專利名稱：減少氮氧化物和一氧化碳產(chǎn)生的分級(jí)燃燒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及分級(jí)燃燒，更具體地說(shuō)，涉及氧氣或富氧流體被用作氧化劑的分級(jí)燃燒。
氮氧化物(NOx)是燃燒時(shí)產(chǎn)生的嚴(yán)重的污染物，在進(jìn)行燃燒時(shí)必須減少它們的產(chǎn)生。大家知道通過(guò)使用工業(yè)純氧氣或富氧空氣作為氧化劑可在燃燒時(shí)減少NOx的產(chǎn)生，這是因?yàn)檫@樣降低了在等量氧氣基礎(chǔ)上供到燃燒反應(yīng)的氮?dú)饬?。然而，具較高氧氣濃度的氧化劑的使用比用空氣會(huì)使燃燒反應(yīng)在更高的溫度進(jìn)行，而較高的溫度動(dòng)力學(xué)上更適于NOx的形成。
分級(jí)燃燒已用于降低NOx的產(chǎn)生，特別是在氧化劑為氧氣濃度超過(guò)空氣的流體時(shí)更為常用。在分級(jí)燃燒中，燃料和氧化劑以亞化學(xué)計(jì)算的比率導(dǎo)入到燃燒區(qū)中燃燒。由于有過(guò)量的燃料可用于燃燒，因此基本沒(méi)有可與氮?dú)夥磻?yīng)形成NOx的氧化劑的氧分子。再將另外的氧氣提供到燃燒區(qū)以在下游的第二級(jí)中完成燃燒。因?yàn)榈诙?jí)氧氣在和未燃的燃料混合前被首先用爐氣稀釋，所以在第二級(jí)的燃燒不會(huì)產(chǎn)生非常高的溫度，因而限制了NOx的產(chǎn)生量。
盡管分級(jí)燃燒對(duì)限制燃燒時(shí)產(chǎn)生的NOx量是非常有效的，但由于在第一級(jí)中特別設(shè)定的亞化學(xué)計(jì)量的燃燒，分級(jí)燃燒的使用可導(dǎo)致一氧化碳(CD)的過(guò)量產(chǎn)生，在燃燒反應(yīng)反應(yīng)時(shí)間短的燃燒區(qū)更是如此。
該問(wèn)題為分級(jí)燃燒的使用者所認(rèn)識(shí)并一般提出通過(guò)降低分級(jí)的程度來(lái)解決，這樣就降低了分級(jí)燃燒的低NOx潛能?；蛘咴龈吡斯?yīng)加熱爐或燃燒區(qū)的總氧氣量從而使在燃燒區(qū)中總反應(yīng)物的化學(xué)計(jì)量比率超過(guò)103％。后一操作方式盡管有效，但昂貴而浪費(fèi)。
因此本發(fā)明的目的是提供既能保留常規(guī)分級(jí)燃燒操作的有益的低NOx產(chǎn)生量又能不用大量的過(guò)量氧化來(lái)降低CO的產(chǎn)生的進(jìn)行分級(jí)燃燒的方法。
本領(lǐng)域技術(shù)人員一旦閱讀了本公開(kāi)后就會(huì)明了的由本發(fā)明達(dá)到的上面和其它的目標(biāo)是減少氮氧化物和一氧化碳的發(fā)生的進(jìn)行分級(jí)燃燒的方法，包括(A)將燃料和主要氧化劑以亞化學(xué)計(jì)量比率從燃燒嘴注入燃燒區(qū)而形成具動(dòng)量M1的燃燒反應(yīng)流；(B)將燃燒反應(yīng)流內(nèi)的燃料和主氧化劑燃燒而產(chǎn)生熱和包括未燃燃料的燃燒反應(yīng)產(chǎn)物；(C)以某一質(zhì)量流量和速度將次氧化劑注入燃燒區(qū)而形成具動(dòng)量M2的一股或多股次氧化劑流而使M2/M1在0.09至0.70或在2至75范圍內(nèi)；和(D)將次氧化劑和未燃燃料在燃燒區(qū)內(nèi)燃燒。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“完全燃燒的產(chǎn)物”是指二氧化碳和水的一種或多種。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“不完全燃燒的產(chǎn)物”是指一氧化碳、氫氣、碳和部分未燃的烴的一種或多種。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“未燃燃料”是指沒(méi)有徑燃燒的燃料和/或不完全燃燒的產(chǎn)物。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“化學(xué)計(jì)量的”是指進(jìn)行燃燒的氧氣對(duì)燃料的比率。低于100％的化學(xué)計(jì)量比率是指存在的氧氣比將存在的燃料完全燃燒所需的量少，即富燃料條件。化學(xué)計(jì)量比率大于100％是指存在的氧氣多于將燃料完全燃燒的所需量，即過(guò)氧氣條件。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“氮氧化物”和“NOx”是指一氧化二氮(N2O)、一氧化一氮(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)的一種或多種。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“燃燒嘴”是指將燃料和氧化劑提供到燃燒區(qū)的裝置。燃燒嘴可以是整體部件或者可包含兩個(gè)或多個(gè)分開(kāi)的部分。
這里所用的術(shù)語(yǔ)燃燒嘴的“加熱速率”是指以每小時(shí)百萬(wàn)英制熱單位即MM Btu/hr為單位表示的燃燒嘴料流的反應(yīng)熱。一般在大多數(shù)本發(fā)明的工業(yè)應(yīng)用中，燃燒嘴加熱速率會(huì)在0.25MM Btu/hr至15MMBtu/hr的范圍內(nèi)。


圖1是本發(fā)明分級(jí)燃燒法的一實(shí)施方案的簡(jiǎn)化俯視圖。
圖2是本發(fā)明的試驗(yàn)結(jié)果和常規(guī)實(shí)踐的試驗(yàn)結(jié)果的圖示。
圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的試驗(yàn)結(jié)果以及對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果的圖示。
本發(fā)明將按附圖來(lái)詳細(xì)描述。現(xiàn)參照?qǐng)D1，其顯示了工業(yè)加熱爐1的俯視圖。任何通過(guò)一個(gè)或多個(gè)燃燒嘴加熱的工業(yè)加熱爐塊可在本發(fā)明的實(shí)踐中使用。這種加熱爐的例子包括鋼再熱爐、鋁熔爐和玻璃熔爐。
燃料2和主氧化劑3通過(guò)燃燒嘴4提供到燃燒區(qū)或加熱爐1中。燃料和主氧化劑可分開(kāi)注入加熱爐1中或在預(yù)混條件下一起注入加熱爐1中。燃料和主氧化劑可通過(guò)多個(gè)燃燒嘴供應(yīng)到加熱爐1中。任何合適的氧氣-燃料燃燒嘴均可用于本發(fā)明的實(shí)踐中。用于本發(fā)明實(shí)踐中的特別優(yōu)選的氧氣-燃料燃燒嘴是一并收入?yún)⒖嘉墨I(xiàn)中的Kobayashi等的美國(guó)專利5411395中公開(kāi)的燃料噴射燃燒嘴。
燃料可以是含可在加熱爐的燃燒區(qū)中燃燒的可燃性物質(zhì)的任何氣體或其它流體。在這類燃料中可包括天然氣、焦?fàn)t氣、丙烷、甲烷和油。
主氧化劑是氧氣濃度至少為30％(體積)、最好至少為90％(體積)的流體。主氧化劑可以是氧氣濃度99.5％或以上的工業(yè)純氧氣。
燃料和主氧化劑以一定的流量提供到加熱爐1中，該流量能使主氧化劑對(duì)燃料的化學(xué)計(jì)量比低于90％、最好是在5-50％的范圍內(nèi)。
燃料和主氧化劑以燃燒反應(yīng)流5在加熱爐1內(nèi)燃燒而產(chǎn)生熱和燃燒反應(yīng)產(chǎn)物。燃燒反應(yīng)產(chǎn)物可包括完全燃燒的產(chǎn)物，但由于所規(guī)定的亞化學(xué)計(jì)量的主氧化劑對(duì)燃料的比率，所以將也包括未燃燃料。燃料和主氧化劑的不完全燃燒能使這種燃燒在實(shí)際比正常情況低的溫度下進(jìn)行，從而降低了形成NOx的趨向。
次氧化劑6通過(guò)位于和將燃料和主氧化劑注入加熱爐之處隔開(kāi)的點(diǎn)上的噴槍7注入到加熱爐的燃燒區(qū)中以形成次氧化劑流8。盡管對(duì)每個(gè)燃燒反應(yīng)可用多個(gè)氧化劑流，但在本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)踐中，對(duì)每一單獨(dú)的燃燒反應(yīng)流5將使用一條次氧化劑流8。所述次氧化劑是氧氣濃度30％(摩爾)以上、最好是90％(摩爾)以上的流體。這種次氧化劑可以是工業(yè)純氧氣。盡管在本發(fā)明的實(shí)踐中可使用任何合適的氧氣噴槍來(lái)將吹氧化劑注入加熱爐中，但最好是使用在收入?yún)⒖嘉墨I(xiàn)中的美國(guó)專利5295816(Kobayashi等)中公開(kāi)的氣體注射噴槍來(lái)將吹氧化劑注入加熱爐中。次氧化劑以一定流量提供到燃燒區(qū)即加熱爐中，從而使加入主氧化劑時(shí)氧化劑和燃料的化學(xué)計(jì)量比在90％以上、最好是在95％至11％的范圍內(nèi)。當(dāng)主氧化劑和次氧化劑對(duì)燃料的化學(xué)計(jì)量比低于100％時(shí)，要使加熱爐內(nèi)的燃料達(dá)到完全燃燒所需的其余氧氣通過(guò)透入的空氣提供。
燃料和主氧化劑被注入加熱爐1中形成擁有具動(dòng)量M1的流量和速度的燃燒反應(yīng)流5，次氧化劑被注入到加熱爐1中形成一股或多股具總動(dòng)量M2的次氧化劑流8，結(jié)果使M2/M1的比值在大于2至75或0.09至0.70的范圍內(nèi)。最好是M2/M1在大于2至35或0.28至0.70的范圍內(nèi)。一般來(lái)說(shuō)，在大多數(shù)本發(fā)明的工業(yè)應(yīng)用中，M1是在0.5ft1bm/sec2至0.9ft 1bm/sec2的范圍內(nèi)，M2是在1ft 1bm/sec2至525ft1bm/sec2的范圍內(nèi)。
通過(guò)一部分燃燒區(qū)后，燃燒反應(yīng)流5和次氧化劑流8諸如在區(qū)9中混合一起，次氧化劑和燃燒反應(yīng)流的未燃燒料燃燒，用于完成燃料的燃燒和將附加熱提供給加熱爐。
圖2說(shuō)明了常規(guī)的分級(jí)燃燒實(shí)踐中(產(chǎn)生一氧化碳)獲得的結(jié)果以及本發(fā)明的試驗(yàn)結(jié)果。在其結(jié)果報(bào)告于圖2中的每一個(gè)實(shí)施例和對(duì)比例中，使用了一股燃燒反應(yīng)流和一股次氧化劑流。在每個(gè)這些實(shí)施例和對(duì)比例中，所用的燃料均為甲烷，主氧化劑和次氧化劑均是含100％(摩爾)氧氣的流體，主氧化劑對(duì)燃料的化學(xué)計(jì)量比均是25％。次氧化劑提供的流量控制在使主氧化劑和次氧化劑總和對(duì)燃料的化學(xué)計(jì)量比達(dá)到103％的水平。所用的燃燒嘴是在美國(guó)專利5411395中所公開(kāi)的那種，所用的噴槍是在美國(guó)專利5295816中公開(kāi)的那種。從圖2報(bào)告的結(jié)果可以看出，使用本發(fā)明的動(dòng)量比的CO產(chǎn)生量明顯低于主噴射流的動(dòng)量和吹噴射流的動(dòng)量相當(dāng)即動(dòng)量比為約1.0常規(guī)分級(jí)燃燒實(shí)踐中的CO產(chǎn)生量。
盡管并不希望有任何理論支持，但目信本發(fā)明的有益的低CO產(chǎn)出是由于源于本發(fā)明的規(guī)定動(dòng)量比的一噴射流超過(guò)另一噴射流的主導(dǎo)性。當(dāng)噴射流之一成主導(dǎo)時(shí)，它夾帶了另一噴射流而形成擴(kuò)大的燃燒反應(yīng)流。例如，在M2/M1等于或大于2時(shí)，次氧化劑噴射流主導(dǎo)和夾帶了主噴射流，在M2/M1等于或小于0.7時(shí)，主噴射流主導(dǎo)和夾帶了次噴射流。盡管主噴射流最初的高度分級(jí)或極度亞化學(xué)計(jì)量的條件，但以這種方式足夠氧氣被帶到燃料附近而使大多數(shù)CO完全燃燒成CO2。在常規(guī)方法中，噴射流的動(dòng)量比約為一，主噴射流和吹噴射流均不成為主導(dǎo)，從而一使些CO仍維持不完全燃燒狀態(tài)。盡管常規(guī)方法在每一步只是稍稍亞化學(xué)計(jì)量的常規(guī)分級(jí)燃燒實(shí)踐中是可接受的，但它在高分級(jí)的實(shí)踐中導(dǎo)致不可接受的高的CO產(chǎn)出，當(dāng)?shù)谝患?jí)在5-50％的亞化學(xué)計(jì)量比下進(jìn)行時(shí)更是如此。
克服CO產(chǎn)出問(wèn)題的另一常規(guī)方法是圍繞主富燃料火焰使用多個(gè)次氧氣噴射流。一般來(lái)說(shuō)三至八個(gè)次氧化劑噴射流以繞著主焰的環(huán)狀等距離安置。來(lái)自主焰的不完全燃燒產(chǎn)物和附加氧氣的良好混合被獲得，結(jié)果達(dá)到了低的CO產(chǎn)出。然而，試驗(yàn)結(jié)果表明隨著次氧氣噴射流數(shù)目的增加，NOx產(chǎn)出趨于增加。此外，帶多個(gè)氧氣噴射嘴的燃料嘴的機(jī)械設(shè)計(jì)變得更復(fù)雜和昂貴。
在NOx產(chǎn)出維持在非常低水平、同時(shí)不損害有利的低CO產(chǎn)出的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，量(M1+M2)/F的值在14至54ft 1bm/(sec2MM Btu/hr)的范圍內(nèi)，式中F是燃料和主氧化劑被提供至加熱爐的燃燒嘴的加熱速度?，F(xiàn)已出乎意料地發(fā)現(xiàn)盡管動(dòng)量比M2/M1的不同對(duì)CO的產(chǎn)出有顯著的影響，但對(duì)NOx的產(chǎn)生則基本沒(méi)有或完全沒(méi)有影響。但是在燃燒嘴動(dòng)量通量即(M1+M2)/F的差異顯著地影響NOx的產(chǎn)生。但被說(shuō)明在表示相對(duì)各種燃燒嘴動(dòng)量通量值測(cè)得的NOx產(chǎn)出結(jié)果的圖3中，其測(cè)定步驟類似于關(guān)于報(bào)告于圖2的測(cè)定的所述步驟。
正象從圖3報(bào)告的結(jié)果可看出的，當(dāng)燃燒嘴動(dòng)量通量降到14ft1bm/(sec2MM Btu/hr)以下時(shí)，NOx發(fā)生的水平顯著增加。相信當(dāng)動(dòng)量通量降到約14ft 1bm/(sec2MM Btu/hr)以下，在爐氣相互反應(yīng)前其被夾帶到主噴射流和次噴射流的量降低到使燃燒反應(yīng)在提高形成NOx的趨向的較高溫度下發(fā)生的水平。
現(xiàn)在人們可通過(guò)應(yīng)用本發(fā)明方法進(jìn)行分級(jí)燃燒，不僅達(dá)到已知的低NOx產(chǎn)出的優(yōu)點(diǎn)，而且可在不損失低NOx效果下達(dá)到有利地低CO產(chǎn)出。
盡管已根據(jù)特定的優(yōu)選實(shí)施方案詳細(xì)描述了本發(fā)明的情況，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到在權(quán)利要求書(shū)的精神和范圍內(nèi)存在本發(fā)明的其它實(shí)施方案。
權(quán)利要求
1.減少氮氧化物和一氧化碳的發(fā)生的進(jìn)行分級(jí)燃燒的方法，包括(A)將燃料和主氧化劑以亞化學(xué)計(jì)量比從燃燒嘴注入燃燒區(qū)而形成具動(dòng)量M1的燃燒反應(yīng)流；(B)將燃燒反應(yīng)流內(nèi)的燃料和主氧化劑燃燒而產(chǎn)生熱和包括未燃燃料的燃燒反應(yīng)產(chǎn)物；(C)以某一質(zhì)量流量和速度將次氧化劑注入燃燒區(qū)而形成具動(dòng)量M2的一股或多股次氧化劑流而使M2/M1在0.09至0.70或2至75的范圍內(nèi)；和(D)將次氧化劑和未燃燃料在燃燒區(qū)內(nèi)燃燒。
2.權(quán)利要求1的方法，其中M2/M1是在2至35或0.28至0.70的范圍內(nèi)。
3.權(quán)利要求1的方法，其中燃燒嘴的加熱速度為F，并且動(dòng)量通量(M1+M2)/F在14至54ft1bm/(sec2MM Btu/hr)的范圍內(nèi)。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所用的吹氧化劑流少于二股。
5.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(A)的亞化學(xué)計(jì)量比在5-50％的范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及減少了一氧化碳發(fā)生和氮氧化物發(fā)生的分級(jí)燃燒方法，其中主級(jí)流體和次級(jí)流體分別以一定的動(dòng)量比供入燃燒區(qū)中。
文檔編號(hào)F23C6/00GK1158954SQ9610882
公開(kāi)日1997年9月10日 申請(qǐng)日期1996年6月12日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月13日
發(fā)明者R·P·錢(qián)伯蘭 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司