CN106197009B - 用于旋转炉的选择性氧-燃料喷燃器和方法 - Google Patents

用于旋转炉的选择性氧-燃料喷燃器和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于安装在旋转炉的填料门中的选择性氧‑燃料喷燃器，包括：至少两个喷燃器元件，各自定向成燃烧到炉的不同部分中，各个喷燃器元件包括构造成使第一反应物流入的选择性分布喷嘴；和构造成使第二反应物流入的比例分布喷嘴；检测与炉操作相关的一个或更多个过程参数的至少一个传感器；以及控制器，其被程序化为基于检测到的过程参数独立地控制通向各个选择性分布喷嘴的第一反应物流，使得至少一个喷燃器元件是活跃的，且至少一个喷燃器元件是不活跃的；其中，第二反应物基本成比例地分布至比例分布喷嘴；且其中，第一反应物是燃料和氧化剂其中之一，且其中，第二反应物是燃料和氧化剂中的另一个。

Description

用于旋转炉的选择性氧-燃料喷燃器和方法
技术领域
本申请涉及在旋转炉中采用一个或更多个氧-燃料喷燃器的系统，以及用于在旋转炉中操作这样的喷燃器的方法，以提供增强的热传递和能量效率。
背景技术
由于随着炉旋转耐火材料与金属槽之间的互相作用，传统旋转炉的熔融性能(例如，再生铝)通常比固定炉更加高效。特别地，随着炉旋转且耐火材料变得浸没于金属槽下方，传递到金属槽上方的耐火材料的热可被传递来传导和约定（convention）。然而，火焰-炉互相作用有时会导致炉中的热和温度的条纹分布(striations)或者不均匀性，尤其是在倾斜的旋转炉中，且尤其是当炉中的未熔融的残余物妨碍火焰朝向炉的尾部透入时。
在传统旋转炉系统中，例如在图7，8和9A-9C中所示的双通道炉中，喷嘴混合的(非预混合或者扩散)喷燃器311安装在炉10的填料门(前端)102中，并且通常燃烧到填料104上方的炉顶部空间106的中心。对于这样的喷燃器311，燃烧(火焰312)在炉100内的有限的长度上发展，该长度限定了火焰长度，火焰结构和能量释放分布。当允许火焰完全和不受阻碍地发展时，如图7中，燃料与氧化剂的混合与燃烧是完全的。由于炉的双通道设计，烟气管道110通常位于门上或者位于紧邻喷燃器311的前端102处。当允许喷燃器311实现充分发展的火焰时，火焰312延伸到炉100的相对(后)端103附近，且之后热的燃烧气体313行进回到烟气管道110，从而为从火焰312到填料104和形成炉壁108衬里的耐火材料的热传递赋予显著的时间和曝露。
然而，当残余物、锭料、或者渣滓的大的块状物105通过双通道旋转熔融炉100来处理时，它们通常会阻碍完整火焰的进展与发展，如图8中所示。当火焰312被阻碍时，其在炉100内产生不完全混合和火焰的不完全发展，这是由于燃料和氧化剂(不完全燃烧产物313)短路至烟气管道110。这又会产生升高的烟气温度以及从炉100中的损失能量。其还会引起炉100中的填料104的不均匀的加热和/或熔融，从而增大由于炉100的前部部分114的过度加热引起的熔融损失的可能性，同时为炉100的后部部分118留下冷点和积聚(导致生产力损失)。典型地，喷燃器311的燃烧率错误地增大来尝试"达到炉100的后部"，这会进一步使问题恶化。
图9A-9C显示了针对其中大的锭料105或者残余物块妨碍火焰发展的情况所得到的CFD建模。如图9A所示，火焰313偏离大的锭料105的前表面，导致最热的燃烧气体保持处于锭料105的前方面，以及炉100的靠近喷燃器311和烟气管道310的前部部分114中，而炉100的中间部分116和后部部分118接收较少的燃烧产物流以及较少的热量。图9B显示了锭料105的前表面（火焰312冲击在此处）非常热，而锭料105的后部以及熔融物相对较冷。图9C显示了炉100的前部部分114热，可能被过度加热，而炉118的后部部分118保持相对较冷。
发明内容
提供了一种选择性喷燃器系统和方法来提高在旋转炉中熔融填料的效率，以及避免可能的过度加热和填料氧化。该喷燃器的构造和操作方法在空间和在时间两者上能够实现最优的热通量传送，从而可实现更均匀的温度分布且可在炉中保持该更均匀的温度分布，且可实现更迅速的周期时间。均匀的热通量通过将热通量引导到合适的位置达一定的时间量来实现，例如由算法确定，基于炉过程参数和/或周期时间，或者基于来自一个或更多个传感器的实时反馈。该喷燃器和方法能够选择性地实现更长且更穿透性的火焰，其可冲击在炉中的填料上，以便提供改进的熔融，同时最小化氧化熔融损失。特别地，多个高动量火焰以循环的方式被引导向填料以及其周围。避免了过度加热，且能量更均匀地分布至固体填料，炉耐火材料，以及熔融槽上方。喷燃器具有多个单独的喷燃器元件，它们或者位于一个壳体中或者分开在不只一个壳体中。各个喷燃器元件具有其自身的处于不活跃状态或者活跃状态的火焰，该火焰可以多种型式和频率来调整，以实现期望的热通量分布。各个活跃火焰与炉中的火焰区域相关联。
特别是对于旋转炉而言，定位在炉的内部或者外部的用于检测与炉相关的多种过程参数的策略性地定位的传感器可用于检测大的未熔融的残余物的存在，以及加热的条纹分布的发展，或者该系统可基于残余物混合(例如，如果残余物具有大的块状物或者小块状物)被预先程序化，以便使用多个相互联系的喷燃器元件来将热量引导到炉中的一个或更多个期望的位置。
现在描述喷燃器系统的多个实施例。
方面1。一种用于安装在旋转炉的填料门中的选择性氧-燃料喷燃器，该喷燃器包括：至少两个喷燃器元件，各自定向成燃烧到炉的不同部分中，各个喷燃器元件包括：构造成使第一反应物流入的选择性分布喷嘴；和构造成使第二反应物流入的比例分布喷嘴；至少一个传感器，以检测与炉操作相关的一个或更多个过程参数；以及控制器，其被程序化为至少部分地基于检测到的过程参数独立地控制通向各个选择性分布喷嘴的第一反应物流，使得至少一个喷燃器元件是活跃的且至少一个喷燃器元件是不活跃的，其中活跃喷燃器元件的选择性分布喷嘴中的第一反应物流大于通向选择性分布喷嘴的平均第一反应物流，而不活跃喷燃器元件的选择性分布喷嘴中的第一反应物流小于通向选择性分布喷嘴的平均第一反应物流；其中第二反应物基本成比例地分布至比例分布喷嘴；且其中，第一反应物是燃料和氧化剂其中之一，且其中，第二反应物是燃料和氧化剂中的另一个。
方面2。方面1的喷燃器，其中，至少两个喷燃器元件中的一个具有基本垂直于填料门的火焰轴线，而该至少两个喷燃器元件中的另一个具有自相对于填料门的垂直起处于非零度角α的火焰轴线；其中角度α等于或者小于大约75°。
方面3。方面1或者2的喷燃器，其中至少一个传感器包括用于检测填料门的过度加热的过度加热传感器，其中当检测到过度加热时，至少一个当前活跃的喷燃器元件被切换到不活跃，同时至少一个喷燃器元件保持活跃或者被切换到活跃。
方面4。方面1或者2的喷燃器，其中，该至少一个传感器包括用于检测一个或更多个排气性质－诸如排气成分－的变化的排气性质传感器，其中，当排气性质指示不完全燃烧时，至少一个当前活跃的喷燃器元件被切换到不活跃，同时至少一个喷燃器元件保持活跃或者从不活跃被切换到活跃。
方面5。方面1或者2的喷燃器，其中，该至少一个传感器包括用于检测填料门的过度加热的过度加热传感器，和用于检测一个或更多个排气性质－诸如排气成分－的改变的排气性质传感器，其中检测到过度加热且排气性质指示不完全燃烧，则至少一个当前活跃的喷燃器元件被切换到不活跃，同时至少一个喷燃器元件保持活跃或者从不活跃被切换到活跃。
方面6。方面1至5中的任一方面的喷燃器，其中，该至少一个传感器包括用于检测炉中存在妨碍火焰发展的固体填料的非接触式传感器，其中固体填料存在于炉中，则至少一个当前活跃的喷燃器元件被切换到不活跃，同时至少一个喷燃器元件保持活跃或者从不活跃被切换到活跃。
方面7。方面1至6中的任一方面的喷燃器，其中，在各个喷燃器元件中，比例分布喷嘴是环形的并且围绕选择性分布喷嘴。
方面8。方面1至7中的任一方面的增强喷燃器，进一步包括：至少一个分级喷嘴，其与各个喷燃器元件间隔开，且构造成使辅助的第二反应物流入；其中，控制器进一步被程序化为控制分级比率小于或者等于大约75%，其中分级比率是包含在辅助的第二反应物流中的第二反应物与总的第二反应物流的比率。
方面9。一种旋转炉，包括：位于炉的一端的填料门和排放端口；和安装在填料门中的氧-燃料喷燃器，该喷燃器包括：至少两个喷燃器元件，它们各自定向成以便燃烧到炉的不同部分中，各个喷燃器元件包括：选择性分布喷嘴，构造成以便流入第一反应物；和比例分布喷嘴，构造成以便流入氧化剂；检测炉中的一个或更多个过程参数的至少一个传感器；和控制器，其被程序化为至少部分地基于检测到的过程参数独立地控制通向各个选择性分布喷嘴的第一反应物流，使得至少一个喷燃器元件是活跃的而至少一个喷燃器元件是不活跃的，其中活跃喷燃器元件的选择性分布喷嘴中的第一反应物流大于通向选择性分布喷嘴的平均第一反应物流，而不活跃喷燃器元件的选择性分布喷嘴中的第一反应物流小于通向选择性分布喷嘴的平均第一反应物流；其中，第二反应物基本成比例地分布至比例分布喷嘴；且其中，第一反应物是燃料和氧化剂其中之一，且其中，第二反应物是燃料和氧化剂中的另一个。
方面10。一种操作旋转炉的方法，该旋转炉具有位于该炉的一端的填料门和排放端口，以及安装在填料门中的氧-燃料喷燃器，该喷燃器具有各自定向成燃烧至炉的不同部分中的至少两个喷燃器元件，各个喷燃器元件包括选择性分布喷嘴和比例分布喷嘴，该喷燃器还具有控制器，其被程序化为独立地控制通向各个喷燃器元件的选择性分布喷嘴的第一反应物流，其中，通向比例分布喷嘴的第二反应物流基本成比例地分布，该方法包括：以氧化剂流率通过各个环形喷嘴流入第二（反应物）；检测炉中的一个或更多个过程参数；至少部分地基于检测到的过程参数将喷燃器元件的至少一个选择为活跃的，以及将喷燃器元件的至少一个选择为不活跃的；通过该至少一个活跃喷燃器元件的选择性分布喷嘴以活跃射流流率流入第一反应物；通过该至少一个不活跃喷燃器元件的选择性分布喷嘴以不活跃射流流率流入第一反应物；以及通过各个比例分布喷嘴基本成比例地流入第二反应物；其中，活跃射流流率大于通过选择性分布喷嘴的平均流率，且不活跃射流流率小于通过选择性分布喷嘴的平均流率；且其中，第一反应物是燃料和氧化剂其中之一，且其中，第二反应物是燃料和氧化剂中的另一个。
方面11。方面10的方法，还包括：检测填料门的过度加热；且当检测到过度加热时，将至少一个当前活跃的喷燃器元件切换到不活跃，同时使至少一个其它喷燃器元件保持活跃或者切换到活跃。
方面12。方面10或者11的方法，还包括：检测至少一个排气性质，诸如排气成分；当排气性质指示不完全燃烧时，将至少一个当前活跃的喷燃器元件切换到不活跃，同时保持至少一个其它喷燃器元件活跃，或者将至少一个其它喷燃器元件切换到活跃。
方面13。方面10到12中的任一方面的方法，还包括：检测至少一个当前活跃的喷燃器元件何时排出冲击炉中的固体填料的火焰；以及将所述至少一个当前活跃的喷燃器元件切换到不活跃，同时使至少一个其它喷燃器元件保持活跃或者将其切换到活跃。
方面14。方面10到13中的任一方面的方法，其中，活跃射流流率与不活跃射流流率的比率为大约5至大约40。
方面15。方面10到14中的任一方面的方法，其中，不活跃喷燃器元件具有大约0.2到大约1的等效比率，且其中，活跃喷燃器元件具有大约1到大约10的等效比率，其中，等效比率是通过分布喷嘴中的一个来燃烧流过分布喷嘴中的另一个的燃料的理论化学计量氧化剂流量与实际氧化剂流量的比率。
本发明的其它方面阐述如下。
附图说明
图1A是具有氧化剂分级的选择性喷燃器的一个实施例的端部透视图。
图1B是没有氧化剂分级的选择性喷燃器的一个实施例的端部透视图。
图2A是用于图1A中的具有分级的选择性喷燃器的实施例的控制示意。
图2B是用于图1B中的没有分级的选择性喷燃器的实施例的控制示意。
图3是用于图1A和1B中的选择性喷燃器的实施例的操作序列示意。
图4是显示了用于选择性喷燃器的两个实施例的喷嘴定向的端视图示意。
图5A(a)-5A(e)是具有分级的选择性喷燃器的多个实施例的端视图。图5A(a)显示了具有由四个沿径向向外倾斜的喷燃器元件围绕的中心分级喷嘴的喷燃器；图5A(b)显示了具有由四个沿着外接圆沿切向倾斜的喷燃器元件围绕的中心分级喷嘴的喷燃器；图5A(c)显示了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，全部都向外倾斜；图5A(d)显示了具有邻近且基本平行于开槽式（slotted）分级喷嘴的主轴的四个共线的喷燃器元件的喷燃器；且图5A(e)显示了一对对齐的平的火焰喷燃器元件和邻近且基本平行于各个喷燃器元件的主轴的一对共线的分级喷嘴。
图5B(a)-5B(f)是没有分级的选择性喷燃器的多个实施例的端视图。图5B(a)显示了具有四个沿径向向外倾斜的喷燃器元件的喷燃器；图5B(b)显示了具有四个沿着外接圆沿切向倾斜的喷燃器元件的喷燃器；图5B(c)显示了具有两个共线的喷燃器元件的喷燃器，各个喷燃器元件远离另一喷燃器向外倾斜；图5B(d)显示了具有以相邻的对、相对于另一相邻对向外倾斜的四个共线的喷燃器元件的喷燃器；且图5B(e)显示了一对对齐的平火焰喷燃器元件。图5B(f)显示了具有多排共线的喷燃器元件的喷燃器。
图5C(a)-5C(d)是没有分级的选择性喷燃器的另外的实施例的端视图。图5C(a)显示了具有四个喷燃器元件的喷燃器，如图16，具有三个共线的喷燃器元件－沿喷燃器轴线方向定向的一个和两侧中的每一侧上的向外倾斜的一个，以及向上倾斜的第四喷燃器元件。图5C(b)显示了具有三个共线的喷燃器元件的喷燃器，一个沿喷燃器轴线方向定向，两侧中的每一侧上有一个向外倾斜。图5C(d)显示了具有两个喷燃器元件的喷燃器：沿喷燃器轴线方向定向的上部喷燃器元件和朝向填料向下倾斜的下部喷燃器元件。图5C(e)显示了具有四个元件的喷燃器，如图16，具有三个共线的喷燃器元件－向下倾斜的中心喷燃器元件，两侧中的每一侧上的向外倾斜的一个（喷燃器元件），以及向上倾斜的第四喷燃器元件。
图6显示了在各个喷燃器元件内的分布喷嘴的多种可行的几何形状。
图7是具有安装在填料门中且以传统的方式燃烧的传统氧-燃料喷燃器的双通道旋转炉的剖面侧视图。
图8是图7中的在炉中具有大的填料块状物的双通道旋转炉的剖面侧视图，显示了冲击在大的块状物上的传统火焰导致燃烧产物短路于烟气之外，可能的过度加热以及大的块状物的收获损失，炉前部部分－包括填料门－的可能的过度加热，以及炉后部部分的不足的加热。
图9A-9C是显示了图8的炉的计算流体动力学仿真的结果的图解，其中，传统火焰冲击在炉中的填料的大的块状物上。图9A是燃烧温度分布，显示了最高的燃烧温度处于块状物的前部面处，此处火焰偏转，且大量的燃烧产物并不会到达炉的后部部分。图9B是填料的温度分布，显示了块状物的前部面－此处发生火焰冲击－上的高温度，块状物的后部部分上的较低温度，以及炉的后部部分中的熔融的填料中的非常低的温度。图9C是炉壁的温度分布，显示了炉的前部部分中的较高的壁温度，炉的后部部分中的较低的壁温度，以及跨过填料的块状物的位置的明显的温度梯度。
图10是具有安装在填料门中的选择性喷燃器的一个实施例的双通道旋转炉的剖面俯视图，显示了火焰冲击在炉中的填料的卡盘(chuck)上。该火焰可由传统喷燃器或者由选择性喷燃器的一个喷燃器元件提供。
图11是具有安装在填料门中的选择性喷燃器的一个实施例的双通道旋转炉的剖面俯视图，显示了火焰被引导来避开炉中的填料块状物以及绕着填料产生燃烧产物流，以便穿过炉的后部部分。该选择性喷燃器具有至少两个喷燃器元件，(每)一个定向成引导火焰朝向炉的各侧。
图12是图11中的具有安装在填料门中的选择性喷燃器的一个实施例的双通道旋转炉的剖面俯视图，显示了当喷燃器元件是活跃的来同时引导火焰朝向炉的两侧时的一种流动型式。
图13是具有安装在填料门中的选择性喷燃器的一个实施例的双通道旋转炉的剖面俯视图，显示了火焰被引导来避开炉中的填料块状物，以及绕着填料产生燃烧产物流，以便穿过炉的后部部分。选择性喷燃器具有至少四个喷燃器元件，（每）两个定向为以不同的角度朝向炉的各侧引导火焰。
图14是图11中的具有安装在填料门中的选择性喷燃器的一个实施例的双通道旋转炉的剖面俯视图，显示了当至少四个喷燃器元件是活跃的以同时朝向炉的两侧以不同的角度引导火焰(两个火焰)时的一种流动型式。
图15A-15C是显示了如图11中具有选择性喷燃器的一个实施例的炉的计算流体动力学仿真的结果的图解，该选择性喷燃器具有当大的填料块状物在炉中时朝向炉的一侧燃烧的一个喷燃器元件；这些图可直接与图9A-9C的用于具有传统喷燃器的炉的仿真结果进行比较。图15A是燃烧温度分布，与图9A的传统喷燃器情况相比，对于选择性喷燃器的情况而言，其显示了最高的燃烧温度沿着块状物的侧面，且进一步延伸回到炉中。图15B是填料温度分布，与图9B的传统喷燃器情况相比，对于选择性喷燃器的情况而言，其显示了在块状物的前部面上没有热点(因为不存在火焰冲击)以及炉的后部部分中的熔融填料中的较高的温度。图15C是炉壁的温度分布，与图9C的传统喷燃器情况相比，对于选择性喷燃器的情况而言，其显示了从炉的前部部分到后部部分的更均匀的壁温度。
图16是具有选择性喷燃器的一个实施例的双通道炉的剖面端视图，该选择性喷燃器具有四个喷燃器元件，一个喷燃器元件布置成引导火焰以便冲击炉中的填料的块状物，两个喷燃器元件布置成绕炉中的填料块状物的任一侧引导火焰，且一个喷燃器元件布置成在炉中的填料块状物上方引导火焰。
图17是具有安装在填料门中的选择性喷燃器的一个实施例的双通道旋转炉的剖面侧视图，该喷燃器具有至少两个喷燃器元件，包括布置成向下将火焰引导到炉的前部部分中的填料上的一个喷燃器元件，和布置成将火焰引导到填料上方的顶部空间中的另一个喷燃器元件。该选择性喷燃器可以三种不同的模式操作：模式A，仅点燃将火焰引导到顶部空间中的喷燃器元件，模式B，仅点燃将火焰向下引导到填料上的喷燃器元件，以便将额外的热供应给在炉的前部部分保持为固体的熔融填料，以及模式C，点燃这两个喷燃器元件。
图18是具有安装在填料门中的选择性喷燃器的一个实施例的双通道旋转炉的剖面侧视图，且显示了可单独地或者组合地使用来控制喷燃器的操作的多个传感器。
具体实施方式
图1A描绘了具有一种反应物的分级的选择性喷燃器10(即，"分级喷燃器")的一个实施例，而图1B描绘了没有任一种反应物的分级的选择性增强喷燃器11(即，非分级喷燃器")的一个实施例。喷燃器10和11各自包括具有面14的本体12，其中，当喷燃器10或者11安装在炉中时(例如在图7中或者图10-15C中或者图17-18中)，面14曝露于炉中的燃烧区。
非分级喷燃器11包括多个喷燃器元件20，它们定向成以便限定外接圆(见图4)，其中喷燃器元件20优选绕着外接圆均等地间隔开。分级喷燃器10还包括定位在该外接圆内的至少一个分级喷嘴30。为了参照的目的，描绘了活跃射流(A)和不活跃射流(P)，以显示活跃射流比不活跃射流具有更大的火焰。
分别在图1A和1B中描绘的喷燃器10和11各自具有四个喷燃器元件20，它们以大致90°间隔隔开。然而，可理解的是，喷燃器10或者11可包括等于或者大于两个的任意数量n的喷燃器元件20。例如，喷燃器10或者11可具有间隔开以便完全地(diametrically)相对(如图5A(d)和5B(d)中所示)的两个喷燃器元件20，或者备选地，以大约120°间隔隔开的三个喷燃器元件20，或者以大约均一的间隔隔开的五个或者更多个喷燃器元件20。还可理解的是，对于一些炉几何形状、构造或操作条件，可能期望具有带有绕着外接圆不均等地间隔开的多个喷燃器元件20的喷燃器10或者11。在另一种备选方案中，取决于炉几何形状和构造，喷燃器10或者11可具有定位成限定圆以外的几何形状－例如椭圆或者不规则多边形－的多个喷燃器元件20。
此外，非分级喷燃器11可包括在炉中的不同位置定位在多个壳体中的两个或者更多个喷燃器元件20，而不是所有喷燃器元件20位于同一个壳体中，但是它们如本文中所述以协调的选择性方式来操作。
图1A的分级喷燃器10具有一个居中定位的分级喷嘴30。然而，可理解的是，可提供多个分级喷嘴30，其中，分级喷嘴30可全部具有相同的大小或者具有不同的大小。此外，取决于炉几何形状，期望的火焰特性，单独的喷燃器元件20的定向，以及其它因素，分级喷嘴(一个或多个)30可在由喷燃器元件20限定的外接圆内定位成偏离中心。分级喷嘴30可为任何形状。
在分级喷燃器10和非分级喷燃器11两者中，各个喷燃器元件20包括由环形的比例分布喷嘴24围绕的选择性分布喷嘴22。选择性地分布的反应物流过选择性分布喷嘴22，而成比例地分布的反应物流过环形的比例分布喷嘴24，其中，一种反应物是燃料，而另一种反应物是氧化剂。在分级喷燃器10中，成比例地分布的反应物的一部分还流过分级喷嘴30。在喷燃器10或者11的一个实施例中，燃料与选择性地分布的反应物一样流过选择性分布喷嘴22，而氧化剂与成比例地分布的反应物一样流过环形的比例分布喷嘴24。在喷燃器10或者11的另一个实施例中，氧化剂是流过选择性分布喷嘴22的选择性地分布的反应物，而燃料是流过环形的比例分布喷嘴24的成比例地分布的反应物。此外，在喷燃器元件20的备选实施例中，比例分布喷嘴24不需要是环形的，而是改为可包括定位成紧邻选择性分布喷嘴22的一个或更多个喷嘴。例如，一个比例分布喷嘴24可在选择性分布喷嘴22附近，或者多个比例分布喷嘴24可定位在选择性分布喷嘴22附近，并且沿着周向围绕选择性分布喷嘴22。在任何构造中，比例分布喷嘴24(或者多个喷嘴24)应当足够靠近选择性分布喷嘴22，使得燃料和氧化剂互相反应并且燃烧来形成稳定的火焰。
在分级喷燃器10中，与分级喷嘴30相比的、通过环形的比例分布喷嘴24引入的成比例地分布的反应物的比例可调节，以便保持稳定的喷燃器操作和/或控制火焰性质，诸如热释放分布。用语"分级比率"表示通过分级喷嘴30的成比例地分布的反应物流的量除以通过组合的分级喷嘴30和环形的比例分布喷嘴24的成比例地分布的反应物流的总量。
如本文中所使用，术语"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，燃料是气态燃料，诸如天然气，但是燃料也可为雾化的液体燃料或者载气中的粉化的固体燃料。如本文中所使用，术语"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，污浊空气(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)，或者基本纯氧(即，具有大约100%氧的气体)。在多个实施例中，氧化剂是具有至少大约23%，至少大约26%，至少大约40%，至少大约70%，或至少大约98%的氧浓度的富氧空气。
选择性分布喷嘴22可为任何形状。图6中显示了可行的示例性形状的子集，包括开槽式喷嘴(图6a)，单槽喷嘴(图6b)，圆形喷嘴(图6c)，以及多孔喷嘴(图6d)。US6,866,503中可找到可行的喷嘴形状的更详细的论述，其通过引用以其整体结合在此处。例如，为了产生具有高辐射传递性质的明亮的火焰，可使用具有小于10的形状因子的选择性分布喷嘴22，而为了产生可具有较低的NOx的非明亮的火焰，可使用具有10或者更大的形状因子的选择性分布喷嘴。明亮模式对于熔融操作而言可为优选的，而非明亮模式对于再加热操作而言可能是优选的。注意高形状因子喷嘴可包括多孔喷嘴。如在US6,866,503中详细描述的，形状因子σ限定为周长P的平方除以截面面积A的2倍，或者以等式项表示为：
σ=P2/2A。
如上文所述，图2A显示了用于分级喷燃器10的简化的控制示意，而图2B显示了用于非分级喷燃器11的简化的控制示意。第一流体F1以由控制阀23控制的总流率被供应至选择性分布喷嘴22。通向各个选择性分布喷嘴22的第一流体F1的流被单独地控制。在一个实施例中，各个选择性分布喷嘴22上游的控制阀26在高流量与低流量位置之间被调整，高流量与低流量位置分别对应于包含该选择性分布喷嘴22的喷燃器元件20的活跃状态和不活跃状态。在一个备选实施例中，控制阀26定位成与旁路通道27并联。在该实施例中，控制阀26在打开位置与闭合位置之间调整，打开位置与闭合位置同样分别对应于喷燃器元件20的活跃状态和不活跃状态，而旁路通道27允许较小量的流绕过控制阀26，使得第一流体F1的一些始终流到选择性分布喷嘴22，即便是在不活跃状态下。通向各个选择性分布喷嘴22的流率可设定为使得通向各个选择性分布喷嘴22的第一流体F1的活跃状态流率可不同或者相同，且通向各个选择性分布喷嘴22的第一流体F1的不活跃状态流率可不同或者相同，这取决于特定的炉或者应用的要求。
（两种布置中的）任一种布置的效果是在相对较高的活跃流率与相对较低的不活跃流率之间调整通过选择性分布喷嘴22的流。例如，活跃流率可限定为大于通向选择性分布喷嘴22的平均流率的流率，而不活跃流率可限定为小于通向选择性分布喷嘴22的平均流率的流率。平均流率通过用第一流体F1的总流率除以选择性分布喷嘴22/喷燃器元件20的总数量n来确定。可使用活跃流率与不活跃流率之间的其它关系，其中活跃流率总是大于不活跃流率。
无论如何确定活跃和不活跃流率，不活跃流率必须大于零流量。不活跃流率足以维持各个喷燃器元件20中的燃烧，以便提供当喷燃器元件20从不活跃状态被切换到活跃状态时立即点火的机制。非零的不活跃流率还保护选择性分布喷嘴22免受外来材料的进入。在一个实施例中，不活跃流率小于或者等于活跃流率的一半。在另一个实施例中，活跃流率与不活跃流率的比率至少为大约5且不大于大约40。在另外的又一实施例中，活跃流率与不活跃流率的比率至少为大约15且不大于大约25。
第二流体F2被供应至环形的比例分布喷嘴24。控制阀28控制通向环形的比例分布喷嘴24的第二流体F2的总流率，且歧管29在n个环形的比例分布喷嘴24上大致均等地分布该流。
在分级喷燃器10(图2A)而非在非分级喷燃器11(图2B)中，第三流体F3被供应至分级喷嘴30，且第三流体F3的流率由控制阀32控制。该分级喷嘴30可包括漩涡叶片或者其它机构(未显示)来为离开分级喷嘴30的第三流体F3赋予漩涡。赋予第三流体F3的漩涡将导致该流体射流破断，这可有助于由活跃射流(一个或多个)夹带第三流体F3射流。然而，强烈的漩涡是不合乎需要的，因为其可支配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，或者燃料或者氧化剂。例如，当第一流体F1是燃料时，第二流体F2和第三流体F3各是氧化剂，而当第一流体F1是氧化剂时，第二流体F2和第三流体F3各是燃料。在一个实施例中，第二流体F2和第三流体F3是不同的流体，即，各自具有相同的反应物(燃料或者氧化剂)但是浓度不同。在这种情况下，控制阀28和控制阀32必须是分开的阀来控制两个流体F2和F3。在一个备选的实施例(未显示)中，当第二流体F2和第三流体F3是具有相同浓度的相同反应物的相同流体时，可使用分级阀来代替控制阀28和控制阀32，以便将一部分流大致均等地分布至n个比例分布环形喷嘴24，以及将剩余的流分布至分级喷嘴30。
在所描绘的图2A和2B的实施例中，通向各个环形的比例分布喷嘴24的第二流体F2的流率并非独立地受控制的。结果，当控制阀28打开时，各个环形的比例分布喷嘴24总是流出大约第二流体F2的平均流率。该平均流率通过第二流体F2的总流率除以环形的比例分布喷嘴24/喷燃器元件20的总数量n来确定。备选地，通向各个环形的比例分布喷嘴24的第二流体F2的流率可独立地受控制。
在图2A和2B所描绘的实施例中，因为通向各个环形的比例分布喷嘴24的第二流体F2的流率大约相同，各个喷燃器元件20在化学计量的任一侧操作，这取决于喷燃器元件20此时是活跃的还是不活跃的。当喷燃器元件20处于活跃状态，该喷燃器元件20偏离化学计量来操作，且有时在一个方向上彻底偏离化学计量，而当喷燃器元件20处于不活跃状态时，该喷燃器元件20偏离化学计量操作，且有时在相反方向上彻底偏离化学计量。例如，当第一流体F1是燃料且第二流体F2是氧化剂时，处于活跃状态的喷燃器元件20将以富燃料方式操作，而处于不活跃状态的喷燃器元件20将以贫燃料的方式操作。备选地，当第一流体F1是氧化剂且第二流体F2是燃料时，活跃状态的喷燃器元件20将以贫燃料方式操作，而处于不活跃状态的喷燃器元件20将以富燃料方式操作。然而，因为燃料和氧化剂的总流量由控制阀23和28(且还由分级控制阀32)控制，喷燃器10的总体化学计量保持相同，不管哪个以及几个喷燃器元件20处于活跃状态与不活跃状态。
各个喷燃器元件20操作所处的化学计量可由等效比率表征。对于给定的燃料流率，等效比率确定为理论化学计量氧流量与实际氧流量的比率。对于100%氧的氧化剂而言，氧流量等于氧化剂流量。对于氧百分比X小于100%的氧化剂而言，氧化剂流中的氧流量通过用氧化剂流率除以氧百分比X来确定；例如，为了满足使用含有40%氧的氧化剂的100SCFH的氧需求，需要250SCFH的氧化剂。
以下论述涉及这样的实施例：其中，第一流体F1是燃料而第二流体F2是氧化剂(非分级喷燃器)，以及其中第一流体F1是燃料且第二流体F2和第三流体F3两者都是氧化剂(分级喷燃器)。当喷燃器元件20处于不活跃状态时，等效比率小于大约1，且优选至少大约0.2。这表示不活跃喷燃器元件20以贫燃料方式操作，以完整燃烧所需要的氧的多达5倍来操作。相反，当喷燃器元件20处于活跃状态时，等效比率大于大约1，且优选不过大约10。这表示活跃喷燃器元件20以富燃料方式燃烧，以完整燃烧所需要的氧的少至10%来操作。
在分级喷燃器的情况下，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的比例分布喷嘴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是氧化剂时，分级比率是由分级喷嘴30提供的氧量除以由组合的分级喷嘴30和环形的比例分布喷嘴24提供的氧的总量。如果第二流体F2和第三流体F3是相同流体(即，具有相同的氧浓度)，则分级比率简单地为第三流体F3流率除以第二流体F2流率和第三流体F3流率之和。但是如果第二流体F2和第三流体F3是不同流体(即，分别具有不同的氧浓度X2和X3)，则将浓度差考虑在内将分级比率计算为X3F3/(X2F2+X3F3)，如本领域技术人员将理解的那样。
分级喷燃器10优选以等于或者小于大约75%的分级比率操作。例如，当氧化剂是分级的时，即，当第二流体F2和第三流体F3是氧化剂时，通向喷燃器10的氧的至少大约25%流过环形的比例分布喷嘴24，且该氧的不超过大约75%流过分级喷嘴30。更优选的，分级喷燃器10以等于或者小于大约40%的分级比率操作。此外，如上所述，由于喷燃器元件20中的各个的活跃或者不活跃操作，在一时间上活跃的一个或更多个喷燃器元件20以与化学计量相比过量的第一流体F1操作，而同时不活跃的一个或更多个喷燃器元件20以与化学计量相比过量的第二流体F2操作，从而即便是不考虑由分级喷嘴30提供的第三流体F3也提供一定量的分级。
此外，即便非分级喷燃器11也以一些"分级"量来操作，其中活跃喷燃器元件20以富含第一流体F1的方式操作，而不活跃喷燃器元件以贫第一流体F1的方式操作，使得来自活跃的喷燃器元件20的第一流体F1中的一些以更延迟和漫散的方式与来自不活跃的喷燃器元件20的第二流体F2中的一些燃烧。例如，当第一流体F1是燃料而第二流体F2是氧化剂时，活跃喷燃器元件20是富燃料的，且过量燃料中的一些与来自不活跃喷燃器元件20（其为贫燃料的）的过量氧化剂燃烧。
离开活跃的选择性分布喷嘴22的第一流体F1具有活跃射流速度，该速度由第一流体F1流率和选择性分布喷嘴22的截面面积确定。离开环形的比例分布喷嘴24的第二流体F2具有环形的射流速度，其由第二流体F2流率和环形的比例分布喷嘴24的截面面积确定。在分级喷燃器10中，离开分级喷嘴30的第三流体F3具有由第三流体F3流率和分级喷嘴30的截面面积确定的分级射流速度。对于分级喷燃器10和非分级喷燃器11两者而言，活跃射流速度优选大于环形的射流速度。
此外，对于分级喷燃器10的最优性能而言，分级射流速度应当小于或者等于活跃射流速度，且大于或者等于大约0.05倍的活跃射流速度。在一个实施例中，分级射流速度与活跃射流速度的比率小于或者等于大约0.4。在另一个实施例中，分级射流速度与活跃射流速度的比率大于或者等于大约0.1。
在竖直燃烧布置(顶部安装)中测试的一个示例性实施例中，通过活跃的选择性分布喷嘴22的第一流体F1射流速度至少为大约250ft/s，且优选至少为大约300ft/s，且通过不活跃的选择性分布喷嘴22的速度为活跃射流速度的大约20%。对于水平的燃烧布置，活跃射流速度可显著更低，因为存在较少的对抗浮力效应以避免喷燃器部件过度加热的需求。
所有控制阀23，26，28和32都连接到控制器190且由控制器190控制，控制器190特别地程序化为或者构造为操作喷燃器10。控制器190可包括传统电子构件，诸如CPU，RAM，ROM，I/O装置，且控制器190的程序化或者构造可通过硬件、固件、软件以及任何其它现在已知或者以后开发的用于将操作指令程序化到控制器中的机构的一个或更多个的组合来实现。
如上所述，流体F1和F2其中之一必须为或者必须包含燃料，而流体F1和F2中的另一个必须为氧化剂或者必须包含氧。在分级喷燃器10中，第三流体F3应当为与第二流体F2相同类型的流体(燃料或者氧化剂)。燃料可为气态燃料，液体燃料，或者气态载体中的粉化的固体燃料。在非分级喷燃器11的一个实施例中，F1是燃料而F2是氧化剂。在分级喷燃器10的一个实施例中，F1是燃料而F2和F3是氧化剂。在这种情况下，F2和F3可为相同的氧化剂，或者F2和F3可为不同的氧化剂。例如，在一个优选的实施例中，对于分级喷燃器10或者非分级喷燃器11而言，F1是气态燃料，诸如天然气，F2是具有等于或者大于大约70%的氧浓度的氧化剂。对于该实施例中的分级喷燃器10，F3是具有等于或者大于大约20.9%的氧浓度的氧化剂。在另一相似的实施例中，F1是气态燃料，诸如天然气，F2是具有大于空气中氧浓度的氧浓度的氧化剂，且在分级喷燃器形式中，F3是空气。
在一个备选的实施例中，F1是氧化剂，而F2(以及在分级的情况中的F3)是燃料。在这种情况下，F1具有等于或者大于大约26%、优选等于或者大于大约40%，且更优选等于或者大于大约70%的氧浓度。
图3显示了用于图1A和1B中所示的喷燃器10和11的实施例的一种可行的操作序列。为了论述的目的，四个喷燃器元件20标记为a，b，c和d。如图所示，在一个时间仅一个喷燃器元件20是活跃的，而其余的喷燃器元件20是不活跃的，且当之前活跃的喷燃器元件20返回至不活跃状态时，各个喷燃器元件20被依次地切换至活跃状态。
特别地，在所描绘的实施例中，喷燃器元件20a是活跃的，同时喷燃器元件20b，20c和20d是不活跃的。换言之，各个喷燃器元件20中的各个环形的喷嘴24接收大约相等的第二流体F2流，且仅喷燃器元件20a中的选择性分布喷嘴22在接收较高的活跃第一流体F1流，同时其它喷燃器元件20b，20c和20d中的选择性分布喷嘴22在接收较低的不活跃的第一流体F1流。这会产生从活跃喷燃器元件20a发出的相对较长的穿透火焰，以及从不活跃喷燃器元件20b，20c和20d发出的较短的(引导)火焰。如描绘的实施例中进一步示出的，当喷燃器元件20b变得活跃时，喷燃器元件20a返回不活跃状态，而喷燃器元件20c和20d保持不活跃。接下来，当喷燃器元件20c变得活跃时，喷燃器元件20b返回不活跃状态而喷燃器元件20d和20a保持不活跃。最终，当喷燃器元件20d变得活跃时，喷燃器元件20c返回不活跃状态，而喷燃器元件20a和20b保持不活跃。
图3中所示以及上文所述的序列仅仅是本质上无限的变化中的其中之一。在一种非限制性实例中，一个喷燃器元件20在诸如a-b-c-d或者a-b-d-c或者a-c-b-d或者a-c-d-b的重复序列中在一个时间是活跃的。在另一个非限制性实例中，一个喷燃器元件20在随机序列中的一个时间是活跃的。在另外的又一非限制性实例中，一个喷燃器元件20在一个时间上是活跃的，但各自活跃或者相同或者不同的时间长度。
此外，在其它实例中，在一个时间，不只一个喷燃器元件20是活跃的。例如，对于具有三个或者更多个喷燃器元件20的喷燃器10而言，两个喷燃器元件20可为活跃的，而其它的不活跃。大体而言，对于具有n个喷燃器元件的喷燃器10而言，从1到n-1个的任何数量的喷燃器元件可为活跃的，而其它的不活跃。
各个喷燃器元件20可基于预先程序化的时间序列，根据预定算法，根据随机序列，取决于炉条件，或者与炉中的其它循环或者周期性事件同步从不活跃切换到活跃状态。一个或更多个传感器195可位于炉中，以便感测可与确定需要更多或者更少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定时，可使得定向成在该温度传感器的区域中加热炉的喷燃器元件20更频繁地活跃或者活跃更长的时间段。或者如果温度传感器检测到填料或者炉的一部分正接受不足的热量，则定位在炉的该部分附近的或者朝向填料的该部分倾斜的一个或更多个喷燃器元件20可被切换至活跃状态，同时炉的接收过量的热的部分中的喷燃器元件20可被切换成不活跃状态。具体的关于再生炉，温度传感器，诸如光学传感器，可检测炉的多个部分中的填料的温度，以及检测需要额外的热量的区域，诸如全部或者部分冷点122，且可使得目标为那些区域的喷燃器元件20活跃更长的时间段，或者更频繁地活跃，以便提高那些区域的温度。
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者RTD，或者非接触式传感器-诸如红外传感器，辐射传感器，光学传感器，摄像机，颜色传感器，或者本领域技术人员可获得的其它传感器。其它类型的传感器也可用于指示炉中的熔融或者加热的水平，包括但不限于近程传感器(例如，以便感测还须熔融的固体填料的接近)或者电导传感器(例如，以便检测与不良地互连的固体的块状物相比的液体的更高导电性)。
可通过如本文中所述操作喷燃器10或者喷燃器11来实现若干优点。因为热量可优先地引导到若干位置，以及引导更长的或者更短的时间段，可识别和消除炉中的冷点，从而导致更均匀的加热和熔融。特别是对于如图7或者图15中所示的竖直燃烧布置(即，顶部安装的喷燃器指向下方)，以少于所有喷燃器元件20处于活跃模式来操作喷燃器会减少或者消除浮起的火焰的危害，从而避免喷燃器部件以及炉顶的过度加热。由活跃喷燃器元件20导致的富燃料燃烧（其中通过环形的比例分布喷嘴24提供的氧显著地小于通过选择性分布喷嘴22提供的燃料所需的化学计量氧）会在熔融槽附近产生非氧化气氛，以帮助保护填料免于不合乎需要的氧化。此外，在重复循环型式中激活喷燃器元件20可用于产生涡旋加热型式，该涡旋加热型式会增大燃烧气体的停留时间，增大热传递率，以及改进加热的均匀性，如例如US2013/00954437中所示。此外，喷燃器元件20的选择性激活以及分级比率的变化可用于调节从燃烧反应发出的最大热通量的位置，以及调节火焰覆盖范围来适应不同的炉几何形状、条件以及填料水平。
分级喷燃器10和非分级喷燃器11的多个可行的构造包括图5A和5B中所示的那些。在图5A(a)和5B(a)所示的类型的实施例中，喷燃器元件20中的一个或更多个可从由喷燃器元件20界定的圆、或者从垂直于喷燃器部件12的轴线或者由分级喷嘴30限定的轴线以角度α沿径向向外倾斜。虽然所描绘的实施例显示了全部四个喷燃器元件20以相同的角度α沿径向向外倾斜，但可理解的是各个喷燃器元件20可以不同角度αn倾斜，这取决于炉几何形状以及喷燃器10的期望的操作特性。角度α可等于或者大于大约0°且优选为非零度，且等于或者小于大约75°(或者，换言之，从喷燃器面14的平面测量的互补角度为从大约15°到大约或者略小于90°)。优选地，角度α等于或者小于大约60°。更优选地，角度α至少为大约10°且不大于大约40°。
在图5A(b)和5B(b)中所示的类型的实施例中，一个或更多个喷燃器元件20可以角度β与外接圆相切地倾斜，以便产生漩涡。虽然所描绘的实施例显示了全部四个喷燃器元件20以相同角度β相切地倾斜，可理解的是，各个喷燃器元件20可取决于炉几何形状和喷燃器10的期望的操作特性以不同角度βn倾斜。角度β可等于或者大于大约0°，且优选等于或者小于大约60°。更优选地，角度β至少大约10°且不大于大约40°。
在图5A(c)和5B(d)中所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，以便限定具有中点和末端的线。虽然显示了四个喷燃器元件20，但该实施例可用于具有至少两个喷燃器元件20(例如，如图5B(c)中所示用于非分级喷燃器)以及多达特定的炉中所可能需要的那么多的喷燃器元件20的构造。在分级喷燃器中，分级喷嘴30位于相邻的各对喷燃器元件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的布置具有位于这两个喷燃器元件20之间的一个分级喷嘴30，且具有三个喷燃器元件20的布置具有两个分级喷嘴30，它们各自位于一对相邻的喷燃器元件20之间。喷燃器元件20可全部定向成垂直于喷燃器面14，或者一些或全部喷燃器元件20可从线中点朝向线末端其中之一以小于或者等于大约45°的角度γ向外倾斜。类似地，分级喷嘴30可定向成垂直于喷燃器面14，或者一些或全部分级喷嘴30可沿着线沿着一个方向或者另一方向倾斜。在所描绘的该实施例中，中心分级喷嘴30定向成垂直于喷燃器面14，而一系列三个共线的元件－喷燃器元件20，分级喷嘴30和另一喷燃器元件20－相反地定位在两侧，且远离中心分级喷嘴30并朝向它们的线的相应末端倾斜。
在图5A(d)和5B(d)中所示的类型的实施例中，多个喷燃器元件20彼此共线地定位，以便限定具有中点和末端的线。虽然显示了四个喷燃器元件20，但该构造可应用于具有至少两个喷燃器元件20以及直至特定的炉中可能需要的那么多的喷燃器元件20的构造。在分级喷燃器中，具有副轴的至少1.5倍长的主轴的细长的或者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间隔开固定的距离，其中主轴基本平行于喷燃器元件20所限定的线。喷燃器元件20可全部定向成垂直于喷燃器面14，或者一些或全部喷燃器元件20可从线中点朝向线末端其中之一以小于或者等于大约45°的角度γ向外倾斜。
在图5A(e)和5B(e)中所示的类型的实施例中，各个喷燃器元件20具有平火焰构造，其中选择性分布喷嘴22和环形的喷嘴24两者都具有细长的或者大体矩形的构造，该构造具有为副轴的至少1.5倍长的主轴。例如在US5,611,682中详细描述了这种类型的平火焰喷燃器。在分级喷燃器中，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，并且大体共线地定向，以便限定基本平行于喷燃器元件20的主轴的线。在该构造中使用了至少两个喷燃器元件20。
图5A和5B中的上述构造中的任一个中，选择性操作方案可与以上针对图1A和1B的构造所述的方案类似地实施。具体而言，在任何给定的时间，至少一个喷燃器元件20在活跃状态下操作，其中，通过活跃选择性分布喷嘴22的流体流大于通过所有选择性分布喷嘴22的平均流体流，而至少一个喷燃器20以不活跃级来操作，其中通过不活跃的选择性分布喷嘴22的流体流小于通过所有选择性分布喷嘴22的平均流体流。
图10、11A、11B、12、13和14显示了可使用喷燃器11―例如如图5C(a)，图5C(b)，或图5C(c)中所示的喷燃器，其具有大体沿着喷燃器11的轴线方向(即，大体垂直于喷燃器面14)而定向的中心喷燃器元件20，和至少一对对称的侧喷燃器元件20，其具有沿侧向定位在中心喷燃器元件20的任一侧上且向外倾斜的一个喷燃器元件20―实现的多种操作模式。在诸如图5C(c)中的实施例中，更靠近中心喷燃器元件20的内部的一对倾斜喷燃器元件20可以比离中心喷燃器元件20较远的外部的一对倾斜喷燃器元件20以更浅的角度向外倾斜。类似地，诸如图11和12中所示的操作模式可使用如图5B(c)，(d)，5B(e)，5B(f)，5C(b)或5C(c)中所示的喷燃器11来实现，而诸如图11，12，13和14中所示的操作模式可使用如图5B(d)，5B(f)或5C(c)中所示的喷燃器11来实现。例如，从喷燃器轴线方向测量，内部的一对可以从大约10°到大约45°、且优选从大约15°到大约30°的第一角度α向外倾斜，而外部的一对可以从大约15°到大约75°、且优选从大约30°到大约60°的第二角度α向外倾斜。
此外，若干喷燃器元件可以不同角度向下朝向填料倾斜。中心喷燃器元件20可大体平行于喷燃器轴线(或者大体垂直于喷燃器面14)，而内部的一对倾斜喷燃器元件20可以从大约0°到大约60°的第一角度θ向下倾斜，而外部的一对倾斜喷燃器元件20可以从大约0°到大约60°的第二角度θ向下倾斜。在一个实施例中，内部的一对倾斜喷燃器元件20以从大约30°到大约60°向下倾斜，以便能够加热保持处于炉中、填料门附近的固体填料，而外部的一对喷燃器元件20以从大约10°到大约45°向下倾斜，以便沿着炉侧壁冲击填料表面。
在图10中的第一操作模式(模式1)中，仅中心喷燃器元件20是活跃的，而多个倾斜喷燃器元件20是不活跃的。该模式与图7的现有技术模式相同，且产生单个火焰112。如果在炉100的中央存在填料105的大的块状物(或者多个相当大的固体填料块)，如图所示，则来自活跃的中心喷燃器元件20的火焰112将冲击块状物105，且之后选择最小阻力的路径，使燃料和氧化剂(不完全燃烧产物)113短路到烟气管道110外。这会导致炉100中的不均匀的热分布，其中炉100的前部部分114被过度加热，烟气温度升高，且炉100的后部部分118较冷。在从火焰112到锭料105的热传递由于直接冲击而较高的同时，这可导致诸如过度加热和氧化的问题。可能的过度加热和在以模式1操作的同时由于炉100的中心中的填料引起的问题可通过测量填料门102的温度，烟气管道110的温度，炉100的后部部分118中的温度，和/或一个或更多个排气性质－诸如烟气的排气成分来检测。因此，虽然该操作模式对于火焰冲击固体填料而言在短的时间段上可能是有利的，但当填料门102和/或烟气管道110显示过度加热的迹象和/或炉100的后部部分118中的温度显示加热不足的迹象时，合乎需要的将是将中心喷燃器元件20切换到不活跃，以及将一个或更多个其它喷燃器元件20切换到活跃。
在图11A和11B中的第二操作模式(模式2A或者模式2B)中，中心喷燃器元件20是不活跃的，而倾斜喷燃器元件20中的一个是活跃的，以产生倾斜火焰112a。在一个实例中，在图5C(b)中的喷燃器11中，如图所示，一个喷燃器元件20是活跃的，而两个喷燃器元件20是不活跃。备选地，在另一个实例中，在图5C(c)中的喷燃器11中，一个喷燃器元件20是活跃的，而四个喷燃器元件20是不活跃。其它示例性喷燃器11可用于产生相同火焰型式。注意到在该模式中，中心喷燃器元件20还可在活跃和不活跃之间循环，同时保持外部喷燃器元件20处于它们的相同状态。该操作模式允许活跃火焰112a，112b绕过炉100中心的固体填料105，使得热量可到达炉100的后部部分118。如图11A和11B所示，燃烧产物113a，113b的循环可沿着炉壁108且绕着固体填料105在任一方向上产生，以提供在整个炉100内对填料104，105和炉壁108两者的良好的热传递、对流热传递。与单独具有火焰112的模式1相比，另外的火焰112a，112b到炉100中的透入大大改善，且炉100的总体呼吸（breathing）(从喷燃器11通过炉顶部空间106到烟气管道110的流动)得以改善。此外，通过在模式2A与模式2B之间来回循环，可实现高水平的炉温均匀性。
图9A-9C和15A-15C显示了连续地以模式1(图9A-9C)操作的图7中的现有技术系统的温度图与以模式2A(图15A-15C)进行的系统操作的温度图的比较。比较图9A与图15A显示了在模式2A中，与模式1相比，实现了更高的火焰温度，因为模式2a中的火焰被赋予了空间来在固体填料105与炉壁108之间充分地发展，而不是如模式1中那样被短路。
结果，比较图9B与图15B显示了在模式2A中，与其中固体填料105的前部被过度加热且填料104，105的剩余部分比较冷的模式1相比，固体填料105的前部并未被过度加热，同时显著更多的热量到达了固体填料的后部以及炉的后部部分118中的熔融填料104。
类似地，比较图9C与图15C显示了在模式2A中，与其中仅炉壁108的前部部分112是热的而炉壁108的后部部分118是冷的模式1相比，炉壁温度穿过整个炉100比较均匀，具有火焰冲击在壁108上处的略热点。
因此，通过以模式2A或者模式2B操作，可实现固体填料加热和熔融、填料温度均匀性(且因此来自过度加热的填料减少损失)，以及炉壁温度均匀性(以及因此更均匀的和更迅速的填料盖帽(hating))的巨大的改进。此外，通过在模式1与模式2A/2B之间循环，可基于多个感测的过程参数实现两种模式的益处，以便优化炉中的填料的熔融和加热率，同时减小由于过度加热引起的产物损失和耐火材料损坏。
在图12中的第三操作模式(模式3A)中，一对倾斜的侧喷燃器元件20两者都同时活跃，而中心喷燃器元件20是不活跃的，从而在炉100的两侧上产生两个对称的倾斜火焰112a和112b。该模式仍然容许各个火焰112a，112b有足够的空间来充分发展，并且与单独地或者顺序地使用模式2a或者模式2b相比，可导致更快的加热时间。
在图13A和13B中的、使用图5B(d)，5B(f)或5C(c)中的喷燃器的第二操作模式的一种变体(模式2C和2D)中，中心喷燃器元件20是不活跃的，同时两对对称的侧喷燃器元件20的倾斜喷燃器元件20其中之一是活跃的。如图所示，炉的同一侧上的两个倾斜喷燃器元件20是活跃的，而中心喷燃器元件20和炉的另一侧上的两个倾斜喷燃器元件20是不活跃的。在模式2C中，这在炉100的一侧上产生了两个不同地倾斜的火焰112a和112c，而在模式2D中，这在炉100的相反侧上产生了两个不同地倾斜的火焰112b和112d。注意在这些模式中，中心喷燃器元件20也可在活跃和不活跃之间循环，同时保持其它的喷燃器元件20处于它们的相同状态。如在模式2A/2B中，操作模式2C/2D容许活跃火焰绕过炉100的中心中的固体填料105，从而热量可到达炉100的后部部分118。如图13A和13B所示，燃烧产物113的循环可沿着炉壁以及绕着固体填料在两个方向中的任一个上产生，以便在整个炉中提供对填料和炉壁二者的良好的热传递-对流热传递。与模式1相比，火焰到炉中的透入大大改善，且炉的总呼吸(从喷燃器通过炉到达烟气管道的流动)得以改善。此外，通过在模式2C和模式2D之间来回循环，可实现高水平的炉温度均匀性。此外，内部和外部倾斜喷燃器元件20以不同角度向下倾斜，与火焰112c和112d相比，火焰112a和112b可瞄准可能未熔融的填料的不同区域，其中一组喷燃器倾斜，以便与其它部分相比，冲击更靠近炉100的前端102的填料。
在图14中的第三操作模式的变型(模式3B)中，两对倾斜的侧喷燃器元件20同时是活跃的，而中心喷燃器元件20是不活跃的。该模式仍然容许各个火焰有充足的空间来充分发展，并且可产生比单独地或者顺序地使用模式2c或者模式2d更快的加热时间。如图所示，火焰112a，112b，112c和112d同时是活跃的。
图16显示了图5C(a)或者图5C(e)中的喷燃器11的端视图-从炉100的后端103观察、朝向填料门102看去，并且显示了来自各个喷燃器元件20的火焰120，122a，122b，124的投射的截面。该喷燃器11具有：定向成产生将冲击炉100的中心中的固体填料105的火焰120的中心喷燃器元件20；中心喷燃器元件20的两侧上的一对对称的倾斜喷燃器元件20，以产生被引导到炉100的中心中的固体填料105与炉壁108之间的区域中的火焰122a和122b；以及上部喷燃器元件20，位于中心喷燃器元件20上方，且倾斜来将火焰124引导到炉100中的固体填料105顶部上方。该喷燃器11可按照以上讨论的模式中的任一种操作，其中一个、两个或者三个喷燃器元件20的任意组合在任一时间是活跃的，而其它喷燃器元件20是不活跃的。
图17显示了具有相对于填料处于不同角度的喷燃器元件20的喷燃器11的三种操作模式。图5C(d)中显示了一个这样的示例性喷燃器，其中上部喷燃器元件20定向成产生保持处于填料104上方的顶部空间中的火焰212a，而下部喷燃器元件20定向成产生向下倾斜以便冲击在填料104上（且尤其是冲击在可积聚在填料门102附近的任何剩余的固体填料115上）的火焰212b。其它喷燃器构造，包括图5B(a)-5B(f)和5C(a)-5C(c)中的那些构造，可被构造成也以这些模式操作。这样的喷燃器11可以三种模式操作：模式4A，其中上部喷燃器元件20是活跃的，以便产生火焰212a；模式4B，其中下部喷燃器元件20是活跃的，以便产生火焰212b；以及模式4C，其中，上部和下部喷燃器元件20两者都是活跃的(且其中，喷燃器11具有至少一个不活跃的其它喷燃器元件20)，以便产生火焰212a和212b两者。模式A可用于大体将能量传送到炉，且特别是传送到熔融槽，而模式B可用于将额外的能量传送到位于填料门附近的任何固体残余物，而模式C结合了模式A和B的特点。
选择性分级喷燃器10或者非分级喷燃器11可包括在炉100中或者共同定位(在一个或更多个壳体中)或者位于不同位置处(在两个或者更多个单独的壳体中)、且如本文所述以选择性方式操作的两个或者更多个喷燃器元件20的组合。
控制器190构造成且被程序化为以便基于来自构造成检测炉中的一个或更多个过程参数的一个或更多个传感器的输入，来同步化喷燃器11中的相应喷燃器元件20的选择性活跃/不活跃燃烧。那些过程参数可包括而不限于，且以任何组合包括：填料门温度，烟气温度，烟气成分，或者其它烟气性质诸如光学性质，炉后部温度(炉的后部部分中)，炉壁温度（内部、嵌入或者外部），从批熔融过程起开始经过的时间，氧化剂和/或燃料供应压力，以及前面的参数中的任一个随时间的变化。
取决于过程参数，控制器190将一个或更多个喷燃器元件20设定或者保持在活跃模式中，且将一个或更多个喷燃器元件20设定或者保持在不活跃模式中。更具体地，如上所述，成比例地分布的反应物-第二流体F2-的流率在各个喷燃器元件20的环形的喷嘴24中保持恒定，而选择性地分布的反应物-第一流体F1-的流率被调整到通过指定为活跃的至少一个喷燃器元件20的分布喷嘴22的较高的活跃流率，以及被调整到通过指定为不活跃的至少一个喷燃器元件20的分布喷嘴22的较低的不活跃流率。控制器反复地执行此例行程序，从而当过程改变时，喷燃器元件20可响应而被切换，使得在一些情况下，之前不活跃的喷燃器元件20变得活跃而之前活跃的喷燃器元件20变得不活跃。然而，注意，在一些过程条件下，一个或更多个喷燃器元件20可持续地保持活跃和/或一个或更多个喷燃器元件20可持续地保持不活跃。
在喷燃器10或者11的一个实施例中，第一流体F1是燃料，而第二流体F2是氧化剂。优选氧化剂是至少26%分子氧，至少40%分子氧，至少70%分子氧，至少98%分子氧，或者商用纯氧。因此，处于活跃模式的喷燃器元件20中的各个以富燃料(即，等效比率大于1且直至大约10)操作，而处于不活跃模式的喷燃器元件20中的各个以贫燃料(即，等效比率小于1且低至大约0.2)操作。
如上所述，选择性喷燃器操作策略包括使喷燃器循环经过多种不同模式，其可基于或者预定的频率，或者基于炉的需要的时间加权的旋转，炉的需要或者手动地(例如通过炉操作者)确定，或者通过检测炉的能量分布需要的策略性地定位的传感器以自动的方式确定。
检测和控制是旋转炉中的熔融过程中选择性喷燃器的成功实施和其优点的实现的关键方面。
可采用多种检测方法和传感器，如例如图18中所示。虽然显示了若干不同传感器，但它们中的任一个都可由控制器190单独地使用或者结合其它传感器来使用，以便决定如何为各种喷燃器元件的操作在时间上以及在空间上分配权重。传感器可包括以下中的一个或更多个：(a)安装在填料门102中的一个或更多个温度传感器150，诸如热电偶或者非接触或者光学传感器(例如，UV和/或IR传感器)，其可用于检测表示炉中的固体妨碍火焰发展的炉的前部部分114中的升高的温度；(b)安装在烟气管道110中的一个或更多个温度传感器154，诸如热电偶或者非接触或者光学传感器(例如，UV和/或IR传感器)，其可用于检测表示炉中的固体妨碍火焰发展的烟气的升高的温度；(c)一个或更多个温度传感器160，且特别是非接触或者光学传感器，位于炉外部以便检测填料门102和/或烟气管道110的升高的温度；(d)位于炉壁108或者填料门102或者后端壁103上、嵌入炉壁108或者填料门102或者后端壁103中，或者延伸穿过炉壁108或者填料门102或者后端壁103的一个或更多个温度传感器152，153，诸如热电偶或者非接触或者光学传感器，用于检测炉的多个部分中的温度，使得能检测温度梯度和不均匀性；(e)烟气管道110中的一个或更多个排气性质传感器155，用于测量表示不完全燃烧的排气性质，诸如成分；(f)烟气管道中的一个或更多个光学传感器156，用于检测烟气的光学性质；(g)炉壁108中的一个或更多个光学传感器157，用于检测炉气体的光学性质；(h)填料门102中的一个或更多个近程传感器158，用于检测炉100中的固体残余物105；(i)鼓电流传感器(未显示)，用于检测使炉100绕着其轴线旋转所需要的马达电流，较高的鼓电流表示存在固体，而较低的鼓电流表示填料完全熔融；以及(j)填料门102或者烟气管道110中的一个或更多个压力变送器161，压力波动表示更大的燃烧不稳定性。
在一个实施例中，一个或更多个热电偶可单独地或者与一个或更多个放射(IR/UV)传感器结合而安装在炉门上，以检测门和炉的外壁或者外部部分或者烟气管道中的一个或更多个的温度(全面观察炉门)。这些温度传感器将实现火焰偏转的检测，且因此实现可由炉中的固体残余物或者填料阻碍火焰的充分发展而引起的不完全燃烧的检测。当门的温度升高到高于预定的阈值和/或当放射传感器检测到火焰时，其可解释为火焰在炉中短路，且可启动防止措施。这些措施包括使将火焰引导到固体残余物中的一个或更多个喷燃器元件从不活跃切换到活跃，同时使绕着固体残余物引导火焰的一个或更多个喷燃器元件从不活跃切换到活跃(或者使这样的喷燃器元件保持活跃)。
此外，或备选地，光学(IR)高温计和/或视频或者图像捕集装置可安装在炉门中，以便检测炉内的固体，且优先地(时间加权)朝向固体引导能量来增强热传递，并且实现更快的熔融。作为响应，将火焰引导到固体残余物中的一个或更多个喷燃器元件可从不活跃被切换成活跃(或者保持不活跃)，同时引导火焰绕过固体残余物的一个或更多个喷燃器元件可从不活跃切换成活跃(或者保持活跃)。
控制也可基于熔融周期的状态。在熔融周期的顶端或者起始部分处，当火焰从填料门周围出来或者在烟气中发生燃烧时(第一小时或者两小时，取决于负载和总体周期长度)，这典型地表示两个现象其中之一。第一，固体填料(残余物)中存在油或者其它易燃的或者挥发性有机材料导致了亚化学计量(富燃料)燃烧，因为那些有机材料燃烧并且消耗通过喷燃器供应的氧化剂。第二，由火焰到炉中的受限穿透引起的不完全燃烧导致氧化剂和燃料以及燃烧产物的短路，因为那些气体被偏转离开了炉中的仍然须要熔融的大尺寸的残余物。取决于负载和总体周期长度，熔融周期的顶端典型地在熔融周期的第1-2个小时期间发生。
与熔融周期的顶端相关的条件可基于周期时间来检测，或者基于操作者观察来手动地检测，或者借助于各种传感器来检测。当存在有机组分或者易燃物时，可使用美国专利申请No.13/888,719(公开为美国专利公开No.2013/0307202)中阐述的方法来对炉的范围内的那些易燃物进行后燃烧。当填充的残余物并非油质的，或者并不包括其它有机物或者易燃物时，检测到的火焰和所产生的温度增加可归因于不完全燃烧和位于炉中的大的残余物上的火焰冲击的短路。在这种情况下，火焰(一个或更多个)的组合可同时和/或顺序地操作，如上所述，以便最小化流的短路以及门/烟气管道周围的(平均)强度火焰。
本发明在范围方面并不由意图作为本发明的一些方面的示意的实例中公开的特定方面或者实施例限制，且功能上等同的任何实施例都在本发明的范围内。除了本文中所示和描述的那些之外的对本发明的各种修改对于本领域技术人员而言将变得显而易见，且意图落入所附的权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种用于安装在旋转炉的填料门中的选择性氧-燃料喷燃器，所述喷燃器包括：
至少两个喷燃器元件，各自定向成燃烧到所述炉的不同部分中，各个喷燃器元件包括：
选择性分布喷嘴，构造成使第一反应物流入；以及
比例分布喷嘴，构造成使第二反应物流入；
检测与炉操作相关的一个或更多个过程参数的至少一个传感器；以及
控制器，其被程序化为至少部分地基于检测到的过程参数独立地控制通向各个选择性分布喷嘴的第一反应物流，使得至少一个喷燃器元件是活跃的，且至少一个喷燃器元件是不活跃的，其中活跃的喷燃器元件的选择性分布喷嘴中的第一反应物流大于通向选择性分布喷嘴的平均第一反应物流，且不活跃的喷燃器元件的选择性分布喷嘴中的第一反应物流小于通向选择性分布喷嘴的所述平均第一反应物流；
其中，所述第二反应物基本成比例地分布至所述比例分布喷嘴；且
其中，所述第一反应物是燃料和氧化剂其中之一，且其中，所述第二反应物是燃料和氧化剂中的另一个。
2.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述至少两个喷燃器元件中的一个具有基本垂直于所述填料门的火焰轴线，且所述至少两个喷燃器元件中的另一个具有自关于所述填料门垂直成非零度角α的火焰轴线；其中，所述角α等于或者小于75°。
3.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述至少一个传感器包括用于检测所述填料门的过度加热的过度加热传感器，其中，当检测到过度加热时，至少一个当前活跃的喷燃器元件被切换到不活跃，同时至少一个喷燃器元件保持或者被切换成活跃。
4.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述至少一个传感器包括用于检测一个或更多个排气性质的变化的排气性质传感器，其中，当排气性质指示不完全燃烧时，至少一个当前活跃的喷燃器元件被切换到不活跃，同时至少一个喷燃器元件保持活跃或者从不活跃被切换到活跃。
5.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述至少一个传感器包括用于检测所述填料门的过度加热的过度加热传感器和用于检测一个或更多个排气性质的变化的排气性质传感器，其中，检测到过度加热以及排气性质指示不完全燃烧，则至少一个当前活跃的喷燃器元件被切换到不活跃，同时至少一个喷燃器元件保持活跃或者从不活跃被切换到活跃。
6.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述至少一个传感器包括用于检测存在妨碍炉中的火焰发展的固体填料的非接触式传感器，其中固体填料存在于所述炉中，则至少一个当前活跃的喷燃器元件被切换到不活跃，同时至少一个喷燃器元件保持活跃或者从不活跃被切换到活跃。
7.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，在各个喷燃器元件中，所述比例分布喷嘴是环形的并且围绕所述选择性分布喷嘴。
8.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，还包括：
与所述喷燃器元件中的各个间隔开且构造成使辅助的第二反应物流入的至少一个分级喷嘴；
其中，所述控制器进一步被程序化为将分级比率控制为小于或者等于75%，其中，所述分级比率是包含在辅助的第二反应物流中的第二反应物与总第二反应物流的比率。
9.一种旋转炉，包括：
位于所述炉的一端处的填料门和排放端口；和
安装在所述填料门中的氧-燃料喷燃器，所述喷燃器包括：
至少两个喷燃器元件，各自定向成燃烧到所述炉的不同部分中，各个喷燃器元件包括：
构造成使第一反应物流入的选择性分布喷嘴；和
构造成使第二反应物流入的比例分布喷嘴；
检测所述炉中的一个或更多个过程参数的至少一个传感器；和
控制器，其被程序化为至少部分地基于检测到的过程参数独立地控制通向各个选择性分布喷嘴的第一反应物流，使得至少一个喷燃器元件是活跃的，且至少一个喷燃器元件是不活跃的，其中活跃的喷燃器元件的选择性分布喷嘴中的第一反应物流大于通向选择性分布喷嘴的平均第一反应物流，且不活跃的喷燃器元件的选择性分布喷嘴中的第一反应物流小于通向选择性分布喷嘴的所述平均第一反应物流；
其中，所述第二反应物基本成比例地分布至所述比例分布喷嘴；以及
其中，所述第一反应物是燃料和氧化剂其中之一，且其中，所述第二反应物是燃料和氧化剂中的另一个。
10.一种操作旋转炉的方法，所述旋转炉具有：位于该炉的一端处的填料门和排放端口，和安装在所述填料门中的氧-燃料喷燃器，所述喷燃器具有至少两个喷燃器元件，其各自定向成以便燃烧到所述炉的不同部分中，各个喷燃器元件包括选择性分布喷嘴和比例分布喷嘴，所述喷燃器还具有被程序化为独立地控制通向各个喷燃器元件的选择性分布喷嘴的第一反应物流的控制器，其中通向所述比例分布喷嘴的第二反应物流基本成比例地分布，所述方法包括：
检测所述炉中的一个或更多个过程参数；
至少部分地基于检测到的过程参数将所述喷燃器元件中的至少一个选择为活跃的，且将所述喷燃器元件的至少一个选择为不活跃的；
以活跃射流流率使第一反应物流过所述至少一个活跃的喷燃器元件的选择性分布喷嘴；
以不活跃射流流率使所述第一反应物流过所述至少一个不活跃的喷燃器元件的选择性分布喷嘴；以及
使第二反应物基本成比例地流过所述比例分布喷嘴中的各个；
其中，所述活跃射流流率大于通过选择性分布喷嘴的平均流率，且所述不活跃射流流率小于通过选择性分布喷嘴的所述平均流率；且
其中，所述第一反应物是燃料和氧化剂其中之一，且其中，所述第二反应物是燃料和氧化剂中的另一个。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：
检测所述填料门的过度加热；和
当检测到过度加热时，将至少一个当前活跃的喷燃器元件切换到不活跃，同时使至少一个其它喷燃器元件保持活跃或者将其切换到活跃。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：
检测至少一个排气性质；
当所述排气性质指示不完全燃烧时，将至少一个当前活跃的喷燃器元件切换到不活跃，同时使至少一个其它喷燃器元件保持活跃或者将其切换到活跃。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：
检测何时所述至少一个当前活跃的喷燃器元件排放冲击炉中的固体填料的火焰；和
将所述至少一个当前活跃的喷燃器元件切换到不活跃，同时使至少一个其它喷燃器元件保持活跃或者将其切换到活跃。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述活跃射流流率与所述不活跃射流流率的比率为从5到40。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，不活跃的喷燃器元件具有从0.2到1的等效比率，且其中，活跃的喷燃器元件具有从1到10的等效比率，其中，所述等效比率是通过所述分布喷嘴中的一个以便燃烧流过所述分布喷嘴中的另一个的燃料的理论化学计量氧化剂流量与实际氧化剂流量的比率。
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