CN104879751B - 暂态加热喷燃器和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及暂态加热喷燃器和方法。一种暂态加热喷燃器，包括：至少两个喷燃器元件，其各自具有构造成流出燃料的分配喷嘴，以及包围分配喷嘴且构造成流出第一氧化剂的环形喷嘴；至少一个分级喷嘴，其构造成流出第二氧化剂；以及控制器，其编程成独立地控制通往各个分配喷嘴的燃料流量，使得至少一个分配喷嘴积极而至少一个分配喷嘴消极，其中积极分配喷嘴的燃料流量大于通往分配喷嘴的平均燃料流量，并且消极喷嘴的燃料流量小于平均燃料流量，以及将分级比率控制成小于或等于大约75%。

Description

暂态加热喷燃器和方法
技术领域
本申请涉及用于加热炉的喷燃器和方法，并且具体而言，涉及工业熔化炉，以提供增强的热传递，同时改进加热的均匀性，以及减少在熔料池表面处的可能的过热和氧化状况。
背景技术
在传统的系统中，静态火焰提供的热量不被引导向熔料，从而限制从火焰到熔料的热传递。此外，如果传统的系统被修改成将静态火焰引导向熔料，则金属可出现不合需要的过热和氧化。如美国专利No.5,554,022中教导的那样，用以避免过热的方法是将低动量火焰引导向熔料，并且然后使高动量射流冲击在低动量火焰上，从而使火焰移动。但是，在这个方法中，仍然很可能出现金属氧化和浮动火焰，浮动火焰可与炉的耐火材料相互作用且使炉耐火材料过热。
发明内容
一种暂态加热喷燃器和方法在炉中提供增强的火焰覆盖范围和视角因数。喷燃器的构造在空间和时间上实现最佳热通量输送，使得可在炉中实现和维持均匀的温度分配。均匀热通量通过将热通量引导到适当的位置达某个时间量来实现，例如通过算法确定、基于炉几何结构或基于来自一个或多个传感器的实时反馈。喷燃器和方法选择性地实现更长且更有穿透性的火焰，其可冲击炉中的填料，以提供改进的熔化，同时将氧化性熔料损失减到减小。具体而言，多个高动量火焰以循环的方式被引导向熔料。避免了过热，并且较均匀地将能量分配在熔料池上。喷燃器还能够通过选择性地调节多个火焰来产生旋涡。具体而言，喷燃器具有多个单独的喷燃器元件，其各自自己的火焰处于消极(passive)或积极(active)状态，可以多种型式和频率调节喷燃器元件，以实现期望的热通量分布。
描述了暂态加热喷燃器的多种实施例。喷燃器包括：至少两个喷燃器元件，其各自具有构造成流出燃料的分配喷嘴，以及环形喷嘴，环形喷嘴包围分配喷嘴且构造成流出第一氧化剂；以及至少一个分级喷嘴，其构造成流出第二氧化剂。控制器编程成独立地控制通往各个分配喷嘴的燃料流量，以及将分级比率控制成小于或等于大约75%。控制器控制流量，使得至少一个分配喷嘴积极，而至少一个分配喷嘴消极，其中积极分配喷嘴中的燃料流量大于通往分配喷嘴的平均燃料流量，而消极分配喷嘴中的燃料流量小于通往分配喷嘴的平均燃料流量。分级比率为包含在第二氧化剂流量中的氧与包含在第一和第二氧化剂流量中的氧的总和的比率。
喷燃器元件可沿外接圆基本均匀地间隔开，并且分级喷嘴定位在外接圆内。在一方面，喷燃器包括三个喷燃器元件，其各自与相邻的喷燃器元件间隔开120°。在另一方面，喷燃器包括四个喷燃器元件，其各自与相邻的喷燃器元件间隔开90°。在另外的方面，喷燃器可包括五个或六个喷燃器元件，它们围绕外接圆均匀地间隔开。
在一方面，至少一个喷燃器元件相对于外接圆沿径向向外以角度α成角度。喷燃器元件都可以相同角度α成角度，或各个喷燃器元件n可沿径向向外以不同的角度αn成角度。角度α优选小于或等于大约60°，并且更优选为大约10°至大约40°。
在另一方面，至少一个喷燃器元件相对于外接圆沿切向以角度β成角度。角度β优选小于或等于大约60°，并且更优选为大约10°至大约40°。
在喷燃器的另一个实施例中，喷燃器元件和分级喷嘴定位成大体共线，各个分级喷嘴大致等距地位于两个喷燃器元件之间。在一方面，喷燃器具有包括中心分级喷嘴的至少三个分级喷嘴，以及与分级喷嘴交替地定位的至少四个喷燃器元件。在另一方面，在中心分级喷嘴的两侧的喷燃器元件和分级喷嘴相对于中心分级喷嘴以角度γ成角度。
在喷燃器的另一个实施例中，喷燃器元件的分配喷嘴和环形喷嘴各自具有横截面，横截面具有短轴和为短轴的至少1.5倍长的长轴。至少两个分级喷嘴定位成大体共线且基本平行于长轴，并且邻近各个喷燃器元件。
在喷燃器的另一个实施例中，分级喷嘴具有横截面，横截面具有短轴和为短轴的至少1.5倍长的长轴，并且至少两个喷燃器元件定位成共线，以及邻近分级喷嘴且基本平行于长轴。在一方面，喷燃器元件相对于分级喷嘴的短轴以小于大约45°的角度ϕ向外成角度。
控制器编程成将通往消极分配喷嘴的燃料流量控制成大于零且小于或等于积极分配喷嘴的流率的一半。在一个实施例中，控制器编程成将分级比率控制成小于或等于大约40%。
在另一个实施例中，离开积极分配喷嘴的燃料具有积极射流速度，而离开分级喷嘴的氧化剂具有分级射流速度，并且控制器编程成将分级射流速度与积极射流速度的比率控制成至少大约0.05和小于1。优选地，分级射流速度与积极射流速度的比率被控制成大约0.1至大约0.4。
在一方面，流过环形喷嘴的第一氧化剂具有等于或大于大约70%的氧浓度。在另一方面，流过分级喷嘴的第二氧化剂具有等于或大于大约20.9%的氧浓度。
在另一方面，积极分配喷嘴具有积极射流流率，并且其中消极分配喷嘴具有消极射流流率，并且控制器编程成将积极射流流率与消极射流流率的比率控制成大约5至大约40。优选地，控制器编程成将积极射流流率与消极射流流率的比率控制成大约15至大约25。
在另一方面，具有消极分配喷嘴的喷燃器元件具有大约0.2至大约1的当量比率。在另一方面，具有积极分配喷嘴的喷燃器元件具有大约1至大约10的当量比率。当量比率为通过环形喷嘴的理论化学计量性氧化剂流量与通过环形喷嘴以燃烧流过分配喷嘴的燃料的实际氧化剂流量的比率。
在另一个实施例中，传感器构造成对控制器提供信号。控制器编程成基于信号而将各个分配喷嘴控制成积极或消极的。传感器选自下者组成的组：温度传感器、辐射传感器、光学传感器、摄像头、颜色传感器、传导率传感器、距离传感器和它们的组合。
在一个实施例中，第一氧化剂和第二氧化剂具有相同氧浓度。在另一个实施例中，第一氧化剂和第二氧化剂具有不同的氧浓度。
在一个实施例中，分级喷嘴包括旋流导叶，以对第二氧化剂施加旋流。
描述了一种运行炉中的喷燃器的方法，喷燃器具有至少一个分级喷嘴和至少两个喷燃器元件，喷燃器元件各自包括被环形喷嘴包围的分配喷嘴。方法包括使氧化剂以分级流率流过分级喷嘴，使氧化剂以一级氧化剂流率流过各个环形喷嘴，将至少一个分配喷嘴选择成积极的且将至少一个分配喷嘴选择成消极的，使燃料以积极射流流率流过积极分配喷嘴，以及使燃料以消极射流流率流过消极分配喷嘴，其中积极射流流率大于通过分配喷嘴的平均燃料流率，并且消极射流流率小于通过分配喷嘴的平均燃料流率。
方法可进一步包括感测炉中的参数，基于感测的参数而重新选择哪个分配喷嘴积极和哪个分配喷嘴消极，以及定期重复感测和重新选择步骤。
描述了暂态加热喷燃器的实施例。喷燃器包括：至少两个喷燃器元件，其各自具有构造成流出第一流体的分配喷嘴、包围分配喷嘴且构造成流出第二流体的环形喷嘴；以及构造成流出第三流体的至少一个分级喷嘴。喷燃器进一步包括控制器，其编程成独立地控制通往各个分配喷嘴的第一流体的流量，使得至少一个分配喷嘴积极而至少一个分配喷嘴消极，以及将分级比率控制成小于或等于大约75%。积极分配喷嘴中的流量大于通往分配喷嘴的平均流量，而消极分配喷嘴中的流量小于通往分配喷嘴的平均流量。分级比率为第三流体流量与第二流体流量和第三流体流量的总和的比率。在这个实施例中，第一流体包含燃料和氧中的一个，而第二流体和第三流体包含燃料和氧中的另一个，其中燃料和氧为反应物。
下面描述了本发明的其它方面。
附图说明
图1是暂态加热喷燃器的实施例的端部透视图。
图2是暂态加热喷燃器的实施例的控制示意图。
图3是图1中的暂态加热喷燃器的实施例的运行顺序示意图。
图4是显示暂态加热喷燃器的两个实施例的喷嘴定向的端视示意图。
图5a–5e是暂态加热喷燃器的多种实施例的端视图。图5a显示具有被四个喷燃器元件包围的中心分级喷嘴的喷燃器，喷燃器元件沿径向向外成角度；图5b显示具有被四个喷燃器元件包围的中心分级喷嘴的喷燃器，喷燃器元件沿着外接圆沿切向成角度；图5c显示具有共线地布置的交替的喷燃器元件和分级喷嘴的喷燃器，其中除了中心分级喷嘴，喷燃器元件和分级喷嘴都向外成角度；图5d显示具有四个共线喷燃器元件的喷燃器，喷燃器元件邻近开槽分级喷嘴且基本平行于开槽分级喷嘴的长轴；并且图5e显示一对对齐的无光(flat)火焰喷燃器元件和一对共线分级喷嘴，分级喷嘴邻近各个喷燃器元件且基本平行于各个喷燃器元件的长轴。
图6显示各个喷燃器元件内的分配喷嘴的多种可行几何结构。
图7是炉的透视图，其显示暂态加热喷燃器的两个可行安装定向。
图8是曲线图，其比较来自处于发光和不发光模式的传统氧-燃料喷燃器、传统分级氧-燃料喷燃器和暂态加热喷燃器的相对比例NOx产生量数据。
具体实施方式
图1描绘了暂态加热喷燃器10的一个实施例。喷燃器10包括具有面14的本体12，其中当喷燃器10安装在炉中(例如在图7中)时，面14暴露于炉中的燃烧区域。
喷燃器10包括多个喷燃器元件20，其定向成限定外接圆(参见图4)，喷燃器元件20优选围绕外接圆相等地间隔开。至少一个分级喷嘴30定位在外接圆内。为了进行参照，描绘了积极射流(A)和消极射流(P)，以显示积极射流具有比消极射流更大的火焰。
描绘在图1中的喷燃器10具有四个喷燃器元件20，它们以大约90°的间距间隔开。但是，要理解，喷燃器10可包括等于或大于两个的任何数量n的喷燃器元件20。例如，喷燃器10可具有间隔开成沿直径相对的两个喷燃器元件20，或备选地以大约120°的间距间隔开的三个喷燃器元件20，或以大致均匀的间距间隔开的五个或更多个喷燃器元件20。还要理解，对于一些炉几何结构、构造或运行状况，可为合乎需要的是具有带有多个喷燃器元件20的喷燃器10，喷燃器元件20围绕外接圆不相等地间隔开。在另一个备选方案中，喷燃器10可具有多个喷燃器元件20，其定位成限定圆以外的几何形状，例如椭圆或不规则多边形，这取决于炉几何结构和构造。
图1中的喷燃器10具有一个居中定位的分级喷嘴30。但是，要理解，可提供多个分级喷嘴30，其中分级喷嘴30可都为相同尺寸或不同的尺寸。另外，取决于炉几何结构、期望的火焰特性、单独的喷燃器元件20的定向以及其它因数，分级喷嘴30可定位成在喷燃器元件20限定的外接圆内偏离中心。分级喷嘴30可为任何形状。
各个喷燃器元件20包括被环形喷嘴24包围的分配喷嘴22。分配的反应物流过分配喷嘴22，而分级反应物流过环形喷嘴24，其中一个反应物为燃料，而另一个反应物为氧化剂。分级反应物的一部分也流过分级喷嘴30。在一个实施例中，燃料作为分配反应物流过分配喷嘴22，而氧化剂作为分级反应物流过环形喷嘴24。在另一个实施例中，氧化剂为流过分配喷嘴22的分配反应物，而燃料为流过环形喷嘴24的分级反应物。与分级喷嘴30相比，可调节通过环形喷嘴24引入的分级反应物的比例，以便保持稳定的喷燃器运行和/或控制火焰属性，诸如热释放分布。
如本文使用，用语“燃料”表示可在燃烧反应中用作燃料的任何含烃物质。优选地，燃料为气态燃料，诸如天然气，但是燃料还可为雾化液体燃料或在载体气体中的粉末化固体燃料。如本文使用，用语“氧化剂”表示可在燃烧反应中氧化燃料的任何含氧物质。氧化剂可为空气、降值(vitiate)空气(即，具有小于大约20.9%氧的气体)、富氧空气(即，具有大于大约20.9%氧的气体)或基本纯氧(即，具有大约100%氧的气体)。在优选的实施例中，氧化剂为富氧空气，其具有至少大约26%，至少大约40%，至少大约70%或至少大约98%的氧浓度。
分配喷嘴22可为任何形状。图6中显示了一子组可行的示例性形状，包括开槽喷嘴(图6a)、单槽喷嘴(图6b)、圆形喷嘴(图6c)和多孔喷嘴(图6d)。可行喷嘴形状的更详细的讨论可在US 6,866,503中找到，该专利通过引用而整体地结合在本文中。例如，为了产生具有高辐射传递属性的发光火焰，可使用具有小于10的形状因数的分配喷嘴22，而为了产生可具有较低NOx的不发光火焰，可使用具有10或更大的形状因数的分配喷嘴。发光模式对于熔化操作可为优选的，而不发光模式对于重新加热操作可为优选的。注意，高形状因数喷嘴可包括多孔喷嘴。如US 6,866,503中详细描述，形状因数σ限定为周长P的平方除以横截面积A的两倍或为等式：
σ=P2/2A。
图2显示上面描述的喷燃器10的简化控制示意图。第一流体F1以控制阀23控制的总流率供应到分配喷嘴22。单独地控制通往各个分配喷嘴22的第一流体F1的流量。在一个实施例中，在高流量位置和低流量位置之间调节各个分配喷嘴22上游的控制阀26，高流量位置和低流量位置分别对应于包含该分配喷嘴22的喷燃器元件20的积极状态和消极状态。在备选实施例中，控制阀26定位成与旁通通道27并联。在这个实施例中，在打开位置和关闭位置之间调节控制阀26，打开位置和关闭位置再次分别对应于喷燃器元件20的积极和消极状态，而旁通通道27允许较小量的流绕过控制阀26，使得一些第一流体F1始终流到分配喷嘴22，甚至是在消极状态中。
任一种布置的作用为在较高的积极流率和较低的消极流率之间调节通过分配喷嘴22的流量。例如，积极流率可限定为大于通往分配喷嘴22的平均流率的流率，而消极流率可限定为小于通往分配喷嘴22的平均流率的流率。平均流率通过将第一流体F1的总流率除以分配喷嘴22/喷燃器元件20的总数n确定。在积极流率始终大于消极流率的情况下，可使用积极流率和消极流率之间的其它关系。
不管如何确定积极和消极流率，消极流率必须大于零流量。消极流率足以保持各个喷燃器元件20中的燃烧，以便当喷燃器元件20从消极状态切换到积极状态时提供中间点燃机制。非零消极流率还保护分配喷嘴22，以防异物进入。在一个实施例中，消极流率小于或等于积极流率的一半。在另一个实施例中，积极流率与消极流率的比率为至少大约5且不大于大约40。在又一个实施例中，积极流率与消极流率的比率为至少大约15且不大于大约25。
第二流体F2供应到环形喷嘴24。控制阀28控制通往环形喷嘴24的第二流体F2的总流率，并且歧管29将流大致相等地分配在n个环形喷嘴24上。第三流体F3供应到分级喷嘴30，并且第三流体F3的流率由控制阀32控制。分级喷嘴30可包括旋流导叶或其它机构(未显示)，以对离开分级喷嘴30的第三流体F3施加旋流。对第三流体F3施加的旋流将导致该流体射流破碎，这可协助积极射流夹带第三流体F3射流。但是，强烈的旋流是不合需要的，因为它可主导流结构且改变火焰形状。
第二流体F2和第三流体F3包含相同类型的反应物，或为燃料或为氧化剂。例如，当第一流体F1为燃料时，第二流体F2和第三流体F3各自为氧化剂，而当第一流体F1为氧化剂时，第二流体F2和第三流体F3各自为燃料。在一个实施例中，第二流体F2和第三流体F3为不同的流体，即，各自具有相同反应物(燃料或氧化剂)，但是不同的浓度。在这个情况下，控制阀28和控制阀32必须为单独的阀，以控制两个流体F2和F3。在备选实施例(未显示)中，当第二流体F2和第三流体F3为具有相同浓度的相同反应物的相同流体，分级阀可用来代替控制阀28和控制阀32，以将一部分流大致相等地分配到n个环形喷嘴24，而其余的流分配到分级喷嘴30。
在描绘的实施例中，通往各个环形喷嘴24的第二流体F2的流率不被独立地控制。因此，当控制阀28打开时，各个环形喷嘴24始终流出大约平均流率的第二流体F2。平均流率通过将第二流体F2的总流率除以环形喷嘴24/喷燃器元件20的总数n来确定。备选地，可独立地控制通往各个环形喷嘴24的第二流体F2的流率。
在描绘的实施例中，因为通往各个环形喷嘴24的第二流体F2的流率大致相同，各个喷燃器元件20在化学计量性量的任一侧运行，这取决于喷燃器元件20在这时是积极还是消极。当喷燃器元件20处于积极状态时，喷燃器元件20以沿一个方向偏离化学计量性量运行，并且有时远离化学计量性量很远，并且当喷燃器元件20处于消极状态时，喷燃器元件20以沿相反的方向偏离化学计量性量运行，并且有时偏离化学计量性量很远。例如，当第一流体F1为燃料而第二流体F2为氧化剂时，处于积极状态的喷燃器元件20将以富燃料运行，并且处于消极状态的喷燃器元件20将以贫燃料运行。备选地，当第一流体F1为氧化剂而第二流体F2为燃料时，处于积极状态的喷燃器元件20将以贫燃料运行，而处于消极状态的喷燃器元件20将以富燃料运行。但是，因为燃料和氧化剂的总流量由控制阀23和28控制(并且也由分级控制阀32控制)，所以喷燃器10的总化学计量性量保持相同，而不管哪个和多少喷燃器元件20处于积极状态和处于消极状态。
各个喷燃器元件20运行所处的化学计量性量的特征可为当量比率。对于给定的燃料流率，当量比率确定为理论化学计量性氧流量与实际氧流量的比率。对于为100%氧的氧化剂，氧流量等于氧化剂流量。对于氧百分比X小于100%的氧化剂，氧化剂流中的氧流量通过将氧化剂流率除以氧百分比X来确定；例如，为了满足使用包含40%氧的氧化剂的100SCFH的氧需求，需要250 SCFH的氧化剂。
以下论述涉及其中第一流体F1为燃料而第二流体F2和第三流体F3为氧化剂的实施例。当喷燃器元件20处于消极状态时，当量比率小于大约1，且优选至少大约0.2。这表示消极喷燃器元件20以贫燃料运行，有高达完全燃烧需要的氧的五倍。相反，当喷燃器元件20处于积极状态时，当量比率大于大约1，并且优选不大于大约10。这表示积极喷燃器元件20以富燃料运行，有少至完全燃烧所需要的氧的10%。
分级比率限定为流过分级喷嘴30的反应物的量与流过环形喷嘴24和分级喷嘴30的反应物的总量的比率。例如，当第二流体F2和第三流体F3为氧化剂时，分级比率为分级喷嘴30提供的氧的量除以分级喷嘴30和环形喷嘴24共同提供的氧的总量。如果第二流体F2和第三流体F3为相同流体(即，具有相同氧浓度)，则分级比率仅是第三流体F3的流率除以第二流体F2的流率和第三流体F3的流率的总和。但是如果第二流体F2和第三流体F3是不同的流体(即，分别具有不同的氧浓度X2和X3)，则分级比率的计算要考虑浓度差异 X3F3/(X2F2+X3F3)，如本领域技术人员将理解的那样。
喷燃器10优选以等于或小于大约75%的分级比率运行。例如，当氧化剂分级时，即，当第二流体F2和第三流体F3为氧化剂时，通往喷燃器10的氧的至少大约25%流过环形喷嘴24且不超过大约75%的氧流过分级喷嘴30。更优选，喷燃器10以等于或小于大约40%的分级比率运行。另外，如上面所论述，因为各个喷燃器元件20的积极或消极运行，在一个时间积极的一个或多个喷燃器元件20以与化学计量性量相比过量的第一流体F1运行，并且同时消极的一个或多个喷燃器元件20以与化学计量性量相比过量的第二流体F2运行，从而提供一定量的分级，甚至不考虑分级喷嘴30提供的第三流体F3。
离开积极分配喷嘴22的第一流体F1具有积极射流速度，其由第一流体F1的流率和分配喷嘴22的横截面积确定。离开环形喷嘴24的第二流体F2具有环形射流速度，其由第二流体F2的流率和环形喷嘴24的横截面积确定。类似地，离开分级喷嘴30的第三流体F3具有分级射流速度，其由第三流体F3的流率和分级喷嘴30的横截面积确定。积极射流速度优选大于环形射流速度。另外，为了获得喷燃器10的最佳性能，分级射流速度应当小于或等于积极射流速度，并且大于或等于积极射流速度的大约0.05倍。在一个实施例中，分级射流速度与积极射流速度的比率小于或等于大约0.4。在另一个实施例中，分级射流速度与积极射流速度的比率大于或等于大约0.1。
在竖向燃烧布置(安装在顶部)中测试的一个示例性实施例中，通过积极分配喷嘴22的第一流体F1的射流速度为至少大约250英尺/秒且优选为至少大约300英尺/秒，并且通过消极分配喷嘴22的速度为积极射流速度的大约20%。对于水平燃烧布置，积极射流速度可显著更低，因为不那么需要抵抗浮力作用以避免喷燃器块过热。
所有控制阀23、26、28和32连接到控制器100上且由控制器100控制，控制器特别编程成或构造成运行喷燃器10。控制器100可包括传统的电子构件诸如CPU、RAM、ROM、I/O装置，并且控制器100的编程或构造可通过一个或多个硬件、固件、软件和现在已知的或以后开发来将运行指令编程到控制器中的任何其它机构的组合实现。
如上面描述，流体F1、F2和F3中的至少一个必须是燃料或包含燃料，而流体F1、F2和F3中的至少一个必须是氧化剂或包含氧。燃料可为气态燃料、液体燃料或在气体载体中的粉末化固体燃料。在一个实施例中，F1为燃料，而F2和F3为氧化剂。在这个情况下，F2和F3可为相同氧化剂，或F2和F3可为不同的氧化剂。例如，在一个优选的实施例中，F1为气态燃料，诸如天然气，F2为具有等于或大于大约70%的氧浓度的氧化剂，而F3为具有等于或大于大约20.9%的氧浓度的氧化剂。在另一个类似实施例中，F1为气态燃料诸如天然气，F2为具有比空气的氧浓度大的氧浓度的氧化剂，而F3为空气。
在备选实施例中，F1为氧化剂，而F2和F3为燃料。在这个情况下，F1具有的氧浓度等于或大于大约26%，优选等于或大于大约40%，且更优选等于或大于大约70%。
图3显示图1中示出的喷燃器10的实施例的一个可行运行顺序。为了论述，四个喷燃器元件20标为a、b、c和d。如显示，在一个时间仅一个喷燃器元件20积极，而其余喷燃器元件20消极，并且当之前积极的喷燃器元件20返回到消极状态，各个喷燃器元件20连续地切换到积极状态。
具体而言，在描绘的实施例中，喷燃器元件20a积极，而喷燃器元件20b、20c和20d消极。换句话说，各个喷燃器元件20中的各个环形喷嘴24接收大致相等流量的第二流体F2，并且喷燃器元件20a中的仅分配喷嘴22接收较高积极流量的第一流体F1，而其它喷燃器元件20b、20c和20d中的分配喷嘴22接收较低消极流量的第一流体F1。这导致较长的有穿透性火焰从积极喷燃器元件20a发出，并且较短的(先导)火焰从消极喷燃器元件20b、20c和20d发出。如在描绘的实施例中进一步显示的，当喷燃器元件20b积极时，喷燃器元件20a返回到消极状态，并且喷燃器元件20c和20d保持消极。接下来，当喷燃器元件20c变积极时，喷燃器元件20b返回到消极状态，并且喷燃器元件20c和20a保持消极。最后，当喷燃器元件20d变积极时，喷燃器元件20d返回到消极状态，并且喷燃器元件20a和20b保持消极。
图3中显示且上面描述的顺序仅是基本无限制的变型中的一个。在一个非限制性示例中，在一个时间一个喷燃器元件20积极，其重复顺序为诸如a-b-c-d或a-b-d-c或a-c-b-d或a-c-d-b。在另一个非限制性示例中，在一个时间一个喷燃器元件20以随机顺序为积极的。在又一个非限制性示例中，在一个时间一个喷燃器元件20积极，但是各自达相同或不同的时间长度。
另外，在其它示例中，在一个时间不止一个喷燃器元件20积极。例如，对于具有三个或更多个喷燃器元件20的喷燃器10，两个喷燃器元件20可积极而其余消极。大体上，对于具有n个喷燃器元件的喷燃器10，1到n-1的任何数量的喷燃器元件可为积极的，而其余消极。
基于预编程的时间顺序、根据预先确定的算法、根据随机顺序或取决于炉状况，可使各个喷燃器元件20从消极切换到积极状态。一个或多个传感器110可定位在炉中以感测与可确定需要更多或更少的燃烧热的位置相关的任何参数。例如，传感器可为温度传感器，使得当温度传感器低于阈值设置时，可使定向成在那个温度传感器的区域中加热炉的喷燃器元件20更频繁地为积极的或达更长时间段。或者如果温度传感器检测到炉或填料的一部分未接收足够的热量，则定位在炉的那个部分附近或朝向填料的那个部分成角度的一个或多个喷燃器元件20可切换到积极状态，而在接收过量热量的炉的部分中的喷燃器元件20可切换到消极状态。
温度传感器可包括接触传感器诸如位于炉壁中的热电偶或RTD，或非接触传感器诸如红外传感器、辐射传感器、光学传感器、摄像头、颜色传感器或在工业中可用的其它传感器。其它类型传感器也可用于指示炉中的熔化或加热水平，包括但不限于距离传感器(例如，以感测还没有熔化的固体填料的距离)或传导率传感器(例如，以与不良地互连的固体块相比而检测液体的较高传导率)。
可通过本文描述的喷燃器10的运行实现若干益处。因为热量可优选被引导到某些位置且达更长或更短的时间段，所以可识别和消除炉中的冷点，从而得到更均匀的加热和熔化。特别对于竖向燃烧布置(即，在顶部安装的喷燃器指向下)，如在图7中，在不是所有喷燃器元件20都处于积极模式的情况下运行喷燃器会减少或消除浮动火焰的危险，从而避免喷燃器块和炉顶部的过热。在通过环形喷嘴24提供的氧显著小于通过分配喷嘴22提供的燃料所需要的化学计量性氧的情况下，积极喷燃器元件20产生的富燃料燃烧会在熔料池附近产生非氧化气氛，以帮助保护填料使其不会不合需要地氧化。另外，以重复循环的型式激活喷燃器元件20可用来产生旋涡加热模式，这会增加燃烧气体的驻留时间，增加热传递速率，以及改进加热的均匀性，如例如US 2013/00954437中所显示。另外，选择性地激活喷燃器元件20和改变分级比率可用来调节从燃烧反应发出的最大热通量的位置和调节火焰覆盖范围，以适应多种炉几何结构、状况和填料水平。
多种可行的构造的喷燃器包括图5中显示的那些。在图5a中显示的类型的实施例中，一个或多个喷燃器元件20可相对于喷燃器元件20外接的圆或相对于分级喷嘴30限定的轴线沿径向向外以角度α成角度。虽然描绘的实施例显示了所有四个喷燃器元件20以相同角度α沿径向向外成角度，但是要理解，各个喷燃器元件20可以不同的角度αn成角度，这取决于炉几何结构和喷燃器10的期望的运行特性。角度α可等于或大于大约0°，并且优选等于或小于大约60°。更优选，角度α为至少大约10°且不大于大约40°。
在图5b中显示的类型的实施例中，一个或多个喷燃器元件20可相对于外接圆沿切向以角度β成角度，以产生旋流。虽然描绘的实施例显示了所有四个喷燃器元件20以相同角度β沿切向成角度，但是要理解，各个喷燃器元件20可以不同的角度βn成角度，这取决于炉几何机构和喷燃器10的期望的运行特性。角度β可等于或大于大约0°和优选等于或小于大约60°。更优选，角度β为至少大约10°且不大于大约40°。
在图5c中显示的类型的实施例中，多个喷燃器元件20定位成大体彼此共线，以限定具有中点和末端的线。虽然显示了四个喷燃器元件20，但是这个实施例可应用于具有至少两个喷燃器元件20和特定炉中可能需要的那么多的喷燃器元件20的构造。分级喷嘴30定位在各个相邻的对的喷燃器元件20之间，使得喷燃器元件20和分级喷嘴30交替。例如，具有两个喷燃器元件20的布置具有定位在两个喷燃器元件20之间的一个分级喷嘴30，而具有三个喷燃器元件20的布置具有各自定位在一对相邻喷燃器元件20之间的两个分级喷嘴30。喷燃器元件20可都垂直于喷燃器面14而定向，或者一些或所有喷燃器元件20可从线中点朝一个线末端以小于或等于大约45°的角度γ向外成角度。类似地，分级喷嘴30可垂直于喷燃器面14而定向，或者一些或所有分级喷嘴30可沿着线沿一个方向或另一个方向成角度。在描绘的实施例中，中心分级喷嘴30垂直于喷燃器面14而定向，并且成系列的三个共线元件(喷燃器元件20、分级喷嘴30和另一个喷燃器元件20)沿直径定位在任一侧，并且远离中心分级喷嘴30且朝向它们相应的线末端而成角度。
在图5d中显示的类型的实施例中，多个喷燃器元件20定位成彼此共线，以限定具有中点和末端的线。虽然显示了四个喷燃器元件20，但是这个构造适用于具有至少两个喷燃器元件20和特定炉中可能需要的那么多的喷燃器元件20的构造。长轴为短轴的至少1.5倍长的伸长或大体矩形的分级喷嘴30定位在喷燃器元件20附近且与喷燃器元件20间隔开固定距离，长轴基本平行于喷燃器元件20限定的线。喷燃器元件20可都垂直于喷燃器面14而定向，或者一些或所有喷燃器元件20可从线中点朝一个线末端以小于或等于大约45°的角度γ向外成角度。
在图5e中显示的类型的实施例中，各个喷燃器元件20具有无光火焰构造，其中分配喷嘴22和环形喷嘴24两者具有伸长或大体矩形构造，其长轴为短轴的至少1.5倍长。这个类型的无光火焰喷燃器详细描述在例如US 5,611,682中。至少两个分级喷嘴30定位在喷燃器元件20附近且与喷燃器元件20间隔开，并且定向成大体共线，以限定基本平行于喷燃器元件20的长轴的线。至少两个喷燃器元件20用于这个构造中。
在图5中的任何上面描述的构造中，暂态运行方案可类似于上面针对图1的构造描述的那样实现。具体而言，在任何给定时间，至少一个喷燃器元件20在积极状态中运行，其中，通过积极分配喷嘴22的流体流量大于通过所有分配喷嘴22的平均流体流量，同时至少一个喷燃器20在消极阶段中运行，其中通过消极分配喷嘴22的流体流量小于通过所有分配喷嘴22的平均流体流量。
如图7中显示，一个或多个喷燃器10可安装在炉200的顶部中(竖向安装)或在炉200的侧壁中(水平安装)。在竖向安装时，喷燃器元件20优选布置成诸如图5a或图5b中的构造，以对填料提供最佳热通量，同时防止喷燃器块的过热。例如，如上面所论述，喷燃器元件20可定向成相对于包围分级喷嘴30(图5a)的外接圆沿径向向外成角度。备选地，喷燃器元件20定向成旋涡构造(相对于外接圆沿切向成角度)(图5b)。在水平构造中，喷燃器元件20可布置成任何阵列，并且具体而言可布置成图5c–5e中的任一个，这取决于炉的几何结构。
如图8的数据中显示，喷燃器10展示与传统的氧-燃料喷燃器相比减少的NOx排放。要注意，图8的比例是相对的，其针对传统的氧-燃料喷燃器的峰值NOx而标准化。当喷燃器10如本文描述的那样暂态地以发光模式运行(即，具有低形状因数分配喷嘴22)时，峰值NOx排放仅为传统的氧-燃料喷燃器排出的大约40%。当喷燃器10如本文描述的那样暂态地以不发光模式运行(即，具有高形状因数分配喷嘴22)时，峰值NOx排放甚至更低，仅为传统的氧-燃料喷燃器排出的大约35%。在两种情况下，喷燃器10在燃料作为分配流体而氧化剂作为分级流体的情况下运行。不受理论的限制，这个惊人的结果被看作喷燃器10产生的燃烧的高度分级的天性的结果，这产生：第一富燃料火焰区域，其产生低NOx，因为获得的氧有限：以及第二贫燃料火焰区域，其产生低NOx，因为其燃烧温度低。
本发明在范围方面不受示例中公开的具体方面或实施例的限制，示例意图示出本发明的几方面，并且在功能上等效的任何实施例在本发明的范围内。除了本文显示和描述的那些，本发明的多种修改对于本领域技术人员将变得显而易见，并且意图落在所附权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种暂态加热喷燃器，包括：
至少两个喷燃器元件，其各自包括：
构造成流出燃料的分配喷嘴；以及
包围所述分配喷嘴且构造成流出第一氧化剂的环形喷嘴；
至少一个分级喷嘴，其构造成流出第二氧化剂；以及
控制器，其编程成：
独立地控制通往各个分配喷嘴的燃料流量，使得所述分配喷嘴中的至少一个积极而所述分配喷嘴中的至少一个消极，其中积极分配喷嘴中的燃料流量大于通往所述分配喷嘴的平均燃料流量，并且消极分配喷嘴中的燃料流量小于通往所述分配喷嘴的平均燃料流量；以及
将分级比率控制成小于或等于75%，其中所述分级比率为包含在所述第二氧化剂流中的氧与包含在所述第一和第二氧化剂流中的氧的总和的比率。
2.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，
所述喷燃器元件沿外接圆均匀地间隔开；以及
所述分级喷嘴定位在所述外接圆内。
3.根据权利要求2所述的喷燃器，其特征在于，所述喷燃器元件中的至少一个相对于所述外接圆沿径向向外以角度α成角度，其中所述角度α小于或等于60°。
4.根据权利要求2所述的喷燃器，其特征在于，所述喷燃器元件中的至少一个相对于所述外接圆沿切向以角度β成角度，其中所述角度β小于或等于60°。
5.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述喷燃器元件和所述分级喷嘴定位成共线，各个分级喷嘴等距地位于两个喷燃器元件之间。
6.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，
所述分配喷嘴和环形喷嘴各自具有横截面，所述横截面具有短轴和为所述短轴的至少1.5倍长的长轴；以及
至少两个分级喷嘴定位成共线，并且邻近各个喷燃器元件且平行于所述长轴。
7.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，
所述分级喷嘴具有横截面，所述横截面具有短轴和为所述短轴的至少1.5倍长的长轴；以及
至少两个喷燃器元件定位成共线，并且邻近所述分级喷嘴且平行于所述长轴。
8.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述控制器编程成将通往消极分配喷嘴的燃料流量控制成大于零且小于或等于积极分配喷嘴的流率的一半。
9.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述控制器编程成将所述分级比率控制成小于或等于40%。
10.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，
离开积极分配喷嘴的燃料具有积极射流速度，而离开所述分级喷嘴的氧化剂具有分级射流速度；以及
所述控制器编程成将所述分级射流速度与所述积极射流速度的比率控制为至少0.05且小于1。
11.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，
流过所述环形喷嘴的第一氧化剂具有等于或大于70%的氧浓度。
12.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，
流过所述分级喷嘴的第二氧化剂具有等于或大于20.9%的氧浓度。
13.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，
积极分配喷嘴具有积极射流流率，并且消极分配喷嘴具有消极射流流率；以及
所述控制器编程成将所述积极射流流率与所述消极射流流率的比率控制为5至40。
14.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，具有消极分配喷嘴的喷燃器元件具有0.2至1的当量比率，其中所述当量比率为通过所述环形喷嘴的理论化学计量性氧化剂流量与通过所述环形喷嘴以燃烧流过所述分配喷嘴的燃料的实际氧化剂流量的比率，并且其中具有积极分配喷嘴的喷燃器元件具有1至10的当量比率，其中所述当量比率为通过所述环形喷嘴的理论化学计量性氧化剂流量与通过所述环形喷嘴以燃烧流过所述分配喷嘴的燃料的实际氧化剂流量的比率。
15.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，进一步包括传感器，其构造成对所述控制器提供信号；
其中所述控制器编程成基于所述信号而将各个分配喷嘴控制成积极或消极的；
其中所述传感器选自下者组成的组：温度传感器、辐射传感器、光学传感器、摄像头、颜色传感器、传导率传感器、距离传感器和它们的组合。
16.一种运行炉中的喷燃器的方法，所述喷燃器具有至少一个分级喷嘴和至少两个喷燃器元件，各个喷燃器元件包括被环形喷嘴包围的分配喷嘴，所述方法包括：
使氧化剂以分级流率流过所述分级喷嘴；
使氧化剂以一级氧化剂流率流过所述环形喷嘴中的各个；
将所述分配喷嘴中的至少一个选择成积极的且将所述分配喷嘴中的至少一个选择成消极的；
使燃料以积极射流流率流过所述积极分配喷嘴；以及
使燃料以消极射流流率流过所述消极分配喷嘴；
其中所述积极射流流率大于通过所述分配喷嘴的平均燃料流率，而所述消极射流流率小于通过所述分配喷嘴的平均燃料流率。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括：
感测所述炉中的参数；
基于感测的参数而重新选择哪个分配喷嘴积极以及哪个分配喷嘴消极；以及
定期重复感测步骤和重新选择步骤。
18.一种暂态加热喷燃器，包括：
至少两个喷燃器元件，其各自包括：
分配喷嘴，其构造成流出第一流体；以及
环形喷嘴，其包围所述分配喷嘴且构造成流出第二流体；
至少一个分级喷嘴，其构造成流出第三流体；以及
控制器，其编程成：
独立地控制通往各个分配喷嘴的第一流体的流量，使得所述分配喷嘴中的至少一个积极而所述分配喷嘴中的至少一个消极，其中积极分配喷嘴中的流量大于通往所述分配喷嘴的平均流量，而消极分配喷嘴中的流量小于通往所述分配喷嘴的平均流量；以及
将分级比率控制成小于或等于75%，其中所述分级比率为所述第三流体流量与所述第二流体流量和所述第三流体流量的总和的比率；
其中所述第一流体包含燃料和氧化剂中的一个，而所述第二流体和所述第三流体包含燃料和氧化剂中的另一个。
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