用于炉气氛控制的低速分级燃烧制造技术

本发明专利技术提供一种适用于氧－燃料燃烧和在包含炉料的熔炉中的改进的分级燃烧方法，其中不足化学计量的燃烧以及燃料与一次氧化剂和二次氧化剂的低速注入是在形成了靠近炉料表面的还原气氛的一个方位中进行的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术大体而言涉及炉内的分级燃烧，炉包含着将要由燃烧所生 成的热量进行加热的炉料。
技术介绍
在利用燃料与氧化剂燃烧的许多工业加热过程中，燃料燃烧的产 物与炉料相互作用或起反应，并且常常会造成不希望的效果。举例而言，已知冲击于玻璃熔炉中玻璃熔体上的富燃性(fuel rich)火焰会 造成玻璃产品颜色改变，这是由于暴露于富燃性火焰下的玻璃熔体的 氧化还原反应变化所致。在钢再加热炉中，在加热期间形成氧化膜， 这造成金属损失或表面缺陷。在利用美国专利第6,592,649号和第 6,602,320号中所公开的工艺来直接还原氧化铁的过程中，铁矿石、 煤粒和熔剂材料的混合物被凝聚成球且置于转底炉(rotary hearth furnace)中，被加热并还原以产生(iron nugget)。氧化铁被预热， 被来自煤的碳还原，并熔化形成。在熔化区中，经还原的炉料被气体 燃烧器加热到1300至1500。C以形成熔并与炉渣分开。在还原区中， 从铁还原反应快速放出CO气体防止炉气氛中的氧化气体(C02、 H20 和02)对炉料进行氧化。在熔形成区中，从炉料放出少量CO且经还 原的易于被炉燃烧产物(C02、 1120和过量02)再氧化。现有技术已披 露了通过在炉料材料的床层中装入额外的煤粒子来防止铁熔核再氧 化而部分地解决了再氧化问题。在脱挥(devolatization)后，形成木炭床层。这种办法存在缺陷。即使在过量焦炭颗粒的床层上形成铁熔核， 每个熔核的顶表面仍被暴露于炉气氛。熔化过程需要大量热，通常由 天然气与空气的燃烧来提供这些热量。C02和H20与碳的反应是吸 热的并消耗热量且增加了天然气消耗。希望防止铁熔核的再氧化。氮的氧化物(NOx)是燃烧期间生成的重要污染物且希望在进行燃 烧时减少它们的生成。已知可通过使用工业纯氧气或富含氧气的空气 作为氧化剂来执行燃烧以减少NOx生成，因为这在等量氧的基础上4减少了提供到燃烧反应的氮气的量。但是，使用具有比空气的氧气浓 度更高氧气浓度的氧化剂会造成燃烧反应在更高温度进行、且这种更高温度在动力学上有利于NOx形成。已使用分级燃烧来减少NOx生成，特别是当氧化剂是氧气浓度 超过空气的氧气浓度的流体时。在分级燃烧中，燃料与氧化剂按一定 化学计量比被引入到燃烧区中并燃烧。由于过量燃料用于燃烧，氧化 剂的很少的氧分子与氮气反应形成NOx。向燃烧区提供额外的氧气 以在第二下游级中完成燃烧。由于二次氧在与未燃烧燃料混合之前首 先被炉气稀释，在第二级中的燃烧并非在很高温度下发生，从而限制 所形成NOx的量。使用深度分级燃烧过程，可通过将炉气氛竖直分层而使靠近炉膛 区域的炉气氛还原性更强(美国专利5，755，818)或氧化性更强(美国专 利5，924，858)。为了对铁进行直接还原，需要靠近炉膛区域的还原性 气氛。尽管这种技术已经在商业上用于玻璃熔炉，其中炉膛区域受控 以具有富含较多氧气的气氛，由于这种方法需要相对较高的动量，气 氛分层的程度是有限的。近来，在美国专利第5,609,481号、第 5,563,903号、第5,961,689号和第6,572,676号中描述了通过在直燃炉的下半部分中提供惰性保护气氛(诸如氮气)来完全控制炉气氛的技 术。该工艺应用于全尺寸炉(13英尺宽x23英尺长x8英尺高)中80% 的铝重熔和还原浮渣形成。尽管该工艺可应用在直接还原炉中以在熔 炉的下半部分中形成还原气氛且在熔炉的上半部分中形成氧化气氛， 但这个工艺需要大量的专用低速燃烧器使得该工艺操作起来较为复 杂。希望有一种具有成本效益和更好分层的方法用于直接还原过程， 玻璃熔炉、以及其中发生着燃烧气氛与炉料相互作用的其它工业熔炉。为了利用具有比空气的氧气浓度更高氧气浓度的氧化剂进行有 效的燃烧，必须以相对较高的速度向炉内提供燃料和/或氧化剂以便 实现必需的动量。燃烧反应物必须具有一定动量以便保证燃料与氧化 剂充分混合来进行有效的燃烧。高动量也造成燃烧反应产物在整个炉 中更有效地传播以传热至熔炉炉料。动量是质量与速度的乘积。氧气 浓度超过空气的氧气浓度的氧化剂在等量氧分子的基础上具有低于 空气的质量。举例而言，具有氧气浓度为30% (以摩尔百分数计量)的氧化剂流体将会具有氧化性等效的数量的空气的大约70%质量。 因此，为了维持必需动量，燃烧反应的速度，即，燃烧反应的燃料和 /或氧化剂的速度必须相应地更高。因此，本专利技术的目的在于提供一种改进的分级燃烧方法，其中燃 料与氧化剂在具有必需动量的燃烧反应中燃烧，且防止炉料与燃烧反 应产物进行有害接触，同时仍确保从燃烧反应到炉料的良好传热。
技术实现思路
本专利技术的一方面在于执行燃烧的方法，包括(A) 以不超过化学计量为70%的化学计量比来向包含炉料的熔 炉内(在炉料上方的一点处)注入燃料与一次氧化剂，所述一次氧化 剂为包括着摩尔百分数为至少50%的氧的一种流体，所述燃料与一 次氧化剂以每秒100英尺或更小的速度注入到熔炉内；(B) 在熔炉内燃烧燃料与一次氧化剂以产生热和包括着未燃烧燃 料的燃烧反应产物；(C) 在燃料与一次氧化剂的注入点上方，以每秒100英尺或更小 的速度将二次氧化剂注入到炉内，所述二次氧化剂是包括着摩尔百分 数为至少50%的氧的一种流体；(D) 在靠近炉料处建立起富含燃料的气体层，所述富含燃料的气 体层对炉料的还原性比二次氧化剂更强；以及(E) 燃烧二次氧化剂与未燃烧燃料以在熔炉内提供额外的热和燃 烧反应产物。本专利技术的另一方面是用于执行燃烧的方法，其包括(A) 以不超过化学计量为70%的化学计量比来向包含炉料的熔 炉内(在炉料上方的一点处)注入燃料与一次氧化剂，所述一次氧化 剂是包含着摩尔百分数为至少50%的氧的一种流体，所述燃料与一 次氧化剂以每秒100英尺或更小的速度注入到炉内；(B) 在熔炉内燃烧燃料与一次氧化剂以产生热和包括着未燃烧燃 料的燃烧反应产物；(C) 在燃料与一次氧化剂的注入点下方，以每秒100英尺或更小 的速度向炉内注入二次氧化剂，所述二次氧化剂是包含着摩尔百分数 为至少50%的氧的一种流体；(D) 在靠近炉料处建立起富含氧气的气体层，所述富含氧气的气 体层对炉料的氧化性比熔炉内燃烧反应产物更强；以及(E) 燃烧二次氧化剂与未燃烧燃料以在熔炉内提供额外的热与燃 烧反应产物。如本文所用的术语"完全燃烧产物"表示二氧化碳和水蒸气中的 一或多种。如本文所用的术语"不完全燃烧产物"表示一氧化碳、氢气、碳 和部分燃烧的烃中的一或多种。如本文所用的术语"未燃烧燃料"表示包括未经历燃烧的燃料、 燃料不完全燃烧的产物以及它们的混合物中的一或多种。如本文所用的术语"化学计量"表示用于燃烧目的的氧气与燃料 的比例。小于100%的化学计量比表示存在着比完全燃烧所存在燃料 所需氧气量更少的氧气，即，富含燃料的状态。大于100%的化学计量比表示存在着比完全燃烧燃料所需氧气量更多的氧气，即，过量氧 气的状态。附图说明图l是本专利技术的一个实施例的简化截面图示，其中在炉料上方的 气体层是还原性的。图2是本专利技术的一个实施例的简化截面图示，其中在炉料上方的 气体层是氧化性的。具体实施例方式现将参看附图详细地描述本专利技术，附图示出工业炉1，工业炉1 包含炉料2。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于执行燃烧的方法，包括：　（Ａ）向包含炉料的熔炉内、在炉料上方的点处注入化学计量比不超过化学计量百分数为７０％的燃料与一次氧化剂，所述一次氧化剂为包括摩尔百分数为至少５０％的氧气的一种流体，所述燃料与一次氧化剂都以每秒１００英尺或更 小的速度注入到所述熔炉内；　（Ｂ）在所述熔炉内燃烧燃料与一次氧化剂以产生热和包括未燃烧燃料的燃烧反应产物；　（Ｃ）在燃料与一次氧化剂的注入点上方以每秒１００英尺或更小的速度将二次氧化剂注入到所述熔炉内，所述二次氧化剂是包括摩尔百分数为至 少５０％的氧气的一种流体；　（Ｄ）建立起靠近所述炉料的富含燃料的气体层，所述富含燃料的气体层对所述炉料的还原性比二次氧化剂更强；以及　（Ｅ）燃烧二次氧化剂与未燃烧燃料以在所述熔炉内提供额外的热和燃烧反应产物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：H科巴亚施，
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]