一种熔炼反射炉用纯氧燃烧装置及燃烧方法与流程

1.本发明涉及熔炼反射炉供气的技术领域，更具体地，涉及一种熔炼反射炉用纯氧燃烧装置及燃烧方法。


背景技术：

2.为了节能和提高熔化率，铝熔炼反射炉配备了蓄热式空气助燃烧嘴，利用烟气余热，把助燃空气加热至600℃～1200℃，再与天然气混合燃烧，产生热量熔化铝锭、铝片、铝条、铝屑等原料。助燃空气的温度越高，烧嘴产生的火焰温度就越高，20℃的冷空气助燃产生火焰的理论温度约为1600℃，而1200℃的热空气助燃产生火焰的理论温度高达2200℃。利用烟气余热，烧嘴产生的火焰温度越高，就越节能，炉子的熔化率也就越高，然而同时会生成更多的氮氧化物，导致更多的铝烧损。
3.中国专利cn206330421u公开了一种熔炼反射炉用燃气供给系统，包括与混合管连通的天然气供给管和氧气供给管，设置在天然气供给管上的气泵，设置在氧气供给管上的鼓风机；其中：所述混合管的内腔中设置有气体混合器，该气体混合器又包括支架，该支架的中心具有轴承安装座，该轴承安装座中安装有轴承，轴承的内圈固定在支撑轴的一端，支撑轴的另一端固定有螺旋桨状的风扇；天然气供给管的出气口和氧气供给管的出气口位于风扇的扇叶的迎风面前方。上述方案虽然天然气与空气快速混合充分，可降低能耗、降低使用成本、降低工人劳动强度和降低企业用工成本，然而上述方案中，加速空气和天然气的混合速度并无法降低氮氧化物的产生，也无法降低铝烧损。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种有效降低氮氧化物排放和铝烧损的熔炼反射炉用纯氧燃烧装置及燃烧方法。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
6.提供一种熔炼反射炉用纯氧燃烧装置，包括烧嘴砖以及嵌置于烧嘴砖的天然气喷嘴、第一氧气喷嘴和第二氧气喷嘴，所述第一氧气喷嘴邻近于天然气喷嘴设置且所述天然气喷嘴与第一氧气喷嘴构成主燃烧器，所述第二氧气喷嘴为多组、多组第二氧气喷嘴均匀环绕于天然气喷嘴分布且所述天然气喷嘴与第二氧气喷嘴构成次级燃烧器，所述天然气喷嘴旁侧设有点火枪；所述天然气喷嘴连接有天然气供气系统，所述第一氧气喷嘴、第二氧气喷嘴连接有氧气供气系统。
7.本发明的熔炼反射炉用纯氧燃烧装置，采用纯氧助燃而不是空气助燃，纯氧助燃的火焰覆盖面积比空气助燃小很多，在大功率下，火焰也不会接触铝液，不会导致更多的铝烧损；根据熔炼反射炉内温度控制主燃烧器、次级燃烧器工作：主燃烧器工作时，天然气和氧气集中火焰燃烧，可快速将熔炼反射炉内温度升温到设定值；次级燃烧器工作时，氧气分散在天然气四周，减缓氧气和天然气的混合速度，当氧气和天然气射入熔炼反射炉内并弥散开时，完成100％燃烧，形成弥散性火焰，相比集中火焰火焰温度较低、火焰分布均匀，燃
烧过程为低温的纯氧燃烧过程。本发明火焰温度低且无氮气参与燃烧，可有效降低氮氧化物排放和减少铝烧损。
8.进一步地，所述天然气喷嘴设于烧嘴砖的中心，所述第一氧气喷嘴与天然气喷嘴并排设置，所述点火枪位于第一氧气喷嘴、天然气喷嘴连接线段的中线上。
9.进一步地，所述第二氧气喷嘴的中心连线形成圆形，所述圆形的圆心落于所述天然气喷嘴的中心轴线上。
10.进一步地，所述第二氧气喷嘴为六组，六组第二氧气喷嘴均匀分布于圆形的圆周。
11.进一步地，所述点火枪包括枪体以及与枪体连通的天然气入口和第一氧气入口，所述枪体内设有伸向烧嘴砖端部的点火器，所述枪体内设有火焰监控器；熔炼反射炉内设有温度传感器，所述火焰监控器、温度传感器均连接于控制器。
12.进一步地，所述天然气供气系统包括天然气管道及设于天然气管道的第一阀门，天然气管道经第一阀门后分为与天然气喷嘴连通的第一天然气支路以及与天然气入口连通的第二天然气支路，所述第一天然气支路、第二天然气支路上分别设有第二阀门、第三阀门。
13.进一步地，所述氧气供气系统包括氧气管道及设于氧气管道的第四阀门，氧气管道经第四阀门后分为与第一氧气喷嘴连通的第一氧气支路、第二氧气支路、与所述第一氧气入口连通的第三氧气支路，所述第二氧气支路连通有氧气分散器，所述氧气分散器设有与多个第二氧气喷嘴一一连通的出气口；所述第一氧气支路、第二氧气支路、第三氧气支路上分别设置有第五阀门、第六阀门及第七阀门。
14.进一步地，所述氧气分散器为管状结构，所述管状结构的一端设有与第二氧气支路连通的第二氧气入口，所述管状结构的另一端设有分散盘，所述分散盘开设有与第二氧气喷嘴一一连通的氧气出口。
15.本发明还提供了一种熔炼反射炉用纯氧燃烧方法，包括以下步骤：温度传感器实时监测熔炼反射炉的炉内温度：当炉内温度低于750℃时，控制主燃烧器燃烧；当炉内温度不低于750℃时，控制次级燃烧器燃烧。
16.优选地，主燃烧器燃烧时，天然气喷嘴流入的天然气流速与第一氧气喷嘴流入的氧气流速相等；磁极燃烧器燃烧时，第二氧气喷嘴流入的氧气流速为天然气喷嘴流入的天然气流速的两倍。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.本发明的熔炼反射炉用纯氧燃烧装置及燃烧方法，相比集中火焰火焰温度较低、火焰分布均匀，燃烧过程为低温的纯氧燃烧过程、火焰温度低且无氮气参与燃烧，可有效降低氮氧化物排放和减少铝烧损。
附图说明
19.图1为熔炼反射炉用纯氧燃烧装置的原理示意图；
20.图2为熔炼反射炉用纯氧燃烧装置的结构示意图；
21.图3为图2中沿d
‑
d剖视图；
22.图4为点火枪的结构示意图；
23.附图中：1、烧嘴砖；2、天然气喷嘴；3、第一氧气喷嘴；4、第二氧气喷嘴；5、点火枪；
51、天然气入口；52、第一氧气入口；53、点火器；54、火焰监控器；6、天然气供气系统；61、天然气管道；62、第一阀门；63、第一天然气支路；64、第二天然气支路；65、第二阀门；66、第三阀门；7、氧气供气系统；71、氧气管道；72、第四阀门；73、第一氧气支路；74、第二氧气支路；75、第三氧气支路；76、氧气分散器；77、第八阀门。
具体实施方式
24.下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
25.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
26.实施例一
27.如图1至图3所示为本发明的熔炼反射炉用纯氧燃烧装置的实施例，包括烧嘴砖1以及嵌置于烧嘴砖1的天然气喷嘴2、第一氧气喷嘴3和第二氧气喷嘴4，所述第一氧气喷嘴3邻近于天然气喷嘴2设置且所述天然气喷嘴2与第一氧气喷嘴3构成主燃烧器，所述第二氧气喷嘴4为多组、多组第二氧气喷嘴4均匀环绕于天然气喷嘴2分布且所述天然气喷嘴2与第二氧气喷嘴4构成次级燃烧器，所述天然气喷嘴2旁侧设有点火枪5；所述天然气喷嘴2连接有天然气供气系统6，所述第一氧气喷嘴3、第二氧气喷嘴4连接有氧气供气系统7。本实施例采用纯氧助燃而不是空气助燃，纯氧助燃的火焰覆盖面积比空气助燃小很多，在大功率下，火焰也不会接触铝液，不会导致更多的铝烧损。本实施例中，烧嘴砖1为耐高温材料制备，燃烧产生的火焰并不会对烧嘴砖1产生损伤。
28.本实施例实施时，根据熔炼反射炉内温度控制主燃烧器、次级燃烧器工作：主燃烧器工作时，天然气和氧气集中火焰燃烧，可快速将熔炼反射炉内温度升温到设定值；次级燃烧器工作时，氧气分散在天然气四周，减缓氧气和天然气的混合速度，当氧气和天然气射入熔炼反射炉内并弥散开时，完成100％燃烧，形成弥散性火焰，相比集中火焰火焰温度较低、火焰分布均匀，燃烧过程为低温的纯氧燃烧过程。本实施例的火焰温度低且无氮气参与燃烧，可有效降低氮氧化物的排放和减少铝烧损。
29.在其中一个实施例中，所述天然气喷嘴2设于烧嘴砖1的中心，所述第一氧气喷嘴3与天然气喷嘴2并排设置，所述点火枪5位于第一氧气喷嘴3、天然气喷嘴2连接线段的中线上。由天然气喷嘴2和第一氧气喷嘴3组成的主燃烧器，天然气喷嘴2和第一氧气喷嘴3相互靠近，点火枪5也位于中间位置，由天然气喷嘴2喷射的天然气和由第一氧气喷嘴3喷射的氧气，两者混合燃烧产生集中火焰，可快速升高熔炼反射炉内温度；主燃烧器的燃烧方式为现有技术中常见的纯氧燃烧方式。本实施例主燃烧器的混合气体经点火枪5点燃后，主燃烧器先启动小功率点火，再逐步调节至设定的工况，以保证工作的安全性。
30.在其中一个实施例中，所述第二氧气喷嘴4的中心连线形成圆形，所述圆形的圆心落于所述天然气喷嘴2的中心轴线上。由天然气喷嘴2和第二氧气喷嘴4组成的次级燃烧器，天然气喷嘴2喷射的天然气和第二氧气喷嘴4喷射的氧气弥散燃烧：氧气分散在天然气四周，减缓氧气和天然气的混合速度，当氧气和天然气射入熔炼反射炉内部深处并弥散开时，完全燃烧形成弥散性火焰，弥散性火焰温度比集中火焰温度低，且弥散火焰充斥整个熔炼反射炉膛，熔炼反射炉内温度分布均匀。本实施例中，为了获得更好的弥散燃烧的效果，第二氧气喷嘴4喷射的氧气流速为天然气喷嘴2喷射的氧气流速的两倍，此时，由于氧气流速较高，在第二氧气喷嘴4出口处形成较强的负压，将熔炼反射炉内低温烟气(熔炼反射炉内低温烟气温度比火焰温度低800℃～1200℃)卷吸过来与火焰混合，降低火焰的真实温度，本实施例火焰的真实温度在1400℃～1700℃，形成低温纯氧燃烧过程，火焰温度低且无氮气参与燃烧，且纯氧燃烧相对空气助燃，火焰覆盖面积比空气助燃小很多(即使在大功率条件下，火焰也不会接触铝液，不会导致铝烧损)，可大幅度降低氮氧化物的生成量，减少铝烧损。
31.在其中一个实施例中，所述第二氧气喷嘴4为六组，六组第二氧气喷嘴4均匀分布于圆形的圆周。需要说明的是，第二氧气喷嘴4的数目并不作为本发明的限制性规定。另外，第二氧气喷嘴4并不必须同时工作或同时关闭，可选择部分第二氧气喷嘴4工作。具体地，本实施例中的第二氧气喷嘴4为偶数组，开启或关闭第二氧气喷嘴4时成对控制，保证弥散火焰的分布均匀性；当氧气总流量固定时，关闭一对或两对氧气喷嘴，可调节氧气流速。
32.在其中一个实施例中，如图4所示，所述点火枪5包括枪体以及与枪体连通的天然气入口51和第一氧气入口52，所述枪体内设有伸向烧嘴砖1端部的点火器53，所述枪体内设有火焰监控器54，点火器53的操作部及火焰监控器54的观察部可设置在远离烧嘴砖1的端部以便于操作；熔炼反射炉内设有温度传感器，所述火焰监控器54、温度传感器均连接于控制器。实施时，氧气由第一氧气入口52流入，天然气由天然气入口51流入，氧气和天然气在枪体内混合，点火器53点火，氧气和天然气燃烧，本实施例可控制进入氧气和天然气的比例保证两者完全燃烧；点火枪5所起作用为点火，点火枪5内流入的气体不限于氧气和天然气，也可采用其他可燃气体也可作为原料气体。另外，本实施例中设置有一市售火焰监控器54，对熔炼反射炉内是否燃烧形成明火进行实时监控，保证工作的安全性。采用氧气和天然气作为原料时，750℃为安全的自燃点火温度，当温度在750℃或以上时，天然气和氧气能自燃点火。火焰监控器54至少监控以下过程：当熔炼反射炉内温度低于750℃、点火枪5点了几次、火焰监控器54未检测到明火时，主燃烧器应当切断熄火或无法启动点火，并提醒工作人员进行检查。
33.在其中一个实施例中，所述天然气供气系统6包括天然气管道61及设于天然气管道61的第一阀门62，天然气管道61经第一阀门62后分为与天然气喷嘴2连通的第一天然气支路63以及与天然气入口51连通的第二天然气支路64，所述第一天然气支路63、第二天然气支路64上分别设有第二阀门65、第三阀门66。本实施例的天然气管道61为天然气输入主管道，天然气输入主管道上设置第一阀门62控制天然气的输入与否或输入流量或输入流速；第二阀门65控制天然气由第一天然气支路63流入天然气喷嘴2，第三阀门66控制天然气由第二天然气支路64流入天然气入口51。其中，第一阀门62设置为可由控制器远程控制的电磁阀，第二阀门65、第三阀门66可设置为可检测气体流量和流速的流量计量阀，流量计量
阀也可由控制器远程控制。
34.在其中一个实施例中，所述氧气供气系统7包括氧气管道71及设于氧气管道71的第四阀门72，氧气管道71经第四阀门72后分为与第一氧气喷嘴3连通的第一氧气支路73、第二氧气支路74、与所述第一氧气入口52连通的第三氧气支路75，所述第二氧气支路74连通有氧气分散器76，所述氧气分散器76设有与多个第二氧气喷嘴4一一连通的出气口；所述第一氧气支路73、第二氧气支路74、第三氧气支路75上分别设置有第五阀门、第六阀门及第七阀门。本实施例中：氧气管道71为氧气输入主管道，氧气输入主管道上设置第四阀门72控制氧气输入与否或输入流量或输入流速；第五阀门控制氧气由第一氧气支路73流向第一氧气喷嘴3，第六阀门控制氧气由第二氧气支路74流向氧气分散器76，第七阀门控制氧气由第三氧气支路75流向点火枪5的第一氧气入口52。其中，第四阀门72设置为可由控制器远程控制的电磁阀，第五阀门、第六阀门及第七阀门可设置为可检测气体流量和气体流速的流量计量阀，流量计量阀也可由控制器进行远程控制。如此，上述实施例中，通过调整各阀门的气体流速和气体流量，至少可实现以下几种调整：(1)控制进入点火枪5的氧气和天然气的比例，使得点火枪5内氧气和天然气完全燃烧，避免燃烧副产物的产生；(2)主燃烧器工作，控制天然气喷嘴2和第一氧气喷嘴3喷射的气体流量，使得反射炉内氧气和天然气完全燃烧，火焰集中，释放热量高，避免燃烧副产物的产生；(3)次级燃烧器工作时，控制天然气喷嘴2喷射的气体流速和由第二氧气喷嘴4喷射的气体流速，使得氧气流速快于天然气流速，在第二氧气喷嘴4出口处形成较强的负压，将熔炼反射炉内低温烟气卷吸过来与火焰混合，降低火焰的真实温度，形成低温纯氧燃烧过程；(4)主燃烧器和次级燃烧器工作时，可通过控制氧气和天然气的流量调整燃烧功率，在点燃初始时，可由小至大调整燃烧功率，保证燃烧的安全性和稳定性；(5)点火枪5内可控制氧气和天然气的流量调整火焰大小，使其适用于不同的反射炉。
35.在其中一个实施例中，所述氧气分散器76为管状结构，所述管状结构的一端设有与第二氧气支路74连通的第二氧气入口，所述管状结构的另一端设有分散盘，所述分散盘开设有与第二氧气喷嘴4一一连通的氧气出口。本实施例中，各个氧气出口的管径一致，对第二氧气支路74输入的氧气等量分配，氧气出口通过软管和第二氧气喷嘴4一一连接，软管上设置有第八阀门77，由第八阀门77控制打开的第二氧气喷嘴4的数目及每个第二氧气喷嘴4的流量。当然，本实施例的第八阀门77也可设置为普通的球阀，此时，当氧气总流量固定时，关闭一对或两对第二氧气喷嘴4，也可达到调整第二氧气喷嘴4气体流速的目的，进而调节获得最优的燃烧效果。
36.在其中一个实施例中，为安装天然气喷嘴2、第一氧气喷嘴3和第二氧气喷嘴4，本实施例可在烧嘴砖1上对应设置第一安装孔、第二安装孔和第三安装孔，可通过第一安装孔、第二安装孔和第三安装孔的形状设置确定天然气喷嘴2、第一氧气喷嘴3和第二氧气喷嘴4的喷射角度，也可将第二氧气喷嘴4设置为角度可调。本实施例中，天然气喷嘴2、第一氧气喷嘴3和第二氧气喷嘴4采用不同的角度设计可获得不同的火焰温度，天然气喷嘴2和第一氧气喷嘴3平行设置、喷射气体方向平行：当第二氧气喷嘴4向远离圆心的方向扩张形成外扩喇叭结构时，此时，氧气分散在天然气四周，氧气和天然气的混合速度最慢，获得的火焰温度最低；当第二氧气喷嘴4与第一氧气喷嘴3、天然气喷嘴2平行时，氧气和天然气的混合速度较慢，获得的火焰温度中等；当第二氧气喷嘴4向靠近圆心的方向靠近形成内喇叭结
构时，氧气和天然气的混合速度最快，获得的火焰温度最高。本实施例可根据反射炉的类型及反射炉内熔炼的金属性质的不同调整第二氧气喷嘴4的喷射角度。
37.在上述具体实施方式的具体内容中，各技术特征可以进行任意不矛盾的组合，为使描述简洁，未对上述各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
38.实施例二
39.本实施例为熔炼反射炉用纯氧燃烧方法的实施例，包括：温度传感器实时监测熔炼反射炉的炉内温度：当炉内温度低于750℃时，控制主燃烧器燃烧；当炉内温度不低于750℃时，控制次级燃烧器燃烧。需要说明的是，750℃是氧气与天然气安全的自然点火温度，当温度在750℃或高于750℃时，天然气和氧气能够自然点火。本实施例中，该温度的设置并不作为本发明的限制性规定，可根据燃烧原料气种类的不同相应做出调整。
40.其中，主燃烧器工作时，在氧气和天然气混合气体点燃后，通过调整氧气和天然气流量调整燃烧功率，将燃烧功率逐步调整至设定工况，以保证工作的安全性。
41.当反射炉内温度达到750℃或高于750℃时，关闭第一氧气喷嘴3，打开第二氧气喷嘴4，以多喷嘴环绕天然气喷射氧气的方式实现弥散式燃烧，具有分散燃烧、分段燃烧、扰流均化温度场等效果。
42.当反射炉内温度低于750℃时，第一氧气喷嘴3自动打开，第二氧气喷嘴4自动延时关闭，同时可触发中控系统发出声光警报，主燃烧器工作。
43.其中，主燃烧器燃烧时，天然气喷嘴2流入的天然气流速与第一氧气喷嘴3流入的氧气流速相等；磁极燃烧器燃烧时，第二氧气喷嘴4流入的氧气流速为天然气喷嘴2流入的天然气流速的两倍。需要说明的是，氧气流速不限于设置为天然气流速的两倍，只要氧气流速快于天然气流速，由于氧气流速较高，在第二氧气喷嘴4出口处形成较强的负压，将熔炼反射炉内低温烟气(熔炼反射炉内低温烟气温度比火焰温度低800℃～1200℃)卷吸过来与火焰混合，降低火焰的真实温度，本实施例火焰的真实温度在1400℃～1700℃，形成低温纯氧燃烧过程，火焰温度低且无氮气参与燃烧，且纯氧燃烧相对空气助燃，火焰覆盖面积比空气助燃小很多(即使在大功率条件下，火焰也不会接触铝液，不会导致铝烧损)，可大幅度降低氮氧化物的生成量，减少铝烧损。
44.对于本领域技术人员而言，现有纯氧和天然气燃烧的火焰温度为2250℃～2400℃，必然导致更多的氮氧化物的生产和更多的铝烧损，无法应用于反射炉；普遍采用的蓄热式空气助燃的燃烧方式由于热空气的参与，其火焰温度为1950℃～2200℃(助燃空气温度为800℃～1200℃)，同时由于空气中大量氮气参与了高温燃烧过程，因此导致大量的氮氧化物生成，且在大功率下会导致更多的铝烧损，而小功率下则产能和能耗无法得到保证。而在本实施例中，反射炉内弥散火焰的火焰真实温度为1400℃～1700℃。
45.可见，经过以上步骤，本实施例可形成低温的纯氧燃烧过程，火焰温度低且无氮气参与燃烧，可有效降低氮氧化物排放和减少铝烧损。
46.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求
的保护范围之内。