CN1174208C - 保护性气氛加热方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于在熔炉中加热和/或熔化炉料例如铝的方法，其利用燃烧产生的热量，通过保护气体层以辐射方式加热炉料，其中由于燃烧产生的燃烧反应产物从炉内较低高度处排出，在熔化期间，保护气体层的上边界高于其后的加热阶段的保护气体层的上边界，从而能减少NOx产生、降低燃料和氧的消耗、以及通过避免炉内气体通过高温的上部炉区流动从而降低耐火材料腐蚀。

Description

保护性气氛加热方法
技术领域
本发明通常涉及加热和/或熔化一种炉料例如铝。
背景技术
通常在工业熔炉的运行过程中，为了加热和/或熔化炉料，需要向在熔炉内部的熔炉炉料例如铝进行加热。虽然可利用许多装置例如利用电阻线圈来产生热量，但利用燃料与氧化剂燃烧产生热量通常是更经济的。直到现在空气由于其低成本仍然是优选的氧化剂。然而，很多工业熔炉已经转向或将很快转向到使用比空气具有更高氧浓度的氧化剂，以便利用增强的能量效率和利用氧-燃料燃烧可带来的环境受益。
利用燃烧产生热量来加热炉料可能对炉料产生有害的影响。本领域的技术人员通过在炉料和燃烧反应之间的炉料表面上方提供保护性气氛已研究过这一可能存在的问题。由燃烧反应上方的熔炉内排出燃烧气体，以保证燃烧气体能远离炉料表面。在这一领域最近一个重要的进展已在Tebrail等人的美国专利5563903中公开并提出权利要求。
虽然，当炉料的顶面高度比燃烧器高度低或当炉料熔化时，这种常规的保护性气氛加热装置已取得合格的结果，但利用这种系统已经产生较高量的NOx。此外，燃料和氧化剂燃烧温度较高，这会对耐火炉壁和在炉内的燃烧器部件引起可能的熔蚀。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种利用其间有保护性气氛的燃烧来为大量炉料提供热量的方法，该方法能降低氮氧化物(NOx)的产生。
本发明的另一目的是提供一种利用其间有保护性气氛的氧-燃料燃烧来为炉料提供热量的方法，该方法能降低燃料和氧化剂的消耗。
本发明的再一目的是提供一种利用其间有保护性气氛4的燃烧来为炉料提供热量的方法，该方法能使熔炉的运行具有低的耐火材料熔蚀。
通过阅读这一公开内容，对于本领域的技术人员将变得更明显的上述和其它目的可通过本发明实现，其一方面是：
一种向在具有炉底板的熔炉内包含的炉料提供热量的方法，包含：
(A)向熔炉内提供燃料和氧化剂，并且在炉内燃烧该燃料和氧化剂以产生热量和燃烧反应产物，并且在炉内形成燃烧层，将所述燃料和氧化剂中的至少一种在炉底板上方的第一垂直距离处提供到炉内；
(B)将保护性气体在炉底板上方的第二垂直距离处提供到炉内，所述第二垂直距离小于第一垂直距离，在炉内的至少某些炉料和燃烧层之间形成保护气体层；
(C)来自燃烧层的辐射热通过保护层传给炉料；以及
(D)从第一垂直距离的下面排出熔炉的燃烧反应产物。
本发明的另一方面是：
一种向在具有炉底板的熔炉内包含的炉料提供热量的方法，包含：
(A)向熔炉内提供燃料和氧化剂，并且在炉内燃烧该燃料和氧化剂以产生热量和燃烧反应产物，并且在炉内形成燃烧层，将所述燃料和氧化剂中的至少一种在炉底板上方的第一垂直距离处提供到炉内；
(B)将保护性气体在炉底板上方的第二垂直距离处提供到炉内，所述第二垂直距离小于第一垂直距离，在炉内的至少某些炉料和燃烧层之间形成保护性气体层；
(C)在具有第一熔化期和第二扁平熔池期的两者的操作过程期间，来自燃烧层的辐射热通过保护层传给炉料，其中在熔化期间保护性层在炉底板上方有一上边界，它高于在扁平炉池期间的保护层的上边界；以及
(D)从第二垂直距离处或其上方排出燃烧反应产物。
附图说明
图1是本发明的方法的熔铝炉的一个实施方案的简化的断面图，表示在熔炉已装有大量的废铝原料之后的熔化循环的起始期间的情况。
图2是同一熔铝炉的简化断面图，表示在炉料已基本完全熔化后的熔化循环的扁平炉池阶段时的情况。
图3是用以说明本发明的方法的实验炉的一个实施方案的简化断面图。
图4用以说明本发明的方法的实验炉的另一实施方案的简化断面图。
在各附图中的数字标号对于共同的部件使用相同的标号。
具体实施方式
本发明发现，当大量的原料装入采用保护性气氛的熔炉中时，或者如果在装料和燃烧反应产物之间采用保护性气氛的炉内由燃烧产生的燃烧气体由炉内低于通常的排出高度(该高度至今被认为是为实现对炉料的所需保护所必须的)排出时，取得一些预想不到的优点。这些预想不到的优点是：在熔化过程中覆盖在部分炉料的保护性气氛更高；更少产生NOx；降低燃料和氧化剂的消耗；以及降低保护耐火材料的熔蚀。其每一个优点都为本发明提供明显的效益，它们可明显地促进工业加热和熔化作业。
在包含需加热和/或熔化的炉料的熔炉中实施本发明。在实施本发明时可以采用的炉料的实例包含：铝、钢、铅、锌、镁、玻璃和玻璃制造用原料。下面参照图1和2将更详细地讨论本发明。
通常在炉料上方的顶部附近例如通过燃烧器2，将燃料和氧化剂由燃料和氧化剂源(未表示)提供到炉1中。在某些情况下，例如在图1和2所示的圆形顶部的装有铝的熔炉工作时，未熔化的装料3一开始实际上填满整个炉，甚至在开始熔化操作之前占据了燃料和氧化剂注入点上方的空间。这一情况如图1中所示。在某些熔化作业中，一定深度的由前一熔化操作熔化的铝遗留在炉内，它称之为剩余料，并将新的炉料置入炉内。随着炉料熔化，炉料高度下降，当大多数装料熔化时形成扁平熔池4。在图2中表示了扁平熔池的状态。
在通常的铝装料的熔化时，认为在固体装料熔化以形成扁平熔池期间，形成大部分的浮渣。固态铝炉料具有大的总表面积，特别是当将例如已用过的软料罐的轻废料用作炉料时。在废料铝熔化的过程中，形成很多新的小液滴和表面，使得在与包含氧化物质的炉中气氛相接触时产生氧化。熔化通常由炉料的顶部开始，熔化的铝向下流，并且与处在较下部分的较冷的炉料相接触时重新固化。随着炉料的逐渐向下熔化，这种熔化-重新固化过程重复发生，导致生成很多新的液体表面积，因此生成大量的浮渣例如氧化铝以及铝金属的混合物。一旦形成扁平熔化池状态，暴露于炉内气氛的总表面面积则较小。估计在形成扁平熔池之前在起始熔化阶段会形成多达70-90％的浮渣。
在实施本发明时，当大部分的炉内积装有铝炉料时，操作过程的起始熔化期间其保护性气氛层高于操作过程中的扁平熔池期间的保护性气氛层。据信这种优异的效果是由于很大的垂直温度梯度，以及由于环境温度下的氮保护气体以低速在近熔炉中的其后将成为熔池上表面的高度处注入引起的。低温的氮气由于浮力作用而先向下流动，充入在各件铝废料之间的空隙中，然后再向上移动。由于相当大部分的熔炉容积为炉料占据，所以氮的向上平均速度增加。此外，由于炉料阻碍再循环流动，所以对混合起实体阻挡物的作用。
在讨论本发明的在熔炉的底部或炉底板5之上的垂直高度时，这些高度或距离是指熔炉底板的最高点到燃烧器入口、氧喷管入口、保护气体注入口或燃料气体排出口中的最高点的距离。
燃料和氧化剂可以一起例如由预混合式燃烧器或后混合式燃烧器提供到炉中，或者它们可以例如通过几个与燃料源和氧化剂源流动相通的燃料和氧喷嘴分别提供到炉中。燃料和氧化剂可以利用单一的燃烧器或多个燃烧器提供到炉内。燃料和氧化剂中的至少之一，最好是燃料和氧化剂两者在高于炉底板5的第一垂直距离处提供到炉内，使得其后在大部分熔化和/或加热操作期间的燃烧反应不会接近炉料的顶表面。这第一垂直距离通常处在炉的最窄宽度的0.1到2倍的范围内。
该燃料可以是能够在炉内燃烧产生热量的任何流体燃料。在这些燃料之中可列举有甲烷、天然气、油和氢。
氧化剂是一种包含至少15％(摩尔)的流体。最好是氧化剂中的氧浓度至少为30％(摩尔)，最优选为至少90％(摩尔)。氧化剂可以是市售的氧浓度至少为99.5％(摩尔)的纯氧。通常氧化剂中的其余部分主要是氮。氧化剂可以是空气、市售氧和再循环烟道气体的混合物。
燃料和氧化剂在炉内燃烧产生热量和燃烧产物。燃烧反应产物包含完全燃烧的产物例如二氧化碳和水蒸气，还可包含非完全燃烧的产物，例如一氧化碳、未燃烧的燃料、未反应的氧和氮。燃烧反应和产生的燃烧反应产物形成在炉内的燃烧层6。大多数燃烧反应发生在炉料顶面以上的可见火焰区13，一般处于或高于高一垂直距离处，并且由于与从下面引入的保护气体自然混合，燃烧层6在第一垂直高度之下展延。
保护气体通过一个或多个处在炉板5上方第二垂直距离处的炉料最终的扁平熔池上表面高度＞附近的和上方的喷注器8提供到炉内，其小于第一垂直距离，并且通常处在熔炉最窄宽度的0.01到0.75倍的范围之内。喷注器8与保护气体源(未表示)是流体相通的。保护气体形成在炉内的保护气体层12，包含处在底板5和燃烧层6之间的成堆炉料内的空隙，因此保护大部分或全部炉料不受燃烧反应产物的作用。保护气体层作为实体阻挡层，使燃烧反应产物不与炉料相接触和不受其伤害。在操作过程的熔化期间，保护气体层的高度或上边界9高于在操作过程中的扁平熔池期间的保护气体层的高度或上边界10。在操作过程中的熔化期间，随着炉料熔化，保护气体层的上边界下降。保护气体的成分将根据保护特定炉料所需的特定气体而变化。通常保护性气体包含氮。其它可以用于构成保护性气体的气体包含氧、氩和天然气。包含两种或更多种成分的混合物也可以用于构成保护气体。当将反应性气体例如氧用于保护气体中时，该保护性气体会引起与炉料的有利反应。
通常的氧-燃料燃烧是以较高的速度进行的，以保证燃料和氧化剂的良好混合，从而避免局部热点和较高浓度的NOx产生。然而，在实施本发明时，燃烧气体层以及保护气体层不可避免地以较低的速度通过熔炉，从而避免能够引起两层明显相混的过度扰动，以造成随保护气体层的保护能力的相继损失而导致保护气体层的品质低劣。因此，将燃料和氧化剂提供到炉内要使得为确保燃烧反应的气体的入口质量通量加权平均速度不大于120英尺/秒(fps)，优选不大于50fps，最优选不大于30fps，以及保护气体提供到炉内要使得保护气体层以不大于120fps的平均速度输入炉内，优选不大于50fps，最优选不大于30fps。入口质量流量加权平均速度是通过用输入到炉内的质量通量与氧化剂的质量通量之和去除输入到炉内的燃料质量通量与在燃料喷嘴处的平均燃料速度之积与输入到炉内的氧化剂的质量通量与在氧化剂喷嘴处的平均氧化剂速度之积的和来计算的。
由于在炉内的燃料和氧化剂燃烧产生的热量直接从火焰区13辐射，或间接从燃烧层6利用由炉顶和侧壁的再辐射通过保护层12到达炉料，以用于加热和/或熔化炉料。同时保护气体层12用作实体上的阻挡层，以便保护炉料不与材料相接触的同时，该保护气体层基本上是无形的以辐射传播的热量，特别是如果保护气体层大部分是由氮、氩和氧组成的情况下。因此，由燃料和氧化剂的燃烧产生的热量是以穿过保护气体层的辐射式传热有效地传到炉料中。
炉1具有烟道气或废气出口11，其与炉的内部容积相通，用于由炉内排出燃烧反应产物。最好，保护气体也通过这一烟道气或废气出口由炉内排出。上述与炉内部的连通就是要使燃烧反应产物，最好是基本上要从炉内排出的所有的燃烧反应产物从第一垂直距离的下方以及最好从第二垂直距离的上方从炉内抽出。为了避免在炉内不希望有的扰动，燃烧反应产物以不大于150fps的低速，通常以10-60fps的低速由炉内排出。
虽然不希望受理论约束，但申请人相信，该由于实施本发明实验得到的意料不到的有利结果是源自扩大的温度梯度，它以燃烧和保护气体成层操作的熔炉为特征。虽然由于热量趋于升高可在任一熔炉操作时预计大概的垂直温度梯度，但在常规操作的熔炉中，炉内气体形成湍流，因而产生相混，在炉内在各高度之间的温差明显趋于降低，炉内温度很大程度上趋于均衡。与之对比，利用成层式的熔炉，不存在湍流和炉内气体相混，就使得能形成明显的垂直温度梯度，即在熔炉下部的温度和在熔炉上部的温度之间可存在从200到高达1500°F的温差。常规成层式的熔炉操作是在炉中的一高点排出燃烧反应产物，从而保证这些燃烧反应产物不会与炉料相接近。然而，这种原理的操作方案自然地使气流进入炉内的很高温度区。这样产生一些不良的后果。首先，这样会把例如来自氧化剂或来自保护气体的氮以及未反应的氧带入高温区，其中高温从动力学的观点看有利于形成NOx的反应。其次，在排气点的高温导致明显的附加热损失，从而需要燃烧附加燃料和氧化剂，以补偿这种附加的热损失。第三，来自这一区域气体排出的进入炉上区的保护气体气带有腐蚀性物质例如来自炉料的熔解气体，其在这种十分高的温度下与处于炉上区的耐火材料或者燃烧器/喷射器喷嘴相接触时，会过度腐蚀处于炉上区和炉顶区的炉耐火材料或燃烧器/喷射器喷嘴。通过实施本发明减轻了所有这些有害影响，其中某些最好是将所有的燃烧气体在低于该将燃料和氧化剂提供到炉内的高度的下面从炉中排出。
为了进一步说明本发明和证明通过实施本发明所得到的超过常规操作法的优点，提出如下的实例和比较实例。所提出的实例是用以说明而不意在限定。参照图3和4表述各实例。
实例A和B利用分别在图3和4所示的实验用熔炉装置来实施。每个熔炉的内部尺寸为6英尺宽，12英尺长和6英尺高，并且在炉底板20上具有水冷式热阱管，以便模拟炉料。两组氧-燃料燃烧器系统设置在底板20上方约4.5英尺的第一垂直距离的相对侧壁上。燃烧器按照每小时3000标准立方英尺(SCFH)的流量将天然气以及按照6090SCFH的流量将市售纯氧供入炉内，用于燃烧和形成燃烧层。在燃料喷嘴处的平均燃料速度是38.2fps，在氧喷嘴处的平均氧速度是19.4fps，在燃烧器喷嘴处形成的质量通量加权平均速度约为23fps。氮气按照总流量为6000SCFH在底板20上方约1.75英尺的第二垂直距离处经6个注入器21(在第一侧壁22为3个)供入炉内，从而形成如23所示边界的以1.4fps的速度流动的保护气体层。该边界23称为氮浓度大约95％(按体积)之处的边界表面。通过在炉底板20上方约3.4英尺(到孔口轴线3英尺)的烟道24(实例A)，以及通过位于在炉底板20上方1.5英尺的烟道25(实例B)以约22fps的速度排出燃烧反应产物。在炉底板上方高度为3英尺和1.5英尺处取氮浓度和二氧化碳浓度的测量值，在烟道中取NOx的测量值。关于实例A和B的结果表示在表1中。利用20个热电偶测量炉壁和炉顶的温度分布。在表1中还给出近每个烟道位置的代表性的壁温。烟道气体温度推算通常为在近于烟道孔口的壁温上100～300°F。
为了进行比较，利用相似的实验设备和利用常规的作业法实施比较用实例C和D。在比较用实例C中，由实验熔炉顶通过烟道排出燃烧气体，在比较用实例D中，由位于稍高于燃烧器高度即稍高于第一垂直距离的烟道排出燃烧气体。在表1中还给出由这两个比较性实例得到的结果。
                                      表1
    A     B     C     D
烟道高度(ft)     3.4     1.9     6     4.9
燃烧器高度(ft)     4.5     4.5     4.5     4.5
氮注入高度(ft)     1.75     1.75     1.75     1.75
在3英尺高度处的平均N2浓度％     31.9     12.24     99     93.6
在1.5英尺高度处的平均N2浓度％     97.9     52.6     99     99
在3英尺高度处的平均CO2浓度％     14.92     27.5     0.05     1.77
在1.5英尺高度处的平均CO2浓度％     0.13     12.2     0     0.05
在烟道中的NOx 1bm/mmbtu     0.019     0.018     0.026     0.028
近烟道出口的壁温°F     1,860     1,690     1,971     1,922
由在表1中列举的结果可以看出，利用本发明的方法能使成层式熔炉的操作比常规的成层式熔炉操作产生明显低的NOx。近烟道出口的壁温表明烟道气温明显降低，因此本发明实施能得到更高的能效。此外，按照本发明实施在3英尺高度处的低得多的氮浓度证明用来自混入燃烧层的保护层的气体明显降低，从而降低在熔炉的上燃烧空间中的腐蚀性气体浓度。

Claims (10)

1.一种用于向在具有炉底板的熔炉内包含的炉料提供热量的方法，该方法包含：
(A)将燃料和氧化剂提供到炉内，在炉内燃烧该燃料和氧化剂以产生热量和燃烧反应产物，并在炉内形成燃烧层，所述燃料和氧化剂中的至少一种在炉底板上方的第一垂直距离处提供到炉内；
(B)在炉底板上方的第二垂直距离处将保护气体提供到炉内，所述第二垂直距离小于第一垂直距离，在炉内的至少某些炉料和燃烧层之间形成保护气体层；
(C)来自燃烧层的辐射热通过保护层传给炉料；
(D)从第一垂直距离的下面排出熔炉的燃烧反应产物。
2.如权利要求1所述的方法，其中在具有第一熔化期和第二扁平熔池期两者的操作过程期间，热量通过保护层辐射到炉料，其中在熔化期间保护层具有在炉底板上方的上边界，该边界高于在扁平熔池期的保护层的上边界。
3.如权利要求1所述的方法，其中的燃料和氧化剂一起供入炉内。
4.如权利要求1所述的方法，其中的保护气体包含氮。
5.如权利要求1所述的方法，其中在大约第二垂直距离高度处由炉内排出燃烧反应产物。
6.如权利要求1所述的方法，其中以不大于150英尺/秒的速度由炉内排出燃烧反应产物。
7.如权利要求1所述的方法，其中保护性气体与燃烧反应产物一起由炉内排出。
8.如权利要求1所述的方法，其中的炉料包含铝。
9.如权利要求1所述的方法，其中炉料包含钢、铅、锌、镁和玻璃中的至少一种。
10.一种用于向在具有炉底板的熔炉内包含的炉料提供热量的方法，该方法包含：
(A)将燃料和氧化剂提供到炉内，在炉内燃烧该燃料和氧化剂以产生热量和燃烧反应产物，并在炉内形成燃烧层，所述燃料和氧化剂中的至少一种在炉底板上方的第一垂直距离处提供到炉内；
(B)在炉底板上方的第二垂直距离处将保护性气体提供到炉内，所述第二垂直距离小于第一垂直距离，在炉内的至少某些炉料和燃烧层之间形成保护气体层；
(C)在具有第一熔化期和第二扁平熔池期两者的操作过程期间，来自燃烧层的辐射热通过保护层传给炉料，其中在熔化期间保护层具有在底板上方的上边界，该边界高于在扁平熔池期间保护层的上边界；以及
(D)从位于或高于第二垂直距离处由炉内排出燃烧反应产物。
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