CN1188649C - 将待输入具有热烟气出口的熔炉的氧进行预热的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种往燃烧氧燃料的熔炉中输送预热氧的方法和装置，方法是氧的预热是借助于由加热从熔炉循环的热烟气来进行的。配备有一台或一台以上的回热器，每台都至少具有第一回热床和第二回热床。这些床交替地循环，以使一个床被从熔炉中抽出的热烟气预热，而另一个已加过热的床则对流过的氧气进行预热，然后输入熔炉的燃烧器。输入回热床的热烟气的量借助于连续地排走熔炉烟气总量的一部分来加以控制，使这部分烟气不经回热器而旁路排走。回热床中残留的氧气借助于回输的冷烟气在回热床用烟气加热前被吹洗而输入炉中。

Description

将待输入具有热烟气出口的熔炉的氧 进行预热的方法和装置

本发明涉及把输入燃烧氧燃料的熔炉(oxy-fuel fired furnace)的氧进行预热的方法和装置。

在很多工艺过程中，例如金属熔化和玻璃加工中，都要用到熔炉。在这样的熔炉中，加入燃料并燃烧以给被加工的材料加热，同时也就产生出热的废烟气。许多现代的熔炉都燃烧氧燃料，亦即用氧代替通常的助燃空气来配合燃料燃烧，以改进能效和生产率，减少烟气中不必要的氮的氧化物(NO_x)排放。在这种燃烧氧燃料的熔炉中要考虑的一个因素是燃烧过程的效率，因为氧比助燃空气的费用要高。

在高温熔炉中，即使是燃烧氧燃料的熔炉中，有很大一部分的能量是损失掉了。在某些以空气助燃的熔炉系统中，烟气被用来在回热器中预热助燃空气，然后再送入炉中以增大燃烧效率。

由于处理燃烧用的高温氧有技术困难，因此在燃烧氧燃料的熔炉中通常都使用环境温度下的氧。氧可在间壁式换热器内预热到高达1300°F的温度。预热到更高的温度会引起麻烦，并会更加担心间壁式换热器管道的材料。加之，使用间壁式换热器的经济性并无很大吸引力，因为被回收来预热氧的烟气热量较小。

现可购得一种适用于燃烧空气燃料的熔炉的快速循环回热器，其中是用热烟气来预热空气。由于快速循环回热器的典型循环时间为小于2分钟，因此床的尺寸很小。但是，用这种回热器来预热氧却存在着工艺技术问题。问题之一是，按照预热空气的规定，炉内产出的全部烟气都是要通过回热器的。当用来预热氧时，与在空气助燃的回热器中预热空气相比，流出回热器的烟气温度过高。另一个问题是，在氧预热循环终了时残留在回热器中的氧的问题。残留氧的容积可相当于每个预热循环中氧气流容积的约5～10％。再一个问题是较高的氧化剂预热温度会导致较高的NO_x排放。

本发明提供一种把氧预热到高温的方法和装置，而不存在上述的缺点。本发明在燃烧氧燃料的熔炉中有特殊的用途。

按照本发明，熔炉应相伴有一台或一台以上的回热器。每台回热器配有第一和第二回热床。每台回热器的二个床被交替地、有控制地输入环境温度下的氧和从炉中出来的烟气。在作业循环的一部分中，第一床被从炉中排出的热烟气加热，同时，环境温度下的氧则被输入已加过热的第二床。该床使氧预热，预热后，氧被输入炉中。输入第二床的环境温度下的氧耗尽了第二床的热量，使之达到不能再把氧有效预热到足够高的温度。在循环的下一部分中，两床的作业被转换。

本发明的一个优选实施方案是，在实行转换以前，就停止向第二床输送氧，并用已冷却的烟气输送给第二床，以把床内残留的氧吹入炉中。然后向第二床输入熔炉热烟气，使其预热，而这时向已预热好的第一床输入要预热的氧，然后将经预热的氧输入到炉中。

给床加热和给氧预热在两床之间交替地进行，以使熔炉可得到连续的预热氧的供应。床的加热不是用的熔炉所产生烟气的全部容积。同时，床中残留的氧也被吹洗，以防浪费。

回热器可把输入熔炉的氧预热到比烟气温度低400°F以下。这一措施既可减少燃料的消耗，又可减少氧的消耗。举例说，一个烧天然气和氧的熔炉，当氧被预热到2000°F而烟气温度为2400°F时，可达到0.42的热回收率。这种氧的预热，在燃烧氧燃料而不搞烟气热回收的基础上，约可达到8％的燃料和氧的节省。节省8％，就相当于空气助燃情况下节省燃料量的两倍，因为氧的成本大体上与燃料的成本相同。

因此本发明的目的之一是要提供出一种新颖的方法和装置，来利用燃烧氧燃料熔炉的烟气对氧进行回热式预热。

另一个目的是提供出一种方法和装置，它能减少燃料和预热氧燃烧时NO_x的排放。

本发明的其它目的和优点，在参阅下列详细说明和附图以后，会变得更加明确，附图有：

图1为实现本发明的装备简图；

图2为一曲线图，它示出用旁通放走一部分烟气的办法使烟气和氧的显热达到平衡；

图3示出四个床的回热器系统的定时图；

图4示出用变压吸附床(PSA)作为氧源的简图。

图1为实现本发明的工艺过程的系统简图。图中示出一个例如用来加热金属的适当大小和型号的熔炉10。围绕熔炉壁分布有多个燃料注入口141和142。燃料注入器141或142通过管道26从燃料源交替地接收任何类型的燃料，例如煤、天然气、燃料油等等，随各自的供料阀231和232的控制而定。这些阀，也象本系统中使用的其它阀一样，只要能与所接触的温度和材料相适配，用任何适当的型号都行。系统中的阀可借助于普通的控制器(图中未示)按预定的时间顺序进行控制和操作，操作动力可以是电气的、液动的或气动的。控制器可从按需要为系统中每个监测点设置的适当敏感头接收到温度和气流量的信息。

围绕熔炉壁还分布有多个分别与回热床251和252连通的口151和152，现描述如下。被加过热的氧交替地通过熔炉回热器口151和152被输入熔炉10中。在描述本发明的优选实施方案中，“氧”这个词是定义为氧化剂，它含有的氧浓度至少为30％，优选为至少80％，或者是氧浓度最少为99.5％的工业纯氧。一部分热烟气也是交替地通过口151和152被吸入相应的回热床，用来预热输入熔炉的氧。在图中只画出了一对燃料注入口和一对回热器口，目的是为了说明。下面将要说明，口的数量可按需要扩充。

熔炉10上有一烟气出口17，供连续排出一部分熔炉热烟气之用，排出的理由下面将会讲到。烟气调节板18可控制从熔炉出来通过出口17的烟气的量。

与熔炉10相联结的是一个或一个以上的回热器，其机械设计例如可与T.Martin所作的题为“回热式陶瓷燃烧炉的制造工艺和应用”的论文(工业加热杂志，1988年11月，p.12～15)所描述的一种空气式快速循环回热器相似。每台回热器中都具有多个床。每个床上都装有例如陶瓷球材料，该材料可被流过的热烟气加热，也能给流过热床的冷气体加热。在上述本发明的说明性实施例中，一台这样的回热器示出的是具有两个床251和252。床251和252系被简单地示为分布在同一面熔炉壁上。床可被边靠边放置，也可分开放置在熔炉的不同壁上。

每个回热床251和252通过供氧管27分别通过阀301或302从未画出的源头，接收在环境温度下的氧。阀310和302有选择地从管道27分别向回热床251和252输送氧。当氧被输入床251和252时，它流过该床并在其中被预热，随后通过各自的口151和152进入炉中。

每个床251和252都具有出口，通过各自的阀411和412通向排出管或排气管39，在排出管中装有鼓风机40，它把气体吹向系统的出口42。当一个床要加热时，借助于开动鼓风机40和打开相应的床的出口阀411或412，熔炉热烟气就被排出而通过该床。这一动作是从熔炉中排出热烟气使之流经该床。

每个回热床251和252还可通过各自的阀331和332通过管道34从鼓风机40的出口处把已冷却的烟气作为吹洗用气输入进来。管道34中的吹洗用气由于热损失，比排气管39中的气体温度要低些，但压力要高些。

图1中系统的动作过程如下。设想床252是在被加热，而同时已加过热的床251正在预热要输入熔炉的氧气。

(1)阀231开启，从管道26通过燃料注入器141向熔炉10注入燃料。阀232关闭，因此无燃料输向燃料注入器142。阀301开启，从管道27向已加过热的回热床251输送氧，氧从床中流过并被预热。预热过的氧被从床251通过入口151输入熔炉中。此时，阀302关闭，以阻断氧进入回热床252。鼓风机40被启动，阀412被开启，因而热烟气被排出而通过床252，通过入口152进入，而通过开启的阀412流入排出管39。在热烟气穿过回热器252的过程中，回热器252中的床被加热，而烟气被冷却。第一回热床251的阀411是关闭着的，因此鼓风机对它不产生影响。

(2)当第二回热床252被加热到要求的温度后，阀301即关闭，以停止氧流入第一床251。床的温度可以直接测量。要不然也可测量排出管39中的烟气温度。例如，测量到的温度为100至500°F可被用来触发阀301的关闭。

(3)第一回热床251已将它的热量丢失给了流经它而进入熔炉的氧，并已不接受从气源27来的冷的氧。阀331短时开启，将排出管39中的部分已冷却的烟气通过回输管34返回到回热床251中，以把任何残留的氧吹洗出去，被吹洗的氧则通过口151输入到熔炉中。

(4)阀231关闭，以停止燃料流通过燃料注入器141，而阀412也关闭，以停止通过回热床252排出烟气。现在，阀302开启，以从气源27向第二回热床252输送冷的氧，床252已被加过热。阀411也开启，以使从熔炉排出来的热烟气通过回热床251对它加热。氧被回热床252预热后被输往熔炉口152。由于回热床252中的烟气在供氧阀302开启后会立刻首先流出，因而为计及床的这一吹洗阶段，向熔炉燃料注入器142输送燃料的阀232系经短时停顿后再开启。由于阀301是关闭的，因此没有氧输入到第一回热床251中去。

上述步骤在两床中每个床的交替循环中重复进行，交替地被从熔炉中抽出的烟气加热和往熔炉中输送预热过的氧。亦即，在同一时间内，两回热床中的一个床被流过的热烟气加热，而另一个已经预热过的床则有环境温度下的氧通过被预热并被输入熔炉中。由于两床之间不断转换，因此熔炉可得到恒定的预热氧供应。当两回热器的口布置在同一炉壁上相距很近时，可用一个或一个以上的燃料注入器来配合两个口使用。同时，每个床也可能配有多个口和燃料注入器。

为空气燃烧熔炉设计的普通快速循环回热器，例如T.Martin在前述论文中所描述的那种回热器，从材料的可混用性观点来看，是不能考虑进行翻新改进以预热氧的。所存在的其它问题则已被本发明克服，下面将加以描述。

首先，倘若燃烧氧燃料的熔炉其全部烟气都通过回热器，则从回热器出来的烟气温度仍保持相当高(对工作在约2400°F下的烧天然气和氧的熔炉来说，约为1500°F)，而对比之下，空气燃烧的回热器出来的烟气温度典型地约为300°F。这是由烟气容积与氧化剂容积不平衡所引起的。当天然气配合空气燃烧时，一个单位容积的天然气要配合燃烧约十个单位容积的空气而产生出十一个单位容积的烟气。因此，烟气容积与空气容积接近。当用工业纯的氧来助燃时，则烟气容积对氧容积之比变为约3比2。加之，烟气的比热要比氧高得多。回热床出来的烟气温度很高，则会加大处理烟气所用的管道、阀门和鼓风机的成本。优选是把回热床后的烟气温度控制在低于900°F，更优选低于500°F。

按照本发明，解决这一问题的方法是，通过另外的烟气口、例如口17来旁路排出一部分烟气，旁流量可在熔炉烟气总容积的20～70％之间，优选为30～60％之间。图2示出旁路排出部分烟气以求烟气和氧的显热达到适当平衡的例子。直线A示出不旁路排出任何烟气时烟气的显热与烟气温度的函数关系。直线C示出从进入回热器的全部烟气中旁路排出60％时，剩余40％的烟气的显比热与烟气温度的函数关系。直线B作为对比，示出100％的氧气流的比热与气体温度的函数关系。如果烟气温度为2400°F，以CH₄和工业纯氧按化学当量成比例配合的燃烧来计算，100％和40％的烟气中所含的显热分别为每标准立方英尺CH₄为193和77英热单位(Btu)。在约1900°F时，氧的显热为每标准立方英尺CH₄为77Btu。这样，在理想的回热器中，2400°F的40％的烟气所含有的显热被转交给氧，烟气温度将被冷却到环境温度，而氧将被预热到1900°F。反之，如果100％的烟气通过回热器，而氧被预热到1900°F，则每标准立方英尺CH₄为116Btu的多余显热将被留在烟气中，结果是在回热器之后的烟气温度过高。旁路排走烟气的最佳的量，部分地取决于氧流中的纯氧浓度和渗入炉中的环境空气的量。如果氧浓度大于80％而空气渗入量很小可以忽略，则熔炉烟气总量的40～60％可被不经回热床旁路排走。当氧的浓度较低并只有30～50％，则烟气总量的20～40％可被旁路排走。当空气渗入量很大时，则旁路排走的烟气量应加大，以抵消烟气容积的增大。

在本发明中，旁路烟气出口17容许对不经回热床而旁路排走的烟气的量进行选择。出口17连续不断地排走熔炉烟气总容积的一部分。该部分的大小由烟气调节板18控制。对调节板18加以调节，以控制允许进入回热器的熔炉烟气总容积的百分数。这一调节可自动地进行，以达到预设的水平。

可以使用适当的收集、净化和/或回收系统(图中未示)来进一步处理从出口17的排出管39出来的气体。

普通的快速循环回热器的第二个问题是，在回热床被开始加热以前残留在其中的氧的问题。残留氧的容积，对循环时间小于1分钟的快速循环回热器来说，视回热床的设计和循环时间不同，可高达相当于每个循环中氧流容积的5～10％。利用这些残留氧在熔炉中作有效燃烧是很必要的。如果用空气吹洗回热床就会往炉中导入氮气并增大炉子的NO_x排放。利用烟气作连续的吹洗流倒是一种选择。例如，在给回热床加热后冷却下来的烟气可以以氧流量的1/2的流量不断地回输到回热床中。这样就会把输入炉中的氧的浓度降到67％，并可能减轻对高纯度的氧接触回热器钢质外壳的安全的担心。不过，这样做并未妥善解决总的热效率问题，而回热床的尺寸却要增大约25％。本发明所用的优选解决办法，正如上述步骤(3)所描述的那样，是只在每个床的加热循环开始以前，回输已冷却的烟气来吹洗回热床。

第三个问题是当采用氧化剂的高温预热方法时，高预热温度的氧会使燃烧器零部件过热，并产生高NO_x排放。这一问题可借助于使用美国专利5,076,779的低NO_x燃烧方法来解决，在该方法中，燃料和氧是由燃烧器以高速分开注入的。按照本发明的一个优选实施方案，燃料和氧都是以高于50英尺/秒的速度、更优选高于100英尺/秒的速度、最优选高于200英尺/秒的速度分开通过各自的入口注入的。

第四个问题是氧流和烟气流在熔炉回热器口151和152处的流速。为使NO_x排放量低，常优选以高速喷射氧。另一方面，烟气则优选用低速，以减小在循环的排气阶段烟气流过回热器口时的压降。这一问题的解决办法是每个床采取短时间注氧和长时间排气，并可通过多个床排出热烟气，以降低烟气通过回热器口和回热床的速度。烟气通过熔炉回热器口的速度优选小于200英尺/秒，更优选小于100英尺/秒，最优选小于50英尺/秒。

一个使用四个床的回热器循环的系统示例于图3。为说明问题，假定4个床是由一台回热器提供的，在图3中，4个床分别被标示在各自的行上。图1中的系统可扩大为具有4个燃料注入口，或者具有一个或一个以上的公共注入器为所有的床共用。共有4个熔炉回热器口，每个回热床1个。也可把多个口用于每个床。说明性的循环已示出为40秒，它由10秒的氧预热、1秒的吹洗和29秒的排气组成。如图所示，排出烟气通过回热床使之预热的时间，约相当于给流过回热床的氧加热或烘烤的时间的三倍。每个床在流过被预热的氧以后都要对残留的氧作一次吹洗并送入炉中。

如图3所示，4个床的循环是交错排列的，排列成同一时间只有一个床向熔炉中输入氧气，而4个床中的3个只是被所排出的熔炉烟气加热。比之在四床回热器系统中氧和烟气平行地各通过两个床的情况，氧的速度提高了一倍，烟气的速度减到了三分之二。如果使用一台以上的回热器，例如用两台回热器共8个床，则可有两组各4个床平行，每组都工作在图3所示的状态，或者也可对8个床顺序地交错排列烘烤时间和排气时间。

下面将描述一个按照本发明使用回热式烟气预热氧的熔炉的实施例。

实施例A

一台现有的批量型钢加热炉，它用4个天然气和氧燃料燃烧器来点火燃烧，它的加热速度为20MM Btu/小时。用于燃烧的天然气为20,000标准立方英尺/小时，商品氧为41,300标准立方英尺/小时，不采用任何烟气热回收系统。烟气的平均温度为2400°F。

四个氧燃料燃烧器全部都用低NO_x氧燃料燃烧器代替，其型号如美国专利5,076,779所示。该加热炉配有两台4床回热器(亦即共有8个床)和相应的控制阀。46％的烟气被从另外的烟气出口(如17)连续不断地排往烟囱，不做热回收；56％的烟气被导入回热器对它加热。回热床的材料是用1/2英寸直径的矾土球制成的，在一个循环中加热阶段的末尾可被烟气加热到的最高温度约2200°F。每个床的尺寸被设计成在每个40秒的回热循环中储存4,000Btu的热量。每个床的氧预热阶段为19.5秒，吹洗阶段为0.5秒，排出烟气预热床的阶段为20秒。

在该实施例中，工业纯氧被回热床预热后的平均温度为约2000°F。烟气在流过床以后的温度，借助于床对烟气热的吸收而控制在低于300°F。由于进行了热回收，天然气的平均流量率被降低为18,200标准立方英尺/小时，氧的平均流量被降为37,600标准立方英尺/小时。在一个循环的排气阶段，从加热炉下游连续循环的烟气为18,800标准立方英尺/小时，并在氧的预热和吹洗循环中被输送入回热器中。该实施例显示出来的燃料和氧的节省各为9％。

在图1的系统中所示出的环境温度下的氧是从某个标准气源输送来的。另外一种办法是把预热的回热器与变压吸附空气分离系统或称PSA系统连结在一起，用以产生氧。一个“PSA系统”是在一个或一个以上的吸附床中，利用吸附剂从气体混合物中分离出气体组分的系统，它包括的主要步骤为吸附和再生或解吸，在吸附时，混合气中一种或数种组分被优先吸附在吸附剂上，在解吸时，借助于降压可使优先吸附的组分从吸附剂上移走。可用来实践本发明的两床PSA系统，包括有两个装填有氮吸附材料的床。图4示出一个PSA床551，它被串联在通向回热床251的氧阀301的上游。在烘烤循环时，原料空气56通过空气阀571被送入PSA床551。空气中所含的氮被吸附在床内，而空气中含有的氧和氩则通过阀301流出床551进入回热床251被预热，然后通过口151被送入炉中。在烘烤循环中阀411和581是关闭的。在床251的排气循环时，熔炉热烟气被排出通过床，并通过阀411进入排气管39。在此循环中，氧阀301是关闭的。在排气循环中，被吸附在PSA床551中的氮和剩余的空气，在阀581开启后，即被真空泵59同时排走。在此循环中空气阀571是关闭的。回热床252也可具有一个类似的PSA系统，两个PSA系统可交替地工作。回热器上配备PSA空气分离系统后，氧的成本即可大大降低。

为使床的尺寸小，应优先使用快速循环回热床。但是，若是从含有颗粒物或能凝结的蒸汽的烟气中回收热量，回热器中的气体通道必须足够地大，以防堵塞。例如，玻璃熔炉配用的商品回热器，典型地是每20至30分钟转换一次，其气体通道的平均直径为数英寸。本发明可同样适用于大型回热器。

由于按照本发明可把每种特性与其它特性结合起来，因此本发明的多项特有特性都是在一两个图中示出的，这只是为了说明的方便。对本领域的技术人员来说，会承认有多种替代方案，并应被认为是包括在权利要求的范围之内的。

Claims (8)

1.一种将待输入具有热烟气出口的熔炉的氧进行预热的方法，它包括下列步骤：

交替地对第一、第二回热床中的一个床进行预热，方法是从一个床排出一部分熔炉的烟气，同时通过使氧流经已预热的另一个床，往熔炉中输送预热的氧；

在熔炉烟气流经一个床排出期间，停止对该床的输氧，而在往熔炉中输送预热的氧期间，停止通过该床排出熔炉烟气；以及

不断地从熔炉中排走一部分热烟气，

其中当停止向一个床输氧时，在床中停留着残余的氧，该方法还包括对每个床进行吹洗残留氧的步骤，该步骤是在往该床输氧预热停止后，并通过该床排出热烟气前、借助于把已冷却的烟气再循环而把该床中残留的氧吹入炉中。

2.权利要求1的方法，它还包括把已冷却的烟气再循环，连续地经每个床中输送吹洗气流。

3.权利要求1的方法，其中从熔炉流往回热床的烟气的速度低于从回热床往熔炉中输送预热氧的速度。

4.权利要求1的方法，它还包括从连结在回热床上游的PSA系统的吸附床供应氧的步骤，当熔炉烟气被排出通过该回热床时，就进行PSA系统吸附床的解吸。

5.权利要求1的方法，其中预热床的步骤所进行的时间要比通过该床流通氧气的步骤所进行的时间更长。

6.权利要求1的方法，它还包括提供多组所说的第一回热床和第二回热床，并交错排到一组中第一床和第二床的加热和通过它们流通氧交替进行的步骤，以便连续地往熔炉中输送预热的氧。

7.一种将待输入具有热烟气出口的熔炉的来自气源的氧进行预热的装置，它包括：

第一和第二回热床；

控制装置，它们能交替地操作，以从熔炉往第一床和第二床中的一个床排出烟气，以使该床加热，并从气源供氧使之流过另一个床，使氧预热并输入熔炉中；

排气管，用以不断地从熔炉中排出一部分烟气；以及

阀，该阀是在一个床停止流通氧以后、流通烟气以前动作，以便往该床输送烟气以吹洗该床中残留的氧。

8.权利要求7的装置，它还包括一台鼓风机，用以排出烟气使之流过回热床并使之加热。

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