專利名稱：用于燃燒燃料的燃燒器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用氧化劑如氧氣或富氧空氣來燃燒氣態(tài)燃料的燃料燃燒器和方法，尤其涉及用于在玻璃、陶瓷材料、金屬等的工業(yè)熔爐內(nèi)產(chǎn)生高溫的燃燒器和方法。
背景技術(shù)：
盡管本發(fā)明是在用于熔化玻璃的氧/氣體燃燒器和燃燒方法的范圍內(nèi)進(jìn)行論述的，但本發(fā)明并不僅限于用在玻璃熔化過程或工業(yè)熔爐中。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識到，本發(fā)明的燃燒器和方法可用于許多其它的火法處理的加熱(fired process heating)應(yīng)用中。
美國專利No.5360171(Yap)公開了一種用于在氧化劑中燃燒燃料的燃燒器，其具有夾在彼此分離且獨(dú)立的上部和下部氧化劑噴嘴之間的燃料噴嘴。該燃燒器產(chǎn)生向外分散的扇形燃料和氧化劑噴射物，從而提供了寬火焰。氧化劑噴射物比燃料噴射物的速度小以便將氧化劑吸入燃料中。可以提供上部和下部的次級氧化劑噴嘴用于分級式燃燒。
美國專利No.5545031(Joshi等)公開了一種以形成魚尾狀或扇形火焰的形式從噴嘴釋放出燃料和氧化劑的方法和裝置。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，燃料歧管安裝在氧化劑歧管內(nèi)。燃料歧管和氧化劑歧管的出口平面處都優(yōu)選具有矩形橫截面。在一個優(yōu)選的實(shí)施方案中，兩歧管的上游位置都具有大致正方形的橫截面，其以大致垂直的方向會合并以大致水平的方向分岔開，從而在出口平面處形成大致矩形的橫截面。這種組合的會合和分岔效果使流體產(chǎn)生了從大致垂直的平面到大致水平的平面的凈動量傳遞，這樣燃料和氧化劑就以較寬的形式從噴嘴釋放出，形成了魚尾狀或扇形的火焰形狀。
美國專利No.5611682(Slavejkov等)公開一種分級式氧-燃料燃燒器，其在高度輻射的貧燃料火焰上產(chǎn)生了大致扁平的富燃料火焰。該燃燒器具有一端為噴嘴的燃料通道，燃料通道周圍有一套管，該套管與燃料通道之間具有一定間隙，該間隙形成了氧化劑的通道。當(dāng)將燃料引入該燃料通道，將氧化劑引入該氧化劑通道時，在燃料管道的噴嘴端處會產(chǎn)生大致扁平的富燃料火焰。還提供有分級噴嘴用于將部分氧化劑從該富燃料火焰下方引入，被夾帶入該富燃料火焰的下部以產(chǎn)生高度輻射的貧燃料火焰。
美國專利No.5575637(Slavejkov等)公開了一種與美國專利No.5611682(Slavejkov等)中相似的氧-燃料燃燒器，只不過該燃燒器不具有分級氧化劑的通道并且不采用分級式模式。
美國專利No.4690635(Coppin)公開一種高溫燃燒器組合裝置，其具有含氧噴嘴主體，其中安裝了一個氣體導(dǎo)管插件。該氣體導(dǎo)管插件具有氣體導(dǎo)管插件尖端，其外端面為大致扁平的，并且上面設(shè)置有截頭圓錐體的凸起從該端面伸出。該氣體導(dǎo)管插件尖端包括設(shè)置在中心的氣體管道，其末端接在截頭圓錐體形凸起的近端形成銳緣。氧氣排放口同心地設(shè)置在截頭圓錐體形凸起附近，用于引導(dǎo)其中的氧氣與氣體燃料混合，以便在耐火的燃燒爐體內(nèi)燃燒。
盡管現(xiàn)有技術(shù)的燃燒器的各種設(shè)計(jì)取得了進(jìn)步，但是仍然存在許多問題，包括但不限于■反應(yīng)物的流動不均勻?qū)е铝嘶鹧嫘再|(zhì)的不均勻；■反應(yīng)物流的高水平湍流導(dǎo)致了混合和燃燒的速率高于所需值；■在燃料噴嘴端積聚和增加的固體碳導(dǎo)致了火焰變形。
與這些性能相關(guān)的問題通常會導(dǎo)致一些與燃燒器和方法相關(guān)的問題，例如■較熱，較短的火焰，其會造成處理爐內(nèi)的熱傳遞和溫度分配不均勻。該結(jié)果通常會縮短爐的耐火壽命并降低產(chǎn)品產(chǎn)量。
■從初始燃料/氧化劑混合物中可轉(zhuǎn)移(分級)出的氧化劑的百分比受到限制。該限制發(fā)生在將部分燃料和氧化劑排放到耐火燃燒爐體(有時被稱為預(yù)燃室)的燃燒器內(nèi)，其中該耐火燃燒爐體將燃燒器組合裝置與處理爐分隔開。這一限制的主要結(jié)果造成了較低的輻射熱傳遞速率，較低的燃料效率以及較高的NOx排放量。
■燃燒器組件的過早高溫失效。
■燃燒器的燃燒速率(燃料流速)范圍有所限制。
由于現(xiàn)有技術(shù)的燃燒器和燃燒方法中所固有的這些和許多其它的問題，人們期望具有一種燃燒器和燃燒方法能克服現(xiàn)有技術(shù)的這些難點(diǎn)、問題、限制、缺點(diǎn)和不足以提供更好和更有利的結(jié)果。
人們進(jìn)一步希望有一種高效的燃燒器和燃燒方法利用氧化劑來燃燒燃料。
人們還進(jìn)一步希望能減少初始混合時燃料和氧化劑流的速度不均勻性。
人們還進(jìn)一步希望能使燃料噴嘴上的碳堆積量最小化。
人們還進(jìn)一步希望能獲得具有高度速度均勻性和低湍流水平的流線型流。
人們還進(jìn)一步希望初始混合時的燃料流和氧化劑流的平均速度差最小化。
人們還進(jìn)一步希望能降低燃燒器噴嘴處的反應(yīng)物的流動分布不均勻度，同時還能減小燃燒器入口的氣壓和湍流。
人們還進(jìn)一步希望通過運(yùn)行較高動量和較多分級的燃燒器來提高熔爐性能，其將產(chǎn)生較長較穩(wěn)定的富燃料火焰并且排放的氮氧化物量(NOx)較少。
人們還進(jìn)一步希望通過較長較穩(wěn)定的火焰將較高的總傳熱率傳遞給熔爐中的負(fù)載以提高熔爐的性能。
人們還希望進(jìn)一步提高玻璃熔爐的性能，其通過提供較高的從火焰到玻璃的傳熱速率，從而升高玻璃底部的溫度，提高玻璃從精煉機(jī)到玻璃熔爐的再循環(huán)性，并且減少玻璃的缺陷(提高產(chǎn)量)。
人們也希望能擴(kuò)展燃燒器的燃燒速率范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是利用氧化劑來燃燒燃料的燃燒器和方法。該燃燒器和方法有多個實(shí)施方案，并且這些實(shí)施方案有多種變化形式。
用于燃燒燃料的燃燒器的第一個實(shí)施方案具有多個元件。第一個元件是具有多個燃料區(qū)的燃料管道，每個燃料區(qū)與其它的燃料區(qū)彼此流體相通，適用于輸送燃料流。第二個元件是具有多個氧化劑區(qū)的第一氧化劑管道，每個氧化劑區(qū)與其它的氧化劑區(qū)彼此流體相通，適用于輸送氧化劑流。
該燃燒器的第一個實(shí)施方案的燃料管道包括燃料入口區(qū)、燃料過渡區(qū)以及燃料出口區(qū)。燃料入口區(qū)具有第一燃料入口和與該第一燃料入口相隔開的第一燃料出口，該燃料入口區(qū)具有第一截面流通面積，適于輸送燃料流進(jìn)入第一燃料入口并從第一燃料出口流出。燃料過渡區(qū)具有燃料送進(jìn)口和與該燃料送進(jìn)口相隔開的燃料送出口，該燃料過渡區(qū)適用于輸送至少部分燃料流進(jìn)入該燃料送進(jìn)口并從該燃料送出口流出，并且具有第二截面流通面積，該第二截面流通面積從燃料送進(jìn)口處的初始截面流通面積變化到燃料送出口處的不同截面流通面積。燃料出口區(qū)具有第二燃料入口和與該第二燃料入口相隔開的第二燃料出口，該燃料出口區(qū)適用于輸送至少部分燃料流進(jìn)入該第二燃料入口，并從該第二燃料出口流出，并且具有在整個燃料出口區(qū)基本相同的第三截面流通面積。
該燃燒器的第一實(shí)施方案的第一氧化劑管道包括氧化劑入口區(qū)和氧化劑出口區(qū)。氧化劑入口區(qū)具有第一氧化劑入口和與該第一氧化劑入口相隔開的第一氧化劑出口，該氧化劑入口區(qū)適用于輸送氧化劑流進(jìn)入該第一氧化劑入口并從該第一氧化劑出口流出，并且具有第四截面流通面積，至少部分該氧化劑入口區(qū)被燃料入口區(qū)、燃料過渡區(qū)和燃料出口區(qū)中至少之一的至少部分的基本全部間隔圍繞著。氧化劑出口區(qū)具有氧化劑送進(jìn)口和與該氧化劑送進(jìn)口相隔開的氧化劑送出口，該氧化劑出口區(qū)適用于輸送至少部分氧化劑流進(jìn)入該氧化劑送進(jìn)口并從該氧化劑送出口流出，并具有第五截面流通面積，所述第五截面流通面積小于或等于第四截面流通面積，并且在整個氧化劑出口區(qū)基本相同，至少部分氧化劑出口區(qū)被至少部分燃料出口區(qū)的基本全部間隔圍繞。
該燃燒器的第一個實(shí)施方案有許多種變化形式。在一種變體中，氧化劑出口區(qū)的第五截面流通面積與出口區(qū)的第三截面流通面積之比小于化學(xué)計(jì)量燃燒所需的氧化劑與燃料的摩爾比。
該燃燒器的第二個實(shí)施方案與第一個實(shí)施方案相似，但含有與氧化劑入口區(qū)流體連通的Y形氧化劑入口管道，其適用于將氧化劑流送入氧化劑入口區(qū)的第一氧化劑入口。
該燃燒器的第三個實(shí)施方案與第一個實(shí)施方案相似，但含有至少一個設(shè)置在燃料過渡區(qū)中的導(dǎo)流葉片，其中在該燃料過渡區(qū)的燃料送進(jìn)口處的初始截面流通面積小于該燃料過渡區(qū)的燃料出口處的不同截面流通面積。
該燃燒器的第四個實(shí)施方案與第一個實(shí)施方案相似，但含有與第一氧化劑管道相鄰的第二氧化劑管道，該第二氧化劑管道具有第二氧化劑入口和與該第二氧化劑入口相隔開的第二氧化劑出口，該第二氧化劑管道適用于輸送另一股氧化劑流或另一種氧化劑流進(jìn)入該第二氧化劑入口并從該第二氧化劑出口流出。在該實(shí)施方案的一種變體中，從該第二氧化劑管道的第二氧化劑出口流出的另一股氧化劑流或另一種氧化劑流位于火焰下方，該火焰是由至少部分從燃料出口區(qū)的第二燃料出口流出的燃料流和至少部分從氧化劑出口區(qū)的氧化劑送出口流出的氧化劑流燃燒形成的。
在燃燒燃料的該燃燒器的第五個實(shí)施方案中，該燃燒器具有縱軸并包括燃燒器尖端，其具有位于燃料流附近的第一伸長邊，以及位于氧化劑流附近的第二伸長邊，與平行于縱軸的線成小于大約15°的主尖端角(α)，并且與平行于縱軸的上游表面相交。在該實(shí)施方案中，第一伸長邊和第二伸長邊形成第了第二尖端角(β)，其大于主尖端角(α)而小于90°，該角度是和沿燃料流動方向從第一種長邊沿長并與之相切的線成的角。在該實(shí)施方案的變體中，第二伸長邊包括形成主尖端角(α)的原椎形部分，以及一端止于第一伸長邊的曲面部分。
本發(fā)明的另一方面在于一種用于熔化玻璃的熔爐，該熔爐具有至少一個上面所討論的任一實(shí)施方案或變體中的燃燒器。
利用氧化劑燃燒燃料的方法的第一個實(shí)施方案包括多個步驟。第一步是提供燃料源。第二步是提供至少一個氧化劑源。第三步是提供燃燒器，例如上述燃燒器的第一個實(shí)施方來。第四步是將燃料流輸送到第一燃料入口，從而至少部分的燃料流從該第一燃料入口被輸送至第二燃料出口。第五步是將氧化劑流輸送到第一氧化劑入口，從而至少部分氧化劑流從該第一氧化劑入口被輸送至氧化劑送出口。第六步是使至少部分從第二燃料出口出來的燃料與至少部分從氧化劑送出口出來的氧化劑進(jìn)行燃燒。
利用氧化劑燃燒燃料的該方法的第一個實(shí)施方案有許多種變化形式。在一種變體中，氧化劑出口區(qū)的第五截面流通面積與燃料出口區(qū)的第三截面流通面積之比小于化學(xué)計(jì)量燃燒所需的氧化劑與燃料的摩爾比。
該方法的第二個實(shí)施方案與該方法的第一個實(shí)施方案類似，只不過包括兩個附加的步驟。第一個附加步驟是提供與氧化劑入口區(qū)流體連通的Y形氧化劑入口管道，其適用于將氧化劑流送入氧化劑入口區(qū)的第一氧化劑入口。第二個附加步驟是將至少部分氧化劑送入該Y形氧化劑入口管道。
該方法的第三個實(shí)施方案與該方法的第一個實(shí)施方案類似，只不過還包括另一個步驟，即提供至少一個設(shè)置在燃料過渡區(qū)中的導(dǎo)流葉片，其中在該燃料過渡區(qū)的燃料送進(jìn)口處的初始截面流通面積小于該燃料過渡區(qū)的燃料送出口處的不同截面流通面積。
該方法的第四個實(shí)施方案與該方法的第一個實(shí)施方案類似，只不過包括三個附加的步驟。第一個附加步驟是提供與第一氧化劑管道相鄰的第二氧化劑管道，該第二氧化劑管道具有第二氧化劑入口和與該第二氧化劑入口相隔開的第二氧化劑出口，該第二氧化劑管道適用于輸送另一股氧化劑流或另一種氧化劑流進(jìn)入該第二氧化劑入口并從該第二氧化劑出口流出。第二個附加步驟是將所述另一股氧化劑流或另一種氧化劑流輸送至第二氧化劑入口，從而至少部分所述另一股氧化劑流或另一種氧化劑流從該第二氧化劑入口被輸送至第二氧化劑出口。第三個附加步驟是使至少另一部分從第二燃料出口出來的燃料與從第二氧化劑出口出來的至少部分所述另一股氧化劑流或至少部分所述另一種氧化劑流進(jìn)行燃燒。在該實(shí)施方案的一種變體中，從該第二氧化劑管道的第二氧化劑出口流出的另一股氧化劑流或另一種氧化劑流位于火焰下方，該火焰是由至少部分從燃料出口區(qū)的第二燃料出口流出的燃料流和至少部分從氧化劑出口區(qū)的送出口流出的氧化劑流燃燒形成的。
利用氧化劑燃燒燃料的該方法的另一個實(shí)施方案包括多個步驟。第一步是提供燃料源。第二步是提供氧化劑源。第三步是提供利用氧化劑燃燒燃料的燃燒器，例如上述燃燒器的第五個實(shí)施方案中的燃燒器。第四步是使至少部分燃料與至少部分氧化劑位于燃燒器尖端附近進(jìn)行燃燒。在該方法實(shí)施方案的變體中，第二伸長邊包括形成主尖端角(α)的原椎形部分，以及一端為第一伸長邊的曲面部分。
本發(fā)明的另一個方面在于一種用于熔化玻璃的方法，該方法包括上面所討論的任一實(shí)施方案和變體中的利用氧化劑來燃燒燃料的方法。


現(xiàn)在將通過參考附圖以舉例的方式來描述本發(fā)明，其中
圖1是本發(fā)明一個實(shí)施方案的側(cè)視示意圖；圖2是用于本發(fā)明一個實(shí)施方案中的燃燒器尖端的側(cè)視示意圖；圖3是用于本發(fā)明一個實(shí)施方案中的燃燒器尖端的正視示意圖；圖4是表示出Y形氧化劑入口的本發(fā)明一個實(shí)施方案中的燃燒器端視示意圖；圖5是本發(fā)明一個實(shí)施方案中的燃料噴嘴部分的平面示意圖，其中表示了在該燃料噴嘴的過渡區(qū)中使用導(dǎo)流葉片；圖6是本發(fā)明一個實(shí)施方案中的部分燃燒器的側(cè)視示意圖，其中表示了氧化劑穩(wěn)壓室的一種優(yōu)選形狀；圖7是本發(fā)明另一個實(shí)施方案的側(cè)視示意圖，其中表示了氧化劑穩(wěn)壓室的可替換的形狀；圖8是與耐火燃燒爐體連用的本發(fā)明燃燒器的一個實(shí)施方案的橫截面示意圖。
圖9是在不同波長下本發(fā)明的燃燒器與現(xiàn)有技術(shù)的燃燒器的相對火焰輻射量的比較曲線圖；圖10是表示通過本發(fā)明的燃燒器和方法從玻璃熔爐內(nèi)產(chǎn)生的火焰的輻射熱傳遞的機(jī)制示意圖；圖11表示通過本發(fā)明的燃燒器和方法產(chǎn)生的火焰的上下方測得的標(biāo)準(zhǔn)化火焰輻射曲線圖；圖12是表示方頭燃燒器尖端設(shè)計(jì)的示意圖；圖13是表示圓頭燃燒器尖端設(shè)計(jì)的示意圖；圖14是表示單角、分立流、銳緣的燃燒器尖端設(shè)計(jì)的示意圖；圖15是表示單角、附著流、銳緣的燃燒器尖端設(shè)計(jì)的示意圖；圖16是表示本發(fā)明的噴嘴尖端的一個實(shí)施方案的示意圖；圖17是表示本發(fā)明噴嘴尖端的一個實(shí)施方案中的反應(yīng)物流模式的示意圖；圖18表示了現(xiàn)有技術(shù)的燃燒器尖端上出現(xiàn)的碳堆積照片；以及圖19是表示玻璃熔爐設(shè)計(jì)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是利用氧化劑來燃燒燃料的燃燒器和方法。盡管這里是在用于玻璃熔融應(yīng)用中的氧/氣體(氧氣/氣體)燃燒器的范圍內(nèi)對本發(fā)明進(jìn)行論述的，但其并不僅限于這類燃燒器和應(yīng)用。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，該燃燒器和方法可用于許多其它的火法處理的加熱應(yīng)用中，包括但不限于水泥窯、鐵/非鐵金屬熔爐以及蒸汽發(fā)生器。
當(dāng)用于玻璃熔化應(yīng)用中時，氧氣/氣體燃燒器產(chǎn)生具有擴(kuò)大調(diào)節(jié)比的高溫寬火焰并能夠分級引入(即延遲引入)高百分比的氧氣到該火焰的下面以實(shí)現(xiàn)比用現(xiàn)有技術(shù)的燃燒器能達(dá)到的更高的輻射量，更低的NOx，并更好地控制火焰長度和動量。這些性能的提高是對該燃燒器組件的新穎設(shè)計(jì)和配置的結(jié)果。在玻璃熔化的應(yīng)用中，該燃燒器通常被用于與安裝在該燃燒器和熔爐燃燒空間之間的耐火燃燒爐體連用。
這里所使用的術(shù)語“燃料”指任何適用于燃燒目的的氣態(tài)燃料。盡管一種優(yōu)選的燃料為天然氣，但也可以使用不同的燃料氣體，例如氫氣、乙烷、丙烷、丁烷、乙炔，以及其它的氣態(tài)燃料和它們的組合。
這里所使用的術(shù)語“氧化劑”指氧氣、富氧空氣或者任何其它適合的氧化劑，其氧氣濃度大于大約21體積％。一種優(yōu)選的氧化劑是由低溫空氣分離設(shè)備或吸附過程產(chǎn)生的商用純氧。這種氧化劑的氧氣濃度通常大于大約90體積％。高溫熔爐例如玻璃熔爐中常常使用商業(yè)純氧和天然氣的組合。
圖1表示了本發(fā)明的燃燒器10的一個實(shí)施方案的側(cè)視圖。燃料12，例如天然氣，進(jìn)入燃料入口區(qū)16的燃料入口14。燃料流過燃料入口區(qū)、燃料過渡區(qū)18、以及燃料出口區(qū)20，從燃料出口22流出。在圖1所示的實(shí)施方案中，燃料入口區(qū)是一根圓形管，燃料過渡區(qū)是一個圓形到扁平形的過渡區(qū)域，而燃料出口區(qū)是扁平橫截面的部件。優(yōu)選的是，這三個區(qū)為一體化、三分區(qū)、預(yù)先焊接的燃料噴嘴組合裝置。
仍然參見圖1，將氧化劑24，例如氧氣送入氧化劑入口歧管26，例如圖4所示的流線型Y形氧化劑入口。最終，氧化劑流到氧化劑穩(wěn)壓室28并輸送至氧化劑出口區(qū)30。氧化劑穩(wěn)壓室和氧化劑出口區(qū)之間的板32具有開口34，氧化劑流動通過該開口，如圖2所示。圖6進(jìn)一步表示了該實(shí)施方案。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，可以有可替換的實(shí)施方案，例如圖7中所示的替換性實(shí)施方案。
如圖1所示，流線型定位銷36在燃料出口區(qū)20和氧化劑出口區(qū)30之間提供了支持。在氧化劑穩(wěn)壓室28的上游可具有氧化劑擴(kuò)散器33。該擴(kuò)散器的目的在于幫助分布進(jìn)入氧化劑穩(wěn)壓室的氧化劑流。仍然參見圖1，在氧化劑穩(wěn)壓室28附近的另一根氧化劑導(dǎo)管40(分級氧氣穩(wěn)壓室)能夠分級引入氧化劑。從氧化劑穩(wěn)壓室到分級氧化劑穩(wěn)壓室或氧化劑導(dǎo)管的氧化劑流可通過分級閥門42或其它的調(diào)控裝置來調(diào)節(jié)。
圖2表示了由燃料出口區(qū)20和氧化劑出口區(qū)30構(gòu)成的燃燒器出口區(qū)。圖3表示了該燃燒器的一個實(shí)施方案中的燃燒器出口區(qū)的正視圖。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明白，該燃燒器出口區(qū)可具有與圖3所示不相同的構(gòu)型(一種或多種)。
圖8表示本發(fā)明燃燒器10與耐火燃燒爐體150連用的截面示意圖。在該燃燒爐體的上腔室152內(nèi)形成了高溫火焰151。從該燃燒器的氧化劑出口區(qū)30發(fā)射出的氧化劑153圍繞著火焰，同時將氧化劑添入該火焰中并向火焰附近的耐火表面154提供對流冷卻。分級氧化劑155通過該燃燒爐體的下腔室156。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)結(jié)果歸因于燃燒器10各種組件的獨(dú)特配置和結(jié)構(gòu)。下面將論述這種結(jié)構(gòu)和設(shè)置中的一些更重要的方面。
例如，如圖1和2所示，氧化劑出口區(qū)30的截面流通面積必須小于或等于氧化劑穩(wěn)壓室28的截面流通面積，并且在整個氧化劑出口區(qū)基本上一致。(流線型定位銷36的確使氧化劑出口區(qū)的截面流通面積局部地減少了大約3％，而其被設(shè)計(jì)得既不會產(chǎn)生湍流漩渦，也不會使在出口區(qū)的送出口處的氧化劑速度分布有顯著的改變。)減小截面流通面積的目的是為了使氧化劑流的靜壓在流動方向上減小，因?yàn)檫@種“有利的”壓力梯度有助于消除不均勻的速度。
燃料過渡區(qū)18的截面流通面積從燃料過渡區(qū)的燃料送進(jìn)口處的初始的截面流通面積變化到燃料過渡區(qū)的燃料送出口處的不同截面流通面積。該燃料出口區(qū)20的截面流通面積全部基本上一致。在一個實(shí)施方案中，燃料過渡區(qū)的送進(jìn)口處的截面流通面積大于或等于燃料過渡區(qū)的送出口處的截面流通面積，因?yàn)檫@樣形成了有利的壓力梯度，其具有前面所述的優(yōu)點(diǎn)。(這種相等的入口和出口面積形成了中性的壓力梯度，其不會對流速分布造成不利影響。)在另一個實(shí)施方案中，燃料過渡區(qū)18的送進(jìn)口處的截面流通面積小于燃料過渡區(qū)的送出口處的截面流通面積。該實(shí)施方案支持“反”壓力梯度(流動方向上的壓力增加)，在不干涉的情況下會導(dǎo)致速度不均勻性的增加并可能形成逆流區(qū)域和高水平的湍流。為了防止這些有害結(jié)果，該實(shí)施方案需要插入一個或多個導(dǎo)流葉片50，如圖5所示。
在一個實(shí)施方案中，燃料過渡區(qū)18的燃料送出口處的截面流通面積為基本上非圓形的，燃料出口區(qū)20的截面流通面積基本上為非圓形的。在另一個實(shí)施方案中，燃料出口區(qū)的縱橫比(寬度∶高度)在燃料出口22處為大于大約2∶1，燃料過渡區(qū)在燃料送出口處的縱橫比大于大約2∶1。而在另一個實(shí)施方案中，在氧化劑出口區(qū)30的送出口處的截面流通面積與在燃料出口區(qū)20的燃料出口處的截面流通面積之比小于化學(xué)計(jì)量燃燒所需的氧化劑與燃料的摩爾比。(化學(xué)計(jì)量燃燒是燃料與不過量的氧化劑在理論上的完全燃燒。對于甲烷與氧氣的燃燒來說，該實(shí)施方案中的前述面積比因而將小于2∶1。)本發(fā)明的這個方面建立了燃料出口區(qū)20與氧化劑出口區(qū)30的平均流速比，只有當(dāng)小于化學(xué)計(jì)量的量的氧化劑流過氧化劑出口區(qū)時其才等于1.0。這樣達(dá)到的效果是使得當(dāng)小于化學(xué)計(jì)量的氧化劑流過氧化劑出口區(qū)時，燃料和氧化劑流的平均流速之差，以及因此在反應(yīng)物流之間的剪切應(yīng)力和混合率達(dá)到最小。該結(jié)果的優(yōu)點(diǎn)在于允許高百分率的氧化劑分級而不會有高溫?fù)p害燃燒器10或耐火燃燒爐體150的風(fēng)險。較高的分級水平可產(chǎn)生較長、較明亮的火焰，其能產(chǎn)生較高的能量效率并減少NOx排放量。
通過實(shí)驗(yàn)室和實(shí)地測試，比較了本發(fā)明的燃燒器與美國專利No.5611682(Slavejkov等)中所述的現(xiàn)有技術(shù)燃燒器的性能，證實(shí)了目前為止所論述的由本發(fā)明各方面所取得的改進(jìn)結(jié)果。下面將討論這些測試和比較的有些結(jié)果。
對兩種燃燒器的燃料和氧化劑出口處的速度分布進(jìn)行了測量。用一個表示特定流動截面的局部速度與平均速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差的參數(shù)對速度不均勻性進(jìn)行了定量。測量的結(jié)果以及隨后的計(jì)算表明，本發(fā)明燃燒器的速度不均勻性平均為現(xiàn)有技術(shù)燃燒器的三份之一量。用本發(fā)明的燃燒器獲得的噴嘴流動分布轉(zhuǎn)化成了對氧氣和天然氣之間混合過程的較好控制。特別是，較好的均勻度意味著較低的剪切速率和較少的局部氧氣耗盡可能性。因此，獲得了較強(qiáng)的分級能力和預(yù)燃器或燃燒爐體內(nèi)較小的過熱風(fēng)險。而且，反應(yīng)物流的均勻性更好，使得火焰特性較為均勻，并且特別是，降低了會導(dǎo)致耐火熔爐過熱和較高NOx排放量的峰值火焰溫度。
對兩種燃燒器的燃料入口靜壓需要的比較表明，相對于現(xiàn)有技術(shù)的燃燒器在燃料入口壓力需要方面有了明顯降低。特別地，測量表明本發(fā)明的燃燒器中的燃料入口壓力的降低超過了80％。壓力的降低主要?dú)w因于要求整個燃料出口截面20的截面流通面積基本相同。因此，出口區(qū)不存在靜態(tài)混合裝置(例如隔板)。使用這些靜態(tài)混合裝置通常是通過形成大的壓降(其以湍流漩渦的形式耗散能量)和促進(jìn)湍流混合來提高速度的均勻性。本發(fā)明的燃燒器免去了對靜態(tài)混合裝置的需要，并因此在燃料過渡區(qū)18內(nèi)實(shí)現(xiàn)了“平滑”的速度曲線特征，其具有最小化的壓力損失和可忽略不計(jì)的湍流生成量。
測量表明，在燃料過渡區(qū)18中利用導(dǎo)流葉片50的實(shí)施方案是本發(fā)明燃燒器10中燃料入口壓力最低的，因?yàn)閷?dǎo)流葉片有效地將過渡區(qū)送進(jìn)口處的部分動能轉(zhuǎn)化成了過渡區(qū)的送出口處的壓力能，同時還獲得了所需的速度平滑。
本發(fā)明的燃燒器10在兩種工作模式下所需的氧氣的入口壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有技術(shù)的燃燒器1)分級閥42關(guān)閉時，和2)分級閥大開時。與燃料入口壓力類似，這主要是因?yàn)檠趸瘎┏隹诮孛?0的截面流通面積在整個氧化劑出口區(qū)基本上相同，因此沒有靜態(tài)混合裝置的斷流、產(chǎn)生湍流的效應(yīng)。通過減少氧氣穩(wěn)壓室28和氧氣出口區(qū)30的送進(jìn)口之間的截面流通面積，這兩個區(qū)域之間形成了平滑的氧氣速度分布。
由于大多數(shù)燃燒器的安裝限制了氧氣和/或燃料的供給壓力，本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的所需燃料和氧氣壓力明顯降低的主要優(yōu)點(diǎn)就是能夠以較高的通量燃燒燃燒器。在一些情況下，較低的壓力還可以使得供給氧氣作為氧化劑的空氣分離設(shè)備功率消耗較低。而且，在本發(fā)明燃燒器中生成的較低的湍流水平可使燃燒器能夠以較高的通量工作，而由于生成短而過量的湍流火焰造成的燃燒器過熱或熔爐溫度的不均勻分布的風(fēng)險較低。
還對露天燃燒過程中兩種燃燒器的火焰光譜輻射進(jìn)行了測量。圖9中比較了燃燒率為15MMBtu/hr時的火焰光譜輻射，其氧化劑分級水平設(shè)定在它們各自的最大設(shè)計(jì)水平。這些燃燒器的最大設(shè)計(jì)分級水平是由從氧化劑出口區(qū)30流出的氧化劑在燃燒器燃燒率的整個范圍內(nèi)提供給預(yù)燃器足夠的冷卻程度的能力決定的。本發(fā)明的燃燒器在實(shí)踐中可達(dá)到的最大氧氣分級水平占總?cè)紵鯕獾闹辽?0％，而現(xiàn)有技術(shù)的燃燒器的最大分級水平通常在40％的范圍內(nèi)，取決于燃燒率。
本發(fā)明的燃燒器的分級限制相對于現(xiàn)有技術(shù)有所擴(kuò)大，因改良的噴嘴流動分布和較低的湍流水平降低了預(yù)燃器內(nèi)燃料和氧氣流之間的混合速率，也使得出現(xiàn)氧氣流局部缺乏的幾率最小化。這些提高的流動特性確保了本發(fā)明的燃燒器有合適的預(yù)燃器冷卻性，甚至是在極高的分級水平和高燃燒率的情況下操作時。
如所示，本發(fā)明的燃燒器發(fā)出了明顯更高的輻射量(大于25％的總增量)。主要的輻射增加量出現(xiàn)在低于1800nm的波段，表示了黑體輻射的增加，其原因在于燃燒器的富燃料主焰較多(由于較高的氧分級水平)并因此形成了較豐富并且增大的煙灰顆粒。在玻璃熔融爐中該電磁光譜范圍內(nèi)的輻射熱傳遞是理想的，因?yàn)樵摴庾V范圍位于熔化玻璃的最高光透射率區(qū)域內(nèi)。因此，來自于火焰的能量傳遞能夠深深地穿透進(jìn)玻璃熔液中，提供較均勻的加熱并能有效地利用燃料中可利用的能量。
圖10表示了在典型的玻璃熔爐80中操作本發(fā)明燃燒器的側(cè)視圖。燃料82和氧氣84在燃燒器中燃燒形成富燃料的主焰86，分級氧化劑88在該主焰的下方輸送。該富燃料主焰具有高煙灰濃度。向上的輻射90傳遞到爐頂92。該分級氧化劑的反應(yīng)在主焰的下邊形成了較熱的化學(xué)計(jì)量火焰94，向下的輻射96從該化學(xué)計(jì)量火焰?zhèn)鬟f到原料98或負(fù)載。下方火焰分級的主要效果是其產(chǎn)生了黑體輻射，優(yōu)先向下地指向原料98或負(fù)載。驅(qū)使這種效果的主要機(jī)制是，富燃料的主焰86具有較高的煙灰形成率，同時由分級氧化劑88和主焰之間反應(yīng)形成了高溫高發(fā)光度的下方火焰94。盡管從火焰的下方發(fā)出的輻射96具有向下朝著原料(例如玻璃熔液)的基本上無阻礙路徑，但該不透明的“光厚”主焰部分阻礙了向上的輻射傳遞。因而產(chǎn)生的偏差效果明顯有利于玻璃熔融過程，因?yàn)槠渥畲蟪潭鹊貙?shí)現(xiàn)了火焰對玻璃表面的加熱，而使?fàn)t頂92的直接輻射加熱最小化。
參見圖11，在600到1800nm的帶寬中對本發(fā)明的燃燒器向下和向上發(fā)出的熱輻射進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測量。結(jié)果表示為標(biāo)準(zhǔn)化的火焰輻射量對主焰當(dāng)量比的函數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)化的火焰輻射量是對上述帶寬積分的，并除以主焰當(dāng)量比為1.0處(相當(dāng)于不分級的化學(xué)計(jì)量燃燒)的積分火焰輻射量的火焰輻射量。主焰當(dāng)量比是燃料對(主)氧化劑的實(shí)際比率除以化學(xué)計(jì)量燃燒所需的燃料對氧化劑的比率。因此，較高的當(dāng)量比對應(yīng)于較多的富燃料主焰。該結(jié)果明顯表明隨著當(dāng)量比的升高，定向輻射差(偏差)逐漸增加。富燃料主焰越多，向下的總黑體輻射量百分比越高。因而，通過本發(fā)明的燃燒器能夠提供較高水平的氧化劑分級的操作，其不僅產(chǎn)生了較多的輻射火焰，還使較大百分比的這種輻射朝向原料98，而保護(hù)爐頂92不受過量輻射。
圖12-17以及以下討論有關(guān)本發(fā)明燃燒器的先進(jìn)噴嘴尖端，其提高了燃燒器的耐久性而減少了對燃燒器的維護(hù)需要。該尖端的設(shè)計(jì)，如本文中所用，涉及分隔氧化劑和燃料流的表面輪廓，其正位于從燃燒器噴嘴中釋放反應(yīng)物的位點(diǎn)的上游?，F(xiàn)有技術(shù)的尖端設(shè)計(jì)有四種通用變化形式，如圖12-15所示·圖12——方形邊緣·圖13——圓形邊緣·圖14——單角、分立流、銳緣·圖15——單角、附著流、銳緣這些現(xiàn)有技術(shù)的每種設(shè)計(jì)具有至少一個固有的缺陷，如下所述。
圖12中所示的方頭燃燒器尖端100導(dǎo)致了氧化劑102和燃料104在該尖端處的流動動分離。根據(jù)氧化劑和燃料的速度比，這會產(chǎn)生較大規(guī)模的對稱循環(huán)漩渦106，其中一些部分將富含燃料，會促進(jìn)尖端處固體碳的增加。
圖13中所示的圓頭燃燒器尖端110也會導(dǎo)致氧化劑112和燃料114在該尖端處的流分離。根據(jù)氧化劑和燃料的速度比，這也會產(chǎn)生較小(相比于方形頭)的但仍較多的對稱循環(huán)漩渦116，其中的一些部分將富含燃料，會促進(jìn)尖端處固體碳的增加。
圖14中所示的單角、分立流、銳緣燃燒器尖端120也會導(dǎo)致氧化劑122和燃料124在該尖端處的流分離。根據(jù)氧化劑和燃料的速度比，這也會產(chǎn)生兩個較大規(guī)模的不對稱循環(huán)漩渦126，其中的一些部分將富含燃料，會促進(jìn)尖端處固體碳的增加。在噴嘴尖端正下方的銳緣128還阻礙了該尖端的熱導(dǎo)出，造成該尖端的熱變形。該流分離的臨界角(αcrit)通常小于15度。
圖15中所示的單角、附著流、銳緣燃燒器尖端130是對圖12-14中設(shè)計(jì)的改進(jìn)。由于氧化劑表面的發(fā)散角小于用于流分離的臨界角(αcrit)，氧化劑132和燃料134流保持附著在噴嘴尖端上，并且防止了碳堆積在該尖端上。然而，該薄的銳緣138機(jī)械性不穩(wěn)定，甚至該尖端比單角分離流銳緣設(shè)計(jì)更加容易發(fā)生熱變形。一旦發(fā)生熱變形，該燃燒器性能就受到了不利的影響。
如所示，圖12-15中的每種尖端設(shè)計(jì)具有至少一種固有的缺陷——要么是一種或多種反應(yīng)物流分離，要么機(jī)械強(qiáng)度不夠。已知這些缺陷會導(dǎo)致碳堆積和尖端變形的操作和維修問題，而這是火焰變形以及燃燒器的不良性能和/或過早失效的先兆。
本發(fā)明中先進(jìn)的噴嘴尖端140包括圖16中所示的三個設(shè)計(jì)參數(shù)。主尖端角(α)要小到足以確保氧化劑流線的初始彎曲在不引起流分離的情況下出現(xiàn)。半徑(R)有助于氧化劑流在直的錐形部分147和鼻端148之間有平滑的過渡。該半徑與尖銳的點(diǎn)相比能明顯延遲在該過渡區(qū)域流的分離。最后，尖銳的次級角度(β)提供了噴嘴的終端，其明顯阻滯了燃料氣體向后朝著噴嘴的氧化劑側(cè)移動。
圖17表示了本發(fā)明中先進(jìn)的噴嘴尖端140的操作優(yōu)勢。闊鼻端148通過提供足夠?qū)掗煹耐酚糜谕ㄟ^傳導(dǎo)散去尖端的熱而防止了熱變形，尖銳的頂錐角(β)限制了燃料氣體的再循環(huán)，并且根據(jù)氧化劑和燃料的速度比，尖端處氧化劑或燃料的流分離降到了最小程度或者沒有。因而防止了在尖端處的碳堆積。
在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，尖端的設(shè)計(jì)參數(shù)范圍為- 主尖端角，α0＜α＜15°- 回轉(zhuǎn)半徑，R不是絕對必需，但推薦在R＞1/64in- 次級角度，ββ＜90°作為改良的燃燒器尖端設(shè)計(jì)所提供的改進(jìn)的實(shí)例，圖18表示工業(yè)玻璃熔爐在大約兩周的工作時間中，類似于圖13所示設(shè)計(jì)中的尖端上出現(xiàn)的碳堆積160。本發(fā)明中改進(jìn)的燃燒器尖端設(shè)計(jì)表明，以同樣的燃燒器工作參數(shù)，在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過兩周的時間內(nèi)，同樣的燃燒器部位上沒有可檢測到的碳堆積。
圖19表示典型的玻璃熔爐60的設(shè)計(jì)，其具有左側(cè)62和右側(cè)64。燃燒器，例如本發(fā)明的燃燒器，設(shè)置在兩側(cè)，在熔爐內(nèi)產(chǎn)生高溫火焰66。燃料和氧化劑燃燒的廢氣通過熔爐左右兩邊的煙道68排出。加料70進(jìn)入熔爐并通過高溫火焰產(chǎn)生的熱來融化。將融化的產(chǎn)物72從熔爐內(nèi)除去，并由輸送裝置(未畫出)輸送到精煉機(jī)中(未畫出)。
本發(fā)明的燃燒器和方法的性能提高，結(jié)果以多種方式提高了熔爐的性能。能夠以較高的動量和較多的分級(相比于現(xiàn)有技術(shù)的燃燒器)來操作燃燒器，使得富燃料火焰較長、較穩(wěn)定而N0x排放量較低。較長較穩(wěn)定的火焰將較高的總熱傳遞速率傳遞給負(fù)載。同樣，較均勻的火焰特性與高分級操作的結(jié)合使得峰值火焰溫度/輻射最小化，從而有助于減少生成泡沫?；鹧娴讲ＡУ妮^高熱傳遞速率升高了玻璃底部的溫度，提高玻璃從精煉機(jī)到玻璃熔爐的再循環(huán)，從而減少玻璃的缺陷(提高產(chǎn)量)。最后，避免燃燒器尖端的碳堆積防止了火焰變形，提高了燃燒器的耐用度并減少了燃燒器的維修需要。
通過進(jìn)行全面的熔爐測試，證實(shí)了采用本發(fā)明的熔爐所獲得的這些熔爐性能優(yōu)點(diǎn)，在測試中用本發(fā)明的熔爐代替現(xiàn)有技術(shù)的熔爐，如美國專利No.5611682(Slavejkov等)中所述的熔爐。用于該測試的工業(yè)熔爐類似于圖8中描繪的那樣，具有四個加熱位點(diǎn)(左右成對的燃燒器)和四個煙道。在安裝本發(fā)明的燃燒器之前和之后，原料組成、熔爐的推進(jìn)速度(產(chǎn)物移出熔爐的速度)、以及燃燒器天然氣和氧氣流都基本保持不變。表1給出了從該全面的熔爐測試得到的關(guān)鍵操作參數(shù)和結(jié)果。
表1

盡管這里是參考一些特定的實(shí)施方案進(jìn)行圖示和描述的，但本發(fā)明仍然不限制于所示細(xì)節(jié)。相反，在權(quán)利要求等同方案的界限和范圍之內(nèi)可以做出各種改變，而不悖離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種用于燃燒燃料的燃燒器，包括具有多個燃料區(qū)的燃料管道，每個燃料區(qū)與其它的燃料區(qū)彼此流體相通，用于輸送燃料流，其中包括燃料入口區(qū)，具有第一燃料入口，以及與該第一燃料入口相隔開的第一燃料出口，該燃料入口區(qū)具有第一截面流通面積，用于輸送燃料流進(jìn)入所述第一燃料入口并從所述第一燃料出口流出，燃料過渡區(qū)，具有燃料送進(jìn)口，以及與該燃料送進(jìn)口相隔開的燃料送出口，該燃料過渡區(qū)用于輸送至少部分燃料流進(jìn)入該燃料送進(jìn)口并從該燃料送出口流出，并且具有第二截面流通面積，該第二截面流通面積從所述燃料送進(jìn)口處的初始截面流通面積變化到所述燃料送出口處的不同截面流通面積，以及燃料出口區(qū)，具有第二燃料入口，以及與該第二燃料入口相隔開的第二燃料出口，該燃料出口區(qū)用于輸送至少部分燃料流進(jìn)入該第二燃料入口并從該第二燃料出口流出，并且具有第三截面流通面積，該第三截面流通面積在整個燃料出口區(qū)基本相同；以及具有多個氧化劑區(qū)的氧化劑管道，每個氧化劑區(qū)與其它的氧化劑區(qū)彼此流體相通，用于輸送氧化劑流，其中包括氧化劑入口區(qū)，具有第一氧化劑入口和與該第一氧化劑入口相隔開的第一氧化劑出口，該氧化劑入口區(qū)用于輸送氧化劑流進(jìn)入該第一氧化劑入口并從該第一氧化劑出口流出，并且具有第四截面流通面積，至少部分該氧化劑入口區(qū)被所述燃料入口區(qū)、燃料過渡區(qū)和燃料出口區(qū)中的至少之一的至少部分的基本全部間隔圍繞著，以及氧化劑出口區(qū)，具有氧化劑送進(jìn)口和與該氧化劑送進(jìn)口相隔開的氧化劑送出口，該氧化劑出口區(qū)用于輸送至少部分氧化劑流進(jìn)入該氧化劑送進(jìn)口并從該氧化劑送出口流出，并具有第五截面流通面積，所述第五截面流通面積小于或等于第四截面流通面積，并且在整個氧化劑出口區(qū)基本相同，至少部分氧化劑出口區(qū)被至少部分所述燃料出口區(qū)的基本全部間隔圍繞著。
2.如權(quán)利要求1所述的燃燒器，進(jìn)一步包括與所述第一氧化劑管道相鄰的第二氧化劑管道，該第二氧化劑管道具有第二氧化劑入口和與該第二氧化劑入口相隔開的第二氧化劑出口，該第二氧化劑管道用于輸送另一股氧化劑流或另一種氧化劑流進(jìn)入該第二氧化劑入口并從該第二氧化劑出口流出。
3.如權(quán)利要求1所述的燃燒器，進(jìn)一步包括與所述氧化劑入口區(qū)流體連通的Y形氧化劑入口管道，其用于將氧化劑流送入所述氧化劑入口區(qū)的第一氧化劑入口。
4.如權(quán)利要求1所述的燃燒器，進(jìn)一步包括至少一個設(shè)置在燃料過渡區(qū)中的導(dǎo)流葉片，其中在該燃料過渡區(qū)的燃料送進(jìn)口處的初始截面流通面積小于該燃料過渡區(qū)的燃料出口處的不同截面流通面積。
5.如權(quán)利要求1所述的燃燒器，其中所述氧化劑出口區(qū)的第五截面流通面積與所述燃料出口區(qū)的第三截面流通面積之比小于化學(xué)計(jì)量燃燒所需的氧化劑與燃料的摩爾比。
6.如權(quán)利要求2所述的燃燒器，其中從該第二氧化劑管道的第二氧化劑出口流出的另一股氧化劑流或另一種氧化劑流位于火焰下方，該火焰是由至少部分從所述燃料出口區(qū)的第二燃料出口流出的燃料流和至少部分從所述氧化劑出口區(qū)的氧化劑送出口流出的氧化劑流燃燒形成的。
7.一種用于燃燒燃料的燃燒器，包括具有多個燃料區(qū)的燃料管道，每個燃料區(qū)與其它的燃料區(qū)彼此流體相通，用于輸送燃料流，其中包括燃料入口區(qū)，具有第一燃料入口，以及與該第一燃料入口相隔開的第一燃料出口，該燃料入口區(qū)具有第一截面流通面積，用于輸送燃料流進(jìn)入所述第一燃料入口并從所述第一燃料出口流出，燃料過渡區(qū)，具有燃料送進(jìn)口，以及與該燃料送進(jìn)口相隔開的燃料送出口，該燃料過渡區(qū)用于輸送至少部分燃料流進(jìn)入該燃料送進(jìn)口并從該燃料送出口流出，并且具有第二截面流通面積，該第二截面流通面積從所述燃料送進(jìn)口處的初始截面流通面積變化到所述燃料送出口處的不同截面流通面積，以及燃料出口區(qū)，具有第二燃料入口，以及與該第二燃料入口相隔開的第二燃料出口，該燃料出口區(qū)用于輸送至少部分燃料流進(jìn)入該第二燃料入口并從該第二燃料出口流出，并且具有第三截面流通面積，該第三截面流通面積在整個燃料出口區(qū)基本相同；以及具有多個氧化劑區(qū)的氧化劑管道，每個氧化劑區(qū)與其它的氧化劑區(qū)彼此流體相通，用于輸送氧化劑流，其中包括氧化劑入口區(qū)，具有第一氧化劑入口和與該第一氧化劑入口相隔開的第一氧化劑出口，該氧化劑入口區(qū)用于輸送氧化劑流進(jìn)入該第一氧化劑入口并從該第一氧化劑出口流出，并且具有第四截面流通面積，至少部分該氧化劑入口區(qū)被所述燃料入口區(qū)、燃料過渡區(qū)和燃料出口區(qū)中的至少之一的至少部分的基本全部間隔圍繞著，以及氧化劑出口區(qū)，具有氧化劑送進(jìn)口和與該氧化劑送進(jìn)口相隔開的氧化劑送出口，該氧化劑出口區(qū)用于輸送至少部分氧化劑流進(jìn)入該氧化劑送進(jìn)口并從該氧化劑送出口流出，并具有第五截面流通面積，所述第五截面流通面積小于或等于第四截面流通面積，并且在整個氧化劑出口區(qū)基本相同，至少部分該氧化劑出口區(qū)的至少部分所述燃料出口區(qū)的基本全部間隔圍繞著；以及與所述第一氧化劑管道相鄰的第二氧化劑管道，該第二氧化劑管道具有第二氧化劑入口和與該第二氧化劑入口相隔開的第二氧化劑出口，該第二氧化劑管道用于輸送另一股氧化劑流或另一種氧化劑流進(jìn)入該第二氧化劑入口并從該第二氧化劑出口流出，其中從該第二氧化劑管道的第二氧化劑出口流出的另一股氧化劑流或另一種氧化劑流位于火焰下方，該火焰是由至少部分從所述燃料出口區(qū)的第二燃料出口流出的燃料流和至少部分從所述氧化劑出口區(qū)的氧化劑送出口流出的氧化劑流燃燒形成的。
8.一種用于燃燒燃料的燃燒器，該燃燒器具有縱軸并含有燃燒器尖端，該燃燒器尖端具有位于燃料流附近的第一伸長邊，以及位于氧化劑流附近的第二伸長邊，其與平行于縱軸的線成小于大約15°的主尖端角(α)，并與平行于縱軸的上游面相交，所述第一伸長邊和第二伸長邊形成了第二尖端角(β)，其大于主尖端角(α)而小于約90°，該角度是和沿燃料流方向從第一伸長邊沿長并與之相切的線成的角。
9.如權(quán)利要求8所述的燃燒器，其中所述第二伸長邊包括形成主尖端角(α)的原椎形部分，以及一端止于所述第一伸長邊的曲面部分。
10.一種用于熔化玻璃的熔爐，所述熔爐具有至少一個如權(quán)利要求1所述的燃燒器。
11.一種利用氧化劑燃燒燃料的方法，包括步驟提供燃料源；提供至少一種氧化劑的源；提供燃燒器，其中包括具有多個燃料區(qū)的燃料管道，每個燃料區(qū)與其它的燃料區(qū)彼此流體相通，用于輸送燃料流，其中包括燃料入口區(qū)，具有第一燃料入口，以及與該第一燃料入口相隔開的第一燃料出口，該燃料入口區(qū)具有第一截面流通面積，用于輸送燃料流進(jìn)入所述第一燃料入口并從所述第一燃料出口流出，燃料過渡區(qū)，具有燃料送進(jìn)口，以及與該燃料送進(jìn)口相隔開的燃料送出口，該燃料過渡區(qū)用于輸送至少部分燃料流進(jìn)入該燃料送進(jìn)口并從該燃料送出口流出，并且具有第二截面流通面積，該第二截面流通面積從所述燃料送進(jìn)口處的初始截面流通面積變化到燃料送出口處的不同截面流通面積，以及燃料出口區(qū)，具有第二燃料入口，以及與該第二燃料入口相隔開的第二燃料出口，該燃料出口區(qū)用于輸送至少部分燃料流進(jìn)入該第二燃料入口并從該第二燃料出口流出，并且具有第三截面流通面積，該第三截面流通面積在整個燃料出口區(qū)基本相同；以及具有多個氧化劑區(qū)的氧化劑管道，每個氧化劑區(qū)與其它的氧化劑區(qū)彼此流體相通，用于輸送氧化劑流，其中包括氧化劑入口區(qū)，具有第一氧化劑入口和與該第一氧化劑入口相隔開的第一氧化劑出口，該氧化劑入口區(qū)用于輸送氧化劑流進(jìn)入該第一氧化劑入口并從該第一氧化劑出口流出，并且具有第四截面流通面積，至少部分該氧化劑入口區(qū)被所述燃料入口區(qū)、燃料過渡區(qū)和燃料出口區(qū)中的至少之一的至少部分的基本全部間隔圍繞著，以及氧化劑出口區(qū)，具有氧化劑送進(jìn)口和與該氧化劑送進(jìn)口相隔開的氧化劑送出口，該氧化劑出口區(qū)用于輸送至少部分氧化劑流進(jìn)入該氧化劑送進(jìn)口并從該氧化劑送出口流出，并具有第五截面流通面積，所述第五截面流通面積小于或等于所述第四截面流通面積，并且在整個氧化劑出口區(qū)基本相同，至少部分該氧化劑出口區(qū)被至少部分所述燃料出口區(qū)的基本全部間隔圍繞著；將燃料流輸送到所述第一燃料入口，從而至少部分的燃料流從該第一燃料入口被輸送至所述第二燃料出口；將氧化劑流輸送到所述第一氧化劑入口，從而至少部分的氧化劑流從該第一氧化劑入口被輸送至所述氧化劑送出口；以及使至少部分從第二燃料出口出來的燃料與至少部分從氧化劑送出口出來的氧化劑進(jìn)行燃燒。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，包括進(jìn)一步的步驟提供與所述第一氧化劑管道相鄰的第二氧化劑管道，該第二氧化劑管道具有第二氧化劑入口和與該第二氧化劑入口相隔開的第二氧化劑出口，該第二氧化劑管道用于輸送另一股氧化劑流或另一種氧化劑流進(jìn)入該第二氧化劑入口并從該第二氧化劑出口流出；將所述另一股氧化劑流或另一種氧化劑流輸送至第二氧化劑入口，從而至少部分所述另一股氧化劑流或另一種氧化劑流從該第二氧化劑入口被輸送至第二氧化劑出口；以及使至少另一部分從所述第二燃料出口出來的燃料與從所述第二氧化劑出口出來至少部分所述另一股氧化劑流或至少部分所述另一種氧化劑流進(jìn)行燃燒。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，包括進(jìn)一步的步驟提供與所述氧化劑入口區(qū)流體連通的Y形氧化劑入口管道，其用于將氧化劑流送入所述氧化劑入口區(qū)的第一氧化劑入口；將至少部分氧化劑送入該Y形氧化劑入口管道。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，包括進(jìn)一步的步驟提供至少一個設(shè)置在所述燃料過渡區(qū)中的導(dǎo)流葉片，其中在該燃料過渡區(qū)的燃料送進(jìn)口處的初始截面流通面積小于該燃料過渡區(qū)的燃料送出口處的不同截面流通面積。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述氧化劑出口區(qū)的第五截面流通面積與所述燃料出口區(qū)的第三截面流通面積之比小于化學(xué)計(jì)量燃燒所需的氧化劑與燃料的摩爾比。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其中從該第二氧化劑管道的第二氧化劑出口流出的另一股氧化劑流或另一種氧化劑流位于火焰下方，該火焰是由至少部分從所述燃料出口區(qū)的第二燃料出口流出的燃料流和至少部分從所述氧化劑出口區(qū)的氧化劑送出口流出的氧化劑流燃燒形成的。
17.一種利用氧化劑燃燒燃料的方法，包括步驟提供燃料源；提供至少一種氧化劑的源；提供燃燒器，其中包括具有多個燃料區(qū)的燃料管道，每個燃料區(qū)與其它的燃料區(qū)彼此流體相通，用于輸送燃料流，其中包括燃料入口區(qū)，具有第一燃料入口以及與該第一燃料入口相隔開的第一燃料出口，該燃料入口區(qū)具有第一截面流通面積，用于輸送燃料流進(jìn)入所述第一燃料入口并從所述第一燃料出口流出，燃料過渡區(qū)，具有燃料送進(jìn)口以及與該燃料送進(jìn)口相隔開的燃料送出口，該燃料過渡區(qū)用于輸送至少部分燃料流進(jìn)入該燃料送進(jìn)口并從該燃料送出口流出，并且具有第二截面流通面積，該第二截面流通面積從所述燃料送進(jìn)口處的初始截面流通面積變化到所述燃料送出口處的不同截面流通面積，以及燃料出口區(qū)，具有第二燃料入口以及與該第二燃料入口相隔開的第二燃料出口，該燃料出口區(qū)用于輸送至少部分燃料流進(jìn)入該第二燃料入口并從該第二燃料出口流出，并且具有第三截面流通面積，該第三截面流通面積在整個燃料出口區(qū)基本相同；以及具有多個氧化劑區(qū)的氧化劑管道，每個氧化劑區(qū)與其它的氧化劑區(qū)彼此流體相通，用于輸送氧化劑流，其中包括氧化劑入口區(qū)，具有第一氧化劑入口和與該第一氧化劑入口相隔開的第一氧化劑出口，該氧化劑入口區(qū)用于輸送氧化劑流進(jìn)入該第一氧化劑入口并從該第一氧化劑出口流出，并且具有第四截面流通面積，至少部分該氧化劑入口區(qū)被所述燃料入口區(qū)、燃料過渡區(qū)和燃料出口區(qū)中的至少之一的至少部分的基本全部間隔圍繞著，以及氧化劑出口區(qū)，具有氧化劑送進(jìn)口和與該氧化劑送進(jìn)口相隔開的氧化劑送出口，該氧化劑出口區(qū)用于輸送至少部分氧化劑流進(jìn)入該氧化劑送進(jìn)口并從該氧化劑送出口流出，并具有第五截面流通面積，所述第五截面流通面積小于或等于所述第四截面流通面積，并且在整個氧化劑出口區(qū)基本相同，至少部分所述氧化劑出口區(qū)被至少部分所述燃料出口區(qū)的基本全部間隔圍繞著；將燃料流輸送到所述第一燃料入口，從而至少部分的燃料流從該第一燃料入口被輸送至該第二燃料出口；將氧化劑流輸送到所述第一氧化劑入口，從而至少部分的氧化劑流從該第一氧化劑入口被輸送至該氧化劑送出口；使至少部分從所述第二燃料出口出來的燃料與至少部分從所述氧化劑送出口出來的氧化劑進(jìn)行燃燒；提供與第一氧化劑管道相鄰的第二氧化劑管道，該第二氧化劑管道具有第二氧化劑入口和與該第二氧化劑入口相隔開的第二氧化劑出口，該第二氧化劑管道用于輸送另一股氧化劑流或另一種氧化劑流進(jìn)入該第二氧化劑入口并從該第二氧化劑出口流出；將所述另一股氧化劑流或另一種氧化劑流輸送至第二氧化劑入口，從而至少部分所述另一股氧化劑流或另一種氧化劑流從該第二氧化劑入口被輸送至第二氧化劑出口；以及使至少另一部分從所述第二燃料出口出來的燃料與從所述第二氧化劑出口出來至少部分所述另一股氧化劑流或至少部分所述另一種氧化劑流進(jìn)行燃燒，其中從該第二氧化劑管道的第二氧化劑出口流出的另一股氧化劑流或另一種氧化劑流位于火焰下方，該火焰是由至少部分從所述燃料出口區(qū)的第二燃料出口流出的燃料流和至少部分從所述氧化劑出口區(qū)的氧化劑送出口流出的氧化劑流燃燒形成的。
18.一種利用氧化劑燃燒燃料的方法，包括步驟提供燃料源；提供氧化劑源；提供一種利用該氧化劑來燃燒該燃料的燃燒器，該燃燒器具有縱軸并含有燃燒噴器尖端，該燃燒器尖端具有位于燃料流附近的第一伸長邊，以及位于氧化劑流附近的第二伸長邊，其與平行于縱軸的線成小于大約15°的主尖端角(α)，并與平行于縱軸的上游面相交，所述第一伸長邊和第二伸長邊形成了第二尖端角(β)，其大于主尖端角(α)而小于約90°，該角度是和沿燃料流動方向從第一伸長邊沿長并與之相切的線成的角；以及使至少部分燃料與至少部分位于燃燒器尖端附近的氧化劑進(jìn)行燃燒。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述第二伸長邊包括形成主尖端角(α)的原椎形部分，以及一端止于所述第一伸長邊的曲面部分。
20.一種用于熔化玻璃的方法，所述方法包括如權(quán)利要求11所述的利用氧化劑燃燒燃料的方法。
全文摘要
一種包括獨(dú)立的燃料和氧化劑管道的燃燒器。該燃料管道具有入口、過渡和出口區(qū)，氧化劑管道具有入口和出口區(qū)。該燃料過渡區(qū)的截面流通面積從燃料送進(jìn)口處的初始截面流通面積變化到燃料送出口處的不同截面流通面積，而燃料出口區(qū)的截面流通面積基本上相同。至少一些氧化劑入口區(qū)被燃料入口、過渡和出口區(qū)中的至少之一的至少部分的基本全部間隔圍繞著。氧化劑出口區(qū)的截面流通面積小于或等于氧化劑入口區(qū)的截面流通面積，并基本相同，其中至少一些被至少部分燃料出口區(qū)的基本全部間隔圍繞著。
文檔編號C03B5/235GK1916494SQ20051009179
公開日2007年2月21日 申請日期2005年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月16日
發(fā)明者M·D·德阿格斯蒂尼 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司