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CN107667257B - 用于低速燃料流的燃烧方法 - Google Patents

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CN107667257B
CN107667257B CN201680029294.8A CN201680029294A CN107667257B CN 107667257 B CN107667257 B CN 107667257B CN 201680029294 A CN201680029294 A CN 201680029294A CN 107667257 B CN107667257 B CN 107667257B
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Abstract

本发明提供了一种燃烧方法，其中将具有小于50英尺/秒速度的燃料气体与具有至少200英尺/秒速度的动力气体流混合以形成具有大于50英尺/秒速度的流，并且所述混合流与氧化剂一起燃烧。具体地讲，当经加热的燃料气体加热再生器时，产生具有低速度的燃料，然后燃料和烟气的混合物穿过所述再生器以经历吸热反应，所述吸热反应产生合成气，所述合成气连同动力气体流一起进料到加热炉中。可在用于所述燃料的所述管道中或者从点火口外部的壁中的点以特定的距离将所述动力气体流进料到所述点火口内部。所有实施方案均能够更好地控制火焰的形状。

Description

用于低速燃料流的燃烧方法
技术领域
本发明涉及一种燃烧方法，其中用于燃烧的反应物以低速引入到加热炉(诸如玻璃熔炉)中，其中材料被进料到加热炉中并且被在加热炉内发生的燃烧的热量加热和/或熔化。
背景技术
美国专利6,113,874中描述了一种称为热化学再生器(TCR)的有用技术，用于利用加热炉(诸如玻璃熔炉)中产生的烟气中的热量。在该技术中，烟气穿过再生器而加热该再生器。从该再生器出来的烟气的一部分与气态燃料混合，然后将所得的混合物进料到已被充分加热的另一个再生器中，从而凭借混合物中组分之间的吸热反应将混合物转化成合成气。然后将所得的合成气从其在其中形成的再生器进料到加热炉中以进行燃烧。在适当的时间间隔内，颠倒在其中执行操作的再生器。
虽然该技术大体上具有许多吸引人的特征，但本发明人意外地发现了提高该技术的效率的方法。
发明内容
因此，本发明的一个方面是在加热炉中进行燃烧的方法，该方法包括
(i)将燃料气体以小于50英尺/秒(优选地小于25英尺/秒)的速度通入具有连接至加热炉的内部的出口的管道中，
(ii)将具有至少200英尺/秒速度的至少一个动力气体流注入管道内的燃料气体中，其中注入燃料气体中的动力气体的质量流率小于动力气体所注入的燃料气体的质量流率的60％，
(iii)夹带至少50体积％以及优选地至少70体积％的燃料气体到动力气体流中，从而在管道中形成至少一个混合流，该至少一个混合流包括燃料气体和动力气体的混合物并且具有大于50英尺/秒的速度，
(iv)将所述混合流以大于50英尺/秒的速度从所述管道通入所述加热炉中，以及
(v)使该混合流与注入所述加热炉中的一个或多个氧化剂流一起燃烧。本发明的另一个方面是在加热炉中进行燃烧的方法，该方法包括：
(i)将来自热化学再生器的合成气气体以小于50英尺/秒(优选地小于25英尺/秒)的速度通入具有连接至加热炉的内部的出口的管道中，
(ii)在距加热炉的内壁的上游距离L处，将具有至少100英尺/秒并且优选地至少200英尺/秒速度的至少一个动力气体流从管道内的具有内径D的喷嘴注入管道内的合成气中，其中注入燃料气体中的动力气体的质量流率小于动力气体所注入的燃料气体的质量流率的60％，
(iii)需满足的条件是(L/D)×(N/R)的值为5至25或甚至4至25，其中N为注入管道中的合成气中的动力气体流的数量，并且R为通入管道中的合成气的总质量流率与注入管道内的动力气体流或全部动力气体流的总质量流率的比率，从而夹带合成气到管道内的动力气体流中，并且在管道内形成至少一个混合流，该至少一个混合流包括合成气和动力气体的混合物并且具有大于50英尺/秒的速度，
(iv)将所述混合流以大于50英尺/秒的速度从所述管道通入所述加热炉中，以及
(v)使该混合流与注入所述加热炉中的一个或多个氧化剂流一起燃烧。本发明的优选方面是在加热炉中进行燃烧的方法，该方法包括：
(A)在加热炉中燃烧燃料以产生气态燃烧产物；以及
(B)交替地
(1)(i)将该气态燃烧产物的一部分通入冷却的第一再生器中并穿过所述冷却的第一再生器，以加热第一再生器并冷却气态燃烧产物的所述部分，
(ii)将燃料和来自所述第一再生器的气态燃烧产物的所述冷却部分的至少一部分通入经加热的第二再生器中，并且在第二再生器中，使气态燃烧产物和燃料在第二再生器中以吸热反应形式发生反应，以形成包括氢气和CO的合成气，
(iii)将在第二再生器中形成的所述合成气以小于50英尺/秒(优选地小于25英尺/秒)的速度通入具有连接至加热炉的内部的出口的第一管道中，
(iv)在距加热炉的内壁的上游距离L处，将具有至少100英尺/秒以及优选地至少200英尺/秒速度的至少一个动力气体流从第一管道内的具有内径D的喷嘴注入第一管道内的合成气中，其中注入合成气中的动力气体的质量流率小于动力气体所注入的合成气的质量流率的60％，
需满足的条件是(L/D)×(N/R)的值为5至25或甚至4至25，其中N为注入第一管道中的合成气中的动力气体流的数量，并且R为通入第一管道中的合成气的总质量流率与注入第一管道内的动力气体流或全部动力气体流的总质量流率的比率，从而夹带合成气到第一管道内的动力气体流中，并且在第一管道内形成至少一个混合流，该至少一个混合流包括合成气和动力气体的混合物并且具有大于50英尺/秒的速度，以及
(v)将所述混合流以大于50英尺/秒的速度从所述第一管道通入所述加热炉中，并且将该混合流与注入所述加热炉中的一个或多个氧化剂流一起燃烧；以及
(2)(i)将该气态燃烧产物的一部分通入冷却的第二再生器中并穿过所述冷却的第二再生器，以加热第二再生器并冷却气态燃烧产物的所述部分，
(ii)将燃料和来自所述第二再生器的气态燃烧产物的所述冷却部分的至少一部分通入经加热的第一再生器中，并且在第一再生器中，使气态燃烧产物和燃料在第一再生器中以吸热反应形式发生反应，以形成包括氢气和CO的合成气，
(iii)将在第一再生器中形成的所述合成气以小于50英尺/秒(优选地小于25英尺/秒)的速度通入具有连接至加热炉的内部的出口的第二管道中，
(iv)在距加热炉的内壁的上游距离L处，将具有至少100英尺/秒以及优选地至少200英尺/秒速度的至少一个动力气体流从第二管道内的具有内径D的喷嘴注入第二管道内的合成气中，其中注入合成气中的动力气体的质量流率小于动力气体所注入的合成气的质量流率的60％，
需满足的条件是(L/D)×(N/R)的值为5至25或甚至4至25，其中N为注入第二管道中的合成气中的动力气体流的数量，并且R为通入第二管道中的合成气的总质量流率与注入第二管道中的动力气体流或全部动力气体流的总质量流率的比率，从而夹带合成气到第二管道内的动力气体流中，并在第二管道内形成至少一个混合流，该至少一个混合流包括合成气和动力气体的混合物并且具有大于50英尺/秒的速度，以及
(v)将所述混合流以大于50英尺/秒的速度从所述第二管道通入所述加热炉中，并将该混合流与注入所述加热炉中的一个或多个氧化剂流一起燃烧。
本发明的另一个实施方案是在加热炉中进行燃烧的方法，包括：
(i)将燃料气体以小于50英尺/秒的速度通入具有连接至加热炉的内部的出口的管道中，
(ii)将具有至少200英尺/秒速度的至少一个动力气体流注入管道内的燃料气体中，其中注入燃料气体中的动力气体的质量流率小于动力气体所注入的燃料气体的质量流率的60％，
(iii)在管道内形成至少一个混合流，该至少一个混合流包括燃料气体和动力气体的混合物并且在所述出口的方向上具有大于50英尺/秒的动量平均速度，
(iv)将所述混合流从所述管道通入所述加热炉中，以及
(v)使该混合流与注入所述加热炉中的一个或多个氧化剂流一起燃烧。
实施本实施方案的优选条件包括：
所述动力气体的总动量大于所述燃料气体的动量的五倍；
注入燃料气体中的动力气体的质量流率小于动力气体所注入的燃料气体的质量流率的30％；
注入燃料气体中的动力气体的质量流率大于动力气体所注入的燃料气体的质量流率的5％且小于动力气体所注入的燃料气体的质量流率的20％，
在距加热炉的内壁的上游距离L处，将动力气体从管道内的具有内径D的喷嘴注入燃料气体中，需满足的条件是(L/D)×(N/R)的值为4至25，其中N为注入管道中的燃料气体中的动力气体流的数量，并且R为通入管道中的燃料气体的总质量流率与注入管道中的动力气体流或全部动力气体流的总质量流率的比率，从而夹带燃料气体到管道内的动力气体流中，并且在管道内形成至少一个混合流，该至少一个混合流包括燃料气体和动力气体的混合物并且具有大于50英尺/秒的速度；
动力射流包括氧气、蒸汽、回收烟气或燃料气体；
以至少200英尺/秒的速度，在水平方向上相对于彼此成发散角地将至少两个动力气体流朝向所述出口注入管道内的燃料气体中，并且注入燃料气体中的每个动力气体流的质量流率小于动力气体所注入的燃料气体的质量流率的10％；
所述加热炉是具有至少两个管道的玻璃熔炉，燃料气体从这些管道通入加热炉中，其中每个管道具有穿过加热炉的侧壁连接至加热炉的内部的出口。
本发明包括参考气体流动的相对动量来定义的优选实施方案。
一个实施方案是在配备有热化学再生器的加热炉中进行燃烧的方法，该加热炉具有点火口，经加热的合成气可通过所述点火口进入加热炉；一个或多个氧化剂口，氧化剂可通过所述口注入加热炉中；和排气口，所述排气口连接至加热炉并且气态燃烧产物可通过所述排气口从加热炉中离开，该方法包括：
(i)使经加热的合成气以小于50英尺/秒的速度和动量F通过点火口流入加热炉中，
(ii)将具有至少100英尺/秒速度的至少一个动力气体流以动量M注入连接至点火口的管道中，以夹带所述合成气到动力气体流中，并且将所得的组合流喷射到加热炉中，
(iii)将一个或多个氧化剂流以总动量O通过所述一个或多个氧化剂口注入加热炉中，其中每个氧化剂流的轴线被设置在距点火口的内部周边3英寸至30英寸之间，并且将注入的氧化剂与夹带到动力气体流中的燃料流混合，以形成喷射到加热炉中但既不接触加热炉的壁也不接触加热炉的炉拱的可见火焰；以及
(iv)使气态燃烧产物以动量X通过排气口从加热炉中排出，其中组合动量F+M+O大于动量X的150％。
另一个这种实施方案是在配备有热化学再生器的加热炉中进行燃烧的方法，该加热炉具有点火口，经加热的合成气可通过所述点火口进入加热炉；一个或多个氧化剂口，氧化剂可通过所述口注入加热炉中；和排气口，所述排气口连接至加热炉并且气态燃烧产物可通过所述排气口从加热炉中离开，该方法包括：
(i)使经加热的合成气以小于50英尺/秒的速度和动量F通过点火口流到加热炉中，
(ii)从点火口外部的点将具有至少100英尺/秒速度的至少一个动力气体流以动量M注入加热炉中并将一个或多个氧化剂流以总氧化剂动量O注入加热炉中，其中动力气体和氧化剂中的每个流的轴线被设置在距点火口的内部周边3英寸至30英寸之间，并且夹带周围的炉气和合成气，以形成喷射到加热炉中但既不接触加热炉的壁也不接触加热炉的炉拱的可见火焰，以及
(iii)使气态燃烧产物以动量X通过排气口从加热炉中排出，其中组合动量F+M+O大于动量X的150％。
在这些实施方案中，动量值F、M、O和X均应以相同的单位表示，诸如(磅/小时)乘以(英尺/秒)。
在上述两个实施方案中，优选条件包括：
排气口是进入如本文所述在“烟道循环”中操作的再生器的入口，其中热的气态燃烧产物从加热炉流入再生器以加热该再生器。
组合动量F+M+O大于动量X的300％；
所述动量M大于动量X；
所述氧化剂流的每个流的动量大于L；
所述动力气体占注入所述加热炉中的氧化剂总流量的5％至20％；
所述氧化剂流以大于100英尺/秒的速度注入；
通过所述点火口进入所述加热炉的所述经加热的合成气的密度小于在所述排气口处离开所述加热炉的所述气态燃烧产物的密度；
在水平方向上相对于彼此成发散角地将至少两个动力气体流注入每个点火口内的所述经加热的合成气中，以便形成在水平方向上宽的可见火焰；
所述点火口和所述排气口均成角度，以减少从加热炉到热化学再生器的直接辐射热传递。
优选地，动力气体和燃料气体的混合物的氧气含量小于用于完全燃烧混合物中的燃料气体或合成气的化学计量需求，并且将包括氧气的一个或多个气态氧化剂辅助流注入加热炉中以与混合物中燃料气体或合成气的剩余部分一起燃烧。
附图说明
图1、图1a、图1b和图2至图3是本发明的不同方面的示意图。
图4是实施本发明的玻璃加热炉的俯视图。
图4a是可实施本发明的另选实施方案的俯视图。
图5a是实施本发明的玻璃加热炉的替代实施方案的俯视图。
图5是在沿图4的A-A线截取的横截面上观察到的图4所示的玻璃加热炉的侧视图。
图6是从加热炉内观察的图4和图5的玻璃加热炉的一侧的前视平面图。
图7a、图7b和图7c是显示本发明的另选实施方案的玻璃加热炉的一侧的前视平面图。
具体实施方式
本发明通常适用于燃料或氧化剂以低速(所谓低速是指燃料和氧化剂中的一者或两者可以以低速进入加热炉)进入加热炉的燃烧过程。本文所述的动力气体流以及动力气体流夹带燃料气体(诸如合成气)的用途为具有以低速注入的燃料流或氧化剂流的任何加热炉提供了有用的优势。
本发明在本文中对一个优选类型的加热炉进行了具体的详细描述，即采用从高温烟气排气流中重新捕获可用热量的热回收过程的加热炉。该热回收方法分两个循环进行，这两个循环在本文中称为烟道循环和重整循环。这两个循环在两个或更多个方格填充的再生器中交替执行。热回收方法的实施优选地与加热炉和其他燃烧装置相关联，这些装置采用“富氧”燃烧方法，也就是说燃料与具有至少50体积％氧气、以及优选地至少75体积％氧气或80体积％氧气、更优选至少90体积％氧气、并甚至至少99体积％氧气的氧气含量的气态氧化剂一起燃烧，因为通过富氧燃烧产生的烟气具有较高的H2O和CO2浓度，这两者均促进在本发明方法中使用的吸热重整反应。在烟道循环期间，第一再生器中的方格提取并存储从加热炉中进料到再生器并穿过该再生器的高温烟气中的热量。然后，在重整循环中，将离开第一再生器的冷却烟气的一部分(本文中称为回收烟气或RFG)进料到另一(第二)再生器中并与燃料流混合(本文中称为重整燃料或RF)。在下面的描述中，出于说明的目的，纯甲烷(CH4)被描述为重整燃料。其他符合要求的燃料包括任何可燃的气体、气体混合物或汽化液体燃料，包括但不限于天然气、丙烷和LPG(液化石油气)。
在重整循环中，如本文所述，RFG/重整燃料混合物进入其中方格已受热的第二再生器中，并穿过第二再生器流向加热炉。穿过第二再生器的RFG/RF混合物的温度通过从已预热的方格中提取热量而继续增加。一些燃料在穿过方格时会在加热下发生吸热断裂，并且形成H2、其他烃类和烟灰。随着RGF/RF混合物穿过第二再生器，其达到重整反应开始发生并持续发生的温度，从而产生包括H2和CO的产物。重整反应是吸热的，并且促进重整反应所需的热量从受热的方格中吸收。由重整反应产生的气体组合物通常包括一种或多种组分，诸如H2、CO、未反应的气体(包括H2O、CO2、CH4)、其它烃类和烟灰。由此产生的气体组合物在本文中也称为“合成气”。从第二再生器中出来的合成气进入加热炉，并在加热炉中与氧化剂一起燃烧，以提供用于加热和/或熔化加热炉中材料的热能。
一段时间之后，颠倒两个再生器的操作，即将在烟道循环中使用的再生器切换到重整循环，并且将在重整循环中使用的再生器切换到烟道循环。又一段时间之后，再次颠倒两个再生器的操作。颠倒的时机可由经过的时间，或者由其他标准诸如从处于烟道循环的第一再生器离开的烟气的温度来确定。颠倒过程根据预定的机制和方案实施，其中根据具体的定时按顺序打开和关闭阀门。
首先下文结合图1至图3描述了本发明的操作和控制。用在端壁3上配有两个再生器的马蹄焰玻璃加热炉10作为示例。然而，当成对的再生器如图1a所示并排位于加热炉10的一侧或者如图1b所示被定位在加热炉10的相对两侧上时，可以以相同的方式执行本文所述的这对再生器的操作。当再生器位于加热炉的相对侧上时，它们各自的口位于垂直于加热炉纵向轴线的轴线上，交替地气态燃烧产物通过这些口从加热炉中离开并且合成气(燃料气体)通过这些口进入加热炉。
如图1所示，马蹄焰玻璃加热炉10具有侧壁11和12以及进料站20，在该进料站中包括固体玻璃制造材料的进料30(称为批料和/或碎玻璃)被填装到加热炉中进行加热和熔化。熔融玻璃从加热炉10的流出表示为90。加热炉10在加热炉左侧配备有第一再生器100，并在加热炉右侧配备有第二再生器200。两个再生器的垂直剖面图在图2和图3中更详细地示出。如图1a或图1b所示定位的成对的再生器100和200彼此连接并进行操作，如下文参照图1-3、图4-4a、图5-5a、图6-7和图7a-7c所述。
如图2所示，再生器200处于烟道循环中，其中烟气流50从加热炉10的内部进入炉颈240，然后流经氧分析仪250流至再生器200的顶部空间530。随着烟气流流过再生器200内方格之间的通道而使方格(表示为520)受热，并通过承载在拱510上的气体通道515进入室底部空间500，该拱也支承整个方格床的重量。如图1所示，在加热炉10中产生的烟气的一部分52可通过部分打开的阀350分流至管道70中，然后进入烟囱340以排出，这意味着这部分烟气不重新进入加热炉，而是排放到大气中和/或传送至用于存储和/或进一步处理的一个或多个其他站或这些目的地的任何组合。为了实现最大热回收，优选的是关闭阀350，使得基本上全部炉烟气作为烟气流50进入再生器200。
如图1和图2所示，经冷却的烟气流201离开管道260中的再生器200，穿过打开阀210和氧传感器310，然后进入鼓风机300的吸入侧。离开鼓风机压力侧的烟气301的大部分穿过阻尼器330，然后穿过流量计332，最终被引导进入烟囱340，如本文所定义这部分烟气通过该烟囱离开系统以排出。烟气的一部分303穿过管道320和阀360再循环至再生器100的底部。这是回收烟气(RFG)。其流量由流量计322测量。待进料至第二再生器100的重整燃料由管道130通过阀120提供。
如图3所示，来自流130的重整燃料(RF)在管道128的位置127处与RFG 303相交并混合，该管道还与再生器100的底部空间400连通。该RFG/RF混合物通过拱410上的气体通道415进入再生器100内已预热的方格组420中。由于烟气从加热炉通入再生器100中并穿过该再生器，再生器100已经在先前的循环中受热。RFG/RF混合物的温度随着其流过再生器100的方格组而增加。一些燃料在穿过方格时会在加热下发生吸热断裂，并且形成H2、其他烃类和烟灰。当RFG/RF的温度达到重整温度时发生吸热重整反应，其中重整燃料(例如，CH4)与RFG中的CO2和H2O反应并形成CO、H2和一些烟灰。吸热重整反应所需的热量取自受热的方格。重整反应随着RFG/RF混合物继续朝顶部空间430行进而继续。气态流425(本文中称为“重整”或“合成气”气流)从方格组420的顶部离开。流425具有高温，并且包括诸如CO、H2、烟灰、未反应的CH4以及未反应的CO2和H2O等物质。合成气流425穿过炉颈140和氧传感器150，并进入加热炉10。合成气流在例如1800F至2500F范围内的温度下离开方格组420。
动力气体流142(在图3中示出并在下文更全面地描述)穿过打开阀144并混入流425中。将所得的混合流143通入加热炉10中，并在加热炉10中燃烧以产生可用于加热和/或熔化加热炉中材料(诸如玻璃制造材料)的额外燃烧热。用于燃烧合成气的氧化剂由具有打开阀115的导管135提供。该氧化剂可以是空气，或者它可具有高于空气的氧气含量，即至少21体积％、以及优选地等于或高于75体积％或80体积％、更优选地等于或高于90体积％、或甚至至少99体积％的氧气含量。
通常，当一个再生器处于烟道循环中，另一个再生器处于重整循环中(如图1所示)时，热回收过程进行约20至40分钟或者直到重整再生器中的方格太冷而不能提供足够的热量来促进所需的吸热化学反应。此时，现在本文继续描述再生器200处于烟道循环中且再生器100处于重整循环中的情况，加热炉10发生颠倒，其中再生器200转换至重整循环用于热量回收，并且再生器100转换至烟道循环用于热量积聚。在颠倒之前，再生器100中剩余的合成气将被吹扫到加热炉10中。在这种情况下，首先通过关闭阀120终止向再生器提供重整燃料，同时让来自鼓风机300的RFG继续流动。再生器100中剩余的合成气被RFG吹扫规定的时间量，使得再生器中几乎全部的合成气被排入到加热炉中并完全燃烧。
颠倒之后，来自加热炉的烟气穿过再生器100，然后烟气的一部分通到排气口(如本文所定义)而一部分或剩余部分与燃料混合，并且该混合物穿过再生器200并进入加热炉。打开曾关闭的阀110，关闭阀210，然后关闭阀360并且打开阀380，以允许受热烟气从再生器100朝鼓风机300传送并穿过鼓风机，并且允许该烟气的一部分303在与重整燃料230混合后通入再生器200中，该重整燃料通过曾关闭但现打开的阀220进入。由于在此阶段不发生由通过阀115的氧化剂辅助的燃烧，关闭曾打开的阀115，并且打开阀225。所得的重整燃料与回收烟气的混合物在再生器200中发生如本文所述在先前循环的再生器100中发生的吸热反应，以产生合成气425，该合成气通入加热炉10中，在该加热炉中其与通过阀225进料的氧化剂235一起燃烧。
颠倒之后，也关闭阀144并且打开阀244，使得动力气体流242与从再生器200排出的合成气混合，并且所得的混合物进入加热炉10用于燃烧。
在热回收期间，加热炉10可与其他燃烧器诸如60和65共烧，使得合成气火焰40和燃烧器火焰62和64并存。此外，当重整再生器100或200(视情况而定)正经历上述吹扫序列时，燃烧器60和65在颠倒期间可进行或可不进行烧制。为了实现最大热回收，优选的是，燃烧器60和65不与合成气火焰40共烧。还优选的是，在吹扫序列期间，燃烧器60和65不进行烧制。
为了在加热炉中实现期望的火焰特性，重要的是产生从点火口向相对壁喷射的长火焰，该火焰在大的表面积上具有良好的火焰覆盖度。在玻璃加热炉中实现这些期望的火焰特性，会使玻璃有效熔化以及达到良好的澄清性能。
然而，当本发明人试图遵循现有技术的空气再生器燃烧器设计以获得由在TCR中形成的合成气产生的长火焰，通过将氧气注入器喷枪放置在合成气口的下方并注入氧气以在玻璃加热炉中形成期望的火焰形状时，他们发现现有技术的再生器设计原则是无效的。使用计算流体力学(CFD)程序模拟典型的容器玻璃加热炉，并且当氧气射流数量、位置、注入速度和方向发生变化时，分析火焰的形状和热传递状况。尽管氧气注入喷嘴附近的一些合成气被快速地夹带到氧气射流中以形成局部火焰，但一些合成气流动遵循加热炉内现有炉气对流的自然循环模式，在燃料气体与氧化剂混合用于燃烧之前将其以高浓度引导至接触壁和炉拱耐火表面。这种情况是非常不期望的，并且可能导致耐火材料损坏、局部过热、未燃烧的燃料通过排气口逸出，以及对填装到加热炉中的批料材料的热分配不均。
本发明人已经发现两种不同的一般方法来防止不受控的燃料流动状况(即，不受控的火焰形状)，他们认为这种状况是由通过TCR口进入加热炉的热合成气的非常低的速度引起的。第一种方法是使用合成气流内的动力气体将低速合成气转化为明确的较高速度的气流。第二种方法是在合成气口周围放置足够数量的高速射流以将合成气与周围的炉气一起夹带到多个氧化剂射流中，以控制火焰的形状和火焰温度。此外，本发明人还发现了一种形成从燃烧壁向加热炉的相对壁喷出的长的富氧火焰用于从燃烧壁上的点火口流出的低速合成气燃料流的方法。在以下章节中，详细描述了这些发明。
对于本发明中动力气体流的实施，其可用于(特别是与富氧燃烧一起)在加热炉或其它燃烧室中由小于50英尺/秒以及更优选地小于25英尺/秒的低速燃料流或氧气流产生具有低峰值火焰温度的良好轮廓的火焰，其中具有低质量流率的至少一个高动量动力气体流142被引入到连接至加热炉的气体供应通道(管道)(交替地，140和240)内的低速流中，以在出口143的方向上形成进料到加热炉中的更高速度的混合流。动力气体流的速度应为至少100英尺/秒、优选地至少200英尺/秒、更优选地至少400英尺/秒。混合之后，该混合流在进入加热炉时具有大于50英尺/秒并且更优选地大于100英尺/秒的气体速度。
当动力气体流所进料入的燃料流或氧气流具有低的气体密度以及在通道中具有小于30英尺/秒或甚至小于15英尺/秒的速度时，本发明是特别有用的。已经发现，利用本发明避免了火焰(由合成气或其他燃料气体的燃烧形成)向上移动或向加热炉的炉拱上升的风险，这避免了由于非常高的火焰温度而损坏炉拱的风险。实际上，在如本文所述夹带到动力气体中的燃料气体或合成气的密度低于由加热炉中的燃烧形成的气态燃烧产物的密度的情况下，本发明是特别有用的。
进入加热炉的混合流的注入点和任何辅助流(诸如氧化剂)的注入点可以间隔开以防止快速地局部混合，这可能形成具有高NOx排放的高温火焰。混合流的速度被定义为动力气体流和动力气体流所进料入的原始低速流的动量平均速度。当采用两个或更多个动力气体流时，优选的是，进入加热炉的至少一个流具有大于100英尺/秒的速度，并且优选地，所有流具有大于100英尺/秒的气体速度。全部动力气体流的总质量流率小于动力气体所进料入的低速燃料流的质量流率的60％、优选地小于30％、最优选地小于20％、或甚至15％。优选地，每个动力气体流由在加热炉中燃烧的燃料或氧化剂组成。动力气体最优选地包括将在加热炉中燃烧的氧气。特别优选的是，动力气体流包括至少75体积％的氧气，并且优选至少90体积％的氧气，特别是用于与来自本文所述的热化学再生器方法的合成气一起燃烧。在另一个优选的方面，注入燃料气体或合成气中的动力气体的质量流率提供10％(或甚至5％)至35％、优选地介于4％至25％(或甚至20％)之间的动力气体所注入的完全燃烧燃料气体或合成气所需的氧气的化学计量质量流率。
为了在使用热化学再生器的加热炉中使用本发明，动力气体流优选地由用于燃烧动力气体流所进料入的流中的燃料的氧化剂的一部分组成(即，小于化学计量需求的100％)。任何其他气体如压缩RFG、蒸汽、燃料气体和空气都可用作动力气体。包括燃烧氧化剂的该部分的动力气体流通过安装在燃料供应管道内的喷嘴或多个喷嘴提供，低速燃料流通过该管道从再生器传送到加热炉中。包括燃烧氧化剂的这部分的动力气体流具有通过使用合适的注入喷嘴产生的高速度以及非常高的动量。高动量的动力气体流不仅夹带、混合以及燃烧部分周围的低速燃料，并且通过燃料与动力气体流之间的动量交换，朝期望的位置将剩余的未燃烧的低速燃料夹带、推动并引导到燃烧罩壳(加热炉)中。在进入加热炉之前夹带至少50体积％、优选地至少70体积％、和更优选地至少90体积％的燃料气体或合成气到低速燃料气体管道内的动力气体流中，从而形成通入加热炉中的混合流。被夹带的燃料气体的质量流率和注入的动力气体的质量流率的比率与缩进距离L和将动力气体流进料到管道中所通过的喷嘴端的直径D的比率(即，L除以D)大致成比例，其中缩进距离L被定义为进入管道的注入点(喷嘴的端部670处)与通至加热炉的管道出口(即，至管道结束处的加热炉内部的内表面)之间的距离(L是图5中690所示的距离)。因此，使用本文所述的关联，通过对燃料供应管道和动力气体喷嘴的特定几何形状进行测试，可以为任何给定的装置确定提供夹带到动力气体流中所需量的合成气的L/D优选范围。
辅助氧化剂(本文也称为“第二氧化剂”)流可以从与运送混合流的管道间隔开的一个或多个注入点引入到燃烧罩壳中，用于完成混合流中被推入到加热炉中的剩余燃料的燃烧。优选地，辅助氧气从合成气管道的中心线下方的两个至四个注入点注入。更优选地，辅助氧气从合成气管道下方的两个至四个注入点注入，以便在与加热炉中所含的材料接触的加热炉下部内的气氛的至少部分保持氧化气氛。
在用于低速燃料的这种燃烧过程中，动力气体流的动量和任何辅助氧化剂流的动量远大于动力气体所进料入的流的动量。因此，加热炉中的流场特性(诸如流动方向、速度大小和流动循环区域的位置)受到由为这两种氧化剂流设计的动量的方向(即矢量角)和大小的强烈影响并主要由其决定。能够在所述燃烧过程期间改变或修改加热炉流动特性的这种附加能力对于实现加热炉中的优化的热性能和所需的温度分布是特别有利的。另外的优点包括减少NOx排放、减少携带在烟气中的颗粒物以及提高玻璃加热炉中的能量利用效率，以及调节加热炉中熔融玻璃制造材料或其他材料附近的气态气氛的氧化还原状态(即，更多氧化或更少氧化，更多还原或更少还原)的能力。因此，本发明允许在加热炉中的装料上方建立氧化气氛，这通常有助于改善所生产的产品的性质。
由于在加热炉内形成主火焰之前，动力气体流将夹带并推动低速燃料流进入燃烧罩壳中，将动力气体流进料到管道中以与低速流混合的位置缩进到远离加热炉本身的热内壁的管道内，以便夹带大部分低速燃料流以及限制或最大限度地减少进入管道的炉烟气的夹带。
还可以实施本发明的燃烧方法以影响加热炉中的整体流动模式，从而实现最佳的加热炉热性能。这与仅出于燃烧目的而使用高速射流夹带低速射流但不显著影响整个加热炉流动模式的燃烧器不同。例如，在玻璃加热炉应用中，本发明实践中的动力气体流和第二氧化剂流可以被设计成获得优选的加热炉流场，从而避免加热炉的耐火壁或炉拱过热，以及在玻璃表面附近具有低的局部气体速度以最大限度地减少碱挥发。下文还将更详细地描述这种控制整个加热炉流场的方法。
当使用非燃烧气体(N2、CO2、蒸汽、回收烟气等)时，通过使用具有高速和低质量流率的动力气体流来最大限度地减少燃料流或氧气流的稀释。由于将非燃烧气体注入加热炉中会降低加热炉的能量效率，所以最大限度地降低动力气体流的质量流率是特别重要的。当使用小流量的可燃气体(例如，动力气体是进料到氧气流中的燃料或者是进料到燃料流中的氧气或空气的动力气体流)时，由气体通道内的反应产生的热量很小并且防止气体通道过热。当低速流具有高温时，这是一个重要的考虑因素，如同对于在热化学再生器(TCR)操作中预热的燃料流的情况。
在玻璃加热炉的热化学再生废热回收系统中，烟气排放和预热燃料气体供应交替地使用相同的管道通道(即再生器炉颈)。这意味着对于这两种用途，管道大小是相同的。口的入口处的烟气速度通常设计在20英尺/秒至50英尺/秒甚至高达60英尺/秒的范围内，以防止批量颗粒携带并促进再生器中方格组的大横截面积上方的均匀流动分布。烟气速度还受到排气鼓风机的功率以及由高速导致的耐火材料内衬高温管道的内表面的磨损状况的限制。由于来自TCR的燃料气体体积流量显著小于来自加热炉的烟气流量，因此燃料气体通过共用的管道时产生的速度较低。通过与包括氧化剂的动力气体流结合赋予燃料气流更高的动量和更高的速度矢量，本发明提高了进入燃烧空间的低速燃料气流的排放速度。这对于在燃烧空间入口处没有动力气体射流而燃料气体的动量太低不能保持其自身的流动方向的情况下进行有效燃烧是重要的。在没有增加动量和速度矢量的情况下，燃料气体将遵循燃烧空间内的现有对流单体的自然循环模式，在燃料气体与氧化剂混合用于燃烧之前将其以高浓度引导至接触壁和炉拱耐火表面。这种情况是非常不期望的，并且可能导致耐火材料损坏、局部过热、未燃烧的燃料通过烟道出口逸出以及对过程装料的热分配不均。本发明通过以下方式解决了所有这些不期望的状况：当燃料气流进入燃烧空间时赋予燃料气流动量和方向，从而允许以在可用体积内完成燃烧的方式引导所得的混合物，并提供有利的热释放模式、低NOx和CO排放以及玻璃表面的受控速度以防止从熔化表面产生过多的挥发物。
低压燃料可以被压缩以提高压力，以便增加燃料射流的动量和速度用于工业应用。然而，这种方法通常需要大量的安全措施和冗余来实现安全操作，这迅速地增加了燃料压缩的成本。燃料压缩也受到可用的工程材料的限制，并且要经受所允许的最大燃料温度。例如，高温和低压合成气燃料，在约2英寸水柱(即，2”-H2O)的供应压力以及其组成包括CO、H2、CH4和烟灰的情况下，即使在小于500F的中等温度下进行压缩也将是非常昂贵的。对于来自TCR的预热到2000F以上的合成气，则没有压缩这种流的切实可行的方法。
本发明通过使用喷嘴来产生高速的动力气体流(特别是在动力气体是氧化剂的情况下)，利用动力气体流的压力将低速燃料引导并递送到燃烧罩壳中。这些喷嘴可以由高温耐火材料制成，并且可选地安装在水冷或气冷金属喷枪的末端上以供使用。由于可从商业来源(例如VPSA装置)提供氧气或以足够高的压力提供液氧以用作第一和第二氧化剂流，所以本发明不需要昂贵的燃料压缩设备，并且应用简单、安全且经济实惠。
目前用于低速燃料燃烧的方法和装置还具有降低NOx排放并降低峰值火焰温度的附加益处，因为低速燃料转化为较高速度的混合流，并且被以分级燃烧的方式提供到燃烧罩壳中的至少两种氧化剂燃烧，如美国专利6,394,790和5,601,425所述。
本发明的另一个技术优点是可以通过不同的喷嘴设计来改变或修改加热炉的整体流动模式和流动特性，从而为动力气体流和辅助氧化剂流提供足够量的流动动量和气流角。
下面的图示参照图4、图4a、图5、图5a、图6-7和图7a-7c，并且描述了在用于烟气热回收的美国专利6,113,874中描述类型的配备热化学热再生器(TCR)的玻璃加热炉中的本发明的代表性实践和操作。
玻璃加热炉10在加热炉的壁3的左侧具有再生器100，并在壁3的右侧具有再生器200。如上所述，再生器100和200各自连接至管道(本文也分别称为炉颈140和240)，这些管道连接至玻璃加热炉10的内部。在图4和图5中，示出了处于重整循环中的再生器100，其中合成气425在方格组420中由燃料和回收加热炉烟气的热化学重整产生。该合成气流425通常由CO、H2、CH4、CO2、N2、其它烃类物质和烟灰组成。其具有通常高于2000F或2100F的温度，和低于18或甚至低于14(即，气体密度低于0.01磅/立方英尺或甚至低于0.007磅/立方英尺)的重均分子量，但其压力非常低，在加热炉环境压力下，为小于0.1英寸水柱或甚至小于0.5英寸水柱(0.1”-H2O或甚至小于0.5”-H2O)的数量级。合成气流425穿过平面630进入炉颈140并穿过平面640离开然后进入加热炉中用于燃烧，平面640为壁3的内表面的平面。
参考图5，动力气体流142穿过阀144进入具有耐火喷嘴670的金属喷枪660。动力气体流142可以是用于燃烧正进料到加热炉中的合成气或其它燃料气体的燃烧氧化剂的一部分。耐火喷嘴670优选地被设计成具有总燃烧氧化剂流量的10％的通过量，并且氧化剂注入速度以约980英尺/秒的声速被阻塞。喷枪和喷嘴组件安装在炉颈(管道)140内，其中喷嘴670的排放端从上文定义的平面640缩进一定距离690。喷嘴670可以在其排放端上包括许多孔(未示出)，当这些孔采用优选设计时，使得氧化剂沿一个或多个方向流过这些孔以避免炉颈140内的耐火材料过热。
动力气体流142作为高速流从喷嘴670流出，其夹带大部分低速合成气425，从而在炉颈(管道)140中形成混合燃料流600。混合流600从管道140内部流出并进入加热炉10中。混合燃料流具有足够的动量以抵抗朝向加热炉10的顶部(炉拱)上升，并且相反地受助于耐火喷嘴670的设计在优选的方向630上穿透进入加热炉10的内部，以最大限度地减少或避免火焰接触或冲击加热炉的内壁和炉拱。
图4a示出了其中存在相对于彼此以发散角定位的两个喷嘴660的实施方案。动力气体流从管道140内的两个喷嘴660中流出，与管道140内的流425混合，并且所得的混合流600从该管道进入加热炉10的内部。
当然，当再生器在重整循环中操作时，虽然两个再生器100和200都具有用于注入动力气体的喷枪660，但喷枪660仅在重整循环中操作的再生器中使用。
一个或多个辅助氧化剂流750可以各自通过耐火砌块735内的其自身的喷枪760和喷嘴770组件提供到加热炉内部，用于注入燃烧氧化剂的余量以完全燃烧合成气或燃料气体。没有被夹带到动力气体流142中的低速合成气620可以被夹带到通入加热炉中的辅助氧化剂流785中进行燃烧。一个或多个喷嘴770中的注入孔被设计成使得辅助氧化剂在与由动力气体流142推动的未燃烧的合成气或燃料气流混合之前夹带周围的炉气，使得形成所需的主火焰790用于加热加热炉中的装料，例如用于熔化玻璃。主火焰790向加热炉内的装料800和810提供辐射和对流热能，该装料可包括固体800(诸如用于玻璃制造的批次和/或碎玻璃材料)和熔融液体810。如上所述，来自加热炉内部的烟气50被引导到再生器200中以预热其中的方格。图6是从加热炉内观察壁3的一部分的视图。如图6所示，喷嘴770位于管道140的出口140A的水平中心线的下方，并且优选地在管道出口140A的下方。虽然示出了两个喷嘴770，但是在每个出口140A处优选地具有两个到四个这种喷嘴770。
在实际的优选实践中，尽管未在图4和图5中示出，用于燃料气体或合成气、动力气体流以及辅助氧化剂流的另外的注入器(在功能上等同于上述的那些)也将安装在加热炉右侧的炉颈(管道)240和耐火砌块835上。当TCR过程已经进行了颠倒，其中合成气在再生器200中产生并且炉烟气被引导到再生器100中以预热方格组420时，会使用这些注入装置。
本发明的另一个优点是，动力气体的使用允许将低速反应物适当地分配到加热炉中，在这种条件下，连接至加热炉和再生器的管道不是直的，而是相对于再生器的方向在垂直或水平方向上成角度。
参考图5a，炉颈140被示出为相对于再生器100的向上方向具有锐角。再生器炉拱432的高度比加热炉10中的玻璃表面811高约7.5英尺。这种通常大的高度差异的原因在于，在没有基坑工程的情况下，再生器安装在现有的基底上。在这种情况下，从喷枪660喷出的高动量动力气体也提供了一种“泵送”效应，以从较高高度的再生器顶部空间向较低高度的炉燃烧空间抽取低速度、低密度和高浮力的合成气425。这种泵送效应有利地降低了鼓风机300(图1)必须在压力侧形成的压力要求，从而降低了过程运行成本。此外，由于炉颈240也像炉颈140一样成锐角，从炉10中的火焰790和热壁方向不能直接看到处于烟道循环中的再生器200的较冷的再生器顶部空间530(图2)。这种从热的加热炉到较冷的再生器顶部空间的视线阻挡减少了从加热炉10到再生器200的直接辐射热传递，这降低了向加热炉周围的孔口辐射损耗并且提高了TCR热回收效率。
本发明还可以应用于例如炉颈在水平方向上成角度并连接至再生器的玻璃加热炉中。当方格组420的顶层铺砌几乎与玻璃表面811高度相同，因此再生器炉拱的高度大致与加热炉炉拱的高度相同时，可采用动力喷枪的这种应用。图4a示出了从上方观察的这种TCR热回收装置，其中炉颈140,240在水平方向上成角度，并且动力喷枪660安装在重整再生器100的炉颈140中。在这种情况下，通过加热炉后壁3处的平面640从加热炉出来的辐射热通量被炉颈240的成角度的壁242,243部分地阻挡并反射回加热炉10中，从而具有减少口辐射热损失并提高TCR过程的热回收效率的类似效果。
其他优选的操作条件如下：
每个氧化剂流应具有大于50体积％、优选地大于75体积％的氧浓度。
每个进料到管道中以与燃料流或其他流混合的动力气体流在喷嘴出口处应具有200英尺/秒至高至音速或甚至超音速的速度。用作参考，如果燃烧罩壳(加热炉)的压力为1个大气压，对于氧气(70F入口)，喷嘴出口处的音速为980英尺/秒；对于70F空气，喷嘴出口处的音速为1030英尺/秒。
进料到给定燃料流中的动力气体应优选地包括(以体积计)进入加热炉中用于燃烧该燃料流中的燃料的总燃烧氧气的1％至50％(更优选地5％至30％、并甚至更优选地5％至15％)。
夹带至少50体积％、优选地70体积％、并更优选地至少90体积％的燃料气体或合成气到燃料管道中的动力气体流中，从而形成通入加热炉中的混合流。如上所述，被夹带的合成气或其他燃料气体的质量流率与注入的动力气体的质量流率的比率与L和D的比率(即，缩进距离L除以动力气体喷嘴的直径D)大致成比例，其中缩进距离L被定义为沿着喷枪660的轴线管道中的注入点与至加热炉的管道出口平面(即，到管道结束的加热炉内部的内表面)之间的距离690。用于管道的L/D比率的优选范围取决于进料到管道中的动力气体流的数量N以及通入管道内的合成气的总质量流率和进料至管道内的动力气体流的总质量流率的比率R。当这些参数与L(以与D相同的单位表示)组合，并且R所基于的质量流率以相同的单位表示，使得R是无量纲的时，则表达式(L/D)×(N/R)优选地介于5(或甚至4)和25之间，更优选地介于8和15或16之间。可通过在每个给定的操作情况下提供L、D、N和R中的任何一者或多者的适当值来满足该关联，以便提供表达式(L/D)×(N/R)的所需值。也就是说，可以通过每个喷嘴670在管道内的定位来提供L，可通过提供具有所需直径的喷嘴670来提供D，可在管道中设置适当数量的N个喷枪660和喷嘴670，其中如本文所述每个喷枪660进料动力气体，并且可以通过实施合成气和动力气体的合适的总质量流率来提供R值。
优选地，进料到给定管道中的所有动力气体通过定位在管道中的一个或多个喷枪660(即，总共N个喷枪)来进料。管道中动力气体流的优选数量N由管道的横截面积的大小和形状以及加热炉中所需的火焰形状来决定。当管道的横截面积很大时，两到四个、或者甚至六个或更多个动力气体流(每个通过其自身的喷枪660进料)可能适合于实现在可用的管道空间内将50％至90％(优选地70％至90％)的合成气夹带到动力气体中。可以调整每个动力气体流的方向以及辅助氧化剂流的方向和数量以形成不同的火焰形状。图6示出了其中管道中一个喷枪660对应一个喷嘴670(即，N等于1)的实施方案。在管道中采用两个或两个以上的喷嘴670的情况下，表达式(L/D)×(N/R)由N和R来确定，其中N是将动力气体进料到管道中的喷嘴的总数，R基于通入管道内的合成气的总质量流率和通过所有N个喷嘴进料的动力气体的总质量流率来确定。合适的尺寸L和D以及在实践中可以采用的合成气和动力气体的合适的质量流率将取决于包括本发明采用的加热炉的总体大小和每个口的燃烧速率在内的多种因素。因此，L的代表性非限制值可以是10英寸至80英寸；D的代表性非限制值可以是1/4英寸到1英寸；合成气质量流率的代表性非限制值可以是1000磅/小时至4000磅/小时(lbs/hr)；并且参考包括本文所述的质量流率比、氧气含量和速度的值，采用如本文所述选择的动力气体质量流率。本发明还可以在动力气体不必含有氧气的实施方案中实施。作为替代，动力气体可以是任何气体，包括蒸汽、压缩空气、天然气、二氧化碳、压缩的回收烟气或与加热炉相容的任何其它气态组合物。
可以使用多个动力气体流来调节加热炉中火焰的形状，使得火焰是宽的，并且也具有合适的长度和方向用于应用使用。当加热炉长度在纵向方向上很长时，在所谓的交叉燃烧加热炉中需要更宽的火焰是特别关键的。例如在制造浮法玻璃的空气燃料燃烧加热炉中，在加热炉的侧壁上放置五至七对再生器口。每个火焰从一个侧壁横向喷射到相对侧壁上，并且多个火焰在加热炉的大的表面区上提供良好的火焰覆盖度，其中连续地发生批料/碎玻璃的熔化和玻璃熔体的澄清。当将这种加热炉转换为具有TCR热回收系统的富氧燃烧时，希望减少TCR口的数量以减少壁热损失并降低转换成本。然而，当口数量减少时，火焰的数量减少并且火焰覆盖度降低，特别是因为富氧火焰的大小通常比具有相同燃烧速度的空气火焰的大小小得多。可以通过由覆盖更大表面积的每个口产生宽的火焰来克服火焰覆盖度低的问题。多个动力气体流可以通过相应数量的喷枪660提供到管道中，每个喷枪具有一个或多个喷嘴670。每个喷嘴可以具有供动力气体流过的单个或多个孔。如果在喷嘴中设置多个孔，则每个孔的取向和大小可以相同也可以不同。这些动力喷枪可以在低速燃料或氧化剂流过然后进入加热炉的管道横截面区的垂直或水平方向上或任何适当的位置定位和交错。可以期望，容纳多个动力气体流以产生宽火焰的这些喷枪的布置可取决于管道的形状和横截面积。还重要的是要注意，适用于管道的这些动力喷枪的数量可受到可用的管道横截面积的限制。这是因为每个动力喷枪660与同一管道中的其它喷枪之间可能需要足够的间隔距离，使得来自每个喷嘴孔的混合流600不会彼此干扰，以在管道出口640和加热炉10中持续产生宽火焰。
本发明还可以在另选实施方案中实践，其中在燃料流(合成气)进入加热炉之前在燃料流中不使用动力气体。在这些实施方案中，在靠近燃料流进入加热炉的口的开口位置处将高速氧化剂流注入加热炉中。每个氧化剂流夹带周围的炉气和一部分低速燃料流。被夹带的加热炉气充当稀释剂以降低局部的火焰温度，使火焰的长度更长，并且还有助于减少NOx形成。在这些实施方案中，氧化剂流通过围绕燃料口开口间隔开的开口注入，并以大于100英尺/秒、优选地大于150英尺/秒、更优选地大于200英尺/秒的速度注入，以便使大部分低速燃料流夹带到氧化剂流中用于燃烧，并且防止形成上升到炉拱的不受控的火焰或烟气排放口短路。在优选的布置中，将两个至八个氧气注入器放置在每个口周围，燃料(合成气)通过这些口注入加热炉中。在图7a、图7b和图7c中示出了使用四个氧气流的示例，它们是从加热炉内观察壁3的一部分的视图。如这些图所示，四个氧化剂喷嘴780位于管道开口140A周围，并且喷出四个分开的氧化剂射流。当氧化剂喷嘴与管道开口间隔很宽时，如图7a所示，从每个氧化剂喷嘴喷出的氧化剂流夹带更多的周围的炉气，并且在氧化剂射流夹带从管道出口140A流出的低速燃料流之前稀释氧化剂射流的浓度。所得的火焰具有较低的火焰温度。当氧化剂喷嘴的位置更靠近管道开口时，如图7b和图7c所示，从每个氧化剂喷嘴喷出的氧化剂流在其夹带从管道出口140A流出的低速燃料流之前夹带较少的周围的炉气。所得的火焰具有较高的火焰温度。因此，火焰的形状和总体方向以及火焰温度可以通过氧化剂喷嘴的总数、每个喷嘴的位置和角度以及来自每个喷嘴的氧化剂流量和射流速度来控制。优选地，每个氧化剂注入喷嘴的轴线被设置在端壁中，并与连接至燃烧壁的内表面的燃料口的内周边间隔3英寸至30英寸。更优选地，每个氧化剂注入喷嘴的轴线被设置在燃烧壁中，并与连接至燃烧壁的内表面的燃料口的内周边间隔5英寸至20英寸。
本发明人发现，当满足以下流动条件时，在富氧燃烧马蹄焰加热炉中可以获得良好的火焰形状和热分布模式，该加热炉具有如本文所述的TCR、具有将燃料注入加热炉中的燃料口、具有如本文所述注入的动力气体以及具有作为气态燃烧产物(“烟气”)从加热炉出口排出的排气口的管道70等。
(1)注入加热炉中的氧气的动量“O”、动力气体的动量“M”以及燃料(合成气)流的动量“F”的总和为离开排气口的烟气流的动量“X”的至少100％、优选地大于150％、或甚至大于300％。
(2)低速合成气流和周围的炉气被夹带到动力气体流和氧化剂流中并朝前壁喷射。
(3)口(见图7a、图7b和图7c)被设置在端壁中，它们之间具有足够的间隔距离并且远离最近的侧壁，或者口位于靠近侧壁的位置，并且动力气体和氧气射流成角度远离最近的侧壁，以防止富燃料区的火焰接触侧壁。
将认识到，进料到加热炉中的氧化剂、动力气体和燃料(合成气)流的动量的值以及离开加热炉的气态燃烧产物(烟气)的动量的值取决于加热炉的燃烧速率。在加热炉诸如玻璃加热炉中，典型的燃烧速率可以是每个点火口(即，在加热炉中发生燃烧的口)每小时500万到6000万BTU的数量级。对于具有这种量级的燃烧速率的加热炉，对于相应动量的典型值，氧化剂的动量(本文称为“O”)为120,000至1,500,000磅/小时乘以英尺/秒(lb/hr*ft/sec)的数量级；动力气体的动量(本文称为“M”)为90,000至1,100,000(lb/hr*ft/sec)的数量级；燃料气体的动量(本文称为“F”)为10,000至120,000(lb/hr*ft/sec)的数量级；以及气态燃烧产物的动量(本文称为“X”)为60,000至700,000(lb/hr*ft/sec)的数量级。
如果将氧气射流平行于侧壁靠近最近的侧壁放置并且朝向前壁注入，则由于柯恩达效应，氧气射流将朝向侧壁弯曲，从而导致富燃料火焰接触侧壁。这种情况可以通过使氧气射流成角度远离侧壁来避免。氧气射流的最佳角度取决于加热炉的构造和氧气射流的位置。
在本发明中，每个氧化剂流的动量优选地大于燃料流的动量。因此，加热炉中的流场特性(诸如流动方向、速度大小和流动循环区域的位置)受到由为每个氧化剂流设计的动量的方向(即矢量角)和大小的强烈影响并主要由其决定。通过改变每个氧化剂流的流动条件来改变加热炉流动特性的能力对于在加热炉中产生所需的火焰形状、实现优化的热性能和所需的温度分布是特别有利的。此外，它有助于设计火焰以最大限度地减少NOx排放和颗粒物携带，并在玻璃加热炉中实现最高的燃料能量利用效率。
当具有热化学再生器的富氧燃烧加热炉被布置在马蹄焰构型中时，发现该加热炉中的整体流动模式与空气燃烧再生加热炉中的整体流动模式不同。当将常规的空气火焰设计应用于TCR火焰设计时，从点火口流出的一些低速重整燃料使排气口短路，并在加热炉中产生不良的加热模式。本发明人发现，防止燃料流或氧气流使排气口短路的关键流动参数是使注入加热炉内的氧气流和燃料流的总动量为离开排气口的烟气流的动量的至少100％、优选150％。此外，如果燃料流或氧气流中任一者的动量小于离开排气口的烟气动量的30％，则较弱的流体必须在注入口附近快速地夹带到较强的流体中并朝向前壁喷射。
本发明还可以在第二氧化剂不能提供进入到加热炉中的完全燃烧燃料所需的余量的氧气的实施方案中实践。由具有显著不同的注入点的两种或更多种氧化剂流来提供完全燃烧燃料(在包括动力气体的混合流已将燃料推入到加热炉中之后)所需的氧气量是有利的。例如，在靠近混合燃料流进入加热炉的位置处注入第二氧化剂流，当第二氧化剂流已经在火焰中基本消耗完之后，进料第三氧化剂流。该第三氧化剂流的典型位置更靠近烟气离开加热炉的开口。氧化剂流的这种布置的优点是通过燃烧过程减少NOx的形成。分级燃烧过程以减少NOx排放的这种方法是众所周知的，但与用于动量非常低的燃料流的燃烧过程相组合是创新的。

Claims (64)

1.一种在加热炉中进行燃烧的方法，包括：
(i)将燃料气体以小于50英尺/秒的速度通入具有连接至所述加热炉的内部的出口的管道中，
(ii)将具有至少200英尺/秒的速度的至少一个动力气体流注入所述管道内的所述燃料气体中，其中注入所述燃料气体中的所述动力气体的质量流率小于所述动力气体所注入的所述燃料气体的质量流率的60％，
(iii)在所述管道内形成至少一个混合流，所述至少一个混合流包括所述燃料气体和所述动力气体的混合物并且在所述出口的方向上具有大于50英尺/秒的动量平均速度，
(iv)将所述混合流从所述管道通入所述加热炉中，以及
(v)使所述混合流与注入所述加热炉中的一个或多个氧化剂流一起燃烧。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述动力气体的总动量大于所述燃料气体的动量的5倍。
3.根据权利要求1所述的方法，其中注入所述燃料气体中的所述动力气体的质量流率小于所述动力气体所注入的所述燃料气体的质量流率的30％。
4.根据权利要求1所述的方法，其中注入所述燃料气体中的所述动力气体的质量流率大于所述动力气体所注入的所述燃料气体的质量流率的5％且小于所述动力气体所注入的所述燃料气体的质量流率的20％。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在距所述加热炉的内壁的上游距离L处，将所述动力气体从所述管道内的具有内径D的喷嘴注入所述燃料气体中，需满足的条件是(L/D)×(N/R)的值为4至25，其中N为注入所述管道内的所述燃料气体中的动力气体流的数量，并且R为通入所述管道中的燃料气体的总质量流率与注入所述管道中的所述动力气体流或全部所述动力气体流的总质量流率的比率，从而夹带所述燃料气体到所述管道内的所述动力气体流中，并且在所述管道内形成至少一个混合流，所述至少一个混合流包括所述燃料气体和所述动力气体的混合物并且具有大于50英尺/秒的速度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述动力气体包括氧气、蒸汽、回收烟气或燃料气体。
7.根据权利要求1所述的方法，其中以至少200英尺/秒的速度，在水平方向上相对于彼此成发散角地将至少两个动力气体流朝向所述出口注入所述管道内的所述燃料气体中，并且注入所述燃料气体中的每个所述动力气体流的质量流率小于所述动力气体所注入的所述燃料气体的质量流率的10％。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述加热炉是具有至少两个管道的玻璃熔炉，燃料气体从所述管道通入所述加热炉中，其中每个管道具有穿过所述加热炉的侧壁连接至所述加热炉的所述内部的出口。
9.一种在配备有热化学再生器的加热炉中进行燃烧的方法，所述加热炉具有点火口，经加热的合成气能够通过所述点火口进入所述加热炉；一个或多个氧化剂口，氧化剂能够通过所述氧化剂口注入所述加热炉中；和排气口，所述排气口连接至所述加热炉，并且气态燃烧产物能够通过所述排气口从所述加热炉离开，所述方法包括：
(i)使经加热的合成气以小于50英尺/秒的速度和动量F通过所述点火口流到所述加热炉中，
(ii)将具有至少100英尺/秒的速度的至少一个动力气体流以动量M注入所述点火口内部，以夹带所述合成气到所述动力气体流中并且将所得的组合流喷射到所述加热炉中，
(iii)将一个或多个氧化剂流以总动量O通过所述一个或多个氧化剂口注入所述加热炉中，其中每个氧化剂流的轴线被设置在距所述点火口的内部周边3英寸至30英寸之间，并且使所注入的氧化剂与夹带到所述动力气体流中的所述合成气混合，以形成喷射到所述加热炉中但既不接触所述加热炉的壁也不接触所述加热炉的炉拱的可见火焰，以及
(iv)使气态燃烧产物以动量X通过所述排气口从所述加热炉排出，其中组合动量F+M+O大于所述动量X的150％。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述组合动量F+M+O大于所述动量X的300％。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述动量M大于所述动量X。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述氧化剂流中的每个流的动量大于X。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述动力气体占注入所述加热炉中的总氧化剂流的5％至20％。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述氧化剂流以大于100英尺/秒的速度注入。
15.根据权利要求9所述的方法，其中通过所述点火口进入所述加热炉的所述经加热的合成气的密度小于在所述排气口处离开所述加热炉的所述气态燃烧产物的密度。
16.根据权利要求9所述的方法，其中所述点火口和所述排气口均连接至所述加热炉的端壁。
17.根据权利要求9所述的方法，其中所述加热炉具有至少两对口，其中每对口由点火口和排气口组成，所述点火口和所述排气口位于所述加热炉的相对侧壁上，并且每对口中的所述口之间的轴线垂直于所述加热炉的纵向轴线。
18.根据权利要求9所述的方法，其中在水平方向上彼此成发散角地将至少两个动力气体流注入每个点火口内的所述经加热的合成气中，以便形成在水平方向上宽的可见火焰。
19.根据权利要求9所述的方法，其中所述点火口和所述排气口均为成角度的，以减少从所述加热炉到所述热化学再生器的直接辐射热传递。
20.一种在配备有热化学再生器的加热炉中进行燃烧的方法，所述加热炉具有点火口，经加热的合成气能够通过所述点火口进入所述加热炉；一个或多个氧化剂口，氧化剂能够通过所述氧化剂口注入所述加热炉中；和排气口，所述排气口连接至所述加热炉，并且气态燃烧产物能够通过所述排气口从所述加热炉离开，所述方法包括：
(i)使经加热的合成气以小于50英尺/秒的速度和动量F通过所述点火口流到所述加热炉中，
(ii)从所述点火口外部的壁中的点将具有至少100英尺/秒的速度的至少一个动力气体流以动量M注入所述加热炉中并将一个或多个氧化剂流以总氧化剂动量O注入所述加热炉中，其中动力气体和氧化剂的每个流的轴线被设置在距所述点火口的内部周边3英寸至30英寸之间，以及夹带周围的炉气和合成气，以形成喷射到所述加热炉中但既不接触所述加热炉的壁也不接触所述加热炉的炉拱的可见火焰，以及
(iii)使气态燃烧产物以动量X通过所述排气口从所述加热炉排出，其中组合动量F+M+O大于所述动量X的150％。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述组合动量F+M+O大于所述动量X的300％。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述动力气体流和所述氧化剂流中的每个流的动量大于所述动量X。
23.根据权利要求20所述的方法，其中所述氧化剂流以大于100英尺/秒的速度注入。
24.根据权利要求20所述的方法，其中所述氧化剂流中的至少一个从所述点火口的上方注入。
25.根据权利要求20所述的方法，其中通过所述点火口进入所述加热炉的所述经加热的合成气的密度小于在所述排气口处离开所述加热炉的所述气态燃烧产物的密度。
26.根据权利要求20所述的方法，其中所述点火口和所述排气口连接至所述加热炉的壁。
27.根据权利要求20所述的方法，其中所述加热炉具有至少两对口，其中每对口由点火口和排气口组成，所述点火口和所述排气口位于所述加热炉的相对侧壁上，并且每对口中的所述口之间的轴线垂直于所述加热炉的纵向轴线。
28.根据权利要求20所述的方法，其中在水平方向上彼此成发散角地将至少两个动力气体流注入每个点火口内的所述经加热的合成气中，以便形成在水平方向上宽的可见火焰。
29.根据权利要求20所述的方法，其中所述点火口和所述排气口均为成角度的，以防止所述加热炉和所述热化学再生器之间的直接辐射热交换。
30.一种在加热炉中进行燃烧的方法，包括：
(i)将燃料气体以小于50英尺/秒的速度通入具有连接至所述加热炉的内部的出口的管道中，
(ii)在所述出口的方向上将具有至少100英尺/秒的速度的至少一个动力气体流注入所述管道内的所述燃料气体中，其中注入所述燃料气体中的所述动力气体的质量流率小于所述动力气体所注入的所述燃料气体的质量流率的60％，
(iii)夹带至少50体积％的所述燃料气体到所述动力气体流中，从而在所述管道内形成至少一个混合流，所述至少一个混合流包括所述燃料气体和所述动力气体的混合物并且具有大于50英尺/秒的速度，
(iv)将所述混合流以大于50英尺/秒的速度从所述管道通入所述加热炉中，以及
(v)使所述混合流与注入所述加热炉中的一个或多个氧化剂流一起燃烧，以形成气态产物。
31.一种在加热炉中进行燃烧的方法，包括：
(i)将为来自热化学再生器的合成气的燃料气体以小于50英尺/秒的速度通入具有连接至所述加热炉的内部的出口的管道中，
(ii)在距所述加热炉的内壁的上游距离L处，将具有至少100英尺/秒的速度的至少一个动力气体流从所述管道内的具有内径D的喷嘴注入所述管道内的所述合成气中，其中注入所述燃料气体中的所述动力气体的质量流率小于所述动力气体所注入的所述燃料气体的质量流率的60％，
(iii)需满足的条件是(L/D)×(N/R)的值为4至25，其中N为注入所述管道内的所述合成气中的动力气体流的数量，并且R为通入所述管道中的合成气的总质量流率与注入所述管道中的所述动力气体流或全部所述动力气体流的总质量流率的比率，从而夹带所述合成气到所述管道内的所述动力气体流中，并且在所述管道内形成至少一个混合流，所述至少一个混合流包括所述合成气和所述动力气体的混合物并且具有大于50英尺/秒的速度，(iv)将所述混合流以大于50英尺/秒的速度从所述管道通入所述加热炉中，以及
(v)使所述混合流与注入所述加热炉中的一个或多个氧化剂流一起燃烧，以形成气态产物。
32.根据权利要求30或权利要求31所述的方法，其中所述动力气体包括氧气。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述动力气体具有至少75体积％氧气的氧气含量。
34.根据权利要求32所述的方法，其中动力气体和燃料气体的所述混合物的所述氧气含量小于用于完全燃烧所述混合物中的所述燃料气体的化学计量需求，并且其中将包括氧气的气态氧化剂的一个或多个辅助流注入所述加热炉中，以与所述混合物中的所述燃料气体的剩余部分一起燃烧。
35.根据权利要求34所述的方法，其中从所述出口的水平中心线下方将所述一个或多个气态氧化剂辅助流从所述管道注入所述加热炉中。
36.根据权利要求34所述的方法，其中所述一个或多个气态氧化剂辅助流从所述管道出口的下方注入。
37.根据权利要求30或权利要求31所述的方法，其中所述燃料气体与包括至少75体积％氧气的氧化剂在所述加热炉中一起燃烧。
38.根据权利要求30或权利要求31所述的方法，其中将所述燃料气体以小于15英尺/秒的速度通入所述管道中。
39.根据权利要求30或权利要求31所述的方法，其中注入所述管道内的所述燃料气体中的所述至少一个动力气体流具有至少400英尺/秒的速度。
40.根据权利要求30或权利要求31所述的方法，其中注入所述燃料气体中的所述动力气体的质量流率小于所述动力气体所注入的所述燃料气体的质量流率的30％。
41.根据权利要求30或权利要求31所述的方法，其中注入所述燃料气体中的所述动力气体的质量流率小于所述动力气体所注入的所述燃料气体的质量流率的15％。
42.根据权利要求30或权利要求31所述的方法，其中所述动力气体包括氧气，并且注入所述燃料气体中的所述动力气体的质量流率提供完全燃烧所述动力气体所注入的所述燃料气体所需氧气的化学计量质量流率的5％至35％。
43.根据权利要求30或权利要求31所述的方法，其中将所述混合流以大于100英尺/秒的速度从所述管道通入所述加热炉中。
44.根据权利要求30或权利要求31所述的方法，其中夹带至少90体积％的所述燃料气体到所述动力气体流中，从而在所述管道中形成所述至少一个混合流。
45.根据权利要求30或权利要求31所述的方法，其中夹带到所述动力气体中的所述燃料气体的密度低于由所述混合流的所述燃烧形成的所述气态产物的密度。
46.根据权利要求30或权利要求31所述的方法，其中所述加热炉容纳待通过在所述加热炉中燃烧所述燃料气体而加热的装料，其中所述燃烧在所述加热炉中的所述装料上方生成氧化气氛。
47.根据权利要求30或权利要求31所述的方法，其中所述混合流与注入所述加热炉中的一个或多个氧化剂流的所述燃烧形成不明显接触所述加热炉中的所述内壁或炉顶的火焰。
48.一种在加热炉中进行燃烧的方法，包括：
(A)在加热炉中燃烧燃料以产生气态燃烧产物；以及
(B)交替地
(1)(i)将所述气态燃烧产物的一部分通入冷却的第一再生器中并穿过所述冷却的第一再生器，以加热所述第一再生器并冷却所述气态燃烧产物的所述部分，
(ii)将燃料和来自所述第一再生器的气态燃烧产物的所述冷却部分的至少一部分通入经加热的第二再生器中，并且在所述第二再生器中，使所述气态燃烧产物和所述燃料在所述第二再生器中以吸热反应形式发生反应，以形成包括氢气和CO的合成气，
(iii)将在所述第二再生器中形成的所述合成气以小于50英尺/秒的速度通入具有连接至所述加热炉的内部的出口的第一管道中，
(iv)在距所述加热炉的内壁的上游距离L处，将具有至少100英尺/秒的速度的至少一个动力气体流从所述第一管道内的具有内径D的喷嘴注入所述第一管道内的所述合成气中，其中注入所述合成气中的所述动力气体的质量流率小于所述动力气体所注入的所述合成气的质量流率的60％，
需满足的条件是(L/D)×(N/R)的值为4至25，其中N为注入所述第一管道内的所述合成气中的动力气体流的数量，并且R为通入所述第一管道中的合成气的总质量流率与注入所述第一管道中的所述动力气体流或全部所述动力气体流的总质量流率的比率，从而夹带所述合成气到所述第一管道内的所述动力气体流中，并且在所述第一管道内形成至少一个混合流，所述至少一个混合流包括所述合成气和所述动力气体的混合物并且具有大于50英尺/秒的速度，以及
(v)将所述混合流以大于50英尺/秒的速度从所述第一管道通入所述加热炉中，并且使所述混合流与注入所述加热炉中的一个或多个氧化剂流一起燃烧；以及
(2)(i)将所述气态燃烧产物的一部分通入冷却的第二再生器中并穿过所述冷却的第二再生器，以加热所述第二再生器并冷却所述气态燃烧产物的所述部分，
(ii)将燃料和来自所述第二再生器的气态燃烧产物的所述冷却部分的至少一部分通入经加热的第一再生器中，并且在所述第一再生器中，使所述气态燃烧产物和所述燃料在所述第一再生器中以吸热反应形式发生反应，以形成包括氢气和CO的合成气，
(iii)将在所述第一再生器中形成的所述合成气以小于50英尺/秒的速度通入具有连接至所述加热炉的所述内部的出口的第二管道中，
(iv)在距所述加热炉的内壁的上游距离L处，将具有至少100英尺/秒的速度的至少一个动力气体流从所述管道内的具有内径D的喷嘴注入所述第二管道内的所述合成气中，其中注入所述合成气中的所述动力气体的质量流率小于所述动力气体所注入的所述合成气的质量流率的60％，
需满足的条件是(L/D)×(N/R)的值为4至25，其中N为注入所述第二管道内的所述合成气中的动力气体流的数量，并且R为通入所述第二管道中的合成气的总质量流率与注入所述第二管道中的所述动力气体流或全部所述动力气体流的总质量流率的比率，从而夹带所述合成气到所述第二管道内的所述动力气体流中，并且在所述第二管道内形成至少一个混合流，所述至少一个混合流包括所述合成气和所述动力气体的混合物并且具有大于50英尺/秒的速度，以及
(v)将所述混合流以大于50英尺/秒的速度从所述第二管道通入所述加热炉中，并且使所述混合流与注入所述加热炉中的一个或多个氧化剂流一起燃烧。
49.根据权利要求48所述的方法，其中所述动力气体包括氧气。
50.根据权利要求49所述的方法，其中所述动力气体具有至少75体积％氧气的氧气含量。
51.根据权利要求49所述的方法，其中动力气体和合成气的所述混合物的所述氧气含量小于用于完全燃烧所述混合物中的所述合成气的化学计量需求，并且其中将包括氧气的一个或多个气态氧化剂辅助流注入所述加热炉中，以与所述混合物中的所述合成气的剩余部分一起燃烧。
52.根据权利要求51所述的方法，其中从所述出口的中心线下方将所述一个或多个气态氧化剂辅助流从所述第一管道或所述第二管道注入所述加热炉中。
53.根据权利要求51所述的方法，其中从所述出口的下方将所述一个或多个气态氧化剂辅助流从所述第一管道或所述第二管道注入所述加热炉中。
54.根据权利要求48所述的方法，其中所述燃料和所述合成气与包括至少75体积％氧气的氧化剂在所述加热炉中一起燃烧。
55.根据权利要求48所述的方法，其中通入所述第一管道中的所述合成气和通入所述第二管道中的所述合成气以小于15英尺/秒的速度通入。
56.根据权利要求48所述的方法，其中注入所述第一管道内的所述合成气中的所述至少一个动力气体流具有至少400英尺/秒的速度，并且注入所述第二管道内的所述合成气中的所述至少一个动力气体流具有至少400英尺/秒的速度。
57.根据权利要求48所述的方法，其中注入所述第一管道内的所述合成气中和所述第二管道内的所述合成气中的所述动力气体的质量流率小于所述动力气体所注入的所述合成气的质量流率的30％。
58.根据权利要求48所述的方法，其中注入所述第一管道内的所述合成气中和所述第二管道内的所述合成气中的所述动力气体的质量流率小于所述动力气体所注入的所述燃料气体的质量流率的15％。
59.根据权利要求48所述的方法，其中注入所述第一管道中和所述第二管道中的所述动力气体包括氧气，并且注入每个管道内的所述合成气中的所述动力气体的质量流率提供完全燃烧所述动力气体所注入的所述合成气所需氧气的化学计量质量流率的5％至35％。
60.根据权利要求48所述的方法，其中从所述第一管道通入所述加热炉中的所述混合流和从所述第二管道通入所述加热炉中的所述混合流以大于100英尺/秒的速度通入。
61.根据权利要求48所述的方法，其中夹带至少70体积％的所述合成气到所述第一管道和所述第二管道内的所述动力气体流中，从而在所述管道内形成所述至少一个混合流。
62.根据权利要求48所述的方法，其中夹带到所述动力气体中的所述合成气的密度低于由所述混合流的所述燃烧形成的所述气态产物的密度。
63.根据权利要求48所述的方法，其中所述加热炉容纳待通过在所述加热炉中燃烧所述燃料气体而加热的装料，其中所述燃烧在所述加热炉中的所述装料上方生成氧化气氛。
64.根据权利要求48所述的方法，其中所述混合流与注入所述加热炉中的一个或多个氧化剂流的所述燃烧形成不明显接触所述加热炉中的所述内壁或炉顶的火焰。
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