燃燒方法及其含燃料和氧化劑料流獨立噴射系統的設備的制作方法

專利名稱：燃燒方法及其含燃料和氧化劑料流獨立噴射系統的設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃燒方法及其含獨立噴頭以將燃料和氧化劑獨立注入熔爐燃燒室的設備，從而以一個寬而明亮的火焰用氧化劑燃燒燃料，使得用氧化劑燃燒燃料產生的氮氧化物(NOx)的量下降。
工業高溫方法如玻璃或玻璃原料的熔融，鐵和非鐵原料熔煉使用大量能量以將各種原料轉化成熱熔融產物，然后澆鑄、成型或在工業過程中進一步處置。這種操作通常在大的熔爐中進行，它可產生每天多達500噸(米制)的熔融物料。在熔爐中用含氧的氧化劑燃燒化石燃料如天然氣、霧化燃料油、丙烷等是提供能量優選的方法。在某些情況下，用電加熱補充燃料熱。通常，燃料和氧化劑經燃燒器加到熔爐中以產生火焰。從火焰將能量傳給欲熔融的物料是由在物料表面的對流傳熱和向表面或物料內部(如果物料對輻射是透明的)的輻射傳熱的混合。通常優選高輻射(通常稱為亮火焰)火焰，因為它們提供了更好的傳熱，從而更高的燃料效率。
對于火焰加熱，讓火焰的能量均勻地分布到欲熔融的物料的表面上方也很重要。不然的話熱區和冷區共存于熔爐中，這是不希望的。用在這類熔爐中熔融的物料制得的產品質量很差。例如在熔融玻璃浴中，在冷區有許多玻璃石頭且加速了熱區玻璃的汽化。另外，寬的火焰是優選的因為它們對浴有更好的覆蓋。
在許多國家，特別是美國，有關NOx的排放日趨嚴厲的法條被頒布。因此重要的是開發燃燒技術其中NOx的形成被限制。在高溫方法中，由于熱火焰和熔爐的熱區氧和氮分子的長的停留時間促進了NOx的形成。使用基本純的氧氣(90％O2或更高)代替空氣作為氧化劑被證明在降低NOx排放方面很成功，NOx排放下降了90％之多，因為所有的氮都被除去了。但用基本純的氧氣代替空氣提高了火焰的溫度，這樣在火焰中產生了一些區域其中氮與氧反應性很高，雖然與用空氣燃燒相比NOx的形成整體上下降了，但在這些區域NOx的形成可能成比例上升。另外，在實踐中也不可能從熔爐中除去所有的氮，因為工業熔爐對空氣的滲入是不密封的，燃料中通常含一些氮，且由非低溫源供應的氧如由Vaccum Swing Adsorp-tion Plant(VSA)生產的氧含小量殘留氮。
常規的燃料和氧氣燃燒以加熱熔爐的方法使用后混合氧-燃料燃燒器。常規的氧-燃料燃燒器有一個金屬體，其上有供燃料和帶高濃度分子氧的氧化劑進口，和經隔開的同軸方向的通道將料流傳輸到位于燃燒器邊緣的多個噴頭。這些燃料器在其邊緣產生具有尖鉛筆狀的高溫火焰，燃燒器邊緣應離熔爐足夠遠，以避免或降低熔爐壁的過熱。由于熔爐的高溫，這些燃燒器的一個重要缺點是需要冷卻，通常用一個其中有循環流體如水的夾套提供冷卻。這類燃燒器被描述在例如英國專利1,215,925中。對于冷卻夾套可能產生嚴重腐蝕問題，特別當熔爐氣氛含可冷凝蒸汽時。
氣冷氧-燃料燃燒器是對水冷燃燒器的一個改進。燃燒器體被一個稱為燃燒器磚的耐火磚保護免受熔爐輻射，該磚具有基本上圓柱形空心，通向熔爐。燃燒器通常安裝在空心后面且通常含幾個位于空心中的燃料和氧化劑的同心噴頭，該空心向熔爐內壁凹進。磚和燃燒器被周向環狀氣體流，通常為氧化劑氣體冷卻。這類燃燒器被描述在USP5,346,390和USP5,267,850中。使用這類燃燒器，燃燒在到達熔爐前的燃燒器磚中開始。這樣火焰被限制并被圓柱形空心導向成一個窄軸對稱噴射流，并對熔爐中的熔融提供一個不充分的覆蓋。這些火焰有高的峰溫度且產生相對大量的NOx，因為這里有氧氣和燃料的直接接觸而沒被燃燒產品稀釋。
這此氣體冷卻的燃燒器的另一個缺陷是火焰可能過熱并損壞熔爐耐火壁，因為火焰在壁上開始。另外當熔爐氣氛與熔爐壁的耐火材料化學反應時，在火焰下的循環區也傾向于加速耐火材料磨蝕。這可能降低熔爐壽命。
英國專利1,074,826和USP5,299,929公開了幾個燃燒器，它們含交替分布的多個氧氣和燃料噴頭，分成平行兩排以獲得一個扁平的火焰。雖然這種方法改進了熔融物的覆蓋，但這些燃料器仍產生比較大量的NOx。這些燃燒器的另一個缺陷是為獲得扁平火焰機械制造復雜。
眾所周知用間隔一定距離的噴頭噴燃料和氧化劑料流到燃燒室以產生一個脫離熔爐壁的火焰，目的在于降低耐火材料磨蝕。一種這類設備描述在USP5,302,112中，其中燃料和氧化劑噴射流以一定的匯聚角噴到熔爐中，在兩股噴射流的匯聚點處氧化劑和燃料氣產生良好的混合，從而提高了燃燒速率但縮短了火焰。但這類燃燒器的火焰有一峰溫度并在熔爐中產生大量氮氧化物。為降低該峰溫度并顯著降低NOx的形成，USP4,378,205建議以很高速度噴燃料和/或氧化劑噴射流并分開注入燃料和氧化劑氣體其中燃料和/或氧化劑噴射流夾帶熔爐氣氛中的燃燒產品并在燃料和氧化劑之間實際燃燒前被稀釋。但由這些燃燒器產生的火焰幾乎看不見，如第9欄，第58-65行所述。這樣對熔爐操作者確定和/或控制燃燒區的位置和燃燒器設備是否實際運轉是極其困難的，這可能很危險。這種燃燒器另一個缺陷是燃燒產品的夾帶促進了熔爐中氣體料流的強烈循環，這最終加速了熔爐耐火材料壁的磨蝕。另外，使用高速氧化劑噴射流要求使用高壓氧化劑供料，這意味著氧化劑氣體需要在高壓下生產或輸送(燃料氣通常在比較高的壓力下)或氧化劑氣體如通常由VSA單元供應的低壓氧氣必須在噴到熔爐中之前被再壓縮。
當今使用的燃燒器通常僅設計或使用氣體燃料或液體燃料(大概通過液體燃料噴霧)，但不能同時燃燒兩種類型燃料或很容易地從氣體燃料轉換到液體燃料。
對燃燒領域技術人員來說液體燃料有其固有的問題。液體燃料通常霧化且有幾種不同的液體燃料霧化技術可獲得。目的是產生液體流體液滴噴射流(也稱“噴霧”)，它們有確定的幾何特征。通常的液體燃料在液體狀態不是特別易燃僅僅在氣態時它們能足夠快地支持氧化反應以產生一個火焰外觀。當希望用環境溫度下為液態或粘稠態燃料獲得穩定的火焰時，主要困難是“精明地調整”該液體以使它快速蒸發從而支持火焰內部的氧化反應。
目前用來完成這種“精明調整”的方法由以液滴形式霧化燃料組成這樣，對于給定量的燃料，這有可能大大增加暴露給氧化劑液體表面的量(液滴越小，界面表面即蒸發點越多)。
簡言之，有三種主要方法用來完成液體的霧化1 旋轉杯霧化法包括用移動的機械元件粉碎液體。
2 在機械霧化中，燃料被壓縮到很高壓力(15到30巴)，這樣它有很高的動能，當液體與外部大氣接觸時該能量導致液體的粉碎及液滴的形成。
3 氣體流體協助霧化法能獲得類似結果，同時節省高壓(2到6巴)。
簡言之，根據液體燃料和霧化流體在霧化器頭內部或外部接觸可區分兩種類型的氣體流協助霧化法。這兩種類型可稱為內部霧化法或外部霧化法。
內部霧化法的特征在于限制液體燃料并霧化流體在一乳液腔中。加入兩種流體到該腔中可有各種方法并對從該腔排出的乳液的特征有直接影響。同樣該腔的內部幾何尺寸(總體積，產生旋轉的葉片，進口和出口孔板的數目和直徑等)也影響欲燃燒的燃料/霧化流體混合物的具體特征。
這種霧化方法通常可獲得優異的霧化質量，即乳液為很小的顆粒且在這些小直徑附近有很窄的粒徑分布。在給定燃料傳輸速度下，該乳液的質量一般是所用的霧化流體傳輸速率和在霧化腔內部占主導的壓力值的函數。
對于外部霧化法，當兩相之間的接觸發生在任何限定腔的外部，乳液主要是由霧化流體粉碎液體燃料噴射流產生的。兩種流體出口的幾何尺寸完全確定了霧化質量，由接觸產生的液滴的粒徑分析表明粒徑分布比較寬(同時有小顆粒和大顆粒)。
在液體燃料霧化領域，主要已知的先有技術是公開的歐洲專利申請NO.0687858A1，它公開了一種外部霧化設備，該設備產生很窄的噴霧角(小于15°)。該公開的申請特別公開了為成功地實現該具體特征在霧化流體和液體燃料間形成的角必須在5°和30°之間。
另一個公開的液體燃料霧化設備是被公開在歐洲專利申請NO.0335728A3，它公開了一種經從主管中分支的幾個不同管加流體到燃燒室的設備。
目前需要一種燃燒器，它可在低壓，特別對于氧化劑氣體低壓下操作，同時產生一個寬而扁的亮火焰，NOx排放量下降，且該燃燒器可提供一種控制火焰長度的方式以便使用該火焰到熔爐中。本領域也需要一種能同時或交聯地燃燒氣體燃料和液體燃料的燃燒器。在燃燒器領域也需要一種液體燃料屬于第三種霧化方法范圍之內的霧化器，一種能將控制的流體加到燃燒區的完整設備，該控制流體是霧化氣體和液體燃料液滴的兩相混合物，其中霧化發生在噴嘴外部(外部霧化)并可形成有高相對角(5°到130°)的不同噴霧噴射流。具體地說，燃燒領域迫切需求一種使用氣體流體霧化液體燃料的霧化設備并將該設備用到燃燒器如本文描述的燃燒器裝置。
按照本發明，用氧化劑氣體中的氧燃燒燃料的方法和系統被公開，其中燃料和氧化劑氣體以不同的流體料流噴射到高溫熔爐的燃燒室(至少820℃或1500°F)，燃料和氧化劑的比例應使得氧化劑流與燃料流中的氧的摩爾比在0.95到1.05(化學計量比)之間，燃料和氧化劑產生一個寬、明亮、易確定的火焰。本發明的方法和系統產生的NOx量很少。
通常，本發明燃燒器裝置的特征在于至少一個燃料流體進口和至少一個氧化劑流體進口，用來將燃料流體從燃料進口輸送到多個燃料出口的設備，以被噴射到燃燒室的燃料料流形式離開燃料出口的燃料流體，用來將氧化劑流體從氧化劑進口輸送到至少一個氧化劑出口的設備，以被噴射到燃燒室的燃料料流形式離開氧化劑出口的氧化劑流體，燃料和氧化劑出口空間上隔開，和幾何上的布置使得燃料流體料流和氧化劑流體料流的角度(以下稱“終角”和速度(當燃料和氧化劑出入燃燒室時)允許用氧化劑以穩定、寬廣和明亮的火陷燃燒燃料流體。這樣，本發明的一個方面是一種改善了火焰長度和形狀控制的燃燒器裝置，其特征為一種加工成與氧化劑和燃料源流體連通的耐火磚，該耐火磚有燃料及氧化劑進口端和燃料及氧化劑出口端，出口端有燃料出口和氧化劑出口，該耐火磚還有多個燃料空心，燃料空心的至少兩個確定了第一燃料平面，和確定了第二氧化劑平面的多個氧化劑空心，燃料空心數大于氧化劑空心數。
本發明這一方面的優選的燃燒器是其中氧化劑出口數大于燃料出口數，優選的實施方案是其中一個或多個空心中有一個噴頭安裝在其上。
優選的耐火磚有至少5個空心，其中在下部的3個空心用于向熔爐燃燒室噴射燃料，在上部的2個空心用于向熔爐燃燒室中噴射氧化劑。
另外，特別是在液體燃料如燃料油用作燃料時，氧化劑空心的數目優選大于燃料空心數目。
在一特別優選的實施方案(即所謂“雙燃料實施方案)中，耐火磚有至少一個液體燃料空心和至少一個氣體燃料空心。在這些實施方案中，優選液體燃料空心安裝在氣體燃料空心之下，氣體燃料空心安裝在氧化劑空心之下，下面將進一步描述。
優選地，燃料和氧化劑出口是圓形的且被整修。空心優選為直孔，從磚的燃料進口端到磚的燃料出口端穿過耐火磚。本發明的燃燒器裝置在一些優選的實施方案中包括一個燃料分配器或霧化器，它是一個安裝在耐火磚空心中的單個一體化部件，燃料分配器有多個燃料出口。
本發明另一個燃燒器實施方案的特征為一種耐火磚，它有燃料和氧化劑的進口端和燃料和氧化劑出口端且進一步有單個燃料空心和多個氧化劑空心，所述氧化劑空心定義了一個氧化劑平面，該平面位于耐火磚上部且在燃料空心之上。
本發明第三個燃燒器裝置的特征為一種耐火磚，它有燃料和氧化劑進口端和燃料和氧化劑出口端，且進一步有多個燃料空心和多個氧化劑空心，所述氧化劑空心的至少2個定義了第一氧化劑平面，該平面位于耐火磚上部且位于定義燃料平面的燃料空心的部分之上，其中至少一些氧化劑空心形成在耐火磚上位置低于第一氧化劑平面的第二平面，其中在第二氧化劑平面上的至少一個氧化劑空心中裝有一個其直徑小于相應氧化劑空心的燃料噴頭。
本發明另一個燃燒器裝置的實施方案的特征為一種耐火磚，它有燃料和氧化劑進口端和燃料和氧化劑出口端且還有多個燃料空心和單個氧化劑空心，所述氧化劑空心位于耐火磚上部且在燃料空心定義的燃料平面部分之上。氧化劑空心本身(橫截面)和其出口可以是非圓形的如矩形，卵形，橢圓形等，在所有情況優選磚出口面為被整修邊緣。
本發明另一個燃燒器裝置的特征在于a)定義了第一平面的至少兩個燃料噴頭；b)至少一個氧化劑噴頭；和c)一個壁，經該壁氧化劑和燃料噴頭伸入到燃燒室中，可拆下的噴頭固定在壁上，其中氧化劑噴頭以向燃燒室的第一平面匯聚的匯聚角為0°到15°被安裝。
本發明另一個方面是一種用氧化劑燃燒燃料的方法，該方法以下列步驟為特征a)提供氧化劑流體料流的進料；b)噴所述氧化劑流體料流到燃燒室中以產生至少一股噴射后的氧化劑流體料流；c)提供燃料流體料流的進料；d)噴所述的燃料流體料流到燃燒室中以產生至少兩股噴射后的燃料流體料流；e)通過噴至少兩股噴射后的燃料流體料流到燃燒室中以在燃燒室中產生一個基本上平面狀的燃料流體片，噴射后的燃料流體料流的至少兩股基本上位于第一燃料平面；f)在燃燒室中將氧化劑流體料流與燃料流體片相交；和g)在燃燒室中用氧化劑流體燃燒燃料流體。
在本發明優選的方法中，兩個相鄰燃料流體料流有一不大于15°的最終發散角。其他優選的方法是其中氣體和液體燃料同時燃燒，和其中氣體燃料(或液體燃料)首先燃燒，液體燃料(或氣體燃料)隨后。
發現當氧化劑流空心以發散方式布置時，火焰更寬。在一些實施方案中，火焰寬度通過布置燃料和/或氧化劑流空心最終發散角大于其初始發散角可提高火焰寬度(而沒有明顯降低火焰長度)，下面將進一步描述。另外，在某些優選實施方案中，使用氧化劑和燃料噴頭(特別對于燃料)，它們安裝在燃料和/或氧化劑空心中。
本發明方法和設備的其他實施方案包括提供氧化劑空心和燃料空心之間的不同距離(根據被燃燒燃料的類型(例如氣體燃料或液體燃料))，非平行氧化劑空心(即有一定的擴散角)和提供，特別對于燃料油，有多個分散的燃料次噴頭的燃料噴頭。燃料噴頭位于耐火磚一個空心中。


圖1示出了本發明燃燒器裝置的耐火磚部件的一個實施方案，其中燃料“片”由3個位于第一平面的燃料噴頭組成，和氧化劑由位于第二平面的2個噴頭提供；圖2是圖1布置的正視圖；圖3是使用圖1或圖2結構發生在熔爐中的燃燒方法的側視圖；圖4是圖3方法的俯視圖；圖5示出了本發明的第二個燃燒器裝置的實施方案，其中燃料“片”由在第一燃料平面的2個燃料空心形成，氧化劑由在第二平面的2個空心提供，火焰穩定由在第二平面的輔助燃料噴射來實現；圖6示出了本發明第三個燃燒器裝置的實施方案，其中燃料“片”由在第一燃料平面的2個空心形成，氧化劑由在第二平面的2個空心提供，和其中火焰由在第一燃料平面，位于2個燃料空心之間的一個輔助氧化劑空心穩定；圖7示出了本發明一個燃燒器裝置實施方案的透視圖；圖8(a)，(b)和(c)分別示出了本發明燃燒器裝置(包括空心)的俯、后和側視圖；圖9(a)和(b)示出了本發明耐火磚，有各種空心；圖10(a)，(b)，(c)和(d)示出了本發明燃燒器磚裝置、氧分配器和燃料分配器；圖11(a)(b)、(c)、(d)和(e)示出了本發明另一個燃燒器磚裝置、氧分配器和燃料分配器；圖12(a)、(b)、(c)和(d)示出了本發明燃燒器裝置俯、側、仰和局部放大視圖，特別示出了管密封局部放大圖；圖13a是用于本發明耐火磚的透視圖，示出了2個氧化劑空心，3個燃料氣空心和1個燃料油空心；圖13b是圖13a耐火磚的側視圖；圖13c是圖13a耐火磚另一種設計的側視圖；圖14是沒有耐火磚的燃燒器裝置的側視圖，僅有氧化劑和燃料噴頭；圖15是耐火磚的平視圖，示出了空心；圖16是圖15耐火磚的平視圖，示出了在空心中有短噴頭的實施方案；圖17是圖15的耐火磚的平視圖，示出了有伸出空心的長噴頭的實施方案；圖18是用于本發明液體燃料霧化器的側視圖；圖19a和19b是分別是圖18液體燃料霧化器的剖視圖和正端視圖；圖20a是耐火磚及其內空心的示意圖；圖20b示意地說明了喉管直徑和噴頭或空心的氣體出口直徑之間的優選關系；和圖21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，31，32和33示出了本發明范圍內13個耐火磚實施方案的正視圖。
I.一般方面按照本發明一個方面，提供燃燒方法及其設備，它用低壓氧化劑如通過真空回轉吸收氧生產單元壓力輸送來的氧操作。低壓氧化劑意味著壓力從105000到170000Pa(絕壓)(50mbar到0.76ar相對壓力)。
按照本發明，燃料和氧化劑經在燃燒器裝置上隔開的空心加到熔爐中。術語“燃料”按照本發明意味著例如，在室溫(25℃)下或為氣態或為液態，或預熱形式的甲烷、天然氣、液化天然氣、丙烷、霧化油等。按照本發明術語“氧化劑”意味著氧摩爾濃度至少為50％的氣體。這類氧化劑包括含至少50％(體積)氧氣的富氧空氣，氧氣如通過深冷空氣分離廠生產的“工業”純氧氣(99.5％)或由例如真空回轉吸收方法生產的非純氧氣(88％體積O2或更大)或由空氣生產的“雜質”氧氣或通過過濾、吸收、吸附、膜分離等生產的氧氣，它們或處于室溫或為預熱形式。
本文定義的“空心”為穿透陶瓷磚或熔爐壁的通道，且優選有一般的圓柱形橫截面。可使用任何等價的橫截面如正方形、矩形、橢圓形，卵形等。本文定義的噴頭是有與相應空心相匹配的外形并能放到相應的空心中以延長耐火燃燒器磚的使用壽命的管狀元件。噴頭或為金屬管，帶陶瓷端的金屬管，陶瓷管或其組合。用夾制噴頭管的適宜陶瓷材料包括氧化鋁、氧化鋯、氧化釔，碳化硅等。如果噴頭是金屬類，各種不銹鋼可用來制備噴頭，和如果噴頭是有耐熱耐火涂層的金屬，使用上述制備陶瓷管提到的材料也是可以的。
噴頭是優選的但不是絕對必須的。例如如果空心用一層陶瓷或任何其他耐高溫并有適當非孔隙度以避免氣體經耐火磚浸入的材料覆蓋或涂布，噴頭將不需要。
噴頭安裝在開口穿過熔爐壁或穿過安裝在熔爐壁上的耐火或陶瓷磚的空心上。在某些實施方案中，噴頭的長度有意作成不及其燃燒器磚中空心的長度燃料或氧化劑從噴頭流入空心，然后從空心流入熔爐的燃燒室。這樣，在某些實施方案中，噴頭停止在由空心的幾何尺寸帶來氣體流動方向的變化之前；在其它實施方案中，噴頭可能伸出耐火磚并伸入到燃燒室。在其他實施方案中，沒有噴頭。
燃料的噴射優選由至少2個，優選相同的，其軸線優選位于相同平面(下面稱為第一燃料平面)的空心來完成。燃料和氧化劑出口空間上隔開且幾何上布置得使燃料流體料流和氧化劑流體料流的角度和速度能以穩定、寬廣和明亮的火焰用氧化劑燃燒燃料流體。
在優選的實施方案中，燃料空心以初始角發散，然后在正要進入燃燒室之前略微增加成最終發散角。該最終發散角優選僅比初始發散大幾度。優選在兩個相鄰燃料空心之間最終發散角為3到10℃。燃料進入熔爐燃燒室的空心的最遠距離1優選為第一平面上每個燃料噴頭內徑的4到10倍。第一平面優選但沒必要平行于熔融物表面。當燃料噴頭或空心不是圓形的，尺寸“d”是相當于圓形噴頭或空心的橫截面積的當量直徑。來自燃料空心的燃料噴射流混合以產生燃料“片”。燃料“片”意味著在第一平面擴散角為至多120°，優選20到60°且優選相對于燃料空心的對稱縱軸對稱的基本連續的液滴(如為液體)或燃料氣的云霧。在空心中燃料氣的速度至少為15m/s。
按照本發明一個優選實施方案，提供一種方法其中燃料流體“片”產生在要加熱的表面之上，例如通過至少2個最終發散角優選小于15°的空心來產生，所述燃料空心位于第一平面，優選用至少2個氧氣空心以低于燃料流體的速度(優選不超過60m/s)將氧化劑噴到要加熱的表面上方，兩個相鄰氧氣空心的終發散角小于15°。這些空心優選位于第二平面，第二平面在燃料室與第一平面匯聚并相交。與燃料片相交的低速氧化劑流體噴射流沿燃料片被燃料流拖拉并產生一個沿“片”延伸的燃燒區。因此，在燃燒室燃燒區起初，富燃料區維持在燃料云霧底側，這里大量炭黑形成。炭黑和燃料被沿燃燒區擴散的氧化劑逐漸氧化。
按照本發明一個特別優選的實施方案，為燃燒器裝置提供一種在燃燒區燃燒的方法，燃燒器裝置有至少2個燃料流體空心，至少一個氧化劑流體空心，和至少一個出口面，燃料流體空心和氧化劑流體空心以該出口面為末端，該方法包括提供氧化劑流體料流的進料；經所述至少一個氧化劑流體空心噴所述氧化劑流體料流到燃燒室中以產生至少一股噴射后的氧化劑流體料流；提供燃料流體料流的進料；經所述至少兩個燃料流體空心噴所述的燃料流體料流到燃燒室中以產生至少兩股噴射后的燃料流體料流；
通過以一最終發散角噴至少兩股噴射后的燃料流體料流以產生一個基本上平面狀的燃料流體片，至少兩股噴射后的燃料流體料流基本上位于第一燃料平面；在燃燒區將氧化劑流體料流與燃料流體片相交；和在燃燒區用氧化劑流體燃燒燃料流體。
另外，本發明也提供借燃料和/或氧化劑氣體輔助噴射穩定火焰。
按照本發明另一個實施方案，也可有附加燃料空心，例如位于第二燃料平面，在第一燃料平面下方且優選平行或與第一燃料平面略有匯聚角。
氧化劑流體的噴射是通過至少2個，優選相同的其軸線位于同一平面即第一氧化劑平面的空心完成的。氧化劑經其進入熔爐燃燒室的氧化劑空心的邊緣之間距離軸向距離L優選為第二平面上每個氧化劑噴頭內徑D(或當量直徑，如前對“d”的定義)的2到10倍。2個相鄰氧化劑空心所成的最終發散角(在流動方向上)為0到15°，優選0到7°。氧化劑在空心中的速度小于第一燃料平面空心中的燃料速度，優選該速度小于60(m/s)。在本發明某些實施方案中，氧化劑空心含所謂的旋流器以使氧化劑料流產生螺旋流動從而提高氧化劑料流在燃燒區的擴散，并改進氧化劑和燃料片之間的混合，適宜的旋流器是放在空心或噴頭中金屬翅片或金屬螺旋帶。
燃燒系統所用的燃料和氧化劑的總量應使得氧氣流為獲得燃料流完全燃燒必須的化學計量的氧氣流的0.95到1.05。另一種表達為燃燒比在0.95到1.05之間。
第一燃料平面和第二(氧化劑)平面之間的角α在0到20°之間，第一燃料平面和第二平面向燃燒室匯聚。在空心出口的垂直平面，第一燃料平面和第二平面之間距離h至少等于2倍直徑D，第一燃料平面被視為是基本上水平的。
本發明也涉及一種燃燒器裝置，它包括至少兩個燃料流體空心，至少一個氧化劑流體空心和至少一個出口面，該出口面為燃料流體空心和氧化劑流體空心的終端，其特征為
供給氧化劑流體料流的設備；用所述的至少一個氧化劑流體空心噴所述氧化劑流體料流以產生至少一股噴射后的氧化劑流體料流的設備；供燃料流體料流的設備；用所述的至少兩個燃料流體空心噴所述燃料流體料流以產生至少兩股噴射后的燃料流體料流；其中氧化劑流體料流和燃料流體料流的噴射方向在燃燒區基本上匯聚并相交，而至少兩個相鄰燃料流體空心的方向是發散的。
本發明燃燒器裝置實施方案的第一個耐火磚部件5示出在圖1中，它在第一平面2有3個燃料流體空心1a，1b，1c，在第二平面4有2個氧化劑流體空心3a和3b。第一平面和第二平面(2和4)成α角。3個燃料流體空心1a，1b和1c相鄰兩者成β，優選相同的角。優選，中間燃料空心1b的軸線垂直于耐火磚5的出口面10。
圖2示出了圖1磚5的正視圖。在圖2中，d表示在出口面10上的燃料空心1a，1b和1c的直徑，1表示它們在出口面10上的軸線距離；D表示在出口面10上氧化劑空心3a和3b的直徑；和L表示它們在出口面10上的軸線距離。“h”表示在磚5的出口面10上平面2和4之間的距離。應該明白參照圖2描述在本文的所有尺寸根據使用的具體燃料都可以改變。例如如果使用燃料油，距離h將比使用天然氣作燃料時大。
圖3表示用于例如熔玻璃塔12中的圖1和2的燃燒系統操作的側視圖。圖4示出了圖1-3的系統的透視圖。燃料“片”或“云霧”是由在第一平面2的燃料空心出來的燃料流體料流形成的。氧化劑6的噴射流從第二平面4的空心噴出，并在熔爐的燃燒室70中與燃料片相交。燃料與氧化劑的燃燒發生在兩股料的交界面上以在熔融物9上面產生一個火焰8。在燃燒過程的早期，位于火焰下的區域富燃料，這促進了碳顆粒(炭黑)的形成，從而提高了火焰的亮度。本發明的特征之一是通過分散燃料在一平面內并在熔融物上并基本上平行于熔融物產生平面狀層或“片”，將氧氣從上導入“片”方向以與“片”相交，然后燃燒優選在氧化劑流體和燃料流之間進行，在此它們相互交叉。在平面相交之前，流體分層，火焰底部(接近于熔融物)富燃料，因而由于高溫火焰裂解過量燃料產生炭黑。該炭黑被氣體料流夾帶到平面相交處上方，進一步在火焰中再燃燒，這使火焰更明亮。
示于圖1-3的結構在方截面(寬1米，長2.5米)小試熔爐中進行了試驗。熔爐被一個助氧天燃氣燃燒器加熱到820℃(1500°F)。當熔爐溫度足夠高時，開動本發明的燃燒系統并關閉助燃燒器。火陷從熔爐側面觀察孔觀察。如果需要，將包括示于圖1中的耐火磚的燃燒器裝置旋轉(例如90度)，以使得火焰能從側觀察孔更好地觀測。在所有的實驗中，天然氣空心的第一個平面平行于熔爐壁之一(側壁或底部)。
試驗的燃燒系統使用流量為32nm3/hr(1200scfh)的天然氣作為燃料流體和流量為64nm3/hr(2400scfh)的純氧氣作為氧化劑流體，高于熔爐壓力100mbar。這表示燃燒比為1。氧空心之間的距離L為15cm。天然氣空心之間的角為5度。該方案可使第一平面和第二平面之間的距離h從2.5cm變到10cm，兩個氧空心的相對角從0度變到5度。空心包括由陶瓷莫來石管制成的噴嘴(不銹鋼管也進行了試驗)。所有空心都安裝在鉆通耐火材料(稱為耐火磚5)形成的空心中。天然氣空心的直徑在0.925cm和1.58cm(0.364英寸和0.622英寸)之間變化，從而使得燃料流體流速分別達到44m/s，26m/s，和16m/s。氧空心的直徑在1.9和2.66cm(0.75和1.049英寸)之間變化以獲得16m/s，27m/s，和31m/s的氧氣速度。連續檢測煙道氣中CO，O2，CO2，NOx的含量。在所有試驗期間維持過量氧氣和熔爐泄漏(空氣進入)的類似條件以使得各種結構的排放量可比較。在所有試驗中平均爐溫為1450℃。取樣探頭也裝在熔爐中，距耐火磚2米遠處以測定熔爐中該處CO濃度。取樣探頭低的CO測量濃度表示短的火焰。另外在相同化學計量條件下相對低的煙道氣溫度是這種特定熔爐短火焰的標志。
另外，在小試熔爐中也用后混合型氧氣一天然氣燃燒器進行了試驗，使用一般的“管套管”方案天然氣的噴射被環形氧氣流包圍。這種燃燒器用作參比。燃燒器接到熔爐壁上，并在煙道氣中產生500ppm的NOx。
對于本發明系統，當距離h等于2.5cm且兩個平面之間的夾角等于0°，一個脫離燃燒器磚的穩定火焰產生了。在燃料和氧氣噴射流之間有很好的混合。火焰長度較短(1.5m)，特別是當燃料速度是氧氣速度的2到4倍。NOx濃度是400ppm。火焰似乎比參比火焰稍寬。
當距離h增加(仍維持α＝0°)，天然氣和氧氣之間的混合被延遲，在火焰中形成一些炭黑。在h＝8cm，火焰似乎很大且很長。在距離裝有燃燒器的燃燒器磚2米處水冷取樣探頭測量到大量炭黑。火焰可目測到，但其邊界難以確定因為火焰不穩定。熔爐壓力由于這種不穩定呈現出大的波動。NOx排放急劇降到60ppm。雖然燃燒質量似乎比較差，但在煙道氣中沒有CO殘留。
當h＝8cm，將第一和第二平面之間夾角提高到5°，10°和20°時，火焰穩定性得到改進。當α＝20°得到最好的穩定性。超過20°沒有明顯地降低形成炭黑的量和火焰亮度，也沒有降低火焰寬度，但在煙道氣中NOx濃度提高了，火焰長度變短。另外，在α＝20°時，氧氣噴射流對燃料片的碰撞，甚至當氧氣速度下降時，仍改變了“片”形狀并將其偏轉到平行于第一平面的壁方向，這是不希望的。因此當h＝8cm，α在5°到15°之間火焰被認為是穩定的或很穩定。
在一給定的結構中，增加天然氣速度同氧氣速度之比改進了火焰穩定性。例如對于α＝10°和h＝8cm的結構，當燃料速度是70m/s和氧氣速度是16m/s時，火焰是穩定的。但穩定性效果對火焰長度和亮度是不利的。通過關閉位于第一平面中心的天然氣噴頭以使所有的天然氣經外面兩個天然氣空心流過可獲得較大的天然氣速度。
然而出人意料地發現如果一個天然氣噴頭位于第二平面的兩個氧氣空心之間如圖5所示，優選如果在第一平面2上的天然氣噴頭21之一移到第二平面4上或靠近它，并與每個氧氣噴頭23，24保持基本相等距離，則火焰穩定性能大大改進而不影響火焰的亮度和火焰的長度。另兩個燃料空心20，22保持不變的位置。如果安裝3個氣體空心20，21，22和2個氧氣空心23，24，優選2個天然氣空心20，22在第一平面2，2個氧氣空心23，24在第二平面4，第三個天然氣噴頭21靠近或位于第二平面4，優選位于與每個燃料空心等距離，所述距離優選小于或優選至多與兩個氧氣空心的距離相等。近似地天然氣流量的三分之一可從第一平面分出以改進火焰的穩定性。在第一平面2和第二(氧化劑)平面4之間產生一個穩定的燃燒區，它引發了在主燃料片上方的燃燒。對于穩定天然氣輔助噴頭優選的位置是氧氣空心之間的中間平面。在天然氣流速為44m/s，氧氣流速為16m/s，距離h為8cm，和α＝10°的條件下，當輔助天然氣噴頭位于氧氣空心正中間時，NOx排放(63ppm)比輔助天然氣噴頭靠近一個或另一個氧氣時NOx排放(74ppm)來得低。但在兩種情況，NOx排都較低。
改變角度α有利于增加向面對第一平面的壁的傳熱。現在發明將角度α從0°增加到10°在靠近第一平面2的壁與對面壁之間的溫差從0℃增加到27℃。在α＝20°時，溫差為32℃。
因此，本發明的燃燒系統可用來提高向熔爐中物料傳熱并降低熔爐峰溫度。
按照本發明另一個實施方案，火焰穩定性同樣得到改進，如果輔助氧氣噴頭25安裝在燃料空心20，22的第一平面2上，如圖6所示。(如圖5所示的相對位置，同樣適用于該氧氣噴頭和氣體空心)。在該結構中，在第二平面4有2個燃料空心20，22，在第一燃料平面2有1個氧氣噴頭25。
從上述燃燒系統的操作的描述中可看出，通過改變氧空心的第二平面4和燃料空心第一燃料平面2之間的角α可改變火焰的長度。通過在氧空心附近燃料的輔助噴射或在燃料空心附近氧的輔助噴射在火焰長度的調整范圍內提高并維持了火焰的穩定性。改變兩個火焰之間的角度也能用來增加向熔爐中物料的傳熱，從而改進燃料燃燒的效率。對于玻璃熔爐，在熔爐的某些區域的補充傳熱對提高熔融玻璃的對流循環和/或增加熔爐中熔融玻璃的停留時間是有用的，這改善了玻璃的質量。
本發明燃燒系統可用來，例如代替現存熔爐中的空氣—燃料燃燒系統，和/或在新熔爐中用作能量的主源。
按照本發明的第三個方面，提供一種燃燒器，它有與側壁略成一定角的氧化劑出口，在它們的未端(即在出口面10上)通常被修整過優選為圓頭型。相當驚奇地發現有一定角的出口使氧氣流動，從而火焰更寬并可防止燃料未燃燒排出。另外，圓形邊緣引起更小的擾動，從而可更好地對火焰形狀控制。
事實上，獲得特定類型火陷形狀是最重要的，而且最好能按客戶要求調整火焰形狀。
本發明的這些和其他方面可進一步參照圖7-12描述。
示于圖7中優選的燃燒器裝置的主要部件是1)耐火磚5；2)固定支架裝置72；3)燃料分配器74，位于固定支架裝置底部，和4)氧化劑分配器76，位于固定支架裝置頂部。燃料經進口78加入。氧化劑經進口80加到燃燒器裝置中。
在圖8a(平視圖)，8b(端視圖)和8c(側視圖)中，燃料和氧化劑空心是穿過耐火磚5的直孔。每個氧化劑空心和每個燃料空心的氣體出口在氣體出口面10為圓形邊緣，與直邊緣相反。圓形邊緣降低了從磚射出的氣流和周圍氣氛之間的速度梯度，從而防止了含在周圍氣氛中顆粒物或揮發性物在空心出口附近的積累，這種積累將最終改變空心的幾何形狀。對于天然氣空心這特別重要因為天然氣的熱裂解和焦炭沿積物在耐火磚天然氣出口處的形成加重了積累過程。這樣改變了熔爐中的流動方向。
用于燃料的底部空心成發散角β以將燃料氣體以片狀模型分散。示于圖8(a)的角β為5°。從大量的模擬試驗結果發現通過增大天然氣空心的角度可增大火焰寬度。例如β＝7.5°產生的火焰較β＝5°寬，同時不會明顯地降低火焰長度。
示于圖9a(側視圖)和9b(平視圖)的耐火磚有5個空心在底部的用于噴燃料到熔爐中的3個空心和在頂部的用于氧化劑噴射的2個空心。示于圖9a和9b的耐火磚5優選為整塊耐火材料，有多個空心或穿通的孔如空心91和92用于氧化劑，空心94，96和98用于燃料。在示于圖9a和9b的實施方案中，注意氧化劑空心91和92最初彼此平行且與燃料空心(見91a和92a)平行，但然后彼此成2Θ 角并與燃料空心成μ角。另外注意到燃料空心94和98(在磚5兩側的2條線)與中心燃料空心96成一個角，優選也為Θ。這種設計可比圖8所示實施方案使燃料空心彼此靠得更近。當燃料為燃料油時，靠近的燃料出口可能更有用。
用作耐火磚的適宜材料為熔融氧化鋯(ZrO2)，熔融澆注AZS(氧化鋁-氧化鋯-氧化硅)，再粘接AZS或熔融澆注氧化鋁(Al2O3)。特定材料的選擇在其它參數不變時取決于在玻璃塔中熔融玻璃的類型。
當某種物質堵塞氣體出口時，示于圖8的直空心很容易清除。然而空心偏離幾個厘米便足以給燃料氣體料流提供一轉向角。這類空心設計示于圖10a(僅為氧化劑空心的平視圖)，10b(氧化劑和燃料空心的平視圖)，10c(后端視圖)和10d(側視圖)，對于氧化劑空心。氧化劑空心91和92每一個包括兩條直流徑91a和92a，最初平行，然后在靠近出口(流徑)向外成一小角。小角度的目的是使氧化劑以類似于燃料氣噴射的方式向外流動。在實驗室和現場試驗中，成一定偏角的氧化劑(在試驗中使用氧氣)空心提供了更穩定的火焰且通過增寬火焰寬度而不會明顯降低火焰長度對燃燒器操作更有利。優選的結構是兩個氧化劑空心間在它們的出口處的夾角等于兩個側燃料氣空心間的夾角。
示于圖11a-e申的實施方案類似于示于圖10中的實施方案，不同不處在于圖11e說明2個側燃料噴頭在靠近出口處向外成一小角，這樣兩個氧化劑空心9lb和92b如同兩個側燃料噴頭94b和98b一樣在靠近出口面10向外轉向。
從圖8，10和11可看出氧氣空心優選與天然氣空心向下成一定角。示于附圖中的角為10°。在某些情況下，可使用更小的角(如7.5°)。同樣空心偏離幾英寸足以使氧氣噴射流和天然氣噴射流有一匯聚角。
示于圖12中的燃燒器裝置包括一個由兩部分制成的固定支架，它安裝在耐火磚5的上部和下部，通過用螺栓擰入到板P中而緊固在一起。固定支架裝置放入耐火磚的垂直凹槽G1和G2中，一旦螺栓60和61就位，它就牢固地連到磚上。
圖12的氧化劑分配器30用螺栓32和板34直接安裝到固定支架裝置上。分配器和磚之間的氣密性由密封墊36來確保。分配器包括一塊板38，其上焊有氧化劑噴頭40和41。當安裝到燃燒器上時，氧化劑噴頭伸到燃燒器磚5的空心中并停止在距磚出口面10有10cm(4英寸)處，在可由氧化劑空心幾何尺寸引起的流動方向變化之前。
燃料氣體分配器50用快速聯結夾53a和53b安到板52上。板52用螺栓54a和54b連到固定支架上。板52和耐火磚5之間的氣密性由密封墊56來確保。3個氣體噴頭58a，58b，和58c伸到耐火磚5中并停止在距磚5出口面10有10cm(4英寸)處，在可由燃料氣體空心的幾何尺寸引起的流動方向變化之前。燃料氣體噴頭的進口頭被固定在噴頭60和板52之間。燃料氣體的氣密性由安裝在燃料氣體噴頭進口頭上的O型圈62和64確保。在圖12(d)具體標出了管的密封細節。
圖13a是用于本發明中耐火磚5的透視圖，說明了2個氧化劑空心91a和91b，3個燃料氣空心94a，94b，和94c和一個液體燃料空心95的出口。圖13b是圖13a耐火磚氣體出口端視圖，說明了距離d1和d2，其中d2是含2個氧化劑空心91的軸中線平面(第二平面)和液體燃料空心95之間的距離，d1是第二平面和含3個燃料氣體空心94的平面之間的距離。(注意d1與圖2中的h相等)。圖13c是圖13a耐火磚另一個設計的氣體出口端視圖，說明了一個實施方案其中實際上沒有氣體燃料出口，僅有一個液體燃料出口97(2個氧化劑氣體出口與圖13a的相同)。
發現在本發明燃燒器功率和圖2，13b和22所示的距離d1＝h，d2，d，D，L，21之間有一個關聯式。如果燃燒器氧氣和天然氣出口之間的距離定義為d1，則d1＝A(P/1000)1/2
其中P是燃燒器功率(KW)，和500mm＜A＜150mm。優選的A是110mm，如果d2定義為含燃料氣體出口平面到含液體燃料出口的平行平面間距離，則d2＝d1ρFO/ρNG[(IFO＋IAIR)/ING](10-3)其中IFO＝在空心或噴頭中液體燃料的力量，IAIR＝在噴頭或空心中霧化空氣的動量，ING＝氣體燃料動量，ρFO＝液體燃料比重，和ρNG＝氣體燃料比重。
對于優選的A值和下列動量值IFO＝0.06N，IAIR＝1.79N，ING＝1.56N，ρFO＝0.9kg/dm3，和ρNG＝0.74kg/dm3，可獲得表1所列尺寸值。
表1.燃燒器功率
表14是按本發明另一個燃燒器裝置實施方案，沒有耐火磚的燃燒器裝置側視圖，有僅僅一個穿過并固定在熔爐或玻璃熔融塔壁100上的氧化劑噴頭102和燃料噴頭104。所示氧化劑噴頭是直的，沒有角度變化，但是噴頭當然最初可以是與燃料噴頭平行的，然后變化方向，以使得燃料和氧化劑在燃燒室混合。當燃料為液體燃料時，也可使用該實施方案。該方案及示于圖17的實施方案是有用的因為燃料和氧化劑可被在燃燒室中燃燒的燃料預熱，增加燃料燃燒效率。
圖15是耐火磚的平視圖，示出了空心(氧化劑或燃料)91a和91b；圖16是圖15的耐火磚的平視圖，示出了在空心中有短噴頭102a和102b的實施方案；和圖17是圖15的耐火磚的平視圖，示出了有伸出空心外的長噴頭102a和102b的實施方案。
II.液體燃料霧化的詳細說明圖18是用于本發明的液體燃料霧化器200的剖視圖。
正如在
背景技術：
部分所述，本發明的這一方面落在液體燃料霧化的第三種方式范圍內，它描述了一個完整的設備，使得利用氣體流體和將該設備用到燃燒器如描述在本文中的本發明燃燒器裝置有可能控制液體燃料的霧化。
在本發明中，雖然用于加入流體的幾何形狀似乎是相似的，加到燃燒區的流體是霧化氣體和液體燃料液滴的兩相混合物。此外，本發明的具體特征在于霧化發生在噴嘴外(外部霧化)并且可以形成有高相對角(5°到30°)的清晰噴霧噴射流。
對操作在高溫燃燒區(1400℃到1700℃)的液體燃料霧化器的基本約束是它的壽命，另外，在該噴頭出口產生的火焰保持在甚至更高的溫度下仍是敏銳的火焰。在任何情況下，這些高溫都不應引起包括該設備的部件的損壞。該設備必須在這些條件下連續起作用并且檢修頻率為數月一次。
本發明液體燃料霧化器能確保產生一個寬火焰，一個長火焰或同時產生幾個短火焰。
用于本發明霧化器的霧化原理是外霧化法。這種選擇主要是由用于第三代燃燒器(帶有分開噴射系統的自冷燃燒器)中噴頭的耐熱性和維修的約束決定的。實際上，在這種類型燃燒器中燃料噴頭可能達到的溫度值遠高于第一代和第二代燃燒器中溫度值。
這些溫度值因此不允許燃料噴霧流與高溫金屬部分直接接觸。這種接觸不可避免地造成在噴頭邊緣焦碳的形成并在短時間內堵塞該邊緣。
外霧化法是能克服這一困難并確保噴頭運轉頻率在數月的唯一霧化方法。實際上，這種霧化法的特征在于噴霧在噴射器外部形成，從而避免了噴霧流與金屬部分的接觸。
此外，正如我們從設備描述中看到的，液體燃料一直被霧化流體“覆蓋”，霧化流體被優先加熱，因而吸收了傳輸給噴頭的熱流。通過起冷卻傳熱流體的作用，霧化流體從而防止了液體燃料的過熱，因而不會有焦炭形成的開始。
A.本發明液體霧化設備的描述(圖18)本發明的霧化設備的特征在于一種液體燃料噴頭，和一個完全包圍該噴頭的外部噴嘴。
為便于清潔霧化設備，該外部噴嘴由兩個對稱的罩組成，當兩個罩面對面安裝時，完全包住了液體燃料噴頭并形成該外部噴嘴。
參照圖18-19。在圖18中，液體燃料噴頭200由一個內徑DOI和外徑DOE的中空圓柱體構成，其末端有一定數目的中空普通管C1，C2和C3。液體燃料輸送到直徑DOI的圓柱體中，然后進入所有中空管的內部以從外部淹沒液體燃料噴頭(燃燒室側)。普通管的數量為2到5(通常為2或3)。所有普通管的軸線都在同一平面(“噴霧平面”)；該平面含中空圓柱體(DOI；DOE)的軸線。
在圖18及對其的討論中，帶字母“i”上標的符號指“普通霧化器i”其中i可為1，2，3，4，或5，取決于霧化器上安裝的普通噴頭的數目。
每一個中空管都有一個內徑D1i(液體燃料流入其中)和一個外“徑”D2i。普通管的外部形狀不必須是圓柱形它可為帶正方形截面的平行六面體。這時，D2i是正方形側邊，該側邊平行于“噴霧平面”。
每一個普通管都有一個相對于圓柱體(DOI；DOE)軸線的傾角α1i；該角位于“噴霧平面”上。
這些普通管的長度(圓柱體(DOI；DOE)和普通管端之間的距離)是L1i。
B.外部噴嘴的描述(圖19a和19b)外部噴嘴是由中空圓柱體(內徑DFI和外徑DFE)形成，它被局部放大。噴嘴局部的內部被通道穿過，通道被直徑DFI的圓柱體包住。通道的的數目等于液體燃料噴頭中普通管的數目。所有這些通道的軸線都位于“噴霧平面”上，該平面也包含圓柱體(DFI，DFE)的軸線。
通道長度為L2i和直徑為D3i。通道的形狀與燃料噴頭普通管形狀相同它可為圓柱形或帶正方形截面的平行六面體(在前一種情況下，D3i是圓柱體的直徑，在后一種情況下，D3i是正方形側邊的長度，該側邊平行于“噴霧平面”)。
每一個通道有一個相對于中空園柱體(DFI；DFE)的軸線的傾角α2i；該角位于“噴霧平面”內。
中空圓柱體(DOI；DOE)與中空園柱體(DFI；DFE)同軸線。
霧化流體被輸送到外部噴嘴的內部和液體燃料噴頭的周圍。
C.“普通霧化器”的細節(圖18)普通霧化器由下列部件組成一根中空管，液體燃料從其內流過。該管的外部是圓柱形或帶正方形截面的平行六面體；該管的內部幾何形狀是圓柱形。
一種車削過的通道，中空管置于其中。該通道的幾何形狀與中空管的外部幾何形狀相同。霧化流體在通道中沿中空管周圍循環。
為由霧化流體對液體燃料提供外部霧化，所有組成本發明霧化設備的普通霧化器都必須滿足精確的技術標準。
對于每個普通霧化器i，其中根據本發明霧化設備具有的普通噴頭的數i可為1，2，3，4或5，滿足下列標準1.為防止液體燃料循環的中空管的堵塞D1i≥0.5mm且通常D1i＝2mm。
2.中空管壁厚必須盡可能小以為了當液體燃料從管中流出時沿管周向流動的霧化流體立即剪切燃體燃料噴射流將燃料與霧化流體隔離開來的材料的厚度越小，兩種流體的接觸越迅速，從而兩種噴射流的剪切越有效。此外，降低管的厚度也有利于形成有低立體角的噴霧流體的形式。
3.最后，該厚度的降低也有利于降低遭受來自燃燒室熱輻射物質的量管壁厚越溥，管所吸收的熱量越有限。管的溫度因而越低。
另一方面，該厚度必須有足夠的機械強度以耐在霧化設備操作時產生的震動。
D2i－D1i≤6mm，且通常和優選D2i－D1i＝1mm。
在中空管外部和通道內部(“火焰”)之間的空隙必須成比例以使得霧化流體速度(V霧化流體)滿足關系馬赫數0.3≤V霧化流體≤馬赫數≤1.2因此，根據欲霧化燃料的傳輸速率，應滿足下列關系0.2mm≤(D3i－D2i)≤6mm，且通常(D3i－D2i)＝1mm，每一個普通霧化器的目的是以精確方向噴出液滴噴霧流。該方向是通道和液體燃料中空管的軸線的方向。
為確保組成霧流的液滴流徑的精確定向，必須讓通道和中空管精確地同軸，這樣標準為α1i＝α2i。
此外，中空管長度和通道的長度必須足以確保在它們的管中建立兩種流體的流動。如果希望兩個流體進入燃燒室，它們各自速度矢量的軸向分量有相同的定向，優選L1i≥5D1i且通常L1i＝10D1iL2i≥5(D3i－D2i)且通常L2i＝15(D3i－D2i)D.在不同普通霧化器中流體的分布為確保液體燃料在組成設備的不同的普通管中的適當分布，要滿足的標準是DOI2≥1.3∑iD1i2且通常DOI＝4mm。
此外，不同管的長度必須盡可能互相接近若i和j是兩個普通霧化器，則L1i＝L1j。
根據是否希望或不希望分配不同液體燃料傳輸速率到每一個普通管，人們可能選擇或可能不選擇D1i值具體到每一個普通管。D1i越大，普通霧化器i帶的燃料越多。
為確保霧化流體在組成設備的各種普通管的適當分布，要滿足的標準是DEF2－DOE2≥1.3∑i(D3i2－D2i2)此外，不同管的長度必須盡可能彼此接近若i和j是兩個普通霧化器，則L2i＝L2j。
E.不同普通霧化器之間的相對角有3個普通霧化器的設備的實施例(圖18)不同普通霧化器之間的相對角是組成霧化設備的普通霧化器數目和希望獲得的火焰形態的函數，這樣0≤α1i≤50°和0≤α2i≤60°。
通常，普通霧化器數目越多，這些普通霧化器之間的相對角越大，火焰將越寬且短。相反，有兩個帶低相對角(10°即α11＝α22＝5°和α12＝α22＝5°)的普通霧化器的霧化設備將產生一個長而直的火焰。
借助實施例，在玻璃熔爐和在帶有兩個霧化設備每個有三個普通霧化器的中試熔爐中的工業試驗獲得下列火焰燃料流傳輸速率＝100kg/h；霧化空氣傳輸速率＝20kg/h。
設備A(圖18)α11＝α21＝16°；α12＝α22＝0°；α13＝α23＝16°D11＝D12＝D13＝2.0mm.
可見火陷長度＝3.5m.
可見火陷寬度＝1.5m.
設備B(圖18)α11＝α21＝12°；α12＝α22＝0°；α13＝α23＝12°.
D11＝D12＝D13＝2.0mm.
可見火陷長度＝4.5m.
可見火陷寬度＝0.7m.
根據普通霧化器的相應角度和帶液體燃料中空管的相對直徑，對于每個普通霧化器也可獲得獨立的火陷。
這樣在相同的燃料油和霧化空氣傳輸速率下，可有設備C(圖18)α11＝α21＝20°；α12＝α22＝0°；α13＝α23＝20°D11＝D12＝D13＝2.0mm.
3個獨立的可見火陷長度＝1.5m3個獨立的可見火陷寬度＝0.5m。
F.有關在玻璃熔爐中使用的霧化設備的外部噴嘴的附加特征(圖19a和19b)當該設備連續用于玻璃熔爐(燃燒室具有1500℃到1670℃的高溫)時，本發明的霧化設備必須能確保產生一個有幾個月的穩定的火焰。選擇的霧化原理應盡可能保持組成該設備的金屬部件的溫度小于11000℃。這樣，在于600℃的玻璃熔爐進行一個月工業試驗期間在設備的邊緣測量的溫度未超過800℃。
這樣溫度，相對于玻璃的熔融溫度(～1350℃)它們不很高，提高了玻璃熔爐中玻璃質物質的冷凝現象。
為避免在外部噴嘴上玻璃冷凝層的形成，兩個對稱的孔板安裝在噴嘴上(圖19a和圖19b)。直徑DOR和高度HOR的確定以使得從孔板噴出的霧化流體的噴射流覆蓋外部噴嘴的端整個表面。
通常DOR～1mm和HOR～10mm。
G.在固定的幾何形狀下火焰長度的控制對于給定幾何形狀的本發明的霧化設備，由使用該設備的燃燒器產生的火焰的長度可能有相當大的變化。當該設備用于玻璃熔爐中時，觀察到的撓性(用在燃料傳輸速率不變時火焰長度表示)相當于1∶3的比值(火焰長度從3.7到1.2m)。
火焰長度的這種控制是通過增加或減少流過外部噴嘴和液體燃料噴頭之間的霧化流體的傳輸速率來完成的，這種傳輸流率的變化直接與霧化設備上游的霧化流體的壓力變化有關。
在普通的使用中，這種設備在霧化流體壓力為1和6巴之間起作用。霧化流體的壓力越高，霧化流體的傳輸速率也越高，所得的火焰也將越短和越“猛烈”。這種現象直接歸結于組成噴霧流體的液體燃料液滴粒徑分布的變化增加霧化流體的傳輸速率將會降低平均噴霧液滴直徑并使直徑在該平均值附近的分布變窄。相反，降低霧化流體的傳輸速率將會增加平均直徑同時使該分布變寬。
液體燃料燃燒的整個機理揭示了三個特征時間，根據它們各自的份量，這三個時間完全決定了由給定霧化得到的火焰的類型。這三個特征時間是蒸發時間，化學時間和流體動力時間。獲得在小液滴直徑附近的窄粒徑分布導致液滴蒸發時間的下降，因為化學時間幾乎不變從而增加了突爆燃的迅速性。由這類分布(高霧化流體的傳輸速率)表征的噴霧流因而將產生一個典型的快速燃燒和空間上很定域的短火焰。
優選使用加壓霧化流體如加壓空氣，蒸汽水蒸汽等。
III.其它燃燒器裝置實施方案圖20a是耐火磚5及其燃料氣空心94的示意圖，而圖20b是空心喉管直徑D’和噴頭或空心的氣體出口直徑D的示意圖。對于燃料氣，1(圖2，相鄰燃料氣出口之間距離)與D’(燃料空心或噴頭喉管直徑)之比為1.5到10，更優選1.5到3，最優選2。圖20a也說明了耐火磚空心在氣流方向可有直徑變化，氣體出口通常在出口處整修，以使出口不易被堵塞。
圖21和22是本發明的其他兩個耐火磚實施方案的氣體出口端視圖，示出了氧化劑空心91a和91b。圖21的實施方案說明燃料氣空心94可在每一個空心有幾個同心氣體噴頭，借此例如在低功率操作時，燃料可在小直徑燃料氣噴頭94’中噴射，對于高功率燃燒器操作，燃料可僅流經大直徑燃料氣噴頭94或流徑噴頭94和94’。94和94’之間的燃料流控制可用適宜的閥來完成，或在給94或94’加料管線上使用一個孔板。也示出了液體燃料噴頭。
圖22示出了本發明范圍內另一個重要的耐火磚實施方案，其中當周向氧化劑噴頭91a和91b按所示方式安裝成彼此間隔L距離且L比相鄰燃料噴頭距離l大2倍即L＞2l時，火焰穩定性明顯增加。當燃料和氧化劑僅使用噴頭噴入而不使用耐火磚，情況也是這樣。
圖23-31以正視圖的方式示出了本發明燃燒器裝置的其他實施方案。圖23示出了一個實施方案其中兩個氧化劑空心91a和91b出口為矩形，也示出了3個燃料氣出口94和一個燃體燃料出口95。
圖24示出了一個實施方案其中氧化劑從2個氧化劑出口91a和91b流出，氧化劑也從分別環繞3個燃料出口94’的3個環形部分91’流出。
圖25示出了一個實施方案其中單個氧化劑出口91為矩形，其長度遠大于其寬度。在該實施方案中，氧化劑空心出口的長寬比為1∶1到至多4∶1。
圖26示出了一個實施方案其中2個氧化劑空心91a和91b為橢圓形出口，也示出了3個燃料氣出口94。
圖27示出了類似于圖26的實施方案的實施方案，多一個有圓形出口的液體燃料空心95。
圖28示出了一個實施方案其中有一個橢圓形氧化劑出口91及3個有圓形出口燃料氣空心94被示出。
圖29示出了一個類似于圖28的實施方案的實施方案，多一個圓形出口液體燃料空心95。
圖30示出了一個實施方案其中有一個橢圓形氧化劑出口91及2個有圓形出口的燃料氣空心94被示出。
圖31示出了類似于圖30的實施方案，其中有單個橢圓形氧化劑出口91及2個圓形出口的燃料氣空心94，附加一個有圓形出口的液體燃料空心95被示出。
圖32和圖33示出了實施方案其中氧化劑從一個或多個位于燃料氣出口之上和之下的位置流出。在這些實施方案中，燃料空心基本上平行于下部氧化劑空心，上部氧化劑空心向下偏一定角度以使得上部氧化劑流體流與燃料流體流和下部氧化劑流體流在燃料室匯聚。在圖32中2個氧化劑出口91a和91b分別位于單個燃料出口94。圖33示出了一個類似實施方案，區別在于2個氧化劑出口91a和91b位于2個燃料出口94之上，2個氧化劑出口91a’和91b’位于2個燃料出口之下。為與上部和下部氧化劑出口相對應，多于2個燃料出口也可想像到。
許多其他實施方案是可能的且在本領域技術人員閱讀和理解了上述描述后可以理解這許多其他方案。
重要的是在所有實施方案中氧化劑和燃料出口優選是被整修的，如圖8-11所示。
通過上述的描述，本領域普通技術人員在不偏離本發明精神和范圍可對上述實施方案作出許多變化和改變。
權利要求
1 一種用氧化劑燃燒燃料的方法，該方法以下列步驟為特征a)提供氧化劑流體料流的進料；b)噴所述氧化劑流體料流到燃燒室中以產生至少一種噴射的氧化劑流體料流；c)提供燃料流體料流的進料；d)噴所述的燃料流體料流到燃燒室中以產生至少兩個噴射的燃料流體料流；e)通過噴至少兩種噴射后的燃料流體料流到燃料室中以在燃燒室中產生一個基本上平面狀的燃料流體片，噴射后的燃料流體料流的至少兩股基本上位于第一燃料平面；f)在燃燒室中將氧化劑流體料流與燃料流體片相交；和g)在燃燒室中用氧化劑流體燃燒燃料流體。
2 按照權利要求1的方法，其特征在于兩個相鄰的燃料流體料流有一個不大于15°的最終發散角。
3 按照權利要求1的方法，其特征在于燃料流體料流的大部分基本上位于第一平面，所述的第一燃料平面基本上位于所述氧化劑料流之下。
4 按照權利要求1的方法，其特征在于所有的燃料流體料流基本上位于第一平面，所述第一燃料平面位于所述氧化劑料流之下。
5 按照權利要求1的方法，其特征在于所述的燃料流體是一種氣體燃料。
6 按照權利要求1的方法，其特征在于所述燃料流體選自甲烷，天然氣，液化天然氣，水蒸汽重整的天然氣，丙烷，一氧化碳，氫，霧化的油或它們的混合物。
7 按照權利要求1的方法，其特征在于所述氧化劑流體是有至少50％(體積)氧氣的含氧氣體。
8 按照權利要求2的方法，其特征在于所述最終發散角為3°到10°
9 按照權利要求1的方法，其特征在于大部分氧化劑以定義第二平面的至少兩股氧化劑流體料流被噴射，在所述第二平面中的所述至少兩股氧化劑料流以一定的匯聚角與在所述的第一平面中的所述燃料流匯聚并在燃燒室中與在第一燃料平面上的燃料料流相交。
10 按照權利要求1的方法，其特征在于所有的氧化劑以定義第二平面的至少兩股氧化劑流體料流被噴射，在所述第二平面中的所述至少兩股氧化劑料流以一定的匯聚角與在所述的第一平面中的所述燃料流匯聚并在燃燒室中與在第一燃料平面上的燃料料流相交。
11 按照權利要求9的方法，其特征在于所述的匯聚角不大于20°。
12 按照權利要求9的方法，其特征在于兩股相鄰的氧化劑流體料流的最終發散角小于15°。
13 按照權利要求1的方法，其特征在于燃料料流的噴射產生一個擴散角至多120°的燃料云霧。
14 按照權利要求13的方法，其特征在于所述擴散角為10°到60°。
15 按照權利要求1的方法，其特征在于燃料速度至少為15米/秒。
16 一種燃料器裝置，它有至少兩個燃料流體空心，至少一個氧化劑流體空心和至少一個出口面，該出口面為燃料流體空心的至少一個或氧化劑流體空心的至少一個或兩者的終端，其特征為a)供給氧化劑流體料流的設備；b)用所述的至少一個氧化劑流體空心噴所述氧化劑流體料流以產生至少一股噴射后的氧化劑流體料流的設備；c)供燃料流體料的設備；d)用所述的至少兩個燃料流體通道噴所述燃料流體料流以產生至少兩股噴射后的燃料流體料流；和e)其中氧化劑流體料流和燃料流體料流的噴射方向在燃燒區基本上匯聚并相交，而至少兩股相鄰燃料流體通道的方向是發散的。
17 一種改善了火焰長度和形狀控制的燃燒器裝置，其特征為一種加工成與氧化劑和燃料源流體連通的耐火磚，該耐火磚有燃料及氧化劑進口端和燃料及氧化劑出口端，出口端有燃料出口和氧化劑出口，該耐火磚還有多個燃料空心，燃料空心的至少兩個確定了第一燃料平面，和確定了第二氧化劑平面的多個氧化劑空心，燃料空心數大于氧化劑空心數。
18 按照權利要求17的燃燒器裝置，其特征在于氧化劑出口數大于燃料出口數。
19 按照權利要求17的燃燒器裝置，其特征在于一個可拆下的接到耐火磚的燃料和氧化劑進口端的固定支架裝置，該固定支架裝置有一個氣體分配面。
20 按照權利要求19的燃燒器裝置，其特征在于安裝在氣體分布面下部的一個燃料分配器。
21 按照權利要求19的燃燒器裝置，其特征在于安裝在氣體分配面上部的一個氧化劑分配器。
22 權利要求17的燃燒器裝置，其特征在于所述耐火磚是選自下列的材料熔融氧化鋯，熔融澆注氧化鋁-氧化鋯-二氧化硅，再粘接的氧化鋁-氧化鋯-二氧化硅，和熔融澆注氧化鋁。
23 權利要求17的燃燒器裝置，其特征在于一個或多個空心上有一個噴頭。
24 權利要求17的燃燒器裝置，其特征在于所述耐火磚有至少5個空心。
25 權利要求17的燃燒器裝置，其特征在于所述耐火磚在其下部有3個空心以噴射所述燃料到熔爐燃料室，在其上部有兩個空心以噴射所述氧化劑到所述熔爐燃燒室。
26 權利要求17的燃燒器裝置，其特征在于所述燃料和氧化劑出口是圓形的。
27 權利要求26的燃燒器裝置，其特征在于所述空心是穿過耐火磚的直孔且空心出口是被整修的。
28 權利要求25的燃燒器裝置，其特征在于在所述下部用于所述燃料噴射的所述3個空心在燃料和氧化劑出口端每一個與相鄰的燃料空心的最終發散角為3°到15°。
29 權利要求25的燃燒器裝置，其特征在于在所述下部用于所述燃料噴射的所述3個空心在燃料和氧化劑出口端每一個與相鄰的燃料空心的最終發散角為3°到10°。
30 權利要求25的燃燒器裝置，其特征在于在所述上部用于所述氧化劑噴射的所述2個空心被固定成在燃料和氧化劑出口端彼此間的最終發散角為0°到15°。
31 權利要求25的燃燒器裝置，其特征在于在所述上部用于所述氧化劑噴射的所述2個空心被固定成在燃料和氧化劑出口端彼此間的最終發散角為7°到15°。
32 權利要求21的燃燒器裝置，其特征在于所述氧化劑分配器用緊固設備直接安裝到所述固定支架裝置上。
33 權利要求20的燃燒器裝置，其特征在于所述燃料分配器用緊固設備直接安裝到所述固定支架裝置上。
34 權利要求20的燃燒器裝置，其特征在于所述燃料分配器是一個單獨的一體化部件，它安裝在所述耐火磚的空心內，所述燃料分配器有多個燃料出口。
35 按照權利要求17的燃燒器裝置，其特征在于每個燃料空心有一個直徑為D’的喉道和直徑為d的出口，燃料空心出口相隔距離l。
36 按照權利要求35的燃燒器裝置，其特征在于所述距離l同最小的燃料空心喉道的所述直徑D’比值為1.5到10。
37 權利要求36的燃燒器裝置，其特征在于所述比值為1.5到3。
38 權利要求36的燃燒器裝置，其特征在于所述比值為2。
39 按照權利要求17的燃燒器裝置，其特征在于比值(l/d)為4到10。
40 按照權利要求17的燃燒器裝置，其特征在于比值(L/D)為2到10。
41 權利要求17的燃燒器裝置，其特征在于有至少一個液體燃料噴頭安裝在比所述第一燃料平面低距離d2，d2定為d2＝d1ρFO/ρNG[(IFO＋IAIR)/ING](10-3)其中 IFO＝空心或噴頭中液體燃料的動量，IAIR＝空心或噴頭中霧化空氣的動量，ING＝氣體燃料的動量，ρFO＝液體燃料的比重，ρNG＝氣體燃料的比重，和所述第一燃料平面和第二燃料平面間隔距離d1，d1＝A(P/1000)1/2其中P是燃燒器容量，用KW表示，和約500＜A＜150mm
42 權利要求41的燃燒器裝置，其特征在于A為110mm和IFO＝0.06N，IAIR＝1.79NING＝1.56NρFO＝0.9kg/dm3ρNG＝0.74kg/dm3和表1所列尺寸值，其中d是氣體燃料出口的直徑，D是氧化劑出口的直徑，L是最遠的氧化劑出口之間的距離，和l是任何兩個燃料出口之間的距離，表1.燃燒器功率
43 權利要求17的燃燒器裝置，其特征在于至少兩個圓周氧化劑空心間隔距離L，所述燃料空心的相鄰者間隔距離l，且其中L比l大至少2倍。
44 權利要求17的燃燒器裝置，其特征在于在所述第一燃料平面的所述燃料流體空心至少一個在所述空心內有一個管，所述管的外徑遠小于所述空心的內徑。
45 權利要求17的燃燒器裝置，其特征在于氧化劑第二平面和所述第一燃料平面安裝成以使它們以0°到15°的角匯聚。
46 權利要求18的燃燒器裝置，其特征在于至少一個空心其上安裝有噴頭。
47 權利要求46的燃燒器裝置，所述噴頭伸到燃燒室中。
48 權利要求46的燃燒器裝置，其特征在于所述噴頭的長度應使其不伸到燃燒室中，而是終止于耐火磚內。
49 一種改進火焰長度和形狀控制的燃燒器裝置，其特征為一種耐火磚，它有燃料和氧化劑的進口端和燃料和氧化劑的出口端且進一步有單個燃料空心和多個氧化劑空心，所述氧化劑空心定義了一個氧化劑平面，該平面位于耐火磚上部且在燃料空心之上。
50 一種改進火焰長度和形狀控制的燃燒器裝置，其特征為一種耐火磚，它有燃料和氧化劑的進口端和燃料和氧化劑出口端，且進一步有多個燃料空心和多個氧化劑空心，所述氧化劑空心的至少2個定義了第一氧化劑平面，該平面位于耐火磚上部且位于定義燃料平面的燃料空心的部分之上，其中至少一些氧化劑空心形成在耐火磚上位置低于第一氧化劑平面的第二平面，其中在第二平面上的至少一個氧化劑空心中裝有一個其直徑小于相應氧化劑空心的燃料噴頭。
51 一種改進火焰長度和形狀控制的燃燒器裝置，其特征為一種耐火磚，它有燃料和氧化劑的進口端和燃料和氧化劑出口端且還有多個燃料空心和單個氧化劑空心，所述氧化劑空心位于耐火磚上部且在燃料空心定義的燃料平面部分之上。
52 按照權利要求51的燃燒器裝置，其特征在于氧化劑空心有非圓形出口。
53 一種燃燒器裝置，其特征在于a)定義了第一平面的至少兩個燃料噴頭；b)至少一個氧化劑噴頭；和c)一個壁，經該壁氧化劑和燃料噴頭伸入到燃燒室中，可拆下的噴頭固定在壁上，其中氧化劑噴頭以向燃燒室的第一平面匯聚的匯聚角為0°到15°被安裝。
54 一種改進了火焰長度和形狀控制的燃燒器裝置，其特征為一種耐火磚，它有燃料和氧化劑的進口端和燃料和氧化劑出口端且還有至少一個燃料空心和至少兩個氧化劑空心，所述氧化劑空心的至少一個位于耐火磚上部并在燃料空心之上，所述氧化劑空心的至少一個位于耐火磚下部并在燃料空心之下。
全文摘要
公開了改進火焰長度和形狀控制的燃燒器裝置，包括至少一個燃料流體進口和至少一個氧化劑流體進口，輸送燃料流體的設備，離開燃料出口的燃料流體，輸送氧化劑流體的設備，離開氧化劑出口的氧化劑流體，燃料和氧化劑出口空間上隔開，和幾何上的布置使得燃料流體料流和氧化劑流體料流的角度和速度允許用氧化劑以穩定寬廣和明亮的火焰燃燒燃料流體。
文檔編號F23M5/02GK1148151SQ96110279
公開日1997年4月23日 申請日期1996年7月16日 優先權日1995年7月17日
發明者L·C·菲利普, H·A·波爾德斯, K·A·穆德倫克, P·波德林, P·里庫爾特, L·奧加拉恩, R·特希亞瓦, B·杜比, L·里奧 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司