CN101839641B - 使热分布均匀和减少NOx的量的方法 - Google Patents
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Abstract
当运行具有至少一个以空气作为氧化剂的常规烧嘴(2a，2b，2c，2d)的工业炉(1)时，使热分布均匀和减少燃烧产物中的NOx量的方法。使含有至少50％氧气的辅助氧化剂通过喷枪(3a，3b，3c，3d)射入炉(1)中。所供应的氧的总量与通过空气烧嘴(2a，2b，2c，2d)供应的燃料量相平衡。本发明的特征在于，第一，以下特征的组合：所供应氧的至少40％通过辅助氧化剂供应，将所述喷枪(3a，3b，3c，3d)以离空气烧嘴(2a，2b，2c，2d)至少0.3米的距离布置，并且使该辅助氧化剂通过该喷枪(3a，3b，3c，3d)以至少声速射入炉(1)中；第二，该辅助氧化剂仅仅在当空气烧嘴(2a，2b，2c，2d)在某一特定的最低功率或在更高的功率下运行时才供应。
Description
背景技术
工业炉现今被广泛地用于例如金属的熔融及其它热处理。很多这些炉使用一个或多个常规型的烧嘴，该烧嘴被供应燃料如丙烷、油、天然气等，也供应氧化剂。在很多情况下，空气被用作氧化剂。
这样的炉可以具有各种尺寸。经常希望在炉内维持均匀的温度分布，这在大炉的情况下是难于达到的，因为当炉的体积增加时，炉内的对流传热变得不太有效。
作为对这些问题的解决方案，已经提出了用于工业炉中的所谓的含氧燃料烧嘴。在含氧燃料烧嘴中，氧气被用作氧化剂。这样的炉提供较高的效率，从而在炉内待加热材料的加热方面仅需要较少的燃料就达到同样的产率。并且，减少了所产生的NOx化合物的量。
然而，还存在一个问题，即在工业炉中将供应空气的烧嘴换成含氧燃料烧嘴涉及显著的费用。此外，当在大的工业炉中使用时，难以在整个炉体积内维持高的温度均一性，因为对于含氧燃料烧嘴而言，在较低的运行功率下，所产生的烟道气的量较少，从而导致对流降低。结果是炉温不均，同时伴随着不均匀的生产性能。
另一方面，所提出的另一个解决方案是增加供应的空气中氧气的比例。然而，已经证明此解决方案被其它的问题所困扰，例如烧嘴的磨损和氮氧化物排放物的增加。
瑞典专利no 0601274-4描述了使用空气作为氧化剂，同时通过吹送的方式提供辅助氧化剂，从而使热分布均匀和减少使用工业炉时燃烧产物中的NOx量的方法。
在本文中，通过“喷枪”“吹送”辅助氧化剂的表述指的是通过布置在离烧嘴一定距离的供应管道向工业炉中的燃烧空间供应辅助氧化剂。
然而，在这样的工业炉中在燃烧期间以NOx化合物的形式形成的副产物仍然是一个问题。NOx化合物是不期望的，因为NOx化合物对环境有负面影响，并且目前对可在各种工业过程中产生的NOx化合物的量常常有规 定性限制。
此外，为了避免形成不对称的火焰以及由此导致的炉空间中的温度梯度，实际上每个烧嘴常常需要多个喷枪。这一点是高成本的，相当重要的原因是必须安装控制设备及其它***设备。
WO 2007/126980A2描述了一种烧嘴，其中布置了用于辅助燃料和辅助氧化剂的喷枪。该解决方案产生了较大量的NOx。
发明内容
本发明解决了上述问题。
因此，本发明涉及当运行具有至少一个以空气作为氧化剂的常规烧嘴的工业炉时，使热分布均匀和减少燃烧产物中的NOx量的方法，其中将喷枪引入该炉中，使含有至少50％氧气的辅助氧化剂通过该喷枪射入炉中，并且部分地通过空气、部分地通过该辅助氧化剂供应的氧的总量与通过空气烧嘴供应的燃料量成预定比例，并且其特征在于，第一，以下特征的组合：所供应氧的至少40％通过辅助氧化剂供应，将所述喷枪离空气烧嘴一定距离布置，该距离足以使来自空气烧嘴的燃烧气体中形成的NOx的量与将喷枪布置于空气烧嘴自身中时所形成的NOx的量相比低至少30％，并且使该辅助氧化剂通过该喷枪以至少声速射入炉中；第二，该辅助氧化剂仅仅在当空气烧嘴在某一最低功率或在更高的功率下运行时才供应。
附图说明
现在将参照本发明的吹送方法的示例性实施方案并参照附图详细说明本发明，其中：
图1是具有使用空气作为氧化剂的烧嘴的工业炉的侧视图，其中，根据本发明的方法，炉中的烧嘴各自配备一个用于辅助氧化剂的喷枪。
图2是显示根据本发明运行的烧嘴的空气流、辅助氧化剂流和燃料流情况的图表。
具体实施方式
在图1中，从侧面显示了工业炉1。使用一系列的4个常规空气烧嘴2a、2b、2c、2d加热炉1。该烧嘴2a、2b、2c、2d以油作为燃料运行。然 而，该燃料可以是任何适合的燃料，例如天然气和其它固体、液体或气体碳氢化合物。事实上，本发明可以与任何固体、液体或气体工业燃料结合使用。
炉1是常规的工业炉，并且可以用于加热待进一步加工的毛坯以便改变毛坯的性能，用于熔融金属材料、熔融玻璃或用于其它目的。本发明特别有利地用于在金属材料区域内连续加热的炉。在这种情况下，通过使用根据本发明的方法，可以有利地使用一个、多个或所有区域。
在不使用本发明的吹送方法的情况下使用具有常规空气烧嘴2a、2b、2c、2d的炉1过程中，将会在燃料燃烧期间形成作为副产物的大量NOx化合物。而且，将难于在炉1内维持对所有期望应用而言足够均匀的温度。
根据本发明，对于每个烧嘴2a、2b、2c、2d，相应的喷枪3a、3b、3c、3d安装在所讨论的烧嘴的旁边，穿过炉1的壁并进入炉1中。
为了获得本发明的优点，仅仅需要为单独一个空气烧嘴提供喷枪，但是优选为多个空气烧嘴各自提供相应的喷枪。还可以例如仅仅为一定区域内的某些烧嘴各自提供相应的喷枪。
将每个相应的喷枪3a、3b、3c、3d***相应的孔(未显示)中，穿过炉1的壁，并且使其面向炉1中的端面到达与炉1的内壁表面基本齐平的位置。除了通过烧嘴2a、2b、2c、2d供应空气以外，还将辅助氧化剂通过喷枪3a、3b、3c、3d供应到炉1中。该辅助氧化剂含有至少50重量％的氧，优选至少60重量％的氧，并且更优选至少85重量％的氧。在过压下向喷枪3a、3b、3c、3d供应氧化剂，使得它以声速或更快的速度从喷枪3a、3b、3c、3d中射出。
这样，根据本发明，高速供应该辅助氧化剂。因此，优选在喷枪3a、3b、3c、3d中使用德拉伐尔喷嘴(de laval nozzle)，以便通过至少一个这样的德拉伐尔喷嘴供应辅助氧化剂。
根据一种非常优选的实施方案，在至少约6bar、更优选至少约9bar的过压下，并且以1.5马赫至1.8马赫、更优选1.6马赫至1.8马赫、最优选1.7马赫至1.8马赫的速度，供应该辅助氧化剂。
由于除了已通过烧嘴2a、2b、2c、2d供应到炉1中的氧化剂之外，还通过喷枪3a、3b、3c、3d向炉1中供应辅助氧化剂流，因此需要下调烧嘴2a、2b、2c、2d的空气供应，以便保持所供应的燃料和所供应的总氧化剂 之间的某一期望的质量比例。因此，根据通过喷枪3a、3b、3c、3d所供应的氧化剂的量，将烧嘴2a、2b、2c、2d的氧化剂供应下调，以便保持期望的质量比例。为了达到本发明的优点，就具有相应喷枪3a、3b、3c、3d的烧嘴2a、2b、2c、2d而言，必须通过喷枪3a、3b、3c、3d供应总的所供应氧的至少40％。优选地，通过喷枪3a、3b、3c、3d向炉1供应至少约50％，更优选50％至80％的氧，并通过空气烧嘴2a、2b、2c、2d供应其余的氧。这些比例在全功率或接近全功率运行期间是有效的。参见以下与图2有关的讨论可以得到更详细的说明。
当辅助氧化剂以这种方式以非常高的速度向燃烧空间供应时，获得炉1中燃烧产物的强烈的再循环。事实上，本发明人已发现，可以使火焰大到基本填满烧嘴2a、2b、2c、2d所加热的工业炉的整个炉空间。在这种情况下没有火焰通过排气***离开炉1。烟道气的温度反而降低，并因此提高了炉1中的效率。
这一点又涉及到某些优点。首先，由于稀释效果，燃烧温度下降到致使燃烧期间NOx化合物的形成大大减少的程度，这是所期望的。
第二，本发明人已经能够证实，在以上所述的高速下吹送氧化剂在炉1容积内形成的湍流以及因而形成的对流致使温度均匀性与在较低速下吹送时相比非常显著地提高。这一点又导致均匀的运行，在非常大的工业炉中使用时也是如此。
此外，本发明人已令人惊讶地发现，在将上述的高吹送速度与各喷枪3a、3b、3c、3d离相应的烧嘴2a、2b、2c、2d间隔一定距离布置这一措施相结合的情况下，这些优点得到强化。
因此，根据本发明，各个相应的喷枪3a、3b、3c、3d离相应的烧嘴2a、2b、2c、2d一定距离布置，与喷枪布置在烧嘴2a、2b、2c、2d自身中的情况下——即喷枪3a、3b、3c、3d在与炉1的内侧壁平行且被烧嘴2a、2b、2c、2d占据的平面中开口的情况下——在相同的吹送速度下将会形成的NOx的量相比，该距离足以使来***嘴2a、2b、2c、2d的烟道气中所形成的NOx的量降低至少30％。
根据实际应用，已发现空气烧嘴2a、2b、2c、2d和喷枪3a、3b、3c、3d之间的典型的合适距离4为至少0.3米，优选0.5米至1.2米，优选0.7米至0.9米。在其它的应用中，该距离可以在特征直径的1.5至4倍之间， 更优选在特征直径的2.5至4倍之间，然而至少为0.3米。该特征直径是围住主氧化剂的所有供应口的圆的直径。通常，该主氧化剂通过一个孔、通过环形狭缝或通过沿着一个或多个圆布置的多个孔供应，后者指的是这些孔的中心沿着一个或多个同心圆设置。
已发现，合适的两个相邻烧嘴之间的距离5c/c-即与炉1的壁平行的上述平面内两个相邻烧嘴的相应中心之间的距离——为特征直径的至少约2倍或至少2米。
除了显著降低所形成的NOx的量的优点之外，在上述高吹送速度下还产生了不需要每个烧嘴2a、2b、2c、2d具有多个喷枪以达到充分的火焰对称的优点。其原因是根据本发明的运行期间产生剧烈的湍流。
优选的是，各相应喷枪3a、3b、3c、3d相对于相应烧嘴2a、2b、2c、2d的布置角度使得辅助氧化剂流不穿过来自相应烧嘴2a、2b、2c、2d的火焰。根据一种实施方案，使吹送的辅助氧化剂流与火焰平行取向。根据另一种实施方案，使辅助氧化剂略微远离火焰。这导致在辅助氧化剂与燃料反应之前更均匀的炉内气体混合，这进一步提高炉1空间中的温度均匀性。
在图1中，还示意性地显示了控制设备6，该控制设备6通过燃料管道8控制燃料并通过空气管道9控制空气向空气烧嘴2d中的供应。而且，控制设备6通过用于辅助氧化剂7的管道7控制该辅助氧化剂向与烧嘴2d相关的喷枪3d的供应。因此，设置控制设备6以控制燃料、空气和辅助氧化剂向烧嘴2d的供应。根据一种优选实施方案，设置独立运行的控制设备以控制每个配备有喷枪的烧嘴2a、2b、2c、2d的运行，从而使每个这样的烧嘴2a、2b、2c、2d的运行可以单独控制。然而，在图1中，为了清楚起见，仅仅显示出一个这样的控制设备6。还可以认识到，各控制设备还可以设置成单个或较少数量的控制设备的形式，所述控制设备以本身常规的方式分别控制不同的烧嘴和它们相应的相关喷枪。
当在炉1中应用本发明时，根据一种优选实施方案，仅仅当烧嘴2a、2b、2c、2d以至少某一最低功率运行时，即以该最低功率和烧嘴2a、2b、2c、2d的全功率之间的功率运行时，才供应辅助氧化剂。
在图2中可以清楚地看到这一点，图2显示了使用油作为燃料、使用辅助吹送氧化剂的本发明方法的空气烧嘴在所述烧嘴刚刚启动期间随着时 间的运行。这样，图中根据开始运行后经过的时间(X轴)显示了用于烧嘴的油流(实线，升/小时，右边的Y轴)、空气流(虚线，Nm3/h，左边的Y轴)和辅助供应的氧化剂流(点划线，Nm3/h，左边的Y轴)。在烧嘴从备用状态向较高功率的调节期间，获得了与图2中所示类似的表示油流、空气流和辅助氧化剂流的函数。
在低功率下，当烧嘴的功率增加时，烧嘴中的油流连续地增加。在开始时，烧嘴仅仅以空气作为氧化剂运行。当烧嘴的功率增加至某个点以上时，烧嘴中的空载(idle)空气流不再满足对烧嘴的供应(在图2中，这发生在约10∶14∶45)，此时空气流开始显著增加。为了随后进一步提高烧嘴的功率，开始通过布置在离该烧嘴一定距离的喷枪供应辅助氧化剂(约10∶16∶45)。如上所述，当烧嘴以某个特定的最低功率运行时，开始供应辅助氧化剂。
根据一种优选实施方案，该最低功率为该空气烧嘴最大功率的20％或更高。根据一种更加优选的实施方案，该最低功率是该烧嘴最大功率的25％或更高。
之后，根据燃料流的增加，辅助供应的氧化剂流增加，直到达到期望的运行功率。另一方面，空气流再次调节回到空载流。在这整个过程期间，一方面在空气中和供应的附加氧化剂中的氧的总量和另一方面燃料的量之间的关系被控制为一预定值。该预定值可以是常数或辅助氧化剂相对于空气量的比例的函数。
根据一种优选实施方案，所供应的燃料和总的所供应的氧化剂之间的化学计量关系使得获得接近化学计量的混合物。表述“接近化学计量的混合物”指的是约0.95至1.2之间的Lambda值。优选的是，对于单个烧嘴、对于某一燃烧区域或者对于作为整体的该炉而言，获得该接近化学计量的混合物。
根据另一种优选实施方案，当仅仅使用空气，即在较低的燃烧功率下时，使用较高的关系(优选Lambda cirka 1.15)，当使用较大比例的辅助氧化剂，即在较高的燃烧功率下时，使用较低的关系(优选Lambda cirka1.05)。通常，优选的是控制总氧化剂相对于燃料的过量，使得当辅助氧化剂比例较高时，Lambda较低。
在本文中，表述“Lambda”用于这样的含义：例如，当Lambda＝1.15 时，意味存在着比完全将燃料氧化所需的化学计量氧量过量15％的氧。
当以这样的比例供应氧化剂时，获得了工艺效率的进一步提高，因为如此供应的氧化剂改善了加热的炉中的燃烧并且由于燃烧空气中供给燃烧的氮量的下降而有助于进一步降低NOx排放。此外，该控制原理所导致的对空气需求的进一步减少使得可以在燃烧空气被预热(这是优选的)的情况下获得更加强化的热回收。
因此，烧嘴的空气供应和吹送的氧化剂之间关于所供应的氧的关系将在烧嘴的不同运行功率之间强烈改变。特别地，当功率在某个最低功率以下时，所供应的所有氧将来***嘴的空气供应，在全功率或接近全功率运行期间，所供应的氧的至少40％将来自辅助氧化剂。
除了上述优点之外，使用可变量的按如上所述吹送的辅助氧化剂的方法，使得在烧嘴安装了本发明的喷枪的情况下，可以在很宽的功率区间内有效地运行现有的空气烧嘴。
根据本发明的一个优选方面，在新的安装期间，将一个或多个空气烧嘴与一个或多个上述类型的喷枪共同安装。由此，根据这一方面，安装的空气烧嘴仅具有比上述额定空载空气消耗略微大的容量。然后，剩余的氧化剂通过如上所述的辅助氧化剂吹送进行供应。这导致有关通风、预热、控制和空气注入设备方面的相当大的成本节约。
以上说明了优选的实施方案。然而，对本领域技术人员而言明显的是，可以在不背离本发明宗旨的情况下对上述实施方案进行很多改进。因此，本发明将不限于上述实施方案，而是可以在所附权利要求的范围内变化。
例如，所供应的总的氧化剂和燃料之间的上述关系不必对于辅助氧化剂喷枪和空气烧嘴的所有独立布置的两两组合均成立。相反，该关系可以通过一个或多个喷枪结合一个或多个空气烧嘴所组成的组的空气和额外吹送的氧化剂的总供应量与该组中燃料总供应量的平衡而实现。
Claims (17)
1.当运行具有至少一个以空气作为氧化剂的空气烧嘴(2a，2b，2c，2d)的工业炉(1)时，使热分布均匀和减少燃烧产物中的NOx量的方法，其中将喷枪(3a，3b，3c，3d)引入该炉(1)中，使含有至少50％氧气的辅助氧化剂通过该喷枪(3a，3b，3c，3d)射入炉(1)中，并且部分地通过空气、部分地通过该辅助氧化剂供应的氧的总量与通过空气烧嘴(2a，2b，2c，2d)供应的燃料量成预定比例，并且其特征在于，第一：
-所供应氧的至少40％通过辅助氧化剂供应，
-将所述喷枪(3a，3b，3c，3d)以离空气烧嘴(2a，2b，2c，2d)至少0.3米的距离布置，
-使该辅助氧化剂通过该喷枪(3a，3b，3c，3d)以至少声速射入炉(1)中；和
第二，该辅助氧化剂仅仅在当空气烧嘴(2a，2b，2c，2d)在特定最低功率或在更高的功率下运行时才供应。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所供应的氧的总量和所供应的燃料量之间的该预定比例使得在燃烧期间存在氧化剂的化学计量过量，并且控制氧化剂相对于燃料的过量，使得当辅助供应的氧化剂的比例较高时，Lambda较低。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，在工业炉(1)中，对每个空气烧嘴(2a，2b，2c，2d)仅使用一个喷枪(3a，3b，3c，3d)。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，空气烧嘴(2a，2b，2c，2d)和喷枪(3a，3b，3c，3d)之间的距离(4)在0.5米至1.2米之间。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，空气烧嘴(2a，2b，2c，2d)和喷枪(3a，3b，3c，3d)之间的距离(4)在0.7米至0.9米之间。
6.根据权利要求1-3任意之一的方法，其特征在于，空气烧嘴(2a，2b，2c，2d)和喷枪(3a，3b，3c，3d)之间的距离(4)在围住空气的所有供应口的圆的直径的1.5至4倍之间，然而至少为0.3米。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，空气烧嘴(2a，2b，2c，2d)和喷枪(3a，3b，3c，3d)之间的距离(4)在特征直径的2.5至4倍之间，这里，特征直径是围住主氧化剂的所有供应口的圆的直径。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于，喷枪(3a，3b，3c，3d)的布置方向使得辅助氧化剂流不穿过空气烧嘴(2a，2b，2c，2d)的火焰。
9.根据权利要求1的方法，其特征在于，所供应氧的至少50％通过该辅助氧化剂供应。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，50％至80％之间的所供应氧通过该辅助氧化剂供应。
11.根据权利要求1的方法，其特征在于，通过吹送所供应的辅助氧化剂是具有至少85重量％的氧的氧化剂。
12.根据权利要求1的方法，其特征在于，通过喷枪(3a，3b，3c，3d)中的德拉伐尔喷嘴供应该辅助氧化剂。
13.根据权利要求1的方法，其特征在于，辅助氧化剂在至少1.5倍声速的速度下供应。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于，辅助氧化剂在1.5倍声速至1.8倍声速的速度下供应。
15.权利要求1的方法，其特征在于，为多个空气烧嘴(2a，2b，2c，2d)分别布置一相应喷枪(3a，3b，3c，3d)，并且两个相邻空气烧嘴之间的距离(5)，即在与炉壁平行的平面中两个这样的空气烧嘴的相应中心之间的距离，为至少2米。
16.根据权利要求1的方法，其特征在于，为多个空气烧嘴(2a，2b，2c，2d)分别布置一相应喷枪(3a，3b，3c，3d)，并且两个相邻空气烧嘴之间的距离(5)，即在与炉壁平行的平面中两个这样的空气烧嘴的相应中心之间的距离，为特征直径的至少2倍。
17.根据权利要求1的方法，其特征在于该特定最低功率，即在等于或高于其时为空气烧嘴(2a，2b，2c，2d)供应辅助氧化剂的最低功率，为全功率的20％或更高。
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