CN1124341A - 多孔防堵塞喷嘴 - Google Patents

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Abstract

一种喷嘴及使用该喷嘴喷射气体的方法，喷嘴包含一多孔材料部段。气体经过一条或多条穿过多孔材料的长度部分的通道，并且在多孔材料部分中扩散，以从喷嘴端面喷射出去。通过端面的气体用于防止象燃烧区蒸汽这样的有害气体接触并堵塞喷嘴。

Description

多孔防堵塞喷嘴
本发明一般说来涉及喷嘴，特别是涉及用于高速气流向燃烧区喷射的喷嘴。
在燃烧技术中的最新发展是已经实现了采用高速气流向燃烧区的喷射，以在燃烧过程中降低氧化氮(NOx)的产生。喷嘴采用相对较小的直径以提高喷射速度。这种高气体流速可以导致炉气被抽出或夹带着进入高速气流，从而对NOx的产生起到抑制作用。
高速气流向燃烧区内喷射的问题在于，燃烧区内的物质中可能包含一些颗粒状物质和可凝蒸汽，由于这些燃烧区物质和喷嘴接触，因而能使起初开口就很小的喷嘴发生堵塞或腐蚀。由于炉气相当热，通常在1000°F或者更高的数量级上，这更加重了喷嘴堵塞和腐蚀的程度。这个问题在炉温超过2200°F时变得特别严重。这种堵塞导致从喷嘴喷出的射流被改变方向，使热量向炉料的传递变差；同时还需要频繁的维修，既增加了成本又打乱了炉子的正常生产。
解决这个问题的一种方法就是向喷嘴提供大量的冷却水，以防止高温腐蚀或熔融。但是冷却水系统的运行是十分复杂的，并且不能解决炉气中颗粒含量较大情况下的堵塞问题；还有，当炉气中含有可凝蒸汽时，冷却水会加重腐蚀和堵塞的严重性。
众所周知，温度对于喷嘴的影响可以通过将喷嘴置放在一个连通燃烧区的凹腔中而得到改善。然而，要取得明显的改善效果就要求凹腔相当大。对于高速气流的喷射，大的凹腔是不利的，因为大量的腐蚀性炉气可能被带入凹腔中。再者，这会导致气体喷射速度的下降。因此，在使喷嘴避免温度所造成的损害的同时，由于被带入凹腔的腐蚀性炉气与喷嘴接触而引起的损害却增加了，两者相互抵消。
众所周知，在喷嘴端面形成一个环形气流可以减少喷嘴的堵塞。环形气流特别是在喷嘴置于与主燃烧区相连通的凹腔中时用于阻止炉气及颗粒状物质接触喷嘴。然而，这种设置对于喷嘴的同心度很敏感。例如，由于喷嘴的移动、喷嘴对中的偏差、耐火材料的不均匀磨损或者在燃烧炉喷口及凹腔内的物质积累产生的微小变化都将明显地改变环形气流，并且造成对喷嘴的保护变差。
显然，本发明的一个目的就是提供一种喷嘴，它可以用于气体喷射系统，并能够进行有效的气体喷射，减少由诸如燃烧区物质与喷嘴的接触所引起的堵塞。
本发明的另一个目的是提供一种向接收区(如燃烧区)喷射气流的方法，同时减少诸如由燃烧区物质引起的喷嘴堵塞。
上述目的及其他目的可以通过本发明来实现。这些目的对于熟悉这一技术的专业人员来说在阅读本文后是显而易见的。其中一个方面是：
一个喷嘴包括一个具有一段长度和一个端面的一前部段，一个适用于接收气体的后部段，至少一条适合于第一部分所述气体通过那段长度的通路。以及所述前部段由多孔材料组成，该材料允许第二部分所述气体通过多孔材料并从喷嘴穿过端面喷射出去。
本发明的另一方面是：
用于喷射气流进入接收区的一种方法，其包括：
(A)提供一个喷嘴，该喷嘴包括一个具有一段长度和一个端面的一部段，一条通过这段长度的通道，且所述这一部段是由多孔材料构成的；
(B)使气体穿过通道进入接收区；
(C)使气体穿过所述多孔材料从端面进入接收区。
这里使用的术语“炉气”是指在一个炉子内常见的气体，诸如二氧化碳、一氧化碳、水蒸汽、氮气、氧气和未燃烧的燃料及可凝性蒸汽(如钠类和酸蒸汽)等。
这里使用的术语“燃烧室物质”是指炉内能够流动的物质，诸如炉气及颗粒状物质。颗粒状物质包括玻璃窑料和由煤燃烧得到的煤灰等。
这里使用的术语“燃烧区”是指一个容积，其内含有燃烧区物质，并且燃烧至少在其一部分内进行。
现参照附图及具体实施例对本发明的其他目的、特点、结构及方法进行详细描述。其中：
图1是本发明一个喷嘴的优选实施例的横截面示意图；
图2是本发明另一优选实施例的横截面示意图，其中多孔材料被套置在一种非多孔材料当中；
图3是本发明一第三个优选实施例的横截面示意图，其中采用了两种不同类型的多孔材料；
图4是本发明一第四个优选实施例的横截面示意图，其中采用了一根管子来控制气体的流动方向；以及
图5是由本发明所获得的改进结果与由传统喷嘴所获得的结果相对比而得到的曲线示意图。
现在将参照附图详细描述本发明。
参见图1，喷嘴1包含一个具有一段长度L和一个端面3的前部段2。喷嘴1可以是呈圆柱形或其他任何有效的形状，如其横截面取椭圆形。至少有一条通道4穿过喷嘴顶端的那段长度或前部段2。一般情况下该通道的形状是圆柱形的。更可取的是，本发明只采用一条通道4，尽管本发明也可以采用多条通道4，如2-8条通道。
前部段2由多孔材料11组成。这里使用的术语“多孔材料”是指一种具有相互连通的多个孔的材料，这些孔允许气体从中流过。这些材料包括由烧结粒子和含有平行直线通道的蜂窝状结构组成的材料。
多孔材料一般是多孔陶瓷、多孔(例如烧结的)金属或蜂窝状结构材料。实际上本发明中可以采用的多孔材料包括部分稳定的氧化锆、部分稳定的氧化铝和氧化锆、堇青石、多铝红柱石、磷酸铝、氧化镁、烧结铝、烧结碳化硅、烧结黄铜、烧结青铜和烧结不锈钢。
通道4的直径为d1，其一般在1/16英寸-10英寸范围内，当采用一条以上的通道时，d1就是指一条单一通道的等效直径，该通道的横截面积等于所有通道的横截面积的总和。喷嘴端面3的直径为d2，比率d1/d2一般在0.05-0.8之间。通过改变d1和d2的比率可以改变通过多孔材料的气体总量的百分数。
喷嘴1也包括底部段或后部段5，它一般由不锈钢类的金属制成。后部段5适于用来接收气体，后部段5与气源相连。一般借助螺纹6进行连接。喷嘴可以放置在接收区(如燃烧区)内、与燃烧区的壁平齐、安装或固定放在一个与接收区或燃烧区相连通的一个喷口处。在本发明中，后几种情况下，该喷口可以被认为是接收区或燃烧区的一部分。
在操作中，气体从一个气源(如箭头7所示)进入喷嘴后部段。气体可能是燃料或氧化剂。氧化剂可以是空气或其氧浓度超过空气中氧气浓度的流体，如商业用的纯氧；燃烧例如包括甲烷、丙烷和氢气等。
本发明也可以用于其他气体的喷射，例如本发明可以用于喷射氮气、氩气或二氧化碳进入需要惰性保护、灭火或热处理等用途的环境中。
进入喷嘴后部段的第一部分气体经通道4通过喷嘴的前部段，而进入喷嘴后部段的第二部分气体通过前部段2的多孔材料。一般来说，通过喷嘴的气体的15-98％会走通道4，而2-85％的气体通过多孔材料，最好是10-65％的气体通过多孔材料。通过多孔材料部分的气体流速一般在10-100,000标准立方英尺/小时(scfh)范围内。希望本发明在向燃烧区内喷射气流方面得到最大的使用。为此，本发明的操作方法在下文中更加详细地加以讨论。
通过通道4的气流进入燃烧区9，如箭头8所示。尽管任何有效的速度都可以被采用，但其速度一般大于100英尺/秒(fps)。其余气体通过前部段2的多孔材料，如多个箭头所示。其中其余气体至少有一部分是从喷嘴1穿过端面3出去的，如箭头10所示。在图1展示的本发明实施例中，剩余气体中有一部分是从喷嘴穿过多孔材料部分的侧面出去的。
穿过多孔材料并进入燃烧区的气体可以防止燃烧区物质堵塞喷嘴。例如，由于通道4(至少是很大一部分)因可凝蒸汽的凝结或颗粒状物质的积聚而产生堵塞而造成喷嘴的堵塞。堵塞的其他例子包括由热的或有害的燃烧区物质所引起的腐蚀或损害。
图2至图4展示了本发明的其他实施例。图中的标号对于相同的元件来说是一样的，对于这些相同的元件将不再进行详细的讨论。
现参见图2，它所展示的是本发明另一个实施例的喷嘴顶端或前部段。在这个实施例中，多孔材料11沿着长度方向被包封住，并且置放在由固体材料制成的套管12中。固体材料为传统的固化氧化铝-氧化锆-氧化硅(AZS)耐火材料。这种包覆的实施例在多孔材料不需有足够的机械强度来承受可能遇到的某些特别苛刻的环境的情况下是有用的。
图3展示的是本发明的实施例在多孔材料部分被固体物质12包住、至少是部分包封方面类似于图2中所示的实施例。图3展示的实施例中采用两种不同的多孔材料-整块式陶瓷13和烧结不锈钢多孔材料14。整块式陶瓷象一捆紧紧扎在一起的稻草，这样，就使气体的流动被约束在一个单一的方向上。采用这种多孔陶瓷，气体几乎可以按任何给定的方向流动，而不会有其他事物对气流产生干扰。
图4展示的是类似于图1所示的本发明的实施例。该实施例进一步包括一根管子15，它超过通道4延伸进入喷嘴底部或后部段5。通过使用中心管子15，可以在不用改变喷嘴的多孔材料顶端部分的尺寸或改变顶端部分的渗透性的情况下来控制气体在中心通道4和多孔材料之间的分流。
本发明提供了一种充分防止可凝性物质在喷嘴的顶端积累的装置，因此可以防止喷嘴的堵塞或闭塞，它是通过让一部分工艺气体穿过喷嘴端面来实现的。对于给定的气体流速来说，穿过通道与穿过多孔材料部分的气体量不是相互独立的，两股气体的流量可以根据多孔喷嘴的面积与通道的面积之比来确定。通过多孔材料的气流量越大，对喷嘴的保护就越好。从喷嘴放出的气体的动量平均速率可以进行最优化，以达到降低NOx的生成。对于给定的气体速率和给定的喷嘴尺寸，多孔喷嘴可以以一个特别的d1/d2比率使动量平均速率达到最大。从多孔喷嘴本身出来的气流是用于防止喷嘴的堵塞或封堵的，这种吹洗或保护所能够达到的程度可以结合到喷嘴的设计中去。这一事实是本发明的一个重要优点。
尽管在本发明中，作为燃烧炉系统的一部分的多孔喷嘴在设计时主要考虑的是防止喷嘴的堵塞，但是它也有其他的作用。例如，在运行期间产生的NOx含量低，它不要求水冷却，不要求很高的压力来使气体流动，并且它的结构相当简单。
如前所述，传统喷嘴的一个主要问题是，当喷嘴被用在炉子的喷口上时可能仅仅由于很小的偏心而导致严重的堵塞。下面的例子及其对比的例子用于展示出本发明在克服这一问题上所产生的效果，结果如图5的曲线所示。图中也表示出一个偏心度(e)的例子。这些例子是出于展示的目的而提出的，不意味着有什么限制。
用一种与图4所示相类似的喷嘴(没有中心管15)进行试验，将它置于一根直径为2.125英寸的管子内，而管子又处于一个与它的直径大小相同的凹腔中，且该喷嘴用于由管内向大气中喷射氮气。通过测量喷嘴端面处的氧气的浓度可以显示出喷嘴在防止周转气体接触喷嘴端面方面的作用，周围的气体一般是炉气，但在本试验中是空气。氧气浓度越低，防止外部气体堵塞喷嘴端面的效果就越好。喷嘴的外径为1.875英寸，前部段的长度为1.0英寸，有一条中心通道，其直径为0.5英寸，多孔材料部分为整块式堇青石制成，其孔径尺寸约为1mm。氮气以1000标准立方英尺/小时(scfh)的流速通过喷嘴，约有40％的气体通过中心通道，而约60％的气体通过多孔材料部分的小孔。气体以80英尺/秒(fps)的速度通过中心通道。另外，一个环形氮气流以165标准立方英尺/小时(scfh)的流速通过喷嘴与管子内壁之间的环形空间。在管子中心喷嘴处及偏离中心的4个位置读取氧气浓度，结果如图5中的线A所示。
进行类似的过程，但喷嘴包含了一根象图4所示的管子15一样的中心管。在这种情况下，大约50％的气体流过中心通道，而50％的气体流过多孔材料部分，通过中心通道的气体速度为140英尺/秒(fps)。如果如图4中的线B所示。
为了便于比较，在不使用本发明的情况下进行类似过程的实验，即喷嘴是由传统的固体材料部分而非本发明的多孔材料部分所构成。通过中心通道的气体速度为204英尺/秒(fps)，环形氮气流的流速增加到965标准立方英尺/小时(scfh)(即为本发明例子中的6倍)以获得足够的吹洗作用。结果如图5中的线C所示。
正如图5所示的结果清楚表明的那样，本发明有效地解决了当喷嘴被置于一个燃烧炉的喷口内、并且没有完全对称气流存在的情况下，在喷嘴端面存在大量炉气的问题。
尽管参考几个优先实施例对本发明进行了详细的描述，但是那些熟悉本技术的技术人员可以看出，在本发明权利要求涉及的精神及范围内还存在着本发明的其他实施例。

Claims (20)

1.一个喷嘴，其包括具有一段长度和一个端面的一前部段，适用于接收气体的一后部段，至少一条适合于第一部分所述气体通过该段长度的通道，所述前部段由多孔材料构成，该材料能使第二部分所述气体穿过多孔材料并从喷嘴端面喷射出去。
2.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，多孔材料沿着长度方向整个被包覆在非多孔材料之中。
3.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，多孔材料包括陶瓷。
4.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，多孔材料包括金属。
5.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，通道直径与端面直径的比率在0.05-0.8范围内。
6.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，包括整块式陶瓷。
7.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，多孔材料包含整块式陶瓷和烧结金属。
8.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，有一条单一的通道，且进一步包括一根沿着所述通道穿过前部段延伸进入后部段的管子。
9.一种用于喷射气体进入接收区的方法，其包括：
(A)提供一个喷嘴，它包括由一段长度和一个端面组成的一部段，一条通过该长度的通道，且所述这一部段由多孔材料构成；
(B)使气体穿过通道进入接收区；
(C)使气体穿过所述多孔材料从端面进入接收区。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，接收区就是燃烧区。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，气体包括氧气。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，气体包括氮气。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，气体包括氩气。
14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，气体包括二氧化碳。
15.如权利要求9所述的方法，其特征在于，气体包含燃料。
16.如权利要求9所述的方法，其特征在于，气体还沿着多孔材料部分的长度从多孔材料中释放出去。
17.如权利要求9所述的方法，其特征在于，从喷嘴通入接收区中的气体总量的2-85％穿过多孔材料。
18.如权利要求9所述的方法，其特征在于，从喷嘴通入接收区中的气体总量的10-65％穿过多孔材料。
19.如权利要求9所述的方法，其特征在于，穿过多孔材料的气体流速处于10-100,000标准立方英尺/小时范围内。
20.如权利要求9所述的方法，其特征在于，从通道进入接收区的气体流速至少为100英尺/秒。
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