CN1009484B

CN1009484B - 气体喷燃器

Info

Publication number: CN1009484B
Application number: CN 85104775
Authority: CN
Inventors: 维克托尔·利特利·Jr; 查理斯·L·托马斯
Original assignee: Asarco LLC
Current assignee: Asarco LLC
Priority date: 1985-06-20
Filing date: 1985-06-20
Publication date: 1990-09-05
Also published as: CN85104775A

Abstract

高速气体喷燃器，通过协调燃烧室与喷燃器其它部分尺寸之间的关系，具体而言，是燃烧室直径与火焰保持段出口直径之比值，和燃烧室有效长度与燃烧室直径之比值，使本喷燃器能在较宽工作范围内提供高稳定性的火焰。

Description

本发明所涉及为具有高度火焰稳定性的高速气体喷燃器。具体而言，本发明所涉及的这种高速气体喷燃器，在很宽的工作范围内增强了火焰的稳定性，可适用于熔炉或其它类似的设备。

工业部门所迫切关注的一个问题，就是对于能够高效率地进行加热和熔化作业的燃烧器的需要。特别是在能源价格不断上涨而燃料供应日见短缺的今天，更是如此。与此相应，现在所需要的是这样的燃烧器：无论是大吨位的熔炉还是小吨位的炉子，都能使用。而且能保持生产出可被市场所接受的熔炼金属产品，亦即没有杂质的产品。

本发明所提供的这种气体喷燃器可以用于数种不同的熔炉或需要高温的其它设备。这里所给出的气体喷燃器已被证实可有效地用在诸如美国专利3199977号里所描述和图示的立式熔化炉等类熔炉。该美国专利的颁布日期是1965年8月10日。发明者为阿尔伯特·J·菲利浦斯（Albert J·phillips）等人。在该美国专利中，这些气体喷燃器通过炉体侧壁上的一个个孔插入炉内，并借助于螺栓将每一喷燃器的安装面紧压在炉子外壳上，以此来保证大体上的气密安装。但是，该专利以及与其有关的其它几项专利中，都未提出任何方法来加强装在熔炉上或其它高温加热设备上的这些喷燃器的火焰稳定性。例如我们可以参看美国专利3701517号，3715203号，3788623号，以及在这些参考文献中所引用的以前的一些技术手段。这些文献给出了若干种气体喷燃器的设计，此外还讨论了一些喷燃器的燃烧室系统，见于美国专利3299940号，4211555号，4301997号，4309170号和4311519号，以及加拿大专利1100029号，西德公开专利说明书DE-OS2946120号。

如何在大范围变动的工况下保持火焰的稳定性，一直是燃烧器技术中的一个难题，特别是当用于象菲利浦斯等人提出的那种立式熔炉时更是如此。在本发明的一种喷燃器设计中，火焰既在燃烧室的内部燃烧又在它的外部燃烧，燃烧室内部火焰的形状由燃烧室的形状决定，而外部火焰的形状则基本成圆锥形。这种喷燃器，在典型的情况下，其点火段内设有一根点火棒，而燃烧室的半径要大于点火段的出口。火焰被保持在紧靠点火棒的下游处，向流过的未燃混合气体传播。在点火段与燃烧室的连接处，形成了环状的肩部，也对火焰起到附加的保持作用。这样一来，就建立起了两个火焰前峰：一个由点火棒传播出来，另一个则从环形肩的火焰保持区传播出来。

然而糟糕的是，由环形肩部传播的火焰可能是不稳定的，这是因为火焰并不完全形成于该肩部，因而在肩部的区域产生了黑点或冷点。这种火焰便会成为闪烁跳动的不稳定火焰，当用于立式化铜炉时，在肩部产生的冷点处还会有金属铜沉积出来。这些在燃烧室中沉积的铜和/或不稳定的火焰会对炉子的运行发生不利的影响，造成熔过的铜材不纯净，甚至有可能要停下炉子进行清除工作。这种火焰的不稳定性在开炉的时候，即炉子和喷燃器都处于冷态时尤为严重。甚至在“稳态”的运行工况下，这种不稳定性也仍然存在。

上述问题在立式熔炉技术中一直很严重，特别是对于中等容量的炉子，即每小时小于20短吨者，这类炉子要求当下调率超过2.5∶1时，仍能保持喷燃器中火焰的稳定。这里用到的“下调”的意思，是指通过减少供给喷燃器的燃料-氧气混和气来降低炉子的熔化率。对于一台最大设计能力每小时20短吨的炉子来说，下调率为2.5/1可使产量低至每小时8短吨，即20/2.5＝8。要使炉子在这样宽的运行范围内正常工作;就需要喷燃器能在这样的下调范围内保持稳定的火焰。假如在低产率的情况下火焰不能稳定，则熔化了的铜将混入杂质，燃烧室内会有金属沉积，还会出现其它一些问题。

例如，小容量的炉子通常只沿周边布置一排喷燃器，而认为再加上一排喷燃器只能造成多余的熔化能力。这样，当把炉子的熔化速率调下来时，便会带来问题，即无法避免金属在炉内的“塌落”和凝结。在小型熔炉中仅靠一排喷燃器而要获得均匀的热量分布一直是个难题。这些单排喷燃器的熔炉中常见的问题是，在最大熔化率时，金属很容易悬在喷燃器之上而出现金属悬空现象，使得未熔化的金属装料不能从较大直径的上部下落到直径缩小的炉底部分。这种现象会导致金属含氧高，温度分布不均匀，以及炉子的“啸叫”。此外，这种热量分布不均匀的结果;还会产生“亏料”现象，即在炉子底部缺少金属的装料。这一现象会导致耐火材料的过热，金属熔化温度的大幅度变化，以及在热量输入最大或接近最大的时候，发生金属流动的剧烈波动。在双排燃烧器的炉子里，或既使在单排的炉子里，长时间的下调可能会使金属由于燃料供给减少即热量输入减少而变“软”，结果使得金属逐渐在炉内发生塌落。

本发明的目的，就是要提供一种高速气体喷燃器，它可以在很宽的工作范围内保持高度的火焰稳定性。其它的一些目的则可从以下的叙述中清楚地看到。

具体而言，本发明是一种经过改进的熔炉气体喷燃器，其组成部分包括：进口，用以有效地向喷燃器供给混有气体（空气）的氧气流和燃料流;混合段，用以混合掺有气体的氧气流和燃料流;火焰保持段，以点燃混合气，以及基本是圆筒形状的燃烧室，以保持并加强燃烧。改进之处在于：相对于喷燃器其它部分的大小来协调燃烧室的尺寸，以使喷燃器在具有2.5/1的下调率时，能保持稳定的火焰和在此范围内平稳而充分的燃烧;延长喷燃器耐热瓦的寿命;使由于在燃烧室中有“冷”点而造成熔化金属的掺杂程度降至最低;以及其它一些益处。

燃烧室基本上呈圆筒状，其耐热瓦体总长为L_T，其“有效长度”即从燃烧室与火焰保持段（肩部）接合处起到燃烧室另一端的衬瓦的长度为L_E，其直径为D_S，该直径对整个燃烧室来说，基本上保持不变燃烧室的处部有耐火瓦的外壳，二端均开有孔，。圆形孔最好，以给燃气提供进口（D_F）和出口（D_S）。燃烧室通常由耐高温材料制成，最好采用sic。进一步来说，燃烧室要能够适于在内部燃烧进入它的燃料和掺有空气的氧气，又能沿燃烧室有效长度持续保持对预定温度大体均匀的温度梯度，该预定温度定为2800°F左右较为适宜。为获得这种性能，在燃烧室的设计中要处理好几项重要的关系：（1）燃烧室直径D_S与临近的火焰保持段的出口直径D_F之比，应在1.35至1.70之间，最适宜的值是在1.43左右;（2）有效长度L_E与燃烧室直径D_S的比值，在1.2至3.70之间，最佳值大约是1.56或3.0。对于一个较好的实用方案，喷燃器总体设计将把燃烧室总长L_T与有效长度L_E之比，控制在大约1.2到2.00之间，最好在1.47左右。所谓有效长，也即由燃烧室与火焰保持段结合处至燃烧室出口的耐火衬瓦的总长度。

尽管我们说喷燃器带有混合段50，但熟悉喷燃器技术的人都会懂得，燃料与空气也可以在喷燃器外边混合，再导入点燃段或火焰保持段51而进入燃烧室52。这里公开介绍的几个采用这种布置方式的喷燃器，其作用结果都一样，即在较宽的工作范围内提供稳定的火焰。

本发明中的喷燃器特别适于小容量的立式金属熔炉即每小时产量20短吨左右或更少些的熔炉，组成为一个耐火砖衬砌的基本为圆筒状的炉室，带有多个喷燃器，沿周边布置，离炉子下端部有一定距离，每一喷燃器均可提供足够数量的能量，一般在0.7到1.8×10⁶英热单位/小时。这些炉子的设计思想是要有效地分配热量来均匀地熔化不断下降的固体装料（最好是铜阴极或铜屑），而不会发生炉内堵塞或金属冷固等现象。对大容量的炉子，则可采用大些的喷燃器。

本发明还提供了另外一些能在宽工作范围内保持火焰稳定性的喷燃器，其能量水平可达50×10⁶英热单位/小时，甚至更高。适宜的范围是2×10⁵到20×10⁶英热单位/小时，例如可以用30×10⁶英热单位/小时，最好在0.7-10×10⁶英热单位/小时之内，或是5×10⁶英热单位/小时左右。

图1为放大了的喷燃器的纵剖图，以说明其整体。

图2是本发明优先推选采用的燃烧室剖视图。

图3所示为一立式熔炉的全套装置。

图4是熔炉的纵剖图，以及图3中所示炉身的一部分，带有部分喷燃器装配图，而略去了燃料供给管道。

如图1所示，喷燃器本体3具有一个混合段50，以将燃料流和含氧的气体（空气）流合为一股，并导入火焰保持段51。本体部分还包括燃烧室段52，该段在图2中显示的更为详细，它装在法兰53内，靠着火焰保持段51的肩部54。点火棒58可以装在喉部内。普通的电火花塞59装在点火段51的侧壁上，其内端头靠近点火棒58，用来点燃混合气流。喉部与点火棒58的结合，对燃烧室52内混合气流的燃烧起着至关重要的作用，当燃料流速很高时更是如此。点火段51上还开有孔69和70，以对混合气流取样。

混合段50有一环形歧管部分60，套管61，弯管62，量孔板63，以及带有透明镜片65的观察孔64。套管61抵在管段50的左端和肩66上，与环状部分60配合形成两股流体中较小那股（通常是燃料流）的支管，将其由管36通过孔67导入混合室68，可以由选择孔67的大小和沿套管周边的排布方式来控制进入混合室的流体。另一股较大的流体则由管29通过板63上的孔和弯管段62进入混合室68。

喷燃器在工作时，欲混合的二股流体中较大者通过量孔、弯管、进入混合室，从而到达喷燃器内部;该股流体的精确成分可以用美国专利3199977中所给的方法加以确定。

图2详细地表示出了装在耐火炉墙5上的喷燃器燃烧室52的优选结构形式。燃料与空气的混合气流穿过火焰保持段51，流过点火棒58，混合气在该位置被火花塞59或其它有效的点火方法点燃，然后进入燃烧室52。

燃烧室52最好是一个大体上完整的圆筒，从其与邻近的火焰保持段51接合部形成的肩部99一直延伸至漏斗状出口96的起始端，即图中距离94。在该起始端，燃着的气体进入炉内熔化金属装料。如图所示，燃烧室52由喷燃器衬瓦49所形成，该瓦体最好采用碳化硅制成，燃烧室还包括一薄壁圆筒状衬套90。该衬套90的预定尺寸均匀壁厚通常为1/2英寸左右，用坚硬、致密、耐磨的耐火材料制成，最好也是碳化硅，它可以长时间地耐受2800°F的高温。尽管我们倾向于采用可动的sic衬套，但在本发明极为广泛的实施方案中，也可以将整个喷燃器瓦体结构与衬套铸成一体或用类似的方法作成一体，只要结构与前边给出的各尺寸比例相吻合就可以获得相似的效果。采用衬套可以很容易地更换被侵蚀或磨损的部分，同时也可以来改变燃烧室的尺寸以满足用于不同吨位炉子的需要。前边说到的衬套的“预定尺寸”是指衬套壁厚的基本均匀一致。衬套应与直径92所示燃烧室膛孔同轴，并用氧化胶等粘在边上的瓦体49上。

已经发现，当包括衬套90在内的燃烧器耐热瓦体49的尺寸与燃烧室的几个重要参数匹配时，喷燃器就在一定工作范围内保持良好的特性。这些参数是：（1）燃烧室直径95（即D_S）与火焰保持段出口直径97（即D_F）之比;（2）有效长度L_E与衬套直径（D_S）之比。在一优选实施方案中。喷燃器的尺寸设计还与耐热瓦体总长100（即L_T）对“有效长度”94（即L_E）之比值相协调。L_T是耐热瓦体49入口处到燃烧室中心线与耐热瓦体49出口平面交点的距离，而L_E则是从燃烧室与火焰保持段的结合处（肩99）到衬套层在燃烧室出口端部这一段耐热衬料的长度，这几个特别的参数和比值所以如此重要的原因还未得到充分的了解，但已经得出了下述的理论，尽管对于申请者而言并不希望因此而受到束缚。

D_S/D_F这一结构关系的作用是控制燃料混合气在流出火焰保持段而进入燃烧室时的扩散程度。这种有控制的扩散使点火得以实现而且把火焰保持在由火焰保持段与燃烧室所形成的肩部上。原有的技术中，喷燃器的燃烧反应常常要到达燃烧室的中部才得以进行。这种情况据信是由于高速燃气流刚刚进入燃烧室便骤然扩散而造成的。让人惊奇的是，现已确定适当地对应选择燃烧室与点火段的尺寸关系（D_S/D_F）便可以提供并保持“稳定的”火焰，从而使喷燃器的熔化能力保持在最佳的水平，获得一种基本上根据对流的机理来熔化金属的火焰。

保持稳定的火焰这一点是人们所特别希望的，因为长而不稳定的火焰正是燃料和氧燃烧的不充分的表现。这种火焰会使燃烧室内沉积大量的铜，而使铜的含氧量上升至不期望的程度。相反，短而稳定的火焰，表明了燃烧室内进行的是基本完全的燃烧。不完全燃烧的进一步后果，是耐火材料温度的大幅度变动，耐火材料的不均匀损耗，并进而导致其寿命缩短。

已经发现，燃烧室与火焰保持段出口的直径比（D_S/D_F）的适宜范围，大约在1.35～1.70左右，如在1.40～1.45间更好，例如可取1.43。

喷燃器有效长度L_E与衬套直径D_S之比，也被发现是喷燃器的一个重要的性能参数。这种看法的事实根据是这一比值保证了燃烧室的合适的几何形状与尺寸，而这种适宜的几何特性既加强了燃烧又保持了沿该有效长度的壁面的加热。人们发现，这一比值又取决于喷燃器的工作能量范围（BTU/小时），一般说，这一能量范围高，则该比值应较低。因此，可以满意地用于本发明的该值范围是1.2～3.7。当L_E/D_S比值位于1.85～3.70间时，特别是，对于低于10×10⁶BTU/小时的喷燃器，如处于0.5×10⁶～4×10⁶BTU/小时间的小型喷燃器来说，该比值在2.5～3.5之间，例如取3.0时，获得了最好的结果。对于诸如大于10×10⁶BTU/小时的大型喷燃器，这一比值最好在1.2～1.7左右，如可选用1.3～1.6。

燃烧室耐热瓦体全长（L_T）与“有效长度”L_E的比值（L_T/L_E）基本上决定了要多长的衬套才能使每一具体的喷燃器得到所期望的结果。当这一比值在大约1.20～2.00之间时，得到了最好的结果。这时所用的优选设计形式为耐火瓦体有11英寸长，带有长约6～9英寸的sic衬套。衬套长度最好是7英寸，这时该比值为1.47。

熟悉本门技术的人不难理解，D_S，D_F，L_E，L_T等参数的绝对数值要根据所需喷燃器的大小（BTU/小时）来变动，但要保持这里所说的几个比值。总的来说，喷燃器输出热量越多，D_S，D_F，L_E和L_T的数值便越大。

另一个重要的系统参数是燃烧气体通过燃烧室的流速。令人惊奇的是，这里所述的气流速度，当获得最佳效果时，其值差不多比以前的喷燃器中气流速度要大两倍。据信这是由于为使喷燃器的尺寸与上述几个比值协调一致而做了一些调整，并且加剧了燃气的燃烧。

这样，按照本发明为使喷燃器尺寸适当而对其进行的调整便有助于改进下调率大约为2.5∶1这一范围时的火焰稳定性，进而降低熔化铜的不纯净度，并大大减轻燃烧室的磨损。

图3和图4表示了立式熔炉1，出流槽2，和相应的管道所构成的整体。这些管道用来为二排沿周边布置的喷燃器提供燃料和含氧气体（空气）。如图4所示，炉体1在其内墙和底部砌有耐火衬层5，外边由外壳6所包裹。外壳6由某种适宜的金属制成，最好用钢材，用焊接等方法很好地组装以后造成基本气密的结构。炉体侧壁上开有若干个孔7以安装燃烧器3。如图4所示，炉子侧壁靠下边的部分向下内倾斜，而炉底9则向出流口10倾斜，后者再通向出流槽2。

现在请看图3。空气由鼓风机11流出，以某一所需要的正压流经管道12到控制阀13，向支管14送风。由支管14，空气再以所需的正压由保温管道提供给各个喷燃器3。由某个适宜的来源提供的气体燃料，以所需的正压流经加温管道15。管道15带有加热器16，热量可以由任一适宜的方式提供，例如可以用电热或燃烧产物换热，以将燃料预热。经预热的燃气接着流过保温管和控制阀16A，到达各个喷燃器3。这些喷燃器也可以加以保温以防热量损失。喷燃器3插入炉壁上的各个孔内并用插头17将每一喷燃器的安装平面18压紧在炉壳6上将其固定住，并形成基本气密的结构。这种结构，加上喷燃器本身的封密结构，基本上可以防止由喷燃器孔向炉内流入额外的空气。如前所述，炉壁上装有的若干个喷燃器，彼此间是按预定的空间关系排列好的。

有关典型的立式熔炉和喷燃器的细节，可以在美国专利3199977号中找到，这里所引用的几处该专利的内容只作为参考。

图2给出了本发明的一个优选高速喷燃器的设计方案，其尺寸如下：喷燃器耐热瓦体49是方形的，每边长9英寸。该耐热瓦体49的衬套直径，D_S大约为2英寸，火焰保持段51出口直径D_F约为1.75英寸，D_S/D_F大约为1.43。喷燃器装有电火花塞59，用来给混合气流点火，还装有点火棒58以帮助保持在燃烧室52中的混合气的燃烧。从火焰保持段51的尾部到燃烧室耐热瓦体49尾部之间的有效长度L_E，为7英寸左右。瓦体长度L_T，大约为11英寸，使得L_T/L_E＝1.47。有效长度L_E与衬套出口直径D_S的比值L_E/D_S＝3.00。本喷燃器当用于美国专利3199977所述的熔化能力每小时20短吨左右的立式熔炉时，可以在下调率达2.5∶1时保持稳定的火焰。

参考图2，根据本发明设计，供热能力超过10×10⁶BTU/小时的大型喷燃器。要有约10英寸的衬套直径D_S，则出口直径D_F约为7英寸，有效长度L_E约16英寸，耐热瓦体总长L_T约23英寸。D_S/D_F的比值为1.37，L_E/D_S比值为1.56，L_T/L_E比值为1.45。这种喷燃器也能在下调率2.5∶1左右提供稳定的火焰。

Claims

1、一种气体喷燃器，具有2.5∶1左右的下调能力，而能保持稳定的火焰，并在该下调范围内保持平衡完全的燃烧，其组成部分为：一个混合段，用来混合含氧气的气流与燃料流；一个出口直径为DF的火焰保持段，用以点燃燃料与氧气的混合气；一个临近保持段的燃烧室，用来保持并强化燃烧过程，该室由耐火的喷燃器耐热瓦体制成，基本形式为一圆筒，直径为B_S，有效长度L_B，耐热瓦体总长为L_T。这种喷燃器的特点在于：喷燃器各部尺寸是相互匹配的，即：D_S/D_F在1.35到1.70间，L_E/D_S在1.2到3.7间。

2、如权利要求1所述之喷燃器，特点还在于燃烧室的尺寸彼此协调，其中L_T/L_E在1.2～2.0之间。

3、如权利要求1或2所述之喷燃器，特点还在于D_S/D_F之比值在1.40到1.45之间。

4、如权利要求1或2所述之喷燃器，特点还在地L_E/D_S在1.85到3.7之间。

5、如权利要求1或2所述之喷燃器，其特点还在于L_E/D_S在1.2到1.7之间。

6、上述任一条权利要求中所述之喷燃器，其特点还在于燃烧室与它邻近的火焰保持段，二者沿轴向在一条共同的中心线上。