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CN100491823C - 无需催化剂或高温氧化剂促使无焰燃烧的方法和设备 - Google Patents

无需催化剂或高温氧化剂促使无焰燃烧的方法和设备 Download PDF

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CN100491823C CNB2004800020828A CN200480002082A CN100491823C CN 100491823 C CN100491823 C CN 100491823C CN B2004800020828 A CNB2004800020828 A CN B2004800020828A CN 200480002082 A CN200480002082 A CN 200480002082A CN 100491823 C CN100491823 C CN 100491823C
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Abstract

一种在整体式加热/燃烧设备的基本椭圆形燃烧室中促使并维持无焰燃烧的方法和设备。本发明提供了与该设备燃烧室内循环烟道气相连的进气口和燃料源，以促使和维持沿狭窄限定边界和其内的混合气体的无焰燃烧。通过进气口向椭圆形燃烧室中引入空气。将燃气与循环烟道气混合，同时持续加热、引入空气或者烟道气与空气两者，直到空气和钝化燃气之间的界面温度超过界面组分的自动点火温度。无焰燃气流与循环烟道气混合，然后以足以维持无焰燃烧的方式随着空气流扩散，燃烧室工作温度通常在1500和1900℉之间。整体式加热器/燃烧器的基本椭圆结构能够提高质量和循环速率超过现有技术加热器的可能达到的值，而且其结果是提供均匀、完全和更冷的燃烧，导致低NOx排放。

Description

无需催化剂或高温氧化剂促使无焰燃烧的方法和设备
发明领域
总的来说，本发明涉及自发燃烧方法和设备。更具体地说，本发明公开了无需催化剂或高温氧化剂，在整体式加热/燃烧设备的基本椭圆形燃烧室中促使(precipitate)和维持无焰燃烧的过程和方法。
发明背景
传统熔炉和工业加热器在足以形成氮氧化物的高火焰温度下工作，氮氧化物有时被称为NOx。现有技术热燃烧系统的工作原理通常是：在可燃区域使燃料和空气接触火源，点燃该混合物使其持续燃烧。大多数燃料的可燃混合物通常能在大约3300℉和以上的较高温度下发生燃烧，必然导致形成大量NOx。
工业加热器在现有技术中是众所周知和有代表性的。无焰燃烧的技术和实施对于本领域技术人员也同样是众所周知和能够理解的。在基本椭圆形(这里所用术语“椭圆形”与“球形”或“圆形”同义，可以互换使用，包括允许气体充分循环，实现本发明实施例，说明书和权利要求的任何和全部燃烧室结构)的加热器中提高其辐射部分内热烟道气，燃气和空气的循环速率，实现并维持无焰燃烧，然后在升高温度下增加烟道气循环量，使热烟道气以明显高于现有技术的百分比与燃气和可燃空气混合，实现新颖的无焰燃烧，这是未知的。在本发明中，在狭窄确定边界内混合分股燃气，循环烟道气和燃烧空气，达到自动点火温度并引起燃烧方法。但是，由于本发明燃烧室的内部是基本椭圆形的，所以循环烟道气的质量流足以使气体参与燃烧方法，经过大约300到400℉的有限温度变化，而最高焰温与燃烧室内最冷烟道气之间的温差为2800℉，这对于现有燃烧技术是常见的。在本发明的燃烧室中，任何位置的最高温度都不会超过2200℉。因此，这种降低的温度能有利地消除热NOx和NOx落入小于8ppmvd选择性催化还原区域的现象。下表绘出本发明设备和过程可能产生的新工作窗口。
Figure C200480002082D00051
A＝外部烟道气循环
区-NOx＝50-25ppmvd
B＝内部烟道气循环
区-NOx＝25-15ppmvd
C＝采用现有技术内部烟道气循环温度的情形下，不可能
D＝自动点火和无焰燃烧Nox<8ppmvd
因此，考虑到现有技术的不足之处，本发明的目的是公开和要求一种不使用催化剂、高温空气或其他类似氧化剂的无焰燃烧方法和设备。
本发明进一步的目的是公开和要求利用空气或温度低于1300℉的其他类似氧化物实现无焰燃烧方法和设备。
本发明的另一个目的是公开和要求无需催化剂或火焰稳定器实现无焰燃烧的方法和设备。
本发明的另一个目的是公开和要求一种整体式加热/燃烧设备。这里所用术语“加热器”与“包含传热冷却管的耐火材料衬里的外壳”是同义的，可以互换使用，术语“燃烧器”与“燃料、空气和循环烟道气的计量装置”是同义的，可以互换使用。
本发明的另一个目的是公开和要求具有基本椭圆形的燃烧室的设备，该燃烧室起到控制空气、燃气和烟道气的扩散速率的作用。
本发明的另一个目的是公开和要求这样一种装置：通过烟道气的循环速率实现优于现有单元加热器/燃烧器可能初始值的非常均匀的通量率。
本发明进一步的目的是消除现有技术工业加热器中燃烧室的冷区和热区。
本发明的另一个目的是提出和要求尺寸缩小的加热/燃烧设备和冷却管服务面积，而不增加峰值辐射通量率。
本发明的另一个目的是提出一种方法和设备，因此促使非常均匀和更冷燃烧，从而产生小于8ppmvd的低NOx排放。
本发明的另一个目的是提出在非常均匀而且消除CO排放的受控温度下进行的完全燃烧。
本发明的另一个目的是提高辐射效率，从而降低燃料消耗量，由此减少CO2和温室气体排放。
本发明的另一个目的是提出改善热传导的设备和方法，从而减少获得特定传热量所需要的加热器冷却管面积，不超过现有技术峰辐射通量率。
根据以下具体说明以及附图，本发明的其他目的和进一步的应用范围是显而易见的，附图中使用相似的附图标记表示相似的部件。
发明概述
一种在整体式加热/燃烧设备的基本椭圆形或球形燃烧室中促使和维持无焰燃烧的方法和设备，包括以下步骤：(a)提供连接有进气口的基本椭圆形燃烧室，进气口进一步与基本椭圆形燃烧室外部的气源连接；(b)提供位于燃烧室内的燃料源，该燃料源提供燃气，燃气与燃料供应源和燃烧室相连；(c)在燃烧室内促使加热过程，将其内部温度预热到通常为1400到2100℉的工作温度范围；(d)通过进气口向椭圆形燃烧室中引入空气；(e)步骤(c)和(d)的结果是，促使烟道气在燃烧室内发生循环；(f)用循环烟道气钝化燃气；(g)向燃烧室内计量输送燃气，燃气被循环烟道气钝化；(h)继续计量并加热空气，循环燃气和烟道气，直到空气、循环燃气和烟道气扩散成分子组合物，并且达到或超过所述组合物的自动点火温度；和(i)通过保持燃烧室工作温度在1400和2100℉之间，维持无焰燃烧。
在一个优选的实施方式中，本发明的方法进一步包括在向椭圆形燃烧室内引入空气之前，对其进行预热，加热到450到1400℉的工作温度。
在另一个优选的实施方式中，燃气选自以下典型燃气：H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6、C4H10、C4H8、C5H12和C6H14中的至少一种。
在本发明设备的一个优选实施方式中，形成椭圆形的耐火材料衬里的燃烧室的内表面是有角度的位移表面，彼此连接或对齐时，能加强燃气、空气和烟道气分子以足以引起并维持无焰燃烧的方式进行的循环。所述的内表面优选由构成八边形或多边形的角度移位表面形成。
附图简要说明
附图1到6所示是现有技术加热器的端面正视图，进一步表示与各种管道/燃烧器装置结构相关的烟道气循环方式；
附图7所示是本发明的一个实施例，采用星型燃烧传热管结构，以及单数定位的燃烧空气装置，燃气引入装置和烟道气排出装置；
附图8所示是用于圆形定位加热器传导管时，附图7的单一定位可燃空气装置，燃气引入装置和烟道气排出装置；和
附图9所示是本发明的另一个实施例，其中具有多个星型燃烧结构管道，并且位于本发明燃烧室的内部，以及位于燃烧室边界周围的多重定位可燃空气装置，燃气引入装置和烟道气排出装置。
优选实施例具体说明
虽然以下具体讨论本发明各个实施例的制造和使用方法，但是应当理解本发明的概念能以各种特定形式体现。这里讨论的特定实施例仅仅是对本发明制造和使用方法特定方式的例证，并非对本发明范围的限制。
权利要求和说明书描述了本发明，权利要求中的术语含义来自于它们在说明书中的定义。现有技术中使用的相同术语具有比说明书中更广泛的定义。在现有技术中这些术语的更广泛定义和说明书与权利要求中它们的更专门定义之间产生疑问时，采用更专门的定义。
虽然对本发明进行了一定程度专门性的描述，但是仍然可以在不超出原理和公开范围的情况下，对具体结构和部件装配进行许多具体变化。能够理解本发明并不限于这里给出的说明性实施例，而是仅受权利要求的限制，包括每项的全部等同条款。
附图1到6所示为现有技术加热器的端面正视图，进一步表示出现有技术加热器中所用各种管道/燃烧器结构的烟道气循环方式。附图1到6中现有技术结构的烟道气循环方式由箭头2表示。在每个现有技术的说明中，很容易注意到，当加热器内部或其内部温度升高时，烟道气从熔炉较低区域以不受限制的方式上升到较高区域，当该气体冷却时，回到加热器底部。附图1到6中所示循环方式通常被限制在熔炉最中央区域，不受管道位置的影响。为了便于参考，附图1到3所示为双重发火管结构，附图4到6为单一发火管结构，所述发火管起到熔炉传热装置的作用。工作时，向管道3内部引入流体，循环烟道气2向所述管道外部表面提供热量，加热其中的流体。使用本领域技术人员众所周知的燃烧器4引起附图1到6中所示每个燃烧器结构4内部6的温度升高。
附图7所示为本发明的一个实施例，具有星型传热管结构，和单数定位的燃烧空气装置，燃气引入装置和烟道气排出装置。参见附图7。
在附图7中，本发明设备的附图标记为23。基本椭圆形的燃烧室22与进气口28相连，进气口28进一步连接椭圆形燃烧室22外部的气源41。气源41通常是鼓风机或本领域技术人员众所周知的自然通风装置，所述鼓风机或自然通风装置向燃烧室22内以与加热器内壁成0°到40°的角度引入加热或未经加热的空气。虽然实施本发明时可以使用更大的角度，但是要注意，空气引入角度在0°和40°之间时，能最有效地引入足够CFM的体积，促使离心力保持直线30所示的狭窄限定边界内的钝化燃气42、烟道气44和空气45的初始与分离带。所述边界30与本发明设备23的内部椭圆表面32邻接。燃料源26也位于燃烧室22内部，引入燃气42，所用燃料源和燃气的引入是本领域技术人员众所周知的，也被用于现有技术加热器中。
在一个实施例中，首先用位于进气口28中的开始燃烧器27加热内室22，将其预热到通常是1400到2100℉范围的工作温度。加热和以0到40°的角度向内室22中引入燃烧空气45，导致室内烟道气44发生循环。燃气42被输送至燃烧室22，与循环烟道气44混合，形成两股不同的带：可燃空气和钝化燃气。空气45被持续引入燃烧室22内部，持续引起空气45、燃气42和烟道气44分子的进一步的循环和扩散，对计量燃气进行持续监控，直到空气和钝化燃气界面处的分子组合物达到或超过自动点火温度。达到自动点火温度时，通过本领域技术人员众所周知的手动温度控制装置或者软件控制装置，维持本发明的无焰燃烧，保持其室内工作温度在1400和2100℉之间。循环烟道气排出装置49也如附图7中所示，通过排出装置能通过引入燃气42和可燃空气45平衡椭圆形燃烧室的内压。
附图8是用于圆形定位加热器传递管的双位可燃空气装置，燃气引入装置和烟道气排出装置。
在附图8中发现，混合的可燃空气、烟道气和燃气循环方式能保持发生在边界30以内的无焰燃烧的边界参数。虽然如附图7所示是完全有效的，但是附图8中的双位可燃空气燃气引入装置和烟道气排出装置在工作时要增加或平衡燃气42、烟道气44和可燃空气45的流动/速率。
附图9所示是本发明的另一个实施例，使用了位于本发明燃烧室内的多重星型燃烧管，多位可燃空气装置，燃气引入装置和烟道气排出装置位于该燃烧室的边界周围。附图9还表示了这样一个实施例，可以提供附加的燃气和可燃空气进口，有助于平衡非球形但是基本椭圆形燃烧室内部的流速。在附图9中还发现，其中包括多组不同结构的传热管。可以在多处位置复制附图9的结构或其他类似结构，在保持基本过程的同时增加设备的尺寸和容量，这对于本领域技术人员是显而易见的。
当然能够理解，可以在不超出本发明范围的条件下对设备的形式，细节，装置和比例进行各种变化，这些变化都包括在如权利要求所公开和限定的能够实现上述目的的设备范围内。

Claims (10)

1.一种促使和维持整体式加热和燃烧设备的椭圆形燃烧室内无焰燃烧的方法，包括以下步骤：
(a)提供与进气口相连的椭圆形燃烧室，进气口进一步连接椭圆形燃烧室外部的气源；
(b)在燃烧室内提供燃料源，燃料源引入燃气，燃气与燃料供应源和燃烧室相连；
(c)通过进气口向椭圆形燃烧室内引入空气；
(d)在燃烧室内引发加热过程，将燃烧室内温度预热到1400到2100°F的工作温度范围；
(e)两个步骤(c)和(d)的结果是使烟道气在所述燃烧室内进行循环；
(f)向燃烧室内计量输入燃气；
(g)用循环烟道气钝化燃气；
(h)继续计量并加热空气和钝化燃气，直到空气、燃气和循环烟道气扩散成分子级复合物，并达到或超过该复合物的自动点火温度；和
(i)保持燃烧室内工作温度在1400到2100°F，维持无焰燃烧，同时提供排出装置，通过该排出装置、和引入的燃气和可燃空气，来平衡燃烧室内的压力。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括在向椭圆形燃烧室内引入空气之前，对其进行预热，加热到450到1400°F的工作温度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于燃气选自以下典型燃气：H2，CO，CH4，C2H6，C2H4，C3H8，C3H6，C4H10，C4H8，C5H12和C6H14中至少一种。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于通过保持燃烧室工作温度位于1400到2100°F来维持无焰燃烧的步骤，进一步包括根据软件控制的温度感应装置直接引入燃气。
5.在整体式加热和燃烧设备的球形燃烧室中促使和维持无焰燃烧的方法，包括以下步骤：
(a)提供与进气口相连的球形燃烧室，进气口进一步与球形燃烧室外部的空气源连接；
(b)在燃烧室内部提供燃料源，燃料源引入燃气，燃气与燃料源和燃烧室相连；
(c)通过进气口向燃烧室内引入空气；
(d)引发燃烧室内的加热过程，将燃烧室内部预热到1400到2100°F的工作温度；
(e)两个步骤(c)和(d)的结果是使烟道气在燃烧室内发生循环；
(f)向燃烧室内计量输入燃气；
(g)用循环烟道气钝化燃气；
(h)继续计量和加热空气和钝化燃气，直到空气、燃气和循环烟道气扩散成分子级复合物，并达到或超过该复合物的自动点火温度；和
(i)保持燃烧室工作温度为1400到2100°F，维持无焰燃烧，同时提供排出装置，通过该排出装置、和引入的燃气和可燃空气，来平衡燃烧室内的压力。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于进一步包括在向燃烧室内引入空气之前，将其预热到450到1400°F的工作温度。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于燃气选自以下典型燃气：H2，CO，CH4，C2H6，C2H4，C3H8，C3H6，C4H10，C4H8，C5H12和C6H14中至少一种。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于通过保持燃烧室工作温度为1400到2100°F来维持无焰燃烧的步骤进一步包括根据软件控制的温度感应装置直接引入燃气。
9.能促使和维持无焰燃烧的整体式工业加热和燃烧设备，包括：
具有外表面和内表面的结构，内表面形成连接进气口的椭圆形耐火材料衬里的燃烧室，进气口进一步连接椭圆形燃烧室外部的空气源，该进气口排布成：在向燃烧室内引入空气处，沿平行于内表面的通道向燃烧室内引入空气；
位于燃烧室内部的燃气引入源，燃气引入源连接燃气供应源和燃烧室，该燃气引入源排布成：在向燃烧室内引入燃气处，沿平行于内表面的通道向燃烧室内引入燃气；和
在椭圆形的耐火材料衬里的燃烧室内监控并计量燃气的装置。
10.如权利要求9所述的加热和燃烧设备，其特征在于耐火材料衬里的燃烧室进一步包括至少一个传热冷却管。
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