CN1173609A - 低排放物旋涡燃烧器 - Google Patents

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Abstract

燃烧器(10)具有一个中央燃料出口(18)和许多氧气出口(22),出口的形状和位置用于产生汇聚的,旋转的氧气流,从而与任何自燃料出口(18)流出的燃料相交。这种燃料/氧气相互作用导致生成两个燃烧区和产生再循环效应,该效应有利于有害废气成分的充分或大体充分燃烧。

Description

低排放物旋涡燃烧器
本发明涉及一种燃烧器，并且特别涉及但不只限于，一种产生低NOx排放物和运用气体旋涡技术来帮助实现完全或大致完全燃烧的燃烧器。
US-A-3685740公开了一种火箭燃烧器式氧气-燃料燃烧器，它包括一个圆柱形燃烧室，一端是开口释放端，另一端是带有独立的氧气和燃料出口的燃烧盘；从氧气端口伸出来的纵向轴线沿汇聚方向向燃烧室纵向轴线延伸，但有一定的偏心，相互之间不相交，因此每条中心线上最接近燃烧室中心线的点确定了在燃烧盘和燃烧室排气口之间的一个横截面；燃料端口伸出的纵向轴线与燃烧室轴线大体平行，用于在或超过最接近平面的地方混合氧气和燃料；以及包括调节燃烧盘沿燃烧室轴线方向位置的装置，该装置通过确定与燃烧室排气口最接近平面的位置来确定该燃烧器释放的火焰的形状。该燃烧器还包括一个水冷套管，它延伸到燃烧器喷头，因而能在燃烧器使用过程中冷却所述喷头。尽管本燃烧器能产生一系列不同火焰形状，但这些形状趋向于紊流并因此不能适用于某些情况。同时应指出的是，该燃烧器设计用来完全混合氧气/燃料，因此那些炽热的，完全燃烧焰气体将会从燃烧器中跑掉。因此，燃烧器的喷头需要冷却，整个燃烧器效率将因部分燃烧生热散失给冷却套管中的冷却液而减小。此外，由于高的混合速率和噪音将在燃烧器中被放大这一事实，该燃烧器相对噪音很大。本发明的目标在于提供一种燃烧器，它能缓解或可能完全消除上述设计中带来的种种问题。
相应地，本发明提供了一种氧气-燃料燃烧器，它包括一个外套管，其中含有一个第一进气端，一个用于释放燃烧火焰的第二出气端，以及一个纵向X轴；燃料供给装置，用于把燃料流引入进气端，并将它导向出气端；氧气供给装置，用于把氧气引入进气端，并将它导向出气端；燃料供给装置包括一个大致在中央的出口，该出口的内壁是发散式圆锥面，燃料经过该表面由出口流出；氧气供给装置包括许多氧气出口，它们呈周向分布于燃料供给装置周围，而且它们呈辐射状向着出口端向内倾斜，并相对于X轴倾斜，因而能产生一个旋涡状的汇聚型氧气锥，它与燃料流在其第一上游区相交。
通过把流体混合和流体层化的空气动力受控滞后同燃烧气体及氧化剂的内部再循环(即在火焰中)相结合，该燃烧器可产生数量很少的CO，NOx和烟灰的排放物，(例如，在炉温为1600℃并且功率高达2.5MW时NOx水平低于500mg/m3)，而且圆锥状喷嘴设计，在功率为1.5MW时，把噪音从现有技术的120dB减少到87dB。改变该燃烧器发出的火焰形状方便而快捷，并且由于使用该燃烧器减少了烟灰的形成，(因为，由于旋涡效应燃烧气体和氧化剂在火焰内部再循环，生成的烟灰在火焰外部燃烧而不留残渣)火焰十分明亮。该燃烧器生成的火焰含有两个燃烧区：第一区接近燃料出口，它是一个富含燃料的区域，第二区是主要燃烧发生的区域，也是大多数热量产生的地方。这种使主要燃烧区远离燃烧器的设计防止了燃烧器和周围耐热材料的过热，消除了在其中安装水冷系统的要求。
优选地是，氧气供给出口呈辐射状相对于X轴向内倾斜，成夹角α，α在5到10度之间。
优选地是，氧气供给出口与X轴倾斜成夹角θ，θ在20到30度之间。
有利的是，燃料供给装置相对于X轴分散成角φ，φ在30至40度之间。
优选地是，φ角在30至35度之间。
在特别有利的设计中，燃烧器包括在燃烧室内可改变燃料和氧气出口轴向位置的装置，因而可以改变燃烧器释放火焰的形状。
方便地是，燃料和氧气供给装置安装在燃烧室中的一个燃烧盘上，而且所述燃烧盘可以沿X轴轴向移动，以改变燃烧室中燃料和氧气出口的轴向位置。
在某些应用中，最好提供额外的空气或富氧空气用于燃烧。这可以通过在氧气出口周围周向设置许多空气出口来优选地实现，空气出口的构造使它能够引导空气相对于X轴呈辐射状向内流动同时又相对X轴倾斜。空气出口优选地与氧气出口以相同方向倾斜。
在特别有利的设计中，该燃烧器包括燃料和氧气的注入装置，用于把燃料和氧气以大约2∶1的速度比注入到燃烧室中。
燃料出口可以包括燃油出口或燃气出口，而氧气供给装置可以提供氧气、空气、或富氧空气。
本发明同时提供操作上述燃烧器的方法，其步骤如下：(a)让燃料以一种形式从燃料供给装置中流出，该种方式产生呈层流或大体层流的具有相对高速的燃料流，并引导燃料流从燃烧室的第二端释放。(b)让氧气以一种形式从氧气供给装置中流出，该方式产生汇聚在纵向X轴并绕它旋转的具有相对低速的氧气流，以与燃料流在其第一上游区相交，在那里产生燃料富集区，并把任何残留下的氧气以一种方式引入燃料流的下游区，这种方式在那里产生一个燃料贫乏区。
本发明将参照下列图例更详细地描述如下：
图1是体现本发明的氧气-燃料燃烧器的一个透视图，部分地方剖开；
图2是图1所示燃烧板的一个剖面图，并说明了该设计形成的流体流动形式；
图3是沿图2中箭头T方向燃烧板的水平投影；
图4是沿图2中箭头A方向燃烧板的侧视图；
图5是燃烧板的进一步剖面图，并表示出了该设计产生的流体流动形式；
图6是沿图5中箭头W方向燃烧板的侧视图；
图7是氧气流出出口时的速度图；
图8是燃烧焰NOx浓度图；
图9a是燃烧板另一个实施例的横截面图；
图9b是图9a中燃烧板的侧视图。
图1示出的氧气-燃料燃烧器10，包括一个管状或圆筒状外套管12，它有一第一进气端12a，一个用于释放燃烧火焰的第二出气端12b，一个纵向X轴，以及一个中心燃料供给管14，它由进气端12a延伸到出气端12b，在12b处与燃烧板(燃烧盘)相联接，如图2至6所示。燃料供给管14终止于大致位于中央的出口18，它位于X轴上，并有大致发散式的圆锥内表面20，燃料经过该内表面由该口流出。同时该燃烧板上还设有许多氧气出口22，它们在燃料供给出口18周围沿周向分布，呈辐射状向着出口端12b向内倾斜，并相对于X轴倾斜，以形成一个旋涡式的氧气汇聚锥，它与燃料流在其第一上游区Z1相交。再次参照图1，将会发现氧气供给装置还包括在外套管12与燃料供给管14之间形成的通道24，氧气通过进口26供给，然后沿导管24输送，结果它遇到燃烧板16后表面16a，在该处氧气通过多个氧气供给出口22，每个出口在圆锥表面20上的某点处结束。
从图2可以看到，每个氧气出口22都呈辐射状相对于X轴向内倾斜，成夹角α，α在5至10度之间，其结果使氧气流呈辐射状向内倾斜，以使它与自出口18流出的燃料流相交。从图3的水平视图中可以看到每个氧气出口22都与X轴倾斜成角θ，其角度为20至30度。图4用虚线表示了氧气供给出口22从面16a延伸到面20的路径。氧气供给出口22的角度，喷嘴20的发散锥的形状以及燃料和氧气的速度比都十分重要，并且决定了排放物的数量和火焰的形状。现在具体参照图2到6，可以发现，面20的发散角在30°至40°之间(优选在30°至35 °之间)将使从出口18流出的燃料以平滑方式流动，并形成相对较长，较窄，平直的，基本为层流的液流。这同许多现有技术的设计形成鲜明对比，在那些设计中，燃料以一种方式引入以特意形成一个紊流区域。安装许多氧气导管22来引导氧气流呈辐射状相对于X轴向内倾斜成角α，α在5°至10°之间，以引起氧气与燃料流延迟混合，以便使Z1区保持为大体燃料富集区同时Z2区保持为燃料贫乏区域。这种设计有利于延迟亮区的产生，该区开始于距燃烧器大约300mm至500mm的地方，因而可防止燃烧器和任何耐热材料的过热。因而，这种设计能保持初始火焰温度低于1200℃，由此不需要对燃烧器进行水冷。如果使用合金，例如INCOALLOY，CuproNickel，或Monel 400或设置水冷系统，燃烧器可承受高达1650℃的温度。燃料富集区Z1大约延伸300mm到500mm，并终止于更大一些的第二区Z2的初始部分，该处是主要燃烧发生的地方。第二区Z2的延伸范围可以通过改变α角和在外套管12内后移喷嘴或燃烧板16来控制。尽管可以发现，α角通常是针对任何具体燃烧器而设置其值的，但燃烧板16的位置可通过电机36(图1)的调节而沿X轴移动，它通过齿条和齿轮轴38，40使燃料供给导管14和燃烧板16沿X轴移动。燃烧板后移越多，旋涡效应随着后移增加而减弱，出口端12b对火焰形状的影响作用越显著。这种旋涡减弱导致相应火焰长度和再循环的改变，因此可以改变火焰形状以适应一个具体的用户要求。显然，如果燃烧板16的位置使它可以终止出口端12b的气流喷涌，那么如果在出口端会产生干扰，这样做可使干扰消失，而火焰形状将主要由燃料和氧气出口自身的形状，位置和角度决定。
现在更具体地参考图3和图4会发现，氧气出口22也与纵向X轴倾斜成θ角，因而在氧气流内形成一定角度的旋转，氧气流然后沿箭头R的方向围绕中心燃料流旋转。处于20°至30°之间，优选地处于20°至25°之间的θ角，可传递足够的旋转，以便在燃烧区Z2中产生再循环效应，结果任何残留的有害燃烧产物被再循环，而且与任何余下的氧气混合以达到其完全或基本完全燃烧，由此在火焰从Z2区排出之前，NOx，CO和烟灰的数量显著下降。
现在再次简要参照图1，一个由电机36和齿轮齿条机构38，40组成的传动装置位于燃料导管14的远端，操作它可以使所述导管及燃烧盘16沿X轴移动，因而可以改变燃料和氧气出口18，22在燃烧室内的轴向位置，因而，可以改变该燃烧器火焰的释放形式，如同本领域已知的一样。图1中泵34和42用于把燃料和氧气以所要求的流速和大致为2∶1的比例送到燃烧室中，以便有利于生成所需要的气流。图7是氧气以163.6m/s的速度从管中流出出口22时的典型的速度图，(氧气速度在正交X、Y、Z方向上的分量分别用U、V、W表示)。燃料流的速度与它成比例。图8给出了在Z1和Z2区NOx的分布简图，从中会发现NOx浓度可以被测料在穿过Z1区时上升而在穿过Z2区时下降。
在使用过程中，本燃烧器通过把延迟燃料/氧气的混合和流体分层化及内部再循环相结合来减少氮氧化物的生成。这种方法导致两个燃烧区Z1和Z2的产生，第一区是燃料富集区，大约300mm至500mm长，第二区更大一些，是主要燃烧发生的地方。这两个区都有各自的特点，第一区具有低温度低亮度，因而防止NOx的生成以及燃烧器和/或燃烧器周围耐热材料的过热，而相邻的Z2区温度高一些。如上所述，第二区Z2的延伸范围可以通过氧气出口的角度和在外套管12内后移燃烧板喷嘴16来控制。Z2区十分明亮，因为，至少部分因为氧气绕燃料流周围旋转而产生的再循环效应，大部分燃料能完全燃烧。因此，防止了NOx的产生，并且用以增加亮度而形成的烟灰被燃烧而不留残渣。实现了在炉温为1400℃且功率高达1.5MW的条件下，NOx水平低于500mg/m3，在炉温为1600℃和功率为2.5MW的条件下也可得到同样的NOx水平。此外这样设计的喷嘴当炉子输出功率大约为1.5MW时，能够将噪音从现有技术的120dB减少到大约94dB。
氧气出口22的辐射角α提供了特有的滞后混合和透明蓝色火焰，火焰的初始低温部分和倾斜角θ提供了特有的旋涡个数和带烟焰各自的内部再循环。改变α角影响同时也可用来控制火焰长度和NOx形成，而改变θ角将影响火焰宽度，亮度和NOx形成。燃料出口18比传统燃烧器的粗，并且提供了所需的氧气与燃料速度比2∶1。在30°至40°之间，优选在30°与35°之间的圆锥顶角φ，使得在较宽范围的气流下火焰完全稳定(即宽“调节度”)，同时也可降低使用中的噪音水平。
现在参照图9a和9b，其中精炼地表示出了与前述部件相同的部件，图中示出了本发明的另一个实施例。
在氧气出口22’周围周向分布许多空气出口50，用于在燃烧过程中提供空气或富氧的空气。空气出口50相对于X轴向内倾斜，但角度大于α角，以便朝着第一区Z1和第二区Z2的相交部分的方向向火焰汇聚(见图5)。空气出口50也与氧气出口22’(见图9b)沿相同方向倾斜，以便加强氧气出口22’倾斜产生的有利的旋涡效应。为促进进一步紊流，使空气出口50与氧气出口22’倾斜方向相反会同等有利(图中未显示)。
在图9a和9b的实施例中，燃烧供给装置包括一个套管装置52(它的前端面是发散圆锥面20’的初始最内的部分)，它与X’轴同轴并且嵌在燃烧器主体16中，且可拆卸。这种设计特别有利，因为它允许在维护或修理或改变圆锥表面初始部分的顶角时，能够快速更换套管装置52，当要改变燃烧器燃料种类时，这种改变顶角的方法可能是需要的。
如本领域已知的一样，设置了改变流进或流出燃烧器的燃料流，氧气流和空气流的装置，以便更好地针对某一具体适用场合调节燃烧过程。
除了上述其他优点之外，本发明设计的燃烧器适用于玻璃和金属工业，同时也基本适用于热处理作业；它可以用于圆柱状(旋转)炉子或箱式炉。

Claims (16)

1、一种氧气-燃料燃烧器，它带有外套管，其中包括第一进气端，用于释放火焰的第二出气端，以及一个纵向X轴；燃料供给装置用于把燃料流引入进气端，并将它导向出气端；氧气供给装置用于把氧气引入进气端，并将它导向出气端；燃料供给装置包括一个大体位于中央出口，该出口的内壁是发散式的圆锥面，燃料由其内流出时经过该表面，而氧气供给装置包括许多氧气出口，它们周向分布于燃料供给装置周围，而且它们呈辐射状向着出口端向内倾斜，并相对于X轴倾斜，因而能够产生一个旋涡状氧气汇聚锥，它与燃料流在其第一上游区相交。
2、权利要求1所述的氧气-燃料燃烧器，其中氧气供给出口呈辐射状相对于X轴向内倾斜成夹角α在5至10度之间。
3、权利要求1或2所述的氧气-燃料燃烧器，其中氧气供给出口相对于X轴倾斜，成夹角θ在20至30度之间。
4、权利要求1至3之一所述的氧气-燃料燃烧器中，燃料供给装置相对于X轴的发散角φ在30至40度之间。
5、权利要求4中所述的燃料-氧气燃烧器，其中φ角在30至35度之间。
6、权利要求1至5之一所述的氧气-燃料燃烧器，包括能在燃烧室内改变燃料和氧气出口轴向位置的装置，因而可改变燃烧器火焰的释放形式。
7、权利要求1至6之一所述的氧气-燃料燃烧器，其中燃料和氧气供给装置安装在燃烧室中的燃烧板上，而且所述燃烧板可以沿X轴轴向移动，以改变燃烧室中燃料和氧气出口的轴向位置。
8、权利要求7所述的燃料-氧气燃烧器，其中中央燃料出口和发散的圆锥表面的至少是最里面的部分构成整体零件，该零件以可拆卸方式与燃烧板固定在一起。
9、前述权利要求中所述的氧气-燃料燃烧器，包括燃料和氧气的注入装置，用于把燃料和氧气以大体2∶1的速度比注入燃烧室中。
10、前述权利要求中所述的燃烧器，包括用于以与燃烧火焰释放沿同一方向从出口端释放空气的装置。
11、权利要求10中所述的燃烧器，其中空气排放装置包括许多周向分布于氧气出口周围的许多空气出口。
12、权利要求11中所述的燃烧器，其中的空气出口相对于X轴呈辐射状向内倾斜。
13、权利要求11或12中所述的燃烧器，其中空气出口相对于X轴倾斜。
14、权利要求13所述的燃烧器，其中空气出口与氧气出口以相同方向相对于X轴倾斜。
15、前述权利要求所述的氧气-燃料燃烧器，其中燃料出口包括燃油出口或燃气出口。
16、前述权利要求所述燃烧器的使用方法，包括如下步骤：(a)使燃料以一种形式从燃料供给装置中流出，该方式产生呈层流或大体层流的，具有相对高速的燃料流，并引导上述燃料流从燃烧室的第二端释放出去。(b)使氧气以一种方式从氧气供给装置中流出，该种方式产生汇聚于X轴并绕X轴旋转的，具有相对低速的氧气流，以便与燃料流在其第一个上游区相交，在那里产生燃料富集区，接着把任何残留下的氧气以一种方式引入燃料流的下游区，这种方式在那里产生一个燃料贫乏区。
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