CN102089587B - 燃烧器组件和燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在燃烧区内分开喷射燃气和氧化剂的可变动量燃烧器组件，其包括至少两个燃气导管(100)、至少一个氧化剂导管和燃气分配器(110)，其中所述至少两个燃气导管包括形成内部燃气出口的内部燃料传导通道(101)和形成外部燃气出口的外部燃料传导通道(102)，所述内部和外部燃气传导通道同轴地设置；并且其中所述燃气分配器包括与所述至少两个燃气导管的内部燃料传导通道流体连接的第一燃气室(111)和与所述至少两个燃气导管的外部燃料传导通道流体连接的第二燃气室(112)。

Description

燃烧器组件和燃烧方法

技术领域

本发明涉及一种燃烧工艺及用于该燃烧工艺的设备，该设备用于容纳分离的燃料喷射器和氧化剂喷射器，以将燃气和氧化剂分开引入炉的燃烧室，使得燃料与氧化剂在宽而发光的火焰中燃烧，并且由此燃料与氧化剂的燃烧所产生的氮氧化物(NOx)的量减少。 

背景技术

诸如玻璃或釉料熔融、黑色金属和有色金属材料熔炼之类的工业高温工艺使用大量能量以将各种原料转化为随后在工业工艺的更多阶段中铸造、成型或被处理的热产品。该操作一般在每天能够生产多达500吨(公制的)熔融材料的大型炉中执行。高卡值(calorific value)燃料如天然气、丙烷或可能地低卡值燃料如一些高炉气与含氧的氧化剂在炉内燃烧是一种供应能量的优选方法。在一些情况下，通过电加热补充燃烧。燃料和氧化剂在绝大部分时间经燃烧器引入炉内以产生火焰。能量从火焰传递至待被加热或熔融的材料是在材料表面的对流与对表面的辐射或在材料可透辐射的情况下对材料内部的辐射相结合的结果。高辐射性火焰(通常称为发光焰)通常是优选的，这是因为它们提供更好的热传递并因而提供更高的燃料效率。 

对于火焰加热而言，使来自火焰的能量均匀地分布在待被加热或熔融的材料表面上方也很重要。否则，热区域和冷区域可在炉内共存，这通常是不希望的，因为它会影响使用在这种炉内加热或熔融的材料制造的产品的质量。例如，在熔融玻璃浴中，冷区域中可能存在玻璃结石，而热区域中的挥发增加。优选宽火焰，这是因为它们产生更好和更均匀的覆盖。 

许多国家颁布了关于NOx排放的日益严格的规定。因此已开发限制NOx形成的燃烧技术。 

在很高温度的工艺中，氧分子和氮分子在火焰和炉的热区域中的长时间停留促进了NOx的形成。已证实使用大致纯氧(90％O₂或更高)代替空气作为氧化剂很成功地降低多达90％的NOx排放，这是因为几乎消耗了所有氮。 

但是，用大致纯氧代替空气提高了火焰温度，并因而在炉内形成氮与氧反应率高并且NOx的形成可成正比地增加的区域，即使当与使用空气燃烧相比时NOx的形成整体上减少。实际上，在实践中，通常不可能从炉排除所有氮，因为工业炉并非是不漏气的，燃料通常含有一些氮，并且从非低温源供应的氧例如通过真空变压吸附装置(VSA，Vacuum Swing Adsorption plant)生产的氧含有少量残余氮浓度。 

特别是对于氧化剂气体而言能够在低压下操作同时以减少的NOx排放产生宽、平、发光的火焰并且提供控制火焰长度以便使火焰与使用它们的炉相匹配的燃烧器组件从US-A-5984667和US-A-6068468已知，并由申请人以商品名Alglass^TM FC和Albatch^TM FC商业化。 

所述燃烧器组件的一个重要方面在于使燃料和氧化剂物理分离(即间隔开)，并且在几何形状上设置成赋予燃料流体流和氧化剂流体流允许燃料流体与氧化剂在稳定、宽而发光的火焰中燃烧的角度。 

更具体地，US-A-5984667公开了一种燃烧器组件，其包括至少两个燃料流体腔、至少一个氧化剂流体腔和至少一个出口面，燃料流体腔中的至少一个和氧化剂流体腔中的至少一个在该出口面处终止。所述燃烧器组件包括： 

a)用于供应氧化剂流体流的装置； 

b)用于将所述氧化剂流体流喷入所述至少一个氧化剂流体腔以形成至少一股喷射的氧化剂流体流的装置； 

c)用于供应燃料流体流的装置；以及 

d)用于将所述燃料流体流喷入所述至少两个燃料流体导路以形成 至少两股喷射的燃料流体流的装置； 

其中氧化剂流体流和燃料流体流的喷射方向大致汇聚并在燃烧区处相交，同时至少两个相邻的燃料流体导路的方向发散。 

此类燃烧器的已论证的优点为： 

·通过将火焰能量引向装料而非炉结构而提高了燃料效率， 

·通过增强的装料覆盖提高了加热均匀度并消除了热点， 

·引起向例如在玻璃熔炉内的装料有效传热的高发光度， 

·低污染物排放。 

此类燃烧器在一定工艺条件范围内、特别是在一定燃烧速度(firing rate)范围内可靠地操作，但是当燃烧器在所述范围之外操作时可能产生问题。例如，此类燃烧器存在的一个问题是：在低燃烧速度下(例如，低于标称燃烧速度的30％)，燃烧器所产生的火焰呈“惰性”并趋于朝炉顶上升，从而增加在炉顶中形成热点的风险。在很高的燃烧速度下(例如，超过标称燃烧速度的200％)，火焰控制变得越来越困难并且火焰的长度可能导致损坏相对的炉壁。 

需要增加以上已知类型的燃烧器的灵活性。 

举例而言，在玻璃熔炉内，必须提高炉的提拉速度(pull rate)，这通常必须提高安装在炉内的燃烧器中的至少一个的燃烧速度。在一定情形下，还可能需要降低炉的提拉速度，这可使得必须降低其燃烧器中的至少一个的燃烧速度。希望提供炉的燃烧速度的更大灵活性，而在炉内生产的产品的质量不恶化并且基本上不加速或增加炉损坏的风险。 

本发明的一个目的是提供燃烧器组件及燃烧方法，其可靠地在更宽的工艺条件、特别是燃烧速度的范围内具备以上已知类型的燃烧器的优点。 

联合喷射燃料和氧化剂(即，与分开喷射相比未间隔开的燃料和氧化剂喷射)并且能够在高和低动量下操作的燃烧器在本领域中是公知的。 

EP-A-0563793公开了一种可变动量的氧-燃料(oxy-fuel)燃烧系统，其包括氧-燃料燃烧器，该燃烧器具有大体柱形的壳体，燃料管道与所述壳体间隔开并同心地布置在所述壳体内，其中： 

-燃料管道沿着所述壳体的主要部分共同延伸并具有在与所述壳体的火焰端相同的平面中终止的火焰端； 

-同心地布置在燃料管道内的燃料盖，所述燃料盖与所述燃料管道配合以在所述壳体的所述火焰端产生环状燃料流； 

-氧化剂管道在所述燃料管道与所述壳体之间同心地布置在所述壳体内，所述氧化剂管道在所述壳体内共存地延伸； 

-在所述燃烧器上安装预燃烧器； 

并且其中： 

-燃料管道适合于沿着纵向轴线相对于所述氧化剂管道可变地定位，包括它们在由所述壳体的火焰端限定的部位终止以限定出包围所述燃料管道的环状氧化剂通道孔口的位置；并且 

-燃料管道和所述燃料盖适合于沿着纵向轴线相对于彼此可变地定位，包括它们在由所述壳体的火焰端限定的部位终止以限定出用于将燃料引导到所述燃料通道和将氧化剂引导到所述氧化剂通道的环状燃料通道的位置。 

根据EP-A-0563793的可变动量燃烧系统的一个主要不便之处在于通过改变诸如燃料管道、氧化剂管道和/或最接近壳体的火焰端的燃料盖之类的组件的构件的位置而使氧-燃料火焰的动量改变。该组件在承受氧-燃料火焰的诸如高温和燃烧产物或挥发材料的可能沉积之类的效应的位置存在可动件影响所述燃烧系统在操作中的可靠性。 

EP-A-763692公开一种氧-燃料燃烧器，其包括与被布置在内部和外部氧化剂管之间的燃料管同轴地设置的外部氧化剂管、中间燃料管和内部氧化剂管，并且可以通过改变内部和外部氧化剂流的相对流量来控制由该燃烧器所产生的火焰的特性。提供给内部氧化剂管的总氧化剂的百分比的增大导致火焰的长度和发光度减小并且火焰动量增加。此类燃烧器由申请人以商品名Alglass^TM VM和Albatch^TM VM商业化。 

如已在玻璃熔炉中论证的此类燃烧器技术的优点是： 

-调节炉内气氛的可能性， 

-特别是在有氧增压的情况下调节火焰动量的可能性， 

-根据炉几何形状(在交叉燃烧的情况下为炉宽度)调节火焰长度的可能性，以及 

-根据装料类型(玻璃成分)修改火焰发光度的可能性。 

以上公知的用于燃料和氧化剂的联合喷射的可变动量燃烧技术无一适合用于从US-A-5984667和US-A-6068468已知的类型的燃烧器组件，所述燃烧器组件包括至少两个燃料通道，并且燃料和氧化剂气体以分离的流体流被喷入高温炉的燃烧室。 

发明内容

根据本发明，提供了一种燃烧器组件，其包括至少两个燃料流体导管和至少一个氧化剂流体导管，并且其中氧化剂流体流和燃料流体流的喷射方向大致汇聚并在燃烧器组件下游的燃烧区相交。 

根据本发明，该燃烧器组件包括： 

·至少两个燃气导管； 

·至少一个氧化剂导管；以及 

·至少一个出口面，所述至少两个燃气导管或所述氧化剂导管中的至少一个或二者在该出口面终止， 

本发明的燃烧器组件还包括： 

a)用于供应氧化剂流的装置； 

b)用于将所述氧化剂流喷入所述至少一个氧化剂流体导管以形成至少一股喷射的氧化剂流的装置； 

c)用于供应燃气流的装置； 

d)用于将所述燃气流喷入所述至少两个燃料流体导管以形成至少两股喷射的燃料流体流的装置。 

所述燃烧器组件还设计成使得所述至少一股氧化剂流和所述至少两股燃气流的喷射方向大致汇聚并在燃烧器组件下游的燃烧区相交。 

该燃烧器组件的特征还在于： 

·所述至少两个燃气导管包括形成内部燃气出口的内部燃料传导通道和形成外部燃气出口的外部燃料传导通道，所述内部和外部燃料传导通道被同轴地设置； 

·用于喷射燃气流的装置包括用于从供应燃气流的装置接收燃气流的燃气分配器，所述燃气分配器具有： 

i)与所述至少两个燃气导管的内部燃料传导通道流体连接的第一燃气室，其中所述第一燃气室具有第一入口，该第一入口用于接收由用于供应燃气流的装置供应的燃气； 

ii)与所述至少两个燃气导管的外部燃料传导通道流体连接的第二燃气室，其中所述第二燃气室具有第二入口，该第二入口用于接收由用于供应燃气流的装置供应的燃气； 

iii)燃气流量控制装置，其用于控制从用于供应燃气流的装置分别流向第一和第二入口的燃气流的流量。 

具有与所述至少两个燃气导管的内部燃料传导通道流体连接的第一燃气室和与所述至少两个燃气导管的外部燃料传导通道流体连接的第二燃气室的燃气分配器可以同时、均匀和可靠地控制流向全部所述至少两个燃气导管、且更具体而言分别流向所述至少两个燃气导管的内部和外部燃料传导通道的燃气的流量。如以下示例中所述，通过这样在内部和外部燃料传导通道上分配燃气流，既能控制燃烧器组件的燃烧速度，又能控制火焰长度。 

当燃烧器组件用于诸如玻璃熔融之类的工业高温工艺时，均匀和同时地控制流向所述至少两个燃气导管的相应通道的燃气的流量尤为重要。实际上，对所述至少两个燃气导管的不均匀或时间上隔开的控制将导致火焰形状和燃烧区的热轮廓的持久或短暂的变化，从而可能影响在工艺中获得的产品的质量或损坏炉。 

相对简单的燃气分配器还能够使其构型牢固。此外，由于燃气分配器位于与燃烧区相对并远离燃烧区的燃烧器组件的低温侧上，所以还提高了燃烧器组件的可靠性，这是因为燃气分配器及其任何移动件不承受炉内高 温的潜在有害效应，也不形成燃烧产物、浓缩产物或灰尘的沉积。 

本发明还涉及配设有至少一个根据本发明的燃烧器组件的炉及使用根据本发明的燃烧器组件在该燃烧器组件下游的燃烧区内喷射和燃烧燃料和氧化剂的燃烧方法。根据本发明的炉可特别是诸如玻璃熔炉之类的熔炉或诸如铝熔炉之类的有色金属熔炉。 

根据本发明，所述至少两个燃气导管的内部燃料传导通道可被安装在第一燃气室上，或者所述至少两个燃气导管的外部燃料传导通道可被安装在第二燃气室上。优选地，所述至少两个燃气导管的内部燃料传导通道被安装在第一燃气室上并且所述至少两个燃气导管的外部燃料传导通道被安装在第二燃气室上。所述至少两个燃气导管和所述至少一个氧化剂流体导管通常位于耐火块(refractory block)内。燃烧区通常定位在炉内部。燃气分配器有利地部分或完全位于耐火块外侧。燃气分配器在耐火块上游侧的这种位置有利于接近燃气分配器。 

根据一个优选实施例，该燃烧器组件具有三个燃气导管。有利的燃烧器组件具有至少五个导管并且特别是三个燃气导管和两个氧化剂导管，其中优选地，如果燃气导管定位在燃烧器组件的下部，则氧化剂导管定位在燃烧器组件的上部，或反之。 

对于与本发明的可能的实施例有关的更多细节、特别是燃气导管的数量、氧化剂流体导管的数量、它们的形状和定向以及能够使用的材料，请参考上述现有技术文献US-A-5984667和US-A-6068468。 

为了易于构型，第二燃气室优选地至少部分包围第一燃气室。第二燃气室特别是可以完全包围第一燃气室。 

用于供应燃气流的装置通常包括将燃烧器组件与燃料源连接的燃料供应管线，其中所述燃料源可为燃料储器、燃烧生产单元或又一燃料供应管线，例如气体管道。应理解，在燃料源中，燃料可以液体形式存在，即使在所述燃料源下游的燃烧器组件中燃料以燃气流的形式存在(例如在已经过膨胀器后)。同样，用于供应氧化剂流的装置通常包括将燃烧器组件与氧化剂源连接的氧化剂供应管线，所述氧化剂源例如氧化剂储器、氧化剂生产单元或又一氧化剂供应管线。

燃气流量控制装置可包括一个或多个阀，所述阀能够部分或完全切断第一和/或第二入口，以实现控制分别流经第一和第二入口的燃气流的效果。 

这些阀可以是手动和/或自动操作的。 

在本文中，入口部分地封闭应理解为意味着限制入口的开度，其中气态燃料流经该入口受到部分阻塞。 

根据一个优选实施例，燃气流量控制装置特别是配设成选择性地部分或完全开启或封闭第二燃气室的入口。 

本发明可以通过控制流向第一入口并因而流入第一燃气室的燃气的流量和流向第二入口并因而流向第二燃气室的燃气的流量而同时和均匀地控制通过所述至少两个燃料导管、更具体而言通过所述导管的内部和外部燃料传导通道的燃气的动量。 

根据本发明，第一燃气室和第二燃气室经由第一和第二入口中的一个流体连接。燃料供应装置将燃气流供应至燃气分配器的第一或第二入口，即供应至第一或第二燃气室的入口。根据该实施例，燃气流量控制装置配设成控制燃气流从燃料供应装置向其供应燃气流的燃气室经另一燃气室的入口流向所述另一燃气室的部分。通常，该燃气流量控制装置包括阀，该阀能够部分或完全封闭所述另一燃气室的入口以便控制燃气流从初始燃气室流向另一燃气室的部分，因而同时和均匀地控制分别经所述至少两个燃气导管的内部燃料传导通道和所述至少两个燃气通道的外部燃料传导通道喷射的燃气流的比例。根据本发明，所述阀可以是手动和/或自动操作的。 

优选地，燃料供应装置将燃气流供应至第一入口，即第一燃气室的入口，并且燃气流量控制装置配设成控制燃气流从第一燃气室经第二入口流入第二燃气室的部分。燃气流从第一燃气室流入第二燃气室的部分经由所述至少两个燃气导管的外部燃料传导通道喷入燃烧区，未从第一燃气室流入第二燃气室的燃气流的剩余部分经由所述至少两个燃气导管的内部燃料传导通道喷射。 

或者，燃料供应装置可以将燃气流供应至第二入口，即第二燃气室的入口，并且燃气流量控制系统配设成控制燃气流从第二燃气室经第一入口流入第一燃气室的部分。在该情况下，燃气流从第二燃气室流入第一燃气室的部分经由所述至少两个燃气导管的内部燃料传导通道喷入燃烧区，未从第二燃气室流入第一燃气室的燃气流的剩余部分经由所述至少两个燃气导管的外部燃料传导通道喷射。 

在该情况下，来自用于供应燃气流的装置的相同燃气被输送至第一和第二燃气室二者(或当从一个室流入另一室的燃气流的比例等于零时仅输送至燃气室中的一个)。 

例如： 

(a)当燃料供应装置将燃气流供应至第一入口并因而供应至第一燃气室和当燃气流量控制装置完全封闭通向第二燃气室的第二入口时，全部燃气流经由所述至少两个燃气导管的内部燃料传导通道喷射；并且 

(b)当一方面所述燃气流量控制装置使通向第二燃气室的第二入口部分或完全开启时，燃气流的一部分经第二入口流入第二燃气室，在该情况下，进入第二燃气室的燃气流的所述部分经所述至少两个燃料导管的外部燃料传导通道喷射，而未进入第二燃气室的燃气流的其余部分经所述至少两个燃气导管的内部燃料传导通道喷射。 

当燃料供应装置将燃气流供应至第二入口时情况相反。 

对于来自用于将燃气流供应至燃气分配器的装置的燃气流量相同的情况，与燃气的一部分经外部燃料传导通道喷射并且燃气的剩余部分经内部燃料传导通道喷射的情况(b)相比，在所有燃气经内部燃料传导通道喷射的情况(a)下，经所述至少两个燃气导管喷射的燃气的总动量更大。 

如前面所述，本发明还涉及包括至少一个根据本发明的任何一个上述实施例的燃烧器组件的炉。所述炉特别是可为熔炉，例如玻璃熔炉或铝熔炉。 

本发明的另一方面为一种使用上述根据本发明的任何一个实施例的燃 烧器组件使燃料与氧化剂燃烧的方法。所述方法包括 

a)供应氧化剂流，所述氧化剂流由用于供应氧化剂流的装置供应； 

b)将所述氧化剂流喷入所述至少一个氧化剂流体导管，以形成至少一股喷射的氧化剂流； 

c)将燃气流供应至燃气分配器，所述燃气流由用于供应燃气流的装置供应； 

d)控制流向第一和第二入口的燃气流的流量；所述燃气流的流量由燃气流量控制装置控制； 

e)将所述燃气流喷入所述至少两个燃气导管，以形成至少两股喷射的燃气流； 

f)在燃烧器组件下游的燃烧区内燃烧所述至少一股喷射的氧化剂流和所述至少两股喷射的燃气流，其中所述至少一股喷射的氧化剂流与所述至少两股喷射的燃气流相交。 

氧化剂可以由诸如空气或富氧空气之类的氧化剂组成。氧化剂流有利地由氧摩尔浓度为至少50％、优选至少80％、更优选至少90％且最优选至少95％的氧化剂组成。这些氧化剂包括含有至少50％vol.(体积百分比)氧的富氧空气、诸如通过低温空气分离装置生产的“工业”纯氧(99.5％)之类的氧或通过例如真空变压吸附工艺生产的非纯氧(88％vol.(体积百分比)O₂或更多)或通过过滤、吸附、吸收、隔膜分离等从空气或任何其它源生产的“不纯”氧，其中氧化剂可处于室温或呈已预热形式。 

在本发明的燃烧器组件的情况下，其中燃气供应装置将燃气流供应至第一和第二入口中的一个，并且第一和第二燃气室经由第一和第二入口中的另一个互相流体连接： 

·所述燃烧方法的步骤c)通常包括经由所述燃气室的入口将燃气流供应至第一和第二燃气室中的一个，并且： 

·所述方法的步骤d)包括： 

d1)控制经由所述燃气室的入口供应至所述第一和第二燃气室中的一个的燃气流的流量，以及 

d2)控制所述燃气流经由所述另一燃气室的入口从所述第一和第二燃气室中的一个流向所述另一燃气室的部分。 

如上所述，当用于供应燃气流的装置将燃气流供应至(第一燃气室的)第一入口时，则所述燃烧方法的步骤c)包括经由第一入口将燃气流供应至第一燃气室，并且该方法的步骤d)包括： 

d1)控制经由第一入口供应至第一燃气室的燃气流的流量，以及 

d2)控制所述燃气流经由第二入口从所述第一燃气室流向第二燃气室的部分。 

相反，当用于供应燃气流的装置将燃气流供应至(第二燃气室的)第二入口时，所述燃烧方法的步骤c)包括经由第二入口将燃气流供应至第二燃气室，并且该方法的步骤d)包括： 

d1)控制经由第二入口供应至第二燃气室的燃气流的流量，以及 

d2)控制所述燃气流经由第一入口从所述第二燃气室流向所述第一燃气室的部分。 

同样如上所述，第二燃气室可至少部分且优选完全包围第一燃气室。 

在根据本发明的方法的一个备选实施例中，将燃气流供应至燃气分配器的步骤c)包括： 

-步骤c1)：将第一燃气流供应至第一燃气室(111)的第一入口(131)；以及 

-步骤c2)：将第二燃气流供应至第二入口(132)，而控制分别流向第一入口和第二入口的燃气流的流量的步骤d)包括： 

-步骤d1)：控制流向第一入口(131)的第一燃气流的流量；以及 

-步骤d2)：控制流向第二入口(132)的第二燃气流的流量。 

所述方法还包括以下步骤： 

-e1)：将来自第一燃气室(111)的第一燃气流喷入所述至少两个燃气导管(110)的内部燃料传导通道(101)； 

-e2)：将来自第二燃气室(112)的第二燃气流喷入所述至少两个燃气导管(110)的外部燃料传导通道(102)；以及 

-步骤f)：在燃烧器组件下游的燃烧区内燃烧所述至少一股喷射的氧化剂流和所述至少两股喷射的燃气流，其中所述至少一股喷射的氧化剂流与所述至少两股喷射的燃气流相交。 

在该情况下，燃烧器组件通常具有用于供应燃气流的装置，该装置包括：(a)用于将第一燃料流供应至第一燃气室的第一入口的装置，(b)用于将第二燃气流供应至第二燃气室的第二入口的装置，以及(c)燃气流量控制装置，其配设成控制流向第一入口的第一燃气流的流量和控制流向第二入口的第二燃气流的流量。 

第一燃气流可以由低卡值燃气组成而第二燃气流可以由高卡值燃气组成，或反之。 

有利地，第一燃气流由低卡值燃气组成，而第二燃气流由高卡值燃气组成。 

优选地： 

i)燃气流量控制装置控制第一燃气流从用于供应第一燃气流的装置流向第一入口、即第一燃气室的入口并从其流向内部燃料传导通道的流量，使得第一燃气流构成所述至少两股喷射的燃气流的0至90％vol.(体积百分比)，和 

ii)燃气流量控制装置控制第二燃气流从用于供应第二燃气流的装置流向第二入口、即第二燃气室的入口并从其流向外部燃料传导通道的流量，使得第二燃气流构成所述至少两股喷射的燃气流的100％vol.(体积百分比)至10％vol.(体积百分比)。 

根据该燃烧方法的一个特定实施例，第一燃气流构成所述至少两股喷射的燃气流的0至50％vol.(体积百分比)，而第二燃气流构成所述至少两股喷射的燃气流的100％vol.(体积百分比)至50％vol.(体积百分比)。当燃烧器组件在不超过其标称功率的功率操作时该后一实施例特别有用。 

第一燃气流有利地以从5m/s至50m/s的喷射速度离开内部燃气出口。 

第二燃气流有利地以从18m/s至30m/s的喷射速度离开外部燃气出口。 

如上所述，这种燃烧器组件和对应的燃烧工艺所具备的主要优点是允 许燃烧器组件/燃烧工艺并因此还允许安装该燃烧器组件的炉使用可以现场获得或成本低的低卡值燃气。当炉内温度低时，低卡值燃气可能例如在起动期间难以点燃或导致可属于瞬时性质的火焰不稳定。本发明可以通过暂时地单独喷射(即，不同时喷射低热燃料)或与低热燃料同时喷射(暂时地或持续地)高卡值燃料而克服这些问题，并且这对于所述至少两个燃料导管来说是同时和均匀的。 

在根据此实施例的燃烧器组件中，第一燃气室通常未与第二燃气室流体连接。被输送至第一燃气室的整个第一燃气流因而通常流入所述至少两个燃气导管的内部燃料传导通道内以被喷入燃烧区，并且被输送至第二燃气室的整个第二燃气流流入所述至少两个燃气导管的外部燃料传导通道以便其喷入燃烧区。 

第一燃气流的成分可以与第二燃气流的成分相同或不同。当第一和第二燃气流具有不同成分时，通过使用燃气流量控制装置控制流向第一燃气室的第一燃气流的流量与流向第二燃气室的第二燃气流之间的比例而同时和均匀地控制经所述至少两个燃气导管喷射的燃气的总成分。 

特别地，第一燃气流的燃气可具有比第二燃气流的燃气更高或更低的卡值(也称为LHV或较低热值)。特别地，第一燃气流的燃气可以是具有低卡值的燃料并且第二燃气流的燃气可以是具有高卡值的燃料，或反之。 

当第一和第二燃气流具有不同卡值时，通过使用燃气流量控制装置控制流向第一入口并因而流入第一燃气室的第一燃气流的流量与流向第二入口并因而流入第二燃气室的第二燃气流的流量之间的比例而同时和均匀地控制经所述至少两个燃气导管喷射的燃气的总卡值。 

在本文中，“具有低卡值的燃料”应理解为意味着具有小于5kWh/Nm³的卡值的燃料，“具有高卡值的燃料”应理解为意味着具有至少5kWh/Nm³的卡值的燃料。低卡值燃料的示例是一些例如卡值为从0.90kWh/Nm³至0.98kWh/Nm³的高炉气。高卡值燃料的示例是卡值为约10kWh/Nm³的天然气。(标准立方米(Nm³)对应于在标准条件下(0℃和1atm)占据1m³体积的气体量)。 

这种燃烧器组件及对应的燃烧工艺和炉不仅提供更大的灵活性(更宽的工艺条件范围)，而且能够实现所述炉及具有低卡值的燃料的燃烧工艺的稳定。 

实际上，一般而言，喷入燃烧区的燃料的卡值的变化可引起温度、温度分布和火焰稳定性的明显变化，根据本发明的燃烧器组件及对应的燃烧工艺和炉特别适合于提供火焰结构以及因此火焰稳定性、热能释放和污染物如NOx的形成的更优控制，并且这适用于宽范围的燃气和宽范围的总卡值以及总卡值的变化。 

也可通过经所述至少两个燃料喷射导管的出口或在其附近喷射一股或多股辅助氧化剂射流而提高火焰稳定性。根据优选实施例，辅助氧化剂射流经由所述至少两个燃料导管的出口或在其附近喷入燃烧区，其中所述辅助氧化剂射流包围所述至少两股喷射的燃气流。应理解，这种用于提高火焰稳定性的措施也可用于前面所述的根据本发明的方法的第一实施例。 

当喷射一股或多股辅助氧化剂射流时，所述一股或多股辅助氧化剂射流的喷射速度有利地为从1m/s至12m/s，优选地10m/s±1m/s，从而提高火焰稳定性。 

使用具有不同成分的第一和第二燃气流具备的主要优点是：允许燃烧方法/燃烧器组件以及因此安装该燃烧器组件的炉使用可现场获得或成本低的低卡值燃气。当炉内温度低时，低卡值燃气可能例如在起动期间难以点燃或导致可属于瞬时性质的火焰不稳定。本发明可以通过暂时地单独喷射(即，不同时喷射低卡燃料)或与低卡燃料同时喷射(暂时地或持续地)高卡值燃料而克服这些问题，并且这对于所述至少两个燃料导管来说是同时和均匀的。 

附图说明

本发明的实施例和优点在下面参考附图的实例中进行说明，其中： 

图1是使用根据本发明的燃烧器组件使燃气和氧化剂燃烧的示意性透视图，其中燃气“屏”通过经位于第一平面中的三个(3)燃气导管喷射燃气 而形成，并且氧化剂经位于第二平面中的两个(2)氧化剂导管喷射； 

图2是跨图1的燃烧器组件的第一实施例的燃气导管的示意性截面图，其中第一燃气流被供应至第一燃气室并且第二燃气流被供应至第二燃气室； 

图3是跨图1的燃烧器组件的第二实施例的燃气导管的示意性截面图，其中被供应至燃气分配器的燃气流被分支成输送至第一室的第一燃气流和输送至第二燃气室的第二燃气流； 

图4至7是跨图1的燃烧器组件的又一实施例的燃气导管的示意性截面图，其中被供应至燃气分配器的燃气流被供应至燃气室中的一个，并且可以允许因而被供应至所述燃气室的燃气流的受控部分进入所述第二燃气室。 

具体实施方式

I.总体方面 

根据本发明的一方面，提供燃烧工艺和用于该燃烧工艺的燃烧器组件，其通过低氧化剂供应压力、例如通过真空变压吸附制氧单元传送的压力操作。低氧化剂压力意味着范围从105,000Pa至170,000Pa的压力(绝对压力)(50mbar至0.7bar/相对压力)。 

根据本发明，燃料和氧化剂通过燃烧器组件中的分离的导管引入炉内。根据本发明，术语“燃气”意味着以气态形式的燃料，例如，在室温(约25℃)或呈已预热形式的甲烷、天然气、丙烷等。根据本发明的“氧化剂”可为空气。氧化剂优选地是氧摩尔浓度为至少50％的气体。这些氧化剂包括含有至少50％vol.(体积百分比)氧的富氧空气、诸如通过低温空气分离装置生产的“工业”纯氧(99.5％)之类的氧或通过例如真空变压吸附工艺生产的非纯氧(88％vol.(体积百分比)O₂或更多)或通过过滤、吸附、吸收、隔膜分离等从空气或任何其它源生产的“不纯”氧气，其中氧化剂可处于室温或呈已预热形式。 

当为了操作而安装时，如文中定义的导管通常穿过陶瓷块或块组件或 穿过炉壁。这些导管优选地具有大体上圆形的截面。也可以使用任何等同的截面，例如正方形、矩形、椭圆形、卵形等。导管和通道有利地由可置于陶瓷块、块组件或炉壁内的管状部件制成，以避免或减少对后者的损坏。所述管状部件可以是金属管、具有陶瓷端部的金属管或管道、陶瓷管或其结合。用于喷射器管件的适当的陶瓷材料的示例包括铝、氧化锆、氧化钇、碳化硅等。如果喷射器是金属的，则喷射器可采用各种不锈钢，金属喷射器也可能具有采用诸如针对陶瓷喷射器所述的材料的热保护耐火涂层。 

燃气喷射优选地通过至少两个导管形成，所述导管优选地具有大致相同的尺寸，它们的轴线优选地定位在也称为第一燃料平面的同一平面内。燃料和氧化剂出口被物理地分离并且在几何形状上设置成赋予燃料流体流和氧化剂流体流允许燃料流体与氧化剂在燃烧器组件下游的燃烧区内以稳定、宽而发光的火焰燃烧的角度和速度。 

在优选实施例中，燃料导管以初始角度发散，然后该初始发散角度恰在燃料进入燃烧室之前略微增大至最终发散角度。该最终发散角度优选地仅比第一发散角度大数度。两个相邻的燃料导管之间的优选最终角度介于3度与10度之间。 

根据本发明的一个优选实施例，提供了一种工艺，其中例如通过形成优选地小于15度的最终发散角度的至少两个燃料导管在待被加热的表面上方产生燃料流体“屏”，所述燃料导管位于第一燃料平面内，优选地通过至少两个氧化剂导管将速度低于燃料流体的速度(优选地不超过60米每秒(m/s))的氧化剂流体喷射到待被加热的表面上方，两个相邻的氧化剂导管形成小于15度的最终发散角度。这些氧化剂导管的轴线优选地位于第二氧化剂平面内，该第二氧化剂平面在燃烧室内向第一燃料平面汇聚并与其相交。与燃料屏相交的低速氧化剂流体射流沿燃料屏被燃料流拖曳，并形成沿着该“屏”展开的燃烧区。相应地，在燃烧室的燃烧区的起点，富燃料区域维持在燃料云的下侧，其中形成大量的烟灰。烟灰和燃料随后被沿着燃烧区扩散的氧化剂逐渐氧化。 

燃烧系统所使用的燃料和氧化剂的总量通常是这样的：氧流量的范围 是获得燃料流的完全燃烧所需的氧的理论化学计量流量的0.95至1.05。此表述的另一表达方式是燃烧比介于0.95与1.05之间。 

II.示例 

图1表示通过如用于例如玻璃熔罐内的、根据本发明的燃烧器组件燃烧燃气和氧化剂的示意性透视图。 

燃气“屏”或“云”由经由第一平面2内的三个(3)燃气导管离开燃烧器组件的出口面的三股喷射的燃气流形成。两股(2)喷射的氧化剂流6离开第二平面4内的氧化剂导管，并在炉的燃烧室70内与燃料屏相交。 

燃气与氧化剂的燃烧发生在两股流之间的交界处，以在熔体9上方产生火焰8。通过使燃气在平面内扩散并大致平行于熔体在熔体四周上形成平面层或“屏”并将氧化剂、且特别是氧从上方引入“屏”的方向以与“屏”相交，燃烧发生在氧化剂流体与燃气之间的它们彼此交叉处。 

US-A-5984667和US-A-6068468中描述了这种燃烧工艺及其优点。 

图2是跨图1的燃烧器组件的第一实施例的燃气导管(平面2)的示意性截面图，其中第一燃气流被供应至第一燃气室并且第二燃气流被供应至第二燃气室。 

如图2所示，三个(3)燃气导管100中的每一个均包括形成内部燃气出口的内部燃料传导通道101和形成外部燃气出口的同轴的外部燃料传导通道102。 

三个燃气导管100与燃气分配器110流体连接。燃气分配器包括第一燃气室111和第二燃气室112。用于将燃气供应至燃气分配器的装置包括：(1)第一供应管线121，其经由第一入口131将第一燃气供应至第一燃气室111，以及(2)第二供应管线122，其经由第二入口132将第二燃气供应至第二燃气室112。第一流量控制器141控制经由第一供应管线121和第一入口131从第一燃料源流向第一燃气室111的第一燃气的流量并且第二流量控制器142控制经由第二供应管线122和第二入口132从第二燃料源流向第二燃气室112的第二燃气的流量。两个流量控制器141、142由控制单元140自动操作。三个内部燃料传导通道101中的每一个均安装在第 一燃气室111上并与其流体连接。同样，外部燃料传导通道102中的每一个均安装在第二燃气室112上。 

在操作中，由流量控制器141控制的第一燃气的流量被供应至第一燃气室111并由所述第一燃气室111分配至内部燃料传导通道101以便将其喷入燃烧器组件下游的燃烧区。同样，由流量控制器142控制的第二燃气的流量被供应至第二燃气室112并由所述第二燃气室112分配至外部燃料传导通道102以便将其喷入燃烧器组件下游的燃烧区。 

根据一种特别有利的操作模式，第一燃气(下文称富燃气)是具有高卡值的燃气，例如天然气，并且第二燃气(下文称贫燃气)是具有低卡值的燃气，例如高炉气。 

通过控制流向燃烧器组件并因而流向燃烧区的富和贫燃气的流量，本发明能够实现通过各燃气导管喷射的燃气流的总动量和总卡值的同时和均匀的控制。 

例如，在炉起动期间，当炉内部仍处于低温并且难于实现点燃和火焰稳定时，流量控制器141和142操作使得主要或仅富燃气流入燃气分配器并从分配器流入燃烧区。随着炉内部升温并且点燃和火焰稳定变得更容易，流量控制器141和142操作以便增大流入燃气分配器的贫燃气与富燃气的比例，其中，根据燃烧区内的条件，燃烧器组件可以仅通过贫燃气操作。应理解，如果需要，可在任何时间增大富燃气与贫燃气的比例。因此，本发明可以简单和可靠地稳定贫燃气。 

为了提高火焰稳定性，燃烧器组件可配设成在各喷射的燃气流附近、例如包围各燃气流喷射辅助氧化剂气体。 

本发明还可以简单和可靠地控制当使用单个燃气源时经各燃气导管喷射的燃气流的总动量。 

图3表示跨图1的燃烧器组件的第二实施例的燃气导管的示意性截面图，其中供应至燃气分配器的燃气流分支成被输送至第一室的第一燃气流和被输送至第二燃气室的第二燃气流。 

如图3所示，用于将燃气供应至燃气分配器的装置包括供应管线120。 流量控制器150控制经由供应管线120从燃气源(未示出)流向燃气分配器110的燃气的流量。在流量控制器150下游，供应管线120分支成：(1)第一供应支路，其经由第一入口131将燃气供应至第一燃气室111，以及(2)第二供应支路122，其经由第二入口132将燃气供应至第二燃气室112。在所示实施例中安装在第二供应支路上的阀162控制流入第二供应支路122并经由第二入口132从所述第二供应支路流向第二燃气室112的、由供应管线120供应的燃气的部分。在所示实施例中，阀162是手动操作的，但也可能采用自动阀。同样，阀可以安装在第一供应支路上而非第二供应支路上，或安装在两个支路上。 

在操作中，经由第一供应支路121供应至第一燃气室111的燃气部分由所述第一燃气室111分配至内部燃料传导通道101以便其喷入在燃烧器组件下游的燃烧区。同样，经由第二供应支路122供应至第二燃气室112的燃气部分由所述第二燃气室112分配至外部燃料传导通道102以便其喷入在燃烧器组件下游的燃烧区。 

通过控制分别流向第一和第二燃气室的燃气的流量，对于给定的燃气供应流，本发明能够实现由各燃气导管喷射的燃气流的总动量的同时和均匀的控制。 

图4和图5是跨图1的燃烧器组件的又一实施例的燃气导管的示意性截面图，其中供应至燃气分配器的燃气流被供应至燃气室中的一个，并且可允许因而被供应至所述燃气室的燃气流的受控部分进入第二燃气室。 

在所示的实施例中，供应管线120经由第一入口131将燃气供应至第一燃气室111。第二入口132将第一燃气室111与第二燃气室连接。所述第二入口132起到用于手动操作的阀或止挡件160的阀座的作用。如图4所示，当阀160完全封闭第二入口132时，通过供应管线120供应至第一燃气室111的全部燃气流经由燃气导管100的内部燃料传导通道101喷入燃烧区。另一方面，当阀160未封闭第二入口132或如图5所示未完全封闭第二入口132时，供应至第一燃气室111的燃气流的受控部分经由第二入口132渗入第二燃气室112并且此后经由燃气导管的外部燃料传导通道 102喷入燃烧区。 

阀160的备选形式在图6中示出。 

如图7所示，自动操作阀160也可被用来开启或封闭连接两个燃气室的入口。在所示的实施例中，供应管线120经由第二入口132将燃气供应至第二燃气室112。第一入口131将第二燃气室112与第一燃气室连接。自动阀160安装在所述第一入口131内。当阀160完全封闭第一入口131时，由供应管线120供应至第二燃气室112的全部燃气流经由燃气导管100的外部燃料传导通道102喷入燃烧区。另一方面，当阀160未封闭第一入口131或未完全封闭第一入口131时，供应至第二燃气室112的燃气流的受控部分经由第一入口131渗入第一燃气室111并且此后经由燃气导管的内部燃料传导通道101喷入燃烧区。在所示的实施例中，同一控制单元控制流量控制器150和阀160。 

通过控制流向第一和第二燃气室中的一个的燃气流量和通过控制从所述燃气室流向另一燃气室的燃气流量，本发明对于给定的燃气供应流而言能够实现通过各燃气导管喷射的燃气流的总动量的同时和均匀的控制。 

本发明的主要优点是其易于操作和燃烧器组件的需要移动的零件位于远离燃烧区处并因此受到保护而免于所述燃烧区内部的气氛和温度的有害影响。 

Claims (13)

1.一种燃烧器组件，包括：

·至少两个燃气导管(100)；

·至少一个氧化剂导管；以及

·至少一个出口面，所述氧化剂导管中的至少一个在该出口面处终止、或者所述至少两个燃气导管在该出口面处终止、或者所述氧化剂导管中的至少一个和所述至少两个燃气导管均在该出口面处终止，

其中所述燃烧器组件还包括：

a)用于供应氧化剂流的装置；

b)用于将所述氧化剂流喷入所述至少一个氧化剂导管以形成至少一股喷射的氧化剂流的装置；

c)用于供应燃气流的装置(120)；

d)用于将所述燃气流喷入所述至少两个燃气导管(100)以形成至少两股喷射的燃气流的装置；

并且其中所述至少一股喷射的氧化剂流和所述至少两股喷射的燃气流的喷射方向大致汇聚并在所述燃烧器组件下游的燃烧区相交，

其特征在于：

·所述至少两个燃气导管(100)包括形成内部燃气出口的内部燃料传导通道(101)和形成外部燃气出口的外部燃料传导通道(102)，所述内部燃料传导通道和所述外部燃料传导通道被同轴地布置；和

·所述用于喷射所述燃气流的装置包括燃气分配器(110)，所述燃气分配器用于从所述用于供应燃气流的装置(120)接收燃气流并具有：

i)与所述至少两个燃气导管(100)的所述内部燃料传导通道(101)流体连接的第一燃气室(111)，所述第一燃气室具有第一入口(131)，所述第一入口用于接收由所述用于供应燃气流的装置供应的燃气；

ii)与所述至少两个燃气导管(100)的所述外部燃料传导通道(102)流体连接的第二燃气室(112)，所述第二燃气室具有第二入口(132)，所述第二入口用于接收由所述用于供应燃气流的装置供应的燃气；以及

iii)用于控制分别流向所述第一入口和所述第二入口的所述燃气流的流量的燃气流量控制装置(140，141，142，150，160，162)，

·所述用于供应燃气流的装置(120)将所述燃气流供应至所述第一入口(131)和所述第二入口(132)中的一个，

·所述第一燃气室(111)和所述第二燃气室(112)经由所述第一入口(131)和所述第二入口(132)中的另一个互相流体连接，并且

·所述燃气流量控制装置(140，150，160)配设成控制所述燃气流经由所述第一入口和所述第二入口中的所述另一个从所述第一燃气室和所述第二燃气室中的一个流向另一燃气室的部分。

2.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述第二燃气室(112)至少部分地包围所述第一燃气室(111)。

3.根据权利要求1或2所述的燃烧器组件，其特征在于，所述用于供应燃气流的装置(120)将所述燃气流供应至所述第一入口(131)，并且所述燃气流量控制装置配设成控制所述燃气流经由所述第二入口(132)从所述第一燃气室(111)流入所述第二燃气室(112)的部分。

4.根据权利要求1或2所述的燃烧器组件，其特征在于，所述用于供应燃气流的装置(120)将所述燃气流供应至所述第二入口(132)，并且所述燃气流量控制装置配设成控制所述燃气流经由所述第一入口(131)从所述第二燃气室(112)流入所述第一燃气室(111)的部分。

5.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器组件的炉。

6.根据权利要求5所述的炉，其特征在于，所述炉为熔炉。

7.一种使用根据权利要求1至4中任一项所述的燃烧器组件使燃气与氧化剂燃烧的方法，所述方法包括：

a)供应氧化剂流；

b)将所述氧化剂流喷入所述至少一个氧化剂导管以形成至少一股喷射的氧化剂流；

c)将燃气流供应至所述燃气分配器；

d)控制流向所述第一入口(131)和所述第二入口(132)的所述燃气流的流量；

e)将所述燃气流喷入所述至少两个燃气导管(100)以形成至少两股喷射的燃气流；

f)使所述至少一股喷射的氧化剂流和所述至少两股喷射的燃气流在所述燃烧器组件下游的燃烧区内燃烧，在所述燃烧区中所述至少一股喷射的氧化剂流与所述至少两股喷射的燃气流相交，

其中：

·将燃气流供应至所述燃气分配器(110)的所述步骤c)包括经由所述燃气室的所述入口将所述燃气流供应至所述第一燃气室(111)和所述第二燃气室(112)中的一个，并且：

·控制流向所述第一入口和所述第二入口的所述燃气流的流量的所述步骤d)包括：

d1)：控制经由所述燃气室的所述入口供应至所述第一燃气室和所述第二燃气室中的所述一个的所述燃气流的流量，以及

d2)：控制所述燃气流经由另一燃气室的所述入口从所述第一和第二燃气室中的所述一个流向所述另一燃气室的部分。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：

·将燃气流供应至所述燃气分配器(110)的所述步骤c)包括经由所述第一燃气室的所述入口将所述燃气流供应至所述第一燃气室(111)，并且：

·控制流向所述第一入口和所述第二入口的所述燃气流的流量的所述步骤d)包括：

d1)：控制经由所述第一燃气室的所述入口供应至所述第一燃气室的所述燃气流的流量，以及

d2)：控制所述燃气流经由所述第二燃气室的所述入口从所述第一燃气室流向所述第二燃气室的部分。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：

·将燃气流供应至所述燃气分配器(110)的所述步骤c)包括经由所述第二燃气室的所述入口将所述燃气流供应至所述第二燃气室(112)，并且：

·控制流向所述第一入口和所述第二入口的所述燃气流的流量的所述步骤d)包括：

d1)：控制经由所述第二燃气室的所述入口供应至所述第二燃气室的所述燃气流的流量，以及

d2)：控制所述燃气流经由所述第一燃气室的所述入口从所述第二燃气室流向所述第一燃气室的部分。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述氧化剂流由氧摩尔浓度为至少50％的氧化剂组成。

11.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，经所述至少两个燃气导管的出口或在所述至少两个燃气导管的所述出口附近喷射辅助氧化剂射流。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述辅助氧化剂射流包围所述至少两股喷射的燃气流。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述氧化剂流由氧摩尔浓度为至少50％的氧化剂组成。

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