迴轉爐的NO_x抑制技術的製作方法

2023-09-19 22:19:05

專利名稱：迴轉爐的NOx抑制技術的製作方法
技術領域：
本技術涉及加熱系統，該系統中燃燒產生氮的氧化物(NOx)，特別涉及抑制用於鐵礦石球化、石灰煅燒或其他高溫培燒工藝以及高溫陶瓷工藝等的熔爐中的N0X。
背景技術：
某些工業工藝(如在熔爐中加熱裝料)依賴於燃料和氧化劑燃燒產生的熱量。燃料包括油、天然氣、煤粉和生物燃料。氧化劑包括空氣、汙濁空氣、氧氣或富含氧氣的空氣。 燃料和氧化劑的燃燒產生由氧和氮結合得到的N0X。燒結爐(indurating furnace)是一種特別的熔爐，眾所周知其產生高水平的N0X。 大量的粒化材料(如鐵礦石的微粒)被引導經過燒結工藝，在這個工藝中這些材料被乾燥、 加熱到高溫，然後冷卻。該高溫引起氧化反應，該反應硬化這些材料。當冷卻時，這些燒結的微粒更能夠經受隨之而來的存儲和運輸中的處理。燒結爐具有順次的工位，用於乾燥、加熱和冷卻步驟。在直爐排(traight grate) 熔爐中，移動爐排將粒化材料輸送到熔爐中、經過這些順次的工位並且移出該熔爐。稱作下降管的風井將預熱後的空氣的向下氣流輸送至加熱工位。燃燒器將燃料和助燃空氣噴入該向下氣體流，所產生的燃燒到為氧化反應提供熱量，這個氧化反應硬化該粒化材料。另一種燒結爐稱作鏈篦式迴轉窯熔爐(grate-kiln furnace) 0其與直排路的不同在於只在乾燥和預熱步驟使用移動爐排。當這些步驟完成時，將這些粒化材料從爐排傳輸進迴轉爐。燃燒器在該迴轉爐點燃以提供硬化該粒化材料所需的熱量。在有些情況下，用於迴轉爐的燃燒器使用天然氣或油作為燃料。在其他情況中，燃燒器使用固體燃料，如煤粉或生物燃料。將固體燃料在輸送空氣流中傳輸到燃燒器。可將額外的空氣傳輸到燃燒器用以冷卻。固體燃料還可與粒化材料混合。風罩結構為迴轉爐提供工藝空氣，其與燃燒器處的輸送/冷卻空氣分開。該工藝空氣包括燃燒燃料所需的助燃空氣，還包括粒化材料中氧化反應所需的空氣。發明概述本發明提供一種用於燃燒器的設備，該燃燒器將燃料注入流進並且通過迴轉爐的工藝空氣流中。該設備包括預混合物注入系統，其構造為形成燃料氣體和空氣的預混合物， 以及將該預混合物在該燃燒器埠的上遊注入該工藝空氣流。通過在工藝空氣的助燃空氣部分與從該燃燒器埠注入的燃料燃燒之前汙染(vitiating)該助燃空氣部分，而使得預混和燃燒產物(POC)能夠抑制NOx的產生。本發明的具體實施例中，將該預混合料在燃燒器埠旁邊噴射進工藝空氣流，而不是在該燃燒器埠的上遊。這個布置對於本發明的改造應用是有好處的，其中限制該風罩結構中的將工藝空氣輸送到迴轉爐的空間。另一具體實施例具有弧形預混合物注入器口。這使得所注入的預混合物能夠通過形成弧形汙染區域而抑制NOx的產生，工藝空氣的助燃空氣部分可在與從該燃燒器埠注入的燃料燃燒之前穿過該區域。該弧形口優選地完全圍繞該燃燒器埠延伸以形成管形汙染區域。另一種方式來描述就是，本發明在迴轉爐中應用燃燒區域。燃燒器將燃料注入該燃燒區域。風罩結構將工藝空氣引入與燃燒器分開的該燃燒區域。按照本發明，將燃料氣體和助燃空氣的預混合物注入該燃燒區域，它們與從該燃燒器注入的燃料以及從該風罩提供的工藝空氣分開。本發明通過用預混合物燃料提供一部分燃燒器燃料來減少NOx的產生。如果該燃燒器使用固體燃料並且該預混合物是天然氣和助燃空氣的稀混合物，這是特別有效的。該預混合物POC還通過汙染從風罩流入並經過該燃燒區域的工藝空氣的一部分而幫助抑制 NOx的產生。出於這個原因，該預混合物優選地從這樣的位置注入，即該預混合物POC僅汙染參與或最可能參與燃燒反應的工藝空氣。本發明每個實施例布置為在流進該燃燒區域的該燃燒器燃料和該工藝空氣之間介入預混合物P0C。該預混合物POC汙染該工藝空氣中作為助燃空氣的那一部分，其在這部分工藝空氣與燃燒器燃料混合而形成可燃混合物之前與之混合。該預混合物POC可作為一個或多個層或不同的形狀的區域來介入，該助燃空氣必須滲入這些層或區域以與該燃燒器燃料形成可燃混合物的。示例包括在該燃燒器燃料流旁邊的預混合物POC的一個或多個扇形層或墊、布置成圍繞該燃燒器燃料流的一組環形預混合物POC流以及和圍繞該燃燒器燃料流的單個環形預混合物POC流。優選地，控制器操作反應物供應和控制系統中的閥門，從而所注入的預混合物具有稀燃料與氧化物比例。該預混合物注入器結構可以是新的或者本發明的任意特殊實現中所需的改進構造。改進的實現優選地對已有結構進行最小的改變。


圖1是具有構造為本發明一實施例的部件的鏈篦式迴轉窯熔爐的局部側視圖。圖2是圖1示出的部件的正視圖。圖3是側視圖示出本發明另一實施例。圖4是沿圖3的線4-4的正視圖。圖5是示出本發明另一實施例的側視圖。圖6是沿圖5的線6-6的正視圖。圖7是示出本發明另一實施例的側視圖。圖8是示出本發明另一實施例的正視圖。圖9是示出本發明另一實施例的側視圖。圖10示出本發明另一實施例的側視圖。圖11是沿圖10中線11-11的正視圖。圖12是沿圖11中線12-12的俯視圖。圖13-15是圖11和12示出的部件的側視圖。圖16是側視圖示出本發明另一實施例。圖17是沿圖16中線17-17的正視圖。圖18是示出本發明另一實施例的正視圖。圖19是示出按照本發明構造的鏈篦式迴轉窯熔爐的其他部分的視圖。圖20也是示出按照本發明構造的鏈篦式迴轉窯熔爐的其他部分的視圖。發明詳述
如圖1所示，鏈篦式迴轉窯熔爐中的燃燒器10將燃料流注入迴轉爐14的出口端 12。該燃料流可由液體或氣體燃料組成，如油或天然氣，也可以包括固體燃料。該固體燃料可在輸送空氣流中傳送到該燃燒器10。風罩20具有開口 22，粒化材料通過該開口從該迴轉爐14落下。吹風機系統M將加壓的工藝空氣流通過該開口 22輸送到該風罩20。優選地將該工藝空氣通過硬化工藝的冷卻部分的粒化材料床而預熱該工藝空氣。該工藝空氣包括在該迴轉爐14中燒結該粒化材料的反應所需的空氣，還包括該燃燒器燃料燃燒所需的助燃空氣。該工藝空氣的一部分因此與該燃燒器燃料形成可燃混合物。這使得通過火焰25 從該燃燒器埠 27噴射到該爐14中來表明燃燒。圖1中還示出預混合物注入系統28。預混合物注入系統28的這個特定示例包括預混合物燃燒器30。該預混合物燃燒器30具有形成氧化劑集氣室33和燃料集氣室35的後部32。該氧化劑集氣室33接收來自該吹風機系統對的空氣。輸送至該氧化劑集氣室 33的空氣通常是未加熱的空氣，但是可包括從冷卻工位或該熔爐其他地方循環來的預熱空氣。該燃料集氣室35接收燃料氣體流，其優選地從取自工廠供應的天然氣。混合器管36位於該氧化劑集氣室33內。在這個示例中，該混合器管36布置成圓形，其中心是縱軸39。每個混合器管36具有開口內端，其接受直接來自該氧化劑集氣室33 的助燃空氣流。每個混合器管36還接受來自管道40的燃料流，該管道40從該燃料集氣室 35延伸進入該混合器管36。隨著這些燃料和助燃空氣流流過該混合器管36，他們混合在一起以形成稱作預混合物的可燃混合物。該預混合物燃燒器30的外部部分50形成具有出口 53的反應區域51。該預混合物從該混合器管36的開口外端一出來就在該反應區域51中點燃。在該反應區域51達到該預混合物的自點燃溫度之前，點燃最初是通過使用點火器來完成的。燃燒隨著將該預混合物從該出口 53噴入該風罩20和該迴轉爐14而進行。這是由穩定預混合物火焰陽的指示圖像從該反應區域51通過該出口 53投出來表明。該預混合物因此注入該燃燒區域，從而該預混合物POC介於該風罩開口 22流到該燃燒器火焰25 的該燃燒器火焰25和該助燃空氣之間。圖2是局部正視圖，其示出該熔爐燃燒器10和該預混合物燃燒器30在爐口 12的投影視圖內。該正視圖示出可選的分階段燃料注入系統，其包括次級燃料注入器58的圓形陣列。圖1的側視圖中還示出從該穩定預混合物火焰陽通過該風罩20向前投出並進入該迴轉爐14的次級火焰57。該次級火焰57是由該次級燃料注入器58注入的次級燃料的燃燒所產生的。通過在這個裝置中分段該燃料而進一步抑制NOx的產生。圖3是類似於圖1的側視示意圖，但是與圖1不同之處在於示出預混合物注入器 60而不是預混合物燃燒器。與圖1的預混合物燃燒器30不同，該預混合物注入器60沒有用於穩定火焰的結構。在這個示例中，該預混合物注入器60布置成中心在該熔爐燃燒器62 的圓形陣列，並因此布置成在流過該風罩的該燃燒器火焰和該助燃空氣之間插入預混合物 POC流的對應陣列。圖5和6示意性說明布置成熔爐燃燒器72和風罩76的開口低端74之間的常規的矩形陣列的預混合物注入器70，助燃空氣通過該風罩的開口流向並進入迴轉爐78。所注入的預混合物流形成預混合物POC的層或墊，該助燃空氣必須流過該層以與從該燃燒器72 注入的燃料流回合併形成可燃混合物。這個實施例的一個變化採用帶有矩形陣列混合器管 82的預混合物燃燒器80，如圖7所示。該反應區域83的該預混合物燃燒器80的構造為注入的預混合物增加火焰穩定性。圖8和9分別類似於圖6和7，並且示出額外的預混合物注入結構84和86。圖10-15是按照本發明改造的鏈篦式迴轉窯熔爐的示意圖。該熔爐具有迴轉爐 90、燃燒器92和風罩94，風罩將工藝空氣輸送到該迴轉爐90。該風罩94構造為從該燃燒器92的上方和下方輸送工藝空氣流。如這個圖中所示，該風罩94的這個構造只為該燃燒器92提供很窄的空間。這樣構造的空間通過圖11的正視圖示出的矩形99來示意性示出。如圖11-15所示，三對預混合物注入管100、102和104布置在幹矩形空間99內。 在不同情況下，該預混合物注入管定向為以該預混合物POC將最有效汙染在該燃燒器92上方和下方的該工藝空氣的助燃空氣部分的方式將預混合物注入該工藝空氣。例如，第一對管100位於該燃燒器92下方，或至少部分在該燃燒器92下方，從而對應的預混合物POC將介於該燃燒器燃料流和從該燃燒器92下方向上流的工藝空氣之間。這個具體改進實施例中的有限空間99不允許將預混合物注入器管放置該燃燒器92上方。所以，該第二和第三對管102和104位於該燃燒器92旁邊，但是向上扭曲，這樣就對從該燃燒器92上方向下流動的空氣具有同樣的汙染效果。圖16和17示出預混合物注入器設備120構造為以圍繞該熔爐燃燒器122注入的燃料流的環形形狀來注入預混合物流。具體地，這個預混合物注入器設備120具有環形形式的出口 125，其完全圍繞該燃燒器122的圓形出口 127。該環形出口 125與該圓形出口 127徑向隔開形成該圓形出口 127 的燃燒器管的徑向厚度。從該環形出口 125出來的預混合物的流形成預混合物POC的管形壁，其徑向介於該燃燒器燃料流和該流經該風罩130的工藝/助燃空氣之間。這汙染在與該熔爐燃料流形成可燃混合物之前必須通過該預混合物POC的工藝/助燃空氣。不同於圖 3和4的布置(其中提供形成圓形陣列的預混合物POC流，其中至少部分彼此周向隔開)， 圖15和16的布置提供連續的360度汙染區域。該圖15-16實施例的一個變化可具有拱形預混合物出口，其連續但只是局部圍繞該燃燒器出口延伸。圖18的半圓形預混合物出口 1 是這個變化的一個示例。別的例子可以是延伸90度、120度，或者是這些與其他長度的組合。這樣的拱形出口可以與一個或多個上述離散的預混合物注入器一起使用。像圖4那些注入器優選地位於同心拱形陣列中， 這個陣列在該一個或更多的拱形出口的相對端之間周向延伸。圖19示出該預混合物空氣可包括預加熱空氣，其從該鏈篦式迴轉窯熔爐中的環形冷卻器得到。圖20示出控制該燃料流和空氣流進入上述該預混合物總成的流量的設備的示意圖。自動監控截流閥示出收到控制器(控制器未示)控制，該控制器檢測燃燒室高於自點燃溫度從而可以安全地開始將預混合物直接注入熱的燃燒室。工藝控制器(未示)確定何時需要增加或減少該預混合物注入器所供應的能量的量，以及何時相應地增加或減少需求信號。燃料和空氣流兩者如圖所示由流量測量設備測量。另外，熱偶或其他測量裝置確定助燃空氣的溫度。然後空燃比控制器(未示)確定空氣與燃料最合適的比率，基於來自該工藝控制器的需求信號和該助燃空氣的溫度。然後可以將該空氣和燃料管線上的流量控制閥調節至該工藝控制器和該空燃比控制器確定的數值。
熱偶或其他溫度感應裝置可安裝在混合器體中並受到監測，從而當測量到高於安全數值的溫度時，可以中斷燃料流。這個書面的說明通過介紹權利要求中描述的要素的示例而闡述了本發明的最佳模式並且描述了本發明，從而使得本領域技術人員能夠製造和使用本發明。本發明的可專利範圍由權利要求限定，並且可以包括本領域技術人員能夠想到的其他示例。這樣的其他示例也會在權利要求的範圍內，如果它們所具有的要素與權利要求的字面意思沒有區別， 或者它們具有與權利要求的字面意思沒有實質區別的等同的要素。
權利要求
1.一種用於燃燒器的設備，該燃燒器具有用於將燃料注入流進並通過迴轉爐的工藝空氣流的埠，該設備包括預混合物注入系統，構造為形成燃料氣體和空氣的預混合物以及將該預混合物在該燃燒器埠的上遊注入該工藝空氣流，藉此預混合燃燒產物可通過在該工藝空氣的助燃空氣部分與從該燃燒器埠注入的燃料燃燒之前汙染該助燃空氣部分而抑制NOx產生。
2.如權利要求1所述的設備，其中該預混合物注入系統包括帶有出口的預混合物燃燒器和構造為將預混合物提供到該出口的混合器管。
3.如權利要求1所述的設備，進一步包括燃料注入器，其構造為將分段的燃料在該燃燒器埠的上遊注入該工藝空氣流。
4.如權利要求3所述的設備，其中該預混合物注入系統包括具有出口的預混合物燃燒器和構造為將預混合物提供到該出口的混合器管，並且該燃料注入器布置成圍繞該出口的圓形陣列。
5.如權利要求1所述的設備，其中該預混合物注入系統包括多預混合物注入器，構造為將各自的預混合物流在該燃燒器埠的上遊注入該工藝空氣流。
6.如權利要求5所述的設備，其中該預混合物注入器布置為圍繞該燃燒器埠的圓形陣列。
7.如權利要求5所述的設備，其中該預混合物注入器布置為在該燃燒器埠的上遊的矩形陣列。
8.如權利要求5所述的設備，其中該預混合物注入器布置為在該燃燒器埠的上遊的多個矩形陣列。
9.一種用於燃燒器的設備，該燃燒器具有用於將燃料注入流進並通過迴轉爐的工藝空氣流的埠，該設備包括預混合物注入系統，構造為形成燃料氣體和空氣的預混合物以及將該預混合物該燃燒器埠旁邊注入該工藝空氣流，藉此預混合燃燒產物可通過在該工藝空氣的助燃空氣部分與從該燃燒器埠注入的燃料燃燒之前汙染該助燃空氣部分而抑制NOx產生。
10.如權利要求9所述的設備，其中該預混合物注入系統包括多預混合物注入器，其構造為將各自的預混合物流在該燃燒器埠旁邊注入該工藝空氣流，包括相對該燃燒器埠歪斜的注入器。
11.一種用於燃燒器的設備，該燃燒器具有用於將燃料注入流進並通過迴轉爐的工藝空氣流的埠，該設備包括預混合物注入系統，構造為形成燃料氣體和空氣的預混合物以及將該預混合物注入該工藝空氣流，包括圍繞該燃燒器埠的環形預混合物注入器埠，藉此從該環形預混合物注入器埠注入的預混合物可通過形成管狀汙染區域而抑制NOx的產生，該工藝空氣的助燃空氣部分在與從該爐燃燒器埠注入的燃料燃燒之前通過該管狀汙染區域。
12.一種用於燃燒器的設備，該燃燒器具有用於將燃料注入流進並通過迴轉爐的工藝空氣流的埠，該設備包括預混合物注入系統，構造為形成燃料氣體和空氣的預混合物以及將該預混合物注入該工藝空氣流，包括部分圍繞該燃燒器埠延伸的拱形預混合物注入器埠，藉此從該拱形預混合物注入器埠注入的預混合物通過形成拱形汙染區域而抑制NOx的產生，該工藝空氣的助燃空氣部分在與從該燃燒器埠注入的燃料燃燒之前流經該拱形汙染區域。
13.如權利要求12所述的設備，其中該拱形預混合物注入器埠圍繞該燃燒器埠延伸90度。
14.如權利要求12所述的設備，其中該拱形預混合物注入器埠圍繞該燃燒器埠延伸120度。
15.如權利要求12所述的設備，其中該拱形預混合物注入器埠圍繞該燃燒器埠延伸180度。
16.一種設備包括迴轉爐，具有出口端；風罩，具有開口以接收工藝空氣流，該風罩構造為將該工藝空氣流從該開口輸送到該迴轉爐的該出口端；燃燒器，具有用於將燃料在該風罩開口下遊注入該工藝空氣流的埠 ；和預混合物注入系統，構造為形成燃料氣體和空氣的預混合物以及將該預混合物在該風罩開口和該燃燒器埠之間注入該工藝空氣流，藉此該預混合燃燒產物可抑制NOx的產生，通過在該工藝空氣的助燃空氣部分與從該燃燒器埠注入的燃料燃燒之前汙染該助燃空氣部分。
17.如權利要求16所述的設備，其中該預混合物注入系統包括帶有構造為將預混合物注入集氣室的出口的預混合物燃燒器，並且進一步包括構造為將預混合物提供至該出口的混合器管。
18.如權利要求16所述的設備，進一步包括燃料注入器，構造為將分段的燃料在該風罩開口和該燃燒器埠之間注入該工藝空氣流。
19.如權利要求18所述的設備，其中該預混合物注入系統包括將預混合物注入集氣室的出口的預混合物燃燒器，並且進一步包括構造為將預混合物提供至該出口的混合器管， 以及該燃料注入器布置為圍繞該出口的圓形陣列。
20.如權利要求16所述的設備，其中該預混合物注入系統包括多預混合物注入器，構造為將各自的預混合物流在該風罩開口和該燃燒器埠之間注入該工藝空氣流。
21.如權利要求20所述的設備，其中該預混合物注入器布置為圍繞該燃燒器埠的圓形陣列。
22.如權利要求20所述的設備，其中該預混合物注入器布置為在該風罩開口和該燃燒器埠之間的矩形陣列。
23.如權利要求20所述的設備，其中該預混合物注入器布置為在該風罩開口和該燃燒器埠之間的多個矩形陣列。
24.一種在熔爐中注入燃燒反應物的方法，該熔爐包括迴轉爐和燃燒器，該燃燒器具有用於將燃料注入流進並通過迴轉爐的工藝空氣流的埠，該方法包括形成燃料氣體和空氣的預混合物；和將該預混合物在該燃燒器埠的上遊注入該工藝空氣流，藉此預混合燃燒產物可通過在該工藝空氣的助燃空氣部分與從該燃燒器埠注入的燃料燃燒之前汙染該助燃空氣部分而抑制NOx的產生。
25.如權利要求M所述的方法其中該預混合物以稀燃料-氧化劑比率形成。
26.一種在熔爐中注入燃燒反應物的方法，該熔爐包括迴轉爐和燃燒器，該燃燒器具有用於將燃料注入流進並通過迴轉爐的工藝空氣流的埠，該方法包括形成燃料氣體和空氣的預混合物；和將該預混合物在該燃燒器埠旁邊注入該工藝空氣流，藉此預混合燃燒產物可通過在該工藝空氣的助燃空氣部分與從該燃燒器埠注入的燃料燃燒之前汙染該助燃空氣部分而抑制NOx產生。
27.如權利要求沈所述的方法其中該預混合物以稀燃料-氧化劑比率形成。
28.一種在熔爐中注入燃燒反應物的方法，該熔爐包括迴轉爐和燃燒器，該燃燒器具有用於將燃料注入流進並通過迴轉爐的工藝空氣流的埠，該方法包括形成燃料氣體和空氣的預混合物；和將該預混合物注入該工藝空氣流，其中該預混合物以圍繞該燃燒器埠的管狀流構造注入，藉此預混合燃燒產物可通過形成管狀汙染區域而抑制NOx的產生，該工藝空氣的助燃空氣部分在與從該燃燒器埠注入的燃料燃燒之前通過該管狀汙染區域。
29.如權利要求觀所述的方法其中該預混合物以稀燃料-氧化劑比率形成。
30.一種在熔爐中注入燃燒反應物的方法，該熔爐包括迴轉爐和燃燒器，該燃燒器具有用於將燃料注入流進並通過迴轉爐的工藝空氣流的埠，該方法包括形成燃料氣體和空氣的預混合物；和將該預混合物注入該工藝空氣流，其中該預混合物以部分圍繞該燃燒器埠延伸的拱形流構造注入，藉此預混合燃燒產物通過形成拱形汙染區域而抑制NOx的產生，該工藝空氣的助燃空氣部分在從該燃燒器埠注入的燃料燃燒之前通過該拱形汙染區域。
31.如權利要求30所述的方法其中該預混合物以稀燃料-氧化劑比率形成。
全文摘要
一種NOx抑制設備，構造為用於燃燒器，其將燃料注入流進並通過迴轉爐的工藝空氣流。該設備包括預混合物注入系統，其形成燃料氣體與空氣的預混合物以及將該預混合物在該燃燒器埠的上遊注入該工藝空氣流。通過在該工藝空氣的助燃空氣部分與從該燃燒器埠注入的燃料燃燒之前汙染該助燃空氣部分而使得該預混合燃燒產物能夠抑制NOx的產生。
文檔編號F23C1/00GK102449394SQ201080022778
公開日2012年5月9日 申請日期2010年3月23日 優先權日2009年3月24日
發明者布魯斯·E·凱恩, 託馬斯·F·羅伯遜, 約翰·J·諾瓦科夫斯基 申請人:法孚北美燃燒有限公司