CN101201163A - 用可变氧化剂以及低NOx燃烧器的燃烧 - Google Patents

Abstract

由燃烧碳氢化合物燃料的燃烧器提供的加热可以通过调整送给到燃烧器的氧化剂流的总氧气浓度而以不同的热传递率的次序提供。也披露了以其可以实践本方法的燃烧器。

Description

用可变氧化剂以及低NOx燃烧器的燃烧

技术领域

本发明涉及生成用于将材料加热到高温且将其保持在高温的热的燃烧。

背景技术

许多工业应用要求将材料加热到高温以用于熔融、热处理等。热经常通过燃烧碳氢化合物燃料产生。然而，在这些应用中，可能引起用于以不同的加热率在不同时间供给热的要求。对此需求的常规解决方法可以涉及将材料加热到希望的高温，然后中断燃烧以使得材料的温度下降，且然后当温度下降到足以必须施加另外的热时再次开始燃烧。这样的“开启/关闭”操作在其燃料和氧化剂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产物的风险。它也具有因温度循环而在材料上施加热应力和/或在阀和燃烧器上施加运行应力的风险，该阀和燃烧器因为燃烧的停止和开始被重复地促使打开和关闭。其他的解决方法，例如提供两个每个适合于特定类型的燃烧的分开的燃烧器系统一次只运行一个系统，是昂贵的且占用空间。

因此，存在对使得能更有效地且更与环境相容地加热材料的方法和设备的需求，特别是在其中加热量随时间变化的情况中。

发明内容

本发明的一个方面是包括燃烧器主体和燃烧器块的燃烧器系统，其中：

(A)燃烧器主体包括：

充气区主体，其具有封闭了充气区(plenum)空间的背表面和侧表面，其在其前方打开在单平面的充气区开口内，充气区开口由所述的侧表面的前边缘限定，

在所述的充气区主体的背表面或侧表面内的送给入口，气体可以通过其送给到所述的充气区空间内，

第一空心主体，其完全地位于所述的充气区空间内且关闭防止气体在所述的充气区空间和所述的空心主体内部之间通过，其中空心主体不延伸通过所述的充气区开口，

通过所述的空心主体的表面的送给入口，气体可以通过其送给到所述的空心主体的内部内，

2至16个通过所述的空心主体的表面的出口，气体可以通过该出口通到所述的空心主体外，每个出口定向为向着充气区开口从所述的充气区空间向外指向，其中所述的出口的外端不延伸超过所述的充气区开口的平面，

第一管，其从所述的充气区主体的背表面的外侧延伸通过充气区空间到第一管端部，第一管端部位于充气区开口的平面外侧的第一距离，其中第一管关闭防止气体从充气区空间且从空心主体的内部通入所述的第一管内，

位于第一管内的第二管，第二管从所述的充气区主体的背表面外侧延伸通过充气区空间到第二管端部，第二管端部位于充气区开口的平面外侧的第二距离，其中所述的第二距离大于第一距离，其中所述的第二管关闭防止气体从充气区空间、从空心主体的内部且从第一管通入所述的第二管内，且其中第一管和第二管的轴线共轴或平行，

位于第二管内的第三管，第三管从所述的充气区主体的背表面外侧延伸通过充气区空间到第三管端部，第三管端部位于充气区开口的平面外侧的所述的第二距离，其中所述的第三管关闭防止气体从充气区空间、从空心主体的内部且从第二管通入所述的第三管内，且其中第一管、第二管和第三管的轴线共轴或平行，

用于接收气体到第一管和第二管之间的空间内的送给入口，

用于接收气体到第二管和第三管之间的空间内的送给入口，

和用于接收燃料到所述的第三管内的送给入口；和

(B)燃烧器块包括：

前表面和后表面，

延伸通过块的第一通道，第一通道包括：

筒段，其从所述的后表面延伸到块内到所述的筒段的内端至少等于所述的第一距离的长度，所述的筒段的直径允许所述的第一管贴合地配合到所述的筒段以最小化气体在所述的第一管外侧在所述的筒段内的通过，

具有上游端和下游端的喉段且喉段的直径沿其轴线恒定且小于所述的筒段的直径且大于所述的第二管的外径，其中从块的后表面到所述的上游端的距离大于所述的第一距离且小于所述的第二距离，且其中从所述的块的后表面到所述的下游端的距离大于所述的第二距离，

从所述的筒段的内端轴向延伸到所述的喉段的所述的上游端的渐缩段，

口段，其从块的前表面延伸到块内到口段的内端，其中口段的直径恒定且大于所述的喉段的直径，

从所述的喉段的下游端延伸到所述的口段的内端的烧嘴(quarl)段，

其中所述的段共轴，且口段和烧嘴段的轴向长度的和是烧嘴段的最大直径的直径的直至50倍；喉段的轴向长度是烧嘴段最大直径的直径的直至50倍；烧嘴段的最大直径与喉段的直径的比值为1至50；且从次级通道的排放开口到第一通道的轴线的距离是喉段直径的1至10倍，

多个次级通道，其个数大于所述的出口的个数，次级通道从所述的块的后表面内的入口开口延伸通过所述的块到所述的块的前表面内的排放开口，其中所述的入口开口足够靠近所述的第一通道，使得当所述的充气区主体的前边缘与所述的块的后表面接触时，所述的入口开口与所述的充气区空间气体接触，且其中每个次级通道具有在其排放开口处的轴线，该轴线向第一通道的轴线以直至60度的角度会聚，从第一通道的轴线以直至85度的角度发散，或平行于第一通道的轴线；

其中所述的燃烧器主体相对于所述的块定位，使得所述的充气区主体的前边缘与所述的块的后表面接触，以防止气体除去通入所述的次级通道之外通过到所述的充气区空间外，且第一管和第二管延伸到所述的第一通道内，且出口与次级通道对齐，使得从出口通过的气体通过与出口对齐的次级通道。

本发明的另一个方面是用于加热基质的方法，包括：

(A)提供前述的燃烧器系统，

(B)确定到基质的第一传热率，

(C)确定燃料和氧化剂待送给到所述的燃烧器系统以在此燃烧的速率，且确定待燃烧以生成以所述的第一传热率从所述的燃烧器系统传递到所述的基质的燃烧热的所述的氧化剂的总氧气浓度，

(D)以所述速率将燃料和具有所述的总氧气浓度的氧化剂送给到所述的燃烧器系统且在所述的系统处燃烧所述的燃料和所述的氧化剂，以生成以所述的第一传热率传递到所述的基质的燃烧热，

同时，相对于通过所述的燃烧器系统的所述的次级通道和所述的出口送给的氧气量分配通过所述的燃烧器系统的所述的第一管和第二管送给的氧气量，以最小化由所述的燃烧形成的NOx，

(E)确定到基质的第二传热率，该第二传热率与所述第一传热率不同，

(F)确定待燃烧的所述的氧化剂的新的总氧气浓度，且确定所述的氧化剂或所述的氧化剂和所述的燃料送给到所述的燃烧器系统且在燃烧器系统中燃烧以生成以所述第二传热率传递到所述的基质的燃烧热的新的速率，和

(G)在继续将燃料和氧化剂送给到所述的燃烧器系统时，将送给到所述的燃烧器系统的总氧气浓度改变为所述的新的总氧气浓度，且改变所述的氧化剂或所述的氧化剂和所述的燃料送给到所述的燃烧器系统的速率，且继续在所述的燃烧器系统处燃烧所述的燃料和氧化剂而不中断所述的燃烧，以生成以所述第二传热率传递到所述的基质的燃烧热，

同时，相对于通过所述的次级通道和所述的出口送给的氧气量分配通过所述的第一管和第二管送给的氧气量，以最小化由所述的燃烧形成的NOx，

其中送给到所述的燃烧器系统的氧气量总是足以维持所述的燃料在所述的燃烧器系统处的燃烧，且其中送给到所述的燃烧系统的氧气的量在总是足以将所述的燃烧的气态产物的一氧化碳含量维持为低于100ppm。

如在此所使用，“NOx”意味着气态的氮的氧化物，无论氮气和氧化物和它们的混合物的任何单独的分子中的氮原子和氧原子的个数。

如在此所使用，“总氧气浓度”意味着通过气态氧化剂通过其送给的燃烧器系统的所有入口送给的氧气总量(包括在与燃料送给的任何运输介质中的氧气)除以通过气态氧化剂通过其送给的燃烧器系统的所有入口送给的气体总量(包括在与燃料送给的任何运输介质中的气体)。

附图说明

图1是燃烧器块的截面视图，该燃烧器块可以是燃烧器系统的部件，本发明可以以此燃烧器块被利用；

图2是燃烧器块的前表面的透视图，本发明可以以此燃烧器块被利用；

图3是可以是燃烧器系统的部件的燃烧器主体的透视图，本发明可以以此燃烧器主体被利用；

图4是组装在一起以形成燃烧器系统的燃烧器主体和燃烧器块的截面视图，本发明可以以此燃烧器系统被利用。

具体实施方式

本发明用于任何要求以两个或多个不同的速率的顺序热传递到基质的情况中，其中基质或与基质接触的材料被加热到由燃烧例如天然气、燃油等的碳氢化合物燃料可获得的温度量级的温度(典型地高于1000F)。本发明可以以其被利用的合适的“基质”包括任何希望加热的材料，特别地包括固体和液体，例如金属和金属前体，无论是为熔融固体、为熔融已经包括在液体池中的固体、为将固体或熔融液体维持在希望的高温、或为加热或预加热待接收和保持热材料的例如包的容器。

本发明的使用的一个例子是通过以相对地高的速率施加热来熔融材料，然后通过以较低的传热率施加热而将作为结果的熔融材料保持在高温下。另一个例子是将热固体或熔融材料待送给到其内的包或浇口盘预加热，其中包或浇口盘在高速率下加热到或接近材料温度的温度，且然后当将热固体或熔融材料送给到包或浇口盘后通过以相对地低的速率施加热将它们保持在高温下。

本发明可以以例如在图1至图4中图示且在下文中描述的燃烧器系统的燃烧器系统有用地实施。这样的燃烧器系统典型地包括燃烧器块和与燃烧器块组装在一起的燃烧器主体以形成燃烧器系统。

首先参考图1，燃烧器块1在与燃烧器主体组装前被示出。燃烧器块1是能耐受高温的固体材料主体，当在燃烧器主体内进行燃烧时燃烧器决必然受到此高温。合适的构造材料包括耐火砖，例如富氧化铝、氧化铝、硅石、AZS、莫来石(mulite)、氧化锆和/或锆英石，以及包括水冷金属结构的金属结构。

燃烧器块1包括前表面2和后表面3。第一通道4从后表面3到前表面2通过燃烧器块1。第一通道4包括一系列同轴段，当燃烧器主体与燃烧器块组装在一起时，每段贡献于燃烧器系统的性能。

从燃烧器块1的后表面3开始前进，筒段5从后表面延伸到燃烧器块1内，如果将延伸到筒段5内的燃烧器主体的部分是圆柱形，则筒段5也优选地是恒定直径的圆筒。筒段5的截面构造优选地定尺寸为提供与要占据筒段5的燃烧器主体的部分的贴合配合，如在下文中描述。优选地，配合足够贴合，使得最小化或甚至防止了在筒段5的内表面和燃烧器主体的相应的部分的外表面之间的气体通过。筒段5的长度，即它从燃烧器块1的后表面3到燃烧器块1内测量的深度至少与在此描述的燃烧器主体的第一管41的长度相等。

进一步前进到第一通道4内，渐缩段6从筒段5的内端延伸到喉段7的上游端。渐缩段6的表面可以是平的(使得它是圆锥形的部分)或可以是弯曲的(即，使得半径以非恒定率沿轴线改变)。

喉段7优选地具有恒定的直径且比筒段5窄。因此，渐缩的段6在其与喉段7相交的下游端处的截面积和直径必然小于在其与筒段5相交的上游端处的截面积和直径。喉段7位于燃烧器块1内，使得其上游端比如在下文中进一步描述的第二管43的端而更靠近燃烧器块1的后表面。喉段7的下游端应比第二管43的端更远离燃烧器块1的后表面。以此方式，第二管43的端位于喉段7内。

喉段7在其下游端处连接到烧嘴段8的上游端，烧嘴段8具有随着距燃烧器块1的后表面的轴向距离的增加而增加的直径。烧嘴段8在其下游端处终止在口段9处，口段9是具有恒定直径的段，该直径大于喉段7的直径。烧嘴段8的表面可以是平的(使得它是圆锥形的部分)或可以是弯曲的(即，使得半径沿轴线以非恒定率改变)。口段9终止在它在燃烧器块1的前表面2处打开处。

燃烧器块1也具有多个次级通道11，次级通道11的每个从燃烧器块1的后表面到其前表面通过燃烧器块1。每个次级通道11具有在燃烧器块1的后表面中的入口开口12和在燃烧器块1的前表面中的排放开口13。2个到16个，且优选地4个到12个次级通道11延伸通过燃烧器块1。应具有比燃烧器块与其组装的燃烧器主体上的出口33的数量更多的次级通道11通过燃烧器块1。

每个次级通道11的轴线可以平行于第一通道4的轴线，但优选地每个次级通道11的轴线相对于通道4的轴线发散或可以会聚。如在图1中图示，各轴线从第一通道4的轴线发散；优选的发散角度为直至85度，更优选地直至75度。然而，如果希望，次级通道的轴线可以向第一通道4的轴线会聚，在此情况中，优选的会聚角度为直至60度，更优选地直至15度。

燃烧器块的不同部分之间的一定的尺寸关系帮助进行本发明。因此，口段和烧嘴段的轴向长度的和直至烧嘴段的最大直径的50倍，且优选地直至该最大直径的25倍。喉段的轴向长度直至烧嘴段的最大直径的直径的50倍数，且更优选地直至25倍。烧嘴段的最大直径与喉段的直径的比为1至50，优选地为1至25。从次级通道11的排放开口13到第一通道4的轴线的距离是喉段直径的1至10倍，且优选地为1.5至8倍。

图2图示了燃烧器块1的前部的实施例。次级通道11的排放开口13可见，口段9、烧嘴段8和喉段7的下游端也可见。在图3中图示的燃烧器主体将合适地用于与在图2中图示的燃烧器块组装在一起，因为图3的燃烧器主体仅包括两个出口33，它们的每个将与次级通道11的一个对齐，从而留下另外的次级通道，气体可以通过其从充气区空间23流出各排放开口13。

图3图示了在实施本发明中使用的燃烧器主体。燃烧器主体21包括由充气区背部24和充气区侧部25形成的充气区壳体22，充气区背部24和充气区侧部25密封在一起以封闭充气区空间23。如果充气区截面是矩形的，则充气区侧部25可以包括平的表面，从而形成顶部、两个侧部和底部。优选地，充气区截面是倒圆的且更优选地是圆形的，在此情况中，充气区侧部25处于一个连续表面中。在任何情况中，充气区侧部25终止在形成了单平面开口的前边缘或多个前边缘26中，即它们限定了充气区开口，通过该开口气体可以如在此描述地流动。优选地提供凸缘28以提供与燃烧器块1的后表面3的更好的密封。入口27与充气区空间23连通，且可以连接到待供给到充气区空间23的气体源或多个气体源，如在此所描述。

燃烧器主体21也包括完全地位于充气区空间23内的空心主体3 1。

空心主体31完全地封闭了空间，该空间可以通过送给入口32送给气体。出口33允许气体流出空心主体31的内部。提供了1到16个且优选地1到4个出口33。每个出口33终止在端部34处，端部34可以延伸到直至由充气区壳体22的前边缘26形成的平面但不通过或出离该平面。以此方式，当燃烧器主体组装到燃烧器块1时，使得前边缘26接触燃烧器块1的后表面3且密封了设备的这两个零件之间的联结，出口33不延伸出阻碍了这样的接触的长度。

空心主体31的前表面35的至少部分且优选地全部从由前边缘26形成的平面分开，使得充气区空间23被考虑为不仅包括空心主体31的外表面和充气区壳体22的内表面之间的空间，而且包括前表面35和由前边缘26形成的平面之间的空间。此间距允许气体从充气区空间23流动到不与出口33对齐的通道11的开口12。

燃烧器主体21也包括第一管41，该第一管终止在第一管端部42处。第一管41完全地通过充气区空间23且突出超过由前边缘26形成的平面。第一管41也通过空心主体31或在充气区空间23内位于紧接于空心主体31。

第二管43位于第一管4 1内且第三管45位于第二管43内。第二管43和第三管45分别终止在第二管端部44和第三管端部46处。两个端部的位置比第一管端部42距离前边缘26形成的平面远。即第二管43和第三管45二者从充气区壳体22延伸开远于第一管41延伸开。第二管端部44和第三管端部46优选地共平面。

在各管端部42、44和/或46处的开口可以完全地不被阻塞，或它们中的任何开口可以包含将开口打破为子开口的段，这将出现的流分为子流。例如，带有多个孔的板可以跨过在第三管45的端部46处的开口放置，以将燃料分为多个子流的喷射。

叶片可以选择地放置在空间47内和/或空间48内(其中气态氧化剂流可以流动)以施加涡漩，涡漩帮助维持在燃烧器端部处的火焰可燃性。

最内部的管，即第三管45优选地接收待燃烧的燃料，如在此所描述。合适的燃料可以是气态燃料、液体燃料、固体燃料或任何它们的组合，例如天然气、LPG、丙烷、丁烷、燃油、柴油、焦炉煤气、高炉煤气、BOF煤气、电弧炉煤气、发生炉煤气、任何类型的固体燃料，包括带有一些加热值的浆料。为以液体燃料运行，可以使用雾化的流体(例如空气、氧气、氮气、燃料气体、氩和蒸汽)。促进液体燃料(以任何类型的雾化介质，例如空气、蒸汽或其他类型的气体，或压力雾化器)雾化的喷嘴可以是有帮助的。为以固体燃料运行，将固体燃料研磨成粉且然后将它悬浮在承载气体(例如空气、氮气、氩气、蒸汽、燃料气体)中运送将是有帮助的。

参考图4，可见燃烧器块1和燃烧器主体21之间的协作。通过充气区壳体22的前边缘26完全地与燃烧器块1的后表面3接触，气体不能绕此前边缘26通过。通过燃烧器主体21这样靠着燃烧器块1定位，第一管41延伸到筒段5内，筒段5如上所述具有至少足以接收第一管41的整个长度的深度。第二管43和第三管45延伸超过第一管41的端部42到喉段7内，但不通过喉段7的下游端。另外，次级通道11的入口开口12足够靠近第一通道4，使它们直接与充气区空间23连通，使得气体直接从充气区空间23流动到次级通道11内且通过次级通道11且流出各排放开口13。图4图示了两个出口33对齐为使气体流出它们的各端到两个通道11内。然而，如所陈述，气体也从充气区空间23流动到其他通道11内，其他通道11在此特定的截面中未示出，它们未与出口33对齐。

第三(燃料)管45的上游端通过在此领域中已熟知的设备连接到燃料源，该燃料源可以以任何希望的量和速率送给燃料，且可以改变送给的量和速率，且可以在希望时开启和关闭燃料流动。燃料优选地以10至1500米/秒的速率送给，更优选地以15至1000米/秒的速率送给，且在直至1800℃的温度下送给。

管41和管43之间的空间47的上游端、管43和管45之间的空间48的上游端、以及到充气区空间23的入口27和到空心主体31的入口32每个由合适的供给管线、阀和控制器连接到气态氧化剂的源(或氧气和一个或多个非氧气气体的混合物)，以此允许控制这些气态流的每个的氧气含量，以及这些气态流的每个的流量。除了允许到这些点的任何点的气体流动的开启和关闭的控制器外，也必须存在使得本发明能实施的控制器，使得即使当燃烧在燃烧器处正在进行时，每个这样的气态流的氧气含量和流量也能被调整到任何希望的值，如在此所描述的。

送给“初级氧化剂”的空间47的上游端应连接到气体源和控制器，使得送给到空间47的气态流能具有：(a)低至可以希望送给到空间47内的最低的氧气含量，优选地至少5％体积百分比，且更优选地至少10％体积百分比，(b)高至可希望送给到空间47的最高浓度的氧气含量，优选地至少90％体积百分比，且更优选地至少99.9％体积百分比，和(c)在那些最低和最高值之间的任何值处的氧气浓度。这可以通过如下实现：提供高纯度氧气源(在等于可获得用于送给到空间47内的最高浓度的纯度下)，且提供具有指示的最低希望氧气浓度的气体源，以及选择地具有在这些最低和最高值之间的氧气浓度的气体源(例如空气)。

也应提供控制器以控制从每个这样的气体源送给的气体的量，使得可以组成在这些最低值和最高值之间的任何希望的中间氧浓度。具有任何这样的中间氧浓度的流可以通过将来自空间47的上游的各源的流组合且然后将组合流送给到空间47内而提供，或通过将来自每个源的流以合适的相对量送给到空间47的上游端内，使得它们在空间47内混合且形成具有希望的中间氧浓度的混合物而提供。氧化剂应以使得流以10至1500米/秒，优选地以15至500米/秒的速度从管41的端部42出现的速率而提供。流在出现时的温度直至1800℃。

通过充气区21供给“次级氧化剂”的入口27应连接到气体源和控制器，使得送给到入口27的气态流能具有：(a)低至可以希望送给到入口27内的最低的氧气含量，优选地至少5％体积百分比，且更优选地至少10％体积百分比，(b)高至可希望送给到入口27的最高浓度的氧气含量，优选地至少90％体积百分比，且更优选地至少99.9％体积百分比，和(c)在那些最低和最高值之间的任何值处的氧气浓度。这可以通过如下实现：提供高纯度氧气源(在等于可获得用于送给到入口27内的最高浓度的纯度下)，且提供具有指示的最低希望氧气浓度的气体源，以及选择地具有在这些最低和最高值之间的氧气浓度的气体源(例如空气)。

也应提供控制器以控制从每个这样的气体源送给的气体的量，使得可以组成在这些最低值和最高值之间的任何希望的中间氧浓度。具有任何这样的中间氧浓度的流可以通过将来自入口27的上游的各源的流组合且然后将组合流送给到入口27内而提供，或通过将来自每个源的流以合适的相对量送给到入口27的上游端内，使得它们在入口27内混合且形成具有希望的中间氧浓度的混合物而提供。氧化剂应以使得流以5至1500米/秒，优选地以6至1200米/秒的速度从排放开口13出现的速率而提供。流在出现时的温度直至1800℃。

送给“初级氧气”的空间48的上游端应连接到气体源和控制器，使得送给到空间48的气态流能具有：(a)低至可以希望送给到空间48内的最低的氧气含量，其可以为零(即源提供的气体或气体混合物都不是氧气)且优选地至少50％体积百分比，(b)高至可希望送给到空间48内的最高浓度的氧气含量，优选地至少90％体积百分比，且更优选地至少99.9％体积百分比，和(c)在那些最低和最高值之间的任何值处的氧气浓度。这可以通过如下实现：提供高纯度氧气源(在等于可获得用于送给到空间48内的最高浓度的纯度下)，且提供具有指示的最低希望氧气浓度的气体源，以及选择地具有在这些最低和最高值之间的氧气浓度的气体源(例如空气)。

也应提供控制器以控制从每个这样的气体源送给的气体的量，使得可以组成在这些最低值和最高值之间的任何希望的中间氧浓度。具有任何这样的中间氧浓度的流可以通过将来自空间48上游的各源的流组合且然后将组合流送给到空间48内而提供，或通过将来自每个源的流以合适的相对量送给到空间48的上游端内，使得它们在空间48内混合且形成具有希望的中间氧浓度的混合物而提供。氧化剂应以使得流以10至1500米/秒，优选地以15至500米/秒的速度从管43的端部44出现的速率而提供。流在出现时的温度直至1800℃。

通过空心主体31和出口(多个出口)33送给“次级氧气”的入口32应连接到气体源和控制器，使得送给到入口32的气态流能具有：(a)低至可以希望送给到入口32内的最低的氧气含量，其可以为零(即源提供的气体或气体混合物都不是氧气)且优选地至少50％体积百分比，(b)高至可希望送给到入口32内的最高浓度的氧气含量，优选地至少90％体积百分比，且更优选地至少99.9％体积百分比，和(c)在那些最低和最高值之间的任何值处的氧气浓度。这可以通过如下实现：提供高纯度氧气源(在等于可获得用于送给到入口32内的最高浓度的纯度下)，且提供具有指示的最低希望氧气浓度的气体源，以及选择地具有在这些最低和最高值之间的氧气浓度的气体源(例如空气)。

也应提供控制器以控制从每个这样的气体源送给的气体的量，使得可以组成在这些最低值和最高值之间的任何希望的中间氧浓度。具有任何这样的中间氧浓度的流可以通过将来自入口32上游的各源的流组合且然后将组合流送给到入口32内而提供，或通过将来自每个源的流以合适的相对量送给到入口32的上游端内，使得它们在入口32内混合且形成具有希望的中间氧浓度的混合物而提供。氧化剂应以使得流以5至1500米/秒，优选地以6至1200米/秒的速度从排放开口13出现的速率而提供。流在出现时的温度直至1800℃。

当然，给定的气体的相同的源(例如提供高纯度氧气的气瓶或气体分离单元)可以用于提供气体流到多于一个前述的输入。

使用燃烧器系统

现在将描述燃烧器系统的使用。在本发明的方法的第一阶段中确定加热需求。基于例如基质温度的希望的增加、基质质量、热容量、如果发生熔融则熔化热等因素确定待传递到基质的热量。给定到基质的希望的第一传热率，确定其间实现传热的时间期间。

为赋予对此第一运行阶段所要求的热传递，可以通过设定对于给定的烟道气再循环程度送给且燃烧的氧化剂流中的总氧浓度来实现在燃烧器处产生的火焰的温度。在任何给定的烟道气再循环率下，火焰温度随总氧气浓度增加而增加。在任何给定的总氧气浓度下，火焰温度随烟道气再循环率下降而增加。这允许确定在通过燃烧器供给的氧化剂流中的有效总氧气浓度以实现要求的温度。

燃料然后在如在此所述的燃烧器系统中与氧气燃烧，氧气作为气态氧化剂流而通过且出离空间48和/或50送给，且氧气送给出次级通道11的排放开口13，氧气从出口33和/或从充气区空间23进入这些次级通道。所送给的氧气总量应是燃料完全燃烧所需要的氧气量的0.6至2.0倍。燃料在火焰中燃烧，火焰的基部在第三(燃料)管45的端部46处。送给到燃烧器系统的氧气的量必须足以使得能维持燃料的燃烧，且必须足以使燃料充分燃烧，使得由燃烧产生的气态燃烧产物(即烟道气)的一氧化碳含量低于100ppm。如将在下文中更完全地描述，气态氧化剂的送给也调整为使得由燃烧形成的NOx的量被最小化。

然后，在本发明的方法的第二阶段中，当向基质的传热率须改变时，再次通过考虑例如基质的希望的温度改变(增加或降低)、基质质量、热容量、如果发生熔融或凝固则熔化热等因素确定新的(第二)传热率。给定到基质的希望的第二传热率，确定其间实现传热的时间期间。

为赋予对此第二运行阶段所要求的希望的第二传热率，可以通过设定对于给定的烟道气再循环程度送给且燃烧的氧化剂流中的总氧浓度来实现在燃烧器处产生的火焰的温度。在任何给定的烟道气再循环率下，火焰温度随总氧气浓度增加而增加。在任何给定的总氧气浓度下，火焰温度随烟道气再循环率降低而增加。这允许确定在通过燃烧器供给的氧化剂流中的有效总氧气浓度以实现要求的温度。

燃料然后在如在此所述的燃烧器系统中与氧气燃烧，氧气作为气态氧化剂流而通过且出离空间48和/或50送给，且氧气送给出次级通道11的排放开口13，氧气从出口33和/或从充气区空间23进入这些次级通道。所送给的氧气总量应是燃料完全燃烧所需要的氧气量的0.6至2.0倍。送给到燃烧器系统的氧气的量必须足以使得能维持燃料的燃烧，且必须足以使燃料充分燃烧，使得由燃烧产生的气态燃烧产物(即烟道气)的一氧化碳含量低于100ppm。如将在下文中更完全地描述，气态氧化剂的送给也调整为使得由燃烧形成的NOx的量被最小化。

进行燃烧的优选模式，且特别是以多种总氧气浓度修改燃烧条件(特别是总氧气密度)如下所述。

对于以低于21％体积百分比的总氧气浓度的燃烧，用于燃烧的总氧气的部分作为初级氧化剂通过空间48引入，且完成燃烧过程所要求的剩余氧气被引入到充气区空间23内，从充气区空间23，剩余氧气通过次级通道11且离开排放开口13。此布置将燃烧以降低火焰峰值温度的方式分阶段，且因此降低了NOx的排放率。

对于以大于或等于21％体积百分比且小于28％体积百分比的总氧浓度的燃烧，如下过程的一个是优选的：

一个优选的过程是将氧化剂通过空间48和50送给，且通过添加氧气(优选地作为至少90％体积百分比纯度氧气的流)到送给到空间50内的氧化剂中来升高此氧化剂流的氧气浓度，然后将作为结果的混合物送给到空间50内。如果希望，则通过空间48送给的氧化剂的量降低或消除。完成燃烧过程所要求的剩余的氧气在氧化剂中供给，该氧化剂送给到充气区入口27内和用于空心主体31的入口32内，从此处该氧化剂进入次级通道11且流出排放开口13。由于作为添加高纯度氧气的结果消除或显著降低了氮含量，结合由从次级通道11送给的氧气所提供的分阶段效果，降低了NOx排放率。

对于大于或等于21％体积百分比且小于28％体积百分比的总氧浓度的第二个优选过程是将氧化剂送给到空间48且通过空间48而不送给任何氧化剂通过空间50，且通过次级通道11将完成燃烧过程所要求的剩余的氧气从充气区空间23且从空心主体31送给。因为与以上的第一实施例相比在燃料流中且在从空间48出现的流中的较低的氧气浓度，火焰基部的温度倾向于较低。因为此事实，NOx的排放率预期为更低。

对于以大于或等于28％体积百分比的总氧浓度的燃烧，如下的运行过程的一个是优选的：

(a)一个优选过程是通过空间50送给氧气而不通过空间48送给任何氧化剂，且将完成燃烧所要求的剩余的氧气送给到充气区空间23内和空心主体31内，使得剩余氧气通过次级通道11且燃烧。在通过充气区引入的氧化剂内的氧气量逐渐地降低，而通过空心主体31和出口33引入的氧化剂中的氧气量逐渐增加。通过次级通道引入的总氧气基于燃烧过程要求确定。因为不存在氮气或至少显著地降低了随氧气引入的氮气的量，结合由从次级通道送给出的氧化剂流所提供的分阶段效果，降低了NOx排放率。

(b)第二优选过程是将氧气送给到空间48内且通过空间48，且将完成燃烧所要求的剩余的氧气送给到充气区空间23内和空心主体31内，使得剩余氧气通过且离开次级通道11。通过充气区23引入的氧气的量逐渐降低而通过空心主体31引入的氧气的量增加。通过次级通道引入的氧气的总量基于燃烧过程要求确定。因为消除或显著地降低了在氧化剂送给流中的氮气，结合由从次级通道送给氧气所提供的分阶段效果，降低了NOx排放率。

(c)第三过程是仅通过入口50和32送给氧化剂或高纯度(至少90％体积百分比)氧气而不通过入口48和27送给任何氧化剂。因为消除了其他氧化剂流，结合由从出口33送给的从次级通道出现的流所提供的分阶段效果，NOx的排放率降低到最低水平。

NOx控制

在本发明的方法的每个阶段中，气态氧化剂到燃烧器系统的各出口的流动被调整，使得NOx的产生被最小化。在此披露的本发明的燃烧器设计使得能在多种燃烧条件的任何条件下建立低的最小化NOx排放水平。为最小化在燃烧期间的NOx产生，可以使用一个或多个如下的方法：

将氧气含量在从空间48和50送给的氧化剂流和从次级通道送给的氧化剂流之间分阶段；

仅当燃烧器以高于20.9％体积百分比的总氧气浓度运行时将至少90％体积百分比的氧气送给到空间48和/或50(因此最小化了在这些流中的氮气含量)；

次级通道11全都形成相对于第一通道4的轴线发散的角度。

可以通过改变如下参数的一个或多个来完成分阶段和分阶段的程度：

从空间48出来的流和由充气区送给的流的流量和氧气含量之间的比值，

从空间50出来的流和从空心主体31及其出口33送给的流中的氧气流量的比值；

次级通道11的发散角度的幅值；

次级氧化剂排放开口13的中心和燃料管45的中心之间的距离；

排放开口13的个数；

离开次级通道11的流的速度和动量。

对于较高的分阶段的程度预期了较低的NOx排放率。分阶段极限由每组燃烧条件的最低NOx和CO排放率下的火焰稳定性确定。本发明能以在从60至500kW/m³的范围内的着火密度运行。

优点

在此披露的燃烧方法和设备允许燃料与呈现从由促进火焰稳定性所要求的最小量直至100％的总氧气浓度的氧化剂流燃烧。

另一个显著的优点是，任何或所有氧化剂流的氧气浓度和送给率可以在燃烧继续时改变，即不中断和再次开始燃烧。

另外，本发明产生了满意的低CO排放。

本发明的其他优点包括如下：

本发明以在氧化剂内的在从20.9％体积百分比(或如果火焰稳定性可以实现则更低)直至100％体积百分比的范围内的任何氧气浓度下促进了燃烧过程，且在正在进行的燃烧期间使氧气浓度改变。

本发明促进了在所送给的氧化剂中的每个氧气浓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。

本发明最小化了在与实际工业熔炉相容的着火密度下，即在从60至500kW/m³的范围内的着火密度下实现的NOx排放率，使得具有可接受水平的CO生成。

本发明避免了提供一个以氧气点火燃烧且一个以空气点火燃烧的两个分开的加热站的需要，以适应呈现同传热率的情况。

本发明的其他的优点在运行应用中显现。例如，产量改进可以在其中关心氧化的应用中获得，例如铝的熔融和钢的再加热。

在例如加热和保持运行的整个步骤次序中，燃料消耗率是低的且是优化的。

获得了更好和更均匀的热传递和温度分布。

例子

在金属熔融过程中，给定目标温度(其可以涉及装填温度，或产品温度，或熔炉耐火温度，或烟道气温度，或它们的组合)可以对于在送给到燃烧器系统中且在此燃烧的氧化剂流的不同氧气浓度实现。为实现最佳性能(在此情况中为快速熔融速率)，对于熔融阶段施加纯氧气是合适的。然而，一旦熔融阶段完成，在燃料燃烧中使用纯氧在经济上是不合理的。根据本发明，在送给到燃烧器系统中的且在此燃烧的氧化剂流中的总氧气浓度降低到足以保持金属熔融和热的水平。

另一个例子，是如果包的耐火衬里必须保持在给定的温度下长的时间期间，则燃烧器系统可能以将在此给定的温度下维持燃烧的最低总氧气浓度运行。当需要增加包衬里的温度时，总氧气浓度增加(运行中)到最经济(最小化成本)水平，这以希望的速率升高了温度。因为能以相对地低的峰值火焰温度(通过以送给相对低的总氧气浓度进行燃烧而获得)在新的耐火衬里内促进干燥和固化，和在用于接收和保持熔融金属的包内的短的加热循环(由以相对地较高的总氧气浓度燃烧而获得的较高的传热率)，获得了改进的包耐火加热和预加热和延长的耐火寿命。

使用本发明的方法的另一个例子是在用于加热钢板的连续或非连续的钢再加热熔炉内。为吞吐量增加，即加快，当要求最大吞吐量时，本发明可以通过燃烧燃料与具有高的总氧气浓度的氧化剂流来使用。如果吞吐量要求降低，则总氧气浓度的降低量基于新的较低的需求。这允许燃烧器系统以稳定的速率运行(不通过高火和低火模式)，这将维持稳定的熔炉温度。

简单的定量例子可以在包预加热应用中给出。优选的实践是在熔融金属送给(“流入”)到包内之前快速地预加热包。预加热增加了耐火材料的寿命(以避免/最小化热冲击)且最小化流入到包内的熔融金属的温度下降。为快速加热，以高的总氧气浓度的燃烧是最合适的应用。如果包预加热站使用了仅在氧气燃料燃烧(氧化剂中100％的氧气)和空气燃料燃烧(仅以空气作为氧化剂的燃烧)之间切换的氧气空气燃烧器，则通常运行将在加热循环中在氧气燃料模式下运行燃烧器以快速加热包耐火衬里且使得包在短的时间期间内可用于熔融区(melt shop)。当在熔融区中存在延迟时，包置于“保持”且燃烧器将以空气(在氧化剂中20.9％体积百分比氧气浓度)运行。如果突然要求以要求的净能量为10分钟内1MM Btu(293kW)的方式加热包耐火衬里，则燃烧器可以切换到氧气燃料模式且间歇地运行，即当实现设定点时关闭且当包耐火衬里的温度下降时开启。此运行将导致包耐火衬里的热应力，从而降低其使用寿命。此外，此类运行也导致控制系统上的阀的问题(例如疲劳)(因为频繁重复的间歇的开启/关闭运行)。

以本发明的方法，燃烧器系统可以以如下条件运行。假定燃烧器额定为着火10MM Btu/h(2930kW)，如果净能量要求为10分钟内1MMBtu且燃烧器额定为在10分钟内输送1.7MM Btu(500kW)(10MMBtu/h×10分钟/60分钟)，这代表着10分钟运行的60％的热效率(或可获得的净加热)。已知烟道气温度将为1200℃，则在对应于60％的可获得净加热的送给的总氧化剂中的氧气浓度确定为40％体积百分比。因此，在此描述的燃烧器将通过以包含40％体积百分比的氧气的氧化剂流燃烧燃料来稳定地运行，这将促进包耐火衬里内的温度的平稳增加，因此避免了不需要和不希望的热应力。

如果因为生产进程要求需要再次改变加热率，则相同的过程将付诸于实践，即在送给到燃烧器系统内的氧化剂流中的总氧气浓度在运行中变化，从而避免了热传递的突然改变。总氧气浓度可以变化同时燃烧正在进行而不中断燃烧和提供任何希望的总氧气浓度的水平的事实带来的经济性优点，因为燃烧系统可以总是在最小成本条件下运行，同时促进在特定的总氧气浓度下的最低NOx排放。

Claims (5)

1.一种包括燃烧器主体和燃烧器块的燃烧器系统，其中：

(A)燃烧器主体包括：

充气区主体，其具有封闭了充气区空间的背表面和侧表面，其在其前方打开在单平面的充气区开口内，充气区开口由所述的侧表面的前边缘限定，

在所述的充气区主体的背表面或侧表面内的送给入口，气体可以通过其送给到所述的充气区空间内，

第一空心主体，其完全地位于所述的充气区空间内且关闭防止气体在所述的充气区空间和所述的空心主体内部之间通过，其中空心主体不延伸通过所述的充气区开口，

通过所述的空心主体的表面的送给入口，气体可以通过其送给到所述的空心主体的内部内，

2至16个通过所述的空心主体的表面的出口，气体可以通过该出口通到所述的空心主体外，每个出口定向为向着充气区开口从所述的充气区空间向外指向，其中所述的出口的外端不延伸超过所述的充气区开口的平面，

第一管，其从所述的充气区主体的背表面的外侧延伸通过充气区空间到第一管端部，第一管端部位于充气区开口的平面外侧的第一距离，其中第一管关闭防止气体从充气区空间且从空心主体的内部通入所述的第一管内，

位于第一管内的第二管，第二管从所述的充气区主体的背表面外侧延伸通过充气区空间到第二管端部，第二管端部位于充气区开口的平面外侧的第二距离，其中所述的第二距离大于第一距离，其中所述的第二管关闭防止气体从充气区空间、从空心主体的内部且从第一管通入所述的第二管内，且其中第一管和第二管的轴线共轴或平行，

位于第二管内的第三管，第三管从所述的充气区主体的背表面外侧延伸通过充气区空间到第三管端部，第三管端部位于充气区开口的平面外侧的所述的第二距离，其中所述的第三管关闭防止气体从充气区空间、从空心主体的内部且从第二管通入所述的第三管内，且其中第一管、第二管和第三管的轴线共轴或平行，

用于接收气体到第一管和第二管之间的空间内的送给入口，

用于接收气体到第二管和第三管之间的空间内的送给入口，

和用于接收燃料到所述的第三管内的送给入口；和

(B)燃烧器块包括：

前表面和后表面，

延伸通过块的第一通道，第一通道包括：

筒段，其从所述的后表面延伸到块内到所述的筒段的内端至少等于所述的第一距离的长度，所述的筒段的直径允许所述的第一管贴合地配合到所述的筒段以最小化气体在所述的第一管外侧在所述的筒段内的通过，

具有上游端和下游端的喉段，且喉段的直径沿其轴线恒定且小于所述的筒段的直径且大于所述的第二管的外径，其中从块的后表面到所述的上游端的距离大于所述的第一距离且小于所述的第二距离，且其中从所述的块的后表面到所述的下游端的距离大于所述的第二距离，

从所述的筒段的内端轴向延伸到所述的喉段的所述的上游端的渐缩段，

口段，其从块的前表面延伸到块内到口段的内端，其中口段的直径恒定且大于所述的喉段的直径，

从所述的喉段的下游端延伸到所述的口段的内端的烧嘴段，

其中所述的段共轴，且口段和烧嘴段的轴向长度的和是烧嘴段的最大直径的直径的直至50倍；喉段的轴向长度是烧嘴段最大直径的直径的直至50倍；烧嘴段的最大直径与喉段的直径的比值为1至50；且从次级通道的排放开口到第一通道的轴线的距离是喉段直径的1至10倍，

多个次级通道，其个数大于所述的出口的个数，次级通道从所述的块的后表面内的入口开口延伸通过所述的块到所述的块的前表面内的排放开口，其中所述的入口开口足够靠近所述的第一通道，使得当所述的充气区主体的前边缘与所述的块的后表面接触时，所述的入口开口与所述的充气区空间气体接触，且其中每个次级通道具有在其排放开口处的轴线，该轴线向第一通道的轴线以直至60度的角度会聚，从第一通道的轴线以直至85度的角度发散，或平行于第一通道的轴线；

其中所述的燃烧器主体相对于所述的块定位，使得所述的充气区主体的前边缘与所述的块的后表面接触，以防止气体除去通入所述的次级通道之外通过到所述的充气区空间外，且第一管和第二管延伸到所述的第一通道内，且出口与次级通道对齐，使得从出口通过的气体通过与出口对齐的次级通道。

2.一种用于加热基质的方法，其包括：

(A)提供根据权利要求1所述的燃烧器系统，

(B)确定到基质的第一传热率，

(C)确定燃料和氧化剂待送给到所述的燃烧器系统以在此燃烧的速率，且确定待燃烧以生成以所述的第一传热率从所述的燃烧器系统传递到所述的基质的燃烧热的所述的氧化剂的总氧气浓度，

(D)以所述速率将燃料和具有所述的总氧气浓度的氧化剂送给到所述的燃烧器系统且在所述的系统处燃烧所述的燃料和所述的氧化剂，以生成以所述的第一传热率传递到所述的基质的燃烧热，

同时，相对于通过所述的燃烧器系统的所述的次级通道和所述的出口送给的氧气量分配通过所述的燃烧器系统的所述的第一管和第二管送给的氧气量，以最小化由所述的燃烧形成的NOx，

(E)确定到基质的第二传热率，该第二传热率与所述第一传热率不同，

(F)确定待燃烧的所述的氧化剂的新的总氧气浓度，且确定所述的氧化剂或所述的氧化剂和所述的燃料送给到所述的燃烧器系统且在燃烧器系统中燃烧以生成以所述第二传热率传递到所述的基质的燃烧热的新的速率，和

(G)在继续将燃料和氧化剂送给到所述的燃烧器系统时，将送给到所述的燃烧器系统的总氧气浓度改变为所述的新的总氧气浓度，且改变所述的氧化剂或所述的氧化剂和所述的燃料送给到所述的燃烧器系统的速率，且继续在所述的燃烧器系统处燃烧所述的燃料和氧化剂而不中断所述的燃烧，以生成以所述第二传热率传递到所述的基质的燃烧热，

同时，相对于通过所述的次级通道和所述的出口送给的氧气量分配通过所述的第一管和第二管送给的氧气量，以最小化由所述的燃烧形成的NOx，

其中送给到所述的燃烧器系统的氧气量总是足以维持所述的燃料在所述的燃烧器系统处的燃烧，且其中送给到所述的燃烧系统的氧气的量总是足以将所述的燃烧的气态产物的一氧化碳含量维持为低于100ppm。

3.根据权利要求2所述的方法，其中热以所述的第一传热率传递到所述的基质，以熔融所述的基质的全部或部分，且热以所述的第二传热率传递到所述的基质，以维持所述的熔融的基质处于熔融状态。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述的基质是包，热以第一传热率传递到所述的包以加热包，且热以所述的第二传热率传递到所述的包以到更高的温度。

5.根据权利要求2所述的方法，其中热以所述的第一传热率在钢再加热熔炉内传递到以第一吞吐率通过所述的熔炉的钢板，且热以所述的第二传热率传递到以与所述的第一吞吐率不同的第二吞吐率通过所述的熔炉的钢板。

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