氧-燃料炉和在氧-燃料炉中加热材料的方法
【专利摘要】公开一种氧-燃料炉，以及在氧-燃料炉中加热材料的方法。该方法包括：在氧-燃料炉中用氧-燃料喷燃器组件燃烧氧和燃料，从而形成燃烧气体；以及在氧-燃料炉的封壳的中心区域内保持涡旋，涡旋包括燃烧气体。氧-燃料喷燃器组件包括成角度地布置成产生涡旋的多个高动量氧-燃料喷燃器，相对于封壳的炉壁边界，该角度大于15度但小于75度，角速度大于0.07弧度每秒，或者呈它们的组合的方式。炉包括：氧-燃料喷燃器组件，其包括具有高形状因素喷嘴几何构造的至少两个高动量氧-燃料喷燃器；以及封壳。涡旋增加封壳内的对流加热和封壳内的加热的均匀性。
【专利说明】氧-燃料炉和在氧-燃料炉中加热材料的方法
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求2011年4月5日提交的美国临时专利申请N0.61/471，900的优先权和好处，该申请通过引用而整体地结合在本文中。
【技术领域】
[0002]本发明涉及加热材料的系统和方法。更特别地，本发明涉及氧-燃料炉，以及通过使用氧-燃料炉来加热材料的方法。
【背景技术】
[0003]氮氧化物(NOx)在由燃烧过程排出的主要空气污染物之中。因为NOx会促进引起烟雾的有害大气反应产物的形成，所以多个政府机构已经实行空气质量标准来限制可排到大气中的NOx的量。由于许多国家的环境立法增加，以及全球对大气污染的认识度增加，当代燃烧技术已经得到改进，以减少来自多种类型的燃烧装备的NOx排放。
[0004]再生金属行业一般被认为是主要的NOx污染源，并且因此受到关于NOx排放的严格规则的约束。在燃烧过程中减少NOx的产生在这个行业中变得更重要，因为对金属的需求增加，而对NOx的环境规则却变得越来越严格。全氧-燃料燃烧在理论上可产生非常低的NOx排放，因为氧化剂中没有氮。
[0005]再生金属行业已经有了减少NOx排放的革新。在美国专利申请公开N0.2007/0254251中描述了这种已知系统，该申请通过引用而整体地结合在本文中。已知的系统通过将炉气体输送到火焰区中来实现大规模燃烧。这种系统减少了排放。但是，进一步的减少是合乎需要的，尤其是在进一步的燃烧NOx减少与热能消耗考量相平衡(例如由于平衡辐射和对流热传递成分)的情况下。
[0006]传统的低动量氧-燃料燃烧由辐射模式热传递控制，但缺乏对流加热成分。缺乏对流成分是因为气体量低，而且缺乏对流成分可增加加热不一致或不均匀、热点和产生NOx的可能性。相比之下，空气燃料燃烧由于N2稀释而缺乏辐射加热的效率。但是，空气燃料燃烧可具有强的对流热传递成分，因为烟道气量较高，当与辐射结合时，较高的烟道气量可用来加热产物。但是，来自空气-燃料火焰的辐射比来自氧-燃料火焰的辐射低得多。
[0007]不遭受一个或多个以上缺陷的氧-燃料炉和在氧-燃料炉中加热材料的方法在本领域中将是合乎需要的。
【发明内容】
[0008]在示例性实施例中，一种用于在氧-燃料炉中加热材料的方法包括:在氧-燃料炉中用氧-燃料喷燃器组件燃烧氧和燃料，从而形成燃烧气体；以及在氧-燃料炉的封壳的中心区域内保持涡旋，涡旋包括燃烧气体。氧-燃料喷燃器组件包括成角度地布置成产生涡旋的多个高动量氧-燃料喷燃器，相对于封壳的炉壁边界，角度大于15度但小于75度。
[0009]在另一个示例性实施例中，一种用于在氧-燃料炉中加热材料的方法包括:在氧-燃料炉中用氧-燃料喷燃器组件燃烧氧和燃料，从而形成燃烧气体；以及在氧-燃料炉的封壳的中心区域内保持涡旋，涡旋包括燃烧气体。涡旋具有大于0.07弧度每秒的角速度。
[0010]在另一个示例性实施例中，一种氧-燃料炉包括:氧-燃料喷燃器组件，其包括具有高形状因素喷嘴的至少两个高动量氧-燃料喷燃器；以及封壳。氧-燃料喷燃器组件包括成角度地布置成产生涡旋的多个高动量氧-燃料喷燃器，相对于封壳的炉壁边界，角度大于15度但小于75度。涡旋增加封壳内的对流加热和封壳内的加热的均匀性。
[0011]根据结合附图得到的优选实施例的以下更详细的描述，本发明的其它特征和优点将是显而易见的，附图以示例的方式示出本发明的原理。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1至4是根据本公开的实施例的氧-燃料炉的示意图。
[0013]图5是根据本公开的实施例的氧-燃料炉的三维示意图。
[0014]图6是根据本公开的在氧-燃料炉中加热材料的示例性方法和其它加热材料的方法的图形比较。
[0015]图7是关于根据本公开的示例性氧-燃料炉，表面温度随时间而改变的图解说明。
[0016]图8是由于在没有形成涡旋的情况下运行氧-燃料炉而引起的炉壁和材料的表面温度的图解说明。
[0017]图9是由于根据本公开在形成涡旋的情况下运行氧-燃料炉而引起的炉壁和材料的表面温度的图解说明。
[0018]在可行的情况下，相同参考标号将在图中用来表示相同部件。
【具体实施方式】
[0019]提供示例性氧-燃料炉，以及在氧-燃料炉中加热材料的方法。本公开的实施例增加氧-燃料加热过程中的热传递的对流部分，减少用于实现某些温度的循环时间，增加效率，或者实现它们的组合。
[0020]参照图1至5，根据实施例，氧-燃料炉100包括至少两个高动量氧-燃料喷燃器102，以及在氧-燃料炉100内大体限定燃烧区的封壳104。封壳104为任何适当的几何构造，并且由炉壁边界108限定。例如，在一个实施例中，封壳104为立方形或大体立方形的几何构造。在另一个实施例中，封壳104为圆柱形或大体圆柱形的几何构造。封壳包括例如由各个喷燃器102的喷燃器轴线限定的中心区域，喷燃器轴线是从喷燃器的中间延伸的线。氧-燃料炉100包括对于保持燃烧、加热、其它运行条件或它们的组合来说必要的其它适当的特征。
[0021]封壳104构造成容纳燃烧气体的涡旋106的至少一部分，诸如炉级涡旋。通过这样来形成涡旋106:偏移喷燃器102的燃烧，这将周围燃烧气体输送到封壳104内的火焰区，从而引起搅动(或气体的均衡)，这例如由于传送燃烧气体而形成涡旋106。在一个实施例中，涡旋106用于大规模燃烧，即，由于炉气体输送到火焰区中而实现的燃烧。在一个实施例中，喷燃器102形成两个不同的炉气体再循环流，例如，水平成分和竖直成分，它们由于封壳104内的压差而压缩润旋106。[0022]喷燃器102布置和设置成形成涡旋106。氧-燃料炉100包括两个喷燃器102 (参见图1和2)、三个喷燃器102、四个喷燃器102 (参见图3)，或者不止四个喷燃器102。如图1中显示的那样，在一个实施例中，喷燃器102以交错定向在封壳104的相对的侧定位在炉壁边界108上。如图2中显示的那样，在一个实施例中，两个喷燃器102以成角度的构造定位在炉壁边界108上。如图3中显示的那样，在一个实施例中，四个喷燃器102以成角度的构造定位在炉壁边界108上。其它实施例包括这些实施例的组合。
[0023]喷燃器102是能够在高动量条件下使用的任何适当的喷燃器，诸如，美国专利申请公开N0.2007/0254251中公开的喷燃器(其通过引用而整体地结合在本文中)，以及/或者高形状因素喷燃器。如本文所用，用语“高动量”指的是通过喷燃器102的通路的至少一个通道的气体的流量大于大约5磅-英尺/秒2。在一些实施例中，通过喷燃器102的通路的至少一个通道的气体的流量大于大约10磅-英尺/秒2，例如，对于天然气，具有介于大约10磅-英尺/秒2和70磅-英尺/秒2之间的流率，从而使得能够以较高的速率燃烧，改进循环时间，减少局部过热(诸如使热电偶过热)，或者实现它们的组合。如本文所用，用语“高形状因素喷燃器”指的是具有大于圆形喷嘴的周长的喷嘴周长或多个周长的喷燃器。例如，相对周长比(Pre7)是高形状因素喷燃器(诸如，非圆形喷燃器)的喷嘴(一个或多个)的周长与圆形喷嘴的周长的比。对于具有1.0英寸2面积的喷嘴，圆形喷嘴具有
3.54英寸的周长。因而，具有1.0英寸2的喷嘴的高形状因素喷燃器具有大于3.54英寸的周长。在一个实施例中，高形状因素喷燃器具有为1.96的相对周长比。
[0024]参照图4和5，在一个实施例中，两个或更多个喷燃器102通过相对于炉壁边界108以角Θ成角度而形成涡旋106。角Θ对应于氧-燃料炉100的具体构造(例如，几何构造、大小或它们的组合)、待加热的材料(例如，金属或金属材料，诸如锭铁、片材、铸造材料、锻造材料、铝、铁、钢、含铁材料、不含铁的材料或它们的组合)、其它适当的运行考量(例如，流率、氧-燃料的成分、封壳压力、封壳材料等)，或它们的组合。加热的材料定位在封壳104内的任何适当的部分处，例如，在封壳104的底部上。在一个实施例中，氧-燃料在氧化剂(例如，来自 95 mol%的氧的氧化剂流)和燃料(例如，天然气、丙烧、合成气、低Btu燃料等)中包括至少50 mol%的氧。
[0025]在一个实施例中，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，或者为它们的任何适当的范围子范围、组合或子组合。
[0026]在一个实施例中，氧-燃料炉100加强混合和炉气体输送，这会降低峰值火焰温度和热NOx产生量。喷燃器102使混合加强，从而在涡旋106内产生具有第一压力的低压力区域，以及紧邻封壳104的炉壁边界108的具有第二压力的高压力区域。
[0027]通过喷燃器102的燃烧气体流在炉100的封壳104中施加的力(Flrll)可如等式I中显示的那样表示:
Finl = Pin!.QinI.Ujn!(等式 I)
如等式I中使用的那样，Pinl指的是进入封壳104的燃烧流的密度(例如，以磅/英尺3为单位来表示，这取决于火焰温度)。Uim指的是进入封壳104的入口流的速度(例如，以英尺/秒为单位来表示)。Ow指的是进入到封壳104中的总入口流率(例如，以英尺3/秒为单位来表示)。[0028]在一个实施例中，通过在喷燃器102中的一个或多个中使用具有高形状因素的喷嘴来加强炉气体输送到火焰中。喷嘴与炉气体强烈地相互作用所实现的实际流可如等式2中显示的那样表示:
【权利要求】
1.一种用于在氧-燃料炉中加热材料的方法，所述方法包括: 在所述氧-燃料炉中用氧-燃料喷燃器组件燃烧氧和燃料，从而形成燃烧气体；以及 在所述氧-燃料炉的封壳的中心区域内保持涡旋，所述涡旋包括燃烧气体； 其中，所述氧-燃料喷燃器组件包括成角度地布置成产生所述涡旋的多个高动量氧-燃料喷燃器，相对于所述封壳的炉壁边界，所述角度大于15度但小于75度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个高动量氧-燃料喷燃器中的至少一个包括高形状因素喷嘴。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个高动量氧-燃料喷燃器包括交错的喷燃器。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个高动量氧-燃料喷燃器包括两个喷燃器。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个高动量氧-燃料喷燃器包括四个喷燃器。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个高动量氧-燃料喷燃器包括不止四个喷燃器。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涡旋具有大于0.07弧度每秒的角速度。
8.根据权利要求1所述.的方法，其特征在于，所述角度介于大约30度和大约60度之间。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涡旋在所述封壳的区域中引起对流热，所述区域介于所述封壳的大约15%和大约75%之间。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涡旋在所述封壳的区域中引起对流热，所述区域介于所述封壳的大约30%和大约60%之间。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述封壳在所述涡旋内具有第一压力，所述第一压力小于所述封壳的所述炉壁边界附近的第二压力。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括在所述封壳内加热金属。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括在所述封壳内加热铝。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涡旋增加所述封壳内的对流加热。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涡旋增加所述封壳内的加热的均匀性。
16.一种用于在氧-燃料炉中加热材料的方法，所述方法包括: 在所述氧-燃料炉中用氧-燃料喷燃器组件燃烧氧和燃料，从而形成燃烧气体；以及 在所述氧-燃料炉的封壳的中心区域内保持涡旋，所述涡旋包括燃烧气体； 其中，所述涡旋具有大于0.07弧度每秒的角速度。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述多个高动量氧-燃料喷燃器中的至少一个包括非圆形喷嘴几何构造。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述多个高动量氧-燃料喷燃器包括交错的喷燃器。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，相对于所述封壳的炉壁边界，所述角度大于15度但小于75度。
20.—种氧-燃料炉,包括: 氧-燃料喷燃器组件，其包括具有高形状因素喷嘴的至少两个高动量氧-燃料喷燃器；以及 封壳; 其中，所述氧-燃料喷燃器组件包括成角度地布置成产生涡旋的多个高动量氧-燃料喷燃器，相对于所述封壳的炉壁边界，所述角度大于15度但小于75度； 其中，所述涡旋增加 所述封壳内的对流加热，以及所述封壳内的加热的均匀性。
【文档编号】F23D99/00GK103443541SQ201280016187
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2012年4月5日 优先权日:2011年4月5日
【发明者】G.J.布拉吉诺, S.P.甘戈利, 何筱毅, A.G.斯莱夫科夫 申请人:气体产品与化学公司