CN103562519A - 用于减少NOx排放的燃烧器组件和方法 - Google Patents

用于减少NOx排放的燃烧器组件和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于在燃烧区中燃烧燃料以减少NOx排放的燃烧器组件包括喷水子组件，该喷水子组件包括构造成相对于燃烧器组件的轴线成一角度地引导水的出水口，该出水口还被构造成在一方向上引导水以与燃烧区上游的空气混合。还提供了一种用于在燃烧区中燃烧燃料以减少NOx排放的方法。

Description

用于减少NOx排放的燃烧器组件和方法
背景技术
煤气燃烧器在各种商业和工业应用中被广泛地使用。例如，煤气燃烧器可用来汽化诸如液化天然气的低温流体。具体而言，低温流体可在浸没燃烧式汽化器(SCV)中被加热。SCV通常包括热交换器配管和在其中浸入配管的水箱。低温流体流过配管。SCV还包括向管道***中喷火的煤气燃烧器。管道***具有被称为分布器管的打孔部段，该部段将燃烧器排气引导至穿过水箱中的水向上冒泡。排气接着加热水和浸入的配管以使得流过配管的低温流体也变得受热。排气中的氮氧化物(NOx)从水箱穿过烟道被向上载送并随排气排放到大气环境中。
虽然煤气燃烧器多年来有许多改进，但仍存在对进一步改进的持续需求。例如，仍存在对改进效率、性能、排放控制和成本中的至少一项的燃烧器的需求。
附图说明
图1A是根据本发明的燃烧器组件的实施例的透视剖视图。
图1B是图1A所示燃烧器组件的一部分的详图。
图2是包括可在图1A所示燃烧器组件中使用的水源和喷雾嘴的主燃烧器的局部剖视图。
图3A是图2所示主燃烧器的一部分的俯视图。
图3B是图3A所示主燃烧器的一部分的正视图。
图4是图2所示主燃烧器的末端部分的剖视图。
图5A是可在图1所示燃烧器组件中使用的喷水子组件的一部分的正视图。
图5B是图5A所示喷水子组件的俯视图。
图6是图2所示主燃烧器的末端部分的放大剖视图。
图7是主燃烧器的另一个实施例的放大剖视图。
具体实施方式
虽然此处参照具体实施例示出和描述了本发明，但本发明并非意图局限于所示细节。相反，在权利要求的等同物的范围内且不脱离本发明的情况下可在细节上进行各种修改。
一般来讲，在图示示例中的燃烧器组件是基本上或完全不含耐火材料的水冷燃烧器。优选地为天然气源的燃料源和优选地为鼓风机的氧化剂源为燃烧器提供了这些反应物的流。
燃烧器组件优选地包括喷水***。该***包括与水源连通的水管线。水源优选地为储存水的水箱，但可以可选地为公用水源。
燃烧器组件尤其可与LNG浸没燃烧式汽化器(SCV)结合使用。这样的汽化器可用于加热和/或汽化冷冻和低温流体。虽然经常与氧气、氮气、乙烯、氨气和丙烷一起使用，但这样的汽化器***可选地用于例如在基本负荷和调峰再气化设施中汽化LNG。
SCV是一种间接点火热交换器，其具有可包含在单个容器内的燃烧器和过程盘管。该设计基于浸没排放原理，其中燃烧器燃烧产物被排入水浴中，水浴可用作热传递介质以汽化盘管中的LNG。
在单燃烧器SCV中，燃烧空气通常在两个位置处被引入燃烧器中。大部分空气进入上蜗壳段中(二次燃烧空气)，其余空气(一次燃烧空气)被供应至燃料气喷射器周围的区域。利用这种布置，燃烧器向上喷火到两个蜗壳之间的中间段中，其中燃烧气体与二次燃烧空气共同反应。二次燃烧空气经由切向入口进入上蜗壳，从而赋予空气旋涡运动。这导致与从燃烧器产生的燃烧气体的充分混合和气体在排放到位于过程管束下方的一组分布器管之前沿燃烧器的轴线的后续再循环。
本文已发现单点喷水可减少NOx排放。通过在燃烧器喷嘴的顶端处安装喷水器，可以降低火焰温度，从而延迟热NOx。NOx水平可因此降低至少50%。
根据本发明的优选方面，SCV采用具有水喷射的气体喷嘴设计，该水喷射在最大操作条件下控制单个燃烧器以产生修正至3%干氧(O2)、低至30份/百万份(ppm)或以下的NOx排放。水喷射可使用具有例如竖直60度至90度的实心锥角的喷水嘴圆锥来进行。
诸如210度空心圆锥的空心圆锥被用来在将水喷入***中时引导水。空心圆锥喷嘴提供了相比实心圆锥改善的结果。可以相信，改善的性能起因于水喷雾在不同位置处被引入燃烧空气从而冷却火焰的事实。相应地，来自燃烧器的NOx排放可减少至20ppm或更低。
大体上参看附图，本发明提供了一种诸如组件10的燃烧器组件，该组件被构造成在燃烧区中燃烧燃料以减少NOx排放。燃烧器组件10包括空气喷嘴子组件，空气喷嘴子组件包括沿轴线朝燃烧器组件10的末端部分延伸的空气喷嘴导管24，例如，由主燃烧器空气喷嘴和冷却盘管提供的空气喷嘴导管。空气喷嘴导管具有用于容纳空气流56的内部区域。
燃烧器组件10还包括诸如气体喷嘴组件28的气体喷嘴子组件，其包括至少部分地定位在空气喷嘴导管的内部区域内的燃料气导管34(例如，包括燃料气管)。燃料气导管被构造成在大体沿轴线的方向上引导燃料以输送至燃烧区或朝燃烧区输送。燃烧器组件10还包括限定在空气喷嘴导管和燃料气导管之间的环形通道(例如，在主燃烧器空气喷嘴和冷却盘管24与燃料气管34之间的环形通道)。环形通道被构造成在大体沿轴线的方向上引导空气以输送至燃烧区或朝燃烧区输送。
提供了包括出水口的喷水子组件，该出水口被构造成相对于轴线成一角度地引导水。出水口还被构造成在朝环形通道的方向上引导水以与燃烧区上游的空气混合。水仅以举例的方式使用，因为可以使用包括或不包括水的其它冷却剂组合物。
喷水子组件的出水口可选地包括诸如喷嘴26或90的喷水嘴。喷水嘴可被构造成在相对于轴线径向向外的方向上引导水。具体而言，诸如喷嘴90的喷水嘴可被构造成以大于180度的喷射角度A3引导水使得在轴线和水的喷射方向之间的角度A4小于90度、或者以190至230度的喷射角度A3引导水使得在轴线和水的喷射方向之间的角度A4小于85度、或者以约210度的喷射角度A3引导水使得在轴线和水的喷射方向之间的角度A4为约75度。
喷水嘴可因此被构造成在空心圆锥中引导水使得水不沿轴线A从喷水嘴向外引导。喷水子组件可选地包括定位成在燃料气导管内延伸的诸如水管44的水导管，喷水嘴联接到水导管的末端。燃烧器组件可选地包括限定在水导管和燃料气导管之间的内部环形通道，内部环形通道被构造成在大体沿轴线的方向上引导燃料以输送至燃烧区。空气喷嘴子组件的空气喷嘴导管可包括供水循环通过的冷却盘管。
本发明还提供了一种用于改造现有燃烧器组件以便能以减少的NOx排放在燃烧区中燃烧燃料的方法。该方法可与燃烧器组件一起使用，该燃烧器组件具有：空气喷嘴子组件，其包括空气喷嘴导管，例如主燃烧器空气喷嘴和冷却盘管24；气体喷嘴子组件，其包括燃料气导管，例如燃料气管34；以及喷水子组件，其包括出水口，例如喷嘴26或90。该方法包括将出水口构造成相对于空气喷嘴导管的轴线成一角度且在朝着空气喷嘴导管和燃料气导管之间的环形通道的方向上引导水以与燃烧区上游的空气混合。
该方法可选地包括将诸如喷嘴26或90的喷水子组件的喷水嘴构造成在相对于轴线径向向外的方向上引导水。具体而言，该方法包括：将喷水嘴构造成以大于180度的喷射角度A3引导水使得在轴线和水的喷射方向之间的角度A4小于90度、或者以从190至230度的喷射角度A3引导水使得在轴线和水的喷射方向之间的角度A4小于85度、或者以约210度的喷射角度A3引导水使得在轴线和水的喷射方向之间的角度A4为约75度。
该方法可选地包括将喷水嘴构造成在空心圆锥中引导水使得水不沿轴线A从喷水嘴向外引导。
本发明还提供了一种使用燃烧器***以便以减少的NOx排放在燃烧区中燃烧燃料的方法。该方法包括：在大体沿轴线的方向上引导燃料以通过燃料气导管输送至燃烧区；在大体沿轴线的方向上通过限定在空气喷嘴导管和燃料气导管之间的环形通道朝燃烧区引导空气；以及相对于轴线成一角度且在朝环形通道的方向上引导水以与燃烧区上游的空气混合。
该方法的引导水的步骤可选地包括在相对于轴线径向向外的方向上引导水。例如，该方法包括以大于180度的喷射角度A3引导水使得在轴线和水的喷射方向之间的角度A4小于90度、或者以从190至230度的喷射角度A3引导水使得在轴线和水的喷射方向之间的角度A4小于85度、或者以约210度的喷射角度A3引导水使得在轴线和水的喷射方向之间的角度A4为约75度。引导水的步骤也可包括在空心圆锥中从喷水嘴引导水使得水不沿轴线从喷水嘴向外被引导。
具体参看图1A，根据本发明的一个实施例的燃烧器组件10包括用于循环空气的顶部蜗壳12和底部蜗壳14。具有水夹套的圆锥组件16在底部蜗壳14和顶部蜗壳12之间延伸，从而为燃烧产物的流动提供通道。部分平台支撑件18与顶部蜗壳12相连。燃烧器顶板20包封顶部蜗壳12。
燃烧器组件10设有包括随后将进一步详细描述的水源和喷雾嘴的主燃烧器22。图1B示出主燃烧器22的末端部分的剖视图。该末端部分包括下文将详细描述的喷雾嘴26。
现在参看图2，主燃烧器22的组件的部件在剖视图中示出。主燃烧器22大体包括空气喷嘴子组件、气体喷嘴子组件和喷水子组件。具体而言，主燃烧器22包括主燃烧器空气喷嘴和冷却盘管24。主燃烧器空气喷嘴和冷却盘管24联接以接纳大体上向上流过主燃烧器空气喷嘴和冷却盘管24的空气源。
主燃烧器22还包括气体喷嘴组件28和至少部分地定位在气体喷嘴组件28内的水喷嘴组件30。气体喷嘴组件28经由联接器32附接到燃料气管34。继而，燃料气管34经由三通36联接到燃料气管38。燃料气管38又经由弯头40联接以提供燃料气入口42。入口42连接到燃料气源(未示出)。
水喷嘴组件30经由水管44联接到水源。水管44经由弯头46联接到水管48，水管48又经由弯头50联接以提供水入口52。入口52连接到其它水或冷却剂的源(未示出)。
如由图2中的箭头所大体指示的，为在朝主燃烧器22的末端部分的大致方向上的燃料气流54限定了通道。同时，为朝主燃烧器22的末端部分的水流58限定了通道，使得水流58大体上在设置在燃料气流54内的通道或导管中流动。为在冷却盘管24和燃料气管34之间并且也在朝主燃烧器22的末端部分23的大体方向上的空气流56限定了通道。
应当理解，主燃烧器22被构造成用于燃料和空气的混合物的燃烧，该混合物包括燃料气流54的燃料、空气流56的空气以及在蜗壳14的基部中的空气。这种燃烧产生在图2中大体示出为25的火焰，其在沿主燃烧器22的轴线的方向上延伸，该方向在图2所示实施例中沿竖直轴线A取向。火焰的基部将大体定位成沿轴线A超出主燃烧器22的末端较短距离。重新参看图1A，火焰将延伸朝向或进入圆锥组件16。
参看图3A和图3B，主燃烧器22的末端部分分别在俯视图和侧视图中示出。主燃烧器22包括延伸高出主燃烧器22的顶板62的喷水嘴26。在该实施例中相互偏移180°的一对凸耳64从主燃烧器22的轴线A径向向外延伸以用于提供安装工具的固定点。主燃烧器22还包括具有壁的管66，壁具有形成于其中的多个口68或孔，来自管66内的燃料气流54可被引导通过这些口或孔。
现在参看图4，主燃烧器22的末端部分在剖视图中示出，以便示出燃料气流54和水流58的大致方向。这些流沿主燃烧器22的轴线大致在相同方向上引导(例如，在平行于或大约平行于轴线A的方向上)。水流58移动经过喷水子组件的水管44。燃料气流54在限定于燃料气管34的内表面和水管44的外表面之间的环形通道中移动。
现在参看图4、图5A和图5B，分别在侧视图和俯视图中示出了喷水子组件的特征。喷水子组件包括从管联接器72延伸的水管44的水管部分70。上定心构件74(在该实施例中仅以举例方式示出作为辐条的三个)从水管部分70辐射向外延伸并且大***于距管联接器72的末端距离D处。上定心板74具有厚度T并且被构造成提供定心功能使得水管44的水管部分70可在主燃烧器22的燃料气管34内居中。下定心板76也用于此目的。
喷水子组件的部件在图5A中示出。其具有根据主燃烧器22的尺寸选择的长度L。如图5B所示，上定心辐条74向外延伸至类似于下定心板76的直径的距离，并且这样的辐条以角度A1(例如120°)彼此间隔开。
现在参看图6，示出了根据一个示例性实施例的主燃烧器22的末端部分的细节。在该实施例中，喷水嘴26为具有喷水锥角A2的实心圆锥喷雾嘴。因此，水流58移动通过水管部分70，通过联接器72，并且通过喷水嘴26的喷嘴开口以在实心圆锥中从主燃烧器22的末端向上引导。喷水锥角A2是由喷水嘴26产生的实心喷雾圆锥的夹角。
主燃烧器22也包括在其末端部分处的安装环78，其为一个或多个垫圈80或密封件提供了支撑件。安装环78和垫圈80提供了用于密封主燃烧器22的板62的装置，从而减少或防止通过联接器72和端板62中的小孔73之间的空间的燃料气流。密封件在图6中以虚线示出，使得安装环78和垫圈80的位置可被调整成使得垫圈80接触端板62的底部表面63，从而提供密封。垫圈80的这个位置在图6中以虚线示出。因此，基本上所有燃料气流54均通过在形成气体喷嘴组件28的管中的口68排放通过气体喷嘴组件28。
图7示出以主燃烧器22的末端部分的放大剖视图示出的本发明的另一个示例性实施例。对应于上文参照图1A-6描述的元件的，图7中所示元件由增加100的对应附图标记来标示。图7所示喷嘴90结构一定程度上不同于图6所示喷嘴26。例如，喷水嘴90提供了空心圆锥喷嘴而不是实心圆锥喷水嘴。
更具体而言，喷嘴90重新引导水流158，使得水流将在空心圆锥中从主燃烧器的轴线A径向向外排放。这样，水被径向向外且远离火焰的基部重新引导，该基部将形成在沿轴线A超出主燃烧器的末端的位置处。通过在燃烧器的末端处使用空心圆锥喷雾形状，可以在远离火焰的喷雾形状中重新引导水流。另外，这样的喷雾形状使得可以朝着或进入燃烧区上游的空气流的路径重新引导水喷雾。虽然可以使用各种喷嘴构型，但一个合适的喷嘴实施例是空心圆锥喷嘴，例如可得自Delavan Ltd的Delavan Spray Technologies的PJ型喷嘴，该公司为Goodrich Corporation的全资子公司。这样的喷嘴设计成使用外部“枢轴（pintle）”偏转器产生空心圆锥喷雾图案。
喷水嘴90被构造成形成如图7所示的喷水空心锥角A3。虽然可以选择广泛的喷水锥角A3，但由于下面解释的原因而使用大于180°的喷射角度A3。当喷水角度A3大于180°时，在主燃烧器的轴线和水的喷射方向之间的角度A4小于90°。喷射角度A3在从190°至230°的范围内使得在轴线和水的喷射方向之间的角度A4为从65至85°。例如，在一个实施例中，喷射角度A3为约210°使得在轴线和水的喷射方向之间的角度A4为约75°。
水被引入在主燃烧器空气喷嘴和冷却盘管24的内表面和燃料气管34的外表面或气体喷嘴组件28的外表面之间延伸的环形通道29中。换言之，水在经过主燃烧器空气喷嘴和冷却盘管24时被导入空气流56中。
水喷雾的这种取向可以在燃烧区之前和上游将水夹带到空气流56中，从而进一步减少由燃烧器的火焰产生的NOx排放。另外，水喷雾有助于与燃烧区上游的空气混合而不是将水沿轴线A引导至火焰的基部中。
虽然在图示实施例中使用在燃烧器组件的末端部分处的喷水嘴将水引入空气中，但可以设想，可以在火焰位置上游的空气中的任何位置处，优选地在将空气流56引入燃烧区的通道内引入水。例如，水可以在沿水流58的路径的任何位置处被引入，包括在弯头46的区域中的基部处或沿水流58的路径的任何其它位置。
替代地，水流可从主燃烧器空气喷嘴和冷却盘管24的结构径向向内引入空气流56中。例如，通过在冷却盘管中放置径向向内面向燃料气管34或气体喷嘴组件28的一个或多个喷嘴，可以将水从冷却盘管引入空气流56中。换言之，可通过将流过冷却盘管的水的一部分径向向内引导以夹带在燃烧区上游的空气流56内而将其用于减少NOx排放。
实例
选取数据以用于喷水嘴测试中的NOx减少。烟囱排放数据点记录在LNG汽化器上。用包括图6所示喷水嘴的***获取读数(～92°实心圆锥喷雾图案A2)。也用图7所示喷水嘴获取测试读数(210°空心圆锥喷雾图案A3)。
测试读数在下表中给出：
Figure BDA0000427933230000081
使用的缩写：
MMSCFD–一百万标准立方英尺/天
CO–一氧化碳
NOx–用于一氮氧化物NO和NO2(一氧化氮和二氧化氮)的通用术语
PPM–份/百万份
上述测试示出当用具有空心圆锥喷雾器而不是实心圆锥喷水器的喷水嘴90替换图6的喷水嘴26时出现NOx的进一步减少。更具体而言，喷水嘴90重新引导水流158，使得水流将在空心圆锥中从主燃烧器的轴线A径向向外延伸。这样，水被重新引导成径向向外且远离火焰的基部，该基部将形成在沿轴线A超出主燃烧器的远端的位置处。这有利于将水夹带到空气进入燃烧区的那个点的上游的空气中，从而减少NOx排放。
虽然本文已示出和描述了本发明的各实施例，但应当理解，这些实施例仅以举例方式提供。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的技术人员将会想到各种变型、修改和替换。因此，本文的公开内容旨在涵盖落入本发明的精神和范围内的所有这样的变型和修改。

Claims (16)

1.一种用于在燃烧区中燃烧燃料以减少NOx排放的燃烧器组件，包括：
空气喷嘴子组件，所述空气喷嘴子组件包括沿轴线朝所述燃烧器组件的末端部分延伸的空气喷嘴导管，所述空气喷嘴导管具有用于容纳空气流的内部区域；
气体喷嘴子组件，所述气体喷嘴子组件包括至少部分地定位在所述空气喷嘴导管的所述内部区域内的燃料气导管，所述燃料气导管被构造成在大体沿所述轴线的方向上引导燃料以输送至所述燃烧区；
通道，所述通道布置在所述空气喷嘴导管和所述燃料气导管之间，所述通道被构造成在大体沿所述轴线的方向上引导空气以输送至所述燃烧区；以及
喷水子组件，所述喷水子组件包括构造成相对于所述轴线成一角度地引导水的出水口，所述出水口还被构造成在朝所述通道的方向上引导所述水以便与所述燃烧区上游的空气混合。
2.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述出水口包括喷雾嘴。
3.根据权利要求2所述的燃烧器组件，其特征在于，所述喷雾嘴被构造成在相对于所述轴线径向向外的方向上引导所述水。
4.根据权利要求3所述的燃烧器组件，其特征在于，所述喷雾嘴被构造成以大于180度的喷射角度径向向外引导所述水，使得在所述轴线和所述水的喷射方向之间的角度小于90度。
5.根据权利要求4所述的燃烧器组件，其特征在于，所述喷雾嘴被构造成以从190至230度的喷射角度径向向外引导所述水，使得在所述轴线和所述水的喷射方向之间的角度小于85度。
6.根据权利要求5所述的燃烧器组件，其特征在于，所述喷雾嘴被构造成以约210度的喷射角度径向向外引导所述水，使得在所述轴线和所述水的喷射方向之间的角度为约75度。
7.根据权利要求3所述的燃烧器组件，其特征在于，所述喷雾嘴被构造成在空心圆锥中径向向外引导水，使得所述水不沿所述轴线从所述喷雾嘴向外引导。
8.根据权利要求3所述的燃烧器组件，其特征在于，所述喷水子组件还包括在所述燃料气导管内延伸的水导管，并且所述喷雾嘴连接到所述水导管的末端。
9.根据权利要求8所述的燃烧器组件，其特征在于，还包括设置在所述水导管和所述燃料气导管之间的内部环形通道，所述内部环形通道被构造成在大体沿所述轴线的方向上引导所述燃料以输送至所述燃烧区。
10.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述空气喷嘴导管包括使所述水可以循环通过其中的冷却盘管。
11.一种用于在燃烧区中燃烧燃料以减少NOx排放的方法，包括：
在大体沿轴线的方向上通过燃料气导管提供燃料以输送至所述燃烧区；
在大体沿所述轴线的方向上通过设置在空气喷嘴导管和所述燃料气导管之间的环形通道朝所述燃烧区提供空气；以及
相对于所述轴线成一角度地且在朝所述环形通道的方向上提供水以便与所述燃烧区上游的空气混合。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述提供水的步骤包括：在相对于所述轴线径向向外的方向上引导所述水。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述提供水的步骤包括：以大于180度的喷射角度径向向外引导所述水，使得在所述轴线和所述水的喷射方向之间的角度小于90度。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述提供水的步骤包括：以从190至230度的喷射角度径向向外引导所述水，使得在所述轴线和所述水的喷射方向之间的角度小于85度。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述提供水的步骤包括：以约210度的喷射角度径向向外引导所述水，使得在所述轴线和所述水的喷射方向之间的角度为约75度。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述提供水的步骤包括：在空心圆锥中从喷水嘴径向向外引导水，使得所述水不沿所述轴线从所述喷水嘴向外引导。
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