燃燒的多孔火焰保持器的制造方法
【專利說(shuō)明】用于低NOx燃燒的多孔火焰保持器
[0001] 相關(guān)專利申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本專利申請(qǐng)要求提交于2013年10月7日的名稱為"POROUS FLAME HOLDER FOR LOW NOx COMBUSTION"（用于低NOx燃燒的多孔火焰保持器）的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No . 61 /887， 741、提交于2013年9 月 23 日的名稱為 "PROGRESS AND RECENT ADVANCES USING ELECTRODYNAMIC COMBUSTION⑶NTROL(ECC)"（使用電動(dòng)燃燒控制（ECC)的發(fā)展和最新進(jìn) 展）的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/881，368、和提交于2014年2月14日的名稱為"FUEL COMBUSTION SYSTEM WITH A PERFORATED REACTION HOLDER"（具有有孔反應(yīng)保持器的燃料 燃燒系統(tǒng)）的PCT專利申請(qǐng)No. PCT/US2014/01663 2的優(yōu)先權(quán)，所述專利申請(qǐng)中的每個(gè)在不與 本文公開內(nèi)容相矛盾的程度內(nèi)以引用方式并入。
【背景技術(shù)】
[0003] NOx是由EPA管制的污染物和燃燒器性能的關(guān)鍵度量。嚴(yán)格的新NOx管理?xiàng)l例正在 國(guó)家的若干地區(qū)(包括德克薩斯州和加利福尼亞州）中實(shí)施。加利福尼亞州的南海岸空氣質(zhì) 量管理區(qū)的第1146條規(guī)定在不晚于2014年7月的期限內(nèi)燃燒器產(chǎn)生小于9ppm的NOx。產(chǎn)業(yè)集 團(tuán)預(yù)計(jì)在一些區(qū)域中這些限制將很快進(jìn)一步降低到低至5ppm，該國(guó)家的剩余區(qū)域?qū)⑼瑯幼?循這些限制。
[0004] 為了應(yīng)對(duì)該挑戰(zhàn)，一些燃燒器和燃燒系統(tǒng)制造商已能夠開發(fā)出可實(shí)現(xiàn)NOx目標(biāo)的 系統(tǒng)，但固有的設(shè)計(jì)折衷賦予能量效率高成本，所述高成本在這些非常低的排放水平下變 得令人望而卻步，即使對(duì)于歷史上低價(jià)的天然氣也是如此。
[0005] 與現(xiàn)有技術(shù)的低NOx和超低NOx燃燒器相關(guān)聯(lián)的最大成本是所導(dǎo)致的能量效率的 顯著損失。該損失直接起源于再循環(huán)煙道氣和增加過(guò)量空氣以冷卻燃燒反應(yīng)的組合效果連 同由于火焰不穩(wěn)定性所造成的下調(diào)損失，并且可導(dǎo)致燃料消耗的顯著增加以及最高至so-so % 的寄生功率損失。
[0006] 市場(chǎng)已經(jīng)長(zhǎng)期優(yōu)選低NOx和超低NOx燃燒器作為成本更高的燃燒后處理的替代，諸 如選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝成本更高、操作復(fù)雜并且消耗相當(dāng)多數(shù)量的有害 物質(zhì)，諸如無(wú)水氨。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 實(shí)施例使用基于熔爐中的多孔火焰保持器的原型燃燒器展示出NOx排放減少95% (降至小于2ppm)，該燃燒器在溫度為約1600 7，02濃度在2.5%至3.2%范圍內(nèi)并且?guī)缀鯖](méi) 有C0的情況下操作。
[0008] 實(shí)施例實(shí)現(xiàn)在沒(méi)有高成本的FGR或SCR系統(tǒng)的情況下NOx降低至2ppm。此外，火焰長(zhǎng) 度減小最多至80%。并且，不同于其他低NOx系統(tǒng)，燃燒器將氧氣保持在正常操作水平（1-3%)下，并且可在整個(gè)較寬操作范圍內(nèi)維持穩(wěn)定的燃燒反應(yīng)。由于這些特征，與傳統(tǒng)低NOx 和超低NOx燃燒器相比，該燃燒器在燃料效率和工藝產(chǎn)量中實(shí)現(xiàn)顯著優(yōu)點(diǎn)。
[0009] 許多傳統(tǒng)低NOx燃燒器利用增加的火焰長(zhǎng)度和減小的動(dòng)量來(lái)減少NOx，但是所得貧 "火焰圖案"可導(dǎo)致燃燒反應(yīng)沖擊和焦化。精煉工藝加熱器對(duì)于該問(wèn)題特別敏感，這是由于 因燃燒率必須被節(jié)流以避免設(shè)備損壞所造成的對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量和工廠收入的直接負(fù)面影響。根 據(jù)我們的分析，由于貧火焰圖案所造成的燃燒容量的3%至7%損失每年在損失的工藝產(chǎn)量 中可花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)美元。對(duì)于每個(gè)工廠而言，消除該瓶頸可提高每年1200和2800萬(wàn)美元之間 的工廠盈利。這是特別高的價(jià)值，因?yàn)槠渫ㄟ^(guò)增加容量來(lái)利用如此多的工廠資本。
[0010] 根據(jù)實(shí)施例，燃燒器包括燃料噴嘴組件，燃料噴嘴組件被構(gòu)造為輸出包括燃料和 氧化劑的氣體混合物；以及多孔火焰保持器，該多孔火焰保持器限定被對(duì)準(zhǔn)以接收氣體混 合物的多個(gè)氣體通道，每個(gè)氣體通道具有等于或大于燃料淬熄距離的最小尺寸，該氣體通 道被構(gòu)造為經(jīng)過(guò)由氣體混合物支持的燃燒反應(yīng)。氣體通道各自包括壁，該壁被構(gòu)造為接收 來(lái)自氣體混合物的反應(yīng)部分的熱量，朝向氣體混合物的未反應(yīng)部分輻射和/或傳導(dǎo)熱量，以 及輸出與氣體混合物的未反應(yīng)部分相鄰的熱量以加熱氣體混合物。多孔火焰保持器維持氣 體通道內(nèi)的穩(wěn)定燃燒。提供給氣體通道中的混合物的熱量可保持燃燒反應(yīng)穩(wěn)定，即使燃料/ 氧化劑混合物處于或低于在傳統(tǒng)燃燒器中將為穩(wěn)定的貧可燃極限。
[0011] 根據(jù)實(shí)施例，降低燃燒NOx的方法包括將燃料和氧化劑輸出到燃燒器，允許一定的 時(shí)間以使混合物發(fā)展到更好的混合狀態(tài)，以及然后燃燒多孔火焰保持器內(nèi)的混合物。多孔 火焰保持器被構(gòu)造為接收來(lái)自多孔火焰保持器內(nèi)的多個(gè)氣體通道中的每個(gè)中的燃燒反應(yīng) 的熱量，并且將熱量充分傳導(dǎo)到混合物以使穩(wěn)定的燃燒在多孔火焰保持器內(nèi)得到支持。
[0012] 根據(jù)實(shí)施例，稀釋燃料燃燒器包括燃料噴嘴組件，該燃料噴嘴組件被構(gòu)造為輸出 包括燃料和氧化劑的氣體混合物;多孔火焰保持器，該多孔火焰保持器限定被對(duì)準(zhǔn)以接收 氣體混合物的氣體通道，該氣體通道被構(gòu)造為承載由氣體混合物支持的燃燒反應(yīng)；以及多 孔火焰保持器支撐結(jié)構(gòu)，該多孔火焰保持器支撐結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為將多孔火焰保持器保持在遠(yuǎn) 離燃料噴嘴組件的一定稀釋距離處，該稀釋距離被選擇為允許氣體混合物的稀釋。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1A為根據(jù)實(shí)施例的燃燒器的剖面圖。
[0014] 圖1B為根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的燃燒器的示意圖。
[0015] 圖2為根據(jù)實(shí)施例的包括在圖1的燃燒器的多孔火焰保持器部分中的多個(gè)氣體通 道的側(cè)剖面圖。
[0016] 圖3為根據(jù)實(shí)施例的燃燒器N0X和C0排放性能的性能曲線圖。
[0017] 圖4為根據(jù)實(shí)施例的用于制備氣體混合物的燃料和燃燒空氣混合的示意圖。
[0018] 圖5為流程圖，其示出了根據(jù)實(shí)施例的用于使用圖1A、圖1B和圖2所示的裝置的方 法。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 在以下【具體實(shí)施方式】中，參考形成本文一部分的附圖。除非在上下文中另外指明， 否則在附圖中類似的符號(hào)通常表示類似的部件。在【具體實(shí)施方式】、附圖和權(quán)利要求中所述 的示例性實(shí)施例并不用來(lái)進(jìn)行限制。在不脫離本文所述主題的精神或范圍的前提下，可采 用其他實(shí)施例并且可作出其他改變。
[0020] 圖1A為根據(jù)實(shí)施例的燃燒器100的示意圖。圖1B為根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的燃燒器101 的示意圖。參見圖1A和圖IB，燃燒器100、101包括燃料噴嘴組件102，該燃料噴嘴組件102被 構(gòu)造為輸出包括燃料和氧化劑的氣體混合物104。多孔火焰保持器106被對(duì)準(zhǔn)以在上游表面 108處接收氣體混合物104。多孔火焰保持器106限定多個(gè)氣體通道110,氣體通道110中的每 個(gè)被構(gòu)造為承載由氣體混合物104支持的燃燒反應(yīng)。在一些實(shí)施例中，氣體通道110中的每 個(gè)可具有等于或大于火焰淬熄距離的最小橫向尺寸。
[0021]圖2為根據(jù)實(shí)施例的包括在圖1A和圖1B的燃燒器100、101的多孔火焰保持器106部 分中的多個(gè)氣體通道11 〇的側(cè)剖面圖200。示出了最小橫向尺寸Dl?；鹧娲阆ň嚯x是指火焰 將不會(huì)穿過(guò)的橫向尺寸。存在兩種意義，其中氣體通道106具有大于淬熄距離的尺寸D。在兩 種意義上，火焰在每個(gè)氣體通道內(nèi)保持在點(diǎn)火狀態(tài)中并且被允許自由穿過(guò)所述氣體通道 (盡管下文所述的熱和空氣動(dòng)力效應(yīng)通?；旧显跉怏w通道110內(nèi)、在多孔火焰保持器106 的上游表面108和下游表面112之間限制燃燒反應(yīng)發(fā)生）。
[0022]在傳統(tǒng)意義上，淬熄距離是表列值，該表列值在化學(xué)計(jì)量條件下確定。該淬熄距離 通常被認(rèn)為是燃料的屬性并且存在為表列屬性。大多數(shù)烴具有約0.1〃的淬熄距離。例如， NACA Lewis報(bào)告1300將淬熄距離如表1所示制成表格。
[0023] ^1
[0024] 燃料淬熄距離 [0025]
[0026] 淬熄距離表示孔口的直徑，使得按化學(xué)計(jì)量預(yù)混的火焰不能在上游通過(guò)孔口蔓延 到預(yù)混物貯存器中。該機(jī)制實(shí)質(zhì)上為熱散失(火焰由于其嘗試通過(guò)孔口逆燃而放出過(guò)多能 量)中的一種。
[0027] 與本文所述的多孔火焰保持器106相反，支持表面燃燒的輻射燃燒器必須具有小 于對(duì)于特定燃料和溫度的淬熄距離的最小孔徑以避免逆燃，并且這可以被認(rèn)為是同義反 復(fù)，即，如果火焰逆燃，則孔徑必須大于在操作條件下的實(shí)際淬熄距離。
[0028] 在第二種意義上，多孔火焰保持器106包括氣體通道110，該氣體通道大于操作淬 熄距離，這是由于多孔火焰保持器106在正常的穩(wěn)定狀態(tài)操作條件下較熱的事實(shí)。因此，多 孔火焰保持器106的主體202將通常不散失來(lái)自行進(jìn)穿過(guò)氣體通道110的火焰的充足熱量以 淬熄火焰，即使尺寸Dd小于傳統(tǒng)定義的淬熄距離。
[0029]由于這是熱論據(jù)，如果孔口非常熱，例如，如果預(yù)混的燃燒器貯存器正在接收來(lái)自 熱熔爐(例如，乙烯設(shè)施中的預(yù)混燃燒器)的輻射熱量，則實(shí)際逆燃可通過(guò)淬熄距離發(fā)生。但 即使如此，一般來(lái)講，淬熄距離不會(huì)顯著地改變，因?yàn)闅怏w混合物104中的預(yù)混的燃料流和 空氣趨于冷卻限定氣體通道110的壁204的上游端206。在實(shí)施例的一個(gè)范圍中，多個(gè)氣體通 道110各自具有介于0.05英寸和1.0英寸之間的橫向尺寸IX。優(yōu)選地，多個(gè)氣體通道110具有 介于0.1英寸和0.5英寸之間的橫向尺寸IX。例如，多個(gè)穿孔可具有約0.2至0.4英寸