CN107923614B - 氧烧嘴及氧烧嘴的运转方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种氧烧嘴，该氧烧嘴虽然为不需要冷却结构的结构，但能够形成高速的氧喷流，并且能够高效地熔解被加热物。该氧烧嘴具有：一次氧喷出口，被设置在一次氧流路的前端；多个燃料气体供给管，被设置为分支燃料气体流路的前端侧；燃料气体喷出口，被设置在每个燃料气体供给管上；和二次氧喷出口，被设置在二次氧流路的前端，燃料气体喷出口被配置为包围一次氧喷出口的周围，二次氧喷出口被配置为包围燃料气体喷出口和一次氧喷出口的周围，各燃料气体喷出口被配置在同一平面上，并且比一次氧喷出口的前端更突出。

Description

氧烧嘴及氧烧嘴的运转方法
技术领域
本发明涉及一种氧烧嘴及氧烧嘴的运转方法。
背景技术
以往，在玻璃或废铁等被加热物的加热熔解中广泛使用气体燃料-氧烧嘴(以下，有时仅称为“氧烧嘴”)。
例如，已知有如下的三重管结构的烧嘴(例如，专利文献1)：该烧嘴在用于供给一次氧的中心管的外周设置有用于供给燃料气体的内管，并且在该内管的外周设置有用于供给二次氧的外管。
这种三重管结构的氧烧嘴通过从中心管喷出氧气(一次氧)，并且利用从外管喷出的二次氧使燃料气体燃烧，从而实现火焰的稳定化。
另外，还有如下的尝试(例如，专利文献2及专利文献3)：通过从中心管喷出高速的氧气(一次氧)流，并且使该气流连带燃料的同时，在氧气流的周围形成火焰，从而抑制高速氧气流的速度降低，并且高效地熔解远离烧嘴前端的位置处的被加热物。
例如，专利文献1中公开的氧烧嘴结构由于对燃烧喷嘴的热负荷较小，从而能够在不存在烧嘴主体的冷却的情况下使用。
另外，专利文献2和专利文献3中公开的氧烧嘴结构由于能够使高速的氧喷流到达远处，因此从废铁的熔解方面来看是有效的装置。
专利文献1：日本专利第4261753号公报
专利文献2：日本专利第4050195号公报
专利文献3：日本专利第3577066号公报
然而，专利文献1中公开的氧烧嘴虽然适合利用火焰的辐射热来对被加热物进行加热，但由于不具备燃烧喷嘴的冷却功能，具有无法快速混合燃料和氧气的问题。因此，燃烧气体的速度缓慢，不适合直接加热熔化被加热物。
另外，专利文献2和专利文献3中公开的氧烧嘴虽然利用高速的氧喷流来熔化被加热物的性能优异，但由于在燃烧喷嘴的内部混合燃料和氧，存在需要利用水冷套管等来冷却喷嘴部分的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而提出的，本发明的课题是提供一种氧烧嘴及氧烧嘴的运转方法，其在不需要冷却结构的情况下，能够形成高速的氧喷流，并且能够高效地熔解被加热物。
为了解决上述课题，本发明提供以下的氧烧嘴及氧烧嘴的运转方法。
(1)一种氧烧嘴，具有三重管结构，所述三重管结构以同心状配置有中心管、所述中心管的外侧的内管、以及进一步在所述内管的外侧的外管，所述氧烧嘴具有：一次氧流路，被形成在所述中心管的内侧；燃料气体流路，被形成在所述中心管与所述内管之间；和二次氧流路，被形成在所述内管与所述外管之间，所述氧烧嘴具有：
一次氧喷出口，被设置在所述一次氧流路的前端；
多个燃料气体供给管，被设置为分支所述燃料气体流路的前端侧；
燃料气体喷出口，被设置在每个所述燃料气体供给管上；和
二次氧喷出口，被设置在所述二次氧流路的前端，
所述燃料气体喷出口被配置为包围所述一次氧喷出口的周围，
所述二次氧喷出口被配置为包围所述燃料气体喷出口和所述一次氧喷出口的周围，
各所述燃料气体喷出口被配置在同一平面上，并且比所述一次氧喷出口的前端更突出。
(2)一种氧烧嘴的运转方法，在上述(1)所述的氧烧嘴中，使从所述一次氧喷出口喷出的一次氧的流速比从所述燃料气体喷出口喷出的燃料气体的流速更快。
(3)根据上述(2)所述的氧烧嘴的运转方法，使从所述燃料气体喷出口喷出的燃料气体的流速比从所述二次氧喷出口喷出的二次氧的流速更快。
(4)根据上述(2)或(3)所述的氧烧嘴的运转方法，用下述式(1)表示从所述一次氧喷出口喷出的氧流量A、从所述二次氧喷出口喷出的氧流量B、以及为了使从所述燃料气体喷出口喷出的燃料完全燃烧而所需要的氧流量C之间的关系：
C÷(A+B)≤1 (1)。
本发明的氧烧嘴具有：一次氧喷出口，被设置在一次氧流路的前端；多个燃料气体供给管，被设置为分支燃料气体流路的前端侧；燃料气体喷出口，被设置在每个燃料气体供给管上；和二次氧喷出口，被设置在二次氧流路的前端，燃料气体喷出口被配置为包围一次氧喷出口的周围，二次氧喷出口被配置为包围燃料气体喷出口和一次氧喷出口的周围，各燃料气体喷出口被配置在同一平面上，并且比一次氧喷出口的前端更突出，因此能够在远离一次氧喷出口的位置处形成由燃料气体和二次氧形成的火焰。因此，本发明的氧烧嘴虽然为不需要冷却结构的结构，但能够形成高速的氧喷流，并且能够高效地熔解被加热物。
另外，本发明的氧烧嘴的运转方法由于在上述氧烧嘴中使从一次氧喷出口喷出的一次氧的流速比从燃料气体喷出口喷出的燃料气体的流速更快，因此能够防止氧烧嘴的熔损的同时，形成高速的氧喷流，能够高效地熔解被加热物。
附图说明
图1是表示作为应用本发明的一实施方式的氧烧嘴的前端的主视图。
图2是图1的氧烧嘴的A-A线的示意性剖视图。
图3A是表示作为应用本发明的另一实施方式的氧烧嘴的前端的主视图。
图3B是表示作为应用本发明的又一实施方式的氧烧嘴的前端的主视图。
图4是用于说明氧烧嘴的熔解试验方法的图。
图5是表示氧烧嘴的熔解试验结果的图表。
图6是表示现有的氧烧嘴的前端的主视图。
图7是图6的氧烧嘴的A-A线的示意性剖视图。
具体实施方式
下面，对作为应用本发明的一实施方式的氧烧嘴及使用它的氧烧嘴的运转方法进行详细说明。此外，在以下说明中使用的图中，为了易于理解特征，有时为方便起见放大表示作为特征的部分，并不限定各结构要素的尺寸比例等与实际相同。
<氧烧嘴>
首先，对作为应用本发明的一实施方式的氧烧嘴的结构进行说明。图1是本实施方式的氧烧嘴1的主视图。另外，图2是图1的氧烧嘴1的A-A线的示意性剖视图。如图2所示，本实施方式的氧烧嘴1被大致构造为具有中心管2、内管3和外管4。本实施方式的氧烧嘴1具有三重管结构，该三重管结构以同心状配置有中心管2、该中心管2的外侧的内管3、以及进一步在该内管3的外侧的外管4。
本实施方式的氧烧嘴1虽然为不需要冷却结构的结构，但能够形成高速的氧喷流，并且能够高效地熔解废铁等的被加热物。
如图2所示，中心管2为设置在氧烧嘴1的中心的管。中心管2的内侧呈直径实质上相同的直管结构，中心管2形成一次氧流路5。从一次氧流路5的基端侧供给一次氧。一次氧经过一次氧流路5的内部后从设置在一次氧流路5的前端的一次氧喷出口6以直线状喷出。
内管3为设置在中心管2的外侧的管。在内管3与中心管2之间形成有燃料气体流路7。燃料气体流路7的前端侧通过多个燃料气体供给管8来分支。从燃料气体流路7的基端侧供给燃料气体。燃料气体经过燃料气体流路7的内部后从设置在各燃料气体供给管8的前端的多个燃料气体喷出口9喷出。
各燃料气体喷出口9被配置在同一平面上。另外，该平面比中心管2的前端(一次氧喷出口6)向前方(火焰喷出方向)更突出。另外，各燃料气体喷出口9被配置在二次氧流路10的内侧且比二次氧喷出口11更靠后方。由此，能够在比一次氧喷出口6更靠前方处形成由二次氧和从燃料气体喷出口9喷出的燃料气体生成的火焰。其结果，能够通过以包围一次氧喷出口6的方式形成的火焰来防止一次氧喷出口6的熔损。
外管4为设置在内管3的外侧的管。在外管4与内管3之间形成有二次氧流路10。从二次氧流路10的基端侧供给二次氧。二次氧经过二次氧流路10的内部后从设置在二次氧流路10的前端的二次氧喷出口11喷出。
二次氧喷出口11比各燃料气体喷出口9向前方(火焰喷出方向)更突出。
如图1所示，各燃料气体喷出口9被配置为包围一次氧喷出口6的周围。另外，二次氧喷出口11被配置为包围燃料气体喷出口9和一次氧喷出口6的周围。由此，通过混合从各燃料气体喷出口9喷出的燃料气体和从二次氧喷出口11喷出的二次氧混合而形成火焰。另外，在形成火焰的区域中的气体密度与从一次氧喷出口6喷出的氧喷流中的气体密度之间产生密度差。其结果，能够抑制从一次氧喷出口6喷出的一次氧喷流的速度衰减。
由此，能够维持从烧嘴中心供给的一次氧喷流的速度，例如在氧烧嘴1用于金属废料的熔解的情况下，能够使一次氧喷流到达远离氧烧嘴1的前端的位置。
例如，在氧烧嘴1用于感应炉的辅助熔解等的情况下，通过在炉盖上设置本实施方式的氧烧嘴1，直至废料填充床的下部为止能够高效地进行熔解。由此能够缩短感应炉的熔解时间，并且能够削减单位耗电量。
在图1及图2中，D1表示一次氧喷出口6的内径，D2表示燃料气体喷出口9的节圆直径(P.C.D，燃料气体喷出口9的中心间距离)，L1表示燃料气体喷出口9与一次氧喷出口6之间的距离，L2表示二次氧喷出口11与燃料气体喷出口9之间的距离。
D1和L1的关系优选为0＜L1/D1≤5。如果L1/D15＞5，则从一次氧喷出口6喷出的一次氧喷流的速度在燃料气体喷出口9的附近开始衰减。由于一次氧喷流的速度衰减，一次氧喷流和从燃料气体喷出口9喷出的燃料气体喷流成为易混合状态，并且进一步加快一次氧喷流的速度衰减，因此无法使一次氧喷流到达远离氧烧嘴1的前端的位置。
另一方面，如果L1/D1＝0(燃料气体喷出口9的位置与一次氧喷出口6的位置相同)或者成为一次氧喷出口6比燃料气体喷出口9向氧烧嘴1的前端侧更突出的状态，则一次氧喷出口6过于靠近燃料气体喷出口9，有可能会因形成的火焰导致一次氧喷出口6处于过热状态。
<氧烧嘴的运转方法>
接着，对使用上述氧烧嘴1的本实施方式的氧烧嘴的运转方法进行详细说明。此外，在不脱离本发明宗旨的范围内，可以对本实施方式的氧烧嘴的运转方法进行各种变更。
本实施方式的氧烧嘴的运转方法通过同时从一次氧喷出口6喷出一次氧、从燃料气体喷出口9喷出燃料气体以及从二次氧喷出口11喷出二次氧，从而形成火焰。
一次氧和二次氧的氧纯度为任意纯度，一次氧和二次氧只要是含氧气体则不受特别限定。具体而言，例如优选纯氧或氧浓度为90％以上的富氧气体等。另外，作为燃料气体，具体而言，例如可列举LNG(液化天然气)、LPG(液化石油气)或丁烷气体等。
从一次氧喷出口6喷出的一次氧的流速优选为比从燃料气体喷出口9喷出的燃料气体的流速更快。由此，能够获得由一次氧带来的燃料气体的连带效果，并且能够形成低亮度火焰。
从燃料气体喷出口9喷出的燃料气体的流速优选为比从二次氧喷出口11喷出的二次氧的流速更快。由此，从燃料气体喷出口9喷出的燃料气体连带二次氧的同时形成火焰，能够获得由二次氧带来的冷却效果。因此，本实施形式的氧烧嘴1不需要设置如水冷套管的冷却结构。
作为从一次氧喷出口6喷出的一次氧的流速，具体而言，例如换算成0℃、1大气压时的一次氧的流速优选在50～340m/s的范围内。通过使一次氧的流速为50m/s以上，对从燃料气体喷出口9喷出的燃料气体的连带力变强，一次氧能够与燃料气体充分混合，能够形成低亮度火焰。另外，通过使一次氧的流速为340m/s以下，能够抑制因一次氧的喷出导致的压力损失，并且能够形成低亮度火焰或无光焰。
作为从二次氧喷出口11喷出的二次氧的流速，具体而言，例如换算成0℃、1大气压时的二次氧的流速优选在5～50m/s的范围内。通过使二次氧的流速为5m/s以上，能够防止因火焰的推进力降低导致的火焰缭绕上升等不良情况。另外，通过使二次氧的流速为50m/s以下，能够防止二次氧喷出口11的熔损。
一次氧和二次氧的流量比并不受特别限定，具体而言，例如优选相对于一次氧及二次氧流量的合计量，将一次氧的流量设在10％～70％的范围内。通过使一次氧的比例为70％以下，能够控制燃料气体在一次氧喷出口6附近燃烧的比例，并且能够防止中心管2和内管3的加热熔损。另外，通过使一次氧的比例为10％以上，能够充分混合燃料气体流的中心部分和氧，并且能够形成无光焰或低亮度火焰。
优选用下述式(1)表示从一次氧喷出口6喷出的氧流量A、从二次氧喷出口11喷出的氧流量B、以及为了使从燃料气体喷出口9喷出的燃料完全燃烧而所需要的氧流量C之间的关系：
C÷(A+B)≤1 (1)。
通过使A、B及C的关系满足上述式(1)，混合从二次氧喷出口11喷出的二次氧和从燃料气体喷出口9喷出的燃料气体而形成的火焰在混合之后不久处于不完全燃烧状态，因此能够防止燃料气体供给管8和燃料气体喷出口9被极度加热。
如以上说明，根据本实施方式的氧烧嘴1，具有：一次氧喷出口6，被设置在一次氧流路5的前端；多个燃料气体供给管8，被设置为分支燃料气体流路7的前端侧；燃料气体喷出口9，被设置在每个燃料气体供给管8上；和二次氧喷出口11，被设置在二次氧流路10的前端，燃料气体喷出口9被配置为包围一次氧喷出口6的周围，二次氧喷出口11被配置为包围燃料气体喷出口9和一次氧喷出口6的周围，各燃料气体喷出口9被配置在同一平面上，并且比一次氧喷出口6的前端更突出。因此，能够在远离一次氧喷出口6的位置处形成由燃料气体和二次氧形成的火焰。其结果，本实施方式的氧烧嘴1虽然为不需要冷却结构的结构，但能够形成高速的氧喷流，并且能够高效地熔解被加热物。
另外，根据本实施方式的氧烧嘴的运转方法，在上述氧烧嘴1中，使从一次氧喷出口6喷出的一次氧的流速比从燃料气体喷出口9喷出的燃料气体的流速更快，因此能够防止氧烧嘴1的熔损的同时，形成高速的氧喷流，能够高效地熔解被加热物。
以上，参照附图对本发明的实施方式进行了详细说明，但具体结构并不限于该实施方式，也可以包含不脱离本发明宗旨的范围内的设计等。
在上述氧烧嘴1中，如图1所示，对燃料气体喷出口9被排列配置在以一次氧喷出口6为中心的一个圆上的例进行了说明，但并不限于该方式。
例如，如图3A所示，氧烧嘴21的燃料气体喷出口29也可以被排列配置在以一次氧喷出口6为中心的两个以上的同心圆上。并且，如图3B所示，氧烧嘴31的各燃料气体喷出口39的大小也可以不同。
此外，在如氧烧嘴21、31那样燃料气体喷出口29、39被排列配置在以一次氧喷出口6为中心的两个以上的同心圆上的情况下，可以用更靠近一次氧喷出口6的燃料气体喷出口29、39的P.C.D来确定D2。
<实施例>
下面，使用实施例和比较例对本发明的效果进行详细说明，但本发明并不限于下述实施例。
(熔解试验)
使用氧烧嘴进行熔解试验。
图4是表示熔解试验的方法的图。如图4所示，试验通过如下的方法进行：以100mm的间隔并排设置十片厚度为3.2mm的不锈钢板，并且利用氧烧嘴熔解不锈钢板。通过在经氧烧嘴的火焰贯穿后的不锈钢板中，测量氧烧嘴的前端与最远不锈钢板之间的距离(贯穿距离)以及直至贯穿该不锈钢板为止所花费的时间(贯穿时间)，从而评价氧烧嘴的性能。
(实施例1)
作为实施例1，使用图1及图2所示的氧烧嘴1进行熔解试验。
在实施例1中，将纯氧作为一次氧和二次氧使用。将民用煤气作为燃料气体使用。
另外，将从一次氧喷出口喷出的氧流量设为41Nm3/h，从二次氧喷出口喷出的氧流量设为42.3Nm3/h，从燃料气体喷出口喷出的燃料气体流量设为40Nm3/h。
此外，在1Nm3的民用煤气完全燃烧所需要的理论氧量为2.3Nm3。
(比较例1)
作为比较例1，使用现有的氧烧嘴进行熔解试验。图6及图7表示比较例1中使用的现有的氧烧嘴41的结构。如图7所示，现有的氧烧嘴41不具有上述氧烧嘴1的燃料气体供给管8(参见图2)。因此，如图6所示，在现有的氧烧嘴41中，以包围一次氧喷出口6的方式只设置有一个燃料气体喷出口49。
在比较例1中，将氧作为一次氧和二次氧使用。将民用煤气作为燃料气体使用。
另外，将从一次氧喷出口喷出的氧流量设为41Nm3/h，从二次氧喷出口喷出的氧流量设为42.3Nm3/h，从燃料气体喷出口喷出的燃料气体流量设为40Nm3/h。
图5示出熔解试验的结果。
如图5所示，在实施例1中，能够熔解并贯穿距离氧烧嘴的前端为1000mm的距离处的钢板(第十片)。另一方面，在比较例1中，只能熔解距离氧烧嘴的前端为900mm的距离处的钢板(第九片)熔解。
另外，关于同样熔解(贯穿)距离氧烧嘴的前端为900mm的距离处的钢板(第九片)时所需要的时间，实施例1的时间短于比较例1的时间，实施例1能够利用比较例1的1/3时间来贯穿距离氧烧嘴的前端为900mm的距离处的钢板。
另外，在熔解试验之后确认氧烧嘴的一次氧喷出口的熔损状态，其结果确认尽管实施例1中使用的氧烧嘴与比较例1中使用的氧烧嘴相比较提高熔解性能，但实施例1中使用的氧烧嘴未熔损。
产业上的可利用性
本发明的氧烧嘴及氧烧嘴的运转方法可在适于加热熔解玻璃或废铁等被加热物的烧嘴及其运转方法等中使用。
附图标记说明
1、21、31、41 氧烧嘴
2 中心管
3 内管
4 外管
5 一次氧流路
6 一次氧喷出口
7 燃料气体流路
8 燃料气体供给管
9、29、39、49 燃料气体喷出口
10 二次氧流路
11 二次氧喷出口

Claims (4)

1.一种氧烧嘴，具有三重管结构，所述三重管结构以同心状配置有中心管、所述中心管的外侧的内管、以及进一步在所述内管的外侧的外管，所述氧烧嘴具有：一次氧流路，被形成在所述中心管的内侧；燃料气体流路，被形成在所述中心管与所述内管之间；和二次氧流路，被形成在所述内管与所述外管之间，
所述氧烧嘴具有：
一次氧喷出口，被设置在所述一次氧流路的前端；
被设置为在所述燃料气体流路的前端侧分支出的多个燃料气体供给管；
燃料气体喷出口，被设置在每个所述燃料气体供给管的前端；和
二次氧喷出口，被设置在所述二次氧流路的前端，
所述燃料气体喷出口被配置为包围所述一次氧喷出口的周围，
所述二次氧喷出口被配置为包围所述燃料气体喷出口和所述一次氧喷出口的周围，
各所述燃料气体喷出口被配置在同一平面上，并且比所述一次氧喷出口的前端更突出。
2.一种氧烧嘴的运转方法，
在权利要求1所述的氧烧嘴中，使从所述一次氧喷出口喷出的一次氧的流速比从所述燃料气体喷出口喷出的燃料气体的流速更快。
3.根据权利要求2所述的氧烧嘴的运转方法，
使从所述燃料气体喷出口喷出的燃料气体的流速比从所述二次氧喷出口喷出的二次氧的流速更快。
4.根据权利要求2或3所述的氧烧嘴的运转方法，
用下述式(1)表示从所述一次氧喷出口喷出的氧流量A、从所述二次氧喷出口喷出的氧流量B、以及为了使从所述燃料气体喷出口喷出的燃料完全燃烧而所需要的氧流量C之间的关系：
C÷(A+B)≤1 (1)。
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