CN102138040A - 利用燃烧器组件产生燃烧的方法和所用的燃烧器组件 - Google Patents

利用燃烧器组件产生燃烧的方法和所用的燃烧器组件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种使用燃烧器组件(12)产生燃烧的方法和相应的燃烧器组件。所述燃烧器组件包括耐火单元(12)、燃料供给系统(18)和氧化剂供给系统(20)。耐火单元(12)沿一个平面P1限定有至少一个从燃料入口(28)延伸到燃料出口的燃料通道(28A、28B、28C)，并且沿第二平面P2限定有至少一个从氧化剂入口延伸到氧化剂出口的氧化剂通道，所述第一平面和第二平面沿所述出口之外的直线相交，所述氧化剂供给系统包括一对氧化剂供给装置，内部氧化剂供给装置的入口与具有第一氧浓度的第一氧化剂源连接，同轴的外部氧化剂供给装置的入口与具有第二氧浓度的第二氧化剂源连接，该方法在氧化剂中的氧浓度方面具有改进的灵活性。

Description

利用燃烧器组件产生燃烧的方法和所用的燃烧器组件
技术领域
本发明涉及用于在炉子中产生燃烧的方法和所用的燃烧器组件，该组件包括耐火单元、燃料供给系统和氧化剂供给系统，并且配置成在耐火单元下游产生火焰。
本发明特别适用于熔化工艺。其特别但不唯一地适用于再生金属的熔化、特别是再生铝的熔化和浇包(ladle)预热。
背景技术
熔化工艺通常包括多个阶段或过程：
●将固体原料送入炉子的填装或装料阶段，
●将固体原料熔化以形成熔融物的熔化阶段，
●使熔融物保持熔融状态直至达到所需均匀性水平的保持、提炼或精炼阶段，
●将精炼后的熔融物从炉子排出以用于进一步加工的排放或排出阶段。
熔化阶段和提炼阶段适用不同的温度、能量要求。熔化阶段需要最多的功率或能量(单位重量材料)，提炼阶段需要较少的功率或能量(单位重量材料)。
可以使用浇包将熔融物特别是熔融金属从熔炉运送到诸如浇包精炼站或铸造站的下游设施。通常将这些浇包预热以使对耐火垫的热冲击和破坏最小化，并减小浇包内的温降。
浇包预热工艺同样通常包括多个阶段或过程：
○将浇包容槽(ladle vessel)加热至高温的起始或初始阶段，
○使浇包容槽保持高温、从而使耐火材料中温度分布均匀的保持或温度均衡阶段。
在诸如是再生熔化工业的熔化工业中，降低成本的推动力主要集中在两个方向：运行成本的降低和过程控制的改进。重要参数有：
●能量消耗的降低，
●生产率的提高，
●过程控制的改进，包括：
●炉中气体氛围的更好的稳定性；
●污染物诸如NOX和含有像粉尘之类的杂质的黑烟的大量减少。
再生铝熔炼炉的一特定参数是形成的渣滓(盐、废渣、铝的氧化物和熔融铝表面上形成的残存金属铝的混合物)的减少。
在最耗能量的熔化阶段中使用具有高含氧量的氧化物是有利的，以便通过辐射对原料实现较高的热传递，从而加速熔化过程、提高能量效率并减少能量消耗。
在主要发生熔融物的温度均匀化的提炼阶段中需要较少的能量，并且燃料消耗明显减少。在该阶段中，可以使用较少的氧参与(即，氧化剂中的氧浓度较低)来使运行成本最小化，这取决于燃料和氧各自的价格。
DE-A-10046569描述了一种铝冶炼工艺，其中在熔化阶段使用氧燃烧，在保持阶段使用空气燃烧。
此外，如下文所述，在诸如是再生铝冶炼的某些熔化工艺中通过在提炼阶段中使用诸如是空气的含较低氧浓度的氧化剂可以得到其它好处。
对于浇包预热，在初始阶段使用具有高含氧量的氧化剂是有利的，从而能够尽快达到所需温度并因此减少总的能量消耗。在第二温度均衡阶段中使用诸如是空气的具有低含氧量的较便宜的氧化剂可能是有利的，因为该过程中该部分的能量需求较低。可以根据燃料和富氧氧化剂各自的价格使运行成本最小化。
EP-A2-0754912公开了一类已有技术的燃烧器装置，读者可以参考该文献以获得多个背景知识。在这一现有技术的系统中，燃料和氧化剂通过燃烧器组件中分别设置的空腔而被引入炉子，从而使燃料和氧化剂的燃烧具有宽广的明亮火焰，并从而使燃料和氧化剂的燃烧产生较少量的氮氧化物(NOX)。该已有技术的燃烧器装置具有良好的能量效率并且产生较少的污染物(NOX)。EP-A2-0754912中描述的装置的一个问题在于它仅限于使用氧摩尔浓度至少为50％的气体形式的氧化剂运行。这一最低氧需求限制了该装置的灵活性。
US-A-2001/023053公开了一种燃烧器组件，该燃烧器组件在不更换燃烧器的情况下允许氧-燃料、空气-燃料或富氧空气-燃料运行。然而，当从氧-燃料运行转变为空气-燃料运行或富氧空气-燃料运行时必须中断燃烧并改变燃烧器入口的布置。US-A-2003/0157450公开了用于燃烧预热燃料和预热氧化剂的这类燃烧器组件的一具体实施例。根据所述实施例的一个方面，该燃烧器组件包括适于传送经预热氧化剂的管道，该管道延伸通过一压力室，该压力室适于将环境温度下的流体传送到该压力室的围绕经预热氧化剂管道的环状区域，从而使燃烧器部件上的热应力和净热损失最小。进入围绕经预热氧化剂管道的环状区域中的环境温度下的流体自身可以是氧化剂，特别是与经预热氧化剂成分不同的氧化剂。
US-A-4547150公开了一种具有中央燃料喷射器和同轴围绕的氧化剂喷射器的燃烧器组件，其中氧化剂的含氧量可以从不富氧(空气-燃料燃烧)到不同富氧等级变化。
DE-A-10046569和US-A-US2002192613公开了用于使用两种不同氧化剂的套管式燃烧器，该燃烧器具有同轴的燃料喷射器和氧化剂喷射器以及位于燃料喷射器下游的燃料-氧化剂预混合室。
JP-A-2000146129公开了一种富氧率可变的燃烧器，该燃烧器具有中央燃料气体通道、同轴围绕的空气供给通道、和位于该同轴的空气供给通道内且围绕该燃料气体管道的多个管体。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种使用燃烧器组件(也称作“燃烧器”)产生燃烧的改进的方法，特别地在于提供在氧化剂中的氧浓度方面具有改进的灵活性的这样一种方法。
本发明进一步的目的在于提供一种使用燃烧器组件产生燃烧的方法，该方法在氧化剂中的氧浓度方面具有改进的灵活性，并且能够提供宽广的火焰和较低的NOX燃烧。
本发明还涉及特别适于在所述方法中使用的改进的燃烧器组件。
因此，本发明提供了一种使用燃烧器组件产生燃烧的方法，所述燃烧器组件包括耐火单元、燃料供给系统和氧化剂供给系统。耐火单元沿一平面(下文中称作“第一平面”)限定至少一个从燃料入口延伸至燃料出口的燃料通道，大体沿单独的第二平面限定至少一个从氧化剂入口延伸至氧化剂出口的氧化剂通道，所述第一平面和第二平面沿所述出口之外(即，下游)的直线交叉。氧化剂供给系统包括一对彼此独立的氧化剂供给装置：内部氧化剂供给装置和外部氧化剂供给装置。该内部氧化剂供给装置具有在使用中与第一氧化剂源连接的入口。该外部氧化剂供给装置至少部分地围绕该内部氧化剂供给装置，并且具有在使用中与第二氧化剂源连接的入口。内、外部氧化剂供给装置至少部分地延伸入所述至少一个氧化剂通道，从而该氧化剂供给系统配置成在使用中为所述至少一个氧化剂通道的出口供给所述第一氧化剂和第二氧化剂之一或两者的混合物。
因此，在本发明的方法中，燃烧器组件可以只使用第一氧化剂、只使用第二氧化剂或使用第一氧化剂和第二氧化剂的混合物运行并产生燃烧。
第一氧化剂和第二氧化剂典型地具有不同的含氧量(以％vol.的氧表示)。因此，使用该燃烧器组件使得通过燃烧器向燃烧过程供给的氧化剂的含氧量能够从第一氧化剂的含氧量向第二氧化剂的含氧量和含氧量的中间水平变化。
本文中，术语“oxidant(氧化剂)”和“oxidiser(氧化剂)”或“oxidizer(氧化剂)”是同义的。
根据本发明，当使用未用形容词“第一”或“第二”修饰的术语“氧化剂”时，所述术语指的是由燃烧器向燃烧区喷射的所有“氧化剂”，所述“氧化剂”可以(a)当只向燃烧器供给第一氧化剂时相当于“第一氧化剂”，(b)当只向燃烧器供给第二氧化剂时相当于“第二氧化剂”，(c)当同时向燃烧器供给第一氧化剂和第二氧化剂时相当于“第一氧化剂”和“第二氧化剂”的混合物。
典型地，第二氧化剂是含氧量低于25％vol.的氧化剂，诸如是空气。第一氧化剂有利地是含氧量为从70％vol.到100％vol.、优选地从90％vol.到100％vol.、更优选地从95％vol.到100％vol.的富氧氧化剂。
第一氧化剂和/或第二氧化剂可以是环境温度下的或经预热的。通常它们或者同是环境温度下的，或者同是经预热的。
因此，本发明的一个优点在于，新方法为在氧与空气、或氧与空气的组合或混合物之间改变氧化剂的成分提供了可能。因此可以向氧化剂中引入一部分空气或氧，以便在21％vol.(空气)和100％vol.(纯氧)或接近100％vol.之间有效地改变氧化剂中的含氧量。
本发明一个特别的优点在于，所述氧化剂的成分的变化可以在不中断燃烧过程的情况下实现。
内部氧化剂供给装置可以未到达所述氧化剂出口，从而使所述氧化剂通道的在所述内部氧化剂供给装置的出口和所述氧化剂出口的孔口之间延伸的长度限定了一混合室，当氧化剂通道供给第一氧化剂和第二氧化剂时，该混合室用于将所述第一氧化剂和所述第二氧化剂预混合。
在所述至少一个氧化剂通道内部，所述内、外部氧化剂供给装置优选地大体上是同轴的。
燃烧器组件的氧化剂供给系统还可以包括用于控制进入所述第一、第二氧化剂中至少一者——优选地是两者，最优选地是两者各自地——的所述氧化剂通道的流率的装置。
燃烧器组件还包括多个氧化剂通道和多个燃料通道，两组通道都沿其各自的平面相间隔，所述氧化剂通道位于所述燃料通道上方，从而使所述氧化剂与所述燃料沿介于其各自平面之间的交线相遇，从而在所述交线前面并朝向远离所述耐火单元的方向产生大体是平面的火焰。
该燃料通道或每个所述燃料通道可以包括燃料喷射器喷嘴，该燃料喷射器喷嘴具有围绕其自身的间隙或通道。特别地，可以设置用于使一部分氧化剂从所述氧化剂供给系统流出到所述燃料通道中、更明确地是流入所述周围间隙或通道中的装置，从而使流出的氧化剂以围绕所述燃料喷射器喷嘴外侧的保护流(shield)的形式被喷射，在使用中，所述流出的氧化剂中的所述流出的部分通过燃料喷射器喷嘴周围的燃料出口喷射。从而增加了火焰的稳定性。
所述氧化剂流出装置典型地是一个或多个使氧化剂供给系统与一个或多个燃料通道的间隙流体连接的管、管道或通道。
所述内、外部氧化剂供给装置中的一个或每个可以配置成向所述燃料供给装置、特别是向围绕所述燃料供给装置的燃料喷射器的间隙或通道供给氧化剂流。因此所述氧化剂流出装置特别地可以包括：
●内部氧化剂供给装置和所述燃料通道的所述间隙之间的第一流体联接，从而当氧化剂供给系统向所述至少一个氧化剂通道的出口供给第一氧化剂时使一部分第一氧化剂流入所述间隙；
●外部氧化剂供给装置和所述燃料通道的所述间隙之间的第二流体联接，从而在氧化剂供给系统向所述至少一个氧化剂通道的出口供给第二氧化剂时使一部分第二氧化剂流入所述间隙。
当氧化剂供给系统向所述至少一个氧化剂通道的出口供给由第一氧化剂和第二氧化剂的混合物组成的氧化剂时，上述氧化剂流出装置可以类似地使第一氧化剂和第二氧化剂的混合物流入所述间隙。
燃烧器可以包括多个燃料通道。每个所述燃料通道可以装备有用于喷射同种燃料的燃料喷射器，或者可选择地，所述燃料通道中的两个可以装备有配置成用于喷射不同燃料的燃料喷射器。
所述燃料可以是诸如天然气或重燃油的烃类燃料。该燃料也可以是粉状固体燃料。
本发明产生燃烧的方法利用根据任一上述实施例的燃烧器装置来产生燃烧，该方法包括：
(a)选择性地为耐火单元的氧化剂通道的内部氧化剂供给装置供给第一氧化剂，所述第一氧化剂有利地含有至少70％vol.、优选地至少90％vol.、更优选地至少95％vol.的氧；
(b)选择性地为同一氧化剂通道的同轴的外部氧化剂供给装置供给第二氧化剂，所述第二氧化剂优选地含有低于25％的氧，并且有利地是空气；
(c)通过只向内部氧化剂供给装置供给第一氧化剂(不向外部氧化剂供给装置供给第二氧化剂)、只向同轴的外部氧化剂供给装置供给第二氧化剂(不向内部氧化剂供给装置供给第一氧化剂)、和向内部氧化剂供给装置供给第一氧化剂与向同轴的外部氧化剂供给装置供给第二氧化剂相结合来改变向至少一个氧化剂通道供给的所述第一氧化剂和第二氧化剂之间的比例；和
(d)将所述氧化剂引导向燃烧器下游的用于与其一起燃料的燃料。
所述用于产生燃烧的方法还可以包括：
(c’)为至少一个燃料通道供给燃料并通过所述至少一个燃料通道的燃料出口喷射所述燃料。实际中，特别是当炉子中的气体氛围含有足够的可燃物时——该可燃物例如可以是由炉子中炉料释放的、由其它燃料供给装置喷射的或在不完全燃烧后剩余的——不通过燃料出口喷射燃料也可以产生燃烧。
本发明还涉及该产生燃烧的方法在熔化工艺、特别是再生熔化工艺(诸如再生铝冶炼工艺)中的应用，并涉及该产生燃烧的方法在浇包预热工艺中的应用。
本发明还涉及如上文所述的与产生燃烧的方法相关的改进的燃烧器组件。
本发明还涉及装备有至少一个根据本发明的燃烧器的炉子。所述炉子特别地可以是转炉或反射炉，例如铝熔炼炉。
附图说明
下面通过示例并参考附图说明本发明，其中：
图1是在根据本发明第一实施例的产生燃烧的方法中使用的燃烧器组件的透视图；
图2是图1中燃烧器组件的后视图；
图3是图1中燃烧器组件的前视图；
图4是图1中燃烧器组件的侧视图，其中局部剖视示出了燃料喷射器；
图5是在根据本发明第二实施例的产生燃烧的方法中使用的燃烧器组件的前视图；
图6是从图5所示的前视图中沿直线A-A的剖面图；
图7是图5所示燃烧器组件的透视图；
图8是图5所示燃烧器组件的后视图；
图9示意性示出了燃烧组件的总燃烧器动量与功率之比I/P(I/P以N表示)和燃烧组件的功率P(P以MW表示)在本发明的方法中对于燃烧器组件的不同运行范围而言的函数关系。
在图9中，直线1表示本发明的方法中的燃烧器组件只使用大体纯净的氧(第一氧化剂)作为氧化剂的运行，直线2表示本发明的方法中的燃烧器组件只使用空气(第二氧化剂)作为氧化剂的运行，区域3表示本发明的方法中的燃烧器使用第一氧化剂和第二氧化剂的混合物的运行。
具体实施方式
参考附图，燃烧器组件10包括耐火单元12，穿过该耐火单元12限定有一系列通道。耐火单元12可以是例如由陶瓷制成的单独的单元或单元组件。其可以与炉壁成为一体。
耐火单元12背面连接有安装支架14、燃料供给系统18和氧化剂供给系统20。
在所示实施例中，安装支架还支承点火器16。点火器的有无是可选的，特别地，诸如玻璃熔化炉的炉子可以不需要点火器，在该玻璃熔化炉中，炉子气体氛围的温度足够高以导致燃料和氧化剂的自发点火。
点火器16配置成通过点火器通道22向耐火单元12的朝向炉子前侧面26上的前导喷射孔24提供前导火种/点火火焰。
在所示实施例中，安装支架还支承有火焰检测器50，典型的是UV火焰检测器，其能通过穿过耐火单元12的独立的火焰检测通道52检测燃烧器下游火焰的出现或消失。所述火焰检测器的有无同样是可选的。
燃料供给系统18包括用于向一个或多个穿过耐火单元12限定的燃料通道引入燃料的燃料入口28。
在图1至图4所示的非限制性实施例中，单个燃料通道28B沿平面P1穿过耐火单元12，该平面横穿耐火单元12的下半部分，并且在图3与相关的图4的视图中用A-A表示。燃料通道28B沿平面P1一直穿过耐火单元12的中心，并具有沿其自身布置的液态燃料雾化器30。雾化器30的雾化气体的入口布置在燃料入口28附近。工作时，液态燃料通过与中央通道28B轴向对齐的雾化器30以雾化形式被供给，并沿燃料通道28B所在的同一平面P1离开耐火单元12被导入炉子。
在图5至图8所示的非限制性实施例中，有三个用于气态燃料的燃料通道28A、28B和28C。这三个燃料通道都大体上沿同一水平面P1穿过耐火单元12，该平面P1横穿耐火单元12的下半部分，并在图5中用A-A表示。所述燃料通道之一28B沿平面P1一直穿过耐火单元12的中心。外侧的两燃料通道28A和28C沿与入口28相同的平面P1向远离入口28的方向水平向外分开，并分别在中央燃料通道28B两侧离开耐火单元12的前侧面26。在使用中，由此将气态燃料离开耐火单元12导入炉子，从而沿燃料通道28A、28B和28C所在的同一平面P1形成一层(燃料)。
根据本发明，术语“燃料”包括液态或气态的烃类燃料。即，例如室温(25摄氏度)或预热状态下的甲烷、天然气、丙烷、雾化油等(气态或液态)。该“燃料”也可以是粉状固体燃料。
可选择的实施例可以包括多个具有相关的雾化器或固体燃料喷枪的燃料通道、单个燃料通道、或者一个或多个液态燃料通道与一个或多个气态燃料通道的组合等，当存在多个燃料通道时，这些通道有利地位于同一平面P1上。
下面考虑氧化剂供给系统20，在安装支架14上设置有位于燃料入口28上方的氧化剂入口34，该氧化剂入口34配置成与氧化剂源(下文中称作“第二氧化剂源”)连接以供给诸如空气形式的氧化剂(下文中称作“第二氧化剂”)。
入口管34以“Y”形向外分成一对直径缩小的支管40A、40B，该支管40A、40B向前折转到安装支架14背面、穿过安装支架14并通过耐火单元12的背面44进入一对氧化剂通道42A、42B，该对氧化剂通道42A、42B从耐火单元12的背面44到其前面26穿过该耐火单元12进行限定。
氧化剂通道42A、42B沿各自的中心线大约穿过耐火单元12的一半，所述中心线与入口管34的中心线共面，因此也在与燃料通道28B或燃料通道28A、28B和28C的平面P1大体平行的平面上。
在耐火单元12内大约一半处的点60处，氧化剂通道向下倾斜并通过各自的氧化剂出口46A、46B离开耐火单元12的前面26。氧化剂出口中心线的向下倾斜沿平面P2，平面P2与燃料通道28A、28B、28C的平面P1相交于远离耐火单元12的前面26的一点。这保证了氧化剂供给将与燃料供给在其各自的出28A、28B、28C、46A、46B之外的一点相遇。平面P2在附图中以图4中的点60左侧的下降的直线B-B表示。P2可以例如下倾5°。
大径管34具有氧化剂流出管48形式的排出口，其配置成使一部分氧化剂从氧化剂管34流出并向下流入燃料箱18(也可称作“燃料单元”或“燃料供给系统”)。流出的氧化剂随后用于在雾化液态燃料、气态燃料或粉状固体燃料从燃料通道28B或燃料通道28A、28B、28C出来时将其包围，从而使操作的灵活性和火焰的稳定性最大化。
氧化剂供给系统还包括附加的和独立的氧化剂供给装置，该装置配置成沿着与第二氧化剂供给34、40A、40B相同的氧化剂供给管道42A、42B从另一个氧化剂源(下文中称作“第一氧化剂源”)供给氧化剂。
用于传送单独的第一氧化剂供给(由第一氧化剂源供给的氧化剂，下文中称作“第一氧化剂”，且具有比第二氧化剂高的含氧量)的装置是内部氧化剂喷枪58A、58B形式的，分别位于氧化剂支管40A、40B中。
根据所示实施例，在安装位置上，氧化剂喷枪58A、58B是直的，并且在氧化剂通道42A、42B中进一步延伸到氧化剂通道42A、42B下倾处的点60之外。因此每个氧化剂喷枪58A、58B的出口沿着与其相关联的氧化剂通道42A、42B的至少一部分长度大体同轴，但是由于存在下倾角度，氧化剂喷枪58A、58B的出口在这些通道42A、42B中较高。特别参考图4将更好的观察到这一点。
氧化剂喷枪58A和58B只是最低限度地下倾的实施例特别适用于包括位于燃烧器下方的炉料的炉子，其中该炉料易受不需要的氧化作用的影响。这样，当根据本发明的燃烧器只向炉子中喷射诸如空气的具有低含氧量的第二氧化剂时，所述第二氧化剂向下喷向炉料，从而增加了与炉料的对流热传递。由于该第二氧化剂的氧浓度较低，因此该炉料几乎没有被氧化。另一方面，当只向炉子中喷射具有高含氧量的第一氧化剂时，由于第一氧化剂只是略微地向炉料倾斜，第一氧化剂和炉料之间几乎没有直接接触，并且在燃料燃烧过程中第一氧化剂在到达炉料之前完全或几乎完全被消耗掉，从而限制或避免了氧化剂对炉料的氧化。当喷射第一氧化剂和第二氧化剂的混合物时，氧化剂的总的氧浓度处于第一氧化剂的氧浓度和第二氧化剂的氧浓度之间，并且氧化剂的总的喷射方向同样处于只喷射第一氧化剂时的喷射方向和只喷射第二氧化剂时的喷射方向之间。应意识到，当炉子包括不易受或只是略微易受不需要的氧化作用影响的炉料时，氧化剂通道和氧化剂喷枪两者都可以(向下)朝向炉料被引导，以增加对流热传递。
氧化剂喷枪58A、58B未到达氧化剂通道42A、42B各自的出口，氧化剂通道42A、42B的位于氧化剂喷枪58A、58B的端部和这些出口之间的区域限定了各自的预混合室42C、42D。在可能同时使用两种氧化剂供给的情况下，预混合室42C、42D用于使两种单独引入的氧化剂的混合物在排出之前均匀化。
每个氧化剂喷枪58A、58B的供给侧都与氧化剂供给装置62连接，该氧化剂供给装置62独立于通向大径氧化剂入口34的氧化剂供给。所述与独立的氧化剂供给的连接是管状联接件64形式的，该联接件64与根状歧管(log-manifold)66的中央连接，该根状歧管66水平横跨在支管40A、40B上方。
氧化剂喷枪58A、58B自身采取L形管的形式，从根状歧管66的端部区域向下延伸，在支管40A、40B转直处进入该支管40A、40B，并进入氧化剂通道42A、42B。这样，氧化剂喷枪58A、58B只需要一个肘部以转向氧化剂通道42A、42B。
从根状歧管66分接出一小径管68，该小径管68向下接入燃料箱18。类似于从大径管34伸出的氧化剂流出管48，该小径管配置成使一部分单独的第一氧化剂供给从根状歧管向下流入燃料箱18。同另一流出管48一样，由小径流出管流出的氧化剂也用于在雾化液态燃料或气态燃料从各自的燃料通道28B或燃料通道28A、28B、28C出来时将其包围，从而提高火焰的稳定性和运行的灵活性。
通过提供每个氧化剂供给的氧化剂流出管48、68，该优选实施例的结构保证了不管使用哪一种氧化剂供给——单独使用或与另一种混合使用，在气态燃料射流的周围总是存在流出的氧化剂供给，以用于使火焰稳定。这样，通过在燃料喷射器周围喷射一些氧化剂和在距离燃料喷射器一定距离处喷射剩余氧化剂而获得了火焰的稳定性。
本发明的使用特殊燃烧器设计的方法能够：
(a)通过控制第一氧化剂和第二氧化剂的比例来改变氧化剂的含氧量，
(b)控制氧化剂的喷射速度，而不管只喷射第一氧化剂、只喷射第二氧化剂或喷射两种氧化剂的混合物，
(c)由于具有多个氧化剂通道而获得宽广并因此更均匀的覆盖炉料的火焰，
(d)对于该类燃烧器设计而言保证具有很低的氮氧化物(NOX)排放量的低强度燃烧反应。
NOX的排放量在氧化剂主要由纯氧构成时最低，并且随着氧化剂中含氧量的降低和含氮量的相应提高而提高。
本发明提供了用于向炉子供入两种独立的氧化剂供给的具体结构，并使这些氧化剂能够灵活使用——完全使用其中一种或另一种或两者的任意混合物。一种氧化剂可以例如是空气，另一种可以是氧气，从而可以在21％氧浓度(只有空气)到100％氧或基本100％氧之间运行。
最近几年中铝的使用比其它任何金属增加得都多，而且在未来许多年中预计都会有比其它金属更快的增长速度。如今世界上铝产量的几乎30％来源于再循环利用。
再生铝的熔化在反射炉或转炉中进行，尤其在欧洲和日本，异常高的燃料价格使得富氧燃烧的使用越来越引起人们的关注。实际上，本已较高的燃料价格使得熔炉中越来越多地使用氧或富氧空气，以降低能量消耗和相关成本。
根据本发明，可如下进行分批式铝冶炼工艺，特别是再生铝冶炼工艺。
在装备有一个或多个根据本发明的燃烧器组件的炉子中进行该冶炼工艺。
第一氧化剂是具有至少70％vol.、优选地为至少90％vol.、更优选地为至少95％vol.的含氧量的富氧气体。
第二氧化剂具有不高于25％vol.含氧量，且优选地是空气。
所述工艺包括以下阶段：
●装料阶段，
●熔化阶段，
●提炼阶段，
●排出阶段。
熔化阶段和保持阶段适用不同的温度、能量要求。熔化阶段需要最多的功率或能量(单位重量材料)，提炼阶段需要较少的功率或能量(单位重量材料)。
根据本发明，在熔化阶段开始时，一个或多个燃烧器组件运行成使得氧化剂主要(即，多于50％vol.，有利地多于按体积计75％)由第一氧化剂构成。换句话说，氧化剂的主要部分(多于50％vol.，有利地多于按体积计75％)由内部氧化剂供给装置供给，该内部氧化剂供给装置的入口与第一氧化剂源连接。优选地，氧化剂完全由第一氧化剂构成。换句话说，全部氧化剂由供给富氧的第一氧化剂气体的所述内部氧化剂供给装置供给。
在熔化阶段结束时，通过增加由第二氧化剂(即，空气)构成的氧化剂部分来降低氧化剂的含氧量。这是通过增加(a)由外部氧化剂供给装置供给的第二氧化剂(流量或流率)与(b)由内部氧化剂供给装置供给的第一氧化剂(流量或流率)之间的比例实现的。该增加过程可以是逐步增加，或者是逐渐或逐量增加。对此使用该燃烧器组件的用于控制相应流量的装置。逐渐增加由于火焰的稳定性的原因而是优选的。
在提炼阶段，一个或多个燃烧器组件运行成使得氧化剂主要(即，多于50％vol.，有利地多于按体积计75％)由第二氧化剂(即，空气)构成。换句话说，氧化剂的主要部分(多于50％vol.，有利地多于按体积计75％)由外部氧化剂供给装置供给，该外部氧化剂供给装置的入口与第二氧化剂/空气的源连接。在提炼阶段中，氧化剂优选地全部由第二氧化剂构成。换句话说，全部氧化剂是由供给含有相对较少含氧量的第二氧化剂(特别是空气)的所述外部氧化剂供给装置供给的空气。
当原料含有诸如是存在于废金属表面的油漆、涂料、油等可燃物时，该可燃物可以在熔化阶段初期作为燃料。在熔化阶段的所述初期，可暂时减小由一个或多个燃烧器组件通过一个或多个燃料出口供给的燃料量(流量或流率)与通过一个或多个氧化剂出口并作为氧化剂的一部分供给的氧的量(流量或流率)之间的比例。这样就考虑到了原料对燃料的贡献。
当使用本发明的上述方法时，在熔化阶段开始时温度迅速上升，熔化更迅速地发生。由于高辐射火焰和随之产生的传递给炉料的高辐射能量，能量效率也得到增加。
在提炼阶段中，铝处于高温和熔融状态，这增加了氧化的风险，并且随之增加了材料损失和渣滓形成的风险。
可以通过使炉料上方气体氛围沿炉子形成大体均匀或一致的温度分布来降低材料损失的风险。
实际上，提炼阶段中材料损失的减少是通过在提炼阶段中运行一个或多个燃烧器组件从而使氧化剂主要且优选地完全由空气构成来实现的。如图9中直线2所示，这导致了更高的动量(I)与功率(P)之比。在所述提炼阶段中，一个或多个燃烧器组件可以有利地使用空气作为氧化剂运行，从而在炉料上方实现基本均匀的燃烧，也因此在炉料上方沿炉子实现基本均匀一致的温度分布。
由于提炼阶段的能量需求较低，因此在该阶段可以使用空气作为氧化剂，而不减少熔化阶段的总效率。
在提炼阶段使用空气作为氧化剂使得在该阶段在炉子气体氛围中出现氮。然而，这不会导致大量NOX的形成，因为与氧-燃料火焰的明显较高的温度相比，空气-燃料火焰的温度较低。
尽管上文针对铝熔化工艺说明了本发明的工艺，但是该工艺也可以有利地用于包括熔化阶段和提炼阶段的其它熔化工艺，例如玻璃熔化工艺，尤其是分批式玻璃熔化工艺。
根据本发明，浇包预热工艺可以如下进行：以将浇包容槽加热至高温为目的的初始阶段。为了增加该工艺的能量强度和从而减少该工艺步骤所需的时间，在该阶段中氧化剂的含氧量选择为较高。初始阶段之后的第二阶段是保持阶段，浇包容槽在该阶段中保持高温，从而使耐火材料中温度分布均匀。为了只维持所需温度，在该第二阶段中减少了能量输入。为了获得尽可能最低的总运行成本，可以根据燃料、氧和空气的可变成本选择氧和空气的最佳混合物。
根据本发明，在初始阶段开始时，一个或多个燃烧器组件运行成使得氧化剂主要(即，多于50％vol.，有利地多于按体积计75％)由第一氧化剂构成。换句话说，氧化剂的主要部分(多于50％vol.，有利地多于按体积计75％)由内部氧化剂供给装置供给，该内部氧化剂供给装置的入口与第一氧化剂源连接。优选地，氧化剂完全由第一氧化剂构成。换句话说，全部氧化剂都由供给富氧的第一氧化剂气体的所述内部氧化剂供给装置供给，从而加速浇包容槽的预热。
在随后需要较少能量的温度均衡阶段，一个或多个燃烧器组件运行成使得氧化剂主要(即，多于50％vol.，有利地多于按体积计75％)由第二氧化剂(即，空气)构成。换句话说，氧化剂的主要部分(多于50％vol.，有利地多于按体积计75％)由外部氧化剂供给装置供给，该外部氧化剂供给装置的入口与第二氧化剂/空气的源连接。在该阶段中，氧化剂优选地全部由第二氧化剂构成。换句话说，全部氧化剂都是由供给具有相对较少含氧量的第二氧化剂(特别是空气)的所述外部氧化剂供给装置供给的空气。
因此，本发明使得用户能够更好地使氧化剂构成与诸如熔化周期中炉子负荷或功率需求的周期需求相适应。此外或可选择地，也可以根据氧化剂和燃料的即时市场价格来优化炉子，例如当燃料昂贵时使用100％氧、当燃料便宜时使用100％空气，或使用两者的任意混合物。
同时应意识到，这里公开的结构是固定不动的，因此不需要为了更换所能供给的氧化剂而改变实体连接，并且因此可以逐步更换或逐渐改变(所能提供的氧化剂)而不中断燃烧器组件的运行。

Claims (15)

1.一种使用燃烧器组件(10)产生燃烧的方法，所述燃烧器组件(10)包括耐火单元(12)、燃料供给系统(18)和氧化剂供给系统(20)，耐火单元沿第一平面限定至少一个从燃料入口延伸到燃料出口的燃料通道(28A、28B、28C)，并且大体沿第二平面限定至少一个从氧化剂入口延伸到氧化剂出口(46A、46B)的氧化剂通道(42A、42B)，所述第一平面和第二平面沿所述出口之外的直线相交，所述氧化剂供给系统包括内部氧化剂供给装置和外部氧化剂供给装置，所述内部氧化剂供给装置具有与第一氧化剂源连接的入口，所述外部氧化剂供给装置至少部分地围绕内部氧化剂供给装置且具有与第二氧化剂源连接的入口，所述内、外部氧化剂供给装置至少部分地伸入所述至少一个氧化剂通道，所述氧化剂供给系统配置成向所述至少一个氧化剂通道的出口供给所述第一氧化剂和第二氧化剂之一或两者的混合物，
所述方法包括：
(a)选择性地为耐火单元(12)的氧化剂通道(42A、42B)的内部氧化剂供给装置供给第一氧化剂，所述第一氧化剂有利地含有至少70％vol.、优选地至少90％vol.、更优选地至少95％vol.的氧；
(b)选择性地为同一氧化剂通道的同轴的外部氧化剂供给装置供给第二氧化剂，所述第二氧化剂优选地含有低于25％的氧，并且有利地是空气；
(c)通过只向内部氧化剂供给装置供给第一氧化剂、只向同轴的外部氧化剂供给装置供给第二氧化剂、和向内部氧化剂供给装置供给第一氧化剂与向同轴的外部氧化剂供给装置供给第二氧化剂相结合来改变向至少一个氧化剂通道供给的所述第一氧化剂和第二氧化剂之间的比例；和
(d)将所述氧化剂引导向燃烧器组件(10)下游的与其一起燃烧的燃料。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
(c′)为至少一个燃料通道(28A、28B、28C)供给燃料并通过所述至少一个燃料通道(28A、28B、28C)的燃料出口喷射所述燃料。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在引导氧化剂的步骤中，将所述氧化剂引导向燃烧器组件下游的用于与其一起燃烧的燃料，沿与第一平面形成第一角度的第一方向引导第一氧化剂，沿与第一平面形成第二角度的第二方向引导第二氧化剂，其中第一角度大于第二角度。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述内部氧化剂供给装置(58A、58B)未到达所述氧化剂出口(46A、46B)，从而所述氧化剂通道(42A、42B)的在所述内部氧化剂供给装置的出口和所述氧化剂出口的孔口之间延伸的长度限定了用于将所述第一氧化剂和所述第二氧化剂预混合的混合室(42C、42D)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在耐火单元(12)中，所述至少一个氧化剂通道(42A、42B)位于所述至少一个燃料通道(28A、28B、28C)上方。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述氧化剂供给系统(20)还包括控制进入所述第一、第二氧化剂中至少一者——优选地是两者，最优选地是两者各自地——的所述氧化剂通道的流速的装置。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，包括多个氧化剂通道(42A、42B)和多个燃料通道(28A、28B、28C)，这两组通道都沿其各自的平面相间隔，所述氧化剂通道位于所述燃料通道上方，从而使所述氧化剂或者根据情况使所述氧化剂的混合物与所述燃料沿其各自平面之间的交线相遇，从而在所述交线前面并朝向远离所述耐火单元(12)的方向产生大体是平面的火焰。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述或每个所述燃料通道(28A、28B、28C)包括燃料喷射器喷嘴，所述燃料喷射器喷嘴具有围绕其自身的间隙，设置有使一部分氧化剂从所述氧化剂供给系统(20)流出到所述燃料通道的所述间隙中的装置(48、68)，所述氧化剂流出装置配置成使流出的氧化剂以围绕所述燃料喷射器喷嘴外侧的保护流的形式流出。
9.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述氧化剂流出装置包括位于内部氧化剂供给装置和所述燃料通道(48A、48B、48C)的所述间隙之间的第一联接件(68)，当所述氧化剂供给系统(20)为所述至少一个氧化剂通道(42A、42B)的出口(46A、46B)供给第一氧化剂时，该第一联接件(68)使一部分第一氧化剂流入所述燃料通道的所述间隙；所述氧化剂流出装置还包括位于外部氧化剂供给装置和所述燃料通道的所述间隙之间的第二联接件(48)，当所述氧化剂供给系统为所述至少一个氧化剂通道的出口供给第二氧化剂时，该第二联接件(48)使一部分第二氧化剂流入所述燃料通道的所述间隙。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃料包括烃类燃料，例如天然气或重燃油或粉状固体烃类燃料。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法在熔化工艺或熔炉中的应用。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的方法在浇包预热工艺中的应用。
13.使用根据权利要求1至10中任一项所述的方法在炉中熔化炉料的工艺，其特征在于，由一个或多个燃烧器组件通过使燃料与氧化剂燃烧来提供热量，
所述工艺包括：
●装料阶段，
●熔化阶段，
●提炼阶段，
●排出阶段，
其中：
●在熔化阶段开始时，一个或多个燃烧器组件(10)运行成使得50％vol.以上、优选地75％vol.以上、更优选地全部氧化剂都是由内部氧化剂供给装置提供的第一氧化剂，所述内部氧化剂供给装置的入口与第一氧化剂源连接，
●在熔化阶段结束时，增加(a)通过外部氧化剂供给装置的第二氧化剂流和(b)通过内部氧化剂供给装置的第一氧化剂流之间的比例，
●在提炼阶段中，一个或多个燃烧器组件运行成使得50％vol.以上、优选地75％vol.以上、更优选地全部氧化剂都是由外部氧化剂供给装置提供的第二氧化剂，所述外部氧化剂供给装置的入口与第二氧化剂源连接。
14.使用根据权利要求1至10中任一项所述的方法预热带有浇包容槽的浇包的工艺，其特征在于，由一个或多个燃烧器组件通过使燃料与氧化剂燃烧来提供热量，所述工艺包括：
●初始加热阶段，
●随后的温度均衡阶段，
其中：
●在加热阶段中，一个或多个燃烧器组件(10)运行成使得50％vol.以上、优选地75％vol.以上、更优选地全部氧化剂都是由内部氧化剂供给装置提供的第一氧化剂，所述内部氧化剂供给装置的入口与第一氧化剂源连接，
●在温度均衡阶段，一个或多个燃烧器组件运行成使得50％vol.以上、优选地75％vol.以上、更优选地全部氧化剂都是由外部氧化剂供给装置提供的第二氧化剂，所述外部氧化剂供给装置的入口与第二氧化剂源连接。
15.一种燃烧器组件(10)，包括耐火单元(12)、燃料供给系统(18)和氧化剂供给系统(20)，该耐火单元沿一个平面限定有至少一个从燃料入口延伸到燃料出口的燃料通道(28A、28B、28C)，并且大体沿第二平面限定有至少一个从氧化剂入口延伸到氧化剂出口(46A、46B)的氧化剂通道(42A、42B)，所述第一平面和第二平面沿所述出口之外的直线相交，所述氧化剂供给系统包括内部氧化剂供给装置和外部氧化剂供给装置，所述内部氧化剂供给装置具有配置成用于与第一氧化剂源连接的入口，所述外部氧化剂供给装置至少部分地围绕所述内部氧化剂供给装置，且具有配置成用于与第二氧化剂源连接的入口，所述氧化剂供给系统配置成为所述至少一个氧化剂通道的出口供给所述第一和第二氧化剂之一或两者的混合物，其特征在于，所述内、外部氧化剂供给装置至少部分地延伸入所述至少一个氧化剂通道，所述内部氧化剂供给装置具有限定成沿第一方向引导第一氧化剂的下游端，所述第一方向与限定所述至少一个燃料通道的第一平面形成第一角度，所述至少一个氧化剂通道具有限定成沿第二方向引导第二氧化剂的下游端，所述第二方向与第一平面形成第二角度，其中所述第一角度大于所述第二角度。
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