CN1186927A - 包括分开喷射燃料和氧化剂流的燃烧方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种在窑炉的燃烧室内燃料与氧化剂气体中含有的氧气进行燃烧的方法,包括把所说的燃料分配成至少两个相邻的喷入窑炉燃烧室中的燃料流,燃料完全燃烧所需的大部分氧化剂通过至少一个长条形的喷嘴喷入,每个长条形的喷嘴具有一个沿着一般平行于要加热的表面的最大尺度方向上的轴(长轴),其中,为了产生平行于要加热的表面的宽的火焰,氧化剂流向着燃料流交汇,以及相应的燃烧器设备。

Description

包括分开喷射燃料和氧化剂流的燃烧方法和设备

本发明涉及一种燃烧方法和设备，其中，提供了在窑炉的燃烧室内用分开的气流引入燃料和氧化剂的装置，使得燃料与氧化剂以宽的光焰燃烧，从而使所说的燃料和氧化剂的燃烧产生较少量的氮的氧化物(NO_x)。

工业高温过程，如玻璃或玻璃料的熔化，黑色和有色金属材料的熔炼，使用大量的能量把各种原料转变为热的熔体，然后浇铸、成形或者安排所说的工业过程的下道工序。这种操作一般在大型的窑炉中进行，每天产生多至500吨的熔体物料。在使用矿物燃料(如天然气、雾化燃油、丙烷或类似的燃料)与含氧的氧化剂的窑炉中的燃烧是提供能量的一种优选的方法。在某些情况下，用电加热补充燃烧。大多数情况下，为了产生火焰，通过燃烧器向炉内引入燃料和氧化剂。从火焰向要熔化的物料的能量传递来自物料表面上的对流和向物料表面的辐射的结合，如果物料对辐射是透明的，则包括向物料内部的辐射。高辐射的火焰(通常称为光焰)通常是优选的，因为它们具有更好的热传递，因此提供了更高的热量。

对于火焰加热，使来自火焰的能量在要熔化的物料表面上均匀分布也是非常重要的。否则，在炉内将会同时存在热区和冷区，这是不希望存在的。用在这样的窑炉中熔化的物料制造的产品的质量通常是较差的。例如，在玻璃熔池内，冷区内可能存在玻璃结石，热区内会加速玻璃的挥发。同时，宽的火焰也是优选的，因为它们产生更好的覆盖。

在许多国家中，特别是在美国，对于NO_x的排放公布了越来越严格的政策。因此，重要的是开发限制NO_x形成的燃烧技术。在温度非常高的过程中，通过氧分子和氮分子在火焰和窑炉的热区的长时间驻留将促进NO_x的形成。已经证明使用基本纯的氧气(约90％O₂或含量更高)代替空气作为氧化剂在减少NO_x的放出是成功的，可以减少90％，因为去除了所有的氮气。但是用基本纯的氧气代替氮气提供了火焰温度，因此在炉内产生了氮和氧活性高的区域，其中NO_x的形成可能会成比例地增大，即使与用氧气燃烧相比，总体是减少了。而且，在实践中不可能从窑炉中除去所有的氮气。因为工业炉不是气密的，燃料中通常含有一些氮，来自非低温源的氧气，例如，由真空旋转吸附工厂(Vacuum Swing Adsorption plant)(VSA)产生的氧气含有少量残留氮气。

用于加热窑炉的使燃料和氧气燃烧的传统方法利用后混合氧-燃料燃烧器。传统的氧-燃料燃烧器有一个带有燃料和高浓度分子氧的进口的金属本体，和把流体用分开的同轴的定向通道送到位于燃烧器顶部的多个喷口中的装置。这些燃烧器在燃烧器的顶部产生窄锥形高温火焰，而且这些燃烧器需要位于炉内足够远的地方，以避免或减少炉壁的过热。由于在熔炉内所遇到的高温，这些燃烧器的一个重要缺点是需要冷却，通常用夹套内的循环流体(如水)来提供冷却。例如，在英国专利1,215,925中描述了这样的燃烧器。冷却夹套可能产生严重腐蚀问题，尤其是当炉内的气体含有冷凝的蒸汽时，更是如此。

气冷的氧-燃料燃烧器是水冷的燃烧器的一个改进。燃烧器的本体用通常称为燃烧器砖的耐火砖保护，阻止炉内的辐射，燃烧器砖具有一个在窑炉上开孔的基本是园形的通道。燃烧器通常安装在通道的后面，通常含有位于通道内的燃料和氧化剂的集中的喷嘴，从窑炉的内壁凹进。所说的砖和燃烧器通过一个周向的环形气流，通常是氧化剂气体的气流冷却。例如，在USP 5,346,390和USP 5,267,850中描述了这样的燃烧器。用这种类型的燃烧器，燃烧在到达炉内之前在燃烧器砖内开始。因此，火焰通过圆形的通道被限制并被引导成为一个狭窄的轴向对称的喷射流，对炉内的熔体不能提供足够的覆盖。这些火焰具有高的峰值温度并产生较大量的NO_x，因为在氧气和燃料之间直接接触而没有通过燃烧产物的稀释。

这些气冷燃烧器的另一个缺点是火焰可能会过热和损耗窑炉的耐火材料壁，因为火焰在炉墙内开始。同时当炉内气体与炉壁的耐火材料发生可能导致炉龄降低的化学反应时，在火焰本身下面的再循环区也趋于加速耐火材料的腐蚀。

为了得到更平的火焰，英国专利1,074,826和USP5,299,929提出了含有平行排列的交替的多个氧气和燃料喷嘴。虽然这在熔体的覆盖方面带来了改进，但是这些燃烧器仍然产生较大量的NO_x。这些燃烧器的另一个缺点是为了得到平坦的火焰，它们的制造在机械上是复杂的。

同时还知道通过分开一定距离的喷嘴向燃烧室内喷射燃料和氧化剂产生与炉墙分开的火焰，从而减小炉墙的腐蚀。在USP 5,302,112中描述了一种这样的设备，其中，燃料和氧化剂气流以一定的汇合角喷入炉内，在两个气流的汇合点产生了燃料和氧化剂的良好混合，因此增强了燃烧但是缩短了火焰。然而，这样的燃烧器的火焰有高的峰值温度并且在炉内产生大量的氮的氧化物，为了降低这个高的峰值温度并明显减少NO_x的形成，在USP 4,378,205中已经提出以非常高的速度喷射燃料和/或氧化剂，并使用分开的燃料和氧化剂气体的喷射流，其中，燃料和/或氧化剂气体吸入炉内气体中含有的燃烧产物，在燃料和氧化剂之间进行最后的燃烧之前被稀释。但是，由这些燃烧器产生的火焰几乎是不可见的，如其中的第9栏，58-65行提出的。因此，窑炉的操作者极难确定和控制燃烧区域的位置，以及燃烧器设备是否打开着，这可能是灾难性的。对于某些应用，例如玻璃溶化，一般也可以认识到，光焰是希望的，因为来自这样的火焰的热传递比不可见的火焰更有效率。这种燃烧器的另一个缺点是燃烧产物的吸入促进了炉内的气流的强烈的再循环，这又会加速窑炉的耐火材料壁的腐蚀。

在美国专利4,909,733和4,927,357提出了用于改进从火焰向装料的热传递的另一种技术，其中，通过在火焰和窑炉装料之间的非轴心对称的喷枪喷入增强热传递速率的气体，一般为氧气。用这种技术，提高了火焰温度，导致了更高的氧化氮的形成。同时，根据上述引证的发明，为了使火焰向装料移动，需要高速喷入增强热传递速率的气体。如前所述，这促进了炉内气流的强烈的再循环，从而加速了窑炉的耐火材料壁的腐蚀。

同时，高速氧化剂气流的使用需要使用高压氧化剂供给，这意味着需要以高压产生和输送氧化剂气体(燃料气体通常在较高的压力)，或者氧化剂气体(如，通常用VSA设备提供的低压氧气)在喷入炉内之前必须重新压缩。

玻璃熔窑等熔炉意味着高的投资。因此，希望尽可能在保持生产率的同时延长炉龄。窑炉老化的因素之一是上部结构温度：已经表明当窑炉在高温下操作时，加速了玻璃熔窑窑顶的磨蚀和腐蚀速度。这可能迫使玻璃制造者为了防止灾难性的破坏，而过早地修理熔炉，或者在炉龄的后期，降低熔窑的拉制速度。在装备一般会产生高温火焰的氧-燃料燃烧器的情况下，非常重要的是火焰不会偏向窑顶而产生局部过热。已知对于不稳定的火焰，炉内的燃烧产物的复杂的流动形式可使火焰偏向，从而产生这种情况。例如，燃料和氧化剂低速喷入炉内的低动量燃烧器，克服了高速燃烧器的前述的有关缺点，但是趋于产生不稳定的火焰。防止火焰升高并降低窑顶操作温度的燃烧方法对工业特别有价值。

因此，需要这样一种燃烧器，它能在产生宽的、平坦的、稳定的、放出较少NO_x的光焰的同时，可以在低压下操作，特别是对于氧化剂气体，并提供控制火焰长度的方法，以便调整火焰使其适应所用的窑炉。

本发明的目的是提供用于燃料与氧化剂气体中含有的氧气的燃烧的方法和设备，其中，燃料以至少两个喷入窑炉的燃烧室中的气流分配，燃料完全燃烧所需要的大多数氧化剂通过至少一个，优选的是一个或两个长条形的喷嘴(如在图中标出的一般为椭圆形的喷嘴)喷入，沿喷嘴的最大尺度的轴(以下有时称为长轴)平行于要加热的表面，为了产生平行于要加热的物料表面的宽的火焰，其方式应该使得从所说的长条形的喷嘴中出来的氧化剂气流向燃料流交汇。两个相邻的燃料流的角度范围为0°～15°，优选的是0°～10°。流出所说的至少一个长条形的喷嘴的氧化剂流，称为主氧化剂，向所说的燃料流交汇，交汇的角度范围为0°～45°，优选的是2.5°～10°。长条形的喷嘴的宽高比(最大宽度(长轴)除以最大高度(短轴))范围优选的是约为2～8，更优选的是约为4～6。

在本发明的优选的安排中，燃料流基本平行于要加热的表面，或者相对于要加热的表面以不超过+10°或-10°的角度取向，主氧化剂流朝着燃料流和要加热的表面交汇。

本发明的另一个目的是提供加热炉内含有的熔体的火焰，并防止所说的熔窑的窑顶过热。实际上，根据本发明的这个方面，存在于矩形喷嘴中的氧化剂流的作用是保持火焰靠近熔体，并防止火焰上升。

本发明的另一个目的是提供一种方法和设备，用于在所说的至少两个燃料流周围提供二次氧化剂，通过在主氧化剂流和燃烧室内的燃料流相交之前开始燃料的燃烧及通过产生形成大量碳黑的富含燃料的混合物来增加火焰亮度。带有碳黑的富含燃料的混合物与主氧化剂流的燃烧产生了提供有效率的热传递的光焰。二次氧化剂流使得二次氧化剂的供给量在燃料燃烧所需的氧化剂总量的0～50％之间。优选的是，二次氧化剂供给量在燃料完全燃烧所需氧化剂总量的0～25％之间。主氧化剂和二次氧化剂可以具有不同的性质：例如，主氧化剂可能是工业纯的氧气(氧浓度大于88％)，二次氧化剂可以是大气。

根据本发明的一个方面，提供一种通过改变主氧化剂和二次氧化剂流来改变火焰的亮度和火焰形状的一种方法，其方式应该使得在主氧化剂流和二次氧化剂流中的氧气量足以保证燃料的完全燃烧。

在本发明的优选的安排中，通过相同的源提供主氧化剂和二次氧化剂，通过改变流过矩形喷嘴的主氧化剂流和在至少两个燃料流周围流过的二次氧化剂之间的氧化剂分布改变火焰亮度和形状。用这种方法，火焰亮度随着在富含燃料的混合物中形成的碳黑的量的增大而增大，在改变燃料和氧化剂的混合条件时，火焰的几何形状被改变。

此外，本发明的一个目的是提供一种燃烧方法，即产生低的峰值温度的火焰，从而减少燃烧过程中氮的氧化物的放出。

提供使燃料与至少含有50％的氧气的氧化剂气体燃烧的方法和设备也是本发明的一个目的。

通过燃烧器系统提供本发明的一个重要方面，包括：

a)一个具有冷端和热端的耐火砖，还至少有一个喷入燃料的通道和一个喷入主氧化剂的通道，后一个通道通过一个主轴平行于要加热的物料的长条形的开口在所说的耐火砖的热端结束，

b)一个连接在所说的耐火砖的冷端的可移走的安装支架组件，

c)一个通过所说的安装支架安装在所说的耐火砖上的金属燃烧器组件，所说的金属燃烧器组件至少包括一个氧化剂进口和至少两个氧化剂出口，第一个氧化剂出口在所说的喷射主氧化剂的通道上，第二个氧化剂出口向至少一个喷射燃料的通道提供二次氧化剂，从而使燃料在靠近所说的耐火砖的热面开始燃烧，二次氧化剂还沿着所说的至少一个燃料通道的内壁产生氧化剂气体保护层，防止在耐火砖材料与燃料之间发生的、会损坏燃烧器砖的化学反应，

d)一个安装在燃烧器本体上的燃料分配器组件，包括一个燃料进口和燃料分配装置，燃料分配装置伸入所说的至少一个喷射燃料的通道，提供至少两个燃料流。

本发明的另一个方面是上面描述的燃烧器系统，其中，主氧化剂和二次氧化剂具有相同的化学组成，还包括分流装置，以便在至少两个氧化剂出口中分配氧化剂流。

本发明的其它方面与用于上述燃烧器系统的燃烧器砖的主氧化剂通道的几何形状的内部几何形状有关。

在阅读了下面的说明书和权利要求书以后，本发明的其它方面将会变得很清楚。

图1a和1b表示本发明的燃烧器砖的示意透视图；

图2表示图1a或1b的燃烧器砖通过图1b中标记为A-A的截面的剖面图，表明了主氧化剂通道(9)的内部几何形状包括4个部分；

图3表示主氧化剂通道(9)的内部几何形状的一个替换实施方案，其中，部分(12)的发散角等于部分(11)的发散角(C)；

图4、5和6表示本发明的燃烧器砖的示意透视图；

图7a和7b表示本发明的其它耐火砖的侧剖面图，表明了优选的燃料喷射通道(8)，其中喷嘴(3)的直径大于通道的其余部分的直径；

图8a和8b表示本发明的燃烧器砖的前面正视图，其中，天然气喷射器安装在通道中；

图9、10、11和12表示根据本发明的三个实施方案的侧剖视图，其中，提供了与耐火砖连接在一起的燃烧器组件。

根据本发明，术语“燃料”是指室温(约25℃)或预热的诸如甲烷、天然气、液化天然气、丙烷、雾化油或类似的燃料(气态的或液态的)。根据本发明，术语“氧化剂”是指含有可以支持燃料燃烧的氧气的气体。这样的氧化剂包括室温或预热的空气、含有至少50体积％氧气的富氧空气，如通过低温空气分离设备生产的“工业”纯氧气(99.5％)，或如通过真空旋转吸收法生产的不纯氧气(约88体积％或88体积％以上的氧气)，或通过过滤吸收、膜分离或类似的方法从空气或其它源生产的“不纯的”氧气。同样重要的是应该注意，虽然在大多数实例中优选的是主氧化剂和二次氧化剂的化学组成相同，但是也可以是不同的。也就是说，在一次氧化剂是工业纯氧气时，二次氧化剂可以是空气，反之亦然；或者当一次氧化剂是工业纯氧气时，二次氧化剂可以是不纯的氧气，反之亦然。

在下面描述了本发明的一些实施方案后，本发明的燃烧方法的操作原理将会更清楚。

图1a和1b表示本发明优选的燃烧器(本文有时称为“燃烧器砖”)(1)的示意透视图。在图1a的特定布置中，燃料通过位于燃烧器砖热面(4)上的两个出口(3)喷入窑炉(2)的燃烧室内。从燃烧器砖(1)出来的燃料流的轴在同一平面内，相互之间交角(A)的范围为0°(平行排列)～30°，优选的是0-10°。燃料燃烧所需要的大部分氧化剂通过位于燃烧器(1)砖热面(4)的一个长条形的喷嘴(5)喷入。在图1a和1b所示的实施方案中，长条形的喷嘴(5)是一个槽。流出槽(5)氧化剂流与燃料流方向的交角(B)的范围为0°～20°。优选的(B)角范围约为2.5°～10°。所说的槽的宽高比(最大宽度除最大高度)范围约为2～8，优选的是约为4～6。

在图1b中，燃料通过位于燃烧器砖热面(4)三个出口(3)喷出。从燃烧器砖(1)出来的燃料流的轴在同一平面内，相互之间的交角(A)的范围约为0°～30°。对于图1b的燃烧器，可能在平面内分布燃料，从而产生宽的、平坦的燃烧区。

图2表示图1a或1b的燃烧器砖通过图1b中标记为A-A的截面的侧剖面图，表明了主氧化剂通道(9)的内部几何形状包括4个部分。燃料流产生于位于在出口(3)上开口的燃烧器砖的圆形通道(7)内的喷射器(6)。优选的是所说的通道是相同的并且相对于槽(5)对称布置。二次氧化剂在位于喷射器(6)和通道(7)之间的通道(8)中流动。二次氧化剂的量提供燃料完全燃烧所需的氧气总量的0％～50％左右。已经发现，当提供的二次氧化剂超过燃料完全燃烧所需的氧气的20％时，燃烧器产生的火焰趋于在燃烧器砖的出口处分成分开的火焰，这对火焰长度是有损害的。因此，小于完全燃烧所需氧气的20％的安排是优选的。优选的是，喷射器(6)在通道(7)的中心，从砖(1)的热面(4)凹入，其距离在通道的喷口(3)的直径的0～2倍范围内。

主氧化剂通道(9)的内部几何形状优选的是包括四个部分。第一个部分(10)一般是圆筒形的；第二个部分(10a)一般是圆筒形的，与第一个部分具有相同的直径；第二个部分(10a)与第一个部分的轴形成交角(B)；连续地连接在第二个部分(10a)上的第三个部分(11)，一般是锥形的，角度(C)的范围约为10°～120°，优选的范围约为10°～45°；带有主氧化剂喷嘴(5)的第四个部分(12)连续地连接在第二个部分(10a)上。

部分(10)、(10a)、(11)和(12)的优选的构型表示于图3所示的图2的砖的截面图中：部分(12)的发散角等于部分(11)的发散角(C)。

在本发明的另一个优选的实施方案中，产生所说的至少两个燃料流的装置安装在燃烧器砖的同一通道内。这样的布置表示于图4，其中，两个喷射器(6)放置在燃烧器砖的一个通道(7)内。二次氧化剂在燃料喷射器(6)和通道(7)之间的通道内流动。

另一个这样的布置表示于图5，其中，一个液体燃料喷射器(13)的末端有至少两个液体燃料喷嘴(14)，产生位于通道(7)中的分开的燃料流。

图6表示本发明的类似于图1的实施方案，但是该实施方案设计用来使用几种燃料，其中，通过在燃烧器砖内放置一个附加喷嘴(15)提供另一个喷射器：在一个这样的实施方案中，在使用气体燃料时，通过喷嘴(3)喷射燃料，喷嘴(15)不用；在使用液体燃料时，例如使用燃料油时，通过喷嘴(15)喷入燃料，喷嘴(3)不用。

在用天然气作燃料时，以燃烧器的额定燃烧速率表示，喷射器(6)的端部的燃料喷出速度约在20米/秒-150米/秒范围内，优选的是约为30米/秒-80米/秒范围内。当氧化剂的氧浓度大于88％时，在喷嘴(5)处氧化剂喷出速度的范围约为5米/秒-80米/秒，优选的是约为10米/秒-25米/秒。优选的是，天然气喷出速度与主氧化剂喷出速度的比值约在2～4范围内。已经发现，对于给定的额定燃烧速率设计的本发明的燃烧器可以用其额定速率的30％～250％。

图7a和7b表示当喷口(3)的直径大于通道(8)的其它部分的直径时的另一个优选的通道(8)。通过使喷射器(6)凹入到离通道的热面(4)更远的地方改进了喷射器端部(6a)的防护，使其远离热的窑炉环境，但不会使砖(1)过热。在图7b中，值得注意的是所说的燃料通道优选的是在离开所说的砖的出口处具有圆滑的或曲线形的边缘。

用本发明的燃烧方法，在要加热的表面(窑炉的装料)之上，用至少两个燃料流喷入燃料。因此，为了在装料上获得均匀的热通量分布，所说的燃料在装料之上铺展。以与增大图1a和1b中的角度(A)类似的方式增大燃料流之间的角度产生了更宽的燃烧区。但是，如后面所报告的那样，已经发现增加燃料流之间的角度超过5°以上会产生分开的火焰，这是不希望的，因为这会干扰燃烧区的均匀性，当装料是玻璃熔体时，这是一个重要因素。同时，燃料流角度的增加产生火焰长度的明显减小。

燃料燃烧的氧化剂的主要来源是图1a和1b、4、5、6表示的通过椭圆形槽5的长条形的喷嘴。使主氧化剂流(换句话说，从槽(5)喷出的氧化剂)以角度(B)定向朝着燃料流，同时也定向朝着要加热的表面。减小角度(B)会延迟主氧化剂和燃料之间的混合，这会产生更长的燃烧区。但是非常小的(B)角度是不希望的，因为燃烧区变得不稳定。另一方面，增大角度(B)会增大火焰稳定性，但是减小火焰长度，并把火焰推向装料。已经发现在需要避免火焰接近窑炉装料时，角度(B)优选的是约在2.5°～10°。在某些应用中，当需要火焰与要加热的表面直接接触时，例如在黑色和有色金属的生产中，可以发现更大的角度(B)是有价值的。

主氧化剂流的作用是保持火焰在燃烧器的平面以下，以防止火焰向窑顶方向上升(例如存在于玻璃池窑中的窑顶)，并有效地降低窑顶温度，因为能量优先传递给了所说的装料。同时，优先把燃烧区推向远离窑壁的炉内，导致窑壁的温度较低。用本发明的燃烧方法，氧化剂和燃料的混合是分阶段的，因此导致了较低的火焰温度和较低的氮的氧化物的放出速率。

通过二次氧化剂喷入提供的额外的优点是通过气流改进了其它喷射器的冷却，并沿着燃料通道的内壁产生了一个氧化剂气体保护层，防止了耐火材料燃烧器砖与燃料气体之间的化学反应。这样的反应是由于含有碳和氢的燃料部分热分解，形成原子C和氢气H₂，然后进行C和H₂与耐火材料的反应。对于含有二氧化硅的耐火材料，产生二氧化硅损失的中间反应是：

与氢气反应，反应为：

在这两种情况下，氧化硅(SiO)的一氧化物挥发，并在燃烧室内冷凝，发现了额外的氧气。已知在氮气的存在下，氧化硅和碳之间发生其它反应，产生碳化硅(SiC_(s))、氮化硅(Si₃N_4(s))和氧氮化硅(SiN₂O_(s))，所有这些都改变耐火材料的结构，降低燃烧器砖的寿命。对于氧化铝，在高温下发生类似的反应，产生Al₄O₄C_(s)、AlN_(s)、Al₄C_3(s)以及AlO_(g)和Al₂O气体等产物。

除了熔融氧化锆以外，用于制造燃烧器砖的所有耐火材料都可能受到上述的还原机理的影响，因为所有的耐火材料都含有氧化硅和氧化铝。沿着燃烧器砖的通道的燃料流周围喷入二次氧化剂，通过防止碳和氢与所说的耐火材料接触保护了燃烧器砖免于受燃料的影响。

本发明的燃烧方法在4米长、1平方米截面的高温中型窑炉中以1.7MMBtu/hr(500千瓦)的燃烧速率进行了试验。用安装在窑顶的观测镜上的摄像机监测火焰的几何形状、火焰的稳定性和火焰的亮度。为了消除由高温窑墙发射的部分辐射，在摄像机前安装了一个蓝色的过滤器。为了评价燃烧方法，建造了一个模型燃烧器，带有一个具有圆形边缘的一般为矩形槽的主氧化剂喷嘴(5)，尺寸为宽4英寸(101.6mm)，高0.7英寸(17.8mm)。用于主氧化剂和二次氧化剂流的氧化剂是99.95％纯度的氧气。在所说的槽出口处主氧化剂的喷出速度接近15米/秒。如图8a所示，天然气喷射器(6)放在通道中。通过使用两套不同的喷射器，有可能把喷射器出口处天然气的喷出速度从29米/秒改变到55米/秒。对于最小的喷射器，用于试验的通道(3)的直径是0.824英寸(20.9mm)和1.049英寸(26.6mm)。对于最大的天然气喷射器，只能使用较大的燃料通道(1.049英寸(26.6mm))。所说的气体喷射器之间的距离(d)固定为4.5英寸(114.3mm)。在主氧化剂槽和燃料喷射器之间的距离(H)可以从1.75英寸(44.4mm)变化到4.5英寸(114.3mm)。角度(A)可以从0变化到5度，角度(B)可以从0变化的10度。通过在所说的燃料喷射器周围喷入二次氧化剂，在保持向燃烧器供给的氧化剂总量恒定的情况下，观察到(人的肉眼)火焰亮度增大。少至3％的二次氧化剂提供了火焰亮度的明显改进。估计在燃料喷射器周围用总氧化剂量的约5％可以得到最大的火焰亮度。这个结果可以解释为在富含燃料的条件下，在燃料和促进碳黑形成的二次氧化剂之间发生的燃料的部分燃烧。当二次氧化剂增加到总氧化剂量的5％以上时，发现火焰亮度降低，火焰变短。对于这些试验，二次氧化剂的量的范围约为总氧化剂量的3％～13％。这导致了燃料和更高速度的二次氧化剂流之间的更强烈混合，这趋于防止碳黑的形成并缩短燃烧区域。

当二次氧化剂的量在所表示的范围内增大时，氮的氧化物(NO_x)放出速率不会增大到10％以上：在二次氧化剂为3％时，NO_x的浓度为945ppm，随着二次氧化剂流的增加，观察到的最大NO_x的浓度为1035ppm。在类似的操作条件下，在管式氧-燃料燃烧器中的管中产生约1800ppm的NO_x。对于这些试验，没有试图通过消除除了天然气中自然存在的氮气以外的所有进入燃烧室的氮气源来得到最低的NO_x的放出量：特别地，窑炉的压力是微正压，但没有高到足以防止所有的空气渗漏，而且喷入一些氮气清扫观测镜。

还发现在改变二次氧化剂流时，火焰相对于装料的高度发生变化：当二次氧化剂流增大时，火焰向远离所说的装料的方向移动。这是由于从燃料通道以基本平行于窑炉装料的方向喷出的气流的动量较高。还发现增大二次氧化剂流导致在燃烧器砖附近的温度较高，这表明火焰的热释放更快。因此，通过作用在主氧化剂流和二次氧化剂流之间的氧化剂流的分配，有可能改变火焰长度，火焰亮度、火焰与装料的距离和火焰热传递的分配。

增大相邻的燃料流之间的角度(A)产生较短的火焰。但是，在试图把燃料流之间的角度增大的5°以上时，观察到火焰被分开的火焰代替，这是不能接受的，因为它干扰了燃烧区的均匀性。同时增大燃料流之间的角度产生了火焰长度的减小。

减小主氧化剂流的方向和燃料天然气流之间的角度(B)似乎延迟了主氧化剂和燃料之间的混合。产生了更长的火焰。发现非常小的(B)角度是不希望的，因为燃烧区变得不稳定。另一方面，增大角度(B)就增大了火焰的稳定性，但是减小了火焰长度，并把火焰推向装料。已经发现在需要避免火焰接近窑炉的装料时，(B)角优选的是应该在约2.5°-10°范围内。

在改变天然气喷射器和主氧化剂喷射器之间的距离(H)时，发现为了保持火焰稳定性，3英寸的距离是必要的。

还发现增大天然气速度可以增大火焰稳定性。但是对于给定的天然气喷出速度，燃料通道直径对火焰稳定性没有明显影响。因此，二次氧化剂的速度似乎对于火焰稳定性没有强烈的影响。

还在所说的高温中型窑炉中以1.7MMBtu/hr(500千瓦)的规模试验了图8b中表示的本发明的燃烧方法，带有一个具有园边的椭圆形主氧化剂喷嘴的模型燃烧器，尺寸为宽度是4英寸(101.6mm)，高度为0.7英寸(17.8mm)。通过中心在直径为0.824英寸(20.9mm)的通道中的三个喷射器喷入天然气。相应的天然气喷出速度是37米/秒。相邻的气体喷射器之间的距离是2英寸(50.8mm)。天然气喷射器和主氧化剂喷射器之间的距离H可以在1.75英寸(44.5mm)和4英寸(101.6mm)之间变化。在主氧化剂流的方向和天然气流方向之间的角度B可以从5°变化到10°。用这样的结构，有可能得到比图8a的结构的火焰更宽的火焰，而不会产生分开的小火焰。用图8a的结构观察的几何参数A、B、H和氧化剂在主氧化剂流和二次氧化剂流之间的分配的变化对火焰几何形状、火焰稳定性和火焰亮度的影响用带有三个燃料喷射器的结构进行了证实。

为了保护天然气喷射器避免其受窑炉的热的影响，所说的天然气喷射器应该从燃烧器砖的热面凹入。喷射器(6a，图7)的端部到燃烧器热面(4)的距离应该超过通道的最大内径的2倍，否则将会有通道的内壁与燃料和二次氧化剂的燃烧产物接触的危险，尤其是当燃料喷射器没有完全位于通道的中间时。

前面的燃烧器结构与氧-燃料燃烧器设计上类似，但是用图8c所示的相距4英寸(101.6mm)的两个孔或相邻安排的椭圆代替所说的主氧化剂的槽。已经发现带有单个椭圆形槽的燃烧器表现出更稳定的火焰。特别地，带有两个氧化剂孔或椭圆的燃烧器的火焰在火焰的侧面(侧翼)缺少稳定性；在用单个椭圆形槽代替所说的两个孔时，可以完全消除这种不稳定性。

通过如图9a和9b所示的燃烧器系统提供了根据本发明的一个实施方案，包括：

a)  一个带有冷端(16)和热端(4)的耐火材料燃烧器(1)，还有至少一个以至少两个流喷射燃料的通道(7)，一个喷射大部分用于燃料的燃烧完全所需的氧化剂的通道(9)，后一个通道通过一个一般为矩形喷嘴的长条的开口(5)在砖(1)的热端(4)结束，

b)一个连接在所说的耐火砖的冷端的可以移走的安装支架组件(17)，

c)  一个通过安装支架组件连接在砖(1)上的金属燃烧器(18)组件，金属燃烧器组件(18)包括至少一个氧化剂进口(19)和至少两个氧化剂出口(20a)和(20b)。第一个氧化剂出口(20a)在所说的通道(9)上开口用于喷射主氧化剂，第二个氧化剂出口(20b)向至少一个燃料通道(7)提供氧化剂以开始靠近耐火材料燃烧器砖(1)的热面(4)的燃料的燃烧，

d)一个连接在燃烧器本体上的燃料分配器组件，包括一个燃料进口(21)和伸入至少一个用于喷射燃料的燃料通道(7)的燃料分配装置(22)，提供至少两个燃料流，

e)把氧化剂流分配到所说的至少两个出口中的分配装置(23)。

图9b表示了通过燃料分配器6的截面图(表示了三个喷射器)。为了清楚起见，没有表示对理解该图不必要的数字。燃料分配装置22表示为集流管，向三个燃料喷射器6喂料。

在其它实施方案中，如图10示例表示的，分配装置(23)放在金属燃烧器组件(18)的外面，并与流体相连，氧化剂出口(20a)和(20b)供给来自分配装置(23)的分开的进口(24a)和(24b)中的氧化剂，分配装置通过氧化剂进口(25)供给氧化剂。在图11的方案中，进口24(a)和24(b)用不同的氧化剂源供料，可能有不同的组成和温度。在该实施方案中，需要用实心板26来保持一次氧化剂流和二次氧化剂流的分隔。

图12表示本发明的燃烧器组件的另一个实施方案的侧剖面图，其中所说的金属燃烧器组件18在燃料喷射器(18a)附近具有圆滑的形状。这种设计比其它实施方案更容易建造。

在使用燃料喷射器的本发明的所有实施方案中，燃料喷射器可以陶瓷的或金属的，如不锈钢。同时，金属的燃烧器组件的不仅可以是不锈钢，如316型，或者其它合金，如哈斯特洛伊合金。

由于已经描述了本发明，对于技工来说，容易明白的是可以对上述实施方案做许多改变或修改，而不会离开本发明的范围。

Claims (30)

1、一种在窑炉的燃烧室内燃料与氧化剂气体中含有的氧气进行燃烧的方法，包括把所说的燃料分配成至少两个相邻的喷入窑炉燃烧室中的燃料流，燃料完全燃烧所需的大部分氧化剂通过至少一个长条形的喷嘴喷入，每个长条形的喷嘴具有一个沿着一般平行于要加热的表面的最大尺度方向上的轴(长轴)，其中，为了产生平行于要加热的表面的宽的火焰，氧化剂流向着燃料流交汇。

2、根据权利要求1的方法，其中，有两个相邻的燃料流，其交角范围约为0°～15°。

3、根据权利要求1的方法，其中，有两个相邻的燃料流，其交角范围约为0°～10°。

4、根据权利要求1的方法，其中，有一个从长条形的喷嘴流出的单个氧化剂流，称为主氧化剂，向着所说的燃料流交汇，交角范围约为0°～45°。

5、根据权利要求4的方法，其中，从长条形的喷嘴流出的主氧化剂向着所说的燃料流交汇，交角范围约为2.5°～10°。

6、根据权利要求1的方法，其中，每个长条形的喷嘴的宽高比(最大宽度除最大高度)范围约为2～8。

7、根据权利要求6的方法，其中，所说的宽高比(最大宽度除最大高度)的范围约为4～6。

8、根据权利要求1的方法，其中，所说的燃料流基本平行于要加热的表面。

9、根据权利要求1的方法，其中，所说的燃料流相对于要加热的表面取向角度不超过+10°或-10°，所说的主氧化剂流向着所说的燃料流和要加热的表面交汇。

10、根据权利要求1的方法，其中，在所说的至少两个燃料流附近提供二次氧化剂，以便通过在主氧化剂流与燃烧室内的燃料流相交之前开始燃料的燃烧来增大火焰亮度，并且产生形成大量碳黑的富含燃料的混合物。

11、根据权利要求10的方法，其中，所说的二次氧化剂流应该使得所说的二次氧化剂流提供燃料完全燃烧所需氧化剂总量的0～50％。

12、根据权利要求10的方法，其中，所说的二次氧化剂的量提供燃料完全燃烧所需氧化剂总量的0～25％。

13、根据权利要求10的方法，其中，所说的主氧化剂和二次氧化剂的组成是不同的。

14、根据权利要求13的方法，其中，所说的主氧化剂是工业纯氧气(氧浓度大于88％)，二次氧化剂是空气。

15、根据权利要求10的方法，其中，可以变化所说的主氧化剂流和二次氧化剂流使得在所说的主氧化剂流和所说的二次氧化剂流中的氧气总量足以保证燃料的完全燃料和调整火焰的亮度。

16、根据权利要求10的方法，其中，通过相同的源提供所说的主氧化剂和二次氧化剂，通过改变氧化剂在一般为矩形的喷嘴流过的所说的主氧化剂流和在所说的至少两个燃料流周围流过的所说的二次氧化剂流之间的分配来改变火焰的亮度和形状。

17、一种用于在窑炉的燃烧室内使燃料和氧化剂气体中含有的氧气燃烧的燃烧器设备，包括含有燃料喷射器的通道装置，用于在至少两个相邻的喷入窑炉的燃烧室燃料流中分配燃料，和至少一个长条形的喷嘴，该喷嘴具有沿着其最大尺度方向的、一般平行于要加热表面的轴(长轴)，长条形的喷嘴适用于喷入所说的燃料的完全燃烧所需的大部分氧化剂，其中，为了产生基本平行于要加热表面的宽的火焰，所说的长条形的喷嘴引导所说的大部分氧化剂向着所说的燃料流交汇。

18、根据权利要求17的设备，其中，构造用于分配所说的至少两个相邻的燃料流的装置，使得流出的燃料的交角范围约为0°～15°。

19、根据权利要求17的设备，其中，构造用于分配所说的至少两个相邻的燃料流的装置，使得流出的燃料的交角范围约为0°～10°。

20、根据权利要求17的设备，其中，仅有一个长条形的喷嘴，构造所说的喷嘴，使其引导从中流出的称为主氧化剂的氧化剂流，使得所说的主氧化剂流向着所说的燃料流交汇，交角范围约为0°～45°。

21、根据权利要求20的设备，其中，构造所说的喷嘴，使其引导从中流出的称为主氧化剂的氧化剂流，使得所说的主氧化剂流向着所说的燃料流交汇，交角范围约为2.5°～10°。

22、根据权利要求17的设备，其中，每个长条形的喷嘴的宽高比(最大宽度除最大高度)范围约为2～8。

23、根据权利要求22的设备，其中，每个长条形的喷嘴的宽高比(最大宽度除最大高度)范围约为4～6。

24、根据权利要求17的设备，其中，安装所说的燃料通道使得从中流出的燃料流基本平行于要加热的表面。

25、根据权利要求17的设备，其中，所说的燃料通道相对于要加热的表面的取向角度不超过+10°或-10°，安装主氧化剂通道使得所说的主氧化剂流向着所说的燃料流和要加热的表面交汇。

26、根据权利要求17的设备，包括安装在所说的至少两个燃料喷射器周围的二次氧化剂通道。

27、根据权利要求17的设备，其中，主氧化剂通道(9)的内部几何形状优选的是包括四个部分：第一个部分(10)一般是圆筒形的；第二个部分(10a)一般是圆筒形，与第一个部分具有相同的直径；第二个部分(10a)与第一个部分的轴形成交角(B)；连续连接在第二个部分(10a)上的是第三个部分(11)，一般是锥形的，其角度(C)的范围约为10°～120°，优选的是约为10°～45°；带有主氧化剂喷嘴(5)的第四个部分(12)连续连接第二个部分(10a)。

28、根据权利要求27的设备，其中，第四部分(12)的发散角等于第三部分(11)的发散角(C)。

29、一种燃烧器系统，包括：

a)一个具有冷端和热端的耐火砖，还至少有一个喷入燃料的通道和一个喷入主氧化剂的通道，后一个通道通过一个长轴平行于要加热物料的长条形的开口在所说的耐火砖的热端结束，

b)一个连接在所说的耐火砖冷端的可移走的安装支架组件，

c)一个通过所说的安装支架安装在所说的耐火砖上的金属燃烧器组件，所说的金属燃烧器组件至少包括一个氧化剂进口和至少两个氧化剂出口，第一个氧化剂出口在所说的喷射主氧化剂的通道上，第二个氧化剂出口向至少一个喷射燃料的通道提供二次氧化剂，从而使燃料在靠近所说的耐火砖的热面开始燃烧，二次氧化剂还沿着所说的至少一个燃料通道的内壁产生氧化剂气体保护层，防止在耐火砖材料与燃料之间发生的、会损坏燃烧器砖的化学反应，

d)一个安装在燃烧器本体上的燃料分配器组件，包括一个燃料进口和燃料分配装置，燃料分配装置伸入所说的至少一个喷射燃料的通道，提供至少两个燃料流。

30、根据权利要求29的燃烧器系统，还包括在所说的至少两个氧化剂出口内分配所说的氧化剂流的分配装置。

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