CN1023345C - 燃烧包含结合氮的燃料的方法 - Google Patents

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Abstract

一种为实现减低NOx放射的包含有结合氮的燃料的燃料方法，其中氧化剂和燃料通过燃烧器被分别喷入燃烧区，氧化剂喷射时具有的动量至少等于燃料流喷射时具有的动量的三倍，它的喷射角度等于或大于燃料流的外周边与氧化剂流的外周边跟它们各自的中心线形成的角度之和。

Description

本发明涉及混合后燃烧，其中燃料和氧化剂被分别喷入燃烧区内，然后在燃烧区内混合并燃烧。
最近在混合燃烧领域内的一项重大改进是在美国专利4378205（发明人安德森）和美国专利4541796（发明人安德森）中描述过的和请求保护的吸气器燃烧器及其方法。这项技术可以在温度不是很高和氧气燃烧的混合特性差的条件下，在氧气或富氧空气的助燃下进行燃烧，这样在燃烧时不会产生高含量的氧化氮（NOx）并且在燃烧区内不会形成局部热点。燃烧是在燃料和氧化剂喷射点之间所规定的较大距离内完成的，在与燃料混合和燃烧之前，炉内气体吸入到氧化剂内。
许多燃烧都含有结合氧。在这种燃料燃烧时，能够导致生成NOx的氮气可以来自燃料以外的能源，但大部分来自燃料本身。因此，为了实现减弱的NOX放射，所设计的产生低NOX的燃料，其中氮是与燃料分离的燃烧方法对于含结合氮的燃料的燃烧来说通常不是很有效的。
此外，已知的依赖于成一定角度的氧化剂和燃料流的低NOX燃烧方法，在扩散角超过了甚至一很小的角度时，就会形成不稳定燃烧或者吹散。因此，本发明的一个目的是提供一种含结合氮 的燃烧燃料方法，以实现减少NOX的放射。
对于所属技术领域的专业人员来说，在读了所公开的本发明的内容之后，上述和其它目的将变得更加明显。其中是：
一种为实现减少NOX放射的含结合氮燃料的燃烧方法，包括：
（A）沿轴向气流流动方向将含结合氮的燃料喷入燃烧区;
（B）将至少一股与燃料喷射点相距一定距离的氧化剂流喷入燃烧区，所述氧化剂包括有纯氧或富氧空气，所述氧化剂以一定角度喷射，该角度等于或大于由燃料流外围边与燃料流中心轴线所形成的角跟氧化剂流的扩散角之和，所述氧化剂喷射时这样，总氧化剂动量至少等于燃料流动量的三倍。
（C）使燃料流中的燃料吸入到氧化剂流中并让吸入的燃料与氧化剂一起燃烧。
图1是一种装置的简化的剖面图，利用该装置可实现本发明的方法。
图2是实现本发明的方法和实现现有技术的燃烧方法时从燃烧中放射NOX的曲线图。
本发明的方法将参照附图进行详细的描述。
现参照图1，含有结合氮的燃料1沿轴流方向从燃烧器3喷入燃烧区2。术语“结合氮”指的是除了含有至少一个以化学方式结合的氮原子的分子氮之外的任何化合物。这些化合物的几个简单例子有氨、氰化氢和吡啶。含有结合氮的典型燃料包括燃油和煤。在这些燃料中，氮被以化学方式结合成复杂的分子形式并且常混有胺或杂环。燃料被喷射到具有某种动量的燃烧区内，该动量等于质量与速度的乘积。燃料通常是以范围在10-200尺/秒（3-16米/秒）的速度被喷射到燃烧区内。
当燃料流从喷管9中射出时，该流以大致成圆锥体形状扩张，以致于使燃料流的周边4与燃料流的中心轴线5度一角度a。对于从直圆喷嘴中喷出的气态燃料流来说，这个角度通常在5～10度范围内。有时采用圆锥形燃料导流片来增加扩散的燃料流的角度。对于油燃烧器来说，雾化的燃料液滴流的角度变化将取决于油雾化喷嘴的设计;典型的这一角度一般在5-30度范围之内。雾化气体常用在油雾化器中，以便产生微小的燃油液滴，当氧气与燃料气体有时用作雾化气体时，空气和燃料气体流是最常用的雾化气体，当空气、富氧空气或氧气作雾化气体时，包含在雾化气体中的氧气的流量必须低于燃料完全燃烧时所需氧气流量的20%，最好是低于10%。在美国专利4738614（发明人Sny    der等）号中公开了并且提出了专利保护范围的一种优选的燃油雾化器。
氧化剂7是从燃烧器3上与燃料喷射点相隔一定距离的地方喷入燃烧区的，所以燃料和氧化剂是分开地喷入燃烧区的。在氧化剂和燃料都处在燃烧区内以前，它们不形成可燃混合物。氧化剂可以是富氧空气或者具有含氧浓度达99.5%的在学术上称之为纯氧的气体。氧化剂的含氧浓度最好高于30%。
氧化剂的喷射速度一般在200-1000英尺/秒（61-305米/秒）范围内。当氧化剂喷入燃烧区时，氧化剂流的外周边与氧化剂流的中心线形成一角度。这个扩展角度一般在5-10度的范围内。
氧化剂至少以一股气流喷入燃烧区，最好是以3-16股气流喷入。一种最佳设计方案是使燃料流从中央位置喷入燃烧区，而氧化剂通过许多围绕中央燃料流的环形流喷入燃烧区。环状方向氧化剂流的数量最好在3-16个范围内。
氧化剂从远离燃料流的地方以角度b喷入燃烧区，该角度b等于或大于由燃料流的外围边与燃料流中央轴线形成的角，例如角a和氧化剂流的扩张角，所示于图1即角c之和。氧化剂的一般的喷射角b在15-45度范围内。
氧化剂喷入燃烧区的总动量为各氧化剂流的动量之和，该动量至少等于燃料动量的三倍。氧化剂总动量最好超过燃料动量的10到30倍。最好有50%的各氧化剂流的动量至少等于燃料流动量。而最佳状是每一氧化剂流的动量都至少等于燃料流的动量。
较高的氧化剂流的动量产生大量的炉内气体循环方式，因而由于氧化剂流的引射作用，使炉内气体和燃料被吸入到氧化剂流中。由于氧化剂流离开燃料流一定距离喷射，并且燃料流的动量小于氧化剂流的动量，所以燃料与氧化剂的混合被延迟了，并且这种混合是由氧化剂喷射时的引射作用来控制的。燃料最初与含低量氧的热炉气混合并在缺氧情况下燃烧。燃烧由燃料来实现，富燃料燃烧的不完全燃烧产物被吸入到氧化剂流中并且补充氧气来实 现完全燃烧反应。
氧化剂的较高动量和较高含氧量能使喷射角大大高于常规的喷射角。这样，随着燃料不断引入氧化剂，使得燃烧产生很少量的NOX，同时还可避免断火问题。
燃料和氧化剂分开地喷入到燃烧区内，但最好是以同一的燃烧器，例如，从大致相同的轴向起始点，如燃烧器表面8处喷射，使炉内气体如燃烧产物能吸入到燃料中去，并且在这之后燃料被引入氧化剂流中，形成可燃混合物，然后燃烧。
氧气也可以以一股或多股直气流或具有一小于上述限定的角度的气流的形式被引入到燃烧区内。在这种情况下，至少50%的氧气流必须处于上述限定的较大扩张角。
为了进一步说明本发明并显示出因此而获得的改进的结果，将对下述实例和比较性实例进行描述。所提出的这些实例是用来解释和说明发明的目的，而不是为了进行限制。
燃烧器以568000BTU/HR的燃料耗量点火。燃料是含大约0.54重量百分比的结合氮的6号燃油。燃料以燃烧器以31.7磅/小时的速率，同时作为雾化气体的空气以150标准英尺3/小时（SCFH）以约79英尺/秒的速度喷入燃烧区，因此它具有0.94磅-英尺/秒2的动量。燃料流的外围边与燃料流中心线之间形成大约10度的角。包含99.5%氧的氧化剂从燃烧器与燃料分别被喷入燃烧区。氧化剂呈圆环状形式的在燃料流中心周围以8股气流以1130SCFH的总流量喷入燃烧区。氧化剂以大约614英尺/秒的速度喷射，因此，总氧化剂动量为16.2磅-英尺/秒2，每一氧化剂的动量则约为2磅-英尺/秒2。各氧化剂流从与燃料流有一定距离的地方以30度角度喷入燃烧区。考虑到雾化空气，提供给燃烧区的总氧化剂的含氧浓度约为90%。
燃烧进行时，测量燃烧区烟道的NOX放射量。该过程重复进行并将两实例的测量结果显示在图2的数据点1和2中。
从比较的目的出发，上述过程重复进行7次，除了氧化剂以大致平行于燃料流中心线的方向喷入燃烧区的情况之外，还使氧化剂的含氧浓度在约35～100%范围内。也就是说，氧化剂没有以一个角度喷入燃烧区。燃烧进行时测量燃烧区烟道内的NOX放射量并表示为图2的线A。
从图2中显示的结果可以明显地看出，本发明的方法能使结合氮燃料进行燃烧，而当不使用本发明的方法时，产生的NOX放射量会尽可能降低。
除了氧化剂通过4个直喷嘴以30度角在离开燃料流的地方喷射外，还要使该过程重复进行6次。测量出NOX的放射量并表示为图2中的线B。正如所看到的那样，当未采用本发明时（线A）;NOX的放射有某些改善;然而，当采用了本发明的最佳形式（数据点1和2）时，可以看出，在NOX放射的减弱上得到了极大的改善。
虽然参照某些特定的实施例对本发明的方法进行了详细的描述，但所属技术领域的专业人员将会认识到，在权利要求的精神和范围内，还可以有其它实施例。

Claims (19)

1、一种为实现减低NOx放射的包含有结合氮的燃料的燃烧方法，包括：
(A)沿轴向气流流动方向将含结合氮的燃料喷入燃烧区；
(B)将至少一股与燃料喷射点相距一定距离的氧化剂流喷入燃烧区，所述氧化剂包括有纯氧或富氧空气，所述氧化剂以一定角度喷射，该角度等于或大于由燃料流外周边与燃料流中心轴线所形成的角跟氧化剂流的扩张角之和，所述氧化剂其喷射时，应使总氧化剂动量至少等于燃料流动量的三倍；和
(C)使燃料流中的燃料吸入到氧化剂流中并让吸入的燃料与氧化剂一起燃烧。
2、按照权利要求1的方法，其特征是燃料是油。
3、按照权利要求1的方法，其特征是燃料喷入燃烧区的速度在3-16米/秒范围内。
4、按照权利要求1的方法，其特征是燃料流的外周边与燃料流中心线形成一个角度，该角度在5-15度范围内。
5、按照权利要求1的方法，其特征是氧化剂具有含氧浓度大于30%。
6、按照权利要求1的方法，其特征是氧化剂喷入燃烧区的速度在61-305米/秒范围内。
7、按照权利要求1的方法，其特征是氧化剂以15-45度的角度范围喷入燃烧区。
8、按照权利要求1的方法，其特征是总氧化剂的动量超过燃料动量的3-30倍。
9、按照权利要求1的方法，其特征是氧化剂以3-16股气流喷入燃烧区。
10、按照权利要求1的方法，其特征是燃料以一股位于中央的气流形式喷入燃烧区，而氧化剂则以围绕中央燃料气流的多个环状气流的形式喷入燃烧区。
11、按照权利要求10的方法，其特征是氧化剂流的流数在3-16范围内。
12、按照权利要求1的方法，其特征是至少有一些燃料的结合氮是包含在包括杂环在内的化合物中。
13、按照权利要求1的方法，其特征是至少有一些燃料的结合氮是包含在包括胺类在内的化合物中。
14、按照权利要求1的方法，其特征是燃料流被雾化成微小液滴。
15、按照权利要求14的方法，其特征是采用雾化气体进行雾化。
16、按照权利要求15的方法，其特征是雾化气体包括氧气，并且随雾化气体一起提供给燃烧区的氧气不超过燃料在完全燃烧时所需氧气的20%。
17、按照权利要求1的方法，其特征是补充加入的氧化剂以一股或多股气流喷入燃烧区，喷射的角度小于由（B）项中限定的角度，由（B）项中限定的氧化剂流数至少是总氧化剂流数的50%。
18、按照权利要求1的方法，其特征是至少有50%的单股气化剂流具有至少等于燃料流动量的动量。
19、按照权利要求1的方法，其特征是每一单股的氧化剂流具有至少等于燃料流动量的动量。
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