способ регулирования отношений топливо - воздух для нескольких горелок

Формула изобретения

1. Способ регулирования отношений топливо воздух для нескольких горелок, включающий предварительное определение для конкретного материала его количества, заданное по технологии, в продуктах сгорания топливо воздух, определение количества анализируемого материала в продуктах сгорания, сравнение количества анализируемого материала в продуктах сгорания с количеством, заданным по технологии, изменение количества топлива или воздуха, подаваемых в горелку, в зависимости от результата сравнения, отличающийся тем, что периодически отбирает пробу смеси топливо воздух для анализа из каждой горелки и сжигают ее, при отборе пробы смеси в одной из горелок, газовые смеси для анализа из других горелок отбирают в распределитель.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что горелки устанавливают по периметру шахтной печи.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что регулирование отношений топливо воздух производят на печи для плавки меди.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве анализируемого материала используют водород.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество топлива или воздуха изменяют посредством спускного клапана с электроприводом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу управления работой горелок, в частности к регулированию отношения топлива/воздуха для горелок, применяемых для плавки меди с целью исключения включения нежелательного кислорода и/или водорода в медь.

Плавка меди является очень важным промышленным процессом. Как известно, медные катоды являются основной формой меди [1] производимой в промышленном масштабе, причем катоды обычно имеют плоскую форму и размер, например, 1 дюйм х 25" 40" (25,4 мм х 635 мм 1016 мм), хотя можно изготовить катоды большего или меньшего размера.

Хотя катодно осажденная медь является технически чистым материалом за исключением обычных примесей и неизбежного незначительного количества электролита (сульфаты), физически присутствующих на поверхности катодов или включенных в них, однако обычно медные катоды не используют как таковые из-за формы и физических свойств, особенно зернистой структуры осажденной меди. Для того чтобы они имели приемлемую форму, катоды необходимо плавить и отливать из расплавленного металла в одну или более полуготовых форм, например брикеты, слитки, прутки, заготовки для проволоки квадратного сечения, стержни и другие подобные профили, из которых затем получают готовые изделия, например листы, проволоку, трубы и многие другие коммерческие изделия, полученные из технически чистой меди. Однако важно, чтобы медь не загрязнялась неприемлемым количеством кислорода и серы во время плавки меди, поскольку с технической точки зрения расплавленная медь по существу разрушается и ее следует снова обрабатывать во время ряда операций для получения нового катода. Эта операция является дорогостоящей и трудоемкой.

Поэтому важно, чтобы горелки, применяемые для плавки меди, не загрязняли медь, например, нежелательным кислородом. В общем, отношение смеси топлива/кислорода (воздух) соразмеряют так, чтобы она содержала недостаточное количество кислорода для полного сгорания топлива, при этом образующееся пламя представляет собой восстановительное пламя. Для большинства промышленных применений заданные восстановительные условия должны быть такими, чтобы содержание любого кислорода, включенного в медь, составляло меньше 0,05 мас. меди во время плавки. Предпочтительно заданные восстановительные условия являются такими, чтобы в расплавленной меди присутствовало меньше чем 0,035 мас. а лучше меньше чем 0,01 мас. кислорода.

Известны горелки [2] которые сконструированы для достижения высокой степени смешения топлива и воздуха и равномерного восстановительного пламени для уменьшения количества несгоревшего кислорода и исключения возможного загрязнения меди.

Хотя сами по себе известные горелки являются важными в процессе плавки меди, однако очень важно точно регулировать отношение смеси топлива/воздуха, поскольку избыточное количество топлива или воздуха может образовать пламя, которое будет загрязнять медь.

Известен способ регулирования отношения топливо/воздух [3] согласно которому предварительно определяют для конкретного материала его количество, заданное по технологии, в продуктах сгорания смеси топливо-воздух, определяют количество анализируемого материала в продуктах сгорания, сравнивают количество анализируемого материала в продуктах сгорания с количеством его, заданным по технологии, в зависимости от результата сравнения изменяют количество топлива или воздуха, подаваемых в горелку.

Недостатком известного способа является относительная низкая точность регулирования.

Задачей, решаемой изобретением является разработка способа для эффективной плавки меди и других металлов и материалов за счет регулирования отношения топлива/воздуха в горелках, применяемых для операции плавки.

Поставленная задача решается способом регулирования отношений топливо/воздух для нескольких горелок, включающим предварительное определение для конкретного материала его количества, заданного по технологии, в продуктах сгорания смеси топливо-воздух, определение количества анализируемого материала в продуктах сгорания, сравнение количества анализируемого материала в продуктах сгорания с его количеством, заданным по технологии, изменения количества топлива или воздуха, подаваемых в горелку, в зависимости от результата сравнения, периодический отбор пробы смеси топливо-воздух для анализа из каждой горелки, причем при отборе пробы смеси в одной из горелок газовые смеси для анализа из других горелок отбирают в распределитель.

Поставленная задача также решается за счет того, что горелки устанавливают по периметру шахтной печи.

Поставленная задача также решается за счет того, что регулирование отношений топливо/воздух производят на печи для плавки меди.

Поставленная задача также решается за счет того, что в качестве анализируемого материала используют водород.

Поставленная задача также решается за счет того, что количество топлива или водорода изменяют посредством клапана с электроприводом.

Установлено, что топливо и воздух (кислород), подаваемые в горелки, которые применяют, например, для плавки катодной меди, можно эффективно регулировать для получения отношения топливо/воздух в заданных рабочих пределах и образования, например, восстановительного пламени, имеющего содержание водорода в сгораемом топливе примерно 0,3% по объему или меньше от требуемого значения водорода. Обычно значение водорода поддерживают между примерно 1-3% по объему в зависимости от применяемого топлива. При применении природного газа содержание водорода составляет примерно 1-2% тогда как для пропана содержание водорода равно примерно 0,3-0,9% поскольку из-за отношения углерода/водорода в топливе образуется больше CO, чем H₂ для пропана, тогда как при использовании метана (природный газ) образуется равное количество H₂ и CO. В общем способ регулирования горелок, расположенных, например, по периферии шахматной печи, включает в себя стадии:

(а) для конкретного материала (например, водород) определяют заданное количество (содержание), необходимое для каждой горелки;

(в) берут пробу для анализа смеси топлива-воздуха из одной горелки, при этом из каждой горелки отбирают в коллектор газовые смеси топлива/воздуха из других горелок;

(c) измеряют количество материала в пробе;

(d) сравнивают отобранное количество с заданным требуемым количеством;

(e) изменяют, если это необходимо, количество топлива и/или воздуха и повторяют стадии (в) (е) для других горелок, и продолжают стадии (в) (е) во время операции плавки.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства в соответствии с принципами и признаками настоящего изобретения; на фиг. 2 блок-схема устройства, показывающая систему отбора пробы смеси топлива/воздуха для шахтной печи с множеством горелок.

Вертикальной (шахтной) печью может быть любая, обычно вертикально расположенная печь требуемой конфигурации или размера, которая будет содержать слой меди требуемой формы и размера для плавки и позволять слою двигаться самотеком вниз в печи во время плавки меди из слоя. Итак, печь может быть, например, квадратной, прямоугольной или предпочтительно круглой формы.

Печь можно изготовить любым соответствующим способом из любого требуемого материала. Предпочтительно боковые стенки и под печи изготавливают по существу в газонепроницаемом стальном кожухе, например, посредством сварки, причем кожух футеруют кислым, нейтральным или основным огнеупором, однако предпочтителен высокоглиноземистый огнеупор.

Для осуществления изобретения в печь можно вводить расплавляющий поток (пламя) из одного или множества точек или зон в печи, при этом смешение топлива и кислородсодержащего газа может достигаться на одной или нескольких стадиях. Также воспламенение объединенного потока можно начинать в любое время после стадии или стадий соединения потоков и до контакта объединенного потока с раскисляемой медью. Таким образом, поток для плавки можно воспламенять, например, на одной стадии и затем передавать его множеству горелок и зажигать его там до ввода в печь. Хотя этот способ можно применять, однако он не является предпочтительным из-за возможности распространения пламени внутрь горелки, которое может иметь место в плавящем потоке. Аналогично, плавящий поток можно воспламенять на одной стадии и затем сжигать его, а горячие продукты горения можно направлять через множество впускных отверстий в печь. Такой способ можно применять, однако он также не является одним из предпочтительных, поскольку требует применения относительно длинных огнеупорных трубопроводов, способных выдержать очень высокие температуры. Предпочтительно плавящий поток состоит из множества отдельных струй, каждую из которых вводят в печь из камеры ее собственной горелки, установленной на стенке печи, причем каждую из единичных струй воспламеняют в камере ее конкретной горелки и затем вводят в печь. В наиболее предпочтительном способе поток топлива и поток кислородсодержащего газа подают в камеру каждой горелки, каждая из которых оснащена соединительной (смесительной) секцией для приема и соединения отдельно поданных потоков топлива и кислородсодержащего газа, затем объединенный поток подают в смежно расположенную секцию горелки, в которой объединенный поток воспламеняют и затем вводят в печь.

Горелку или горелки можно установить в стенках печи так, чтобы газы, выпускаемые из них, были направлены прямо или обычно по касательной к слою меди, причем прямой выпуск газов предпочтителен, поскольку в этом случае, как было обнаружено, обеспечивается высокая скорость плавки. Предпочтительно множество горелок устанавливать в стенках печи по крайней мере в один ряд разнесенно по отношению друг к другу по периметру печи и смежно с подом печи. Предпочтительно такой ряд состоит по крайней мере из трех горелок. А лучше установить множество горелок в стенках печи несколькими рядами с горелками каждого ряда разнесенно друг с другом по периметру печи, причем каждый ряд будет находиться разнесенно по вертикали друг с другом. Это последнее расположение горелок, особенно в комбинации с наклоненными внутрь стенками печи в нижней ее части, является более предпочтительным, поскольку обнаружено, что это позволяет нижней части расплавляемого слоя меди принимать обычно конусообразную форму, в том случае, если используют круглую печь, имеет обычно коническую конфигурацию, которая, как было установлено, обеспечивает более высокую скорость плавки, чем при ее отсутствии. Также установлено, что при любых данных условиях количество тепла, поглощаемого медью в виде конвекционного тепла от газов, зависит от температуры газов, направленных на слой, и что повышенная температура ударяющего потока газа увеличивает количество тепла, которое поглощается медью в виде конвекционного тепла. Желательно по крайней мере поток кислородсодержащего газа, а лучше также и поток топлива предварительно нагревать по возможности больше. Также желательно, когда такие газы предварительно нагревают, предварительно нагревать их до температуры в интервале 150-540^oC. В наиболее предпочтительном способе по крайней мере поток кислородсодержащего газа предварительно нагревают за счет косвенного контакта с горячими дымовыми газами из печи.

В общем печь работает, когда к верхней части столба или слоя добавляют медь, если это требуется, причем расплавленную медь можно собирать в ванне на поду печи и выпускать ее из печи непрерывно или периодически через летку. Предпочтительно ванну не применяют, и расплавленный металл может свободно течь через открытую летку, причем так же быстро, как быстро плавится медь в печи. Расплавленный металл можно направлять любым способом из печи в любое требуемое место для дальнейшего его использования. Предпочтительно металлу позволяют течь из летки в нагретый желоб, который подает его непосредственно к установке для литья, расположенной смежно с печью, из которой его можно подавать на соответствующую установку для литья. Нагревательный желоб и/или раздаточную печь можно нагревать, используя горелки, которые соединены с единой системой управления горелками, применяемой для управления печными горелками для плавки меди.

Для осуществления изобретения можно применять любое топливо, особенно текучее или газообразное топливо. Предпочтительно в качестве топлива применяют топливо, содержащее водород и окись углерода, например водяной газ или генераторный газ, либо углеводородное топливо (т.е. топливо, содержащее углерод и водород). Наиболее предпочтительным топливом является природный газ. Когда применяют предпочтительные топлива для осуществления изобретения для получения восстановительных компонентов в печной атмосфере, то они будут состоять по существу из водорода и окиси углерода из-за неполного сгорания топлива. В общем, количество водорода определяют путем анализа сгоревшего топлива и воздуха и регулирования отношения топлива/воздуха для достижения требуемого содержания водорода. Однако независимо от применяемого топлива способ в соответствии с изобретением позволяет регулировать заданное количество требуемого материала (например, водород, СО, О₂, H₂О и т.д.) в пределах примерно 0,3% по объему и обычно меньше чем 0,2% или 0,1% по объему.

Рассмотрим фиг. 1, на которой представлена типичная схема системы с одной горелкой. Как было описано, обычно применяют множество горелок, расположенных в ряд по периферии печи, причем каждая горелка будет иметь ту же конфигурацию, что и оборудование, показанное на фиг. 1.

Топливо, например природный газ, подают из источника 10 подачи топлива в зонный регулятор 11 для поддержания избыточного давления выше давления воздуха. Зонный регулятор имеет две трубы 11а и 11в, которые сообщаются с трубопроводом для топлива и воздухоподводящей магистралью 19, соответственно для достижения условия избыточного давления. Затем топливо проходит в топливный коллектор 12 к обычному мембранному клапану 13 нулевого регулятора. Клапан 13 также оснащен трубой 13а и трубой 13в, ведущей от воздухопровода к пространству над мембраной в клапане 13 для передачи давления воздуха мембране. Труба 13в также имеет спускной клапан 20 и продувочный клапан 21, соединенный с ней, для регулировки количества топлива или воздуха, основанного на применении системы регулирования 26, как будет описано. В конкретном исполнении применяют спускной клапан 20 с электроприводом для точного регулирования отношения топлива/воздуха, причем установлено, что регулирование давления по отношения к регулированию клапаном с электроприводом является очень важным для достижения исключительных результатов в способе в соответствии с изобретением. Затем топливо подают через регулируемое сопло 14, которое также служит для регулирования топлива, подаваемого в горелку. Обычно регулируемое сопло 14 предназначено для регулирования потока топлива вручную, тогда как спускной клапан 20 обеспечивает окончательное точное регулирование, необходимое для достижения точного регулирования отношения содержания топлива/воздуха. Затем топливо проходит в смесительную камеру 15 (обычно является частью горелки) для смешения его с воздухом.

Воздух подают из источника подачи воздуха 17 через дроссельный клапан 18 в воздушный коллектор 19 и через клапан 19а в воздушном коллекторе в смеситель 15. Смешанный поток топлива/воздуха подают в горелку 16 для сжигания.

Отношение топлива/воздуха определяют предпочтительно путем взятия пробы смешанного потока топлива/воздуха, сжигания ее и анализа продуктов горения. Можно применять другие средства для взятия пробы и анализа. Это может достигаться посредством применения трехходового соленоидного клапана 22. С клапаном 22, предназначенным для взятия пробы и анализа, смесь топлива/воздуха подают вакуумным насосом 23 в печь 24, в которой смесь горит в идеальных условиях. Затем эту "горелую" смесь подают в камеру 25 анализатора для анализа, а результаты вводят в систему управления 26. В зависимости от анализа осуществляют регулирование спускного клапана посредством уменьшения размера открывания клапана, если требуется больше топлива, или его увеличение, когда требуется больше воздуха. Другими входными данными для системы управления 26 являются давление воздуха и давление топлива из их соответствующих трубопроводов.

Когда пробу смеси топлива и газа не берут для анализа, соленоидный клапан 22 направляет смесь в вакуумный распределитель 27, соединенный с вакуумным насосом 28 и выпускным клапаном 29.

Для типичной системы, имеющей множество горелок, расположенных в ряд по периферии печи, каждая горелка будет иметь одну и ту же конфигурацию, начиная от топливного трубопровода 12 и воздухопровода 19 и кончая горелкой. Каждая горелка будет также иметь трехходовой соленоидный клапан, соединенный с ним, а остальное оборудование, расположенное вниз по течению от соленоидного клапана, будет использоваться для всех горелок независимо от их количества. Таким образом обычно применяют, например, только одну печь 24 для ряда горелок. Однако можно применять множество печей, камер анализатора и т. п. но обычно это неэкономично.

Обратимся к фиг. 2, которая показывает шахтную печь, имеющую четыре (4) горелки, причем во время работы берут пробу из смесителя 15а направляют через клапан 22а по трубопроводу 23а в вакуумный насос 23. Из насоса 23 пробу сжигают в печи 24, анализируют в камере 25, и результаты передают в систему управления 26. Важным признаком изобретения является то, что, когда берут пробу газовой смеси из смесителя 15а и анализируют, клапаны 22в, 22с, 22d направляют газовые смеси из смесителей 15в, 15с, 15d соответственно в вакуумный распределитель 27 посредством вакуумного насоса 28 и выпускают через клапан 29. Когда пробу из смесителя 15а анализируют и обрабатывают в системе управления 26, клапан 22а переключают для направления газа из смесителя 15а в вакуумный распределитель 27 по трубопроводу 28а, а клапан 22в переключают для направления газовой смеси из смесителя 15в для взятия пробы и анализа посредством пропускания пробы по трубопроводу 23 в вакуумную систему для анализа. Клапаны 22с и 22d остаются в том же положении, как было описано, и их смеси подаются в вакуумный распределитель 27. Упомянутую операцию повторяют непрерывно во время работы печи, при этом из всех горелок берут повторные пробы. Можно применять любую последовательность взятия пробы.

Упомянутый способ взятия пробы и анализа пробы значительно увеличивает количество проб и анализов за единицу времени, поскольку всегда доступна проба газовой смеси для анализа вблизи печи 24 и камере 25 благодаря применению вакуумного распределителя 27. Это можно легко понять, если определить расстояние, на которое должна переместиться проба газа из смесителя 15 в печь 24 для сжигания пробы, поскольку расстояние от смесителя 15 до клапана 22 исключается. При нормальной работе в промышленном масштабе количество проб и анализов примерно удваивается, если сравнивать с системой, не применяющей вакуумный распределитель 27. Такое увеличение количества проб и анализов позволяет точно регулировать отношение содержания топлива/газа и следовательно повысить эффективность операции плавки.

Во время плавки медных катодов в шахтной печи, имеющей три ряда из множества горелок, регулирование отношения топлива/воздуха способом в соответствии с изобретением (с применением спускных клапанов 20 с электроприводом) позволяет значительно улучшить качество материала благодаря регулированию содержания водорода в пламени горелки (меньше чем 10,2% отключения по объему от заданных значений требуемой концентрации водорода).

В операциях плавки без применения настоящего изобретения содержание водорода изменяется на 0,5% от заданных значений требуемой концентрации.