CN1928428A - 氧化剂喷射方法 - Google Patents

Abstract

一种在包括燃烧区和排放区，三种氧化剂和燃料的炉子中的燃烧方法，该方法包括步骤：引入燃料到所述燃烧区；引入第一氧化剂到燃烧区；引入第二氧化剂到燃烧区；和引入第三氧化剂到排放区；其中在所述引入第一氧化剂的步骤期间，进行引入第二氧化剂的步骤和引入第三氧化剂的步骤。

Description

氧化剂喷射方法

本非临时申请要求序列号NO 60/609113，申请日为2004年9月10日的美国临时申请的权利，其在此作为参考引入。

技术领域

本发明涉及一种在包括燃烧区和排放区、三种氧化剂和燃料的炉子中的燃烧方法。

背景技术

由于高温度的空气预热水平，蓄热式(regenerative)玻璃窖炉在很高的工作温度下运行。为了得到更高的热效率，燃烧空气在与炉内的燃料反应之前在陶瓷蓄热器中预热到接近2400。人们已经提出许多减少蓄热式玻璃窖炉中的氮氧化物(NOx)排放的方法，但是很少真正得到实现。

据观察，在蓄热式玻璃窖炉的高温燃烧期间，NOx主要由燃烧空气中的氮热氧化形成——概述为热力型NOx。通常，热力型NOx决定于火焰的时间—温度关系曲线，并且随着峰值火焰温度的增加而增加。

降低峰值火焰温度的主要方法是降低空气预热水平，和降低炉内某些位置的燃烧速度和使用电力加速器。这两种方式都有局限性，原因是降低了窖炉效率和生产率，并且由于窖炉设计上的考虑也使得它们经常难于实现。

污染控制技术通常导致成本的增加。因此，玻璃制造商为了保持竞争力，必须选择能有效满足规定排放限度的最经济合算的技术。有时，NOx立法仅仅适用于新建或重建窖炉，然而，在其他情况下，它适用于现役窖炉。最普通的平板玻璃窖炉是蓄热式侧通道窖炉，玻璃产量一般是约600吨/天，同时燃料的消耗是150MM Btu/Hr。在没有任何NOx降低技术的情况下，这些窖炉每生产1吨玻璃将产生12至20lb的NOx。根据美国1990年的空气洁净法令，美国的大多数地区限制大型蓄热式窖炉的NOx排放量在2至8lb/ton之间。这样，多数玻璃制造商为了满足地方排放指标，就需要选择排放控制技术。

这里有几个公知的减少蓄热式玻璃窖炉的NOx的技术。包括富燃料燃烧，窖炉排放侧的烟气再燃烧，和除去了作为NOx主要来源的氮的氧—燃料燃烧。参见下列作为参考引入的参考资料：

1.“利用烟气再燃烧控制玻璃窖炉的NOx”，陶瓷公报，1998年2月，pp51-56(R.Koppang，A.Marquez，D.Moyeda，M.L.Joshi，P.Mohr和R.Madrazo)。

2.“参考：“在蓄热式玻璃窖炉上使用氧气—富集空气级分(OEAS)经济合算地减少NOx”，发表于55^th玻璃问题会议，Columbus，OH，1994年11月8-9日，(M.L.Joshi，D.B.Wisnick，S.K.Panahi，H.A.Abbasi，R.E.Grosman，R.F.Madrazo，W.H.Benz，A.G.Slavejkov和L.W.Donaldson)。

3.US 5,203,859，富集氧气燃烧方法，Khinkis等，1993年4月20日。

4.Pilkington技术数据表2，“浮法玻璃技术”。(http://www.pilkington.com/resources/datasheet2float.pdf)

玻璃生产商正在寻找一种经济合算的NOx减少技术，这种技术可改造用于蓄热式窖炉，并且可以提供一个或更多的下列好处：更低的峰值火焰温度；合理的火焰长度，其归因于关键的燃烧侧氧化剂喷射；CO和可燃物质的完全燃尽；NOx排放的减少；和窖炉效率的提高，其归因于发生在熔化器内的重要燃烧。

发明内容

本发明提供一种在包括燃烧区和排放区、三种氧化剂和燃料的炉子中的燃烧方法，包括以下步骤：引入燃料到燃烧区；引入第一氧化剂到燃烧区；引入第二氧化剂到燃烧区；和引入第三氧化剂到排放区；其中在所述引入第一氧化剂的步骤期间，进行引入第二氧化剂的步骤，和进行引入第三氧化剂的步骤。

附图说明

图1所示为6—通道，侧通道(side-port)蓄热式窖炉；

图2所示为化学计量对NOx排放的曲线图；

图3所示为沿图1中的线3-3的窖炉截面侧视图，该窖炉在燃烧和排放侧都附加有侧通道氧化剂喷射器；

图4所示为可用于本发明方法中的底通道(under-port)氧化剂喷射器和接于其上的部分供应管道的一个实施方案；

图5与图3相同，除了它所示为在燃烧侧和排放侧均包括底通道氧化剂喷射器的一个本发明方法的可选择实施方案；

图6与图5相同，除了它所示为在燃烧侧和排放侧均包括穿通道(through-port)氧化剂喷射器的一个本发明方法的可选择实施方案；

图7所示为可用于本发明方法中的喷射喷嘴头的截面平面图、正视图和侧视图。

图8所示为可用于本发明方法中的可选择喷射喷嘴头的截面平面图、正视图和侧视图。

具体实施方式

术语“氧化剂”用于指空气，或者富集空气(氧气百分数比环境空气高的空气)。

术语“富集空气”意为所含氧气的体积高于21％的气流。(21％体积的氧气是环境空气中的氧气量。)它可以从任何来源得到，包括任何纯度的、单一或混有空气的排出气流，这种排出气流是一种从真空或压力交变吸附装置(VSA或PSA)、或者深冷分离单元、或者其他分离机构中排出的富氧气流。

术语“排出气流”意为从真空或压力交变吸附装置(VSA或PSA)、或者深冷分离单元、或者其他空气分离机构中排出的气流(不是产品气流)，其中，所述其他空气分离机构主要用于从空气中得到，即分离出产品气体，例如氮气或其他气体。

术语“燃料”意为气体燃料，例如天然气、丙烷、和炼油厂燃料(可燃气体的混合物)；液体燃料，例如柴油、煤油、船用—C锅炉燃料油、和No.6燃料油；和固体燃料，例如煤、和石油焦。

术语“燃烧区”是炉子中燃料和氧化剂混合和燃烧的空间。

术语“排放区”是炉子中排气和未燃燃料流向排气和未燃燃料出口的空间。排气和未燃燃料的炉子出口可以是管子，开口，烟道，烟囱，或热交换器，例如蓄热器格子体(checker)、或同流换热器，或上述的任意组合。

本申请发明涉及一种用于减少炉子NOx排放的改进型氧化剂喷射方法。可使用该方法的一种炉子是图1所示的蓄热式玻璃窖炉。图1是除去炉顶后的窖炉俯视图。图1所示的是6-通道，侧通道窖炉100，该炉具有批料或原料加料装置111、带有箭头显示的熔融态玻璃流113(通过炉腰115)的熔化器112，和调节段117。如图所示，本实施例中的蓄热器在窖炉的A侧有单独的格子体121、123、125、127、128和129，在窖炉的B侧有单独的格子体131、133、135、137、138和139。当如图所示A侧是燃烧侧，B侧是排放侧时，蓄热器格子体121、123、125、127、128和129用于给燃烧供应氧化剂，蓄热器格子体131、133、135、137、138和139则从排气中回收热量。燃烧区198是熔化器112中玻璃上方的空间，在其中燃料和氧化剂在燃烧侧A混合和燃烧。该燃烧区也可以包括燃烧侧通道161、162、163、164、165和166的一部分。排放区199是熔化器112上方的空间，在其中除了在排放侧添加第三氧化剂，通常没有燃烧发生，排气和未燃燃料流向并进入位于排放侧B的通道171、172、173、174、175和176。该排放区包括位于排放侧的通道，例如通道171、172、173、174、175和176。熔化器112是窖炉的空间，玻璃在其中放置和熔化，由排放区199和燃烧区198组成，如果有的话，再减去作为这些区的一部分的任何通道。

一般，蓄热式窖炉大约每20分钟循环一次，其中氧化剂，一般为燃烧空气，在被从蓄热器格子体121、123、125、127、128和129中释放的热量加热的同时，穿过位于窖炉A侧的蓄热器格子体121、123、125、127、128和129，窖炉的排放物则从位于窖炉的相对侧，B侧的蓄热器格子体131、133、135、137、138和139排出。蓄热器格子体131、133、135、137、138和139从排气流中回收20分钟的热量。在这20分钟后，窖炉的燃烧侧和排放侧在下一20分钟转换，也就是B侧变为燃烧侧，而A侧变为排放侧，然后燃烧侧和排放侧转换20分钟，如此继续。

在可使用本发明方法的可选择窖炉中，热量可从排放物中回收，并且通过除蓄热器格子体外的不同热交换器，例如同流换热器，提供给第一氧化剂。在可使用本发明方法的另一可选择窖炉中，将不从排气流中回收热量。

如图1所示，火焰141是通过使用喷射器或燃烧器(未图示)喷射燃料到接近2400的燃烧空气氧化剂流(第一氧化剂)中而产生的，其中该燃烧空气氧化剂流是流出燃烧侧蓄热器格子体后进入窖炉的。火焰141可以覆盖大约三分之二的窖炉宽(燃烧区198)。火焰通过辐射传递热量到熔化器112中的玻璃和窖炉内部189的其他部分(墙、炉顶等)，然后穿过排气通道171、172、173、174、175和176进入位于窖炉100B侧的单独蓄热器格子体131、133、135、137、138和139。在这一过程中，蓄热器格子体被2900至3000的排气加热。由于高温燃烧和相对长的炉中滞留时间，就产生了热力型NOx。大型蓄热式窖炉的典型NOx排出量是12至20lbs/ton成品玻璃。

如上面解释，NOx主要由燃烧空气中的氮热氧化形成——概述为热力型NOx。通常，热力型NOx决定于火焰的时间—温度关系曲线，并且随着峰值火焰温度的增加而增加。

为了减少热力型NOx，可以减少峰值火焰温度，其中该温度的减少可通过减少峰值火焰区域中的氧气可用率来实现。基于火焰化学计量的NOx排放特性如图2所示。在图2中，绘制出了相对于NOx排放的总窖炉化学计量比率(S)。化学计量比率定义为实际空气(或其他氧化剂)/燃料比除以理论标准空气(或其他氧化剂)/燃料比。(例如，对于天然气燃烧，理论标准空气/燃料比接近10。)对于任何燃料，如果窖炉在理论标准氧化剂量下运行，值S＝1。对于富燃料运行，值S＜1，相反，对于贫燃料运行，值S＞1。如图2所示，最高的NOx排放量在稍微贫燃料的工况(点1)下产生。然而，当S离开点1处于富燃料和贫燃料工况时，NOx排放量都下降。

窖炉在富燃料工况下(S＜1)运行，NOx排放量减少。在图2中，窖炉在富燃料的点2处(接近0.8)而不是在贫燃料的点1处(接近1.05)运行，可以提供60％的NOx排放减少量。然而，对于一般的窖炉，由化学计量水平决定的火焰却变得非常长。这归因于不能得到必要氧气的可燃物(燃料)，因此火焰变成柔和(或lofting)明亮的火焰。如果可燃物在窖炉中没有燃烧，会降低窖炉的热效率，也会增加CO的排放和与CO排放限制不一致的可能性。

本发明提出在燃烧和排放两侧都引入氧化剂到燃烧和排放两区，以提供NOx排放的减少(热力型NOx的减少)。高于50％或甚至高于60％的NOx减少量可以在不产生长而柔和火焰的情况下获得。本发明方法是一种在包括燃烧区、排放区、三个氧化剂流和燃料的炉子中的燃烧方法，包括如下步骤：引入燃料到燃烧区；引入第一氧化剂到燃烧区；引入第二氧化剂到燃烧区；和引入第三氧化剂到排放区；其中在所述引入第一氧化剂的步骤期间，进行引入所述第二氧化剂的步骤和引入所述第三氧化剂的步骤。

引入步骤可以是使燃料或氧化剂进入炉子的任意方法，例如，通过使用置于炉中任何位置的任何引入工具，例如喷枪、喷嘴、管子、燃烧器、开口、阀等来喷射、推动、或引导氧化剂或燃料。引入步骤可以穿过墙、炉顶、穿通道、底通道、侧通道或任何可以设置引入工具，例如喷枪、喷嘴、管子、燃烧器、开口、阀等的希望位置。在压力下推动氧化剂或燃料可以通过在高压容器中贮备并从中分配氧化剂或燃料，或提供机械工具，例如风机、压缩机、喷射器、文丘里管或射流泵对氧化剂或燃料施加压力来实现。下面描述的参考资料可能是通过喷射器或喷嘴喷射氧化剂，但是可以理解使用任何引入工具的任何引入步骤都可用于本发明方法。

用于图1所示窖炉的第一氧化剂可以是燃烧空气，它经由空气流穿过位于燃烧侧或区的蓄热器格子体(热交换器)引入窖炉。大型风机推动第一氧化剂经由蓄热器格子体进入窖炉。然而，在不同的实施方案中，第一氧化剂可以是通过任何引入工具引入窖炉的空气或富集空气。

图3所示窖炉实施方案中的第二氧化剂是通过喷射器400、401喷射进入燃烧侧A燃烧区198中的氧化剂。第二氧化剂可以是空气或富集空气，可为任意温度，即它可以被预热，处于环境温度或低于环境温度。

图3所示窖炉实施方案中的第三氧化剂是通过喷射器402、403喷射进入燃烧侧A排放区199中的氧化剂。第三氧化剂可以是空气或富集空气，可为任意温度，即它可以被预热，处于环境温度或低于环境温度。

在本发明方法的一些实施方案中，燃烧区198(示于图1和3中A侧)有小于1的第一氧化剂(燃烧空气)化学计量比率S；S小于或等于0.9，或S小于或等于0.8来实现富燃料运行，以减小燃烧区内的峰值火焰温度。例如，第一氧化剂(燃烧空气)对燃料的化学计量比率可以在S大于0.4、小于1的范围内；S为0.4至0.95；S为0.4至0.9；S为0.4至0.85；或S为0.4至0.8的范围内。本发明提出引入第二氧化剂接近、在、或进入燃烧区，例如，进入火焰(这有助于限制熔化器中长而柔和的火焰和有助于阻止火焰溢至排放通道)。此外，本发明提出引入第三氧化剂到排放区，例如，排放气流在排放物排出窖炉前优选在熔化器中燃尽可燃物和CO。

参考图3对上面的每一个过程步骤进行详细描述。燃烧侧第一氧化剂(燃烧空气)化学计量S减少到小于1，或0.9或更低，或0.8或更低。由于第二氧化剂，例如富集空气或空气在燃烧侧的喷射，可以减少从格子体流入窖炉的第一氧化剂例如热燃烧空气的量，这样在不影响对玻璃的热传递的情况下提供了富燃料燃烧或程度更高的富燃料燃烧。第二氧化剂流可立即与燃料射流反应，而不与第一氧化剂一起正常扩散。第二氧化剂与燃料的混合可在火焰中产生烟灰粒，由于火焰熄火作用烟灰粒将阻止火焰温度的升高。在一个实施方案中，燃烧侧喷射器置于主燃烧器周围，以使喷入的富集空气和/或喷入的空气(第二氧化剂)与从燃料喷嘴来的燃料迅速混合。燃烧侧第二氧化剂喷射器的数量、类型和位置应该选择成能使第二氧化剂与从燃料喷嘴来的燃料良好混合。燃烧侧第二氧化剂喷射器为燃料燃烧提供了氧气，这样尽管第一氧化剂(例如燃烧空气)，除了喷入的第二氧化剂外，可能有小于1的化学计量，但是火焰不会变得长而柔和，并且整个火焰停留在熔化器中并不溢至排放通道。用于燃烧侧喷射的喷射器的构造取决于熔化器燃烧器的燃烧配置(底通道、侧通道、穿通道、上通道(over-port)、炉顶等)。燃烧侧和排放侧的运行根据常规的窖炉周期进行转换，该周期可以是任意时间，例如，每15、20、25、30分钟。此外，第一氧化剂、和燃烧侧第二氧化剂和排放侧第三氧化剂的引入可用于整个窖炉周期或仅仅部分周期。

在一个实施方案中，在蓄热式窖炉中，例如，在多数热力型NOx生成的那部分窖炉周期内，燃烧侧第二氧化剂喷射的持续时间是最有益的，其中该部分窖炉周期接近每个窖炉半周期(燃烧期间)的末期。当燃烧侧从窖炉的一侧转换到窖炉的另一侧时，在每个燃烧周期的初期NOx的生成相对低；但是，随着时间的推移NOx的生成增加。在燃烧侧的整个燃烧时间内燃烧侧喷射第二氧化剂(例如富集空气和/或空气)，将减少NOx的生成。可选择的是，燃烧侧第二氧化剂的喷射可以限制在该侧燃烧(半周期)的任何时段内。例如，在燃烧侧燃烧时的窑炉周期中，第二氧化剂可以在四分之三或更少、二分之一或更少、或四分之一或更少的该窖炉循环周期内在燃烧侧喷入窖炉。当窖炉的每侧都是燃烧侧时，仅仅在燃烧周期的部分时段内引入第二氧化剂的步骤可以在窖炉两侧重复进行。目前相信，在每个半周期(燃烧周期)的后期引入第二氧化剂更有效，即，炉燃烧一侧时间的后期；但是，可以调节第二氧化剂喷射的次数和数量，以得到最少的NOx，并在燃烧周期的任意时段控制熔化器和蓄热器格子体内的温度。可选择的，从开始到半周期结束的时段内，第二氧化剂的喷射速度可以增加(或降低)。

在本发明中使用的可用作第一、第二和/或第三氧化剂的富集空气可以从任何来源得到。一种廉价的富集空气来源是用于制造不同气体的空气分离单元的排出气流。在浮法玻璃厂，为了维持无氧的锡槽气氛，需要有氮源。通常，高纯度氮(HPN)型氮工厂用于供应所需的氮。HPN厂排出的废气流包括接近40％体积比的氧气，其余部分则为氩和氮。上述可称为排出气流的废气流可以作为用于减少NOx的氧化剂来源。如果需要，在排出气流中加入空气。空气和排出气流的混合可以在喷入窖炉燃烧侧之前、期间或之后进行。用于供给喷射器并与排出气流混合的一个空气来源是风机空气，即，由风机产生的高压空气，如2至5psig。

下面的表列出了两个实施方案的不同过程参数。燃烧侧的氧化剂来源可以是通过喷嘴(或喷射器)引入窖炉的富集空气和空气中，或从燃烧侧的格子体或其他开口来的燃烧空气的一者或两者。在表I中，计算了燃烧侧的化学计量比率。

表I：一个实例窖炉的燃烧侧参数范围

燃烧侧参数	数值范围
		为减少NOx所希望的总燃烧侧化学计量比率(S)	0.70至0.90
燃烧空气化学计量比率(S空气)(理论标准空气流比率为S空气＝1)	0.60至0.80
		燃烧侧喷射器的O2化学计量比率	0.02至0.30
燃烧侧喷射器的空气化学计量比率	0.02至0.30
		喷射器气流的氧气浓度(空气＝0.21)	0.21至1.00
燃烧侧/排放侧喷射器的氧化剂流比率	0.05至0.50

注意，在表I和表III中，燃烧侧/排放侧喷射器的氧化剂流比率是第二氧化剂/第三氧化剂的比率。

如表I所示，对于本发明的一个实施方案，燃烧空气(第一氧化剂)的化学计量减少为富燃料运行，假定为0.7。在这一点处，燃烧侧的富集空气和/或空气喷射器(第二氧化剂)开启，燃烧侧的总化学计量比率则达到0.8。换言之，燃烧侧富集空气和/或空气(第二氧化剂)的喷射将使总燃烧侧化学计量从0.7(仅仅由燃烧空气实现)升至0.8。这样，燃烧侧喷射器对总化学计量比率的分担额为0.1。然而，喷入的富集空气和/或空气(第二氧化剂)对化学计量比率的分担额范围可以更大或更小，例如，如表I所示的0.02至0.3，或对于其他实施方案，为0.05至0.75，或0.05至0.5，或0.1至0.3，这决定于窖炉的设计和为减少NOx燃烧侧所需的富燃料运行水平。表I还显示，喷入窖炉的燃烧侧富集空气和/或空气中的氧气浓度在0.21至1的范围内。尽管在表1中没有显示，但是在本发明方法中，富集水平作为选择可以在0.25至0.9，或0.3至0.8的范围内。1.00的富集水平意指纯度为99.999％的纯氧作为富集空气在燃烧侧喷入。

在表II中，说明了本发明另外的实施方案(实施例)，该实施例对应于典型浮法玻璃窖炉(产量为600吨/天，燃烧加热速度为150MM Btu/Hr)的一个单通道。假设该通道使用1000Btu/scf的天然气(NG)燃料，以30MM Btu/Hr的燃烧速度燃烧。表中显示了为减少排气通道处测得的NOx(估计大约为60％)，燃烧空气(第一氧化剂)和喷入的富集空气和/或喷入的空气(第二氧化剂)的典型流速。

表II：燃烧侧运行的实施例流速

30MM Btu/Hr的燃烧速度所对应的流动参数	典型值
		NG燃料流速(mscfh)(NG的LHV＝1000Btu/scf)	30,000
为减少NOx所希望的总燃烧侧化学计量比率(S)	0.80
		燃烧空气化学计量比率(S空气)(理论标准空气为S空气＝1)	0.70
燃烧空气流速(scfh)	210,000
		如果使用纯度为99.9％的O2，燃烧侧喷射器的O2流速(scfh)	3,150
如果使用纯度为40％的排出气流氧化剂，燃烧侧喷射器的流速(scfh)	7,875
		燃烧侧喷射器的空气流速(scfh)	15,000
燃烧侧喷射器的氧化剂富集水平(空气＝0.21)	0.35

对于表II所示实施方案，为了维持燃烧侧化学计量在0.8(使用燃烧空气时S＝0.7)，燃烧侧的富集空气和空气喷射器将喷射3,150scfh的高纯度氧气和15,000scfh的风机空气(两者一起作为第二氧化剂)。可选择的是，如果使用40％氧气纯度的排出气流，富集空气喷射器的气流是7,875scfh的排出气流和15,000scfh的风机空气(两者一起作为第二氧化剂)。对于这些得出的富集空气和空气喷射器(第二氧化剂)气流中的任何一个，氧气水平都为0.35。为了得到更低的NOx排放，任一个实施方案都将实现低峰值火焰温度运行，但与此同时将限制熔化器内的火焰。空气和富集空气(第二氧化剂)可以在喷入窖炉之前、期间或之后混合，并且可以通过用于富集空气和空气流的单个或分开的喷射器喷射。

对于本发明的一些实施方案，第三氧化剂以比第二氧化剂更高的流速喷射。第三氧化剂可以在排放区的几个位置喷射，其中该位置取决于窖炉的构造。为了减少所需设备的数量，优选的是，当那个相同的炉侧是排放侧时，把在半窖炉周期内将第二氧化剂(富集空气和/或空气)引入燃烧区的同一工具用于在第二个半周期内将第三氧化剂引入到排放区；但是，这不是必需的，并且如果希望使NOx的减少最佳化，可以配备两个分立的引入工具，例如多组喷嘴或喷射器。第一组的一个或更多喷嘴用于喷射第二氧化剂到燃烧区，而第二组的一个或更多喷嘴则提供第三(排放侧)氧化剂到排放区的喷射。排放区的氧化剂喷射喷嘴可能在大小、结构、位置和定向方面与用于喷射氧化剂到燃烧区的喷嘴不同。用于燃烧和排放侧喷嘴的氧化剂喷射方向可以与燃烧空气和排放气流的方向同向或逆向或成一角度。同向、逆向或其他氧化剂喷射气流的角度可以根据窖炉的特性，例如窖炉尺寸、通道几何形状、燃烧速度和其他运行因素进行优化。

某些喷射器实施方案的细节将在下面描述。使用术语“排放侧(排放区)喷入的氧化剂”或“排放侧(排放区)氧化剂”与术语“燃烧侧(燃烧区)喷入的富集空气或空气”进行对照仅仅是为了分清正在描述周期的哪一部分；然而，排放侧氧化剂可以是与燃烧侧喷入的富集空气和/或空气的成分相同和相似的富集空气和/或空气。术语“排放侧(排放区)喷入的氧化剂”或“排放侧(排放区)氧化剂”是第三氧化剂。“燃烧侧(燃烧区)喷入的富集空气和/或空气”是第二氧化剂。第三氧化剂喷入排放区，第一和第二氧化剂则喷入燃烧区。

第三或排放侧氧化剂喷射速度可以高于、低于或等于燃烧侧喷入的第二氧化剂流速；然而，在一些实施方案中，排放侧氧化剂喷射速度比相应的燃烧侧第二氧化剂流速高2至20倍可能是有效的。喷射第三氧化剂的目的是完成未燃燃料、CO和其他碳氢化合物的燃烧。由于燃烧侧的富燃料燃烧，按湿量计算剩余的CO在燃烧器火焰中可能占整个火焰气体例如1至10％体积。这些CO则用引入排放区的第三氧化剂将其燃烧。引入第三氧化剂的工具，以及这些工具，例如喷射器的数量和位置选择成能使第三氧化剂充分地与排放气流混合，以在熔化器中并且优选为不在排放通道或蓄热器格子体内完成燃烧过程。第三氧化剂的流速和富集水平(即氧气在第三氧化剂中的百分比)根据燃烧侧的和总的窖炉化学计量进行计算。在本发明实施方案的一个例子中，可计算窖炉的化学计量，如表III所示。

表III：实施例窖炉的化学计量参数

排放侧参数	数值范围
		为减少NOx所希望的总燃烧侧化学计量比率(S)	0.70至0.90
燃烧空气化学计量比率(S空气)(理论标准空气流的比率为S空气＝1)	0.60至0.80
		排放侧喷射器的O2化学计量比率	0.00至0.35
排放侧喷射器的空气化学计量比率	0.15至0.35
		喷射器气流的氧气浓度(空气＝0.21)	0.21至1.00
燃烧侧/排放侧喷射器的氧化剂流比率	0.05至0.50

对于表III所示实施方案的计算结果来说，在表III中表示为“O₂”的排放侧富集空气的化学计量比率在0至0.35的范围内。0表示没有喷射富集空气(在这种情况下，仅仅将空气作为第三氧化剂在排放侧喷射)。0.35是排放侧的氧化剂喷射对化学计量比率的优选最大分担额，其中排放侧的氧化剂喷射由排放侧喷入的富集空气、或排放侧喷入的空气、或排放侧喷入的空气与富集空气的组合物提供(第三氧化剂)。在一个混合式(空气燃料和氧燃料结合)窖炉实施方案的情况下，排放侧氧化剂化学计量比率的最大限度可以高达0.6。然而，表III反映了一个实施方案，在该实施方案中空气总是作为第三氧化剂的一部分或全部喷入排放区，也就是说，存在一个排放侧喷入的空气对化学计量比率的最小分担额，其值为0.15。引入排放区的富集空气和空气的来源可以与上面所述用于燃烧区的相同或不同。

使用上述用于表II的同一窖炉，计算了一个本发明实施方案中进入排放区的第三氧化剂流速，并且示于表IV中。

表IV：实施例窖炉的排放侧气流实例

30MM Btu/Hr的燃烧侧燃烧速度所对应的流动参数	典型值
		所希望的总窖炉化学计量比率(S)	1.10
为减少NOx所希望的燃烧侧化学计量比率(S)	0.80
		燃烧空气化学计量比率(S空气)	0.70
燃烧侧喷射器的化学计量比率	0.1
		排放侧喷射器的化学计量比率	0.30
如果使用99.9％纯度的O2，排放侧喷射器的O2流速(scfh)	9,450
		如果使用40％纯度的排出气流氧化剂，排放侧喷射器的流速(scfh)	23,625
排放侧喷射器的空气流速(scfh)	45,000
		排放侧喷射器的氧化剂富集水平(空气＝0.21)	0.35

如表IV所示，总燃烧区化学计量为0.8，因此窖炉需要将9,450scfh的高纯度氧气和45,000scfh的风机空气作为第三氧化剂用于喷射，以得到希望的总窖炉化学计量1.10。如果用40％氧气纯度的排出气流代替，则可以用23,625scfh的排放气流和相同量的风机空气作为第三氧化剂。包括高纯度氧气或排出气流的第三氧化剂有35％的氧气含量。上面的流量值仅仅是为了举例说明，并且它们非常依赖于窖炉设计、燃烧器构造和喷射器构造。如所希望的，如果可利用的富集空气(高纯度或排出气流)更多或更少，将调节第三氧化剂中喷入的空气量。

在炉子周期的整个排放周期或部分排放周期期间排放区喷射的持续是有利的，例如，在多数热力型NOx的生成时间，其中该生成时间接近每个炉子半周期(排放周期)的末期。在蓄热式窖炉中，当燃烧侧从炉子的A侧转换到炉子的B侧时，最初NOx的生成相对低；然而随着时间的推移，NOx的生成增加。在整个B侧的燃烧时间内喷射第三氧化剂到排放区，例如A侧，能减少NOx的生成，但如果优选，可仅仅在该周期的部分时段内进行排放侧的喷射。例如，排放侧的氧化剂可以在四分之三或更低、二分之一或更低、或四分之一或更低的排放周期内喷入炉子。目前相信，氧化剂在每个排放周期的后期喷射更有利，即，在窖炉排放侧不发生燃烧的时间的后期；然而，排放侧氧化剂喷射的次数和数量可以调节，以获得最低的NOx，并在燃烧的任何时段内控制熔化器和蓄热器格子体内的温度。可选择的，在排放周期内第三氧化剂喷射的数量可以增加(或减少)。第一、第二和第三氧化剂喷射的时间和数量对于给定的窖炉可由试验确定。

然而在总燃烧侧化学计量比率低于1的窖炉实施方案中，优选的是，在燃烧期间喷射第三氧化剂到排放区中，这样可以为熔化器内燃料的完全燃烧不断地提供所需的氧气。

氧化剂可通过喷射器或喷嘴引入窖炉。用于燃烧侧和排放侧的喷射器和喷嘴可以是可用于此目的的具有任何设计的任何喷射器和喷嘴。燃烧区和排放区喷射器的位置可以是任意位置，只要氧化剂能喷入并且分别与燃烧区的燃料流和排放区的排气良好混合。例如，喷射器400可以置于图3所示的侧通道、图5所示的底通道、图6所示的穿通道、上通道(未图示)、在或穿过炉顶(未图示)的位置，其中该位置决定于窖炉和燃烧器的构造、安全性和可采用性。

本申请的发明的另一方面是如图4所示的新喷射器400，它可以在本发明方法或其他现有技术窖炉的运行方法中使用。喷射器400适合于空气的单独喷射，富集空气(工业氧气或排出气流)的单独喷射，或空气和富集空气的同时喷射。为了维持空气和富集空气的各自流动和压力的独立性，空气和富集空气分别在分开的管道或歧管中输送，然而在一个管中管(同轴管)的喷射器400中混合。可选择的是，内管和外管输送不同压力下的相同组成的气流，其中这些气流可以同时或交替引入窖炉。在图4所示喷嘴实施方案中，内管410用于富集空气，而由内管和外管420形成的环形空间450则用于供应风机空气；但是，如果希望在环形空间注入富集空气而在内管注入空气，或注入其他两种氧化剂组合，例如不同组成和/或流速的两种富集空气，可以将这种配置互换。风机或压缩空气应该有足够的压力，例如2至5psig，以获得必要的喷射速度。图4所示的喷射器简图对于底通道氧化剂喷射有效，可同时用于燃烧和排放两侧，并在炉子周期期间能适应一根管或两根管内氧化剂的组成和/或流速的变化。例如，当炉子的一侧从燃烧侧转换到排放侧，空气的流速可能增加2至6倍，而富集空气可能被切断。

图4所示的喷射器400显示在一底通道结构中。喷射器400有两个分开的连接件或管子412、422，用于两个不同的气流。在所示实施方案的一个例子中，喷射器有富集空气(例如，氧含量比空气高的工业氧气)连接件412和风机空气连接件422；但是，任何氧化剂气体流的组合都可以用于喷射器400。富集空气和风机空气的各自流动可以分别使用偏移阀414、424偏移。此外，使用合适的有倾斜能力431的固定架430可以使喷射器对准不同的角度。为了防止窖炉辐射，喷嘴头440缩进耐火砖441内，这与窖炉中的燃烧器(未图示)相似。每个管412、422分别设有测压孔416，426，以分别显示供应压力，该压力作为氧化剂流速的一个示值。流速可以根据上游压力和出口喷嘴尺寸简单地计算出。为了在不产生明显压降的情况下使从每个管412、422流出的氧化剂之间产生良好混合，高压力氧化剂，例如富集空气可以在中心管410中流动，而低压氧化剂，例如空气可以在环形空间450中流动。这样，由于文丘里效应，就能有一个边界清楚的富集氧化剂混合物喷入窖炉。下面将说明具有多个孔451，例如洞或缝的喷嘴头440。管道412、422还分别包含集管417、427。

对于不同的燃烧器燃烧配置，氧化剂喷射器的位置可不同。例如，参见图3所示的侧通道燃烧器燃烧配置。在图3中，两个喷射器安装在侧通道燃烧器的上部和下部。喷射器以一定的角度对准第一氧化剂(燃烧空气)流。喷射器的角度可以与燃烧器的相同，其中该喷射器安装在该燃烧器的附近。基于与燃烧空气流成10°角度的典型燃烧器，第二氧化剂喷射器与燃烧空气(第一氧化剂)流所成角度可以是10至30°。该角度在下面的喷射器喷嘴讨论中描述成倾斜角(toe angle)。可选择的，本发明方法中可以使用任何倾斜角，或者例如0至45°范围内的倾斜角。

对于燃烧器(未图示)周围的氧化剂喷射，重要的是考虑燃烧器的设计。当计算氧化剂喷射器速度和引入工具(例如，喷射器)的对准角度时，应该考虑喷嘴头的孔中的燃料喷射速度和角度以及燃烧器的倾斜角。在燃烧区，氧化剂喷射器的气流可直接卷入燃料射流，并且热裂化燃料流使其成为烟灰粒。在排放区，氧化剂喷射器应该以最大可能的捕获角度或发散度卷入排放流，以能够在熔化器中迅速燃尽CO。多个具有经认真确定的倾斜角的引入工具(喷射器)的使用应该提供与排气的有效混合。在图6和7中，图解了氧化剂喷射器的底通道和穿通道构造。

对于图5所示的底通道氧化剂喷射器，倾斜角指向上面或指向炉顶180。这样，氧化剂流能够卷入燃烧侧的燃料或排放区的排放气流。对于图6所示的穿通道氧化剂喷射器，喷射器需要得到充分的冷却，例如水冷，以防止在排放通道的高温环境下的金属氧化。采用一个喷嘴倾斜角使喷射器在喷嘴头处也微微向下倾斜，以防止在炉顶出现热点。

在刚刚描述的有两种氧化剂穿流的喷射器中，每一种氧化剂流都可以使用标准的流动制动器来调节和控制。高氧气含量的氧化剂(例如，排出气流或工业氧气)可以使用标准的流动制动器来调节和控制。为了调节流速与燃烧速度，该流动制动器需要安全设备(双阻塞和排放部件)和流动控制阀。如果风机空气是喷入窖炉的氧化剂中的一种，该风机空气可以由安装在流动控制制动器上的高压风机供应。风机的速度和氧化剂流速可以由变频驱动机(VFD)控制。为了增加可靠性，可以提供一备用风机。

为了提供有效的混合(除了管中管设计和喷射器角度以外)，氧化剂喷射器的另一方面是喷嘴头440的设计。该喷嘴孔的尺寸根据氧化剂流速和可提供的压力确定。为了得到良好混合，氧化剂喷射速度在100至1000feet/sec范围内是必要的。如果燃烧侧和排放侧都使用相同的喷嘴，那么燃烧侧与排放侧比较，流速会有明显不同。例如，排放侧可能有高于燃烧侧5倍的流速；因此，排放侧的速度可能高出燃烧侧5倍。

图7所示为多孔喷嘴头440和端面459的截面图和正视图，其中喷嘴头440和端面459是图4所示氧化剂喷射器400的一部分。喷嘴有孔451，在这种情况下孔钻成复合角。如图所示，角α是轴向发散角。该角有助于通过轴向发散分配氧化剂。α可以在0至30°之间变化。α的最佳值为约15°。倾斜角β可以在0°至15°之间。β的最佳值为约7°。对在炉子燃烧侧使氧化剂气流折向燃烧器的燃料射流或在排放侧使其折向烟气流来说，该倾斜角是重要的。

图8所示为一个多缝氧化剂喷射器结构。这里，角α1和α2是轴向发散角，角β则是倾斜角。由于大长宽比的缝结构，这种喷嘴的输送效率比图7所示多孔喷嘴的好。该拉链形喷嘴能在比圆孔形喷嘴短3倍的距离内混合氧化剂流，其中该圆孔形喷嘴具有相似的流通面积。一个优选的孔几何形状在美国专利6,866,503中已经公开；在此作为参考引入。

本发明方法可以用于氧—燃料炉子(未图示)，其中在该炉子中，第一氧化剂是经由燃烧器引入燃烧区的富集空气流，第二氧化剂是经由燃烧器，或邻近燃烧器，或在前面提及的第二氧化剂在燃烧侧可引入的任意其他位置引入燃烧区。表述“经由燃烧器”意为氧化剂通过作为燃烧器的一部分或连接到燃烧器的连接件在燃料的上方、下方、侧面或周围引入。本实施方案中的第一氧化剂和/或第二氧化剂可以通过分离的出口离开燃烧器，尽管它们可能通过与燃烧器连接的单一管线或管子进入燃烧器。能在本发明方法中用于引入第一和第二氧化剂到燃烧区的燃烧器的一个例子分级氧—燃料燃烧器在现有技术中有提及，可以从Air Products and Chemicals公司买到，Cleanfire HR^TM。带分级的氧—燃料燃烧器有两个用于第一和第二氧化剂的单独出口，尽管第一和第二氧化剂的组成可能相同，并且可能由单一来源引入燃烧器。具有两个第一和第二氧化剂单独出口的燃烧器例子包括那些在Air Product的专利5,611,682，美国序列号No.10/919940中披露的燃烧器，该专利在此作为参考引入。对于本发明方法的其他实施方案，按如上所述方法将第三氧化剂引入炉子。在第一和第二氧化剂通过燃烧器引入炉子区的本发明方法中，第一和第二氧化剂优选为氧气成分高于90％体积或高于93％体积的富集空气流。

本发明是以玻璃窖炉为参考进行描述；但是，它同样适用于其他类型的用于熔化铁或非铁金属的高温工业炉。该方法可在用于熔化浮法玻璃或其他类型的平板玻璃、瓶灌玻璃、纤维玻璃、或归类于专业玻璃(CRT/TV玻璃、餐具、照明设备等)的其他玻璃类型的玻璃窖炉中使用。这些炉子包括单元式熔化器、换热式熔化器、侧通道蓄热式熔化器、端通道蓄热式熔化器、混合式空气—燃料/氧—燃料熔化器、和“全转换”完全氧—燃料燃烧熔化器。对于不同构造的炉子，燃烧区和排放区可以不像在此图示的那样设置在炉子的相对侧，但是将设置在燃料射流的位置(燃烧区)和排气流向排放出口的位置(排放区)。

在用于熔化玻璃的混合式窖炉中，例如在此作为参考引入的US 6,519,973中披露的，窖炉熔化区上方的多数燃烧热是由氧—燃料燃烧提供的，而窖炉澄清区上方的多数燃烧热是由空气—燃料燃烧提供的。混合式窖炉有一个区，在那里仅仅氧—燃料燃烧器在熔化器的熔化区上方使用，和另一个区，在那里空气—燃料燃烧器在熔化器的澄清区上方使用。本发明方法将可适用于利用了氧—燃料和空气—燃料燃烧的优点的混合式窖炉。燃烧空气的化学计量比率S可以设定在0.2＜S＜1的范围内，使得能在空气—燃料燃烧器的燃烧侧产生富燃料燃烧。第二氧化剂在空气—燃料燃烧器的燃烧侧喷射，以减少总火焰长度。在排放侧，第三氧化剂可以以0.05至0.75的排放侧化学计量喷射，例如，为了完全燃尽炉子中的CO和未燃燃料。使用具有建议的氧化剂喷射的氧—燃料和空气—燃料燃烧方法，将能够实现高热效率、玻璃质量的提高和低NOx排放。

本发明的多数实施方案将落入在此定义的一个或更多化学计量比率。第一氧化剂的化学计量比率可以在0.2至1.1，或0.4至0.9，或0.6至0.8的范围内。第二氧化剂的化学计量比率可以在0.05至0.75，或0.05至0.5，或0.1至0.3的范围内。燃烧侧的总化学计量比率可以在0.45至1.15，或0.5至1.1，或0.7至0.95的范围内。排放侧第三氧化剂的化学计量比率可以在0.05至0.75，或0.1至0.6，或0.2至0.4的范围内。窖炉(燃烧和排放区)的总化学计量比率可以在0.9至1.3，或0.9至1.1，或0.95至1.05的范围内。具有上述所列S范围的任何组合的方法都属于本发明的部分。这些S值都是根据燃料以及第一、第二和第三氧化剂引入炉子的速度计算得到的。

尽管本发明以特殊的注意力对特殊的实施方案进行了描述，但是本发明方法对另外实施例的应用对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的，因此本发明包括落入权利要求中的显而易见的实施方案的变化形式。

Claims (20)

1、一种在包括燃烧区和排放区，三种氧化剂和燃料的炉子中的燃烧方法，其包括如下步骤：

引入燃料到所述燃烧区；

引入第一氧化剂到燃烧区；

引入第二氧化剂到燃烧区；

和引入第三氧化剂到排放区；其中在所述引入第一氧化剂的步骤期间，进行引入第二氧化剂的步骤，和引入第三氧化剂的步骤。

2、权利要求1的方法，其中所述引入第二氧化剂的步骤和所述引入第三氧化剂的步骤都在所述引入所述第一氧化剂的步骤的至少一些部分内发生。

3、权利要求1的方法，其中所述第一氧化剂在所述燃烧区提供在0.2至1.1之间的化学计量比率。

4、权利要求1的方法，其中所述第一氧化剂在所述燃烧区提供小于1的化学计量比率。

5、权利要求1的方法，其中所述第一氧化剂在所述燃烧区提供小于或等于0.9的化学计量比率。

6、权利要求1的方法，其中所述第一氧化剂在所述燃烧区提供小于或等于0.8的化学计量比率。

7、权利要求1的方法，其中所述第二氧化剂在所述燃烧区提供在0.05至0.5之间的化学计量比率。

8、权利要求3的方法，其中所述第二氧化剂在所述燃烧区提供在0.05至0.5之间的化学计量比率。

9、权利要求1的方法，其中所述第一和第二氧化剂在所述燃烧区提供在0.45至1.15之间的化学计量比率。

10、权利要求3的方法，其中所述第一和第二氧化剂在所述燃烧区提供在0.45至1.15之间的化学计量比率。

11、权利要求1的方法，其中所述第三氧化剂在所述排放区提供在0.05至0.75之间的化学计量比率。

12、权利要求3的方法，其中所述第三氧化剂在所述燃烧区提供在0.05至0.75之间的化学计量比率。

13、权利要求1的方法，其中所述第一、第二和第三氧化剂在所述燃烧和排放区提供在0.9至1.3之间的化学计量比率。

14、权利要求3的方法，其中所述第一、第二和第三氧化剂在所述燃烧和排放区提供在0.9至1.3之间的化学计量比率。

15、权利要求1的方法，其中所述第一氧化剂在所述燃烧区提供在0.4至0.9之间的化学计量比率，和所述第二氧化剂在所述燃烧区提供在0.1至0.3之间的化学计量比率。

16、权利要求15的方法，其中所述第三氧化剂在所述排放区提供在0.1至0.6之间的化学计量比率。

17、权利要求16的方法，其中所述第一、第二和第三氧化剂在所述燃烧区和所述排放区提供在0.9至1.1之间的化学计量比率。

18、权利要求1的方法，其中所述第一、第二氧化剂和所述第三氧化剂各自单独地选自空气、加热空气、风机空气、富集空气和排出气流。

19、权利要求1的方法，其中所述炉子选自蓄热式熔化器、单元式熔化器、换热式熔化器、混合式空气—燃料/氧—燃料熔化器、和氧—燃料燃烧熔化器。

20、权利要求1的方法，其中所述引入所述第二氧化剂到燃烧区的步骤通过由喷射器喷射所述第二氧化剂来完成，和其中所述引入所述第三氧化剂到排放区的步骤通过由喷射器喷射所述第三氧化剂来完成。

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