專利名稱：柯恩達(dá)氣體燃燒器裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃燒含有空氣和爐子煙氣的燃料氣體以在抑制氮氧化物(“N0X”)和 一氧化碳(“CO”)形成的同時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)定火焰的氣體燃燒器裝置和方法。
背景技術(shù)：
人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)并成功利用了各種具有擴(kuò)散和預(yù)混能力的氣體燃燒器。預(yù)混方式在 空氣和燃料氣體進(jìn)入爐內(nèi)燃燒之前將它們混合成均勻的混合物。擴(kuò)散方式將燃?xì)鈬娙肟諝?流，從而在沒(méi)有文氏管的情況下發(fā)生混合?；鹧娣€(wěn)定在出口點(diǎn)附近，并形成熱力和瞬發(fā)氮氧 化物。這兩種方式習(xí)慣地應(yīng)用于點(diǎn)燃和燃燒指定的燃料氣體，以在工藝燃燒器內(nèi)產(chǎn)生熱量。]在預(yù)混和擴(kuò)散式燃燒器中，可以確定出減少熱力和瞬發(fā)氮氧化物的形成的一個(gè) 最佳方式。政府嚴(yán)格地控制著工藝燃燒器以及其他燃燒設(shè)備產(chǎn)生的氮氧化物和一氧化碳?xì)?體的排放。政府不斷地要求更好的方法來(lái)進(jìn)一步減少現(xiàn)有燃燒設(shè)備的排放。為了降低氮氧化物和其他存在潛在污染的氣體的產(chǎn)量，人們正在研制各種改進(jìn)的 氣體燃燒器裝置。在一種方法中，所有的空氣連同主燃料在主區(qū)域內(nèi)燃燒，剩余燃料在第二 區(qū)域內(nèi)燃燒。在這種燃料氣體分級(jí)的方法中，分級(jí)燃料被爐子煙氣稀釋，在燃燒期間該爐子 煙氣稀釋大部分氣體流，從而降低氣體的燃燒溫度。空氣和煙氣中的氮因?yàn)槟芪栈鹧鏌?量而起到散熱器的作用。煙氣可以來(lái)自爐體(外部煙氣)或來(lái)自爐子自身(內(nèi)部煙氣)。 降低氣體燃燒溫度會(huì)減少所產(chǎn)生煙氣中形成的氮氧化物。美國(guó)專利Nos. 5，275，552(1994 年1月4日頒發(fā)給John Zink公司)和6，729，874B2 (2004年5月4日頒發(fā)給John Zink 公司)公開(kāi)了低N0X燃燒器及相關(guān)方法的例子，這兩個(gè)專利以引用的方式并入本文中。分級(jí)燃燒和燃料氣體稀釋又額外產(chǎn)生了必須關(guān)注的問(wèn)題，包括不燃性和火焰不穩(wěn) 定性。需要一定的空氣或煙氣量來(lái)稀釋火焰，以充分地實(shí)現(xiàn)氮氧化物的減少。然而，如果燃 料氣體稀釋過(guò)度，導(dǎo)燃會(huì)很困難或者點(diǎn)燃的火焰會(huì)變得不穩(wěn)定?；鹧娴牟环€(wěn)定會(huì)進(jìn)一步使 整個(gè)爐子不穩(wěn)定?？露鬟_(dá)(Coanda)表面已經(jīng)用于火舌管(flare)，在其中的升高的壓力處實(shí)現(xiàn)有效 流速?？露鬟_(dá)表面只是為使流體貼附而設(shè)計(jì)的彎曲表面。噴射在柯恩達(dá)表面或附近的流體 流傾向于附于該表面并沿其軌跡運(yùn)動(dòng)。負(fù)壓和粘滯力將流體流推向該表面。流體流擴(kuò)散成 較薄的膜或片，這就使附近的流體以非常有效地方式與該流體流混合。給予氣體的附加表 面積顯著地促進(jìn)了混合。例如在每小時(shí)可以排放好幾萬(wàn)磅廢氣的火舌管中，快速混合是所 希望的。因此，柯恩達(dá)表面和柯恩達(dá)效應(yīng)普遍用于火舌管裝置中，因?yàn)樗恍枰羝?、風(fēng)機(jī) 和相關(guān)設(shè)備。然而，柯恩達(dá)表面還沒(méi)有應(yīng)用到低N0X工藝燃燒器裝置中。相比火舌管裝置，燃燒 器組件更小，并且所需氣流少得多。因此，柯恩達(dá)技術(shù)還未積極地應(yīng)用于工藝燃燒器。同樣，由于其所涉及的費(fèi)用，許多精煉廠管理者還未更換精煉爐。因此，替換的燃燒器裝置經(jīng) 常必須適應(yīng)于現(xiàn)有爐膛，該爐膛限定了燃燒器必須滿足的性能標(biāo)準(zhǔn)(例如，火焰的長(zhǎng)度和 直徑)。本發(fā)明披露了在低級(jí)燃料氣體燃燒器中利用柯恩達(dá)表面的多種方法，從而 在避免例如不燃性和火焰不穩(wěn)定性的問(wèn)題的同時(shí)大大提高燃燒器效率。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了滿足上述要求并克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷的氣體燃燒器裝置和方 法。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)柯恩達(dá)表面可以與自由流體流結(jié)合，在保持?jǐn)U展的調(diào)節(jié)能力和增強(qiáng)的穩(wěn)定性 的同時(shí)將燃料氣體與空氣和稀釋物(在該例子中為爐子煙氣)混合?？露鬟_(dá)表面大大地促 進(jìn)了燃料氣體與氣流中其他流體的混合。此外，通過(guò)使用各種柯恩達(dá)表面，可以大大地增加 加入混合區(qū)和火焰的煙氣量。因此，可以在提高爐中火焰質(zhì)量和熱通量分布的同時(shí)極大地 提高減少燃燒器的氮氧化物和一氧化碳排放的能力?？露鬟_(dá)表面和該表面設(shè)置在燃燒口磚 的內(nèi)側(cè)和外側(cè)的方式使煙氣能夠進(jìn)入燃燒器的各種混合和燃燒區(qū)，同時(shí)又不會(huì)將內(nèi)邊界層 的燃料氣體稀釋到變得不可燃或產(chǎn)生不穩(wěn)定火焰的狀態(tài)點(diǎn)?？露鬟_(dá)表面還使火焰形狀能夠 得到準(zhǔn)確的控制，而不需要例如火焰穩(wěn)定器、錐體、翼、撞擊板等其他構(gòu)件。本發(fā)明的這些和 其他優(yōu)點(diǎn)將在下面描述。 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于噴射燃料氣體和空氣混合物到爐內(nèi)的氣體 燃燒器裝置，其中該混合物在存在煙氣的情況下燃燒，同時(shí)產(chǎn)生少量的氮氧化物和一氧化 碳。該氣體燃燒器裝置包括風(fēng)室、燃燒口磚、第一燃料氣體噴射裝置和第二燃料氣體噴射裝 置。該裝置中還可以包括噴射用的預(yù)混第一裝置。風(fēng)室包括用于連接在爐子上的外殼。該外殼包括連接到所述爐子上且內(nèi)部設(shè)置有 空氣出口的上端、與上端相對(duì)的下端、以及將上端和下端連在一起的側(cè)壁。側(cè)壁和下端中的 至少一個(gè)的內(nèi)部設(shè)置有空氣進(jìn)口。燃燒口磚具有用于接收來(lái)自外殼空氣出口的空氣的中心孔。該燃燒口磚包括連接 到外殼上端并位于空氣出口上方的底端、與底端相對(duì)且包括排出口的頂端、以及連接底端 和頂端且包圍中心孔的壁。壁伸入爐內(nèi)且具有內(nèi)表面、外表面和至少一個(gè)穿過(guò)壁延伸的氣 體循環(huán)口。壁的內(nèi)表面包括凸入中心孔的內(nèi)柯恩達(dá)表面。該內(nèi)柯恩達(dá)表面設(shè)置在與氣體循 環(huán)口鄰近(優(yōu)選在其上方)的壁的內(nèi)表面上。第一燃料氣體噴射裝置與燃料氣體源相連并且可操作地與燃燒器裝置相關(guān)聯(lián)，用 于噴射主燃料氣體到燃燒口磚的中心孔內(nèi)。第一燃料氣體噴射裝置包括與燃料氣體源相連 的外氣體立管，該外氣體立管具有連接于其上并且設(shè)置在燃燒口磚壁的外部的外第一燃料 氣體排出噴嘴，以噴射主燃料氣體穿過(guò)氣體循環(huán)口進(jìn)入燃燒口磚的中心孔。第一燃料氣體 噴射裝置還可以包括各種其他部件。
在一實(shí)施例中，第一燃料氣體噴射裝置包括預(yù)混單元。該預(yù)混單元包括預(yù) 混隔板和文丘里混合器。該預(yù)混隔板圍繞燃燒口磚壁的內(nèi)表面延伸并位于氣體循環(huán)口下 方，同時(shí)在其頂部具有多個(gè)預(yù)混氣體排放孔(“口”)。文丘里混合器包括與燃料氣體源相 連并且在其上連接有內(nèi)第一燃料氣體排出噴嘴的內(nèi)氣體立管、以及可操作地與內(nèi)氣體立管 和第一燃料氣體排出噴嘴結(jié)合的文丘里外殼。該文丘里外殼與預(yù)混隔板連接，以供應(yīng)主燃料氣體和空氣混合物到預(yù)混隔板。該預(yù)混單元能夠輸送一定范圍的主燃料氣體和空氣的貧 混合物到燃燒口磚的中心孔內(nèi)。第二燃料氣體噴射裝置與燃料氣體源相連并且可操作地與燃燒器裝置相關(guān)聯(lián)，用 于從燃燒口磚外部噴射第二分級(jí)燃料氣體到與燃燒口磚排出口鄰近的點(diǎn)(優(yōu)選噴在燃燒 口磚外表面上或附近)。第二燃料氣體噴射裝置包括外氣體立管，外氣體立管與燃料氣體 源相連并且在其上連接有第二燃料氣體排出噴嘴，用于噴射第二燃料氣體到燃燒口磚壁的 外表面上或附近。在一個(gè)構(gòu)造中，第一燃料氣體噴射裝置和第二燃料氣體噴射裝置利用同 一個(gè)外氣體立管和燃料氣體排出噴嘴。燃料氣體排出噴嘴同時(shí)作為第一燃料氣體排出噴嘴 和第二燃料氣體排出噴嘴。該噴嘴包括一個(gè)或多個(gè)用于噴射燃料氣體穿過(guò)燃燒口磚壁延伸 的氣體循環(huán)口的口、以及一個(gè)或多個(gè)用于噴射燃料氣體到燃燒口磚壁的外表面上或附近的燃燒口磚壁的外表面優(yōu)選還包括從外表面向外凸出的外柯恩達(dá)表面。外氣體立管 和第二燃料氣體排出噴嘴噴射第二分級(jí)燃料氣體到外柯恩達(dá)表面上或附近。外柯恩達(dá)表面 優(yōu)選圍繞燃燒口磚壁的整個(gè)外表面延伸；然而，它也可以間隔地圍繞燃燒口磚壁的外表面 延伸。該間隔外柯恩達(dá)表面優(yōu)選由外平面隔開(kāi)，該外平面可以是垂直的或向燃燒口磚的中 心孔內(nèi)傾斜。在另一個(gè)實(shí)施例中，氣體燃燒器裝置包括風(fēng)室、燃燒口磚、第一燃料氣體噴射裝置 和第二燃料氣體噴射裝置。風(fēng)室包括用于連接在爐子上的外殼。外殼包括連接到所述爐子 上且內(nèi)部設(shè)置有空氣出口的上端、與上端相對(duì)的下端、以及將上端和下端連在一起的側(cè)壁。 側(cè)壁和下端中的至少一個(gè)的內(nèi)部設(shè)置有空氣進(jìn)口。燃燒口磚具有用于接收來(lái)自外殼空氣出口的空氣的中心孔。燃燒口磚包括連接到 外殼上端并位于空氣出口上方的底端、與底端相對(duì)且包括排出口的頂端、以及連接底端和 頂端且包圍中心孔的壁。壁伸入爐內(nèi)，并且具有內(nèi)表面、外表面和至少一個(gè)貫穿壁的氣體循 環(huán)口。壁伸入爐空間并且具有內(nèi)表面和外表面，壁的外表面包括從外表面向外凸出的外柯 恩達(dá)表面。第一燃料氣體噴射裝置與燃料氣體源相連并且可操作地與燃燒器裝置相關(guān)聯(lián)，用 于噴射主燃料氣體到燃燒口磚的中心孔內(nèi)。第二燃料氣體噴射裝置也與燃料氣體源相連并 且可操作地與燃燒器裝置相關(guān)聯(lián)，用于從燃燒口磚外側(cè)噴射第二分級(jí)燃料氣體到與燃燒口 磚排出口鄰近的點(diǎn)。第二燃料氣體噴射裝置包括與燃料氣體源相連的外氣體立管，并且其 上連接有第二燃料氣體排出噴嘴，用于噴射第二分級(jí)燃料氣體到外柯恩達(dá)表面上或附近。在另一方面，本發(fā)明包括一種與燃燒器風(fēng)室結(jié)合使用以形成用于噴射燃料氣體和 空氣混合物到爐內(nèi)的氣體燃燒器裝置的燃燒口磚，其中該混合物在有煙氣參與的情況下燃 燒，同時(shí)生成少量氮氧化物和一氧化碳。本發(fā)明的燃燒口磚是上述結(jié)合本發(fā)明氣體燃燒器 裝置描述的燃燒口磚。本發(fā)明的燃燒口磚可以用于改進(jìn)應(yīng)用中。在另一方面，本發(fā)明包括一種與氣體燃燒器裝置結(jié)合使用的氣體端頭。該氣體端 頭包括用于與燃料氣體源連接的氣體管、連在氣體管上的氣體偏轉(zhuǎn)器、以及設(shè)置在氣體管 和氣體偏轉(zhuǎn)器之間的燃料氣體出口。該氣體偏轉(zhuǎn)器具有包括柯恩達(dá)表面的外表面，并且柯 恩達(dá)表面相對(duì)燃料氣體出口設(shè)置以使燃料氣體出口排出的燃料氣體沿柯恩達(dá)表面的軌跡 流動(dòng)。該氣體偏轉(zhuǎn)器優(yōu)選成郁金香的形狀。本發(fā)明的氣體端頭例如可以用作本發(fā)明氣體燃
7燒器裝置的第二分級(jí)燃料氣體排出噴嘴、本發(fā)明氣體燃燒器裝置的導(dǎo)燃裝置端頭或連接在 中心內(nèi)氣體立管(例如，中心氣槍)上的第一內(nèi)燃料氣體排出噴嘴。本發(fā)明氣體端頭還可 以與作為圍繞噴頭內(nèi)周界的第一氣體端頭的一組氣體噴嘴結(jié)合使用。在另一方面，本發(fā)明提供一種在有爐內(nèi)煙氣參與的情況下燃燒氣體和空氣的混合 物以在爐內(nèi)產(chǎn)生熱量的方法，其中利用具有在燃燒前混合空氣、燃料氣體和煙氣的混合區(qū) 的氣體燃燒器裝置，該方法包括以下步驟(a)在混合區(qū)內(nèi)設(shè)置柯恩達(dá)表面；(b)以將煙氣從混合區(qū)外部帶入混合區(qū)并使煙氣在混合區(qū)與空氣和燃料氣體混合 的方式，噴射燃料氣體到柯恩達(dá)表面上或附近；(c)從混合區(qū)排出燃燒空氣、燃料氣體和煙氣的混合物到爐內(nèi)；以及(d)在爐內(nèi)燃燒來(lái)自所述混合區(qū)的空氣、燃料氣體和煙氣的混合物。在一個(gè)實(shí)施例中，混合區(qū)被壁包圍，空氣、燃料氣體和煙氣的混合物從混合區(qū)噴入 爐內(nèi)主反應(yīng)區(qū)。在該實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括以下步驟(e)在壁的外表面上設(shè)置外柯恩達(dá)表面；以及(f)以將煙氣帶入第二分級(jí)燃料氣體流而得到第二燃料氣體/煙氣混合物并使第 二燃料氣體/煙氣混合物在爐內(nèi)第二反應(yīng)區(qū)燃燒的方式，噴射第二分級(jí)燃料氣體流到外柯 恩達(dá)表面上或附近。在另一實(shí)施例中，本發(fā)明的發(fā)明包括步驟(a)在燃燒器裝置的壁的外表面上設(shè)置柯恩達(dá)表面；(b)以使燃料氣體在混合區(qū)內(nèi)與空氣混合的方式，噴射主燃料氣體到混合區(qū)；(c)從混合區(qū)排出空氣和燃料氣體的混合物；以及(d)在爐內(nèi)的第一反應(yīng)區(qū)燃燒混合區(qū)排出的空氣和燃料氣體的混合物；(e)以將煙氣帶入第二分級(jí)燃料氣體流而得到第二燃料氣體/煙氣混合物并使第 二燃料氣體/煙氣混合物在爐內(nèi)的第二反應(yīng)區(qū)燃燒的方式，噴射第二分級(jí)燃料氣體流到外 柯恩達(dá)表面上或附近。]燃燒器裝置的壁的內(nèi)表面優(yōu)選還包括內(nèi)柯恩達(dá)表面。以將煙氣從混合區(qū)外部帶 入混合區(qū)并使煙氣在混合區(qū)與空氣和燃料氣體混合的方式，噴射噴入混合區(qū)的燃料氣體到 內(nèi)柯恩達(dá)表面上或附近。
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，結(jié)合附圖閱讀下面描述的優(yōu)選實(shí)施例時(shí)本發(fā)明 的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見(jiàn)的。


圖1是安裝在爐底的本發(fā)明氣體燃燒器裝置的剖面圖。圖2是本發(fā)明氣體燃燒器裝置的燃燒口磚的透視圖。圖3是本發(fā)明氣體燃燒器裝置的燃燒口磚的剖面圖。圖3A是與圖3相似的剖面圖，進(jìn)一步描述了可以并入本發(fā)明燃燒口磚內(nèi)的氣體循 環(huán)節(jié)流裝置。圖4是圖3所示燃燒口磚的一部分的放大詳圖，描述了與燃燒口磚結(jié)合的氣體流動(dòng)。
圖4A是圖3A所示部分燃燒口磚的放大詳圖，描述了與燃燒口磚結(jié)合的氣體流動(dòng)。圖4B是圖4所示燃燒口磚的另一部分的放大詳圖。圖5是沿圖2中線5-5截取的剖視圖。圖6是沿圖2中線6-6截取的剖視圖。圖7是圖3所示燃燒口磚的一部分的另一詳圖，描述了預(yù)混單元的一部分。圖8是與圖1相似的剖面圖，但是描述了代替圖1所示氣槍的中心文丘里混合器 的使用。圖9是與圖1和8相似的剖面圖，但是描述了代替預(yù)混單元的多個(gè)內(nèi)氣體立管的 使用。圖9也描述了與本發(fā)明氣體燃燒器裝置結(jié)合的傳統(tǒng)導(dǎo)燃裝置的使用。圖10是圖3所示燃燒口磚的剖視圖，但是描述了不同的外氣體立管構(gòu)造。圖11是說(shuō)明本發(fā)明燃燒口磚的可選實(shí)施例的剖視圖。圖11A是沿圖12中線11A-11A截取的剖視圖，描述了圖11中燃燒口磚的平壁段 (傾斜的)的一個(gè)變形。
圖11B是沿圖12中線11B-11B截取的剖視圖，描述了圖11中燃燒口磚的 平壁段(豎直/垂直的)的另一個(gè)變形。圖12是沿圖11中線12-12截取的剖視圖。圖13是描述本發(fā)明燃燒口磚的另一實(shí)施例的剖視圖。圖14是圖13所示燃燒口磚的一部分的放大詳圖。圖15是沿圖13中線15-15截取的剖視圖。圖16是描述本發(fā)明燃燒口磚的又一實(shí)施例的剖視圖。圖17是圖16所示燃燒口磚的一部分的放大詳圖。圖18是沿圖16中線18-18截取的剖視圖。圖19是沿圖16中線19-19截取的剖視圖。圖20是描述本發(fā)明燃燒口磚的又一實(shí)施例的剖視圖。圖21是沿圖20中線21-21截取的剖視圖。圖22是描述構(gòu)造成用作導(dǎo)燃裝置的本發(fā)明氣體端頭的部分剖視圖。圖23是圖22所示氣體端頭的一部分的放大詳圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參見(jiàn)附圖，尤其是圖1，其中描述了本發(fā)明的氣體燃燒器裝置，其通常用標(biāo)記 10表示。如圖1所示，燃燒器裝置10密封地安裝到爐子16(整個(gè)爐子未示出)的爐空間 14的爐壁12 (優(yōu)選為底壁或基底)，在該爐壁的開(kāi)口 18的上方。盡管氣體燃燒器裝置通常 如圖1所示垂直安裝并向上導(dǎo)燃，但是應(yīng)了解氣體燃燒器裝置10也可以以其他方式安裝。 例如，氣體燃燒器10可以水平安裝并且水平或垂直導(dǎo)燃，或者可以垂直安裝并且向下導(dǎo)燃 (火焰向下)。優(yōu)選的是，氣體燃燒器裝置10如圖所示垂直安裝在爐空間14的底壁上并且 火焰向上。氣體燃燒器裝置10釋放出燃料氣體和空氣混合物到爐子16的爐空間14，在那里 該混合物在有煙氣參與的情況下燃燒，同時(shí)產(chǎn)生少量氮氧化物和一氧化碳。氣體燃燒器裝 置10包括風(fēng)室20，該風(fēng)室20包括用于安裝在爐子上的外殼22。外殼包括上端24、與上端相對(duì)的下端26和連接上端和下端的側(cè)壁28。外殼22的上端24設(shè)置有空氣出口 30。如圖 1所示，外殼22的上端24連接在爐壁12上，這樣空氣出口 30就位于爐壁開(kāi)口 18的下面。 外殼22的側(cè)壁28和下端26中至少一個(gè)的內(nèi)部設(shè)置有空氣進(jìn)口 32。優(yōu)選的是，如圖1所 示，空氣進(jìn)口 32設(shè)置在外殼22的側(cè)壁28上。如圖1所示，外殼22通過(guò)法蘭34以及穿過(guò)法蘭和爐底壁的互補(bǔ)孔38的多個(gè)螺栓 36固定在爐子16的底壁或者基底12上。爐壁12包括附在它上面的內(nèi)層絕緣材料40。用于 調(diào)節(jié)流經(jīng)空氣進(jìn)口 32的空氣流速的空氣流調(diào)節(jié)器或調(diào)節(jié)風(fēng)門42安裝在空氣進(jìn)口上。調(diào)節(jié) 風(fēng)門42包括多個(gè)可調(diào)葉片44，葉片44可以在垂直和水平方向之間旋轉(zhuǎn)從而打開(kāi)或關(guān)閉調(diào) 節(jié)風(fēng)門。用于減小噴射和燃燒噪音的消音器46也安裝在空氣進(jìn)口 32上。如本領(lǐng)域技術(shù)人 員所了解的，氣體燃燒器裝置10可以是自然通風(fēng)燃燒器(即燃燒所需空氣自動(dòng)地引入外殼 22)、強(qiáng)制通風(fēng)燃燒器(例如，使用風(fēng)機(jī)向外殼吹入燃燒空氣)、平衡通風(fēng)燃燒器(例如，使用 多個(gè)風(fēng)機(jī)將空氣吹入或吹出燃燒器，以實(shí)現(xiàn)燃燒空氣的適當(dāng)平衡)或它們的變形形式。燃 燒器裝置10可以燃燒各種不同類型的燃料氣體，包括天然氣、氫氣、丙烷、乙烷或其他精煉 型燃料。氣體燃燒器裝置10進(jìn)一步包括具有中心孔52的燃燒口磚50，用于接收來(lái)自外殼 22的空氣出口 30的空氣。燃燒口磚50包括底端54、與底端相對(duì)的頂端56和連接底端和 頂端并包圍中心孔52的壁58。燃燒口磚50的底端54在外殼的空氣出口 30之上連接在外 殼22的上端24上。燃燒口磚50的頂端56包括位于其中的排出口 60。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖1-6，燃燒口磚50的壁58延伸至爐空間14，并具有上部62、下 部64、內(nèi)表面66和外表面68。壁58進(jìn)一步包括多個(gè)穿過(guò)壁延伸的氣體循環(huán)口 70。壁58 的內(nèi)表面66包括多個(gè)設(shè)置在氣體循環(huán)口 70附近或上方(上方的情況如圖所示)的內(nèi)柯恩 達(dá)表面80，每個(gè)內(nèi)柯恩達(dá)表面凸向燃燒口磚50的中心孔52。每個(gè)內(nèi)柯恩達(dá)表面80和氣體 循環(huán)口 70設(shè)置在壁58內(nèi)表面66的凹入段82內(nèi)。每個(gè)凹入段82包括從壁58的內(nèi)表面80 伸入中心孔52的相對(duì)側(cè)壁84和86。如圖4B所示，相對(duì)于位于相應(yīng)凹入段82內(nèi)的內(nèi)柯恩 達(dá)表面80伸入中心孔的程度，側(cè)壁84和86更進(jìn)一步地伸入中心孔52。采用另一種方式來(lái) 說(shuō)明，內(nèi)柯恩達(dá)表面80插入壁58的內(nèi)表面66。內(nèi)柯恩達(dá)表面80優(yōu)選插入壁58的內(nèi)表面 66約0. 25至約0. 75英寸。如下面進(jìn)一步所述的，內(nèi)柯恩達(dá)表面80和壁58其余部分的內(nèi) 表面66之間的空間阻止了燃料氣體和/或煙氣被穿過(guò)燃燒口磚50的中心孔52的煙氣和 /或空氣流吹離內(nèi)科恩達(dá)表面。為了產(chǎn)生有效的柯恩達(dá)效應(yīng)，內(nèi)柯恩達(dá)表面80的表面應(yīng)當(dāng)基本上平滑，并且有基 本一致的半徑或相同的弧。同樣，對(duì)于每個(gè)內(nèi)柯恩達(dá)表面來(lái)說(shuō)重要的是有足夠的曲率以在 分流處充分地吸引氣體流。如果柯恩達(dá)表面沒(méi)有足夠的曲率和表面積，則該表面可能不會(huì) 有足夠的表面積來(lái)激發(fā)由氣體動(dòng)量引起的柯恩達(dá)效應(yīng)(即氣體流不會(huì)被吸引到該表面)。 為了確保充分的柯恩達(dá)效應(yīng)，噴射燃料氣體進(jìn)入并穿過(guò)內(nèi)柯恩達(dá)表面80上或附近的氣體 循環(huán)口 70的燃料排出口的直徑(如果使用多個(gè)燃料排出口，則是各個(gè)口的平均直徑)(“主 口直徑”)與內(nèi)柯恩達(dá)表面的半徑(“內(nèi)柯恩達(dá)半徑”)的比必須至少為7 1。例如，第一 燃料氣體排出噴嘴166的排出口直徑(或多個(gè)排出口的平均直徑)與內(nèi)柯恩達(dá)半徑的比需 要至少為7 1。優(yōu)選的是，主口直徑與內(nèi)柯恩達(dá)半徑的比至少為10 1，最優(yōu)選的是至少 為12 1。因此，例如，主口直徑為0.0625英寸，內(nèi)柯恩達(dá)半徑為0.75英寸，則主口直徑與
10柯恩達(dá)半徑的比為12 1。假設(shè)柯恩達(dá)表面具有足夠的曲率或表面積，即使對(duì)于小氣體口，氣體流或射流也 調(diào)整成與柯恩達(dá)表面曲率相切，從而激發(fā)適當(dāng)?shù)目露鬟_(dá)效應(yīng)。這可以隨著例如采用開(kāi)縫噴 射方案結(jié)合更大質(zhì)量流量的火舌管中使用的大柯恩達(dá)表面發(fā)生顯著的變化。除了上述參數(shù)，內(nèi)柯恩達(dá)表面80的特殊尺寸和形狀可以根據(jù)氣體循環(huán)口的尺寸 和形狀、燃燒口磚的尺寸和形狀以及與該特殊應(yīng)用相關(guān)的其他因素而變化。內(nèi)表面66上內(nèi) 柯恩達(dá)表面80的方向(即垂直、水平等)也可以根據(jù)上述因素而變化。內(nèi)柯恩達(dá)表面80是本發(fā)明氣體燃燒器10非常重要的部件。它們可以帶走大量煙 氣而不過(guò)度稀釋燃料氣體且不會(huì)阻礙燃燒或?qū)е禄鹧娌环€(wěn)定。這至少部分歸因于富燃料的 內(nèi)邊界層。穿過(guò)氣體循環(huán)口 70噴入的主燃料氣體和空氣流被推向并保持在柯恩達(dá)表面80 上。燃料氣體流分離并擴(kuò)展成有更大表面積的膜。暴露出氣體核的中心。因此，混合煙氣與 燃料氣體(和特殊應(yīng)用中所涉及的任何其他流體，如空氣和/或蒸汽)所需的距離和時(shí)間 充分地縮短。更多的煙氣和空氣(如果需要還有其他流體)可以與燃料氣體射流混合。因 此，火焰更加穩(wěn)定，燃燒器產(chǎn)生的煙氣中氮氧化物含量減少，并且火焰可以更容易地成形。如圖3A和4A所示，在一個(gè)構(gòu)造中，燃燒口磚50進(jìn)一步包括設(shè)置在氣體循環(huán)口 70 中的循環(huán)扼流裝置87，用于抑制空氣從燃燒口磚50的中心孔52穿過(guò)氣體循環(huán)口進(jìn)入燃燒 口磚外部的流動(dòng)。循環(huán)扼流裝置87包括用于每個(gè)氣體循環(huán)口 70的擋板88。擋板88連在燃 燒口磚50的壁58上，并向上延伸至相應(yīng)的氣體循環(huán)口 70。如圖所示，擋板88可以是耐火 燃燒口磚的組成部分。循環(huán)扼流裝置87用于有必要減少流體從噴頭內(nèi)部經(jīng)氣體循環(huán)口 70 流至燃燒口磚外部的流量的應(yīng)用中。例如，擴(kuò)散射流不經(jīng)循環(huán)氣體口 70噴射時(shí)，流體可能 發(fā)生向外的流動(dòng)。消除空氣經(jīng)口 70向外流有助于減少排放，并提高火焰形成設(shè)計(jì)形狀(擴(kuò) 散射流不經(jīng)過(guò)口 70噴射以在兩個(gè)流體流區(qū)域之間維持流體密封時(shí))的能力。循環(huán)扼流裝置 87阻止空氣在燃燒口磚短接并因此阻止氮氧化物排放的提高，同時(shí)使火焰不接觸燃燒口磚 壁的外表面。循環(huán)扼流裝置87也阻止了中心孔52中預(yù)混氣體和擴(kuò)散氣體之間任何過(guò)早的 接觸。在一些情況下，如果在適當(dāng)?shù)奈恢脹](méi)有擋板88，擴(kuò)散氣體的沖力將把預(yù)混火焰推入循 環(huán)口 70，在那里它將過(guò)早地?cái)y帶空氣進(jìn)入擴(kuò)散射流的底部。包括擋板88(利用擋板時(shí))的整個(gè)燃燒口磚50由耐熱耐火焰的耐火材料制成， 即，即使在高溫下也具有保持其物理形狀和化學(xué)特性的能力的材料?？梢允褂玫哪突鸩牧?實(shí)例包括碳化硅、氧化鋁混合物和陶瓷纖維材料?，F(xiàn)在特別參見(jiàn)圖4、4A和4B，詳細(xì)地描述了氣體循環(huán)口 70。每個(gè)氣體循環(huán)口 70包 括凸緣90、上表面92 (內(nèi)柯恩達(dá)表面80的一部分)和連接凸緣和上表面的成對(duì)的相對(duì)側(cè)壁 94和96。如圖4所示，燃燒口磚不包括循環(huán)扼流裝置87，凸緣90或是平直的，即基本上與 口 70的上表面92共面，或是從內(nèi)表面66向下傾斜至壁58的外表面68。優(yōu)選的是，凸緣 90以15°至-60°的角度從內(nèi)表面66向下傾斜至壁58的外表面68。例如，外部氣體立管 (下面討論)基本上不穿過(guò)爐子的壁12時(shí)，凸緣90以更大的角度向下傾斜。在外部氣體 立管基本上在爐子底壁12上面延伸的構(gòu)造中，凸緣90以一定角度，例如約10°至約60°， 向下傾斜。優(yōu)選的是，凸緣90以15°至25°的角度從內(nèi)表面66向下傾斜至壁58的外表 面68。如圖4A所示，燃燒口磚50包括循環(huán)扼流裝置87時(shí)，由于氣體循環(huán)口 70中存在擋 板88，凸緣90以相當(dāng)大的角度從內(nèi)表面66向下傾斜至壁58的外表面68。凸緣向下傾斜
11用于阻止中心孔52內(nèi)的空氣穿過(guò)口 70徑向離開(kāi)中心孔52。是否使用循環(huán)扼流裝置87以 及凸緣90傾斜的角度將取決于特定的應(yīng)用。壁58上部62的內(nèi)表面66進(jìn)一步包括具有朝上的平面102的第一非流線形體100， 其朝向燃燒口磚的排出口 66。第一非流線形體100圍繞壁58的整個(gè)內(nèi)表面66延伸。每個(gè) 內(nèi)柯恩達(dá)表面80包括下端104、上端106以及連接下端和上端的凸出部108。內(nèi)柯恩達(dá)表 面80的下端104在氣體循環(huán)口 70頂部的上方延伸。內(nèi)柯恩達(dá)表面80的上端106終止于 第一非流線形體100的平面102。燃燒口磚50的頂端56包括具有朝上的平面112的第二 非流線形體110，其朝向爐空間14。第二非流線形體110圍繞壁58的整個(gè)內(nèi)表面66延伸。 第一非流線形體100產(chǎn)生低壓區(qū)，并在中心孔52上部提供混合區(qū)域。第二非流線形體110 用于穩(wěn)定燃燒口磚50的排出口 60處的氣體。分級(jí)燃料具有在燃料太少或擴(kuò)散的情況下在 燃燒口磚50的頂端56富集穩(wěn)定燃料的能力。燃燒口磚50的壁58的外表面68包括多個(gè)開(kāi)口段116 (其包括氣體循環(huán)口 70)和 多個(gè)非開(kāi)口段118 (其不包括氣體循環(huán)口 70)。燃燒口磚50的壁58的外表面68的上部62 還包括從外表面68凸出的外柯恩達(dá)表面130。在一個(gè)實(shí)施例中，如圖1-10所示，外柯恩達(dá)表面130圍繞壁58的整個(gè)外表面68 延伸。該方案允許所有分級(jí)燃料的形狀由柯恩達(dá)表面確定。0070]在另一實(shí)施例中，如圖11-12所示，燃燒口磚50壁58的外表面68上部62包 括多個(gè)外柯恩達(dá)表面130，每個(gè)外柯恩達(dá)表面130都從外表面68向外凸出。在圖11-12所 示的實(shí)施例中，外柯恩達(dá)表面130由外平面132間隔開(kāi)。如圖11A和11B所示，外平面132 可以向燃燒口磚的中心孔傾斜(圖11A)或者直立或垂直(基本上與燃燒口磚的縱軸平行) (圖11B)。如果傾斜，外平面132以5°至25°的角度向內(nèi)傾斜。外柯恩達(dá)表面和平(平 直)面(傾斜或垂直)的交替使用提供了對(duì)火焰形狀的更好控制。分級(jí)燃料可以更迅速地 成形來(lái)維持舌焰。這在需要消除壁58的影響的情況下是特別重要的。一部分燃料氣體可 以以侵入性的角度噴射來(lái)進(jìn)一步促進(jìn)火焰的成形，或得到更強(qiáng)烈的分級(jí)燃料偏置。在又一實(shí)施例中，如圖13-15所示，燃燒口磚50壁58的外表面68的上部62包括 圍繞壁58的整個(gè)外表面68延伸的外平面134。外平面134以5°至25°的角度向內(nèi)傾斜。 它同樣可以基本上直立或垂直(不向內(nèi)傾斜)。該實(shí)施例使分級(jí)噴射更加劇烈，從而獲得有 效的火焰成形能力。因此，燃燒口磚50外表面68的上部62的各種構(gòu)造使火焰的尺寸和形狀能根據(jù)應(yīng) 用得到精確的控制。另外也具有其他優(yōu)點(diǎn)。為了產(chǎn)生顯著的柯恩達(dá)效應(yīng)，外柯恩達(dá)表面130的表面應(yīng)當(dāng)基本上平滑并具有基 本一致的半徑或相同的弧。同樣，對(duì)于每個(gè)外柯恩達(dá)表面來(lái)說(shuō)重要的是有足夠的曲率以在 分流處充分地吸引氣體流。如果柯恩達(dá)表面沒(méi)有足夠的曲率和表面積，該表面就不會(huì)有足 夠的表面積來(lái)激發(fā)由氣體動(dòng)量引起的柯恩達(dá)效應(yīng)(即氣體流不會(huì)被吸引到該表面)。為了 確保充分的柯恩達(dá)效應(yīng)，在外柯恩達(dá)表面130上或附近噴射燃料氣體的燃料排出口的直徑 (如果使用多燃料排出口，則是口的平均直徑)(“第二口的直徑”)與外柯恩達(dá)表面的半徑 (“外柯恩達(dá)半徑”)的比必須至少為7 1。例如，第二燃料氣體噴嘴166的口直徑(如果 采用多個(gè)口，則是平均直徑)與外柯恩達(dá)半徑的比至少為7 1。優(yōu)選的是第二口的直徑與 外柯恩達(dá)半徑的比至少為10 1，最優(yōu)選為至少12 1。
除了上述參數(shù)，外柯恩達(dá)表面130的特殊尺寸和形狀可以根據(jù)燃燒口磚的尺寸和 形狀以及與特殊應(yīng)用相關(guān)的其他因素而變化。外表面68上外柯恩達(dá)表面130的方向(即 垂直、水平等)也可以根據(jù)上述因素而變化。外柯恩達(dá)表面130是本發(fā)明氣體燃燒器裝置10非常重要的部件。表面130用于將 更多的煙氣帶入分級(jí)燃料氣體流中，并大大地促進(jìn)該混合過(guò)程。與更傳統(tǒng)的外平面132或 平面134結(jié)合時(shí)，外柯恩達(dá)表面允許在實(shí)現(xiàn)特殊應(yīng)用所需的分級(jí)燃燒類型和程度中具有很 高的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。外柯恩達(dá)表面132在維持穩(wěn)定火焰的同時(shí)促進(jìn)了燃料氣體的稀釋。 如果需要，在本發(fā)明的燃燒口磚50內(nèi)沒(méi)有氣體循環(huán)口 70時(shí)，外柯恩達(dá)表面132可以與該燃 燒口磚結(jié)合使用。在另一實(shí)施例中，如圖16-19所示，燃燒口磚50進(jìn)一步包括從壁58內(nèi)表面66橫 向延伸至燃燒口磚中心孔52的唇緣140。唇緣140連在與燃燒口磚50的頂端56相鄰的壁 58上，并圍繞壁的內(nèi)表面66延伸。唇緣140包括下端142、上端144以及連接下端和上端 的主體146。主體146包括多個(gè)向所述燃燒口磚中心孔52延伸的突出部150。突出部150 包括各種橫截面形狀(例如，橢圓形、正方形和三角形)并由凹槽152隔開(kāi)。如圖17最清 楚地示出，下端142彎曲，這有助于唇緣140下方流體的流動(dòng)。整個(gè)唇緣140用于使流體轉(zhuǎn) 90°的彎。流體被空氣充分稀釋；火焰速度變低。在由于燃料過(guò)度稀釋而需要穩(wěn)定的情況 下，突出部150和凹槽152使氣體穩(wěn)定并幫助穩(wěn)定火焰。徑向突出部作為非流線形體，擋住 貧混合物并將它穩(wěn)定在燃燒口磚表面的端頭。這種幾何形狀也可以用于中心氣槍170或中 心文丘里混合器176，以為火焰提供更好的熄火機(jī)制。
根據(jù)該應(yīng)用，氣體燃燒器裝置10可以同時(shí)包括內(nèi)柯恩達(dá)表面80和外柯恩 達(dá)表面130。優(yōu)選的是，氣體燃燒器裝置10同時(shí)包括內(nèi)內(nèi)柯恩達(dá)表面80和外柯恩達(dá)表面 130。氣體燃燒器裝置10進(jìn)一步包括第一燃料氣體噴射裝置160和第二燃料氣體噴射 裝置162。第一燃料氣體噴射裝置160與燃料氣體源(未圖示)相連，并可操作地與燃燒 器裝置10結(jié)合，用于噴射主燃料氣體到燃燒口磚50的中心孔52。第二燃料氣體噴射裝置 162與燃料氣體源(未圖示)相連，并可操作地與燃燒器裝置10結(jié)合，用于從中心孔52和 燃燒口磚50的外部噴射第二分級(jí)燃料氣體到燃燒口磚排出口 60的鄰近點(diǎn)。如這里及所附 權(quán)利要求中所使用的，主燃料氣體僅指噴入燃燒口磚中心孔52的燃料氣體(即，噴入由燃 燒口磚50限定的燃燒區(qū)的任何氣體)。第二分級(jí)燃料氣體僅指噴在燃燒口磚50壁58外部 或上方的燃料氣體。第一燃料氣體噴射裝置可包括可以根據(jù)特定應(yīng)用單獨(dú)或組合使用的各種部件。作為第一部件，第一燃料氣體噴射裝置160包括與燃料氣體源相連的多個(gè)外氣體 立管164。每個(gè)外氣體立管164具有外第一(擴(kuò)散)燃料氣體排出噴嘴166 (其內(nèi)包括一個(gè) 或多個(gè)氣體口)，設(shè)置在所述燃燒口磚的所述壁58的外部，用于噴射主燃料氣體使其穿過(guò) 內(nèi)柯恩達(dá)表面80上或附近的氣體循環(huán)口 70。主燃料氣體優(yōu)選直接噴射到內(nèi)柯恩達(dá)表面80 上。如這里及所附權(quán)利要求中所使用的，“噴嘴”，例如“燃料氣體排出噴嘴”，是其內(nèi)包括一 個(gè)或多個(gè)用于從噴嘴排放或噴射氣體流或射流的氣體排放孔(例如，口或縫)的任何類型 的氣體端頭(一般與氣體立管連接)。如這里及所附權(quán)利要求中所使用的，噴射流體“在表 面上或附近”(這里是指燃料氣體)意指直接噴射流體到表面上或與表面足夠接近的位置
13從而在該表面上產(chǎn)生效應(yīng)(例如柯恩達(dá)效應(yīng))。例如，只要燃料氣體流或射流噴射到與柯恩 達(dá)表面彎曲部分非常接近的位置就足夠了，因?yàn)闅饬骰蛏淞鞯膲毫εc該彎曲表面的表面積 結(jié)合會(huì)激發(fā)柯恩達(dá)效應(yīng)。在燃燒器裝置10的溫度非常高(例如，2000° F或更高)的應(yīng)用 中，為了避免損壞，外氣體立管164基本上不在爐壁12上方延伸。在其他應(yīng)用中，立管164 和噴嘴166穿過(guò)壁12并位于其上方。作為另一部件，第一燃料氣體噴射裝置160還可以包括一個(gè)或多個(gè)內(nèi)氣體立管 167，每個(gè)內(nèi)氣體立管與燃料氣體源相連并設(shè)置在燃燒器外殼22內(nèi)部。每個(gè)內(nèi)氣體立管具 有內(nèi)第一燃料氣體排出噴嘴168(其內(nèi)包括一個(gè)或多個(gè)氣體口)，用于直接噴射主分級(jí)燃料 氣體到燃燒口磚中心孔52內(nèi)。如圖9所示，使用多個(gè)內(nèi)氣體立管167和內(nèi)第一燃料氣體排 出噴嘴168直接噴射燃料氣體到燃燒口磚50的中心孔52內(nèi)。如圖所示，一個(gè)或多個(gè)立管 167和相應(yīng)的噴嘴168可以設(shè)置在每個(gè)氣體循環(huán)口 70處，直接噴射一部分主燃料氣體到內(nèi) 柯恩達(dá)表面80上或附近，從而幫助穩(wěn)定火焰。如圖1、3和3A所示，內(nèi)氣體立管167和相應(yīng)的內(nèi)燃料氣體排出噴嘴168可以用于 形成中心氣槍170。內(nèi)氣體立管167與燃料氣體源相連，并延伸至燃燒口磚50中心孔52的 中心。圓頭端頭形式的內(nèi)燃料氣體排出噴嘴168與內(nèi)氣體立管167連接。氣體分散錐172 安裝在中心立管上并圍繞圓頭端頭168，用于分散端頭排出的氣體。中心氣槍170可以用于 直接噴射主燃料氣體自由射流到燃燒口磚50內(nèi)。主燃料氣體自由射流的沖力連同空氣的 沖力將煙氣推入燃燒口磚50中心孔52，有助于減少有害排放。如圖8所示，內(nèi)氣體立管167和相應(yīng)的內(nèi)燃料氣體排出噴嘴168可以用于形成中 心文丘里混合器176。內(nèi)氣體立管167與燃料氣體源相連，并設(shè)置在燃燒器外殼22內(nèi)部。 氣體尖端(其內(nèi)包括一個(gè)或多個(gè)氣體口)形式的內(nèi)燃料氣體排出噴嘴168與內(nèi)氣體立管 167連接。文丘里外殼178可操作地與立管167和噴嘴168關(guān)聯(lián)。文丘里外殼178安裝在 內(nèi)氣體立管167上并位于尖端168上方，用于接收尖端排出的燃料氣體。文丘里外殼178 包括進(jìn)口 180、出口 182和具有窄部186的文丘里體184。文丘里體184產(chǎn)生將空氣吸入外 殼178的低壓區(qū)。在外殼178內(nèi)形成燃料氣體和空氣的混合物。中心文丘里混合器可以用 于直接噴射主燃料氣體和空氣的預(yù)混流到燃燒口磚50。它產(chǎn)生了貧或過(guò)貧預(yù)混區(qū)，從而縮 短火焰長(zhǎng)度并進(jìn)一步減少氮氧化物排放。如果需要可以使用多個(gè)文丘里混合器176。如圖1、3、3A、7和8所示，第一燃料氣體噴射裝置160還可以包括延伸至燃燒口磚 50中心孔52內(nèi)的預(yù)混單元190。如圖7最清楚地示出的，預(yù)混單元190包括預(yù)混隔板192， 預(yù)混隔板192環(huán)繞并稍微插在(為了最佳的穩(wěn)定性)燃燒口磚50壁58的內(nèi)表面66內(nèi)，且 位于該壁中的氣體循環(huán)口 70下方。多個(gè)預(yù)混氣體口 194設(shè)置在隔板192頂部。一對(duì)文丘里 混合器196供應(yīng)燃料氣體和空氣的預(yù)混流到隔板192內(nèi)。每個(gè)文丘里混合器196包括內(nèi)氣 體立管198，內(nèi)氣體立管198與燃料氣體源相連，并具有連接其上的氣體尖端(其內(nèi)包括一 個(gè)或多個(gè)氣體口)形式的內(nèi)第一燃料氣體排出噴嘴200。文丘里外殼202可操作地與立管 198和噴嘴200關(guān)聯(lián)。文丘里外殼202連在立管198上并設(shè)置成接收噴嘴200排出的燃料 氣體。文丘里外殼202包括進(jìn)口 204、出口 206和優(yōu)選其內(nèi)具有窄部210的文丘里體208。 在一些應(yīng)用中，窄部210不是必需的。文丘里體208形成將空氣吸入外殼202的低壓區(qū)。燃 料氣體和空氣的混合物在外殼202內(nèi)形成，并導(dǎo)入預(yù)混隔板192。預(yù)混單元190可以用于圍 繞燃燒口磚50的壁58內(nèi)表面66周邊噴射主分級(jí)燃料氣體和空氣的預(yù)混合流。
預(yù)混單元190可以用于預(yù)混全部主燃料氣體，或者預(yù)混部分主燃料氣體，而其余 的則由擴(kuò)散的主燃料氣體補(bǔ)充。該預(yù)混單元可以象燃燒器的其他部分一樣是固定的或可調(diào) 的釋熱部件。預(yù)混單元190沿燃燒口磚50的壁58的內(nèi)圓周均勻地釋放燃料，從而提高調(diào) 節(jié)能力和穩(wěn)定性。因?yàn)榫鶆虻蒯尫趴諝夂腿剂峡梢越档屯ǔＴ跀U(kuò)散式自由射流中測(cè)得的基 核溫度，所以它也有助于減少氮氧化物的排放。預(yù)混單元190與擴(kuò)散方式結(jié)合使用時(shí)，擴(kuò)散 射流會(huì)被沖得更稀，并且/或者被分散，因?yàn)樵摂U(kuò)散火焰隨后將是被貧預(yù)混火焰穩(wěn)定的火 焰。因?yàn)閿U(kuò)散射流是被穩(wěn)定的火焰，所以氣體循環(huán)口 70的通流面積可以增大到超過(guò)通常 在對(duì)火焰穩(wěn)定性(火焰被預(yù)混單元產(chǎn)生的預(yù)混火焰穩(wěn)定)沒(méi)有負(fù)面影響的情況下可以得到 的通流面積的6倍。預(yù)混單元保持恒定的熱釋放量。這使得可以這樣設(shè)計(jì)該區(qū)，以使回火 (flashback)在燃料范圍內(nèi)不是問(wèn)題。這不僅提高了由于火焰穩(wěn)定產(chǎn)生的調(diào)節(jié)能力，而且確 保在保持容許的口尺寸的同時(shí)得到更少的主燃料。這意味著主區(qū)的熱釋放量可以由主區(qū)內(nèi) 總?cè)剂系陌俜种?1%)這么少的燃料產(chǎn)生。由于較大的氣體循環(huán)口，一氧化碳(CO)排放 量可以在冷啟動(dòng)期間降到最低。明顯較大的氣體循環(huán)口將大量煙氣推入燃燒器，CO在其中 再次燃燒，以減少爐箱內(nèi)測(cè)得的CO含量。預(yù)混單元190也為其余的燃燒器燃燒區(qū)提供導(dǎo)燃源。它可以根據(jù)特定應(yīng)用的需要 采用多種形狀和孔數(shù)量?？梢蕴匾獾貙?duì)它進(jìn)行調(diào)整，以產(chǎn)生進(jìn)一步減少氮氧化物排放所必 需的那么貧的燃料氣體_空氣混合物。預(yù)混單元190用作燃燒器的最小熱釋放部件，從而 如果需要可以完成低熱釋放的除焦循環(huán)而不會(huì)影響火焰穩(wěn)定性。除預(yù)混單元外可以關(guān)閉主 要的氣體輸送部件。于是它在維持穩(wěn)定性的同時(shí)用來(lái)放出非常少的熱量。燃燒器的主要部 分重新導(dǎo)燃時(shí)，預(yù)混單元可以以非常低的壓力在線恢復(fù)，該壓力比通?？赡墚a(chǎn)生的低得多。第二燃料氣體噴射裝置162包括多個(gè)外氣體立管，每個(gè)外氣體立管都與燃料氣體 源相連并且其上連接有第二燃料氣體排出噴嘴(其內(nèi)包括一個(gè)或多個(gè)口)。第二燃料氣體 噴射裝置用于噴射第二分級(jí)燃料氣體到燃燒口磚50的壁58的外表面68 (例如，外柯恩達(dá) 表面130)上或附近。第二分級(jí)燃料氣體優(yōu)選直接噴射到外表面68 (例如，外柯恩達(dá)表面 130)上。立管和噴嘴可以采用多種構(gòu)造。例如，如圖1、4和4A所示，第二燃料氣體噴射 裝置的外氣體立管和第二燃料氣體排出噴嘴也是第一燃料氣體噴射裝置的外氣體立管164 和噴嘴166。噴嘴166包括噴射主燃料氣體到氣體循環(huán)口 70內(nèi)的第一 口和噴射第二分級(jí)燃 料氣體到燃燒口磚50壁58的外表面68 (例如，外柯恩達(dá)表面130)上或附近的第二口。在 另一構(gòu)造中，每個(gè)外氣體立管164包括獨(dú)立的第一燃料氣體排出噴嘴和第二燃料氣體排出 噴嘴。在又一構(gòu)造中，如圖10所示，第一燃料氣體噴射裝置和第二燃料氣體噴射裝置采用 各自的外氣體立管。多個(gè)外氣體立管164用于噴射主燃料氣體穿過(guò)氣體循環(huán)口 70進(jìn)入燃 燒口磚50的中心孔52，其中每個(gè)外氣體立管164都與燃料氣體源相連并且其上連接有外第 一燃料氣體排出噴嘴166(其內(nèi)包括一個(gè)或多個(gè)氣體口)。獨(dú)立的外氣體立管214用于噴射 第二分級(jí)燃料氣體到燃燒口磚50壁58的外表面68(例如，外柯恩達(dá)表面130)上或附近， 每個(gè)外氣體立管214都與燃料氣體源相連并且其上連接有第二燃料氣體排出噴嘴216 (其 內(nèi)包括一個(gè)或多個(gè)氣體口)。立管采用的特殊構(gòu)造將取決于分級(jí)氣體的量和所需的火焰形 狀。燃燒器外殼22和燃燒口磚50的橫截面形狀優(yōu)選為圓形。然而，外殼22和燃燒口 磚也可以有其他的形狀。例如外殼22和燃燒口磚50的橫截面形狀可以是橢圓形、正方形或長(zhǎng)方形。只要柯恩達(dá)表面應(yīng)用正確，該形狀可以是對(duì)稱或不對(duì)稱的。外殼22的形狀不需 要與燃燒口磚50的相同。圖20和21描述了橫截面形狀為長(zhǎng)方形的燃燒口磚50。例如，矩 形燃燒口磚50可以用于產(chǎn)生平焰并且在壁燃式應(yīng)用中十分有效。如圖1所示，除了預(yù)混單元190，第一燃料氣體噴射裝置160和第二燃料氣體噴射 裝置162的若干部件都與燃燒器集管217連接，燃燒器集管217則與燃料氣體源連接(例 如總爐子集管)。氣體燃燒器集管217包括集管進(jìn)口 218、多個(gè)集管出口 219及相應(yīng)的集管 閥220。預(yù)混單元190，特別是它的內(nèi)氣體立管198優(yōu)選直接與單獨(dú)的燃料氣體源(例如， 來(lái)自總爐子氣體集管)相連。立管198典型地通過(guò)與單獨(dú)的燃料氣體源連接的管子220互 相連接。管子220內(nèi)部設(shè)置有閥222，用于控制燃料氣體流經(jīng)管子的流速。將預(yù)混單元190 與獨(dú)立的燃料源連接使得預(yù)混單元190在用作燃燒器第一部件(primary)的同時(shí)能夠在固 定的壓力下運(yùn)行。它也使得預(yù)混單元排出的燃料氣體和空氣混合物的流速能夠增加到一定 值，以致如果使用這種構(gòu)造則不需要噴射主燃料氣體穿過(guò)氣體循環(huán)口 70。如果需要，預(yù)混單 元也可以只用一個(gè)單獨(dú)的連接器與燃燒器氣體集管218連接。如圖9所示，氣體燃燒器裝置10還可以包括用于點(diǎn)燃燃燒口磚50內(nèi)的主燃料氣 體的傳統(tǒng)導(dǎo)燃裝置223。導(dǎo)燃裝置223包括與燃料氣體源相連的內(nèi)氣體立管226、連在內(nèi)氣 體立管上的文丘里混合器228和連在文丘里混合器上的氣體端頭230 (其內(nèi)包括一個(gè)或多 個(gè)口)。氣體端頭230延伸到燃燒口磚中心孔52內(nèi)。罩232設(shè)置在氣體端頭周圍，通過(guò)為 火焰添加額外的空氣和保護(hù)來(lái)確保適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)計(jì)量，從而穩(wěn)定引燃火焰。如圖9中箭頭所 示，空氣從罩232上的孔吸入?；鹧鎻恼值捻敳酷尫懦觥Ｈ缟纤?，包括燃燒口磚50和第一及第二燃料氣體噴射裝置160和162的設(shè)置的 氣體燃燒器裝置10的特殊構(gòu)造可以根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行改變。在多數(shù)情況下，將同時(shí)采用內(nèi)柯恩 達(dá)表面80和外柯恩達(dá)表面130。不論所采用的特殊構(gòu)造如何，目的都是將大量煙氣與燃料 氣體和空氣混合，而不會(huì)對(duì)火焰穩(wěn)定性有負(fù)面影響?？露鬟_(dá)表面使得可以應(yīng)用新的工具來(lái) 夾帶和混合煙氣、使火焰成形和輸出氣體。由柯恩達(dá)表面引起的混合的加強(qiáng)提高了熱通量、 火焰質(zhì)量、以及向爐底(通量)的熱釋放量。分級(jí)燃料和第二燃燒區(qū)用于減少氮氧化物排放 以及使火焰成形?，F(xiàn)在通過(guò)采用適當(dāng)?shù)谋砻媲示涂梢詰?yīng)用緊湊氣體直徑從而得到所必需 或需要的火焰形狀。柯恩達(dá)表面的穩(wěn)定機(jī)理使得燃燒器可以在燃料流速非常低的情況下成 功地導(dǎo)燃。該設(shè)計(jì)也使得擴(kuò)散主端頭在爐內(nèi)可以設(shè)置得略微深些，從而加長(zhǎng)夾帶長(zhǎng)度。以 前的設(shè)計(jì)并不允許采用更長(zhǎng)的夾帶長(zhǎng)度，同時(shí)又不產(chǎn)生不穩(wěn)定?？露鬟_(dá)表面的使用使內(nèi)邊 界層保持足夠富足以保持可燃性。增加的貧預(yù)混環(huán)或分配總管使得擴(kuò)散主燃料的火焰被低
質(zhì)火焰進(jìn)一步穩(wěn)定。預(yù)混火焰使燃燒器調(diào)節(jié)能力超過(guò)一般設(shè)計(jì)，而不產(chǎn)生不穩(wěn)定。它 也使其他燃燒器已經(jīng)出現(xiàn)不穩(wěn)定時(shí)，該燃燒器仍然很穩(wěn)定。上述幾何形狀的組合使燃燒器 的設(shè)計(jì)者能夠在相同的基本燃燒器構(gòu)造的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出中級(jí)N0X、低N0X或極低N0X的燃燒 器。燃燒器的穩(wěn)定性幾乎完全優(yōu)于典型的自然通風(fēng)或強(qiáng)迫通風(fēng)的工藝燃燒器，這使得柯恩 達(dá)表面能夠添加額外的煙氣到主火焰區(qū)?，F(xiàn)在根據(jù)燃料和燃燒器的運(yùn)行參數(shù)，燃燒器的調(diào) 節(jié)能力可以超過(guò)10比1。通常包括燃燒口磚50尺寸的氣體燃燒器裝置的總尺寸也可以根據(jù)裝置的使用方 式進(jìn)行變化。同樣，如上所述，內(nèi)和外柯恩達(dá)表面的形狀、尺寸、長(zhǎng)度、高度和方位也可以根 據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，只要保持某些其他參數(shù)(例如，足夠的曲率)不變以產(chǎn)生充分的柯恩達(dá)效
16應(yīng)。在一些應(yīng)用中，燃燒口磚50可以改造成現(xiàn)有的燃燒器風(fēng)室。例如，燃燒口磚50可 以改造成具有分級(jí)氣體設(shè)計(jì)的氣體燃燒器裝置。燃燒口磚50可以增加新的利用柯恩達(dá)方 法的端頭和立管，從而減少排放并提高火焰穩(wěn)定性。熱風(fēng)爐中的氮氧化物可以在冷箱中或 在啟動(dòng)期間的一氧化碳減少的同時(shí)也減少。如圖22和23所示，本發(fā)明還包括柯恩達(dá)氣體端頭。例如，該端頭可以用作與中心 氣槍170 (如圓頭端頭)連接的第一燃料氣體排出噴嘴168或中心文丘里混合器176。它也 可以用作第一和第二燃料氣體排出噴嘴，或?qū)細(xì)怏w端頭230。圖22描述了使用柯恩達(dá)氣 體端頭作為導(dǎo)燃?xì)怏w端頭的情況。本發(fā)明的柯恩達(dá)氣體端頭，在圖22和23中通常用標(biāo)記240表示，包括用于連接燃 料氣體源(例如氣體立管)的氣體管242、連在氣體管上的氣體偏轉(zhuǎn)器244，以及設(shè)置在氣 體管和氣體偏轉(zhuǎn)器之間的燃料氣體出口 246。氣體偏轉(zhuǎn)器244用內(nèi)螺紋連接件248 (也可以 使用其他機(jī)械或焊接連接件)連在氣體管242上。氣體偏轉(zhuǎn)器244具有外表面，該外表面 包括與燃料氣體出口 246對(duì)應(yīng)設(shè)置的柯恩達(dá)表面250，以便燃料氣體出口排出的燃料氣體 沿柯恩達(dá)表面的軌跡流動(dòng)。柯恩達(dá)氣體端頭240的氣體偏轉(zhuǎn)器244優(yōu)選具有為偏轉(zhuǎn)器提供 環(huán)形柯恩達(dá)表面250的郁金香形狀。為了產(chǎn)生有效的柯恩達(dá)效應(yīng)，柯恩達(dá)表面250的表面應(yīng)當(dāng)基本上平滑并具有基本 一致的半徑或相同的弧。同樣，對(duì)于外柯恩達(dá)表面250來(lái)說(shuō)重要的是有足夠的曲率，從而在 分流處充分地吸引氣體流。如果柯恩達(dá)表面沒(méi)有足夠的曲率或表面積，該表面不會(huì)有足夠 的表面積來(lái)激發(fā)由氣體動(dòng)量引起的柯恩達(dá)效應(yīng)(即氣體流不會(huì)被吸引到該表面)。為了確 保充分的柯恩達(dá)效應(yīng)，燃料氣體出口 246的口直徑(如果使用口)，或燃料氣體出口 246的 縫寬度(如果使用縫)(如果使用多個(gè)口或縫，則為平均口直徑或平均縫寬度)(“端頭排出 口直徑”)與柯恩達(dá)表面250的半徑(“端頭柯恩達(dá)半徑”)的比必須至少為7 1。優(yōu)選 的是，端頭排出口直徑與端頭柯恩達(dá)半徑的比至少為10 1，最優(yōu)選為至少12 1。假設(shè) 柯恩達(dá)表面250具有足夠的曲率或表面面積，即使對(duì)于小氣體口，氣體流或射流也調(diào)整成 與柯恩達(dá)表面曲率相切，從而激發(fā)適當(dāng)?shù)目露鬟_(dá)效應(yīng)。在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)該特殊應(yīng)用，燃料氣體出口 246包括以適當(dāng)角度(例如，0至 45° )從氣體管242釋放燃料氣體的環(huán)縫252。燃料氣體出口 246還可以包括多個(gè)小的圓 形口(未圖示)，用于替代縫252或額外添加。如圖22所示，在火焰穩(wěn)定性是重點(diǎn)或需要加 強(qiáng)混合的導(dǎo)燃應(yīng)用和其他應(yīng)用中，可以將罩254安在氣體管242上，包住偏轉(zhuǎn)器244和出口 246。罩254包括一個(gè)或多個(gè)空氣進(jìn)口 260?？露鬟_(dá)氣體端頭240的環(huán)形柯恩達(dá)表面250對(duì)應(yīng)于燃料氣體出口 246設(shè)置，以便 使燃料氣體出口排出的燃料氣體沿著柯恩達(dá)表面流動(dòng)。柯恩達(dá)表面將燃料氣體擴(kuò)散成薄 膜，使更多的空氣或煙氣或兩者夾帶入燃料氣體流并迅速得到這三種流體的混合物，形成 提高穩(wěn)定性的富燃料內(nèi)邊界層。該方法使主體火焰在維持穩(wěn)定的同時(shí)能夠解決不可燃性的 問(wèn)題。夾帶進(jìn)燃料氣體流中的煙氣量可以適當(dāng)?shù)靥岣叨挥绊懛€(wěn)定性。包括氣體管242的 長(zhǎng)度和直徑以及偏轉(zhuǎn)器244的尺寸在內(nèi)的柯恩達(dá)氣體端頭240的總尺寸可以根據(jù)總?cè)紵?尺寸和端頭使用方式進(jìn)行改變。例如，端頭用作中心氣槍170的圓頭端頭168時(shí)，比用作引 燃端頭230時(shí)的尺寸相對(duì)大些。較小尺寸的端頭典型地用在產(chǎn)生約0. 05至約1. 5MMBtuh的熱釋放量時(shí)。較大尺寸的端頭可以用于輸送更多的燃料氣體，例如當(dāng)端頭用作燃燒口磚中 心(中心氣槍170的端頭)的主噴射器時(shí)。在這種情況下，端頭可以輸送例如3至10百萬(wàn) MMBtuh或更多的燃料氣體，如果特殊應(yīng)用需要還可輸送更多的燃料氣體。氣槍中典型使用 的錐或其他多余部件則是不必要的。參見(jiàn)圖1，現(xiàn)在將描述本發(fā)明氣體燃燒器裝置10的運(yùn)行。裝置10用內(nèi)部導(dǎo)燃裝置 初步點(diǎn)燃或用外部火炬人工導(dǎo)燃。一旦主預(yù)混單元190被點(diǎn)燃、升溫并燃燒，打開(kāi)各集管閥 220供應(yīng)燃料氣體到其余燃燒部件?？諝獯┻^(guò)空氣進(jìn)口 32引入燃燒器外殼22?？諝庹{(diào)節(jié) 器或調(diào)節(jié)風(fēng)門42調(diào)節(jié)進(jìn)入外殼22的空氣流速。空氣穿過(guò)外殼22，并經(jīng)其空氣出口 30進(jìn)入 燃燒口磚50的中心孔52。主燃料和空氣的混合物由預(yù)混單元190引入燃燒口磚50的中心孔52。燃料氣 體_空氣混合物經(jīng)環(huán)繞燃燒口磚壁58的內(nèi)表面66的預(yù)混氣體口 194排出。主燃料氣體還 由中心氣槍170噴入燃燒口磚50的中心孔52。圖中的箭頭表示燃料氣體和燃燒空氣的流 動(dòng)。同時(shí)，主燃料氣體穿過(guò)外氣體立管164，經(jīng)第一燃料氣體排出噴嘴166進(jìn)入并穿過(guò)氣體 循環(huán)口 70。從第一燃料氣體排出噴嘴166進(jìn)入氣體循環(huán)口 70的燃料氣體射流夾帶爐煙氣 進(jìn)入燃燒口磚50的中心孔52。流經(jīng)口 70的主燃料氣體和煙氣遇到內(nèi)柯恩達(dá)表面80并沿 其軌跡到達(dá)燃燒口磚頂端56。如上所述，內(nèi)柯恩達(dá)表面80使燃料氣體和煙氣迅速混合在一 起，并使混合物始終靠近燃燒口磚50壁58的內(nèi)表面66，這使大量煙氣被帶入中心孔從而 在不過(guò)度稀釋中心孔52內(nèi)燃料氣體的情況下(例如，稀釋到不可燃點(diǎn))，控制火焰溫度并 由此控制氮氧化物和一氧化碳的排放。主燃料氣體、空氣和煙氣由中心孔52內(nèi)的預(yù)混單元 190 (或其他導(dǎo)燃裝置)點(diǎn)燃，由排出口 60釋放并在主反應(yīng)區(qū)270內(nèi)燃燒。主反應(yīng)區(qū)270在 燃燒口磚50的中心孔52內(nèi)部和與排出口 60鄰近的燃燒口磚外部。第二分級(jí)燃料氣體同時(shí)由外氣體立管164傳輸并經(jīng)第二燃料氣體排出噴嘴 168 (也可以是第一燃料氣體排出噴嘴)排放到連續(xù)的外部柯恩達(dá)表面130上或附近。第二 分級(jí)燃料氣體沿外部柯恩達(dá)表面130軌跡流至燃燒口磚頂端56，在那里它被主燃燒區(qū)內(nèi)的 火焰點(diǎn)燃并在主燃燒區(qū)周圍和上方的第二燃燒區(qū)280內(nèi)燃燒。燃料氣體和煙氣相對(duì)于內(nèi)和 外柯恩達(dá)表面80和130的流動(dòng)在圖4和4A中最好地顯示出。圖4A說(shuō)明了采用循環(huán)扼流 裝置87減少穿過(guò)氣體循環(huán)口 70的流體流出量時(shí)氣體的流動(dòng)。如圖8所示，中心文丘里混合器176可以替代中心氣槍170作為熄火機(jī)構(gòu)，從而降 低氮氧化物排放并產(chǎn)生更短的火焰。如圖9所示，多個(gè)內(nèi)氣體立管167和相應(yīng)的燃料氣體 排出噴嘴168可以用來(lái)代替或結(jié)合預(yù)混單元190。內(nèi)氣體立管167和噴嘴168設(shè)置在氣體 循環(huán)口 70附近并且擴(kuò)散的燃料氣體不經(jīng)由這些口噴射時(shí)，一般需要循環(huán)節(jié)流裝置。如圖 11-16所示，可以采用各種構(gòu)造的壁58和外表面68 (例如由多個(gè)傾斜外平面132或一個(gè)連 續(xù)外平面132分隔的多個(gè)外柯恩達(dá)表面130)來(lái)得到較小直徑的火焰并幫助控制該火焰。如 圖16-19所示，端頭140可以包括在燃燒口磚50內(nèi)以提供進(jìn)一步的混合以及非流線形體的 穩(wěn)定性。最后，可以采用不同形狀的氣體燃燒器裝置10來(lái)適應(yīng)特殊的應(yīng)用。燃料氣體以產(chǎn)生理想熱釋放量的流速在爐空間14內(nèi)燃燒?？諝庖砸欢ㄋ俣扔煽?氣進(jìn)口 32和空氣調(diào)節(jié)器或調(diào)節(jié)風(fēng)門42導(dǎo)入外殼22內(nèi)，以便在爐空間14內(nèi)得到燃料氣體 和空氣的理想化學(xué)計(jì)量混合物。也就是說(shuō)，空氣以與引入爐空間14內(nèi)的燃料氣體總流速成 比例的流速引入其中，這使得燃料-空氣比大于化學(xué)計(jì)量比。優(yōu)選的是，空氣比率在超出化
18學(xué)計(jì)量比約10%至約25%的范圍內(nèi)。燃料氣體在爐空間14內(nèi)燃燒形成的煙氣中的氮氧化 物含量非常低。用作主燃料氣體的部分燃料氣體通常占由燃燒器裝置10進(jìn)入爐空間14的 總?cè)剂蠚怏w體積的約5%至約25%。也就是說(shuō)，進(jìn)入爐空間的主燃料氣體的流速為輸送至 燃燒器裝置10的總?cè)剂蠚怏w流速的約5%至約25%，同時(shí)第二分級(jí)燃料氣體的流速為總?cè)?料氣體流速的約95%至約75%。主燃料氣體根據(jù)有效壓力、夾帶長(zhǎng)度和氣體循環(huán)口 70的 尺寸，以每單位體積主燃料氣體約1體積至約30體積的煙氣范圍內(nèi)的一定值與煙氣混合。 分級(jí)氣體可以在第一口和分級(jí)立管的分級(jí)口之間偏向幾乎任何百分比，以優(yōu)化熱通量。所 述燃燒器的熱釋放量將分配給不同立管之間的大部分開(kāi)口。在優(yōu)選實(shí)施例中，同時(shí)利用了內(nèi)柯恩達(dá)表面80和外柯恩達(dá)表面130。第一燃料氣 體噴射裝置包括外氣體立管164和預(yù)混單元190。也就是說(shuō)，主燃料氣體經(jīng)氣體循環(huán)口 70 以及預(yù)混單元190上方噴入燃燒口磚50。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，同時(shí)利用了內(nèi)柯恩達(dá)表面 80和外柯恩達(dá)表面130。然而，第一燃料氣體噴射裝置可以只由預(yù)混單元190組成。也就 是說(shuō)，主燃料氣體的唯一來(lái)源是預(yù)混單元190。即使主燃料氣體不經(jīng)由氣體循環(huán)口噴射，預(yù) 混單元190排出的燃料氣體和空氣以及穿過(guò)中心孔52的空氣流仍然將夾帶流入氣體循環(huán) 口的煙氣進(jìn)入中心孔。由穿過(guò)燃燒器的空氣流夾帶的煙氣仍將流經(jīng)燃燒口磚內(nèi)的循環(huán)口， 之后大部分煙氣將附著在內(nèi)部的柯恩達(dá)表面上。本發(fā)明還提供了一種在爐子內(nèi)燃燒含有煙氣的空氣和燃料氣體混合物的方法。該 方法包括以下步驟首先，本發(fā)明的氣體燃燒器裝置貫穿安裝在爐空間的壁(優(yōu)選為爐空間的底壁或 底墻)上。如上所述，多個(gè)氣體循環(huán)口 70貫穿燃燒口磚50的壁58延伸。壁58的內(nèi)表面 66包括多個(gè)內(nèi)柯恩達(dá)表面80，每個(gè)內(nèi)柯恩達(dá)表面都接近氣體循環(huán)口 70。根據(jù)應(yīng)用，氣體燃 燒器裝置10還可以包括一個(gè)或多個(gè)上述其他組件?？諝鈬娚淙肴紵诖u50的中心孔52。主燃料氣體穿過(guò)內(nèi)柯恩達(dá)表面80上或附近 的氣體循環(huán)口 70，夾帶壁58外部(例如，爐空間)的煙氣進(jìn)入燃燒口磚50的中心孔52并 在中心孔內(nèi)形成空氣、燃料氣體和煙氣的均勻混合物。空氣、燃料氣體和煙氣的混合物從燃 燒口磚50頂端56的排出口 60排入爐空間14，空氣和燃料氣體混合物在被大量煙氣稀釋的 同時(shí)在爐內(nèi)燃燒。在另一實(shí)施例中，在有爐子煙氣參與的情況下燃燒空氣和燃料氣體混合物以在爐 子內(nèi)產(chǎn)生熱量的方法包括以下步驟本發(fā)明的氣體燃燒器10貫穿安裝在爐空間14的壁(優(yōu)選為爐空間14的底壁或 底墻)上。燃燒口磚50壁58的外表面68包括從外表面向外延伸的外柯恩達(dá)表面130?？諝夂腿剂蠚怏w噴射入燃燒口磚50的中心孔52，由此在中心孔內(nèi)形成空氣和燃 料氣體的混合物?？諝夂腿剂蠚怏w混合物隨后從燃燒口磚50的排出口 60進(jìn)入爐空間14， 并在爐空間中的主反應(yīng)區(qū)270內(nèi)燃燒。分級(jí)燃料氣體也以?shī)A帶來(lái)自爐空間14的煙氣的方 式噴射在外柯恩達(dá)表面130上或附近，得到分級(jí)燃料氣體/煙氣混合物并使其在爐空間中 的第二反應(yīng)區(qū)280內(nèi)燃燒。如果需要，上述方法的步驟可以組成一個(gè)單獨(dú)的方法。為了進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，提供以下例子。例子
對(duì)本發(fā)明的氣體燃燒器裝置10進(jìn)行了性能測(cè)試。內(nèi)柯恩達(dá)表面80和連續(xù)柯恩達(dá) 表面130形成在燃燒口磚50的壁58上。被測(cè)試的特定燃燒器構(gòu)造內(nèi)的第一燃料氣體噴射 裝置包括外氣體立管164和燃料氣體排出噴嘴166。燃料氣體排出噴嘴包括用于噴射穿過(guò) 氣體循環(huán)口 80的主燃料氣體的口和用于噴射第二燃料氣體到外柯恩達(dá)表面130上或附近 的口。還采用了預(yù)混單元190來(lái)減少氮氧化物排放。預(yù)混隔板192包括36個(gè)直徑為0. 261 英寸的預(yù)混氣體口 194。這些口圍繞預(yù)混隔板192的頂表面間隔設(shè)置。每個(gè)0.261英寸的 口中間有一個(gè)0. 125英寸的口，0. 261英寸的口也可以是上方疊加有0. 125英寸的口的沉 孔。小口的目的是作為與大口結(jié)合使用的點(diǎn)火口。內(nèi)氣體立管167、中心氣槍170和中心文 丘里混合器176都不使用。通常，被測(cè)試的氣體燃燒器裝置10構(gòu)造成與圖1-7中所示的氣 體燃燒器裝置10相似，所不同的是不包括中心氣槍170。手動(dòng)點(diǎn)燃預(yù)混單元，緊接著燃燒器的其他部件也被點(diǎn)燃。調(diào)節(jié)器42在所有測(cè)試 點(diǎn)都全開(kāi)。精確點(diǎn)燃主預(yù)混單元，在燃燒口磚內(nèi)周界形成一組均勻的藍(lán)色小火舌。隨后 燃燒器的主要部分在大約0. lpsig的壓力下點(diǎn)燃。該燃燒器的熱釋放量隨后增加到大約 0. 84MMBtuh并開(kāi)始加熱爐子。該火焰很有剛性并且看起來(lái)非常穩(wěn)定。一氧化碳和氮氧化物 水平在所有測(cè)試點(diǎn)都非常好，從點(diǎn)燃到飽和狀態(tài)始終保持低于26ppmv (avg)的可記錄的排 放量。在整個(gè)測(cè)試階段都觀察到燃燒口磚50發(fā)紅。得到以下測(cè)試數(shù)據(jù)。測(cè)試數(shù)據(jù) *塔爾薩天然氣 *塔爾薩天然氣 *塔爾薩天然氣 *塔爾薩天然氣 *塔爾薩天然氣 *塔爾薩天然氣 *塔爾薩天然氣 *塔爾薩天然氣
*塔爾薩天然氣 *塔爾薩天然氣 *塔爾薩天然氣 *塔爾薩天然氣 *塔爾薩天然氣 *塔爾薩天然氣 *塔爾薩天然氣因此，本發(fā)明的氣體燃燒器裝置的性能非常好。預(yù)混單元190工作良好。點(diǎn)燃、升 溫和穩(wěn)定運(yùn)行期間大部分時(shí)間觀測(cè)不到一氧化碳。觀測(cè)到的氮氧化物排放量也非常低。
權(quán)利要求
一種用于將燃料氣體和空氣的混合物排出到爐子的氣體燃燒器裝置，其中該混合物在存在煙氣的情況下燃燒，同時(shí)生成少量氮氧化物，其包括包括用于與所述爐子連接的外殼的風(fēng)室，所述外殼包括連接到所述爐子的上端，所述上端在其內(nèi)部設(shè)置有空氣出口；與所述上端相對(duì)的下端；和將所述上端和所述下端相連的側(cè)壁，其中所述側(cè)壁和所述下端中的至少一個(gè)在其內(nèi)部設(shè)置有空氣進(jìn)口；在其內(nèi)部具有中心孔的燃燒口磚，用于接收來(lái)自所述外殼的所述空氣出口的空氣，所述燃燒口磚包括連接到所述外殼的所述上端并位于所述空氣出口上方的底端；與所述底端相對(duì)的頂端，所述頂端包括排出口；以及連接所述底端和所述頂端且包圍所述中心孔的壁，所述壁延伸入所述爐子且具有內(nèi)表面、外表面；以及與燃料氣體源相連且可操作地與所述燃燒器裝置相關(guān)聯(lián)的第一燃料氣體噴射裝置，用于噴射主燃料氣體進(jìn)入到所述燃燒口磚的所述中心孔內(nèi)，所述第一燃料氣體噴射裝置包括預(yù)混單元，該預(yù)混單元包括預(yù)混隔板，其圍繞所述燃燒口磚的所述壁的內(nèi)表面延伸，用于圍繞燃燒口磚的所述中心孔和圍繞所述壁的內(nèi)表面噴射主燃料氣體和空氣的預(yù)混合流，所述預(yù)混隔板包括在其內(nèi)的至少一個(gè)入口和至少一個(gè)出口；以及文丘里混合器，其包括內(nèi)氣體立管，其與所述燃料氣體源相連并具有連接在其上的內(nèi)第一燃料氣體排出噴嘴；和文丘里外殼，其可操作地與所述內(nèi)氣體立管和第一燃料氣體排出噴嘴相關(guān)聯(lián)并與所述預(yù)混隔板的入口連接，用于供應(yīng)主燃料氣體和空氣混合物進(jìn)入到所述預(yù)混隔板內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體燃燒器裝置，其特征在于，所述預(yù)混隔板圍繞所述燃燒口 磚的所述壁的內(nèi)表面延伸，從而允許圍繞所述燃燒口磚的所述中心孔和圍繞所述燃燒口磚 的所述壁的內(nèi)表面對(duì)稱地噴射主燃料氣體和空氣的預(yù)混合流。
3.如權(quán)利要求1所述的氣體燃燒器裝置，其特征在于，所述預(yù)混隔板連續(xù)地圍繞所述 燃燒口磚的所述壁的內(nèi)表面延伸。
4.如權(quán)利要求1所述的氣體燃燒器裝置，其特征在于，所述預(yù)混隔板一定程度地插入 在所述燃燒口磚的所述壁的內(nèi)表面中。
5.如權(quán)利要求1所述的氣體燃燒器裝置，其特征在于，所述預(yù)混隔板包括多個(gè)在其頂 部的預(yù)混氣體口。
6.如權(quán)利要求1所述的氣體燃燒器裝置，其特征在于，所述預(yù)混隔板包括兩個(gè)入口，和 所述預(yù)混單元包括兩個(gè)文丘里混合器，每個(gè)文丘里混合器包括內(nèi)氣體立管，其與所述燃料 氣體源相連并具有連接在其上的內(nèi)第一燃料氣體排出噴嘴，和文丘里外殼，其可操作地與 所述內(nèi)氣體立管和第一燃料氣體排出噴嘴相關(guān)聯(lián)并與所述預(yù)混隔板的入口之一連接，用于 供應(yīng)主燃料氣體和空氣混合物進(jìn)入到所述預(yù)混隔板內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1所述的氣體燃燒器裝置，其特征在于，第一燃料氣體噴射裝置還包括 與所述預(yù)混單元分離的第一燃料氣體噴射組件，用于噴射主燃料氣體進(jìn)入到所述燃燒口磚的所述中心孔內(nèi)。
8.如權(quán)利要求7所述的氣體燃燒器裝置，其特征在于，所述第一燃料氣體噴射組件包 括與燃料氣體源相連并設(shè)置在所述外殼內(nèi)部的內(nèi)氣體立管，所述內(nèi)氣體立管具有連接在其 上的內(nèi)第一燃料氣體排出噴嘴，用于噴射主燃料氣體進(jìn)入到所述燃燒口磚的所述中心孔 內(nèi)。
9.如權(quán)利要求7所述的氣體燃燒器裝置，其特征在于，所述第一燃料氣體噴射組件包 括與燃料氣體源相連并設(shè)置在所述外殼內(nèi)部的內(nèi)氣體立管，所述內(nèi)氣體立管具有連接在其 上的內(nèi)第一燃料氣體排出噴嘴，以及可操作地與其相關(guān)聯(lián)、用于噴射主燃料氣體和空氣混 合物進(jìn)入到所述燃燒口磚的所述中心孔內(nèi)的文丘里外殼。
10.如權(quán)利要求7所述的氣體燃燒器裝置，其特征在于，所述預(yù)混單元和所述第一燃料 氣體噴射組件連接到不同的燃料氣體源。
11.如權(quán)利要求1所述的氣體燃燒器裝置，其特征在于，還包括與燃料氣體源相連且可 操作地與所述燃燒器裝置相關(guān)聯(lián)的第二燃料氣體噴射裝置，用于從所述燃燒口磚外側(cè)噴射 第二分級(jí)燃料氣體到與所述燃燒口磚的所述排出口鄰近的點(diǎn)。
12.如權(quán)利要求11所述的氣體燃燒器裝置，其特征在于，所述第二燃料氣體噴射裝置 包括與所述燃料氣體源相連并且在其上連接有第二燃料氣體排出噴嘴的外氣體立管，用于 噴射第二分級(jí)燃料氣體到所述燃燒口磚的所述壁的所述外表面上或附近。
13.如權(quán)利要求1所述的氣體燃燒器裝置，其特征在于，所述燃燒口磚和所述預(yù)混單元 的預(yù)混隔板具有基本上圓形的橫截面形狀。
14.如權(quán)利要求1所述的氣體燃燒器裝置，其特征在于，所述燃燒口磚還包括從所述壁 的所述內(nèi)表面橫向伸入所述中心孔的唇緣，所述唇緣連接在與所述燃燒口磚的所述頂端鄰 近的所述壁上，并且圍繞所述燃燒口磚的所述壁的所述內(nèi)表面延伸。
15.如權(quán)利要求14所述的氣體燃燒器裝置，其特征在于，所述唇緣包括下端、頂端以及 將所述下端和所述頂端連在一起的主體，所述主體包括多個(gè)伸入所述中心孔的突出部。
16.一種與燃燒器風(fēng)室結(jié)合使用以形成用于將燃料氣體和空氣的混合物排出到爐子的 氣體燃燒器裝置的燃燒口磚，其中該混合物在存在煙氣的情況下燃燒，同時(shí)生成少量氮氧 化物，其中燃燒器風(fēng)室包括用于與爐子連接且包括上端的外殼，該上端內(nèi)設(shè)置有空氣出口， 所述燃燒口磚在其內(nèi)具有用于接收來(lái)自風(fēng)室外殼出口的空氣的中心孔，并且所述燃燒口轉(zhuǎn) 還包括能夠連接到風(fēng)室外殼的上端并位于在其內(nèi)設(shè)置的空氣出口上方的底端；與所述底端相對(duì)的頂端，所述頂端包括排出口 ；連接所述底端和所述頂端且包圍所述中心孔的壁，所述壁能夠伸入所述爐子內(nèi)且具有 內(nèi)表面和外表面；以及預(yù)混隔板，其圍繞所述燃燒口磚的所述壁的內(nèi)表面延伸，用于圍繞燃燒口磚的所述中 心孔和圍繞所述壁的內(nèi)表面噴射主燃料氣體和空氣的預(yù)混合流，所述預(yù)混隔板包括在其內(nèi) 的至少一個(gè)入口和至少一個(gè)出口。
17.如權(quán)利要求16所述的燃燒口磚，其特征在于，所述預(yù)混隔板圍繞所述燃燒口磚的 所述壁的內(nèi)表面延伸，從而允許圍繞所述燃燒口磚的所述中心孔和圍繞所述燃燒口磚的所 述壁的內(nèi)表面對(duì)稱地噴射主燃料氣體和空氣的預(yù)混合流。
18.如權(quán)利要求16所述的燃燒口磚，其特征在于，所述預(yù)混隔板連續(xù)地圍繞所述燃燒 口磚的所述壁的內(nèi)表面延伸。
19.如權(quán)利要求16所述的燃燒口磚，其特征在于，所述預(yù)混隔板一定程度地插入在所 述燃燒口磚的所述壁的內(nèi)表面中。
20.如權(quán)利要求7516所述的燃燒口磚，其特征在于，所述預(yù)混隔板包括多個(gè)在其頂部 的預(yù)混氣體口。
21.如權(quán)利要求16所述的氣體燃燒器裝置，其特征在于，所述燃燒口磚和所述預(yù)混單 元的預(yù)混隔板具有基本上圓形的橫截面形狀。
22.如權(quán)利要求16所述的氣體燃燒器裝置，其特征在于，所述燃燒口磚還包括從所述 壁的所述內(nèi)表面橫向伸入所述中心孔的唇緣，所述唇緣連接在與所述燃燒口磚的所述頂端 鄰近的所述壁上，并且圍繞所述燃燒口磚的所述壁的所述內(nèi)表面延伸。
23.如權(quán)利要求22所述的氣體燃燒器裝置，其特征在于，所述唇緣包括下端、頂端以及 將所述下端和所述頂端連在一起的主體，所述主體包括多個(gè)伸入所述中心孔的突出部。
24.一種在爐子的爐空間內(nèi)燃燒空氣、燃料氣體和煙氣的混合物以在爐空間內(nèi)產(chǎn)生熱 量的方法，其中采用了包括包圍混合區(qū)的壁的氣體燃燒器裝置，該混合區(qū)用于在燃燒前混 合空氣、燃料氣體和煙氣，該方法包括在所述混合區(qū)內(nèi)設(shè)置預(yù)混隔板，所述預(yù)混隔板圍繞所述壁的內(nèi)表面和所述混合區(qū)的周 邊延伸；圍繞所述混合區(qū)的周邊從所述預(yù)混隔板排出燃料氣體和空氣的混合物；點(diǎn)燃圍繞所述混合區(qū)的周邊從所述預(yù)混隔板排出的燃料氣體和空氣的混合物；將主燃料氣體從與所述預(yù)混單元分開(kāi)的第一燃料氣體噴射組件噴射到所述混合區(qū)，從 而將煙氣從所述混合區(qū)外部帶入所述混合區(qū)并使所述煙氣在所述混合區(qū)與所述空氣和燃 料氣體混合；使用從圍繞所述混合區(qū)的周邊的所述預(yù)混隔板排出的已點(diǎn)燃的燃料氣體和空氣的混 合物，將從第一燃料氣體噴射組件噴射到所述混合區(qū)的主燃料氣體而形成的主燃料氣體、 煙氣和空氣的混合物點(diǎn)燃；從所述混合區(qū)排出所述空氣、燃料氣體和煙氣的混合物到所述爐空間；以及在所述爐空間內(nèi)燃燒來(lái)自所述混合區(qū)的所述空氣、燃料氣體和煙氣的混合物。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述空氣、燃料氣體和煙氣的混合物從所 述混合區(qū)排出到所述爐空間的主反應(yīng)區(qū)，并且其中所述方法進(jìn)一步包括以下步驟以將煙氣帶入第二分級(jí)燃料氣體流而得到第二燃料氣體/煙氣混合物并使所述第二 燃料氣體/煙氣混合物在所述爐空間的第二反應(yīng)區(qū)內(nèi)燃燒的方式，噴將第二分級(jí)燃料氣體 流噴射到所述壁的外表面上或附近。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于噴射燃料氣體、空氣和煙氣的混合物到爐子的爐空間的氣體燃燒器裝置，該混合物在爐內(nèi)燃燒，并且產(chǎn)生氮氧化物和一氧化碳含量低的煙氣。燃燒口磚包括至少一個(gè)穿過(guò)該燃燒口磚壁延伸的氣體循環(huán)口。燃燒口磚壁的內(nèi)表面包括柯恩達(dá)表面。穿過(guò)氣體循環(huán)口的燃料氣體和/或煙氣沿柯恩達(dá)表面流動(dòng)，這使更多煙氣能夠引入氣體流中。燃燒口磚壁的外表面也包括柯恩達(dá)表面，用于促進(jìn)分級(jí)燃燒區(qū)的形成。還提供了改進(jìn)的燃燒口磚、改進(jìn)的氣體端頭和在爐空間燃燒空氣、燃料氣體和煙氣的混合物的方法。
文檔編號(hào)F23C5/08GK101852430SQ20101021640
公開(kāi)日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2007年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月14日
發(fā)明者J·威爾金斯, M·G·克拉克斯頓, R·L·波 申請(qǐng)人:約翰津克公司