CN1051839C - 混合氧化剂燃烧方法 - Google Patents

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Abstract

一种应用两种不同氧化剂的燃烧方法，其中第一氧化剂使燃料不完全燃烧，而含高浓度氧的第二氧化剂以规定方式完成燃烧，减少MOx的产生.

Description

混合氧化剂燃烧方法
本发明涉及应用两种不同氧化剂进行燃烧的方法，特别适用于减少NOx产生的燃烧过程。
氮的氧化物(NOx)是燃烧期间产生的重要污染物，燃烧中需要减少其生成。典型的燃烧是用空气作氧化剂与燃料反应而进行的。如所周知，氮占空气的80％左右，因此燃烧反应中产生大量氮，它与氧反应会形成NOx。
已经知道，用工业纯氧或富氧空气作氧化剂进行燃烧可以减少NOx的生成，因为这会减少以等量氧为基础给燃烧反应提供的氮的量。然而，用这种氧化剂代替空气进行燃烧反应有两个缺点。第一个缺点是相对于空气而言，大大增加了成本。第二个缺点是这种氧化剂的高氧浓度引起的燃烧反应是在比用空气作氧化剂时更高的温度下进行。这种更高的温度在动力学上助长了NOx的形成，因而抵消了用含氮量少的氧化剂产生少量NOx的倾向。
因此，本发明的目的之一是提供一种改进的燃烧方法，其中减少了NOx的产生，同时克服上述已知的减少NOx产生的燃烧方法的缺点。
本发明上述目的和其它目的，对于阅读了本说明书的本领域技术人员来说，就变得很明显，可由下列步骤实现：
一种进行燃烧的方法，包括
1)向充有炉气的燃烧室内注入燃料和第一氧化剂，并用燃烧室内的第一氧化剂使火焰气流中的燃料不完全燃烧以产生不完全燃烧的产物；
ii)向该燃烧室内注入第二氧化剂流，其含氧浓度超过第一氧化剂的含氧浓度，注入速度为至少61米/秒，其中第二氧化剂流的注入位置与火焰气流隔开；
iii)向高速的氧化剂流中输入炉气，产生一种稀释的第二氧化剂流；
iv)向火焰气流中通入稀释的第二氧化剂流，致使在火焰气流通过燃烧室一段距离后，该稀释的第二氧化剂流的轴线才与火焰气流相交，这样使在第一氧化剂内的至少90％的氧已与燃料反应；
v)使该稀释的第二氧化剂流与该火焰气流混合，并用稀释的第二氧化剂燃烧不完全燃烧的产物。
图1是本发明的一个实施方案的简略表示，它可与一个交叉火焰炉联合使用。
图2是本发明的另一个实施方案的简略表示，它可在一个反交叉水焰炉内实施。
图3是本发明的一个实施方案的简略表示，它可在一个末端火焰炉内实施。
图4是本发明的另一个实施方案的简略表示，它可在一个末端火焕炉内实施。
本发明将参考附图作详细描述。
现参考图1，图上举出一个燃烧室或燃烧区5，在本实施方案中它是一个交叉火焰炉，如可用于玻璃熔融。燃烧室5内盛有炉气，这可包括二氧化碳、水蒸汽、氮、氧和痕量气体，如一氧化碳和氢。
燃料和第一氧化剂可经例如一个或几个喷嘴注入燃烧室5。该燃料可以是任何流体燃料，如甲烷、丙烷、天然气或燃料油。第一氧化剂优选空气。
将燃料和第一氧化剂注入燃烧室5的方式是它们形成一火焰气流3，其中燃料不完全燃烧产生不完全燃烧的产物。燃料与第一氧化剂的燃烧也可产生完全燃烧的产物。为了进行所需的不完全燃烧，注入燃烧室的燃料和第一氧化剂的比例是以亚化学计量的或富燃料比例的方式。此不完全燃烧的产物包括不完全氧化类物质，如一氧化碳和氢，以及未燃烧的燃料。由于燃烧是以经过燃烧室的火焰气流进行，燃烧室内的火焰气流的温度升高，达到一个最大值，当第一氧化剂趋向完全耗尽时温度开始下降。
也向燃烧室5，经一个或几个喷枪1注入一股第二氧化剂流。喷枪是这样一种设备，通过它只有氧化剂和燃料之一能注入燃烧室，而喷嘴是通过它，氧化剂和燃料两者均能注入燃烧室的设备。第二氧化剂的氧浓度比第一氧化剂的高。一般第二氧化剂的氧浓度为至少30％的氧。第二氧化剂的氧浓度优选至少90％，更优选大于或等于99.5％的工业纯氧。
第二氧化剂注入燃烧室在距离火焰气流的地方，以至少61米/秒的高速进行的。第二氧化剂注入速度优选在122-305米/秒范围内。
第二氧化剂的高速与第二氧化剂流和火焰气流之间的空间相结合，使炉气从燃烧区的范围改变为夹带到第二氧化剂气流中，因而产生了一种稀释和增大的第二氧化剂气流，这在图1上由4表示。第二氧化剂最好与燃料和第一氧化剂在同一边或同一壁注入燃烧室，以便在与火焰气流相交叉之前促进炉气大量夹带到第二氧化剂气流中。
经稀释的第二氧化剂流通入某点并在该点下游与火焰气流结合，在该点处，在火焰气流内的温度，由于火焰气流辐射掉热量，已从最大值向下降低。这种情况发生在火焰气流横过燃烧室一段距离之后，这样至少90％，最好至少98％的第一氧化剂中的氧已与燃料反应室。一般，这种情况发生在火焰气流已横过燃烧室长度的至少一半时，该长度是以该火焰气流的轴向方向测量的。因此，在本发明的实践中，经稀释的第二氧化剂流的中心线轴一般在通过了燃烧室的中点后的点与火焰气流相交叉，但在某些场合，这一交叉可发生在穿过燃烧室长度的三分之一或四分之一以后。
扩大了的高速稀释的第二氧化剂流，由于其速度高，增加了物质量，因而具有高动量。一般，该稀释第二氧化剂流的物质量在交叉时会超过起始注入的第二氧化剂流的10倍或以上。由于稀释的第二氧化剂与火焰气流的交叉，其高的动量会引起稀释的第二氧化剂与不完全燃烧的产物的彻底混合。不完全燃烧的产物然后就与稀释的第二氧化剂起燃烧反应，形成完全燃烧的产物，它然后可以变成炉气。气体从燃烧区经排出口6排出。
本发明与其它低NOx燃烧方法相比是有利的，因为高氧浓度氧化剂的用量大为减少，因此降低了燃烧的成本。一般，在本发明的实践中，总燃烧的约80％或以上是用低氧浓度的氧化剂进行的，它一般是使用空气，最好也是使用空气。
而且，本发明也同时解决了随着氮浓度而来的NOx问题，即高温产生NOx的问题。开始时，用第一氧化剂在火焰气流中的燃烧是不完全的。这样，对于与氮反应，火焰气流中没有多少氧可以利用，因为可利用的氧正与燃料中可氧化的物质在反应。因此，尽管在第一氧化剂，例如空气中存在着高浓氮，但在火焰气流中形成很少NOx。
由于第二氧化剂的高速和距离火焰气流的关系，炉气被第二氧化剂夹带进入其中，稀释了在第二氧化剂中的起始高氧浓度，因此在第二氧化剂在规定的下游位置遇到火焰气流时，它不再具有高氧浓度，因而克服了上述的动力学上NOx的问题，即由高氧浓度引起的高温增加了NOx的产生的问题。这一优点还由于下列原因而进一步达到，火焰气流在其与第二氧化剂中间混合并进行反应之前，在燃烧室内通过了预定的长距离，因而降低了火焰中的温度。靠第二氧化剂燃烧完成了燃烧室内的燃烧，而没有如常规的富氧实施方法那样使燃料与高浓度氧进行接触。
结果是进入燃烧区的燃料完全燃烧，因而有效地释放出了热量，供给如熔融玻璃、金属加热或熔化、或废物烧结等。达到这一结果不花高成本，因为大部分燃烧是用第一氧化剂，如空气进行的。然而，比常规的空气燃烧或富氧燃烧减少了NOx的产生，这是因为起始的不完全燃烧与其后用稀释的第二氧化剂在下游的完全燃烧相结合。
下列实施例和比较例用作进一步说明本发明可达到的优点。它们并非用于限制本发明。
将流速为26标准立方米每小时的天然气，与具有空气组成的一种氧化剂注入一个试验炉。空气的注入速度为9-11米/秒，流速为化学计量学的95％。在5次独立试验中，向试验炉注入足以造成氧气缺乏的工业纯氧，注入处距离空气注入口140或241毫米，方向与图3所示的相似，与空气/燃料流动方向平行。在5次试验中每次氧的速度在176-497米/秒范围内。该氧速度和与空气/燃料流的注入点的距离，使炉气被夹带到氧气流中，在空气流中至少90％的氧已与燃料流发生燃烧作用后，氧气流的中心线与空气/燃料火焰气流才相交叉。测量5次试验中每次试验从该炉排出的气体中的NOx浓度，发现每次均在139-152ppm范围内。
为了对比目的，用相同设备及在相似条件下进行了另一次实验，只是空气流不是低于化学计量值的，及无氧气注入。炉废气内NOx的浓度测得为310ppm。在实施实例及对比例中，本发明方法能使NOx浓度比常规燃烧系统达到的降低51-55％。
本发明使人们可以在一个单一的燃烧室内，进行这种非常有利的、完全和有效的、低NOx产率的燃烧，因而可以避免应用两个或多个燃烧室或燃烧区的燃烧过程所必然遇到的相当复杂的问题。
图2、3和4说明本发明其它有用的实施方案。对于相同元件，图2、3和4中的数字相应于图1的那些分别加上20、30和40。
图2说明一个相似于图1的多喷嘴燃烧系统，只是一股火焰气流的方向与其它的相反，以及出口26出于燃烧室的端壁上。
图3说明本发明在燃烧室进行纵向燃烧的实施方案，其出口36处于注入端，引起火焰气流往返或成U形移动。
图4说明另一个纵向燃烧实施方案，其中第二氧化剂注入燃烧室的方向与第一氧化剂注入的方向相反。
虽然用上述实施方案对本发明进行了详细描述，本领域的技术人员会懂得，在权利要求的精神和范围内，本发明还有其它实施方案。

Claims (6)

1.进行燃烧的方法，包括：
i)向充有炉气的燃烧室内注入燃料和第一氧化剂，并用燃烧室内的第一氧化剂使火焰气流中的燃料不完全燃烧以产生不完全燃烧的产物；
ii)向该燃烧室内注入第二氧化剂流，其含氧浓度超过第一氧化剂的含氧浓度，注入速度为至少61米/秒，其中第二氧化剂流注入位置与火焰气流隔开；
iii)向高速的氧化剂流中输入炉气，产生一种稀释的第二氧化剂流；
iv)向火焰气流中通入稀释的第二氧化剂流，致使在火焰气流通过燃烧室一段距离后，该稀释的第二氧化剂流的轴线才与火焰气流相交，这样使在第一氧化剂内的至少90％的氧已与燃料反应；
v)使该稀释的第二氧化剂流与该火焰气流混合，并用稀释的第二氧化剂燃烧不完全燃烧的产物。
2.权利要求1的方法，其中第一氧化剂是空气。
3.权利要求1的方法，其中第二氧化剂的含氧浓度至少为90％。
4.权利要求1的方法，其中第二氧化剂是工业纯氧。
5.权利要求1的方法，其中稀释的第二氧化剂流的轴线，在火焰气流通过燃烧室的中点以后才与火焰气流相交。
6.权利要求1的方法，其中稀释的第二氧化剂在与火焰气流相交时的物质量，超过第二氧化剂注入燃烧室时的物质量至少10倍。
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