CN1026027C - 多孔氧化剂喷嘴燃烧方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种以更均匀一致的温度分布减少和NO_x生成物而进行燃烧的方法和装置，它包括通过具有直型和有角度的喷口的喷嘴注入氧化剂并将气体抽吸送入有角度注入的氧化剂和使氧化剂流束的后部合并一起。

Description

本发明涉及的是燃烧，其中燃料和氧化剂被注入燃烧区内和在燃烧区内混合和燃烧。

在燃烧技术领域，最近一个重要的进展是安得森（Anderson）在美国专利号4378205和4541796中所叙述和要求保护的抽气器燃烧器和方法，这一技术可以使燃烧在不太高的温度和氧气燃烧混合性差的特性下，实现用氧气或富氧空气的燃烧，从而获得不致产生高氮氧化物（NO_X）和在燃烧区内不引起局部热点的燃烧。这一特点通过在燃料和氧化剂注入点之间限定一个较长的距离并将炉烟抽气在与燃料混合和燃烧之前送入氧化剂而实现。

在一些特定的燃料的燃烧中，例如对一些危险的废料的焚化中，在燃烧区内存在着高氮或高氮化合物，当燃烧进行时，它们会成为氮氧化物（NO_X）源。此外，在特定的燃烧区，例如用于危险废料焚化的旋转干燥炉内，是相对的长而窄的。众所周知利用扩散火焰进行燃烧，可以降低（NO_X）的形成，和可获得更均匀一致的温度分布。这种扩散火焰在窄小的燃烧区不能获得，由于 火焰容易冲击或使燃烧区壁部过热。

因此，本发明的一个目的就是提供一种用于实施燃烧的方法，特别是用于相对于窄的燃烧区域内燃烧方法，而同时可获得更均匀一致的温度分布以及甚至在燃烧区内存在明显量的氮或氮化物的条件下，获得较低量的NO_X成份。

本发明的另一个目的是提供一种实施燃烧的装置，特别是在相对窄的燃烧区域内，同时可获得更均匀一致的温度分布以及甚至在燃烧区域内存在明显量的氮或氮化物的条件下，获得较低量的NO_X成份。

上述和其它目的，对本技术领域的专业人员来说，通过本发明，根据所公开的内容，将变得显而易见，其一个方面是：

一种用于燃烧燃料和氧化剂而获得更均匀一致的温度分布和降低NO_X放射物的方法，它包括：

（A）使燃料流通过燃烧区;

（B）在至少两种流束中，注入氧化剂进入燃烧区，至少有一束这样的氧化剂流束以大体上平行于燃料注入，和至少有一束这样的氧化剂流束以与平行注入的氧化剂成一个外向角度注入;

（C）将从燃烧区内抽出的烟气送入以一定角度注入的氧化剂流束并随后以一定角度流入的氧化剂流束进入至少一个平行注入的氧化剂流束;和

（D）将最终的氧化剂流束与燃料混合而形成可燃烧的混合物及燃烧该混合物。

本发明的另一个方面的：

用于燃烧燃料及氧化剂而获得更均匀一致的温度分布和降低NO_X放射物的装置，它包括：

（A）用于通过燃烧区域流过燃料流束的装置;和

（B）用以将氧化剂注入燃烧区域的装置，所述氧化剂注入装置包括具有至少有三个喷口的喷嘴，至少一个取向喷口其取向使注入的氧化剂大体上平行于燃料通过装置的流向，和多个喷口每个喷口的取向使注入的氧化剂与所述平行取向的喷口的注入方向成一外向角度。

图1为本发明所用方法和装置中一个氧化剂喷嘴实施例的前视图。

图2为图1所示喷嘴的剖视图。

图3是本发明燃烧装置实施例中前视图。

图4是用于图3图解的燃烧器装置的氧化剂流束流动轨迹示意图。

图5是采用本发明进行燃烧与只使用已知直型喷嘴燃烧器进行燃烧时NO_X放射物曲线图。

图6是采用本发明进行燃烧与具有只使用已知直型喷嘴燃烧器进行燃烧时，在燃烧区域内的温度分布曲线图。

在本发明的实际应用中，燃料以一束或多束流通过燃烧区域。较好地是将燃料以一束注入燃烧区内，最好为集中于氧化剂流束圈内的喷气流。燃料可以是能够通过燃烧区的任意一种燃料。这类燃料的例子包括气体的燃料，例如甲烷和天然气，液体燃料，例如燃料油和有机液体废料，在气态介质中分布的固体燃料颗粒，以及能够通过燃烧区被输送的固体和/或液体燃料。

至少通过一个喷嘴，将氧化剂，最好与燃料注入点有一个间隔，注入燃烧区内。氧化剂可以为空气，富氧空气，或具有浓度超过99.5%的技术纯氧。最好氧化剂的平均含量浓度超过25%。来自其它部位的氧气，例如空气泄漏也可存在于燃烧区域。

将氧化剂从氧化剂喷嘴至少以两束注入燃烧区域内。至少有一束氧化剂以大体平行于燃料束通过燃烧区的方向注入燃烧区域内，即：燃料通行装置的通过方向。术语“平行”指的是与流束的中心轴线而言，“用大体平行”意为在大约5°之内。应该理解到：如果燃料流束是一种喷气流束并以大体上圆锥形扩张注入通过燃烧区域，则氧化剂流束以及其它流束也会具有一种旋转或有角度的分支。

至少将一束氧化剂流以与平行注入的氧化剂束成一角度而注入燃烧区。角度较好地是在10°至45°范围内，最好是在10°至35°范围内。在此角度是指由流束的中心线所构成的角度。当使用多束有角度地注入的氧化剂流束时，氧化剂流束可能与平行注入的氧化剂流束成同一角度，或者有一束或更多的束形成不同的角度或更多的角度。

较好地是将通过喷嘴注入燃烧区的氧化剂的30%-70%沿平行于流束的方向注入，最佳的量为30%-50%，将注入燃烧区的氧化剂中剩余部分通过喷嘴与流束成一定角度地注入。较好地，通过平行流束注入燃烧区的氧化剂的通量至少占通过喷嘴注入氧化剂的总通量的40%。

图1为应用本发明的氧化剂喷嘴实施例的前视 图。参考图1氧化剂喷嘴1具有六个标号为2、3、4、5、6和7的喷口。喷口2，3，4，5定向为直的，以便以大体平行的方向，例如：平行于通过类似定位的燃料喷口注入的燃料流束方向，将氧化剂注入燃烧区域内。喷口6和7以一定角度定位，在此情况下，与喷口2，3，4和5取向为12°。这一角度在沿图1B-B线剖视而成的剖视图2中更清楚地作了表示。较好的是每一氧化剂喷嘴具有多于一种角度取向的喷口，在氧化剂喷口上，喷口的数量越多，每一喷口注入区域越小。在注入点5喷口的区域越小，则通过喷口注入的氧化物的注入速度越高。注入速度越高，则将要讨论的抽吸效果就越显著。

将氧化剂以一个足以引起从燃烧区域内抽吸烟气并送入成角度的流束中的速度沿与流束成一角度地注入燃烧区域内。一般地讲，这一速度在每秒45.72至304.8米范围内。被抽吸的烟气或气体可以来自如下方面，例如泄漏进入燃烧区域内的空气，炉气，例如未燃烧的氮气或一氧化碳气以及来自燃烧反应时产生水蒸气，以及烃气体例如在燃烧区域内的固体和/或液体危险废物所放出的溶剂蒸气。

将氧化剂通过平行取向的喷口以足够的速度注入燃烧区域，以引起在抽吸烟气进入有角度的流束后而使该有角度的流束通过同一喷口进入平行的流束中。本发明的这一重要效果由图4加以表示。一般的平行流束的速度在每秒45.72至304.8米范围内。这个速度可以与有角度地注入的氧化剂的速度相同或不同。

图3是本发明装置的一个实施例的前视图。参照图3，燃烧器10包括有八个氧化剂喷嘴11，每一个氧化剂喷嘴包括有一个直型或平行取向的喷口12以及两个有角度的喷口13，喷口13的取向为在喷口12的外部为20°。氧化剂喷嘴11围绕中心燃料喷嘴14呈圆或环状排列，从中心燃料以平行于氧化剂通过喷口12注入的方向注入到燃烧区域内。一种与图3所例相似的冷流式燃烧器被用来观察氧化剂的流动。将氧化剂以一高达每秒152.4米的速度通过喷口12和13注入到燃烧区域内。在氧化剂通过燃烧区域时对其加入烟雾剂，以便更好地目测氧化剂流束和其形象在图4中被表示出来。参照图4可以看到，从燃烧器注入燃烧区21的有角度注入的氧化剂20进入平行注入的氧化剂22，其各自注入点的后部液流。在点23处，基本上所有的有角度地注入的氧化剂20与被吸入该氧化剂的烟气一起进入平行注入的氧化剂22。这种结合的氧化剂包括平行注入的氧化剂，有角度地注入的氧化剂和吸收的燃烧区域的烟气与燃料束混合而形成一种可燃混合物，该混合物被点燃。

本发明导致了两种重要而有益的结果。第一，氧化剂有角度注入的部分提高了来自于流动反应物外部的抽吸能力。这特别有益于置于燃烧区域内的固体和/或液体危险废物的燃烧，燃烧区域内危险废物的挥发物被分离并抽吸。此外有角度注入的流束对可燃烧反应物起到扩散作用。提高抽吸和反应物的扩散作用增加了燃烧反应的扩散。这种增加的扩散作用使燃烧具有更均匀一致的温度分布并且减少NO_X的形成。

第二，平行注入的氧化剂，用于使有角度注入的氧化剂保持不偏离燃烧反应流束的流动通道，对于窄燃烧区域的情况下，不流入燃烧区壁。此外，由于有角度注入的氧化剂引入，使平行注入氧化剂，通过增加燃烧反应流束的量而使轴向流通量增加。这极有利于增加混合的效果以及燃烧区域内的热量分布，这种效果特别适用于长而窄的燃烧区域，例如用于危险废物焚烧的旋转炉。

为了使本发明的良好效果能够产生，需要将通过同一喷嘴平行注入的和有角度注入的氧化剂以相距较近的方式注入燃烧区域。较好地，两条氧化剂注入流束之间的距离不应超过最大喷口或喷射流束直径的10倍，最好为不超过最大喷口或流束直径的5倍。

为了进一步说明本发明并表示由此而获得改善的结果，提供下面的例子以及与之相比较的例子。这些例子只作为说明和表示目的，因此，并不受局限。

在一个测量为1.22×1.22×2.44米的燃烧区域内，一个燃烧器以1055060千焦耳/小时点火速率点燃，燃料为天然气和通过中心燃料注入喷嘴注入。在燃料喷嘴周围有六个氧化剂喷嘴，每一氧化剂喷嘴包含一个喷嘴去注入平行于燃料注入方向氧化剂，和有两个与注入的氧化剂一致的喷口，该注入氧化剂与平行注入氧化剂的外夹角为30°。通过这些喷嘴注入的氧化剂为工业纯氧。以7.5%的 过量氧气和空气注入燃烧区域进行燃烧以改变燃烧时的氧气浓度。可以进行五种燃烧反应，每一种燃烧都用有不同的氧浓度。从烟道气来测量氧化氮（NO_X）放射物的含量，和其结果如图5中的曲线5A所表示。为了比较的目的，将原来的六个喷嘴由六个具有单一平行取向的喷嘴替换重复做此测试。其结果同样由图5中曲线5B表示。正如从图5的结果中可以看到的，本发明使得有效地减少氧化氮（NO_X）产生燃烧效果超过了已有的直型氧化剂喷嘴的燃烧所达到的效果。

使用含量大约为38%的氧进行燃烧，其燃烧反应时的温度分布，由应用本发明进行燃烧时，对燃烧区域内四个点的温度测量而决定的，报告正如图6中的曲线6A所表示，而以已有的直型氧化剂喷嘴进行燃烧时，其报告正如图6中的曲线6B所表示。正如从图6中的结果可以看到的，本发明以更加均匀一致的温度分布的燃烧效果超过已有的直型氧化剂喷嘴燃烧时所达到的效果。

现在可以应用本发明进行燃烧，特别是在长而窄的燃烧区域内，使用富氧空气或纯氧进行燃烧，这种燃烧具有更均匀一致的温度分布和降低氧化氮（NO_X）放射物的特点。尽管本发明就一些实施例作了详细的描述，但是本领域的专业人员应该理解到：本发明的其它实施例也在本权利要求的原则和范围之内。

Claims (19)

1、一种用燃烧燃料和氧化剂而获得更均匀致的温度分布并减少NO_x放射物的方法包括：

(A)使燃料流束通入燃烧区；

(B)将氧化剂至少以两束注入燃烧区域内，至少有一束这样的氧化剂流束以大体上平行于燃料束的方向注入和至少有一束这样的氧化剂与该平行注入的氧化剂束成一外向角度注入；

(C)从燃烧区域内抽吸烟气送入有角度地注入的氧化剂流束中，随后随该有角度注入的流束进入至少一束平行注入的氧化剂；和

(D)将最终的氧化剂束与燃料相混合而形成可燃混合物并燃烧该混合物。

2、如权利要求1所述的方法，其中氧化剂含氧量至少为25%。

3、如权利要求1所述的方法，其中有角度注入的氧化剂其角度在10°-45°范围内。

4、如权利要求1所述的方法，其中有角度注入的氧化剂是以每秒45.72-304.8米范围内的速度注入的。

5、如权利要求1所述的方法，其中平行注入的氧化剂是以每秒45.72-304.8米范围内的速度注入的。

6、如权利要求1所述的方法，其中有角度注入的氧化剂是以多重流束注入的。

7、如权利要求6所述的方法，其中每一条有角度注入的氧化剂流束，其注入角是相同的。

8、如权利要求6所述的方法，其中有角度注入的氧化剂流束至少具有两个不同的注入角。

9、如权利要求1所述的方法，其中有角度注入的氧化剂和平行注入的氧化剂以不超过量大流束直径的10倍的间隔距离注入。

10、如权利要求1所述的方法，其中燃料以喷气状流束注入并通过燃烧区域。

11、如权利要求10所述的方法，其中燃料流以位于环状注入的氧化剂流束的中心流束形式注入燃烧区域内。

12、如权利要求1所述的方法，其中氧化剂注入燃烧区和燃料注入燃烧区之点被此有间隔。

13、一种用于燃烧燃料和氧化剂以获得更均匀一致的温度分布和减少NO_X放射物装置包括：

（A）使燃料流通过燃烧区域的装置;和

（B）将氧化剂注入燃烧区的装置，

其特征在于，（B）中所述的氧化剂注入装置包括一个至少三个喷口的喷嘴，至少一个取向喷口其取向使注入的氧化剂流束大体上平行于燃料通过装置的通行方向，和多个喷口每个喷口的取向使注入的氧化剂与所述平行取向的喷口的注入方向成一外向角度。

14、如权利要求13所述的装置，其中每个有角度的取向喷口的角度是相同的。

15、如权利要求13所述的装置，其中有角度的取向喷口至少以两种不同的角度取向。

16、如权利要求13所述的装置，其中平行取向的喷口和有角度的取向喷口之间的距离不超过最大喷口直径的10倍。

17、如权利要求13所述的装置，其中有角度的取向喷口的角度在10°-45°范围内。

18、如权利要求13所述的装置，其中燃料通行装置包括一个燃料注入喷嘴。

19、如权利要求18所述的装置包括一些围绕中心位置燃料注入喷咀成环状设置的氧化剂喷嘴。

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