一种低氮氧化物排放的富氧燃烧方法技术

本发明专利技术提供了一种在保持富氧燃烧高温的同时又可以降低氮氧化物排放的新方法。其特征在于：（Ａ）将燃料和氧体积浓度不小于３０％的氧化剂从同轴套管式燃烧喷嘴注入燃烧区形成燃烧火焰；（Ｂ）通过减小燃料和氧化剂之间喷出速度差有效降低氮氧化物产生；（Ｃ）将燃烧室内燃料和氧化剂完全燃烧产生燃烧产物。本发明专利技术方法克服了现有降低氮氧化物生成技术用于富氧燃烧的缺陷，通过调整射流火焰的速度差，ＮＯ↓［ｘ］的降低率达可以超过５０％，而且可以基本保持富氧火焰的高温特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，尤其是涉及富氧空气被用作氧化剂的低氮氧化物排放的燃烧方法。
技术介绍
氮氧化物(NOx)是燃烧中产生的主要大气污染物之一，在进行燃烧时必须减少它们的产生。目前，富氧及纯氧燃烧已经在工业过程中被较为广泛应用，节能效果显著，但是，富氧燃烧的氮氧化物(NOx)排放大幅度增加，这是因为富氧空气燃烧提高了火焰温度，而高温促进了热力型NOx的生成。在氧浓度大于30％的富氧火焰中，总的NOx生成主要来源于高温区的热力型NOx生成的贡献，因而控制热力型NOx的生成是抑制富氧火焰NOx生成总量的关键。众所周知，降低火焰温度和缩短燃料在高温区的停留时间是降低热力型NOx的有效途径。现在广泛应用的低NOx燃烧技术(空气分级、烟气再循环等)所依据的主要原理是降低火焰温度，如喷射水蒸气或烟气循环进行稀释，这些方法对于富氧燃烧来说，降低火焰温度与其高温燃烧的特点相抵触，因此有必要开发一种既保持富氧火焰的高温特性同时又可以降低NOx排放的新方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种在保持富氧燃烧高温的同时又可以降低氮氧化物排放的新方法。为达到以上目的，本专利技术采取了以下的技术方案本专利技术根据减薄火焰面厚度、缩小高温区域、缩短反应物在高温区停留时间的基本原理，通过改变燃料与氧化剂的速度差，达到在保持富氧燃烧高温的同时又可以降低NOx排放的目的。本专利技术降低氮氧化物排放的燃烧方法，其特征在于(A)将燃料和氧浓度不小于30％的氧化剂从同轴套管式燃烧喷嘴注入燃烧区而形成燃烧火焰反应流；(B)通过减小燃料和氧化剂之间喷出速度差有效降低氮氧化物产生；(C)在燃烧室内燃料和氧化剂完全燃烧生产燃烧产物。所述“燃烧产物”是指二氧化碳和水。所述“氮氧化物”和“NOx”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。所述“燃烧喷嘴”是指将燃料和氧化剂提供到燃烧区的装置。燃烧喷嘴可以是整体部件或者可包含两个或多个分开的部分。所述“化学计量比”是指对于一定的燃料，供给的氧气量为燃料完全燃烧所需要的氧气量的多少倍，化学计量比大于1.0，是指提供的氧气多于燃料完全燃烧所需要的氧气量。本专利技术方法的关键在于以下几点1.降低富氧燃烧中NOx生成的方法的原理在于(1)燃料和氧化剂分别通过各自管路以一定的速度喷入燃烧区，点燃后形成扩散燃烧火焰；(2)保持氧化剂流量不变的条件下，减少氧化剂出口管径，使氧化剂喷出速度增大，进而使反应区域变窄，火焰高温区变窄直接减少了热力型NOx生成区域；(3)保证燃料和氧化剂完全燃烧生产燃烧产物。2.通过减少燃料和氧化剂的喷出速度差来降低氮氧化物的思路取自对向流富氧扩散燃烧火焰的特性实验，对向流扩散燃烧的原理图如图1所示，燃料2和氧化剂3分别由相对的方向进入燃烧区，点燃后形成平面扩散火焰7。速度梯度是对向流扩散火焰的重要参数之一。速度梯度v的定义为燃料和氧化剂喷出速度之和与燃料和氧化剂出口间距离之比。图2则说明了对向流扩散燃烧试验的部分结果。对于燃料为体积比为1∶1的甲烷和氮气混和气，氧化剂为氧浓度为30％(体积)的流体，从2报告的结果可以看出，当燃料与氧化剂以相同速度u从0.75m/s增加到1.5m/s，即速度梯度v从10s-1增加到20s-1时，燃烧时所产生的氮氧化物显著减少。因此，在对向流扩散富氧燃烧中，增大速度梯度是一种有效的降低氮氧化物产生的方法。其中的原理有以下几个方面一是由于速度梯度增大使火焰温度稍有降低，从而减少了热力型NOx的生成；二是速度梯度增大使富氧燃烧中热力型NOx大量生成的第二个发热峰即蓝色火焰区域变薄，反应物在高温燃烧区域的停留时间缩短；三是速度梯度增大使反应物在火焰面法向方向的浓度梯度增大，促进了扩散传质，减少了在高温区的停留时间。以上所提到的通过增大速度梯度来降低氮氧化物生成的方法在对向流燃烧中非常有效，在实际的燃烧过程中由于燃料和氧化剂的主流流动方向一般是保持平行，依据降低对向流富氧扩散火焰的氮氧化物生成的机理，通过改变燃料和氧化剂的相对速度，同样获得了降低氮氧化物排放效果。而通过对于燃烧器结构的设计，就可以调整燃料和氧化剂之间的速度差。本专利技术采用了如图3所示的燃烧器，包括燃烧室1，燃料2和氧化剂3分别通过由内管4和外管5同轴套管做成的燃烧喷嘴提供到燃烧区6中。参照图4可以定位燃料管和氧化剂管的相对位置，其中喷嘴的内管4通燃料，喷嘴的外管5通富氧氧化剂。图3中喷嘴内管4的管径可以固定，喷嘴外管5的管径则应在一定范围内选择。假设喷嘴内管4的管径已经确定，喷嘴外管5的管径选择规律如下1、保证氧化剂喷出流速Ufuel不大于燃料喷出流速Uoxidant；2、保证氧化剂喷出流速与燃料喷出流速之间的速度差(Ufuel-Uoxidant)在燃料喷出流速的20％～50％的范围之内。上述燃烧器使用时，燃料为气体燃料，最好为天然气。氧化剂是氧浓度至少为30％(体积)的流体。调整燃料和氧化剂进入燃烧室1的流量使氧化剂对燃料的化学计量比大于1.0。燃料和氧化剂在燃烧室1内燃烧形成火焰7，燃烧反应产物为完全燃烧的产物。3、为保证燃料和氧化剂完全燃烧，必须使氧化剂对燃料的化学计量比大于1.0。本专利技术方法克服了现有降低氮氧化物生成技术用于富氧燃烧的缺陷，通过调整射流火焰的速度差，NOx的降低率达可以超过50％，而且可以基本保持富氧火焰的高温特性。附图说明图1是本专利技术对向流扩散燃烧试验原理图。图2是本专利技术对向流富氧扩散燃烧试验结果的图示。图3是本专利技术燃烧室的结构剖面示意图。图4是本专利技术燃烧喷嘴的出口横截面图。图5是本专利技术实施例试验结果图示。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本
技术实现思路
进一步说明。采用图3所示的燃烧器，所用的燃料均为甲烷，氧化剂分别是含30％和40％(体积)氧气的流体，氧化剂对燃料的化学计量比均为1.28。试验结果如图5所示。从图5报告的每一个实施例的试验结果可以看出，当保持燃料和氧化剂流量不变，通过缩小氧化剂管内径增加氧化剂出口流速，即减小燃料与氧化剂之间的速度差，氮氧化物排放指数EINOx均呈线性下降趋势，当氧浓度较高时，EINOx随喷出速度差降低的趋势更为显著。权利要求1.，其特征在于(A)将燃料和氧体积浓度不小于30％的氧化剂从同轴套管式燃烧喷嘴注入燃烧区形成燃烧火焰；(B)通过减小燃料和氧化剂之间喷出速度差有效降低氮氧化物产生；(C)将燃烧室内燃料和氧化剂完全燃烧产生燃烧产物。2.如权利要求1所述的低氮氧化物排放的富氧燃烧方法，其特征在于燃料与氧化剂采用同轴套管管路输入，燃料管在内管，氧化剂管在外管。3.如权利要求1或2所述的低氮氧化物排放的富氧燃烧方法，其特征在于同样氧化剂流量的条件下，在保证喷出的燃料和氧化剂完全稳定燃烧前提下，减小氧化剂管的内径，即提高氧化剂的喷出速度以减小燃料与氧化剂之间的速度差。4.如权利要求1或2所述的低氮氧化物排放的富氧燃烧方法，其特征在于氧化剂喷出速度低于燃料喷出速度，但尽量减小燃料和氧化剂之间的喷出速度差。5.如权利要求1所述的低氮氧化物排放的富氧燃烧方法，其特征在于氧化剂对燃料的化学计量比大于1.0。全文摘要本专利技术提供了一种在保持富氧燃本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低氮氧化物排放的富氧燃烧方法，其特征在于：（Ａ）将燃料和氧体积浓度不小于３０％的氧化剂从同轴套管式燃烧喷嘴注入燃烧区形成燃烧火焰；（Ｂ）通过减小燃料和氧化剂之间喷出速度差有效降低氮氧化物产生；（Ｃ）将燃烧室内燃料 和氧化剂完全燃烧产生燃烧产物。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵黛青，杨浩林，杨卫斌，
申请(专利权)人：中国科学院广州能源研究所，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]