專利名稱：在空氣-燃料燃燒過程中減少氮的氧化物生成的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空氣-燃料燃燒過程。
絕大多數(shù)的燃料諸如天然氣、燃料油、丙烷、廢油、其他烴類等的燃燒過程中，應(yīng)用空氣為氧化劑。還知道許多空氣-燃料燃燒過程可以由氧來富化燃燒用空氣而得到改善。將燃料空氣富化可提高火焰溫度和熱效率，并且隨著空氣或氧化劑中氧濃度提高，煙氣體積減小。由于改善燃燒所帶來的生產(chǎn)率增益可以補償用于富化的高純氧費用。在氧化劑中達35%總含氧量的低度富化，一般可由現(xiàn)有空氣-燃料系統(tǒng)經(jīng)少量改裝而成。
近來，燃燒過程的環(huán)保問題很受注意。已表明氮的氧化物即NOx對環(huán)境有害，它生成煙霧、酸雨和低層大氣中的臭氧，后一種是地球變暖的原因之一。在美國，新的空氣清潔法案要求推行聯(lián)邦政府控制污染的規(guī)定。新的條例對于空氣-燃料混合物燃燒時控制形成NOx提起高度注意。
還知道，在燃燒中低度的富氧可導(dǎo)致NOx發(fā)散量急劇增加。在工業(yè)燃燒過程中，超過90%的NOx發(fā)散物是氧化氮，即NO。還表明，高度富氧例如氧化劑中總氧含量高于90%，則產(chǎn)生的NOx比相同燃燒情況下應(yīng)用空氣時產(chǎn)生的少。然而，高度富氧在給定的過程中會不經(jīng)濟，事實上也會產(chǎn)生材料問題。
在過去，減少NOx發(fā)散采取兩種方針。第一是廢氣排到大氣之前除掉NOx。廢氣后處理除掉NOx可采用選擇性催化或非催化還原，以及氧化、吸收和還原過程的各樣組合。這些過程一般成本很高，并且當(dāng)后處理設(shè)備有故障時，需要將燃燒過程停工。第二是以某些方式改進燃燒過程而先發(fā)地使NOx生成減至最少。第二類例如有向火焰噴水或水蒸汽，燃燒時減少過量空氣以及所謂的低NOx燃燒器設(shè)計。這些方法給使用者帶來的負(fù)擔(dān)是熱效率降低或NOx減少的很少。
本發(fā)明提供一種方法，在現(xiàn)有的空氣-燃料系統(tǒng)中應(yīng)用氧-燃料燃燒，以增高生產(chǎn)率并將NOx生成減至最少。所說的氧-燃料燃燒為空氣-燃料燃燒所遮蔽，并且將氧-燃料燃燒控制到在富燃料狀況進行燃燒。


圖1為典型燃燒過程中每百萬BTU產(chǎn)生的NO磅數(shù)與氧化劑中含氧百分率的關(guān)系。
圖2為用于本發(fā)明方法的裝置的縱向示意圖。
圖3為每百萬BTU產(chǎn)生的NO磅數(shù)與總?cè)紵^程中氧-燃料燃燒所占百分率的關(guān)系。
圖4為按圖3試驗結(jié)果每百萬BTU產(chǎn)生的NO磅數(shù)與氧化劑中氧濃度的關(guān)系。
圖5是每百萬BTU產(chǎn)生的NO磅數(shù)與氧化劑中氧濃度的關(guān)系，這是假定燃料與氧化劑完全混合和進行絕熱反應(yīng)，為三種氧-燃料比例所預(yù)見的結(jié)果。
如前所述，在燃燒中采用富氧的問題是使NOx發(fā)散量急劇增大。在多數(shù)工業(yè)燃燒過程中，NOx發(fā)散物超過90%是氧化氮即NO。圖1表示一個絕熱、按化學(xué)計量的甲烷火焰的預(yù)示NO平衡與氧-氮氧化劑如空氣中氧濃度的關(guān)系。NO的單位是每百萬BTU該燃料的總?cè)紵腘O磅數(shù)。圖1表明，在低度富氧時，NO急劇增多，此一趨勢已為常規(guī)空氣-燃料燃燒器的多次實驗所證實。即使對相同燃燒情況高度富氧比用空氣產(chǎn)生更少NOx，由于經(jīng)濟、工藝和材料的局限性常常使氧的高度富化成為不可行。
按本發(fā)明，借助于在現(xiàn)有空氣-燃料系統(tǒng)中改裝一個氧-燃料燃燒器，很容易使該過程提高生產(chǎn)率，同時使NOx生成減至最少。如圖2，雙燃料式空氣-燃料燃燒器10包括管狀的第一霧化空氣通道12，其有空氣入口14;燃料管16，其與第一空氣管12同心，有燃料入口18，16的前端被一同心管包圍，由它限定主燃燒空氣入管口20，并有燃燒空氣入口22。在燃燒器前端是安裝法蘭24，有燃燒器塊26，由陶瓷制成。主燃燒空氣通道30在板28處中止，并有多個空氣通道30，它們分布在與燃料通道32平行的軸上，32是以環(huán)形分布，圍繞霧化空氣通道34的環(huán)形中止板分布。氧-燃料燃燒器36以同心方式置于空氣通道12之內(nèi)。氧-燃料燃燒器36是同心管燃燒器，在外管38，內(nèi)管40，兩者同心設(shè)置。該內(nèi)管與外管隔開是靠多個輻狀放置的隔塊42并靠近燃燒器的前端44。該氧-燃料燃燒器是這樣配置，在一個方案中，燃料從接頭46送入并在內(nèi)管40之外流動，由燃燒器44的前端流出。通過氧化劑入口接頭48將氧引入并由氧化劑管40的中心流過去。氧化劑管40的終端位于燃燒器36出口端向內(nèi)的位置，于是可使氧-燃料混合物燃燒適當(dāng)。另一方式，氧和燃料的通道可以對調(diào)。同心式氧-燃料燃燒器為本領(lǐng)域熟知，其中之一是AirProductsandChemicals，Inc.(Allentown，Pennsylvania，美國)供應(yīng)的K-Tech燃燒器。
在操作時，將燃燒器10調(diào)整到使天然氣通過接頭18送過，一次燃燒空氣由接頭22送過，使之在氧-燃料燃燒器36前端的前方進行燃燒。該氧-燃料燃燒器是用于產(chǎn)生氧-燃料火焰或燃燒，是通過向接頭46送入氧，向接頭48送入燃料例如天然氣，從而在燃燒器36的前端44燃燒。為使NOx最少生成，該氧-燃料燃燒器是于富燃料條件操作。富燃料的含義是，當(dāng)在該氧-燃料燃燒器中氧對燃料的比率除以該氧-燃料燃燒器中按化學(xué)計量的氧對燃料的比率時，其相當(dāng)量比值為1.2至1.35，優(yōu)選約1.33。此外，進行操作時，氧-燃料火焰被空氣-燃料火焰所包住。在圖2的裝置中，借助于將氧-燃料燃燒器放在空氣-燃料燃燒器之內(nèi)，很容易達到上述要求，亦即使氧-燃料的燃燒在空氣-燃料燃燒的包圍下進行?？梢圆捎闷渌麡?gòu)形，將氧-燃料火焰與空氣-燃料火焰分開即可，但該兩個火焰在生成后合并到一起。
作為解釋，富燃料火焰使NOx產(chǎn)生量減少是人所共知的，因為火焰溫度降低，并且可得到的氧基團量減少。事實上，由于沒有足夠的氧將燃料氧化完全，永遠(yuǎn)不能達到最高火焰溫度。此外，從熱力學(xué)來講，氧優(yōu)先與碳和氫化合，然后才是與氮化合成氧化氮。然而，在富燃料條件下未燃燒烴發(fā)散量增多，這也是污染環(huán)境的，并且使燃燒的總效率下降。
應(yīng)用圖2的裝置實地試驗，在氧-燃料燃燒器中使用高純氧(例如99% O2)，使用含甲烷高于95%和氮0.32%(體積)的天然氣作為燃料。如圖3所示，X軸代表應(yīng)用附加氧-燃料燃燒占總?cè)紵康谋嚷?，例如，?0%氧-燃料情況下，總?cè)紵囊话胧茄?燃料，一半是空氣-燃料。氧-燃料的相當(dāng)量比在1.00-1.33之間變化，當(dāng)1.0時，表示對甲烷的化學(xué)計量比率。在圖3中，在不使用(0%)氧-燃料時，其空氣-燃料相當(dāng)量比率是變化不一的。這些曲線表明，當(dāng)氧-燃料火焰更為富燃料時，NO急劇減少;還表明在氧-燃料用量的中段有各自的峰值，但是這些試驗中未精確測定峰值。
圖4所示與圖3相似，不同之處是數(shù)據(jù)表示在氧化劑中氧的總濃度，于是該試驗可以評價好象氧與空氣事先已混合的情況。例如，若總的燃燒量平分給空氣-燃料和氧-燃料燃燒器，并且兩個燃燒器都是化學(xué)計量狀況，則相當(dāng)于氧與空氣事先混合成為氧濃度36.4%。此曲線的指示作用在于它可以方便地與圖5的理論NOx曲線作比較。圖5的曲線表示假設(shè)燃料和氧化劑理想混合時所預(yù)見的平衡。圖5表示當(dāng)富氧水平增大到近40%時，預(yù)見NOx會增多。然而，圖3的試驗數(shù)據(jù)表明當(dāng)富化從30%到40%，NOx減少。相信這是由于向空氣-燃料燃燒器中插入氧-燃料燃燒器而成為分開的火焰區(qū)。常規(guī)式氧-燃料燃燒器將產(chǎn)生高的火焰溫度。
該圖中的曲線是基于總的燃燒量，不包括用更多氧而提高效率的效果。以每百萬凈的BTU的NO磅數(shù)為基準(zhǔn)，這樣甚至可進一步有效地減少NOx。
所試驗的空氣-燃料燃燒器由于其混合特性不良而產(chǎn)生的NOx不正常地少。多數(shù)空氣-燃料燃燒器都是大于0.1磅NO/百萬BTU，表示本發(fā)明應(yīng)用于其他燃燒器會有更好效果。
借助于以富燃料方式操作氧-燃料燃燒器，其火焰溫度大輻降低。此外，氧-燃料燃燒器外面的環(huán)形空間的天然氣起到屏蔽的作用，使內(nèi)層的高純度氧延遲與空氣-燃料燃燒器中的氮接觸。由于該火焰是富燃料的，大部分氧已用于氧化烴燃料，然后才與空氣-燃料流混合。相信這幾個因素的綜合作用，即低的火焰溫度、在氧-燃料火焰溫度的還原條件、以及將內(nèi)層高純度氧遮蔽使之不與空氣-燃料火焰的氮接觸，都使得廢氣中NOx含量意想不到地減少。從這些實驗數(shù)據(jù)就可以預(yù)見，當(dāng)至少三分之二總?cè)紵渴怯裳?燃料燃燒器完成時，將達到最優(yōu)化條件。鑒于上述試驗數(shù)據(jù)和所得結(jié)論，優(yōu)選的操作條件是氧-燃料火焰為富燃料，而空氣-燃料火焰大約在化學(xué)計量化，而不要反轉(zhuǎn)過來。采用與本發(fā)明反轉(zhuǎn)的條件只能使空氣-燃料火焰溫度稍下降，但使氧-燃料火焰溫度大輻上升。由于火焰中熱法生成NOx是隨溫度呈指數(shù)關(guān)系增多，當(dāng)按與本發(fā)明相反的方式操作時，將產(chǎn)生火焰溫度高峰，將導(dǎo)致多于本發(fā)明的NOx。使兩個燃燒器都是富燃料操作雖然可以減少NOx，但使熱效率下降。由于已證明富氧可以提高熱效率，在本發(fā)明中亦即使氧-燃料火焰為富燃料將提高生產(chǎn)率，因為由于富燃料帶來的下降已被富氧所帶來的增高所抵消而有余。在多數(shù)工業(yè)爐中不致發(fā)生未燃燒烴的發(fā)散，由于空氣會滲入爐中并進入排廢氣系統(tǒng)，將離開火焰區(qū)的排出廢氣中一切余下的燃料都燒掉。
本發(fā)明可以在現(xiàn)有設(shè)備上以最低限費用進行改裝。本發(fā)明可提供生產(chǎn)率的增益，同時不會發(fā)生象一般的低度富氧時所帶來的NOx發(fā)散量增高。以前人們曾把氧-燃料燃燒器添加到空氣-燃料爐中來提高生產(chǎn)率，但是在本發(fā)明之前，還沒有把減少NOx發(fā)散量的問題考慮進去。
根據(jù)以上的說明，申請人提出以下的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種在空氣-燃料混合物燃燒時減少氮的氧化物產(chǎn)生量的方法，該方法包括(a)以這樣的方式燃燒一種氧-燃料混合物，即在燃燒時使用空氣-燃料混合物遮蔽該氧-燃料的燃燒過程，使之不接觸到氮；(b)在整個燃燒過程中，保持該氧-燃料混合物處于富燃料狀態(tài)。
2.權(quán)利要求1的方法，其中的操作過程是使該氧-燃料燃燒提供該燃燒過程總產(chǎn)熱量的50-90%。
3.權(quán)利要求1的方法，其中在所述氧-燃料燃燒中的化學(xué)計量條件保持在相當(dāng)量比率1.2-1.35。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述氧-燃料燃燒是以同心方式在所述空氣-燃料燃燒之內(nèi)進行。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述氧-燃料燃燒器中的燃料是選自甲烷、丙烷、燃料油、廢油、烴類燃料以及它們的混合物。
6.權(quán)利要求5的方法，其中氧對燃料的比率是1.5份氧對1份甲烷。
7.權(quán)利要求1的方法，其中空氣-燃料和氧-燃料燃燒兩者的燃料是選自甲烷、丙烷、燃料油、廢油、烴類燃料以及它們的混合物。
8.權(quán)利要求1的方法，其中空氣-燃料燃燒的燃料是油，氧-燃料燃燒的燃料是甲烷。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所述方法是通過在一個空氣-燃料燃燒器內(nèi)以同心方式插入一個氧-燃料燃燒器而進行的。
10.權(quán)利要求1的方法，其中所述方法是在該工藝設(shè)備中插入一個氧-燃料燃燒器而進行的，其方式是將氧-燃料燃燒產(chǎn)物噴射入該空氣-燃料燃燒物流中。
全文摘要
由氧-燃料燃燒與空氣-燃料燃燒聯(lián)合，以提高該燃燒過程的生產(chǎn)率，并降低燃燒產(chǎn)物中氮的氧化物含量，其辦法是使氧-燃料燃燒保持富燃料狀態(tài)，同時使空氣-燃料燃燒盡量接近化學(xué)計量條件。
文檔編號F23L7/00GK1075538SQ9310124
公開日1993年8月25日 申請日期1993年2月4日 優(yōu)先權(quán)日1992年2月4日
發(fā)明者E·R·巴扎里安, J·F·赫夫龍, 小·C·E·包卡爾 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司