TWI398613B - 加工可氧化材料的燃燒器及方法 - Google Patents

Description

加工可氧化材料的燃燒器及方法

本發明係關於燃燒器及使用燃燒器加熱及熔解可氧化材料的方法。

在此技藝中已知有多種不同燃燒器及方法可用於加熱及熔解可氧化材料例如鋁。USPN 5,563,903中有說明一種這樣的方法(在此以引用的方式併入文中)，其說明將非氧化性氣體層注入火焰與被熔解的鋁之間的方法。該等非氧化性氣體包括各式各樣的惰性氣體或燃料。

EP專利第0748982號(在此以引用的方式併入文中)，說明令用以熔解鋁的燃燒器能於化學計量下運行以於鋁上方創造還原性環境的方法。透過該燃燒器上方的獨立流注入燃燒所需的餘量氧化劑。

關於例如鋁熔解或再循環的方法中所用的燃燒設備主要關心的事為金屬產率。鋁容易氧化，而且在熔爐或鎔爐中熔鑄的提高溫度下將會加速該氧化過程。氧化造成的鋁金屬損失花費如此昂貴以致於熔爐作業員經常以富含燃料的方式操作用以加熱該熔爐的燃燒器以將該熔爐中熔鑄的自由氧減至最少。

此技藝中需要能把此等材料的氧化減至最少藉以提高該材料產率之加熱材料例如鋁用的燃燒器及方法。

本發明藉由提供一種燃燒器構型解決與習用燃燒器及方法有關的問題，其中燃料遮住(例如，環繞)該氧化劑(例如，富含氧的空氣或工業用氧)。藉由燃料遮住氧，這將降低氧與待加熱的材料(也被稱為"進料"或"裝載物")接觸的能力。本燃燒器及方法會降低被氧化的材料量藉以提高材料產率。

本發明之一形態係關於於提高溫度下加熱及熔解容易氧化的材料之改善方法及裝置。此方法的實例為在使用火焰直接加熱的熔爐中熔解固態鋁(例如，再利用的或碎塊鋁)的二次鋁熔解法。此方法中所用的火焰一般都相對靠近該裝載物以使該火焰至該裝載物的輻射熱傳最大化；其速率隨距離的平方變化。本發明的燃燒器提供熱同時使氧，其係用以燃燒以產生熱，與被加熱的材料之間的任何交互作用減至最小並且，在再循環材料的案例中，提高所回收的有用材料量。

本發明之一形態係關於一種加熱進料的方法，其包含：提供待加熱的進料，使用燃燒器燃燒氧化劑和燃料，其中把該氧化劑供應給該燃燒器使得該燃料實質上環繞該氧化劑，藉以提供毗鄰該進料的富含燃料帶，藉由該燃燒的熱的輻射傳送至該進料而加熱該進料，及；回收被加熱的料。

有一形態中，本發明係關於使用具有共軸構型的燃燒器，其中一種氣流完全或實質上纏繞著第二氣流。此形態使用包住核心氧化劑流的環形燃料流使該氧化劑核心保持被燃料層遮住直到其實質上與該燃料反應。

本發明之另一形態係關於一種加熱可氧化進料的方法，其包含：提供待加熱的進料，使用燃燒器燃燒氧化劑及燃料，該燃燒器包含至少二共軸導管，其中藉由第一導管供應該氧化劑並且藉由第二導管供應該燃料並且該第二導管實質上環繞該第一導管並且在足以預防該氧化劑將該材料氧化的條件之下進行該燃燒，藉由該燃燒的熱的輻射傳送至該進料而加熱該進料，及；回收被加熱的料。

本發明係關於用於加熱及熔解容易高溫氧化的材料的改善燃燒方法及燃燒器設計。本發明在溶解及加熱金屬產物時配合氧-燃料燃燒器使用時具有特別功效。本發明能降低毗鄰熔爐內的進料表面之氧化劑(例如，氧)濃度。而"毗鄰"意指氣體與該進料表面接觸的區域或區帶，其中該區域中的氧化劑濃度控制該進料的氧化速率。文中將"氧-燃料"定義為關於燃料的燃燒使用純氧(該氧化劑有90%或更高的氧含量)，或高度富氧的氧化劑(含有35體積%的氧或更高的氧化劑)。依據本發明燃燒的燃料經常為氣態或其可藉助於輸送氣體來輸送，例如精細原子化液態或精細粉碎固態燃料。適當氣態燃料的實例包含天然氣。文中"金屬產物"係定義為可氧化的金屬，其包括鋁、鐵、鉛、鎳、錫及鋅、含一或更多前述者的合金，當中在加熱或熔解時易於反應的金屬將會喪失。

可配合本發明的燃燒器設計實例一般可包含共軸型，其中該等氣流之一流經完全或實質上完全被其他氣流的環形導管環繞的中心導管。該外側環形流包含燃料或主要為燃料，而且該中心流包含氧化劑或主要為氧化劑。該等燃燒器導管的外形可為圓形或任何其他類形，例如方形、矩形或其他多邊形。該等外形不一定要對稱，但是不對稱會導致設計困難度及執行問題，所以較不喜歡。中心及環形導管可為不同類型的外形，例如被圓形環所環繞的橄欖形中心導管，或被矩形環所環繞的圓形中心導管。吾人經常希望以本身類似的外形運用於該等中心及環形導管以達到該燃燒器軸周圍的最少量各向異性。再者，該中心燃燒器導管不一定要與外側環同中心。該中心導管可偏向該環的一側。本發明之另一形態係關於具有多於二燃燒器導管，藉以一導管係完全被另一導管包住，該另一導管再被另一導管包住，或多個相鄰但是沒包住的導管完全被一較大的環包住。在此實例中，可透過被流通該氧化劑的環形導管所環繞的中心導管導引一小部分燃料，該環形導管再被另一供剩餘燃料流用的環形導管包住。

現在參照圖1，圖1為本發明中可運用的燃燒器之一形態的示意圖。外側輸送管或導管1界定凸緣3及掣止件5，該掣止件5界定斜角開口7。輸送管1也界定連至燃料供應器(未顯示)的聯結器9。輸送管2界定凸緣4及掣止件7，該掣止件7界定斜角開口8。輸送管2也界定擴散板6及連至氧化劑供應器(未顯示)的聯結器9。該燃燒器係藉著將內側導管或輸送管2設置於外側輸送管或導管1內組裝起來。為了提供輸送管1與2之間的流體密封，於是在凸緣3與4之間設置填塞物或護孔環10。藉由定位銷或插銷11保持輸送管2在輸送管1內的相對位置。

在此技藝中習知的熔爐當中；此獨創性燃燒器及方法可用在任何適合熔爐例如旋轉式或堆疊式熔爐中。類似地，該燃燒器可相對於該熔爐設置於任何希望的位置。

儘管此獨創性燃燒器可以任何所欲的方式運轉，配置燃料以便遮住該進料免於接觸氧化劑(例如，在氧化劑外側供應該燃料)，但是與習用燃燒器相比經常改變該熔爐內的火焰及氣態流流動圖。該燃料又比該熔爐中的其他氣體更輕。結果再加上若該燃燒器沒經適當設計的話，在該熱熔爐中該環形流中的燃料會垂直向上上升一倍藉以留下暴露於該熔爐內的裝載物的純氧化劑噴流。在該垂直上升的燃料流會經由短路隨著該煙道氣逸出該熔爐的情況下，若該熔爐具有雙流構型的話這個可能的情境又更顯著。

有些案例中，該氧化劑流量為該燃料流量的數倍，所謂燃燒化學計量的比例，其係定義為該氧化劑莫耳流量除以該燃料莫耳流量的比例，其中該氧化劑流除了氧以外還含有所有屬於該氧化劑組成部分的氣體。舉例來說，甲烷完全燃燒的化學計量介於完全氧-燃料燃燒案例中的約2至氮和空氣中的其他微量氣體存在之下造成空氣-燃料燃燒中的接近約10。當該燃料代替該氧化劑行經該燃燒器的外側環或導管時，即使在相同氣體速度下也能顯著降低該環的厚度，藉以使該環形燃料流遮住該中心氧化劑噴流時更沒有效率許多。

一般而言，在該燃燒器中心導管中的氧化劑速度應該比較高，而在外側的燃料速度應該比較低。較快的氧化劑流拉著較慢的燃料流向前，藉以預防燃料快速散發到四周。該燃料與氧化劑之間的速度差異也確保以制約的方式沿途消耗該氧化劑燃燒的進程。然而，速度比通常保持在R/r比例所需的範圍以內，其中R為在外側的燃料噴嘴半徑，而且r為在中心的氧化劑噴嘴半徑(例如，所以該氧化劑可藉由該燃料予以遮住直到反應)。在中心的氧化劑速度為v_o =F_o /πr² ，而且在外側的燃料速度為v_f =F_f /π(R² -r² )，藉以該氧化劑流量F_o 等於x倍的燃料流量F_f ，其中x取決於該燃燒化學計量。對於本發明該氧化劑對燃料速度比v_o /v_f 經常介於約1與約5之間。小於1的比例(亦即，燃料比氧更快)會導致該燃料環過度稀釋的結果透過紊亂氣體擴散及挾帶物使該燃料遮住層的快速流失。大於5的比例會造成燃料速度太低而無法保持在該燃燒器噴嘴出口下游一段實質距離的內聚環形層。在這些案例中的燃料流會垂直向上上升並且以熔爐氣流的方式被沖走。太高或太低的氧化劑對燃料比都會導致沿著至少一部分火焰長度暴露出較純的氧化劑噴流或物流的不欲結果。典型地，希望的燃料對氧比例可藉由滿足下列標準獲得：[(1+x)/x]^1/2 <R/r<[(5+x)/x]^1/2 。

在本發明之一形態中，稍微收歛的燃燒器噴嘴能克服燃料或氧化劑噴流在排出該噴嘴時立即膨脹的趨勢。典型地該收歛角應該相對於該燃燒器軸介於約0°與約15°之間。有些案例中，為了避免有流動過渡期間導致過度紊亂的可能性，該角度係介於約4°與約9°之間。在一些額外的或其他案例中，吾人所欲為氧化劑及燃料都具有一收歛角。再者，有些案例中，有用的是在外側的燃料噴嘴相對於該燃燒器軸的收歛角不小於在中心的氧化劑噴嘴相對於該燃燒器軸的收歛角(例如，以使該燃料氣體流仍在該燃燒器噴嘴內部時的膨脹減至最小)。

在本發明之另一形態中，該燃燒器的燃料噴嘴不會在該氧化劑噴嘴之前形成末尾(例如，否則該燃料可能無法在該氧化劑噴流周圍形成遮蔽或該氧化劑噴嘴可能受損)。使該等流維持流線型以保持該燃料在該氧化劑周圍的遮蔽經常都有用。該燃料與氧化劑噴嘴之間能用小於約1吋的偏距(例如，小於約0.5吋)。

在本發明之一形態中，在雙流式長型熔爐中運用此獨創性燃燒器，其中把該煙道氣排氣埠放在該燃燒器的同一側上，而且在許多案例中在該燃燒器上方。試圖在迴轉並且朝該煙道前進之前將此熔爐中的火焰延伸至該熔爐的相反端。因此，排出該等燃燒器的氣體必須具有充分的動量以克服返回熔爐的氣體流動並且保持該熔爐的長度。在本發明這個形態中該氣體排出速度可以比較高；例如介於約150與約250每秒呎之間。為了保持高燃料速度，該氧化劑與燃料之間的速度比v_o /v_f 可以在範圍下端，經常低於約1.5。不但該氧化劑與該燃料之間的低速度差而且該燃料與該熔爐氣體之間的高速度差可能對保持該氧化劑周圍的燃料層沒有貢獻。為了補償，可增加該燃料與氧化劑流之間的交叉角度，除了獲得該燃料噴嘴的最大收歛角以外，還獲得該氧化劑噴嘴的收歛，然而卻仍能保持大部分燃料流線。對於該等燃料噴嘴有用的收歛角為相對於該燃燒器軸約7°至約15°。為了避免增加預燃燒所引起的過度紊亂，關此可運用最小的噴嘴偏距(例如，低於1/2吋)。

在本發明之另一形態中，該獨創性燃燒器獨創性燃燒器係運用於單流式長型熔爐，其中由該燃燒器冒出的優勢流透過該熔爐相反側上的煙道氣排氣埠排出該熔爐而且沒有造成額外的旋轉。關此，該等氣體速度可以比適用於雙流式熔爐的速度更低，典型地介於約50與約150呎/秒之間。為了提供該氧化劑與該燃料之間的良好混合所需的充分速度差異以在該等流排出該熔爐之前完成燃燒，該氧化劑與燃料之間的速度比v_o /v_f 可在範圍的上端(例如，大於約2)。由於該燃料較低的前進速度，可將該二物流的交叉角減至最小。該氧化劑噴嘴希望的收歛角小於約9°(例如，以便不干擾該等流線)，而該燃料與氧流之間的有用交叉角典型為不大於約5°。

在本發明之另一形態中，以減少毗鄰該進料的氧化劑量的方式運轉旋轉式熔爐。減少量之毗鄰該進料的氧化劑將減少加熱時被氧化的進料量並且接著增加該熔爐所製造的金屬產物量。

有關其他類型的熔爐設計，其中該煙道氣排氣埠並非正好在該燃燒器上方亦非正好在該燃燒器相反側，上文概述的寬廣標準均能適用。

不欲受任何理論或說明束縛，下表總結可用於將該獨創性燃燒器的效率及其用於不同類型熔爐的利用率最大化的特定設計參數。

下列實施例係供舉例說本發明的特定形態而且將不會限制後附申請專利範圍的範圍。

實施例1

圖1中所例示的燃燒器係使用計量流體動力學(“CFD”)技術配合軟體來評估。下表列舉在評估期間作變化的燃燒器特定形態及其分別的影響。

現在參照圖2，圖2為描繪熔解物表面的平均O₂ 濃度對CO煙流體積的不同燃燒器構型的CFD模型總成。圖2舉例說明該二參數之間有強烈關聯性(例如，該等參數成反比關係)。

現在參照圖3，圖3舉例說明藉由實驗數據(亦即，CO與O₂ 濃度之間的反比關係)確認圖2所示的關係。實驗數據係於單流式實驗室熔爐中多種不同深度處的火焰正下方2呎即時探測產生，各數據點在穩定燃燒器點火及熔爐溫度條件之下探測約2分鐘。圖3中的CO度量單位與模型化時的度量單位不同，因為實驗中只能測到點濃度。由於取樣位置比模型更接近火焰且由於事實上測量係以移除氣體中的水分之後的乾燥樣品進行，這個事實在氧-燃料燃燒時意義重大，所以測得的O2濃度比例也比模型化結果更大。

增加CO體積的功效(亦即，為了減少下方進料或熔解材料的氧化作用而用較高的CO濃度)，靠該燃燒器設計來評估；特別是該燃料噴嘴角度。圖2中的曲線中心區域為理想的操作區。如所見，大部分點靠該曲線內側的燃料或天然氣("NG")噴嘴角度為約7.5°。

該噴嘴偏距的長度會決定預燃燒的量，其接著會決定火焰的尺寸。為了降低自由O₂ 濃度，有用的是控制該O₂ 濃度使得該O₂ 優先與NG混合並且反應。NG有效地被內側的高速氧噴流及外側移動更慢許多的熔爐體層夾住。若該天然氣優先與該熔爐氣體上面的氧混合，快速氧消耗能確保最低氧化性環境。然而，若該天然氣優先與該熔爐氣體混合，氧的消耗慢下來而且該等流可能分離而暴露出高濃度的氧噴流。在紊流區中，這些物流的混合可藉由動量傳遞程度產生關聯，該動量傳遞程度為速度差的函數。

為了測定O₂ 輸送管尺寸的作用，藉著使NG噴嘴角度及偏距保持不變進行下列實驗。

為了測定噴嘴角度及偏距的作用，藉著使O₂ 輸送管尺寸保持不變進行下列實驗。

參照圖4及5，圖4及5總結前述實驗結果及CFD預測以供比較。圖形中可見到，此實驗趨勢大體上與該CFD結果一致。該等圖形上的第一個數據點係來自3.5"氧輸送管，而且最後一個來自2.5"氧輸送管。其間的點係來自3"氧輸送管。

氧輸送管對於該CO及O₂ 濃度的作用已經確定。利用3"及3.5"氧輸送管經常導致較低的O₂ 或較高的CO。經由評估3"氧輸送管所獲得的實驗結果指示氧的測量結果與與該NG噴嘴角度一致(亦即，較大的NG角度導致較高的O₂ 濃度)。CO的實驗室結果依據這兩組數據為發散。為了均衡CO濃度及O₂ 濃度，宜用7.5°的中等NG角度。

構型"bba"及"bbb"的實驗結果評估指示噴嘴偏距對於CO及O₂ 濃度的影響。這些結果指示較高的O₂ 濃度隨著較大偏距的趨勢，以及CO濃度發散的結果。

等測定有效燃料噴嘴特性之後，便可評估並且選擇該氧輸送管尺寸。現在參照圖6，圖6舉例說明就1”噴嘴偏距而言，較大的O₂ 輸送管尺寸導致該熔解表面較低的O₂ 濃度並且確認下列二燃燒器構型能有效供應熱給下方的進料或熔解物並且使在5至10 MMBtu/hr之間點火的燃燒器的進料氧化作用減至最低。

構型1：NG噴嘴7.5°，3”O₂ 輸送管，偏距=0.5”

構型2：NG噴嘴7.5°，3.5”O₂ 輸送管，偏距=1”

關於構型1，較小的O₂ 輸送管尺寸會造成較高的O₂ 速度及較低的NG速度。因此，NG與O₂ 之間的動量傳遞比起NG與熔爐氣體之間的動量傳遞顯著，藉以提供最低氧化性的環境。依此構型的獨創性燃燒器可配合最少的預燃燒運轉，其允許運用0.5"噴嘴偏距。

關於構型2，較大的O₂ 輸送管尺寸會降低O₂ 速度同時提高NG速度。NG與O₂ 之間的速度差比起NG與熔爐氣體之間提高的動量傳遞驅動力縮減了。因此，為了引起較大量的預燃燒以促進NG與O₂ 之間的混合並且提供最低氧化性的環境給該熔爐中的熔解物，可運用1"噴嘴偏距。

實施例2

利用CFD(計量流體動力學)模擬顯示旋轉式熔爐內部的燃燒作用，該旋轉式熔爐減少毗鄰該進料表面的氧量。特別是，比較二不同燃燒器之進料表面的氧濃度，一燃燒器具有傳統設計而另一者利用圖1的燃燒器。該傳統設計燃燒器包含共軸型燃燒器，其中在中心的圓形燃燒通道被氧流環環繞。在此模擬中的點火速率為10 mmbtu/hr，其利用甲烷作為燃料及氧作為氧化劑。化學計量比(氧對燃料的體積比)為2.0。此模擬應用CFD軟體，Fluent(6.3版，ANSYS股份有限公司)。

現在參照圖7，圖7顯示以圖7的左手側軸所示的氣體組成中之氧莫耳分率來看該旋轉式熔爐內側金屬正上方的氣相中之氧濃度。在傳統燃燒器中，透過中心通道把該燃料導至該熔爐，同時透過環繞該中心燃料輸送管的環導入氧。因為燃料及氧需要一些距離混合並且反應，所以可能有一些氧留在該熔爐。在此傳統燃燒器指定的模擬中，該熔解表面處的平均氧濃度為約1.04%。當以圖1的燃燒器建立模型時，在中心導入氧，而該燃料在環繞的環中進入該系統。作為還原劑，該燃料有助於分隔氧與熔解金屬的進料。在此獨創性燃燒器指定的模擬中，該熔解表面處的平均氧濃度為約0.13%，比傳統燃燒器的案例減少8倍。

關於該二燃燒器設計，在表5中總結正好毗鄰該熔解物表面的氣相組成。

化學平衡計算係利用熱化學軟體FactSage^TM 6.1版於微高於分別熔點的加工溫度下對暴露於表5所示的氣氛之多種不同非鐵金屬進行。假設有足夠的金屬使該等金屬氧化反應能完全進行。表6中表示總共100莫耳氣體的結果。

表6中清楚證明，就所研究的四種非鐵金屬而言，與藉本發明所揭示的燃燒器設計(高產率燃燒器)運轉的熔爐中的熱金屬表面相鄰之燃燒空間中的氣體組成會導致較低程度的金屬氧化。

本發明並不限於實施例所揭示的指定形態或具體實施例的範疇，該等實施例試圖例示本發明的一些形態，而且任何功能上等效的具體實施例均在本發明的範疇以內。除了文中所顯示及敘述者以外，本發明的多種不同修飾對於熟悉此技藝者均將變得顯而易見，並試圖使其落在後附申請專利範圍的範疇以內。

1．．．外側輸送管

2．．．輸送管

3．．．凸緣

4．．．凸緣

5．．．掣止件

6．．．擴散板

7．．．斜角開口

8．．．斜角開口

9．．．聯結器

10．．．護孔環

11．．．插銷

圖1為本發明的燃燒器之一形態的示意圖。

圖2為藉由電腦製作模型測得的CO體積對平均氧莫耳分率的圖形實例。

圖3為藉由電腦製作模型及實驗數據測得的氧百分比對CO的圖形實例。

圖4為天然氣噴嘴的角度對氧濃度的圖形實例。

圖5為獨創性燃燒器構型與氧對比的圖形實例。

圖6為獨創性燃燒器構型與氧對比的圖形實例。

圖7為旋轉式熔爐內的氧濃度的圖形實例。

1．．．外側輸送管

2．．．輸送管

3．．．凸緣

4．．．凸緣

5．．．掣止件

6．．．擴散板

7．．．斜角開口

8．．．斜角開口

9．．．聯結器

10．．．護孔環

11．．．插銷

Claims (14)

1. 一種加熱進料之方法，其包含：提供待加熱的進料，使用燃燒器燃燒燃料和氧化劑，該燃燒器包含至少兩個共軸的噴嘴，其中該氧化劑經由一個氧化劑噴嘴被排出及該燃料經由一個環繞該氧化劑噴嘴的燃料噴嘴被排出，藉以遮住該氧化劑以免接觸該進料並且提供毗鄰該進料的富含燃料帶，藉由輻射及對流傳送該燃燒的熱至該進料而對該進料加熱，及；回收被加熱的料。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該進料包含至少一選自由鋁、鐵、鉛、鎳、錫及鋅所組成的群組之組份。
3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中把該進料提供至選自由旋轉式、反射式及堆疊式熔爐所組成的群組之組件。
4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中把該進料提供至單流式熔爐。
5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中把該進料提供至雙流式熔爐。
6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該燃料包含至少一選自由氣態、液態及固態燃料所組成的群組之組份。
7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該氧化劑包含富含氧的空氣或氧。
8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該燃燒器具有滿足下式的尺寸：[(1+x)/x]^1/2 <R/r<[(5+x)/x]^1/2 ，其中R為該燃料噴嘴的半徑而且r為該氧化劑噴嘴的半徑而且x為該燃燒化學計量。
9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該燃料噴嘴具有相對於縱向延伸的燃燒器軸7至20度的角度。
10. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該氧化劑噴嘴具有相對於縱向延伸的燃燒器軸小於或等於9度的角度。
11. 如申請專利範圍第1項之方法，其中毗鄰該進料的氧化劑濃度係低於1.0體積%。
12. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該氧化劑噴嘴以一速度排出該氧化劑，該燃料噴嘴以一速度排出該燃料，且該氧化劑的速度為該燃料的速度的1到5倍。
13. 如申請專利範圍第4項之方法，其中該氧化劑噴嘴具有相對於縱向延伸的燃燒器軸小於或等於9度的收歛角，及該燃料噴嘴具有相對於該氧化劑噴嘴小於或等於5度的收歛角。
14. 如申請專利範圍第5項之方法，其中該燃料噴嘴具有相對於該氧化劑噴嘴7度至15度的收歛角。