專利名稱：一種燃料的燃燒方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于燃燒一種燃料的燃燒方法，其中至少一個燃料噴流和與其相隔一定距離的至少一個氧化劑噴流噴入燃燒區(qū)。
從USP 4988285可知一種燃燒方法，它能減少NOx型的氮氧化物的形成，其中如天然氣的燃料噴流和如空氣或富氧空氣的氧化劑主噴流噴入燃燒區(qū)，氧化劑主噴流安置在離燃料噴流一個較短的距離上，該距離優(yōu)選在主氧化劑噴流直徑的4～20倍之間。
本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃料和主氧化劑噴流安置成離得較近時，這種已知的燃燒方法會導(dǎo)致產(chǎn)生大量的氮氧化物。
而當(dāng)為了減少氮氧化物的散發(fā)而將燃料和主氧化劑噴流移得較遠(yuǎn)時，又會出現(xiàn)維持燃燒的穩(wěn)定性(火焰時常跑出)的問題，同時在煙中有未燃燒的燃料，這也對環(huán)境有害。
本發(fā)明有助于緩解上述缺陷，采用一種燃燒方法，盡管氧化劑和燃料噴流之間的距離比先有技術(shù)USP 4988285中描述的要大，但能夠得到穩(wěn)定的燃料，氮氧化物的散發(fā)比較低。
因此，本發(fā)明的主題是一種燃燒燃料的燃燒方法，其中至少一個燃料噴流和至少一個離燃料噴流有一段距離的主氧化劑噴流同時噴入主燃燒區(qū)，其特征在于每個主氧化劑噴流的噴射點相對于離它最近的燃料噴流的噴射點安置成離它為一距離D，距離D至少滿足下列一個關(guān)系式
(及最好＞10)，和/或
(及最好＞10)，D定義為在相應(yīng)的噴射點上相應(yīng)氧化劑噴流的外邊緣和離它最近的燃料噴流的外邊緣之間的最小距離，A和B分別是氧化劑主噴流和燃料噴流的橫截面積，該橫截面被認(rèn)為是在噴流的噴射點上，這樣，在上述至少一個氧化劑噴流和/或燃料噴流在攜帶一定量的周圍流體的基本為惰性的氣體之前，燃料和主氧化劑噴流保持分開狀態(tài)，所攜帶的周圍的流體的量優(yōu)選大于它自己流速的5倍，最好達(dá)10倍。
按照一個優(yōu)選的改型，本發(fā)明的特征在于至少一個氧化劑的輔助噴流噴入位于上述主燃燒區(qū)上游的輔助燃燒區(qū)，從而穩(wěn)定上述主燃燒區(qū)中的燃燒，上述輔助氧化劑的噴射點安置成離相關(guān)的燃料噴流的距離為Ds，Ds滿足下列關(guān)系式DsAs<5]]>Ds是相應(yīng)的輔助氧化劑噴流的外邊緣和相關(guān)的燃料噴流的外邊緣之間在相應(yīng)噴射點上的最小距離，As是相應(yīng)輔助氧化劑噴流在其噴射點的橫截面積，由此可得到基本均勻的燃燒。
采用滿足上述兩個關(guān)系式中至少一個的距離D能使主氧化劑噴流和燃料噴流攜帶一定量的周圍流體、尤其是在它們相互反應(yīng)之前的基本為惰性的氣體。以主氧化劑噴流和燃料噴流相遇它們相交的開始點(即主燃燒區(qū)的開始點)作為參考點，對于基本平行的噴流來說，每個關(guān)系都意味著噴流中的總的流速至少是攜帶時噴流的初始流速的1.8倍。比率(噴流流速/初始流速)隨著比率(攜帶流體時的密度/已攜帶流體后的密度)的減小而增大。通過滿足兩個不等式中的每一個，就能稀釋每個燃料和主氧化劑噴流。本發(fā)明將采用至少滿足上述兩個關(guān)系中的一個的距離D來實施，最好滿足D/A0.5＞10和/或D/B0.5＞10，這樣使至少一個噴流并最好是每個噴流(初始流速加上周圍流體的惰性氣體)的流速至少是攜帶時噴流的初始流速的3.6倍。
按照一個優(yōu)選實施例，該方法的特征在于由上述主、輔氧化劑噴流噴射的氧化劑的總流速調(diào)節(jié)到高于燃燒由上述至少一個燃料噴流噴入燃燒區(qū)的所有燃料所要求的氧化劑的化學(xué)當(dāng)量的流速值。同樣由上述至少一個輔助噴流噴射的氧化劑流速調(diào)節(jié)到低于噴入燃燒區(qū)氧化劑的總流速的30％，最好在2％～15％之間。
另外本發(fā)明的方法還可包括下列一個或多個特征-多個主氧化劑噴流繞上述至少一個燃料噴流對稱噴射，-兩個相對于至少一個中部燃料噴流的徑向相對安置的氧化劑噴流噴入上述燃燒區(qū)，-三個中部燃料噴流與相對于該三個中部燃料噴流徑向相對安置的兩個主氧化劑噴流同在一個平面，它們一起噴入上述燃燒區(qū)，-至少一個例如天然氣的第一燃料噴流，和至少一個例如燃料油的第二燃料噴流噴入上述燃燒區(qū)(燃料在任何情況下可以是固態(tài)、液態(tài)和/或氣態(tài))。
術(shù)語“基本均勻的燃燒”意味著可以得到一個基本均勻的燃燒區(qū)，其特征在于，燃燒區(qū)的體積至少是火焰的兩倍，燃料與氧化劑噴流在沒有與燃燒產(chǎn)品一起稀釋之前迅速混合，在火焰區(qū)內(nèi)具有低梯度的溫度場，對純氧構(gòu)成的氧化劑來說，最大平均溫度至少是低于燃料/氧化劑混合物的理論絕熱溫度的500℃。
作為功率單位(也稱為牛頓/千千瓦)的流體噴流的總的動量(燃料+可燃物)最好大于3N/MW，從而由此可獲得氣體混合〔這里的動量定義為質(zhì)量流速(kg/s)乘以速度(m/s)的積〕。
下表(參照燃燒功率為1MW)總結(jié)了用1MW氧氣/天然氣火焰獲得的各種結(jié)果情況1對應(yīng)于氧化劑和天然氣的噴射速度均很小的情況。實踐表明，所產(chǎn)生的火焰對浮動力最敏感的并可由于火焰后部上升在爐底產(chǎn)生熱點。情況2～5表明各種氣體混合物的示例，其中氣體混合物由氧化劑噴流或燃料噴流、或者由兩者所提供的動量來保證。
術(shù)語“流體周圍基本為惰性的氣體”指的是位于主氧化劑噴流附近的流體(通常是氣體)。通常，它包括通過燃燒區(qū)及燃燒和可燃流體的噴射體附近的燃燒氣體，這些燃燒氣體由燃燒區(qū)的空氣稀釋，其中的空氣通常僅是不與燃料反應(yīng)的惰性氣體(氮氣，氬氣)。<
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從下面參照附圖對非限制性示例的描述可以更加清楚本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。
圖1是進行本發(fā)明燃燒方法的燃燒裝置的簡圖，圖2是圖1裝置的前視圖，圖3是類似于圖2的燃燒裝置的第一個變型的示圖，它表示本發(fā)明方法的一種改進，圖4是類似于圖2的燃燒裝置的第二個變型的示圖，它表示本發(fā)明方法的又一改進，圖5是表示本發(fā)明的方法在實施過程中從裝置散發(fā)出的氮氧化物的曲線圖。
圖1和2表示實施本發(fā)明方法的第一個實施例。
參見圖1和2，為了在主燃燒區(qū)產(chǎn)生燃燒，裝置1包括諸如天然氣噴流的中部燃料噴流4(虛線示出)的噴射器3，和諸如富氧空氣或純氧的氧化劑7和8的主噴流的噴射器5和6，噴射器5和6相對于中部燃料噴流的噴射器3呈相對對角線方向安置。
就它們的供給而言，噴射器3連到燃料供給裝置9上，噴射器5和6連到氧化劑供給裝置10上。
另外，為了穩(wěn)定火焰和/或有助于裝置1的點火，在主燃燒區(qū)2的上游的輔助燃燒區(qū)2A(陰影線表示)還包括一個輔助氧化劑噴流14(虛線表示)的噴射器13。正如圖中所示，輔助噴流14安置成靠近中部燃料噴流4的噴射器3，噴射器13由氧化劑供給裝置10供給。
為了更易于控制由主、輔氧化劑噴流7、8和14分別噴入燃燒區(qū)2和輔助燃燒區(qū)2A的氧氣的流速，氧化劑供給裝置10包括連接到氧化劑噴射裝置5、6和13上的裝置15，該裝置15用于將總的噴射出的氧化劑流速分為第一部分和第二部分，第一部分供給主氧化劑噴流7和8的噴射器5和6，第二部分供給輔助氧化劑噴流14的噴射器13。
這些分流裝置15可以包括從供給裝置10的氧化劑主供給線分出的管子，在管子中裝有一個用于調(diào)節(jié)供給輔助噴射器13的部分總流速的閥門。
正如圖2所示，各個噴射器3、5、6和13均具有圓形出口，從而形成圓錐形噴流，這些噴流在圖1中箭頭20、22、24和26所示的相應(yīng)的噴射方向上變寬。然而為了修改噴流的形狀，也可采用其它形狀的出口，如窄縫、橢圓形、環(huán)形或另外的形狀。
當(dāng)實施本發(fā)明的方法時，中部燃料噴流4及離它有一段距離并呈相對對角安置的兩個主氧化劑噴流7和8同時噴入主燃燒區(qū)2。主氧化劑噴流7、8和輔助噴流14噴射的流速調(diào)節(jié)成燃燒所有噴入燃燒區(qū)2的燃料所要求的氧化劑的化學(xué)當(dāng)量的流速，從而獲得充分燃燒，也就是說產(chǎn)生沒有未燃燒燃料的燃燒。
在穩(wěn)定操作的工況下，由輔助氧化劑噴流噴射的氧化劑的流速可調(diào)節(jié)到低于噴入燃燒區(qū)的氧化劑總流速的30％，最好在2％和15％之間。
中部燃料噴流4的噴射速度最好低于75m/s，而兩個主氧化劑噴流7和8的噴射速度最好在50和150m/s之間。
另外，由各種燃料噴射器3和氧化劑噴射器5和6的布置所限定的噴射點安置成使每個主氧化劑噴流7、8的噴射點相對于燃料噴流4的噴射點的距離D能滿足下列關(guān)系DA>5---(I)]]>在(I)式中，D表示相應(yīng)氧化劑噴流7和8的外邊緣和燃料噴流4在相應(yīng)噴射點上的外邊緣(見圖2)之間的最小距離，A表示相應(yīng)氧化劑噴流7或8在其噴射點上的橫截面積。
因此，氧化劑噴流7和8及燃料噴流4在離相應(yīng)噴射點的距離為L才開始在陰影所示的混合區(qū)30，31混合。在距離L上分開噴流使它們、尤其是主氧化劑噴流7和8都攜帶大量的基本為惰性的周圍流體，如圖1中箭頭32所示。攜帶的周圍流體的量通常大于噴流攜帶該流體時噴流流速的5倍，最好能大于10倍。在噴流噴入一個封閉的燃燒腔的情況下，這些周圍流體主要由燃燒產(chǎn)品組成。
由于周圍的流體并不積極參予燃燒，并且由于帶走的這種流體的量大，氧化劑/燃料的混合物在混合區(qū)31和30被稀釋，主燃燒區(qū)2所占的體積加大，這樣做的結(jié)果使主燃燒區(qū)2中溫度場的空間分布均勻并且平均溫度增高，這樣可有效地減少氮氧化物的散發(fā)。
為了使燃燒條件進一步最佳化，距離D還滿足下列關(guān)系DAc>5---(II)]]>其中Ac表示噴射點上燃料噴流的截面積。
為了點火和后面的穩(wěn)定燃燒，輔助氧化劑噴流14也噴入主燃燒區(qū)2，它離相應(yīng)燃料噴流4的距離是Ds。通過在上游具有輔助燃燒區(qū)2A，就可穩(wěn)定主燃燒區(qū)2的燃燒，因此能確保區(qū)域2內(nèi)氧化劑/燃料混合物的穩(wěn)定點火。Ds滿足下列關(guān)系DsAs<5---(III)]]>在式(III)中，Ds表示相應(yīng)輔助氧化劑噴流14的外邊緣和相應(yīng)燃料噴流4的外邊緣之間在它們相應(yīng)噴射點上的最小距離，As表示輔助氧化劑噴流14在其噴射點的橫截面積。
當(dāng)然，在所有這些關(guān)系中，噴流在它們相應(yīng)噴射點上的截面積A，Ac和As均是在考慮它們的特殊的幾何形狀的情況下確定的。
例如，在特殊情況下，如果一個主氧化劑噴流的截面尺寸大于另一個，相應(yīng)氧化劑和燃料噴流的外邊緣之間也可不同，亦即具有較小截面的氧化劑噴流可安置得比具有較大截面的那個要近一些。
另外，可以安裝多個燃料噴流的噴射器和多個主氧化劑噴流的噴射器。在這種情況下，對每個主氧化劑噴流，靠近它的燃料噴流必須考慮滿足關(guān)系式(I)。
在本發(fā)明的最小設(shè)計中，僅有一個燃料噴流、一個主氧化劑噴流和一個輔助氧化劑噴流，這些噴流的布局均滿足關(guān)系式(I)、(II)和(III)。
圖3中示出了圖1和2結(jié)構(gòu)的改型，作為一個例子它可以安裝兩個輔助的主氧化劑噴流的噴射器37和38。這個噴射器37和38如噴射器5和6一樣繞中部燃料噴流4的噴射器3對稱安置。這種構(gòu)形能使燃燒結(jié)構(gòu)更加密集，這是因為它能選擇減小直徑的、安置在靠近燃料噴射器同時又滿足關(guān)系式(I)的主氧化劑噴射器。
圖4表示用于實施本發(fā)明的方法的裝置1的另一種改型，它也是與圖2一樣的前視圖。
這種改型的裝置包括第一燃料如天然氣的三個噴流的三個噴射器50、51和52，它們與相對于它們相對對稱安置的主氧化劑噴流的噴射器55和56處于同一平面上，一個第二燃料如燃料油的噴流的噴射器53安置在第一燃料噴流的噴射器50、51和52的上方，使它能替換所用的燃料。
當(dāng)然，噴射器55和56及由它們噴入燃燒區(qū)的主氧化劑噴流均定位在它們相應(yīng)的噴射點上，它們在離最近的燃料噴流的外邊緣之間具有最小距離D，也就是說，噴射器50和主噴射器55、噴射器52和主噴射器56之間的最小距離為D，這樣使它們符合關(guān)系式(I)和(II)。
另外，兩個輔助的氧化劑噴流的噴射器57和58安置在燃料噴流的噴射器50、51和52的上方，其中一個噴射器57與噴射器50、51和53相關(guān)，而另一個58則與噴射器51、52和53相關(guān)。這些輔助噴射器57和58安置成使它們與燃料噴流的外邊緣之間的最小距離Ds符合關(guān)系式(III)。
當(dāng)然，在圖1～4所示的各種類型中，可以設(shè)想調(diào)換對噴射器的供給，從而噴射氧化劑噴流而不是燃料噴流，反之亦然。只要符合關(guān)系式(I)、(II)和(III)就行。
圖5以示例方式示出一條曲線，它表示用圖1和2所示的裝置實施本發(fā)明的方法而獲得的結(jié)果，其中可以改變主氧化劑噴流和中部燃料噴流的上面限定的距離D。該曲線表示作為上面限定的參數(shù)
的函數(shù)的在燃燒期間產(chǎn)生的氮氧化物(NOx)的量。
在該曲線中可以看出，作為參數(shù)
的函數(shù)的氮氧化物的形成量大大減少了，還可以清楚看出，如果主氧化劑噴流安置成符合關(guān)系式
＞5，散發(fā)出的氮氧化物的降低量是很可觀的。
通過采用本發(fā)明的方法，尤其是采用主、輔氧化劑噴流相對于燃料噴流的布局，就能產(chǎn)生穩(wěn)定的燃燒，并能減少氮氧化物的散發(fā)。
權(quán)利要求
1.一種燃料的燃燒方法，其中至少一個燃料噴流和離它有一段距離的至少一個主氧化劑噴流同時噴入主燃燒區(qū)，其特征在于每個主氧化劑噴流與燃料噴流的噴射點最接近的噴射點安置成為一個距離D，該距離D滿足至少一個下列關(guān)系
(最好＞10)和/或
(最好達(dá)＞10)D定義為相應(yīng)氧化劑噴流的外邊緣和最靠近它的燃料噴流外邊緣之間在它們相應(yīng)的噴射點上的最小距離，A和B分別表示氧化劑主噴流的橫截面積和燃料噴流的橫截面積，這些橫截面積被看作噴流噴射點上的橫截面積，這樣使燃料和主氧化劑噴流在上述至少一個主氧化劑噴流和/或燃料噴流攜帶了一定量的周圍流體的基本為惰性的氣體之前保持分離，從而獲得基本均勻的燃燒。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于至少一個輔助的氧化劑噴流噴入位于上述主燃燒區(qū)的上游的輔助燃燒區(qū)，從而穩(wěn)定上述主燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒，上述輔助氧化劑噴流的噴射點安置成離相關(guān)的燃料噴流的距離為Ds，Ds滿足下列關(guān)系DsAs<5]]>Ds是相應(yīng)輔助氧化劑噴流的外邊緣和相關(guān)的燃料噴流外邊緣之間在它們相應(yīng)的噴射點上的最小距離，As是相應(yīng)的輔助氧化劑噴流在它的噴射點上的橫截面積。
3.按照權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于所攜帶的周圍流體的量大于它自己流速的5倍、最好大于10倍。
4.按照權(quán)利要求1～3中一個的方法，其特征在于按照一個優(yōu)選實施例，該方法的特征在于由上述主、輔氧化劑噴流噴射的氧化劑的總的流速調(diào)節(jié)成高于燃燒由上述至少一個燃料噴流噴入燃燒區(qū)內(nèi)的所有燃料所需要的氧化劑的化學(xué)當(dāng)量的流速。
5.按照權(quán)利要求1～4中一個的方法，其特征在于由上述至少一個輔助氧化劑噴流噴射的氧化劑的流速調(diào)節(jié)成低于噴入燃燒區(qū)的氧化劑總的流速的30％，最好在2％～15％之間。
6.按照權(quán)利要求1～5中一個的方法，其特征在于由上述主、輔氧化劑噴流噴射的氧化劑的總的流速調(diào)節(jié)成高于燃燒由上述至少一個燃料噴流噴入燃燒區(qū)的所有燃料所需要的氧化劑的化學(xué)當(dāng)量的流速。
7.按照權(quán)利要求1～6中一個的方法，其特征在于由上述至少一個輔助噴流噴射的氧化劑的流速調(diào)節(jié)成低于噴入燃燒區(qū)(2)氧化劑總流速的30％，最好在2％～15％之間。
8.按照權(quán)利要求1～7中一個的方法，其特征在于多個主氧化劑噴流(5，6，37，38)繞上述至少一個燃料噴流(4)對稱噴射。
9.按照權(quán)利要求8的方法，其特征在于兩個相對于至少一個中部燃料噴流(4)徑向相對安置的主氧化劑噴流(5，6)噴入上述燃燒區(qū)。
10.按照權(quán)利要求9的方法，其特征在于與三個中部燃料噴流徑向相對安置的兩個主氧化劑噴流同平面的三個中部燃料噴流噴入上述燃燒區(qū)。
11.按照權(quán)利要求1～10中一個的方法，其特征在于至少一個如天然氣的第一燃料噴流和至少一個如燃料油的第二燃料噴流噴入上述燃燒區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明關(guān)于一種燃料的燃燒方法,其中主氧化劑噴流(7、8)相對于靠近它的燃料噴流(4)噴射點的噴射點安置成離開一個距離D,D滿足下列關(guān)系式:D/
文檔編號F23C9/00GK1247290SQ9911836
公開日2000年3月15日 申請日期1999年9月1日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月2日
發(fā)明者雅克·迪蓋, 米歇爾·薩馬涅戈, 伯納德·拉貝戈爾, 奧利維耶·沙龍 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司