用于低氮氧化物預(yù)混氣體燃燒器的燃燒的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及工業(yè)氣體燃燒器。運(yùn)些燃燒器排放氮氧化物（NOx)，運(yùn)是污染源。
[0002] 因此，減少源自燃燒的氮氧化物是在工業(yè)燃燒器開發(fā)過程中的重要考慮因素。燃 氣（天然氣或其它氣體）的燃燒通過氮在空中的高溫氧化產(chǎn)生氮氧化物。運(yùn)些氮氧化物通 常稱為熱NOx。
[0003] ?氮氧化物形成的速率遵循阿侖尼烏斯定律并且高度地取決于：局部含氧量，
[0004] ?局部含氮量， 陽0化]?局部溫度（顯著大于1500°C)。
[0006] 目前，工業(yè)氣體燃燒器基本是擴(kuò)散火焰燃燒器，運(yùn)意味著在燃燒器中，氧化劑和燃 料的混合全部發(fā)生在燃燒室內(nèi)。利用運(yùn)些擴(kuò)散火焰燃燒器，最廣泛使用的用于減少熱NOx 的技術(shù)通常基于氧氣和燃料含量的局部變化，該局部變化通過使用空氣階段提供含量或者 通過使用燃料階段提供來實(shí)現(xiàn)。
[0007] 在利用氧化劑和燃料預(yù)混合的火焰燃燒的情況下，火焰中屯、的溫度更多均勻并且 非常強(qiáng)烈地取決于氧化劑/燃料比率。因此，作為直接后果，氮氧化物的排放同樣地對(duì)該比 率高度敏感。
[0008] 形成本發(fā)明的主題的方法和燃燒器設(shè)及基于預(yù)混技術(shù)的低NOx氣體燃燒器。經(jīng)驗(yàn) 顯示氮氧化物可W根據(jù)氧化劑/燃料比率改變大于10倍。例如，當(dāng)氧化劑是環(huán)境空氣時(shí)， 燃料氣體是富氣（richgas)(具有低熱值，6kWh/Nm3)，氣體的完全燃燒所需要的氧化劑的 量和氮氧化物的低產(chǎn)量在氧化劑的化學(xué)計(jì)量的140%和170%之間。既然如此，源自預(yù)混燃 燒的氮氧化物的排放與由擴(kuò)散火焰得到的排放相比較變得非常低。
[0009] 然而，過量氧化劑是該預(yù)混技術(shù)在諸如鍋爐、工業(yè)用爐等的方法中使用的阻礙，在 W上方法中當(dāng)在高溫下100° )排放煙氣時(shí)，燃燒需要的超出100%化學(xué)計(jì)量的顯著過 量的氧化劑產(chǎn)生額外的熱損耗。
[0010] 形成本發(fā)明的主題的燃燒器為了其低NOx的性能而使用預(yù)混技術(shù)，并且使用為了 在沒有增加熱NOx排放的情況下減少在燃燒器處的總體過量空氣的額外裝置。
[0011] 在該燃燒器中，測(cè)試已證實(shí)，為了同時(shí)確保燃燒的溫度足夠高W及產(chǎn)生的熱NOx 非常低，預(yù)混中的氧化劑/燃料比率或者更具體地說比率（時(shí)非常重要。
[0012] 反=_預(yù)混燃料流速xLCV燃料_ :~ 1000X(預(yù)混燃料流速·CP燃料+氧化劑流速·CP氧化劑)
[0013] LCV是低熱值，即不考慮能量凝聚的發(fā)熱量。
[0014] CP是Wkj/kg計(jì)的熱容量。 陽〇1引流速WKg/h計(jì)。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的燃燒方法包括預(yù)混燃燒器，該預(yù)混燃燒器由一組預(yù)混噴嘴組成，運(yùn) 些預(yù)混噴嘴圍繞在燃燒器的中屯、軸線上的中央噴嘴布置在直徑DB的圓形上，其中該中央 噴嘴旨在生成徑向火焰，其中，該組噴嘴具有在1. 3和1. 75之間的氧化劑/燃料比率（時(shí)。
[0017] 燃燒器由兩個(gè)類型的噴嘴組成。一組預(yù)混噴嘴布置在直徑DB的圓形上并且主要 旨在生成軸向火焰。運(yùn)些外圍噴嘴圍繞中央噴嘴放置，該中央噴嘴布置在燃燒器的中屯、軸 線上并且旨在生成徑向火焰。
[0018] 通過中央噴嘴的徑向火焰旨在確保稱為"外圍的"各個(gè)預(yù)混噴嘴之間的相互點(diǎn)火 (inter-ignition)。該徑向火焰同樣由在該噴嘴處具有1. 3和1. 75之間的比率（R)的預(yù) 混燃燒生成。
[0019] 根據(jù)一個(gè)特定特征，中央噴嘴是預(yù)混噴嘴，運(yùn)保證了比率（時(shí)的更好的分布。
[0020] 根據(jù)另一個(gè)特征，徑向火焰是3%至20%的由噴嘴排出的燃料的總流速的預(yù)混火 焰。
[0021] 根據(jù)一個(gè)特定布置，中央噴嘴和外圍噴嘴均是預(yù)混噴嘴，并且各自具有1.3和 1. 75之間的氧化劑/燃料比率（時(shí)。每個(gè)噴嘴均具有最優(yōu)比率（時(shí)，由每個(gè)噴嘴排出的NOx 的量低，并且各個(gè)噴嘴的火焰之間的相交區(qū)域同樣排出極少的NOx。
[0022] 根據(jù)另一個(gè)布置，中央噴嘴是可拆卸的。中央噴嘴是可拆卸的并且可W容易地由 液體燃料噴射槍代替，從而賦予燃燒器成為混合氣體和液體的燃燒器的選擇。
[0023] 根據(jù)特定特征，預(yù)混噴嘴具有偏轉(zhuǎn)元件，該偏轉(zhuǎn)元件賦予預(yù)混物相對(duì)于中屯、軸線A 成-45°和+45°之間的出口角。預(yù)混噴嘴具有軸向的或相對(duì)于燃燒器的軸線傾斜的出口 并且噴嘴的出口角在-45°和+45°之間變化，W使火焰的形狀適配成適合燃燒室的多種 幾何形狀，并且將火焰長度/直徑比率改變大于4倍。
[0024] 根據(jù)特定布置，氣體噴射器W直徑化圍繞外圍噴嘴放置在燃燒器的外周緣上。為 了在沒有增加氮氧化物排放的情況下減少在燃燒器處的過量空氣/氧化劑，一定比率的燃 氣需要被噴射到預(yù)混噴嘴外部。燃?xì)獾念~外噴射使用布置在每對(duì)噴嘴之間的或每兩Ξ個(gè)噴 嘴一個(gè)的噴射器進(jìn)行。
[00巧]根據(jù)一個(gè)特定特征，氣體噴射器W直徑化圍繞外圍噴嘴放置在燃燒器的外周緣 上，并且噴射器噴射20 %至50%的總噴射燃料。
[0026] 根據(jù)另一個(gè)特征，噴射器具有相對(duì)于外圍噴嘴的出口角成0°和40°之間的出口 角。W接近噴嘴的外部直徑DB的直徑化噴射的額外氣體給出或占10%，并且W相對(duì)于預(yù) 混噴嘴的軸線成0°至40°、并且優(yōu)選地10°和30°之間的角度噴射。運(yùn)使得可W通過運(yùn) 些額外噴射燃?xì)夂蛷膰娮彀l(fā)出的預(yù)混物之間過度地快速混合而不局部地增加比率（時(shí)。燃 氣W運(yùn)樣的方式噴射，使得首先與在火焰的外周緣處循環(huán)的煙氣混合。該配置的優(yōu)勢(shì)是使 得更容易調(diào)整為適合燃燒室和/或鍋爐的開口，尤其是現(xiàn)有的燃燒室或鍋爐類。 W27] 根據(jù)一個(gè)特定特征，直徑化具有小于或等于Wmm計(jì)的W下值的尺寸： [P(MW)X20]450。PW兆瓦計(jì)的功率。該尺寸使得可W優(yōu)化燃燒器的大小并且因此優(yōu)化燃 燒室和/或鍋爐的開口的大小。
[0028] 根據(jù)另一布置，噴射器配備有文丘里管系統(tǒng)。氣體利用文丘里管系統(tǒng)噴射，該文丘 里管系統(tǒng)加速在氣體火焰的外周緣處的煙氣與額外噴射燃?xì)獾念A(yù)混。
[0029] 根據(jù)另一特征，直徑化在外圍噴嘴的直徑DB的1. 2倍和1. 6倍之間。噴射器W 大于噴嘴的直徑DB的直徑噴射燃?xì)狻ｎ~外噴射的燃?xì)饨?jīng)由穿過燃燒室和/或鍋爐的壁的 直的噴射器引入，或者在燃燒室沒有穿過該壁的直槍的情況下通過從燃燒室外部機(jī)械旋轉(zhuǎn) 引入的彎管噴射器引入。
[0030] 根據(jù)另一特征，噴射器具有相對(duì)于燃燒器的軸線成-20°和巧0°之間的出口角。
[0031] 根據(jù)可替代方案，噴嘴具有體現(xiàn)為所述噴嘴的橫截面的0. 1至0. 4倍的火焰穩(wěn)定 器。因?yàn)轭A(yù)混火焰的穩(wěn)定性對(duì)局部速度梯度敏感，所W必須使用將"保持"并穩(wěn)定火焰的可 靠的裝置。運(yùn)還需要開發(fā)使用插入在每個(gè)噴嘴的出口處的穩(wěn)定器的高性能火焰保持和穩(wěn)定 裝置，使得延伸更大比率（時(shí)的預(yù)混火焰的穩(wěn)定性，W及在沒有火焰退回到預(yù)混噴嘴內(nèi)部 上的風(fēng)險(xiǎn)的情況下增加燃燒器流動(dòng)速率的變化。為了燃燒器進(jìn)料的變化大于6,并且為了燃 燒器的總體壓力下降為300DaPa，火焰穩(wěn)定器的表面積相對(duì)于噴嘴的表面積需要在0. 1和 0.4之間。穩(wěn)定器可W用在噴嘴的中央或者用在噴嘴的外部。
[0032] 根據(jù)一個(gè)特定特征，火焰穩(wěn)定器確定預(yù)混物的出口角。預(yù)混物的出口角由偏轉(zhuǎn)元 件賦予，該偏轉(zhuǎn)元件可W或者可W不與火焰穩(wěn)定器相聯(lián)系。
[0033] 根據(jù)另一布置，外圍噴嘴具有火焰穩(wěn)定器，該火焰穩(wěn)定器包括布置在每個(gè)外圍噴 嘴的中央處的徑向部分。為了更好地保持在每個(gè)預(yù)混噴嘴的頂端的火焰，穩(wěn)定器包括徑向 穩(wěn)定部分，該部分確保徑向中央火焰向著每個(gè)外圍噴嘴的中央更好地?cái)U(kuò)散。為了大范圍的 預(yù)混噴嘴出口速度并且因此為了大范圍的燃燒器功率變化，確?？焖冱c(diǎn)火在穩(wěn)定器處離開 外圍噴嘴的預(yù)混物。
[0034] 本發(fā)明還設(shè)及由該方法使用的燃燒器。<