用于控制空气对封闭空间的进入的加热方法和系统的制作方法

专利名称：用于控制空气对封闭空间的进入的加热方法和系统的制作方法
技术领域：
本公开大体涉及用于在封闭空间中进行加热的方法和系统。具体地说，本公开涉及用于预热浇包的方法和系统，浇包具有供熔化金属使用的封闭空间。
背景技术：
在金属工业中，内衬耐火材料的浇包通常用于在进一步处理之前运输或储存熔化金属。浇包在使用之前被加热(这通常被称为浇包预热)，从而最大限度地减小熔化产物的冷却。浇包通常被燃烧系统加热，借此燃料被燃烧，从而在浇包的空腔中产生燃烧热。在实际操作中，浇包的唇缘通常由于使用而覆盖了固化的大块金属以及其它类型的渣料，这在浇包的盖和浇包缘边之间形成了不可避免的间隙。间隙可能是相当大的，其中在围绕浇包唇缘的某些位置处，间隙可能扩大高达几英寸或更大。虽然通常的做法是使用这个间隙作为燃烧产物的排气口，但是当间隙变得太大时，可能发生通过间隙进入浇包空腔中的空气混入。较冷的混入的环境空气降低了加热系统的能量效率。特别在使用高温方法，例如 氧-燃料燃烧时，这还增加了 NOx的产生。当间隙竖直定向时，这种冷空气的混入由于上浮(buoyancy)效应而变成更大的问题。某些现有技术专利已经试图通过密封容器以减少通过间隙的空气渗透而克服能量损失和NOx的产生。然而，在实践中，这些密封方法难以实现和维持，因为覆盖浇包唇缘的固化的大块金属以及其它类型的渣料破坏了密封，并且/或者对浇包加热装置上的密封表面造成了损害。在美国专利申请1，057，905、4，223，873、4，229,211 (其是 4，223，873 的部分延续)、4，386，907,4, 364，729和5，540，752中声明了浇包缘边或浇包加热炉的各种密封方法，这些申请均通过引用而以其整体结合在本文中。在实践中，这些密封方法受到难以实现的缺点的困扰，因为浇包的唇缘通常覆盖了固化的大块金属和其它类型的渣料，这破坏了密封，并且/或者对浇包加热装置上的密封表面造成损害。从历史上看，空气-燃料燃烧是用于几乎所有工业加热工艺中的传统技术。总地说来，在空气-燃料燃烧中由于同氧-燃料燃烧相比大得多的烟道气体积而较容易保持正压力并最大限度地减小空气泄漏。然而，在没有热回收方法的条件下，空气-燃料燃烧通常是效率低下的。为了提高能量效率，在各种熔化炉中已经广泛采用回热式或再生式空气-燃料燃烧。美国专利 No. 1,057,905、No. 4，223，873、No. 4，229，211、No. 4，386，907、No. 4，364，729、No. 4，359，209、No. 4，718，643、韩国专利 KR2000004271A 和比利时专利BE901913A公开了用于浇包预热的回热式或再生式空气-燃料燃烧系统，这些专利均通过引用而以其整体结合在本文中。然而，这些回热式或再生式空气-燃料燃烧系统是复杂的，昂贵的，并且通常需要频繁的维修。美国专利No. I, 057，905引入了一种用于通过利用空气燃料燃烧而干燥和加热浇包的装置。为了密封浇包缘边和预热燃烧空气，在美国专利1，057，905中所公开的方法使浇包倒转，并将浇包放置在炉上方。这样做防止了烟道气逃逸，并且不会从浇包的缘边混入环境空气。美国专利1，057，905的缺点包括如下几点(1)浇包必须倒转，这对于大型炼钢厂浇包是不可接受的情况；(2)在实际操作中，难以保持浇包的缘边清洁，或者使固化的金属和渣料沿着缘边均匀分布。这些限制使得在浇包的粗糙缘边与炉对接时难以确保密封连接。美国专利No. 4，223，873公开了一种回热式空气-燃料火焰浇包加热方法和装置。为了防止在浇包内部和外部大气之间的过大泄漏，在浇包的缘边和热交换器系统及燃烧器系统的外壳的开口之间增加了包括陶瓷纤维充填材料的圆形密封件。这种方法利用额外的材料，并且不会防止材料沿着浇包唇缘的累积，从而限制了在密封浇包中的使用。美国专利No. 4，229，211公开了一种通过直接的空气-燃料火焰而加热的浇包。密封件应用于浇包的缘边，并且引导空气通过热交换器且到达浇包，使燃料与空气混合并燃烧混合物，并将火焰引导至浇包室中，并且将燃烧气体从浇包室排出而返回通过热交换器。应用于浇包缘边的密封件包括安装在公共平面中的耐火纤维模块网格。各个模块包括由耐火纤维网按照风琴折叠布置而形成的长方形块，并且模块按照暴露其折叠边缘的模式进行安装，其中各个模块的褶皱相对于邻近模块的褶皱成直角延伸。美国专利No. 4，229，211的方法具有的缺点在于，其不能恰当地在许多没有清洁浇包缘边以除去固化的金属和渣料的 情况下利用，并且由于与粗糙的浇包缘边的对接而对加热器的密封组件的可压缩衬里造成的损害，必须对加热壁频繁地更换衬里。美国专利No. 4，386，907公开了一种用于预加热带有塞杆开口的浇包的密封方法。专利4，386，907的方法具有的缺点在于，需要额外用于密封的材料和结构，并且不能防止材料沿着浇包唇缘的累积，从而限制了在密封浇包中的使用。美国专利No. 4，364，729公开了一种带有空气密封和隔热罩的浇包加热系统。浇包被直接火焰所加热，这通过将盖应用于浇包缘边，并将空气流经由热交换器和盖引导至浇包，使燃料与空气混合并燃烧混合物，并将火焰引导至浇包室中，并且将燃烧空气从浇包室经由盖和热交换器排出来实现。隔热罩安装在盖附近，并且定制尺寸和形状以伸缩式地接纳浇包缘边，并且空气环在隔热罩和浇包缘边之间移动至空气收集环上。空气环阻塞气体经由浇包缘边和盖之间的任何开口而逃离浇包内部，隔热罩阻塞了来自任何这种开口的热辐射。专利4，364，729具有的缺点在于，该工艺需要空气罩以防止气体逃离，但不防止空气进入浇包。美国专利No. 5，540，752公开了一种用于从废料和废物中回收熔化的相干形式的非铁金属的工艺和装置。废料和废物通过可密封的旋转炉而被引入。炉的密封方法被描述为消除环境空气泄漏至旋转炉中。5，540, 752公开了一种密封结构，其不会防止材料累积在烧包的唇缘上，从而限制了在密封烧包中的使用。美国专利No. 2，294，168公开了一种特殊型号的气体燃烧器，其被设计用于加热圆形横截面的容器的(尤其诸如热金属浇包的容器的)内表面，该专利通过引用而以其整体结合在本文中。所述气体燃烧器包括延伸到容器中的空气导管和在导管中的气体供给管。所述燃烧器的顶端包括文丘里型开口，以便围绕空气导管向上引导热的燃烧产物，从而预热经由空气导管提供的空气。燃烧器顶端的文丘里型开口形式在容器中产生了压力差，用于使热的燃烧产物抵靠着正在加热的容器壁均匀地旋流。专利2，294，168具有的缺点在于，燃烧器结构延伸到容器中，对于构件产生较大的暴露，并从而增加了燃烧器的维护成本和/或材料成本。
美国专利No. 4，359，209公开了一种浇包预热装置和方法，其利用了回热，但其完全消除了在浇包缘边和浇包盖之间产生任何密封的需要。所述浇包预热方法包括外壳，其限定了用于从浇包接收燃烧产物的开口。开口的尺寸经过定制，从而围绕浇包形成了稀释空气空间，这允许环境空气在其附近被吸入，并与燃烧产物相混合。专利4，359，209具有的缺点在于，将环境空气吸入完全包围或部分包围浇包的燃烧区域中。借助空气空间的密封方法是防止燃烧产物排出至周围环境中；然而，环境空气可能被吸入到浇包中，并降低了火焰温度，且潜在地增加了 NOx的产生。美国专利No. 3，412，986公开了一种双端氧-燃料燃烧器，其特别意图用于加热在钢铁厂中用于将熔化金属从高炉运输至另一位置的浇包(鱼雷型浇包)，该专利通过引用而以其整体结合在本文中。所述燃烧器用于预热浇包，或者防止浇包在连续的金属装载之间冷却。燃烧器与浇包成比例，并且具有用于产生长的火焰和用于使火焰以相反方向射出的反向孔。燃烧器构建有水冷套，其一直延伸到顶部端部，使得燃烧器可承受浇包内的高温。所述燃烧器包括两个同心的管道。内部管道用于燃料，并且外部管道用于氧。在燃烧器的顶部处，通过一个管道将燃料引入浇包中。氧流通过沿着中心燃料管道成环状分布的多个孔而引入浇包中。专利3，412，986具有的缺点在于，燃烧器包括相当大的结构，其延伸 到容器中，从而增加了燃烧器的维护成本和/或材料成本。美国专利No. 4，718，643公开了一种用于快速高温浇包预热的方法和装置，其通过引入燃料燃烧过程中的回热所预热的氧和燃烧空气，从而利用了优化的加热循环，该专利通过引用而以其整体结合在本文中。引导至工艺中的受控制的氧流用于在初始预加热阶段增加热输入，并且在浇包预热的均热(soaking)阶段确保系统的效率。所公开的浇包盖包括用于与浇包缘边的一部分对接的部分敞开的耐火材料环，浇包缘边具有由于固化的金属或渣料的局部累积而造成的极大的凸起。来自定位于浇包盖中的燃烧器的火焰将热传递给浇包的内部，并且将烟道气从浇包排出到排气端口中。因为浇包是部分密封的，所以某些环境空气在浇包唇缘周围被吸入排气端口中。环境空气的吸入产生了浇包的有效密封，这防止了在浇包没有定位成非常靠近浇包盖时将会使热气体吸出浇包的烟 效应。因此，专利4，718，643允许在没有毁坏密封的条件下处理粗糙边缘的浇包。美国专利No. 4，718，643具有的缺点在于，因为浇包是部分密封的，所以外部的环境空气通过朝向浇包内部的开口而被吸入，从而降低了火焰温度，并潜在地增加了 NOx的产生。韩国专利NO.KR20040056882公开了一种用于加热浇包的多孔喷嘴燃烧器，其被提供来减少NOx排放，并通过减少加热时间而节省燃料，该专利通过引用而以其整体结合在本文中。多孔喷嘴燃烧器安装在上部浇包盖的中心处，并具有三重环形结构，其包括具有单个喷射口的点火空气喷嘴、包围点火空气喷嘴并具有多个喷射口的燃料喷嘴，以及包围燃料喷嘴并具有多个喷射口的燃烧空气喷嘴。KR20040056882系统具有的缺点在于，燃烧只利用空气-燃料燃烧，其降低了火焰温度，并增加了 NOx的产生。韩国专利NO.KR20000042710A公开了一种再生式燃烧器，其被提供来节省能量。燃烧气体在浇包内部通过利用高速喷嘴-混合型燃烧器而进行充分循环。K20000042710A系统具有的缺点在于，燃烧只利用空气-燃料燃烧，其降低了火焰温度，并增加了 NOx的产生。美国专利申请公开US20090220900公开了由燃烧器提供的加热，该燃烧器燃烧烃燃料，烃燃料可通过调整供给燃烧器的氧化剂流的总的氧浓度而以一系列不同热传递速率进行提供，该专利是美国专利No. 7，549，858的分案申请，这两个专利均通过引用而以其整体结合在本文中。然而，US20090220900没有考虑燃烧器对进入加热容器中的空气的影响。比利时专利公开No. BE901913A公开了一种浇包加热系统，其涉及固定护罩的使用，浇包会相对于该固定护罩移动就位，该专利通过引用而以其整体结合在本文中。固定护罩在其上部区段设有燃烧器，并且在其下部区段设有废气出口。燃烧后的气体在浇包中以相对较高的速度进行循环，以确保均匀的加热。废气中的热通过回热式或再生式系统进行回收，从而使燃烧空气和可能的燃烧气体能够得以预热。公开BE901913A具有的缺点在于，不会防止空气进入，这降低了火焰温度，并增加了 NOx的产生。无焰燃烧是一种在用于燃烧的反应物混合和起反应之前对反应物进行高度稀释 的燃烧技术。通常在需要NOx控制时利用无焰燃烧。反应物通常在燃烧反应发生之前通过混入燃烧产物而进行稀释。这种燃烧模式通常发生在当氧化气体被稀释至低于17%氧的水平时，其中火焰前锋消失，并且燃料以无焰方式进行氧化。这种技术的关键是保持燃烧炉温度高于燃料的自燃温度，或者使用高度稳定可靠的火焰稳定器。这种类型的燃烧的特征通常在于高的喷射动量和大的燃烧体积。无焰燃烧可备选地称为大空间(spacious)燃烧或分布式燃烧。在金属工业中需要一种用于封闭空间(例如浇包加热和炉加热)的加热方法和系统，其减少或消除了空气的进入。这些需求通过下面所描述和所附权利要求所限定的本发明的实施例来解决。

发明内容
本公开的一个方面包括一种用于加热其中具有封闭空间的容器且控制空气通过间隙而对封闭空间的进入的方法。该方法包括提供用于具有封闭空间的容器的盖结构，盖结构具有安装在其中的燃烧器组件。燃烧器组件构造成提供预定的火焰直径。虽然可采用任何合适的火焰直径，并且火焰直径将依赖于加热容器的尺寸而变化，但是合适的火焰直径的示例为小于或等于20英寸，优选在8至10英寸之间。容器和盖结构配合成使得在容器和盖结构之间形成间隙。燃料和氧化剂在这样的状况下从燃烧器组件中排出，即，提供预定的火焰直径，并赋予足够大的火焰速度，从而产生从封闭空间经由间隙而向外的气流，并控制空气的进入。本公开的另一方面包括一种用于加热其中具有封闭空间的容器且控制空气通过间隙而对封闭空间的进入的方法。该方法包括提供用于具有封闭空间的容器的盖结构。盖结构具有安装在其中的燃烧器组件。燃烧器组件包括(a)伸长本体，其具有周缘、邻近燃烧区域的排出端和轴线，其中轴线延伸到燃烧区域中；(b) —个或多个氧化剂喷嘴，其设置在伸长本体的排出端处，并适合于将氧化剂排出到燃烧区域中；和(C) 一个或多个燃料喷嘴，其设置在伸长本体的排出端处，并适合于将燃料排出到燃烧区域中。那一个或多个氧化剂喷嘴和那一个或多个燃料喷嘴构造成提供一定燃烧器构造比和燃烧器速度比，从而产生从封闭空间经由间隙而向外的气流，并控制空气的进入。在另一实施例中，该方法包括将燃烧器组件构造成提供根据以下等式而确定的燃烧器构造比
a = Agap/ (200Abf)；其中，Agap是间隙的面积，并且Abf是燃烧器面的面积，并且根据以下等式确定燃烧器速度比b = 3Vbuoy/VJet ；其中Vbutjy由以下等式来确定Vbuoy = (2g Dladle A T/Tflame)1/2其中g是重力常数，Dladle是浇包的直径，A T是在火焰和浇包壁之间的温度差，并且Tflame是火焰温度。燃烧器构造比a和燃烧器速度比b之和小于2. 5。本公开的另一方面包括一种用于加热具有封闭空间的容器且控制空气对封闭空间的进入的装置，并且该装置具有盖结构，盖结构具有安装在其中的燃烧器组件，容器和盖 结构配合成使得在容器和盖结构之间形成间隙，燃烧器组件包括(a)伸长本体，其具有周缘、邻近燃烧区域的排出端和轴线，其中轴线延伸到燃烧区域中；(b) —个或多个氧化剂喷嘴，其设置在伸长本体的排出端处，并适合于将氧化剂排出到燃烧区域中；以及(C) 一个或多个燃料喷嘴，其设置在伸长本体的排出端处，并适合于将燃料排出到燃烧区域中。燃烧器组件构造成在这样的状况下燃烧来自燃烧器组件的燃料和氧化剂，即，提供预定的火焰直径，并赋予足够大的火焰速度，从而产生从封闭空间经由间隙而向外的气流，并控制空气的进入。本公开的另一方面包括一种用于加热具有封闭空间的容器且控制空气对封闭空间的进入的装置，并且该装置具有盖结构，盖结构具有安装在其中的燃烧器组件，容器和盖结构配合成使得在容器和盖结构之间形成间隙，燃烧器组件包括(a)伸长本体，其具有周缘、邻近燃烧区域的排出端和轴线，其中轴线延伸到燃烧区域中；(b) —个或多个氧化剂喷嘴，其设置在伸长本体的排出端处，并适合于将氧化剂排出到燃烧区域中；以及(C) 一个或多个燃料喷嘴，其设置在伸长本体的排出端处，并适合于将燃料排出到燃烧区域中。那一个或多个氧化剂喷嘴和那一个或多个燃料喷嘴构造成提供一定燃烧器构造比和燃烧器速度比，从而产生从封闭空间经由间隙而向外的气流，并控制空气的进入。在本发明的一个方面，基本上防止了空气的进入。基本防止意味着空气进入的数量或体积小于排出的烟道气总量或总体积的大约5%，并且在大多数情况下，小于排出的烟道气总量或总体积的大约2%。在另一实施例中，该装置包括根据以下等式所确定的燃烧器构造比a = Agap/ (200Abf)；并且根据以下等式确定燃烧器速度比b = 3Vbuoy/VJet ；其中燃烧器构造比a和燃烧器速度比b之和小于2. 5。根据结合附图得到的优选实施例的以下更详细的描述，本发明的其它特征和优势将是显而易见的，附图以实例的方式示出了本发明的原理。


图I是根据本公开的一个实施例的浇包加热系统的截面图。图2是根据本公开的一个实施例的燃烧器组件的轴向截面。
图3是图2的实施例的正视图，其显示了燃烧器组件的排出端。图4是传统管中管式氧-燃料燃烧器的正视图。图5是根据本公开的一个实施例的高动量燃烧器的混入空气的质量相对于预热时间的曲线图。图6是传统氧-燃料燃烧器的混入空气的质量相对于预热时间的曲线图。图7是传统氧-燃料燃烧器和根据本公开的一个实施例的燃烧器的浇包内表面温度相对于预热时间的曲线图。图8是泡泡图，其显示了空气混入与燃烧器构造比“a”及燃烧器速度比“b”的相关性。图9是泡泡图，其显示了加热时间与燃烧器构造比“a”和燃烧器速度比“b”的相 关性。
具体实施例方式提供了一种用于在封闭空间中进行加热(例如浇包加热和炉加热)的方法和系统，其减少或消除了空气的进入。本公开的实施例的优点包括基本均匀的加热和延长的耐火材料寿命、减少的加热时间和渗透至浇包或炉的内部的环境空气的减少，以及NOx排放的减少。另外，在封闭空间中的加热方法中，可利用扩展的操作条件，包括具有更大间隙的加热操作。实施例包括一种用于具有空气泄漏问题的浇包预热或熔化炉的加热装置和方法。在一个实施例中，高动量的大空间氧-燃料燃烧器安装在浇包盖或炉壁中，从而最大限度地减小经由浇包间隙进入的空气或炉中的泄漏。在浇包或炉内部由所述高动量的大空间氧-燃料燃烧器形成的均匀的加热可有助于减少用于完成浇包加热循环的时间，节省燃料消耗，延长浇包或炉的耐火材料寿命，并减少N0X。本文使用的不定冠词“一”和“一个”在应用于说明书和权利要求中所描述的本发明的实施例中的任何特征时意味着一个或多个。“一”和“一个”的使用并不限制单个特征的涵义，除非特别陈述了这种限制。单数或复数名词或名词短语之前的定冠词“该”表示特别规定的特征或多个特别规定的特征，并且依赖于其所使用的环境而可能具有单数或复数涵义。形容词“任何”意味着一个、一些或所有无差别的数量。放置在第一实体和第二实体之间的词语“和/或”意味着(I)第一实体、(2)第二实体以及(3)第一实体和第二实体中的一个。在本说明书中，词语“封闭空间”表示至少部分地被壁或壳体所包围的空间或区域，并且能够使气体或燃烧产物引入到那里。本文利用的封闭空间并不局限于密封容器，并且可包括可供气体进入或离开的空间、间隙或开口。词语“燃烧器组件”和“燃烧器”是等效的，并且限定了装配好的部件的装置，这些部件用于燃烧燃料与含氧气体所提供的氧。词语“燃烧区域”被限定为其中发生燃烧反应的封闭空间，例如炉，燃烧反应中的至少一个可以是碳和/或含氢燃料与氧的反应，从而形成碳氧化物和/或水以及热。词语“轴向本体”表示伸长结构，其几何形状上由轴线限定，并且具有一个在轴向方向上限定的尺寸，且具有另一个在与轴线垂直的径向方向上限定的尺寸。径向方向上的尺寸在任何轴向位置处可以是恒定的(例如形成圆柱体)，或者可随着轴向位置和/或围绕轴线的角度位置而变化。轴向本体的特征在于至少一个端部邻近燃烧区域。喷嘴是流体喷射器件，其用于将一次流体引入到二次流体中，以促进两种流体的高效混合。喷嘴由供一次流体排出到二次流体中的开口来限定。喷嘴可附连到空心的、通常圆柱形的本体上，该本体连接在管道、歧管或其它类型的通道上，用于将一次流体传送到喷嘴中。备选地，喷嘴可以是歧管的组成部分，其中形成喷嘴的开口直接位于歧管的外壁中。通常，一次流体在穿过喷嘴时会经历压力降。氧化剂或氧化气体在本文被限定为通过喷嘴排出的含氧气体。词语“富氧”描述了具有比空气更大的氧浓度的含氧气体。词语“氧-燃料”表示燃料与富氧气体的燃烧。燃料包括可与氧进行燃烧以形成燃烧产物的元素或化合物。词语“燃烧产物”意味着气体混合物，其包括以下中的任一项碳氧化物、水、未反应的燃料、未反应的氧、氮的氧化物、硫的氧化物和来自空气的惰性成分，包括氮和氩。通常燃料是单相气体或液体，但备选地，可以是可流动的多相流体，例如烃液体和可燃气体的双相混合物、水和液态烃的悬浮液、在空气或水中的固体碳质燃料的悬浮液，或者在液态烃中的固体碳质燃料的悬浮液。
本文利用的词语“空气的进入”是较冷的环境空气渗透到封闭空间中。例如，空气的进入包括在预热期间经由间隙或其它开口而使空气渗透到熔化金属浇包的封闭空间中。参看图1，燃烧器组件55 (例如高动量氧-燃料燃烧器)布置并设置在容器52的盖结构54的中心附近。容器52优选是经历加热工艺的浇包或类似的容器，其中容器包括封闭空间58。容器52包括内部耐火衬里50和钢外壁51。来自燃烧器组件55的火焰62被引导至封闭空间中，其在容器52的内部将热传递至内部耐火衬里50。虽然火焰62显示为具有某一几何形状，但是所显示的几何形状只是示例性的，并且不局限于所显示的尺寸或几何形状。烟道气63被允许从容器52的盖54和容器52的唇缘53之间的浇包间隙57中排出。虽然盖结构54构造成配合容器52的唇缘53，但是其之间的接触在通常的操作中并不一致，并且在其之间形成了间隙57。间隙57是能够允许流体通过或空气进入的空间或开口。在使用期间，可形成间隙57，并且其可改变几何形状和尺寸。间隙57大体沿周向沿着唇缘53而变化，并且主要是由于固化的金属和/或渣料的累积的原因。间隙57测量为具有平均间隙尺寸，平均间隙尺寸是可能发生空气进入和/或烟道气63逃逸所通过的尺寸的测量值。平均间隙尺寸(Agap)可通过壳体和环境空气之间的总的开口面积进行测量。开口的平均宽度可通过用开口面积除以容器唇缘53的周长而进行计算。间隙57的尺寸在小尺寸间隙、中等尺寸的操作间隙以及可能需要检修的大间隙之间变化，小尺寸间隙大体指示新的或新近检修过的盖结构54和/或容器52。当新的或新近调校过的容器52交付使用时，在盖结构54和唇缘53之间的间隙57通常是小的，其中平均间隙尺寸小于大约I英寸(小于大约2. 54cm)。在容器操作期间，间隙57扩大到操作间隙，通常是大约2至9英寸(5. 08至22. 86cm)或4至7英寸(10. 16至17. 78cm)或5至6英寸(12. 7至15. 24cm)的平均间隙尺寸。操作间隙是由于例如固化的金属和/或渣料而造成的，固化的金属和/或渣料是由于浇包倾倒循环而形成的。操作间隙57可能足够大而提供开口，在缺乏燃烧器组件55的操作的条件下，通过该开口可能发生空气的进入。具有大于大约9英寸(22.86cm)的平均间隙尺寸的间隙57是大的间隙，并且大体指示需要检修容器52。大体上，间隙57的尺寸越大，空气进入得越多，且加热时间越长。
虽然不受此限制，但是在燃烧器组件55的操作期间，可对间隙57进行水平对准，如图I中所示，从而在封闭空间中提供加热。本文使用的间隙的对准被限定为与容器52的轴线56平行或基本平行的定向。间隙57可还可竖直对准，或以任何其它角度进行对准。燃烧器组件55进行操作，以便在某一速度和火焰直径下提供燃料和氧化剂，从而提供足够大的动量，以产生从封闭空间58经由间隙57而向外的气流，并控制空气的进入。当间隙57水平对准时，该动量能够克服竖直定向中所发生的浮力。空气进入的控制使得同传统氧-燃料燃烧器的空气进入相比，空气进入的量得以减少或消除。在本公开的一个实施例中，燃烧器组件55是安装在盖结构54中的燃烧器。本公开的实施例涉及高动量大空间氧-燃料燃烧器组件55，其能够以各种含氧气体进行操作，含氧气体具有范围为20. 9体积％ (空气)至大于99. 5体积％ (高纯度氧)的氧浓度。在操作时，本文所述的燃烧器组件55通过利用大空间或分布式燃烧工艺而产生高动量的燃烧，从而对炉或燃烧区域中的负载传送均匀的加热。大空间或分布式燃烧在本领域中也被称为无焰燃烧，其发生在燃料和氧化剂在炉内进行反应之前被迅速稀释时。燃烧器组件55可以各种加热模式进行操作，以满足炉中各种工艺要求。 在一种模式中，通过利用氧化剂喷嘴所喷射的气态氧化剂中高达超过99. 5体积％的值的氧浓度来提供最高的辐射热传递和最大量的可用热。在另一模式中，通过以浓缩的空气/燃料模式操作燃烧器来提供对流和辐射热传递的最佳组合，其中所喷射的气态氧化剂包含高达65体积％的氧。在第三模式中，当工艺热需求较低时，通过利用空气/燃料燃烧提供成本有效的操作，其中所有气态氧化剂和氧化气体都是空气。操作可根据需要而在这三个模式之间进行切换，从而提供不同的热传递机制和工艺热需求。氧-燃料燃烧器组件55操作成使得反应物通过在发生燃烧反应之前混入燃烧产物而得以稀释，并提供同传统的氧-燃料火焰相比更高的火焰动量。根据某些实施例，燃烧器组件55在高的流动出口速度下操作多个燃料/氧喷嘴，从而产生大空间燃烧模式。燃烧器组件55定位成使得火焰在某一位置处被引导至封闭空间58中，封闭空间58沿着耐火衬里50的侧部59引导火焰(参见例如图I)。通过高动量流增强的流循环在封闭空间58内部提供了基本均匀的温度分布，这对于容器52的耐火衬里的均匀加热是有益的。高动量流容许有与延伸至间隙57的浇包的侧部59相一致的循环。该循环在间隙区域60中提供了正压力，并且基本上防止了空气的进入。基本防止空气进入意味着空气进入的量或体积小于排出的烟道气总量或总体积的大约5%，并且典型地，小于排出的烟道气总量或总体积的大约2%。虽然不希望受到理论的约束，但是应相信根据本公开的燃烧器组件55通过提供更高的动态压力减少或消除空气的进入，该动态压力最终转换成容器内部高的静压力。此外，由所述大空间燃烧器形成的均匀的径向压力分布确保了围绕浇包盖的向外的气流，从而在存在不均匀的间隙时减少或消除空气的进入。燃烧器组件导致较少的环境空气混入到炉中。因而，同传统的氧-燃料燃烧器相比可进一步减少加热时间。减少将浇包加热至期望温度的时间可帮助浇包用户最大限度地减小它们操作的浇包的数量，并且可帮助用户节省资金成本和操作成本。另外，这种燃烧器布置可用于金属熔化炉，例如具有空气泄漏问题的再生铝熔化炉。在这些实施例中，实现了熔化时间的减少，这减少或消除了熔化铝的过量氧化，并提高了产量。同传统的火焰加热工艺相比，耐火衬里的均匀加热还降低了沿着耐火衬里的热梯度，导致对耐火衬里有较少的热冲击。因而，可延长耐火材料的寿命。通过利用根据本公开实施例的构造成进行于高动量大空间燃烧的燃烧器组件55，同传统的氧-燃料燃烧器相比，可进一步减少燃料消耗。使用氧或富氧体替代用于燃烧的空气增加了火焰温度和因而增加了对负载的辐射热传递，并且还通过消除加热空气中的氮气的浪费的燃料而极大地增加了燃烧过程中的可用热的量。图2和图3中显示了适合于在盖结构54中使用的燃烧器组件55的一个典型实施例。燃烧器组件55包括伸长本体21，其具有周缘、邻近燃烧区域20的排出端25和轴线56，其中轴线56延伸到燃烧区域20中。燃烧器组件55包括被外部气态氧化剂管道3所包围的中心氧化气体导管2。一个或多个氧化剂喷嘴17设置在伸长本体21的排出端25处，并且适合于将氧化剂排出到燃烧区域20中。一个或多个燃料喷嘴16设置在伸长本体21的排出端25处，并且适合于将燃料排出到燃烧区域20中。燃料和氧化剂以某一喷射速度(Vjet)喷射到容器52中。喷射速度可通过将喷射的体积流率除以喷嘴横截面的总面积而进行计算。高的喷射速度可通过恰当的喷嘴设计来实现。喷射速度Vjet构造为比上浮速度(Vbutjy) 更大。Vtoy可按照以下等式进行计算
_9] Vbuoy = (2g Dladle A T/Tflame)1/2其中g是重力常数，Dladle是浇包的直径，A T是在火焰和浇包壁之间的温度差，并且Tflame是火焰温度。图2和图3中所示的示例性燃烧器组件55利用了这样的几何形状其中燃料喷嘴16和氧化剂喷嘴17以周向布置定位在燃烧器轴线56周围。在其它实施例中可使用非圆形排列，其中燃料喷嘴16定位在离燃烧器轴线的各种径向距离处，并且/或者其中氧化剂喷嘴17定位在离燃烧器轴线56的各种径向距离处。燃料喷嘴16和氧化剂喷嘴17的轮廓限定了火焰62将锚定到其上的区域，并且这个区域可被限定为燃烧器面64。燃烧器面64可具有正方形、长方形或其它非圆形形状，其中燃料喷嘴和/或氧化剂喷嘴以正方形、长方形或任何其它非圆形定向而布置在轴线周围。根据本公开，通过利用具有大尺寸的火焰62可减少或消除空气的进入。具体地说，人们可通过将燃烧器构造比“a”保持在预定的范围内而控制空气的进入，“a”被限定为间隙尺寸和火焰尺寸，a = Agap/(200Abf)，优选a小于2. 5。通过提高火焰速度还可减少或消除空气的进入。具体地说，人们可通过将燃烧器操作比“b”保持在预定的范围内而控制空气的进入，“b”被限定为上浮速度和喷射速度之比，b = 3VbU()y/Vjrt，优选b小于2. 5。Vbuoy可由以下等式进行计算Vbuoy = (2g Dladle A T/Tflame)1/2在一个实施例中，通过根据以下等式保持燃烧器组件55的操作可将空气的混入控制在期望的水平a+b < 2. 5备选地，a+b < 2在另一实施例中，通过根据以下等式保持燃烧器组件55的操作可将加热时间控制在期望的水平a+b < 2. 5备选地，
a+b < 2本公开进一步教导了通过在恰当的范围内组合上述参数a和b可更高效地减少空气的进入。示例如图4中所示,针对烧包预热已经分析了高动量大空间氧-燃料燃烧器(在图5至图7中被称为“B”燃烧器)和传统管中管式氧-燃料燃烧器45 (在图5至图7中被称为“A”燃烧器)的性能。管中管式氧-燃料燃烧器45包括燃料出口 47和氧化剂出口 48。该分析包括三种不同尺寸的浇包。在浇包盖和浇包缘边之间的间隙将在I英寸至10英寸的范围内变化。该分析是利用计算流体动力学(CFD)软件Fluent (ANSYS/Fluent，2008)完成的，其利用了本领域中通常使用的假设。CFD结果显示当燃烧“A”燃烧器时，环境空气经由间隙吸入到浇包中。总地说来，空气的混入在加热工艺的起动时是最严重的，这时浇包是最冷的，且上浮是最强的。如预期 的那样，混入还随着间隙尺寸而增加。对于传统的氧燃烧器，当间隙尺寸为I英寸时，空气的混入在整个工艺期间是可忽略不计的。当间隙尺寸增加至2英寸时，混入变得相当大，持续头3个小时(图5)。对于6英寸的间隙而言，混入在整个工艺期间变得甚至更大且连续。当利用根据本公开的高动量的“B”燃烧器时，空气的混入在趋势上，就时间和间隙而言是类似的，但显著地减少了数量级。将图5与图6进行比较，可以看出对于所有间隙尺寸，空气的混入减少了至少两个数量级。这种空气混入的减少极大地降低了浇包加热时间。图7中显示了达到耐火衬里的预期温度所需要的加热时间，其展现了浇包盖的内部表面温度相对于加热时间的变化。出于比较起见，图7中的“B”燃烧器或“A”燃烧器的燃烧速率固定在6MMBtu/hr。图7中所展现的在浇包盖和浇包缘边之间的平均间隙为4英寸和6英寸。对于4英寸和6英寸的间隙尺寸而言,利用传统的氧-燃料燃烧器加热浇包至2000K所需要的时间分别是9和12. 5小时(hr)。当利用本发明时，对于4英寸和6英寸的间隙两者，所需要的加热时间大约为8小时。图8显示了在操作参数“a”和“b”的不同组合下的空气混入。明显的是通过减小“a”或“b”可减少或消除空气的混入。在这个示例中，传统氧-燃料燃烧器的喷射速度为大约30m/s，而高动量燃烧器的喷射速度为大约100m/s。传统燃烧器的燃烧器面的直径为大约3. 3英寸，而高动量燃烧器的燃烧器面的直径为大约4. 2英寸。图9显示了在操作参数a和b的不同组合下将浇包加热至1400K所需要的总时间。同样，传统氧-燃料燃烧器的喷射速度为大约30m/s，而高动量燃烧器的喷射速度为大约lOOm/s。传统燃烧器的燃烧器面的直径为大约3. 3英寸，而高动量燃烧器的燃烧器面的直径为大约4. 2英寸。虽然已经参照一个优选实施例描述了本发明，但是本领域中的技术人员应该懂得，在不脱离本发明的范围的情况下可进行各种变化，并用等效物替代其元件。另外，在不脱离本发明的本质范围的情况下还可进行许多改良，使特殊的情形或材料适应本发明的教导。因此，意图的是本发明并不局限于作为被认为是实现本发明的最佳模式而公开的特定的实施例，相反本发明将包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种用于加热其中具有封闭空间的容器且控制空气经由间隙而对所述封闭空间的进入的方法，所述方法包括 为具有所述封闭空间的所述容器提供盖结构，所述盖结构具有安装在其中的燃烧器组件， 将所述燃烧器组件构造成提供预定的火焰直径； 使所述容器和所述盖结构配合成使得在所述容器和所述盖结构之间形成所述间隙；以及 在这样的状况下将燃料和氧化剂从所述燃烧器组件中排出且燃烧所述燃料和所述氧化剂，即，提供所述预定的火焰直径，并赋予足够大的火焰速度，从而产生从所述封闭空间经由所述间隙而向外的气流，并控制空气的进入。
2.根据权利要求I所述的用于加热的方法，其特征在于，所述燃烧器组件包括 (a)伸长本体，其具有周缘、邻近燃烧区域的排出端和轴线，其中所述轴线延伸到所述燃烧区域中； (b)一个或多个氧化剂喷嘴，其设置在所述伸长本体的所述排出端处，并适合于将所述氧化剂排出到所述燃烧区域中；以及 (C) 一个或多个燃料喷嘴，其设置在所述伸长本体的所述排出端处，并适合于将所述燃料排出到所述燃烧区域中； 其中所述一个或多个氧化剂喷嘴和所述一个或多个燃料喷嘴构造成提供一定燃烧器构造比和燃烧器速度比，从而产生从所述封闭空间经由所述间隙而向外的气流，并控制空气的进入。
3.根据权利要求2所述的用于加热的方法，其特征在于，所述方法进一步包括根据以下等式所确定的燃烧器构造比 a = Agap/ (200Abf)； 以及根据以下等式所确定的所述燃烧器速度比 b = 3Vbuoy/VJet ； 其中所述燃烧器构造比a和所述燃烧器速度比b之和小于2. 5。
4.根据权利要求3所述的用于加热的方法，其特征在于，所述燃烧器构造比a和所述燃烧器速度比b之和小于2。
5.根据权利要求I所述的用于加热的方法，其特征在于，所述方法进一步包括为所述间隙确定平均间隙尺寸。
6.根据权利要求I所述的用于加热的方法，其特征在于，所述方法进一步包括确定与所述容器的构造相对应的上浮速度。
7.根据权利要求I所述的用于加热的方法，其特征在于，所述火焰速度与所述平均间隙尺寸、所述上浮速度相对应。
8.根据权利要求I所述的用于加热的方法，其特征在于，所述容器是用于倾倒熔化金属的浇包。
9.根据权利要求I所述的用于加热的方法，其特征在于，所述容器是用于使金属熔化的炉。
10.根据权利要求2所述的用于加热的方法，其特征在于，所述方法进一步包括火焰稳定器，其设置在所述伸长本体的周缘内，并适合于使所述燃料及所述氧化剂燃烧，并将燃烧产物从其中排出至所述燃烧区域中，所述氧化剂是含氧气体，其具有在20. 9体积％至超过.99. 5体积％的氧的范围中的成分。
11.根据权利要求I所述的用于加热的方法，其特征在于，所述氧化剂包含大于20.9体积％的氧。
12.根据权利要求I所述的用于加热的方法，其特征在于，所述燃烧器组件调整成在与所述容器和所述盖结构之间所形成的所述间隙的平均间隙尺寸相对应的动量下进行操作。
13.根据权利要求I所述的用于加热的方法，其特征在于，基本上防止了空气的进入。
14.一种用于加热具有封闭空间的容器并控制空气对所述封闭空间的进入的装置，所述装置包括 盖结构，其具有安装在其中的燃烧器组件，所述容器和所述盖结构配合成使得在所述容器和所述盖结构之间形成间隙，所述燃烧器组件包括 (a)伸长本体，其具有周缘、邻近燃烧区域的排出端和轴线，其中所述轴线延伸到所述燃烧区域中； (b)一个或多个氧化剂喷嘴，其设置在所述伸长本体的所述排出端处，并适合于将所述氧化剂排出到所述燃烧区域中；以及 (C) 一个或多个燃料喷嘴，其设置在所述伸长本体的所述排出端处，并适合于将所述燃料排出到所述燃烧区域中； 其中所述燃烧器组件构造成在这些的状况下燃烧来自所述燃烧器组件的燃料和氧化剂，即，提供预定的火焰直径，并赋予足够大的火焰速度，从而产生从所述封闭空间经由所述间隙而向外的气流，并控制空气的进入。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述一个或多个氧化剂喷嘴和所述一个或多个燃料喷嘴构造成提供一定燃烧器构造比和燃烧器速度比，从而产生从所述封闭空间经由所述间隙而向外的气流，并控制空气的进入。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括根据以下等式所确定的燃烧器构造比 a = Agap/ (200Abf)； 以及根据以下等式确定所述燃烧器速度比 b = 3Vbuoy/VJet ； 其中所述燃烧器构造比a和所述燃烧器速度比b之和小于2. 5。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述燃烧器构造比a和所述燃烧器速度比b之和小于2。
18.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述容器是用于倾倒熔化金属的浇包。
19.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述容器是用于使金属熔化的炉。
20.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括火焰稳定器，其设置在所述伸长本体的周缘内，并适合于使所述燃料及所述氧化剂燃烧，并将燃烧产物从其中排出至所述燃烧区域中，所述氧化剂是含氧气体，其具有在20. 9体积％至超过99. 5体积％的氧的范围中的成分。
21.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，基本上防止了空气的进入。
全文摘要
本发明涉及用于控制空气对封闭空间的进入的加热方法和系统。一种用于加热其中具有封闭空间的容器且控制空气经由间隙而对封闭空间的进入的方法。该方法包括提供用于具有封闭空间的容器的盖结构，盖结构具有安装在其中的燃烧器组件。燃烧器构造成提供预定的火焰直径。容器和盖结构配合成使得在容器和盖结构之间形成间隙。燃料和氧化剂在这样的状况下从燃烧器组件中排出，即，提供预定的火焰直径，并赋予足够大的火焰速度，从而产生从封闭空间经由间隙而向外的气流，并控制空气的进入。
文档编号B22D41/015GK102794444SQ20121016691
公开日2012年11月28日 申请日期2012年5月18日 优先权日2011年5月20日
发明者王晶红, 何筱毅, 曹进, A·G·斯莱夫科夫 申请人:气体产品与化学公司