专利名称：超低no的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种烧嘴组件(burner assembly)，更具体而言，涉及一种超低NOx烧嘴组件。另一方面，还涉及燃烧方法。
背景技术：
氮氧化物(NOx)是燃烧过程排放的主要空气污染物之一。由于氮氧化物促使造成烟雾的有害大气反应产物的生成，备政府机构已颁布各种空气质量标准来限制可能被排放到大气中的NOx数量。由于许多国家对环境立法日益增多以及世界对大气污染的警觉日益增加，现代燃烧技术在不断改进以限制来自多种类型燃烧设备的NOx排放。迄今，大多数努力集中在减少热NOx生成上，是它造成了燃烧所产生的NOx当中最大份额。许多传统NOx降低技术，例如，中间补给，虽能抑制热NOx的生成但对付瞬发NOx则无效。需要在燃烧技术上取得进步以便既控制热NOx又控制瞬发NOx的生成从而将空气燃料燃烧的总NOx排放水平降低到10ppmv以下。
再生金属工业一般被认为是NOx污染的主要来源，因此必须接受有关NOx排放的严格管制。在有关NOx的环境管制变得日益严格的同时，随着对金属需求的增加，降低燃烧过程中NOx的产生对于这一工业领域来说变得更加重要。由于在氧化剂中缺少氮，全氧-燃料燃烧在理论上可产生非常低的NOx排放。然而，某些工业过程如再生铝熔化则容易发生大量空气侵入炉内，而在炉内氧-燃料火焰的极高温度又加剧了热NOx的生成。炼钢工业也在NOx排放的控制方面面临类似的挑战，而且诸如钢的再热和铸斗的预热之类过程则是NOx发生的大户，因为有空气泄漏进工艺炉内。
空气-燃料燃烧若不采用热回收方法则以低效率著称。采用氧或富氧空气替代空气用于燃烧则能提高火焰温度并从而增加对负荷的辐射传热，同时也由于消除对空气中氮气加热的浪费而大大增加从燃烧过程得到的可用工艺热量。带有热量回收的空气-燃料燃烧，其最好的例子采用再生烧嘴，乃是对氧-燃料燃烧的替代方案。在一种普通的构造中，蓄热烧嘴成对地安装在炉内，这样，一个烧嘴在燃烧，同时另一个烧嘴则起排气导管的作用，通过它，燃料气流出炉子并流过蓄热材料床。按照限定的间隔，2个烧嘴切换角色，通过流经蓄热床，燃烧空气得到预热。通常，这些蓄热空气-燃料喷嘴大多数产生几百个ppmv范围的NOx排放。
一项NOx控制的较新技术在文献中被描述为无焰燃烧，其中燃烧用的反应物预先被高度稀释，然后再混合并起反应。反应物通常通过在发生燃烧反应之前夹带燃烧产物来达到稀释。此种燃烧模式通常发生在氧化气体被稀释到低于17％氧的水平，其中火焰的前沿消失，燃料以无焰的式样燃烧。此种技术的关键是将炉温保持在高于燃料的自燃温度并采用高强(highly-robust)火焰稳定器。
目前，加工工业，特别是再生金属工业，需要一种减少NOx生成和优化能耗的改良燃烧技术。需要对无焰燃烧方法中的烧嘴进行改进，使其能以各种不同模式采用各种不同氧化剂，包括空气、富氧空气、纯氧，和/或其组合来点火，同时在所有操作模式下都达到低NOx生成。还需要一种改进的无焰燃烧方法，它能实现熔化炉内原料金属装料的均匀热量分布。
这些需要由如下文描述并由下面的权利要求定义的本发明实施方案来解决。
发明内容
本发明一种实施方案涉及一种烧嘴组件，它包含(a)具有周边、与燃烧区相邻的排出端和轴线的狭长本体，其中轴线延伸至燃烧区内；(b)1或多个氧化剂喷嘴，配置在狭长本体的排出端并适合将气态氧化剂排出到燃烧区内；以及(c)1或多个燃料喷嘴，配置在狭长本体的排出端并适合将燃料排出到燃烧区内。该氧化剂和燃料喷嘴至少之一的特征在于一种形状因数σ，其大于约10，其中σ是被定义为σ＝P2/2A的无单位(dimensionless)参数，其中P是排出孔的周边尺寸，而A是排出孔的面积。
1或多个燃料喷嘴至少之一和1或多个氧化剂喷嘴至少之一可位于距轴线等径向距离。所有1或多个燃料喷嘴和所有1或多个氧化剂喷嘴可位于距轴线等径向距离。1或多个燃料喷嘴至少之一可配置在2个氧化剂喷嘴之间。
1或多个燃料喷嘴至少之一距轴线的径向距离可大于1或多个氧化剂喷嘴至少之一距轴线的径向距离。所有1或多个燃料嘴距轴线的径向距离可大于所有1或多个氧化剂喷嘴距轴线的径向距离。
1或多个氧化剂喷嘴至少之一距轴线的径向距离可大于1或多个燃料喷嘴至少之一距轴线的径向距离。所有氧化剂喷嘴距轴线的径向距离可大于所有燃料喷嘴距轴线的径向距离。
该烧嘴组件的狭长本体可被包含狭长本体轴线的水平平面分割，其中配置在该平面以上的氧化剂喷嘴的数目大于配置在该平面以下的氧化剂喷嘴的数目，且其中配置在该平面以下的燃料喷嘴的数目大于配置在该平面以上的燃料喷嘴的数目。全部氧化剂喷嘴可配置在该平面以上，同时全部燃料喷嘴配置在该平面以下。
替代地，狭长本体烧嘴组件可被包含狭长本体轴线的水平平面分割，其中配置在该平面以下的氧化剂喷嘴的数目大于配置在该平面以上的氧化剂喷嘴的数目，且其中配置在该平面以上的燃料喷嘴的数目大于配置在该平面以下的燃料喷嘴的数目。
烧嘴组件可包括配置在狭长本体周边以内的至少一个火焰稳定器。该火焰稳定器适合使火焰稳定器燃料与1或多种氧化气体燃烧生成燃烧产物并将燃烧产物排入到燃烧区内。火焰稳定器可由火焰稳定器轴线表征，其中该火焰稳定器轴线与狭长本体的轴线同轴。
烧嘴组件可包括配置在狭长本体周边以内并与燃烧区流体连通的通道，其中该通道适合将含氧气体引入到燃烧区内并将燃烧产物从燃烧区抽出。该通道的特征在于其轴线平行于或重合于狭长本体的轴线，且其中1或多个燃料喷嘴和1或多个氧化剂喷嘴距通道一定距离并且围绕该通道配置。烧嘴组件可包括配置在通道内的火焰稳定器，其特征在于其轴线平行于或重合于通道的轴线。烧嘴组件可包括配置在通道与狭长本体周边之间的火焰稳定器。
烧嘴组件可包括辅助烧嘴，后者配置在狭长本体周边以内并适合使燃料与组成介于20.9体积％～大于99.5体积％氧范围的含氧气体燃烧并将由此产生的燃烧产物排出到燃烧区内。辅助烧嘴可配置在距狭长本体轴线某一径向距离，该距离小于1或多个燃料喷嘴和氧化剂喷嘴距轴线的径向距离或距离。
在该烧嘴组件中，1或多个燃料喷嘴至少之一可适合将燃料沿着与包含狭长本体轴线的平面以最高45°的夹角相交的方向排出。替代或其它地，1或多个燃料喷嘴至少之一可适合将燃料沿着自包含狭长本体轴线的平面以最高45°夹角发散的方向排出。
1或多个氧化剂喷嘴至少之一可适合将氧化剂沿着与包含狭长本体轴线的平面以最高45°夹角相交的方向排出。替代或其它地，1或多个氧化剂喷嘴至少之一可适合将氧化剂沿着从包含狭长本体轴线的平面以最高45°夹角发散的方向排出。
本发明另一种实施方案包括一种烧嘴组件，它包含(a)具有周边、与燃烧区相邻的排出端和轴线的狭长本体，其中轴线延伸至燃烧区内；(b)1或多个燃料喷嘴，配置在狭长本体的排出端并适合将燃料排出到燃烧区内；以及(c)辅助烧嘴，配置在狭长本体内并适合使燃料与组成介于20.9体积％～大于99.5体积％氧范围的含氧气体燃烧并将由此产生的燃烧产物排出到燃烧区内。燃料喷嘴至少之一的特征在于一种形状因数σ，其大于约10，其中σ是被定义为σ＝P2/2A的无单位参数，其中P是排出孔的周边尺寸，而A是排出孔的面积。
辅助烧嘴可配置在距狭长本体轴线某一径向距离，该距离小于1或多个燃料喷嘴距轴线的径向距离或距离。
本发明的一个替代方案涉及一种燃烧方法，包括(a)提供一种烧嘴组件，它包括(1)具有周边、与燃烧区相邻的排出端和轴线的狭长本体，其中轴线延伸至燃烧区内；(2)1或多个氧化剂喷嘴，配置在狭长本体的排出端并适合将气态氧化剂排出到燃烧区内；以及(3)1或多个燃料喷嘴，配置在狭长本体的排出端并适合将燃料排出到燃烧区内，其中氧化剂和燃料喷嘴至少之一的特征在于一种形状因数σ，其大于约10，其中σ是被定义为σ＝P2/2A的无单位参数，其中P是排出孔的周边尺寸，而A是排出孔的面积。
(b)通过1或多个氧化剂喷嘴将气态氧化剂排出到燃烧区内；以及(c)通过1或多个燃料喷嘴将燃料排出到燃烧区内并使燃料与气态氧化剂在燃烧区内燃烧。
气态氧化剂可包含大于20.9体积％氧。燃料可通过1或多个燃料喷嘴至少之一沿着与包含狭长本体轴线的平面相交的方向排出。替代或其它地，燃料可通过1或多个燃料喷嘴至少之一沿着不与包含狭长本体轴线的平面相交的方向排出。
该燃烧方法还可包括提供至少一种配置在狭长本体周边以内的火焰稳定器，其中火焰稳定器适合使火焰稳定器燃料与1或多种氧化气体燃烧生成燃烧产物并将燃烧产物排出到燃烧区内，使火焰稳定器燃料与1或多种氧化气体燃烧生成燃烧产物，并将燃烧产物排出到燃烧区内。气态氧化剂中的氧浓度可大于1或多种氧化气体中的氧浓度。
本发明另一种替代的实施方案包括一种燃烧方法，包括(a)提供一种烧嘴组件，它包括(1)具有周边、与燃烧区相邻的排出端和轴线的狭长本体，其中轴线延伸至燃烧区内；(2)1或多个氧化剂喷嘴，配置在狭长本体的排出端并适合将气态氧化剂排出到燃烧区内；以及(3)1或多个燃料喷嘴，配置在狭长本体的排出端并适合将燃料排出到燃烧区内，以及(4)通道，配置在狭长本体周边以内并与燃烧区流体连通，其中该通道适合将含氧气体引入到燃烧区内并将燃烧产物从燃烧区抽出，其中氧化剂和燃料喷嘴至少之一的特征在于一种形状因数σ，其大于约10，其中σ是被定义为σ＝P2/2A的无单位参数，其中P是排出孔的周边尺寸，而A是排出孔的面积。
(b)在第一时段期间，通过该通道将含氧气体引入到燃烧区内，通过1或多个氧化剂喷嘴将气态氧化剂引入到燃烧区内，通过1或多个燃料喷嘴将燃料引入到燃烧区内，以及使燃料在燃烧区内燃烧，产生燃烧产物；以及(c)在第二时段期间，停止向燃烧区内引入合氧气体、气态氧化剂和燃料，并通过通道从燃烧区抽出至少一部分燃烧产物。
本实施方案中气态氧化剂中的氧浓度可大于含氧气体中的氧浓度。
图1是本发明一种实施方案的烧嘴组件的轴向截面图。
图2是图1实施方案的正视图，表示出烧嘴组件的排出端。
图3是本发明一种替代实施方案的烧嘴组件正视图。
图4是本发明另一种替代实施方案的烧嘴组件正视图。
图5是本发明各种不同实施方案中使用的火焰稳定器的轴向截面图。
图6是本发明各种不同实施方案中使用的喷嘴组件的立体图。
图7是图6喷嘴的轴向截面I-I的立体图。
图8A是图6的喷嘴的正视图，表现出喷嘴本体的排出端或嘴。
图8B是图8A的截面II-II视图。
图8C是图8A的截面III-III视图。
图8D是图6喷嘴本体的后视图，显示出喷嘴本体的进口端。
图9是本发明各种不同实施方案中使用的替代喷嘴组件的立体图。
图10A是图9喷嘴本体的正视图，表现出喷嘴本体的排出端或嘴。
图10B是图8A的截面IV-IV。
图10C是图8A的截面V-V。
图11给出图10A、10B和10C的喷嘴本体各种不同几何设计参数的定义。
图12给出图8A、8B和8C的喷嘴本体各种不同几何设计参数的定义。
图13是典型燃烧过程的NOx生成量对氧化剂中的含氧量(％)标绘的曲线。
图14是实施例的NO2排放对几何速度标绘曲线，其中几何速度被定义为比vG＝vNGvO2cos(a-b)/(vNGsina+vO2sinb)。
图15是实施例的传热效率对富氧浓率的标绘曲线。
具体实施例方式
本发明的实施方案涉及能采用氧浓度介于20.9体积％(空气)～大于99.5体积％(高纯氧)的各种不同含氧气体操作的超低NOx烧嘴。在一种实施方案中，提供一种用于连续燃烧操作的烧嘴组件，具有中央火焰稳定器，周围是多个喷嘴，用于向炉子或燃烧区注入燃料和气态氧化剂单独流。该燃料喷嘴一般位于距火焰稳定器轴线某一径向距离，后者等于或大于气态氧化剂喷嘴距火焰稳定器轴线的径向距离。通过喷嘴注入的气态氧化剂可包含大于65体积％氧。中央火焰稳定器使燃料与1或多种选自空气、富氧空气、高纯氧或其组合的氧化气体燃烧。烧嘴组件可不带火焰稳定器操作，此时所有燃烧由经过喷嘴引入的气态氧化剂和燃料流供料。
在另一种实施方案中，提供一种用于再生燃烧的烧嘴组件，其中烧嘴具有中央导管，用于在燃烧阶段向炉子或燃烧区内引入含氧气体(例如，空气)和在排气阶段从炉子抽出燃烧产物。一对烧嘴可在交替模式下操作，其中一个在燃烧阶段中燃烧，另一个则在排气阶段抽出燃烧产物。在燃烧阶段，燃料和气态氧化剂通过多个围绕中央导管的喷嘴单独引入，并且至少一个火焰稳定器可设置在中央导管内或外。燃料喷嘴一般位于距中央导管轴一定径向距离，它等于或大于氧化剂喷嘴距中央导管轴的径向距离。通过喷嘴注入的气态氧化剂可包含大于65体积％氧。每个火焰稳定器燃烧燃料与1或多种选自空气、富氧空气、高纯氧或其组合的含氧气体。
这里所描述的烧嘴组件通过采用由火焰稳定器稳定的间隔(spacious)或分布式燃烧方法向炉子或燃烧区内的负荷提供均匀加热从而产生低NOx水平。间隔或分布式燃烧，在本领域中也被描述为无焰燃烧，发生在当燃料和氧化剂先迅速稀释然后再在炉内起反应时。该烧嘴组件可在各种不同模式下操作以满足炉内各种不同工艺要求。在一种模式中，最高辐射传热和最大量可用热量是采用由高达大于99.5体积％由氧化剂喷嘴向火焰稳定器和/或中央导管中注入的氧化气体中的气态氧化剂提供的。在另一种模式中，通过使烧嘴在富氧空气(enriched air)/燃料模式操作，其中注入的气态氧化剂包含最高65体积％氧，提供一种对流与辐射传热的最佳组合。在第三模式中，提供一种成本效益好的操作，此时通过采用空气/燃料燃烧，其中所有气态氧化剂和氧化气体都是空气，从而使工艺热需求保持在低水平。操作可根据需要在这3种模式之间切换以提供不同的传热机理和工艺热要求。
燃料和气态氧化剂注入喷嘴可具有如下所述排出孔几何参数，以便产生高度流体夹带作用，因此注入的燃料和氧化剂流借助炉子燃烧气先行稀释，然后该燃料与氧化剂流再进行反应。喷嘴的特征在于一种形状因数σ，其大于约10，其中σ是无单位参数，被定义为σ＝P2/2A其中P是排出孔的周边尺寸，而A是排出孔的面积。周长尺寸是在喷嘴向燃烧区排入处的喷嘴面平面测定的排出孔润湿边缘的尺寸。
本发明实施方案可用于，例如，工业领域如再生铝熔化、钢的再热和铸斗的预热。再生铝熔化厂通过熔化并再浇铸来循环边角废料，其数量占到美国一次铝产量约33％。节能对工业界很重要，尤其是近年来随着能量成本持续上涨。工艺优化和热回收都能大大节约能源。虽然，铝的熔化有4或5种不同类型燃烧炉，但使用最广的类型要算反射炉和转炉。反射炉是一个大槽子，烧嘴从墙壁喷火，其中铝边角废料被装入到炉内，加热并熔化，然后液态铝以半连续方式从炉子中放出。转炉是围绕自身轴线旋转的耐火材料衬里的金属圆筒，在一端的门上安装着烧嘴。
铝的熔化过程可划分为几个阶段，包括料堆的熔塌、浴的过热，以及放出。刚装好料的炉子里堆满金属边角废料，间隙空间构成自由体积。由于缺乏“视线”让火焰辐射到达堆料内的所有金属表面，故强制对流是这一阶段最有效的传热形式。固态铝由于有非常高的导热率和热容量因此是相当大的热阱。因此，这一阶段要求能提供具有能将热量送达金属边角废料堆深处的高流动动量的燃烧气体的燃烧方法。这样的加热特性最好由富氧空气-燃料喷嘴提供，其中气态氧化剂含有35～65体积％氧。
一旦金属堆中许多熔塌到熔融浴中，炉内的辐射视线因素将大大改善，于是辐射成为将其余固体熔化并将熔融浴过热至要求的合金冶炼和倾倒温度的优选传热机理。对浴的辐射是由火焰、耐火材料和燃烧产物中的三原子气体提供的。氧-燃料燃烧是此阶段的恰当选择以提供尽可能高的火焰温度，这可利用含65体积％～大于99.5体积％氧的气态氧化剂来实现。一旦所有固体熔化完毕并且浴达到过热，在经过任选的保持时间以后将放出液态金属。这些时段加热要求很低并且仅需要维持浴温的加热。在此期间，最经济的加热是采用传统空气-燃料燃烧，其中全部气态氧化剂和氧化气体都是空气。
于是，本发明实施方案提供一种灵活多用途烧嘴组件，用它操作可提供在上面描述的每一个加工阶段期间最有效的传热。虽然上面是针对铝熔化举例说明的，但是，这些实施方案可以应用到其它金属加工中去，例如，钢再热和铸斗预热，并且也可应用于玻璃熔化领域。
在本说明书中，术语“烧嘴组件”和“烧嘴”是等同的并且定义一种装配的零件组成的设备，用于燃料与含氧气体所提供的氧的燃烧。术语“燃烧区”被定义为封闭的物体如炉子，其中发生燃烧反应，至少一种反应可以是含碳和/或氢燃料与氧气反应生成碳的氧化物和/或水以及热量。轴向物体是任何这样的狭长空间，在几何上由一根轴线限定并具有沿该轴向限定的一个尺寸以及沿着与轴线正交的径向限定的另一尺寸。沿径向的尺寸可以在任何轴向位置保持恒定(即，形成圆筒)或可随着轴向位置和/或围绕轴线的角位置变化。该轴向物体由至少一个与燃烧区相邻的端来表征。
火焰稳定器被定义为一种在烧嘴组件中的装置，其操作功能是将火焰固定在烧嘴组件上并提供火焰稳定性，从而保证烧嘴组件的稳定操作。火焰稳定器可连续操作或断续操作。
一种类型火焰稳定器是一种用于燃料与1或多种氧化气体提供的氧燃烧的燃烧装置，其中氧化气体沿轴向流过火焰稳定器的一部分。在火焰稳定器的某一点，氧化气体的方向从轴向改变至少90°，随后与燃料接触并起反应。该方向的改变可由一个延伸到氧化气体流内部的非流线形体(bluff body)机械地实现，或者由多个氧化气体流之间的速度差造成的流体压差来实现。此种类型流体火焰稳定器或机械火焰稳定器将燃烧产物排入到燃烧区内。
另一种类型火焰稳定器是一种向烧嘴组件内引入一定数量热能以保证火焰稳定的能量装置。该能量装置可以是，例如，氧-燃料-烧嘴或燃烧含有燃料与含氧气体如空气的预混合气体的导燃烧嘴。导燃烧嘴，也可定义为一种辅助烧嘴，是一种小烧嘴，安装在紧靠主烧嘴或烧嘴组件的位置，它产生一种用于点燃主烧嘴或烧嘴组件的火焰。辅助烧嘴可在整个操作期间都点燃着，也可以在主烧嘴或烧嘴组件一旦点燃后就关闭。替代地，火焰稳定器可以是一种非-燃烧能量装置，例如，火花点火器或等离子发生器。
喷嘴是流体注入装置，用于将一次流体引入到二次流体中以促使两种流体的有效混合。喷嘴由一次流体排出到二次流体中所经过的通孔限定。喷嘴可附着在与管道、集管或其它类型用于将一次流体递送给喷嘴的通道相连接的某一中空、一般为圆筒形的本体上。替代地，喷嘴可以是集管整体的一部分，其中构成喷嘴的孔直接在集管的外壁上形成。通常，一次流体在通过喷嘴以后将产生压力降。
气态氧化剂在这里被定义为通过喷嘴排出的含氧气体。氧化气体被定义为在火焰稳定器中使用的含氧气体。通常，气态氧化剂中的氧浓度大于氧化气体中的氧浓度。术语“富氧的”描述一种氧浓度大于空气中的氧浓度的的含氧气体。术语“氧-燃料”是指燃料与富氧气体的燃烧。
燃料包含可与氧燃烧生成燃烧产物的元素或化合物。术语“燃烧产物”是指包含以下任何一种的气体混合物碳的氧化物、水、未反应燃料、未反应氧、氮的氧化物、硫的氧化物、来自空气的惰性成分，包括氮和氩。通常，燃料是单相气体或液体，但是替代地，可以是可流动多相流体，例如，烃类液体与可燃气体的两相混合物、水与液态烃的悬浮体、固体碳质燃料在空气或水中的悬浮体，或者固体碳质燃料在液态烃中的悬浮体。
术语“与...流体连通”，当应用于第一和第二物体时，是指，一种流体可从第一物体经过连接管线和/或中间物体流到第二物体和从第二物体经过连接管线和/或中间物体流到第一物体。术语“连接”当用于第一和第二物体时，是指，流体可从第一物体通过连接管线流到第二物体和从第二物体通过连接管线流到第一物体。
“任何”、“任意”是指1个、某个或全部，不论数量。术语“和/或”当放在第一实体与第二实体之间时，是指(1)第一实体，(2)第二实体，以及(3)第一物体和第二实体。
本发明第一实施方案表示为图1中的烧嘴组件的轴向截面图。该烧嘴组件包含中央氧化气体导管2和包围它的气态氧化剂外管3。基于流体的火焰稳定器或流体火焰稳定器位于中央氧化气体导管2内，其中火焰稳定器包含缩进到氧化气体导管2内的燃料管10，和缩进到燃料管10内的辅助氧化气体管11。在燃料管内，可利用漩涡叶片9来分配燃料流并在其中造成漩涡。在辅助氧化气体管11的上游端，小孔15控制，相对于流入到中央氧化气体导管2内的数量而言，流入到辅助氧化气体管11的氧化气体流量。氧化气体可以是空气。燃料枪18可位于火焰稳定器的中央并且可用于在冷炉启动时注入燃料。
火焰稳定器燃料经由燃料进口14喂入到管10与11之间的圆环内，然后燃料在火焰稳定器内与(1)在管10与中央氧化气体导管2之间的圆环内流动的主氧化气体，以及与(2)在管11与18之间圆环内流动的辅助氧化气体燃烧。火焰稳定器燃料可以是气态燃料或者是液态燃料，例如，天然气、乙烷、丙烷、柴油、炼厂燃料气、氢气或其组合。燃烧产物从火焰稳定器排入到燃烧区20中。烧嘴组件和火焰稳定器以轴线22表征。
气态氧化剂进入氧进口13，流经中央空气导管2与气态氧化剂外管3之间的圆环，穿过任选的流动分配器8(例如，穿孔板)，并通过大量氧化剂喷嘴17排入到燃烧区20中。气态氧化剂一般是富氧的并且可包含大于20.9体积％和高达大于99.5体积％氧的浓度。氧化剂喷嘴通常位于与烧嘴组件轴线正交的中央空气导管2的出口平面内。
补给燃料经进口管12引入，由集管5沿径向分配并流过大量补给燃料枪6流到大量位于枪末端的补给燃料喷嘴16。补给燃料可沿着向内的角度喷向从氧化剂喷嘴17排出的气态氧化剂和来自火焰稳定器的燃烧产物；在此种设置中，从任何一个喷嘴16排出的补给燃料的流向与包含烧嘴组件轴线22的平面交叉。燃料流向与包含轴线22的平面之间的夹角最高可达45°。替代地，补给燃料可沿着离来自氧化剂喷嘴17的气态氧化剂和来自火焰稳定器的燃烧产物朝外的角度方向；在此种设置中，从任何喷嘴16排出的补给燃料的流向将自烧嘴组件包含轴线22的平面发散最高45°。从各个喷嘴流出的燃料方向可以任意要求的组合变化。
补给燃料可以是气态燃料或液态燃料，例如，天然气、乙烷、丙烷、柴油、炼厂燃料气、氢气或其组合。补给燃料可与火焰稳定器燃料相同或不同。
一种火焰稳定器和喷嘴的示例设置表示在图2中，它是图1烧嘴组件正面的正视图。烧嘴组件位于烧嘴砖4内并向燃烧区20内排出，正如针对图1所述。补给燃料枪6围绕着烧嘴组件轴线沿径向取向并通到烧嘴砖4；每只枪具有一个位于烧嘴砖4的面上的燃料喷嘴16。氧化剂喷嘴17围绕烧嘴组件轴线沿径向取向，其位于中央氧化气体导管2与气态氧化剂外管3之间的圆环体内，因此在该实施方案中，氧化剂喷嘴17距烧嘴组件轴线比燃料喷嘴孔16的径距离近。如图2所示，理想的是，让燃料喷嘴与气态氧化剂喷嘴的角度布置(即，圆周定位)错开。从氧化剂喷嘴排出的气体的方向可按照类似于上面针对燃料喷嘴所描述的方式变化。
可在烧嘴砖下半部安装2个任选的氧-燃料火焰稳定器19和19a，以提供氧-燃料点火期间的火焰稳定性。任选的火焰稳定器中的氧化气体与通过喷嘴17的气态氧化剂相同。此种富氧操作模式可描述为氧-燃料点火。氧-燃料火焰稳定器可能在全氧-燃料燃烧模式(即，其中氧化气体包含大于65体积％氧)中是必要的，如果炉温低于燃料的自燃温度的话。中央火焰稳定器通常将应用于空气-燃料操作和从空气-燃料到氧-燃料点火的过渡时期。一旦氧-燃料燃烧稳定下来，空气-燃料中央火焰稳定器便可关掉。
在本发明的替代实施方案中，不使用中央火焰稳定器，替代地，如图3所示，在烧嘴砖4中安装1或多个小火焰稳定器24和26。在该配置中，中央氧化气体导管2被作为无障碍通道用于将含氧气体(空气或富氧空气)引入到燃烧区和从燃烧区抽出燃烧产物。此种设置允许烧嘴组件以周期再生模式操作，借此可回收通常随烟道气损失的热量并将其用于预热燃烧空气。火焰稳定器24和26用于保证火焰稳定性并可置于与图2中的火焰稳定器19和19a类似的位置。火焰稳定器24具有与图1火焰稳定器相同的对应零件，即，燃料枪18a，氧化气体内管11a、燃料管10a和氧化气体外管2a。火焰稳定器26也具有同样的对应零件。在此种选择中，火焰稳定器24内的燃料枪18a可在冷炉启动期间使用；替代地，最靠近火焰稳定器24的2个燃料枪6a和6b可用于炉子的启动。通常，来自氧化剂喷嘴17的气态氧化剂的氧浓度大于导管2中的富氧气体的氧浓度。
图3烧嘴组件的周期操作分成燃烧和排气的交替时段进行。在第一时段(燃烧)，氧化气体(空气或富氧空气)通过中央氧化气体导管2引入到燃烧区内，含有大于65体积％氧的气态氧化剂通过1或多个氧化剂喷嘴17引入到燃烧区内，燃料通过1或多个燃料喷嘴16引入到燃烧区内，并且燃料在燃烧区内燃烧产生燃烧产物。在第一时段以后的第二时段(排气)期间，燃料、氧化气体和气态氧化剂向燃烧区内的引入停止，至少一部分燃烧产物被从燃烧区通过中央氧化气体导管2抽出。可使用大量烧嘴组件，以便在任何时段，一些组件在燃烧模式操作，而其余的组件则在排气模式操作。
本发明另一种替代的实施方案表示在图4中，其中燃料与氧化剂喷嘴位于距烧嘴组件轴线同样的径向距离。此种设置可减小烧嘴组件的总尺寸，如果可使用较少量喷嘴的话。当用于燃料和用于气态氧化剂的喷嘴数目小于图2实施方案中所示数目时，则气体从喷嘴流出的速度将较高，这有利于将燃烧产物夹带到燃料和气态氧化剂流中。在此种实施方案的一种模式中，如图4所示，气态氧化剂喷嘴28安装在烧嘴砖4的上半部，同时燃料喷嘴30位于烧嘴砖4的下半部。包含中央氧化气体导管2和管10、11和18的中央火焰稳定器类似于图2的实施方案。
图4中的燃料和气态氧化剂注入喷嘴的构造在氧化性金属损失较严重的再生铝熔化过程中可能是有利的。当烧嘴组件的取向是在金属熔化物料表面点火时，燃料将提供一种把气态氧化剂中的氧与金属隔开的覆盖层，并在金属周围保持一种还原气氛。在此种构造中，氧-燃料火焰稳定器32和34的使用是理想的。在另一种改良的构型中，燃料和氧喷嘴可交替地围绕圆周，距烧嘴轴线相同的径向距离排列。该改良的构型可在某些应用提供比图4所示更好的氧-燃料火焰稳定性，并且可不再需要火焰稳定器。
图1～4所示示例烧嘴组件采用让燃料和氧化剂喷嘴位于围绕烧嘴轴线呈圆环排列的几何布置。在其它实施方案中，可采用非圆形排列，其中燃料喷嘴位于距烧嘴轴线各种不同的径向距离和/或其中，氧化剂喷嘴位于距烧嘴轴线各种不同的径向距离。烧嘴面可具有方形、矩形或其它非圆形状，以此种形状，燃料和/或氧化剂喷嘴围绕轴线排列成方形、矩形或任何其它非圆取向。
如上所述基于流体的火焰稳定器或流体火焰稳定器提供比采用非流线形体火焰保持器的机械火焰稳定器低的NOx生成量。机械火焰稳定器的特征在于富燃料燃烧的局部停滞区，它们一般被固定在火焰保持器内底部。由于由外部空气流造成的压力条件，这些区位于相邻空气孔之间的固体隆起上。遗憾的是，火焰保持器底部为保持火焰稳定所需要的富燃料或亚化学计量的混合物对于通过反应CH·+N2→HCN+N·生成-C＝N键是理想的。HCN的随后氧化导致火焰保持器-派生的瞬发NOx的生成。机械火焰稳定器还存在着在控制瞬发NOx理想的极端贫燃料条件下火焰稳定性有限的缺点。另外，机械火焰稳定器容易过热或热氧化，原因在于高温火焰的固定、局域化的还原气氛以及在保持器底部的结垢，并且在对金属零件的燃烧空气供应中断时可能发生炉的辐射损坏。
大多数机械火焰稳定器的总当量比一般介于0.2～0.4，其中当量比被定义为实际燃料/空气比与化学计量燃料/空气比之间的比值。化学计量燃烧发生在当所有氧都消耗在反应中，产物中不再有分子氧(O2)时。如果当量比等于1，燃烧将是化学计量反应。
一个设计恰当的基于流体的火焰稳定器能克服所有上面的缺点。有用的基于流体的火焰稳定器描述在，例如，美国专利6,752,620 B2中，在此收作参考。这些装置的火焰稳定机理利用在火焰稳定器内部燃料与氧化气体之间大规模漩涡(LSV)的产生。这可参考图5来解释，该图是前面参考图2和4时所描述的火焰稳定器的放大轴向截面图。该火焰稳定器包含中央氧化气体导管2、缩进到导管2内的燃料管10，以及缩进到燃料管10内的辅助氧化气体管11。中央氧化气体导管2、辅助氧化气体管11和燃料管10的外径分别是Dpa、Df和Dsa。从中央氧化气体导管2尖端到燃料管10尖端的轴向距离是Lf，并且从燃料管10的尖端到辅助氧化气体管11尖端的轴向距离是Lsa。
主氧化气体38(一般是空气)沿轴向以较高速度Vpa引入到中央氧化气体导管2与燃料管10之间的圆环内，同时辅助氧化气体36(一般为空气)以比速度Vpa低的速度Vsa被引导通过辅助氧化气体管11。由于在外环内是高速，而在中央管内速度低得多，故围绕着中央氧化气体喷嘴附近形成一种压力不平衡。这导致在外氧化气体管2内的下游形成流状漩涡40，正如图5所示，致使主氧化气体38的流向从轴向偏转至少90°。燃料管10与辅助氧化气体管11之间的圆环内的燃料速度Vf一般低于Vpa和Vsa。
表1给出在主要氧化气体管2内获得稳定流状漩涡40的具体速度范围和无单位比值。燃料的优选平均速度介于约2～6英尺/秒钟，对于主要氧化气体，是30～90英尺/秒钟，而对于辅助氧化气体，15～45英尺/秒钟。
表1图5火焰稳定器的速度范围和无单位比值
上面描述的LSV火焰稳定器可提供一种当量比低至0.05的非常贫燃料火焰。在此种比值下，燃烧氧化气体(例如，空气)流量比氧化气体(例如，空气)理论需要流量大几乎20倍。火焰稳定性在高过量氧化气体(例如，空气)流量条件下得以维持，因为流状漩涡40造成流动反转，这又造成来自燃烧区的燃烧产物的内部再循环，从而提供对空气/燃料混合物的预热，并产生燃料、氧化气体(例如，空气)和燃烧产物之间的强烈混合，从而创造火焰稳定的理想条件。LSV火焰固定在燃料管11的尖端。在正常操作下，大多数LSV内部组分保持在低于1000的温度。基于流状漩涡原理的LSV火焰稳定器的操作使它们在较低燃烧速率和极低当量比条件下本质上比较稳定。这造成较低峰值火焰温度并减少热NOx和/或瞬时NOx的生成。在低燃烧速率和极端贫燃料计量比条件下，产生极低(例如，低于1600)的峰值温度，并实现小于2～3ppmv的NOx排放。
理想的是，使用的燃料和气态氧化剂喷嘴采取高周长/面积比值的形状的孔。图2、3和4的1或多个燃料喷嘴至少之一和1或多个气态氧化剂喷嘴至少之一的排出孔的特征在于一种形状因数σ，其大于约10，其中σ是无单位参数，被定义为σ＝P2/2A其中P是排出孔的周边尺寸，而A是排出孔的面积。周长尺寸是在喷嘴向燃烧区排入处的喷嘴面平面测定的排出孔润湿边缘的尺寸。排出孔的面积也是在喷嘴向燃烧区排入处的喷嘴面平面测定的。
喷嘴设计应促使燃料和气态氧化剂出口喷嘴对周围燃烧气体产生强烈夹带作用。适用于上面描述的实施方案的喷嘴的形状和设计描述在美国专利6,866,503 B2，在此将其收作参考。这些喷嘴式样之一表示在图6中。喷嘴组件601包含喷嘴本体603，它连接在喷嘴进口管605上。狭缝607，这里被画成垂直取向的，与狭缝609、611、613和615交叉。这些狭缝配置在出口面617与进口面(未示出)之间，该进口面位于喷嘴本体603与喷嘴进口管605之间连接处。气态氧化剂619流过喷嘴进口管605并流过狭缝607、609、611、613和615，随后与狭缝出口周围的燃烧产物混合。由狭缝607、609、611、613和615形成的孔构成前面所定义的喷嘴。
除了图6中所示狭缝式样之外，其它狭缝式样，正如后面将要描述的，也是可能的；喷嘴组件可采取任何取向使用并且不限于所示大致水平的取向。当顺着垂直于出口面617的方向看去时，示例狭缝609、611、613和615与狭缝607交成直角。在示例狭缝609、611、613和615与607之间其它交角也是可能的。当朝着垂直于出口面617的方向看去时，示例狭缝609、611、613和615彼此平行；然而，这些狭缝之一或多个不平行于其余狭缝的其它实施方案也是可能的。
这里所使用的术语“狭缝”被定义为贯通喷嘴本体或其它实心材料的孔，其中任何狭缝的横截面(即，垂直于下面定义的进口流动轴线的截面)为非圆的并且由长轴和短轴表征。长轴比短轴长，并且这2根轴线一般地垂直。例如，图6中的任何狭缝的横截面长轴延伸于该狭缝横截面两端之间；横截面短轴垂直于长轴并且延伸于狭缝横截面两侧之间。狭缝可具有任何非圆形状的横截面并且每个横截面可由中央点或形心(centroia)表征，其中形心具有通常的几何定义。
狭缝可用狭缝轴线进一步表征，后者被定义为连接全部狭缝横截面形心的直线。另外，狭缝可由与全部狭缝横截面的横截面长轴交叉的中心平面表征或限定。每个狭缝横截面可具有关于该中心平面任何一侧的垂直对称性。中心平面延伸到超过狭缝任何一端以外并且可用于限定狭缝相对于喷嘴本体进口流动轴线而言的取向，正如下面所描述的。
图6的喷嘴的轴向截面I-I在图7中给出。进口流动轴线701穿过喷嘴进口管605、进口面703和出口面617的中央。在该实施方案中，狭缝609、611、613和615的中心平面与进口流动轴线701交成一定角度，致使气态氧化剂从狭缝出口面617呈自进口流动轴线701向外发散的方向流出。狭缝607的中心平面(在图7中仅能看到该狭缝的一部分)也与进口流动轴线701交成一定角度。正如将在下面看到的，该示例特征引导气态氧化剂从喷嘴出口面沿另一自进口流动轴线701发散的方向流出。在这一示例实施方案中，当顺着垂直于图7的轴向截面(截面)的方向看去时，狭缝609和611在进口面703相交形成锐边缘705，狭缝611和613相交形成锐边缘707，并且狭缝613和615相交形成锐边缘709。这些锐边缘给狭缝提供空气动力学流动分离现象并降低与非流线形体相联系的压降。替代地，这些狭缝可在进口面703与出口面617之间的轴向部位相交，锐边缘将在喷嘴本体603内部形成。替代地，这些狭缝，当沿着垂直于图7轴向截面的方向看去时可不相交，于是将不形成任何锐边缘。
这里所使用的术语“进口流动轴线”是由在进口面进入喷嘴的流体的流动方向限定的轴线，其中该轴线穿过进口和出口面。通常，但不是所有情况下，进口流动轴线垂直于喷嘴进口面703和/或喷嘴出口面617的中心，并与这两个面垂直地交汇。当喷嘴进口管605是如图所示典型圆筒形导管时，进口流动轴线可与导管轴线平行或重合。
狭缝轴向长度被定义为喷嘴进口面与出口面之间，例如，在图7的进口面703与出口面617之间的狭缝长度。狭缝高度被定义为横截面短轴处狭缝壁之间的垂直距离。狭缝轴向长度与狭缝高度的比值可介于约1～约20之间。
喷嘴本体中的多个狭缝可相交于垂直于进口流动轴线的平面内。如图6所示，例如，狭缝609、611、613和615与狭缝607交成直角。需要的话，这些狭缝在垂直于进口流动轴线内交成非直角的角度。相邻狭缝也可相交，当在平行于进口流动轴线的平面，即，图7的平面，内观察时。如图7所示，例如，狭缝609和611在进口面703相交形成锐边缘705，正如前面描述的。狭缝的中心平面之间，还有每个狭缝的中心平面与进口流动轴线之间的角关系可根据要求变化。这允许气态氧化剂从喷嘴沿着相对于喷嘴轴线而言任意选择方向排出。
示例喷嘴本体603的其它视图在图8A～8D中给出。图8A是喷嘴本体的正面立体图；图8B是图8A的截面II-II剖视图并表示出狭缝中心平面与进口流动轴线之间形成的角。角α1在狭缝615的中心平面与进口流动轴线701之间形成，同时α2在狭缝609的中心平面与进口流动轴线701之间形成。角α1和α2可相同或不同，并且可介于0～约30°范围内。角α3在狭缝611的中心平面与进口流动轴线701之间形成，同时角α4在狭缝613的中心平面与进口流动轴线701之间形成。角α3和α4可相同或不同并且可介于0～约30°的范围内。任意两个相邻的其它狭缝的中心平面可交成0～约15°之间的夹角。
图8C是图8A的截面III-III剖视图，表示出狭缝607的中心平面与进口流动轴线701之间形成的的角β1。角β1可介于0～约30°。狭缝611(以及狭缝609、613和615)的外边缘可平行于狭缝607的中心平面。
图8D是图6和7的喷嘴本体背面立体图，给出由狭缝609、611、613和615相交形成的锐边缘705、707和709的另一视图。
另一种类型喷嘴表示在图9中，其中喷嘴本体901中的狭缝布置成2个十字903和905的形式。喷嘴本体的正面立体图表示在图10A中，其中十字903由狭缝1007和1009形成，十字905由狭缝1011和1013形成。表示在图10B中的图10A的截面IV-IV视图显示自进口流动轴线1015呈角α5和α6发散的狭缝1009和1011的中心平面。角α5和α6可相同或不同，并且可介于0～约30°的范围内。狭缝1007的外边缘可平行于狭缝1009的中心平面并且狭缝1013的外边缘可平行于狭缝1011的中心平面。在该实施方案中，狭缝1007和1011相交形成锐边缘1012。
图10A的截面V-V的视图表示在图10C中，该图示出狭缝1013的中心平面怎样以夹角β2，该夹角可介于0～约30°，自进口流动轴线1015发散出去。狭缝1011的外边缘可平行于狭缝1013的中心平面。
如上面所述，狭缝可与其它狭缝交成这两种构型之一或二者。首先，狭缝可在以下两种视图中相交即，当从垂直于喷嘴本体出口面观看视图时(例如，参见图8A或10A)，或者当从狭缝横截面(即，垂直于介于进口面和出口面之间的进口流动轴线的截面)观看时。其次，相邻狭缝可在沿平行于进口流动轴线截取的截面内观看时相交(例如，参见图7、8B和10B)。按照定义，2个狭缝在以下条件下发生交叉当与狭缝壁相切的平面和与相邻狭缝壁相切的平面相交使得这两个平面的交叉(线)位于喷嘴进口面与出口面之间、在进口面内和/或在出口面内。例如，在图7中，与狭缝609的壁相切的平面，和与狭缝607的壁相切的平面交叉，并且这两个平面的交叉线位于进口面703与出口面617之间。与狭缝609的顶壁相切的平面和与狭缝611的底壁相切的平面在进口面703交于边缘705。在另一种在图10B的例子中，与狭缝1013顶壁相切的平面和与狭缝1007的底壁相切的平面交于喷嘴的这两个面之间的边缘1012处。
上面描述的示例实施方案中的狭缝每一个都具有一般为平面且平行的内壁。其它实施方案，其中狭缝的平面壁可相对于彼此而言沿流体流动方向可汇聚也可发散者，也是可能的。在其它实施方案中，狭缝壁可以是弯曲的，而不是平面的。上面描述的示例实施方案中的每一个狭缝都具有总体为矩形的横截面，具有直侧边和弯曲的两端。
上面描述的十字-和拉链-形状的喷嘴都提供，与传统圆形喷嘴相比，改进的就总NOx排放而言的性能；此改进与炉子的气体夹带的改善直接相关，而这又是采用这些示例喷嘴几何式样的结果。表2给出用于实现燃烧产物被夹带到注入燃料和氧化剂流中的明显改善，从而减少燃烧过程NOx生成的这些喷嘴的几何设计参数的典型范围。在图11和12中给出了这些设计参数的定义。
表2喷嘴设计参数的典型范围(图11和12)
图6～12中示出的喷嘴优选地由形状因数σ表征，其大于约10，其中σ是无单位参数，被定义为σ＝P2/2A其中P是喷嘴排出孔的周边尺寸，而A是喷嘴排出孔的面积。周长尺寸是在喷嘴向燃烧区排入处的喷嘴面平面测定的排出孔润湿边缘的尺寸。排出孔的面积也是在喷嘴向燃烧区内排出的喷嘴面平面处测定的。
超低NOx水平仅通过大大减少热NOx和瞬发NOx的生成便可达到。对于抑制热NOx的生成来说相对容易的是采用传统技术如分级燃烧和烟道气再循环到火焰中。然而，这些方法对于减少出现在火焰前沿的瞬发NOx的生成无效。例如，尽可能降低热NOx能将总NOx水平降低到约50ppmv，对于空气-燃料火焰而言；要达到更低的水平，还必须降低瞬发NOx的生成。这可通过采用上面描述的烧嘴组件的间隔或分布式燃烧来达到。间隔或分布式燃烧，在本领域亦称作无焰燃烧，发生在燃料和氧化剂在炉子中反应之前首先被快速稀释时。由于在间隔燃烧中发生高度稀释，多环芳族化合物的生成受到抑制，并且瞬发NOx的生成也显著减少。
在空气-燃料燃烧中，单单燃料稀释就足以将炉子燃烧产物的20％～30％夹带到燃料-空气混合物中。然而，在以高纯度氧燃烧的情况下，要求夹带的流体体积近似于氧流体体积的4倍。因此，燃料和含氧流都必须用富氧空气和全氧-燃料操作期间的炉子燃烧产物来稀释。这可通过采用上面描述的烧嘴组件和喷嘴设计有效地实现。
因此，本发明的实施方案包括一种烧嘴组件，它能提供燃料和1或多种氧浓度介于20.9体积％～大于99.5体积％高纯度市售供应氧气形式的含氧气体的燃烧。此种烧嘴组件在稳定间隔燃烧中的操作能在空气-燃料点火中产生低于20ppmv的超低水平烟道气NOx排放，和在氧-燃料点火中产生低至0.01lb NO2每MMBtu。根据具体用途可做出许多设计变化。例如，图1～3的系统在从烧嘴的最外圆环补给燃料的条件下操作。此种构型对于诸如氧化性金属损失会显著提高成本的再生铝熔化之类的领域是理想的。借助以燃料(例如，天然气)层实际上屏蔽氧化剂，金属对高氧化性环境的局域暴露可显著减少。这对于由于接触任何氧化物可能很容易被氧化的处于非常高温的熔融金属浴尤其重要。
在不要求天然气屏蔽作用但低NOx生成量是关键(例如，钢的再热和铸斗的预热)的场合，理想的是恰当地布置燃料和氧气喷嘴的位置，以便使燃料注入到氧与空气注入部位之间。由燃料流隔开这两个氧化剂流，将提供在富氧空气燃烧模式期间更为强的低NOx排放表现。当氧和空气靠得很近时，就有可能使这两股流混合形成对于高NOx生成理想的富氧氧化剂流，因为此时富氧空气中较高的氧含量和大量的氮气供应正处于火焰的高温之下。事实上，随着含氧气体中的氧含量提高直至约50％O2，NOx的生成量不断增加。现已发现，通过物理地将富氧空气流分成两股流，一股包含较高氧浓度，另一股含较低氧浓度，可在维持富氧空气点火的优点的同时大大降低NOx排放。
除了超低NOx生成量之外，上面描述的烧嘴还能提供均匀的热量释放，这对于所有预期的用途都是高度理想的。此种均匀的加热乃是间隔的燃烧的结果，这可想象成将传统火焰区拓展成为大大分散开来的体积，从而降低火焰温度和改善传热的空间均匀性。
正如下面总括的，各种各样烧嘴组件式样是可能的●火焰稳定器位置中央或外部(图2、3和4)●火焰稳定器类型空气-燃料、氧-燃料、喷嘴-混合，或预混合导燃烧嘴，以气态或液态燃料操作；基于流体或基于非流线形体的稳定器；和其它能量装置如火花点火器或等离子枪●燃料注入位置在径向最外部位(图2和3)，介于氧与空气径向位置之间的径向位置，与氧相同的径向位置或与氧交替的位置，或者在与氧相同的径向位置但成组(图4)●操作冷空气、预热空气，或再生式●燃料类型气体、液体、固体或其混合物实施例制造了一个原型烧嘴，其一般结构如图4所示，不同的是，安装了喷嘴以替代火焰稳定器32和34。烧嘴的中央具有图5的一般构造的基于流体的火焰稳定器。诸喷嘴围绕中央火焰稳定器按相同半径配置，并且围绕那个半径的圆周均匀分布总共10个喷嘴5个燃料喷嘴，另外5个是氧喷嘴。燃料，在此种情况中，为天然气(NG)，以及纯氧通过交替的喷嘴引入。天然气也是火焰稳定器使用的燃料，空气是中央火焰稳定器使用的氧化气体。因此，该烧嘴，当进入氧喷嘴的流体关掉时，在空气-燃料点火模式操作，而当中央火焰稳定器关掉时，则在氧-燃料点火模式操作。烧嘴可在总氧化剂浓度介于20.9体积％～大于99.5体积％的条件下操作，此时氧流经氧喷嘴，而空气则用于中央火焰稳定器。
在该实施例中，位于烧嘴中心的火焰稳定器如图4和图5所示，以3英寸管子作为导管11，6英尺管子作为导管10并以8英寸管子作为导管2。启动枪18是3/4″直径管。燃料和氧喷嘴28和30位于直径18.5英尺的圆上。在该实施例中，探索了燃料和气态氧化剂喷嘴的不同出口面积和出口取向，以便找出就NOx排放水平和总传热效率而言的最佳烧嘴性能。试验在不同总富氧水平，即，不同的氧与空气流量组合，以便产生35％、50％、65％、80％和基本上100％的在全部氧化剂中的总氧浓度(体积％)条件下进行。表3列出就天然气和氧气用喷嘴选择而论的试验条件，其中负喷嘴出口角是指排出喷嘴的流体与中央火焰稳定器流动轴线相交，而正喷嘴出口角则意味着排出喷嘴的流体自中央火焰稳定器流动轴线发散。
表3在低排放和高传热效率原型烧嘴中试验的喷嘴构型
燃烧空气的富氧一般都伴随NOx排放水平的急剧增加，其峰值发生在氧化流中含有约45％氧时，此后它开始下降。NOx对富氧此种变化曲线乃是火焰温度的升高，与氮随着氧化剂变得越来越富氧而减少这两种效应之间竞争的结果(参见C.E.Baukal in“Oxygen-EnhancedCombustion”，C，E.Baukal，ed.，CRC Press，Boca Raton，1998)。此种现象被定性地表示在摘自该参考文献的图13中。NOx的生成在氧化剂中的氧浓度介于40体积％～60体积％范围内达到峰值，但不幸的是，这正好与达到氧成本与富氧的工艺效益之间最佳平衡的氧浓度范围重合。
凭借恰当的喷嘴设计，本实施例的烧嘴能将NOx生成量降低到40％～60％的在氧化剂中的氧浓度的优选操作范围内。为将所有不同喷嘴构型的数据放在一起评估，用速度因次(dimention)的集总参数与NOx排放量进行关联。该参数，被称作几何速度，VG，定义如下vG＝vNGvO2cos(a-b)/(vNGsina+vO2sinb)其中VNG和VO2是天然气和氧喷嘴出口速度，以ft/s为单位，而a和b是天然气和氧喷嘴出口角，°，相对于烧嘴中心轴测量，其中该角负值代表收敛角，正值代表发散角。该参数被用于定量描述天然气与氧射流之间的对齐和出口喷嘴的取向。当将NOx排放量对几何速度如图14所示那样标绘时，就看出富于启迪的趋势。所有数据可由一根曲线来关联，它指出，较高喷嘴出口速度导致NOx排放的减少。要说明的另一点是，这些点簇代表采用同一喷嘴构型但不同富氧程度所获得的实验数据。NOx对富氧浓度的特征曲线清楚地体现在每一组数据上。通过小心选择该烧嘴中的喷嘴，虽然NOx的数量随着富氧而增加，但却比NOx减少的程度小得多。这暗示，NOx随富氧的增加可利用此种烧嘴式样轻易地加以控制。除了较高出口速度之外，该结果还表明，朝外的喷嘴角和燃料/氧射流对齐都有助于减少NOx的生成。除了降低NOx排放之外，朝外的喷嘴角也有助于改善单程炉子式样，也就是试验该烧嘴的炉子式样，的燃料效率。图15显示出这一结果。
为展示按实际尺寸的形状因数σ＝P2/2A，考虑本实施例中使用的喷嘴之一。该喷嘴是四狭缝拉链式喷嘴，如图6所示。狭缝607的长度是0.824英寸，而狭缝609、611、613和615的长度全部是0.48英寸。所有狭缝端部的半圆都具有0.034英寸的半径。4个水平狭缝之间的中心到中心间距是0.165英寸，2个最外水平狭缝任何一个的中心到最近的垂直狭缝端部的距离也是0.165英寸。此种喷嘴孔的润湿周边是4.78英寸，其面积是0.28平方英寸。此种喷嘴的形状因数经计算为约40。这些高度曲折周边的喷嘴在实验中显示出比圆形孔简单喷嘴高的流体夹带率。
权利要求
1.一种烧嘴组件，它包括(a)具有周边、与燃烧区相邻的排出端和轴线的狭长本体，其中轴线延伸至燃烧区内；(b)1或多个氧化剂喷嘴，配置在狭长本体的排出端并适合将气态氧化剂排出到燃烧区内；以及(c)1或多个燃料喷嘴，配置在狭长本体的排出端并适合将燃料排出到燃烧区内；其中该氧化剂和燃料喷嘴至少之一的特征在于一种形状因数σ，其大于约10，其中σ是无单位参数，被定义为σ＝P2/2A，其中P是排出孔的周边尺寸，而A是排出孔的面积。
2.权利要求1的烧嘴组件，其中1或多个燃料喷嘴至少之一和1或多个氧化剂喷嘴至少之一位于距轴线相等的径向距离。
3.权利要求2的烧嘴组件，其中所有1或多个燃料喷嘴和所有1或多个氧化剂喷嘴都位于距轴线相等的径向距离。
4.权利要求3的烧嘴组件，其中1或多个燃料喷嘴至少之一配置在2个氧化剂喷嘴之间。
5.权利要求1的烧嘴组件，其中1或多个燃料喷嘴至少之一距轴线的径向距离大于1或多个氧化剂喷嘴至少之一距轴线的径向距离。
6.权利要求5的烧嘴组件，其中所有1或多个燃料喷嘴距轴线的径向距离大于所有1或多个氧化剂喷嘴距轴线的径向距离。
7.权利要求1的烧嘴组件，其中1或多个氧化剂喷嘴至少之一距轴线的径向距离大于1或多个燃料喷嘴至少之一距轴线的径向距离。
8.权利要求7的烧嘴组件，其中所有氧化剂喷嘴距轴线的径向距离大于所有燃料喷嘴距轴线的径向距离。
9.权利要求1的烧嘴组件，其中狭长本体被包含狭长本体轴线的水平平面分割，其中配置在该平面以上的氧化剂喷嘴的数目大于配置在该平面以下的氧化剂喷嘴的数目，且其中配置在该平面以下的燃料喷嘴的数目大于配置在该平面以上的燃料喷嘴的数目。
10.权利要求9的烧嘴组件，其中所有氧化剂喷嘴配置在该平面以上，同时所有燃料喷嘴配置在该平面以下。
11.权利要求1的烧嘴组件，其中狭长本体被包含狭长本体轴线的水平平面分割，其中配置在该平面以下的氧化剂喷嘴的数目大于配置在该平面以上的氧化剂喷嘴的数目，且其中配置在该平面以上的燃料喷嘴的数目大于配置在该平面以下的燃料喷嘴的数目。
12.权利要求1的烧嘴组件，它包含至少一个配置在狭长本体周边以内的火焰稳定器。
13.权利要求12的烧嘴组件，其中火焰稳定器适合燃烧火焰稳定器燃料与1或多种氧化气体从而形成燃烧产物，并将该燃烧产物排出到燃烧区内。
14.权利要求13的烧嘴组件，具有火焰稳定器，后者特征在于火焰稳定器轴线，其中该火焰稳定器轴线与狭长本体的轴线同轴。
15.权利要求1的烧嘴组件，它包含配置在狭长本体周边以内并与燃烧区流体连通的通道，其中该通道适合将含氧气体引入到燃烧区内并将燃烧产物从燃烧区抽出。
16.权利要求15的烧嘴组件，其中该通道的特征在于其轴线平行于或重合于狭长本体的轴线，且其中1或多个燃料喷嘴和1或多个氧化剂喷嘴距通道一定距离并且围绕该通道配置。
17.权利要求16的烧嘴组件，其中火焰稳定器配置在通道以内并且特征在于其轴线平行或重合于通道轴线。
18.权利要求17的烧嘴组件，其中火焰稳定器配置在通道与狭长本体周边之间。
19.权利要求1的烧嘴组件，它包含辅助烧嘴，后者配置在狭长本体周边以内并适合使燃料与组成介于20.9体积％～大于99.5体积％氧范围的含氧气体燃烧并将由此产生的燃烧产物排出到燃烧区内。
20.权利要求19的烧嘴组件，其中辅助烧嘴距狭长本体轴线的径向距离小于1或多个燃料喷嘴和氧化剂喷嘴距轴线的径向距离。
21.权利要求1的烧嘴组件，其中1或多个燃料喷嘴至少之一适合沿着与包含狭长本体轴线的平面以最高45°的夹角相交的方向排出燃料。
22.权利要求1的烧嘴组件，其中1或多个燃料喷嘴至少之一适合沿着自包含狭长本体轴线的平面以最高45°夹角发散的方向排出燃料。
23.权利要求1的烧嘴组件，其中1或多个氧化剂喷嘴至少之一适合沿着与包含狭长本体轴线的平面以最高45°夹角相交的方向排出气态氧化剂。
24.权利要求1的烧嘴组件，其中1或多个氧化剂喷嘴至少之一适合沿着自包含狭长本体轴线的平面以最高45°夹角发散的方向排出气态氧化剂。
25.一种烧嘴组件，它包含(a)具有周边、与燃烧区相邻的排出端和轴线的狭长本体，其中轴线延伸至燃烧区内；(b)1或多个燃料喷嘴，配置在狭长本体的排出端并适合将燃料排出到燃烧区内；以及(c)辅助烧嘴，后者配置在狭长本体内并适合使燃料与组成介于20.9体积％～大于99.5体积％氧范围的含氧气体燃烧并将由此产生的燃烧产物排出到燃烧区内；其中燃料喷嘴至少之一的特征在于一种形状因数σ，其大于约10，其中σ是无单位参数，被定义为σ＝P2/2A，其中P是排出孔的周边尺寸，而A是排出孔的面积。
26.权利要求25的烧嘴组件，其中辅助烧嘴距狭长本体轴线的径向距离小于1或多个燃料喷嘴距轴线的径向距离。
27.一种燃烧方法，包括(a)提供一种烧嘴组件，它包括(1)具有周边、与燃烧区相邻的排出端和轴线的狭长本体，其中轴线延伸至燃烧区内；(2)1或多个氧化剂喷嘴，配置在狭长本体的排出端并适合将气态氧化剂排出到燃烧区内；以及(3)1或多个燃料喷嘴，配置在狭长本体的排出端并适合将燃料排出到燃烧区内；其中氧化剂和燃料喷嘴至少之一的特征在于一种形状因数σ，其大于约10，其中σ是无单位参数，被定义为σ＝P2/2A其中P是排出孔的周边尺寸，而A是排出孔的面积；(b)通过1或多个氧化剂喷嘴将气态氧化剂排出到燃烧区内；以及(c)通过1或多个燃料喷嘴将燃料排出到燃烧区内并使燃料与气态氧化剂在燃烧区内燃烧。
28.权利要求27的燃烧方法，其中气态氧化剂包含大于20.9％(体积)氧。
29.权利要求27的燃烧方法，其中燃料经1或多个燃料喷嘴至少之一沿着与包含狭长本体轴线的平面相交的方向排出。
30.权利要求27的燃烧方法，其中燃料经1或多个燃料喷嘴至少之一沿着不与包含狭长本体轴线的平面相交的方向排出。
31.权利要求27的燃烧方法，还包括提供至少一个配置在狭长本体周边以内的火焰稳定器，其中火焰稳定器适合燃烧火焰稳定器燃料与1或多种氧化气体从而生成燃烧产物并将燃烧产物排出到燃烧区内；燃烧该火焰稳定器燃料与1或多种氧化气体从而生成燃烧产物，并将燃烧产物排出到燃烧区内。
32.权利要求31的燃烧方法，其中气态氧化剂中的氧浓度大于1或多种氧化气体中的氧浓度。
33.一种燃烧方法，包括(a)提供一种烧嘴组件，它包括(1)具有周边、与燃烧区相邻的排出端和轴线的狭长本体，其中轴线延伸至燃烧区内；(2)1或多个氧化剂喷嘴，配置在狭长本体的排出端并适合将气态氧化剂排出到燃烧区内；(3)1或多个燃料喷嘴，配置在狭长本体的排出端并适合将燃料排出到燃烧区内，以及(4)通道，配置在狭长本体周边以内并与燃烧区流体连通，其中该通道适合将含氧气体引入到燃烧区内并将燃烧产物从燃烧区抽出；其中氧化剂和燃料喷嘴至少之一的特征在于一种形状因数σ，其大于约10，其中σ是无单位参数，被定义为σ＝P2/2A，其中P是排出孔的周边尺寸，而A是排出孔的面积；(b)在第一时段期间，通过该通道将含氧气体引入到燃烧区内，通过1或多个氧化剂喷嘴将气态氧化剂引入到燃烧区内，通过1或多个燃料喷嘴将燃料引入到燃烧区内，以及使燃料在燃烧区内燃烧，产生燃烧产物；以及(c)在第二时段期间，停止向燃烧区内引入含氧气体、气态氧化剂和燃料，并通过通道从燃烧区抽出至少一部分燃烧产物。
34.权利要求33的燃烧方法，其中气态氧化剂中的氧浓度大于含氧气体中的氧浓度。
全文摘要
一种超低NO
文档编号F23L7/00GK101063524SQ20071010110
公开日2007年10月31日 申请日期2007年4月26日 优先权日2006年4月26日
发明者J·曹, M·L·约施, A·G·斯拉维科夫 申请人:气体产品与化学公司