CN107580669B - 用于移动炉排式球团设备的低氮氧化物燃烧系统 - Google Patents
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Abstract
上述本发明描述了使用燃烧器组件(1)燃烧气体燃料或者液体燃料的方法，其中，把燃料、冷的一次空气和预热空气供应到前室(2)，通过至少一个燃料供给装置(4)和至少一个一次空气供给装置(5)供应燃料和冷的一次空气，并且将预热助燃空气供应到燃烧室(3)；把预热空气和/或冷的一次空气平行于燃料注入到前室(2)中。
Description
技术领域
本发明涉及使用燃烧器组件燃烧气体燃料或者液体燃料的方法，把燃料、冷的一次空气和预热空气供应到前室，其中，通过至少一个燃料供给装置和至少一个一次空气供给装置供应燃料和一次空气，把预热助燃空气供应到燃烧室。本发明还涉及用于燃烧气体燃料或者液体燃料以加热工业炉的燃烧器组件。
背景技术
标准燃烧器通常用在燃烧器组件中，例如，用于移动炉排式球团设备的固化炉。常用的燃烧器使火焰恰好稳定在燃烧器喷嘴端处。由于一般高达1000℃的高助燃空气温度，因此燃烧室内部的火焰非常热。峰值温度一般高达2000℃的这种热火焰导致非常高的氮氧化物排放，而且还可能导致在燃烧室壁处出现热损坏。通常在移动炉排式球团设备中，预热助燃空气的流速处于15m/s至25m/s的范围内。
氮氧化物是工业加热过程的主要污染物之一。尽管在热力学上不稳定，但是氮氧化物分解受到动力学阻碍受阻并且其排放会妨碍不同地区的环境。例如，氮氧化物会促进形成烟雾和酸雨，并且会造成平流层中臭氧消耗。结果，法规允许的氮氧化物排放极限要降低或者已经降低，这导致的问题是，在一些国家中不再允许安装工业炉尤其是球团设备固化炉中常用的标准燃烧器。
关于氮氧化物排放而言，因助燃空气和炉的高温，固化炉产生了大量氮氧化物。特别是在高于1000℃的温度条件下，开始形成氮氧化物，其中，氮氧化物形成率随着温度而指数级增加。结果，标准燃烧器和燃烧方法的主要问题是：因点燃未稀释燃料所引起的高火焰温度会导致燃烧区域中的热火焰具有大于1500℃的峰值温度。
为了减少氮氧化物，已经采用了若干方法，这些方法基本上均旨在降低燃烧器火焰内部的高峰值温度，同时保持乃至降低平均温度。这些方法的示例包括空气和/或燃料分级燃烧、废气循环、无焰氧化和注入水。
WO 01/07 833 A1采用常见的火焰稀释方法，使废气循环。废气用作燃烧过程的惰性介质并且至少吸收是导致燃烧器火焰内部高温原因的热量中的一些。通过喷嘴引入燃料和一次空气，并且因此夹带垂直于燃料和一次空气流的废气。组合的气体混合物在室内部膨胀。继而通过挡板被引入到炉中。
在一些应用中，特别是在用于球团设备的烧结过程中，废气含有高氧气含量，使得循环没有达到对燃烧器火焰的预期稀释效果，因此不会显著降低氮氧化物生成。
WO 2012/057 685 A1、WO 2012/057 686 A1和WO 2012/057 687 A1描述了用于氧化和烧结球团的方法和设备。为了减少氮氧化物排放，将预热助燃空气通过两个分别的入口供应到燃烧室中。紧邻燃烧器附近引入助燃空气，以点燃通过喷嘴供应的燃料。在该点燃的下游，将具有500℃至1500℃更高温度的第二部分助燃空气引入到燃烧室。由于这种空气分级燃烧，因此减少了氮氧化物排放。然而，这种空气分级燃烧仅仅有限地减少了氮氧化物生成。
WO 2015/018 438 A1提出了一种具有燃烧室的燃烧器组件，把燃料和一次空气供应到燃烧室。垂直于燃料和一次空气流将热助燃空气引入到燃烧室中。把燃料和/或一次空气以至少150m/s的高出口速度引入到燃烧室中。热助燃空气由燃料和一次空气流夹带，并且燃料、一次空气和助燃空气发生混合。与用于此应用的标准燃烧器相比，一次空气的量较高。为了提供高出口速度，需要增大燃料和/或一次空气的供应压力。
在WO 2015/018 438 A1中描述的高速度引入非常具有成本效率，并且易于在尤其是老设备中实施。然而，需要增加冷的一次空气量，并且还希望进一步减少总氮氧化物形成量以及投资和运行成本。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种尤其是用于固化炉燃烧的方法和燃烧器组件，具有减少的氮氧化物排放。
利用独立权利要求1和11的特征实现该目的。使用优选根据权利要求11至14的燃烧器组件来燃烧气体燃料或者液体燃料。燃料、冷的一次空气和预热空气供应到前室中，其中，通过至少一个燃料供给装置供应可以是液态或者气态的燃料并且通过至少一个一次空气供给装置供应一次空气。在前室下游，将助燃空气供应到燃烧室。根据本发明，预热空气和/或一次空气平行于燃料注入到前室中。
利用上述本发明，由于前室，显著降低了所需的冷的一次空气量。在较低的空气温度条件下在前室中发生反应，从而产生了火焰的较低峰值温度。燃料一部分被消耗，并且当抵达主燃烧室时燃料的剩余部分被一次空气、预热空气和/或预热助燃空气稀释，从而导致在主燃烧室中发生不太强烈的燃烧反应。
在因冷的一次空气量增加和/或预热空气的低温而在前室中不发生燃烧反应的情况中，燃料与冷空气和预热空气混合并且大量稀释。这样就大幅减缓在主燃烧室中发生的主要反应。结果，降低了燃烧的反应速率并且因此减少了氮氧化物排放。根据本发明，与预燃烧室中的空气分级燃烧相比，所形成的氮氧化物排放更低。
因此，本发明的优点在于：
1)由于使用前室，与WO 2015/018 438 A1中我们的燃烧器相比,一次空气所需量较少。
2)由于在前室中使用我们的燃烧器，与现有技术采用预燃烧室进行空气分级燃烧的情况相比，降低了氮氧化物排放。
根据本发明，主要避免了在前室内部的流动扰动。然而，观察到前室内部特殊的预混合。由于平行注入，所以仅仅在每个注入流(燃料以及一次空气和/或预热空气)的外层中发生剪切诱发的湍流，而流的芯部在前室中保持完整。在通过前室和燃烧室进入到相邻炉(例如球团设备或者钢带烧结(SBSTM)设备的炉)中的过程中，混合进一步发展到流的芯部中。因为燃烧反应需要混合燃料和空气，所以根据本发明延迟燃烧反应，使得降低了峰值火焰温度和氮氧化物形成。
上述预混合流的点燃在热助燃空气所供应到的燃烧室内部实现。根据诸如燃烧器和前室的尺寸以及一次空气和预热空气的温度和流量等参数，燃料/空气混合物在前室中部分地反应。预热助燃空气则由平行注入到前室中的流(燃料、一次空气和预热空气)夹带。
根据本发明，进行平行注入，其中，引入到前室中的各相应流的轨迹相互偏离小于10°，优选地小于5°，更加优选地小于3°。各流的轨迹基本上由各相应入口的形状和方向确定。入口的最简单和优选的形状是直管圆形开口，这对引入流的轨迹具有很小的影响乃至没有影响。这与通常的燃料和/或空气注入正相反，通常的燃料和/或空气注入包括旋流装置，会导致流以基本为圆锥状更宽地分布。对于直管圆形开口而言，通过所述管和开口引导的流的轨迹可被确定为垂直于由圆形开口的径向外壁所包围的区域。就这一点而言，还优选的是轨迹被进一步引导向燃烧室。
在本发明的优选实施例中，燃料和/或一次空气被注入到前室，出口速度大于250m/s，优选大于300m/s。尤为优选的是预热空气的出口速度低于100m/s。根据本发明，燃料气体与一次空气和预热空气连续混合。这种混合过程是无级的并且具有两个重要特征。本发明的混合把高度稀释且部分反应的燃料气体输出到燃烧室中的高反应性燃烧区域中。此外，由于一次空气以包围着燃料的柱体形式被引入，本发明的混合防止了燃料气体在离开燃料喷嘴出口之后与高温助燃空气接触，因此避免了在燃烧室中发生直接和强烈反应。
优选的是，预热空气的温度介于25℃和800℃之间，特别是介于200℃和700℃之间，优选地介于400℃和600℃之间。燃料和一次空气由预热空气加热到使得取决于燃料类型，前室内部的燃料可发生自燃并且可以在前室内建立第一燃烧区域。夹带热助燃空气允许燃烧室内部的燃料-空气混合物自燃和完全燃烧。
一次空气相对较冷，特别是一次空气的温度低于150℃，优选地小于100℃，最优选地介于20℃和100℃之间。
尤为优选的是，预热空气的温度高于前室内部的燃料空气混合物的自燃温度。然而，因尺寸以及流量和/或温度的设定，避免了火焰点火。这看起来可以通过本发明获得的特殊预混合来解释。由于仅仅少量燃料、一次空气以及预热空气混合，因此看起来混合物的点燃不是被预热气体的高温引发。尽管还没有充分了解，但是这可以解释为是在稀释了燃料的条件下在前室中发生反应。稀释是通过过量的相对冷的一次气体来实现的。冷的一次空气遮蔽燃料，同时因在下游处混合而稀释燃料。预热空气也在前室中发生混合，即，首先与冷空气混合，然后与由冷空气稀释的燃料混合物混合，最后导致反应(燃烧)。因为燃料被高度稀释并且过程空气相对冷(例如，600℃)，所以预计该反应将以相对温和的方式发生。
最为优选地是，预热空气的温度高于400℃，优选地高于450℃，并且最为优选地高于500℃。这些温度在能量方面而言是有利的，但是在现有技术工艺中却没有采用，原因在于这种高预热空气温度通常促进了氮氧化物形成。根据本发明发现的是，平行注入燃料、一次空气和/或预热空气允许采用较高的预热空气温度，同时又不会增加氮氧化物排放。
在另一优选实施例中，预热助燃空气的温度高于750℃，优选地高于800℃，最为优选地介于900℃和1000℃之间；并且氧气浓度介于17Vol-％和25Vol-％之间，优选地介于18Vol-％和22Vol-％之间，最为优选地为大约21Vol-％。所述的温度和氧气含量范围对于点燃燃烧室内部的燃料、一次空气和预热空气混合物尤为有利。
根据优选的变例，预热助燃空气的所谓过量空气系数(λ助燃空气)介于2和6之间，优选地介于3和5之间，并且最为优选地为大约4。过量空气系数是空气质量流量(m空气)与完全(化学计量)燃烧所需的空气最小质量流量(m空气，化学计量)之比，在这种情况中，值与预热助燃空气的质量有关。总之，与燃料完全反应所需氧气量的至少两倍由预热助燃空气引入。
大量过量助燃空气确保了燃烧室和相邻炉内部的燃料完全燃烧。此外，在炉内保持了高空气含量，这对于固化炉尤为重要。
已发现，有利的是一次空气的过量空气系数(λ一次空气)介于0.1至0.6之间，优选地介于0.2和0.4之间。使用一次空气的质量代替如上所述预热助燃空气的质量来确定一次空气的过量空气系数。因此，λ一次空气是一次空气质量流量与完全(化学计量)燃烧所需的一次空气最小质量流量之比。低的过量空气系数(即，小于0.6)能够实现非常节能的燃烧过程，原因在于一次空气大体上不被预热并且必须通过燃烧反应来加热。这实际上是现有技术所希望的，其中，一次空气作为热沉以防止导致高氮氧化物排放的高峰值温度。根据本发明，减少了注入的一次空气量。
在替代实施例中，前室内部的过量空气系数介于0.6至1.5之间，优选地介于1.0和1.2之间。这样做的优点在于能够将氮氧化物排放减低到接近零的非常低的值。
本发明还涉及一种用于优选地根据如上所述方法燃烧气体燃料或者液体燃料以加热工业炉的燃烧器组件。燃烧器组件包括：前室；至少一个空气入口，用于将预热空气供应到前室中；至少一个燃料供给装置和至少一个一次空气供给装置，用于将燃料/一次空气供给到前室中。燃烧室布置成毗邻前室并且位于前室下游，燃烧室具有至少一个助燃空气入口，以将预热助燃空气供应到燃烧室中。毗邻前室，通到前室中的一次空气入口的开口以及燃料入口和/或一次空气入口的开口优选地处于特别是垂直于预热空气、燃料和/或一次空气流动方向的一个平面中。根据本发明，用于将预热空气供应到前室中的入口布置成毗邻燃料入口和/或一次空气入口，使得基本平行于燃料和/或一次空气将预热空气注入到前室中。所提出的燃烧器组件可使用前面描述本发明方法时的所有特征。因此，可参考上文描述的对于燃烧器组件也有效的各方面，不会在此再次详细描述。
根据优选实施例，预热空气入口包括腔，其构成燃料入口和/或一次空气入口。尤为优选地，腔是圆形的，并且相对于燃料开口和/或一次空气开口在周向布置。换言之，预热空气入口基本上布置在燃料入口和/或一次空气入口的径向外侧上。
作为补充或者作为替代的实施例，预热空气入口可以包括毗邻燃料入口和/或一次空气入口的多个开口。这些开口可以布置在椭圆形或者圆形上，其中，在椭圆/圆形的中部设置燃料入口和/或一次空气入口。这会影响前室内部的燃料和空气混合。结果，可以通过预热空气入口开口的数量和具体布置来调节燃料和空气的混合程度。
进一步优选的是，燃料、一次空气和/或预热空气的进入管的开口和/或相应的进入管自身布置成垂直于包含有所述进入管和所述开口的前室壁。尤为优选地是，开口与前室壁内侧齐平。这确保了根据本发明平行引入流。
在优选实施例中，前室的直径小于前室的长度。更加优选地，前室的直径和前室的长度之比介于0.4和0.7之间，最为优选地介于0.5和0.6之间。由于平行注入燃料、一次空气和/或预热空气，因此主要沿着引入到前室中的各流的流动轨迹发生混合。结果，是前室的长度来共同决定了前室中的混合量。这是因为，不同流的速度比导致了流之间的大剪切层并从而导致混合。与现有技术相比，根据本发明的前室可以用更紧凑的方式构造而成，原因在于各平行流不会撞击前室的壁。这减少了构造成本。然而，根据本发明的方法和燃烧器组件能够兼容现有技术设备，并且可以集成到现有设备或者炉中。
附图说明
通过以下对示例性实施例和附图的描述还可获得本发明的其它特征、优点和可能的应用。所描述和/或图示的所有特征以其本身或者以任何组合构成了本发明的主题，不管是否包括在权利要求中或是回引。
在附图中：
图1示意性示出了根据本发明的燃烧器组件的截面；
图2以垂直于流轨迹的视图示意性示出了燃料入口、一次空气入口和预热空气入口；
图3示出了在引入到前室中的流的外层中发生的流轨迹和湍流。
具体实施方式
在图1中，以截面图示出了根据本发明优选实施例的燃烧器组件1。燃烧器组件1具有前室2、燃烧室3和燃料进入管4、一次空气进入管5和预热空气进入管6。这些进入管分别包括相应的燃料入口4a、一次空气入口5a和预热空气入口6a。
燃烧室3布置成毗邻前室2并且位于前室2的下游，燃烧室自身连接到位于燃烧室2下游的炉7。此外，作为燃烧室3入口的助燃空气入口即下降管8设置用于引入助燃空气。前室自身具有前室长度2a和前室直径2b，其中，长度2a大于直径2b。因此，预期本发明的前室小于标准预燃烧室。
在图1示出的实施例中，燃料进入管4由一次空气进入管5包围，一次空气进入管5则由预热空气进入管6包围。各相应的入口与前室壁2c的内侧齐平。此外，入口4a、5a和6a布置成垂直于前室壁2c。入口4a、5a和/或6a可以设计成喷嘴。优选实施例不包括用于燃料、一次空气和/或预热空气的额外旋流器，因为这与本发明的技术效果相抵触。
为了解释的目的，在图2中还示出了管4、5和6的优选布置。在图1中，在引入到前室2中期间，燃料、一次空气和预热空气的轨迹彼此平行。图1和图2所示的同心布置是确保平行轨迹的一种方式。在该方式的替代方式中，进入管4、5和6可以通过位于前室壁2c的不同位置处的入口4a、5a和6a引入燃料、一次空气和预热空气。
在图3中，示出了两股流11在前室内部的流动轨迹。它们基本是平行的，并且它们由于如图3所示这个区域中的小湍流13(因缓慢的预热空气和快速的燃气/一次空气之间的大剪切，在这个区域中的湍流非常大)故主要在流的外层12中发生混合。结果，出于以下原因可减少氮氧化物形成：基本上大量冷空气部分地与气体燃料/液体燃料混合，并且稀释了燃烧介质。预热空气与已经稀释的混合物混合，并且导致更加稀释的混合物。预热温度相对较低，使得稀释混合物延迟发生反应。通过可避免在喷嘴出口正后方一次区域中发生稳定反应的非常高速喷射流，进一步增加了这种延迟。每次延迟均导致更大的混合和稀释。
附图标记列表
1 燃烧器组件
2 前室
2a 前室长度
2b 前室直径
2c 前室壁
3 燃烧室
4 燃料进入管
4a 燃料入口
5 一次空气进入管
5a 一次空气入口
6 预热空气进入管
6a 预热空气入口
7 炉
8 下降管
11 燃料流、一次空气流和/或预热空气流
12 燃料流、一次空气流和/或预热空气流的外层
13 湍流
Claims (8)
1.一种使用燃烧器组件燃烧气体燃料或者液体燃料的方法，其中，把燃料、冷的一次空气和预热空气供应到前室，前室具有长度和直径，长度大于直径，通过至少一个燃料供给装置和至少一个一次空气供给装置供应燃料和冷的一次空气，其中，把预热助燃空气供给到燃烧室，其特征在于，燃烧室(3)布置成毗邻前室(2)并且位于前室下游，燃烧室自身在一侧连接到工业炉但不伸入工业炉中，在另一侧与前室相通，燃料入口(4a)、预热空气入口(6a)和一次空气入口(5a)定位成毗邻前室(2)并且与位于燃烧室侧相反的前室侧的前室壁内侧齐平，以便进入到前室(2)中的预热空气入口(6a)、燃料入口(4a)和一次空气入口(5a)布置成垂直于所述前室壁，使得把预热空气和/或冷的一次空气平行于燃料注入到前室中，其中，冷的一次空气的温度小于150℃，预热空气的温度高于400℃；以范围为250m/s至400m/s的出口速度把燃料和/或一次空气注入到前室中；并且，一次空气的过量空气系数(λ)介于0.1至0.6之间，或者前室中的过量空气系数(λ)介于0.6至1.5之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预热空气的温度高于前室内部的燃料/空气混合物的自燃温度。
3.根据权利要求1-2中任意一项所述的方法，其特征在于，预热助燃空气的最大温度高于750℃，并且氧气浓度介于17Vol％至21Vol％之间。
4.根据权利要求1-2中任意一项所述的方法，其特征在于，预热助燃空气的过量空气系数介于2至6之间。
5.一种用于燃烧气体燃料或者液体燃料以加热工业炉的燃烧器组件(1)，燃烧器组件(1)包括：前室(2)，前室具有长度和直径，长度大于直径；至少一个预热空气进入管(6)，用于将预热空气通过预热空气入口(6a)供应到前室中；至少一个燃料进入管(4)，用于通过燃料入口(4a)将燃料供应到前室中；和至少一个一次空气进入管(5)，用于通过一次空气入口(5a)将一次空气供应到前室中；燃烧室(3)布置成毗邻前室(2)并且位于前室下游，燃烧室自身在一侧连接到工业炉但不伸入工业炉中，在另一侧与前室相通；至少一个助燃空气入口(8)，用于将预热助燃空气供应到燃烧室(3)中，其特征在于，燃料进入管由一次空气进入管包围，一次空气进入管则由预热空气进入管包围，燃料入口(4a)、预热空气入口(6a)和一次空气入口(5a)定位成毗邻前室(2)并且与位于燃烧室侧相反的前室侧的前室壁内侧齐平，以便进入到前室(2)中的预热空气入口(6a)、燃料入口(4a)和一次空气入口(5a)布置成垂直于所述前室壁，使得基本平行于燃料将一次空气和/或预热空气注入到前室(2)中，其中，冷的一次空气的温度被调节为小于150℃，预热空气的温度被调节为高于400℃；并且构造成以范围为250m/s至400m/s的出口速度把燃料和/或一次空气注入到前室中；并且，一次空气的过量空气系数(λ)介于0.1至0.6之间，或者前室中的过量空气系数(λ)介于0.6至1.5之间。
6.根据权利要求5所述的燃烧器组件，其特征在于，预热空气入口(6a)包括腔，其构成了燃烧器的燃料入口(4a)和/或一次空气入口(5a)。
7.根据权利要求5或者6所述的燃烧器组件，其特征在于，预热空气入口(6a)包括毗邻燃料入口(4a)和/或一次空气入口(5a)的多个开口。
8.根据权利要求5至6中任意一项所述的燃烧器组件，其特征在于，前室直径(2a)和前室长度(2b)之比介于0.4和0.7之间。
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