将氧气超音速地喷射到窑炉中的方法

摘要

本发明涉及一种将氧气超音速地喷射到窑炉特别是冲天炉中的方法和装置，其中，用于窑炉运行所需的总的氧气量借助于两个不同的回路进行喷射：包括至少一个超音速氧气喷射嘴的第一回路，和包括补充氧气喷射元件的第二回路，该第二回路通过压敏元件如溢出元件(或上游压力调节元件)连接到第一回路，这样，第一回路一旦达到其最大流量即可得到稳定的压力，其中第一回路可包括多组超音速喷嘴。

说明书

技术领域

本发明涉及一种将氧气超音速地喷射熔炉、特别是竖炉中的方法，其中，原料如焦炭和废铁从顶部加入，可燃材料的燃烧通过喷射空气——一般是经预热的空气进行，空气与焦炭发生反应，使用经预热的燃烧器使燃烧开始。所述窑炉特别地是冲天炉，其包括设置在冲天炉底部的环面(anneau torique)，通过与燃烧气体的热交换而被预热的吹送空气通过连接在该环面上的多个喷嘴被喷射到冲天炉中。

背景技术

为了改进冲天炉的运行，或者为了增加其产量，已知利用位于各喷嘴中央的超音速喷枪来喷射氧气。该技术的一个有利之处在于，高的氧气喷射速度可使氧气穿透进入冲天炉的中央。

但是，在低氧气流量的情况下，喷枪内氧气压力降低，这会导致喷入冲天炉中的氧气的速度降低(变成亚音速速度)，这样，氧气向冲天炉中央的穿透将低于高氧气流量时(在冲天炉的情况下上游压力为约8×10⁵到10×10⁵Pa)。

为了获得高的氧气速度，喷枪一般定尺寸成用于约9×10⁵Pa的工作压力(在形成位于喷枪末端的超音速喷射嘴的渐缩/渐扩装置的上游)。但是，所述压力仅在设备的名义流量下获得：当在60％名义值下运行时，该压力仅为4.5×10⁵Pa。

为了克服这个问题，已经提出使所有的喷枪交替地运行——或者通过交替进行“开”和“关”的状态，或者通过交替进行“低流量”和“高流量”。在这两种情况下，在喷枪的工作压力下可获得最大流量。这样可阻止喷枪在导致低氧气喷射速度的低压下运行。

但是，这些已知技术具有如下缺点：

-实施复杂(安装成本)；

-电磁阀在极大量开/关周期作用下的可靠性；

-难以获知所消耗的平均流量，这不便于这些技术与稳定流量的比较；以及

-对总流量的控制不是连续的、而是流量阶梯变化。

一种可供选择的方案在于，根据流量变化操作数量逐渐增加的喷枪，以保持喷枪中可能的最稳定压力。这样可避免在氧气流量低时低的运行压力。

但是，通常存在氧气喷射的不对称性，这不利于冲天炉的正确运行。

在所有情况下，上述方案还要求安装另外的电机控制。

发明内容

根据本发明的方法和装置能够避免上述缺点。本发明的方法的特征在于，窑炉运行所需的总的氧气通过两个单独的回路进行喷射：

-包括至少一个超音速氧气喷射嘴的第一回路；以及

-包括补充氧气喷射元件的第二回路，该第二回路通过一压敏元件如溢出元件(或更通常地为上游压力调节元件)连接到第一回路，以便一旦达到第一回路的最大流量即在第一回路中获得稳定的氧气压力。

在第一回路中，在各喷嘴内部定位有超音速喷枪，其尺寸设定成用于在造成最大氧气速度的最佳压力下(即，对于约2.1马赫的速度为9bar)运行，针对最大总流量的一定份额达到所述压力。

在第二回路中，用于达到总流量的补充氧气被喷射。该第二回路将通过与超音速喷枪的喷射点不同的第二喷射点将氧气喷射到冲天炉中。该第二回路的喷射速度较低，但该第二回路的使用时间与第一回路的使用时间相比也较少。

优选地，利用溢出元件(或位于超音速喷嘴上游的压力调节元件)使第二回路直接通过第一回路中的“分支连接”进行供给。

这样，一旦达到第一回路的最大流量即可使第一回路中的压力稳定。

优选地，第一回路定尺寸成一旦达到总的氧气流量的一定份额、例如60vol.％即可获得超音速氧气喷射速度。根据一变型的实施例，本发明的方法的特征在于，将来自第二回路的氧气优选以亚音速速度喷射到冲天炉的吹送空气中，或同心地围绕超音速氧气射流，或直接进入至少一个吹送空气喷射嘴。

本发明还涉及一种用于实施所述方法的装置，其特征在于，该装置包括：用于喷射氧气的元件，其具有最大流量；包含至少一个超音速氧气喷射嘴的第一回路；用于补充氧气喷射的第二回路；第一和第二回路连接在氧气喷射元件上，在第一和第二回路的氧气喷射元件之间插设有的压敏元件如溢出元件(或上游压力调节元件)。

还优选地，第一回路包括多个具有至少一个氧化剂喷枪的组，各喷枪组相继地被致动，以在第一回路的氧化剂流量逐渐增加时保持氧化剂向第一回路中的超音速喷射。

附图说明

借助于以下非限制的示例性实施例和附图将能更好地理解本发明，其中：

图1：根据现有技术的冲天炉及其氧化剂(热吹送空气)供应系统的示意图。

图2：根据本发明的氧化剂喷射简图。

图3：在不同回路中的氧化剂流量曲线。

图4：图2的一个示例性实施例。

图5：氧化剂喷射嘴及其超音速氧气喷射系统的示意性断面图。

图6：按阶梯变化运行的多喷枪系统中的氧化剂流量曲线。

具体实施方式

图1表示根据现有技术的冲天炉1的示意图。金属物质5、焦炭4等通过位于该冲天炉顶部的开口2(以连续层的方式)被引入。在顶部2附近是用于回收高温气体的回路3。

通过7向风箱6供以与来自3的燃烧废气相接触而被预热的空气，在高炉底部，吹送空气通过具有多个喷嘴如8和9的管道如18进行分配。熔融金属在11中、然后在12中被回收，而炉渣在10中被回收。

图2表示根据本发明的系统的简图。通过流量调节机构22控制氧气总流量21，以使富氧含量(vol.)为来自冲天炉的热吹送空气的X％。第一回路26对应于超音速氧气喷射回路。第二回路27对应于低速的补充氧气流量回路。

在节点28的下游是用于喷射氧气24的第一回路26：回路1被供以氧气，最大压力9×10⁵Pa在最大流量Q1时获得，该最大流量Q1根据位于喷枪末端的超音速喷嘴的直径而变化。(Q1＝各喷枪的流量×喷枪数量)。

第二回路27也在此通过一溢出元件23(对例如9bar的上游压力受到控制)和管道25连接到公共节点28。

该第二回路使得能够补充冲天炉在大于流量Q1运行时所需的氧气流量。

在图2的示例中，回路26通过超音速喷枪喷射氧化剂。尺寸被设定成用于在造成最大氧气速度的最佳压力下(即，对于约2.1马赫的速度为9bar)运行。

图3示出在第一回路(超音速)和第二回路(补充)之间的流量分布以及在超音速喷枪中的压力变化。一旦流量达到360Nm³/h，则压力即达到9bar(流量通过选择超音速喷射器尺寸来确定)。

当生产和运行参数稳定时，具有热吹送空气的冲天炉运行最优。这样，通常可使氧气的消耗稳定。

在重新启动或在产量偶尔增加时，氧气流量可暂时地被增加通常较短的时间。

对于连续运行的超音速喷枪系统，喷枪定尺寸成用于最大流量。在稳定运行的一般情况下，氧气速度比对于超音速系统预期的要低得多。(在本文中除特殊情况外，术语“氧气”一般指氧化剂，即通常是含有至少21vol.％的氧气的气体，最多是100vol.％的纯氧。)

在根据本发明的系统中，一旦达到流量的很大份额(例如最大流量的60％)，则所喷射氧气的速度即为超音速的。若大于该流量，则补充氧气转向第二喷射回路，该第二回路仅暂时地被使用：在连续喷射以极高速度被使用的氧气流量的60％(在异常运行情况下)或90-100％(在正常运行情况下)的有利情况下，这部分氧气流量具有较低的速度并因此具有较低的效率这一事实变得并不重要。

该方案具有实施简单和对操作者完全透明的优点，操作者还可连续地控制氧气的总流量。

同时没有引入另外的电机控制。

曲线30表示第一回路中超音速喷射的氧气流量。该流量达到最大为350Nm³/h，其对应于在21中达到的最大压力，也就是约9×10⁵Pa(曲线31以bar为单位，1bar约等于10⁵Pa)。然后通过回路2(27)实现流量的增加(曲线32)。

这样，图3中限定了“正常”运行区域33(通过26的超音速氧气喷射)和通过回路26及27的对应于装置启动、瞬时高生产等的异常运行区域。

图4描述了用于实施图2的简图的一个示例。

氧化剂相继通过过滤器40、流量计41、安全阀42和计量阀43，该计量阀的出口连接到用于第一回路26的管道45与用于提供溢流元件44的第二回路27的管道46相分离的节点47处。

图5是根据本发明改良的喷射嘴8的断面视图。

氧气管道16穿过来自14的热吹送空气射流，以在喷嘴15末端附近经由(减缩/渐扩)超音速喷射嘴17终止。

图6示出流量在第一回路26和第二回路27之间的分布，其中，第一回路26包括三组喷枪，在流量增加时各组相继开启。

为了增加该方法的灵活性，可使用n组喷枪(例如三组喷枪)，它们如下文所述地相继开启。在大于第一组喷枪的最大流量时，对于在使用中的喷枪(回路1)的操作总是超音速的。

回路2向补充流量A(总流量A+B与在使用中的喷枪的流量B之差)的吹送空气中喷射稀释的氧化剂。该第二回路的氧化剂喷射速度较低，但该第二回路的流量份额很低(平均为15％)。

回路2直接通过回路1中的分支连接以溢出的方式被供给。这样，一旦达到第一组喷枪的最大流量，即可使回路1中的压力稳定。

在图6的示例中，编号为1到4的不同区域对应于以下操作：

-非超音速运行(流量小于500Nm³/h)：

○区域1：第一组喷枪，回路2中零流量。

-超音速运行(流量为500-1100Nm³/h)。

○区域2：第一组喷枪，曲线60(保持)加上回路2中的流量(图中的斜线61)总计给出图6中的流量A+B。

○区域3：回路1的第一组和第二组喷枪运行，在其上增加回路1中斜线61形式的流量。在区域3中，当回路1的常量流量60和回路2的逐渐增加的流量61达到900Nm³/h时，第三组超音速喷枪被致动，回路2的流量又回到零，然后再进入区域4。

○区域4：回路1的三组喷枪被致动，回路2中的流量逐渐增加。(曲线63和64(或C和D)表示分别含有3vol.％和2vol.％的氧气的热吹送空气的空气流量)。

图6给出了对应于富(氧)量为2％(曲线C)和3％(曲线D)的空气流量。3％的富氧量使得能够减少焦炭的量。与根据现有技术的运行相比，空气流量降低了10-15％，这种降低通过补充氧气流量和焦炭流量的降低来补偿。