CN1086003A - 热喷管燃烧方法 - Google Patents

Abstract

应用热喷管将热能转化为动能将氧化剂送入燃 烧区的方法，其中甚至在低氧化剂供应压下也可达到 高注入速度，并在任何给定供应压下可以改变注入压 力，而无需改变喷管或使用可调喷管。

Description

本发明涉及用氧气浓度超过空气的氧化剂进行燃烧，其特别有益之处在于该氧化剂可以较低压力利用。

随着燃料价格上涨，在燃烧领域中，以减少燃料用量进行燃烧变得重要。很久以来就已知道，减少燃料消耗的方法之一是使用氧气或富氧空气进行燃烧，因为这会减少流进燃烧反应的氮的量，而氮会吸收燃烧反应产生的热量。因此，对于一定量的燃料而言，就有更多热量用于预定目的。

在燃烧反应中使用氧气或富氧空气作为氧化剂的问题之一，是从这种反应引起的高温在动力学上有助于已知的污染物氮氧化物（NOx）的形成。在燃烧工艺方面最近的工作已提出了这个问题，并取得了进展，使在燃烧过程中使用氧气或富氧空气时不产生过高水平的Nx。在燃烧工艺方面几份近期研究已公开和取得了下列专利：Anderson的美国专利4，378，208、4，541，796、4，907，961和Anderson的美国专利5，100，313。

许多最近的这些研究，能在燃烧过程中使用氧气或富氧空气，同时避免产生大量的NOx，需要向燃烧区提供高速氧化剂。这里存在一个问题，即高速注入氧化剂需要高氧化剂压力，而常常不能从其来源得到所需的高压氧化剂。在这些情况中，一般用压缩机压缩氧化剂得到所需高压。这是不希望的，因为使用压缩机增加了燃烧体系的投资和操作费用，也因为压缩氧化剂，特别是氧化剂是工业纯氧时，对系统会引入一定程度的冒险。

因此希望有一种方法，使注入燃烧区的氧化剂速度增加超过氧化剂来源给出的压力，同时减小或消除通过压缩机压缩氧化剂的需要。

已知的增加注入燃烧区的氧化剂的速度的方法是通过一个机械喷管将氧化剂注入燃烧区。一种机械喷管是直径比氧化剂供气管小的孔管，因此当氧化剂流过该孔管进入燃烧时其速度增加。然而，这种办法优点有限，因为为了使氧化剂有效通过狭窄孔管，仍然需要较高压力。机械喷管体系的一个重要限制是，对于一给定的氧化剂流速而言，注入燃烧区的氧化剂的速度不能被改变，除非也改变该喷管或使用一种很复杂的可调喷管。改变喷管麻烦、费时，也很危险，而可调喷管价格昂贵，并当暴露于燃烧区的苛刻环境中时，易于破裂。

因此，本发明的目的之一是提供一种燃烧方法，其中注入燃烧区的氧化剂速度可以增加到超过氧化剂源可能提供的压力，同时减小或消除通过压缩机压缩氧化剂的需要。

本发明的另一目的是提供一种燃烧方法，其中注入燃烧区的氧化剂的速度，对于任何给定的供给压力，均可控制或改变而不需要改变注入喷管或使用可调喷管。

对于本领域的技术人员而言，当他阅读了本发明书后，本发明的上述目的和其它目的就变的更为清楚，可由本发明达到，其一方面是一种热喷管燃烧方法，包括：

A）给与燃烧区相连的氧化剂供气管提供具有初始速度的氧浓度至少为30体积%的氧化剂;

B）向氧化剂供气管提供燃料，并用此燃料使供给氧化剂供气管内的氧化剂中所含最高达20%的氧气燃烧，以产生热量和燃烧反应产物;

C）使燃烧反应产物与氧化剂供气管内的氧化剂中剩余的氧气混合，并升高氧化剂供气管内剩余氧化剂的温度;及

D）将加热的氧化剂从氧化剂供气管排出，以超过初始速度的排气速度通入燃烧区。

本发明的另一方面是一种热喷管燃烧方法，包括：

A）向与燃烧区相连的氧化剂供气管提供具有初始速度的、氧气浓度至少为30体积%的氧化剂;

B）给氧化剂提供热量;

C）将给氧化剂供气管提供的热量传给氧化剂，并升高氧化剂供气管内的温度;

D）将加热的氧化剂从氧化剂供气管排出，以超过初始速度的出口速度通入燃烧区;

E）向燃烧区与氧化剂分开供给可燃物质，其中氧化剂是经氧化剂供气管通入燃烧区的;及

F）在燃烧区燃烧可燃物质和氧化剂。

图1  是可以用于进行本发明的热喷管燃烧体系的设备的一个优选实施方案的截面图。

图2  是燃料和氧化剂分别注入进行燃烧的燃烧区的实施方案图。

图3  是对于天然气一氧气火焰的火焰温度与作为氧气消耗的函数的关系的示意图。

图4  是为了获得800英尺/秒的氧化剂喷气速度所需的氧化剂导管室压与作为氧化剂导管室内氧化剂温度的函数的关系的示意图。

一般而言，本发明是一种将热能转变为动能，克服由于氧化剂供气压较低造成流速较低的问题的方法。该方法能减少或消除使用氧化剂压缩机。本发明的一个极重要的附加优点是本发明使专业人员能改变或控制注入燃烧室的氧化剂的速度，而不需要改变喷管或使用可调喷管或增加氧气流速，方法是改变进入该体系的热能，因而控制在过程中产生的动能。

下面参考附图更详细描述本发明。

现参考图1，热喷管是一个喷枪，通过它可将氧化剂提供给燃烧区2。在本发明的实践中，氧气浓度至少为30体积%，优选至少85体积%的氧化剂3，在氧化剂供气管4内通过开口5提供给燃烧区2。氧化剂最优选工业纯氧，氧气浓度99.5%或更高。在氧化剂供气管4内，氧化剂的起始速度一般在50-300英尺/秒（fps），典型地小于200fps。

在本发明的广泛实践中，氧化剂供气管内经过合适的手段，例如通过燃烧、电弧或电阻加热提供热量。图1说明了本发明的一个优选实例，其中由氧化剂供气管内的燃烧给氧化剂供气管提供热。在本发明的该优选实践中，由燃料喷管7向氧化剂供气管提供燃料，喷管7可以是通常作燃料喷注用的合适喷管。该燃料可以是任何合适的可燃流体，其实例包括天然气、甲烷、丙烷、氢和焦炭炉气。优选气体燃料。液体燃料，例如2号燃料油也可使用，但在氧化剂供气管中液体燃料比气体燃料较难以保持良好混合、可靠和安全燃烧。

给氧化剂供气管提供的燃料在氧化剂供气管与氧化剂燃烧，产生热和燃烧反应产物，如二氧化碳和水蒸汽。本发明的重要点是不超过20%氧气的氧化剂可在氧化剂供气管内燃烧，或者向燃烧区提供不充分氧气进行后续燃烧。此外，若超过20%氧气用于在氧化剂供气管内燃烧，剩余氧气的温度可增加到不希望的水平，这在下面将进一步讨论。

在氧化剂供气管4内，燃烧反应产物与剩余氧混合，因而给其余氧化剂提供热并升高其温度。如图1如示，最好向氧化剂供气管4提供高速燃料6，典型地超过200fps，一般在500-1500fps范围内。该高速度用作将氧化剂载入燃烧反应8，因而建立了稳定的火焰。该高速度能进一步使燃烧反应产物和氧化剂载入燃烧反应，因而改进热燃烧反应产物与剩余氧在氧化剂供气管内的混合，因而更有效地加热其余的氧。

一般在氧化剂供气管内剩余氧化剂的温度约升高至少500°F，最好至少约1000°F。然而，在氧化剂供气管内剩余氧化剂的温度最好不超过3000°F，因为在此温度以上燃烧反应产物的离解明显增加，引起氧化剂供气管和喷管的过热问题。

图3图示说明天然气一氧气火焰作为在氧化剂供气管内燃烧氧气的百分数的函数的计算火焰温度。从图3可见，燃烧高达约20%氧气可达到大部分温升，耗氧超过20%会使温度超过3000°F，造成所述有害结果。

由于在氧化剂内剩余氧温度增加，向氧化剂供气管供给氧化剂以达到向燃烧区的任何给定的注入速度的所需压力降低。该效应在图4中以一特例作图示说明。氧温度在横坐标上，所需压力在纵坐标上。该曲线是表示为了从氧化剂供气管向燃烧区供给氧化剂达到800fps的注入速度的这两个参数的关系的点的轨迹。从图4可知，当氧在环境温度时，为了向燃烧区注入800fps的氧气，所需压力超过7磅/平方英寸表压（Psig）。当氧温度增加时，所需压力陡然降低。在1500°F时，所需压力为1.65psig，而在3000°F时，所需压力仅为0.91psig。当温度超过3000°F时，附加优点很小，因此这给向氧化剂供气管供给不超过20%氧燃烧提供了另一理由。因此，如图4所示，本发明的方法能向燃烧区提供高速氧化剂，而不需要供给高的压力，因而减少或消除了将氧化剂通入燃烧区之前压缩氧化剂的需要，而这在氧化剂压力源的压力不高时本来是需要的。

再回到图1，受热氧化剂在氧化剂供气管4内经开口5作为高速氧化剂流9通入燃烧区2。通常受热氧化剂流9的出口流速在500fps-2000fps范围内，超过起始的速度至少300fps。

如图1所示，开口5直径最好小于氧化剂供气管4的，因为这会改进本发明的速度增强方法的效率。如图1所示，从氧化剂供气管4起，开口5的直径的减少最好以圆弧或曲线节流方式实现。这样，气体流速接近可逆绝热流动。在开口5处也有可能使用一种多孔排气喷管。

通入燃烧区的氧化剂与燃烧区内的可燃物质燃烧。该可燃物质包括例如气体燃料，如天然气、甲烷、丙烷或氢，以围绕氧气流的环形气流或经一独立的喷管供给燃烧区，从废物焚化产生的废气中蒸发的可燃有机物和与水泥窑内的装料混合的煤。

供给燃烧区的可燃物质是与氧化剂分开以气流9通入燃烧区。它也可以例如经一个燃烧器供给燃烧区，该燃烧器也作为在邻近于注入可燃物质之处将氧化剂注入燃烧区，或者它也可经分开的燃料喷管供给燃烧区，或由其它合适装置供给燃烧区。图2说明一个简化的燃烧区11，其中高速受热氧化剂经氧化剂喷管13供给燃烧区，而可燃物质，如天然气则从燃烧区另一侧经与氧化剂分开的燃料喷管12通入燃烧区。该燃料也可与氧化剂在同一侧供给燃烧区或任何其它方式如作为固体或液体可燃废物料供给燃烧区。该氧化剂和可燃物质在燃烧区内燃烧而产生热。燃烧区可以是任何合适的体系，如加热炉，如钢、玻璃或铝加热炉，焚化炉窑或干燥炉。

本发明的主要优点是由改变在氧化剂内提供的热量，达到改变或控制通入燃烧区内氧化剂速度的能力。在由燃料与一些氧化剂在氧化剂供气管内燃烧提供热量的场合，在氧化剂供气管内提供的热量可由增加或降低向氧化剂供气管提供燃料的流速而得到增加或减少。这将引起通入燃烧区的氧化剂速度增加或降低而不需要改变喷管或使用可调喷管。这种热喷管控制机理是本发明的主要优点，这不用改变供气压力，因此不用改变机械喷管或使用可调机械喷管。

现在，当氧化剂供给压力低同时又想避免或减少氧化剂加压的需要，通过使用本发明，人们就可能向燃烧区提供高速氧化剂。此外，本发明使能够在任何给定氧化剂供应压力下，容易增加或降低注入燃烧区的氧化剂的速度，使能够不用改变喷管或使用可调喷管注入氧化剂，就能改进在燃烧区内燃烧反应的控制。

虽然本发明已参考一些优选实施方案进行了详细叙述，本领域的技术人员也将认识到，在权利要求书的精神和范围内，本发明还有其它实施方案。

Claims (10)

1、一种热喷管燃烧方法，包括：

A)给与燃烧区相连的氧化剂供气管提供具有初始速度的氧浓度至少为30体积%的氧化剂；

B)向氧化剂供气管提供燃料，并用此燃料使供给氧化剂供气管内的氧化剂中所含最高达20%的氧气燃烧，以产生热量和燃烧反应产物；

C)使燃烧反应产物与氧化剂供气管内的氧化剂中剩余的氧气混合，并升高氧化剂供气管内剩余氧化剂的温度；及

D)将加热的氧化剂从氧化剂供气管排出，以超过初始速度的排气速度通入燃烧区。

2、权利要求1的方法，其中氧化剂的氧气浓度为至少85体积%。

3、权利要求1的方法，其中氧化剂的温度升高到不超过3000°F。

4、权利要求1的方法，其中加热的氧化剂经至少一个其直径小于氧化剂供气管的直径的开口通入燃烧区。

5、权利要求1的方法，其中还包括改变向氧化剂供气管提供的燃料的流速，并因此改变了通入燃烧区的氧化剂的排气速度。

6、权利要求1的方法，其中还包括向燃烧区提供可燃物质，并用此可燃物质在燃烧区内燃烧加热的氧化剂。

7、一种热喷管燃烧方法，包括：

A）向与燃烧区相连的氧化剂供气管提供具有初始速度的、氧气浓度至少为30体积%的氧化剂;

B）给氧化剂提供热量;

C）将给氧化剂供气管提供的热量传给氧化剂，并升高氧化剂供气管内的温度;

D）将加热的氧化剂从氧化剂供气管排出，以超过初始速度的出口速度通入燃烧区;

E）向燃烧区与氧化剂分开供给可燃物质，其中氧化剂是经氧化剂供气管通入燃烧区的;及

F）在燃烧区燃烧可燃物质和氧化剂。

8、权利要求7的方法，其中氧化剂的氧浓度至少为85体积%。

9、权利要求7的方法，其中氧化剂的温度升高到不超过3000°F。

10、权利要求7的方法，其中还包括改变向氧化剂供气管提供的热量，并因此改变通入燃烧区的氧化剂的排气速度。

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