CN101802497B - 稀释的燃烧 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在装备有燃烧器的炉中的燃烧方法，该燃烧器包括含有10％至30％氧气的助燃剂的入口和在助燃剂入口外侧并在离助燃剂入口为助燃剂入口等效直径的0.3至4倍的距离处的通向炉中的燃料入口，所述助燃剂以10至60m/s的速度进入炉中。本方法可用于基本减少氧化氮排放并且特别适用于玻璃炉。

Description

稀释的燃烧
本发明涉及一种稀释的燃烧方法，几乎不产生氧化氮并且特别适用于玻璃炉。 
本领域技术人员通常用“NOx”表示由不希望有的氮气氧化产生的NO和/或NO2类氧化氮排放物。氮气的主要来源为在助燃剂，例如空气或富氧空气中包含的氮气。 
大多数燃烧方法，特别是玻璃炉中使用的那些燃烧方法，面临着在燃烧烟气中不希望有的NOx的排放问题。NOx气体具有对人和环境有害影响。实际上，一方面，NO2是一种刺激性气体并且是呼吸性疾病的病因。另一方面，与大气接触其会逐渐形成酸雨。最后，它们产生光化学污染，因为NOx与挥发性有机化合物和太阳辐射结合是形成被称作对流层臭氧原因，当其浓度在低空升高时，变得对人有害，特别是炎热时期。 
这是强制NOx排放的标准变得越来越严格的原因。由于严格存在这些标准，炉制造商和操作者，例如玻璃炉的制造商和操作者，坚持不懈地致力于最大限制NOx排放，优选限制至每Nm3烟气低于800，或甚至低于600mg的水平。 
温度是一个强烈影响NOx形成的参数。在1300℃之上，NOx排放非常显著地增加。 
可以根据两种被称为初级方法(methodes primaire)和次级方法(methods secondaire)的原理减少NOx。初级方法在于防止NOx形成，而次级方法致力于破坏形成之后的NOx。 
减少NOx的次级方法在于对排放的气体使用还原剂，以使NOx转化为氮气。这种还原剂可以为氨水，但是这样产生许多缺点，如难以储存和处理这种产品。在炉的某些部分(如蓄热室)中存在还原气体还可能导致这些区域中的耐火材料加速腐蚀。 
考虑到以上限制，初级方法是优选的。为了限制在火焰处形成NOx，尤其可以设法减少过量的燃烧空气。也可以通过增加焰锋(front deflamme)体积，以降低燃烧中心的平均温度，来设法限制温度峰值。这种解决方案例如在US6047565和WO9802386中描述。燃料和助燃剂彼此先后进料，以使燃料/氧化接触时间延长，和/或增大接触体积，以便 减少NOx排放。 
EP413309教导可以通过以下联合措施减少NOx： 
-将助燃剂和燃料入口彼此相隔较远，距离超过助燃剂入口直径的四倍； 
-以200至1070英尺/秒(即60m/s至326m/s)和优选500至1070英尺/秒(即152m/s至326m/s)的高速注入氧化剂。 
该文献中的实施例用极富氧的助燃剂(50％氧气)完成。NOx减少17至43％。附图显示通过相同直径的金属管进料助燃剂和燃料。 
EP896189企图通过提出以下改进该技术： 
-使用比空气更富氧的助燃剂， 
-助燃剂和燃料以0.25至1马赫的速度注入。在环境温度(T＝25℃)下，空气和甲烷中的声速分别为346m/s和450m/s。0.25马赫相当于在环境温度下速度87m/s(对于空气)，和速度112m/s(对于CH4)。当温度升高时，这些速度随温度的平方根而增加。该文献还建议燃料速度超过100m/s和助燃剂速度超过75m/s。 
NOx减少是基于实验室烟气中反应伴随物(partenaires)的稀释，导致火焰温度更低和更均匀的原理。另一个原理为无焰燃烧，其简单地表示燃烧肉眼不可见。 
这些文献的教导难以适用于在空气或适度富氧空气中工作的玻璃炉，因为这些炉设置了具有大横截面，特别是可为0.5至3m2的助燃剂入口。根据现有技术，燃料喷嘴在临到进入炉膛之前，总是设置在助燃剂入口下方或内部(经常在下部)。尤其，玻璃炉燃烧器的特征构造在图6中示出。大助燃剂入口直径尤其来自下列原因： 
-需要大的气量(特别是如果助燃剂为空气)，以及大直径限制压降； 
-小直径表现为高气体速度，这样可能引起在玻璃浴表面上的粉末状漂浮的可成玻璃的材料飞离；实际上，粉末状漂浮的可成玻璃的材料位于至少在炉的第一个上游三分之一(根据玻璃流动方向)中的玻璃表面处，甚至在炉的上游一半中的玻璃表面上；这些由气体携带的粉末然后散布到壁和炉顶上，或烟气回收管道的内部，而不是参与玻璃生产；此外它们经常含有腐蚀性材料(碱金属氧化物、硼衍生物等)，其将反应并损坏它们沉积在其上的表面；在具有回收器的炉(fours àrécupérateur)的情况下，烟气回收管道较窄，以及必须消除粉末飞离以避免堵塞这些管 道； 
-这些助燃剂(通常为空气)入口经常由易碎的耐火材料制造(特别是在具有蓄热室的炉(fours àrégénérateurs)：横焰炉(fours à 
Figure DEST_PATH_G2008800192714D00031
transversaux)和端焰炉(fours àboucle)的情况下)，并且易受在高气体流速时更强的腐蚀。希望的是耐火材料颗粒不污染熔融玻璃； 
-这些空气入口(当炉为气流换向类型并配备有蓄热室时)经常轮流作为空气入口和作为烟气收集器进行工作；过小的直径阻碍烟气收集，并且需要使用更强的加速气体的排气扇，由此腐蚀耐火材料，这样导致更多的颗粒聚集在蓄热室中。 
本领域技术人员公知的蓄热室用来回收来自燃烧烟气的热量。它们由位于轮流工作的独立腔室中的耐火砖组成。它们特别可装备端焰炉或横焰炉。这些炉通常配备有至少两个彼此先后工作的燃烧器，和至少两个彼此先后工作的蓄热室，以加热助燃剂和收集烟气。当第一燃烧器工作并产生火焰期间，其助燃剂由位于它邻近的第一蓄热室输送和加热，烟气被收集和输送到第二蓄热室，该第二蓄热室从烟气回收热量。循环地，通过停止第一燃烧器工作和起动第二燃烧器反向工作，其助燃剂由第二蓄热室输送和加热(所述第二蓄热室在先前步骤过程中用来收集烟气)。第一蓄热室因此用作烟气收集器。炉因此在直到在回收烟气的蓄热室中温度达到至少1250℃的方向上工作，然后使炉反向工作。使用某些陶瓷甚至可使温度达到超过1450℃，甚至约1500℃。 
提醒的是回收器根据换热器原理工作，烟气经过回收器的管道，而助燃剂流经回收器的另一个管道。烟气经由这些管道的壁将其热量转移至助燃剂。因此，不同于蓄热室，回收器不根据反向(inversion)原理工作。 
在横焰炉的情况下，蓄热室通常设置在炉侧壁的后面。在端焰炉的情况下，它们通常设置在炉上游壁的后面。 
在玻璃炉中，由于大的助燃剂入口直径，通常难以将助燃剂和燃料入口彼此隔开超过助燃剂入口直径的4倍以上。此外，如已经解释的，低的助燃剂引入到炉气氛中的速度是所希望的。 
一般说来，在配备有这种大的空气入口的玻璃炉中，燃料喷嘴被设置在助燃剂入口本身的下方或内部(通常在下部)。 
根据本发明，现已发现在具有通常超过0.5m2的大横截面的助燃剂 入口情况下，利用较低的助燃剂入口速度可以获得极大的NOx减少，可能超过45％以及甚至超过60％。这种新的构造可另外地保持对进料(可成玻璃的材料和液态玻璃)的良好热能转移。 
本发明涉及一种装备有燃烧器的炉中的燃烧方法，该燃烧器包括含有10％至30％氧气的助燃剂的入口和通向在助燃剂入口外侧的通向炉中的燃料的入口，所述燃料入口与助燃剂入口的距离为助燃剂入口等效直径的0.3至4倍，所述助燃剂以10至60m/s的速度通向炉。 
对于使用利用助燃剂和燃料燃烧的至少一个燃烧器的任何类型的炉，本发明提供非常显著的NOx减少。本发明特别可用于任何类型的玻璃炉，例如具有蓄热室或回收器(unit melter)的端焰炉、横向燃烧器炉。在端焰炉的情况下可以获得惊人的NOx减少。 
炉中的助燃剂入口横截面积通常为至少等于0.25m2，甚至高于0.5m2，和甚至通常高于0.8m2，以及通常低于3m2和更通常低于2m2。 
在本发明的范围中，阻燃剂通常在进入炉气氛之前被加热到至少400℃，或甚至至少1000℃的温度。蓄热室通常将空气加热到1100至1400℃。回收器通常将空气加热到300℃至900℃。优选地，助燃剂被加热到至少燃料的自燃温度。 
助燃剂为空气或低富氧空气，以便助燃剂的总氧含量低于30％，甚至通常低于25％。助燃剂中的总氧含量高于10％。 
根据本发明，助燃剂进入炉中的速度高于10m/s，和优选高于15m/s。根据本发明，助燃剂进入炉中的速度低于60m/s，和优选低于50m/s，例如低于45m/s。 
炉中的助燃剂和燃料入口取道于炉中的不同孔开通(因此助燃剂入口不包含任何燃料喷嘴)，并且相隔助燃剂入口等效直径的至少0.3倍，优选至少0.5倍，例如至少0.6倍。“等效直径”理解为具有与空气入口相同横截面的圆的直径。该定义是必需的，因为玻璃炉中的空气入口通常不是圆形的。炉中的助燃剂和燃料入口被相隔至少助燃剂入口等效直径的四倍，优选至少助燃剂入口等效直径的三倍。通常，该距离为至少20cm，甚至为至少50cm，并可以长达4m。燃料和助燃剂入口之间的这些距离是一方面燃料入口和另一方面助燃剂入口之间两个最近点之间的距离。术语“燃烧器”表示包括助燃剂入口和一个或多个组合的燃料入口用于保持燃烧反应的组装件。如果多个燃料喷嘴与一个助燃剂入口组合，则使所有喷嘴定位使得对于所有所述喷嘴基本同时引发燃烧反应。 
通常，与助燃剂入口组合的所述一个或多个喷嘴(即参与相同的反应区)位于与所述助燃剂入口相同的平面(相同的壁)中。但是，所述助燃剂和燃料入口不必须地通向该相同壁。 
在气体燃料(例如天然气、甲烷、丁烷、丙烷)的情况下，燃料进入炉中的速度高于30m/s和优选高于50m/s。根据本发明，燃料进入炉中的速度低于250m/s和优选低于200m/s。 
可以使用液体燃料，例如重燃料油。 
图1和2表示显示端焰炉的俯视图。 
图3显示配备有回收器的横焰炉的俯视图。 
图4显示配备有蓄热室的横焰炉的俯视图。 
图5显示形成根据本发明的燃烧器的助燃剂和燃料入口。 
图6显示形成根据现有技术的燃烧器的助燃剂和燃料入口。 
图1显示可用于本发明范围中的端焰炉的俯视图。该炉包括上游面1，两个侧面2和2′以及下游面3。其配备有并列的都位于上游面之后的两个相同的蓄热室4和4′。每个蓄热室位于上游面的二分之一的后面。壁龛(niches)6和6′排列在侧壁2和2′中用于引入可成玻璃的材料。这些壁龛位于侧壁的上游第一个三分之一。在炉的二分之一下游提供浸入熔体浴的坝堰(barrage)5。在图1的情况下，火焰由上游面的二分之一处1a产生。其在炉气氛中形成回路(boucle)以返回到上游面的另一二分之一处1b。烟气因此穿过位于上游面二分之一处1b之后的蓄热室4′。当蓄热室4′中的耐火砖足够热时，根据图2使炉反向工作。在这种情况下，火焰由上游面的二分之一处1b产生，并且烟气的热量在另一个蓄热室4中被回收。当穿过蓄热室4′时，火焰的助燃剂为经加热的空气。玻璃流经在炉的下游面3中排列的孔7。燃料喷嘴未示出。根据本发明，它们远离空气入口。 
图3显示横焰炉的俯视图。可成玻璃的材料经由位于侧壁中上游的壁龛15和15′引入。侧壁装备了多个横向燃烧器( 
Figure DEST_PATH_GSB00000704525600011
transversaux)16。烟气的热量由回收器17回收。玻璃经由出口18回收。提醒的是回收器根据热交换器的模式工作，经过管道的烟气加热经过另一个管道并向横向燃烧器进料的空气。燃料喷嘴未示出。根据本发明，它们远离空气入 口。 
图4显示具有横向燃烧器和蓄热室的炉41。炉41包括上游壁43，下游壁44和两个侧壁45和45′。可成玻璃的材料经由常规的器件(未示出)从上游壁43被引入。可成玻璃的材料如箭头所示从上游流到下游。玻璃进入冷却室(braise)47，用于在流入转化单元(未示出)之前进行热调理(conditionnement thermique)，所述转化单元可以为用于生产平板玻璃的浮法玻璃设备。炉41跨过其两个侧壁配备有彼此先后工作的两排四个空气燃烧器( aériens)。每个空气燃烧器包括经由管道8和8′进料煤气的燃料喷嘴，和热空气入口9和9′。观察到每个侧壁的头两个燃烧器在炉的上游第一个三分之一(该第一个三分之一的边界由横向虚线48标明)。喷嘴以符合本发明的足够距离位于空气入口的下面。开口9和9′轮流起热空气入口和烟气收集器的作用。它们每一个连接到蓄热室10、10′。当壁45的喷嘴工作时，壁45′的喷嘴不工作。烟气经过在它们对面的侧壁45’的开口9′，它们的热量在蓄热室10中被回收。几十分钟之后，炉反向工作，也即使壁45的燃烧器停止工作(燃料气体停止流过管道8和空气停止流过开口9)，使壁45′的空气燃烧器工作，通过经由管道8′向其喷嘴供给煤气和向空气入口9′供给热空气。由于蓄热室10的加热作用，空气是热的。几十分钟之后，炉再次反向工作，诸如此类(重复反向循环)。炉配备有溢流堰(barrage immergé)11，其促进在熔融玻璃中形成对流带(courroies de convection)。 
图5显示根据本发明的助燃剂入口51和三个燃料喷嘴52、53、54的组合，特别可用于在端焰炉(如对于图1和2的那些)的上游面。喷嘴在助燃剂入口外侧，并且喷嘴和助燃剂入口之间的距离55、56、57为空气入口等效直径的0.2至0.5倍。 
图6显示，根据现有技术，与位于空气入口内部且下部的三个喷嘴62、63、64组合的空气入口61。 
实施例1
使用配备有蓄热室的横焰炉，为图3中所示类型。横截面积为0.25m2的空气入口管道位于炉的每个端壁(侧壁)上，这样使得主要气流垂直于玻璃流。空气管道以相对的管道对进行分组。每个空气入口管道与两个燃料喷嘴(天然气)组合，该燃料喷嘴以与组合的空气管道等效直径相等的距离进行设置。每对管道的循环工作。在一个循环期间，空气经由管道之一到达，燃料经由组合的喷嘴到达。由燃烧反应产生的烟气优选经由它们对面的管道排出，并经过耐火材料堆积层，向它们释放部分能量。下一个循环期间，空气入口变为出口，交互转换。空气经过先前由烟气加热的耐火材料堆积层，并在与它们接触时被加热。 
炉中的空气入口温度为约1300℃，或高于燃料的自燃温度。炉中的空气注入速度为约40m/s。燃料注入速度也为约40m/s。 
氧化氮排放低于400mg/Nm3。 
实施例2(对比)
如实施例1进行操作，除了通过将空气入口横截面积增加到0.9m2，将空气注入速度减少到12m/s，以及空气入口和喷嘴之间的距离减少到空气管道等效直径的0.2倍。测量的氧化氮排放接近800mg/Nm3，表明与本实施例中的构造相比，如实施例1所述的本发明可以将NOx排放减少二分之一的作用。对进料(液态玻璃和可成玻璃的材料(matièresvitrifiables))的热交换与实施例1中观察到的热交换相同。 
实施例3
使用配备有蓄热室的端焰炉，其为图1中所示的类型。数目为两个的蓄热室位于炉的上游山字墙(pignon)之后，所述山字墙邻接原料入口并与熔融的玻璃从其离开的一侧相对。在该壁上设置两个轮流工作的管道，或者作为由蓄热室预热的空气入口或者作为由燃烧产生的烟气出口。因为这两个管道位于相同的壁上，这样产生按照流动方向的并具有特征回路形状的火焰。下一个循环期间，所述角色互换并且火焰反向：空气入口管道变为新的烟气出口管道，这样能够周期性地将热量从烟气转移至蓄热室的耐火材料堆积层中，并由此预加热燃烧空气。空气进入炉中的温度为约1300℃，高于燃料的自燃温度。设定空气入口管道的尺寸以具有25m/s的空气进入炉中的速度。每个空气入口管道与4个燃料喷嘴组合，对于这些喷嘴中的两个，其以空气管道等效直径的0.8倍的距离进行定位，对于另外两个喷嘴，其以空气管道等效直径的1.6倍的距离进行定位。燃烧废气由燃烧发生之前的空气和燃料射流带走，以便产生非常稀释的燃烧。NOx排放为200mg/Nm3。 
实施例4(对比)
如实施例3进行操作，除了设定空气入口管道尺寸以具有约15m/s的空气进入炉中的速度，和将空气入口和喷嘴之间的距离减少到助燃剂入口等效直径的0.1倍，喷嘴刚好设置在空气管下面。 
测量的NOx排放为800mg/Nm3，表明与本实施例中的构造相比，如实施例3所述的本发明可以将NOx排放减少75％。 
与进料(液态玻璃和可成玻璃的材料)的热交换与实施例3中观察到的相同。 

Claims (18)

1.一种在装备有燃烧器的炉中的燃烧方法，该燃烧器包括含有10％至30％氧气的助燃剂的入口和在助燃剂入口外侧并在离该助燃剂入口为助燃剂入口的等效直径的0.3至4倍的距离处的通向炉中的燃料入口，所述助燃剂以10至60m/s的速度通向该炉中，助燃剂入口横截面积为至少等于0.25m2并低于3m2。
2.在前述权利要求请求保护的方法，特征在于助燃剂入口和燃料入口之间的距离小于助燃剂入口的等效直径的3倍。
3.在前述权利要求任一项请求保护的方法，特征在于助燃剂入口和燃料入口之间的距离为助燃剂入口的等效直径的至少0.5倍。
4.在权利要求1-2任一项请求保护的方法，特征在于助燃剂入口和燃料入口之间的距离为20cm至4m。
5.在权利要求1-2任一项请求保护的方法，特征在于助燃剂以高于15m/s的速度进入炉中。
6.在权利要求1-2任一项请求保护的方法，特征在于助燃剂以低于50m/s的速度进入炉中。
7.在权利要求1-2任一项请求保护的方法，特征在于助燃剂在进入炉中之前被加热到至少400℃的温度。
8.在权利要求7请求保护的方法，特征在于助燃剂在进入炉中之前被加热到至少1000℃的温度。
9.在权利要求1-2任一项请求保护的方法，特征在于助燃剂在进入炉中之前被加热到至少燃料的自燃温度。
10.在权利要求1-2任一项请求保护的方法，特征在于助燃剂入口横截面积为0.5至3m2。
11.在权利要求10请求保护的方法，特征在于助燃剂入口的横截面积为0.8至3m2。
12.在权利要求1-2任一项请求保护的方法，特征在于燃料是气态的，其进入炉中的速度高于30m/s。
13.在权利要求12请求保护的方法，特征在于燃料的进入速度高于50m/s。
14.在权利要求1-2任一项请求保护的方法，特征在于燃料是气态的，其进入炉中的速度低于250m/s。
15.一种在炉中熔融可成玻璃材料的方法，在该炉中熔融玻璃从上游流到下游，该方法包括位于该炉的上游二分之一中的粉末状可成玻璃材料的进料，和位于该炉上游的二分之一中的燃烧器，所述燃烧器根据在前述权利要求任一项的燃烧方法进行工作。
16.在权利要求15请求保护的方法，特征在于粉末状可成玻璃的材料悬浮在该炉的上游第一个三分之一中，且该燃烧器位于炉的上游第一个三分之一中。
17.在权利要求15-16任一项请求保护的方法，特征在于该炉为端焰炉。
18.根据权利要求15请求保护的方法，特征在于炉为横焰炉。
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