專(zhuān)利名稱(chēng)：一種低氮氧化物排放的富氧燃燒方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低氮氧化物排放的富氧燃燒方法，尤其是涉及富氧空氣被用作氧化劑的低氮氧化物排放的燃燒方法。
背景技術(shù)：
氮氧化物(NOx)是燃燒中產(chǎn)生的主要大氣污染物之一，在進(jìn)行燃燒時(shí)必須減少它們的產(chǎn)生。目前，富氧及純氧燃燒已經(jīng)在工業(yè)過(guò)程中被較為廣泛應(yīng)用，節(jié)能效果顯著，但是，富氧燃燒的氮氧化物(NOx)排放大幅度增加，這是因?yàn)楦谎蹩諝馊紵岣吡嘶鹧鏈囟?，而高溫促進(jìn)了熱力型NOx的生成。在氧濃度大于30％的富氧火焰中，總的NOx生成主要來(lái)源于高溫區(qū)的熱力型NOx生成的貢獻(xiàn)，因而控制熱力型NOx的生成是抑制富氧火焰NOx生成總量的關(guān)鍵。
眾所周知，降低火焰溫度和縮短燃料在高溫區(qū)的停留時(shí)間是降低熱力型NOx的有效途徑?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的低NOx燃燒技術(shù)(空氣分級(jí)、煙氣再循環(huán)等)所依據(jù)的主要原理是降低火焰溫度，如噴射水蒸氣或煙氣循環(huán)進(jìn)行稀釋?zhuān)@些方法對(duì)于富氧燃燒來(lái)說(shuō)，降低火焰溫度與其高溫燃燒的特點(diǎn)相抵觸，因此有必要開(kāi)發(fā)一種既保持富氧火焰的高溫特性同時(shí)又可以降低NOx排放的新方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在保持富氧燃燒高溫的同時(shí)又可以降低氮氧化物排放的新方法。
為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取了以下的技術(shù)方案本發(fā)明根據(jù)減薄火焰面厚度、縮小高溫區(qū)域、縮短反應(yīng)物在高溫區(qū)停留時(shí)間的基本原理，通過(guò)改變?nèi)剂吓c氧化劑的速度差，達(dá)到在保持富氧燃燒高溫的同時(shí)又可以降低NOx排放的目的。
本發(fā)明降低氮氧化物排放的燃燒方法，其特征在于(A)將燃料和氧濃度不小于30％的氧化劑從同軸套管式燃燒噴嘴注入燃燒區(qū)而形成燃燒火焰反應(yīng)流；(B)通過(guò)減小燃料和氧化劑之間噴出速度差有效降低氮氧化物產(chǎn)生；(C)在燃燒室內(nèi)燃料和氧化劑完全燃燒生產(chǎn)燃燒產(chǎn)物。
所述“燃燒產(chǎn)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)的一種或多種。
所述“燃燒噴嘴”是指將燃料和氧化劑提供到燃燒區(qū)的裝置。燃燒噴嘴可以是整體部件或者可包含兩個(gè)或多個(gè)分開(kāi)的部分。
所述“化學(xué)計(jì)量比”是指對(duì)于一定的燃料，供給的氧氣量為燃料完全燃燒所需要的氧氣量的多少倍，化學(xué)計(jì)量比大于1.0，是指提供的氧氣多于燃料完全燃燒所需要的氧氣量。
本發(fā)明方法的關(guān)鍵在于以下幾點(diǎn)1.降低富氧燃燒中NOx生成的方法的原理在于(1)燃料和氧化劑分別通過(guò)各自管路以一定的速度噴入燃燒區(qū)，點(diǎn)燃后形成擴(kuò)散燃燒火焰；(2)保持氧化劑流量不變的條件下，減少氧化劑出口管徑，使氧化劑噴出速度增大，進(jìn)而使反應(yīng)區(qū)域變窄，火焰高溫區(qū)變窄直接減少了熱力型NOx生成區(qū)域；(3)保證燃料和氧化劑完全燃燒生產(chǎn)燃燒產(chǎn)物。
2.通過(guò)減少燃料和氧化劑的噴出速度差來(lái)降低氮氧化物的思路取自對(duì)向流富氧擴(kuò)散燃燒火焰的特性實(shí)驗(yàn)，對(duì)向流擴(kuò)散燃燒的原理圖如圖1所示，燃料2和氧化劑3分別由相對(duì)的方向進(jìn)入燃燒區(qū)，點(diǎn)燃后形成平面擴(kuò)散火焰7。速度梯度是對(duì)向流擴(kuò)散火焰的重要參數(shù)之一。速度梯度v的定義為燃料和氧化劑噴出速度之和與燃料和氧化劑出口間距離之比。
圖2則說(shuō)明了對(duì)向流擴(kuò)散燃燒試驗(yàn)的部分結(jié)果。對(duì)于燃料為體積比為1∶1的甲烷和氮?dú)饣旌蜌猓趸瘎檠鯘舛葹?0％(體積)的流體，從2報(bào)告的結(jié)果可以看出，當(dāng)燃料與氧化劑以相同速度u從0.75m/s增加到1.5m/s，即速度梯度v從10s-1增加到20s-1時(shí)，燃燒時(shí)所產(chǎn)生的氮氧化物顯著減少。因此，在對(duì)向流擴(kuò)散富氧燃燒中，增大速度梯度是一種有效的降低氮氧化物產(chǎn)生的方法。
其中的原理有以下幾個(gè)方面一是由于速度梯度增大使火焰溫度稍有降低，從而減少了熱力型NOx的生成；二是速度梯度增大使富氧燃燒中熱力型NOx大量生成的第二個(gè)發(fā)熱峰即藍(lán)色火焰區(qū)域變薄，反應(yīng)物在高溫燃燒區(qū)域的停留時(shí)間縮短；三是速度梯度增大使反應(yīng)物在火焰面法向方向的濃度梯度增大，促進(jìn)了擴(kuò)散傳質(zhì)，減少了在高溫區(qū)的停留時(shí)間。
以上所提到的通過(guò)增大速度梯度來(lái)降低氮氧化物生成的方法在對(duì)向流燃燒中非常有效，在實(shí)際的燃燒過(guò)程中由于燃料和氧化劑的主流流動(dòng)方向一般是保持平行，依據(jù)降低對(duì)向流富氧擴(kuò)散火焰的氮氧化物生成的機(jī)理，通過(guò)改變?nèi)剂虾脱趸瘎┑南鄬?duì)速度，同樣獲得了降低氮氧化物排放效果。而通過(guò)對(duì)于燃燒器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，就可以調(diào)整燃料和氧化劑之間的速度差。
本發(fā)明采用了如圖3所示的燃燒器，包括燃燒室1，燃料2和氧化劑3分別通過(guò)由內(nèi)管4和外管5同軸套管做成的燃燒噴嘴提供到燃燒區(qū)6中。參照?qǐng)D4可以定位燃料管和氧化劑管的相對(duì)位置，其中噴嘴的內(nèi)管4通燃料，噴嘴的外管5通富氧氧化劑。圖3中噴嘴內(nèi)管4的管徑可以固定，噴嘴外管5的管徑則應(yīng)在一定范圍內(nèi)選擇。假設(shè)噴嘴內(nèi)管4的管徑已經(jīng)確定，噴嘴外管5的管徑選擇規(guī)律如下1、保證氧化劑噴出流速Ufuel不大于燃料噴出流速Uoxidant；2、保證氧化劑噴出流速與燃料噴出流速之間的速度差(Ufuel-Uoxidant)在燃料噴出流速的20％～50％的范圍之內(nèi)。
上述燃燒器使用時(shí)，燃料為氣體燃料，最好為天然氣。氧化劑是氧濃度至少為30％(體積)的流體。調(diào)整燃料和氧化劑進(jìn)入燃燒室1的流量使氧化劑對(duì)燃料的化學(xué)計(jì)量比大于1.0。燃料和氧化劑在燃燒室1內(nèi)燃燒形成火焰7，燃燒反應(yīng)產(chǎn)物為完全燃燒的產(chǎn)物。
3、為保證燃料和氧化劑完全燃燒，必須使氧化劑對(duì)燃料的化學(xué)計(jì)量比大于1.0。
本發(fā)明方法克服了現(xiàn)有降低氮氧化物生成技術(shù)用于富氧燃燒的缺陷，通過(guò)調(diào)整射流火焰的速度差，NOx的降低率達(dá)可以超過(guò)50％，而且可以基本保持富氧火焰的高溫特性。


圖1是本發(fā)明對(duì)向流擴(kuò)散燃燒試驗(yàn)原理圖。
圖2是本發(fā)明對(duì)向流富氧擴(kuò)散燃燒試驗(yàn)結(jié)果的圖示。
圖3是本發(fā)明燃燒室的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
圖4是本發(fā)明燃燒噴嘴的出口橫截面圖。
圖5是本發(fā)明實(shí)施例試驗(yàn)結(jié)果圖示。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明內(nèi)容進(jìn)一步說(shuō)明。
采用圖3所示的燃燒器，所用的燃料均為甲烷，氧化劑分別是含30％和40％(體積)氧氣的流體，氧化劑對(duì)燃料的化學(xué)計(jì)量比均為1.28。
試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖5報(bào)告的每一個(gè)實(shí)施例的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)保持燃料和氧化劑流量不變，通過(guò)縮小氧化劑管內(nèi)徑增加氧化劑出口流速，即減小燃料與氧化劑之間的速度差，氮氧化物排放指數(shù)EINOx均呈線性下降趨勢(shì)，當(dāng)氧濃度較高時(shí)，EINOx隨噴出速度差降低的趨勢(shì)更為顯著。
權(quán)利要求
1.一種低氮氧化物排放的富氧燃燒方法，其特征在于(A)將燃料和氧體積濃度不小于30％的氧化劑從同軸套管式燃燒噴嘴注入燃燒區(qū)形成燃燒火焰；(B)通過(guò)減小燃料和氧化劑之間噴出速度差有效降低氮氧化物產(chǎn)生；(C)將燃燒室內(nèi)燃料和氧化劑完全燃燒產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物。
2.如權(quán)利要求1所述的低氮氧化物排放的富氧燃燒方法，其特征在于燃料與氧化劑采用同軸套管管路輸入，燃料管在內(nèi)管，氧化劑管在外管。
3.如權(quán)利要求1或2所述的低氮氧化物排放的富氧燃燒方法，其特征在于同樣氧化劑流量的條件下，在保證噴出的燃料和氧化劑完全穩(wěn)定燃燒前提下，減小氧化劑管的內(nèi)徑，即提高氧化劑的噴出速度以減小燃料與氧化劑之間的速度差。
4.如權(quán)利要求1或2所述的低氮氧化物排放的富氧燃燒方法，其特征在于氧化劑噴出速度低于燃料噴出速度，但盡量減小燃料和氧化劑之間的噴出速度差。
5.如權(quán)利要求1所述的低氮氧化物排放的富氧燃燒方法，其特征在于氧化劑對(duì)燃料的化學(xué)計(jì)量比大于1.0。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種在保持富氧燃燒高溫的同時(shí)又可以降低氮氧化物排放的新方法。其特征在于(A)將燃料和氧體積濃度不小于30％的氧化劑從同軸套管式燃燒噴嘴注入燃燒區(qū)形成燃燒火焰；(B)通過(guò)減小燃料和氧化劑之間噴出速度差有效降低氮氧化物產(chǎn)生；(C)將燃燒室內(nèi)燃料和氧化劑完全燃燒產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物。本發(fā)明方法克服了現(xiàn)有降低氮氧化物生成技術(shù)用于富氧燃燒的缺陷，通過(guò)調(diào)整射流火焰的速度差，NO
文檔編號(hào)F23L7/00GK1952484SQ20061012349
公開(kāi)日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2006年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月10日
發(fā)明者趙黛青, 楊浩林, 楊衛(wèi)斌 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所