包括分开喷射燃料和氧化剂流的燃烧方法和设备技术

一种在窑炉的燃烧室内燃料与氧化剂气体中含有的氧气进行燃烧的方法，包括把所说的燃料分配成至少两个相邻的喷入窑炉燃烧室中的燃料流，燃料完全燃烧所需的大部分氧化剂通过至少一个长条形的喷嘴喷入，每个长条形的喷嘴具有一个沿着一般平行于要加热的表面的最大尺度方向上的轴（长轴），其中，为了产生平行于要加热的表面的宽的火焰，氧化剂流向着燃料流交汇，以及相应的燃烧器设备。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种燃烧方法和设备，其中，提供了在窑炉的燃烧室内用分开的气流引入燃料和氧化剂的装置，使得燃料与氧化剂以宽的光焰燃烧，从而使所说的燃料和氧化剂的燃烧产生较少量的氮的氧化物(NOx)。工业高温过程，如玻璃或玻璃料的熔化，黑色和有色金属材料的熔炼，使用大量的能量把各种原料转变为热的熔体，然后浇铸、成形或者安排所说的工业过程的下道工序。这种操作一般在大型的窑炉中进行，每天产生多至500吨的熔体物料。在使用矿物燃料(如天然气、雾化燃油、丙烷或类似的燃料)与含氧的氧化剂的窑炉中的燃烧是提供能量的一种优选的方法。在某些情况下，用电加热补充燃烧。大多数情况下，为了产生火焰，通过燃烧器向炉内引入燃料和氧化剂。从火焰向要熔化的物料的能量传递来自物料表面上的对流和向物料表面的辐射的结合，如果物料对辐射是透明的，则包括向物料内部的辐射。高辐射的火焰(通常称为光焰)通常是优选的，因为它们具有更好的热传递，因此提供了更高的热量。对于火焰加热，使来自火焰的能量在要熔化的物料表面上均匀分布也是非常重要的。否则，在炉内将会同时存在热区和冷区，这是不希望存在的。用在这样的窑炉中熔化的物料制造的产品的质量通常是较差的。例如，在玻璃熔池内，冷区内可能存在玻璃结石，热区内会加速玻璃的挥发。同时，宽的火焰也是优选的，因为它们产生更好的覆盖。在许多国家中，特别是在美国，对于NOx的排放公布了越来越严格的政策。因此，重要的是开发限制NOx形成的燃烧技术。在温度非常高的过程中，通过氧分子和氮分子在火焰和窑炉的热区的长时间驻留将促进NOx的形成。已经证明使用基本纯的氧气(约90％O2或含量更高)代替空气作为氧化剂在减少NOx的放出是成功的，可以减少90％，因为去除了所有的氮气。但是用基本纯的氧气代替氮气提供了火焰温度，因此在炉内产生了氮和氧活性高的区域，其中NOx的形成可能会成比例地增大，即使与用氧气燃烧相比，总体是减少了。而且，在实践中不可能从窑炉中除去所有的氮气。因为工业炉不是气密的，燃料中通常含有一些氮，来自非低温源的氧气，例如，由真空旋转吸附工厂(Vacuum Swing Adsorption plant)(VSA)产生的氧气含有少量残留氮气。用于加热窑炉的使燃料和氧气燃烧的传统方法利用后混合氧-燃料燃烧器。传统的氧-燃料燃烧器有一个带有燃料和高浓度分子氧的进口的金属本体，和把流体用分开的同轴的定向通道送到位于燃烧器顶部的多个喷口中的装置。这些燃烧器在燃烧器的顶部产生窄锥形高温火焰，而且这些燃烧器需要位于炉内足够远的地方，以避免或减少炉壁的过热。由于在熔炉内所遇到的高温，这些燃烧器的一个重要缺点是需要冷却，通常用夹套内的循环流体(如水)来提供冷却。例如，在英国专利1,215,925中描述了这样的燃烧器。冷却夹套可能产生严重腐蚀问题，尤其是当炉内的气体含有冷凝的蒸汽时，更是如此。气冷的氧-燃料燃烧器是水冷的燃烧器的一个改进。燃烧器的本体用通常称为燃烧器砖的耐火砖保护，阻止炉内的辐射，燃烧器砖具有一个在窑炉上开孔的基本是园形的通道。燃烧器通常安装在通道的后面，通常含有位于通道内的燃料和氧化剂的集中的喷嘴，从窑炉的内壁凹进。所说的砖和燃烧器通过一个周向的环形气流，通常是氧化剂气体的气流冷却。例如，在USP 5,346,390和USP 5,267,850中描述了这样的燃烧器。用这种类型的燃烧器，燃烧在到达炉内之前在燃烧器砖内开始。因此，火焰通过圆形的通道被限制并被引导成为一个狭窄的轴向对称的喷射流，对炉内的熔体不能提供足够的覆盖。这些火焰具有高的峰值温度并产生较大量的NOx，因为在氧气和燃料之间直接接触而没有通过燃烧产物的稀释。这些气冷燃烧器的另一个缺点是火焰可能会过热和损耗窑炉的耐火材料壁，因为火焰在炉墙内开始。同时当炉内气体与炉壁的耐火材料发生可能导致炉龄降低的化学反应时，在火焰本身下面的再循环区也趋于加速耐火材料的腐蚀。为了得到更平的火焰，英国专利1,074,826和USP5,299,929提出了含有平行排列的交替的多个氧气和燃料喷嘴。虽然这在熔体的覆盖方面带来了改进，但是这些燃烧器仍然产生较大量的NOx。这些燃烧器的另一个缺点是为了得到平坦的火焰，它们的制造在机械上是复杂的。同时还知道通过分开一定距离的喷嘴向燃烧室内喷射燃料和氧化剂产生与炉墙分开的火焰，从而减小炉墙的腐蚀。在USP 5,302,112中描述了一种这样的设备，其中，燃料和氧化剂气流以一定的汇合角喷入炉内，在两个气流的汇合点产生了燃料和氧化剂的良好混合，因此增强了燃烧但是缩短了火焰。然而，这样的燃烧器的火焰有高的峰值温度并且在炉内产生大量的氮的氧化物，为了降低这个高的峰值温度并明显减少NOx的形成，在USP 4,378,205中已经提出以非常高的速度喷射燃料和/或氧化剂，并使用分开的燃料和氧化剂气体的喷射流，其中，燃料和/或氧化剂气体吸入炉内气体中含有的燃烧产物，在燃料和氧化剂之间进行最后的燃烧之前被稀释。但是，由这些燃烧器产生的火焰几乎是不可见的，如其中的第9栏，58-65行提出的。因此，窑炉的操作者极难确定和控制燃烧区域的位置，以及燃烧器设备是否打开着，这可能是灾难性的。对于某些应用，例如玻璃溶化，一般也可以认识到，光焰是希望的，因为来自这样的火焰的热传递比不可见的火焰更有效率。这种燃烧器的另一个缺点是燃烧产物的吸入促进了炉内的气流的强烈的再循环，这又会加速窑炉的耐火材料壁的腐蚀。在美国专利4,909,733和4,927,357提出了用于改进从火焰向装料的热传递的另一种技术，其中，通过在火焰和窑炉装料之间的非轴心对称的喷枪喷入增强热传递速率的气体，一般为氧气。用这种技术，提高了火焰温度，导致了更高的氧化氮的形成。同时，根据上述引证的专利技术，为了使火焰向装料移动，需要高速喷入增强热传递速率的气体。如前所述，这促进了炉内气流的强烈的再循环，从而加速了窑炉的耐火材料壁的腐蚀。同时，高速氧化剂气流的使用需要使用高压氧化剂供给，这意味着需要以高压产生和输送氧化剂气体(燃料气体通常在较高的压力)，或者氧化剂气体(如，通常用VSA设备提供的低压氧气)在喷入炉内之前必须重新压缩。玻璃熔窑等熔炉意味着高的投资。因此，希望尽可能在保持生产率的同时延长炉龄。窑炉老化的因素之一是上部结构温度已经表明当窑炉在高温下操作时，加速了玻璃熔窑窑顶的磨蚀和腐蚀速度。这可能迫使玻璃制造者为了防止灾难性的破坏，而过早地修理熔炉，或者在炉龄的后期，降低熔窑的拉制速度。在装备一般会产生高温火焰的氧-燃料燃烧器的情况下，非常重要的是火焰不会偏向窑顶而产生局部过热。已知对于不稳定的火焰，炉内的燃烧产物的复杂的流动形式可使火焰偏向，从而产生这种情况。例如，燃料和氧化剂低速喷入炉内的低动量燃烧器，克服了高速燃烧器的前述的有关缺点，但是趋于产生不稳定的火焰。防止火焰升高并降低窑顶操作温度的燃烧方法对工业特别有价值。因此，需要这样一种燃烧器，它能在产生宽的、平坦的、稳定的、放出较少NOx的光焰的同时，可以在低压下操作，特别是对于氧化剂气体，并提供控制火焰长度的方法，以便调整火焰使其适应所用的窑炉。本专利技术的目的是提供用于燃料与氧化剂气体中含有的氧气的燃烧的方法和设备，其中，燃料以至少两个喷入窑炉的燃烧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在窑炉的燃烧室内燃料与氧化剂气体中含有的氧气进行燃烧的方法，包括把所说的燃料分配成至少两个相邻的喷入窑炉燃烧室中的燃料流，燃料完全燃烧所需的大部分氧化剂通过至少一个长条形的喷嘴喷入，每个长条形的喷嘴具有一个沿着一般平行于要加热的表面的最大尺度方向上的轴（长轴），其中，为了产生平行于要加热的表面的宽的火焰，氧化剂流向着燃料流交汇。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：LC菲利普，
申请(专利权)人：液体空气乔治洛德方法利用和研究有限公司，
类型：发明
国别省市：FR[法国]