CN112368401B

CN112368401B - 用于预热连续送入电熔炉的金属炉料的改进方法和设备

Info

Publication number: CN112368401B
Application number: CN201980044148.6A
Authority: CN
Inventors: S·M·瑞丽; C·贾瓦尼
Original assignee: Tenova SpA
Current assignee: Tenova SpA
Priority date: 2018-07-18
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2022-11-01
Anticipated expiration: 2039-07-09
Also published as: WO2020016702A1; US20230295756A1; US20210262048A1; EP3824105A1; CN112368401A; US11702713B2

Abstract

用于预热通过具有水平传送器(13)的预热通道(16)连续供给到电熔炉(12)的金属炉料(11)的方法和设备，其中，所述金属炉料(11)被离开所述电熔炉(12)的废气或气体(17)和通过定位在具有侧壁和所述罩的所述通道(16)的罩上的多个喷嘴(15)喷射的气体射流以逆流方式撞击。所述喷嘴(15)在相对于通道的纵向方向上彼此间隔成组布置，并且产生小规模湍流或喷射小快速气体射流，所述小规模湍流或喷射小快速气体射流能够穿透穿过预热通道(16)的主气流(17)，并且所述喷嘴(15)同时产生“马蹄形漩涡”结构，所述“马蹄形漩涡”结构由靠近预热通道(16)的侧壁的下降中心气流(“下洗”)和上升流(“上洗”)组成，所述“马蹄形漩涡”结构允许气体的必要循环。

Description

用于预热连续送入电熔炉的金属炉料的改进方法和设备

本发明涉及一种用于预热连续地供给到电熔炉以生产熔融金属的金属炉料的改进的方法。

本发明还涉及实施该方法的设备。

用于预热金属炉料(通常为废料)的方法和设备是本领域技术人员公知的，其中所述炉料通过水平输送机连续地供给到电熔炉；所述预热过程有利于随后的熔化过程。

炉料的预热发生在通道内的通过期间，在通道中利用熔化过程的废气的显热和燃烧热(在一些特定情况下，预热也可以由合适的辅助燃烧器促进)。然后，废气从预热通道排出并送到合适的处理***。在预热过程中利用的燃烧热基本上由熔炉中进行的过程释放的CO(一氧化碳)和H₂(氢气)的燃烧完成提供，而必需的氧气通常由环境空气的供应提供。

例如，美国专利US 5,400,358公开了如上简述的方法和设备，其描述了沿预热通道均匀地喷射燃烧所需的空气。该方案教导了沿预热通道分布的空气的注入，其量确保3-5％量级的过量氧气，以确保未燃烧气体的完全燃烧，假设炉和隧道之间的密封几乎是完美的。在工厂工程实践中，已经看到，这种情况不能实现，并且总是存在外部空气的显著渗透(特别是在炉和隧道之间的界面处)，通常达到已经超过足以确保从炉离开的工艺气体的完全燃烧的程度；还观察到，这些空气渗透不能达到足够的湍流条件，因为该空气倾向于跟随加热通道的内壁，并且与过程气体的混合和燃烧缓慢地发生。必须绝对避免周围空气过度渗入预热通道，因为这将过度降低气体的温度，并且如果该温度达到非常接近或甚至低于CO点燃极限的值，则除了显著损失装料的预热***的效率之外，还存在不完全燃烧的风险，结果是该有毒气体释放到环境中。

在上述技术方案的范围内，来自头罩的可注入空气因此即使不为零也是极低的；这个事实使与低湍流相关的问题恶化，并且妨碍预热通道内可用的能量的最佳利用。

本发明的总体目的是克服现有技术的缺点，并且鉴于该目的，根据本发明，改进对存在于烟雾中的能量进行的利用以加热炉料。

更具体地，本发明的目的是增加热的工艺烟气和金属炉料之间的热交换。

上述目的通过根据所附独立权利要求和从属权利要求生产的方法和设备来实现。

由于本发明，通过增加预热通道内的气流的湍流和混合，从而加速燃烧过程并增加所述燃烧气体和炉料之间的对流热交换系数，来改善热工艺烟气和金属炉料之间的热交换。这种效果是通过高速气体射流获得的；所用的气体通常是空气，但如果需要管理预热通道内的化学组成，则不排除使用不同的气体；该气体也可有利地预热。

特别地，本发明的目的涉及一种用于预热金属炉料的方法和设备，所述金属炉料通过设置有水平传送器的预热通道连续地供给至电熔炉，其中，所述金属炉料被离开所述电熔炉的废气或气体以及通过定位在设置有侧壁和所述罩的所述隧道的罩中的多个喷嘴喷射的气体射流以逆流方式撞击。所述喷嘴在相对于通道的纵向方向上彼此间隔成组布置，并且产生小规模湍流或喷射能够穿透气流的小快速气体射流，并且所述喷嘴同时产生“马蹄形漩涡”结构，该结构由靠近预热通道的侧壁的下降中心气流(“下洗”)和上升气流(“上洗”)组成，这允许气体的必要循环。

根据本发明，所述喷嘴成组布置，在每个喷嘴中，喷嘴与隧道的罩的某些横向部分相对应地对准，适当地间隔开。这允许产生小规模湍流并同时产生大规模漩涡结构：第一个对应于这样的事实，即小的快速气体射流能够穿透穿过通道的主气流，从而显著地加速气体的混合和燃烧；增加烟气和炉料之间的热交换的大型漩涡结构通常被定义为“马蹄形漩涡”，并且其特征在于下降的中心流(“下洗”)和靠近隧道侧壁的上升流(“上洗”)，所述下降的中心流增加预热通道中心的热交换，所述上升流允许气体的必要循环，并且在下降阶段将其部分热能传递到金属炉料之后，限制与隧道和水平输送机的侧壁的热交换。与现有技术中公开的相反，上述气体射流不是沿着预热通道均匀地布置，而是成组地布置，至少两个，适当地间隔开；这是为了避免流体动力性质的干扰，并且首先允许气体的良好混合和燃烧的快速发展(具有小规模湍流效应)，并且随后将它们推向金属炉料(具有“马蹄形漩涡”效应)。

与现有技术中存在的喷嘴相反，喷嘴的尺寸不能以分布和均匀的模式供应所有的燃烧空气，而是它们的尺寸被设计为小的快速射流，其主要功能是根据上述内容供应动能并改变运动范围；为此，上述射流可以更精确地定义为“流体动力湍流发生器”或更简单地定义为“流体动力湍流器”。

与通过***偏转板来增加预热通道内的湍流的替代方案或所谓的“静态湍流器”相比，“流体动力湍流器”的使用更容易且更便宜；这些偏转器必须在特征为高温和高含尘量的气流内操作，因此它们通常被构造为水冷金属板，从热学观点来看这不是有效的解决方案；与这些偏转板是如何建造的无关，由于它们的快速磨损和频繁的断裂，它们的使用实际上已经被放弃。

现有技术没有考虑到实际上总是存在环境空气通过不可避免的开口显著地渗入进气预热通道中，并且燃烧空气的量在该过程中是可变的，而良好混合的需要基本上是恒定的。

因此，本发明的优点是明显的，其中，用于控制预热通道内的湍流的射流的操作基本上与可能的燃烧空气的供应的控制无关。

本发明的结构和功能特征及其相对于现有技术的优点将从以下描述中参照附图变得更加明显，附图示出了本发明本身的可能的非限制性实施例，其应用于用于熔化连续装入的金属废料的电弧炉(EAF)。

在附图中：

图1示出了根据现有技术的设备；

图2示出了根据现有技术的设备，该设备设置有沿着预热通道均匀分布的燃烧空气喷射器；

图3示出了根据现有技术的设备，其设置有具有燃烧器的预热段和借助于废气的加热段，所述加热段通过烟气的抽吸/排出段连接；

图4a、4b和4c以侧视图(4a)和俯视图(4b和4c)示出了根据现有技术产生的设备的预热通道中的气体流，而没有高速空气射流，特别地，图4c中的俯视图示出了不存在与根据现有技术产生和布置的空气喷射器相对应的湍流；

图5示出了根据本发明的设备；

图6示出了根据现有技术的设备的预热通道中的空气喷射器的布置；

图7示出了根据本发明的设备的预热通道中的喷嘴的布置；

图8示出了根据本发明的设备的预热通道中的喷嘴的布置；

图9a和9b示出了根据本发明在使用形成有高速射流的“流体动力湍流器”的设备中产生的气体的不同流动；

图10示出了根据本发明的预热通道的侧视图，其中喷嘴设置在每个区段中；

图11以横截面图示出了根据本发明提供的具有喷嘴的预热通道的一部分；

图12示出了根据本发明的一组喷嘴，其可以定位在预热通道的一部分中。

参考附图，图1-3示出了根据现有技术生产的三个设备，特别地，图1示出了具有预热通道而没有气体喷射器的传统设备；图2示出了根据现有技术的具有布置在预热通道中的空气喷射器的设备；图3示出了具有加热段和预热段的设备，其中燃烧器通过烟气的抽吸/排出段连接。

在图中，1表示用于将废弃的金属炉料11连续供给到电弧炉(EAF)12的整个设备，在该电弧炉中熔融金属的熔池以液态存在。

在这些构造中，来自炉12的烟雾流17沿着基本线性的路径，该路径趋向于与预热通道的壁对齐，因此远离金属炉料11移动，同样在图2的构造中，由于冷空气18的渗透，利用燃烧空气的喷射器19，烟雾流17不会经历显著的偏离，因为由喷射器10引入的燃烧空气通常是极其有限的，该冷空气存在于炉12和通道之间的界面处并且几乎总是足以完成来自炉12的烟雾17的燃烧。

这种类型的设备1例如在专利US 5,183,143中描述。

设备1包括至少一个水平传送器13，其适于朝向电熔炉EAF 12连续地移动废弃的金属炉料11，限定炉料11到炉12自身的装料区域IV的相应的连续水平供给线路。

从附图中可以清楚地看出，水平传送器13形成了废弃的金属炉料11的预热通道16的底部。

更具体地说，设备1包括：预热段III，其将废弃的金属炉料11带入电熔炉EAF 12；烟气的排出段II，其存在于设备1中，考虑到废料11的运动方向，位于所述预热段III的上游；以及段I，其利用废料11的传统接收***接收废弃的金属炉料11。

水平传送器13通过振动传送废弃的金属炉料11，并将其从预热段III传送到称为“连接车”的可移动终端段，该可移动终端段将废料11引导到电熔炉EAF 12中。

根据本发明，在预热段III的通道(预热通道16)的罩上设置喷嘴，用于喷射气体15。

特别地，这些是用于高速喷射气体15的喷嘴。

所述喷嘴15分布成在预热通道16内获得漩涡湍流运动，以改善废气17和废弃的金属炉料11之间的热交换。

如图9a和9b所示，设置在预热段III的通道16的罩上的喷嘴15增加了废气17的湍流，从而允许获得以下效果：

-反应气体及其燃烧的较大混合速度；

-用于完成CO、H₂和其它气体以及来自电熔炉EAF 12的可能的含碳微粒的燃烧的更好条件；

-在预热通道16内部的改进的和更均匀的温度分布，

-在预热通道16内的水平传送器13上的燃烧气体和金属炉料11之间的更好的热交换。

在没有所述喷嘴或“流体动力湍流器”15的已知技术的设备中，通过连接部分进入设备的空气是不受控制的，并且具有有限的湍流和旋涡，而没有与气体充分混合(图4a、4b和4c)，因此导致预热通道16内的缓慢且通常不完全的燃烧。

相反，由于在预热通道16内部存在“流体动力湍流器”15，获得了气体的更大混合以及更高的火焰强度，这也有助于限制由于空气从设备外部进入，特别是进入预热通道16而引起的冷却。

如图7和9a、9b所示，喷嘴或“流体动力紊流器”15的布置允许运动区域的所谓的下洗部分集中在水平传送器13的中心部分上，因此在该中心部分，在金属炉料11和预热通道16中存在的气体/烟气17之间获得最大的热交换。

为了获得上述旋转运动结构，喷嘴15以及因此产生的射流以不均匀的方式横向分布在预热通道16的罩上，并且在隧道16的罩的顶部上具有更大的密度。

因此，气体射流的布置使得在预热通道16内部获得良好限定的涡旋结构(图9a、9b)，其特征在于：

-在中心区域中的降流区域，所述降流区域紧邻设有喷嘴15的部分的下游，以便增加在该区域中与废弃的金属炉料11的热交换，

-在侧面的上升区域，以限制与预热通道16和水平传送器13的壁的热交换。

预热通道16中的气体的这种涡旋结构通常称为“马蹄形漩涡”，并且根据本发明的实施例，通过在预热通道16的横截面的约2/3处布置喷嘴15并因此布置射流来获得，从而使靠近所述通道16的罩的侧壁的两个侧壁自由。

喷嘴在预热通道16的罩上的布置可以根据具体的设备问题而变化(例如参见图8所示的实施方案)，无论如何都要保持高速射流总是拦截废气流17的中心部分的要求，使侧面部分自由，因此有利于气体向上循环的建立和夹带流中马蹄形旋转运动的形成。

用作“流体动力紊流器”的高速射流不是均匀地纵向分布在预热通道16的罩上，而是根据“喷射段”彼此充分地间隔开，以便避免流体动力干涉现象；相邻两个喷射段之间的距离应为4-6米，这取决于气体通过预热通道的速度。相邻两个喷射段之间的空间需要允许上游段产生的高强度火焰在被紧接下游的喷射段推向装料之前有时间发展。

为了最佳地利用预热通道16的长度来提高热回收并完成CO和H₂以及过程气体中的可能污染物的燃烧，第一喷射区段定位成尽可能靠近电熔炉EAF 12。

第一组快速气体喷口位于电熔炉12附近，距电熔炉7-10米的距离内。

本发明提供了具有在随后的“气体喷射部分”中增加的速度和/或流速的气体射流。喷射部分的数量从两个到四个变化，这取决于由所考虑的熔化过程产生的可燃气体的量。

如图11所示，从电熔炉EAF 12开始，并随着气体流向烟气抽吸装置(气流与金属炉料11的运动方向相反)，形成第一喷射段的多个喷嘴15可位于连接车(第一水冷罩)的上方，而形成其它喷射段的喷嘴15可设置在预热通道16的耐热段(衬有耐火材料的罩)的每个段的起始处。

在该示例中，使用三个喷射部分，每个喷射部分由四个喷嘴15组成。

注入的气体通常是空气，但也可以采用其它气体，并且所用的气体也可以被预热。

喷嘴15的工作状态的控制方式可以设置在每个部分中。

从喷嘴15释放的射流小而快，因为它们必须能够对通过预热通道16的气流提供混合和偏转作用，从而使热气流17能够以足以穿透材料空隙的速度朝向金属炉料11进行“下洗”运动(所谓的“冲击”效应，如图5中可见，其中热气流17被朝向金属炉料11向下推)，从而改善对流热交换。

这种效果是通过评估在所讨论的过程中涉及的气体流的流速条件和速度来获得的：将流体流的冲量定义为质量流量和流体流自身的速度之间的乘积，每个单个的射流应被设计成使得该组射流具有与沿着通道16从炉12传递到抽吸设备的主烟气流的冲量相似的冲量。

因此，设计条件如下：

其中：

W_烟气＝给定喷射区段中的通道(16)中的烟气的质量流量[kg/s]

W_射流＝同一喷射区段中单个射流的质量流量[kg/s]

V_烟气＝在与同一喷射区段相应的通道(16)中的烟气的速度[m/s]

V_射流＝单个射流的速度[m/s]

N_射流＝给定喷射区段上的射流数目。

为了纯粹说明的目的，在所述的应用中，考虑到室温下的空气喷射，这种条件通常通过具有约1,000Nm³/h的流速和85-105m/s的排出速度的射流获得。

在所提出的技术方案中，由于所喷射的气体，产生了通过预热通道16的气体的流速的逐渐增加，因此对于定位成更远离炉12的喷射区段，可能需要考虑具有更大冲量的射流。

在气体离开熔炉12并进入预热通道16之后，由于通过预热通道的气体的总体增加的流速，第一喷射区段设计成使用比随后的喷射区段低的流速和速度。

每个喷射段可以独立于其它喷射段进行管理、控制和调节，这取决于工艺状态和预热通道16中存在的炉料11和离开炉子的气体17的特性。

在最简单的实施例中，喷嘴15都是相同的，并且布置在预热通道16的顶部，考虑到中心部分(在那里将建立“下洗”区域)的约2/3的可用性，每个射流之间的距离为约450-500mm，它们的数量基本上取决于预热通道16本身的宽度。为了获得有效的冲击效果，预热通道16的顶部必须定位在距输送机中存在的炉料约800-1,200mm的距离处(如果本发明应用于现有设备，则这可能需要重新设计预热通道)。在预热通道16的特殊构造的情况下，例如在存在不允许喷嘴15保持彼此相同距离的设备约束的情况下，可以使用不同的布置和尺寸的射流来获得等效的流体动力学效果。

与已知的装置和方法相反，其中从化学计量的观点来看，空气喷射与燃烧过程的控制相关，在本发明中，空气或其它气体的射流主要用于在预热通道16内获得一定的湍流条件。

即使在使用空气射流的最常见情况下，所述***的总喷射能力也几乎总是低于完成来自炉12的工艺气体17的燃烧所需的空气的流速，因为所述***的主要目的是稳定湍流；对预热通道16内的过程气体的燃烧空气的供应的控制基本上委托于对吸入低压和预热通道的入口与炉子之间的间隙的宽度的调节(从设备工程的观点来看，这决不能完全消除)。这样，作为湍流发生器的空气的喷射与用于完成过程气体的燃烧的环境空气的供应显著地分离。

本发明的最后目的是增加来自熔炉的工艺气体的燃烧强度以及它们与炉料之间的热交换，从而增加熔化工艺的总能量效率。

本发明实现的从炉中释放的工艺气体的改进的混合和燃烧允许获得对其中存在的污染物质(和相关前体)的更好的热分解。

本发明也可以应用于例如在文献WO2012007105中描述的设备，其设置有废料的金属装料的预热通道和加热通道。

由于本发明，通过在预热通道16中产生的湍流来进行废料加热，这与已知设备中发生的情况不同，在已知设备中，空气的引入仅根据化学燃烧过程的要求来进行，而与预热通道内的运动场的控制没有任何联系。

由于本发明，也可以避免在预热通道16内使用偏转器。这些偏转器具有缺点，因为它们在烟雾的抽吸中引起显著的压降，它们需要冷却和频繁的维护操作，因为它们在非常热和含尘的气体流内操作(这不仅代表设备复杂化和潜在的泄漏风险，而且还引起气体的热能的无用损失)，它们从实际的观点来看难以调节和管理，因为不容易改变入射角，并且最后，当待处理的速度和因此的流速低时，它们的效果受到限制。

因此，实现了在说明书的前序部分中提到的本发明的目的。

本发明的保护范围由所附权利要求限定。

Claims

1.一种用于预热金属炉料(11)的方法，所述金属炉料通过设置有水平传送器(13)的预热通道(16)连续地供给至电熔炉(12)，其中，所述金属炉料(11)被离开所述电熔炉(12)的主气流(17)以及通过定位在设置有侧壁和罩的所述预热通道(16)的所述罩上的多个喷嘴(15)喷射的气体射流以逆流方式撞击，其特征在于，所述喷嘴(15)相对于通道沿纵向方向相对于彼此间隔地成组布置，并且产生小规模湍流或喷射小的快速气体射流，小规模湍流或小的快速气体射流能够穿透穿过所述预热通道(16)的所述主气流(17)，并且所述喷嘴(15)同时产生“马蹄形漩涡”结构，所述“马蹄形漩涡”结构由下降的中心气体流和靠近预热通道(16)的侧壁的上升流组成，所述“马蹄形漩涡”结构允许气体的必要的循环；

并且其特征还在于，从所述喷嘴(15)释放的气体射流以不均匀的方式横向地分布在所述预热通道(16)的罩上，并在所述预热通道(16)的罩的顶部上具有较大的浓度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述喷嘴(15)释放的气体射流分布在预热通道(16)的横截面的约2/3处，从而使所述预热通道(16)的罩的侧壁的至少一部分是自由的。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体射流沿着所述预热通道(16)纵向不均匀地分布，由此所述喷嘴(15)设置在称为“气体喷射区段”的区段处，所述“气体喷射区段”与预热通道(16)的没有所述喷嘴(15)的纵向区段间隔开，以避免干涉现象。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一组气体射流设置成靠近所述电熔炉(12)，并与所述电熔炉(12)相距7-10米的距离。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，气体射流设计成用于在随后的“气体喷射区段”中增加速度和/或流量。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，喷嘴(15)的单个射流的尺寸根据以下尺寸设计条件设计成使得该组射流具有与沿着所述预热通道(16)通过的烟气的主流的脉冲类似的脉冲：

其中：

W_烟气＝给定喷射区段中的预热通道(16)中的烟气的质量流量[kg/s]

W_射流＝同一喷射区段中单个射流的质量流量[kg/s]

V_烟气＝在与同一喷射区段相应的预热通道(16)中的烟气的速度[m/s]

V_射流＝单个射流的速度[m/s]

N_射流＝给定喷射区段上的射流数目。

7.一种用于实施金属炉料(11)预热工艺的设备，所述金属炉料通过设置有水平传送器(13)的预热通道(16)连续地供给至电熔炉(12)，其中，所述金属炉料(11)被离开所述电熔炉(12)的主气流(17)以及通过定位在设置有侧壁和罩的所述预热通道(16)的所述罩上的多个喷嘴(15)喷射的气体射流以逆流方式撞击，其特征在于，所述预热通道(16)的罩上设置有至少两组喷嘴(15)，至少两组喷嘴(15)相对于所述通道在纵向方向上彼此间隔开，并且产生小规模湍流或喷射小的快速气体射流，小规模湍流或小的快速气体射流能够穿透穿过所述预热通道(16)的所述主气流(17)，并且所述喷嘴(15)同时产生“马蹄形漩涡”结构，所述“马蹄形漩涡”结构由下降的中心气流和靠近所述预热通道(16)的侧壁的上升流组成，所述“马蹄形涡流”结构允许气体的必要的循环；

并且其特征还在于，所述喷嘴(15)横向地且不均匀地分布在所述预热通道(16)的罩上，并在所述预热通道(16)的罩的顶部上具有较大的浓度。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述喷嘴(15)分布在所述预热通道(16)的横截面的约2/3处，从而使所述预热通道(16)的罩的侧壁的至少一部分是自由的。

9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述喷嘴(15)纵向且不均匀地分布在所述预热通道(16)的罩上，由此所述喷嘴(15)设置在沿着所述预热通道(16)的称为“气体喷射区段”的区段处，所述“气体喷射区段”与预热通道(16)的没有所述喷嘴(15)的纵向区段间隔开，以便避免干涉现象。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述设备具有二至四个所述“气体喷射区段”，所述“气体喷射区段”在相对于所述通道的纵向方向上彼此间隔开4米至6米。

11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，第一“气体喷射区段”靠近所述电熔炉(12)设置，与所述电熔炉(12)相距7-10米的距离。

12.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，沿着所述预热通道(16)设置有三个“气体喷射区段”，每个区段具有四个喷嘴(15)。

13.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，喷嘴(15)设计成用于在随后的“气体喷射区段”中增加速度和/或流量。

14.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述喷嘴(15)全部是相同的，并且根据所述预热通道(16)自身的宽度以一定数量布置在所述预热通道(16)的顶部上，每个射流之间的距离为450mm-500mm。