专利名称：用于高温高微粒炉的改进的自冷却氧气－燃料燃烧器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及燃烧，特别涉及燃烧器和这种燃烧器用具有大于空气中的氧气浓度的氧化剂来燃烧燃料的方法。
在燃烧器技术中常采用氧气浓度大于空气中氧气浓度的氧化剂，当这类燃烧器用于玻璃生产时，它的一个目的是为了产生明亮的低温火焰。通常地，这些火焰具有低的气体速度和非常简单(例如，套管式结构)混合方法。带有圆柱形燃烧室的燃烧器装置的使用是公知的，其中的主要步骤包括一个被富氧外壳所环绕的富含燃料的中心，位于圆柱形空腔之中。圆柱形燃烧器装置(有时称作预燃烧炉)，其长度“L”与圆柱形空腔直径“D”的比值在2-6之间。在此L/D比值范围内，选择燃料和氧气的速度(低于600ft/s)，使燃烧范围可达到20MMBtu/hr。在此，目标是通过采用延迟混合，获得一种长而散且高度明亮的氧气-燃料火焰。由热裂解(在富含燃料的中心)所形成的烟灰微粒和随后的燃烧提供了火焰的发光度。而在上述L/D比值范围之外的火焰具有非常高的“轴向”动量，所以就变得非常的不明亮。
尽管这类燃烧器可用于许多目的，但是这类燃烧器存在不利之处。这类燃烧器装置最大的不利之处在于火焰的形状，尤其是最大火焰直径和/或火焰长度，总是受制于这种燃烧器装置的L/D比值和燃料与氧化剂的速度。通常的火焰特征都是长而散且高度清晰的火焰而不含有任何明显的对流加热成分，较大的火焰表面积用于提高负载复盖，或者可认为是为了减少微粒在这种燃烧器装置(循环区)的热表面附近的“吸气效应”的影响。由于燃烧的原因，这类燃烧器的轴向动量火焰将会产生一个低压区。
上述的三维循环区的尺寸和强度取决于轴向火焰燃烧产物的动量。火焰的动量越高，则循环区的吸气效应将会越大，在燃烧器装置的热表面周围的低压区也将会越大。
在燃烧器装置热表面附近的低压区可使得多种过程(process)微粒(如玻璃配料、挥发物、冷凝物等)沉积在燃烧器装置的热表面，或者有时甚至会进入燃烧器装置的空腔之中(如果在氧化剂气流与燃烧器装置的内表面之间存在空隙的话)。如果燃烧器装置的空腔没有设计成为完全被火焰气体所充满的，这将是很常见的。如果燃烧器的燃烧速率(燃料和氧化剂的流量)要在很宽的范围内变动，那么要没计一种紧密的没有丝毫空隙的燃烧器装置将会变是非常困难。火焰周围的燃烧器装置中微小的缝隙，由于低压区的存在和随后的循环区的抽吸作用，会把燃烧产物吸入到燃烧器装置的内腔中。阻塞的燃烧器装置结果会导致维修频率(在清扫燃烧器和/或装置或低压燃烧器/装置寿命方面)的提高或由于高温火焰的直接或间接的冲击/偏转而引起的不幸的失败。
套管式燃烧器装置设计的另一不足之处是它难以产生这样一种火焰，这种火焰是以径向基本上与燃料和氧化剂气流相正交的方向展开的，在此称之为“平坦”火焰。圆柱形几何结构的套管式燃烧器没有可供火焰在径向方向扩大而展开的空间。这种径向平坦的火焰形状，在采用稳定的热流量对燃烧室内部进行加热的空气-燃料燃烧器中是很常见的。一个简单的实施方案是钢铁再热炉，其中的空气-燃料燃烧器是装配在再热炉的顶上(顶部)的，它们散发热量到其下的钢铁负载物(钢坯，钢材)上。径向展开的平坦火焰(通常是涡状的)的优点是，它可以提供一个很小的轴向加热分量，而大部分热量是归因于热壁的辐射。研究发现，这种平坦火焰通过coanda效应紧靠着炉壁表面，并形成一种能给出均匀辐射的热源。这种类型的空气-燃料燃烧器其工业商品名是“Wall Hugger”。这种紧靠炉壁的火焰是由高速下的空气涡流而形成的。尽管如此，还没有得到证实，同样的方法可用于氧气-燃料燃烧器。
涡状氧化剂/燃料燃烧器是公知的，其中的氧化剂具有的氧气浓度大于空气中氧气的浓度。典型地，这种燃烧器装置具有一个圆柱形内腔，燃烧器凹进在圆柱形内腔之中。可在环形空间里获得高速的燃料喷射和涡流形的低速氧气喷射。在一个直径恒定的圆柱形装置内腔内部，形成一种漩涡稳定的火焰。在这种设计中，由于涡状氧气的运动，没有为分散的氧气气流提供空间。最终的火焰是一种基于出口直径D的“狭窄”圆柱形火焰。这种与狭窄出口几何结构相连接的管式燃烧室，不能为火焰提供足够的空间，使其在径向方向或在平坦火焰的尽头位置得到展开。这种直径恒定的几何结构(管式)，由于壁的磨擦作用，会对氧化剂涡流的维持有不利的影响。如果一种涡状气流在径向方向不能得到展开，那么由于壁的磨擦作用，涡流的强度就会很快地变小。另一方面，由于燃烧室内的紧密接近，涡状氧化剂也会很快地与燃料发生作用。这种方法可产生一种短而强烈的火焰。由于涡状氧化剂在相对狭窄直径的燃烧器装置中的快速燃烧，对于燃烧器装置的冷却也是不利的。
而且，整个炉体(通常为金属管)插入在燃烧器装置之中的，直到燃烧器的顶端(燃料喷嘴顶端)距燃烧器装置的热表面的距离为“L”。涡状氧化剂在喷嘴出口的上游引入，氧化剂大都流过金属燃烧器主体，而没有冷却明显的燃烧器装置长度，可以认为，采用涡状氧化剂进行引入，比改变径向尺寸的火焰特性，具有与燃料更好的混合条件。由于固定的燃烧器装置的几何结构(圆柱形)，火焰特性如在径向方向上火焰形状改变，采用氧化剂气流冷却炉顶和装置内部，和采用吹扫氧化剂气流清扫燃烧器装置内部，都被急剧地削减。
因此，在燃烧领域中，需要一种燃烧器能够解决已知燃烧器中存在的上述问题中的部分或全部。
根据本发明，提供了燃烧器设备及其使用方法，可以解决现有设计中提及的很多问题。
本发明的第一个方面是一种燃烧器设备，它包括a)一种燃烧器装置，它具有一个燃料导管，该燃料导管具有一个入口和一个出口，该燃料导管的出口与一个基本上呈圆锥形的氧化剂展开室相通；b)该燃烧器装置还具有一个基本上呈环形的氧化剂通道，所述的燃料导管设置在这个基本上呈环形的氧化剂通道中；c)该基本上呈环形的氧化剂通道在紧邻着燃料入口处具有一个入口端，在紧邻着燃料导管出口处具有一个出口，在其中还设置有至少一个涡旋式喷嘴用来形成涡状氧化剂气流；d)该基本上呈环形的氧化剂通道在其出口端与燃烧器装置中的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室是流体畅通的，所述基本上呈圆锥形的氧化剂展开室具有一个入口直径Ds和一个出口直径Dc，使得Dc至少为Ds的110％；e)一个基本上呈圆柱形的燃烧室，其直径为Dc，并且具有一个入口和一个出口，所述的基本呈圆锥形的氧化剂展开室的出口设置成与该基本上呈圆柱形的燃烧室入口是流体畅通的，该基本上呈圆柱形燃烧室的出口与炉膛相通；和f)所述的燃料导管出口从该基本上呈圆柱形燃烧室出口凹进一段距离Lr，其中的Lr＝Lc+Le，Lc＝所述基本上呈圆柱形燃烧室的轴向长度，Le＝所述基本上呈圆锥形氧化剂展开室的轴向长度。
优选的本发明这个方面的燃烧器设备是这样的，其中的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室的展开角度范围约为5°～60°，更优选的范围约为10°～30°，特别优选的范围约为15°～25°。本发明的第一个方面的进一步优选的燃烧器设备是这样的一些燃烧器设备，在其中的至少一个涡旋式喷嘴有多个叶片，每个叶片的角度变化范围约为5°～30°，更优选的变化范围约为30°～60°。根据本发明的第一个方面，这些燃烧器设备也是优选的，其中的Le约为Lr的10％～50％。
本发明的第二个方面是一种燃烧器设备，它包括a)一种燃烧器装置，它具有一个燃料导管，该燃料导管具有一个入口和一个出口，该燃料导管的出口与一个基本上呈圆锥形的氧化剂展开室相通；b)该燃烧器装置还具有一个基本上呈环形的氧化剂通道，所述的燃料导管设置在这个基本上呈环形的氧化剂通道中；c)该基本上呈环形的氧化剂通道在紧邻着燃料入口处具有一个入口端，在紧邻着燃料导管出口处具有一个出口，在其中还设置有至少一个涡旋式喷嘴用来形成涡状氧化剂气流；d)该基本上呈环形的氧化剂通道在其出口端与燃烧器装置中的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室是流体畅通的，所述基本上呈圆锥形的氧化剂展开室具有一个入口直径Ds和一个出口直径Dc，使得Dc至少为Ds的110％；e)所述的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室出口设置为与一个托洛伊德尔(torroidal)燃烧室是流体畅通的，该托洛伊德尔燃烧室具有一个入口和一个出口，所述的托洛伊德尔燃烧室的出口与炉膛相通，该托洛伊德尔燃烧室的曲率半径为R；f)所述的燃料导管出口从该托洛伊德尔燃烧室出口凹进一段距离Lr，其中的Lr＝Lt+Le，Lt＝所述托洛伊德尔燃烧室的轴向长度，Le＝所述基本上呈圆锥形氧化剂展开室的轴向长度。
根据本发明的第二个方面，这些燃烧器设备也是优选的，其中的Le约为Lr的10％～50％。
根据这两个方面的燃烧器设备，其中的燃料导管包括一个具有入口端和一个出口端的燃料喷嘴，该喷嘴是设置在位于涡旋式喷嘴与燃料导管出口之间的燃料导管之中的，该喷嘴入口端的外径大于其出口端的外径。
本发明的第三个方面是一种燃料的燃烧方法，包括a)把一种燃料和一种氧化剂输入到燃烧器装置中，该燃烧器装置为本发明的第一方面的燃烧器装置；b)当它流经涡旋式喷嘴时形成涡状氧化剂；c)使该涡状氧化剂和燃料流入到所述的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室中，所述的燃料主要是在接近所述的基本上呈圆锥形的氧化展开室的轴中心流动的，而涡状氧化剂流过基本上呈圆锥形的氧化剂展开室壁；d)使该涡状氧化剂和燃料流入到基本上呈圆柱形的燃烧室；e)在基本上呈圆柱形的燃烧室内燃烧该燃料和氧化剂，同时该氧化剂流过所述的基本上呈圆柱形的燃烧室壁；和f)使燃烧产物自所述的基本上呈圆柱形的燃烧室流进炉中。
根据本发明的第三个方面，这些方法是优选的，其中的涡状氧化剂当它流经所述的基本上呈圆柱形的氧化剂展开室时，是以由展开角度所决定的展开速度进行展开，其中的展开角度变化范围约为5°-60°，更优选其中的展开角度变化范围约为10°-30°，特别优选的其中的展开角度变化范围约为15°-25°。根据本发明的第三个方面，这些方法也是优选的，其中的燃料速度是小于或等于150英尺/秒(ft/sec)，氧化剂的速度是小于或等于300ft/sec。
本发明的第四个方面是一种燃料的燃烧方法，包括a)把一种燃料和一种氧化剂输入到燃烧器装置中，该燃烧器装置为本发明的第二方面的燃烧器装置；b)当它流经涡旋式喷嘴时形成涡状氧化剂；c)使该涡状氧化剂和燃料流入到所述的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室中，所述的燃料主要是在接近所述的基本上呈圆锥形的氧化展开室的轴中心流动的，而涡状氧化剂流过基本上呈圆锥形的氧化剂展开室壁；d)使该涡状氧化剂和燃料流入到基本上托洛伊德尔燃烧室；e)在基本上托洛伊德尔燃烧室内燃烧该燃料和氧化剂，同时该氧化剂流过所述的基本上托洛伊德尔燃烧室壁；和f)使燃烧产物自所述的基本上托洛伊德尔燃烧室流进炉中。
根据本发明的第四个方面，这些方法是优选的，其中的涡状氧化剂当它流经所述的基本上呈圆柱形的氧化剂展开室时，是以由展开角度所决定的展开速度进行展开，其中的展开角度变化范围约为5°～60°，在这些方法中的燃料速度是小于或等于50ft/sec，氧化剂的速度是小于或等于300ft/sec。
这里所用的“基本上圆锥形氧化剂展开室”是指一种具有一个入口和一个出口的室，所述的出口直径大于所述的入口，该室的横截面基本呈圆形，虽然一些椭圆形和狭槽形结构是包括在本发明之中的。
这里所用的“基本上呈环形的氧化剂通道”是指具有一个入口和一个出口的一段区域，其轴向方向的长度尺寸大于由燃烧器装置中的内腔所限定的外径，其内径由燃料导管的外表面所限定。当所述的基本上呈环形的氧化剂通道从与轴向气流方向相垂直的平面的横截面观察时，优选为环形的，但是这种形状也可以是非环形，通常是由所述的基本呈圆锥形的氧化展开室的入口形状所决定的。
“涡旋式喷嘴”是表示一种元件，如果将它设置在基本上呈环形氧化剂通道中的氧化剂气流的通道中，它会使氧化剂具有一个主要为径向流动的分量，同时可允许大多数的轴向氧化剂气流通过。相应地，“涡状氧化剂气流”的定义为一种具有径向流动分量和轴向流动分量的氧化剂气流。
“基本上呈圆柱形燃烧室”是指这样的室，它可允许流体从中流过，而在轴向方向上基本没有展开。它可以这样理解，即在该室中可具有某种程度的不完整性，例如由于加工程序，它可允许气体的部分就地展开。它还可进一步理解为，具有圆形、椭圆形或狭槽形横截面的燃烧室可称作为“基本上呈圆柱形”。
这里所用的“基本上托洛伊德尔燃烧室”指的是一个具有一个入口和一个出口的室，该出口具有大于入口的直径，该室的横截面通常为圆形的，该室壁具有一个曲率半径，如本发明的图4所示。
这里所用的“氧化剂”表示一种气流，优选是在当地条件下氧气浓度大于空气中的氧气浓度的气流，空气也可用作氧化剂。在一些特定优选的实施方案中，“氧化剂”是指一种氧气浓度大于50％的气体，在某些实施方案中优选是氧气浓度大于90％的气体。
本发明的方法和设备提供了一种改善的自冷却的氧气-燃料燃烧器，根据热载荷的要求，可用来形成传统的(圆柱形)火焰和平坦火焰。这种燃烧器装置的新颖之处包括一个三室燃烧器装置，它具有涡流室、展开室和燃烧室。重要的尺寸比例为·Ls/Ds的变化范围约为0.5～5，
·Le/Ds的变化范围约为0.25～3，其中的“s”表示涡流室，·展开角(δ)的变化范围约为5°-60°，·Lc/Dc的变化范围，对于第二燃烧器实施方案约为0～2，对于第一燃烧器实施方案约为1-3，·Rc/Dc1的变化范围，在本发明的第二燃烧器实施方案中约为0.25～2，其中的“c”表示所述的基本上呈圆柱形燃烧室的直径，“c1”表示所述的基本上呈圆锥形氧化剂展开室最宽处的直径，·涡流角(β)的变化范围，对于第一燃烧器实施方案约为5°～30°，对于第二燃烧器实施方案约为30°～60°。
对本发明的第一和第三方面的燃烧器和方法来说，燃料速度优选是小于150ft/sec，而对于由本发明的第二和第四方面的燃烧器和方法所形成的平坦火焰来说，燃料速度小于50ft/sec。氧化剂速度小于300ft/sec，它取决于轴-切线的涡流结构。
在本发明的各个方面中，燃料和氧化剂气流的特定的气流几何结构，可在冷却器操作中有效地冷却和吹扫燃烧器装置的内部，并避免微粒的吸入。
本发明的燃烧器采用一种新颖的顶端设计。这种设计的新颖之处体现在两个方面，第一个方面是空气动力学形状，能为涡状氧化剂气流和低速的燃料气流创造流线型的混合条件，提高燃烧器的性能，并能消除热点和喷嘴顶端附近的低压区。这种形状的重要部分是外锥度为5～7°的喷嘴几何结构和内部直的燃料通道。第二个方面，是一种具有热力学效率的结构，它是采用传导叶片通过一种较厚的燃料喷嘴和传导-对流热分散方式而获得的。
本发明的自冷却燃烧器设备优选是采用氧气浓度大于空气中氧气浓度的氧化剂。本发明的燃烧器和喷嘴可在高温(2200°F～3000°F)和高微粒(或高过程process挥发物/冷凝物)燃烧器中点火，而不会引起过热或对其金属燃烧器喷嘴和难熔燃烧器装置内部引起化学腐蚀性损坏。采用喷嘴和装置形状的不同实施方案，这种燃烧器可根据热载荷的要求，提供一种传统的圆柱形火焰或平坦火焰。这种燃烧器的新颖之处包括独特的用于燃料与氧化剂气流的流线型混合的燃料喷嘴设计，一种为了想要的火焰特性、输入到氧化剂气流中的可控的涡流，一种在径向和轴向方向上火焰层可控的展开，和采用氧化剂以提供对流冷却和任何过程微粒的累积对燃烧器装置内部表面的有效吹扫。此外，带有传导叶片且壁相对厚的金属喷嘴结构可使得热量从喷嘴得到有效的分散，从而可节省燃烧器操作的维修费用。
图1为第一燃烧器装置侧视截面图；图2为表示第一燃烧器装置的不同尺寸的示意图；图3为第一燃烧器装置侧视截面图，特别是第一燃烧器装置的示意图，简要说明涡状氧化剂；图4为第二燃烧器装置的侧视截面图，简要说明其尺寸；图5为根据本发明的燃料喷嘴的示意图；图6为图5喷嘴的第二示意图，简要说明在这种设计中固有的热转移效应；图7a和7b为第一燃烧器装置的火焰造型程序数据，分别对应于有涡状氧化剂和没有涡状氧化剂；以及图8a和8b为第二燃烧器装置的火焰造型程序数据，分别对应于有涡状氧化剂和没有涡状氧化剂。
在本发明燃烧器设计的每个实施方案中，都有三个重要的特征，它们可用来改善高微粒高温熔炉的操作。这三个重要的特征包括1.一种三室燃烧器装置设计，用来形成形状可变的氧化-燃料火焰和相应的火焰特征，以提高火焰至载荷的热传递2.一种特定的气流几何结构，用来使燃料和氧化剂气流机械地吹扫燃烧器装置的内部，并避免微粒/挥发物在燃烧器装置内部和燃烧器喷嘴内的累积3.一种新颖的喷嘴设计和喷嘴结构，用来提高热分散。
参见附图，图1所示为本发明第一燃烧器实施方案2的侧视截面图。在此实施方案中，这种燃烧器设备包括一个燃烧器装置4，优选是实际上难熔的，它具有一个末端或热面6，一个火焰和热的燃烧气体的出口8，和一个冷却端10。一个燃料导管12和一个氧化剂导管14与燃烧器装置4的冷却端10是流体相连通的。燃料导管12，优选为金属管，其上连接有一个喷嘴16终止于喷嘴顶端18。氧化剂导管14流入一个氧化剂增压室20，它与冷却端10是流体相连通的，这样可允许氧化剂流入到基本上呈环形的氧化剂通道22中。氧气剂流经氧化剂导管14，增压室20，再流经基本上呈环形的氧化剂通道22，它环绕在所述的燃料导管12的周围，并沿着其方向一直流到一个或多个氧化剂涡旋式喷嘴24。这样，当氧化剂在轴向流过涡流室26时，就可获得一个径向切线方向的流动分量，从而可使之在轴向流过基本呈圆锥形氧化剂展开室28时能够展开，同时保持涡状。氧化剂的流动完成后，它开始与燃料进行混合，所述的氧化剂以涡状运动方式向前流动，轴向地流过基本上呈圆柱形的燃烧内腔30，然后从出口8流出。在这个实施方案中，展开的角度要能够满足足以完成在轴向切线方向上的涡旋，以获得传统的火焰。氧化剂涡旋式喷嘴24也会影响切线流动的角度。为了获得平坦的火焰，可采用一种最大切线方向的涡旋式喷嘴设计。
这种火焰可通过采用一种相对低速的燃料气流(优选范围约为5ft/sec至150ft/sec)和一种具有不同的轴向切线方向速度(范围约为50-300ft/sec)的涡状氧化气流来形成。形成传统火焰形状的燃料速度保持在100ft/sec或更高，而形成一种平坦火焰则要求较低的燃料速度，优选范围约为5-50ft/sec。氧化剂气流先是在涡流室26中逐步达到足够的涡流强度和方向(切线-轴向或切线方向)，然后采用具有预定发散几何结构的基本上呈圆锥的氧化剂展开室28，使之在径向方向上进行展开。第三，使涡状的氧化剂可选择地或部分地与燃料气流，在所述的特定尺寸的基本呈圆柱形的燃烧室内腔30混合，用来进行燃烧并形成传统形状的涡状火焰，或采用特定弯曲的几何结构用来形成平坦火焰，如此所述。上述用于全部火焰形成的所述燃烧器装置部件，在下文中有详细的描述。
本发明第一方面的三室燃烧器装置，可参见图2对不同尺寸的描述。燃烧器装置的每一个部件，根据全部火焰的形成情况，在形成最优的火焰特性中都具有特定的目的。涡流室26具有一个涡流区32。涡流室26优选具有多个(预定数目)导流叶片，它们以某个预定的角度设置在燃料喷嘴16的外表面上(或者，可有一个或多个导流叶片可嵌入到位于燃料喷嘴16与难熔燃烧器装置4之间的基本呈环形的氧化剂通道22之中)。导流叶片24的数目优选变化范围在4与16之间，它取决于涡流室的整体直径。导流叶片24优选是焊接在燃料喷嘴16的外表面之上的金属薄片。为形成传统(圆柱形)的火焰，导流叶片角β(相对于火焰的轴向轴)范围为5°-30°。在那些设计用来形成富含燃料火焰的非常小型的燃烧器或系统中，这些导流叶片可加工在壁相对较厚的燃料喷嘴之中。环绕燃料喷嘴和导流叶片下游的环形部件，称作涡流室。它具有特定的尺寸，用来形成涡状氧化剂所需要的强度(涡旋数目)或所需要的轴切向分量。第一个重要的无量纲比为Ls/Ds，其优选范围为约0.5-5。长度Ls提供一定的距离，在此，由氧化剂涡旋式喷嘴所产生的涡流，可在直径恒定的区域内得到充分的展开。这个区域的Ls/Ds比值优选不超过5；因为，当数值大于5时，已经充分展开的氧化剂涡流将会开始变弱，其在切向-轴向方向上的强度也开始变松散。这是由于涡流室内壁的磨擦作用而引起的。
第二个特征如图2所示，为基本呈圆锥形的氧化剂展开室28，它限定了一个展开氧化剂气流区域34。它是一个发散区域，在此涡状氧化剂气流可在径向方向进行展开。其目的是为了在径向方向上展开所述的氧化剂气流，并维持其与燃料气流的可控混合条件，如图3所示。如果不对其进行展开，则涡状氧化剂气流(根据其涡流强度)将会与燃料气流进行密切的混合，会产生一种动荡不稳的燃料和氧化剂混合物。由于它具有相对高的反应速率，这种混合物的燃烧是瞬间的，而且会产生一种具有非常高的温度的火焰，该火焰可能熔化大多数难熔的燃烧器装置。为了降低氧化剂气流的混合能力，展开角δ优选的范围约为5°-60°。展开室的轴向长度Le，是以Le/Ds的比值范围约为0.25-3而设定的。较大的长度Le会引起涡状氧化剂气流(和火焰38)在其与燃料气流混合之前，就会在径向方向上(取决于展开角δ)有较大的展开。它(具有大的展开角)是特别用来形成平坦火焰的。较小的长度Le会使氧化剂气流立即与燃料气流进行混合，它可用来形成一种更为传统形的火焰。
基本呈圆柱形的燃烧腔30形成一个燃烧区36(图2)。这是用来控制用于整个火焰形成的燃料和氧化剂混合的最后区域，这种基本呈圆柱形燃烧腔30的设计，是为了对在基本呈圆锥形的氧化剂展开室28中已经发生的燃料与涡状氧化剂的混合作进一步的补充。在基本呈圆锥形的氧化剂展开室28中，所述的涡状氧化剂气流，在径向方向上可一定程度地得到展开。所述的基本呈圆柱形燃烧腔30，可用来抑制其在径向方向上的展开作用，并在区36中根据混合条件形成火焰38。燃烧室无量纲比Lc/Dc(见图2)的选择，取决于所需要的火焰形状。表I根据火焰动量和大致的Lc/Dc比列出了一些基本的火焰类型。这些数据是基于多种不同的点火速率的累积实验数据和计算研究而得到的。
表I.火焰类型
本发明的第二个方面是，用于平坦火焰形成的燃烧室设计，与传统的(圆柱形)火焰有某些不同之处。平坦火焰的形成，是由于“coanda”效应和在燃烧室出口采用了弯曲的几何结构，如图4中的燃烧器设备50所示。在这里，基本呈圆锥形的氧化剂展开室28延伸到燃烧室，采用半径Rc与展开室的发散部件相切。比值Rc/Dc1的变化范围约为0.25-2。较小比值的Rc是用于较小尺寸的燃烧器，而较大比值是用于较大尺寸的燃烧器。
如图4所示，在燃烧器设备中的径向方向的逐步分散是必要的，它有利于维持火焰在更为展开的径向方向上的涡旋和保证火焰以平坦形状结构的形成。用于形成平坦火焰的涡旋式喷嘴角(相对于火焰轴的导流叶片角β)，也要求相对较大，优选变化范围约30°-60°。业已发现，由于coanda效应，平坦火焰紧靠基本呈圆锥的氧化剂展开室壁和随后的炉壁。燃烧器装置热面附近的相对较大尺寸的涡旋火焰，可向载荷提供径向的热。
燃烧室设计特别是多种不同的尺寸、无量比和角度的选择，这样可使得在基本呈圆锥形氧化剂展开室内壁和燃烧器下游部分的附近，经常存在一个相对冷却的氧化剂膜。本发明的这种燃烧器设备和方法的最初目的是为了维持涡旋的氧化剂膜，使之在整个火焰通道中都紧靠在壁的内表面。可见图3所示的本发明的第一燃烧器设备。
提供了一种用于燃料和涡状氧化剂气流的特定的流动几何结构，可以很好地控制燃料与氧化剂的混合，从而提供了一种火焰形状可变的燃烧器操作方式。只需要对燃烧器喷嘴和燃烧器装置内部几何结构作简单的改变，就可获得传统圆柱形火焰或平坦火焰。在许多情形下，所要求的内部几何结构的难熔插入物，可以嵌入到现有的燃烧器装置，以改变燃烧器装置的内部几何结构。这可避免在加热过程中长的中断期。所有的目的都是采用均匀的热流对载荷进行加热而实现的，而不会存在过高的火焰温度或燃烧器部件的过热。在含有高浓度的过程微粒物质或挥发物种的炉子中，这种主动吹扫燃烧器装置内部的思想是非常重要的，否则就会在燃烧器装置内发生物料的累积。在某些流动条件下，特别是在高的点火速率时，低压区或循环区可能会得到发展，来自炉气氛的微粒可能会进入到燃烧室中并沉积为微粒物质。如果不进行这种主动吹扫，则就会发生微粒的聚积，它将会对整个的火焰流体动力学产生不利的影响。对于将要偏转的火焰来说，加强装置的内部难熔表面，从而导致不幸的装置失败，并不是罕见的。图3的示意图是用来说明这种主动燃烧器装置冷却和微粒吹扫的方法。
在某些条件下，若是没有燃烧器装置的主动吹扫，挥发物种也可能会在燃烧器喷嘴顶端发生冷凝。冷凝的盐类会与金属喷嘴顶端进行相互作用。在化学作用下，加速的腐蚀将会导致过早的失败。所冷凝的盐类也可能会一层层地累积在喷嘴顶端，从而会使流速受到限制或使火焰发生偏转。而且，会发生装置的不幸的失败。
在传统(套管式)燃烧器设计中，天然气喷嘴通常都是更为接近热区，以避免燃烧器装置中的明显火焰形成。即使在低微粒的应用中，这种设计也会引起喷嘴的加速腐蚀。即使是在外国产的材料如Inconel600和PM2000合金上，这种腐蚀也会发生。已经确定有二种不同的腐蚀机理。在暴露无遗于天然气中的喷嘴内部，会发生严重的金属粉化，尤其是对于Inconel600合金。在喷嘴的外部，会发生凹痕和铬损耗。为了解决这些问题，一种新颖的喷嘴业已设计出来，它具有二个显著的设计特征。
a)空气动力学形状燃料喷嘴的内部和外部几何结构是经过优化以实现燃料和氧化剂气流的空气动力混合。这在图5的示意图中有说明。如图5所示，涡状氧化剂气流(轴切线方向)可允许以渐进的空气动力方式与燃料气流进行混合，二种流体气流不会有明显的交叉点。燃料喷嘴的外部角θ，其数值范围仅约在5°-7°之间。这种设计可避免涡状氧化剂气流的气流分离。湍流的边界层理论指出，在气体流动角大于7°时，有可能会发生气流分离。分离的氧化剂气流会在燃料喷嘴16的停滞(stagnation)区(18a和18b)形成循环区和低压区。在循环区中的湍流漩涡会引起燃料与氧化剂气流之间的加速混合，从而引起热点的形成。在某些情形下，由于临界区18a和18b，这些热点会形成烟灰或使过程微粒(即，来自经加热的载荷)沉积在燃料喷嘴的顶端。
b)有效的热力学结构燃料喷嘴结构16是这样，它利用“传导”和“对流”二种热传递机理，有利于热量的分散。高的热传导设计是通过采用相对厚的喷嘴结构而实现的。在一般的操作中，由本发明的燃烧器和方法所产生的火焰，是固定在喷嘴顶端的。因此，这种喷嘴顶端应该能够将热量由中心顶端区传导出去，并将热量传递到燃料喷嘴较远的上游(向着燃料来源方向)。如图6所示，在图6中，燃料气流“F”和氧化剂气流“O”是从上游至下游、由左至右流动的。较厚的喷嘴16可允许这种“轴向传导”方式得以进行，如箭头56所示。所传递的热量接着被流动的燃料和氧化剂气流(在喷嘴的两侧)收集，是采用加强的对流热传递实现的，如图中54所示。简单地说，就是相对较厚的顶端，采用轴向传导56和随后的有效率的加强对流54，使得热量能有效地得到传递。所述的加强对流方式，是归因于流动的燃料气流和流动的(涡状)氧化剂气流。此外，用于涡状氧化剂的导流叶片24也可充当“热传导叶片”，通过传导而将热量(58)高效地传递给环形的涡状氧化剂气流。根据叶片的数目(优选约为4-16个)，这种热传导和随后的加强对流热传递的效率可得到明显的提高。业已表明，在相同的燃烧速率和采用与其它燃烧器设计参数的类似几何结构下，使用上述的顶端结构，在多种不同的实验中喷嘴的温度可从1000°F降低到300°F。
本发明的新颖的喷嘴优选是以标准缧纹连接在燃料导管上的，以便于喷嘴的更换，或基于不同的燃烧速率考虑的变换喷嘴。
第一实施方案所述燃烧器的数字模拟已经完成。是采用FLUENT/UNS计算流体动力学计算机程序进行的。所采用的范围是与涡流呈2D轴对称领域。所采用的物理模型包括燃烧的PDF模型、涡流的RNG k-epsilon和为解决辐射热传递效果的P1模型。采用的天然气流速为2300scfh，氧气流速为4900scfh。燃烧空间的实际的壁被认为是绝热的，要考虑到通过装置壁的传导的热传递。为了对比，研究了两种不同的情形没有涡旋的基本情形，和包括一个仅对于氧气流为20°的涡旋角β。
图7a和7b对这两种情形中的氧气轮廓作了说明，图7a为非涡旋气流，图7b为带有涡旋的气流，燃烧器结构与图1一致。结果表明，涡旋对于抑制氧气的径向分散具有很重要的作用，可把大部分的氧气紧密地集中在燃烧器轴向上。这些图案是归因于氧气动量的不同，有关的这些图案在燃烧器上的操作的讨论，可参见图8a和8b。
图8a和8b分别表示没有涡旋情形下的温度轮廓(图8a)和具有涡旋情形下的温度轮廓(图8b)，燃烧器结构与图1一致。温度轮廓表明，与没有涡旋(图8a)情形的“较懒散的”火焰相比，图8b中的涡旋情形会导致一种较长的火焰，更为显著地集中在燃烧器轴向上。没有涡旋情形下的火焰倾向于径向地向载荷(向下)和壁(向上)表面发散。这种在温度分布上的区别，对于工业应用如玻璃的生产，是非常重要的。这样，涡旋的引入会使得在熔化玻璃表面和炉壁具有较低的温度，如图8a和8b中所观察到的。这种图案会导致从熔化玻璃的散发较低，它是本发明燃烧器的一个非常重要的特征，而且炉顶的损耗也较低。图8a和8b中所示的温度分布，还表明涡旋的气流的更为直接的火焰，会导致有降低温度的轮廓进入燃烧器装置。这是本发明燃烧器的另一个重要参数，如果商用玻璃炉遭受很高的温度，则它就会极大地降低燃烧器的寿命，从而影响炉的效率。而且，与没有涡旋的气流相比，涡旋气流具有较大的氧气气流动量，会有利于提高燃烧器顶端和燃烧器装置的对流冷却，并具有较低的平均温度。对于这里所说的情形，涡旋气流的平均氧气动量约高于没有涡旋情形下的10％。这个因素，与由速度的切向分量所提供的离心力一起，会形成一种改善的气流，它紧靠着燃烧器装置的壁，从而具有较高的对流热传递系数。这样，没有涡旋的情形会在燃烧器装置的出口具有较高的温度轮廓，其温度较涡旋情形下的温度要高出110°F。
图7a、7b、8a和8b也图示说明了一个直径非恒定的最初展开的燃烧室，在其后是一个基本呈圆柱形的燃烧室几何结构，由于低的壁磨擦作用，它有助于维持氧化剂涡流。如果涡状流体气流不能在涡流室中得到发展，接着在径向方向上进行展开，那么由于壁的磨擦作用，则涡流的强度就会很快地消逝。另一方面，在一个直径恒定的燃烧室中，在燃烧室中由于紧密接近在一起，涡状氧化剂将会与燃料迅速地发生反应，形成一种短而强烈的火焰。通过采用展开区，由于在相对较宽直径的燃烧室内的涡状氧化剂的燃烧较慢，对燃烧器装置的冷却也有积极的影响。
结构如根据图1和图2的燃烧器在经过多次的实验室试验后，还在用来生产硼硅酸盐纤维绝缘材料(玻璃纤维)的炉中进行了补充实验。740平方英尺的融化面积的炉容量，约为150吨/天，它是采用10个套管式对流的氧气-燃料燃烧器，其商品名称为ALGLASSTM，可从Air Liquide America Corporation，Houston，Texas购得。炉的燃烧速率约为19MMBtu/hr。传统的燃烧器由于炉中具有很多的微粒冷凝物和挥发物，每周都要求进行清扫。燃烧器喷嘴和燃烧器装置要求定期进行清扫。顾客同意采用本发明改进的燃烧器在有限的范围内的试验，是在中等长度区域内，额定功率为500kW进行的。采用这种新的燃烧器，目的是为了减少维护/清扫的需要。取出传统的燃烧器，并安装了新的燃烧器和燃烧器装置(如图1和图2所示)。这种燃烧器和装置的详细资料如下所述速度(氧化剂)＝22-75ft/sec速度(燃料)＝40-130ft/sec；Lc/Dc＝1.78Dc＝3.38英寸；Le＝整个燃烧室长度Lt的15％，其中Lt＝Le+Lc；Ds＝2.2英尺；Lc＝5.9英寸；Ls＝2英寸；Le＝1.06英寸；涡旋角β＝10°。
燃烧器以平均燃烧速率为2.3MMBtu/hr的速率进行燃烧，它产生的平均火焰长度为8英尺，火焰宽度约为20英寸。这种火焰是非常明亮的(比公知的商品名称为ALGLASSTM的传统的燃烧器要明亮)，而且它也更宽。由于氧化剂的冷却/吹扫作用，内部装置的温度较低(是通过一种光学高温计测得的)。燃烧器喷嘴甚至是较冷的(200-300°F，在经长时间燃烧后)。经过几周的连续操作之后，取出本发明的燃烧器对其进行检查。发现它是非常清洁的，不需要作任何清扫。燃烧器装置的内腔也是非常清洁的。顾客可以考虑采用本发明的燃烧器对整个炉子(10个燃烧器)进行翻新。在经过9个月的连续操作之后，这种新燃烧器不需要定期的清扫。
本发明的多个方面业已采用许多优点对其作了说明，但是，本领域的技术人员能够想到的对这里所述的燃烧器和方法的非实质改变和改进，它们应该认为是落在所附权利要求书清楚的边界之内。
权利要求
1.一种燃烧器设备，包括a)一种燃烧器装置，具有一个燃料导管，该燃料导管具有一个入口和一个出口，该燃料导管的出口与一个基本上呈圆锥形的氧化剂展开室相通；b)该燃烧器装置还具有一个基本上呈环形的氧化剂通道，所述的燃料导管设置在这个基本上呈环形的氧化剂通道中；c)该基本上呈环形的氧化剂通道在紧邻着燃料入口处具有一个入口端，在紧邻着燃料导管出口处具有一个出口，在其中还设置有至少一个涡旋式喷嘴用来形成涡状氧化剂气流；d)该基本上呈环形的氧化剂通道在其出口端与燃烧器装置中的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室是流体畅通的，所述基本上呈圆锥形的氧化剂展开室具有一个入口直径Ds和一个出口直径Dc，使得Dc至少为Ds的110％；e)一个基本上呈圆柱形的燃烧室，其直径为Dc，并且具有一个入口和一个出口，所述的基本呈圆锥形的氧化剂展开室的出口设置成与该基本上呈圆柱形的燃烧室入口是流体畅通的，该基本上呈圆柱形燃烧室的出口与炉膛相通；以及f)所述的燃料导管出口从该基本上呈圆柱形燃烧室出口凹进一段距离Lr，其中的Lr＝Lc+Le，Lc＝所述基本上呈圆柱形燃烧室的轴向长度，Le＝所述基本上呈圆锥形氧化剂展开室的轴向长度。
2.如权利要求1所述的燃烧器设备，其特征在于所述的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室的展开角范围约为5°～60°。
3.如权利要求2所述的燃烧器设备，其特征在于所述的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室的展开角范围约为10°～30°。
4.如权利要求2所述的燃烧器设备，其特征在于所述的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室的展开角范围约为15°～25°。
5.如权利要求1所述的燃烧器设备，其特征在于所述的至少一个涡旋式喷嘴有多个叶片，每个叶片的角度变化范围约为5°～30°。
6.如权利要求1所述的燃烧器设备，其特征在于所述的至少一个涡旋式喷嘴有多个叶片，每个叶片的角度变化范围约为30°～60°。
7.如权利要求1所述的燃烧器设备，其特征在于所述燃料导管包括一个具有入口端和一个出口端的燃料喷嘴，该喷嘴设置在位于涡旋式喷嘴与燃料导管出口之间的燃料导管中，该喷嘴入口端的外径大于其出口端的外径。
8.如权利要求1所述的燃烧器设备，其特征在于Le约为Lr的10％～50％。
9.一种燃烧器设备，包括a)一种燃烧器装置，具有一个燃料导管，该燃料导管具有一个入口和一个出口，该燃料导管的出口与一个基本上呈圆锥形的氧化剂展开室相通；b)该燃烧器装置还具有一个基本上呈环形的氧化剂通道，所述的燃料导管设置在这个基本上呈环形的氧化剂通道中；c)该基本上呈环形的氧化剂通道在紧邻着燃料入口处具有一个入口端，在紧邻着燃料导管出口处具有一个出口，在其中还设置有至少一个涡旋式喷嘴用来形成涡状氧化剂气流；d)该基本上呈环形的氧化剂通道在其出口端与燃烧器装置中的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室是流体畅通的，所述基本上呈圆锥形的氧化剂展开室具有一个入口直径Ds和一个出口直径Dc，使得Dc至少为Ds的110％；e)所述的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室出口设置为与一个托洛伊德尔燃烧室是流体畅通的，该托洛伊德尔燃烧室具有一个入口和一个出口，所述的托洛伊德尔燃烧室的出口与炉膛相通，该托洛伊德尔燃烧室的曲率半径为R；f)所述的燃料导管出口从该托洛伊德尔燃烧室出口凹进一段距离Lr，其中的Lr＝Lt+Le，Lt＝所述托洛伊德尔燃烧室的轴向长度，Le＝所述基本上呈圆锥形氧化剂展开室的轴向长度。
10.如权利要求9所述的燃烧器设备，其特征在于Le约为Lr的10％～50％。
11.一种燃料的燃烧方法，包括a)把一种燃料和一种氧化剂输入到燃烧器装置中，这种燃烧器装置具有一个燃料导管，该燃料导管具有一个入口和一个出口，该燃料导管的出口与一个基本上呈圆锥形的氧化剂展开室相通，该燃烧器装置还具有一个基本上呈环形的氧化剂通道，所述的燃料导管设置在该基本上呈环形的氧化剂通道中，该基本上呈环形的氧化剂通道在紧邻着燃料入口处具有一个入口端，在紧邻着燃料导管出口处具有一个出口，在其中还设置有至少一个涡旋式喷嘴用来形成涡状氧化剂气流，该基本上呈环形的氧化剂通道在其出口端与燃烧器装置中的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室是流体畅通的，所述基本上呈圆锥形的氧化剂展开室具有一个入口直径Ds和一个出口直径Dc，使得Dc至少为Ds的110％，该燃烧器具有一个基本上呈圆柱形的燃烧室，其直径为Dc，并且具有一个入口和一个出口，所述的基本呈圆锥形的氧化剂展开室出口设置成与该基本上呈圆柱形的燃烧室入口是流体畅通的，该基本上呈圆柱形燃烧室的出口与炉膛相通，而且，所述的燃料导管出口从该基本上呈圆柱形燃烧室出口凹进一段距离Lr，其中的Lr＝Lc+Le，Lc＝所述基本上呈圆柱形燃烧室的轴向长度，Le＝所述基本上呈圆锥形氧化剂展开室的轴向长度；b)当它流经涡旋式喷嘴时形成涡状氧化剂；c)使该涡状氧化剂和燃料流入到所述的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室中，所述的燃料主要是在接近所述的基本上呈圆锥形的氧化展开室的轴中心流动的，而涡状氧化剂流过基本上呈圆锥形的氧化剂展开室壁；d)使该涡状氧化剂和燃料流入到基本上呈圆柱形的燃烧室；e)在基本上呈圆柱形的燃烧室内燃烧该燃料和氧化剂，同时该氧化剂流过所述的基本上呈圆柱形的燃烧室壁；以及f)使燃烧产物自所述的基本上呈圆柱形的燃烧室流进炉中。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述的涡状氧化剂当它流经所述的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室时，是以由展开角度所决定的展开速度进行展开，其中的展开角变化范围约为5°～60°。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述的涡状氧化剂当它流经所述的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室时，是以由展开角度所决定的展开速度进行展开，其中的展开角变化范围约为10°～30°。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述的涡状氧化剂当它流经所述的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室时，是以由展开角度所决定的展开速度进行展开，其中的展开角变化范围约为15°～25°。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述的燃料速度是小于或等于150ft/sec。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述的氧化剂的速度是小于或等于300ft/sec。
17.一种燃料的燃烧方法，包括a)把一种燃料和一种氧化剂输入到燃烧器装置中，该燃烧器装置具有一个燃料导管，该燃料导管具有一个入口和一个出口，该燃料导管的出口与一个基本上呈圆锥形的氧化剂展开室相通，该燃烧器装置还具有一个基本上呈环形的氧化剂通道，所述的燃料导管设置在这个基本上呈环形的氧化剂通道中，该基本上呈环形的氧化剂通道在紧邻着燃料入口处具有一个入口端，在紧邻着燃料导管出口处具有一个出口，在其中还设置有至少一个涡旋式喷嘴用来形成涡状氧化剂气流，该基本上呈环形的氧化剂通道在其出口端与燃烧器装置中的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室是流体畅通的，所述基本上呈圆锥形的氧化剂展开室具有一个入口直径Ds和一个出口直径Dc，使得Dc至少为Ds的110％，所述的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室设置为与一个托洛伊德尔燃烧室是流体畅通的，该托洛伊德尔燃烧室具有一个入口和一个出口，所述的托洛伊德尔燃烧室的出口与炉膛相通，该托洛伊德尔燃烧室的曲率半径为R，所述的燃料导管出口从该托洛伊德尔燃烧室出口凹进一段距离Lr，其中的Lr＝Lt+Le，Lt＝所述托洛伊德尔燃烧室的轴向长度，Le＝所述基本上呈圆锥形氧化剂展开室的轴向长度；b)当它流经涡旋式喷嘴时形成涡状氧化剂；c)使该涡状氧化剂和燃料流入到所述的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室中，所述的燃料主要是在接近所述的基本上呈圆锥形的氧化展开室的轴中心流动的，而涡状氧化剂流过基本上呈圆锥形的氧化剂展开室壁；d)使该涡状氧化剂和燃料流入到基本上托洛伊德尔燃烧室；e)在基本上托洛伊德尔燃烧室内燃烧该燃料和氧化剂，同时该氧化剂流过所述的基本上托洛伊德尔燃烧室壁；以及f)使燃烧产物自所述的基本上托洛伊德尔燃烧室流进炉中。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于所述的涡状氧化剂当它流经所述的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室时，是以由展开角度所决定的展开速度进行展开，其中的展开角变化范围约为5°～60°。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于所述的燃料速度是小于或等于50ft/sec。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于所述的氧化剂的速度是小于或等于300ft/sec。
全文摘要
一种自冷却燃烧器设备,含有新颖的燃料和氧化剂喷嘴和三室难熔燃烧器装置。新的燃烧器可在高温和高微粒炉中点火,该燃烧器可根据热载荷的要求,提供圆柱形火焰或平坦火焰。该燃烧器包括:独特的用于燃料与氧化剂气流的流线型混合的燃料喷嘴设计,用于预期的火焰特征的可控的涡流输入到氧化剂气流,在径向和轴向方向上火焰层可控的展开,和采用氧化剂以提供对流冷却和防止任何过程微粒的累积对燃烧器装置内部表面的有效吹扫,带有传导叶片且壁相对厚的金属喷嘴结构。
文档编号F23D14/22GK1261138SQ99115969
公开日2000年7月26日 申请日期1999年11月3日 优先权日1998年11月3日
发明者马亨德拉·L.·乔希, 哈利·A·博德斯, 奥维迪尤·马林, 奥利维尔·沙龙 申请人:液体空气乔治洛德方法利用和研究有限公司