氧-燃料爐和在氧-燃料爐中加熱材料的方法
【專利摘要】公開一種氧-燃料爐，以及在氧-燃料爐中加熱材料的方法。該方法包括：在氧-燃料爐中用氧-燃料噴燃器組件燃燒氧和燃料，從而形成燃燒氣體；以及在氧-燃料爐的封殼的中心區(qū)域內(nèi)保持渦旋，渦旋包括燃燒氣體。氧-燃料噴燃器組件包括成角度地布置成產(chǎn)生渦旋的多個高動量氧-燃料噴燃器，相對于封殼的爐壁邊界，該角度大于15度但小于75度，角速度大于0.07弧度每秒，或者呈它們的組合的方式。爐包括：氧-燃料噴燃器組件，其包括具有高形狀因素噴嘴幾何構(gòu)造的至少兩個高動量氧-燃料噴燃器；以及封殼。渦旋增加封殼內(nèi)的對流加熱和封殼內(nèi)的加熱的均勻性。
【專利說明】氧-燃料爐和在氧-燃料爐中加熱材料的方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求2011年4月5日提交的美國臨時專利申請N0.61/471，900的優(yōu)先權(quán)和好處，該申請通過引用而整體地結(jié)合在本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及加熱材料的系統(tǒng)和方法。更特別地，本發(fā)明涉及氧-燃料爐，以及通過使用氧-燃料爐來加熱材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]氮氧化物(NOx)在由燃燒過程排出的主要空氣污染物之中。因為NOx會促進(jìn)引起煙霧的有害大氣反應(yīng)產(chǎn)物的形成，所以多個政府機(jī)構(gòu)已經(jīng)實行空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來限制可排到大氣中的NOx的量。由于許多國家的環(huán)境立法增加，以及全球?qū)Υ髿馕廴镜恼J(rèn)識度增加，當(dāng)代燃燒技術(shù)已經(jīng)得到改進(jìn)，以減少來自多種類型的燃燒裝備的NOx排放。
[0004]再生金屬行業(yè)一般被認(rèn)為是主要的NOx污染源，并且因此受到關(guān)于NOx排放的嚴(yán)格規(guī)則的約束。在燃燒過程中減少NOx的產(chǎn)生在這個行業(yè)中變得更重要，因為對金屬的需求增加，而對NOx的環(huán)境規(guī)則卻變得越來越嚴(yán)格。全氧-燃料燃燒在理論上可產(chǎn)生非常低的NOx排放，因為氧化劑中沒有氮。
[0005]再生金屬行業(yè)已經(jīng)有了減少NOx排放的革新。在美國專利申請公開N0.2007/0254251中描述了這種已知系統(tǒng)，該申請通過引用而整體地結(jié)合在本文中。已知的系統(tǒng)通過將爐氣體輸送到火焰區(qū)中來實現(xiàn)大規(guī)模燃燒。這種系統(tǒng)減少了排放。但是，進(jìn)一步的減少是合乎需要的，尤其是在進(jìn)一步的燃燒NOx減少與熱能消耗考量相平衡(例如由于平衡輻射和對流熱傳遞成分)的情況下。
[0006]傳統(tǒng)的低動量氧-燃料燃燒由輻射模式熱傳遞控制，但缺乏對流加熱成分。缺乏對流成分是因為氣體量低，而且缺乏對流成分可增加加熱不一致或不均勻、熱點(diǎn)和產(chǎn)生NOx的可能性。相比之下，空氣燃料燃燒由于N2稀釋而缺乏輻射加熱的效率。但是，空氣燃料燃燒可具有強(qiáng)的對流熱傳遞成分，因為煙道氣量較高，當(dāng)與輻射結(jié)合時，較高的煙道氣量可用來加熱產(chǎn)物。但是，來自空氣-燃料火焰的輻射比來自氧-燃料火焰的輻射低得多。
[0007]不遭受一個或多個以上缺陷的氧-燃料爐和在氧-燃料爐中加熱材料的方法在本領(lǐng)域中將是合乎需要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]在示例性實施例中，一種用于在氧-燃料爐中加熱材料的方法包括:在氧-燃料爐中用氧-燃料噴燃器組件燃燒氧和燃料，從而形成燃燒氣體；以及在氧-燃料爐的封殼的中心區(qū)域內(nèi)保持渦旋，渦旋包括燃燒氣體。氧-燃料噴燃器組件包括成角度地布置成產(chǎn)生渦旋的多個高動量氧-燃料噴燃器，相對于封殼的爐壁邊界，角度大于15度但小于75度。
[0009]在另一個示例性實施例中，一種用于在氧-燃料爐中加熱材料的方法包括:在氧-燃料爐中用氧-燃料噴燃器組件燃燒氧和燃料，從而形成燃燒氣體；以及在氧-燃料爐的封殼的中心區(qū)域內(nèi)保持渦旋，渦旋包括燃燒氣體。渦旋具有大于0.07弧度每秒的角速度。
[0010]在另一個示例性實施例中，一種氧-燃料爐包括:氧-燃料噴燃器組件，其包括具有高形狀因素噴嘴的至少兩個高動量氧-燃料噴燃器；以及封殼。氧-燃料噴燃器組件包括成角度地布置成產(chǎn)生渦旋的多個高動量氧-燃料噴燃器，相對于封殼的爐壁邊界，角度大于15度但小于75度。渦旋增加封殼內(nèi)的對流加熱和封殼內(nèi)的加熱的均勻性。
[0011]根據(jù)結(jié)合附圖得到的優(yōu)選實施例的以下更詳細(xì)的描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的，附圖以示例的方式示出本發(fā)明的原理。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1至4是根據(jù)本公開的實施例的氧-燃料爐的示意圖。
[0013]圖5是根據(jù)本公開的實施例的氧-燃料爐的三維示意圖。
[0014]圖6是根據(jù)本公開的在氧-燃料爐中加熱材料的示例性方法和其它加熱材料的方法的圖形比較。
[0015]圖7是關(guān)于根據(jù)本公開的示例性氧-燃料爐，表面溫度隨時間而改變的圖解說明。
[0016]圖8是由于在沒有形成渦旋的情況下運(yùn)行氧-燃料爐而引起的爐壁和材料的表面溫度的圖解說明。
[0017]圖9是由于根據(jù)本公開在形成渦旋的情況下運(yùn)行氧-燃料爐而引起的爐壁和材料的表面溫度的圖解說明。
[0018]在可行的情況下，相同參考標(biāo)號將在圖中用來表示相同部件。
【具體實施方式】
[0019]提供示例性氧-燃料爐，以及在氧-燃料爐中加熱材料的方法。本公開的實施例增加氧-燃料加熱過程中的熱傳遞的對流部分，減少用于實現(xiàn)某些溫度的循環(huán)時間，增加效率，或者實現(xiàn)它們的組合。
[0020]參照圖1至5，根據(jù)實施例，氧-燃料爐100包括至少兩個高動量氧-燃料噴燃器102，以及在氧-燃料爐100內(nèi)大體限定燃燒區(qū)的封殼104。封殼104為任何適當(dāng)?shù)膸缀螛?gòu)造，并且由爐壁邊界108限定。例如，在一個實施例中，封殼104為立方形或大體立方形的幾何構(gòu)造。在另一個實施例中，封殼104為圓柱形或大體圓柱形的幾何構(gòu)造。封殼包括例如由各個噴燃器102的噴燃器軸線限定的中心區(qū)域，噴燃器軸線是從噴燃器的中間延伸的線。氧-燃料爐100包括對于保持燃燒、加熱、其它運(yùn)行條件或它們的組合來說必要的其它適當(dāng)?shù)奶卣鳌?br> [0021]封殼104構(gòu)造成容納燃燒氣體的渦旋106的至少一部分，諸如爐級渦旋。通過這樣來形成渦旋106:偏移噴燃器102的燃燒，這將周圍燃燒氣體輸送到封殼104內(nèi)的火焰區(qū)，從而引起攪動(或氣體的均衡)，這例如由于傳送燃燒氣體而形成渦旋106。在一個實施例中，渦旋106用于大規(guī)模燃燒，即，由于爐氣體輸送到火焰區(qū)中而實現(xiàn)的燃燒。在一個實施例中，噴燃器102形成兩個不同的爐氣體再循環(huán)流，例如，水平成分和豎直成分，它們由于封殼104內(nèi)的壓差而壓縮潤旋106。[0022]噴燃器102布置和設(shè)置成形成渦旋106。氧-燃料爐100包括兩個噴燃器102 (參見圖1和2)、三個噴燃器102、四個噴燃器102 (參見圖3)，或者不止四個噴燃器102。如圖1中顯示的那樣，在一個實施例中，噴燃器102以交錯定向在封殼104的相對的側(cè)定位在爐壁邊界108上。如圖2中顯示的那樣，在一個實施例中，兩個噴燃器102以成角度的構(gòu)造定位在爐壁邊界108上。如圖3中顯示的那樣，在一個實施例中，四個噴燃器102以成角度的構(gòu)造定位在爐壁邊界108上。其它實施例包括這些實施例的組合。
[0023]噴燃器102是能夠在高動量條件下使用的任何適當(dāng)?shù)膰娙计?，諸如，美國專利申請公開N0.2007/0254251中公開的噴燃器(其通過引用而整體地結(jié)合在本文中)，以及/或者高形狀因素噴燃器。如本文所用，用語“高動量”指的是通過噴燃器102的通路的至少一個通道的氣體的流量大于大約5磅-英尺/秒2。在一些實施例中，通過噴燃器102的通路的至少一個通道的氣體的流量大于大約10磅-英尺/秒2，例如，對于天然氣，具有介于大約10磅-英尺/秒2和70磅-英尺/秒2之間的流率，從而使得能夠以較高的速率燃燒，改進(jìn)循環(huán)時間，減少局部過熱(諸如使熱電偶過熱)，或者實現(xiàn)它們的組合。如本文所用，用語“高形狀因素噴燃器”指的是具有大于圓形噴嘴的周長的噴嘴周長或多個周長的噴燃器。例如，相對周長比(Pre7)是高形狀因素噴燃器(諸如，非圓形噴燃器)的噴嘴(一個或多個)的周長與圓形噴嘴的周長的比。對于具有1.0英寸2面積的噴嘴，圓形噴嘴具有
3.54英寸的周長。因而，具有1.0英寸2的噴嘴的高形狀因素噴燃器具有大于3.54英寸的周長。在一個實施例中，高形狀因素噴燃器具有為1.96的相對周長比。
[0024]參照圖4和5，在一個實施例中，兩個或更多個噴燃器102通過相對于爐壁邊界108以角Θ成角度而形成渦旋106。角Θ對應(yīng)于氧-燃料爐100的具體構(gòu)造(例如，幾何構(gòu)造、大小或它們的組合)、待加熱的材料(例如，金屬或金屬材料，諸如錠鐵、片材、鑄造材料、鍛造材料、鋁、鐵、鋼、含鐵材料、不含鐵的材料或它們的組合)、其它適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行考量(例如，流率、氧-燃料的成分、封殼壓力、封殼材料等)，或它們的組合。加熱的材料定位在封殼104內(nèi)的任何適當(dāng)?shù)牟糠痔帲?，在封?04的底部上。在一個實施例中，氧-燃料在氧化劑(例如，來自 95 mol%的氧的氧化劑流)和燃料(例如，天然氣、丙燒、合成氣、低Btu燃料等)中包括至少50 mol%的氧。
[0025]在一個實施例中，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，或者為它們的任何適當(dāng)?shù)姆秶臃秶?、組合或子組合。
[0026]在一個實施例中，氧-燃料爐100加強(qiáng)混合和爐氣體輸送，這會降低峰值火焰溫度和熱NOx產(chǎn)生量。噴燃器102使混合加強(qiáng)，從而在渦旋106內(nèi)產(chǎn)生具有第一壓力的低壓力區(qū)域，以及緊鄰封殼104的爐壁邊界108的具有第二壓力的高壓力區(qū)域。
[0027]通過噴燃器102的燃燒氣體流在爐100的封殼104中施加的力(Flrll)可如等式I中顯示的那樣表示:
Finl = Pin!.QinI.Ujn!(等式 I)
如等式I中使用的那樣，Pinl指的是進(jìn)入封殼104的燃燒流的密度(例如，以磅/英尺3為單位來表示，這取決于火焰溫度)。Uim指的是進(jìn)入封殼104的入口流的速度(例如，以英尺/秒為單位來表示)。Ow指的是進(jìn)入到封殼104中的總?cè)肟诹髀?例如，以英尺3/秒為單位來表示)。[0028]在一個實施例中，通過在噴燃器102中的一個或多個中使用具有高形狀因素的噴嘴來加強(qiáng)爐氣體輸送到火焰中。噴嘴與爐氣體強(qiáng)烈地相互作用所實現(xiàn)的實際流可如等式2中顯示的那樣表示:
【權(quán)利要求】
1.一種用于在氧-燃料爐中加熱材料的方法，所述方法包括: 在所述氧-燃料爐中用氧-燃料噴燃器組件燃燒氧和燃料，從而形成燃燒氣體；以及 在所述氧-燃料爐的封殼的中心區(qū)域內(nèi)保持渦旋，所述渦旋包括燃燒氣體； 其中，所述氧-燃料噴燃器組件包括成角度地布置成產(chǎn)生所述渦旋的多個高動量氧-燃料噴燃器，相對于所述封殼的爐壁邊界，所述角度大于15度但小于75度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個高動量氧-燃料噴燃器中的至少一個包括高形狀因素噴嘴。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個高動量氧-燃料噴燃器包括交錯的噴燃器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個高動量氧-燃料噴燃器包括兩個噴燃器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個高動量氧-燃料噴燃器包括四個噴燃器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個高動量氧-燃料噴燃器包括不止四個噴燃器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述渦旋具有大于0.07弧度每秒的角速度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述.的方法，其特征在于，所述角度介于大約30度和大約60度之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述渦旋在所述封殼的區(qū)域中引起對流熱，所述區(qū)域介于所述封殼的大約15%和大約75%之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述渦旋在所述封殼的區(qū)域中引起對流熱，所述區(qū)域介于所述封殼的大約30%和大約60%之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述封殼在所述渦旋內(nèi)具有第一壓力，所述第一壓力小于所述封殼的所述爐壁邊界附近的第二壓力。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括在所述封殼內(nèi)加熱金屬。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括在所述封殼內(nèi)加熱鋁。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述渦旋增加所述封殼內(nèi)的對流加熱。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述渦旋增加所述封殼內(nèi)的加熱的均勻性。
16.一種用于在氧-燃料爐中加熱材料的方法，所述方法包括: 在所述氧-燃料爐中用氧-燃料噴燃器組件燃燒氧和燃料，從而形成燃燒氣體；以及 在所述氧-燃料爐的封殼的中心區(qū)域內(nèi)保持渦旋，所述渦旋包括燃燒氣體； 其中，所述渦旋具有大于0.07弧度每秒的角速度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述多個高動量氧-燃料噴燃器中的至少一個包括非圓形噴嘴幾何構(gòu)造。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述多個高動量氧-燃料噴燃器包括交錯的噴燃器。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，相對于所述封殼的爐壁邊界，所述角度大于15度但小于75度。
20.—種氧-燃料爐,包括: 氧-燃料噴燃器組件，其包括具有高形狀因素噴嘴的至少兩個高動量氧-燃料噴燃器；以及 封殼; 其中，所述氧-燃料噴燃器組件包括成角度地布置成產(chǎn)生渦旋的多個高動量氧-燃料噴燃器，相對于所述封殼的爐壁邊界，所述角度大于15度但小于75度； 其中，所述渦旋增加 所述封殼內(nèi)的對流加熱，以及所述封殼內(nèi)的加熱的均勻性。
【文檔編號】F23D99/00GK103443541SQ201280016187
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月5日
【發(fā)明者】G.J.布拉吉諾, S.P.甘戈利, 何筱毅, A.G.斯萊夫科夫 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司