用于热解铸造砂上的污染物并燃烧生成气体的系统和方法

本发明涉及用于热解铸造砂上的污染物并燃烧热解生成气体的 系统和方法。

铸造业广泛使用砂(例如硅石、铬铁矿或橄榄石砂)做成适合浇 注熔融金属的模型。在形成模型时，砂与各种粘合剂相结合。通常，使 用的粘合剂为例如亚麻子油和膨润土等天然粘合剂以及例如有机树 脂等化学粘合剂。使用的粘合剂类型取决于要求的模型性能。但是， 膨润土和有机树脂粘合剂被广泛地选用。大多数有机树脂粘合剂以 苯酚和呋喃树脂为基本成分，它们在催化剂的影响下，在使用或不使 用中等温度的情况下，而形成网状结构。

铸造业大量循环使用带有粘合剂残渣的用过的砂。最常用的方 法，是将用过的砂进行机械/磨碎处理再经过筛分而循环使用。机械/ 磨碎处理使得已被破碎成极细颗粒的粘合剂残渣得以去除或筛除。 然而这种处理也导致砂粒破碎和磨蚀，从而使大量的砂连同粘合剂 残渣一起被去除或筛除。典型地，在此种操作当中，约20％的砂损失 了。也就是说，全世界每年有数百万吨砂被当做废物丢掉。虽然这被 清除掉的用后砂中很大一部分含有膨润土(被称之为“绿砂”)且对环 境可能是无害的，但是由于采用膨润土和有机粘合剂来制成模型的 不同部分和/或由于铸造业操作的复杂性，它常常与含有机粘合剂的 用后砂结合或混合。丢弃的含有机粘合剂的用后砂通常对环境是有 害的。

为了避免因采用上述循环方法而带来的低效能以及对环境的危 害，已提出了若干涉及流化床的砂回收热方法。在用空气作为常用的 流化介质并作为烧掉存在于砂上的有机残渣的手段的同时，在这些 方法中，还采用电加热或天然气进行辅助加热。这些方法适用于连续 处理大量含基本上相同的粘合剂且具有基本上相同粒度的砂。然而， 由于对于不同的砂需要不同的操作参数，在顺序或混合地处理不同 砂，即具有不同粒度和不同粘合剂的砂时，这些方法效力和效能都不 高。况且，为了流化床处理需要而将用后砂的块状物破碎成非常细的 粒度，这是一个工艺缺陷。

因而，WO 91/08068建议了用于焙烧铸造砂的不同热方法。首 先，将玷染的用后砂装入一个转炉中。炉子围绕一个与垂直方向呈约 5-15°的轴线转动。氧气从砂料的底部吹入，氧气沿整批砂料扩散。 与此同时，从炉顶烧嘴提供的火焰前沿指向该批砂料上表面。在来自 烧嘴的火焰熄灭后，连续吹注入氧气以造成火焰前沿的逐渐下移，直 到发生污染物完全燃烧。然而这种热方法可能受到某些不利之点的 阻碍。首先，在砂中含有有限的可燃性污染物时火焰前沿可能无法逐 渐向砂料底部推移。来自顶部的火焰前沿可能能够烧掉砂料上层的 污染物，但是可能无法达到砂料的底层。第二，由于来自烧嘴的火焰， 即火焰的尖端，仅仅接触到砂料上层一个很小的面积，故可能无法获 得符合要求的温度均一性。当操作停止时，砂料某一部分，尤其处于 底部的那些部分可能受不到火焰前沿的处理而仍可能带有污染物。 第三，由于砂粒随着火焰前沿下移而受到急剧加热造成热冲击，故砂 粒可能破碎。例如，整个砂料的本体因为似乎没得到预热而受到热 冲击。最后一点，含相当数量的部分热解的有机污染物及CO的尾气 可能被放至大气，这是因为，为了避免诸如砂料内出现沟流和局部流 化，透过用后砂料层扩散的氧注入速率通常保持在相当低的水平。

本发明的一个目的在于减少或消除来自铸造砂焙烧转炉的尾气 中CO和部分热解的有害有机物的含量。

本发明的另一目的在于，促使热解期间转炉内部即转炉内的上 部空间和砂料中温度均一。

本发明的又一目的在于，提供热解和燃烧期间控制转炉内温度 的方法，以期最大限度减少砂粒结构的变动。

本发明进一步的目的在于，减少离开转炉的尾气中灰尘夹带。

本发明的另一个目的在于，提供用于有效和充分处理不同砂的 热方法。

本发明的另一目的在于，提供一种对必须清除的例如砂细粒及 灰尘等用过砂进行处理并使之脱污染物以使这种清除对环境无害的 热方法。

本发明的又一个目的在于，使得可在停炉期间使用熔铁转炉热 解用后砂并燃烧生成气体。

根据本发明的一个实施方案，上述目的和优点借助一种在一个 能绕轴线转动的容器中焙烧被有机物污染的铸造砂的方法来达到，

所述方法包括：

(a)将所述被有机物污染的铸造砂装入所述容器；

(b)调整所述容器以使所述轴线与水平方向呈约0约±10°的 角；

(c)使所述容器绕所述轴线转动；以及

(d)在所述容器中，喷射至少一束带有过量氧的火焰，火焰指向 与水平或所述轴线呈约0-±30°角，结果产生含氧尾气和焙烧过的 铸造砂。引入所述容器中的所述过量氧的量应使以污染物形式从砂 料中释放出的热解产物被加热并在容器上部空间完全燃烧。当从容 器出口流出的尾气中含至少2％(体积)氧时即可达到这一点。尾气 中所需氧气浓度的维持是借助用尾气氧分析仪分析尾气中含氧量并 随后相应地调节氧气流量来实现的。控制用以产生至少一支火焰和 过量氧的含氧浓度大于约25％(体积)的氧化剂和燃料的喷射速率， 以导致形成回流物质和/或减少尾气中粒子夹带。一俟停止喷射至少 一支火焰及过量氧，氧化剂即可在所述铸造砂底部分散，以便将任何 有害有机物和/或残留在砂上的碳残渣彻底烧掉。碳残渣生成是由于 采用氧-燃料烧嘴热解用后砂上的有机物质的结果。

在优选的实施方案中，所述至少一束带过量氧的火焰在平 行于所述轴线或者平行于所述含有机物的铸造砂表面的方向喷 射。

在优选的实施方案中，所说带过量氧的火焰通过由至少一 支氧-燃料烧嘴喷射燃料和氧含量大于约25％(体积)的氧化剂 产生，其中所述氧含量大于约25％(体积)的氧化剂的喷射速度， 为足以能提供比燃烧所述燃料或产生所述火焰所需氧量高出约 50％到约180％(体积)的氧的速度。

在优选的实施方案中，所述含氧量大于约25％(体积)的氧 化剂以足以能在所述容器中形成回流物质的速度喷射。

本发明方法进一步包括停止所述喷射并在所述铸造砂底部 分散氧化剂直至燃失量低于约0.5％。

根据本发明的另一实施方案，上述目的及优点借助能焙烧 带污染物的铸造砂的燃烧系统而实现。所述燃烧系统具有一个 回转炉，所述回转炉包括一个容器、一个围绕并支持所述容器 以便使所述容器能绕一轴线转动的环形框以及与所述环形框联 结转动所述容器的装置，其中所述容器具有至少一个侧壁、至 少一个前壁、至少一个确定进口的前壁以及至少一个确定出口 的后壁；所述燃烧系统的特征在于具有：

(a)与所述环形框以枢轴方式联接(coupled pivotally)的底座；

(b)用于燃烧铸造砂的装置，选自用于将氧化剂分配到所述 容器中去的多孔塞或向所述容器内喷射火焰和过量氧的氧-燃 料烧嘴，所述燃烧装置被设计成装入和/或固定在所述容器的所 述进口；以及

(c)与所述容器的所述出口处于流体连通的尾气氧分析仪。

任选地，可以设置尾气后处理系统，例如后燃烧炉、烟道气冷却 装置、过滤装置和/或污染物清除装置。

这里所用术语“污染物”意指在铸造砂上的诸如化学或有机粘合 剂等   物质，它对环境有害。

这里所用术语“有机物质”意指在铸造砂上的诸如苯酚及呋喃树 脂等有机物质。

这里所用术语“不同的砂”意指具有不同粘合剂的砂和/或具有 不同粒度的砂。

这里所用术语“至少一支氧-燃料烧嘴”意指一支或多支烧嘴， 它(们)将燃料和氧化剂喷射入产生火焰，氧化剂具有大于22％(体 积)的氧浓度，优选大于25％(体积)，更优选大于50％(体积)。

这里所用术语“过量氧”意指足以使离开转炉的尾气含有氧的氧 气量。

这里所用术语“停炉期间”意指转炉未被用来熔化金属的期间。

图1是一个用后铸造砂处理系统示意图，包括一个转炉、一个尾 气氧分析器、一个后燃烧炉、一烟道气冷却装置，过滤装置以及污染 物清除装置，该图表示本发明的一个实施方案。

图2为一可转动炉的横剖面图，它带有一个氧-燃料烧嘴，表示 本发明的一个实施方案。

图3为一个带有多孔塞的可转动炉横剖面图，它表示本发明的 一个实施方案。

现在参考图1，这里示出一个用后砂的处理系统1。用后砂的 处理系统1包括转炉3、氧分析仪5、尾气燃烧炉7、烟道气冷 却装置8、过滤装置9和用于清除SO2等污染物的系统11。如图 2和图3中所示，转炉3一般包括一个容器13、一个环形框 15、第一转动装置17、底座结构19以及第二转动装置21。容 器13具有至少一个侧壁23、至少一个确定进口27的前壁25 和至少一个确定出口31的后壁(29)。容器13的进口27设计成 易于将多孔塞30和至少一支氧-燃料烧嘴32装入或拆下。容器 13被环形框15环绕并支撑而可自由转动。环形框15在其内面 备有滚子，与装在容器侧壁23外面的滚带相配合。环形框15又由 底座结构19支撑。具体地说，底座结构19与环形框15通过枢轴 35例如两个耳轴而以枢轴形式相联。第一转动装置17，例如一个 电机可以连结到环形框15的外侧，以便在铸造砂焙烧期间按箭头 37的方向转动容器13。第二转动装置21，例如一个气动或电动 转动装置可以装到底座结构19上，以便使容器13沿箭头39的 方向，借助位于环形框耳轴上的齿轮42倾斜或调整。这使得容器13 能够在竖直平面(c)内倾斜约180°。

最初，提供至少一部分被诸如有机树脂粘合剂等化学或有机物 质污染的铸造砂。可以把这种砂破碎到要求的粒度。将已经破碎或未 经破碎的铸造砂使用料斗(未示出)经进口27装入容器13中。容 器13可以用耐化学和耐温材料制成，例如用耐火材料、合金、钢或 不锈钢制成。具体地说，容器外壳可用耐热钢制做，同时内表面衬以 耐火材料。倾斜或调整该容器13，以便使容器13的轴线(A)与水 平平面(B)呈约0至约±10°，优选0至±5°角。容器13的倾斜或调 整通过动作第二转动装置21完成。

在倾斜容器13之前或之后，至少将一支氧-燃料烧嘴32插 入进口27中。悬伸或装在外结构33上的至少一支氧-燃料烧嘴 32，借助例如气动千斤顶被推至喷射位置。氧-燃料烧嘴在进口 27内为无支撑状态。为了防止在操作过程中过量的大气空气进入 容器13，可以装一块平板34封住进口27。

使用的至少一支氧-燃料烧嘴32可以是任何传统的能提供火 焰和过量氧的氧-燃料烧嘴，例如氧量为比化学计量氧量高约50％ 到约180％。该传统氧-燃料烧嘴一般具有至少一个通道用于喷射 含氧量至少约22％(体积)，优选至少约25％(体积)的氧化剂，以及 至少一个通道用于喷射燃料。一个或多个氧化剂通道应能喷射比化 学计量氧量至少大约50％，优选至少大100％的氧，例如足够产生一 支火焰(与燃料反应)以及过量的氧气。优选的氧-燃料烧嘴为吸气 式氧-燃料烧嘴，例如在美国专利4,541,796和美国专利4,907, 961-Anderson(收录于此做为参考文献)中所描述并要求权利的那 类烧嘴。这种吸气式烧嘴具有特殊设计的氧通道和一条燃料通道，以 便以一定速度喷射氧化剂之后可立即形成回流物(recirculating matter)41并且使过量氧能够容易地引入。发现在容器13内形成 回流物41能促进温度的均一性。

将设置的氧-燃料烧嘴定位使容器内铸造砂上方火焰的方向与 水平平面(B)或轴线(A)呈约0至约±30°，优选约0到±10°，更优 选约0到±5°角。由于火焰方向较接近于水平平面(B)或轴线(A)， 由此能有效和充分地利用火焰能量来在砂表面上方均匀地烧掉从砂 料释放出的热解气，因而促使燃烧完全并且使容器13内的温度均 一。换言之，非常希望喷射的火焰平行于容器13的轴线(A)或容器 13的表面。当然，这可能要求确定在前壁25的进口27恰好位于 容器内铸造砂表面上方，例如前壁25的中心。

一俟把氧-燃料烧嘴32恰当地定位或定向，便向氧-燃料烧 嘴32送入氧化剂和燃料，例如天然气。为了借助在氧化剂存在下燃 烧燃料而产生火焰，可以采用遥控点火/控制装置(未表示出)点燃 氧-燃料烧嘴32。控制燃料和氧化剂的喷射流量，以便生成的尾气 以低于3米/秒的速度离开容器13从而减少或防止灰尘夹带。任选 地，也可以调节氧化剂喷射流速以便形成回流物41，从而促进容器 13内温度均一。通常，氧化剂喷射速度在约200米/秒到约300米/ 秒以形成回流物41。使用的氧化剂具有的氧含量大于22％(体 积)，优选大于25％(体积)，更优选大于50％(体积)。最理想的是采 用工业纯氧。

供应的氧化剂量是这样掌握的，即使得氧-燃料烧嘴32向容 器13喷射入火焰以及过量氧。过量氧的量一般导致尾气，即由于从 砂料放出的热解气燃烧而生成的气体，含有至少约2％氧(体积)或 者生成的容器气氛内含有至少约2％氧(体积)。为了获得这种尾气 或气氛，供给氧-燃料烧嘴32的氧化剂数量一般提供比为产生火 焰或燃烧燃料所需化学计量氧量高约50％到约150％的氧。例如，象 天然气这样的燃料，可以每吨铸造砂15至约50标准立方米/小时的 流量供应，而氧化剂，例如工业纯氧，则以每吨铸造砂约45到约240 标准立方米/小时的流量供应。提供的氧化剂数量可以控制或调节以 维持容器气氛中要求的氧浓度，也即所要求的含至少2％氧(体积) 的尾气。起初，对经出口31离开容器13的尾气含氧量或容器气氛 的含氧量用氧分析仪5进行分析，例如用紧耦合抽出式分析仪 (close-coupled extractive analyzer)，它从炉内抽取试样并将其传送 给探头，例如氧化锆探头。已知的紧耦合抽出式分析仪以商标 “THERMOX”及“CASA”出售。氧分析仪5可以与一导管相连，该 导管与出口31呈流体连通以便分析并传送尾气中或容器气氛内氧 浓度数值。根据分析和传送的浓度数据，手动或自动调整或调节氧化 剂供应量以便维持容器气氛或尾气中所希的氧浓度。优选参照时间 间隔调整氧化剂供应量或氧化剂喷射流量，也可采用自动控制回路， 从尾气氧分析仪5的读数调整氧-燃料比。通过维持容器气氛内也 即尾气所需的氧浓度，防止或基本上防止污染物不完全燃烧或热解 产生的任何有害产物随尾气离开容器13，例如低于允许的上限值。 并且，尾气中CO含量也显著减少，例如低于允许上限值。

在由氧-燃料烧嘴32喷射火焰期间，容器13围绕轴线(A) 转动，轴线与水平平面(B)(以下称为“水平方向”)呈约0至±10°， 优选0至±5°角。容器13的转动速度通过调整或控制第一转动装 置17来进行控制和调节。容器13的转动速度一般维持在每分钟 小于约5转，优选每分钟小于2转。通常，火焰和过量氧的喷射连同 容器13转动进行约20分到约40分钟。依据所处理铸造砂数量和 容器13的大小，火焰和过量氧喷射以及容器13的转动有可能短 于20分钟或长于40分钟。

一旦污染物基本上被热解，例如一旦有机物，例如苯酚，减少到 低于1毫克有机物/吨铸造砂时，就停止火焰和过量氧喷射以及容器 13的转动。也调节喷射和转动持续时间，以便在停止时刻的温度为 约500至约800℃。这种温度调节加强了随后对任何残余的未燃烧 的部分热解有害有机物和/或任何由于热解生成的碳残渣的燃烧。停 止时刻温度相对于要在后续燃烧阶段烧掉的残余有机物和生成的碳 残渣数量，呈反向变化。

在停止之后，将氧-燃料烧嘴32从进口27拆下。随后，把多 孔塞30插入或旋入进口27。如果它不是被旋入进口27，则它是 被固定的，例如螺栓紧固、耦联或附着上，以便严密地封住容器13 的进口27。多孔塞30由耐化学及耐温材料制成，例如耐火材料、 合金、钢或不锈钢。例如，多孔塞30可以是具有许多嵌入金属或合 金的、内径约0.5-3毫米，优选约0.5-约1毫米小管的可浇铸耐 火材料成品块。

在多孔塞30上，通过挠性软管45连接氧化剂源43。挠性软 管45优选用转动结头与多孔塞30的底板耦联。连接后，由氧化剂 源43向多孔塞30供应氧化剂。控制氧化剂的供应量为对每吨铸 造砂提供约40-约160标准立方米氧/小时，以便烧掉任何残留有 机物和/或任何碳残渣，也就是，以铸造砂、有机物和碳残渣总量计约 0.5％到约2.0％(重量)的有机物和/或元素碳。随着氧化剂从多孔 塞30放出，用第二转动装置21使容器13倾斜或调整方位，以使 容器的轴线(A)与竖直平面(c)(以下称“竖直方向”)呈约±1至±30℃， 优选约±5至±25°角。倾斜以后，从多孔塞30放出的氧化剂以与 竖直方向呈约±1至±30°，优选约±5至±25°角从铸造砂底部吹 入。多孔塞30使氧化剂沿砂料有效地分散，从而有效地把剩下的碳 残渣烧掉。随多孔塞30尺寸的增大，多孔塞30的作用可以更加有 效。与此同时，容器13绕着轴线(A)转动，轴线(A)与竖直方向呈约 0至±30°，优选约±5至±25°角。围绕该轴线，特别是围绕优选的轴 线旋转容器13，加上以特定方式使用多孔塞30，加强了氧化剂的 分散和渗透。可以理解的是可以采用任何效果不如或相当于多孔塞 30的气体分布器来代替多孔塞30。任选地，可以使用气体分布器 或者挡板代替多孔塞30，喷入充足流量的氧化剂使容器13内的 铸造砂流态化并燃烧。此种流态化处理可能要求对容器13做相应 的修改(较高的顶部空间，防止大量粉尘夹带的装置等等)。

氧化剂通常沿容器13内铸造砂批料分配。氧化剂可以是空气、 富氧空气或工业纯的氧。该氧化剂被连续或断续地送入容器13内， 直到有机物和/或碳残渣被完全烧尽。一般地，调整氧化剂注入速率 以保持最终温度在约600-800℃并在约15至约30分钟时间内结 束处理(例如，烧失量低于0.5％时)。控制时间和最终温度确保有害 有机物及碳残渣完全燃烧(例如，烧失量低于0.5％)。一俟完全燃烧 后，将容器13倾斜并停止注入氧化剂。随后把生成的热处理后的砂 子通过出口31倾出。

在污染物，例如碳残渣、CO和可能有的有害有机物燃烧过程 中，尾气脱离或流出容器13。可以在后燃烧炉7内处理尾气，进一 步减少其中所含一氧化碳以及有机物(如果有的话)。也可以将尾气 在烟道气冷却装置8中冷却，继之在过滤装置9内过滤，以清除其 中的任何尘埃或颗粒。此外，可以使用污染物处理装置11，例如吸 附剂、吸气材料或冷凝装置处理尾气。可以理解的是，后燃烧炉7、 冷却装置8、过滤装置9以及污染物清除装置11可以单独用于 尾气后处理，也可以采用不同的顺序使用。还应理解的是，也可以不 使用后燃烧炉7、冷却装置8、过滤装置9和污染物清除装置 11。

下面的实施例用来解说本发明，它仅为解说的目的，而无限定的 意图。

                   实施例

用图2和图3所示转炉3处理约1.4吨被苯酚树脂玷污的铸 造砂。把约1.4吨此种铸造砂装入容器13中。装料后，在容器13 的进口27内安装氧-燃料烧嘴32。然后把容器13倾斜，使其轴 线(c)与水平方向呈约0°角。随着氧-燃料烧嘴32喷入火焰及过 量氧的同时，容器13以大约每分钟1转速度转动。火焰和过量氧把 铸造砂上的苯酚树脂加热并热解约29分钟。在此期间，以约25标准 立方米/小时的流量向氧-燃料烧嘴送天燃气(燃料)。而氧以下列方 式供给：开始时以大约120标准立方米/小时维持约5分钟，随后以 大约140标准立方米/小时维持24分钟。形成回流物质41，促进温 度的均一性。在这一阶段结束时，砂温估计为大约600℃。燃料的消 耗总量为每吨铸造砂约8.6标准立方米，同时每吨铸造砂的耗氧量 为约47.1标准立方米。据信，如此低的燃料消耗量部分原因是在装 铸造砂时使用热透的容器13，即铸造砂是在容器被用于化铁后1 小时45分钟时装入的。此外，容器13内生成尾气内烟尘夹带量极小。

在终止以氧-燃料烧嘴32热解苯酚树脂之后，进口27内的 氧-燃料烧嘴被代之以多孔塞30。多孔塞30装在进口27内并 将前壁25密封住。该多孔塞30为一个嵌入了内径约2.76毫米铜 管的可浇铸氧化铝耐火材料成品块，它通过挠性软管45与氧气源 43呈流体连通。继之把容器13倾斜，使容器13的轴线(A)与竖 直方向呈约0°角，即处于竖直位。随着通入多孔塞30的氧气分散 到铸造砂底部，容器13围绕轴线(A)转动。由于挠性软管45连到 多孔塞30底板时未采用转动活接头，故容器13保持绕其轴线 (A)顺时针和逆时针方向回转。处此竖直位状态时，分散的氧气不平 稳地透过铸造砂渗透。故而，约2分钟之后，把容器13再次倾斜，使 轴线(A)与竖直方向呈大约20°角，即处于倾斜位置。随着氧气持续 地分散开，容器(A)不停地绕其轴线(A)顺时针并逆时针转动。起初 氧气以约103标准立方米/小时注入大约3分钟，继而以大约88标 准立方米/小时注入约31分钟。每吨铸造砂耗氧量为约31.4标准立 方米。在此种处理的终点，容器13内的温度估计大约为900℃。处 理后，将容器倾斜，将处理后铸造砂倒入收集或输送装置。分析处理 后铸造砂的苯酚含量及其结构。燃失量(LOI)约为0.01％(LOI从待 处理用后砂的4.95％到处理后砂的0.012％)，同时经粒度分级表 明，砂结构基本没有变化(处理前平均粒度(A.F.S.)指数为63.95， 而处理后为61.21)。

尽管结合某些实施例对本发明做了详细说明，熟悉此项技术的 人会认识到本发明尚有其他的实施方案仍属本权利要求的精神和范 围之内。