渦旋燃燒器和浸沒燃燒熔融的方法
【專利說明】
[0001] 本申請要求2012年11月30日提交的美國專利申請第61/731857號的優先權，其 全部內容通過引用結合入本文。
技術領域
[0002] 本發明涉及浸沒燃燒熔融。更具體地，本發明涉及用于浸沒燃燒熔融的燃燒器，并 且更具體地涉及用于浸沒燃燒熔融的產生渦旋火焰的渦旋燃燒器。
【背景技術】
[0003] 在常規玻璃熔爐中，燃燒器位于熔爐中的玻璃材料（例如，玻璃批料材料和之后 熔融的玻璃材料，或統稱為"玻璃熔體"）的表面之上并且向下指向玻璃熔體的上表面。在 嘗試增加玻璃熔爐的熱效率的努力中，在已被稱為浸沒燃燒熔爐（"SCM"）的熔爐中，燃燒 器也位于熔體的表面之下并且向玻璃熔體中噴火。在SCM中，火焰和燃燒的產物（主要是 二氧化碳和水）穿過并直接與玻璃熔體接觸，從而將熱直接傳到玻璃熔體，使得向玻璃熔 體的傳熱效率比常規玻璃熔爐更高。因此，與常規玻璃熔爐中相比，在SCM中有更多來自燃 燒的能量被傳到玻璃熔體中。通過SCM中的玻璃熔體的燃燒火焰和產物也攪動并混合玻璃 熔體，從而在不使用通常在常規玻璃熔爐中需要的機械混合器的情況下使玻璃熔體能有效 混合。在常規玻璃熔爐中，在沒有機械混合器輔助的情況下，玻璃材料表面上方存在的燃燒 器和火焰沒有明顯攪動玻璃熔體。然而，常規玻璃熔體中使用機械攪拌器存在問題。由于 玻璃熔體的高溫和腐蝕性質，玻璃熔爐中的機械混合器往往是昂貴的并且使用壽命短。當 玻璃熔爐中的機械混合器降解時，來自混合器的材料污染玻璃熔體。與采用機械混合器的 常規玻璃熔爐中相比，SCM能夠使玻璃熔體以更小的體積和更短的時間熔融并勻化。與常 規玻璃熔爐相比，SCM的改善的傳熱和較小的尺寸可降低能量消耗和資金成本。
[0004] 現有技術的SCM燃燒器10示于圖1。所示的SCM燃燒器10包含兩根同心管12和 14。中心管12向噴嘴18遞送天然氣G。外管14向燃燒器遞送氧0,使排出噴嘴的氣體G 燃燒。外管14形成在內管12和外管14周圍的冷卻夾套13的一部分。噴嘴18具有中心 氣體出口 22和多個以環狀排列在中心氣體出口 22周圍的外氣體出口 24(例如，6個洞）。 導向外氣體出口 24的通道25從中心管12的中心軸向外傾斜約5°的氣體排出角A1。氧 通過在外管14的內表面和中心管12的外表面之間形成的環形氧出口 26排出燃燒器。沿 著氣體排出角Al排出氣體出口 24的氣體指向排出氧出口 26的氧并與之混合，使得氣體燃 燒產生火焰（未顯示），該火焰垂直向上燒至玻璃熔體并穿過玻璃熔體（未顯示）。圖1的 現有技術的燃燒器10在運行時，噴嘴18和中心管12的頂部通常與外管的頂部齊平或者從 外管14的頂部（和燃燒器的頂端28)向下凹陷約IV2英寸，使得氣體可在到達燃燒器的頂 端28之前與氧混合。冷卻流體F循環經過冷卻夾套13以冷卻燃燒器。
[0005] 在圖1所示的這種SCM中，從燃燒器10垂直穿過玻璃熔體的火焰往往帶走大量的 玻璃熔體并將玻璃熔體噴到熔爐側面（未顯示）。一些被帶走的玻璃甚至可能噴到熔爐的 排氣系統中。被帶走的玻璃材料熔體在排氣系統和熔爐的上壁上硬化并涂覆，包括觀察口、 傳感器位置、排氣管道等。被帶走的材料也可能在減少污染的系統的過濾器系統（堆袋室， 過濾器等）中聚集，從而使過濾器產生污垢。燃燒產物可以大的"嗝"突破玻璃熔體的表面， 一些玻璃熔體向上沖，這可導致未熔融的和/或未充分混合的玻璃熔體沖向稱為龍頭的熔 爐的玻璃出口（未顯示）。有時，一些這種未熔融的或未充分混合的玻璃熔體可與需要的 完全熔融并混合的金屬熔體一起排出龍頭，這是非常不希望的。圖1所示的典型SCM燃燒 器中燃燒產物的高速度也可導致在熔體中形成大量的氣泡。對于許多應用而言，需要在"澄 清"階段去除這些氣泡。在澄清期間，玻璃熔體必須保持在足夠高的溫度下，以使氣泡在玻 璃熔體中上升來從中去除氣泡，這產生了大量的能量需求。當用某些玻璃組合物操作時，這 種SCM燃燒器也可能產生非常響的刺耳的聲音。噪音水平可達到約9-dB或lOOdB，對操作 者的聽力產生重要威脅，除非兩只耳朵被堵塞并且戴上耳塞。
【發明內容】
[0006] 本發明的一個方面通過SCM燃燒器促進燃料與氧化劑的混合，使得氧和氣體中的 一種或兩種在排出燃燒器時產生渦旋。渦旋燃燒器的優勢在于，火焰通常向外叢生或展開 而不是僅集中于垂直流動方向上。渦旋由此導致燃燒氣體的垂直動量的強化擴散，使得較 少的玻璃熔體在SCM內被燃燒器甩出，并且提供燃燒氣體的增強混合。
[0007] 在一個方面，本發明涉及一種燃燒器，其包含具有第一縱向內膛的第一空心中心 管，以及具有第二縱向空心內膛的第二外管。第一管設置在第二管內，使得在第二管和第一 管之間限定環形空間。渦旋誘導元件位于第一管和環形空間之一的頂端，用于使通過并排 出第一管頂端的第一氣體和通過并排出第二管頂端（例如，環形空間）的第二氣體產生渦 旋。
[0008] 在本發明的另一個方面，燃燒器還包括在第二管的頂端形成的噴嘴。該噴嘴可包 含多個在其中形成的氣體出口。氣體出口可相對于噴嘴的縱軸向外傾斜并且與第二縱向內 膛連通。
[0009] 在另一個方面，本發明涉及浸沒燃燒熔融設備，其包含用于容納熔融槽的熔融室。 熔融室在其壁上形成孔。上述的燃燒器位于孔處，用于向熔融室中注射火焰。
[0010] 從下面的詳述和所附權利要求書很容易了解本發明的其他特征和優點。
[0011] 一個實施方式是
[0012] 另一個實施方式包括
[0013] 在以下的詳細描述中給出了本發明的其他特征和優點，其中的部分特征和優點對 本領域的技術人員而言，根據所作描述就容易看出，或者通過實施包括以下詳細描述、權利 要求書以及附圖在內的本文所述的各種實施方式而被認識。
[0014] 應理解，前面的一般性描述和以下的詳細描述都僅僅是示例性的，用來提供理解 權利要求的性質和特性的總體評述或框架。所附附圖提供了對本發明的進一步理解，附圖 被結合在本說明書中并構成說明書的一部分。【附圖說明】了本發明的一個或多個實施方式， 并與說明書一起用來解釋各種實施方式的原理和操作。
【附圖說明】
[0015] 下文所述的【附圖說明】了本發明的典型實施方式，但是不應認為它們限制了本發明 的范圍，因為本發明還包括其它同樣有效的實施方式。為了清楚和簡明起見，附圖不一定按 比例繪制，附圖的某些特征和某些視圖可能按比例放大顯示或以示意圖方式顯示。
[0016] 圖1是現有技術的浸沒燃燒熔爐燃燒器的截面側視圖；
[0017] 圖2是按照第一個實施方式的浸沒燃燒熔爐的渦旋燃燒器的部分截面側視圖；
[0018] 圖3是圖2的部分截面側視圖，顯示圖2的渦旋環（swirl collar)和中心管；
[0019] 圖4是圖2的燃燒器的部分俯視圖，顯示中心管、渦旋環和外管；
[0020] 圖5是按照第二個實施方式的浸沒燃燒熔爐的渦旋燃燒器的部分截面側視圖；
[0021] 圖6是按照第三個實施方式的浸沒燃燒熔爐的渦旋燃燒器的部分截面側視圖；并 且
[0022] 圖7顯示了浸沒燃燒熔融系統，其包含圖2-4的燃燒器設備。
【具體實施