專利名稱：脈動燃燒方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在氧化劑存在下燃燒燃料的方法，其中由燃料和氧化劑在混合層中的流動形成燃料和氧化劑的混合噴射流，更具體地說，本發(fā)明涉及這樣一種方法和裝置，其中燃料或氧化劑或兩者的質(zhì)量流速是間歇的，且以足夠高頻率規(guī)則地脈動，使得在整個由燃料和氧化劑的燃燒產(chǎn)生的噴射火焰中產(chǎn)生均衡分布的富含燃料區(qū)域和燃料貧乏區(qū)域。
在許多需要加熱-熔體的工業(yè)過程中使用一些燃燒器，在其中于氧化劑中燃燒燃料，氧化劑例如是空氣、富含氧氣的空氣，或氧氣。燃料的燃燒產(chǎn)生稱為熱NOx的污染物。當(dāng)燃料以化學(xué)計(jì)量比燃燒時，所產(chǎn)生的熱NOx量達(dá)最大。
在已有技術(shù)中已知，若燃料以不足化學(xué)計(jì)量或超化學(xué)計(jì)量地燃燒時，熱NOx的釋放將減少。按這思路，澳大利亞專利9220395號揭示了一種用于工業(yè)熔爐的燃燒器，其中燃料或氧化劑或兩者以低于3Hz，典型地低于1Hz的頻率脈動，該方法減少了NOx的釋放。在頻率高于3Hz時，測量發(fā)現(xiàn)一氧化碳的釋放增加，因而確定用于燃燒器的頻率低于3Hz是較好的。澳大利亞專利9220395號中的燃燒器是一比較復(fù)雜的機(jī)械裝置，它是通過含一系列閥的導(dǎo)管工件來輸料的，所述閥必須在所需的脈動頻率下持續(xù)定期地打開和關(guān)閉。
正如將要討論的，本發(fā)明提供一種能在比澳大利亞′395申請更高頻率下操作且附帶低NOx和低一氧化碳產(chǎn)物的脈動驅(qū)動燃燒方法和裝置。另外，本發(fā)明提供一種能脈動燃燒，且比已有技術(shù)中用來使燃料和/或氧化劑脈動的燃燒器簡單得多的燃燒器。
本發(fā)明提供一種在氧化劑存在下燃燒燃料的方法，其中在質(zhì)量流速下流動的燃料和氧化劑形成燃料和氧化劑的混合噴射流。燃料和氧化劑燃燒產(chǎn)生-噴射火焰，它們在湍流混合層中混合，在該層中的燃料和氧化劑在渦流中緊密地互相接觸。以平均化學(xué)計(jì)量比混合燃料和氧化劑，燃料或氧化劑或兩者的質(zhì)量流速是間歇的且規(guī)則地脈動。該規(guī)則脈動具有一足夠高的頻率，使得在整個噴射火焰中所含燃料和氧化劑之比為富含燃料的渦流和燃料貧乏的渦流基本上是均衡分布的。
規(guī)則脈動具有一脈動頻率，該頻率至少與湍流頻率的數(shù)量級是相同的，此時的湍流是由平均流動不穩(wěn)定性引起的。正是對于這些數(shù)量級為1的Strouhal數(shù)(St＝fD/V，其中f為強(qiáng)制頻率，D為燃燒器流動的特征長度，V為燃燒器流動的特征速率)，引入了最大流體動力學(xué)不穩(wěn)定性，因而在富含燃料和燃料貧乏的渦流之間獲得化學(xué)計(jì)量的最大差別。
按本發(fā)明的另一方面，提供一種在氧化劑存在下燃燒燃料的裝置，在這種裝置中，有一燃燒器含用于形成燃料和氧化劑的混合噴射流的裝置，所述噴射流是在質(zhì)量流速下流動的燃料和氧化劑形成的，該裝置可在燃燒時形成噴射火焰。燃料和氧化劑噴射流在湍流混合層中混合，其中燃料和氧化劑在渦流中緊密地互相接觸，有一裝置將燃料和氧化劑以平均化學(xué)計(jì)量比，在質(zhì)量流速下補(bǔ)給入燃燒器中，補(bǔ)給裝置包含一個流體振蕩器，用于以規(guī)則脈動方式間歇地將燃料或氧化劑補(bǔ)給入燃燒器中，所述脈動具有一足夠高的頻率，使渦流包含富含燃料比例和燃料貧乏比例的燃料和氧化劑。本發(fā)明的再一個方面，補(bǔ)給裝置包含二個流體振蕩器，用于在規(guī)則脈動下間歇地將燃料和氧化劑補(bǔ)給入燃燒器中，所述規(guī)則脈動具有足夠高的頻率，使整個噴射火焰中渦流包含富含燃料比例和燃料貧乏比例的燃料和氧化劑。
典型地，從燃燒器發(fā)射出的燃料和氧化劑噴射流的速率的數(shù)量級為10-100m/s，所得火焰的長度的數(shù)量級為2-5m，若將燃料或氧化劑或兩者在3Hz左右的頻率下，以脈動方式供給，顯然整個火焰本身將在整體化學(xué)計(jì)量是富含燃料和燃料貧乏兩種情況之間來回地?cái)[動。結(jié)果將會減少NOx的生成，這是因?yàn)楸M管從長時間的平均來看，燃燒是按化學(xué)計(jì)量進(jìn)行的，但在任何一段時間內(nèi)則是富含燃料或燃料貧乏的。另一方面，富含燃料的燃燒將產(chǎn)生高一氧化碳的釋放。
通常，在工業(yè)燃燒器中，燃料和氧化劑的噴射流是湍流的，且形成渦流譜，其尺寸范圍和頻率可由湍流理論估算。燃料和氧化劑在湍流混合層中反應(yīng)。若燃料，氧化劑或兩者在某一頻率下脈動，該頻率的數(shù)量級與由平均流動不穩(wěn)定性產(chǎn)生的湍流頻率的數(shù)量級相同，則強(qiáng)烈的流體動力學(xué)不穩(wěn)定性會在整個火焰中產(chǎn)生許多微觀分區(qū)，這些分區(qū)交替地具有富含燃料和燃料貧乏的特征。結(jié)果，事實(shí)上當(dāng)頻率保持這種狀態(tài)時，燃燒產(chǎn)生的一氧化碳量和NOx量實(shí)際上將會減少，而且，本發(fā)明使用不帶移動部件的流體振蕩器，而不使用閥。這樣，本發(fā)明可比已有技術(shù)脈沖燃燒器更簡單地實(shí)現(xiàn)。
說明書結(jié)尾的權(quán)利要求明確地指出了申請人認(rèn)為是其發(fā)明的主題內(nèi)容，但申請人認(rèn)為結(jié)合附圖本發(fā)明將得到更好的理解，附圖為

圖1為實(shí)施本發(fā)明方法的裝置的示意圖;
圖2為用于本發(fā)明的流體振蕩器的示意圖;
圖3A為燃料貧乏渦流的卷繞圖;和圖3B為富含燃料渦流的卷繞圖。
參照圖1，圖示了本發(fā)明的裝置10，裝置10包含用于在氧化劑存在下燃燒燃料的燃燒器12。在此處和在權(quán)利要求中所用的術(shù)語“氧化劑”是指空氣或富含氧氣的空氣或氧氣本身。燃料可為一氣體如甲烷或液體如油。在本發(fā)明中并無特別優(yōu)選種類的燃燒器，圖示的燃燒器12形式只是為了舉例需要。在燃燒器12中有一由環(huán)狀燃料通道16包圍的中心氧化劑通道14。由燃燒器12形成燃料和氧化劑的混合噴射流18和20，燃料和氧化劑的燃燒產(chǎn)生噴射火焰22。
再參照圖2，燃料和氧化劑可用流體振蕩器24和26補(bǔ)給入燃燒器12中，流體振蕩器24，26間歇地并在具有指定頻率的規(guī)則脈沖下補(bǔ)給燃料，流體振蕩器在流體力學(xué)領(lǐng)域是眾所周知的，但迄今為止并沒有將之應(yīng)用于燃燒。然而它們不含移動部件裝置。流體振蕩器24的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與流體振蕩器26應(yīng)是相同的，因而只圖示了流體振蕩器24。流體在質(zhì)量流速qin下進(jìn)入流體振蕩器24。分流板28使氣流分開交替地流下支路29和30，這是由于在反饋環(huán)路34和32中的氣流分別使邊界層在進(jìn)入分流板28前，在導(dǎo)管35中從一側(cè)移動至另一側(cè)。這樣產(chǎn)生一由規(guī)則脈沖36組成的間歇流動qout，應(yīng)明白的是其它流體振蕩器也可用于燃燒器10中。在本發(fā)明中同樣值得重點(diǎn)注意的是，可刪去流體振蕩器24或流體振蕩器26，而只振蕩地將氧化劑或燃料補(bǔ)給入燃燒器12中。
參照圖3A和3B，燃料和氧化劑的混合噴射流18和20在湍流混合層中混合。氣流的流體動力學(xué)不穩(wěn)定性由于非線性增長而產(chǎn)生渦流，例如，渦流A和B，其中燃料38和氧化劑40進(jìn)行緊密的物理接觸，使兩者之間可發(fā)生反應(yīng)。注意渦流A中，圍著氧化劑40卷繞燃料38產(chǎn)生-燃料貧乏區(qū)域，而渦流B中，圍著燃料38卷繞氧化劑40產(chǎn)生-富含燃料的燃燒。為了提高在渦流A(燃料貧乏)和渦流B(燃料富含)之間的擺動，最有效的方法是在單位Strouhal值下驅(qū)動流體動力學(xué)不穩(wěn)定性。假定在譜的低端，氧化劑以約10m/s的速率流動，氧化劑通道14的直徑約為0.1m，則最有效的驅(qū)動頻率的數(shù)量級大約為102Hz。通常，頻率將更大些，其數(shù)量級約為103-104假定脈沖36的脈沖頻率至少與前述湍流頻率的數(shù)值相同，則從微觀上來看，火焰為一富含燃料渦流和燃料貧乏渦流的混合物，這樣在整個火焰內(nèi)是富含燃料區(qū)域和燃料貧乏區(qū)域的混合物。這樣的結(jié)果是即使補(bǔ)給入燃燒器12的氧氣總數(shù)量是按照化學(xué)計(jì)量的，間歇的補(bǔ)給將在火焰22中產(chǎn)生非化學(xué)計(jì)量的富含燃料和燃料貧乏渦流或富含燃料和燃料貧乏區(qū)域。因而，熱NOx的產(chǎn)生將減少。同時，各區(qū)域的緊密相鄰將使來自燃料富含區(qū)域或渦流的未燃燒燃料在由燃料貧乏區(qū)域或渦流提供的過量氧化劑中燃燒。這將減少由于燃料的不完全燃燒而生成的一氧化碳，而如果整個火焰或大部分火焰從燃料富含狀態(tài)振蕩至燃料貧乏狀態(tài)時，就會發(fā)生這種(燃燒不完全的)情況。
在燃料和氧化劑兩者都振蕩的情況下，不應(yīng)使燃料和氧化劑的脈沖相互之間同相，這樣氧化劑脈沖發(fā)生在燃料脈沖之間，或反之。
雖然本發(fā)明已結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例討論，本領(lǐng)域的技術(shù)熟練者可在不偏離本發(fā)明精髓和范圍內(nèi)，作各種改變，增加和省略。
權(quán)利要求
1.一種在氧化劑存在下燃燒燃料的方法，其特征在于，包括將在質(zhì)量流速下流動的燃料和氧化劑形成燃料和氧化劑的混合噴射流；和燃燒燃料和氧化劑形成一噴射火焰；燃料和氧化劑的噴射流是在湍流混合層中混合的，其中的燃料和氧化劑在渦流中緊密地互相接觸；以平均化學(xué)計(jì)量比混合燃料和氧化劑；燃料或氧化劑或兩者的質(zhì)量流速是間歇的，且有規(guī)則地脈動，所述的規(guī)則脈動具有足夠高的頻率，使在整個所述噴射火焰中，所含燃料和氧化劑之比是富含燃料的渦流和所含燃料與氧化劑之比是燃料貧乏的渦流基本上是均衡分布的。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料和氧化劑的質(zhì)量流速是間歇的，具有規(guī)則脈沖，且相互之間異相。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述脈沖的頻率約高于100Hz。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述脈沖頻率的范圍在103-104Hz之間。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，由流體振蕩器將規(guī)則脈沖引入燃料或氧化劑的質(zhì)量流速。
6.一種在氧化劑存在下燃燒燃料的裝置，其特征在于，包含一燃燒器，該燃燒器含用于形成燃料和氧化劑的混合噴射流，所述噴射流是在質(zhì)量流速下流動的燃料和氧化劑形成的，且可在燃燒時產(chǎn)生噴射火焰，燃料和氧化劑的噴射流在湍流混合層中混合，其中的燃料和氧化劑在渦流中緊密地相互接觸，和用于在所述質(zhì)量流速下，以平均化學(xué)計(jì)量比，將燃料和氧化劑補(bǔ)給入燃燒器的裝置;所述補(bǔ)給裝置包含一個流體振蕩器，用于間歇地并以規(guī)則脈動方式將燃料或氧化劑補(bǔ)給入燃燒器中，所述脈沖具有一足夠高的頻率，使所含燃料與氧化劑之比是富含燃料的渦流和所含燃料與氧化劑之比是燃料貧乏的渦流，在整個所述噴射火焰中基本上是均衡分布的。
7.一種在氧化劑存在下燃燒燃料的裝置，其特征在于，包含-燃燒器，該燃燒器含用于形成燃料和氧化劑的混合噴射流，所述噴射流是燃料和氧化劑在質(zhì)量流速下流動形成的，且可在燃燒時產(chǎn)生噴射火焰，燃料和氧化劑的噴射流在湍流混合層中混合，其中的燃料和氧化劑在渦流中緊密地相互接觸，和用于在所述質(zhì)量流速下，以平均化學(xué)計(jì)量比，將燃料和氧化劑補(bǔ)給入燃燒器的裝置;所述補(bǔ)給裝置包含二個流體振蕩器，用于間歇地并以規(guī)則脈動方式將燃料和氧化劑補(bǔ)給入燃燒器中，所述脈沖具有一足夠高的頻率，使所含燃料與氧化劑之比為富含燃料的渦流和所含燃料與氧化劑之比為燃料貧乏的渦流，在整個所述噴射火焰中基本上是均衡分布的。
全文摘要
一種在氧化劑存在下燃燒燃料的方法和裝置，其中由在混合層中流動的燃料和氧化劑形成燃料和氧化劑的混合噴射流。燃燒燃料和氧化劑產(chǎn)生一噴射火焰。在湍流狀態(tài)下燃料和氧化劑在渦流中緊密地互相接觸，形成燃料和氧化劑的混合噴射流，燃料和氧化劑以平均化學(xué)計(jì)量比混合，燃料或氧化劑或兩者的質(zhì)量流速是間歇的，成有規(guī)則的脈沖，該規(guī)則脈沖具有一足夠高的頻率，使所含燃料與氧化劑之比是富含燃料的渦流和所含燃料與氧化劑之比是燃料不足的渦流，在整個噴射火焰中基本上是均衡分布的。結(jié)果在整個噴射火焰中產(chǎn)生許多燃料高含和燃料貧乏區(qū)域，減少了熱NO
文檔編號F23C15/00GK1111743SQ9510047
公開日1995年11月15日 申請日期1995年3月3日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月14日
發(fā)明者L·T·亞普 申請人:波克股份有限公司