專利名稱：采用擴(kuò)張流噴嘴的燃燒器設(shè)備及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在氧化劑中燃燒燃料的燃燒器設(shè)備及方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及其中氧化劑為氧氣或富氧空氣的燃燒器設(shè)備及方法。本發(fā)明還涉及能產(chǎn)生平的、均勻擴(kuò)張的流體流的噴嘴，它尤其適用于在本發(fā)明的燃燒器設(shè)備和方法中用作氧化劑噴嘴。
燃燒器用于待加工的材料如玻璃、銅、鋁、鐵和鋼呈熔融狀的許多種工業(yè)用途。為了最大限度地從燃料獲得熱量，發(fā)展了氧-燃料燃燒器，其中燃料是在氧氣或富氧空氣中燃燒的。這些燃燒器通常能產(chǎn)生具有很高能量輸出的火焰，從而在熔融體中產(chǎn)生局部過(guò)熱區(qū)域。典型的這種燃燒器采用高速度的氧化劑和高質(zhì)量流量的燃料以產(chǎn)生高能量輸出。由于這些原因，強(qiáng)熱容易在被加工熔融體中產(chǎn)生揮發(fā)物，而且很高的流速容易將被加工的進(jìn)料夾帶入爐子的廢氣中。被夾帶進(jìn)入廢氣的進(jìn)料和釋放出的揮發(fā)物結(jié)果會(huì)損失掉并污染大氣，或者會(huì)沉集在爐中或與爐子一起使用的廢熱回收系統(tǒng)之中。
氧-燃料燃燒器的另一個(gè)問(wèn)題是在氧氣或富氧空氣中燃料的高溫燃燒會(huì)產(chǎn)生污染性的NOx。
如下面的討論可見，本發(fā)明提供了一種燃燒器設(shè)備和方法，與已有技術(shù)的設(shè)備和方法相比，它不易形成局部過(guò)熱區(qū)域和也不會(huì)將進(jìn)料顆粒夾帶引入氧化劑流及燃料流中，而且適于采用限制NOx形成的燃燒方式。
本發(fā)明提供了一種用于在氧化劑中燃燒燃料的、包括燃料噴嘴裝置以及氧化劑上、下噴嘴裝置的燃燒器。燃料噴嘴裝置產(chǎn)生向外擴(kuò)張的扇形燃料噴射流，它適合于與氧化劑燃燒產(chǎn)生向外延展的擴(kuò)張形火焰。氧化劑上、下噴嘴裝置是互相分開而且不同的，并且與燃料噴嘴裝置也不同，它們?cè)谌剂蠂娚淞鞯纳戏胶拖路椒謩e形成向外擴(kuò)張的扇形的氧化劑上、下噴射流。氧化劑噴射流的速度低于燃料噴射流，使得氧化劑被吸入燃料中。
作為本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了燃料在氧化劑中燃燒的一種方法。按照此方法，先形成一個(gè)向外擴(kuò)張的扇形燃料噴射流，使得它在氧化劑中燃燒時(shí)產(chǎn)生向外延展的擴(kuò)張形火焰。在燃料噴射流的上方位置和下方位置，則分別形成分隔開的，互相不同而且與燃料噴射流也不同的氧化劑上、下噴射流，它們的流速小于燃料噴射流的速度，結(jié)果氧化劑就被吸入燃料中。
在本發(fā)明的上述的各方面，燃料噴射流和氧化劑噴射流是向外擴(kuò)張的并且為扇形，結(jié)果在廣大區(qū)域上產(chǎn)生向外伸展的燃燒火焰。燃燒的范圍廣有助于將很大的熱量輸入熔融體，而同時(shí)卻消除熔融體中的局部過(guò)熱區(qū)域。氧化劑上、下噴嘴裝置產(chǎn)生較低速度的，因而是較高壓力的氧化劑噴射流，產(chǎn)生的壓力差從而將氧化劑吸入燃料。但是，因?yàn)檠趸瘎﹪娚淞鞯乃俣容^低，所以它不會(huì)夾帶進(jìn)料顆粒，因此能起屏蔽燃料噴射流的作用。
另一方面，本發(fā)明提供了一種能產(chǎn)生平的、均勻擴(kuò)張的流體流的噴嘴。此種噴嘴特別適合作為氧化劑上、下噴嘴裝置。該噴嘴的本體中含有一個(gè)通道。此通道有一個(gè)噴射出流體流的出口和將流體流引入通道的入口。該噴嘴中有一裝置將通道沿其長(zhǎng)度方向分隔開，因此流體流就分成許多的支流，它們具有大致相同的速度，并且它們的取向使得其在流體流的橫截面方向上逐漸分散開來(lái)。
正如前面所述，本發(fā)明是適用于減少NOx生成的。在已有技術(shù)的氧-燃料燃料器中，大氣中的氮會(huì)與氧反應(yīng)生成“熱NOx”。此外，燃料自由基如CH會(huì)與空氣中的氮反應(yīng)形成“瞬發(fā)NOx”。本發(fā)明在這方面，燃料的燃燒是分兩段進(jìn)行的，以便減少熱NOx和瞬發(fā)NOx的形成。在兩段燃燒的第一階段，燃料在由氧化劑上、下噴射流所提供的氧化劑中的燃燒是低于化學(xué)計(jì)量的。燃燒器還包括氧化劑的上、下次級(jí)噴嘴裝置，它們相互之間以及與氧化劑上、下噴嘴和燃料噴嘴裝置都不相同并且是互相分開的。氧化劑的上、下噴嘴和燃料噴嘴裝置提供了至少一對(duì)分別位于氧化劑上、下噴射流上方和下方的呈向外擴(kuò)張的、扇形的氧化劑上、下次級(jí)噴射流，以提供足量的氧化劑供燃料的充分燃燒。因此，燃料的燃燒是在兩段燃燒的第二階段完成的。應(yīng)該注意，足量的氧化劑既可以恰好是完成燃燒所需的量，也可以是超過(guò)化學(xué)計(jì)量的。本發(fā)明在這方面的方法包括產(chǎn)生至少一對(duì)分別位于氧化劑上、下噴射流上方和下方的呈向外擴(kuò)張的、扇形的氧化劑上、下次級(jí)噴射流以提供足量的氧化劑使燃燒充分。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種分段燃燒會(huì)減少NOx的形成。
盡管本發(fā)明說(shuō)明書末尾的權(quán)利要求清楚明了地指明了申請(qǐng)人認(rèn)為的本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容，結(jié)合附圖加以闡述相信會(huì)更好地理解本發(fā)明。


圖1是本發(fā)明燃燒器的頂部平視圖;
圖2是圖1的一個(gè)正視圖;
圖3是圖1的前部正視圖;
圖4A是圖3沿線4-4的剖面圖;
圖4B是圖4A的前部剖面正視圖;
圖4C是圖4A沿線4C的剖面圖;
圖4D是圖4A沿線4D的剖面圖;
圖5是本發(fā)明燃燒器的另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)面剖視圖，它采取氧化劑的分級(jí)供應(yīng)，圖示中該燃燒器是安裝于用斜虛線表示的爐身之中。
圖6是圖5的前部正視圖。
圖7是用于圖5燃燒器中的噴嘴的頂部平視圖。
圖8是圖5燃燒器所發(fā)生的火焰的正視圖，圖中用斜虛線表示爐身。
圖9是圖8的頂部平視圖。
圖1，2和3闡明了本發(fā)明的一個(gè)燃燒器10。燃燒器10裝有燃料噴嘴12，如下面所述，此噴嘴12被設(shè)計(jì)成能產(chǎn)生向外擴(kuò)張的扇形燃料噴射流。這樣的燃料噴射流在形式適宜的氧化劑噴射流中以向外伸展和發(fā)散的火焰形式燃燒。裝有氧化劑上噴嘴14和氧化劑下噴嘴16以產(chǎn)生位于燃料噴射流上方和下方的向外擴(kuò)張且呈扇形的氧化劑上、下噴射流。氧化劑上、下噴嘴14和16產(chǎn)生的氧化劑上、下噴射流的速度低于燃料噴射流。因此，氧化劑的壓力大于燃料的壓力，從而使氧化劑被吸入燃料。因此，在本發(fā)明中，高速燃料噴射流被低速的氧化劑噴射流所屏蔽，從而有助于防止進(jìn)料的夾帶，而夾帶進(jìn)料這種情況在已有技術(shù)的燃燒器中是會(huì)發(fā)生的。燃燒器10是特意設(shè)計(jì)用于在基本上為氧氣的氧化劑中燃燒天然氣。應(yīng)當(dāng)理解，此外所述的技術(shù)能更廣泛地應(yīng)用于不同的燃料氣體如氫氣、乙烷、丙烷、丁烷、乙炔以及液體燃料如柴油、加熱油等。此外，氧化劑還可以是富氧的空氣。
可以理解，燃料是沿著火焰和氧化劑噴射流的長(zhǎng)度方向逐漸燃燒的。照此情形，未燃燒的燃料就被加熱，因此沿著火焰長(zhǎng)度方向逐漸變得越來(lái)越輕，導(dǎo)致火焰向上舔，離開熱負(fù)荷區(qū)域(指待加熱的加工材料如玻璃等)。為了防止這種情況，能將氧化劑下噴嘴裝置16設(shè)計(jì)成使氧化劑下噴射流的質(zhì)量流量高于氧化劑上噴嘴14所噴出的氧化劑上噴射流的質(zhì)量流量。從而導(dǎo)致燃料的燃燒主要在由較高質(zhì)量流量的氧化劑下噴射流提供的氧化劑中進(jìn)行，而逐漸變輕的未燃燒的燃料則在由氧化劑上噴射流提供的氧化劑中燃燒掉?？梢岳斫?，本發(fā)明的實(shí)施例能夠設(shè)計(jì)產(chǎn)生相同質(zhì)量流量的氧化劑噴射流的氧化劑上、下噴嘴。
燃燒器10具有長(zhǎng)形的本體18，它有頂壁20、底壁22以及側(cè)壁24和26。本體上裝有角形的增強(qiáng)件28-34作加固本體之用。中部的燃料噴嘴12將本體18分成氧化劑上噴嘴14和氧化劑下噴嘴16，在這兩個(gè)噴嘴中分別有一些具有出口40和42以及入口44和46的上通道36和下通道38。
結(jié)合件48連接于本體18的后部，氧化劑通過(guò)此結(jié)合件進(jìn)入本體18，進(jìn)而流入氧化劑上、下噴嘴14和16的入口44和46，最后通過(guò)出口40和42流出。
燃料噴嘴12在本體18內(nèi)由上方和下方的葉片套50和52支撐。這些葉片50和52分別連接著頂壁20和底壁22以及燃料噴嘴。葉片50和52沿長(zhǎng)度方向分隔著通道36和38，因此，氧化劑流經(jīng)過(guò)上通道36和下通道38后分成許多支流。葉片50和52經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，使得這些支流的速度大體相同，而且其取向在與氧化劑流的橫截面方向上逐漸分散。為此，采用了彎曲形的葉片50和52，葉片彎曲形的設(shè)計(jì)是通過(guò)這些葉片最大彎曲處的切線都分別相交于葉片50和52所分隔的通道40和42內(nèi)的某一點(diǎn)。盡管在圖中掩蓋著看不出，但葉片是向后延伸至氧化劑上、下噴嘴14和16的入口44和46的。含有葉片的氧化劑上、下噴嘴的另一優(yōu)點(diǎn)在于這些葉片能有效地對(duì)燃燒器10起自我冷卻作用而不需外部的水冷卻。
如上所述，氧化劑上、下噴嘴14和16的設(shè)計(jì)是使得氧化劑下噴射流的質(zhì)量流量大于氧化劑上噴射流的質(zhì)量流量。其方法是適當(dāng)選定氧化劑上、下噴嘴的矩形橫截面的大小使得氧化劑上下噴嘴橫截面的面積之比小于1。此比值最好為約0.125至約0.5。
此處應(yīng)該指出，氧化劑噴嘴14和16的這種設(shè)計(jì)還能用于其他用途。例如，能按此方式設(shè)計(jì)一種氧化劑噴嘴，用于在燃料噴射流或燃燒器下方形成平的、扇形向外擴(kuò)張的氧化劑區(qū)域，即用于氧氣切割的用途。
參見圖4A至4D，燃料噴嘴12較佳地是制成含有兩個(gè)區(qū)域56和58(58參見圖3)。因此，燃料噴嘴12的形式是有一個(gè)中部的本體，該本體部分含有腔60和一系列等長(zhǎng)的、互相隔開的、從腔60向外逐漸呈扇形展開的通道62。腔60將這些通道62連接于燃料入口64，因此燃料從入口64流入，然后通過(guò)通道62流出。通道62從腔60向外逐漸呈扇形展開，結(jié)果燃料噴射流呈扇形噴出。這些通道62都是相等長(zhǎng)度的，產(chǎn)生的壓力降相同，因而提供相同的流速，結(jié)果燃料噴射流呈扇形展開即水平地?cái)U(kuò)張，而流速很少有衰減。在圖示的實(shí)施例中，燃料對(duì)氧化劑的平均速度之比約為13.5∶1。橫截面為矩形的導(dǎo)管66通過(guò)一過(guò)渡件20與結(jié)合件68相連接，過(guò)渡件70的橫截面由圓形過(guò)渡為矩形。如果燃料噴嘴12用來(lái)燃燒液體燃料，則需將適當(dāng)?shù)娜剂蠂娮?已有技術(shù)中公知的)連于通道62。
現(xiàn)結(jié)合圖5，6和7闡述本發(fā)明燃燒器設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施例。這一實(shí)施例是將氧化劑分段地提供給燃料，以減少NOx的排放，這時(shí)產(chǎn)生圖8和9所示式樣的火焰，該火焰呈水平擴(kuò)張的扇形，并且在火焰長(zhǎng)度方向上沒(méi)有多少衰減。這是通過(guò)使用燃燒器10實(shí)現(xiàn)的，其中燃料和由氧化劑噴嘴14和16提供的氧化劑之間的量是低于化學(xué)計(jì)量的，即所提供的氧化劑不足以完全支持燃料的燃燒。其后燃料的完全燃燒是在氧化劑的上、下次級(jí)噴射流中進(jìn)行的。這兩股氧化劑次級(jí)噴射流呈向外擴(kuò)散的扇形，由連同燃燒器10一起裝在爐身中的分別位于氧化劑上、下噴射流的上方和下方的氧化劑上、下次級(jí)噴嘴72和74提供。不完全燃燒發(fā)生在燃燒的第一階段，而完全燃燒發(fā)生在位于燃燒第一階段下游的第二階段。如上所述，本發(fā)明所采用的兩段燃燒能減少NOx排放物。此外，燃料噴嘴12中的那些通道62都是隔開配置的，這也有助于降低NOx排放物。通道62之間的間隔距離能使回流區(qū)域?qū)⒅細(xì)怏w吸入燃料，從而減少NOx排放物。
氧化劑上、下次級(jí)噴嘴72和74具有相對(duì)的側(cè)壁76和78(對(duì)于氧化劑次級(jí)噴嘴72)以及80和82(對(duì)于氧化劑下次級(jí)噴嘴)，側(cè)壁76和78連接于氧化劑上次級(jí)噴嘴的頂壁和底壁84和85;側(cè)壁80和82連接于氧化劑下次級(jí)噴嘴的頂壁和底壁。這些噴嘴還具有后壁88和90。噴嘴72和74也還有矩形截面的噴射口92和94以及與上、下噴嘴14和16的葉片34和36形狀相同的葉片96和98。盡管噴射口92和94被設(shè)計(jì)成按與上、下噴嘴14和16同樣的比例噴出氧化劑，但是本發(fā)明實(shí)施例也可以是噴射口92和94具有同樣橫截面積，因而可能與上、下噴嘴14和16的比例并不一致。在圖示的實(shí)施例中，噴嘴72具有前壁97，在其中開有噴射口92。
噴嘴72和74以及燃燒器10安裝于固定在爐身75中的通道100，102和104中。應(yīng)當(dāng)指出，安裝燃燒器10的通道102與噴嘴72和74相比是向內(nèi)凹進(jìn)的，使得噴嘴72和74在下游噴射氧化劑，從而進(jìn)行第二階段的燃燒。此外，爐身75的位于燃燒器10的前方的并形成通道102前部的表面106，108，110和112的形狀被設(shè)計(jì)成能令燃燒器10產(chǎn)生的火焰逐漸擴(kuò)張。
常規(guī)的快速拆卸式管件114和116分別連接于氧化劑上、下次級(jí)噴嘴，以便將次級(jí)氧化劑分別引入氧化劑上、下次級(jí)噴嘴72和74中。
盡管本發(fā)明是參照最佳實(shí)施例加以闡述的，但是應(yīng)該理解，在不背離本發(fā)明的主旨和范圍的情況下，對(duì)具體的實(shí)施可進(jìn)行各種各樣的添加和省略。
權(quán)利要求
1.一種在氧化劑中燃燒燃料的燃燒器，其特征在于，它包括產(chǎn)生向外擴(kuò)張的扇形燃料噴射流的燃料噴嘴裝置，此燃料噴射流適宜在氧化劑中以向外擴(kuò)張的火焰形式進(jìn)行燃燒；氧化劑上、下噴嘴裝置，它們互相之間以及與燃料噴嘴裝置都不相同，并且是隔開的，用于在燃料噴射流上方和下方分別產(chǎn)生向外擴(kuò)張的扇形氧化劑上、下噴射流，而且氧化劑噴射流的流速小燃料噴射流的流速，從而氧化劑被吸入燃料。
2.如權(quán)利要求1所述的燃燒器，其特征在于未燃燒的燃料沿著火焰的長(zhǎng)度方向逐漸變輕;氧化劑下噴射流的質(zhì)量流量大于氧化劑上噴射流的質(zhì)量流量，使得燃料的燃燒主要在由氧化劑下噴射流提供的氧化劑中進(jìn)行，而越來(lái)越輕的未燃燒燃料則在由氧化劑上噴射流提供的氧化劑中燃燒。
3.如權(quán)利要求1所述的燃燒器，其特征在于在由氧化劑上、下噴射流提供的氧化劑中進(jìn)行的燃料燃燒是低于化學(xué)計(jì)量的，而且該燃燒發(fā)生在燃燒的第一階段;燃燒器還包括氧化劑上、下次級(jí)噴嘴裝置，它們互相之間以及與氧化劑上、下噴嘴和燃料噴嘴都不相同并且隔開，從而產(chǎn)生至少一對(duì)分別位于氧化劑上、下噴射流上方和下方的向外擴(kuò)張的扇形氧化劑上、下次級(jí)噴射流，它們提供足量的氧化劑，在燃燒第一階段下游的第二階段完成燃料的燃燒。
4.如權(quán)利要求1所述的燃燒器，其特征在于，其氧化劑上、下噴嘴裝置都具有一個(gè)通道，此通道有噴射氧化劑的出口和將氧化劑流引入的入口;沿長(zhǎng)度方向?qū)⑼ǖ肋M(jìn)行分隔的裝置，從而將氧化劑流分為許多支流，這些支流的速度大致相同而且它們的取向使其在氧化劑流的橫截面方向上逐漸擴(kuò)張。
5.如權(quán)利要求4所述的燃燒器，其特征在于通道的橫截面為矩形;燃燒噴嘴裝置包括一個(gè)中部的本體，本體中具有一個(gè)腔體;進(jìn)入腔體的燃料入口;許多等長(zhǎng)的、互相隔開的并且從腔體向外逐漸呈扇形展開的通道，使得燃料流從燃料入口進(jìn)入腔體并且以相同壓力降，因而以相同的速度流出通道，這樣產(chǎn)生了燃料噴射流。
6.如權(quán)利要求4或5所述的燃燒器，其特征在于其通道分隔裝置是許多個(gè)向外彎曲的葉片。
7.如權(quán)利要求4或5所述的燃燒器，其特征在于未燃燒的燃料沿著火焰的長(zhǎng)度方向逐漸變輕;氧化劑下噴嘴裝置的通道的矩形橫截面的面積大于氧化劑上噴嘴裝置的，從而使氧化劑下噴射流的質(zhì)量流量大于氧化劑上噴射流的質(zhì)量流量，使得燃料的燃燒主要在由氧化劑下噴射流提供的氧化劑中進(jìn)行，而越來(lái)越輕的未燃燒燃料則在由氧化劑上噴射流提供的氧化劑中燃燒。
8.一種產(chǎn)生平油的、均勻擴(kuò)張的流體流的噴嘴，其特征在于，所述的噴嘴包括含有通道的本體，該通道有噴射氧化劑的出口和將氧化劑流引入的入口;沿長(zhǎng)度方向分隔通道的裝置，從而將氧化劑流分為許多支流，這些支流的速度大致相同而且它們的取向使其在氧化劑流的橫截面方向上逐漸擴(kuò)張。
9.如權(quán)利要求8所述的噴嘴，其特征在于，其通道分隔的裝置是許多個(gè)向外彎曲的葉片。
10.如權(quán)利要求9所述的噴嘴，其特征在于，其通道的橫截面為矩形。
11.一種在氧化劑中燃燒燃料的方法，其特征在于，它包括產(chǎn)生向外擴(kuò)張的扇形燃料噴射流，使得此燃料噴射流在氧化劑中以向外擴(kuò)張的火焰形成進(jìn)行燃燒;產(chǎn)生氧化劑上、下噴射流，它們相互之間以及與燃料噴射流都不相同并且是隔開的，這兩股噴射流分別位于燃料噴射流的上方和下方，而且它們的速度小于燃料噴射流的速度從而使氧化劑被吸入燃料。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于未燃燒的燃料沿著火焰的長(zhǎng)度方向逐漸變輕;氧化劑下噴射流的質(zhì)量流量大于氧化劑上噴射流的質(zhì)量流量，使得燃料的燃燒主要在由氧化劑下噴射流提供的氧化劑中進(jìn)行，而越來(lái)越輕的未燃燒燃料則在由氧化劑上噴射流提供的氧化劑中燃燒。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于在由氧化劑上、下噴射流提供的氧化劑中進(jìn)行的燃料燃燒是低于化學(xué)計(jì)量的，而且該燃燒構(gòu)成了燃燒的第一階段;該方法還包括產(chǎn)生至少一對(duì)分別位于氧化劑上、下噴射流上方和下方的向外擴(kuò)張的扇形氧化劑上、下次級(jí)噴射流，從而提供足量的氧化劑，在燃燒第一階段下游的第二階段完成燃料的燃燒。
全文摘要
一種在氧化劑中燃燒燃料的燃燒器，它具有夾置在氧化劑上、下噴嘴之間的燃料噴嘴。這些噴嘴產(chǎn)生了向外擴(kuò)張的扇形燃料流及氧化劑流，從而形成寬而均勻的火焰，因此消除了局部過(guò)熱區(qū)。在分段燃燒中還可以裝配氧化劑上、下次級(jí)噴嘴。此外，所裝噴嘴中的通道還可在長(zhǎng)度方向上被分隔，使氧化劑流被分成許多等速和漸擴(kuò)的支流，以防止扇形氧化劑流的衰減。
文檔編號(hào)F23L7/00GK1094146SQ9410206
公開日1994年10月26日 申請(qǐng)日期1994年2月25日 優(yōu)先權(quán)日1993年2月26日
發(fā)明者盧·T·亞普 申請(qǐng)人:波克股份有限公司