CN115681989A - 熔融炉内热流场的控制方法、熔融炉及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种熔融炉内热流场的控制方法，包括通过顶吹喷枪将含氧气体以射流方式喷吹入熔融液液面下一定深度以及通过若干设置于熔融炉炉身的侧吹喷枪向熔融炉喷吹固体颗粒物料，所述的侧吹喷枪以与一定夹角的方式浸没在熔融液中的步骤；以及通过电极和热电偶实现对熔融炉内熔融液的辅助加热及炉温控制的步骤。本发明还提供了一种基于上述熔融炉内热流场的控制原理的熔融炉及其在处理固体颗粒领域的应用。本发明的熔融炉处理固体颗粒具有热流场操作可控、物料搅拌充分，物料反应快速高效的优点。

Description

熔融炉内热流场的控制方法、熔融炉及其应用

技术领域

本发明涉及工业废弃物处理技术领域，尤其是涉及一种利用高温熔融技术处理固体废弃物的过程中熔融炉内热流场的控制方法。

背景技术

固体颗粒处理是通过物理处理、化学处理、生物处理、热解处理、焚烧处理、固化处理等不同方法，使固体颗粒转化为无害化适于运输、贮存、资源化利用，以及最终处置的一种过程。

常用的固体颗粒处理方法主要有以下五种。

（1）焚烧法。将可燃固体颗粒置于高温炉内，使其中可燃成分充分氧化的一种处理方法。采用焚烧处理可燃固体颗粒能同时实现减量化、无害化和资源化目的，是一种重要的固体颗粒处理方法。适合焚烧的废物主要是些不可再循环利用或不宜安全填埋的有害物，如难以生物降解、易挥发和扩散的、含有重金属及其他有害成分的有机物、生物医学废物(医院和医学试验室所产生的需特别处理的废物)等。

（2）化学法。通过反应使固体颗粒变成其他安全和稳定的物质，使废物的危害性降低到尽可能低的水平。化学法往往用于有毒、有害的废渣处理，属于一种无害化处理技术。化学处理法不是固体颗粒的最终处置，往往与浓缩、脱水、干燥等后续操作连用，从而达到最终处置的目的。化学法根据其原理不同，又可以分为中和法、氧化还原法和化学浸出法等。

（3）分选法。根据物质的粒度、密度、磁性、电性、光电性、摩擦性、弹性以及表面润湿性等的差异，采用相应的手段将其分离的过程。在固体颗粒的回收与利用中，分选是继破碎后一道重要的操作工序，机械设备的选择应按分选废物的种类和性质而定。分选处理技术主要有风力分选、浮选、筛分等。

（4）固化法。固化法是指通过物理的或化学的方法，将废物固定或包含在坚固的物体中，以降低或消除有害成分溶出的一种固体颗粒处理技术。根据废物的性质、形态和处理目的可采用的固化技术有五种：水泥基固化法、石灰基固化法、热塑性材料固化法、高分子有机物聚合稳定法和玻璃基固化法。

（5）生物法。利用微生物对有机固体颗粒的分解作用使其无害化，其基本原理是利用微生物的生物化学作用，将复杂有机物分解为简单物质，将有毒物质转化成为无毒物质。许多危险废物通过生物降解可解除毒性，解除毒性后废物可以被土壤和水体所接纳。生物法主要有活性污泥法、堆肥法、沼气法和氧化塘法等。

大宗工业固体废弃物（以下简称“大宗工业固废”）是指以尾矿、粉煤灰、煤矸石、冶炼废渣、炉渣和脱硫石膏为代表的工业固废。我国每年产生的大宗工业固废量约为25亿吨。由于大宗工业固废量大面广、环境影响突出，因此，开展全面绿色转型具有重要意义。

然而，目前常用的几种固体颗粒处理方式对于大宗工业固废资源利用并不适用，我国目前约60亿吨存量大宗固废因缺乏稳定的、大规模的技术可行和经济合理的处置利用途径而大量占地堆存，仅少部分通过填埋和低标准资源化利用而处理。煤矸石等大宗固废在堆存过程中，一方面会排放出二氧化碳、甲烷、氮氧化物等温室气体，另一方面由于风化和降水的综合作用，其含有的重金属元素等有毒有害物易引发水、土、气等介质复合污染。因此，研究开发适应大宗固废资源化利用的技术十分迫切。

熔融还原法通常是指不使用高炉而在高温熔融状态下还原铁矿石的方法，其产品是成分与高炉铁水相近的液态铁水。目前，世界上熔融还原法很多，如Corex工艺、HIsmelt工艺、Finex工艺等，其中Corex工艺技术比较成熟并已形成工业生产规模。但是，熔融还原法开发的最初目的是取代或补充高炉法炼铁，将熔融还原法应用于处理大宗工业固废处理的报道相对较少。

从化工原理角度讲，熔融还原法处理的物料为铁矿石，常见的铁矿石为磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿四种类型，其中磁铁矿的熔融温度为1500-1580℃、赤铁矿熔融温度为1580-1640℃、褐铁矿和菱铁矿的熔融温度则比前两种要低得多。实际生产中，通常会在铁矿石中加入适量的熔融剂，则可将铁矿石的熔融温度降低到1200℃左右。而尾矿、煤矸石、冶炼废渣、炉渣和脱硫石膏等大宗工业固废的灰熔点大致在1300-1800℃的范围。因此，从理论上来讲，处理铁矿石的熔融还原技术及设备也完全能够用于处理前述的大宗工业固废。但是，目前采用熔融还原法的应用领域主要是处理铁矿石，从而获得与高炉炼铁相近的液态铁水产品，而铁矿石中的脉石（成分绝大多数为含SiO₂的酸性氧化物，以及含CaO和/或MgO的碱性氧化物）则以炉渣形式定期排出炉体。

而采用熔融还原法处理大宗工业固废，目的则是实现工业固废的资源化利用，回收工业固废中含有的重金属元素以及实现Si、Al、Ca等元素的高价值利用。显然，现有的熔融还原炉无法实现该目的。高温熔融炉内熔融液的物理化学变化过程是一个非常复杂的过程，尽管在直接还原铁制备技术领域人们已做了大量的研究工作，但是迄今为止，既没有可供参考的熔融还原设备，也没有相应的理论用来指导固体颗粒在熔融炉内的热流场状态控制，以及如何保持炉内熔融液能够快速、均匀、连续、稳定地进行物理化学过程，并建立可控的熔融炉内多相流之间的相互作用体系。因此，需要对其炉体结构以及炉内的热流场进行研究，从而设计出适合大宗工业固废资源化利用的处理装置。

发明内容

本发明在吸收借鉴了已工业化应用的Corex、HIsmelt、Finex等成熟工艺中熔融还原炉内物料的进料方式，结合发明人对工业固体颗粒在熔融炉内的热流场分布的仿真模拟研究成果，提出了一种采用射流方式顶吹热风和侧喷吹物料进料相结合的方式，实现对熔融炉内熔融液多相流控制，解决了采用熔融炉处理大宗工业固废制备高性能无机材料时，炉内熔融液无法快速、连续、稳定地进行物理化学过程，且炉内多相流之间的相互作用体系较难控制的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案。

一种熔融炉内热流场的控制方法，含有如下步骤：

通过顶吹喷枪将含氧气体以射流方式喷吹入熔融液液面下至少200mm深度；

通过侧吹喷枪向炉内喷吹一定粒度的固体颗粒物料，至少一杆侧吹喷枪向炉内喷吹助溶剂和/或添加剂/改性剂，所述侧吹喷枪的喷嘴浸没在熔融液中，其枪身与熔融液的水平液面呈30°~50°夹角；

通过至少在熔融炉内炉底和流液洞的内壁同时设置可控功率的电极；以及至少在流液洞、上升区设置的热电偶，实现对熔融炉内熔融液的辅助加热并实时向炉温控制系统传输炉内温度数据，并由炉温控制系统与预先设定的炉内温度数值进行比较，智能调控进入熔融炉内的富氧或纯氧气体量，或者调整进入熔融炉内的固体颗粒物料的喷吹量实现炉温的调节，从而将炉内熔融液的温度维持在1200℃-2000℃。

优选地，所述的顶吹喷枪采用多喷嘴喷头，且每个喷嘴的气流方向与顶吹喷枪枪身的中心垂直轴线的夹角可调。

更为优选地，所述的多喷嘴喷头的出口马赫数Ma≤2.0。更为优选地，所述的侧吹喷枪置入熔融液的深度不高于顶吹喷枪喷吹富氧或纯氧气体时在熔融液液面所形成的凹液面的最低处。

更为优选地，采用气力输送的方式调节进入熔融炉内的固体颗粒物料的速度及物料量。

一种熔融炉，包括设置于熔融炉顶部的顶吹喷枪、若干设置于熔融炉炉身的侧吹喷枪、供熔融液流出的流液洞、熔融液温度控制系统，以及至少在炉底、熔融液流经的流液洞的内壁设置的可控功率的电极；和至少在流液洞、上升区设置的热电偶；所述的熔融炉采用前述的熔融炉内热流场的控制方法，从而控制和调节进入熔融炉内的富氧或纯氧气体和/或固体颗粒物料的喷吹量。

优选地，所述的侧吹喷枪的数量为2n杆，且沿所述熔融炉的同一水平切面对称设置；n为不超过6的正整数。

本发明的提供的上述熔融炉适用于工业固体废物、危险废物和城市生活垃圾处理领域，尤其适用于处理工业尾矿、煤矸石、粉煤灰、煤焦油渣、气化渣、泥煤、冶炼废渣、炉渣、城市垃圾、垃圾焚烧飞灰等工业固废废弃物。实际的处理过程中，还可以根据实际情况，选择利用部分侧吹喷枪向本发明的熔融炉内喷吹处理物料而其余侧吹喷枪向熔融炉内喷吹助溶剂和/或添加剂和/或改性剂等的进料方式，进而获得满足制备如微晶玻璃、无机连续纤维、岩棉等高性能无机材料的熔融液。

相比于现有技术，本发明的技术方案所取得的有益效果在于：

（1）本发明的熔融炉内热流场的控制方法，采用多喷嘴射流方式，将含氧气体喷吹入熔融液液面下一定深度，从而可以引起熔池内熔融液上下翻动产生类似利用HIsmelt熔融还原炉制备直接还原铁的过程中，炉内发生的“涌泉”运动，对熔融液起到很好的扰动作用。工业固体颗粒物料和/或助溶剂/添加剂则通过侧吹喷枪采用气力输送的方式进行浸没式喷吹，通过多个侧吹喷枪将固体颗粒物料输送至熔池内，以较小的气流强度便可取得较好的搅拌效果，固体颗粒物料与富氧或纯氧气体作用下很快即发生还原反应，生成CO、H₂并与固体颗粒物料的载体N₂逸出熔融液液面，对熔融液起到补充搅拌的效果，进一步加快了喷吹物料的溶解和还原反应的进行。通过采用富氧或纯氧气体喷吹入熔融液液面下一定深度，以及侧吹喷枪的枪身与熔融液的水平液面呈30°~50°夹角的方式使其喷嘴浸没在熔融液中，侧吹喷枪保障了炉内熔融液能够快速、均匀、连续、稳定地进行物理化学过程，实现熔融炉内多相流之间的相互作用体系可控的目的。

（2）本发明的熔融炉的顶吹喷枪采用多喷嘴超音速射流方式可使射出的富氧或纯氧气体流均匀，侧吹喷枪的枪身与熔融液的水平液面呈30°~50°夹角的方式使其喷嘴浸没在熔融液中，通过顶吹喷枪和侧吹喷枪的配合使用，保证了熔融炉内固体颗粒快速熔融并发生剧烈平稳高效的燃烧、熔融液传质、传热及动量传递等复杂的物理化学变化过程。

（3）本发明的熔融炉，炉内热流场的控制取决于射流强度和原料配比，其中射流强度可通过枪位和拉瓦尔喷嘴出口压力及流量控制；而通过添加剂调节固废物料中C、H配比，可以调节固体颗粒燃烧过程中释放的燃烧热。对于自身含有一定量的C、H固体颗粒，如含碳有机固体废弃物、煤矸石、粉煤灰等物料，则可以通过调节物料组成以及控制侧吹喷枪进料的气力输送强度等方式，从而调节进入炉内的C、H量，进而调节固体颗粒燃烧过程中释放的燃烧热。此外，本发明通过设置在熔融炉炉底和流液洞内壁的恒流或恒功率控制的电极来进行开炉以及辅助加热，以及热电偶实时向熔融炉炉温控制系统发送熔融炉内温度，并与由炉温控制系统内预先设定的炉内温度数值进行比较，从而智能调控进入熔融炉内的含氧气体和/或固体颗粒物料的喷吹量，保证炉内熔融液的温度维持在1200℃-2000℃范围。

（4）本发明的熔融炉在处理煤矸石、粉煤灰等含碳固体颗粒的过程中，熔融炉内的热量来自于侧吹喷枪气力输送物料中的C、H与顶吹喷枪所带来的O之间的燃烧反应。纯氧气体经过拉瓦尔喷嘴时受压缩后被加速形成超音速射流喷射入熔池中，使熔融液面形成“凹坑”，“凹坑”处原有的液体被射流冲击波推到“凹坑”边缘，形成的“涌泉”回落后回流到原有位置，从而对熔融炉内物料产生扰动作用；夹杂着物料的气体经过侧吹喷枪送入熔融炉中，通过熔融液加热固体颗粒温度超过其燃点，喷出的物料鼓泡经过内部回流作用到“凹坑”面与射流中的氧接触时实现快速燃烧，从而更好地实现熔融炉内固体废物物料的熔融还原。

附图说明

图1为本发明的熔融炉内热流场的控制方法的流程示意图。

图2为一种采用本发明的熔融炉内热流场的控制方法的熔融炉的结构示意图；图中，1-侧吹喷枪、2-火焰动态空间室、3-高温气体混合室、4-顶吹喷枪、5-高温烟气出口、6-喷嘴、7-传递熔融还原室、8-流液洞、9-重金属富集室。

图3为本发明的熔融炉内热流场的控制的CFD模拟示意图，图中：横坐标表示模型的比例尺寸，每一个节点对应模型尺寸的0.5m；纵坐标则表示炉内的温度分布，颜色越深代表温度越高，可以看出上限温度为熔池内熔融液温度为1800K，由于氧气经过拉瓦尔喷嘴的扩张部分会膨胀导致温度降低，在喷嘴出口部分的温度代表了炉内温度的下限350K。

具体实施方式

本发明是在吸收借鉴熔融还原法制备直接还原铁领域已工业化应用的Corex、HIsmelt、Finex等工艺中熔融还原炉内物料的进料方式的基础上，对现有的Corex、HIsmelt、Finex等工艺中所采用的熔融还原炉的结构进行技术改进而得到的一种能够用于将大宗固废转化为高性能无机材料等高价值产品的新型熔融炉专用设备。为了与现有的冶金工业中常用的熔融还原炉相区别，可以称之为ZBF熔融炉。

下面以对HIsmelt工艺中采用的熔融还原炉的结构改进为例，结合本发明的ZBF熔融炉的设计原理，进一步清楚、完整地说明本发明的发明构思和优选的具体实施方式。

HIsmelt技术核心熔融还原炉（简称SRV炉）是将铁矿粉等铁氧化物还原生成铁的主要设备。SRV炉从上往下依次为煤气室、燃烧区、换热区及铁浴区。以每小时处理量为170t的SRV炉为例，为确保喷入的物料能够发生还原及燃烧反应，炉内铁浴区需要存储300至350 吨的铁水，铁浴区存储铁水作为铁矿石还原反应的催化条件；同时换热区需要存储150至200吨炉渣，一是防止铁浴区铁水直接接触富氧热风被氧化，二是喷溅起的炉渣将热量从燃烧区带入铁浴区；正常生产期间SRV炉内始终存有 500吨左右的渣和铁水，才能够维持SRV炉内还原反应的正常进行。SRV炉在铁浴区底部设有残铁口，用于在SRV炉安全停炉时将炉内所储存的铁水和炉渣排出炉外，避免剩余铁水和炉渣在炉内凝固，影响下次正常开炉。

本发明的ZBF熔融炉内从上到下则依次为高温气体混合室、火焰动态空间室、传递熔融还原室以及重金属富集室；传递熔融还原室内的熔融液分为扰动层和平流层。通过设置于熔融炉顶部的顶吹喷枪以射流方式将富氧或纯氧气体喷吹入熔融液液面下一定深度；以及通过若干设置于熔融炉炉身的侧吹喷枪1，具体设置数量例如可以是2杆、4杆、6杆、8杆、10杆或12杆，其中部分或者全部的侧吹喷枪向熔融炉喷吹一定粒度的固体颗粒物料，所述的侧吹喷枪的枪身与熔融液的水平液面呈30°~50°夹角的方式使其喷嘴浸没在熔融液中；通过顶吹喷枪和侧吹喷枪的配合，从而使熔融液在一定厚度的表层范围内产生扰动现象，形成明显的扰动层和平流层结构。

作为一种优选的实施方式，侧吹喷枪的物料喷吹量以及顶吹喷枪喷吹富氧或纯氧的气体量均可以根据实际进行调节，从而可以更好地根据入炉物料的特点进行适应调节，更好地保证熔融炉内固体颗粒快速熔融并发生剧烈平稳高效的燃烧、熔融液传质、传热及动量传递等复杂的物理化学过程，进一步保障炉内熔融液能够快速、均匀、连续、稳定地进行化学反应，实现熔融炉内多相流之间的相互作用体系可控。

为了防止熔融液的凝结，根据不同熔液成分的黏温特性控制其熔融流动性，本发明的ZBF熔融炉至少在炉底、熔融液流出熔融炉所流经的流液洞的内壁同时设置可控功率的电极；以及至少在流液洞、上升区设置的热电偶，通过电极实现对熔融炉内熔融液的辅助加热，通过热电偶实时向熔融炉的炉温控制系统发送炉内温度，从而便于调节进入熔融炉内的富氧或纯氧气体和/或固体颗粒物料的喷吹量，保证炉内熔融液的温度维持在1200℃-2000℃。

本发明的熔融炉内热流场的控制方法的流程示意图见图1。如图1所示，本发明的方法是通过至少在熔融炉内炉底和流液洞的内壁同时设置电极和热电偶，其中电极采用可控功率的电极如钼电极实现对熔融炉内熔融液的辅助加热，热电偶则实时测定熔融液温度并向炉温控制系统传输温度数据，并通过炉温控制系统与预先设定的温度数值1200℃-2000℃进行比较。若实际温度大于设定值最大值，则由炉温控制系统综合智能判断作出向电极发出降低加热功率信号，或者调节顶吹喷枪的喷氧量，或者侧吹喷枪的固体物料的喷吹量；若实际温度小于设定值最大值，则由炉温控制系统综合智能判断作出向电极发出增加加热功率信号，或者调节顶吹喷枪的喷氧量，或者侧吹喷枪的固体物料的喷吹量。通过炉温控制系统的智能控制与顶吹喷枪以及侧吹喷枪的设置的协同配合工作，从而将炉内熔融液的温度维持在1200℃-2000℃的熔融流动状态，保证炉内熔融液能够快速、均匀、连续、稳定地进行物理化学综合作用，实现炉内多相流之间的相互作用体系可控。

采用本发明的熔融炉内热流场的控制方法设计的用于处理工业固体颗粒的熔融炉的结构简图见图2。需要说明的是，图2中只标出了与说明本发明的实施方式相关的主要部件，其余虽然必要但不影响本发明的实施方式描述的部件未一一注明。这些部件的名称及作用与改进前的HIsmelt熔融还原炉结构中相应部件基本相同或类似，参见WO 99/16911（PCT/AU98/00793）、WO 2006/096902（PCT/AU2005/001591）、CN 215404329 U、CN213680770 U、CN 213396602 U、CN 212864822 U等文献中的相关记载。

如图2所示，本发明的基于炉内热流场的控制方法而设计的ZBF熔融炉包括从上到下依次为高温气体混合室3、火焰动态空间室2、传递熔融还原室7、重金属富集室9，ZBF熔融炉的顶部设置顶吹喷枪4，所述的顶吹喷枪4经过高温气体混合室3而向传递熔融还原室7方向延伸，富氧或者纯氧气体通过顶吹喷枪4向所述的熔融炉内提供助燃剂，所述的助燃剂与工业固体颗粒物料熔融释放出的可燃性气体在传递熔融还原室7的上方混合燃烧的区域形成火焰动态空间室2，所述的熔融炉炉身设置若干侧吹喷枪1，通过所述的侧吹喷枪1向熔融炉喷吹一定粒度的工业固体颗粒物料，所述的侧吹喷枪1的枪身与熔融液的水平液面呈30°~50°夹角并且其喷枪喷嘴深入熔融液液面下一定深度。

为了维持炉内熔融液在一定的温度范围，确保保证炉内熔融液能够快速、均匀、连续、稳定地进行化学反应，以及实现熔融炉内多相流之间的相互作用体系可控，本发明在熔融炉的炉底、熔融液流出熔融炉所流经的流液洞8的内壁同时设置的功率可控的电极；和至少在流液洞、上升区设置的热电偶。此外，在炉底和流液洞内壁设置电极和热电偶还可以在熔融炉开炉及检修期间进行辅助加热和炉温调节。

另一种优选的具体实施方式是，所述的顶吹喷枪采用多喷嘴喷头，例如四喷嘴，且每个喷嘴的气流方向与顶吹喷枪枪身的中心垂直轴线呈一定可调的角度。

本发明的ZBF熔融炉内高温熔融燃烧反应是基于工业固废物料中固有或经过调配后含有的碳、氢与富氧/纯氧在控氧条件下进行燃烧，从而使熔融炉内处于还原性气氛。工业固废物料或经过调配的物料中的碳、氢与位于炉顶的顶吹喷枪4喷射入炉内的高温气体射流在火焰动态空间室发生燃烧反应，燃烧产生的高温环境迅速熔融的工业固体颗粒在传递熔融还原室7的扰动层内进行剧烈的传热、传质和动量传递过程，控氧燃烧产生的还原性气体对熔融的工业固体颗粒中重金属进行还原反应，还原后产生的可燃性气体从熔融液内逸出而聚集于位于炉顶的高温气体混合室3，还原产生的重金属则因为密度明显大于熔融液而沉积于重金属富集室9。

此外，对HIsmelt直接还原铁技术而言产生的副产物炉渣，对本发明的ZBF熔融炉而言则是主要处理原料。经本发明的ZBF熔融炉处理后转化为主要成分Si、Al、Ca的熔融液，熔融液再经均化调质、过滤澄清等处理工序，即可获得用于制备高性能无机产品（如矸石纤维）的原料液。而固废弃物中含有的重金属元素如Cd、Cr、Pb、Cu、Zn、Ni等重金属则因密度远大于熔融液而沉积于炉底的重金属富集室9而回收。

本发明的ZBF熔融炉内物料发生还原及燃烧反应的过程主要是通过含碳的固体颗粒中碳的燃烧而为熔融炉提供持续的热源；或者通过添加可燃性添加剂调整入炉物料的组成，从而为熔融炉提供热源。因此，本发明的ZBF熔融炉中不存在HIsmelt工艺中发生铁矿石还原反应而需要储存铁水从而提供熔融条件的处理流程。另一方面，本发明的ZBF熔融炉内熔融液的主要成分与HIsmelt工艺中炉渣中的组成非常类似，因此，也无需在传递熔融还原室7内专门存储一定量的炉渣。可见，不论是炉内各部分功能区的划分，还是物料的处理工艺及炉内多相体系的控制，ZBF熔融炉与HIsmelt工艺中SRV炉具有本质的区别。

为了进一步分析高温熔融液在ZBF熔融炉内的热流场分布特点，发明人利用流体动力学软件ANSYS-Fluent对ZBF熔融炉内热流场分布进行了模拟计算和数值仿真模拟，结果如图3所示。根据图3结合流体动力学基本原理不难得知，本发明的ZBF熔融炉在工作过程中，顶吹喷枪将富氧或纯氧以超音速流射出，侧吹喷枪通过气力输送将冷态的物料颗粒（包括固体颗粒物料和/或助溶剂和/或添加剂/改性剂）喷吹到高温熔融液内，氧流股与涌动的熔融液接触而在二者接触的界面产生扰动作用而形成一定深度的“凹坑”。同时，冷态物料颗粒喷吹到高温熔融液内后，因温度急剧变化而碎裂成粒径更小的颗粒，更容易与氧气分子碰撞而发生氧化反应，进一步强化了熔融液液面的扰动作用，从而形成了图3显示的炉内热流场分布模型。

一种进一步优选的实施方式为，本发明的ZBF熔融炉炉顶采用的氧枪为四喷嘴氧枪，氧气或纯氧经过与顶吹喷枪枪身中心垂直轴线呈一定可调的夹角的拉瓦尔喷嘴转化为高速氧射流，氧流股与涌动的熔融液表面接触而引起熔融液表面发生变化，产生“凹坑”。

需要说明的是，本发明的顶吹喷枪与LD法转炉炼钢的顶吹喷枪工艺中喷氧原理虽然相似，但是二者的氧射流方式截然不同。LD法转炉中的氧射流本身所具有的的动能很大一部分作用于渣层部分，也就是说氧射流具有的动能最低也必须冲开渣层，剩下的部分动能作用于铁水，对熔池内的铁水起扰动作用，耗氧量大；而对于与本发明的ZBF熔融炉结构相似的HIsmelt工艺的SRV炉，熔池内的搅拌机械能主要来自于侧吹喷枪喷吹出的物料在熔融液内形成“涌泉”的原理，从而较小的气流强度便可取得较高的搅拌效果，但是由于采用的热量场的热量控制方法不同，后者侧吹喷枪的喷嘴因浸没在熔融液中，其喷嘴的耐火材料的侵蚀情况非常严重。本发明的ZBF熔融炉内的熔融液并不具有渣层，氧射流的动能全部作用于熔融液，并且通过在熔融炉内炉底和流液洞的内壁设置的热电偶，实时向炉温控制系统发送炉内温度，由炉温控制系统与预先设定的炉内温度数值进行比较，智能调控进入熔融炉内的富氧或纯氧气体和/或固体颗粒物料的喷吹量以及侧吹喷枪枪身与熔融液水平液面之间的夹角，从而将炉内熔融液的温度维持在1200℃-2000℃，保证熔融炉内的熔融液可以快速、均匀、连续、稳定的反应，最终实现对本发明的ZBF熔融炉内熔融液的温度场的连续、稳定、均匀。

同时，本发明的ZBF熔融炉内的熔融液相较于HIsmelt工艺和LD法得到的铁水熔融液不论是从密度还是动力学粘度都有很大差别，对此要保障炉内熔融液的温度场的控制，其关键在于对熔融还原室中扰动层的控制。从图3本发明的熔融炉内热流场的控制的CFD模拟示意图可以看出，本发明的ZBF熔融炉的扰动层深度不低于200mm，保证了熔融炉内热量传递、动量传递、质量传递以及化学反应的进行。需要注意的是在实际生产过程中，由于本发明的ZBF熔融炉内的熔融液较铁水熔融液相比很“轻”，液相物料可能会发生喷溅，因此，需要对内壁以及各喷枪的防侵蚀设计做好防范。

本发明的ZBF熔融炉所能够处理的工业固体废物包括但不限于冶金废渣、采矿废渣、燃料废渣、化工废渣、玻璃废渣、陶瓷废渣或建筑垃圾，更为具体地，所述的工业固体废物为高炉矿渣、钢渣、有色金属渣、铁合金渣、化铁炉渣、煤粉渣、煤渣、煤气炉渣、硫酸矿烧渣、电石渣、碱渣、磷渣、汞渣、铬渣、硼渣、选洗废渣、选矿废石、煤矸石、工业尾矿、烟道灰、粉煤灰、煤焦油渣、气化渣、泥煤、盐泥、污泥、橡胶碎屑、玻璃废渣、陶瓷废渣、建筑废材、垃圾焚烧飞灰中的任意一种或多种；所述的城市生活垃圾为废干电池、废荧光灯管、废旧电器、废金属、废玻璃、陶瓷碎片、废家具、废织物、废旧塑料制品、废旧轮胎中的任意一种或多种。

显然，所描述的实施例仅是本发明优选的实施例，而不是本发明的全部实施方式。基于本发明实施例中的优选的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

Claims (11)

1.一种熔融炉内热流场的控制方法，其特征在于：

通过顶吹喷枪将含氧气体以射流方式喷吹入熔融液液面下至少200mm深度；

通过至少一杆侧吹喷枪向炉内喷吹一定粒度的固体颗粒物料，至少一杆侧吹喷枪向炉内喷吹助溶剂和/或添加剂和/或改性剂，所述侧吹喷枪的喷嘴浸没在熔融液中，其枪身与熔融液的水平液面呈30°~50°夹角；

通过至少在熔融炉内炉底和流液洞的内壁同时设置的电极实现对熔融炉内熔融液的辅助加热，设置热电偶实现实时温度监测，并由炉温控制系统与预先设定的炉内温度数值进行比较，智能调控进入熔融炉内的富氧或纯氧气体，或者调整进入熔融炉内的固体颗粒物料的喷吹量实现炉温的调节，从而将炉内熔融液的温度维持在1200℃-2000℃。

2.如权利要求1所述的熔融炉内热流场的控制方法，其特征在于：所述的顶吹喷枪采用多喷嘴喷头，且每个喷嘴的气流方向与顶吹喷枪枪身的中心垂直轴线的夹角可调。

3.如权利要求2所述的熔融炉内热流场的控制方法，其特征在于：所述的多喷嘴喷头出口马赫数Ma≤2.0。

4.如权利要求1所述的熔融炉内热流场的控制方法，其特征在于：所述的侧吹喷枪置入熔融液的深度不高于顶吹喷枪喷吹富氧或纯氧气体时在熔融液液面所形成的凹液面的最低处。

5.如权利要求1所述的熔融炉内热流场的控制方法，其特征在于：所述的侧吹喷枪采用气力输送的方式调节进入熔融炉内的固体颗粒物料的速度及物料量。

6.一种熔融炉，包括设置于熔融炉顶部的顶吹喷枪、若干设置于熔融炉炉身的侧吹喷枪、供熔融液流出的流液洞、熔融液温度控制系统，以及至少在炉底、流液洞的内壁同时设置的可控功率的电极；和至少在流液洞、上升区设置的热电偶；其特征在于，采用权利要求1至5中任一项所述的熔融炉内热流场的控制方法，智能调控进入熔融炉内的富氧或纯氧气体和/或固体颗粒物料的喷吹量。

7.根据权利要求6所述的熔融炉，其特征在于，所述的侧吹喷枪的数量为2n杆，且沿所述熔融炉的同一水平切面对称设置；n为不超过6的正整数。

8.一种权利要求6或7所述的熔融炉在工业固体废物、危险废物和城市生活垃圾处理领域的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述的工业固体废物为冶金废渣、采矿废渣、燃料废渣、化工废渣、玻璃废渣、陶瓷废渣或建筑垃圾。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述的工业固体废物为高炉矿渣、钢渣、有色金属渣、铁合金渣、化铁炉渣、煤粉渣、煤渣、煤气炉渣、硫酸矿烧渣、电石渣、碱渣、磷渣、汞渣、铬渣、硼渣、选洗废渣、选矿废石、煤矸石、工业尾矿、烟道灰、粉煤灰、煤焦油渣、气化渣、泥煤、盐泥、污泥、橡胶碎屑、玻璃废渣、陶瓷废渣、建筑废材、垃圾焚烧飞灰中的任意一种或多种。

11.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述的城市生活垃圾为废干电池、废荧光灯管、废旧电器、废金属、废玻璃、陶瓷碎片、废家具、废织物、废旧塑料制品、废旧轮胎中的任意一种或多种。

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