專利名稱：無需催化劑或高溫氧化劑促使無焰燃燒的方法和設備的制作方法
技術領域：
總的來說，本發(fā)明涉及自發(fā)燃燒方法和設備。更具體地說，本發(fā)明公開了無需催化劑或高溫氧化劑，在整體式加熱/燃燒設備的基本橢圓形燃燒室中促使(precipitate)和維持無焰燃燒的過程和方法。
背景技術：
傳統(tǒng)熔爐和工業(yè)加熱器在足以形成氮氧化物的高火焰溫度下工作，氮氧化物有時被稱為NOx?，F有技術熱燃燒系統(tǒng)的工作原理通常是在可燃區(qū)域使燃料和空氣接觸火源，點燃該混合物使其持續(xù)燃燒。大多數燃料的可燃混合物通常能在大約3300°F和以上的較高溫度下發(fā)生燃燒，必然導致形成大量NOx。
工業(yè)加熱器在現有技術中是眾所周知和有代表性的。無焰燃燒的技術和實施對于本領域技術人員也同樣是眾所周知和能夠理解的。在基本橢圓形(這里所用術語“橢圓形”與“球形”或“圓形”同義，可以互換使用，包括允許氣體充分循環(huán)，實現本發(fā)明實施例，說明書和權利要求的任何和全部燃燒室結構)的加熱器中提高其輻射部分內熱煙道氣，燃氣和空氣的循環(huán)速率，實現并維持無焰燃燒，然后在升高溫度下增加煙道氣循環(huán)量，使熱煙道氣以明顯高于現有技術的百分比與燃氣和可燃空氣混合，實現新穎的無焰燃燒，這是未知的。在本發(fā)明中，在狹窄確定邊界內混合分股燃氣，循環(huán)煙道氣和燃燒空氣，達到自動點火溫度并引起燃燒方法。但是，由于本發(fā)明燃燒室的內部是基本橢圓形的，所以循環(huán)煙道氣的質量流足以使氣體參與燃燒方法，經過大約300到400°F的有限溫度變化，而最高焰溫與燃燒室內最冷煙道氣之間的溫差為2800°F，這對于現有燃燒技術是常見的。在本發(fā)明的燃燒室中，任何位置的最高溫度都不會超過2200°F。因此，這種降低的溫度能有利地消除熱NOx和NOx落入小于8ppmvd選擇性催化還原區(qū)域的現象。下表繪出本發(fā)明設備和過程可能產生的新工作窗口。
循環(huán)煙道氣溫度NOx高產率區(qū)熄火/不穩(wěn)定區(qū)煙道氣循環(huán)速率％燃燒空氣流A＝外部煙道氣循環(huán)區(qū)-NOx＝50-25ppmvdB＝內部煙道氣循環(huán)區(qū)-NOx＝25-15ppmvdC＝采用現有技術內部煙道氣循環(huán)溫度的情形下，不可能D＝自動點火和無焰燃燒Nox＜8ppmvd因此，考慮到現有技術的不足之處，本發(fā)明的目的是公開和要求一種不使用催化劑、高溫空氣或其他類似氧化劑的無焰燃燒方法和設備。
本發(fā)明進一步的目的是公開和要求利用空氣或溫度低于1300°F的其他類似氧化物實現無焰燃燒方法和設備。
本發(fā)明的另一個目的是公開和要求無需催化劑或火焰穩(wěn)定器實現無焰燃燒的方法和設備。
本發(fā)明的另一個目的是公開和要求一種整體式加熱/燃燒設備。這里所用術語“加熱器”與“包含傳熱冷卻管的耐火材料襯里的外殼”是同義的，可以互換使用，術語“燃燒器”與“燃料、空氣和循環(huán)煙道氣的計量裝置”是同義的，可以互換使用。
本發(fā)明的另一個目的是公開和要求具有基本橢圓形的燃燒室的設備，該燃燒室起到控制空氣、燃氣和煙道氣的擴散速率的作用。
本發(fā)明的另一個目的是公開和要求這樣一種裝置通過煙道氣的循環(huán)速率實現優(yōu)于現有單元加熱器/燃燒器可能初始值的非常均勻的通量率。
本發(fā)明進一步的目的是消除現有技術工業(yè)加熱器中燃燒室的冷區(qū)和熱區(qū)。
本發(fā)明的另一個目的是提出和要求尺寸縮小的加熱/燃燒設備和冷卻管服務面積，而不增加峰值輻射通量率。
本發(fā)明的另一個目的是提出一種方法和設備，因此促使非常均勻和更冷燃燒，從而產生小于8ppmvd的低NOx排放。
本發(fā)明的另一個目的是提出在非常均勻而且消除CO排放的受控溫度下進行的完全燃燒。
本發(fā)明的另一個目的是提高輻射效率，從而降低燃料消耗量，由此減少CO2和溫室氣體排放。
本發(fā)明的另一個目的是提出改善熱傳導的設備和方法，從而減少獲得特定傳熱量所需要的加熱器冷卻管面積，不超過現有技術峰輻射通量率。
根據以下具體說明以及附圖，本發(fā)明的其他目的和進一步的應用范圍是顯而易見的，附圖中使用相似的附圖標記表示相似的部件。
發(fā)明概述一種在整體式加熱/燃燒設備的基本橢圓形燃燒室中促使和維持無焰燃燒的方法和設備，包括以下步驟(a)提供連接有進氣口的基本橢圓形燃燒室，進氣口進一步與基本橢圓形燃燒室外部的氣源連接；(b)提供位于燃燒室內的燃料源，該燃料源提供燃氣，燃氣與燃料供應源和燃燒室相連；(c)在燃燒室內促使加熱過程，將其內部溫度預熱到通常為1400到2100°F的工作溫度范圍；(d)通過進氣口向橢圓形燃燒室中引入空氣；(e)步驟(c)和(d)的結果是，促使煙道氣在燃燒室內發(fā)生循環(huán)；(f)用循環(huán)煙道氣鈍化燃氣；(g)向燃燒室內計量輸送燃氣，燃氣被循環(huán)煙道氣鈍化；(h)繼續(xù)計量并加熱空氣，循環(huán)燃氣和煙道氣，直到空氣、循環(huán)燃氣和煙道氣擴散成分子組合物，并且達到或超過所述組合物的自動點火溫度；和(i)通過保持燃燒室工作溫度在1400和2100°F之間，維持無焰燃燒。
附圖簡要說明附

圖1到6所示是現有技術加熱器的端面正視圖，進一步表示與各種管道/燃燒器裝置結構相關的煙道氣循環(huán)方式；附圖7所示是本發(fā)明的一個實施例，采用星型燃燒傳熱管結構，以及單數定位的燃燒空氣裝置，燃氣引入裝置和煙道氣排出裝置；附圖8所示是用于圓形定位加熱器傳導管時，附圖7的單一定位可燃空氣裝置，燃氣引入裝置和煙道氣排出裝置；和附圖9所示是本發(fā)明的另一個實施例，其中具有多個星型燃燒結構管道，并且位于本發(fā)明燃燒室的內部，以及位于燃燒室邊界周圍的多重定位可燃空氣裝置，燃氣引入裝置和煙道氣排出裝置。
優(yōu)選實施例具體說明雖然以下具體討論本發(fā)明各個實施例的制造和使用方法，但是應當理解本發(fā)明的概念能以各種特定形式體現。這里討論的特定實施例僅僅是對本發(fā)明制造和使用方法特定方式的例證，并非對本發(fā)明范圍的限制。
權利要求和說明書描述了本發(fā)明，權利要求中的術語含義來自于它們在說明書中的定義?，F有技術中使用的相同術語具有比說明書中更廣泛的定義。在現有技術中這些術語的更廣泛定義和說明書與權利要求中它們的更專門定義之間產生疑問時，采用更專門的定義。
雖然對本發(fā)明進行了一定程度專門性的描述，但是仍然可以在不超出原理和公開范圍的情況下，對具體結構和部件裝配進行許多具體變化。能夠理解本發(fā)明并不限于這里給出的說明性實施例，而是僅受權利要求的限制，包括每項的全部等同條款。
附圖1到6所示為現有技術加熱器的端面正視圖，進一步表示出現有技術加熱器中所用各種管道/燃燒器結構的煙道氣循環(huán)方式。附圖1到6中現有技術結構的煙道氣循環(huán)方式由箭頭2表示。在每個現有技術的說明中，很容易注意到，當加熱器內部或其內部溫度升高時，煙道氣從熔爐較低區(qū)域以不受限制的方式上升到較高區(qū)域，當該氣體冷卻時，回到加熱器底部。附圖1到6中所示循環(huán)方式通常被限制在熔爐最中央區(qū)域，不受管道位置的影響。為了便于參考，附圖1到3所示為雙重發(fā)火管結構，附圖4到6為單一發(fā)火管結構，所述發(fā)火管起到熔爐傳熱裝置的作用。工作時，向管道3內部引入流體，循環(huán)煙道氣2向所述管道外部表面提供熱量，加熱其中的流體。使用本領域技術人員眾所周知的燃燒器4引起附圖1到6中所示每個燃燒器結構4內部6的溫度升高。
附圖7所示為本發(fā)明的一個實施例，具有星型傳熱管結構，和單數定位的燃燒空氣裝置，燃氣引入裝置和煙道氣排出裝置。參見附圖7。
在附圖7中，本發(fā)明設備的附圖標記為23?；緳E圓形的燃燒室22與進氣口28相連，進氣口28進一步連接橢圓形燃燒室22外部的氣源41。氣源41通常是鼓風機或本領域技術人員眾所周知的自然通風裝置，所述鼓風機或自然通風裝置向燃燒室22內以與加熱器內壁成0°到40°的角度引入加熱或未經加熱的空氣。雖然實施本發(fā)明時可以使用更大的角度，但是要注意，空氣引入角度在0°和40°之間時，能最有效地引入足夠CFM的體積，促使離心力保持直線30所示的狹窄限定邊界內的鈍化燃氣42、煙道氣44和空氣45的初始與分離帶。所述邊界30與本發(fā)明設備23的內部橢圓表面32鄰接。燃料源26也位于燃燒室22內部，引入燃氣42，所用燃料源和燃氣的引入是本領域技術人員眾所周知的，也被用于現有技術加熱器中。
在一個實施例中，首先用位于進氣口28中的開始燃燒器27加熱內室22，將其預熱到通常是1400到2100°F范圍的工作溫度。加熱和以0到40°的角度向內室22中引入燃燒空氣45，導致室內煙道氣44發(fā)生循環(huán)。燃氣42被輸送至燃燒室22，與循環(huán)煙道氣44混合，形成兩股不同的帶可燃空氣和鈍化燃氣?？諝?5被持續(xù)引入燃燒室22內部，持續(xù)引起空氣45、燃氣42和煙道氣44分子的進一步的循環(huán)和擴散，對計量燃氣進行持續(xù)監(jiān)控，直到空氣和鈍化燃氣界面處的分子組合物達到或超過自動點火溫度。達到自動點火溫度時，通過本領域技術人員眾所周知的手動溫度控制裝置或者軟件控制裝置，維持本發(fā)明的無焰燃燒，保持其室內工作溫度在1400和2100°F之間。循環(huán)煙道氣排出裝置49也如附圖7中所示，通過排出裝置能通過引入燃氣42和可燃空氣45平衡橢圓形燃燒室的內壓。
附圖8是用于圓形定位加熱器傳遞管的雙位可燃空氣裝置，燃氣引入裝置和煙道氣排出裝置。
在附圖8中發(fā)現，混合的可燃空氣、煙道氣和燃氣循環(huán)方式能保持發(fā)生在邊界30以內的無焰燃燒的邊界參數。雖然如附圖7所示是完全有效的，但是附圖8中的雙位可燃空氣燃氣引入裝置和煙道氣排出裝置在工作時要增加或平衡燃氣42、煙道氣44和可燃空氣45的流動/速率。
附圖9所示是本發(fā)明的另一個實施例，使用了位于本發(fā)明燃燒室內的多重星型燃燒管，多位可燃空氣裝置，燃氣引入裝置和煙道氣排出裝置位于該燃燒室的邊界周圍。附圖9還表示了這樣一個實施例，可以提供附加的燃氣和可燃空氣進口，有助于平衡非球形但是基本橢圓形燃燒室內部的流速。在附圖9中還發(fā)現，其中包括多組不同結構的傳熱管?？梢栽诙嗵幬恢脧椭聘綀D9的結構或其他類似結構，在保持基本過程的同時增加設備的尺寸和容量，這對于本領域技術人員是顯而易見的。
當然能夠理解，可以在不超出本發(fā)明范圍的條件下對設備的形式，細節(jié)，裝置和比例進行各種變化，這些變化都包括在如權利要求所公開和限定的能夠實現上述目的的設備范圍內。
權利要求
1.一種促使和維持整體式加熱/燃燒設備的基本橢圓形燃燒室內無焰燃燒的方法，包括以下步驟(a)提供與進氣口相連的基本橢圓形燃燒室，進氣口進一步連接基本橢圓形燃燒室外部的氣源；(b)提供位于燃燒室內的燃料源，燃料源引入燃氣，燃氣與燃料供應源和燃燒室相連；(c)通過進氣口向橢圓形燃燒室內引入空氣；(d)在燃燒室內引發(fā)加熱過程，將室內溫度預熱到1400到2100°F的工作溫度范圍；(e)兩個步驟(c)和(d)的結果是使煙道氣在所述室內進行循環(huán)；(f)向燃燒室內計量輸入燃氣；(g)用循環(huán)煙道氣鈍化燃氣；(h)繼續(xù)計量并加熱空氣、鈍化燃氣和循環(huán)煙道氣，直到空氣、循環(huán)燃氣和煙道氣擴散成分子組合物，并達到或超過該組合物的自動點火溫度；和(i)保持燃燒室內工作溫度在1400到2100°F，維持無焰燃燒，同時提供排出裝置，通過該排出裝置、和引入的燃氣和可燃空氣，來平衡燃燒室內的壓力。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于進一步包括在向橢圓形燃燒室內引入空氣之前，對其進行預熱，加熱到450到1400°F的工作溫度。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于燃氣選自以下典型燃氣H2，CO，CH4，C2H6，C2H4，C3H8，C3H6，C4H10，C4H8，C5H12和C6H14中至少一種。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于通過保持燃燒室工作溫度位于1400到2100°F來維持無焰燃燒的步驟，進一步包括根據軟件控制的溫度感應裝置直接引入燃氣。
5.在整體式加熱/燃燒裝置的基本球形燃燒室中促使和維持無焰燃燒的方法，包括以下步驟(a)提供與進氣口相連的基本球形燃燒室，進氣口進一步與基本球形燃燒室外部的空氣源連接；(b)提供位于燃燒室內部的燃料源，燃料源引入燃氣，燃氣與燃料源和燃燒室相連；(c)通過進氣口向球形燃燒室內引入空氣；(d)引發(fā)燃燒室內的加熱過程，將燃燒室內部預熱到1400到2100°F的工作溫度；(e)兩個步驟(c)和(d)的結果是使煙道氣在室內發(fā)生循環(huán)；(f)向燃燒室內計量輸入燃氣；(g)用循環(huán)煙道氣鈍化燃氣；(h)繼續(xù)計量和加熱空氣、鈍化燃氣和循環(huán)煙道氣，直到空氣、循環(huán)燃氣和煙道氣擴散成分子組合物，并達到或超過該組合物的自動點火溫度；和(i)保持燃燒室工作溫度為1400到2100°F，維持無焰燃燒，同時提供排出裝置，通過該排出裝置、和引入的燃氣和可燃空氣，來平衡燃燒室內的壓力。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于進一步包括在向球形燃燒室內引入空氣之前，將其預熱到450到1400°F的工作溫度。
7.如權利要求5所述的方法，其特征在于燃氣選自以下典型燃氣H2，CO，CH4，C2H6，C2H4，C3H8，C3H6，C4H10，C4H8，C5H12和C6H14中至少一種。
8.如權利要求5所述的方法，其特征在于通過保持燃燒室工作溫度為1400到2100°F來維持無焰燃燒的步驟進一步包括根據軟件控制的溫度感應裝置直接引入燃氣。
9.能促使和維持無焰燃燒的整體式工業(yè)加熱器/燃燒器，包括具有外表面和內表面的結構，內表面形成連接進氣口的基本橢圓形耐火材料襯里的燃燒室，進氣口進一步連接基本橢圓形燃燒室外部的空氣源；位于燃燒室內部的燃氣引入源，燃氣引入源連接燃氣供應源和燃燒室；和監(jiān)控并計量燃氣、空氣和在基本橢圓形的耐火材料襯里的燃燒室內循環(huán)的煙道氣的裝置。
10.如權利要求9所述的加熱器/燃燒器，其特征在于耐火材料襯里的燃燒室進一步包括至少一個傳熱冷卻管。
11.如權利要求9所述的加熱器/燃燒器，其特征在于形成基本橢圓形的耐火材料襯里的燃燒室的內表面是有角度的位移表面，彼此連接或對齊時，能加強燃氣、空氣和煙道氣分子以足以引起并維持無焰燃燒的方式進行的循環(huán)。
12.如權利要求9所述的加熱器/燃燒器，其特征在于形成基本橢圓形耐火材料襯里燃燒室的內表面由大致八邊形的角度移位表面形成。
13.如權利要求9所述的加熱器/燃燒器，其特征在于形成基本橢圓形耐火材料襯里燃燒室的內表面由大致多邊形的角度移位表面形成。
全文摘要
一種在整體式加熱/燃燒設備的基本橢圓形燃燒室中促使并維持無焰燃燒的方法和設備。本發(fā)明提供了與該設備燃燒室內循環(huán)煙道氣相連的進氣口和燃料源，以促使和維持沿狹窄限定邊界和其內的混合氣體的無焰燃燒。通過進氣口向橢圓形燃燒室中引入空氣。將燃氣與循環(huán)煙道氣混合，同時持續(xù)加熱、引入空氣或者煙道氣與空氣兩者，直到空氣和鈍化燃氣之間的界面溫度超過界面組分的自動點火溫度。無焰燃氣流與循環(huán)煙道氣混合，然后以足以維持無焰燃燒的方式隨著空氣流擴散，燃燒室工作溫度通常在1500和1900°F之間。整體式加熱器/燃燒器的基本橢圓結構能夠提高質量和循環(huán)速率超過現有技術加熱器的可能達到的值，而且其結果是提供均勻、完全和更冷的燃燒，導致低NO
文檔編號F23C99/00GK1735769SQ200480002082
公開日2006年2月15日 申請日期2004年1月8日 優(yōu)先權日2003年1月14日
發(fā)明者W·C·吉布森, R·L·吉布森, J·T·伊斯舍 申請人:石油-化學發(fā)展股份有限公司