CN103443541A - 氧-燃料炉和在氧-燃料炉中加热材料的方法 - Google Patents

氧-燃料炉和在氧-燃料炉中加热材料的方法 Download PDF

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CN103443541A CN2012800161873A CN201280016187A CN103443541A CN 103443541 A CN103443541 A CN 103443541A CN 2012800161873 A CN2012800161873 A CN 2012800161873A CN 201280016187 A CN201280016187 A CN 201280016187A CN 103443541 A CN103443541 A CN 103443541A
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S.P.甘戈利
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Abstract

公开一种氧-燃料炉，以及在氧-燃料炉中加热材料的方法。该方法包括：在氧-燃料炉中用氧-燃料喷燃器组件燃烧氧和燃料，从而形成燃烧气体；以及在氧-燃料炉的封壳的中心区域内保持涡旋，涡旋包括燃烧气体。氧-燃料喷燃器组件包括成角度地布置成产生涡旋的多个高动量氧-燃料喷燃器，相对于封壳的炉壁边界，该角度大于15度但小于75度，角速度大于0.07弧度每秒，或者呈它们的组合的方式。炉包括：氧-燃料喷燃器组件，其包括具有高形状因素喷嘴几何构造的至少两个高动量氧-燃料喷燃器；以及封壳。涡旋增加封壳内的对流加热和封壳内的加热的均匀性。

Description

氧-燃料炉和在氧-燃料炉中加热材料的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年4月5日提交的美国临时专利申请No. 61/471,900的优先权和好处，该申请通过引用而整体地结合在本文中。
技术领域
本发明涉及加热材料的***和方法。更特别地，本发明涉及氧-燃料炉，以及通过使用氧-燃料炉来加热材料的方法。
背景技术
 氮氧化物(NOx)在由燃烧过程排出的主要空气污染物之中。因为NOx会促进引起烟雾的有害大气反应产物的形成，所以多个政府机构已经实行空气质量标准来限制可排到大气中的NOx的量。由于许多国家的环境立法增加，以及全球对大气污染的认识度增加，当代燃烧技术已经得到改进，以减少来自多种类型的燃烧装备的NOx排放。
再生金属行业一般被认为是主要的NOx污染源，并且因此受到关于NOx排放的严格规则的约束。在燃烧过程中减少NOx的产生在这个行业中变得更重要，因为对金属的需求增加，而对NOx的环境规则却变得越来越严格。全氧-燃料燃烧在理论上可产生非常低的NOx排放，因为氧化剂中没有氮。
再生金属行业已经有了减少NOx排放的革新。在美国专利申请公开No. 2007/0254251中描述了这种已知***，该申请通过引用而整体地结合在本文中。已知的***通过将炉气体输送到火焰区中来实现大规模燃烧。这种***减少了排放。但是，进一步的减少是合乎需要的，尤其是在进一步的燃烧NOx减少与热能消耗考量相平衡(例如由于平衡辐射和对流热传递成分)的情况下。
传统的低动量氧-燃料燃烧由辐射模式热传递控制，但缺乏对流加热成分。缺乏对流成分是因为气体量低，而且缺乏对流成分可增加加热不一致或不均匀、热点和产生NOx的可能性。相比之下，空气燃料燃烧由于N2稀释而缺乏辐射加热的效率。但是，空气燃料燃烧可具有强的对流热传递成分，因为烟道气量较高，当与辐射结合时，较高的烟道气量可用来加热产物。但是，来自空气-燃料火焰的辐射比来自氧-燃料火焰的辐射低得多。
不遭受一个或多个以上缺陷的氧-燃料炉和在氧-燃料炉中加热材料的方法在本领域中将是合乎需要的。
发明内容
在示例性实施例中，一种用于在氧-燃料炉中加热材料的方法包括：在氧-燃料炉中用氧-燃料喷燃器组件燃烧氧和燃料，从而形成燃烧气体；以及在氧-燃料炉的封壳的中心区域内保持涡旋，涡旋包括燃烧气体。氧-燃料喷燃器组件包括成角度地布置成产生涡旋的多个高动量氧-燃料喷燃器，相对于封壳的炉壁边界，角度大于15度但小于75度。
在另一个示例性实施例中，一种用于在氧-燃料炉中加热材料的方法包括：在氧-燃料炉中用氧-燃料喷燃器组件燃烧氧和燃料，从而形成燃烧气体；以及在氧-燃料炉的封壳的中心区域内保持涡旋，涡旋包括燃烧气体。涡旋具有大于0.07弧度每秒的角速度。
在另一个示例性实施例中，一种氧-燃料炉包括：氧-燃料喷燃器组件，其包括具有高形状因素喷嘴的至少两个高动量氧-燃料喷燃器；以及封壳。氧-燃料喷燃器组件包括成角度地布置成产生涡旋的多个高动量氧-燃料喷燃器，相对于封壳的炉壁边界，角度大于15度但小于75度。涡旋增加封壳内的对流加热和封壳内的加热的均匀性。
根据结合附图得到的优选实施例的以下更详细的描述，本发明的其它特征和优点将是显而易见的，附图以示例的方式示出本发明的原理。
附图说明
图1至4是根据本公开的实施例的氧-燃料炉的示意图。
图5是根据本公开的实施例的氧-燃料炉的三维示意图。
图6是根据本公开的在氧-燃料炉中加热材料的示例性方法和其它加热材料的方法的图形比较。
图7是关于根据本公开的示例性氧-燃料炉，表面温度随时间而改变的图解说明。
图8是由于在没有形成涡旋的情况下运行氧-燃料炉而引起的炉壁和材料的表面温度的图解说明。
图9是由于根据本公开在形成涡旋的情况下运行氧-燃料炉而引起的炉壁和材料的表面温度的图解说明。
在可行的情况下，相同参考标号将在图中用来表示相同部件。
具体实施方式
提供示例性氧-燃料炉，以及在氧-燃料炉中加热材料的方法。本公开的实施例增加氧-燃料加热过程中的热传递的对流部分，减少用于实现某些温度的循环时间，增加效率，或者实现它们的组合。
参照图1至5，根据实施例，氧-燃料炉100包括至少两个高动量氧-燃料喷燃器102，以及在氧-燃料炉100内大体限定燃烧区的封壳104。封壳104为任何适当的几何构造，并且由炉壁边界108限定。例如，在一个实施例中，封壳104为立方形或大体立方形的几何构造。在另一个实施例中，封壳104为圆柱形或大体圆柱形的几何构造。封壳包括例如由各个喷燃器102的喷燃器轴线限定的中心区域，喷燃器轴线是从喷燃器的中间延伸的线。氧-燃料炉100包括对于保持燃烧、加热、其它运行条件或它们的组合来说必要的其它适当的特征。
封壳104构造成容纳燃烧气体的涡旋106的至少一部分，诸如炉级涡旋。通过这样来形成涡旋106：偏移喷燃器102的燃烧，这将周围燃烧气体输送到封壳104内的火焰区，从而引起搅动(或气体的均衡)，这例如由于传送燃烧气体而形成涡旋106。在一个实施例中，涡旋106用于大规模燃烧，即，由于炉气体输送到火焰区中而实现的燃烧。在一个实施例中，喷燃器102形成两个不同的炉气体再循环流，例如，水平成分和竖直成分，它们由于封壳104内的压差而压缩涡旋106。
喷燃器102布置和设置成形成涡旋106。氧-燃料炉100包括两个喷燃器102(参见图1和2)、三个喷燃器102、四个喷燃器102(参见图3)，或者不止四个喷燃器102。如图1中显示的那样，在一个实施例中，喷燃器102以交错定向在封壳104的相对的侧定位在炉壁边界108上。如图2中显示的那样，在一个实施例中，两个喷燃器102以成角度的构造定位在炉壁边界108上。如图3中显示的那样，在一个实施例中，四个喷燃器102以成角度的构造定位在炉壁边界108上。其它实施例包括这些实施例的组合。
喷燃器102是能够在高动量条件下使用的任何适当的喷燃器，诸如，美国专利申请公开No. 2007/0254251中公开的喷燃器(其通过引用而整体地结合在本文中)，以及/或者高形状因素喷燃器。如本文所用，用语“高动量”指的是通过喷燃器102的通路的至少一个通道的气体的流量大于大约5 磅-英尺/秒2。在一些实施例中，通过喷燃器102的通路的至少一个通道的气体的流量大于大约10 磅-英尺/秒2，例如，对于天然气，具有介于大约10 磅-英尺/秒2和70 磅-英尺/秒2之间的流率，从而使得能够以较高的速率燃烧，改进循环时间，减少局部过热(诸如使热电偶过热)，或者实现它们的组合。如本文所用，用语“高形状因素喷燃器”指的是具有大于圆形喷嘴的周长的喷嘴周长或多个周长的喷燃器。例如，相对周长比(P rel )是高形状因素喷燃器(诸如，非圆形喷燃器)的喷嘴(一个或多个)的周长与圆形喷嘴的周长的比。对于具有1.0英寸2面积的喷嘴，圆形喷嘴具有3.54英寸的周长。因而，具有1.0英寸2的喷嘴的高形状因素喷燃器具有大于3.54英寸的周长。在一个实施例中，高形状因素喷燃器具有为1.96的相对周长比。
参照图4和5，在一个实施例中，两个或更多个喷燃器102通过相对于炉壁边界108以角θ成角度而形成涡旋106。角θ对应于氧-燃料炉100的具体构造(例如，几何构造、大小或它们的组合)、待加热的材料(例如，金属或金属材料，诸如锭铁、片材、铸造材料、锻造材料、铝、铁、钢、含铁材料、不含铁的材料或它们的组合)、其它适当的运行考量(例如，流率、氧-燃料的成分、封壳压力、封壳材料等)，或它们的组合。加热的材料定位在封壳104内的任何适当的部分处，例如，在封壳104的底部上。在一个实施例中，氧-燃料在氧化剂(例如，来自95 mol%的氧的氧化剂流)和燃料(例如，天然气、丙烷、合成气、低Btu燃料等)中包括至少50 mol%的氧。
在一个实施例中，角θ大于15度、大于30度、大于45度、大于60度、小于75度、小于60度、小于45度、小于30度，或者为它们的任何适当的范围子范围、组合或子组合。
在一个实施例中，氧-燃料炉100加强混合和炉气体输送，这会降低峰值火焰温度和热NOx产生量。喷燃器102使混合加强，从而在涡旋106内产生具有第一压力的低压力区域，以及紧邻封壳104的炉壁边界108的具有第二压力的高压力区域。
通过喷燃器102的燃烧气体流在炉100的封壳104中施加的力(                                               
Figure 2012800161873100002DEST_PATH_IMAGE002
)可如等式1中显示的那样表示：
Figure 2012800161873100002DEST_PATH_IMAGE004
            (等式1)
如等式1中使用的那样，
Figure 2012800161873100002DEST_PATH_IMAGE006
指的是进入封壳104的燃烧流的密度(例如，以磅/英尺3为单位来表示，这取决于火焰温度)。
Figure 2012800161873100002DEST_PATH_IMAGE008
指的是进入封壳104的入口流的速度(例如，以英尺/秒为单位来表示)。
Figure 2012800161873100002DEST_PATH_IMAGE010
指的是进入到封壳104中的总入口流率(例如，以英尺3/秒为单位来表示)。
在一个实施例中，通过在喷燃器102中的一个或多个中使用具有高形状因素的喷嘴来加强炉气体输送到火焰中。喷嘴与炉气体强烈地相互作用所实现的实际流可如等式2中显示的那样表示：
Figure 2012800161873100002DEST_PATH_IMAGE012
         (等式2)
如等式2中使用的那样，
Figure 2012800161873100002DEST_PATH_IMAGE014
指的是相对周长比，而
Figure 2012800161873100002DEST_PATH_IMAGE016
指的是总的实际入口流率(例如，以英尺3/秒为单位来表示)。
涡旋由被施加到炉中的力和这些流在炉中的粘性耗散(
Figure 2012800161873100002DEST_PATH_IMAGE018
)的余量产生，由等式3提供：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
         (等式3)
如等式3中使用的那样，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
指的是封壳104内的炉气体的密度(例如，以磅/英尺3为单位来表示，这取决于火焰温度)。
Figure DEST_PATH_IMAGE024
指的是氧-燃料炉100中的封壳104的容积(例如，以英尺3为单位来表示)。
Figure DEST_PATH_IMAGE026
指的是在封壳104内部的直径为
Figure DEST_PATH_IMAGE028
的涡旋的切向速度(例如，以英尺/秒为单位来表示)。
Figure DEST_PATH_IMAGE028A
指的是涡旋106的特征尺寸(例如，以英尺为单位而测得的同等直径)。
在一个实施例中，使用等式4来定义涡旋106的角速度(
Figure DEST_PATH_IMAGE030
)，等式4基于等式2和3的合并：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
 (等式4)
如等式4中使用的那样，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
指的是入口流(
Figure DEST_PATH_IMAGE036
)与炉气体(
Figure DEST_PATH_IMAGE037
)的密度比。密度比在空气-燃料燃烧的0.8和氧-燃料燃烧的0.6之间，因为火焰温度有差别。
在一个实施例中，喷燃器102加强对流热传递成分(除了辐射热传递成分之外)，以增加加热的均匀性和/或效率。例如，在一个实施例中，通过使用喷燃器102，对流热传递成分的涡旋引起的成分增加均匀性和效率。通过将喷燃器102布置和/或定向成使得涡旋106形成且保持在封壳104内来实现涡旋引起的成分。在一个实施例中，对流热传递减少或消除火焰对待加热的材料的直接影响。
在一个实施例中，对流热传递成分的涡旋引起的成分影响封壳104的区域的15%和75%之间(平面图)。在另外的实施例中，对流热传递成分影响30%和60%之间、30%和45%之间、45%和60%之间，大约15%、大约30%、大约45%、大约60%、大约75%，或它们的任何适当的范围、子范围、组合或子组合。在一个实施例中，通过增加涡旋106的角速度(
Figure DEST_PATH_IMAGE038
)来增加涡旋引起的成分。
参照图6，与一侧燃烧和相对的(但不交错)喷燃相比，用形成涡旋106的喷燃器102加热的均匀性和效率有改进。图6显示加热钢锭的分布，其中，封壳104在处于不同构造的坑式炉中。涡旋引起的加热分布602基于使用喷燃器102来形成涡旋106，如本文描述的那样。一侧喷燃器加热分布604基于使用一侧燃烧、将钢锭定位在喷燃器的远侧，以及将钢锭移向靠近喷燃器的端部。相对喷燃器加热分布606基于在炉的相对的壁上具有两个喷燃器。射流碰撞，并且具有在坑式炉的中心处使钢锭过热的倾向。与其它构造相比，相对喷燃器加热分布606还会产生大的热通量梯度。
如图6中显示的那样，涡旋引起的加热分布602(包括涡旋引起的成分)保持在小于25℉的温度范围内。在另外的实施例中，涡旋引起的热分布602(包括涡旋引起的成分)保持小于10℉、小于5℉的温度范围内，或者基本恒定。相比之下，一侧喷燃器加热分布604和相对喷燃器加热分布606超过25℉的温度范围。
参照图7，显示了随着时间的推移的、在上面描述的涡旋引起的热分布602和相对喷燃器加热分布606下加热的材料的表面温度。各个分布对应于最大表面面温度分布702和平均面温度分布704。对于涡旋引起的热分布602和相对喷燃器加热分布606，最大表面面温度分布702随着时间的推移基本一致。平均面温度分布704随着时间的推移而分叉，从而容许与相对喷燃器加热分布606相比，减少在涡旋引起的热分布602下实现预定平均面温度的循环时间。在一个实施例中，循环时间减少至少10%，10%和20%之间，大约15%，或它们的任何适当的范围、子范围、组合或子组合。
图8和9比较性地示出与相对喷燃器加热分布606(参见图8)相比，根据涡旋引起的热分布602(参见图9)来在封壳104内进行的材料加热。特别地，图8示出被相对喷燃器加热分布606加热的封壳内的壁温，而图9示出被涡旋引起的热分布602加热的炉壁边界108的温度。图8显示相对喷燃器加热分布606形成热点802。图9显示涡旋引起的热分布602形成更均匀的温度梯度，例如，炉壁边界108没有区域超过喷燃器102附近的炉壁边界108的温度，从而允许增加输入到氧-燃料炉100中的能量的量，以及/或者减少实现预定温度的循环时间。
在一个实施例中，封壳104具有24英尺×9英尺×14英尺的尺寸。在封壳104中实现的加热过程中，加热过程使用平均大约10 MMBTU/hr的空气-燃料燃烧速率和大约6 MMBTU/hr的氧-燃料燃烧速率(假设在封壳104中分别可使用45%和75%的热)来形成涡旋106。例如基于上面的等式1至4来计算涡旋106的角速度(
Figure DEST_PATH_IMAGE030A
)，并且角速度取决于使用的燃料和使用的喷燃器。例如，在交错的喷燃器构造的情况下的空气燃料燃烧(参见图1)会产生0.099 弧度/秒的角速度(
Figure DEST_PATH_IMAGE030AA
)，而成角度的喷燃器构造(参见图2)会产生0.087 弧度/秒的角速度(
Figure DEST_PATH_IMAGE030AAA
)。在交错的喷燃器构造的情况下的低动量氧-燃料燃烧(参见图1)会产生0.035 弧度/秒的角速度(
Figure DEST_PATH_IMAGE038A
)，而成角度的喷燃器构造(参见图2)会产生0.031 弧度/秒的角速度()。在交错的喷燃器构造(参见图1)和圆形喷嘴的情况下的高动量氧-燃料燃烧会产生0.079 弧度/秒的角速度(
Figure DEST_PATH_IMAGE030AAAAA
)，而成角度的喷燃器构造(参见图2)会产生0.070 弧度/秒的角速度()。在交错的喷燃器构造(参见图1)和非圆形喷嘴的情况下的高动量氧-燃料燃烧会产生0.111 弧度/秒的角速度(
Figure DEST_PATH_IMAGE030AAAAAAA
)，而成角度的喷燃器构造(参见图2)会产生0.097 弧度/秒的角速度(
Figure DEST_PATH_IMAGE030AAAAAAAA
)。
考虑到这样的差别，在本公开的一个实施例中，炉100的喷燃器102布置和运行成使得涡旋具有的角速度大于将由空气-燃料燃烧形成的空气-燃料燃烧涡旋的对应的角速度(例如，至少0.07弧度每秒)。在一个实施例中，由于用具有非圆形喷嘴的喷燃器102燃烧氧-燃料而形成的涡旋106具有比将由空气-燃料燃烧形成的涡旋大10%的角速度，比将由具有圆形喷嘴的喷燃器102形成的涡旋106大40%的角速率，比将由低动量氧-燃料燃烧形成的涡旋大200%的角速度，或者为它们的组合。
虽然参照优选实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员将理解，可在不偏离本发明的范围的情况下作出各种改变，而且等效物可代替本发明的元件。另外，可在不偏离本发明的实质范围的情况下作出许多修改，以使具体情况或内容适于本发明的教导。因此，意于的是本发明不限于被公开为为了执行本发明而构想的最佳模式的特定实施例，本发明而是将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (20)

1. 一种用于在氧-燃料炉中加热材料的方法，所述方法包括：
在所述氧-燃料炉中用氧-燃料喷燃器组件燃烧氧和燃料，从而形成燃烧气体；以及
在所述氧-燃料炉的封壳的中心区域内保持涡旋，所述涡旋包括燃烧气体；
其中，所述氧-燃料喷燃器组件包括成角度地布置成产生所述涡旋的多个高动量氧-燃料喷燃器，相对于所述封壳的炉壁边界，所述角度大于15度但小于75度。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个高动量氧-燃料喷燃器中的至少一个包括高形状因素喷嘴。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个高动量氧-燃料喷燃器包括交错的喷燃器。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个高动量氧-燃料喷燃器包括两个喷燃器。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个高动量氧-燃料喷燃器包括四个喷燃器。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个高动量氧-燃料喷燃器包括不止四个喷燃器。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涡旋具有大于0.07弧度每秒的角速度。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述角度介于大约30度和大约60度之间。
9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涡旋在所述封壳的区域中引起对流热，所述区域介于所述封壳的大约15%和大约75%之间。
10. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涡旋在所述封壳的区域中引起对流热，所述区域介于所述封壳的大约30%和大约60%之间。
11. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述封壳在所述涡旋内具有第一压力，所述第一压力小于所述封壳的所述炉壁边界附近的第二压力。
12. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括在所述封壳内加热金属。
13. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括在所述封壳内加热铝。
14. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涡旋增加所述封壳内的对流加热。
15. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涡旋增加所述封壳内的加热的均匀性。
16. 一种用于在氧-燃料炉中加热材料的方法，所述方法包括：
在所述氧-燃料炉中用氧-燃料喷燃器组件燃烧氧和燃料，从而形成燃烧气体；以及
在所述氧-燃料炉的封壳的中心区域内保持涡旋，所述涡旋包括燃烧气体；
其中，所述涡旋具有大于0.07弧度每秒的角速度。
17. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述多个高动量氧-燃料喷燃器中的至少一个包括非圆形喷嘴几何构造。
18. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述多个高动量氧-燃料喷燃器包括交错的喷燃器。
19. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，相对于所述封壳的炉壁边界，所述角度大于15度但小于75度。
20. 一种氧-燃料炉，包括：
氧-燃料喷燃器组件，其包括具有高形状因素喷嘴的至少两个高动量氧-燃料喷燃器；以及
封壳；
其中，所述氧-燃料喷燃器组件包括成角度地布置成产生涡旋的多个高动量氧-燃料喷燃器，相对于所述封壳的炉壁边界，所述角度大于15度但小于75度；
其中，所述涡旋增加所述封壳内的对流加热，以及所述封壳内的加热的均匀性。
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