CN1111743A - 脉动燃烧方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种在氧化剂存在下燃烧燃料的方法和装置，其 中由在混合层中流动的燃料和氧化剂形成燃料和氧 化剂的混合喷射流。燃烧燃料和氧化剂产生一喷射 火焰。在湍流状态下燃料和氧化剂在涡流中紧密地 互相接触，形成燃料和氧化剂的混合喷射流，燃料和 氧化剂以平均化学计量比混合，燃料或氧化剂或两者 的质量流速是间歇的，成有规则的脉冲，该规则脉冲 具有一足够高的频率，使所含燃料与氧化剂之比是富 含燃料的涡流和所含燃料与氧化剂之比是燃料不足 的涡流，在整个喷射火焰中基本上是均衡分布的。结 果在整个喷射火焰中产生许多燃料高含和燃料贫乏区域，减少了热NOx和一氧化碳的释放。由于对于大部分燃烧器要求其频率高于100Hz，使用流体振荡器以在质量流速下产生脉冲。

Description

本发明涉及一种在氧化剂存在下燃烧燃料的方法，其中由燃料和氧化剂在混合层中的流动形成燃料和氧化剂的混合喷射流，更具体地说，本发明涉及这样一种方法和装置，其中燃料或氧化剂或两者的质量流速是间歇的，且以足够高频率规则地脉动，使得在整个由燃料和氧化剂的燃烧产生的喷射火焰中产生均衡分布的富含燃料区域和燃料贫乏区域。
在许多需要加热-熔体的工业过程中使用一些燃烧器，在其中于氧化剂中燃烧燃料，氧化剂例如是空气、富含氧气的空气，或氧气。燃料的燃烧产生称为热NOx的污染物。当燃料以化学计量比燃烧时，所产生的热NOx量达最大。
在已有技术中已知，若燃料以不足化学计量或超化学计量地燃烧时，热NOx的释放将减少。按这思路，澳大利亚专利9220395号揭示了一种用于工业熔炉的燃烧器，其中燃料或氧化剂或两者以低于3Hz，典型地低于1Hz的频率脉动，该方法减少了NOx的释放。在频率高于3Hz时，测量发现一氧化碳的释放增加，因而确定用于燃烧器的频率低于3Hz是较好的。澳大利亚专利9220395号中的燃烧器是一比较复杂的机械装置，它是通过含一系列阀的导管工件来输料的，所述阀必须在所需的脉动频率下持续定期地打开和关闭。
正如将要讨论的，本发明提供一种能在比澳大利亚′395申请更高频率下操作且附带低NOx和低一氧化碳产物的脉动驱动燃烧方法和装置。另外，本发明提供一种能脉动燃烧，且比已有技术中用来使燃料和/或氧化剂脉动的燃烧器简单得多的燃烧器。
本发明提供一种在氧化剂存在下燃烧燃料的方法，其中在质量流速下流动的燃料和氧化剂形成燃料和氧化剂的混合喷射流。燃料和氧化剂燃烧产生-喷射火焰，它们在湍流混合层中混合，在该层中的燃料和氧化剂在涡流中紧密地互相接触。以平均化学计量比混合燃料和氧化剂，燃料或氧化剂或两者的质量流速是间歇的且规则地脉动。该规则脉动具有一足够高的频率，使得在整个喷射火焰中所含燃料和氧化剂之比为富含燃料的涡流和燃料贫乏的涡流基本上是均衡分布的。
规则脉动具有一脉动频率，该频率至少与湍流频率的数量级是相同的，此时的湍流是由平均流动不稳定性引起的。正是对于这些数量级为1的Strouhal数（St＝fD/V，其中f为强制频率，D为燃烧器流动的特征长度，V为燃烧器流动的特征速率），引入了最大流体动力学不稳定性，因而在富含燃料和燃料贫乏的涡流之间获得化学计量的最大差别。
按本发明的另一方面，提供一种在氧化剂存在下燃烧燃料的装置，在这种装置中，有一燃烧器含用于形成燃料和氧化剂的混合喷射流的装置，所述喷射流是在质量流速下流动的燃料和氧化剂形成的，该装置可在燃烧时形成喷射火焰。燃料和氧化剂喷射流在湍流混合层中混合，其中燃料和氧化剂在涡流中紧密地互相接触，有一装置将燃料和氧化剂以平均化学计量比，在质量流速下补给入燃烧器中，补给装置包含一个流体振荡器，用于以规则脉动方式间歇地将燃料或氧化剂补给入燃烧器中，所述脉动具有一足够高的频率，使涡流包含富含燃料比例和燃料贫乏比例的燃料和氧化剂。本发明的再一个方面，补给装置包含二个流体振荡器，用于在规则脉动下间歇地将燃料和氧化剂补给入燃烧器中，所述规则脉动具有足够高的频率，使整个喷射火焰中涡流包含富含燃料比例和燃料贫乏比例的燃料和氧化剂。
典型地，从燃烧器发射出的燃料和氧化剂喷射流的速率的数量级为10-100m/s，所得火焰的长度的数量级为2-5m，若将燃料或氧化剂或两者在3Hz左右的频率下，以脉动方式供给，显然整个火焰本身将在整体化学计量是富含燃料和燃料贫乏两种情况之间来回地摆动。结果将会减少NOx的生成，这是因为尽管从长时间的平均来看，燃烧是按化学计量进行的，但在任何一段时间内则是富含燃料或燃料贫乏的。另一方面，富含燃料的燃烧将产生高一氧化碳的释放。
通常，在工业燃烧器中，燃料和氧化剂的喷射流是湍流的，且形成涡流谱，其尺寸范围和频率可由湍流理论估算。燃料和氧化剂在湍流混合层中反应。若燃料，氧化剂或两者在某一频率下脉动，该频率的数量级与由平均流动不稳定性产生的湍流频率的数量级相同，则强烈的流体动力学不稳定性会在整个火焰中产生许多微观分区，这些分区交替地具有富含燃料和燃料贫乏的特征。结果，事实上当频率保持这种状态时，燃烧产生的一氧化碳量和NOx量实际上将会减少，而且，本发明使用不带移动部件的流体振荡器，而不使用阀。这样，本发明可比已有技术脉冲燃烧器更简单地实现。
说明书结尾的权利要求明确地指出了申请人认为是其发明的主题内容，但申请人认为结合附图本发明将得到更好的理解，附图为：
图1为实施本发明方法的装置的示意图;
图2为用于本发明的流体振荡器的示意图;
图3A为燃料贫乏涡流的卷绕图;和
图3B为富含燃料涡流的卷绕图。
参照图1，图示了本发明的装置10，装置10包含用于在氧化剂存在下燃烧燃料的燃烧器12。在此处和在权利要求中所用的术语“氧化剂”是指空气或富含氧气的空气或氧气本身。燃料可为一气体如甲烷或液体如油。在本发明中并无特别优选种类的燃烧器，图示的燃烧器12形式只是为了举例需要。在燃烧器12中有一由环状燃料通道16包围的中心氧化剂通道14。由燃烧器12形成燃料和氧化剂的混合喷射流18和20，燃料和氧化剂的燃烧产生喷射火焰22。
再参照图2，燃料和氧化剂可用流体振荡器24和26补给入燃烧器12中，流体振荡器24，26间歇地并在具有指定频率的规则脉冲下补给燃料，流体振荡器在流体力学领域是众所周知的，但迄今为止并没有将之应用于燃烧。然而它们不含移动部件装置。流体振荡器24的内部结构与流体振荡器26应是相同的，因而只图示了流体振荡器24。流体在质量流速qin下进入流体振荡器24。分流板28使气流分开交替地流下支路29和30，这是由于在反馈环路34和32中的气流分别使边界层在进入分流板28前，在导管35中从一侧移动至另一侧。这样产生一由规则脉冲36组成的间歇流动qout，应明白的是其它流体振荡器也可用于燃烧器10中。在本发明中同样值得重点注意的是，可删去流体振荡器24或流体振荡器26，而只振荡地将氧化剂或燃料补给入燃烧器12中。
参照图3A和3B，燃料和氧化剂的混合喷射流18和20在湍流混合层中混合。气流的流体动力学不稳定性由于非线性增长而产生涡流，例如，涡流A和B，其中燃料38和氧化剂40进行紧密的物理接触，使两者之间可发生反应。注意涡流A中，围着氧化剂40卷绕燃料38产生-燃料贫乏区域，而涡流B中，围着燃料38卷绕氧化剂40产生-富含燃料的燃烧。为了提高在涡流A（燃料贫乏）和涡流B（燃料富含）之间的摆动，最有效的方法是在单位Strouhal值下驱动流体动力学不稳定性。假定在谱的低端，氧化剂以约10m/s的速率流动，氧化剂通道14的直径约为0.1m，则最有效的驱动频率的数量级大约为102Hz。通常，频率将更大些，其数量级约为103-104
假定脉冲36的脉冲频率至少与前述湍流频率的数值相同，则从微观上来看，火焰为一富含燃料涡流和燃料贫乏涡流的混合物，这样在整个火焰内是富含燃料区域和燃料贫乏区域的混合物。这样的结果是即使补给入燃烧器12的氧气总数量是按照化学计量的，间歇的补给将在火焰22中产生非化学计量的富含燃料和燃料贫乏涡流或富含燃料和燃料贫乏区域。因而，热NOx的产生将减少。同时，各区域的紧密相邻将使来自燃料富含区域或涡流的未燃烧燃料在由燃料贫乏区域或涡流提供的过量氧化剂中燃烧。这将减少由于燃料的不完全燃烧而生成的一氧化碳，而如果整个火焰或大部分火焰从燃料富含状态振荡至燃料贫乏状态时，就会发生这种（燃烧不完全的）情况。
在燃料和氧化剂两者都振荡的情况下，不应使燃料和氧化剂的脉冲相互之间同相，这样氧化剂脉冲发生在燃料脉冲之间，或反之。
虽然本发明已结合优选实施例讨论，本领域的技术熟练者可在不偏离本发明精髓和范围内，作各种改变，增加和省略。

Claims (7)

1、一种在氧化剂存在下燃烧燃料的方法，其特征在于，包括：
将在质量流速下流动的燃料和氧化剂形成燃料和氧化剂的混合喷射流；和
燃烧燃料和氧化剂形成一喷射火焰；
燃料和氧化剂的喷射流是在湍流混合层中混合的，其中的燃料和氧化剂在涡流中紧密地互相接触；
以平均化学计量比混合燃料和氧化剂；
燃料或氧化剂或两者的质量流速是间歇的，且有规则地脉动，所述的规则脉动具有足够高的频率，使在整个所述喷射火焰中，所含燃料和氧化剂之比是富含燃料的涡流和所含燃料与氧化剂之比是燃料贫乏的涡流基本上是均衡分布的。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料和氧化剂的质量流速是间歇的，具有规则脉冲，且相互之间异相。
3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述脉冲的频率约高于100Hz。
4、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述脉冲频率的范围在103-104Hz之间。
5、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，由流体振荡器将规则脉冲引入燃料或氧化剂的质量流速。
6、一种在氧化剂存在下燃烧燃料的装置，其特征在于，包含：
一燃烧器，该燃烧器含用于形成燃料和氧化剂的混合喷射流，所述喷射流是在质量流速下流动的燃料和氧化剂形成的，且可在燃烧时产生喷射火焰，燃料和氧化剂的喷射流在湍流混合层中混合，其中的燃料和氧化剂在涡流中紧密地相互接触，和
用于在所述质量流速下，以平均化学计量比，将燃料和氧化剂补给入燃烧器的装置;
所述补给装置包含一个流体振荡器，用于间歇地并以规则脉动方式将燃料或氧化剂补给入燃烧器中，所述脉冲具有一足够高的频率，使所含燃料与氧化剂之比是富含燃料的涡流和所含燃料与氧化剂之比是燃料贫乏的涡流，在整个所述喷射火焰中基本上是均衡分布的。
7、一种在氧化剂存在下燃烧燃料的装置，其特征在于，包含：
-燃烧器，该燃烧器含用于形成燃料和氧化剂的混合喷射流，所述喷射流是燃料和氧化剂在质量流速下流动形成的，且可在燃烧时产生喷射火焰，燃料和氧化剂的喷射流在湍流混合层中混合，其中的燃料和氧化剂在涡流中紧密地相互接触，和
用于在所述质量流速下，以平均化学计量比，将燃料和氧化剂补给入燃烧器的装置;
所述补给装置包含二个流体振荡器，用于间歇地并以规则脉动方式将燃料和氧化剂补给入燃烧器中，所述脉冲具有一足够高的频率，使所含燃料与氧化剂之比为富含燃料的涡流和所含燃料与氧化剂之比为燃料贫乏的涡流，在整个所述喷射火焰中基本上是均衡分布的。
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PB01 Publication
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication