CN114278935A - 燃烧器、包括其的燃烧器模块及加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃烧器，所述燃烧器内形成有至少一个第一通路(114)、至少一个第二通路(213)和混合室(3)，所述混合室(3)与所述第一通路的出口(112)和所述第二通路的出口分别流体地连通，使得第一流体和第二流体在所述混合室内混合以形成流体混合物；其中所述燃烧器包括喷嘴(4)，所述喷嘴(4)中形成有与所述混合室流体地连通的至少一个贯通道(41)，以使得所述流体混合物经所述至少一个贯通道(41)流出，并且其中，所述至少一个贯通道(41)的截面积之和小于所述混合室(3)的截面积。本发明的燃烧器的火焰不易于熄灭，尤其在被用作浸没式燃烧器时具有诸多优点。

Description

燃烧器、包括其的燃烧器模块及加热装置

技术领域

本发明涉及一种燃烧器，包含该燃烧器的燃烧器组件或燃烧器模块，以及设置有该燃烧器的加热装置。

背景技术

CO₂排放已成为国际社会普遍关注的问题。这是当今社会最重要的话题之一。大家正在努力寻求减少CO₂排放的解决方案。其中一个主要的方向是通过减少能源的消耗、提高能源的利用率来减少CO₂的排放。

燃烧器是一种将氧化剂与燃料通过燃烧这一化学反应方式转化成热能的设备。加热装置(例如熔炉)中设置有燃烧器，对其中的被加热介质进行加热。传统的加热方式采用火焰辐射加热或间接加热(火焰燃烧的热量通过传热介质传递给被加热介质)，具有热损耗高、热效率低、能耗高的特点。

现有技术中还采用浸没燃烧的方式用于加热，其中浸没式燃烧器位于被加热介质的表面下方。浸没式燃烧器可以安装在熔炉或其他加热装置的侧壁和/或底部，其中一些也可安装在顶部，但其喷嘴浸没在被加热介质的熔体中。对于浸没式燃烧器而言，燃料和氧化剂发生燃烧后的火焰和燃烧产物穿过被加热介质并与之直接接触。因此传热效果比在被加热介质上方的火焰辐射传热的方式有效得多，并减少了对熔炉中的耐火材料的热传递和烟气中的热量损失，这可减少燃料消耗并因此降低二氧化碳排放。而且由于被加热介质上方的燃烧室的温度较低，在燃烧过程中NOx的排放量也得以减少。进一步地，氧化剂和燃料产生的高流速的燃烧产物进入被加热介质，以及在浸没燃烧过程中的气体膨胀，使得被加热介质快速升温或熔化并产生大量湍流，被加热介质更容易获得均匀的混合效果，可避免现有技术中的对于机械搅拌器的需求，且被加热介质内部的传热效果更佳。而且，与传统的设置在被加热介质上方的燃烧器相比，浸入式燃烧器的体积更小，生产效率更高，安装成本也较低。

然而对于浸没式燃烧器而言，仍然面临着各种需要解决的问题。例如，由于燃烧器的喷嘴浸没于被加热介质的熔体中，熔体的波动极易切断燃烧器的火焰，容易导致燃烧器的熄火。尤其在被加热介质的熔体的温度较低的情况下，燃烧器更容易熄火。又例如，如何使得浸没式燃烧器的火焰更稳定、避免爆炸风险、提高在氢作为燃料燃烧时的燃烧性能、使其传热效率更高、避免被加热介质对于喷嘴的堵塞、降低对于燃烧器的烧蚀，均是在浸没式燃烧器的设计过程中需要持续关注的问题。此外，由于浸没式燃烧器的多数部件位于被加热介质中，因此不便于维护或更换，且不容易获知燃烧器的工作状态，例如是否正常工作或是已经熄火。

而且，在现有的浸没式燃烧器中，为了避免火焰的高温造成的对燃烧器喷嘴的烧蚀和损坏，通常在燃烧的同时采用循环的冷却介质对燃烧器进行冷却。冷却循环的使用带走了大量热量，造成了能耗的增加、并且冷却装置例如冷却套的使用加大了成本和燃烧器结构的复杂程度。

本发明的目的旨在解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面以及其它技术问题。

发明内容

在本发明的第一方案中，提供一种燃烧器，该燃烧器内形成有至少一个第一通路、至少一个第二通路和混合室，其中每个第一通路的入口均与第一流体的供应端口流体地连通，每个第二通路的入口均与第二流体的供应端口流体地连通，混合室与第一通路的出口和第二通路的出口分别流体地连通，使得第一流体和第二流体在混合室内混合以形成流体混合物，其中燃烧器包括喷嘴，喷嘴中形成有与混合室流体地连通的至少一个贯通道，以使得流体混合物经至少一个贯通道流出，并且其中，至少一个贯通道的截面积之和小于混合室的截面积。

在本发明的第二方案中，公开了根据第一方案所述的燃烧器，其中所有贯通道的截面积之和为所述混合室的截面积的5-90％，优选20-60％。

在本发明的第三方案中，公开了根据第一方案或第二方案所述的燃烧器，其中所述喷嘴内的所有贯通道均与所述第二通路不在同一轴线上；或

所述至少一个贯通道包括与所述第二通路在同一轴线上的贯通道，其中与第二通路在同一轴线上的贯通道的当量直径小于所述第二通路的出口的当量直径的50％。

在本发明的第四方案中，公开了根据第三方案所述的燃烧器，其中所述第二通路形成有一个，其大致位于所述燃烧器的径向中心处。

在本发明的第五方案中，公开了根据第一方案至第四方案任一项所述的燃烧器，其中，所述喷嘴内的贯通道为多个，所述贯通道包括内部通道和外部通道，其中所述外部通道的各外部出口在所述喷嘴的径向方向上位于所述内部通道的各内部出口的外侧，优选地，所述内部出口的孔径小于所述外部出口的孔径。

在本发明的第六方案中，公开了根据第五方案所述的燃烧器，其中所述贯通道从其入口到其出口在逐渐远离所述喷嘴的轴线的方向上延伸。

在本发明的第七方案中，公开了根据第五方案或第六方案所述的燃烧器，其中，所述外部出口均布在同一圆周上，和/或所述内部出口均布在同一圆周上。

在本发明的第八方案中，公开了根据第七方案所述的燃烧器，其中，所述内部出口与所述外部出口在周向方向上间隔开；优选地，每一内部出口均位于在周向方向上与之相邻的两个所述外部出口的中间位置处。

在本发明的第九方案中，公开了根据第一方案至第八方案任一项所述的燃烧器，其中，其中所述至少一个贯通道的出口被构造为使得火焰的传播速度小于所述贯通道的所述出口处的混合物的流速。

在本发明的第十方案中，公开了根据第一方案至第九方案任一项所述的燃烧器，其中，所述第一流体在所述第一通路的出口处的流速和第二流体在所述第二通路的出口处的流速均大于所述贯通道的出口处的混合物的流速；优选地，所述第二流体在所述第二通路的出口处的流速大于所述第一流体在所述第一通路的出口处的流速。

在本发明的第十一方案中，公开了根据第一方案至第十方案任一项所述的燃烧器，其中，所述混合室的截面积为所述喷嘴的外轮廓的截面积的20-90％，优选40-60％。

在本发明的第十二方案中，公开了根据第一方案至第十方案任一项所述的燃烧器，其中，所述混合室的容积不大于500毫升，优选5-50毫升；优选地，所述混合室在所述流体混合物的流动方向上的长度为所述混合室的当量内径的0.5-20倍，优选1-5倍。

在本发明的第十三方案中，公开了根据第一方案至第十二方案任一项所述的燃烧器，其中，所述燃烧器用于加热如下的待加热材料：其中该待加热材料的熔体的温度低于所述混合流体的自燃温度，和/或，该待加热材料的熔体的温度低于所述喷嘴能承受的最大温度。

在本发明的第十四方案中，公开了根据第十三方案的燃烧器，其中所述待加热材料为熔点较低的金属，例如锌、铅或铝，在这种情况下，所述燃烧器的功率范围为10KW-1MW，其中所述混合室的容积为5-200毫升，并且所述混合室在所述流体混合物的流动方向上的长度为所述混合室的当量内径的0.5-10倍；或

其中所述待加热材料为水，在这种情况下，所述燃烧器的功率范围为5KW-0.5MW，其中所述混合室的容积为5-150毫升，并且所述混合室在所述流体混合物的流动方向上的长度为所述混合室的当量内径的1-5倍。

在本发明的第十五方案中，公开了根据第一方案至第十四方案任一项所述的燃烧器，其中，所述至少一个第一通路被构造成使所述第一流体在第一旋流方向上产生旋流；和/或，所述至少一个第二通路被构造成使所述第二流体在第二旋流方向上产生旋流，优选地，所述第一旋流方向和所述第二旋流方向相反。

在本发明的第十六方案中，公开了根据第十五方案所述的燃烧器，其中，所述至少一个第一通路的至少一部分中形成有螺旋方向为所述第一旋流方向的螺旋槽，和/或，所述至少一个第二通路的至少一部分中形成有螺旋方向为所述第二旋流方向的螺旋槽。

在本发明的第十七方案中，公开了根据第十五方案或第十六方案所述的燃烧器，其中，所述至少一个第一通路为多个第一通路，其中每个所述第一通路的出口相对于其入口位于圆周方向上的不同位置，以使得来自于多个第一通路中的第一流体整体上在混合室中形成在第一旋流方向上的旋流。

在本发明的第十八方案中，公开了根据第十五方案或第十六方案所述的燃烧器，其中，所述至少一个第一通路为多个第一通路，每个所述第一通路包括：

第一部分，从所述第一通路的入口与所述燃烧器的轴线平行地延伸；以及

第二部分，所述第二部分的出口相对于其入口位于圆周方向上的不同位置，以使得来自于多个第一通路中的第一流体整体上在混合室中形成在第一旋流方向上的旋流。

在本发明的第十九方案中，公开了根据第十五方案或第十六方案所述的燃烧器，其中，所述至少一个第一通路为多个第一通路，每个所述第一通路包括：

第一部分，从所述第一通路的入口与所述燃烧器的轴线平行地延伸；以及

第二部分，从所述第一部分朝向所述燃烧器的轴线倾斜地延伸到该第一通路的出口。

在本发明的第二十方案中，公开了根据第一方案至第十九方案所述的燃烧器，其中，所述燃烧器还包括点火器，所述点火器延伸到所述混合室中。

在本发明的第二十一方案中，公开了根据第二十方案所述的燃烧器，其中，所述燃烧器还包括智能点火系统，其中所述点火系统包括用于监测所述燃烧器内火焰状态的传感器以及控制器，所述控制器被配置成在所述传感器感测到所述燃烧器内火焰熄灭时控制所述点火器点火。

在本发明的第二十二方案中，公开了根据第二十一方案所述的燃烧器，其中，所述传感器包括：用于监测所述混合室内的火焰的监测仪，例如紫外监测仪；和/或用于测量所述燃烧器中的温度传感器。

在本发明的第二十三方案中，公开了根据第一方案至第二十二方案所述的燃烧器，其中，所述燃烧器包括：

第一流体引导件，其中所述至少一个第一通路形成在所述第一流体引导件内；以及

第二流体引导件，其中所述至少一个第二通路形成在所述第二流体引导件内；

其中所述混合室形成在所述第一流体引导件和/或所述第二流体引导件与所述喷嘴之间。

在本发明的第二十四方案中，公开了根据第二十三方案所述的燃烧器，其中，所述第一流体引导件至少部分地设置在所述喷嘴中，并且所述第一流体引导件内形成有贯通孔，所述第二流体引导件至少部分地设置在所述贯通孔中。

在本发明的第二十五方案中，公开了根据第二十三方案或第二十四方案所述的燃烧器，其中，所述燃烧器还包括单独的主体，所述喷嘴连接到所述主体，并且其中所述喷嘴、所述第一流体引导件和所述第二流体引导件均为单独的构件。

在本发明的第二十六方案中，公开了根据第二十五方案所述的燃烧器，其中，所述喷嘴内形成有第一台阶部和第二台阶部，其中所述第一流体引导件的端面抵靠所述第一台阶部，并且所述主体包括抵靠所述第二台阶部的连接部。

在本发明的第二十七方案中，公开了根据第一方案至第二十四方案中任一项所述的燃烧器，其中，所述喷嘴与燃烧器的主体形成为一体件，在所述一体件中集成有第一冷却介质通道，优选地，所述第一冷却介质通道延伸到所述喷嘴的贯通道处。

在本发明的第二十八方案中，公开了根据第十二方案至第二十七方案中任一项所述的燃烧器，每个所述贯通道的出口的当量直径范围为0.3mm-10mm，优选地为0.8mm-6mm，更优选地为1mm-5mm。

在本发明的第二十九方案中，公开了根据第一方案至第二十八方案中任一项所述的燃烧器，其中，在所述第一流体和第二流体中，其中一个为氧化剂，另一个为燃料，所述燃料优选为氢。

在本发明的第三十方案中，公开了根据第一方案至第二十九方案中任一项所述的燃烧器，其中，所述燃烧器为浸没式燃烧器。

在本发明的第三十一方案中，公开了一种燃烧器组件，其包括根据第一技术方案至第三十技术方案中任一项所述的燃烧器，以及设置在所述燃烧器外侧的冷却套，所述冷却套内形成有第二冷却介质通道。

在本发明的第三十二方案中，公开了根据第三十一方案的燃烧器组件，其中，所述燃烧器的喷嘴在其外侧包括台阶部，所述冷却套包括径向向内的突出部，其中所述突出部配合在所述台阶部上；优选地，所述燃烧器还包括设置在所述突出部和所述台阶部之间的密封垫。

在本发明的第三十三方案中，公开了一种燃烧器模块，其包括：

多个根据第一技术方案至第三十技术方案中任一项所述的燃烧器或根据第三十一技术方案至第三十二技术方案中任一项所述的燃烧器组件；以及

公共冷却块，其内限定出多个安装空间，其中每个所述燃烧器或燃烧器组件均安装在对应的一个所述安装空间中。

在本发明的第三十四方案中，公开了根据第三十三方案所述的燃烧器模块，其中，所述公共冷却块由相互独立的第一部分和第二部分组成，所述第一部分和所述第二部分共同限定所述安装空间，优选地，在第一部分中的冷却介质的流动方向与在第二部分中的冷却介质的流动方向相反。

在本发明的第三十五方案中，公开了一种燃烧器模块，其包括：

多个根据第一技术方案至第三十技术方案中任一项所述的燃烧器；

能够向每个燃烧器供给第一流体的第一流体供给管线；以及能够向每个燃烧器供给第二流体的第二流体供给管线。

在本发明的第三十六方案中，公开了一种燃烧器模块，其包括：

多个根据第三十一方案和第三十二方案中任一项所述的燃烧器组件；

能够向每个燃烧器组件供给第一流体的第一流体供给管线；能够向每个燃烧器组件供给第二流体的第二流体供给管线；以及

能够向每个燃烧器组件供应冷却介质的冷却介质回路。

在本发明的第三十七方案中，公开了一种加热装置，所述加热装置内容纳有被加热的介质，所述加热装置包括根据第一技术方案至第三十技术方案中任一项所述的燃烧器，或根据第三十一方案和第三十二方案中任一项所述的燃烧器组件，或根据第三十三技术方案至第三十六技术方案中任一项所述的燃烧器模块。

本发明的各种结构的燃烧器至少具有如下优点：

由于喷嘴中形成的贯通道的总的截面积小于混合室的截面积，因此混合室内的流体混合物的向下游的流动被喷嘴阻挡，流体混合物的至少局部流股的局部流速会小于流体混合物燃烧所产生的火焰的传播速度，因此火焰能够保留在混合室中，相当于在燃烧器内保留了火源，即使燃烧器的喷嘴外的火焰被切断，燃烧仍然能够接续。因此该燃烧器不易于熄灭。

由于本发明的燃烧器能够有效地防止火焰的熄灭，其在被用作浸没式燃烧器时，在被加热介质的熔体的流动性较大的情况下、或是其中被加热介质的熔体的温度较低、例如低于混合流体的自燃温度的情况下、或是该被加热介质的熔体的温度小于喷嘴能承受的最大温度的情况下尤其有效。这继而又产生了诸多优点，例如熔体能够直接作为冷却介质以实现对浸没于其中的燃烧器喷嘴或是燃烧器本身的冷却，因此可以不需要对燃烧器设置单独的冷却装置。并且能量利用率更高、燃烧器的结构更加简单，成本更低且更加易于维护。

通过形成混合室，预先混合提高火焰的稳定性，同时该混合室的有限的混合空间避免了多余混合气体的积存以及降低了爆炸风险。本发明的燃烧器尤其在氢作为燃料时具有更高的火焰稳定性、更高的传热效率以及更低的爆炸风险。

通过将流路设置成使燃料和/或氧化剂产生旋流的混合方式，使得两者的混合更快速、充分和均匀，达到更稳定的燃烧火焰和燃烧性能。通过以相反的旋流方向使第一流体和第二流体产生旋流，两流体相撞达到强烈的混合效果。

通过在喷嘴中设置多个贯通道，整体上增大了火焰的面积，并且每个贯通道的出口的孔径较小，火焰更短因此更稳定而不易熄灭，且通过出口孔径的设置防止喷嘴的贯通道的堵塞。进一步地，孔径较小的内部出口的设计使得火焰不易熄灭。

所提供的燃烧器模块和燃烧器组合允许灵活地满足各种功率范围的要求，并且能够降低成本、形成更紧凑的结构而节约空间、以及提供均匀的冷却效果。

由于监测系统的设置，使得燃烧器的监测和维护更为方便且成本更低。燃烧器的各部件的模块化的设计也使得其更换和维护更容易。

附图说明

参考下文的描述和附图，本发明的实施例的特点和优势将会更易于理解，其中：

图1示出根据本发明的第一示例性实施例的燃烧器的剖面示意图；

图2示出图1的燃烧器的端部的局部放大示意图；

图3示出根据第二示例性实施例的燃烧器的局部示意图；

图4示出一种示例性的第二流体引导件的剖视示意图；

图5示出一种示例性的第一流体引导件的立体示意图，其中以虚线示意性地示出一个第一通路；

图6示出图5的第一流体引导件的主视图，其中以虚线示意性地示出一个第一通路的走向；

图7示出图5的第一流体引导件的俯视图；

图8示出一种示例性的喷嘴的立体示意图；

图9示出图8所示的喷嘴的剖视示意图；

图10示出根据本发明的第三示例性实施例的燃烧器的示意图；

图11示出根据本发明的第四示例性实施例的燃烧器的示意图；

图12示出本发明的一种示例性实施例的燃烧器组件的示意图；

图13示出本发明的一种示例性实施例的燃烧器模块的示意图；

图13A示出本发明的另一种示例性实施例的燃烧器模块的示意图；

图14示出本发明的再一种示例性实施例的燃烧器模块的示意图；以及

图15示出本发明的一种示例性实施例的燃烧器组合的示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置未以图示的方式体现以简化附图。

在本申请文件的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的规定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如本文中所使用的，术语“燃料”指的是可互相替代或结合使用的气体燃料、液体燃料或固体燃料。如果它至少部分是气体形式，则可将之直接引入燃烧器中。如果是以液体或固体形式，则在燃烧器的附近被引入。气体燃料可以是天然气(主要是甲烷)、丙烷、氢气、合成气、生物质气或其它任何烃类化合物和/或含硫化合物和/或含氮化合物。固体或液体燃料可以主要是含碳和/或烃类和/或含硫形式的任何化合物。本领域技术人员可根据需要决定气体燃料、液体燃料或固体燃料的引入方式，本发明不意图做任何限制。

如本文中所使用的，术语“喷嘴”指的是位于燃烧器的端部、并喷出燃料和氧化剂、或混合物的部件，其可以是单独的构件，也可以是其他构件的一部分，或是多个构件组成的部件。

如本文中所使用的，术语“被加热介质的熔体”，其既可指各种固态物质在熔融后获得的液态物质或固液混合态物质，或用于熔融为液态物质的尚未熔融的固态物质，例如熔融金属、熔融树脂、熔融玻璃或熔融态固废物质等，也可以指被加热介质在被加热之前本身是液态的物质，其在此被加热而温度升高，例如水。本文中所称的“被加热介质的熔体的温度”是指被加热介质在被加热装置加热时的期望温度或加热装置运行过程中被加热介质达到温度平衡的平衡温度，该期望温度或平衡温度例如是被加热介质在固液混合状态、或是完全液态下而未达到沸点、未转变成气态之前的某一温度，或者处于沸点而没有完全转变成气态之前的某一温度。

如本文中所使用的，术语“熔融”、“熔化”、“熔化操作”、“熔化过程”包括将被加热介质从基本为固态加热到基本为液态的操作。

如本文中所使用的，术语“当量直径”指的是与某外形或外轮廓的截面积相等的圆的直径。

如本文中所使用的，术语“轴向”是指大体平行于燃烧器的中心轴线方向的旋转轴线、对称轴线或大致的中心线的方向。术语“径向”可以指相对于从共享中心线、轴线或类似参考垂直地向外延伸的线的方向或关系。例如，两个同心且轴向重叠的圆柱形部件可以看作在这些部件的轴向重叠的部分上“径向”对齐，但是在这些部件的不轴向重叠的部件上不“径向”对齐。在某些情况下，即使这些部件中的一个或两个都可能不是圆柱形(或者以其它方式径向对称)，也可以将这些部件看作是“径向”对齐。

如本文所使用的，“流速”是指本文中所涉及的“第一流体”、“第二流体”、“混合流体”、“混合物”在单位时间内在所在的通路/通道中或出口处在单位截面积上流过的体积，可表述为流速v＝V/(T*S),其中V表示流体的体积，T表示时间，S表示所在的通路/通道中或出口处的横截面积，其单位例如为m/s。

本发明提供一种燃烧器，如图1-3、10所示，在该燃烧器中形成有至少一个第一通路114、至少一个第二通路213和混合室3，每个所述第一通路的入口111均与第一流体的供应端口流体地连通，每个所述第二通路213的入口均与第二流体的供应端口流体地连通；该混合室3与第一通路的出口112和第二通路的出口212分别流体地连通，使得第一流体和第二流体在所述混合室3内混合以形成流体混合物，其中所述燃烧器包括喷嘴4，所述混合室3至少部分地形成在所述喷嘴4中，并且所述喷嘴4中形成有与所述混合室流体地连通的至少一个贯通道41，，以使得所述流体混合物经所述至少一个贯通道41流出，其中至少一个贯通道的总的截面积小于混合室3的截面积。

在该示例中，由于喷嘴4中形成的贯通道的总的截面积小于混合室3的截面积，因此混合室内的流体混合物的向下游的流动被喷嘴阻挡，流体混合物撞到喷嘴的实体时，其至少局部流股的局部流速会小于流体混合物燃烧所产生的火焰的传播速度，因此火焰能够保留在混合室3中。相当于在燃烧器内保留了火源，即使燃烧器的喷嘴外的火焰被切断，燃烧仍然能够接续。因此该燃烧器不易于熄灭

可将所有贯通道的截面积之和设置为混合室3的截面积的5-90％，优选20-60％。经实验证明，喷嘴中的贯通道采用该设计使得流体能够充分地保证驻留在混合室中的火焰，保证燃烧器不熄火。

优选地，在如图1-3所示的第一、第二实施例以及图10、11所示的第三、第四实施例中，喷嘴4内的所有贯通道均与第二通路213不在同一轴线上。换言之，从图1-3、10-11中可看出，喷嘴4的正对第二通路213的出口212的位置不设置贯通道。在这些实施例中，第二通路213均形成有一个，并大致位于燃烧器的径向中心处，对于这种情况，“喷嘴4内的所有贯通道均与第二通路213不在同一轴线上”是指喷嘴的中心位置不设置贯通道，而是为实体(类推地，本领域技术人员可以理解对于有多个第二通路的情况或是第二通路位于其它位置的情况)。因此，来自于第二通路213的第二流体的一部分(甚至大部分)向下游流动，被喷嘴4的与第二通路的出口212相对的位置所阻挡，被阻挡的部分被反向，因此能够在混合室中形成更多如下的局部流股：该局部流股的局部流速小于流体混合物燃烧所产生的火焰的传播速度，从而能够更多地、更充分地在混合室3中保留火焰，保证火焰不熄灭。

替代性地，至少一个贯通道也可以包括与第二通路213在同一轴线上的贯通道，此时只要与第二通路213在同一轴线上的该贯通道的直径足够小，例如其当量直径小于所述第二通路的出口的当量直径的50％时，也同样能够使得来自于第二通路213的第二流体的一部分会被该贯通道所阻挡，达到上述的更多地、更充分地在混合室3中保留火焰、保证火焰不熄灭的效果。

在本文的描述中，第一流体和第二流体中的其中一个为氧化剂，另一个为燃料。在下文中，以第一流体为氧化剂而第二流体为燃料为例进行说明，然而本领域技术人员也可以理解，图示的第二通路213也可以供应燃料而第一通路114用于供应氧化剂。

应当明确，在本文中，多采用浸没式燃烧器来进行描述本发明的结构以及优点等，但这并不表明本发明的燃烧器只限于用作浸没式燃烧器。如上所述，本发明的燃烧器也可用于其他各种燃烧器，均具有火焰不易熄灭的优点。

在研究和实践中发现，当浸没式燃烧器的被加热介质所形成的熔体的流动性较高的情况下，熔体的波动容易导致切断燃烧器的外部火焰；而且在燃烧器处于其中熔体的温度低于燃料和氧化剂的自燃温度的熔体环境的情况下，火焰也容易熄灭并且无法实现自燃。而通过本发明的该示例性的结构，火焰能够部分地保留在混合室3中，相当于在燃烧器内保留了火源，因此即使燃烧器的喷嘴外的火焰被切断，燃烧仍然能够接续。

由于本发明的浸没式燃烧器能够有效地防止火焰的熄灭，其在上述情况下尤其有效。这继而又产生了诸多优点，例如温度较低的熔体能够直接作为冷却介质以实现对浸没于其中的燃烧器喷嘴或是燃烧器本身的冷却，将燃烧器的喷嘴的温度降低到其能承受的温度之下或是更低，因此可以不需要对燃烧器设置单独的冷却装置。并且，在该冷却过程中，燃烧器的热量通过热交换传递到被加热介质中对其进行加热，能量利用率更高。降低了现有技术中对燃烧器采用额外的冷却装置进行冷却时由冷却介质带走的热量的损耗，并且燃烧器的结构更加简单，成本更低且更加易于维护。燃烧器的喷嘴由被加热介质冷却至安全范围，确保其使用寿命和设备的安全运行。

作为被加热介质的示例，本发明的浸没式燃烧器例如能够用于现有的化学工业中的热水浴中。被加热介质也可以为熔点较低的物质，例如熔点较低的金属或合金，例如锌、铅或铝。在本发明中“熔点较低”是相对概念，表示被加热介质或被加热介质的熔体的温度低于流体混合物的自燃温度，和/或，该被加热介质或被加热介质的熔体的温度低于燃烧器的喷嘴能承受的最大温度。如上所述，在其熔体的温度小于喷嘴能承受的最大温度的情况下，就能由熔体来实现对于喷嘴的冷却。

在下表1中，示出了各种燃料在空气作为氧化剂或氧作为氧化剂时的自燃温度。当被加热介质的熔体温度低于相应燃料和氧化剂的自燃温度时，尤其可以使用本发明的浸没式燃烧器来对其进行加热，以获得上文所述的效果。或是在该被加热介质的熔体的温度小于喷嘴能承受的最大温度的情况下，也尤其可以使用本发明的浸没式燃烧器来对其进行加热以获得上文所述的效果。

表1

然而，应当说明的是，虽然在本文中论述了本发明的燃烧器在用于熔体温度较低的被加热介质时具有诸多优点，但这只表明在用于这种被加热介质时其优点尤其明显，而并不表明该燃烧器只能应用于这种被加热介质。本发明的燃烧器也可用于其他被加热介质，且同样具有不易熄火、火焰稳定等各种优点。

示例性地而非限制性地，对于混合室可如此设计：使得混合室的容积不大于500毫升，优选5-50毫升。优选地，混合室3在流体混合物的流动方向上的长度为混合室3的当量内径的0.5-20倍，优选1-5倍。优选地，混合室3的截面积可为喷嘴4的外轮廓的截面积的20-90％，优选40-60％。

作为对燃烧器的混合室的设计示例，在本发明的浸没式燃烧器用于加热较低熔点金属或合金等物质时，例如锌(熔点419度)、铅(熔点327度)或铝(熔点660度)时，对于功率范围为10KW-1MW的燃烧器，其中混合室的容积为5-200毫升，并且混合室3在流体混合物的流动方向上的长度为混合室3的当量内径的0.5-10倍。

作为对燃烧器的混合室的另一设计示例，在本发明的浸没式燃烧器用于加热水等物质时，对于功率范围为5KW-0.5MW的燃烧器，其中混合室的容积为5-150毫升，并且混合室3在流体混合物的流动方向上的长度为混合室3的当量内径的1-5倍。

通过上述各示例的混合室的尺寸和参数的限定，第一流体和第二流体能够在该有限空间的混合室中形成激烈的混合并形成湍流，因此，流体混合物的局部流股的局部流速会小于流体混合物燃烧所产生的火焰的传播速度，从而能够在混合室3中保留火焰(可认为火焰“回烧”到混合室3中)。驻留在混合室内的火焰使得燃烧器的火焰不易熄灭。

进一步地，在研究和实践中发现，燃料和氧化剂的混合的程度对于燃烧的速度、火焰的稳定性起着至关重要的作用。对于燃料和氧化剂未预先混合的燃烧器而言，其燃烧速度受限于其燃料与氧化剂在燃烧器外的即时混合的混合速度，且由于混合不够均匀而燃烧火焰不稳定。然而采用了预混合方式的燃烧器又存在预混合的流体导致爆炸的风险的问题。本发明的上述各示例中通过混合室的设计平衡了预混合的优缺点，通过设置混合室3，使得燃料和氧化剂在喷出燃烧器之前在混合室3中预混合。燃料和氧化剂的预先混合使得燃烧更快地进行，且燃烧的火焰更为稳定。同时，该混合室3的尺寸设计将其空间限定在一定范围内，因此避免了多余的流体混合物的积存以及由此产生的爆炸风险。

在本发明的示例中，燃料可以为氢。氢作为清洁能源有诸多优点，但在实践和研究中发现，在其作为燃料时，氢火焰不明亮，辐射率低，在火焰辐射式加热中存在传热效率不高的问题。而在浸没式燃烧器中，由于浸没式燃烧的直接接触的热传导和对流的特点，氢火焰的热量在被加热介质中得以充分传热，因此能实现对氢燃烧的热能更好的利用。氢用作浸没式燃烧器的燃料还具有如下优点：水是其氧化燃烧的唯一产物，因此减少燃烧过程中产生的二氧化碳排放。如果被加热介质为水，由于氢燃烧的产物也是水，其混合到被加热介质中，因此基本不存在废气，因此废气处理也会相当简单或是可以省略掉。然而，氢用于浸没式燃烧中存在的问题之一是氢与氧化剂的燃烧反应过于迅速，因此其预混合比较困难，并且容易产生爆炸风险。而在本发明的上述示例的燃烧器中，由于燃料和氧化剂的混合在混合室3中进行，其尺寸设计将其混合空间限定在一定范围内，因此避免积存混合气体，降低了氢和氧化剂的预混合所容易产生的爆炸风险，因此能够克服氢作为燃料的缺点，既能实现有效的预混合以保证稳定的持续的火焰，又能避免爆炸的风险。因此具有本发明的上述示例性的结构的燃烧器尤其能够适应于氢作为燃料，在氢作为燃料时具有优良的燃烧性能。

如图1-10所示，该燃烧器包括第一流体引导件1、第二流体引导件2以及喷嘴4，至少一个第一通路114形成在第一流体引导件1内；至少一个第二通路213形成在第二流体引导件2内；混合室3形成在第一流体引导件1和/或第二流体引导件2与喷嘴4之间。进一步地，在如图1-5所示的第一、第二实施例以及图10、11所示的第三、第四实施例中，第一流体引导件1内形成有贯通其第一端面115和在混合室3中的第二端面116的贯通孔113，第二流体引导件2至少部分地设置在贯通孔113中。第二流体引导件2的端面可延伸超出第一流体引导件1的第二端面116(如图1、2所示)，或是其端面位于贯通孔113内(如图10、11所示)，以与喷嘴4和第一流体引导件1的第二端面116一起限定出混合室3。

进一步地，为了加大燃料和氧化剂的混合程度，以提供更为稳定的火焰，本发明还提供了一种结构，其中第一流体引导件1中的至少一个第一通路114被构造成使第一流体在第一旋流方向上产生旋流，也可以采用至少一个第二通路213被构造成使第二流体在第二旋流方向上产生旋流的结构。或是采用两者结合的方式，在该情况下，优选地第一旋流方向和第二旋流方向相反。采用上述任一种混合方式，均能够增强燃料和氧化剂的预混合程度，增强燃烧所产生的火焰的稳定性。该预混合的流体混合物在燃烧器的混合室内快速地混合并快速地燃烧。如上所述，可采用同时使第一流体产生旋流以及使第二流体产生旋流的方式，且两者的旋流方向相反，两相反方向的流体在混合室3内碰撞并混合，达到更好的混合效果。

作为示例，图1-3、5-7中示出了一种第一流体引导件1，其使第一流体在第一旋流方向上产生旋流的结构。尤其参见图5，至少一个第一通路114为多个第一通路(在图中为4个)，其中多个第一通路114从位于第一流体引导件1的第一端面115上的入口111到位于第一流体引导件1的第二端面116上的出口112延伸(从图中可见在与第一流体引导件1的轴线不平行的方向上，并且与轴线不在同一平面中)，其中每个所述第一通路114的出口相对于其入口位于圆周方向上的不同位置，使得第一流体相对于第二端面116倾斜地流出，并且来自于多个第一通路中的第一流体整体上在混合室3中形成在第一旋流方向上(顺时针方向，在图2、3的左侧看向第一流体引导件1和第二流体引导件2的观察角度下以及图5的上方看向第一流体引导件1的观察角度下)的旋流。

在如图1-3所示的第一、第二实施例以及图10、11所示的第三、第四实施例中，第二流体引导件2中形成有一个第二通路213，其中至少一部分中形成有螺旋方向为第二旋流方向的螺旋槽2131，其所产生的旋流方向为逆时针方向(在图2、3的左侧看向第一流体引导件1和第二流体引导件2的观察角度下)，两相反方向的旋流产生碰撞，达到更充分的混合。

本领域技术人员可以理解，虽然在上述示例中以及在附图中均示出了设置一个第二通路213来实现第二流体的旋流，然而，也可以采用其它的方式，例如也可设置多个第二通路来实现第二流体的旋流。也可以理解，在至少一个第一通路114的至少一部分中也可以形成有螺旋方向为所述第一旋流方向的螺旋槽。且各种形成旋流的方式，例如使得流路倾斜的方式以及形成螺旋槽的方式可以组合使用，以达到更充分的混合效果。

作为示例，在图10的第三实施例中示出了第一流体引导件1在第一旋流方向上对第一流体进行旋流的又一种结构。该至少一个第一通路114为多个第一通路，每个第一通路114包括从第一通路114的入口111与燃烧器的轴线平行地延伸的第一部分1141以及从第一部分1141朝向燃烧器的轴线方向倾斜地延伸到该第一通路114的出口112的第二部分1142，其中该第二部分的延长线(例如其中心线的延长线)与燃烧器的轴线相交。为实现第一流体的旋流，可在第一部分1141和/或第二部分1142中形成螺旋方向为所述第一旋流方向的螺旋槽。

本领域技术人员也可以理解，也可对该第二部分1142采用类似于图1-3、5-7中示意性地示出的第一通路114的混入方式，即，所述第二部分的出口相对于其入口位于圆周方向上的不同位置，以使得来自于多个第一通路中的第一流体整体上在混合室中形成在第一旋流方向上的旋流。

第一通路114的多个出口112可均布在同一圆周上，多个第一通路114的多个入口111也可均布在同一圆周上。

如图1-3、8-9所示，喷嘴4内的贯通道41可以为多个，优选地，每个贯通道可从其入口411到其出口4121，4122在逐渐远离喷嘴的轴线的方向上延伸。通过这样设置多个贯通道，整体上增大了火焰的面积，并且每个贯通道的出口的当量直径/孔径可设计为较小，因此火焰更短因此更稳定而不易熄灭。

示例性地，多个贯通道41可包括内部通道413和外部通道414，其中外部通道414的各外部出口4121在喷嘴的径向方向上位于内部通道413的各内部出口4122的外侧。在该结构中，内部通道由于更靠近内部的燃料通路(即第二通路213)的出口，燃料的含量相对于外部通道更高，因此内部通道处的火焰更不易熄灭，且在熄火之后能够更快地点燃。

优选地，内部出口4122的孔径小于外部出口4121的孔径。对于该小孔径的内部出口4122，其火焰长度更短、燃料的含量更高，因此不易熄灭，便于保留燃烧器的火源；而且其流体混合物的流出的动量和冲击力较小，因此在火焰万一熄灭的情况下也更易于点燃。

优选地，外部出口4121均布在同一圆周上。内部出口4122也可均布在同一圆周上。因此使得火焰的强度整体上更均匀。内部出口4122与外部出口4121在周向方向上间隔开。优选地，每一内部出口4122均位于在周向方向上与之相邻的两个外部出口4121的中间位置处。以上方式均能够实现流体混合物更均衡的分布，以形成更均匀的火焰强度。

对于贯通道的外部出口4121和内部出口4122，为了避免被加热介质或其熔体通过这些出口浸润到贯通道内而造成贯通道的阻塞，每个出口的当量直径范围可设计为0.3mm-10mm，优选地为0.8mm-6mm，更优选地为1mm-5mm。当量直径的尺寸足够小而能够避免被加热介质或其熔体回渗到贯通道中，又足以允许流体混合物的流动。

优选地，还可使得第一流体在第一通路的出口112处的流速和第二流体在第二通路的出口212处的流速均大于贯通道41的出口412处的混合物的流速；优选地，所述第二流体在所述第二通路的出口212处的流速大于所述第一流体在所述第一通路的出口412处的流速。第一流体和第二流体在第一通路21和第二通路31的出口处的喷出速度越高，混合效果就越好。由于上述贯通道出口的尺寸，并由于第一流体、第二流体和形成的混合物的较高流速、以及由于在混合通道中混合流体的压力的存在，均单独地或整体地保证了贯通道出口不易被堵塞，避免了燃烧器喷嘴以及燃烧器的损坏。

进一步地，在本发明的一个示例中，可将贯通道的出口构造为使得火焰的传播速度小于贯通道41的出口412处的混合物的流速。该结构有利于火焰从贯通道的出口412处喷出到被加热介质中。因此火焰从混合室3延伸到燃烧器的贯通道的出口412的外部到被加热介质中以进行传热，同时能在混合室3中保留火焰而避免熄火。

如图1所示，燃烧器还可包括点火器7，点火器7延伸到混合室3中。优选地，本发明的燃烧器还可包括智能点火系统，其中点火系统包括用于监测燃烧器内火焰状态的传感器11以及控制器，控制器被配置成在传感器感测到燃烧器内火焰熄灭时控制点火器点火。该传感器11例如包括用于监测混合室内的火焰的监测仪，例如紫外监测仪，或是用于测量燃烧器中的温度的热电偶。如图1所示，该传感器11可安装成与第二流体的输送管路对齐，紫外检测仪的射线例如穿过第二流体的输送管路211、第二通路213而检测到混合室3内的火焰。也可在燃烧器上设置热电偶以检测燃烧器的温度，当燃烧器的温度降低到一定阈值时表明燃烧器熄火。紫外监测仪和热电偶的方式也可以组合使用。通过该智能点火系统能够实时监测燃烧器的火焰和/或温度，降低由于意外熄火而导致的损害。

如图1-3所示的第一和第二实施例中，燃烧器还包括单独的主体5，喷嘴4连接到主体5，并且其中喷嘴4、第一流体引导件1和第二流体引导件2均为单独的构件。通过该示例性的结构，能够实现喷嘴4、第一流体引导件1和第二流体引导件2的单独的更换，因此能够降低燃烧器的维护成本。

在图3、9所示的第二实施例的燃烧器中，喷嘴4内形成有第一台阶部45和第二台阶部42，其中第一流体引导件1的端面116抵靠第一台阶部45，并且主体5包括抵靠第二台阶部42的连接部。

在图10示出的第三实施例的燃烧器中，喷嘴4与燃烧器的主体可形成为一体件。在图11示出的第四实施例的燃烧器中，喷嘴4与燃烧器的主体也形成为一体件。

如上文所述，本发明的浸没式燃烧器在用于被加热介质的熔体的温度低于喷嘴材料能承受的最大温度的情况下，能够实现在不需要额外的冷却设备的情况下对于喷嘴的冷却。然而本发明的燃烧器也可用于其他被加热介质，且同样具有不易熄火、火焰稳定等各种优点。因此，在本发明的燃烧器中，也可以设置额外的冷却装置，以用于所述的其他被加热介质，或是在被加热介质的熔体对燃烧器进行冷却的情况下还实现额外的加强的冷却效果。如图11的第四实施例所示，在喷嘴4与燃烧器的主体所形成的一体件中可集成有第一冷却介质通道44，优选地，如图11所示。第一冷却介质通道44延伸到喷嘴4的贯通道41处，以对燃烧器的喷嘴实现更好的冷却。

本发明还可提供一种燃烧器组件，如图12示例性地示出的那样，该组件可包括前述各种示例的燃烧器以及设置在燃烧器外侧的冷却套6，冷却套内形成有第二冷却介质通道62。示例性地，可以在熔炉的耐火砖中开设若干开口(例如4-8个开口)，可在每个开口中设置单独的冷却套。每个燃烧器可插入到各冷却套中，整体上形成一个燃烧器组。可根据加热位置和加热功率的需要来设置燃烧器组的规模。

为了节约成本以及简化安装过程，本发明还提供一种燃烧器模块，其包括上述各示例中的燃烧器以及公共冷却块12，如图13、图13A或图14所示，在公共冷却块12(例如冷却板)内限定出多个安装空间121，其中每个燃烧器均安装在对应的一个安装空间中而被冷却。采用这种方式无需对于每个燃烧器都安装单独的冷却套，因此能够降低成本并简化安装过程。本领域技术人员可以理解，为了达到更好的冷却效果，也可以将包括了冷却套6的燃烧器组件设置在安装空间121中，达到对于燃烧器的双重冷却效果。在图13A所示的实施例中，公共冷却块12由相互独立的第一部分和第二部分组成，所述第一部分和所述第二部分共同围出上述安装空间，优选地，如图所示，在第一部分中的冷却介质的流动方向与在第二部分中的冷却介质的流动方向相反。图13A的结构能够获得充分的冷却效果，并且便于燃烧器或燃烧器组件的放置。在燃烧器尺寸与安装空间稍有出入的情况下，可通过调整第一部分和第二部分之间的相对位置来适应其尺寸，达到最优的贴合效果。

本发明还提供了另一种燃烧器模块，其包括多个上述示例中的燃烧器以及向每个燃烧器供给第一流体的第一流体供给管线8和以及能够向每个燃烧器供给第二流体的第二流体供给管线9，如图15所示。通过将多个燃烧器一起使用以形成一个燃烧器的组合或是模块，而集中地对这些燃烧器(例如4-8个燃烧器)供给第一流体和第二流体，可降低设备成本。示例性地，可以针对每个燃烧器单独设置第一流体和第二流体的供应控制系统，其例如包括阀，也可以在每个燃烧器上均设置单独显示流量、温度或压力等参数的显示装置，以根据需要对每个燃烧器的供给量进行调节。本领域技术人员可以理解，也可以对上述设置有冷却套的燃烧器组件实现集中的供应，即可提供再一种燃烧器模块，其包括多个上述的燃烧器组件、能够向每个燃烧器组件供给第一流体的第一流体供给管线8、能够向每个燃烧器组件供给第二流体的第二流体供给管线9以及能够向每个燃烧器组件供应冷却介质的冷却介质回路10。

本发明还提供一种加热装置，该加热装置内容纳被加热的介质，并且加热装置内可设置上述的燃烧器、燃烧器组件、燃烧器模块中的一者或多者。该燃烧器、或燃烧器组件、或燃烧器模块可设置在熔炉的底部或侧壁或顶壁中。浸没式燃烧器的喷嘴浸没在被加热介质中。加热装置通过将燃烧器进行灵活地组合可达到各种所需的功率范围。

虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明总体构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (10)

1.一种燃烧器，其特征在于，所述燃烧器内形成有：

至少一个第一通路(114)，每个所述第一通路的入口(111)均与第一流体的供应端口流体地连通；

至少一个第二通路(213)，每个所述第二通路(213)的入口均与第二流体的供应端口流体地连通；以及

混合室(3)，所述混合室(3)与所述第一通路的出口(112)和所述第二通路的出口分别流体地连通，使得第一流体和第二流体在所述混合室内混合以形成流体混合物；

其中所述燃烧器包括喷嘴(4)，所述喷嘴(4)中形成有与所述混合室流体地连通的至少一个贯通道(41)，以使得所述流体混合物经所述至少一个贯通道(41)流出，并且其中，所述至少一个贯通道(41)的截面积之和小于所述混合室(3)的截面积。

2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所有贯通道的截面积之和为所述混合室(3)的截面积的5-90％，优选20-60％。

3.根据权利要求1或2所述的燃烧器，其特征在于，所述喷嘴(4)内的所有贯通道均与所述第二通路(213)不在同一轴线上；或

所述至少一个贯通道包括与所述第二通路(213)在同一轴线上的贯通道，其中与第二通路(213)在同一轴线上的贯通道的当量直径小于所述第二通路的出口的当量直径的50％。

4.根据权利要求3所述的燃烧器，其特征在于，所述第二通路(213)形成有一个，其大致位于所述燃烧器的径向中心处。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述喷嘴(4)内的贯通道(41)为多个，所述贯通道(41)包括内部通道(413)和外部通道(414)，其中所述外部通道(414)的各外部出口(4121)在所述喷嘴的径向方向上位于所述内部通道(413)的各内部出口(4122)的外侧，优选地，所述内部出口(4122)的孔径小于所述外部出口(4121)的孔径。

6.根据权利要求5所述的燃烧器，其特征在于，所述贯通道(41)从其入口(411)到其出口(4121，4122)在逐渐远离所述喷嘴的轴线的方向上延伸。

7.根据权利要求5-6中任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述外部出口(4121)均布在同一圆周上，和/或所述内部出口(4122)均布在同一圆周上。

8.根据权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，所述内部出口(4122)与所述外部出口(4121)在周向方向上间隔开；优选地，每一内部出口(4122)均位于在周向方向上与之相邻的两个所述外部出口(4121)的中间位置处。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的燃烧器，其特征在于，其中所述至少一个贯通道(41)的出口(412)被构造为使得火焰的传播速度小于所述贯通道(41)的所述出口(412)处的混合物的流速。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述第一流体在所述第一通路的出口(112)处的流速和第二流体在所述第二通路的出口(213)处的流速均大于所述贯通道(41)的出口(412)处的混合物的流速；优选地，所述第二流体在所述第二通路的出口处的流速大于所述第一流体在所述第一通路的出口处的流速。

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