本申請(qǐng)請(qǐng)求享有2014年6月23日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)序列第62/015,792號(hào)的權(quán)益，該申請(qǐng)通過引用如完整提出那樣并入本文中。

背景技術(shù)：

燃燒系統(tǒng)中的氧的使用作為使燃燒反應(yīng)的速率相對(duì)于在空氣-燃料燃燒中自然發(fā)生的速率加速的有效技術(shù)在本領(lǐng)域中為人熟知。此燃燒系統(tǒng)和應(yīng)用由對(duì)燃燒可用的時(shí)間和/或空間的嚴(yán)格限制約束，使得氧單獨(dú)使用(與特殊裝置和/或技術(shù)的應(yīng)用分開)可能不足以克服此限制。例如，在使用氧和氣態(tài)燃料的極高速度的擴(kuò)散(即，非預(yù)混)火焰的應(yīng)用中，兩種反應(yīng)物種類的混合速率可為妨礙完全和/或穩(wěn)定燃燒的"速率限制"步驟。在此情況下，需要提高反應(yīng)物混合速率來充分對(duì)氧-燃料反應(yīng)進(jìn)行"供給"。

另一個(gè)挑戰(zhàn)性應(yīng)用在于固體燃料的燃燒，特別是具有極低揮發(fā)性的物質(zhì)如無煙煤和大多數(shù)焦炭的那些固體燃料。固體燃料的燃燒中的又一個(gè)挑戰(zhàn)性應(yīng)用在于在固體燃料必須在經(jīng)歷高速移動(dòng)的同時(shí)燃燒時(shí)，且進(jìn)一步，在一些燃燒必須在很短的反應(yīng)距離內(nèi)完成時(shí)，如，通常在固體燃料高速噴射到原材料床中時(shí)發(fā)生的；例如，在形成鐵的化鐵爐或形成鋼的鼓風(fēng)爐過程中。

在一些現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用中，固體燃料在超過大約100m/sec的速度的流中輸送。此高速流大體上需要過高的輸送氣體壓力，導(dǎo)致很高的成本和功率需求，且此外，導(dǎo)致輸送通路的壁的很快侵蝕。此外，當(dāng)高速固體燃料從輸送通路排入燃燒空間中時(shí)，由于其高動(dòng)量，故固體燃料將不能夾帶到高速氧-氣體火焰中，且因此將不能按需要在可允許的時(shí)間內(nèi)和可允許的距離內(nèi)充分加熱、點(diǎn)燃和燃燒。

已經(jīng)存在使用剪切層的腔促動(dòng)的混合來提高高速流中的燃燒速率的嘗試。在一個(gè)此類現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中，腔置于初始燃料和氧化劑混合(氧化劑為空氣)的位置下游。在在另一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中，燃料噴射到腔上游的空氣流中。盡管基于申請(qǐng)人對(duì)此類系統(tǒng)的可能的操作溫度的分析，這些系統(tǒng)似乎加強(qiáng)氧化劑與燃料的混合，但腔位于氧化劑和燃料的初始混合處下游將在其中進(jìn)行混合的導(dǎo)管內(nèi)導(dǎo)致很高溫度，在一些情況下，導(dǎo)致顯著高于大多數(shù)市售鋼的最高使用溫度的溫度。因此，現(xiàn)有技術(shù)的腔促動(dòng)的混合構(gòu)造將在許多應(yīng)用中不可行。

因此，需要改善的燃燒系統(tǒng)，其在挑戰(zhàn)性應(yīng)用中提供更完整和/或穩(wěn)定的燃燒，如上文所述的那些，同時(shí)在可接受的溫度極限內(nèi)操作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

提供該概述來以簡化形式介紹本發(fā)明的一組方面，這將在以下詳細(xì)描述中進(jìn)一步描述。

方面1. 一種噴燃器，包括：

與環(huán)形氣體的供應(yīng)處于流體流連通的第一環(huán)形導(dǎo)管，環(huán)形氣體包括氧和氣態(tài)燃料中的一者，第一環(huán)形導(dǎo)管具有第一內(nèi)壁和第一外壁；

位于第一環(huán)形導(dǎo)管內(nèi)且與中心氣體供應(yīng)處于流體流連通的中心導(dǎo)管，中心氣體包括氧和氣態(tài)燃料中的另一者，中心導(dǎo)管具有中心外壁和出口平面；以及

在中心外壁、第一內(nèi)壁和第一外壁中的至少一者中形成的腔，腔定位在中心導(dǎo)管的出口平面附近且在其上游的非零距離處，腔具有長度、深度和限定為長度除以深度的縱橫比，深度為由腔形成于其中的壁界定的導(dǎo)管的液壓直徑的至少10%，縱橫比為1到10。

方面2. 根據(jù)方面1的噴燃器，其中，中心氣體由氧構(gòu)成，且環(huán)形氣體由氣態(tài)燃料構(gòu)成。

方面3. 根據(jù)方面1-2中的任一方面的噴燃器，其中，中心氣體由氣態(tài)燃料構(gòu)成，且環(huán)形氣體由氧構(gòu)成。

方面4. 根據(jù)方面1-3中的任一方面的噴燃器，其中，腔具有1到4之間的縱橫比。

方面5. 根據(jù)方面1-4中的任一方面的噴燃器，其中，腔具有上游壁、底壁和下游壁，且其中，長度為上游壁與下游壁之間的距離，且其中，深度為上游壁和下游壁中的一者的高度。

方面6. 根據(jù)方面1-5中的任一方面的噴燃器，其中，腔形成在中心外壁中。

方面7. 根據(jù)方面1-6中的任一方面的噴燃器，其中，腔連續(xù)地延伸穿過包含腔的壁的360度圓周。

方面8. 根據(jù)方面1-6中的任一方面的噴燃器，其中，腔包括沿包含腔的壁的360度圓周間隔開的多個(gè)腔。

方面9. 根據(jù)方面1-8中的任一方面的噴燃器，還包括位于腔上游和附近的會(huì)聚噴嘴。

方面10. 根據(jù)方面1-8中的任一方面的噴燃器，還包括位于腔上游和附近的會(huì)聚-發(fā)散噴嘴。

方面11. 根據(jù)方面5-10中的任一方面的噴燃器，其中，腔上游壁垂直于中心導(dǎo)管和第一環(huán)形導(dǎo)管中的流動(dòng)方向。

方面12. 根據(jù)方面1-10中的任一方面的噴燃器，還包括第二環(huán)形導(dǎo)管，其構(gòu)造成排出固體燃料和輸送氣體的混合物，第二環(huán)形導(dǎo)管包繞第一環(huán)形導(dǎo)管。

方面13. 一種方法，包括：

(a)使氧和氣態(tài)燃料中的一者流過中心導(dǎo)管；

(b)使氧和氣態(tài)燃料中的另一者流過包繞中心導(dǎo)管的第一環(huán)形導(dǎo)管；以及

(c)使氧和氣態(tài)燃料中的一者流過定位在中心導(dǎo)管和第一環(huán)形導(dǎo)管中的至少一者中的腔，腔在中心導(dǎo)管的出口平面附近且在其上游的非零距離處，腔具有長度、深度和限定為長度除以深度的縱橫比，深度為腔定位在其中的導(dǎo)管的液壓直徑的至少10%，縱橫比為1到10。

方面14. 根據(jù)方面13的方法，其中，腔具有長度、深度和限定為長度除以深度的縱橫比，縱橫比在1到4之間。

方面15. 根據(jù)方面13-14中的任一方面的方法，其中，腔位于中心導(dǎo)管的外壁中。

方面16. 根據(jù)方面13-15中的任一方面的方法，其中，腔連續(xù)地延伸穿過包含腔的壁的360度圓周。

方面17. 根據(jù)方面13-15中的任一方面的方法，其中，腔包括沿360度圓周間隔開的多個(gè)腔。

方面18. 根據(jù)方面13-17中的任一方面的方法，還包括：

(d)使氧和氣態(tài)燃料中的一者流過位于腔上游和附近的會(huì)聚噴嘴。

方面19. 根據(jù)方面13-17中的任一方面的方法，還包括：

(d)使氧和氣態(tài)燃料中的一者流過位于腔上游和附近的會(huì)聚-發(fā)散噴嘴。

方面20. 根據(jù)方面13-19中的任一方面的方法，還包括：

(e)以導(dǎo)致氧與氣態(tài)燃料的摩爾比超過完全燃燒氣態(tài)燃料所需的化學(xué)計(jì)量摩爾比的方式執(zhí)行步驟(a)和(b)。

方面21. 根據(jù)方面13-20中的任一方面的方法，還包括：

(f)使固體燃料和輸送氣體的混合物流過包繞第一環(huán)形導(dǎo)管的第二環(huán)形導(dǎo)管。

方面22. 根據(jù)方面13-21中的任一方面的方法，其中，氧和氣態(tài)燃料中的一者在至少大約50米每秒的中心氣體速度下流過中心導(dǎo)管，且其中，固體燃料和輸送氣體的混合物在低于中心氣體速度的固體燃料速度下流過第二環(huán)形導(dǎo)管。

方面23. 根據(jù)方面22的方法，其中，中心氣體速度為至少1馬赫。

方面24. 一種噴燃器，包括：

構(gòu)造成排出包括氧和氣態(tài)燃料中的一者的中心氣體的中心導(dǎo)管，中心導(dǎo)管由中心外壁界定；

構(gòu)造成排出包括氧和氣態(tài)燃料中的另一者的環(huán)形氣體的環(huán)形導(dǎo)管，環(huán)形導(dǎo)管包繞中心導(dǎo)管，且由環(huán)形內(nèi)壁和環(huán)形外壁界定；以及

形成在選自中心外壁、環(huán)形內(nèi)壁和環(huán)形外壁構(gòu)成的集合的至少一個(gè)包含腔的壁中的腔，腔定位在中心導(dǎo)管的外平面附近且在其上游的非零距離處，腔具有長度、深度和限定為長度除以深度的縱橫比，深度為由腔形成于其中的壁界定的導(dǎo)管的液壓直徑的至少10%，縱橫比為1到10。

附圖說明

下文將連同附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中相似的數(shù)字表示相似的元件。

圖1為根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的氧-氣態(tài)燃料噴燃器的示意性前視圖；

圖2A為圖1的噴燃器的局部示意性左側(cè)截面視圖；

圖2B為圖1的噴燃器的局部示意性左側(cè)截面視圖，示出了中心導(dǎo)管的下游端延伸超過第一阻隔的下游端；

圖2C為圖1的噴燃器的局部示意性左側(cè)截面視圖，示出了第一阻隔的下游端延伸超過中心導(dǎo)管的下游端；

圖3為氧-氣態(tài)燃料噴燃器的第二示例性實(shí)施例的局部示意性左側(cè)截面視圖；

圖4為氧-氣態(tài)燃料噴燃器的第三示例性實(shí)施例的局部示意性左側(cè)截面視圖；

圖5A至5H為可在圖1至圖4的噴燃器的備選實(shí)施例中提供的不同腔形狀的局部左側(cè)截面視圖；

圖6A為在腔上游具有會(huì)聚噴嘴的氧-氣態(tài)燃料噴燃器的第四示例性實(shí)施例的中心導(dǎo)管部分的局部示意性左側(cè)截面視圖；

圖6B為在腔上游具有會(huì)聚-發(fā)散噴嘴的氧-氣態(tài)燃料噴燃器的第五示例性實(shí)施例的中心導(dǎo)管部分的局部示意性左側(cè)截面視圖；

圖7為圖6A的噴燃器的腔和會(huì)聚噴嘴部分的局部示意性左側(cè)截面視圖；

圖8為根據(jù)本發(fā)明的第六示例性實(shí)施例的固體燃料噴燃器的示意性前視圖；

圖9為圖8的噴燃器的局部示意性左側(cè)截面視圖；

圖10為固體燃料噴燃器的第七示例性實(shí)施例的局部示意性左側(cè)截面視圖；

圖11為圖10的噴燃器局部示意性左側(cè)視圖，示出了固體燃料夾帶到氧-氣態(tài)燃料火焰中；

圖12為示出圖10中所示的固體燃料噴燃器在豎爐中的使用的截面視圖；

圖13為示出在一定范圍的腔縱橫比和三個(gè)不同的流體流速下的從入口到出口的壓力損失的測試數(shù)據(jù)圖表；

圖14-22為一定范圍的頻率和腔縱橫比下的聲發(fā)射的圖表；以及

圖23為示出一定范圍的腔縱橫比的在吹滅(blowoff)時(shí)的相對(duì)氧流速的圖表。

具體實(shí)施方式

隨后的詳細(xì)描述僅提供了優(yōu)選實(shí)施例，且不旨在限制本發(fā)明的范圍、可應(yīng)用性或構(gòu)造。相反，優(yōu)選示例性實(shí)施例的以下詳細(xì)描述將向本領(lǐng)域的技術(shù)人員提供用于實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選示例性實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)性描述。將理解的是，可在功能和布置中制作出各種變化，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。

為了有助于描述本發(fā)明，方向用語可用于說明書和權(quán)利要求中，以描述本發(fā)明的部分(例如，上、下、左、右等)。這些方向用語僅旨在協(xié)助描述和提出本發(fā)明，且不旨在以任何方式限制本發(fā)明。此外，在說明書中與附圖組合介紹的參考標(biāo)號(hào)可在說明書中無附加描述的情況下在一個(gè)或多個(gè)后續(xù)的附圖中重復(fù)，以便提供其它特征的背景。

在附圖中，與本發(fā)明的其它實(shí)施例的元件相似的元件由增加數(shù)值100的參考標(biāo)號(hào)表示。例如，與第一示例性實(shí)施例相關(guān)聯(lián)的腔104對(duì)應(yīng)于與第二示例性實(shí)施例相關(guān)聯(lián)的腔204。此元件應(yīng)當(dāng)認(rèn)作是具有相同功能和特征，除非在本文中另外指出或繪出，且此元件的論述因此可針對(duì)多個(gè)實(shí)施例重復(fù)。

如說明書和權(quán)利要求中使用的用語"導(dǎo)管"是指一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)，流體可經(jīng)由其在系統(tǒng)的兩個(gè)或多個(gè)構(gòu)件之間輸送。例如，導(dǎo)管可包括輸送液體、蒸氣和/或氣體的管、管道、通路和它們的組合。

在權(quán)利要求中，字母用來識(shí)別提出的步驟(例如，(a)、(b)和(c))。這些字母用來協(xié)助參照方法步驟，且不旨在指出執(zhí)行提出的步驟的順序，除非且僅到此順序在權(quán)利要求中明確敘述。

如說明書和權(quán)利要求中使用的用語"流連通"和"流體流連通"旨在為同義的，且意指兩個(gè)或多個(gè)元件以允許流體在元件之間流動(dòng)的方式連接(直接地或間接地)，包括可包含閥、閘或可有選擇地限制流體流動(dòng)的其它裝置的連接。

如說明書和權(quán)利要求中使用的用語"氧"旨在意指含有大于或等于28mol%，優(yōu)選大于或等于60mol%，且更優(yōu)選大約或等于85mol%的濃度的氧分子的氣體。

如說明書和權(quán)利要求中使用的用語"固體燃料"旨在表示固體形式的烴燃料。固體燃料的實(shí)例包括石油焦；包括無煙煤、煙煤、亞煙煤和褐煤的所有種類的煤；泥煤、木材、草和其它所謂的生物質(zhì)材料；城市固體廢物；和它們的組合。

如說明書和權(quán)利要求中使用的用語"氣態(tài)燃料"旨在意指含有碳、烴、它們的組合和/或能夠與氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且釋放能量的任何其它氣態(tài)組分的氣體。氣態(tài)燃料的實(shí)例包括天然氣、丙烷、乙炔、乙烷、合成氣體、煤氣和焦?fàn)t煤氣。

如說明書和權(quán)利要求中使用的用語"流動(dòng)方向"旨在意指穿過導(dǎo)管的流體的自由流或體積流的總體方向。

如本文更詳細(xì)所述，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，一種反應(yīng)物的流動(dòng)通路的壁中的腔的策略性放置可將反應(yīng)物混合率有效地提高至反應(yīng)物的燃燒可在高速流動(dòng)系統(tǒng)中穩(wěn)定且完全執(zhí)行的程度，甚至在反應(yīng)物中的一者或兩者的流速在高于或等于局部聲速的速度下流動(dòng)時(shí)。相對(duì)于固體燃料燃燒問題，申請(qǐng)人開發(fā)出了一種噴燃器，其使用高速氧-氣態(tài)燃料引燃火焰來在很短時(shí)間內(nèi)且在很短距離內(nèi)快速夾帶、點(diǎn)燃和完全燃燒固體燃料；例如，在符合高效化鐵爐和鼓風(fēng)爐操作的要求的時(shí)間和距離內(nèi)。

此外，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)克服以上挑戰(zhàn)的高速固體燃料燃燒的手段。具體而言，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，經(jīng)由氧-氣態(tài)燃料火焰的包絡(luò)外的環(huán)帶在中等速度(例如，低于大約100m/sec)下引入固體燃料允許固體燃料快速夾帶到高壓氧-氣態(tài)燃料火焰中，在這里，其然后快速加熱、點(diǎn)燃和燃燒。

參看圖1和2A，示出了示例性氧-氣態(tài)燃料噴燃器100。噴燃器100包括中心導(dǎo)管(或倉室110)，其由第一環(huán)帶120包繞。盡管在所示實(shí)施例中，中心導(dǎo)管110標(biāo)稱為圓形截面，且第一環(huán)帶120標(biāo)稱為圓柱形截面，但將理解的是，在噴燃器100的其它實(shí)施例中，中心導(dǎo)管110和第一環(huán)帶120中的一者或兩者都可為長方形、橢圓形、矩形、具有圓角的橢圓化矩形形狀，或其它非圓形幾何形狀。流過中心導(dǎo)管110的流體可為氣態(tài)燃料或氧。流過第一環(huán)帶120的流體優(yōu)選為氣態(tài)燃料或氧中的另一者。換言之，如果噴燃器100構(gòu)造成使氧流過中心導(dǎo)管110，則其優(yōu)選構(gòu)造成使氣態(tài)燃料流過第一環(huán)帶120，且反之亦然。在噴燃器100操作時(shí)，氧和氣態(tài)燃料的流動(dòng)方向101如圖2A中所示。

中心阻隔113形成中心導(dǎo)管110的外壁112，且將中心導(dǎo)管110與第一環(huán)帶120分開。中心阻隔113還形成第一環(huán)帶120的內(nèi)壁118。第一阻隔121形成第一環(huán)帶120的外壁122。中心阻隔包括限定中心導(dǎo)管110的出口平面116的下游端133。出口平面166與初始混合點(diǎn)(或位置/平面)重合。來自中心導(dǎo)管110和第一環(huán)帶120的流體之間在出口平面116上游不可發(fā)生混合。第一阻隔121包括下游端135。在圖2A中，中心導(dǎo)管110和第一環(huán)帶120兩者的下游端133,135重合(意味著兩者位于出口平面116處)。圖2B和2C示出了出口平面116即使在中心導(dǎo)管119相對(duì)于環(huán)形導(dǎo)管120的下游端131凹入或延伸時(shí)如何保持固定到中心導(dǎo)管119上。

在圖2A的實(shí)施例中，噴燃器100還包括位于包含腔的壁中的腔104，其在出口平面116上游的非零距離處且在其附近。在操作期間，腔作用為模擬剪切層中的不穩(wěn)定波動(dòng)，剪切層將自由流流體和腔中包含的流體分開，從而模擬燃料和出口平面下游的氧化劑之間的增強(qiáng)混合，且即使在流體流速很高(例如，接近音速、音速或甚至超音速)時(shí)也允許穩(wěn)定的火焰附著。此類穩(wěn)定火焰附著已避開了之前的音速(會(huì)聚)和超音速(會(huì)聚-發(fā)散)噴嘴噴燃器，因?yàn)樵谌鄙偃绫疚墓_的腔時(shí)，燃料與氧化劑的混合速率更低，且火焰會(huì)吹滅或熄滅。在該實(shí)施例中，包含腔的壁為中心導(dǎo)管110的外壁112。腔104包括前或上游壁107(腔104的上游端上的壁)、底壁106和后(或下游)壁105。在該實(shí)施例中，腔104為矩形截面，且圍繞中心導(dǎo)管110的外壁112的整個(gè)圓周延伸。換言之，腔104為環(huán)形且一致的截面。此外，在該實(shí)施例中，前壁107和后壁105兩者垂直于流動(dòng)方向101，且底壁106平行于流動(dòng)方向101。

在其它實(shí)施例中，腔104可位于不同包含腔的壁中。例如，圖3示出了噴燃器300的備選實(shí)施例，其中腔204位于第一環(huán)帶220的內(nèi)壁218中。圖4示出了噴燃器300的另一個(gè)備選實(shí)施例，其中腔304位于第一環(huán)帶320的外壁322中。

在其它實(shí)施例中，腔104可具有不同的截面形狀。備選截面形狀的實(shí)例在圖5A至5H中示出。在其它實(shí)施例中，腔104可具有連續(xù)的彎曲形狀，其中前壁107、底壁106和后壁105中的一個(gè)或多個(gè)不可識(shí)別地混合在一起，例如，以形成半圓形或拋物線形腔。此外，腔104可包括圍繞包含腔的壁(在該實(shí)施例中，中心導(dǎo)管110的外壁112)的圓周間隔開的多個(gè)腔。

圖6A中示出了噴燃器400的另一個(gè)實(shí)施例。在該實(shí)施例中，腔404位于中心導(dǎo)管410中(如噴燃器100中)，且會(huì)聚噴嘴434具有位于腔404上游和附近的喉部436。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，適當(dāng)會(huì)聚程度連同入口與出口壓力的適當(dāng)比率將在噴嘴434的喉部436處導(dǎo)致1馬赫的出口自由流速度，其中出口自由流速度等于自由流氣態(tài)介質(zhì)的局部聲速。確定達(dá)成1馬赫的流速的適當(dāng)面積和壓力比的方法是本領(lǐng)域中已知的(例如，見Owczarek, J. A.的Fundamentals of Gas Dynamics, International Textbook Company, Scranton, PA, 1964，其通過引用并入本文中)。

圖6B中示出了噴燃器500的又一個(gè)實(shí)施例。在該實(shí)施例中，腔504也位于中心導(dǎo)管510中，且會(huì)聚-發(fā)散噴嘴537位于腔504的上游和附近。從左向右移動(dòng)，中心導(dǎo)管510的外壁512過渡至?xí)鄄糠?38，會(huì)聚部分538的直徑逐漸減小至喉部539，在該點(diǎn)處，會(huì)聚-發(fā)散噴嘴537過渡至發(fā)散部分540，發(fā)散部分540逐漸地增大直徑，直到到達(dá)腔504的前壁507附近的下游端541。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，適當(dāng)會(huì)聚程度之后是適當(dāng)發(fā)散程度連同入口與出口壓力的適當(dāng)比率將導(dǎo)致大于1馬赫的出口自由流速度，其中局部自由流速度大于自由流氣態(tài)介質(zhì)的局部聲速。

腔的形狀和定位對(duì)于其功能很重要。圖6A的噴燃器400的放大局部圖在圖7中提供。如圖7中所示，腔包括深度D和長度L。腔404的深度D限定為底壁406與前壁的上轉(zhuǎn)角409的前緣417之間的徑向距離。腔404的長度限定為從前壁407的上轉(zhuǎn)角409到后壁405的上轉(zhuǎn)角403的線性距離和從前壁407的底部轉(zhuǎn)角411到后壁405的底部轉(zhuǎn)角415的線性距離的平均值。

腔404的縱橫比為長度L除以深度D的比率。作為優(yōu)選，腔404的縱橫比為大約1到大約10，更優(yōu)選為大約1到大約6，且最優(yōu)選為大約1到大約4。上文提到的優(yōu)選縱橫比適用于本文所述的噴燃器的所有實(shí)施例。作為優(yōu)選，腔404的深度D與腔所處的導(dǎo)管(即，由其中形成腔的壁界定的導(dǎo)管)的液壓直徑的比率為至少大約0.1。與L/D比至少為大約1的偏好組合，這意味著腔404的長度L與腔所處的導(dǎo)管的液壓直徑的比率也至少為大約0.1。

如果提供噴嘴，則腔優(yōu)選位于噴嘴的下游和附近，但在中心導(dǎo)管410的出口平面416的上游。在圖6A和7中的實(shí)施例中，從會(huì)聚噴嘴434到腔404的距離G1限定為從噴嘴434的下游端436(即，在會(huì)聚噴嘴434停止會(huì)聚的位置)到前壁407的上轉(zhuǎn)角409的距離。在圖6B中所示的實(shí)施例中，距離G1將為從會(huì)聚-發(fā)散噴嘴537的下游端541到腔504的前壁507的頂部轉(zhuǎn)角。盡管沒有對(duì)距離G1的嚴(yán)格限制，但優(yōu)選最小化G1來避免不需要的摩擦能量損失。

類似地，腔404位于外平面416上游的非零距離處，且優(yōu)選在附近。在圖6A和7中所示的實(shí)施例中，從腔404到出口平面416的距離G2限定為從腔404的后壁405的上轉(zhuǎn)角403到出口平面416的最短線性距離。在此上下文中，"附近"意味著距離G2優(yōu)選小于或等于流動(dòng)通路或包含腔的導(dǎo)管的內(nèi)液壓直徑的大約10倍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的是，液壓直徑計(jì)算為4倍的流動(dòng)通路的截面面積除以流動(dòng)通路的周長。

圖8和9示出了噴燃器600的另一個(gè)示例性實(shí)施例，其包括產(chǎn)生三個(gè)流動(dòng)通路的三個(gè)同心導(dǎo)管：中心導(dǎo)管(噴嘴)610、包繞中心導(dǎo)管610的第一(或內(nèi))環(huán)帶620，以及包繞第一環(huán)帶620的第二(或外)環(huán)帶630。中心導(dǎo)管610和第一環(huán)帶620是如前文所述的前述實(shí)施例的類似結(jié)構(gòu)。第二環(huán)帶630由外阻隔631界定，且具有第二內(nèi)壁628和第二外壁632。在可有利地用于固體燃料的穩(wěn)定燃燒的該實(shí)施例中，中心導(dǎo)管610排出氧和氣態(tài)燃料中的一者，第一環(huán)帶620排出氧和氣態(tài)燃料中的另一者，且第二環(huán)帶630排出在輸送氣體中的固體燃料。

中心導(dǎo)管610優(yōu)選在高速下將氣體、氧或氣態(tài)燃料排出穿過其出口(出口平面616)。在此上下文中，"高速"意味著優(yōu)選大于或等于至少50米每秒的速度，更優(yōu)選超過100米每秒的速度，且最優(yōu)選超過1馬赫的速度。作為優(yōu)選，流過腔604所處的導(dǎo)管(該實(shí)施例中，中心導(dǎo)管610)的氣體具有噴燃器600的所有導(dǎo)管610,620,630的最高速度。

在一個(gè)實(shí)施例中，中心導(dǎo)管610排出氧，且第一環(huán)帶620排出氣態(tài)燃料。在另一個(gè)實(shí)施例中，中心導(dǎo)管610排出氣態(tài)燃料，且第一環(huán)帶620排出氧。

第二環(huán)帶630排出由在輸送氣體中的固體燃料構(gòu)成的輸送氣體混合物。為了易于參照，輸送氣體混合物有時(shí)簡稱為固體燃料，將理解的是，對(duì)于作為流體流動(dòng)的固體燃料，其必須是由輸送氣體攜帶的小顆粒。輸送氣體可為空氣、富氧空氣、氧、二氧化碳、氮或另一氣體或這些氣體的混合物，且作用主要為輸送粉碎或顆粒固體燃料至噴燃器630且穿過噴燃器630。第二環(huán)帶630的出口處的輸送氣體混合物的速度(即，固體燃料速度)優(yōu)選低于從中心導(dǎo)管610排出的氣體的速度，且在一個(gè)實(shí)施例中，優(yōu)選低于50米每秒。在所示實(shí)施例中，輸送氣體混合物出口與中心導(dǎo)管610的外平面616重合，但在其它實(shí)施例中，輸送氣體出口可在中心導(dǎo)管出口平面的上游或下游。

優(yōu)選的是，固體燃料輸送穿過并不輸送氧或氣態(tài)燃料的導(dǎo)管如第二環(huán)帶630。申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，從第一環(huán)帶620排出固體燃料防止了氧-氣態(tài)燃料流的初始共同混合和點(diǎn)燃，這是執(zhí)行所需的相繼步驟的本質(zhì)。類似地，固體燃料從中心導(dǎo)管610排出不允許固體燃料夾帶到燃燒的氧氣體混合物中，導(dǎo)致可允許的距離內(nèi)的較低程度的固體燃料燃燒。此外，由于假定固體燃料速度相對(duì)較低，故由反應(yīng)物形成的射流相對(duì)較弱，且不能有效地穿透豎爐的床。

離開中心導(dǎo)管610、第一環(huán)帶620和第二環(huán)帶630的氣體的相對(duì)速度改善了噴燃器600的性能。性能的附加改善可通過包括具有類似于分別如上文參照?qǐng)D6A,6B和7所述的噴燃器400,500中所示的構(gòu)造的腔和會(huì)聚或會(huì)聚-發(fā)散噴嘴來實(shí)現(xiàn)。

圖10示出了噴燃器700的示例性實(shí)施例，其具有在出口平面716上游和附近的環(huán)形腔704，以及在腔704的上游和附近的會(huì)聚噴嘴734。

在操作期間，如結(jié)合噴燃器100規(guī)定那樣，氧和氣態(tài)燃料分別引入中心導(dǎo)管710和第一環(huán)帶720中。氧與氣態(tài)燃料之比優(yōu)選超過氣態(tài)燃料的完全燃燒所需的(即，貧燃料，氧量大于化學(xué)計(jì)量比)。由于周圍環(huán)境的熱或由于專用的點(diǎn)火源(如高壓點(diǎn)火器或引燃火焰)，故氧-氣態(tài)燃料混合物快速點(diǎn)燃，從而與過量的氧形成短的相對(duì)高速的火焰746。如圖11中所示，從中心導(dǎo)管710排出的氣體的高速生成出口平面716下游的低壓區(qū)域(位于外平面716與線717之間)，其中較低速度的固體燃料/輸送氣流742被氧-氣態(tài)燃料火焰744夾帶。固體燃料因此快速點(diǎn)燃，且在化學(xué)活性的高溫火焰中與過量氧燃燒，因此達(dá)成期望的結(jié)果。

如同其它實(shí)施例，腔704可作為備選位于第一內(nèi)壁718或第一外壁722上。然而，在實(shí)施例中，優(yōu)選的是，由于固體燃料沉積在腔704或侵蝕腔704的潛在可能，故腔704未位于第二內(nèi)壁728或外壁732中。

噴燃器700可用于多種爐應(yīng)用。噴燃器700特別適合的一個(gè)特定應(yīng)用在圖12中示出，圖12示出了噴燃器800用于改善豎爐850(本領(lǐng)域中也稱為化鐵爐)的性能。豎爐850包括豎井852，金屬經(jīng)由豎井852引入爐床858中，爐床858從頂部到底部從大直徑部分854到減小直徑部分856成錐形。

許多豎爐(如用于金屬形成鑄造廠中的那些)在其爐床中使用含碳固體燃料來用于熱值和金屬的化學(xué)還原兩者。這些設(shè)施中的一些還試圖使用一個(gè)或多個(gè)鼓風(fēng)口860將固體燃料噴射到從空氣室862進(jìn)入爐中的過程空氣流中。這些嘗試已經(jīng)達(dá)到了不同程度的成功，大部分歸因于通常為大約幾毫秒的可用短空浮物停留時(shí)間期間達(dá)成空氣流內(nèi)的噴射燃料的快速點(diǎn)燃的難度。將噴燃器800(具有與噴燃器700相同的構(gòu)造)置于鼓風(fēng)口860中，其中其引導(dǎo)到爐床858中的火焰緩解了此限制，且提供了改善的飛行中的固體燃料的點(diǎn)燃和燃燒。

噴嘴壓力損失測量

壓力損失測量在分別圖6A和6B中所示的噴燃器400,500中在等于1.0和1.5的馬赫數(shù)下進(jìn)行。腔404,504的縱橫比L/D從0(沒有腔)變到10。出于安全原因，壓縮的空氣用作中心導(dǎo)管410,510和第一環(huán)帶420,520兩者中的流體。對(duì)于馬赫數(shù)1.0的測試的示例性壓力損失結(jié)果歸納在圖13中，其中流速在三個(gè)不同水平保持恒定；表示為流速1、流速2和流速3。壓力損失測量使用標(biāo)準(zhǔn)壓力量規(guī)進(jìn)行。

各流速達(dá)到等于1.0的馬赫數(shù)，但在噴燃器400,500內(nèi)具有不同程度的欠膨脹。即，在各個(gè)情況中，噴燃器400,500的出口壓力高于環(huán)境壓力，但不同量，但出口平面416,516處的速度(且因此流過腔404,504)保持在1馬赫下不變。對(duì)于各流速，腔壓力損失(圖13中的Y軸)通過用在具有不同長度的腔的情況下測得的噴嘴入口壓力減去"無腔"狀態(tài)的噴嘴入口壓力來計(jì)算。如圖13中所示，對(duì)于測試的三個(gè)不同流速，特征壓力損失行為是一致的。在腔的縱橫比增大時(shí)，數(shù)據(jù)遵循增大的腔壓力損失之后是相對(duì)恒定的壓力損失的平穩(wěn)段的重復(fù)趨勢(shì)。

申請(qǐng)人相信，重復(fù)循環(huán)代表腔流體機(jī)制和聲發(fā)射行為的模式的變化。本領(lǐng)域中大體上理解的是，腔的行為使得對(duì)于低值的L/D，聲音干擾主要在橫穿自由流流動(dòng)方向的方向，在剪切界面與腔的底壁之間以較低能量消散速率行進(jìn)。然而，在L/D增大時(shí)，聲模式開始轉(zhuǎn)移到形成縱向波 (即，在腔的前壁與后壁之間的流動(dòng)方向的波動(dòng))的一個(gè)模型，規(guī)則的渦旋從腔的前緣放出，且壓力波從腔后壁反射到腔前壁。該第二階段對(duì)應(yīng)于較高聲發(fā)射和剪切層中的更有力的流體動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。由于更有力的流體引起的波動(dòng)，故將預(yù)計(jì)到較高的壓力損失。L/D進(jìn)一步增大最終導(dǎo)致渦旋增長和足夠的剪切層振蕩和偏轉(zhuǎn)，使得剪切層沖擊在腔的底部上。該后一模式導(dǎo)致在腔自身內(nèi)生成較高的湍流(即，不僅在剪切層界面和自由流處)，其中腔引起的壓力損失進(jìn)一步增大。由于其與陡峭本體后方的尾跡流的相似性，故該最終模式有時(shí)稱為"尾跡"或"尾跡類"模式。所以，識(shí)別到了腔行為的三個(gè)較寬模式，且貌似可信的是，這三個(gè)將以某種方式與壓力損失增大和腔縱橫比增大的平穩(wěn)段形成的三個(gè)重復(fù)循環(huán)相關(guān)，這將從圖13中所示的結(jié)果中清楚。

為了確認(rèn)申請(qǐng)人對(duì)聲發(fā)射行為的理解，在針對(duì)穿過腔的壓縮空氣的冷流(即，非反應(yīng))的系統(tǒng)性測試中且在規(guī)定條件下的氧天然氣燃燒測試期間收集到聲發(fā)射頻譜。圖6A和6B的噴燃器400,500還用于分別在冷流測試期間得到的馬赫數(shù)1.0和1.5的流速下的這些測試。在燃燒測試期間，氧用于中心導(dǎo)管410,510中，且天然氣用于第一環(huán)帶420,520中。

等于1.0的馬赫數(shù)的示例性結(jié)果在圖14至20中呈現(xiàn)，其中以分貝(dB)計(jì)的聲功率水平(SPL)在一定范圍的測試的縱橫比(L/D)內(nèi)針對(duì)頻率繪出。圖14示出了等于0(無腔)的腔縱橫比L/D的SPL與頻率的關(guān)系。頻譜較大取決于散布有在大約17.4、32.1和34.8kHz下共振的三個(gè)不同的窄帶音的寬帶發(fā)射(即，"白噪音")。在無腔時(shí)，這些不同音發(fā)射的可能的源為這些測試期間發(fā)生的噴嘴出口壓力與環(huán)境壓力之間失配引起的噴嘴出口平面下游的沖擊單元的形成。

圖15中呈現(xiàn)了L/D=0.5和1.0的SPL-頻率數(shù)據(jù)。圖15示出了歸因于腔干擾的若干附加低能(即，很窄)離散音的存在。相對(duì)于頻譜的寬帶部分，與圖14的比較揭示了達(dá)到標(biāo)稱35kHz的頻率，其大部分相同。然而，超過該頻率，將注意的是，L/D=1.0數(shù)據(jù)指出寬帶噪音中的增大，表明細(xì)級(jí)別的湍流消散的增大，這大概歸因于聲波生成的開始。

圖16中呈現(xiàn)了L/D=1.5、2和2.5的SPL-頻率數(shù)據(jù)。相比于圖15，圖16示出了下面的寬帶發(fā)射的大小的增大。除此之外，對(duì)于L/D=2，較大長度的許多附加的離散音(即，如從其相對(duì)于圖15中尖銳但大部分較窄的峰增大寬度推斷出)。該后一特征表明共振諧波模式已經(jīng)針對(duì)L/D等于2的情況觸發(fā)。

圖17的L/D=3、3.5和4的SPL-頻率數(shù)據(jù)揭示了持續(xù)較強(qiáng)的寬帶發(fā)射，但離散音的強(qiáng)度和數(shù)目減少。在覆蓋L/D等于5,6和7的圖18中，除12kHz處的隔離的離散音峰值外，信號(hào)基本上僅為寬帶噪音，具有低于23kHz的一些下面的低幅起伏，其可表明多個(gè)離散頻率發(fā)射的進(jìn)行的發(fā)生和消散。最后，在圖19中，對(duì)于L/D=8,9和10，除17kHz處的持續(xù)不同的音之外，行為幾乎完全由寬帶噪音支配，表示細(xì)等級(jí)的湍流消散的優(yōu)勢(shì)。在此方面表示了如圖20中提供的分解視圖中的L/D等于0(無腔)和L/D等于10的信號(hào)的比較。觀察到的是，標(biāo)稱的17kHz的音存在于兩種情況中，但其峰值對(duì)于L/D=10而緩沖，大概歸因于湍流消散的較高速率。此外，寬帶發(fā)射的總體大小顯著高于L/D=10的情況，特別是在圖的較高頻率范圍內(nèi)，這將在與此情況相關(guān)聯(lián)的增大的消散和壓力損失中預(yù)計(jì)到。

聲頻譜發(fā)射在以氧和天然氣(流過內(nèi)倉室中的腔的氧)的燃燒測試期間針對(duì)這些相同噴燃器400,500測試，且與特定狀態(tài)下的非反應(yīng)流測試數(shù)據(jù)相比較。這些在圖21和22中分別針對(duì)L/D等于2和L/D等于5的頻譜圖中歸納，其代表遇到的燃燒驅(qū)動(dòng)的聲發(fā)射的兩個(gè)類別。即，燃燒發(fā)射的一個(gè)類別針對(duì)產(chǎn)生較強(qiáng)的音峰值的腔/噴嘴組合觀察到，而另一個(gè)針對(duì)產(chǎn)生較弱音峰值的那些觀察到。圖21針對(duì)為2的L/D示出了除了大約5.3、10.8和21.6kHz下的明顯的突破音分開，燃燒頻譜如何在大約4kHz下達(dá)到峰值且基本上隨后減小。后兩個(gè)峰值很接近11.2和22.6kHz下的非反應(yīng)峰值。當(dāng)非反應(yīng)流數(shù)據(jù)對(duì)于空氣與氧之間的音速差(即，歸因于分子量的差異)校正時(shí)，這些峰值對(duì)于冷流和反應(yīng)流情況幾乎相同地排列。

還注意的是，不存在與較高頻率的冷流離散音發(fā)射相關(guān)聯(lián)的燃燒發(fā)射峰值；例如，標(biāo)稱為31和34kHz的那些。這表明燃燒反應(yīng)用作低通濾波器的類型，允許低于大約27kHz的足夠強(qiáng)度的不同音通過，但抑制更高頻率下的聲發(fā)射。對(duì)于為5的L/D，圖22為其它類別的發(fā)射的圖示。在此圖中，盡管燃燒頻譜又在大約4kHz下達(dá)到峰值，且抑制低于27kHz的發(fā)射，但沒有"突破"冷流音，即使在11.9kHz處存在明顯的冷流離散音發(fā)射。然而，該音明顯缺少所需強(qiáng)度來影響燃燒聲標(biāo)記。

火焰穩(wěn)定性測量

本領(lǐng)域中已知的是，高速擴(kuò)散焰本身難以穩(wěn)定，且對(duì)于給定的燃料/氧化劑燃燒，穩(wěn)定性極強(qiáng)地由出口平面正上游的區(qū)域中的燃料和氧化劑的混合模式影響。火焰穩(wěn)定性在這里由火焰抵抗熄滅的能力來判斷。系統(tǒng)性的火焰穩(wěn)定性測試使用圖6A和6B的噴燃器400,500和用于燃燒聲發(fā)射測試的流體(即，數(shù)據(jù)在圖21和22中呈現(xiàn)的那些)來進(jìn)行。測試通過首先以引燃火焰點(diǎn)燃噴燃器，然后逐漸增大氧化劑流直到達(dá)到熄滅點(diǎn)來進(jìn)行。結(jié)果在圖23中歸納，圖23示出了使用具有會(huì)聚末梢和會(huì)聚-發(fā)散末梢的噴嘴的三個(gè)不同測試組的相對(duì)氧流速與腔縱橫比的關(guān)系。靈敏的麥克風(fēng)和信號(hào)處理器用于測量遠(yuǎn)場聲頻譜發(fā)射。

若干特征在該圖中指出。首先，存在"無腔"狀態(tài)與峰值穩(wěn)定點(diǎn)之間的穩(wěn)定性"極限"(即，發(fā)生吹滅時(shí)的氧流速)的急劇增大，這表明剪切層的腔促動(dòng)的干擾顯著地改善火焰穩(wěn)定性。其次，所有測試系列的火焰穩(wěn)定性的峰值在2.0的縱橫比下發(fā)生。最后，較大縱橫比的腔的火焰穩(wěn)定性的降低相比于無腔與峰值穩(wěn)定性吹滅極限之間的較陡的增大，相當(dāng)緩慢地發(fā)生。

基于申請(qǐng)人對(duì)潛在過程的認(rèn)知，從測試數(shù)據(jù)推斷出：i)聲發(fā)射實(shí)際上經(jīng)歷特征模式轉(zhuǎn)變，其較大地取決于腔的縱橫比，且這些轉(zhuǎn)變反映自由流體與腔中包含的流體之間的相互作用的基本變化；ii)有可能大致控制這些相互作用來改善高速氧/氣體擴(kuò)散焰的穩(wěn)定性；以及iii)穩(wěn)定高速氧/氣體擴(kuò)散焰提供快速加速、點(diǎn)燃和燃燒固體燃料的高效手段，而沒有現(xiàn)有技術(shù)的裝置之前經(jīng)歷的問題和限制。

數(shù)據(jù)較強(qiáng)地表明從橫波模式到縱向模式的過渡的開始發(fā)出開始改善燃燒火焰穩(wěn)定性的信號(hào)，且這在大于1的縱橫比L/D中發(fā)生。在縱橫比進(jìn)一步增大時(shí)，波的行為變得由縱波支配，且最終過渡至尾跡狀模式，其中剪切層沖擊腔底板，且腔流變?yōu)楦叨韧牧鞯?。所有這些隨后的模式轉(zhuǎn)變(即，在從橫波到縱波支配的初始一個(gè)模式之后)保持關(guān)于L/D≤1的情況(包括無腔，L/D=0)的一些改善的火焰穩(wěn)定性。

實(shí)際上以及縱橫比L/D＞10將繼續(xù)提供火焰穩(wěn)定性的這樣加強(qiáng)。然而，對(duì)于L/D＞10，預(yù)計(jì)聲模式中沒有進(jìn)一步的系統(tǒng)性轉(zhuǎn)變。但是，將預(yù)計(jì)到腔壓力由于增大的腔長度而繼續(xù)增大。因此，將本發(fā)明的噴燃器的縱橫比的范圍延伸到顯著高于L/D=10似乎沒有利益。此外，由于增強(qiáng)的火焰穩(wěn)定性在模式轉(zhuǎn)變至尾跡狀模式(L/D＞6)之前達(dá)到，且具有略低的腔壓力損失，故優(yōu)選的腔縱橫比范圍是1＜L/D≤6。最后，由于最佳的火焰穩(wěn)定性以甚至更低的腔壓力損失在橫波和縱波支配之間的模式轉(zhuǎn)變的較早階段中發(fā)生，故縱橫比的高度優(yōu)選的范圍是1＜L/D≤4。

因此，按照其優(yōu)選實(shí)施例和備選實(shí)施例公開了本發(fā)明。當(dāng)然，來自本發(fā)明的教導(dǎo)內(nèi)容的各種改變、改型和變化可由本領(lǐng)域的技術(shù)人員構(gòu)想出，而不脫離其預(yù)期精神和范圍。期望本發(fā)明僅由所附權(quán)利要求的項(xiàng)目限制。