专利名称：在空气-燃料燃烧过程中减少氮的氧化物生成的方法
技术领域：
本发明涉及空气-燃料燃烧过程。
绝大多数的燃料诸如天然气、燃料油、丙烷、废油、其他烃类等的燃烧过程中，应用空气为氧化剂。还知道许多空气-燃料燃烧过程可以由氧来富化燃烧用空气而得到改善。将燃料空气富化可提高火焰温度和热效率，并且随着空气或氧化剂中氧浓度提高，烟气体积减小。由于改善燃烧所带来的生产率增益可以补偿用于富化的高纯氧费用。在氧化剂中达35%总含氧量的低度富化，一般可由现有空气-燃料系统经少量改装而成。
近来，燃烧过程的环保问题很受注意。已表明氮的氧化物即NOx对环境有害，它生成烟雾、酸雨和低层大气中的臭氧，后一种是地球变暖的原因之一。在美国，新的空气清洁法案要求推行联邦政府控制污染的规定。新的条例对于空气-燃料混合物燃烧时控制形成NOx提起高度注意。
还知道，在燃烧中低度的富氧可导致NOx发散量急剧增加。在工业燃烧过程中，超过90%的NOx发散物是氧化氮，即NO。还表明，高度富氧例如氧化剂中总氧含量高于90%，则产生的NOx比相同燃烧情况下应用空气时产生的少。然而，高度富氧在给定的过程中会不经济，事实上也会产生材料问题。
在过去，减少NOx发散采取两种方针。第一是废气排到大气之前除掉NOx。废气后处理除掉NOx可采用选择性催化或非催化还原，以及氧化、吸收和还原过程的各样组合。这些过程一般成本很高，并且当后处理设备有故障时，需要将燃烧过程停工。第二是以某些方式改进燃烧过程而先发地使NOx生成减至最少。第二类例如有向火焰喷水或水蒸汽，燃烧时减少过量空气以及所谓的低NOx燃烧器设计。这些方法给使用者带来的负担是热效率降低或NOx减少的很少。
本发明提供一种方法，在现有的空气-燃料系统中应用氧-燃料燃烧，以增高生产率并将NOx生成减至最少。所说的氧-燃料燃烧为空气-燃料燃烧所遮蔽，并且将氧-燃料燃烧控制到在富燃料状况进行燃烧。
图1为典型燃烧过程中每百万BTU产生的NO磅数与氧化剂中含氧百分率的关系。
图2为用于本发明方法的装置的纵向示意图。
图3为每百万BTU产生的NO磅数与总燃烧过程中氧-燃料燃烧所占百分率的关系。
图4为按图3试验结果每百万BTU产生的NO磅数与氧化剂中氧浓度的关系。
图5是每百万BTU产生的NO磅数与氧化剂中氧浓度的关系，这是假定燃料与氧化剂完全混合和进行绝热反应，为三种氧-燃料比例所预见的结果。
如前所述，在燃烧中采用富氧的问题是使NOx发散量急剧增大。在多数工业燃烧过程中，NOx发散物超过90%是氧化氮即NO。图1表示一个绝热、按化学计量的甲烷火焰的预示NO平衡与氧-氮氧化剂如空气中氧浓度的关系。NO的单位是每百万BTU该燃料的总燃烧的NO磅数。图1表明，在低度富氧时，NO急剧增多，此一趋势已为常规空气-燃料燃烧器的多次实验所证实。即使对相同燃烧情况高度富氧比用空气产生更少NOx，由于经济、工艺和材料的局限性常常使氧的高度富化成为不可行。
按本发明，借助于在现有空气-燃料系统中改装一个氧-燃料燃烧器，很容易使该过程提高生产率，同时使NOx生成减至最少。如图2，双燃料式空气-燃料燃烧器10包括管状的第一雾化空气通道12，其有空气入口14;燃料管16，其与第一空气管12同心，有燃料入口18，16的前端被一同心管包围，由它限定主燃烧空气入管口20，并有燃烧空气入口22。在燃烧器前端是安装法兰24，有燃烧器块26，由陶瓷制成。主燃烧空气通道30在板28处中止，并有多个空气通道30，它们分布在与燃料通道32平行的轴上，32是以环形分布，围绕雾化空气通道34的环形中止板分布。氧-燃料燃烧器36以同心方式置于空气通道12之内。氧-燃料燃烧器36是同心管燃烧器，在外管38，内管40，两者同心设置。该内管与外管隔开是靠多个辐状放置的隔块42并靠近燃烧器的前端44。该氧-燃料燃烧器是这样配置，在一个方案中，燃料从接头46送入并在内管40之外流动，由燃烧器44的前端流出。通过氧化剂入口接头48将氧引入并由氧化剂管40的中心流过去。氧化剂管40的终端位于燃烧器36出口端向内的位置，于是可使氧-燃料混合物燃烧适当。另一方式，氧和燃料的通道可以对调。同心式氧-燃料燃烧器为本领域熟知，其中之一是AirProductsandChemicals，Inc.(Allentown，Pennsylvania，美国)供应的K-Tech燃烧器。
在操作时，将燃烧器10调整到使天然气通过接头18送过，一次燃烧空气由接头22送过，使之在氧-燃料燃烧器36前端的前方进行燃烧。该氧-燃料燃烧器是用于产生氧-燃料火焰或燃烧，是通过向接头46送入氧，向接头48送入燃料例如天然气，从而在燃烧器36的前端44燃烧。为使NOx最少生成，该氧-燃料燃烧器是于富燃料条件操作。富燃料的含义是，当在该氧-燃料燃烧器中氧对燃料的比率除以该氧-燃料燃烧器中按化学计量的氧对燃料的比率时，其相当量比值为1.2至1.35，优选约1.33。此外，进行操作时，氧-燃料火焰被空气-燃料火焰所包住。在图2的装置中，借助于将氧-燃料燃烧器放在空气-燃料燃烧器之内，很容易达到上述要求，亦即使氧-燃料的燃烧在空气-燃料燃烧的包围下进行。可以采用其他构形，将氧-燃料火焰与空气-燃料火焰分开即可，但该两个火焰在生成后合并到一起。
作为解释，富燃料火焰使NOx产生量减少是人所共知的，因为火焰温度降低，并且可得到的氧基团量减少。事实上，由于没有足够的氧将燃料氧化完全，永远不能达到最高火焰温度。此外，从热力学来讲，氧优先与碳和氢化合，然后才是与氮化合成氧化氮。然而，在富燃料条件下未燃烧烃发散量增多，这也是污染环境的，并且使燃烧的总效率下降。
应用图2的装置实地试验，在氧-燃料燃烧器中使用高纯氧(例如99% O2)，使用含甲烷高于95%和氮0.32%(体积)的天然气作为燃料。如图3所示，X轴代表应用附加氧-燃料燃烧占总燃烧量的比率，例如，在50%氧-燃料情况下，总燃烧的一半是氧-燃料，一半是空气-燃料。氧-燃料的相当量比在1.00-1.33之间变化，当1.0时，表示对甲烷的化学计量比率。在图3中，在不使用(0%)氧-燃料时，其空气-燃料相当量比率是变化不一的。这些曲线表明，当氧-燃料火焰更为富燃料时，NO急剧减少;还表明在氧-燃料用量的中段有各自的峰值，但是这些试验中未精确测定峰值。
图4所示与图3相似，不同之处是数据表示在氧化剂中氧的总浓度，于是该试验可以评价好象氧与空气事先已混合的情况。例如，若总的燃烧量平分给空气-燃料和氧-燃料燃烧器，并且两个燃烧器都是化学计量状况，则相当于氧与空气事先混合成为氧浓度36.4%。此曲线的指示作用在于它可以方便地与图5的理论NOx曲线作比较。图5的曲线表示假设燃料和氧化剂理想混合时所预见的平衡。图5表示当富氧水平增大到近40%时，预见NOx会增多。然而，图3的试验数据表明当富化从30%到40%，NOx减少。相信这是由于向空气-燃料燃烧器中插入氧-燃料燃烧器而成为分开的火焰区。常规式氧-燃料燃烧器将产生高的火焰温度。
该图中的曲线是基于总的燃烧量，不包括用更多氧而提高效率的效果。以每百万净的BTU的NO磅数为基准，这样甚至可进一步有效地减少NOx。
所试验的空气-燃料燃烧器由于其混合特性不良而产生的NOx不正常地少。多数空气-燃料燃烧器都是大于0.1磅NO/百万BTU，表示本发明应用于其他燃烧器会有更好效果。
借助于以富燃料方式操作氧-燃料燃烧器，其火焰温度大辐降低。此外，氧-燃料燃烧器外面的环形空间的天然气起到屏蔽的作用，使内层的高纯度氧延迟与空气-燃料燃烧器中的氮接触。由于该火焰是富燃料的，大部分氧已用于氧化烃燃料，然后才与空气-燃料流混合。相信这几个因素的综合作用，即低的火焰温度、在氧-燃料火焰温度的还原条件、以及将内层高纯度氧遮蔽使之不与空气-燃料火焰的氮接触，都使得废气中NOx含量意想不到地减少。从这些实验数据就可以预见，当至少三分之二总燃烧量是由氧-燃料燃烧器完成时，将达到最优化条件。鉴于上述试验数据和所得结论，优选的操作条件是氧-燃料火焰为富燃料，而空气-燃料火焰大约在化学计量化，而不要反转过来。采用与本发明反转的条件只能使空气-燃料火焰温度稍下降，但使氧-燃料火焰温度大辐上升。由于火焰中热法生成NOx是随温度呈指数关系增多，当按与本发明相反的方式操作时，将产生火焰温度高峰，将导致多于本发明的NOx。使两个燃烧器都是富燃料操作虽然可以减少NOx，但使热效率下降。由于已证明富氧可以提高热效率，在本发明中亦即使氧-燃料火焰为富燃料将提高生产率，因为由于富燃料带来的下降已被富氧所带来的增高所抵消而有余。在多数工业炉中不致发生未燃烧烃的发散，由于空气会渗入炉中并进入排废气系统，将离开火焰区的排出废气中一切余下的燃料都烧掉。
本发明可以在现有设备上以最低限费用进行改装。本发明可提供生产率的增益，同时不会发生象一般的低度富氧时所带来的NOx发散量增高。以前人们曾把氧-燃料燃烧器添加到空气-燃料炉中来提高生产率，但是在本发明之前，还没有把减少NOx发散量的问题考虑进去。
根据以上的说明，申请人提出以下的权利要求。
权利要求
1.一种在空气-燃料混合物燃烧时减少氮的氧化物产生量的方法，该方法包括(a)以这样的方式燃烧一种氧-燃料混合物，即在燃烧时使用空气-燃料混合物遮蔽该氧-燃料的燃烧过程，使之不接触到氮；(b)在整个燃烧过程中，保持该氧-燃料混合物处于富燃料状态。
2.权利要求1的方法，其中的操作过程是使该氧-燃料燃烧提供该燃烧过程总产热量的50-90%。
3.权利要求1的方法，其中在所述氧-燃料燃烧中的化学计量条件保持在相当量比率1.2-1.35。
4.权利要求1的方法，其中所述氧-燃料燃烧是以同心方式在所述空气-燃料燃烧之内进行。
5.权利要求1的方法，其中所述氧-燃料燃烧器中的燃料是选自甲烷、丙烷、燃料油、废油、烃类燃料以及它们的混合物。
6.权利要求5的方法，其中氧对燃料的比率是1.5份氧对1份甲烷。
7.权利要求1的方法，其中空气-燃料和氧-燃料燃烧两者的燃料是选自甲烷、丙烷、燃料油、废油、烃类燃料以及它们的混合物。
8.权利要求1的方法，其中空气-燃料燃烧的燃料是油，氧-燃料燃烧的燃料是甲烷。
9.权利要求1的方法，其中所述方法是通过在一个空气-燃料燃烧器内以同心方式插入一个氧-燃料燃烧器而进行的。
10.权利要求1的方法，其中所述方法是在该工艺设备中插入一个氧-燃料燃烧器而进行的，其方式是将氧-燃料燃烧产物喷射入该空气-燃料燃烧物流中。
全文摘要
由氧-燃料燃烧与空气-燃料燃烧联合，以提高该燃烧过程的生产率，并降低燃烧产物中氮的氧化物含量，其办法是使氧-燃料燃烧保持富燃料状态，同时使空气-燃料燃烧尽量接近化学计量条件。
文档编号F23L7/00GK1075538SQ9310124
公开日1993年8月25日 申请日期1993年2月4日 优先权日1992年2月4日
发明者E·R·巴扎里安, J·F·赫夫龙, 小·C·E·包卡尔 申请人:气体产品与化学公司