CN1091860C - 分级燃烧的方法 - Google Patents

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Abstract

一种能减少NOx生成的燃烧方法,其中高速燃料和很低化学计量比的氧化剂一起燃烧,然后二级氧化剂与所生成的燃烧反应产物混合并燃烧。

Description

分级燃烧的方法
本发明总的来说涉及燃烧。本发明特别适用于进行能减少生成氮氧化物的燃烧。
氮氧化物(NOx)是燃烧过程中产生的一种主要污染物,因此希望在进行燃烧时减少其生成。已经知道,用工业纯的氧或富氧空气作氧化剂进行燃烧时可以NOx的生成,因为这种情况可以减少在等量氧的基础上供给燃烧反应的氮气的量。但是使用具有较高氧浓度的氧化剂会使燃烧反应在较高的温度下进行,而这种较高的温度从动力学角度看又有利于NOx的生成。
因此,本发明的一个目的是提供一种进行燃烧的方法,该方法可用氧浓度比空气高的氧化剂来实施,而同时又能达到减少生成氮氧化物的目的。
对于熟悉本技术的人员来说在阅读本说明书后上述和其它目的将一目了然,这些目的可通过本发明达到。本发明是:
一种能同时达到减少氮氧化物生成的燃烧方法,包括:
(A)将一级燃料和5~50%范围的化学计量比例的一级氧化剂喷入到燃烧区,所述一级氧化剂是一种氧含量至少为30%(体积)的一种流体;
(B)在离开一级燃料和一级氧化剂喷入到燃烧区的喷入点的一定间隔处将二级氧化剂喷入到该燃烧区中;
(C)使一级燃料和一级氧化剂与二级氧化剂隔开,单独在燃烧区中燃烧产生燃烧反应产物;
(D)使二级氧化剂与燃烧区中的燃烧反应产物混合,然后使二级氧化剂与该燃烧反应产物一起燃烧。
这里所使用的术语“氮氧化物”和“NOx”是指下列氮氧化物中的一种或几种:一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、三氧化二氮(N2O3)、四氧化二氮(N2O4)、二氧化氮(NO2)、四氧化三氮(N3O4)和三氧化氮(NO3)。
这里所用的术语“完全燃烧产物”是指二氧化碳和水蒸汽中的一种或多种。
这里所用的术语“不完全燃烧产物”是指一氧化碳、氢、碳及部分燃烧的烃类中之一种或多种。
这里所用的术语“未燃烧的燃料”是指未经受燃烧的燃料和/或不完全燃烧的产物。
图1是实施本发明方法的一个具体方案的简化截面图。
图2是实施本发明方法的另一个具体方案的简化截面图。
图3是说明限定一级燃料和氧化剂中的氧与燃料的比例对实施本发明的重要性的图解说明。
图4是说明在实施本发明中用优选的一级燃料速度所得到的改进结果的图解说明。
图5是说明在实施本发明中用优选的二级氧化剂速度所得到的改进结果的图解说明。
下面参考附图详细说明本发明。
参看图1和图2,炉子1界定了炉区或燃烧区2。该炉子可以是任何适用的工业炉子,制造玻璃的炉子、炼钢炉、熔铝炉、水泥窑、或焚烧炉。
一级燃料和一级氧化剂3通过注入口4喷入到燃烧区2,在这种情况下,注入口4也用作排放口。一级燃料和氧化剂是用适当的燃烧嘴或喷枪(图中未表示出)喷入的。燃烧嘴是向燃烧区提供燃料和氧化剂的一种装置,而喷嘴只是将燃料和氧化剂中的一种喷入燃烧区的一种装置。一级燃料和氧化剂可以以预混合的状态一起喷入燃烧区2或者也可以单独喷入燃烧区2,然后在燃烧区2中混合形成一级燃料和氧化剂的混合物3。一级燃料和氧化剂可以用单股流或单个喷嘴或用多股流或多个喷嘴喷入到燃烧区2中。
一级燃料可以是任何含有能在燃烧区中燃烧的可燃物的气体或其它燃料。在这些燃料中可以举出天然气、焦炉气、丙烷、甲烷、油料和粉碎的煤。
一级氧化剂是氧含量至少为30%体积氧,更好至少为90%体积氧的一种流体。一级氧化剂可以是工业纯的氧,其氧含量为99.5%或更高。
一级燃料和氧化剂以这样的流率供入燃烧区2,使得一级氧与一级燃料之比在5~50%,较好在10~30%的化学计量范围内。一级氧的化学计量量是使注入到燃烧区2中的一级燃料完全燃烧所需要的一级氧的数量。
一级燃料是通常以至少50英尺/秒,较好超过100英尺/秒,最好在300~1000英尺/秒范围的高速度下喷入到燃烧区2中的。当一级燃料和氧化剂以预混物形式喷入燃烧区时,该混合物以上面所述的燃料喷入速度喷入。当一级燃料和氧化剂未经预混而喷入燃烧区时,一级氧化剂的喷入速度通常小于一级燃料的喷入速度。在这种情况下,该一级氧化剂的喷入速度较好在20~50英尺/秒的范围内。
一级燃料和氧化剂在燃烧区2中燃烧生成燃烧反应产物。燃烧反应产物包括完全燃烧的产物,但由于限定了氧与燃料的化学计量比,因此也包括未燃烧的燃料。一级燃料与一级氧化剂的不完全燃烧,加上能促进区2中完全燃烧的产物与一级燃料的一股或多股喷射流混合的高速度的一级燃料使得一级燃料和氧化剂能在比不同情况下低的温度下进行燃烧,从而减少了生成NOx的倾向。
也可以将一股或多股二级氧化剂物流在离开一级燃料和氧化剂喷入燃烧区的喷入点的一定间隔处喷入到燃烧区中。二级氧化剂可以是含有用于与燃烧反应产物一起燃烧的氧的任何一种流体。二级氧化剂较好是氧含量比一级氧化剂低的一种流体,因为它的作用是在燃烧区中完成燃烧过程,而不会产生高的火焰温度。二级氧化剂较好是空气或氧和循环燃料气的流体混合物。
二级氧化剂较好以大于50英尺/秒的速度,最好以200~1000英尺/秒的速度喷入,这后一个速度可以进一步促进其与燃烧区中完全燃烧产物的混合和燃烧。在这样的高速下完全燃烧的产物被夹带进二级氧化剂物流中,从而在二级氧化剂与未燃烧的燃料燃烧之前使二级氧化剂物流得到稀释。这就降低了燃烧反应的温度并减少了NOx的生成。
图1说明与一级燃料和氧化剂同向,即从与一级燃料和氧化剂喷入口相同的炉子端壁喷入的两个二级氧化剂喷嘴5的喷入情况,而图2则说明与一级燃料和氧化剂反向,即从与一级燃料和氧化剂喷入口反向的炉子端壁喷入的两个二级氧化剂喷嘴5的喷入情况。可用一根或多根喷枪(未在附图中表示)将二级氧化剂从一个或多个喷入点喷入。
在燃烧区2中二级氧化剂与由一级燃料和氧化剂的燃烧所生成的燃烧反应产物混合,并与该燃烧反应产物中未燃烧的燃料一起燃烧。未燃烧的燃料较好在燃烧区中与二级氧化剂完全燃烧。
燃烧区内的燃烧可用来产生热量,用以加热、熔融、干燥或其它用途。所产生的气体在燃烧后从燃烧区中排出。
本发明方法的有利结果示于图3、4和5。在图3、4和5中,纵坐标代表所产生的NOx,以每百万BTU(英制热量单位)的NO2磅数表示,而横坐标则代表一级氧化剂与燃料的比例,以化学计量的百分数表示。在图3、4和5所记录的实例中,一级燃料是天然气,而一级和二级氧化剂都是氧含量大于99.5%的工业氧。一级燃料和一级氧化剂在其喷入到燃烧区之前进行预混。燃烧区的内部尺寸是直径为3英尺,长为8英尺。
参看图3,圆点数据代表相应于图1所说明的同向喷射实际操作,方块数据代表相应于图2所说明的反向喷射实际操作。从图3可以看出,当一级氧与燃料的比例超过50%化学计量时,NOx的生成急剧增加,由此证明在实施本发明时限定该比例上限的重要性。
图4说明采用高燃料速度和低燃料速度时相应于图1所说明的同向喷射操作的结果。圆点数据表示用低的一级燃料和氧化剂混合物速度(从左至右分别为129、143、164和189英尺/秒)时所得到的结果。方块数据表示用高的一级燃料和氧化剂混合物速度(从左至右分别为392、575和652英尺/秒)时所得到的结果。从图4可以看出,在本发明较佳的实际操作中采用高的一级燃料和氧化剂混合物速度可以达到较低水平的NOx生成率。
图5表示采用高二级氧化剂速度和低二级氧化剂速度时相应于图1所说明的同向喷射操作的结果。各个方块和圆点数据表示一级燃料和氧化剂混合物的速度,从左至右分别为392、575和652英尺/秒。方块数据表示用二级氧化剂速度(从左至右分别为1004、718和611英尺/秒)时所得到的结果。圆点数据表示用二级氧化剂速度(从左至右分别为133、99和79英尺/秒)时所得到的结果。从图5可以看出,在本发明较佳的实际操作中采用高的二级氧化剂速度可以达到较低水平的NOx生成率。
尽管不希望坚持任何一种理论,但申请人认为一级氧化剂与燃料的令人惊奇的低化学计量比例会有如此的优越性,其原因是在富燃料条件下所生成的氮化合物与火焰温度相结合的结果。在富燃料条件下HCN和NH3,而不是NOx,成为燃烧所产生的主要含氮物种。这些化合物在随后的燃烧中会被氧化生成NOx。因此,必须最大限度地降低一级火焰中这些化合物的浓度。尤其在使用氧含量超过空气氧含量的氧化剂时火焰温度仍然很高,但是在富燃料条件的较慢的动力学特性下,在比用空气作为氧化剂的通常的分级燃烧操作低的化学计量条件下可以达到在一级火焰中的HCN和NH3的最低生成率。
尽管参照一些具体方案对本发明作了详细说明,然而熟悉本技术的人们定会知道在本权利要求书的精神实质和范围内,本发明还可以有其它的具体实施方案。

Claims (8)

1.一种燃烧进行方法,包括:
(A)将一级燃料和5~50%范围的化学计量比例的一级氧化剂喷入到燃烧区,所述一级氧化剂是一种氧含量至少为30%(体积)的一种流体;
(B)在离开一级燃料和一级氧化剂喷入到燃烧区的喷入点的一定间隔处将二级氧化剂喷入到该燃烧区中;
(C)使一级燃料和一级氧化剂与二级氧化剂隔开,单独在燃烧区中燃烧产生燃烧反应产物;
(D)使二级氧化剂与燃烧区中的燃烧反应产物混合,然后使二级氧化剂与该燃烧反应产物一起燃烧。
其中一级燃料和一级氧化剂以至少15.24米/秒的速度喷入到燃烧区中。
2.权利要求1的方法,其中二级氧化剂与一级燃料和一级氧化剂是从燃烧区的同一侧喷入到燃烧区的。
3.权利要求1的方法,其中二级氧化剂是从与一级燃料和一级氧化剂喷入燃烧区一侧相对的另一侧喷入到燃烧区的。
4.权利要求1的方法,其中一级燃料和一级氧化剂是以混合物的形式一起喷入到燃烧区中的。
5.权利要求1的方法,其中一级燃料和一级氧化剂是单独喷入到燃烧区中的。
6.权利要求1的方法,其中二级氧化剂的氧含量低于一级氧化剂的氧含量。
7.权利要求1的方法,其中二级氧化剂以大于15.24米/秒的速度喷入到燃烧区中。
8.权利要求1的方法,其中二级氧化剂喷入燃烧区的速度超过一级燃料喷入燃烧区的速度。
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