專利名稱：顆粒噴射燃燒器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及噴射例如顆粒材料的燃燒器，特別是涉及，但不是排它的，用于電弧爐中的這樣的燃燒器。
為電弧爐提供輔助氧氣噴槍是眾所周知的；這種爐子的運(yùn)行涉及在電極之間觸發(fā)電弧(其可以產(chǎn)生通過待熔融金屬的熱流)和通過氧氣噴槍(其按著要求可以移近或者離開該金屬)噴射輔助氧氣。一旦觸發(fā)，電弧將加熱金屬，使其達(dá)到大約1620℃-1700℃的最終溫度，而氧氣將氧化金屬中的不希望要的成分并使它們從金屬中分離和產(chǎn)生飄浮在熔融金屬表面的絕緣熔渣層。絕緣熔渣層可以保護(hù)電極和熔爐壁免受飛濺的熔融金屬。輔助氧氣/燃料燃燒器常常設(shè)置在爐壁上，用于輔助電弧的加熱作用。我們的歐洲專利申請No.0764815A描述了一種氧氣/燃料燃燒器，其用來減少在慣用的電弧爐中在最終和關(guān)鍵的加熱步驟期間這種爐子不能足夠地穿過熔渣層的問題。
當(dāng)必須將顆粒材料引入該爐以便有助于在其中發(fā)生的熱的和/或化學(xué)過程時(shí)，慣用電弧爐還有另外的問題。即難于確保這樣的顆粒材料將被正確地分布和/或輸送到該爐的正確部位。
本發(fā)明的目的是減少和可能消除上述的與將顆粒材料引入諸如電弧爐的爐子中有關(guān)的問題。
因此，本發(fā)明提供一種用于電弧爐的燃燒器，包括一個主體部分，該主體部分具有一個縱向軸線X，一個位于其上的主要出口，在所述的主要出口的上游并且圍繞軸線X基本上同心布置的燃料和主氧化劑的出口，一個用于接納和混合所述的燃料和氧化劑的在該主體部分內(nèi)的腔室，一個位于所述的腔室的下游用于使向著和從所述的主要出口出來以便燃燒的所述的燃料和氧化劑的混合物加速的加速裝置，其中設(shè)置有一個緊鄰所述的加速裝置并在其下游的裝置，用于將被攜帶在次氧化劑中的顆粒物質(zhì)排放到該被加速的燃料和主氧化劑的射流中。
利用這樣的裝置，由氧化劑攜帶的顆粒材料將被吸入該燃料和主氧化劑的加速射流中，以便徹底分布和/或達(dá)到熔爐中的理想部位。在顆粒材料是煤的情況下，部分的或者甚至全部的脫揮發(fā)分可以達(dá)到火焰中，該揮發(fā)物可以提供另外的燃燒燃料從而使燃料節(jié)省。
該用于使燃料和主氧化劑射流加速的加速裝置最好包括一個用于該混合物的流動通道，該流動通道沿著流動方向連續(xù)地縮放。
該加速裝置可以包括一個基本上與軸線X同軸線的拉伐爾噴嘴，并且所述的排放裝置基本上圍繞軸線X同心地布置。最好是該排放裝置這樣構(gòu)形，使得它可以將所述的由氧化劑攜帶的顆粒物質(zhì)基本上平行于軸線X排放。
所述的排放裝置可以象慣常的一樣是圍繞所述的加速裝置的環(huán)形裝置并且適于將由氧化劑攜帶的顆粒物質(zhì)以一種中空的基本上圓筒形的或者錐形的噴霧圖形排放。利用這種布置，該排放裝置可以這樣構(gòu)形，使得它可以為顆粒物質(zhì)提供一個線性的流動通道(即基本上平行于其長度的大部分的流動通道)，當(dāng)顆粒材料是具有相當(dāng)?shù)哪ノg性質(zhì)的材料，例如碳化鐵時(shí)，其是特別適當(dāng)?shù)摹?br> 或者，所述的排放裝置可以基本上與軸線X同軸線，該加速裝置圍繞該排放裝置同心地布置。該加速裝置可以適當(dāng)?shù)鼐哂幸粋€圍繞該排放裝置的環(huán)形出口。
在這樣的布置中，來自環(huán)形出口的燃料和主氧化劑的加速可以在排放裝置附近產(chǎn)生相當(dāng)大的壓力降，因此可以使顆粒材料的混合和穿入作用加強(qiáng)。該排放裝置可以這樣成形和構(gòu)形，使其可以將從其排放的由氧化劑攜帶的顆粒物質(zhì)加速，借此使顆粒材料加速到更大的程度。
本發(fā)明還提供了一種用于電弧爐的燃燒器的運(yùn)行方法，該方法包括將用于燃燒的向著和出自燃燒器主體的主要出口的燃料和主氧化劑的混合物加速和將在次氧化劑中攜帶的顆粒物質(zhì)排放到該燃料和主氧化劑的加速射流附近，借此將所述的由氧化劑攜帶的顆粒物質(zhì)吸入該燃料和主氧化劑的射流中。
在大多數(shù)的電弧熔爐應(yīng)用中，燃料常常是天然氣。主氧化劑可以是氧氣或者富有氧氣的空氣，而用于攜帶著顆粒材料的次氧化劑最好是空氣，雖然在某些應(yīng)用場合其與主氧化劑可以是相同的。此外，本發(fā)明雖然只就顆粒材料的噴射在上面作了描述，但是業(yè)已發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的燃燒器的某些實(shí)施例特別適用于噴射液體(例如附加液體燃料，或者諸如液體氧氣的低溫液體，在某些應(yīng)用場合它們可能是合乎需要的)，或者噴射稀漿(即被攜帶在液體中的顆粒材料)，如在諸如污水的廢渣的干燥和/或焚化時(shí)。在兩種情況下，液體材料都被攜帶在空氣中，如同顆粒材料的噴射一樣，但是以液滴或者霧化的形式。因此，在本文中所用之處，特別是在權(quán)利要求中，術(shù)語“顆粒材料”應(yīng)當(dāng)理解為包括液體的離散液滴和在被攜帶在液體中的顆粒材料的離散小滴。
現(xiàn)在將以實(shí)例的方式和參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中

圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施例的燃燒器的部分出口端的剖視圖；圖2是本發(fā)明的燃燒器的第二實(shí)施例的出口端的剖視圖；圖3是本發(fā)明的燃燒器的第三實(shí)施例的出口端的剖視圖；圖4a-4d是圖3的燃燒器的各種元件的剖視圖；圖1示出了燃燒器1出口端的示意剖視圖(為清晰起見，在圖1中僅示出了一部分燃燒器1；可以理解，圖1的燃燒器相對于縱向軸線基本上是對稱的)。
燃燒器1包括總地由標(biāo)號3示出的本領(lǐng)域眾所周知的一個“火箭燃燒器”噴嘴。噴嘴3在氧化劑與燃料的摩爾比小于或者等于2∶1的情況下將天然氣和氧氣噴入殼體5中。沿著流動方向(向圖1的右側(cè))，燃料氣體和氧氣的混合物的流動通道在標(biāo)號7，9和11處為圓角，以便形成一種拉伐爾噴嘴(Laval nozzle)，該噴嘴是一種用于使燃料和主氧化劑加速并且也用于加強(qiáng)其混合的連續(xù)縮放流動通道。環(huán)繞殼體5有另一個外殼體13，而在殼體5和外殼體13的內(nèi)部分之間形成一個環(huán)形流動通道15。流動通道15用于將顆粒材料引入燃料和主氧化劑流中。攜帶于空氣中的顆粒材料沿著流動通道15從圖的左側(cè)向右側(cè)流動，直至在殼體5的遠(yuǎn)端17的區(qū)域附近，由通過其的燃料和氧化劑流的加速而產(chǎn)生的壓力降吸引攜帶顆粒材料的空氣流，使其與燃料流混合，因而將其和燃燒器火焰推離燃燒器1的遠(yuǎn)端19，借此確保顆粒材料充分分布于由燃燒器1產(chǎn)生的火焰中，并盡可能遠(yuǎn)地噴入電弧爐(未示出)中。
圖1的燃燒器1的一個重要的特征是，流動通道15是直的(即其中沒有彎曲處或者阻礙物)。這對于避免由特別磨蝕性質(zhì)的顆粒材料(例如碳化鐵)對燃燒器1的零件的磨蝕是非常重要的。
內(nèi)殼體5最好在其遠(yuǎn)端(如總地由標(biāo)號21示出的)是水冷的，而外殼體13設(shè)置有用于冷卻目的的一個流動通道23(流動冷卻水或者空氣)。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員都知道，從流動通道15流過的攜帶著顆粒材料的空氣對于燃燒過程可提供非常重要的次氧化劑源，借此可產(chǎn)生分級火焰，如在本領(lǐng)域所熟知的，其有助于降低有害的NOx排放。
圖2所示的燃燒器51包括一個外殼體53和一個內(nèi)殼體55，外殼體53和內(nèi)殼體55一起產(chǎn)生一個用于分別通過環(huán)形通道59和61提供的燃料(天然氣)和氧氣或者富氧空氣的環(huán)形的連續(xù)的縮放流動通道57。該縮放流動通道57用于使將從燃燒器51的主要出口63排出以便隨后燃燒的燃料和氧化劑流加速。殼體53和55(它們是水冷的)分別在標(biāo)號65a，65b和65c，65d處是圓角的，以便形成從圖2的左側(cè)向右側(cè)的連續(xù)的縮放流動通道57。
內(nèi)殼體55還形成一個用于提供攜帶在空氣中的諸如煤的顆粒材料的收縮的流動通道67，該顆粒材料流受到由從流動通道57排出的加速的燃料和氧化劑的混合物的環(huán)形流產(chǎn)生的壓力降的吸引，以便當(dāng)該組合流從燃燒器51的遠(yuǎn)端63流出時(shí)徹底與其混合。由圖2的燃燒器產(chǎn)生的環(huán)形的加速的燃料和混合物流對于沿著流動通道67供給的顆粒材料產(chǎn)生重要的吸引作用，從而促進(jìn)顆粒材料的徹底混合和噴射。這特別適用于將顆粒燃料引入火焰中。
在圖2所示的燃燒器51中，當(dāng)其作為煤/空氣和天然氣/氧氣的燃燒器/噴槍運(yùn)行時(shí)，沿著出口61的大約35磅/英寸2或者更高(大約0.24MPa或者更高)的氧氣供給，大于4MW和大約25磅/英寸2或者更高(大約0.17MPa或者更高)的壓力的天然氣的供給，大于50公斤/每分鐘的顆粒煤的最大流量是可行的。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員都知道，圖2的燃燒器特別適用于將火焰以音速或者超音速引入電弧爐中，但是在流動通道67中顆粒流可能導(dǎo)致內(nèi)殼體55的不可接受的磨蝕(特別是在標(biāo)號65c和65d所示的區(qū)域)，特別是在顆粒材料是磨蝕性質(zhì)的情況下更是如此。因此，雖然適用于采用粉末煤或者顆粒煤，但是圖2的燃燒器51當(dāng)采用諸如粉末焦或者顆粒炭(局部氧化的煤)或者碳化鐵時(shí)可能受到不可接受的磨蝕；圖1的燃燒器更適于采用這些類型的顆粒材料。
圖3所示的燃燒器102非常相似于圖2的實(shí)施例，但是中央的顆粒流動通道103中沒有彎曲部分或者限制部分，當(dāng)噴射大量的顆粒材料或者特別磨蝕的材料時(shí)，或者當(dāng)噴射液滴或者液體中的顆粒材料的稀漿時(shí)，這是特別理想的。
諸如氧氣的主氧化劑和諸如天然氣的氣體燃料分別通過入口105和107引入，而在以軸線X為中心的環(huán)形的縮/放流動通道104中混合。被攜帶在沿著流動通道103通過的次氧化劑中的顆粒材料將被攜帶入從流動通道104排出的加速流中，因而顆粒材料將完全分布在整個燃燒區(qū)。
顆粒物質(zhì)在整個火焰中的分布是有利的，因?yàn)檫@將在顆粒材料進(jìn)入該爐之前使其預(yù)熱。在顆粒材料是煤的情況下，預(yù)熱可以部分地甚至完全地使煤粒脫揮發(fā)分，釋放的揮發(fā)物質(zhì)將用作燃燒的燃料，剩余下來的將主要是碳。
圖3的燃燒器101設(shè)置有進(jìn)水口111，113和相應(yīng)的出水口117，115，用于使用時(shí)，使冷卻燃燒器的水流動。
圖4a和4b示出了局部拆開的圖3的燃燒器，而圖4c和4d示出了圖4b次總成的分解圖。如可見到的，圖3所示的大致軸向?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)可容許燃燒器101進(jìn)行快速的方便的組裝和拆卸，以便進(jìn)行維護(hù)，修理或者更換，從而適應(yīng)不同類型的煤，氧化劑和/或顆粒物質(zhì)或者它們的的不同的流量。
雖然主要描述了顆粒煤噴入電弧爐中的情況，但是本發(fā)明的燃燒器可以用于許多其它用途(例如，噴入非反應(yīng)固體材料，例如預(yù)熱廢粉屑再引入電弧爐中)和液滴形式或者霧化形式的液體或者稀漿。本發(fā)明的燃燒器不限于用于電弧爐中，還可以用于焚化，脫水和各種煉鐵和煉鋼工藝，沖天爐中，DRI和碳化鐵的生產(chǎn)。
通過熱氧氣的超音速噴射(超理想配比火焰)，可以利用該燃燒器來進(jìn)行金屬脫碳以及(一氧化碳)后燃。燃燒器可以安裝在水冷箱中，該箱可以安裝有用于引入多余氧氣以便后燃的氧氣口或者噴槍，同時(shí)燃燒器噴入熱氧氣和碳以便使熔渣起泡沫。
如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所知道的，圖1，2和3所示的燃燒器的不同部件被構(gòu)形和設(shè)定尺寸，要考慮諸如可利用的背壓，顆粒尺寸，所需要的流速，要達(dá)到的流量/速度和從燃燒器所需要的熱量輸出等變量。還應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的燃燒器不限于任何特定的燃料/氧化劑比；在某些應(yīng)用場合，希望提供富氧化劑的燃料/氧氣混合物(超理想配比運(yùn)行)，例如在后燃過程中，或者使熔渣起泡沫時(shí)，而在其它應(yīng)用場合，希望提供貧氧化劑的混合物(“亞理想配比”)。
權(quán)利要求
1.一種用于電弧爐的燃燒器，包括一個主體部分，該主體部分具有一個縱向軸線X，一個位于其上的主要出口，在所述的主要出口的上游并且圍繞軸線X基本上同心布置的燃料和主氧化劑的出口，一個用于接納和混合所述的燃料和氧化劑的在該主體部分內(nèi)的腔室，一個位于所述的腔室的下游用于使向著和從所述的主要出口出來以便燃燒的所述的燃料和氧化劑的混合物加速的加速裝置，其中設(shè)置有一個緊鄰所述的加速裝置并在其下游的裝置，用于將被攜帶在次氧化劑中的顆粒物質(zhì)排放到該被加速的燃料和主氧化劑的射流中。
2.如權(quán)利要求1所述的燃燒器。其特征在于，該加速裝置包括一個用于燃料和主氧化劑混合物的流動通道，該流動通道沿著流動方向連續(xù)地縮放。
3.如權(quán)利要求1或2所述的燃燒器。其特征在于，該加速裝置包括一個基本上與軸線X同軸線的拉伐爾噴嘴，并且所述的排放裝置圍繞軸線X同心地布置。
4.如權(quán)利要求3所述的燃燒器。其特征在于，該排放裝置這樣構(gòu)形，使得它可以將所述的由氧化劑攜帶的顆粒物質(zhì)基本上平行于軸線X排放。
5.如權(quán)利要求3或4所述的燃燒器。其特征在于，所述的排放裝置是圍繞所述的加速裝置的環(huán)形裝置并且適于將由氧化劑攜帶的顆粒物質(zhì)以一種中空的基本上圓筒形的或者錐形的噴霧圖形排放。
6.如權(quán)利要求1或2所述的燃燒器。其特征在于，所述的排放裝置基本上與軸線X同軸線，該加速裝置圍繞該排放裝置同心地布置。
7.如權(quán)利要求6所述的燃燒器。其特征在于，該加速裝置具有一個圍繞該排放裝置的環(huán)形出口。
8.如權(quán)利要求6或7所述的燃燒器。其特征在于，該排放裝置這樣構(gòu)形，使得對于通過其流動的被攜帶的顆粒物質(zhì)基本上沒有阻礙。
9.如權(quán)利要求6或7所述的燃燒器。其特征在于，該排放裝置的形狀和構(gòu)形使其可以將從其排放的由氧化劑攜帶的顆粒物質(zhì)加速。
10.如前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的燃燒器。其特征在于，它包括一個用于獨(dú)立地控制燃料，氧化劑和顆粒物質(zhì)的射流進(jìn)入和通過燃燒器的裝置。
11.一種如前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的燃燒器的運(yùn)行方法，包括將用于燃燒的向著和出自燃燒器主體的主要出口的燃料和主氧化劑的混合物加速和將在次氧化劑中攜帶的顆粒物質(zhì)排放到該燃料和主氧化劑的加速射流附近，借此將所述的由氧化劑攜帶的顆粒物質(zhì)吸入該燃料和主氧化劑的射流中。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，它包括將由氧化劑攜帶的顆粒物質(zhì)從一個或者多個圍繞燃料和主氧化劑的加速射流的圓周分布的出口排出。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，它包括使燃料和主氧化劑的混合物以一種中空的基本上圓筒形或者錐形的噴霧圖形加速，其中，由氧化劑攜帶的顆粒物質(zhì)被排放在所述的噴霧圖形中并且基本上與該噴霧圖形同軸線。
14.如權(quán)利要求11，12或者13所述的方法，其特征在于，主氧化劑從燃燒器以超音速排放。
15.如權(quán)利要求11-14中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該主氧化劑是氧氣或者富氧氣的空氣。
16.如權(quán)利要求11-15中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該次氧化劑是空氣。
17.如權(quán)利要求11-16中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，顆粒材料由液滴或者攜帶著固體物料的液滴構(gòu)成。
全文摘要
一種用于電弧爐的燃燒器,其中燃料和主氧化劑射流的加速用來實(shí)現(xiàn)顆粒物質(zhì)和次氧化劑射流與其混合和加速。該燃燒器也可以混合和加速小滴形式的液體材料或者稀漿。通過超音速噴射氧氣(超理想配比火焰),可以利用燃燒器來使金屬脫碳以及后燃。燃燒器可以安裝在水冷箱中。該箱可以安裝有用于后燃的多余氧氣的氧氣口,同時(shí)燃燒器可以噴射熱的氧氣和碳以便使熔渣起泡沫。
文檔編號F23D17/00GK1198518SQ9810744
公開日1998年11月11日 申請日期1998年4月24日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月25日
發(fā)明者C·J·菲德曼 申請人:英國氧氣集團(tuán)有限公司