專利名稱：燃料燃燒器的燃燒方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料燃燒器的燃燒方法及設(shè)備，其中燃料流經(jīng)兩段燃燒，以抑制NOx(氮氧化合物)的生成。更具體地，本發(fā)明涉及這樣一種燃料燃燒方法及設(shè)備，其中，燃料的燃燒在兩段中的第一段由第一含氧氣體提供，而在兩段中的第二段，燃料的燃燒由第二含氧氣體提供，第二含氧氣體中的氧氣濃度高于第一含氧氣體。
燃料燃燒器被設(shè)置在爐內(nèi)用以生產(chǎn)作各種各樣工業(yè)用途的熱熔物。這些熱熔物包括黑色和有色金屬，玻璃以及其他物質(zhì)。為了最大限度地得到燃燒器的效能輸出，同時(shí)又最低限度地降低燃料消耗，已有技術(shù)已經(jīng)提供了那些設(shè)計(jì)成在氧氣或富含氧氣的空氣中氧化燃料的燃燒器。這類燃燒器的問題在于，空氣中的氮?dú)饪梢耘c氧氣反應(yīng)，產(chǎn)生有害的污染物，即已有技術(shù)中所謂的“熱NOx”(thermal NOx)。此外，燃料自由基，例如CH，可以與空氣中的氮?dú)夥磻?yīng)形成“瞬發(fā)NOx”(prompt NOx)。另外，采用液體燃料時(shí)，與燃料結(jié)合的氮?dú)饪梢孕纬蒆CN，HCN能氧化生成與燃料結(jié)合的NOx。這個(gè)問題，甚至在那些已有技術(shù)的爐子(支持燃燒所需的氧氣由空氣提供)中也同樣存在，它是由于高的燃燒溫度，火焰中大量燃料自由基以及與燃料結(jié)合的氮?dú)馑鶎?dǎo)致的。
為了減少熱NOx的形成，已有技術(shù)的燃燒器被設(shè)計(jì)成分兩段燃燒燃料(分段燃燒法)。在燃燒的第一段，即已有技術(shù)中已知的富含燃料階段，燃燒在低于化學(xué)計(jì)量的氧氣的存在下進(jìn)行，從而降低燃燒的溫度，進(jìn)而抑止熱NOx的形成。第一段的下游，有未燃燒的燃料和可燃的碳?xì)浠衔锎嬖?。在燃燒的第二段，碳?xì)浠衔锖臀慈紵娜剂辖M成的可燃性混合物在氧氣中燃燒，所用的氧氣與提供給第一段燃燒用氧氣的來源相同。但是，在第二段燃燒時(shí)，引入的氧氣是超過化學(xué)計(jì)量的。從而產(chǎn)生已有技術(shù)中所謂的燃燒的“燃料不足階段”(a fuel-lean stage)。需要超過化學(xué)計(jì)量的氧氣來完全氧化在第一段燃燒所產(chǎn)生的可燃性混合物。應(yīng)注意，燃料碎片有較低的生成熱，因此，在燃燒的第二段，熱NOx并不是NOx生成的主要來源。但是，在燃燒的第二段，可燃性混合物進(jìn)行不完全和緩慢的燃燒會(huì)導(dǎo)致高濃度的碳?xì)浠衔镒杂苫a(chǎn)生，這些自由基與氮?dú)夥磻?yīng)，最終產(chǎn)生瞬發(fā)NOx。
因?yàn)檫@些已有技術(shù)的燃燒器在兩段燃燒中采用同樣來源的氧氣，即在兩段中都用含氧量相同的空氣或氧氣或富含氧的空氣，因此，存在于燃燒的第一段和第二段的化學(xué)計(jì)量上的差別是很有限的。在這點(diǎn)上，通過將燃料的總量除以任一燃燒階段中的氧氣的總量，再將結(jié)果除以按化學(xué)計(jì)量供燃燒所需的燃料和氧氣的理論量的商，就得到一個(gè)無因次的比率，在已有技術(shù)中稱為等值比率(equivalence ratio)。在富含燃料階段，等值比率大于1.0，表示燃料過剩;在燃料不足階段，等值比率小于1.0，表示氧氣過剩。
在已有技術(shù)中，在富含燃料階段可以得到的等值比率的最大值是受限制的，因?yàn)榧词辜尤胍欢康难趸瘎?，仍?huì)達(dá)到燃燒無法維持的階段。換言之，在富含燃料階段，火焰最終將不能穩(wěn)定燃燒，隨后熄滅。此外，當(dāng)富含燃料階段更富含燃料時(shí)，燃料不足階段就需要更多的氧化劑去完成燃燒。
為了充分氧化可燃性混合物并防止生成瞬發(fā)NOx，同時(shí)又防止第二段大量氧化劑的存在而導(dǎo)致火焰的熄滅，在第二燃燒段中燃燒的等值比率最好應(yīng)限定于接近化學(xué)計(jì)量的比例。這一點(diǎn)在第一段采用空氣或具有相同氧濃度的富含氧的空氣的情況下是很難做到的，因?yàn)榧尤氲降诙剂隙沃械拇罅亢蹩諝鈺?huì)冷卻第二燃燒段和/或使第一段熄滅，從而熄滅了火焰。
如將要討論的那樣，本發(fā)明提供了兩段燃料燃燒的方法和設(shè)備，在本質(zhì)上它允許在燃燒的第一段得到比已有技術(shù)更大的等值比率，而且，也允許燃燒的第二段的等值比率接近一致。其結(jié)果，對(duì)NOx的抑止比已有技術(shù)的燃燒方法和設(shè)備都大大增加了。
本發(fā)明提供了一種燃燒燃料的方法，根據(jù)此方法，燃料流分兩段燃燒，分別在第一和第二含氧氣體存在下燃燒。第二含氧氣體的氧濃度高于第一含氧氣體。燃料流在兩段中的第一段按遠(yuǎn)大于1.0的第一等值比率燃燒，從而抑止熱NOx的生成，并且生成供第二段燃燒的可燃性混合物，該混合物由未燃燒的及部分氧化的燃料、燃料碎片和燃料自由基組成?？扇夹曰旌衔镌诙沃械牡诙伟醇s1.0等值比率進(jìn)行燃燒，從而最大限度地將熱量傳遞給兩段中的第一段以穩(wěn)定其中的燃燒，并且使燃料自由基被第二含氧氣體極快地氧化，從而抑制了瞬發(fā)NOx的形成。
另一方面，本發(fā)明提供了一種燃燒燃料的燃料燃燒器。這種燃燒器以不同的方式形成燃料流。第一種方式是將第一含氧氣體引入燃料流，從而使燃料與第一含氧氣體的燃燒發(fā)生在兩段燃燒的第一段，并按遠(yuǎn)大于1.0的等值比率進(jìn)行，從而抑制熱NOx的生成并提供由未燃燒的及部分氧化的燃料、燃料碎片和自由基組成的可燃性混合物。第二種方式是將第二含氧氣體引入燃料流，從而使可燃性混合物與第二含氧氣體的燃燒發(fā)生在二段燃燒的第二段即位于兩段燃燒的第一段下游。第二種方式可以按約1.0的等值比率將第二含氧氣體引入燃料流，從而最大限度地將熱量傳遞給兩段燃燒中的第一段，并且使燃料自由基極快地被氧化，從而抑止了瞬發(fā)NOx的生成。
不同于已有技術(shù)，本發(fā)明的燃料燃燒器是特別設(shè)計(jì)用來燃燒具有不同氧濃度的兩種含氧氣體的。本發(fā)明的此特點(diǎn)使燃料在燃燒的第一段能按比已有技術(shù)更高的等值比率，因此，處在較低的溫度下進(jìn)行燃燒，并使可燃性混合物在燃燒第二段按接近化學(xué)計(jì)量條件進(jìn)行燃燒，從而在比已有技術(shù)更低含量的含氧氣體中更快地氧化可燃性混合物，又不超越可燃性的限制。因?yàn)榭扇夹曰旌衔锬茉诒纫延屑夹g(shù)更低含量的含氧氣體中燃燒，因此，熱量能更有效地從燃燒第二段傳回燃燒第一段，從而如本發(fā)明所期待的那樣，有助于穩(wěn)定在第一段按高等值比率所進(jìn)行的燃燒。在本發(fā)明可處在的較低的第一段燃燒溫度下，能比已有技術(shù)更有效地抑止熱NOx的生成，同時(shí)，更完全地氧化燃料碎片及自由基，從而能比已有技術(shù)更好地抑止瞬發(fā)NOx的生成。
說明書包括了權(quán)利要求，而權(quán)利要求清楚地指出了本發(fā)明申請(qǐng)的實(shí)質(zhì)，結(jié)合下列附圖，可以相信將會(huì)更好地理解本發(fā)明，附圖包括

圖1根據(jù)本發(fā)明的燃料燃燒器的側(cè)視圖。
圖2沿圖1中線2-2所得的圖1的剖面圖。
圖3如圖1的燃料燃燒器在操作中的局部圖，顯示了在其操作中產(chǎn)生的燃料燃燒的第一段和第二段。
參見圖1和圖2，被闡述的是根據(jù)本發(fā)明的燃料燃燒器10。它能用傳統(tǒng)方式安裝在爐子的燃燒器底座上，燃料燃燒器10是特別設(shè)計(jì)的，用來分兩段燃燒甲烷之類的氣體燃料。在燃燒的第一段，甲烷在一種含氧氣體，即空氣存在下燃燒。在燃燒的第二段，由第一段燃燒產(chǎn)生的燃料碎片及自由基在第二種含氧氣體，即氧氣的存在下燃燒。必須說明，本發(fā)明并不局限于僅采用甲烷作燃料，或者局限于先由空氣后由氧氣所提供的兩段的燃燒。
燃料經(jīng)噴射裝置12形成燃料流。噴射裝置12包括一個(gè)底部14和一個(gè)漸縮喇叭型的噴嘴部分16。噴嘴部分16與底部14的突出部分18相連接。底部14配置有一個(gè)軸向的孔20，孔20具有刻有螺紋的部分22。軸向孔20延伸進(jìn)入底部14的突出部分18，并配置有與軸向孔20相連通的導(dǎo)入管23。燃料如箭頭A所指的那樣進(jìn)入導(dǎo)入管23，接著經(jīng)噴嘴部分16的漸縮喇叭型結(jié)構(gòu)加速后，作為燃料流從噴嘴部分16處噴射出。一個(gè)燃料控制針24按螺紋伸入軸向孔20的螺紋部分22，從而可以通過連續(xù)的運(yùn)動(dòng)移向或遠(yuǎn)離噴嘴部分16的節(jié)流區(qū)26。當(dāng)燃料控制針24的錐形端28靠近噴嘴部分16的節(jié)流區(qū)26時(shí)，燃料流的速度會(huì)增加，反之亦然，而與體積流速無關(guān)。
噴射裝置12通過4個(gè)等距的螺紋螺栓32與燃燒器本體30相連。在螺栓32的一端，螺紋固定于噴射裝置12的底部14上的4個(gè)內(nèi)部螺紋孔36。在螺栓32的另一端，螺栓32通過4個(gè)對(duì)立向設(shè)置的六角螺母件38和40與燃燒器本體30相連，六角螺母件固定于燃燒器本體30的向外張開的、凸緣狀部分42。
噴射裝置12的底部14設(shè)有環(huán)形槽44，一個(gè)固定的百葉窗式的套筒46位于此槽44。固定的百葉窗式的套筒46是圓柱形的并配置有天窗48(louver)。一個(gè)外部可移動(dòng)的百葉窗式套筒50同樣是圓柱形的并裝有天窗52。此套筒50圍著內(nèi)部的固定的百葉窗式的套筒46。供燃燒的空氣進(jìn)入外部可移動(dòng)的和內(nèi)部固定的百葉窗式的套筒(50和46)的天窗52和48。通過外部可移動(dòng)的百葉窗式套筒50的旋轉(zhuǎn)，可以增加或減少天窗52和48的打開區(qū)域，從而一定量的空氣可以進(jìn)入燃料混合物，此時(shí)燃料通過噴射裝置12形成燃料流。
燃燒器本體30具有一個(gè)軸向通道54，通道54為環(huán)形橫截面(crossection)，具有一個(gè)光滑收斂形的入口部分56。此外還有直徑大致相同的中間混合部分58以及軸向通道54的發(fā)散形的擴(kuò)散段60。燃料流首先在負(fù)壓下進(jìn)入軸向通道54的入口部分56，負(fù)壓是通過燃料流在噴射裝置口的噴嘴部分16的加速而引入燃料流中。這樣，在軸向通道54的入口部分56形成了負(fù)壓，從而可以通過外部可移動(dòng)的百葉窗式套筒50和內(nèi)部固定的百葉窗式套筒46的天窗52和48將空氣吸入。調(diào)節(jié)外部可移動(dòng)百葉窗式套筒50可以控制吸入的空氣的量。此外，調(diào)節(jié)燃料控制針24也可控制吸入的空氣的量。如上所述，將燃料控制針24移向節(jié)流區(qū)26，會(huì)增加燃料的流速。這會(huì)造成壓力的進(jìn)一步下降，因而會(huì)造成更多的空氣被吸入，結(jié)果，趨向形成燃料和空氣的混合物。用這種方式，燃料的流量和速度都是可以獨(dú)立調(diào)控的。這允許在第一階段調(diào)節(jié)等值比率，而與燃料的流量流速無關(guān)。在這點(diǎn)上，燃料和空氣在軸向通道54的中心混合部分58內(nèi)進(jìn)行混合。通過軸向通道54的擴(kuò)散部分60，壓力增大到超過大氣壓力。將一個(gè)形狀相符的陶瓷套筒置于通道54，以伸入通道的擴(kuò)散部分60，從而使燃燒器本體30絕熱。
參見圖3，富含燃料的混合物在第一燃燒段62燃燒。事實(shí)上，等值比率可以達(dá)到超出已有技術(shù)燃燒器的可燃性的限制水平。但是，因?yàn)閷⒀鯕庾⑷肴剂狭?，所以在本發(fā)明中并沒有出現(xiàn)這種情況，從而在第一燃燒段62產(chǎn)生的可燃性混合物在位于相鄰段62下游的第二燃燒段64中燃燒。因?yàn)槭褂醚鯕猓匀剂纤槠诘诙紵慰梢园醇s1.0的等值比率，即接近化學(xué)計(jì)量，進(jìn)行燃燒。因此，熱量可以最大限度地傳給兩段中的第一段以穩(wěn)定燃燒，同時(shí)又充分氧化燃料自由基，從而抑止了瞬發(fā)NOx的生成。必須指出，燃燒器10可按非常低的等值比率將氧氣引入第二燃燒段。但是，這種操作方式會(huì)使第一燃燒段62的燃燒的等值比率受到限制。關(guān)于這一點(diǎn)，必須指出，本發(fā)明與已有技術(shù)的燃燒器相比，具有一個(gè)內(nèi)在的優(yōu)點(diǎn)，即可以極大地提高等值比率，而如此高的等值比率在第一燃燒段是可以達(dá)到的。本發(fā)明的燃燒器所期望的高的等值比率促使第一燃燒段中煙灰(soot)的形成。這產(chǎn)生了更亮的，熱傳遞效率更高的火焰。
在本發(fā)明中，氧氣的注入是通過在軸向通道54的擴(kuò)散部分60處，環(huán)繞位于燃燒器本體30的外套66完成的。外套66的一端用環(huán)狀套筒68封閉，另一端開口，形成一個(gè)環(huán)狀開口70，氧氣從這個(gè)開口70注入。外套66、燃燒器本體30和陶瓷套筒61都制成一定形狀，使燃燒器10的前部有一個(gè)向內(nèi)的球形的彎曲部分。其結(jié)果是，燃燒器本體30于外套66的環(huán)狀開口70處開始凹陷。這個(gè)凹槽允許氧氣在第一燃燒段62的下游處注入第二燃燒段64。氧氣，如箭頭B所示，經(jīng)導(dǎo)入管74進(jìn)入外套66，導(dǎo)入管74有適合導(dǎo)入管道76的壓力。如已有技術(shù)的熟練工人所眾所周知的那樣，篩網(wǎng)(mesh)或蜂窩狀柵格能用來防止第一燃燒段62在使用本發(fā)明的大直徑燃燒器裝置中回火(flashingback)。
盡管沒有闡述，但如果在軸向通道54的擴(kuò)散部分60處鉆一系列的小孔通入燃燒器本體孔內(nèi)，并和外套66等高，那么燃料流可以在富含氧氣的空氣存在下，而不是在單獨(dú)的空氣中，進(jìn)行燃燒。類似的，如果鉆孔通入外套66，則第二燃燒段同樣可以在富含氧的空氣中進(jìn)行，只是此富含氧的空氣中具有更高濃度的氧氣。
盡管本發(fā)明是參照最佳實(shí)施例來描述的，但是，正如那些已有技術(shù)的熟練工人所意識(shí)的那樣，能對(duì)本發(fā)明進(jìn)行許多的改變、增添或刪除，而不違背本文所附的權(quán)利要求書中所規(guī)定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種燃燒燃料的方法，其特征在于，它包括分兩段，并相應(yīng)在第一及第二含氧氣體的存在下燃燒燃料流；第二含氧氣體的氧氣濃度高于第一含氧氣體；在兩段中的第一段，燃料流在遠(yuǎn)大于約1.0的第一等值比率下進(jìn)行燃燒，從而抑止了熱NOx的生成，同時(shí)，在生成了供兩段中的第二段燃燒的，含有未燃燒及部分氧化的燃料、燃料碎片及燃料自由基的可燃性混合物；和在兩段中的第二段，可燃性混合物在約1.0的等值比率下進(jìn)行燃燒，從而最大限度地將熱量傳給兩段中的第一段以穩(wěn)定其中的燃燒。同時(shí)，燃料自由基被第二含氧氣體以極快的速度氧化從而抑止了瞬發(fā)NOx的生成。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一等值比率相當(dāng)高，從而至少在沒有兩段燃燒的第二段傳回的熱量的情況下，在兩段燃燒的第一段難以維續(xù)燃燒。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將第一含氧氣體引入燃料流，從而形成具有第一等值比率的富含燃料的物流;富含燃料的物流在兩段燃燒的第一段中燃燒;注入第二含氧氣體與位于二段中的第一燃燒段下游的可燃性混合物形成混合物，從而在緊靠第一燃燒段的正下游形成第二燃燒段。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，第一含氧氣體包括空氣;再且空氣通過下列方式引入燃料流形成燃料流從而得到負(fù)壓，將空氣吸入燃料流，混合空氣和燃料流，通過將燃料和空氣流的混合物分散到負(fù)壓中而形成富含燃料的物流。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，第一含氧氣體包括空氣，而第二含氧氣體包括氧氣。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，第二含氧氣體包括氧氣。
7.一種用于燃燒燃料的燃料燃燒器，其特征在于，包括形成燃料流的裝置;將第一含氧氣體引入燃料流的第一裝置，從而使得燃料與第一含氧氣體的燃燒發(fā)生在兩段燃燒的第一段，并且等值比率遠(yuǎn)大于1.0，從而抑止熱NOx的生成，同時(shí)產(chǎn)生由未燃燒的及部分氧化的燃料、燃料碎片及自由基組成的可燃性混合物;和將比第一含氧氣體中含氧量更高的第二含氧氣體引入燃料流的第二裝置，從而使得可燃性混合物與第二含氧氣體的燃燒發(fā)生在兩段燃燒的第二段，此第二段即位于兩段燃燒的第一段下游。第二裝置可以按約為1.0的等值比率將第二含氧氣體引入燃料流，從而最大限度地把熱量從二段燃燒的第二段傳給二段燃燒的第一段，而且燃料自由基以很快的速度氧化，從而抑止了瞬發(fā)NOx的生成。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料燃燒器，其特征在于;第一含氧氣體包括空氣;燃料流形成裝置，該裝置形成燃料流，從而具有負(fù)壓;和第一裝置，它包括具有軸向通道的細(xì)長(zhǎng)的燃燒器本體，通道與燃料流形成裝置，兩者在操作上相連，從而使燃料流通過軸向通道被導(dǎo)入;軸向通道包括，一個(gè)入口部分，該入口部分光滑地收斂并且其位置與燃料流形成裝置一起限定了一個(gè)環(huán)狀區(qū)域，通過此區(qū)域空氣被吸入;位于入口部分下游的混合部分，其形狀適于將燃料和空氣混合在一起;和一個(gè)擴(kuò)散部分，其形狀適于在從通道分散前，將增大的、超過大氣壓的壓力傳給燃料和空氣的混合物。
9.如權(quán)利要求8所述的燃料燃燒器，其特征在于，第二裝置包括一個(gè)外套，該外套環(huán)繞于燃燒器本體，并在其一端開口，形成一個(gè)用于注入第二含氧氣體的環(huán)繞燃燒器本體的環(huán)形噴嘴。
10.如權(quán)利要求8或9所述的燃料燃燒器，其特征在于，燃料流形成裝置包括一個(gè)具有收斂形狀及擴(kuò)散形狀的通道的噴射體;一個(gè)錐形尖端，它伸入收放形通道，并且可以在軸向上移動(dòng)，通過其在軸向上的運(yùn)動(dòng)來增加或減少燃料流的速度;和用于支持及選擇性地在軸向上移動(dòng)錐形尖端的裝置。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明，燃料分兩段并相應(yīng)在第一和第二含氧氣體的存在下燃燒。第二含氧氣體中的含氧量高于第一含氧氣體。在第一段，燃料流在遠(yuǎn)大于1.0的第一等值比率下燃燒，從而抑止熱NO
文檔編號(hào)F23C6/04GK1082690SQ93106168
公開日1994年2月23日 申請(qǐng)日期1993年5月20日 優(yōu)先權(quán)日1992年6月18日
發(fā)明者盧T·亞普 申請(qǐng)人:波克股份有限公司