分开喷射燃料和氧化剂的燃烧方法以及 实施这种方法的燃烧器装置 【技术领域】
本发明涉及一种在炉中进行燃烧的方法，至少一种燃料及至少一种氧化剂被分开喷射至炉中，氧化剂喷流(射流)包括一个一次氧化剂喷流和一个二次氧化剂喷流，一次氧化剂喷流靠近燃料喷射产生第一级不完全燃烧，第一级燃烧散发的气体还包括至少部分燃料，而二次氧化剂喷流在距燃料喷流一定距离的位置喷射，该距离大于燃料喷流与靠近该燃料喷流的一次氧化剂喷流之间的距离，以便与第一级燃烧散发的气体中存在的燃料一起进入燃烧。本发明还涉及一种实施这种方法的燃烧器装置。
背景技术
工业炉的燃烧系统性能的特征至少在于两个因素：
-大气污染物(氮氧化物NOx，粉尘，等)的排放量，它必须低于法律所规定的限制；
-炉壁及所加热的炉料的温度，它必须落在与该方法依照产量和能耗地要求有关的两个极限之间。
最近，有关大气污染物特别是氮氧化物和粉尘的排放方面的立法修改，引发了燃烧技术方面的明显变化。
超要求降低污染物的排放，使工业炉的燃烧方法必须根据炉的功能来定制。
例如，一种玻璃生产炉，必须符合炉壁和炉池的温度指数，以避免产品质量缺陷(如气泡等)的产生和耐火面的提早老化。
在钢坯再热炉中，钢坯必须被均匀地加热，以防止其在进入轧机前变形。
在铁或非铁金属产品的熔化炉中，必须沿着炉料均匀地加热，以限制任何能耗的增加和耐火材料的过早磨损。
因此，为达到产品质量和方法性能而控制工业炉的温度范围(温区，即温度可以在其间变化的温度范围)是必要的。耐火面和炉料沿炉的主轴的温度范围取决于垂直于该轴布置的燃烧器的数量、间距和能量分布。例如，其中燃烧器布置在炉料两侧的任一侧的钢锭再热炉和玻璃炉就是这种情况。沿平行于火焰的轴的温度范围取决于火焰的长度、能量和动量，还取决于所加热的区域的几何形状。
例如由美国专利US-A-4 531 960和US-A-4 604 123已知，用一种围绕火焰轴的旋涡气流来改变氧焰的长度。这一因数对火焰的长度和稳定性有很大的影响。另一个可控制的参数为氧化剂或燃料的分级度(分别引入一次燃烧区的射流的份额(比例))。分级燃烧的燃烧器，如专利US-A-4 622007，US-A-4 642 047，US-A-4 797 087，US-A-4 718 643和Re.33 464中所描述的，其中对用空气和氧气作为氧化剂作了特别的说明。
以氧气作为氧化剂的燃烧器，以及尤其是使用气体燃料的燃烧器，一般不能使给定的能量和给定的氧参数、火焰长度和动量特征连续地改变。这种燃烧器在例如US-A-5 772 427，US-A-5 934 893，US-A-5 984 667和US-A-6 068 468中有描述。然而，通过改变燃料喷射器可以使发自这些燃烧器的火焰长度改变。值得注意的是，采用小口径的喷射器导致动量增加，因此火焰长度缩短并使最大热通量向下游位移(并且反之亦然)。图1示出了US-A-5 772 427和US-A-5 934 893中能量为1MW的燃烧器的可见火焰长度及轴向热通量，此图清楚地示出了这一结果。相反，缩短火焰并提高总动量，对火焰的热力分布的位移具有相反的作用。这两个现象的结合导致最大热通量向下游位移，因为这两个作用中的一个占支配作用。图1中的x轴的原点为炉的内壁，与燃烧器的内表面相一致。因此下游方向为朝着增加轴向长度的方向。
从US-A-5 302 112还知道，以不同的速度将气体喷入炉时，速度的改变(包括绝对和相对的)可使火焰长度和动量改变。
从US-A-5 346 524还知道，用相距大约15cm交替配置的喷射器，分开地喷入燃料和氧化剂。
专利US-A-5 601 425公开了一种分级燃烧系统，其中液体燃油喷入周围氧气喷流的中心，而空气则喷到距氧气相当长距离的位置。
【发明内容】
本发明的目的在于满足优化沿火焰轴向的热力分布和最大地降低氮氧化物的排放这两项要求。
根据本发明的方法特别是能够实现针对环境根据炉和炉料的热分布、火焰长度以及氮氧化物和粉尘的排放来调节火焰的性能。
根据本发明的方法的特征在于，一次氧化剂喷流本身被分为至少两个一次喷流，即至少一个快速混合的第一一次氧化剂喷流—它被喷入燃料喷流中或与燃料喷流相接触，以使其迅速地与周围的燃料进行燃烧反应，和至少一个慢速混合的第二一次氧化剂喷流—它在距第一一次氧化剂喷流有距离d1的位置喷射，以使其与燃料喷流的混合比至少一个快速混合的一次氧化剂喷流的慢。
根据本发明，为了能独立地控制火焰的动量和长度，本发明的燃烧系统最好是包括两个调节参数。另外，因为最想要达到的是精确控制实施本发明的方法的炉的热分布，第一调节参数最好是用由二次氧化剂提供的氧气流量与由一次和二次氧化剂提供的氧气总流量的比值(比率)来构成。二次氧化剂的流量由一个喷射器或一个喷枪提供。
优选的是，根据本发明的方法的特征为，距离d1小于或等于30cm，最好是25cm。
根据本发明的另一种变型，距离d1小于或等于慢速混合的一次氧化剂喷流的直径d3的十倍。
通常，一次氧化剂和二次氧化剂的流率(流量)之和最好是基本按燃料流量化学计算的，在±15％的范围内。
根据本发明的另一种变型，二次氧化剂喷流本身由多个二次氧化剂喷流组成。
优选的是，该二次氧化剂的量在所喷射的氧化剂总量的0％和90％之间，优选地是在10％和90％之间。
更好的是，二次氧化剂的总量在所喷射的氧化剂总量的50％和90％之间，一次氧化剂的量占氧化剂总量的10％和50％之间。
通常，二次氧化剂的总量最好在所喷射的氧化剂总量的60％和80％之间，一次氧化剂的量占同一氧化剂总量的20％和40％之间。
根据实施发明的一种方法，二次氧化剂喷射口的截面面积的总和大于或等于2.5cm2。
优选的是，快速混合的一次氧化剂喷流与二次氧化剂喷流之间的距离等于d2，其中
d2≥5D和d2≥d1并且最好是
10D≤d2≤50D，
D为具有与喷射二次氧化剂喷流的二次氧化剂喷射器的面积相同的面积的圆的直径。如果采用数量为i(i可以从1变到25)的具有等同直径Di的二次氧化剂喷射器设置在距离为d2i的位置，则d2i和Di必须分别满足上面的公式。
根据本发明的另一个方面，快速混合的第一一次氧化剂喷流占氧化剂总量的体积的5至40％，而慢速混合的第二一次氧化剂喷流占氧化剂总量的体积的5至95％，氧化剂可能的差额部分由二次氧化剂喷流提供。
根据一个变型的实施例，慢速混合的第二一次氧化剂喷流本身由多个喷流组成。
根据本发明的另一个方面，第二一次氧化剂喷流由两个基本上相同的设置在距快速混合的第一一次氧化剂喷流基本相同的距离d1处的喷流组成，这三个氧化剂喷流基本在同一个平面内。
根据发明的一种变型，至少一个慢速混合的第二一次氧化剂喷流不在由第一一次氧化剂喷流和二次氧化剂喷流所形成的平面上。
当希望燃烧装置有好的对称性时，最好围绕第一一次氧化剂均匀地布置多个第二一次氧化剂喷流，另一种选择是，相对于含有第一一次氧化剂喷流的平面对称布置多个第二一次氧化剂喷流。
当然，控制气体的喷射速度是重要的。为这个目的，燃料喷射速度优选地是在20m/s和2马赫(Mach2)之间，并且最好是在20m/s和300m/s之间。
除了这些各种可能性之外，熟知的是，对于用在本发明方法中的燃料喷射，可以在喷射前预热燃料。另一个可能是，在喷射中可以对燃料施以脉动(脉冲)，这些脉动的频率优选地是在0.1和3Hz之间，更好的是在0.1和1Hz之间。关于以脉动方式喷射一种或多种流体的方法的更详细的内容，读者可以参考题为“振动燃烧技术促进炉效率”(OscillatingCombustion Technology Boosts Furnace Efficiency)的论文，由EricStreicher，Ovidiu Marin，Olivier Charon和Harley Borders发表于2001年2月的“工业加热”(Industrial Heating)上，该论文作为参考结合入本申请中。
同样，关于氧化剂的喷射还可以有许多变型。通常，快速混合的一次氧化剂的喷射速度最好是在20m/s和2马赫之间。
还有优选的是，慢速混合的一次氧化剂的喷射速度在10m/s和1马赫(Mach1)之间。
根据发明的优选的变型，二次氧化剂的喷射速度在20m/s和2马赫之间。
为了减少燃料消耗，最好在喷射前至少预热其中的一个氧化剂喷流，其喷射速度可达到至多2马赫的速度。
在脉动燃烧(该术语的含义如上所指出)的范围内，也可以让其中至少一个氧化剂喷流实行脉动，可以理解的是，按照所要的结果，燃料本身可以是或不是“脉动”的。根据此变型，至少一个氧化剂喷流是以脉动喷射的，这些脉动的频率在0.1和3Hz之间，最好是在0.1和1Hz之间。
氧化剂的组分(组成)可以改变，并且按照所要的条件或结果，该组分最好是符合至少一项下面所限定的要求：
-二次氧化剂可以由空气，最好是预热的空气，和氧气的混合物组成。通常，该氧化剂，特别是二次氧化剂，还可以由具有较大或较小的氧化特性的气体的混合物组成，特别是含有5至100％氧气(最好在体积的10和100％之间)，0％至95％二氧化碳(最好在0和90％之间的二氧化碳)，0至80％氮气(最好在0和70％之间)，0至90％氩气，与至少3％的氧气混合。该混合物还可以包含其它组合以及特别是水蒸汽和/或NOx和/或SOx；
-该空气最好提供二次氧化剂的总氧流量的体积的5％至85％；其余为富氧空气或基本上为纯氧；以及
-该空气最好是构成总氧量的体积的15至40％。
本发明的一种变型提供单一一种燃料或几种燃料喷射，该几种燃料可以是相同类型(比如不同的燃气)和/或者是不同类型(比如燃气和燃油)。
本发明还涉及一种燃烧装置(组件)，它特别可用于实施根据本发明的方法。这样，本发明涉及一种分开喷射的燃烧装置，它由具有至少一个燃料喷射口和至少一个氧化剂喷射口的块形成，其特征为，燃料喷射口具有至少一个在燃料流动方向的纵向对称轴，一个也具有纵向对称轴的第一氧化剂喷射器设置在燃料喷射口中，这两个纵向对称轴基本上平行，在距该第一氧化剂喷射器的对称轴有距离d1的位置处设有一个第二氧化剂喷射口，其中d1≤30cm。
优选的是，该装置包括至少一个第二块，在该块中设有一个直径为D的第三氧化剂喷射口，该喷射口设置在距第一氧化剂喷射口的对称轴有距离d2的位置，其中：
d2≥5D和d2≥d1，并且最好是
10D≤d2≤50D。
根据本发明的一种变型，d1≤10d3，d3为慢速混合的一次氧化剂喷流的直径(或如果喷射器的截面为非圆时为其等同值)，而最好是D≥0.5cm。
优选的是，燃烧装置的块具有多个燃料喷射口并且，最好是，多个第一氧化剂喷射器和/或多个第二氧化剂喷射口。
根据一个可供选择的实施例，至少一个燃料喷射口包括一个液体燃料喷射器，而根据本发明的另一个实施例，该块可以设有数个分开的燃料喷射口，用以喷射一种或多种燃料。
根据一个有利的实施例，根据发明的装置最好是包括一个第一分流阀，该第一分流阀用于将氧化剂的总流量分开，使一部分流入一次氧化剂管线，而另一部分则流入二次氧化剂管线，该二次氧化剂管线连接第三氧化剂喷射口，该一次氧化剂管线连接一个第二分流阀，该第二分流阀一方面连到第一氧化剂喷射器，而另一方面连到第二氧化剂喷射口。
根据本发明的一个可供选择的实施例，第三二次氧化剂喷射口可以是一个具有两个截面(或多个截面)的喷射器，以便无需改变氧化剂的流率就能改变氧化剂的速度和动量。
如果使用同样的氧化剂作为一次氧化剂和二次氧化剂，特别是实行分级式燃烧时，二次氧化剂喷射器的截面必须使燃烧器引入的各个氧化剂喷流对于50％分级率的总动量大于其对于0分级率的对应值。
(该总动量以各氧化剂喷流的速度乘以其质量流量的乘积之和来计算，将燃烧器引入的所有氧化剂喷流计算在内。)
上述特征的优点在于，分级度大于50％时，火焰的长度和动量随分级度同步增加，这与改变喷射管的技术不同。如果燃烧器只使用相同类型的氧化剂，该分级率为二次氧化剂喷流的流量与氧化剂(一次加二次)的总流量之比。如果其中一个氧化剂不同于另一个，比如空气和氧化剂，在流量比中只计算各喷流中的氧气或氧化剂的比例。采用一个使火焰的长度和燃烧器的总动量同步增加的参数，可使最大传热位置得以精确控制。
根据发明，最好是采用一个第二调节参数，此参数在于将一次氧射流分为一个与燃料非常快速混合的射流和一个相比之下较为慢速混合的射流。该第二调节参数因此可选成通过快速混合喷射引入的一次氧的比率(份额)。
【具体实施方式】
结合所示的附图，参照下面的实施例的说明，将更加清晰地理解本发明。
-图1的曲线示出了已知类型1MW燃烧器根据其在炉中的位置的沿火焰轴的热通量的值。(图1中的x轴从炉的内壁开始，该内壁与燃烧器的内表面一致。因此下游方向为朝着增加轴向长度的方向)；以及
-图2是作为火焰长度的函数的轴向顶部(拱顶)温度分布图。
图1显示的曲线给出了作为沿着炉的纵向距离(m)的函数的火焰的热通量(kW/m2)。氧燃料燃烧器(未显示)位于炉的后壁(x＝0)。
曲线1显示了动量很低的火焰的热通量。该曲线对应于火焰4，其可见部分比较长。
曲线2显示了低动量的火焰5的热通量(所有其它情况相同)，火焰5比火焰4略短。
曲线3显示了具有高动量的火焰6的热通量(所有其它情况相同)，火焰6比火焰5短。应该指出的是，这些火焰的热点(分别为火焰4的A点，火焰5的B点和火焰6的C点。)远离燃烧器的顶端(炉的后壁)，而当火焰的动量增加时，可见火焰的长度减小(从所有者以品牌ALGLASS销售的1MW燃烧器产生的比较曲线)。
图2显示了三个曲线，给出了同一炉的作为所产生的火焰长度的函数的顶部温度，然而每个火焰具有相同的热通量(三个火焰在平均速度为30m/s时的低动量)。所用的燃烧器是与上面同一类型的2MW燃烧器。短的火焰10的最高温度D大致上在距离炉的后壁3m的位置，而火焰长度增加使最高顶部温度的位置向炉的前壁位移(曲线11的最高温度E位于差不多距离炉的后壁4m的位置，而曲线12的最高温度F则位于距离后壁4.5m左右的位置)。
图3显示了实施根据本发明的方法的本发明的燃烧装置的一个例子的部分俯视示意图(图3a)和剖面图(图3b)。
该燃烧装置设置于一个耐火砖33中，其中分别设置有两个块34和35。
最好为圆柱的块34中最好是穿入一管(或喷射器)26，其口开设在块的位置38处。该管或喷射器26(可以是一个可插入圆孔26中的中空的圆柱形金属喷射器)的直径(在位置38)为D(如果喷射器不是圆形的，D代表与喷射器在位置38的截面面积相同面积的圆的直径)。该块34插入砖33中的圆形套筒36中。该管26接纳二次氧化剂22。
块35包括一个用于喷射快速混合的一次氧化剂23的管28，该管28同轴地设置于喷射燃料25的管(或喷射器)29之中。在相距d1的位置设有喷射慢速混合的一次氧化剂的喷射器(或管)27。该喷射器27在露出所述喷射器27的位置30的截面直径为d3(如果截面不是圆形的，d3为上面所定义的等同直径)。块35套在孔37中。总氧化剂管线20分为一个一次氧化剂管线21和一个设有一个第一控制阀42的二次氧化剂管线22，该阀将氧化剂流在管线21和管线22之间分开(当然是根据所述管线相应的直径)。如果不想在此进行调节，也可以将阀42设置在管线21的臂上，包括二次氧的流量可以为0的情况。管线21本身被分为两个管线23和24，根据是否需要在分支23或分支24中消除氧化剂流而在其中一个管线上设有阀43。(当然，也可以在每一个分支上设置一个阀，而且同样也可以除了在分支22上设有阀42以外还在分支21上设置一个阀)。
当系统运行时，氧气根据需要达到的结果分配到各不同的管线中，所述管线具有各自的直径，以使在不同的喷射器中得到不同或相同的氧气喷射速度。
当然，喷射器27可以设置成使其顶端30位于半径为d1的圆上的点39或40或41或任意点上。也可以同时设有数个口30和/或39和/或40和/或41，其喷射器连接在一起，慢速混合的氧气分给这些不同的喷射器。也可以通过设置一个喷射器28，使其靠近位置32的端部具有收敛/扩散的形状(称为拉瓦尔喷嘴)，来造出一种超音速氧化剂燃烧器/喷射器，同时氧气和燃料的相对比例可以根据所要达到的目标进行改变或不进行改变。这样，借助配有一个超音速喷嘴的喷射器28，可以通过28和32以超音速单独喷射氧化剂，或者用以亚音速通过29喷射燃料和通过27喷射氧化剂所产生的火焰包围该超音速喷流，可选择地通过26补充喷射氧化剂，或者仅用29和27(如果必要或想要可加上26)产生亚音速火焰。
图4显示了快速混合的一次氧化剂和燃料喷射的可选择的实施例，该燃料为天然气。
耐火砖35具有直径为d5(或相同面积的圆的直径)的孔51。该孔空间51中最好设有一个直径为d4的圆柱形天然气喷射器52，该喷射器回缩设置成使喷射器52的顶部与耐火砖35的表面有一距离h。该喷射器52为中空的，以便供送氧气，最好其上表面至少设有一个孔53和/或在侧壁上(图4中所示的垂直壁)至少设有一个孔54。
天然气56喷入孔51的垂直壁与喷射器52的垂直壁57之间的环形空间中，而氧化剂则喷射到喷射器52的垂直壁57之中。
(如果使用燃油作为燃料，该快速混合的一次氧将是用来喷射燃油的流体，该氧可以与空气一同使用来作为喷射流体。)
图5仅以示意图形式显示了本发明的一种可选择的实施例。
如果要全部或部分用燃油运行燃烧系统，耐火砖100的上部设有一个液体燃油喷射口101。在喷射口101下方沿水平线布置有多个慢速混合的一次氧喷射口102，103，104和105。
在耐火砖100的下部设有一排三个同心的孔组110/111，120/121，130/131(可以有比这些更多或更少的孔组)，用于分别喷射燃料，如天然气，和氧化剂，如快速混合的一次氧(详见图3)。在耐火砖100的两侧任何一侧距离d2的位置，设有，作为举例但非必要，氧喷射口106和107。
图6显示根据本发明的系统的可选择的实施例的示意图，包括两个耐火砖200、300，它们从上至下分别设有一个燃油喷射口201和301，两个天然气喷射口202、203和302、303，两个同轴的中间喷氧气而周围喷燃料的喷射口205、204和305、304，以及分别设置在距同轴喷射口d2距离位置的喷射二次氧的喷射器206和306。
图7显示了火焰总动量为表示二次氧气量除以总氧气量的比值的比率的函数。该动量在比率为30％左右具有最小值，然后升高，在大于比率为60％以上时，达到高于没有二次氧喷射时的动量值。