CN1791767A - 液体燃料和氧化剂在炉中分级燃烧的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液体燃料和氧化剂燃烧的方法,其中注入至少一束雾化形式的液体燃料射流和至少一束氧化剂射流。氧化剂射流包括初级氧化剂射流和次级氧化剂射流。初级氧化剂射流在液体燃料射流附近注入以产生第一不完全燃烧,该第一燃烧放出的气体仍然含有至少部分燃料,而在距离液体燃料射流l2处注入次级氧化剂射流,该距离大于液体燃料射流与最靠近液体燃料射流的初级氧化剂射流之间的距离,次级氧化剂射流从而与第一燃烧放出的气体中存在的燃料部分进行燃烧,其特征在于初级氧化剂射流被分成至少两个初级射流:至少环绕的第一初级射流,其围绕雾化形式的液体燃料射流同轴注入;和至少第二初级氧化射流,其在距离雾化的液体燃料射流l1处注入。
Description
本发明涉及液体燃料和氧化剂在炉中分级燃烧的方法
在工业炉中燃烧方法的实行必须符合两个标准:
-对大气污染物(NOx、粉尘,等等)排放的限制,其量必须在法规设定的界限以下;
-对炉壁温度的控制和对待加热的进料的控制,以便同时符合与经过燃烧处理的产品质量有关的限制和与能量消耗有关的限制。
大气污染物(尤其是氮的氧化物)排放法规的变动已经引起燃烧技术的极大改进。限制NOx排放的第一种燃烧方法是振荡(oscillation)燃烧(EP-A1-0524880),其包括使燃料和/或氧化剂流振荡。偏离化学计量比(1/1)可使局部温度降低,这减少了NOx。另一种解决方法是分级燃烧,其中在反应的主区域将反应物稀释:这样可以偏离化学计量比并防止产生有利于形成NOx的温度峰(WO 02/081967)。
这些现有技术的例子都是主要适用于气体燃料燃烧的解决方法。在使用液体燃料和气体氧化剂的两相燃烧中,燃烧方法还包括下列额外步骤:使液体雾化,然后使液滴汽化,从而使已经变成气体的燃料可以与气体氧化剂反应。因此,多种额外参数会影响燃烧,包括例如所用喷雾器的类型,此外,在使用带有辅助雾化功能的注射器时,还包括雾化气体的流速,它会影响液滴大小和雾化质量。除了直接与雾化步骤相关的参数外,燃烧方法还受到反应物混合情况的影响,因为混合会影响燃烧模式和污染排放物的形成。因此,汽化长度与混合长度的比率是一个重要的因素。汽化长度是将液体燃料滴蒸发所需的距离——其取决于液滴大小、它们的速度和液体的性质。混合长度是分别注入的反应物以化学计量比混合所需的距离。如果汽化长度与混合长度相比太长,燃烧就不完全;这被称作“不完全燃烧,,或“brush”模式。然而,如果汽化长度与混合长度相比太短,过于迅速的混合会导致氮的氧化物的高含量;这被称作“汽化”模式。因此,优选处于这两种模式之间的过渡形态(汽化长度/混合长度比接近1)。
EP-B1-0687853提出了一种液体燃料的分级燃烧法。该方法包括以发散喷射的形式注入液体燃料,使得外边缘处的角度小于15°,并以两条流体(即初级流和次级流)的形式注入氧化剂,其中初级流必须具有低速度,即低于61米/秒。这种方法具有一些缺点。首先,使用这种小角度意味着要使用高雾化气体速度,这会导致较高的压头损失并且会降低火焰稳定性。其次,由于喷射角的值较低,燃烧模式是“汽化”模式并且不能使NOx的降低最优化。最后,这种小喷射角不能使火焰的几何参数连续变化。然而,这可用于改变火焰的几何形状以防止局部形成热点。这取决于进料。
因此,本发明的一个目的是提出一种使用液体燃料的分级燃烧法,其可以限制NOx的形成同时仍然使火焰保持稳定。
本发明的另一目的是提出一种使用液体燃料的分级燃烧法,其可以限制NOx的形成并具有高水平的燃烧器适应性。
为此,本发明涉及一种液体燃料和氧化剂的燃烧方法,其中注入至少一束雾化形式的液体燃料射流和至少一束氧化剂射流,氧化剂射流包括初级氧化剂射流和次级氧化剂射流,初级氧化剂射流在液体燃料射流附近注入以产生第一不完全燃烧,第一燃烧放出的气体仍然含有至少部分燃料,而在距离液体燃料射流l2处注入次级氧化剂射流,该距离大于液体燃料射流与最靠近液体燃料射流的初级氧化剂射流之间的距离,次级氧化剂射流从而与第一燃烧放出的气体中存在的燃料部分进行燃烧,
其中初级氧化剂射流被分成至少两个初级射流:
-至少环绕的(shrouding)第一初级射流,其围绕雾化形式的液体燃料射流同轴注入;和
-至少第二初级氧化射流,其在距离雾化的液体燃料射流l1处注入。
阅读下列描述,可以明显看出本发明的其它特征和优点。实施本发明的具体实施方式和方法作为非限制性例子给出,如图1和2所示。图1和2是实施本发明的方法用的设备的示意图。
本发明因此涉及一种液体燃料和氧化剂的燃烧方法,其中注入至少一束雾化形式的液体燃料射流和至少一束氧化剂射流,氧化剂射流包括初级氧化剂射流和次级氧化剂射流,初级氧化剂射流在液体燃料射流附近注入以产生第一不完全燃烧,第一燃烧放出的气体仍然含有至少部分燃料,而在距离液体燃料射流l2处注入次级氧化剂射流,该距离大于液体燃料射流与最靠近液体燃料射流的初级氧化剂射流之间的距离,次级氧化剂射流从而与第一燃烧放出的气体中存在的燃料部分进行燃烧,
其中初级氧化剂射流被分成至少两个初级射流:
-至少环绕的第一初级射流,其围绕雾化形式的液体燃料射流同轴注入;和
-至少第二初级氧化射流,其在距离雾化的液体燃料射流l1处注入。
本发明方法的一个基本特征在于其涉及一种液体燃料的燃烧法,该燃料以雾化形式从燃烧器的喷管注入。可以通过任何雾化法(例如液体燃料的加压注射,或燃料与雾化气体在注射之前或之中混合)获得这种雾化形式的液体燃料射流。例如,按照优选具体实施方式,可以通过围绕液体燃料射流同轴注入雾化气体射流来获得雾化形式的液体燃料射流。雾化气体可以选自氧化气体(例如空气或氧气)或惰性气体(例如氮气)或水蒸气。按照该优选具体实施方式,雾化气体射流的质量流速宜为液体燃料射流质量流速的5至40%,更优选15至30%。
按照本发明的另一基本特征,初级氧化射流被分为至少两个射流,其中至少一个是环绕的初级氧化射流。该环绕的初级氧化射流围绕雾化形式的液体燃料射流同轴注入。第二初级氧化射流在距离雾化液体燃料射流l1处注入。优选地,第二初级氧化射流和液体燃料射流之间的距离l1在1.5DG和l2/2之间,DG代表与注入环绕的初级氧化射流用的注射器具有相同面积的圆的直径。例如,DG的值可以在30至60毫米之间。
次级氧化剂射流与燃料射流之间的距离l2可以在8D2至40D2之间,其中D2代表与注入次级氧化剂用的注射器具有相同面积的圆的直径。该直径D2可以在10和60毫米之间。
与注入第二初级氧化剂射流用的注射器具有相同面积的圆的直径,即D1,可以在15和70毫米之间。优选直径D1大于直径D2。
按照本发明的一个方案,次级氧化剂射流和位于与液体燃料射流距离l1处的初级氧化剂射流包括多条射流。例如,位于与液体燃料射流距离l1处的初级氧化剂射流可以包括两条与液体燃料射流距离都是l1的相同的射流,这三条射流基本处于相同平面,次级氧化剂射流可以包括两条与液体燃料射流的距离都是l2的相同的射流,这三条射流基本处于相同平面;优选地,这五条射流基本处于相同平面。
次级氧化剂的量通常为所注入的氧化剂总量的最多90%,优选10至90%。更优选地,次级氧化剂的量为所注入的氧化剂总量的50至90%,甚至60至80%,初级氧化剂(既包括环绕的氧化剂也包括第二初级氧化剂射流)为氧化剂总量的10至50%,更优选为20至40%。
优选地,环绕的第一初级氧化剂射流的质量流速为总氧化剂(初级氧化剂+次级氧化剂)射流质量流速的10至20%。
初级氧化剂和次级氧化剂可以具有相同的组成;特别地,这样做的优点在于仅仅具有在各初级或次级氧化剂注入点之间进行分配的一个氧化剂源。但优选初级氧化剂的氧气浓度高于次级氧化剂的氧气浓度。
氧化剂的组成根据所需条件或结果的不同而不同。一般而言,氧化剂可包括含有以下气体的气体混合物:
-5至100体积%、优选30至100体积%的氧气;
-0至95体积%、优选0至90体积%的CO2;
-0至80体积%、优选0至70体积%的N2;和
-0至90体积%的Ar。
该混合物还可以含有其它组分,尤其是水蒸气和/或NOx和/或SOx。一般而言,空气提供了该氧化剂总氧气流的0至90体积%,其余的由富氧空气或基本上纯的氧提供。优选地,空气提供总氧化剂的15至40体积%,特别地,提供氧化剂中氧气的15至40体积%。
按照一种有利的实施方法,第二初级氧化剂射流和次级氧化剂射流的注射速度低于或等于200米/秒,当实施本发明方法进行玻璃进料(glasscharge)的燃烧时,第二初级氧化剂射流和次级氧化剂射流的注射速度优选低于或等于100米/秒。此外,次级氧化剂射流的速度优选高于第二初级氧化剂射流的速度。
图1是用于实施本发明的方法的燃烧组合件的一个例子的局部示意性顶视图。图2是相应的截面示意图。将燃烧组合件置于带有三个圆柱形孔2、3、4的耐火组件(block)1中,这三个孔内已经分别装有组件21、31和41。
组件21包括:
-出现在22处的导管(或注射器)211。该导管211接收液体燃料212;
-出现在22处的导管(或注射器)221,其同心环绕着注入液体燃料212的导管211。该导管221接收雾化气体222;和
-出现在22处的导管(或注射器)231,其同心环绕着注入雾化气体222的导管221。该导管在22处具有直径DG。其接收环绕的初级氧化剂232。
导管(或注射器)32优选穿过圆柱形的组件31,导管32的管口出现在组件的33处。该导管(或注射器)32在33处具有等于D1的直径,并且该导管32的中心位于与导管211的中心距离l1处。导管32接收与环绕的初级氧化剂不同的初级氧化剂(34)。
导管(或注射器)42优选穿过圆柱形的组件41,导管42的管口出现在组件的43处。该导管(或注射器)42在43处具有等于D2的直径,并且该导管42的中心位于与导管211的中心距离l2处。导管42接收次级氧化剂44。
要使这一系统运作,对于初级氧化剂34和232以及次级氧化剂44,可以使用相同的氧化剂源。选择相应导管32、231和42的直径以便根据所需的燃烧类型设定相同或不同的注射速度。
按照有利的具体实施方式,注射氧化剂的导管末端在耐火口折回(setback)。
为了实施本发明的方法,可以在限制NOx形成的同时使液体燃料进行燃烧。此外,本发明方法具有可以控制火焰稳定性和该方法的热适应性的优点。这是因为,根据进料的性质和燃烧炉的几何结构,可优选使用小体积或大体积的火焰,或者控制在炉中某些位点的热传递,或者使顶部温度均匀,等等。按照本发明,通过控制次级氧气射流和初级氧化剂射流之间、优选次级氧气射流和第二初级氧化剂射流(其与环绕的初级氧化剂射流不同)之间的总氧化剂流分布来实现这种灵活性。这种对总氧化剂流分布方式的控制又被称作分级。
实施例
使用具有图1和2所示构造的燃烧器,其进一步包括:
-第二初级氧化剂注射器,其与液体燃料射流211相距l1,并且与第一初级氧化剂注射器31关于燃料注射器211对称;和
-第二次级氧化剂注射器,其与液体燃料射流211相距l2,并且与第一次级氧化剂注射器42相对于燃料注射器211对称。
这五个喷射口都位于相同平面。燃烧器功率为2MW。将燃烧器装到长6米横截面为1.5米乘2米的炉中。L2/D2比率为14.6,l1/DG比率为2,且l1/l2比率为0.26。
注射的燃料是一种具有下列组成的重燃油:
87.9重量%C;
10.02重量%H;
0.67重量%O;
0.39重量%N;和
0.98重量%S。
其动力粘度在100℃为39平方毫米/秒,其密度为980千克/立方米,其净热值为9631千卡/千克。
雾化气体是氧气或空气。
通过实施本发明的方法,可以通过控制各初级和次级注射器之间的总氧化剂流分布来改变火焰的几何形状。例如,向次级氧化剂注射器中注入总氧化剂流的75%,获得大体积火焰。同样地,通过改变这种注射百分比,也可以降低火焰体积。例如,根据进料性质和燃烧器在炉子中的位置,可以使用本发明的方法调整火焰体积。
图3显示了对于注入次级注射器的占总氧化剂流不同比例的量(总氧化剂流的50、65和75%注入次级注射器),火焰传递到炉床的能量和与燃烧器的距离之间的函数关系。可以看出,充分的分级(向次级注射器中注入的氧化剂的量大于向初级注射器中注入的量)降低了燃烧器近处的能量并提高了远离注射器位置的传递。通过本发明的方法,可以改变热传递概况图。这是本方法的一个优点,因为本发明方法可以适用于不同类型的燃烧炉几何结构。在图3所示的实施例中,雾化气体是氧气。
图4显示了对于注入次级注射器的占总氧化剂流不同比例的量(总氧化剂流的50、65和75%注入次级注射器),沿着燃烧炉纵轴的炉顶部温度和与燃烧器的距离之间的函数关系。可以看出,充分的分级改善了顶部温度均匀性。在图4所示的实施例中,雾化气体是空气。
图5显示了对于不同类型的雾化气体(即氧气和空气),排出的NOx量与注入次级注射器的占总氧化剂各种比例的量(分级)之间的函数关系。使用氧气作为雾化气体时的曲线表示成空白菱形,使用空气作为雾化气体时的曲线表示成黑色正方形。可以看出,在充分分级的情况下,如果雾化气体是氧气,NOx排放量是200ppm,如果雾化气体是空气,则是300ppm。
Claims (12)
1.液体燃料和氧化剂的燃烧方法,其中注入至少一束雾化形式的液体燃料射流和至少一束氧化剂射流,氧化剂射流包括初级氧化剂射流和次级氧化剂射流,初级氧化剂射流在液体燃料射流附近注入以产生第一不完全燃烧,该第一燃烧放出的气体仍然含有至少部分燃料,而在距离液体燃料射流l2处注入次级氧化剂射流,该距离大于液体燃料射流与最靠近液体燃料射流的初级氧化剂射流之间的距离,次级氧化剂射流从而与第一燃烧放出的气体中存在的燃料部分进行燃烧,
其特征在于初级氧化剂射流被分成至少两个初级射流:
-至少环绕的第一初级射流,其围绕雾化形式的液体燃料射流同轴注入;和
-至少第二初级氧化射流,其在距离雾化的液体燃料射流l1处注入。
2.按照前述权利要求的方法,其特征在于通过围绕液体燃料射流同轴注入雾化气体射流而获得雾化形式的液体燃料射流。
3.按照前述权利要求的方法,其特征在于雾化气体选自氧化气体,例如空气或氧气;或惰性气体,例如氮气;或水蒸气。
4.按照权利要求2或3的方法,其特征在于雾化气体射流的质量流速为液体燃料射流质量流速的5至40%。
5.按照前述权利要求之一的方法,其特征在于次级氧化剂射流与燃料射流之间的距离l2在8D2和40D2之间,其中D2代表与用于注入次级氧化剂的注射器具有相同面积的圆的直径。
6.按照前述权利要求之一的方法,其特征在于第二初级氧化射流和液体燃料射流之间的距离l1在1.5DG和l2/2之间,DG代表与用于注入环绕的初级氧化射流的注射器具有相同面积的圆的直径。
7.按照前述权利要求之一的方法,其特征在于与用于注入次级氧化剂的注射器具有相同面积的圆的直径,即D2,在10和60毫米之间。
8.按照前述权利要求之一的方法,其特征在于与用于注入第二初级氧化剂射流的注射器具有相同面积的圆的直径,即D1,在15和70毫米之间。
9.按照前述权利要求之一的方法,其特征在于次级氧化剂的总量为所注入的氧化剂总量的50至90%。
10.按照前述权利要求之一的方法,其特征在于第二初级氧化剂射流和次级氧化剂射流的注射速度小于或等于200米/秒。
11.按照前述权利要求之一的方法,其特征在于其用于进行玻璃进料的燃烧,并且第二初级氧化剂射流和次级氧化剂射流的注射速度小于或等于100米/秒。
12.按照前述权利要求之一的方法,其特征在于环绕的第一初级氧化剂射流的质量流速为总的氧化剂(初级氧化剂+次级氧化剂)射流的质量流速的10至20%。
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