CN101111716B - 火炬塔的燃烧方法和装置 - Google Patents

Abstract

高压空气以高速移动的射流的形式，而从安装在火炬塔内部周围的环上并放置在离火炬顶部预定距离处的喷嘴中排出来，并且射流下游的周围塔壁部分是穿孔的，带有允许大气进入的空气通道。高速空气运动导致较大体积的空气从大气进入塔中，使其上升到火焰区域，从而将提升火焰，并增强火焰区域中的空气和燃气的湍流混合。通过测量燃料气体和/或不合要求的化学物的质量流率的任何变化，并对空气流量控制阀进行相应的调整，以允许预定量的加压空气和/或大气进入火炬顶部，从而确定保证完全燃烧所需要的足够化学计量的氧气。柯恩达效应主体定位在火炬塔的开口端附近，以改善带有大气的空气供入流与可燃成分的混合，并提高控制火炬塔顶部的空气流动的金属结构元件上面的火焰的热度。

Description

火炬塔的燃烧方法和装置

发明领域

本发明涉及带增强的大气流动的燃烧塔或火炬塔的结构与操作，其用于燃烧不合要求的副产物流，以便释放到大气中。

发明背景

本发明提供了对PCT/US02/12443的公开申请WO02/086386中所公开的装置和方法的改进，其说明书通过引用而完整地结合在本文中。

不合要求的工艺副产物流的骤燃或辅助的开式燃烧通常用于将有毒气体和蒸汽氧化转换成较少有害的燃烧产物，以便释放到环境中。不合要求的产物和燃料的混合物被引导至火炬塔的底部，从而形成供入流，其上升到火炬顶部或塔出口处，在此处将燃烧区域中的混合物点火，以形成火炬或火焰。混合物的有效和完全燃烧并不总是能实现。当没有正确地管理工艺，这种工艺还会产生烟雾。烟雾可以是燃烧过程不完全，并且没有将有毒或不合要求的工艺材料转换成较少有害形式的指示器。烟雾还是一种可见的大气污染成分，并且其消除或减少是一贯的操作目标。

为了减少烟雾的产生，结合燃烧塔而安装辅助增压的空气和蒸汽系统在本领域中是众所周知的。低压空气辅助系统使用强迫通风来提供无烟操作所需要的空气和燃料混合物。通常安装在火炬塔底部的风扇，其提供了所需要的燃烧空气。蒸汽辅助的火炬系统使用蒸汽环和喷嘴将蒸汽注入到火炬顶部的燃烧区域中，在此处将空气，蒸汽和燃料气体混合在一起，以产生无烟火焰。在现有技术的某些系统中，同心的屏障或护罩包围火炬顶部或出口，以便将大气引导至上升的物质中，其被抽吸到燃烧塔圆筒所发出的气体中。

有助于燃烧的蒸汽和低压空气是常用的，因为同用于处置不合要求的副产物的备选措施比较而言，这两种系统在本领域中都被认为是通常有效的而且是相对经济的。然而，这两种现有技术的系统都具有各种缺陷和不足。低压空气辅助需要至少一个风扇的极大的资本支出，这种风扇必须专用于火炬塔。蒸汽辅助系统通常需要高级控制设备，具有相对较高的水电用量和维护/置换计划。连续操作需施加严格的维护计划和甚至备用系统，以防故障或大修要求。

对这些现有技术系统的改进，如WO 02/086386中所公开的是定位在歧管上的多个高压空气喷嘴，歧管定位在同心护罩和火炬塔出口的外部之间。相邻的表面或护罩是穿孔的，以增强大气流入到护罩和塔之间的间隙内。在实践中，发现这种结构对于消除或极大地减少烟雾是很有效的。然而，塔顶部的相关结构暴露于极端高温的燃烧气体中，导致设备缩短有效寿命。

基于WO 02/086386中所公开的现有技术的装置和方法的操作经验，已经发现，可增强供入流气体成分的燃烧，并抑制烟雾。然而，湍流气体中增加的热集中会缩短金属构件的寿命，这些金属构件被用于控制和引导供入流的气态流动和引起的大气流，以及高压和低压空气射流和相关的管道。因而，需要提供一种用于改进燃烧的装置和方法，其将延长制造火炬顶部的金属构件的有效操作寿命。

因此，本发明的一个目的是提供一种改进的操作塔的装置和方法，其将避免顶部构件附近的高温湍流气体的集中。

本发明的另一目的是提供一种用于控制加压空气质量的方法，以保证基于预定的实际化学计量要求而与供入流进行充分混合，以及不合要求的化学成分和燃料的完全燃烧。

本发明的又一目的是操作燃烧塔，使得燃烧区域升高到护罩和其它相关顶部构件以上，以便最大程度地减小在其最高温度下暴露于燃烧气体中的机会。

本发明的另一主要目的是提供一种用于增强火炬气体完全燃烧的装置和方法，其对于促进燃料和不合要求的化学物在无烟条件下的有效且完全的燃烧是非常有效的，其需要最小的维护，并且可适用于工业工厂操作中所预期的日益变化的操作条件。

本发明的另一目的是提供一种适合于供现有的燃烧塔使用的方法和装置，而无须极大地修改现有的塔圆筒和供入流成分输送系统。

词语“燃烧塔”和“火炬塔”在本申请中是可互换使用的。这里使用的大气指的是包围着塔的周围空气，并且不同于通过高压或低压管道加压输送和/或由喷嘴排放的空气。输送至喷嘴的加压空气源应该没有灰尘，以避免干扰喷嘴的操作。

发明概要

本发明的装置和方法提供了上述目的和额外的优点，其包含下面所描述的新颖元件与功能。

1、空气质量流量控制

在本发明的一个方面中，提供了用于控制燃料-空气比的方法，其通过将至少化学计量的氧气量输送到包含燃料和不合要求的化学物的供入流中，从而确保这些成分在燃烧塔顶部的完全燃烧。提供了流量计或其它测量装置，用来确认提供给燃烧系统的空气质量超过了保证供入流成分完全燃烧所需要的最少的化学计量的量。在一个优选的实施例中，流量计产生信号，最优选为数字信号，其与当前空气质量流量相对应。流量计信号输入给处理器，其可以是带程序的通用计算机。当所处理的信号指示足够量的氧气正输送到燃烧区域时，就将另一信号输出到流量控制机构。

流量控制机构可包括带有电子控制器的流量控制阀，控制器响应于电信号，例如，来自处理器的信号。这种阀控制器和相关的阀在本领域中是众所周知的。

本发明的这个实施例还优选包括分析机构，用以确定使供入流成分完全燃烧所需的化学计量的氧气需求。为了确定最小的提供充足氧气的空气量，以导致火炬塔供入流的燃料和不合要求的化学成分的完全燃烧，就提供了自动化分析机构，用于确定供入流成分的完全燃烧所需要的化学计量的氧气需求，这些供入流成分组成了待燃烧的不合要求的物质。对于任何给定的设备，可能供给火炬塔的不合要求的成分将是己知的，并且可确定其分析特征。分析结果输入到程序中，程序则提供预定的信号给阀控制器，从而在当前条件下提供所需的至少最小的空气质量流量。

自动化分析机构最优选结合带适当程序的通用计算机来使用，以提供相应的信号。合适的分析机构在本领域中是众所周知的，并且是商业上可获得的

在一个特别优选的实施例中，将与给定的燃烧塔供入流样本所需要的化学计量的氧气需求相对应的信号存储并传送至已校准的流量阀控制器，以允许在当前压力和温度条件下，所需要的加压空气质量流可以从中通过。

在本发明的另一优选实施例中，该装置包括空气流量控制阀，其被用于直接控制高压空气流动到燃烧塔中，并且还间接地控制被抽吸到塔上端的燃烧区域中的周围大气的量。控制阀的操作最优选能自动响应从带程序的通用计算机中接收到的数字信号。

在设备以相对于待燃烧的不合要求的化学物量基本稳定的状态下进行操作时，对燃料和不合要求的化学成分的分析需求不是频繁的，例如每月进行，并且只用来确认分析设备和流量控制阀的操作装置的稳定操作。

在塔供入流的成分没有发生发生变化和/或显著变化的那些现场操作中，可以更大的时间间隔来安排采样和校准检查。如果知道或预期供入流成分会以某种更大的频率发生变化，该频率依赖于与整个设备操作相关联的较少可预测性的变量，那么可以预定的时间间隔对供入流进行自动化采样。样本分析的结果存储在相关联的系统存储装置中，并同当前所供给的空气体积进行比较；确定任何调整，并将合适的信号发送给用于空气流量控制阀的电子控制器，从而将适量的氧气与供入流混合起来。

在设备中的操作状态导致不合要求的化学物的质量和/或类型波动的情况下，将需要更频繁的分析测试，以保证将恰当化学计量的燃料和氧气/空气量导入到燃烧系统中，以保证完全燃烧和烟雾的抑制。在这些操作状态下，来自分析机构的信号将通常输入带程序的计算机中，以便产生合适的数字信号，该数字信号则发送给用于促动流量控制阀的控制机构。如仪器和控制领域中的技术人员将领悟的那样，上游操作状态的波动可用于激励自动采样装置，以确定供入流成分的组成。

如本领域中的普通技术人员所理解的那样，进入塔中的空气体积流量和/或压力上的变化还将导致抽吸到系统中的大气体积变化，所述大气穿过塔或进入到位于塔外部和安装在塔出口附近的护罩内部之间的环形间隙内。这些体积和质量流率可利用沿用已久的公式进行计算，和/或在实验室试验或现场控制下凭经验确定。考虑到环境因素，例如环境气温、湿度和风等条件，化学计量的氧气/空气需求的计算将用于确立最小值，并且将应用设计倍增因子来增加实际的高压空气，以考虑环境因素和任何其它相关的外部因素。

在本发明的一个特别优选的实施例中，引导到火炬塔的加压空气用于产生低压区域，其将额外的大气抽吸到朝着塔出口移动的空气团和供入流中，以增强火炬供入流的燃烧。抽吸到系统中的大气量通过实验和/或经验进行确定，并且还结合通过空气流量控制阀而进入到系统中的高压空气的量一并进行考虑。

2、火炬塔空气射流

在一个方面，该方法和装置广泛地包括最大程度地减小火焰与火炬顶部的金属结构元件上的辐射热负荷的直接接触。这种效应通过提供不仅支持供入流完全燃烧，而且还用于提升火焰，并从顶部附近带走热量的增加的气流来实现。

在本发明的又一实施例中，高压空气增强器喷嘴安装在燃烧塔的内部，靠近塔出口，以便引导多股快速移动的空气射流朝着塔出口向上移动。火炬塔高于内部空气增强器喷嘴位置的一部分设有多个穿孔，其允许大气由于从增强器喷嘴发射出的快速移动的空气射流而产生的低压区域而流入到塔中的移动的气团中。

本文所用的词语″气流增强器″和″空气增强器″指的是一种喷嘴，其使用与压缩空气源结合的文丘里管，以便产生高速、大体积和低压力的气流输出。在美国专利4,046,492和6,243,966中描述了合适的装置，这些美国专利的公开内容通过引用而结合在本文中，并组成本申请的一部分。压缩空气被供给环形腔室或歧管，其包围文丘里管的狭窄喉部或高速区段。之后，通过歧管中的环状喉部引导压缩空气沿着文丘里管的内表面流向出口。从歧管进入的高压空气流通常与中心区段内壁的平滑的流线曲率相符，并且出口与柯恩达效应(Coanda)型面一致。这种顺应性的气流在文丘里管中产生了低压区域，其将大体积的空气抽吸到入口中，并且从增强器装置中产生所需的高速、大体积且低压力的空气输出。使用具有至少10∶1和高达75∶1，或甚至300∶1的放大率的空气增强器喷嘴是优选的。这同传统喷嘴的大约3∶1的放大率形成了对比。

适合于在本发明实践中使用的空气增强器喷嘴商业上可从俄亥俄州辛辛那提市的Exair公司、纽约Amhearst的Nexflow技术公司以及Artix有限公司获得，各公司维持带相应地址的网站站点。

在本发明的方法和装置的一个实施例中，多个高速空气射流或空气流定位在燃烧塔的内部，位于塔出口下面的位置。空气射流上面的塔部分设有穿孔，以允许塔周围的大气进入。从射流中发射出的高压空气在火焰区域的方向上移动，从而产生快速移动的空气的内部区域，其处于比周围大气气团更低的压力下。这种低压内部区域通过塔中的穿孔而抽吸大气，并产生在燃烧区域的方向上移动的更大气团。这种更大的气团被引导至燃烧区域中，以帮助混合，并在燃烧期间获得供入流的完全燃烧。

喷嘴优选安装在包围塔壁内表面的圆形歧管上，并通过穿过塔壁的管道而连接在高压空气源上。通过延伸至火炬塔壁的外面并穿过火炬塔壁的管道，可将高压空气提供给高压空气分布环形歧管和空气射流。从而在燃烧区域之前产生了无烟操作所需的湍流区域。

本发明实践中所使用的特定装置的构造可根据火炬气体速率和火炬顶部或出口的几何形状而变化。本发明使高压空气的使用更为经济。同现有技术系统中所使用的低压空气或蒸汽需求比较，所需要的压缩空气的体积相对较小。此外，管道和喷嘴不会受到蒸汽的负面影响。如上所述，压缩空气应该没有碎屑。

在本发明的一个特别优选的实施例中，塔出口被如同现有技术安装的护罩包围，火炬圆筒穿孔从空气增强射流垂直延伸到与周围护罩的下缘边相对应的位置。

3、柯恩达效应主体的安装

在本发明的又一优选的实施例中，柯恩达效应主体部件安装在塔出口上，以便进一步改进供入流中的空气和燃料以及不合要求的化学成分的运动模式，并增强与空气的混合，以促进完全燃烧。

本文所用的用语″柯恩达效应主体部件″指的是一种闭合面，其在具有放置在流体流中的表面轮廓或形状时，会导致冲击流体沿着表面而行进，从而当流体与表面接触的同时，提高流体的流率。

用于本发明的柯恩达效应主体部件通过一个、但优选两个相交的弧线围绕与燃烧塔轴线相对应的垂直轴线的旋转来限定。柯恩达效应主体部件是固体，并且其面向塔出口的下表面是向上弯曲的。下弧形表面通过具有比柯恩达效应主体的上弧形表面更小的直径的圆弧来限定，其导致类似松果的横截面构造。流体在柯恩达效应主体表面上的移动状态在本领域中是非常明确的，并且基于特殊的燃烧塔安装中所存在的实际尺寸和操作状态，可确定特定的外表面的构造。

根据本发明的实践，供料成分和从燃烧塔出口排出的任何辅助空气对柯恩达效应主体部件的上、下弯曲部分造成冲击，并以较高的速度沿着其外表面而滑动，从而产生低压空气的环境区域，其导致与周围大气相混合。实际的燃烧发生在柯恩达效应主体部件的上部分的区域和/或主体上面的空间内。这种操作方法减少了燃烧塔的上部分以及相关构件上的热负荷，这些构件包括例如同心护罩(如果存在的话)、支撑部件、歧管和相关的低压空气射流等等。

从现有技术中已经知道在燃烧塔的结构和操作中可利用柯恩达效应。现有技术的装置被称为″郁金香顶″(tulip tips)。在美国专利4,634,372中公开了这种装置的用途。已经发现，郁金香尖只是在有限的操作状态的范围内产生无烟火焰。当风状态不稳定时，郁金香尖是无效的，并且恰当的操作需要相对较高的气体流率。此外，由于在火焰和顶部的金属之间的较大接触面积，因此这些现有技术的装置具有相对较短的操作寿命。

柯恩达效应主体部件定位在塔出口的上面，在此处其以其下侧与供入流相接触，并在其上表面与快速移动的大体积大气和压缩空气相接触，压缩空气在塔和周围护罩之间移动。通过当从限制源中显露出的流体流沿着其接触的弯曲表面而行进时所发生的柯恩达效应，而实现了混合，并因此而在发生冲击之前转变其初始方向。如果空气流沿着略微弯曲的固体表面而流动离开空气流的初始方向时，这种空气流将沿着表面而行进，从而最大限度地增加了在流体流和弯曲表面之间的接触时间。根据流体的类型和操作状态，可改变曲率半径，其将保持最大的接触时间。如果曲率半径过于尖锐，流体流将保持暂时接触，之后分离并继续其流动。基于流体流的压力和流率，可作出经验性的确定。

本发明的柯恩达效应主体部件优选由多个固定在周围护罩上的径向延伸的支撑部件来支撑。这些支撑结构的构造和材料选择成可通过例如采用相对于空气流的流线型设计，而最大限度地提高其有效寿命。

特别优选的构造材料是由位于Tipton，IN.46072的HighPerformance Alloys公司售卖的商标为

的镍铁铬耐腐蚀合金。特别优选的产品是其具有很高的蠕变断裂强度。合金的化学平衡应该展现对渗碳、氧化和渗氮环境的优良抗性，以进一步减小由于金属构件长时间暴露于燃烧高温下而造成的故障和疲劳。在1200°F至1600°F的温度范围内长时间使用之后，选定的合金应该具备抗脆性。这种合金还应该适合于通过通常供不锈钢使用的技术进行焊接。

附图简介

以下将参照附图进一步来描述本发明的装置和方法，其中相似的元件用相同标号来表示，其中：

图1是火炬塔的顶部部分的横截面图，其显示了本发明一个优选的实施例；

图2是图1实施例的顶平面图；

图3是火炬顶部的侧视图，其显示了供不同设计的火炬顶部护罩使用的本发明的另一实施例；

图4是火炬顶部的侧视图，其显示了供另一不同设计的火炬顶部护罩使用的本发明的又一实施例；

图5是本发明的空气控制系统的示意图；和

图6是局部剖开的顶部侧面透视图，其显示了本发明的另一优选实施例。

本发明的详细描述

以下将参照图1进一步描述本发明，其示意性地显示了燃烧塔10的上部分，其终止于通向大气的出口或顶部12。塔设有一个或多个点火器14，当供入流离开塔出口12时，其用于以传统方式点燃可燃烧的供入流。在这个实施例中，同心的圆筒或护罩50定位在塔的上端部分周围，其中其上端54位于与塔出口12相同的高度。可燃烧的供入流16的成分和塔10、出口12及点火器的特定构造，可以是本领域中己知的任何构造，或未来研制的任何新的设计。

在图1所示的本发明实施例的实践中，高压歧管80定位在塔圆筒10的内表面附近，并且在围绕周边的间隔开的位置安装有喷嘴82，以便引导空气射流朝着塔出口12向上移动。在一个特别优选的实施例中，喷嘴82是空气增强器喷嘴，其能够利用相对较小的压缩空气体积产生非常大的移动空气体积。喷嘴82上面的塔壁部分设有开口或穿孔92，由于由喷嘴82所发射的快速移动的空气射流所产生的低压力区域，可通过该开口或穿孔92而被抽吸到大气。歧管80通过连接在高压力导管34上的导管86来供料。所使用的空气增强器喷嘴的数量将取决于塔的直径、供入流的体积、流率和其它变量，并且在本领域中是已知的。

在图1的实施例中，高压歧管30还包围塔10的外部，并且设有多个高压喷嘴32或其它出口，其各产生向上定向到塔出口和火焰方向上的空气射流。歧管30通过高压空气导管34来供料，高压空气导管34与稳定的高压空气源是流体相通的。在一个优选的实施例中，空气在大约30至35磅/平方英寸的压力下被输送到喷嘴。

如图2中所示，高压喷嘴定位在内部和外部歧管80和30上，内部和外部歧管80和30基于火炬塔的几何形状、火炬顶部和可燃烧的供入流的成分和其压力而以预定的量间隔开。

从图1中将可以理解，随着空气上升，压缩空气流在高速下从喷嘴32和82中的排放产生了在喷嘴附近的低压区域。空气被抽吸到塔，并且进入到塔10与护罩50之间的环形区域56中。这种被吸入的空气流提供了大体积的空气，其朝着火焰方向上升，并最终与热气体混合，以增强供入流中的燃料气体和不合要求的化学物的完全燃烧。混合是湍流式的，其进一步增强了供入流的完全燃烧。

为了保证足够的大气体积从高压喷嘴32和82的周围和下面区域流动，塔10和外部护罩50优选设有多个围绕其相应周边的间隔开的空气通道52和92。空气通道52，92的尺寸、数量和间距是针对特定安装场合的空气流需求来确定的。如果歧管具有会阻碍塔上方的供入流或塔与护罩之间的空气流动的尺寸和构造，那么就可提供额外的空气通道52，92，来保证足够的空气流体积，以提供增强在火焰区域进行完全燃烧和湍流所需要的体积。

顶部周围的护罩50还可用于由于金属和空气之间的较大温差而增加燃烧区域的湍流。反应区或燃烧区中的低压转移促进了无烟反应，并且还控制火焰周围的风。同从大气引入的空气相比，本发明实践中所使用的压缩空气的量是非常小的。根据环和喷嘴的构造，压缩空气体积对抽吸到塔和环形间隙中的大气的比率可以高达1∶300。

继续参照图1和2，多个间隔的叶片或导流片36选择性地设置以将空气流在塔10和护罩50之间的环形空间中引导。为了清楚起见，在图1-2中限制了图示的叶片数量。叶片可用于通过使膨胀空气团在该叶片所伸向其中的引导路径上移动穿过该环形空间56来提供火焰中间处更加均匀空气分布。在本发明优选实施例中，导叶连接至位于每个该高压喷嘴侧面的护罩，并且从垂直倾斜任意角度，该任意角度相当于空气射流从相邻喷嘴射出的角度。因此，在图示实施例中，将提供总共16个叶片，该八个高压空气排放喷嘴中每个喷嘴关联两个该叶片。该叶片可以是螺旋配置以将上升空气团向着塔边缘引导。

在另一优选实施例中，由导管42供料的多个低压的风控制喷嘴40，其围绕塔出口12的周边而间隔开。喷嘴40由低压空气源来供料。

如图1所示，喷嘴40与导管42上的下游降压装置45流体连通。备选地，可提供单独的低压歧管系统(未示出)。对于本领域内那些普通技术人员，其他备选装置用于该高压和低压空气供给和分布系统其中之一或者二者将是明显的。

风力控制喷嘴40用于减少大气压侧风可破坏火焰最佳燃烧模式的作用；以及用于推动二氧化碳燃烧产物远离该火焰以避免进一步不期望的反应。在优选实施例中，喷嘴40具有大约0.0625m/2mm的直径并且设置成以90°间隔绕塔顶部。该低压喷嘴40指向为与穿过塔开口的直径线成45°角。

在上述优选实施例中，歧管30与多个高压喷嘴32相配合。在备选实施例中，管形歧管30可加工或者以其他方式提供有多个方向性取向的出口以用于在喷嘴32的地方的高压空气的排放。这些出口优选地以大约45°的角度并且以与相邻塔表面相切的方向射出高压空气射流，即该空气射流的水平矢量与穿过出口的直径垂直。

本发明一个重要方面是使用空气射流，其从环境中导入大量的空气。所使用的主要装置包括分布环和喷嘴。分布环可具有安装在其表面上的喷嘴，或者射流空气可通过多个合适的配件而离开分布环。喷嘴的设计和类型经过选择，可产生高速的空气射流和相关的相对较低压的区域，其从燃烧区域附近导入大气，以促进供入流的完全反应。

现在参看图5的示意图，塔供入流导管70作为多成分气团而被允许进入燃烧塔10的下面部分。供入流穿过包括流率测量仪102的采样区域100，流率测量仪102可提供可见读数和通过线路104而传送到控制机构120的数字信号。来自采样区域100的供入流采样导管106将供入流的样本传递给处于预定间隔处的分析机构110。分析结果被转换成数字信号110，并通过信号线112而发送到控制机构120。带程序的处理器122通过与分析机构相关联的转换器而计算由分析机构110确立的可燃烧化合物的化学计量的氧气需求，并将结果与所有历史输入数据一起存储在存储装置中。合适的是，处理器将数字指令传送到控制器124，以便通过高压管道34将空气流调整到燃烧塔10的上部分中。

通过压缩机132或设备上可得到的任何其它便利源，可提供高压空气。空气流量控制阀130设有阀控制器134，其通过信号线136进行连接，以接受来自控制器124的信号。高压空气流量指示仪表138还可提供可视读数和通过线路139而发送给处理器122的数字信号。

在本发明的这个实施例的操作方法中，供料导管70中的供入流的成分变化由处理器122确定，并发送给控制器124，其则将合适的信号发送给阀控制器134，以便对空气流量控制阀130进行合适的调整。例如，如果化学计量的氧气需求由于供入流成分变化而增加，那么可打开阀130，以便增加通过供料导管34而流向塔上端的歧管80和喷嘴82中的高压空气。控制机构120的带程序的操作考虑了通过喷嘴而抽吸到塔和/或塔和护罩50之间的环形间隙中的周围空气量增加的空气流量的整个效应。

现在参看图6的示意图，其显示了处于支撑在火炬塔10的出口上面位置的柯恩达效应主体部件200。在所示的实施例中，多个支撑部件210从相邻的周围护罩50延伸出来，并且优选由耐腐蚀材料制成，而且具有流线型的横截面，以便最大程度地减小流过的流体流的阻力以及其可能的腐蚀效应。

在这个实施例中，高压空气喷嘴32连接在包围塔上端的外表面的圆形歧管30上。同心护罩设有穿孔52，以允许大气进入到由于高压喷嘴所发射出的快速移动的空气效应所产生的环形低压区域中。

柯恩达效应主体部件200构造成可最大限度地提高供入流沿着其外表面的流量，这又将在混合区域中产生空气的湍流混合，以及主体上面的燃烧区域中的不合要求的化学物和燃料的最终完全燃烧。

从图6的图示中将懂得，柯恩达效应主体部件具有定位成与燃烧塔的纵向轴线对准的垂直轴线。这种定位增强了提升供入流70和空气流冲击的对称流动性，以及与柯恩达效应主体部件200表面的最终流动接触。

上面已经参照许多特定的实施例显示和描述了本发明。本领域中的普通技术人员应该明白，在没有脱离本发明基础的条件下，可对元件和功能进行修改和其它组合，本发明的广度和范围参照所附权利要求来确定。

Claims (48)

1.一种用于在火炬塔操作中增强不合要求的化学物的完全燃烧，并从而最大程度地减少烟雾形成的装置，所述火炬塔具有终止于用于排放火炬供入流的出口的侧壁，定位在所述塔出口附近的点火器，以及与所述塔出口附近的塔外表面间隔开并包围该外表面的护罩，所述供入流包括由不合要求的化学物和燃料气体形成的可燃混合物，所述装置包括：

a.处于所述塔内部的间隔开的位置、并设在所述火炬塔出口下边缘以下的多个高压空气增强器喷嘴，各个所述空气增强器喷嘴定向成朝向所述塔出口并且处于所述供入流的运动方向上；

b.与所述多个增强器喷嘴形成流体相通的高压空气源；和

c.穿过位于所述空气增强器喷嘴上面的塔侧壁的多个开口，由此来自所述增强器喷嘴的空气排放形成了多个高速空气射流，以产生移动的气团，其将额外的大气抽吸到移动至所述塔上方的供入流中，从而增强火炬供入流与外部大气的混合。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括高压空气歧管，各个所述高压空气增强器喷嘴安装在所述歧管上，所述歧管与所述高压空气源形成流体相通。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述歧管定位成紧邻所述火炬塔的内壁表面。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，从所述多个空气增强器喷嘴中的每个喷嘴排出的空气射流与所述火炬塔的轴线相对准。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述护罩与所述火炬塔是同心的。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述护罩的下游部分设有多个空气入口通道。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述空气增强器喷嘴位于所述护罩的下边缘以下的位置。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括定位在所述塔出口的开口端上面的柯恩达效应主体。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括多个定位在所述塔出口周边四周并与低压空气源相通的低压风控制喷嘴，由此形成从火焰底部的出口向上延伸的空气幕帘。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

a.用于确定化学计量的氧气需求的分析机构，以保证组成供入流的不合要求的化学物和燃料气体在预定的时间完全燃烧；

b.用于控制高压空气流向所述喷嘴的流率的空气流量控制阀；和

c.空气流量控制机构，其可操作地与所述流量控制阀相关联，以响应于所述分析机构确定的最小氧气需求而调整高压空气的质量流率，由此高压空气流的氧气含量满足或超过所述供入流完全燃烧所需的氧气含量。

11.一种在火炬塔的操作中增强不合要求的化学物的完全燃烧，以及最大程度地减少烟雾形成的方法，所述火炬塔具有终止于出口的侧壁，所述方法包括：

a.提供火炬供入流，其由不合要求的化学物和燃料气体的可燃混合物形成；

b.从所述火炬塔的出口排出所述火炬供入流；

c.将所述火炬供入流点火，以便在燃烧区域中形成火焰；

d.提供采用围绕着所述火炬塔内部周边和所述塔出口上游的位置而间隔开的增强器空气射流形式的多股高速空气流，每股所述空气射流向上朝着燃烧区域而移动，从而在所述塔出口的下面产生低压区域；和

e.在所述空气增强器射流所产生的低压力区域附近提供穿过该塔侧壁的多个大气入口，

由此流入到低压力区域中的周围大气在所述燃烧区域之前与所述火炬供入流发生湍流混合，从而增强所述火炬供入流的燃烧。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述多股空气射流各自沿着所述塔的内壁从所述塔出口以下的位置移动。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述空气入口由所述塔周边周围的多个通常为圆形的开口来提供，由此将所述塔周围的大气抽吸到所述塔中，并与所述供入流混合。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，包括另外的步骤，即，提供环绕且与所述火炬塔出口附近部分的周边间隔开的外部同心护罩，所述外部同心护罩将周围大气向上引导至所述塔出口。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，多个穿孔穿过所述同心护罩，并且周围大气经过位于所述同心护罩以下的该塔壁和该护罩中的穿孔。

16.一种用于在火炬塔的操作中增强不合要求的化学物的完全燃烧以及最大程度地减少烟雾形成的方法，所述火炬塔具有终止于出口的侧壁，所述方法包括：

a.提供火炬供入流，其由不合要求的化学物和燃料气体的可燃混合物形成；

b.从所述火炬塔的出口排出火炬供入流；

c.将所述火炬供入流点火，以便在燃烧区域中形成火焰；

d.提供采用增强器空气射流形式的多股高速空气流，所述增强器空气射流定位在所述火炬塔的内部，处于所述塔出口以下的位置，并在围绕着所述火炬塔内部周边的预定位置而间隔开，所述多股空气增强器射流各自将空气向上朝着燃烧区域排放，从而在所述塔出口的下面产生内部低压区域；

e.开始于空气增强器射流附近的位置、穿过该塔的侧壁，提供多个规则地间隔开的穿孔，

由此空气射流导致周围大气通过塔侧壁中的穿孔而流入到低压力区域中，并且导致大气与火炬供入流形成湍流混合，从而为供入流的完全燃烧提供氧气。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述多股空气射流各自定位在所述火炬塔的穿孔的下面。

18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，包括另外的步骤，即，提供环绕着所述出口附近的所述火炬塔部分的周边并与之间隔开的外部同心护罩，并且所述火炬塔中的穿孔开始于所述护罩下边缘以下的位置。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，包括提供多个定位在所述同心护罩下游端附近的开口的另一步骤。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述同心护罩延伸到高于所述塔出口的位置。

21.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，包括机械式地约束所述塔出口附近的火炬供入流的流通面积的另一步骤。

22.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，包括使从所述塔出口排出的空气和供入流混合物从柯恩达效应主体表面上经过，从而使所述供入流与大气进一步混合的另一步骤。

23.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述提供多股高速空气流包括提供以下事项的其它步骤：

与所述多个喷嘴形成流体相通的高压空气源，由此来自所述喷嘴的空气排放形成了多个高速空气射流，以产生移动的气团，其将额外的大气抽吸到朝着所述塔出口移动的气团中，从而增强所述火炬供入流的燃烧；

分析机构，其用于确定化学计量的氧气需求，以保证组成供入流的不合要求的化学物和燃料气体在预定的时间完全燃烧；

用于控制高压空气流向所述喷嘴的流率的空气流量控制阀；

可操作地与所述流量控制阀相关联的空气流量控制机构，其响应于所述分析机构所确定的最小氧气需求而调整高压空气的质量流率；和

控制从空气射流排出的高压空气的流率，从而在火炬顶部提供满足或超过所述供入流完全燃烧所需要的氧气水平。

24.一种用于在火炬塔操作中增强不合要求的化学物的完全燃烧、从而最大程度地减少烟雾形成的装置，所述火炬塔具有终止于用于排放火炬供入流的出口的侧壁，定位在所述塔出口附近的点火器，以及定位在所述塔出口附近的塔外表面周围的护罩，其中，所述供入流包括由不合要求的化学物和燃料气体形成的可燃混合物，所述装置包括：

a.在低于且环绕所述火炬塔出口周边的预定位置而间隔开的多个高压空气喷嘴，各个所述空气喷嘴定向成朝向塔出口并且处在所述供入流的运动方向上；

b.与所述多个喷嘴形成流体相通的高压空气源，由此来自所述喷嘴的空气排放形成了多个高速空气射流，以产生移动的气团，其将额外的大气抽吸到朝着所述塔出口移动的气团中，从而增强所述火炬供入流的燃烧；

c.穿过位于所述空气喷嘴上面的该塔侧壁的多个开口，由此来自所述喷嘴的空气排放形成了多股高速空气射流，以产生移动的气团，其将额外的大气抽吸到向上移动至塔出口的供入流中，从而增强火炬供入流与外部大气的混合；

d.用于确定化学计量的氧气需求的分析机构，其用于使组成供入流的不合要求的化学物和燃料气体在预定的时间完全燃烧；

e.用于控制高压空气流向所述喷嘴的流率的空气流量控制阀；和

f.可操作地与所述流量控制阀相关联的空气流量控制机构，其响应于所述分析机构所确定的最小氧气需求来调整高压空气的质量流率，由此，所述塔出口处的空气流的氧气含量满足或超过使所述供入流完全燃烧的氧气需求。

25.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述空气流量控制机构包括带程序的通用计算机，其响应于从所述分析机构接收到的数据而将信号传送给所述流量控制阀。

26.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述分析机构包括用于定量和定性地确定供入流中的可燃烧成分的自动化分析机构，用于计算使不合要求的化学物完全燃烧所需要的相应氧气需求的机构，以及用于将信号发送给所述空气流量控制机构的信号产生和发送机构。

27.一种用于在火炬塔的操作中增强不合要求的化学物的完全燃烧以及最大程度地减少烟雾形成的方法，所述方法包括：

a.提供火炬供入流，其由不合要求的化学物和燃料气体的可燃混合物形成；

b.以预定时间间隔确定最小化学计量的氧气需求，以保证所述火炬供入流的成分的完全燃烧；

c.将氧气需求转换成相对应的数字信号；

d.提供压缩空气源，所述压缩空气用于与所述火炬供入流混合，以产生可燃混合物；和

e.响应于发送给与空气流量控制阀相关联的控制器的相应氧气需求的数字信号，来控制所述压缩空气通过空气流量控制阀的体积流量，由此，与所述火炬供入流混合的空气的总体积足以保证所述供入流成分的完全燃烧。

28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，响应燃料气体或不合要求的化学物或这两者的成分上的已知变化，来确定所述化学计量的氧气需求。

29.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述方法包括这样的步骤，即，对火炬供入流进行周期性的采样，并分析样本，以确定所述供入流完全燃烧所需要的化学计量的氧气需求。

30.一种用于在火炬塔操作中增强不合要求的化学物的完全燃烧，从而最大程度地减少烟雾形成的装置，所述火炬塔具有终止于用于排放火炬供入流的出口的侧壁，定位在所述塔出口附近的点火器，以及定位在所述塔出口附近的塔外表面周围的护罩，其中，所述供入流包括由不合要求的化学物和燃料气体形成的可燃混合物，所述装置包括：

a.三维的柯恩达效应主体部件，其主表面通过至少两条相交曲线的围绕垂直轴线的旋转来限定，并且其下表面具有相对较小的半径，所述柯恩达效应主体部件的垂直轴线与所述火炬塔的垂直轴线对准，并且所述柯恩达效应主体部件的下弧形表面没有障碍地定位在所述塔出口的开放的上边缘上；

b.在低于且环绕所述火炬塔出口周边的预定位置而间隔开的多个高压空气喷嘴，各个所述空气喷嘴定向成朝向塔出口，并且处在所述供入流的运动方向上；和

c.穿过位于所述喷嘴上面的该塔侧壁的多个开口，由此来自所述喷嘴的空气排放形成了多股高速空气射流，其将额外的大气抽吸到沿所述塔向上移动的供入流中，从而增强火炬供入流与外部大气的混合，以及从所述喷嘴排出的空气的至少一部分与柯恩达效应主体部件的下表面相接触，并且向上流动至所述弧形表面以上，从而产生移动气团，其与所述塔出口上面的供入流混合，从而增强所述火炬供入流的燃烧。

31.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，所述柯恩达效应主体部件的主表面由两条相交曲线来限定，并且所述曲线之间的交线定位在所述护罩的上边缘处或者其下面。

32.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，还包括高压空气歧管，各个所述高压喷嘴安装在所述歧管上，所述歧管与所述高压空气源形成流体相通。

33.根据权利要求32所述的装置，其特征在于，所述歧管环绕着所述火炬塔，而位于所述护罩和所述塔之间的环形间隙内。

34.根据权利要求32所述的装置，其特征在于，所述歧管环绕着所述火炬塔的内部，位于所述护罩下边缘以下的位置。

35.根据权利要求31所述的装置，其特征在于，所述多个喷嘴各自定位在所述塔出口的下面。

36.根据权利要求31所述的装置，其特征在于，所述高压空气源处在大约30至35磅/平方英寸的压力下。

37.根据权利要求31所述的装置，其特征在于，所述外部护罩在所述护罩的整个长度上与所述火炬塔是同心的。

38.根据权利要求37所述的装置，其特征在于，所述护罩的下游部分设有多个允许周围大气进入的空气入口通道。

39.根据权利要求34所述的装置，其特征在于，所述塔的在所述内部歧管以上的那部分设有多个空气入口通道。

40.根据权利要求31所述的装置，其特征在于，还包括多个支撑臂，其以围绕所述护罩的周边而间隔开的关系沿径向延伸，用以支撑所述柯恩达效应主体部件。

41.根据权利要求31所述的装置，其特征在于，所述柯恩达效应主体部件的主要部分延伸到所述护罩以上的位置。

42.一种在火炬塔的操作中增强不合要求的化学物的完全燃烧，以及最大程度地减少烟雾形成的方法，所述方法包括：

a.将三维的柯恩达效应主体部件固定定位，所述柯恩达效应主体部件通过相交线的围绕垂直轴线的旋转来限定，至少其中一条相交线是曲线并与水平底面相交，所述柯恩达效应主体部件的垂直轴线与所述火炬塔的垂直轴线是对准的，并且所述柯恩达效应主体部件的下弧形表面没有障碍地定位在所述塔出口的开放的上边缘上；

b.提供火炬供入流，其由不合要求的化学物和燃料气体的可燃混合物形成；

c.从所述火炬塔的出口排出所述火炬供入流；

d.将所述火炬供入流点火，以便在所述柯恩达效应主体部件上面的燃烧区域中形成火焰；和

e.提供多股高速空气流，其采用来自在所述火炬塔出口周边下面和其周围的预定位置间隔开的多个高压空气喷嘴的空气射流的形式，所述多股空气射流各自向上朝着所述燃烧区域移动；以及

f.提供穿过位于所述空气喷嘴上面的塔侧壁的多个开口；

由此从所述喷嘴排出的空气的至少一部分与所述柯恩达效应主体部件的下表面相接触，并且向上流动至所述弧形表面以上，从而产生移动的气团，其与所述塔出口上面的供入流混合，从而增强所述火炬供入流的燃烧。

43.根据权利要求39所述的方法，其特征在于，所述多股空气射流各自从所述火炬塔出口以下的位置移动。

44.根据权利要求39所述的方法，其特征在于，包括另一步骤，即，提供环绕着所述火炬塔出口附近部分的周边且与之间隔开的外部同心护罩，从而将大气与所述空气射流一起向上引导。

45.根据权利要求41所述的方法，其特征在于，包括提供所述同心护罩的另一步骤，所述同心护罩带有位于下游端附近并穿过所述护罩的多个开口。

46.根据权利要求41所述的方法，其特征在于，所述同心护罩延伸到高于所述塔出口的位置。

47.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述护罩的下游部分设有多个穿过所述护罩的壁的空气入口通道。

48.根据权利要求47所述的装置，其特征在于，还包括多个定位在所述塔出口周边四周并与低压空气源相通的低压风控制喷嘴，由此形成从火焰底部的出口向上延伸的空气幕帘。

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