[发明专利]柯恩达气体燃烧器装置和方法

说明书

本申请是申请日为2007年6月14日、申请号为200710138849.5、发明名称为柯恩达气体燃烧器装置和方法的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及燃烧含有空气和炉子烟气的燃料气体以在抑制氮氧化物(“NO_x”)和一氧化碳(“CO”)形成的同时产生稳定火焰的气体燃烧器装置和方法。

背景技术

人们已经开发并成功利用了各种具有扩散和预混能力的气体燃烧器。预混方式在空气和燃料气体进入炉内燃烧之前将它们混合成均匀的混合物。扩散方式将燃气喷入空气流，从而在没有文氏管的情况下发生混合。火焰稳定在出口点附近，并形成热力和瞬发氮氧化物。这两种方式习惯地应用于点燃和燃烧指定的燃料气体，以在工艺燃烧器内产生热量。

在预混和扩散式燃烧器中，可以确定出减少热力和瞬发氮氧化物的形成的一个最佳方式。政府严格地控制着工艺燃烧器以及其他燃烧设备产生的氮氧化物和一氧化碳气体的排放。政府不断地要求更好的方法来进一步减少现有燃烧设备的排放。

为了降低氮氧化物和其他存在潜在污染的气体的产量，人们正在研制各种改进的气体燃烧器装置。在一种方法中，所有的空气连同主燃料在主区域内燃烧，剩余燃料在第二区域内燃烧。在这种燃料气体分级的方法中，分级燃料被炉子烟气稀释，在燃烧期间该炉子烟气稀释大部分气体流，从而降低气体的燃烧温度。空气和烟气中的氮因为能吸收火焰热量而起到散热器的作用。烟气可以来自炉体(外部烟气)或来自炉子自身(内部烟气)。降低气体燃烧温度会减少所产生烟气中形成的氮氧化物。美国专利Nos.5,275,552(1994年1月4日颁发给John Zink公司)和6,729,874B2(2004年5月4日颁发给John Zink公司)公开了低NO_x燃烧器及相关方法的例子，这两个专利以引用的方式并入本文中。

分级燃烧和燃料气体稀释又额外产生了必须关注的问题，包括不燃性和火焰不稳定性。需要一定的空气或烟气量来稀释火焰，以充分地实现氮氧化物的减少。然而，如果燃料气体稀释过度，导燃会很困难或者点燃的火焰会变得不稳定。火焰的不稳定会进一步使整个炉子不稳定。

柯恩达(Coanda)表面已经用于火舌管(flare)，在其中的升高的压力处实现有效流速。柯恩达表面只是为使流体贴附而设计的弯曲表面。喷射在柯恩达表面或附近的流体流倾向于附于该表面并沿其轨迹运动。负压和粘滞力将流体流推向该表面。流体流扩散成较薄的膜或片，这就使附近的流体以非常有效地方式与该流体流混合。给予气体的附加表面积显著地促进了混合。例如在每小时可以排放好几万磅废气的火舌管中，快速混合是所希望的。因此，柯恩达表面和柯恩达效应普遍用于火舌管装置中，因为它不需要蒸汽、风机和相关设备。

然而，柯恩达表面还没有应用到低NO_x工艺燃烧器装置中。相比火舌管装置，燃烧器组件更小，并且所需气流少得多。因此，柯恩达技术还未积极地应用于工艺燃烧器。同样，由于其所涉及的费用，许多精炼厂管理者还未更换精炼炉。因此，替换的燃烧器装置经常必须适应于现有炉膛，该炉膛限定了燃烧器必须满足的性能标准(例如，火焰的长度和直径)。

本发明披露了在低NO_x分级燃料气体燃烧器中利用柯恩达表面的多种方法，从而在避免例如不燃性和火焰不稳定性的问题的同时大大提高燃烧器效率。

发明内容

根据本发明，提供了满足上述要求并克服现有技术的缺陷的气体燃烧器装置和方法。已经发现柯恩达表面可以与自由流体流结合，在保持扩展的调节能力和增强的稳定性的同时将燃料气体与空气和稀释物(在该例子中为炉子烟气)混合。柯恩达表面大大地促进了燃料气体与气流中其他流体的混合。此外，通过使用各种柯恩达表面，可以大大地增加加入混合区和火焰的烟气量。因此，可以在提高炉中火焰质量和热通量分布的同时极大地提高减少燃烧器的氮氧化物和一氧化碳排放的能力。柯恩达表面和该表面设置在燃烧口砖的内侧和外侧的方式使烟气能够进入燃烧器的各种混合和燃烧区，同时又不会将内边界层的燃料气体稀释到变得不可燃或产生不稳定火焰的状态点。柯恩达表面还使火焰形状能够得到准确的控制，而不需要例如火焰稳定器、锥体、翼、撞击板等其他构件。本发明的这些和其他优点将在下面描述。

根据本发明的一个方面，提供一种用于喷射燃料气体和空气混合物到炉内的气体燃烧器装置，其中该混合物在存在烟气的情况下燃烧，同时产生少量的氮氧化物和一氧化碳。该气体燃烧器装置包括风室、燃烧口砖、第一燃料气体喷射装置和第二燃料气体喷射装置。该装置中还可以包括喷射用的预混第一装置。