氧气/油涡流式燃烧器

本发明涉及一种用于燃烧液体燃料的燃烧器，特别是涉及(但不 是排它的)一种具有很少的NOX排出物并且使用了有助于完全燃烧或 基本上完全燃烧的涡流技术的油燃烧器。

美国专利US-A-3685740中公开了一种属于火箭燃烧器型的 氧气-燃料燃烧器，该燃烧器包括一个具有一个敞开的排出端和一个 喷嘴固定板的圆筒形燃烧室，同时分开的氧气和燃料口构成了燃烧室 的对置端。氧气口的纵向投影轴线沿朝向燃烧室纵向轴线的会聚方向 延伸，但它们是处于与其偏置、不相交的关系，因此在最接近燃烧室 轴线的相应轴线上的各个位置就限定了一个在喷嘴固定板与燃烧室排 气口之间的横向定位的平面。燃料口的纵向投影轴线与燃烧室轴线基 本上平行，以便氧气和燃料在最接近该平面处和在该平面之外处相混 合。设置有用来调整喷嘴固定板在燃烧室轴线上的纵向位置并且由此 确定相对于燃烧室排气口的最接近的平面的位置的装置，从而可决定 燃烧器排出火焰的结构形状。这种燃烧器还包括一个向其末端延伸的 冷却水套，以便在燃烧器工作期间冷却所述的末端。虽然这种燃烧器 能够产生许多不同的火焰结构形状，但这些火焰结构形状往往是混乱 的，因而在某些应用场合并不适合。还应注意的是，所设计的该燃烧 器用于氧气/燃料的充分混合，因而将有完全燃烧的热火焰气体离开燃 烧器。因此，燃烧器的末端将需要冷却，并且由于部分燃烧热量将被 损失在冷却套中的冷却液体中而使却总的燃烧器效率降低。此外，该 燃烧器的噪音相当大，以及虽然由于它使用了氧气/燃料混合方法使它 所产生的有害排出物(例如NOX)少于常规的燃烧器(例如所谓的“管 套管式”燃烧器)，但这些排出物仍足以引起人们的担心。

本发明的目的在于提供一种可以减少并且可能消除与上述装置 有关的各种问题的液体燃料燃烧器。

因此，本发明的一个方面的内容是提供一种用于燃烧氧气和液体 燃料的燃烧器，该燃烧器具有一个外套，该外套包括一个第一入口端， 一个用于排出燃烧火焰的第二出口端，以及限定了一个燃烧室和一条 纵向轴线X；用于把雾化的燃料流导入该入口端并把它导向该出口端 的燃料供应装置，以及用于把氧气导入该入口端并把它导向该出口端 的氧气供应装置，该氧气供应装置包括多个围绕该燃料供应装置沿周 向隔开并且朝着该出口端沿径向向内倾斜和相对于轴线X倾斜设置的 氧气出口，由此产生了一个与在其一个第一上游区中的燃料流相交的 氧气的涡流会聚锥，该燃料供应装置包括一个具有一个扩散的锥形内 表面的基本上中央的出口，当燃料通过该出口喷出时就在该锥形内表 面上经过，其中该扩散的内表面包括一个靠近该中央出口并且与一个 第二扩散锥面相邻接的第一扩散锥面，该第一扩散锥面与轴线X所成 的扩散角大于该第二扩散锥面与轴线X所成的扩散角。

利用这样一种“弯折锥”表面，至少某些从中央出口喷出的液体 燃料在该第一锥面与该第二锥面相交的转折位置射入其主流中以前沿 着该第一锥面流动，由此加强了氧气与液体燃料的混合。通过使该空 气动力控制的流动混合延迟和层流与燃烧气体和氧化剂的内部(即在 火焰内)再循环相结合，业已发现这种燃烧器只产生很少的CO，NOX和油烟排出物，并且这种锥形的喷嘴设计可以使噪声从现有技术的 120dB显著地下降。该燃烧器可以十分方便快速地改变由它喷出的火 焰的形状，并且由于利用该燃烧器可使生成的油烟减少(由于涡流的 作用而使燃烧气体和氧化剂可在火焰内作内部再循环，从而把所形成 的油烟燃烧，因而在火焰的后面部分中就没有剩余物)，从而可以产 生十分光亮的火焰。该燃烧器产生一种具有两个燃烧区的火焰：第一 区(邻近燃料出口)是富燃料区和第二区是发生主燃烧和产生大部分 热量的后面的区。主燃烧区与燃烧器隔开一个距离可以防止燃烧器和 邻近的耐火材料的过热，从而排除了对其进行水冷的需要。把火焰分 成两个区被称为“分段”，两个区相接处的位置称为“分段位置”(一 般说来，第一区的长度比第二区的长度越长，分段就越显著，反之亦 然)。分段与燃料和/或氧气出口的尺寸成反比减少。

第一锥面与第二锥面所成的角度β可以在15至30度之间，或者 最好在20至25度之间。角度β的变化将影响整个火焰的长度并且还 使燃料/氧气混合增加或减少，这要根据燃料的性能例如粘度、密度、 温度等而定。

有利的是，第二锥面相对于轴线X以一个在30至40度之间的角 度φ扩散。

最好是，角度φ在30与35度之间。

最好是，氧气供应出口沿径向向内相对于轴线X倾斜成一个在5 至10度之间的角度α。

最好是，氧气供应出口相对于轴线X倾斜或一个在20至30度之 间的角度θ。一般说来，剪切角θ越大，整个火焰的长度就越长，反之 亦然。

在一个特别有利的配置中，该燃烧器包括用于改变燃料和氧气出 口在燃烧室内的轴向位置从而改变燃烧器的排出火焰结构形状的装 置。燃料和氧气供应装置可以例如安装在燃烧室内的一个喷嘴固定板 中，以及所述喷嘴固定板沿轴线X可以作轴向位移，由此改变燃料和 氧气出口在燃烧室内的轴向位置。

燃料出口可以包括一个燃油出口，以及氧气供应装置可以供应氧 气、空气或者富氧空气。

在某些应用场合中，为燃烧提供附加的空气或者富氧空气是有利 的。这最好是通过围绕氧气出口沿周向隔开设置的多个空气出口来实 现，该些空气出口的构形应能相对于轴线X沿径向向内直接导引空气 流并相对其展示。该些空气出口最好以与氧气出口的相同的方向倾 斜。

本发明还提供了一种用于使如上所述的燃烧器运行的方法，该方 法包括以下步骤：

(a)使燃料以这样一种方式从燃料供应装置中喷出，该方式能产 生一个具有层流或基本上层流的高速燃料流并且导引该燃料流从燃烧 室的第二端排出；

(b)使氧气以这样一种方式从氧气供应装置中喷出，该方式能产 生一个相当低速的氧气流，该气流会聚在和围绕在纵向轴线X周围转 动，由此与在其第一上游区中的燃料流相会合，以及能在其处产生一 个富氧区并且把任意剩余的氧气以能造成其一个贫氧区的方式导引到 燃料流的一个下游区中。

最好该燃烧器这样来运行，使得燃料和氧气在分段位置处的速度 近似相等，从而增强了混合和实现了最佳燃烧(以及最少的排出物) 和/或改变了整个火焰的形状/长度，这可以通过把在燃烧器的出口处的 氧气与燃料的速度比改变为在1∶1与约10∶1之间(最好为2∶1)来实 现。

下面将通过实例并参照以下附图来详细描述本发明，附图中：

图1是体现本发明的氧气-燃料燃烧器的一个局部剖开的透视 图；

图2是图1中所示的喷嘴固定板的一个剖视图；

图3是沿图2中的箭头T方向看去的喷嘴固定板的一个平面图；

图4是沿图2中的箭头A方向看去的喷嘴固定板的一个端视图；

图5是喷嘴固定板的另一个剖视图，图中示出了与其相关的流 型；

图6是沿图5中的箭头W方向看去的喷嘴固定板的一个端视图；

图7a是根据本发明喷嘴固定板的另一个实施例的一个剖视图；

图7b是图7a的喷嘴固定板的一个端视图；以及

图7c是改变成用来燃烧气体燃料的图7a和7b的喷嘴固定板的一 个剖视图。

在图1通过一个例子示出的氧气-燃料燃烧器10包括一个管状 或圆筒形的外套12，该外套12具有一个第一入口端12a，一个用于 燃烧火焰排出的第二出口端12b和一条纵向轴线X，以及一个在入口 端12a与出口端12b之间延伸的中央燃料供应管14，该管在出口端处 与一个在图2至6中能清晰看到的不锈钢喷嘴固定板16相连接。燃料 供应管14终止在位于轴线X上并且具有一个总体扩散的锥形内表面 20的基本上中央的出口18，当燃料通过该出口喷出时就在该锥形内 表面上经过。在喷嘴固定板上还设置有多个氧气出口22，该些出口 22围绕着燃料供应出口18沿周向并且沿径向向内成角度地朝着出口 端12b和相对于轴线X倾斜地设置，由此产生了一个与在第一上游区 Z1中的燃料流相交的氧气的涡流会聚锥。再一次参看图1，应注意到 氧气供应装置还包括在外壳12与燃料供应管14之间形成的通道24， 氧气通过入口26供入，然后沿通道24受到导引，使得它与喷嘴固定 板16的后表面16a相遇，并在该位置使氧气进入其中每一个都终止于 锥面20内的某一位置处的多个氧气供应出口22。

“总体扩散的”的锥形内表面20实际上包括两个扩散的锥面20a， 20b(见图2)，上游表面20a与轴线X所成的扩散角大于下游表面 20b与轴线X的扩散角(两个表面之间的夹角以β表示)。在图2中， β约为23°，而表面20b与轴线X的扩散角φ约为35°。锥面20a，20b 最好沿靠近氧气供应出口22(例如沿出口22的中心点的圆周)处的 一个圆相邻接，如附图中所示。

在工作中，至少某些液体燃料先沿着上游表面20a流动，然后才 在其与下游表面20b的交界处从其离开，由此延迟了它们进入燃料主 流中的时间并且加强了其与氧气的混合。

从图2中可以清楚地看到，每个氧气出口22都沿径向向内相对 于轴线X形成一个在5-10度之间的角度α，这导致任何氧气流都被 径向向内引导，使得其将与燃料出口18的燃料流相交。从图3的平面 图中可以清晰地看到，每个氧气出口22还相对于轴线X倾斜一个在 20与30度之间的角度θ。图4中以隐藏的详图示出了氧气供应入口 22从端面16a向表面20进展的路径。氧气出口22的角度，喷嘴20 的扩散的锥形以及在氧气与燃料之间的速度比都是十分重要的，并且 决定着排出物数量和火焰的形状。下面更详细地参看图2至6，可以 理解到，表面20b的扩散角φ在30°与40°之间(最好在30°与 35°之间)将使从出口18喷出的燃料以平稳的方式延伸并且能产生 一个基本上为层流的相当长的狭小的直线喷流。这种情况与许多现有 技术装置完全相反，在这些装置中，燃料是以一种旨在产生紊流状态 的方式导入的。多个氧气出口22被设置成沿径向向内相对于轴线X 形成一个在5°-10°之间的角度α引导氧气喷流，以便例如延迟氧 气进入燃料流中的混合时间，使得区域Z1保持在一个基本上富燃料的 状态，而区域Z2则保持在一个贫燃料的状态。这种装置具有延迟发光 区(它在离开燃烧器约300-500毫米的位置处开始)的产生的优点， 从而防止了燃烧器和邻近其火焰出口端的任何耐火材料的过热。因 此，这种设计能够保持初始火焰温度低于1200℃，由此就无需对该燃 烧器进行水冷。当使用了诸如因科合金(INCOALLOY)，镍铜合金 或蒙乃尔高强度耐蚀镍铜合金(Monel)400等合金或者提供水冷以 后，该装置还可以适应更高的温度，虽然可以省去水冷，但需要以具 有高导热性和低腐蚀材料(例如镍铜合金)来作整个燃烧器为条件。 富燃料区Z1的长度约延伸300毫米至500毫米并且终止于其处发生 主燃烧的尺寸稍大的第二区Z2的开始位置。第二区Z2的范围可以通 过改变角度α和喷嘴或喷嘴固定板16在外套即外壳12内的缩回量来 进行调整，这在本技术领域内是众所周知的。虽然都知道，角度α通 常是为任何具体的燃烧器设计而设定的，但是喷嘴固定板16沿轴线X 的位置的变化也可以通过驱动电机36(图1)从而依次使燃料供应管 14和喷嘴固定板16沿轴线X的轴向移动而实现。喷嘴固定板16的缩 回量越大，出口端12b对火焰形成所具有影响也越大(同时随着缩回 量的增加，涡流的作用将减小)。这种涡流作用的减小将导致相关的 火焰长度和再循环的变化，并且由此可以改变火焰结构形状以适合某 个用户的特定要求。显然，如果喷嘴固定板16被设置成其末端与出口 端126齐平，则将与其有很少的干扰(如果与其出现任何干扰的话) 火焰形状将主要由燃料和氧气出口本身的形状、位置和角度来决定。

下面具体地参看图3和6，可以理解到，氧气出口22相对于纵 向轴线X也倾斜一个角度θ，由此在该氧气喷流中形成了一定量的涡 流，那么该涡流将围绕中央的燃料流沿着箭头R的方向转动。一个在 20°与30°之间(最好在20°与25°之间)的角度θ就能给出足够 的涡流以便在燃烧区Z2中产生再循环作用，使得任何不合需要的剩余 燃烧产品能进行再循环并且与任何剩余氧气相混合，以便实现其完全 的或者基本上完全的燃烧，因此在火焰从Z2区排出以前，其NOX， CO和油烟已大大减少。

下面再一次简短地参看图1，一个采取电机36和齿轮和齿条装 置38，40形式的致动器设置在燃料管14的远端并且可以操作用来使 所述燃料管和喷嘴固定板16沿轴线X作轴向移动，由此改变燃料和 氧气出口18，22在燃烧室内的轴向位置，并且因而改变了燃烧器本 身的排出火焰的结构形状，这在本技术领域是众所周知的。图1中的 泵34和42用来以一个所要求的流量和一个在分段位置处足以实现氧 气和燃料速度近似相等的速度比把燃料和氧气输送到燃烧室中。实际 上，在它们的各自的出口处，氧气与燃料的速度比在1∶1与10∶1之间 将可以在分段位置处给出相等的速度；以图示的燃烧器中，速度比最 好近似为2∶1。

在工作中，本发明的燃烧器通过延迟燃料/氧气与层流的混合和内 部再循环的结合而减少了氧化氮的形成。这种方法引起了燃烧“分段” 即两个燃烧区Z1，Z2的产生：一个约300毫米至500毫米长度的十 分富燃料的第一区，一个发生主燃料的较大的第二区。这两个区都具 有其自身的特征，在第一区Z1中具有很低的温度和很低的亮度，由此 阻止了NOX的形成和该喷哓器和/或任何与其邻近的耐火材料的过 热，而在邻接区Z2中则稍微热一些。如上所述，第二区Z2的范围可 以通过氧气出口的角度和喷嘴固定板16在外套12中的缩回量来进行 调整。Z2区是很光亮的，燃料的主要部分至少部分由于围绕燃料流周 围的氧气涡流而产生的再循环作用而实现了完全燃烧。因而阻止了 NOX的产生并且使任何已形成的油烟也被燃烧尽而没有剩余物，从而 增加了亮度。此外，喷嘴的这种设计能够使噪声强度从现有技术的 120dB显著地下降。

氧气出口22的径向角α提供了特有的延迟混合和火焰的透明蓝 色的初始低温部分，而倾斜角φ则提供了特有的涡流数和与油烟火焰 的相应的内部再循环。角α的变化影响和提供了对火焰长度和NOX形 成的控制，而角φ的变化则影响了火焰的宽度、亮度和NOX形成。燃 料出口18的直径比常规的燃烧器的更大，从而(至少部分)提供了在 氧气与燃料速度之间的理想的速度比。在30°与40°(最好在约30 °与约35°之间)的锥角φ在很大的流量范围内(即很大的“调节” 范围内)可使火焰完全稳定以及使工作噪声强度降低。

下面参看图7a至7c，其中与已经描述过的相同的零件用原来的 标号表示，图中示出了本发明的另一个实施例。

围绕氧气出口22’的周向隔开设置的是多个空气出口50，用来把 空气或者富氧空气供应给燃烧过程。空气出口50相对于轴线向内倾斜 一个角度，但该角度比α角稍大，以便把火焰向第一和第二区(见图5) 的相交处会聚。空气出口50还以与氧气出口22’(见图7b)的相同方 向倾斜，以便增加由氧气出口22’的倾斜所产生的有利的涡流作用。在 进一步促进紊流方面，沿着与氧气出口22’倾斜的相反方向来倾斜空气 出口50(未示出)也同样是有利的。

在图7a的实施例中，燃料供应装置包括一个与轴线X同轴并且 可可分离地安装在喷嘴固定板16’内的盖组件52a(其前端形成有第一 扩散锥表面20a’)。这是一种特别有利的配置，因为它可以允许快速 更换盖组件52a，以便对该第一扩散锥表面进行维护、修理或者改变 其角度，当改变供应给燃烧器的燃料的种类时，这些都可能是需要的。 例如在图7中示出了一个盖组件52b，该盖中的第一扩散锥表面54 与第二表面20b’相对于轴线X具有相同的角度β；这种配置适用于气 体燃料的燃烧，此时就不需要在锥形内表面上形成一个非连续的突变 部分来迫使燃料与其分离。

如本技术领域中人们所熟知的，还需要提供用来改变燃料、氧气 和空气流进入和退出该燃烧器所需要的各种装置，以便为某个具体的 用途精确地调整燃烧过程。

常规的燃烧器通常在供应21％的氧气(即空气)时将产生一个 较长的“懒”火焰，而在供应100％的氧气时将产生一个紊流的较短 的强火焰。在试验中我们发现本发明的燃烧器在整个富氧含量范围内 都能保持基本上不变的火焰特征，特别是火焰长度和宽度保持不变。 在富氧范围内唯一可以察觉的变化是火焰的温度和亮度。

除了上述的优点外，本发明的燃烧器特别适合在非铁材料和含铁 材料的熔化和冶炼用途中使用(例如玻璃制造)，以及在炼钢中特别 是在电弧炉炼钢中使用。