CN1082690A - 燃料燃烧器的燃烧方法及设备 - Google Patents

Abstract

根据本发明，燃料分两段并相应在第一和第二含 氧气体的存在下燃烧。第二含氧气体中的含氧量高 于第一含氧气体。在第一段，燃料流在远大于1.0的 第一等值比率下燃烧，从而抑止热NO_x的生成，同时 产生了供第二段燃烧的可燃性混合物。在第二段，可 燃性混合物在不大于约1.0的等值比率下燃烧，从而 最大限度地把热量传回第一段，以稳定其中的燃烧， 同时燃料自由基被第二含氧气体充分氧化，从而抑止 瞬发NO_x的生成。

Description

本发明涉及一种燃料燃烧器的燃烧方法及设备，其中燃料流经两段燃烧，以抑制NOx（氮氧化合物）的生成。更具体地，本发明涉及这样一种燃料燃烧方法及设备，其中，燃料的燃烧在两段中的第一段由第一含氧气体提供，而在两段中的第二段，燃料的燃烧由第二含氧气体提供，第二含氧气体中的氧气浓度高于第一含氧气体。

燃料燃烧器被设置在炉内用以生产作各种各样工业用途的热熔物。这些热熔物包括黑色和有色金属，玻璃以及其他物质。为了最大限度地得到燃烧器的效能输出，同时又最低限度地降低燃料消耗，已有技术已经提供了那些设计成在氧气或富含氧气的空气中氧化燃料的燃烧器。这类燃烧器的问题在于，空气中的氮气可以与氧气反应，产生有害的污染物，即已有技术中所谓的“热NOx”（thermal  NOx）。此外，燃料自由基，例如CH，可以与空气中的氮气反应形成“瞬发NOx”（prompt  NOx）。另外，采用液体燃料时，与燃料结合的氮气可以形成HCN，HCN能氧化生成与燃料结合的NOx。这个问题，甚至在那些已有技术的炉子（支持燃烧所需的氧气由空气提供）中也同样存在，它是由于高的燃烧温度，火焰中大量燃料自由基以及与燃料结合的氮气所导致的。

为了减少热NOx的形成，已有技术的燃烧器被设计成分两段燃烧燃料（分段燃烧法）。在燃烧的第一段，即已有技术中已知的富含燃料阶段，燃烧在低于化学计量的氧气的存在下进行，从而降低燃烧的温度，进而抑止热NOx的形成。第一段的下游，有未燃烧的燃料和可燃的碳氢化合物存在。在燃烧的第二段，碳氢化合物和未燃烧的燃料组成的可燃性混合物在氧气中燃烧，所用的氧气与提供给第一段燃烧用氧气的来源相同。但是，在第二段燃烧时，引入的氧气是超过化学计量的。从而产生已有技术中所谓的燃烧的“燃料不足阶段”（a  fuel-lean  stage）。需要超过化学计量的氧气来完全氧化在第一段燃烧所产生的可燃性混合物。应注意，燃料碎片有较低的生成热，因此，在燃烧的第二段，热NOx并不是NOx生成的主要来源。但是，在燃烧的第二段，可燃性混合物进行不完全和缓慢的燃烧会导致高浓度的碳氢化合物自由基产生，这些自由基与氮气反应，最终产生瞬发NOx。

因为这些已有技术的燃烧器在两段燃烧中采用同样来源的氧气，即在两段中都用含氧量相同的空气或氧气或富含氧的空气，因此，存在于燃烧的第一段和第二段的化学计量上的差别是很有限的。在这点上，通过将燃料的总量除以任一燃烧阶段中的氧气的总量，再将结果除以按化学计量供燃烧所需的燃料和氧气的理论量的商，就得到一个无因次的比率，在已有技术中称为等值比率（equivalence  ratio）。在富含燃料阶段，等值比率大于1.0，表示燃料过剩;在燃料不足阶段，等值比率小于1.0，表示氧气过剩。

在已有技术中，在富含燃料阶段可以得到的等值比率的最大值是受限制的，因为即使加入一定量的氧化剂，仍会达到燃烧无法维持的阶段。换言之，在富含燃料阶段，火焰最终将不能稳定燃烧，随后熄灭。此外，当富含燃料阶段更富含燃料时，燃料不足阶段就需要更多的氧化剂去完成燃烧。

为了充分氧化可燃性混合物并防止生成瞬发NOx，同时又防止第二段大量氧化剂的存在而导致火焰的熄灭，在第二燃烧段中燃烧的等值比率最好应限定于接近化学计量的比例。这一点在第一段采用空气或具有相同氧浓度的富含氧的空气的情况下是很难做到的，因为加入到第二燃料段中的大量含氧空气会冷却第二燃烧段和/或使第一段熄灭，从而熄灭了火焰。

如将要讨论的那样，本发明提供了两段燃料燃烧的方法和设备，在本质上它允许在燃烧的第一段得到比已有技术更大的等值比率，而且，也允许燃烧的第二段的等值比率接近一致。其结果，对NOx的抑止比已有技术的燃烧方法和设备都大大增加了。

本发明提供了一种燃烧燃料的方法，根据此方法，燃料流分两段燃烧，分别在第一和第二含氧气体存在下燃烧。第二含氧气体的氧浓度高于第一含氧气体。燃料流在两段中的第一段按远大于1.0的第一等值比率燃烧，从而抑止热NOx的生成，并且生成供第二段燃烧的可燃性混合物，该混合物由未燃烧的及部分氧化的燃料、燃料碎片和燃料自由基组成。可燃性混合物在二段中的第二段按约1.0等值比率进行燃烧，从而最大限度地将热量传递给两段中的第一段以稳定其中的燃烧，并且使燃料自由基被第二含氧气体极快地氧化，从而抑制了瞬发NOx的形成。

另一方面，本发明提供了一种燃烧燃料的燃料燃烧器。这种燃烧器以不同的方式形成燃料流。第一种方式是将第一含氧气体引入燃料流，从而使燃料与第一含氧气体的燃烧发生在两段燃烧的第一段，并按远大于1.0的等值比率进行，从而抑制热NOx的生成并提供由未燃烧的及部分氧化的燃料、燃料碎片和自由基组成的可燃性混合物。第二种方式是将第二含氧气体引入燃料流，从而使可燃性混合物与第二含氧气体的燃烧发生在二段燃烧的第二段即位于两段燃烧的第一段下游。第二种方式可以按约1.0的等值比率将第二含氧气体引入燃料流，从而最大限度地将热量传递给两段燃烧中的第一段，并且使燃料自由基极快地被氧化，从而抑止了瞬发NOx的生成。

不同于已有技术，本发明的燃料燃烧器是特别设计用来燃烧具有不同氧浓度的两种含氧气体的。本发明的此特点使燃料在燃烧的第一段能按比已有技术更高的等值比率，因此，处在较低的温度下进行燃烧，并使可燃性混合物在燃烧第二段按接近化学计量条件进行燃烧，从而在比已有技术更低含量的含氧气体中更快地氧化可燃性混合物，又不超越可燃性的限制。因为可燃性混合物能在比已有技术更低含量的含氧气体中燃烧，因此，热量能更有效地从燃烧第二段传回燃烧第一段，从而如本发明所期待的那样，有助于稳定在第一段按高等值比率所进行的燃烧。在本发明可处在的较低的第一段燃烧温度下，能比已有技术更有效地抑止热NOx的生成，同时，更完全地氧化燃料碎片及自由基，从而能比已有技术更好地抑止瞬发NOx的生成。

说明书包括了权利要求，而权利要求清楚地指出了本发明申请的实质，结合下列附图，可以相信将会更好地理解本发明，附图包括：

图1：根据本发明的燃料燃烧器的侧视图。

图2：沿图1中线2-2所得的图1的剖面图。

图3：如图1的燃料燃烧器在操作中的局部图，显示了在其操作中产生的燃料燃烧的第一段和第二段。

参见图1和图2，被阐述的是根据本发明的燃料燃烧器10。它能用传统方式安装在炉子的燃烧器底座上，燃料燃烧器10是特别设计的，用来分两段燃烧甲烷之类的气体燃料。在燃烧的第一段，甲烷在一种含氧气体，即空气存在下燃烧。在燃烧的第二段，由第一段燃烧产生的燃料碎片及自由基在第二种含氧气体，即氧气的存在下燃烧。必须说明，本发明并不局限于仅采用甲烷作燃料，或者局限于先由空气后由氧气所提供的两段的燃烧。

燃料经喷射装置12形成燃料流。喷射装置12包括一个底部14和一个渐缩喇叭型的喷嘴部分16。喷嘴部分16与底部14的突出部分18相连接。底部14配置有一个轴向的孔20，孔20具有刻有螺纹的部分22。轴向孔20延伸进入底部14的突出部分18，并配置有与轴向孔20相连通的导入管23。燃料如箭头A所指的那样进入导入管23，接着经喷嘴部分16的渐缩喇叭型结构加速后，作为燃料流从喷嘴部分16处喷射出。一个燃料控制针24按螺纹伸入轴向孔20的螺纹部分22，从而可以通过连续的运动移向或远离喷嘴部分16的节流区26。当燃料控制针24的锥形端28靠近喷嘴部分16的节流区26时，燃料流的速度会增加，反之亦然，而与体积流速无关。

喷射装置12通过4个等距的螺纹螺栓32与燃烧器本体30相连。在螺栓32的一端，螺纹固定于喷射装置12的底部14上的4个内部螺纹孔36。在螺栓32的另一端，螺栓32通过4个对立向设置的六角螺母件38和40与燃烧器本体30相连，六角螺母件固定于燃烧器本体30的向外张开的、凸缘状部分42。

喷射装置12的底部14设有环形槽44，一个固定的百叶窗式的套筒46位于此槽44。固定的百叶窗式的套筒46是圆柱形的并配置有天窗48（louver）。一个外部可移动的百叶窗式套筒50同样是圆柱形的并装有天窗52。此套筒50围着内部的固定的百叶窗式的套筒46。供燃烧的空气进入外部可移动的和内部固定的百叶窗式的套筒（50和46）的天窗52和48。通过外部可移动的百叶窗式套筒50的旋转，可以增加或减少天窗52和48的打开区域，从而一定量的空气可以进入燃料混合物，此时燃料通过喷射装置12形成燃料流。

燃烧器本体30具有一个轴向通道54，通道54为环形横截面（crossection），具有一个光滑收敛形的入口部分56。此外还有直径大致相同的中间混合部分58以及轴向通道54的发散形的扩散段60。燃料流首先在负压下进入轴向通道54的入口部分56，负压是通过燃料流在喷射装置口的喷嘴部分16的加速而引入燃料流中。这样，在轴向通道54的入口部分56形成了负压，从而可以通过外部可移动的百叶窗式套筒50和内部固定的百叶窗式套筒46的天窗52和48将空气吸入。调节外部可移动百叶窗式套筒50可以控制吸入的空气的量。此外，调节燃料控制针24也可控制吸入的空气的量。如上所述，将燃料控制针24移向节流区26，会增加燃料的流速。这会造成压力的进一步下降，因而会造成更多的空气被吸入，结果，趋向形成燃料和空气的混合物。用这种方式，燃料的流量和速度都是可以独立调控的。这允许在第一阶段调节等值比率，而与燃料的流量流速无关。在这点上，燃料和空气在轴向通道54的中心混合部分58内进行混合。通过轴向通道54的扩散部分60，压力增大到超过大气压力。将一个形状相符的陶瓷套筒置于通道54，以伸入通道的扩散部分60，从而使燃烧器本体30绝热。

参见图3，富含燃料的混合物在第一燃烧段62燃烧。事实上，等值比率可以达到超出已有技术燃烧器的可燃性的限制水平。但是，因为将氧气注入燃料流，所以在本发明中并没有出现这种情况，从而在第一燃烧段62产生的可燃性混合物在位于相邻段62下游的第二燃烧段64中燃烧。因为使用氧气，所以燃料碎片在第二燃烧段可以按约1.0的等值比率，即接近化学计量，进行燃烧。因此，热量可以最大限度地传给两段中的第一段以稳定燃烧，同时又充分氧化燃料自由基，从而抑止了瞬发NOx的生成。必须指出，燃烧器10可按非常低的等值比率将氧气引入第二燃烧段。但是，这种操作方式会使第一燃烧段62的燃烧的等值比率受到限制。关于这一点，必须指出，本发明与已有技术的燃烧器相比，具有一个内在的优点，即可以极大地提高等值比率，而如此高的等值比率在第一燃烧段是可以达到的。本发明的燃烧器所期望的高的等值比率促使第一燃烧段中烟灰（soot）的形成。这产生了更亮的，热传递效率更高的火焰。

在本发明中，氧气的注入是通过在轴向通道54的扩散部分60处，环绕位于燃烧器本体30的外套66完成的。外套66的一端用环状套筒68封闭，另一端开口，形成一个环状开口70，氧气从这个开口70注入。外套66、燃烧器本体30和陶瓷套筒61都制成一定形状，使燃烧器10的前部有一个向内的球形的弯曲部分。其结果是，燃烧器本体30于外套66的环状开口70处开始凹陷。这个凹槽允许氧气在第一燃烧段62的下游处注入第二燃烧段64。氧气，如箭头B所示，经导入管74进入外套66，导入管74有适合导入管道76的压力。如已有技术的熟练工人所众所周知的那样，筛网（mesh）或蜂窝状栅格能用来防止第一燃烧段62在使用本发明的大直径燃烧器装置中回火（flashingback）。

尽管没有阐述，但如果在轴向通道54的扩散部分60处钻一系列的小孔通入燃烧器本体孔内，并和外套66等高，那么燃料流可以在富含氧气的空气存在下，而不是在单独的空气中，进行燃烧。类似的，如果钻孔通入外套66，则第二燃烧段同样可以在富含氧的空气中进行，只是此富含氧的空气中具有更高浓度的氧气。

尽管本发明是参照最佳实施例来描述的，但是，正如那些已有技术的熟练工人所意识的那样，能对本发明进行许多的改变、增添或删除，而不违背本文所附的权利要求书中所规定的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1、一种燃烧燃料的方法，其特征在于，它包括：

分两段，并相应在第一及第二含氧气体的存在下燃烧燃料流；第二含氧气体的氧气浓度高于第一含氧气体；

在两段中的第一段，燃料流在远大于约1.0的第一等值比率下进行燃烧，从而抑止了热NOx的生成，同时，在生成了供两段中的第二段燃烧的，含有未燃烧及部分氧化的燃料、燃料碎片及燃料自由基的可燃性混合物；和

在两段中的第二段，可燃性混合物在约1.0的等值比率下进行燃烧，从而最大限度地将热量传给两段中的第一段以稳定其中的燃烧。同时，燃料自由基被第二含氧气体以极快的速度氧化从而抑止了瞬发NOx的生成。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一等值比率相当高，从而至少在没有两段燃烧的第二段传回的热量的情况下，在两段燃烧的第一段难以维续燃烧。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，将第一含氧气体引入燃料流，从而形成具有第一等值比率的富含燃料的物流;

富含燃料的物流在两段燃烧的第一段中燃烧;

注入第二含氧气体与位于二段中的第一燃烧段下游的可燃性混合物形成混合物，从而在紧靠第一燃烧段的正下游形成第二燃烧段。

4、如权利要求2所述的方法，其特征在于，第一含氧气体包括空气;再且空气通过下列方式引入燃料流：

形成燃料流从而得到负压，

将空气吸入燃料流，

混合空气和燃料流，

通过将燃料和空气流的混合物分散到负压中而形成富含燃料的物流。

5、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第一含氧气体包括空气，而第二含氧气体包括氧气。

6、如权利要求4所述的方法，其特征在于，第二含氧气体包括氧气。

7、一种用于燃烧燃料的燃料燃烧器，其特征在于，包括：

形成燃料流的装置;

将第一含氧气体引入燃料流的第一装置，从而使得燃料与第一含氧气体的燃烧发生在两段燃烧的第一段，并且等值比率远大于1.0，从而抑止热NOx的生成，同时产生由未燃烧的及部分氧化的燃料、燃料碎片及自由基组成的可燃性混合物;和

将比第一含氧气体中含氧量更高的第二含氧气体引入燃料流的第二装置，从而使得可燃性混合物与第二含氧气体的燃烧发生在两段燃烧的第二段，此第二段即位于两段燃烧的第一段下游。

第二装置可以按约为1.0的等值比率将第二含氧气体引入燃料流，从而最大限度地把热量从二段燃烧的第二段传给二段燃烧的第一段，而且燃料自由基以很快的速度氧化，从而抑止了瞬发NOx的生成。

8、如权利要求7所述的燃料燃烧器，其特征在于;

第一含氧气体包括空气;

燃料流形成装置，该装置形成燃料流，从而具有负压;和

第一装置，它包括具有轴向通道的细长的燃烧器本体，通道与燃料流形成装置，两者在操作上相连，从而使燃料流通过轴向通道被导入;

轴向通道包括，

一个入口部分，该入口部分光滑地收敛并且其位置与燃料流形成装置一起限定了一个环状区域，通过此区域空气被吸入;

位于入口部分下游的混合部分，其形状适于将燃料和空气混合在一起;和

一个扩散部分，其形状适于在从通道分散前，将增大的、超过大气压的压力传给燃料和空气的混合物。

9、如权利要求8所述的燃料燃烧器，其特征在于，第二装置包括一个外套，该外套环绕于燃烧器本体，并在其一端开口，形成一个用于注入第二含氧气体的环绕燃烧器本体的环形喷嘴。

10、如权利要求8或9所述的燃料燃烧器，其特征在于，燃料流形成装置包括：

一个具有收敛形状及扩散形状的通道的喷射体;

一个锥形尖端，它伸入收放形通道，并且可以在轴向上移动，通过其在轴向上的运动来增加或减少燃料流的速度;和

用于支持及选择性地在轴向上移动锥形尖端的装置。

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