保护性气氛加热方法技术

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ＮＯ↓［ｘ］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。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术通常涉及加热和/或熔化一种炉料例如铝。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。因此，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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专利技术实现，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。本专利技术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是本专利技术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是用以说明本专利技术的方法的实验炉的一个实施方案的简化断面图。图4用以说明本专利技术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。本专利技术发现，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专利技术提供明显的效益，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专利技术。在实施本专利技术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将更详细地讨论本专利技术。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。在实施本专利技术时，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。在讨论本专利技术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。燃烧反本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：小林尚，小AW弗兰西斯，李学平，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]