专利名称：减少氮氧化物和一氧化碳产生的分级燃烧的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及分级燃烧，更具体地说，涉及氧气或富氧流体被用作氧化剂的分级燃烧。
氮氧化物(NOx)是燃烧时产生的严重的污染物，在进行燃烧时必须减少它们的产生。大家知道通过使用工业纯氧气或富氧空气作为氧化剂可在燃烧时减少NOx的产生，这是因为这样降低了在等量氧气基础上供到燃烧反应的氮气量。然而，具较高氧气浓度的氧化剂的使用比用空气会使燃烧反应在更高的温度进行，而较高的温度动力学上更适于NOx的形成。
分级燃烧已用于降低NOx的产生，特别是在氧化剂为氧气浓度超过空气的流体时更为常用。在分级燃烧中，燃料和氧化剂以亚化学计算的比率导入到燃烧区中燃烧。由于有过量的燃料可用于燃烧，因此基本没有可与氮气反应形成NOx的氧化剂的氧分子。再将另外的氧气提供到燃烧区以在下游的第二级中完成燃烧。因为第二级氧气在和未燃的燃料混合前被首先用炉气稀释，所以在第二级的燃烧不会产生非常高的温度，因而限制了NOx的产生量。
尽管分级燃烧对限制燃烧时产生的NOx量是非常有效的，但由于在第一级中特别设定的亚化学计量的燃烧，分级燃烧的使用可导致一氧化碳(CD)的过量产生，在燃烧反应反应时间短的燃烧区更是如此。
该问题为分级燃烧的使用者所认识并一般提出通过降低分级的程度来解决，这样就降低了分级燃烧的低NOx潜能。或者增高了供应加热炉或燃烧区的总氧气量从而使在燃烧区中总反应物的化学计量比率超过103％。后一操作方式尽管有效，但昂贵而浪费。
因此本发明的目的是提供既能保留常规分级燃烧操作的有益的低NOx产生量又能不用大量的过量氧化来降低CO的产生的进行分级燃烧的方法。
本领域技术人员一旦阅读了本公开后就会明了的由本发明达到的上面和其它的目标是减少氮氧化物和一氧化碳的发生的进行分级燃烧的方法，包括(A)将燃料和主要氧化剂以亚化学计量比率从燃烧嘴注入燃烧区而形成具动量M1的燃烧反应流；(B)将燃烧反应流内的燃料和主氧化剂燃烧而产生热和包括未燃燃料的燃烧反应产物；(C)以某一质量流量和速度将次氧化剂注入燃烧区而形成具动量M2的一股或多股次氧化剂流而使M2/M1在0.09至0.70或在2至75范围内；和(D)将次氧化剂和未燃燃料在燃烧区内燃烧。
这里所用的术语“完全燃烧的产物”是指二氧化碳和水的一种或多种。
这里所用的术语“不完全燃烧的产物”是指一氧化碳、氢气、碳和部分未燃的烃的一种或多种。
这里所用的术语“未燃燃料”是指没有径燃烧的燃料和/或不完全燃烧的产物。
这里所用的术语“化学计量的”是指进行燃烧的氧气对燃料的比率。低于100％的化学计量比率是指存在的氧气比将存在的燃料完全燃烧所需的量少，即富燃料条件。化学计量比率大于100％是指存在的氧气多于将燃料完全燃烧的所需量，即过氧气条件。
这里所用的术语“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)的一种或多种。
这里所用的术语“燃烧嘴”是指将燃料和氧化剂提供到燃烧区的装置。燃烧嘴可以是整体部件或者可包含两个或多个分开的部分。
这里所用的术语燃烧嘴的“加热速率”是指以每小时百万英制热单位即MM Btu/hr为单位表示的燃烧嘴料流的反应热。一般在大多数本发明的工业应用中，燃烧嘴加热速率会在0.25MM Btu/hr至15MMBtu/hr的范围内。
图1是本发明分级燃烧法的一实施方案的简化俯视图。
图2是本发明的试验结果和常规实践的试验结果的图示。
图3是本发明优选实施方案的试验结果以及对比试验结果的图示。
本发明将按附图来详细描述。现参照图1，其显示了工业加热炉1的俯视图。任何通过一个或多个燃烧嘴加热的工业加热炉块可在本发明的实践中使用。这种加热炉的例子包括钢再热炉、铝熔炉和玻璃熔炉。
燃料2和主氧化剂3通过燃烧嘴4提供到燃烧区或加热炉1中。燃料和主氧化剂可分开注入加热炉1中或在预混条件下一起注入加热炉1中。燃料和主氧化剂可通过多个燃烧嘴供应到加热炉1中。任何合适的氧气-燃料燃烧嘴均可用于本发明的实践中。用于本发明实践中的特别优选的氧气-燃料燃烧嘴是一并收入参考文献中的Kobayashi等的美国专利5411395中公开的燃料喷射燃烧嘴。
燃料可以是含可在加热炉的燃烧区中燃烧的可燃性物质的任何气体或其它流体。在这类燃料中可包括天然气、焦炉气、丙烷、甲烷和油。
主氧化剂是氧气浓度至少为30％(体积)、最好至少为90％(体积)的流体。主氧化剂可以是氧气浓度99.5％或以上的工业纯氧气。
燃料和主氧化剂以一定的流量提供到加热炉1中，该流量能使主氧化剂对燃料的化学计量比低于90％、最好是在5-50％的范围内。
燃料和主氧化剂以燃烧反应流5在加热炉1内燃烧而产生热和燃烧反应产物。燃烧反应产物可包括完全燃烧的产物，但由于所规定的亚化学计量的主氧化剂对燃料的比率，所以将也包括未燃燃料。燃料和主氧化剂的不完全燃烧能使这种燃烧在实际比正常情况低的温度下进行，从而降低了形成NOx的趋向。
次氧化剂6通过位于和将燃料和主氧化剂注入加热炉之处隔开的点上的喷枪7注入到加热炉的燃烧区中以形成次氧化剂流8。尽管对每个燃烧反应可用多个氧化剂流，但在本发明的优选的实践中，对每一单独的燃烧反应流5将使用一条次氧化剂流8。所述次氧化剂是氧气浓度30％(摩尔)以上、最好是90％(摩尔)以上的流体。这种次氧化剂可以是工业纯氧气。尽管在本发明的实践中可使用任何合适的氧气喷枪来将吹氧化剂注入加热炉中，但最好是使用在收入参考文献中的美国专利5295816(Kobayashi等)中公开的气体注射喷枪来将吹氧化剂注入加热炉中。次氧化剂以一定流量提供到燃烧区即加热炉中，从而使加入主氧化剂时氧化剂和燃料的化学计量比在90％以上、最好是在95％至11％的范围内。当主氧化剂和次氧化剂对燃料的化学计量比低于100％时，要使加热炉内的燃料达到完全燃烧所需的其余氧气通过透入的空气提供。
燃料和主氧化剂被注入加热炉1中形成拥有具动量M1的流量和速度的燃烧反应流5，次氧化剂被注入到加热炉1中形成一股或多股具总动量M2的次氧化剂流8，结果使M2/M1的比值在大于2至75或0.09至0.70的范围内。最好是M2/M1在大于2至35或0.28至0.70的范围内。一般来说，在大多数本发明的工业应用中，M1是在0.5ft1bm/sec2至0.9ft 1bm/sec2的范围内，M2是在1ft 1bm/sec2至525ft1bm/sec2的范围内。
通过一部分燃烧区后，燃烧反应流5和次氧化剂流8诸如在区9中混合一起，次氧化剂和燃烧反应流的未燃烧料燃烧，用于完成燃料的燃烧和将附加热提供给加热炉。
图2说明了常规的分级燃烧实践中(产生一氧化碳)获得的结果以及本发明的试验结果。在其结果报告于图2中的每一个实施例和对比例中，使用了一股燃烧反应流和一股次氧化剂流。在每个这些实施例和对比例中，所用的燃料均为甲烷，主氧化剂和次氧化剂均是含100％(摩尔)氧气的流体，主氧化剂对燃料的化学计量比均是25％。次氧化剂提供的流量控制在使主氧化剂和次氧化剂总和对燃料的化学计量比达到103％的水平。所用的燃烧嘴是在美国专利5411395中所公开的那种，所用的喷枪是在美国专利5295816中公开的那种。从图2报告的结果可以看出，使用本发明的动量比的CO产生量明显低于主喷射流的动量和吹喷射流的动量相当即动量比为约1.0常规分级燃烧实践中的CO产生量。
尽管并不希望有任何理论支持，但目信本发明的有益的低CO产出是由于源于本发明的规定动量比的一喷射流超过另一喷射流的主导性。当喷射流之一成主导时，它夹带了另一喷射流而形成扩大的燃烧反应流。例如，在M2/M1等于或大于2时，次氧化剂喷射流主导和夹带了主喷射流，在M2/M1等于或小于0.7时，主喷射流主导和夹带了次喷射流。尽管主喷射流最初的高度分级或极度亚化学计量的条件，但以这种方式足够氧气被带到燃料附近而使大多数CO完全燃烧成CO2。在常规方法中，喷射流的动量比约为一，主喷射流和吹喷射流均不成为主导，从而一使些CO仍维持不完全燃烧状态。尽管常规方法在每一步只是稍稍亚化学计量的常规分级燃烧实践中是可接受的，但它在高分级的实践中导致不可接受的高的CO产出，当第一级在5-50％的亚化学计量比下进行时更是如此。
克服CO产出问题的另一常规方法是围绕主富燃料火焰使用多个次氧气喷射流。一般来说三至八个次氧化剂喷射流以绕着主焰的环状等距离安置。来自主焰的不完全燃烧产物和附加氧气的良好混合被获得，结果达到了低的CO产出。然而，试验结果表明随着次氧气喷射流数目的增加，NOx产出趋于增加。此外，带多个氧气喷射嘴的燃料嘴的机械设计变得更复杂和昂贵。
在NOx产出维持在非常低水平、同时不损害有利的低CO产出的本发明的优选实施方案中，量(M1+M2)/F的值在14至54ft 1bm/(sec2MM Btu/hr)的范围内，式中F是燃料和主氧化剂被提供至加热炉的燃烧嘴的加热速度。现已出乎意料地发现尽管动量比M2/M1的不同对CO的产出有显著的影响，但对NOx的产生则基本没有或完全没有影响。但是在燃烧嘴动量通量即(M1+M2)/F的差异显著地影响NOx的产生。但被说明在表示相对各种燃烧嘴动量通量值测得的NOx产出结果的图3中，其测定步骤类似于关于报告于图2的测定的所述步骤。
正象从图3报告的结果可看出的，当燃烧嘴动量通量降到14ft1bm/(sec2MM Btu/hr)以下时，NOx发生的水平显著增加。相信当动量通量降到约14ft 1bm/(sec2MM Btu/hr)以下，在炉气相互反应前其被夹带到主喷射流和次喷射流的量降低到使燃烧反应在提高形成NOx的趋向的较高温度下发生的水平。
现在人们可通过应用本发明方法进行分级燃烧，不仅达到已知的低NOx产出的优点，而且可在不损失低NOx效果下达到有利地低CO产出。
尽管已根据特定的优选实施方案详细描述了本发明的情况，本领域技术人员会认识到在权利要求书的精神和范围内存在本发明的其它实施方案。
权利要求
1.减少氮氧化物和一氧化碳的发生的进行分级燃烧的方法，包括(A)将燃料和主氧化剂以亚化学计量比从燃烧嘴注入燃烧区而形成具动量M1的燃烧反应流；(B)将燃烧反应流内的燃料和主氧化剂燃烧而产生热和包括未燃燃料的燃烧反应产物；(C)以某一质量流量和速度将次氧化剂注入燃烧区而形成具动量M2的一股或多股次氧化剂流而使M2/M1在0.09至0.70或2至75的范围内；和(D)将次氧化剂和未燃燃料在燃烧区内燃烧。
2.权利要求1的方法，其中M2/M1是在2至35或0.28至0.70的范围内。
3.权利要求1的方法，其中燃烧嘴的加热速度为F，并且动量通量(M1+M2)/F在14至54ft1bm/(sec2MM Btu/hr)的范围内。
4.权利要求1的方法，其中所用的吹氧化剂流少于二股。
5.权利要求1的方法，其中步骤(A)的亚化学计量比在5-50％的范围内。
全文摘要
本发明涉及减少了一氧化碳发生和氮氧化物发生的分级燃烧方法，其中主级流体和次级流体分别以一定的动量比供入燃烧区中。
文档编号F23C6/00GK1158954SQ9610882
公开日1997年9月10日 申请日期1996年6月12日 优先权日1995年6月13日
发明者R·P·钱伯兰 申请人:普拉塞尔技术有限公司