专利名称：高热量传导低氧化氮的燃烧系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及应用比常规的燃烧系统产生高明亮的火焰，因而提供更高的热量传导和较低的NOx排放的燃烧器的燃烧系统。特别是，本发明涉及用于产生基本平的火焰的方法和设备，该火焰产生均匀的热分布和相对高的辐射热传导。应用在本发明的燃烧系统中的燃烧器优选地使用氧气或富氧的空气作为氧化剂，尽管也可以使用空气。
背景技术：
保护环境的要求已经和继续是开发新的燃烧方法和设备的主要原动力。不断地迫使制造商减少排放，同时全都努力控制成本和保持产品的质量。例如，工业面临显著地降低NOx排放的要求。此外在响应中，不断开发出先进的燃烧系统、氧增浓和氧气-燃料燃烧。例如，美国专利5,725,366号描述了用于燃烧燃料/氧化剂混合物的一种方法和设备，在混合物中至少一部分燃料是预热的，随后在有燃料富集区的火焰中燃烧任何剩余的燃料，从而在获得的火焰中形成烟灰以便产生明亮的、高热量传导、低NOx的火焰。还可参看美国专利4,909,727号，它描述了一种燃烧方法，其中要燃烧的燃料的一部分首先用富氧的空气进行裂解以便产生裂解的燃料，这种燃料包含烟灰成分，随后将它与第2部分燃料一起引入到燃烧室中以便产生高明亮的火焰。
包含使用燃料-氧气系统的燃烧技术在玻璃熔融应用中是相对新的技术。常规燃烧器一般应用圆筒形燃烧器的几何形状，其中从圆筒形喷嘴如圆筒形的耐火材料块输出燃料和氧气。这样的圆筒形输出喷嘴产生的火焰外形以通常的圆锥形发散。但是，产生一般圆锥形火焰的常规燃烧器具有一种不希望有的倾向，在炉内会产生热点，造成炉内耐火材料受损，特别是对炉盖或炉顶以及与火焰相对的侧壁。这样的常规燃烧器还会造成原材料挥发的增加和氮的氧化物，硫的氧化物和过程微粒不可控地排放。
为了解决与这样的设计相关联的某些问题，常规的燃烧器已经结合低动量的流动，它是通过使用相对较低的燃料和氧气速度产生的，造成相对低动量的火焰。这样较低的速度因而较低的动量得到较长的火焰和负荷作用距离的增加。但是，在这样较低的速度下发生不希望的火焰的增长，造成不希望的效果。
某些常规的燃烧系统应用分段的燃烧结构企图提高有效的负荷作用距离，特别是使用各个火焰的圆锥形扩张。但是，这种分段燃烧结构常常在相邻的燃烧器之间的连接区内产生不希望的冷区。作为解决这个问题的一种方法，已经应用增加所用的燃烧器数目，从而增加火焰的作用距离。但是，燃烧器数目的增加也显著地增加了不希望的安装和操作成本。例如通过美国专利5,545,031号的方法和设备来解决这些问题，在该专利中应用鱼尾形或扇形的火焰，它产生均匀的热分布和相对高的辐射热传导。从喷嘴输出的燃料呈大致平的燃料层，形成有大致平的上下边界的鱼尾形或扇形的燃料层。从喷嘴输出的氧化剂至少沿着燃料层的上边界形成大致平的氧化剂层，最好也沿着该燃料层的下边界形成大致平的氧化剂层。
虽然至今已经做了各种改进，但仍然还需要可以应用到高温炉如玻璃熔融炉的燃烧器系统，该系统提供均匀的热分布，减少不希望的排放，如氮的氧化物和硫的氧化物，和产生高辐射和明亮的火焰。此外，工业燃烧器的操作者继续希望应用的设备是可靠、简单和低成本。一般来说，这意味着为了能被接受，一种燃烧系统必须是改进的设计，必须只有一个氧气和一个燃料供给到燃烧器，在燃烧器的预热区内燃料和氧气的混合必须很快以防止燃烧器在物理上变得太大。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种产生高明亮火焰的燃烧系统。
本发明的再一个目的是提供一种燃烧系统，它除了产生高明亮的火焰之外，比常规的高明亮火焰燃烧系统产生较低的NOx排放。
本发明的另一个目的是提供一种燃烧系统，它除了产生高明亮的火焰和产生较低的NOx排放之外，也适合进行改进。
本发明还有一个目的是提供一种燃烧系统，它提供基本均匀的热分布和避免在应用它的炉子内形成热点。
通过包括主燃烧段和预燃烧室段的一种燃烧设备达到了本发明的这些和其他的目的。主燃烧段包括矩形的同轴通道，通过它将燃料和氧化剂输入到耐火材料的燃烧器块中。内部通道是燃料气体通道和外部通道是氧化剂通道。两个通道在水平平面发散和在垂直平面会聚。通过耐火材料燃烧器决的通道也具有矩形的外形和在水平平面发散。主燃烧段的出口是凹入到耐火材料燃烧器块中一定的距离，其距离可以变化。
将燃料，一般是气体燃料，例如天然气，通过预燃烧室段输送到主燃烧段，预燃烧室段附连到主燃烧段的上游侧。预燃烧室段包括两个同轴的圆筒体，内圆筒构成氧化剂室而外圆筒构成燃料气体室。内圆筒装有至少两行切向的开口或孔，从而允许燃料气体从外圆筒流入到内圆筒内，在那里它与氧化剂混合并点火起动预燃烧。在预燃烧室段中产生的燃烧产品气体从预燃烧室段出口排放到主燃烧段的气体通道中。预燃烧室段的上游部分通过柔性软管或钢性的导管与到主燃烧段的主氧化剂入口连接，软管或导管装备成一整体的孔板以便控制进入到预燃烧室段的内圆筒的次级氧化剂流量。同样，到主燃烧室段的主氧化剂入口也装有成一整体的孔板。通过这种结构，将氧化剂的压力保持在高于预燃烧室段的压力，从而保证预燃烧产品气体进入到主燃烧段而不会通过氧化剂入口回到预燃烧室段。外圆筒与燃料气体供给源连接并形成环形通道以便将燃料气体均匀分布通过切向的孔。
从下面与附图一起进行的详细描述中将能更好地理解本发明的这些和其他的目的和特点，附图有图1是按照本发明一个实施例的燃烧系统的平面图；和图2是沿II-II线取的图1的燃烧系统的图；和图3是按照本发明的一个实施例，朝上游方向看，燃烧器在出口平面排放的前视图。
具体实施例方式
参考图1和2，本发明的燃烧系统10包括3个基本部件或段-主燃烧段13、设置在主燃烧段13上游的预燃烧室段14和设置在主燃烧段13下游的燃烧器或耐火材料块23。如这里使用的那样，术语上游和下游通常应用在通过系统的燃料和氧化剂的流动方向，在图1和2中该方向是从右到左。
主燃烧段13包括至少一个形成氧化剂室26的外壁22，氧化剂室有连接到氧化剂供给导管12的主氧化剂入口11和有主氧化剂出口17。设置在氧化剂室26内的是形成燃料室25的至少一个内壁24，该室有主燃料入口18，取向在主氧化剂出口17方向上的主燃料出口19，并在至少一个外壁22和至少一个内壁24之间形成主环形空间27。
预燃烧室段14包括至少一个形成预燃烧室燃料室28的预燃烧室外壁20，燃料室28有预燃烧室燃料入口15。设置在预燃烧室燃料室28内的是形成预燃烧室氧化剂室29的至少一个预燃烧室内壁21，该氧化剂室29有预燃烧室氧化剂入口35并在至少一个预燃烧室外壁20和至少一个预燃烧室内壁21之间形成预燃烧室环形空间30。至少一个预燃烧室内壁21形成一组预燃烧室燃料出口31，从而在预燃烧室环形空间30和预燃烧室氧化剂室29之间提供流体连通。预燃烧室燃料出口31优选地布置在至少两行并这样取向，以便提供燃料从预燃烧室燃料室28切向流入到预燃烧室氧化剂室29内，从而在预燃烧室氧化剂室29内产生“旋转效果”，达到迅速混合和预热燃料和预燃烧室的稳定操作。
预燃烧室氧化剂供给导管16将氧化剂供给导管12连接到预燃烧室氧化剂入口35，在氧化剂供给导管12和预燃烧室氧化剂室29之间提供流体连通。以这种方式，使用单个氧化剂供给入口11获得到主燃烧段13和预燃烧室段14两者的氧化剂流动。将很清楚，因为通过预燃烧室氧化剂供给导管16在预燃烧室氧化剂室29和主氧化剂入口11之间有流体连通，所以在预燃烧室段14中产生的预燃烧产品有潜在的可能性从主氧化剂入口11进入到主燃烧段13。为了防止这种情况发生，将主氧化剂孔板34设置在主氧化剂通过氧化剂供给导管12进入到主燃烧段13的流动通道内邻近主氧化剂入口11。主氧化剂孔板34可以与氧化剂供给导管12成一整体；它可以设置在主氧化剂入口11内；或者它可以是独立的部件设置在氧化剂供给导管12和主氧化剂入口11之间。主氧化剂孔板34的尺寸是要确保在主燃烧段13内的压力高于在预燃烧室段14内的压力，从而能够将预燃烧室氧化剂供应到预燃烧室段14而不会产生回火。按照这个发明的一个优选实施例，主氧化剂孔板34的孔面积对氧化剂供给导管面积之比在约0.4到约0.7的范围内。该比值小于约0.4造成压力的升高，导致压力太高不能操作燃烧系统。该比值大于约0.7造成氧气压力不够，不能防止在预燃烧室内回火的可能性。
为了进一步控制氧化剂供给到预燃烧室14，将预燃烧室氧化剂孔板33设置在由氧化剂供给导管12构成的预燃烧室氧化剂出口36附近。与主氧化剂孔板34的情况相似，预燃烧室氧化剂孔板33可以与预燃烧室氧化剂供给导管16成一整体；可将它设置在预燃烧室氧化剂出口36内；或者它可以是一个独立的部件被设置在预燃烧室氧化剂出口36和预燃烧室氧化剂供给导管16之间。预燃烧室氧化剂孔板33对控制预燃烧室段操作是有效的，从而控制烟灰烃初级粒子的生成和火焰的明亮度。优选地，预燃烧室氧化剂孔板33的尺寸定为允许到预燃烧室段14的氧化剂量为燃烧系统10的消耗的氧化剂总量的约2.5％到约8％的范围内。小于约2.5％时不够支持在预燃烧室段14中的燃烧而大于约8％时造成太多的碳沉积在燃烧系统的各元件上和导致太高的燃烧系统温度。尽管不采用预燃烧室段14可以维持燃烧系统稳定的、长期燃烧，但是得到的火焰很暗淡，需要更多的燃料来达到相同水平的热传导和产生更多的氮的氧化物。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，将能理解也可采用其他的方法控制主氧化剂流量和控制预燃烧室氧化剂流量，如阀门代替上述的孔板和这样的其他方法都被认为是在这个发明的范畴之内。
为了建立所需的速度和动量以便平衡所需的混合水平、所需的燃料和氧气反应速率、和所需的火焰长度和形状，在水平取向基本平的相互之间会聚的内壁41、42和垂直的相互之间发散的内壁45、46之间构成燃料室25，构成基本上矩形的所述主燃料出口19，和在水平取向基本平的相互之间会聚的外壁43、44和垂直的相互之间发散的外壁47、48之间构成氧化剂室26，构成基本上矩形的主氧化剂出口17。
按照本发明的一个优选实施例，垂直内壁45、46和垂直外壁47、48相互之间按水平面上约14°到约18°的角度发散。小于14°造成出口速度不希望的增加、更大的火焰扰动和火焰变短，这说明较小的负荷区作用距离和对应较低的总的热传导。大于18°造成火焰过分地变宽和变短，这也说明较小的负荷区作用距离和对应较低的总的热传导。
按照本发明的一个优选实施例，水平取向基本平的内壁41、42和水平取向基本平的外壁43、44有会聚角在约3°到约5°的范围内。小于3°角造成火焰不希望的较厚和较慢，这说明火焰包不太集中在负荷表面上和较低的总的热传导。而大于约5°角造成火焰变得较薄和相对炉内由燃烧产品气体引起的交叉流动不太稳定。
按照一个优选实施例，燃烧系统10装有4个夹紧装置50，在图1中仅表示2个，用于将燃烧系统安装到耐火材料块23上。这允许该系统可转动180°(或倒转)从而可将氧化剂供给到系统的顶部或底部。预燃烧室段14也可旋转整个360°，允许主燃料入口18可放在左边、右边、顶部或底部位置。
燃烧系统的操作从在低火下起动该系统开始。首先打开氧化剂阀接着打开燃料阀。由炉内辐射(大于约1650°F的温度下)供给燃料/氧化剂混合物点火的热量。在较低的温度下，需要外部的点火源。但是，因为这个发明燃烧系统所设想的应用是已经在操作状态的高温工业炉，所以正常情况下将不需要外部的点火。
点火之后很快，再辐射和回流使开始时在主燃烧段的火焰向后移动通过主燃烧段进入到预燃烧室段，因而燃料/氧化剂混合物的发火存在于预燃烧室段14的预燃烧室氧化剂室29内。通过预燃烧室燃料室25将燃料氧化输送到切向的预燃烧室燃料入口31，用足够的压力在预燃烧室段14的预燃烧室氧化剂室29内建立起旋转动量。到燃烧系统的总的氧化剂流量的一小部分(总氧化剂流量的约2.5％到约8％)被引入到预燃烧室氧化剂室29内，在该室内它逐渐与通过预燃烧室燃料入口31进入到预燃烧室氧化剂室29内的燃料混合。
如前所述，预燃烧室内壁21形成至少两行预燃烧室燃料入口31。借助这种结构，控制在预燃烧室段内燃料气体和预燃烧室氧化剂的混合。按照这个发明一个特别优选的实施例，预燃烧室内壁21形成两行预燃烧室入口31，通过入口的上游行引入进入预燃烧室氧化剂室29的燃料气体的约10-50％，而通过入口31的下游行引入剩余部分的燃料气体。按照另一个优选的实施例，预燃烧室内壁21形成至少3行预燃烧室燃料入口31，和通过每一行引入至少10％的进入预燃烧室氧化剂室29的燃料气体。
通过炉内再辐射供给的热量(或者通过某些外部点火源)已经在预燃烧室14点火之后，产生非常富含燃料的火焰，它有2到6个碳原子的烃组份而没有碳颗粒。这种燃料气体混合物，即不完全燃烧的产品和没有碳颗粒，然后移动通过主燃料入口18进入燃料室25接着通过主燃料出口19，在那一点它与从氧化剂室26来的通过主氧化剂出口17并进入到耐火材料块23的燃料/氧化剂导管或通道38的氧化剂混合。
氧化剂和预热的包含预燃烧室段反应产品的燃料气体的反应产生平行的流动路径，它在耐火材料块23的出口39的外面生成长的、平的、扰动的和高明亮的火焰包。选择在燃料/氧化剂入口侧60和燃料/氧化剂出口侧61之间通过耐火材料块23的燃料/氧化剂导管或通道38的角度来控制在耐火材料块内氧化剂和预热的燃料气体的相互作用。氧化剂沿着通道壁运动通过耐火材料块使耐火材料块保持与火焰温度比较相对较冷的温度，从而维持耐火材料块的完整性。扩大的通道形状延迟在氧化剂和预热燃料气体之间的相互作用。但是，发生了某些相互作用，产生内部富含燃料区，在该区内从已存在于预热燃料气体中的烟灰烃初级粒子产生烟灰。(在预燃烧室段中燃料气体预热过程期间在没有氧气的情况下由热作用形成烃初级粒子到烟灰。)剩余的预热燃料气体与剩余的氧化剂在耐火材料块外燃烧形成燃料稀薄的火焰区。在火焰中烟灰的辐射和烧尽显著地增加整个火焰的明亮度和通过辐射冷却导致火焰温度降低。高明亮火焰越亮传递给负荷的辐射热流就越高。较低的平均火焰温度降低了不希望的氮的氧化物的生成。这种燃烧器设计因为需要较少的燃料气体和氧化剂来加热炉子的负荷，所以导致同时减小氮的氧化物排放和节约能量。在炉子容量和炉内温度不变的情况下，这种燃烧器与其他燃烧器比较将需要较少的燃料气体和氧化剂。
尽管在上述说明书中相对它的某些优选实施例已经描述了本发明，为了说明的目的已经给出许多细节，但对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，很显然本发明可以有另外的实施例和这里描述的某些细节可以显著地改变而不会背离本发明的基本原理。
权利要求
1.一种设备包括主燃烧段，它包括至少一个形成氧化剂室的外壁，氧化剂室有连接在氧化剂供给导管的主氧化剂入口和主氧化剂出口，和形成设置在所述氧化剂室内的燃料室的至少一个内壁，燃料室有主燃料入口和取向在所述主氧化剂出口方向上的主燃料出口，在所述至少一个外壁和所述至少一个内壁之间形成主环形空间；预燃烧室段，它包括至少一个形成预燃烧室燃料室的预燃烧室外壁，预燃烧室燃料室有预燃烧室燃料入口，和形成设置在所述预燃烧室燃料室内的预燃烧室氧化剂室的至少一个预燃烧室内壁，氧化剂室有预燃烧室氧化剂入口，和在所述至少一个预燃烧室外壁和所述至少一个预燃烧室内壁之间形成预燃烧室环形空间，所述至少一个预燃烧室内壁形成若干预燃烧室燃料出口，在所述预燃烧室环形空间和所述预燃烧室氧化剂室之间提供流体连通；预燃烧室氧化剂供给导管有一端连接在所述氧化剂供给导管和相反端连接到所述预燃烧室氧化剂入口，在所述氧化剂供给导管和所述预燃烧室氧化剂室之间提供流体连通。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于还包括邻近主氧化剂入口的主氧化剂流量控制装置，用于控制主氧化剂流入所述主氧化剂室的流量。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于还包括设置在所述氧化剂供给导管和所述预燃烧室氧化剂入口之间的预燃烧室氧化剂流量控制装置，用于控制预燃烧室氧化剂流入所述预燃烧室氧化剂室的流量。
4.如权利要求2所述的设备，其特征在于所述主氧化剂流量控制装置包括主氧化剂孔板，它设置在所述氧化剂供给导管内或设置在氧化剂供给导管的终端邻近所述主氧化剂入口，使所述主氧化剂孔板的尺寸能维持在所述氧化剂供给导管内的主氧化剂压力高于在所述预燃烧室段中预燃烧室的压力。
5.如权利要求3所述的设备，其特征在于所述预燃烧室氧化剂流量控制装置包括预燃烧室氧化剂孔板，它设置在所述预燃烧室氧化剂供给导管内或其上。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于在水平取向的基本平的相互之间会聚的所述内壁和垂直的互相之间发散的所述内壁之间构成所述的燃料室，构成基本上矩形的所述主燃料出口，和在水平取向的基本上平的相互之间会聚的所述外壁和垂直的相互之间发散的所述外壁之间构成所述氧化剂室，构成基本上矩形的主氧化剂出口。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于还包括耐火材料块，它有燃料/氧化剂入口侧、燃料/氧化剂出口侧和形成在其中伸展的燃料/氧化剂导管，所述燃料/氧化剂导管有矩形的外形，在水平面发散并与所述主氧化剂出口对齐。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于使预燃烧室燃料出口的取向便于将燃料从所述预燃烧室燃料室在切向方向引入到所述预燃烧室氧化剂室中。
9.如权利要求7所述的设备，其特征在于所述主燃料出口和所述主氧化剂出口中至少一个伸入到所述燃料/氧化剂导管中。
10.如权利要求8所述的设备，其特征在于将所述预燃烧室燃料出口布置成至少两行。
11.一种燃烧器包括主燃烧段，它包括同轴的外和内矩形通道，所述外矩形通道有氧化剂入口和氧化剂出口和所述内矩形通道有燃料入口和燃料出口，所述燃料出口定位在所述氧化剂出口附近；设置在所述主燃烧段上游的预燃烧室段，它包括同轴的内和外圆筒，所述内圆筒有预燃烧室氧化剂入口、与所述燃料入口流体连通的预燃烧产品出口、和若干切向开口提供在所述外圆筒和所述内圆筒之间的流体连通，以及所述外圆筒有至少一个预燃烧室燃料入口；和预燃烧室氧化剂导管，它有与所述氧化剂入口流体连通的预燃烧室氧化剂导管氧化剂入口，和与所述预燃烧室氧化剂入口流体连通的预燃烧室氧化剂导管氧化剂出口。
12.如权利要求11所述的燃烧器，其特征在于所述内矩形通道和所述外矩形通道每个包括水平取向的基本平的相互之间会聚的壁和垂直的相互之间发散的壁。
13.如权利要求12所述的燃烧器，其特征在于还包括耐火材料块，它有燃料/氧化剂入口侧、燃料/氧化剂出口侧和形成在其中伸展的燃料/氧化剂导管，所述燃料/氧化剂导管有矩形的外形，该外形在水平面上发散并与所述氧化剂出口对齐。
14.如权利要求12所述的燃烧器，其特征在于还包括邻近所述氧化剂入口的氧化剂流量控制装置，用于控制流入到所述外矩形通道的氧化剂流量。
15.如权利要求12所述的燃烧器，其特征在于还包括设置在所述氧化剂入口和所述预燃烧室氧化剂入口之间的预燃烧室氧化剂流量控制装置，用于控制流入到所述内圆筒的预燃烧室氧化剂流量。
全文摘要
一种燃烧设备包括预燃烧室段和主燃烧段，预燃烧室段有两个同轴的圆筒体，一个通氧化剂和一个通燃料气体，在其中预热燃料气体，和主燃烧段有矩形的同轴通道，通过这些通道允许燃料和氧化剂进入到耐火材料燃烧器块。两个通道在垂直平面会聚并在水平面发散。通过耐火材料燃烧器块的通道也有矩形的外形和在水平面上发散。将主燃烧段的出口凹入到耐火材料燃烧器块中而凹入的距离可以改变。
文档编号F23D14/00GK1890506SQ200480035917
公开日2007年1月3日 申请日期2004年12月1日 优先权日2003年12月5日
发明者H·A·阿巴西, W·J·小霍布森, D·M·吕, V·斯米尔诺夫 申请人:瓦斯技术研究所