CN1119723A - 交替使用燃料的氧-燃料燃烧器系统 - Google Patents

Abstract

一种交替或同时燃烧气体和液体燃料的氧-燃料燃烧器系统。从一个氧-燃料燃烧器射出的气体燃料射流通过氧矛由下喷射或被夹在由两种辅助的氧化剂射流(最好由氧气生成)产生的氧化剂射流之间。它设有用于产生包括液体燃料的第二燃料射流的可调节的第二燃料喷嘴，所述液体燃料以小于20°的夹角向氧化剂射流倾斜。当使用液体燃料时，气体燃料切断而液体燃料接通，反之亦然，或者两者可同时运行，此时氧化剂向两种燃料流供给氧气。

Description

交替使用燃料的氧—燃料燃烧器系统

本发明涉及一种在氧气或富氧空气的存在下交替地或可能同时燃烧气体和液体燃料的氧—燃料燃烧器系统。更具体地，本发明涉及这样一种带有喷射气体和液体燃料射流以及一种或多种氧化剂射流的燃料和氧化剂喷嘴，使气体或液体燃料能在氧化剂的助燃下燃烧的氧—燃料燃烧器系统。

燃烧器常用于加热各种熔化物例如玻璃、黑色及有色金属等等。燃烧器的一种新的发展涉及在燃烧器中使用氧气或富氧空气助燃燃料的所谓氧—燃料燃烧器。这些燃烧器是小型的并典型地产生小的火焰而具有高能量输出。

由氧—燃料燃烧器产生的密集火焰导致高能量输出的缺点在于由于过分集中的传热率可能在熔化物中形成局部过热区域。为了防止出现这一现象，人们研究开发在很宽区或进行燃烧的燃烧器。例如，在U.S.5,199,867中一股向外发散的扇形燃料射流被夹在二股形状类似的氧化剂射流之间。下层氧化剂流设计成产生一个低压区以影响燃料射流，且由此将燃烧扩展至宽的区域。另一方面，正如在U.S.5,299,929中所说明的，燃料射流可设计成产生一个低压区以影响氧化剂射流。前者燃料被吸入氧化剂中，而后者氧化剂被吸入燃料中。在U.S.4,927,357中显示的另一种类型的氧—燃料燃烧器或燃烧器系统中，一股发散的扇形氧化剂射流位于燃烧器或燃料射流的下方产生一个低压区以吸引燃料射流，从而使火焰向下取向，向着熔化物。所包含的方法即为在现有技术中所谓的氧矛切割。

上述的任一种燃烧器或系统都使用一种特定类型的燃料(气体或液体燃料)选择最佳条件进行操作。经常是，燃料的价格根据一年中使用燃料的时间或者有时甚至是一天中使用燃料的时间而变化。确保需求高峰期间气体燃料供应的费用(“无间断费率”)可能非常可观，以致关闭炉子和用液体燃料使用的燃料喷嘴替代气体燃料所用的燃料喷嘴在成本上更经济。可以预计，虽然成本更低，这样的关闭是一种代价很大的生产延误。

如下面的讨论可见，本发明提供了一种氧—燃料燃烧器系统，该系统设计成既适应液体燃料也适应气体燃料或者适应两者同时使用，而且转换燃料的周转时间很短。

本发明提供一种交替或同时燃烧气体燃料和液体燃料的氧—燃料燃烧器系统。该氧—燃料燃烧器系统包括一个氧—燃料燃烧器，它包括用于产生含有主要燃料的第一股燃料射流的可调节的第一燃料喷嘴装置和用于产生至少一种助燃第一燃料射流的主要燃料的氧化剂射流的一种氧化剂喷嘴装置。它设有一个可调节的辅助的第二燃料喷嘴装置，用于产生包含一种辅助燃料的第二燃料射流以在氧化剂内燃烧。该主要燃料和辅助燃料分别包含气体和液体燃料或反之氧—燃料燃烧器和可调节的辅助的第二燃料喷嘴装置配置成在通常的操作条件下，该第一和第二燃料射流各与至少一种氧化剂射流具有一个动量差，使主要和辅助燃料与氧化剂混合。

作为本发明的另一方面，提供一种交替燃烧气体和液体燃料的氧—燃料燃烧器系统。该燃烧器系统包括一个氧—燃料燃烧器和可调节的辅助的第二燃料喷嘴装置。氧—燃料燃烧器包括一个用于产生包含主要燃料的第一燃料射流的可调节的第一燃料喷嘴装置；用于产生两种包含氧化剂的辅助氧化剂射流的氧化剂喷嘴装置；当第一燃料喷嘴装置调节至产生所述的主要燃料流时，该两股氧化剂射流将第一燃料射流夹在当中，而当第一燃料喷嘴装置调节到至少降低主燃料的流量时它们合并成一股结合的氧化剂射流。第二燃料喷嘴装置产生一种含有辅助燃料的第二燃料射流，当可调节的第一燃料喷嘴装置调节到至少降低主燃料的流量时，该辅助燃料在氧化剂中燃烧。该主要燃料和辅助燃料分别包含气体和液体燃料或反之。氧—燃料燃烧器和可调节的辅助的第二燃料喷嘴装置配置成在通常的操作条件下，第一燃料射流与二种辅助氧化剂射流中至少一种具有一个动量差，第二燃料射流与结合的氧化剂射流具有一个动量差，以使主要和辅助燃料与氧化剂混合。

根据本发明，交替燃烧来自独立分隔的喷嘴的液体和气体燃料，可使所用燃料在燃烧器系统内快速转换，或者甚至使二种燃料以结合的形式使用。值得注意的是在此以及在权利要求书中所用的术语“可调节的”是指适当的燃料或氧化剂射流可随意地被接通或断开以及/或者还可在流体完全断开和完全接通的状态之间按比例进行调节。

尽管本发明说明书末尾的权利要求书清楚明了地指明了申请人认为的本发明的实质内容，结合附图加以阐述相信会更有助于理解本发明。

图1是本发明的氧—燃料燃烧器系统的正视图；

图2是图1的前部正视图；

图3是图1的剖面图，说明一台图1的氧—燃料燃烧器系统使用一种气体燃料运行；

图4是图1的剖面图，说明本发明的氧—燃料燃烧器系统使用一种液体燃料运行；

图5是由本发明的燃料或氧化剂射流形成的向外发散的扇形射流的顶部平视图；

图6是一台利用本发明的氧—燃料燃烧器系统加热一种熔化物的炉子的剖面图。

图1和2说明本发明的氧—燃料燃烧器系统10。氧—燃料燃烧器系统10包括设计成在一种氧气或富氧空气的氧化剂中燃烧一种主要气体燃料例如甲烷的一台氧—燃料燃烧器12，以及设计成燃烧辅助液体燃料的一台雾化燃料喷嘴装置14。氧—燃料燃烧器12和雾化燃料喷嘴装置14被安装在炉身16内。

氧—燃料燃烧器12(在U.S.5,299,129中有详细叙述，在此引用作为参考)具有长形的本体18，它有顶壁20、底壁22以及侧壁24和26。中部燃料喷嘴28将本体18分成氧化剂上喷嘴30和氧化剂下喷嘴32。

中部燃料喷嘴28在本体18内由上方和下方的两组叶片34和36支撑，这些叶片使中部燃料喷嘴28与顶壁20和底壁22连接。上方和下方叶片34和36分隔上方和下方通道，形成沿长度方向的上方和下方氧化剂喷嘴30和32，因此，氧化剂流通过上方和下方氧化剂喷嘴30和32分成许多具有速度大小相同的支流，而且在横向逐渐分散射入氧化剂流。结果，从上方和下方氧化剂喷嘴30和32排出的上方和下方氧化剂射流具有向外发散的扇形形状。中部燃料喷嘴28具有相对于燃料流方向呈横向发散状的通道。如此产生向外扩张的扇形燃料射流，它被夹在两股氧化剂射流之间，且具有比从上方和下方氧化剂喷嘴30和32排出的上方和下方氧化剂射流更大的动量和速度。结果，燃料射流影响上方和下方氧化剂射流，使氧化剂被吸入燃料中。

结合件42连接于本体18的后部，氧化剂通过此结合件进入本体18，进而流入上方和下方氧化剂喷嘴30和32。结合件42与本体18所附的带螺纹的入口44相连接，且设计成接受连接在氧化剂管道上的常用的快速脱卸装置46。氧化剂管道48与阀门50连接，以向本体18供给氧化剂或中止供给氧化剂。横截面为矩形的导管52向中部燃料喷嘴28供给燃料。从导管52的矩形部分向圆形部分过渡的过渡件54可与设计成连接快速脱卸装置58的常用的结合件56连接，然后快速脱卸装置58与燃料管道60连接。燃料管道60可供给甲烷，且具有阀门62，当不用甲烷气体燃料时切断甲烷流。

氧—燃料燃烧器12安装在燃烧器座16的通道68内。燃烧器座16的表面70、72、74和76(位于燃烧器12的前面并形成通道68的前部)设计成使燃烧器12产生的火焰逐渐发散。

燃料喷嘴装置14设计成产生一种发散的扇形的雾化燃料喷流。它包括一个与外部管子(如套管80)连接的喷雾器喷嘴78。雾化气体入口管道82和用于连接压缩空气或氧气管道86的快速脱卸装置84供给压缩空气以帮助雾化燃料。阀门88用于当不用液体燃料时中止雾化气体的供给。带有一个快速脱卸装置92的同轴管90连接雾化喷嘴78并穿过管80的长度。它通过燃料管道94向雾化喷嘴78供给燃料油，该燃料管道94装有阀门96，当不再使用液体燃料时中止燃料的供给。在可用高压油的情况下，可用不需要雾化介质的压力雾化喷嘴替代雾化喷嘴78。

燃料喷嘴装置14是倾斜的，这样得到的扇形的雾化燃料喷流也向氧化剂倾斜。虽然在正常的操作情况下由于燃料和氧化剂的动量差，它们将混合；在调低的操作条件下，不会有足够的燃料充分影响氧化剂射流。燃料射流的倾斜使燃料射流和氧化剂射流相交以在燃烧器关闭期间确保混合燃料和氧化剂。正如所说明的，氧—燃料燃烧器12和燃料喷嘴装置14安装在燃烧器座内。显燃，如所说明的，由于燃料喷嘴由下方射向氧化剂射流，而且燃料的动量高于氧化剂，因此火焰向上偏转离开熔化物。这不是本发明优选的操作。为了防止这一现象，可将整个燃烧器座向下倾斜，朝向熔化物，这样在正常的操作条件下，火焰指向熔化物。另一方面，氧—燃料燃烧器12和燃料喷嘴装置14均可向下倾斜朝向熔化物，而燃料喷嘴装置14与氧—燃料燃烧器12有一夹角，以确保补充的燃料射流以一锐角与氧化剂射流相交。

参阅图3，当要使用气体燃料例如甲烷时，辅助的氧化剂射流(见图4)从燃烧器12射出，与从中部燃料喷嘴28射出的中部气体燃料射流结合，产生燃烧的易燃混合物。参阅图4，当不使用气体燃料期间，关断阀门62将气体燃料流切断，而打开阀门88和96供给油和雾化气体以产生一种雾化燃料喷雾。燃料喷嘴装置14位于燃烧器12的下方，且倾斜安装，使第二燃料射流100与由两股辅助氧化剂射流生成的结合的氧化剂射流101相交，在所说明的实例中为从氧—燃料燃烧器12射出的上方和下方辅助氧化剂射流102和103。相交的角度较好为小于20°，特别好的交角为10°。

参阅图5，第二燃料射流以与辅助的上方和下方氧化剂射流102和103相同的方式呈向外发散的扇形。第二燃料射流100和结合的氧化剂射流101呈紧密匹配形状。在此以及权利要求书中所用的术语“紧密匹配形状”是指液体燃料射流和氧化剂射流呈适当的形状使燃料射流在液体燃料射流与氧化剂射流的相交点处具有比氧化剂更小的横截面或大致相同的横截面。该形状匹配将确保氧化剂包围在液体燃料之中，这样，燃料由氧化剂而不是在炉子内存在的氧助燃。这样，在氧—燃料燃烧器12中，下方的辅助氧化剂射流103比上方的辅助氧化剂射流102具有更大的流率和动量。当燃料射出时未燃烧的燃料颗粒逐渐变轻并由此导致火焰向上卷烧。为了减少这种与燃料的喷射燃烧相关的典型现象，以较低流率流动的上方辅助氧化剂射流102提供氧化剂来燃烧这些飘浮的燃料颗粒。因此从中部燃料喷嘴28射出的燃料射流与下方的辅助氧化剂射流102呈紧密匹配的形状。在燃料射流被夹在相同质量流率的氧化剂射流之间的燃烧器中，所有的射流都将是呈紧密匹配形状的。

图6说明氧—燃料燃烧器系统10，该系统位于炉子104内，使用气体燃料并加热熔化物106。需要注意的是火焰108略微朝向熔化物106。在某些情况下，熔化物和燃烧器18之间没有足够的距离使燃料喷嘴装置14安装在燃烧器18的下方。在此情况下，燃料喷嘴装置14可安装在燃烧器18的上方并以小于20°(较好为10°)的锐角向下倾斜与燃料射流相交。然而，图示的由下喷射构形是较为理想的，因为位于热负荷近处的火焰更易控制。

应该另外指出的是本发明可应用于其它氧—燃料燃烧器系统。例如，代替然烧器18，本发明也可用于一种氧矛系统，其中一种向外发散的扇形氧化剂射流位于由一个燃烧器排出的向外发散的扇形燃料射流的下方，以向下吸引火焰，接近热熔化物。另外一个可以替换的实例是使用氧—燃料燃烧器，其中燃料射流夹在两股高速氧化剂射流之间，以将燃料吸入氧化剂中。另外，如美国专利№.5,299,929中所叙述的对于主要用石油运行，而以气体燃料例如丙烷或天然气作为二级/备用燃料的炉子，氧—燃料燃烧器12可用液体燃料运行。当需要改变燃料类型时，可将燃料喷嘴装置14用于气体燃料。阀门50、62、88和96也可以是正比阀门。这样可使用两种燃料。例如，如果用一种低热值燃料如丙烷替代甲烷，可用一些液体燃料与丙烷一起燃烧以增加燃烧器系统10的输出功率。在此情况下，阀门62可设置在部分开启位置以产生减弱的丙烷流通入氧—燃料燃烧器12。同时，阀门50、88和96设置在完全打开的位置。由于在上方和下方的辅助氧化剂射流102和103中几乎不发生燃烧，因而生成结合的氧化剂射流101。

尽管本发明是参照较好实例加以阐述的，但熟悉本领域技术的人应该理解，在不背离本发明的主旨和范围的情况下，可以进行各种各样的添加、变化和省略。

Claims (14)

1.一种交替或同时燃烧气体和液体燃料的氧—燃料燃烧器系统，所述氧—燃料燃烧器系统包括：

一个氧—燃料燃烧器，它包括可调节的第一燃料喷嘴装置和氧化剂喷嘴装置，第一燃料喷嘴装置用以产生含有主要燃料的第一燃料射流，氧化剂喷嘴装置用以产生至少一股含有氧化剂的氧化剂射流，以支持所述第一燃料射流中的主要燃料燃烧；和

可调节的，辅助的第二燃料喷嘴装置，用以产生含有辅助燃料的第二燃料射流，以在上述氧化剂中燃烧；

所述主要燃料和辅助燃料分别为气体和液体燃料，或反之；

所述氧—燃料燃烧器和所述可调节的辅助的第二燃料喷嘴装置配置成在正常运行条件下，所述第一和第二燃料射流的动量各与所述至少一股氧化剂射流的动量不同，从而使所述主要燃料和辅助燃料与所述氧化剂混合。

2.如权利要求1所述的氧—燃料燃烧器系统，其特征在于第一和第二燃料射流和所述的至少一种氧化剂射流都各自具有向外发散的扇形构形。

3.如权利要求1所述的氧—燃料燃烧器系统，其特征在于所述第一和第二燃料射流以及所述至少一种氧化剂射流具有紧密匹配的形状使所述至少一种氧化剂射流包围所述第一或第二燃料射流。

4.如权利要求1所述的氧—燃料燃烧器系统，其特征在于所述第一和第二燃料射流的动量大于所述至少一种氧化剂射流的动量。

5.如权利要求1所述的氧—燃料燃烧器系统，其特征在于所述第二燃料喷射装置与所述至少一种氧化剂射流有一夹角，使所述第二燃料射流与所述至少一种氧化剂射流以锐角相交，以确保所述的辅助燃料和所述的氧化剂在关闭条件下进行混合。

6.一种交替或同时燃烧气体和液体燃料的氧—燃料燃烧器系统，所述氧—燃料燃烧器系统包括：

一个氧—燃料燃烧器，它包括可调节的第一燃料喷嘴装置和氧化剂喷嘴装置，第一燃料喷嘴装置用以产生含有主要燃料的第一燃料射流，氧化剂喷嘴装置用以产生两股含有氧化剂的氧化剂射流，这两股氧化剂射流在所述第一燃料喷嘴装置调节到产生主要燃料流时把第一燃料射流夹在其中，而在所述第一燃料喷嘴装置调节到至少降低主要燃料流时合并成一股结合的氧化剂流；和

可调节的，辅助的第二燃料喷嘴装置，用以产生含有辅助燃料的第二燃料射流，以在上述氧化剂中燃烧；

所述主要燃料和辅助燃料分别为气体和液体燃料，或反之；

所述氧—燃料燃烧器和可调节的辅助的第二燃料喷嘴装置配置成在正常运行条件下，所述的第一燃料射流的动量至少与所述两股氧化剂流中一股的动量不同，而所述第二燃料射流的动量与所述结合氧化剂射流的动量不同，从而使所述主要燃料和辅助燃料与氧化剂混合。

7.如权利要求6所述的氧—燃料燃烧器系统，其特征在于所述氧—燃料燃烧器安装成使所述的两种辅助氧化剂射流位于所述第一燃料射流的上方和下方；

所述的气体燃料在所述氧化剂中燃烧以产生具有一定长度的喷射火焰并沿所述喷射火焰的所述长度产生越来越轻的燃料颗粒；以及

所述的氧化剂喷嘴装置配置成使位于所述第一燃料射流上方的所述辅助的氧化剂射流具有比位于所述第一燃料射流下方的所述辅助的氧化剂射流更低的质量流率，以确保所述的逐渐变轻的燃料颗粒的燃烧。

8.如权利要求6所述的氧—燃料燃烧器系统，其特征在于所述的第一和第二燃料射流、所述的两种辅助的氧化剂射流和所述的结合的氧化剂射流都各自具有向外发散的扇形构形。

9.如权利要求6所述的氧—燃料燃烧器系统，其特征在于所述第一燃料射流与所述两种辅助的氧化剂射流中的至少一种以及所述的第二燃料射流与所述结合的氧化剂射流具有紧密匹配的形状，使所述两种辅助的氧化剂射流中至少一种包围所述第一燃料射流以及所述结合的氧化剂射流包围所述第二燃料射流。

10.如权利要求6所述的氧—燃料燃烧器系统，其特征在于所述第一和第二燃料射流的动量分别大于所述至少一种辅助的氧化剂射流的动量和结合的燃料射流的动量。

11.如权利要求6所述的氧—燃料燃烧器系统，其特征在于所述可调节的辅助的第二燃料喷射装置是斜的，使所述第二燃料射流与所述结合的氧化剂射流以锐角相交，以确保所述的辅助燃料和所述的氧化剂在燃烧器关闭条件下进行混合。

12.如权利要求5或权利要求11所述的氧—燃料燃烧器系统，其特征在于所述的锐角不大于20度。

13.如权利要求12所述的氧—燃料燃烧器系统，其特征在于所述第二燃料喷嘴装置位于所述氧化剂喷嘴装置的下方，使其向上倾斜通向所述氧化剂。

14.如权利要求1或6所述的氧—燃料燃烧器系统，其特征在于所述主要燃料包括所述气体燃料，而所述辅助燃料包括所述液体燃料。

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