CN1171536A - 反射型熔解保持炉 - Google Patents

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CN1171536A
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Abstract

本发明反射型熔解保持炉,使用一对燃烧器作为加热源,就是在燃烧器瓦筒的扩径部上设直径比高温预热用空气喷射口大的开口,将燃料从扩径部沿燃烧用空气流周围喷射,把燃烧用空气的高速喷嘴和燃料喷嘴配置成相互平行,用耐火材料围绕这些喷嘴,在形成这些喷射口的端面间设置阶梯,且使燃料喷嘴一侧的端面更向前伸出,使此一对燃烧器交替燃烧形成位置非固定的火焰,能对炉内均匀加热,使NOx减少,热效率提高。

Description

反射型熔解保持炉
本发明涉及非铁金属的熔解或熔液的保持或同时进行熔解和熔液保持的反射型熔解保持炉。更确切地说,本发明涉及作为反射型熔解保持炉加热源的燃烧器及其附属的蓄热体以及燃烧方法和控制方法的改进。
如后述图12所示,在传统的反射型熔解保持炉中,作为加热源一般采用连续、恒定燃烧的扩散燃烧器102,为进行焙烧,将铝熔液的中央部设置在炉体101上。而且,通过用来自燃烧负荷控制器107的控制信号控制设置在燃烧用空气供给系统103和燃料供给系统104上的流量调节阀105、106对燃烧器102的燃烧量进行控制,将炉内温度以至铝熔液温度设定、调整到规定温度。另一方面,在熔解炉101的排气系统108上设置排气风扇109和排气风门110,通过用炉内压力控制器111调整排气风门110的开度(开闭度)将炉内压力设定保持为一定。因此,在使用传统的扩散燃烧器102的场合,因为是连续、恒定燃烧,使炉内压力变动很小,因此,仅通过检测炉内压力、将其保持为一定值,对排气系统108的风门110进行控制,能用控制器使炉内压力得到充分控制。
然而,在上述传统的反射型熔解保持炉中,由于为进行焙烧,将铝熔液的中央部沿斜向加热,因热流不均匀,易使铝熔液的温度不均匀。此外,在以过剩空气为前提的通常扩散火焰燃烧中,因燃烧气体中的残留氧而引起大量烧损。此外,也由于将扩散燃烧器102在连续恒定燃烧中发生的燃烧气体照原样排出,而存在使排气温度提高、排热损失增多的问题。
为降低排热损失,以往,一般用蓄热器等进行热回收。但是,由于传统的蓄热器不能在高温下使用,因空气混入排气中,必需在蓄热器的耐热容许温度以下进行热回收,存在只能获得50%以下的排热回收率问题。因此,存在使熔解成本提高的问题。为此,本发明者等曾考虑利用蓄热体将燃烧用空气预热至接近排气温度的高温,而进行高效率的排热回收。一般,在进行蓄热燃烧场合,当燃烧预热空气温度成为高温,将使NOx增大。此外,由于反应活性高,即使低空气比例也能充分燃烧,尽管在还原气氛下能进行燃烧,然而其相反一面,在还原燃烧时产生大量HC、CO。为了使这些有害排气成分减少,而终止了对传统燃烧器基本结构的改良。例如,为达到减少扩散性燃烧器中的NOx,采用如图13所示的燃料两级燃烧法等。此燃料两级燃烧法就是相对从燃烧器喉管201内流过的燃烧用空气A,将燃料用一次喷嘴202和二次喷嘴203分两级进行供给,用一次燃料和全量的燃烧用空气形成一次火焰的同时,用二次燃料和一次火焰的高温燃烧气体的反应形成二次火焰。由于二次燃料喷嘴附近氧的浓度低,能用还原反应使一次火焰中的NOx降低。
然而,在此燃料两级燃烧法的燃烧器中,由于使形成主要火焰的二次燃料的喷射方向与燃烧用空气的流向大致平行,使低温时的二次火焰的稳定性差,若将燃烧用空气预热至1000℃以上的高温,会使火焰不稳定。因此,当为提高低温时的二次火焰的稳定性,而使喷射方向接近于与燃烧用空气流垂直的方向时使火焰稳定,但引起局部燃烧和局部温度升高,使NOx增大。而把在700-800℃左右比较低的中温范围进行额定作业的反射型熔解保持炉作为加热源使用的场合,或者是在进行将该炉子点燃等的低温场合,使火焰的稳定性变坏,使传统的燃料两级燃烧法难以实施。此外,使在还原燃烧时产生的HC、CO也不能得到充分抑制。
此外,在传统的反射型熔解保持炉中,由于在排气中有铝·硅镁石或熔剂粉末等混入,大多在排气系统108中的排气风门110、蓄热器(未图示)、排气风扇109等上产生这些尘埃的附着,给操作带来麻烦。
此外,在短时间内频繁转换流向进行蓄热燃烧场合,不能对蓄热体均匀加热,使靠近炉子一侧部位成为高温,在与其相对的靠近转换阀一侧的部位成为低温。例如在炉子一侧为1000℃,在阀一侧为200℃。由于伴随这样大的温差,使作为蓄热体的材料只能限于使用具有耐高温、耐热冲击性的昂贵材料。而且,在使用陶瓷蜂窝状蓄热体场合,必需是能制成各种形状的材料。此外,例如,在如铝熔解炉那样利用熔剂场合,还必需是具备耐腐蚀性的材料。要获得具备这样高品质要求的材料十分困难。
此外,在传统的反射型熔解炉的炉压控制中,在实行短时间交替燃烧场合,因不能进行跟踪炉压控制,伴随炉压变动而引起门(挡渣门等)的晃动以及因吸入新鲜空气或炉内热风流出而产生热效率下降的问题。
因此,本发明目的在于提供能使NOx的发生量少、效率高且加热均匀的反射型熔解保持炉。
此外,本发明的进一步目的在于提供能不仅通过燃烧器构造达到低NOx化,且更能进行NOx、CO、HC等有害排气成分净化的反射型熔解保持炉。此外,本发明还以提供使在高温、腐蚀环境下进行蓄热燃烧时可靠性提高的反射型熔解保持炉为目的。进而,本发明目的还在于提供炉压变动小的反射型熔解保持炉。
为达到上述目的,本发明反射型熔解保持炉,使用利用燃烧排气预热至高温的燃烧用空气进行燃烧的蓄热燃烧型燃烧器作为加热源,从高温燃烧用空气流的周围喷出燃料,在所述燃烧用空气喷射口配置具有直径比该燃烧用空气喷射口大的燃烧器瓦筒扩径部的燃烧器瓦筒,同时设置从该燃烧器瓦筒扩径部喷射燃料的燃料喷嘴。
在此场合,用高温燃烧用空气流在燃烧器瓦筒扩径部产生负压,引起强力的炉内排气再循环。因此,由于使低温时的火焰稳定性提高,即使将燃烧沿垂直于高温燃烧用空气流的方向喷射,燃料的一部分引起排气再循环燃烧使NOx的发生受到抑制。此外,在燃烧器瓦筒扩径部喷射的燃料的一部分和燃烧用空气的一部分急速扩散形成火焰稳定区域使火焰稳定。因此,即使在低温时也能使火焰稳定。此外,在燃烧器瓦筒以外,使来自空气比例高的火焰稳定区域的残留氧与起因于引起炉内排气再循环燃烧的不完全燃烧气体产生缓慢燃烧。从而形成一方面使在高温时的NOx降低,而在低温时火焰的稳定性优良的燃烧器。
此外,根据本发明的反射型熔解保持炉,使用利用燃烧排气预热至高温的燃烧用空气进行燃烧的蓄热燃烧型燃烧器作为加热源,该燃烧器具有平行配置的喷射燃料的喷嘴和以远大于燃料速度的高速喷射燃烧用空气的喷嘴,用耐火材料将这些喷嘴围起来的同时,在形成燃料喷嘴喷射口端面和形成空气喷嘴喷射口端面间设置成阶梯状,使燃料喷嘴一侧的端面比空气喷嘴一侧的端面更向前伸出。
在此场合,沿着喷出燃烧用空气端面和喷出燃料端面的阶梯部分的面流动的燃烧用空气的一部分在靠近喷出燃料端面的阶梯附近稳定地形成相对燃烧用空气流的逆向涡流,将燃料气体的一部分卷入而形成成为火种的火焰。此外,在阶梯部分产生的负压引起强力的排气再循环,从而在燃烧用空气和燃料气体进行混合前,将排气卷入使氧的浓度降低。而且,在喷射燃料端面的下游,伴随燃料被燃烧用空气流吸引而后进行混合。
这里,由于预热至约700-800℃或更高的高温燃烧用空气与常温时相比,其体积膨胀,通过将空气喷嘴设定很细、或采用设定成适于低温时流速用的细的喷嘴,使其以与常温燃料和空气相比十分高的高速喷出。例如与用20-30m/s的流速喷出的燃料相比,用100m/s以上的极高流速将高温预热空气喷出。因此,一方面用高速燃烧用空气流将燃烧排气卷入,使氧的浓度(分压)下降,另一方面也伴随燃料被燃烧用空气流吸引、逐渐被卷入空气流内进行混合。而且,由于燃烧用空气的流速远高于燃料流的流速,且在直至到达燃料喷射端面,已将大量排气卷入,使引起的燃烧反应不剧烈,引起在燃烧用空气和燃料相接触表面层进行缓慢燃烧。因形成稳定的一次火焰,能形成在高流速下也不熄火的稳定的火焰。此外,在燃烧反应中,也由于燃烧用空气的流速高,将排气大量卷入的同时使燃烧反应继续,更促进缓慢燃烧。因此形成方向性强的火焰和燃烧气流。
此外,在如点燃炉子时等燃烧用空气温度低的场合,因燃烧用空气流速低而使排气被卷入量减少,然而,由于燃烧用空气温度低,使发生的NOx和原来一样的少。反之,由于氧的浓度增高,能使燃料喷嘴喷射口附近的燃料流和燃烧用空气流之间形成的稳定的火种不被吹灭,而形成稳定的火焰。
因此,上述本发明由于较理想配置至少两台燃烧器作为一对加热源,使交替进行燃烧形成位置非固定的火焰,对炉内进行均匀加热,进而通过将此一对燃烧器设置成相互邻靠的位置,使燃烧用空气以高速喷射,能防止形成短程的火焰和燃烧气体。在此场合,由于在至少一对燃烧器间,在短时间内交替形成火焰和燃烧气体,从而使火焰位置不固定,以均匀的热流进行被加热物的加热。此外,由于用高速喷射的燃烧用空气形成方向性强的火焰和燃烧气流,即使将一对燃烧器配置成相互邻靠,因能防止短程,能使燃气到达炉子各个角落在加热后进行排气。
此外,本发明反射型熔解保持炉具有检测炉内压力的压力电气变换器,检测出燃烧转换、输出燃烧转换信号的传感器,根据来自压力电气变换器的信号,控制排气系统的开闭、即流量的主风门、该风门的旁路,被设置在旁路上,根据燃烧转换信号、控制该旁路的开闭、即流量的旁路风门,能以旁路流路的开闭对应伴随频繁进行燃烧器转换引起的小的炉内压力变动,以进行主排气系统的开闭对应于设定值以上的大的变动,从而吸收炉压变动。在此场合,由于在进行燃烧器燃烧转换的同时,暂时打开旁路风门,使炉内排气的排气量增大,能使伴随燃烧器转换引起的频繁周期的炉内压力变动受到抑制。
此外,本发明反射型熔解保持炉使用大致为理论空气量以下的高温预热空气形成还原气氛对被加热物进行加热。在此场合,由于用大致在理论空气量以下的预热至接近燃烧排气温度的高温预热空气引起还原燃烧进行加热,能不使被加热物氧化。
此外,本发明反射型熔解保持炉通过让燃烧用空气和燃烧排气交替通过的蓄热体进行燃烧用空气的预热,且至少将此蓄热体沿流体的流动方向分割成多个部分。在此场合,由于至少还沿流动方向进行分割,即使为提高热效率、通过进行在短时间内让高温的燃烧排气和低温的燃烧用空气交替流过的蓄热燃烧而使在蓄热体的靠近炉内一侧的部位与在该部位相反侧的靠近转换阀一侧的部位间产生较大的温差,因各蓄热体的热膨胀差别小,从而能防止破裂。进而,使此分割的蓄热体的靠近炉内一侧的部分和靠近流路转换一侧的部分由不同的材料形成,这样,在靠近炉内一侧和与其相反一侧间产生较大温差的场合,能仅在靠近炉内一侧的蓄热体上采用具有耐热性的蓄热体,而在低温的转换阀一侧采用不具有耐热性的低成本的蓄热体。此外,将蓄热体的靠近炉内一侧的部分和靠近流路转换机构一侧的部分形成不同的构造,在此场合,能使最初与含有灰尘等高温的燃烧排气接触的炉内一侧的蓄热体采用具有过滤功能的蓄热体,能防止蓄热体被堵塞等。进而,使在此被分割成多个部分的蓄热体上带有与催化反应温度范围适应的排气净化催化介质。在此场合,能使在还原燃烧中发生的HC、CO、NOx等完全净化。
此外,通过将蓄热体沿垂直于燃烧气体或燃烧用空气流动方向可出入地容纳在侧壁上具有可开闭盖子的筒型壳体内,然后使与燃烧器相连,且设置成通过所述盖子的开闭能将其自由取出或放入。在此场合能不使排气系统分解,而仅将壳体盖打开就能进行蓄热体的更换。
此外,本发明反射型熔解保持炉设置了把通过蓄热体的燃烧排气导入的灰尘收集器。在此场合,能即使在燃烧排气中含有灰尘,也能将其分离、收集。
以下,对本发明效果作进一步说明。
根据本发明反射型熔解保持炉,由于使用在燃烧用空气喷射口上设置具有直径比该燃烧用空气喷射口大的燃烧器瓦筒扩径部的燃烧器瓦筒的同时,设置从此燃烧器瓦筒扩径部喷射燃料的燃料喷嘴的燃烧器,使低温时的火焰稳定性提高,即使使燃料喷射方向接近垂直于燃烧用空气流方向,也能抑制NOx的发生量。就是一方面能使在燃烧器瓦筒内急速扩散的燃料和高温的燃烧用空气的一部分形成稳定火焰区域,使火焰稳定,另一方面,使得燃烧用空气流被强烈引入燃烧器瓦筒内与炉内排气和燃料的一部分混合、引起炉内排气再循环燃烧,进而,由于使燃烧器瓦筒外的残余的氧和因炉内排气再循环燃烧产生的不完全燃烧气体引起缓慢燃烧,从而能实现低NOx条件下的稳定燃烧。因此,本发明尤其适用于小的炉子,或与设置燃烧器的壁面相对的壁面间隔狭小的炉子。
此外,根据本发明,由于一方面使沿燃烧用空气的喷出端面和燃料喷出端面的阶梯部分的面流动的燃烧用空气的一部分在靠近燃料喷出端面的阶梯附近稳定形成相对燃烧用空气流的逆向涡流将燃料气体的一部分卷入而形成成为火种的火焰,另一方面,在阶梯部分产生负压而引起强力的排气再循环,使得在燃烧用空气和燃料气体进行混合前、因将排气卷入而使氧的浓度降低,进而,在燃料喷射端面的下游,伴随燃料被燃烧用空气吸引进行混合,从而一面稳定地引起缓慢燃烧,一面形成方向性强的火焰和燃烧气流。因此,在使用高温燃烧用空气场合,且不用说火焰的稳定性高,由于能抑制NOx发生的同时,形成方向性强的火焰和燃烧气流,能在广大的空间用均匀的热流进行燃烧。而且,即使如在点燃炉子时等情况下的燃烧用空气温度低的场合,因燃烧用空气流速低、且因燃烧用空气温度低使燃烧排气卷入量表现和原来一样,从而使发生的NOx少,反之,因氧浓度提高,不会把在燃料喷流和燃烧用空气喷流间的稳定火种吹灭,使形成的火焰稳定。因此,本发明还特别适用于炉子较大的场合,或与设置燃烧器的壁面相对的壁面间隔宽的炉子。
以上这些,对于形成在比较高温例如1000℃以上进行作业的铁系加热炉等的升温过程达到低NOx化也有效,然而,特别对于构成以往为困难的,即在比较低温进行作业的非铁金属反射型熔解保持炉等的低NOx化和使火焰稳定方面十分有效。
此外,由于根据本发明,形成位置非固定的火焰,能对炉内均匀加热,获得均匀的热流,均匀地实施熔解被加热物或保持其熔液状态或同时进行此两者作业。
此外,由于根据本发明,能防止产生短程的燃烧气体,能将燃烧气体的显热有效用于被加热物的加热,使热经济性提高。
此外,由于根据本发明,能在进行燃烧器燃烧转换的同时,暂时地打开旁路风门,使炉内排气的排气量增大,使伴随燃烧器转换引起的周期、频繁的炉内压力变动受到抑制,使因炉压变动引起的炉体或门的不稳定或晃动得到防止,不使新鲜空气流入或不使炉内热风流出,使热效率提高。
此外,由于根据本发明能在还原气氛中进行加热,使金属损耗减少。
此外,由于根据本发明即使在炉内一侧和流路转换机构一侧发生较大温差也不必担心发生裂纹等,从而能在短时间内进行流动的转换,使热效率提高。
此外,由于根据本发明能按照已被分成要求或不要耐热性部分分别使用适当的蓄热材料或蓄热构造形成的蓄热体,从而能使蓄热体的造价便宜和能使设备长期连续使用。
此外,由于根据本发明,使蓄热体上带有排气净化催化介质能收集燃烧排气中含有的CO和HC,使即使在优先进行如还原燃烧时等的稳定燃烧场合,且在不使用复杂构造的低NOx燃烧器时,也能使NOx减低。
此外,由于根据本发明能简单地进行蓄热体的更换,即使在蓄热体产生故障时,也能在短时间内将炉子再点燃。
此外,由于根据本发明,即使炉内排气中混入铝硅镁石或熔剂等粉尘,也能将其分离和收集,故能使蓄热体的工作寿命延长。而且,由于在导入收集器前使温度下降而不需要稀释用空气,且因排气体积减少,用细管道已足够,且也无需防烧伤等,更有利于集尘器小型化。
对附图的简单说明。
图1为简要表示本发明反射型熔解保持炉结构的俯视剖面图,
图2为所述熔解保持炉的纵剖面图,
图3为简要表示作为蓄热交替燃烧的燃烧器系统结构实施例的图,
图4为简要表示低NOx燃烧器结构和对燃烧状况进行说明的原理图,其中(A)为纵剖面图,(B)为仰视图,
图5为表示图10所示低NOx燃烧器的燃烧用空气流速和NOx间关系的测定结果的曲线图,
图6为简要表示其它实施例中的低NOx燃烧器结构和对燃烧状况进行说明的原理图,
图7(A)为表示作为蜂窝状陶瓷蓄热体一例的立体图,(B)为表示陶瓷蓄热体安装例的剖面图,
图8为表示蓄热体温度分布状态的说明图,(A)表示蓄热体的分解状态,(B)表示蓄热体温度分布状态,
图9为表示蓄热体分割例的说明图,(A)表示相同构造蓄热体场合,(B)表示使不同构造蓄热体组合的场合,
图10为简单表示炉内压力控制系统组成的图,
图11为表示因图10所示炉内压力控制系统被抑制的炉压变动状况的说明图,
图12为简要表示传统反射型熔解保持炉的说明图,
图13为传统的两级燃烧型低NOx燃烧器的原理图。
以下,根据附图所示一实施例对本发明的结构作详细说明。
图1表示将本发明用于井式反射型熔解保持炉的实施例。此井式反射型熔解保持炉30为一般具有与位于固定式方形熔解炉侧部被称为前炉31的加热室相连,且暴露在大气中的熔液槽的炉子。设置前炉31的目的主要为进行再生铝的熔解,将料放入,用熔液保持热使进行熔解。用上下方向的挡渣门33将熔液槽32和前炉31分隔,按照需要,用熔液泵(未图示)等使在其间循环从而促进熔解。
在熔液槽32一侧将蓄热燃烧型燃烧器系统20按照使形成的火焰燃气与铝熔液34的液面大致平行那样设置在炉壁35上。此外,本实施例中设置1个系统的蓄热燃烧型燃烧器系统20,然而,也可以装设2个以上的系统。
按照使喷出的燃烧用空气和燃料与铝熔液34的液面大致平行,沿液面形成火焰和燃气流将蓄热燃烧型燃烧器系统20配置在熔液槽32的壁面35上。在本实施例场合,使交替进行燃烧的两台燃烧器21、22作为一组而构成1个系统的蓄热燃烧型燃烧器系统20。此蓄热燃烧型燃烧器系统20在实施例中如图3所示,将蓄热体23设置在燃烧器壳体27内,使已分别形成一体化,分别包含燃烧器21、22和蓄热体23、23的两台相组合,要设置成为一方面使进行交替燃烧,另一方面通过不进行燃烧的停止中的燃烧器和蓄热体能使燃烧排气排出。要设置成在两台燃烧器21、22中,通过流路转换机构26能选择地使排出燃烧气体的排气系统25与供给燃烧用空气的给气系统24相连,一方面达到通过蓄热体23向一方的燃烧器21(或22)供给燃烧用空气,另一方面达到通过蓄热体23从另一方的燃烧器22(或21)排出燃烧气体。例如用风扇28等压入供给燃烧用空气,例如用排气风扇29等的排气机构从炉内将燃烧气体抽出,经收集尘埃等必要的处理后向大气中排出。通过未图示的例如三通阀等选择、交替地使燃料供给系统与任一方的燃烧器21、22相连,供给燃料。此外,图中的36为旋风除尘器等尘埃收集器。
此处,作为各燃烧器21、22,例如适于使用图4所示的低NOx燃烧器。该低NOx燃烧器为将燃料气体使与预热至高温的燃烧用空气流相平行地喷射的燃烧器,且通过以下方式构成,即包括在耐火材料块体3上贯穿形成燃料(气体)喷嘴2和以远高于燃料流速的高速将预热至高温的燃烧用空气喷出的空气喷嘴1、且在耐火材料块体3的具有阶梯的两个端面4、5上形成各喷嘴的喷射口6、7。此外,在燃料喷嘴2的周围埋设构成一次空气供给流路的配管8,使约为二次空气的10%左右的一次空气从燃料喷嘴2的周围流过。进而,在燃料喷嘴2的顶端部分上形成朝向主喷射口7的其它周围的一次空气流路,将燃料的一部分喷射的喷射口9,将此燃料的一部分作为引导燃料进行喷射,使向配管8的周壁冲击,且向一次空气流路内扩展,从而构成获得良好混合状态的引导燃烧器。且为了能在燃烧中形成稳定的一次火焰12,还在该处设置未图示的点火器。配管系统仅由使作为二次空气使用的大部分燃烧用空气流过的主配管,空气喷嘴1,和使燃料及一次空气流过的燃料配管(一次空气配管8和燃料喷嘴2)构成,因而非常紧凑。此外,在本实施例中,在燃料喷嘴2的周围设置使一次空气流过的配管8,在喷射口附近形成引导燃烧器,然而,不限于此,也可以根据情况,仅在燃料喷嘴的个别燃料喷嘴的喷射口附近设置引导燃烧器。
此外,形成使燃料喷射口7和空气喷射口6不在同一平面上,将其设置在具有阶梯的不同的面上,且将燃料喷射口7配置在比空气喷射口6更下游的一侧。就是将燃料喷出口7设置在从设置空气喷射口6的耐火材料块体端面(以下称基准面)4伸出的端面(以下称火焰稳定面)5上。使稳定的一次火焰12和燃料F由此火焰稳定面5的燃料喷出口7喷出。使燃烧用空气从耐火材料块体3的中央以高速喷出。此时,能在火焰稳定面5的阶梯部分附近形成相对燃烧用空气流的逆向涡流11,形成与燃料气体的一部分急剧混合的火焰稳定区域。因此,能形成不用说在高温时,即使在低温时也不易将稳定的火苗吹灭。在本实施例场合,是将空气喷嘴1和燃料喷嘴2平行配置和保持的耐火材料块体3构成单一的整体构件,然而,也可以根据场合各别形成保持空气喷嘴1的部分和保持燃料喷嘴2的部分,然后将其组合起来使用。此外,本实施例场合不用配管而用在耐火材料块体3上开孔及内设耐火材料块体3的燃烧器壳体构成空气喷嘴1。不用说,也可以用配管构成空气喷嘴1。
此外,在采用上述结构场合,从强度上考虑,在耐火材料块体3上有必要使空气喷嘴1和燃料喷嘴2间隔开一定距离。因此,存在在刚发生喷射的区域,燃料难以被高速空气流诱导的倾向。因此,如图所示,最好将燃料喷射口7的靠近空气喷嘴1的部分13的形状形成朝向空气喷嘴1的一侧弯曲的曲面形状。据此,能容易使燃料向燃烧用空气流一侧流出。因此,进而能使燃料的伴随混合能力提高,防止CO、HC等游离未燃成份发生。此外,由于也能使向产生燃烧用空气逆流的涡流11的燃料供给变好,从而能形成更稳定的火种。关于上述形状也不限于曲面,只要是能满足这样功能的构造就可以,例如即使斜面也可以。
此外,将空气喷嘴1设置在火焰稳定面5与基准面4交界的阶梯部分上。且在靠近火焰稳定面5的部分上使具有燃料伴随混合的功能,在靠近基准面4的部分上使具有排气再循环的功能。就是如图4(B)所示,在将火焰稳定面5与基准面4的阶梯部分的面10配置成用此面10将空气喷嘴1的喷射口6竖劈为两半那样将喷射口6的中央进行对切配置的场合,能获得同时具有伴随混合和再循环两方面的功能。另一方面,未予图坏,在将阶梯部分的面10配置成与空气喷嘴1的喷射口6外接的场合,与图4(B)所示场合相比,由于使卷入排气的面积扩大,从而成为使燃烧用空气中氧元素浓度降低的功能变好。此外,在使阶梯部分的面10交叉配置,大体上将喷射口6包入的场合,由于已喷射的空气在耐火材料块体3直至火焰稳定面5受约束的部分增大,使方向性强的燃烧用空气流进而从火焰稳定面5喷出,从而使燃烧气体的伴随混合能力变得更优良。
当根据图4所示如此构成的低NOx燃烧器,在燃烧用空气以高温高速喷出场合,以高速从火焰稳定面5喷出的,具有万向性的燃烧用空气使以比较低速平行喷射的燃料早、强力地被引导使伴随且使逐渐卷入混合的同时延伸至远处。但是,由于燃烧用空气流速远高于燃料流速,例如为达到100m/s以上非常高的高速,且由于将伴随的燃料逐渐带入,在到达火焰稳定面5为止时正将排气大量卷入,因而不急剧引起燃烧反应,而使燃烧反应缓慢进行。进而,由于空气流速高,又由于在燃烧反应中大量卷入排气的同时进行燃烧反应,更促进缓慢燃烧。以上从图5所示的燃烧用空气流速和NOx发生量之间关系的实验结果可看得更加明白,燃烧用空气的喷射速度愈高,NOx的量减少,且其效果,即燃烧量愈大(成为高温的程度)更显著。因此,当根据本实施例的燃烧器,能形成比较均匀、且长的热流且能实现低NOx化。而且,由于一部分燃料被诱导入在靠近火焰稳定面5的阶梯部分的区域引起的燃烧用空气的逆流中且扩散混合,而形成成为火种的稳定的火焰,不用说高温时,即使低温时也能形成稳定的火焰。因此,本实施例可适用于与设置燃烧器21、22的壁面35相对的壁面间距离较长的炉子,例如大形炉等。
此外,作为燃烧器,最好使用图6所示的低NOx燃烧器。此燃烧器为相对预热至高温的燃烧用空气流,使燃料从该空气流的周围喷射的燃烧器,是在燃烧用空气喷射口40上配置具有更大直径的燃烧器瓦筒扩径部41的燃烧器瓦筒42,设置从燃烧器瓦筒扩径部41喷射燃料的燃料喷嘴43。在此场合,只要能使燃料从燃烧器瓦筒扩径部41的燃烧器瓦筒42的内侧,即向副燃烧室46喷射,对该喷射方向不特别限定,然而,最好面对燃烧用空气流进行喷射,更好是相对燃烧用空气流斜向喷射燃料,使发生冲突。在相对燃烧用空气流斜向喷射燃料的场合,与进行垂直喷射场合相比,能促进炉内排气再循环燃烧和燃烧器瓦筒外的缓慢燃烧,进一步降低NOx的发生量。此外,在燃烧器瓦筒扩径部41的上游一侧设置引导燃烧器44,以进行引导燃料的喷射。在此场合,在燃烧器瓦筒扩径部41的上游一侧形成火焰稳定区域,以成为火种,即使燃烧用空气温度变低,也能使火焰稳定。在以大约1000℃以上的高温供给燃烧用空气地场合,由于不必要在燃烧器瓦筒扩径部41的附近经常进行燃烧,也可以将此引导燃烧器44设置在更上游一侧。此外,在本实施例场合,在燃烧器喉部40上设置喷射一次燃料的第1燃料喷嘴45。在使炉子开始工作以后停止使用此第1燃料喷嘴45,在炉温较低,难以使燃烧稳定时,就是在使炉子开始工作时等情况下,相对燃烧用空气流成垂直相交地喷射一次燃料,使快速混合,扩散而达到稳定燃烧。此时,由于炉温低,使发生的NOx也少,且在容许范围内。而且,在炉温达到规定温度时,因使仅从燃烧器瓦筒扩径部的第2燃料喷嘴43喷射燃料,产生上述排气再循环燃烧以及引起该不完全燃烧气体与剩余氧气的缓慢燃烧,而使NOx的发生量减少。此外,本实施例是表示分别设置第1燃料喷嘴45和引导燃烧器44的个别例子。然而,本发明不受此限制,也可以不特别设置第1燃料喷嘴45,而仅设引导燃烧器44,此外,使此引导燃烧器44位于图1中相应构件的更上游一侧,或使靠近第2燃料喷嘴43。此外,作为第2燃料喷嘴43也可以采用图4所示燃烧器的、与引导燃烧器兼用的燃料喷嘴2、8,而不设置此第2引导燃烧器兼用的燃料喷嘴以外的燃料喷嘴和引导燃烧器。此外,在使燃烧器瓦筒扩径部41距炉内壁面的深度为一定的场合,也可以将燃料喷嘴43设置在任意部位,然而在所述深度不为一定时,例如在未予图示的,将燃烧器设置成曲面或使倾斜进行设置等场合,希望将其设置在最深处。在作为燃料喷嘴43采用引导燃烧器兼用喷嘴的场合也一样,此时,设置在浅处易引起朝向燃烧器瓦筒扩径部41内的炉内排气再循环,然而,在深处,因炉内排气难以进入、氧的浓度不降低,而使点火稳定性优良,因此,若将燃料喷嘴43或引导燃烧器兼用的燃料喷嘴配置在燃烧器瓦筒扩径部41离开炉内壁面的深度较深的处所,因不使氧的浓度降低,而使点火稳定性优良。
当根据这样构成的低NOx燃烧器,如图6所示,使沿斜向喷射的燃料的一部分与通过蓄热体已预热至高温的燃烧用空气的一部分相混合扩散,而形成火焰稳定区域X1,形成稳定的火焰。此外,在燃烧器瓦筒扩径部41的副燃烧室46内,使炉内排气被从空气喉管以高速喷出的高温燃烧用空气强烈吸引,并与从燃烧器瓦筒扩径部41的角部斜向喷射的燃料的一部分相混合而引起排气再循环燃烧,形成因空气不足的燃烧排气的再循环燃烧区域X2。此外,在燃烧器瓦筒42的外面,形成使来自火焰稳定区域X1的残留在燃烧气体内的氧与在燃烧器瓦筒扩径部41内的排气再循环燃烧区域X2内发生的不完全燃烧气体间起反应引起缓慢燃烧的区域X3。此外,在此场合,由于通过在燃烧器瓦筒42内直接喷射燃料,使向火焰轴向外侧多余的气体扩散受抑制,从而能将燃烧时的未燃气体量抑制至最低限度。因此,即使是像井式反射型熔解保护炉那样工作在700-800℃左右中等温度范围的炉子,也能使火焰稳定,NOx不增加。在此燃烧器场合对于与设置燃烧器的壁35相对的壁面间隔狭窄的炉子最适合。
此外,在此燃烧器场合,在炉内温度达到规定温度为止,使从第1燃料喷嘴45喷射的全部燃料进行燃烧,使炉子变暖。此时,即使燃烧用空气温度较低,能使从第1燃料喷嘴45喷射的燃料与燃烧用空气立即混合,且用靠近设置的引导火焰使燃烧稳定。而且,当达到规定温度时,使由第1燃料喷嘴的燃料喷射中止,使进行第2燃料喷嘴43的燃料喷射。这里,所谓规定温度不一定是炉子的作业温度,而是指仅用第2燃料喷嘴43的喷射燃料能维持火焰的温度或其以上的温度。此外,在作为第2燃料喷嘴43采用引导燃烧器兼用喷嘴的场合,通过从开始使此第2燃料喷嘴燃烧,点燃炉子。此外,燃烧与排气的转换例如是在10秒-2分钟间隔,希望在约1分钟内,最好在10-40秒左右的极短时间间隔内进行。在此场合以高温高效率进行热交换。此外,也可以在使经蓄热体23排出的燃烧气体达到规定温度,例如200℃左右时进行转换。
如上所述,在这样使至少一对燃烧器交替进行燃烧的场合,由于使火焰位置频繁移动、变化,能使燃烧室内的热转移模式更均匀化,使出现的加热不匀、保温不匀的现象变少。
这里,例如利用蓄热体,通过使燃烧排气和燃烧用空气交替地在此蓄热体上流过,直接进行热交换,把由图4或图6所示燃烧器供给的燃烧用空气预热至大致接近燃烧排气温度,例如700-800℃或其以上的高温。
作为蓄热体23,最好使用如图7所示,具有一定流通截面积,且被沿直线贯通流过的蜂窝状陶瓷,例如堇青石、莫来石或耐热耐酸性优良的其它材料等。此蜂窝状陶瓷的热容量大、耐久性较高和压力损失较低。而且,可交替不停地进行排气和给气。因此,使排气中的尘埃等难以附着在蓄热体23的蜂窝状流路内,即使产生附着,因通过反向清洗,不使被污染。此外,在进行从排气中回收热时,即使使排气温度降低至酸露点温度以下,因排气中的离子部分及其化学变化物质被陶瓷表面捕促,因此不会使下游排气系统25的管道等产生低温腐蚀。此外,将如图7(b)所示的蓄热体23使其可沿与流路相垂直方向出入地收容在把侧壁的一部分作为盖子39的箱体38内,且被组装在燃烧器21、22和流路转换机构26之间。因此,仅通过打开盖子39就可容易地取出破损乃至堵塞的蓄热体进行更换。
另外,使包含在排气中的在熔解时产生的熔解粉末及尘埃等通过蓄热体23变成低温后被导入尘埃收集器36进行收集。因此,不使处于尘埃收集器36下游的流路转换机构26及排气风扇29等产生尘埃附着的麻烦。此外,对尘埃收集器36的方式,构造等不特别给予限定,只要是通过单纯地改变流动方向能使尘埃落下的结构就可以。
此外,如图9(A)所示,最好将蓄热体23沿流体的流动方向分成多层配置。这是由于,当为了提高蓄热效率而在短时间内使一对燃烧器21、22交替进行燃烧,即如图8(B)所示,使蓄热体23的靠近炉子一侧部位的温度成为高温,而其相反一侧的靠近流路转换机构26一侧的部位成为低温。在将这样的蓄热体23形成一体时,由于频繁地进行流路转换而使温差变化激烈,此外,由于温差变化大,使因热膨胀差别产生裂纹的可能性增大。因此,通过将蓄热体23分成多层,能使每块的热膨胀差变小,从而能防止因热膨胀差引起的裂纹。作为一例,如图9(A)所示,是将蓄热体23分成3层。此时,最好在各蓄热体23、23、23间使夹入缓冲构件37。
此外,在靠近炉子一侧的高温部位,使蓄热体23的腐蚀显著地进行,而在靠近流路转换机构26一侧的低温部位的腐蚀较迟缓。因此,若使整个蓄热体23由昂贵的耐腐蚀性材料制成,导致不必要的成本增高。因此,仅在炉子一侧的高温部位使用耐腐蚀性材料制作的蓄热体23,而在其它部位使用便宜的蓄热材料就可以。此外,作为使蓄热体23的工作寿命延长的方法,也应尽可能将高温部位的蜂窝体壁厚t加厚。在此场合,考虑到将使耐热冲击性能下降,应采用热传导率高的材料可回避此问题。此外,在适用于炉温为1500℃左右的高温炉场合,可以仅在靠近炉内一侧的第1、第2蓄热体23、23的部分使用高耐热蓄热材料,而在其它部分使用便宜的材料。
此外,当在伴随产生熔解粉末那样的粉尘的环境下使用蜂窝型蓄热体23时,存在引起堵塞的可能性。因此,作为对策,如图9(B)所示,作为替代第1蓄热体23的过滤体,可以埋入高耐热性的球形或矿块状蓄热体,为了平时能进行更换,而在第2、第3层上即使使用蜂窝型蓄热体也可以。
在本实施例中,是将蓄热体23设置在燃烧器喉部后方,然而,为了尽可能减少炉内显热损失和能利用炉子壁厚部分的空间,也可以将蓄热体设置在炉子一侧。在此场合,一般说,由于燃烧器的设置空间不充裕,存在不能将具有必要容量的蓄热体全都插入的可能性。在此场合,当将蓄热体分割,将其一部分设置在燃烧器瓦筒部上,将其另一部分设置在靠近流路转换机构26时,将使高温排气损失减少,并达到炉子的紧凑化。此外,如上所述,在将多功能、多种结构蓄热体组合使用的场合,也不必将其容纳在同一的蓄热室内。分割设置适应功能,构造的蓄热室,通过用绝热管将排气和空气流路进行串联连接,能确保设计施工中的自由度。
此外,在使用预热至高温的燃烧用空气进行还原燃烧的场合,即使使用如图4或图6所示的燃烧器,与传统相比仍担心会发生至少有某种程度的NOx。因此,最好使用使其一部分上具有排气净化催化介质功能的蓄热体23。例如,在用促使CO氧化的催化介质进行净化的场合,能使约在150-700℃范围,含约5%为止的CO达到100%的净化。另外,在以短时间使进行交替燃烧的场合,使蓄热体23的温度在炉子一侧成为高温(例如1000℃左右),而在流路转换机构26的一侧成为低温(例如200℃左右)。因此,如图8所示通过将蓄热体23沿流体的流动方向分成多层通过使该块体上所带的催化介质适应各催化介质反应的温度分布范围,能将100%的CO净化。此外,在进行CO净化时,在蓄热体23内引起发热反应,然而,由于在转换后,能将该热量用于燃烧用空气的预热,因而不产生热损失。进而,若CO、HC的净化成为可能,能使燃烧在还原气氛条件下进行,能防止被加热物、铝熔液发生氧化。此外,对于NOx也同样,只要使所带的催化介质与必要的温度范围一致就可以。例如,在仅对CO或HC进行净化时,可主要使用白金作为催化介质。此白金催化介质的反应温度范围为150℃-700℃左右,当高于此温度,因发生烧结而不能使用,若在此温度范围以下,将不起催化反应。此外,在同时对CO和NOx进行净化时,可使用在白金上附加一部分铑的催化介质。白金和铑的比率最好为白金∶铑=5∶1-20∶1,其适应的温度范围以300℃-500℃较理想。因此,使燃烧排气通过其间,通过使蓄热体被加热至150℃-700℃的部分上带白金催化介质,或使在被加热至300℃-500℃的部分上带白金铑催化介质,能从排气中除去CO或HC以及NOx。
如上所述构成的本实施例反射型熔解保持炉,可用以下的炉压控制系统对炉内压力进行控制,能使炉体和门等的不稳或晃动得到抑制。
此熔解保持炉30的炉内压力的控制,例如可用图10所示的炉压控制系统进行。该控制系统由下列部分,即检测炉内压力的压力电气变换器51,检测燃烧转换、输出燃烧转换信号的传感器53,根据来自压力电气变换器51的信号,对排气系统25的开闭、即流量进行控制的风门54,该风门54的旁路55,设置在旁路55上,根据燃烧转换信号对旁路55的开闭,即流量进行控制的旁路风门56所组成。压力电气变换器51从压力传感器52输入炉内压力信息。此控制系统在炉内压力发生较大变动且高于设定值以上时,用主排气系统25的风门54的开闭与其相适应,然而,伴随燃烧器21、22的燃烧转换、频繁引起炉内压力较小变动时,用旁路55的开闭与其适应,通过在进行燃烧器21、22的燃烧转换的同时,暂时打开旁路风门56,使炉内排气的排气量增大来抑制伴随燃烧器21、22转换引起的周期、频繁的炉内压力变动。如图11中的虚线所示,用该控制能使炉内压力变动受到抑制。
此外,将上述实施例作为本发明的一实施例,然而,不受此限制,在不离开本发明构思范围可以有种种变形。例如,本实施例中,主要对使高温燃烧用空气和燃烧器相连,乃至通过利用内设蓄热体的交替燃烧的情况进行说明,然而不特别限于此,例如,也可以通过使蓄热体相对燃烧用空气供给系统和排气系统进行回转,或利用流路转换机构使相对蓄热体的流体流动方向产生转换,利用高温的燃烧排气的排热,把预热至高温的燃烧用空气连续地向单一的燃烧器供给,使进行连续燃烧。此外,本实施例主要对使用气体燃料的场合进行说明,然而可不限于此,例如,也可使用油一类的液体燃料。

Claims (12)

1.反射型熔解保持炉,使用经燃烧排气预热至高温的燃烧用空气进行燃烧的蓄热燃烧型燃烧器作为加热源,其特征在于,所述燃烧器将燃料沿此高温的燃烧用空气流周围喷出,在该燃烧用空气喷射口上配置具有直径比该燃烧用空气喷射口大的燃烧器瓦筒扩径部的燃烧器瓦筒,同时设置从该燃烧器瓦筒扩径部喷射燃料的喷嘴。
2.反射型熔解保持炉,使用经燃烧排气预热至高温的燃烧用空气进行燃烧的蓄热燃烧型燃烧器作为加热源,其特征在于,所述燃烧器具有平行配置的喷射燃料的喷嘴和以远大于燃料喷射速度的高速喷射所述燃烧用空气的喷嘴,用耐火材料围绕这些喷嘴,同时在形成燃料喷嘴喷射口端面和形成空气喷嘴喷射口端面间设置阶梯,且使燃料喷嘴一侧的端面比空气喷嘴一侧的端面更向前伸出。
3.根据权利要求1或2所述的保持炉,其特征在于,至少配置一对燃烧器作为加热源,使此一对燃烧器交替进行燃烧,以形成位置不固定的火焰对炉内均匀加热。
4.根据权利要求3所述的保持炉,其特征在于,将所述一对燃烧器配置在相邻位置,以高速喷出燃烧用空气,以防止火焰和燃烧气体成为短程。
5.根据权利要求3所述的保持炉,其特征在于,所述保持炉具有:检测炉内压力的压力电气变换器,检测燃烧转换、输出燃烧转换信号的传感器,根据来自压力电气变换器的信号、控制排气系统的开闭、也就是流量的主风门,所述风门的旁路,设置在该旁路上,根据燃烧转换信号控制该旁路的开闭,也就是流量的旁路风门,用旁路的开闭与伴随频繁的燃烧转换引起的较小炉内压力变动相对应,用主排气系统的开闭与炉内压力变动超过设定值的较大的变动相对应地吸收炉压变动。
6.根据权利要求1或2所述的保持炉,其特征在于,用大致理论空气量以下的高温预热空气形成还原气氛对被加热物进行加热。
7.根据权利要求1或2所述的保持炉,其特征在于,用让燃烧用空气和燃烧排气交替通过的蓄热体进行燃烧用空气的预热,且将该蓄热体沿流体的流动方向至少分割成多个部分。
8.根据权利要求7所述的保持炉,其特征在于,把所述被分割成多个部分的蓄热体的靠近炉内一侧的部分和靠近流路转换装置一侧的部分分别用不同的材料构成。
9.根据权利要求7所述的保持炉,其特征在于,把所述被分割多个部分的蓄热体的靠近炉内一侧的部分和靠近流路转换装置一侧的部分分别用不同的结构构成。
10.根据权利要求7所述的保持炉,其特征在于,使所述被分割成多个部分的蓄热体上带有与催化反应温度范围对应的排气净化催化介质。
11.根据权利要求7所述的保持炉,其特征在于,将所述蓄热体沿着垂直于燃烧气体或燃烧用空气的流动方向可出入地容纳在把可开闭盖子作为其侧壁的筒型壳体内并与燃烧器相连设置成通过所述盖的开闭,可将所述盖热体自由取出或放入。
12.根据权利要求7所述的保持炉,其特征在于,设置把通过蓄热体的燃烧排气引入的粉尘收集器。
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