用于加热炉的方法及装置与流程

本发明涉及一种用于加热炉的方法和一种用于加热炉的装置。尤其，本发明涉及一种用于再加热金属材料、比如不同的钢的纵向燃烧连续炉。

背景技术

在许多连续运行的再热炉中，初级氧化剂的高速喷射被使用，从而例如提高炉中的热均匀性。一些这样的炉是纵向燃烧的，所述纵向燃烧在文本中旨在意味着至少一个燃烧器布置成使得关联的火焰大致沿所考虑的炉的加热区的纵向方向传播。

尤其，在用于低nox无火焰燃烧的纵向燃烧喷射应用中(其中，从相对于燃料入口间隔开的喷射部位喷入高速氧化剂)，由这种燃料的燃烧所产生的热可能朝向所考虑的加热区的入口向下游被带至较远，从而使得高温尾气离开加热区。这会导致热损失。

技术实现要素：

本发明解决了上文所描述的问题，尤其是已经改型成高速初级氧化剂喷射式炉中的问题，特别是初级氧化剂是从与对应的初级燃料入口(单独的燃料注入部)间隔开(比如以至少50cm的间距间隔开)的部位喷入的这样的炉中的问题。

尤其，本发明在以下情况下解决了这些问题：炉具有至少一个纵向燃烧的空气燃烧器，所述空气燃烧已经利用至少一个高速、高氧的氧化剂喷枪予以增补。

由此，本发明涉及一种用于加热炉的方法，所述炉具有纵向方向和垂直于纵向方向的横截面，所述炉布置有利用至少一个燃烧器加热的至少一个加热区，所述至少一个燃烧器提供沿所述纵向方向传播的火焰，所述燃烧器被供给以燃料和初级氧化剂，其特征在于，燃烧器以所供给的燃料与初级氧化剂之间的质量关系运行，从而允许所供给燃料的90％以下利用初级氧化剂被燃烧，其中，至少两对次级氧化剂喷枪被设置，炉的每侧上各设有相应的一对喷枪以指向加热区，从而于所述燃烧器的下游以大致平行于横截面的方式将次级氧化剂喷入所述加热区，在所述喷枪下游沿着平行于所述横截面的水平线测量温度，所述喷枪对中的每对均包括相应的第一喷枪和相应的第二喷枪，第二喷枪布置在所关联的第一喷枪的下游，每个喷枪对中的第一喷枪以比每个喷枪对中的第二喷枪低的喷射速度运行，调节由每对中的相应的第一喷枪所供应的次级氧化剂，从而沿着所述线实现均匀的温度分布。

附图说明

在下文中，将参考本发明的示例性实施例和附图来更详细地说明本发明，在附图中：

图1是具有根据本发明的加热系统的炉的简化侧视图，所述加热系统布置成能实施根据本发明的方法；

图2是图1示出的炉的简化俯视图；

图3是根据本发明的次级氧化剂喷枪的简化细节图；并且

图4是根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

图1和2对于相同或对应的部件具有相同的附图标记。

由此，图1和2示出工业炉100，该工业炉100具有纵向方向d和垂直于纵向方向d的横截面c。炉100优选地包括多个加热区110、120、130、140，金属材料104优选地沿纵向方向d被传输穿过所述多个加热区，由此材料104在它从入口门101至出口门102的传输途中被加热。优选地，暗区110靠近入口门101地布置，所述暗区110没有直接利用布置其内的任何燃烧器来加热。

优选地，炉100是连续式再热炉，并且材料104优选是金属材料、比如钢。通常而言，材料104优选地被加热至约1000℃以上的温度。

炉100包括多个加热区110、120、130、140。根据本发明，炉100布置有至少一个这样的加热区：所述至少一个加热区利用提供沿纵向方向d传播的火焰的至少一个燃烧器来加热，并且，所述燃烧器被供给以燃料和初级氧化剂。在附图中，区120和130代表这样的区，区120和130利用纵向燃烧的燃烧器122、132来加热，如上所述，以使得它们的相应的火焰沿相应的方向122a、132a、大致沿纵向方向d、优选地相对于被加热的材料104的运动方向以对流的方式传播。区120由此不是暗区。

需要说明的是，每个区110、120、130、140通常均包括上区和下区。121表示布置成从区120限界出区110的挡板。

燃料可以是气态的、液态的或固态的燃料。初级氧化剂可以是空气或任何其它氧化剂。优选地，用来加热那个或那些个加热区120的所述纵向燃烧器122中的至少一个通过相应的独立的初级氧化剂喷枪124而被改型或已经被改型成具有高氧氧化剂增补，其中，本发明被实施在加热区120中(在图1和2所示的示例中只有区120)，所述独立的初级氧化剂喷枪124(参见图2)与所考虑的相应的燃烧器122间隔开地安装，比如相对于燃烧器122的燃料入口以至少50cm的间距地安装，并从控制装置160经由管线165向所述初级氧化剂喷枪124供应初级氧化剂。喷入的初级氧化剂形成沿纵向方向d大致指向下游的射流124a并可以优选地唯一地使用初级氧化剂，然而，它也可以相对于通过燃烧器122本身所供应的初级氧化剂附加地使用。所喷射的初级氧化剂优选地以较高的速度、比如至少以mach1(1马赫)供应。这提供了非常高的热效率和低nox形成，尤其可以在喷入的初级氧化剂具有至少85％(重量百分比)的含氧量或甚至更优选地是工业纯氧的情况下实现非常高的热效率和低nox形成。

优选的是，利用相应的初级氧化剂喷枪124所补充的每个燃烧器122是现有的燃烧器122、优选是空气燃烧器，这些燃烧器122通过所述喷枪124而被改造，在这种改造过程中，初级氧化剂中的一些或全部(由此，优选地呈空气的形式)被所描述的由喷枪射入的初级氧化剂所替代。

如图2所示，燃烧器122被定向成使得它们的火焰或多或少地指向下。然而，它们的相应的火焰的相应的水平分量优选地与纵向方向d大致平行。

本发明解决了运行这样的炉100时的问题：所述炉尤其具有这种纵向燃烧的燃烧器，所述燃烧器具有已经移位的燃料注入部且是所描述的高速高氧初级氧化剂喷射类型的，其中，初级氧化剂是在相对于所考虑的燃烧器122具有间距的位置处喷入的。

根据本发明，所考虑的燃烧器122以所供给的燃料与初级氧化剂之间的质量关系来运行，而与初级氧化剂是通过燃烧器122供应的和/或经由单独的喷枪124供应的无关，从而使得所供给的燃料的90％以下、优选50％以下、优选约25％、比如20％至40％能够利用初级氧化剂燃烧。换言之，经由燃烧器122所提供的燃烧混合物是亚化学计量的。优选地，从下游紧邻燃烧器122的子区a1中的炉内气氛是亚化学计量的，从而优选地使得在炉100的运行过程中比燃烧器中的氧多至少100％的氧将被需要以用于子区a1中的可燃烧的燃料的化学计量燃烧。

根据本发明，两对次级氧化剂喷枪151、152、153，154被设置，炉100的每个横向侧上设置有相应的一对次级氧化剂喷枪且每对次级氧化剂喷枪指向关联的加热区120，在所述加热区120中布置有上文所述的现有燃烧器122。次级氧化剂喷枪布置成于燃烧器120的下游位置处将次级氧化剂喷入炉区120中，以使得相应的次级氧化剂射流155的指向大致平行于横截面c。优选的是，喷入的次级氧化剂射流155的指向大致垂直于燃烧器122的火焰，至少如在向水平面的投影图中所观察到的。

优选地，喷枪151、152、153、154于待加热的材料104上方布置在上区中，并优选地布置成使它们的相应的火焰也提供在待加热的材料104上方。

此外，根据本发明，炉100的气氛的温度是于所述喷枪151、152、153、154下游沿着平行于所述横截面c的一水平线所测量的。在图2中，三个展示性的温度传感器168a、168b、168沿着一虚构线示出，每个温度传感器向控制装置160报告相应的测量值。传感器168a、168b、168c优选地沿着所述水平线对称地布置，并优选地在被加热的区120的每个横向侧上包括相应的一个传感器168a、168c，传感器168a、168c优选地布置成测量被加热的材料104的横向侧边缘处的温度，并且至少一个传感器168b布置成测量横向侧边缘之间的温度，优选地测量所述区120中的沿着所述水平线的横向中心处或附近的温度。

根据本发明，所述喷枪对151、152、153、154中的每对均包括第一喷枪152、154和第二喷枪151、153。相应的第二喷枪151、153分别布置在对应的第一喷枪152、154的下游，换言之，相应的第二喷枪151、153沿着纵向方向d且沿着炉内气氛气体在区120中的总体流动方向分别布置在对应的第一喷枪152、154的下游。此外，每个喷枪对中的第一喷枪152、154以比每个喷枪对中的第二喷枪151、153低的喷射速度运行，并且，经由每对中的相应的第一喷枪152、154所供应的次级氧化剂的量被调节，比如基于来自传感器168a、168b、168c的测量值来调节，从而在所述水平线上建立均匀的温度分布。

换言之，纵向燃烧的燃烧器122以亚化学计量的方式运行，附加地，次级氧化剂经由喷枪151-154来供应，所述次级氧化剂是从横向炉侧、沿着垂直于源自燃烧器122的总体气体流动的相应的方向来被供应的。速度相对较低的第一喷枪152、154适于控制侧方的温度，而速度相对较高的第二喷枪151、153提供横向温度均匀性以及扩散燃烧。这种扩撒燃烧提供低nox形成。由此，这种配置能精确地控制加热区120中的横向温度且同时还能以高效率和低nox形成来操作区120。尤其，这可以利用标准配置的加热区120以及控制装置160以相对较低的成本来实现，所述标准配置的加热区120可以是利用喷枪124、151、152、153、154所改造。由于高速度的第二喷枪151、153的设置，经由较低速度的第一喷枪152、154所注入的次级氧化剂没有粘附至炉侧(由于贴附效应)，这会更进一步降低材料104的侧边缘过热的风险。

而且，由于在靠近燃烧器122的位置处(此处材料104的温度较高)燃烧是亚化学计量地，因而材料104表面上的氧化物形成也被减少。

此外，材料104将从炉中的较早的点被加热，而无需在该加热点处安装任何附加的单独的燃烧器。在实践中，这已经被证实难以利用更简单的喷入方案来实现，原因在于这通常会导致不均匀的温度分布。

喷枪151、152、153、154优选地布置在炉100的侧部处，与炉的顶棚或基底相对设置。

根据一优选的实施例，应用本发明的加热区120的纵向长度为5米至15米，并且加热区120的横向宽度优选为至少4米，更优选为至少8米。在这样的加热区120中，本发明的优点被最大程度地体现。

通过喷枪151、152、153、154所供应的次级氧化剂代表所供应的全部初级和次级氧化剂的至少50％(重量百分比)，优选为至少65％(重量百分比)，更优选为至少70％(重量百分比)。此外，次级氧化剂优选地包括至少85％(重量百分比)的氧气，更优选地为工业纯氧。这提供了非常高的燃烧效率，同时还实现了所提及的本发明的其它优点。

更优选地，对于每个喷枪对151、152、153、154，相应的第二喷枪151、153以这样的喷射速度运行：所述喷射速度是相应的第一喷枪152、154的喷射速度的至少2倍、优选为至少4倍，最优选为至少8倍。具体而言，相应的第二喷枪151、153优选地布置成供应速度为至少mach1.0、更优选为至少mach1.2，更更优选为至少mach1.3的喷入次级氧化剂射流。第一喷枪152、154优选地提供速度为至少50m/s的相应的次级氧化剂射流。

根据图2所示的优选的实施例，对于每个喷枪对151、152、153、154，第一喷枪152、154和第二喷枪151、153共用一个共同的次级氧化剂供应装置166，所述次级氧化剂供应装置布置成通过管线167向控制装置160供应次级氧化剂。从控制装置160，相应的管线161、162、163、164使次级氧化剂进送给喷枪151、152、153、154。

优选地，每个第一喷枪152、154的相应的喷嘴的孔口大于对应的第二喷枪151、153的喷嘴，以在管线161和162和管线163和164中具有相同的压力的情况下使得次级氧化剂从第一喷枪152、154以比从第二喷枪151、153更低的压力供应。这在以下情况下是优选的：对于喷枪151、152、153、154没有施加可动态控制或可动态调节的压力调节。例如，第一喷枪152、154可以具有内直径为28-30mm的喷嘴，而第二喷枪151、153可以具有内直径为约16mm的拉伐尔喷嘴。通常而言，第一喷枪152、154的喷嘴的内直径可以比第二喷枪151、153的喷嘴的内直径大50％-150％。

尤其，优选的是，对于每个喷枪对151、152、153、154，相应的第一喷枪152、154的喷嘴的孔口选取成：在针对所考虑的第一喷枪152、154没有实施可动态控制或可动态调节的调节时，使得利用共同的次级氧化剂供应装置166并经由所考虑的第一喷枪152、154所供应的次级氧化剂的量能在燃烧器122被激活时对加热区120的一横向侧部分进行特定的加热，该横向侧部分位于所考虑的第一喷枪152、154的孔口的附近。优选地，所述特定加热至少具有以下强度或优选地具有更高的强度：该强度能在材料104通过加热区120期间使材料104的侧边缘处达到预设的最大温度，其中，材料104在炉100中没有被加热至高于所述预设的最大温度。

然后，在加热运行期间通过控制装置160并利用适当的阀装置或类似物所执行的、对于供应给每对151、152、153、154中的相应的第一喷枪152、154的次级氧化剂的调节是可操作的，以下调经由所考虑的相应的第一喷枪152、154所供应的次级氧化剂的量，从而达到这样的强度：该强度低至足以避免材料104的侧边缘过热。这将在下文中予以说明。

优选地，在每个喷枪对151、152、153、154中，通过相应的第二喷枪151、153所提供的次级氧化剂的单位时间量也被调节，以在加热区120中或至少在子区a2(图1和2中的左部)中建立期待的供氧总量(所述子区a2布置于以所述亚化学计量的方式运行的区a1的下游)，优选地从而在考虑来自上游加热区130的亚化学计量气体的情况下在加热区120或子区a2中实现整体化学计量或至少大致整体化学计量。

同时，优选的是，在每个喷枪对151、152、153、154中，经由相应的第一喷枪152、154所提供的次级氧化剂的调节是通过控制装置160以独立于当前通过相应的第二喷枪151、153所供应的次级氧化剂的方式进行的。这意味着：相应的第一喷枪152、154的调节可以使得加热区120中的燃烧混合物临时变成非化学计量的。然而，这种非化学计量将随时间通过相应的第二喷枪151、153的调节而得以校正。这在以下情况下正是如此：特定的整体非化学计量氧化剂/燃料质量比例在加热区120中是期待的，在这种情况下，第二喷枪151、153的调节被执行以实现所考虑的质量比例。可以通过测量所供应的燃料和氧化剂的体积来直接或间接地测量所述质量比例。优选地，基于炉100或加热区120的总功率来确定总供应氧化剂，所述总功率是利用适当布置的温度传感器所测量的。调节经由第二喷枪151、153所注入的次级氧化剂的流量的一种尤为简单的方式是：使得喷枪151、152、153、154由同一个次级氧化剂源166来供应，并在保持所供应的次级氧化剂的总量恒定的同时使得没有通过第一喷枪152、154所供应的次级氧化剂通过第二喷枪151、153来供应。

由此，通过控制装置160并基于来自沿着所述水平线的传感器168a、168b、168c的读数来控制第一喷枪152、154，从而沿着所述水平线建立均匀的温度分布。由于第一喷枪152、154布置成主要用来加热加热区110的横向侧并由此加热材料104的横向侧，并且由于第二喷枪151、153用来更广泛地加热加热区110、尤其是加热区110的横向中央部分，因而这意味着这种控制是通过将区110的温度相对较低的横向侧加热至以下温度来执行的：该温度对应于沿着所述线居中布置的温度传感器168b所测量的温度；其中，加热横向侧的方式是通过增加第一喷枪152、154的速度相对较低的次级氧化剂的供应来提高横向侧温度。

在实际中，初级和次级氧化剂的总量可以基于为了达到期待的温度值所需的燃料量、通过配额调节器来控制。次级氧化剂的份额可以通过操作人员来确定。利用喷枪152、154从炉的各侧方所供应的次级氧化剂的相对量可以被控制成能使炉侧之间具有统一的温度(如由传感器168a、168c所读取的)。通过速度较低的第一喷枪152、154离开的次级氧化剂的相对份额(相对份额是相对于速度较高的第二喷枪151、153而言的)可以被控制成能使所述侧部和中心之间具有统一的温度，如通过传感器168b所测量的。

在一个尤为简单且有用的实施例中，设置有三个传感器168a-168，如图2所示，其中，每个横向侧上具有一个传感器，而炉100的横向中心处也具有一个传感器。此时，由横向上位于最左边的两个传感器168a、168b所测量的温度被用来借助于控制装置160中的相应的阀来控制在横向上位于左边的第一喷枪152，而由横向上位于最右边的两个传感器168b、168c所测量的温度被用来借助于控制装置160中的相应的阀来控制在横向上位于右边的第一喷枪154。由此，三个温度传感器足以实现本发明的目的。

优选的是，水平线位于第二喷枪151、153的下游(图1和2中的左部)，优选地位于第二喷枪151、153下游的至少0.5米处，其中，温度传感器168a-168c沿着该水平线布置。

根据一优选的实施例，所述喷枪对151、152、153、154中的相应的第一喷枪152、154相对于燃烧器122在纵向方向d上具有距离的布置，该距离是燃烧器122与区120的纵向下游(图1和2的左侧)端之间的距离的至少40％，优选是至少50％。对应地，优选的是，所述喷枪对151、152、153、154中的相应的第二喷枪151、153相对于燃烧器122具有纵向距离地布置，该距离是燃烧器122与区120的纵向下游端之间的距离的最多80％，优选地最多是70％。这种几何设计已经被证实能实现良好的热效果，这种良好的热效果体现在较小的热梯度和材料104的侧边缘的温度控制两方面。

尤其，优选的是，对于每个喷枪对151、152、153、154，相应的第一喷枪152、154布置在第二喷枪151、153的上游(图1和2的右侧)的0.5米至2米处。优选地，第一喷枪152、154和第二喷枪151、153分别以大致面向彼此的方式布置在炉100的大致相同的纵向d部位处，这种配置在图2中示出。

根据一优选的实施例，对于每个喷枪对151、152、153、154，由相应的第二喷枪151、153喷入的次级氧化剂射流与来自燃烧器122的火焰交叉。如上所述，这在以下情况下是尤为优选的：燃烧器122具有已移位的燃料注入部的情况下，尤其在高速初级氧化剂喷枪124被使用的情况下。也即，在这种情况下往往具有以下问题：来自燃烧器122的火焰在整个加热区120上延伸，甚至可能伸入下游(图1和2中的左侧)区110中。以垂直于燃烧器122的火焰的方式喷射相应的高速次级氧化剂射流的第二喷枪151、153解决了该问题并确保了：燃料和初级氧化剂燃烧所产生的热能被主要用来加热区120中的材料104。

此外，优选的，对于喷枪对151、152、153、154，喷入的次级氧化剂是在燃烧器122的火焰轨迹上方但相对于向下方向以5°至15°的角度地指向地供应的。在喷入的次级氧化剂撞击在燃烧器122的火焰轨迹时会产生高效的扰动。在任何速率下，优选的是：喷入的次级氧化剂的指向被设计成使得它与材料104的上表面从未比约0.5m更近。

而且，优选的是，由相应的第二喷枪151、153喷入的次级氧化剂至少部分地彼此交叉。通常而言，优选的是，次级氧化剂喷枪151、152、153、154使得相应的次级氧化剂流能至少部分地交叉。

在此，两股喷入的氧化剂射流的“交叉”或这种射流与火焰的“交叉”旨在意味着在炉100的运行过程两股交叉体的至少一部分重叠。

在尤为优选的实施例，来自相应的第二喷枪151、153的喷入的次级氧化剂配合成能引起加热区110中的炉100内气体的旋转运动。例如，这可以通过以下方式来实现：使所述第二喷枪151、153大致朝向彼此但略微发散地定向，从而使得来自第二喷枪151、153之一的射流略微指向上，而第二喷枪151、153中的另一个略微指向下、或指向前/后。

优选地，燃烧器122可以至少以第一模式和第二模式来运行，在第一模式中，燃烧器122以近化学计量的方式运行，在第二模式中，燃烧器122以亚化学计量的方式运行。在第二模式的情况下，经由喷枪151、152、153、154所供应的次级氧化剂用来建立如上文所述的近化学计量。然而，在这种情况下，优选的是，在第一模式下，总氧量的1％至5％仍通过喷枪151、152、153、154以次级氧化剂或空气的形式来供应，以用于冷却喷枪151、152、153、154。采用这种方式，可以对于加热区110建立较宽的功率区间，而不需要在低功率运行模式下冒着破坏喷枪151、152、153、154的完整性的风险。

对于喷枪151、152、153、154自身的构造，优选的是，每个喷枪200布置在相应的管210中，比如来自供应源221的冷却空气220通过管210来供应，以使得冷却空气220包围相应的喷枪200的包络面211。次级氧化剂以流212的方式、与冷却空气的圆柱流220内同心地供应。这在图3的剖视图中示出。

图4示出根据本发明的方法，所述方法利用上文描述的炉100和系统并被控制装置160控制。

在第一步骤中，将执行本方法所需的装置安装在特定的加热区120内，优选地安装在已有的炉100设备中。由此，被安装的装置至少包括上文所描述的氧化剂喷枪151、152、153、154、控制装置160以及任何周边设备，比如：次级氧化剂源166，管线161、162、163、164、167，以及传感器168a、168b、168c(除非这种传感器已经被安装)。优选地，该安装步骤还包括在加热区120中改型至少一个燃烧器122以使燃料注入部移位(如上所述)，比如通过安装初级氧化剂喷枪124和管线165来改型。

然后，燃烧器122被启动。

此后，加热区120优选地以至少两种不同的模式中的一种、即上文所描述的传统的化学计量模式和第二模式中的一种运行，在所述传统的化学计量模式中，基本上全部氧化剂都是作为初级氧化剂而供应的并只有少量的次级氧化剂用来冷却喷枪151、152、153、154；在第二模式中，燃烧器122以亚化学计量的方式运行并且通过喷枪151、152、153、154供应大量的次级氧化剂以在子区a2中建立近化学计量。

在模式1中，没有基于传感器168a、168b、168c执行喷枪151、152、153、154的调节。然而，当以模式2运行时，沿着所述水平线测量温度，并且调节相应的第一喷枪152、154，以使得沿着水平线的温度分布均匀化。然后调节相应的第二喷枪151、153以实现化学计量，如上文所述。在执行模式2运行的过程中，一直持续进行该调节反馈回路。

根据一优选的实施例，模式2还可选地包括相应的喷枪对151、152、153、154的脉冲式运行。由此，通过相应的喷枪对151、152、153、154中每一对所供应的次级氧化剂的比例优选地可以随时间变化，以使得通过两对喷枪151、152、153、154、以10秒至2分钟的周期交替地供应相对较多的次级氧化剂。首先，通过对151、152供应比对153、154多的次级氧化剂；此后互换状态，并如此继续。优选地，只有相应的第二喷枪151、153随时间变化以实现这种脉冲，而相应的第一喷枪152、154一直被调节以使得温度分布保持均匀，但是第一喷枪152、154和第二喷枪151、153皆参与了这种脉冲化。脉冲式运行能在加热区120中实现更为良好的温度均匀性，这是由于燃烧强度图案随着脉冲而具有横向偏移。两个相反的侧之间的相对脉冲时间也可以被控制成是不同的，从而进一步提高传感器168a和168c所测量的温度的均匀性。

尤为优选的是，在所述变化期间，通过所述喷枪对中的每对所供应的次级氧化剂的质量流量在下质量流量与上质量流量之间变化，所述下质量流量是次级氧化剂瞬时总质量流量的0至40％，所述上质量流量是次级氧化剂瞬时总质量流量的60％至100％，所述次级氧化剂瞬时总质量流量在所述变化期间大致保持不变。

炉100优选地是步进炉(walkingbeamfurnace)、推炉或转膛炉。材料104优选地是板材、比如圆的或矩形钢板。

在上文中，优选的实施例已经被说明。然而，对于本领域技术人员明显的是，许多改型可以从所披露的实施例得出而不会脱离本发明的基本思想。

例如，每个喷枪对中可以具有多于两个喷枪，并且可以使用多于两个喷枪对。而且，在加热区中可以具有更多的空气燃烧器或经改型的燃烧器。

针对图4所示的方法所说明的所有内容适用于针对图1-3所描述的系统，反之亦然。

由此，本发明不局限于所描述的实施例，而是可以在所附的权利要求的范围内变化。