CN1134610C - 用于在高温炉中受控辐射加热的低NOx分级燃烧装置 - Google Patents

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Abstract

一种分级的含氧燃料燃烧器，它用于产生一个覆盖着高辐射贫燃料火焰的大致为扁平形的富燃烧火焰，燃烧器具有一条燃料通道终止于一个喷嘴，燃料通道和喷嘴具有一个大致为细长形的横截面，一个互补形状的外壳围绕着燃料通道。一个其横截面形状互补于燃烧器火焰端截面形状的预燃烧器可以设置在燃烧器外壳的火焰端上，预燃烧器具有一个喷嘴位于火焰端的下方以便将氧化剂导引至从预燃烧器发出的富燃料火焰的下方。

Description

用于在高温炉中受控辐射加热的 低NOX分级燃烧装置
本发明涉及在用于诸如金属，玻璃，陶瓷材料等各种产品的工业熔化炉中产生高温的含氧燃料方法和装置。
日渐增多的大气质量管理条例和激烈的市场竞争迫使玻璃制造商改变他们制造玻璃的方法。虽然燃烧后烟道气处理技术可以解决污染的问题，但是它们通常牵涉到严重的资金和生产费用使得玻璃制造商更难以经济的方法改进他们的操作。
一种用于控制排放物及减少资金需要的低费用方法就是使用含氧燃料玻璃熔化技术。在玻璃熔化中使用了含氧燃料就能消除熔化操作中的氮并将NOx和微粒排放物降低至由环境保护局(EPA)规定的标准之下。此外，含氧燃料燃烧减少了二氧化碳排放并带来许多其它优点从增加生产能力至节省一次装炉的化学品需求量。
在玻璃熔化中使用含氧燃料燃烧器使燃烧器的设计者可以达到不同的火焰动量(flame momentum)、玻璃熔体覆盖率和火焰辐射特性。不同的燃烧器产生不同的炉内NOx水准，在炉内，氮的存在是由于空气泄漏，从真空变压吸附或变压吸附装置供应的低纯度氧，燃料中的氮或一次装炉化学品内所含的氮。不遵守NOx排放标准、条例和规则可以遭致非常大的处分和罚金、用于清除技术的巨大资金支出或者要求购买NOx偿付信贷(NOx credits)。
用于玻璃熔化的传统含氧燃料燃烧器具有一个严重问题，即由燃烧器产生的火焰比较窄和短，在炉内提供非常有限的对熔化玻璃的覆盖率。由于这种火焰温度非常高，直接处于那些火焰下面的区域很容易过热造成不希望有的副作用，例如玻璃的再沸腾导致在熔体表面上形成浮渣。熔体表面上的浮渣通常关系到不良的热传导和不充分的熔化操作。对于其些高质量的玻璃，例如电视机屏幕板和浮法玻璃，玻璃的质量可以因为炉内浮渣的存在受严重的影响。
使用传统的含氧燃料燃烧器的另一个问题是关于氧-天燃气火焰的相对低的亮度。这种火焰的辐射来自燃烧产物，水蒸汽和二氧化碳，发射出主要的波长都由玻璃熔体的表面所吸收。这种现象有害地影响整个热传导，因为这个被表面吸收的热并不仅仅再辐射至它所需要去的地方，即向下进入玻璃熔体的下层，而是再朝着炉顶反射。与此相反，发光的火焰发射一个主要部分的辐射其波长可以穿透玻璃，因而使其更容易地将热传送至熔体的下层。
关系到使用含氧燃料燃烧器的另一个问题是它们以相对高的动量即火焰速度工作，这种动量会增加具有挥发性的一次装炉组分的挥发并且增加微粒排放物。这种燃烧器还可以增大耐火材料的侵蚀，这是由于较高的耐火材料温度和较高的气相中的挥发浓度所致。美国专利第5,199,866；5,256,058；和5,346,390号披露了在较低的火焰动量下产生发亮火焰的方法和设备。然而，即便出现了专利的燃烧器和方法，由泄漏的炉引起的火焰辐射，火焰覆盖率和NOx问题并未完全解决。
美国专利第4,927,357号披露了一种气体喷射枪，这是一种通过一个细长形燃料喷嘴产生火焰的燃烧器，该燃料喷嘴从其上的一个与炉内一个细长气体(氧)喷嘴相交的空气口夹带入空气以产生一个火焰压扁作用。
为了克服现有技术燃烧器和燃烧体系的问题以及解决在泄漏的炉内的火焰辐射，火焰覆盖率和NOx问题，现已发现分级的平扁火焰燃烧体系和富燃料的压扁火焰覆盖在贫燃料高度辐射的火焰之上，而其组合火焰形成细长或大致平扁的长方形，则火焰的亮度大大地增加了，因而提高了热传导而同时减小了NOx的排放。根据本发明，燃烧器包括具有大致为细长截面的燃料通道，该通道由具有互补截面的外壳所包围，该外壳大于燃料通道以产生一条在外壳和燃料通道之间的通道。在一个优选的实施例中，外壳和燃料通道具有共同的端头，该端头位于大致垂直于燃烧器轴心的平面内，因而产生扁平的火焰，该扁平火焰通过控制送入至氧通道内氧化剂(氧)的数量可以成为富燃料的。设置在燃料和氧化剂通道的共同端头下面是一条细长的氧化剂通道，该通道用来将氧送至由燃烧器上部产生的富燃料火焰的下面从而获得覆盖在贫燃料火焰之上的富燃料火焰。根据本发明，预燃烧器即喷嘴砖(burner block)可以设置在燃烧器的火焰端头处以进一步增强燃烧器的工作特性。预燃烧器即喷嘴砖包括有一条氧化剂通道，该通道具有互补的形状并且大致平行于含氧燃料火焰通道以获得覆盖在贫燃料高辐射火焰之上的相同的富燃料含氧燃料火焰。
图1是根据本发明的设备的示意透视图。
图2是图1的燃烧器的放大正视图。
图3是穿过图1的预燃烧器通道代表一个横向截面的示意图。
图4是图1的预燃烧器通道的直立截面图。
图5是说明本发明方法的透视图。
图6是本发明燃烧体系的示意直立截面图。
图7是本发明设备的火焰速度对分级的曲线图。
图8是本发明另一个实施例的火焰速度对分级的曲线图。
图9是本发明又一个实施例的火焰速度对分级的曲线图。
图10是本发明方法和设备的测定NO排放率对氧分级百分率的曲线图。
图11是从图10的数据的归一化NO排放率对氧分级百分率的曲线图。
图12是对于各种不同燃烧器工作条件的归一化NO排放率对氧分级百分率的曲线图。
图13是根据现有技术加热的玻璃熔化炉的示意顶视平面图。
图14是使用本发明燃烧器的玻璃熔化炉的示意平面图。
图15a是描绘传统的含氧燃料燃烧器和本发明分级燃烧的相对炉顶温度的柱状图。
图15b是传统含氧燃料燃烧器和本发明分级含氧燃料燃烧器的相对熔化温度的柱状图。
本发明是对1994年11月4日申请的共同待批的美国专利申请序号第08/334,208号中所示和描述的方法和设备的改进，该申请的说明书通过参考结合在本文中。本发明所称的改进，其意义在于它将该共同待批申请的发明用于分级燃烧体系和方法上。
以下是一系列用于描述本发明的术语和概念：
氧的意义在这里被认作是一种氧化剂气体，含有大于30％的氧，最好是80至100％的氧。
燃烧在这里指的是任何气态的碳氢化合物燃料。天然气火焰通常并不发光，因此下文中详细叙述在天然气上的重点是作为一种燃料，合理的是指望本发明能对其它的气态燃料增加火焰亮度。
燃烧器喷嘴指的是具有各种截面几何形状的燃烧器喷嘴，在其中天燃气穿过中央喷嘴而氧在其周围。
预燃烧器，有时又称作喷嘴砖，耐火材料瓦等。预燃烧器是由耐火材料制成，其用途是在炉壁上提供一个开口以备安装燃烧器。预燃烧器的内部形状在确定火焰的射出速度上起很主要的作用。预燃烧器还能保护燃烧器不受腐蚀性物质和高的炉温的损害。本发明的详细叙述涉及具有和不具有预燃烧器的方法和设备。
关于火焰亮度的讨论在前述的共同待批的申请中已有充分的阐述，本文中不再需要继续讨论。
参看图1，本发明的设备10包括燃烧器12和预燃烧器即喷嘴砖14。燃烧器12是同心的扁火焰燃烧器，其中天然气穿过内管道16而氧穿过由内管道16和外管道18所限定的通道。穿过管道16的燃料(例如天然气)和在管道16和外管道18之间通道内的氧经点燃后在预燃烧器14的燃烧器通道20内产生火焰。本发明设备包括分级氧通道22，该通道大致是细长的形状，其形状与燃烧器12的天然气通道16的形状互为相补。分级氧穿过通道22进入并穿过喷嘴砖14中一条通道24排出。天然气和燃烧氧合并在天然气通道16的排出端17处产生火焰。分级氧在喷嘴砖14的同一面21处的通道24排出。富燃料含氧燃料火焰在从喷嘴砖14的排出端21排出后与分级氧流合并。
图2显示燃烧器12的排出喷嘴端，其中管道16输送天燃气，而管道16和外管道18之间的通道用于输送氧以与天然气一起燃烧。
图3是用于由燃烧器12产生的火焰和分级氧的通道的顶视截面示意图，显示出这些通道的发散角(angle of divergence)。作为半角(α/2)显示的发散角等于或小于15°。
图4是穿过喷嘴砖14的垂直截面图，显示出分别用于火焰和氧通道20，22的半角(β/2等于或小于10°)。
图6以示意图的形式显示本发明，该图可以被用来描述使用喷嘴砖的本发明方法。如图6中所示，天然气和燃烧氧相混合以产生富燃料火焰30。分级氧在富燃料火焰的下面输入以产生高辐射性贫燃料火焰32。富燃料火焰和贫燃料火焰的环流型式分别以箭头31、33表示。如图6中所示，高辐射贫燃料火焰可以在炉负载34的上面产生，该炉负载可以是熔化的玻璃，下文中将更全面地予以讨论。根据本发明，分级氧是从燃烧器中用于产生含氧燃料富燃料火焰的燃烧氧中分出一部分来送至设备中的。分出氧的数量被称作分级百分率，在下文中将更全面地予以叙述。
根据本发明，分级的燃烧方法和设备比目前用的含氧燃料燃烧器产生出更低的NOx、更高的火焰亮度和更好的火焰覆盖率。本发明的方法和设备能产生出朝着诸如玻璃，铝，钢等的炉负载比朝着炉顶更强烈辐射的火焰。这同时又改进了工作效率，增长了炉顶耐火材料的寿命并改进了产品质量。
天然气被氧所包围使得火焰经过预燃烧器时不会损坏其壁。反应物喷嘴速度应当保持在每秒600英尺之下并且应当与天然气和氧的速度保持一致以获得最佳效果。关于通过控制反应物速度对含氧燃料燃烧的好处的讨论可参看美国专利第5,199,866号，第5,256,058和第5,346,390号，它们的说明书通过参考结合在本文中。
分级氧速度一般低于或相似于火焰速度以容许形成一个朝着炉负载的连续的较高辐射火焰区。具有较高速度的火焰夹带着较低速度的氧产生贫燃料火焰区，如图6中所示。这与普遍应用的高速度分级不同，在其中氧喷流建立局部的高温火焰区，该火焰区通常减小整个的火焰长度。本发明所形成的延迟混合火焰具有在顶部的富燃料区和在底部的贫燃料区，这种火焰较非分级火焰要长得多，产生出较低的NOx并更多地朝着炉负载进行辐射。
根据本发明的使用预燃烧器的优选实施例，一系列的预燃烧器发散角被用来控制火焰。喷嘴和横向平面的半角最好是等于或小于15°。预燃烧器在反应物(即燃料和氧)体积由于燃烧温度的增加而增加时可以被用来促进火焰的加速。气体膨胀而火焰速度达到对于最低角的最高点。在另一方面，在燃烧器内的15°的发散半角补偿了气体膨胀并产生最低的加速作用。当火焰离开预燃烧器14时，在喷嘴砖14的出口端21的优选火焰速度在每秒30和60英尺之间。低于每秒30英尺的火焰速度对于避免火焰的向上升和在高温炉中容许适当的火焰动量来说是太低了。高于每秒60英尺的火焰速度就开始显示出紊流的增加，这种紊流能减小火焰长度和亮度并增加NOx的生成。
直通的即0°的预燃烧器发散角是对以低速率，例如每小时1至3Btu，发火的燃烧器的最好选择。参看图7，氧分级允许控制火焰速度以维持火焰长度、亮度和为低NOx工作的低紊流或混合。对于直至每小时6百万Btu的较高燃料消耗率，最好使用10°的预燃烧器发散角。10°发散角已将气体的膨胀考虑进去并减小了预燃烧器内的火焰加速。图8说明了优选的工作范围，其中的预燃烧器具有10°的发散角。15°的预燃烧器发散角将对直至每小时一千二百万Btu的燃烧消耗率产生最佳的火焰速度。图9显示出对本发明体系的优选工作范围。其中的预燃烧器具有15°的发散角。然而，在等于或小于每小时三百万Btu的燃料消耗率的火焰速度太低了以致造成不正常的火焰形状(向上升起)。这种效果根据炉温，即火焰与炉内气体之间的温差而不同。温差越大火焰向上升起的现象也越容易发生。火焰向上升起的现象是由于燃烧器不正当操作时才发生的，这时火焰不是大致平行于负载延伸而是朝着炉顶升起。
列在下表I中的一组参数是关于本发明一个分级燃烧体系的设计参数。
                         表I
参数                     最低    优选范围      最高
燃料消耗率，MM Btu/hr    0.5     1-12          20
燃料喷嘴宽度，英寸       4       8-24          40
燃料喷嘴宽度/高度(w/h)   2       5-30          60
燃料速度，英尺/秒        10      30-200        400
燃烧氧速度，英尺/秒      10      30-200        400
燃烧氧速度/燃料速度      0.25    0.25-1.2      2
分级氧速度，英尺/秒      0       0-60          100
分级氧/氧总量            0       0-0.75        0.8
天然气的总化学计量       1.0     1.0-2.0       3.0
总的等值比*             2.0     1.0-2.0       0.7
预燃烧器长度，英寸       0       4-18          24
预燃烧器和分级           -15 ° 0°-+15 °      +30 °
通道横向发散角α/2，度
预燃烧器和分级           -15 °  0 °-+10 °  +20 °
通道垂直发散角β/2，度
遵守表I中所列的设计参数将导致带有发光火焰的有效低NOx燃烧体系。图7，8和9显示本发明优选实施例的操作效能。如果设计参数，例如燃料喷嘴宽度、w/h比率和预燃烧器长度发生变化则火焰速度也将变化。
对于根据本发明生产出的分级燃烧氧-天然气燃烧器的高温测试是在燃烧化验室炉内进行的。测试是为了确定氧分级对NOx排放、火焰长度和亮度的影响而进行的。炉温保持在大约2300°F而测量则在不同的分级水准处进行。
大部分的NOx测量是以下列的顺序对于固定的燃料消耗率、总化学计量和空气夹带而做的：
1.基本情况，没有分级--所有的氧全部穿过预燃烧器。
2.75％的氧分级--25％的氧至预燃烧器。
3.40％的氧分级--60％的氧至预燃烧器。
4.基本情况，没有分级--所有的氧全部穿过预燃烧器。
第一和最后的读数是在相同的情况下获得的以核对数据的复验性。一个数据集的例子显示在图10和11中，其中的NO由于氧分级减至40％。同样的数据集但连同经归一化的NO排放显示在图11中。数据的归一化应当允许在不同的操作条件下的NO排放作比较。
另外一个更为广泛的使用燃料消耗率、化学计算和炉温的数据集显示在下列的表II中。
                                   表II
燃料消     化学     炉         分级      烟道    烟道    烟道    基本    归一
耗率       计算     温         O2，     O2，   CO，    NO，    NO，   化的
(MM                ( °F)     (％)      (％)    (ppm)   (ppm)   (ppm)
Btu/hr)                                                                  NO
3.0        2.6      2290       0         2       1300    650     650     1.00
3.0        2.6      2304       75        7       450     350     650     0.54
3.0        2.6      2332       40        2       5000    600     650     0.92
3.0        2.6      2345       0         4       950     650     650     1.00
2.0        2.6      1978       0         5       725     590     605     0.98
2.0        2.6      1875       0         7       110     625     605     1.03
2.0        2.6      1863       75        5       100     620     605     1.02
2.0        2.6      1919       40        5       290     550     605     0.91
2.0        2.6      1888       0         5       250     600     605     0.99
1.5        2.3      1824       0         7       1000    480     437.5   1.10
1.5        2.3      1789       75        10      100     300     437.5   0.69
1.5        2.3      1766       40        9       100     395     437.5   0.90
1.5        2.3      1761       0         9       100     395     437.5   0.90
3.0        2.6      2302       0         14      120     550     550     1.00
3.0        2.6      2310       75        8       150     400     550     0.73
3.0        2.6      2342       40        13      120     500     550     0.91
3.0        2.6      2346       0         13      120     550     550     1.00
2.0        2.6      1976       0         1       725     550     550     1.00
2.0        2.6      1866       75        6       110     400     550     0.73
2.0        2.6      1944       40        2       290     500     550     0.91
2.0        2.6      1889       0         3       250     550     550     1.00
4.0        2.3      2339       0         1       3200    250     225     1.11
4.0        2.3      2345       75        0       5000    150     225     0.67
4.0        2.3      2366       40        3       600     200     225     0.89
4.0        2.3      2375       0         2       2000    200     225     0.89
1.5        2.3      1970       0         4       110     475     437.5   1.09
1.5        2.3      1786       75        10      100     275     437.5   0.63
1.5        2.3      1770       40        9       100     395     437.5   0.90
1.5        2.3      1761       0         10      100     400     437.5   0.91
3.0        2.6      2290       0         6       10      338     320     1.06
3.0        2.6      2290       75        8       105     148     320     0.46
3.0        2.6      2290       40        4       46      258     320     0.81
3.0        2.6      2290       0         6       65      302     320     0.94
3.0        2.7      2258       0         9       115     625     600     1.04
3.0        2.7      2283       75        7       80      350     600     0.58
3.0        2.7      2306       0         8       80      575     600     0.96
3.0        2.7      2347       40        5       0       475     600     0.79
3.0        2.7      2270       0         7       100     550     550     1.00
3.0        2.7      2283       75        10      100     325     550     0.59
3.0        2.7      2309       0         15      80      550     550     1.00
3.0        2.7      2347       40        9       0       425     550     0.77
3.0        2.3      2256       0         1       5000    275     327.5   0.84
3.0        2.3      2234       75        1       5000    175     327.5   0.53
3.0        2.3      2208       0         1       5000    380     327.5   1.16
3.0        2.3      2209       40        11      2400    75      327.5   0.23
应当注意到，用于形成NOx所需的炉内氮(其精确浓度未经测定)大部分来自炉的泄漏，仅一小部分来自天然气。从表II中可以看出其中使用分级的实验，不论穿过预燃烧器的是25或60％的氧都有一个NO的显著降低。
下表III列出另一系列测定的结果，其中一个控制数量的空气，例如在70°F时5000scfh被送入炉内。
                                   表III
燃消      化学    炉         分级      烟道    烟道    烟道     基本    归一
耗率      计算    温         O2，(％)  O2，   CO，    NO，     NO，  化的
(MM              ( °F)               (％)    (ppm)   (ppm)    (ppm)
Btu/hr)                                                                 NO
3.0       2.3     2217       0         3.46    5000    750      750     1.00
3.0       2.3     2111       75        5.45    1000    450      750     0.60
3.0       2.3     2118       0         2.84    5000    750      750     1.00
3.0       2.3     2130       40        3.9     3000    610      750     0.81
3.0       2.5     2170       0         7.45    400     1300     1255    1.04
3.0       2.5     2196       75        7.33    180     550      1255    0.44
3.0       2.5     2209       0         7.2     190     1210     1255    0.96
3.0       2.5     2215       40        9.06    150     880      1255    0.70
从表III中可以看出氧分级对于减少NO排放确实比不用分级时来得有效。图12以图解的方法说明了使用分级燃烧对减低NO排放的效率。从图12中可以看出，与带有或不带有另加入空气的任何特定一组烧燃器工作参数的非分级操作作比较，NO的降低大约为40％。
当实验室测试完成之后，根据本发明的分级氧燃烧体系被装在玻璃熔化炉中，在大约为2800°F的平均温度和每日大约150吨玻璃的固定出料率下进行操作。测试包括将具有又长又阔的火焰、高火焰亮度和非常低的火焰动量的新颖分级燃烧器来代替具有相对短和窄的可见火焰、低火焰亮度和相对高的火焰动量的传统含氧燃料燃烧器。图13显示出带有传统燃烧器42，44，46，48，50，52，56和58的玻璃炉40。为了本发明的目的，使用全炉15％燃料的燃烧器42被本发明的燃烧体系所代替。燃烧器42靠近炉40的出料端60。
这项测试的目的在于：
1.通过观察在炉顶的和在玻璃熔体底部的热电偶，观察炉内温度的变化；
2.如果温度读数增加，确定燃料效率增高，即潜在的燃料节约；
3.观察改进的火焰特性(包括覆盖率，高亮度和较低的动量)是否会影响存在于玻璃表面上的浮渣层。
浮渣层在图13中显示为62并且几乎延伸至炉40内相对的发火燃烧器42，58处。标以批料的图13中那部分指的是未经反应的批量材料的位置，该批料线延伸至燃烧器44的位置。在玻璃炉内使用含氧燃料燃烧器能引起紧接在火焰下的局部加热，这种加热造成玻璃的表面重沸因而导致形成浮渣。玻璃4表面上的浮渣往往与不良的总热传导和熔化操作的低效率有关。对于一些高质量的玻璃如电视机萤屏板和浮法玻璃，玻璃的质量由于熔体表面上存在浮渣而大大降低。局部玻璃表面的过热也影响一次装炉化学品的挥发和微粒的排放。已证明当炉改用含氧燃料发火后玻璃表面温度增加150℃就能使硫酸钠灰粉的排放增加两倍以上，同时也增加炉内耐火材料的腐蚀率。
根据本发明，如图14所示，燃烧器体系10装在炉40内以代替燃烧器42。如在图15a中所示，当使用本发明的分级燃烧含氧燃料发火时，平均炉顶温度将增高。如图15b中所示，与炉的传统含氧燃料加热相对照，在根据本发明的分级燃烧期间熔体底部的平均温度要高出很多。当分级燃烧燃烧器装入后温度大大地增加了。还观察到在本发明燃烧器装入24小时以后总的炉燃料消耗，燃料消耗率趋势减小。燃料流量减小的原因是炉的操作者关心到总的炉温升得太高了。即便是较低的燃料消耗率，炉内在燃烧器10下面区域的温度仍然高于基线操作。当该燃烧器被搬出炉外重新装上传统的燃烧器后就发生温度急逐下降，从而确认了火焰的辐射效应。于是又增加了燃料消耗以防止炉冷下来。
如从图14可以看到，使用了本发明的燃烧器不仅增高了温度，并且将浮渣线朝着炉的批料端移回至大约在燃烧器44的位置处并将批料线推回至大约燃烧器46的位置。这两种情况都有助于生产电视机萤屏板和浮法玻璃所必需的高质量玻璃。在实际测定中，浮渣和批料线在炉内大致移回8至10英尺。
最近一家生产高质量玻璃的厂家改用了本发明的燃烧器体系和方法。使用者能够比使用现有技术含氧燃料燃烧器对炉加热获得高得多的炉进料速度和高得多的炉填装速度。这种使用证实了较高的火焰辐射能引起比传统的含氧燃料熔化体系更有效的热传导至玻璃熔体并能导致燃料和氧的节约。工业使用者确认了较高的辐射作用证明可以有效地减少浮渣，这对于改进生产出的玻璃的质量有着直接的关系。
以上是对本发明的说明，本发明所希望的保护表示在附后的权利要求书中。

Claims (20)

1.一种用于产生扁平形发光火焰的分级含氧燃料燃烧器，它包括相配合的：
外壳，它具有第一端和火焰端，所述外壳横截面的宽度和高度尺寸不同；
燃料管道，它具有第一端和喷嘴端，燃料管道同心地设置在所述外壳之内并与其相隔开，所述燃料管道横截面的形状与所述外壳的形状互补，因而在所述燃料管道和所述外壳之间限定一条通道，所述燃料喷嘴的宽与高之比为2-60，燃料管道的喷嘴端与外壳的火焰端沿着所述外壳的纵向轴线彼此相对应设置；
将燃料送入所述燃料管道和将氧化剂送入介于所述燃料管道和所述外壳之间的通道的装置，所述燃料和氧离开所述燃料管道的喷嘴端时产生火焰；和
将氧化剂总量中的一部分从介于所述燃料管道和所述外壳之间的通道中改向以用于有效燃烧的分级装置，所述分级装置包括喷嘴用以将氧化剂中的改向部分引向火焰的下方并与其平行，由此当所述燃烧器以被引向所述火焰下方的一部分所述氧化剂来进行工作时，产生富燃料火焰覆盖在高辐射贫燃料火焰之上。
2.如权利要求1的含氧燃料燃烧器，其中所述燃料喷嘴的宽度与高度之比是5-30，和所述分级喷嘴的宽度与高度之比也是5-30。
3.如权利要求1的含氧燃料燃烧器，它适用于在0.5-40百万Btu/小时的燃料消耗率下工作。
4.如权利要求1的含氧燃料燃烧器，它适用于在1-20百万Btu/小时的燃料消耗率下工作。
5.如权利要求1的含氧燃料燃烧器，其中燃料喷嘴和分级喷嘴的宽度是4-40英寸。
6.如权利要求1的含氧燃料燃烧器，其中燃料喷嘴和分级喷嘴的宽度是8-24英寸。
7.如权利要求1的含氧燃料燃烧器，其中所述外壳，所述燃料管道和所述分级装置包括氧化剂管道，全都具有矩形的截面。
8.如权利要求1的燃烧器，其中所述外壳，所述燃料管道和所述分级装置包括氧化剂管道，全都具有弧形细长的截面。
9.一种分级含氧燃料燃烧器体系，它包括相配合的：
具有外壳的含氧燃料燃烧器，所述外壳具有第一端和火焰端，所述外壳横截面的宽度和高度尺寸不同，燃料管道，具有第一端和喷嘴端，燃料管道同心地设置在所述外壳之内并与外壳相隔开，所述燃料管道横截面的形状与所述外壳的形状互补，因而在所述燃料管道和所述外壳之间限定一条通道，所述燃料喷嘴的宽与高之比是2-60；
安装在所述燃烧器上的预燃烧器，所述预燃烧器具有与所述燃烧器外壳互补的第一中央通道，其宽度与高度等于或大于所述燃烧器外壳的宽度与高度，所述预燃烧器具有与所述外壳的火焰端液体密封的第一端和用于导引由所述燃烧器产生的所述火焰在工业环境中用于加热的第二端，所述预燃烧器的纵轴是所述燃烧器的外壳纵轴的延伸，设置在所述第一中央通道之下方并与其平行的第二单独的通道，所述第二通道具有终止在所述预燃烧器通道的第二端处的喷嘴端和用于将一流体导引在所述火焰的下方并与其平行的喷嘴，所述预燃烧器的长度为1至24英寸；和
将燃料送入燃烧器燃料管道中和将氧化剂送入由外壳和喷嘴管道所限定的通道内的装置，和将氧化剂送入在预燃烧器内的第二单独通道内的分级装置，由此使一个富燃料的含氧燃料火焰在预燃烧器的火焰端之外覆盖在高辐射的贫燃料火焰之上。
10.如权利要求9的燃烧器体系，其中所述预燃烧器的长度是4-18英寸。
11.如权利要求9的燃烧器体系，其中所述燃料喷嘴和所述第二通道喷嘴的宽度与长度之比是5-30。
12.如权利要求9的燃烧器体系，其中预燃烧器火焰端的液力直径与燃料喷嘴的液力直径的比是1-6。
13.如权利要求12的燃烧器体系，其中的比例是2-4。
14.如权利要求9的燃烧器体系，其中限定第一中央通道和预燃烧器第二单独通道的宽度的壁以-15°至+30°的角度设置在所述预燃烧器中央轴线的任一侧。
15.如权利要求14的燃烧器体系，其中在所述预燃烧器中央轴线任一侧的所述角度是0°至+15°。
16.如权利要求9的燃烧器体系，其中限定第一中央通道和预燃烧器第二单独通道的高度的壁以-15°至+20°的角度设置在所述预燃烧器中央轴线的任一侧。
17.一种用于产生低NOx含氧燃料火焰以便将炉加热至高温的方法，该方法包括下列步骤：通过使用一个后混合同心通道含氧燃料燃烧器产生富燃料含氧燃料火焰，通过使燃料从中央通道离开并使氧从围绕所述中央通道的互补通道离开以产生所述火焰，所述通道各有2-60的宽与高之比，所述燃料和氧以15英尺/秒的最低速度离开所述燃烧器，将高辐射贫燃料火焰导引至所述富燃料火焰的下方并与其平行；和将覆盖在贫燃料火焰之上的扁平形的富燃料火焰导引入所述炉内。
18.如权利要求17的方法，其中所述贫燃料和富燃料火焰离开燃烧器的速度大于30英尺/秒。
19.如权利要求17的方法，其中所述富燃料火焰被导入设置在所述燃烧器上的预燃烧器内，所述预燃烧器具有一个中央通道，其形状互补于而其尺寸等于或大于围绕所述燃料通道的所述通道的形状和尺寸，其中所述火焰延伸穿过所述预燃烧器的全长而没有在形成预燃烧器的壁上发生显著的燃烧，所述贫燃料火焰产生并通过将氧化剂从所述预燃烧器出口端处的位置导引至所述富燃料火焰的下方而将其导引。
20.如权利要求19的方法，其中所述预燃烧器将所述火焰导引不超过24英寸的距离。
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