專利名稱：產(chǎn)生過程用熱的方法與設備的制作方法
此發(fā)明是涉及一種產(chǎn)生過程用熱的方法，在該方法中，通過一種或多種礦物燃料在過熱用熱發(fā)生器中的燃燒產(chǎn)物將過程介質分兩階段加熱至其最終溫度，其中在燃燒裝置下游的第一階段中，低于化學計量燃燒的燃燒區(qū)起作用，燃燒氣體在此低于化學計量燃燒的燃燒區(qū)的下游被冷卻。被冷卻后的燃燒氣體在再燃區(qū)隨著補進空氣再度燃燒，在低于化學計量燃燒的燃燒區(qū)的下游，燃燒氣體被吸走一部分熱量，這部分熱量比達到一個在隨后的再燃區(qū)中將NOx的產(chǎn)生量減至最小的溫度范圍所需的熱量要小。為在再燃區(qū)達到這個溫度范圍，在補進空氣前或與補進空氣一起加入經(jīng)過冷卻的廢氣。同時提供一實現(xiàn)此方法的設備。
DE-Al-37 07 773描述了一種特別適用于含氮的燃料、例如重油的低污染燃燒的方法。在這個方法中，燃料在第一燃燒室階段在低于化學計量燃燒的條件下，最好是采用一個預混合燃燒器，在一個高于1500℃的很高的溫度下被預燃。緊接著這個低于化學計量燃燒的燃燒區(qū)是一個還原區(qū)，氣體應在此停留約0.3秒，這樣，氮原子與碳氫原子間的鍵在缺氧條件下斷裂。如果在低于化學計量燃燒的燃燒過程前用適當方法預熱空氣，那么這個過程將在最佳狀態(tài)下進行，這時可以最大限度的避免由HCN與NH3促成NOx的形成。在緊鄰還原區(qū)的下一個區(qū)域中，將從燃燒氣體中吸取剛好足夠的熱量，致使在向高于化學計量燃燒的再燃燒階段(此時將補充殘余空氣給燃燒氣體)達到一個合適的溫度窗范圍-大約1150℃1350℃，在這個溫度窗內幾乎不會有NOx產(chǎn)生(溫度上限)，并且CO與UHC也不會“凍結”(溫度下限)。現(xiàn)在這個溫度窗條件，特別是當燃燒空氣強烈地加熱時，會導致在鄰近還原區(qū)的低于化學計量燃燒的區(qū)域中需要排出大量的熱。在這樣的兩階段燃燒設備中，在低于化學計量燃燒的預燃階段與在高于化學計量燃燒的階段相比，產(chǎn)生等量的或更多的熱量。這種狀況在現(xiàn)有燃燒設備需更換時對所需的費用、所需的設備功率與/或NOx·排放等方面帶來嚴重缺點。在這種情況下，現(xiàn)有鍋爐就要“降格”為中等功率的補燃器。
因此，本發(fā)明的目的在于提供補救措施，在于提供一種通過本文開始提到的方法可隨需要降低在低于化學計量燃燒的階段的相應熱吸收。
本發(fā)明的基本優(yōu)點在于在毗鄰還原區(qū)的低于化學計量燃燒的燃燒區(qū)中，只有一部分在高于化學計量燃燒的區(qū)域達致最佳溫度窗范圍所必需的熱量被吸走。這部分熱量比達到一個在隨后的再燃區(qū)中將NOx的產(chǎn)生量減至最小的溫度范圍所需的熱量要小。如有必要，也可以完全不在低于化學計算量燃燒的燃燒區(qū)進行熱吸收。為了仍可實現(xiàn)理想的溫度窗范圍，將經(jīng)冷卻的廢氣在殘余空氣輸入之前或與其一起輸入給低于化學計量燃燒的氣體。為此目的，可以采用內部廢氣再循環(huán)，也可采用外部廢氣再循環(huán)。用此方法可以幾乎任意地隨需要降低低于化學計量燃燒的階段的相對熱吸收量，這樣就使設備改裝的成本、生產(chǎn)率、與結構尺寸可以有很大的變化范圍。
為避免低于化學計量燃燒段的燃燒室壁由于處在高溫狀態(tài)并且只有少量的熱被導散而出現(xiàn)熱過荷，空氣輸入和通常規(guī)必需的空氣預熱可以在一個逆流對流熱交換器內進行，一方面對輸入的燃燒空氣進行預熱，另一方面冷卻了燃燒室壁。
本發(fā)明的有利的發(fā)展描述如下。上述的溫度范圍在1150-1350℃之間。用于燃燒裝置的燃燒空氣可經(jīng)過預熱。
實施本發(fā)明的方法的設備包含至少一個燃燒器，在燃燒器的下游連接著低于化學計量燃燒的燃燒區(qū)，熱交換器設置在此燃燒區(qū)的燃燒部位，在熱交換器的下游接著是再燃區(qū)，在再燃區(qū)的后端設置又一個熱交換器，在這第二個熱交換器的下游分支接出廢氣反饋管路，所述廢氣反饋管路在空氣輸入管的前面或與其一起終止在再燃區(qū)區(qū)域內。燃燒器沿流動方向包含至少兩個其縱向對稱軸線相互徑向錯開伸展的、一個套在另一個上面地設置的空心半圓錐體，錯開伸展的縱向對稱軸線為燃燒氣流提供流向相反的切向進口槽，至少有一個噴嘴設置在由空心半圓錐體構成的圓錐形空間中，燃料的噴射裝置放置在兩個空心半圓錐體的相互錯開伸展的縱向對稱軸線的中間位置上。一個另外的燃燒空氣流可通過噴嘴外側軸向輸入燃燒器的內部空間內。在切向進口槽部位存在用于噴入另外的燃料的另外的噴嘴?？招陌雸A錐體沿流動方向可按一個固定角度錐形擴展，也可按逐漸增大的錐度擴展，也可以具有逐漸減小的錐度。
下面將借助于附圖進一步闡述本發(fā)明的實施例，所有對理解本發(fā)明無直接關系的部份都被略去，在不同的附圖中相同的部份用相同的標號標注，介質的流動方向用箭頭示出。
以下是附圖的簡要說明

圖1是一個過程用熱發(fā)生器，圖2是一個用適當剖開的透視圖示出的雙圓錐形燃燒器形式的燃燒器，圖3、4、5分別是沿圖2的Ⅲ-Ⅲ平面(圖3)、Ⅳ-Ⅳ平面(圖4)、Ⅴ-Ⅴ平面(圖5)切取的相應剖視圖，這些剖視圖只是示意地示出圖2的雙圓錐形燃燒器。
圖1示出過程用熱發(fā)生器，它主要由一個燃燒裝置和由兩個燃燒段組成。在過程用熱發(fā)生器的最高部位設有一個用液體或氣體燃料作為加熱介質的燃燒器裝置101。在這里，特別適用的是一種稱為雙圓錐形燃燒器類型的預混合燃燒器，在圖2-5中將進一步說明。原理上，在這樣的燃燒器101中，通過至少一個放置在中間的噴嘴噴入最好是液體的燃料12，而氣體燃料通過設置在燃燒器101內部空間的空氣進口槽部位的其它噴嘴噴入。在燃燒器101中就產(chǎn)生一種可燃混合物，反應區(qū)103將從此燃燒區(qū)延伸至設在燃燒器101下游的預予燃燒區(qū)107。此預燃區(qū)107構成成過程用熱發(fā)生器的還原區(qū)104。大約在預燃區(qū)107的尾端設有空氣通道105的入口，空氣通道與預燃區(qū)107同軸，初級空氣106通過它進入燃燒器101?？諝馔ǖ?05用作初級空氣106的預熱裝置，使燃燒器101得到經(jīng)過預熱的燃燒空氣15，而還原區(qū)104則用作對流冷卻器。在低于化學計量燃燒的燃燒過程給初級空氣106加熱使過程以最佳狀態(tài)進行，因為由此可最大限度地避免了由HCN和NH形成NOx的可能性，一般來說，這個燃燒發(fā)生在低于化學計量燃燒的狀態(tài)，最好是在空氣(過剩)系數(shù)λ＝0.7時，此值是考慮切合實際的λ值范圍、0.6-0.8的最佳值取得的。由于在預燃階段空氣的短缺及相應的均勻分布于整個預燃區(qū)107中氧氣的短缺，就不會有氧化氮作為中間產(chǎn)物產(chǎn)生并在以后的燃燒氣體冷卻時保留下來。在預燃階段，僅有非常熱的低氧的燃燒氣體產(chǎn)生，且燃料中含有的氮因高溫和缺氧而被大大減少了。在低于化學計量燃燒的預燃后，部分燃燒了的氣體首先通過一個熱交換器(可以是任意型式)，在熱交換器中氣體被吸收掉足夠的熱量，使其在向緊鄰的再燃區(qū)110過渡時達致一個1150-1350℃的溫度窗范圍，在此溫度窗范圍內，氧化氮很難形成。與這個熱吸收相關的是，這個溫度窗范圍條件必然造成在低于化學計量燃燒的燃燒區(qū)107及緊鄰的還原區(qū)104很強的熱吸收，特別是在燃燒空氣被強烈預熱的情況下。而在此種兩階段式燃裝置中，在低于化學計量燃燒的階段產(chǎn)生的熱要比在高于化學計量燃燒的階段產(chǎn)生的多。如在前面描述現(xiàn)有技術中所述，這種狀態(tài)存在著嚴重缺陷。由于這個原因，我們設定交換熱器108僅吸收使達到設定溫度窗范圍、即最佳溫度窗范圍所必需的熱量。如果必要，這個熱吸收可以是零。要在再燃區(qū)110中仍然得到這個最佳溫度窗范圍，就要通過在預燃區(qū)107下游與再燃區(qū)110上游給低于化學計量燃燒的燃燒氣體加入冷卻廢氣來實現(xiàn)，冷卻廢氣112可以與殘余空氣109分別被加入，或同時被加入。如果選用殘余空氣/廢氣共同供給的方案，供給低于化學計量燃燒的燃燒氣體是一種空氣與廢氣的混合物114。在再燃區(qū)110燃燒產(chǎn)生的氣體經(jīng)熱交換器111冷卻，這個熱交換器放置于再燃區(qū)的后端，與第一個熱交換器108一起共同組成一個兩級熱交換器，從管道路徑中非常清晰地示出，內部外部廢氣的再循環(huán)都被考慮到了。廢氣112的泵送可以用各式鼓風機或噴射泵113來實現(xiàn)。不需要的殘余廢氣由煙囪排出或送至其它需用的地方。所示結構允許在低于化學計量燃燒的階段、即預燃區(qū)107的尾端根據(jù)需要確定一隨意的相對熱吸收量，以使個方案的經(jīng)濟效益達到最大，特別是在設備更新時，此時，可以例如通過對燃料供應進行限制來進行調節(jié)。
為了更好地理解燃燒器101的結構，最好同時參看圖2示出的各個截面，這些截面相應于圖3-5所示。為使圖2更便于理解，圖3-5中示意地示出的導板21a、21b在圖2中僅作了勾畫。在下面對圖2的描述中也不斷地涉及其它的圖。
圖2中的燃燒器101由兩個其對稱縱軸線是徑向相互錯開的空心半圓錐體1、2組成，相應的對稱軸線1b、2b的錯開使兩個半圓錐體在兩側形成兩個成反方向流動的切向空氣進口槽19、20(如圖3-5)，前面提到的燃燒空氣15通過進口槽19，20流入由半圓錐體1、2形成內部圓錐空間14。圖中所示的半圓錐體1、2沿流動方向具有一個給定的固定的圓錐角。當然，根據(jù)運轉需要，半圓錐體在流動方向的錐度可以是漸增的或是漸減的。所述的兩種形式在圖中沒有畫出，因為可毫無困難地想象得到。兩個半圓錐體在其前端各有一個跟半圓錐體1、2也是相互錯開伸展的圓筒形部分1a、2a，這樣就使切向空氣進口槽19、20貫通燃燒器101的全長。這些起始部分也可以是其它的幾何形狀，在某些情況下這些起始部分也可完全取消。一個噴嘴3安放在圓筒形起始部分1a、2a中，燃料12、最好是油、或一種混合燃料通過噴嘴3噴入燃燒器101的內部空間14。燃料噴射裝置4與內部空間14的最小截面重合。另一種燃料供應13，最好是氣體燃料，通過分別結合到半圓錐體1、2內的通道8、9并通過多個噴嘴17與燃燒空氣15混合。這種混合發(fā)生在內部空間14的入口部位，以達致最佳的由速度導致的混合物16。當然，燃料12、13的混合過程可以通過噴射來完成。燃燒器101的出口在預燃區(qū)107端部與前壁10匯合，前壁10上開有多個圓孔，需要時，可注入一定量的稀釋空氣或冷卻空氣到預燃區(qū)107的內部空間。通過噴嘴3供應的液體燃料12以銳角噴入燃燒器101的內部空間14，使得在整個燃燒器101直至其出口平面的整個長度內形成盡可能均勻的圓錐形噴射流譜，這種狀態(tài)僅在半圓錐體1、2的內壁沒有被采用例如空氣支持的噴嘴或壓力霧化的燃料噴射裝置4潤濕的情況下才有可能發(fā)生。為此目的，圓錐狀液體燃料5的周邊被切向注入的燃燒空氣15、必要時再加上由軸向進入的燃燒空氣流15a所包圍。沿軸向，毫無疑問是一種混合物的噴入液體燃料12的濃度，由于通過空氣進口槽19、20流入燃燒器101內部空間14的也是燃料/空氣的混合體的燃燒空氣15、再加上其它燃燒空氣流15a而不斷沖淡降低。與液體燃料12的噴入相關，在旋流瓦解部位、即逆流區(qū)6的部位，在該截面上得到最佳的均勻的燃料濃度。點火發(fā)生在逆流區(qū)的頂端。僅在這位置能產(chǎn)生穩(wěn)定的火焰前沿7。這里不用擔心火焰向燃燒器101內部反沖，雖然這種情況在公知的預混合系統(tǒng)中常會發(fā)生并用復雜的火焰穩(wěn)定器來補救。如果燃燒空氣15、15a經(jīng)過預熱，燃料在到達燃燒器101的出口點、即混合物點火點前將加速全面蒸發(fā)，再循環(huán)廢氣的混入可以加強對燃燒空氣流15、15a的制備。在確定半圓錐體1、2的圓錐角和空氣切向進口槽19、20的寬度時，必須保持嚴格的限制條件，以實現(xiàn)穩(wěn)定火焰所需的燃燒空氣流流場，逆流區(qū)6在燃燒器出口部位。一般來說，空氣進口槽19、20寬度的改變將引起逆流區(qū)6的位移，如果縮小空氣進口槽19、20的寬度，則逆流區(qū)6向下游方向移動。還應注意到，一次固定住的逆流區(qū)6，在位置上是穩(wěn)定的，這是因為燃燒器101中沿流動方向的旋渦率加大了的原故。如前所述，適當輸入軸向燃燒空氣流15a可以改變軸向速度。
此燃燒器的結構設計特別適用于改變切向空氣進口槽19、20以適應需要，這樣，無需改變燃燒器101的結構長度就可實現(xiàn)比較大的操作范圍。
從圖3-5中可看到導板21a、21b的幾何形狀。通過延長半圓錐體1、2的迎著燃燒空氣15進入燃燒器101的內部空間14的流動方向的相應端部來實現(xiàn)流體導向功能，這個導向功能與導板本身長度的相關。燃燒空氣進入燃燒器101的內部空間的通道可通過圍繞著設置在切向空氣進口槽19、20部位的支點23打開或關閉21a、21b來達到最佳狀態(tài)，特別是當切向空氣進口槽19、20的原來的間隙尺寸有改變時，上述調節(jié)更為必要。當然，燃燒器101也可以在沒有導板21a、21b的情況下運作，或者可設置其它輔助裝置來達到此目的。
權利要求
1.一種產(chǎn)生過程用熱的方法，在該方法中，通過一種或多種礦物燃料在過熱用熱發(fā)生器中的燃燒產(chǎn)物將過程介質分兩階段加熱至其最終溫度，其中在燃燒裝置下游的第一階段中，低于化學計量燃燒的燃燒區(qū)起作用，燃燒氣體在此低于化學計量燃燒的燃燒區(qū)的下游被冷卻，被冷卻后的燃燒氣體在再燃區(qū)隨著補進空氣再度燃燒，其特征在于，在低于化學計量燃燒的燃燒區(qū)(107)的下游，燃燒氣體被吸走一部分熱量(108)，這部分熱量比達到一個在隨后的再燃區(qū)(110)中將NOx的產(chǎn)生量減至最小的溫度范圍所需的熱量要小，為在再燃區(qū)(110)達到這個溫度范圍，在補進空氣(109)前或與補進空氣一起加入經(jīng)過冷卻的廢氣(114)。
2.按權利要求1所述的方法，其特征在于，溫度范圍在1150-1350℃之間。
3.按權利要求1所述的方法，其特征在于，用于燃燒裝置(101)的燃燒空氣(15)經(jīng)過預熱。
4.實施權利要求1所述的方法的設備，其特征在于，設備(100)包含至少一個燃燒器(101)，在燃燒器(101)的下游連接著低于化學計量燃燒的燃燒區(qū)(107)，熱交換器(108)設置在此燃燒區(qū)(107)的燃燒部位，在熱交換器(108)的下游接著是再燃區(qū)(110)，在再燃區(qū)(110)的后端設置又一個熱交換器(111)，在第二個熱交換器(111)的下游分支接出廢氣反饋管路(113)，所述廢氣反饋管路在空氣輸入管(109)的前面，或與其一起終止在再燃區(qū)(110)區(qū)域內。
5.按權利要求4所述的設備，其特征在于，燃燒器(101)沿流動方向包含至少兩個其縱向對稱軸線(1b、2b)相互徑向錯開伸展的、一個套在另一個上面地設置的空心半圓錐體(1、2)，錯開伸展的縱向對稱軸線(1b、2b)為燃燒氣流(15)提供流向相反的切向進口槽(19、20)至少有一個噴嘴(3)設置在由空心半圓錐體(1、2)構成的圓錐形空間(14)中，燃料(12)的噴射裝置(4)放置在兩個空心半圓錐體(1、2)的相互錯開伸展的縱向對稱軸線(1b、2b)的中間位置上。
6.按權利要求5所述的燃燒器，其特征在于，一個另外的燃燒空氣流(15a)可通過噴嘴(3)外側軸向輸入燃燒器(101)的內部空間(14)。
7.按權利要求5所述的燃燒器，其特征在于，在切向進口槽(19、20)部位存在用于噴入另外的燃料(13)的另外的噴嘴(17)。
8.按權利要求5所述的燃燒器，其特征在于，空心半圓錐體(1、2)沿流動方向按一個固定角度錐形擴展。
9.按權利要求5所述的燃燒器，其特征在于，空心半圓錐體(1、2)沿流動方向具有逐漸增大的錐度。
10.按權利要求5所述的燃燒器，其特征在于，空心半圓錐體(1、2)沿流動方向具有逐漸減小的錐度。
全文摘要
將過程介質在過程用熱發(fā)生器中兩段加熱至最終溫度以產(chǎn)生過程用熱。在燃燒裝置后的預燃區(qū)進行低于化學計量燃燒，燃燒氣體經(jīng)熱交換器吸熱而冷卻，補給空氣可在經(jīng)冷卻廢氣前或一起輸入其后的再燃區(qū)，其后設又一影響其溫度的熱交換器。供給燃燒的空氣經(jīng)熱交換器而冷卻燃燒室壁防止其過熱。第一熱交換器只吸取使再燃區(qū)達到產(chǎn)生最少NO
文檔編號F23L15/00GK1072999SQ9211425
公開日1993年6月9日 申請日期1992年12月5日 優(yōu)先權日1991年12月5日
發(fā)明者凱勒 申請人:亞瑞亞·勃朗勃威力有限公司