CN104713352A - 用于在工业炉中加热金属材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在工业炉(200)中加热金属材料(206)的方法,工业炉(200)包含暗区(201)和至少一个配置在暗区(201)下游的加热区(202、203),加热区(202、203)使用至少一个燃烧器(210)来加热,其中金属材料(206)被输送通过暗区(201)且然后通过加热区(202、203),其中燃烧气体通过至少一个加热区(202、203)逆流循环通过工业炉(200),然后通过暗区(201)。本发明特征在于,至少一个加热区(202、203)中至少一个中的燃烧λ值低于1,即实际氧气燃料比与化学计量氧气燃料比的比率低于1,且特征在于,通过至少一个喷枪(212)向暗区(201)中供应包含至少85重量%氧气的氧化剂,以便使至少一股氧化剂料流(213)被导向金属材料(206),且暗区(201)中的所述氧化剂使来自至少一个加热区(202、203)的可燃性气体燃烧。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在工业炉中加热金属材料的方法。本发明还涉及一种对用空气燃烧器加热的工业炉进行升级来增加燃烧效率的方法。
背景技术
诸如厚板、坯料和钢坯的金属材料通常在使用空气燃烧器加热的工业炉中进行加热,其中燃料的燃烧在由燃烧器供应的空气下进行。在逆流炉中,燃烧产物向相对于金属材料输送方向的上游流动,从而加热接近空气燃烧器的材料。在这种炉中,常规存在一个所谓的暗区,负载的金属材料在该暗区中被逆流流动的燃烧气预热,然后进入炉的一个或多个加热区中。
问题在于空气燃烧效率低,因为在此过程中大体积的氮气会被加热。因此,在上述炉中需要使用高氧氧化剂来代替空气。
对于这种炉子而言,建议了用所谓的氧燃料燃烧器来代替空气燃烧器,氧燃料燃烧器即进料高氧氧化剂而非空气的燃烧器。然而,这种燃烧器除了安装昂贵以外,还导致较小体积的燃烧产物流经炉和暗区,因此,负载的金属产物会较低效率地预热。为了解决这个问题,建议降低暗区中的顶板(ceiling),由此减小暗区的容积并改善每单位体积的燃烧产物对其中金属产物的预热。然而,这样会导致暗区下游主炉空间中的压力增加,从而增加其中泄露的风险。
另一种可能性是在暗区中配置附加的燃烧器。然而,这已被证明昂贵且复杂,尤其因为许多炉相当宽,难以在将要预热的金属产物的整个宽度内获得均匀加热,而不使金属材料表面存在过热的风险。
发明内容
本发明解决以上所述的问题。
因此,本发明涉及一种用于在工业炉中加热金属材料的方法,此工业炉包含暗区和至少一个配置在暗区下游的加热区,此加热区使用至少一个燃烧器来加热,其中所述金属材料被输送通过暗区,然后通过加热区,其中燃烧气体通过至少一个加热区、逆流循环地通过工业炉,然后再通过暗区,其特征在于,所述至少一个加热区的至少一个中的燃烧λ值、即实际氧气燃料比与化学计量氧气燃料比的比率低于1,且特征在于,通过至少一个喷枪向暗区中供应包含至少85重量%氧气的氧化剂,以便使至少一股所述氧化剂的料流被导向金属材料,且以便暗区中的所述氧化剂使源自至少一个加热区的可燃性气体燃烧。
附图说明
下文中将参考本发明的示例性实施方案和附图来详细描述本发明,其中:
图1a是使用空气燃烧器加热的常规工业炉的简化的部分删除的侧视图;
图1b是图1a的炉的简化的部分删除的顶视图;
图2a是配置成使用本发明的方法进行操作的工业炉的简化的部分删除的侧视图;和
图2b是图2a的炉的简化的部分删除的顶视图。
具体实施方式
图1a和1b使用共同的附图标记示出了工业炉100,它由燃烧器110加热,且包含暗区101和两个燃烧加热区102、103。来自配置在加热区102、103中的燃烧器110的热燃烧气体以通常为上游方向111逆流循环通过炉100,依次通过加热区103、通过加热区102,然后通过暗区101,之后通过烟道或烟囱104排出。燃烧器110可以是空气燃烧器,这是根据下文的升级版中的优选情形,但也可以是其它燃烧器类型,包括氧气辅助的空气燃烧器,或甚至是用包含氧气比空气多的氧化剂直接驱动的燃烧器。这种燃烧器与空气燃烧器的混合形式也是可以考虑的。下文中,可以理解燃烧器110可以是这些不同的类型。
将待加热的金属材料106沿与方向111相反的通常下游方向109、在诸如传送带等(见下文)的输送装置105上从负载点107输送到出口点108。金属材料优选是毛坯、厚板或坯料的形式,且优选由钢组成,优选是不锈钢,优选是展示低发射率的钢材料,诸如具有磨光表面的钢材料。也就是说,所述钢因具有由本发明的方法提供的改善的热能转移效率而尤其适用。炉100优选是步进梁式炉、推杆式炉或环形炉,且输送装置105因此具有适合所考虑炉类型的类型。
本文中,术语“暗区”应解释为优选相对于金属材料106的行进方向109,配置在使用一个或几个燃烧器110加热的任何加热区102、103上游的区域。暗区101优选如方向109中所见配置在工业炉100中所有燃料供应点的上游。配置所述暗区101来预热负载到炉100中的金属材料106,然后到达第一燃烧加热区102。
两个加热区102、103因此使用沿炉100的侧壁配置的一系列燃烧器110来加热。燃烧器优选使用与供应的氧化剂如空气一起燃烧的固体、液体或气体燃料来操作,由此加热空间102、103。包含氮气、二氧化碳、水等的燃烧产物沿方向111逆流循环通过炉100上游通向出口104。
应意识到所述炉可以只包含一个加热区,或多于两个的加热区。
图2a和2b用共有的附图标记示出了根据本发明的工业炉200。在适用的情形下,相对于炉100所述的情形相对于炉200来说也是如此。因此,与炉100类似,炉200包含暗区201和两个加热区202、203。金属材料206沿通常方向209由输送装置205从负载入口点207输送到出口208。来自配置在加热区202、203中的一系列燃烧器210的燃烧气体以通常上游方向211沿炉200逆流循环,且通过烟道或烟囱204排空。与燃烧器110类似,燃烧器210优选是空气燃烧器,最优选只是空气燃烧器,但也可以部分或完全由包含氧气比空气多的氧化剂来驱动或由此辅助。
下文中将描述常规炉100与根据本发明的炉200之间的区别。
根据本发明,至少一个加热区202、203的至少一个中的燃烧λ值低于1。λ值是实际氧气燃料比与化学计量平衡时的氧气燃料比的比率。在图1a和1b的常规工业炉100中,平衡对燃烧器110的氧气和燃料供应,以便在化学计量平衡下进行燃烧。然而与此相反,对炉200的202、203区进行加热的燃烧器210的氧气和/或燃料供应已进行修改,以便相对于供应的燃料量而言供应相对较少的氧气。因此,得到的从位于最上游的加热区202循环并进入到暗区201中的燃烧气体将携带剩余的(surplus)可燃性气体。应意识到这些可燃性气体可以是由加热区202、203中的燃料不完全燃烧产生的未燃烧燃料气体形式和/或CO、H2等形式的可燃性气体。
应了解,在燃烧器210是空气燃烧器的优选实施方案中,通过减少供应到所述空气燃烧器210的空气的量来实现所述低于1的λ值。
此外,根据本发明,通过配置成展开(open out)到暗区201中的至少一个氧化剂喷枪212来供应包含至少85重量%、优选至少95重量%、优选工业纯的氧气的氧化剂。因此,至少一股所述高氧氧化剂料流213被导向金属材料206。同时,所述高氧氧化剂也将在暗区201中燃烧上述由至少一个上游加热区202、203产生的可燃性剩余气体。
优选的是总体燃烧、包括所有加热区202、203和暗区201中的燃烧可合计达化学计量平衡或至少接近化学计量平衡,以便在燃烧产物通过烟道204排空之前基本上所有燃料都燃烧。
通过减少通过燃烧器供应的氧气量,并在暗区中使用喷射的高氧氧化剂代替由较小量的氧气产生的减少量的氧气,氮压载(ballast)减小,这反过来使炉200的效率增加。在喷射的氧化剂与来自加热区202、203的可燃性气体接触时发生的额外的燃烧将导致暗区中的温度增加。这解决了如开头讨论的在只用氧燃料燃烧器代替空气燃烧器210时暗区201中金属材料206的低传热速率的问题。
因为暗区201中的燃烧涉及比加热区202、203中的燃烧(其直接涉及上述燃料)较低等级的燃料(即,稀释的不完全燃烧产物),暗区201中的火焰温度因此也将较低。这导致形成的NOx较少。因此,此方法的总体NOx足迹与相应常规情形相比将减少。
此外,由于高氧氧化剂朝向仍相对较冷的金属材料206的表面喷射,因此多余的热被导向所述表面,由此将有效预热金属材料。
金属材料206的表面在仍处于暗区中时仍相对较冷的事实使其较不易于过热。
另一方面,喷射高氧氧化剂应优选不致使所述氧化剂与金属材料206表面直接接触。根据一个优选的实施方案,一方面在喷射的高氧氧化剂中每时间单位和每个氧化剂喷枪212喷射的氧气的量与另一方面喷枪212的孔口与金属材料206之间距离的关系使得喷射的氧化剂与暗区201中存在的可燃性气体混合,之后撞击金属材料206表面,以便没有未混合的氧化剂与金属材料206直接接触。换句话说,喷射氧气的量足够小且喷枪212的孔口与金属材料206之间的距离足够大,以便所述氧化剂可与暗区201中的可燃性气体充分混合,从而使得基本上没有未混合的高氧氧化剂到达金属材料206表面。优选的是所述少量的喷射氧气和所述介于喷枪孔口212与材料206之间的大距离可以在特定的应该较高的喷射速度(参考下文)下建立,而且也可以在喷射的氧化剂中给定的氧浓度下建立。
如沿喷枪212的方向测量,喷枪212孔口与金属材料206之间的距离H优选为至少1.5米,更优选为至少2米。在图2a中,H表示垂直距离,因为喷枪212是垂直定向的。应意识到如果喷枪倾斜,那么可以沿不垂直的方向测量距离H。
这样,喷射行为将使暗区201中的高温气体推向金属材料206表面,因此使后者不存在过热的风险。相反,可沿金属材料206的大部分或基本上整个宽度配置“软”火焰,以使其在通过暗区201时有效预热。在所述附图中,由燃烧区214来举例说明火焰,其中在喷射的氧化剂与不完全燃烧的气体之间发生二次燃烧。
为实现此目的,优选配置基本上与方向209垂直配置的至少一排、优选基本平行的至少两排高氧氧化剂喷枪212,且每排至少三个喷枪,由此在金属材料206与方向209垂直的整个宽度上实现基本上均匀的高氧氧化剂浓度。
尤其优选的是在暗区201的顶板中配置至少一个这种喷枪212,且相关的氧化剂料流213基本上向下导向金属材料206的表面。然而,料流213也可以沿方向209略微倾斜,以便料流213从垂直方向偏向加热区202。合适的角度为与垂直方向成约5至15°。还应意识到,顶部(roof)安装的喷枪可以由在暗区201侧壁安装的喷枪来补充,以实现金属材料206周围气体的甚至更均匀的温度分布。
或者,喷枪可倾斜,以便喷射的高氧氧化剂沿下游方向209推进炉气体。这将会增加扰动,因此增加火焰大小,反而使过热风险减小。具体来说,这些倾斜的喷枪可适用于在最下游配置的暗区201的一部分,以改善来自加热区202、203的燃烧产物与喷射的高氧氧化剂的混合。在这种情形下,优选的喷射角度相对于垂直方向成30°与45°之间,且喷枪212孔口偏向下游方向209。
为了避免金属材料206表面过热的风险,优选的是只有一小部分总体供应的氧气来自喷射的高氧氧化剂。根据一个优选的实施方案,涉及喷射的高氧氧化剂和由燃烧器210供应的过量燃料的燃烧反应的燃烧功率至多是炉200的总体燃烧功率的约10%。因此,与每单位时间循环通过暗区201的燃烧气体的量相比,每单位时间供应的氧化剂的总量较小,优选只在容积的1/10与1/100之间。
此外,优选的是每个喷枪212孔口处或每个喷枪212的氧化剂速度至少为100m/s,更优选在300m/s与450m/s之间。相对小喷射体积与高喷射速度的组合将产生向下推向金属材料206表面的极高扰动、无力的“软”火焰,可使所述表面高效预热而无过热风险。优选的是通过每个喷枪提供约200至500Nm3/h之间的高氧氧化剂。
根据一个特别优选的实施方案,将诸如炉100的常规炉升级用于根据本发明的操作。换句话说,工业炉100在升级前配置成只通过使用一个或几个现有的燃烧器110来加热,且包含暗区101和至少一个配置在暗区101下游的加热区102、103,加热区102、103配置成使用所述燃烧器110来加热,其中金属材料106被输送通过暗区101,然后通过加热区102、103,且其中燃烧气体通过加热区103和102逆流循环通过炉100,再然后通过暗区101,通过对工业炉100补充至少一个氧化剂喷枪212来对其进行升级,配置所述氧化剂喷枪用以向暗区101供应包含至少85%、优选至少95%、优选工业纯的氧气的氧化剂料流213。此后,如上文所述并结合图2a和2b中所述操作炉100。因此,通过至少一个燃烧器110供应的氧气的量与升级前的操作相比减少,其中加热区102、103的λ值减小,导致的氧供应减少由喷射的高氧氧化剂来补偿。在氧减少状态下操作的那些燃烧器的总氧需求的优选约10%‐50%、更优选约20%‐30%将由喷射的高氧氧化剂来提供。
应理解,在至少一个现有燃烧器110中的至少一个是现有的空气燃烧器的优选实施方案中,所述减少供应的氧气的量通过减少向所述至少一个现有的空气燃烧器供应的空气的量来实现。
这种升级与用相应的氧燃料燃烧器来代替一些或所有燃烧器110相比极具成本效益,且解决了开头讨论的问题。
由于在给定的总体燃烧功率下,通过烟道104逃离的燃烧气体的总量比升级前少,因此优选的是在操作期间每时间单位负载的金属材料106的量与升级前的操作相比增加,以便维持暗区201的烟道气出口104处基本上相同的烟道气温度。换句话说,由引入高氧氧化剂导致的效率增加优选被用于增加产率,而非用于减少所用燃料的量。
与以上描述的提供给燃烧器210的氧减少相反或除此之外,也可以增加每时间单位提供给加热区202、203的上述燃料的量,以便实现所述λ值低于1。
此外,优选的是调整负载速率,以便出口104处的气体温度保持在约800至900℃。
举例来说,根据本发明,通过在暗区顶部安装高氧氧化剂喷枪来升级具有3个加热区的空气燃烧器燃烧炉(按材料输送方向依次为Z1=20MW、Z2=20MW和Z3=5MW)。
升级之后,以常规方式用26819Nm3/h空气和2457Nm3/h天然气来燃烧配置在最下游的Z2和Z3区(总燃烧功率为25MW)。得到的燃烧产物具有以下组成:
与Z2和Z3区相比,最初的20MW Z1区在氧气不足的情况下燃烧,以便只通过现有的空气燃烧器供应的空气燃烧18MW。1966Nm3/h的天然气与17745Nm3/h的空气燃烧。Z1区中由此燃烧产生的燃烧气体的λ=0.924,其具有以下组成:
得到的不完全燃烧的可燃性气体(CO和H2)的含量对应于2MW,这是在暗区中使用320Nm3/h喷射的工业纯氧燃烧的。最终的总燃烧产物的组成是:
上文已描述优选的实施方案。然而,本领域技术人员显而易见在不偏离本发明观点下可对所述实施方案进行多种修改。
举例来说,在暗区中引入高氧氧化剂喷枪也会导致增加对沿炉长度的温度分布的控制。在安装几排所述喷枪的情形下,可视需要的所述温度分布而定来调整通过每排喷射的高氧氧化剂的量。也可以视暗区中需要的预热而定,在操作期间或在各批次之间调整通过喷射供应的总氧的比例。
因此,本发明不应受限于所描述的实施方案,而是可以在随附权利要求的保护范围内变化。
Claims (14)
1.一种用于在工业炉(200)中加热金属材料(206)的方法,所述工业炉(200)包含暗区(201)和至少一个配置在所述暗区(201)下游的加热区(202、203),所述加热区(202、203)使用至少一个燃烧器(210)来加热,其中所述暗区(101)配置在所述工业炉中所有燃料供应点的上游,其中所述金属材料(206)被输送通过所述暗区(201),然后通过所述加热区(202、203),其中燃烧气体通过所述至少一个加热区(202、203)逆流循环通过所述工业炉(200),然后通过所述暗区(201),其特征在于,所述至少一个加热区(202、203)中的至少一个中的燃烧λ值低于1,换句话说,实际氧气燃料比与化学计量氧气燃料比的比率低于1,且特征在于,通过至少一个喷枪(212)向所述暗区(201)中供应包含至少85重量%氧气的氧化剂,以便使至少一股所述氧化剂的料流(213)被导向所述金属材料(206),且以便所述暗区(201)中的所述氧化剂使源自所述至少一个加热区(202、203)的可燃性气体燃烧。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述燃烧器(210)是空气燃烧器,且所述低于1的λ值通过减少供应给所述空气燃烧器的空气的量来实现。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述至少一个喷枪(212)配置在所述暗区(201)的顶板中,且至少一股所述氧化剂的料流(213)向下被导向所述金属材料(206)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,涉及在所述至少一个加热区(202、203)中提供的所述氧化剂和过量燃料的燃烧的燃烧功率至多是所述工业炉(200)的总燃烧功率的约10%。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,所述工业炉(200)是步进梁式炉、推杆式炉或环形炉。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,一方面在喷射的高氧氧化剂中每时间单位和每个氧化剂喷枪(212)喷射的氧气的量与另一方面每个喷枪(212)孔口与所述金属材料(206)之间距离的关系使得对于给定的喷射速度来说,所述氧化剂与所述暗区(201)中存在的可燃性气体在其撞击所述金属材料(206)的表面之前混合,且以便基本上没有未混合的氧化剂与所述金属材料(206)直接接触。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,沿所述喷射方向测量,喷枪(212)孔口与金属材料(206)之间的距离(H)至少为2米。
8.根据权利要求6或7所述的方法,其特征在于,在所述喷枪(212)孔口处的氧化剂的速度至少为100m/s。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,在所述喷枪(212)孔口处的氧化剂的速度在300m/s与450m/s之间。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,所述氧化剂包含至少95%的氧气。
11.一种用于升级现有工业炉(100)的方法,所述工业炉(100)在所述升级前配置成只通过使用一个或几个现有的燃烧器(110)来加热,且包含暗区(101)和至少一个配置在所述暗区(101)下游的加热区(102、103),所述加热区(102、103)配置成使用至少一个燃烧器(110)来加热,其中将待加热的金属材料(106)配置成输送通过所述暗区(101),然后通过所述加热区(202、203),且其中燃烧气体配置成通过所述至少一个加热区(102、103)逆流循环通过所述工业炉(100),然后通过所述暗区(101),所述升级的方法的特征在于,为工业炉(100)补充至少一个氧化剂喷枪(212),配置所述至少一个氧化剂喷枪(212)用以向所述暗区(100)供应包含至少85%氧气的氧化剂料流(213),且特征在于,然后根据前述权利要求中任一项所述的方法来操作所述工业炉(100),由此使通过所述至少一个现有燃烧器(110)供应的氧气的量与所述升级前的操作相比减少,且所导致的氧气供应的减少由喷射的氧化剂来补偿。
12.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,所述至少一个现有燃烧器(110)的至少一个是现有的空气燃烧器,且所述减少供应的氧气量通过减少向所述至少一个现有空气燃烧器供应的空气的量来实现。
13.根据权利要求11或12所述的方法,其特征在于,在根据权利要求1至9中任一项所述的操作期间,每时间单位负载的金属材料(106)的量与所述升级前的操作相比增加,以在所述暗区(101)的烟道气出口(104)处维持基本上相同的烟道气温度。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法,其特征在于,所述喷枪(212)配置在所述暗区(101)的顶板中,以便所述氧化剂的料流(213)配置为向下被导向所述金属材料(106)。
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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