回转炉的NO_x抑制技术的制作方法

专利名称：回转炉的NO_x抑制技术的制作方法
技术领域：
本技术涉及加热系统，该系统中燃烧产生氮的氧化物(NOx)，特别涉及抑制用于铁矿石球化、石灰煅烧或其他高温培烧工艺以及高温陶瓷工艺等的熔炉中的N0X。
背景技术：
某些工业工艺(如在熔炉中加热装料)依赖于燃料和氧化剂燃烧产生的热量。燃料包括油、天然气、煤粉和生物燃料。氧化剂包括空气、污浊空气、氧气或富含氧气的空气。 燃料和氧化剂的燃烧产生由氧和氮结合得到的N0X。烧结炉(indurating furnace)是一种特别的熔炉，众所周知其产生高水平的N0X。 大量的粒化材料(如铁矿石的微粒)被引导经过烧结工艺，在这个工艺中这些材料被干燥、 加热到高温，然后冷却。该高温引起氧化反应，该反应硬化这些材料。当冷却时，这些烧结的微粒更能够经受随之而来的存储和运输中的处理。烧结炉具有顺次的工位，用于干燥、加热和冷却步骤。在直炉排(traight grate) 熔炉中，移动炉排将粒化材料输送到熔炉中、经过这些顺次的工位并且移出该熔炉。称作下降管的风井将预热后的空气的向下气流输送至加热工位。燃烧器将燃料和助燃空气喷入该向下气体流，所产生的燃烧到为氧化反应提供热量，这个氧化反应硬化该粒化材料。另一种烧结炉称作链篦式回转窑熔炉(grate-kiln furnace) 0其与直排路的不同在于只在干燥和预热步骤使用移动炉排。当这些步骤完成时，将这些粒化材料从炉排传输进回转炉。燃烧器在该回转炉点燃以提供硬化该粒化材料所需的热量。在有些情况下，用于回转炉的燃烧器使用天然气或油作为燃料。在其他情况中，燃烧器使用固体燃料，如煤粉或生物燃料。将固体燃料在输送空气流中传输到燃烧器。可将额外的空气传输到燃烧器用以冷却。固体燃料还可与粒化材料混合。风罩结构为回转炉提供工艺空气，其与燃烧器处的输送/冷却空气分开。该工艺空气包括燃烧燃料所需的助燃空气，还包括粒化材料中氧化反应所需的空气。发明概述本发明提供一种用于燃烧器的设备，该燃烧器将燃料注入流进并且通过回转炉的工艺空气流中。该设备包括预混合物注入系统，其构造为形成燃料气体和空气的预混合物， 以及将该预混合物在该燃烧器端口的上游注入该工艺空气流。通过在工艺空气的助燃空气部分与从该燃烧器端口注入的燃料燃烧之前污染(vitiating)该助燃空气部分，而使得预混和燃烧产物(POC)能够抑制NOx的产生。本发明的具体实施例中，将该预混合料在燃烧器端口旁边喷射进工艺空气流，而不是在该燃烧器端口的上游。这个布置对于本发明的改造应用是有好处的，其中限制该风罩结构中的将工艺空气输送到回转炉的空间。另一具体实施例具有弧形预混合物注入器口。这使得所注入的预混合物能够通过形成弧形污染区域而抑制NOx的产生，工艺空气的助燃空气部分可在与从该燃烧器端口注入的燃料燃烧之前穿过该区域。该弧形口优选地完全围绕该燃烧器端口延伸以形成管形污染区域。另一种方式来描述就是，本发明在回转炉中应用燃烧区域。燃烧器将燃料注入该燃烧区域。风罩结构将工艺空气引入与燃烧器分开的该燃烧区域。按照本发明，将燃料气体和助燃空气的预混合物注入该燃烧区域，它们与从该燃烧器注入的燃料以及从该风罩提供的工艺空气分开。本发明通过用预混合物燃料提供一部分燃烧器燃料来减少NOx的产生。如果该燃烧器使用固体燃料并且该预混合物是天然气和助燃空气的稀混合物，这是特别有效的。该预混合物POC还通过污染从风罩流入并经过该燃烧区域的工艺空气的一部分而帮助抑制 NOx的产生。出于这个原因，该预混合物优选地从这样的位置注入，即该预混合物POC仅污染参与或最可能参与燃烧反应的工艺空气。本发明每个实施例布置为在流进该燃烧区域的该燃烧器燃料和该工艺空气之间介入预混合物P0C。该预混合物POC污染该工艺空气中作为助燃空气的那一部分，其在这部分工艺空气与燃烧器燃料混合而形成可燃混合物之前与之混合。该预混合物POC可作为一个或多个层或不同的形状的区域来介入，该助燃空气必须渗入这些层或区域以与该燃烧器燃料形成可燃混合物的。示例包括在该燃烧器燃料流旁边的预混合物POC的一个或多个扇形层或垫、布置成围绕该燃烧器燃料流的一组环形预混合物POC流以及和围绕该燃烧器燃料流的单个环形预混合物POC流。优选地，控制器操作反应物供应和控制系统中的阀门，从而所注入的预混合物具有稀燃料与氧化物比例。该预混合物注入器结构可以是新的或者本发明的任意特殊实现中所需的改进构造。改进的实现优选地对已有结构进行最小的改变。


图1是具有构造为本发明一实施例的部件的链篦式回转窑熔炉的局部侧视图。图2是图1示出的部件的正视图。图3是侧视图示出本发明另一实施例。图4是沿图3的线4-4的正视图。图5是示出本发明另一实施例的侧视图。图6是沿图5的线6-6的正视图。图7是示出本发明另一实施例的侧视图。图8是示出本发明另一实施例的正视图。图9是示出本发明另一实施例的侧视图。图10示出本发明另一实施例的侧视图。图11是沿图10中线11-11的正视图。图12是沿图11中线12-12的俯视图。图13-15是图11和12示出的部件的侧视图。图16是侧视图示出本发明另一实施例。图17是沿图16中线17-17的正视图。图18是示出本发明另一实施例的正视图。图19是示出按照本发明构造的链篦式回转窑熔炉的其他部分的视图。图20也是示出按照本发明构造的链篦式回转窑熔炉的其他部分的视图。发明详述
如图1所示，链篦式回转窑熔炉中的燃烧器10将燃料流注入回转炉14的出口端 12。该燃料流可由液体或气体燃料组成，如油或天然气，也可以包括固体燃料。该固体燃料可在输送空气流中传送到该燃烧器10。风罩20具有开口 22，粒化材料通过该开口从该回转炉14落下。吹风机系统M将加压的工艺空气流通过该开口 22输送到该风罩20。优选地将该工艺空气通过硬化工艺的冷却部分的粒化材料床而预热该工艺空气。该工艺空气包括在该回转炉14中烧结该粒化材料的反应所需的空气，还包括该燃烧器燃料燃烧所需的助燃空气。该工艺空气的一部分因此与该燃烧器燃料形成可燃混合物。这使得通过火焰25 从该燃烧器端口 27喷射到该炉14中来表明燃烧。图1中还示出预混合物注入系统28。预混合物注入系统28的这个特定示例包括预混合物燃烧器30。该预混合物燃烧器30具有形成氧化剂集气室33和燃料集气室35的后部32。该氧化剂集气室33接收来自该吹风机系统对的空气。输送至该氧化剂集气室 33的空气通常是未加热的空气，但是可包括从冷却工位或该熔炉其他地方循环来的预热空气。该燃料集气室35接收燃料气体流，其优选地从取自工厂供应的天然气。混合器管36位于该氧化剂集气室33内。在这个示例中，该混合器管36布置成圆形，其中心是纵轴39。每个混合器管36具有开口内端，其接受直接来自该氧化剂集气室33 的助燃空气流。每个混合器管36还接受来自管道40的燃料流，该管道40从该燃料集气室 35延伸进入该混合器管36。随着这些燃料和助燃空气流流过该混合器管36，他们混合在一起以形成称作预混合物的可燃混合物。该预混合物燃烧器30的外部部分50形成具有出口 53的反应区域51。该预混合物从该混合器管36的开口外端一出来就在该反应区域51中点燃。在该反应区域51达到该预混合物的自点燃温度之前，点燃最初是通过使用点火器来完成的。燃烧随着将该预混合物从该出口 53喷入该风罩20和该回转炉14而进行。这是由稳定预混合物火焰阳的指示图像从该反应区域51通过该出口 53投出来表明。该预混合物因此注入该燃烧区域，从而该预混合物POC介于该风罩开口 22流到该燃烧器火焰25 的该燃烧器火焰25和该助燃空气之间。图2是局部正视图，其示出该熔炉燃烧器10和该预混合物燃烧器30在炉口 12的投影视图内。该正视图示出可选的分阶段燃料注入系统，其包括次级燃料注入器58的圆形阵列。图1的侧视图中还示出从该稳定预混合物火焰阳通过该风罩20向前投出并进入该回转炉14的次级火焰57。该次级火焰57是由该次级燃料注入器58注入的次级燃料的燃烧所产生的。通过在这个装置中分段该燃料而进一步抑制NOx的产生。图3是类似于图1的侧视示意图，但是与图1不同之处在于示出预混合物注入器 60而不是预混合物燃烧器。与图1的预混合物燃烧器30不同，该预混合物注入器60没有用于稳定火焰的结构。在这个示例中，该预混合物注入器60布置成中心在该熔炉燃烧器62 的圆形阵列，并因此布置成在流过该风罩的该燃烧器火焰和该助燃空气之间插入预混合物 POC流的对应阵列。图5和6示意性说明布置成熔炉燃烧器72和风罩76的开口低端74之间的常规的矩形阵列的预混合物注入器70，助燃空气通过该风罩的开口流向并进入回转炉78。所注入的预混合物流形成预混合物POC的层或垫，该助燃空气必须流过该层以与从该燃烧器72 注入的燃料流回合并形成可燃混合物。这个实施例的一个变化采用带有矩形阵列混合器管 82的预混合物燃烧器80，如图7所示。该反应区域83的该预混合物燃烧器80的构造为注入的预混合物增加火焰稳定性。图8和9分别类似于图6和7，并且示出额外的预混合物注入结构84和86。图10-15是按照本发明改造的链篦式回转窑熔炉的示意图。该熔炉具有回转炉 90、燃烧器92和风罩94，风罩将工艺空气输送到该回转炉90。该风罩94构造为从该燃烧器92的上方和下方输送工艺空气流。如这个图中所示，该风罩94的这个构造只为该燃烧器92提供很窄的空间。这样构造的空间通过图11的正视图示出的矩形99来示意性示出。如图11-15所示，三对预混合物注入管100、102和104布置在干矩形空间99内。 在不同情况下，该预混合物注入管定向为以该预混合物POC将最有效污染在该燃烧器92上方和下方的该工艺空气的助燃空气部分的方式将预混合物注入该工艺空气。例如，第一对管100位于该燃烧器92下方，或至少部分在该燃烧器92下方，从而对应的预混合物POC将介于该燃烧器燃料流和从该燃烧器92下方向上流的工艺空气之间。这个具体改进实施例中的有限空间99不允许将预混合物注入器管放置该燃烧器92上方。所以，该第二和第三对管102和104位于该燃烧器92旁边，但是向上扭曲，这样就对从该燃烧器92上方向下流动的空气具有同样的污染效果。图16和17示出预混合物注入器设备120构造为以围绕该熔炉燃烧器122注入的燃料流的环形形状来注入预混合物流。具体地，这个预混合物注入器设备120具有环形形式的出口 125，其完全围绕该燃烧器122的圆形出口 127。该环形出口 125与该圆形出口 127径向隔开形成该圆形出口 127 的燃烧器管的径向厚度。从该环形出口 125出来的预混合物的流形成预混合物POC的管形壁，其径向介于该燃烧器燃料流和该流经该风罩130的工艺/助燃空气之间。这污染在与该熔炉燃料流形成可燃混合物之前必须通过该预混合物POC的工艺/助燃空气。不同于图 3和4的布置(其中提供形成圆形阵列的预混合物POC流，其中至少部分彼此周向隔开)， 图15和16的布置提供连续的360度污染区域。该图15-16实施例的一个变化可具有拱形预混合物出口，其连续但只是局部围绕该燃烧器出口延伸。图18的半圆形预混合物出口 1 是这个变化的一个示例。别的例子可以是延伸90度、120度，或者是这些与其他长度的组合。这样的拱形出口可以与一个或多个上述离散的预混合物注入器一起使用。像图4那些注入器优选地位于同心拱形阵列中， 这个阵列在该一个或更多的拱形出口的相对端之间周向延伸。图19示出该预混合物空气可包括预加热空气，其从该链篦式回转窑熔炉中的环形冷却器得到。图20示出控制该燃料流和空气流进入上述该预混合物总成的流量的设备的示意图。自动监控截流阀示出收到控制器(控制器未示)控制，该控制器检测燃烧室高于自点燃温度从而可以安全地开始将预混合物直接注入热的燃烧室。工艺控制器(未示)确定何时需要增加或减少该预混合物注入器所供应的能量的量，以及何时相应地增加或减少需求信号。燃料和空气流两者如图所示由流量测量设备测量。另外，热偶或其他测量装置确定助燃空气的温度。然后空燃比控制器(未示)确定空气与燃料最合适的比率，基于来自该工艺控制器的需求信号和该助燃空气的温度。然后可以将该空气和燃料管线上的流量控制阀调节至该工艺控制器和该空燃比控制器确定的数值。
热偶或其他温度感应装置可安装在混合器体中并受到监测，从而当测量到高于安全数值的温度时，可以中断燃料流。这个书面的说明通过介绍权利要求中描述的要素的示例而阐述了本发明的最佳模式并且描述了本发明，从而使得本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其他示例。这样的其他示例也会在权利要求的范围内，如果它们所具有的要素与权利要求的字面意思没有区别， 或者它们具有与权利要求的字面意思没有实质区别的等同的要素。
权利要求
1.一种用于燃烧器的设备，该燃烧器具有用于将燃料注入流进并通过回转炉的工艺空气流的端口，该设备包括预混合物注入系统，构造为形成燃料气体和空气的预混合物以及将该预混合物在该燃烧器端口的上游注入该工艺空气流，借此预混合燃烧产物可通过在该工艺空气的助燃空气部分与从该燃烧器端口注入的燃料燃烧之前污染该助燃空气部分而抑制NOx产生。
2.如权利要求1所述的设备，其中该预混合物注入系统包括带有出口的预混合物燃烧器和构造为将预混合物提供到该出口的混合器管。
3.如权利要求1所述的设备，进一步包括燃料注入器，其构造为将分段的燃料在该燃烧器端口的上游注入该工艺空气流。
4.如权利要求3所述的设备，其中该预混合物注入系统包括具有出口的预混合物燃烧器和构造为将预混合物提供到该出口的混合器管，并且该燃料注入器布置成围绕该出口的圆形阵列。
5.如权利要求1所述的设备，其中该预混合物注入系统包括多预混合物注入器，构造为将各自的预混合物流在该燃烧器端口的上游注入该工艺空气流。
6.如权利要求5所述的设备，其中该预混合物注入器布置为围绕该燃烧器端口的圆形阵列。
7.如权利要求5所述的设备，其中该预混合物注入器布置为在该燃烧器端口的上游的矩形阵列。
8.如权利要求5所述的设备，其中该预混合物注入器布置为在该燃烧器端口的上游的多个矩形阵列。
9.一种用于燃烧器的设备，该燃烧器具有用于将燃料注入流进并通过回转炉的工艺空气流的端口，该设备包括预混合物注入系统，构造为形成燃料气体和空气的预混合物以及将该预混合物该燃烧器端口旁边注入该工艺空气流，借此预混合燃烧产物可通过在该工艺空气的助燃空气部分与从该燃烧器端口注入的燃料燃烧之前污染该助燃空气部分而抑制NOx产生。
10.如权利要求9所述的设备，其中该预混合物注入系统包括多预混合物注入器，其构造为将各自的预混合物流在该燃烧器端口旁边注入该工艺空气流，包括相对该燃烧器端口歪斜的注入器。
11.一种用于燃烧器的设备，该燃烧器具有用于将燃料注入流进并通过回转炉的工艺空气流的端口，该设备包括预混合物注入系统，构造为形成燃料气体和空气的预混合物以及将该预混合物注入该工艺空气流，包括围绕该燃烧器端口的环形预混合物注入器端口，借此从该环形预混合物注入器端口注入的预混合物可通过形成管状污染区域而抑制NOx的产生，该工艺空气的助燃空气部分在与从该炉燃烧器端口注入的燃料燃烧之前通过该管状污染区域。
12.一种用于燃烧器的设备，该燃烧器具有用于将燃料注入流进并通过回转炉的工艺空气流的端口，该设备包括预混合物注入系统，构造为形成燃料气体和空气的预混合物以及将该预混合物注入该工艺空气流，包括部分围绕该燃烧器端口延伸的拱形预混合物注入器端口，借此从该拱形预混合物注入器端口注入的预混合物通过形成拱形污染区域而抑制NOx的产生，该工艺空气的助燃空气部分在与从该燃烧器端口注入的燃料燃烧之前流经该拱形污染区域。
13.如权利要求12所述的设备，其中该拱形预混合物注入器端口围绕该燃烧器端口延伸90度。
14.如权利要求12所述的设备，其中该拱形预混合物注入器端口围绕该燃烧器端口延伸120度。
15.如权利要求12所述的设备，其中该拱形预混合物注入器端口围绕该燃烧器端口延伸180度。
16.一种设备包括回转炉，具有出口端；风罩，具有开口以接收工艺空气流，该风罩构造为将该工艺空气流从该开口输送到该回转炉的该出口端；燃烧器，具有用于将燃料在该风罩开口下游注入该工艺空气流的端口 ；和预混合物注入系统，构造为形成燃料气体和空气的预混合物以及将该预混合物在该风罩开口和该燃烧器端口之间注入该工艺空气流，借此该预混合燃烧产物可抑制NOx的产生，通过在该工艺空气的助燃空气部分与从该燃烧器端口注入的燃料燃烧之前污染该助燃空气部分。
17.如权利要求16所述的设备，其中该预混合物注入系统包括带有构造为将预混合物注入集气室的出口的预混合物燃烧器，并且进一步包括构造为将预混合物提供至该出口的混合器管。
18.如权利要求16所述的设备，进一步包括燃料注入器，构造为将分段的燃料在该风罩开口和该燃烧器端口之间注入该工艺空气流。
19.如权利要求18所述的设备，其中该预混合物注入系统包括将预混合物注入集气室的出口的预混合物燃烧器，并且进一步包括构造为将预混合物提供至该出口的混合器管， 以及该燃料注入器布置为围绕该出口的圆形阵列。
20.如权利要求16所述的设备，其中该预混合物注入系统包括多预混合物注入器，构造为将各自的预混合物流在该风罩开口和该燃烧器端口之间注入该工艺空气流。
21.如权利要求20所述的设备，其中该预混合物注入器布置为围绕该燃烧器端口的圆形阵列。
22.如权利要求20所述的设备，其中该预混合物注入器布置为在该风罩开口和该燃烧器端口之间的矩形阵列。
23.如权利要求20所述的设备，其中该预混合物注入器布置为在该风罩开口和该燃烧器端口之间的多个矩形阵列。
24.一种在熔炉中注入燃烧反应物的方法，该熔炉包括回转炉和燃烧器，该燃烧器具有用于将燃料注入流进并通过回转炉的工艺空气流的端口，该方法包括形成燃料气体和空气的预混合物；和将该预混合物在该燃烧器端口的上游注入该工艺空气流，借此预混合燃烧产物可通过在该工艺空气的助燃空气部分与从该燃烧器端口注入的燃料燃烧之前污染该助燃空气部分而抑制NOx的产生。
25.如权利要求M所述的方法其中该预混合物以稀燃料-氧化剂比率形成。
26.一种在熔炉中注入燃烧反应物的方法，该熔炉包括回转炉和燃烧器，该燃烧器具有用于将燃料注入流进并通过回转炉的工艺空气流的端口，该方法包括形成燃料气体和空气的预混合物；和将该预混合物在该燃烧器端口旁边注入该工艺空气流，借此预混合燃烧产物可通过在该工艺空气的助燃空气部分与从该燃烧器端口注入的燃料燃烧之前污染该助燃空气部分而抑制NOx产生。
27.如权利要求沈所述的方法其中该预混合物以稀燃料-氧化剂比率形成。
28.一种在熔炉中注入燃烧反应物的方法，该熔炉包括回转炉和燃烧器，该燃烧器具有用于将燃料注入流进并通过回转炉的工艺空气流的端口，该方法包括形成燃料气体和空气的预混合物；和将该预混合物注入该工艺空气流，其中该预混合物以围绕该燃烧器端口的管状流构造注入，借此预混合燃烧产物可通过形成管状污染区域而抑制NOx的产生，该工艺空气的助燃空气部分在与从该燃烧器端口注入的燃料燃烧之前通过该管状污染区域。
29.如权利要求观所述的方法其中该预混合物以稀燃料-氧化剂比率形成。
30.一种在熔炉中注入燃烧反应物的方法，该熔炉包括回转炉和燃烧器，该燃烧器具有用于将燃料注入流进并通过回转炉的工艺空气流的端口，该方法包括形成燃料气体和空气的预混合物；和将该预混合物注入该工艺空气流，其中该预混合物以部分围绕该燃烧器端口延伸的拱形流构造注入，借此预混合燃烧产物通过形成拱形污染区域而抑制NOx的产生，该工艺空气的助燃空气部分在从该燃烧器端口注入的燃料燃烧之前通过该拱形污染区域。
31.如权利要求30所述的方法其中该预混合物以稀燃料-氧化剂比率形成。
全文摘要
一种NOx抑制设备，构造为用于燃烧器，其将燃料注入流进并通过回转炉的工艺空气流。该设备包括预混合物注入系统，其形成燃料气体与空气的预混合物以及将该预混合物在该燃烧器端口的上游注入该工艺空气流。通过在该工艺空气的助燃空气部分与从该燃烧器端口注入的燃料燃烧之前污染该助燃空气部分而使得该预混合燃烧产物能够抑制NOx的产生。
文档编号F23C1/00GK102449394SQ201080022778
公开日2012年5月9日 申请日期2010年3月23日 优先权日2009年3月24日
发明者布鲁斯·E·凯恩, 托马斯·F·罗伯逊, 约翰·J·诺瓦科夫斯基 申请人:法孚北美燃烧有限公司