用于均匀加热长炉的燃烧器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及用于炉（19）的具有下述特征的燃烧器（1）：用于至少一种燃料（31）的第一进料部（2），优选具有用于氧化剂（32）的主出口（5），所述氧化剂优选为氧气；第二进料部（3），其环绕所述第一进料部（2），具有用于所述氧化剂（32）的至少一个辅助出口（6）；第三进料部（4），其环绕所述第二进料部（3），具有用于所述氧化剂（32）的至少一个环包射流出口（7），其中所述第二进料部（3）和所述第三进料部（4）设计成使得从所述至少一个辅助出口（6）射出的氧化剂（32）所具有的第一速度（v1）大于从所述至少一个环包射流出口（7）射出的氧化剂（32）所具有的第二速度（v2）。因而所述第二进料部（3）使得能够得到大于或等于通过第三进料部（4）的所述氧化剂（32）的第二体积流（9）的所述氧化剂（32）的第一体积流（8）。通过利用同样是氧化剂（32）的环包射流（16）环绕被进给到燃烧空间（35）的氧化剂（32），使得更长的火焰长度和炉（19）的更均匀加热成为可能，这尤其当在细长的炉内熔化金属时有利。
【专利说明】用于均匀加热长炉的燃烧器
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃烧器、尤其是具有长火焰的燃烧器一其用于均匀地加热长炉。本发明还涉及用于均匀地加热长炉的方法。这样的燃烧器和相应的方法优选用于熔化金属、尤其是有色金属。
【背景技术】
[0002]例如，DE2004037620B4公开了一种具有长度可变的火焰的燃烧器，该燃烧器以气体燃料和氧气运行并且其火焰长度可以设置。根据现有技术，用于熔化金属的炉优选以位于一个端部的燃烧器运行。这个燃烧器通常被安装在炉的进口门处或者炉的进口区域中，即，盖子的区域中。这控制了技术复杂性和成本，尤其是与使用多个燃烧器相比。为了加热更多炉料，正使用越来越长的炉。这引起的不利之处是在炉的与燃烧器对置的一端可能出现低于燃烧器侧的较低温度。这会引起已凝固材料或固体材料的沉积，这尤其在熔化金属时是不利的。例如，在加工合金时如果高熔点成分凝固了，则合成物就会被掺杂。为了避免这种问题，先前已知的燃烧器只是简单地以更大输出运行，即，增加进给的燃料量和氧气的相应量两者。然而，除了增加噪音，这还导致增加了炉和内衬的部件的热载荷，尤其是在靠近燃烧器的区域中的热载荷。尚不可能避免燃烧器侧和对置侧之间温度的明显差异。
[0003]根据EP2166284A2的燃烧器即使借助非对称流轮廓还是不能实现这个目的，这种燃烧器能适应不同的运行状况。
[0004]EP0038257A1和EP0663562A2中描述了其它特定的燃烧器，但是这些燃烧器也不能确保新式长炉的均匀加热。
【发明内容】
[0005]针对这个背景，本发明旨在至少部分地克服现有技术中已知的缺点。尤其，本发明要提供一种能够很大程度上均匀加热长炉的燃烧器以及用于运行这样的燃烧器的方法。尤其，本发明要比根据现有技术的燃烧器实现更长的火焰长度，同时具有优良的低污染燃烧。
[0006]这个目的借助如独立权利要求中限定的燃烧器和用于运行这样的燃烧器的方法实现。有利的改进(可以单独使用或彼此结合使用)是各个从属权利要求的主题。
[0007]根据本发明，建议一种具有下述特征的燃烧器:
[0008]-用于至少一种燃料的设置在中央的第一进料部，尤其具有用于氧化剂的中央主出口，所述氧化剂优选为氧气；
[0009]-第二进料部，环绕所述第一进料部，具有用于所述氧化剂的至少一个辅助出口；
[0010]-第三进料部，环绕所述第二进料部，具有用于所述氧化剂的至少一个环包射流出Π,
[0011]其中所述第二进料部和所述第三进料部设计成使得从所述至少一个辅助出口射出的氧化剂所具有的第一速度大于从所述至少一个环包射流出口射出的氧化剂所具有的
第二速度。[0012]燃烧器通常是金属部件和/或陶瓷部件，燃烧器的任务是将燃料和氧化剂以协调方式引入燃烧空间。就这点而言，特别重要的是形成被稳定地对准/定位且供应有燃料和氧化剂的火焰。此外，这种燃烧器的部件上的热载荷或热应力应当尽可能低。这是由燃料和氧化剂的合适的喷射来实现的。燃烧空间(尤其在炉内)被火焰加热，热量特别是通过热辐射和热对流传递到炉内。在长炉(尤其具有超过5m的长度，优选超过Sm)的情况下，需要长度与炉的长度近似的火焰以实现均匀加热。
[0013]居中地设置在燃烧器内的是用于至少一种燃料的第一进料部。气体和/或液体燃料可以用作燃料，诸如例如天然气、生物气和石油。以本身已知的方式，用于用以稳定火焰和减小燃烧器部件的热载荷的氧化剂的主出口优选居中地设置在第一进料部内。此外，燃烧器具有环绕第一进料部、具有用于氧化剂的至少一个辅助出口的第二进料部。借助所述至少一个辅助出口，氧化剂喷射进炉内。通过所述辅助出口，优选地，燃料燃烧所必须的氧气的大部分被供应至火焰。
[0014]燃烧器还包括环绕第二进料部、具有用于氧化剂的至少一个环包射流出口或覆盖射流出口的第三进料部。通过所述至少一个环包射流出口，形成至少部分地环绕在辅助出口处射出的氧化剂的氧化剂射流。这尤其使得能够保护在辅助出口处射出的氧化剂避开预定区域。尤其，保护辅助射流避开炉内部的通常为湍流的烟道气流。
[0015]尤其，还保护辅助射流避开燃料射流至少一定距离。为此目的，第一进料部和第三进料部设计成使得从至少一个辅助出口射出的氧化剂所具有的第一速度大于从至少一个环包射流出口射出的氧化剂所具有的第二速度。这达到的效果是在较长距离上辅助射流保持相对致密。尤其，在一定距离上辅助射流和环包射流以几乎层流的方式流动，使得在该距离上不同射流之间的混合基本上仅作为扩散的结果发生。由于环包射流相对于炉的周围物(或可选地火焰)速度较低，所以由于气流间减小的摩擦而显著降低了湍流的影响。与未受保护的辅助射流相对于周围物比较，上述情况也适用于环包射流和辅助射流之间的摩擦影响。此外，环包射流所经受的影响没有直接传递到辅助射流中。这尤其实现了对于火焰的形成而言是决定性的两个效果。首先，由于减小的摩擦影响，氧化剂射流和燃料射流两者都比在根据现有技术的燃烧器的情况下在炉中流动得更远。此外，燃料和氧化剂的混合延迟了一更远的距离。结果，在具有相同量的燃料和氧化剂的情况下，与传统的燃烧相比，在靠近燃烧器的区域中的火焰的温度降低。这具有的效果是获得了更长的火焰长度以及在火焰长度上更均匀的热量输出。与通过增加参与燃烧的全部物质的量和/或速度来加长火焰相t匕，根据本发明，炉的热载荷并非局部增加。因此，本文提出的燃烧器装置形成延长的火焰，该延长的火焰以相等或增加的热量输出产生较低的温差。同时，还减少了氮氧化合物的产生，因为如果较少或甚至没有局部温度峰值出现则从外部渗透的或由被供应气体中的杂质引起的氮会被较小程度地氧化。尤其，氮氧化合物的产生被减少到至少在法律容许的限度以下，尤其是可以忽略的量。
[0016]对于本发明而言很重要的环包射流的原理能以多种形式实现。一方面，独立的辅助射流可以被环包射流环绕，随后所述辅助射流和环包射流进而共同形成围绕内部的燃料射流的环包。然而，另一方面，尤其在使用环状喷嘴或者以窄环形式设置的独立喷嘴时，还可能形成被邻近的环状环包射流分别在内侧、外侧或在内侧和外侧两侧环绕的环状辅助射流。[0017]在根据本发明的燃烧器的另一有利实施例中，第二进料部使得能够得到大于或等于通过第三进料部的氧化剂第二体积流的氧化剂第一体积流。
[0018]已经发现即使是环包射流内的相对少量的体积流量或小的体积流也能产生良好的保护效果并且能够稳定辅助射流内的较大体积流。被环包的辅助射流的较大体积流且因而较大脉冲或较大冲力容许火焰被加长。辅助射流能供应所需氧化剂的50%至90%、优选70% 至 80%。
[0019]在根据本发明的燃烧器的另一有利实施例中，第二进料部和第三进料部通过共同的连接件连接至氧化剂的源，来自燃烧器内歧管的在所述第二进料部和所述第三进料部之间的分配优选由连接至所述歧管的第二进料部的至少一个辅助出口和第三进料部的至少一个环包射流出口的形式、设置、数量和截面形成。这种情况下，不需要用于分配的阀；仅设置或调节进给到分配装置的氧化剂的总量。
[0020]用于氧化剂的源，例如是压力箱或者可能是用于氧化剂的处理设备。氧化剂藉由共同的连接件提供。
[0021]在一有利实施例中，能通过同样是共用的阀来控制和调节这个共同的连接件，并且因此能控制和调节用于第二进料部、第三进料部以及可能用于主出口的氧化剂的量。所述分配优选地借助歧管实现。尤其，所述歧管可定位在燃烧器内部。这表示，为了运行，燃烧器必须仅作为构件被连接至一个燃料进料连接件和一个氧化剂进料连接件。由于所述至少一个辅助出口和所述至少一个环包射流出口的形式、设置、数量和截面以及所施加的压力，得到所述速度并可能得到所述体积流。
[0022]在根据本发明的燃烧器的另一有利实施例中，第二进料部具有多个辅助出口，所述辅助出口环绕第一进料部。借此，它们形成围绕第一进料部的某种环。取决于应用，这个环可以脱离圆的形式和/或所述辅助出口之间的距离和/或其直径可以不同。
[0023]在根据本发明的燃烧器的另一有利实施例中，第三进料部具有多个环包射流出口，至少一些环包射流出口各自环绕辅助出口，优选以环的形式。此处，同样取决于应用，这个环可以脱离圆的形式和/或所述环包射流出口之间的距离和/或其直径可以不同。无论如何，这使得各个辅助射流被尽可能完全地环包成为可能。
[0024]在根据本发明的燃烧器的另一有利实施例中，第三进料部具有多个环包射流出口，所述环包射流出口优选共同环绕第二进料部。这尤其包括这样的情况，即，第二进料部已经形成具有多个辅助出口的环，并且这个环在内侧和/或外侧被多个环包射流出口环绕。这种形式近似于对基本上同心的环状间隙喷嘴的、同样的前述可能的使用。
[0025]在另一有利实施例中，燃烧器具有至少一个喷嘴单元，借此第二进料部和第三进料部在燃烧器内延伸，并且至少一个辅助出口在所有情况下和环绕所述辅助出口的全部环包射流出口设置在共同的喷嘴单元内。这种情况下，所述喷嘴单元优选成形为能够被更换或替换，尤其是能通过外螺纹拧入。为了清洁燃烧器的出口，如果没有部件或喷嘴端部伸进燃烧空间内是尤其有利地。根据本发明这通过喷嘴单元的基本上为平的前侧来实现。
[0026]在本发明范围内还提出用于操作燃烧器、尤其是如上所述的用于在燃烧空间内形成火焰的燃烧器的方法，其中:
[0027]-燃料以燃料射流的形式通过第一进料部喷射进所述燃烧空间，
[0028]-氧化剂(优选为氧气)作为具有辅助速度的至少一个辅助射流借助至少一个辅助出口和作为具有环包射流速度的至少一个环包射流借助至少一个环包射流出口喷射进所述燃烧空间，以及
[0029]-从所述至少一个辅助出口射出的氧化剂被从所述至少一个环包射流出口射出的氧化剂以覆盖射流(shrouding jet)的方式基本上环包。
[0030]根据本发明的将氧化剂以被环包的射流的形式引入到燃烧空间中的原理容许更长的火焰长度并形成更均匀的燃烧。
[0031]所述氧化剂优选以环绕燃料射流的两个或更多个辅助射流的形式喷射，每个辅助射流被两个或更多个环包射流环包。
[0032]尤其是，如果辅助射流以环状方式环绕燃料射流并且通过同样以环状方式设置的环包射流与燃料射流分隔开和/或被环包射流在外侧环绕，则是有利的。
[0033]如果辅助射流至少供应与环包射流相同的氧化剂量、优选甚至是所需氧化剂总量的50%至90%、优选70%至80%，则能得到有利的运行模式。优选使用纯氧，用以降低热惰性质(thermal ballast)的量。
[0034]环包射流的主要任务是在尽可能长的距离上降低辅助射流所经受的炉的周围物、尤其是炉内气氛造成的影响。这实现的效果是，例如，辅助射流保持很大程度上不受湍流影响并且与燃料射流的混合被延长一更长的距离。结果，当运行根据本发明的燃烧器时所形成的火焰变得特别长。如上所述，虽然火焰的每段的热量输出也降低了，但是在火焰的整个长度上热量输出保持至少与常规火焰的热量输出相等。与以传统方式运行燃烧器相比，由于局部热峰值的较低出现率，降低了氮氧化合物形成的程度。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]下面基于附图更详细地解释本发明和技术环境。附图尤其示出优选示例性实施例，然而本发明并不局限于这些实施例。附图是示意性的并且以相同的附图标记表示相同的部件。在附图中:
[0036]图1以侧视图示意性示出根据本发明的燃烧器，
[0037]图2以正视图示意性示出根据本发明的燃烧器，
[0038]图3示出运行中的具有根据本发明的燃烧器的炉的部分截面示意侧视图，
[0039]图4以示意侧视图示出根据本发明的燃烧器的优选实施例，以及
[0040]图5示出根据本发明的燃烧器的优选示例性实施例的正视图。
【具体实施方式】
[0041]图1中，以侧视图示意性示出燃烧器I。第一中央进料部2设置在多个第二进料部3之间，为了简便仅示出两个第二进料部。第二进料部3终止在辅助出口 6内。第二进料部3由多个第三进料部4围绕，所述第三进料部终止在环包射流出口 7内，该环包射流出口又围绕辅助出口 6。在示出燃烧器I的这个实施例中，第一进料部2、第二进料部3和第三进料部4各自连接至示意性示出的单独的阀30。其它实施例在以下进一步描述。
[0042]图2示意性示出根据本发明的燃烧器I的正视图，所述燃烧器适合以根据本发明的方法操作，各个出口成形为圆环。在根据本发明的燃烧器I中央示出的是用于氧化剂(尤其是氧气)的主出口 5，该主出口在这个例子中位于第一进料部2内并且是用于稳定火焰的典型的本身已知的构型。第一进料部2相对于第二进料部3设置在中央，该第二进料部又在其两侧被第三进料部4围绕。这具有的效果是，从示出的垂直于附图平面的辅助出口 6射出的辅助射流在其内侧和外侧两侧被从环包射流出口 7射出的环包射流围绕。
[0043]图3中，示出具有根据本发明的燃烧器I的炉19的部分截面示意侧视图。这个燃烧器I设置在炉19的第一端20处并且指向燃烧空间35。如箭头表示，燃烧器I被供给有燃料31和氧化剂32。设置在燃烧器I中央的是用于燃料31的第一进料部2，该第一进料部大体包括用于氧化剂32的中央主出口 5，所述氧化剂用于在距离燃烧器I 一定距离处稳定火焰。此外，氧化剂32可以通过辅助出口 6喷射进燃烧空间35。运行期间，这导致燃料射流34的形成，所述燃料射流能与来自主出口 5的氧化剂和来自辅助出口 6的氧化剂一起形成火焰25。使火焰(至少)热学上与燃烧器I的结构分隔开的火焰根部33在这种情况下通过所述主出口形成。根据本发明，环绕辅助出口 6设置的是环包射流出口 7，该环包射流出口通过第三进料部4同样被供应有氧化剂32。这种情况下，选择几何构型、压力以及其它参数使得氧化剂32以第一速度vl从辅助出口 6射出，第一速度vl等于或大于从环包射流出口 7射出的氧化剂32所具有的第二速度v2。因而,形成了氧化剂32的辅助射流15，该辅助射流通过环绕它的环包射流16而被稳定。尤其当环包射流16具有介于辅助射流15的第一速度vl和周围物的速度之间的第二速度v2时，获得加长的火焰25，并且燃料射流34均匀燃烧。
[0044]在图3的示意性描述中，辅助射流15和环包射流16各自由多个辅助射流组成部分17和环包射流组成部分18形成。在辅助射流组成部分17和环包射流组成部分18的中央是火焰25。示出为挨着主出口 5的是检测器29，该检测器例如通过例如红外线辐射或紫外线辐射的辐射测量来测量火焰的温度，并且因而能提供用于运行燃烧器I的调节值。此处还仅示意性地示出形成辅助射流组成部分17的第一体积流8大于形成环包射流组成部分18的第二体积流9。
[0045]在炉19的第一端20和第二端21之间示出几何轴线22，火焰25近似地沿着该几何轴线形成。在典型的炉中，火焰的定位是近似水平的，这通过关于地球重力场的箭头28说明。在轴线22下方的区域(该区域被称为近区域26)中，存在具有表面24的熔融金属23。在所述轴线上方有燃烧空间35的远区域27。由于在近区域26中的热辐射和热对流而发生自火焰向熔融金属23的热交换。
[0046]图4中，以纵剖面示意性示出根据本发明的燃烧器I的优选实施例，与图3中的类似。相同的零部件具有同图3中一样的附图标记。在这种燃烧器I中，由共同的源10经共同的连接件11通过共同的管路13给辅助出口 6和环包射流出口 7以及主出口 5供应氧化剂32。共同的管路13通过歧管12连接至共同的连接件11。辅助射流15和环包射流16的射流形式、量以及速度由第二供应管路3和第三供应管路4的数量、截面以及位置决定。燃料通过第一供应管路2进给，在该第一供应管路内用于氧化剂的主出口 5设置在中央。每个喷嘴单元14的前侧37优选是平面设计，这在清洁时具有益处，因为突出的喷嘴(诸如从现有技术中得知的那些)更容易损坏或变形。
[0047]图5中，以正视图示出的燃烧器I (诸如例如在图3或图4中示出的)是具有作为例子选择的四个辅助出口 6的构型。然而，更多数量是可能的。辅助出口 6绕着第一进料部2和主出口 5像环一样设置。[0048]每个辅助出口 6都被环包射流出口 7环绕。环包射流出口 7所环绕的辅助出口 6在任何情况下都设置在圆形喷嘴单元4内，该圆形喷嘴单元已经外螺纹被拧紧到燃烧器I中。
[0049]原则上，使用具有多组辅助出口 6和环包射流出口 7的更大的可更换喷嘴单元也是可能的。形式不同的这样的喷嘴单元14可以用于将燃烧器改用于不同的应用或者当磨损时更容易更换。
[0050]本发明至少部分解决了关于现有技术描述的技术问题。尤其，在一延长的距离上均匀的热量输出是可能的。此外，避免了在火焰和炉的靠近燃烧器的区域两者中出现热峰值，并且由于火焰湍急程度较弱，因此减少了噪音的出现。
[0051]附图标记列表
[0052]I 燃烧器
[0053]2 第一进料部
[0054]3 第二进料部
[0055]4 第三进料部
[0056]5 主出口
[0057]6 辅助出口
[0058]7 环包射流出口
[0059]8 第一体积流
[0060]9 第二体积流
[0061]10 源
[0062]11共同的连接件
[0063]12 歧管
[0064]13共同的管路
[0065]14喷嘴单元
[0066]15辅助射流
[0067]16环包射流
[0068]17辅助射流组成部分
[0069]18环包射流组成部分
[0070]19 炉
[0071]20 第一端
[0072]21 第二端
[0073]22 轴线
[0074]23熔融金属
[0075]24 表面
[0076]25 火焰
[0077]26近区域
[0078]27远区域
[0079]28地球重力场
[0080]29检测器[0081]30阀
[0082]31燃料
[0083]32氧化剂
[0084]33火焰根部
[0085]34燃料射流
[0086]35燃烧空间
[0087]36外螺纹 [0088]37前侧
【权利要求】
1.一种燃烧器(I)，包括: -用于至少一种燃料的第一进料部(2)，优选具有用于氧化剂的主出口(5)，所述氧化剂优选为氧气； -第二进料部(3)，其环绕所述第一进料部(2)，具有用于所述氧化剂的至少一个辅助出口(6); -第三进料部(4)，其环绕所述第二进料部(3)，具有用于所述氧化剂的至少一个环包射流出口(7)， 其中所述第二进料部(3)和所述第三进料部(4)设计成使得从所述至少一个辅助出口(6)射出的氧化剂所具有的第一速度(Vl)大于从所述至少一个环包射流出口(7)射出的氧化剂所具有的第二速度(v2)。
2.根据权利要求1所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述第二进料部(3)使得能够得到大于或等于通过第三进料部(4)的氧化剂的第二体积流(9)的氧化剂的第一体积流(8)。
3.根据权利要求1或2所述的燃烧器(I)，其特征在于，所述第二进料部(3)和所述第三进料部(4)通过共同的连接件(11)连接至氧化剂的源(10 )，来自所述燃烧器(I)内的歧管(12)的在所述第二进料部(3)和所述第三进料部(4)之间的分配优选由第二进料部(3)的所述至少一个辅助出口( 6 )和第三进料部(4 )的所述至少一个环包射流出口( 7 )的形式、设置、数量和截面造成，所述第二进料部(3)和所述第三进料部(4)连接至所述歧管(12)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器(I)，其特征在于，所述第二进料部(3)具有多个辅助出口(6)，所述辅助出口(6)环绕所述第一进料部(2)。
5.根据权利要求4所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述第三进料部(4)具有多个环包射流出口(7)，至少一些所述环包射流出口(7)各自环绕一辅助出口(6)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述第三进料部(4)具有多个环包射流出口(7)，优选这些环包射流出口(7)共同在所述第二进料部(3)的内侧和/或外侧环绕所述第二进料部(3)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器(I)，其特征在于，所述燃烧器(I)具有至少一个喷嘴单元(14 )，所述第二进料部(3 )和第三进料部(4 )在所述燃烧器(I)内延伸，并且至少一个辅助出口(6)各自和环绕所述辅助出口的全部环包射流出口(7)被设置在喷嘴单元(14)内。
8.根据权利要求7所述的燃烧器(I)，其特征在于，所述喷嘴单元(14)形成为使得其能被更换，优选地能通过外螺纹(36)拧入。
9.根据权利要求7或8所述的燃烧器(I)，其特征在于，所述喷嘴单元(14)具有基本上为平的前侧(37)。
10.一种用于运行燃烧器(I)、尤其是根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器(I)用以在燃烧空间(35)中形成火焰(25)的方法，其中 -燃料以燃料射流(34)的形式通过第一进料部(2)喷射进所述燃烧空间(35)， -氧化剂、优选为氧气，作为具有辅助速度(Vl)的至少一个辅助射流(15)借助至少一个辅助出口(2)和作为具有环包射流速度(v2)的至少一个环包射流(16)借助至少一个环包射流出口(7)喷射进所述燃烧空间，以及 -从所述至少一个辅助出口(2)射出的氧化剂被从所述至少一个环包射流出口(7)射出的氧化剂以覆盖射流的方式基本上环包。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述氧化剂以两个以上的环绕所述燃料射流(34)的辅助射流(15)的形式喷射，每个辅助射流(15)被两个以上环包射流(16)环包。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述辅助射流(15)以环状方式环绕所述燃料射流(34)并且通过同样以环状方式设置的环包射流(16)与所述燃料射流(34)分隔开和/或被环包射流(16)在外侧环绕。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其特征在于，所述辅助射流(15)供应至少与所述环包射流 (16)相同的氧化剂量，优选供应所述氧化剂的50%至90%、特别是70%至80%。
【文档编号】F23D14/22GK103765100SQ201280008657
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年2月10日 优先权日:2011年2月14日
【发明者】D·维克, C·温德霍维尔 申请人:乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司