專利名稱：在工業(yè)爐中進行燃燒的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在工業(yè)爐中進行燃燒的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及由大量的向下的頂棚燃燒器(roof burner)矩陣來加熱工業(yè)爐的操作方法，例如，所謂的“無光焰”式，其產(chǎn)生經(jīng)常旋轉(zhuǎn)的平板形火焰。通常，這樣的裝置在爐空間中具有所希望的良好的熱均勻性。
背景技術(shù)：
由于爐內(nèi)被加熱材料由于過熱而存在其表面被損壞的高風(fēng)險，這種頂棚燃燒器工作時通常用空氣作為氧化劑。這種加熱的問題是，所提供的空氣中含有大量的氮氣惰性物，這導(dǎo)致能源效率下降，并因此增加(X)2排放。為了提高能源效率，每個單獨的頂棚燃燒器可被設(shè)計為再生燃燒器。而另一方面， 這是一項重大的投資。另一個問題是在用這種頂棚燃燒器矩陣加熱過程中產(chǎn)生較高濃度的N0X。此外，希望能夠增加帶有頂棚燃燒器矩陣的現(xiàn)有爐的最大容量，而同時不存在由此出現(xiàn)在爐空間的不可接受的溫度梯度。本發(fā)明解決了上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明涉及在工業(yè)爐中進行燃燒的方法，所述工業(yè)爐的內(nèi)部由向下的頂棚燃燒器的矩陣加熱，所述頂棚燃燒器在工業(yè)爐的頂部排列為至少兩排，其中頂棚燃燒器由燃料和第一氧化劑驅(qū)動以加熱爐內(nèi)的材料，其特征在于，在爐的側(cè)壁設(shè)置至少一個噴槍，氧含量為至少85重量％的第二氧化劑以聲速或超聲速通過噴槍以射流的形式供入爐內(nèi)部， 第二氧化劑的射流在材料上方的水平面上在頂棚燃燒器的兩個相鄰排之間并基本平行于該兩個相鄰排流動，單位時間供入的第二氧化劑的量被平衡，使得通過第二氧化劑供入的氧占單位時間供入爐內(nèi)的氧總量的至少50重量％。


下面參考本發(fā)明的優(yōu)選實施方案和附圖詳細描述本發(fā)明，其中圖1是傳統(tǒng)工業(yè)爐的一部分的俯視剖視圖；圖2是圖1所示傳統(tǒng)工業(yè)爐的一部分的側(cè)視剖視圖；圖3是應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施方案的方法的工業(yè)爐的一部分的俯視剖視圖；圖4是從圖3所示工業(yè)爐的一部分的一側(cè)看到的剖視圖；圖5是應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實施方案的方法的工業(yè)爐的一部分的俯視剖視圖。
具體實施例方式如圖1工業(yè)爐100的部分的俯視剖視圖中所示，在爐100相對的側(cè)壁101之間，材料102，在圖1中以金屬板進行舉例說明，在加熱下以L方向的延伸方向傳送。圖2顯示了工業(yè)爐100相同的部分，但是從側(cè)面看的橫截面。圖1和2對于相同部分用相同的標(biāo)記。根據(jù)優(yōu)選的實施方案，圖1所示的爐部分是工業(yè)爐100中數(shù)個爐區(qū)中的一個，在所示區(qū)域中在整個金屬材料102表面上盡可能均勻地加熱是目標(biāo)。為了實現(xiàn)這種均勻加熱， 向下的頂棚燃燒器103的矩陣設(shè)置在所加熱材料102的上方，其火焰方向向下。優(yōu)選的是，頂棚燃燒器是所謂的“無光焰”式，S卩，它們產(chǎn)生大擴散角度的平板形火焰，這使得材料102表面過熱的風(fēng)險降低，以及材料102上表面上方的空間溫度均勻性變尚ο頂棚燃燒器103用固體、液體或氣體燃料如天然氣；以及氧化劑來驅(qū)動。所述氧化劑可以是空氣或其它含氧量最多30體積％的氧化劑。優(yōu)選的是，頂棚燃燒器103安裝在爐100的頂部，并且所述頂部和材料102之間的垂直距離為1-3米，優(yōu)選1-2米。 根據(jù)本發(fā)明，頂棚燃燒器103排列為在垂直方向T延伸的至少兩排，所述垂直方向是適當(dāng)?shù)卮怪庇谘由旆较騆。在圖1和2中，顯示了示例性的兩排10fe、105b。兩個這樣相鄰設(shè)置的頂棚燃燒器的排105110 之間的距離優(yōu)選為1-3米。這種加熱使得在材料102上表面上均勻加熱，但具有最開始所提到的缺點。圖3和圖4以與圖1和2相對應(yīng)的方式，顯示了根據(jù)本發(fā)明的工業(yè)爐200的俯視剖視圖和側(cè)視剖視圖，并使用共用的附圖標(biāo)記。爐200具有側(cè)壁201，并與延伸方向L相關(guān)聯(lián)，材料202沿該方向傳送通過爐200，同時被具有火焰204的常規(guī)頂棚燃燒器203的矩陣加熱，燃燒器203為上述圖1和圖2所示類型，并在垂直方向T排列為至少兩排20fe、205b， 該垂直方向為適當(dāng)?shù)卮怪庇谘由旆较騆。上述在燃燒器排20fe、2(^b之間的距離以及材料 202與頂部之間的距離對于圖3-5所示的實施方案也是有效的。頂棚燃燒器203優(yōu)選排列為至少3排，更優(yōu)選至少5排，最優(yōu)選至少7排，每排包括至少4個，更優(yōu)選至少6個，最優(yōu)選至少8個頂棚燃燒器。為了提高效率和減少排放，這種多個頂部燃燒器的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致調(diào)整每個頂棚燃燒器的成本很大。這種調(diào)整例如可以是利用同流換熱器，調(diào)整每個燃燒器使其為再生的。由于本發(fā)明的方法以更節(jié)省成本的方式帶來了這些優(yōu)勢，在所述燃燒器矩陣中具有大量的頂棚燃燒器203的爐是特別有利的。根據(jù)本發(fā)明，含氧量為至少85重量％的第二氧化劑來自于至少一個用于這種氧化劑的噴槍206，所述噴槍設(shè)置在爐200的側(cè)壁201上。噴槍206用以向爐200的內(nèi)部加熱空間以第二氧化劑射流207的形式提供高速的第二氧化劑。根據(jù)本發(fā)明，以具有至少聲速的射流207的形式提供第二氧化劑。此外，射流207被定向，使得它在材料202上表面上方的水平面流動，因此在材料 202和爐200內(nèi)頂之間，以及在頂棚燃燒器203的一對連續(xù)相鄰排205a、2(^b之間并基本上平行于該相鄰排地流動。射流207 “在水平面”流動應(yīng)理解為其基本上是水平流動，即便其方向具有微小的垂直分量。重要的是射流207在材料202和頂部之間的空間流動。此外，射流207優(yōu)選與材料202的水平上表面平行流動。根據(jù)被加熱材料的類型，該上表面可以有不同的配置，但在金屬板或玻璃熔融物的情況下，所述上表面將基本上是平面和水平的。此外，單位時間提供的第二氧化劑的量被平衡，使得通過第二氧化劑提供的氧占單位時間供入爐200內(nèi)的氧總量的至少50重量％，并且在氧的量與燃料量的關(guān)系上實現(xiàn)所需的化學(xué)計量條件。在頂部燃燒器203的兩排205120 之間并沿著這兩排高速供入具有高濃度氧的第二氧化劑具有許多優(yōu)點。首先，爐200中的加熱效率可以增加，因為與具有較小含氧量的氧化劑例如空氣相比更少量的氮供入爐內(nèi)氣氛，將導(dǎo)致提供氧化劑總量的分額更大。因此，加熱效率可以提高，同時保持燃料穩(wěn)定消耗，這導(dǎo)致在環(huán)境的影響和經(jīng)濟方面的優(yōu)勢。與此同時，材料202 的表面不存在過熱的風(fēng)險，因為高速噴射的第二氧化劑在爐內(nèi)產(chǎn)生巨大的湍流，從而導(dǎo)致總的火焰體積增加，同時高峰火焰溫度降低。高峰火焰溫度降低也導(dǎo)致NOx的產(chǎn)生減少，這是期望的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)根據(jù)第二氧化劑產(chǎn)生的氧的總量比例，形成的NOx以及(X)2的相對量大量減少，所述第二氧化劑中的氧高達約50重量％，在某些情況下高達70重量％。由于噴槍206的導(dǎo)向使得射流207在頂棚燃燒器203的排20如、20恥之間與其平行流動，它可以設(shè)置為僅最低限度地干擾頂棚燃燒器203的正常功能，這導(dǎo)致這些頂棚燃燒器203的加熱效率能很好地保持。同時，可發(fā)現(xiàn)湍流增加的積極影響。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，射流207的擴散角度(spreadangle)優(yōu)選最大10°。此外，根據(jù)所用的頂棚燃燒器203的類型，在不調(diào)整頂棚燃燒器203結(jié)構(gòu)的情況下，可額外增加最大加熱功率。也就是說，在許多情況下，可以增加通過頂棚燃燒器203所供給的燃料量，然后通過增加單位時間第二氧化劑供給量平衡增加的燃料量和供給的氧化劑總量。由于通過射流207實現(xiàn)嚴(yán)重的湍流，這種功率的增加不會導(dǎo)致材料202表面過熱的風(fēng)險增加。其實，上述第二氧化劑的高速噴射導(dǎo)致在材料202上表面和爐200內(nèi)頂之間頂棚燃燒器203加熱空間的溫度均勻性提高，因為其中的湍流增加。此外，對于多個頂棚燃燒器203，例如至少五個頂棚燃燒器，只使用一個噴槍206 即可以實現(xiàn)這些優(yōu)勢。安裝這樣的噴槍206比以其它方式調(diào)整至少5個頂棚燃燒器的成本要低很多。本文中“音速”或“1馬赫”應(yīng)該解釋為在當(dāng)時的溫度和氣體成分下爐200內(nèi)部的聲速。根據(jù)優(yōu)選的實施方案，第二氧化劑通過相應(yīng)裝置以至少1.5馬赫的速度被供入。這種高的噴射速度將導(dǎo)致所謂的無焰燃燒，在這期間總的火焰體積非常大并且高峰火焰溫度因此非常低，溫度均勻性非常高。尤其優(yōu)選在噴槍206的孔中使用文丘里噴嘴。根據(jù)特別優(yōu)選的實施方案，第二氧化劑的含氧量為至少95重量％，最優(yōu)選其由工業(yè)純氧組成。這導(dǎo)致氮氣惰性物的量最小化，因此效率最大化。此外，射流207可以變得更小、更窄并具有更精確可控的體積延展，從而導(dǎo)致對頂棚燃燒器203運行的干擾最小化。此外，優(yōu)選單位時間提供的第二氧化劑的量被平衡，使得第二氧化劑提供的氧占爐200內(nèi)單位時間提供氧總量的至少60%。優(yōu)選至少一個頂棚燃燒器203或大量的頂棚燃燒器203，最優(yōu)選全部頂棚燃燒器203是由具有相對較低含氧量的氧化劑驅(qū)動的常規(guī)燃燒器，例如傳統(tǒng)的空氣燃燒器，在這種情況下優(yōu)選它們是空氣冷卻的。在這種情況下，還優(yōu)選通過受影響的頂棚燃燒器203，最優(yōu)選是通過矩陣中的所有空氣冷卻的頂棚燃燒器203的空氣流，在第二氧化劑噴射期間，設(shè)置為頂棚燃燒器203可獲得充分冷卻的最低水平，還優(yōu)選控制所提供的第二氧化劑的量使得在爐200內(nèi)實現(xiàn)所需的整體化學(xué)計量平衡。用以充分冷卻的空氣供給的最低水平將取決于空氣冷卻的頂棚燃燒器的設(shè)計細節(jié)，并且取決于其它運行條件，但這種對空氣供給的控制導(dǎo)致本發(fā)明優(yōu)勢可能最大化，因為不需要對現(xiàn)有的空氣冷卻的頂棚燃燒器203進行調(diào)離
iF. ο優(yōu)選噴槍206設(shè)置在材料202和爐200內(nèi)頂之間距離材料202上表面最高點的垂直距離B處，所述距離B為材料202和爐200內(nèi)頂之間的最小垂直距離A的40% -70%，更優(yōu)選50% -60%。距離內(nèi)頂太遠將導(dǎo)致頂棚燃燒器203的火焰受到不必要的干擾，第二氧化劑在爐內(nèi)氣氛中供應(yīng)的熱能比所需的多，以及射流207被拉向爐頂。距離太近將導(dǎo)致材料202上表面有害氧化的風(fēng)險增加。所述的間隔已被證明對于避免本發(fā)明在傳統(tǒng)爐中的應(yīng)用期間的這些問題是理想的。如圖3和4所示，第二氧化劑的噴槍206安裝在爐壁201上，并用于為在燃燒器矩陣中頂棚燃燒器203排之間的所有空間內(nèi)供應(yīng)第二氧化劑的射流207。這樣的設(shè)置是優(yōu)選的，但不是必須的。即使噴槍206僅被安裝用來在某一對頂棚燃燒器203排20fe、2(^b之間或僅在一些數(shù)量的對之間供應(yīng)氧化劑射流207，本發(fā)明的優(yōu)勢也會相應(yīng)程度增加。此外，圖3和圖4說明了一個優(yōu)選實施方案，其中爐200在平行于頂棚燃燒器203 的排20fe、205b的方向上至少8米寬。在這種情況下，優(yōu)選噴槍208a、208b設(shè)置為以上述方式從爐200相對兩側(cè)上相應(yīng)的噴槍孔中提供第二氧化劑，使得第二氧化劑的各自射流彼此平行但方向相反。在這種情況下，氧化劑從兩個相反的方向提供到頂部燃燒器203相鄰兩排205120 之間的共同空間中。即使在這種情況下這些反向的噴槍208a、208b各自孔之間的距離為至少約8米，基本上沿排20fe、2(^b之間的整個空間上可以獲得好的效果。另一方面，與圖3的相應(yīng)視圖相類似，圖5顯示了工業(yè)爐300的優(yōu)選實施方案，該爐在平行于矩陣中頂棚燃燒器303的排30fe、305b的方向上最多10米寬。爐300包括側(cè)壁301，使用頂棚燃燒器303加熱的材料302在延伸方向L上傳送。排30如、30恥在垂直方向T上，該方向適當(dāng)?shù)卮怪庇谘由旆较騆。其它氧化劑通過噴槍306以高速射流307的形式提供，所有這些都和上文所述的圖3和4類似。在這種情況下，優(yōu)選數(shù)個用于第二氧化劑的噴槍308a、308b設(shè)置為以上述方式從爐300的兩側(cè)的孔中提供第二氧化劑，使得第二氧化劑各自的射流以不同的相反的方向沿頂棚燃燒器的排30fe、3(^b供應(yīng)到這些排之間各自不同的空間。在圖5中，射流307設(shè)置為在排30fe、3(^b之間每隔一排的空間內(nèi)為一個方向，而在其它空間則為相反方向，不過其它設(shè)置也是可能的。由于不同噴槍306的反向取向，優(yōu)選設(shè)置噴槍306使得爐300內(nèi)第二氧化劑沿排30fe、3(^b之間的不同空間發(fā)生閉環(huán)循環(huán)。在這里，表述“閉環(huán)循環(huán)”表示由第二氧化劑不同射流307的動能驅(qū)動的循環(huán)，導(dǎo)致氣體的至少一個閉合循環(huán)回路。為了獲得這種循環(huán)回路，優(yōu)選矩陣包括至少三排頂棚燃燒器303。即使在相對較小的工業(yè)爐中，這樣的循環(huán)也產(chǎn)生充足的熱均勻性。根據(jù)本發(fā)明特別優(yōu)選的實施方案，為了提高效率和溫度均勻性以及減少運行中產(chǎn)生NOx和CO2的量，本發(fā)明適用于現(xiàn)有的工業(yè)爐100。如上所述，工業(yè)爐100包括傳統(tǒng)的空氣驅(qū)動的頂棚燃燒器103的矩陣，如上所述在初始步驟中在所述頂棚燃燒器中加入用于高速的高含氧量的第二氧化劑的至少一個噴槍206、306。然后操作過程中平衡空氣量和第二氧化劑量，以便以上述方式獲得氧化劑和燃料的增加的化學(xué)計量混合物。這對于實現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點是節(jié)省成本的。根據(jù)優(yōu)選的實施方案，在第一步中現(xiàn)有的空氣頂棚燃燒器103的矩陣中加入上述一個或多個噴槍206、306，然后按需要調(diào)節(jié)單位時間空氣燃燒器103供應(yīng)的燃油量，并結(jié)合單位時間供氧總量的增加，以實現(xiàn)化學(xué)計量平衡。其前提是頂棚燃燒器103的類型允許調(diào)整燃料的供應(yīng)，與常規(guī)的情況相比實現(xiàn)爐200、300的最大加熱效率增加，而不存在材料 202、302表面過熱的風(fēng)險。上面描述的是優(yōu)選實施方案。然而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的是，在不脫離本發(fā)明的精神的情況下可對所述方案進行很多改進。例如，矩陣中頂棚燃燒器的排不需要垂直于爐內(nèi)材料的輸送方向。它們可以例如基本上平行于所述輸送方向，或以與其成非直角的方式設(shè)置。在這種情況下，第二氧化劑的噴槍可設(shè)置在爐的一短端，或以可實現(xiàn)上述目的的任何其它合適方式設(shè)置。因此，本發(fā)明不限于前面所述的實施方案，可在權(quán)利要求所公開的范圍內(nèi)作變換。
權(quán)利要求
1.在工業(yè)爐O00;300)中進行燃燒的方法，所述工業(yè)爐的內(nèi)部由向下的頂棚燃燒器 (203 ；303)的矩陣加熱，所述頂棚燃燒器在工業(yè)爐QOO ；300)頂部排列為至少兩排O05a， 20 ;305a，3(^b)，其中所述頂棚燃燒器^)3 ;303)由燃料和第一氧化劑驅(qū)動以加熱爐 (200 ；300)內(nèi)部的材料(202 ；302)，其特征在于，至少一個噴槍(206 ；306)設(shè)置在爐(200 ； 300)的側(cè)壁QOl ；301)上，氧含量為至少85重量％的第二氧化劑通過所述噴槍Q06 ；306) 以聲速或超聲速以射流O07;307)的形式供入爐O00;300)內(nèi)部，所述第二氧化劑的射流Q07 ；307)在材料Q02 ；302)上方的水平面上在頂棚燃燒器Ο03 ；303)的兩個相鄰排 (205a, 205b ；305a, 305b)之間并基本平行于該兩個相鄰排流動，單位時間供入的第二氧化劑的量被平衡，使得通過第二氧化劑提供的氧占單位時間供入爐O00;300)內(nèi)的氧總量的至少50重量％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二氧化劑以至少1.5馬赫的速度供入。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二氧化劑具有至少95重量％的氧含量。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，單位時間供入的第二氧化劑的量被平衡，使得通過第二氧化劑提供的氧占單位時間供入爐O00;300)內(nèi)的氧總量的至少70重量％。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，所述第一氧化劑為空氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述頂棚燃燒器003;30；3)是常規(guī)的空氣冷卻的空氣燃燒器，其中，通過頂棚燃燒器Ο03 ；303)的空氣流被控制到頂棚燃燒器 (203 ；303)可得到足夠冷卻的最低水平，并控制第二氧化劑的供入量使得在爐QOO ；300) 內(nèi)實現(xiàn)所需的整體化學(xué)計量平衡。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，所述頂棚燃燒器O03;303)的矩陣包括至少3排，每排包括至少4個頂棚燃燒器。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，所述噴槍O06;306)沿著材料 (202 ；302)的上表面和爐QOO ；300)的內(nèi)頂之間的爐壁QOl ；301)設(shè)置在一定高度上，其與材料Q02 ；302)的上表面最高點的垂直距離為在材料Ο02 ；302)和爐QOO ；300)內(nèi)頂之間的最小垂直距離的50% -60%。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，爐(200)在平行于頂棚燃燒器 (203)的排Q05a，2(^b)的方向(T)上為至少8米寬，以及用于第二氧化劑的所述噴槍 (208a, 208b)設(shè)置為以所述高速從爐(200)相對兩側(cè)上相應(yīng)的孔提供第二氧化劑，使得第二氧化劑的各射流(207)平行，但方向上彼此相反。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-8之一所述的方法，其特征在于，頂棚燃燒器(303)的矩陣包括至少3排，其中，在平行于頂棚燃燒器(303)的排(305a，3(^b)的方向上該爐(300)最多10 米寬，以及用于第二氧化劑的噴槍(308a，308b)設(shè)置為以所述高速從爐(300)兩側(cè)上相應(yīng)的孔提供第二氧化劑，使得第二氧化劑的射流(307)以彼此不同的相反方向沿頂棚燃燒器 (303)的排供入各排之間的不同空間中，以及由于不同噴槍(308a，308b)彼此相反的取向而形成第二氧化劑的閉環(huán)循環(huán)。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，第二氧化劑射流的擴散角度為10°或更小。
12.提高效率和溫度均勻性以及減少現(xiàn)有工業(yè)爐O00;300)中形成的NO,*CO2的量的方法，所述工業(yè)爐包括常規(guī)的空氣驅(qū)動的頂棚燃燒器O03;303)的矩陣，其特征在于，在初始步驟后所述爐O00;300)根據(jù)前述權(quán)利要求之一來驅(qū)動，在所述初始步驟中，該爐中加入用于第二氧化劑的噴槍Ο06 ；306)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，必要時在運行中將單位時間通過頂棚燃燒器Q03 ；303)供入的燃料量與單位時間供入的氧總量進行化學(xué)計量平衡，從而增加工業(yè)爐QOO ；300)的最大加熱功率。
全文摘要
本發(fā)明涉及在工業(yè)爐(200；300)中進行燃燒的方法，所述工業(yè)爐的內(nèi)部由向下的頂棚燃燒器(203；303)的矩陣加熱，所述頂棚燃燒器在工業(yè)爐(200；300)頂部排列為至少兩排(205a，205b；305a，305b)，其中所述頂棚燃燒器(203；303)由燃料和第一氧化劑驅(qū)動以加熱爐(200；300)內(nèi)部的材料(202；302)，其特征在于，至少一個噴槍(206；306)設(shè)置在爐(200；300)的側(cè)壁(201；301)上，氧含量為至少85重量％的第二氧化劑通過所述噴槍(206；306)以聲速或超聲速以射流(207；307)的形式供入爐(200；300)內(nèi)部，所述第二氧化劑的射流(207；307)在材料(202；302)上方的水平面上在頂棚燃燒器(203；303)的兩個相鄰排(205a，205b；305a，305b)之間并基本平行于該兩個相鄰排流動，單位時間供入的第二氧化劑的量被平衡，使得通過第二氧化劑提供的氧占單位時間供入爐(200；300)內(nèi)的氧總量的至少50重量％。
文檔編號F23D14/60GK102444907SQ201110334648
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者A·盧格內(nèi)特, T·埃克曼 申請人:林德股份公司