專利名稱：燃料和廢流體燃燒系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及可燃流體的燃燒，更具體地說，本發(fā)明涉及廢流體的燃燒。
背景技術(shù)：
目前存在多種用于燃燒燃料和廢料的裝置。所述裝置包括燃燒系統(tǒng)，諸如鍋爐和廢物-能量轉(zhuǎn)化設(shè)備，所述燃燒系統(tǒng)利用燃燒所產(chǎn)生的熱能產(chǎn)生過程熱、蒸汽或動力。其他常用的燃燒設(shè)備包括其主要目的在于毀滅廢物的裝置，諸如回轉(zhuǎn)爐、多爐爐膛焚化爐以及流化床焚燒爐。這些裝置用于燃燒多種材料，并且它們通常能夠處理低熱值的廢料、廢液、或在物理上難于處理的廢料諸如淤泥。然而，實現(xiàn)這種能力需要高成本；這些裝置在機械方面是復(fù)雜的、耗費資金的、維修密集的，并且當燃燒包含低熱值的廢料時它們通常也是耗費燃料的。如果具有足夠高的熱值的話，廢液，諸如廢油通常用作工業(yè)用爐中的燃料。然而，由于用廢液流不會使傳統(tǒng)燃燒器產(chǎn)生穩(wěn)定焰，因此還存在多種不能用于該目的的廢液流。因此，即使這些廢物包含可觀的熱能，處置這些廢物也會變得更為昂貴。
根據(jù)定義來看，由于廢液包含那么多的水份，所以從來不將廢液用作燃料。處理費用可能很高，特別是如果當必須焚化時。目前，僅將它們噴射到爐中，在所述爐中燃燒其他的燃料以提供熱能從而蒸發(fā)水份。由于淤泥具有不良的物理處理特性，因此處理淤泥通常是成問題的。它們可具有高或低熱值，但是由于它們的厚度和凝塊的趨向，通常難于使它們?nèi)紵?。例如，來自于廢水處理系統(tǒng)的淤泥幾乎專門在多爐膛焚化爐或流化床焚燒爐中燃燒，這主要是由于這些爐可在不堵塞的情況下處理粘著材料。
目前工業(yè)實踐將避免用這些劣質(zhì)廢料作為燃料。通常只在專用爐中焚化這些廢物，所述專用爐諸如回轉(zhuǎn)爐、多爐膛焚化爐以及流化床焚燒爐，這些裝置在機械方面是復(fù)雜的、耗費資金的、維修密集的，并且當燃燒包含低熱值的廢料時它們通常也是耗費燃料的。
回轉(zhuǎn)爐焚化裝置具有在機械方面復(fù)雜并且操作和維修較為昂貴的趨勢。將多爐膛焚化爐專門設(shè)計得用以處理來自于廢水處理過程的淤泥。它們依賴機械臂分解淤泥，使其穿過爐，并將其暴露于火焰之下。這些焚化裝置在機械方面甚至比回轉(zhuǎn)爐更為復(fù)雜，相應(yīng)地提高了資本費用、操作費用和維修費用。取決于淤泥的水分含量，這些焚化裝置可能需要大量的輔助燃料。由于其專用設(shè)計，這些爐在廢料處理中處理變化的能力是較弱的，所述變化包括淤泥的水分含量、揮發(fā)性有機物含量以及物理濃度方面的變化。例如，當供給的含有油脂的浮渣的量大于所供給的總淤泥量的幾個百分比時這些爐在處理方面具有困難。從廢水撇渣作業(yè)中所獲得的浮渣會導(dǎo)致冒煙、高有機物排放、局部過熱、以及常見的不良操作性。從另一個極端來說，比常態(tài)濕的淤泥可導(dǎo)致廢物處理量的大幅度削減、高的燃料需求以及難于實現(xiàn)有機物的完全破壞。
流化床焚燒爐利用惰性料床，來自于下面的空氣使得所述惰性料床流化。由于流化床的紊流和熱慣性提供了使得含水廢物迅速干燥的能力，因此這種設(shè)計適用于焚化濕材料。然而，這種設(shè)計在機械方面是復(fù)雜的并且需要較大量的高壓流化空氣。必須保持精密的控制以實現(xiàn)有效的焚化。必須謹慎地使得流化空氣的量和床的質(zhì)量保持平衡，因為過多的空氣會導(dǎo)致顆粒的磨損，而過少的空氣會導(dǎo)致流化損耗和床中的局部冷點。還必須通過控制廢物進給速度和輔助燃料進給速度而謹慎地平衡床溫。如果溫度變得過低，有機物揮發(fā)就成了問題，并且如果溫度變得過高，熔融灰可使得所述床凝聚并且流化損耗。一些類型的淤泥凝聚成大塊也是個問題。
處理難于燃燒的廢料和燃料的一種方法是通過使用脈沖燃燒系統(tǒng)。當燃燒室?guī)缀涡螤詈腿紵业牟僮鳁l件如下時，即，燃燒過程中所產(chǎn)生的聲波、或壓力波與能量釋放同相時，就形成了穩(wěn)定的高頻振蕩流。該振蕩流可明顯增強反應(yīng)系統(tǒng)中的熱傳遞和反應(yīng)動力。當脈沖燃燒器與霧化裝置相連時，壓力波用于使得流體霧化，同時熱燃燒產(chǎn)物干燥微滴。盡管能夠處理許多類型的材料，但是也必須非常謹慎地設(shè)計和操作這些系統(tǒng)以維持聲波與能量釋放之間的正確的相位關(guān)系。
雖然比許多廢流體更易于處理，但是燃燒流體(諸如重油、水煤漿、瀝青基燃料(orimulsion)、夾帶的固體燃料以及傳統(tǒng)燃料)的其他困難也可受益于本發(fā)明的改進的燃燒系統(tǒng)。
因此，本發(fā)明的一個目的是，提供一種用于燃燒廢流體和其他難于燃燒流體的改進系統(tǒng)。
發(fā)明概述本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在閱讀該發(fā)明所披露內(nèi)容的基礎(chǔ)上將明白通過本發(fā)明所獲得的上述和其他目的，本發(fā)明的一個方面在于一種用于燃燒難于燃燒流體的方法包括(A)使得燃料與氣態(tài)氧化劑相接觸并使得燃料與一部分氣態(tài)氧化劑燃燒以產(chǎn)生包含氣態(tài)氧化劑的熱燃燒氣體混合物；(B)使得熱燃燒氣體混合物穿過一個噴嘴以形成具有穩(wěn)流的高速燃燒氣體混合物；(C)使得高速穩(wěn)流的燃燒氣體混合物與難于燃燒流體流相接觸，并且通過與高速穩(wěn)流的燃燒氣體混合物相接觸使得至少一些所述流體流霧化；以及(D)通過與高速穩(wěn)流的燃燒氣體混合物的氣態(tài)氧化劑反應(yīng)而燃燒霧化流體。
本發(fā)明的另一個方面在于用于燃燒難于燃燒流體的設(shè)備包括(A)熱燃燒氣體腔室、用于將非脈沖燃料流提供到熱燃燒氣體腔室中的裝置、以及用于將非脈沖氣態(tài)氧化劑流提供到熱燃燒氣體腔室中的裝置；(B)霧化腔室和用于將難于燃燒的流體提供到霧化腔室中的裝置；(C)用于從熱燃燒氣體腔室中接收流體穩(wěn)流以及用于將流體穩(wěn)流噴射到霧化腔室中的噴嘴；以及(D)與霧化腔室流體連通的燃燒區(qū)。
文中所使用的詞語“霧化”是指形成許多微滴或顆粒。
文中所使用的詞語“噴嘴”是指具有用于接收流體的輸入口和用于噴射流體的輸出口的裝置，從而使得流體以高于其進入裝置的速度離開裝置。
文中所使用的詞語“廢流體”是指通常包含有機物的流體，或者是固態(tài)(淤泥)或是液態(tài)的、本身不能再利用并且必須處理掉的殘渣或副產(chǎn)品。
文中所使用的詞語“難于燃燒的流體”是指廢流體、傳統(tǒng)燃料、重油、水煤漿、瀝青基燃料和夾帶的可燃固體中的一種或多種。
文中所使用的詞語“穩(wěn)流”是指非振蕩或非脈沖流，也就是，其中整體流動在沒有快速中止或方向逆轉(zhuǎn)的情況下連續(xù)移動的流體流。
附圖的簡要說明

圖1是本發(fā)明流體燃燒系統(tǒng)的一個優(yōu)選實施例的簡圖。
圖2是通過使用加熱氧所能獲得的可使得低熱值流體燃燒的火焰溫度的圖表。
詳細描述下面將參照附圖詳細地描述本發(fā)明?，F(xiàn)在參照圖1，燃料1被提供到燃料管2中，所述燃料管2被布置得用于將燃料以非脈沖流的方式輸送到熱燃燒氣腔室3中。所述燃料可為任何適合的流體燃料諸如甲烷、丙烷、天然氣、燃油、煤油等等。
氣態(tài)氧化劑4被提供到氣態(tài)氧化劑管5中，所述氣態(tài)氧化劑管5被布置成用于將氣態(tài)氧化劑以非脈沖流的方式輸送到熱燃燒氣腔室3中。氣態(tài)氧化劑可為空氣、富氧空氣或具有至少99.5摩爾百分數(shù)的氧濃度的商用氧。提供到燃燒腔室中的流體沒有一種是使用氣動閥或機械閥(諸如脈沖燃燒系統(tǒng)中所使用的以形成脈動流的閥)提供的。在本發(fā)明的實踐中，流入到燃燒腔室中的流體流從外部被控制。氣態(tài)氧化劑最好具有至少21摩爾百分數(shù)的氧濃度，更好的是具有至少75摩爾百分數(shù)的氧濃度。
在熱燃燒氣腔室3中，燃料和氣態(tài)氧化劑相混合并且以燃燒反應(yīng)的方式反應(yīng)，其中氣態(tài)氧化劑中的一些(但非全部)氧與燃料燃燒。燃料和氣態(tài)氧化劑在熱燃燒氣腔室3中的反應(yīng)產(chǎn)生了熱燃燒氣混合物，所述熱燃燒氣混合物包括燃燒反應(yīng)產(chǎn)物，諸如二氧化碳和水蒸汽，以及殘余的未燃燒氣態(tài)氧化劑。由于熱燃燒氣腔室3中的有限體積中的燃燒反應(yīng)，致使腔室3中的熱燃燒氣混合物的溫度至少為300°F，并且通常在1000到3000°F的范圍內(nèi)。
熱燃燒氣混合物以穩(wěn)流的方式從熱燃燒氣腔室3中進入到噴嘴6的輸入口中。噴嘴6可為管端、收縮型噴嘴，諸如圖1中所示出的，或者噴嘴6可為收縮/擴張型噴嘴。當熱燃燒氣混合物穿過噴嘴6時，被加速到高速。噴嘴6與霧化腔室7相通。熱燃燒氣混合物在穩(wěn)流下從噴嘴6的輸出口中排出到霧化腔室7中作為高速熱燃燒氣混合物，所述高速熱燃燒氣混合物具有穩(wěn)流以及至少大于未加熱入口氣態(tài)氧化劑300英尺/秒(fps)的速度，并且所述高速熱燃燒氣混合物通常具有1000到3000fps范圍內(nèi)的速度。
難于燃燒的流體諸如廢流體8被提供到流體管9中，所述流體管9被布置成用于將廢流體輸送到霧化腔室7中。在圖中所示的本發(fā)明的實施例中，廢流體流沿與高速熱燃燒氣混合物流過霧化腔室7的流動大約成90度的方向被提供到霧化腔室7中。然而，應(yīng)該理解的是，流體流與高速熱燃燒氣混合物流在腔室7中的接觸可為任何有效角度，包括0度，即，基本對準霧化腔室7中的廢流體流和高速熱燃燒氣混合物流。
本發(fā)明與使用脈沖成振蕩霧化難于燃燒流體的傳統(tǒng)系統(tǒng)的不同之處在于，在高溫和高速下使用穩(wěn)流紊流氣以實現(xiàn)所述霧化。振蕩或脈沖流動系統(tǒng)使用壓力波將流體打碎為微滴。這些壓力脈沖產(chǎn)生1000到6000Hz頻率的強噪音，這些噪音人類聽起來特別敏感。相反，本發(fā)明產(chǎn)生低強度穩(wěn)定的(無主頻)、紊流噪音，所述噪音即使在給定的聲音強度下也很少令人不快。壓力脈波還在燃燒器和任何與之相連的設(shè)備中產(chǎn)生振動應(yīng)力，從而導(dǎo)致諸如材料的疲勞致?lián)p和應(yīng)力腐蝕裂紋等問題。這些振動應(yīng)力向下游部件或耐火爐襯的傳輸將明顯減少這些部件的使用壽命。由于沒有壓力脈沖或振蕩，因此本發(fā)明避免了所有這些問題。另外，振蕩流動為每個脈沖部分倒轉(zhuǎn)方向，這可能將霧化的微滴或顆?；匚街C振器管或或脈沖燃燒腔室中，可能導(dǎo)致這些部分中的聚集、腐蝕或侵蝕。如果微滴在該區(qū)域中點火，可能導(dǎo)致燃燒器的局部過熱。本發(fā)明具有單向性穩(wěn)流，這可防止燃料顆?；蛭⒌蜗蛏嫌我苿油ㄟ^噴嘴進入到氧氣燃燒腔室。最終，來自于脈沖燃燒腔室的霧化流體的成分和溫度不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致碳氫化合物、NOx、一氧化碳或煤煙的更高的噴射。
脈沖流動系統(tǒng)本身比本發(fā)明更復(fù)雜。脈沖燃燒器為需要相當多的專門技術(shù)設(shè)計和制造并且通常必須在窄范圍的流動和條件下操作的專用調(diào)諧裝置。該裝置的專用調(diào)諧要求必須頻繁維護以便于在最優(yōu)狀態(tài)下操作。本發(fā)明沒有移動部分并且除偶然清潔外無需調(diào)諧或維護。此外，如果使用氣動進氣閥的話，這些需要相當多的設(shè)計工作并且將適于較窄范圍的流速。如果使用機械進氣閥的話，就會有出現(xiàn)故障并需要維修的移動部分。該裝置的窄操作范圍限制了調(diào)節(jié)、并且限制了改變氣體特性(諸如溫度和成分)的靈活性，在硬件和流動方面沒有顯著改變。相反，本發(fā)明為沒有移動部分和從外部受控的燃料和氧化劑的非常簡單的設(shè)計，并且只需要偶然的清潔以便于最佳操作。此外，本發(fā)明使用簡單的紊流擴散燃燒器保持燃燒，所述紊流擴散燃燒器在廣范圍的流動和狀態(tài)下都是穩(wěn)定的。
在本發(fā)明的優(yōu)選實踐中，熱燃燒氣腔室3和霧化腔室7中的至少一個(最好兩個都)基本為圓柱形的，即，在其整個長度上具有基本相同的直徑。圓柱形狀有助于獲得本發(fā)明的重要的穩(wěn)流。
在可用在本發(fā)明實踐中的許多流體之中，一種可稱之為淤泥，諸如下水道污泥、低熱值流體、廢液、具有中等熱值的高粘性流體，諸如浮渣，以及懸浮固體的稀漿。
盡管本發(fā)明可用于燃燒具有任何熱值和可流動粘性的流體，但是本發(fā)明尤其適用于具有較低熱值的流體的燃燒，所述熱值諸如低于10,000BTU/1b，特別是在1000和6000BTU/1b之間，和/或具有較高粘性，諸如20厘泊或更高，盡管本發(fā)明也可用于處理具有較低粘性(諸如1厘泊)的流體。
在圖2中示出了使用加熱氧燃燒低熱值流體的效果。對于圖2中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)來說，與前述實施例相同，假定通過用天然氣燃燒來將環(huán)境溫度氧加熱到一定溫度。然后使用加熱氧燃燒其熱值為5000BTU/1b、3000BTU/1b或1500BTU/1b的流體。在該示例中，假定以這樣的方式供應(yīng)過剩氧，即，使得燃料空氣包含體積百分比約為1％的氧(凈含量)。如從圖2中可看出的，增加氧氣溫度以增強火焰溫度以及增強廢氣的霧化。因此，即使對于包含低至1500BTU/1b熱值的廢流體來說，也可達到1500°F的溫度。如果將氧氣加熱得超過3000°F，也可獲得更高的溫度。
在霧化腔室7中廢流體流與穩(wěn)流高速熱紊流燃燒氣混合物的接觸導(dǎo)致至少一些(最好大部分或基本全部的)廢流體流霧化。與廢流體流接觸的高速熱燃燒氣混合物提高了霧化效果。熱氣體的使用以幾種方式改進了霧化程序。以下的噴嘴等式可用于表示一些所述改進。
U=2γgcRT0M(γ-1)(1-PP0)1-1y]]>其中R＝氣體常數(shù)T0＝氣體溫度P＝出口壓力P0＝供應(yīng)壓力M＝氣體的分子量γ＝比熱率Cp/CvGc＝重力常數(shù)U＝氣體速度通過升高氣體的溫度，使用較低供應(yīng)壓力也可獲得相同的速度?；蛘?，在供應(yīng)壓力保持恒定的情況下，也可獲得通過噴嘴的更高氣體速度。
速度方面的這種增強增加了可從高速熱燃燒氣流傳遞到流體流的力，從而致使更多流體霧化并且還使得該霧化形成任何給定條件組的更小平均直徑的微滴。氣體的高溫還用于從高速熱燃燒氣流向流體傳遞熱量。這種熱量傳遞增強了干燥和/或流體可燃物的點燃。因此可看出的是，本發(fā)明的方法對于流體有效地提供了增強的機械能和增強的熱能，并且在能量方面的這種組合增強協(xié)同地轉(zhuǎn)化為流體的提高的霧化和點燃。
霧化流體與高速熱燃燒氣混合物一起從霧化腔室7中進入燃燒區(qū)18中，在所述燃燒區(qū)18中霧化的廢流體與高速熱燃燒氣混合物的氣態(tài)氧化劑燃燒。在圖1中所示的本發(fā)明實施例中，燃燒區(qū)18是以與霧化腔室7流體連通的獨立外殼方式示出的。然而應(yīng)該理解的是，霧化腔室和霧化腔室的燃燒區(qū)下游可為一個鄰接的外殼。
廢流體的高度霧化增強了燃燒區(qū)之內(nèi)的燃燒反應(yīng)效率。而且，增進廢流體霧化的高速穩(wěn)流熱燃燒氣混合物的高速還有助于廢流體與氣態(tài)氧化劑在燃燒區(qū)中的緊密均勻的混合，此外提高了燃燒。另外，熱燃燒氣混合物的高速增進了已在燃燒區(qū)中反應(yīng)了的材料的再循環(huán)，該再循環(huán)材料比到燃燒區(qū)中的進入材料更熱，從而用于穩(wěn)定火焰并進一步維持燃燒反應(yīng)。
燃燒區(qū)可為任何適合的裝置，諸如廢流體可在其中燃燒的爐、焚化裝置或燃燒器。如果期望的熱量傳遞流體，例如水可與燃燒反應(yīng)達到熱交換的關(guān)系以便于吸收和隨后有利地使用燃燒區(qū)18中所發(fā)生的燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量。燃燒反應(yīng)或產(chǎn)物可與氣體耗熱工藝直接接觸以使用燃燒熱量，諸如用于熔融、加熱、升汽或?qū)е掳l(fā)生反應(yīng)。如箭頭10所示的，從霧化廢流體的燃燒中所產(chǎn)生的氣體從燃燒區(qū)18中被抽出。
如果難于燃燒的流體包含足夠的熱值，那么只是局部地使得流體與高速、高溫氧化劑流燃燒尤為理想。通過供應(yīng)比化學計量的與氣體氧化劑燃燒所需的更多的可燃材料而執(zhí)行該局部燃燒。隨后局部燃燒的氣體被供以輔助氧化劑(通常為空氣形式的)。該局部燃燒可用于控制燃燒反應(yīng)器中的最高火焰溫度。通過用空氣來替換以減少燃燒所使用的氧化劑的購買量，該部分氧化還可提高該工藝的經(jīng)濟。
盡管已結(jié)合某個優(yōu)選實施例詳細地描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該明白的是，在權(quán)利要求書的精神和保護范圍內(nèi)還存在本發(fā)明的其他實施例。
權(quán)利要求
1.一種用于燃燒難于燃燒流體的一種方法，所述方法包括(A)使得燃料(1)與氣態(tài)氧化劑(4)相接觸并使得燃料(1)與一部分氣態(tài)氧化劑燃燒(4)以產(chǎn)生包含氣態(tài)氧化劑的熱燃燒氣體混合物；(B)使得熱燃燒氣體混合物穿過一噴嘴(6)以形成具有穩(wěn)流的高速燃燒氣體混合物；(C)使得高速穩(wěn)流的燃燒氣體混合物與難于燃燒流體流(8)相接觸，并且通過與高速穩(wěn)流的燃燒氣體混合物相接觸使得至少一些所述流體流霧化；以及(D)通過與高速穩(wěn)流的燃燒氣體混合物的氣態(tài)氧化劑反應(yīng)而燃燒霧化流體。
2.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，所述熱燃燒氣體混合物具有至少300°F的溫度。
3.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，與所述高速穩(wěn)流的燃燒氣體混合物相接觸的所述流體具有至少為1厘泊的粘性。
4.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，所述難于燃燒的流體為廢流體。
5.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，所述難于燃燒的流體包括傳統(tǒng)燃料。
6.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，所述難于燃燒的燃料只是部分地與高溫、高速的氣態(tài)氧化劑燃燒。
7.用于燃燒難于燃燒流體的設(shè)備，所述設(shè)備包括(A)熱燃燒氣體腔室(3)、用于將非脈沖燃料流(1)提供到熱燃燒氣體腔室(3)中的裝置(2)、以及用于將非脈沖氣態(tài)氧化劑流(4)提供到熱燃燒氣體腔室(3)中的裝置(5)；(B)霧化腔室(7)和用于將難于燃燒的流體(8)提供到霧化腔室(7)中的裝置(9)；(C)布置成用于從熱燃燒氣體腔室(3)中接收流體穩(wěn)流以及用于將流體穩(wěn)流噴射到霧化腔室(7)中的噴嘴(6)；以及(D)與霧化腔室流體連通的燃燒區(qū)(18)。
8.如權(quán)利要求7中所述的設(shè)備，其特征在于，所述噴嘴為收縮型噴嘴(6)。
9.如權(quán)利要求7中所述的設(shè)備，其特征在于，所述用于將流體提供到霧化腔室(7)中的裝置被定位成基本與噴嘴的方向垂直。
10.如權(quán)利要求7中所述的設(shè)備，其特征在于，熱燃燒氣體腔室(3)與霧化腔室(7)中的至少一個為圓柱形的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于燃燒難于燃燒流體的系統(tǒng)，所述難于燃燒的流體諸如廢流體(8)，其特征在于，燃料(1)與氣態(tài)氧化劑(4)在熱燃燒氣體腔室(3)中燃燒以產(chǎn)生熱燃燒氣體混合物，所述熱燃燒氣體混合物被加速到高速，并且在穩(wěn)流，即，非脈沖流下被用于霧化，然后燃燒流體。
文檔編號F23D11/10GK1505744SQ02808740
公開日2004年6月16日 申請日期2002年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月26日
發(fā)明者L·E·波爾三世, J·E·安德森, G·W·阿諾, C·B·萊格爾, L E 波爾三世, 安德森, 萊格爾, 阿諾 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司