CN104081125A - 快速能量释放喷燃器及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种喷燃器具有：高形状因数喷嘴，其包括喷嘴开口，喷嘴开口具有大约10至大约75的形状因数，形状因数被定义为喷嘴周长的平方除以两倍的喷嘴横截面积；以及包围高形状因数喷嘴的环形喷嘴，其中，高形状因数喷嘴构造成被供应燃料气体和助燃物气体中的一个，并且环形喷嘴构造成被供应燃料气体和助燃物气体中的另一个。一种快速能量释放燃烧的方法包括将燃料气体和助燃物气体供应到喷燃器，喷燃器具有高形状因数喷嘴和包围该高形状因数喷嘴的环形喷嘴。

Description

快速能量释放喷燃器及其使用方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年12月1日提交的美国临时专利申请No. 61/565,5601的优先权，该申请通过引用而整体地结合在本文中。本申请涉及于2012年12月30日与本申请同时提交且转让给本公开的受让人的名称为“Staged air-oxy-fuel burners and methods for using the same (分级式空气-氧-燃料喷燃器及其使用方法)”的申请No.，其律师案号为No. 07566ZP 2 USA。
技术领域
本发明的主题涉及使得能够快速释放燃烧能量的氧-燃料喷燃器。
背景技术
在广泛的应用范围中使用氧-燃料喷燃器。在一个应用中，采用氧-燃料喷燃器来熔化炉内的碎屑(例如并且进行铝回收)。在一些应用中，用于将碎屑引入到炉中的填料动作会使金属较接近喷燃器的面。当使用传统的氧-燃料喷燃器技术时，火焰可通过碎屑而形成腔体，从而导致热无法高效地传递到碎屑，以及产生高的烟道气温度。在另一个应用中，在单行程炉中使用氧-燃料喷燃器，在单行程炉中，任何未快速传递的热都可能损失在烟道中。在又一个应用中，氧-燃料喷燃器沿着具有较大的纵横比(即，长度比宽度大得多)的炉的宽度燃烧，诸如轴炉和冲天炉，其中，燃烧热的快速传递将显著地提高炉的效率。
在美国专利No. 6,866,503 B2和美国公开No. 2007/0254251 A1中描述了传统的氧-燃料喷燃器和用于使用喷燃器来将炉气体夹带到燃烧区中的方法，它们通过引用而整体地结合在本文中。在工业喷燃器手册(CRC出版社2004年)的第21.4.1章节的图21.4中公开了被称为“管中管式”喷燃器的另一个传统的喷燃器。在本领域中需要一种提高均匀的热释放速率，以改进对炉的热传递效率且降低烟道气温度的喷燃器和方法。
发明内容
本文描述的快速能量释放喷燃器通过包括高形状因数喷嘴而解决了与传统的喷燃器和方法相关联的问题，高形状因数喷嘴被环形喷嘴包围，以加强燃料和助燃物流之间的混合。喷燃器喷嘴的组合还可避免燃烧区被稀释，从而使得能够快速释放燃烧能量。
一方面，喷燃器采用凹陷式中心喷嘴。在本发明的另一方面，喷燃器产生与传统火焰相比体积较大的火焰。因此，喷燃器可均匀地加热炉内的填料，以及在喷燃器的面的附近提供峰值热通量。
本发明的一方面涉及喷燃器，它包括形状因数大于大约10的至少一个喷嘴和包围该至少一个喷嘴的环形喷嘴。一方面，喷燃器包括被环形喷嘴包围的多个高形状因数喷嘴。
在一个实施例中，提供一种喷燃器，它包括高形状因数喷嘴和环形喷嘴。高形状因数喷嘴包括喷嘴本体和喷嘴开口，喷嘴开口具有大约10至大约75的形状因数，形状因数被定义为喷嘴周长的平方除以两倍的喷嘴横截面积。环形喷嘴包围高形状因数喷嘴。高形状因数喷嘴构造成被供应燃料气体和助燃物气体中的一个，并且环形喷嘴构造成被供应燃料气体和助燃物气体中的另一个。
一方面，高形状因数喷嘴可朝喷嘴开口渐缩得越来越狭窄。对称地定位在喷嘴本体上的两个渐缩面向内渐缩，它们各自相对于喷燃器的轴线成大约15°至大约30°的角。高形状因数喷嘴具有横截面积，并且具有面积为横截面积的大约35%至大约70%的出口面。
另一方面，环形喷嘴具有排出端，并且高形状因数喷嘴可相对于排出端沿轴向偏移一偏移距离。高形状因数喷嘴具有直径，而且在一方面，高形状因数喷嘴的喷嘴开口从排出端凹陷达小于或等于大约一个高形状因数喷嘴直径的距离。
另一方面，环形喷嘴开口形成于环形喷嘴和高形状因数喷嘴之间，并且高形状因数喷嘴开口和环形喷嘴开口在大小上设置成使流过环形喷嘴的气体流与流过高形状因数喷嘴开口的气体流的速度比VANNULAR/VHSF小于大约1。
高形状因数可居中定位在环形喷嘴开口内，或者可相对于中心位置偏移。不止一个高形状因数喷嘴可定位在环形喷嘴开口内。
在另一个实施例中，提供一种喷燃器，它具有高形状因数喷嘴和环形喷嘴。高形状因数喷嘴包括喷嘴本体、出口面，以及在出口面中的喷嘴开口，喷嘴开口具有大约10至大约75的形状因数，形状因数被定义为喷嘴周长的平方除以两倍的喷嘴横截面积。环形喷嘴包围高形状因数喷嘴，并且具有排出端。高形状因数喷嘴构造成被供应燃料气体和助燃物气体中的一个，并且环形喷嘴构造成被供应燃料气体和助燃物气体中的另一个。
在另一个实施例中，提供一种快速能量释放燃烧的方法。该方法包括：将燃料气体和助燃物气体供应到喷燃器，喷燃器具有高形状因数喷嘴和包围高形状因数喷嘴的环形喷嘴；将燃料气体和助燃物气体中的一个引导通过高形状因数喷嘴；以及将燃料气体和助燃物气体中的另一个引导通过环形喷嘴。高形状因数喷嘴包括喷嘴开口，喷嘴开口具有大约10至大约75的形状因数，形状因数被定义为喷嘴周长的平方除以两倍的喷嘴横截面积。
一方面，方法进一步包括使过环形喷嘴开口的气体流的速度与过高形状因数喷嘴开口的气体流的速度的比VANNULAR/VHSF小于大约1。
本发明的另一方面涉及一种用于快速释放能量，以加热铝、铁、钢、铜和锌中的至少一个的方法，它包括使用本发明的喷燃器。
本文公开的发明的各方面可单独使用或彼此结合起来使用。
附图说明
图1是包括被环形喷嘴包围的高形状因数喷嘴的快速能量释放喷燃器的透视图。
图2是如图1中那样的喷燃器的端视图。
图3A是如图1中那样的喷燃器的横截面图，截取如图2中出现的喷嘴那样的竖向截面。
图3B是如图1中那样的喷燃器的横截面图，截取如图2中出现的喷嘴那样的水平截面。
图4A和4B是比较来自传统喷燃器的火焰(图4A)与如本文描述的那样包括被环形喷嘴包围的高形状因数喷嘴的喷燃器形成的火焰(图4B)的照片。
图5A是测试炉中的热通量与炉长度的关系的图表，它比较快速能量释放喷燃器与传统的管中管式氧-燃料喷燃器的热释放分布。
图5B是叠加有喷燃器安装到其中的示例性旋转式炉的图表的图表，它示出传统喷燃器与包括被环形喷嘴包围的高形状因数喷嘴的快速能量释放喷燃器相比的热通量与长度的关系。
图6是具有较大的长宽比且具有在有限的燃烧空间下沿着炉的宽度沿侧向燃烧的多个喷燃器的示例性炉的平面图，诸如轴炉或冲天炉。
图7A和7B是比较具有非流线型本体末端的高形状因数喷嘴产生的火焰与具有渐缩末端的高形状因数喷嘴产生的火焰的照片。
图8是用于在快速能量释放喷燃器中使用的高形状因数喷嘴组件的透视图。
图9是图8的喷嘴的轴向截面I-I的横截面透视图。
图10A是图8的喷嘴本体的正视图，其显示喷嘴本体的排出端或喷嘴。
图10B是图10A的截面II-II的横截面图。
图10C是图10A的截面III-III的横截面图。
图10D是图8的喷嘴本体的后视图，它显示喷嘴本体的入口端。
图11是用于在快速能量释放喷燃器中使用的备选高形状因数喷嘴组件的透视图。
图12A是图11的喷嘴本体的正视图，它显示喷嘴本体的排出端或喷嘴。
图12B是图12A的截面IV-IV的横截面图。
图12C是图12A的截面V-V的横截面图。
图13介绍了图12A、12B和12C的喷嘴本体的各种几何构造设计参数的定义。
图14介绍了图10A、10B和10C的喷嘴本体的各种几何构造设计参数的定义。
具体实施方式
描述一种氧-燃料喷燃器，它可有利于将燃烧能量快速释放到炉中。这可由燃料和助燃物喷嘴的特殊几何构造实现，从而产生能够较均匀地加热炉填料的体积较大的火焰。
如本文所用，用语“助燃物”和“氧化剂”可互换地用来表示具有至少大约20.9体积%的O2的气体，并且可具有至少大约23体积%的O2，或者至少大约30体积%的O2，或者至少大约60体积%的O2，或者至少大约85体积%的O2或大约100%的O2。如本文所用，“燃料气体”可包括能够在助燃物或氧化剂中燃烧的任何气态燃料。
图1-3B显示示例性喷燃器10，它具有外部管道12和内部管道14。外部管道12在具有排出端22的环形喷嘴20中终止，并且内部管道14在高形状因数(HSF)喷嘴30中终止。HSF喷嘴30包括出口面32，并且喷嘴本体34连接到内部管道14上。喷嘴开口38形成于喷嘴30的出口面32中。环形喷嘴开口28形成于环形喷嘴20和HSF喷嘴30之间。
如图中显示的那样，可提供可选的点火器40来点燃喷燃器10。可提供间隔件42，以将HSF喷嘴30定位在环形喷嘴20内。另外，可在外部喷嘴12中提供冷却通道44，以使得液体冷却剂流能够从环形喷嘴20中移除热。
在喷燃器10的运行期间，内部管道14对HSF喷嘴30供应燃料气体或氧化剂气体形成的内部流，并且外部管道12对环形喷嘴20供应燃料气体或氧化剂气体形成的外部流。燃料气体和氧化气体中的一个供应到HSF喷嘴30，并且燃料气体和氧化气体中的另一个供应到环形喷嘴20。在从HSF喷嘴30离开之后，内部流形成内部气体射流，其夹带外部气体流。在一个实施例中，燃料气体作为内部流供应到HSF喷嘴30，而氧化剂气体则作为外部流供应到环形喷嘴20。在另一个实施例中，氧化剂气体作为内部流供应到HSF喷嘴30，而燃料气体则作为外部流供应到环形喷嘴20。
如图1-3B中显示的那样，环形喷嘴20完全包围高形状因数喷嘴30。在一个实施例中，高形状因数喷嘴30居中设置在环形喷嘴20内，使得环形喷嘴开口28关于高形状因数喷嘴30对称。在另一个实施例中，多个高形状因数喷嘴30定位在环形喷嘴内，并且被环形喷嘴开口28包围。
高形状因数喷嘴排出开口38具有帮助离开的内部流对外部流产生较大程度的流体夹带的几何构造。在描绘的实施例中，喷嘴30可被描述成“开槽形”或“拉链形”。喷嘴开口38的特征在于至少大约10的形状因数σ，其中，σ为如下定义的无量纲参数
σ=P2/2A
其中，P是排出开口的周长，而A是排出开口的流面积。周长尺寸是在喷嘴排到燃烧区中所处的喷嘴面的平面处测得的排出开口的湿边缘的尺寸。
形状因数确定内部射流和外部包围流之间的相互作用的程度。可使用各种几何构造来实现期望形状因数σ，包括本文和美国专利No. 6,866,503(通过引用而结合在本文中)中显示的那样。作为一个示例，图1-3的实施例中显示的具有一个中心槽口和四个横向槽口的喷嘴30具有41.6的形状因数。类似的具有一个中心槽口和三个横向槽口的喷嘴具有大约32.9的形状因数。相比之下，传统的圆形喷嘴的形状因数为大约6.28(即，2π)。本文描述的快速能量释放喷燃器10中的HSF喷嘴30的形状因数的范围为至少大约10到大到大约75，并且优选大于或等于大约10，更优选大于或等于大约25，而且最优选大于或等于大约35。因而，HSF喷嘴的形状因数可为传统圆形喷嘴的形状因数的大约1.5倍至大约12倍，并且在图1-3中描绘的示例性实施例中，喷嘴形状因数为传统圆形喷嘴的大约6.6倍。已经在仿真和试验中显示了这样的形状因数能够获得如下面关于图5A和5B更详细地论述的那样的快速释放热通量分布。
高形状因数喷嘴30在喷嘴开口38的周边周围并且特别是在槽口之间产生低压区域或低压穴，这帮助夹带周围的气体。离开高形状因数喷嘴开口38的内部流射流(例如，燃料气体)用来夹带离开环形喷嘴开口28的外部流(例如，氧化剂气体)。喷嘴开口38的形状使内部流射流产生紊流，从而快速地混合内部流和外部流，以及产生稠密(bushy)的高能量释放火焰。不想受任何理论或解释的约束，大体上，形状因数越大，燃料和助燃物流之间的混合就可能越快速，并且因此火焰的体积可能越大。
可通过加强燃料和助燃物流的混合来实现能量的快速释放。可采用几个因数以及使用高形状因数喷嘴来实现快速的热通量分布。一方面，HSF喷嘴30可完全被环形喷嘴20包围。这最大程度地提高燃料气体和氧化剂气体流之间的相互作用，以促进快速混合。
另一方面，HSF喷嘴30可具有渐缩形状，如图3中显示的那样，喷嘴30的喷嘴本体34具有渐缩面36，渐缩面36朝出口面32向内成角度。渐缩角□可为大约15°至大约45°，优选大约15°至大约30°，并且更优选大约20°。渐缩面36通过最大程度地减少出口面32处的外部流的再循环来减少喷嘴30的过热。渐缩面36还帮助流从环形喷嘴开口28流到离开HSF喷嘴开口38的内部流或射流中的外部流成流线型。一方面，HSF喷嘴30具有由喷嘴开口38限定的中心平面，并且渐缩面36在喷嘴本体34的相对的侧部上，并且朝中心平面向内渐缩，使得相对的面的凸出部和中心平面将在超过喷嘴30的出口面32的燃烧区中的线处相交。
渐缩面36可进一步由HSF喷嘴出口面32的面积(AF)与HSF喷嘴30的横截面积(AN)的面积比限定。如图2和3A中显示的那样，HSF喷嘴30具有直径DHSF，并且外部面32具有高度XF，高度XF小于直径DHSF。从图2的端视图可看出，AN和AF之间的面积差是表示渐缩面36的圆形节段的凸出面积的两倍，那些圆形节段中的各个被定义为夹着角θ。特别地，HSF喷嘴面积AN可计算为：
而HSF喷嘴外部面面积AN可计算为：
其中。面积比AF/AN可为大约35%至大约70%，它大致对应于大约28%至大约59%的XF/DHSF范围和大约108°至大约147°的夹角θ范围。在图1-3B中描绘的实施例中，夹角θ为大约132°，并且比XF/DHSF为大约41%，从而使得面积比AF/AN为大约51%。
HSF喷嘴30的渐缩形状帮助显著地降低出口面32的表面温度，在描述的实施例中未对出口面32提供任何外部冷却。不受理论约束，相信在环形气体流经过HSF喷嘴的非流线型的本体端时，不具有渐缩面的HSF喷嘴会对环形气体流产生再循环区。这使得燃料气体和氧化剂快速混合，以及使得炉气体在 HSF喷嘴的出口面处被夹带，这会产生火焰，使得火焰在拉链式喷嘴开口的任一侧上基本附连到喷嘴的面上。相比之下，具有本文描述的渐缩面36和面积比AF/AN的HSF喷嘴30使得环形气体流能够沿径向向内成流线型，以夹带到气体的内部流中，从而产生基本从喷嘴开口38中发出的火焰。这使得不对出口面32施加那么多热。
图7A和7B比较了两个喷燃器的火焰特性，图7A中的喷燃器具有HSF喷嘴，HSF喷嘴具有非流线型的本体，但不具有渐缩面(即，AF/AN=1)，而图7B中的喷燃器具有本文描述的HSF喷嘴30，HSF喷嘴30具有渐缩面36和大约51%的面积比AF/AN。在这两种情况下，燃料气体流过HSF喷嘴30，而氧化剂则流过环形喷嘴20。图7A的喷燃器展示了两个不同的火焰，HSF喷嘴开口38的任一侧上各一个。图7A的相片还显示了HSF喷嘴的出口面被加热到其发光的点。相比之下，图7B的喷燃器则展示了一个从喷嘴开口38中发出的火焰，并且HSF喷嘴30的出口面32冷得多，而且不发光。
在又一方面， HSF喷嘴30的出口面32可相对于环形喷嘴20的排出端22沿轴向偏移一偏移距离XR。距离XR可为大约±1个喷嘴30的直径DHSF。也就是说，HSF喷嘴30的出口面32可相对于排出端22凹陷大约一个直径DHSF，如图3A中指示的那样。使HSF喷嘴30凹陷帮助确保离开喷嘴开口38的内部气体射流(燃料或助燃物)完全被待夹带的环形气体流(相应地，助燃物或燃料)包围，而且可避免火焰根部被炉气体稀释，而不使外部环形喷嘴20过热。使HSF喷嘴30凹陷还使得燃料和助燃物流能够在夹带炉气体之前混合，从而最大程度地减少燃料和助燃物流的混合物在HSF喷嘴30处被炉气体稀释。否则，特别是在燃料气体和/或氧化剂具有低动量时，稀释可导致燃料和助燃物流延迟混合。
备选地，HSF喷嘴30的出口面32可突出超过排出端22大约一个直径DHSF，特别是对于其中燃料气体和/或氧化剂具有高动量的构造。仍然备选地，HSF喷嘴30的出口面32可与排出端22大致齐平或对齐。
而且在另一方面，火焰体积可由HSF喷嘴速度控制，以及由环形流速度与内部射流速度的比控制。特别地，可通过控制外部或环形流的速度(VANNULAR)与离开HSF喷嘴的内部流的速度(VHSF)的比使其小于大约3来提高火焰体积。在一个实施例中，控制环形流的速度使其小于离开HSF喷嘴的内部流的速度，即，VANNULAR/VHSF<1。优选地，环形流和内部射流之间的速度比(VANNULAR/VHSF)为大约0.1至大约1。优选地，速度比VANNULAR/VHSF大致为0.3。也就是说，内部射流速度典型地为环形流速度的大约30%，使得内部射流夹带周围的环形气体流，以产生良好混合，而且进而产生体积较大的火焰。在一个示例中，内部射流速度可小于或等于大约600 英尺/秒(例如，大约100 英尺/秒至大约300 英尺/秒)，并且环形流速度可相应地小于或等于大约600 英尺/秒，并且优选小于或等于大约180 英尺/秒(例如，大约30 英尺/秒至大约90 英尺/秒)。
在另一方面， HSF喷嘴30的槽口可具有扩展角(在下面参照图9和11更详细地描述)，以便有效地与环形流混合，以及产生“稠密”的火焰，以提高火焰的径向覆盖范围。
在美国专利6,866,503 B2中描述适合在上面描述的实施例中使用的喷嘴的形状和设计，该专利通过引用而结合在本文中。在图8中示出这些喷嘴设计中的一个。喷嘴组件601包括喷嘴本体602，喷嘴本体602具有渐缩面603和出口面617，喷嘴本体602连结到喷嘴入口管道或管605上。喷嘴组件601类似于参照图1-3B所描述的HSF喷嘴30。中心槽口607(在这里被示为沿竖向定向)被横向槽口609、611、613和615穿过。如下面详细地描述的那样，中心槽口607的长度方向(即，长轴(major axis))限定从出口面617向外垂直地延伸的中心平面。槽口在喷嘴本体603和喷嘴入口管605之间的连接部处，设置在出口面617和入口面(未显示)之间。第一气体(燃料和氧中的一个)619流过喷嘴入口管605，并且流过槽口607、609、611、613和615，然后与在包围槽口出口的环形流中流动的第二气体(燃料和氧中的另一个)混合。由槽口607、609、611、613和615形成的开口形成前面描述的HSF喷嘴30。
除了图8中显示的槽口型式之外，其它槽口型式是可行的，如后面描述的那样。而且，喷嘴601组件可按任何定向使用，而且不局限于显示的大体水平的定向。在描绘的示例性实施例中，当在垂直于出口面617的方向上看时，示例性槽口609、611、613和615以直角与槽口607相交。在示例性槽口609、611、613和615和槽口607之间的其它相交角是可行的。类似地，当在垂直于出口面617的方向上看时，示例性槽口609、611、613和615彼此平行；但是，其中这些槽口中的一个或多个与其余槽口不平行的其它实施例是可行的。
本文所用的用语“槽口”被定义为通过喷嘴本体或其它实心材料的开口，其中，任何槽口横截面(即，垂直于下面限定的入口流轴线的截面)不是圆形，而且其特征在于长轴和短轴(minor axis)。长轴比短轴更长，而且两个轴是大体垂直的。例如，图8中的任何槽口的横截面长轴在槽口横截面的两端之间延伸；横截面短轴垂直于长轴，并且在槽口横截面的侧部之间延伸。槽口可具有任何非圆形横截面，而且各个横截面的特征可为中心点或质心，其中，质心具有普通的几何定义。
槽口的特征可进一步为被限定为连接所有槽口横截面的质心的直线的槽口轴线。另外，槽口的特征可为中心平面或由中心平面限定，中心平面与所有槽口横截面的横截面长轴相交。各个槽口横截面都可在这个中心平面的任一侧上具有垂直对称性。中心平面延伸超过槽口的任一端，并且可用来限定相对于喷嘴本体入口流轴线的槽口定向，如下面描述的那样。
在图9中给出图8的喷嘴601的轴向截面I-I。入口流轴线701穿过喷嘴入口管605的中心、入口面703和出口面617。在这个实施例中，槽口609、611、613和615的中心平面相对于入口流轴线701成角度，使得气体在出口面617处，沿相对于入口流轴线701发散的方向从槽口流出。槽口607的中心平面(在图9仅可看见这个槽口的一部分)也相对于入口流轴线701成角度。如将在后面看到的那样，这个示例性特征可沿相对于入口流轴线701发散的另一个方向，从喷嘴出口面617中引导出内部气态流。在这个示例性实施例中，当在垂直于图9的轴向截面的方向上看时，槽口609和611在入口面703处相交而形成尖锐边缘705，槽口611和613相交而形成尖锐边缘707，并且槽口613和615相交而形成尖锐边缘709。这些尖锐边缘对槽口提供空气动力学流分离，并且降低与非流线型的本体相关联的压降。备选地，这些槽口可在入口面703和出口面617之间的轴向位置处相交，并且在喷嘴本体603内将形成尖锐边缘。备选地，当在垂直于图9的轴向截面的方向上看时，这些槽口可不相交，并且不会形成尖锐边缘。
本文所用的用语“入口流轴线”是由在入口面处进入HSF喷嘴的流体的流向限定的轴线，其中，这个轴线穿过入口面和出口面。典型地，但不适有所有情况，入口流轴线垂直于喷嘴入口面703和/或出口喷嘴面617的中心，并且垂直地与面相遇。当喷嘴入口管605像显示的那样是典型的圆柱形管道时，入口流轴线可平行于管道轴线，或者与管道轴线重合。
轴向槽口长度被定义为喷嘴入口面和喷嘴出口面之间(例如，图9的入口面703和出口面617之间)的槽口的长度。槽口高度被定义为在横截面短轴处在槽口壁之间的垂直距离。轴向槽口长度与槽口高度的比可介于大约1和大约20之间。
喷嘴本体中的多个槽口可在垂直于入口流轴线的平面上相交。如图8中显示的那样，例如，横向槽口609、611、613和615以直角与中心槽口607相交。如果期望的话，这些槽口可在垂直于入口流轴线的平面上以直角之外的角相交。当在平行于入口流轴线的平面(即，图9的截面平面)上看时，相邻槽口也可相交。如图9中显示的那样，例如，槽口609和611在入口面703处相交，以形成前面描述的尖锐边缘705。可如期望的那样改变槽口的中心平面之中的角关系，以及还有各个槽口的中心平面和入口流轴线之间的角关系。这允许内部气体流以相对于喷嘴轴线的任何选定方向从喷嘴中排出。
在图10A至10D中给出示例性喷嘴本体603的额外的视图。图10A是喷嘴本体的正面透视图；图10B是图10A的截面II-II的视图，并且示出形成于槽口的中心平面和入口流轴线之间的角。角α1形成于槽口615的中心平面和入口流轴线701之间，并且角α2形成于槽口609的中心平面和入口流轴线701之间。角α1和α2可相同或不同，并且可在0度至大约30度的范围中。角α3形成于槽口611的中心平面和入口流轴线701之间，并且角α4形成于槽口613的中心平面和入口流轴线701之间。角α3和α4可相同或不同，并且可在0度至大约30度的范围中。任何两个相邻的其它槽口的中心平面都可以0度和大约15度之间的夹角相交。
图10C是图10A的截面III-III的视图，它示出形成于槽口607的中心平面和入口流轴线701之间的角β1。角β1可在0度至大约30度的范围中。槽口611(以及槽口609、613和615)的外边缘可平行于槽口607的中心平面。
图10D是图7和8的喷嘴本体的后部透视图，它提供由槽口609、611、613和615的相交部形成的尖锐边缘705、707和709的另一个视图。
在图11中示出另一类喷嘴，其中，喷嘴本体901中的槽口设置成两个十字903和905的形式。在图12A中显示喷嘴本体的正面透视图，其中，十字903由槽口1007和1009形成，并且十字905由槽口1001和1013形成。在图12B中显示的图12A的截面IV-IV的视图显示了槽口1009和1011的中心平面从入口流轴线1015发散角α5和α6。角α5和α可相同或不同，并且可在0度至大约30度的范围中。槽口1007的外边缘可平行于槽口1009的中心平面，并且槽口1013的外边缘可平行于槽口1011的中心平面。在这个实施例中，槽口1007和1011相交，以形成尖锐边缘1012。
在图12C中显示图12A的截面V-V的视图，它示出了槽口1013的中心平面相对于入口流轴线1015发散夹角β2，夹角β2可在0度至大约30度的范围中。槽口1011的外边缘可平行于槽口1013的中心平面。
如上面描述的那样，在任一构造或两个构造中，槽口可与其它槽口相交。第一，当在垂直于喷嘴本体出口面的视图上看(例如参照图10A或12A)时，或者当在槽口横截面(即，垂直于入口面和出口面之间的入口流轴线的截面)上看时，槽口可相交。第二，当在与入口流轴线平行地截取的截面上看(例如参照图9、10B和12B)时，相邻槽口可相交。当与槽口的壁相切的平面与跟相邻槽口的壁相切的平面相交，使得两个平面的相交部位于喷嘴入口面和出口面之间，位于入口面处，以及/或者位于出口面处时，根据定义而出现两个槽口的相交。例如在图9中，与槽口609的壁相切的平面与跟槽口607的壁相切的平面相交，并且两个平面的相交部位于入口面703和出口面617之间。与槽口609的上壁相切的平面和与槽口611的下壁相切的平面在入口面703处的边缘705处相交。在图12B中的另一个示例中，与槽口1013的上壁相切的平面和与槽口1007的下壁相切的平面在喷嘴的两个面之间的边缘1012处相交。
上面描述的示例性实施例中的各个槽口都具有大体平坦且平行的内壁。其它实施例也是可行的，其中，槽口的平坦壁可沿流体流的方向相对于彼此会聚或发散。在其它实施例中，槽口壁可弯曲而非平坦。上面描述的示例性实施例中的各个槽口都具有带有直边和弯曲端部的大体矩形的横截面。
上面描述的两种十字形和拉链式喷嘴都提供在快速混合方面与传统的圆形喷嘴相比得到改进的性能；这个改进直接与由于使用了这些示例性喷嘴几何构造而改进了对炉的能量释放有关。表2提供了可用于对燃料和氧化剂流实现显著混合(这可提高燃烧能量释放的速度)的这些喷嘴的几何构造设计参数的典型范围。在图13和14中限定设计参数。
表2
喷嘴设计参数的典型范围(图13和14)
.
特别是在燃烧时间或空间有限时，例如在单行程炉(图5B)中，在碎屑非常接近喷燃器出口的工艺中，以及在其中喷燃器沿着炉的宽度燃烧的纵横比大的炉(诸如轴炉和冲天炉(图6))中，可实现快速释放喷燃器的好处。
在测试炉中运行示例性快速能量释放喷燃器(如图1-3B中显示的那样)，以获得快速能量释放喷燃器和以前确认的工业喷燃器手册的图21.4中显示的传统的管中管式氧-燃料喷燃器之间的比较。借助于通过接近喷燃器出口的圆形窗而得到的照片，来对传统的喷燃器(图4A)和快速能量释放喷燃器(图4B)的火焰形状进行照片比较。在这种情况下，对HSF喷嘴提供燃料(天然气)，并且对环形喷嘴提供助燃物(氧)。在图中指示燃料流(天然气)和助燃物流(氧)的方向，以及因而火焰定向。图4B清楚地显示在喷燃器出口附近有比图4A稠密得多且体积大得多的火焰。不想受任何理论或说明的约束，显而易见的是，正好在喷燃器出口的外部的快速混合天然气和(在这种情况下)氧会使火焰的体积比传统的氧-燃料喷燃器所获得的更大。
由于快速能量释放喷嘴布置引起的有效混合，沿着炉的长度的能量释放分布变得更集中，并且可对其进行控制，以实现期望的热通量。图5A显示了在测试炉中用传统的氧-燃料喷燃器和快速能量释放喷燃器所获得的热通量分布之间的比较。图5A示出了快速能量释放喷燃器可实现这样的热通量分布，即，比传统的喷燃器相比，该热通量分布在更接近喷燃器出口处提供峰值热通量，而且与传统喷燃器相比，在喷燃器出口的前六英尺内提供更高的综合热通量。而且，较快的能量释放可允许炉缩短，可降低烟道气温度，而且可允许降低燃烧速率(并且因而提供燃料节约)，以实现相同的净热通量。
也将示例性快速释放喷燃器(如图1-3B中显示的那样)安装在两个单行程旋转型炉中，以熔化金属填料，在图5B的上部示意性地描绘旋转型炉。当这些炉以不同的(传统的)氧-燃料喷燃器运行时，需要频繁地修理烟道气导管耐火部件，这是由于炉的边界内的燃烧不充分以及烟道气导管过热而引起的问题。但当相同的炉以快速能量释放喷燃器运行时，通过使用以与传统喷燃器相同的速率燃烧的喷燃器，烟道气管道在较低的温度下运行，并且在较高的温度下引流出金属。在图5B中提供热通量的示意性图表，它显示了炉内较高的综合热通量，以及燃烧气体到达烟道气导管时较低的热通量。换句话说，快速能量释放喷燃器比传统喷燃器系统能够在炉边界内释放较多燃烧能量，因为混合快，在传统喷燃器系统中，燃料和氧化气体持续燃烧，并且将能量释放到烟道气中。因此，快速能量释放喷燃器不仅能够减小对烟道气导管耐火部件的损害，而且燃料用量能够降低大约10%，并且氧用量降低大约10%至大约15%，同时仍然对炉内的金属实现相同的净热通量。
已经确定可通过使用快速能量释放喷燃器，通过改变高形状因数喷嘴的形状和布置，以及通过控制喷嘴速度和速度比，来实现预定的热通量分布。那样，可针对特定的应用和炉来定制火焰体积和能量释放。
注意，在上面描述的示例性实施例中，在HSF喷嘴中提供燃料，并且在环形喷嘴中提供氧化剂。但是，如果期望的话，燃料流和氧化剂流可反过来，而且预计有相似的有益结果。
快速能量释放喷燃器可在其中期望具有体积大的火焰和规定的热通量和能量释放的广泛的应用范围中使用。例如，可在与熔化和再加热金属(除了别的材料之外，例如，铝、铁&钢、铜、铅、锌)有关的所有应用中使用包括被环形喷嘴包围的HSF喷嘴的喷燃器，包括在旋转炉、反射炉、均热炉和轴炉以及其它炉中进行加热。一方面，可在涉及不均匀地(或不平衡地)将金属碎屑或零件(诸如铸块和钢坯)装入炉中的应用中采用快速能量释放喷燃器。
本发明在范围上不受示例中公开的特定方面或实施例的限制，示例意于说明本发明的几方面，并且功能上等效的任何实施例都在本发明的范围内。本发明的除了本文显示和描述的那些之外的各种修改将对本领域技术人员变得显而易见，并且意于落在所附权利要求的范围内。

Claims (23)

1. 一种喷燃器，包括：
高形状因数喷嘴，其包括喷嘴本体和喷嘴开口，所述喷嘴开口具有大约10至大约75的形状因数，所述形状因数被定义为喷嘴周长的平方除以两倍的喷嘴横截面积；以及
包围所述高形状因数喷嘴的环形喷嘴；
其中，所述高形状因数喷嘴构造成被供应燃料气体和助燃物气体中的一个，并且所述环形喷嘴构造成被供应燃料气体和助燃物气体中的另一个。
2. 根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述高形状因数喷嘴本体朝所述喷嘴开口渐缩得越来越狭窄，所述喷嘴本体具有两个渐缩面，所述两个渐缩面相对于所述喷燃器的轴线成大约15°至大约30°的角。
3. 根据权利要求2所述的喷燃器，其特征在于，所述高形状因数喷嘴具有横截面积，并且具有面积为所述横截面积的大约35%至大约70%的出口面。
4. 根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述环形喷嘴具有排出端，以及其中，所述高形状因数喷嘴的喷嘴开口相对于所述排出端沿轴向偏移。
5. 根据权利要求4所述的喷燃器，其特征在于，所述高形状因数喷嘴具有直径，以及其中，所述高形状因数喷嘴的喷嘴开口从所述排出端凹陷达小于或等于大约一个高形状因数喷嘴直径的距离。
6. 根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，
在所述环形喷嘴和所述高形状因数喷嘴之间形成环形喷嘴开口；以及
所述高形状因数喷嘴开口和所述环形喷嘴开口在大小上设置成使流过所述环形喷嘴的气体流与流过所述高形状因数喷嘴开口的气体流的速度比VANNULAR/VHSF小于大约1。
7. 根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述高形状因数喷嘴居中定位在所述环形喷嘴开口内。
8. 根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述高形状因数喷嘴相对于所述环形喷嘴开口内的中心位置偏移。
9. 根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述喷嘴包括定位在所述环形喷嘴开口内的多个高形状因数喷嘴。
10. 一种喷燃器，包括：
高形状因数喷嘴，其包括喷嘴本体、出口面和在所述出口面中的喷嘴开口，所述喷嘴开口具有大约10至大约75的形状因数，所述形状因数被定义为喷嘴周长的平方除以两倍的喷嘴横截面积；以及
环形喷嘴，其包围所述高形状因数喷嘴，并且具有排出端；
其中，所述高形状因数喷嘴构造成被供应燃料气体和助燃物气体中的一个，并且所述环形喷嘴构造成被供应燃料气体和助燃物气体中的另一个；以及
其中，所述高形状因数喷嘴的出口面相对于所述环形喷嘴的排出端偏移一偏移距离。
11. 根据权利要求10所述的喷燃器，其特征在于，所述高形状因数喷嘴的喷嘴本体朝所述出口面向内渐缩。
12. 根据权利要求11所述的喷燃器，其特征在于，
所述高形状因数喷嘴具有从所述出口面向外延伸的中心平面；以及
所述高形状因数喷嘴本体的外壁具有两个相对的面，所述两个相对的面朝所述中心平面向内渐缩，使得所述相对的面的凸出部和所述中心平面将在超过所述高形状因数喷嘴的出口面的线处相交。
13. 根据权利要求12所述的喷燃器，其特征在于，渐缩的角为大约15°至大约30°。
14. 根据权利要求13所述的喷燃器，其特征在于，所述高形状因数喷嘴具有横截面积，并且具有面积为所述横截面积的大约35%至大约70%的出口面。
15. 根据权利要求10所述的喷燃器，其特征在于，所述高形状因数喷嘴具有直径，以及其中，所述高形状因数喷嘴的喷嘴开口从所述排出端凹陷达小于或等于大约一个高形状因数喷嘴直径的距离。
16. 根据权利要求10所述的喷燃器，其特征在于，所述高形状因数喷嘴的横截面积与所述环形喷嘴的横截面积的比在大小上设置成使流过所述环形喷嘴开口的气体流与流过所述高形状因数喷嘴开口的气体流的速度比VANNULAR/VHSF小于大约1。
17. 根据权利要求16所述的喷燃器，其特征在于，所述横截面积比在大小上设置成提供大约0.3的速度比VANNULAR/VHSF。
18. 一种快速能量释放燃烧的方法，包括：
将燃料气体和助燃物气体供应到喷燃器，所述喷燃器具有高形状因数喷嘴和包围所述高形状因数喷嘴的环形喷嘴；
引导所述燃料气体和所述助燃物气体中的一个通过所述高形状因数喷嘴；以及
引导所述燃料气体和所述助燃物气体中的另一个通过所述环形喷嘴；
其中，所述高形状因数喷嘴包括喷嘴开口，所述喷嘴开口具有大约10至大约75的形状因数，所述形状因数被定义为喷嘴周长的平方除以两倍的喷嘴横截面积。
19. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
使流过所述环形喷嘴开口的气体的速度与流过所述高形状因数喷嘴开口的气体的速度的比VANNULAR/VHSF小于大约1。
20. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述速度比VANNULAR/VHSF为大约0.3。
21. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述环形喷嘴具有排出端，其中，所述高形状因数喷嘴具有直径，以及其中，所述高形状因数喷嘴的喷嘴开口从所述排出端凹陷达小于或等于大约一个高形状因数喷嘴直径的距离。
22. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，
所述高形状因数喷嘴朝所述喷嘴开口渐缩得越来越狭窄，所述喷嘴本体具有两个渐缩面，所述两个渐缩面相对于所述喷燃器的轴线成大约15°至大约30°的角，以及
所述高形状因数喷嘴具有横截面积，并且具有面积为所述横截面积的大约35%至大约70%的出口面。
23. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述燃料气体和助燃物气体组合起来产生体积大的火焰，以熔化炉中的铝、铁、钢、铜和锌中的至少一个。
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