清洁蓄热式燃烧器介质床的设备和方法 |
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| 申请号 | CN200580037886.6 | 申请日 | 2005-10-25 | 公开(公告)号 | CN101057103B | 公开(公告)日 | 2011-03-30 |
| 申请人 | 诺韦利斯公司; | 发明人 | C·西马德; S·梅纳德; W·D·史蒂文斯; E·J·威尔逊; P·班克斯; L·贝莱; B·D·伯里奇; T·I·费尔普斯; | ||||
| 摘要 | 燃烧炉的蓄热式燃烧设备和从该设备中移除污染物的方法。所述设备包括：在点燃过程中当提供 燃料 和燃烧气体时可周期性地引导加热气体和废气进入燃烧炉的 燃烧器 ，包括耐火颗粒的介质床，和用于在所述点燃过程中将燃烧气体输送至所述燃烧器以及用于在所述点燃终止时从所述燃烧炉中抽出废气的管道。所述管道使所述燃烧气体和所述废气连续地穿过所述介质床。提供了周期性地输送除污气体的快速气流进入所述介质床的装置。所述快速气流具有足够的 力 以清除来自废气并聚集在所述介质床中的污染物。 | ||||||
| 权利要求 | 1.燃烧炉的蓄热式燃烧设备，包括： |
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| 说明书全文 | 清洁蓄热式燃烧器介质床的设备和方法技术领域背景技术[0002] 已在加热炉中使用了很多年的蓄热式燃烧器用于提高燃料效率，这是因为对那些可能被浪费的热量进行了再循环。通常，两个燃料燃烧器被串联使用并且联接着两个蓄热式介质床。每个介质床由耐热颗粒构成，所述耐热颗粒可根据经过该介质床的气体和介质床的温度，从所述气体中吸收热量或向该气体传递热量。所述燃烧器通过点燃燃烧气体(通常为空气)中的燃料产生热量，从而产生高温气体，所述高温气体被引导进入燃烧炉并最终以高温废气的形式从燃烧炉中抽出。当所述两个燃烧器的第一个工作时，其产生的废气被从燃烧炉中抽出并穿过第二介质床以加热所述介质。第一燃烧器的燃烧气体被抽吸穿过第一介质床，其中所述第一介质床已经在之前的燃烧器循环中被加热。在用于将效率最大化的一段时间(通常为30秒至3分钟)之后，第一燃烧器被关闭并且第二燃烧器被点燃。第二燃烧器的燃烧气体被抽吸穿过第二介质床(已经由来自第一燃烧器的废气加热后的介质床)，并且来自第二燃烧器的废气被从燃烧炉中抽出并穿过第一介质床，从而它被再次加热。通过这种方式循环所述燃烧器，所获得的废气具有很高的温度，并且被再次导入燃烧炉，从而所述燃烧炉的工作具有更高的效率。清楚地，在每个燃烧炉中可使用多于两个燃烧器，从而通过相关联的蓄热式介质床，来自其中一组燃烧器的废气可用于预热来自另一组燃烧器的燃烧气体。 [0003] 这样使用的蓄热式燃烧器的缺点在于，与它们相关联的介质床通常会被来自燃烧炉并穿过该介质床的废气中的成分污染。污染物的种类取决于在燃烧炉中被加热的材料。例如，当燃烧炉用于再次熔化废铝，则污染物可能为盐流(salt fluxes)。所述污染物以固体沉积或有时在介质床上蓄积液体的形式发生，并最终降低穿过该介质床的气体的流量。 这些污染物通常在高温废气中呈气态或液态，但当气体冷却时，它们会凝结在蓄热式介质床中。在其它情况下，所述污染物可能是存在于废气中的灰尘或其它固体形式，并被收集于介质床的介质中。随着时间的流逝，所述污染物形成难于移除的堵塞。该问题已经在现有技术中被充分地认识，并且人们已经作出很多努力，通过一种方式或其它方式移除所述污染沉积物以解决该问题。 [0004] 美国专利申请公开号2002-0072020(Crane等人，公开于2002年6月13日)公开了一种典型的用于金属熔炉的燃烧器/介质床组合。该公开文本公开了一种当介质床被污染到一个不可接受的程度时更换整个介质床的简便的方法。被移除的介质床可在短时间内由备用介质床更换，所述备用的介质床包含新的、或更新后的或通过其它方式处理后的介质。 [0005] 美国专利第4,944,670号(Watson，授权于1990年7月31日)公开一种可用于熔铝设备中的具有蓄热式床的双燃烧器燃烧炉。该专利提到所述床可被盐类等污染，并且公开了一种控制系统，所述控制系统可周期性地允许所述床被加热到更高的温度以熔化那些被吸收的盐类，然后这些盐类可被收集和抛弃。 [0006] 美国专利第4,807,695号(Ward，授权于1989年2月28日)公开了一种可用在熔化玻璃或非铁类金属的蓄热式燃烧器系统中的蓄热器设计。该发明在介质床的一段提供了添加清洁的耐火球体(介质床的介质颗粒)的入口，和在另一端提供了移除被污染的球体的装置。通过这种方式，在所述介质床被更新的同时移除了污染物。 [0007] 美国专利第4,923,391号(Gitman，授权于1990年5月8日)公开了一种用于熔化铝的蓄热式燃烧器控制系统，其中在污染物特别多的加热循环的特定阶段，可绕过蓄热式介质床。从而介质床的污染可被降低。 [0008] 英国专利申请GB2209386A(Wills等人，公开于1989年5月10日)公开了一种用于熔化玻璃的蓄热式燃烧器系统，其中使用了一中间冷却阶段(位于两个蓄热式介质床之间)，从而污染物可在易于清洁的管道部分凝结。 [0009] 英国专利申请GB2192264A(Goodfellow，公开于1988年1月6日)公开了一种蓄热式燃烧器系统，其中蓄热式介质床被布置为这样一种方式，即气体向下穿过第一部分并接下来向上穿过第二部分。其温度分布被布置为，污染区域定位为靠近介质床的第一部分的最下层，因此温度分布的相对小的变化导致阻塞物质以熔融状态从所述介质床的第一部分运动。所述污染物被收集和废弃。 发明内容[0011] 本发明，至少在其一个示例性的形式中，采用了在短时间内操作快速气流的方法以从各种类型的燃烧炉(尤其是那些用于再次熔化铝和铝合金的那些燃烧炉)的蓄热式燃烧器所使用的蓄热式介质床中清除污染物。 [0012] 短时间内的快速气流可称之为气体“脉冲”，并且它可产生充足的力并且具有足够的体积以使污染物从介质床上清除。在本发明的一种形式中，所述脉冲可使所述颗粒在介质床中相对运动，并且污染物的堵塞可被打碎或被从颗粒上取出并由气体脉冲和/或重力带走，从而使所述具有提高的空隙率的介质床在随后的蓄热式循环过程中具有良好的气流。所述污染物被转化为粉末，所述粉末或者通过介质回吹至燃烧炉，或者穿过所述介质到达装置的收集部分。最优选地，提供气体脉冲，使气体脉冲的力基本上均匀地分布在整个介质床上，或均匀分布在所述床的预定区域内，从而污染物的清除是大范围进行的而不是被限制在床的很小的区域内。 [0013] 尽管其它布置也是可以的，但在某些实施例中，所述床被制成在风室上方的水平多孔板(例如，穿孔的板或网眼金属板)上，并且气体脉冲从所述风室被输送进入介质床穿过所述多孔板。最优选地，所述气体由适当的气源通过延伸进入风室并且具有至少一个通过所述支撑面对着所述介质床的开口的管道加以输送。所述管道和开口用于输送除污染气体，使气体对称地和相对均匀地穿过所述床，或所述床的预定区域，而不会减弱所述气体传递的力。 [0014] 由气流冲击于表面(例如蓄热式介质床的底面)而产生的力，取决于气体的质量流量和速度。用于传递充足的力以理想的方式移动介质床的气体的质量流量和速度是很高的，并且应用这种穿过介质床的气流超过一段延长的时间之后将干扰燃烧器的操作。已经发现，可通过在短时间内在介质床上应用所述高速气流而实现理想的效果，而这种应用不足以干扰燃烧器的工作。产生必要的力的一种方法是采用短的，实际上为瞬间的高速高质量流量的气体脉冲。这种类型的气流可由各种类型的设备产生，但所谓的气炮(gas cannon)或气爆器(gasblaster)是优选的。这种类型的设备采用相对较大的容器，容器内以相当大的压力填充着气体。当需要时，所述气体可通过阀的快速打开而被释放进入管道，并且所产生的气流或脉冲通过该管道被送入介质床。当容器被排空或阀被快速地关闭时，气流快速地降至零。适用于本发明的典型的气炮具有大约0.02至0.2立方米(即，20至200升)的容器，填装气体(优选地为空气)至0.62至0.65MPa(即，每平方英寸90至95磅)的压力，其可在不到1秒的时间内排出，优选地小于0.1秒。所述气体典型地通过具有 6.35至15.24厘米(即，2.5至6英寸)直径的管道输送。由该质量流量和速度产生的力介于1至6千牛之间。 [0016] 用于向介质床传递气体脉冲的管道和开口优选地具有的设计可避免任何压差，以及保证均匀地传递气体，所述压差可严重地消弱和扩散所述脉冲并降低质量流量和速度的峰值。一种优选的设计是采用逐渐引导至所述开口的“敞开式(wide open)”出口管道。也就是说，当管道只具有一个开口时，所述管道开口的横截面积优选地至少和引导至该开口的管道的横截面积一样大。如果沿管道的长度具有两个或多个开口，优选地在靠近每个出口的管道内提供隔板。所述隔板用于偏转一些气体至相关联的出口而不会降低其余气体的流速和向其余出口的传递。这种结构可被称之为“低压力损失”分配器。 [0017] 应当注意，可使用具有“低压力损失”分配器的单个气体脉冲源向单个床的一个或多个出口提供气体，或使用多个气体脉冲源和分配器用于单个床，其中每个分配器或者同时或者以预定的次序向不同的床部分提供脉冲。也可使用单个气体脉冲源通过采用适当的阀门系统依次地向两个或多个分配器系统提供气体脉冲，只要所述阀门系统也是低压力损失类型。 [0018] 由开口提供的气流被认为具有高度的方向性，形成由管道端部的方向引导的气流，并且主要地被限制为与管道端部的开口具有相同的横截面积。当这种气流冲击在床的底面或侧面上时，气流的力被传递到床材料(通常为球形)的与所述气流“成一条直线(in-line)”的首层。所述床材料接着将该力传递到与所述首层接触的床材料，并通过这种手段，所述力被快速地扩散并在沿床的更大的区域内变得均匀。如果所述力足够大，则床介质可“跳动(bounce)”(即，快速地向上移动然后落下)，其具有有力地从床介质上摇动污染物并粉碎大块和聚集的污染物的效果。因此优选的是，用于将气体传递到介质床的开口被分布为在被移动的床区域下方对称。在管道被设置成与垂直方向成一角度的情况下，从开口到床底部的距离也可用于调节所述分布。 [0019] 本发明可用于蓄热式床系统和各种燃烧炉。所述蓄热式床可由，例如具有类似形状的耐热陶瓷球体或颗粒布置成厚度为10至41厘米(即，4至16英寸)(更优选地，厚度为30.5至35.5厘米(即，12至14英寸))的层的方式形成。床的面积可显著地变化，但典型的床可具有约1.6至1.74平方米(即，2500至2700平方英寸)的面积。 [0020] 本发明的除污染脉冲可应用于燃烧炉操作的任何阶段。例如，可在冷燃烧气体穿过床时或可替换地在高温废气穿过床时引用所述脉冲。所述床可被布置为，例如燃烧气体向上产国所述床并且废气向下穿过所述床，反之亦然。本发明的一种形式中的除污染脉冲是在燃烧气体穿过床时应用的，从而被清除的污染物穿过所述床进入燃烧炉，在那里，它们被捕获于被加热的材料装载中。 [0021] 除污步骤优选地被相当频繁地执行。例如，每个燃烧循环执行一次，或每两个燃烧循环执行一次。这意味着，在典型的设备中，50000cc(即，50升)左右的具有0.65MPa(即，95psi)(初始压力)的气体脉冲每三分钟穿过所述床。所述气体脉冲可更频繁地使用(例如，每个燃烧循环执行数次)，但这将向燃烧器的燃烧气体中引入大量的空气，并且影响其性能。 [0022] 本发明，至少在示例性的形式中，可长时间地维持通过蓄热式介质床的燃烧气体和/或废气的有效流量，而不是其它情形。当污染物达到使穿过床的气流被降低到一个不可接受的等级的点时，或当气体通过开槽(即，绕过介质床的有效部分)的方式穿过介质床时，蓄热式介质床可方便地更换。通过使用本发明，床更换的时间间隔可被显著地延长，有时可长达14至21倍。 [0023] 尽管本发明是结合着用在用于金属、玻璃或类似物的熔化燃烧炉中的蓄热式燃烧设备加以描述的，但它还可用于其它类型的设备中使用的除污染介质床，在那些情况下，介质床在一段时间之后被污染物部分地或完全地堵塞。 [0025] 图1是根据本发明的一个优选形式的结合于介质床设备中的蓄热式燃烧器的简化的垂直截面； [0026] 图2是本发明的可替换实施例的气体脉冲输送管道的一端的局部透视图； [0027] 图3a是本发明的另一个实施例中使用的脉冲分配器的顶部平面视图； [0028] 图3b是图3a的脉冲分配器的侧视图；和 [0029] 图4是气爆器的透视图，其中该气爆器具有本发明另一个实施例中使用的气体脉冲输送管道。 [0030] 本发明的最佳实施方式 [0031] 根据本发明的一个优选实施例的蓄热式燃烧设备10如图1所示。该燃烧设备连接到燃烧炉11(仅仅部分地示出)的外壁上并具有被引入所述燃烧炉中的燃料燃烧器12和相关联的介质床设备14，其中所述介质床设备14包含设置在封闭壳体15中的介质床16。所述介质床16由多层耐火介质颗粒17构成，所述介质颗粒通常为陶瓷球18，其可承受高温并具有良好热容量并且不易与穿过介质床的气体发生化学反应。由于陶瓷球体之间存在气体，因此所述床是多孔的并且在允许气体自由穿过的同时可确保气体和陶瓷球表面的良好接触。 [0032] 介质床16被支撑在位于自由空间或气室20上方的通常水平的多孔板19上。所述气室具有结合为同轴结构23的进气口21和出气口22。在其它结构中，也可采用分离的进气口和出气口，或具有允许气体进入或排出气室的阀的单独的管。 [0033] 所示的燃烧设备10(下文称之为第一燃烧设备)用于与相同的燃烧炉11中的相同的或其它类似的燃烧设备串联(所述相同的或类似的燃烧设备未特别地示出，但在下文中被称之为未第二燃烧设备)。在燃烧炉的工作过程中，第一燃烧设备10的燃烧器12被点燃并且燃烧一段预定的时间。用于支持燃料燃烧的燃烧气体(空气)通过进气口21进入气室20，并向上穿过介质床16，接着通过管道24进入环绕燃烧器12的壳体25。在先前的循环之后，床16的介质是热的并且燃烧气体在与燃烧器的出口26的燃料混合之前被加热。所产生的火焰产生用于燃烧炉11的热量，并且高温燃烧废气被导入燃烧炉内部。由于燃烧气体被介质床预热，因此在燃烧炉中需要更少的燃料就可达到理想的加热效果。所述高温废气最终最终穿过第二燃烧设备(未示出)从燃烧炉中排出，其中该第二燃烧设备在此时未点燃。通过使用所描绘的第一燃烧设备10的结果作比较，所述废气通过第二燃烧设备的燃烧器的出口26被传递并接着向下穿过通道24和穿过介质床16，从而加热该床的介质壳体。在进入气室20之后，废气(现在已被显著地冷却)通过出气口22流出所述燃烧设备。 从这一点开始，废气优选地被传送到辅助的污染控制设备(未示出)，或简单地直接排放到大气中。 [0034] 在第二燃烧设备10的工作过程中，如上所述，来自燃烧炉的少量污染物夹带于废气中并且被冷凝或沉积在第二燃烧设备的介质床中。污染物的成分取决于在燃烧炉11中加热的材料的种类，并且虽然包含于废气的气流中为气态、固态或液态，但当它们沉积在介质床16中时为固态或液态。 [0035] 一段时间之后，第一燃烧器被熄灭，第二燃烧器(未示出)被点燃。当这种情况发生时，来自燃烧炉的燃烧气体进入第一燃烧设备10并以所述方式加热该装置的介质床16。同样，污染物的沉积也发生在床中。同时，第二燃烧设备的介质床接触和预热供给到该设备的燃烧器的燃烧气体。该工作循环(连续地使用一个燃烧器然后另一个燃烧器)在加热炉的加热过程中被重复执行，从而(对于每个加热设备来说)，冷燃烧气体在一个燃烧循环过程中沿一个方向(优选为向上)穿过壳体15和介质床16，并且接下来高温废气在下一个燃烧循环中沿相反的方向穿过所述壳体，如图1中的双向箭头A所示。 [0036] 污染物的沉积最终降低介质床16的空隙率并减弱穿过该床的气流。这降低了设备的效率并可在极端的情况下导致完全的堵塞。通常，壳体15可具有一个或多个通道门，以允许对介质床16进行周期性的维护和清洁。尽管它们未在图1中示出，这种门应当仍然优选地提供于本发明的燃烧设备中，这是因为最终仍然需要它们去清洁或更换介质床。然而，本发明的燃烧设备还具有周期性地清除介质污染的装置，该装置通过向介质床提供具有足够的力的除污气体快速气流(脉冲)，从而清除聚集在所述截至长中的污染物。 [0037] 在图1所示的实施例中，用于提供除污气体快速气流的装置包括连接到输送管道31上的气炮30(有时被称为气爆器)，所述通道31延伸进入气室20并具有面对着介质床16的多孔支撑板19的底侧的单一出口32。所述气炮具有装有高压(例如，0.58至0.65MPa(即，85至95psi))空气(或其它气体)的容器33，所述空气在螺线管操作的开关阀34打开时可实际上瞬间地进入输送通道31。阀34的打开以脉冲的形式提供气流，即具有这样一种压力的气波，该压力由零升至高压，然后在短时间内快速降回零。在这种情况下，所述脉冲具有大致方形的脉冲外形(以压力-时间曲线观察时)。所述气炮30具有相关联的气泵35(由电力或其它手段驱动)，该气泵35用于在阀34再次关闭时再次向容器充气达到所需的压力。适当的气炮，例如可由美国阿肯色州小石城(Little Rock，Arkansas)的Global Manufacturing，Inc.获得(例如，工作于0.62MPa(即，90psi)的Model 6400-40-50，或工组于0.41至0.62MPa(即，60-90psi)的Model 6400-40-150)。 [0038] 输送管道31的出口32优选地定向为与输送管道的轴线(如图所述)成直角，从而以特定距离直接地面对支撑板19的底侧。该距离优选地大于12.7厘米(即，5英寸)。最大间距典型地由气室的尺寸控制，其依次由整个燃烧器-燃烧炉的结构控制。它典型地小于38.1厘米(即，15英寸)。由于气流被定向，因此该范围内的间隔将会在基本上不降低力的情况下将气体脉冲输送到介质床。支撑板19本身优选地具有相当开放的设计。也就是说，通常最好采用网眼金属板(具有紧密间隔的横排细长切口的板，然后将所述切口拉开形成扩大的孔)，而不是钻有小孔的实心板。当然，所述孔必须足够小，以放置介质颗粒的损失，但应当足够大，以避免在气体脉冲进入介质床之前将其减弱。 [0039] 优选的是提供多于一个出口32和/或多于一个输送管道31，以向介质床的更大的面积输送所述脉冲或允许床的部分在不同的时间被处理。 [0040] 图2示出了输送通道31的一个端部，即将气体脉冲输送至介质床的端部。该管道具有两个出口，即端部出口32和中间出口32’，每个出口被定向为于管道的纵轴成90度。可见，所述中间出口32’具有延伸进入管道31内部的部分36。该部分形成隔板37，所述隔板阻挡管道内部约50％的横截面积并转化大约相同百分比的气体脉冲进入中间出口32’。 隔板下方的管道横截面积的其余部分仍然打开，以便气体脉冲的其余部分穿过并通过端部出口32输送。类似地，在沿管道的长度上可具有更多的出口，每个出扩具有类似于37的隔板，将适当百分比的气体脉冲转为进入相关联的出口，从而从每个出口可输送具有大约相同的力和体积的气体脉冲。 [0041] 图3a和3b示出了脉冲分配器40，其可用于将单个气体脉冲送入多个(在本情况下为5个)输送管道，每个管道具有单独的或多个出口(未示出)。所述脉冲分配器40具有从前述公开类型的气炮(未示出)接受气体脉冲的主管道31’，与主管道31’对准的中部分支41，和从主管道以相对于主管道的纵轴成约135度延伸的四个分支管道42，43，44和45。所述分支管道绕主管道外围等间距布置，即彼此成90度。分支管道的直径相同并且每一个都小于主管道，这是因为气流在分割点处被四等分，因此每个分支需要输送更少的气体量。每个管道端部的开口基本上是与引导气流的管道相同的，以避免任何的压降。 [0042] 图4示出了另一种类型的设备(只描绘了气炮30，管道和气室20)，其中脉冲分配器40’用于将管道分割为两个具有不同长度的输送管道31’，31”。短管道31’的端部39具有比长管道31”的端部39′的直径(4英寸)更小的直径(3英寸)，以平衡和补偿穿过两个管道的气流。两个管道的端部开口32”与引导至相应开口的管道具有相同的直径，以避免在出口的上游出现任何额外的压降。 [0043] 实例 [0044] 根据本发明的系统在具有由1.9厘米(即，3/4英寸)铝球构成的床的蓄热式燃烧系统中测试。该床的深度为30.5至33厘米(即，12至13英寸)并且面积为1.63平方米(即，2520平方英寸)。图4中描绘的具有两个出口的单独的输送管道用于每3分钟从容器33输送气体脉冲，其中所述容器33具有50000cc(即，50升)的容量并且被充至0.65MPa(即，95psi)。通过使用这样一种系统，床更换的时间间隔增加了22倍。 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