專利名稱：在具有多孔壁的爐中的燃燒方法
一般說來本發(fā)明涉及燃燒領(lǐng)域，更具體而言涉及在具有多孔壁的爐中的燃燒。
在加熱和/或熔化諸如玻璃或金屬裝料的典型方法中，會不可避免地在過程中發(fā)生一些不希望發(fā)生的問題，例如爐壁的導(dǎo)熱損失和爐中腐蝕性氣體對爐壁的腐蝕。
相當大量的工作旨在克服這些不希望出現(xiàn)的問題。例如，為了減少裝料的加熱和/或熔化過程中爐壁的熱損失，可以安裝更多的隔熱物質(zhì)。為減小耐火壁的腐蝕，采用某些特殊的耐火材料。此外，采用某些技術(shù)將燃料和氧化劑在氣體噴入爐之前進行預(yù)混合，使燃燒，雖在氣體噴入速度低時也能較快燃燒。但是，目前工業(yè)爐的燃燒過程多數(shù)仍然存在爐的導(dǎo)熱損失及腐蝕性氣體引起的腐蝕等問題或某些其它不利影響。
例如美國專利No.5,609,481公開了一種分層氣氛燃燒方法，其中燃料和氧化劑很靠近地送入爐中。在這種情況下裝料和從一個或多個噴燃器的燃燒氣體之間形成裝料的貼近層，噴燃器朝向裝料的上方。裝料的貼近層對裝料具有不同于燃燒氣體的氧化作用。這種方法要求燃料和氧化劑要以很慢的速度送入爐中，它使燃料和氧化劑混合很慢，結(jié)果燃燒不好，類似多灰火焰。
另一例中，美國專利No.5,076,779提出了一種分離區(qū)燃燒。這種方法將燃燒區(qū)分隔成氧化劑混合區(qū)和燃料反應(yīng)區(qū)，以稀釋氧化劑和燃燒的燃料，從而減小N0x的形成。這種方法要求氧化劑高速噴入并被爐氣稀釋，這樣就要求高的供氧壓力。
因此，本發(fā)明的目的在于提出一種爐系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效地將裝料加熱和/或熔化，以致系統(tǒng)的熱損失顯著減小，耐火壁腐蝕降低，氧化劑噴入速度低，同時氧化劑與燃料或爐氣混合速度快。
本發(fā)明的一個目的在于，提出一種減少燃燒過程中熱損失的方法。
本發(fā)明的另一目的在于，提出一種減少爐的耐火壁腐蝕的方法。
本發(fā)明的再一目的在于，提出一種燃燒方法，該法以低速引入氧化劑，并快速率與燃燒或爐氣混合。
本發(fā)明針對一種在具有多孔壁的爐中進行燃燒的方法。該爐有含爐氣的氣氛的燃燒區(qū)。低速氧化劑物料經(jīng)過多孔壁的至少一個氧化劑噴入側(cè)進入燃燒區(qū)。燃料物流通過至少一個燃料噴入側(cè)通向燃燒區(qū)的氧化物噴入側(cè)。在一個優(yōu)選實施方案中，爐氣與氧化劑物流或燃料物流混合，以便在燃燒區(qū)內(nèi)部形成稀釋的氧化劑，或稀釋的燃料。氧化劑和燃料混合，稀釋之后，在低的火焰溫度下燃燒。
在另一實施方案中，低速的燃料物流經(jīng)過多孔壁的至少一個燃料噴入側(cè)進入燃燒區(qū)，并且氧化劑物流經(jīng)過至少一個指向燃燒區(qū)的燃料噴入側(cè)噴入。
從下列關(guān)于優(yōu)選實施方案的描述和附圖的敘述中，本專業(yè)技術(shù)人員將會了解本發(fā)明的其它目的、特點和優(yōu)點，其中

圖1是本發(fā)明的多孔壁爐的示意圖，它表示其中的熔化玻璃用的分層氣氛燃燒；圖2是多孔壁部件的詳圖，其中氧化劑或吹洗氣通過多孔壁部件；圖3a和3b是多孔壁爐中布局示意釁，該圖表示利用分層氣氛燃料方法的氧化劑、燃料、尾氣、氣氛和金屬裝料方位；圖4a和4b是多孔壁爐中的布局示意圖，該圖表示利用稀釋氧化劑燃燒方法的氧化劑、燃料、尾氣和金屬裝料的方位；圖5是多孔壁爐的布局示意圖，該圖表示利用射到帶氧化劑流的多孔壁的燃料流時氧化劑、尾氣和金屬裝料的方位。
本發(fā)明中，氧化劑以低速通過多孔壁引入爐中，而燃料從一面或多面爐壁引入爐中。在優(yōu)選的實施方案中，燃料從相鄰的一個或多個壁引入爐中，幾乎平行于發(fā)生燃燒的爐的多孔表面。燃料與孔壁呈一定距離引入，致使氧化劑與循環(huán)的爐氣流在與燃料燃燒之前混合(即達到稀釋氧化劑以產(chǎn)生低的NOx排放)。如果希望燃燒進行得更快，可將幾個燃料射流指向多孔壁，致使燃料射流，在有或沒有爐氣夾帶物的稀釋情況下射到多孔壁的表面。
圖1表示多孔壁燃燒方法用于玻璃熔化爐10的情況。氧化劑30，優(yōu)選氧通過爐頂26或爐拱頂?shù)臓t的多孔層20引入爐中。爐頂26可由示于圖2的接合壁部件構(gòu)成。燃料34從爐的側(cè)壁28射入燃燒區(qū)40形成燃燒火焰36。制造玻璃的裝料或原料從爐的一端(未示)引入爐中，并在爐的底壁50之上形成熔融玻璃浴48。在一個優(yōu)選方案中，氧化劑物流30從爐頂26送入燃燒區(qū)40。氧化劑物流然后與循環(huán)的爐氣混合。使氧化劑物流中的氧濃度得到稀釋。一種優(yōu)選的燃燒方法是通過示于圖1的分層氣氛燃燒，其中第二氧化劑源38通過側(cè)壁34的下部引入。引入的第二氧化劑源在燃燒區(qū)40和裝料48之間形成富氧區(qū)44。
燃料噴槍位于爐側(cè)壁之中，并且控制流速，使爐內(nèi)產(chǎn)生的熱合理分配，并使爐氣循環(huán)。頂?shù)目状笮『秃穸仁强烧{(diào)節(jié)的，以便控制單位表面積的氧化劑流量和壓力要求，同時使通過壁的導(dǎo)熱損失保持忽略不計的程度。
本發(fā)明爐的多孔壁燃燒包括以低的噴入速度提供氧化劑(經(jīng)氧化劑物流)。氧化劑在通過熱爐壁時被加熱，典型的比流量低于600每小時標準立方英尺/英尺2(SCFH/ft2)，在多孔壁熱表面溫度下相應(yīng)的實際氧化劑速度小于1英尺/秒(ft/sec)?？諝?、富氧空氣、或純氧皆可用作氧化劑。優(yōu)選采用低的氧化劑比流量，以便降低穿過多孔壁的壓力降，并在利用射入燃料物流的情況下避免在多孔壁的熱面出現(xiàn)熱斑。
為了消除壁的導(dǎo)熱損失，被加熱的氧化劑的顯熱應(yīng)大于在無氧化劑通過下通過多孔壁的導(dǎo)熱通量。由于一個重要的目的是使爐壁的損失減至最小，所優(yōu)選使氧化劑流經(jīng)大部分的爐頂和爐壁的表面積(至少為燃燒空間所有頂和壁表面積的20％)。在優(yōu)選實施方案中，利用了全部爐頂，比流量低于150 SCFH/ft2。從多孔壁流入的氧化劑吹洗頂?shù)臒崦?，有助于防止腐蝕性蒸汽與頂耐火材料發(fā)生接觸。
與之相比，在常規(guī)的后混合燃燒器中，燃料和氧物流以足夠高的速度噴入爐的燃燒區(qū)，以便使燃料和氧化劑很快混合。燃燒空氣的典型速度為每秒30-200英尺(ft)。
很多多孔耐火材料適用于本發(fā)明的多孔壁燃燒方法。它們包括由纖維、燒結(jié)顆粒和泡沫構(gòu)成的耐火壁。如圖2所示，優(yōu)選金屬后室264以供應(yīng)氧化劑并使氧化劑均勻通過多孔壁元件266。耐火材料可呈無金屬后室。一種無孔的耐火后體與多孔的耐火部件的正面連接以組成氣體分配通道。氧化劑或吹洗氣260通過爐的后體266，在均勻經(jīng)過多孔壁部件226之前引入后室264。多孔頂或多孔壁可以連接標準多孔壁部件226的方式構(gòu)成。能夠消除壁導(dǎo)熱損失的最小氧化劑流量可從無任何氣流情況下每單位面積多孔材料的穩(wěn)態(tài)熱損失Qo估計出來，Qo＝cV(Tw-To)其中c是氧化劑的比熱，V是單位表面積上的氧化劑的體積流量，Tw和To分別是壁的熱面溫度和壁的冷面溫度。通過無隔熱的玻璃爐頂?shù)牡湫蛦挝槐跓釗p失介于500-1,500Btu/hr/ft2之間。例如12英寸厚的多孔二氧化硅磚可用作玻璃爐拱頂。據(jù)估計，在Tw＝2900°F和To＝300°F，c＝8，25Btu/lb mol/F＝0.0217Btu/F/ft3(70°F下 )，V＝18 SCFH(70°F下)(后者在2900°F下供應(yīng)的熱面氣體速度為0.03ft/sec)的條件下，Qo＝1000Btu/hr/ft2。
與氧化劑混合的燃燒用的燃料可與或不與全部氧化劑的一部分一道引入。燃料噴入方式與具體用途有關(guān)。對于分層氣氛燃燒方法(參見美國專利No.5,609,481)，優(yōu)選的方式是以低速引入燃料，以便使燃料靠近多孔表面流動，并在整個表面積上分布。一個實施方案示于圖1。另一個用于熔化玻璃、加熱金屬和其它用途的分層氣氛燃燒方法的燃燒方案示于圖3a和3b。
圖3a中氧化劑330在通過多孔壁層320進入燃燒區(qū)340之前從爐頂326引入到氣體空間392。燃料334以多個燃料噴嘴(未示出)噴向孔壁，經(jīng)爐310的側(cè)壁328進入燃料區(qū)340，以便使燃料均勻分布在絕大多數(shù)孔壁面積上以形成寬的燃燒火焰336。尾氣378從爐經(jīng)側(cè)壁329的上部流出。燃料射流可指向、平行于或離開多孔壁，以便控制火焰的形狀和覆蓋面。在爐中燃燒區(qū)340和裝料348之間形成不可燃氣體形式的保護氣氛。保護氣氛氣體370經(jīng)過側(cè)壁328的底部噴入形成保護氣氛區(qū)372。保護氣氛氣體可包括氮和/或氬。
本發(fā)明利用分層氣氛燃燒的另一優(yōu)選方案示于圖3b。氧化劑330經(jīng)側(cè)壁的延伸部分327噴入，氧化劑在經(jīng)過多孔壁層320進入爐310之前流經(jīng)氣體空間392。燃料334經(jīng)側(cè)壁328噴入爐310，在其燃燒區(qū)340中形成火焰336。燃燒尾氣378經(jīng)爐頂326流出。以不可燃氣體區(qū)372的形式，在裝料348之上藉助經(jīng)側(cè)壁328的底部噴入保護氣氛氣體370形成保護氣氛。
對于利用分離區(qū)燃燒概念(參見美國專利No.5,076,779)的稀釋氧燃燒方法，燃料可平行于多孔表面以高于100ft/sec，優(yōu)選高于120ft/sec，并與多孔表面相隔一定距離噴入，以便在孔表面上形成爐氣的循環(huán)流動，從而在與燃料反應(yīng)之前稀釋氧化劑的氧濃度。這種燃燒方式示于圖4a和4b。
通過多孔壁層噴氧的稀釋氧燃燒(DOC)示于圖4。燃料434通過側(cè)壁428噴入爐410。燃料434形成噴射火焰436(或燃料反應(yīng)區(qū))，其高的噴入速度造成爐氣的強循環(huán)流態(tài)490，使氧化劑在火焰436中燃燒之前得到稀釋。氧化劑430經(jīng)氣體空間492并通過多孔層420噴入燃燒區(qū)440。
在本發(fā)明的利用DOC的另一優(yōu)選實施方案中，燃料從爐頂噴入，氧化劑從側(cè)壁噴入。圖4b中，燃料434的兩個分開的源通過爐410的頂426噴入。氧化劑430以分開的源噴入，以便使燃燒更平穩(wěn)和完全。氧化劑430通過氣體空間492噴入，以便使流入多孔層420進入燃燒區(qū)440的氣體更均勻分布。燃料434形成噴射火焰436(或燃料反應(yīng)區(qū))，燃料的高噴入速度造成爐氣形成強循環(huán)流態(tài)490，以便使氧化劑在火焰436中燃燒之前得到稀釋。裝料448被爐的輻射對流和氣體對流兩者加熱。燃燒尾氣經(jīng)側(cè)壁428釋放。
如前面提及，燃料物流的射流在某些用途中可隨來自表面的氧化劑射向孔壁。圖5是多孔壁爐的布局示意圖，它表明利用隨氧化劑流射向多孔壁的燃料物流的氧化劑、燃料、燃燒尾氣和金屬裝料的方位。燃料534通過側(cè)壁528噴入爐510。燃料534形成射流536，后者射向多孔壁520的表面?？刹贾枚鄠€燃料噴嘴，以便使燃料均勻分布在多孔壁之上。氧化劑530經(jīng)氣體空間592噴入，燃燒尾氣578經(jīng)側(cè)壁528釋放。
在這種布局方案中，在多孔壁上或多孔壁附近發(fā)生快速燃燒。這種布局方案的問題是有可能產(chǎn)生多孔壁過熱，特別是在近燃料射流射向的區(qū)域。在這種情況下，需要細心地定位燃料噴射口和適宜地選擇經(jīng)過多孔壁的氧通量。如果噴射的燃料射流在噴射點含有高的可燃氣體濃度，則通過多孔壁的凈氧通量應(yīng)限制在200 SCFH以下，優(yōu)選100SCFH以下。凈氧通量是以通過多孔壁的氧化劑通量乘以氧化劑中氧的分體積濃度計算的。通過限制氧通量，多孔壁表面最大熱釋放在氧通量為100SCFH下可控制在大約100,000Btu/hr/ft2。由于輻射熱傳送引多孔壁表面冷卻，過度加熱可以避免，低NOx排放可以達到，同時爐氣可不被稀釋。如果噴射的燃料射流含少量的可燃氣體，則較高的氧通量是有利的，因為氧化劑具有冷卻作用。
本發(fā)明的多孔壁燃燒方法的一個重要方案是利用陶瓷膜材料代替多孔材料，這樣可使氧或富氧通入爐中，同時從膜材料的另一側(cè)供應(yīng)空氣。美國專利5,888,272敘述了在燃燒器中應(yīng)用陶瓷膜的方法。為了限制膜材料的最高溫度，可將膜壁爐室附加在主爐上，使燃燒尾氣在主爐和膜壁爐室之間循環(huán)，例如，一體化的膜空氣分離可與稀釋氧燃燒方法聯(lián)用。這種方法在爐的一側(cè)采用陶瓷膜空氣分離室，以向爐供應(yīng)氧或富氧。
在另一個實施方案中，用燃料代替氧化劑作吹洗氣。按照這種方法，燃料物流以低速引入多孔壁，而氧化劑從相鄰壁引入爐中，通向爐的多孔表面進行燃燒。
在典型的天然氣和空氣燃燒中，空氣的體積流量約為燃料流量的十倍。這樣，燃料提供較小的熱容來抵消導(dǎo)熱損失。對于氧-燃料燃燒，氧對天然氣的氣體比約為2∶1，因而應(yīng)用燃料作吹洗氣對某些用途是重要的。例如，利用較低熱值的燃料如高爐氣和焦爐氣作吹洗氣是有利的。對于典型高爐氣的燃燒，燃燒2體積的燃燒1體積的燃燒空氣。
利用燃料和氧化劑兩者作分開的吹洗氣也是可能的。但是難以達到燃燒所需的良好混合。燃料和氧化劑的預(yù)混合和在多孔耐火材料表面燃燒已有報導(dǎo)。但是預(yù)混合氣體的速度應(yīng)高到足以防止逆燃。
多孔材料內(nèi)部過早的點火會使多孔材料過熱或熔化。在用富氧空氣或氧的情況下這個問題尤為突出。其結(jié)果是不希望將燃料和氧化劑進行預(yù)混合，除非預(yù)混合的氣體以足以防止逆燃的高速度引入。
利用烴燃料作吹洗氣體的另外一個潛在問題是煙黑的生成和與多孔耐火材料的反應(yīng)。碳化硅和其它材料對這種用途是適宜的。為了防止煙黑的生成可采用燃料和循環(huán)尾氣的混合物，特別是對于應(yīng)用氧-燃料的情況。在這種情況下，甲烷和二氧化碳與水的吸熱反應(yīng)會對以化學(xué)能形式回收熱帶來特別的好處。
僅為方便，本發(fā)明的特征示于一個或幾個附圖中，因為根據(jù)本發(fā)明每個特征可與其它特征組合。其它方案會被本專業(yè)技術(shù)人員認可，并包括在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在具有多孔壁的爐中進行燃燒的方法，它包括a)提供含爐氣氣氛的燃燒區(qū)；b)低速氧化劑物流通過孔壁的至少一個氧化劑噴入側(cè)噴入燃燒區(qū)；c)燃料物流通過至少一個燃料噴入側(cè)噴向燃燒區(qū)內(nèi)的氧化劑噴入側(cè)；以及d)低速氧化劑和燃料物流在該燃燒區(qū)內(nèi)混合以形成火焰溫度降低的火焰。
2.權(quán)利要求1的方法，包括使氧化劑物流以比流量小于600每小時標準立方英尺/英尺2的通過氧化劑噴入側(cè)。
3.權(quán)利要求1的方法，包括使燃料物流以離氧化劑物流一定距離通過，致使氧化劑物流在燃燒之前與爐氣的循環(huán)流混合。
4.權(quán)利要求1的方法，包括氧化劑物流通過爐頂，而燃料物流通過爐的至少一側(cè)壁。
5.權(quán)利要求1的方法，包括采用膜材料分離空氣，并將氧化劑通入爐中。
6.權(quán)利要求1的方法，還包括該爐氣與氧化劑在混合區(qū)混合，以便在燃料混合形成火焰之前產(chǎn)生衡釋的氧化劑-爐氣混合物。
7.權(quán)利要求1的方法，還包括該爐氣和燃料物流的混合，以便在與氧化劑混合形成火焰之前產(chǎn)生稀釋的燃料-爐氣混合物。
8.一種在具有多孔壁的爐中進行燃燒的方法，它包括a)提供含有爐氣氣氛的燃燒區(qū)；b)低速燃料物流通過多孔壁的至少一個燃料噴入側(cè)噴入燃燒區(qū)；c)氧化劑物流通過至少一氧化劑噴入側(cè)通向燃燒區(qū)的燃料噴入側(cè)；和d)稀釋燃料和氧化劑混合物的混合形成火焰溫度降低的火焰。
9.權(quán)利要求8的方法，包括燃料物流以比流量低于600每小時標準立方英尺/英尺2通過燃料噴入側(cè)；
10.權(quán)利要求8的方法，包括氧化劑物流以離燃料物流一定距離通過，致使燃料物流在燃燒之前與爐氣的循環(huán)流混合。
11.權(quán)利要求8的方法，包括燃料物流通過爐頂，氧化劑物流通過爐的至少一個側(cè)壁。
12.權(quán)利要求8的方法，還包括該爐氣在混合區(qū)與氧化劑物流的混合，以便在燃料混合形成火焰之前產(chǎn)生稀釋的氧化劑-爐氣混合物。
13.權(quán)利要求8的方法，還包括該爐氣與燃料物流的混合，以便在與氧化劑混合形成火焰之前產(chǎn)生稀釋的燃料-爐氣混合物。
全文摘要
本發(fā)明涉及在一種在具有大表面多孔壁的爐中進行燃燒的方法,該爐提供含有爐氣氣氛的燃燒區(qū)。低速氧化劑物流通過孔壁的至少一個氧化劑噴入側(cè)噴入燃燒區(qū),在燃燒區(qū)內(nèi)的混合區(qū)內(nèi)爐氣與氧化劑物流混合,產(chǎn)生氧化劑混合物。燃料物流通過至少一個燃燒區(qū)內(nèi)與氧化劑噴入側(cè)相鄰的燃料噴入側(cè)噴入。氧化物混合物與燃料物流混合,形成燃料－氧化劑混合物。
文檔編號F27D99/00GK1329239SQ0112193
公開日2002年1月2日 申請日期2001年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月21日
發(fā)明者小林尚 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司