CN1121156A - 减少氮氧化物生成的分阶段燃烧 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种减少氮氧化物产生的燃烧方法，包括使燃料流与低速氧化剂一起部分燃烧，再将其产物与稀释了的第二氧化剂混合并燃烧。可用提高第二氧化剂的速度，或调整第二氧化剂/低速氧化剂之比，来减少氮氧化物的形成。通常，提高这个比例和/或速度可进一步降低氮氧化物的排放水平。当使用液体燃料时，用雾化流体将其雾化，使液体燃料流有很窄的喷射角。这样使燃烧器可以在无水冷却下操作，并减少了氮氧化物的生成。

Description

减少氮氧化物生成的分阶段燃烧
本发明一般涉及用于减少氮的氧化物生成的流体燃料的燃烧，特别是液体燃料的燃烧。
在很多燃烧过程中产生大量氮的氧化物。因为氮的氧化物是已知的污染物，所以减少它们的生成是符合需要的。为了减少氮的氧化物的产生，已用富氧空气或工业纯氧气代替空气作为氧化剂，以使向燃烧区中引入每一当量氧气的氮气数量减少。但是，用富氧空气或工业纯氧作为氧化剂，会使待进行燃烧过程处于高温。动力学上高温燃烧有利于氮氧化物的形成，并且对燃烧器，特别是非水冷却的燃烧器的结构寿命有不利影响。
美国专利5,076,779和5,242,296提出了一种抑制氮氧化物形成的燃烧方法。这种燃烧方法包括在氧化剂混合区，用炉气稀释氧化剂气流，形成稀释后的气流，然后在反应区在这种稀释后的气流存在下燃烧燃料，这样来避免出现有利于氮的氧化物形成的条件。燃料在稀释后的气流存在下完全燃烧之前，可以先在亚化学计量的氧化剂存在下不完全燃烧。已知这些方法可以大量减少氮的氧化物的生成。但是，仍需要进一步减少氮的氧化物的释放。
在使用液体燃料时，更需要进行有效的燃烧，并减少氮的氧化物的生成。由于液体燃料的雾化和燃烧的复杂性，减少氮氧化物的排放量是很困难的。如果在炉壁的耐火通道内使用一个非水冷却的燃烧器，从燃烧器里喷出的液体燃料能接触到耐火通道，导致烟灰的沉积，以致于可能最后堵塞燃烧器。
因此，本发明的目的是为了充分有效地燃烧燃料，特别是液体燃料，并且进一步减少氮的氧化物的生成。
本发明的另一目的是在使用非水冷却燃烧器和喷枪时，液体燃料的燃烧不会导致大量的烟灰沉积。
本发明还有一个目的是在燃烧液体燃料时降低火焰温度。
上述这些和其它目标，对读过本文内容的本领域专业技术人员来说是显而易见的，可以通过本发明来实现。本发明的一个方面是：
一种减少氮氧化物生成的燃烧流体燃料的方法，这种方法包括：
(a)向燃烧区中喷入至少一种流体燃料流；
(b)用亚化学计量的至少一种第一氧化剂物流，以小于200英尺每秒的速度喷出，至少包围上述流体燃料流的一部分，并使这种流体燃料和至少一部分上述第一氧化剂一起燃烧，形成部分燃烧的产物；
(c)注入至少一种第二氧化剂物流，与上述流体燃料流和第一氧化剂物流成一定角度偏离，或者从与上述流体燃料和第一氧化剂喷出的相隔一定距离的位置注入，或者从与上述流体燃料和第一氧化剂喷出的相对的位置注入，其中，这种注入的第二氧化剂物流，需是与第一氧化剂物流的体积比大于1.5∶1，但小于20∶1。
(d)用大量的含氧浓度为0.5到1.5％(体积)的***气体稀释上述第二氧化剂物流，形成稀释后的物流；并且
(f)把上述稀释后的物流与部分燃烧的产物混合，然后用上述稀释后的物流中的氧气燃烧部分燃烧的产物。
本发明的另一方面是：
一种减少氮氧化物生成的液体燃料燃烧的方法。这个方法包括：
(a)在燃烧区以发散喷雾的形式提供至少一种液体燃料流，其外周角小于15°，以上述至少一种液体燃料流的轴为基准测量；
(b)以环状气流的形式，以小于200英尺每秒的速度注入亚化学计量的第一氧化剂气流，来包围或覆盖至少一种上述液体燃料流的至少一部分；
(c)将至少一部分上述第一氧化剂气流并用引入的氧化剂部分燃烧上述液体燃料，来形成部分燃烧的产物；
(d)注入至少一种第二氧化剂气流，来建立一个***气体循环模式，其中大量的***气体在与上述部分燃烧产物混合以前，被引入上述的第二氧化剂气流中，以形成一种氧气浓度大约为1到30％(体积)的稀释后的气流，并且
(e)把上述稀释后的气流与上述部分燃烧的产物混合，然后用上述稀释后的气流中的氧化剂燃烧上述部分燃烧的产物。
这里用的术语“***气体”是指在燃烧区，即燃烧炉内的气体。
这里用的术语“部分燃烧的产物”指的是完全和不完全燃烧的产物，包括但不仅仅限于CO2、CO、H2O、H2。烃，和来燃烧的燃料。
图1和2是涉及引入第一氧化剂、第二氧化剂和燃料的各个设备构造的剖视图，这是本发明的实施方案。
图3是液体燃料喷雾设备的剖视图，这是本发明的另一实施方案。
图4是带有如图3喷雾器的液体燃料燃烧器的剖视图，这也是本发明的一个实施方案。
图5-6是阐明第二氧化剂气流对第一氧化剂气流的特定体积比的重要性的图示表示，这是本发明的另一实施方案。
图7-8是阐明用特定的速度注入第二氧化剂的重要性的图示表示。这是本发明的又一实施方案。
本发明将参照图表来具体描述。
参照图1-4，流体燃料和第一氧化剂从一个或多个燃烧器(3)中喷入，燃烧器有至少一条燃料通道(5)和至少一条第一氧化剂通道(7)。燃烧器(3)可以包括一个喷嘴(9)和一个外罩(11)，这个外罩与喷嘴同心，包围了喷嘴的至少一部分。在喷嘴(9)的外表面和外罩(11)的内表面之间形成环形通道代表了第一氧化剂通道(7)，同时喷嘴(9)的通道代表了燃料通道(5)。
除了燃料通道(5)和第一氧化剂通道(7)之外，当使用液体燃料时，至少还提供了一个雾化流体通道(13)。这个理想的雾化流体通道(13)被合适地设计，正确地安置，这样以发散喷雾的形式产生至少一种液体燃料流，外周角小于15°，最好小于10°，以上述液体燃料流的轴为基准来测量。根据图3-4，雾化流体通道(13)可以做成一个中间的环形通道，这个通道是以一个中间罩(15)同心地包围喷嘴(9)的至少一部分(例如位于喷嘴和外罩(11)之间的一个流体管道)。
在本发明的一个实施方案中，用于以理想的窄外周角喷射液体燃料的喷嘴(9)具有内表面和外表面，内表面限定出燃料通道(5)，它中止于燃料喷嘴口(17)。燃料通道(5)至少包括两段。第一段(5a)有较大的截面积或直径，而第二段(5b)与第一段相连，其截面积在朝燃料喷嘴口(17)方向变小(一个半径逐渐减小的圆锥形)，优选圆锥体的形式。燃料喷嘴口(17)有一个入口(19)，接受来自燃料通道(5)的燃料，还有一个出口(21)，用于释放燃料。燃料喷嘴口(17)的入口(19)通常位于第二段(5b)的末端，其截面积或直径等于或小于第二段(5b)末端开口处的截面积或直径。燃料喷嘴口(17)包括至少三部分，第一部分(17a)的截面积或直径等于或小于燃料通道(5)的第二段(5b)的末端处的截面积或直径。第二部分(17b)的截面积或直径在朝出口(21)方向稍为变小。第三部分(17c)的截面积或直径小于第一部分(17a)的截面积或直径。一般来说，燃料通道(5)的载面积或直径大于燃料喷嘴口(17)的截面积或直径。
中间罩(15)用于形成雾化流体通道(13)，能促进有理想外周角的燃料喷雾状的形成，它具有内表面和外表面，并且同心包围喷嘴(9)的至少一部分。在罩子(15)的内表面和喷嘴(9)外表面之间，有雾化流体通道(13)，例如环形通道，以及一个雾化流体喷嘴口(23)，例如环形雾化流体喷嘴口。环形雾化流体通道(13)的末端是环形雾化流体喷嘴口(23)，这个喷嘴口有入口和出口开口(25和27)，用以接受和排出来自环形通道(13)的雾化流体。通常，环形雾化流体通道(13)的截面积或直径大于环形雾化流体喷嘴口(23)的截面积或直径。限定出环形雾化流体喷嘴口(13)的中间罩(15)的内表面的至少一部分以及喷嘴(9)的外表面的至少一部分，是以圆锥体的形式，其直径向出口方向以角度(A)逐渐变小，角度(A)的范围是5°到30°，优选12°到1 8°，该角度是以喷嘴(9)的纵轴(C)为基准测量的。如果这些燃烧器(3)要被用作气体冷却的双燃料燃烧器，还需要另外的罩子形成另外的通道(例如另外的环形通道)来注入不同的燃料，例如一种包含固体燃料粒子或气体燃料的流体，以及另外的第一氧化剂。
至少一个燃烧器(3)的顶端可由至少一个炉壁(31)限定的至少一个耐火喷嘴口(29)的内开口(28)向里凹陷，这样他们可被用作非水冷却的燃料器。每一个耐火喷嘴口(29)都在炉壁(31)具有形成的正对着燃烧区的内开口(28)。通常，内开口(28)的直径范围是大约0.25到10英寸。已经发现，使每个燃烧器(3)的顶端从耐火喷嘴口(29)的内开口向里凹陷，凹进去的距离至少是耐火喷嘴内开口(28)的直径，则每个燃烧器(3)无需水冷却就能被应用。这个向里凹进去的距离减小了燃烧器顶端温度。燃烧器(3)可用任何适于燃烧过程的原料来制做。这样的原料包括：不锈钢、全属、陶瓷、塑料等。
所用的流体燃料可以是液体燃料、气体燃料、含固体燃料的流体或其混合物等。燃料，象石油或煤，可以含有化学键合氮。这里用的术语“化学键合氮”指的是以化学作用连在化合物上的氮原子(不包括分子氮)。这些含有化学键合氮的化合物包括：胺类、酰胺类、含氮杂环类化合物等。如果所用液体燃料粘度很高，可以在输入燃料通道(5)之前先预热。流体燃料的速度最好大于第一氧化剂的速度以促进流体燃料稳定的部分全燃烧。
如果用液体燃料，雾化流体被用于分散液体燃料以利于充分有效的燃烧。优选的雾化技术是雾化流体使雾化后的流体燃料流具有理想的窄的外周喷雾角，即使在以低速喷出液体燃料的时候，例如，速度小于50英尺每秒时也如此。优选的雾化技术还包括以约0.5到1.2马赫的速度喷出雾化流体，并且把液体燃料会聚于会聚角(A)为5°到30°的范围内，最好12°到18°，以喷嘴(9)的纵轴(C)为基础测量。从环形雾化流体喷嘴口(23)喷出的雾化流体，其后将至少一部分第一氧化剂引入液体燃料流中，使液体燃料不完全燃烧。只要能达到理想的窄的外周角，并且至少一部分第一氧化剂被引入液体燃料流中，其它雾化技术也可以使用。达到这个理想的窄的外周喷雾角，不仅促进了非水冷却的以石油为燃料的燃烧器的使用，而且提高了液体燃料燃烧的充分有效性，同时减少了氮的氧化物的产生。而且，控.制或调整注入的雾化流体的速度以保持雾化流体对液体燃料的质量比的范围大约为0.3到0.7，优选为0.4到0.7，可进一步促进氮氧化物排放量水平的降低。所用的雾化流体可以是任何气体物质，包括但并不限于水蒸汽，二氧化碳，氩气、氮气、空气、富氧空气和纯氧气。通常最好雾化气体中不含有氮气。
从第一氧化剂通道(7)喷入的第一氧化剂包围流体燃料并与之反应。喷入的第一氧化剂包括要与流体燃料反应的亚化学计量的氧气，这样导致流体燃料的部分燃料。理想的亚化学计量的氧气，是与流体燃料流反应的化学计量的氧气量的10％到30％。第一氧化剂的速度通常保持小于200英尺每秒，优选小于100英尺每秒，以促进稳定的部分燃烧，并减少氮氧化物的生成。所用的第一氧化剂可以是空气、富氧空气或工业纯氧。但是，理想的第一氧化剂含氧浓度大于30％(体积)。应该理解，另外的第一氧化剂和燃料(例如不同的燃料)可以通过另外的通道，例如外环形通道，来引入燃烧器(3)。通过使用另外的第一氧化剂和燃料，例如燃烧器(3)，可以被用作一个双燃料燃烧器。
在流体燃料和第一氧化剂从每个燃烧器(3)中喷出的时候，第二氧化剂流从至少一个喷枪(35)中喷出。喷枪(35)位于炉壁上(31)的至少一个耐火喷嘴口(37)内。耐火喷嘴口(37)有一个正对燃烧区(35)的内开口(36)。喷枪(35)的顶端可在耐火喷嘴口(37)的内开口(36)向里凹陷，凹进去的距离至少等于耐火喷嘴口(37)内开口(36)的直径。如果喷枪(35)的顶端是用陶瓷材料制成的，就不必要凹进去。这种喷枪设计成凹形，使喷枪(35)能在没有水冷却的条件下操作，这样来避免与用水冷却有关的腐蚀。
喷枪(35)的位置使第二氧化剂气流喷出的位置与第一氧化剂和燃料流喷出的位置隔开一定距离，或成一定角度偏离，或相对或相邻。当喷枪(35)与燃烧器(3)成一定角度倾斜或隔开一定距离时，间隔的距离和/或喷射角度需使喷出的第二氧化剂气流在与部分燃烧的产物反应之前，引入大量的***气体，即在燃烧区或炉内的气体。例如，当第二氧化剂与燃料流平行地喷出时，第二氧化剂喷出的位置应与燃料和第一氧化剂气流喷出的位置相隔至少三英寸。另一方面，当喷枪(35)位于与燃烧器相对或相邻的至少一个炉壁上时，部分燃烧的产物与第二氧化剂相交的位置，应离第二氧化剂喷出的距离足够远，使第二氧化剂气流与部分燃烧产物混合之前，达到理想的稀释后气流的形成。理想的稀释后气流氧气浓度应为约1到30％(体积)，优选约2到25％(体积)。这种理想的稀释后气流，是通过第二氧化剂在用于燃烧部分燃烧产物之前，引入***气体，建立一个***气体循环模式来形成。***气体通常含氧气浓度为约0.5到15％。通过形成理想的稀释气流，火焰温度和氮氧化物的形成都降低了。
除了象上面提到的喷入第二氧化剂外，在引入的第一氧化剂的量的基础上，调节引入的第二氧化剂的量，来进一步减少氮氧化物的形成。例如图5-6，表明了在第二氧化剂量与第一氧化剂量为不同的比例时，NOx(氮氧化物排放水平)与第二氧化剂注入速度的关系曲线图。这个曲线图表明，产生的氮氧化物的质量随着第二氧化剂与第一氧化剂的体积比的增加而减小。理想的第一氧化剂与第二氧化剂的体积比是大于15∶1，优选大于或等于24∶1，最好大于3∶1，但小于20∶1。
另外，第二氧化剂的速度应该提高，来进一步减少氮氧化物的形成。图7-8是NOx(氮氧化物排放量水平)对第二氧化剂背压和第二氧化剂注入速度的关系曲线图。这个曲线图表明，产生的氮氧化物的质量随着第二氧化剂注入速度或第二氧化剂背压的增加而减小。第二氧化剂的理想的速度是大于250英尺每秒，优选大于300英尺每秒，最好是大于400英尺每秒。所用的第二氧化剂可以是空气，富氧空气或工业纯氧气。但是，理想的第二氧化剂，含氧气浓度应大于30％(体积比)。
在实践中，如上所述地从理想的位置高速喷入第二氧化剂，建立了一个***气体循环模式，因而由于第二氧化剂气流的喷气抽吸效应，***气体和由燃料与第一氧化剂燃烧所形成的部分燃烧产物被引入第二氧化剂气流。因为第二氧化剂气流速度很高，并且喷入的位置离燃料和第一氧化剂足够远，第二氧化剂与燃料和第一氧化剂的混和被延迟了。这种延迟使第二氧化剂先与***气体混和，形成理想的稀释后的气流，同时通过燃料和第一氧化剂的部分燃烧，形成部分燃烧的产物。然后稀释后的气流引入部分燃烧的产物并燃烧。
为了进一步阐述本发明，提供以下实例。这些实例的提供是为了说明的目的，但并不仅仅局限于此。
所有这些例子中的实验都是在实验室燃烧炉内进行的，这个燃烧炉内部尺寸为：直径3英尺，长8英尺。这个燃烧炉至少一面炉壁上有两个以上的喷嘴，其末端开口于燃烧炉的内室。
所用燃料石油的物理化学性质示于下表。
              表1C       H       S        N       H2O85.12  10.99   0.27     0.22     2.6
              表2粘度    cSt      140°F    32.96
   (厘沲)    180°F    16.21密度             140°F    0.8980
             180°F    0.8855热值    Btu/1b   总热值18503
             净热值17799
石油在140°F下用泵送入炉内。保持燃烧器入口温度180°F，这样使石油粘度保持在16cSt(厘沲)，燃烧器内燃烧速度为1MMBtu/h。
从炉壁三个位置注入氮气来模拟空气渗透作用，因为这是工业燃烧炉常发生的问题。
在测量NOx时，保持燃烧炉耐火炉壁的平均温度为2800°F。
基于化学荧光分析仪所测定的NO值来表示NO的结果，并以每一百万BTU燃料燃烧所产生的NO2的磅数来表示。
这些实验是用如图4所示的燃烧器进行的。这个燃烧器放在固定于炉壁的耐火喷嘴内，燃烧器的顶端位于喷嘴的内开口向里凹陷约4英寸处(两倍于内开口的直径)。在另一固定于炉壁的耐火喷嘴口内放着一个氧气喷枪，喷枪的顶端位于喷嘴的内开口向里凹陷约2英寸处(等于这个耐火喷嘴口内开口的直径)。燃烧器和喷枪的位置互相平行，相距6英寸。喷枪用于注入第二氧化剂，燃烧器用于喷入石油、雾化流体和第一氧化剂，使石油部分燃烧。雾化流体可以是蒸汽、空气和氧气。所注入雾化流体的量需使雾化流体/石油质量比保持在约50％。在图5中，所用雾化流体为蒸汽。在图6中，所用雾化流体为空气。为了得到图5-6中的关系曲线，改变第二氧化剂的注入速度以及第二氧化剂/第一氧化剂的体积比。这些关系曲线图表明了第二氧化剂/第一氧化剂体积比对氮氧化物排放量水平的影响作用。根据图5-6中的关系曲线，可通过增加第二氧化剂/第一氧化剂体积比来降低氮氧化物的排放量水平。图7-8阐明了第二氧化剂注入速度对氮氧化物排放量水平的影响作用。注入的第一氧化剂的量需是，通过燃烧器引入的氧气在图7和图8中分别占引入的总的氧气量的约30％和40％。图7和图8中所用雾化流体都是蒸汽。根据图7和8中的关系曲线可以得知：增大第二氧化剂的速度可以降低氮氧化物的排放量水平。
通过应用本发明，氮氧化物的排放水平大为降低。在燃烧液体燃料的情况下，降低氮氧化物的排放水平是特别值得注意的，因为由于液体燃料雾化和燃烧的复杂性，本领域技术人员还没有考虑过象本发明所提供的这样，使用液体燃料时用很窄的喷射角度，这样来降低氮氧化物的排放水平。另外，以很窄的喷射角度来使用液体燃料流，同时减少了氮氧化物的生成，使燃烧器能在非水冷却的情况下使用，并且在长时期内没有堵塞和腐蚀。
虽然本发明通过参照一些实施方案来具体描述，但本领域技术人员应认识到，在本发明的精神和权利要求范围内还有其它实施方案。

Claims (10)

1.一个减少氮氧化物产生的燃烧流体燃料的方法，该方法包括：
(a)向燃烧区内喷入至少一种流体燃料流；
(b)用小于200英尺每秒的速度喷入的至少一种亚化学计量的第一氧化剂气流，包围至少一部分上述的至少一种流体燃料流，并使上述流体燃料流与第一氧化剂一起燃烧，形成部分燃烧的产物，
(c)喷入至少一种第二氧化剂气流，与上述流体燃料流和第一氧化剂气流成一定角度偏离，或者与喷出上述流体燃料和第一氧化剂气流的位置相距一定距离，或在其对面，其中，上述的喷入的第二氧化剂需使上述第二氧化剂与第一氧化剂的体积比大于1.5∶1，但小于20∶1；
(d)用大量含氧浓度为约0.5到15％(体积)的***气体，来稀释上述第二氧化剂气流，形成稀释后的气流；并且
(e)把上述稀释后的气流与上述部分燃烧的产物混合，然后使上述部分燃烧的产物与上述稀释后的气流中的氧气一起燃烧。
2.根据权利要求1的方法，上述注入的第二氧化剂气流与上述第一氧化剂气流的体积比大于2.4∶1。
3.根据权利要求1的方法，上述第二氧化剂气流的速度大于200英尺每秒。
4.一个减少氮氧化物产生的燃烧液体燃料的方法，这个方法包括：
(a)在燃烧区内以发散喷射的形式提供至少一种液体燃料流，外周角小于15°，以上述液体燃料流的轴为基准测量；
(b)以小于200英尺每秒的速度，以环形气流的形式，喷入亚化学计量的第一氧化剂气流，来包围或覆盖至少一部分上述的至少一种液体燃料流；
(c)将至少一部分上述第一氧化剂气流引入上述液体燃料流中，并使上述液体燃料与引入的氧化剂一起燃烧，形成部分燃烧的产物；
(d)喷入至少一种第二氧化剂气流来建立一个***气体循环模式，其中大量的***气体在与上述部分燃烧的产物混合之前，被引入上述至少一种第二氧化剂气流中，形成氧气浓度为约1到30％(体积)的稀释后气流；以及
(e)将上述稀释后气流与上述部分燃烧的产物混合，然后将上述部分燃烧的产物与稀释后气流中的氧化剂一起燃烧。
5.根据权利要求4的方法，上述喷入的至少一种第二氧化剂气流的速度，是必须使第二氧化剂与第一氧化剂的体积比大于4∶1，并且上述的至少一种第二氧化剂气流为流速大于上述液体燃料流的流速。
6.根据权利要求4的方法，其中步骤(a)中的上述至少一种液体燃料流的形式，是通过至少一个有开口的喷嘴沿其轴向注入至少一种液体燃料流，并且通过有一个环形开口的环形通道注入雾化流体，此环形通道是在上述至少一个喷嘴和包围上述喷嘴的至少一部分的外罩之间形成的，上述雾化流体是从上述位于喷嘴开口上游或与开口在同一平面内的环形开口，以0.5到1.2马赫的速度喷出，会聚角为12°到18°，此会聚角是以上述流体燃料流的轴为基准测得。
7.根据权利要求6的方法，其中上述至少一个喷嘴的顶端由包围上述燃烧区的至少一个炉壁限定出的至少一个耐火喷嘴的内开口向里凹隅，凹进去的距离至少等于上述内开口的直径。
8.根据权利要求6的方法，其中上述雾化流体与上述液体燃料的体积比的范围为约0.4到0.7。
9.根据权利要求6的方法，其中上述第二氧化剂气流从一个喷枪里喷出，喷枪与上述的至少一个喷嘴相隔一定距离或成一定角度偏离，或者位于与这个喷嘴所在位置相邻或相对的炉壁上。
10.根据权利要求6的方法，其中还包括从第二环形开口注入另一种燃料流，这种燃料流选自一种气态燃料流、含固体燃料粒子的气流，和其混合物，这个第二环形开口在上述外罩和包围这个外罩至少一部分的第二外罩之间形成；通过第三个环形开口注入另外的第一氧化剂，这个第三环形开口在上述第二外罩和包围第二外罩的至少一部分的第三外罩之间形成。
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