專利名稱：燃燒器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
'本實用新型涉及生成用于將材料加熱到高溫且將其保持在高溫的 熱的燃燒。
背景技術(shù)：
許多工業(yè)應用要求將材料加熱到高溫以用于熔融、熱處理等。熱經(jīng) 常通過燃燒碳氬化合物燃料產(chǎn)生。然而，在這些應用中，可能引起用于 以不同的加熱率在不同時間供給熱的要求。對此需求的常規(guī)解決方法可 以涉及將材料加熱到希望的高溫，然后中斷燃燒以使得材料的溫度下 降，且然后當溫度下降到足以必須施加另外的熱時再次開始燃燒。這樣 的"開啟/關(guān)閉"操作在其燃料和氧化劑的消耗上是低效的且具有生成不 可接受水平的不希望的例如氮的氧化物的副產(chǎn)物的風險。它也具有因溫 度循環(huán)而在材料上施加熱應力和/或在閥和燃燒器上施加運行應力的風 險，該閥和燃燒器因為燃燒的停止和開始被重復地促使打開和關(guān)閉。其 他的解決方法，例如提供兩個每個適合于特定類型的燃燒的分開的燃燒 器系統(tǒng)一次只運行一個系統(tǒng)，是昂貴的且占用空間。
因此，存在對使得能更有效地且更與環(huán)境相容地加熱材料的方法和 設備的需求，特別是在其中加熱量隨時間變化的情況中。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的一個方面是包括燃燒器主體和燃燒器塊的燃燒器系
統(tǒng)，其中
(A)燃燒器主體包括
充氣區(qū)主體，其具有封閉了充氣區(qū)(plenum)空間的背表面和側(cè)表 面，其在其前方打開在單平面的充氣區(qū)開口內(nèi)，充氣區(qū)開口由所述的側(cè) 表面的前邊緣限定，
在所述的充氣區(qū)主體的背表面或側(cè)表面內(nèi)的送給入口 ，氣體可以通 過其送給到所述的充氣區(qū)空間內(nèi)，
第一空心主體，其完全地位于所述的充氣區(qū)空間內(nèi)且關(guān)閉防止氣體 在所述的充氣區(qū)空間和所述的空心主體內(nèi)部之間通過，其中空心主體不 延伸通過所述的充氣區(qū)開口，
通過所述的空心主體的表面的送給入口 ，氣體可以通過其送給到所述的空心主體的內(nèi)部內(nèi)，
2至16個通過所述的空心主體的表面的出口，氣體可以通過該出口 通到所述的空心主體外，每個出口定向為向著充氣區(qū)開口從所述的充氣 區(qū)空間向外指向,其中所述的出口的外端不延伸超過所迷的充氣區(qū)開口 的平面，
第一管，其從所述的充氣區(qū)主體的背表面的外側(cè)延伸通過充氣區(qū)空 間到第一管端部，第一管端部位于充氣區(qū)開口的平面外側(cè)的第一距離， 其中笫 一管關(guān)閉防止氣體從充氣區(qū)空間且從空心主體的內(nèi)部通入所述 的第一管內(nèi)，
位于第一管內(nèi)的第二管，第二管從所述的充氣區(qū)主體的背表面外側(cè) 延伸通過充氣區(qū)空間到第二管端部，第二管端部位于充氣區(qū)開口的平面 外側(cè)的第二距離，其中所迷的第二距離大于第一距離，其中所述的第二 管關(guān)閉防止氣體從充氣區(qū)空間、從空心主體的內(nèi)部且從第一管通入所述 的笫二管內(nèi)，且其中第一管和第二管的軸線共軸或平行，
位于第二管內(nèi)的第三管，第三管從所述的充氣區(qū)主體的背表面外側(cè) 延伸通過充氣區(qū)空間到第三管端部,第三管端部位于充氣區(qū)開口的平面 外側(cè)的所述的第二距離，其中所述的第三管關(guān)閉防止氣體從充氣區(qū)空 間、從空心主體的內(nèi)部且從第二管通入所述的第三管內(nèi)，且其中第一管、 第二管和第三管的軸線共軸或平行，
用于接收氣體到第一管和第二管之間的空間內(nèi)的送給入口 ， 用于接收氣體到第二管和第三管之間的空間內(nèi)的送給入口 ， 和用于接收燃料到所述的第三管內(nèi)的送給入口;和 (B)燃燒器塊包括 前表面和后表面，
延伸通過塊的第一通道，第一通道包括
筒段，其從所迷的后表面延伸到塊內(nèi)到所迷的筒段的內(nèi)端至少等于 所述的笫一距離的長度，所迷的筒段的直徑允許所述的笫一管貼合地配 合到所迷的筒段以最小化氣體在所述的第一管外側(cè)在所述的筒段內(nèi)的 通過，
具有上游端和下游端的喉段且喉段的直徑沿其軸線恒定且小于所 迷的筒段的直徑且大于所迷的第二管的外徑，其中從塊的后表面到所述 的上游端的距離大于所述的第一距離且小于所迷的第二距離，且其中從
6所迷的塊的后表面到所迷的下游端的距離大于所述的第二距離，
從所述的筒段的內(nèi)端軸向延伸到所述的喉段的所述的上游端的漸 縮段，
口段，其從塊的前表面延伸到塊內(nèi)到口段的內(nèi)端，其中口段的直徑 恒定且大于所述的喉段的直徑，
從所述的喉段的下游端延伸到所述的口段的內(nèi)端的燒嘴(quarl )段，
其中所述的段共軸，且口段和燒嘴段的軸向長度的和是燒嘴段的最 大直徑的直徑的直至50倍；喉段的軸向長度是燒嘴段最大直徑的直徑 的直至50倍；燒嘴段的最大直徑與喉段的直徑的比值為1至50;且從 次級通道的排放開口到第一通道的軸線的距離是喉段直徑的1至IO倍，
多個次級通道，其個數(shù)大于所述的出口的個數(shù)，次級通道從所述的 塊的后表面內(nèi)的入口開口延伸通過所述的塊到所述的塊的前表面內(nèi)的 排放開口，其中所述的入口開口足夠靠近所述的第一通道，使得當所述 的充氣區(qū)主體的前邊緣與所述的塊的后表面接觸時，所述的入口開口與 所述的充氣區(qū)空間氣體接觸，且其中每個次級通道具有在其排放開口處 的軸線，該軸線向第一通道的軸線以直至60度的角度會聚，從第一通 道的軸線以直至85度的角度發(fā)散，或平行于第一通道的軸線；
其中所述的燃燒器主體相對于所述的塊定位，使得所述的充氣區(qū)主 體的前邊緣與所述的塊的后表面接觸，以防止氣體除去通入所述的次級 通道之外通過到所述的充氣區(qū)空間外，且第一管和第二管延伸到所迷的 第一通道內(nèi)，且出口與次級通道對齊，使得從出口通過的氣體通過與出 口對齊的次級通道。
本實用新型的另一個方面是用于加熱基質(zhì)的方法，包括
(A) 提供前述的燃燒器系統(tǒng)，
(B) 確定到基質(zhì)的第一傳熱率，
(C) 確定燃料和氧化劑待送給到所述的燃燒器系統(tǒng)以在此燃燒的 速率，且確定待燃燒以生成以所述的第一傳熱率從所述的燃燒器系統(tǒng)傳 遞到所述的基質(zhì)的燃燒熱的所述的氧化劑的總氧氣濃度，
(D) 以所述速率將燃料和具有所述的總氧氣濃度的氧化劑送給到 所述的燃燒器系統(tǒng)且在所述的系統(tǒng)處燃燒所述的燃料和所述的氧化劑， 以生成以所述的第一傳熱率傳遞到所述的基質(zhì)的燃燒熱，
同時，相對于通過所述的燃燒器系統(tǒng)的所述的次級通道和所述的出口送給的氧氣量分配通過所述的燃燒器系統(tǒng)的所迷的第一管和第二管
送給的氧氣量，以最小化由所述的燃燒形成的NOx，
(E) 確定到基質(zhì)的第二傳熱率，該第二傳熱率與所述第一傳熱率
不同，
(F) 確定待燃燒的所述的氧化劑的新的總氧氣濃度，且確定所迷
燃:器系;克中燃燒二生成以所述第^傳:率傳遞到所i的:質(zhì)的燃燒 熱的新的速率，和
(G) 在繼續(xù)將燃料和氧化劑送給到所述的燃燒器系統(tǒng)時，將送給 到所述的燃燒器系統(tǒng)的總氧氣濃度改變?yōu)樗龅男碌目傃鯕鉂舛?，且?變所述的氧化劑或所迷的氧化劑和所述的燃料送給到所述的燃燒器系 統(tǒng)的速率，且繼續(xù)在所述的燃燒器系統(tǒng)處燃燒所述的燃料和氧化劑而不 中斷所述的燃燒，以生成以所述第二傳熱率傳遞到所述的基質(zhì)的燃燒 熱，
同時，相對于通過所述的次級通道和所述的出口送給的氧氣量分配 通過所述的第一管和第二管送給的氧氣量，以最小化由所述的燃燒形成 的NOx,
其中送給到所述的燃燒器系統(tǒng)的氧氣量總是足以維持所述的燃料 在所述的燃燒器系統(tǒng)處的燃燒，且其中送給到所述的燃燒系統(tǒng)的氧氣的 量在總是足以將所述的燃燒的氣態(tài)產(chǎn)物的一氧化碳含量維持為低于100 ppm。
如在此所使用，"NOx"意味著氣態(tài)的氮的氧化物，無論氮氣和氧 化物和它們的混合物的任何單獨的分子中的氮原子和氧原子的個數(shù)。
如在此所使用，"總氧氣濃度"意味著通過氣態(tài)氧化劑通過其送給 的燃燒器系統(tǒng)的所有入口送給的氧氣總量(包括在與燃料送給的任何運 輸介質(zhì)中的氧氣)除以通過氣態(tài)氧化劑通過其送給的燃燒器系統(tǒng)的所有 入口送給的氣體總量(包括在與燃料送給的任何運輸介質(zhì)中的氣體)。


圖l是燃燒器塊的截面視圖，該燃燒器塊可以是燃燒器系統(tǒng)的部件， 本實用新型可以以此燃燒器塊被利用；
圖2是燃燒器塊的前表面的透視圖，本實用新型可以以此燃燒器塊 被利用；圖3是可以是燃燒器系統(tǒng)的部件的燃燒器主體的透視圖，本實用新 型可以以此燃燒器主體被利用；
圖4是組裝在一起以形成燃燒器系統(tǒng)的燃燒器主體和燃燒器塊的截 面視圖，本實用新型可以以此燃燒器系統(tǒng)被利用。
具體實施方式
本實用新型用于任何要求以兩個或多個不同的速率的順序熱傳遞 到基質(zhì)的情況中，其中基質(zhì)或與基質(zhì)接觸的材料被加熱到由燃燒例如天 然氣、燃油等的碳氫化合物燃料可獲得的溫度量級的溫度(典型地高于 1000F)。本實用新型可以以其被利用的合適的"基質(zhì)，，包括任何希望 加熱的材料，特別地包括固體和液體，例如金屬和金屬前體，無論是為 熔融固體、為熔融已經(jīng)包括在液體池中的固體、為將固體或熔融液體維 持在希望的高溫、或為加熱或預加熱待接收和保持熱材料的例如包的容 器。
本實用新型的使用的一個例子是通過以相對地高的速率施加熱來 熔融材料，然后通過以較低的傳熱率施加熱而將作為結(jié)果的熔融材料保 持在高溫下。另一個例子是將熱固體或熔融材料待送給到其內(nèi)的包或澆 口盤預加熱，其中包或澆口盤在高速率下加熱到或接近材料溫度的溫 度，且然后當將熱固體或熔融材料送給到包或澆口盤后通過以相對地低 的速率施加熱將它們保持在高溫下。
本實用新型可以以例如在圖1至圖4中圖示且在下文中描迷的燃燒 器系統(tǒng)的燃燒器系統(tǒng)有用地實施。這樣的燃燒器系統(tǒng)典型地包括燃燒器 塊和與燃燒器塊組裝在一起的燃燒器主體以形成燃燒器系統(tǒng)。
首先參考圖1,燃燒器塊1在與燃燒器主體組裝前被示出。燃燒器 塊1是能耐受高溫的固體材料主體，當在燃燒器主體內(nèi)進行燃燒時燃燒 器塊必然受到此高溫。合適的構(gòu)造材料包括耐火磚，例如富氧化鋁、氧 化鋁、硅石、AZS、莫來石(mulite)、氧化鋯和/或鋯英石，以及包括 水冷金屬結(jié)構(gòu)的金屬結(jié)構(gòu)。
燃燒器塊1包括前表面2和后表面3。第一通道4從后表面3到前 表面2通過燃燒器塊1。第一通道4包括一系列同軸段，當燃燒器主體 與燃燒器塊組裝在一起時，每段貢獻于燃燒器系統(tǒng)的性能。
從燃燒器塊1的后表面3開始前進，筒段5從后表面延伸到燃燒器 塊l內(nèi)，如果將延伸到筒段5內(nèi)的燃燒器主體的部分是圓柱形，則筒段
95也優(yōu)選地是恒定直徑的圓筒。筒段5的截面構(gòu)造優(yōu)選地定尺寸為提供 與要占據(jù)筒段5的燃燒器主體的部分的貼合配合，如在下文中描述。優(yōu) 選地，配合足夠貼合，使得最小化或甚至防止了在筒段5的內(nèi)表面和燃 燒器主體的相應的部分的外表面之間的氣體通過。筒段5的長度，即它 從燃燒器塊1的后表面3到燃燒器塊1內(nèi)測量的深度至少與在此描迷的 燃燒器主體的第一管41的長度相等。
進一步前進到第一通道4內(nèi)，漸縮段6從筒段5的內(nèi)端延伸到喉段 7的上游端。漸縮段6的表面可以是平的(使得它是圓錐形的部分)或 可以是彎曲的(即，使得半徑以非恒定率沿軸線改變)。
喉段7優(yōu)選地具有恒定的直徑且比筒段5窄。因此，漸縮的段6在 其與喉段7相交的下游端處的截面積和直徑必然小于在其與筒段5相交 的上游端處的截面積和直徑。喉段7位于燃燒器塊1內(nèi)，使得其上游端 比如在下文中進一步描述的第二管43的端而更靠近燃燒器塊1的后表 面。喉段7的下游端應比第二管43的端更遠離燃燒器塊1的后表面。 以此方式，第二管43的端位于喉段7內(nèi)。
喉段7在其下游端處連接到燒嘴段8的上游端，燒嘴段8具有隨著 距燃燒器塊1的后表面的軸向距離的增加而增加的直徑。燒嘴段8在其 下游端處終止在口段9處，口段9是具有恒定直徑的段，該直徑大于喉 段7的直徑。燒嘴段8的表面可以是平的(使得它是圓錐形的部分)或 可以是彎曲的(即，使得半徑沿軸線以非恒定率改變)?？诙?終止在 它在燃燒器塊1的前表面2處打開處。
燃燒器塊1也具有多個次級通道11,次級通道11的每個從燃燒器 塊1的后表面到其前表面通過燃燒器塊1。每個次級通道11具有在燃燒 器塊1的后表面中的入口開口 12和在燃燒器塊1的前表面中的排放開 口 13。 2個到16個，且優(yōu)選地4個到12個次級通道11延伸通過燃燒 器塊1。應具有比燃燒器塊與其組裝的燃燒器主體上的出口 33的數(shù)量更 多的次級通道11通過燃燒器塊1。
每個次級通道11的軸線可以平行于第一通道4的軸線，但優(yōu)選地 每個次級通道11的軸線相對于通道4的軸線發(fā)散或可以會聚。如在圖1 中圖示，各軸線從第一通道4的軸線發(fā)散；優(yōu)選的發(fā)散角度為直至85 度，更優(yōu)選地直至75度。然而，如果希望，次級通道的軸線可以向第 一通道4的軸線會聚，在此情況中，優(yōu)選的會聚角度為直至60度，更
10優(yōu)選地直至15度。
燃燒器塊的不同部分之間的一定的尺寸關(guān)系幫助進行本實用新型。 因此，口段和燒嘴段的軸向長度的和直至燒嘴段的最大直徑的50倍， 且優(yōu)選地直至該最大直徑的25倍。喉段的軸向長度直至燒嘴段的最大 直徑的直徑的50倍數(shù)，且更優(yōu)選地直至25倍。燒嘴段的最大直徑與喉 萃殳的直徑的比為1至50,優(yōu)選地為1至25。從次級通道11的排放開口 13到第一通道4的軸線的距離是喉段直徑的1至IO倍，且優(yōu)選地為1.5 至8倍。
圖2圖示了燃燒器塊1的前部的實施例。次級通道11的排放開口 13可見，口段9、燒嘴段8和喉段7的下游端也可見。在圖3中圖示的 燃燒器主體將合適地用于與在圖2中圖示的燃燒器塊組裝在一起，因為 圖3的燃燒器主體僅包括兩個出口 33，它們的每個將與次級通道11的 一個對齊,從而留下另外的次級通道，氣體可以通過其從充氣區(qū)空間23 流出各排放開口 13。
圖3圖示了在實施本實用新型中使用的燃燒器主體。燃燒器主體21 包括由充氣區(qū)背部24和充氣區(qū)側(cè)部25形成的充氣區(qū)殼體22,充氣區(qū)背 部24和充氣區(qū)側(cè)部25密封在一起以封閉充氣區(qū)空間23。如果充氣區(qū)截 面是矩形的，則充氣區(qū)側(cè)部25可以包括平的表面，從而形成頂部、兩 個側(cè)部和底部。優(yōu)選地，充氣區(qū)截面是倒圓的且更優(yōu)選地是圓形的，在 此情況中，充氣區(qū)側(cè)部25處于一個連續(xù)表面中。在任何情況中，充氣 區(qū)側(cè)部25終止在形成了單平面開口的前邊緣或多個前邊緣26中，即它 們限定了充氣區(qū)開口，通過該開口氣體可以如在此描述地流動。優(yōu)選地 提供凸緣28以提供與燃燒器塊1的后表面3的更好的密封。入口 27與 充氣區(qū)空間23連通，且可以連接到待供給到充氣區(qū)空間23的氣體源或 多個氣體源，如在此所描述。
燃燒器主體21也包括完全地位于充氣區(qū)空間23內(nèi)的空心主體31。
空心主體31完全地封閉了空間，該空間可以通過送給入口 32送給 氣體。出口 33允許氣體流出空心主體31的內(nèi)部。提供了1到16個且 優(yōu)選地1到4個出口 33。每個出口 33終止在端部34處，端部34可以 延伸到直至由充氣區(qū)殼體22的前邊緣26形成的平面但不通過或出離該 平面。以此方式，當燃燒器主體組裝到燃燒器塊1時，使得前邊緣26 接觸燃燒器塊1的后表面3且密封了設備的這兩個零件之間的聯(lián)結(jié)，出口 33不延伸出阻礙了這樣的接觸的長度。
空心主體31的前表面35的至少部分且優(yōu)選地全部從由前邊緣26 形成的平面分開，使得充氣區(qū)空間23被考慮為不僅包括空心主體31的 外表面和充氣區(qū)殼體22的內(nèi)表面之間的空間，而且包括前表面35和由 前邊緣26形成的平面之間的空間。此間距允許氣體從充氣區(qū)空間23流 動到不與出口 33對齊的通道11的開口 12。
燃燒器主體21也包括第一管41,該第一管終止在第一管端部42處。 第一管41完全地通過充氣區(qū)空間23且突出超過由前邊緣26形成的平 面。第一管41也通過空心主體31或在充氣區(qū)空間23內(nèi)位于緊接于空 心主體31。
第二管43位于第一管41內(nèi)且第三管45位于第二管43內(nèi)。第二管 43和第三管45分別終止在笫二管端部44和第三管端部46處。兩個端 部的位置比第一管端部42距離前邊緣26形成的平面遠。即第二管43 和第三管45 二者從充氣區(qū)殼體22延伸開遠于第一管41延伸開。第二 管端部44和第三管端部46優(yōu)選地共平面。
在各管端部42、 44和/或46處的開口可以完全地不被阻塞，或它們 中的任何開口可以包含將開口打破為子開口的段，這將出現(xiàn)的流分為子 流。例如，帶有多個孔的板可以跨過在第三管45的端部46處的開口放 置，以將燃料分為多個子流的噴射。
葉片可以選擇地》文置在空間47內(nèi)和/或空間48內(nèi)(其中氣態(tài)氧化劑 流可以流動)以施加渦旋，渦漩幫助維持在燃燒器端部處的火焰可燃性。
最內(nèi)部的管，即第三管45優(yōu)選地接收待燃燒的燃料，如在此所描 述。合適的燃料可以是氣態(tài)燃料、液體燃料、固體燃料或任何它們的組 合，例如天然氣、LPG、丙烷、丁烷、燃油、柴油、焦爐煤氣、高爐煤 氣、BOF煤氣、電弧爐煤氣、發(fā)生爐煤氣、任何類型的固體燃料，包括 帶有一些加熱值的漿料。為以液體燃料運行，可以使用霧化的流體(例 如空氣、氧氣、氮氣、燃料氣體、氬和蒸汽)。促進液體燃料(以任何 類型的霧化介質(zhì)，例如空氣、蒸汽或其他類型的氣體，或壓力霧化器) 霧化的噴嘴可以是有幫助的。為以固體燃料運行，將固體燃料研磨成粉 且然后將它懸浮在承載氣體(例如空氣、氮氣、氬氣、蒸汽、燃料氣體) 中運送將是有幫助的。
參考圖4，可見燃燒器塊1和燃燒器主體21之間的協(xié)作。通過充氣
12區(qū)殼體22的前邊緣26完全地與燃燒器塊1的后表面3接觸，氣體不能 繞此前邊緣26通過。通過燃燒器主體21這樣靠著燃燒器塊1定位，第 一管41延伸到筒段5內(nèi)，筒段5如上所述具有至少足以接收第一管41 的整個長度的深度。笫二管43和笫三管45延伸超過第一管41的端部 42到喉段7內(nèi)，但不通過喉段7的下游端。另外，次級通道ll的入口 開口 12足夠靠近第一通道4，使它們直接與充氣區(qū)空間23連通，使得 氣體直接從充氣區(qū)空間23流動到次級通道11內(nèi)且通過次級通道11且 流出各排放開口 13。圖4圖示了兩個出口 33對齊為使氣體流出它們的 各端到兩個通道ll內(nèi)。然而，如所陳述，氣體也從充氣區(qū)空間23流動 到其他通道ll內(nèi)，其他通道11在此特定的截面中未示出，它們未與出 口 33對齊。
第三(燃料)管45的上游端通過在此領(lǐng)域中已熟知的設備連接到 燃料源，該燃料源可以以任何希望的量和速率送給燃料，且可以改變送 給的量和速率，且可以在希望時開啟和關(guān)閉燃料流動。燃料優(yōu)選地以10 至1500米/秒的速率送給，更優(yōu)選地以15至1000米/秒的速率送給， 且在直至1800'C的溫度下送給。
管41和管43之間的空間47的上游端、管43和管45之間的空間 48的上游端、以及到充氣區(qū)空間23的入口 27和到空心主體31的入口 32每個由合適的供給管線、閥和控制器連接到氣態(tài)氧化劑的源(或氧氣 和一個或多個非氧氣氣體的混合物)，以此允許控制這些氣態(tài)流的每個 的氧氣含量，以及這些氣態(tài)流的每個的流量。除了允許到這些點的任何 點的氣體流動的開啟和關(guān)閉的控制器外，也必須存在使得本實用新型能 實施的控制器，使得即使當燃燒在燃燒器處正在進行時，每個這樣的氣 態(tài)流的氧氣含量和流量也能被調(diào)整到任何希望的值，如在此所描述的。
送給"初級氧化劑"的空間47的上游端應連接到氣體源和控制器， 使得送給到空間47的氣態(tài)流能具有(a)低至可以希望送給到空間47 內(nèi)的最低的氧氣含量，優(yōu)選地至少5 %體積百分比，且更優(yōu)選地至少 10 %體積百分比，(b)高至可希望送給到空間47的最高濃度的氧氣 含量，優(yōu)選地至少90 %體積百分比，且更優(yōu)選地至少99.9 %體積百分 比，和(c)在那些最低和最高值之間的任何值處的氧氣濃度。這可以 通過如下實現(xiàn)提供高純度氧氣源(在等于可獲得用于送給到空間47 內(nèi)的最高濃度的純度下)，且提供具有指示的最低希望氧氣濃度的氣體
13源，以及選擇地具有在這些最低和最高值之間的氧氣濃度的氣體源(例 如空氣)。
也應提供控制器以控制從每個這樣的氣體源送給的氣體的量，使得 可以組成在這些最低值和最高值之間的任何希望的中間氧濃度。具有任
何這樣的中間氧濃度的流可以通過將來自空間47的上游的各源的流組 合且然后將組合流送給到空間47內(nèi)而提供，或通過將來自每個源的流 以合適的相對量送給到空間47的上游端內(nèi)，使得它們在空間47內(nèi)混合 且形成具有希望的中間氧濃度的混合物而提供。氧化劑應以使得流以10 至1500米/秒，優(yōu)選地以15至500米/秒的速度從管41的端部42出現(xiàn) 的速率而提供。流在出現(xiàn)時的溫度直至1800 °C。
通過充氣區(qū)21供給"次級氧化劑"的入口 27應連接到氣體源和控 制器，使得送給到入口 27的氣態(tài)流能具有(a)低至可以希望送給到 入口 27內(nèi)的最低的氧氣含量，優(yōu)選地至少5 %體積百分比，且更優(yōu)選 地至少10 %體積百分比，(b)高至可希望送給到入口 27的最高濃度 的氧氣含量，優(yōu)選地至少90 %體積百分比，且更優(yōu)選地至少99.9 %體 積百分比，和(c)在那些最低和最高值之間的任何值處的氧氣濃度。 這可以通過如下實現(xiàn)提供高純度氧氣源(在等于可獲得用于送給到入 口 27內(nèi)的最高濃度的純度下)，且提供具有指示的最低希望氧氣濃度 的氣體源，以及選擇地具有在這些最低和最高值之間的氧氣濃度的氣體 源(例如空氣)。
也應提供控制器以控制從每個這樣的氣體源送給的氣體的量，使得 可以組成在這些最低值和最高值之間的任何希望的中間氧濃度。具有任 何這樣的中間氧濃度的流可以通過將來自入口 27的上游的各源的流組 合且然后將組合流送給到入口 27內(nèi)而提供，或通過將來自每個源的流 以合適的相對量送給到入口 27的上游端內(nèi)，使得它們在入口 27內(nèi)混合 且形成具有希望的中間氧濃度的混合物而提供。氧化劑應以使得流以5 至1500米/秒，優(yōu)選地以6至1200米/秒的速度從排放開口 13出現(xiàn)的 速率而提供。流在出現(xiàn)時的溫度直至1800 。C。
送給"初級氧氣，，的空間48的上游端應連接到氣體源和控制器， 使得送給到空間48的氣態(tài)流能具有(a)低至可以希望送給到空間48 內(nèi)的最低的氧氣含量，其可以為零(即源提供的氣體或氣體混合物都不 是氧氣)且優(yōu)選地至少50 %體積百分比，(b)高至可希望送給到空間48內(nèi)的最高濃度的氧氣含量，優(yōu)選地至少90 %體積百分比，且更優(yōu)選 地至少99.9 %體積百分比，和(c)在那些最低和最高值之間的任何值 處的氧氣濃度。這可以通過如下實現(xiàn)提供高純度氧氣源(在等于可獲 得用于送給到空間48內(nèi)的最高濃度的純度下)，且提供具有指示的最 低希望氧氣濃度的氣體源，以及選擇地具有在這些最低和最高值之間的 氧氣濃度的氣體源(例如空氣)。
也應提供控制器以控制從每個這樣的氣體源送給的氣體的量，使得 可以組成在這些最低值和最高值之間的任何希望的中間氧濃度。具有任 何這樣的中間氣濃度的流可以通過將來自空間48上游的各源的流組合 且然后將組合流送給到空間48內(nèi)而提供，或通過將來自每個源的流以 合適的相對量送給到空間48的上游端內(nèi)，使得它們在空間48內(nèi)混合且 形成具有希望的中間氧濃度的混合物而提供。氧化劑應以使得流以10 至1500米/秒，優(yōu)選地以15至500米/秒的速度從管43的端部44出現(xiàn) 的速率而提供。流在出現(xiàn)時的溫度直至1800 。C。
通過空心主體31和出口 (多個出口 ) 33送給"次級氧氣"的入口 32應連接到氣體源和控制器，使得送給到入口 32的氣態(tài)流能具有(a) 低至可以希望送給到入口 32內(nèi)的最低的氧氣含量，其可以為零(即源 提供的氣體或氣體混合物都不是氧氣)且優(yōu)選地至少50 %體積百分比， (b)高至可希望送給到入口 32內(nèi)的最高濃度的氧氣含量，優(yōu)選地至少 90 %體積百分比，且更優(yōu)選地至少99.9 %體積百分比，和(c)在那 些最低和最高值之間的任何值處的氧氣濃度。這可以通過如下實現(xiàn)提 供高純度氧氣源(在等于可獲得用于送給到入口 32內(nèi)的最高濃度的純 度下)，且提供具有指示的最低希望氧氣濃度的氣體源，以及選擇地具 有在這些最低和最高值之間的氧氣濃度的氣體源(例如空氣)。
也應提供控制器以控制從每個這樣的氣體源送給的氣體的量，使得 可以組成在這些最低值和最高值之間的任何希望的中間氧濃度。具有任 何這樣的中間氧濃度的流可以通過將來自入口 32上游的各源的流組合 且然后將組合流送給到入口 32內(nèi)而提供，或通過將來自每個源的流以 合適的相對量送給到入口 32的上游端內(nèi)，使得它們在入口 32內(nèi)混合且 形成具有希望的中間氧濃度的混合物而提供。氧化劑應以使得流以5至 1500米/秒，優(yōu)選地以6至1200米/秒的速度從排放開口 13出現(xiàn)的速率 而提供。流在出現(xiàn)時的溫度直至1800 。C。
15當然，給定的氣體的相同的源(例如提供高純度氧氣的氣并瓦或氣體 分離單元)可以用于提供氣體流到多于一個前述的輸入。 使用燃燒器系統(tǒng)
現(xiàn)在將描迷燃燒器系統(tǒng)的使用。在本實用新型的方法的第一階段中 確定加熱需求?；诶缁|(zhì)溫度的希望的增加、基質(zhì)質(zhì)量、熱容量、 如果發(fā)生熔融則熔化熱等因素確定待傳遞到基質(zhì)的熱量。給定到基質(zhì)的 希望的第一傳熱率，確定其間實現(xiàn)傳熱的時間期間。
為賦予對此第一運行階段所要求的熱傳遞，可以通過設定對于給定 的煙道氣再循環(huán)程度送給且燃燒的氧化劑流中的總氧濃度來實現(xiàn)在燃 燒器處產(chǎn)生的火焰的溫度。在任何給定的煙道氣再循環(huán)率下，火焰溫度 隨總氧氣濃度增加而增加。在任何給定的總氧氣濃度下，火焰溫度隨煙 道氣再循環(huán)率下降而增加。這允許確定在通過燃燒器供給的氧化劑流中 的有效總氧氣濃度以實現(xiàn)要求的溫度。
燃料然后在如在此所述的燃燒器系統(tǒng)中與氧氣燃燒，氧氣作為氣態(tài)
氧化劑流而通過且出離空間48和/或50送給，且氧氣送給出次級通道 11的排放開口 13,氧氣從出口 33和/或從充氣區(qū)空間23進入這些次級 通道。所送給的氧氣總量應是燃料完全燃燒所需要的氧氣量的0.6至2.0 倍。燃料在火焰中燃燒，火焰的基部在第三(燃料)管45的端部46 處。送給到燃燒器系統(tǒng)的氧氣的量必須足以使得能維持燃料的燃燒，且 必須足以使燃料充分燃燒，使得由燃燒產(chǎn)生的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物(即煙道氣) 的一氧化碳含量低于100 ppm。如將在下文中更完全地描述，氣態(tài)氧化 劑的送給也調(diào)整為使得由燃燒形成的NOx的量被最小化。
然后，在本實用新型的方法的第二階段中，當向基質(zhì)的傳熱率須改 變時，再次通過考慮例如基質(zhì)的希望的溫度改變(增加或降低)、基質(zhì) 質(zhì)量、熱容量、如果發(fā)生熔融或凝固則熔化熱等因素確定新的(第二) 傳熱率。給定到基質(zhì)的希望的第二傳熱率，確定其間實現(xiàn)傳熱的時間期 間。
為賦予對此第二運行階段所要求的希望的第二傳熱率，可以通過設 定對于給定的煙道氣再循環(huán)程度送給且燃燒的氧化劑流中的總氧濃度 來實現(xiàn)在燃燒器處產(chǎn)生的火焰的溫度。在任何給定的煙道氣再循環(huán)率 下，火焰溫度隨總氧氣濃度增加而增加。在任何給定的總氧氣濃度下， 火焰溫度隨煙道氣再循環(huán)率降低而增加。這允許確定在通過燃燒器供給的氧化劑流中的有效總氧氣濃度以實現(xiàn)要求的溫度。
燃料然后在如在此所述的燃燒器系統(tǒng)中與氧氣燃燒，氧氣作為氣態(tài)
氧化劑流而通過且出離空間48和/或50送給，且氧氣送給出次級通道 11的排放開口 13，氧氣從出口 33和/或從充氣區(qū)空間23進入這些次級 通道。所送給的氧氣總量應是燃料完全燃燒所需要的氧氣量的0.6至2.0 倍。送給到燃燒器系統(tǒng)的氧氣的量必須足以使得能維持燃料的燃燒，且 必須足以使燃料充分燃燒，使得由燃燒產(chǎn)生的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物(即煙道氣) 的一氧化碳含量低于100 ppm。如將在下文中更完全地描述，氣態(tài)氧化 劑的送給也調(diào)整為使得由燃燒形成的NOx的量被最小化。
進行燃燒的優(yōu)選模式，且特別是以多種總氧氣濃度修改燃燒條件 (特別是總氧氣密度)如下所述。
對于以低于21%體積百分比的總氧氣濃度的燃燒，用于燃燒的總氧 氣的部分作為初級氧化劑通過空間48引入，且完成燃燒過程所要求的 剩余氧氣被引入到充氣區(qū)空間23內(nèi)，從充氣區(qū)空間23,剩余氧氣通過 次級通道11且離開排放開口 13。此布置將燃燒以降低火焰峰值溫度的 方式分階段，且因此降低了 NOx的排放率。
對于以大于或等于21%體積百分比且小于28%體積百分比的總氧 濃度的燃燒，如下過程的一個是優(yōu)選的
一個優(yōu)選的過程是將氧化劑通過空間48和50送給，且通過添加氧 氣(優(yōu)選地作為至少90%體積百分比純度氧氣的流)到送給到空間50 內(nèi)的氧化劑中來升高此氧化劑流的氧氣濃度，然后將作為結(jié)果的混合物 送給到空間50內(nèi)。如果希望，則通過空間48送給的氧化劑的量降低或 消除。完成燃燒過程所要求的剩余的氧氣在氧化劑中供給，該氧化劑送 給到充氣區(qū)入口 27內(nèi)和用于空心主體31的入口 32內(nèi)，從此處該氧化 劑進入次級通道11且流出排放開口 13。由于作為添加高純度氧氣的結(jié) 果消除或顯著降低了氮含量，結(jié)合由從次級通道11送給的氧氣所提供 的分階段效果，降低了NOx排放率。
對于大于或等于21%體積百分比且小于28%體積百分比的總氧濃 度的第二個優(yōu)選過程是將氧化劑送給到空間48且通過空間48而不送給 任何氧化劑通過空間50，且通過次級通道11將完成燃燒過程所要求的 剩余的氧氣從充氣區(qū)空間23且從空心主體31送給。因為與以上的第一 實施例相比在燃料流中且在從空間48出現(xiàn)的流中的較低的氧氣濃度，火焰基部的溫度傾向于較低。因為此事實，NOx的排放率預期為更低。 對于以大于或等于28%體積百分比的總氧濃度的燃燒，如下的運行 過程的一個是優(yōu)選的
(a) —個優(yōu)選過程是通過空間50送給氧氣而不通過空間48送給 任何氧化劑，且將完成燃燒所要求的剩余的氧氣送給到充氣區(qū)空間23 內(nèi)和空心主體31內(nèi)，使得剩余氧氣通過次級通道11且燃燒。在通過充 氣區(qū)引入的氧化劑內(nèi)的氧氣量逐漸地降低，而通過空心主體31和出口 33引入的氧化劑中的氧氣量逐漸增加。通過次級通道引入的總氧氣基于 燃燒過程要求確定。因為不存在氮氣或至少顯著地降低了隨氧氣引入的 氮氣的量，結(jié)合由從次級通道送給出的氧化劑流所提供的分階段效果， 降低了 NOx排放率。
(b) 第二優(yōu)選過程是將氧氣送給到空間48內(nèi)且通過空間48，且將 完成燃燒所要求的剩余的氧氣送給到充氣區(qū)空間23內(nèi)和空心主體31 內(nèi)，使得剩余氧氣通過且離開次級通道11。通過充氣區(qū)23引入的氧氣 的量逐漸降低而通過空心主體31引入的氧氣的量增加。通過次級通道 引入的氧氣的總量基于燃燒過程要求確定。因為消除或顯著地降低了在 氧化劑送給流中的氮氣，結(jié)合由從次級通道送給氧氣所提供的分階段效 果，降低了 NOx排放率。
(c) 第三過程是僅通過入口 50和32送給氧化劑或高純度(至少 90%體積百分比)氧氣而不通過入口 48和27送給任何氧化劑。因為消 除了其他氧化劑流，結(jié)合由從出口 33送給的從次級通道出現(xiàn)的流所提 供的分階段效果，NOx的排放率降低到最低水平。
NOx控制
在本實用新型的方法的每個階段中，氣態(tài)氧化劑到燃燒器系統(tǒng)的各 出口的流動被調(diào)整，使得NOx的產(chǎn)生被最小化。在此披露的本實用新 型的燃燒器設計使得能在多種燃燒條件的任何條件下建立低的最小化 NOx排放水平。為最小化在燃燒期間的NOx產(chǎn)生，可以使用一個或多 個如下的方法
將氧氣含量在從空間48和50送給的氧化劑流和從次級通道送給的 氧化劑流之間分階段；
僅當燃燒器以高于20.9%體積百分比的總氧氣濃度運行時將至少 90%體積百分比的氧氣送給到空間48和/或50 (因此最小化了在這些流
18中的氮氣含量)；
次級通道11全都形成相對于第一通道4的軸線發(fā)散的角度。 可以通過改變?nèi)缦聟?shù)的一個或多個來完成分階段和分階段的程
度
從空間48出來的流和由充氣區(qū)送給的流的流量和氧氣含量之間的 比值，
從空間50出來的流和從空心主體31及其出口 33送給的流中的氧 氣流量的比值；
次級通道11的發(fā)散角度的幅值；
次級氧化劑排放開口 13的中心和燃料管45的中心之間的距離；
排放開口 13的個數(shù)；
離開次級通道11的流的速度和動量。
對于較高的分階段的程度預期了較低的NOx排放率。分階段極限 由每組燃燒條件的最低NOx和CO排放率下的火焰穩(wěn)定性確定。本實用 新型能以在從60至500 kW/m的范圍內(nèi)的著火密度運行。
優(yōu)點
在此披露的燃燒方法和設備允許燃料與呈現(xiàn)從由促進火焰穩(wěn)定性 所要求的最小量直至100%的總氧氣濃度的氧化劑流燃燒。
另一個顯著的優(yōu)點是，任何或所有氧化劑流的氧氣濃度和送給率可 以在燃燒繼續(xù)時改變，即不中斷和再次開始燃燒。
另外，本實用新型產(chǎn)生了滿意的低CO排放。
本實用新型的其他優(yōu)點包括如下
本實用新型以在氧化劑內(nèi)的在從20.9%體積百分比(或如果火焰穩(wěn) 定性可以實現(xiàn)則更低)直至100%體積百分比的范圍內(nèi)的任何氧氣濃度 下促進了燃燒過程，且在正在進行的燃燒期間使氧氣濃度改變。
本實用新型促進了在所送給的氧化劑中的每個氧氣濃度水平下的 最小化的NOx排放率，使得具有可接受水平的CO生成。
本實用新型最小化了在與實際工業(yè)熔爐相容的著火密度下，即在從 60至500 kW/m的范圍內(nèi)的著火密度下實現(xiàn)的NOx排放率，使得具有 可接受水平的CO生成。
本實用新型避免了提供一個以氧氣點火燃燒且一個以空氣點火燃 燒的兩個分開的加熱站的需要，以適應呈現(xiàn)同傳熱率的情況。本實用新型的其他的優(yōu)點在運4t應用中顯現(xiàn)。例如，產(chǎn)量改進可以 在其中關(guān)心氧化的應用中獲得，例如鋁的熔融和鋼的再加熱。
在例如加熱和保持運行的整個步驟次序中，燃料消耗率是低的且是
優(yōu)化的。
獲得了更好和更均勻的熱傳遞和溫度分布。 例子
在金屬熔融過程中，給定目標溫度(其可以涉及裝填溫度，或產(chǎn)品 溫度，或熔爐耐火溫度，或煙道氣溫度，或它們的組合)可以對于在送 給到燃燒器系統(tǒng)中且在此燃燒的氧化劑流的不同氧氣濃度實現(xiàn)。為實現(xiàn) 最佳性能(在此情況中為快速熔融速率)，對于熔融階段施加純氧氣是 合適的。然而， 一旦熔融階段完成，在燃料燃燒中使用純氧在經(jīng)濟上是 不合理的。根據(jù)本實用新型，在送給到燃燒器系統(tǒng)中的且在此燃燒的氧 化劑流中的總氧氣濃度降低到足以保持金屬熔融和熱的水平。
另一個例子，是如果包的耐火襯里必須保持在給定的溫度下長的時 間期間，則燃燒器系統(tǒng)可能以將在此給定的溫度下維持燃燒的最低總氧 氣濃度運行。當需要增加包襯里的溫度時，總氧氣濃度增加(運行中) 到最經(jīng)濟(最小化成本)水平，這以希望的速率升高了溫度。因為能以 相對地低的峰值火焰溫度(通過以送給相對低的總氧氣濃度進行燃燒而 獲得)在新的耐火襯里內(nèi)促進干燥和固化，和在用于接收和保持熔融金 屬的包內(nèi)的短的加熱循環(huán)(由以相對地較高的總氧氣濃度燃燒而獲得的 較高的傳熱率)，獲得了改進的包耐火加熱和預加熱和延長的耐火壽命。
使用本實用新型的方法的另 一個例子是在用于加熱鋼板的連續(xù)或 非連續(xù)的鋼再加熱熔爐內(nèi)。為吞吐量增加，即加快，當要求最大吞吐量 時，本實用新型可以通過燃燒燃料與具有高的總氧氣濃度的氧化劑流來 使用。如果吞吐量要求降低，則總氧氣濃度的降低量基于新的較低的需 求。這允許燃燒器系統(tǒng)以穩(wěn)定的速率運行(不通過高火和低火模式)， 這將維持穩(wěn)定的熔爐溫度。
簡單的定量例子可以在包預加熱應用中給出。優(yōu)選的實踐是在熔融 金屬送給("流入")到包內(nèi)之前快速地預加熱包。預加熱增加了耐火 材料的壽命(以避免/最小化熱沖擊)且最小化流入到包內(nèi)的熔融金屬的 溫度下降。為快速加熱，以高的總氧氣濃度的燃燒是最合適的應用。如
果包預加熱站使用了僅在氧氣燃料燃燒(氧化劑中100%的氧氣)和空
20氣燃料燃燒(僅以空氣作為氧化劑的燃燒)之間切換的氧氣空氣燃燒器， 則通常運行將在加熱循環(huán)中在氧氣燃料模式下運行燃燒器以快速加熱
包耐火襯里且使得包在短的時間期間內(nèi)可用于熔融區(qū)(melt shop)。當 在熔融區(qū)中存在延遲時，包置于"保持"且燃燒器將以空氣(在氧化劑 中20.9%體積百分比氧氣濃度)運行。如果突然要求以要求的凈能量為 IO分鐘內(nèi)lMMBtu (293 kW)的方式加熱包耐火襯里，則燃燒器可以 切換到氧氣燃料模式且間歇地運行，即當實現(xiàn)設定點時關(guān)閉且當包耐火 襯里的溫度下降時開啟。此運行將導致包耐火襯里的熱應力，從而降低 其使用壽命。此外，此類運行也導致控制系統(tǒng)上的閥的問題(例如疲勞) (因為頻繁重復的間歇的開啟/關(guān)閉運行)。
以本實用新型的方法，燃燒器系統(tǒng)可以以如下條件運行。假定燃燒
器額定為著火10MMBtu/h (2930kW),如果凈能量要求為IO分鐘內(nèi) 1 MMBtu且燃燒器額定為在IO分鐘內(nèi)輸送1.7MMBtu( 500kW) ( 10 MM Btu/h x 10分鐘/60分鐘)，這代表著10分鐘運行的60 %的熱效率 (或可獲得的凈加熱)。已知煙道氣溫度將為1200 。C,則在對應于60 %的可獲得凈加熱的送給的總氧化劑中的氧氣濃度確定為40 %體積百 分比。因此，在此描述的燃燒器將通過以包含40%體積百分比的氧氣的 氧化劑流燃燒燃料來穩(wěn)定地運行，這將促進包耐火襯里內(nèi)的溫度的平穩(wěn) 增加，因此避免了不需要和不希望的熱應力。
如果因為生產(chǎn)進程要求需要再次改變加熱率，則相同的過程將付諸 于實踐，即在送給到燃燒器系統(tǒng)內(nèi)的氧化劑流中的總氧氣濃度在運行中 變化，從而避免了熱傳遞的突然改變?？傃鯕鉂舛瓤梢宰兓瑫r燃燒正 在進行而不中斷燃燒和提供任何希望的總氧氣濃度的水平的事實帶來 的經(jīng)濟性優(yōu)點，因為燃燒系統(tǒng)可以總是在最小成本條件下運行，同時促 進在特定的總氧氣濃度下的最低NOx排放。
權(quán)利要求1. 一種燃燒器系統(tǒng)，其特征在于包括燃燒器主體和燃燒器塊，其中(A)燃燒器主體包括充氣區(qū)主體，其具有封閉了充氣區(qū)空間的背表面和側(cè)表面，其在其前方打開在單平面的充氣區(qū)開口內(nèi)，充氣區(qū)開口由所述的側(cè)表面的前邊緣限定，在所述的充氣區(qū)主體的背表面或側(cè)表面內(nèi)的送給入口，氣體可以通過其送給到所述的充氣區(qū)空間內(nèi)，第一空心主體，其完全地位于所述的充氣區(qū)空間內(nèi)且關(guān)閉防止氣體在所述的充氣區(qū)空間和所述的空心主體內(nèi)部之間通過，其中空心主體不延伸通過所述的充氣區(qū)開口，通過所述的空心主體的表面的送給入口，氣體可以通過其送給到所述的空心主體的內(nèi)部內(nèi)，
專利摘要本實用新型涉及一種燃燒器系統(tǒng)，其特征在于包括燃燒器主體和燃燒器塊，其中(A)燃燒器主體包括充氣區(qū)主體、送給入口、第一空心主體、2至16個通過所述的空心主體的表面的出口、第一管、位于第一管內(nèi)的第二管、位于第二管內(nèi)的第三管、用于接收氣體到第一管和第二管之間的空間內(nèi)的送給入口、用于接收氣體到第二管和第三管之間的空間內(nèi)的送給入口、和用于接收燃料到所述的第三管內(nèi)的送給入口；和(B)燃燒器塊包括前表面和后表面，延伸通過塊的第一通道，第一通道包括筒段、具有上游端和下游端的喉段、漸縮段、口段和多個次級通道。也披露了以其可以實踐本方法的燃燒器。
文檔編號F23N5/00GK201242149SQ20072019428
公開日2009年5月20日 申請日期2007年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月4日
發(fā)明者A·塔斯卡, F·D·A·德索薩, W·T·小林 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司