技术领域
[0001] 本
发明涉及适用于在燃烧区中燃烧
燃料和气态
氧化剂的燃烧器。
背景技术
[0002] 用于向例如加热炉提供热量的常规燃烧器在加热炉壁中固定就位，并且将从燃烧器发出的火焰或燃烧反应引导到加热炉内的燃烧区中的固定点。许多燃烧器具有控件以用于将火焰的形状从例如长而稀薄的火焰改变为短而浓密的火焰，以便更好地将燃烧器所提供的加热与加热
炉料所需的要求相匹配。然而，有时需要或期望改变燃烧器火焰的方向。例如，在废金属的
熔化中，期望改变火焰的方向以直接向未熔化的废料提供热量，而不是等待传导和
对流从燃烧区内的引导火焰的区域向未熔化的废料提供热量。
[0003] 美国
专利5,110,285公开了一种改变燃烧器的火焰方向的方法。然而，根据该专利的教导的操作存在遇到操作
缺陷的
风险，诸如燃烧器
喷嘴过热和/或来自加热炉的燃烧副产物堵塞燃烧器末端的孔。
[0004] 本发明通过允许有效操作的特征的组合避免了这些风险，并同时保留改变燃烧器火焰方向的能
力的优点。
发明内容
[0005] 本发明的一个方面是燃烧器装置，包括：
[0006] (A)燃烧器主体，该燃烧器主体具有：
[0007] 燃烧器主体内的中心通道，该中心通道具有上游端以及在燃烧器的下游端处开放的轴向相对的下游端，其中中心通道的截面直径在朝向下游端的方向上增加；
[0008] 在燃烧器的下游端中的多个第一端口，该多个第一端口围绕中心通道的下游端基本上均匀地
定位，其中第一端口通过燃烧器的主体内的第一通道连接到能够通过其送入第一流体的一个或多个入口，
[0009] 以及在燃烧器的下游端中的多个第二端口，该多个第二端口围绕中心通道的下游端基本上均匀地定位，其中第二端口通过燃烧器的主体内的第二通道连接到能够通过其送入第二流体的一个或多个入口，第一通道和第二通道彼此分开；
[0010] 其中第一端口和第二端口基本上均匀地远离中心通道的中
心轴线；
[0011] 并且其中中心通道、第一端口和第二端口是燃烧器装置中的唯一开口，流体能够通过开口流出燃烧器装置的下游端；
[0012] (B)流体腔，该流体腔在其下游端处与燃烧器的中心通道的上游端连通，所述流体腔在所述连通点处具有足以使得穿过其的流体能够具有超音速的直径D，所述中心通道的从所述连通点到其下游端的长度为2D至9D并优选3D至9D；
[0013] (C)多个偏置气体通道，偏置气体能够沿基本上垂直于流体腔的轴向中心线的方向通过该多个偏置气体通道送入流体腔中，所述通道具有直径d以使得d/D在0.18至0.75的范围内，所述通道在流体腔与中心通道的上游端之间的连通点的上游3d/4至下游d/4的范围内的点处与流体腔连通，其中D和d以相同的单位表示；
[0014] 和(D)壳体，该壳体围绕燃烧器的下游端并且在壳体的围绕燃烧器的下游端的端部处开放，其中壳体的开放端定位在燃烧器的下游端下游的距离L处，其中L是跨壳体的开放端的距离的至少25％，其中壳体的在燃烧器的下游端下游延伸的部分包括其中的通道，冷却剂能够通过通道流动以吸收在燃烧器处发生的燃烧所产生的热量。
[0015] 本发明的另一个方面包括燃烧方法，包括：
[0016] (A)通过燃烧器的第一端口将燃料从根据上述描述的燃烧器的下游端送出；
[0017] (B)通过燃烧器的第二端口将气态
氧化剂从燃烧器的下游端送出；
[0018] (C)通过上述燃烧器的流体腔送入气态氧化剂并使其通过和离开燃烧器的中心通道的下游端，其中气态氧化剂以至少400英尺/秒并优选至少500英尺/秒的速度流过流体腔以在邻近中心通道的表面的一部分建立减压区；
[0019] (D)燃烧燃料和气态氧化剂；以及
[0020] (E)在流体腔与中心通道的上游端之间的连通点的上游3d/4至下游d/4的范围内的点处，沿基本上垂直于穿过流体腔的气态氧化剂的流动方向的方向，周期性地或连续地将具有直径d的偏置气体流注入流体腔中，其中D和d以相同的单位测量，由此改变气态氧化剂从中心通道的下游端离开的流动方向。
[0021] 如本文所使用，术语“燃烧区”意指气态流体从燃烧器出口传递到的容积。
[0022] 如本文所使用，术语“基本上垂直”意指在正或负15度内。
[0023] 如本文所使用，如果从通过每个端口中心的中心通道的中心轴线起的每对相邻半径之间的
角度均在(360/N)的5度内(其中N是端口的数量)，则端口围绕中心通道“基本上均匀地”定位；并且如果每对相邻半径之间的角度在(360/N)的1度内，则端口围绕中心通道“均匀地”定位。例如，在有12个端口的情况下，如果每对相邻半径之间的角度为25度至35度，则认为它们围绕中心通道基本上均匀地定位；并且如果每个这样的角度是29度至31度，则认为它们均匀定位。
[0024] 如本文所使用，一组端口“相对均匀地远离”中心通道的中心轴线意指，参考其中心最靠近中心通道的中心轴线的端口，该组中的其他端口中的任一个都没有完全在其中心位于中心轴线上并且其半径是到该参考端口的最外边缘的距离的圆之外，并且如果参考该参考端口，该组中的其他端口中的任何部分都没有在其中心位于中心轴线上并且其半径是到该参考端口的最外边缘的距离的圆之外，则一组端口“基本上均匀地远离”中心通道的中心轴线。
附图说明
[0025] 图1是本发明的燃烧器装置的一个实施方案的前视图。
[0026] 图2A是在由图1中的线A-A限定的平面中观察的燃烧器的截面图。
[0027] 图2B是在由图1中的线B-B限定的平面中观察的燃烧器的截面图。
[0028] 图3是燃烧器装置的截面图，示出了本发明的附加实施方案。
具体实施方式
[0029] 本发明可以用于其中燃料和氧化剂燃烧以产生用于加热、
软化或熔化材料的
燃烧热的任何应用。示例包括焚烧炉、玻璃熔炉(其中固体玻璃制造材料熔化)、
钢再热炉、炼钢
电弧炉、用于生产
水泥的窑等。下面参考附图详细描述本发明。
[0030] 图1描绘了本发明的燃烧器装置的下游端，包括燃烧器1的下游端2和壳体4的下游端3。术语“下游”和“上游”出于参考目的用于描述燃烧器装置的部件的相对
位置，而不意味着流体必须在装置中流动。中心通道5在燃烧器1的下游端2处开放并且延伸到燃烧器1的主体中。第一端口6和第二端口7在燃烧器1的下游端2中开放。包括燃烧器1和壳体4的燃烧器装置由能够承受在加热炉中的燃料燃烧中遇到的
温度(优选地高达500℃)的材料(诸如
铜合金)制成。
[0031] 优选地，端口6围绕中心通道5的中心轴线基本上相对于彼此均匀定位，并且端口7围绕中心通道5的中心轴线基本上相对于彼此均匀定位。更优选地，所有端口6围绕通道5的中心轴线相对于彼此均匀定位，并且所有端口7围绕通道5的中心轴线相对于彼此均匀定位。
[0032] 端口6相对于彼此优选相对均匀地远离，并且更优选地，它们基本上均匀地远离中心通道5的中心轴线。端口7相对于彼此优选相对均匀地远离，并且更优选地，它们基本上均匀地远离中心通道5的中心轴线。甚至更优选地，考虑到所有的作为一组的所述端口6和7，所有第一端口和所有第二端口基本均匀地远离通道5的中心轴线。
[0033] 可以存在4到20个第一端口，优选8到14个。可以存在4到20个第二端口，优选8到14个。图1描绘了端口的优选布置，其中一个第二端口位于每对第一端口之间。还优选的是其中所有第一端口相对于彼此与中心通道5的中心轴线相距相同距离，并且所有第二端口相对于彼此与中心通道5的中心轴线相距相同距离的布置。还优选的是其中所有第一端口的中心和所有第二端口的中心与通道5的中心轴线相距相同距离的布置。在图1中示出了这种布置。第一端口和第二端口的轴线应当被定向成使得气体从端口流出到燃烧区23中，优选地平行于中心通道5的轴线、或相对于中心通道5的轴线以高达10度或甚至高达45度的角度。
[0034] 流体(意指气体、液体、固体及其任何组合)可从本发明的燃烧器装置进入燃烧区23的唯一开口或空间是中心通道5、第一端口6和第二端口7。也就是说，在燃烧器1的外表面与壳体4的内表面之间没有其他间隙或开口。
[0035] 现在参照图2A和图2B，本发明的燃烧器装置被示为已经通过加热炉的壁21安装，使得它可以将燃料和氧化剂提供到它们进行燃烧的燃烧区23中。燃料在一个或多个入口16中被送入并通过燃烧器1的主体中的通道26到达第一端口6。如下所述，氧化剂被送入入口31并进入流体腔35，并且然后向前进入通道5并然后从通道5离开到燃烧区23中。稳定氧化剂在一个或多个入口17中被送入并通过燃烧器1的主体中的通道27到达第二端口7。壳体4延伸超出燃烧器1的端部达距离L，该距离L是跨由壳体4的下游端限定的开口的直径W的至少25％。
[0036] 诸如水的冷却剂循环进出开口25并通过存在于壳体4的至少一部分中的冷却剂通道24，这些冷却剂通道沿下游方向延伸超出燃烧器1的下游端。冷却剂通道24应当优选均匀地分布在壳体4的至少一部分上，以提供更均匀的热吸收。本发明的特征的组合使得能够进行燃烧操作而在燃烧器1的下游端不会遇到过高的温度。优选地，冷却剂以一定流速循环通
过冷却剂通道24，该流速在燃烧器的前面处保持不高于400F的温度。
[0037] 燃料可以是任何可燃流体。优选燃料的示例包括甲烷和
天然气。其他示例包括
焦炉煤气、
合成气和用气体(诸如空气或氮气)雾化的
燃料油。氧化剂应当是气态的，并且其氧气浓度可以从空气的氧气浓度至技术纯氧气(具有99.5％或更高的氧气浓度)的氧气浓度。本发明特别适用于氧浓度至少为30％的氧化剂。
[0038] 偏置气体在41处送入并穿过
阀门(由49表示)并然后到达两个或更多个供应管线(其中两个显示为42和43)，其出口(分别为44和45)将偏置气体传送到流体腔35中。通过阀45的操作，偏置气体被供应到供应管线42或供应管线43或任何其他供应管线(如果存在多于两个的话)中或者完全关断。合适的偏置气体包括不与燃烧器单元或加热炉反应的任何气体或气体混合物。优选的示例包括氮气、氩气和氧气，以及其任何两种或全部三种的混合物，包括空气和富氧空气。氧气是特别优选的，因为已经存在用于与该燃烧器一起使用的氧气供应，并且因为氧气可以参与燃烧区域23中的燃烧。
[0039] 图3描绘了中心通道5的替代配置，以及出口44和45的替代位置。参照图3，流体腔35包括具有入口36和出口37的受限流动区域35，其直接连通到通道5的上游端。在图3的实施方案中，通道5是锥形的，而图2A和图2B所示的实施方案是喇叭形的。在两个实施方案中，通道5限定沿下游方向朝向燃烧器1的下游端2向外扩展的截面区域。
[0040] 在图2A、图2B和图3的实施方案中，由流体腔35限定的受限流动区域在其与通道5的上游端连通的点处具有直径D。通常，D在0.125至1.5英寸的范围内，并且通常D在0.125至1.0英寸的范围内；然而，直径D将取决于燃烧率。偏置气体以高速从其源41提供到流体腔35中，通常以至少400英尺/秒或甚至至少500英尺/秒的速度，并且优选地以声速或更高，优选地高达约1400英尺/秒(或更多，甚至高达1700英尺/秒，这取决于所使用的氧化剂流的声速)。在大于声速的速度下，速度是表观射流速度，其被定义为在环境压力下离开孔的体积流速除以孔的截面积。提供到流体腔35中并通过流体腔的高速流体提供邻近通道5的上游端处的表面的减压区。
[0041] 通常，本发明仅从出口44和45中的一个或至少两个出口44和45将偏置气体注入气态氧化剂中。通常，此类出口的数量将在2至8个的范围内。出口应当被定向成沿基本上垂直于穿过受限流动区域的氧化剂的流动方向，即基本上垂直于流体腔35的轴向中心线(其也应当是中心通道5的轴向中心线)的方向，将偏置气体供应到流体腔35中。
[0042] 出口44和45(以及任何附加的偏置气体出口)应当在其连接到流体腔的位置处具有直径d，使得比率d/D在0.18至0.75的范围内，优选在0.18至0.25的范围内。通常d将在0.10至0.15英寸或甚至高达0.20英寸的范围内。在一些情况下，可以优选的是，出口44和45或流体腔35与通道5的上游端之间的连通点的截面形状将不是圆形的。例如，截面形状可以是椭圆形或矩形槽的形状。在这种情况下，直径D和/或d是限定开口的宽度中的较小者。
[0043] 偏置气体出口与流体腔35连通，使得出口中心位于流体腔35与通道5的上游端之间的连通点的上游3d/4到下游d/4的范围内的一点处。优选地，该范围在从连通点的上游d/2到流体腔35的下游端37与通道5的上游端之间的连通点的范围内。最优选地，偏置气体在该连通点的上游约d/2的点处与流体腔连通。在图3所示的实施方案中，该连通点位于流体腔与通道5的上游端连通的点的上游d/2的点处。
[0044] 气态氧化剂和燃料通过燃烧器1送入并在燃烧区23中燃烧。从中心通道5流出到燃烧区23中的氧化剂包含进入燃烧区23的总氧气的50体积百分比(体积％)至95体积百分比(体积％)，通常约60(+/-5)体积％。从所有第二端口7流出的氧化剂的总量包含进入燃烧区23的总氧气的30体积％至45体积％且通常约40(+/-5)体积％。当如本文所述的那样注入偏置气体时，偏置气体包含从中心通道5离开到燃烧区23中的氧化剂量的1体积％至3体积％(优选1.5体积％至2体积％)。
[0045] 从中心通道5的下游端离开的气体(来自入口31的氧化剂加上偏置气体)的速度通常为400英尺/秒(fps)至1700英尺/秒(fps)，优选为900fps至1400fps的较窄范围。从第二端口7离开的氧化剂的速度通常为400英尺/秒(fps)至1700英尺/秒(fps)，优选为900fps至1400fps的较窄范围。从第二端口7离开的氧化剂有助于稳定和锚定由燃烧器处的燃烧形成的火焰。
[0046] 燃料从第一端口6离开以在燃烧区23中燃烧。优选地，从每个端口离开的燃料的速度为至少600fps，这有助于避免端口被燃料的过早焦化等的任何副产物或被燃烧的任何副产物堵塞的风险。
[0047] 从通道5以及从所有第二端口7进入燃烧区23的氧气(包括任何偏置氧化剂)的总量应当是将从所有第一端口6送出的所有燃料完全燃烧成二氧化
碳和水所需的氧气量的90％至110％(优选接近100％)。
[0048] 本发明的特征是提供基本上垂直于流体腔的轴向中心线的偏置气体，以有效地改变主氧化剂(即，穿过流体腔并穿过和离开中心通道5的氧化剂流)的流动方向。流体腔35有助于实现氧化剂的高速度，这继而导致产生减压区。通常，偏置气体将被提供到过渡点37处或上游的流体腔中，在该过渡点处受限流动区域与中心通道5的上游端连通。与更下游点相反，该提供点使得能够在不遇到不稳定性的情况下更有效地进行高速流的流动方向改变。
[0049] 通过使偏置气体流过图2A和图2B所示的任何一个偏置气体出口(诸如44、45)来控制主氧化剂流出中心通道5的方向。当通过偏置出口供应偏置气体时，通过流体腔35的主氧化剂流将与偏置气流相对以约10度角其自身附着到通道5的内表面上，并且在该内表面之后，以与通道5的中心轴线成诸如约35至40度的角度离开燃烧器1的下游端。锥形和弯曲腔的组合使得针对短喷嘴长度能够产生大的偏转角。使用这种技术，已经实现了主氧化剂流从中心轴线偏转高达90度的角度。
[0050] 当没有提供偏置气体时，主氧化剂行进通过流体腔进入燃烧区23，而在远离通道5的中心轴线的方向上没有变化。然而，当通过例如偏置气体出口44或45将偏置气体提供到流体腔中时，致使主氧化剂流改变方向并沿着从通道5的中心轴线偏离的方向进入燃烧区23。该偏置气流致使主氧化剂流偏转，并且致使主氧化剂流与偏置气体被引导到主氧化剂的位置相对地将自身附着到通道5的壁。这种方向变化被认为是由于进入流体流动射流的流体的不对称抽吸所引起的压力差，因为它靠近壁。当无阻碍时，自由射流将均匀地夹带周围气体并围绕其轴线对称地膨胀。然而，当靠近壁放置时，周围气体的夹带受到壁的存在的限制。这在射流与壁之间产生低压区域，其用于推动流体流以与壁的方向一致。通常，对于有效的方向改变，流体射流上的压力差将为约1磅/平方英寸(psi)或更大。
[0051] 参考图2A示出主氧化剂流的流动方向的改变。当未供应偏置气体时，主氧化剂流沿轴向方向从中心通道5出来到燃烧区23中，这意味着朝向区域23b与通道5和燃烧器1的中心轴
线轴向对准。当向出口44提供偏置气体时，主氧化剂流通过注入的偏置气体的作用从通道5出去并从燃烧器1出去朝向区域23c。当向出口45提供偏置气体时，主氧化剂流通过注入的偏置气体的作用从通道5出去并从燃烧器1出去朝向区域23a。主氧化剂流的流动方向可以从轴向变为与轴成一定角度，并且然后变为不同的角度或变回轴向。这些变化可能是间歇性的或持续的。
[0052] 以此方式，可以改变流入燃烧区23的主氧化剂流的流动方向，而无需调整燃烧器或改变喷嘴。可以在与偏置气体出口一样多的位置之间改变流动方向。高速主氧化剂流在离开流体腔时将有效地夹带通过第二端口7提供到燃烧区中的燃料或者在燃烧区中以其他方式可获得的燃料。因此，尽管主氧化剂被重新定向，燃料和氧化剂仍将沿相同方向流动，并且其在夹带期间的混合将使得能够进行稳定的燃烧。通过适当的点火装置或通过燃烧区内的持续燃烧来发起燃烧。
[0053] 通常，将偏置气体提供到流体腔35中，该偏置气体的流速为主氧化剂流的流速的0.5％-3.0％，或甚至高达4.0％。主氧化剂流的速度可以非常高，同时仍然实现有效的方向改变。当主氧化剂具有通过流体腔的高达1400英尺/秒(fps)或甚至1700英尺/秒(fps)的表观速度时，已经实现了有效的改变。
[0054] 为了实现有效的方向变化，中心通道5从其与流体腔连通的点到其下游端的长度必须足以实现所需的压差。虽然最小有效长度将取决于速度和配置因素而变化，但已经发现，至少2D并优选至少3D的中心通道长度足以产生必要的压差，并且优选地该长度在2.5D至9D的范围内。
[0055] 当通道5的内表面与通道5的中心轴线之间的角度在10至30度的范围内时，本发明将具有增强的效率。当通道5包括与中心轴线形成多于一个角度的表面时，上面提到的相关角度是通道5的上游端处的初始角度。
[0057] 制造和测试如本文所述的燃烧器。一个燃烧器的标称设计燃烧率为3MW，并且另一个燃烧器的标称燃烧率为5MW。每个燃烧器的相关尺寸如下表所示：
[0058]
[0059] *-中心通道的长度是从中心通道与流体腔的连通点到中心通道的下游端测量的。
[0060] 燃烧器在如下表所示的状况下操作：
[0061]
[0062] 这些燃烧器可以在其标称设计燃烧率和除设计率之外的燃烧率下操作。例如，3MW燃烧器也可以1MW和2MW下操作。在每个燃烧器中观察到相当大的流偏转。偏置流的速度基于偏置孔直径。
