CN1125950C - 层流燃烧器 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃烧器的氧化剂喷射器,其具有一个带有一个具有连续性功能的表面的喷嘴,能使辅助氧化剂在喷嘴表面上形成层流,层流同时会将热带走,并防止在邻近喷嘴表面处出现发热的自由基重新结合的现象。

Description

层流燃烧器
技术领域
本发明涉及用于可以以高含氧氧化剂工作的燃烧器的氧化剂喷射器或喷枪。本发明能使这种燃烧器无需进行水冷却就能使用。
背景技术
在实现如炼钢炉和炼铁炉之类的工业炉中的燃烧中正越来越多的采用高含氧氧化剂。高含氧氧化剂是一种混合物,其含有至少百分之30体积的氧,最好含有至少百分之80体积的氧。高含氧氧化剂在商业上还包括具有百分之99.5体积或更高的氧浓度的纯氧。以高含氧氧化剂进行燃烧要比以空气进行燃烧有更高的燃料效率,因为处理和加热构成空气的接近百分之80体积的氮所用的能量要少得多。而且,使用高含氧氧化剂进行的燃烧具有环境方面的优点,因为较少的氮用来与氧发生燃烧反应生成氧化氮(NOx),而氧化氮被认为是严重的环境污染物。
以高含氧氧化剂进行的燃烧的特征是具有比采用空气作为氧化剂的情况高的燃烧反应温度。高的燃烧反应温度会损坏燃烧器喷嘴或减小其寿命。而且,这些较高的燃烧温度会在火焰带产生大百分比的如O、OH和H之类的自由基。如果这些自由基与表面接触,它们会重新结合并在这过程中释放大量的热。如果燃烧器喷嘴没有将适当的热去除掉,则其会产生过热并损坏,这会缩短喷嘴的寿命。
减少这种燃烧器喷嘴损坏的一个方法是用水或某些其他的液体冷却剂对燃烧器和喷嘴进行冷却。但是,这种水冷却实现起来复杂,会增加燃烧器部件腐蚀的可能性,并会产生水泄漏和损坏炼炉和如钢、铝等之类的炉料的危险。
发明内容
因此,本发明的目的是提供一种用于燃烧器的氧化剂喷射器或喷枪,该燃烧器可以以高含氧氧化剂工作并且不需使用水冷却来避免对燃烧器喷嘴的损坏。
本发明的另一个目的是提供一种燃烧方法,其可以采用高含氧氧化剂而不需对氧化剂喷射器的喷嘴进行水冷却。
对熟悉现有技术的人在阅读了此公开文本都是显而易见的上述和其他目的可由本发明达到,本发明的一个内容是:
一种用于燃烧器的氧化剂提供装置,其包括:
(A)一个中央导管;
(B)一个装接到该中央导管上的喷嘴,所述喷嘴具有通过中央导管轴向延伸的表面和具有至少一个供主要氧化剂从该中央导管通过喷嘴流动的通道;和
(C)用于将辅助氧化剂提供到喷嘴表面上的装置,所述喷嘴表面具有连续性功能。
本发明的另一个内容是:
一种实现燃烧的方法,其包括:
(A)通过一个氧化剂提供装置将主要氧化剂供入燃烧区,该氧化剂提供装置包括一个中央导管和一个装接到该中央导管上的喷嘴,所述喷嘴具有通过中央导管轴向延伸的表面和具有至少一个供主要氧化剂从该中央导管通过喷嘴流动的通道;
(B)将燃料供入燃烧区并在燃烧区中使主要氧化剂与燃料燃烧:和
(C)将辅助氧化剂提供到喷嘴表面上,所述喷嘴表面具有连续功能,使辅助氧化剂与燃料燃烧生成自由基,在喷嘴表面和自由基之间形成辅助氧化剂的附面层,和通过该附面层使自由基避免在喷嘴表面上重新结合。
本发明的另一个内容是:
一种用于燃烧器的氧化剂提供装置,其包括:
(A)一个中央导管;
(B)一个装接到该中央导管上的喷嘴,所述喷嘴具有通过中央导管轴向延伸的表面和具有至少一个供主要氧化剂从该中央导管通过喷嘴流动的通道;
(C)用于将辅助氧化剂提供到喷嘴表面上的装置,所述喷嘴表面具有不连续性;和
(D)用于从中央导管通过该喷嘴将中和氧化剂提供给不连续点处的喷嘴表面的装置。
本发明的另一个内容是:
一种实现燃烧的方法,其包括:
(A)通过一个氧化剂提供装置将主要氧化剂供入燃烧区,该氧化剂提供装置包括一个中央导管和一个装接到该中央导管上的喷嘴,所述喷嘴具有通过中央导管轴向延伸的表面和具有至少一个供主要氧化剂从该中央导管通过喷嘴流动的通道;
(B)将燃料供入燃烧区并在燃烧区中使主要氧化剂与燃料燃烧:以生成自由基;
(C)将辅助氧化剂提供到喷嘴表面上,所述喷嘴表面具有不连续性,使辅助氧化剂与燃料燃烧生成自由基,在喷嘴表面和自由基之间除不连续处形成辅助氧化剂的附面层;和
(D)从中央导管通过该喷嘴将中和氧化剂提供给不连续的喷嘴表面,并通过该附面层和中和氧化剂使自由基避免在喷嘴表面上重新结合。
如此文中所用的那样,单词“连续性功能”意指这样的喷嘴表面,即切于该表面上的某点上的切线的倾斜角无论是沿着该喷嘴表面从气体流动方向或是沿着该喷嘴表面在气体流动方向的相反方向接近该切点均是一样的。
如此文中所用的那样,单词“不连续性”意指喷嘴表面上的这样的点,即在该点处,切于该点的切线的倾斜角根据是否沿着该喷嘴表面从气体流动方向或是沿着该喷嘴表面在气体流动方向的相反方向接近该切点而不同。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的简化剖视图,其中,喷嘴表面在其整个表面上规定了连续功能。
图2是本发明另一个实施例的简化剖视图,其中,喷嘴表面具有不连续性。
具体实施方式
燃烧反应的效率受燃料和氧化剂之间混合形成可燃烧混合物的混合程度的影响。迄今为止是采用紊流来增强燃料和氧化剂混合的彻底性。本发明结合进了这样的认识,即在某些情况下,也就是,当使用高含氧氧化剂同时寻求避免水冷却时,在燃烧器喷嘴处的层流要比紊流好,以便防止自由基在喷嘴表面处重新结合。虽然燃料和氧化剂之间的混合要比喷嘴上的流动是紊流的情况下混合程度小得多,但是,喷嘴表面上的某些点处的热通量的必然减少使得能够实现燃烧而不用水冷却并且还仍能避免损坏喷嘴。
现参照附图对本发明进行详细说明。
参见图1,图中示出了氧化剂提供装置1,其包括中央导管2和装接到该中央导管上并通过中央导管2轴向延伸的喷嘴3。中央导管与高含氧氧化剂的供应源连通并且在工作时,此高含氧氧化剂作为主要氧化剂,通过中央导管2和通过穿过喷嘴3的一个或一个以上的通道4,进入燃烧区5,在燃烧区5中,高含氧氧化剂与燃料混合并燃烧,燃料最好绕着氧化剂提供装置,例如通过燃料提供装置11集中供入燃烧区。燃料可以是任何流体燃料,例如甲烷、丙烷或天然气。中央导管和喷嘴可以用任何合适的高温材料,例如铬镍铁合金钢或不锈钢。喷嘴一般具有基本上是半球形的形状。
大致具有与主要氧化剂相同成分的辅助氧化剂在喷嘴3的表面6上通过。一般来说,辅助氧化剂占所采用的全部氧化剂,即主要氧化剂和辅助氧化剂之和,的百分之5至15。在图1所示实施例中,辅助氧化剂从中央导管2通过通道或渗流管7进入喷嘴凹口8,其就从喷嘴凹口8流过喷嘴3的表面。在本发明的实际应用中可以采用任何适合数量的通道7。流过喷嘴3的表面的辅助氧化剂用作燃烧区5的热和喷嘴3之间的遮挡层或隔离层。
在喷嘴3的表面上的辅助氧化剂热隔离流的效应要求辅助氧化剂热隔离流是层流,以便防止燃烧区内的燃烧焰锋和自由基与喷嘴表面接触。自由基在辅助氧化剂和燃料之间的接合面处的焰锋处产生的最多。紊流虽然仍能使热从喷嘴上被带走,然而,它会使热在喷嘴表面上的某些个别部位增强导致在这些点处喷嘴遭到热引起的损坏。
喷嘴表面上的辅助氧化剂层流是这样形成的,使喷嘴表面在由辅助氧化剂流流过的整个表面区域上有连续的功能。也就是说,相应的喷嘴表面是光滑的而没有任何角度或棱角。例如,如图1所示邻近凹口8的表面是圆角的而不是如常规机加工那样尖锐成形的。在图1所示本发明的实施例中,相应的喷嘴表面是凹口8的,或由凹口8形成的下游区域。
喷嘴表面上的辅助氧化剂的流动起到将热从喷嘴上带走的作用。除此之外,此辅助氧化剂流的层流特征使得能够在喷嘴和燃烧区内的热之间形成厚的附面层,使得自由基不会在喷嘴表面上重新结合。这两个效应,即冷却流和厚附面层,一致作用使得能使用高含氧氧化剂而不需水冷却就能实现燃烧。
在某些情况下,喷嘴表面上无可避免会有不连续部位。这种情况示于图2中。图2所示的本发明的实施例是以与图1所示的实施例完全相同的方式工作的,因此,工作原理的共同点就不再作说明了。对于共同的元件图2中的标号对应于图1中的标号。
在图2所示实施例中,喷嘴的侧面被切去了因而在点9处产生了不连续性。这样在邻近不连续点9处预期就会形成紊流,因为在这些点处的不光滑喷嘴表面会扰乱流过这些点处的辅助氧化剂流并使它在这些点处成为非层流状态。此紊流会将自由基从燃烧区带到喷嘴表面上导致喷嘴在这些点处产生过热点和最后的损坏。通过提供一个或一个以上的贯通喷嘴3的通道10将导管2与一个或一个以上的不连续点9连接起来的方式就可避免这种情况或减小其效应。在喷嘴表面处通过通道10流动的氧化剂通过使所述区域受到附加的冷却就能起到抵消由不连续点处的紊流导致的过热点效应的作用,并与辅助氧化剂的附面层一起工作使得自由基不能重新在喷嘴表面上结合。如果喷嘴表面上的不连续点是处在流过通道10的中和氧化剂也可起在燃烧区5内燃烧的燃烧氧化剂的作用的适当位置,则通道10可以便利地作为主要氧化剂通道。实际上,不可能给喷嘴表面上的每个不连续点提供中和氧化剂。同主要氧化剂和辅助氧化剂一样,中和氧化剂也是高含氧氧化剂。
这样,使用本发明,就可以使用高含氧氧化剂实现燃烧而不需水冷却来保护重要的燃烧器部件。虽然本发明参照某些实施例作了详细说明,但是,熟悉现有技术的人员会意识到,存在落于权利要求书的精神和范围内的本发明的其他实施例。

Claims (4)

1.一种实现燃烧的方法,其包括:
(A)通过一个氧化剂提供装置将主要氧化剂供入燃烧区,该氧化剂提供装置包括一个中央导管和一个装接到该中央导管上的喷嘴,所述喷嘴具有通过中央导管轴向延伸的表面和具有至少一个供主要氧化剂从该中央导管通过喷嘴流动的通道;
(B)将燃料供入燃烧区并在燃烧区中使主要氧化剂与燃料燃烧:和
(C)将辅助氧化剂提供到喷嘴表面上,所述喷嘴表面起一连续功能,使辅助氧化剂与燃料燃烧生成自由基,在喷嘴表面和自由基之间形成辅助氧化剂的附面层,和通过该附面层使自由基避免在喷嘴表面上重新结合。
2.一种用于燃烧器的氧化剂提供装置,其包括:
(A)一个中央导管;
(B)一个装接到该中央导管上的喷嘴,所述喷嘴具有通过中央导管轴向延伸的表面和具有至少一个供主要氧化剂从该中央导管通过喷嘴流动的通道;
其特征在于,还包括:
(C)用于将辅助氧化剂提供到喷嘴表面上的装置,所述喷嘴表面具有不连续性;和
(D)用于从中央导管通过该喷嘴将中和氧化剂提供给不连续的喷嘴表面的装置。
3.如权利要求2所述的氧化剂提供装置,其特征在于:用于将辅助氧化剂提供到喷嘴表面上的装置包括一个在喷嘴表面上的凹口和将该凹口与该中央导管相连的通道。
4.一种实现燃烧的方法,其包括:
(A)通过一个氧化剂提供装置将主要氧化剂供入燃烧区,该氧化剂提供装置包括一个中央导管和一个装接到该中央导管上的喷嘴,所述喷嘴具有通过中央导管轴向延伸的表面和具有至少一个供主要氧化剂从该中央导管通过喷嘴流动的通道;
(B)将燃料供入燃烧区并在燃烧区中使主要氧化剂与燃料燃烧;
(C)将辅助氧化剂提供到喷嘴表面上,所述喷嘴表面具有不连续性,使辅助氧化剂与燃料燃烧生成自由基,在喷嘴表面和自由基之间除不连续点处之外形成辅助氧化剂的附面层;和
(D)从中央导管通过该喷嘴将中和氧化剂提供给不连续点处的喷嘴表面,并通过该附面层和中和氧化剂使自由基避免在喷嘴表面上重新结合。
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