CN1043681C - 组合式喷枪 - Google Patents

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Abstract

一种喷枪和气体注入系统，其中喷枪包括一个金属供料管和两件式小直径喷嘴，该喷嘴由金属后件和陶瓷前件组成。

Description

组合式喷枪
本发明一般来说涉及喷枪，专用于将高速气体注入燃烧区。
最近的燃烧工艺方面的进展是在燃烧室中利用高速气体的注入，以减少燃烧时产生的氮化物(NOx)。为达到高速度，使用相对较小直径的喷嘴。气体的高速度使炉内气体能被吸收到高速气体中，高速气体对NOx的产生有阻尼作用。
在将高速气体注入燃烧区方面存在的一个问题是，当炉内气体被吸入到经过喷嘴出来的高速气体中时，因炉内气体有可能包含颗粒状物质和可凝聚蒸气，容易使始端带有小开口的喷嘴堵塞或腐蚀。炉内气体还有变得相当热的趋势，数量级为538℃(1000°F)或更高，这使堵塞或腐蚀问题更加严重。当炉内温度超过1204℃(2200°F)时，这一问题变得特别严重。普通的耐高温合金的最大使用温度对于燃料燃烧炉的气体来说小于1204℃(2200°F)。某些贵重金属(例如铂)可以承受较高的温度但成本昂贵。
解决这一问题的一个途径是对于喷嘴提供大量水冷却以防止高温腐蚀或熔化。但水冷却系统操作复杂，并且在炉内气体颗粒含量高的情况下不能解决堵塞问题。但是当炉内气体含可凝聚的蒸气时；水冷却有助于解决腐蚀和堵塞问题。
有人建议用陶瓷喷枪作为解决高速气体注入的堵塞问题的解决方案。但目前可以得到的陶瓷喷枪由于存在由热应力和其它应力产生的腐蚀和碎裂的问题，不适合于工业规模应用。
众所周知，将喷嘴置于一个与燃烧区连通的腔内，就可改善温度对于喷嘴的影响。但要取得明显的有益效果，要求凹槽相对较大。就高速气体注入而论，这样大的凹槽可能是不利的，因为大量的炉内气体也可能被抽入到该腔内。另外，这还使气体喷射速度降低。因此这样做虽然使喷咀避免了温度引起的损坏，但由于与吸入腔内的腐蚀性炉内气体接触引起的损坏增多，抵消了好的效果。
因此，本发明的目的旨在提供一种可在高速气体注入系统中使用的喷枪，它能进行有效的气体注入，并能降低高温和腐蚀性气体引起的损坏。
通过本发明可以实现上述目的和其它的一些目的。在阅读了本说明书的公开内容后，本发明的这些目的对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本发明的一个方面是：
一种组合式喷枪，包括
(A)一个由金属构成的供料管；
(B)一个具有前件和后件的喷嘴，所说后件是由金属构成并与供料管连通，所说前件是由陶瓷构成并与所说后件结合；
(C)至少一个可从喷嘴的陶瓷前件中射出气体的孔；和
(D)用于围绕喷嘴提供保护气体的装置；
本发明的另一方面是：
一种组合式喷枪气体注入系统，该系统在燃烧区的一个壁内包含一个腔并且有一个与燃烧区连通的开口，该系统还包括一个位于腔内的组合式喷枪，所说组合式喷枪包括：
(A)一个由金属构成的并与气体源连通的供料管；
(B)一个从开口凹进的嘴咀，所说喷嘴具有后件和前件，所说后件由金属构成并与供料管连通，所说前件由陶瓷构成并与所说后件结合；
(C)至少一个可从喷嘴的陶瓷前件中射出气体的孔；和
(D)用于围绕喷嘴提供保护气体的装置。
正如这里所使用的，术语“喷枪”意指一种装置，气体氧化剂、或气体可燃烧物质、或氧化剂与燃料的预先混合好的混合物通过该装置，并从该装置注入到一个腔内或一个燃烧区内。
正如这里所使用的，术语“陶瓷”意指一种可耐受大于1204℃(2200°F)温度的非金属材料。
图1是本发明的组合式喷枪和气体注入系统的一个优选实施例的部分剖面图。
图2是将喷嘴的陶瓷前件与金属后件结合在一起的一个优选装置的剖面图。
下面，参照附图详细描述本发明。
现在参照图1。耐火墙2确定了燃烧区10的边界，燃烧区内包含炉内气体，例如二氧化碳、水蒸气、氮、和/或氧。炉内气体通常处于高温状态，一般超过1093℃(2000°F)并且通常在1093°-1649℃(2000°至3000°F)范围内。炉内气体也可能包含颗粒状物质，例如玻璃配料材料、或者煤燃烧成的灰、和/和可凝聚的蒸气(例如钠类或酸蒸气)。
在耐火墙2内设置一个腔11，腔11在开口4处与燃烧区10连通。开口4的直径(在图1中用D表示)一般来说在0.635-25.4厘米(0.25至10英寸)的范围内。
在腔11中设置组合式喷枪12。组合式喷枪12由两部分组图，供料管13和喷嘴3。供料管13由金属构成，例如铜、铝、不锈钢、其它种类的钢、以及其它耐高温的合金。供料管13最好由铜构成。供料管13作为本发明气体注入系统的一部分，在使用时其一端与一个气体源(如氧化剂或燃料)连通。供料管13的另一端与喷嘴3连通。
喷嘴3有一个后件6和一个前件7，并且有一个在图1中用L表示的轴向长度。后件6占喷嘴轴向长度的10％-60％左右，前件7占喷嘴轴向长度的40％-90％左右，在开口直径的0.5倍-2倍范围内。一般来说，这将导致从喷嘴的内侧或外侧测量的具有一个轴向长度的喷嘴。喷嘴的轴向长度最好在开口直径的0.5-2倍的范围内。一般而言，这将导致一个轴向长度在2.54～12.7厘米(1-5英寸)范围内的喷嘴。喷嘴的外径至少为腔11直径的一半，并且最好为腔11或开口直径的0.5-0.95倍。
后件6由金属构成，例如不锈钢、铸铁、其它种类的钢、以及其它最高使用温度在816°～1204℃(1500°F-2200°F)范围内的耐高合金。后件6最好由和构成供料管13的金属不相同的一种金属构成。该金属最好是不锈钢。后件6与供料管13连通。通过焊接、钎接、螺纹连接、或压配合将后件6固定到供料管13上。螺纹连接是优选的，因为这种连接易于更换喷嘴。与喷嘴3的后件6接合的是前件7。图2表示的是结合前件7和后件6的一种优选方式，其中的前件和后件是通过一个倒梯形接合面进行接合的。现在参照图2。其中表示出陶瓷前件7和金属后件6，它们是按倒置梯形结构配合连接的。给倒置梯形接合缝隙20填充耐火陶瓷水泥，和砖浆填充砖缝的方式类似。利用小孔21把耐火陶瓷水泥填充到接合缝隙20。用纤维陶瓷填料22和23压紧金属后件6，以便能使陶瓷前件7的体积膨胀进入倒置梯形接合面内。结合陶瓷前件和金属后件的另一些方式包括冷缩配合和机械式锁紧。
前件7由诸如耐火材料的陶瓷构成，包括氧化铝、氧化硅、氧化锆、氧化锰、或碳化硅。对于玻璃炉应用的优选陶瓷材料是氧化铝-氧化锆-硅酸盐耐火材料。陶瓷的最高使用温度一般在1093°～2204℃(2000°F和4000°F)之间。通常用于炉壁热侧的陶瓷材料一般来说都可用于本发明的实践。
现在再返回来参照图1，喷嘴3的内径D一般在0.254～15.24厘米(0.1-6英寸)范围内，最好在0.254～7.62厘米(0.1-3英寸)范围内。在陶瓷前件7中设有一个孔14，其直径通常为d，气体通过孔14从喷嘴3喷出进入腔11中。从开口4处开始，喷嘴3向内凹入。可使用有多个孔的陶瓷前件7，以便由一个嘴嘴提供多个喷口。本发明的组合式喷枪允许这种凹入量较小而不致遭受温度引起的喷嘴损坏。一般而言，凹入量或自开口4至喷嘴3的陶瓷顶端的距离不超过等于2D的距离，并且最好不超过1D。为了减少自热炉至喷嘴的辐射热通量，腔与喷嘴间的环形空间一般要保持在0.254～2.54厘米(0.1-1.0英寸)的范围内，最好在0.254～1.27厘米(0.1-0.5英寸)范围内。
按本发明的实践，让保护气体或屏蔽气体围绕喷嘴通过，然后进入燃烧区。和喷嘴喷射的主气体相比，该保护气体可以相同，也可能不同。保护气体可通过与组合式喷枪同轴的一个环形通道提供。图1表示出供给保护气体的一个优选方法。其中，在喷枪12的金属部分中，并且最好在供料管中，设有一个或多个孔5，来自喷枪12内部的保护或屏蔽气体可通过孔5离开喷枪12的内部，进入腔11并围绕着喷嘴3。
在使用时，气体自气体源、经过供料管13和喷嘴3、进入腔11和燃烧区10作为气体喷射流。该气体可以是氧化剂，例如空气、富氧的空气、或工艺纯的氧化剂，该气体可以是燃料，该燃料是包含可在燃烧区燃烧的可燃烧物质在内的任何气体，或者该气体可能是预先混合好的氧化剂和燃料的混合物。在这样一些燃料当中，可以提出的有：天然气、雾化的液化燃料、煤气、丙烷、氢、以及甲烷。本发明将获得高速气体注入或雾化燃料注入的特殊实用性，其中气体从喷嘴3喷出的速度超过6096厘米/秒(200英尺/秒)，可高达成6096厘米/秒(2000英尺/秒)，或者更高。该气体进入腔11，并从腔11进入燃烧区10，在燃烧区10内该气体与炉内气体混合(如图1中箭头所示)，并与燃料或氧化剂一起燃烧(可能会出现这种情况)，从而进一步产生炉内气体。
由于气体喷射的速度很大，使炉内气体自燃烧区吸入到气体喷射流1。炉内气体吸入到气体喷射流1中，因为提供了额外的非反应性质量从而降低了燃烧的最高温度，因此对NOx的产生有有益的效果。吸入作用还使炉内气体被抽向开口4。为了减少这一影响并且为了使有潜在腐蚀性的炉内气体离开腔11，让保护气体借助于气体喷射流1的气体动态效应，按图中箭头所示围绕喷嘴3并沿喷嘴3向开口4流动，该保护气体穿过孔5沿上游方向(即，气体喷射流1通过喷嘴3注入腔11的方向)进入腔11中。从开口4凹入更深的一点孔5流出的保护气体流的速度，和自喷嘴3的陶瓷顶端流出的保护气体流的速度相比，更低些，不超过304.8厘米/秒(100英尺/秒)，并且一般在152.4～3048厘米/秒(5-100英尺/秒)范围内，最好为304.8-1524/秒(10-50英尺/秒)。相对于高速主气流而言，保护气体的速度低，这将能保证，从其凹入位置的周围并通过喷咀抽吸保护气体并将保护气体吸入主气流中。
本发明的发明重点是将保护气体或清扫气体在距开口比主气体注入腔内的位置凹入更深的位置处通入腔内。这种更深的凹入允许保护气体围绕喷咀表面流动，因此有助于保护喷咀不受热的炉内气体影响，防止炉内气体被抽入腔内。
保护气体以一定流速通入腔11内，使保护气体在注入腔11的整个气体(即，保护气体和主气体)中所占比例范围为10-50％，最好为10-30％。这种高流速的或大量的保护气体能保证实现保护气体对喷咀的保护作用和清扫可能进入炉内气体的功能。
保护气体如图中箭头所示围绕该表面并通过喷嘴3流动。在喷嘴3的下游方向，保护气体被吸入主气体喷射流1中并起气体阻挡层作用，阻止炉内气体和喷嘴3的接触。因此，基本上阻止了炉内气体进入腔内。主气体和保护气体汇合在一起并流入燃烧区，它们在燃烧区变成燃料和/或氧化剂，以便进行产生热量和炉内气体的燃烧反应。因此，不管喷嘴直径有多么小，即使炉内气体含大量颗粒和/或可凝聚的蒸气(例如可能存在于玻璃熔融容器中的)，也能防止喷嘴3堵塞。本发明的其它应用包括将气体注入各种高温熔炼过程，以及废物的焚烧。
此外，保护气体除了作为一个实际的气体阻挡层外，还能提供冷却效应。因此，不需要对气体注入装置进行水冷却，同时还能避免由燃烧区的高温可能引起的气体注入装置的损坏。
最好使用本发明的多个组合式喷枪气体注入系统各自独立地向炉的燃烧区注入燃料和氧化剂。一个炉或其它的这种设备可以使用一个或多个这样的燃烧系统。
在实际的工业使用中可能碰到的不利条件下使用本发明的组合式喷枪极有价值。当由于例如电源中断使气流终断时，喷嘴顶端温度接近炉壁温度。喷嘴的陶瓷前件能够承受炉内温度或燃烧区的壁的温度，并且能够延缓或避免金属后件可能出现的过热，这里因为用于喷枪供料管金属的高导热性，从喷嘴把热量传导出去并消散掉。这种情况和使用期间保护气体的冷却效应结合起来，能使喷嘴具有一个很长的使用寿命而不管使用环境有多么恶劣。陶瓷前件在高温下长期使用可能会发生碎裂。但由于喷嘴的金属后件和喷嘴具有相同的内径，因此注入速度和喷嘴效率将不会受到不利的影响。
给出下述实例以便进一步描述本发明。不期望这些实例变成限制性的。使用类似于图1所示的组合式喷枪将氧注入玻璃熔融炉内。供料管由铜构成。喷嘴的轴向长度5.08厘米(2.0英寸)，其不锈钢后件的长度为2.54厘米(1.0英寸)，氧化铝-氧化锆-硅酸盐前件的长度为3.49厘米(1.375英寸)。喷嘴内径为1.27厘米(0.5英寸)。通过螺纹连接将喷咀连接到供料管上。通过0.95厘米(0.375英寸)长的并填充了耐火水泥的倒置梯形接合面将前件结合到后件上。该组合式喷枪设置在一个耐火墙的一个腔内，该腔有一个5.08厘米(2英寸)直径的进入燃烧区的开口。该喷枪的位置应使喷嘴顶端从开口处凹入2.54厘米(1英寸)。该喷枪和一个工艺纯的氧气源相连。该喷枪有一个共轴的空气冷却套，因此当通过喷枪的主气体流切断时能围绕着喷嘴提供冷却空气。通过陶瓷喷嘴顶端在一个喷口喷射出来的氧气速度为13716厘米/秒(450英尺/秒)，其流率为62.42米3/小时(2200标准英尺3/小时)。燃烧区内的温度是1538℃(2800°F)。陶瓷前件的温度是648.9℃(1200°F)，金属后件的温度仅为427℃(800°F)。
重复上述过程，只是用天然气代替氧气，天然气通过喷枪的流率为31.21米3/小时(1100标准英尺3/小时)，其速度为6858厘米/秒(225英尺/秒)。陶瓷前件的温度是821℃(1510°F)，金属后件的温度仅为499℃(930°F)。
尽管参照确定的优选实施例详细描述了本发明，但本领域的技术人员将会认识到，在权利要求书的精神和范围内还存在本发明的其它实施例。

Claims (12)

1、一种组合式喷枪，其特征是包括：
(A)一个由金属构成的供料管；
(B)一个具有后件和前件的喷嘴，所说后件是由金属构成并且与供料管连通，所说前件由陶瓷构成并与所说后件结合；
(C)至少一个可从喷嘴的陶瓷前件中射出气体的孔；以及
(D)用于围绕喷嘴提供保护气体的装置。
2、如权利要求1的组合式喷枪，其特征是用于提供围绕喷嘴的保护气体的装置在喷枪的金属部分至少包括一个孔，气体可以通过该孔从喷枪内部流出。
3、如权利要求2的组合式喷枪，其特征是所说的在喷枪的金属部分的至少一个孔位于供料管内。
4、如权利要求1的组合式喷枪，其特征是供料管由铜构成，后件由不锈钢构成。
5、如权利要求1的组合式喷枪，其特征是前件由氧化铝-氧化锆-硅酸盐耐火材料构成。
6、如权利要求1的组合式喷枪，其特征是金属后件占喷嘴轴向长度的10-60％，陶瓷前件占该长度的40-90％。
7、一种组合式喷枪气体注入系统，其特征是包括一个位于燃烧区一个壁内的腔，该腔有一个与燃烧区连通的开口，该系统还包括一个位于腔内的组合式喷枪，所说组合式喷枪包括：
(A)一个由金属构成的并与一个气体源连通的供料管；
(B)一个自开口凹进的喷咀，所说喷嘴具有一个后件和一个前件，所说后件由金属构成并与供料管连通，所说前件由陶瓷构成并与所说后件结合；
(C)至少一个可从喷嘴的陶瓷前件中射出气体的孔；以及
(D)用于围绕嘴咀提供保护气体的装置。
8、如权利要求7的组合式喷枪气体注入系统，其特征是喷嘴自开口凹入的距离不超过开口直径的2倍。
9、如权利要求7的组合式喷枪气体注入系统，其特征是金属后件占喷嘴轴向长度的10-60％，陶瓷前件占该长度的40-90％。
10、如权利要求7的组合式喷枪气体注入系统，其特征是用于提供围绕喷嘴的保护气体的装置在喷枪的金属部分包括至少一个孔，气体可以通过该孔从喷枪内部流出。
11、如权利要求7的组合式喷枪气体注入系统，其特征是喷嘴的外径在开口直径的0.5-0.95倍的范围内。
12、如权利要求7的组合式喷枪气体注入系统，其特征是喷嘴的轴向长度在开口直径的0.5-2.0倍范围内。
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