CN1106526C - 非化学计量的燃烧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种方法，它是采用高度地富集燃料燃烧和高度地贫集燃料燃烧分别地和同时地在一个燃烧区内燃烧，接着，在燃烧区内，凭混合它们产生的气体以用于进一步燃烧的方法。

Description

非化学计量的燃烧方法
此发明一般涉及燃烧，特别涉及有用于进行能降低氮氧化物的生成的燃烧方法。
氮氧化物(NOx)是在燃烧中产生的一种值得注意的污染物，在进行燃烧时希望减低它们的生成。已知可以实行能减低氮氧化物(NOx)生成的燃烧方法，是使用工业纯氧气或富集氧气的空气作为氧化剂，这是因为以等量的氧计，提供给燃烧反应氮的量减少的缘故。
然而，使用一种具有比空气更高氧气浓度的氧化剂，将引起燃烧反应趋向于在一较高的温度下进行，而这较高的温度在动力学上将促进氮氧化物(NOx)的生成。
因此，此发明的目的就是提供一种实行燃烧的方法，它可以被实际应用，使用一种比空气更高氧浓度的氧化剂，而同时减低氮氧化物的生成。
上述的目的和其他的目的，通过阅读本公开文件对于那些本领域技术人员是明确的，且可由本发明实现，它们是：
一种燃烧方法，包括如下几点：
(A)、由喷注入燃烧区的一级氧化剂和一级燃料形成一种富气流，其中氧化剂是含有一种至少30体积％氧气浓度的气流，它与一级燃料的比例在化学计量的5到50％的范围以内；
(B)、由喷注入燃烧区的比例大于化学计量的200％的二级氧化剂和二级燃料，形成一种贫气流；
(C)、在该燃烧区内燃烧一级氧化剂和一级燃料，并产生燃烧反应产物；
(D)、在该燃烧区内燃烧二级氧化剂和二级燃料，并产生完全燃烧的产物和剩余氧气；以及
(E)、在该燃烧区内混合剩余氧气和燃烧反应产物，并且燃烧该剩余氧气和该燃烧反应产物。
这里所用的术语“氮氧化物”和“NOx”意味着一种或多种一氧化二氮(N2O)，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“完全燃烧的产物”意指一种或多种二氧化碳和水蒸汽。
所用术语“不完全燃烧的产物”意指一种或多种一氧化碳、氢、碳和部分燃烧的碳氢化合物。
所用术语“未燃烧的燃料”意指没有经受过燃烧的燃料和/或不完全燃烧的产物。
所用术语“动量通量”意味着每单位时间流动的流体动量值，并且表示为质量流动(通量)和流体速度的乘积。
图1是实行此发明方法的一个实施方案的简化设计图，其中，许多富气流和贫气流在燃烧区内交替有序地和连续有间隔地形成。
图2是实行此发明方法的另一个实施方案的简化设计图，其中，许多富气流和贫气流在燃烧区内成对地形成。
图3A、4A、5A和6A是在此发明的实践中可被应用的一种喷烧器装置实施方案的横截面表现图。
图3B、4B、5B和6B是分别在3A、4A、5A和6A图示的该喷烧器装置实施方案的顶视图。
图7是进行本发明实例和比较例子时所得试验结果的图象表现。
本发明将参照插图加以详细说明。
现参照图1和图2，炉1表示为炉区或燃烧区2。该炉可以是任何合适的工业用炉，例如，象一种玻璃制造炉，一种炼钢炉，一种铝熔炉，一种水泥炉(窑)或一种煅烧炉。
一级燃料和一级氧化剂被喷注入燃烧区2中形成富气流R。在图1中图示的实施方案显示出在燃烧区2中形成5个富气流。在图2中图示的实施方案中，在燃烧区2中形成了6个富气流R。将一级燃料和一级氧化剂使用适当的喷烧器(喷嘴)或喷枪注入燃烧区内，此喷烧器或喷枪没有在图1和图2中图示出来。喷烧器是提供燃料和氧化剂两者进入燃烧区中的一种装置，而喷枪是仅仅注入燃料和氧化剂之一种到燃烧区中的一种装置。一级燃料和一级氧化剂可以在预混合的情况下，一起被注入到燃烧区2中，或者可以分别地注入燃烧区2中，然后在燃烧区2内混合，并在燃烧区2中形成一级燃料和氧化剂混合物R。
一级燃料可以是任何气体或其他含有能在燃烧区中燃烧的可燃物的流体。此种燃料为天然气、炼焦煤气、丙烷、甲烷和油等。
一级氧化剂是具有至少30体积％氧气的一种流体，优选至少90体积％氧气的流体。一级氧化剂可以是具有99.5％或更多氧气浓度的工业纯氧气。
一级燃料和氧化剂是在这样的速度下被提供进燃烧区2内的，以便使得在气流R中的一级氧对一级燃料的比例是在化学计量的5到50％的范围以内，优选在化学计量的10到30％的范围以内。一级氧的化学计量是完全燃烧一级燃料而注入燃烧区2中形成气流R所需要的一级氧的量。
在燃烧区内，优选富气流具有超过每秒50呎的速度，通常是在每秒50呎到1500呎的范围内。这种高速度优选通过用高速度注进燃料的同时，用一种低速度输送氧气流进入燃料以形成富气流的方式获得。低速度氧气流的作用是使得保持炉气体远离开注入燃料和氧化剂的喷嘴，这样有助于减少喷嘴堵塞(弄脏)或腐蚀的程度。这在美国专利5,267,850号(Kobayashi等人)中是特别优选的，此处被结合参考使用于此发明的实践中以形成富气流。然而，在此发明的实践中，由这专利公布的方法也优选应用于形成贫气流。
一级燃料和一级氧化剂在燃烧区2内燃烧，产生燃烧反应产物。燃烧反应产物可包括完全燃烧的产物，而且由于规定的化学计量的氧气对燃料的比例，也将包括未燃烧的燃料。一级燃料与一级氧化剂的不完全燃烧使得一级燃料和一级氧化剂的燃烧能够在比用其他方法显著低的温度下进行，因而减低NOx形成的趋势。
也可将二级燃料和二级氧化剂喷注入燃烧区形成一个或多个贫气流L的。在图1所示的实施方案中，5个贫气流L被使用，在燃烧区内所形成的每一个贫气流L都在一个方向流动，以便和R气流迎面相遇，也就是直接与R气流相交。在此发明的实际应用中，在至少有些在L气流里的二级燃料已被充分地燃烧之后，R和L气流在燃烧区内相互混合，而且R和L气流也与炉气体混合。在图2所示的实施方案中，有6个贫气流L被使用，他们中的每一个都是在燃烧区内形成，和R气流相邻而又与R气流分开，这就使得必要的二级燃料的燃烧能够先于贫气流和富气流的混合之前就进行。为了协助获得前述的必要燃烧，特别是当富气流和贫气流在燃烧区内互相接近时被形成，富气流的动量通量优选选择在三倍以内，也即是不多于3倍，或少于贫气流的动量通量的三分之一。若是该气流有宽范围的，不同的动量通量的话，那未，低动量通量气流将先于上述必要燃烧之前很快地被引入高动量通量气流。
在燃烧区2内被形成的二级燃料和二级氧化剂，可应用适当的喷烧器和喷枪来进行，它们没有在图1和图2中图示出来。二级燃料和氧化剂可以在预混合的情况下一起被喷注入燃烧区2内，或者也可分别地注入燃烧区2内，而后再在燃烧区2内混合，以便在燃烧区2中形成二级燃料和氧化剂混合物L。
二级燃料可以是任何气体或其他流体，此流体含有可在燃烧区内燃烧的可燃物。这种燃料可为天然气、炼焦煤气、丙烷、甲烷和油。
二级氧化剂可以是任何含有氧气的流体，象空气、富集氧的空气或工业纯氧气。
二级燃料和二级氧化剂被供进燃烧区2中是在这样的流速下进行的，以使得在气流L中二级氧对二级燃料的比例是大于化学计量的200％的，优选在化学计量的200到1000％的范围内。二级氧的化学计量是完全燃烧注入燃烧区2中形成气流L的二级燃料所需要的二级氧气的量。高化学计量的比例与氧化剂有高氧气浓度是特别优选的，因为它们产生较低的燃烧温度和较低的氮浓度，在燃烧反应中，获得较低NOx生成的结果。在本发明的一个特别优选的实施方案中，二级氧化剂是一种有至少30体积％氧气浓度的流体，并且二级氧气对二级燃料的比例在气流L中超过化学计量的300％。
二级燃料和二级氧化剂在燃烧区2内燃烧产生完全燃烧的产物并剩余下氧气，此氧气是不与二级燃料燃烧的二级氧气，由于在气流L里有对二级燃料过量的二级氧气。也可以产生某些未燃烧的燃料。
在燃烧区2内，剩余的氧气此后与燃烧反应产物混合，此燃烧反应产物来自于一级燃料和氧化剂的燃烧结果，而且，剩余的氧气与燃烧反应产物的未燃烧燃料进行燃烧。未燃烧燃料被完全与剩余的氧气在燃烧区内燃烧。在燃烧区内进行的燃烧起发热的作用，它可以被用于加热、熔化、干燥或其他用途。在燃烧后产生的气体从燃烧区排出。
图3A、3B、4A、4B、5A、5B、6A和6B，每个都表明不同的喷烧器(喷嘴)的实施方案的截面图和顶视图，可被应用来喷注入一级燃料和氧化剂作为富气流R以及注入二级燃料和氧化剂作为贫气流L到燃烧区中去。
实例
下面的实例和比较例给予本发明及由此获得的利益以进一步的说明。但是它们并没有限定于此。
在图3A和3B中，图示说明所应用装置的构造，它是使用一种圆筒形的炉子，内径为3英尺，长为10.5英尺。本发明的三次试验标记为A、B和C，进行实验的条件列于表I中，并且，应用的喷烧器如同美国专利5,267,850号中所公布的那样。燃料是天然气，氧化剂是工业用氧气，具有超过99.5摩尔％的氧气浓度。为了比较的目的，进行了一次试验，没有用贫气流而应用氧化剂，不用任何燃料。其结果标记为D列于表I中。为了在炉气氛中提供一种足够的以及恒定的氮气浓度，每小时150标准立方英尺的氮气从炉侧壁处被注入炉中。其结果也显示在图7中。正如能见到的那样，与使用氧化剂而不用燃料提供附加氧气进入燃烧区发生完全燃烧的试验相比较，惊人地发现在此发明的实践中获得了非常低的NOx水准。尽管不指望由此可上升到任何理论，现认为获得那惊人的，有利的结果是由于凭加入高速度燃料气流增加了贫气流的动量通量之缘故。在试验D里，二级氧化剂速度是低的，且富气流的动量通量是比贫气流的动量通量高许多。
                         表I 富气流                     A           B           C          D燃料流速(SCFH)              900          800          700         1000氧化剂流速(SCFH)            450          400          350         5000化学计量比例(％)            25           25           25          25燃料速度(Ft/sec)            734          652          571         815氧化剂速度(Ft/sec)          13           11           10          14动量通量
Figure C9510205000101
  7.86         6.21         4.75        9.70贫气流                      A            B          C          D燃料流速(SCFH)               100           200         300         0氧化剂流速(SCFH)             1550          1600        1650        1500化学计量比例(％)             775           400         275         -燃料速度(Ft/sec)             326           652         978         -氧化剂速度(Ft/sec)           145           150         154         140动量通量    5.64           7.13        9.39       4.93NOx(ppm，干组分)             775           650         725        1425
在R气流里，非常低的氧气对燃料的比例有助于减低NOx生成，因为低的燃烧温度以及在R气流内燃料丰富的情况下，在动力学上并不能够促进NOx生成。在L气流里，非常高的氧气对燃料的比例有助于减低NOx生成，因为只有非常低量的二级燃料可用于和二级氧气燃烧，在L气流里，燃烧的温度动力学上是保持在能够促进NOx形成的水准以下的。接着，剩余氧气与未燃烧燃料发生的燃烧是在高混合状态和稀释状态下进行的，因为R和L气流是分开的，此后，与存在的燃烧反应产物，例如，象完全燃烧的产物相混合。这种混合和稀释有助于保持发生在燃烧区内的局部的高氧气浓度的气阱，因此，有助于确保大多数的剩余氧气与未燃烧燃料在低火焰温度下进行反应。本发明的要旨(基本作用)就是提供在燃烧区内，进行没有高的NOx生成的效率高的燃烧法。
虽然本发明已经参照某些特殊的实施方案作了详细的叙述，对本领域技术人员而言在本专利的权利要求精神和范围之内，本发明还可有其他的实施方式。

Claims (9)

1.一种燃烧方法，包括：
(A)、由注入燃烧区的一级氧化剂和一级燃料，形成一种由氧化剂和燃料组成的一级气流，其中氧化剂是一种具有至少90体积％氧气浓度的流体，一级氧化剂对一级燃料的比例在化学计量的10到30％范围内；
(B)、由注入燃烧区二级氧化剂和二级燃料，形成一种由氧化剂和燃料组成的二级气流，二级氧化剂对二级燃料的比例大于化学计量的200％；
(C)、在燃烧区内燃烧一级氧化剂和一级燃料，并产生燃烧反应产物；
(D)、在燃烧区内燃烧二级氧化剂和二级燃料，并产生完全燃烧的产物和剩余氧气；以及
(E)、在燃烧区内混合剩余氧气与燃烧反应产物，并燃烧该剩余氧气与该燃烧反应产物。
2.根据权利要求1的方法，在燃烧区内形成多个一级气流。
3.根据权利要求1的方法，在燃烧区内形成多个二级气流。
4.根据权利要求1的方法，在燃烧区内形成多个一级气流和多个二级气流。
5.根据权利要求4的方法，在燃烧区内交替有序地形成一级气流和二级气流。
6.根据权利要求5的方法，在燃烧区内一级气流和二级气流是均匀地有间隔的。
7.根据权利要求4的方法，在燃烧区内形成多个一级气流和二级气流对。
8.根据权利要求1的方法，一级气流的动量通量是在二级气流的动量通量的三倍之内。
9.根据权利要求1的方法，二级氧化剂是一种具有至少30体积％氧气浓度的流体，以及在二级气流中，二级氧化剂对二级燃料的比例超过化学计量的300％。
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