專利名稱：液體燃料和氧化劑在爐中分級燃燒的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液體燃料和氧化劑在爐中分級燃燒的方法在工業(yè)爐中燃燒方法的實行必須符合兩個標(biāo)準(zhǔn)-對大氣污染物(NOx、粉塵，等等)排放的限制，其量必須在法規(guī)設(shè)定的界限以下；-對爐壁溫度的控制和對待加熱的進料的控制，以便同時符合與經(jīng)過燃燒處理的產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)的限制和與能量消耗有關(guān)的限制。
大氣污染物(尤其是氮的氧化物)排放法規(guī)的變動已經(jīng)引起燃燒技術(shù)的極大改進。限制NOx排放的第一種燃燒方法是振蕩(oscillation)燃燒(EP-A1-0524880)，其包括使燃料和/或氧化劑流振蕩。偏離化學(xué)計量比(1/1)可使局部溫度降低，這減少了NOx。另一種解決方法是分級燃燒，其中在反應(yīng)的主區(qū)域?qū)⒎磻?yīng)物稀釋這樣可以偏離化學(xué)計量比并防止產(chǎn)生有利于形成NOx的溫度峰(WO 02/081967)。
這些現(xiàn)有技術(shù)的例子都是主要適用于氣體燃料燃燒的解決方法。在使用液體燃料和氣體氧化劑的兩相燃燒中，燃燒方法還包括下列額外步驟使液體霧化，然后使液滴汽化，從而使已經(jīng)變成氣體的燃料可以與氣體氧化劑反應(yīng)。因此，多種額外參數(shù)會影響燃燒，包括例如所用噴霧器的類型，此外，在使用帶有輔助霧化功能的注射器時，還包括霧化氣體的流速，它會影響液滴大小和霧化質(zhì)量。除了直接與霧化步驟相關(guān)的參數(shù)外，燃燒方法還受到反應(yīng)物混合情況的影響，因為混合會影響燃燒模式和污染排放物的形成。因此，汽化長度與混合長度的比率是一個重要的因素。汽化長度是將液體燃料滴蒸發(fā)所需的距離——其取決于液滴大小、它們的速度和液體的性質(zhì)?；旌祥L度是分別注入的反應(yīng)物以化學(xué)計量比混合所需的距離。如果汽化長度與混合長度相比太長，燃燒就不完全；這被稱作“不完全燃燒，，或“brush”模式。然而，如果汽化長度與混合長度相比太短，過于迅速的混合會導(dǎo)致氮的氧化物的高含量；這被稱作“汽化”模式。因此，優(yōu)選處于這兩種模式之間的過渡形態(tài)(汽化長度/混合長度比接近1)。
EP-B1-0687853提出了一種液體燃料的分級燃燒法。該方法包括以發(fā)散噴射的形式注入液體燃料，使得外邊緣處的角度小于15°，并以兩條流體(即初級流和次級流)的形式注入氧化劑，其中初級流必須具有低速度，即低于61米/秒。這種方法具有一些缺點。首先，使用這種小角度意味著要使用高霧化氣體速度，這會導(dǎo)致較高的壓頭損失并且會降低火焰穩(wěn)定性。其次，由于噴射角的值較低，燃燒模式是“汽化”模式并且不能使NOx的降低最優(yōu)化。最后，這種小噴射角不能使火焰的幾何參數(shù)連續(xù)變化。然而，這可用于改變火焰的幾何形狀以防止局部形成熱點。這取決于進料。
因此，本發(fā)明的一個目的是提出一種使用液體燃料的分級燃燒法，其可以限制NOx的形成同時仍然使火焰保持穩(wěn)定。
本發(fā)明的另一目的是提出一種使用液體燃料的分級燃燒法，其可以限制NOx的形成并具有高水平的燃燒器適應(yīng)性。
為此，本發(fā)明涉及一種液體燃料和氧化劑的燃燒方法，其中注入至少一束霧化形式的液體燃料射流和至少一束氧化劑射流，氧化劑射流包括初級氧化劑射流和次級氧化劑射流，初級氧化劑射流在液體燃料射流附近注入以產(chǎn)生第一不完全燃燒，第一燃燒放出的氣體仍然含有至少部分燃料，而在距離液體燃料射流l2處注入次級氧化劑射流，該距離大于液體燃料射流與最靠近液體燃料射流的初級氧化劑射流之間的距離，次級氧化劑射流從而與第一燃燒放出的氣體中存在的燃料部分進行燃燒，其中初級氧化劑射流被分成至少兩個初級射流-至少環(huán)繞的(shrouding)第一初級射流，其圍繞霧化形式的液體燃料射流同軸注入；和-至少第二初級氧化射流，其在距離霧化的液體燃料射流l1處注入。
閱讀下列描述，可以明顯看出本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。實施本發(fā)明的具體實施方式
和方法作為非限制性例子給出，如

圖1和2所示。圖1和2是實施本發(fā)明的方法用的設(shè)備的示意圖。
本發(fā)明因此涉及一種液體燃料和氧化劑的燃燒方法，其中注入至少一束霧化形式的液體燃料射流和至少一束氧化劑射流，氧化劑射流包括初級氧化劑射流和次級氧化劑射流，初級氧化劑射流在液體燃料射流附近注入以產(chǎn)生第一不完全燃燒，第一燃燒放出的氣體仍然含有至少部分燃料，而在距離液體燃料射流l2處注入次級氧化劑射流，該距離大于液體燃料射流與最靠近液體燃料射流的初級氧化劑射流之間的距離，次級氧化劑射流從而與第一燃燒放出的氣體中存在的燃料部分進行燃燒，其中初級氧化劑射流被分成至少兩個初級射流-至少環(huán)繞的第一初級射流，其圍繞霧化形式的液體燃料射流同軸注入；和-至少第二初級氧化射流，其在距離霧化的液體燃料射流l1處注入。
本發(fā)明方法的一個基本特征在于其涉及一種液體燃料的燃燒法，該燃料以霧化形式從燃燒器的噴管注入。可以通過任何霧化法(例如液體燃料的加壓注射，或燃料與霧化氣體在注射之前或之中混合)獲得這種霧化形式的液體燃料射流。例如，按照優(yōu)選具體實施方式
，可以通過圍繞液體燃料射流同軸注入霧化氣體射流來獲得霧化形式的液體燃料射流。霧化氣體可以選自氧化氣體(例如空氣或氧氣)或惰性氣體(例如氮氣)或水蒸氣。按照該優(yōu)選具體實施方式
，霧化氣體射流的質(zhì)量流速宜為液體燃料射流質(zhì)量流速的5至40％，更優(yōu)選15至30％。
按照本發(fā)明的另一基本特征，初級氧化射流被分為至少兩個射流，其中至少一個是環(huán)繞的初級氧化射流。該環(huán)繞的初級氧化射流圍繞霧化形式的液體燃料射流同軸注入。第二初級氧化射流在距離霧化液體燃料射流l1處注入。優(yōu)選地，第二初級氧化射流和液體燃料射流之間的距離l1在1.5DG和l2/2之間，DG代表與注入環(huán)繞的初級氧化射流用的注射器具有相同面積的圓的直徑。例如，DG的值可以在30至60毫米之間。
次級氧化劑射流與燃料射流之間的距離l2可以在8D2至40D2之間，其中D2代表與注入次級氧化劑用的注射器具有相同面積的圓的直徑。該直徑D2可以在10和60毫米之間。
與注入第二初級氧化劑射流用的注射器具有相同面積的圓的直徑，即D1，可以在15和70毫米之間。優(yōu)選直徑D1大于直徑D2。
按照本發(fā)明的一個方案，次級氧化劑射流和位于與液體燃料射流距離l1處的初級氧化劑射流包括多條射流。例如，位于與液體燃料射流距離l1處的初級氧化劑射流可以包括兩條與液體燃料射流距離都是l1的相同的射流，這三條射流基本處于相同平面，次級氧化劑射流可以包括兩條與液體燃料射流的距離都是l2的相同的射流，這三條射流基本處于相同平面；優(yōu)選地，這五條射流基本處于相同平面。
次級氧化劑的量通常為所注入的氧化劑總量的最多90％，優(yōu)選10至90％。更優(yōu)選地，次級氧化劑的量為所注入的氧化劑總量的50至90％，甚至60至80％，初級氧化劑(既包括環(huán)繞的氧化劑也包括第二初級氧化劑射流)為氧化劑總量的10至50％，更優(yōu)選為20至40％。
優(yōu)選地，環(huán)繞的第一初級氧化劑射流的質(zhì)量流速為總氧化劑(初級氧化劑+次級氧化劑)射流質(zhì)量流速的10至20％。
初級氧化劑和次級氧化劑可以具有相同的組成；特別地，這樣做的優(yōu)點在于僅僅具有在各初級或次級氧化劑注入點之間進行分配的一個氧化劑源。但優(yōu)選初級氧化劑的氧氣濃度高于次級氧化劑的氧氣濃度。
氧化劑的組成根據(jù)所需條件或結(jié)果的不同而不同。一般而言，氧化劑可包括含有以下氣體的氣體混合物-5至100體積％、優(yōu)選30至100體積％的氧氣；-0至95體積％、優(yōu)選0至90體積％的CO2；-0至80體積％、優(yōu)選0至70體積％的N2；和-0至90體積％的Ar。
該混合物還可以含有其它組分，尤其是水蒸氣和/或NOx和/或SOx。一般而言，空氣提供了該氧化劑總氧氣流的0至90體積％，其余的由富氧空氣或基本上純的氧提供。優(yōu)選地，空氣提供總氧化劑的15至40體積％，特別地，提供氧化劑中氧氣的15至40體積％。
按照一種有利的實施方法，第二初級氧化劑射流和次級氧化劑射流的注射速度低于或等于200米/秒，當(dāng)實施本發(fā)明方法進行玻璃進料(glasscharge)的燃燒時，第二初級氧化劑射流和次級氧化劑射流的注射速度優(yōu)選低于或等于100米/秒。此外，次級氧化劑射流的速度優(yōu)選高于第二初級氧化劑射流的速度。
圖1是用于實施本發(fā)明的方法的燃燒組合件的一個例子的局部示意性頂視圖。圖2是相應(yīng)的截面示意圖。將燃燒組合件置于帶有三個圓柱形孔2、3、4的耐火組件(block)1中，這三個孔內(nèi)已經(jīng)分別裝有組件21、31和41。
組件21包括-出現(xiàn)在22處的導(dǎo)管(或注射器)211。該導(dǎo)管211接收液體燃料212；-出現(xiàn)在22處的導(dǎo)管(或注射器)221，其同心環(huán)繞著注入液體燃料212的導(dǎo)管211。該導(dǎo)管221接收霧化氣體222；和-出現(xiàn)在22處的導(dǎo)管(或注射器)231，其同心環(huán)繞著注入霧化氣體222的導(dǎo)管221。該導(dǎo)管在22處具有直徑DG。其接收環(huán)繞的初級氧化劑232。
導(dǎo)管(或注射器)32優(yōu)選穿過圓柱形的組件31，導(dǎo)管32的管口出現(xiàn)在組件的33處。該導(dǎo)管(或注射器)32在33處具有等于D1的直徑，并且該導(dǎo)管32的中心位于與導(dǎo)管211的中心距離l1處。導(dǎo)管32接收與環(huán)繞的初級氧化劑不同的初級氧化劑(34)。
導(dǎo)管(或注射器)42優(yōu)選穿過圓柱形的組件41，導(dǎo)管42的管口出現(xiàn)在組件的43處。該導(dǎo)管(或注射器)42在43處具有等于D2的直徑，并且該導(dǎo)管42的中心位于與導(dǎo)管211的中心距離l2處。導(dǎo)管42接收次級氧化劑44。
要使這一系統(tǒng)運作，對于初級氧化劑34和232以及次級氧化劑44，可以使用相同的氧化劑源。選擇相應(yīng)導(dǎo)管32、231和42的直徑以便根據(jù)所需的燃燒類型設(shè)定相同或不同的注射速度。
按照有利的具體實施方式
，注射氧化劑的導(dǎo)管末端在耐火口折回(setback)。
為了實施本發(fā)明的方法，可以在限制NOx形成的同時使液體燃料進行燃燒。此外，本發(fā)明方法具有可以控制火焰穩(wěn)定性和該方法的熱適應(yīng)性的優(yōu)點。這是因為，根據(jù)進料的性質(zhì)和燃燒爐的幾何結(jié)構(gòu)，可優(yōu)選使用小體積或大體積的火焰，或者控制在爐中某些位點的熱傳遞，或者使頂部溫度均勻，等等。按照本發(fā)明，通過控制次級氧氣射流和初級氧化劑射流之間、優(yōu)選次級氧氣射流和第二初級氧化劑射流(其與環(huán)繞的初級氧化劑射流不同)之間的總氧化劑流分布來實現(xiàn)這種靈活性。這種對總氧化劑流分布方式的控制又被稱作分級。
實施例使用具有圖1和2所示構(gòu)造的燃燒器，其進一步包括-第二初級氧化劑注射器，其與液體燃料射流211相距l(xiāng)1，并且與第一初級氧化劑注射器31關(guān)于燃料注射器211對稱；和-第二次級氧化劑注射器，其與液體燃料射流211相距l(xiāng)2，并且與第一次級氧化劑注射器42相對于燃料注射器211對稱。
這五個噴射口都位于相同平面。燃燒器功率為2MW。將燃燒器裝到長6米橫截面為1.5米乘2米的爐中。L2/D2比率為14.6，l1/DG比率為2，且l1/l2比率為0.26。
注射的燃料是一種具有下列組成的重燃油87.9重量％C；10.02重量％H；0.67重量％O；0.39重量％N；和
0.98重量％S。
其動力粘度在100℃為39平方毫米/秒，其密度為980千克/立方米，其凈熱值為9631千卡/千克。
霧化氣體是氧氣或空氣。
通過實施本發(fā)明的方法，可以通過控制各初級和次級注射器之間的總氧化劑流分布來改變火焰的幾何形狀。例如，向次級氧化劑注射器中注入總氧化劑流的75％，獲得大體積火焰。同樣地，通過改變這種注射百分比，也可以降低火焰體積。例如，根據(jù)進料性質(zhì)和燃燒器在爐子中的位置，可以使用本發(fā)明的方法調(diào)整火焰體積。
圖3顯示了對于注入次級注射器的占總氧化劑流不同比例的量(總氧化劑流的50、65和75％注入次級注射器)，火焰?zhèn)鬟f到爐床的能量和與燃燒器的距離之間的函數(shù)關(guān)系?？梢钥闯觯浞值姆旨?向次級注射器中注入的氧化劑的量大于向初級注射器中注入的量)降低了燃燒器近處的能量并提高了遠(yuǎn)離注射器位置的傳遞。通過本發(fā)明的方法，可以改變熱傳遞概況圖。這是本方法的一個優(yōu)點，因為本發(fā)明方法可以適用于不同類型的燃燒爐幾何結(jié)構(gòu)。在圖3所示的實施例中，霧化氣體是氧氣。
圖4顯示了對于注入次級注射器的占總氧化劑流不同比例的量(總氧化劑流的50、65和75％注入次級注射器)，沿著燃燒爐縱軸的爐頂部溫度和與燃燒器的距離之間的函數(shù)關(guān)系。可以看出，充分的分級改善了頂部溫度均勻性。在圖4所示的實施例中，霧化氣體是空氣。
圖5顯示了對于不同類型的霧化氣體(即氧氣和空氣)，排出的NOx量與注入次級注射器的占總氧化劑各種比例的量(分級)之間的函數(shù)關(guān)系。使用氧氣作為霧化氣體時的曲線表示成空白菱形，使用空氣作為霧化氣體時的曲線表示成黑色正方形?？梢钥闯?，在充分分級的情況下，如果霧化氣體是氧氣，NOx排放量是200ppm，如果霧化氣體是空氣，則是300ppm。
權(quán)利要求
1.液體燃料和氧化劑的燃燒方法，其中注入至少一束霧化形式的液體燃料射流和至少一束氧化劑射流，氧化劑射流包括初級氧化劑射流和次級氧化劑射流，初級氧化劑射流在液體燃料射流附近注入以產(chǎn)生第一不完全燃燒，該第一燃燒放出的氣體仍然含有至少部分燃料，而在距離液體燃料射流l2處注入次級氧化劑射流，該距離大于液體燃料射流與最靠近液體燃料射流的初級氧化劑射流之間的距離，次級氧化劑射流從而與第一燃燒放出的氣體中存在的燃料部分進行燃燒，其特征在于初級氧化劑射流被分成至少兩個初級射流-至少環(huán)繞的第一初級射流，其圍繞霧化形式的液體燃料射流同軸注入；和-至少第二初級氧化射流，其在距離霧化的液體燃料射流l1處注入。
2.按照前述權(quán)利要求的方法，其特征在于通過圍繞液體燃料射流同軸注入霧化氣體射流而獲得霧化形式的液體燃料射流。
3.按照前述權(quán)利要求的方法，其特征在于霧化氣體選自氧化氣體，例如空氣或氧氣；或惰性氣體，例如氮氣；或水蒸氣。
4.按照權(quán)利要求2或3的方法，其特征在于霧化氣體射流的質(zhì)量流速為液體燃料射流質(zhì)量流速的5至40％。
5.按照前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于次級氧化劑射流與燃料射流之間的距離l2在8D2和40D2之間，其中D2代表與用于注入次級氧化劑的注射器具有相同面積的圓的直徑。
6.按照前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于第二初級氧化射流和液體燃料射流之間的距離l1在1.5DG和l2/2之間，DG代表與用于注入環(huán)繞的初級氧化射流的注射器具有相同面積的圓的直徑。
7.按照前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于與用于注入次級氧化劑的注射器具有相同面積的圓的直徑，即D2，在10和60毫米之間。
8.按照前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于與用于注入第二初級氧化劑射流的注射器具有相同面積的圓的直徑，即D1，在15和70毫米之間。
9.按照前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于次級氧化劑的總量為所注入的氧化劑總量的50至90％。
10.按照前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于第二初級氧化劑射流和次級氧化劑射流的注射速度小于或等于200米/秒。
11.按照前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于其用于進行玻璃進料的燃燒，并且第二初級氧化劑射流和次級氧化劑射流的注射速度小于或等于100米/秒。
12.按照前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于環(huán)繞的第一初級氧化劑射流的質(zhì)量流速為總的氧化劑(初級氧化劑+次級氧化劑)射流的質(zhì)量流速的10至20％。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種液體燃料和氧化劑燃燒的方法，其中注入至少一束霧化形式的液體燃料射流和至少一束氧化劑射流。氧化劑射流包括初級氧化劑射流和次級氧化劑射流。初級氧化劑射流在液體燃料射流附近注入以產(chǎn)生第一不完全燃燒，該第一燃燒放出的氣體仍然含有至少部分燃料，而在距離液體燃料射流l
文檔編號C03B5/235GK1791767SQ200480013604
公開日2006年6月21日 申請日期2004年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月18日
發(fā)明者P·迪佩雷, B·格朗德, B·勒魯, P·勒庫爾, R·齊阿瓦 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究的具有監(jiān)督和管理委員會的有限公司