[發明專利]用于爐氣氛控制的低速分級燃燒

無效

• 申請號: 200880022683.3
• 申請日: 2008-06-19
• 公開（公告）號: CN101688662A
• 公開（公告）日: 2010-03-31
• 發明（設計）人: H·科巴亞施
• 申請（專利權）人: 普萊克斯技術有限公司
• 主分類號: F23C6/04
• 分類號: F23C6/04;F27B3/20
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 彭 武;譚祐祥

技術領域

本發明大體而言涉及爐內的分級燃燒，爐包含著將要由燃燒所生成的熱量進行加熱的爐料。

背景技術

在利用燃料與氧化劑燃燒的許多工業加熱過程中，燃料燃燒的產物與爐料相互作用或起反應，并且常常會造成不希望的效果。舉例而言，已知沖擊于玻璃熔爐中玻璃熔體上的富燃性(fuel?rich)火焰會造成玻璃產品顏色改變，這是由于暴露于富燃性火焰下的玻璃熔體的氧化還原反應變化所致。在鋼再加熱爐中，在加熱期間形成氧化膜，這造成金屬損失或表面缺陷。在利用美國專利第6,592,649號和第6,602,320號中所公開的工藝來直接還原氧化鐵的過程中，鐵礦石、煤粒和熔劑材料的混合物被凝聚成球且置于轉底爐(rotary?hearthfurnace)中，被加熱并還原以產生(iron?nugget)。氧化鐵被預熱，被來自煤的碳還原，并熔化形成。在熔化區中，經還原的爐料被氣體燃燒器加熱到1300至1500℃以形成熔并與爐渣分開。在還原區中，從鐵還原反應快速放出CO氣體防止爐氣氛中的氧化氣體(CO₂、H₂O和O₂)對爐料進行氧化。在熔形成區中，從爐料放出少量CO且經還原的易于被爐燃燒產物(CO₂、H₂O和過量O₂)再氧化。現有技術已披露了通過在爐料材料的床層中裝入額外的煤粒子來防止鐵熔核再氧化而部分地解決了再氧化問題。在脫揮(devolatization)后，形成木炭床層。

這種辦法存在缺陷。即使在過量焦炭顆粒的床層上形成鐵熔核，每個熔核的頂表面仍被暴露于爐氣氛。熔化過程需要大量熱，通常由天然氣與空氣的燃燒來提供這些熱量。CO₂和H₂O與碳的反應是吸熱的并消耗熱量且增加了天然氣消耗。希望防止鐵熔核的再氧化。

氮的氧化物(NOx)是燃燒期間生成的重要污染物且希望在進行燃燒時減少它們的生成。已知可通過使用工業純氧氣或富含氧氣的空氣作為氧化劑來執行燃燒以減少NOx生成，因為這在等量氧的基礎上減少了提供到燃燒反應的氮氣的量。但是，使用具有比空氣的氧氣濃度更高氧氣濃度的氧化劑會造成燃燒反應在更高溫度進行、且這種更高溫度在動力學上有利于NOx形成。

已使用分級燃燒來減少NOx生成，特別是當氧化劑是氧氣濃度超過空氣的氧氣濃度的流體時。在分級燃燒中，燃料與氧化劑按一定化學計量比被引入到燃燒區中并燃燒。由于過量燃料用于燃燒，氧化劑的很少的氧分子與氮氣反應形成NOx。向燃燒區提供額外的氧氣以在第二下游級中完成燃燒。由于二次氧在與未燃燒燃料混合之前首先被爐氣稀釋，在第二級中的燃燒并非在很高溫度下發生，從而限制所形成NOx的量。

使用深度分級燃燒過程，可通過將爐氣氛豎直分層而使靠近爐膛區域的爐氣氛還原性更強(美國專利5,755,818)或氧化性更強(美國專利5,924,858)。為了對鐵進行直接還原，需要靠近爐膛區域的還原性氣氛。盡管這種技術已經在商業上用于玻璃熔爐，其中爐膛區域受控以具有富含較多氧氣的氣氛，由于這種方法需要相對較高的動量，氣氛分層的程度是有限的。近來，在美國專利第5,609,481號、第5,563,903號、第5,961,689號和第6,572,676號中描述了通過在直燃爐的下半部分中提供惰性保護氣氛(諸如氮氣)來完全控制爐氣氛的技術。該工藝應用于全尺寸爐(13英尺寬×23英尺長×8英尺高)中80％的鋁重熔和還原浮渣形成。盡管該工藝可應用在直接還原爐中以在熔爐的下半部分中形成還原氣氛且在熔爐的上半部分中形成氧化氣氛，但這個工藝需要大量的專用低速燃燒器使得該工藝操作起來較為復雜。希望有一種具有成本效益和更好分層的方法用于直接還原過程，玻璃熔爐、以及其中發生著燃燒氣氛與爐料相互作用的其它工業熔爐。

為了利用具有比空氣的氧氣濃度更高氧氣濃度的氧化劑進行有效的燃燒，必須以相對較高的速度向爐內提供燃料和/或氧化劑以便實現必需的動量。燃燒反應物必須具有一定動量以便保證燃料與氧化劑充分混合來進行有效的燃燒。高動量也造成燃燒反應產物在整個爐中更有效地傳播以傳熱至熔爐爐料。動量是質量與速度的乘積。氧氣濃度超過空氣的氧氣濃度的氧化劑在等量氧分子的基礎上具有低于空氣的質量。舉例而言，具有氧氣濃度為30％(以摩爾百分數計量)的氧化劑流體將會具有氧化性等效的數量的空氣的大約70％質量。因此，為了維持必需動量，燃燒反應的速度，即，燃燒反應的燃料和/或氧化劑的速度必須相應地更高。