專利名稱：用于處理可氧化材料的方法
技術領域：
本發明涉及燃燒器和使用燃燒器加熱和熔化可氧化材料的方法。
背景技術：
用于加熱和熔化諸如鋁的可氧化材料的各種燃燒器和方法是本領域中已知的。一種這樣的方法在USPN5，563，903 (以引用方式結合到本文)中描述，該專利描述了一種方法， 其中非氧化性氣體層被注入火焰和正在熔化的鋁之間。非氧化性氣體包括多種惰性氣體或燃料。歐洲專利No. 0748982 (以引用方式結合到本文)描述了一種方法，其中允許用于熔化鋁的燃燒器在亞化學計量法下運行以在鋁上方產生還原氣氛(atmosphere)。燃燒所需的剩余氧化劑通過單獨的流注入燃燒器上方。與在諸如鋁熔化或回收的過程中使用的燃燒設備相關的主要關心的事是金屬產量。鋁易于被氧化，并且氧化過程在存在于熔爐或熔化器中的高溫下被加速。由于氧化造成的鋁金屬損耗如此昂貴，以致于熔爐操作者經常以富燃料方式操作用于加熱熔爐的燃燒器，以便使熔爐中存在的自由氧最小化。本領域中需要用于加熱諸如鋁的材料的燃燒器和方法，其使這種材料的氧化最小化從而增加材料產量。
發明內容
通過提供其中燃料隔離(如圍繞)氧化劑(例如富氧空氣或工業氧)的燃燒器構造， 本發明解決了與常規燃燒器和方法相關的問題。通過用燃料隔離氧，降低了氧與待加熱材料(也稱為“裝料”或“負荷”)接觸的能力。本燃燒器和方法可減少被氧化的材料的量從而增加材料產量。本發明的一個方面涉及一種用于加熱和熔化在高溫下易于氧化的材料的改進的方法和設備。該方法的實例是再生鋁熔化，其中通過使用火焰直接加熱在熔爐中熔化固體鋁(例如回收鋁或廢鋁)。這種方法中使用的火焰通常位于相對靠近負荷的地方，以使從火焰到負荷的輻射熱傳遞最大化；輻射熱傳遞率用距離平方衡量。本發明的燃燒器提供熱的同時使用于燃燒以產生熱量的氧和正被加熱的材料之間的任何相互作用最小化，并且在回收材料的情況下，增加所回收的有用材料的量。本發明的一個方面涉及一種用于加熱材料的裝料的方法，該方法包括 提供待加熱材料的裝料，
通過使用燃燒器燃燒氧化劑和燃料，其中氧化劑以一種方式供應至燃燒器，使得燃料基本上圍繞氧化劑，從而提供與裝料相鄰的富燃料區， 通過從燃燒到裝料的輻射熱傳遞加熱裝料，和回收已加熱的材料。在本發明的一個方面，涉及使用具有同軸構造的燃燒器，其中一種氣流完全或基本上環繞第二氣流。該方面使用以一種方式包裹住氧化劑或氧化劑流的中心芯的燃料的環形流，這種方式使得氧化劑芯被燃料層保持隔離，直到其與燃料已基本上反應為止。本發明的另一個方面涉及一種用于加熱可氧化材料的裝料的方法，包括 提供待加熱材料的裝料，
通過使用包括至少兩個同軸管道的燃燒器燃燒氧化劑和燃料，其中第一管道供應氧化齊 ，第二管道供應燃料，且第二管道基本上圍繞第一管道，并且所述燃燒在足以防止所述氧化劑氧化材料的條件下進行，
通過從燃燒到裝料的輻射熱傳遞加熱裝料，和回收已加熱的材料。
圖1是本發明的燃燒器的一個方面的示意圖。圖2是通過計算機建模確定的CO體積對平均氧摩爾分數的圖示。圖3是通過計算機建模和實驗數據確定的氧百分比對CO的圖示。圖4是天然氣噴嘴角度對氧濃度的圖示。圖5是本發明的燃燒器構造對氧的圖示。圖6是本發明的燃燒器構造與氧的圖示。圖7是旋轉爐內的氧濃度的圖示。
具體實施例方式本發明涉及一種用于加熱和熔化易被高溫氧化的材料的改進的燃燒方法和燃燒器設計。當在金屬產物的熔化和加熱中與氧-燃料燃燒器一起使用時，本發明具有特殊的實用性。本發明可降低相鄰于熔爐內的裝料的表面的氧化劑(例如，氧)的濃度。所謂“相鄰”是指與裝料的表面接觸的氣體的區域或區，其中在該區域內的氧化劑的濃度控制裝料的氧化率。本文中的“氧-燃料”被限定為使用純氧(氧化劑中氧的含量為90%或以上)或有高富氧水平的氧化劑(含有35體積％或以上的氧的氧化劑)來燃燒燃料。根據本發明燃燒的燃料通常是氣態的或可借助于輸送氣體運輸，諸如細霧化的液態燃料或細粉狀的固態燃料。合適的氣態燃料的例子包括天然氣。本文將“金屬產物”限定為可氧化的金屬，其包括鋁、鐵、鉛、鎳、錫和鋅以及包含上述金屬中的一種或多種的合金，以及在加熱或熔化時易發生反應損耗的其它金屬。可用于本發明的燃燒器設計的實例可包括大致同軸的類型，在該設計中，氣流中的一種流動通過完全或基本上完全被用于其它氣流的環形管道圍繞的中心管道。外部的環形流包括燃料或主要包括燃料，中心流包括氧化劑或主要包括氧化劑。燃燒器管道的形狀可以為圓形或諸如正方形、矩形或其它多邊形的任何其它類型。形狀不必是對稱的，但不對稱可帶來設計困難和性能問題，因此不是優選的。中心管道和環形管道可具有不同類型的形狀，諸如被圓形環面圍繞的橢圓形中心管道，或被矩形環面圍繞的圓形中心管道。通常希望中心管道和環形管道采用自相似形狀，以使燃燒器軸線周圍的各向異性量最小。此外，中心的燃燒器管道不需要與外部環面同心。中心管道可以偏向環面的一側。本發明的另一個方面涉及具有兩個以上的燃燒器管道，由此一個管道完全被另一個圍繞，該另一個管道進一步被又一個圍繞；或者多個相鄰但不被圍繞的管道完全被更大的環面圍繞。在這樣的例子中，一小部分燃料可被引導通過由流過氧化劑的環形管道圍繞的中心管道，環形管道進一步被用于平衡燃料流的另一個環形管道圍繞。現在參見圖1，圖1是可在本發明中使用的燃燒器的一個方面的示意圖。外部的管或管道1限定法蘭3和定位槽5，定位槽5限定成角度的開口 7。管1也限定連接到燃料供應(未示出)的聯接器9。管2限定法蘭4和定位槽7，定位槽7限定成角度的開口 8。管2 也限定擴散板6和連接到氧化劑供應(未示出)的聯接器9。通過在外部管或管道1內定位內部管道或管2來組裝燃燒器。在法蘭3和4之間定位墊圈或墊環10，以便在管1和2之間提供流體密封。管2在管1中的相對位置由暗榫或銷H保持。本發明的燃燒器和方法可在任何合適的熔爐中使用，諸如旋轉爐或反射爐，以及本領域中已知的其它熔爐。相似地，燃燒器可定位在相對于熔爐的任何所需位置。雖然本發明的燃燒器可以以任何所需方式操作，但相比常規的燃燒器，使得裝料與氧化劑隔離的燃料的放置(例如，在氧化劑的外面供應燃料)通常改變熔爐內的火焰和氣流流型。燃料也比熔爐內的其它氣體更輕。因此，如果燃燒器設計不當，環形流中的燃料一旦進入熱熔爐，就可能向上上升從而讓純氧化劑射流暴露于熔爐內的負荷。如果熔爐具有兩程構造，當上升的燃料流可容易地經由捷徑隨燃料氣體流一起逸出熔爐時，這種可能的情況甚至會更明顯。在一些情況下，氧化劑流率是燃料流率的若干倍，該倍數是被稱為燃燒的化學計量的比率，其被限定為氧化劑的摩爾流率與燃料的摩爾流率的比率，其中氧化劑流包含作為氧化劑的組成部分的除氧之外的所有氣體。例如，甲烷完全燃燒的化學計量在從約2(在全氧-燃料燃燒的情況下)至接近約10 (在由于空氣中存在氮和其它痕量氣體而進行的空氣-燃料燃燒中)的范圍內。當燃料而不是氧化劑通過燃燒器外部的環面或管道時，甚至在相同的氣體速度下也可顯著減小環面的厚度，從而使環形燃料流在隔離中心的氧化劑射流方面的效果要差得多。通常，燃燒器的中心管道中的氧化劑速度應該相對高，而外側的燃料速度應該相對低。較快的氧化劑流拉動較慢的燃料流前進，從而防止燃料快速散失到環境中。燃料和氧化劑之間的速度差也確保燃燒的進展始終以受控方式消耗氧化劑。然而，速度比率通常保持在由比率R/r所規定的范圍內，其中R為外部燃料噴嘴的半徑，r為中心氧化劑噴嘴的半徑(例如，使得氧化劑在反應之前用燃料隔離)。中心氧化劑的速度為Vtl=Ftl/ π r2,外部燃料的速度為Vf=Ff/ π (R2-r2)，由此氧化劑流率Ftl等于燃料流率Ff的χ倍，其中χ取決于燃燒的化學計量。本發明的氧化劑與燃料的速度比率VtlZVf=X(R2-r2)/r2通常在約1和約5之間。由于過薄的燃料環面，小于約1的比率(即，燃料快于氧)可導致燃料隔離層通過湍流氣體擴散和夾帶而快速損失。大于約5的比率可導致燃料速度太低，以至于不能在燃燒器噴嘴出口下游較大的距離內保持一致的環形層。在這些情況下，燃料流可向上上升并被熔爐氣體流流型卷走。太高或太低的氧化劑/燃料比率都可導致使相對純的氧化劑射流或流沿著至少一部分火焰長度暴露的不期望的結果。通常，所需的燃料/氧化劑比率通過滿足以下標準而獲得[(1+χ) /χ] 1/2<R/r< [ (5+χ) /χ]1/2。在本發明的一個方面，略微會聚的燃燒器噴嘴能克服燃料或氧化劑射流一旦離開噴嘴就立即膨脹的趨勢。通常會聚角應該在相對于燃燒器軸線約0°至約15°之間。在一些情況下，該角在約4°至約9°之間，以便避免由流轉變導致的過度湍流的可能。在一些另外的或其它的情況下，希望氧化劑和燃料都具有會聚角。此外，在一些情況下，有益的是， 外部的燃料噴嘴的相對于燃燒器軸線的會聚角不小于中心氧化劑噴嘴的相對于燃燒器軸線的會聚角(例如，以最小化仍在燃燒器噴嘴內部時的燃料氣流的膨脹)。在本發明的另一個方面，燃燒器的燃料噴嘴不在氧化劑噴嘴之前終止(例如，否貝U，燃料不能在氧化劑射流周圍形成隔離或者可能損壞氧化劑噴嘴)。通常有益的是保持流為流線的，以便保持氧化劑周圍的燃料隔離。通常，在燃料噴嘴和氧化劑噴嘴之間小于約1 英寸的偏差(例如，小于約0. 5英寸)是有益的。在本發明的一個方面，本發明的燃燒器在兩程長熔爐中使用，其中廢氣排氣端口放置在燃燒器的相同側，而在許多情況下放置在燃燒器上方。在這種熔爐中的火焰在轉向煙道并朝向煙道前進之前有意延伸至熔爐的相對端。 因此，離開燃燒器的氣體必須具有足夠的動量以克服返回的熔爐氣體的流動，并在熔爐的長度內保持該動量。在本發明的這個方面，氣體離開速度可以相對高，諸如在約150至約 250英尺/秒之間。氧化劑和燃料之間的速度比率VcAf可以在范圍的下端，通常低于約 1. 5，以便保持高燃料速度。氧化劑和燃料之間的低的速度差但燃料氣體和熔爐氣體之間的高速度差可能不利于保持氧化劑周圍的燃料層。為了補償，燃料流和氧化劑流的交角可以增加以在氧化劑噴嘴內會聚，但在燃料噴嘴具有最大會聚角的同時仍保存大部分的燃料流流線。燃料噴嘴相對于燃燒器軸線的有益會聚角為約7°至約15°。在這個方面，可使用最小噴嘴偏差(例如，小于1/2英寸)，以便避免增加由預燃燒造成的過度湍流。在本發明的另一個方面，本發明的燃燒器在單程長熔爐中使用，其中從燃燒器流出的主要的流通過熔爐相對側的廢氣排氣端口離開熔爐而沒有進行額外的轉彎。在這個方面，氣體速度可比適合于兩程熔爐的氣體速度低，通常在約50和約150英尺/秒之間。氧化劑和燃料的速度比率V(l/vf可以為范圍的上端(例如，大于約2)，以便為氧化劑和燃料之間的良好混合提供足夠的速度差以在流離開熔爐之前完成燃燒。由于燃料的相對低的前進速度，兩個流的交角可最小化。雖然燃料流和氧化劑流之間的有益的交角通常不超過約5°， 但氧化劑噴嘴的期望會聚角小于約9° (例如，以便不擾亂流線)。在本發明的另一個方面，旋轉爐以減少相鄰于裝料的氧化劑的量的方式工作。相鄰于裝料的氧化劑的減少的量減少了受熱時被氧化的裝料的量，繼而增加了由熔爐產生的
金屬產物的量。對于廢氣排氣端口既不在燃燒器的正上方也不正對著燃燒器的其他類型的熔爐設計，可應用如上文概述的更寬的標準。不期望受任何理論或解釋的約束，下表總結了可用于最大化本發明的燃燒器的效率的某些設計參數和其對不同類型熔爐的應用。表 權利要求
1.一種用于加熱材料的裝料的方法，包括提供待加熱材料的裝料，通過使用燃燒器燃燒氧化劑和燃料，其中所述氧化劑以一種方式供應至所述燃燒器， 使得所述燃料基本上圍繞所述氧化劑，從而將氧化劑從所述裝料隔離，并提供與所述裝料相鄰的富燃料區，通過從所述燃燒到所述裝料的輻射和對流熱傳遞加熱所述裝料，以及回收已加熱的材料。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述裝料包括選自如下組的至少一種成員，所述組包括鋁、鐵、鉛、鎳、錫和鋅；并且所述裝料被加熱至高溫。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述裝料被提供給選自如下組的至少一個成員， 所述組包括旋轉爐、反射爐和堆熔化爐。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述裝料被提供給單程熔爐。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述裝料被提供給雙程熔爐。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述燃料包括選自如下組的至少一個成員，所述組包括氣態、液態和固態燃料。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述氧化劑包括富氧空氣或氧。
8.根據權利要求1所述的方法，其中所述燃燒器具有滿足[(l+X)/X]"2<R/r< [(5+x)/x]1/2的尺寸，其中R為燃料噴嘴的半徑，r為氧化劑噴嘴的半徑，χ為燃燒的化學計量。
9.根據權利要求7所述的方法，其中所述燃料噴嘴具有相對于縱向延伸的燃燒器軸線的約7至20度的角度。
10.根據權利要求7所述的方法，其中所述氧化劑噴嘴具有相對于縱向延伸的所述燃燒器軸線的小于約9度的角度。
11.根據權利要求1所述的方法，其中相鄰于所述裝料的氧化劑的濃度小于以體積計的約1. 0%。
全文摘要
一種用于在高溫下易于氧化的材料的工業加熱和熔化應用中使用的燃燒器組件由被燃料的環形流動通道環繞的氧化劑流動通道構成，由此氧化劑基本上包含在燃燒器出口下游的高達至少5氧化劑噴嘴直徑的燃料層內，以便使氧化劑和熔爐負荷之間的接觸最小化。
文檔編號F27D99/00GK102472587SQ201080030633
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月2日 優先權日2009年7月6日
發明者J. 休伊特森 R., 何筱毅, 曹進 申請人:氣體產品與化學公司