快速能量释放喷燃器及其使用方法
【专利摘要】一种喷燃器具有：高形状因数喷嘴，其包括喷嘴开口，喷嘴开口具有大约10至大约75的形状因数，形状因数被定义为喷嘴周长的平方除以两倍的喷嘴横截面积；以及包围高形状因数喷嘴的环形喷嘴，其中，高形状因数喷嘴构造成被供应燃料气体和助燃物气体中的一个，并且环形喷嘴构造成被供应燃料气体和助燃物气体中的另一个。一种快速能量释放燃烧的方法包括将燃料气体和助燃物气体供应到喷燃器，喷燃器具有高形状因数喷嘴和包围该高形状因数喷嘴的环形喷嘴。
【专利说明】快速能量释放喷燃器及其使用方法
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求2011年12月I日提交的美国临时专利申请N0.61/565, 5601的优先权，该申请通过引用而整体地结合在本文中。本申请涉及于2012年12月30日与本申请同时提交且转让给本公开的受让人的名称为“Staged air-oxy-fuel burners and methods forusing the same (分级式空气-氧-燃料喷燃器及其使用方法)”的申请N0.，其律师案号为 N0.07566ZP 2 USA。
【技术领域】
[0002]本发明的主题涉及使得能够快速释放燃烧能量的氧-燃料喷燃器。
【背景技术】
[0003]在广泛的应用范围中使用氧-燃料喷燃器。在一个应用中,采用氧-燃料喷燃器来熔化炉内的碎屑(例如并且进行铝回收)。在一些应用中，用于将碎屑引入到炉中的填料动作会使金属较接近喷燃器的面。当使用传统的氧-燃料喷燃器技术时，火焰可通过碎屑而形成腔体，从而导致热无法高效地传递到碎屑，以及产生高的烟道气温度。在另一个应用中，在单行程炉中使用氧-燃料喷燃器，在单行程炉中，任何未快速传递的热都可能损失在烟道中。在又一个应用中，氧-燃料喷燃器沿着具有较大的纵横比(即，长度比宽度大得多)的炉的宽度燃烧，诸如轴炉和冲天炉，其中，燃烧热的快速传递将显著地提高炉的效率。
[0004]在美国专利N0.6,866,503 B2和美国公开N0.2007/0254251 Al中描述了传统的氧-燃料喷燃器和用于使用喷燃器来将炉气体夹带到燃烧区中的方法，它们通过引用而整体地结合在本文中。在工业喷燃器手册(CRC出版社2004年)的第21.4.1章节的图21.4中公开了被称为“管中管式”喷燃器的另一个传统的喷燃器。在本领域中需要一种提高均匀的热释放速率，以改进对炉的热传递效率且降低烟道气温度的喷燃器和方法。
【发明内容】
[0005]本文描述的快速能量释放喷燃器通过包括高形状因数喷嘴而解决了与传统的喷燃器和方法相关联的问题，高形状因数喷嘴被环形喷嘴包围，以加强燃料和助燃物流之间的混合。喷燃器喷嘴的组合还可避免燃烧区被稀释，从而使得能够快速释放燃烧能量。
[0006]一方面，喷燃器采用凹陷式中心喷嘴。在本发明的另一方面，喷燃器产生与传统火焰相比体积较大的火焰。因此，喷燃器可均匀地加热炉内的填料，以及在喷燃器的面的附近提供峰值热通量。
[0007]本发明的一方面涉及喷燃器，它包括形状因数大于大约10的至少一个喷嘴和包围该至少一个喷嘴的环形喷嘴。一方面，喷燃器包括被环形喷嘴包围的多个高形状因数喷嘴。
[0008]在一个实施例中，提供一种喷燃器，它包括高形状因数喷嘴和环形喷嘴。高形状因数喷嘴包括喷嘴本体和喷嘴开口，喷嘴开口具有大约10至大约75的形状因数，形状因数被定义为喷嘴周长的平方除以两倍的喷嘴横截面积。环形喷嘴包围高形状因数喷嘴。高形状因数喷嘴构造成被供应燃料气体和助燃物气体中的一个，并且环形喷嘴构造成被供应燃料气体和助燃物气体中的另一个。
[0009]一方面，高形状因数喷嘴可朝喷嘴开口渐缩得越来越狭窄。对称地定位在喷嘴本体上的两个渐缩面向内渐缩，它们各自相对于喷燃器的轴线成大约15°至大约30°的角。高形状因数喷嘴具有横截面积，并且具有面积为横截面积的大约35%至大约70%的出口面。
[0010]另一方面，环形喷嘴具有排出端，并且高形状因数喷嘴可相对于排出端沿轴向偏移一偏移距离。高形状因数喷嘴具有直径，而且在一方面，高形状因数喷嘴的喷嘴开口从排出端凹陷达小于或等于大约一个高形状因数喷嘴直径的距离。
[0011]另一方面，环形喷嘴开口形成于环形喷嘴和高形状因数喷嘴之间，并且高形状因数喷嘴开口和环形喷嘴开口在大小上设置成使流过环形喷嘴的气体流与流过高形状因数喷嘴开口的气体流的速度比vANmAK/vHSF小于大约I。
[0012]高形状因数可居中定位在环形喷嘴开口内，或者可相对于中心位置偏移。不止一个高形状因数喷嘴可定位在环形喷嘴开口内。
[0013]在另一个实施例中，提供一种喷燃器，它具有高形状因数喷嘴和环形喷嘴。高形状因数喷嘴包括喷嘴本体、出口面，以及在出口面中的喷嘴开口，喷嘴开口具有大约10至大约75的形状因数，形状因数被定义为喷嘴周长的平方除以两倍的喷嘴横截面积。环形喷嘴包围高形状因数喷嘴，并且具有排出端。高形状因数喷嘴构造成被供应燃料气体和助燃物气体中的一个，并且环形喷嘴构造成被供应燃料气体和助燃物气体中的另一个。
[0014]在另一个实施例中，提供一种快速能量释放燃烧的方法。该方法包括:将燃料气体和助燃物气体供应到喷燃器，喷燃器具有高形状因数喷嘴和包围高形状因数喷嘴的环形喷嘴；将燃料气体和助燃物气体中的一个引导通过高形状因数喷嘴；以及将燃料气体和助燃物气体中的另一个引导通过环形喷嘴。高形状因数喷嘴包括喷嘴开口，喷嘴开口具有大约10至大约75的形状因数，形状因数被定义为喷嘴周长的平方除以两倍的喷嘴横截面积。
[0015]一方面，方法进一步包括使过环形喷嘴开口的气体流的速度与过高形状因数喷嘴开口的气体流的速度的比 Vannular/Vhsf
小于大约I。
[0016]本发明的另一方面涉及一种用于快速释放能量，以加热铝、铁、钢、铜和锌中的至少一个的方法，它包括使用本发明的喷燃器。
[0017]本文公开的发明的各方面可单独使用或彼此结合起来使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是包括被环形喷嘴包围的高形状因数喷嘴的快速能量释放喷燃器的透视图。
[0019]图2是如图1中那样的喷燃器的端视图。
[0020]图3A是如图1中那样的喷燃器的横截面图，截取如图2中出现的喷嘴那样的竖向截面。
[0021]图3B是如图1中那样的喷燃器的横截面图，截取如图2中出现的喷嘴那样的水平截面。
[0022]图4A和4B是比较来自传统喷燃器的火焰(图4A)与如本文描述的那样包括被环形喷嘴包围的高形状因数喷嘴的喷燃器形成的火焰(图4B)的照片。
[0023]图5A是测试炉中的热通量与炉长度的关系的图表，它比较快速能量释放喷燃器与传统的管中管式氧-燃料喷燃器的热释放分布。
[0024]图5B是叠加有喷燃器安装到其中的示例性旋转式炉的图表的图表，它示出传统喷燃器与包括被环形喷嘴包围的高形状因数喷嘴的快速能量释放喷燃器相比的热通量与长度的关系。
[0025]图6是具有较大的长宽比且具有在有限的燃烧空间下沿着炉的宽度沿侧向燃烧的多个喷燃器的示例性炉的平面图，诸如轴炉或冲天炉。
[0026]图7A和7B是比较具有非流线型本体末端的高形状因数喷嘴产生的火焰与具有渐缩末端的高形状因数喷嘴产生的火焰的照片。
[0027]图8是用于在快速能量释放喷燃器中使用的高形状因数喷嘴组件的透视图。
[0028]图9是图8的喷嘴的轴向截面1-1的横截面透视图。
[0029]图1OA是图8的喷嘴本体的正视图，其显示喷嘴本体的排出端或喷嘴。
[0030]图1OB是图1OA的截面I1-1I的横截面图。
[0031]图1OC是图1OA的截面II1-1II的横截面图。
[0032]图1OD是图8的喷嘴本体的后视图，它显示喷嘴本体的入口端。
[0033]图11是用于在快速能量释放喷燃器中使用的备选高形状因数喷嘴组件的透视图。
[0034]图12A是图11的喷嘴本体的正视图，它显示喷嘴本体的排出端或喷嘴。
[0035]图12B是图12A的截面IV-1V的横截面图。
[0036]图12C是图12A的截面V-V的横截面图。
[0037]图13介绍了图12A、12B和12C的喷嘴本体的各种几何构造设计参数的定义。
[0038]图14介绍了图10A、10B和IOC的喷嘴本体的各种几何构造设计参数的定义。
【具体实施方式】
[0039]描述一种氧-燃料喷燃器，它可有利于将燃烧能量快速释放到炉中。这可由燃料和助燃物喷嘴的特殊几何构造实现，从而产生能够较均匀地加热炉填料的体积较大的火焰。
[0040]如本文所用，用语“助燃物”和“氧化剂”可互换地用来表示具有至少大约20.9体积％的O2的气体，并且可具有至少大约23体积％的02，或者至少大约30体积％的02，或者至少大约60体积％的O2，或者至少大约85体积％的O2或大约100%的O2。如本文所用，“燃料气体”可包括能够在助燃物或氧化剂中燃烧的任何气态燃料。
[0041]图1-3B显示示例性喷燃器10，它具有外部管道12和内部管道14。外部管道12在具有排出端22的环形喷嘴20中终止，并且内部管道14在高形状因数(HSF)喷嘴30中终止。HSF喷嘴30包括出口面32，并且喷嘴本体34连接到内部管道14上。喷嘴开口 38形成于喷嘴30的出口面32中。环形喷嘴开口 28形成于环形喷嘴20和HSF喷嘴30之间。
[0042]如图中显示的那样，可提供可选的点火器40来点燃喷燃器10。可提供间隔件42，以将HSF喷嘴30定位在环形喷嘴20内。另外，可在外部喷嘴12中提供冷却通道44，以使得液体冷却剂流能够从环形喷嘴20中移除热。
[0043]在喷燃器10的运行期间，内部管道14对HSF喷嘴30供应燃料气体或氧化剂气体形成的内部流，并且外部管道12对环形喷嘴20供应燃料气体或氧化剂气体形成的外部流。燃料气体和氧化气体中的一个供应到HSF喷嘴30，并且燃料气体和氧化气体中的另一个供应到环形喷嘴20。在从HSF喷嘴30离开之后，内部流形成内部气体射流，其夹带外部气体流。在一个实施例中，燃料气体作为内部流供应到HSF喷嘴30，而氧化剂气体则作为外部流供应到环形喷嘴20。在另一个实施例中，氧化剂气体作为内部流供应到HSF喷嘴30，而燃料气体则作为外部流供应到环形喷嘴20。
[0044]如图1-3B中显示的那样，环形喷嘴20完全包围高形状因数喷嘴30。在一个实施例中，高形状因数喷嘴30居中设置在环形喷嘴20内，使得环形喷嘴开口 28关于高形状因数喷嘴30对称。在另一个实施例中，多个高形状因数喷嘴30定位在环形喷嘴内，并且被环形喷嘴开口 28包围。
[0045]高形状因数喷嘴排出开口 38具有帮助离开的内部流对外部流产生较大程度的流体夹带的几何构造。在描绘的实施例中，喷嘴30可被描述成“开槽形”或“拉链形”。喷嘴开口 38的特征在于至少大约10的形状因数σ，其中，σ为如下定义的无量纲参数
σ =Ρ2/2Α
其中，P是排出开口的周长，而A是排出开口的流面积。周长尺寸是在喷嘴排到燃烧区中所处的喷嘴面的平面处测得的排出开口的湿边缘的尺寸。
[0046]形状因数确定内部射流和外部包围流之间的相互作用的程度。可使用各种几何构造来实现期望形状因数σ，包括本文和美国专利N0.6，866,503(通过引用而结合在本文中)中显示的那样。作为一个示例，图1-3的实施例中显示的具有一个中心槽口和四个横向槽口的喷嘴30具有41.6的形状因数。类似的具有一个中心槽口和三个横向槽口的喷嘴具有大约32.9的形状因数。相比之下，传统的圆形喷嘴的形状因数为大约6.28(即，2 π )。本文描述的快速能量释放喷燃器10中的HSF喷嘴30的形状因数的范围为至少大约10到大到大约75，并且优选大于或等于大约10,更优选大于或等于大约25，而且最优选大于或等于大约35。因而，HSF喷嘴的形状因数可为传统圆形喷嘴的形状因数的大约1.5倍至大约12倍，并且在图1-3中描绘的示例性实施例中，喷嘴形状因数为传统圆形喷嘴的大约6.6倍。已经在仿真和试验中显示了这样的形状因数能够获得如下面关于图5Α和5Β更详细地论述的那样的快速释放热通量分布。
[0047]高形状因数喷嘴30在喷嘴开口 38的周边周围并且特别是在槽口之间产生低压区域或低压穴，这帮助夹带周围的气体。离开高形状因数喷嘴开口 38的内部流射流(例如，燃料气体)用来夹带离开环形喷嘴开口 28的外部流(例如，氧化剂气体)。喷嘴开口 38的形状使内部流射流产生紊流，从而快速地混合内部流和外部流，以及产生稠密(bushy)的高能量释放火焰。不想受任何理论或解释的约束，大体上，形状因数越大，燃料和助燃物流之间的混合就可能越快速，并且因此火焰的体积可能越大。
[0048]可通过加强燃料和助燃物流的混合来实现能量的快速释放。可采用几个因数以及使用高形状因数喷嘴来实现快速的热通量分布。一方面，HSF喷嘴30可完全被环形喷嘴20包围。这最大程度地提高燃料气体和氧化剂气体流之间的相互作用，以促进快速混合。
[0049]另一方面，HSF喷嘴30可具有渐缩形状，如图3中显示的那样，喷嘴30的喷嘴本体34具有渐缩面36，渐缩面36朝出口面32向内成角度。渐缩角□可为大约15°至大约45°，优选大约15°至大约30°，并且更优选大约20°。渐缩面36通过最大程度地减少出口面32处的外部流的再循环来减少喷嘴30的过热。渐缩面36还帮助流从环形喷嘴开口28流到离开HSF喷嘴开口 38的内部流或射流中的外部流成流线型。一方面，HSF喷嘴30具有由喷嘴开口 38限定的中心平面，并且渐缩面36在喷嘴本体34的相对的侧部上，并且朝中心平面向内渐缩，使得相对的面的凸出部和中心平面将在超过喷嘴30的出口面32的燃烧区中的线处相交。
[0050]渐缩面36可进一步由HSF喷嘴出口面32的面积(Af)与HSF喷嘴30的横截面积(An)的面积比限定。如图2和3A中显示的那样，HSF喷嘴30具有直径Dhsf,并且外部面32具有闻度Xp，闻度Xp小于直径Dhsf。从图2的端视图可看出，An和Af之间的面积差是表不渐缩面36的圆形节段的凸出面积的两倍，那些圆形节段中的各个被定义为夹着角Θ。特别地，HSF喷嘴面积An可计算为:
【权利要求】
1.一种喷燃器，包括: 高形状因数喷嘴，其包括喷嘴本体和喷嘴开口，所述喷嘴开口具有大约10至大约75的形状因数，所述形状因数被定义为喷嘴周长的平方除以两倍的喷嘴横截面积；以及 包围所述高形状因数喷嘴的环形喷嘴； 其中，所述高形状因数喷嘴构造成被供应燃料气体和助燃物气体中的一个，并且所述环形喷嘴构造成被供应燃料气体和助燃物气体中的另一个。
2.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述高形状因数喷嘴本体朝所述喷嘴开口渐缩得越来越狭窄，所述喷嘴本体具有两个渐缩面，所述两个渐缩面相对于所述喷燃器的轴线成大约15°至大约30°的角。
3.根据权利要求2所述的喷燃器，其特征在于，所述高形状因数喷嘴具有横截面积，并且具有面积为所述横截面积的大约35%至大约70%的出口面。
4.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述环形喷嘴具有排出端，以及其中，所述高形状因数喷嘴的喷嘴开口相对于所述排出端沿轴向偏移。
5.根据权利要求4所述的喷燃器，其特征在于，所述高形状因数喷嘴具有直径，以及其中，所述高形状因数喷嘴的喷嘴开口从所述排出端凹陷达小于或等于大约一个高形状因数喷嘴直径的距离。
6.根据权利要求 1所述的喷燃器，其特征在于， 在所述环形喷嘴和所述高形状因数喷嘴之间形成环形喷嘴开口 ；以及 所述高形状因数喷嘴开口和所述环形喷嘴开口在大小上设置成使流过所述环形喷嘴的气体流与流过所述高形状因数喷嘴开口的气体流的速度比Vannulai^Vhsf小于大约I。
7.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述高形状因数喷嘴居中定位在所述环形喷嘴开口内。
8.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述高形状因数喷嘴相对于所述环形喷嘴开口内的中心位置偏移。
9.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述喷嘴包括定位在所述环形喷嘴开口内的多个高形状因数喷嘴。
10.一种喷燃器，包括: 高形状因数喷嘴，其包括喷嘴本体、出口面和在所述出口面中的喷嘴开口，所述喷嘴开口具有大约10至大约75的形状因数，所述形状因数被定义为喷嘴周长的平方除以两倍的喷嘴横截面积；以及 环形喷嘴，其包围所述高形状因数喷嘴，并且具有排出端； 其中，所述高形状因数喷嘴构造成被供应燃料气体和助燃物气体中的一个，并且所述环形喷嘴构造成被供应燃料气体和助燃物气体中的另一个；以及 其中，所述高形状因数喷嘴的出口面相对于所述环形喷嘴的排出端偏移一偏移距离。
11.根据权利要求10所述的喷燃器，其特征在于，所述高形状因数喷嘴的喷嘴本体朝所述出口面向内渐缩。
12.根据权利要求11所述的喷燃器，其特征在于， 所述高形状因数喷嘴具有从所述出口面向外延伸的中心平面；以及 所述高形状因数喷嘴本体的外壁具有两个相对的面，所述两个相对的面朝所述中心平面向内渐缩，使得所述相对的面的凸出部和所述中心平面将在超过所述高形状因数喷嘴的出口面的线处相交。
13.根据权利要求12所述的喷燃器，其特征在于，渐缩的角为大约15°至大约30°。
14.根据权利要求13所述的喷燃器，其特征在于，所述高形状因数喷嘴具有横截面积，并且具有面积为所述横截面积的大约35%至大约70%的出口面。
15.根据权利要求10所述的喷燃器，其特征在于，所述高形状因数喷嘴具有直径，以及其中，所述高形状因数喷嘴的喷嘴开口从所述排出端凹陷达小于或等于大约一个高形状因数喷嘴直径的距离。
16.根据权利要求10所述的喷燃器，其特征在于，所述高形状因数喷嘴的横截面积与所述环形喷嘴的横截面积的比在大小上设置成使流过所述环形喷嘴开口的气体流与流过所述高形状因数喷嘴开口的气体流的速度比vANmAK/vHSF小于大约I。
17.根据权利要求16所述的喷燃器，其特征在于，所述横截面积比在大小上设置成提供大约0.3的速度比
Vannular/Vhsf。
18.一种快速能量释放燃烧的方法，包括: 将燃料气体和助燃物气体供应到喷燃器，所述喷燃器具有高形状因数喷嘴和包围所述高形状因数喷嘴的环形喷 嘴； 引导所述燃料气体和所述助燃物气体中的一个通过所述高形状因数喷嘴；以及 引导所述燃料气体和所述助燃物气体中的另一个通过所述环形喷嘴； 其中，所述高形状因数喷嘴包括喷嘴开口，所述喷嘴开口具有大约10至大约75的形状因数，所述形状因数被定义为喷嘴周长的平方除以两倍的喷嘴横截面积。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括: 使流过所述环形喷嘴开口的气体的速度与流过所述高形状因数喷嘴开口的气体的速度的比 Vannular/Vhsf
小于大约I。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述速度比VannulakZVhsf为大约0.3。
21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述环形喷嘴具有排出端，其中，所述高形状因数喷嘴具有直径，以及其中，所述高形状因数喷嘴的喷嘴开口从所述排出端凹陷达小于或等于大约一个高形状因数喷嘴直径的距离。
22.根据权利要求18所述的方法，其特征在于， 所述高形状因数喷嘴朝所述喷嘴开口渐缩得越来越狭窄，所述喷嘴本体具有两个渐缩面，所述两个渐缩面相对于所述喷燃器的轴线成大约15°至大约30°的角，以及 所述高形状因数喷嘴具有横截面积，并且具有面积为所述横截面积的大约35%至大约70%的出口面。
23.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述燃料气体和助燃物气体组合起来产生体积大的火焰，以熔化炉中的铝、铁、钢、铜和锌中的至少一个。
【文档编号】F23D14/32GK104081125SQ201280068909
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2012年11月30日 优先权日:2011年12月1日
【发明者】S.P.冈戈利, A.G.斯拉夫科夫, J.D.科尔 申请人:气体产品与化学公司