CN1172924A - 氧气－燃料燃烧器 - Google Patents

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Abstract

燃烧器(10)设置有:燃烧板(22),在其背部有用于安装燃料雾化器(18)的深孔,以及许多氧气进口(44,46),用于产生一个氧气汇聚锥来与任何自雾化器(18)发出的燃料相交。这种设计同时提供一个防护壁(40),用于防止雾化器(18)受到燃烧器所处的恶劣环境的损坏,并且简化了氧气供应设备。

Description

氧气-燃料燃烧器
本发明涉及一种燃烧器，并且特别涉及但并非只限于一种具有相对较短火焰长度的燃烧器。
WO 89/02051公开了一种氧气-燃料燃烧器及一种产生氧化性火焰的方法。燃烧器包括带有一个中央氧气嘴和至少一个燃料嘴的主体，一个包着主体的壳体，至少一个外缘氧气嘴分布于燃料嘴径向外围，以及一个位于主体外的氧气室，所有的气嘴至少大致平行。中央氧气嘴和外缘氧气嘴分别接于不同的氧气源，以便有可能向每个氧气嘴中输送不同气压的氧气。这样的布局产生一种特别的层状燃料和氧气流，这样不利于燃料与气体的良好混合，并且导致火焰长度稍大于所希望的长度。尽管这种布局在某些条件下是有利的，即在要求保护燃烧器喷头的场合，但本燃烧器不适于在需要相对于燃烧器喷头较近的某处产生完全燃烧焰的场合下使用。
另外，众所周知上述燃烧器的一种改进形式，其中，在燃烧器中心安装一个燃料雾化器，氧气用来雾化燃油，然后该燃油被导向氧气下游，并且在燃烧前与另一股氧气流混合。这种设计使相对昂贵的雾化器暴露于该燃烧器所应用场合的恶劣环境当中，在该场合下金属正在熔化，熔化的金属经常会溅到雾化器上，因而损坏它并削弱它的作用。一旦损坏，这类雾化器变得相对功效低下，而且需要那种只有通过拆卸燃烧器的方法方可实现的更换。显然，这是极不愿看到的现象，特别是在燃烧器用于连续运行的场合。本发明的一个目标就是提供一种氧气-燃料燃烧器，能缓解甚至可能完全消除上述设计带来的各种问题。
相应地，一个氧气-燃料燃烧器包括：一个燃烧室，该室有一个第一进口端，一个用于释放燃烧火焰的第二出口端，以及一个纵向X轴；燃料提供装置，用于把燃料引入燃烧室；氧气提供装置，用于把空气和/或氧气引入到燃烧室；以及一个燃烧板，用于接收所述燃料和氧气/空气，并用于把燃料导向其下游，在燃烧板后表面有一个深孔，其内安装了一个燃料雾化嘴，另外它的前表面上有一个位于中心X轴或接近该轴的中心燃料出口，雾化后的燃料由该孔引出，所述燃烧板还包括许多第一氧气出口，它们用于将第一氧气流输送到所述燃料流径向外围，所述第一氧气出口与纵向X轴成θ角向内倾斜，因此可以产生一个大体汇聚的氧气流，以便与从中心燃料出口流出的任何燃料流相交。
该燃烧器以高速产生一种相对短的二阶段火焰。通常，气体以大约100-150ms-1的速度从燃烧器喷嘴中喷出，并且由于火焰温度的增加气体可以被加速到高达接近或超过声速(大约300ms-1)。
有利的是，该燃烧板还含有许多第二氧气出口，它们分布于所述第一氧气出口径向外侧，并且与纵向X轴成φ角向内倾斜，φ角小于θ角，因此第二氧气出口产生一个大体汇聚第二氧气流，以便与任何燃料流在第一氧气流同所述燃料流相交点的下游某处相交。
优选地是，第二氧气出口与纵向X轴所成的夹角φ在0°到10°之间。
有利的是，该燃烧器含有移动机构，用来沿X轴移动燃烧板，以便改变从所述燃烧器中发出的任何火焰的焰长。
优选地是，移动机构包括一个沿燃烧室延伸的燃料供给导管，用于给雾化器运送燃料，另外还有一个传动装置，用于使所述燃料供给导管及因此带动的燃烧板沿X轴方向移动。
优选地是，该燃烧器包括改变雾化器内雾化压力的机构，因此可以改变从所述燃烧器中发出的任何火焰的焰长。
方便地是，燃料雾化嘴包括用于接收自然空气作为雾化流体的装置。
另一方面，雾化嘴包括用于接收氧气作为雾化流体的装置。
方便地是，雾化氧气和供给到氧气出口的氧气是来自同一个气源。
优选地是，中心燃料出口包括一个直径小于深孔的出口，通过这个出口，燃料在流出该出口时被雾化。
方便地是，中心燃料出口包括一个横截面为大体扩散形式的出口。
现在，参照下面附图对本发明详述如下：
图1是表现本发明的一个氧气-燃料燃烧器的透视图，部分地方剖开；
图2是图1所示的燃烧板和雾化嘴的横截面图；
图3是燃烧板沿图2A箭头所指方向的侧视图。
现在参照所有视图，但具体参照图1，一个燃烧器10包括一个大体为圆柱形的套管12，它有第一进气口端12a和用于释放燃烧焰的第二出气口端12b，以及一个纵向X轴。例如，燃料供给装置采用这样的形式，导管14沿套管12延伸，终止于雾化器16，该雾化器位于燃烧板22后表面20的深孔18中，所有这些均可在图2中看清。燃烧板由金属构成，例如INCO合金。燃料供给导管14和燃烧板22固定在一起，并通过电机24和位于燃料供给管14末端的齿轮齿条机构26，28在燃烧室12中可以沿轴向运动。燃烧板22嵌入燃烧器10出口端12b 50-75mm，并且它可以沿轴向移动大约100-150mm。
现在具体参照图2，鉴于雾化器16采用传统方式，这里不再赘述。然而，该雾化器通常包括一个中心燃料出口16a和许多用于提供雾化流体，如空气或氧气的周向分布的小孔16b。在图2的结构中，燃料供给导管14还包括一个环状空气/氧气供给导管32，用于将雾化流体输送到出口16b。然而，其它的装置将会使本领域的技术人员一目了然。雾化器16下游端由燃烧板自己形成，该燃烧板有一个合适的配合表面36并有效地代替了传统雾化器的外壳体。该燃烧板还包括一个直径小于深孔18的中央燃料出口38，因而形成一个环绕着雾化器的金属壁40，并且该金属壁保护雾化器免受燃烧器所适用环境的损坏。特别值得一提的是，金属壁40可防止熔化的金属液滴溅到雾化器16表面上，因而消除了对它的损坏。中心燃料出口38具有大体发散形的表面38a，其形状用于补足所需的喷射形状。考虑便利因素，喷嘴16与燃烧板22以螺纹方式在45处连接。其它装配方法将一目了然。本领域的技术人员将很容易地领会图2所示保护雾化器方法带来的优点，并且同时了解燃烧器火焰形状也可以通过改变雾化器本身而改变，每种雾化器有一种不同的喷射形状。
现在主要参照图2和3，可以看到，燃烧板22还包括许多第一氧气出口44，用于将第一氧气流输送到从中心燃料出口38出来的任何燃料流的径向外围。这些第一氧气出口周向分布于出口38周围，并且与纵向X轴呈角θ向内倾斜，因而可以产生大致汇聚氧气流，以便与出口38流出的燃料流相交。原始的氧气出口44(角度最陡的孔)的角度θ是改变火焰长度的主要参数，它的角度可在0°到20°变化，这将使火焰减小到直孔喷嘴情况下火焰长度的50％。通常，0°将使火焰长度约为3m而20°时火焰长度约为1.3m。许多第二氧气出口46分布于所述第一出口44径向外围，而且它们与纵向X轴成角φ向内倾斜。φ角小于θ角，使这些第二氧气出口46产生大体汇聚氧气流，以使该氧气流在第一氧气流同所述燃料流相交处下游某一位置与任何燃料流相交。第二氧气出口46的角度决定了火焰的最终形状和温度分布。通常，10°的夹角将使火焰变窄，而且与直孔即0度的喷嘴相比，它增加火焰温度至接近燃烧器喷头温度。因此，可以改变并且/或者移动火焰中的‘热点’来满足某种特殊要求。例如，远热点在转炉中通常是需要的。
在本发明的具体设计中，氧气由气泵50压入在燃烧室12和燃料供给导管14之间形成的环状导管52内，以便氧气冲击燃烧板22的后表面20，而且在它们释放出来之前被引入氧气出口44，46。这种设计避免了在每个和所有氧气出口都使用相对昂贵和复杂的不同管道。再次参照图1，设置泵54和56分别用于提供燃料和雾化流体给喷嘴16，并且它们由控制器58分别控制，以便改变所述流体到所述喷嘴16的提供速率和压力，由此引起由所述燃烧器发出的任何火焰焰长的变化。尽管可以了解在一种特别方便的设计中，雾化流体可以与提供给泵50的氧气采用同一种气源，但可以使用自然空气，以代替相对昂贵的氧气。因此，燃料的雾化可以在不削弱燃烧器本身热效率和作用的情况下以低成本实现。
在操作过程中，该燃烧器生成二阶段火焰，从远离端口12b大约1-2英寸处开始，并由此一直延伸1.3m。带有本燃烧板22的燃烧器的火焰长度比目前所知道的其它设计的火焰长度减少25％。此外，设置第一和第二氧气出口44，46以及它们的角度都有利于产生分级燃烧过程，它将显著减少此类燃烧器排出的废物量。试验已证明，与较传统的燃烧器相比NOx水平减少超过40％。另外，本燃烧器在使用轻燃料油以及氧气和空气时可提供优质的火焰特性。在重燃料油时使用氧气会有很好的效果，而在较高燃烧速率下，使用雾化空气可导致轻微不稳定的火焰。这可能是由于液体燃料通过不断增加的空气时被冷却并且因此改变了速度的缘故。使本燃烧器向后移动将使外套管对火焰形状产生影响，具体影响方式对于本领域的技术人员来说十分清楚，这里不再赘述。
本发明中所涉及的燃烧器适用于以高速(300ms-1或更大)提供相对短的二阶段火焰，该火焰特别适合电弧炉，同时也适用于煅烧炉(用于生成石灰，氧化铝等)。

Claims (13)

1、一个氧气-燃料燃烧器包括：一个外套管，上有第一进气端和用于释放燃烧焰的第二出气端及一个纵向X轴；燃料供给装置，用于把燃油引入燃烧室；氧气提供装置，用于把空气和/或氧气引入到燃烧室，以及一个燃烧板，用于接收所述燃料和氧气/空气，并把燃料导向其下游，在燃烧板后表面有一个深孔，其内安装了一个燃料雾化嘴，另外它的前表面上有一个位于或接近中心X轴的燃料出口，雾化后的燃料由该孔引出，所述燃烧板还包括许多第一氧气出口，用于将第一氧气流输送到所述燃料流径向外围，所述第一氧气出口与纵向X轴成θ角向内倾斜，因此可以产生一个大致汇聚的氧气流，以便与从中心燃料出口流出的任何燃料流相交。
2、权利要求1所述的氧气-燃料燃烧器，其中燃烧板还包括许多第二氧气出口，它们分布于所述第一氧气出口径向外围，并且与纵向X轴成φ角向内倾斜，φ角小于θ角，因此第二氧气出口产生一个大致汇聚第二氧气流，以便与任何燃料流在第一氧气流同所述燃料流相交点的下游某处相交。
3、权利要求1或2中所述的氧气-燃料燃烧器，其中第一氧气出口与纵向X轴所成夹角θ在0°和20°之间。
4、权利要求2或3中所述氧气-燃料燃烧器，其中第二氧气出口与纵向X轴所成夹角φ在0°和10°之间。
5、权利要求1至4之一所述氧气-燃料燃烧器，包括一个移动机构，用来相对于燃料雾化喷嘴沿X轴移动燃烧板，以便改变从所述燃烧器中发出的任何火焰的长度。
6、权利要求5中所述氧气-燃料燃烧器，其中移动机构包括一个沿燃烧室延伸的燃料供给导管，用于给雾化器输送燃料，另外还有一个传动装置，用于使所述燃料供给导管及因此带动的燃烧板沿X轴方向移动。
7、权利要求1至6之一所述氧气-燃料燃烧器，包括一个能改变雾化器内雾化压力的机构，因而可以改变从所述燃烧器中发出的任何火焰的长度。
8、权利要求1至7之一中所述氧气-燃料燃烧器，其中燃料雾化喷嘴包括接收自然空气作为雾化流体的装置。
9、权利要求1至8之一中所述氧气-燃料燃烧器，其中的雾化喷嘴包括接收氧气作为雾化流体的装置。
10、权利要求9中所述氧气-燃料燃烧器，其中雾化氧气和提供给氧气出口的氧气来自同一个气源。
11、权利要求1至10之一中所述氧气-燃料燃烧器，其中中心燃料出口包括一个直径小于深孔的出口，通过这个出口，燃料在流出该出口时被雾化。
12、权利要求1至11之一中所述氧气-燃料燃烧器，其中中心燃料出口包括一个横截面为大致扩散形式的出口。
13、一种氧气-燃料燃烧器，基本如此所述，参见附图中的图1-3并如其所示。
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