CN1894541A - 优化主氧化剂喷射的分级燃烧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料燃烧的方法，其中喷射一支燃料射流和至少两支氧化剂射流。根据本发明，称为主射流的第一氧化剂射流和燃料射流接触喷射，产生不完全的第一燃烧，所述第一燃烧产生的气体含有至少部分燃料，并且第二氧化剂射流在离燃料射流一段距离处喷射，与存在于第一燃烧所产生气体中的部分燃料燃烧。此外，主氧化剂射流被分成两支主射流，即：第一主氧化剂射流，称为中心射流，其在燃料射流的中心喷射；和第二主氧化剂射流，称为包裹射流，其在燃料射流周围同轴喷射。

Description

优化主氧化剂喷射的分级燃烧方法
本发明涉及一种使用主氧化剂射流和第二氧化剂射流的分级燃烧方法，其中主氧化剂的喷射被最优化。
在工业燃炉中燃烧方法的实施必须满足两个标准：
-限制大气污染物(NOx，灰尘等)的排放，其在数量上必须低于法律所规定的标准，
-控制要加热的炉壁和炉料的温度以便满足对于经燃烧的产品质量和能量消耗的限制。满足这两个标准的有利的解决方法是降低燃烧火焰的温度，并且所使用手段之一是分级燃烧。燃料分级燃烧的方法包括把燃料完全燃烧所需要的氧化剂量分成至少两支氧化剂流，它们在离燃料流不同的距离处加入。这样，第一氧化剂流在非常接近燃料流的距离处喷射。该最靠近燃料流的流称为主流；其允许在控制的温度下燃料的部分燃烧，该温度限制了NOx的形成。另一支氧化剂流在比主氧化剂流离燃料远的距离处喷射；它们有可能使没有与主氧化剂反应的燃料完成燃烧。这些氧化剂流称为次流。文件WO02/081967描述了一种有可能应用此类型的分级燃烧方法的方法。其氧化剂被分成三支不同的流，它们在离燃料喷射点不同的距离处以及不同的速度喷射。这样，第一氧化剂射流在燃料射流的中心以高速喷射。然后，第二氧化剂射流在离燃料射流第一距离以较低速度喷射。最后，第三氧化剂射流在离燃料射流第二距离喷射，此第二距离比第一距离长。
以不同的燃烧器功率应用此类方法可能是有效的，例如当炉料变化时。此时使用低燃烧器功率是所希望的，也就是说使用对于燃烧器的标称状况低燃料速度的燃烧器。现在，对于标称状况低燃料速度燃烧器的使用可以导致火焰提升：因为燃料和氧化剂在水平面上的喷射，火焰向着工业炉顶升起并且可能使其损坏。
本发明的目的是提出一种分级燃烧方法，其可以改变燃烧器的功率，并且特别是相对于其标称功率使其降低，因此没有因功率变化导致火焰方向变化和炉壁的损伤的问题。
为了上述目的，本发明因此涉及一种燃料燃烧方法，其中喷射一支燃料射流和至少两支氧化剂射流，称为主射流的第一氧化剂射流与燃料射流接触喷射，产生不完全的第一燃烧，第一燃烧产生的气体仍然含有至少部分燃料，第二氧化剂射流在离燃料射流一段距离处喷射，与存在于第一燃烧所产生气体中的部分燃料燃烧，其中主氧化剂射流被分成两支主射流：
-第一主氧化剂射流，称为主氧化剂中心射流，其在燃料射流的中心喷射，和
-第二主氧化剂射流，称为主氧化剂包裹射流，其在燃料射流周围同轴喷射。
因而本发明包括分级燃烧方法，其中燃料燃烧所需要的氧化剂被分成两支射流。称为主射流的第一射流与燃料射流接触而喷射，这表示在燃料射流与主氧化剂射流之间的距离为零(除了引导这些不同射流的管壁可能存在)。根据本发明的主要特征，主氧化剂射流被分成与燃料射流不同喷射的两支射流。称为中心主射流的第一主氧化剂射流在燃料射流的中心喷射，以及称为包裹主射流的第二主氧化剂射流在燃料射流周围同轴喷射。实践中，此方法可以通过使用包含两根同心管的喷射管而实施，其中一根同心管用于燃料喷射，另一根用于主氧化剂中心。喷射管被放置在陶瓷耐火砖孔中并且主氧化剂包裹被喷射进耐火砖孔和喷射管所限定的空间内。喷射管的末端可以从与炉中喷射壁相同的平面向后放置或放置在与炉中喷射壁相同的平面中。
根据本发明，存在于主氧化剂射流中氧化剂的量少于燃料完全燃烧所需的氧化剂总量。第二氧化剂射流可以提供完成燃料燃烧所需的氧化剂量。第二氧化剂射流在离第二主氧化剂射流一段距离处喷射，这表示在这两支射流之间的距离不为零。优选该距离至少为80mm，更进一步优选至少为90mm。通常，全部喷射的氧化剂总量基本上是化学计量的，也就是说其处于相对于燃料完全燃烧所需化学计量的±15％的范围内。第二氧化剂量通常为喷射的氧化剂总量的10-98％，优选50-98％，更进一步优选75-98％，主氧化剂量是在氧化剂总量的2-90％之间，优选在2-50％之间，更优选在2-25％之间。
根据本发明，主氧化剂中心射流的喷射速度优选大于燃料射流的喷射速度。通过此特征，中心氧化剂射流确保了燃料射流的良好输送和此燃料射流足够高的速度。因此，燃料完全朝着与第二氧化剂燃烧的区域输送。主氧化剂中心射流的喷射速度通常为至少50m/s，优选在50-150m/s之间。燃料射流的喷射速度优选大于主氧化剂包裹射流的喷射速度，且进一步优选在5-15m/s之间。根据优选实施方式，第二氧化剂射流的喷射速度可以大于主氧化剂包裹射流的喷射速度。
根据本发明，第二氧化剂射流喷射所在的距离和该第二氧化剂射流的速度优选使在主氧化剂中心射流的喷射点和第二氧化剂射流的喷射点之间所定义的距离与第二氧化剂射流喷射速度的比值在10-3s-10-2s之间，优选在3×10-3s-8.5×10-3s之间。此关系解决了本发明的问题，同时提供了NOx的低排放和改进了的火焰亮度，使操作员目视检查燃烧成为可能。
根据本发明方法的一个特殊实施方式，第三氧化剂射流可以在位于主氧化剂中心射流的喷射点与第二氧化剂射流的喷射点之间的点喷射。喷射第三氧化剂射流的优点是它有可能改变第二和第三氧化剂射流之间的流速以及燃炉的动流量和火焰长度，以便控制炉料转移分布。优选地，第二氧化剂射流的喷射速度大于或等于第三氧化剂射流的喷射速度。已观察到第二氧化剂射流的喷射点和主氧化剂中心射流的喷射点之间所定义的距离与第三氧化剂射流的喷射点和主氧化剂中心射流的喷射点之间所定义的距离的比值优选在2-10之间。在该特殊实施方式的情况下，存在于第三射流中的氧化剂量优选为由第二和第三射流所喷射的氧化剂总量的50-75％，由第二和第三射流所喷射的氧化剂总量是所喷射的氧化剂总量的10-98％，优选50-98％，更进一步优选75-98％。根据本发明，第三氧化剂射流喷射所在的距离和该第三氧化剂射流的速度优选使在主氧化剂中心射流的喷射点和第三氧化剂射流的喷射点之间所定义的距离与第三氧化剂射流喷射速度的比值在6×10-4s-6×10-3s之间，优选在1.5×10-3s-4×10-3s之间。
根据本发明方法的第一种变化，两支主氧化剂射流具有相同的氧气浓度。并且在第二射流以及需要的话第三射流中使用具有与第一射流相同组分的氧化剂也是有利的，因为这样可能仅需要一个氧化剂源，分别提供给不同的氧化剂喷射点。
然而，根据本发明方法的第二种变化，主氧化剂中心射流的氧气浓度可以大于主氧化剂包裹射流和第二及第三射流的氧气浓度。这可以适用于高纯度氧气供应受限制时的情况。于是将高氧气浓度的氧化剂以主氧化剂中心射流的形式喷射，而在所有其它的氧化剂射流中喷射空气。
第二氧化剂射流自身可以包括多支第二氧化剂射流。为了燃烧装置的良好对称，第二氧化剂射流优选均匀地放置在燃料射流和主氧化剂射流的周围。这样的排列也可以用于第三氧化剂射流。
该方法优选用气体燃料实施。如果燃料是液体，那么希望用雾化气体使液体雾化。根据本发明，雾化气体可以是氧化剂，特别是空气或氧气。可以通过喷射雾化气体来代替包裹氧化剂和/或代替中心氧化剂。
最后，本发明涉及前述方法用于加热玻璃炉料或用于再热炉的用途。
应用根据本发明的方法使达到火焰紧凑的目的成为可能，也就是使火焰不偏向炉壁的目的。
图1示出了一种用于实施本发明方法的装置。图1表示相对于轴AA’对称设计的装置的一部分。其中给出了装置的正视图和沿着轴BB’的相应剖面。该装置由穿透炉壁8的耐火砖孔5、6、7和包含两根同心管的喷射管9组成。喷射管置于在耐火砖孔5中。此耐火砖孔5对于存在于管道的外管和耐火砖孔壁之间的自由空间10足够宽。主氧化剂2、3被喷射进管道9的中心管和自由空间10中。燃料1被喷射进由喷射管9的内管和外管之间所限定的空间中。第二氧化剂4被喷射进离中心耐火砖孔5最远的耐火砖孔7中。第三氧化剂11被喷射进中间的耐火砖孔6中。

Claims (11)

1、一种燃料燃烧的方法，其中喷射一支燃料射流和至少两支氧化剂射流，称为主射流的第一氧化剂射流和燃料射流接触喷射，产生不完全的第一燃烧，第一燃烧产生的气体仍然含有至少部分燃料，第二氧化剂射流在离燃料射流一段距离处喷射，与存在于第一燃烧所产生气体中的部分燃料燃烧，其特征在于主氧化剂射流被分成两支主射流：
-第一主氧化剂射流，称为主氧化剂中心射流，其在燃料射流的中心喷射，和
-第二主氧化剂射流，称为主氧化剂包裹射流，其在燃料射流周围同轴喷射。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于主氧化剂中心射流的喷射速度大于燃料射流的喷射速度。
3、根据权利要求1或2的方法，其特征在于燃料射流的喷射速度大于主氧化剂包裹射流的喷射速度。
4、根据前述权利要求之一的方法，其特征在于第二氧化剂射流的喷射速度大于主氧化剂包裹射流的喷射速度。
5、根据前述权利要求之一的方法，其特征在于主氧化剂中心射流的喷射点和第二氧化剂射流的喷射点之间所定义的距离与第二氧化剂射流喷射速度的比值在10-3s-10-2s之间。
6、根据前述权利要求之一的方法，其特征在于第三氧化剂射流在位于主氧化剂中心射流的喷射点与第二氧化剂射流的喷射点之间的点喷射。
7、根据权利要求6的方法，其特征在于第二氧化剂射流的喷射速度大于第三氧化剂射流的喷射速度。
8、根据权利要求6或7的方法，其特征在于第二氧化剂射流的喷射点和主氧化剂中心射流的喷射点之间所定义的距离与第三氧化剂射流的喷射点和主氧化剂中心射流的喷射点之间所定义的距离的比值在2-10之间。
9、根据前述权利要求之一的方法，其特征在于两支主氧化剂射流具有相同的氧气浓度。
10、根据权利要求1-8之一的方法，其特征在于主氧化剂中心射流的氧气浓度大于主氧化剂包裹射流的氧气浓度。
11、根据权利要求1-10之一所定义的方法用于加热玻璃炉料或用于再热炉的用途。
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