專利名稱：通過(guò)單獨(dú)噴射燃料和氧化劑實(shí)現(xiàn)的燃燒方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過(guò)單獨(dú)噴射至少一種燃料和至少一種氧化劑實(shí)現(xiàn)的燃燒方法，以及這種方法通過(guò)單獨(dú)噴射所述的燃料和氧化劑在控制和/或調(diào)節(jié)火焰位置方面的用途。
該燃燒過(guò)程是在燃燒爐中進(jìn)行的，燃燒爐包括一個(gè)用來(lái)放置有待加熱的填料的底板，和一個(gè)位于填料上方的頂板，第一流體和第二流體是單獨(dú)地噴射到燃燒爐中的，這些流體之間可進(jìn)行燃燒，這些流體的噴射是在填料表面和頂板之間進(jìn)行的，第一流體可以是一種可燃燒流體或一種氧化劑流體，而第二流體可以是一種氧化劑流體或一種可燃燒流體。
先有技術(shù)中的許多文獻(xiàn)，如專利US 4,863,371,US 4,946,382,US 4,988,285和US 5,076,779都公開(kāi)了使用一種氧化劑如氧氣或富氧空氣的燃料燃燒方法，其中所生成的氮氧化物(NOx)的數(shù)量被降低。
其它公開(kāi)文獻(xiàn)，如專利US 4,541,796,US 5,302,112,US 5,643,348公開(kāi)了具有不同幾何結(jié)構(gòu)的燃燒室，特別是與燃料和氧化劑單獨(dú)噴射相對(duì)應(yīng)的燃燒室，這些燃燒室之間的區(qū)別主要在于噴射數(shù)目或噴嘴數(shù)目、噴嘴之間的距離及它們的相對(duì)位置等。
然而，這些不同的方法以及這些不同的燃燒室在燃燒爐中的使用(其中填料必須由來(lái)自這些燃燒室的能源加熱或熔化)都具有這樣一個(gè)缺陷，當(dāng)燃燒室被裝配妥當(dāng)或者當(dāng)需要實(shí)施所述方法時(shí)，特別是當(dāng)燃料噴射到氧化劑上方時(shí)，單獨(dú)噴射燃料或氧化劑會(huì)導(dǎo)致燃料升向頂板，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒即熱焰靠近頂板。這種操作會(huì)損壞爐子的頂板，因而是很危險(xiǎn)的。
現(xiàn)在，當(dāng)采用單獨(dú)噴射燃料和氧化劑時(shí)，因而出現(xiàn)一個(gè)有關(guān)如何控制噴射以避免燃料/氧化劑混合物，優(yōu)選至少是避免燃油升向頂板的問(wèn)題。這種控制的目的是大體上保持氣體在噴射到燃燒爐中時(shí)的高度范圍，防止氧化劑和/或燃料向頂板的方向明顯升高?！懊黠@升高”的意思應(yīng)理解為一種升高，它可使溫度過(guò)高的氣體和/或壓縮(或過(guò)度壓縮)的氣體進(jìn)入頂板區(qū)域。這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致頂板中的耐火材料被損壞。
為解決所提出的問(wèn)題，首先立刻想到的假說(shuō)是假定重力對(duì)火焰位置有影響，特別是天然氣它是燃燒爐中最輕的氣態(tài)化合物，當(dāng)采用天然氣燃料時(shí)，它有向燃燒爐頂板升高的趨勢(shì)，進(jìn)而可能引起所遇到的問(wèn)題。
本申請(qǐng)人所做的實(shí)驗(yàn)表明，在噴射方向大體保持水平的情況下，即大體平行于有待熔化填料表面的情況下，重力對(duì)火焰特性沒(méi)有明顯影響。
經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的研究后，本申請(qǐng)人搞清了氧化劑噴射流和燃料噴射流的各自流速對(duì)于火焰(朝向頂板)向上取向和火焰(朝向填料)向下取向的重要性。
本發(fā)明是基于對(duì)于最低流體沖力與最高流體沖力之比的重要性的證實(shí)，即位于對(duì)應(yīng)于最低流體噴射流的水平面上，噴射點(diǎn)最靠近有待加熱填料表面的流體的動(dòng)量流速(Qm·V)對(duì)噴射點(diǎn)最靠近頂板表面的流體的動(dòng)量流速(Qm·V)之比的重要性。術(shù)語(yǔ)“動(dòng)量流速”應(yīng)理解為質(zhì)量流速乘以速度。術(shù)語(yǔ)“動(dòng)量流速”和“沖力”可以交替使用代表同一量Qm·V。
本發(fā)明方法的特征在于第一流體在第一水平面噴射入燃燒爐，第二流體在第二水平面噴射入燃燒爐，相對(duì)于有待加熱的填料第一水平面位于第二水平面之下，在第二水平面噴射流體的沖力小于或等于在第一水平面噴射流體的沖力的約3倍。
優(yōu)選地，本發(fā)明的燃燒方法的特征在于在第二水平面噴射流體的沖力小于或等于在第一水平面噴射流體的沖力的約1.5倍。
當(dāng)?shù)撞繃娚渥彀ê芏鄧娮鞎r(shí)，沖力對(duì)應(yīng)于每個(gè)噴嘴沖力的總和。
同樣，當(dāng)頂部噴射嘴包括多個(gè)噴嘴時(shí)，沖力對(duì)應(yīng)于每個(gè)噴嘴沖力的總和。
在多于兩個(gè)噴射嘴的情況下，特別是底部噴嘴噴射第一流體，中部噴嘴噴射第二流體，頂部噴嘴噴射第一流體時(shí)，如果中部噴射流的沖力小于頂部和底部噴射流的沖力較高者的約3倍，頂部噴射流的沖力應(yīng)保持為小于底部噴射流沖力的3倍(超出這一比率，則是中部噴射流控制火焰位置)。
不希望束縛于任何理論，發(fā)明人相信可以用以下方式解釋本發(fā)明當(dāng)單獨(dú)的噴射流噴射入一限定的閉合空間時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)氣流循環(huán)，一個(gè)低于噴射點(diǎn)，另一個(gè)高于噴射點(diǎn)。所產(chǎn)生的氣流一方面位于填料表面和噴射點(diǎn)之間，另一方面位于燃燒爐頂板表面和噴射點(diǎn)之間。如果噴射流靠近這兩個(gè)表面中的一個(gè)，氣流循環(huán)強(qiáng)度將會(huì)不同，噴射流將偏離最初方向例如，如果相對(duì)于填料表面和頂板，噴射點(diǎn)位于側(cè)壁中部以下位置，即更靠近填料表面而非頂板表面，則在朝向底板一側(cè)的氣流循環(huán)將明顯強(qiáng)于朝向頂板一側(cè)的氣流。這將導(dǎo)致一般地在更高強(qiáng)度的循環(huán)的方向上，更多的氣流沖向底板而非頂板。在兩個(gè)噴射流很接近、一個(gè)大體上位于另一個(gè)的上方的情況下，在最近的爐壁附近，每個(gè)噴射流所產(chǎn)生的氣流強(qiáng)度主要取決于噴射流速度，其次取決于與側(cè)壁的相對(duì)位置。根據(jù)這些氣流的各自強(qiáng)度，氣流可能偏向爐壁的一側(cè)或另一側(cè)(頂板或地板)。
借助于和圖表一起使用的下列說(shuō)明性的實(shí)施方案可以更好地理解本發(fā)明，這些圖表表明-

圖1為相對(duì)于燃燒室水平面的最高溫度位置(以米表示)與氧氣或一般氧化劑氣體噴射速度(以每秒米表示)之間的函數(shù)關(guān)系曲線。(“燃燒室水平面”是與頂部和底部噴射器等距的水平面)-圖2為頂部和底部噴射流的沖力與火焰最高溫度位置之間的函數(shù)關(guān)系曲線。
實(shí)施例1在長(zhǎng)5米高1.5米的燃燒爐中放置底部噴嘴和頂部噴嘴，底部噴嘴噴射第一流體，頂部噴嘴噴射第二流體，兩噴嘴位于同一垂直平面，軸距1為025米。有待加熱的器皿表面(如玻璃皿)與兩噴嘴軸線等距點(diǎn)之間的距離是0.5米。
第一流體氧氣以15米/秒的速度噴射入頂部噴嘴，同時(shí)，第二流體天然氣以60米/秒的速度噴射入底部噴嘴。
氧氣的噴射速度，在大約13至70米每秒的范圍內(nèi)變化，然后測(cè)量由這兩個(gè)噴嘴所產(chǎn)生的火焰位置，并記錄對(duì)應(yīng)于燃燒室軸線的最高溫度位置。在圖1中給出了結(jié)果，它清楚地表明如果氧氣或更一般地講是氧化劑，即頂部流體的速度增加，那么相對(duì)于燃燒室0水平面的最高溫度點(diǎn)將逐漸升高。如在此情況下，對(duì)于氧氣速度為70米每秒，最高溫度點(diǎn)位于燃燒室水平面之上大約0.70米，即器皿水平面之上大約1.20米。
然后，通過(guò)改變噴射入底部噴嘴和頂部噴嘴的氣體動(dòng)量，特別是通過(guò)在保持相同的質(zhì)量流速的條件下改變他們各自的速度，如前所述測(cè)量相對(duì)于燃燒室軸線的最高火焰溫度的位置，所得結(jié)果在圖2中給出，從中可以看出，當(dāng)動(dòng)量比率小于大約0.3時(shí)，火焰位置位于燃燒室軸線之上大于0.5米的范圍，即有待加熱的材料(如玻璃)器皿水平面之上大約1米；通常，在燃燒爐連續(xù)操作過(guò)程中，如果需要，這就是最高溫度位置的最大數(shù)值，以免頂部被破壞。優(yōu)選地，可以改變動(dòng)量比，以使火焰最高溫度位置優(yōu)選地靠近燃燒室軸線(無(wú)論是在后者之上或之下)。業(yè)已發(fā)現(xiàn)優(yōu)選的動(dòng)量比應(yīng)該大于0.3，更優(yōu)選大于約0.6。實(shí)施例2
用不同的燃料，如丙烷、丁烷、液化石油氣(LPG)和燃料油(輕油和重油)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)得到與上述曲線中描述的大體上相同的結(jié)果。也就是，將最高火焰溫度位置定位在合適位置所產(chǎn)生的效果，不取決于所使用的流體，無(wú)論使用的是燃料或氧化劑，而是如以上所解釋的，僅取決于動(dòng)量比。
同樣發(fā)現(xiàn)，噴射非純凈的氧氣，也就是含有至少20％氧氣，優(yōu)選高于35％氧氣，特別優(yōu)選高于88％體積氧氣的氧化劑，并不能改善所得到的結(jié)果，無(wú)論在此氧氣中存在的另外氣體是什么。
權(quán)利要求
1．一種在燃燒爐中進(jìn)行的燃燒方法，其中燃燒爐包括底板，底板上放置有待加熱的填料，和位于填料上方的頂板，第一流體和第二流體分別噴射到燃燒爐中，這些流體之間可以進(jìn)行燃燒，這些流體的噴射是在填料表面和頂板之間完成的，第一流體可以是可燃燒流體或氧化劑流體，而第二流體可以是氧化劑流體或可燃燒流體，其特征在于第一流體在第一水平面噴射入燃燒爐，第二流體在第二水平面噴射入燃燒爐，相對(duì)于有待加熱的填料第一水平面位于第二水平面之下，在第二水平面噴射流體的沖力小于或等于在第一水平面噴射流體的沖力的大約3倍。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒方法，其特征在于在第二水平面噴射流體的沖力小于或等于在第一水平面噴射流體的沖力的約1.5倍。
3．根據(jù)權(quán)利要求1和2中任一項(xiàng)的燃燒方法，其特征在于第一流體是純凈的或工業(yè)純凈的氧氣氧氣含量為大于約88％體積。
4．根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述的燃燒方法，其特征在于第二流體是選自天然氣、丁烷、丙烷、液化石油氣和/或燃油。
5．權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的方法在燃燒爐中控制和/或調(diào)節(jié)單獨(dú)噴射氧化劑和燃料所產(chǎn)生的火焰的位置方面的用途。
全文摘要
在燃燒爐中進(jìn)行的燃燒方法,燃燒爐由放置需加熱的填料的底板,和位于填料上方的頂板組成。在該方法中,可燃燒流體和氧化劑流體單獨(dú)噴射到填料表面和頂板之間。其特征在于氧化劑和燃料在兩個(gè)不同的水平面噴射,可燃燒流體和氧化劑流體的沖力比(m
文檔編號(hào)F27B3/20GK1234484SQ99107310
公開(kāi)日1999年11月10日 申請(qǐng)日期1999年4月1日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月2日
發(fā)明者T·杜伯迪恩, B·拉比高賴 申請(qǐng)人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司