CN102459102B - 通过小炉的氧气燃料燃烧器 - Google Patents

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Abstract

一种用于把空气-燃料蓄热器小炉从空气-燃料燃烧转换成氧气-燃料燃烧的流体冷却式的通过小炉式的氧气-燃料燃烧器以及相关联的熔炉和方法。该氧气-燃料燃烧器适合通过蓄热器小炉颈安装。该燃烧器具有弯管状弯曲部分以适应蓄热器小炉颈的几何构造。该燃烧器具有冷却液套管、燃料管道、第一氧化剂管道并且可选地具有氧化剂分级管道。

Description

通过小炉的氧气燃料燃烧器
相关申请的交叉引用
本申请主张于2009年6月8日提交的临时申请No. 61/184,944的权益。该临时申请的披露内容通过援引合并于此。
背景技术
本发明涉及用于高温熔炉(例如，玻璃熔炉)的氧气-燃料燃烧器。
空气-燃料燃烧蓄热玻璃熔炉是公知的。蓄热玻璃熔炉具有产生用于玻璃熔化/熔融的燃烧火焰的多个空气-燃料蓄热器。玻璃熔炉的基本设计特征描述于各种参考文献，例如 由Wolfgang Trier所著、 K. L. Loewenstein所翻译的在 Society of Glass Technology, Sheffield, UK, 2000上的“Glass Furnaces, Design Construction and Operation,”和 Fay Tooley (ed.)所著的由Ashlee Publishing Co. (New York)在 1984出版的“The Handbook of Glass Manufacture,”3rd Ed. Vols. 1&2，这两个参考资料都通过援引而合并于此。
可能希望把一个或多个蓄热器小炉（port）转换成氧气-燃料燃烧来把熔炉改装成诸如在美国专利No. 6,519,973中描述的混合熔炉，该专利通过援引合并于此。
终止空气-燃料燃烧、并利用氧气-燃料燃烧来替代能量输入具有它的挑战。由于熔炉最初设计为空气-燃料熔炉，所以难以找到合适的位置来放置氧气-燃料燃烧器。已安装氧气-燃料燃烧器的一个位置是处于蓄热器小炉的小炉颈中的。
小炉的背面可以被封闭、或者以其它方式阻塞，以限制或防止热空气从蓄热器流入到小炉。在小炉颈的顶部、底部或侧面可以制作孔以用于氧气-燃料燃烧器安装。氧气-燃料燃烧器随后通过这个孔被插入并插入到小炉颈中。氧气-燃料燃烧器必须设计为把燃料和氧气排放到熔炉燃烧空间中。这需要燃烧器具有弯管或弯头/弯曲以改变燃料和氧化剂的流动的方向。通过小炉颈安装燃烧器所存在的问题在于：用于插入燃烧器的孔的尺寸很小以便维持小炉颈的结构完整性。
当通过位于蓄热器小炉颈的顶部或底部中的孔而安装燃烧器时，燃烧器将会具有用于通过孔输送燃料和氧气的大体上竖直的部段、以及用于把燃料和氧气排放到玻璃熔炉的燃烧空间中的大体上水平的部段，以及在大体上竖直的部段与大体上水平的部段之间具有的弯管部分。当通过蓄热器小炉颈的侧壁而安装燃烧器时，燃烧器可具有两个大体上水平的不断，并且在这两个大体上水平的部段之间具有弯管部分。
在蓄热器小炉颈中安装氧气-燃料燃烧器的问题在于：氧气-燃料燃烧器将会需要具有靠近弯管部分的排放喷嘴，这需要在靠近排放喷嘴的位置处的流动方向的急剧或显著变化。因为蓄热器小炉中的空间限制，在小炉内终止于排放喷嘴中的长的水平部段成为问题。另外，终止于排放喷嘴中的长的水平部段成为问题，因为它将会需要在小炉的壁中切割出的大孔，这个大孔可能影响包围着小炉的结构钢。在靠近排放喷嘴的位置处的流动方向的急剧或显著变化引起高压降、以及离开喷嘴的流动的湍流。湍流引起快速混合并因此引起靠近喷嘴的燃烧，导致短焰。因为喷嘴过热以及当燃烧器用作通口小炉式燃烧器时小炉颈中的耐火材料的过热，所以靠近喷嘴的燃烧是有害的或不合需要的。
发明内容
本发明涉及一种适合在解决上述问题的同时把使用蓄热器小炉的空气-燃料燃烧转换成氧气-燃料燃烧的燃烧器。本发明还涉及一种具有该燃烧器的熔炉和加热使用该燃烧器的熔炉的方法。该方法可在蓄热器修理期间使用以延长熔炉的寿命、和/或增加现有熔炉的生产率。
燃烧器包括：第一冷却液套管，具有外等效直径D；第一氧化剂管道，相对于第一冷却液套管成固定的间隔开的关系而安置、并且大体上同心地位于第一冷却液套管内；和燃料管道。
第一氧化剂管道具有：入口；第一部分，位于第一氧化剂管道的入口的下游；弯曲部分，位于第一氧化剂管道的第一部分的下游；和第二部分，位于第一氧化剂管道的弯曲部分的下游。
弯曲部分具有45o到120o的弯曲角度α。弯曲角度α可以为60o到110o。
第一氧化剂管道的第二部分终止于出口端、并具有流动轴线和长度L。第二部分可具有圆形横截面。
燃料管道具有：入口；第一部分，位于入口的下游；弯曲部分；和第二部分。燃料管道的第一部分相对于第一氧化剂管道的第一部分成固定的间隔开的关系而安置、并且大体上同心地位于第一氧化剂管道的第一部分内。燃料管道的弯曲部分相对于氧化剂管道的弯曲部分成固定的间隔开的关系而安置、并且大体上同心地位于氧化剂管道的弯曲部分内。燃料管道的第二部分终止于出口端，并具有流动轴线。燃料管道的第二部分相对于第一氧化剂管道的第二部分成固定的间隔开的关系而安置、并且大体上同心地位于第一氧化剂管道的第二部分内。燃料管道的第二部分可具有圆形横截面。
第一氧化剂管道的第二部分的流动轴线可以是直的，并且可以与燃料管道的第二部分的流动轴线基本上平行、或者基本上重合。
在燃料管道的第二部分与第一氧化剂管道的第二部分之间形成或限定了氧化剂通道。氧化剂通道具有入口部段、位于入口部段的下游的过渡部段；和位于过渡部段的下游的出口部段。入口部段具有横截面面积A i 。出口部段具有横截面面积A o 。
的范围为从0.8到7或者从1.4到7，并且的范围为从1.3到5。
第一氧化剂管道的第二部分可在氧化剂通道的过渡部段中具有凸形内表面。
燃料管道的第二部分限定了燃料通道，其中燃料通道具有入口部段、位于入口部段的下游的过渡部段，和位于过渡部段的下游的出口部段。燃料管道的第二部分的入口部段具有横截面面积A fi , 燃料管道的第二部分的出口部段具有横截面面积A fo ，其中可以是从1.0到5或者从1.37到5。
燃料管道的第二部分可在氧化剂通道的过渡部段中具有凹形外表面。
燃料管道的第二部分可在燃料通道的过渡部段中具有凹形内表面和凸形内表面，其中燃料管道的凸形内表面位于燃料通道的凹形内表面的下游。
第一氧化剂管道的第二部分的出口端可相对于燃料管道的第二部分的出口端突出0.2 cm到3 cm。
燃烧器可还包括：第二氧化剂管道，相对于第一氧化剂管道的第二部分成固定的间隔开的关系。
第二氧化剂管道可相对于第一冷却液套管成固定的间隔开的关系而安置、并且大体上同心地布置在第一冷却液套管内。该燃烧器可还包括第二冷却液套管，且第二氧化剂管道可相对于第二冷却液套管成固定的间隔开的关系而安置、并且大体上同心地布置在第二冷却液套管内。第二氧化剂管道可具有：入口；第一部分，位于第二氧化剂管道的入口的下游；弯曲部分，位于第二氧化剂管道的第一部分的下游；以及第二部分，位于第二氧化剂管道的弯曲部分的下游。
第二氧化剂管道的弯曲部分具有弯曲角度β，弯曲角度β在弯曲角度α的15o内，且第二部分位于第二氧化剂管道的弯曲部分的下游，第二氧化剂管道的第二部分终止于喷嘴中并具有流动轴线，第二氧化剂管道的第二部分相对于第一氧化剂管道的第二部分成固定的间隔开的关系。
弯曲角度β可以在弯曲角度α的2o内，并且第二氧化剂管道的第二部分的流动轴线可基本上平行于第一氧化剂管道的第二部分的流动轴线。
第二氧化剂管道的喷嘴具有入口和出口。第一氧化剂管道的第二部分的出口端可相对于第二氧化剂管道的第二部分的喷嘴的出口突出0.2 cm到3 cm。入口可具有圆形横截面和横截面面积A ni 并且出口可具有非圆形横截面和横截面面积A no ，其中喷嘴的出口具有1.5到5的宽高比。的范围可以为从1.25到5。
第二氧化剂管道的喷嘴可具有收敛的高度和发散的宽度。
第二氧化剂管道的喷嘴可具有在圆形横截面和非圆形横截面之间过渡的凸形表面。
该熔炉包括：蓄热器；熔炉燃烧室；蓄热器小炉颈，其把蓄热器连接到熔炉燃烧室。蓄热器小炉颈限定了小炉和熔炉的壁中的小炉开口。该熔炉还包括根据上述特征的燃烧器。该燃烧器穿透蓄热器小炉颈并进入小炉，且该燃烧器布置为用以通过小炉开口把燃料和氧化剂气体引导到熔炉内。
该熔炉还包括：熔化槽盆（melting tank basin），布置在熔炉燃烧室下方并与熔炉燃烧室相毗连；装料端，用于把玻璃成型配料引入到熔化槽盆中；以及出料端，用于从熔化槽盆取出玻璃产物。该熔炉还包括：排出口，位于熔炉的壁中，以用于从熔炉燃烧室取出燃烧产物。
在实施例中，第二氧化剂管道在小炉开口下方的位置处穿透熔炉壁，并布置成用以把氧化剂引导到熔炉中。
加热熔炉的方法包括：阻止空气流到小炉；使燃料终止流动到与小炉相关联的空气-燃料燃烧器；安装如上所述的燃烧器从而使得燃烧器穿透蓄热器小炉颈并进入小炉内；使冷却剂经过第一冷却液套管，并且在若存在着第二冷却液套管的情况下经过第二冷却液套管；通过第一氧化剂管道把第一氧化剂气体引入到熔炉中；以及通过燃料管道把燃料或另一燃料引入到熔炉中；利用第一氧化剂气体燃烧燃料或其它燃料以形成燃烧产物；并且通过排出口从熔炉燃烧室取出燃烧产物。
该方法可包括：按照经过燃烧室的燃料的燃烧所需的化学计量空气的大于5%到小于或等于25%的量通过小炉的持续输送的空气流。
该方法可还包括：通过第二氧化剂管道把第一氧化剂气体或第二氧化剂气体引入到熔炉中以燃烧燃料或其它燃料。
附图说明
图1显示了具有可选的小炉内的氧化剂分级喷枪的一种通口小炉式燃烧器。
图2显示了具有小炉下的氧化剂分级喷枪的、安装在熔炉的蓄热器小炉颈中的一种通口小炉式燃烧器。
图3显示了第一氧化剂管道和燃料管道的排放端的放大视图。
图4显示了小炉下的氧化剂分级喷枪的排放端的放大视图。
图5是测试熔炉中作为与熔炉喷嘴相隔的距离的函数的标准化的热通量的图表。
图6是显示出作为无量纲喷嘴长度的函数的峰值火焰温度的建模结果的图表。
图7是显示出作为与燃烧器喷嘴出口相隔的距离的函数的火焰温度的建模结果的图表。
图8a是来自建模结果的速度量值的轮廓图。
图8b是来自建模结果的速度量值的轮廓图。
图9是显示出作为无量纲喷嘴长度的函数的火焰长度的建模结果的图表。
图10是显示出作为氧气通道面积比的函数的温度的建模结果的图表。
图11是显示出作为氧气通道面积比的函数的温度的建模结果的图表。
图12是显示出作为与燃烧器喷嘴出口相隔的距离的函数的火焰温度的建模结果的图表。
图13是显示出作为第二氧化剂通道面积比的函数的第二氧化剂速度偏差的建模结果的图表。
具体实施方式
如本文所使用的冠词“一（种）”（“a”和“an”）在应用于说明书和权利要求书中描述的本发明的实施例中的任何特征时意味着一个或多个。“a”和“an”的使用并不把含义限制于单个特征，除非具体地陈述了这种限制。单数或复数名词或名词短语前面的冠词“the”表示具体指定的一个特征或具体指定的多个特征，并且可根据使用它的上下文而具有单数或复数内涵。形容词“任何”无差别地意味着无论量为多少的任意一个、一些或全部。
短语“至少一部分”意味着“一部分或全部”。
为了简单和清楚的目的，省略掉了对公知装置、电路和方法的详细描述以免利用不必要的细节模糊本发明的描述。
本发明涉及一种燃烧器。更具体地讲，本发明涉及一种用于在具有空气-燃料蓄热器小炉的玻璃熔炉中利用氧气-燃料燃烧替代空气-燃料燃烧的氧气-燃料燃烧器。该燃烧器特别适合于至少部分地把蓄热器小炉从空气-燃料燃烧转换成氧气-燃料燃烧。因为玻璃熔炉蓄热器小炉的几何构造，用于这种转换的燃烧器需要在靠近排放喷嘴的位置处的流动方向的急剧或显著变化。
对于相关联的蓄热器需要修理的情况，蓄热器小炉可暂时从空气-燃料燃烧转换成氧气-燃料燃烧。蓄热器小炉可以在更加永久的基础上转换成空气-燃料燃烧以利用空气-燃料效益。最靠近玻璃熔炉的配料端/投料端（batch end）的若干小炉可转换成氧气-燃料燃烧以改进由氧气-燃料火焰执行的批式熔融（batch melting）。
现在参照附图，其中遍及几个视图中相类同的附图标记指示相似元件，图1显示根据本发明实施例的燃烧器1，且图2显示包括蓄热器小炉颈105和安装在蓄热器小炉颈中的燃烧器101的熔炉100的截面。
燃烧器1和101包括第一冷却液套管10、第一氧化剂管道20和燃料管道40。第一冷却液套管10具有外等效直径D：对于圆形横截面的情况，直径D等于外径；且对于非圆形横截面，直径D等于套管的外横截面积除以外周长的结果的4倍。第一氧化剂管道20相对于第一冷却液套管10成固定的间隔开的关系而安置、并且大体上同心地位于第一冷却液套管10内，并且燃料管道40相对于第一氧化剂管道20成固定的间隔开的关系而安置、并且大体上同心地位于第一氧化剂管道20内。大体上同心是指一个管道的轴线与其它管道的轴线相同、或者稍微移动最多达2 cm。
冷却液套管是一种外罩或壳体，其作为包封住中间空间的罩，温度控制流体能够在该中间空间中循环。冷却液可以是水。冷却液套管(例如，水冷式套管)在燃烧器和燃烧的现有技术中是公知的。冷却液套管的设计的细节对于本发明而言不是关键性的。本领域技术人员能够容易地从现有技术已知的冷却液套管设计中选择和/或修改合适的冷却液套管设计。
需要第一冷却液套管10来防止燃烧器过热。当燃烧器被插入到玻璃熔炉蓄热器小炉中时，来自熔炉的热量将会辐射到燃烧器的外表面。当燃烧器工作时，来自燃烧器的火焰将会辐射回到燃烧器。水或其它冷却液被引入到第一冷却液套管10的入口11，并围绕包括着在燃料和氧化剂排放端周围的区域的第一氧化剂管道20而流动。水或其它冷却液从第一冷却液套管10的出口13被抽取出。
如本文所使用的，管道是用于输送流体的任何装置，例如管子、软管、导管等。第一冷却液套管10、第一氧化剂管道20和燃料管道40由金属制成，优选地由不锈钢制成。本领域技术人员可容易地选择用于燃烧器的构造的合适材料。
氧化剂管道是一种意图用来输送氧化剂气体并连接到氧化剂供应源的管道。氧化剂气体是包括超过21%体积百分比的氧气的任何气体。具有80%的体积百分比至100%的体积百分比的氧气浓度的工业级氧气是氧化剂气体，正如典型地具有60%的体积百分比至80%的体积百分比的氧气浓度的来自制氮装置的气体排气流是氧化剂气体。氧化剂也可以是具有介于22%的体积百分比与28%的体积百分比之间或者28%的体积百分比与60%的体积百分比之间的氧气浓度的工业或排气流氧气和空气这二者的混合物。氧化剂管道可设计为用以通过使用与工业级氧气相兼容的材料来输送工业级氧气。
燃料管道是一种意图用来输送燃料的管道。燃料管道连接到燃料供应源。燃料可以是气体燃料，例如天然气、丙烷或其它气态碳氢化合物、氢气、一氧化碳或者它们的组合。或者燃料可以是液体，例如1号馏出油、2号馏出油、柴油、生物柴油和它的副产品(诸如，甘油)、煤油、4号燃油、5号残余油、6号残余燃料油、船用C类型燃料油和本领域普通技术人员已知的其它液体燃料。液体燃料可以由本领域普通技术人员已知的若干装置中的任何一种装置雾化。
第一氧化剂管道20具有用于接收氧化剂气体的入口21、位于入口21的下游的第一部分23、位于第一部分23的下游的弯曲部分25、和位于弯曲部分25的下游的第二部分27。氧化剂气体可以是工业级氧气。
上游和下游是相对于预期的流体(例如，燃料或氧化剂)的流动而加以限定的。上游端对应于最靠近把流体引入到装置中的入口的一端，且下游端对应于流体离开装置的出口或喷嘴端。
入口21可包括快速分离适配件、或者用于把氧化剂气体供应源铅垂接入（plumb）到燃烧器的其它合适适配件。
第一部分23可具有圆形横截面。第一部分23可还具有间隔件以确保第一氧化剂管道的第一部分与燃料管道的第一部分之间的同心度。
弯曲部分25具有45o到120o的弯曲角度α。弯曲角度α可以是60o到110o。弯曲角度限定为夹角的补角。小于180o的夹角是在管道的第一部分的平直部段与管道的第二部分的平直部段之间所限定的角度。在第一氧化剂管道的第一部分的平直部段与第一氧化剂管道的第二部分的平直部段之间限定了第一氧化剂管道的夹角。如图1和图2中所示的弯曲角度α是第一氧化剂管道的夹角的补角。0o的弯曲角度对应于没有弯曲，即它是平直的。180o的弯曲角度对应于“U形”弯曲。
弯曲部分25中的弯曲可以是平滑的，具有如图2中所示的半径，或者如图1中所示，所述弯曲可具有尖角。
第一氧化剂管道20的第二部分27终止于出口端29，并具有流动轴线22和长度L。第二部分27可具有圆形横截面。
流动轴线对应于穿过管道的横截面的几何中心的沿着流动方向的线，其中横截面位于与该线竖直的平面中。流动轴线可包括曲线。对于这个燃烧器，流动轴线的至少一部分是直线部段。
为了本公开的目的，第一氧化剂管道的第二部分的长度L对应于如图1和图2中所示的介于弯曲部分与出口端之间的流动轴线的直线部段。
燃料管道40具有用于接收燃料的入口41、位于入口41的下游的第一部分43、弯曲部分45和第二部分47。
入口41可包括一种快速分离适配件、或者用于把燃料供应源铅垂接入到燃烧器的其它合适适配件。
如图1和图2中所示，燃料管道40的第一部分43相对于第一氧化剂管道20的第一部分23成固定的间隔开的关系而安置、并且大体上同心地位于第一氧化剂管道20的第一部分23内。弯曲部分45相对于弯曲部分25成固定的间隔开的关系而安置、并且大体上同心地位于弯曲部分25内。
弯曲部分45中的弯曲可以是平滑的，具有如图2中所示的半径，或者具有如图1中所示的尖角。弯曲部分45将会与弯曲部分25相兼容。
第二部分47终止于出口端49，并具有流动轴线42。第二部分47相对于第一氧化剂管道20的第二部分27成固定的间隔开的关系而安置、并且大体上同心地位于第一氧化剂管道20的第二部分27内。第二部分47可具有圆形横截面。
燃料管道的第二部分47可以与第一氧化剂管道20的第二部分27同心，从而使得流动轴线42和流动轴线22二者都是平直的，并且基本上平行或者基本上重合。在图1中，流动轴线42和流动轴线22重合。
术语“平行”是指沿相同方向延伸，在每处等距并且不交叉/交会。关于流动轴线22和流动轴线42，基本上平行是指间隔开并且具有2 cm的最大间隔距离偏差。
术语“重合”是指占据相同空间或位置。关于流动轴线22和流动轴线42，基本上重合是指在2 cm内重合。
在燃料管道40的第二部分47与第一氧化剂管道20的第二部分27之间形成或限定了氧化剂通道50。氧化剂通道50具有入口部段51、位于入口部段51的下游的过渡部段53和位于过渡部段53的下游的出口部段55。入口部段51具有横截面面积A i 。出口部段55具有横截面面积A o 。横截面面积A o 设计为用以在设计氧化剂气体流率的情况下提供大约30 m/sec到大约 150 m/s的氧化剂气体速度。
在靠近排放喷嘴的位置处的第一氧化剂流动方向的急剧或显著变化可由在长度L与第一冷却液套管的外等效直径D之间的关系加以描述。希望使比例L/D最大化以使得在排放喷嘴处的第一氧化剂的速度分布图的不均匀性最小化，因为速度不均匀性是排放喷嘴附近的加速燃烧的主要原因，所述加速燃烧能够导致过高的火焰温度、并因此导致燃烧器损坏或故障。然而，为了把燃烧器组件安装/装配到玻璃熔炉的蓄热器小炉中可用的有限空间内，需要较短的长度。基于可用空间的最大容许L/D估计为7.0。
一种利用短L/D实现可接受的流分布的解决方案是在第一氧化剂通道的第二部分中放置一种静态混合装置。静态混合装置是放置在流场中的静止障碍物，它通常通过静压的消散、利用局部地增加湍流混合和扩散来促进流重新分布。静态混合装置的常见例子是穿孔板；也就是说，一种横跨过流动截面的板，该板包括在整个该板上分布的多个小孔，并且流动必须穿过该板。
不幸的是，在这种情况下，静压的消散和湍流混合/扩散的产生这二者都是不希望出现的流动特性。首先，增加氧化剂流的湍流导致了氧化剂与燃料之间的较为快速的混合，这引起燃烧器喷嘴附近的过高火焰温度的问题的恶化。其次，静压的消散导致了对氧化剂的较高的供给压力要求。在一些情况下，较高的供给压力要求不能满足，而在其它情况下，由于需要安装并操作一个或多个气体压缩机而导致为安装增加了显著的资本和操作成本。对于包括相对于第一氧化剂管道成固定的间隔开的关系的第二氧化剂管道的这种燃烧器的实施例：。对于不包括第二氧化剂管道的燃烧器的实施例：。
趋于使氧化剂的流动均匀分布并变平直的、并且防止氧化剂和燃料在熔炉中的早期混合的、而没有上述不希望出现的静态混合装置的特性的本发明的燃烧器的特征在于：从入口部段51到出口部段55的氧化剂通道50的横截面面积的减小。第一氧化剂通道的横截面面积的这种减小是通过过渡部段53来实现的。为了改善第一氧化剂流动分布，希望的是使入口横截面面积与出口横截面面积之比最大化。然而，对于在出口出的给定第一氧化剂速度，比例的增大需要入口横截面面积的尺寸的增大。由于蓄热器小炉中的可用空间的约束导致的这个比例的上限值的实际限制为=5。对于这个燃烧器，。
如图1、图2中所示和在图3中放大的所示，氧化剂管道20的第二部分27可在氧化剂通道50的过渡部段53中具有凸形内表面。
如图1、图2中以及在图3的放大图中所示，燃料管道40的第二部分47可在氧化剂通道50的过渡部段53中具有凹形外表面。这些凸形和凹形弯曲帮助使氧化剂的流动变平直，从而使得，当它接近出口端29时它与第一氧化剂流的轴线22对齐，而同时减小了湍流涡旋的产生和扩散。
燃料管道40的第二部分47形成或限定了燃料通道60。燃料通道60具有入口部段61、位于入口部段61的下游的过渡部段63、和位于过渡部段63的下游的出口部段65。燃料管道的第二部分的入口部段具有横截面面积A fi , 且燃料管道的第二部分的出口部段具有横截面面积A fo 。
类似于第一氧化剂管道的第二部分，趋于使燃料的流动变平直的、并且防止氧化剂和燃料在熔炉中的加速湍流混合的燃烧器的特征在于：从入口部段61到出口部段65的燃料通道60的横截面面积的减小。为了改善燃料流动分布，希望使入口横截面面积与出口横截面面积之比最大化。然而，对于在出口处的给定燃料速度，比例的增大需要入口横截面面积的尺寸的增大。由于蓄热器小炉中的可用空间的约束导致的这个比例的上限值的实际限制为等于5。对于这个燃烧器，或者。基于预期的燃烧速率(即，燃料流率)，横截面面积A fo 设计为用以提供大约25 m/s到大约 150 m/s的燃料速度。
如图1和图2中所示，燃料管道40的第二部分47可在燃料通道60的过渡部段中具有凹形内表面和凸形内表面，其中凸形内表面位于燃料通道60的凹形内表面的下游。这种几何构造在使燃料流中的湍流涡旋的产生和扩散最小化的同时，帮助在燃料通道的内表面处使得流动与流动轴线42重新对齐。通过沿着第一氧化剂和燃料的各自轴线使第一氧化剂和燃料的流动对齐、并且同时使湍流涡旋的产生和扩散最小化，这些特征起作用以减小当燃料和氧化剂排放到熔炉中时燃料和氧化剂的混合的速率。如先前所述，这对于保护燃烧器的金属部件免受由短的氧气/燃料火焰所引起的高温损坏而言很重要。
如图1和图2中所示，氧化剂管道20的第二部分27的出口端29相对于燃料管道40的第二部分47的出口端49突出。出口端29可相对于出口端49突出0.2 cm到3 cm。突出是指从周围表面或环境向外伸出或延伸。
燃料管道40的出口端49相对于氧化剂管道20的出口端29向回凹陷以保护出口端49免受来自燃烧器的火焰的、以及玻璃熔炉的高温环境的辐射。包括氧化剂管道的出口端29的氧化剂管道20由在第一冷却液套管10中循环的冷却液加以冷却。
另一方面，燃料管道40由经过氧化剂通道的氧化剂的流动来冷却。通过使出口端49凹陷，出口端49将会暴露于较少的热辐射并且可避免过热。在出口端49凹陷太多的情况下，燃料和氧化剂可能由于氧化剂管道的过热而导致在燃烧器内起反应，引起对燃烧器的损坏。通过出口端29相对于出口端49突出0.2 cm到3 cm来提供防护所述出口端49免受热辐射与燃料和氧化剂的混合之间的正确平衡。
燃烧器可还包括氧化剂分级。在本公开的情况下的氧化剂的分级是指从第一氧化剂流保留/扣留燃烧氧气的一部分，从而使其可以在燃料的燃烧的稍后“阶段”被输送。如图1中所示，分级喷枪可以是放置在蓄热器小炉中的燃烧器的一部分(称为小炉内喷枪)，和/或如图2中所示，分级喷枪可以是放置在蓄热器小炉下方的单独部件(称为小炉下喷枪)。已发现氧化剂分级提供了在熔炉中调整火焰的装置或手段。
分级氧化剂用于降低氧气/燃料火焰的峰值温度。峰值温度的降低减小了由于高温导致的对燃烧器的损坏的风险，并且还减小了燃料和氧化剂混合的速率。燃料和氧化剂混合速率的减小使燃烧过程变缓慢，由此导致较长的火焰，这是更加希望出现的情况。此外，分级在火焰内创建了燃料富集或贫氧燃烧的区域。燃料富集区域促进了增强从火焰到玻璃熔体的辐射热传递的富碳固体微粒(煤烟)的形成，并且还导致更低的NOx的排放。然而，对于能够安全而有效地采用的分级的程度存在实际的限制。这种限制将会典型地由火焰的动量来设置，所述火焰的动量随着分级氧气的量增加而减小。如果火焰动量太低，则火焰将会在熔炉中变得不稳定并且能够例如向上烧向炉碹/炉帽（furnace crown）(炉顶)， 在炉碹处它能够损坏炉碹耐火材料。
分级氧气的放置和定向也影响来自燃烧器的火焰。紧挨在第一氧化剂/燃料喷嘴下方所引入的分级氧化剂具有某些所希望的特征。例如，在这个位置引入的分级氧化剂与就位于燃烧器喷嘴的下游的燃料发生混合，且因此基本上未被炉内气体稀释。此外，在这个位置的分级在增强主燃烧器火焰的下部的燃烧方面很有效。这导致来自火焰的辐射能被优先地向下指向玻璃熔体、而非向上指向炉碹。如果担心小炉过热，则能够使小炉内分级喷嘴向下指向小炉底，在小炉底，它提供该表面的对流冷却。可替代地，如果没有可用于在小炉内容纳燃烧器喷嘴和喷枪二者的充足空间，则允许在别处设置或定位分级氧气喷嘴，例如在小炉下方但在玻璃熔体的表面上方设置分级氧气喷嘴。
既在蓄热器小炉下方又在蓄热器小炉中包括氧化剂分级对操作者给予了影响玻璃熔体的加热、蓄热器小炉耐火材料的过热和污染物排放(诸如，NOx)的灵活性。在单小炉测试熔炉中执行了实验。实验结果证实了氧化剂分级的量和位置对热传递、小炉温度和炉顶温度的实质影响。例如，图5指示了：与“没有分级”和80%小炉下分级情况相比，利用80%小炉内氧化剂分级而实现的大得多的通往炉底的热通量。尽管这些数据提供了代表性趋势，但最好基于特定熔炉几何构造和工作条件来确定氧化剂分级的最佳量和位置。
如图2中所示，燃烧器可包括相对于第一氧化剂管道20的第二部分27成固定的间隔开的关系而放置的小炉下氧化剂分级喷枪90。小炉下氧化剂分级喷枪用来在通过分别从燃料管道40和第一氧化剂管道20引入燃料和氧化剂所产生的火焰下方引导氧化剂的流。
小炉下氧化剂分级喷枪90具有用于接收第一氧化剂气体或第二氧化剂气体的入口91。第一氧化剂气体和第二氧化剂气体可以是来自相同或不同源的工业级氧气。
入口91可包括快速分离适配件、或者用于把氧化剂气体供应源铅垂接入到小炉下氧化剂分级喷枪90的其它合适适配件。
小炉下氧化剂分级喷枪90可以不需要冷却液套管。经过小炉下氧化剂分级喷枪的氧化剂气体的流动可足以使小炉下氧化剂分级喷枪的喷嘴保持冷却。引入到小炉下氧化剂分级喷枪90中的氧化剂气体通常将会是引入到第一氧化剂管道20中的相同氧化剂气体，例如工业级氧气。然而，引入到小炉下氧化剂分级喷枪中的氧化剂气体可以是与引入到第一氧化剂管道20中的氧化剂气体不同的氧化剂气体。
燃烧器可包括图1中示出的小炉内氧化剂分级喷枪作为第二氧化剂管道80，第二氧化剂管道80相对于第一氧化剂管道20的第二部分27成固定的间隔开的关系而设置。第二氧化剂管道80用来在火焰下方引导氧化剂的流。
由于小炉内氧化剂分级喷枪位于蓄热器小炉中，所以它将会需要冷却。如图1中所示，第二氧化剂管道80可相对于第一冷却液套管10成固定的间隔开的关系而安置、并且大体上同心地位于第一冷却液套管10内，或者相对于可选的第二冷却液套管70成固定的间隔开的关系而安置、并且大体上同心地位于第二冷却液套管70内。
燃烧器可还包括可选的第二冷却液套管70和第二氧化剂管道80，第二氧化剂管道80相对于可选的第二冷却液套管70成固定的间隔开的关系而安置、并且大体上同心地位于可选的第二冷却液套管70内。因为来自火焰和熔炉的辐射加热，所以可能需要第二冷却液套管70来防止氧化剂喷枪的喷嘴过热。水或其它冷却液被引入到可选的第二冷却液套管70的入口71中、并围绕包括氧化剂排放端周围的区域的第二氧化剂管道80而流动。水或其它冷却液从可选的第二冷却液套管70的出口73被抽出。
第二氧化剂管道80具有用于接收氧化剂气体或第二氧化剂气体的入口81、位于入口81的下游的第一部分83、位于第一部分83的下游的弯曲部分85、和位于弯曲部分85的下游的第二部分87。第一氧化剂气体和第二氧化剂气体可以是来自相同或不同源的工业级氧气。
入口81可包括快速分离适配件、或者用于把氧化剂气体供应源铅垂接入到燃烧器的氧化剂喷枪的其它合适适配件。
第一部分83可具有圆形横截面，并且可以以物理方式(例如，通过焊接)附接到第一氧化剂喷嘴的第一部分的外表面。
弯曲部分85具有弯曲角度β，其中弯曲角度β在弯曲角度α的15o内。弯曲角度β可以是60o到110o。第二氧化剂管道80的第二部分87可相对于第一氧化剂管道20的第二部分27向上或向下倾斜。在第二氧化剂管道80的第一部分81的平直部段与第二氧化剂管道80的第二部分85的平直部段之间限定了第二氧化剂管道80的夹角。弯曲角度β是第二氧化剂管道80的夹角的补角。
第二氧化剂管道80的第二部分87终止于喷嘴中，并具有流动轴线82。第二氧化剂管道80的第二部分87相对于第一氧化剂管道20的第二部分27成固定的间隔开的关系。可选的第二冷却液套管70和第二氧化剂管道80可焊接在一起、或者以其它方式附接作为燃烧器组件的一部分。
弯曲角度β可以在弯曲角度α的2o内。第二氧化剂管道80的第二部分87的流动轴线82可基本上平行于第一氧化剂管道20的第二部分27的流动轴线22。关于流动轴线82和流动轴线22，基本上平行是指间隔开并且在最大间隔距离的10%内等距。
如图1中所示，第一氧化剂管道20的第二部分27的出口端29可相对于喷嘴的出口89突出。出口端29可相对于出口89突出0.2 cm到3 cm。第二氧化剂管道80的喷嘴可相对于第一氧化剂管道20的第二部分27的出口端29凹陷以允许第一冷却套管和/或第一氧化剂管道20的第二部分27防护喷嘴免受来自火焰和/或熔炉的辐射。
如图1中所示以及如图4中详细所示，第二氧化剂管道80的第二部分87的喷嘴具有入口88、过渡部段和出口89。入口88可具有圆形横截面和横截面面积A ni 并且出口89具有非圆形横截面和横截面面积A no 。喷嘴的出口89可具有1.5到5的宽高(“W”与“H”)比。为了本公开的目的，在喷嘴的出口面处测量了出口89的宽高比。宽度是相对于高度的较大的尺寸。
对于这个喷嘴，可以是1.25到5。大于所陈述的下限的面积比对于在喷嘴出口处使氧化剂流动不均匀性最小化而言是必要的，所述氧化剂流动不均匀性能够导致分离的流动或者逆向流动，增加喷嘴腐蚀、阻塞和过早故障/失效的风险。需要低于上限的面积比以避免过高的第二氧化剂速度或不可接受地太大的第二氧化剂管道。
喷嘴可具有收敛的高度和发散的宽度。收敛的高度帮助减小横截面面积，需要这一点以防止流动分离。发散的宽度增大了出现的辅助流的广度，从而使得它比由第一氧化剂和燃料产生的火焰更宽。这增加了在分级氧化剂下方和火焰的下侧进行混合的均匀性。第二氧化剂管道80的第二部分87可在出口89附近具有凸形内表面。凸形内表面允许出口流动快速而流畅/平滑地地转变或过渡到与主流动轴线82平行的方向。在宽度维度上发散的半角可以是5o到15o。
喷嘴通常被描述为“收敛”(在流动的方向上从宽尺寸变窄至较小尺寸)或“发散”(在流动的方向上从较小尺寸扩大至较大尺寸)。第拉瓦（ de Laval ）喷嘴具有收敛部段，收敛部段后面跟着发散部段，且第拉瓦喷嘴经常被称为收敛-发散喷嘴。
收敛喷嘴使亚音速流体加速。如果喷嘴压力比足够高，则流动将会在最窄点(即，喷嘴喉部)处达到音速。在这种情况下，喷嘴被称为“噎住”。
本文描述的喷嘴不同于第拉瓦类型喷嘴。与具有发散宽度和收敛高度的即时喷嘴相对比，第拉瓦类型喷嘴具有收敛部段，收敛部段后面跟着发散部段。
燃烧器设计为被插入到蓄热器小炉中，如图2中所示。必须在蓄热器小炉颈中切割出孔以提供用于插入燃烧器的地方。可以在小炉颈的顶部、底部(底台)或侧面切割这个孔。优选地，在小炉颈的底部或底切割这个孔。
燃烧器可优选地如图2中所示沿基本上竖直的方向通过在小炉颈的底部中所切割出的孔而被插入到小炉中。燃烧器可包括安装板95以定位燃烧器并把燃烧器附接到小炉颈。燃烧器在基本上水平的平面中把燃料和氧化剂气体排放到熔炉燃烧空间中。
燃烧器可以以各种方式工作来在玻璃熔炉（glass tank）中以及在蓄热器小炉中控制温度和热通量分布。这一点主要经由氧气的分布的调整(该调整的策略性使用提供了对于火焰长度、发光度和稳定性的调节)来实现，并且也能够辅助小炉表面的冷却。
通过经燃料管道40引入气态燃料并且经两个或更多的第一氧化剂气体管道20、小炉内氧化剂分级喷枪(第二氧化剂管道80)和小炉下氧化剂分级喷枪90引入一个或多个氧化剂气体流，则可操作燃烧器。
本发明还涉及一种熔炉100，熔炉100的一部分显示在图2中。尽管根据本发明的熔炉显示为具有根据图2的燃烧器，但根据图1的燃烧器也可以结合熔炉使用并且本领域技术人员能够清楚地修改描述以适应根据图1的燃烧器。该熔炉包括：蓄热器125、熔炉燃烧室135、和把蓄热器125连接到熔炉燃烧室135的蓄热器小炉颈105。蓄热器小炉颈105限定了小炉110和熔炉100的壁120中的小炉开口115。该熔炉还包括根据如上所述的特征的燃烧器。该燃烧器穿透蓄热器小炉颈105并进入小炉110，并且该燃烧器布置为用以把燃料和氧化剂引导到熔炉100中。
蓄热器小炉颈105包括典型地由耐火砖构成的小炉拱顶(顶部)、小炉底台(底部)和侧壁。蓄热器小炉颈限定了介于蓄热器和熔炉的小炉开口或小炉口之间的通道或小炉。如本文所使用，小炉是通道并且不同于小炉开口。
蓄热器是一种利用蓄热热传递的热量回收装置，并且在现有技术中是公知的。蓄热器的细节可以在由Wolfgang Trier所著、 K. L. Loewenstein所翻译的在 Society of Glass Technology, Sheffield, UK, 2000上的“Glass Furnaces, Design Construction and Operation,”和 Fay Tooley (ed.)所著的由Ashlee Publishing Co. (New York)在 1984出版的“The Handbook of Glass Manufacture,”3rd Ed. Vols. 1&2 中找到。
如本文所使用的，蓄热器小炉颈是用于或先前用来把燃烧空气从蓄热器传送到熔炉中的燃烧空间中的任何管道。
熔炉可包括一种包含以上针对燃烧器描述的任何或全部特征的燃烧器。
在如图1中所示的实施例中，小炉内的分级喷枪可用于熔炉中。
在如图2中所示的实施例中，管道90在小炉开口115下方的位置处穿透熔炉壁120、并布置为用以把氧化剂引导到熔炉中。管道90是小炉下的氧化剂分级喷枪。如果从喷枪竖直向上绘制的线与小炉交叉，则该管道位于小炉开口“下方”。竖直意思是指铅垂地笔直向上或向下。
熔炉可以既包括小炉内的氧化剂分级喷枪又包括小炉下的氧化剂分级喷枪。
熔炉还包括：熔化槽盆，布置在熔炉燃烧室下方并与熔炉燃烧室相毗连；装料端，用于把玻璃成型配料引入到熔化槽盆中；和出料端，用于从熔化槽盆取出玻璃产物。玻璃成型配料被装填到熔炉的熔化槽盆中，并由来自熔炉燃烧室中的燃烧火焰的热量熔化。熔融玻璃从装料端流动到出料端，并作为产物被从熔炉取出。取出的熔融玻璃经受成型操作以把玻璃形成为玻璃片、玻璃纤维、容器或其它所希望的产品。
熔炉还包括位于熔炉的壁中的排出口以从熔炉燃烧室取出燃烧产物。燃料和氧化剂经由蓄热器小炉颈中的燃烧器被引入到熔炉燃烧室中，燃烧以形成火焰并把热量传递到玻璃成型配料和熔融玻璃。通过排出口从熔炉燃烧室去除燃料和氧化剂的反应的燃烧产物。
本发明还涉及一种例如在蓄热器修理期间加热熔炉的方法。在长期操作熔炉之后，蓄热器中的热传递填料或格子砖（checker）可能由于来自玻璃熔炉的冷凝的挥发物而变得堵塞、或者在其它方面受损。当空气-燃料小炉被取出不用以修理蓄热器时，熔炉仍然需要被加热。优选地，提供足够的热量以维持玻璃生产。
该方法也可用于在不修理受损的蓄热器的情况下延长熔炉的寿命、或者用于增加现有熔炉的生产率。
上述燃烧器可用于在修理蓄热器的同时加热熔炉的方法，以在不修理蓄热器的情况下延长熔炉的寿命和/或增加现有熔炉的生产率。
加热熔炉的方法包括：阻止空气流到小炉；使燃料停止流到与小炉关联的空气-燃料燃烧器；安装如上所述的燃烧器从而使得燃烧器穿透蓄热器小炉颈、并进入小炉；使冷却剂经过第一冷却液套管；通过第一氧化剂管道把第一氧化剂气体引入到熔炉中；并且通过燃料管道把在先前空气-燃料操作期间使用的相同燃料或不同燃料引入到熔炉中。
该方法还包括：利用第一氧化剂气体燃烧所选择的燃料以形成燃烧产物，并通过排出口从熔炉燃烧室取出燃烧产物。
在蓄热器修理期间，将会需要停止通过蓄热器格子砖堆的该部分的空气流动从而使得能够移除损坏的格子砖并安装替换格子砖。蓄热器可以是开口箱设计或者间隔密封设计。可以在蓄热器的该底部处堵塞或以其它方式阻止空气流动。也可能希望在蓄热器小炉的上游端处堵塞或以其它方式阻止空气流动。
可以切割或以其它方式改造蓄热器小炉颈以提供用于安装燃烧器的孔。如图2中所示，蓄热器小炉颈中的孔可以位于蓄热器小炉颈的底部或底台中。也可以在蓄热器小炉颈的任一侧或者蓄热器小炉颈的拱顶或顶部切割该孔。
可安装燃烧器，从而使得燃烧器穿透蓄热器小炉颈并进入小炉。通过安装板95的位置，可设置相对于任何小炉颈壁的第一氧化剂管道的第二部分的出口端的距离和燃料管道的第二部分的出口端的距离。
通常，冷却剂(优选地，水)将会在把燃烧器安装到蓄热器小炉颈期间经过第一冷却液套管，以在安装燃烧器的同时防止燃烧器过热。
一旦安装，第一氧化剂气体将会通过第一氧化剂管道被引入到熔炉中、并且燃料将会通过燃料管道被引入到熔炉中。燃料可以是曾用于先前的空气-燃料操作的相同燃料，或者根据需要可以使用不同的燃料。燃料可以是天然气。
该方法可还包括通过第二氧化剂管道把第一氧化剂气体或第二氧化剂气体引入到熔炉中。
该方法可还包括：通过蓄热器小炉引入一定量的空气。空气可经过蓄热器或者来自另一源。这样引入的空气具有至少三个有益的效果。第一，它从小炉清除掉循环回的或回注炉内气体和微粒，因此使小炉内的腐蚀和微粒积聚最小化。第二，它为火焰增加了动量。最后，它允许通向燃烧器的氧化剂流量的减小，这继而降低了操作成本并使燃烧器喷嘴附近的燃烧速率变缓慢。较低的燃烧速率通常扩展并增强火焰的发光区域，由此增加辐射热传递。燃烧器的化学计量氧气需求的最多25%可由通过小炉的空气流动提供。在一些氧气要求由通过小炉的空气提供的情况下，燃烧器的燃料的完全燃烧所需的化学计量量的氧化剂的95%至与大约75%一样小的比例可以由第一氧化剂气体和/或第二氧化剂气体提供。
在燃烧器的操作为熔炉提供加热并且玻璃生产持续进行的同时，蓄热器可随后被修理。
另一方面，熔炉可以在不修理蓄热器的情况下以这种模式继续操作，直至熔炉寿命/炉龄（campaign）的终止。
燃烧器的参数范围的一些限制由蓄热玻璃熔炉的燃烧器和小炉的几何(即，可用空间)因素确定。为了帮助确定对于这些范围的其它限制，如下面的例子中所述，使用计算流体动力学(CFD)建模。
例子
CFD建模用来隔离并检查设计和工作参数对燃烧器流体力学和热现象的影响。如图1中所示的燃烧器和关联的第二氧化剂用作基础建模结构或配置。在建模研究期间变化的参数以及它们各自的范围显示在表1中。需要注意的是，尽管作为全部(第一加第二)氧化剂流量的百分数的分级氧化剂流量不是燃烧器的设计参数，但由于它在例子内的变化有助于进一步突出其它参数的影响，所以它被包括在这里。燃料假设为天然气，它被建模为100%甲烷。
由于实用的原因，仅提供最显著的CFD结果。
表1
参数 最小值 最大值
燃烧器无量纲长度，L/D 0.8 2.7
第一氧化剂流动横截面面积比： 1.0 1.9
燃料流动横截面面积比： 1.0 1.9
第二氧化剂管道流动横截面面积比： 1.0 1.55
分级氧化剂流量(全部氧化剂流量的%) 20% 80%
利用处于它们的最大值的第一氧化剂和燃料区域流动横截面面积比(参见表1)，执行了燃烧器无量纲长度L/D的变化。结果总结在图6至9中。
例如，L/D对峰值火焰温度的影响被图示在图6中。需要注意的是，尽管当L/D减小时针对20%分级情况的趋势显示了温度的逐渐的相对较小的增加，但针对80%分级情况的峰值火焰温度随着L/D从2.7减小至1.4而针对80%氧化剂增加几乎100 K，然后随着L/D进一步减小至0.8而下降。由于针对从0.8至2.7的L/D而言所述峰值火焰温度增加小于100 K、并且大于2.7的L/D将会具有甚至更低的峰值火焰温度，所以从0.8至7的L/D是合适的。燃烧器可工作于从0.8至7的L/D范围上。
在图7中给出针对包括80%分级的情况的火焰温度的更仔细的检查，它比较了针对等于0.8、1.4和2.7的L/D的火焰温度分布。首先将会注意到，针对所有三种情况的峰值温度发生于相对比较靠近燃烧器喷嘴的地方；因此，峰值的偏移（excursion）可能使燃烧器金属暴露于高温损害。另外，对于等于1.4和2.7的L/D，火焰温度最初增加，在与喷嘴出口相隔大约0.5 m的距离处达到峰值。然而，对于等于0.8的L/D，峰值温度发生在与喷嘴出口相隔小于0.2 m的距离处，因此进一步增加了喷嘴过热风险。此外很有兴趣关注的是，针对L/D等于0.8的情况的火焰温度在实现峰值之后立即下降，达到比针对其它两种情况发生的局部最小值更低的介于150与200 K之间的局部最小值。这些特性表明，与针对等于2.7和1.4的L/D发生的情况相比，在等于1.4和0.8的L/D之间发生了火焰性质的更剧烈变化。
从分别在图8a和8b中提供的L/D等于1.4和0.8的情况的喷嘴出口速度分布图能够推断出火焰性质的变化的解释。特别地，虽然针对这两种情况而言燃料/第一氧化剂混合物的轨迹保持基本上不变，但第二氧化剂的轨迹随着L/D变化而显著改变。也就是说，对于等于1.4的L/D，第二氧化剂轨迹在本质上平行于第一氧化剂/燃料流的轨迹。然而，当L/D减小到0.8时，在第二氧化剂喷嘴内具有不充足的延伸长度的分级氧化剂流动按照大约4度向上朝着主火焰倾斜。这导致火焰和辅助氧化剂之间的快速会聚，当与相对较大量的第二氧化剂(全部氧化剂的80%作为分级氧化剂)组合时这在燃烧器尖端附近产生加速混合，导致峰值温度位于更接近喷嘴处、并且随后的最小温度低于其它情况。这些研究结果/发现的实际影响在于：当燃烧器包括第二氧化剂管道时，L/D的最小值应该大于或等于1.4。然而，由于燃料/第一氧化剂流的特性并不在很大程度上受到等于1.4至0.8的L/D的变化的影响，所以当燃烧器不包括第二氧化剂管道时，L/D的最小值应该大于或等于0.8。
图9中所图示的L/D对火焰长度的影响巩固了从图6至8得出的结论。这个图显示：可能由于导致加速混合的燃烧器和分级喷枪喷嘴内的反应物速度分布的不充足的延伸，L/D的减小如何导致火焰的缩短。针对80%氧化剂分级情况的介于1.4和0.8之间的L/D的火焰缩短影响特别严重，并且能够再次归因于先前描述的主喷嘴流动和辅助喷嘴流动之间的快速会聚。
利用0.8和1.4的燃烧器无量纲长度L/D执行第一氧化剂面积比的变化。峰值火焰温度显示为对第一氧化剂面积比敏感。图10显示出针对等于1.4的L/D以及针对20%和80%氧化剂分级的作为的函数的峰值温度。当面积比从1.9减小到1.0时，针对80%分级发生大约190 K的数量级的峰值温度增加，而针对20%分级发生大约230 K的峰值温度增加。对于后一种情况，当从1.3降低到1.0时，峰值温度增加剧增。在图11中针对等于0.8的L/D的情况提供了类似的结果。像图10中一样，当在1.3以下减小时，峰值温度急剧增加。对于所有的情况，最高峰值火焰温度在等于1.0时达到2600至2650 K的范围中的值。
在图12中呈示了针对具有等于1.0和1.9的的80%分级情况而言的比较火焰温度分布的另外的细节。针对这两种情况的温度分布再次显示了在燃烧器出口附近的特性峰值。然而，需要注意的是，峰值的位置在等于1.9时与燃烧器喷嘴相隔大约0.4 m的距离，以及在等于1.0时与喷嘴相隔大约0.2 m。由于它是限定着喷嘴过热的相对风险的峰值温度和峰值位置的组合，所以得出这样的结论，即应该避免小于1.3的的值。
改变氧化剂面积比的影响改变火焰性质的机制是通过第一氧化剂输出速度分布实现的。也就是说，减小面积比增加了在燃烧器喷嘴的出口处的第一氧化剂流动的不均匀分布，由此产生增加峰值火焰温度并缩短火焰长度的过度湍流和切变。用来量化速度不均匀分布的一种方法为计算速度偏差，速度偏差被限定为局部速度相对于横截面的平均值的标准偏差。按照这样的定义，更高的速度偏差对应于更大程度的不均匀性，对于本发明而言，所述不均匀性导致不希望的更高的燃料和第一氧化剂之间的混合速率。与等于1.0、1.3和1.9的第一氧化剂面积比；等于1.4的L/D；20%分级相对应的速度偏差列出在表2中。当面积比从1.9减小到1.0时，标准化为平均横截面速度的百分数的偏差量值指示出第一氧化剂不均匀性的加倍。此外，它显示了：与当从1.3降低到1.0时很大的速度偏差的增加相比，当从1.9减小到1.3时相对较小的速度偏差的增加，进一步说明了需要把第一氧化剂面积比维持在1.3或者高于1.3。
表2
第一氧化剂面积比 速度偏差(平均速度的%)
1.0 21.5
1.3 13.9
1.9 10.7
关于燃料面积比，在1.9至1.0的范围上减小这个参数对峰值火焰温度具有与第一氧化剂面积比的变化定性地类似的影响(在相同的界限上)。然而，影响的量度更小。例如，在等于0.8的L/D情况下，从1.9至1.0的燃料面积比的减小产生了峰值火焰温度的70K的增加，而由第一氧化剂面积比的相同减小所产生的火焰温度增加为250 K(参见图11)。
与火焰特性对第一氧化剂面积比的灵敏度相比，火焰特性对燃料喷嘴面积比的较低的灵敏度可追溯到这样的事实：燃料喷嘴出口速度分布不像第一氧化剂出口速度分布那样对面积比变化敏感。如表3中所示，针对等于1.0和1.9的燃料面积比的在喷嘴出口处的燃料速度偏差小于针对第一氧化剂的可比值的一半(参见表2)。不希望存在小于1.0的燃料面积比，因为它们容易遭受不稳定流动分离影响。因此，基于CFD建模，大于或等于1.0的任何燃料喷嘴面积比在本发明中是可接受的。然而，在实验室原型测试期间进行的火焰性质的测量和观测表明：通过使用大于1.37的燃料面积比以及还使用如图3中所示的凹形至凸形轮廓，进一步提改善了燃烧器性能。
表3
燃料面积比 速度偏差(平均速度的%)
1.0 9.4
1.9 4.8
第二氧化剂管道的流动横截面面积比强烈地影响了离开喷嘴的第二氧化剂速度分布，所示第二氧化剂速度分布继而能够影响到燃烧器系统的性能和耐久性二者。对于本发明所关注的条件，CFD建模结果证实了对速度分布的强烈影响。图13显示：如曲线中的增加的斜率所示，当面积比降低到大约1.25的值以下时，辅助氧化剂的速度偏差急剧增加。尽管结果表明在这个范围上对燃烧性能的影响相对较小，但在这个临界值以下的面积比的喷嘴出口速度分布的衰竭/分解导致容易遭受不稳定性的非常低的出口速度的区域，所述不稳定性能够导致分离的流动或逆向流动。这增加了喷嘴腐蚀和堵塞的风险，并且很可能导致需要更频繁的维护和更高的故障率。如此，本发明的第二氧化剂喷嘴的最小可接受面积比为1.25。

Claims (27)

1.一种燃烧器，包括：
第一冷却液套管，具有外等效直径D；
第一氧化剂管道，相对于第一冷却液套管成固定的间隔开的关系而安置、并且大体上同心地位于第一冷却液套管内，第一氧化剂管道具有：
      入口；
      第一部分，位于第一氧化剂管道的入口的下游；
      弯曲部分, 位于第一氧化剂管道的第一部分的下游, 第一氧化剂管道的弯曲部分具有45o到120o的弯曲角度α；
      第二部分，位于第一氧化剂管道的弯曲部分的下游，第一氧化剂管道的第二部分终止于出口端并具有流动轴线和长度L；以及
燃料管道具有：
      入口；
      第一部分，位于燃料管道的入口的下游，其中燃料管道的第一部分相对于第一氧化剂管道的第一部分成固定的间隔开的关系而安置、并且大体上同心地位于第一氧化剂管道的第一部分内；
      弯曲部分，其中燃料管道的弯曲部分相对于第一氧化剂管道的弯曲部分成固定的间隔开的关系而安置、并且大体上同心地位于第一氧化剂管道的弯曲部分内；
      第二部分，终止于出口端并具有流动轴线，其中燃料管道的第二部分相对于第一氧化剂管道的第二部分成固定的间隔开的关系而安置、并且大体上同心地位于第一氧化剂管道的第二部分内，由此在燃料管道的第二部分与第一氧化剂管道的第二部分之间限定着氧化剂通道；
其中氧化剂通道具有入口部段、位于入口部段的下游的过渡部段、和位于过渡部段的下游的出口部段，其中入口部段具有横截面面积A i ，出口部段具有横截面面积A o ，且
其中                                                并且。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述燃料管道的第二部分限定着燃料通道，其中燃料通道具有入口部段、位于入口部段的下游的过渡部段、和位于过渡部段的下游的出口部段，其中燃料管道的第二部分的入口部段具有横截面面积A fi , 燃料管道的第二部分的出口部段具有横截面面积A fo ，其中。
3.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述燃料管道的第二部分限定着燃料通道，其中燃料通道具有入口部段、位于入口部段的下游的过渡部段、和位于过渡部段的下游的出口部段，其中燃料管道的第二部分的入口部段具有横截面面积A fi , 燃料管道的第二部分的出口部段具有横截面面积A fo ，其中。
4.根据权利要求2或3所述的燃烧器，其中所述燃料管道的第二部分在燃料通道的过渡部段中具有凹形内表面和凸形内表面，其中燃料管道的凸形内表面位于燃料通道的凹形内表面的下游。
5.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述第一氧化剂管道的第二部分的出口端相对于燃料管道的第二部分的出口端突出0.2 cm到3 cm。
6.根据权利要求1所述的燃烧器，还包括：
可选的第二冷却液套管；
第二氧化剂管道，相对于第一冷却液套管和第二冷却液套管中的至少一个成固定的间隔开的关系而安置、并且大体上同心地位于第一冷却液套管和第二冷却液套管中的至少一个内，第二氧化剂管道具有：
      入口；
      第一部分，位于第二氧化剂管道的入口的下游；
      弯曲部分，位于第二氧化剂管道的第一部分的下游，第二氧化剂管道的弯曲部分具有弯曲角度β，弯曲角度β在弯曲角度α的15o内；和
      第二部分，位于第二氧化剂管道的弯曲部分的下游，第二氧化剂管道的第二部分终止于喷嘴中并具有流动轴线，第二氧化剂管道的第二部分相对于第一氧化剂管道的第二部分成固定的间隔开的关系；
其中。
7.根据权利要求6所述的燃烧器，其中所述弯曲角度β在弯曲角度α的2o内，且其中第二氧化剂管道的第二部分的流动轴线基本上平行于第一氧化剂管道的第二部分的流动轴线。
8.根据权利要求6所述的燃烧器，其中所述喷嘴具有入口和开口，且其中第一氧化剂管道的第二部分的出口端相对于第二氧化剂管道的第二部分的喷嘴的出口突出0.2 cm到3 cm。
9.根据权利要求6所述的燃烧器，其中所述第二氧化剂管道的第二部分的喷嘴具有入口和出口，其中入口具有圆形横截面和横截面面积A ni ，并且出口具有非圆形横截面和横截面面积A no ，其中喷嘴的出口具有1.5到5的宽高比。
10.根据权利要求9所述的燃烧器，其中。
11.根据权利要求9所述的燃烧器，其中所述喷嘴具有收敛的高度和发散的宽度。
12.根据权利要求9所述的燃烧器，其中所述喷嘴具有在圆形横截面和非圆形横截面之间过渡的凸形表面。
13.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述第一氧化剂管道的第二部分在氧化剂通道的过渡部段中具有凸形内表面。
14.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述燃料管道的第二部分在氧化剂通道的过渡部段中具有凹形外表面。
15.根据权利要求6所述的燃烧器，其中并且。
16.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述第一氧化剂管道的第二部分具有圆形横截面。
17.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述燃料管道的第二部分具有圆形横截面。
18.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述第一氧化剂管道的第二部分的流动轴线是平直的，并且与燃料管道的第二部分的流动轴线基本上平行或者基本上重合。
19.一种熔炉，包括：
蓄热器；
熔炉燃烧室；
蓄热器小炉颈，把蓄热器连接到熔炉燃烧室，蓄热器小炉颈限定着小炉和熔炉的壁中的小炉开口；
根据权利要求1至18中任一项所述的燃烧器，该燃烧器穿透蓄热器小炉颈并进入小炉，该燃烧器布置为用以把燃料和氧化剂引导到熔炉燃烧室中。
20.根据权利要求19所述的熔炉，还包括：
熔化槽盆，布置在熔炉燃烧室下方，该熔化槽盆具有用于把玻璃成型配料引入到熔化槽盆中的装料端和用于从熔化槽盆取出玻璃产物的出料端；和
排出口，位于熔炉的壁中或另一壁中以用于从熔炉燃烧室取出燃烧产物。
21.一种熔炉，包括：
蓄热器；
熔炉燃烧室；
蓄热器小炉颈，把蓄热器连接到熔炉燃烧室，蓄热器小炉颈限定着小炉和熔炉的壁中的小炉开口；以及
根据权利要求5所述的燃烧器，其中第一冷却液套管、第一氧化剂管道和燃料管道穿透蓄热器小炉颈并进入小炉，第一氧化剂管道布置为把用以氧化剂引导到熔炉中，燃料管道布置为用以把燃料引导到熔炉中，且其中第二氧化剂管道在小炉开口下方的位置处穿透熔炉壁，第二氧化剂管道布置为用以把氧化剂引导到熔炉中。
22.根据权利要求21所述的熔炉，还包括：
熔化槽盆，布置在熔炉燃烧室下方，该熔化槽盆具有用于把玻璃成型配料引入到熔化槽盆中的装料端、和用于从熔化槽盆取出玻璃产物的出料端；
排出口，位于熔炉的壁中或另一壁中以用于从熔炉燃烧室取出燃烧产物。
23.一种加热熔炉的方法，该熔炉具有把蓄热器连接到熔炉燃烧室的蓄热器小炉颈，该蓄热器小炉颈限定着小炉和熔炉的壁中的小炉开口，该方法包括：
阻止空气流动到小炉；
使燃料停止流动到与小炉关联的空气-燃料燃烧器；
安装由权利要求1至18中任一项限定的燃烧器，从而使得燃烧器穿透蓄热器小炉颈并进入小炉；
使冷却剂经过第一冷却液套管，并且在存在着第二冷却液套管的情况下经过第二冷却液套管；
通过第一氧化剂管道把第一氧化剂气体引入到熔炉燃烧室中；
通过燃料管道把燃料引入到熔炉燃烧室中；
利用第一氧化剂气体燃烧燃料以形成燃烧产物；和
通过排出口从熔炉燃烧室取出燃烧产物。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括：按照经过燃烧室的燃料的燃烧所需的化学计量空气的大于5%到小于或等于25%的量通过小炉持续输送空气流动。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述第一氧化剂气体包括28%的体积百分比至100%的体积百分比氧气。
26.根据权利要求24所述的方法，其中所述燃烧器由权利要求5至12和18中任一项限定并且还包括：
通过第二氧化剂管道把第一氧化剂气体或第二氧化剂气体引入到熔炉燃烧室中。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述第二氧化剂气体包括28%的体积百分比至100%的体积百分比的氧气。
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