用于炉气氛控制的低速分级燃烧转让专利
申请号 : CN200880022683.3
文献号 : CN101688662A
文献日 : 2010-03-31
发明人 : H·科巴亚施
申请人 : 普莱克斯技术有限公司
摘要 :
本发明提供一种适用于氧-燃料燃烧和在包含炉料的熔炉中的改进的分级燃烧方法，其中不足化学计量的燃烧以及燃料与一次氧化剂和二次氧化剂的低速注入是在形成了靠近炉料表面的还原气氛的一个方位中进行的。
权利要求 :
1.一种用于执行燃烧的方法，包括：
(A)向包含炉料的熔炉内、在炉料上方的点处注入化学计量比不 超过化学计量百分数为70％的燃料与一次氧化剂，所述一次氧化剂 为包括摩尔百分数为至少50％的氧气的一种流体，所述燃料与一次 氧化剂都以每秒100英尺或更小的速度注入到所述熔炉内；
(B)在所述熔炉内燃烧燃料与一次氧化剂以产生热和包括未燃烧 燃料的燃烧反应产物；
(C)在燃料与一次氧化剂的注入点上方以每秒100英尺或更小的 速度将二次氧化剂注入到所述熔炉内，所述二次氧化剂是包括摩尔百 分数为至少50％的氧气的一种流体；
(D)建立起靠近所述炉料的富含燃料的气体层，所述富含燃料的 气体层对所述炉料的还原性比二次氧化剂更强；以及(E)燃烧二次氧化剂与未燃烧燃料以在所述熔炉内提供额外的热 和燃烧反应产物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中燃料与一次氧化剂以化学计 量百分数为5％至50％的范围内的化学计量比而注入到所述熔炉内。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在不处于向所述熔炉内注入 燃料和一次氧化剂的点下方的一点处从所述熔炉收回燃烧反应产物。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述炉料包括可氧化材料。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述炉料包括呈其完全还原 态的铁。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述炉料还包括焦炭或木炭。
7.根据权利要求1所述的方法，其中以足以提供氧气的流率向熔 炉内提供二次氧化剂，从而使得注入到所述熔炉内的一次氧化剂和二 次氧化剂与燃料的化学计量比是至少90％。
8.一种用于执行燃烧的方法，其包括：
(A)向包含炉料的熔炉内、在所述炉料上方的点处，注入化学计 量比不超过化学计量百分数为70％的燃料和一次氧化剂，所述一次 氧化剂是包含摩尔百分数为至少50％的氧气的一种流体，所述燃料 与一次氧化剂都以每秒100英尺或更小的速度注入到所述熔炉内；
(B)在所述熔炉内燃烧燃料与一次氧化剂以产生热和包括未燃烧 燃料的燃烧反应产物；
(C)在燃料与一次氧化剂注入点下方以每秒100英尺或更小的速 度将二次氧化剂注入到所述熔炉内，所述二次氧化剂是包含摩尔百分 数为至少50％的氧气的一种流体；
(D)建立起靠近所述炉料的富含氧气的气体层，所述富含氧气的 气体层对所述炉料的氧化性比所述熔炉内的所述燃烧反应产物更强； 以及(E)燃烧二次氧化剂与未燃烧燃料以在所述熔炉内提供额外的热 与燃烧反应产物。
9.根据权利要求8所述的方法，其中燃料与一次氧化剂以化学计 量百分数为5％至50％范围内的化学计量比而注入到所述熔炉内。
10.根据权利要求8所述的方法，其中在不处于向所述熔炉内注 入燃料与一次氧化剂的点下方的一点处从所述熔炉收回燃烧反应产 物。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述炉料包括可氧化材料。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述炉料包括熔融玻璃。
13.根据权利要求8所述的方法，其中以足以提供氧气的流率向 所述熔炉内提供二次氧化剂，从而使得注入到所述熔炉内的一次氧化 剂和二次氧化剂与所述燃料的化学计量比为至少90％。
说明书 :
技术领域
本发明大体而言涉及炉内的分级燃烧，炉包含着将要由燃烧所生 成的热量进行加热的炉料。
背景技术
在利用燃料与氧化剂燃烧的许多工业加热过程中，燃料燃烧的产 物与炉料相互作用或起反应，并且常常会造成不希望的效果。举例而 言，已知冲击于玻璃熔炉中玻璃熔体上的富燃性(fuel rich)火焰会 造成玻璃产品颜色改变，这是由于暴露于富燃性火焰下的玻璃熔体的 氧化还原反应变化所致。在钢再加热炉中，在加热期间形成氧化膜， 这造成金属损失或表面缺陷。在利用美国专利第6,592,649号和第 6,602,320号中所公开的工艺来直接还原氧化铁的过程中，铁矿石、 煤粒和熔剂材料的混合物被凝聚成球且置于转底炉(rotary hearth furnace)中，被加热并还原以产生(iron nugget)。氧化铁被预热， 被来自煤的碳还原，并熔化形成。在熔化区中，经还原的炉料被气体 燃烧器加热到1300至1500℃以形成熔并与炉渣分开。在还原区中， 从铁还原反应快速放出CO气体防止炉气氛中的氧化气体(CO2、H2O 和O2)对炉料进行氧化。在熔形成区中，从炉料放出少量CO且经还 原的易于被炉燃烧产物(CO2、H2O和过量O2)再氧化。现有技术已披 露了通过在炉料材料的床层中装入额外的煤粒子来防止铁熔核再氧 化而部分地解决了再氧化问题。在脱挥(devolatization)后，形成木 炭床层。
这种办法存在缺陷。即使在过量焦炭颗粒的床层上形成铁熔核， 每个熔核的顶表面仍被暴露于炉气氛。熔化过程需要大量热，通常由 天然气与空气的燃烧来提供这些热量。CO2和H2O与碳的反应是吸 热的并消耗热量且增加了天然气消耗。希望防止铁熔核的再氧化。
氮的氧化物(NOx)是燃烧期间生成的重要污染物且希望在进行燃 烧时减少它们的生成。已知可通过使用工业纯氧气或富含氧气的空气 作为氧化剂来执行燃烧以减少NOx生成，因为这在等量氧的基础上 减少了提供到燃烧反应的氮气的量。但是，使用具有比空气的氧气浓 度更高氧气浓度的氧化剂会造成燃烧反应在更高温度进行、且这种更 高温度在动力学上有利于NOx形成。
已使用分级燃烧来减少NOx生成，特别是当氧化剂是氧气浓度 超过空气的氧气浓度的流体时。在分级燃烧中，燃料与氧化剂按一定 化学计量比被引入到燃烧区中并燃烧。由于过量燃料用于燃烧，氧化 剂的很少的氧分子与氮气反应形成NOx。向燃烧区提供额外的氧气 以在第二下游级中完成燃烧。由于二次氧在与未燃烧燃料混合之前首 先被炉气稀释，在第二级中的燃烧并非在很高温度下发生，从而限制 所形成NOx的量。
使用深度分级燃烧过程，可通过将炉气氛竖直分层而使靠近炉膛 区域的炉气氛还原性更强(美国专利5,755,818)或氧化性更强(美国专 利5,924,858)。为了对铁进行直接还原，需要靠近炉膛区域的还原性 气氛。尽管这种技术已经在商业上用于玻璃熔炉，其中炉膛区域受控 以具有富含较多氧气的气氛，由于这种方法需要相对较高的动量，气 氛分层的程度是有限的。近来，在美国专利第5,609,481号、第 5,563,903号、第5,961,689号和第6,572,676号中描述了通过在直燃 炉的下半部分中提供惰性保护气氛(诸如氮气)来完全控制炉气氛的技 术。该工艺应用于全尺寸炉(13英尺宽×23英尺长×8英尺高)中80％ 的铝重熔和还原浮渣形成。尽管该工艺可应用在直接还原炉中以在熔 炉的下半部分中形成还原气氛且在熔炉的上半部分中形成氧化气氛， 但这个工艺需要大量的专用低速燃烧器使得该工艺操作起来较为复 杂。希望有一种具有成本效益和更好分层的方法用于直接还原过程， 玻璃熔炉、以及其中发生着燃烧气氛与炉料相互作用的其它工业熔 炉。
为了利用具有比空气的氧气浓度更高氧气浓度的氧化剂进行有 效的燃烧，必须以相对较高的速度向炉内提供燃料和/或氧化剂以便 实现必需的动量。燃烧反应物必须具有一定动量以便保证燃料与氧化 剂充分混合来进行有效的燃烧。高动量也造成燃烧反应产物在整个炉 中更有效地传播以传热至熔炉炉料。动量是质量与速度的乘积。氧气 浓度超过空气的氧气浓度的氧化剂在等量氧分子的基础上具有低于 空气的质量。举例而言，具有氧气浓度为30％(以摩尔百分数计量) 的氧化剂流体将会具有氧化性等效的数量的空气的大约70％质量。 因此，为了维持必需动量，燃烧反应的速度，即，燃烧反应的燃料和 /或氧化剂的速度必须相应地更高。
因此，本发明的目的在于提供一种改进的分级燃烧方法，其中燃 料与氧化剂在具有必需动量的燃烧反应中燃烧，且防止炉料与燃烧反 应产物进行有害接触，同时仍确保从燃烧反应到炉料的良好传热。
这种办法存在缺陷。即使在过量焦炭颗粒的床层上形成铁熔核， 每个熔核的顶表面仍被暴露于炉气氛。熔化过程需要大量热，通常由 天然气与空气的燃烧来提供这些热量。CO2和H2O与碳的反应是吸 热的并消耗热量且增加了天然气消耗。希望防止铁熔核的再氧化。
氮的氧化物(NOx)是燃烧期间生成的重要污染物且希望在进行燃 烧时减少它们的生成。已知可通过使用工业纯氧气或富含氧气的空气 作为氧化剂来执行燃烧以减少NOx生成，因为这在等量氧的基础上 减少了提供到燃烧反应的氮气的量。但是，使用具有比空气的氧气浓 度更高氧气浓度的氧化剂会造成燃烧反应在更高温度进行、且这种更 高温度在动力学上有利于NOx形成。
已使用分级燃烧来减少NOx生成，特别是当氧化剂是氧气浓度 超过空气的氧气浓度的流体时。在分级燃烧中，燃料与氧化剂按一定 化学计量比被引入到燃烧区中并燃烧。由于过量燃料用于燃烧，氧化 剂的很少的氧分子与氮气反应形成NOx。向燃烧区提供额外的氧气 以在第二下游级中完成燃烧。由于二次氧在与未燃烧燃料混合之前首 先被炉气稀释，在第二级中的燃烧并非在很高温度下发生，从而限制 所形成NOx的量。
使用深度分级燃烧过程，可通过将炉气氛竖直分层而使靠近炉膛 区域的炉气氛还原性更强(美国专利5,755,818)或氧化性更强(美国专 利5,924,858)。为了对铁进行直接还原，需要靠近炉膛区域的还原性 气氛。尽管这种技术已经在商业上用于玻璃熔炉，其中炉膛区域受控 以具有富含较多氧气的气氛，由于这种方法需要相对较高的动量，气 氛分层的程度是有限的。近来，在美国专利第5,609,481号、第 5,563,903号、第5,961,689号和第6,572,676号中描述了通过在直燃 炉的下半部分中提供惰性保护气氛(诸如氮气)来完全控制炉气氛的技 术。该工艺应用于全尺寸炉(13英尺宽×23英尺长×8英尺高)中80％ 的铝重熔和还原浮渣形成。尽管该工艺可应用在直接还原炉中以在熔 炉的下半部分中形成还原气氛且在熔炉的上半部分中形成氧化气氛， 但这个工艺需要大量的专用低速燃烧器使得该工艺操作起来较为复 杂。希望有一种具有成本效益和更好分层的方法用于直接还原过程， 玻璃熔炉、以及其中发生着燃烧气氛与炉料相互作用的其它工业熔 炉。
为了利用具有比空气的氧气浓度更高氧气浓度的氧化剂进行有 效的燃烧，必须以相对较高的速度向炉内提供燃料和/或氧化剂以便 实现必需的动量。燃烧反应物必须具有一定动量以便保证燃料与氧化 剂充分混合来进行有效的燃烧。高动量也造成燃烧反应产物在整个炉 中更有效地传播以传热至熔炉炉料。动量是质量与速度的乘积。氧气 浓度超过空气的氧气浓度的氧化剂在等量氧分子的基础上具有低于 空气的质量。举例而言，具有氧气浓度为30％(以摩尔百分数计量) 的氧化剂流体将会具有氧化性等效的数量的空气的大约70％质量。 因此，为了维持必需动量，燃烧反应的速度，即，燃烧反应的燃料和 /或氧化剂的速度必须相应地更高。
因此，本发明的目的在于提供一种改进的分级燃烧方法，其中燃 料与氧化剂在具有必需动量的燃烧反应中燃烧，且防止炉料与燃烧反 应产物进行有害接触，同时仍确保从燃烧反应到炉料的良好传热。
发明内容
本发明的一方面在于执行燃烧的方法，包括：
(A)以不超过化学计量为70％的化学计量比来向包含炉料的熔 炉内(在炉料上方的一点处)注入燃料与一次氧化剂，所述一次氧化 剂为包括着摩尔百分数为至少50％的氧的一种流体，所述燃料与一 次氧化剂以每秒100英尺或更小的速度注入到熔炉内；
(B)在熔炉内燃烧燃料与一次氧化剂以产生热和包括着未燃烧燃 料的燃烧反应产物；
(C)在燃料与一次氧化剂的注入点上方，以每秒100英尺或更小 的速度将二次氧化剂注入到炉内，所述二次氧化剂是包括着摩尔百分 数为至少50％的氧的一种流体；
(D)在靠近炉料处建立起富含燃料的气体层，所述富含燃料的气 体层对炉料的还原性比二次氧化剂更强；以及
(E)燃烧二次氧化剂与未燃烧燃料以在熔炉内提供额外的热和燃 烧反应产物。
本发明的另一方面是用于执行燃烧的方法，其包括：
(A)以不超过化学计量为70％的化学计量比来向包含炉料的熔 炉内(在炉料上方的一点处)注入燃料与一次氧化剂，所述一次氧化 剂是包含着摩尔百分数为至少50％的氧的一种流体，所述燃料与一 次氧化剂以每秒100英尺或更小的速度注入到炉内；
(B)在熔炉内燃烧燃料与一次氧化剂以产生热和包括着未燃烧燃 料的燃烧反应产物；
(C)在燃料与一次氧化剂的注入点下方，以每秒100英尺或更小 的速度向炉内注入二次氧化剂，所述二次氧化剂是包含着摩尔百分数 为至少50％的氧的一种流体；
(D)在靠近炉料处建立起富含氧气的气体层，所述富含氧气的气 体层对炉料的氧化性比熔炉内燃烧反应产物更强；以及
(E)燃烧二次氧化剂与未燃烧燃料以在熔炉内提供额外的热与燃 烧反应产物。
如本文所用的术语“完全燃烧产物”表示二氧化碳和水蒸气中的 一或多种。
如本文所用的术语“不完全燃烧产物”表示一氧化碳、氢气、碳 和部分燃烧的烃中的一或多种。
如本文所用的术语“未燃烧燃料”表示包括未经历燃烧的燃料、 燃料不完全燃烧的产物以及它们的混合物中的一或多种。
如本文所用的术语“化学计量”表示用于燃烧目的的氧气与燃料 的比例。小于100％的化学计量比表示存在着比完全燃烧所存在燃料 所需氧气量更少的氧气，即，富含燃料的状态。大于100％的化学计 量比表示存在着比完全燃烧燃料所需氧气量更多的氧气，即，过量氧 气的状态。
(A)以不超过化学计量为70％的化学计量比来向包含炉料的熔 炉内(在炉料上方的一点处)注入燃料与一次氧化剂，所述一次氧化 剂为包括着摩尔百分数为至少50％的氧的一种流体，所述燃料与一 次氧化剂以每秒100英尺或更小的速度注入到熔炉内；
(B)在熔炉内燃烧燃料与一次氧化剂以产生热和包括着未燃烧燃 料的燃烧反应产物；
(C)在燃料与一次氧化剂的注入点上方，以每秒100英尺或更小 的速度将二次氧化剂注入到炉内，所述二次氧化剂是包括着摩尔百分 数为至少50％的氧的一种流体；
(D)在靠近炉料处建立起富含燃料的气体层，所述富含燃料的气 体层对炉料的还原性比二次氧化剂更强；以及
(E)燃烧二次氧化剂与未燃烧燃料以在熔炉内提供额外的热和燃 烧反应产物。
本发明的另一方面是用于执行燃烧的方法，其包括：
(A)以不超过化学计量为70％的化学计量比来向包含炉料的熔 炉内(在炉料上方的一点处)注入燃料与一次氧化剂，所述一次氧化 剂是包含着摩尔百分数为至少50％的氧的一种流体，所述燃料与一 次氧化剂以每秒100英尺或更小的速度注入到炉内；
(B)在熔炉内燃烧燃料与一次氧化剂以产生热和包括着未燃烧燃 料的燃烧反应产物；
(C)在燃料与一次氧化剂的注入点下方，以每秒100英尺或更小 的速度向炉内注入二次氧化剂，所述二次氧化剂是包含着摩尔百分数 为至少50％的氧的一种流体；
(D)在靠近炉料处建立起富含氧气的气体层，所述富含氧气的气 体层对炉料的氧化性比熔炉内燃烧反应产物更强；以及
(E)燃烧二次氧化剂与未燃烧燃料以在熔炉内提供额外的热与燃 烧反应产物。
如本文所用的术语“完全燃烧产物”表示二氧化碳和水蒸气中的 一或多种。
如本文所用的术语“不完全燃烧产物”表示一氧化碳、氢气、碳 和部分燃烧的烃中的一或多种。
如本文所用的术语“未燃烧燃料”表示包括未经历燃烧的燃料、 燃料不完全燃烧的产物以及它们的混合物中的一或多种。
如本文所用的术语“化学计量”表示用于燃烧目的的氧气与燃料 的比例。小于100％的化学计量比表示存在着比完全燃烧所存在燃料 所需氧气量更少的氧气，即，富含燃料的状态。大于100％的化学计 量比表示存在着比完全燃烧燃料所需氧气量更多的氧气，即，过量氧 气的状态。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的简化截面图示，其中在炉料上方的 气体层是还原性的。
图2是本发明的一个实施例的简化截面图示，其中在炉料上方的 气体层是氧化性的。
图2是本发明的一个实施例的简化截面图示，其中在炉料上方的 气体层是氧化性的。
具体实施方式
现将参看附图详细地描述本发明，附图示出工业炉1，工业炉1 包含炉料2。在实践本发明的过程中可使用由一或多个燃烧器加热的 任何工业炉或工业炉的一或多个区。这种炉的实例包括其中炉料为钢 的钢再加热炉，其中炉料为铝的铝熔炉，其中炉料包括玻璃制作材料 的玻璃熔炉，以及其中炉料包括水泥的水泥窑。
优选实例是在当熔炉中发生燃烧时生效的条件下易于氧化或还 原的炉料。易于氧化的特别优选的实例是一种包括呈其还原形式的 铁、或者混合有诸如焦炭或木炭这样的含碳物质的呈其还原形式的铁 的炉料。易于还原或氧化还原变化的特别优选的实例是一种包含着经 氧化的熔融玻璃的炉料。
诸如通过燃烧器4在炉料2上方的点3处向熔炉1内提供燃料6 和一次氧化剂7。燃料与一次氧化剂以预混合状态单独地或一起注入 到熔炉1内。燃料与一次氧化剂可通过多个燃烧器而提供到熔炉1内。 在实践本发明的过程中可采用任何合适的氧-燃料燃烧器。用于实践 本发明的一种特别优选的氧-燃料燃烧器是在Kobayashi等人的美国 专利第5,411,395号中所公开的燃料喷射燃烧器，该专利以引用的方 式结合到本文中。
燃料可以是包含可燃物的任何气体或其它流体，其可在炉的燃烧 区中燃烧。在这样的燃料中，可提到天然气，焦炉煤气、丙烷、甲烷 和石油。
一次氧化剂是氧气浓度为体积百分比至少50％氧气，优选地体积 百分比为至少90％氧气的流体。一次氧化剂可为氧气浓度为99.5％ 或更高的商业纯氧。
以特定流率向熔炉1内提供燃料与一次氧化剂，使得一次氧气与 燃料的化学计量比小于70％且优选地在5％至50％化学计量百分数 的范围内。
燃料与一次氧化剂以每秒100英尺(fps)或更小的速度注入到熔炉 1内。优选地，以50至100fps的速度提供燃料。优选地，以2至50 fps的速度提供一次氧化剂。相对于现有技术实践较低的这些速度给 予燃烧反应物必需的低动量。燃料与一次氧化剂在燃烧反应5中在熔 炉1内燃烧以产生热与燃烧反应产物。燃烧反应产物可包括完全燃烧 产物，但由于限定化学计量的一次氧气与燃料比例，则燃烧反应产物 将会包括未燃烧的燃料。燃料与一次氧化剂的不完全燃烧使得燃料与 一次氧化剂的燃烧在显著低于燃烧本应具有的温度的一个温度下继 续进行，从而降低了NOx形成的倾向。因为在燃烧反应期间不完全 混合和短暂停留时间，燃烧反应产物还可包括某些残余氧气，但燃烧 反应产物内氧气的浓度也有可能为零。
在图1所示的本发明的实施例中，为了在炉料表面上建立起还原 气体层，通过喷枪10在点3上方向熔炉1内提供二次氧化剂8。优 选地，在此实施例中，二次氧化剂在距离炉料2上表面比点3更远的 点处注入到熔炉内。二次氧化剂可从燃料与一次氧化剂竖直上方的 点、或从偏离竖直方向(诸如以至多45度角)的点提供到熔炉内。
在图2所示的本发明的实施例中，为了在炉料表面上建立起成氧 化气体层，通过喷枪10在点3下方向熔炉1内提供二次氧化剂8。 优选地，在此实施例中，在炉料2的上表面与点3之间的点处将二次 氧化剂注入到熔炉内。二次氧化剂可从燃料与一次氧化剂竖直下方的 点、或从偏离竖直方向(诸如以至多45度角)的点提供到熔炉内。
二次氧化剂呈氧气浓度为以摩尔百分数表示的至少50％，优选地 为至少90％的流体的形式。二次氧化剂可为商业纯氧。二次氧化剂8 以100fps或更低的速度、且优选为在50至100fps范围的速度或甚 至低至20fps至50fps的速度而提供到熔炉1内。实践本发明重要的 是氧化剂具有比空气的氧气浓度显著更高的氧气浓度。对于给定量的 燃料消耗，穿过熔炉的气体总体积随着氧化剂的氧气浓度增加而减 少。这种以本发明的分级燃烧实践所需的速度通过熔炉的较低体积通 量使得能建立起靠近炉料的气体层，所述气体层具有不同于熔炉其余 部分中的内含物的组成。
二次氧化剂气体层9的氧气浓度超过燃烧反应5内燃烧反应产物 的氧气浓度。尽管在本发明的实践中可使用任何合适的氧气喷枪将二 次氧化剂注入到炉内，优选地使用在K0bayashi等人的美国专利第 5,295,816号中所披露的气体注入喷枪来将二次氧化剂注入到熔炉内， 该专利以引用的方式被合并到本文中。
以一定流率将二次氧化剂提供到熔炉内，使得当其添加到一次氧 化剂时，与燃料形成至少90％且优选地在100至110％范围内的化学 计量比。当一次氧化剂和二次氧化剂与燃料的化学计量比小于100％ 时，可由渗透空气(infiltrating air)来提供实现熔炉内燃料的完全燃 烧所需的其余氧气。优选地，燃料和一次氧化剂流与二次氧化剂流的 动量比大约1.0，但也可接受不同于1的发散值，诸如在0.3至3.0的 范围内或更小的动量比。
在燃烧反应5中所生成的热量辐射到炉料以加热炉料。通过与周 围炉气体和壁进行复杂的辐射相互作用，而将来自燃烧反应5的这些 热直接地或间接地辐射到炉料。很少的热通过高温熔炉中的对流从燃 烧反应传到炉料。
在图1所示的本发明的实施例中，由于向熔炉内提供二次氧化剂 处的位置，形成相对还原性气体层，相对还原性气体层以与在如果炉 气氛均匀的情况下将会发生的相互作用不同的方式与炉料2相互作 用。在图2所示的本发明的实施例中，由于向熔炉内提供二次氧化剂 处的位置，形成相对氧化性气体层，相对氧化性气体层以与在如果炉 气氛均匀的情况下将会发生的相互作用不同的方式与炉料2相互作 用。
在燃烧反应5的下游，二次氧化剂与未燃烧的燃料将会混合，诸 如在熔炉1内的区域11中，从而在图1所示的本发明的实施例中用 来防止二次氧化剂直接地与炉料的可氧化组分发生相互作用(起反 应)，或者在图2所示的本发明的实施例中用来防止不完全燃烧的产 物直接地与炉料的可还原组分直接发生相互作用(起反应)，用以完成 燃料燃烧，并用以在熔炉内提供额外的热和燃烧反应产物。
熔炉1中的燃烧反应产物大体上通过位于熔炉最冷区域中的烟 道端口排出以便最大化熔炉燃料效率。当本发明用于具有多个区的熔 炉的一区中时，燃烧反应产物可排出到邻近区。烟道端口的高度也会 影响炉气氛分层的程度。优选地，从不处于向熔炉内提供燃料和一次 氧化剂的点3下方的一点处，诸如从烟道12，从熔炉1排出所述熔 炉中的燃烧反应产物。
优选实例是在当熔炉中发生燃烧时生效的条件下易于氧化或还 原的炉料。易于氧化的特别优选的实例是一种包括呈其还原形式的 铁、或者混合有诸如焦炭或木炭这样的含碳物质的呈其还原形式的铁 的炉料。易于还原或氧化还原变化的特别优选的实例是一种包含着经 氧化的熔融玻璃的炉料。
诸如通过燃烧器4在炉料2上方的点3处向熔炉1内提供燃料6 和一次氧化剂7。燃料与一次氧化剂以预混合状态单独地或一起注入 到熔炉1内。燃料与一次氧化剂可通过多个燃烧器而提供到熔炉1内。 在实践本发明的过程中可采用任何合适的氧-燃料燃烧器。用于实践 本发明的一种特别优选的氧-燃料燃烧器是在Kobayashi等人的美国 专利第5,411,395号中所公开的燃料喷射燃烧器，该专利以引用的方 式结合到本文中。
燃料可以是包含可燃物的任何气体或其它流体，其可在炉的燃烧 区中燃烧。在这样的燃料中，可提到天然气，焦炉煤气、丙烷、甲烷 和石油。
一次氧化剂是氧气浓度为体积百分比至少50％氧气，优选地体积 百分比为至少90％氧气的流体。一次氧化剂可为氧气浓度为99.5％ 或更高的商业纯氧。
以特定流率向熔炉1内提供燃料与一次氧化剂，使得一次氧气与 燃料的化学计量比小于70％且优选地在5％至50％化学计量百分数 的范围内。
燃料与一次氧化剂以每秒100英尺(fps)或更小的速度注入到熔炉 1内。优选地，以50至100fps的速度提供燃料。优选地，以2至50 fps的速度提供一次氧化剂。相对于现有技术实践较低的这些速度给 予燃烧反应物必需的低动量。燃料与一次氧化剂在燃烧反应5中在熔 炉1内燃烧以产生热与燃烧反应产物。燃烧反应产物可包括完全燃烧 产物，但由于限定化学计量的一次氧气与燃料比例，则燃烧反应产物 将会包括未燃烧的燃料。燃料与一次氧化剂的不完全燃烧使得燃料与 一次氧化剂的燃烧在显著低于燃烧本应具有的温度的一个温度下继 续进行，从而降低了NOx形成的倾向。因为在燃烧反应期间不完全 混合和短暂停留时间，燃烧反应产物还可包括某些残余氧气，但燃烧 反应产物内氧气的浓度也有可能为零。
在图1所示的本发明的实施例中，为了在炉料表面上建立起还原 气体层，通过喷枪10在点3上方向熔炉1内提供二次氧化剂8。优 选地，在此实施例中，二次氧化剂在距离炉料2上表面比点3更远的 点处注入到熔炉内。二次氧化剂可从燃料与一次氧化剂竖直上方的 点、或从偏离竖直方向(诸如以至多45度角)的点提供到熔炉内。
在图2所示的本发明的实施例中，为了在炉料表面上建立起成氧 化气体层，通过喷枪10在点3下方向熔炉1内提供二次氧化剂8。 优选地，在此实施例中，在炉料2的上表面与点3之间的点处将二次 氧化剂注入到熔炉内。二次氧化剂可从燃料与一次氧化剂竖直下方的 点、或从偏离竖直方向(诸如以至多45度角)的点提供到熔炉内。
二次氧化剂呈氧气浓度为以摩尔百分数表示的至少50％，优选地 为至少90％的流体的形式。二次氧化剂可为商业纯氧。二次氧化剂8 以100fps或更低的速度、且优选为在50至100fps范围的速度或甚 至低至20fps至50fps的速度而提供到熔炉1内。实践本发明重要的 是氧化剂具有比空气的氧气浓度显著更高的氧气浓度。对于给定量的 燃料消耗，穿过熔炉的气体总体积随着氧化剂的氧气浓度增加而减 少。这种以本发明的分级燃烧实践所需的速度通过熔炉的较低体积通 量使得能建立起靠近炉料的气体层，所述气体层具有不同于熔炉其余 部分中的内含物的组成。
二次氧化剂气体层9的氧气浓度超过燃烧反应5内燃烧反应产物 的氧气浓度。尽管在本发明的实践中可使用任何合适的氧气喷枪将二 次氧化剂注入到炉内，优选地使用在K0bayashi等人的美国专利第 5,295,816号中所披露的气体注入喷枪来将二次氧化剂注入到熔炉内， 该专利以引用的方式被合并到本文中。
以一定流率将二次氧化剂提供到熔炉内，使得当其添加到一次氧 化剂时，与燃料形成至少90％且优选地在100至110％范围内的化学 计量比。当一次氧化剂和二次氧化剂与燃料的化学计量比小于100％ 时，可由渗透空气(infiltrating air)来提供实现熔炉内燃料的完全燃 烧所需的其余氧气。优选地，燃料和一次氧化剂流与二次氧化剂流的 动量比大约1.0，但也可接受不同于1的发散值，诸如在0.3至3.0的 范围内或更小的动量比。
在燃烧反应5中所生成的热量辐射到炉料以加热炉料。通过与周 围炉气体和壁进行复杂的辐射相互作用，而将来自燃烧反应5的这些 热直接地或间接地辐射到炉料。很少的热通过高温熔炉中的对流从燃 烧反应传到炉料。
在图1所示的本发明的实施例中，由于向熔炉内提供二次氧化剂 处的位置，形成相对还原性气体层，相对还原性气体层以与在如果炉 气氛均匀的情况下将会发生的相互作用不同的方式与炉料2相互作 用。在图2所示的本发明的实施例中，由于向熔炉内提供二次氧化剂 处的位置，形成相对氧化性气体层，相对氧化性气体层以与在如果炉 气氛均匀的情况下将会发生的相互作用不同的方式与炉料2相互作 用。
在燃烧反应5的下游，二次氧化剂与未燃烧的燃料将会混合，诸 如在熔炉1内的区域11中，从而在图1所示的本发明的实施例中用 来防止二次氧化剂直接地与炉料的可氧化组分发生相互作用(起反 应)，或者在图2所示的本发明的实施例中用来防止不完全燃烧的产 物直接地与炉料的可还原组分直接发生相互作用(起反应)，用以完成 燃料燃烧，并用以在熔炉内提供额外的热和燃烧反应产物。
熔炉1中的燃烧反应产物大体上通过位于熔炉最冷区域中的烟 道端口排出以便最大化熔炉燃料效率。当本发明用于具有多个区的熔 炉的一区中时，燃烧反应产物可排出到邻近区。烟道端口的高度也会 影响炉气氛分层的程度。优选地，从不处于向熔炉内提供燃料和一次 氧化剂的点3下方的一点处，诸如从烟道12，从熔炉1排出所述熔 炉中的燃烧反应产物。