СПОСОБ ПЛАВЛЕНИЯ ТВЕРДОЙ ШИХТЫ Российский патент 2015 года по МПК C22B7/00 

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к плавлению твердой шихты, как например, стекла или металла и, в особенности, к рециклингу металла посредством плавления и рафинирования металлического лома.

Плавление металлического лома является важным аспектом в металлургической промышленности. Действительно, металлический лом используется, как исходный материал для плавления металла в черной и цветной металлургической промышленности по экономическим, техническим и экологическим причинам. Развитие техники рециклинга металла значительно зависит от наличия металлического лома.

Типичным примером в области цветной металлургии является рециклинг алюминия, который является теперь наиболее обычно подвергаемым рециклингу после использования металлом в мире. В Европе, например, алюминий обладает высокими темпами рециклинга, которые находятся в диапазоне от 41% для контейнеров для напитков до 85% в секторе зданий и конструкций, и вплоть до 95% в автомобильном секторе. Промышленность, дополнительно, постоянно инвестирует и исследует усовершенствования в сборе и сортировке для того, чтобы достичь наилучших возможных уровней рециклинга.

При рециклинге алюминия плавят широкий диапазон алюминиевого лома, получаемого как на местном рынке, так и от импорта. Поскольку лом обычно выполнен из загрязненного материала различного состава, промышленность вторичного плавления, как например, промышленность алюминиевого лома, требует промышленного оборудования и, в особенности, плавильных печей, которые являются как мощными, так и функционально гибкими.

Ключевой проблемой для промышленной плавки металлического лома является эффективность процесса. Эффективность процесса охватывает, в особенности, следующие факторы:

- временная эффективность времени, то есть скорость, при которой данное количество металлического лома расплавляется,

- энергетическая эффективность, то есть энергия, требуемая для плавления данного количества металлического лома, и

- эффективность извлечения металла, то есть отношение выпущенного количества расплавленного металла к металлическому лому.

Известно в данной области техники плавление металлического лома в печи посредством тепла, вырабатываемого посредством воздушного сжигания, то есть посредством сгорания топлива с воздухом в качестве окислителя. Такие процессы плавления в общем имеют низкие временную и энергетическую эффективность, но относительно высокую эффективность извлечения металла.

Кислородное сжигание топлива представляет собой известную стратегию для повышения утилизации тепла (термическая эффективность) в промышленных печах относительно воздушного сжигания. Топливно-кислородные горелки имеют более высокие температуры пламени, что повышает радиационную теплопередачу от пламени к загрузке. Более высокие температуры пламени, однако, могут иметь негативные последствия в определенных обстоятельствах, особенно для печей с более низкой температурой, как например, для вторичного плавления алюминия. В связи с высокой температурой плавления предрасположенность к образованию NO_x повышается. Поэтому если N₂ входит в зону горения, либо через топливо, либо в связи с проникновением воздуха в печь, образование NO_x может возрасти значительно. Также более высокая температура пламени может вызвать пережоги в печи или вредно действовать на качество продукта. В определенных случаях, как то плавление алюминия, высокая температура пламени может также повысить скорость окисления металла, что приводит в результате к потерям металла.

Было предложено регулировать мощность горелки в продолжение процесса плавления для того, чтобы удерживать окисление металла под контролем, насколько это возможно, в случае кислородного сжигания, например, как функцию температуры в печи или огнеупорного материала, окружающего камеру сгорания.

Чтобы преодолеть вышеупомянутые результаты, было разработано распределенное горение, как стратегия для осуществления кислородного сжигания при более низких, но очень равномерных температурах. Так называемое разбавленное сжигания, мягкое сжигание или беспламенное сжигание (в определенных обстоятельствах, когда пламя более не видно), - центральная идея этой стратегии, которая заключается в разбавлении реагентов печными газами (в большинстве случаев смесью Н₂О и СО₂) перед сжигание для того, чтобы получить более низкое и более равномерное распределение температуры в печи. Температура разбавленных смесей должна поддерживаться выше температуры самовоспламенения, чтобы поддерживать беспламенный режим. Вследствие комплексного взаимодействия между переносом массы и химической реакцией, наблюдаемых в традиционных процессах горения, высоко разбавленные реагенты делают горение кинетически лимитированным процессом посредством увеличения масштаба времени реакции горения. Этот процесс медленного горения проявляется посредством реакционных зон с высоким распределением, где пик температуры является низким, посредством этого сильно понижается NO_x.

Было предложено много горелок для распределенного сжигания.

WO2004/029511 использует эффект эжектора, вызываемый посредством сопел кислородной горелки, чтобы обеспечить внутреннюю рециркуляцию печных газов. Ввод топлива ниже по течению дает возможность кислороду смешиваться с печными газами перед достижением топлива. WO2004/029511 включает 6 сопел для подачи кислорода, помещенных в виде круга вокруг ввода топлива. Сопла для подачи кислорода предпочтительно подают кислород при сверхзвуковых скоростях.

Как и в горелке по WO2004/029511, патент США № 6,007,326 относится к сжиганию при поддержании низкими концентраций как топлива, так и кислорода в печи. Разбавление реагентов достигается посредством их пространственно разделенного ввода при высоких скоростях. Топливо и окислитель могут быть предварительно подогреты до любой температуры выше окружающей среды.

Опубликованная заявка на патент США US 20070254251 раскрывает горелку, спроектированную для режима беспламенного горения. Она включает несколько вводов для топлива и окислителя, играющих различные роли. Возможный центральный стабилизатор пламени окружен множеством сопел для введения топлива и газообразного окислителя в печь или зону горения. Она может использовать воздух или кислород в качестве окислителя.

Несколько горелок распределенного горения, использующих кислород, должны быть рассчитаны на вводы реагентов с высокой скоростью. Вводы с высокой скоростью обычно требуют высоких давлений кислорода и природного газа для работы. В связи с этим имеется необходимость достижения распределенного горения с горелкой, использующей кислород при относительно более низких давлениях.

Невзирая на давление подаваемого окислителя, распределенное горение обычно достигается посредством раздельного ввода топлива и окислителя в печь. Либо одна, либо обе струи реагента вводятся в печь таким образом, чтобы облегчить увлечение печных газов в струи, например, посредством использования высоких градиентов скорости, завихрений потока или наклонов корпуса. Расстояние между струями определяется с целью достижения достаточного разбавления одного или обоих реагентов перед тем, как два потока реагентов взаимодействуют/смешиваются друг с другом. Например, Патент США № 5,961,312 раскрывает конструкцию горелки, в которой расстояние между струями топлива и воздуха L дается посредством уравнения: (L/D_a)х[(V_a/V_o)⁵]>10, где D_a представляет собой диаметр сопла для воздуха, V_a представляет собой скорость воздуха и V_o представляет собой единицу скорости воздуха (1 м/с). Аналогично, Патент США № 6,007,326 требует расстояния по меньшей мере 6 дюймов и предпочтительно 24 дюйма между струями топлива и окислителя, чтобы достичь условий разбавленного сжигания для низкого производства NO_x. Эти требования к пространству между струями могут часто делать горелки чрезмерно большими и объемными.

Иногда угол ввода, отличный от нулевого, между соплами реагентов также используется, чтобы задержать смешение реагентов до тех пор, пока они не будут разбавлены печными газами. Например, Патент США № 5,772,421 раскрывает конструкцию горелки, в которой топливо и окислитель выпускаются таким образом, что они вначале отклоняются друг от друга, но окончательно смешиваются внутри печи. Однако смешение отклоняющихся струй зависит от геометрии печи, работы горелки и размещения горелки внутри печи. В результате, эти горелки часто являются эффективными только в определенных конкретных печах и при определенных рабочих условиях.

Другой стратегией, чтобы достичь распределенного горения, является распределение одного из реагентов в печи посредством использования множества сопел. Другой реагент обычно подается, как струя с высокой скоростью или высоким завихрением, чтобы увлечь печные газы. Например, Патент США № 6,773,256 раскрывает горелку, в которой небольшое количество топлива подается в поток окислителя, чтобы достичь обедненного топливом пламени. Остальное топливо подается посредством множества сопел для топлива на фиксированных расстояниях от пламени. Сопла для топлива могут быть сконструированы так, чтобы вводить топливо под различными углами к пламени в зависимости от желаемого ступенчатого изменения процесса. Такая стратегия в конструкции может привести в результате к относительно большой сложной горелке, которую можно относительно дорого изготовить и трудно контролировать.

В связи с вышеупомянутыми недостатками имеется необходимость достичь распределенного горения с использованием простой компактной горелкой.

Одним из важных условий достижения многоступенчатого сжигания (highly staged combustion) является высокая температура в печи. Для того, чтобы поддержать полное сгорание внутри камеры сгорания для многоступенчатого сжигания, печь должна быть предварительно подогрета до температуры выше самовоспламенения, типично более чем 700°С или более чем 800°С. Большинство многоступенчатых горелок требует горелок предварительного подогрева для достижения требуемых температур печи перед ступенчатым осуществлением процесса. Например, WO 2006/031163 раскрывает горелку, которая может работать как в режиме пламени, так и ступенчатом. Вначале, когда печь является холодной, топливо и окислитель вводятся из коаксиального отверстия (труба в трубе), чтобы иметь стабильное пламя. Когда температура печи достигает температуры самовоспламенения топлива, топливо и окислитель вводятся из отверстий, которые разделены в пространстве одно от другого, чтобы иметь распределенное горение внутри печи. Результатом почти всех конструкций ступенчатых горелок является их часто плохая характеристика, когда мощности горелок отличаются от мощности обычной конструкции. Типично эти горелки работают очень хорошо в условиях номинальной мощности, однако, их эффективность горения и характеристики эмиссии часто значительно отклоняются в тот момент, когда мощность горелки изменяется от номинальной до некоторой другой мощности. Такое изменение мощности горелки представляет собой обычный сценарий для большинства промышленных печей.

В связи с вышеописанным недостатком также имеется необходимость в горелке, которая может достичь удовлетворительно распределенного горения при различных мощностях горелки.

Сущность изобретения

Раскрывается процесс плавления твердой шихты в печи, причем упомянутый процесс содержит следующие этапы. Нерасплавленную шихту, содержащую стекло или металл, подают в печь. Струю топлива и первичную порцию окислителя вводят в печь из сопла топливо/окислитель в блок горелки. Струю топлива и первичного окислителя вынуждают направляться вниз по направлению к твердой шихте посредством инициирования ввода струи первой воздействующей текучей среды вниз по направлению к струе топлива и первичного окислителя, посредством этого сталкивая струю топлива и первичного окислителя, причем первая воздействующая текучая среда является дополнительной порцией окислителя. После плавления требуемого количества твердой шихты ввод струи первой воздействующей текучей среды прерывают. Количество окислителя, введенного из сопла топливо/окислитель в качестве первичного окислителя, понижают, в то время как ввод вторичной порции окислителя из по меньшей мере одной вторичной трубки, расположенной в блоке горелки выше сопла топливо/окислитель, инициируют до тех пор, пока не будут достигнуты желаемая степень ступенчатости процесса ввода окислителя между первичным и вторичным окислителем и условия распределенного горения. Расплавленную шихту удаляют из печи.

Способ может включать один или более следующих аспектов.

- печь представляет собой вращающуюся печь, имеющую по существу цилиндрическую огнеупорную стенку, первую торцевую стенку на одном конце цилиндрической огнеупорной стенки и вторую торцевую стенку на противоположном конце цилиндрической огнеупорной стенки,

- нерасплавленная шихта представляет собой металлический лом, выбранный из группы, состоящей из алюминия, меди, цинка, свинца, никеля, кобальта, титана, хрома, благородных металлов и их сплавов,

- металлический лом представляет собой алюминий или сплав алюминия,

- топливо представляет собой газообразное топливо,

- топливо выбирают из группы, состоящей из природного газа, бутана, пропана и их смесей,

- окислитель имеет содержание кислорода по меньшей мере 65% объем/об.,

- окислитель имеет содержание кислорода по меньшей мере 80% объем/об.,

- окислитель имеет содержание кислорода по меньшей мере 90% объем/об.,

- ввод струи первой воздействующей текучей среды прекращают после плавления по существу всей твердой шихты,

- топливо представляет собой жидкое топливо,

- вторичная порция топлива составляет 90-95% от суммарного количество топлива, чтобы получить желаемую степень ступенчатости процесса 90-95%,

- мощность горелки повышают во время продолжения горения топлива и окислителя при условиях распределенного горения посредством:

·пропорционального повышения количества окислителя, вводимого через по меньшей мере одну вторичную трубку в качестве вторичного окислителя и через сопло топливо/окислитель, как первичный окислитель; и

·инициирования ввода струи второй воздействующей текучей среды вверх по направлению к струе топлива и первичного окислителя, посредством этого сталкивая струю топлива и первичного окислителя, причем вторая воздействующая текучая среда представляет собой дополнительную порцию топлива, причем вторая воздействующая текучая среда составляет 1-20% объем/об. от суммарного потока топлива, вводимого из сопла топливо/окислитель и в качестве второй действующей текучей среды,

- первичная порция топлива кольцевым образом обволакивает первичную порцию окислителя, и реагентом горения второй струи является топливо,

- вторичная порция окислителя составляет 90-95% от суммарного количество окислителя, чтобы получить желаемую степень ступенчатости процесса 90-95%,

- в продолжение по меньшей мере, части времени, в которой упомянутый способ осуществляют при условиях распределенного горения, температура в печи находится выше температуры самовоспламенения топлива,

-сопло топливо/окислитель представляет собой концентрично расположенное сопло труба в трубе, приспособленное и имеющее конфигурацию, чтобы вводить топливо из внутренней трубы и вводить первичную порцию окислителя из кольца между внутренней трубой и наружной трубой,

- в продолжение по меньшей мере, части времени, в которой упомянутый способ осуществляют при условиях распределенного горения, никакого видимого пламени не наблюдается,

- топливо представляет собой жидкое топливо,

- в продолжение по меньшей мере, части времени, в которой упомянутый способ осуществляют при условиях распределенного горения, вторичная порция окислителя, вводимая из вторичных трубок, составляет 90-95% от суммарного количества окислителя, вводимого в качестве первичной порции окислителя из сопла топливо/окислитель и из вторичных трубок,

- по меньшей мере одна вторичная трубка содержит пару вторичных трубок.

Краткое описание чертежей

Для дополнительного понимания сути и задач настоящего изобретения должна быть сделана ссылка на следующее подробное описание, приведенное в связи с прилагаемыми чертежами, в которых подобные элементы обозначены теми же или аналогичными номерами ссылок, и в которых:

ФИГ. 1 представляет собой схематический вид в вертикальном разрезе горелки, иллюстрирующий скрытые части, которые включают динамическое сопло топливо/окислитель и пару вторичных трубок для окислителя.

ФИГ. 2А представляет собой схему фазы запуска процесса плавления твердой шихты, где пламя ориентировано прямо наружу из горелки.

ФИГ. 2В представляет собой схему фазы плавления процесса плавления твердой шихты, где пламя направлено по направлению к твердой шихте.

ФИГ. 2С представляет собой схему начальной части перехода от фазы плавления к фазе распределенного горения процесса плавления твердой шихты, где создается ступенчатое распределение окислителя между первичной и вторичной порциями.

ФИГ. 2D представляет собой схему конечной части перехода от фазы плавления к фазе распределенного горения процесса плавления твердой шихты, где ступенчатое распределение окислителя между первичной и вторичной порциями является более полным.

ФИГ. 2Е представляет собой схему фазы распределенного горения процесса плавления твердой шихты, где ступенчатое распределение окислителя между первичной и вторичной порциями является полным.

ФИГ. 3А представляет собой схематический изометрический вид первого варианта осуществления сопла топливо/окислитель раскрытой горелки.

ФИГ. 3В представляет собой вид в поперечном разрезе сопла по ФИГ. 4А по линии В-В, иллюстрирующий скрытые части.

ФИГ. 3С представляет собой вид в поперечном разрезе сопла по ФИГ. 4А по линии С-С, иллюстрирующий скрытые части.

ФИГ. 3D представляет собой вид в поперечном разрезе сопла по ФИГ. 4А по линии D-D.

ФИГ. 3Е представляет собой схематический вид в вертикальном разрезе вдоль среза сопла по ФИГ. 3А в продолжение фазы плавления процесса плавления твердой шихты.

ФИГ. 3F представляет собой схематический вид в вертикальном разрезе вдоль среза сопла по ФИГ. 3А в продолжение фазы распределенного горения процесса плавления твердой шихты при относительно высокой мощности горелки.

ФИГ. 4А представляет собой схематический изометрический вид второго варианта осуществления сопла топливо/окислитель горелки.

ФИГ. 4В представляет собой схематический вид в вертикальном разрезе вдоль среза сопла по ФИГ. 4А в продолжение фазы плавления процесса плавления твердой шихты.

ФИГ. 4С представляет собой схематический вид в вертикальном разрезе вдоль среза сопла по ФИГ. 4А в продолжение фазы распределенного горения процесса плавления твердой шихты при относительно высокой мощности горелки.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

Здесь раскрыта простая компактная горелка для достижения более оптимального плавления твердой шихты, за которой следует выполнение горения при условиях распределенного горения. Это достигается посредством отклонения пламени посредством текучей среды по направлению к твердой шихте в продолжение фазы плавления с воздействующей струей окислителя, отклоняющих пламя в направлении от шихты, и ступенчатого распределения процесса ввода окислителя между первичной и вторичной порциями в продолжение фазы распределенного горения. Дополнительно, когда горелка более высокой мощности необходима в продолжение фазы распределенного горения, создается воздействующая струя топлива, чтобы изгибать пламя вверх и предотвращать чрезмерную задержку смешения топлива и окислителя.

В продолжение запуска, струя топлива и первичного окислителя вводится в плавильную печь посредством динамического сопла топливо/окислитель, проходящего через блок горелки. Если печь уже не содержит нерасплавленную шихту, нерасплавленная шихта добавляется в печь для плавления.

Если желательно, и в особенности после того, как будет произведено стабильное пламя, открывается клапан, чтобы инициировать поток окислителя к каналу для ввода воздействующего окислителя, простирающемуся через блок горелки в динамическом сопле топливо/окислитель. Струя воздействующего окислителя вводится вниз по направлению к струе топлива и первичного окислителя, заставляя упомянутую струю направляться вниз по направлению к твердой шихте. Таким образом начинается фаза плавления процесса.

После плавления желаемого количества твердой шихты и когда достигается температуре в печи выше, чем температура самовоспламенения топлива, (типично более чем 700°С или более чем 800°С), начинается переход от фазы плавления к фазе распределенного горения. Ввод струи воздействующего окислителя прерывается. Как результат, пламя более не направлено вниз по направлению к шихте. Также количество окислителя, вводимого из сопла топливо/окислитель в качестве первичного окислителя, понижается, в то время как ввод вторичной порции окислителя из по меньшей мере одной вторичной трубки (типично, пары вторичных трубок или даже трех и более вторичных трубок), расположенных в блоке горелки выше сопла топливо/окислитель, повышается до желаемой степени ступенчатого распределения процесса ввода окислителя между первичным и вторичным окислителем, и условия распределенного горения достигаются. Эти условия продолжаются через фазу распределенного горения. В продолжение фазы распределенного горения, типично 90-95% полного количества окислителя вводится в качестве вторичной порции или вторичного окислителя (из вторичной трубки(трубок)), в то время как только 10-5% вводится в качестве первичной порции или первичного окислителя (из динамического сопла топливо-окислитель). Если желательно, степень ступенчатости может быть варьирована эмпирическим способом, чтобы не получить в результате никакого видимого пламени (то есть, беспламенное горение). Более низкие значения ступенчатости также являются возможными, в зависимости от степени желаемого распределенного горения. Дополнительно, более низкие значения ступенчатости могут быть желательны, если относительно более короткое пламя необходимо в связи с ограничениями геометрии печи.

После того, как нерасплавленная шихта нагревается посредством горелки в продолжение фазы распределенного горения, она удаляется из печи. В случае твердой шихты из алюминия (как например, алюминиевый лом), расплавленный алюминий удаляется для литья и отливки.

В продолжение работы горелки при номинальных мощностях в фазе распределенного горения расход вторичного окислителя из вторичных трубок составляет типично 95-99% (по объему) от суммарного потока окислителя, оставляя расход первичного окислителя через динамическое сопло топливо/окислитель при 5-1% (по объему) от суммарного потока окислителя. В продолжение работы горелки при относительно высоких мощностях в фазе распределенного горения расход воздействующего топлива составляет типично 1-20% (по объему) от суммарного потока топлива из динамического сопла топливо/окислитель, оставляя расход топлива из динамического сопла топливо/окислитель при 99-80% (по объему) от суммарного потока топлива. В продолжение работы горелки в продолжение фазы плавления расход воздействующего окислителя составляет типично 5-30% (по объему) от суммарного потока окислителя из динамического сопла топливо/окислитель (и по выбору вторичной трубки(ок)), оставляя расход первичного окислителя в струе топлива и первичного окислителя 95-70% по объему от суммарного потока окислителя. Скорость воздействующей текучей среды составляет типично 100 м/с или менее при номинальной мощности горелки, в то время как скорости топлива и первичного окислителя составляют типично 100-200 м/с и 75-150 м/с, соответственно, при номинальной мощности горелки.

В то время, как окислитель может представлять собой воздух, чистый кислород, воздух, обогащенный кислородом или синтетический воздух, содержащий кислород, и рециркулирующий дымовой газ, типично он представляет собой кислород, имеющий чистоту по меньшей мере 65% (по объему), или по меньшей мере 80% по объему, или промышленно чистый кислород, имеющий чистоту по меньшей мере 90% (по объему). В то время как топливо может быть любым газообразным или жидким топливом, типично оно представляет собой природный газ или жидкое топливо. Первичный окислитель типично содержит 75-100% суммарного расхода окислителя в горелке в продолжение фазы нагрева, но только 0-10% суммарного расхода окислителя в горелке в продолжение фазы распределенного горения. С другой стороны, вторичный окислитель типично имеет скорость 75-200 м/с при номинальной мощности горелки и содержит до 90-100% при температурах камеры сгорания в продолжение фазы распределенного горения.

Вторичная трубка(и) расположена(ы) выше динамического сопла топливо-окислитель. Типично минимальное расстояние между центром динамического сопла топливо-окислитель и центром каждой вторичной трубки должно быть по меньшей мере в 10 раз больше внутреннего диаметра вторичной трубки или центрально расположенной трубы в динамическом сопле топливо-окислитель. Аналогично, минимальное расстояние между центрами вторичных трубок должно быть по меньшей мере в 10 раз больше внутреннего диаметра этих трубок.

Более высокая мощность горелки в продолжение фазы распределенного горения может быть желательной. Поскольку скорости струй топлива и вторичного окислителя повышаются, смешение двух реагентов горения может быть чрезмерно задержано, что приводит в результате к сталкиванию пламени со стенкой печи. Чтобы уменьшить эту проблему, создается поток топлива через канал для ввода воздействующего топлива, проходящий через блок горелки в динамическом сопле топливо/окислитель. Струя воздействующего топлива вводится из канала для ввода воздействующего топлива вверх по направлению к струе топлива (и первичного окислителя, если он имеется), заставляя упомянутую струю направляться вверх по направлению к струям вторичного окислителя и вызывая ранее смешивание двух струй.

В первом варианте осуществления динамического сопла топливо/окислитель струя воздействующего окислителя или топлива может столкнуться со струей топлива и первичного окислителя (если он имеется) перед тем, как упомянутая струя выходит из динамической трубки. Во втором варианте осуществления динамического сопла топливо/окислитель струя воздействующего окислителя или топлива может столкнуться со струей топлива и первичного окислителя (если он имеется) после того, как упомянутая струя выходит из динамической трубки.

В первом варианте осуществления динамическое сопло топливо-окислитель использует основной корпус сопла, имеющий центрально расположенное высверленное отверстие большого диаметра, простирающееся по всей длине. Имеется концентрично расположенная внутри высверленного отверстия большого диаметра трубка меньшего диаметра для того, чтобы создать центрально расположенный канал для ввода топлива, окруженный каналом кольцевой формы для ввода первичного окислителя. Следовательно, оно образует конфигурацию типа труба в трубе, где кольцевой поток первичного окислителя протекает в кольцевом пространстве между внутренней поверхностью основного корпуса сопла и наружной поверхностью трубы, и центральный поток топлива протекает через трубу. Специалист в данной области техники определит, что потоки топлива и первичного окислителя могут быть переключены так, чтобы топливо кольцом обволакивало первичный окислитель. Основной корпус сопла также включает в себя канал для ввода воздействующего окислителя, простирающийся по всей длине вверх и отделенный промежутком от кольцевого пространства. Основной корпус сопла также включает в себя канал для ввода воздействующего топлива, простирающийся по всей длине вниз и отделенный промежутком от кольцевого пространства. Конец основного корпуса сопла покрыт колпаком. Колпак имеет конечное отверстие, ориентированное вдоль оси трубы и высверленного отверстия и в основном имеющее такой размер, чтобы соответствовать диаметру высверленного отверстия, так чтобы поток первичного окислителя и топлива продолжался через конечное отверстие в колпаке.

Колпак может включать в себя полость на стороне, обращенной к концу корпуса сопла. Полость простирается в осевом направлении колпака (от вверх по потоку до вниз по потоку), чтобы заканчиваться на плоской поверхности, лежащей в плоскости, перпендикулярной оси высверленного отверстия и трубы. Топливо и первичный окислитель вытекают из конечных торцов трубы и кольцевого пространства и из конечного отверстия в колпаке. Полость также простирается в радиальном направлении наружу так далеко, чтобы она находилась в сообщении по текучей среде с выпускным отверстием каналов для ввода воздействующего окислителя и топлива. Таким образом, когда воздействующий окислитель или топливо выходит из соответствующего канала для ввода, плоская поверхность полости перенаправляет направление потока воздействующего окислителя или топлива, так чтобы он пересекал поток топлива и первичного окислителя примерно под прямым углом.

Вместо полости, в колпаке могут быть просверлены отверстия, концы которых пригнаны между выпускными отверстиями каналов для ввода воздействующей текучей среды и конечным отверстием в колпаке. Таким образом, воздействующая текучая среда протекает от выходного отверстия канала(ов) для ввода текучей среды в отверстие(я) и пересекает под углом поток топлива и окислителя. Угол может быть прямым углом или острым углом более чем 0˚.

Невзирая на то, что колпак использует полость или отверстия, в то время как канал для ввода воздействующего окислителя расположен выше высверленного отверстия, воздействующий окислитель протекает вниз по направлению к струе топлива и первичного окислителя, вынуждая пламя направляться вниз по направлению к шихте, которая должна быть расплавлена. Наоборот, в то время как канал для ввода воздействующего топлива расположен ниже высверленного отверстия, воздействующее топливо протекает вверх по направлению к струе топлива и первичного окислителя, вынуждая пламя направляться вверх по направлению к струям вторичного окислителя.

Угол, под которым пламя направляется вниз или вверх, может регулироваться посредством регулирования расхода и скорости воздействующего окислителя или воздействующего топлива, соответственно, посредством соответствующего канала для ввода. Типично, струя второго реагента или обволакивающая струя топлива и окислителя изгибается от ее нормальной оси вплоть до 40°, более типично вплоть до 30°, даже более типично вплоть до 20°, еще более типично вплоть до 15° и наиболее типично вплоть до от 5° до 10°.

Второй вариант осуществления динамического сопла топливо-окислитель может использовать основной корпус сопла, снова имеющий центрально расположенное высверленное отверстие большего диаметра и трубу меньшего диаметра, концентрически расположенную внутри высверленного отверстия большего диаметра. Снова топливо протекает через трубу, в то время как первичный окислитель протекает через кольцевое пространство между внутренней поверхностью высверленного отверстия и наружной поверхностью трубы, чтобы обволакивать кольцевым образом этот реагент у выпускного отверстия трубы и высверленного отверстия. Специалист в данной области техники обнаружит, что потоки топлива и первичного окислителя могут быть переключены так, чтобы топливо кольцевым образом обволакивало первичный окислитель. Динамическое сопло топливо-окислитель также включает в себя канал для ввода воздействующего окислителя, простирающийся через основной корпус сопла вверх и отделенный промежутком от высверленного отверстия, и канал для ввода воздействующего топлива, простирающийся через основной корпус сопла вниз и отделенный промежутком от высверленного отверстия. Конец основного корпуса сопла покрыт колпаком. Колпак имеет конечное отверстие, ориентированное вдоль оси центрально расположенного высверленного отверстия и трубы, и в общем имеет размеры, чтобы пригоняться к диаметру высверленного отверстия так, чтобы поток топлива и первичного окислителя через центрально расположенные концентрические трубы продолжался через конечное отверстие в колпаке.

Колпак также включает в себя отверстия, просверленные через него, первый конец которых пригоняется к выходному отверстию соответствующего канала для ввода воздействующего окислителя или топлива, и второй конец которых простирается через конечный торец колпака, отделенный промежутком от конечного отверстия в колпаке. Отверстия просверлены под острым углом по направлению к оси центрально расположенных концентрических труб, но отверстия не пересекают конечного отверстия в колпаке. Таким образом, воздействующий окислитель или топливо протекают из выпускного отверстия соответствующего канала для ввода в соответствующее отверстие и выходят из колпака в форме струи под углом к струе топлива и первичного окислителя. Струя воздействующего окислителя или топлива пересекает струю топлива и первичного окислителя после того, как упомянутая струя выходит из динамического сопла топливо-окислитель.

Таким образом, в то время как канал для ввода воздействующего окислителя расположен выше высверленного отверстия, воздействующий окислитель протекает вниз по направлению к струе топлива и первичного окислителя, вынуждая пламя направляться вниз по направлению к шихте, которая должна быть расплавлена. Наоборот, в то время как канал для ввода воздействующего топлива расположен ниже высверленного отверстия, воздействующее топливо протекает вверх по направлению к струе топлива и первичного окислителя, вынуждая пламя направляться вверх по направлению к струям вторичного окислителя.

Угол, под которым пламя направляется вниз или вверх, может регулироваться посредством регулирования расхода и скорости воздействующего окислителя или воздействующего топлива, соответственно, через соответствующий канал для ввода. Типично, струя второго реагента или обволакивающая струя топлива и окислителя изгибается от ее нормальной оси вплоть до 40°, более типично вплоть до 30°, даже более типично вплоть до 20°, еще более типично вплоть до 15° и наиболее типично вплоть до от 5° до 10°.

Поскольку точки ввода двух струй разделены промежутком, изогнутая/отклоненная струя/струи имеет/имеют большую возможность увлекать печные газы и таким образом становятся разбавленными перед тем, как он/они реагирует/реагируют с другой порцией реагента, вводимого посредством горелки в первичную и вторичную порции. Такое разбавление приводит в результате к более низкой общей температуре внутри печи и большей равномерности температуры внутри печи. Таким образом, это приводит в результате к распределенному горению и в некоторых случаях беспламенному горению.

В то время как вышеупомянутые динамические сопла топливо/окислитель являются подходящими для направления пламени вниз или вверх в условиях распределенного горения или в условиях горения, отличных от распределенного горения, известны другие технологии для отклонения посредством текучей среды струи текучей среды, как например, те, которые изложены в опубликованной Заявке на Патент США № US 20100068666 А1, содержание которой включено в настоящие описание посредством указанной ссылки.

Некоторые варианты осуществления процесса согласно изобретению будут описаны далее.

Как наилучшим образом показано на ФИГ. 2А-2Е, в продолжение запуска динамическая струя DJ топлива и первичного окислителя вводится из горелки В вдоль оси А₁ ввода топлива_. В фазе плавления, динамическую струю DJ вынуждают направляться вниз вдоль оси А₂ по направлению к твердой шихте в плавильной печи посредством действия струи воздействующего окислителя. В начале перехода от фазы плавления к фазе распределенного горения начинают ввод части вторичной порции окислителя из вторичных трубок, чтобы образовать струю SOJ вторичного окислителя. В то же время, количество окислителя, вводимого в качестве струи воздействующего окислителя, и в качестве части струи топлива и первичного окислителя понижается на соответствующее количество. В результате, степень, до которой пламя направляется вниз, понижается, и струя топлива и первичного окислителя ориентируется вдоль оси А₃. При окончании перехода между двумя фазами больше окислителя вводится через вторичные трубки, и никакой кислород не вводится в качестве воздействующего окислителя, и от малого до никакого количество окислителя вводится в качестве первичного окислителя. В результате пламя более не направляется вниз, и струя топлива и первичного окислителя ориентируется опять вдоль оси А₁. По причине разделенных промежутками вводов струи SOJ вторичного окислителя и динамической струи DJ, смешение двух струй задерживается. Результатом является увлечение значительных количеств печного газа в динамической струе и достижение условий распределенного горения.

В то время как ФИГ. 2А-2Е иллюстрируют ввод струи SOJ вторичного окислителя, в то время как динамическая струя DJ все еще направлена вниз посредством воздействующего окислителя, оператор может вместо прерывания потока воздействующего окислителя и возрастания потока первичного окислителя посредством соответствующего количества восстановить динамическую струю до ее оригинальной оси А₁ ввода. Также направленная вниз динамическая струя DJ вдоль оси А₂ может быть прервана полностью, и горелка перезапущена без потока воздействующего окислителя, так чтобы динамическая струя DJ снова вводилась вдоль оси А₁.

Несколько вариантов осуществления горелки по изобретению будут описаны далее.

Как лучше всего показано на ФИГ. 1, вариант осуществления горелки по изобретению включает в себя две вторичные трубки SL и динамическое сопло DFON топливо/окислитель в блоке горелки В. Динамическое сопло DFON топливо/окислитель включает в себя концентрическое сопло типа труба в трубе для ввода струи топлива F, кольцевым образом обволакиваемой первичным окислителем РО. Воздействующий окислитель может быть введен из канала AOIC для ввода воздействующего окислителя, в то время как воздействующее топливо может быть введено из канала AFIC для ввода воздействующего топлива. Вторичные трубки SL равномерно отделены промежутками от противоположных сторон динамического сопла DFON топливо/окислитель. Если внутренний диаметр D₁ центрально расположенных сопел вторичных трубок SL является меньшим, чем внутренний диаметр D₂ внутренней трубы сопла DFON топливо-окислитель, тогда каждый из центров вторичных трубок SL отделен от центра динамического сопла DFON топливо-окислитель на вертикальное расстояние x, которое по меньшей мере в 10 раз больше D₁. Если D₁ больше, чем D₂, x по меньшей мере в 10 раз больше D₂. Центры вторичных трубок SL должны также быть отделены на горизонтальное расстояние y, которое по меньшей мере в 10 раз меньше, чем D₁ и D₂.

Один тип динамического сопла DFON топливо-окислитель, подходящий для использования в способах и горелках по изобретению, показан на ФИГ. 3А-3F. Динамическое сопло DFON топливо-окислитель может использовать основной корпус МВ сопла, имеющий центрально расположенное высверленное отверстие LDB большого диаметра, простирающееся по всей длине. Концентрически расположенным внутри высверленного отверстия LDB большого диаметра является труба SDT меньшего диаметра для того, чтобы создать центрально расположенный канал FIC для ввода топлива, окруженный каналом POIC кольцевой формы для ввода первичного окислителя. Следовательно, он образует конфигурацию типа труба в трубе, где кольцевой поток первичного окислителя протекает в кольцевом пространстве между внутренней поверхностью основного корпуса МВ сопла и наружной поверхностью трубы SDT, и центральный поток топлива протекает через центрально расположенный канал FIC для ввода топлива.

Основной корпус МВ сопла также включает канал AOIC для ввода воздействующего окислителя, простирающийся по всей длине вверх и отделенный промежутком от канала POIC кольцевой формы для ввода первичного окислителя. Основной корпус МВ сопла также включает в себя канал AFIC для ввода воздействующего топлива, простирающийся по всей длине вниз и отделенный промежутком от канала POIC кольцевой формы для ввода первичного окислителя. Конец основного корпуса сопла покрыт колпаком СР.

Колпак СР имеет конечное отверстие ТО, соосное с осью трубы SDT и высверленным отверстием LDB и в основном имеет такой размер, чтобы соответствовать диаметру высверленного отверстия LDB, так чтобы поток топлива F и первичного окислителя РО продолжался через конечное отверстие ТО колпака СР. Колпак включает полость С на стороне, обращенной к концу корпуса МВ сопла. Полость С простирается в направлении оси колпака СР от верха по потоку до низа по потоку, чтобы заканчиваться на плоской поверхности, лежащей в плоскости, перпендикулярной оси динамического сопла DFON топливо-окислитель.

Со ссылкой на ФИГ. 3А-3F, поток топлива F и первичного окислителя РО выходят из конечных торцов центрально расположенного канала FIC для ввода топлива и канала POIC кольцевой формы для ввода первичного окислителя, соответственно, и из конечного отверстия ТО в колпаке СР. Полость также простирается в радиальном направлении наружу достаточно далеко, так что она находится в сообщении по текучей среде с выпускным отверстием каналов AOIC, AFIC для ввода. Таким образом, поскольку воздействующий окислитель или топливо выходит из соответствующих каналов AOIC, AFIC для ввода, плоская поверхность полости перенаправляет направление потока воздействующего окислителя или топлива AO, AF, так чтобы он пересекал поток топлива и первичного окислителя примерно под прямым углом. Поскольку струя воздействующего окислителя или топлива AO, AF пересекает струю топлива и первичного окислителя, упомянутую струю вынуждают изгибаться/отклоняться вниз или вверх (при необходимости) от струи воздействующего окислителя или топлива.

Другой тип динамического сопла DFON топливо-окислитель, подходящий для использования в способах и горелках по изобретению, показан на ФИГ. 4А-4С. Динамическое сопло DFON топливо-окислитель включает в себя основной корпус сопла МВ, имеющий центрально расположенное высверленное отверстие LDB большого диаметра и трубу SDT меньшего диаметра, концентрически расположенную внутри высверленного отверстия LDB большого диаметра. Топливо F протекает через центрально расположенный канал FIC для ввода топлива, образующий внутренность трубы SDT меньшего диаметра, в то время как первичный окислитель РО протекает через канал POIC кольцевой формы для ввода первичного окислителя между внутренней поверхностью высверленного отверстия LDB и наружной поверхностью трубы SDT, чтобы кольцевым образом обволакивать этот реагент у выпускного отверстия трубы SDT и высверленного отверстия LDB.

Динамическое сопло DFON топливо-окислитель также включает в себя канал AOIC для ввода воздействующего окислителя и канал FIC для ввода воздействующего топлива, простирающиеся по всей длине основного корпуса МВ сопла. Конец основного корпуса МВ сопла покрыт колпаком СР. Колпак СР имеет конечное отверстие ТО, соосное с осью высверленного отверстия LDB и трубы SDT и в основном имеет такой размер, чтобы пригоняться к диаметру высверленного отверстия LDB, так чтобы поток топлива F и первичного окислителя РО через центрально расположенный канал FIC для ввода топлива /канал POIC кольцевой формы для ввода первичного окислителя продолжается через конечное отверстие ТО колпака СР. Колпак СР также включает в себя два отверстия Н, просверленные через него, первый конец которых пригнан к выпускному отверстию соответствующего канала AOIC, AFIC для ввода, и второй конец которых простирается через конечный торец колпака СР, отделенного промежутком от конечного отверстия ТО колпака СР.

С продолжающейся ссылкой на ФИГ. 4А-4С, отверстия Н просверлены под острым углом по направлению к оси динамического сопла DFON топливо-окислитель, но отверстия Н не пересекают конечное отверстие ТО колпака СР. Таким образом, воздействующий окислитель или топливо AO, AF протекает из выпускного отверстия одного из каналов AOIC, AFIC для ввода в соответствующее отверстие Н и выходит из колпака СР в форме струи под углом к струе топлива F и первичного окислителя РО. Струя воздействующей текучей среды пересекает струю топлива и первичного окислителя после того, как они выходят из динамического сопла DFON топливо-окислитель. Поскольку струя воздействующего окислителя или топлива AO, AF пересекает струю топлива F и первичного окислителя РО, упомянутую струю вынуждают изгибаться/отклоняться в направлении от струи воздействующего окислителя или топлива AO, AF.

Предпочтительные процессы и устройство для осуществления на практике настоящего изобретения были описаны. Понятно и очевидно специалисту в данной области техники, что многие изменения и модификации могут быть выполнены для вышеописанных вариантов осуществления без выхода за пределы идеи и объема настоящего изобретения. Предшествующее описание является только иллюстративным, и другие варианты осуществления интегрированных процессов и устройства могут быть использованы без выхода за пределы из реального объема изобретения.

Изобретение относится к способу плавления твердой шихты алюминиевого лома в печи с осуществлением сжигания топлива в условиях распределенного горения. Способ включает плавление твердой шихты путем сжигания топлива в условиях распределенного горения за счет отклонения пламени по направлению к твердой шихте в продолжение фазы плавления посредством воздействующей струи окислителя, перенаправляющей пламя в направлении, противоположном шихте, и ступенчатого изменения распределения ввода окислителя между первичной и вторичной порциями в продолжение фазы распределенного горения. Раскрыта также горелка. Обеспечивается более оптимальное плавления твердой шихты, за которым следует осуществление сжигания топлива в условиях распределенного горения.4 н. и 16 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Способ плавления твердой шихты в печи, включающий этапы, на которых:
подают твердую шихту, содержащую стекло или металл, в печь,
вводят струю топлива и первичную порцию окислителя в печь из сопла топливо/окислитель в блоке горелки,
принудительно направляют струю топлива и первичного окислителя вниз по направлению к твердой шихте посредством ввода струи первой воздействующей текучей среды вниз по направлению к струе топлива и первичного окислителя с отклонением струи топлива и первичного окислителя, причем первая воздействующая текучая среда является дополнительной порцией окислителя,
после плавления заданного количества твердой шихты прерывают ввод струи первой воздействующей текучей среды,
уменьшают количество окислителя, введенного из сопла топливо/окислитель в качестве первичного окислителя, при этом вводят вторичную порцию окислителя из пары вторичных трубок, расположенных в блоке горелки выше сопла топливо/окислитель, до достижения требуемой степени ступенчатого распределения ввода окислителя между первичным и вторичным окислителем и условий распределенного горения, и
удаляют расплавленную шихту из печи.

2. Способ по п.1, в котором твердая шихта представляет собой металлический лом, выбранный из группы, включающей алюминий, медь, цинк, свинец никель, кобальт, титан, хром, благородные металлы и их сплавы.

3. Способ по п.1, в котором металлический лом представляет собой алюминий или сплав алюминия.

4. Способ по п.1, в котором топливо представляет собой газообразное топливо.

5. Способ по п.1, в котором топливо выбирают из группы, включающей природный газ, бутан, пропан и их смеси.

6. Способ по п.1, в котором каждый окислитель имеет содержание кислорода по меньшей мере 65% объем/об.

7. Способ по п.1, в котором каждый окислитель имеет содержание кислорода по меньшей мере 80% объем/об.

8. Способ по п.1, в котором каждый окислитель имеет содержание кислорода по меньшей мере 90% объем/об.

9. Способ по п.8, в котором вторичная порция окислителя составляет 90-95% суммарного количества окислителя для получения требуемой величины ступенчатости 90-95%.

10. Способ по п.1, в котором ввод струи первой воздействующей текучей среды прерывают после плавления по существу всей твердой шихты.

11. Способ по п.1, в котором топливо представляет собой жидкое топливо.

12. Способ по п.1, в котором в котором топливо кольцевым образом окружает первичную порцию окислителя.

13. Способ по п.1, в котором в продолжение, по меньшей мере, части времени осуществления сжигания топлива в условиях распределенного горения температуру печи поддерживают выше температуры самовоспламенения топлива.

14. Способ по п.1, в котором сопло топливо/окислитель представляет собой концентрически расположенное сопло типа труба в трубе, выполненное с конфигурацией, обеспечивающей введение топлива из внутренней трубы и введение первичной порции окислителя из кольцевого пространства между внутренней трубой и наружной трубой.

15. Способ по п.1, в котором в продолжение, по меньшей мере, части времени осуществления сжигания топлива в условиях распределенного горения не наблюдают никакого видимого пламени.

16. Способ по п.1, в котором топливо представляет собой жидкое топливо.

17. Способ плавления твердой шихты в печи, включающий этапы, на которых:
подают твердую шихту, содержащую стекло или металл, в печь,
вводят струю топлива и первичную порцию окислителя в печь из сопла топливо/окислитель в блок горелки,
принудительно направляют струю топлива и первичного окислителя вниз по направлению к твердой шихте посредством ввода струи первой воздействующей текучей среды вниз по направлению к струе топлива и первичного окислителя с отклонением струи топлива и первичного окислителя, причем первая воздействующая текучая среда является дополнительной порцией окислителя,
после плавления заданного количества твердой шихты прерывают ввод струи первой воздействующей текучей среды,
уменьшают количество окислителя, введенного из сопла топливо/окислитель в качестве первичного окислителя, при этом вводят вторичную порцию окислителя из пары вторичных трубок, расположенных в блоке горелки выше сопла топливо/окислитель, до достижения требуемой степени ступенчатого распределения ввода окислителя между первичным и вторичным окислителем и условий распределенного горения, и
удаляют расплавленную шихту из печи, причем печь представляет собой вращающуюся печь, имеющую по существу цилиндрическую огнеупорную стенку, первую торцевую стенку на одном конце цилиндрической огнеупорной стенки и вторую торцевую стенку на противоположном конце цилиндрической огнеупорной стенки.

18. Способ по п.17, в котором вторичная порция окислителя составляет 90-95% суммарного количества окислителя для получения требуемой величины ступенчатости 90-95%.

19. Способ плавления твердой шихты в печи, включающий этапы, на которых:
подают твердую шихту, содержащую стекло или металл, в печь,
вводят струю топлива и первичную порцию окислителя в печь из сопла топливо/окислитель в блоке горелки,
принудительно направляют струю топлива и первичного окислителя вниз по направлению к твердой шихте посредством ввода струи первой воздействующей текучей среды вниз по направлению к струе топлива и первичного окислителя с отклонением струи топлива и первичного окислителя, причем первая воздействующая текучая среда является дополнительной порцией окислителя,
после плавления заданного количества твердой шихты прерывают ввод струи первой воздействующей текучей среды,
уменьшают количество окислителя, введенного из сопла топливо/окислитель в качестве первичного окислителя, при этом вводят вторичную порцию окислителя из пары вторичных трубок, расположенных в блоке горелки выше сопла топливо/окислитель, до достижения требуемой степени ступенчатого распределения ввода окислителя между первичным и вторичным окислителем и условий распределенного горения, и
удаляют расплавленную шихту из печи, причем мощность горелки повышают, при этом продолжают сжигать топливо и окислитель в условиях распределенного горения посредством того, что:
пропорционально повышают количество окислителя, вводимого через упомянутую пару вторичных трубок в качестве вторичного окислителя и через сопло топливо/окислитель в качестве первичного окислителя, и
вводят струю вторичной воздействующей текучей среды вверх по направлению к струе топлива и первичного окислителя для отклонения струи топлива и первичного окислителя, причем вторая воздействующая текучая среда представляет собой дополнительную порцию топлива и составляет 1-20% объем/об. суммарного потока топлива, вводимого из сопла топливо/окислитель, и в виде второй воздействующей текучей среды.

20. Способ плавления твердой шихты в печи, включающий этапы, на которых:
подают твердую шихту, содержащую стекло или металл, в печь,
вводят струю топлива и первичную порцию окислителя в печь из сопла топливо/окислитель в блоке горелки,
принудительно направляют струю топлива и первичного окислителя вниз по направлению к твердой шихте посредством ввода струи первой воздействующей текучей среды вниз по направлению к струе топлива и первичного окислителя с отклонением струи топлива и первичного окислителя, причем первая воздействующая текучая среда является дополнительной порцией окислителя,
после плавления заданного количества твердой шихты прерывают ввод струи первой воздействующей текучей среды,
уменьшают количество окислителя, введенного из сопла топливо/окислитель в качестве первичного окислителя, при этом вводят вторичную порцию окислителя из пары вторичных трубок, расположенных в блоке горелки выше сопла топливо/окислитель, до достижения требуемой степени ступенчатого распределения ввода окислителя между первичным и вторичным окислителем и условий распределенного горения, и
удаляют расплавленную шихту из печи, причем в продолжение, по меньшей мере, части времени осуществления сжигания топлива в условиях распределенного горения вторичная порция окислителя, вводимого из вторичных трубок, составляет 90-95% суммарного количества окислителя, вводимого в качестве первичной порции окислителя из сопла топливо/окислитель и из вторичных трубок.