CN112292566B - 多功能流体燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃烧器，该燃烧器用于提供熔融火焰，该熔融火焰的轴线能够在操作期间改变，并且用于提供能够穿透熔融材料的表面的氧化剂的超音速射流，该燃烧器具有独特的特征组合，该独特的特征组合包括在其开口排放端处的特定轮廓的火焰卡圈。

Description

多功能流体燃烧器

技术领域

本发明涉及可用于建立和利用高温来熔融固体材料(诸如废金属)的装置(诸如燃烧器)。

背景技术

高温工业设备(诸如用于生产铁和钢的电弧炉以及其他炉)的操作通常需要固体材料(诸如废金属)的熔融。由于此类操作消耗大量能量，因此提高此类操作的效率持续受到关注。本发明在熔融固体材料以及后续加工熔融的材料以生产钢方面提供了优点。

发明内容

本发明的一个方面是一种多功能燃烧器，该多功能燃烧器包括

(A)主体，该主体具有：

通道，该通道穿过主体，该通道具有中心轴线，其中该通道包括锥形会聚区段、喉部区段、锥形发散区段和扩口发散区段，所有这些区段均与中心轴线同轴，其中

该锥形会聚区段具有开口上游端和开口下游端，其中该锥形发散区段的宽度在朝向其下游端的方向上减小，其中该会聚区段的内表面相对于中心轴线形成恒定角度，优选地2度至30度的角度；

该喉部区段具有密封到锥形会聚区段的下游端的开口上游端，以及开口下游端，并且具有在其上游端和下游端之间恒定的直径D；

该锥形发散区段具有密封到喉部区段的下游端的开口上游端，以及开口下游端，其中锥形发散区段的宽度在朝向其下游端的方向上增加，其中该锥形发散区段的内表面相对于中心轴线形成恒定角度，优选地2度至15度的角度；

该扩口发散区段具有密封到锥形发散区段的下游端的开口上游端，以及开口下游端，其中该扩口发散区段的宽度在朝向其下游端的方向上增加，其中中心轴线和该扩口发散区段的内表面上的点的切线之间的角度随着点距扩口发散区段的上游端的距离的增加而增加，并且其中在包含中心轴线的横截面平面中，该扩口发散区段的内表面是半径R为D/4至3D的圆的一部分；

其中从喉部区段的下游端到扩口发散区段的下游端的轴向距离L为D至4D；

(B)一个或多个偏置气体通道，该一个或多个偏置气体通道位于燃烧器的主体内，每个偏置气体通道终止于喉部区段或锥形发散区段中的下游偏置气体开口，该下游偏置气体开口的轴线基本上垂直于中心轴线，每个下游偏置气体开口具有直径d，其中每个下游偏置气体开口在喉部区段或锥形发散区段中在喉部区段的下游端密封到锥形发散区段的上游端的点的上游3d/4至下游d/4范围内的点处开口，每个偏置气体通道具有能够连接到偏置气体源的入口；

(C)环形端口表面，该环形端口表面位于垂直于中心轴线的平面中，并且围绕并密封到扩口发散区段的下游端；

4至20个第一端口，该第一端口位于环形端口表面中，该第一端口的轴线平行于中心轴线，其中该第一端口通过燃烧器的主体内的第一通道连接到一个或多个入口，气态燃料能够通过该一个或多个入口从燃烧器的外部进料，

和4至20个第二端口，该第二端口位于环形端口表面中，该第二端口的轴线平行于中心轴线，其中该第二端口通过燃烧器的主体内的第二通道连接到一个或多个入口，气态氧化剂能够通过该一个或多个入口从燃烧器的外部进料，该第一通道和第二通道彼此分开；

其中该第一端口基本上均匀地定位在端口表面中，基本上均匀地远离通道的中心轴线，并且该第二端口基本上均匀地定位在端口表面中，基本上均匀地远离通道的中心轴线；

(D)火焰卡圈，该火焰卡圈围绕中心轴线并与中心轴线同轴，并且具有(i)上游端，该上游端密封到端口表面，该上游端距中心轴线的距离比第一端口和第二端口距中心轴线的距离更远，(ii)开口下游端，该开口下游端的直径大于其上游端的直径，并且该开口下游端位于端口表面下游一距离处，该距离为跨火焰卡圈的开口下游端的距离的至少5％，以及(iii)暴露表面，该暴露表面面向中心轴线并且从上游端延伸到下游端，

其中该暴露表面包括数量与偏置气体开口的数量相等的一个或多个弯曲区域，其中每个弯曲区域位于朝向火焰卡圈的下游端向外开口的不同圆锥的表面上，每个圆锥的轴线位于中心轴线和偏置气体开口中不同的一个偏置气体开口的轴线的平面中，并且在喉部区段的下游端处在平行于锥形发散区段的内表面的方向上在与相关联的偏置气体开口的位置相对的一侧上从中心轴线延伸；以及(iv)通道，该通道位于火焰卡圈内，冷却剂能够流过该通道以吸收由在燃烧器处发生的燃烧生成的热量；以及

(E)出口，该出口在主体内位于锥形会聚区段中或锥形会聚区段上游，气态氧化剂能够从出口沿着中心轴线进料到主体中进入锥形会聚区段中，其中该出口通过燃烧器的主体中的通道连接到入口，气态氧化剂能够通过该入口从燃烧器的外部进料。

本发明的另一方面是一种处理融熔容器内的材料的方法，该方法包括

(A)将气态氧化剂进料到上述燃烧器的锥形会聚区段中，经过偏置气体开口并进入火焰卡圈中，将气态氧化剂从燃烧器的所述第二端口进料到火焰卡圈中，以及将气态燃料从燃烧器的第一端口进料到火焰卡圈中，并且在火焰卡圈中燃烧所述氧化剂和所述燃料以形成火焰，该火焰从燃烧器的主体沿着轴线经过火焰卡圈的开口端出现，；

(B)使火焰与熔融容器中的材料在材料的第一表面处接触，并且用火焰加热材料；

(C)间歇地将偏置气体从偏置气体开口的下游端送出以接触流过偏置气体开口的气态氧化剂，从而用偏置气体将火焰的轴线改变为另一轴线，并且当火焰的轴线已改变时，使火焰与熔融容器中的材料接触，并且用火焰加热材料；

重复步骤(C)直到材料完全熔融；

并且然后

(E)中断偏置气体的进料；以及

(F)以超音速从通道内将气态氧化剂流喷射出火焰卡圈以穿透所熔融材料的表面，同时使燃料流出第一端口，使气态氧化剂流出第二端口，并且燃烧所述燃料和所述气态氧化剂以在气态氧化剂流周围建立火焰包络。

附图说明

图1是根据本发明的燃烧器的透视图。

图2是根据本发明的燃烧器的剖视图。

图3是根据本发明的燃烧器的下游端的平面图。

图4是根据本发明的一个实施方案的一部分的透视图。

图5A和图5B是根据本发明的燃烧器的一部分在燃烧器的不同操作模式下的剖视图。

具体实施方式

首先转到图1，示出了燃烧器1的外部。燃烧器1包括外部壳体2，该外部壳体的外表面显现于图1中。外部壳体2包括入口管线3A，冷却水可通过该入口管线流入燃烧器的火焰卡圈19内的内部通道4中(本文相对于图2进一步描述)。外部壳体2还包括出口管线3B，冷却水通过该出口管线从内部通道4排出。

燃烧器1还包括进料管线(表示为5)，用于将燃料进料到燃烧器1中，该燃料在流出端口21之后将燃烧，如本文所述；以及单独的进料管线(表示为6)，用于将气态氧化剂进料到燃烧器1中，该气态氧化剂流出端口22之后将与流出端口21的燃料一起燃烧，如本文所述。

燃烧器1还包括进料管线(表示为8)，用于将气态氧化剂进料到中心通道13中。

在使用中，进料管线5可连接到燃料源，该燃料源优选地为气态可燃烃，诸如甲烷、丙烷、丁烷或天然气，并且管线8可连接到气态氧化剂源，该气态氧化剂源可为空气、具有22体积％至75体积％的氧含量的富氧空气或具有至少90体积％并且优选地至少95体积％的氧含量的更高纯度的氧。与管线5、6和8的连接将各自包括合适的常规控制件(诸如阀)，以允许流动或切断流动，并且控制流动速率。

图1中显现的元件17B、18、19B、19C和19D在本文中相对于图2和图3进行描述。

接下来转到图2，示出了本发明的燃烧器的实施方案的横截面。

燃烧器1包括前述外部壳体2。所示的燃烧器包括燃烧器主体11，该燃烧器主体的外表面10B接触外部壳体2的内表面10A。为了易于制造燃烧器，人们可单独地产生内部主体11和外部壳体2，并且然后通过将内部主体11插入到外部壳体2中来装配燃烧器，从而确保存在表面10A和10B的充分接触，以在通道4中提供从内部主体11到冷却水的良好热传递，该通道通常将设置在外部壳体2的火焰卡圈区段19中。另选地，燃烧器1可被构造成使得其为构成燃烧器主体的一体件。燃烧器1通常穿过炉或炼钢容器的壁安装，其中开口端面向炉或容器的内部。在上述两个部分中制造燃烧器1是有利的，因为在已安装由外部壳体2连同内部主体11构成的燃烧器之后，当内部主体11已经磨损或损坏时，可以通过简单地将其从外部壳体2内移除并安装较新的内部主体11来更换该内部主体，而不必将整个燃烧器1从其在炉或容器的壁中的位置移除。

燃烧器的主体包括通道13，该通道从主体11的闭合端20延伸穿过到达火焰卡圈19的开口下游端19C。通道13优选地以单个中心轴线12为中心。前述用于气态氧化剂端的管线8终止于优选地与轴线12同轴的出口8A处。出口8A优选地位于锥形会聚区段14内或其上游的通道13中。

锥形会聚区段14包括上游端14A和下游端14C。会聚锥形区段的内表面14B应当相对于中心轴线12形成恒定角度，优选地2度至30度的角度(即，如果轴线12所在的平面与会聚区段14形成的圆锥交汇的线延伸到与轴线12交汇，则所述角度为在该平面中形成的角度)。

锥形会聚区段14的下游端14C密封到喉部区段15的上游端15A。(所谓“密封”在本文中是指区段彼此连接，使得流体不能通过区段之间的连接部流出通道13，而是只能在轴向方向上从一个区段流到下一个区段。)喉部区段15在整个喉部区段15到其下游端15B的范围内具有恒定的直径D。喉部区段15优选地具有轴向长度，但喉部区段还可包括直接位于锥形会聚区段的下游端14C和锥形发散区段16的上游端16A之间的接头。

喉部区段的下游端15B密封到锥形发散区段16的上游端16A。锥形发散区段16的内表面16B以相对于中心轴线12的恒定角度(优选地2度至15度的角度)延伸到下游端16C。一个或多个偏置气体开口23A存在于主体11中，每个偏置气体开口具有直径“d”，并且每个偏置气体开口位于喉部区段15或锥形发散区段16中，并且优选地位于下游端16A和上游端15C的交汇处，或者距该交汇的距离不远于该交汇的上游(3d/4)到该交汇的下游(d/4)。每个偏置气体开口23A的轴线垂直于中心轴线12，或相对于中心轴线12基本上垂直(即，偏离垂直方向不超过15度)。偏置气体开口23A通过合适的阀和控制件连接到偏置气体通道23，该偏置气体通道存在于主体11中并且可连接到偏置气体的外部源(其可以是如本文所定义的气态燃料，或另一种气体(诸如氮气、氩气或二氧化碳)，但优选地是如本文所定义的气态氧化剂)。

当存在两个或更多个偏置气体开口23A时，它们优选地设置在全部处于垂直于中心轴线12的同一平面、彼此间隔开、优选地围绕中心轴线12对称地间隔开的位置中。例如，如果存在两个开口23A，则它们优选地间隔开180度，尽管它们可以30度至180度的角度彼此分开。如果存在三个开口23A，则每个开口优选地与其最近的开口间隔开120度，尽管它们可以30度至180度的角度彼此分开。如果存在四个开口23A，则每个开口优选地与其最近的开口间隔开90度，尽管它们可以30度至180度的角度彼此分开。偏置气体开口23A的间距根据火焰30(参见图5A和图5B)能够被引导的若干不同轴向方向来选择。

锥形发散区段16的下游端16C密封到扩口发散区段17的上游端17A。扩口发散区段17的内表面17B延伸到下游端17C。所谓“扩口”是指，如图2所示，内表面17B是弯曲的，使得中心轴线12和内表面17B上的点的切线之间的角度随着该点距扩口发散区段的上游端17A的距离的增加而增加。更具体地讲，在中心轴线12所在的任何平面中，由该平面与表面17B交汇形成的线是半径R为(D/4)至3D(优选地为D/2至3D(即，D的四分之一或D的一半，最多D的三倍))的圆的一部分。

图2还示出了距离L，该距离为从喉部区段15的下游端15B到扩口发散区段17的下游端17C的轴向(即，平行于轴线12)距离。在本发明中，已确定在其中L为在D至2D或甚至最多4D(即，D至D的两倍的或最多D的四倍)范围内的值的实施方案中获得适当的结果。

扩口发散区段17的下游端17C密封到端口表面18，该端口表面是围绕扩口发散区段17的端部处的开口的环形圆并且位于垂直于中心轴线12的平面中。表面17B可以向外扩口，到达其平滑地与端口表面18合并的交汇处，而没有任何不连续性，或者下游端17C可以与端口表面18成一角度或角交汇。

多个端口21和22在端口表面18的顶部表面中开口，如在图1、图2和图3中可见。每个端口21和22的轴线平行于中心轴线12。优选地存在4至20个第一端口21，其通过合适的导管和控制件连接到燃料进料管线5。第一端口21的数量优选地为6至12，并且更优选地为8至10。优选地存在4至20个第二端口22，其通过合适的导管和控制件连接到氧化剂进料管线6。第一端口22的数量优选地为6至12，并且更优选地为8至10。端口21和22应各自具有使得氧化剂流和燃料流一起从端口流出形成稳定的火焰的直径。实际上，端口的直径通常为四分之一英寸至一英寸，这取决于燃烧器的总体尺寸和通过端口的流速。端口21基本上均匀地围绕端口表面18定位，相对均匀地远离中心轴线12(优选地呈圆形)。端口22还应基本上均匀地围绕端口表面18定位，相对均匀地远离中心轴线12(优选地呈圆形)。端口21和22可全部位于同一圆上，在这种情况下，它们优选地彼此交替，使得在两个端口22之间总是存在端口21并且在两个端口21之间总是存在端口22，并且每个端口21和22相对均匀地远离中心轴线12。另选地，端口21可位于具有第一直径的圆上，并且端口22位于具有大于或小于第一直径的第二直径的圆上。在此类构造中，端口21和22应优选地交错，这意味着从中心轴线到第一端口的半径总是在半径到两个不同的第二端口之间，反之亦然。在另一种替代形式中，成对的端口21和22可位于距中心轴线相同的半径上。

如本文所使用，如果从通过每个端口中心的中心轴线12起的每对相邻半径之间的角度均在(360/N)的5度内(其中N是端口的数量)，则端口“基本上均匀地”围绕中心轴线12定位，并且如果每对相邻半径之间的角度在(360/N)的1度内，则端口“均匀地”围绕中心轴线12定位。例如，在有12个端口的情况下，如果每对相邻半径之间的角度为25度至35度，则认为它们基本上均匀地围绕中心轴线12定位，并且如果每个此类角度为29度至31度，则认为它们均匀地定位。

如本文所使用，端口“相对均匀地远离”中心轴线12意指，参考其中心最靠近中心轴线12的端口，该组中的其他端口中的任一个端口都没有完全在其中心位于中心轴线上并且其半径是到该参考端口的最外边缘的距离的圆之外，并且如果参考该参考端口，一组中的其他端口中的任何部分都没有在其中心位于中心轴线上并且其半径是到该参考端口的最外边缘的距离的圆之外，则该组端口“基本上均匀地远离”中心轴线12。

火焰卡圈19围绕扩口发散区段17的开口端并且与中心轴线12同轴。火焰卡圈19具有上游端19A，该上游端在距中心轴线12的距离比端口21和22距中心轴线12的距离更远的位置处密封到端口表面18。火焰卡圈19具有下游端19C，该下游端的直径大于其上游端19A的直径。下游端19C位于端口表面18下游一距离处，该距离为跨火焰卡圈的开口端19C的距离的至少5％(优选地至少15％，并且更优选地至少25％)。

火焰卡圈19包含火焰卡圈内的通道4，冷却水(或其他冷却剂)可流动通过该通道以吸收由在燃烧器处发生的燃烧生成的热量，并且吸收从火焰被引导到其中的炉所发出的热量。

火焰卡圈19还具有面向中心轴线12并且从上游端19A延伸到下游端19C的暴露表面19B。暴露表面19B(而不是仅仅是锥形或扩口形状)包括一个或多个特别弯曲的区域(先前不是已知的)，这些区域提供操作优势。这些特别弯曲的区域的数量应等于燃烧器中偏置气体开口23A的数量。

每个弯曲区域位于朝向火焰卡圈19的下游端19C向外开口的不同圆锥的表面上。每个不同圆锥的轴线具有若干特征：其位于同一平面中，中心轴线12和偏置气体开口23A中的不同的一个偏置气体开口的轴线两者位于该平面中；并且其在喉部区段15的下游端15B处在平行于锥形发散区段16的内表面16B的方向上在与相关联的偏置气体开口23A的位置相对的一侧上从中心轴线12延伸。即，每个此类不同圆锥的轴线位于燃烧器的与偏置气体开口相对(“远离”)的一侧上，该偏置气体开口与该圆锥及其轴线相关联。

图3和图4示出了具有三个此类区域的火焰卡圈中的这些特别弯曲的区域，这些区域将用于具有三个偏置气体开口的燃烧器中。可以看出，每个特别弯曲的区域由脊19D界定。在给定的一对相邻脊19D之间，每个圆锥的表面将接触并限定表面19B的不同特别弯曲的区域，而该对相邻脊之外的圆锥的其余部分将不接触任何表面19B并且将不限定表面19B的任何其他部分。

图5A和图5B示出了火焰卡圈表面19B的特别弯曲区域和如本文进一步所述的生成并轴向偏置的火焰之间的关系。当没有偏置气体从任何偏置气体开口喷射时，由从端口21进料的燃料和从出口8A进料的氧化剂流7以及从端口22进料的氧化剂的燃烧形成的火焰沿着轴线12延伸出燃烧器1，与轴线12大致同轴且平行。火焰将采取远离燃烧器扩展的大致锥形形状。此类火焰在图5A中示出为火焰30。

当火焰30的轴线从与轴线12同轴或平行于该轴线改变为新的轴向对准31(诸如通过如本文进一步所述从偏置气体开口23A喷射偏置气体以使流过开口23A的氧化剂流7偏转)时，流7将沿着表面16B通过，并且将倾向于沿着表面17B(表现出所谓的康达效应)，并且将与来自端口21的燃料燃烧为火焰30，该火焰围绕方向7A在火焰卡圈19中以大致锥形形状扩展(如图5B所示)。火焰扩展成大致锥形形状的这一倾向将导致火焰的一部分接触形成如本文所述的锥形区段的表面19B的特别弯曲部分。提供表面19B的特别弯曲部分提供的优点包括保护火焰卡圈和端口表面18免受来自火焰或来自火焰被引导到其中的炉的过量热量的影响。

在根据本发明的操作中，将气态氧化剂流7从出口8A进料到燃烧器1中，并且将气态氧化剂从端口22进料到火焰卡圈19中，并且将燃料从端口21进料到火焰卡圈19中，并且点燃并燃烧来自端口表面的燃料和来自端口表面和出口8A两者的氧化剂以形成火焰。火焰从火焰卡圈19中的通道13延伸出火焰卡圈的开口端。

如上所述，如果没有偏置气体从偏置气体开口23A中的任一个偏置气体开口喷射，则火焰将从燃烧器的平行于中心轴线12或与该中心轴线同轴的开口端出现。

间歇地，偏置气体从一个或多个偏置气体开口23A以足以在气态氧化剂流7经过偏置气体开口时冲击该气态氧化剂流的速率喷射。这一冲击将氧化剂流的轴线从其原来的轴向方向(无论是平行于轴线12还是与该轴线同轴，还是与轴线12成一角度)改变为另一轴向方向7A。由燃料与偏转流7A中的氧化剂以及与来自端口22的氧化剂的燃烧形成的火焰30仍然从燃烧器1的开口端出现，但在不同的轴向方向上出现。在存在两个或更多个偏置气体开口的情况下，可以从一个偏置气体开口并且然后从不同的偏置气体开口或从它们中的每个偏置气体开口喷射偏置气体，使得火焰的轴向方向从不平行于轴线12的一个方向改变为也不平行于轴线12的另一方向。应当指出的是，平行于轴线12的火焰轴向方向则简单地为火焰可被在其上引导的又一轴向方向。因此，可以在许多不同方向中的每个方向上改变火焰的轴向方向，其中一个方向可以任何所需的轴向方向序列平行于轴线12。

这一改变火焰30的轴向方向的能力可用于熔融炼钢炉中的固体材料，诸如废金属。例如，人们可将火焰引导到材料的特定区域处，并且然后改变火焰的轴向方向以接触材料的不同的区域。然后，轴向方向可再次改变为第三方向，以便使火焰与材料的第三区域接触或返回到先前方向，以继续加热先前被加热的区域，等等。优选的是，继续使火焰与材料的一个区域接触，直到该区域处的材料部分或完全熔融，并且然后改变火焰的轴向方向以加热材料直到其部分或完全熔融，并且然后在又一材料区域上移动以部分或完全熔融材料，等等。然而，在这些步骤的任一个步骤中，如果人们期望以此类方式操作，则火焰可用于加热材料而不熔融任何材料。

本发明的一个优选实施方式是在炼钢炉中熔融进料，诸如废金属。在任何实施方式中，但特别是在炼钢炉中，存在附加的待执行的步骤。即，当材料已完全熔融时，氧化剂流继续离开出口8A，但现在以足够高的速度流动，使得该氧化剂流以超音速从火焰卡圈19的开口端出现。此时，继续从端口21和22进料燃料和氧化剂，并且燃烧并在从火焰卡圈19的开口端出现的氧化剂流周围形成火焰罩。氧化剂流的速度必须足够高，使得氧化剂流到达炉中所熔融金属的表面并穿透到所熔融金属中。火焰罩使该氧化剂流稳定。

实施例

下表包含为特定炉设计的一个燃烧器的样本操作条件。尽管在给定燃烧器中采用的实际速度将取决于总体加热要求，但在根据本发明的燃烧器中采用的速度将保持在200fps至1000fps(英尺/秒)的范围内。已发现400fps的最小O2端口22速度和650fps的最小天然气端口21速度对于电弧炉中的理想操作是有用的。

Claims (12)

1.一种多功能燃烧器，所述多功能燃烧器包括

(A)主体，所述主体具有：

通道，所述通道穿过所述主体，所述通道具有中心轴线，其中所述通道包括锥形会聚区段、喉部区段、锥形发散区段和扩口发散区段，所有所述区段均与所述中心轴线同轴，其中

所述锥形会聚区段具有开口上游端和开口下游端，其中所述锥形会聚区段的宽度在朝向其下游端的方向上减小，其中所述会聚区段的内表面相对于所述中心轴线形成恒定角度；

所述喉部区段具有密封到所述锥形会聚区段的所述下游端的开口上游端以及开口下游端，并且具有在其上游端和下游端之间恒定的直径D；

所述锥形发散区段具有密封到所述喉部区段的所述下游端的开口上游端以及开口下游端，其中所述锥形发散区段的宽度在朝向其下游端的方向上增加，其中所述锥形发散区段的内表面相对于所述中心轴线形成恒定角度；

所述扩口发散区段具有密封到所述锥形发散区段的所述下游端的开口上游端以及开口下游端，其中所述扩口发散区段的宽度在朝向其下游端的方向上增加，其中所述中心轴线和所述扩口发散区段的内表面上的点的切线之间的角度随着所述点距所述扩口发散区段的所述上游端的距离的增加而增加，并且其中在包含所述中心轴线的横截面平面中，所述扩口发散区段的内表面是半径R为D/4至3D的圆的一部分；

其中从所述喉部区段的所述下游端到所述扩口发散区段的所述下游端的轴向距离L为D至4D；

(B)两个、三个或四个偏置气体通道，所述两个、三个或四个偏置气体通道位于所述燃烧器的所述主体内，每个偏置气体通道终止于所述喉部区段或所述锥形发散区段中的下游偏置气体开口，所述下游偏置气体开口的轴线基本上垂直于所述中心轴线，每个下游偏置气体开口具有直径d，其中每个下游偏置气体开口在所述喉部区段或所述锥形发散区段中在所述喉部区段的所述下游端密封到所述锥形发散区段的所述上游端的点的上游3d/4至下游d/4范围内的点处开口，每个偏置气体通道具有能够连接到偏置气体源的入口；

(C)环形端口表面，所述环形端口表面位于垂直于所述中心轴线的平面中，并且围绕并密封到所述扩口发散区段的所述下游端；

4至20个第一端口，所述第一端口位于所述环形端口表面中，所述第一端口的轴线平行于所述中心轴线，其中所述第一端口通过所述燃烧器的所述主体内的第一通道连接到一个或多个入口，气态燃料能够通过所述一个或多个入口从所述燃烧器的外部进料，

和4至20个第二端口，所述第二端口位于所述环形端口表面中，所述第二端口的轴线平行于所述中心轴线，其中所述第二端口通过所述燃烧器的所述主体内的第二通道连接到一个或多个入口，气态氧化剂能够通过所述一个或多个入口从所述燃烧器的外部进料，所述第一通道和所述第二通道彼此分开；

其中所述第一端口基本上均匀地定位在所述端口表面中，基本上均匀地远离所述通道的所述中心轴线，并且所述第二端口基本上均匀地定位在所述端口表面中，基本上均匀地远离所述通道的所述中心轴线；

(D)火焰卡圈，所述火焰卡圈围绕所述中心轴线并与所述中心轴线同轴，并且具有(i)上游端，所述上游端密封到所述端口表面，所述上游端距所述中心轴线的距离比所述第一端口和所述第二端口距所述中心轴线的距离更远，(ii)开口下游端，所述开口下游端的直径大于其上游端的直径，并且所述开口下游端位于所述端口表面下游一距离处，所述距离为跨所述火焰卡圈的所述开口下游端的距离的至少5％，以及(iii)暴露表面，所述暴露表面面向所述中心轴线并且从所述上游端延伸到所述下游端，

其中所述暴露表面包括数量与所述偏置气体开口的数量相等的两个、三个或四个弯曲区域，其中每个弯曲区域位于朝向所述火焰卡圈的所述下游端向外开口的不同圆锥的表面上，每个圆锥的轴线位于所述中心轴线和所述偏置气体开口中不同的一个偏置气体开口的轴线的平面中，并且在所述喉部区段的所述下游端处在平行于所述锥形发散区段的所述内表面的方向上在与相关联的所述偏置气体开口的位置相对的一侧上从所述中心轴线延伸；以及(iv)通道，所述通道位于所述火焰卡圈内，冷却剂能够流过所述通道以吸收由在所述燃烧器处发生的燃烧生成的热量；和

(E)出口，所述出口在所述主体内位于所述锥形会聚区段中或所述锥形会聚区段上游，气态氧化剂能够从所述出口沿着所述中心轴线进料到所述主体中进入所述锥形会聚区段中，其中所述出口通过所述燃烧器的所述主体中的通道连接到入口，气态氧化剂能够通过所述入口从所述燃烧器的外部进料。

2.根据权利要求1所述的多功能燃烧器，其中所述会聚区段的所述内表面相对于所述中心轴线形成2度至30度的恒定角度。

3.根据权利要求1所述的多功能燃烧器，其中所述锥形发散区段的所述内表面相对于所述中心轴线形成2度至15度的恒定角度。

4.根据权利要求1所述的多功能燃烧器，其中所述第一端口和所述第二端口在所述端口表面中彼此交替定位，基本上均匀地远离所述通道的所述中心轴线。

5.根据权利要求1所述的多功能燃烧器，火焰卡圈开口下游端的直径大于其上游端的所述直径，并且所述火焰卡圈开口下游端位于所述端口表面下游一距离处，所述距离为跨所述火焰卡圈的所述开口下游端的距离的至少5％。

6.根据权利要求1所述的多功能燃烧器，所述扩口发散区段的所述内表面是半径R为D/2至3D的圆的一部分。

7.根据权利要求1所述的多功能燃烧器，其中从所述喉部区段的所述下游端到所述扩口发散区段的所述下游端的轴向距离L为D至2D。

8.一种处理熔融容器内的材料的方法，所述方法包括

(A)将气态氧化剂进料到根据权利要求1所述的燃烧器的锥形会聚区段中，经过偏置气体开口并进入所述燃烧器的火焰卡圈中，

将气态氧化剂从所述燃烧器的第二端口进料到所述火焰卡圈中，以及将气态燃料从所述燃烧器的第一端口进料到所述火焰卡圈中，并且在所述火焰卡圈中燃烧所述燃料和所述气态氧化剂以形成火焰，所述火焰从所述燃烧器的主体沿着轴线经过所述火焰卡圈的开口端出现；

(B)使所述火焰与熔融容器中的材料在所述材料的第一表面处接触，并且用所述火焰加热所述材料；

(C)间歇地将偏置气体从偏置气体开口的下游端送出，并且使所述偏置气体与经过所述开口的所述气态氧化剂接触以改变所述氧化剂的轴线，并从而用所述偏置气体将所述火焰的轴线改变为另一轴线，以及当所述火焰的轴线已改变时，使所述火焰与所述熔融容器中的所述材料接触，并且用所述火焰加热所述材料；

重复步骤(C)直到所述材料完全熔融；

并且然后

(E)中断偏置气体的进料；以及

(F)以超音速从所述通道内将气态氧化剂流喷射出所述火焰卡圈以穿透所熔融材料的表面，同时使燃料流出所述第一端口，使气态氧化剂流出所述第二端口，并且燃烧所述燃料和所述气态氧化剂以在所述气态氧化剂流周围建立火焰包络。

9.根据权利要求8所述的方法，其中在步骤(F)中进料的气体流包括氧气。

10.根据权利要求8所述的方法，其中在步骤(F)中进料的气体流包括氮气。

11.根据权利要求8所述的方法，其中在步骤(F)中进料的气体流包括氩气。

12.根据权利要求8所述的方法，其中在步骤(F)中进料的气体流包括二氧化碳。

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