專利名稱：氧氣燃料燃燒系統(tǒng)及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氧氣燃料燃燒系統(tǒng)。更具體地涉及一種溫室氣的產(chǎn)生量減少并且礦物燃料的消耗量降低的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)。
氧氣燃料燃燒系統(tǒng)是已知的，但是其使用受到很大的限制。氧燃料燃燒系統(tǒng)一般只能用在需要極高火焰溫度的場合。例如，該系統(tǒng)可用于玻璃制造行業(yè)，以達(dá)到所需必要的高溫加熱硅石使其達(dá)到熔化狀態(tài)。然而，眾所周知，結(jié)構(gòu)和材料的限制決定了許多工業(yè)系統(tǒng)所能承受的溫度上限。因此，空氣燃料或空氣燃燒系統(tǒng)就被用于工業(yè)生產(chǎn)的幾乎各種場合，包括加工業(yè)，發(fā)電業(yè)和其他行業(yè)的鍋爐，燃燒爐等類似設(shè)備。
特別是，空氣燃料燃燒系統(tǒng)或電加熱系統(tǒng)可用于整個(gè)煉鋼和鋁制造業(yè)，以及發(fā)電業(yè)等其它依賴碳基燃料的行業(yè)。在空氣燃料系統(tǒng)中，含氮?dú)?9％和含氧氣21％的空氣和燃料一起被投入燃燒爐?？諝馊剂匣旌衔锉稽c(diǎn)燃，產(chǎn)生連續(xù)的火焰?；鹧鎸⒛芰恳詿岬男问綇目諝馊剂匣旌衔镛D(zhuǎn)移到燃燒爐中。
在鋼鐵和鋁制造業(yè)中，空氣燃料燃燒爐和電加熱爐是用來熔化金屬的主要熱源。就空氣燃料燃燒爐來說，人們通常認(rèn)為它是既符合工藝設(shè)備的耐熱要求，又能滿足能量需要的燃燒系統(tǒng)，強(qiáng)制地或大大地支持了此類燃燒系統(tǒng)的應(yīng)用。至于鋁制造業(yè)中的電加熱爐，人們也通常認(rèn)為是能取得制鋁工藝所需溫度的一種理想的熱源。
使用空氣燃料燃燒系統(tǒng)的一個(gè)缺陷是這些系統(tǒng)能產(chǎn)生NOx和其它如二氧化碳，二氧化硫等溫室氣，這是燃燒過程的固有結(jié)果。NOx和其它溫室氣是環(huán)境污染的罪魁禍?zhǔn)?，可?dǎo)致酸雨，且不僅限于此。因此，人們渴望減少NOx和其他溫室氣的排放量，而且由于法規(guī)規(guī)定的限制，通過一些常規(guī)的措施，排放量也確實(shí)被大大地降低了。只是這樣以來，為了限制和/或降低NOx和其它溫室氣的排放水平，空氣燃料燃燒系統(tǒng)中必須加裝各種各樣的相關(guān)設(shè)備。
空氣燃料燃燒爐的另一缺陷是，燃燒過程所產(chǎn)生的大量熱量都被送入燃燒爐的空氣中的氮?dú)馑栈虮挥脕砑訜徇@些氮?dú)?。這些能量必然被浪費(fèi)了，因?yàn)榧訜崃说牡獨(dú)庖话愣紡臒嵩慈缂訜釥t中排出去了。因此，大量的能量費(fèi)用又通過廢氣煙道等而被浪費(fèi)在環(huán)境中。已知的空氣燃料燃燒系統(tǒng)的其它缺陷，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認(rèn)識到。
電加熱爐同樣有其缺陷。例如，該系統(tǒng)固有的缺陷是需要一個(gè)連續(xù)無間斷供電的電源。因?yàn)樾枰罅康碾娨允闺娂訜釥t運(yùn)轉(zhuǎn)，一般需要把這些爐子安裝在發(fā)電廠和/或大型電力傳輸站的附近。此外，電加熱爐需要大量的維護(hù)，以確保其車最佳效率或接近最佳效率的狀態(tài)下操作。而且，電加熱爐的另一個(gè)固有的問題是將燃料轉(zhuǎn)化為電能的效率本來就不高(多數(shù)大型使用蒸汽透平機(jī)的礦物燃料發(fā)電廠的效率在約40％以下，一般的甚至低于約30％)。另外，這些大型礦物燃料電廠制造了極大量的NOx和其它溫室氣。
例如，在鋁加工業(yè)中，尤其在廢鋁回收行業(yè)中，通常的觀點(diǎn)認(rèn)為爐內(nèi)的火焰溫度應(yīng)當(dāng)保持在大約2500°F到3000°F之間，這個(gè)范圍既能提供足夠的能量使廢鋁熔化，又能使約1450°F的融熔態(tài)的金屬保持在適當(dāng)?shù)娜廴跍囟认?。已知加熱爐的設(shè)計(jì)為其火焰溫度一般不超過3000°F，以確保爐子結(jié)構(gòu)的完好。就是說，如果超過這一溫度限制，可能破壞爐子的支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，從而導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。而且，對于常規(guī)的爐子，其煙囪溫度一般為約1600°F。這樣，火焰溫度和排出氣的溫度差只有1400°F左右，這使得燃燒產(chǎn)生的能量的利用率低。
如果爐內(nèi)火焰超過了3000°F，人們確信熱量損失和對設(shè)備的潛在損害已遠(yuǎn)超過使用更高溫火焰所能取得的效益。因此，常規(guī)的考慮是選用火焰溫度上限是約3000°F(根據(jù)化學(xué)計(jì)量式得出)的空氣燃料爐，這樣能保證爐子的完好和降低熱量損失。
因此，需要一種這樣的燃燒系統(tǒng)，它既具有減少環(huán)境污染(減少NOx和其它溫室氣的排放)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能具有高效率的能量利用?？善谕@種燃燒系統(tǒng)能被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)行業(yè)，從發(fā)電工業(yè)到化學(xué)工業(yè)，金屬制造和加工業(yè)等行業(yè)。這種燃燒系統(tǒng)可以應(yīng)用于金屬如鋁的加工行業(yè)，它既能提供高能效又能減少環(huán)境污染。因此，特別是在廢鋁加工業(yè)，也還需要一套加工設(shè)備(專門的燃燒爐)，其設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)可以耐受與這種高效燃燒系統(tǒng)相聯(lián)系的升高了的火焰溫度，并且可以提高能效和減少污染物的生產(chǎn)量。
將氧氣和碳基燃料按照氧氣或碳基燃料的量不超過化學(xué)計(jì)量比例5％的比例投入爐內(nèi)。碳基燃料燃燒產(chǎn)生超過4500°F左右的火焰溫度，而從爐內(nèi)排出的廢氣的溫度不超過約1100°F。
優(yōu)選地，該燃燒系統(tǒng)含有控制系統(tǒng)，用以控制氧氣和碳基燃料的供給量。在該控制系統(tǒng)中，燃料的投入量隨氧氣投入量的變化而變化。而氧氣和燃料的投入量由預(yù)定的熔融鋁的溫度決定。在此系統(tǒng)中，由傳感器測定熔融鋁的溫度。
碳基燃料可以是任何類型的燃料。在一實(shí)施方案中該燃料為氣體，如天然氣，甲烷等?；蛘呷剂鲜枪腆w燃料，如煤或煤屑。也可以是液體燃料，如燃料油，包括廢油。
作為應(yīng)用的例子，該燃料系統(tǒng)可用于廢鋁回收系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)廢鋁的回收。該系統(tǒng)包括裝載預(yù)定溫度的熔融鋁的爐子和至少一個(gè)燃燒器?；厥障到y(tǒng)包括氧氣供給系統(tǒng)，通過燃燒系統(tǒng)向爐內(nèi)提供氧氣。為取得最大的效率，所供給的氧的純度應(yīng)不低于約85％。
碳基燃料供給系統(tǒng)提供碳基燃料。按照氧氣或碳基燃料量不超過化學(xué)計(jì)量比例5％的比例，將氧氣和碳基燃料投入爐內(nèi)，碳基燃料燃燒產(chǎn)生溫度超過約4500°F的火焰，而爐內(nèi)排出的廢氣流的溫度不高于約1100°F。
在該回收系統(tǒng)中，氧氣和燃料燃燒產(chǎn)生熱量，用以從廢鋁中回收鋁，比例為每收回一磅鋁大約需要約1083BTU熱量。燃料可為氣體如天然氣，也可為固體或液體燃料。
在此回收系統(tǒng)中，從爐內(nèi)釋放出的熱可被一個(gè)廢熱回收系統(tǒng)回收，回收熱可轉(zhuǎn)化成電能。
在最優(yōu)選的系統(tǒng)中，燃燒系統(tǒng)應(yīng)包括一個(gè)供氧系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)把空氣分離成氧氣和氮?dú)?。例如深冷分離系統(tǒng)就是這樣一個(gè)系統(tǒng)。其它分離系統(tǒng)還有膜分離系統(tǒng)等。氧氣還可以由水分解成氧氣和氫氣而得。在這樣的系統(tǒng)中，氧氣可以被貯藏以備用。另外還有一些已知的氧氣發(fā)生/分離系統(tǒng)。
氧氣燃料燃燒系統(tǒng)一般來說可和任何具有可控環(huán)境的燃燒爐配套使用。就是說使用與外部環(huán)境基本上無泄露的任何燃燒爐。這樣的燃燒系統(tǒng)具有供給既定純度氧氣的供氧系統(tǒng)和供給碳基燃料的供燃料系統(tǒng)。
按照氧氣和碳基燃料不超過化學(xué)計(jì)量比例的5％的比例將氧氣和燃料投入爐內(nèi)。從這種燃燒爐排出的廢氣流里，基本不含有因?yàn)楹紵a(chǎn)生的氣體化合物。也就是說，由于無氮?dú)夂腿剂弦黄鹜ㄈ霠t內(nèi)，除非燃料中含有氮，廢氣中基本沒有含氮燃燒物(NOx)，而其他溫室氣的含量也大大降低。
這種燃燒系統(tǒng)可使用各種碳基燃料，包括氣體燃料，例如天然氣和甲烷；固體燃料，例如煤或煤屑；或任何液體燃料如石油，包括廢油和精制油。在這種燃燒系統(tǒng)中，任何含氮燃燒產(chǎn)生的氣體化合物的產(chǎn)生都是因?yàn)槿剂现泻械?br> 由廢鋁回收鋁的方法包括把廢鋁送入熔化爐內(nèi)，氧氣和碳基燃料也在爐內(nèi)燃燒。在燃燒過程中，按照氧氣或碳基燃料不超過化學(xué)計(jì)量比例的5％的比例將氧氣和碳基燃料投入燃燒爐，燃燒的火焰溫度超過約4500°F，而從爐里排出的廢氣流的溫度不超過約1100°F。
鋁在爐內(nèi)熔化，含鋁污物被從爐內(nèi)除去，基本純凈的熔融鋁被卸出爐外。該方法還可以包括將鋁從含污染物鋁即浮渣中回收，并且把回收的鋁又送入熔化爐的步驟。
這種方法還可以包括回收從爐中排出的廢熱，這些回收的廢熱可被轉(zhuǎn)化成電能。
從廢鋁中回收鋁的燃燒爐含有用來盛裝既定溫度的熔融鋁的熔化池和至少一個(gè)燃燒器。供氧系統(tǒng)供給純度不低于85％的氧氣，以及燃料供給系統(tǒng)供給碳基燃料如天然氣，煤和石油等。
按照氧和碳基燃料不超過化學(xué)計(jì)量比5％的比例將它們投入爐內(nèi)。燃料燃燒產(chǎn)生的火焰的溫度在4500°F以上，而廢氣流的溫度不高于約1100°F。
在一實(shí)施方案中，爐體可由鋼板、鋼柱和耐火材料制成。爐壁構(gòu)造成鋼柱和鋼板的外殼，并至少有一層耐壓絕熱材料，至少一層耐火磚和至少一層可鑄耐火材料。爐底面構(gòu)造成鋼柱和鋼板的外殼，并有至少兩層耐火材料和至少一層可鑄耐火材料。
將鋁從廢渣中分離的無鹽回收法已經(jīng)公開，它包括將含鋁廢渣投入爐內(nèi)的步驟。爐子的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)可產(chǎn)生大約5000°F的火焰，氧基本不過量。含鋁廢渣在爐內(nèi)融化。
熔化的含鋁廢渣的上面部分可被撇去，得到較重的含鋁廢渣產(chǎn)品，可用機(jī)械壓榨法將其中的鋁壓榨出來，并得到富集的重含鋁廢渣產(chǎn)物。該方法可以包括再將上述廢渣產(chǎn)品重新投入熔化爐中。加入爐內(nèi)的含鋁廢渣在爐內(nèi)受到近乎于直接火焰的沖擊，從廢渣釋放出氧化物。
通過下面的詳細(xì)描述和所附的權(quán)利要求書，本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)勢將更加明晰。
附圖的幾個(gè)視圖的簡要說明根據(jù)下面的詳細(xì)說明和附圖，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以更加清楚地理解本發(fā)明的特點(diǎn)和好處。


圖1是一例示的廢鋁回收工藝的總流程示意圖，其中包括具有氧氣燃料燃燒系統(tǒng)的熔化爐。在這樣的燃燒系統(tǒng)中，溫室氣體的產(chǎn)生量和燃料的消耗量都降低，體現(xiàn)了本發(fā)明的實(shí)質(zhì)。
圖2是圖1的廢渣處理過程總流程示意圖的后續(xù)操作部分，具有體現(xiàn)本發(fā)明實(shí)質(zhì)的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)的回收爐。
圖3是例示的用于氧氣燃料燃燒系統(tǒng)的天然氣供給系統(tǒng)和氧氣供給系統(tǒng)流程圖。
圖4是整個(gè)裝置示意圖，顯示了從深冷裝置流向燃燒爐的氧氣供給系統(tǒng)，還進(jìn)一步說明了例示的廢熱回收裝置。
圖5是根據(jù)本發(fā)明原理，應(yīng)用了氧氣燃料燃燒系統(tǒng)的鋁熔化爐的示意圖。
圖6是圖5中熔化爐的側(cè)視圖。
圖7是圖6中熔化爐的前視圖。
圖8和圖9分別是熔化爐的側(cè)墻和底部局部剖面圖。
圖10是使用氧氣燃料燃燒系統(tǒng)的燃燒器裝配圖。
圖11是用于本發(fā)明的氧燃料燃燒系統(tǒng)的例示的控制系統(tǒng)示意圖。
圖12是例示的動力鍋爐或燃燒爐前墻的示意圖，顯示了燃燒器和空氣送入系統(tǒng)的排布，并顯示了與體現(xiàn)本發(fā)明實(shí)質(zhì)的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)的結(jié)合。
圖13是廢物焚化爐的示意圖，顯示了其與體現(xiàn)本發(fā)明實(shí)質(zhì)的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)的結(jié)合。
本發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明有各種的具體實(shí)施方式
，附圖所示的和后面詳細(xì)描述的優(yōu)選實(shí)施方式應(yīng)理解為只是本發(fā)明公開的示例，而不是將本發(fā)明限于所示的具體實(shí)施例之內(nèi)。更進(jìn)一步的理解是，本說明書此部分標(biāo)題，即“發(fā)明的詳細(xì)描述”，與美國專利局所要求的條件有關(guān)，而不是在暗示，也不應(yīng)推定是在限制所公開的本發(fā)明主題。
氧氣燃料燃燒系統(tǒng)使用基本上純的氧氣，和燃料一起，通過火焰的產(chǎn)生(即燃燒)，以一種有效的、環(huán)境上不可逆的方式產(chǎn)生熱量。作為氧化劑的氧氣，濃度應(yīng)在約85％-約99％之間，當(dāng)然，優(yōu)選氧氣的濃度(即供給氧氣的純度)盡可能的高。在這樣的系統(tǒng)中，高純度氧氣和燃料一起按化學(xué)計(jì)量的比例被送入燃燒爐中的燃燒器。氧氣和燃料被點(diǎn)燃，釋放出儲藏在燃料中的能量。為本發(fā)明公開之目的，所述燃燒爐可被廣義理解為包括所有工業(yè)或商業(yè)的燃燒礦物質(zhì)(碳基燃料)燃料的熱量發(fā)生器。在一個(gè)優(yōu)選系統(tǒng)中，氧氣的濃度或純度根據(jù)實(shí)際情況盡可能地高，以降低溫室氣的產(chǎn)生。
可以期望的是，基本上任何燃料都可使用。例如，下文將要詳細(xì)描述的應(yīng)用中，氧氣是和天然氣一起被送入爐內(nèi)燃燒的。別的可用燃料包括石油，如精制油和廢油，木材，煤，煤屑，廢棄物(垃圾廢物)等等。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道可用于本氧氣燃料燃燒系統(tǒng)的多種燃料源。
本系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)有兩個(gè)主要不同點(diǎn)。首先，常規(guī)燃燒系統(tǒng)使用空氣(作為氧化劑以提供氧)，而不是用基本上純的氧氣來發(fā)生燃燒?？諝庵械难鯕獬煞?含量為21％)被用于燃燒，而其他成分(主要是氮?dú)?在爐內(nèi)被加熱并被排出爐外。其次，在本發(fā)明的系統(tǒng)中，使用的氧氣是按和燃料的化學(xué)計(jì)量比例進(jìn)行配比的，也就是說，只要按照比例投入足夠的氧氣就可保證充分燃燒，而無過量的氧氣投入系統(tǒng)。
使用本系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)和好處。已發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生同樣量的電或熱的燃料消耗量減少了，在某些應(yīng)用中減少可高達(dá)70％，這一點(diǎn)在下文將要描述。重要的是，該系統(tǒng)使燃燒產(chǎn)生的污染物量極大的降低。而在某些應(yīng)用中，NOx的排放量可基本上降到零，而且與常規(guī)空氣燃料燃燒系統(tǒng)相比，其他溫室氣的排放量的減少也可高達(dá)約70％。廢鋁回收工藝實(shí)例在一個(gè)具體應(yīng)用中，氧氣燃料燃燒系統(tǒng)(也稱氧燃料系統(tǒng))可被用于廢鋁回收裝置10。一個(gè)示例的裝置的流程見圖1-2。廢鋁(通常標(biāo)示為12)被送入熔化爐14，并被液化。裝置10可有與14并聯(lián)的多個(gè)爐子，其中一個(gè)已被畫出。液態(tài)或熔融態(tài)鋁被從熔化爐14中抽出，并被送入較小的儲料爐或儲料室16中儲存，儲料爐16也是一個(gè)氧氣燃料燃燒爐。如有必要，融化態(tài)的鋁被從熔化爐14中抽出到儲料爐16中，在儲料爐16中保持一定高度的液位。這可使得從熔化爐14中的抽出持續(xù)進(jìn)行或按要求“間歇”抽出。
在儲料爐16中，如18和20所示的氯氣和氮?dú)?為氣體)分別被送入儲料爐16，有利于吸收熔融態(tài)鋁中的雜質(zhì)。氯氣和氮?dú)獾墓δ苁亲鳛闅鈶B(tài)融合劑，吸收鋁中的雜質(zhì)。為提高油性和污廢鋁的潔凈度，這一步也可在熔化爐14中進(jìn)行。其他可考慮的融合劑包括是氣態(tài)的氬的六氟化物。儲料爐16應(yīng)予加熱，使其溫度保持在鋁的融化溫度約1300°F。儲料爐16中的空氣溫度應(yīng)稍高些。
然后將熔融的鋁過濾。目前使用的是一個(gè)袋狀的微粒過濾器22。當(dāng)然，其他類型的過濾器是已知的并可使用。將過濾后的熔融態(tài)的鋁送入脫氣爐24。
在脫氣爐24內(nèi)，將融合劑如惰性氣體(使用的是氮?dú)?，?6所標(biāo)示)通入熔融鋁中。攪動熔融鋁，可使用如28所示的機(jī)械攪拌器攪動，融合劑26在熔融鋁中鼓泡，將雜質(zhì)(如氧化物)帶離鋁。
然后將熔融鋁通入串聯(lián)的鑄型機(jī)30中。在鑄型機(jī)30中，鋁被澆鑄成連續(xù)的板，其厚度可為0.1---0.75英寸或更厚。然后鋁可被繞成如32所示的盤卷，以供使用或作進(jìn)一步加工之用。在本方法中，上述鋁產(chǎn)品從鑄型機(jī)30中行進(jìn)通過一對熱軋機(jī)34，在熱軋機(jī)34中，板狀鋁被軋成最終厚度或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，目前約為0.082英寸(約82密耳)，然后被盤繞成盤卷32。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解并懂得對金屬進(jìn)行各種加工和成型的工藝。所有這些加工和成型工藝都在本發(fā)明的范圍和實(shí)質(zhì)內(nèi)容之內(nèi)。
回到上述的熔化爐14，它是一個(gè)氧氣燃料燃燒爐。碳基燃料如天然氣和氧氣按化學(xué)計(jì)量比例投入爐中。這不同于使用空氣和燃料混合物的已知的燃燒爐，燃料/空氣混合物將氧氣和氮?dú)舛紟нM(jìn)爐內(nèi)，支持燃燒。這導(dǎo)致產(chǎn)生了不想要的NOx廢氣。而且氮?dú)鈴娜廴阡X中吸收能量，因此降低了該工藝的整體效率。也就是說，由于氮?dú)庠诳諝庵兴嫉谋壤艽螅罅康臒岜挥脕砑訜岬獨(dú)舛皇卿X。
在熔化和儲料爐14，16中，氧氣/天然氣比約為2.36∶1。這一比例隨所供氧氣純度和燃料的性質(zhì)而變化。例如，在100％純氧的理想條件下，理論上這一比例計(jì)算為2.056∶1。但是，所供氧氣中可能含有至多15％的非氧氣成分，而且天然氣的純度也不總是100％純度。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員知道并理解這一比例可能會有輕微的變化，但以燃料和氧氣化學(xué)計(jì)量作為計(jì)算的基礎(chǔ)總是正確的。
氧氣、燃料的這一比例有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，化學(xué)計(jì)量比使燃料完全燃燒，這樣可減少一氧化碳、NOx和其他有害氣體的產(chǎn)生(一般是其他溫室氣)。而且，嚴(yán)格控制氧氣的比例也可減少熔融鋁中氧化物的量。這樣反過來又可得到更高質(zhì)量的最終鋁產(chǎn)品，減少了許多為除掉這些不想要的氧化物污染物而進(jìn)行的處理。
重要的是，要注意精確控制氧氣與燃料之比，保證燃料的充分燃燒。這一點(diǎn)與比如使用礦物燃料的電廠(如公用發(fā)電廠)形成鮮明的對比，后者往往會發(fā)生LOI(點(diǎn)火損失)。事實(shí)上，LOI就意味著燃料的不完全燃燒。而本方法中，基本上純的氧氣按嚴(yán)格控制的與燃料的化學(xué)計(jì)量比投入，盡可能地減少了和消除了這些損失。而且，本方法中，理論上，NOx只可能由燃料中的氮生成，而不可能由于使用了空氣而生成。因此，如果NOx的產(chǎn)生不能完全消除，相對于常規(guī)燃燒系統(tǒng)，也減少到了微不足道的水平。
鋁中的氧化物有兩個(gè)主要來源。首先來自于燃燒過程；其次鋁中本來就有氧化物。尤其對于鋁含量低的廢鋁或主要金屬更是如此。本方法考慮了氧化物的這兩個(gè)來源，并減少或消除其對最終鋁產(chǎn)品的影響。首先，本方法減少由于加入氧氣使燃料燃燒而產(chǎn)生的氧化物。這是通過嚴(yán)格按照計(jì)量比控制氧的供給量以使燃料完全燃燒而實(shí)現(xiàn)的。
本方法也考慮了氧化物的第二個(gè)來源(存在于鋁中的氧化物)，通過脫氣和過濾工藝可除去這些氧化物。這樣做的好處是雙重的。首先以浮渣D形成的副產(chǎn)物會減少，其次是大大提高了最終鋁產(chǎn)品的質(zhì)量。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用燃料/氧氣混合物(再次強(qiáng)調(diào)，不是燃料/空氣混合物)，可在熔化爐中產(chǎn)生更高溫度的火焰。使用氧氣燃料混合物可使?fàn)t內(nèi)火焰溫度達(dá)到5000°F。這要高出其他已知熔化爐內(nèi)的火焰溫度大約1500°F到2000°F。還發(fā)現(xiàn)，使用氧氣燃料混合物，伴隨更高的火焰溫度，可使整個(gè)過程的效率有很大提高。在一種效率測定中，可測量生產(chǎn)一磅鋁所消耗的能量(BTU)。在已有的工藝中，所需能量約是3620BTU/1b加工的產(chǎn)品。在本方法和設(shè)備中，能量需求減少，約為1083BTU/1b加工的產(chǎn)品。也應(yīng)注意，盡管本方法中上述討論的“燃料”都是指天然氣，但是任何有機(jī)質(zhì)燃料，例如石油(包括廢油)，煤，煤屑等也都可使用。
為理解本方法的熱力學(xué)之目的，熔化一磅鋁所需的理論熱量是504BTUs。但是在具體的過程中效率降低是不可避免的，因此對于空氣燃料燃燒系統(tǒng)，這一實(shí)際熱量值為3620BTU/1b。低效率包括如實(shí)際加工處理時(shí)間少于“點(diǎn)燃”爐子的實(shí)際時(shí)間，以及其它下游工藝改變?nèi)玷T造機(jī)寬度增大或減小。另外，其他“損失”如煙道(熱)損失，爐壁的熱損失，都能增大這個(gè)能量差。
而且，即便考慮了這些損失，1083BTU/1b數(shù)值也是一個(gè)平均能量需要量。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果在較高效率下運(yùn)行，即對鋁進(jìn)行幾乎是連續(xù)的處理，而不是使熔化爐空燒，“平均”能耗可降至大約750BTU/1b到900BTU/1b。熔化爐本發(fā)明的熔化爐14主要是由鋼材和耐火材料制成。參看圖5-9，爐殼的外側(cè)尺寸為寬約20英尺，長約40英尺，高約12英尺。鋼殼結(jié)構(gòu)42由鋼板和鋼柱制成。除了指明的以外，爐殼42結(jié)構(gòu)中的鋼板和鋼柱分別與44和46中的是相同的。底層48是由一英寸厚的鋼板44焊接而成。為了保護(hù)爐殼42的完整性，每一個(gè)焊縫都在鋼柱46上。
為支撐爐的底層48，要外加鋼柱46。鋼柱46在中心每隔18英寸提供一個(gè)8英寸寬的法蘭支撐。所有鋼柱46(除了完全對口焊接的連接柱)都要焊接在底部鋼板50上。這樣就可以承受加熱時(shí)由于熱膨脹而使鋼材“增大”。
鋼柱46可為爐子底板52提供支撐和剛性。鋼柱46使?fàn)t子14保持剛性，以防在安裝耐火材料和長期使用時(shí)發(fā)生屈曲。鋼柱46也提供支撐，使得爐子14工作時(shí)對耐火材料的機(jī)械載荷能降至最小。鋼柱46還能提高爐底52從爐14的安裝位置，這可使聚集在爐14下的熱得以釋放。
爐的側(cè)墻54同樣是鋼板和鋼柱結(jié)構(gòu)，兩墻區(qū)分位于金屬線上和金屬線下。做這種劃分是出于強(qiáng)度和熱值的考慮。
金屬線下的部分，鋼板厚度為3/4英寸厚，線上部分鋼板厚度為5/8英寸。在本爐子上，根據(jù)設(shè)計(jì)，金屬線下的高度是8英尺，金屬線上的高度是4英尺。
鋼柱46被用來為爐的側(cè)墻54提供支撐。鋼柱46在18英寸中心線上沿爐14垂直固定。水平鋼柱46固定在金屬線下18英寸中心處和金屬線上24英寸中心處。盡管爐14的金屬線有各種變化，出于設(shè)計(jì)考慮，上述尺寸代表熔化爐14正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)金屬處于最高液位時(shí)的情況。還可考慮其它因素，例如，假定金屬線在爐14的最大填充線上9英寸。
熔化爐14的頂部56為懸掛式耐熱設(shè)計(jì)。鋼柱46位于沿爐14寬度于18英寸中心處。外加鋼柱46與橫跨爐寬的鋼柱相焊接。外加鋼柱沿爐14的長度方向排列。固定夾安裝在這些鋼柱上。預(yù)鑄耐火材料也由這些鋼柱固定。
爐子14在爐側(cè)墻54上有兩個(gè)主要的門58。門58用來在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)撇去浮渣或清理主爐加熱室或浴區(qū)60，并用于主爐室60的裝載。浮渣D(存在于熔融鋁的表層的渣滓)經(jīng)常沉積在爐子中，為保持傳熱率，一天至少得清理一次。浮渣D通過打開門58撇去熔融金屬池表面物而除去。
盡管在通常的運(yùn)轉(zhuǎn)中，金屬或廢渣都先放置在裝載井42中，然后被熔化并被轉(zhuǎn)移到爐加熱室60中，但對于有些廢渣，如爐底結(jié)塊和鑄塊，最好直接將其送往主加熱室60。門58可打開用于向加熱室60轉(zhuǎn)運(yùn)這些廢渣。
門60屬于鋼加耐火結(jié)構(gòu)。門60懸掛于一個(gè)機(jī)械滑輪系統(tǒng)上(未畫出)，用安全鏈阻止門60掉落地面，以防滑輪系統(tǒng)萬一出現(xiàn)故障。電動鉸鏈用于操縱該門。門60應(yīng)懸離由爐14的側(cè)墻54支撐的通用交叉構(gòu)件。
主裝載井62位于爐14前部64處。井62與爐主加熱室60隔開，并被分成兩個(gè)區(qū)域裝載區(qū)66和循環(huán)泵區(qū)68。循環(huán)泵70使金屬從主加熱室60中的熱熔融鋁池循環(huán)到廢渣裝載區(qū)62。
在60，66和68室之間有三個(gè)開孔，如72、74和76所示。第一個(gè)開孔72在主加熱室60和泵井68之間的隔板上。第二個(gè)開孔74在泵井68和廢鋁裝載區(qū)66之間的隔板上。第三個(gè)開孔76在裝載井66和主加熱室60之間的隔板上。
三個(gè)開孔72、74、76都在爐14物理或?qū)嶋H金屬線下約一英尺的地方。開孔72、74、76在金屬線以下是為了保持加熱室60中的熱量不散失，同時(shí)防止氧化物在爐14的分離區(qū)之間流動，并可保持整個(gè)爐子的氣密性(即維持熔化爐14內(nèi)為可控的環(huán)境)。泵70的位置稍高，以防大量加熱爐的廢物，石塊和浮渣積聚在泵70內(nèi)或其周圍。
廢氣處理罩78安裝在裝載室66的上方。罩78為剛制，并固定在鋼柱46上，類似于側(cè)壁54的結(jié)構(gòu)。鋼柱46固定在覆蓋于裝載井側(cè)壁的鋼板上，基本上覆蓋住它。罩78通過煙道80開孔于主加熱室60(見圖4)。煙道80將熔化爐14中的廢氣排出，并能關(guān)閉，以使?fàn)t14內(nèi)壓力得以保持。
廢氣排出熔化爐14，并流向袋形室82(見圖4)。袋形室82主要用來收集來源于涂料，油，溶劑等存在于廢鋁工藝中的未燃燒的碳。
熔化爐14具有四個(gè)氧氣燃料燃燒器84，氧氣燃料燃燒器84安裝在爐14的側(cè)壁54上，和門58相對。鋼結(jié)構(gòu)環(huán)繞燃燒器84將其固定，并保持周圍的壁的剛性。
爐14中充填耐火材料。底部48有兩種不同的耐火材料。第一種材料86是澆鑄鐵板，約6英寸厚，具有高強(qiáng)度，是可鑄型耐火材料，例如AP Green KS-4，其形成次爐底。底層材料88以整塊的厚約13-14英寸的方式澆鑄在次爐底86上。底層材料88是AP Green 70AR耐火材料，是含70％的氧化鋁的耐鋁的可鑄性耐火材料。
墻54，64，和65都有兩層絕熱層90，然后是70AR可澆鑄的或整塊的結(jié)合了85％氧化鋁的磷酸鹽(MONOP85)的緊密彈性耐火材料92，該材料的氧化鋁含量為85％。背襯絕熱層90為絕緣板，在爐的側(cè)墻54處為約2英寸厚，爐的前墻和尾墻64，65處為3英寸厚。絕熱層90的厚度不同是為適應(yīng)熔化爐14的熱膨脹。爐墻54，64和65每一直線英尺要增長1/8。這樣，爐14總共要增長約5英寸(按40英寸計(jì))。由于背襯絕熱層90有6英寸的厚度(前墻和尾墻各3英寸)，這樣絕熱層90會被壓緊，可以使?fàn)t墻54，64，65的增長不會破壞爐殼42。
絕熱磚94安裝在可壓緊的絕熱板90和鑄型耐火材料92之間。頂56為含氧化鋁70％的可鑄耐火材料。該材料被澆鑄進(jìn)頂棚的六個(gè)區(qū)。門58的每個(gè)門框?yàn)楹趸X70％的AR耐火材料。
爐14有兩套排放口(圖上未顯示)。一套安裝爐子底部52上，作為排出口。另一套安裝在距爐底16英寸的地方，作為輸送口。為了方便更換，輸送口安裝在爐子外側(cè)。爐內(nèi)做好后再在外面安裝輸送口，并用彈性塞子將其塞住。
爐里有兩個(gè)斜道(圖上未畫出)。在各個(gè)主裝載門58旁邊，斜道用以從熔融金屬中去除渣或撇去浮渣，并可使廢鋁滑入爐內(nèi)。斜道由兩種材料組成，基材主要是低等級的耐鋁磚，構(gòu)成斜道。磚上覆蓋可鑄型耐火材料(約18英寸厚)，例如70AR材料。斜道由底梁邊緣延伸到爐內(nèi)。
將主爐室60與裝載井62分隔開的墻96厚約22英寸，為70AR耐火材料。墻96為澆鑄而成的整體結(jié)構(gòu)。
從空載到裝載并保持熔融鋁，爐14有多種運(yùn)行方式。當(dāng)爐14處于極限工作狀態(tài)時(shí)，爐子大約裝填80％到90％。熔融鋁的溫度約為1400°F，爐內(nèi)氣體的溫度約為1800°F，煙道(廢氣)的溫度約為1000°F，氣體溫度由安裝在爐14的上部側(cè)墻54的熱電偶98測定。金屬的溫度在循環(huán)泵基處測定。
廢鋁以大約一次3000磅的流量進(jìn)入爐內(nèi)裝載井62里?？梢岳斫獾氖牵M(jìn)入爐內(nèi)的廢鋁的尺寸和重量應(yīng)隨著爐子14的尺寸大小和容量的變化而變化。
循環(huán)泵70將主室60中的熔融金屬送入冷金屬裝載室。通過傳導(dǎo)，熔融金屬將熱傳遞給冷金屬裝載室。裝載室內(nèi)的金屬迅速被加熱并熔化。
熱向裝載鋁轉(zhuǎn)移的主要方式是傳導(dǎo)。盛滿熔融鋁的爐子是一個(gè)大熱量槽，增強(qiáng)了熱傳導(dǎo)效率。當(dāng)爐子有80％到90％容量的時(shí)候，有約220,000磅溫度為1400°F的熔融鋁。當(dāng)廢鋁進(jìn)入爐14后，池子就成為了一個(gè)熱量槽，并向進(jìn)入的鋁傳遞所需的熱量。適應(yīng)于本氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，不管爐子的大小和規(guī)模，這一點(diǎn)總是一致的。循環(huán)泵70通過把熔融鋁從主爐室60運(yùn)送到裝載室62，有助于廢鋁的熔化。此外，通過運(yùn)送熔融鋁，整個(gè)爐子14中的熱分層現(xiàn)象不大。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過泵送或運(yùn)送熔融鋁，爐14的頂部和底部(其高度差為42英寸)溫度差只有幾華氏度，因此燃燒爐14可被作為一個(gè)穩(wěn)定的熱量槽，為向裝載金屬傳導(dǎo)熱連續(xù)提供一個(gè)持續(xù)的熱源。
熱量由燃燒器84輸入爐14?？梢韵嘈?，向爐14傳送熱量的主要方式為輻射，伴隨一些對流。因?yàn)橛泻芨叩幕鹧鏈囟?，氧氣燃料燃燒系統(tǒng)可以供給高效的輻射熱傳送。為提高熱傳遞效率，爐子14的幾何尺寸也作進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，使從火焰到金屬發(fā)生熱傳遞的金屬表面積最大化。
此外，金屬線以上的耐火材料中的氧化鋁含量很高。這種材料可把熱從燃燒器反射回熔融鋁。與此相對照，常規(guī)爐子的設(shè)計(jì)不是把熱量反射回熔融金屬池，而是把熱量由爐散失掉了。
例如，傳統(tǒng)爐子在其側(cè)墻上部使用氧化鋁含量低，絕熱率高的耐火材料。與此相反，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用氧化鋁含量高的耐火材料，以便將更多的輻射熱從燃燒器84反射回池區(qū)60。這與常規(guī)爐子也是不一樣的。傳統(tǒng)爐子中較低的側(cè)墻(定義為金屬線以下)使用較高氧化鋁含量的耐火材料，以增加強(qiáng)度。與此相反，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用氧化鋁含量低的可鑄型耐火材料，其性能先進(jìn)，并且有更高的絕熱率。從某種意義上說，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與耐火材料傳統(tǒng)的應(yīng)用方式完全相反。
而且，由于沒有氮?dú)馑腿霠t14內(nèi)(不是指燃料中所含的氮)，通過爐子14的熱氣量(如廢氣)非常少。有利的是，這增加了氣體在爐內(nèi)停留的時(shí)間，為把熱傳送給熔融金屬提供了更多的可能。對流傳熱盡管相對要少，但也較常規(guī)爐子更高效。因?yàn)闊釟庠跔t14中溫度接近5000°F并有相對長的停留時(shí)間，所以在排廢氣之前，大量的熱都傳遞出去了。
爐14向每磅鋁提供1083BTU熱量以使其熔化。向爐子14輸入的最大熱量是每小時(shí)大約4千萬BTU(40MMBTU)，而常規(guī)爐子的熱量輸入約為10-20MMBTU每小時(shí)。當(dāng)然，輸入多少熱量，要由將要熔化的廢料的量和要求的生產(chǎn)量來決定。本爐每小時(shí)可熔化40，000磅廢料。燃燒系統(tǒng)燃燒系統(tǒng)見圖3，如100所示，是一個(gè)二元燃燒組，依靠燃料如天然氣、燃料油、廢油、煤(粉狀煤、渣煤和液化煤)和氧氣源工作。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)成兩個(gè)完整的燃燒系統(tǒng)，以方便維護(hù)，以及在使用率低時(shí)能保存能量。圖3顯示了一個(gè)供氧系統(tǒng)102和一個(gè)例示的天然氣燃料供給系統(tǒng)104。
燃燒系統(tǒng)100由一個(gè)控制系統(tǒng)所控制(見圖11，如120所示)，控制系統(tǒng)包括一個(gè)中央處理單元(CPU)106，處理所有輸入數(shù)據(jù)，包括金屬溫度、氣體溫度、燃料和氧氣流量等，并提供一個(gè)操作界面。每個(gè)燃燒系統(tǒng)可單獨(dú)運(yùn)行，也可根據(jù)運(yùn)行條件和需要，將兩個(gè)系統(tǒng)協(xié)作運(yùn)行。
用來控制燃燒系統(tǒng)100的主要過程輸入?yún)?shù)是金屬浴溫度，由熱電偶108測定。可選擇的過程輸入?yún)?shù)包括來自幾個(gè)氣體溫度傳感器98，110之一的信號?？刂苾?nèi)容包括從安裝在爐墻上部、煙囪和爐頂?shù)臒犭娕?K型)輸入的信號，如112所示。主熱電偶108安裝于融熔金屬浴60中。氣溫?zé)犭娕?12外面為氧化鋁或類似材料所覆蓋，以保護(hù)測量器件與大氣隔離。熔融金屬浴熱電偶108由陶瓷覆蓋物所保護(hù)，免受熔融金屬的損害，該陶瓷覆蓋物可以耐受熔融金屬中高溫和腐蝕的環(huán)境。只有當(dāng)金屬浴溫度降至預(yù)設(shè)溫度以下時(shí)，熱電偶108才開始測定燃燒系統(tǒng)的溫度。
煙道熱電偶或爐頂熱電偶116也有超溫保護(hù)設(shè)計(jì)。熱電偶116與一個(gè)超溫電路相聯(lián)接，當(dāng)達(dá)到一定溫度極限，此電路可關(guān)閉燃燒系統(tǒng)102、104以保護(hù)耐火材料和爐14。
安裝于墻體上部的熱電偶98主要用于監(jiān)測爐14中的氣體溫度。當(dāng)缺少熔融浴熱電偶108時(shí)，該熱電偶也可用來監(jiān)控爐14的運(yùn)行。當(dāng)金屬首先被投入爐14內(nèi)或融熔金屬的液面在熔融浴熱電偶108之下時(shí)，上部墻體上的熱電偶112的信號也被用作工藝輸入?yún)?shù)。
操作人員完全控制各個(gè)溫度的預(yù)定值?？刂瓢?18包括熱電偶92、108、110、112、114、116的溫度顯示器。操作人員可調(diào)節(jié)每個(gè)熱電偶的預(yù)定值直至達(dá)到操作極限。操作預(yù)定值的極限可在CPU內(nèi)設(shè)置，以便獲得任意范圍內(nèi)的溫度。
燃燒系統(tǒng)的控制系統(tǒng)120分為兩部分。第一部分122包括硬線安全裝置，如繼電器，限制開關(guān)等，本領(lǐng)域技術(shù)人員知道這一點(diǎn)。這些裝置包括氣壓開關(guān)，開關(guān)閥和截止閥，以及火焰探測器?？刂葡到y(tǒng)120第二部分124具有監(jiān)測和自動控制功能，由CPU106執(zhí)行。
輸氣線104有兩條，以便當(dāng)一條工作時(shí)，另一條可以不工作，如進(jìn)行維護(hù)，或使其進(jìn)入低載期。每條輸氣線104的合適尺寸由氧氣流量的要求而定。每條輸氣線104都開始于球形截止閥130。管線132輸送的氣體，通過濾網(wǎng)134以除去管路中的任何雜質(zhì)。通過濾網(wǎng)134后，氣體指示管線136從管線132延伸出去。
回壓調(diào)節(jié)閥138用于降低管內(nèi)壓力。目前，氧氣壓力設(shè)定為大約每平方英寸18磅(psig)。沿管線設(shè)有截止閥140和安全閥142。壓差流量計(jì)144安裝于安全閥142的下游。當(dāng)氣體流過孔板146時(shí)，流量計(jì)144測定氣體的溫度和壓差。流量計(jì)144為Rosemount 3095型壓差流量計(jì)。
通過這些測定，流速就被確定，然后將信號傳輸給控制系統(tǒng)120。流量計(jì)144下游有一個(gè)控制閥148。在此布局中，調(diào)控閥被用來接收來自控制系統(tǒng)120的輸出信號。閥148將信號傳輸給控制系統(tǒng)120，具體是CPU106，指出了閥148的實(shí)際位置。
輸氣線104分為獨(dú)立的兩根線104a、b，每根線上有閥150a、b，閥150a、b用以平衡每個(gè)燃燒器84的供氣量，使氣流能合理分配。
氧氣輸送線102類似于輸氣線104，就是其尺寸和管件要大一些，以與較大的氧氣流量相適應(yīng)。一個(gè)示例的氧氣輸送線102如圖3所示，相對應(yīng)于燃料輸送線104，其上的管件都用200系列標(biāo)注符注明。
參看圖10，燃燒器84基本為直線型設(shè)計(jì)。在4個(gè)燃燒器84中，每一個(gè)燃燒器都有一個(gè)主進(jìn)口噴嘴152伸入爐內(nèi)。燃料氣進(jìn)口154在爐墻54外伸入主噴嘴152。氧氣輸入主噴嘴152與燃料氣混合。點(diǎn)火器(圖中未標(biāo)示)通過中央開口156伸入主噴嘴152，點(diǎn)火器打火，點(diǎn)燃燃料/氧氣混合物。
燃燒系統(tǒng)100的運(yùn)行由操作啟動和CPU106自動控制相結(jié)合進(jìn)行的，容易操作。電流通向控制系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)120的CPU106和硬線安全區(qū)122工作。CPU106啟動，與構(gòu)成硬線安全區(qū)122部件的控制閥、熱電偶和繼電器聯(lián)系。燃料氣和氧氣的壓力開關(guān)都是高低雙開關(guān)設(shè)計(jì)。正常情況下，低壓開關(guān)是關(guān)的信號，而高壓開關(guān)是開的信號，CPU106判定信號是否正常和工作是否繼續(xù)進(jìn)行。如果查覺了不正常信號，就有聽覺和視覺警示出現(xiàn)?？刂瞥绦蛞材鼙O(jiān)視燃燒氣和氧氣控制閥148、248是否處于“小火”位置。如果控制閥148、248處于適當(dāng)位置，允許控制系統(tǒng)120執(zhí)行啟動程序的信號就會被傳輸，超溫信號必須清晰，以使系統(tǒng)120能夠通過啟動程序。
當(dāng)所有開車條件都滿足時(shí)，啟動氮?dú)獯祾哐h(huán)。氮?dú)獗挥脕泶祾邭埩粼跔t14內(nèi)的所有可燃?xì)怏w。氮?dú)獯祾叩臅r(shí)間要使通過爐14的置換氮?dú)獾捏w積為爐子14容量的2.5倍。
當(dāng)吹掃結(jié)束后，一個(gè)或兩個(gè)燃燒系統(tǒng)被啟動?？刂崎_關(guān)將一套或所有燃燒器84置于工作狀態(tài)?；鹧婵刂破鞔蜷_引導(dǎo)螺線管。引導(dǎo)螺線管正常情況下是關(guān)閉的。但系統(tǒng)啟動時(shí)，引導(dǎo)螺線管打開，燃料氣和氧氣通過引導(dǎo)裝置流入。
在引導(dǎo)裝置尖端部，氣體混合并被火焰控制器發(fā)射出的火花點(diǎn)燃。點(diǎn)燃時(shí)，火焰探測器126探測是否有火焰產(chǎn)生，并將信號傳送給控制系統(tǒng)120。一旦探測到火焰，控制系統(tǒng)120就為燃料氣和氧氣打開主截止閥。
主燃料和氧氣開關(guān)閥140、240可獨(dú)立操作。安全閥142、242的設(shè)計(jì)是，如果燃料氣閥140不打開，則安全閥142、242也不打開。當(dāng)主燃料閥140打開，燃料氣和氧氣安全閥142、242也打開。一旦所有主閥都打開，控制板118上各氣路的指示燈和繼電器都會發(fā)出信號。在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)向計(jì)時(shí)器會一直處于工作狀態(tài)，大約為30秒。一旦預(yù)設(shè)時(shí)間結(jié)束，導(dǎo)向電路關(guān)閉，正常情況下，關(guān)閉了的螺線管閥也會斷電，與導(dǎo)向裝置和每個(gè)燃料系統(tǒng)的導(dǎo)向指示燈相脫離。
火焰探測器126連續(xù)監(jiān)測火焰。當(dāng)沒有火焰指示，示警信號會傳輸?shù)紺PU106，控制電路會關(guān)閉燃料氣和氧氣開關(guān)閥140，240和截止閥142、242。
一旦引導(dǎo)裝置關(guān)閉，燃燒爐在控制系統(tǒng)120的控制下自動運(yùn)行。如果系統(tǒng)120被設(shè)置成“小火”，不管流程和設(shè)定值如何，氧氣控制閥248都保持在關(guān)閉狀態(tài)。由于燃料氣流量隨氧氣流量變化，所以燃料氣控制閥在其范圍內(nèi)不受限制?？刂葡到y(tǒng)120按預(yù)定比例保持著燃料氣。
當(dāng)處于自動運(yùn)行模式時(shí)，如果操作和設(shè)定值發(fā)生偏差，控制系統(tǒng)120會有響應(yīng)。爐溫會被監(jiān)測，并與溫度設(shè)定值進(jìn)行比較。當(dāng)運(yùn)行溫度偏離設(shè)定值，發(fā)出誤差信號時(shí)，控制系統(tǒng)120會向氧氣控制閥248傳輸一個(gè)信號。燃料氣控制閥148也由控制系統(tǒng)120控制。設(shè)定參數(shù)隨氧氣流量(與化學(xué)計(jì)量比例相一致)變化，氧氣流量由氧氣流量計(jì)測定。控制系統(tǒng)120限制控制閥148、248，這樣也就限制了燃燒器84的輸出能量。
燃燒系統(tǒng)100，特別是控制系統(tǒng)120可以設(shè)計(jì)成能滿足任何依賴于碳基燃料的工業(yè)行業(yè)使用。例如，在本發(fā)明廢鋁回收裝置10中，氧氣燃料系統(tǒng)100就有3種應(yīng)用或用途。第一是在高產(chǎn)量環(huán)境中(即在熔化爐14中)熔化鋁。第二是在儲存槽16中，系統(tǒng)100主要用于保持溫度穩(wěn)定狀態(tài)和熔融鋁或合金的混合。最后一個(gè)應(yīng)用是浮渣熔化爐166中，在此熔化爐中，高溫燃燒器用來利用熱沖擊使金屬單元(這里指可被回收的鋁)與熔渣D(熔融的副產(chǎn)物)相分離。在每一種用途中，為貯備能量和環(huán)境保護(hù)的原因，都要安裝燃燒器。
本燃料系統(tǒng)100的用途隨熱輸出量(按每小時(shí)輸出最大的MMBTU單位計(jì))、燃燒器84的尺寸和方向，以及爐14、16和166的設(shè)計(jì)操作溫度不同而變化。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道為滿足這些不同的需要，機(jī)械上的差異(如管的尺寸大小)是必需的，并且知道控制系統(tǒng)120和CPU106的具體操作程序也可有所變化。
相對于已知和現(xiàn)在使用的燃燒系統(tǒng)，本燃燒系統(tǒng)100具有很多優(yōu)點(diǎn)。例如通過運(yùn)行已經(jīng)表明，使用本燃燒系統(tǒng)100，可以節(jié)省相當(dāng)多的能量。相對于常規(guī)燃燒器，氧氣燃料燃燒器84能在更高的溫度下工作。因此可用以熔化金屬的熱量顯著增加(在其他工業(yè)應(yīng)用中，增加的能量例如可用來蒸汽發(fā)電，廢物焚燒等)。這也使運(yùn)行燃燒爐14、16、166所需的燃料大為減少。在本發(fā)明實(shí)踐中，已發(fā)現(xiàn)熔化每磅鋁所需平均(和估計(jì))熱輸入量已由約3620BTU(使用常規(guī)爐)下降到使用爐14時(shí)為約1083BTU，降幅約70％。此外，也已表明，儲料爐16中保持溫度所需的燃料約為常規(guī)爐的一半。
確信燃料的節(jié)省歸因于三個(gè)主要因素第一，在氧氣并不過量的情況下，燃燒系統(tǒng)100增加的熱量使所有燃料能充分燃燒；第二，有理論根據(jù)表明，燃燒系統(tǒng)100的運(yùn)行在輻射傳熱區(qū)運(yùn)行，伴有部分熱傳導(dǎo)。
系統(tǒng)100設(shè)計(jì)上利用了在爐14、16和166內(nèi)的輻射熱傳遞的優(yōu)點(diǎn)，將熱量高效地傳送給金屬浴。第三，由于在燃燒過程中沒有氮?dú)獾膮⑴c，通過爐14、16、166的氣流量低。因此，增加了熱氣流的停留時(shí)間，使熱氣在排出爐14、16和166前，能將大部分能量(以熱量的形式)釋放出來。
典型的廢氣量是常規(guī)燃燒爐廢氣量的一小部分。因?yàn)樵谘鯕馊剂先紵隣t中所用氣量就少了近80％(基本上是空氣中的氮?dú)?，燃燒效率大大提高。使用常規(guī)爐，空氣中的氮?dú)饨M分從熔化過程吸收了大量能量(也是以熱量的形式)。本燃燒系統(tǒng)100中，氧氣(而不是空氣)和燃料接化學(xué)計(jì)量比送入爐14、16、166中并燃燒，并不需要過量的氧氣。因此，沒有能量被與燃燒無關(guān)的原料(如氮?dú)夂瓦^量的氧氣)所吸收。
本燃燒系統(tǒng)100也能使產(chǎn)量提高。當(dāng)其安裝作為熔化爐的一部分時(shí)，熔化爐的熔融能力或總生產(chǎn)量增加了。這同樣歸因于爐14內(nèi)熱量的快速高效傳遞。當(dāng)有新的金屬投入燃燒爐14中，燃燒系統(tǒng)100迅速做出反應(yīng)，為熔化新加入的金屬并保持池60中熔融金屬的熱(溫度)在設(shè)定的溫度提供熱量。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，鋁能高效吸收輻射熱。
也許最重要的一點(diǎn)是，相對于現(xiàn)在已知的和使用的燃燒系統(tǒng)，本系統(tǒng)100降低了對環(huán)境的影響。本系統(tǒng)100優(yōu)勢之處在于在燃燒過程中不使用氮?dú)?來自空氣)。一般來說，燃燒系統(tǒng)中作為送入的已加熱的空氣的反應(yīng)產(chǎn)物，爐內(nèi)會產(chǎn)生NOx。但是由于本系統(tǒng)100使用氧氣而不是空氣，本系統(tǒng)中產(chǎn)生的任何NOx，只是由于燃料(如含氮燃料)中存在氮元素。由于燃料中氮的含量極低(相對于常規(guī)爐中的空氣中的氮?dú)?，因此本燃燒系統(tǒng)中NOx的生成量要遠(yuǎn)低于任何工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和政府的限定。除了減少NOx的生成外，別的溫室氣如一氧化碳的量也大大減少了。
而且，為了減少對環(huán)境的影響，本氧氣燃料燃燒系統(tǒng)因?yàn)槟軌蛴幂^少的燃料(任何碳基燃料，包括煤、煤屑、天然氣和石油)加工更多的鋁，因而節(jié)省了能量。結(jié)果，由于較少使用燃料，燃料資源也得以節(jié)省。實(shí)際上，與加工每磅鋁一樣，在集合體中使用的燃料也減少了，這降低了處理(如燃料)成本和礦物燃料的使用稅。供氧系統(tǒng)如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，本燃燒系統(tǒng)100對氧的要求相當(dāng)高。為此，盡管可以買氧，儲氧以供系統(tǒng)使用，但最好還是有氧氣生產(chǎn)裝置，就安裝在系統(tǒng)附近或干脆就作為系統(tǒng)的一部分，如示例的廢鋁加工系統(tǒng)那樣。
參見圖4，本燃燒系統(tǒng)100附帶了一個(gè)自身使用的深冷裝置180。例示的深冷裝置180每天生產(chǎn)純度至少為95％的氧氣105噸，每小時(shí)生產(chǎn)氮?dú)?0,000標(biāo)準(zhǔn)立方英尺，氮?dú)庵泻?.1ppm的氧氣。裝置180具有一臺1850馬力的三級壓縮機(jī)182，71psig的壓縮空氣進(jìn)入凈化器/膨脹器184中，空氣離開膨脹器184時(shí)的壓力6.9Psig，溫度為-264°F。接著進(jìn)入深冷精鎦柱186。在柱186中，空氣被分離(精餾)成氣態(tài)氮，液態(tài)氮，氣態(tài)氧和液態(tài)氧。氣態(tài)氧如188中所示，直接被送燃燒系統(tǒng)100，液態(tài)氧如190中所示，被儲藏在如儲存罐191中，以備燃燒系統(tǒng)100以后之用。從深冷裝置180出來的氧氣的壓力可能低于燃燒系統(tǒng)100所要求的壓力，所以在柱186的氧氣出處與燃燒系統(tǒng)100進(jìn)料之前裝有1臺氧氣鼓風(fēng)機(jī)192用于將氧氣的壓力提高到燃燒系統(tǒng)100所需要的壓力。
194標(biāo)示的氣態(tài)氮被送入裝置10下游的退火/應(yīng)力消除系統(tǒng)(未畫出)。用氮?dú)鈱︿X進(jìn)行處理來消除金屬內(nèi)的壓力并使之退火的這些系統(tǒng)，是本領(lǐng)域技術(shù)人員知道的。而且氮?dú)?94可用于脫氣單元24。裝置10也有氧和氮各自的備用供應(yīng)系統(tǒng)191和196，在例如維修期間或其他出現(xiàn)深冷裝置180不能滿足需求的情況時(shí)，其液態(tài)形式可備用。備用系統(tǒng)191、196設(shè)計(jì)成根據(jù)需要如深冷裝置180停工時(shí)自動供給氧氣和/或氮?dú)?。過量的氮?dú)饪杀粌Υ妗⑵垦b和賣掉。這些系統(tǒng)都能很方便地從許多生產(chǎn)商，如Praxair，Inc of Danbury，Connecticut那里買到。熱量回收鋁處理系統(tǒng)10也利用了來自不同過程的余熱。具體地，鋁處理系統(tǒng)10可包括一個(gè)余熱回收系統(tǒng)，如圖4中200所示。202所示的來自熔化爐14的和儲料爐16中的廢氣直接被送到廢熱回收熱交換器204的一側(cè)，由于廢氣202的溫度約為1000°F，所以大量的能量可被回收。而且，能量也可以從主爐浴區(qū)60上方的氣體中回收。
廢氣202被直接送入廢氣換熱器204。206標(biāo)示的工作介質(zhì)，如戊烷，在一定壓力下從換熱器204的另一端流入?？梢岳斫?，板式換熱器和板-管式換熱器最適合這一場合。本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員知道可用于這些余熱回收系統(tǒng)的各種工作介質(zhì)，以及使用這些工作介質(zhì)的換熱系統(tǒng)。所有這樣的系統(tǒng)都在本發(fā)明的范圍和內(nèi)容之內(nèi)。
接著，熱流體206被直接送往蒸發(fā)器208，在那里，熱流體206可膨脹成蒸汽。然后將蒸汽206送往透平發(fā)電機(jī)組210，用以發(fā)電。在冷凝器212中，蒸汽被冷凝又返回?fù)Q熱器204?？梢灶A(yù)計(jì)，從上述廢鋁加工裝置10的廢氣202中回收的熱量足夠發(fā)電1.5到2兆瓦。
盡管有多種工作介質(zhì)206可被用于這種余熱或余能回收系統(tǒng)200，但在一個(gè)成熟的系統(tǒng)中，工作介質(zhì)206使用戊烷。這一有機(jī)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)較例如許多蒸汽基介質(zhì)有多種優(yōu)點(diǎn)?？梢灶A(yù)期，戊烷基工作介質(zhì)206，在標(biāo)準(zhǔn)Rankine循環(huán)體系中，要比氣體介質(zhì)更穩(wěn)定地供給蒸汽。由于爐(熔化爐14和儲料爐16)的熱量輸出依賴于金屬生產(chǎn)量，而不是電力需求，因而輸給回收系統(tǒng)200的能量可能有所變化，會成為電力生產(chǎn)的控制性特征。因此，工作介質(zhì)206如戊烷會為回收系統(tǒng)200提供其所需的更大的靈活性。
如本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員所知，所發(fā)的電又可為廢鋁加工裝置10，包括深冷裝置180提供部分所需的能量。裝置10所需的能量可由用于發(fā)電廠(使用燃爐或鍋爐)為蒸汽發(fā)電機(jī)提供蒸汽的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)提供。在此設(shè)計(jì)中，如果所生產(chǎn)的電能大于裝置10所需，多余的電可被賣掉，例如賣給當(dāng)?shù)氐挠秒妴挝?。浮渣處理參看圖2，污染物和浮渣D從熔化爐14出來后要在浮渣處理系統(tǒng)中作進(jìn)一步的處理，使之與回收鋁分離，如164所示。浮渣D可通過撇的方式將其從熔化爐14上部的熔融鋁池60中除去。可用機(jī)械方法，在篩碗168中對浮渣擠壓，擠壓機(jī)可將鋁A從浮渣D中擠壓出去，通過篩碗168的開口170從篩網(wǎng)中流出。對從浮渣D中擠壓出來的鉛進(jìn)行回收，并將其返回熔化爐14。
含氧化物的浮渣被送回回收爐166重新加熱。回收爐166和熔化爐14有相同的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈兌际褂醚鯕馊剂先紵到y(tǒng)100。但在運(yùn)行過程中，爐166是用約5000°F的直火對廢渣進(jìn)行處理，以將鋁從其中“沖擊”(shocks)出來?；厥諣t166的熔融池172的溫度也較高，約為1450到1500°F。而爐內(nèi)的氣體溫度約為2000-2200°F。此外，由于爐166中基本上沒有過量的氧氣，“沖擊”的過程是在高還原性氣氛中進(jìn)行的(與之相反，常規(guī)爐中過量的氧氣含量約為3％-5％)回收爐166中的浮渣同樣要被撇去，并被擠壓?；厥盏匿XA被返回熔化爐14。剩余的浮渣D2被送到廢渣處理器，對鋁作進(jìn)一步的回收。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，包括廢渣回收處理的本工藝，金屬的回收率大大提高。最終被送去作進(jìn)一步處理的浮渣D2只是原有浮渣D的一部分，所以降低了處理成本并提高了鋁回收率。
重要的是，該廢渣回收處理方法164沒有使用鹽和其它添加劑，所以可用熱沖擊把金屬從氧化物中分離出來。已知的回收方法用鹽分離氧化物和金屬。在該方法中鹽殘存在氧化物中，最終也要一起被送去處理。這些鹽對環(huán)境有危害和/或有毒。因此，本方法164對環(huán)境有利，因?yàn)槠洳挥名}更不用對其處理。
就整個(gè)回收流程164而言，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本回收步驟(如中間再加熱的同時(shí)兩次擠壓)可使鋁回收率較已知方法步驟有顯著的提高，其中，鋁回收率也有賴于廢鋁等級。從廢渣D中回收的金屬量可得到成倍百分?jǐn)?shù)的增長。燃燒系統(tǒng)的其他應(yīng)用如以上所討論，明顯地，在所有的連續(xù)工藝步驟中使用氧氣可以提高效率。例如發(fā)電廠可以通過將氧氣引入燃燒的配方中(而非空氣)，升高火焰溫度，或減少鍋爐中的LOI。這樣可使工作效率增加。實(shí)際上，使用氧氣能增強(qiáng)任何碳基燃料的燃燒。不論在經(jīng)濟(jì)上，還是對環(huán)境都是有益的。截止目前，除了玻璃制造工業(yè)，還沒有其他行業(yè)使用氧氣燃料燃燒技術(shù)。在玻璃工業(yè)中，使用這項(xiàng)技術(shù)，非是為了提高效率，而是加工玻璃需要高溫火焰之故。
然而，在所有工業(yè)和發(fā)電行業(yè)使用氧氣燃料燃燒系統(tǒng)確實(shí)能在產(chǎn)出等量電力和熱能輸出的前提下，減少燃料的消耗。由于燃料的高效利用(即高效燃燒)，燃料消耗降低，NOx的排放量大大減少，基本上是零排放，其他溫室氣的排放也大大降低。
由于可以使用多種工業(yè)燃料，例如煤、天然氣、各種油(加熱油和廢油)，木材和其他回收廢料，氧氣也可用多種辦法，用常用的或建議的方法制取。本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員知道，在各行業(yè)使用本燃燒系統(tǒng)的潛在價(jià)值是非常巨大的。燃料可以基于便利、經(jīng)濟(jì)因素、環(huán)境因素來選擇，所以沒有指定燃料，而是有無數(shù)的燃料。事實(shí)上，所有碳基燃料都適用于本燃燒系統(tǒng)。而且，有很多可行的技術(shù)可用來生產(chǎn)高純度的氧氣。這些技術(shù)包括深冷技術(shù)，膜分裂技術(shù)，吸收技術(shù)，水解技術(shù)等。所有這些燃料的用途以及供氧方法都在本發(fā)明范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，隨氧氣生產(chǎn)而得到的其他氣體如氮?dú)夂蜌錃猓梢再A存，裝瓶和賣掉。
如上所述，本燃燒系統(tǒng)的一項(xiàng)應(yīng)用就是廢鋁的加工或回收，其他例示性的應(yīng)用如下面所討論，包括工業(yè)發(fā)電鍋爐和焚燒爐。這些示例性應(yīng)用突出了這項(xiàng)技術(shù)在廣泛的工業(yè)應(yīng)用中很具靈活性和實(shí)用性。
總的來說，相對于現(xiàn)用的和傳統(tǒng)的燃燒系統(tǒng)，氧氣燃料燃燒系統(tǒng)的優(yōu)勢是多方面的。首先是其精確的計(jì)量配比，使燃燒體系內(nèi)無氮?dú)獾母蓴_。這使燃料的利用率大為提高，并減少了NOx的產(chǎn)生。重要的是，較少的燃料可提供相同水平的能量產(chǎn)出，這樣使運(yùn)行成本大為降低。在提供等量的能量產(chǎn)出而使用較少的燃料過程中，自然使廢氣排放減少，節(jié)約燃料和降低排放并不是本系統(tǒng)僅有的兩點(diǎn)優(yōu)勢。
發(fā)電的蒸汽發(fā)生機(jī)如工業(yè)動力鍋爐各種各樣，但其基本上都是依靠其燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生蒸汽并輸給透平發(fā)生機(jī)。所用燃料根據(jù)蒸汽發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的不同也各有差別，但所有鍋爐都需要氧化劑。使用本氧氣燃料燃燒系統(tǒng)時(shí)，高純度的氧氣是整個(gè)鍋爐唯一的氧化劑，用以替代空氣為燃燒供氧。
象用于別的行業(yè)那樣，本系統(tǒng)用于發(fā)電行業(yè)同樣具有很多優(yōu)點(diǎn)。例如，由于向燃燒過程提供穩(wěn)定氧氣供給，使得燃燒區(qū)的火焰溫度升高，同時(shí)減少了LOI(點(diǎn)火損失)。由于火焰溫度升高，即便保持相同的燃料燃燒率，也可獲得更多的蒸汽。由于提高了火焰溫度，使用同樣的燃料燃燒能產(chǎn)生更大的蒸汽量。反過來說，產(chǎn)生或輸出相同的電力，燃料燃燒量降低?；鹧鏈囟纫蕾囉诠┙o燃燒系統(tǒng)的氧氣的純度。為此，沒有氧氣的補(bǔ)入和富集(即燃燒僅僅為純的空氣)，火焰溫度約3000°F。參考上面的討論，若使用純氧氣作氧化劑，火焰溫度可達(dá)約4500°F到5000°F。用內(nèi)推法(可認(rèn)為線性)，根據(jù)氧氣純度的變化可得到在這些溫度之間的預(yù)期火焰溫度。
根據(jù)化學(xué)計(jì)算式，在保證火焰穩(wěn)定的前提下，氧氣可和過熱空氣系統(tǒng)125及低NOx燃燒爐聯(lián)合使用，以減少NOx和其他溫室氣的產(chǎn)生。一般的低NOx燃燒爐LOI有所增加，這就意味著燃掉更多的燃料。通過向燃燒系統(tǒng)加入富氧，使得燃料完全燃燒，而由于按劑量加入而沒有產(chǎn)生NOx的額外的氮?dú)獯嬖?通過另外的空氣輸入)。
可以預(yù)期，如果鍋爐也能圍繞氧氣燃料燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)，那么這些系統(tǒng)的優(yōu)勢就會得到充分發(fā)揮。也可預(yù)期，現(xiàn)有設(shè)備的改進(jìn)和更換也為使用者(如公司)和環(huán)境帶來便利和好處。
例如圖12圖示了一個(gè)燃煤鍋爐或燃燒爐300。風(fēng)箱302安裝在爐300的爐墻304上。煤從燃燒器306進(jìn)入燃燒爐300，燃燒器306和風(fēng)箱302相連。煤由輸煤管道308運(yùn)入燃燒爐300。主氣流(顯示為310)用來將煤(來自粉碎機(jī)，圖中未顯示)通過輸煤管道308和燃燒器306送入燃燒爐300。第三氣流(以312顯示)用來對輸煤管道308鼓風(fēng)，確保煤能運(yùn)向燃燒器306。
來自風(fēng)箱302的第二氣流(以314顯示)通過安裝在爐墻304上的流量計(jì)316，直接進(jìn)入燃燒爐。第二氣流314是進(jìn)行燃燒的主氣源。在一個(gè)已被廣泛認(rèn)可的系統(tǒng)中，為了控制NOx的生成，一個(gè)過熱空氣系統(tǒng)(如318所標(biāo)示)將氣流(來自風(fēng)箱302)直接通入爐300里的火焰F上，使用過熱空氣的主要目的有兩個(gè)。第一是為了提供足夠的氧氣以使燃料充分燃燒。第二是為了降低火焰溫度，從而減少NOx的生成。
可以預(yù)期，本系統(tǒng)能夠完全取代現(xiàn)有燃燒系統(tǒng)，或作部分替換，用來給進(jìn)行燃燒的空氣補(bǔ)充氧氣。具體地說，可以期望高純氧氣可用來取代已知燃燒系統(tǒng)的主氣流310、第二氣流314和第三氣流312中的全部或之一。本領(lǐng)域技術(shù)人員可意識到將本氧氣燃料系統(tǒng)(或在某些應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)檠跹a(bǔ)給系統(tǒng))用于那些使用其它礦物燃料如石油或氣的電廠的鍋爐或燃燒爐。
將本燃燒系統(tǒng)用于工業(yè)廢物的焚燒系統(tǒng)同樣是可行的。典型的廢物焚燒爐是以共振時(shí)間，溫度和過量的氧氣為基礎(chǔ)工作的。氧氣燃料燃燒系統(tǒng)使得焚燒過程有更高效率。
共振時(shí)間依賴于加熱室或煙道的物理尺寸，以及通過加熱室或煙道的氣體的速度和體積。當(dāng)將氮?dú)鈴幕旌蠚庵谐?，共振時(shí)間自然增大，因?yàn)槿紵^程中的氣體量減少了(將近80％)，如果焚燒爐專門設(shè)計(jì)使用氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，意味著該焚燒爐只需少量的投資，因?yàn)槠涑叽鐪p少了許多。
氧氣燃料燃燒系統(tǒng)的一般火焰溫度比空氣燃料系統(tǒng)的火焰溫度要高出許多。因此，高效的燃燒使得對燃料的需求量減少，從而降低了成本。氧氣燃料燃燒系統(tǒng)的一個(gè)好處是能控制氧氣的過量水平。使用常規(guī)焚燒爐的情況下，必須要求氧氣過量，用以燃燒易揮發(fā)的有機(jī)碳(VOCs)和未經(jīng)燒過的碳。這過量的氧是通過將空氣注入燃燒室或煙道提供的，氧氣(來自空氣)在燃燒室或煙道用來使VOCs和未燒的碳完全燃燒。盡管空氣能夠提供所需過量的氧氣，但氮?dú)庖策M(jìn)入了燃燒室。過量引入的氮?dú)?為了提供過量的氧氣)導(dǎo)致了NOx產(chǎn)生量增大。而且過量的空氣也導(dǎo)致了其他溫室氣的產(chǎn)生，還進(jìn)一步使燃燒室冷卻了。不想要的冷卻需要從燃燒系統(tǒng)那里取得額外的能量以克服這種冷卻效應(yīng)。
圖13示意地顯示了一個(gè)典型的工業(yè)爐400。廢物(402所標(biāo)示)被送入煙道404，將空氣(408所標(biāo)示)和燃料(410所標(biāo)示)送入燃燒器406，產(chǎn)生火焰F，以焚燒廢物402。在火焰F上方安裝了一個(gè)一氧化碳(CO)監(jiān)測器412，以測定排出氣中的CO含量，當(dāng)CO含量太高時(shí)，向燃燒器406中附加空氣。任選地，空氣可由遠(yuǎn)離燃燒器406的位置414送入煙道以提供附加的空氣。
這種操作方式有諸多不足。如上所討論，廢物燃燒的兩個(gè)控制因素是時(shí)間和溫度。就是說，高溫和較長的共振時(shí)間能提高廢物的燃燒。但是空氣的加入(為降低CO含量)增加了通過煙道404的流速，因此降低了共振時(shí)間。此外，盡管增加的空氣流降低了火焰溫度(進(jìn)而減少了NOx的產(chǎn)生)，但卻引入了高含量的氮?dú)猓獨(dú)鈨A向于提高NOx的產(chǎn)生量，并抵消冷卻(和減少NOx的產(chǎn)生)效應(yīng)。而且由于空氣的冷卻效應(yīng)，焚燒過程的效率下降。
另一方面，本氧氣燃料燃燒系統(tǒng)使用高純度氧氣，能使未燃材料燃燒而不產(chǎn)生NOx和其他溫室氣體，并且沒有冷卻效應(yīng)。因此相對于常規(guī)或傳統(tǒng)的焚燒爐系統(tǒng)，本氧氣燃料燃燒系統(tǒng)擁有很多優(yōu)點(diǎn)。由于焚燒爐主要用來在VOCs和其他廢物進(jìn)入大氣前對其進(jìn)行焚燒，所以本燃燒系統(tǒng)減少了使用的燃料，因而產(chǎn)生較少的NOx和其他溫室氣，并通常減少了煙道氣量。
此外，使用本氧氣燃料燃燒系統(tǒng)的焚燒爐的安裝(如投資)和運(yùn)行成本將大大下降。因?yàn)橥ㄟ^系統(tǒng)的氣量可望減少不少，焚燒爐基本投資降低。如上面所提到的，因?yàn)闅怏w的通過量減少許多，在保持相同共振時(shí)間的前提下，焚燒爐的整體尺寸也會比常規(guī)系統(tǒng)小很多。這樣，處理相同量的廢物，焚燒爐在體積上較小，而且所需的支持系統(tǒng)和輔助設(shè)備和系統(tǒng)同樣也變小了。
而且，氧氣燃料燃燒系統(tǒng)相比常規(guī)焚燒爐系統(tǒng)，通常有高得多的效率，只需要要求能量輸入量的一部分。本系統(tǒng)很好地用在焚燒爐系統(tǒng)上，燃料是未燃碳或VOCs。同樣，由于火焰區(qū)內(nèi)無氮?dú)?，NOx的產(chǎn)生降至最低，且僅歸因于來自含氮燃料而形成的NOx。
上述各行業(yè)只是幾個(gè)從使用本氧氣燃料燃燒系統(tǒng)獲益的示例性工業(yè)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解本系統(tǒng)在化工行業(yè)、石油化工行業(yè)、發(fā)電行業(yè)、塑料加工業(yè)及運(yùn)輸業(yè)等行業(yè)的應(yīng)用。氧氣燃料燃燒系統(tǒng)的好處和優(yōu)點(diǎn)本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解氧氣燃料燃燒系統(tǒng)的好處和優(yōu)點(diǎn)。然而，在例示的廢鋁加工設(shè)備中，已發(fā)現(xiàn)，使用以天然氣為燃料的空氣燃料燃燒爐時(shí)，加工或熔化一磅廢鋁所需能量(通過所用天然氣的立方英尺測定)為3620BTUs(以3620BTU/1b表示)。也就是說，熔化每磅鋁需要3.45標(biāo)準(zhǔn)立方英尺(SCF)的天然氣。3620BTU的能量需求是以每立方英尺天然氣的熱值為1050BTUs來計(jì)算得到的。
與此相對照，已發(fā)現(xiàn)，使用本氧氣燃料燃燒系統(tǒng)熔化一磅鋁所需要的天然氣只有1.03SCF(或1083BTUs)。這樣本氧氣燃料燃燒系統(tǒng)所需能量只使用了空氣燃料燃燒爐所需燃料的1083BTU/3620BTU或29.9％。這在燃料消耗上從1.0減少到0.299或者是減少了約70％。
如果氧氣燃料燃燒系統(tǒng)使用廢油為燃料，可以看到燃料消耗量盡管不是大幅降低，但也相似。已發(fā)現(xiàn)，使用廢油熔化每磅鋁所需熱量為1218BTU，這樣，使用廢油可見的降低量1218/3620或33.6％。結(jié)果是燃料消耗量降低約66％。因此，即使在考慮產(chǎn)生污染物的量減少之前，本氧氣燃料系統(tǒng)在使用在使用天然氣和廢油時(shí)，燃料消耗量相對于空氣天然氣燃料燃燒爐系統(tǒng)分別減少約70％和66％。
下表1顯示了使用空氣燃料燃燒系統(tǒng)(燃料為天然氣、以“AIR-GAS”表示)、氧氣燃料燃燒系統(tǒng)(燃料為天然氣，以“OXY-GAS”表示)和另一氧氣燃料燃燒系統(tǒng)(廢油燃料，以“OXY-OIL”表示)污染物產(chǎn)生的對比情況。所列污染物為一氧化碳(CO)，氣態(tài)氮化物(NOx)、10微米以下的顆粒物(PM10)，總顆粒物(PT)、含硫氣態(tài)化合物(SOx)和揮發(fā)性有機(jī)碳化合物(VOC)。
數(shù)據(jù)以兩種形式表示，即每年所產(chǎn)生的污染物噸數(shù)(TPY)和每使用一百萬BTU所生產(chǎn)的磅數(shù)(1bs/MMBTU)。OXY-G和XY-OIL數(shù)據(jù)后面的括號表示相對于空氣天然氣燃料燃燒系統(tǒng)污染物減少量。
表1，AIR-GAS，OXY-GAS和OXY-OIL燃燒系統(tǒng)的煙道氣分析
氧氣廢油燃料燃燒系統(tǒng)的PM10、PT、SOx和VOC值顯示出增大(負(fù)減少)。這部分是由于在本例示的燃燒系統(tǒng)中沒有采用“燃燒后”處理操作?？梢灶A(yù)期，適當(dāng)?shù)摹叭紵蟆碧幚韺ǔ两凳?除去顆粒物)和洗滌室(除去含硫氣體)，并會使排出物的量分別至少減少約98.99％和95％。表中所列數(shù)據(jù)是以燃料消耗減少為基礎(chǔ)，根據(jù)已實(shí)行的美國環(huán)境保護(hù)局(USEPA)的標(biāo)準(zhǔn)所測定，該標(biāo)準(zhǔn)是USEPA表AP42(可由USEPA的網(wǎng)頁上得到)。
必須注意，上述數(shù)據(jù)以使用氧氣燃料燃燒系統(tǒng)的爐子內(nèi)為可控環(huán)境為基礎(chǔ)。也就是說，對于OXY-GAS和OXY-OIL燃燒系統(tǒng)而言，上表所列表明污染物的產(chǎn)生減少的數(shù)據(jù)，要求在其中安裝燃燒系統(tǒng)的爐子為極少空氣滲入(即燃燒環(huán)境中的氮?dú)?的設(shè)計(jì)。
因此，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知，使用高純氧氣(或高度富氧空氣)和任何碳基燃料可以很好地適應(yīng)許多現(xiàn)在工業(yè)系統(tǒng)。可以預(yù)計(jì)，在標(biāo)準(zhǔn)的和一般的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域使用這樣的系統(tǒng)，相對于已知的、目前使用的空氣燃料和空氣過熱系統(tǒng)，具有許多優(yōu)點(diǎn)和好處。雖然許多現(xiàn)在的物理裝置為引入本氧氣燃料燃燒系統(tǒng)需要重新設(shè)計(jì)和改造，以提高性能和產(chǎn)量，但這是明智的。對設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改造后所帶來的好處，如運(yùn)行成本降低，燃料成本減少，基本資金下降，排放量減少，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過進(jìn)行這些改造所用的成本。
在本文的描述中，所用術(shù)語可以表示單數(shù)或復(fù)數(shù)，除非另外特別指明。
由上述可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的許多改進(jìn)和變體都能實(shí)現(xiàn)而不脫離本發(fā)明新概念的真正實(shí)質(zhì)和范圍。應(yīng)該理解，關(guān)于例舉的具體實(shí)施方式
不是也不應(yīng)推測為對本發(fā)明的限制。這些描述意在通過所附的權(quán)利要求書覆蓋所有這些改進(jìn)，所以這些改進(jìn)都落入權(quán)利書的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于廢鋁回收的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，包括在預(yù)定溫度下盛裝熔化鋁的爐子，該爐子至少有一個(gè)燃燒器；供給純度至少約85％的氧氣的氧氣供給系統(tǒng)；供給碳基燃料的碳基燃料供給系統(tǒng)；其中，氧氣供給系統(tǒng)中的氧氣和碳基燃料量按相互比例各自均不超過化學(xué)計(jì)量比5％的比例送入爐內(nèi)；碳基燃料燃燒產(chǎn)生出超過約4500°F的火焰溫度；以及從爐子排出的廢氣流的溫度不超過約1100°F。
2.權(quán)利要求1所述的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，包括控制向爐內(nèi)供給碳基燃料和氧氣的控制系統(tǒng)。
3.權(quán)利要求2所述的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，其中，在向爐內(nèi)供氧之后供給燃料。
4.權(quán)利要求2所述的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，其中由預(yù)定的熔化鋁溫度來控制氧氣和碳基燃量的供給量。
5.權(quán)利要求2所述的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，其中包括測量熔融鋁溫度的傳感器。
6.權(quán)利要求1所述的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，其中碳基燃料是氣體。
7.權(quán)利要求1所述的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，其中氣體是天然氣。
8.權(quán)利要求1所述的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，其中碳基燃料是固體燃料。
9.權(quán)利要求1所述的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，其中碳基燃料是液體燃料。
10.一種從廢鋁中回收鋁的廢鋁回收系統(tǒng)，其中包括在預(yù)定溫度下盛裝熔化鋁的爐子，該爐子至少有一個(gè)燃燒器；氧氣燃料燃燒系統(tǒng)；通過氧氣燃料燃燒系統(tǒng)向爐子供給氧氣的供氧系統(tǒng)，供氧系統(tǒng)的氧氣純度至少約85％；供應(yīng)碳基燃料的碳基燃料供給系統(tǒng)；其中，氧氣供給系統(tǒng)中的氧氣和碳基燃料量按相互比例各自均不超過化學(xué)計(jì)量比5％的比例送入爐內(nèi)；碳基燃料燃燒產(chǎn)生出超過約4500°F的火焰溫度；以及從爐子排出的廢氣流溫度不超過約1100°F。
11.權(quán)利要求10所述的廢鋁回收系統(tǒng)，其中氧氣和碳基燃料燃燒產(chǎn)生能量，以及其中從廢鋁中回收鋁所用的能量是每回收一磅鋁為約1083BTU。
12.權(quán)利要求10所述的廢鋁回收系統(tǒng)，其中碳基燃料為氣體。
13.權(quán)利要求12所述的廢鋁回收系統(tǒng)，其中氣體燃料是天然氣。
14.權(quán)利要求10所述的廢鋁回收系統(tǒng)，其中燃料是固體燃料。
15.權(quán)利要求10所述的廢鋁回收系統(tǒng)，其中燃料碳基燃料是液體燃料。
16.權(quán)利要求10所述的廢鋁回收系統(tǒng)，其中爐子排出的熱由廢熱回收系統(tǒng)回收。
17.權(quán)利要求16所述的廢鋁回收系統(tǒng)，其中從爐子回收的熱被轉(zhuǎn)化成電能。
18.權(quán)利要求10所述的廢鋁回收系統(tǒng)，包括由空氣分離氧氣和氮?dú)獾纳罾溲b置。
19.權(quán)利要求18所述的廢鋁回收系統(tǒng)，其中氧氣被貯存。
20.一種從廢鋁中回收鋁的方法，包括以下步驟將廢鋁送入熔化爐；在爐內(nèi)點(diǎn)燃氧氣和碳基燃料，氧氣和碳基燃料在爐中燃燒，其中，氧氣供給系統(tǒng)中的氧氣和碳基燃料量按相互比例各自均不超過化學(xué)計(jì)量比5％的比例送入爐內(nèi)；碳基燃料燃燒產(chǎn)生出超過約4500°F的火焰溫度；從爐子排出的廢氣流溫度不超過約1100°F；在爐內(nèi)熔化鋁；在爐內(nèi)除去含鋁污物；和從爐中卸出基本上純的鋁。
21.權(quán)利要求20所述從廢鋁中回收鋁的方法，包括從爐里回收廢熱的步驟。
22.權(quán)利要求20所述從廢鋁中回收鋁的方法，包括從含鋁污物中回收鋁，并將這些鋁送回到熔化爐的步驟。
23.權(quán)利要求20所述從廢鋁中回收鋁的方法，包括從所述爐里回收廢熱的步驟。
24.權(quán)利要求23所述從廢鋁中回收鋁的方法，包括將廢熱轉(zhuǎn)化為電能的步驟。
25.一種氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，包括至少具有一個(gè)燃燒器的燃燒爐；供給純度不低于約85％氧氣的供氧系統(tǒng)；供給碳基燃料的燃料供給系統(tǒng)；其中，氧氣供給系統(tǒng)中的氧氣和碳基燃料量按相互之間的比例各自均不超過化學(xué)計(jì)量比5％的比例送入爐內(nèi)；碳基燃料燃燒產(chǎn)生出超過約4500°F的火焰溫度；以及從爐子排出的廢氣流溫度不超過約1100°F。
26.權(quán)利要求25所述的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，其中碳基燃料是氣體。
27.權(quán)利要求26所述的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，其中氣體燃料是天然氣。
28.權(quán)利要求25所述的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，其中還包括生產(chǎn)氧氣的深冷裝置。
29.權(quán)利要求25所述的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，其中碳基燃料是固體燃料。
30.權(quán)利要求25所述的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，其中碳基燃料是液體燃料。
31.一種從廢鋁中回收鋁的爐，其中包括在預(yù)設(shè)溫度下盛裝熔融鋁金屬池；至少一個(gè)燃燒器；供給純度不少于約85％氧氣的供氧系統(tǒng)；供給碳基燃料的碳基燃料供應(yīng)系統(tǒng)；其中，氧氣供給系統(tǒng)中的氧氣和碳基燃料量按相互比例各自均不超過化學(xué)計(jì)量比5％的比例送入爐內(nèi)；碳基燃料燃燒產(chǎn)生出超過約4500°F的火焰溫度；和從爐子排出的廢氣流溫度不超過約1100°F。
32.權(quán)利要求31所述的爐，其中爐體由鋼板、鋼柱和耐火材料構(gòu)成。
33.權(quán)利要求31所述的爐，其中爐有爐壁，該爐壁的構(gòu)造有鋼柱和鋼板殼，并有至少一層耐壓絕熱材料，至少一層耐火磚和至少一層可鑄耐火材料。
34.權(quán)利要求31所述的爐，其中爐有底層，所述底層的構(gòu)造有鋼柱和鋼板殼，并有至少兩層耐火材料，其中至少有一層為可鑄耐火材料。
35.權(quán)利要求31所述的爐，其中包括四個(gè)氧氣燃料燃燒器。
36.一種氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，其中包括具有可控環(huán)境的爐子，基本上從外界環(huán)境沒有滲入；供給預(yù)定純度氧氣的氧化劑供給系統(tǒng)；提供碳基燃料的碳基燃料供給系統(tǒng)；其中，氧化劑供給系統(tǒng)中的氧氣和碳基燃料量按相互比例各自均不超過化學(xué)計(jì)量比5％的比例送入爐內(nèi)；碳基燃料燃燒產(chǎn)生出超過約4500°F的火焰溫度；從爐子排出的廢氣流基本上不含有來自氧化劑的含氮燃燒生成的氣態(tài)化合物。
37.權(quán)利要求36所述的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，其中碳基燃料為氣體。
38.權(quán)利要求37所述的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，其中氣體為天然氣。
39.權(quán)利要求36所述的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，其中包括制氧裝置。
40.權(quán)利要求36所述的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，其中碳基燃料是固體燃料，以及其中任何含氮燃燒產(chǎn)生的氣態(tài)化合物都來自固體燃料。
41.權(quán)利要求36所述的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，其中碳基燃料是液體燃料，以及其中任何含氮燃燒產(chǎn)生的氣態(tài)化合物都來自液體燃料。
42.權(quán)利要求36所述的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，其中可控環(huán)境中基本上不含氮?dú)狻?br> 43.一種從含鋁浮渣中分離鋁的無鹽方法，包括以下步驟將含鋁浮渣裝入加熱爐，加熱爐具有產(chǎn)生約5000°F的火焰溫度的氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，基本上不需要過量的氧氣，含鋁浮渣在該加熱爐中熔化；撇去熔化的含鋁浮渣的上面部分，得到重浮渣產(chǎn)品；用機(jī)械擠壓機(jī)擠壓重浮渣產(chǎn)品，使鋁與其分離，得到富集的重浮渣產(chǎn)品。
44.權(quán)利要求43所述從含鋁浮渣中分離鋁的無鹽方法，包括將富集的重浮渣產(chǎn)品送回加熱爐的步驟。
45.權(quán)利要求43所述從含鋁浮渣中分離鋁的無鹽方法，包括將含鋁浮渣投入爐內(nèi)進(jìn)行直接火處理的步驟。
46.一種爐，包括燃燒區(qū)；燃燒器；通過燃燒器將碳基燃料送入燃燒區(qū)的碳基燃料供給系統(tǒng)；將預(yù)定純度的氧氣送入爐內(nèi)以與碳基燃料燃燒的氧化劑供給系統(tǒng)；其中，燃燒產(chǎn)生超過約3000°F的火焰溫度，從爐里排出的廢氣流的溫度不高于約1100°F。
47.權(quán)利要求46所述的爐，包括空氣供給系統(tǒng)，將含有氧氣的空氣送入燃燒區(qū)以供碳基燃料和預(yù)定純度的氧氣燃燒。
48.權(quán)利要求46所述的爐，包括將碳基燃料供給燃燒器的燃料輸送管道，并且預(yù)定純度的氧氣通過燃料輸送管道輸入爐內(nèi)。
49.權(quán)利要求46所述的爐，其中預(yù)定純度的氧單獨(dú)和與碳基燃料分開供入爐內(nèi)。
50.權(quán)利要求46所述的爐，其中氧氣純度至少約85％。
51.一種用于從液體制取蒸氣的爐，包括燃燒區(qū)，燃燒區(qū)用以加熱液體制取蒸氣；燃燒器；通過燃燒器將碳基燃料送入燃燒區(qū)的碳基燃料供給系統(tǒng)；將預(yù)定純度的氧氣送入爐內(nèi)以與碳基燃料燃燒的氧化劑供給系統(tǒng)；其中，燃燒產(chǎn)生超過約3000°F的火焰溫度，從爐里排出的廢氣流的溫度不高于約1100°F。
52.權(quán)利要求51所述制取蒸汽的爐，包括空氣供給系統(tǒng)，將含有氧氣的空氣送入燃燒區(qū)以供碳基燃料和預(yù)定純度的氧氣燃燒。
53.權(quán)利要求51所述制取蒸汽的爐，包括將碳基燃料供給燃燒器的燃料輸送管道，并且預(yù)定純度的氧氣通過燃料輸送管道輸入爐內(nèi)。
54.權(quán)利要求51所述制取蒸汽的爐，其中預(yù)定純度的氧單獨(dú)和與碳基燃料分開供入爐內(nèi)。
55.權(quán)利要求51所述制取蒸汽的爐，其中氧氣純度至少約85％。
56.權(quán)利要求51所述制取蒸汽的爐，其中蒸汽被輸送給蒸汽透平機(jī)發(fā)電。
57.一種廢物焚燒爐，包括燃燒區(qū)；燃燒器；供給燃料的燃料供應(yīng)系統(tǒng)；供給預(yù)定純度氧氣的氧化劑供給系統(tǒng)；和廢物供應(yīng)系統(tǒng)；其中廢物被送入燃燒區(qū)，燃料和氧氣在燃燒器中燃燒產(chǎn)生火焰以焚燒廢物，其中火焰溫度超過約4500°F。
58.權(quán)利要求51所述的焚燒爐，其中氧化劑是氧濃度至少約85％的氧氣。
59.權(quán)利要求51所述的焚燒爐，其中還包括附加氧氣注入器，用以將氧氣注入燃燒區(qū)。
全文摘要
一種氧氣燃料燃燒系統(tǒng)，包括至少有一個(gè)燃燒器的爐(14)、提供預(yù)定純度氧氣的供氧氣系統(tǒng)和提供碳基燃料的碳基燃料供給系統(tǒng)。氧氣和碳基燃料按照相互比例各自均不超過化學(xué)計(jì)量比5％的比例投入爐(14)內(nèi)。碳基燃料燃燒產(chǎn)生超過4500°F的火焰溫度。從爐(14)排出的廢氣流基本上不含有來自氧化劑的因燃燒產(chǎn)生的氣態(tài)含氮化合物，其他溫室氣也大為減少。實(shí)際上，較常規(guī)的燃燒系統(tǒng)，需要較少的碳基燃料而沒有能量輸出損失。
文檔編號F27D99/00GK1455854SQ02800125
公開日2003年11月12日 申請日期2002年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月27日
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