CN1075185C - 用氩气和氧气一起燃烧的方法 - Google Patents

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Abstract

由氧和限定浓度的氩构成的氧化剂混合物和燃料一起混合并燃烧以减少NOx和微粒污染物生成的燃烧方法。另外也可将氩和燃料先混合，得到的混合物随后再和燃烧用的氧化剂混合。

Description

用氩气和氧气一起燃烧的方法
本发明涉及在诸如工业炉这类炉窑的燃烧区中实现燃烧产生热，并用它来加热炉内装料的方法。
许多工业过程使用炉子，燃料和氧化剂在其中燃烧产生热，并将热用来加热炉内装料。在这类工业过程中，有的称之谓玻璃制造炉，其中的装料是制造玻璃的物料以及熔融玻璃或者固态玻璃；炼钢炉，其中的装料是钢和铁；炼铜炉，其中的装料是粗铜；制铝炉，其中的装料是生铝。
在此以前进行这种燃烧时，所用氧化剂是空气，主要是由于空气成本低和易于得到。众所周知，空气包含约80％的氮气。使用空气作为实现燃烧的氧化剂时，也会产生氮的氧化物(NOx)，它是重要的污染物。与此相应，近年来出现了降低工业燃烧过程中产生的NOx水平的要求。
一种成功的方法是用纯氧作为燃烧时的氧化剂，来实现这类工业炉中的燃烧。这就从燃烧反应过程中排除了大量的氮分子可供其他使用，因而明显降低了产生同等热量情况下生成NOx的量。
用纯氧作为氧化剂实现燃烧的一个问题是降低了工业炉中火焰或燃烧反应的动量，燃烧反应的动量是很重要的，它可以保证燃烧反应所产生的热量分布在整个炉内或燃烧区内。这在炉中含有准备作加热用的装料的情况下尤其重要。众所周知，动量是质量与速度的乘积。以纯氧为氧化剂和以空气为氧化剂相比，燃烧反应动量的降低是因为按当量氧分子而言，纯氧氧化剂的质量仅是空气氧化剂质量的1/5左右。
用纯氧作为氧化剂造成燃烧反应动量降低的问题，可以用提高氧化剂注入燃烧区的速度成功地解决。高速度补偿了质量的减少，使动量保持在所希望的水平。此外，氧化剂的高速度产生一种吸气效应，使炉中的气体如CO2、水蒸气在氧化剂和燃料混合以前被吸进高速氧化剂流中，随后才燃烧。这就增加了氧化剂流体的质量，进一步改进了燃烧反应的动量。燃烧领域中的这一重大改进披露并被授予美国专利No.437820-安德森和No.4541796-安德森。
高速喷射氧虽然解决了工业炉中大量NOx的问题，但也不是没有其他问题。特别是炉内的装料可能产生大量微粒的情况，例如在玻璃制造过程中，高速度造成了由装料产生的微粒有所增加并飞出炉外。工业过程中散发微粒的水平增加，通常要求增添昂贵的污染控制设备以缓解这类问题。
因此，本发明的一个目标是提供一种燃烧方法，它能有效地克服上面讨论的NOx和微粒污染两个问题。
在阅读了本发明披露的内容之后，本领域的技术人员，都将明了本发明的上述和其他目标。
实现燃烧的方法包括：
(A)将燃料装进燃烧区；
(B)以低速向燃烧区提供氧化剂混合物，该氧化剂混合物包括氧气和氩气，其中氧化剂混合物中的氩浓度范围是2～80％(体积)；
(C)上述燃料和氧化剂混合物在燃烧区混合；
(D)使燃料和氧化剂一起在燃烧区燃烧。
唯一的图是以目前常见的方式简化了的平面图，用以表示本发明的一种实施方案，它和横焰式玻璃熔炉的实施有关。
本发明实施时，将氧化剂混合物和燃料装入熔炉或者燃烧区。氧化剂混合物和燃料可以利用独立的注入设备或者后混合型燃烧器分别注入炉内，也可以采用预混合型燃烧器或者是从炉壁模槽中一起注入炉内。本发明可以用任何型式的熔炉实施。本发明特别适用于含准备加热和/或熔融的装料的工业熔炉的操作，尤其是装料可能产生并释放出相当数量微粒的场合。这类炉子的实例有如玻璃熔炉、炼钢用再热炉、炼铜炉和制铝用炉，燃料可以是任何一种流体燃料如甲烷、丙烷、天然气或燃料油。
氧化剂混合物包括氧和氩，其中氩浓度范围是2～80％(体积)，在2～20％(体积)范围以内更好，最好是3～10％(体积)。剩余部分基本上就是氧。因此，这意味着氧化剂混合物仅仅包括氩和氧以及少量的氮、CO2、水蒸气和/或空气中通常能发现的微量元素。可是，一般说来，氧化剂混合物除了氧和氩外，可能也就包括诸如氮，CO2和水蒸气之类的其他元素或化合物。
氧化剂混合物可以用任何合适、有效的方法制备。制备用于实施本发明的氧化剂混合物的一种较好方法是将市售纯氩与工业纯氧混合，后者是一种至少含有99.5％(摩尔)氧的流体。氧和氩可以取自钢瓶或者低温液体罐。制备用于实施本发明的氧化剂混合物的另一较好途径是，使空气通过一种隔膜式分离系统或者变压吸附分离系统，以一定方式运行这种系统以使空气中的氮与氧和氩分离。特别优选的变压吸附系统是一种真空变压力吸附系统。熟悉空气分离技术的人对这些术语及其含义是清楚的。
如前所说，氧化剂混合物可以和燃料分别或者混合一起注入熔炉。它们在燃烧区混合并燃烧产生热。当氧化剂混合物和燃料以混合物形式一起供给熔炉或燃烧区时，它们将在燃烧区进一步混合；在它们一起被注入燃烧区时，可能已经在燃烧。
使用包含氩气的氧化剂混合物同时解决了NOx和微粒这两个在工业燃烧领域总是遇到的老问题。用工业纯氧燃烧时和用空气燃烧来实施本发明的结果相比，NOx的产量大量减少，因为只有很少量的氨随着氧化剂混合物被带进燃烧反应中。但是，由于氩气的分子量和密度或比重明显超过氧，所以本发明中的氧化剂混合物的质量远大于纯氧氧化剂。这种质量上的增加，就有可能采用比其他场合要低的速度将氧化剂混合物注入燃烧区域，且仍然达到较好的燃烧反应动量。一般地说，氧化物进入燃烧区的速度是7.5～300米/秒[1英尺/秒(fps)=0.30米/秒]，以7.5～127.5米/秒为好，最好是7.5～97.5米/秒。
而且增加质量也可以用来改进氧化剂混合物与燃料的混合程度，有可能比其他场合燃烧更完全，并降低不完全燃烧产物如CO，烃类的产生和释放进大气的水平。由于氩是惰性气体，附加的好处是可以避免在火焰或燃烧反应中，或者和熔炉中的装料发生有害反应。更进一步，惰性的氩气能作为一种热吸收剂起作用，吸收燃烧反应产生的一部分热量。由于提高反应温度在动力学上将有利于NOx的生成，这种热量吸收将进一步降低因渗透进来空气或燃料中的氮而生成的NOx量，而在用纯氧作为氧化剂燃烧时本应生成这些NOx的。
在优选的运行模式中，可以用下式计算实施本发明所必需的氧化剂混合物的最小速度：
V最小=15米/秒×100/(100+1.25A)
其中A是氧化剂混合物中的氩气浓度。
附图用目前常见的方式表示一种熔炉，以解释实施本发明的不同运行模式。参照现在的图例，分别利用燃烧器4和喷管5将燃料流2和氧化剂混合物流3加入熔炉1中。氧化剂混合物和燃料混合并在炉中燃烧。该图还解释了预混合的实施方案，其中氧化剂混合物与燃料在预混合型燃烧器或者模槽中合并后，以混合物7的形式通入熔炉或燃烧区1，并在里面进一步混合和燃烧。在实际工作中，通常只用一种运行模式。结果是燃烧反应产生热量和诸如CO2和水蒸汽之类的燃烧反应产物。热量可以用来加热和/或熔融装料。图中的装料8是熔融玻璃和玻璃形成材料，它们在燃烧反应时通入熔炉。燃烧反应产物通过排气口9排出熔炉。
也可以将氩气直接加到燃料中来实施本发明，以代替使用氩/氧化剂昆合物，或者作为后者的补充。氩可以加入到燃烧区内的燃料中，或者在燃料注入燃烧区域以前加入。本发明的实施可以界定为：
通过以下步骤实现燃烧的方法：
(A)在燃烧区内制备有燃料和氩的混合物：
(B)以与加入燃料和氩气的混合物分开的方式以低速向燃烧区域提供氧化剂；
(C)燃料和氩气的混合物同氧化剂在燃烧区混合。
(D)让燃料和氧化剂在燃烧区燃烧。

Claims (9)

1．用氩气和氧气一起燃烧的方法，其中包括：
(A)将燃料装进燃烧区；
(B)以V最小～127.5米/秒的速度向燃烧区提供氧化剂混合物，该氧化剂混合物的主要成份是氧和氖，其余成份仅有少量，其中氧化剂混合物中的氩浓度A范围是2～80％(体积)，以及所述V最小=15米/秒×100/(100+1.25A)；
(C)上述燃料和氧化剂混合物在燃烧区混合；
(D)使燃料和氧化剂一起在燃烧区燃烧。
2．按权利要求1的方法，其中氧化剂混合物所含氩浓度在2～20％(体积)范围。
3．按权利要求1的方法，其中氧化剂混合物所含氩浓度在3～10％(体积)范围。
4．按权利要求1的方法，其中氧化剂混合物和燃料被分别加进燃烧区。
5．按权利要求1的方法，其中氧化剂混合物和燃料被一起注入燃烧区。
6．按权利要求1的方法，其中燃烧区内备有装料。
7．按权利要求1的方法，其中的装料包括玻璃。
8．按权利要求1的方法，其中所说速度是指7.5～127.5米/秒范围。
9．按权利要求1的方法，其中所说速度是指7.5～97.5米/秒范围。
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