熔化炉

摘要

本发明提供一种节能且低NOx的结构简单的熔化炉。熔化炉(1)包括：炉体(2)，该炉体(2)收纳被熔化材料(As)；燃烧器(3)，该燃烧器(3)可通过使燃料和主燃烧空气混合燃烧而形成冲击被熔化材料的集中火焰，并且可减少主燃烧空气的流量而仅使燃料的一部分燃烧；辅助空气喷嘴(4)，该辅助空气喷嘴(4)向炉体(2)内供给辅助燃烧空气，该辅助燃烧空气用于使通过燃烧器(3)进行燃烧后的燃烧气体中残存的燃料自燃；控制单元(10)，该控制单元(10)在被熔化材料(As)熔化后减少燃烧器(3)的主燃烧空气的流量，且增加辅助空气喷嘴(4)的辅助燃烧空气的流量。

权利要求

1.ー种熔化炉，其特征在于，包括: 炉体，该炉体收纳被熔化材料； 燃烧器，该燃烧器可通过使燃料和主燃烧空气混合燃烧而形成冲击所述被熔化材料的集中火焰，并且可減少所述主燃烧空气的流量而仅使所述燃料的一部分燃烧； 辅助空气喷嘴，该辅助空气喷嘴向所述炉体内供给辅助燃烧空气，该辅助燃烧空气用于使通过所述燃烧器进行燃烧后的燃烧气体中残存的燃料自燃； 控制单元:在所述被熔化材料熔化之前，在所述燃烧器中形成所述集中火焰，直接加热所述被熔化材料；在所述被熔化材料熔化后，通过减少所述燃烧器的所述主燃烧空气的流量，且增加所述辅助空气喷嘴的所述辅助燃烧空气的流量，形成扩散火焰，通过所述扩散火焰的辐射热加热所述被熔化材料。

2.如权利要求1所述的熔化炉，其特征在于，所述被熔化材料熔化后的所述主燃烧空气的流量以空气过剩系数计在0.2以下。

3.如权利要求1或2所述的熔化炉，其特征在于，所述主燃烧空气和所述辅助燃烧空气的总流量相对于所述燃烧器的燃料流量的理论空气量的空气过剩系数在所述被熔化材料熔化后降至低于所述被熔化材料熔化前的程度。

4.如权利要求1或2所述的熔化炉，其特征在于，所述控制单元根据炉内的温度分布来检测所述被熔化材料的熔化状态。

5.如权利要求1或2所述的熔化炉，其特征在于，所述控制単元根据烟道内的废气温度来推測所述被熔化材料的熔化状态。

说明书

熔化炉

技术领域

[0001] 本发明涉及熔化炉。

背景技术

[0002] 从环境保护的角度来看，对于熔化铝或铜等的废料(被熔化材料)的熔化炉也要求废气的低NOx化。例如专利文献I中记载了ー种熔化炉，该熔化炉设有从分离的位置向炉内供给燃料和空气使其缓慢燃烧(扩散燃烧)的燃烧器，从而減少了 NOx。专利文献I中还记载了在熔化炉中使用蓄热式燃烧器(Regenerative Burner)的技术方案,所述蓄热式燃烧器如下所述进行燃烧运转:使具有蓄热体的一对燃烧器交替运转，经由未燃烧的燃烧器排放燃烧废气并利用蓄热体从燃烧废气进行热回收，利用进行了热回收的蓄热体预热燃烧用空气。

[0003] 但是，例如非专利文献I中记载，在熔化炉中，通过使火焰冲击被熔化材料来高效地传递热量，可提高熔化速度。因此，从节能的角度来看，认为对于熔化炉，优选通过将燃料和空气混合供给并使其集中燃烧来形成以高动能冲击被熔化材料的指向性高的集中火焰的燃烧器。

[0004] 此外，如专利文献2中记载，在熔化炉中使用扩散燃烧方式的燃烧器的情况下，也存在如下问题:低温的被熔化材料在运转初期堆积在燃烧器的前方，因此未燃烧的燃料与低温的被熔化材料接触而发生不完全燃烧，产生烟灰。因此，专利文献2中提出了一种熔化炉，该熔化炉设有进行扩散燃烧的主燃烧器和形成冲击被熔化材料的集中火焰的辅助燃烧器。如果像这样设置多个燃烧器，则结构变得复杂，熔化炉的价格升高。

[0005] 专利文献1:日本专利特开平8-94253号公报

[0006] 专利文献2:日本专利特开平11-325734号公报

[0007] 非专利文献1:上妻学而，《使用蓄热式燃烧器的铝熔化炉的节能化的现状》，AL，株式会社轻金属通信AL社，2009年7月号，17-20页

发明内容

[0008] 鉴于上述问题，本发明的课题是提供ー种节能且低NOx的结构简单的熔化炉。

[0009] 为解决上述问题，本发明的熔化炉包括:炉体，该炉体收纳被熔化材料；燃烧器，该燃烧器可通过使燃料和主燃烧空气混合燃烧而形成冲击所述被熔化材料的集中火焰，并且可减少所述主燃烧空气的流量而仅使所述燃料的一部分燃烧；辅助空气喷嘴，该辅助空气喷嘴向所述炉体内供给辅助燃烧空气，该辅助燃烧空气用于使通过所述燃烧器进行燃烧后的燃烧气体中残存的燃料自燃；控制单元，该控制単元在所述被熔化材料熔化后減少所述燃烧器的所述主燃烧空气的流量，且增加所述辅助空气喷嘴的所述辅助燃烧空气的流量。

[0010] 利用该结构，可使燃烧器的集中火焰与被熔化材料直接接触而高效地传递热量，从而促进被熔化材料的熔化，直至被熔化材料熔化为止。此外，被熔化材料熔化后，通过减少主燃烧空气，使集中火焰中只有一部分燃料能燃烧，使燃料气体中残留的燃料在由辅助空气喷嘴供给的空气的作用下在炉内各处分散地扩散燃烧，从而可对被熔化材料熔化而成的熔液的整个表面进行辐射加热，促进熔液温度的升高。此外，通过使燃料扩散燃烧，也可抑制NOx的产生。

[0011] 此外，本发明的熔化炉中，如果使所述被熔化材料熔化后的所述主燃烧空气的流量以空气过剩系数计在0.2以下，则可充分地抑制NOx的产生。

[0012] 此外，本发明的熔化炉中，如果所述主燃烧空气和所述辅助燃烧空气的总流量相对于所述燃烧器的燃料流量的理论空气量的空气过剩系数在所述被熔化材料熔化后降至低于所述被熔化材料熔化前的程度，则可防止运转初期的集中火焰的不完全燃烧，減少用于使熔液升温的扩散燃烧中的NOx。

[0013] 此外，本发明的熔化炉中，未熔化的被熔化材料会遮挡集中火焰，因此火焰的辐射热无法到达其背后部分，温度降低。因此，所述被熔化材料的熔化状态可根据炉内的温度分布来检测。

[0014] 此外，在火焰的状态和火焰的形成位置会发生变化的本发明的熔化炉中，如果在炉内设置温度传感器，则会因火焰的辐射热的影响而导致检出温度的误差増大。因此，可以检测不受到火焰辐射的烟道内的废气的温度，从而作为炉内温度的指标。而且，因为炉内温度随着被熔化材料的熔化的进行而升高，所以可根据烟道内的废气温度来推测被熔化材料的熔化状态。

[0015] 如上所述，利用本发明，通过I个燃烧器，就既可使集中火焰冲击被熔化材料来高效地将其熔化，又可利用扩散火焰来高效地对所有熔液高效地进行辐射加热。藉此，本发明的熔化炉可节省燃料消耗，实现节能化，并且可将废气中的NOx浓度维持在低水平。

附图说明

`[0016] 图1是本发明的实施方式I的熔化炉的结构图。

[0017] 图2是表示图1的熔化炉中的个别空气流量的图。

[0018] 图3是表示图1的熔化炉中的总体空气流量的图。

[0019] 图4是本发明的实施方式2的熔化炉的结构图。

[0020] 图5是表示图4的熔化炉中的空气流量的图。

[0021] 图6是本发明的实施方式3的熔化炉的结构图。

[0022] 符号的说明

[0023] 1、la、Ib…熔化炉

[0024] 2…炉体

[0025] 3…燃烧器

[0026] 4…辅助空气喷嘴

[0027] 5…烟道

[0028] 7…供气扇

[0029] 8…主调整阀

[0030] 9…辅助调整阀

[0031] 10…控制装置[0032] 11…温度传感器

[0033] 12…蓄热体

[0034] 18…温度传感器

具体实施方式

[0035] 下面，參照附图对本发明的实施方式进行说明。首先，图1所示为本发明的实施方式I的熔化炉I的结构。熔化炉I包括:炉体2，该炉体2可如双点划线所示以山状堆积的方式收纳被熔化材料(铝废料)AS，并且可如实线所示贮留由被熔化材料熔化而成的熔液Am ;燃烧器3，该燃烧器3将燃烧(例如LNG)和空气(主燃烧空气)混合并向炉体2内部喷射，使其燃烧而形成集中火焰；辅助空气喷嘴4，该辅助空气喷嘴4可从燃烧器3附近向炉体2内部导入辅助燃烧空气。

[0036] 炉体2内的燃烧气体从烟道5经由同流换热器(recuperator) 6排出。同流换热器6在该废气和供给至辅助空气喷嘴4的辅助燃烧空气之间进行热交換，从而进行热回收。主燃烧空气和辅助燃烧空气 均由供气扇7供给。主燃烧空气的流量通过主调整阀8调节，辅助燃烧空气的流量通过辅助调整阀9调节。主调整阀8和辅助调整阀9的开度通过由计算机构成的控制装置(控制单元)10根据由设于烟道5的温度传感器11检出的废气温度来调节。

[0037] 图2中以相对于供给至燃烧器3的燃料的理论空气量的比值、即空气过剩系数示出了熔化炉I中的主燃烧空气和辅助燃烧空气的流量。熔化炉I中，供给燃烧器3的最大燃烧量的燃料，直至废气温度达到例如1200°C为止，然后通过调节燃料流量而将废气温度维持在1200°C。然后，熔化炉I在将废气温度维持在1200°C的情况下继续进行燃烧运转，直至熔液的温度达到规定温度为止。

[0038] 如图所示，熔化炉I中，不供给辅助燃烧空气，向燃烧器3供给空气过剩系数为1.2的主燃烧空气，使燃烧器3完全燃烧，直至废气温度达到500°C为止。此时，供给的燃料均在集中火焰的内部燃烧。燃烧器3所形成的集中火焰的直进性、即指向性好，冲击山状堆积的被熔化材料As，利用其高动能将热量高效地传递至被熔化材料As。

[0039] 铝的熔化温度为660°C，因此可认为如果废气温度达到500°C，则直接暴露于集中火焰的被熔化材料As达到更高的温度，至少一部分熔化，成为熔液Am。因此，熔化炉I中，如果废气温度达到500°C以上，则可减少燃烧器3的主燃烧空气的流量，并且从辅助空气喷嘴4将辅助燃烧空气供给至炉体2内部。

[0040] 通过减少主燃烧空气的流量，在燃烧器3的集中火焰中，一部分燃料未燃烧而残留，包含未燃烧的燃料的燃烧气体扩散至炉体2内。该燃烧气体具有燃料的着火点以上的温度，因此未燃烧的燃料与由辅助空气喷嘴4供给的辅助燃烧空气中所含的氧相遇就会自燃。即，供给至燃烧器3的燃料的一部分从集中火焰脱离，扩散至炉体2内部并同时燃烧，在各处形成扩散火焰。

[0041] 该扩散火焰也形成在集中火焰无法到达的部分，通过辐射热对固态的被熔化材料As和熔液Am加热。如果被熔化材料As的熔化进行，熔液Am增多，则与利用集中火焰进行局部加热相比，利用扩散火焰进行整体性的辐射加热的方法可更高效地传递热量。因此，熔化炉I中如图2所示，随着废气温度的升高，逐渐減少主燃烧空气的流量，同时逐渐增加辅助燃烧空气的流量。

[0042] 熔化炉I中，如果废气温度达到800°C，则可认为被熔化材料As已大致全部熔化成熔液Am。因此，熔化炉I中，废气温度达到800°C时，将主燃烧空气的空气过剩系数设定为0.1，将辅助燃烧空气的空气过剩系数设定为1.0。这里，如图3所示，将主燃烧空气和辅助燃烧空气的总体空气过剩系数标注为1.1。这是因为在熔化炉I中，由于在高温时使燃料扩散并缓慢燃烧，因此与低温时的形成集中火焰的情况相比，即使以较低的空气过剩系数也能使燃料无残留地燃烧。

[0043] 熔化炉I中，通过如上所述降低空气过剩系数，可抑制NOx的产生。为获得減少NOx的效果，较好是将主燃烧空气的空气过剩系数设为0.2以下。虽然可以进ー步减小主燃烧空气的空气过剩系数，但由于要保持火焰就需要保留集中火焰，因此主燃烧空气的空气过剩系数至少需确保在0.01左右。

[0044] 另外，虽然烟道5中的废气的温度与炉体2内部的燃烧气体的温度大致相同，但如果将温度传感器11设于炉体2内部，则温度传感器11自身被火焰的辐射热直接加热，因而会检出比燃烧气体的温度更高的温度。熔化炉I中，因为火焰的状态和火焰的形成位置会发生变化，所以由火焰的辐射热导致的检测误差不恒定，难以根据经验来校正检出温度。因此，熔化炉I中，将温度传感器11设于不存在火焰的辐射的影响的烟道5。

[0045] 接着，图4所示为本发明的实施方式2的熔化炉Ia的结构。以下说明中，对与上文中说明的实施方式相同的构成要素标以相同的符号，省略重复说明。熔化炉Ia包括2个成对的燃烧器3和包括2个成对的辅助空气喷嘴4。辅助空气喷嘴4分别具有蓄热体12，可经由蓄热体12供给辅助燃烧空气。

[0046] 通过主调整阀8来调节流量的主燃烧空气仅被供给至由主供给阀13选出的ー侧的燃烧器3，只有一个燃烧器3进行燃烧运转。此外，通过辅助调整阀9来调节流量的辅助燃烧空气由辅助空气喷嘴4供给至炉体2内部，该辅助空气喷嘴4是由辅助供给阀14选出的与正在进行燃烧的燃烧器3同侧的辅助空气喷嘴。

[0047] 此外，辅助空气喷嘴4经由排气阀15与包括排气调整阀16和排气扇17的排气流路连接，也可将炉体2内的燃烧气体经由蓄热体12排出。

[0048] S卩，熔化炉Ia中，在进行扩散燃烧时，由辅助空气喷嘴4中的ー个供给辅助燃烧空气，经由另ー个辅助空气喷嘴4排放炉体2内的燃烧气体，通过使它们交替运转，可获得利用蓄热体12从废气进行热回收来预热辅助燃烧空气的所谓蓄热式燃烧器的效果。

[0049] 此外，熔化炉Ia中，为了保持蓄热体12的加热和冷却的平衡，调节排气调整阀16的开度，使得相当于经由燃烧器3向炉体2供给的主燃烧空气的总量和经由辅助空气喷嘴4向炉体2供给的辅助燃烧空气的约20%的量的燃烧气体经由烟道5排出。

[0050]图5所示为本实施方式的熔化炉Ia中的主燃烧空气和辅助燃烧空气的流量。本实施方式中，自烟道5中的废气温度较低时起，将燃烧器3的主燃烧空气的空气过剩系数控制在0.5，由辅助空气喷嘴4导入空气过剩系数为0.7的辅助燃烧空气。此外，本实施方式中，并不是使主燃烧空气和辅助燃烧空气的流量逐渐变化，而是在废气温度达到800°C、认为被熔化材料已全部熔化时将主燃烧空气的空气过剩系数变为0.1，将辅助燃烧空气的空气过剩系数变为1.0，以不连续的方式改变集中燃烧和扩散燃烧的比例。

[0051] 另外，本实施方式的熔化炉Ia中，假定在将已到达规定温度的熔液Am排出后立即供给被熔化材料As，在炉体2达到某个程度的高温的状态下开始进行下一次燃烧运转。但是，停止运转期结束后刚开始运转时等废气温度低于300°C的情况下，也可将主燃烧空气的空气过剩系数设为1.2，不导入辅助燃烧空气，仅通过集中燃烧来开始运转。

[0052] 当然，如图2所示，在具有蓄热体12的本实施方式的装置构成的熔化炉Ia中，也可与废气温度的升高相对应地减少主燃烧空气并增加辅助燃烧空气，从而使集中火焰和扩散火焰的比例连续地变化。

[0053] 另外，图6所示为本发明的实施方式3的熔化炉lb。本实施方式中，在炉体2的顶部沿着燃烧器3的火焰形成方向配置有多个温度传感器18。如上所述，暴露于炉体2内部的各温度传感器18不仅检出炉体2内部的燃烧气体的温度，也检出燃烧器3所形成的火焰的辐射热。

[0054] 如图所示，存在固态的被熔化材料As的情况下，燃烧器3所形成的集中火焰因被熔化材料As而在中途被遮挡。因此，只有设于靠近燃烧运转中的燃烧器3的位置的温度传感器18能检出集中火焰的辐射热，检出比远离燃烧运转中的燃烧器3的ー侧的温度传感器18更高的温度。即，可认为检出温度较高的温度传感器18的正下方的被熔化材料As已熔化。

[0055] 如果被熔化材料As全部熔化成熔液Ani,则集中火焰贯穿炉体2内部，所有温度传感器均大致相同地检出集中火焰的辐射热。因此，熔化炉Ib中，温度传感器18的检出温度之差达到某个规定温度以下吋，判断为被熔化材料As已熔化成熔液Am，从而減少主燃烧空气的流量，增加辅助燃烧空气的流量，减小集中火焰，使残留燃料扩散燃烧。

[0056] 本发明中，除上述实施方式的方法外，例如也可设置用于拍摄炉体2内部的摄像机，通过图像处理来判断被熔化材料As的熔化程度。

[0057] 此外应理解，本发明中的主燃烧空气、辅助燃烧空气等用语是指供给燃烧所需的氧的气体，作为氧供给源的任何气体均被包含在上述用语中。