專利名稱：混合氧化劑燃燒方法
技術領域：
本發(fā)明涉及應用兩種不同氧化劑進行燃燒的方法，特別適用于減少NOx產(chǎn)生的燃燒過程。
氮的氧化物(NOx)是燃燒期間產(chǎn)生的重要污染物，燃燒中需要減少其生成。典型的燃燒是用空氣作氧化劑與燃料反應而進行的。如所周知，氮占空氣的80%左右，因此燃燒反應中產(chǎn)生大量氮，它與氧反應會形成NOx。
已經(jīng)知道，用工業(yè)純氧或富氧空氣作氧化劑進行燃燒可以減少NOx的生成，因為這會減少以等量氧為基礎給燃燒反應提供的氮的量。然而，用這種氧化劑代替空氣進行燃燒反應有兩個缺點。第一個缺點是相對于空氣而言，大大增加了成本。第二個缺點是這種氧化劑的高氧濃度引起的燃燒反應是在比用空氣作氧化劑時更高的溫度下進行。這種更高的溫度在動力學上助長了NOx的形成，因而抵消了用含氮量少的氧化劑產(chǎn)生少量NOx的傾向。
因此，本發(fā)明的目的之一是提供一種改進的燃燒方法，其中減少了NOx的產(chǎn)生，同時克服上述已知的減少NOx產(chǎn)生的燃燒方法的缺點。
本發(fā)明上述目的和其它目的，對于閱讀了本說明書的本領域技術人員來說，就變得很明顯，可由下列步驟實現(xiàn)一種進行燃燒的方法，包括ⅰ)向充有爐氣的燃燒室內(nèi)注入燃料和第一氧化劑，并用燃燒室內(nèi)的第一氧化劑使火焰氣流中的燃料不完全燃燒以產(chǎn)生不完全燃燒的產(chǎn)物;
ⅱ)向該燃燒室內(nèi)距離火焰氣流的地方注入第二氧化劑流，其含氧濃度超過第一氧化劑的含氧濃度，注入速度為至少200英尺每秒;
ⅲ)向高速的氧化劑流中輸入爐氣，產(chǎn)生一種稀釋的第二氧化劑流;
ⅳ)向火焰氣流中通入稀釋的第二氧化劑流，致使在火焰氣流通過燃燒室一段距離后，該稀釋的第二氧化劑流的軸線才與火焰氣流相交，這樣使在第一氧化劑內(nèi)的至少90%的氧已與燃料反應;
ⅴ)使該稀釋的第二氧化劑流與該火焰氣流混合，并用稀釋的第二氧化劑燃燒不完全燃燒的產(chǎn)物。


圖1是本發(fā)明的一個實施方案的簡略表示，它可與一個交叉火焰爐聯(lián)合使用。
圖2是本發(fā)明的另一個實施方案的簡略表示，它可在一個反交叉水焰爐內(nèi)實施。
圖3是本發(fā)明的一個實施方案的簡略表示，它可在一個末端火焰爐內(nèi)實施。
圖4是本發(fā)明的另一個實施方案的簡略表示，它可在一個末端火煥爐內(nèi)實施。
本發(fā)明將參考附圖作詳細描述。
現(xiàn)參考圖1，圖上舉出一個燃燒室或燃燒區(qū)5，在本實施方案中它是一個交叉火焰爐，如可用于玻璃熔融。燃燒室5內(nèi)盛有爐氣，這可包括二氧化碳、水蒸汽、氮、氧和痕量氣體，如一氧化碳和氫。
燃料和第一氧化劑可經(jīng)例如一個或幾個噴嘴注入燃燒室5。該燃料可以是任何流體燃料，如甲烷、丙烷、天然氣或燃料油。第一氧化劑優(yōu)選空氣。
將燃料和第一氧化劑注入燃燒室5的方式是它們形成一火焰氣流3，其中燃料不完全燃燒產(chǎn)生不完全燃燒的產(chǎn)物。燃料與第一氧化劑的燃燒也可產(chǎn)生完全燃燒的產(chǎn)物。為了進行所需的不完全燃燒，注入燃燒室的燃料和第一氧化劑的比例是以亞化學計量的或富燃料比例的方式。此不完全燃燒的產(chǎn)物包括不完全氧化類物質(zhì)，如一氧化碳和氫，以及未燃燒的燃料。由于燃燒是以經(jīng)過燃燒室的火焰氣流進行，燃燒室內(nèi)的火焰氣流的溫度升高，達到一個最大值，當?shù)谝谎趸瘎┶呄蛲耆谋M時溫度開始下降。
也向燃燒室5，經(jīng)一個或幾個噴槍1注入一股第二氧化劑流。噴槍是這樣一種設備，通過它只有氧化劑和燃料之一能注入燃燒室，而噴嘴是通過它，氧化劑和燃料兩者均能注入燃燒室的設備。第二氧化劑的氧濃度比第一氧化劑的高。一般第二氧化劑的氧濃度為至少30%的氧。第二氧化劑的氧濃度優(yōu)選至少90%，更優(yōu)選大于或等于99.5%的工業(yè)純氧。
第二氧化劑注入燃燒室在距離火焰氣流的地方，以至少200英尺每秒(fps)的高速進行的。第二氧化劑注入速度優(yōu)選在400-1000fps范圍內(nèi)。
第二氧化劑的高速與第二氧化劑流和火焰氣流之間的空間相結(jié)合，使爐氣從燃燒區(qū)的范圍改變?yōu)閵A帶到第二氧化劑氣流中，因而產(chǎn)生了一種稀釋和增大的第二氧化劑氣流，這在圖1上由4表示。第二氧化劑最好與燃料和第一氧化劑在同一邊或同一壁注入燃燒室，以便在與火焰氣流相交叉之前促進爐氣大量夾帶到第二氧化劑氣流中。
經(jīng)稀釋的第二氧化劑流通入某點并在該點下游與火焰氣流結(jié)合，在該點處，在火焰氣流內(nèi)的溫度，由于火焰氣流輻射掉熱量，已從最大值向下降低。這種情況發(fā)生在火焰氣流橫過燃燒室一段距離之后，這樣至少90%，最好至少98%的第一氧化劑中的氧已與燃料反應完。一般，這種情況發(fā)生在火焰氣流已橫過燃燒室長度的至少一半時，該長度是以該火焰氣流的軸向方向測量的。因此，在本發(fā)明的實踐中，經(jīng)稀釋的第二氧化劑流的中心線軸一般在通過了燃燒室的中點后的點與火焰氣流相交叉，但在某些場合，這一交叉可發(fā)生在穿過燃燒室長度的三分之一或四分之一以后。
擴大了的高速稀釋的第二氧化劑流，由于其速度高，增加了物質(zhì)量，因而具有高動量。一般，該稀釋第二氧化劑流的物質(zhì)量在交叉時會超過起始注入的第二氧化劑流的10倍或以上。由于稀釋的第二氧化劑與火焰氣流的交叉，其高的動量會引起稀釋的第二氧化劑與不完全燃燒的產(chǎn)物的徹底混合。不完全燃燒的產(chǎn)物然后就與稀釋的第二氧化劑起燃燒反應，形成完全燃燒的產(chǎn)物，它然后可以變成爐氣。氣體從燃燒區(qū)經(jīng)排出口6排出。
本發(fā)明與其它低NOx燃燒方法相比是有利的，因為高氧濃度氧化劑的用量大為減少，因此降低了燃燒的成本。一般，在本發(fā)明的實踐中，總?cè)紵募s80%或以上是用低氧濃度的氧化劑進行的，它一般是使用空氣，最好也是使用空氣。
而且，本發(fā)明也同時解決了隨著氮濃度而來的NOx問題，即高溫產(chǎn)生NOx的問題。開始時，用第一氧化劑在火焰氣流中的燃燒是不完全的。這樣，對于與氮反應，火焰氣流中沒有多少氧可以利用，因為可利用的氧正與燃料中可氧化的物質(zhì)在反應。因此，盡管在第一氧化劑，例如空氣中存在著高濃氮，但在火焰氣流中形成很少NOx。
由于第二氧化劑的高速和距離火焰氣流的關系，爐氣被第二氧化劑夾帶進入其中，稀釋了在第二氧化劑中的起始高氧濃度，因此在第二氧化劑在規(guī)定的下游位置遇到火焰氣流時，它不再具有高氧濃度，因而克服了上述的動力學上NOx的問題，即由高氧濃度引起的高溫增加了NOx的產(chǎn)生的問題。這一優(yōu)點還由于下列原因而進一步達到，火焰氣流在其與第二氧化劑中間混合并進行反應之前，在燃燒室內(nèi)通過了預定的長距離，因而降低了火焰中的溫度?？康诙趸瘎┤紵瓿闪巳紵覂?nèi)的燃燒，而沒有如常規(guī)的富氧實施方法那樣使燃料與高濃度氧進行接觸。
結(jié)果是進入燃燒區(qū)的燃料完全燃燒，因而有效地釋放出了熱量，供給如熔融玻璃、金屬加熱或熔化、或廢物燒結(jié)等。達到這一結(jié)果不花高成本，因為大部分燃燒是用第一氧化劑，如空氣進行的。然而，比常規(guī)的空氣燃燒或富氧燃燒減少了NOx的產(chǎn)生，這是因為起始的不完全燃燒與其后用稀釋的第二氧化劑在下游的完全燃燒相結(jié)合。
下列實施例和比較例用作進一步說明本發(fā)明可達到的優(yōu)點。它們并非用于限制本發(fā)明。
將流速為920標準立方英尺每小時的天然氣，與具有空氣組成的一種氧化劑注入一個試驗爐?？諝獾淖⑷胨俣葹?0-35fps，流速為化學計量學的95%。在5次獨立試驗中，向試驗爐注入足以造成氧氣缺乏的工業(yè)純氧，注入處距離空氣注入口5.5或9.5英寸，方向與圖3所示的相似，與空氣/燃料流動方向平行。在5次試驗中每次氧的速度在579-1630fps范圍內(nèi)。該氧速度和與空氣/燃料流的注入點的距離，使爐氣被夾帶到氧氣流中，在空氣流中至少90%的氧已與燃料流發(fā)生燃燒作用后，氧氣流的中心線與空氣/燃料火焰氣流才相交叉。測量5次試驗中每次試驗從該爐排出的氣體中的NOx濃度，發(fā)現(xiàn)每次均在139-152ppm范圍內(nèi)。
為了對比目的，用相同設備及在相似條件下進行了另一次實驗，只是空氣流不是低于化學計量值的，及無氧氣注入。爐廢氣內(nèi)NOx的濃度測得為310ppm。在實施實例及對比例中，本發(fā)明方法能使NOx濃度比常規(guī)燃燒系統(tǒng)達到的降低51-55%。
本發(fā)明使人們可以在一個單一的燃燒室內(nèi)，進行這種非常有利的、完全和有效的、低NOx產(chǎn)率的燃燒，因而可以避免應用兩個或多個燃燒室或燃燒區(qū)的燃燒過程所必然遇到的相當復雜的問題。
圖2、3和4說明本發(fā)明其它有用的實施方案。對于相同元件，圖2、3和4中的數(shù)字相應于圖1的那些分別加上20、30和40。
圖2說明一個相似于圖1的多噴嘴燃燒系統(tǒng)，只是一股火焰氣流的方向與其它的相反，以及出口26出于燃燒室的端壁上。
圖3說明本發(fā)明在燃燒室進行縱向燃燒的實施方案，其出口36處于注入端，引起火焰氣流往返或成U形移動。
圖4說明另一個縱向燃燒實施方案，其中第二氧化劑注入燃燒室的方向與第一氧化劑注入的方向相反。
雖然用上述實施方案對本發(fā)明進行了詳細描述，本領域的技術人員會懂得，在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，本發(fā)明還有其它實施方案。
權(quán)利要求
1.進行燃燒的方法，包括ⅰ)向充有爐氣的燃燒室內(nèi)注入燃料和第一氧化劑，并用燃燒室內(nèi)的第一氧化劑使火焰氣流中的燃料不完全燃燒以產(chǎn)生不完全燃燒的產(chǎn)物；ⅱ)向該燃燒室內(nèi)距離火焰氣流的地方注入第二氧化劑流，其含氧濃度超過第一氧化劑的含氧濃度，注入速度為至少200英尺每秒；ⅲ)向高速的氧化劑流中輸入爐氣，產(chǎn)生一種稀釋的第二氧化劑流；ⅳ)向火焰氣流中通入稀釋的第二氧化劑流，致使在火焰氣流通過燃燒室一段距離后，該稀釋的第二氧化劑流的軸線才與火焰氣流相交，這樣使在第一氧化劑內(nèi)的至少90%的氧已與燃料反應；ⅴ)使該稀釋的第二氧化劑流與該火焰氣流混合，并用稀釋的第二氧化劑燃燒不完全燃燒的產(chǎn)物。
2.權(quán)利要求1的方法，其中第一氧化劑是空氣。
3.權(quán)利要求1的方法，其中第二氧化劑的含氧濃度至少為90%。
4.權(quán)利要求1的方法，其中第二氧化劑是工業(yè)純氧。
5.權(quán)利要求1的方法，其中稀釋的第二氧化劑流的軸線，在火焰氣流通過燃燒室的中點以后才與火焰氣流相交。
6.權(quán)利要求1的方法，其中稀釋的第二氧化劑在與火焰氣流相交時的物質(zhì)量，超過第二氧化劑注入燃燒室時的物質(zhì)量至少10倍。
全文摘要
一種應用兩種不同氧化劑的燃燒方法，其中第一氧化劑使燃料不完全燃燒，而含高濃度氧的第二氧化劑以規(guī)定方式完成燃燒，減少NO
文檔編號F23L7/00GK1090030SQ9310963
公開日1994年7月27日 申請日期1993年8月3日 優(yōu)先權(quán)日1992年12月8日
發(fā)明者G·B·塔克遜, 小林尚 申請人:普拉塞爾技術有限公司