CN101680654A - 液体燃料空心射流喷射器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液体燃料雾化喷射器，包括液体燃料进入导管和雾化流体进入导管，所述液体燃料进入导管包括穿有倾斜管道的元件，该元件用于使所述燃料在喷射到所述喷射器外面之前呈现旋转空心射流的形状，每个所述管道的母线与液体燃料的进入方向形成小于10°的角。该喷射器用于构成燃烧器的一部分，特别是用于装备玻璃熔炉。该喷射器允许明显减少NOx。

Description

液体燃料空心射流喷射器
技术领域
本发明涉及一种燃烧方法和装置，其中燃料的供给由至少一个喷射器确保。
背景技术
将针对本发明在玻璃熔炉中用于熔化玻璃的应用进行更具体地描述，特别是在用于制造浮法型平板玻璃的熔炉中或在用于制造玻璃容器的熔炉中，例如通过倾转工作的熔炉，像那些利用再生器(能量回收器)的熔炉，但本发明并不因此局限于这些应用。
上述燃烧方法特别是在玻璃熔炉中使用的燃烧方法中的大多数都面临燃烧烟气中存在不期望的NOx排放的问题。
NOx对人类和环境都会产生有害影响。实际上，一方面，NO2是一种导致呼吸疾病的刺激性气体。另一方面，接触大气之后，NOx可逐渐形成酸雨。最后，它们造成光化学污染，因为与挥发性有机化合物和太阳辐射结合之后，NOx导致形成臭氧，称为对流层臭氧，在低海拔高度处臭氧浓度增大时会变得对人类有害，尤其是在酷热的时候。
这就是为什么关于NOx排放的现行标准变得越来越严格。正是由于这些标准的存在，炉子例如玻璃熔炉的制造商和运营商，持续地关注最大限度地限制NOx排放，优选地限制成低于800，甚至低于600mg/Nm3烟气。
已经分析出了影响NOx形成的参数。主要涉及温度，因为超过1300℃后NOx排放呈指数增长，还涉及空气过量，因为NOx浓度取决于氧浓度或者N2浓度的平方根。
众多技术已被提出用于减少NOX排放。
第一技术旨在在所排放气体中引入还原剂以使NOx转化成氮。还原剂可为氨，但是这会引起诸如难以存储和操纵这种产品的缺点。也可以使用天然气作为还原剂，但是这不利于炉子的消耗并会增加CO2排放。在炉子某些部分例如再生器中存在还原性气体还可能引起对这些区域耐火材料的加速腐蚀。
因此优选地，而不是必须地，通过采用称为一级措施的措施来摆脱这种技术。这些措施被如此称呼是因为，不是如在上述技术中那样力图摧毁已经形成的NOx，而是更倾向于阻碍它们的形成，例如在火焰处。这些措施还易于实施，因此，更加经济。然而，这些措施不能完全取代上述技术，而是有利地对其进行补充。无论如何，这些一级措施构成为减少二级措施的反应物消耗所必需的前置措施。
可以将现有措施非限制性地分成几类：
-第一类旨在借助于称为“再燃烧”的技术减少NOx的形成，通过该技术在炉子的燃烧室中创设无空气区域。这种技术的缺点在于，提高了再生器堆处的温度，并且必要时，需要提供对再生器及再生器堆的特别设计，尤其是在密封性和抗腐蚀性方面；
-第二类旨在对火焰进行干涉以减少甚至阻碍NOx在火焰处的形成。为此，例如可力图减少燃烧空气的过量。也可以力图在保持火焰长度的同时限制温度峰值，以及力图增大火焰前缘的体积以降低火焰中的平均温度。一种这样的方案在例如US6047565和WO9802386中进行了描述。该方案由用于熔化玻璃的燃烧方法构成，在该方法中，燃料的供给和助燃剂的供给都以这样的方式进行，即在时间上分散燃料/助燃剂的接触和/或增大这种接触的体积以减少NOx排放。
值得提醒的是，一种喷射器专门用于燃料的推进，该燃料具有能通过助燃剂燃烧的能力。因此，该喷射器可构成燃烧器的组成部分，术语“燃烧器”通常表示同时包括燃料进口和助燃剂进口的装置。
EP921349(或US6244524)为减少NOx的目的提出了一种装有至少一个喷射器的燃烧器，该燃烧器包括燃油类液体燃料进入导管和相对于所述液体燃料进入导管同心设置的雾化流体进入导管，所述液体燃料进入导管包括穿有倾斜管道的元件，该元件用于使液体燃料呈现基本上与内壁匹配的空心射流形状，每个所述管道的母线与液体燃料的进入方向形成至少10°的角，特别是在15和30°之间的角，优选地等于20°的角。
发明内容
本发明的目的是相对于在EP921349(或US6244524)的基础上可以做到的程度进一步减少NOx。实际上已经发现，减小倾斜管道相对于液体燃料进入方向的角度，直接允许延长所产生的火焰，允许获得更好的火焰温度均匀性并允许减少NOx。
本发明的另一个目的是提出一种适于所有制备熔融无机玻璃的结构的燃烧炉子和方法，其允许获得最佳的热传递，特别是通过提供具有适当长度且体积足够大的火焰以有利于最大程度地覆盖玻璃浴和熔融态的可玻璃化材料而实现。
根据本发明的喷射器可在所有类型的玻璃熔炉中使用，如环焰炉和侧焰炉，它们可以装有再生器或回收器。
本发明涉及一种液体燃料雾化喷射器，该喷射器包括液体燃料进入导管和雾化流体进入导管，所述液体燃料进入导管包括穿有倾斜管道的元件，该元件用于使所述燃料在喷射到所述喷射器外面之前呈现旋转空心射流的形状，每个所述管道的母线与液体燃料的进入方向形成小于10°的角。
本发明的喷射器包括液体燃料特别是燃油类液体燃料进入导管和围绕液体燃料进入导管大致同心设置的雾化流体进入导管，所述液体燃料进入导管包括穿有倾斜管道的元件，该元件用于使液体燃料呈现基本上与内壁匹配的空心射流形状，每个所述管道的母线与液体燃料的进入方向形成小于10°的角。
液体燃料和雾化流体都通向喷射器的外表面。通常，雾化流体通过围绕着液体燃料喷射孔口的同心孔口喷出。液体燃料进入导管的外表面和喷射器的外表面处于同一平面内是有利的。
液体燃料进入导管还可以终止于喷嘴，该喷嘴用于将液体燃料喷射穿过其外表面。在这种情况下，液体燃料进入导管的外表面是喷嘴的外表面。雾化流体进入导管可以终止于块体，该块体穿有喷射雾化流体的孔口，喷嘴的至少一部分插入在所述块体中，喷嘴的外表面(终端部)在块体外表面(与雾化流体没有接触)所限定的平面内对齐，并且所述孔口在该块体外表面上开口。因此这里，喷射器的外表面对应于喷嘴的外表面和块体的外表面之和。这里，液体燃料进入导管的外表面是喷嘴的外表面，因为液体燃料进入导管终止于喷嘴。
通过恰在液体燃料从其进入导管通出之前产生非常特殊的液体燃料流，使得液体燃料在其从导管出来时被雾化流体有效地机械雾化成为可能，这允许获得该燃料的液滴的不均匀性，从而避免该燃料的燃烧太过迅速，而燃料的燃烧是形成NOx的源。因此，为了获得期望的火焰温度，可以允许在入口处，从而在火焰根处引入少量的助燃剂，这进一步降低形成NOx的风险。
可以以至少1.2Mpa的供给驱动压力喷射出液体燃料。
优选地，以在100和150℃之间，更优选地在120和140℃之间的温度喷射出液体燃料。
这样的温度范围允许将在实际设备尤其是玻璃熔炉中使用的任意类型液体燃料调节成恰在该燃料从其进入导管喷射出之前所需的粘度。该粘度可以有利地至少等于5×10-6m2/s，特别是在10-5和2×10-5m2/s之间。
已经发现，液体燃料喷射的张开锥角与使液体燃料呈现空心射流形状的元件中的倾斜管道与液体燃料的进入方向所形成的角度有关。因此，以张开角小于10°，特别是在3°和8°之间的圆锥喷射出液体燃料。大约5°的张开角尤其合适。
与液体燃料进入导管的几何形状及其尺寸无关的是，这样的数值不仅允许系统地获得雾化流体射流和液体燃料液滴之间的干涉，这种干涉在本发明背景下是必需的，还允许获得这些液滴的尺寸离散，使得所得到的火焰在其整个长度上温度均匀。
至于雾化流体，非常有利地以最大70Nm3/h，通常在30和60Nm3/h之间的流速喷射出。
雾化流体的流速值与该流体的压力相关，该压力需要限制到最大。通过获得如上所述的最大流速值，可获得足以用于所有现有玻璃熔炉结构的火焰长度。
液体燃料进入导管可包括圆柱形管和喷嘴。该喷嘴可以固定在圆柱形管的末端上，特别是通过螺接固定。一种特别适合根据本发明的喷射器的喷嘴几何形状是这样的，它包括截头圆锥形回旋室，该回旋室由内壁为圆柱形的端头续接。工作期间，液体燃料流自其旋转时即为空心，也就是说自其从穿有倾斜管道的元件出来时即为空心，直到该燃料从喷射器喷出，也就是说直到该燃料雾化成液滴。
特别优选地，回旋室的顶角θ至少为30°，优选地在55°和65°之间，尤其是等于60°，这允许最大限度地减少液体燃料流的压力损失。
负责形成液体燃料旋转空心射流的元件基本上封塞了液体燃料进入导管，并且穿有管道，特别是穿有相对于液体燃料的进入方向倾斜的圆柱形管道。
该元件使液体燃料发生旋转流动，该旋转流动允许燃料呈现空心射流的形状并赋予燃料足够高级别的机械能以便燃料在从其进入导管出来时能被雾化成具有最佳尺寸离散度的液滴。
所述管道可以有利地均匀分布在该元件的圆周上。
该元件具有允许其插入液体燃料进入导管中的形状，例如可以为圆柱，优选地为具有两个基本上相互平行的表面的圆柱(圆片形状)。此外，这些表面优选地沿着垂直于液体燃料进入方向的方向定向。因此，包含管道的该元件尤其可以具有轴线对应于液体燃料进入方向的圆柱形状。
更有利地，每个管道的取向选择成，使得它们的母线与液体燃料进入方向形成小于10°，甚至小于8°，还甚至小于6°，特别是大约为5°的角α。通常，每个管道的取向选择成，使得它们的母线与液体燃料进入方向形成大于2°，甚至大于3°，甚至大于4°的角α。
该特殊取向允许在所有的液体燃料“被分割”射流从相应管道出来时获得它们之间的协同作用，使得当它们从相应管道出来时，它们有助于在下游产生与包含有管道的元件之后的整个导管(回旋室，然后是液体燃料喷出端头)的内壁相匹配的单股空心射流。
管道穿过元件，并且每个管道特别由元件每侧的孔口限定，也就是说每个管道由两个孔口限定。通常，位于元件一侧的所有管道孔口的中心均匀地分布在一个圆上，该圆的中心对应于元件和喷射器的轴线。因此，可以如此限定两个圆，每个圆位于元件的任一侧上。通常，这两个圆的半径R可以相同。例如，R可介于2.5至4.5mm之间。
如果S代表所有包含在元件中管道的面积，则优选地选择介于6至13mm之间的比值S/R。
根据一个附加特征，元件可以在喷嘴的上游密封地安装于液体燃料进入导管中，优选地靠在回旋室上。
术语“下游”和“上游”应该理解成相对于液体燃料的进入方向而言。
至于雾化流体进入导管，其优选地包括至少一个圆柱形管，在该圆柱形管的末端，优选地通过螺接固定有穿有孔口的块体，根据本发明的喷嘴的至少一部分插入在该孔口中。
优选地，该块体的孔口和插入在其中的喷嘴部分的外壁设置成同心。这种优选设置还可以通过能够确保上述各元件自动对中的上述螺接而获得，即块体的孔口相对于插入在其中的喷嘴部分的自动对中。
这种同心的优点在于，若不同心，则会有在空心射流的外周形成特别粗大的燃油类液体燃料液滴的风险，这可导致不太好的燃烧，尤其是具有提高出现一氧化碳的阈值的风险。
优选的是，喷嘴的外表面(终端部)在由块体的外表面所限定的平面内对齐，即与雾化流体没有接触且孔口在其上开口的那个表面。实际上，不正确的对齐会导致对液体燃料和雾化燃料从其各自的进入管道出来时的空气动力学的改变。
有利地，以上描述的根据本发明的喷射器借助于密封装置密封地安装在耐火材料块体中，其中密封装置包括装有冷却片的板。这样的密封安装阻止了在喷射器下游端处任何干扰空气的进入，干扰空气的特别害处在于，其提高了构成火焰最热部分的火焰根中的氧含量。
根据本发明的喷射器可以固定在可调支架上，通风喷嘴朝着喷射器的下游端定向，更具体地朝着上述板定向。支架优选地可调倾斜角、方位角和平移量，以便尤其抵靠在密封装置的板上。
至于通风喷嘴，其吹出空气，这允许避免在喷射器下游端处出现局部过热。
液体燃料进入导管可包括至少一个扩散器。
在本发明背景下使用的液体燃料为在燃烧装置中通常用来加热玻璃熔炉中可玻璃化材料的液体化石燃料。例如，其可涉及重质燃油。同样，雾化流体为在常规设备上经常看到的、用于雾化上述液体燃料的那些。例如，其可为空气(在这种情况下称为一级空气，以区别于用作主助燃剂的二级空气)。其还可以涉及天然气、氧(在富氧燃烧的情形下)、或者蒸汽。本发明特别适用于重质燃油型燃料，并且本发明允许这类燃料以很大的流速(500至600kg/h)在根据本发明的单个喷射器中流动。
喷射器中的液体燃料流速要由期望安装上该喷射器的炉子的类型、它的工作参数如产量、以及所用液体燃料的性质来确定。本领域技术人员可以容易地确定这些数值，特别是可以通过试验绘制图表。本领域技术人员也可以选择精心制备的表面，分别是回旋室的表面、管道的表面、以及内壁端头的表面，以便确保由于对高速扫过这些元件的液体燃料的摩擦而引起的压力损失最小。
根据本发明的喷射器在燃烧室例如炉子中产生很少的NOx，该喷射器以小的雾化流体流速工作，这使得可以宽松和灵活地使用助燃剂，从而最终允许获得从能量角度而言的良好结果。
喷射器通常被整合在还包括助燃剂入口的燃烧器中。助燃剂可以是空气、富氧空气、或者纯氧。通常，喷射器放置在助燃剂入口下方。对于助燃剂为空气或富氧空气的情形，空气通过截面相对大的开口进入，该截面尤其可在0.5和3m2之间，可在每个空气入口处组合多个喷射器。
本发明特别适合于制造高品质玻璃特别是光学玻璃，例如采用浮法制造的平板玻璃，或者玻璃容器。装有根据本发明的喷射器的炉子排放很少的NOx，且不用担心出现可能对玻璃色彩有害的还原性燃烧。
本发明尤其可以对在US6047565和WO9802386中描述的技术进行有利的补充。
附图说明
图1是根据本发明的喷射器的局部剖面示意图。
图2以侧视剖面图(图2a)和俯视图(图2b)示出了根据本发明的元件，该元件中穿有使燃料成为空心射流的管道。
图3是包含根据图1的喷射器的玻璃熔炉的壁的竖直剖面图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的喷射器1的局部剖面图。喷射器1包括两处流体供给，即分别是液体燃料进入导管2和雾化流体进入导管3。
上述液体燃料进入导管和雾化流体进入导管，在这两种流体中每一种的流动的上游，分别连接于起始于未示出的液体燃料源和雾化流体源的回路。
液体燃料进入导管2主要包括圆柱形管21，在该圆柱形管的末端螺接有喷嘴22。该喷嘴在其下游端处包括截头圆锥形回旋室23，该回旋室由具有圆柱形内壁25的端头24续接。回旋室23的顶角θ等于60°。
在上述喷嘴22内设置有密封地邻接于回旋室23的圆柱4。圆柱4是穿有使液体燃料呈现空心射流形状的倾斜管道的元件。圆柱4包括均匀分布在其圆周上的管道41并具有两个表面42、43，这两个表面相互平行且基本上垂直于在图1中由箭头f标示的液体燃料进入方向，该方向还与雾化流体的进入方向相同。
管道41为圆柱形，其母线与上述进入方向形成5°的角α。
至于雾化流体进入导管3，其主要包括圆柱形管31，在该圆柱形管的末端螺接有块体32，该块体的内台肩33与管31的下游端邻接。
块体32穿有孔口34，该孔口的形状允许插入喷嘴22的一部分。块体32还在孔口34那侧具有凸起部35，该凸起部通过将块体32螺接到圆柱形管31上而允许确保端头24的外壁26在孔口34内完全自动对中。
由于上述两个元件26、34的形状互补，因此完全确保了它们的同心，这避免对液体燃料在其从导管2出来时的液滴尺寸离散度进行不期望的改变。
完全实现了喷嘴的终端部36(喷嘴的外表面)在平面(∏)内的对齐，该平面∏是由块体的外表面37所限定的，即与雾化流体没有接触且孔口34在其上开口的那个表面。
这样的布置有利于保持这两种流体在从各自的进入导管出来时的空气动力学。
图2以侧视剖面图(图2a)和俯视图(图2b)更详细地示出了图1的圆柱4。在图2b中可以看到，该圆柱包括8个管道20，这些管道的中心规则地分布在半径为R的圆上。在图2b中只示出了这些管道的显露孔口，即在该部件的顶部露出的孔口，但对其中一个管道例外，用实线圆绘出了该管道的上孔口21，用虚线圆示出了该管道的下孔口22。当然所有的管道都相同。图2a以侧视图示出了该圆柱，其中只示出了具有孔口21和22的管道。该管道的轴线与圆柱本身的轴线形成角α，该圆柱本身的轴线对应于液体燃料的进入方向。在本发明的背景下，角α小于10°。
图3示出了包含根据图1的喷射器5的玻璃熔炉的壁的竖直剖面图。在这个特定结构中，可以看到，喷射器5包括可调倾斜角、方位角和平移量的支架6。在可调支架6上固定喷射器5，喷射器5通过装有冷却片的板8抵靠在耐火材料块体7的壁上。耐火材料块体7本身安装在炉子9的壁的开口中。
喷射器5还包括朝着上述板定向的通风喷嘴10。
最后看到两根分别连接于液体燃料和雾化流体的供给源的柔性进料管11、12，其中供给源未示出。
现在将在下文解释喷射器如何工作。
在穿过圆柱4时，由圆柱形管21引入的液体燃料被分割成和切向管道41的数量同样多的单股射流。
然后，这些单股射流到达回旋室23中，击打该室的壁，由于顶角θ的值等于60°而引起最小的压力损失。
切向管道41的均匀分布和这些管道中每个的母线在圆柱4的整个圆周上等于5°的倾斜角α，导致所有单股射流离心到回旋室23的壁上，而不因此相互干涉。
这种在回旋室内的离心在下游处有利于燃料通过呈现出与端头24的内壁25相匹配的空心射流而遵循螺旋轨迹。
在端头24的出口处，液体燃料从而获得最大的机械能，并且在雾化流体的影响下，其真正分裂成尺寸离散度最佳的非常细小的液滴。这样的离散度使得由喷射器产生的火焰，一旦被主助燃剂启动，就在整个长度上具有非常均匀的温度。
对于相同流速的燃料，与没有圆柱4的同样喷射器1所能引起的雾化相比，这样的燃料雾化还显著延长了火焰。
圆柱4的尺寸应该这样设计，使得永远不会实现充满并且根据本发明始终能获得基本上与内壁相匹配的空心射流。
以上描述的喷射器设计简单且价格低廉。此外，该喷射器还可整体且容易地进行拆卸，并且可适应现有的设备。
在各图中，角α有些放大，这是为了便于理解。
例1
一种装有包括进气流的燃烧器的144m2(玻璃浴的面积)环焰炉，其中在该进气流的下方设有四个加热至130°的液体燃油的喷射器。该燃烧器具有15兆瓦的功率。每个喷射器包含使燃油旋转的元件，该元件包括8个直径为2.3mm的孔，这些孔的轴线相对于液体燃油的进入方向形成5°的角。这些孔的轴线被设置在半径为3.75mm的圆上。燃油的总流速(供应给所有喷射器的流速之和)为2000kg/h。空气在相对于燃油的化学计量条件下供应给燃烧器。烟气中所测量的NOx为550mg/Nm3。
例2(对照)
如例1那样设置，但不同的是，那些孔的轴线相对于液体燃油的进入方向形成20°的角。烟气中所测量的NOx为800mg/Nm3。

Claims (10)

1.一种液体燃料雾化喷射器，包括液体燃料进入导管和雾化流体进入导管，所述液体燃料进入导管包括穿有倾斜管道的元件，该元件用于使所述燃料在喷射到所述喷射器外面之前呈现旋转空心射流的形状，所述喷射器的特征在于，每个所述管道的母线与液体燃料的进入方向形成小于10°的角。
2.前一权利要求的喷射器，其特征在于，每个所述管道的母线与燃料的进入方向形成2°和8°之间的角。
3.前一权利要求的喷射器，其特征在于，液体燃料进入导管的外表面与喷射器的外表面处于同一平面内。
4.前一权利要求的喷射器，其特征在于，雾化流体进入导管围绕着液体燃料进入导管同心设置，所述液体燃料进入导管终止于喷嘴，该喷嘴用于将液体燃料喷射穿过其外表面，所述雾化流体进入导管终止于块体，该块体穿有喷射雾化流体的孔口，喷嘴的至少一部分插入在所述块体中，喷嘴的外表面在块体外表面所在的平面内对齐，并且所述孔口在块体外表面上开口。
5.一种包含前述权利要求之一的喷射器的燃烧器。
6.前一权利要求的燃烧器，其特征在于，还包括空气或富氧空气的入口，该入口的截面积在0.5m2和3m2之间。
7.一种包含前述两项权利要求之一的燃烧器的炉子。
8.前一权利要求的炉子，其特征在于，该炉子为环焰炉。
9.一种熔融玻璃的热处理方法，其特征在于，熔融玻璃在前一权利要求的炉子中加热。
10.权利要求1至4之一的喷射器或燃烧器在加热熔融玻璃中的用途。
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