[发明专利]用于在冷壁式燃烧室中稳定稀释燃烧的装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在燃烧室中稳定稀释燃烧的装置，尤其适用于具有高环保性能、节能燃烧技术的燃烧室，该燃烧室也被称为“冷壁式”燃烧室，例如冶炼炉或工业炉，其中，该燃烧室的包含负载的壁的表面温度大约等于或少于1000K。

背景技术

多数燃烧方法存在燃烧后的烟气中含有不必要排放的氮氧化物（NO_x）的问题。氮氧化物会对人类和环境带来不利的影响。例如，会形成酸雨以及在大气臭氧的形成中起到重要的作用。

欧洲法规的制定趋势是大量减少氮氧化物的排放。由此，燃烧设备制造商，特别是燃烧器制造商，一直在努力以尽可能地限制氮氧化物的排放。在2011年，根据欧洲LCP法令（no.2001-80-EC）的规定，大型燃烧工厂的氮氧化物排放限值（“ELV”）应为：现有的工业炉为200mg/Nm³气体燃料（O₂含量3％），新建炉为100mg/Nm³气体燃料（O₂含量3％）。可以预见的是，这些限值在未来几年还会减小。

氮氧化物的形成有很多化学途径。对于天然气燃烧炉来说，两个主要的方面是热力型氮氧化物（泽尔多维奇机理Zeldovich mechanism）和快速型氮氧化物（费尼莫尔机理Fenimore mechanism）。热力型氮氧化物的产生非常依赖于温度，当反应区的温度超过1500K时，产生量会显著增加。除了取决于温度，热力型氮氧化物的产生还取决于在热力区停留的时间。

通常，对于两种类型的氮氧化物的形成给出的相对意见是：首先减少热力型氮氧化物，然后快速型氮氧化物的改变效果就会显现出来。

氮氧化物的减少可以通过两种方式实现，也被称为“主要方法”和“次要方法”。“主要方法”为阻止氮氧化物的形成，而“次要方法”为破坏形成的氮氧化物。其中，“次要方法”具有很多缺点：实施成本高、氨排放量高、降低设备的稳固性能。

因此，“主要方法”看起来更可取。大多数炉体燃烧器的低氮氧化物排放量是基于空气和/或燃料的非预先混合（如专利6 485 289中描述的）。在这种结构中，设置有两个反应区：第一富集区，提供使第二稀薄区保持稳定燃烧的燃料，第二稀薄区处的燃料因为燃烧产物的内循环而被稀释。进一步提升炉体燃烧器的低氮氧化物排放性能的技术包括使用燃烧产品的外部循环器。燃烧的空气通过烟气进行预稀释（几乎为烟道中流动烟气的30%）。如此便可减少助燃流中的氧含量，从而降低温度峰值以及减少热力型氮氧化物的产生。可以参引美国专利US6 869 277。然而，这样的系统是复杂且昂贵的以及需要经常维护，由此并不被经常使用。

无焰燃烧，也被称为“稀释燃烧”，是一种能够限制温度峰值以显著降低氮氧化物排放的燃烧方式。这种燃烧方式是基于通过燃烧产物的内部再循环而强烈稀释助燃剂和喷射燃料，燃烧产物是通过燃料和助燃剂的喷嘴产生的，燃料和助燃剂分别高速注入其中。这种稀释可使强烈的局部燃烧转换为更温和的燃烧。作为稀释剂的产品的较高温度保证了这种燃烧模式的稳定性。与传统的燃烧方式相比，这种燃烧方式的特点是：大型的散热区域、火焰前缘的温度均匀、更低的温度峰值和更小的温度波动，由此减少了氮氧化物的排放以及减弱了声波与散热之间的联系。

美国专利US5 154 599描述了一种无焰燃烧器。其提出了一种蓄热式燃烧器结构，即，烟气被燃烧器吸收，烟气的能量储存在蓄热器中，然后被传递给助燃空气，以加热助燃空气到1200K。在燃烧之前，通过使空气注入点与燃料注入点之间具有足够大的距离（至少是中央喷嘴直径的两倍）以及使再循环的烟气具有较高流量（再循环比至少大于天然气的两倍），以保证反应物的稀释。

这种技术在工业上的实施被称为“热式法”，即，炉体内的平均温度远远高于燃料的自燃温度。无焰氧化是通过助燃剂、燃料、燃烧后的气体的三元混合物的自燃而维持的。要发生自燃，必须使混合区的温度高于自燃温度。有两种可能的方法实现这个条件。第一种方法，通过烟气中回收的能量或外部能量源对至少一个反应物（典型的是助燃剂）进行预加热。第二种方法，通过热的燃烧产物的内部再循环使反应物混合区的温度超过燃料的自燃温度。这两种比较稳定的方法普遍应用在高温设备中（燃烧室温度高于自燃温度）。实际上，在这种情况下烟气具有足够的热量以使燃料和/或助燃剂被预加热到较高的温度，从而使混合区的温度超过自燃温度。