專利名稱：用于大氣燃燒設(shè)備的燃燒方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于大氣燃燒的燃燒方法，在此方法中，在一個(gè)預(yù)混燃燒器中使用液體與/或氣體燃料產(chǎn)生的熱氣體被導(dǎo)入到一個(gè)火焰管內(nèi)。本發(fā)明還涉及一種實(shí)現(xiàn)這種方法的裝置。
在根據(jù)一種預(yù)混合技術(shù)的常規(guī)燃燒方法中，氧化氮(NOx)生成的下限通過低的熄滅極限來預(yù)定，該極限處在大約1600°K的火焰絕熱溫度。在燃?xì)廨啓C(jī)的情況中，NOx的排出量通常將達(dá)到大致7-10ppm(15％O2)這個(gè)范圍內(nèi)。想要將混合物進(jìn)一步貧化就會(huì)導(dǎo)致火焰熄滅。在實(shí)踐中，特別是在過渡區(qū)內(nèi)，必須跟熄滅極限保持一定的距離，從而使低于1650°K的火焰溫度由于操作原因而不致達(dá)到。因而就使NOx散發(fā)的進(jìn)一步降低受到遏制。
本發(fā)明就是要提供補(bǔ)救辦法。因此本發(fā)明的目的在于為本文開始所提及的方法和裝置提出能夠進(jìn)一步降低NOx散發(fā)量的措施。
本發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)是，如果一種燃料被噴射入熱氣體內(nèi)，這種燃料就有可能以低得多的火焰溫度燃燒。如果，例如使用一種預(yù)先混合好的燃料/空氣混合物，也能獲得同樣的效果。在燃燒室內(nèi)，當(dāng)由燃料、空氣、必要時(shí)還有煙氣構(gòu)成的混合物達(dá)到900°-950℃的溫度數(shù)量級(jí)，在混合速率為大約1毫秒時(shí)發(fā)生自點(diǎn)火。
一個(gè)根據(jù)預(yù)混合原理工作的燃燒器用于第一段來產(chǎn)生熱氣體?？墒褂玫幕蛩璧目諝夂腿剂现挥幸徊糠荨⒗?5-30％被輸入到這預(yù)混燃燒器中。在這里，在預(yù)混燃燒器中，最佳工作點(diǎn)靠近熄滅極限設(shè)定。當(dāng)在預(yù)混燃燒器內(nèi)大部份的空氣/燃料混合物進(jìn)行了反應(yīng)之后，有一種預(yù)先在混合器裝置中制備好的外加的空氣/燃料混合物噴射到熱氣體內(nèi)。
剛提及的在混合器中制備的混合物應(yīng)當(dāng)比推動(dòng)預(yù)混燃燒器的混合物較貧一些。但是，形成較富的混合物也可以是合適的，特別是在預(yù)混燃燒器的工作在產(chǎn)生NOx方面不能令人滿意時(shí)。將來自混合器的混合物混入到來自預(yù)混燃燒器的熱氣中會(huì)觸發(fā)自點(diǎn)火后燃燒。
通過混合器噴入的質(zhì)量流與來自預(yù)混燃燒器的熱氣體的質(zhì)量流的比例不應(yīng)超越一個(gè)確定的比率，以保證用于后燃燒的燃料的快速點(diǎn)火。在這里，最好應(yīng)當(dāng)規(guī)定一個(gè)1.5的數(shù)值。但是，并不需要溫度在后燃燒開始之前絕對(duì)地達(dá)到上述的900-950℃，其所以不需要是因?yàn)楫?dāng)混合在進(jìn)行時(shí)，反應(yīng)一般已在進(jìn)行，而且后燃燒燃料的一部份熱值在混合完成之前已經(jīng)轉(zhuǎn)換了。將后燃燒分成多段來進(jìn)行是有利的上面列出的15-30％相應(yīng)于一個(gè)兩段過程，因?yàn)樵谶@情況中，可以輸入一個(gè)較大部份的用于后燃燒的燃料。第二后燃燒段可以早就開始噴入。雖然在那里絕對(duì)大部份來自第一后燃燒段的混合物已經(jīng)進(jìn)行了反應(yīng)，然而仍舊存在高的一氧化碳濃度。為了在最后一段后面達(dá)致一氧化碳快速燒盡、從而達(dá)致一個(gè)短的燃燒室，隨著分段數(shù)字的增大按比例地減少噴射混合物是合適的。當(dāng)從一段到另一段輸入同樣的絕對(duì)流量時(shí)，這就會(huì)例如自動(dòng)地發(fā)生了。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于，與最好的已知預(yù)混技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一個(gè)因數(shù)為5的NOx折減潛力。
本發(fā)明的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于，上述的說法也適用于從氣化方法得來的燃料。雖然這些燃料具有高的氫含量因而點(diǎn)火非常快，它們的火焰速度和容積反應(yīng)密度非常高，因而在后燃燒段可以更多地噴入，這是因?yàn)樵谶@里即便廢氣溫度非常低，點(diǎn)火是沒有問題的。因此，在這種情況下，接在上游的預(yù)混燃燒器可以設(shè)計(jì)得很小。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的燃燒方法的裝置的技術(shù)方案在于該裝置主要包含一個(gè)預(yù)混燃燒器和一個(gè)火焰管，火焰管在每個(gè)后燃燒段具有至少一個(gè)空氣/燃料混合器。
本發(fā)明的其它有利結(jié)構(gòu)發(fā)展描述如下?？諝?燃料混合器可以相對(duì)于火焰管軸向設(shè)置，也可以相對(duì)于火焰管徑向設(shè)置。燃燒器包含有至少兩個(gè)空心錐形的、沿流動(dòng)方向相互套裝在一起的分體，其各自的縱向?qū)ΨQ軸線彼此相對(duì)錯(cuò)開地伸展，分體的相鄰壁在它們的縱向長度上形成為燃燒空氣所用的切向通道，在由分體所形成的錐形空腔中存在有至少一個(gè)燃料噴嘴。在切向通道的區(qū)域內(nèi)、在其縱向長度上設(shè)置有另外的燃料噴射孔。分體在其流動(dòng)方向上以一個(gè)固定角度呈錐形擴(kuò)寬，分體在其流動(dòng)方向上可以具有一個(gè)逐漸增大的錐形坡度，也可以在其流動(dòng)方向上具有一個(gè)逐漸減小的錐形坡度。
下面將借助于附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。所有對(duì)于直接理解本發(fā)明不需要的構(gòu)件都被略去。各種介質(zhì)的流動(dòng)方向用箭頭指示。在不同附圖中，相同構(gòu)件用同樣標(biāo)號(hào)標(biāo)示。
在附圖中

圖1示出一個(gè)帶有一個(gè)預(yù)混燃燒器和一個(gè)軸向燃燒分段的熱發(fā)生器；圖2示出另一個(gè)帶有一個(gè)預(yù)混燃燒器和一個(gè)徑向燃燒分段的熱發(fā)生器；圖3示出一個(gè)其結(jié)構(gòu)為“雙錐式燃燒器”的預(yù)混燃燒器的透視圖，其中有相應(yīng)部份被破開；和圖4-6示出通過圖3所示的燃燒器的不同平面的相應(yīng)截面。
圖1示出一個(gè)熱發(fā)生器。它包括一個(gè)預(yù)混燃燒器100，關(guān)于這個(gè)預(yù)混燃燒器下文中將予詳述，沿流動(dòng)方向連接在預(yù)混燃燒器下游的是一個(gè)火焰管1，該火焰管在整個(gè)燃燒室122的長度上伸展。有一個(gè)未示出的熱發(fā)生器的鍋爐處在火焰管1下游。熱發(fā)生器此外還具有用于推動(dòng)后燃燒區(qū)的一組裝置200、300，這些后燃燒區(qū)軸向相對(duì)于火焰管1并在預(yù)混燃燒器100的平面內(nèi)作用，在這些區(qū)內(nèi)從所述裝置中制成的空氣與燃料的混合物進(jìn)行燃燒。這些裝置200、300具有使空氣和燃料構(gòu)成混合物的功能。將后燃燒分成多段來進(jìn)行是有利的，在后文中將更詳細(xì)地討論，這里是一個(gè)兩段的后燃燒。所述平面主要由預(yù)混燃燒器100的前壁110形成。后燃燒裝置200、300，也就是混合器，在介于預(yù)混燃燒器100的火焰開口(Flammenoeffnung)與火焰管1的流動(dòng)橫截面之間的橫截面擴(kuò)展部位上發(fā)生作用。預(yù)混燃燒器100首先被用作一個(gè)產(chǎn)生熱氣體的第一燃燒段10。但是，可使用的或所需的空氣和燃料只有一部份、例如15-30％被輸入到這預(yù)混燃燒器100中。在這里最佳工作點(diǎn)靠近熄滅極限設(shè)定。在來自預(yù)混燃燒器100的混合物大部份進(jìn)行了反應(yīng)之后，有一種在混合器200、300中預(yù)先制備好的外加的空氣/燃料混合物11a、12a噴射入在預(yù)混燃燒器100下游的熱氣體10中。這混合物11a、12a保持得比推動(dòng)預(yù)混燃燒器100的混合物要貧一些。來自混合器200、300的混合物11a、12a跟來自預(yù)混燃燒器100的熱氣體10的混合觸發(fā)了相應(yīng)的自點(diǎn)火的后燃燒11、12，這后燃燒在火焰管1內(nèi)沿著流動(dòng)方向分段同心地圍繞著一個(gè)由預(yù)混燃燒器100形成的回流區(qū)106發(fā)展并相互跟隨。根據(jù)來自預(yù)混燃燒器100的熱氣體10的火焰前鋒形成初始燃燒區(qū)，因而以混合物11a進(jìn)行的后燃燒11就形成第二燃燒區(qū)，該區(qū)在徑向上靠近初始燃燒區(qū)。隨后另一個(gè)以混合物12a進(jìn)行后燃燒形成第三燃燒區(qū)，其徑向界限是火焰管1的內(nèi)壁。從回流區(qū)106起始的渦旋也影響隨后的燃燒區(qū)，如附圖中象征性地表示的那樣。至于混合器200、300，它們之間相互不同處在于形成混合物的介質(zhì)。混合器200包含一個(gè)管裝置2、3，其數(shù)目對(duì)應(yīng)于燃燒區(qū)的數(shù)目。單根的管2、3在上游通向一個(gè)環(huán)形空間4，從該空間有一股氣體燃料8通過通孔6流入相應(yīng)的管2、3中?？諝?部份最好是軸向地也流入管2、3中，并通過徑向流入的、最好是一種氣體燃料的燃料8予以加濃，這樣，在管2、3的長度內(nèi)就形成了混合物11a、12a，這些混合物觸發(fā)了火焰管1內(nèi)的自點(diǎn)火后燃燒。因而這些管完成了一個(gè)預(yù)混區(qū)段的功能。另外一個(gè)混合器300情況相同。這里主要的不同處在于燃料8是通過一個(gè)環(huán)形管道5供應(yīng)的，而相應(yīng)的支管7將燃料8從這環(huán)形管道5噴射至管2a、3a內(nèi)。這里用于形成混合物的空氣9同樣也流入單根的管2a、3a內(nèi)。通過混合器200、300噴入火焰管1的質(zhì)量流相對(duì)于來自預(yù)混燃燒器100的質(zhì)量流10的比例不應(yīng)超過一個(gè)確定的比率，以保證混合物11a、12a的快速點(diǎn)火。在這里，兩者之間的比率最好應(yīng)設(shè)定為1.5。從預(yù)混燃燒器100出來的熱氣體10的溫度在使用自點(diǎn)火后燃燒時(shí)并不一定要達(dá)到上述的900-950℃，這是因?yàn)檫@一反應(yīng)一般來說已經(jīng)在混合期間啟動(dòng)了，而用在后燃燒中的燃料8的一部份熱值在混合完成之前已經(jīng)轉(zhuǎn)換了。如上面已經(jīng)提到過的，將后燃燒分成多段來進(jìn)行是有利的。上面引述過的有關(guān)空氣與燃料的數(shù)值15-30％是相應(yīng)于兩段過程的。在這種情形下，所使用的燃料8有一個(gè)較大的部份輸入到兩個(gè)后燃燒段中，也就是輸入到第二和第三燃燒區(qū)11、12內(nèi)。為了在最一段后面達(dá)致一氧化碳快速燒盡、從而達(dá)致一個(gè)短的燃燒室，就必須隨著分段數(shù)字的增大一直在按比例地減小噴入的混合物11a、12a的份量。如果從一段到另一段、也就是從一燃燒區(qū)到另一燃燒區(qū)，輸入同樣的絕對(duì)量的混合物的話，上述的情況就可以達(dá)成。一個(gè)以這樣方式推動(dòng)的熱發(fā)生器可以使NOx的散發(fā)相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)降低了一個(gè)因數(shù)5(即降低到五份之一)。
在圖2中，后燃燒區(qū)相對(duì)于火焰管14徑向發(fā)生作用，因而在這里所用的火焰管14是長形的。在這里在火焰管14上游發(fā)生作用的也是同樣的預(yù)混燃燒器14。在初始燃燒區(qū)10后面有三個(gè)另外的后燃燒段11、12、13在發(fā)生作用。每個(gè)段配備至少兩個(gè)混合器400，空氣9和燃料8在其中被處理成一種混合物11a、12a、13a。
顯然，在火焰管14的圓周上可以設(shè)置有多個(gè)混合器400；同樣情況適用于在圖1所示的另外的混合器200、300，這種混合器以一定的數(shù)目圍繞著預(yù)混燃燒器100來分布。此外還有可能使用聯(lián)合形式的軸向/徑向設(shè)置的混合器來推動(dòng)后燃燒區(qū)。圖2中的實(shí)施例主要適用于改裝翻新。
為了更好地理解燃燒器100的結(jié)構(gòu)，如果在參考圖3的同時(shí)也參考圖4至6中的各個(gè)截面圖將是有利的。此外，為了避免使圖3無必要地復(fù)雜化，在圖4至6中示意地示出的導(dǎo)板121a，121b僅在圖中概略地指出。在下文中對(duì)圖3的描述，需要時(shí)都可參看圖4至6。
圖3所示燃燒器是一個(gè)預(yù)混合燃燒器，它包含兩個(gè)空心錐形部分體101、102，這兩個(gè)錐形分體錯(cuò)開地相互套裝在一起。錐形分體101、102各自的中心軸線或縱向?qū)ΨQ軸線101b、102b彼此相對(duì)地錯(cuò)開成鏡象對(duì)稱設(shè)置以在兩側(cè)分別提供一個(gè)切向空氣入口縫隙119、120(圖4至6)，燃燒空氣115通過這兩縫隙流入燃燒器100的內(nèi)部，也就是流入錐形空腔114內(nèi)。所示分體101、102的錐形構(gòu)形在流動(dòng)的方向上具有一個(gè)特定的固定角度。當(dāng)然，根據(jù)操作使用，分體101、102在流動(dòng)方向上可以具有增大或縮小的錐度，就像一個(gè)喇叭或郁金香花那樣。兩個(gè)剛才提到的形狀在圖中未有示出，這是因?yàn)樗鼈兌紝儆跇I(yè)內(nèi)人士不加思索就能想象得到的。兩個(gè)錐形分體101、102各有一個(gè)圓筒形起始部份101a、102a，它們跟錐形分體101、102一樣相對(duì)錯(cuò)開地伸展，使切向空氣入口縫隙119、120存在在燃燒器100的整個(gè)長度上。在圓筒形起始部份區(qū)域內(nèi)配置有一個(gè)噴嘴103，其噴射噴口104大致與由錐形分體101、102構(gòu)成的錐形空腔114的最窄截面相重合。這噴嘴103的噴嘴能力及其特性取決于相應(yīng)燃燒器100的預(yù)定參數(shù)。當(dāng)然，燃燒器可以是單純錐形的，也就是說設(shè)計(jì)成沒有圓筒形起始部份101a、102a。此外，錐形分體101、102各有一個(gè)相應(yīng)的燃料管道108、109，這些管道沿著切向入口縫隙119、120設(shè)置并且配置有噴射孔117，通過這些噴射孔將最好是一種氣體燃料113噴入流經(jīng)那里的燃燒空氣115中，如箭頭116所示。這些燃料管道108、109最好是最晚在進(jìn)入錐形空腔114之前放置在切向流入的終點(diǎn)處，這是為了能獲得一個(gè)最佳的空氣/燃料混合物。在燃燒空間122一側(cè)，燃燒器100的出口開口轉(zhuǎn)入一個(gè)前壁110，其上設(shè)有多個(gè)通孔110a。上面最后提到的部份按要求進(jìn)行工作，將稀釋空氣或冷卻空氣110b送至燃燒空間122的前面部份。此外，這個(gè)輸入空氣可以保持在燃燒器100的出口處的火焰穩(wěn)定性。這種火焰穩(wěn)定性，在其目標(biāo)是要通過徑向整平來獲得火焰的密致性時(shí)是很重要的。通過噴嘴103供應(yīng)的燃料是一種液體燃料112，必要時(shí)可用回授廢氣予以加濃。這種燃料112以一個(gè)銳角角度噴射至錐形空腔114內(nèi)。這樣從噴嘴103形成一個(gè)由切向流入的旋轉(zhuǎn)燃燒空氣115所包圍住的錐形燃料縱斷面。在軸向上，燃料112的濃度連續(xù)地通過燃燒空氣115的流入而降低到最佳的混合。如果燃燒器100用一種氣體燃料113推動(dòng)，則最好經(jīng)由噴射孔117輸入，燃料/空氣混合物就直接在空氣入口縫隙119、120的端頭處形成。在通過噴嘴103噴入燃料112時(shí)，在旋渦的脫出部位、也就是在燃燒器100的回流區(qū)106的部位，在整個(gè)橫截面上達(dá)致最佳的、均勻的燃料濃度。點(diǎn)火發(fā)生在回流區(qū)106的尖端。只有在這個(gè)地方才能產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的火焰前鋒107?；鹧婊鼗鸬饺紵?00內(nèi)部的現(xiàn)象、如潛在在公知的預(yù)混合級(jí)的情況那樣，在復(fù)雜的火焰穩(wěn)定器上尋找補(bǔ)救的辦法，但在這里就無需擔(dān)心。如果燃燒空氣115經(jīng)額外地預(yù)熱或者得到回流廢氣加濃，就能在到達(dá)燃燒區(qū)之前對(duì)液體燃料112的蒸發(fā)給予持續(xù)的支持。如果經(jīng)由管道108、109輸入的不是氣體燃料而是液體燃料的話，這種考慮同樣適用。跟錐角與切向空氣入口縫隙119、120的寬度相關(guān)的錐形分體101，102的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要遵守很嚴(yán)格的限制，使所要求的燃燒空氣115的流場連同流區(qū)106可以建立在燃燒器的出口處。一般來說，將切向空氣入口縫隙119、120縮小一些就能將回流區(qū)106再往上游方向推移，由此，混合物就能更早一些點(diǎn)火。不管怎樣，這點(diǎn)可以確定，固定住的回流區(qū)106本身就是位置穩(wěn)定的，因?yàn)樵谌紵?00的錐形區(qū)域內(nèi)的渦旋率是沿著流動(dòng)方向逐漸增加的。在燃燒器100內(nèi)的軸向速度可以通過軸向燃燒空氣流的一個(gè)圖中未示出的相應(yīng)輸入加以改變。此外，燃燒器100的結(jié)構(gòu)特別適合于改變切向空氣入口縫隙119、120的大小，使得在不改變?nèi)紵?00的長度的情況下就可能獲得一個(gè)較大的操作帶寬。
圖4至6示出導(dǎo)板121a、121b的幾何構(gòu)形。它們具有導(dǎo)流作用，并根據(jù)它們的長度延長了錐形分體101、102的沿著相對(duì)于燃燒空氣115的入流方向的相應(yīng)端頭。燃燒空氣115在錐形空腔114內(nèi)的流通狀態(tài)可以通過使導(dǎo)板121a、121b圍繞著一個(gè)設(shè)在這些通道進(jìn)入錐形空腔114的入口部位的旋轉(zhuǎn)中心123往外打開或朝里收攏而達(dá)致最佳化，如果切向空氣入口縫隙119、120的原來隙口大小是可變的，這就更加必要了。當(dāng)然，這種動(dòng)態(tài)的輔助設(shè)施也可以設(shè)置成靜態(tài)的，此時(shí)符合要求的導(dǎo)板跟錐形分體101、102構(gòu)成一個(gè)固定的構(gòu)件。燃燒器100也可以不帶導(dǎo)板來進(jìn)行操作，或者也可以設(shè)置用于此目的的其它輔助方法或設(shè)施。
權(quán)利要求
1.一種用于大氣燃燒的燃燒方法，在這方法中，在一個(gè)預(yù)混燃燒器中用液體與/或氣體燃料產(chǎn)生的熱氣體被導(dǎo)入一個(gè)火焰管內(nèi)，其特征在于熱氣體(10)在火焰管(1、14)的流動(dòng)方向上通過一個(gè)分段的、自點(diǎn)火燃燒經(jīng)受又一次發(fā)熱處理，還在于這種燃燒是通過至少一個(gè)使用一種個(gè)別地制備的空氣/燃料混合物(11a、12a、13a)的后燃燒段(11、12、13)進(jìn)行的。
2.實(shí)現(xiàn)按權(quán)利要求1所述的燃燒方法的裝置，該裝置主要包含一個(gè)預(yù)混燃燒器和一個(gè)火焰管，其特征在于火焰管(1、14)在每個(gè)后燃燒段(11、12、13)具有至少一個(gè)空氣/燃料混合器(200、300、400)。
3.按權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于空氣/燃料混合器(200、300)相對(duì)于火焰管(1)軸向設(shè)置。
4.按權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于空氣/燃料混合器(400)相對(duì)于火焰管(14)徑向設(shè)置。
5.按權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于燃燒器(100)包含有至少兩個(gè)空心錐形的、沿流動(dòng)方向相互套裝在一起的分體(101、102)，其各自的縱向?qū)ΨQ軸線(101b、102b)彼此相對(duì)錯(cuò)開地伸展，分體(101、102)的相鄰壁在它們的縱向長度上形成為燃燒空氣(115)所用的切向通道(119、120)，在由分體(101、102)所形成的錐形空腔(114)中存在有至少一個(gè)燃料噴嘴(103)。
6.按權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于在切向通道(119、120)的區(qū)域內(nèi)、在其縱向長度上設(shè)置有另外的燃料噴射孔(117)。
7.按權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于分體(101、102)在其流動(dòng)方向上以一個(gè)固定角度呈錐形擴(kuò)寬。
8.按權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于分體(101、102)在其流動(dòng)方向上具有一個(gè)逐漸增大的錐形坡度。
9.按權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于分體(101、102)在其流動(dòng)方向上具有一個(gè)逐漸減小的錐形坡度。
全文摘要
在一個(gè)主要包含一個(gè)預(yù)混燃燒器和一個(gè)火焰管的熱發(fā)生器中，從預(yù)混燃燒器的燃燒中產(chǎn)生的熱氣體導(dǎo)入火焰管并在那里進(jìn)行分段后燃燒。后燃燒在第一與第二后燃燒段發(fā)生。供各后燃燒段的空氣/燃料混合物由單獨(dú)的混合器制備。這些混合器相對(duì)于火焰管軸向與/或徑向設(shè)置并以這樣的方式噴入相應(yīng)的混合物使得在火焰管的長度上形成分段的不同燃燒區(qū)。通過這樣的分段后燃燒方式，可以使NO
文檔編號(hào)F23R3/34GK1121157SQ95104448
公開日1996年4月24日 申請日期1995年5月10日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月11日
發(fā)明者K·德貝林, H·P·克諾費(fèi)爾, T·沙特邁耶 申請人:Abb管理有限公司