CN102224379A - 空气流动控制后壳体构件 - Google Patents

Abstract

一种用于在燃烧器中使用的氧气流动控制后壳体构件包括具有第一氧气入口的主体部。环形氧气聚集室与第一氧气入口流体连通。环形壁分隔环形氧气聚集室和环形氧气流动混合室。第一氧气流动通路在环形氧气聚集室和环形氧气流动混合室之间延伸，并且具有第一高度，该第一高度是环形壁的高度的一部分。第二氧气流动通路在环形氧气聚集室与环形氧气流动混合室之间延伸，并具有第二高度，该第二高度为环形壁的高度的一部分。第一氧气流动通路的高度大于第二氧气流动通路的高度。

Description

空气流动控制后壳体构件

相关申请的交叉引用

本申请是主张2008年9月22日提交的第61/099,200号的美国临时专利申请的优先权的正式申请。

技术领域

本发明涉及用于在燃烧器中使用的壳体构件，并且更具体地，本发明涉及一种壳体构件，该壳体构件用于在使空气或氧气与气态燃料或蒸发燃料相混合的燃烧器中使用。

背景技术

使用气态燃料或液态燃料的燃烧器用于包括锅炉、管式加热器、炉子、其它燃气用具的许多应用以及其它应用中。基本上，这些燃烧器将气态燃料或液态燃料引入到空气或氧气流中。如果使用液态燃料，必须蒸发或雾化该液态燃料。首先，点燃产生的燃料和空气或氧气流并使该燃料和空气或氧气流作为可见火焰或作为极热气体混合物流离开燃烧器的喷嘴。

为了试图提高例如锅炉、管式加热器、炉子及其它燃气用具的不同应用中的现有技术的水平，进行详细的研究以使这些上述领域中的每一个中的现有技术水平合格并量化该现有技术水平。研究毫无例外地表明可以对这些领域中的每一个，特别是减少操作成本并减少或消除排放物进行改进。在目前的世界市场中，操作成本和诸如减少或消除排放物的环境条件通常是最显著争论点的中的两个，甚至是大多数行业所面临的最显著的争论点。

值得注意地，在现有技术中显而易见的是对使用燃烧器以产生热量的这些各种类型的装置进行的可能的改进最终不会导致显著地改进。在现有技术中显而易见的是，毫无例外地，这些各种类型装置中的基本问题在于燃烧器的效率低。大多数现有技术的燃烧器的效率仅在大约60％-70％。燃料的不完全燃烧是所有这些装置所固有的主要问题。此外，燃烧效率低的这种问题是导致行业中以上所述两个显著成本(即，操作成本和环境条件)的主要原因。

因此，为了根本上改进诸如锅炉、管式加热器、炉子及其它燃气用具的装置，已经发现必须显著并主要地改进使燃烧器的技术设计。更具体地，为了最大化锅炉、管式加热器、炉子及其它燃气用具的设计，根据成本、效率等，需要根本上重新设计为所述锅炉、管式加热器、炉子及其它燃气用具提供动力的燃烧器。如果在锅炉、管式加热器、炉子及其它燃气用具中使用的燃烧器禁止低效率，则改进锅炉技术、管式加热器技术、炉子技术等是没有意义的。

要注意的是已经试图对各种类型的燃烧器的这种改进在各种领域中已经进行了许多年，但没有显著的成就。因此，通常使用对燃烧器系统和采用燃烧器的装置的其它类型的改进。

用于克服排放物的环境问题的最通常的设计改进为使废气再循环。总之，已经发现废气的再循环可以用于减少燃烧器系统的整个排放物。然而，具有与这种废气的再循环相关联的问题。最显著的问题在于废气的再循环基本上会增加使燃烧空气和添加的废气的混合物流通过系统所需的能量。例如，通常从排出返回到燃烧器的百分之十(10％)的废气再循环的增加通常会导致迫使空气进入燃烧器系统的风扇所述的功率增加大约40％-45％。显而易见地，与根据效率并因此根据成本得到的解决方案相比较，这种解决方案是不易被接受的。在考虑大多数废气多次通过燃烧器系统是这尤其不易被接受。

具有一种使用来自高速燃烧空气射流的能量以促进燃烧器系统内再循环的燃烧器系统。这种技术的可行性取决于许多因素，并且如果使用这种技术通常更加难以使相当大的一部分燃烧产物返回到燃烧器，从而使得在许多情况下难以采用该技术。

清楚的是使废气再循环以改进排放物不是一种改进燃烧器系统的设计的可行方案。在燃料通过燃烧器系统的情况下使燃料尽可能有效率地燃烧是唯一合理的解决方案；然而，不存在理想的有效的燃烧器。

只有燃烧器和燃烧器技术的基本重新设计将导致产生低排放物的有效燃烧器。燃烧器的基本技术在最近几十年没有显著变化。现有技术的研究已经揭示了根据效率和排放物的被公知为相对有效但没有随后所述的本发明有效率的燃烧器的两个示例。

2009年2月3日授予Kobayashi等人的美国专利No7,484,956公开了使用共同产生的氧气和氮气流的低NOx燃烧。通过将烃类燃料供给到稍微富氧大气中，并且将空气分离成被分别供给到燃烧装置中的富氧气流和富氮气流通过形成较少的NOx而实现所述烃类燃料的燃烧。

2008年9月30日授予Lanary等人的美国专利No7,429,173公开一种在炉子中使用的气体燃烧器和使炉子中的气体燃烧的方法，尤其但不唯一地公开了一种在油裂化过程或炼油过程中使用的过程炉。气体燃烧器包括具有相邻出口的两个通路。第一通路与受压燃料气体源流体连通，并且具有再循环废气可以通过其进入的孔口，第二通路与空气流体连通。在操作中，燃料气体被注入到第一通路中，并且再循环废气由此被吸入到第一通路中，使得该废弃与燃料气体混合。燃料气体被部分燃烧，并且部分燃烧的燃料气体和再循环废弃沿第一通路流动并与来自第二通路的空气接触并燃烧。再循环废气的使用保持在NOx排放物水平以下，并且因为再循环废气通过受压燃料气体流被吸入到第一通路中时，因此不需要提供复杂的泵送机构。

2008年9月9日授予Lifshits的美国专利No7,422,427公开了一种能量有效低NOx燃烧器和操作该燃烧器的方法。燃烧器安装在具有混合室的炉子中，所述混合室至少由炉前壁、两个侧壁、顶部壁和底部壁以及传热管限定，传热介质流动通过所述传热管并布置在所述顶部壁、底部壁和侧壁中的至少一个上。燃烧器组件安装到炉前壁，并且具有带有开口远端的管形构件，所述开口远端位于混合室内。管形构件的另一端连接到炉前壁。多个燃烧空气端口从管形构件的另一个近端延伸到管形构件，并且连接到燃烧空气源。多种燃料气体排放喷嘴也从管形构件的另一端延伸到所述管形构件中，并连接到燃料源。形成在管形构件中的炉子气体开口与远端间隔开，绕管形构件的周边布置，并且相对于混合室定位，使得炉子气体在到达炉子气体开口之前循环通过一些传热管，从而形成燃烧空气、燃料气体和炉子气体的混合物。管形构件的远端处的旋转器产生用于旋转器和管形构件的混合物下游的的再循环区。

2002年11月26日授予Kelly等人的美国专利No6,485,289公开了一种超小NOx燃烧器系统和方法。在低温燃尽和NOx还原反应区中使燃料改善富燃料反应器(FMFRR)区气体与来自贫燃料反应器(FMR)区的产物一起。燃料改善富燃料的反应器通过使热气与反应物的再循环而使燃烧稳定。富燃料区中的含氮物质衰减反应控制NOx的产生。来自富燃料区的含氮物质和来自贫燃料区的NOx然后在最佳温度下在燃尽区中反应，并且在NOx最小化的情况下含氮物质混合。在所有区域中的温度，并且具体地在燃尽区中的温度可以通过炉气夹带、产生的废气循环、强制的废气循环和通过放热和/或对流热交换的有源冷却来控制。NOx可以通过将氨气或类似的含氨物质引入到低温燃尽区中而被进一步减少。通过平衡多个区域上的燃烧和排放控制反应，在良好的火焰稳定性、倒炉、传热和噪声特性下可以实现低排放。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种在燃烧器中使用的空气流动控制后壳体构件，其中该空气流动控制后壳体构件使燃烧器非常有效地燃烧燃料。

本发明的另一个目的是提供一种在燃烧器中使用的空气流动控制后壳体构件，其中该空气流动控制后壳体构件使燃烧器产生极少的有害排放物。

本发明的另一个目的是提供一种在燃烧器中使用的空气流动控制后壳体构件，其中该空气流动控制后壳体构件和燃烧器可以与各种类型的气态燃料和液态燃料一起使用。

本发明的另一个目的是提供一种在燃烧器中使用的空气流动控制后壳体构件，其中该空气流动控制后壳体构件和燃烧器具有成本效率。

根据本发明的一个方面，公开了一种用于在燃烧器中使用的新颖的氧气流动控制后壳体构件。所述氧气流动控制后壳体构件包括：主体部，该主体部具有前端和后端并限定在前端与后端之间延伸的纵向轴线；在主体部中的第一氧气入口；在主体部中并与第一氧气入口流体连通的大致环形氧气聚集室；在主体部内的大致环形氧气流动混合室；大致分隔大致环形氧气聚集室和大致环形氧气流动混合室的大致环形壁；在大致环形氧气聚集室和大致环形氧气流动混合室之间延伸并具有第一高度的第一氧气流动通路，该第一高度为大致环形壁的高度的一部分；在大致环形氧气聚集室和大致环形氧气流动混合室之间延伸并具有第二高度的第二氧气流动通路，该第二高度为大致环形壁的高度的一部分。第一氧气流动通路的高度大于第二氧气流动通路的高度。

附图说明

在参照附图研究以下详细说明和所附权利要求时，本发明的其它优点、特征和特性以及结构的相关元件的操作方法和作用和产品的部件的组合和经济性将变得更加清楚呈现，以下简要说明所述附图。

被认为为根据本发明的氧气流动控制后壳体的特性的新颖性特征及其结构、组织使用和操作方法与本发明的进一步目标和优点一起将从以下附图更好地理解，在所述附图中，以示例的方式说明本发明的当前优选实施例。然而，要明确理解的是所述附图仅仅是为了进行图解和说明，而不旨在对本发明的范围进行限定。在附图中：

图1是安装在燃烧器中的根据本发明的空气流动控制后壳体的优选实施例的剖面侧视图；

图2是安装在如图1所示的燃烧器中的空气流动控制后壳体构件的优选实施例的立体图；

图3是图2的空气流动控制后壳体的侧视图；

图4是图2的空气流动控制后壳体的前视图；

图5是图2的空气流动控制后壳体的后视图；

图6是沿图4剖面线6-6截取的图2的空气流动控制后壳体的截面侧视图；

图7是沿图4的剖面线7-7截取的图1的空气流动控制后壳体的截面侧视图；以及

图8是沿图3的剖面线8-8截取的图1的空气流动控制后壳体的截面侧视图。

具体实施方式

将参照图1至图8说明本发明，图1至图8示出了根据本发明的空气流动控制后壳体(总体由附图标记30表示)的优选实施例。应该理解的是，尽管对一些形状的燃烧器来说，前端和后端的确定可能稍微任意改变，但是前端被整体限定为火焰产生的区域，而后端被限定为空气和燃料输入并开始混合的区域。

将参照图1至图8说明本发明，图1至图8示出了根据本发明的空气流动控制后壳体30的优选实施例。应该理解的是，尽管对一些形状的燃烧器来说，前端和后端的确定可能稍微任意改变，前端被整体限定作火焰产生的区域，而后端被限定作空气和燃料输入并开始混合的区域。

应该理解的是为了方便，术语空气用于说明从空气加压源或空气压缩源接收的空气，但是也可以使用来自氧气加压源或氧气压缩源的氧气。如果使用空气源，则空气中的氧气与诸如丙烷、天然气等的燃料反应。空气中的氮气仅在燃烧时与氧气分离。也可以设计氢气可以与氧气一起使用。

空气流动控制后壳体30包括：主体32，主体32具有前端33和后端34。纵向轴线“L”在前端33和后端34之间延伸。优选地，主体32由金属制成，但是，也可以由其它任何适当的材料制成。

空气流动控制后壳体30还包括在主体32中的喷嘴接收通路36。喷嘴接收通路36大致居中地设置在主体32中并沿纵向轴线“L”定向。空气流动控制后壳体30还包括从主体32向前延伸的环状锥形部分37。喷嘴接收通路36延伸通过环状锥形部分37。

在主体32中具有至少一个空气入口，并且在优选的实施例中，如图所示，在主体32，具体地在后壳体32中具有第一空气入口38和第二空气入口39。第一空气入口38和第二空气入口39间隔开一百八十度(180°)，以便有效地最大化气流的随后混合。第一空气入口38和第二空气入口39每一个都大致沿纵向轴线“L”定向，如图所示，但是第一空气入口38和第二空气入口39可以可选地以另一个角度定向。要预计的是在所述主体32中还可以具有额外的空气入口以适应对额外空气输入的需要。

还应该注意的是在可选的实施例中，可以具有用于引入诸如氢气并且甚至包括来自其它类型燃烧器的非燃烧排放物的辅助类型燃料和类似燃料的另外的入口。

空气流动控制后壳体30包括在主体部分32中的大致环形空气聚集室29。大致环形空气聚集室29与第一空气入口38和第二空气入口39流体连通。大致环形流动通道的形状基本上是圆形的。

在主体部32内还具有大致环形空气流动混合室100。大致环形空气流动混合室100的形状基本上是圆形的。

大致环形壁110分隔大致环形空气聚集室29和大致环形空气流动混合室100。大致环形壁110的形状基本上是圆形的。

大致环形空气聚集室29基本上包围大致环形空气流动混合室100。大致环形空气聚集室29的高度和大致环形空气聚集室100的高度彼此类似。进一步地，大致环形空气聚集室29和大致环形空气流动混合室100沿纵向轴线“L”大致纵向彼此对准。

第一空气入口38和第二空气入口39设置在大致环形空气聚集室29的后面，以便正确地将空气流向前引导到空气聚集室29中。进一步地，依此方式，将空气管路连接到第一空气入口38和第二空气入口39的附件没有侧向向外突出，这可能是不安全的。

第一空气流动开口101在大致环形空气聚集室29与大致环形空气流动混合室100之间延伸。第一空气流动开口101具有第一高度，所述第一高度为大致环形壁110的高度的一部分。第二空气流动开口102也在大致环形空气聚集室29与大致环形空气流动混合室100之间延伸。第二空气流动开口102具有第二高度，所述第二高度为大致环形壁110的高度的一部分。第一空气流动开口101的高度大于第二空气流动开口102的高度。

燃烧器20还包括在大致环形空气聚集室29与大致环形空气流动控制室100之间延伸的第三空气流动开口103。第三空气流动开口103具有第三高度，所述第三高度为大致环形壁110的高度的一部分。第一空气流动开口101的高度大于第三空气流动开口103的高度，而第二空气流动开口102的高度大于第三空气流动开口103的高度。

燃烧器20还包括在大致环形空气聚集室29与大致环形空气流动控制室100之间延伸的第四空气流动开口104。第四空气流动开口104具有第四高度，所述第四高度为大致环形壁110的高度的一部分。第一空气流动开口101的高度大于第四空气流动开口104的高度。第二空气流动开口102的高度大于第四空气流动开口104的高度。第三空气流动开口103的高度大于第四空气流动开口104的高度。

已经发现使第一空气流动开口101、第二空气流动开口102、第三空气流动开口103和第四空气流动开口104具有不同的高度能够使进入大致环形空气流动混合室100的空气产生有效的动态流动混合物。

还设计的是在本发明的在另一个实施例中，第一、第二、第三和第四空气流动开口可以以一角度定向，使得流动通过所述空气流动开口的空气倾斜地进入大致环形空气流动混合室100，从而有助于在大致环形空气流动混合室100中产生环形旋流图案。

在使用中，空气通过第一空气入口38和第二空气入口39进入空气流动控制壳体30，并且首先聚集在大致环形空气聚集室29中。空气从大致环形空气聚集室29经由第一空气流动开口101、第二空气流动开口102、第三空气流动开口103和第四空气流动开口104通过到达大致环形空气流动混合室100。第一空气流动开口101、第二空气流动开口102、第三空气流动开口103和第四空气流动开口104的偏移深度以四个不同且独立的“水平”(相对于纵向轴线“L”)使空气进入大致环形空气流动混合室100，从而产生非层流空气。依此方式，空气被尽可能地扰动的，以便有助于下游空气与来自燃料喷嘴末端60的燃料完全混合。

可以从上述描述和附图中理解到，本发明提供了一种用于在燃烧器中使用的空气流动控制后壳体构件，其可以非常有效率地燃烧燃料，该燃烧器产生极少的有害排放物，可以和各种类型的气态燃料和液态燃料一起使用，而且具有经济效益，所有这些特征都是现有技术中所不具备的。

以上原理的其它变形例对本领域的技术人员是显而易见的，并且这些变形例被认为在本发明的保护范围内。进一步地，在不背离所附权利要求精神和保护范围的情况下可以在设计和制造本发明的燃料喷嘴时使用其它修改和改变。

Claims (19)

1.一种用于在燃烧器中使用的空气流动控制后壳体构件，所述空气流动控制后壳体构件包括：

主体部，所述主体部具有前端和后端，并限定在所述前端与所述后端之间延伸的纵向轴线；

第一空气入口，所述第一空气入口位于所述主体部中；

大致环形空气聚集室，所述大致环形空气聚集室位于所述主体部中并与所述第一空气入口流体连通；

大致环形空气流动混合室，所述大致环形空气流动混合室位于所述主体部内；

大致环形壁，所述大致环形壁基本上分隔所述大致环形空气聚集室和所述大致环形空气流动混合室；

第一空气流动开口，所述第一空气流动开口在所述大致环形空气聚集室与所述大致环形空气流动混合室之间延伸，并且具有第一高度，所述第一高度为所述大致环形壁的高度的一部分；和

第二空气流动开口，所述第二空气流动开口在所述大致环形空气聚集室与所述大致环形空气流动混合室之间延伸，并且具有第二高度，所述第二高度为所述大致环形壁的高度的一部分，

其中所述第一空气流动开口的高度大于所述第二空气流动开口的高度。

2.根据权利要求1所述的空气流动控制后壳体构件，还包括第三空气流动开口，所述第三空气流动开口在所述大致环形空气聚集室与所述大致环形空气流动混合室之间延伸，并且具有第三高度，所述第三高度为所述大致环形壁的高度的一部分，并且其中所述第一空气流动开口的高度大于所述第三空气流动开口的高度，所述第二空气流动开口的高度大于所述第三空气流动开口的高度。

3.根据权利要求2所述的空气流动控制后壳体构件，还包括第四空气流动开口，所述第四空气流动开口在所述大致环形空气聚集室与所述大致环形空气流动混合室之间延伸，并且具有第四高度，所述第四高度为所述大致环形壁的高度的一部分，并且其中所述第一空气流动开口的高度大于所述第四空气流动开口的高度，所述第二空气流动开口的高度大于所述第四空气流动开口的高度，所述第三空气流动开口的高度大于所述第四空气流动开口的高度。

4.根据权利要求1所述的空气流动控制后壳体构件，其中，所述主体部由金属制成。

5.根据权利要求1所述的空气流动控制后壳体构件，还包括第二空气入口，并且其中所述大致环形空气聚集室与所述第二空气入口流体连通。

6.根据权利要求1所述的空气流动控制后壳体构件，其中，所述大致环形空气聚集室基本上为圆形形状。

7.根据权利要求6所述的空气流动控制后壳体构件，其中，所述大致环形壁基本上为圆形形状。

8.根据权利要求1所述的空气流动控制后壳体构件，其中，所述大致环形流动通道的高度和所述空气聚集室的高度彼此类似。

9.根据权利要求1所述的空气流动控制后壳体构件，其中，所述大致环形空气聚集室基本上围绕所述大致环形空气流动混合室。

10.根据权利要求9所述的空气流动控制后壳体构件，其中，所述大致环形空气聚集室和所述大致环形空气流动混合室沿所述纵向轴线基本上互相纵向对准。

11.根据权利要求1所述的空气流动控制后壳体构件，其中，所述第一空气入口被设置在所述大致环形空气聚集室的后面。

12.根据权利要求11所述的空气流动控制后壳体构件，其中，所述第一空气入口大致沿所述纵向轴线定向。

13.根据权利要求1所述的空气流动控制后壳体构件，还包括在所述主体部中的第二空气入口，并且其中所述大致环形空气聚集室与所述第二空气入口流体连通。

14.根据权利要求13所述的空气流动控制后壳体构件，其中，所述第二空气入口设置在所述大致环形空气聚集室的后面。

15.根据权利要求14所述的空气流动控制后壳体构件，其中，所述第二空气入口大致沿所述纵向轴线定向。

16.根据权利要求1所述的空气流动控制后壳体构件，还包括在所述主体部中的喷嘴接收通道。

17.根据权利要求16所述的空气流动控制后壳体构件，其中，所述喷嘴接收通道大致居中地设置在所述主体部中并且沿所述纵向轴线定向。

18.根据权利要求17所述的空气流动控制后壳体构件，还包括环状锥形部分，所述环状锥形部分从所述主体部向前延伸。

19.根据权利要求18所述的空气流动控制后壳体构件，其中，所述喷嘴接收通道延伸通过所述环状锥形部分。

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