CN103782099A - 预混合空气-气体喷燃器的氧富化 - Google Patents

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Abstract

公开了一种预混合喷燃器组件，其用于安全地对预混合空气-燃料燃烧系统进行氧富化。在公开的喷燃器组件中，第一管道布置成和设置成提供第一气体流。第一气体流为自反应或可自燃的预混合物，其包括空气和可燃气体。至少一个第二管道布置成和设置成沿周向在第一气体流的周围提供第二气体流。第二气体流包括氧。预混合喷燃器组件构造成在比第二流的温度高至少1000℉的温度下燃烧第一流或使该第一流反应。还公开一种方法和包括预混合喷燃器组件的燃烧系统。

Description

预混合空气-气体喷燃器的氧富化
本申请要求2011年2月16日提交的美国临时申请No. 61/443315的益处。该临时申请的公开通过引用而结合在本文中。
技术领域
本发明的主题设计预混合喷燃器组件和方法，其用于在燃烧空气和可燃气体(诸如天然气)的混合物时，添加、富化或增加氧的总体浓度。
背景技术
工业炉膛加热应用通常采用喷燃器，喷燃器用预混合的空气和燃料(例如天然气)运行。反应物可例如以对于完全燃烧而言足够的化学计量比率预混合。预混合燃料和空气的主要原因是：(i)简单和节约成本；对于喷嘴混合式喷燃器，仅需要一个通往喷燃器的管，而非两个；(ii)空气-燃料火焰大体难以稳定，尤其是在冷的炉膛中，所以预混合有助于火焰稳定性。
预混合空气-燃料燃烧非常难以进行氧富化。这是因为如果大量的额外的氧直接添加到空气和燃料的混合物，则有火焰逆燃和喷燃器损害的可能性。逆燃的可能性将直接将氧添加到预混合燃烧混合物限制到较低水平的富化，例如23%的O2。
存在需要改进燃烧，诸如以增加产量，改进品质或节约燃料的情形，其中要考虑这样的喷燃器的显著氧富化。但是，预混合空气-燃料喷燃器的氧富化不是简单的问题。额外的氧不直接与燃料“预混合”，因为氧-燃料火焰的速度通常比 “预混合流”的速度更快。这导致“逆燃”，即，火焰通过预混合流管行进回到混合源，从而增加爆炸的可能性。对于使得能够进行预混合类型的操作的空气-燃料情况，火焰速度大体较低。
通过引用而以其整体结合在本文中的美国专利No.5,256,058公开了一种氧-燃料喷燃器，其在喷燃器和过程炉膛之间采用预燃烧器。通过引用而以其整体结合在本文中的美国专利No.5,199,866公开一种可调节的氧-燃料喷燃器。这些专利都没有公开预混合气体混合物，以及沿周向在中心气体流的周围的低速氧喷射。
在本领域中将合乎需要的将是这样一种预混合喷燃器组件、燃烧系统和方法，即，其用于以大量额外的氧对燃烧空气和可燃气体的预混合物进行富化，并且安全、高效且减少或消除喷燃器构件的过热。
发明内容
通过提供喷燃器设计和方法来将大量额外的氧引入到先前形成的空气和可燃气体的混合物(或预混合物)，本发明可解决与传统喷燃器相关联的问题。本发明使得能够在喷燃器约束内以安全且高效的方式进行预混合燃烧的高水平氧富化。本发明还采用一种方法用于将氧流引入到喷燃器系统中，以最大程度地减少喷燃器构件(例如，用于将喷燃器安装到炉膛壁上的耐火块)的过热。
本发明的一方面涉及一种预混合喷燃器组件。预混合喷燃器组件包括第一管道，其布置成和设置成提供第一气体流。第一气体流为自反应或可自燃的预混合物，其包括空气和可燃气体。至少一个第二管道布置成和设置成沿周向在第一气体流的周围提供第二气体流。第二气体流包括氧。预混合喷燃器组件构造成在比第二流的温度高至少1000℉的温度下燃烧第一流或使该第一流反应。预混合喷燃器组件进一步构造成提供足够低到抑制第一气体流与第二气体流的混合的第二气体流与第一气体流速度比。
本发明的另一个方面涉及一种燃烧方法。燃烧方法包括提供第一气体流。第一气体流为第一管道中的自反应或可自燃的预混合物，其包括空气和可燃气体。方法进一步包括用至少一个第二管道沿周向在第一气体流的周围提供第二气体流。第二气体流包括氧。第一气体流进行反应或燃烧，并且处于比第二流高至少1000℉的温度。以足够低到抑制第一气体流与第二气体流的混合的第二气体流与第一气体流速度比提供第一气体流和第二气体流。
本发明的另一个方面涉及一种燃烧系统。燃烧系统包括预混合喷燃器组件，其具有第一管道和至少一个第二管道。第一管道布置成和设置成提供第一气体流。第一气体流为自反应或可自燃的预混合物，其包括空气和可燃气体。至少一个第二管道布置成和设置成沿周向在第一气体流的周围提供包括氧的第二气体流。燃烧系统进一步包括喷燃器块，其形成预燃烧区，预燃烧区构造成接收第一气体流和第二气体流。预混合喷燃器组件构造成在比第二流的温度高至少1000℉的温度下燃烧第一流或使该第一流反应。预混合喷燃器组件进一步构造成提供足够低到抑制第一气体流与第二气体流的混合的第二气体流与第一气体流速度比。
根据优选实施例的以下更详细的描述，本发明的其它特征和优点将是显而易见的，优选实施例以示例的方式示出本发明的原理。
附图说明
图1为示出根据本公开的燃烧系统的实施例的示意图。
图2为示出在图1的方向2-2上观察到的喷燃器组件的示意图。
图3为示出在图1的方向2-2上观察到的备选喷燃器组件的示意图。
图4为随着氧富化而变化的速度比的曲线图。
具体实施方式
现在将参照附图在下文中更加全面地描述本公开，在附图中示出了本公开的优选实施例。但是，本公开可体现为许多不同的形式，并且不应将本公开理解为限于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，而且将对本领域技术人员全面地传达本公开的范围。
如本文所用，用语“氧”和其语法变体指的是具有比大气条件或环境条件的O2浓度更高的O2浓度的氧化剂。虽然各种实施例示出在特定位置的火焰，但是将理解火焰可存在(但是不是必须存在)于出现燃烧的任何地方。
如本文所用，不定冠词“一个”和“一种”在应用于说明书和权利要求中描述的本发明的实施例中的任何特征时，表示一个或多个。使用“一个”和“一种”不将含义限于单个特征，除非特别陈述了这种限制。在单数或复数名词或名词短语前面的定冠词“该”表示一个或多个特别规定的特征，并且可具有单数或复数含义，这取决于其上下文。形容词“任何”表示一个、一些或所有，而不区分数量。置于第一实体和第二实体之间的用语“和/或”表示下者中的一个：(1)第一实体，(2)第二实体，以及(3)第一实体和第二实体。
用语“喷燃器组件”和“喷燃器”是等效的，并且用于燃烧预混合物燃料与氧的组装好的部件的设备。用语“预燃烧区”限定为接收用于燃烧的气体流的封闭空间，诸如喷燃器块限定的空间。用语“燃烧区”限定为在预燃烧区的下游的封闭空间(诸如炉膛)，燃烧反应在其中进行，燃烧反应中的至少一个可为含碳和/或氢的燃料与氧的反应，以形成碳氧化物和/或水和热。
本发明提供预一种混合喷燃器组件和方法，用于通过控制火焰的空气-燃料预混合部分和氧喷射物之间的混合来实现较高水平的氧富化。
在本发明的一个方面，氧通过空气-燃料预混合火焰周围的环形空间引入，其中氧速度低于预混合空气-燃料火焰。虽然可采用任何适当的氧速度，但是适当的速度范围通过以下公式确定：
VO2/V预混合 ≤ 1.0
其中，VO2为喷射点处的包含氧的第二气体流的速度。V预混合为喷射点处的第一气体流的速度。在另一个实施例中，优选速度范围通过以下公式确定：
VO2/V预混合 ≤ 0.5
其它比率可包括介于大约0.5至大约1.0之间的速度比。符合上面的公式的更大的速度比导致产生的火焰和喷燃器构件(诸如喷燃器喷嘴和喷燃器块)有更高的温度。
在本发明的另一个方面，氧富化通过预混合火焰附近的外部喷射实现(例如，氧喷枪位于喷燃器的附近)。外部喷射可为较安全的引入氧的方法，但是，它需要在炉膛中的额外的端口，并且由于下游喷射点的原因，对火焰的作用减小。如果期望的话，外部氧喷射可与引入空气-燃料预混合物周围的环形空间的氧结合起来。
图1显示预混合喷燃器组件100的示意图。预混合喷燃器组件100包括喷燃器喷嘴区段101、预燃烧区103和燃烧区105。喷燃器喷嘴区段101包括喷燃器喷嘴106，其包括第一管道107和沿周向设置在第一管道107的周围的第二管道109。第二管道109可为单个连续的管道或开口或可为多个管道、喷嘴或孔口。预燃烧区103由喷燃器块111限定，并且接收来自第一管道107和第二管道109的第一气体流113和第二气体流115。喷燃器块111优选地为耐火材料，并且可包括圆柱形几何结构，但不受此限制，并且可具有用于接收来自喷燃器喷嘴区段101的气体流的任何适当的几何结构。
喷燃器喷嘴区段101提供第一气体流113和第二气体流115给预燃烧区103。第一气体流113为空气和可燃气体的预混合物。可燃气体为能够在燃烧之前与空气预混合的任何适当的燃料。适当的可燃气体包括(但不限于)气态烃(诸如天然气或丙烷)、CO、含氢气体(诸如气体具有小于50%氢)和它们的组合。由于空气中的高浓度氢的高火焰速度的原因，含氢气体优选地包括小于大约50%的氢。空气和可燃气体的预混合物可以现有技术中已知的任何方式提供。可燃气体和空气的预混合物的适当的源是在距第一管道107某个距离处(通常在中心预混合室中)预混合的流。预混合气体然后传送到单独的喷燃器且进入它们的燃料管道中，诸如第一管道107。第二气体流115为含氧气体，其具有的氧浓度范围为大于20.9%(空气)至大于99.5%(高纯度氧)。含氧气体优选包括大于大约50%的氧。
提供第一气体流113和第二气体流115使得抑制第一气体流113和第二气体流115的混合。“抑制的混合”，“抑制混合”和它们的语法变体指的是第一气体流113和第二气体流115对于预燃烧区内的距离具有足以抑制喷燃器块111或喷燃器组件100的其它构件过热的有限的混合。构件的过热包括暴露于显著高于空气-燃料火焰的温度的温度。导致过热的温度足够高到使得例如暴露于这些温度可损害或熔化喷燃器块111或喷燃器组件100的其它构件的耐火材料。如图1中显示，由虚线描绘的接触区域117示意性地显示了使第一气体流113和第二气体流115接触的区域。要理解接触区域117仅仅是示意性的，并且可基于预燃烧区103内的状况改变。
在一个实施例中，通过以足够低到抑制例如在预燃烧区103中混合的第二气体流115与第一气体流113速度比提供第一气体流113和第二气体流115，来抑制混合。在另一个实施例中，第二气体流115与第一气体流113速度比小于大约1.0，或为大约0.5至大约1.0，或小于大约0.5，或为大约0.1至大约0.5，或为其中的任何范围或子范围。
第一气体流113为空气和可燃气体的预混合物，可燃气体为自反应或可自燃的。自反应或可自燃意味着气体能够在不存在额外的反应物的情况下反应，保持火焰或燃烧。另外，在运行期间，喷燃器组件100提供第一流113，使得预混合物进行反应或燃烧，并且处于比第二流高至少1000℉的温度。在第一气体流113和第二气体流115之间的1000℉或更高的温度差异导致显著的粘度差异，其中，较热的第一气体流比第二气体流处于更高的粘度。第二气体流与第一气体流速度比足够低到抑制较高粘度的第一气体流与较低粘度的第二气体流的混合。
从预燃烧区103将第一气体流113和第二气体流115提供给燃烧区105，在燃烧区105产生火焰119。提供点火源(未显示)来起动燃烧和形成火焰119。火焰119不限于显示的几何形状或位置，并且包括第一气体流113的预混合物与第二气体流115的氧的燃烧。
虽然不希望受到理论的约束，但是相信，抑制混合是第一气体流113和第二气体流115的物理状态(例如，温度、速度和粘度)的差异的结果。例如，第一气体流113中的可燃气体和空气的预混合物大体处于燃烧状态，其中温度高于环境。提供例如处于显著低于第一气体流113的温度的大约室温的第二气体流115。两个流(1，第一气体流113和2，第二气体流115)的状态显著不同，其中较热的反应物(空气-燃料预混合物)的特征在于更高的粘度，而较冷的(即，含氧流)为更低的粘度。以高速度引入氧将补偿粘度差异，并且将导致较快的混合。但是，通过以比空气-燃料预混合物更低的速度喷射氧会抑制混合，例如，至少直到气体流离开预燃烧区103为止。这个抑制混合导致更低的总体火焰温度，并且使得O2-富化火焰行进通过预燃烧器，而不使耐火壁过热。
图2示出根据本公开的实施例的在图1的方向2-2上显示的喷燃器喷嘴106的构造。在这个实施例中，喷燃器喷嘴106为环形类型的喷燃器。提供第一气体流113的第一管道107被连续的第二管道109包围，第二管道109提供包括氧的第二气体流115。
图3显示了在图1的方向2-2上显示的多喷口喷燃器喷嘴的示意图。在这个实施例中，喷燃器喷嘴106为多喷口喷燃器组件。在图3中显示的组件包括中心第一管道107，其提供包含空气和可燃气体的预混合物的第一气体流113。第一管道107由第二管道109包围，第二管道109为提供包括氧的第二气体流115的多个较小的喷口、管道、喷嘴或孔口。
评估图2和3的喷燃器，以便确定氧与预混合物的速度比。现在参照下面的表1，表1列出了环形喷燃器(在图2中显示的组件)和多喷口喷燃器(在图3中显示的组件)的速度比VO2/V预混合。
表1
现在参照图4，其示出随着氧富化而变化的多喷口喷燃器和环形喷燃器的速度比。图4还示出，合乎需要的结果可通过使用小于大约0.5的速度比实现，并且在一些情况下，该比的范围可为大约0.5至大约1.0。表1和图4还示出，可控制氧富化，以获得期望的预定量的富化。也就是说，通过控制火焰的空气-燃料预混合部分和氧喷射物之间的混合，可实现较高水平的氧富化。
该创造性的喷燃器组件和方法可应用于宽范围的炉膛中。这样的炉膛的示例包括用于工业加热的那些，诸如水泥、玻璃和金属处理。
虽然参照优选实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员将理解，可在不偏离本发明的范围的情况下作出各种改变，而且等效物可代替本发明的元件。另外，可在不偏离本发明的实质范围的情况下作出许多改良，以使具体情况或内容适于本公开的教导。因此，意图的是本发明不限于被公开为为了执行本发明而构想的最佳模式的特定实施例，相反，本发明将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种预混合喷燃器组件，包括：
第一管道，其布置成和设置成提供第一气体流，所述第一气体流为自反应或可自燃的预混合物，其包括空气和可燃气体；以及
至少一个第二管道，其布置成和设置成沿周向在所述第一气体流的周围提供第二气体流，所述第二气体流包括氧；
其中，所述预混合喷燃器组件构造成在比所述第二流的温度高至少1000℉的温度下燃烧所述第一流或使所述第一流反应，所述预混合喷燃器组件进一步构造成提供足够低到抑制所述第一气体流与所述第二气体流的混合的第二气体流与第一气体流速度比。
2.根据权利要求1所述的喷燃器组件，其特征在于，所述至少一个第二管道包括包围所述第一管道的同心管道。
3.根据权利要求1所述的喷燃器组件，其特征在于，所述至少一个第二管道包括布置在所述第一管道的周围的成系列的多个喷嘴或孔口。
4.根据权利要求1所述的喷燃器组件，其特征在于，所述第二气体流与第一气体流速度比小于大约1.0。
5.根据权利要求1所述的喷燃器组件，其特征在于，所述第二气体流与第一气体流速度比小于大约0.5。
6.根据权利要求1所述的喷燃器组件，其特征在于，所述第二气体流与第一气体流速度比为大约0.1至大约0.5。
7.根据权利要求1所述的喷燃器组件，其特征在于，所述可燃气体选自气态烃、CO、含氢气体和它们的组合组成的组。
8.根据权利要求1所述的喷燃器组件，其特征在于，所述第二气体流包括浓度大于大约50体积%的氧。
9.一种燃烧方法，包括：
在第一管道中提供第一气体流，所述第一气体流为自反应或可自燃的预混合物，其包括空气和可燃气体；以及
用至少一个第二管道沿周向在所述第一气体流的周围提供第二气体流，所述第二气体流包括氧；
其中，所述第一流进行反应或燃烧，并且处于比所述第二流高至少1000℉的温度，并且以足够低到抑制所述第一气体流与所述第二气体流的混合的第二气体流与第一气体流速度比提供所述第一气体流和第二气体流。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第二气体流与第一气体流速度比小于大约1.0。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第二气体流与第一气体流速度比小于大约0.5。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第二气体流与第一气体流速度比为大约0.1至大约0.5。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述可燃气体选自由气态烃、CO、含氢气体和它们的组合组成的组。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第二气体流包括浓度大于大约50%的氧。
15.一种燃烧系统，包括：
预混合喷燃器组件，其具有第一管道和至少一个第二管道，所述第一管道布置成和设置成提供第一气体流，所述第一气体流为自反应或可自燃的预混合物，其包括空气和可燃气体，并且所述至少一个第二管道布置成和设置成沿周向在所述第一气体流的周围提供包括氧的第二气体流；
喷燃器块，其形成预燃烧区，所述预燃烧区构造成接收所述第一气体流和所述第二气体流；
其中，所述预混合喷燃器组件构造成在比所述第二流的温度高至少1000℉的温度下燃烧所述第一流或使所述第一流反应，所述预混合喷燃器组件进一步构造成提供足够低到抑制所述第一气体流与所述第二气体流的混合的第二气体流与第一气体流速度比。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述第二气体流与第一气体流速度比小于大约1.0。
17.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述第二气体流与第一气体流速度比小于大约0.5。
18.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述第二气体流与第一气体流速度比为大约0.1至大约0.5。
19.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述可燃气体选自由气态烃、CO、含氢气体和它们的组合组成的组。
20.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述第二气体流包括浓度大于大约50%的氧。
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