[发明专利]分布式燃烧方法和燃烧器

说明书

背景技术

燃料的富氧燃烧是一种用于相对于基于空气的燃烧增加工业炉内的热利用（热效率）的已知策略。富氧燃料燃烧器具有增加从火焰到负载的辐射热传递的较高火焰温度。然而，较高火焰温度在某些情形中会具有负面影响，尤其是对于例如用于二次铝熔融的较低温度的炉而言。由于高火焰温度，增加了NO_X形成的倾向。因此，如果N₂通过燃料或由于空气渗透到炉内而进入燃烧区，则NO_X形成会显著增加。而且，较高温度火焰会在炉中产生热点或者不利地影响产品质量。在某些情形例如铝的熔融中，高火焰温度还会增加金属氧化速度，从而引起金属损耗。

为了克服以上问题，已开发分布式（分散，distributed）燃烧作为用于在较低但很均匀的温度下执行富氧燃烧的策略。分布式燃烧也称为稀释燃烧、柔和燃烧或无焰燃烧（在某些情形中在火焰不再可见时），该策略的中心思想是在燃烧之前用炉气（主要是H₂O与CO₂的混合物）稀释反应剂，以便实现炉内的较低和更均匀的温度分布。稀释后的混合物的温度应该保持高于自动点火温度以维持无焰模式。与在传统燃烧过程中观察到的质量输送与化学反应之间的复杂反应不同的是，高度稀释后的反应剂通过增加燃烧反应的时标而使燃烧成为动能受限的过程。该缓慢燃烧过程本身通过峰值温度低由此大幅减少NO_X的高度分布式反应区实现。

已提出很多用于分布式燃烧的燃烧器。

WO2004/029511利用通过燃烧器的氧喷嘴产生的喷射器效应来提供炉气的内部再循环。燃料的下游喷射允许氧在到达燃料之前与炉气混合。WO2004/029511包括围绕燃料喷射呈圆形安置的氧供给管道。氧供给管道优选以超音速递送氧。

与WO2004/029511燃烧器一样，美国专利No.6,007,326涉及炉中的燃料和氧气两者的浓度均低的燃烧。通过它们在高速度下的空间分离的喷射来获得反应剂的稀释。燃料和氧化剂可被预热至高于环境温度的任意温度。

美国已公布的专利申请US 20070254251公开了一种设计用于无焰燃烧体系的燃烧器。其包括起不同作用的若干燃料和氧化剂喷射。可能的中央火焰稳定器被用于将燃料和气态氧化剂喷射到炉或燃烧区内的多个喷嘴包围。其可以使用空气或氧作为氧化剂。

一些利用氧气的分布式燃烧燃烧器必须依赖于反应剂的高速喷射。高速喷射通常要求用于操作的氧气和天然气的高压力。由于该缺陷，需要使用利用压力比较低的氧气的燃烧器来实现分布式燃烧。

不论氧化剂供给的压力如何，分布式燃烧通常通过将燃料和氧化剂分开喷射到炉内来实现。任一股或两股反应剂射流以有利于例如通过使用高速度梯度、旋流或崖壁式体部将炉气夹带到射流中这样的方式喷射到炉内。出于在两股反应剂流彼此交互/混合之前实现一种或两种反应剂的充分稀释的目的来确定射流之间的距离。例如，美国专利No.5,961,312公开了一种燃烧器设计，其中燃料与空气射流之间的距离L通过下式给出：(L/D_a)×[(V_a/V_o)^.5]>10，其中D_a是空气喷嘴的直径，V_a是空气的速度，并且V_o是空气的单位速度（1m/s）。类似地，美国专利No.6,007,326需要燃料和氧化剂射流之间具有至少6英寸且优选24英寸的距离，以实现用于低NO_X生产的稀释燃烧状态。射流之间的这些间距要求常常使燃烧器过于庞大。

有时，还利用反应剂喷嘴之间的非零喷射角度来延迟反应剂的混合，直到它们被炉气稀释。例如，美国专利No.5,772,421公开了一种燃烧器设计，其中燃料和氧化剂被排出成使得它们首先彼此发散，但最终在炉内混合。然而，发散的射流的混合取决于炉几何形状、燃烧器操作和燃烧器在炉内的位置。结果是，这些燃烧器常常仅在某些特定炉内并且在特定操作条件下有效。

另一种实现分布式燃烧的策略是通过使用多个喷嘴来将反应剂中的一种分配到炉内。其它反应剂通常作为高速或高旋流射流供给以夹带炉气。例如，美国专利No.6,773,256公开了一种燃烧器，其中将少量燃料供给到氧化剂流中以实现贫燃料火焰。剩余燃料经由与火焰相距固定距离的多个燃料喷嘴供给。燃料喷嘴可设计成根据所期望的分级以不同角度向火焰喷射燃料。这种设计策略会导致较大、复杂的燃烧器，其可能制造起来相对昂贵并且难以控制。

由于上述缺陷，需要使用简单、紧凑的燃烧器实现分布式燃烧。