CN106662326A - 低NOx燃烧器 - Google Patents

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CN106662326A CN201580046869.2A CN201580046869A CN106662326A CN 106662326 A CN106662326 A CN 106662326A CN 201580046869 A CN201580046869 A CN 201580046869A CN 106662326 A CN106662326 A CN 106662326A
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Abstract

本发明涉及一种用于通过燃烧燃料产生火焰的燃烧器，尤其是低NOx燃烧器，包括围成开口(2,2a,2b)的瓦(15,15a,15b)，所述瓦(15,15a,15b)的开口沿着燃烧器轴线(12)延伸，所述瓦(15,15a,15b)还包括前侧(20)和背离前侧(20)的后侧(21)，其中，后侧(21)包括连接至所述开口以将空气(A,A',A")供给进所述开口(2,2a,2b)的空气进口(10,10a,10b)，前侧(20)包括连接至开口(2,2a,2b)以将燃烧器(1)产生的火焰(30)排放到周围区域(S)的排放口(9,9a,9b)，所述瓦(15,15a,15b)还包括面向开口(2,2a,2b)的内侧(22)和背离开口(2,2a,2b)的外侧(23)。根据本发明，燃烧器(1)还包括在所述瓦(15,15a,15b)的第一凹部(17)中沿着燃烧器轴线(12)延伸的至少一个氧气喷枪(5)，所述至少一个氧气喷枪(5)在所述至少一个氧气喷枪(5)的端部区域具有喷嘴(6)以用于喷射氧气(O)，尤其使得氧气(O)首先喷入燃烧器(1)产生的相对较热的火焰(30)周围的较冷烟气区域(31)中。而且，本发明涉及一种产生火焰(30)的方法。

Description

低NOx燃烧器
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1所述特征的燃烧器、以及一种根据权利要求13所述的使用这种燃烧器产生火焰的方法。
背景技术
这种通过燃烧燃料产生火焰的燃烧器尤其是低NOx燃烧器通常包括环绕例如瓦(tile)的中心开口的第一(周向延伸)耐火瓦，该开口沿着燃烧器轴线延伸，其中瓦还包括前侧和背离所述前侧的后侧，并且其中所述后侧包括与所述开口流通连接的空气进口以将空气供给进入所述开口，并且其中所述前侧包括与所述开口流通连接的排放口以将燃烧器产生的火焰排放到周围环境，尤其进入(如熔炉的)燃烧室中。并且，所述瓦包括朝着所述开口的内侧以及背离所述开口/内侧的外侧。
例如，这些燃烧器用于石油工业并且根据API RP535进行设计("Burners forFired Heaters in General Refinery Services",API工业标准535,第二版,2006年1月)。特别地，这些低NOx燃烧器是燃料或空气分段的以管控减少热氮氧化物(NOx)的火焰最高温度。
在上述类型的燃烧器中进行的燃烧过程中，氮氧化物(NOx)的产生可具有不同的起因。
首先，NOx可在所谓的瞬间或即时转换中从N2产生，其中在燃烧过程初期NOx通过烃类游离基机理从N2产生，即N2与游离基、如来自燃料的C、CH、和CH2片段进行反应。在燃烧的初期，这会引起氮的固定种类的形成，例如NH,HCN,H2CN and cyano(CN-)游离基，其可以氧化生成NO。
另外，在所谓的作为与温度有关的N2至NOx氧化的热转换(其由高温所促进)中，产生NOx的以下反应可根据扩展的Zeldovich机制发生：
N2+O→NO+N
N+O2→NO+O,和
N+OH→NO+H
最后，还发生所谓的燃料固有氮转化，其中燃料中的氮化合物转化为NOx。在此，在燃烧期间，燃料中固有的氮可作为自由基被释放，并且可最终形成N2或NO。
因此，通过降低火焰温度限制热NOx的生成。这将会减少形成的NOx，这是因为高温促成了相应的反应。燃料NOx为燃料成分的函数。燃料中化学固有氮越高，NOx排放物将越多。最后，瞬时NOx通常仅产生少量的生成NOx，然而在采用降低总NOx的低NOx燃烧器时这又会是总NOx中相当大的一部分。
发明内容
基于上述现有技术，本发明要解决的问题在于提供一种改进的能够产生更少NOx的燃烧器、以及一种使用这种燃烧器产生火焰的相应方法。
具有权利要求1所述特征的燃烧器解决了上述问题。从属权利要求记载了优选的实施例。
根据权利要求1，燃烧器还包括在瓦的第一单独凹部中沿着燃烧器轴线延伸的至少一个氧气喷枪，其中所述至少一个氧气喷枪在所述至少一个氧气喷枪的端部区域具有设计成用于喷射氧气、尤其为喷射纯氧或富氧空气的喷嘴，这特别使得所述氧气首先喷入所述燃烧器产生的相对较热的火焰周围的较冷烟气(flue gas)区域中。所述至少一个氧气喷枪如此安装使得其喷嘴沿着所述燃烧器轴线的位置是可调节的，尤其在最高位置和最低位置之间是可调节的。
特别地，所述至少一个氧气喷枪连接到氧气源上，以至于纯氧或富氧空气能从所述氧气源流入所述氧气喷枪，从而通过所述氧气喷枪喷射氧气。特别地，所述燃烧器设计成通过所述喷枪以150m/s至400m/s、尤其是200m/s至400m/s范围内的速度喷射氧气。所述氧气以0.8barg至8.0barg、优选2.0barg至6.0barg范围内的压力喷入。
有利地，所述至少一个氧气喷枪允许邻近产生的火焰喷射氧气，从而能够增强流回火焰的烟气的再循环，该烟气通过一次空气中的氧气来燃烧燃料而产生。在此，根据本发明，由于根据本发明的氧气喷射邻近所述至少一个氧气喷枪产生了使得燃烧器的燃烧室/周围环境中的烟气再循环入燃烧器的火焰中的低压，因此烟气再循环特别得到增强，这由于惰性烟气冷却了火焰从而降低烟气中的NOx含量、并且还降低氧(O)分压。
特别地，所述燃烧器配置成通过所述至少一个氧气喷枪以小于、等于或大于烟气中的氧气过量流速的流速喷射氧气，从而在所述瓦的开口中产生化学当量的或次化学当量的燃烧，其中氧气通过所述至少一个氧气喷枪喷入所述烟气中。通常，起始点为仅有空气的模式。燃烧器借助与过剩氧气相应的过量空气运行。常规的做法为用烟气中的一些氧气使熔炉或锅炉运行，通常为存量的3％O2。二次空气通常提供空气分级燃烧器中的过剩氧气。
特别地，在最高和最低位置之间存在所述喷嘴的起始位置(zero-position)，其中在所述起始位置，所述至少一个氧气喷枪的喷嘴尤其位于被所述瓦的前侧跨越的平面中。因而，在最高位置，所述至少一个氧气喷枪的喷嘴沿着燃烧器轴线(即在喷射反应媒介的方向上)伸出超过所述平面，而在最低位置，所述喷嘴沿着燃烧器轴线尤其位于所述平面的前面并且没有沿着燃烧器轴线伸出越过所述平面。特别地，相对于所述起始位置的调节范围为±50mm，即在最高位置以及最低位置，所述喷嘴沿着燃烧器轴线与所述平面尤其相隔50mm。
根据本发明的另一优选实施例，所述至少一个氧气喷枪的喷嘴设计成以相对于所述至少一个氧气喷枪的中心线的喷射角度尤其以射流的形式喷射氧气，其中所述喷射角度尤其相对于所述中心线在-30°至30°之间变化。所述射流的轴线可朝着所述燃烧器倾斜从而将氧气喷入火焰或更靠近火焰，其中所述射流沿着该轴线延伸并且该轴线相对于所述中心线包封所述角度。进一步地，所述射流的轴线可以远离所述燃烧器/火焰倾斜，从而主要远离火焰射入氧气或将氧气射入火焰周围的区域(即烟气区域)。
根据本发明的一个实施例，所述至少一个氧气喷枪也配置成以促进沿着所述瓦的前侧的平面产生氧气旋流的方式喷射氧气。特别地，例如取决于特定情形的气体喷枪可设计成具有一个或两个喷嘴。当必须要产生旋流时，尤其使用具有两个或多个喷嘴的喷枪(见下文)。
根据本发明的一个实施例，所述至少一个氧气喷枪包括至少两个喷嘴。其中，第一喷嘴如上文描述的那样喷射氧气，另一喷嘴设计成沿着所述瓦的周边喷射氧气(例如沿着平行于所述周边的相应切线的方向)，从而特别促进沿着所述瓦的前侧的平面产生氧气旋流。特别地，为了产生上述氧气旋流，所述燃烧器/瓦包括多个这种氧气喷枪(例如具有所述两个喷嘴，并且例如沿着瓦的周边等距地分布)，在所述氧气旋流中氧气沿着所述瓦的周边并且沿着所述瓦的前侧的平面流动。
根据本发明的另一实施例，所述燃烧器包括布置在所述瓦的开口中的旋流装置，所述旋流装置设计成使得通过所述旋流装置进入所述瓦的开口的空气偏转，从而产生空气在其中沿着所述瓦的周边流动的空气旋流。
根据本发明的一个实施例，所述至少一个氧气喷枪或所述多个氧气喷枪如此配置使得(一个或多个)氧气喷枪产生的氧气旋流在空气旋流的方向上或相反方向上流动。
根据本发明的另一优选实施例，用于容纳所述至少一个氧气喷枪的第一凹部形成为在所述瓦的外侧形成在所述瓦中的槽口。特别地，所述槽口为敞开槽口，即形成为凹槽。进一步地，所述第一凹部/槽口尤其平行于所述燃烧器轴线延伸。
根据本发明的另一优选实施例，所述槽口终止于所述瓦的在所述瓦的周向延伸的上部区域中形成在所述瓦的外侧的第二凹部中，所述瓦的上部区域界定了所述排放口，使得所述至少一个氧气喷枪的端部区域从所述槽口伸进所述第二凹部。
特别地，所述第二凹部包括尤其平行于燃烧器轴线延伸的平坦侧表面，所述平坦侧表面尤其与所述第二凹部的凹形底表面交会，所述第一凹部/槽口终止于该凹形底表面中。
因此，尤其在所述瓦的外侧形成台阶，所述至少一个氧气喷枪从所述台阶突出于该氧气喷枪所布置于其中的第一凹部/槽口。
有利地，所述第二凹部的(如凹形的)底表面和侧表面允许烟气沿着这些表面再循环返回所述燃烧器产生的火焰中，这降低了烟气中的NOx总含量，这是因为惰性烟气使火焰冷却并且降低了氧分压从而降低热NOx排放。由于上述再循环，产生了与燃料接触的稀释氧气流。在两股气流之间没有分离的情形下，氧气将“吸引”燃料并随后形成NOx会在那里产生的较热区域。
根据本系统的优选实施例，所述燃烧器的瓦设计成安装在熔炉的壁中(如熔炉的燃烧室的壁)，使得所述槽口终止于所述壁的面向熔炉的内部空间(即燃烧室)的内侧、或在所述壁的所述内侧的上方终止，从而所述槽口沿着燃烧器轴线延伸超过所述内侧并进入所述内部空间。特别地，所述底表面的边缘布置成与所述壁的内侧平齐。
因此，本发明的另一方面在于提供一种包括至少一个根据本发明的燃烧器的熔炉，其中所述燃烧器安装在上文所述的壁中。
因而，特别地，所述瓦提供设计成将通过所述空气进口提供的空气供给与通过所述氧气喷枪的喷嘴提供的氧气供给隔开的屏蔽件，从而由所述氧气喷枪的喷嘴喷射的氧气首先被喷入相对较热火焰周围的较冷烟气区域，而不直接喷入火焰中。这使得较冷烟气再循环进入火焰的相对较热区域，而由氧气流产生动量。于是，效果是双倍的：较冷烟气降低了使火焰在较宽区域上“蔓延”的火焰最高温度，氧含量改善了燃烧条件并且使火焰稳定。
根据本发明的另一优选实施例，所述燃烧器形成为包括主燃气喷枪的燃料分级燃烧器，所述主燃气喷枪在所述主燃气喷枪的端部区域包括喷嘴，所述主燃气喷枪的喷嘴设计成喷射主燃气(例如天然气、提炼的燃气、合成气、氢气等)以在喷射的主燃气燃烧时产生火焰。特别地，所述主燃气喷枪的喷嘴布置在所述瓦的开口中并且被所述瓦环绕。而且，特别地，所述燃烧器包括多个辅助燃气喷枪，每个辅助燃气喷枪在相应辅助燃气喷枪的端部区域具有喷嘴，所述辅助燃气喷枪的喷嘴沿着所述瓦的前侧布置、并且设计成在所述瓦的下游喷射辅助燃气(如与上文所述相同的燃气流)以在喷射的辅助燃气燃烧时产生火焰。
特别地，所述燃烧器在一个氧气喷枪和所述多个辅助燃气喷枪之间的范围内包括多个氧气喷枪。通常，在根据本发明的燃烧器包括若干氧气喷枪的情形下，每个氧气喷枪布置在与其自身相关的第一凹部/槽口中、并且可以伸入如上文描述的那样所形成的相关第二凹部中。
而且，所述燃料分级燃烧器可包括上文所述的旋流装置，其可围绕所述主燃气喷枪并且设计成将进入所述瓦的开口的空气偏转，从而产生空气旋流(见上文)。
根据燃料分级燃烧器的一个实施例，所述氧气喷枪配置成产生所喷射氧气的氧气旋流，其中特别是所述氧气旋流与空气旋流具有相同的方向或相反方向(见上文)。特别地，在该方面，在与空气相同的方向使氧气起旋有益于火焰的稳定性，与之相反可增大湍流，如混合效果，从而增强燃料的燃烧。特别地，这对于可产生PAH(PM10和PM2.5的前体)或能觉察到的CO量的燃料是有利的。
进一步地，需要注意的是，上文所述的配置成产生所喷射氧气的氧气旋流的氧气喷枪同样可用在空气分级燃烧器以及一般而言的“高NOx”燃烧器(有或没有旋流装置)的情形中(见下文)。换言之，“旋流”氧气喷枪的应用不局限于燃料分级燃烧器。特别地，空气分级燃烧器和一般而言的“高NOx”燃烧器可加装这种氧气喷枪。
根据本发明的可替换优选实施例，所述燃烧器形成为空气分级燃烧器，其中所述瓦为所述燃烧器的内瓦，并且所述空气进口为一次空气进口。特别地，所述燃烧器还包括围成(如中心)开口的外瓦，所述外瓦的开口沿着燃烧器轴线延伸，并且所述外瓦尤其与所述内瓦同轴地布置。所述外瓦可环绕着所述内瓦，但也可布置成沿着燃烧器轴线相对于内瓦偏移。特别地，所述外瓦还包括前侧和背离所述前侧的后侧，其中所述后侧包括与所述外瓦的开口流通连接的二次空气进口，以供给二次空气进入所述外瓦的开口中。进一步地，所述外瓦的前侧包括与所述外瓦的开口流通连接的排放口，以将所述燃烧器产生的火焰排放到周围区域中，尤其进入(如熔炉的)燃烧室。而且，所述外瓦还包括面向所述外瓦的开口并最终面向所述内瓦的内侧、以及背离所述外瓦的开口的外侧。
根据本发明的另一可替换优选实施例，所述燃烧器再次形成为空气分级燃烧器，其中所述瓦现形成为所述燃烧器的外瓦，所述外瓦的空气进口为二次空气进口，并且所述燃烧器还包括内瓦，所述内瓦围成(如中心)开口，所述内瓦的开口沿着燃烧器轴线延伸，并且所述内瓦还包括前侧和背离所述前侧的后侧，其中所述后侧包括与所述内瓦的开口流通连接的一次空气进口，以供给一次空气进入所述内瓦的开口中。特别地，所述内瓦的前侧包括用于将所述燃烧器产生的火焰排放到周围环境中、尤其是排放到(如熔炉的)燃烧室中的排放口，所述排放口与所述内瓦的开口流通连接，且特别地，所述内瓦还包括面向所述内瓦的开口的内侧、以及背离所述内瓦的开口的外侧。
特别地，在空气分级燃烧器的情况下，当所述至少一个氧气喷枪布置在所述内瓦中时，所述内瓦突出超过所述外瓦(即比外瓦具有更大的高度)，即具有所述内瓦的包括所述平坦侧表面和尤其所述底表面的区域。特别地，反过来也一样，当所述至少一个氧气喷枪布置在所述外瓦中时，所述外瓦突出超过所述内瓦(即比外瓦具有更大的高度)，即具有所述外瓦的包括所述平坦侧表面和尤其所述底表面的区域。
特别地，在空气分级燃烧器的情况下，氧气喷枪的数量在一个至四个氧气喷枪之间的范围内。
进一步地，在包括如上所述的外、内耐火瓦的空气分级燃烧器的情况下，所述燃烧器尤其包括燃油喷枪，其在所述燃油喷枪的端部区域包括喷嘴，所述燃油喷枪的喷嘴设计成喷射燃油以在喷射的燃油燃烧时产生所述火焰，其中所述燃油喷枪的喷嘴布置在所述内瓦的开口中并且被所述内瓦环绕。特别地，所述燃油喷枪的喷嘴被空气分级燃烧器的中心瓦环绕，所述中心瓦被所述空气分级燃烧器的内瓦环绕。
而且，在包括如上所述的外、内耐火瓦的空气分级燃烧器的情况下，所述燃烧器尤其包括至少一个燃气喷枪，其在所述至少一个燃气喷枪的端部区域包括喷嘴，所述至少一个燃气喷枪的喷嘴设计成喷射燃气以在喷射的燃气燃烧时产生所述火焰，其中所述至少一个燃气喷枪的喷嘴在所述中心瓦以外地布置在内瓦的开口中，例如布置在空气分级燃烧器的内瓦和中心瓦之间的周向延伸间隙中。
进一步地，本发明的问题由根据权利要求13所述的使用根据本发明的燃烧器产生火焰的方法解决，其中通过所述燃烧器燃烧燃料产生火焰，所述至少一个氧气喷枪将氧气射入所产生的火焰和/或邻近所产生火焰的烟气区域中，所述烟气通过燃烧所述燃料产生(见上文)。
特别地，在燃料分级燃烧器的情况下，主燃气由所述主燃气喷枪喷入并被燃烧，且辅助燃气由所述辅助燃气喷枪喷入并被燃烧，从而以合成的形式产生所述火焰。
可替换地，在燃料分级燃烧器的情况下，燃油由所述燃油喷枪喷入并被燃烧，并且燃气由所述燃气喷枪喷入并被燃烧，从而以合成的形式产生所述火焰。
特别地，通过所述至少一个氧气喷枪所喷射的氧气的流速等于或大于在燃烧(一种或多种)燃料时产生的烟气中的过剩氧气的流速，从而尤其在所述瓦(如燃料分级燃烧器)或内瓦中通过一次氧化剂/空气(如空气分级燃烧器)产生化学当量的或次化学当量的燃料燃烧。特别地，本发明的目的在于喷射氧气，而不是二次空气。随后，尤其在空气分级燃烧器的两片瓦之间喷射氧气，但也能在外瓦的外部喷射氧气。
根据本发明的方法的另一优选实施例，氧气尤其以等于或小于声速的速度从相应的氧气喷枪喷出。
根据本发明的燃烧器可使用所有适当的燃料，例如燃油(如汽油、加热油、重质燃油等)，以及(如一次和/或二次)燃气(见上文)。
根据本发明的低NOx燃烧器尤其提供增强的烟气再循环以及对烟气中剩下可燃反应物的增强利用，其中所述瓦可实施成常规的燃烧器构造。
因而，根据本发明的另一方面，仅提供如权利要求1和从属权利要求中所记载的瓦。有利地，现有燃烧器可采用根据本发明的具有所述氧气喷枪的瓦进行升级，所述氧气喷枪例如沿着瓦的外侧布置。因此，根据本发明的另一方面，提供一种改造传统瓦的方法，其中所述至少一个氧气喷枪布置在现有燃烧器的瓦的外侧，其中特别地，在现有瓦(如其外部)中形成所述第一凹部(如槽口)和第二凹部。特别地，如上所述，所述至少一个氧气喷枪布置在所述第一凹部/槽口中，并且最终布置在第二凹部中。
附图说明
将结合附图和本技术领域详细地解释以上描述的发明。附图示出了本发明的优选实施例。然而本发明不被附图限制。在附图中：
图1：传统耐火燃烧器瓦的正视图；
图2：穿过图1的传统燃烧器瓦的纵剖面；
图3：根据本发明的燃烧器瓦的正视图；
图4：穿过图3的瓦的纵横截面；
图5：根据本发明的瓦的细节，其示出了可滑动氧气喷枪；
图6至图8：根据本发明的空气分级燃烧器的两个实施例；
图9至图10：根据本发明的燃料分级燃烧器。
具体实施方式
图1示出了具有中心空气进口10且由耐火材料、如氧化铝基耐火材料制成的传统燃烧器瓦15。
在图2中示出传统燃烧器瓦15的沿着图1的平面16的横截面图。空气进口2与瓦15的中心开口2流通连接，该开口2沿着燃烧器轴线12延伸并且终止于用于排放燃烧器产生的火焰的排放口9处。
具体而言，瓦15还包括前侧20和背离瓦15的前侧20的后侧21，其中后侧21界定所述空气进口10，并且其中前侧20界定所述排放口9。空气进口10与为了燃烧燃料所需的空气源流通连接，以向瓦15的所述开口2中提供空气。瓦15还包括面向所述中心开口2的内侧22、以及背离开口2的外侧23。
图3至图5示出根据本发明的瓦15，其具有上文所述的传统瓦15的构造，但还包括在瓦15的第一凹部17中沿着燃烧器轴线12延伸的至少一个氧气喷枪5。至少一个氧气喷枪5在至少一个氧气喷枪5的用于喷射纯氧O的端部区域包括喷嘴6，其中至少一个氧气喷枪5尤其配置成将氧气O喷入由燃烧器1产生的相对较热火焰30周围的较冷烟气区域31中(参阅图6至图7)。
特别地，用于容纳氧气喷枪5的第一凹部17形成为在瓦15的外侧23中的槽口或凹槽，该槽口17平行于燃烧器轴线12延伸。槽口17终止于瓦15的形成在瓦15的外侧23中的相关第二凹部4中，即如图4和图5所示的瓦15的周向延伸的上部区域19中。因此，氧气喷枪5的端部区域以其喷嘴6从槽口17伸出并进入相邻的第二凹部4。当然，可在相关的槽口17和第二凹部4中设置数个氧气喷枪5。
具体地，第二凹部4包括平坦侧表面4a，其平行于燃烧器轴线12延伸、并且与凹部4的底表面4b交会，所述槽口17终止于该底表面。特别地，底表面4b包括凹的弯曲部。
并且，如图5中的实线和虚线所示，燃烧器瓦15设计成如此安装在熔炉的壁18(如燃烧室)中，即槽口17终止于所述壁的内侧18a处(如实线所示)，该内侧18a面向熔炉的内部空间S，或者槽口17在壁18的所述内侧18a上方终止(如虚线所示)从而槽口17沿着燃烧器轴线12伸入所述内部空间S。
特别地，瓦15(以及下文描述的内瓦15b、外瓦15a)同样用耐火材料制成(见下文)。
进一步地，氧气喷枪5沿着其纵向延伸部7的方向是可滑动的，该延伸部7尤其平行于燃烧器轴线12并且与排放口9的平面垂直。因此，氧气喷枪5的喷嘴6可布置成在由前侧20或排放口9跨越的平面中的起始位置8处或在该平面后面终止于第二烟气再循环凹部4中，从而进一步伸入(如熔炉的)内部空间S中。在此，氧气喷枪5的喷射角11相对于氧气喷枪5的中心线7a在±30°之间变化。因而，能朝着火焰30、即朝着燃烧器轴线12(正角11)或远离火焰30/燃烧器轴线12(负角)地喷射氧气O。
通常，燃气或燃油点火的任何燃烧器可设有或加装根据本发明的瓦15。
图6示出根据本发明的空气分级燃烧器1，其尤其可用于燃油点火的应用中。
这种空气分级燃烧器1包括内瓦15b，所述内瓦15b围成开口2b，其中如上文已描述的那样，内瓦15b还包括前侧20，其界定与开口2b流通连接的排气开口9b、以及在后侧21的用于将一次空气A′送进内瓦15b的一次空气进口10b。燃烧器1还包括可环绕内瓦15b的外瓦15a。这两种瓦15a、15b相对于燃烧器轴线12同轴布置，其中外瓦15a的直径比内瓦15b的大。外瓦15a也包括中心开口2a，其沿着燃烧器轴线12从外瓦15a的后侧21上的二次空气进口10b向外瓦15a的位于外瓦15a的前侧20处的排放口9a延伸。特别地，从图6中可以看出，内瓦15b布置在外瓦15a的开口2a中，使得在内瓦15b的外部和外瓦15a的内部之间形成例如周向延伸的间隙，其与所述二次空气进口10a连接使得二次空气A"能穿过该间隙进入燃烧器1。内瓦15b还包括面向内瓦15b的开口2b的内侧。进一步地，外瓦15a包括背离外瓦15a的内侧的外侧。
为了燃烧燃料，根据图6的燃烧器1还包括与燃烧器轴线12重合的燃油喷枪5c，其在燃油喷枪5c的端部区域包括设计成喷入燃油F以在燃烧燃油F时产生火焰30的喷嘴6c。燃油喷枪5c也可以为燃油枪。在后一种情形中，使用雾化媒介(蒸汽或空气)将液体喷入火焰。燃油喷枪5c的喷嘴6c布置在中心瓦15c的开口中，该中心瓦15c转而布置在内瓦15b的开口2b中并且被内瓦15b环绕。而且，燃烧器1包括燃气喷枪5d，每个燃气喷枪5d在相应燃气喷枪5d的端部区域包括喷嘴6d，这些喷嘴6d设计成喷射燃气G以在所喷射的燃气G燃烧时产生所述火焰30。喷嘴6d例如布置在内瓦15b和中心瓦15c之间的环形间隙中。
如上所述，空气分级燃烧器1至少包括一次空气进口和二次空气进口10a、10b，以及包括最后的三次空气进口，燃烧燃料F、G所需的所有空气A'、A"(和最后的三次空气)通过这些空气进口尤其根据以下示例性份额喷入燃烧器1中：一次空气A'15％至25％；二次空气A"25％至35％；以及三次空气A'"40％至55％。在仅有一次空气A'和二次空气A"的情形下，一次空气例如可在40％左右，而二次空气在60％左右。其它配给量也是可以的。
通过燃油喷枪5c和燃气喷枪5d将所有燃油F和燃气G以所有空气的份额(例如参见上文)喷入火焰30的一次燃烧区域。由于在该区域缺少空气，燃油F和燃气G的一部分没有燃烧，导致了较低的火焰温度，这引起较低的热NOx生成。由于燃油/燃气分子在燃油/燃气富含(降低)的条件下分离，限制了进一步的燃料NOx。在火焰30的二次燃烧区域中至少部分地完成燃油/燃气燃烧。而且，可通过外瓦15a外部的至少一个相应进口10c将三次空气(见上文)喷入火焰30的其中完成燃烧的三次燃烧区域。
现在，为了进一步降低空气分级燃烧器1中的NOx排放，内瓦15b和/或外瓦15a形成为如同上文参照图3至图5所描述的瓦15。这在图7和图8中示出。
在图7中，至少一个氧气喷枪5布置在内瓦15b的第一、第二凹部4,17中，这如同上文参照图3至图5对瓦15进行描述的那样，其中内瓦15b在燃烧器轴线12的方向(即纵向延伸部7的方向)上以高度H的一部分超过外瓦15a伸出，内瓦15b的该部分包括上述平坦侧表面4a并且尤其包括底表面4b。
可替换地，在图8中，至少一个氧气喷枪5布置在外瓦15a的第一凹部17和第二凹部4中，这如同上文参照图3至图5对瓦15进行描述的那样，其中外瓦15a在燃烧器轴线12的方向(即纵向延伸部7的方向)上以高度H的一部分超过内瓦15b伸出，外瓦15a的该部分包括上述平坦侧表面4a并且尤其包括底表面4b。
由于通过氧气喷枪5尤其采用上文所述的喷射角度、氧气比率以及喷射速度将氧气O尤其喷入围绕火焰30的且包含相对较冷烟气的相对较冷烟气区域31，增强了沿着第二烟气再循环凹部4的底表面4b和侧表面进入火焰30的烟气再循环，从而进一步降低了NOx，这是因为惰性烟气冷却火焰30并且降低氧气O的分压。
进一步地，图9和图10示出了根据本发明的燃料分级燃烧器1形式的燃烧器1。
在此，仅具有单个瓦15，其配置成上文参照图3至图5所描述的那样。图9和图10所示的燃烧器1还包括与燃烧器轴线12重合的主燃气喷枪5a，以及在主燃气喷枪5a的端部区域包括喷嘴6a，其中所述喷嘴6a设计成喷射主燃气G′以在所喷射的主燃气G′燃烧时产生火焰30。主燃气喷枪5a的喷嘴6a布置在瓦15的开口2中且被瓦15环绕。而且，燃烧器1包括多个辅助燃气喷枪5b(如四个这种喷枪5b)，每个在相应辅助燃气喷枪5b的端部区域具有喷嘴6b。辅助燃气喷枪5b可布置在瓦15的相应孔中，使得辅助燃气喷枪5b的喷嘴6b沿着瓦15的前侧20布置以在瓦15的下游喷射辅助燃气G"，从而当喷射的辅助燃气G"燃烧时产生所述火焰30。
在这种燃料分级燃烧器1中，空气A通过瓦15的空气进口10进入火焰30的一次燃烧区域。特别地，空气A随后穿过使空气A偏转的旋流装置40，从而沿着瓦15的前侧20的平面并且沿着瓦15的周边产生空气旋流41。
仅燃气的一部分、即主燃气G′，通过中心主燃气喷枪5a喷入火焰30的一次燃烧区域。因此，借助瓦15中的过量空气A完成主燃气G′的燃烧。燃气的大部分、即辅助燃气G"，在二次阶段中例如通过瓦15的开口2的外部的辅助燃气喷枪5b释放，并且在火焰30的二次燃烧区域中借助剩下的空气A进行燃烧。
特别地，如图9所述，燃料分级燃烧器1包括四个在瓦15中等距布置的氧气喷枪5。这些氧气喷枪5也可配置成喷射氧气O使得沿着瓦15的前侧20的平面能够产生氧气旋流50，该氧气旋流50与空气旋流41可具有相同的方向或相反的方向。
为此，氧气喷枪5可包括两个喷嘴。其中，上文描述的喷嘴6如上文参照图5描述的那样喷射氧气，并且其中另一喷嘴设计成沿着瓦的周边(如在平行于周边的相应切线的方向上)喷射氧气，从而产生所述氧气旋流50。
通常，所有燃料的20％至40％(相当于主燃气G′)与所有空气A的100％混合。来自一次区域的过剩氧气提供了完成剩下燃气(辅助燃气G")的燃烧所必需的氧气。这产生了相对低的火焰最高温度，由此降低了热NOx的排放。
根据本发明为了进一步降低NOx排放，如参照图3至图5描述的那样配置图9和图10中所示的燃烧器1的瓦15，使得通过氧气喷枪5尤其采用上文所述的喷射角度、氧气比率以及喷射速度将氧气O尤其喷入围绕较热火焰30的且包含相对较冷烟气的相对较冷烟气区域31。如已描述的那样，这增强了沿着第二烟气再循环凹部4的底表面4b和侧表面4a进入火焰30的烟气再循环，从而进一步降低了NOx，这是因为惰性烟气冷却火焰30并且降低氧气O的分压(见上文)。
总之，本发明实现了对现有燃烧器的改进，而没必要改动现有的熔炉结构。而且，本发明适用于所有类型的熔炉构造，包括自然通风的系统。
为了保持燃烧室处于微小的负压中，本发明允许熔炉的扩展运行范围通常由可用通风(available draft)限定。通过烟囱效应或通过抽风式风扇产生燃烧室中的通风。当到达熔炉土质的最大压力时，在系统中将不燃烧更多的燃料。本发明允许在特定的加工炉中产生更高的燃烧速率(由于通风限制而超出极限)，而不需要修改燃气抽取系统，并且不会增加排放。这意味着本发明允许扩展现有设备的潜能，而仍在安全状态下操作。
附图标记

Claims (15)

1.一种通过燃烧燃料产生火焰的燃烧器，包括：围成开口(2,2a,2b)的瓦(15,15a,15b)，所述瓦(15,15a,15b)的所述开口沿着燃烧器轴线(12)延伸，所述瓦(15,15a,15b)还包括前侧(20)和背离所述前侧(20)的后侧(21)，其中，所述后侧(21)包括连接至所述开口以将空气(A,A',A")供给进所述开口(2,2a,2b)的空气进口(10,10a,10b)，并且其中，所述前侧(20)包括连接至所述开口(2,2a,2b)以将所述燃烧器(1)产生的火焰(30)排放到周围区域(S)的排放口(9,9a,9b)，并且其中，所述瓦(15,15a,15b)还包括面向所述开口(2,2a,2b)的内侧(22)和背离所述开口(2,2a,2b)的外侧(23)，所述燃烧器(1)还包括在所述瓦(15,15a,15b)的第一凹部(17)中沿着所述燃烧器轴线(12)延伸的至少一个氧气喷枪(5)，所述至少一个氧气喷枪(5)在所述至少一个氧气喷枪(5)的端部区域具有喷嘴(6)以用于喷射氧气(O)，
其特征在于，
所述至少一个氧气喷枪(5)安装成使得其喷嘴(6)沿着所述燃烧器轴线(12)的位置是可调节的，尤其在最高位置(8a)和最低位置(8b)之间是可调节的，尤其经过所述最高位置(8a)和所述最低位置(8b)之间的起始位置(8)是可调节的。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，在所述起始位置(8)，所述至少一个氧气喷枪(5)的喷嘴(6)位于由所述瓦(15,15a,15b)的前侧(20)所跨越的平面中，并且其中，尤其在所述最高位置(8a)，所述至少一个氧气喷枪(5)的喷嘴(6)沿着所述燃烧器轴线(12)伸出超过所述平面，并且其中，尤其在所述最低位置(8b)，所述喷嘴(6)沿着所述燃烧器轴线(12)位于所述平面的前面并且没有沿着所述燃烧器轴线(12)伸出越过所述平面。
3.根据权利要求1或2所述的燃烧器，其特征在于，所述至少一个氧气喷枪(5)的喷嘴(6)设计成以相对于所述至少一个氧气喷枪(5)的中心线(7a)的喷射角度(11)喷射氧气(O)，其中所述喷射角度(11)尤其相对于所述中心线(7a)范围在-30°至30°之间。
4.根据上述权利要求中任一项所述的燃烧器，其特征在于，用于容纳所述至少一个氧气喷枪(5)的所述第一凹部(17)形成为在所述瓦(15,15a,15b)的外侧(23)中形成的槽口。
5.根据权利要求4所述的燃烧器，其特征在于，所述槽口(17)终止于所述瓦(15,15a,15b)的第二凹部(4)中，所述第二凹部在所述瓦(15,15a,15b)的上部区域(19)中形成于所述瓦(15,15a,15b)的外侧(23)中，所述瓦(15,15a,15b)的所述上部区域(19)界定了所述排放口(9,9a,9b)，使得所述至少一个氧气喷枪(5)的端部区域伸出所述槽口(17)进入所述第二凹部(4)。
6.根据权利要求5所述的燃烧器，其特征在于，所述第二凹部(4)包括平坦侧表面(4a)，所述平坦侧表面尤其平行于所述燃烧器轴线(12)延伸，所述平坦侧表面(4a)与所述凹部的底表面(4b)交会，所述槽口(17)终止于该底表面，所述底表面(4b)尤其包括凹的弯曲部。
7.根据上述权利要求中任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器(1)的所述瓦(15,15a,15b)设计成安装在熔炉的壁(18)中，使得所述槽口(17)终止于所述壁的面向所述熔炉的内部空间的内侧(18a)、或在所述壁(18)的内侧(18a)上方终止，从而所述槽口(17)沿着所述燃烧器轴线(12)延伸超过所述内侧(18a)并进入所述内部空间。
8.根据上述权利要求中任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器(1)包括主燃气喷枪(5a)，所述主燃气喷枪在该主燃气喷枪(5a)的端部区域包括喷嘴(6a)，所述主燃气喷枪(5a)的喷嘴(6a)设计成喷射主燃气(G')以在所喷射的主燃气(G')燃烧时产生所述火焰(30)，其中，所述主燃气喷枪(5a)的喷嘴(6a)布置在所述瓦(15a)的所述开口中并且被所述瓦(15a)环绕，并且其中，所述燃烧器(1)尤其还包括多个辅助燃气喷枪(5b)，每个辅助燃气喷枪在相应辅助燃气喷枪(5b)的端部区域具有喷嘴(6b)，所述辅助燃气喷枪(5b)的喷嘴(6b)沿着所述瓦(15)的前侧(20)布置并且设计成喷射辅助燃气(G")以在所喷射的辅助燃气(G")燃烧时产生所述火焰(30)。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述瓦为所述燃烧器(1)的内瓦(15b)，并且其中，所述空气进口为所述内瓦(15b)的一次空气进口(10a)，并且其中特别地，所述燃烧器(1)包括围成开口(2a)的外瓦(15a)，所述外瓦(15a)的所述开口沿着所述燃烧器轴线(12)延伸，其中，所述外瓦(15a)还包括前侧(20)和背离所述前侧(20)的后侧(21)，其中，所述外瓦(15a)的后侧(21)包括连接至所述外瓦(15a)的开口(2a)以将二次空气(A")供给进所述外瓦(15a)的开口(2a)中的二次空气进口(10a)，并且其中，所述外瓦(15a)的前侧(20)包括用于将所述燃烧器(1)产生的火焰(30)排放到周围区域的排放口(9a)，所述外瓦(15a)的排放口(9a)连接至所述外瓦(15a)的开口(2a)。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述瓦为外瓦(15a)，其中所述空气进口为所述外瓦(15a)的二次空气进口(10a)，并且其中，所述燃烧器(1)还包括内瓦(15b)，所述内瓦(15b)围成开口(2b)，该内瓦(15b)的开口(2b)沿着所述燃烧器轴线(12)延伸，所述内瓦(15b)还包括前侧(20)和背离所述前侧(20)的后侧(21)，其中，所述内瓦(15b)的后侧(20)包括连接至所述内瓦(15b)的开口(2b)以将一次空气(A)供给进所述内瓦(15b)的开口(2b)的一次空气进口(10b)，并且其中，所述内瓦(15b)的前侧(20)包括用于将所述燃烧器(1)产生的火焰(30)排放到周围区域的排放口(9b)，所述排放口(9b)与所述内瓦(15b)的开口(2b)连接。
11.根据权利要求9或10所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器(1)包括燃油喷枪(5c)，所述燃油喷枪在该燃油喷枪(5c)的端部区域包括喷嘴(6c)，所述燃油喷枪(5c)的喷嘴(5c)设计成喷射燃油(F)以在所喷射的燃油(F)燃烧时产生所述火焰(30)，其中，所述燃油喷枪(5c)的喷嘴(6c)布置在所述内瓦(15b)的开口(2b)中并且被所述内瓦(15b)环绕。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器(1)包括至少一个燃气喷枪(5d)，所述至少一个燃气喷枪在该至少一个燃气喷枪(5d)的端部区域包括喷嘴(6d)，所述至少一个燃气喷枪(5d)的喷嘴(6d)设计成喷射燃气(G)以在所喷射的燃气(G)燃烧时产生所述火焰(30)，其中，所述至少一个燃气喷枪(5d)的喷嘴(6d)在所述内瓦(15b)的开口(2b)的外侧布置在所述外瓦(15a)的开口(2a)中。
13.一种使用根据上述权利要求中任一项的燃烧器(1)产生火焰(30)的方法，其中，通过借助所述燃烧器(1)燃烧燃料(F,G,G',G")产生火焰(30)，其中，借助所述至少一个氧气喷枪(5)将氧气(O)喷入与所产生的火焰(30)相邻的烟气区域(31)，所述烟气由所述燃料的燃烧产生。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，通过所述至少一个氧气喷枪(5)喷射的氧气(O)的流速等于或大于在燃烧所述燃料时产生的烟气中的过剩氧气的流速，从而特别在所述瓦(15,15b)、尤其是内瓦(15b)中产生化学当量的或次化学当量的燃料燃烧。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，以等于或小于声速的速度喷射所述氧气(O)。
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