燃燒氧燃料的熔爐中氧的回熱式預熱方法
2023-06-30 15:10:56
專利名稱：燃燒氧燃料的熔爐中氧的回熱式預熱方法
技術領域：
本發明涉及把輸入燃燒氧燃料的熔爐(oxy-fuel fired furnace)的氧進行預熱的方法和裝置。
在很多工藝過程中，例如金屬熔化和玻璃加工中，都要用到熔爐。在這樣的熔爐中，加入燃料並燃燒以給被加工的材料加熱，同時也就產生出熱的廢煙氣。許多現代的熔爐都燃燒氧燃料，亦即用氧代替通常的助燃空氣來配合燃料燃燒，以改進能效和生產率，減少煙氣中不必要的氮的氧化物(NOx)排放。在這種燃燒氧燃料的熔爐中要考慮的一個因素是燃燒過程的效率，因為氧比助燃空氣的費用要高。
在高溫熔爐中，即使是燃燒氧燃料的熔爐中，有很大一部分的能量是損失掉了。在某些以空氣助燃的熔爐系統中，煙氣被用來在回熱器中預熱助燃空氣，然後再送入爐中以增大燃燒效率。
由於處理燃燒用的高溫氧有技術困難，因此在燃燒氧燃料的熔爐中通常都使用環境溫度下的氧。氧可在間壁式換熱器內預熱到高達1300°F的溫度。預熱到更高的溫度會引起麻煩，並會更加擔心間壁式換熱器管道的材料。加之，使用間壁式換熱器的經濟性並無很大吸引力，因為被回收來預熱氧的煙氣熱量較小。
現可購得一種適用於燃燒空氣燃料的熔爐的快速循環回熱器，其中是用熱煙氣來預熱空氣。由於快速循環回熱器的典型循環時間為小於2分鐘，因此床的尺寸很小。但是，用這種回熱器來預熱氧卻存在著工藝技術問題。問題之一是，按照預熱空氣的規定，爐內產出的全部煙氣都是要通過回熱器的。當用來預熱氧時，與在空氣助燃的回熱器中預熱空氣相比，流出回熱器的煙氣溫度過高。另一個問題是，在氧預熱循環終了時殘留在回熱器中的氧的問題。殘留氧的容積可相當於每個預熱循環中氧氣流容積的約5～10％。再一個問題是較高的氧化劑預熱溫度會導致較高的NOx排放。
本發明提供一種把氧預熱到高溫的方法和裝置，而不存在上述的缺點。本發明在燃燒氧燃料的熔爐中有特殊的用途。
按照本發明，熔爐應相伴有一臺或一臺以上的回熱器。每臺回熱器配有第一和第二回熱床。每臺回熱器的二個床被交替地、有控制地輸入環境溫度下的氧和從爐中出來的煙氣。在作業循環的一部分中，第一床被從爐中排出的熱煙氣加熱，同時，環境溫度下的氧則被輸入已加過熱的第二床。該床使氧預熱，預熱後，氧被輸入爐中。輸入第二床的環境溫度下的氧耗盡了第二床的熱量，使之達到不能再把氧有效預熱到足夠高的溫度。在循環的下一部分中，兩床的作業被轉換。
本發明的一個優選實施方案是，在實行轉換以前，就停止向第二床輸送氧，並用已冷卻的煙氣輸送給第二床，以把床內殘留的氧吹入爐中。然後向第二床輸入熔爐熱煙氣，使其預熱，而這時向已預熱好的第一床輸入要預熱的氧，然後將經預熱的氧輸入到爐中。
給床加熱和給氧預熱在兩床之間交替地進行，以使熔爐可得到連續的預熱氧的供應。床的加熱不是用的熔爐所產生煙氣的全部容積。同時，床中殘留的氧也被吹洗，以防浪費。
回熱器可把輸入熔爐的氧預熱到比煙氣溫度低400°F以下。這一措施既可減少燃料的消耗，又可減少氧的消耗。舉例說，一個燒天然氣和氧的熔爐，當氧被預熱到2000°F而煙氣溫度為2400°F時，可達到0.42的熱回收率。這種氧的預熱，在燃燒氧燃料而不搞煙氣熱回收的基礎上，約可達到8％的燃料和氧的節省。節省8％，就相當於空氣助燃情況下節省燃料量的兩倍，因為氧的成本大體上與燃料的成本相同。
因此本發明的目的之一是要提供出一種新穎的方法和裝置，來利用燃燒氧燃料熔爐的煙氣對氧進行回熱式預熱。
另一個目的是提供出一種方法和裝置，它能減少燃料和預熱氧燃燒時NOx的排放。
本發明的其它目的和優點，在參閱下列詳細說明和附圖以後，會變得更加明確，附圖有
圖1為實現本發明的裝備簡圖2為一曲線圖，它示出用旁通放走一部分煙氣的辦法使煙氣和氧的顯熱達到平衡；圖3示出四個床的回熱器系統的定時圖；圖4示出用變壓吸附床(PSA)作為氧源的簡圖。
圖1為實現本發明的工藝過程的系統簡圖。圖中示出一個例如用來加熱金屬的適當大小和型號的熔爐10。圍繞熔爐壁分布有多個燃料注入口141和142。燃料注入器141或142通過管道26從燃料源交替地接收任何類型的燃料，例如煤、天然氣、燃料油等等，隨各自的供料閥231和232的控制而定。這些閥，也象本系統中使用的其它閥一樣，只要能與所接觸的溫度和材料相適配，用任何適當的型號都行。系統中的閥可藉助於普通的控制器(圖中未示)按預定的時間順序進行控制和操作，操作動力可以是電氣的、液動的或氣動的。控制器可從按需要為系統中每個監測點設置的適當敏感頭接收到溫度和氣流量的信息。
圍繞熔爐壁還分布有多個分別與回熱床251和252連通的口151和152，現描述如下。被加過熱的氧交替地通過熔爐回熱器口151和152被輸入熔爐10中。在描述本發明的優選實施方案中，「氧」這個詞是定義為氧化劑，它含有的氧濃度至少為30％，優選為至少80％，或者是氧濃度最少為99.5％的工業純氧。一部分熱煙氣也是交替地通過口151和152被吸入相應的回熱床，用來預熱輸入熔爐的氧。在圖中只畫出了一對燃料注入口和一對回熱器口，目的是為了說明。下面將要說明，口的數量可按需要擴充。
熔爐10上有一煙氣出口17，供連續排出一部分熔爐熱煙氣之用，排出的理由下面將會講到。煙氣調節板18可控制從熔爐出來通過出口17的煙氣的量。
與熔爐10相聯結的是一個或一個以上的回熱器，其機械設計例如可與T.Martin所作的題為「回熱式陶瓷燃燒爐的製造工藝和應用」的論文(工業加熱雜誌，1988年11月，p.12～15)所描述的一種空氣式快速循環回熱器相似。每臺回熱器中都具有多個床。每個床上都裝有例如陶瓷球材料，該材料可被流過的熱煙氣加熱，也能給流過熱床的冷氣體加熱。在上述本發明的說明性實施例中，一臺這樣的回熱器示出的是具有兩個床251和252。床251和252系被簡單地示為分布在同一面熔爐壁上。床可被邊靠邊放置，也可分開放置在熔爐的不同壁上。
每個回熱床251和252通過供氧管27分別通過閥301或302從未畫出的源頭，接收在環境溫度下的氧。閥310和302有選擇地從管道27分別向回熱床251和252輸送氧。當氧被輸入床251和252時，它流過該床並在其中被預熱，隨後通過各自的口151和152進入爐中。
每個床251和252都具有出口，通過各自的閥411和412通向排出管或排氣管39，在排出管中裝有鼓風機40，它把氣體吹向系統的出口42。當一個床要加熱時，藉助於開動鼓風機40和打開相應的床的出口閥411或412，熔爐熱煙氣就被排出而通過該床。這一動作是從熔爐中排出熱煙氣使之流經該床。
每個回熱床251和252還可通過各自的閥331和332通過管道34從鼓風機40的出口處把已冷卻的煙氣作為吹洗用氣輸入進來。管道34中的吹洗用氣由於熱損失，比排氣管39中的氣體溫度要低些，但壓力要高些。
圖1中系統的動作過程如下。設想床252是在被加熱，而同時已加過熱的床251正在預熱要輸入熔爐的氧氣。
(1)閥231開啟，從管道26通過燃料注入器141向熔爐10注入燃料。閥232關閉，因此無燃料輸向燃料注入器142。閥301開啟，從管道27向已加過熱的回熱床251輸送氧，氧從床中流過並被預熱。預熱過的氧被從床251通過入口151輸入熔爐中。此時，閥302關閉，以阻斷氧進入回熱床252。鼓風機40被啟動，閥412被開啟，因而熱煙氣被排出而通過床252，通過入口152進入，而通過開啟的閥412流入排出管39。在熱煙氣穿過回熱器252的過程中，回熱器252中的床被加熱，而煙氣被冷卻。第一回熱床251的閥411是關閉著的，因此鼓風機對它不產生影響。
(2)當第二回熱床252被加熱到要求的溫度後，閥301即關閉，以停止氧流入第一床251。床的溫度可以直接測量。要不然也可測量排出管39中的煙氣溫度。例如，測量到的溫度為100至500°F可被用來觸發閥301的關閉。
(3)第一回熱床251已將它的熱量丟失給了流經它而進入熔爐的氧，並已不接受從氣源27來的冷的氧。閥331短時開啟，將排出管39中的部分已冷卻的煙氣通過回輸管34返回到回熱床251中，以把任何殘留的氧吹洗出去，被吹洗的氧則通過口151輸入到熔爐中。
(4)閥231關閉，以停止燃料流通過燃料注入器141，而閥412也關閉，以停止通過回熱床252排出煙氣。現在，閥302開啟，以從氣源27向第二回熱床252輸送冷的氧，床252已被加過熱。閥411也開啟，以使從熔爐排出來的熱煙氣通過回熱床251對它加熱。氧被回熱床252預熱後被輸往熔爐口152。由於回熱床252中的煙氣在供氧閥302開啟後會立刻首先流出，因而為計及床的這一吹洗階段，向熔爐燃料注入器142輸送燃料的閥232系經短時停頓後再開啟。由於閥301是關閉的，因此沒有氧輸入到第一回熱床251中去。
上述步驟在兩床中每個床的交替循環中重複進行，交替地被從熔爐中抽出的煙氣加熱和往熔爐中輸送預熱過的氧。亦即，在同一時間內，兩回熱床中的一個床被流過的熱煙氣加熱，而另一個已經預熱過的床則有環境溫度下的氧通過被預熱並被輸入熔爐中。由於兩床之間不斷轉換，因此熔爐可得到恆定的預熱氧供應。當兩回熱器的口布置在同一爐壁上相距很近時，可用一個或一個以上的燃料注入器來配合兩個口使用。同時，每個床也可能配有多個口和燃料注入器。
為空氣燃燒熔爐設計的普通快速循環回熱器，例如T.Martin在前述論文中所描述的那種回熱器，從材料的可混用性觀點來看，是不能考慮進行翻新改進以預熱氧的。所存在的其它問題則已被本發明克服，下面將加以描述。
首先，倘若燃燒氧燃料的熔爐其全部煙氣都通過回熱器，則從回熱器出來的煙氣溫度仍保持相當高(對工作在約2400°F下的燒天然氣和氧的熔爐來說，約為1500°F )，而對比之下，空氣燃燒的回熱器出來的煙氣溫度典型地約為300°F。這是由煙氣容積與氧化劑容積不平衡所引起的。當天然氣配合空氣燃燒時，一個單位容積的天然氣要配合燃燒約十個單位容積的空氣而產生出十一個單位容積的煙氣。因此，煙氣容積與空氣容積接近。當用工業純的氧來助燃時，則煙氣容積對氧容積之比變為約3比2。加之，煙氣的比熱要比氧高得多。回熱床出來的煙氣溫度很高，則會加大處理煙氣所用的管道、閥門和鼓風機的成本。優選是把回熱床後的煙氣溫度控制在低於900°F，更優選低於500°F。
按照本發明，解決這一問題的方法是，通過另外的煙氣口、例如口17來旁路排出一部分煙氣，旁流量可在熔爐煙氣總容積的20～70％之間，優選為30～60％之間。圖2示出旁路排出部分煙氣以求煙氣和氧的顯熱達到適當平衡的例子。直線A示出不旁路排出任何煙氣時煙氣的顯熱與煙氣溫度的函數關係。直線C示出從進入回熱器的全部煙氣中旁路排出60％時，剩餘40％的煙氣的顯比熱與煙氣溫度的函數關係。直線B作為對比，示出100％的氧氣流的比熱與氣體溫度的函數關係。如果煙氣溫度為2400°F，以CH4和工業純氧按化學當量成比例配合的燃燒來計算，100％和40％的煙氣中所含的顯熱分別為每標準立方英尺CH4為193和77英熱單位(Btu)。在約1900°F時，氧的顯熱為每標準立方英尺CH4為77Btu。這樣，在理想的回熱器中，2400°F的40％的煙氣所含有的顯熱被轉交給氧，煙氣溫度將被冷卻到環境溫度，而氧將被預熱到1900°F。反之，如果100％的煙氣通過回熱器，而氧被預熱到1900°F，則每標準立方英尺CH4為116Btu的多餘顯熱將被留在煙氣中，結果是在回熱器之後的煙氣溫度過高。旁路排走煙氣的最佳的量，部分地取決於氧流中的純氧濃度和滲入爐中的環境空氣的量。如果氧濃度大於80％而空氣滲入量很小可以忽略，則熔爐煙氣總量的40～60％可被不經回熱床旁路排走。當氧的濃度較低並只有30～50％，則煙氣總量的20～40％可被旁路排走。當空氣滲入量很大時，則旁路排走的煙氣量應加大，以抵消煙氣容積的增大。
在本發明中，旁路煙氣出口17容許對不經回熱床而旁路排走的煙氣的量進行選擇。出口17連續不斷地排走熔爐煙氣總容積的一部分。該部分的大小由煙氣調節板18控制。對調節板18加以調節，以控制允許進入回熱器的熔爐煙氣總容積的百分數。這一調節可自動地進行，以達到預設的水平。
可以使用適當的收集、淨化和/或回收系統(圖中未示)來進一步處理從出口17的排出管39出來的氣體。
普通的快速循環回熱器的第二個問題是，在回熱床被開始加熱以前殘留在其中的氧的問題。殘留氧的容積，對循環時間小於1分鐘的快速循環回熱器來說，視回熱床的設計和循環時間不同，可高達相當於每個循環中氧流容積的5～10％。利用這些殘留氧在熔爐中作有效燃燒是很必要的。如果用空氣吹洗回熱床就會往爐中導入氮氣並增大爐子的NOx排放。利用煙氣作連續的吹洗流倒是一種選擇。例如，在給回熱床加熱後冷卻下來的煙氣可以以氧流量的1/2的流量不斷地回輸到回熱床中。這樣就會把輸入爐中的氧的濃度降到67％，並可能減輕對高純度的氧接觸回熱器鋼質外殼的安全的擔心。不過，這樣做並未妥善解決總的熱效率問題，而回熱床的尺寸卻要增大約25％。本發明所用的優選解決辦法，正如上述步驟(3)所描述的那樣，是只在每個床的加熱循環開始以前，回輸已冷卻的煙氣來吹洗回熱床。
第三個問題是當採用氧化劑的高溫預熱方法時，高預熱溫度的氧會使燃燒器零部件過熱，並產生高NOx排放。這一問題可藉助於使用美國專利5,076,779的低NOx燃燒方法來解決，在該方法中，燃料和氧是由燃燒器以高速分開注入的。按照本發明的一個優選實施方案，燃料和氧都是以高於50英尺/秒的速度、更優選高於100英尺/秒的速度、最優選高於200英尺/秒的速度分開通過各自的入口注入的。
第四個問題是氧流和煙氣流在熔爐回熱器口151和152處的流速。為使NOx排放量低，常優選以高速噴射氧。另一方面，煙氣則優選用低速，以減小在循環的排氣階段煙氣流過回熱器口時的壓降。這一問題的解決辦法是每個床採取短時間注氧和長時間排氣，並可通過多個床排出熱煙氣，以降低煙氣通過回熱器口和回熱床的速度。煙氣通過熔爐回熱器口的速度優選小於200英尺秒，更優選小於100英尺/秒，最優選小於50英尺/秒。
一個使用四個床的回熱器循環的系統示例於圖3。為說明問題，假定4個床是由一臺回熱器提供的，在圖3中，4個床分別被標示在各自的行上。圖1中的系統可擴大為具有4個燃料注入口，或者具有一個或一個以上的公共注入器為所有的床共用。共有4個熔爐回熱器口，每個回熱床1個。也可把多個口用於每個床。說明性的循環已示出為40秒，它由10秒的氧預熱、1秒的吹洗和29秒的排氣組成。如圖所示，排出煙氣通過回熱床使之預熱的時間，約相當於給流過回熱床的氧加熱或烘烤的時間的三倍。每個床在流過被預熱的氧以後都要對殘留的氧作一次吹洗並送入爐中。
如圖3所示，4個床的循環是交錯排列的，排列成同一時間只有一個床向熔爐中輸入氧氣，而4個床中的3個只是被所排出的熔爐煙氣加熱。比之在四床回熱器系統中氧和煙氣平行地各通過兩個床的情況，氧的速度提高了一倍，煙氣的速度減到了三分之二。如果使用一臺以上的回熱器，例如用兩臺回熱器共8個床，則可有兩組各4個床平行，每組都工作在圖3所示的狀態，或者也可對8個床順序地交錯排列烘烤時間和排氣時間。
下面將描述一個按照本發明使用回熱式煙氣預熱氧的熔爐的實施例。實施例A一臺現有的批量型鋼加熱爐，它用4個天然氣和氧燃料燃燒器來點火燃燒，它的加熱速度為20MM Btu/小時。用於燃燒的天然氣為20,000標準立方英尺/小時，商品氧為41,300標準立方英尺/小時，不採用任何煙氣熱回收系統。煙氣的平均溫度為2400°F。
四個氧燃料燃燒器全部都用低NOx氧燃料燃燒器代替，其型號如美國專利5,076,779所示。該加熱爐配有兩臺4床回熱器(亦即共有8個床)和相應的控制閥。46％的煙氣被從另外的煙氣出口(如17)連續不斷地排往煙囪，不做熱回收；56％的煙氣被導入回熱器對它加熱。回熱床的材料是用1/2英寸直徑的礬土球製成的，在一個循環中加熱階段的末尾可被煙氣加熱到的最高溫度約2200°F。每個床的尺寸被設計成在每個40秒的回熱循環中儲存4,000Btu的熱量。每個床的氧預熱階段為19.5秒，吹洗階段為O.5秒，排出煙氣預熱床的階段為20秒。
在該實施例中，工業純氧被回熱床預熱後的平均溫度為約2000°F。煙氣在流過床以後的溫度，藉助於床對煙氣熱的吸收而控制在低於300°F。由於進行了熱回收，天然氣的平均流量率被降低為18,200標準立方英尺/小時，氧的平均流量被降為37,600標準立方英尺/小時。在一個循環的排氣階段，從加熱爐下遊連續循環的煙氣為18,800標準立方英尺/小時，並在氧的預熱和吹洗循環中被輸送入回熱器中。該實施例顯示出來的燃料和氧的節省各為9％。
在圖1的系統中所示出的環境溫度下的氧是從某個標準氣源輸送來的。另外一種辦法是把預熱的回熱器與變壓吸附空氣分離系統或稱PSA系統連結在一起，用以產生氧。一個「PSA系統」是在一個或一個以上的吸附床中，利用吸附劑從氣體混合物中分離出氣體組分的系統，它包括的主要步驟為吸附和再生或解吸，在吸附時，混合氣中一種或數種組分被優先吸附在吸附劑上，在解吸時，藉助於降壓可使優先吸附的組分從吸附劑上移走。可用來實踐本發明的兩床PSA系統，包括有兩個裝填有氮吸附材料的床。圖4示出一個PSA床551，它被串聯在通向回熱床251的氧閥301的上遊。在烘烤循環時，原料空氣56通過空氣閥571被送入PSA床551。空氣中所含的氮被吸附在床內，而空氣中含有的氧和氬則通過閥301流出床551進入回熱床251被預熱，然後通過口151被送入爐中。在烘烤循環中閥411和581是關閉的。在床251的排氣循環時，熔爐熱煙氣被排出通過床，並通過閥411進入排氣管39。在此循環中，氧閥301是關閉的。在排氣循環中，被吸附在PSA床551中的氮和剩餘的空氣，在閥581開啟後，即被真空泵59同時排走。在此循環中空氣閥571是關閉的。回熱床252也可具有一個類似的PSA系統，兩個PSA系統可交替地工作。回熱器上配備PSA空氣分離系統後，氧的成本即可大大降低。
為使床的尺寸小，應優先使用快速循環回熱床。但是，若是從含有顆粒物或能凝結的蒸汽的煙氣中回收熱量，回熱器中的氣體通道必須足夠地大，以防堵塞。例如，玻璃熔爐配用的商品回熱器，典型地是每20至30分鐘轉換一次，其氣體通道的平均直徑為數英寸。本發明可同樣適用於大型回熱器。
由於按照本發明可把每種特性與其它特性結合起來，因此本發明的多項特有特性都是在一兩個圖中示出的，這只是為了說明的方便。對本領域的技術人員來說，會承認有多種替代方案，並應被認為是包括在權利要求的範圍之內的。
權利要求
1．一種將待輸入具有熱煙氣出口的熔爐的氧進行預熱的方法，它包括下列步驟交替地對第一、第二回熱床中的一個床進行預熱，方法是從一個床排出一部分熔爐的煙氣，同時通過使氧流經已預熱的另一個床，往熔爐中輸送預熱的氧；在熔爐煙氣流經一個床排出期間，停止對該床的輸氧，而在往熔爐中輸送預熱的氧期間，停止通過該床排出熔爐煙氣；以及不斷地從熔爐中排走一部分熱煙氣。
2．權利要求1的方法，其中當停止向一個床輸氧時，在床中停留著殘餘的氧，該方法還包括對每個床進行吹洗殘留氧的步驟，該步驟是在往該床輸氧預熱停止後，並通過該床排出熱煙氣前、藉助於把已冷卻的煙氣再循環而把該床中殘留的氧吹入爐中。
3．權利要求1的方法，它還包括把已冷卻的煙氣再循環，連續地往每個床中輸送吹洗氣流。
4．權利要求1的方法，其中從熔爐流往回熱床的煙氣的速度低於從回熱床往熔爐中輸送預熱氧的速度。
5．權利要求1的方法，它還包括從連結在回熱床上遊的PSA系統的吸附床供應氧的步驟，當熔爐煙氣被排出通過該回熱床時，就進行PSA系統吸附床的解吸。
6．權利要求1的方法，其中預熱床的步驟所進行的時間要比通過該床流通氧氣的步驟所進行的時間更長。
7．權利要求1的方法，它還包括提供多組所說的第一回熱床和第二回熱床，並交錯排到一組中第一床和第二床的加熱和通過它們流通氧交替進行的步驟，以便基本上連續地往熔爐中輸送預熱的氧。
8．一種將待輸入具有熱煙氣出口的熔爐的來自氣源的氧進行預熱的裝置，它包括第一和第二回熱床；控制裝置，它們能交替地操作，以從熔爐往第一床和第二床中的一個床排出煙氣，以使該床加熱，並從氣源供氧使之流過另一個床，使氧預熱並輸入熔爐中；以及排氣管，用以不斷地從熔爐中排出一部分煙氣。
9．權利要求8的裝置，它還包括一臺鼓風機，用以排出煙氣使之流過回熱床並使之加熱。
10．權利要求8的裝置，它還包括一個閥，該閥是在一個床停止流通氧以後、流通煙氣以前動作，以便往該床輸送煙氣以吹洗該床中殘留的氧。
全文摘要
一種往燃燒氧燃料的熔爐中輸送預熱氧的方法和裝置,方法是氧的預熱是藉助於由加熱從熔爐循環的熱煙氣來進行的。配備有一臺或一臺以上的回熱器,每臺都至少具有第一回熱床和第二回熱床。這些床交替地循環,以使一個床被從熔爐中抽出的熱煙氣預熱,而另一個已加過熱的床則對流過的氧氣進行預熱,然後輸入熔爐的燃燒器。輸入回熱床的熱煙氣的量藉助於連續地排走熔爐煙氣總量的一部分來加以控制,使這部分煙氣不經回熱器而旁路排走。回熱床中殘留的氧氣藉助於回輸的冷煙氣在回熱床用煙氣加熱前被吹洗而輸入爐中。
文檔編號F23L15/02GK1234495SQ99100910
公開日1999年11月10日 申請日期1999年1月4日 優先權日1998年1月6日
發明者小林尚 申請人:普拉塞爾技術有限公司