[发明专利]减少氮氧化物和一氧化碳产生的分级燃烧

说明书

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(NO_x)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NO_x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NO_x的形成。

分级燃烧已用于降低NO_x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NO_x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NO_x的产生量。

尽管分级燃烧对限制燃烧时产生的NO_x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NO_x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NO_x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“NO_x”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。