專利名稱：通過變速噴霧使液態燃料燃燒的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于液態燃料燃燒的方法。
背景技術：
在例如為工業爐安裝燃燒系統時，一個主要的當務之急是盡可能地減少大氣污染物的排放以滿足現行的環境標準，而同時在熱傳遞方面仍然滿足加熱過程的要求。氮氧化物——稱作NOx——是環境標準最關注的污染物之一，并且減少氮氧化物的排放構成重要的技術性難題。可以設想多種解決方案用于限制NOx的排放，即，意在減少燃燒過程本身形成的NOx的首要類型的措施，以及意在從燃燒后的排出物中去除NOx的次要類型的措施。應指出，該次要類型的措施通常需要安裝極其昂貴的裝置，想要達到的NOx的排放水平越低，則所述裝置越昂貴。該首要措施旨在減少作為NOx的主要組成成分的一氧化氮NO的形成，一氧化氮形成的主要機理是基本的熱力學機理，其主要取決于氧和氮的分壓力、介質的溫度以及反應物在燃燒區停留的時間。因此，氧-燃料燃燒——即其中氧化劑為氧的燃燒——尤其容易產生問題，而這種類型的燃燒廣泛應用于工業中。根據1947年Zel’dovich提出的熱力學機理，NO形成的速率表示為d[NO]thdt≈kexp(-EαRT)[O2]1/2[N2]]]>其中，k是活化常數，R是理想氣體常數，Eα是反應的活化能，T是局部溫度，而[O2]和[N2]是局部氧濃度和局部氮濃度。為了使NO的形成速率最小并從而使形成的NO的量最小，已知使用富氧空氣乃至純氧作為氧化劑來減少局部氮濃度。但是，不能從燃燒過程中完全排除氮的存在，氮還可經由空氣滲漏或經由燃料自身被引入介質中。此外，盡管介質中的氮濃度很低，但是，某些過程中所達到的溫度可導致不可忽略的NO的形成。
因此已開發出另外的方案，尤其是用非常活潑的氣體如CO2或通過允許廢氣例如再循環到燃燒區來稀釋反應物主要是氧化劑的方案。更具體地這樣來采用廢氣再循環，即通過在離開燃料較大的距離處注入大部分氧化劑，而在燃料附近注入少量氧化劑以便尤其為了使火焰穩定。但是，在燃料噴射裝置和氧化劑噴射裝置之間設置大的間隔的這種概念僅限于空氣/氣態燃料燃燒。
專利EP0524880及US5522721中公開了另外一種用于減少NOx的方法，該方法叫做“振蕩燃燒”。這種方法在于使氧化劑或燃料的速度發生振蕩，從而使得反應物的化學計量數偏離1，由此導致火焰溫度降低并因此減少NOx的形成。另外，可以調節振蕩頻率、振幅和相位以便限制一氧化碳的形成。但是，應注意，振蕩燃燒方法涉及氣態燃料的燃燒，而不能直接應用于液態燃料的燃燒。
其原因在于，在兩相燃燒中，必須首先借助于所注入的霧化氣體使液態燃料霧化，以破壞液態燃料流的穩定性并形成燃料噴霧，所述燃料噴霧具有較大的與氧化劑接觸的表面積，從而有利于燃燒。這就需要由此形成的液態燃料液滴在燃料同氧化劑一起燃燒之前蒸發。反應物的混合因此取決于燃料噴霧的特征，尤其取決于所形成的燃料液滴的尺寸。已經發現，將在氣態燃料情況下的上述振蕩燃燒原理應用于液態燃料的情況不能產生令人滿意的結果。這是因為氧化劑流量的振蕩要求安裝極其昂貴而效率相對較低的裝置，并且用于使液態燃料流量振蕩的裝置不容許對所形成的噴霧進行足夠精確的控制。
發明內容
本發明的目的在于消除上述缺陷，尤其是將振蕩燃燒原理應用于液態燃料，為此，本發明涉及一種用于液態燃料燃燒的方法，該方法包括通過注入與液態燃料接觸的霧化氣體以產生液態燃料的噴霧，然后使由此產生的噴霧與氧化劑接觸從而使噴霧發生燃燒的步驟，這樣來注入霧化氣體
-以圍繞一使燃料完全燃燒的額定速度值變化的可變速度注入；以及-以小于霧化氣體的額定速度值的1.2倍的最大速度注入。
術語“可變速度”應理解為注入噴霧氣體的速度隨時間在兩個極值之間有規律地振蕩。注入速度隨時間變化的曲線例如可以是正弦曲線或脈沖曲線。因此，通過改變霧化氣體的速度，所得到的噴霧具有可變的物理特征，尤其是所形成的液滴的尺寸，并且燃燒特性也因此得以改變。更準確地說，增加霧化氣體的速度將導致具有較小液滴尺寸的燃料噴霧的形成，并因此導致更好的燃燒，而減小霧化氣體的速度將導致具有較大液滴尺寸的噴霧的形成，并因此導致效果較差的燃燒。按照這種方式，可以控制燃料噴霧的物理特性以改變局部燃燒狀況，尤其是火焰長度，并由此影響NOx的形成狀況。特別地，改變火焰長度使得用于到被加熱載荷(chargechauffée)的熱傳遞的表面積增加，同時阻止高溫NOx生成區的產生。以圍繞一使燃料完全燃燒的額定速度值變化的速度注入霧化氣體。更準確地說，對于給定的液態燃料流量，霧化氣體的額定速度是確定的。因此，霧化氣體的速度圍繞一確保完全燃燒的額定值變化使得能夠使燃料消耗最優化，并且能夠圍繞該最優值改變燃燒特性。對于給定的燃燒器幾何形狀(結構)，可從所需功率和燃料的凈熱值(NCV)推斷出燃料的速度。霧化氣體的額定速度通常選擇為使得霧化氣體的質量流量等于燃料的質量流量的0.3倍。根據本發明，以小于霧化氣體的額定速度值的1.2倍的最大速度注入霧化氣體。因此，減小了火焰分離的危險。優選地，以大于霧化氣體的額定速度值的0.7倍的最小速度注入霧化氣體。因此，減小了燃燒不充分的危險。有利地，以變化頻率在0.1和10Hz之間的速度注入霧化氣體。優選地，通過控制流動調節閥實現霧化氣體注入速度的變化。
根據一個實施例，液態燃料以可變的速度脈動。這是因為液態燃料流量的變化結合霧化氣體的變化使得可以更好地控制液態燃料噴霧的物理特征。有利地，液態燃料以與霧化氣體的注入速度同相變化的速度脈動。該雙重變化的目的是保持燃料噴霧具有大致恒定的液滴尺寸。但是，所傳輸的液態燃料的量由此而改變，并且除火焰長度之外，這還將影響燃燒的化學計量關系。在圍繞一使得完全燃燒并且滿足加熱過程要求的額定值變化的情況下，在變化期間將保持這些條件。優選地，通過控制流動調節閥實現液態燃料速度的變化。
借助于下面結合附圖給出的詳細說明，將更加清楚地理解本發明的實施方式，在附圖中-圖1是根據本發明的第一實施例的方法的示意性表示，其中，霧化氣體的速度在整個燃燒過程中變化；-圖2是表示圖1所示方法中火焰長度隨霧化氣體的流量而變化的曲線；-圖3是根據第二實施例的方法的示意性表示，其中，液態燃料的速度在整個燃燒過程中與霧化氣體的速度同相變化；-圖4是表示圖3所示方法中火焰長度隨液態燃料的流量而變化的曲線。
具體實施例方式
如圖1中所示的燃燒方法利用具有外部混合器(也稱輔助霧化器)的噴霧霧化器1。該霧化器1包括液態燃料進給管2和霧化氣體進給管3，并輸送液態燃料噴霧4。更準確地說，霧化氣體進給管3設有由控制器6控制的調節閥5，該調節閥5能夠改變霧化氣體的流量并因此改變其速度。所述噴霧4隨后與由氧化劑進給管8輸送的氧氣7接觸，以使燃料能夠燃燒。最初，將霧化氣體的流量調節成使得對于給定的液態燃料流量能夠獲得穩定的火焰并且完全燃燒。該霧化氣體的額定流量mg，nom對應于額定速度Ug，nom。對于這些值，燃燒產生的火焰具有額定火焰長度Lf，nom。在實施根據本發明的方法的期間，控制器6控制調節閥5，使得霧化氣體的流量隨時間的變化是由曲線9示出的周期為T的正弦曲線，所述流量在最大流量值mg，max和最小流量值mg，min之間振蕩，該最大流量值mg，max和最小流量值mg，min分別對應于霧化氣體的速度Ug，max和Ug，min。假定液態燃料的流量mf以及因此速度Uf是恒定值。當霧化氣體的流量振蕩時，火焰長度也隨之在值Lf，max和值Lf，min之間變化。火焰長度的變化增加了熱傳遞的表面積，并阻止高溫區域的形成。但是，在霧化氣體流量變化的過程中，必須保持火焰穩定性和燃燒質量。為了防止火焰分離和滅火并確保燃料液滴充分蒸發，使霧化氣體的速度在設定為0.7倍額定速度的下限Ug，min和設定為1.2倍額定速度的上限Ug，max之間振蕩。通過控制器6致動所述(調節)閥，以便在相應的值mg，min和mg，max之間改變流量。霧化氣體的流量隨時間的變化通過曲線9示出，該曲線是周期為T的正弦曲線。
圖2示出在所使用的霧化氣體是空氣且液態燃料具有2.3m/s的速度的情況下，火焰長度Lf隨霧化氣體流量mg的變化。霧化氣體提供穩定的火焰和完全燃燒的額定速度值已確定為等于99m/s。根據上述等式，霧化氣體的速度因此在69m/s和118m/s之間變化。在這些條件下，當額定火焰長度為4m時，火焰長度在3.2m和4.8m之間變化。該火焰長度的范圍使其能夠覆蓋大的面積，從而在防止產生高溫NOx生成區的同時確保熱傳遞增強，進而確保更大的能量效率。
根據本發明的變型，如圖3所示，霧化器1與圖1中的霧化器的區別僅在于，液態燃料進給管設有由控制器6控制的調節閥50。該控制器6將調節閥50控制成使得液態燃料的流量隨時間的變化是由曲線11示出的周期為T的正弦曲線，所述流量在最大流量值mf，max和最小流量值mf，min之間振蕩，該最大流量值mf，max和最小流量值mf，min分別對應于燃料的速度Uf，max和Uf，min。此外，所述控制器還使調節閥5和50同步，以使曲線9和11同相。該雙重的同相振蕩使得液滴尺寸可以保持恒定，并因此使得燃料噴霧4的大部分物理特征尤其是蒸發時間也可以保持恒定。因此，在流量變化期間保持了額定條件下所實現的燃燒(狀態)，即，完全燃燒。
當限定了霧化氣體的最小和最大流量及速度值時，也限定了燃料的最小和最大流量及速度值。為了確保恒定的液滴尺寸和不變的霧化狀態，使液態燃料的速度在等于0.3倍額定速度的最小值和等于1.7倍額定速度的最大值之間振蕩。
圖4示出火焰長度Lf隨液態燃料流量的變化。與圖2所示的示例中相同，所使用的霧化氣體是空氣，并且液態燃料具有2.3m/s的額定速度。因此，液態燃料的速度在0.7m/s和3.9m/s之間變化。霧化氣體使得能夠獲得穩定的火焰和完全燃燒的額定速度值確定為等于99m/s。根據上述等式，霧化氣體的速度因此在67m/s和118m/s之間變化。在這些條件下，當額定火焰長度為4m時，火焰長度在1.7m和6m之間變化。
盡管已結合具體的示例性實施例對本發明進行了說明，但是，本發明當然絕不是局限于此，只要它們落入本發明的范圍內，則本發明包括所述方法的所有技術等同物以及它們的組合。
權利要求
1.一種用于液態燃料燃燒的方法，該方法包括通過注入與液態燃料接觸的霧化氣體以產生液態燃料的噴霧(4)，然后使由此產生的噴霧與氧化劑(7)接觸從而使噴霧發生燃燒的步驟，所述霧化氣體以圍繞一使燃料完全燃燒的額定速度值變化的可變速度注入，所述方法的特征在于，以小于霧化氣體的額定速度值的1.2倍的最大速度注入霧化氣體。
2.根據權利要求1所述的燃燒方法，其特征在于，以大于所述霧化氣體的額定速度值的0.7倍的最小速度注入霧化氣體。
3.根據權利要求1或2所述的燃燒方法，其特征在于，以變化頻率在0.1和10Hz之間的速度注入所述霧化氣體。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的燃燒方法，其特征在于，通過控制流動調節閥實現所述霧化氣體注入速度的變化。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的燃燒方法，其特征在于，所述液態燃料以一可變速度脈動。
6.根據權利要求5所述的燃燒方法，其特征在于，所述液態燃料以與所述霧化氣體的注入速度同相變化的速度脈動。
7.根據權利要求5或6所述的燃燒方法，其特征在于，通過控制流動調節閥實現所述液態燃料速度的變化。
全文摘要
本發明涉及一種用于使液態燃料燃燒的方法，該方法包括通過注入與液態燃料接觸的霧化氣體以產生液態燃料的噴霧(4)，然后使由此產生的噴霧與氧化劑(7)接觸從而使所述噴霧燃燒的步驟。所述方法的特征在于，以可變速度注入霧化氣體。
文檔編號F23D11/10GK101091089SQ200580045191
公開日2007年12月19日 申請日期2005年12月19日 優先權日2004年12月31日
發明者R·齊阿瓦, P·勒庫爾, B·勒魯 申請人:喬治洛德方法研究和開發液化空氣有限公司