CN110603335B - 用于加热金属加工用的熔炉的方法和燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于加热金属加工用的熔炉(40)的方法，所述方法是如下进行的：将氧化性气体经过氧化性气体供应管线(20)供应到熔炉(40)中，以及将燃料经过燃料供应管线(30)供应到熔炉(40)中，由此在熔炉(40)中燃烧燃料，其中以中心氧化性气体流(24)与第一保护气体流(25)一起的形式供应氧化性气体，和/或以中心燃料流(34)与第二保护气体流(35)一起的形式供应燃料，以及涉及相应的燃烧器(10)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于加热金属加工用的熔炉的方法和燃烧器，该方法是如下进行的：将氧化性气体经过氧化性气体供应管线供应到熔炉中，以及将燃料经过燃料供应管线供应到熔炉中，由此在熔炉中燃烧燃料。
背景技术
在金属生产行业中，需要在以下方面优化熔化、出渣和铸造操作过程。必须有效地将熔炉中的钢包预热和加热到所需温度，同时要尽可能减少通过烟道气体的热量损失。用常规的加热过程可能难以控制温度火焰的形状、加热窗口和化学计量比。由此产生的不利条件会缩短耐火材料的使用寿命。此外，必须避免烟雾和污染以及有害气体如NOx的排放。现有的无焰和半无焰燃烧器技术提供了一种在通过含氧燃料燃烧器燃烧燃料期间优化熔炉的预热和加热过程的有效手段。将燃烧气体混合到燃烧反应区中以稀释反应物。这分散了燃烧、延迟热量释放并降低峰值火焰温度，从而减少NOx排放。将燃烧气体混入火焰中也将能量分散到整个熔炉中，从而确保更快、更均匀地加热。已知的申请人相应的钢包预热系统的名称为OXYGON。
在LTOF(低温氧燃料)下，由申请人特别设计用于铝工业的另一种低温含氧燃料燃烧技术是已知的。在铝熔炉中，通过将炉内气体混合到燃烧区中，在稀释的氧气浓度下进行燃烧。这导致较低的火焰温度，低于产生热NOx的温度。此外，能量分散在整个熔炉中，以实现均匀加热和更有效的熔化。典型的好处是将熔融率提高多达50％、将燃料燃烧降低多达50％、避免了熔炉中的热点、减少了烟气量和NOx排放。
这些无焰和半无焰燃烧器技术都依靠非常高速的氧气喷射来产生无焰效果。氧气出口速度通常是氧气中的声速，约为305m/s。也可以使用超过大约100m/s的速度。高速喷气在熔炉气体空间内产生非常强的再循环，导致通过降低火焰内的峰值温度减少上述NOx的产生以及导致熔炉非常均匀地加热。已证明，这种燃烧器技术非常有效且特别是在基本清洁的无尘炉内气氛中特别有用。
当在肮脏或多尘的熔炉环境(燃烧空间)或带有夹带液滴的熔炉环境中使用时，这些颗粒或液滴也被再循环，并且由于其较高的动量，往往沉积在高速喷气出口周围的耐火壁上。此类沉积物有时也称为炉结。这些要么阻塞出口，要么扰乱气体喷射并降低其再循环效率。这导致高维护和/或降低NOx减少和均匀加热的典型优势。这些沉积物还可能使高速射流偏向熔炉耐火壁，造成严重损坏。在最坏的情况下，将无法再保证燃烧系统的安全性。
在镍和铜转化的另一个技术领域中，以ALSI(液化空气带罩喷射器)的名义将带罩喷射器技术应用于Hoboken和Peirce-Smith转炉，以处理铜和镍雾面。可以通过该技术大大降低预先存在的问题，比如风口堵塞、耐火材料磨损和转炉中氧气富集的限制。带罩喷射器包含内管，通过该内管喷射富氧空气。内管被环形物包围，氮气(或其他惰性气体或碳氢化合物)流过该环形物。氮气局部冷却喷射头的周围。这产生固体熔池的炉结，保护相邻的耐火材料免受过度侵蚀。喷射气体的压力防止炉结阻塞气流，因此带罩喷射器无需打孔即可运行。但是，ALSI技术不是燃烧器技术，而是利用在液态铜或镍浴下使用的空气/氧气喷射系统。目的是将非常热的放热反应远离风口，以防止它们被高热量损坏。
本发明的目的是提供一种新的燃烧器技术，其避免了现有技术中的缺点，特别是当用在包含液滴或颗粒的熔炉环境中时。特别地，应尽可能保留已知的无焰和半无焰燃烧器技术的优点，即减少NOx的产生和熔炉的均匀加热。
发明内容
本发明提供根据独立权利要求的一种用于加热金属加工用的熔炉的方法，所述方法是如下进行的：将氧化性气体经过氧化性气体供应管线供应到熔炉中，以及将燃料经过燃料供应管线供应到熔炉中，由此在熔炉中燃烧燃料，以及提供相应的具有至少一个氧化性气体供应管线和至少一个燃料供应管线的燃烧器。有利的实施方案是从属权利要求和随后的描述的主题。
根据本发明的方法，以中心氧化性气体流与第一保护气体流一起的形式供应氧化性气体和/或以中心燃料流与第二保护气体流一起的形式供应燃料。通过提供保护气体流，中心流特别是当以高速射流的形式提供时，将首先将保护气体流吸入自身而不是周围的炉内气氛中。仅一旦将保护气体吸入中心气体流/射流，该气体流/射流将开始将炉内气氛吸入自身，从而将再循环点远离耐火墙和供应管线出口，从而减少或消除了固体颗粒或液滴沉积在耐火壁和供应管线出口上。
根据本发明的相应燃烧器具有至少一个氧化性气体供应管线和/或至少一个燃料供应管线，所述氧化性气体供应管线包含用于供应氧化性气体的中心氧化供应管线和围绕该中心氧化性气体供应管线的用于供应第一保护气体流的第一环形供应管线，所述燃料供应管线包含用于供应燃料的中心燃料供应管线和围绕中心燃料供应管线的用于供应第二保护气体流的第二供应管线。
相对比，如上所述的ALSI技术应用了一种带罩的浸没式喷射系统，该系统需要第二高压气体源，通常是氮气。氧气不能用作保护气体，因为这样会使将反应区远离风口出口的目的无效。如下面进一步解释的，根据本发明，对于中心氧化性气体流，优选使用与第一保护气体流相同的氧化性气体。
有利地，中心气体(假设中心流为气体形式)也被用作保护气体。由于需要更少的管道和控制设备，因此简化了安装。保护气体比例可以是不易于失效或控制不准确的纯机械功能，这取决于中心供应管线和周围的保护气体供应管线的几何形状。
有利地，中心氧化性气体流的速度高于第一保护气体流的速度，尤其是中心氧化性气体流的速度基本上或完全等于或甚至高于氧化性气体的声速。这增强了抽吸效果，由此第一保护气体流被抽吸到中心氧化性气体流中。
如果中心燃料流的速度高于第二保护气体流的速度，特别是如果中心燃料流的速度基本等于或完全等于或高于燃料的声速，则同样适用于燃料流。实际上，通常以低供应压力供应燃料气体。但是，存在可以以足够高的供应压力供应的气体燃料，例如天然气(NG)或LPG。
有利地，调节第一保护气体流和中心氧化性气体流的流速的比率。以相同的方式，有利的是，调节第二保护气体流与中心燃料流的流速的比率。
为了实现相应流速的比率的调整或变化，优选燃烧器的第一环形供应管线与朝向第一环形供应管线开口的至少两个第一喷嘴流体连通和/或第二环形供应管线与朝向第二环形供应管线开口的至少两个第二喷嘴流体连通。通过调节送入环形空间的小喷嘴的直径和数量，可以根据工艺需要改变保护气体流速与中心流体流速的比率。大量的较小喷嘴优于单个或较少的稍微较大的喷嘴。如果尤其在氧化性气体的情况下保护气体与中心流体相同，则尤其如此。在这种情况下，可以将相同的气体供应到中心供应管线和环形供应管线。大量较小的喷嘴可防止进入狭窄环形空间的高速，尤其是声速对环形供应管线材料的损坏。孔太小容易被气流中夹带的灰尘堵塞。喷嘴直径始终存在一个下限，这在技术上可实现且在经济上可行，并且可以在正常工艺条件下操作而不会被阻塞，除非使用超细过滤和非常干净的条件，而这在这些类型的应用和环境中都不是典型的也是不需要的。
由于上述原因，有利的是，第一保护气体流是氧化性气体或包含氧化性气体，和/或如果第二保护气体流是燃料或包含燃料。
然而，保护气体不一定必须与中心流体相同。第一保护气体流可以是或可以包含空气、蒸汽或烟道废气(理论上也是惰性气体，例如氩气，尽管在经济上可能不可行，但不应使用氮气，因为这将(可能)增加NOx的产生)或它们的组合。这样的保护气体将必须通过至少一个单独的管线来供应，理想地还以某种形式的流量控制或调节来供应。保护气体也可以是烟道废气，只要烟道废气足够干净以避免阻塞喷嘴和/或环形供应管线。当使用与中心流相同的气体作为保护气体时，喷嘴用于在中心流和保护流之间(机械地)建立固定比率。如果使用不同的保护气体，则中心气体和保护气体之间将没有这种连接。由于本发明特别适用于肮脏且多尘的炉内气氛，因此在将烟道废气用作保护气体之前必须对其进行净化。从理论上讲，可以使用烟道废气，但在技术上或经济上可能都不可行。如果使用烟道废气，则必须对其进行清洁以至少去除颗粒。
第二保护气体流可以是或可以包含空气、蒸汽或惰性气体例如氮气、氩气或其组合。要注意的是，如果燃料出口速度低，通常在80至100m/s的范围内，则可以在没有任何保护流的情况下实施燃料输出。
燃料可以是气体燃料，但是液体燃料也可以用于本发明。雾化较差的液体燃料小液滴的再循环尤其是对于无焰含氧燃料燃烧器而言是潜在的问题，因为这些雾化较差的液体燃料小液滴沉积在燃烧器/各个供应管线周围的耐火面上。但是，液体燃料的覆盖可以帮助雾化并减少燃料沉积在周围耐火壁上的可能性。氧化性气体可以是氧气，尤其是高纯度的常规氧气或空气，尤其是在可获得足够高的气压时。因此，本发明还可以用于空气燃料燃烧器，而不限于含氧燃料燃烧器。
应当理解的是，在不脱离本发明的上下文的情况下，不仅可以以所示的各个组合，而且可以以其他组合或单独地使用上述的特征和下面将要说明的特征。
附图说明
基于示例性实施方案在附图中示意性地描绘了本发明，并且下面将参考附图详细描述本发明。
图1示意性地示出了根据本发明一个实施方案的燃烧器的氧化性气体供应管线或燃料供应管线，以及
图2示出了图1的供应管线与用于实施根据本发明的方法的用于金属加工的熔炉的组合。
具体实施方式
图1示意性地示出了用于加热铝回收熔炉40的燃烧器10的氧化性气体供应管线20之一。迄今为止，在这种熔炉中，炉结沉积在燃烧器的氧气喷嘴/供应管线周围(这也可以适用于燃料供应，尽管由于喷射速度高得多，在氧气管线上更常见)，通常沉积的材料是浮渣细粉和/或粗的固体颗粒-它们也可能是沉积并随后在喷嘴出口附近可能凝固的再循环的液态金属液滴。本发明的目的是试图防止在皮尔斯·史密斯转炉中在吹气阶段发生液态铜和炉渣液滴的再循环。这样的炉结在耐火材料50的壁上的氧气供应管线20周围累积。对于包括如图1所示的供应管线的燃烧器10，这种炉结被大大减少。
图1的实例示出了例如1500kW的无焰含氧燃料燃烧器中两个氧气供应管线20之一。氧气供应管线或喷枪的布局通常(但不必须)相同。燃烧器10通常将需要一种燃料，例如天然气，和两个氧气供应管线，其中氧气供应管线通常安装在中心燃料供应管线其中一侧的单个平面中，氧气供应管线距离燃料供应管线约50mm(外壁至外壁)。该几何形状仅是示例性的，且与本发明无关。燃料供应管线(30)可看起来类似于氧气供应管线20，但是通常具有更大的尺寸。然而，出于说明的目的，图1示出了氧化性气体供应管线20或燃料供应管线30。燃料供应管线30还会具有中心燃料供应管线31和第二环形供应管线32。相应的气体流分别标记为34和35。但是，应该指出的是，由于通常以较低的速度喷射燃料，因此可以使用减小的保护流35或不使用保护流35。因此，在下文中，为了便于说明，仅更详细地描述氧化性气体供应管线20。
通过使用开向外部环形供应管线25中的3x3mm喷嘴23，该氧气供应管线20的尺寸在2barg的供应压力下用于约160Nm3/h的氧气，约35Nm3/h的氧气流/第一保护气体流25将以约25m/s的速度进入环形空间25，从外部环形空间排出。氧气流24的余量(大约125Nm3/h)优选以氧气的声速通过中心供应管线21排出。在此实例中，20％至25％的氧气通过环形空间22排出。熔炉环境越脏，该比率就越高。
总燃料(NG)和氧气流必须始终与燃烧过程化学计量计算所需的相对应。
如上所述，通常，燃料气体不是以声速喷射的，尽管如果有足够的压力并且遵守所有安全标准和规范，这是一种选择。如果燃料出口速度足够低，则可以使用减少的保护流或不使用保护流。
通过调节送入环形空间22、32的小喷嘴(对于氧化性气体是23和对于燃料是33)的直径和数量，可以根据工艺需要改变保护气体25、35和中心气体24、25的比例。如上所述，特别是对于氧化性气体供应喷嘴23，大量的较小的喷嘴优于单个或较少的稍大的喷嘴。
供给氧化性气体供应管线20或燃料供应管线30的供应管道标记为60。
图2示意性地示出了例如铝回收熔炉40中的图1的燃烧器10的一部分。氧气用作氧化性气体，通过中心氧气供应管线21进行高压供应，并以高速射流24的形式离开供应管线21。在该实施方案中，氧气也用作保护气体。这简化了安装，因为需要更少的管道和控制设备。保护气体比例是机械功能，这取决于压力以及喷嘴23的几何形状和数量。氧气以环形氧气流25的形式离开环形空间22，如图2所示。
高速中心氧气射流24将一部分炉内气氛吸回自身，从而导致熔炉气体41的再循环。高速中心射流24首先将保护氧气流25吸入自身中而不是周围的炉内气氛中。仅一旦将保护气体25抽吸到喷嘴24中，喷嘴24则将开始将炉内气体41吸入自身。因此，再循环点被远离耐火材料50的壁以及远离供应管线末端。这减少或甚至消除了固体或液体颗粒在再循环炉内气氛中围绕供应管线出口沉积到耐火材料50的壁上。
如在说明书的概要部分中已经提到的，保护气体不必一定与中心气体相同。该系统不限于单一燃料和两个到四个氧气供应管线配置。也可以考虑单个氧气供应管线以及多个氧气供应管线(3、5、6甚至8个)。该系统也可以在空气燃料燃烧器中实现，特别是在可获得足够高的气压时。
参考标号列表
10 燃烧器
20 氧化性气体供应管线
21 中心氧化供应管线
22 第一环形供应管线
23 喷嘴
24 中心氧化性气体射流/气流
25 环形氧化性气体流、第一保护气体流
30 燃料供应管线
31 中心燃料供应管线
32 第二环形供应管线
33 喷嘴
34 中心燃料流
35 第二保护气体流
40 熔炉
41 再循环的炉内气体
50 耐火材料
60 供应管道
Claims (7)
1.一种用于加热金属加工用的熔炉(40)的方法，所述方法是如下进行的：将氧化性气体经过氧化性气体供应管线(20)供应到熔炉(40)中，以及将燃料经过燃料供应管线(30)供应到所述熔炉(40)中，由此在所述熔炉(40)中燃烧燃料，
其中所述氧化性气体以中心氧化性气体流(24)与第一保护气体流(25)一起的形式供应，
和/或所述燃料以中心燃料流(34)与第二保护气体流(35)一起的形式供应，其中所述第一保护气体流(25)是所述氧化性气体或者包含所述氧化性气体，或者是惰性气体或包含惰性气体，以及，所述第二保护气体流(35)是所述燃料或包含所述燃料，或者是空气、蒸汽或惰性气体或其组合或包含空气、蒸汽或惰性气体或其组合，
其中，所述中心氧化性气体流(24)的速度高于所述第一保护气体流(25)的速度，所述中心燃料流(34)的速度高于所述第二保护气体流(35)的速度，
其中，所述氧化性气体供应管线(20)包括用于供应所述氧化性气体的中心氧化性气体供应管线(21)和围绕所述中心氧化性气体供应管线(21)的用于供应第一保护气体流(25)的第一环形供应管线(22)，
和/或所述燃料供应管线(30)包括用于供应燃料的中心燃料供应管线(31)和围绕所述中心燃料供应管线(31)的用于供应第二保护气体流(35)的第二环形供应管线(32)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述中心氧化性气体流(24)的速度等于所述氧化性气体的声速。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述中心燃料流(34)的速度等于所述燃料的声速。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中调节所述第一保护气体流(25)和所述中心氧化性气体流(24)的流速的比率。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中调节所述第二保护气体流(35)与所述中心燃料流(34)的流速的比率。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述燃料是气态燃料和/或液态燃料。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述氧化性气体是氧气和/或空气。
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