熱氧發生器的可靠點燃的製作方法

2023-09-23 20:19:05 2

專利名稱：熱氧發生器的可靠點燃的製作方法
技術領域：
本發明涉及形成熱氧流，並且特別地，涉及可以如何產生這樣的流。
背景技術：
許多工業工藝採用作為氣態氧化劑流提供的氧，該氣態氧化劑流的氧含量取決於 工藝可從22vol. % (體積比)至99vol. %以上不等。在很多這些工藝中，如果氣態氧化劑流 比周圍熱，通常如果該流的溫度超過1000F或甚至2000F，以及如果氣態氧化劑流具有很高 的速度，是有利的。本發明提供了 一種提供熱氧流的有效方法。

發明內容
本發明一方面是一種形成熱氧流的方法，所述方法包括
(A)提供具有出孔的導管，並且提供位於所述導管中並可在所述導管內軸向移動的中 空燃料噴槍，所述噴槍在所述噴槍更接近所述導管的所述出孔的一端具有燃料出口 ；
(B)在所述燃料出口和所述出孔之間的所述導管的空間中，在所述燃料噴槍內流動氣 態燃料並且從所述燃料出口流出到所述導管中，以及在所述導管中向所述出孔流動氣態氧 化劑到所述空間中，由此在所述空間中形成所述氣態氧化劑和所述氣態燃料的混合物；
(C)將所述混合物通過所述出孔從所述導管流出到氣氛中，所述氣氛足夠熱使得不借 助除所述氣氛以外的點燃源來點燃所述混合物，以及在不延伸到所述導管中的火焰中燃燒 所述混合物；
(D)然後移動所述燃料噴槍以將所述燃料出口移向所述出孔，以便所述燃料出口優選 地位於所述導管出孔中但可以突出到所述出孔外，以便所述火焰的基底移動到所述燃料出 口，以及然後(E)移動所述燃料噴槍以將所述燃料出口移離所述導管中的所述出孔，同時保 持所述火焰使其基底在所述燃料出口處，以及
(F)在所述火焰的基底已移動到所述燃料出口後，增加所述氣態氧化劑在所述導管中 朝向所述出孔的流動速率，其中，在所述增加的流動速率上，所述氣態氧化劑中的氧相對流 入所述導管中的所述氣態燃料完全燃燒所需的量在化學計量上過量，並且所述過量氧在所 述導管中被所述燃燒加熱且作為熱氧化劑流從所述出孔湧出。本發明另一方面是一種可用於形成熱氧流的裝置，所述裝置包括
(A)具有出孔的導管；
(B)氣態氧化劑的源，其能夠以能夠可控地變化的流動速率將所述氧化劑送入所述導
管中；
(C)位於所述導管中並可在所述導管內軸向移動的中空燃料噴槍，所述噴槍在所述噴 槍更接近所述導管的所述出孔的一端具有燃料出口，以及能夠在所述導管內軸向移動所述 燃料噴槍的裝置；
(D)氣態燃料的源，其能夠以能夠可控地變化的速率將所述燃料送入所述噴槍中；其中，(i)所述氣態氧化劑的源能夠以一種速率輸送所述氧化劑，在所述速率上，所 述氧化劑中的氧相對送入所述噴槍中的所述燃料完全燃燒所需的量在化學計量上過量; (ii)可以移動所述燃料噴槍以向所述出孔移動所述燃料出口到火焰捕獲位置，在所述火 焰捕獲位置處，當燃料從所述燃料出口流動並且氧化劑在所述導管中流動時，由所述氧化 劑和所述燃料的燃燒形成的並且僅在所述出孔外的火焰可以移動到所述導管中，而其基底 在所述燃料出口處；以及(iii)所述氣態氧化劑的源和所述氣態燃料的源能夠以一種流動 速率提供所述氧化劑和燃料，在所述流動速率上，由所述氧化劑和所述燃料的燃燒形成的 並且僅在所述出孔外的火焰不延伸到所述導管中，除非所述燃料出口位於所述火焰捕獲位 置。在本發明的優選方面，所述裝置還包括可以在所述出孔外提供氣態環境氣氛的結 構，所述氣氛足夠熱使得不藉助非所述氣氛的點燃源就可以點燃所述混合物。煉鐵容器的 鼓風口就是一個這樣的結構。


圖1是可用於本發明的裝置的整體截面圖。圖2是可用於根據本發明形成熱氧流的裝置的一部分的截面圖。圖3是在本發明方法中從不同點看到的圖2的裝置的截面圖。圖4是在本發明方法中從不同點看到的圖2的裝置的截面圖。圖5是本發明在工業環境中的應用的一個實施例的截面表示。圖6是可用於實踐本發明的實施例的透視圖。圖7是本發明的裝置的另一實施例的截面圖。
具體實施例方式圖1是體現可用於產生熱氧流的本發明的裝置的示意性表示。該裝置1包括導管 3，導管3具有通道形式，優選地直徑均勻，並且一端在出孔5處終止。所描繪的實施例是有 用的，其中出孔5的直徑小於導管3的直徑，但出孔5的直徑也可以小於、大於或等於導管 3的直徑。中空燃料噴槍7位於導管3內，優選地與導管3同軸。噴槍7的兩端中，更接近 出孔5的一端是燃料出口 9。燃料出口 9可以是噴槍7該端中的單個孔，或者可以包括通過 噴槍7該端的多個更小的開口。在導管3內，以如下方式支撐噴槍7 允許噴槍7將在導管 3內軸向移動，以便燃料出口 9可以移動到接近出孔5的位置，並且以便可以以在導管3內 重新定位燃料出口 9以遠離出孔5的方式移動噴槍7。允許這樣定位和移動噴槍7的適當 支撐軸承，以及可以如上所述移動噴槍7的特別裝置，未在圖1中示出，但下文中進一步詳 細描述。出於說明而不是限制的目的，作為裝置1的典型尺寸，導管3的內部通常1到6英 尺長且直徑0. 5到2. 5英寸，出孔通常直徑為0. 5到2. 0英寸，噴槍7 (導管3內的部分)則 通常1. 25到6. 5英尺長且其中空內部通常直徑0. 25到1. 5英寸。在提供單個燃料出口的 情況中，燃料出口直徑通常是0. 125到1英寸直徑，如果提供多個燃料出口，則它們的直徑 通常是1/32到0. 375英寸。導管3由適當管路12連接至被送入導管3的氣態氧化劑的源11。管路12將氣態氧化劑送入導管3中。源11還包括控制器，控制器允許操作者可控地改變氣態氧化劑進入 導管3的流動速率。氣態氧化劑包含百分之20. 9vol.(即，當氣態氧化劑是空氣時)到大 於百分之99vol.的氧量。優選地，氣態氧化劑包含至少約百分之50vol.的氧，更優選地， 包含至少約百分之90vol.的氧。中空噴槍7由適當管路14連接到氣態燃料的源13。管路14將燃料送入噴槍7的 中空內部。源13還包括控制器，從而操作者可以可控地改變氣態燃料進入噴槍7的流動速 率。氣態燃料總地可以包括任何氣態可燃材料。優選地，氣態燃料是可燃碳氫化合物。優 選的以及氣態和汽狀燃料的例子包括天然氣、甲烷、丙烷、石油天然氣、爐氣、發生爐煤氣、 焦爐煤氣、以及在100°C或更低溫度下是氣態的烷烴、烯烴和炔烴。其他燃料可以包括汽化 醇類(例如乙醇)、汽化或熱解的燃料油(例如，No. 2、柴油、汽油或生物燃料)。噴槍7遠離出孔5的一端通過本領域普通技術人員熟悉的適當封條穿過導管3的 與出孔5相對的一端，所述封條未在圖1中示出。導管3和噴槍7應當由可以承受操作中暴露至的高溫的材料構成。適合的材料包 括碳鋼、不鏽鋼和高溫合金。導管3可以通過外部水套(未示出)由流動的冷卻水冷卻。不 過本發明的一個優勢是，可以通過將氣態氧化劑和燃料通過導管3的流動速率保持得足夠 高來提供充分冷卻，充分冷卻防止該裝置的部件(尤其是導管、出孔、噴槍和噴槍的燃料出 口(尖端))被過度加熱損壞。這是出人意料的，因為人們預計不得不調低流動速率以便在噴 槍末端點燃火焰，並且預計不得不忍受過熱造成的風險。利用本發明，可以通過充分的氣體 流動速率完成點火，從而外部施加冷卻(其是指部分地或者完全地通過導管3的壁從導管3 的內部排熱，例如通過使用水套)是沒有必要的。圖2、3和4是裝置1的末端部分的內部在本發明方法的各階段的視圖。圖1中也 出現的附圖標記在圖2、3和4中具有相同涵義。首先參考圖2，噴槍7被放置得以便燃料出 口 9限定燃料出口 9和出孔5之間的空間15。燃料出口 9必須足夠遠離出孔5，以便在出 孔5處裝置1外形成火焰時，如下文所述，火焰全部保持在導管3外。在圖2所示的本發明的階段處，氣態燃料通過噴槍7從燃料出口 9流出到空間15 中，並且氣態氧化劑流入到導管3中以便它也流入空間15中。氣態氧化劑和氣態燃料在空 間15中混合，該燃料和氧化劑的混合物從出孔5流出。在本方法該階段提供的氣態氧化劑 中的氧可以在化學計量上小於、等於或超過為燃料完全燃燒輸送的氣態燃料的量。在本發明方法的實踐中，此處所描述的裝置1的位置使得出孔5緊外面的氣氛環 境的溫度足夠高，以便從出孔5湧出的氣態燃料和氣態氧化劑的混合物被該氣氛環境的熱 量點燃。足以點燃混合物的溫度可在任何特定應用中輕鬆確定，但一般至少是1000F。該點 燃不需藉助非氣氛環境的點燃源及其高溫就會發生。也就是說，氣態燃料和氣態氧化劑的 混合物甚至不需藉助傳統點燃器或諸如明火、火花發生器、高阻導線等的點燃源就會被點 燃。提供這種高溫氣氛環境的情況的例子介紹如下。通過出孔5外的熱氣氛環境點燃氣態燃料和氣態氧化劑的混合物，造成燃料和氧 化劑在基底不延伸到導管3中的火焰中燃燒。火焰的基底可以在出孔5處或與出孔5分 開。在該操作階段，氣態燃料和氣態氧化劑以足夠高的速度通過出孔5輸出，以便它們在其 中燃燒的火焰不向上傳播到導管3中。氣態氧化劑在該操作階段通過導管3的流動速率(以 及優選地還有燃料的流動速率)應當小於設計流動速率(以便可以隨後增加流動速率)。
儘管可以對任何給定裝置輕鬆確定有效防止這種傳播發生的速度，典型的流動速 率，例如，氣態氧化劑在該操作階段通過導管3的流動速率，是500至2000scfh (標準立方 英尺/小時)，並且小於源11的7500 scfh的設計流動速率，而氣態燃料在該操作階段流入 導管3的典型流動速率是300至600scfh，這是用於在3000F產生7500scfh熱氧的設計流 的50-100%。在化學計量上，氣態氧化劑中氧和燃料的比值在該階段應在0. 75至7範圍 內。這些典型值取決於氧化劑濃度、燃料類型、設計供應壓力和操作規模。在本發明方法操作的下一階段，在出孔5外形成火焰後，移動噴槍7以便燃料出 口 9移動更接近出孔5。在該移動期間，氣態氧化劑的流動和燃料的流動繼續，從而在出孔 5外火焰處繼續支持燃燒。隨著燃料出口 9向出孔5靠近，到達一點，在該點處，出孔5外 的火焰的基底通過出孔5移動到導管3中，從而火焰的基底在燃料出口 9處或者稍微在燃 料出口 9內。圖3示出當火焰的基底將移動到燃料出口 9處時噴槍7在導管3中的典型位 置。燃料管可以突出出孔5外，但這不是優選的，因為它把尖端暴露於熱氣氛(以及可能的 過熱)，以及由於鐵水和爐渣噴濺會存在的可能堵塞。然後，軸向移動噴槍7以便燃料出口 9從出孔5移開到導管3內部中。保持氣態 燃料和氣態氧化劑的流動，以便火焰繼續使其基底在燃料出口 9處，從而火焰以及優選地 火焰的全部，被拉進導管3中。圖4示出在噴槍7已被拉離出孔5進入導管3後，噴槍7在 導管3中的典型位置。火焰4的基底在燃料出口 9處。火焰4的基底可以稍微位於燃料出 口 9內，或者位於出口 9的外表面處但不延伸到出口 9中。增加氣態氧化劑流入導管3中的速率。可以在移動噴槍7以將燃料出口 9拉離 出孔5的同時開始所述增加，或者可以在燃料出口 9遠離出孔5的移動結束後開始所述增 加。應當增加氣態氧化劑的流動速率以便提供在化學計量上相對送入導管3中的氣態燃料 過量的氧。也可以增加氣態燃料的流動速率。氧化劑中的氧在所增加的流動速率上與燃料 的化學計量比大於2:1，優選地至少25:1，更優選地至少12.5:1。典型地，將氣態氧化劑的 流動速率增加至5000至lOOOOscfh的流動速率，儘管可以取決於操作的規模使用1000至 lOOOOOscfh以上的流動速率。在化學計量基礎上，當燃料是天然氣時，燃料輸送速率通常是 氧流動速率的3-12%。當使用其他燃料時，可以根據相對天然氣的熱值調整相應的數字； 例如，丙烷的熱值是天然氣熱值的2. 5倍，因此達到相同氧流動速率所要求的丙烷的量將 是天然氣流動速率的1/(2. 5)=0. 4倍。氣態氧化劑和氣態燃料在導管3中的燃燒將過量的 未燃燒的氧加熱到至少1000 °F的溫度，優選地至少2000 溫度，更優選地至少3000 0F 的溫度。熱氧流，也包含氣態燃料和氧化劑的燃燒產物，以典型地每秒至少1000英尺甚至 每秒至少2000英尺的速度從出孔5湧出。當然取決於氧相對氣態燃料量的過量量，從出孔 5湧出的熱氧流的氧含量通常大約是80vol. %，優選地至少65vol. %。氧越熱，熱氧流中 剩餘的氧含量就越低。一旦火焰已位於導管3內且熱氧流正在導管3中生成並從出孔5湧 出，只要需要，火焰的操作和熱氧流的生成就能繼續。在該操作期間，條件可以維持不變，或 者需要的話操作者可以通過改變氧化劑和燃料流動速率和/或送入導管3中的氧化劑的氧 含量，來改變熱氧流的速度和/或熱氧流的氧含量。舉例來說，為了使用7500scfh氧化劑(如99vol. % O2)和600scfh天然氣產生具 有3000F溫度的熱氧流，天然氣速率是氧化劑速率的(100X600)/7500=8%。假設天然氣是 100% CH4,則600scfh的天然氣將與1200scfh的02反應，因此未燃燒的氧化劑的量為初始流的(100X (7500-1200)/7500)= 84%。該例子基於內部直徑為1英寸的氧化劑導管、直 徑為0. 65英寸的出孔、內部直徑為0. 5英寸的燃料噴槍以及燃料出口，所述燃料出口由噴 槍末端中的五個孔組成，每個孔的直徑為l/16th (十六分之一)英寸。噴槍7在導管3內的上述移動可以用手實現，例如通過操縱噴槍7突出該裝置的 相對出孔5所在端的一端的部分。然而，優選地是，可以通過機械或氣動控制器實現噴槍7 的移動。例如，參考圖6，可將齒軌61附著到噴槍7突出裝置1的部分，並且可以提供沿四 周具有嚙合軌61的齒的齒輪63。齒輪63能在軸65上轉動，軸65可被發動機67旋轉。傳 統控制器使得操作者能夠啟動和停止軸65 (以及因而輪63)的旋轉，使噴槍7留在一個位 置，或者驅動發動機並且控制軸65和輪63的旋轉方向、軸65旋轉的速度(從而控制噴槍7 在導管3中移動的速度)以及軸65停止旋轉時噴槍7的位置。可控地移動噴槍7的另一優選方式使用液體或諸如壓縮空氣或氮氣或氧氣的氣 態流體，將所述液體或流體施加到附著到噴槍7的壓板的一側或另一側。參考圖7，噴槍7 延伸到被固定附著到殼體70的導管3的一端。噴槍7通過諸如0型圈80的封條沿殼體70 可滑動，所述封條提供氣密密封，防止氣體通過封條進入殼體70內的腔76中。上述氧化劑 管路12被連接到氧化劑連接器71，氧化劑可以通過氧化劑連接器71進入導管3中。殼體 70還包括被連接到空氣線路73的空氣連接器72和被連接到空氣線路75的空氣連接器74。 壓力板77被附著到噴槍7留在腔76中的部分。設計壓力板77的尺寸，以便板77的最外 層邊緣可滑動地與腔76的內表面氣密地適合。構造殼體70的內部，以便通過線路73輸送 的空氣可以通過連接器72進入板77 —側上的腔76中，通過線路75輸送的空氣或氮氣或 氧氣可以通過連接器74進入板77另一側上的腔76中。當需要移動噴槍7時，控制器78 取決於噴槍7的預期移動方向增加線路73或75中的一個中的壓力。施加壓力直到噴槍7 已移動了所需距離，然後在線路73和75中均衡壓力。噴槍7的移動速度由在線路73和75 之間施加的壓力的差的大小提供。雖然該實施例被描述為以空氣作為線路73和75內以及 腔76內施加壓力以移動噴槍7的介質，該實施例也可以採用諸如氮氣或其他惰性氣體的任 何其他氣態或液體流體代替空氣。根據本發明生成的熱氧流可用於需要這種流的任何工業應用中，假定所述應用在 出孔5外提供上述高溫氣氛環境以點燃從出孔5湧出的燃料和氧化劑的混合物。例如，可 將熱氧流送入來自燃燒室的熱煙氣中，與煙氣的成分反應；這種燃燒室的例子包括焚化爐 和燃燒氣態、液體和/或固體燃料的電站鍋爐。此外，可將熱氧流送入熱煙氣或由(例如)制 造過程、化工廠、或石化煉油廠中的加工階段形成的產氣流中。根據本發明生成的熱氧流的工業應用的優選例子是生產諸如鐵、鋼和銅的金屬。 圖5示出一個用於煉鐵和熱金屬製造的這種應用，在該應用中上述裝置1將熱氧流送入吹 管51中，在吹管51中，熱氧與通過煤噴槍53送入的煤粉以及通過吹管51送入的熱風空氣 混合。當氣態氧化劑和燃料的未燃混合物從裝置1湧入熱風空氣中時，熱風空氣足夠熱，通 常是1500到M00F，以便將該混合物點燃，之後裝置1的燃料噴槍被移動到上述的導管3中 並且由裝置1內的氣態燃料和氧的燃燒形成的火焰產生從裝置1湧出的熱氧流。該熱氧流 與煤在吹管51中燃燒，由此產生的包括熱燃燒產物的混合物通過鼓風口 55湧出到高爐(未 示出)中。本發明提供了眾多優勢。例如，在裝置1外點燃火焰而不是依賴通過將火焰傳播到導管3 (回燒)中來點燃，避免了將氧化劑和燃料的流動速率保持低得能夠發生回燒帶來 的操作控制困難。同時，依賴回燒到導管中作為點燃過程的一部分將需要調節氧化劑和燃料流動速 率至足以允許回燒，並且將需要複雜昂貴的流動控制設備以便允許將兩種流適當控制在那 些低流動速率，所述流動控制設備在主流動控制器周圍包括旁路設備。本發明避免了對單 獨的旁路流動控制設備的需要。本發明的另一優勢是，避免回燒從而避免了將被施加於所述裝置內部上的熱應 力。相反，在氣態氧化劑和燃料在所述裝置外被點燃前，氣態氧化劑和燃料通過導管3的流 動向所述裝置提供冷卻，因此不需要諸如水套的附加冷卻結構。
權利要求
1.一種形成熱氧流的方法，包括(A)提供具有出孔的導管，並且提供位於所述導管中並可在所述導管內軸向移動的中 空燃料噴槍，所述噴槍(噴射器)在所述噴槍更接近所述導管的所述出孔的一端具有燃料出 Π ；(B)在所述燃料出口和所述出孔之間的所述導管的空間中，在所述燃料噴槍內流動氣 態燃料並且從所述燃料出口流出到所述導管中，以及在所述導管中向所述出孔流動氣態氧 化劑到所述空間中，由此在所述空間中形成所述氣態氧化劑和所述氣態燃料的混合物；(C)將所述混合物通過所述出孔從所述導管流出到氣氛中，所述氣氛足夠熱使得不借 助除所述氣氛以外的點燃源來點燃所述混合物，以及在不延伸到所述導管中的火焰中燃燒 所述混合物；(D)然後移動所述燃料噴槍以將所述燃料出口移向所述出孔，以便所述燃料出口優選 地位於所述導管出孔中但可以突出到所述出孔外，以便所述火焰的基底移動到所述燃料出 口，以及然後(E)移動所述燃料噴槍以將所述燃料出口移離所述導管中的所述出孔，同時保持所述 火焰使其基底在所述燃料出口處，以及(F)在所述火焰的基底已移動到所述燃料出口後，增加所述氣態氧化劑在所述導管中 朝向所述出孔的流動速率，其中，在所述增加的流動速率上，所述氣態氧化劑中的氧相對流 入所述導管中的所述氣態燃料完全燃燒所需的量在化學計量上過量，並且所述過量氧在所 述導管中被所述燃燒加熱且作為熱氧化劑流從所述出孔湧出。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述燃料出口不突出所述導管出孔外。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述導管和所述噴槍被所述氣態氧化劑和所述 氣態燃料的流充分冷卻，從而不提供對所述導管的外部施加冷卻。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，通過對附著到所述噴槍且不與所述氣態氧化劑 或所述燃料接觸的板施加液體或氣態流體壓力，來完成所述噴槍在所述導管中的所述移 動。
5.一種可用於形成熱氧流的裝置，包括(A)具有出孔的導管；(B)氣態氧化劑的源，其能夠以能夠可控地變化的流動速率將所述氧化劑送入所述導管中；(C)位於所述導管中並可在所述導管內軸向移動的中空燃料噴槍，所述噴槍在所述噴 槍更接近所述導管的所述出孔的一端具有燃料出口，以及能夠在所述導管內軸向移動所述 燃料噴槍的裝置；(D)氣態燃料的源，其能夠以能夠可控地變化的速率將所述燃料送入所述噴槍中；其中，(i)所述氣態氧化劑的源能夠以一種速率輸送所述氧化劑，在所述速率上，所述氧化劑中的氧相對送入所述噴槍中的所述燃料完全燃燒所需的量在化學計量上過量； (ii)可以移動所述燃料噴槍以向所述出孔移動所述燃料出口到火焰捕獲位置，在所述火 焰捕獲位置處，當燃料從所述燃料出口流動並且氧化劑在所述導管中流動時，由所述氧化 劑和所述燃料的燃燒形成的並且僅在所述出孔外的火焰可以移動到所述導管中，而其基底 在所述燃料出口處；以及(iii)所述氣態氧化劑的源和所述氣態燃料的源能夠以一種流動速率提供所述氧化劑和燃料，在所述流動速率上，由所述氧化劑和所述燃料的燃燒形成的 並且僅在所述出孔外的火焰不延伸到所述導管中，除非所述燃料出口位於所述火焰捕獲位置。
全文摘要
通過如下形成熱氧流提供導管(3)和在所述導管內軸向可移動的燃料噴槍(7)，將氣態燃料從所述噴槍流出到所述導管中，在所述導管中將它與氣態氧化劑混合，將所述混合物從所述導管流出到氣氛中，所述氣氛熱得足夠不藉助非所述氣氛的點燃源點燃所述混合物，以及在不延伸到所述導管中的火焰中燃燒所述混合物；然後移動所述噴槍以便其燃料出口(9)靠近所述導管出孔(5)從而所述火焰的基底移動到所述導管中到達所述燃料出口；然後移動所述噴槍來將所述燃料出口和附著於其的所述火焰拉離所述出孔進入所述導管；以及增加氣態氧化劑在所述導管中的流動速率，以便燃料在所述導管內的燃燒加熱作為熱氧化劑流湧出的未燃燒氧。
文檔編號F23D14/32GK102077025SQ200980125201
公開日2011年5月25日 申請日期2009年6月29日 優先權日2008年6月30日
發明者C. 德尼斯 A., R. 比勒 B., T. 瓦迪安 G., F. 賴利 M., E. 斯利 W., J. 馬霍尼 W. 申請人:普萊克斯技術有限公司