CN1121571A - 燃烧用窄喷射角液体燃料雾化器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃烧液体燃料如油的改进雾化方法和装置。该雾化方法和装置能稳定地产生具有非常窄的喷射角的液体燃料物流。即使当液体燃料的流速比较低时，或者当液体燃料物流是在液体燃料通道的外面雾化时，也能使产生的液体燃料物流具有非常窄的喷射角。由于能稳定地产生具有非常窄的喷射角的液体燃料物流，因而即使雾化装置从由炉壁限定的耐火喷嘴口的内开口向内充分凹下，也可使雾化装置长期使用，不会引起结污问题。

Description

燃烧用窄喷射角液体燃料雾化器
本发明涉及用于产生具有非常窄的喷射角且可以有效燃烧的液体燃料物流的雾化装置和方法。
高温燃烧经常被许多工业生产过程采用，如玻璃熔化过程及废物焚化过程。用于实施这种工业过程的燃烧器常使用液体燃料如油。U.S.专利4,541,796公开了一种燃烧器，它至少具有两个通道，这两个通道分别传送液体燃料和氧化剂至燃烧器的外部某处。首先将分开传送的液化燃料雾化，然后使其与氧化剂混合并燃烧。
U.S.专利4,738,614公开了一种特别适用于U.S.专利4,541,796所公开并保护的燃烧器的雾化器。该雾化器具有特殊设计的液体燃料通道，及斜角雾化流体喷嘴口。当液体燃料通过液体燃料通道注入时，雾化流体通过斜角雾化流体喷嘴口以45-75°角，优选60°角引入燃料通道，所述角度是以燃料通道的纵轴为基准测得的。已经表明，这种雾化器优于已知的压力和机械式雾化器，能够避免诸如运动部件的机械断裂或非常小的液体燃料孔的堵塞等问题。
但是，这种雾化器仍然存在如下缺陷。首先，难以对液体燃料的流动进行控制，这是因为这样设计的雾化器使得在液体燃料与雾化流体之间存在压力依存关系。例如，增加雾化流体的流动会引起对液体燃料供应背压的增加，从而难以对液体燃料供应量进行流动控制。其次，当雾化器于炉壁的耐火喷嘴口内向内凹下时，该雾化器不能有效地操作。雾化了的燃料物流如油冲击耐火喷嘴口的内表面，使喷嘴口内形成烟炱，从而使雾化器和喷嘴口结污。最后，如果该雾化器采用的雾化流体含氧，则可能会形成不安全燃烧的问题。由于液体燃料是在燃料通道内用流体燃料雾化流体对液体燃料进行内部雾化处理的，液体燃料就有可能流进雾化流体(氧气)管中，因而造成不安全燃烧。
本发明的一个目的是提供一种用于有效地控制液体燃料流动的雾化装置。
本发明的另一个目的是提供一种可有效地用于雾化并燃烧液体燃料并且即使在雾化器于炉壁的耐火喷嘴口内向内凹下时也不会使雾化装置结污的雾化装置。
本发明的另一个目的是提供一种可应用含氧雾化流体而同时使不安全燃烧的危险降至最小的雾化装置。
本发明的另一个目的是提供一种可引入燃烧器中不需要任何水冷却装置即可操作的雾化装置。
通过阅读本说明书，上述目的和其它目的均是很明显的，可以通过本发明实现这些目的。本发明的一个方面是：
一种用于分散流体燃料以使其有效地燃烧且同时降低氮氧化物生成的装置，该装置包括：
1.一种用于雾化流体燃料以使其有效地燃烧且同时降低氮氧化物生成的装置，该装置包括：
(a)一个具有内表面和外表面的喷嘴，所说的内表面限定出液体燃料通道和液体燃料喷嘴口，所说的液体燃料喷嘴口具有用于接收来自液体燃料通道的液体燃料的入口和排出液体燃料的出口；和
(b)一个具有内表面和外表面的外壳，该外壳同心围绕着至少一部分的喷嘴，所说的外壳的内表面与所说的喷嘴的外表面之间限定出一条环形通道和环形雾化流体喷嘴口，环形通道终止于具有出入口开口的环形雾化流体喷嘴口，其中限定出所说的环形分散流体喷嘴口的至少一部分外壳的内表面和至少一部分喷嘴的外表面均为圆锥形，其直径朝着所说的出口方向逐渐变小，其中所说的液体燃料喷嘴口的出口直径与所说的环形雾化流体燃料喷嘴口的出口直径之比为约0.25-0.55。
本发明的另一个方面是：
一种用于雾化液体燃料以提供液体燃料物流的方法，该方法能有效地促进燃烧并且同时可降低氮氧化物生成，所说的液体燃料物流为扩散喷射形式，其外周角小于15°，该角度是以所说的液体燃料物流的轴向测得的值，该方法包括：
(a)从至少一个第一开口喷射液体燃料物流；
(b)从至少第二个环形开口向至少第一个开口，以会聚角为约5°-30°，速度为约0.5-1.2马赫，向所说的液体燃料物流喷射液体燃料雾化流体，所说的角度是以所说的喷嘴的纵轴为基准测得的。
图1为本发明的一种实施方案的液体燃料燃烧器雾化器的截面图。
图2为具有图1的雾化器的液体燃料燃烧器的截面图，其中燃烧器在耐火炉壁的耐火喷嘴口内向内凹下。
本发明涉及一种用于燃烧液体燃料如油的改进雾化方法和装置。该雾化方法和装置能稳定地产生具有非常窄的喷射角的液体燃料物流。即使当液体燃料的流速比较低时，或者当液体燃料物流是在液体燃料通道的外面雾化时，也能产生具有非常窄的喷射角的液体燃料物流。由于能稳定地产生具有非常窄的喷射角的液体燃料物流，因而即使雾化装置从由炉壁限定的耐火喷嘴口的内开口向内充分凹下，也可使雾化装置长期使用，不会引起结污问题。耐火喷嘴口的内开口面对着炉内的燃烧区，因而由雾化装置喷射的经雾化的液体可在燃烧区内燃烧。由于雾化装置可以向内凹下的方式进行有效的操作，无需进行水冷，因而避免了潜在的腐蚀问题。此外，本发明的雾化方法和装置基本上可防止液体燃料进入雾化装置的雾化燃料通道。由于液体燃料不会进入雾化装置的雾化燃料通道，因而可以使用含氧气体作为雾化流体，同时不安全燃烧的危险性也降至最小。
下面参考附图所示的优选雾化装置详细描述本发明。但是，不难理解，该优选的雾化装置的说明并不排除优选雾化装置的各种变化方式，它们对于本领域的普通技术人员来讲是非常明显的。
附图1和2示出了具有以同心方式设置的喷嘴(3)和外壳(5)的雾化装置(1)的截面图。该装置(1)可通过将喷嘴(3)同轴地置于外壳(5)内，例如具有不锈钢和陶瓷末端(16和18)的流体导管内而很方便地进行组装。如果需要一个附加的环路通道(8)以喷射用于有效燃烧的氧化剂或喷射用于有效雾化的附加雾化流体，可以围绕外壳(8)同心设置一个附加的外壳(6)，例如附加的流体导管。可以使用任何已知的连接方式将喷嘴(3)与外壳组合起来，包括但并不限于机械螺纹和压缩型机械密封连接方式，如焊接、钎焊、粘合或胶结。装置(1)可以引入任何燃烧器中，包括可用两种燃料的非水冷式燃烧器，该燃烧器可从由炉壁(12)限定的耐火喷嘴口(10)的内开口(14)向内凹下。例如，可用两种燃料的气冷式燃烧器可以采用装置(1)喷射雾化了的液体燃料，然后使用其外环形通道或其它通道喷射不同的燃料，如含煤颗粒的流体及氧化剂物流。装置(1)可以使用任何与其最终用途相容的材料制造。这些材料主要包括：不锈钢、金属、陶瓷和塑料。
喷嘴(3)具有内表面和外表面，该内表面限定出液体燃料通道(7)，该通道终止于液体燃料喷嘴口(9)。液体燃料通道(7)可包括至少两段长度。第一段(7A)的截面积或直径相对较大一些，而与第一段(7A)相连通的第二段(7B)的截面积朝液体燃料喷嘴口(9)的方向上逐渐变小(径向变小的锥形)，优选为圆锥形。所说的液体燃料喷嘴口(9)具有用于接收来自液体燃料通道(7)的液体燃料的入口(11)和排出液体燃料的出口(13)。液体燃料喷嘴口(9)的入口(11)通常位于第二段(7B)的末端，其截面积或直径等于或小于第二段(7B)末端处的面积或直径。液体燃料喷嘴口(9)可包含至少三段，第一段(9A)的截面积或直径等于或小于液体燃料通道(7)的第二段(7B)末端的截面积或直径，第二段(9B)在出口(13)的方向上其截面积或直径略为变小，第三段(9C)的截面积或直径小于第一段(9A)的截面积或直径。通常，液体燃料通道(7)的截面积或直径大于液体燃料喷嘴口(9)的截面积或直径。
外壳(5)具有同心地图绕着至少一部分喷嘴(3)的内表面和外表面，在外壳(5)的内表面与喷嘴(3)的外表面之间限定出环形通道(15)和雾化流体喷嘴口(17)。环形通道(15)终止于环形雾化流体喷嘴口(17)，该喷嘴口具有用于接收和排出来自环形通道(15)的液体燃料雾化流体的入口和出口。环形通道(15)的截面积或直径通常大于环形雾化流体喷嘴口(17)的截面积或直径。限定出所说的环形分散流体喷嘴口(17)的至少一部分外壳(5)的内表面和至少一部分喷嘴(3)的外表面均为圆锥形，其直径朝着所说的出口方向以约5-30°，优选约12-18°的角度(A)逐渐变小，该角度是以所说的喷嘴(3)的纵轴(c)为基准测得的。
为了操作该装置(1)，向液体燃料通道(7)供应液体燃料如油和煤-水混合物。所用的液体燃料的粘度通常为约1-700赛氏粘度(SSU)。供给的液体燃料在通过燃料通道(7)的第二段(7B)的过程中，逐步受压。加压的液体燃料在其喷射出去之前，在液体燃料喷嘴口(9)中进一步受压，从而增加了液体燃料的速度。为了促进形成具有所希望窄喷射角的液体燃料物流，液体燃料喷嘴口(9)的出口(13)应终止于与环形雾化流体喷嘴口(17)的出口开口(21)的终止处相同点，即相同平面处。但是，液体燃料喷嘴口(9)的出口(13)也可以位于环形雾化流体喷嘴口(17)的出口开口(21)的下游或前面，其最大距离等于所说液体燃料喷嘴口的出口直径。为了进一步促进形成具有所希望窄喷射角的液体燃料物流，也可对液体燃料喷嘴口(9)的出口(13)的截面积或直径作适当的设置。液体燃料喷嘴口(9)的出口(13)的截面积或直径是依从于环形雾化流体喷嘴口(17)的出口开口(21)的截面积或直径的。用于排出液体燃料的出口(13)的直径与用于喷射雾化流体的出口开口(21)的直径之比为约0.25-0.55，优选为约0.355-0.45。相应的截面积之比可用下式进行计算：
AWF(截面积)＝πr2，其中r为半径或直径的一半。
通常，液体燃料喷嘴口(9)的出口(13)的直径大于0.02英寸。出口(13)的直径优选为0.02-1英寸，更优选0.02-0.5英寸。可用上式计算相应的截面积。
雾化流体被输送到环形通道(15)中，依次再流进环形雾化流体喷嘴口(17)。环形雾化流体喷嘴口(17)的截面积或直径，小于环形通道(15)的截面积或直径，因而，随着雾化流体通过环形雾化流体喷嘴口(17)，其速度被加快。雾化流体被输送时的压力应使雾化流体从液体燃料喷嘴口(9)出口(13)以约0.5-1.2马赫单位，优选为0.8-1.1马赫单位的喷射速度向液体燃料物流喷出。通过使该雾化流体以会聚角(A)为约5°-30°，优选为约12°-18°会聚液体燃料物流，即使液体燃料的喷射速度很低即5-50英尺/秒，也可促进形成具有所希望的窄喷射角的液体燃料物流。输送的雾化流体的速度应使雾化流体与液体燃料的质量比保持在约0.3-0.7，优选为约0.4-0.7。该比例也用于形成具有所希望的窄喷射角的液体燃料物流。将预期量的雾化流体以所希望的角度从环形雾化喷嘴口(17)的出口开口(21)喷出，所说的出口开口(21)与液体燃料喷嘴口(9)的出口(13)位于同一平面上，或位于液体燃料喷嘴口(9)的出口(13)的下游，其间相距等于或小于出口(13)的直径。所希望的液体燃料物流为扩散喷射形式，其外周角小于15°，优选大于10°但小于2°，该角度是以所说的液体燃料物流的轴为基准测得的。
本发明中可以采用任何一种有效的雾化流体。已知的雾化流体包括：氮气、二氧化碳、氩气、蒸气、空气、富氧空气和纯氧气。本发明的雾化装置(1)可采用富氧空气和纯氧气作雾化流体，基本上不会增加与不安全燃烧有关的危险。当雾化流体采用空气、富氧空气和纯氧气时，至少一部分液体燃料是在装置(1)的外面燃烧的。这种燃烧导致生成热的燃烧气体，它们增强液体燃料的推进并使液体燃料稀薄，因而又使液体燃料在炉内的雾化程度加大。
一旦液体燃料有效地雾化后，它可与氧化剂进行反应或燃烧。可以由环形开口(8)向环形通道(15)供应氧化剂，或者由与液体燃料雾化处相隔开的开口供应。氧化剂优选纯氧气或氧气浓度至少为25％(体积)的富氧空气。
为了进一步说明本发明并展示获得的改进结果，给出下列实施例。它们仅仅用于说明并展示本发明的各个目的，不是对本发明的限定。
所有的试验均是在一个圆柱形实验炉中进行，该炉子的内径为3英尺，内长为8英尺，它至少具有一个限定了至少一个喷嘴口的壁面。该喷嘴口具有一个面向炉子内腔的内部开口，这样可使安装在其内的燃烧器向炉子的内腔点火。燃烧器是由将雾化装置即现有技术的雾化器或本发明的雾化器，放置在具有不锈钢和/或陶瓷末端的流体导管内构成的。该燃烧器设有内部燃料通道、雾化流体通道和环形氧化剂通道。该燃烧器放置在喷嘴口内。如果使用无需水冷的燃烧器，燃烧器的末端可从耐火喷嘴口的内开口处向内凹下，且凹下的长度至少为燃料通道出口直径的两倍。为完成该实验，燃烧器末端从耐火喷嘴口的内开口处向内凹下约1/8英尺。将燃烧器设计成能向炉子的内腔以1MM BTU/hr的速度点火。从炉子的三个不同位置向炉子中注入氮气以促进空气的渗透，这种渗透在工业炉中是公知的。在NOx(氮氧化物)测量过程中，炉子的耐火壁温度保持在2800°F。NOx的结果通过化学发光分析仪催化测定池(chemi-luminescent analyzer calyalytic cell)测量，并以NO(一氧化氮)表示，并可表示为每1MM Btu的点火燃料燃烧产生NO2的磅数。缩写“MM”是指百万。
在制成采用具有如上所述的U.S.专利4,738,614所公开的雾化器的燃烧器之后，开始进行试验。向该燃烧器中输送油燃料，该燃料的含氮量为0.22％(重量)，140°F下的密度为.898，总热值为18503BTU/lb。燃烧器的入口温度保持在180°F，以保持油的粘度为约16厘沲(CST)或80 SSU。输送的油用蒸气雾化以燃烧。在油雾化过程中，蒸气压对油的流速存在强烈的影响。这种影响使得难以对蒸气和油的流速进行控制。燃烧器入口处的油压必须增加到约70psig，以使这种影响减至最小。在此期间，引入燃烧器的雾化器产生出具有宽喷射角的雾化油，并在燃烧器的末端沉积烟炱。
在制成采用具有如上所述本发明的雾化器的燃烧器之后，在相同条件下重复该试验。本发明的雾化器使雾化后油在各种流速下均具有稳定的窄喷射角。这使得该燃烧器可以在无水冷却下进行操作，不会在燃烧器的末端上形成许多的烟炱。同样，蒸气压不会对油的流速有什么影响，因而可使燃烧器在较低的油背压下进行操作。此外，燃料油不会流入雾化流体通道中，因此使得燃烧器可以使用含氧空气作为雾化流体进行操作。
在改变雾化蒸气/油的比例以及改变环形雾化流体会聚燃料油的会聚角后，重复进行试验时发现，雾化蒸气/油比例高会减少氮氧化物的排出量，会聚角为15°或近似15°将产生具有最窄喷射角的燃料油物流，该喷射角是以燃料油物流的轴向为基准测得的。
虽然参考上述实施方式已详细地说明了本发明的雾化方法和装置，但本领域的普通技术人员将会看出，本发明的其它实施方式也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于雾化流体燃料以使其有效地燃烧，且同时降低氮氧化物生成的装置，该装置包括：
(a)一个具有内表面和外表面的喷嘴，所说的内表面限定出液体燃料通道和液体燃料喷嘴口，所说的液体燃料喷嘴口具有用于接收来自液体燃料通道的液体燃料的入口和排出液体燃料的出口；和
(b)一个具有内表面和外表面的外壳，该外壳同心围绕着至少一部分的喷嘴，所说的外壳的内表面与所说的喷嘴的外表面之间限定出一条环形通道和环形雾化流体喷嘴口，环形通道终止于具有出入口和开口的环形雾化流体喷嘴口，其中限定出所说的环形分散流体喷嘴口的至少一部分外壳的内表面和至少一部分喷嘴的外表面均为圆锥形，其直径朝着所说的出口开口方向逐渐变小，其中所说的液体燃料喷嘴口的出口开口直径与所说的环形雾化流体燃料喷嘴口的出口开口直径之比为约0.25-0.55。
2.根据权利要求1的装置，其中限定出所说的环形分散流体喷嘴口的至少一部分外壳的内表面和至少一部分喷嘴的外表面均为圆锥形，其直径朝着所说的出口开口方向以约5-30°的角度逐渐变小，该角度是以所说的喷嘴的纵轴为基准测得的，其中所说的液体燃料喷嘴口的出口直径与所说的环形雾化流体燃料喷嘴口的出口直径之比为约0.35-0.45。
3.根据权利要求2的装置，其中限定出所说的环形分散流体喷嘴口的至少一部分外壳的内表面和至少一部分喷嘴的外表面均为圆锥形，其直径朝着所说的出口方向以约12-18°的角度变小，该角度是以所说的喷嘴的纵轴为基准测得的。
4.根据权利要求1的装置，其中所说的液体燃料喷嘴口位于环形雾化流体喷嘴口的出口开口的下游，其间最大距离可等于所说液体燃料喷嘴口的出口直径；或者位于与环形雾化流化喷嘴口的出口开口同一平面上。
5.一种用于雾化液体燃料以提供液体燃料物流的方法，该方法能有效地促进燃烧并且同时可降低氮氧化物生成，所说的液体燃料物流为扩散喷射形式，其外周角小于15°，该角度是以所说的液体燃料物流的轴向测得的值，该方法包括：
(a)从至少一个第一开口喷射液体燃料物流；
(b)从至少第二个环形开口向至少第一个开口，以会聚角为约5°-30°，速度为约0.5-1.2马赫，向所说的液体燃料物流喷射液体燃料雾化流体，所说的角度是以所说的喷嘴纵轴为基准测得的。
6.根据权利要求5的方法，其中所说的液体燃料以小于50英尺/秒的速度喷射。
7.根据权利要求5的方法，其中所说的雾化的流体以会聚角为约12°-18°，以速度为约0.8-1.1马赫，向所说的液体燃料物流喷射，所说的角度是以所说的喷嘴的纵轴为基准测得的。
8.根据权利要求5的方法，其中所说的喷射的雾化流体的速度应使雾化流体与液体燃料的质量比保持在约0.4-0.7。
9.根据权利要求5的方法，其中所说的雾化流体选自：蒸汽、空气、富氧空气和纯氧气。
10.根据权利要求5的方法，其中所说的至少第一个开口的直径为约0.02-1英寸。
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