CN104949124B - 具有氧分级的低燃烧速率的氧‑燃料无光焰喷燃器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有氧分级的低燃烧速率的氧‑燃料无光焰喷燃器，包括：气态燃料喷嘴，其具有出口端、宽度w、高度a，以及至少为2的宽度‑高度比w/a；一级氧化剂管道，其定位成同心地包围燃料喷嘴，以便在燃料喷嘴和一级氧化剂管道之间形成基本均匀的环形一级氧化剂喷嘴，一级氧化剂管道具有高度b，一级氧化剂喷嘴具有与燃料喷嘴的出口端对齐的出口端；以及从燃料喷嘴和氧化剂喷嘴的出口端延伸到火焰端的预燃器，其具有长度L和液力直径Dh；其中，预燃器的比L/Dh小于或等于4；以及其中，尺寸a、b和w在大小上设置成使得在喷燃器以0.05至1 MMBtu/hr的燃烧速率运行时，一级氧化剂具有200至22000的雷诺数。

Description

具有氧分级的低燃烧速率的氧-燃料无光焰喷燃器
技术领域
本申请涉及分级式无光焰氧-燃料喷燃器，并且特别地，涉及能够实现比目前现有的喷燃器低得多的燃烧速率的分级式无光焰(flat flame)氧-燃料喷燃器。
背景技术
分级式无光焰氧-燃料喷燃器是已知的，包括美国专利No. 5,611,682中描述的喷燃器，该专利通过引用而整体地结合在本文中。没有分级的无光焰氧-燃料喷燃器也是已知的，包括美国专利No. 5,575,637中描述的喷燃器，该专利通过引用而整体地结合在本文中。这些专利都由本申请的受让人拥有。
将No. 5,611,682和No. 5,575,637专利设计扩展到燃烧速率低的应用不是简单直接的问题，而且对简单地按比例缩小喷燃器的几何构造的工作也不成功。特别地，一个挑战是防止喷燃器块在低燃烧速率下过热，同时产生熔化玻璃所需要的稳定且明亮的火焰。这个平衡在使用标准的按比例扩大/缩小准则而设计的喷燃器中尤其难以捉摸，所述准则基于No. 5,611,682和No. 5,575,637专利中描述的较大的喷燃器的设计原理来形成具有氧分级的小型无光焰氧-燃料喷燃器。
本申请涉及设计方法和产生的喷燃器，该喷燃器具有在整个运行范围中防止喷燃器块过热的几何构造和运行参数，因为系统地选择了预燃器和燃料和氧喷嘴的相对和绝对尺寸。
发明内容
在一个实施例中，一种无光焰氧-燃料喷燃器，包括：
气态燃料喷嘴，其具有出口端、宽度w、高度a，以及至少为大约2的宽度-高度比w/a；
一级(primary)氧化剂管道，其定位成同心地包围所述燃料喷嘴，以便在所述燃料喷嘴和所述一级氧化剂管道之间形成基本均匀的环形一级氧化剂喷嘴，所述一级氧化剂管道具有高度b，所述一级氧化剂喷嘴具有与所述燃料喷嘴的出口端对齐的出口端；以及
从所述燃料喷嘴和氧化剂喷嘴的出口端延伸到火焰端的预燃器，所述预燃器具有长度L和液力直径Dh；
其中，所述预燃器的比L/Dh小于或等于大约4；以及
其中，尺寸a、b和w在大小上设置成使得在所述喷燃器以大约0.05至大约1 MMBtu/hr的燃烧速率运行时，所述一级氧化剂具有大约200至大约22000的雷诺(Reynolds)数。
附图说明
图1是喷燃器和喷燃器块的实施例的侧视横截面图，其显示一些相关尺寸。
图2是图1的喷燃器和喷燃器块的实施例的端视图，其显示额外的相关尺寸。
图3是一对曲线图，其显示在普朗特(Prandtl)数为0.7时，努塞尔特(Nusselt)数随雷诺数改变。左边：面积恒定的圆管。右边：平行板通路。改编自亚伯拉罕等人的“层流-湍流过渡区域的低雷诺数端的内部流努塞尔特数(Internal-flow Nusselt numbers forthe low-Reynolds-number end of the laminar-to-turbulent transition regime)”，热和质量传递国际期刊(International Journal of Heat and Mass Transfer)，54(1-3):5(2011)。
图4是显示喷燃器块过热根据预燃器L/Dh、一级氧流百分比和一级氧流雷诺数而改变的图表。长方形中的值显示室温和环境压力下的一级氧流雷诺数，其中，在长方形中显示的标有位于左上角的正方形的值表示小于圆管流的临界雷诺数2300的值。圆中的值显示在此处观察到喷燃器块过热的最小L/Dh(没有圆就表示没有过热)。
图5A-5D是关于各种几何构造和运行条件的计算流体力学(CFD)结果的图形描绘。
图6是根据No. 5,611,682和No. 5,575,637专利中描述的较大的喷燃器和本文描述的较低燃烧速率喷燃器的相关燃烧速率而改变的通过燃料喷嘴的液力(hydraulic)直径标准化的预燃器长度的曲线图。
具体实施方式
图1和2显示具有相关尺寸的分级式无光焰氧-燃料喷燃器的示例性实施例。将在本文详细论述的尺寸如下：
L预燃器长度
D预燃器高度
a燃料气体通道高度
b一级氧化剂气体喷嘴内部高度
c一级氧化剂气体通道高度
w燃料气体和氧化剂气体喷嘴宽度(两者相同，以便使b恒定)
Dh液力直径(4乘以横截面积除以周长)。对于圆：4πr2/2πr=2r
在 No. 5,611,682和No. 5,575,637专利的实施例中，预燃器长度L为1至24英寸，并且优选4至8英寸；燃料喷嘴和分级喷嘴具有4至40英寸和优选8至24英寸的宽度；并且燃烧速率为0.5至40MMBtu/hr(百万英热单位/小时)，并且优选1至20 MMBtu/hr。另外，预燃器的火焰端的液力直径与燃料喷嘴的液力直径的比为1至6，预燃器的喷燃器端处的L/D为大约6至8，并且预燃器的火焰端处的L/D为大约4至7。
在图1和2中描绘的喷燃器中，在具有尺寸c的环形开口中提供环形一级氧化剂气体流，其包围在具有尺寸a的开口中的中心燃料气体流。一级氧化剂气体用作燃料和氧化剂的燃烧界面之间的冷却介质，从而移除预燃器内部的氧-燃料火焰产生的热，并且从而防止喷燃器块过热。
但是，对于给定的喷燃器喷嘴几何构造，在燃烧速率低且高度分级状况下(即，当大比例的氧化剂正流过二级(secondary)分级喷嘴，而非流过一级氧化剂喷嘴时)，一级氧化剂气体流率可变得很低，以至于流经历湍流-层流过渡，并且成为层流。与层流相关联对流冷却速率显著地低于湍流。因此，由一级氧化剂气体流提供的冷却可能无法充分地移除预燃器内部的氧-燃料火焰产生的热，从而允许喷燃器块过热和失效。
在一级氧化剂通道/流中，雷诺数(Re)计算如下：
等式1：Reprim-O2 = ρ∙Q/{μ∙[w+π/4∙(a+b)]}，
其中，Q是体积流率，ρ是密度，μ是一级氧化剂的动态粘度，并且在特定温度下规定ρ和μ。
对于引入到分级端口的给定百分比的总氧化剂流，传送通过围绕燃料气体的一级氧化剂气体通道的氧化剂气体的流率与燃烧速率成比例。在给定燃烧速率下，可通过上游分流阀来控制传送通过一级氧化剂气体通道和分级氧化剂气体通道的流的分配。
只要由一级氧化剂气体流提供的对流冷却速率等于或高于预燃器内部的火焰产生的热，则火焰可传送通过预燃器，而不损害喷燃器块壁。对流冷却速率与努塞尔特数(Nu)成比例，努塞尔特数是雷诺数的强函数，如图3中示出。注意，环形的一级氧化剂气体通道的特征在于限制目前的设计的这两个极端的几何构造，即，圆管和平行板通路。如可从图3看到的那样，在临界雷诺数(在该处，流被限定为层流)以下，努塞尔特数且因此对流冷却速率显著降低且保持恒定。
图4显示对于燃烧速率0.05至1.0MMBtu/hr，使用天然气作为燃料气体，以及使用纯氧作为氧化剂气体所进行的测试的结果。一级氧流的范围为25%至100%，它们分别表示全部分级和无分级。预燃器L/Dh(在预燃器的火焰端处限定的Dh)为1.6至5.8，以评价前述参数对喷燃器块过热的作用。
如图4中显示的那样，喷燃器块过热很有可能在预燃器L/ Dh增大，燃烧速率减小，一级氧流雷诺数减少和分级(二级氧化剂与一级氧化剂的比例)增加时发生。重要的是，在雷诺数低于在室温和周围压力下计算出的临界雷诺数时一贯地发生喷燃器块过热，如长方形中的标有位于左上角的正方形的数字表示。
结果建议应当将一级氧通道设计成尽可能地增加雷诺数，以最大程度地减少/防止喷燃器块过热。如可从等式1看到的那样，对于给定的ρ和μ(氧化剂的特性)和Q(氧化剂流率，它对应于燃烧速率和分级百分比)，雷诺数将随着尺寸w、a 和b的减小而增大。
但是，减小的尺寸a会施加某种制造挑战。另外，减小的尺寸b涉及一些折衷，因为b较小会提高一级氧速度，这会增加对流冷却，但也可能加强天然气和氧流之间的混合，从而可能在预燃器内容以较高的速率释放热。而且另外，减小的尺寸w要求对于一级氧和天然气喷嘴两者使通道宽度w较小，以使沿着周缘使尺寸c保持恒定，并且因而保持较均匀的氧速度分布。最后，w对Re的作用高于a或b的作用，因为π/4<1。
使用可在市场上获得的ANSYS Fluent软件对各种几何构造进行计算流体力学(CFD)模拟，ANSYS Fluent软件通过求解质量、动量和能量守恒的控制方程(governingequation)来模拟流体流、热传递和燃烧。在图5中显示CFD模拟结果的总结。在图5中，燃烧方向为从右到左。
在该模型中，比较在预燃器内部的给定深度处的代表性温度。图5a显示基本情况。
图5b显示这样的情况：与图5a相比，预燃器的L/Dh增加30%，尺寸b减小24%，并且尺寸减小17%。这些修改的结果是，预燃器壁温度在特定点处升高69℉，这表示增加了30%的预燃器长度胜过氧化剂通道中的增加21%的雷诺数所增加的好处。
图5c显示这样的情况：与图5a相比，预燃器的L/Dh减小20%，并且尺寸b增加29%，以对氧雷诺数实现4%的减少。这些修改的结果是，预燃器壁温度在给定点处下降179℉，这表示减小20%的预燃器长度的好处胜过雷诺数减少4%所引起的冷却损失。
图5d显示这样的情况：与图5c相比，预燃器的L/Dh增加5%(与图5a相比减小17%)，尺寸b增加29%(与图5c中相同)，并且尺寸a减小17%(与图5b中相同)，以在氧通道中产生增加10%的雷诺数。这些修改的结果是，预燃器壁温度在特定点处从图5c的温度又下降43℉，这显示雷诺数增加10%胜过预燃器长度减小5%。
在下面的表1中总结图5a至5d中显示的四个CFD模拟的结果。
表1
案例 5a 5b 5c 5d
T (℉) 574 643 395 352
L/Dh 2.4 3.2 1.9 2.0
Re 基本 +21% -4% +10%
b 基本 -24% +29% +29%
w 基本 -17% ±0% -17%
总之，这些结果出乎意料地建议，一级氧流雷诺数对喷燃器块过热的作用与规定预燃器高度和一级氧速度的一级氧通道高度相比是次要的。较细的一级氧通道转化成：(1)热源(即，火焰)和预燃器之间的较短距离，这在预燃器内部的给定深度处产生较高的温度；以及(2)较高的一级氧速度，这使氧和天然气流之间的混合更加加强，从而使预燃器内部的热更早释放，再次在预燃器内部的给定深度处产生较高的温度。
结果还表明可通过同时增加一级氧Re和减小预燃器L/Dh来有效地降低喷燃器块温度。
对于成以大约0.05至大约1 MMBtu/hr的燃烧速率运行的喷燃器设计，优选的预燃器几何构造对于一级氧具有0至大约1.6的L/Dh，并且以大约200至大约22000的雷诺数运行。在其中已经在这些燃烧速率下实现期望雷诺数的一个实施例中，燃料喷嘴的宽度w为大约0.75至大约3英寸，并且优选为大约1至大约2英寸。在该实施例中，燃料喷嘴的宽度-高度比为大约2至大约60，并且优选为大约5至大约30，预燃器的长度L小于大约4英寸，并且优选为大约0.5至大约2英寸。在该实施例中，预燃器的火焰端处的Dh与燃料喷嘴和氧化剂喷嘴的Dh的比为大约6至大约10，并且优选为大约6至大约7。
如上面论述的那样，将如No. 5,611,682和No. 5,575,637专利中那样的现有的高燃烧速率喷燃器设计扩展到低燃烧速率应用不是简单直接的问题。图6显示根据No. 5,611,682和No. 5,575,637专利中描述的较大的喷燃器和使用本申请中公开的设计原理设计而成的喷燃器的相关燃烧速率而改变的通过燃料喷嘴的液力直径标准化的预燃器长度。目前公开的喷燃器由在图的最靠左边的标为 “实际”的在大约10的L/D处的菱形数据点表明。虚线表示使用标准扩大/缩小准则所设计而成的喷燃器的外推L/D，所述准则基于No.5,611,682和No. 5,575,637专利中描述的较大的喷燃器的设计原理来形成具有氧分级的小型无光焰氧-燃料喷燃器。实际L/D比基于标准设计准则所预计的L/D小大约60%。
本发明在范围上不受示例中公开的具体方面或实施例的限制，示例意于说明本发明的几方面，而且功能相等的任何实施例都在本发明的范围内。除了本文显示和描述的那些的本发明的各种修改对于本领域技术人员将变得显而易见，并且意于落在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种无光焰氧-燃料喷燃器，包括：
气态燃料喷嘴，其具有出口端、宽度w、高度a，以及至少为2的宽度-高度比w/a；
一级氧化剂管道，其定位成同心地包围所述燃料喷嘴，以便在所述燃料喷嘴和所述一级氧化剂管道之间形成基本均匀的环形一级氧化剂喷嘴，所述一级氧化剂管道具有高度b，所述一级氧化剂喷嘴具有与所述燃料喷嘴的出口端对齐的出口端；以及
从所述燃料喷嘴和氧化剂喷嘴的出口端延伸到火焰端的预燃器，所述预燃器具有长度L和液力直径Dh；
其中，所述预燃器的比L/Dh小于或等于4；以及
其中，尺寸a、b和w在大小上设置成使得在所述喷燃器以0.05至1 MMBtu/hr的燃烧速率运行时，所述一级氧化剂具有200至22000的雷诺数。
2.根据权利要求1所述的氧-燃料喷燃器，其特征在于，w与a的比为2至60。
3.根据权利要求2所述的氧-燃料喷燃器，其特征在于，w与a的比为5至30。
4.根据权利要求1所述的氧-燃料喷燃器，其特征在于，所述燃料喷嘴的宽度w为0.75至3英寸。
5.根据权利要求4所述的氧-燃料喷燃器，其特征在于，所述燃料喷嘴的宽度w为1至2英寸。
6.根据权利要求1所述的氧-燃料喷燃器，其特征在于，所述预燃器的长度L小于4英寸。
7.根据权利要求6所述的氧-燃料喷燃器，其特征在于，所述预燃器的长度L为0.5至2英寸。
8.根据权利要求1所述的氧-燃料喷燃器，其特征在于，所述预燃器具有发散的几何构造，并且在所述预燃器的火焰端处的液力直径与所述燃料喷嘴的液力直径的比为6至10。
9.根据权利要求8所述的氧-燃料喷燃器，其特征在于，所述预燃器具有发散的几何构造，并且在所述预燃器的火焰端处的液力直径与所述燃料喷嘴的液力直径的比为6至7。
10.根据权利要求1所述的氧-燃料喷燃器，其特征在于，进一步包括分级氧化剂喷嘴，所述分级氧化剂喷嘴与所述一级氧化剂管道间隔开，并且平行于所述一级氧化剂管道。
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