用在燃烧器上的火焰稳定环的制作方法

专利名称：用在燃烧器上的火焰稳定环的制作方法
技术领域：
本发明(中国专利申请号89102943.5的分案申请)涉及的是燃料燃烧器，更具体地说，是一种改进型燃烧器，该燃烧器具有一种设计非常特殊的气体元件用来减小粉碎后液体燃料或气体燃料燃烧期间氧化氮的形成。
大气污染的一个来源是蒸气发生器燃烧化石燃料时烟道发射的种种氧化氮(NOx)。氧化氮(nitric oxide)(No)是一种看不见而相对有害的气体。然而，当它通过蒸气发生器跟氧气接触时，发生反应而形成二氧化氮(NO2)或其它氮气氧化物，总称之为氧化氮。二氧化氮是一种黄褐色气体，在达到足够浓度时，它对动物和植物的生命有毒害作用，蒸气发生器在排气管形成可见云雾的就可能是这种气体。
氧化氮是由于氮和氧作用而形成，可以是热量氧化氮和/或燃料氧化氮。前者由于化石燃料燃烧时所供给空气中包含的氮和氧反应而发生;后者是由燃料中所包含的氮气和燃烧空气中的氧反应而来。
热量氧化氮形成的速率取决于下列变数的一个或其组合(1)火焰温度;(2)燃烧气体在高温区停留的时间;(3)过剩氧气源。氧化氮形成的速率随火焰温度的增加而增加。然而，反应需要时间，在给定温度;氮和氧混合一个非常短的时间所产生的氧化氮，可能比在一较低温度二者同样混合一段较长时间所产生者为少。在下面所讨论的一型蒸气发生器中，燃料和空气的燃烧所发生的火焰温度可能达3，700°F级。有关此反应的时间-温度依赖关系为火焰温度在2900°F以下时，所产生的氧化氮(NO)不多，而在2900°F以上时，反应速率迅速增加。
燃料氧化氮形成的速率主要依赖于点火区内的氧气源，所以在大气逐渐减少起还原作用的环境气氛所产生的氧化氮没有多少;那时，在点火区氧的量级低于完全点燃燃料的要求的量级。
上述讨论表明热量氧化氮的形成可以由诸火焰温度的任何种类的减低而减低，且在或低于2，900°F的火焰温度时将减至最小。它并表明减低把氧引入火焰的速率将限制燃料氧化氮的形成，也就是，减低空气/燃料的混合速率。
在美国，联邦和各州的条例正在强制去研究发展能够减少产生NOx的以化石为燃料的燃烧设备。NOx发射量要低的规定适用于粉碎后的液体燃料和气体燃料，诸如煤、油和天然气。一方面在1970年代早期能源的短缺促进了保存油和煤气的种种努力;一方面在美国许多领域中的种种应用未能把其燃烧油和气的蒸气发生器转变到燃烧煤上面来，这或者是由于现有设备的限制，或者是由于伴同煤蒸气气体发生器发射的粒子增加。在其它情况下，有时候，产生这样的需要，即一个燃烧器的具体构造能够燃烧所有这三种燃料，尽管每次不一定要燃烧这三种燃料中的一种以上。由而，当燃烧煤、油、特别是天然气时，会需要某种设备既能够减少NOx的发射量，又能够改装得跟现有蒸气发生器相配套。
燃烧化石燃料的蒸气发生器发射量的减少可以采取多种设计。一种设计是在具有可能性时使用含氮量较低的燃料，然而这仅仅涉及到问题的一部分，没有涉及到燃烧过程本身所产生的NOx问题。再者，联邦和/或各州有关发射量的条例在规定的要达到的标率时，可能考虑的是燃料中含氮级的下限，这样规定的目标级就比各原始燃料所必需达到的级限为低。
第二种设计是把燃料中的氮和燃料的燃烧效率作为全面过程的已知因子，全力清除燃烧过程本身所发射的NOx，设计的这一实例是授予玻希(Pirsh)公开的美国第4，309，386号专利，该专利转让给巴布柯克和威尔考克斯公司(Babcock & Wilcox Conpany)。玻希公开的是一个过滤房，该过滤房采用一种选择性液化还原法从烟道气体流里除去发射的NOx，同时过滤掉烟道气流中的颗粒物质并将其收采起来。本发明的中心内容和范围超出了上述两种设计及其引伸。
第三种设计重点放在燃烧过程本身中形成NOx的发射，即前面所称热量氧化氮和/或燃料氧化氮。燃烧过程包括把化石燃料和空气引入到蒸气发生器的炉子，因而新的发展重点单独放在燃料/空气引进设备上以及放在其与蒸气发生器炉子的结合上。
克里彭等人(Krippene et al)的美国第3，788，796号专利也系转让给巴布柯克和威尔考克斯公司，描述的装置和方法是一个改进型粉碎燃料燃烧器，该燃烧器抑制燃料氧化氮的形成并且提供的峰值火焰温度低到足以促成所形成的热量氧化氮为最小。克里彭等人的燃烧器在该文中人皆称之为双重门燃烧器(DRB)，因其采用了两个闸门或在片门分别区别开和控制内环通道和外环通道之间的燃烧空气流，内环通道和外环通道同轴地放置在一个中央管状粉碎燃料喷咀的周围，粉碎燃料喷咀把粉碎燃料和燃烧/输送空气的混合物传送给燃烧器，在那里点燃跟上述内环通道和外环通道所提供的燃烧空气流其余部分燃烧。
皮特逊等人(Peterson et al)的美国第3，904，349号专利亦系转让给巴布柯克和威尔考克斯公司，描述的装置是一个改进型液体或气体燃料燃烧器，该燃烧器具有一中央通道、一个第一通道、一个第二通道和这些通道之间区分燃烧空气流程的气体分配装置，以达到燃料的完全燃烧并减低各种(一)氧化氮的形成，在燃烧器之内供给并粉碎成为雾粒的液体燃料以大致跟外壳孔轴相对称的式样喷进炉子的环形外壳孔，中央燃料管或喷咀把液体燃料或气体燃料传送到一个喷雾装置，该喷雾装置包括一块喷射板，该板位于燃料管或喷咀出口端。中央燃料管或喷咀通过并延伸到一个导管外，该导管在其顶端支承一个截头园锥空气折流器，喷射板延伸通过折流器，中央通道所传输的燃烧空气和第一环形通道所传输燃烧空气的一部分在此得以折流。燃料初始燃烧是通过调节经中央通道所释放燃烧空气的数量而在减小区里进行;容许通过第一环形通道的空气促使空气围绕减小区外周而再循环以创造一个火焰稳定区;最后，用于完全燃烧的剩余空气通过第二环形通道释放以便包住减小区和稳定区，并且跟燃料混合以完成燃烧。
拉留等人(C Rue et al)的美国第4，380，202号专利亦系转让巴布柯克和威尔考克公司，描述的是一混烧器，该混烧器用于双重门燃烧器以燃烧粉碎燃料，它不是使用上面克里彭等人装置里的文氏调层管和园锥未端杆件，而是使用一折流器和一个具有插梢和外壳的扩散器，二者位于环形粉碎燃料喷咀之内，结果是，在粉碎燃料喷咀内可能发生的流程分离或燃料分离现象得以消除，而把对一次空气/粉碎燃料流的压力损耗效应减到最小。
如前所述，在种种化石燃料燃烧中减少NOx形成的另一种办法，重点放在燃料/空气燃烧设备相对于炉子本身的结合/设置上，即大家所称的两段燃烧成TSC，TSC包括在炉子里建立一个下部的空气欠缺燃烧器区和一个上部下游“过剩空气”或“烧后空气”区，下部燃烧器区所缺空气的数量由“烧后空气”区向下注入以完成燃烧过程，实质上，整个炉子是用作燃烧区。由于严格限制NOx发射量而在日本研制的一种较新型TSC，人们称之为炉内NOx减小燃烧器或IFNR。此工艺的说明见于M.A.阿克里(Acree)和A.D.拉留一篇题为“控制发射量的高级炉内NOx减小系统”的论文里，该文在1985年4月22-24日于伊利诺易斯州芝加哥美国动力会议上提出。
简言之，由巴布柯克-日立K.K和东京电力公司的联合研制的IFNR设计，采用的是炉内多燃烧区设计，主要和最低的区域，燃烧器区，应用在低于理论空气级工作的低NOx燃烧器以减小的产生的NOx总量，从此主要燃烧区来的种种气体和炉炭焦屑向上进入一个再燃区而在更低的空气级工作，由于空气级低，燃料分解并形成烃基，这些烃基通过化学作用化合而直接还原NOx，由而又进一步减少所存在的NOx，在从再燃区离却时，因为烟道气体中NOx级别已经降低，燃烧气体的需求通过引入燃烧区中烧后空气的份额来平衡。
在应用TSC或IFNR工艺的新系统发生器结构中，炉子容积和高度选择得适应于扩大了的燃烧要求以便种种燃烧产物在烟道气体穿过蒸气发生器辐射形和/或传递形热传输管各壁之前完完全全地燃烧。
然而，在改装应用中，炉子的容积和高度通常不变，恰当应用TSC或IFNR所需的最佳炉子尺寸可能达不到，这些问题在一篇论文里有所讨论，该文为T.(Narita F.柯达(Koda)、T.Masai S.Morita和S.Azuhata所著题为“使用日立减少NOx燃烧器的燃煤实用锅炉操作经验”，系在1987年3月26-27日在路易斯安娜州新奥尔良城1987年稳定燃烧NOx控制联合学术讨论会上提出，该会由美国环境保护局和电力研究所赞助。
正如阿克里等人论文和narita等人论文二者中所述，所发生的各低NOx级别把下段气流所要消除的NOx数量减到最小，对现用双重门燃烧器(DRB)的改进导致了该文中用于粉碎煤现称为日立-NR燃烧器(HINR)的发展和用于液体燃料和气体燃料现称为一次煤气-双重门燃烧器(PG-DRB)的发展。
morita等人美国第4，545，307号专利描述的是上述改进HINR燃烧器，在现有技术DRB(诸如克里彭等人)中，供给碎煤粉气流的空气仅仅够输送煤粉使用;由而，在燃烧器咽喉到炉子的门口，燃烧器火焰形成一种良好还原气氛，燃烧空气的剩下部份叫作二次空气和三次空气，它们分别经由内环通道和外环通道来到燃烧器咽喉，并要在其中央的还原氛围燃烧器火焰下段相混合，然而，二次/三次空气和还原氛围燃烧器火焰混合太早，就使得火焰难以保持。
morita等人修正了燃煤的DRB，在粉煤管出口搭装了一个扁平体，状似环形碟，具有一个使粉煤/空气混合物进入炉子的孔，扁平体的一个部件或喇叭件突出伸入到粉煤管内部直径之内以提高其出口处的点火率，而扁平体的外直径部分地延伸到粉煤管外侧进入二次空气内环通道之内。此外，在二次空气(内环)通道和三次空气(外环)通道之间提供一个外向导筒使三次空气向外分散到中央粉煤火焰之外，再跟下段气流化合而完成燃烧过程。扁平体在粉煤管供给的粉煤/空气气流系中产生一种反向流，这个反向流防止粉煤/空气气流系以向外方式扩散向二次空气流。
燃煤改进燃烧器的其它发展工作有如A.D.拉留1M.A.阿克里和C.C.马塞耳论文所提出。该论文题名为“B&W的二次发生低NOx燃烧器-XCL燃烧器的发展状况”，该文于1987年3月23-27日在路易斯安纳州新奥尔良城1987年稳定燃烧NOx控制联合学术讨论会上提出，该会由美国环保局和电力研究所赞助。其中所公开的XCL燃烧器设计仅为燃煤而研制，使用了前面讨论的HINR和DRB燃烧器所用标准。
燃油和燃煤用一次气体双重门燃烧器(PG-DRB)是一种修正型DRB，修正后包括一个再循环气体环道，该气体环道围绕一个一次空气区，该区罩盖着油喷雾器，此修正型DRB系由上述阿克里等人对比论文公开，应该指出的是在此处上下文中，“再循环气体”一词系指烟道煤气而不是烧料气体，再循环气体的来源大抵是蒸气发生器里上一热传输表面下游某处的一个点，例如在省煤器出口处的一个点，再循环气体屏蔽着油料火焰的基部而减少焰心中氧的来源;再循环气体跟燃烧空气混合促使所有的燃烧空气含氧量低，进而抑减NOx的产生。
对于气体燃烧，查阅上面阿克里等人对比文件图4并参考本申请

图1以示意图所表示PG-DRB略作修改的型号，可以知道PG-DRB气体元件1设置在三次空气通道2里面，依次环绕着油喷雾器3、一次空气区4、一次气体区5和二次空气区6。由于每个气体元件1在其出口端具有隔板7保护每个元件1的气体出口管咀8，可以清楚地知道燃烧空气流连续冲过每一气体管咀8并由此出来通过三次空气通道2进入炉子9。这种排列是防止在对降低NOx发射量重要的每一气体管咀8附道产生任何燃料浓/空气少的邻近区，此外，在某些应用中，也将禁止使用PG-DRB设计，从而在气体燃烧中减少NOx发射的需要仍将存在。
用来把燃料煤气输送到燃烧区的气体元件，其特殊结构已是公知，这由图4-7可以知道，其中表示有现有技术气体元件48′和48″的结构，图4和图5所描绘的是当不采用控制NOx的气体再循环时为燃烧燃料而设计的可变比气体元件48′;图6和图7所描绘的是当采用控制NOx的气体再循环时，为燃烧气体燃料所设计的可变比气体元件48″。可变比气体元件48′、48″每个都在其未端具有三个类型的孔洞稳定孔A;侧孔B;和錾孔C。稳定孔A一般是小直径(1/4″)，尺寸仅能输送正在燃烧的燃料气体的一小部份。按标准在可变比气体元件48′中会有五个稳定孔A，每孔间距为45°，部份地绕着其园周延伸;而在可变比气体元件48″中会有八个稳定孔A，每孔间距为45°，环绕着整个园周，侧孔B位于可变比气体元件48′和48″的未端附近而且只位于其一侧。最后，錾孔C位于可变比气体元件48′和48″錾面D之上，也只位于一侧。在可变比气体元件48′和48″中，孔A和孔B每一个的纵轴，其位置相关于可变比气体元件48′或48″的纵轴是垂直的，而孔C的纵轴，其位置相关于錾面D是垂直的，因为錾面D的表面按标准相对于可变比气体元件48′、48″的纵轴为-45°角，錾孔C的轴相对于可变比气体元件48′、48″纵轴为-45°角。
由于是装设在燃烧器内，侧孔B的纵轴要设置得把通过那里出口的燃料气体引导之基本上通向燃烧器的中心;而錾孔C的纵轴会要设置得把通过那里出口的燃料气体基本上采取跟从燃烧器出口二次气体相同的旋涡方向，并且是錾孔C的轴相对于可变比气体元48′、48″纵轴的角所决定的向外方向(向着炉子)。
一般地说，侧孔B和錾孔C的直径会是相同的，侧孔B和錾孔C的直径，其选定是要使在那里通过的燃料气体达到所要求的速度，使燃烧器避免“隆隆声”-也就是防止炉子燃烧区内各火焰受到燃烧引起的压力。
依此，人们仍希望研制一种改进型燃烧器是能够分别燃烧粉碎的液体燃料或气体燃料并且可以对于这些燃料的每一种减少其NOx的发射量。
本发明提供一种燃烧煤、油或气的改进型燃烧器，该燃烧器在燃烧上述燃料的任一种时可减少其NOx的发射量。
本发明的另一方面描绘的是一种燃烧器用的一个非常特殊的火焰稳定环，该燃烧器具有许多就在一个管状燃烧器嘴附近并在其周围排列的气体元件，其管状燃烧器嘴的作用是给各气体元件各出口端屏散各邻近环状通道所输送的大量燃烧用空气。
本发明的再一方面描绘的是一种燃烧器用的一个设计非常特殊的可缩回并可旋转的气体元件，此燃烧器具有许多气体元件就在管状燃烧器嘴附近环绕排列。
依此，对美国第3，788，796号专利和第4，545，307号专利所公开的一型燃料燃烧器进行了改进，该改进型燃烧器特别适用于对现有蒸气发生器设备改装配套或在新构建蒸气发生器设备中使用。改进型燃烧器的一部分设置在一个风箱之内，燃烧所必需空气的一相当部份供给风箱，风箱形成于相邻设置的燃烧器和蒸气发生装置的炉壁之间，该炉壁具有一进入口以容许把燃烧器的部份在改进时位于风箱之内。炉壁具有一灶孔重以容许把燃料和空气合成为一可燃性混合物并在那里对之点火。点燃的可燃性混合物而后排入燃烧室或蒸气发生器的炉子并用来加热盛有水或蒸气各个管子的管壁。
改进型燃烧器可以燃烧煤、油或气并包括有输送这些燃料到燃烧器出口端的各独立元件和输送燃烧所需空气到燃烧器出口端的其它元件，改进型燃烧器在其中央轴启动并向外工作时，包括有一个可回缩，的油喷雾器，该油喷雾器把油和粉碎料的混合物输送到位于喷雾器出口端的喷雾器喷射板，喷雾器喷射板位于燃烧器的出口端。喷雾器介质可能是空气或蒸气，需要把油破碎成足够小的微粒以便可以对之点火，机械喷雾器或压力喷雾器也正为人熟知，且可以用来代替使用气气或蒸气的喷雾器，环绕着可回缩油喷雾器的是一个管状燃烧器嘴，油喷雾器位于条状燃烧器管的中央，并由搭接在管状燃烧器管内侧的储器件支承。
在油喷雾器外侧和管式的燃烧器嘴内侧之间的中央通道区把一次空气和被粉碎了的煤粉输送到燃烧器出口端燃烧器内，在燃烧器内此混合物将被点燃，环绕着管式燃烧嘴有一气体区套筒，此套筒部份地构成它与管式燃烧器嘴之间的一个环状外壳，在管式燃烧器嘴出口端装接有一火焰稳定环，此环连同管式燃烧器和气体区套筒构成环状外壳的各侧。
火焰稳定环有两部份，第一部份沿园周伸展到管式燃烧器嘴的出口端，并部份地伸入中央通道，然而留有一个开口，一次空气和粉碎了的煤可以由该开口通过，火焰稳定环的第二部份成L形，搭接到火焰稳定环的第一部份上，此成L形的第二部份沿园周环绕并从管状燃烧器嘴出口端向外伸展。
环状外壳包含许多可缩回并可旋转的气体元件，它们在管状燃烧器嘴外侧周围同轴地排列。这些气体元件穿过环状外壳并把燃料气体输送到燃烧器的出口端，火焰稳定环成L形的第二部份具有许多个孔或开口，这些孔或开口使得这些气体元件的各出口端就在邻近通向管式燃烧器嘴的各出口端，火焰稳定环从二次气体中保护或屏散气体元件的这些出口端以减少NOx发射，二次空气这时正环绕这个区域周围而引进，它是通过一个内环通道和一个外环通道提供给燃烧器出口端，内环通道是气体区套筒和包围此套筒的内部区套筒之间的那个空间，外环通道是内部区套筒和包围部区套筒的燃烧器筒之间的那个空间，为了进一步给内环通道和外环通道出来的空气导向，在那里有一个空气分离阀连接到内部区套筒的出口端，空气分离阀轴向地朝炉子向外延伸并沿园周围绕着内部区套筒的出口端。这个空气分离阀在二次空气从燃烧器出来进入炉子时，影响其路径，用火焰稳定器屏散气体元件的各出口端，各气体元件出口端通过火焰稳定器插入，这样产生一个低氧/富燃料的火焰而减少NOx的形成。
由而，本发明的一个方面是描绘一种燃烧煤、油、特别是煤气的改进型燃烧器，它产生的NOx量级不高。
此发明特征在于其各个新颖性特性，它们在所附权利要求书中已详尽地指出并构成此公开内容的一部份，为了更好地理解本发明和使用它的种种优点，请参考所附各图及说明材料，其中说明了此发明的一个最佳实施例。
图1是一个略图，表明现有技术的PG-DRB的排列情况;
图2是一个蒸气发生器截面仰视略图，该蒸气发生器使用的是燃料燃烧装置，系用来实施本发明;
图3是本发明改进型燃料燃烧器的截面仰视图;
图4是一个没有气体再循环通过燃烧器所使用的现有技术型可变比气体元件近距放大图;
图5是图4的端面图;
图6是一个没有气体再循环通过燃烧器所使用的现有技术可变比气体元件近距放大图;
图7是一个图6的端面图;
图8是本发明元件的一个近距放大图;
图9是图8的一个端面图;
图10是图3右手部份的一个近距放大图;
图11是图10的一个端面图。
参见各图(其中相同编号表示相同元件)，特别是图2和图3，那里表明的是一个蒸气发生器10，它包括诸水冷壁区，水冷壁构成一炉室或燃烧室14，其燃料/空气混合物由一改进型燃烧器16提供，在燃烧已经于炉室内完成后，被加热的气体向上围绕着折烟角部份18向上流动，越过管状二次过热器20，而后从那里向下通过对流烟道22，该烟道22包含有管状一次过热器24和节能器26，离开对流烟道22的诸气体流动而通过一个空气预热器28的诸管子，之后通过烟囱30释放出去，可以理解在过热器20、过热器24和节能器26上面通过的被加热了的诸气体向从那里流过的流体放出热量;通过空气预热器28的诸气体向在那些管子上面流过的燃烧空气放出另外的热量，一个鼓风机32把燃烧空气供给蒸气发生器10并使它在环绕着许多挡板34的空气加热器诸管子上面流动，并且在之后通过导管36分别在分导管38和分导管40之间分流。
流经导管38的空气被送入风箱42并在燃煤时成为与燃烧器16相连管式管嘴44其时释放的燃料燃烧所需空气的主要部份。风箱的空气在一个内环通道90和一个外环通道94之间按比例通过燃烧器出口50释放入炉子14，在燃油时，燃烧器16有一个可缩回的油喷雾器46;类似地，在烧煤气时，燃烧器16有许多可缩回并可旋转的气体元件48，当烧油或气时，大体上燃烧所需的所有空气流过风箱42;如下面讨论的，除管嘴的冲掠空气外，没有大量空气通过管式燃烧器嘴44，所明喷雾器46和可缩回并可旋转的气体元件48的细节将在下面提供。
通过导管40的空气是燃烧所必须的其余部份空气并被送入一个主空气扇52，空气在那里进一步压缩并在之后通过导管54送入空气冲掠型喷雾装置56。
在蒸气发生器10主要燃烧的磨碎燃料以原材料形式通过管子58从原煤粉燃料存储箱60送入给煤机62，这是相应于该领域熟知技术蒸气发生器10上负荷的需求而送入的。磨碎器56把原燃料研磨到所要求的具体尺寸，从一次空气扇52来的压缩空气掠过磨碎器56，在那里带着磨碎的燃料粒子流经管道64，而后流到燃烧器嘴44，通过出口50释放入炉子14内。
挡板66跟强力抽风扇32相连以根据负载需求调节容许进入蒸气发生单元10的空气总量，减气器68跟一次空气扇52相连以调节通过燃烧器嘴44正引入的空气量。
希望了解的是为了清楚起见，各附图描绘的是一个改进型燃烧器跟一个磨碎器相连，而在实践中可能有一个以上燃烧器跟一个磨碎器相连，并可能有一个以上磨碎器跟蒸气发生单元相连。
现参看图3、图4和图5，那里是改进型燃料燃烧器16通过燃烧器出口50燃烧，燃烧器出口50一般是截头园锥喉头形，朝诸水冷壁12炉子一侧愈来愈小，在燃烧器出口50里，构成水冷壁12的管子70弯曲到水冷壁12平面之外而形成燃烧器出口50，一个具有进入口74的燃烧器外壁72被从诸水冷壁12间隔开，在燃烧器外壁72和炉子诸壁12间的空间形成风箱42。
燃烧器16包括管状燃烧器咀44，该管咀分别具有一个入口端和一个出口端44A和44B，管状燃烧器咀44构成一个中央通道45，延伸通过一个进入口盖板76，横过风箱42接燃烧器出口50的一个点，管状燃烧器咀44构成的中央通道45把一次空气和磨碎煤粒子混合物PA/PC送入到燃烧器16的出口端，一个弯管78通过气体流动速到管式燃烧器咀入口端44A，并将另一端速到管道64，弯管78包括一个在某外侧半径上的喷射板(端板)80。
在烧油时，燃烧器16配有可缩回油喷雾器46，它具有一个入口端46A和一个出口端46B，该油喷雾器配置在中央并被支承在中央通道45之内，可缩回油喷雾器46把油和喷雾介质的混合物送给位于喷雾器46的出口端46B的喷雾器喷射板82，喷雾器喷射板82把在燃烧器出口50邻近的燃烧器16的出口处被粉碎了的油散布开来，从而进入燃烧室14，粉碎的介质可以是空气或蒸气，需要把油破碎成足够小的微滴便于点火，这也是设计的喷雾器喷射板82的功能。
一个气体区套筒84具有入口端84A和一个出口端84B，同轴地安排在管状燃烧器咀44的周围并部分地构成其间的环座，一个内部区套筒88具有一个入口端88A和一个出口端88B，同轴地排列在气体套筒84的周围并限定其间内环通道90。内环通道90把燃烧所需的第一部分二次空气送到燃烧器16的出口，一个燃烧器筒92具有一个入口端92A和一个出口端92B，同轴地排列在内部区套筒88的周围并在其间构成外环通道94，外环通道94把燃烧所需二次空气的第二部分送到燃烧器16的出口端，为了适应燃烧器16和炉子空间或燃烧室14膨胀上的差别，在燃烧器筒搭接到各管子70处设有密封器96。
在本发明的论述中，“一次空气”这个词指的是在烧煤时会伴同或输送粉碎了的煤粒子那一部份燃烧空气，“二次空气”这个词指的是在烧煤、油或气时通过内环通道和外环通道90、94所提供的那部份燃烧空气。“一次空气”和“二次空气”这种命名仅仅是为了使用方便;该领域技术人员都熟知当燃烧油或气时，燃烧所必需的空气大体上全部流动通过风箱42，当燃烧的是油或气时，除了下面将描述的管咀冲掠空气外，设有空气通过管状燃烧器咀44。在此种讨论中，可能二次空气没有伴同的一次空气。
一个滑动的空气套筒98搭接到燃烧器筒入口端92A，不改变燃烧器筒92扩散咀环状开口100的截面流量面积，从而调节供给到内环通道和外环通道90、94的二次空气数量，一个环状燃烧器筒盖板102具有一个舌片104，搭接到燃烧器筒入口端92A，也搭接到一个管状套筒106，该套筒106搭接到接收盖板76。
滑动空气套筒98可以设置得使扩散咀环状开口100具有所需求的空气流动横截面积，办法是用几个控制杆(未出示)延伸过接收开口盖板76而在蒸气发生器10工作时，容许种种调整，这些调整可能是手动操作，或是用专选的开动器件操作。为了更好选定滑动空气套筒98的适当位置一个皮托管格
108设置于燃烧器筒92之内，在铃咀状开口100的下游和内环通道、外环通道90、94的上游，以测量允许进入燃烧器16的二次空气总量。
许多内部叶片110同轴地排列在内环通道90内管状燃烧器咀44的周围，并给正在内环通道90通过的二次空气的第一部分带来一种旋流作用。类似地，许多外部叶片112、114同轴地排列在外环通道94内管状燃烧器咀44的周围，给正在外环通道94通过的二次空气第二部份带来一种旋流作用，外部叶片114在需要时间可就位固定。较佳情况是流过外环通道94的二次空气是分外部叶片112和114两阶段构成旋流。分成外部叶片112和114两个阶段，改进了带给通过外环通道94二次空气发生旋流的效率。如果需要，内部叶片和外部叶片100、112位置的调整可以按美国第4，380，202号专利所描述的方式完成。一个空气分离阀116连接到内部区套筒88出口端88B并从其向外延伸而沿其园周进行环绕。当二次空气的第一部份从燃烧器16出来时，其路径受空气分离网116的影响，方式如Morita等人美国专利第4545307号所公开的。
为了提供燃烧煤气的能力，许多可回缩的和可旋转的气体元件48同轴地排列在管式燃烧器咀44的周围并延伸过环座86。这些气体元件48把燃料气体送到燃烧器16的出口端，而且其诸出口端位置紧紧靠近管状燃烧器咀44的出口端44B。
现在参看图8和图9，图中有本发明的改进型气体元件48。气体元件48的出口端48B本体部份48a搭接到一个半球形端部48b。本体部份48a跟半球形端部48b有一个共同的纵轴，也跟气体元件48的纵轴共轴。与前面的本申请现有技术部份的说明中描述可变比气体元件48′、48″相对比，本发明气体元件48在其端部48B内具有四个类型的小孔等距围绕着本体部份48a的多个稳定孔E，位于本体部份48a内的两个侧孔F，和位于半球端部48b内的再燃孔H及一个主孔G，各稳定孔E在标准上小于现有技术可变比气体元件48′、48″的各稳定孔A，并随同两个侧孔F一起尺寸大小使得把每个气体元件48送去燃烧气体的约50%输送到火焰稳定环118邻近，如下所述，结果是空气不足而在那里的燃料气体丰富。稳定孔E标准数目是四个，但可以使用多达六个，位置是它们的纵轴相对于气体元件48的纵轴成一个γ角。按标准γ角为45°两个侧孔F位置互相邻近并在半球出口端部48b的一侧，它们的纵轴垂直于气体元件48的纵轴，并且位于这三个轴构成的第一公平面内，主孔G和再燃孔H一般直径相同，但这并非绝对必要，主孔E位于气体元件48的半球出口端部48b之上，其纵轴跟气体元件48的纵轴成一α角，α角的变化范围为从约35°到约50°。再燃孔位于气体元件48半球形出口端部48b之上，其纵轴跟气体元件48的纵轴成一β角，β角的变化范围为从0°到约15°，而且典型地，在某一非零值容许天然气体火焰从燃烧器16出来时有某种“膨胀”，主孔G和再燃孔H二者的纵轴相交于一点P，而且位于包含气体元件纵轴的一个第二公共平面内。包含主孔G纵轴、再燃孔H纵轴和气体元件48纵轴的第二公共平面垂直于前述第一公共平面，后者包含两个侧孔F的纵轴和气体元件48的纵轴。
如在燃烧器16内所装设，两个侧孔F的位置是引导通过那里出来的燃料气体大致上朝向燃烧器16的中心，而主孔G和再燃孔H的位置引导通过那里出来的燃料气体大致上具有跟从燃烧器16出来的二次气体相同的旋流方向以及由α角和β角的决定的朝外方向(向着炉子)，两个侧孔和稳定孔E产生的旋流气体火焰跟主孔G发生的中间火焰联合起来使得燃烧更加渐进、燃烧峰值温度减低、在火焰近场部份NOx更少。最后，再燃孔H注入的燃料气体作用为发生烃基以还原下游的NOx。
现在再参看图10和图11，火焰稳定环118搭接到条状燃烧器咀44的出口端44B，管状燃烧器咀44、气体区套筒84和火焰稳定环一起构成它们之间的环形灶座。火焰稳定环118的第一部份120沿园周延伸入条状燃烧器咀44的中央通道45并限定在烧煤时一次空气和碎煤粒子混合物由那里经过的开口122，第一部份120可以是一个连续表面或者有许多锯齿或牙齿124，如Morita等人在美国专利第4，545，307号所公开，搭接在火焰稳定环118的第一部份120上的是一个成L形的第二部份126，环绕园周并从条状燃烧器咀44的出口端44B向外延伸，成L形的第二部份126具有许多小孔或开口128，其数量跟可缩回和可旋转的气体元件48相等，诸开口128适合于紧紧地承受在那里通过的许多可缩回气体元件48中的每一个，有了具备诸开口48的火焰稳定环118，可缩回并可旋转的气体元件48就被跟通过内环通道和外环通道90、94的二次空气隔离开来，使得在燃烧器16里烧煤气时发出还原了的NOx，还原了的NOx之所以减小是由火焰稳定环118所产生的逆流促成，导致出现一种低氧/高燃料的火焰。火焰稳定环118总体尺寸的具体大小标准一般地要遵守Morita等人美国专利第4，545，307号对在那里描述为“扁平体”所提出的标准。
当在改进燃烧器16里燃烧煤时，可回缩和可旋转气体元件48以及可回缩油喷雾器46回缩到火焰稳定环118后面的一个位置以保护这些组件不会由于煤的沉积造成过热或污损，在改进型燃烧器16里烧煤气或油时，可回缩油喷雾器46或诸可回缩可旋转气体元件48插入燃烧器出口50以便它们延伸到火焰稳定环118的第一部份120平面之外，在燃烧油或气时，很小量的二次空气会通过管咀空气槽道130进入管状燃烧器咀44，如图3所示，这一小量二次空气或管咀冲气被让进入条状燃烧器咀44而防止燃烧时产物回流进入管状燃烧器咀44。
在改进燃烧器16内燃烧煤气时，必需有另外元件从一个来源(未示出)提供燃料气体到许多可回缩可旋转气体元件48，许多气体元件支承管132被套在许多气体元件每一个的周围，这些气体元件支撑管132把气体元件48相对于火焰稳定环118放置，放置气体元件的每一个时，可能涉及到把气体元件48移向炉子燃烧室14或从其移开，涉及把气体元件48环绕其纵轴旋转或在任意把二者结合起来。搭接到许多气体元件每一个上的是一个可伸缩的软管134，它使气体元件的每一个可以旋转、可以插入和缩回，最后，气体歧管136提供一个跟诸气体元件每一个相搭接的共同燃料气体源。最好的是，气体歧管136设置在风箱42的外侧以便于进入和/或修理，由于当蒸气发生器10在使用时，这种安排可以把气体元件从燃烧器移开而检查或清洗，这种安排进一步使气体元件容易维修。
一个点火器组件138的结构大家已熟知，它可以用来点燃在燃烧器16出口所提供的燃料和空气混合物。如图3所示，点火器组件138会通过进入开口盖板76延伸过风箱42并终止在燃烧器出口15的邻近，一个拖动器140可以应用到点火器138以在那里对之自动定位。类似地，推进器搭接到油喷雾器46A和喷溅板80，可以用来给油喷雾器46定位，以同样方式，自动拖动装置(未示出)可以用来给许多气体元件相对于火焰稳定环118定位。不管气体元件48是手动还是用自动装置定位，然而，要考察的关键性特性却是每一气体元件的出口端48B在烧煤气时应该这样放置，即使每一气体元件充分地受益于二次气体的屏散效果，二次气体系由火焰稳定环118提供。最后，改进型燃烧器16可以采用一个截头园锥形扩散器144，该扩散器位于管状燃烧器咀44的入口端44A之内，且具有一个开口146，可回缩油喷雾器46可从那里通过，截头园锥形扩散器144会把一次空气内携带的碎煤粒子的大多数扩散到管状燃烧器咀44的内侧表面148附近的一个位置，而使中央通道45的中央部份相对地没有碎煤粒子，截头园锥形扩散器的诸特殊设计特性得按照拉留的美国专利第4，380，202号所公开所应用。
在烧煤过程中，火焰稳定环118对一次气体和碎煤粉混合物具有巨大影响，火焰稳定环118使在其内的这个气流以一种方式再循环，这种方式促进煤粉点火并改进火焰稳定性。在火焰稳定环118安排煤气区套筒84的结头，结合管状燃烧器咀44防止任何二次空气流过环形灶座86，结果是，由火焰稳定环118内点火的喷射碎煤燃料连同通过内环通道、外环通道90、94经调节引入的二次空气一起形成的火焰，其发射的NOx是非常低，有如Morita等人美国专利第4，545，307号所公开。
在燃烧油时，火焰稳定环118中心内喷雾器喷射板82所产生的燃料油细雾也可以减小NOx形成的级量，二次气体流经内环通道、外环通道90、94所产生的流量分布由火焰稳定环118和空气分离阀116节制以减小在燃烧器出口50靠下游区域内油火焰的氧来源，这起到抑止NO和NO2形成的作用。二次空气跟部份燃烧的油燃料完全混合，在较低温度和较低氧部分压下一系列的反应中于更下游发生，以便当碳焦屑反应完成时避免NOx形成。燃烧试验说明了有能力在燃烧油时，没有两阶段燃烧或气体再循环而从200PPm非控制级到120PPm范围各级在标准过剩空气级减少NOx，到非控制级，燃烧器16就不要火焰稳定环118或空气分离阀116而工作。
在燃烧煤气时，可回缩并可旋转的气体元件48安排的位置受到火焰稳定环118的屏蔽，由而产生稳定的火焰，燃烧试验表明从100%燃烧器输入级到最大输入小于2%各级没有多余火焰引起的振动或蹙气挤跳而燃烧稳定。关于燃烧煤气时的NOx发射，没有对不使用火焰环118或空气分离阀116而进行燃烧器16的非控制试验，然而，对于(气体)元件进行了试验，在130-150PPm范围没有看到各级NOx。基于前设计各燃烧器并基于对非控制燃烧油性能跟假想非控制燃烧气体性能的比较，据估计燃烧器16在类似条件下对非控制(没有空气分离阀的火焰控制环118)设置，燃烧器16NOx的减少能力会由所产生NOx的量级约为190PPm得到证明。
在本发明燃烧器16上用现有技术的可变比气体元件48″和本发明的(气体)元件48进行了燃烧试验并总结于表1内。在这些试验期间，所燃烧的天然气是一种常见高甲烷气，具有较高发热值1032btu/ft3，比重为0.59。试验中说明在燃烧煤气时，其性能对内部/外部空气流量的变化不敏锐。在每一试验中，燃烧器16各有十二(12)个气体元件48″或48，小孔的构设如下
可变比 本发明稳定孔 4-1/4″直径 4-7/32″直径等于90°间距 等于90°间距侧孔(各) 1-1/2″直径 在45°2-5/10″直径錾孔 1-1/2″直径 ″ ″主孔 ″ ″ 在50°1-7/16″直径再燃孔 ″ ″ 在15°1-7/16″直径基于表1中的数据，1.02到3.00可变比气体元件48″表明平均发射的NOx为136PPm，而本发明半球气体元件48表明NOx的发射量平均为64PPm(试验D.140到试验D1.11)。这些试验进行时没有使用其它减少NOx的办法，诸如烟道气体再循环和空气分阶段等，这样做可能减弱种种性能的优越性。
在依照法律条文在此举例说明和描述本发明的一个具体实例时，本领域技术人员将会了解由下述权利要求书所复盖的发明形式可以作出种种变化;并且知道本发明某些特性有时候可以加以利用而不需同时使用其它特性。例如，改进型燃烧器可以取消不必要的元件而安排得仅燃烧一或二种燃料，在一切场合，燃烧器咀总是全部或部份保留，但如果不是烧煤，它会用来输送燃料。
权利要求
一种用在燃烧器上的火焰稳定环，有许多气体元件，与管状燃烧器嘴同轴并紧紧靠近和环绕管状燃烧器嘴排列，该管状燃烧器咀有一个中央通道和出口端，至少有一个环状通道同轴地环绕许多气体元件，用来输送燃烧所需的一定量空气到燃烧器的出口端，其特征在于该稳定环包括一个第一部分，装到管状燃烧器咀的出口端沿园周延伸到中央通道，在其内部构成一个开口；以及一个L形部分，装到火焰稳定环的第一部分上，沿园周环绕并从管状燃烧器咀的出口端向外延伸。有许多开口适于紧紧容纳通过的每个气体元件，从而许多气体元件中的每个气体元件出口端部与至少一个环形通道中传送的燃烧所需的一定量空气相隔离。
全文摘要
一种用于燃烧器的火焰稳定环，它具有一种设计非常特殊的气体元件，许多个可回缩的并可旋转的气体元件紧紧靠近管状燃烧器嘴的出口端。它们有一个火焰稳定环使之跟环绕该燃烧器嘴产生的燃烧空气相隔离。该稳定环具有许多开口，它们适于紧密地承受每一可回缩并可旋转的气体元件。稳定环产生的逆流造成一种低氧/富燃料的火焰，减少NOx的形成。
文档编号F23D14/22GK1059593SQ91101189
公开日1992年3月18日 申请日期1991年2月26日 优先权日1988年5月5日
发明者奥伯特·蒂·莱鲁伊 申请人:巴布考克和威尔科斯公司