的增加的第二氧化剂导致燃烧器装置2的加热功率比常规的再生式燃烧器装置2增加，这样就减少了完成加热步骤所必需的时间。
喷入燃烧器装置2的第二氧化剂的量可以以不同方式控制，比如上述的那些方式，但是单位时间的第二氧化剂的平均供应量在温度均匀化步骤中少于加热步骤中。
同样，除了在现有燃烧器装置中安装额外氧化剂的喷枪之外，可将本发明应用到许多现有燃烧器装置而不需要较大改造。更明确地说，一般不需要替换现有风机装置和其它外围设备。因而，本发明以相对便宜的方式实现了显著扩大可以保持高燃烧效率的功率区间，同时实现了现有燃烧装置最大功率的增加。
上面已描述了优选实施例。但是，对所属领域技术人员而言，在不脱离本发明思想的情况下可对所描述的实施例进行许多的修改是显而易见的。
例如，可在燃烧器装置2中为第一氧化剂设置几个通道。在该情况下，优选在第一氧化剂的每个这种通道中设置第二氧化剂的喷枪。借助这样一种布置，可以获得对由燃烧器装置产生的火焰的更好控制，并且可以增加燃烧器装置的功率。也可在第一氧化剂的仅一个或仅一些通道中设置第二氧化剂喷枪。
因而，本发明将不限于所描述的实施例，而是可以在所附的权利要求书范围内变化。

Claims (17)

1.一种用于工业炉(1)的燃烧器装置(2)，包括燃料通道(3)、第一氧化剂通道(4)、烟道气出口(9)、控制装置(10)和热缓冲器(7)，其中第一氧化剂和烟道气被交替地引导通过热缓冲器(7)，其特征在于设置分离的喷枪装置(6)来用于向燃烧器装置(2)供应第二氧化剂，喷枪(6)设置成通过与第一氧化剂相同的通道(4)供应第二氧化剂。
2.如权利要求1所述的燃烧器装置，其特征在于燃烧器装置(2)设置成在工业炉(1)中分批式加热金属材料。
3.如权利要求1所述的燃烧器装置，其特征在于第一氧化剂是空气。
4.如权利要求1所述的燃烧器装置，其特征在于第二氧化剂包括至少80％重量百分比的氧气。
5.如权利要求4所述的燃烧器装置，其特征在于第二氧化剂包括至少95％重量百分比的氧气。
6.如权利要求1所述的燃烧器装置，其特征在于控制装置(10)设置成在操作期间连续控制第二氧化剂的供应。
7.如权利要求1所述的燃烧器装置，其特征在于控制装置(10)设置成使用开/关程序来控制第二氧化剂的供应。
8.如权利要求1所述的燃烧器装置，其特征在于喷枪(6)设置成以高于200m/s的速度供应第二氧化剂。
9.如权利要求1所述的燃烧器装置，其特征在于喷枪(6)设置成以至少是声速的速度供应第二氧化剂。
10.如权利要求1所述的燃烧器装置，其特征在于第二氧化剂包括至少95％重量百分比的氧气。
11.如权利要求2所述的燃烧器装置，其特征在于喷枪(6)设置成以至少是声速的速度供应第二氧化剂。
12.一种在使用燃烧器装置(2)加热工业炉(1)时增加效率的方法，所述燃烧器装置(2)包括燃料通道(3)、第一氧化剂通道(4)、烟道气出口(9)和热缓冲器(7)，在该燃烧器装置(2)中，第一氧化剂和烟道气被交替地引导通过热缓冲器(7)，其特征在于使喷枪装置(6)向燃烧器装置(2)供应第二氧化剂，在对工业炉(1)中的金属材料的加热过程中，在第一加热步骤中供应第二氧化剂而在第二温度均匀化步骤中完全或部分地减少其后第二氧化剂的单位时间的平均供应量。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述加热是对工业炉(1)中的金属材料的分批式加热。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于第一氧化剂是空气。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于第二氧化剂包括至少80％重量百分比的氧气。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于第二氧化剂以高于200m/s的速度供应。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于第二氧化剂以至少是声速的速度供应。
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