[发明专利]低NOx燃烧器设备和方法

说明书

燃烧器设备和方法，其提供增加的内部烟道再循环量，以用于减少NO_x排放，这是通过在燃烧器壁外部朝向燃烧器燃烧部喷射一系列围绕的初级燃料流并且还喷射一个或多个后续系列的围绕的燃料流，其中，每个后续系列的围绕的燃料流必须行进更远的距离到达燃烧区，并且每个系列的围绕的燃料流必须接触设置在燃烧器壁的外部上的一个或多个径向冲击结构。

相关案例

本申请要求于2019年9月12日提交的美国专利申请序号16/568,519的权益，并通过引用将所述申请结合于本文件中，就好像在此处充分阐述一样。

技术领域

本发明涉及如下燃烧器设备和方法，即：其用于减少来自加热器、锅炉、焚化炉、其他燃烧加热系统以及在精炼厂、发电厂和化工厂中以及在其他工业服务和设施中使用的类型的其他燃烧系统的NO_x排放。

背景技术

对将会显著地减少来自加热器、锅炉、焚化炉以及在工业过程中使用的其他燃烧系统的NO_x排放的燃烧器和燃烧器燃烧方法存在持续的需求。改进的燃烧器还将优选地提供至少与当前燃烧器设计所提供的一样好或比之更好的火焰长度、调节比和稳定性水平。

对于在工业应用中使用的燃烧器，如果燃烧器燃料与空气彻底混合并且在理想条件下发生燃烧，则产生的燃烧产物主要是二氧化碳和水蒸气。然而，当燃料在不那么理想的条件下、例如在高火焰温度下燃烧时，燃烧空气中存在的氮与氧反应，以产生氮氧化物（NO_x）。在其他条件相同的情况下，NO_x的产生随着燃烧过程的温度的升高而增加。NO_x排放通常被认为会导致臭氧消耗、酸雨、烟雾和其他环境问题。

对于没有燃料结合氮的气态燃料，热力型NO_x是NO_x产生的主要机制。当火焰达到足够高的温度以破坏共价N₂键，使得产生的“游离”氮原子与氧键合以形成NO_x时，就会产生热力型NO_x。

通常，燃烧的温度不够高，以破坏所有的N₂键。而是，空气流中的大多数氮都经过燃烧过程，并作为双原子氮（N₂）保留在燃烧产物中。然而，某些N₂通常将会在火焰的高强度区域中达到足够高的温度，以破坏N₂键并形成“游离”氮。一旦共价氮键被破坏，就可获得“游离”氮，以与其他原子键合。幸运的是，游离氮将最可能与其他游离氮原子反应，以形成N₂。然而，如果不可获得另一游离氮原子，则游离氮将与氧反应，以形成NO_x。

随着燃烧器火焰的温度升高，N₂共价键的稳定性降低，从而引起游离氮的产生增加，并且因此，也增加了热力型NO_x排放的产生。因此，在减少NO_x排放的持续努力中，以降低峰值火焰温度为目标，已开发出各种类型的燃烧器设计和理论。

精炼、发电、石油化工过程和其他过程的各种需求使得必须使用多种不同类型和构造的燃烧器。用于降低NO_x排放的方法可能因应用而异。然而，热力型NO_x的减少一般通过减慢燃烧速率来实现。由于燃烧过程是氧气与燃烧器燃料之间的反应，因此延迟燃烧的目的通常是降低燃料和氧气混合在一起并燃烧的速率。氧气与燃料混合在一起得越快，燃烧速率就越快，并且峰值火焰温度就越高。

用于减少NO_x排放的不同类型的燃烧器设计方法的示例已包括：

（a）分级空气设计，其中，燃烧空气通常被分成两个或更多个流，以形成稀薄燃烧和富集燃烧的不同级；

（b）使用内部烟气再循环（IFGR）的设计，其中，内部流动动量被用于使燃烧系统中的某些烟气（即，惰性燃烧产物）再循环回到燃烧区中，以形成稀释的燃烧混合物，该燃烧混合物在较低的峰值火焰温度下燃烧；