專利名稱：用于高溫高微粒爐的改進(jìn)的自冷卻氧氣－燃料燃燒器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及燃燒，特別涉及燃燒器和這種燃燒器用具有大于空氣中的氧氣濃度的氧化劑來燃燒燃料的方法。
在燃燒器技術(shù)中常采用氧氣濃度大于空氣中氧氣濃度的氧化劑，當(dāng)這類燃燒器用于玻璃生產(chǎn)時(shí)，它的一個(gè)目的是為了產(chǎn)生明亮的低溫火焰。通常地，這些火焰具有低的氣體速度和非常簡單(例如，套管式結(jié)構(gòu))混合方法。帶有圓柱形燃燒室的燃燒器裝置的使用是公知的，其中的主要步驟包括一個(gè)被富氧外殼所環(huán)繞的富含燃料的中心，位于圓柱形空腔之中。圓柱形燃燒器裝置(有時(shí)稱作預(yù)燃燒爐)，其長度“L”與圓柱形空腔直徑“D”的比值在2-6之間。在此L/D比值范圍內(nèi)，選擇燃料和氧氣的速度(低于600ft/s)，使燃燒范圍可達(dá)到20MMBtu/hr。在此，目標(biāo)是通過采用延遲混合，獲得一種長而散且高度明亮的氧氣-燃料火焰。由熱裂解(在富含燃料的中心)所形成的煙灰微粒和隨后的燃燒提供了火焰的發(fā)光度。而在上述L/D比值范圍之外的火焰具有非常高的“軸向”動量，所以就變得非常的不明亮。
盡管這類燃燒器可用于許多目的，但是這類燃燒器存在不利之處。這類燃燒器裝置最大的不利之處在于火焰的形狀，尤其是最大火焰直徑和/或火焰長度，總是受制于這種燃燒器裝置的L/D比值和燃料與氧化劑的速度。通常的火焰特征都是長而散且高度清晰的火焰而不含有任何明顯的對流加熱成分，較大的火焰表面積用于提高負(fù)載復(fù)蓋，或者可認(rèn)為是為了減少微粒在這種燃燒器裝置(循環(huán)區(qū))的熱表面附近的“吸氣效應(yīng)”的影響。由于燃燒的原因，這類燃燒器的軸向動量火焰將會產(chǎn)生一個(gè)低壓區(qū)。
上述的三維循環(huán)區(qū)的尺寸和強(qiáng)度取決于軸向火焰燃燒產(chǎn)物的動量?；鹧娴膭恿吭礁撸瑒t循環(huán)區(qū)的吸氣效應(yīng)將會越大，在燃燒器裝置的熱表面周圍的低壓區(qū)也將會越大。
在燃燒器裝置熱表面附近的低壓區(qū)可使得多種過程(process)微粒(如玻璃配料、揮發(fā)物、冷凝物等)沉積在燃燒器裝置的熱表面，或者有時(shí)甚至?xí)M(jìn)入燃燒器裝置的空腔之中(如果在氧化劑氣流與燃燒器裝置的內(nèi)表面之間存在空隙的話)。如果燃燒器裝置的空腔沒有設(shè)計(jì)成為完全被火焰氣體所充滿的，這將是很常見的。如果燃燒器的燃燒速率(燃料和氧化劑的流量)要在很寬的范圍內(nèi)變動，那么要沒計(jì)一種緊密的沒有絲毫空隙的燃燒器裝置將會變是非常困難。火焰周圍的燃燒器裝置中微小的縫隙，由于低壓區(qū)的存在和隨后的循環(huán)區(qū)的抽吸作用，會把燃燒產(chǎn)物吸入到燃燒器裝置的內(nèi)腔中。阻塞的燃燒器裝置結(jié)果會導(dǎo)致維修頻率(在清掃燃燒器和/或裝置或低壓燃燒器/裝置壽命方面)的提高或由于高溫火焰的直接或間接的沖擊/偏轉(zhuǎn)而引起的不幸的失敗。
套管式燃燒器裝置設(shè)計(jì)的另一不足之處是它難以產(chǎn)生這樣一種火焰，這種火焰是以徑向基本上與燃料和氧化劑氣流相正交的方向展開的，在此稱之為“平坦”火焰。圓柱形幾何結(jié)構(gòu)的套管式燃燒器沒有可供火焰在徑向方向擴(kuò)大而展開的空間。這種徑向平坦的火焰形狀，在采用穩(wěn)定的熱流量對燃燒室內(nèi)部進(jìn)行加熱的空氣-燃料燃燒器中是很常見的。一個(gè)簡單的實(shí)施方案是鋼鐵再熱爐，其中的空氣-燃料燃燒器是裝配在再熱爐的頂上(頂部)的，它們散發(fā)熱量到其下的鋼鐵負(fù)載物(鋼坯，鋼材)上。徑向展開的平坦火焰(通常是渦狀的)的優(yōu)點(diǎn)是，它可以提供一個(gè)很小的軸向加熱分量，而大部分熱量是歸因于熱壁的輻射。研究發(fā)現(xiàn)，這種平坦火焰通過coanda效應(yīng)緊靠著爐壁表面，并形成一種能給出均勻輻射的熱源。這種類型的空氣-燃料燃燒器其工業(yè)商品名是“Wall Hugger”。這種緊靠爐壁的火焰是由高速下的空氣渦流而形成的。盡管如此，還沒有得到證實(shí)，同樣的方法可用于氧氣-燃料燃燒器。
渦狀氧化劑/燃料燃燒器是公知的，其中的氧化劑具有的氧氣濃度大于空氣中氧氣的濃度。典型地，這種燃燒器裝置具有一個(gè)圓柱形內(nèi)腔，燃燒器凹進(jìn)在圓柱形內(nèi)腔之中?？稍诃h(huán)形空間里獲得高速的燃料噴射和渦流形的低速氧氣噴射。在一個(gè)直徑恒定的圓柱形裝置內(nèi)腔內(nèi)部，形成一種漩渦穩(wěn)定的火焰。在這種設(shè)計(jì)中，由于渦狀氧氣的運(yùn)動，沒有為分散的氧氣氣流提供空間。最終的火焰是一種基于出口直徑D的“狹窄”圓柱形火焰。這種與狹窄出口幾何結(jié)構(gòu)相連接的管式燃燒室，不能為火焰提供足夠的空間，使其在徑向方向或在平坦火焰的盡頭位置得到展開。這種直徑恒定的幾何結(jié)構(gòu)(管式)，由于壁的磨擦作用，會對氧化劑渦流的維持有不利的影響。如果一種渦狀氣流在徑向方向不能得到展開，那么由于壁的磨擦作用，渦流的強(qiáng)度就會很快地變小。另一方面，由于燃燒室內(nèi)的緊密接近，渦狀氧化劑也會很快地與燃料發(fā)生作用。這種方法可產(chǎn)生一種短而強(qiáng)烈的火焰。由于渦狀氧化劑在相對狹窄直徑的燃燒器裝置中的快速燃燒，對于燃燒器裝置的冷卻也是不利的。
而且，整個(gè)爐體(通常為金屬管)插入在燃燒器裝置之中的，直到燃燒器的頂端(燃料噴嘴頂端)距燃燒器裝置的熱表面的距離為“L”。渦狀氧化劑在噴嘴出口的上游引入，氧化劑大都流過金屬燃燒器主體，而沒有冷卻明顯的燃燒器裝置長度，可以認(rèn)為，采用渦狀氧化劑進(jìn)行引入，比改變徑向尺寸的火焰特性，具有與燃料更好的混合條件。由于固定的燃燒器裝置的幾何結(jié)構(gòu)(圓柱形)，火焰特性如在徑向方向上火焰形狀改變，采用氧化劑氣流冷卻爐頂和裝置內(nèi)部，和采用吹掃氧化劑氣流清掃燃燒器裝置內(nèi)部，都被急劇地削減。
因此，在燃燒領(lǐng)域中，需要一種燃燒器能夠解決已知燃燒器中存在的上述問題中的部分或全部。
根據(jù)本發(fā)明，提供了燃燒器設(shè)備及其使用方法，可以解決現(xiàn)有設(shè)計(jì)中提及的很多問題。
本發(fā)明的第一個(gè)方面是一種燃燒器設(shè)備，它包括a)一種燃燒器裝置，它具有一個(gè)燃料導(dǎo)管，該燃料導(dǎo)管具有一個(gè)入口和一個(gè)出口，該燃料導(dǎo)管的出口與一個(gè)基本上呈圓錐形的氧化劑展開室相通；b)該燃燒器裝置還具有一個(gè)基本上呈環(huán)形的氧化劑通道，所述的燃料導(dǎo)管設(shè)置在這個(gè)基本上呈環(huán)形的氧化劑通道中；c)該基本上呈環(huán)形的氧化劑通道在緊鄰著燃料入口處具有一個(gè)入口端，在緊鄰著燃料導(dǎo)管出口處具有一個(gè)出口，在其中還設(shè)置有至少一個(gè)渦旋式噴嘴用來形成渦狀氧化劑氣流；d)該基本上呈環(huán)形的氧化劑通道在其出口端與燃燒器裝置中的基本上呈圓錐形的氧化劑展開室是流體暢通的，所述基本上呈圓錐形的氧化劑展開室具有一個(gè)入口直徑Ds和一個(gè)出口直徑Dc，使得Dc至少為Ds的110％；e)一個(gè)基本上呈圓柱形的燃燒室，其直徑為Dc，并且具有一個(gè)入口和一個(gè)出口，所述的基本呈圓錐形的氧化劑展開室的出口設(shè)置成與該基本上呈圓柱形的燃燒室入口是流體暢通的，該基本上呈圓柱形燃燒室的出口與爐膛相通；和f)所述的燃料導(dǎo)管出口從該基本上呈圓柱形燃燒室出口凹進(jìn)一段距離Lr，其中的Lr＝Lc+Le，Lc＝所述基本上呈圓柱形燃燒室的軸向長度，Le＝所述基本上呈圓錐形氧化劑展開室的軸向長度。
優(yōu)選的本發(fā)明這個(gè)方面的燃燒器設(shè)備是這樣的，其中的基本上呈圓錐形的氧化劑展開室的展開角度范圍約為5°～60°，更優(yōu)選的范圍約為10°～30°，特別優(yōu)選的范圍約為15°～25°。本發(fā)明的第一個(gè)方面的進(jìn)一步優(yōu)選的燃燒器設(shè)備是這樣的一些燃燒器設(shè)備，在其中的至少一個(gè)渦旋式噴嘴有多個(gè)葉片，每個(gè)葉片的角度變化范圍約為5°～30°，更優(yōu)選的變化范圍約為30°～60°。根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，這些燃燒器設(shè)備也是優(yōu)選的，其中的Le約為Lr的10％～50％。
本發(fā)明的第二個(gè)方面是一種燃燒器設(shè)備，它包括a)一種燃燒器裝置，它具有一個(gè)燃料導(dǎo)管，該燃料導(dǎo)管具有一個(gè)入口和一個(gè)出口，該燃料導(dǎo)管的出口與一個(gè)基本上呈圓錐形的氧化劑展開室相通；b)該燃燒器裝置還具有一個(gè)基本上呈環(huán)形的氧化劑通道，所述的燃料導(dǎo)管設(shè)置在這個(gè)基本上呈環(huán)形的氧化劑通道中；c)該基本上呈環(huán)形的氧化劑通道在緊鄰著燃料入口處具有一個(gè)入口端，在緊鄰著燃料導(dǎo)管出口處具有一個(gè)出口，在其中還設(shè)置有至少一個(gè)渦旋式噴嘴用來形成渦狀氧化劑氣流；d)該基本上呈環(huán)形的氧化劑通道在其出口端與燃燒器裝置中的基本上呈圓錐形的氧化劑展開室是流體暢通的，所述基本上呈圓錐形的氧化劑展開室具有一個(gè)入口直徑Ds和一個(gè)出口直徑Dc，使得Dc至少為Ds的110％；e)所述的基本上呈圓錐形的氧化劑展開室出口設(shè)置為與一個(gè)托洛伊德爾(torroidal)燃燒室是流體暢通的，該托洛伊德爾燃燒室具有一個(gè)入口和一個(gè)出口，所述的托洛伊德爾燃燒室的出口與爐膛相通，該托洛伊德爾燃燒室的曲率半徑為R；f)所述的燃料導(dǎo)管出口從該托洛伊德爾燃燒室出口凹進(jìn)一段距離Lr，其中的Lr＝Lt+Le，Lt＝所述托洛伊德爾燃燒室的軸向長度，Le＝所述基本上呈圓錐形氧化劑展開室的軸向長度。
根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，這些燃燒器設(shè)備也是優(yōu)選的，其中的Le約為Lr的10％～50％。
根據(jù)這兩個(gè)方面的燃燒器設(shè)備，其中的燃料導(dǎo)管包括一個(gè)具有入口端和一個(gè)出口端的燃料噴嘴，該噴嘴是設(shè)置在位于渦旋式噴嘴與燃料導(dǎo)管出口之間的燃料導(dǎo)管之中的，該噴嘴入口端的外徑大于其出口端的外徑。
本發(fā)明的第三個(gè)方面是一種燃料的燃燒方法，包括a)把一種燃料和一種氧化劑輸入到燃燒器裝置中，該燃燒器裝置為本發(fā)明的第一方面的燃燒器裝置；b)當(dāng)它流經(jīng)渦旋式噴嘴時(shí)形成渦狀氧化劑；c)使該渦狀氧化劑和燃料流入到所述的基本上呈圓錐形的氧化劑展開室中，所述的燃料主要是在接近所述的基本上呈圓錐形的氧化展開室的軸中心流動的，而渦狀氧化劑流過基本上呈圓錐形的氧化劑展開室壁；d)使該渦狀氧化劑和燃料流入到基本上呈圓柱形的燃燒室；e)在基本上呈圓柱形的燃燒室內(nèi)燃燒該燃料和氧化劑，同時(shí)該氧化劑流過所述的基本上呈圓柱形的燃燒室壁；和f)使燃燒產(chǎn)物自所述的基本上呈圓柱形的燃燒室流進(jìn)爐中。
根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方面，這些方法是優(yōu)選的，其中的渦狀氧化劑當(dāng)它流經(jīng)所述的基本上呈圓柱形的氧化劑展開室時(shí)，是以由展開角度所決定的展開速度進(jìn)行展開，其中的展開角度變化范圍約為5°-60°，更優(yōu)選其中的展開角度變化范圍約為10°-30°，特別優(yōu)選的其中的展開角度變化范圍約為15°-25°。根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方面，這些方法也是優(yōu)選的，其中的燃料速度是小于或等于150英尺/秒(ft/sec)，氧化劑的速度是小于或等于300ft/sec。
本發(fā)明的第四個(gè)方面是一種燃料的燃燒方法，包括a)把一種燃料和一種氧化劑輸入到燃燒器裝置中，該燃燒器裝置為本發(fā)明的第二方面的燃燒器裝置；b)當(dāng)它流經(jīng)渦旋式噴嘴時(shí)形成渦狀氧化劑；c)使該渦狀氧化劑和燃料流入到所述的基本上呈圓錐形的氧化劑展開室中，所述的燃料主要是在接近所述的基本上呈圓錐形的氧化展開室的軸中心流動的，而渦狀氧化劑流過基本上呈圓錐形的氧化劑展開室壁；d)使該渦狀氧化劑和燃料流入到基本上托洛伊德爾燃燒室；e)在基本上托洛伊德爾燃燒室內(nèi)燃燒該燃料和氧化劑，同時(shí)該氧化劑流過所述的基本上托洛伊德爾燃燒室壁；和f)使燃燒產(chǎn)物自所述的基本上托洛伊德爾燃燒室流進(jìn)爐中。
根據(jù)本發(fā)明的第四個(gè)方面，這些方法是優(yōu)選的，其中的渦狀氧化劑當(dāng)它流經(jīng)所述的基本上呈圓柱形的氧化劑展開室時(shí)，是以由展開角度所決定的展開速度進(jìn)行展開，其中的展開角度變化范圍約為5°～60°，在這些方法中的燃料速度是小于或等于50ft/sec，氧化劑的速度是小于或等于300ft/sec。
這里所用的“基本上圓錐形氧化劑展開室”是指一種具有一個(gè)入口和一個(gè)出口的室，所述的出口直徑大于所述的入口，該室的橫截面基本呈圓形，雖然一些橢圓形和狹槽形結(jié)構(gòu)是包括在本發(fā)明之中的。
這里所用的“基本上呈環(huán)形的氧化劑通道”是指具有一個(gè)入口和一個(gè)出口的一段區(qū)域，其軸向方向的長度尺寸大于由燃燒器裝置中的內(nèi)腔所限定的外徑，其內(nèi)徑由燃料導(dǎo)管的外表面所限定。當(dāng)所述的基本上呈環(huán)形的氧化劑通道從與軸向氣流方向相垂直的平面的橫截面觀察時(shí)，優(yōu)選為環(huán)形的，但是這種形狀也可以是非環(huán)形，通常是由所述的基本呈圓錐形的氧化展開室的入口形狀所決定的。
“渦旋式噴嘴”是表示一種元件，如果將它設(shè)置在基本上呈環(huán)形氧化劑通道中的氧化劑氣流的通道中，它會使氧化劑具有一個(gè)主要為徑向流動的分量，同時(shí)可允許大多數(shù)的軸向氧化劑氣流通過。相應(yīng)地，“渦狀氧化劑氣流”的定義為一種具有徑向流動分量和軸向流動分量的氧化劑氣流。
“基本上呈圓柱形燃燒室”是指這樣的室，它可允許流體從中流過，而在軸向方向上基本沒有展開。它可以這樣理解，即在該室中可具有某種程度的不完整性，例如由于加工程序，它可允許氣體的部分就地展開。它還可進(jìn)一步理解為，具有圓形、橢圓形或狹槽形橫截面的燃燒室可稱作為“基本上呈圓柱形”。
這里所用的“基本上托洛伊德爾燃燒室”指的是一個(gè)具有一個(gè)入口和一個(gè)出口的室，該出口具有大于入口的直徑，該室的橫截面通常為圓形的，該室壁具有一個(gè)曲率半徑，如本發(fā)明的圖4所示。
這里所用的“氧化劑”表示一種氣流，優(yōu)選是在當(dāng)?shù)貤l件下氧氣濃度大于空氣中的氧氣濃度的氣流，空氣也可用作氧化劑。在一些特定優(yōu)選的實(shí)施方案中，“氧化劑”是指一種氧氣濃度大于50％的氣體，在某些實(shí)施方案中優(yōu)選是氧氣濃度大于90％的氣體。
本發(fā)明的方法和設(shè)備提供了一種改善的自冷卻的氧氣-燃料燃燒器，根據(jù)熱載荷的要求，可用來形成傳統(tǒng)的(圓柱形)火焰和平坦火焰。這種燃燒器裝置的新穎之處包括一個(gè)三室燃燒器裝置，它具有渦流室、展開室和燃燒室。重要的尺寸比例為·Ls/Ds的變化范圍約為0.5～5，
·Le/Ds的變化范圍約為0.25～3，其中的“s”表示渦流室，·展開角(δ)的變化范圍約為5°-60°，·Lc/Dc的變化范圍，對于第二燃燒器實(shí)施方案約為0～2，對于第一燃燒器實(shí)施方案約為1-3，·Rc/Dc1的變化范圍，在本發(fā)明的第二燃燒器實(shí)施方案中約為0.25～2，其中的“c”表示所述的基本上呈圓柱形燃燒室的直徑，“c1”表示所述的基本上呈圓錐形氧化劑展開室最寬處的直徑，·渦流角(β)的變化范圍，對于第一燃燒器實(shí)施方案約為5°～30°，對于第二燃燒器實(shí)施方案約為30°～60°。
對本發(fā)明的第一和第三方面的燃燒器和方法來說，燃料速度優(yōu)選是小于150ft/sec，而對于由本發(fā)明的第二和第四方面的燃燒器和方法所形成的平坦火焰來說，燃料速度小于50ft/sec。氧化劑速度小于300ft/sec，它取決于軸-切線的渦流結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的各個(gè)方面中，燃料和氧化劑氣流的特定的氣流幾何結(jié)構(gòu)，可在冷卻器操作中有效地冷卻和吹掃燃燒器裝置的內(nèi)部，并避免微粒的吸入。
本發(fā)明的燃燒器采用一種新穎的頂端設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)的新穎之處體現(xiàn)在兩個(gè)方面，第一個(gè)方面是空氣動力學(xué)形狀，能為渦狀氧化劑氣流和低速的燃料氣流創(chuàng)造流線型的混合條件，提高燃燒器的性能，并能消除熱點(diǎn)和噴嘴頂端附近的低壓區(qū)。這種形狀的重要部分是外錐度為5～7°的噴嘴幾何結(jié)構(gòu)和內(nèi)部直的燃料通道。第二個(gè)方面，是一種具有熱力學(xué)效率的結(jié)構(gòu)，它是采用傳導(dǎo)葉片通過一種較厚的燃料噴嘴和傳導(dǎo)-對流熱分散方式而獲得的。
本發(fā)明的自冷卻燃燒器設(shè)備優(yōu)選是采用氧氣濃度大于空氣中氧氣濃度的氧化劑。本發(fā)明的燃燒器和噴嘴可在高溫(2200°F～3000°F)和高微粒(或高過程process揮發(fā)物/冷凝物)燃燒器中點(diǎn)火，而不會引起過熱或?qū)ζ浣饘偃紵鲊娮旌碗y熔燃燒器裝置內(nèi)部引起化學(xué)腐蝕性損壞。采用噴嘴和裝置形狀的不同實(shí)施方案，這種燃燒器可根據(jù)熱載荷的要求，提供一種傳統(tǒng)的圓柱形火焰或平坦火焰。這種燃燒器的新穎之處包括獨(dú)特的用于燃料與氧化劑氣流的流線型混合的燃料噴嘴設(shè)計(jì)，一種為了想要的火焰特性、輸入到氧化劑氣流中的可控的渦流，一種在徑向和軸向方向上火焰層可控的展開，和采用氧化劑以提供對流冷卻和任何過程微粒的累積對燃燒器裝置內(nèi)部表面的有效吹掃。此外，帶有傳導(dǎo)葉片且壁相對厚的金屬噴嘴結(jié)構(gòu)可使得熱量從噴嘴得到有效的分散，從而可節(jié)省燃燒器操作的維修費(fèi)用。


圖1為第一燃燒器裝置側(cè)視截面圖；圖2為表示第一燃燒器裝置的不同尺寸的示意圖；圖3為第一燃燒器裝置側(cè)視截面圖，特別是第一燃燒器裝置的示意圖，簡要說明渦狀氧化劑；圖4為第二燃燒器裝置的側(cè)視截面圖，簡要說明其尺寸；圖5為根據(jù)本發(fā)明的燃料噴嘴的示意圖；圖6為圖5噴嘴的第二示意圖，簡要說明在這種設(shè)計(jì)中固有的熱轉(zhuǎn)移效應(yīng)；圖7a和7b為第一燃燒器裝置的火焰造型程序數(shù)據(jù)，分別對應(yīng)于有渦狀氧化劑和沒有渦狀氧化劑；以及圖8a和8b為第二燃燒器裝置的火焰造型程序數(shù)據(jù)，分別對應(yīng)于有渦狀氧化劑和沒有渦狀氧化劑。
在本發(fā)明燃燒器設(shè)計(jì)的每個(gè)實(shí)施方案中，都有三個(gè)重要的特征，它們可用來改善高微粒高溫熔爐的操作。這三個(gè)重要的特征包括1.一種三室燃燒器裝置設(shè)計(jì)，用來形成形狀可變的氧化-燃料火焰和相應(yīng)的火焰特征，以提高火焰至載荷的熱傳遞2.一種特定的氣流幾何結(jié)構(gòu)，用來使燃料和氧化劑氣流機(jī)械地吹掃燃燒器裝置的內(nèi)部，并避免微粒/揮發(fā)物在燃燒器裝置內(nèi)部和燃燒器噴嘴內(nèi)的累積3.一種新穎的噴嘴設(shè)計(jì)和噴嘴結(jié)構(gòu)，用來提高熱分散。
參見附圖，圖1所示為本發(fā)明第一燃燒器實(shí)施方案2的側(cè)視截面圖。在此實(shí)施方案中，這種燃燒器設(shè)備包括一個(gè)燃燒器裝置4，優(yōu)選是實(shí)際上難熔的，它具有一個(gè)末端或熱面6，一個(gè)火焰和熱的燃燒氣體的出口8，和一個(gè)冷卻端10。一個(gè)燃料導(dǎo)管12和一個(gè)氧化劑導(dǎo)管14與燃燒器裝置4的冷卻端10是流體相連通的。燃料導(dǎo)管12，優(yōu)選為金屬管，其上連接有一個(gè)噴嘴16終止于噴嘴頂端18。氧化劑導(dǎo)管14流入一個(gè)氧化劑增壓室20，它與冷卻端10是流體相連通的，這樣可允許氧化劑流入到基本上呈環(huán)形的氧化劑通道22中。氧氣劑流經(jīng)氧化劑導(dǎo)管14，增壓室20，再流經(jīng)基本上呈環(huán)形的氧化劑通道22，它環(huán)繞在所述的燃料導(dǎo)管12的周圍，并沿著其方向一直流到一個(gè)或多個(gè)氧化劑渦旋式噴嘴24。這樣，當(dāng)氧化劑在軸向流過渦流室26時(shí)，就可獲得一個(gè)徑向切線方向的流動分量，從而可使之在軸向流過基本呈圓錐形氧化劑展開室28時(shí)能夠展開，同時(shí)保持渦狀。氧化劑的流動完成后，它開始與燃料進(jìn)行混合，所述的氧化劑以渦狀運(yùn)動方式向前流動，軸向地流過基本上呈圓柱形的燃燒內(nèi)腔30，然后從出口8流出。在這個(gè)實(shí)施方案中，展開的角度要能夠滿足足以完成在軸向切線方向上的渦旋，以獲得傳統(tǒng)的火焰。氧化劑渦旋式噴嘴24也會影響切線流動的角度。為了獲得平坦的火焰，可采用一種最大切線方向的渦旋式噴嘴設(shè)計(jì)。
這種火焰可通過采用一種相對低速的燃料氣流(優(yōu)選范圍約為5ft/sec至150ft/sec)和一種具有不同的軸向切線方向速度(范圍約為50-300ft/sec)的渦狀氧化氣流來形成。形成傳統(tǒng)火焰形狀的燃料速度保持在100ft/sec或更高，而形成一種平坦火焰則要求較低的燃料速度，優(yōu)選范圍約為5-50ft/sec。氧化劑氣流先是在渦流室26中逐步達(dá)到足夠的渦流強(qiáng)度和方向(切線-軸向或切線方向)，然后采用具有預(yù)定發(fā)散幾何結(jié)構(gòu)的基本上呈圓錐的氧化劑展開室28，使之在徑向方向上進(jìn)行展開。第三，使渦狀的氧化劑可選擇地或部分地與燃料氣流，在所述的特定尺寸的基本呈圓柱形的燃燒室內(nèi)腔30混合，用來進(jìn)行燃燒并形成傳統(tǒng)形狀的渦狀火焰，或采用特定彎曲的幾何結(jié)構(gòu)用來形成平坦火焰，如此所述。上述用于全部火焰形成的所述燃燒器裝置部件，在下文中有詳細(xì)的描述。
本發(fā)明第一方面的三室燃燒器裝置，可參見圖2對不同尺寸的描述。燃燒器裝置的每一個(gè)部件，根據(jù)全部火焰的形成情況，在形成最優(yōu)的火焰特性中都具有特定的目的。渦流室26具有一個(gè)渦流區(qū)32。渦流室26優(yōu)選具有多個(gè)(預(yù)定數(shù)目)導(dǎo)流葉片，它們以某個(gè)預(yù)定的角度設(shè)置在燃料噴嘴16的外表面上(或者，可有一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)流葉片可嵌入到位于燃料噴嘴16與難熔燃燒器裝置4之間的基本呈環(huán)形的氧化劑通道22之中)。導(dǎo)流葉片24的數(shù)目優(yōu)選變化范圍在4與16之間，它取決于渦流室的整體直徑。導(dǎo)流葉片24優(yōu)選是焊接在燃料噴嘴16的外表面之上的金屬薄片。為形成傳統(tǒng)(圓柱形)的火焰，導(dǎo)流葉片角β(相對于火焰的軸向軸)范圍為5°-30°。在那些設(shè)計(jì)用來形成富含燃料火焰的非常小型的燃燒器或系統(tǒng)中，這些導(dǎo)流葉片可加工在壁相對較厚的燃料噴嘴之中。環(huán)繞燃料噴嘴和導(dǎo)流葉片下游的環(huán)形部件，稱作渦流室。它具有特定的尺寸，用來形成渦狀氧化劑所需要的強(qiáng)度(渦旋數(shù)目)或所需要的軸切向分量。第一個(gè)重要的無量綱比為Ls/Ds，其優(yōu)選范圍為約0.5-5。長度Ls提供一定的距離，在此，由氧化劑渦旋式噴嘴所產(chǎn)生的渦流，可在直徑恒定的區(qū)域內(nèi)得到充分的展開。這個(gè)區(qū)域的Ls/Ds比值優(yōu)選不超過5；因?yàn)?，?dāng)數(shù)值大于5時(shí)，已經(jīng)充分展開的氧化劑渦流將會開始變?nèi)?，其在切?軸向方向上的強(qiáng)度也開始變松散。這是由于渦流室內(nèi)壁的磨擦作用而引起的。
第二個(gè)特征如圖2所示，為基本呈圓錐形的氧化劑展開室28，它限定了一個(gè)展開氧化劑氣流區(qū)域34。它是一個(gè)發(fā)散區(qū)域，在此渦狀氧化劑氣流可在徑向方向進(jìn)行展開。其目的是為了在徑向方向上展開所述的氧化劑氣流，并維持其與燃料氣流的可控混合條件，如圖3所示。如果不對其進(jìn)行展開，則渦狀氧化劑氣流(根據(jù)其渦流強(qiáng)度)將會與燃料氣流進(jìn)行密切的混合，會產(chǎn)生一種動蕩不穩(wěn)的燃料和氧化劑混合物。由于它具有相對高的反應(yīng)速率，這種混合物的燃燒是瞬間的，而且會產(chǎn)生一種具有非常高的溫度的火焰，該火焰可能熔化大多數(shù)難熔的燃燒器裝置。為了降低氧化劑氣流的混合能力，展開角δ優(yōu)選的范圍約為5°-60°。展開室的軸向長度Le，是以Le/Ds的比值范圍約為0.25-3而設(shè)定的。較大的長度Le會引起渦狀氧化劑氣流(和火焰38)在其與燃料氣流混合之前，就會在徑向方向上(取決于展開角δ)有較大的展開。它(具有大的展開角)是特別用來形成平坦火焰的。較小的長度Le會使氧化劑氣流立即與燃料氣流進(jìn)行混合，它可用來形成一種更為傳統(tǒng)形的火焰。
基本呈圓柱形的燃燒腔30形成一個(gè)燃燒區(qū)36(圖2)。這是用來控制用于整個(gè)火焰形成的燃料和氧化劑混合的最后區(qū)域，這種基本呈圓柱形燃燒腔30的設(shè)計(jì)，是為了對在基本呈圓錐形的氧化劑展開室28中已經(jīng)發(fā)生的燃料與渦狀氧化劑的混合作進(jìn)一步的補(bǔ)充。在基本呈圓錐形的氧化劑展開室28中，所述的渦狀氧化劑氣流，在徑向方向上可一定程度地得到展開。所述的基本呈圓柱形燃燒腔30，可用來抑制其在徑向方向上的展開作用，并在區(qū)36中根據(jù)混合條件形成火焰38。燃燒室無量綱比Lc/Dc(見圖2)的選擇，取決于所需要的火焰形狀。表I根據(jù)火焰動量和大致的Lc/Dc比列出了一些基本的火焰類型。這些數(shù)據(jù)是基于多種不同的點(diǎn)火速率的累積實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算研究而得到的。
表I.火焰類型
本發(fā)明的第二個(gè)方面是，用于平坦火焰形成的燃燒室設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的(圓柱形)火焰有某些不同之處。平坦火焰的形成，是由于“coanda”效應(yīng)和在燃燒室出口采用了彎曲的幾何結(jié)構(gòu)，如圖4中的燃燒器設(shè)備50所示。在這里，基本呈圓錐形的氧化劑展開室28延伸到燃燒室，采用半徑Rc與展開室的發(fā)散部件相切。比值Rc/Dc1的變化范圍約為0.25-2。較小比值的Rc是用于較小尺寸的燃燒器，而較大比值是用于較大尺寸的燃燒器。
如圖4所示，在燃燒器設(shè)備中的徑向方向的逐步分散是必要的，它有利于維持火焰在更為展開的徑向方向上的渦旋和保證火焰以平坦形狀結(jié)構(gòu)的形成。用于形成平坦火焰的渦旋式噴嘴角(相對于火焰軸的導(dǎo)流葉片角β)，也要求相對較大，優(yōu)選變化范圍約30°-60°。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，由于coanda效應(yīng)，平坦火焰緊靠基本呈圓錐的氧化劑展開室壁和隨后的爐壁。燃燒器裝置熱面附近的相對較大尺寸的渦旋火焰，可向載荷提供徑向的熱。
燃燒室設(shè)計(jì)特別是多種不同的尺寸、無量比和角度的選擇，這樣可使得在基本呈圓錐形氧化劑展開室內(nèi)壁和燃燒器下游部分的附近，經(jīng)常存在一個(gè)相對冷卻的氧化劑膜。本發(fā)明的這種燃燒器設(shè)備和方法的最初目的是為了維持渦旋的氧化劑膜，使之在整個(gè)火焰通道中都緊靠在壁的內(nèi)表面?？梢妶D3所示的本發(fā)明的第一燃燒器設(shè)備。
提供了一種用于燃料和渦狀氧化劑氣流的特定的流動幾何結(jié)構(gòu)，可以很好地控制燃料與氧化劑的混合，從而提供了一種火焰形狀可變的燃燒器操作方式。只需要對燃燒器噴嘴和燃燒器裝置內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)作簡單的改變，就可獲得傳統(tǒng)圓柱形火焰或平坦火焰。在許多情形下，所要求的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的難熔插入物，可以嵌入到現(xiàn)有的燃燒器裝置，以改變?nèi)紵餮b置的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)。這可避免在加熱過程中長的中斷期。所有的目的都是采用均勻的熱流對載荷進(jìn)行加熱而實(shí)現(xiàn)的，而不會存在過高的火焰溫度或燃燒器部件的過熱。在含有高濃度的過程微粒物質(zhì)或揮發(fā)物種的爐子中，這種主動吹掃燃燒器裝置內(nèi)部的思想是非常重要的，否則就會在燃燒器裝置內(nèi)發(fā)生物料的累積。在某些流動條件下，特別是在高的點(diǎn)火速率時(shí)，低壓區(qū)或循環(huán)區(qū)可能會得到發(fā)展，來自爐氣氛的微?？赡軙M(jìn)入到燃燒室中并沉積為微粒物質(zhì)。如果不進(jìn)行這種主動吹掃，則就會發(fā)生微粒的聚積，它將會對整個(gè)的火焰流體動力學(xué)產(chǎn)生不利的影響。對于將要偏轉(zhuǎn)的火焰來說，加強(qiáng)裝置的內(nèi)部難熔表面，從而導(dǎo)致不幸的裝置失敗，并不是罕見的。圖3的示意圖是用來說明這種主動燃燒器裝置冷卻和微粒吹掃的方法。
在某些條件下，若是沒有燃燒器裝置的主動吹掃，揮發(fā)物種也可能會在燃燒器噴嘴頂端發(fā)生冷凝。冷凝的鹽類會與金屬噴嘴頂端進(jìn)行相互作用。在化學(xué)作用下，加速的腐蝕將會導(dǎo)致過早的失敗。所冷凝的鹽類也可能會一層層地累積在噴嘴頂端，從而會使流速受到限制或使火焰發(fā)生偏轉(zhuǎn)。而且，會發(fā)生裝置的不幸的失敗。
在傳統(tǒng)(套管式)燃燒器設(shè)計(jì)中，天然氣噴嘴通常都是更為接近熱區(qū)，以避免燃燒器裝置中的明顯火焰形成。即使在低微粒的應(yīng)用中，這種設(shè)計(jì)也會引起噴嘴的加速腐蝕。即使是在外國產(chǎn)的材料如Inconel600和PM2000合金上，這種腐蝕也會發(fā)生。已經(jīng)確定有二種不同的腐蝕機(jī)理。在暴露無遺于天然氣中的噴嘴內(nèi)部，會發(fā)生嚴(yán)重的金屬粉化，尤其是對于Inconel600合金。在噴嘴的外部，會發(fā)生凹痕和鉻損耗。為了解決這些問題，一種新穎的噴嘴業(yè)已設(shè)計(jì)出來，它具有二個(gè)顯著的設(shè)計(jì)特征。
a)空氣動力學(xué)形狀燃料噴嘴的內(nèi)部和外部幾何結(jié)構(gòu)是經(jīng)過優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)燃料和氧化劑氣流的空氣動力混合。這在圖5的示意圖中有說明。如圖5所示，渦狀氧化劑氣流(軸切線方向)可允許以漸進(jìn)的空氣動力方式與燃料氣流進(jìn)行混合，二種流體氣流不會有明顯的交叉點(diǎn)。燃料噴嘴的外部角θ，其數(shù)值范圍僅約在5°-7°之間。這種設(shè)計(jì)可避免渦狀氧化劑氣流的氣流分離。湍流的邊界層理論指出，在氣體流動角大于7°時(shí)，有可能會發(fā)生氣流分離。分離的氧化劑氣流會在燃料噴嘴16的停滯(stagnation)區(qū)(18a和18b)形成循環(huán)區(qū)和低壓區(qū)。在循環(huán)區(qū)中的湍流漩渦會引起燃料與氧化劑氣流之間的加速混合，從而引起熱點(diǎn)的形成。在某些情形下，由于臨界區(qū)18a和18b，這些熱點(diǎn)會形成煙灰或使過程微粒(即，來自經(jīng)加熱的載荷)沉積在燃料噴嘴的頂端。
b)有效的熱力學(xué)結(jié)構(gòu)燃料噴嘴結(jié)構(gòu)16是這樣，它利用“傳導(dǎo)”和“對流”二種熱傳遞機(jī)理，有利于熱量的分散。高的熱傳導(dǎo)設(shè)計(jì)是通過采用相對厚的噴嘴結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)的。在一般的操作中，由本發(fā)明的燃燒器和方法所產(chǎn)生的火焰，是固定在噴嘴頂端的。因此，這種噴嘴頂端應(yīng)該能夠?qū)崃坑芍行捻敹藚^(qū)傳導(dǎo)出去，并將熱量傳遞到燃料噴嘴較遠(yuǎn)的上游(向著燃料來源方向)。如圖6所示，在圖6中，燃料氣流“F”和氧化劑氣流“O”是從上游至下游、由左至右流動的。較厚的噴嘴16可允許這種“軸向傳導(dǎo)”方式得以進(jìn)行，如箭頭56所示。所傳遞的熱量接著被流動的燃料和氧化劑氣流(在噴嘴的兩側(cè))收集，是采用加強(qiáng)的對流熱傳遞實(shí)現(xiàn)的，如圖中54所示。簡單地說，就是相對較厚的頂端，采用軸向傳導(dǎo)56和隨后的有效率的加強(qiáng)對流54，使得熱量能有效地得到傳遞。所述的加強(qiáng)對流方式，是歸因于流動的燃料氣流和流動的(渦狀)氧化劑氣流。此外，用于渦狀氧化劑的導(dǎo)流葉片24也可充當(dāng)“熱傳導(dǎo)葉片”，通過傳導(dǎo)而將熱量(58)高效地傳遞給環(huán)形的渦狀氧化劑氣流。根據(jù)葉片的數(shù)目(優(yōu)選約為4-16個(gè))，這種熱傳導(dǎo)和隨后的加強(qiáng)對流熱傳遞的效率可得到明顯的提高。業(yè)已表明，在相同的燃燒速率和采用與其它燃燒器設(shè)計(jì)參數(shù)的類似幾何結(jié)構(gòu)下，使用上述的頂端結(jié)構(gòu)，在多種不同的實(shí)驗(yàn)中噴嘴的溫度可從1000°F降低到300°F。
本發(fā)明的新穎的噴嘴優(yōu)選是以標(biāo)準(zhǔn)縲紋連接在燃料導(dǎo)管上的，以便于噴嘴的更換，或基于不同的燃燒速率考慮的變換噴嘴。
第一實(shí)施方案所述燃燒器的數(shù)字模擬已經(jīng)完成。是采用FLUENT/UNS計(jì)算流體動力學(xué)計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行的。所采用的范圍是與渦流呈2D軸對稱領(lǐng)域。所采用的物理模型包括燃燒的PDF模型、渦流的RNG k-epsilon和為解決輻射熱傳遞效果的P1模型。采用的天然氣流速為2300scfh，氧氣流速為4900scfh。燃燒空間的實(shí)際的壁被認(rèn)為是絕熱的，要考慮到通過裝置壁的傳導(dǎo)的熱傳遞。為了對比，研究了兩種不同的情形沒有渦旋的基本情形，和包括一個(gè)僅對于氧氣流為20°的渦旋角β。
圖7a和7b對這兩種情形中的氧氣輪廓作了說明，圖7a為非渦旋氣流，圖7b為帶有渦旋的氣流，燃燒器結(jié)構(gòu)與圖1一致。結(jié)果表明，渦旋對于抑制氧氣的徑向分散具有很重要的作用，可把大部分的氧氣緊密地集中在燃燒器軸向上。這些圖案是歸因于氧氣動量的不同，有關(guān)的這些圖案在燃燒器上的操作的討論，可參見圖8a和8b。
圖8a和8b分別表示沒有渦旋情形下的溫度輪廓(圖8a)和具有渦旋情形下的溫度輪廓(圖8b)，燃燒器結(jié)構(gòu)與圖1一致。溫度輪廓表明，與沒有渦旋(圖8a)情形的“較懶散的”火焰相比，圖8b中的渦旋情形會導(dǎo)致一種較長的火焰，更為顯著地集中在燃燒器軸向上。沒有渦旋情形下的火焰傾向于徑向地向載荷(向下)和壁(向上)表面發(fā)散。這種在溫度分布上的區(qū)別，對于工業(yè)應(yīng)用如玻璃的生產(chǎn)，是非常重要的。這樣，渦旋的引入會使得在熔化玻璃表面和爐壁具有較低的溫度，如圖8a和8b中所觀察到的。這種圖案會導(dǎo)致從熔化玻璃的散發(fā)較低，它是本發(fā)明燃燒器的一個(gè)非常重要的特征，而且爐頂?shù)膿p耗也較低。圖8a和8b中所示的溫度分布，還表明渦旋的氣流的更為直接的火焰，會導(dǎo)致有降低溫度的輪廓進(jìn)入燃燒器裝置。這是本發(fā)明燃燒器的另一個(gè)重要參數(shù)，如果商用玻璃爐遭受很高的溫度，則它就會極大地降低燃燒器的壽命，從而影響爐的效率。而且，與沒有渦旋的氣流相比，渦旋氣流具有較大的氧氣氣流動量，會有利于提高燃燒器頂端和燃燒器裝置的對流冷卻，并具有較低的平均溫度。對于這里所說的情形，渦旋氣流的平均氧氣動量約高于沒有渦旋情形下的10％。這個(gè)因素，與由速度的切向分量所提供的離心力一起，會形成一種改善的氣流，它緊靠著燃燒器裝置的壁，從而具有較高的對流熱傳遞系數(shù)。這樣，沒有渦旋的情形會在燃燒器裝置的出口具有較高的溫度輪廓，其溫度較渦旋情形下的溫度要高出110°F。
圖7a、7b、8a和8b也圖示說明了一個(gè)直徑非恒定的最初展開的燃燒室，在其后是一個(gè)基本呈圓柱形的燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)，由于低的壁磨擦作用，它有助于維持氧化劑渦流。如果渦狀流體氣流不能在渦流室中得到發(fā)展，接著在徑向方向上進(jìn)行展開，那么由于壁的磨擦作用，則渦流的強(qiáng)度就會很快地消逝。另一方面，在一個(gè)直徑恒定的燃燒室中，在燃燒室中由于緊密接近在一起，渦狀氧化劑將會與燃料迅速地發(fā)生反應(yīng)，形成一種短而強(qiáng)烈的火焰。通過采用展開區(qū)，由于在相對較寬直徑的燃燒室內(nèi)的渦狀氧化劑的燃燒較慢，對燃燒器裝置的冷卻也有積極的影響。
結(jié)構(gòu)如根據(jù)圖1和圖2的燃燒器在經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)后，還在用來生產(chǎn)硼硅酸鹽纖維絕緣材料(玻璃纖維)的爐中進(jìn)行了補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)。740平方英尺的融化面積的爐容量，約為150噸/天，它是采用10個(gè)套管式對流的氧氣-燃料燃燒器，其商品名稱為ALGLASSTM，可從Air Liquide America Corporation，Houston，Texas購得。爐的燃燒速率約為19MMBtu/hr。傳統(tǒng)的燃燒器由于爐中具有很多的微粒冷凝物和揮發(fā)物，每周都要求進(jìn)行清掃。燃燒器噴嘴和燃燒器裝置要求定期進(jìn)行清掃。顧客同意采用本發(fā)明改進(jìn)的燃燒器在有限的范圍內(nèi)的試驗(yàn)，是在中等長度區(qū)域內(nèi)，額定功率為500kW進(jìn)行的。采用這種新的燃燒器，目的是為了減少維護(hù)/清掃的需要。取出傳統(tǒng)的燃燒器，并安裝了新的燃燒器和燃燒器裝置(如圖1和圖2所示)。這種燃燒器和裝置的詳細(xì)資料如下所述速度(氧化劑)＝22-75ft/sec速度(燃料)＝40-130ft/sec；Lc/Dc＝1.78Dc＝3.38英寸；Le＝整個(gè)燃燒室長度Lt的15％，其中Lt＝Le+Lc；Ds＝2.2英尺；Lc＝5.9英寸；Ls＝2英寸；Le＝1.06英寸；渦旋角β＝10°。
燃燒器以平均燃燒速率為2.3MMBtu/hr的速率進(jìn)行燃燒，它產(chǎn)生的平均火焰長度為8英尺，火焰寬度約為20英寸。這種火焰是非常明亮的(比公知的商品名稱為ALGLASSTM的傳統(tǒng)的燃燒器要明亮)，而且它也更寬。由于氧化劑的冷卻/吹掃作用，內(nèi)部裝置的溫度較低(是通過一種光學(xué)高溫計(jì)測得的)。燃燒器噴嘴甚至是較冷的(200-300°F，在經(jīng)長時(shí)間燃燒后)。經(jīng)過幾周的連續(xù)操作之后，取出本發(fā)明的燃燒器對其進(jìn)行檢查。發(fā)現(xiàn)它是非常清潔的，不需要作任何清掃。燃燒器裝置的內(nèi)腔也是非常清潔的。顧客可以考慮采用本發(fā)明的燃燒器對整個(gè)爐子(10個(gè)燃燒器)進(jìn)行翻新。在經(jīng)過9個(gè)月的連續(xù)操作之后，這種新燃燒器不需要定期的清掃。
本發(fā)明的多個(gè)方面業(yè)已采用許多優(yōu)點(diǎn)對其作了說明，但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠想到的對這里所述的燃燒器和方法的非實(shí)質(zhì)改變和改進(jìn)，它們應(yīng)該認(rèn)為是落在所附權(quán)利要求書清楚的邊界之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種燃燒器設(shè)備，包括a)一種燃燒器裝置，具有一個(gè)燃料導(dǎo)管，該燃料導(dǎo)管具有一個(gè)入口和一個(gè)出口，該燃料導(dǎo)管的出口與一個(gè)基本上呈圓錐形的氧化劑展開室相通；b)該燃燒器裝置還具有一個(gè)基本上呈環(huán)形的氧化劑通道，所述的燃料導(dǎo)管設(shè)置在這個(gè)基本上呈環(huán)形的氧化劑通道中；c)該基本上呈環(huán)形的氧化劑通道在緊鄰著燃料入口處具有一個(gè)入口端，在緊鄰著燃料導(dǎo)管出口處具有一個(gè)出口，在其中還設(shè)置有至少一個(gè)渦旋式噴嘴用來形成渦狀氧化劑氣流；d)該基本上呈環(huán)形的氧化劑通道在其出口端與燃燒器裝置中的基本上呈圓錐形的氧化劑展開室是流體暢通的，所述基本上呈圓錐形的氧化劑展開室具有一個(gè)入口直徑Ds和一個(gè)出口直徑Dc，使得Dc至少為Ds的110％；e)一個(gè)基本上呈圓柱形的燃燒室，其直徑為Dc，并且具有一個(gè)入口和一個(gè)出口，所述的基本呈圓錐形的氧化劑展開室的出口設(shè)置成與該基本上呈圓柱形的燃燒室入口是流體暢通的，該基本上呈圓柱形燃燒室的出口與爐膛相通；以及f)所述的燃料導(dǎo)管出口從該基本上呈圓柱形燃燒室出口凹進(jìn)一段距離Lr，其中的Lr＝Lc+Le，Lc＝所述基本上呈圓柱形燃燒室的軸向長度，Le＝所述基本上呈圓錐形氧化劑展開室的軸向長度。
2.如權(quán)利要求1所述的燃燒器設(shè)備，其特征在于所述的基本上呈圓錐形的氧化劑展開室的展開角范圍約為5°～60°。
3.如權(quán)利要求2所述的燃燒器設(shè)備，其特征在于所述的基本上呈圓錐形的氧化劑展開室的展開角范圍約為10°～30°。
4.如權(quán)利要求2所述的燃燒器設(shè)備，其特征在于所述的基本上呈圓錐形的氧化劑展開室的展開角范圍約為15°～25°。
5.如權(quán)利要求1所述的燃燒器設(shè)備，其特征在于所述的至少一個(gè)渦旋式噴嘴有多個(gè)葉片，每個(gè)葉片的角度變化范圍約為5°～30°。
6.如權(quán)利要求1所述的燃燒器設(shè)備，其特征在于所述的至少一個(gè)渦旋式噴嘴有多個(gè)葉片，每個(gè)葉片的角度變化范圍約為30°～60°。
7.如權(quán)利要求1所述的燃燒器設(shè)備，其特征在于所述燃料導(dǎo)管包括一個(gè)具有入口端和一個(gè)出口端的燃料噴嘴，該噴嘴設(shè)置在位于渦旋式噴嘴與燃料導(dǎo)管出口之間的燃料導(dǎo)管中，該噴嘴入口端的外徑大于其出口端的外徑。
8.如權(quán)利要求1所述的燃燒器設(shè)備，其特征在于Le約為Lr的10％～50％。
9.一種燃燒器設(shè)備，包括a)一種燃燒器裝置，具有一個(gè)燃料導(dǎo)管，該燃料導(dǎo)管具有一個(gè)入口和一個(gè)出口，該燃料導(dǎo)管的出口與一個(gè)基本上呈圓錐形的氧化劑展開室相通；b)該燃燒器裝置還具有一個(gè)基本上呈環(huán)形的氧化劑通道，所述的燃料導(dǎo)管設(shè)置在這個(gè)基本上呈環(huán)形的氧化劑通道中；c)該基本上呈環(huán)形的氧化劑通道在緊鄰著燃料入口處具有一個(gè)入口端，在緊鄰著燃料導(dǎo)管出口處具有一個(gè)出口，在其中還設(shè)置有至少一個(gè)渦旋式噴嘴用來形成渦狀氧化劑氣流；d)該基本上呈環(huán)形的氧化劑通道在其出口端與燃燒器裝置中的基本上呈圓錐形的氧化劑展開室是流體暢通的，所述基本上呈圓錐形的氧化劑展開室具有一個(gè)入口直徑Ds和一個(gè)出口直徑Dc，使得Dc至少為Ds的110％；e)所述的基本上呈圓錐形的氧化劑展開室出口設(shè)置為與一個(gè)托洛伊德爾燃燒室是流體暢通的，該托洛伊德爾燃燒室具有一個(gè)入口和一個(gè)出口，所述的托洛伊德爾燃燒室的出口與爐膛相通，該托洛伊德爾燃燒室的曲率半徑為R；f)所述的燃料導(dǎo)管出口從該托洛伊德爾燃燒室出口凹進(jìn)一段距離Lr，其中的Lr＝Lt+Le，Lt＝所述托洛伊德爾燃燒室的軸向長度，Le＝所述基本上呈圓錐形氧化劑展開室的軸向長度。
10.如權(quán)利要求9所述的燃燒器設(shè)備，其特征在于Le約為Lr的10％～50％。
11.一種燃料的燃燒方法，包括a)把一種燃料和一種氧化劑輸入到燃燒器裝置中，這種燃燒器裝置具有一個(gè)燃料導(dǎo)管，該燃料導(dǎo)管具有一個(gè)入口和一個(gè)出口，該燃料導(dǎo)管的出口與一個(gè)基本上呈圓錐形的氧化劑展開室相通，該燃燒器裝置還具有一個(gè)基本上呈環(huán)形的氧化劑通道，所述的燃料導(dǎo)管設(shè)置在該基本上呈環(huán)形的氧化劑通道中，該基本上呈環(huán)形的氧化劑通道在緊鄰著燃料入口處具有一個(gè)入口端，在緊鄰著燃料導(dǎo)管出口處具有一個(gè)出口，在其中還設(shè)置有至少一個(gè)渦旋式噴嘴用來形成渦狀氧化劑氣流，該基本上呈環(huán)形的氧化劑通道在其出口端與燃燒器裝置中的基本上呈圓錐形的氧化劑展開室是流體暢通的，所述基本上呈圓錐形的氧化劑展開室具有一個(gè)入口直徑Ds和一個(gè)出口直徑Dc，使得Dc至少為Ds的110％，該燃燒器具有一個(gè)基本上呈圓柱形的燃燒室，其直徑為Dc，并且具有一個(gè)入口和一個(gè)出口，所述的基本呈圓錐形的氧化劑展開室出口設(shè)置成與該基本上呈圓柱形的燃燒室入口是流體暢通的，該基本上呈圓柱形燃燒室的出口與爐膛相通，而且，所述的燃料導(dǎo)管出口從該基本上呈圓柱形燃燒室出口凹進(jìn)一段距離Lr，其中的Lr＝Lc+Le，Lc＝所述基本上呈圓柱形燃燒室的軸向長度，Le＝所述基本上呈圓錐形氧化劑展開室的軸向長度；b)當(dāng)它流經(jīng)渦旋式噴嘴時(shí)形成渦狀氧化劑；c)使該渦狀氧化劑和燃料流入到所述的基本上呈圓錐形的氧化劑展開室中，所述的燃料主要是在接近所述的基本上呈圓錐形的氧化展開室的軸中心流動的，而渦狀氧化劑流過基本上呈圓錐形的氧化劑展開室壁；d)使該渦狀氧化劑和燃料流入到基本上呈圓柱形的燃燒室；e)在基本上呈圓柱形的燃燒室內(nèi)燃燒該燃料和氧化劑，同時(shí)該氧化劑流過所述的基本上呈圓柱形的燃燒室壁；以及f)使燃燒產(chǎn)物自所述的基本上呈圓柱形的燃燒室流進(jìn)爐中。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述的渦狀氧化劑當(dāng)它流經(jīng)所述的基本上呈圓錐形的氧化劑展開室時(shí)，是以由展開角度所決定的展開速度進(jìn)行展開，其中的展開角變化范圍約為5°～60°。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述的渦狀氧化劑當(dāng)它流經(jīng)所述的基本上呈圓錐形的氧化劑展開室時(shí)，是以由展開角度所決定的展開速度進(jìn)行展開，其中的展開角變化范圍約為10°～30°。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述的渦狀氧化劑當(dāng)它流經(jīng)所述的基本上呈圓錐形的氧化劑展開室時(shí)，是以由展開角度所決定的展開速度進(jìn)行展開，其中的展開角變化范圍約為15°～25°。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述的燃料速度是小于或等于150ft/sec。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述的氧化劑的速度是小于或等于300ft/sec。
17.一種燃料的燃燒方法，包括a)把一種燃料和一種氧化劑輸入到燃燒器裝置中，該燃燒器裝置具有一個(gè)燃料導(dǎo)管，該燃料導(dǎo)管具有一個(gè)入口和一個(gè)出口，該燃料導(dǎo)管的出口與一個(gè)基本上呈圓錐形的氧化劑展開室相通，該燃燒器裝置還具有一個(gè)基本上呈環(huán)形的氧化劑通道，所述的燃料導(dǎo)管設(shè)置在這個(gè)基本上呈環(huán)形的氧化劑通道中，該基本上呈環(huán)形的氧化劑通道在緊鄰著燃料入口處具有一個(gè)入口端，在緊鄰著燃料導(dǎo)管出口處具有一個(gè)出口，在其中還設(shè)置有至少一個(gè)渦旋式噴嘴用來形成渦狀氧化劑氣流，該基本上呈環(huán)形的氧化劑通道在其出口端與燃燒器裝置中的基本上呈圓錐形的氧化劑展開室是流體暢通的，所述基本上呈圓錐形的氧化劑展開室具有一個(gè)入口直徑Ds和一個(gè)出口直徑Dc，使得Dc至少為Ds的110％，所述的基本上呈圓錐形的氧化劑展開室設(shè)置為與一個(gè)托洛伊德爾燃燒室是流體暢通的，該托洛伊德爾燃燒室具有一個(gè)入口和一個(gè)出口，所述的托洛伊德爾燃燒室的出口與爐膛相通，該托洛伊德爾燃燒室的曲率半徑為R，所述的燃料導(dǎo)管出口從該托洛伊德爾燃燒室出口凹進(jìn)一段距離Lr，其中的Lr＝Lt+Le，Lt＝所述托洛伊德爾燃燒室的軸向長度，Le＝所述基本上呈圓錐形氧化劑展開室的軸向長度；b)當(dāng)它流經(jīng)渦旋式噴嘴時(shí)形成渦狀氧化劑；c)使該渦狀氧化劑和燃料流入到所述的基本上呈圓錐形的氧化劑展開室中，所述的燃料主要是在接近所述的基本上呈圓錐形的氧化展開室的軸中心流動的，而渦狀氧化劑流過基本上呈圓錐形的氧化劑展開室壁；d)使該渦狀氧化劑和燃料流入到基本上托洛伊德爾燃燒室；e)在基本上托洛伊德爾燃燒室內(nèi)燃燒該燃料和氧化劑，同時(shí)該氧化劑流過所述的基本上托洛伊德爾燃燒室壁；以及f)使燃燒產(chǎn)物自所述的基本上托洛伊德爾燃燒室流進(jìn)爐中。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于所述的渦狀氧化劑當(dāng)它流經(jīng)所述的基本上呈圓錐形的氧化劑展開室時(shí)，是以由展開角度所決定的展開速度進(jìn)行展開，其中的展開角變化范圍約為5°～60°。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于所述的燃料速度是小于或等于50ft/sec。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于所述的氧化劑的速度是小于或等于300ft/sec。
全文摘要
一種自冷卻燃燒器設(shè)備,含有新穎的燃料和氧化劑噴嘴和三室難熔燃燒器裝置。新的燃燒器可在高溫和高微粒爐中點(diǎn)火,該燃燒器可根據(jù)熱載荷的要求,提供圓柱形火焰或平坦火焰。該燃燒器包括:獨(dú)特的用于燃料與氧化劑氣流的流線型混合的燃料噴嘴設(shè)計(jì),用于預(yù)期的火焰特征的可控的渦流輸入到氧化劑氣流,在徑向和軸向方向上火焰層可控的展開,和采用氧化劑以提供對流冷卻和防止任何過程微粒的累積對燃燒器裝置內(nèi)部表面的有效吹掃,帶有傳導(dǎo)葉片且壁相對厚的金屬噴嘴結(jié)構(gòu)。
文檔編號F23D14/22GK1261138SQ99115969
公開日2000年7月26日 申請日期1999年11月3日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月3日
發(fā)明者馬亨德拉·L.·喬希, 哈利·A·博德斯, 奧維迪尤·馬林, 奧利維爾·沙龍 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司