[发明专利]用于炉气氛控制的低速分级燃烧

说明书

技术领域

本发明大体而言涉及炉内的分级燃烧，炉包含着将要由燃烧所生成的热量进行加热的炉料。

背景技术

在利用燃料与氧化剂燃烧的许多工业加热过程中，燃料燃烧的产物与炉料相互作用或起反应，并且常常会造成不希望的效果。举例而言，已知冲击于玻璃熔炉中玻璃熔体上的富燃性(fuel rich)火焰会造成玻璃产品颜色改变，这是由于暴露于富燃性火焰下的玻璃熔体的氧化还原反应变化所致。在钢再加热炉中，在加热期间形成氧化膜，这造成金属损失或表面缺陷。在利用美国专利第6,592,649号和第6,602,320号中所公开的工艺来直接还原氧化铁的过程中，铁矿石、煤粒和熔剂材料的混合物被凝聚成球且置于转底炉(rotary hearthfurnace)中，被加热并还原以产生(iron nugget)。氧化铁被预热，被来自煤的碳还原，并熔化形成。在熔化区中，经还原的炉料被气体燃烧器加热到1300至1500℃以形成熔并与炉渣分开。在还原区中，从铁还原反应快速放出CO气体防止炉气氛中的氧化气体(CO₂、H₂O和O₂)对炉料进行氧化。在熔形成区中，从炉料放出少量CO且经还原的易于被炉燃烧产物(CO₂、H₂O和过量O₂)再氧化。现有技术已披露了通过在炉料材料的床层中装入额外的煤粒子来防止铁熔核再氧化而部分地解决了再氧化问题。在脱挥(devolatization)后，形成木炭床层。

这种办法存在缺陷。即使在过量焦炭颗粒的床层上形成铁熔核，每个熔核的顶表面仍被暴露于炉气氛。熔化过程需要大量热，通常由天然气与空气的燃烧来提供这些热量。CO₂和H₂O与碳的反应是吸热的并消耗热量且增加了天然气消耗。希望防止铁熔核的再氧化。

氮的氧化物(NOx)是燃烧期间生成的重要污染物且希望在进行燃烧时减少它们的生成。已知可通过使用工业纯氧气或富含氧气的空气作为氧化剂来执行燃烧以减少NOx生成，因为这在等量氧的基础上减少了提供到燃烧反应的氮气的量。但是，使用具有比空气的氧气浓度更高氧气浓度的氧化剂会造成燃烧反应在更高温度进行、且这种更高温度在动力学上有利于NOx形成。

已使用分级燃烧来减少NOx生成，特别是当氧化剂是氧气浓度超过空气的氧气浓度的流体时。在分级燃烧中，燃料与氧化剂按一定化学计量比被引入到燃烧区中并燃烧。由于过量燃料用于燃烧，氧化剂的很少的氧分子与氮气反应形成NOx。向燃烧区提供额外的氧气以在第二下游级中完成燃烧。由于二次氧在与未燃烧燃料混合之前首先被炉气稀释，在第二级中的燃烧并非在很高温度下发生，从而限制所形成NOx的量。

使用深度分级燃烧过程，可通过将炉气氛竖直分层而使靠近炉膛区域的炉气氛还原性更强(美国专利5,755,818)或氧化性更强(美国专利5,924,858)。为了对铁进行直接还原，需要靠近炉膛区域的还原性气氛。尽管这种技术已经在商业上用于玻璃熔炉，其中炉膛区域受控以具有富含较多氧气的气氛，由于这种方法需要相对较高的动量，气氛分层的程度是有限的。近来，在美国专利第5,609,481号、第5,563,903号、第5,961,689号和第6,572,676号中描述了通过在直燃炉的下半部分中提供惰性保护气氛(诸如氮气)来完全控制炉气氛的技术。该工艺应用于全尺寸炉(13英尺宽×23英尺长×8英尺高)中80％的铝重熔和还原浮渣形成。尽管该工艺可应用在直接还原炉中以在熔炉的下半部分中形成还原气氛且在熔炉的上半部分中形成氧化气氛，但这个工艺需要大量的专用低速燃烧器使得该工艺操作起来较为复杂。希望有一种具有成本效益和更好分层的方法用于直接还原过程，玻璃熔炉、以及其中发生着燃烧气氛与炉料相互作用的其它工业熔炉。

为了利用具有比空气的氧气浓度更高氧气浓度的氧化剂进行有效的燃烧，必须以相对较高的速度向炉内提供燃料和/或氧化剂以便实现必需的动量。燃烧反应物必须具有一定动量以便保证燃料与氧化剂充分混合来进行有效的燃烧。高动量也造成燃烧反应产物在整个炉中更有效地传播以传热至熔炉炉料。动量是质量与速度的乘积。氧气浓度超过空气的氧气浓度的氧化剂在等量氧分子的基础上具有低于空气的质量。举例而言，具有氧气浓度为30％(以摩尔百分数计量)的氧化剂流体将会具有氧化性等效的数量的空气的大约70％质量。因此，为了维持必需动量，燃烧反应的速度，即，燃烧反应的燃料和/或氧化剂的速度必须相应地更高。