[发明专利]燃烧器组件和燃烧方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃烧工艺及用于该燃烧工艺的设备，该设备用于容纳分离的燃料喷射器和氧化剂喷射器，以将燃气和氧化剂分开引入炉的燃烧室，使得燃料与氧化剂在宽而发光的火焰中燃烧，并且由此燃料与氧化剂的燃烧所产生的氮氧化物(NOx)的量减少。

背景技术

诸如玻璃或釉料熔融、黑色金属和有色金属材料熔炼之类的工业高温工艺使用大量能量以将各种原料转化为随后在工业工艺的更多阶段中铸造、成型或被处理的热产品。该操作一般在每天能够生产多达500吨(公制的)熔融材料的大型炉中执行。高卡值(calorific value)燃料如天然气、丙烷或可能地低卡值燃料如一些高炉气与含氧的氧化剂在炉内燃烧是一种供应能量的优选方法。在一些情况下，通过电加热补充燃烧。燃料和氧化剂在绝大部分时间经燃烧器引入炉内以产生火焰。能量从火焰传递至待被加热或熔融的材料是在材料表面的对流与对表面的辐射或在材料可透辐射的情况下对材料内部的辐射相结合的结果。高辐射性火焰(通常称为发光焰)通常是优选的，这是因为它们提供更好的热传递并因而提供更高的燃料效率。

对于火焰加热而言，使来自火焰的能量均匀地分布在待被加热或熔融的材料表面上方也很重要。否则，热区域和冷区域可在炉内共存，这通常是不希望的，因为它会影响使用在这种炉内加热或熔融的材料制造的产品的质量。例如，在熔融玻璃浴中，冷区域中可能存在玻璃结石，而热区域中的挥发增加。优选宽火焰，这是因为它们产生更好和更均匀的覆盖。

许多国家颁布了关于NOx排放的日益严格的规定。因此已开发限制NOx形成的燃烧技术。

在很高温度的工艺中，氧分子和氮分子在火焰和炉的热区域中的长时间停留促进了NOx的形成。已证实使用大致纯氧(90％O₂或更高)代替空气作为氧化剂很成功地降低多达90％的NOx排放，这是因为几乎消耗了所有氮。

但是，用大致纯氧代替空气提高了火焰温度，并因而在炉内形成氮与氧反应率高并且NOx的形成可成正比地增加的区域，即使当与使用空气燃烧相比时NOx的形成整体上减少。实际上，在实践中，通常不可能从炉排除所有氮，因为工业炉并非是不漏气的，燃料通常含有一些氮，并且从非低温源供应的氧例如通过真空变压吸附装置(VSA，Vacuum Swing Adsorption plant)生产的氧含有少量残余氮浓度。

特别是对于氧化剂气体而言能够在低压下操作同时以减少的NOx排放产生宽、平、发光的火焰并且提供控制火焰长度以便使火焰与使用它们的炉相匹配的燃烧器组件从US-A-5984667和US-A-6068468已知，并由申请人以商品名Alglass^TM FC和Albatch^TM FC商业化。

所述燃烧器组件的一个重要方面在于使燃料和氧化剂物理分离(即间隔开)，并且在几何形状上设置成赋予燃料流体流和氧化剂流体流允许燃料流体与氧化剂在稳定、宽而发光的火焰中燃烧的角度。

更具体地，US-A-5984667公开了一种燃烧器组件，其包括至少两个燃料流体腔、至少一个氧化剂流体腔和至少一个出口面，燃料流体腔中的至少一个和氧化剂流体腔中的至少一个在该出口面处终止。所述燃烧器组件包括：

a)用于供应氧化剂流体流的装置；

b)用于将所述氧化剂流体流喷入所述至少一个氧化剂流体腔以形成至少一股喷射的氧化剂流体流的装置；

c)用于供应燃料流体流的装置；以及

d)用于将所述燃料流体流喷入所述至少两个燃料流体导路以形成至少两股喷射的燃料流体流的装置；

其中氧化剂流体流和燃料流体流的喷射方向大致汇聚并在燃烧区处相交，同时至少两个相邻的燃料流体导路的方向发散。

此类燃烧器的已论证的优点为：

·通过将火焰能量引向装料而非炉结构而提高了燃料效率，

·通过增强的装料覆盖提高了加热均匀度并消除了热点，

·引起向例如在玻璃熔炉内的装料有效传热的高发光度，

·低污染物排放。

此类燃烧器在一定工艺条件范围内、特别是在一定燃烧速度(firing rate)范围内可靠地操作，但是当燃烧器在所述范围之外操作时可能产生问题。例如，此类燃烧器存在的一个问题是：在低燃烧速度下(例如，低于标称燃烧速度的30％)，燃烧器所产生的火焰呈“惰性”并趋于朝炉顶上升，从而增加在炉顶中形成热点的风险。在很高的燃烧速度下(例如，超过标称燃烧速度的200％)，火焰控制变得越来越困难并且火焰的长度可能导致损坏相对的炉壁。