CN1195172C - 用氧化剂燃烧燃料的方法以及燃烧器装置 - Google Patents

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Abstract

公开了进改火焰长度和形状控制的燃烧器装置，在示例性实施方案中它包括至少一个燃料流体进口和至少一个氧化剂流体进口，用来将燃料流体从燃料进口输送到多个燃料出口的设备，以被喷射到燃烧室的燃料料流形式离开燃料出口的燃料流体，用来将氧化剂流体从氧化剂进口输送到至少一个氧化剂出口的设备，以被喷射到燃烧室的燃料料流形式离开氧化剂出口的氧化剂流体，燃料和氧化剂出口空间上隔开，和几何上的布置使得燃料流体料流和氧化剂流体料流的角度和速度允许用氧化剂以稳定宽广和明亮的火焰燃烧燃料流体。另外，喷头可单独使用或与耐火砖一起使用以喷射氧化剂和燃料气体。燃烧器装置可提供火焰大小和形状的改进控制并可调整以按要求与特定的熔炉一起使用。

Description

用氧化剂燃烧燃料的方法以及燃烧器装置
技术领域
本发明涉及燃烧方法及其含独立喷头以将燃料和氧化剂独立注入熔炉燃烧室的设备，从而以一个宽而明亮的火焰用氧化剂燃烧燃料，使得用氧化剂燃烧燃料产生的氮氧化物(NOx)的量下降。
背景技术
工业高温方法如玻璃或玻璃原料的熔融，铁和非铁原料熔炼使用大量能量以将各种原料转化成热熔融产物，然后浇铸、成型或在工业过程中进一步处置。这种操作通常在大的熔炉中进行，它可产生每天多达500吨(米制)的熔融物料。在熔炉中用含氧的氧化剂燃烧化石燃料如天然气、雾化燃料油、丙烷等是提供能量优选的方法。在某些情况下，用电加热补充燃料热。通常，燃料和氧化剂经燃烧器加到熔炉中以产生火焰。从火焰将能量传给欲熔融的物料是由在物料表面的对流传热和向表面或物料内部(如果物料对辐射是透明的)的辐射传热的混合。通常优选高辐射(通常称为亮火焰)火焰，因为它们提供了更好的传热，从而更高的燃料效率。
对于火焰加热，让火焰的能量均匀地分布到欲熔融的物料的表面上方也很重要。不然的话热区和冷区共存于熔炉中，这是不希望的。用在这类熔炉中熔融的物料制得的产品质量很差。例如在熔融玻璃浴中，在冷区有许多玻璃石头且加速了热区玻璃的汽化。另外，宽的火焰是优选的因为它们对浴有更好的覆盖。
在许多国家，特别是美国，有关NOx的排放日趋严厉的法条被颁布。因此重要的是开发燃烧技术其中NOx的形成被限制。在高温方法中，由于热火焰和熔炉的热区氧和氮分子的长的停留时间促进了NOx的形成。使用基本纯的氧气(90％O2或更高)代替空气作为氧化剂被证明在降低NOx排放方面很成功，NOx排放下降了90％之多，因为所有的氮都被除去了。但用基本纯的氧气代替空气提高了火焰的温度，这样在火焰中产生了一些区域其中氮与氧反应性很高，虽然与用空气燃烧相比NOx的形成整体上下降了，但在这些区域NOx的形成可能成比例上升。另外，在实践中也不可能从熔炉中除去所有的氮，因为工业熔炉对空气的渗入是不密封的，燃料中通常含一些氮，且由非低温源供应的氧如由Vaccum Swing Adsorp-tion Plant(VSA)生产的氧含小量残留氮。
常规的燃料和氧气燃烧以加热熔炉的方法使用后混合氧-燃料燃烧器。常规的氧-燃料燃烧器有一个金属体，其上有供燃料和带高浓度分子氧的氧化剂进口，和经隔开的同轴方向的通道将料流传输到位于燃烧器边缘的多个喷头。这些燃料器在其边缘产生具有尖铅笔状的高温火焰，燃烧器边缘应离熔炉足够远，以避免或降低熔炉壁的过热。由于熔炉的高温，这些燃烧器的一个重要缺点是需要冷却，通常用一个其中有循环流体如水的夹套提供冷却。这类燃烧器被描述在例如英国专利1,215,925中。对于冷却夹套可能产生严重腐蚀问题，特别当熔炉气氛含可冷凝蒸汽时。
气冷氧-燃料燃烧器是对水冷燃烧器的一个改进。燃烧器体被一个称为燃烧器砖的耐火砖保护免受熔炉辐射，该砖具有基本上圆柱形空腔，通向熔炉。燃烧器通常安装在空腔后面且通常含几个位于空腔中的燃料和氧化剂的空腔喷头，该空腔向熔炉内壁凹进。砖和燃烧器被周向环状气体流，通常为氧化剂气体冷却。这类燃烧器被描述在USP5,346,390和USP5,267,850中。使用这类燃烧器，燃烧在到达熔炉前的燃烧器砖中开始。这样火焰被限制并被圆柱形空腔导向成一个窄轴对称喷射流，并对熔炉中的熔融提供一个不充分的覆盖。这些火焰有高的峰温度且产生相对大量的NOx，因为这里有氧气和燃料的直接接触而没被燃烧产品稀释。
这此气体冷却的燃烧器的另一个缺陷是火焰可能过热并损坏熔炉耐火壁，因为火焰在壁上开始。另外当熔炉气氛与熔炉壁的耐火材料化学反应时，在火焰下的循环区也倾向于加速耐火材料磨蚀。这可能降低熔炉寿命。
英国专利1,074,826和USP5,299,929公开了几个燃烧器，它们含交替分布的多个氧气和燃料喷头，分成平行两排以获得一个扁平的火焰。虽然这种方法改进了熔融物的覆盖，但这些燃料器仍产生比较大量的NOx。这些燃烧器的另一个缺陷是为获得扁平火焰机械制造复杂。
众所周知用间隔一定距离的喷头喷燃料和氧化剂料流到燃烧室以产生一个脱离熔炉壁的火焰，目的在于降低耐火材料磨蚀。一种这类设备描述在USP5,302,112中，其中燃料和氧化剂喷射流以一定的汇聚角喷到熔炉中，在两股喷射流的汇聚点处氧化剂和燃料气产生良好的混合，从而提高了燃烧速率但缩短了火焰。但这类燃烧器的火焰有一峰温度并在熔炉中产生大量氮氧化物。为降低该峰温度并显著降低NOx的形成，USP4,378,205建议以很高速度喷燃料和/或氧化剂喷射流并分开注入燃料和氧化剂气体其中燃料和/或氧化剂喷射流夹带熔炉气氛中的燃烧产品并在燃料和氧化剂之间实际燃烧前被稀释。但由这些燃烧器产生的火焰几乎看不见，如第9栏，第58-65行所述。这样对熔炉操作者确定和/或控制燃烧区的位置和燃烧器设备是否实际运转是极其困难的，这可能很危险。这种燃烧器另一个缺陷是燃烧产品的夹带促进了熔炉中气体料流的强烈循环，这最终加速了熔炉耐火材料壁的磨蚀。另外，使用高速氧化剂喷射流要求使用高压氧化剂供料，这意味着氧化剂气体需要在高压下生产或输送(燃料气通常在比较高的压力下)或氧化剂气体如通常由VSA单元供应的低压氧气必须在喷到熔炉中之前被再压缩。
当今使用的燃烧器通常仅设计或使用气体燃料或液体燃料(大概通过液体燃料喷雾)，但不能同时燃烧两种类型燃料或很容易地从气体燃料转换到液体燃料。
对燃烧领域技术人员来说液体燃料有其固有的问题。液体燃料通常雾化且有几种不同的液体燃料雾化技术可获得。目的是产生液体流体液滴喷射流(也称“喷雾”)，它们有确定的几何特征。通常的液体燃料在液体状态不是特别易燃：仅仅在气态时它们能足够快地支持氧化反应以产生一个火焰外观。当希望用环境温度下为液态或粘稠态燃料获得稳定的火焰时，主要困难是“精明地调整”该液体以使它快速蒸发从而支持火焰内部的氧化反应。
目前用来完成这种“精明调整”的方法由以液滴形式雾化燃料组成：这样，对于给定量的燃料，这有可能大大增加暴露给氧化剂液体表面的量(液滴越小，界面表面即蒸发点越多)。
简言之，有三种主要方法用来完成液体的雾化：
1旋转杯雾化法包括用移动的机械元件粉碎液体。
2在机械雾化中，燃料被压缩到很高压力(15到30巴)，这样它有很高的动能，当液体与外部大气接触时该能量导致液体的粉碎及液滴的形成。
3气体流体协助雾化法能获得类似结果，同时节省高压(2到6巴)。
简言之，根据液体燃料和雾化流体在雾化器头内部或外部接触可区分两种类型的气体流协助雾化法。这两种类型可称为内部雾化法或外部雾化法。
内部雾化法的特征在于限制液体燃料并雾化流体在一乳液腔中。加入两种流体到该腔中可有各种方法并对从该腔排出的乳液的特征有直接影响。同样该腔的内部几何尺寸(总体积，产生旋转的叶片，进口和出口孔板的数目和直径等)也影响欲燃烧的燃料/雾化流体混合物的具体特征。
这种雾化方法通常可获得优异的雾化质量，即乳液为很小的颗粒且在这些小直径附近有很窄的粒径分布。在给定燃料传输速度下，该乳液的质量一般是所用的雾化流体传输速率和在雾化腔内部占主导的压力值的函数。
对于外部雾化法，当两相之间的接触发生在任何限定腔的外部，乳液主要是由雾化流体粉碎液体燃料喷射流产生的。两种流体出口的几何尺寸完全确定了雾化质量，由接触产生的液滴的粒径分析表明粒径分布比较宽(同时有小颗粒和大颗粒)。
在液体燃料雾化领域，主要已知的先有技术是公开的欧洲专利申请NO.0687858A1，它公开了一种外部雾化设备，该设备产生很窄的喷雾角(小于15°)。该公开的申请特别公开了为成功地实现该具体特征在雾化流体和液体燃料间形成的角必须在5°和30°之间。
另一个公开的液体燃料雾化设备是被公开在欧洲专利申请NO.0335728A3，它公开了一种经从主管中分支的几个不同管加流体到燃烧室的设备。
目前需要一种燃烧器，它可在低压，特别对于氧化剂气体低压下操作，同时产生一个宽而扁的亮火焰，NOx排放量下降，且该燃烧器可提供一种控制火焰长度的方式以便使用该火焰到熔炉中。本领域也需要一种能同时或交联地燃烧气体燃料和液体燃料的燃烧器。在燃烧器领域也需要一种液体燃料属于第三种雾化方法范围之内的雾化器，一种能将控制的流体加到燃烧区的完整设备，该控制流体是雾化气体和液体燃料液滴的两相混合物，其中雾化发生在喷嘴外部(外部雾化)并可形成有高相对角(5°到130°)的不同喷雾喷射流。具体地说，燃烧领域迫切需求一种使用气体流体雾化液体燃料的雾化设备并将该设备用到燃烧器如本文描述的燃烧器装置。
发明描述
按照本发明，用氧化剂气体中的氧燃烧燃料的方法和系统被公开，其中燃料和氧化剂气体以不同的流体料流喷射到高温熔炉的燃烧室(至少820℃或1500°F)，燃料和氧化剂的比例应使得氧化剂流与燃料流中的氧的摩尔比在0.95到1.05(化学计量比)之间，燃料和氧化剂产生一个宽、明亮、易确定的火焰。本发明的方法和系统产生的NOx量很少。
通常，本发明燃烧器装置的特征在于至少一个燃料流体进口和至少一个氧化剂流体进口，用来将燃料流体从燃料进口输送到多个燃料出口的设备，以被喷射到燃烧室的燃料料流形式离开燃料出口的燃料流体，用来将氧化剂流体从氧化剂进口输送到至少一个氧化剂出口的设备，以被喷射到燃烧室的燃料料流形式离开氧化剂出口的氧化剂流体，燃料和氧化剂出口空间上隔开，和几何上的布置使得燃料流体料流和氧化剂流体料流的角度(以下称“最终角”)和速度(当燃料和氧化剂出入燃烧室时)允许用氧化剂以稳定、宽广和明亮的火陷燃烧燃料流体。这样，本发明的一个方面是一种改善了火焰长度和形状控制的燃烧器装置，其特征为：
一种加工成与氧化剂和燃料源流体连通的耐火砖，该耐火砖有燃料及氧化剂进口端和燃料及氧化剂出口端，出口端有燃料出口和氧化剂出口，该耐火砖还有多个燃料空腔，燃料空腔的至少两个确定了第一燃料平面，和确定了第二氧化剂平面的多个氧化剂空腔，燃料空腔数大于氧化剂空腔数。
本发明这一方面的优选的燃烧器是其中氧化剂出口数大于燃料出口数，优选的实施方案是其中一个或多个空腔中有一个喷头安装在其上。
优选的耐火砖有至少5个空腔，其中在下部的3个空腔用于向熔炉燃烧室喷射燃料，在上部的2个空腔用于向熔炉燃烧室中喷射氧化剂。
另外，特别是在液体燃料如燃料油用作燃料时，氧化剂空腔的数目优选大于燃料空腔数目。
在一特别优选的实施方案(即所谓“双燃料实施方案)中，耐火砖有至少一个液体燃料空腔和至少一个气体燃料空腔。在这些实施方案中，优选液体燃料空腔安装在气体燃料空腔之下，气体燃料空腔安装在氧化剂空腔之下，下面将进一步描述。
优选地，燃料和氧化剂出口是圆形的且被整修。空腔优选为直孔，从砖的燃料进口端到砖的燃料出口端穿过耐火砖。本发明的燃烧器装置在一些优选的实施方案中包括一个燃料分配器或雾化器，它是一个安装在耐火砖空腔中的单个一体化部件，燃料分配器有多个燃料出口。
本发明另一个燃烧器实施方案的特征为一种耐火砖，它有燃料和氧化剂的进口端和燃料和氧化剂出口端且进一步有单个燃料空腔和多个氧化剂空腔，所述氧化剂空腔定义了一个氧化剂平面，该平面位于耐火砖上部且在燃料空腔之上。
本发明第三个燃烧器装置的特征为：
一种耐火砖，它有燃料和氧化剂进口端和燃料和氧化剂出口端，且进一步有多个燃料空腔和多个氧化剂空腔，所述氧化剂空腔的至少2个定义了第一氧化剂平面，该平面位于耐火砖上部且位于定义燃料平面的燃料空腔的部分之上，其中至少一些氧化剂空腔形成在耐火砖上位置低于第一氧化剂平面的第二平面，其中在第二氧化剂平面上的至少一个氧化剂空腔中装有一个其直径小于相应氧化剂空腔的燃料喷头。
本发明另一个燃烧器装置的实施方案的特征为：
一种耐火砖，它有燃料和氧化剂进口端和燃料和氧化剂出口端且还有多个燃料空腔和单个氧化剂空腔，所述氧化剂空腔位于耐火砖上部且在燃料空腔定义的燃料平面部分之上。氧化剂空腔本身(横截面)和其出口可以是非圆形的如矩形，卵形，椭圆形等，在所有情况优选砖出口面为被整修边缘。
本发明另一个燃烧器装置的特征在于：
a)定义了第一平面的至少两个燃料喷头；
b)至少一个氧化剂喷头；和
c)一个壁，经该壁氧化剂和燃料喷头伸入到燃烧室中，可拆下的喷头固定在壁上，其中氧化剂喷头以向燃烧室的第一平面汇聚的汇聚角为0°到15°被安装。
本发明另一个方面是一种用氧化剂燃烧燃料的方法，该方法以下列步骤为特征：
a)提供氧化剂流体料流的进料；
b)喷所述氧化剂流体料流到燃烧室中以产生至少一股喷射后的氧化剂流体料流；
c)提供燃料流体料流的进料；
d)喷所述的燃料流体料流到燃烧室中以产生至少两股喷射后的燃料流体料流；
e)通过喷至少两股喷射后的燃料流体料流到燃烧室中以在燃烧室中产生一个基本上平面状的燃料流体片，喷射后的燃料流体料流的至少两股基本上位于第一燃料平面；
f)在燃烧室中将氧化剂流体料流与燃料流体片相交；和
g)在燃烧室中用氧化剂流体燃烧燃料流体。
在本发明优选的方法中，两个相邻燃料流体料流有一不大于15°的最终发散角。其他优选的方法是其中气体和液体燃料同时燃烧，和其中气体燃料(或液体燃料)首先燃烧，液体燃料(或气体燃料)随后。
发现当氧化剂流空腔以发散方式布置时，火焰更宽。在一些实施方案中，火焰宽度通过布置燃料和/或氧化剂流空腔最终发散角大于其初始发散角可提高火焰宽度(而没有明显降低火焰长度)，下面将进一步描述。另外，在某些优选实施方案中，使用氧化剂和燃料喷头(特别对于燃料)，它们安装在燃料和/或氧化剂空腔中。
本发明方法和设备的其他实施方案包括提供氧化剂空腔和燃料空腔之间的不同距离(根据被燃烧燃料的类型(例如气体燃料或液体燃料))，非平行氧化剂空腔(即有一定的扩散角)和提供，特别对于燃料油，有多个分散的燃料次喷头的燃料喷头。燃料喷头位于耐火砖一个空腔中。
附图简要描述
图1示出了本发明燃烧器装置的耐火砖部件的一个实施方案，其中燃料“片”由3个位于第一平面的燃料喷头组成，和氧化剂由位于第二平面的2个喷头提供；
图2是图1布置的正视图；
图3是使用图1或图2结构发生在熔炉中的燃烧方法的侧视图；
图4是图3方法的俯视图；
图5示出了本发明的第二个燃烧器装置的实施方案，其中燃料“片”由在第一燃料平面的2个燃料空腔形成，氧化剂由在第二平面的2个空腔提供，火焰稳定由在第二平面的辅助燃料喷射来实现；
图6示出了本发明第三个燃烧器装置的实施方案，其中燃料“片”由在第一燃料平面的2个空腔形成，氧化剂由在第二平面的2个空腔提供，和其中火焰由在第一燃料平面，位于2个燃料空腔之间的一个辅助氧化剂空腔稳定；
图7示出了本发明一个燃烧器装置实施方案的透视图；
图8(a)，(b)和(c)分别示出了本发明燃烧器装置(包括空腔)的俯、后和侧视图；
图9(a)和(b)示出了本发明耐火砖，有各种空腔；
图10(a)，(b)，(c)和(d)示出了本发明燃烧器砖装置、氧分配器和燃料分配器；
图11(a)(b)、(c)、(d)和(e)示出了本发明另一个燃烧器砖装置、氧分配器和燃料分配器；
图12(a)、(b)、(c)和(d)示出了本发明燃烧器装置俯、侧、仰和局部放大视图，特别示出了管密封局部放大图；
图13a是用于本发明耐火砖的透视图，示出了2个氧化剂空腔，3个燃料气空腔和1个燃料油空腔；
图13b是图13a耐火砖的侧视图；
图13c是图13a耐火砖另一种设计的侧视图；
图14是没有耐火砖的燃烧器装置的侧视图，仅有氧化剂和燃料喷头；
图15是耐火砖的平视图，示出了空腔；
图16是图15耐火砖的平视图，示出了在空腔中有短喷头的实施方案；
图17是图15的耐火砖的平视图，示出了有伸出空腔的长喷头的实施方案；
图18是用于本发明液体燃料雾化器的侧视图；
图19a和19b是分别是图18液体燃料雾化器的剖视图和正端视图；
图20a是耐火砖及其内空腔的示意图；
图20b示意地说明了喉管直径和喷头或空腔的气体出口直径之间的优选关系；和
图21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，31，32和33示出了本发明范围内13个耐火砖实施方案的正视图。
具体实施方式
I.一般方面
按照本发明一个方面，提供燃烧方法及其设备，它用低压氧化剂如通过真空回转吸收氧生产单元压力输送来的氧操作。低压氧化剂意味着压力从105000到170000Pa(绝压)(50mbar到0.76bar相对压力)。
按照本发明，燃料和氧化剂经在燃烧器装置上隔开的空腔加到熔炉中。术语“燃料”按照本发明意味着例如，在室温(25℃)下或为气态或为液态，或预热形式的甲烷、天然气、液化天然气、丙烷、雾化油等。按照本发明术语“氧化剂”意味着氧摩尔浓度至少为50％的气体。这类氧化剂包括含至少50％(体积)氧气的富氧空气，氧气如通过深冷空气分离厂生产的“工业”纯氧气(99.5％)或由例如真空回转吸收方法生产的非纯氧气(88％体积O2或更大)或由空气生产的“杂质”氧气或通过过滤、吸收、吸附、膜分离等生产的氧气，它们或处于室温或为预热形式。
本文定义的“空腔”为穿透陶瓷砖或熔炉壁的通道，且优选有一般的圆柱形横截面。可使用任何等价的横截面如正方形、矩形、椭圆形，卵形等。本文定义的喷头是有与相应空腔相匹配的外形并能放到相应的空腔中以延长耐火燃烧器砖的使用寿命的管状元件。喷头或为金属管，带陶瓷端的金属管，陶瓷管或其组合。用夹制喷头管的适宜陶瓷材料包括氧化铝、氧化锆、氧化钇，碳化硅等。如果喷头是金属类，各种不锈钢可用来制备喷头，和如果喷头是有耐热耐火涂层的金属，使用上述制备陶瓷管提到的材料也是可以的。
喷头是优选的但不是绝对必须的。例如如果空腔用一层陶瓷或任何其他耐高温并有适当非孔隙度以避免气体经耐火砖浸入的材料覆盖或涂布，喷头将不需要。
喷头安装在开口穿过熔炉壁或穿过安装在熔炉壁上的耐火或陶瓷砖的空腔上。在某些实施方案中，喷头的长度有意作成不及其燃烧器砖中空腔的长度：燃料或氧化剂从喷头流入空腔，然后从空腔流入熔炉的燃烧室。这样，在某些实施方案中，喷头停止在由空腔的几何尺寸带来气体流动方向的变化之前；在其它实施方案中，喷头可能伸出耐火砖并伸入到燃烧室。在其他实施方案中，没有喷头。
燃料的喷射优选由至少2个，优选相同的，其轴线优选位于相同平面(下面称为第一燃料平面)的空腔来完成。燃料和氧化剂出口空间上隔开且几何上布置得使燃料流体料流和氧化剂流体料流的角度和速度能以稳定、宽广和明亮的火焰用氧化剂燃烧燃料流体。
在优选的实施方案中，燃料空腔以初始角发散，然后在正要进入燃烧室之前略微增加成最终发散角。该最终发散角优选仅比初始发散大几度。优选在两个相邻燃料空腔之间最终发散角为3到10℃。燃料进入熔炉燃烧室的空腔的最远距离1优选为第一平面上每个燃料喷头内径的4到10倍。第一平面优选但没必要平行于熔融物表面。当燃料喷头或空腔不是圆形的，尺寸“d”是相当于圆形喷头或空空腔的横截面积的当量直径。来自燃料空腔的燃料喷射流混合以产生燃料“片”。燃料“片”意味着在第一平面扩散角为至多120°，优选20到60°且优选相对于燃料空腔的对称纵轴对称的基本连续的液滴(如为液体)或燃料气的云雾。在空腔中燃料气的速度至少为15m/s。
按照本发明一个优选实施方案，提供一种方法其中燃料流体“片”产生在要加热的表面之上，例如通过至少2个最终发散角优选小于15°的空腔来产生，所述燃料空腔位于第一平面，优选用至少2个氧气空腔以低于燃料流体的速度(优选不超过60m/s)将氧化剂喷到要加热的表面上方，两个相邻氧气空腔的终发散角小于15°。这些空腔优选位于第二平面，第二平面在燃料室与第一平面汇聚并相交。与燃料片相交的低速氧化剂流体喷射流沿燃料片被燃料流拖拉并产生一个沿“片”延伸的燃烧区。因此，在燃烧室燃烧区起初，富燃料区维持在燃料云雾底侧，这里大量炭黑形成。炭黑和燃料被沿燃烧区扩散的氧化剂逐渐氧化。
按照本发明一个特别优选的实施方案，为燃烧器装置提供一种在燃烧区燃烧的方法，燃烧器装置有至少2个燃料流体空腔，至少一个氧化剂流体空腔，和至少一个出口面，燃料流体空腔和氧化剂流体空腔以该出口面为末端，该方法包括：
提供氧化剂流体料流的进料；
经所述至少一个氧化剂流体空腔喷所述氧化剂流体料流到燃烧室中以产生至少一股喷射后的氧化剂流体料流；
提供燃料流体料流的进料；
经所述至少两个燃料流体空腔喷所述的燃料流体料流到燃烧室中以产生至少两股喷射后的燃料流体料流；
通过以一最终发散角喷至少两股喷射后的燃料流体料流以产生一个基本上平面状的燃料流体片，至少两股喷射后的燃料流体料流基本上位于第一燃料平面；
在燃烧区将氧化剂流体料流与燃料流体片相交；和
在燃烧区用氧化剂流体燃烧燃料流体。
另外，本发明也提供借燃料和/或氧化剂气体辅助喷射稳定火焰。
按照本发明另一个实施方案，也可有附加燃料空腔，例如位于第二燃料平面，在第一燃料平面下方且优选平行或与第一燃料平面略有汇聚角。
氧化剂流体的喷射是通过至少2个，优选相同的其轴线位于同一平面即第一氧化剂平面的空腔完成的。氧化剂经其进入熔炉燃烧室的氧化剂空腔的边缘之间距离轴向距离L优选为第二平面上每个氧化剂喷头内径D(或当量直径，如前对“d”的定义)的2到10倍。2个相邻氧化剂空腔所成的最终发散角(在流动方向上)为0到15°，优选0到7°。氧化剂在空腔中的速度小于第一燃料平面空腔中的燃料速度，优选该速度小于60(m/s)。在本发明某些实施方案中，氧化剂空腔含所谓的旋流器以使氧化剂料流产生螺旋流动从而提高氧化剂料流在燃烧区的扩散，并改进氧化剂和燃料片之间的混合，适宜的旋流器是放在空腔或喷头中金属翅片或金属螺旋带。
燃烧系统所用的燃料和氧化剂的总量应使得氧气流为获得燃料流完全燃烧必须的化学计量的氧气流的0.95到1.05。另一种表达为燃烧比在0.95到1.05之间。
第一燃料平面和第二(氧化剂)平面之间的角α在0到20°之间，第一燃料平面和第二平面向燃烧室汇聚。在空腔出口的垂直平面，第一燃料平面和第二平面之间距离h至少等于2倍直径D，第一燃料平面被视为是基本上水平的。
本发明也涉及一种燃烧器装置，它包括至少两个燃料流体空腔，至少一个氧化剂流体空腔和至少一个出口面，该出口面为燃料流体空腔和氧化剂流体空腔的终端，其特征为：
供给氧化剂流体料流的设备；
用所述的至少一个氧化剂流体空腔喷所述氧化剂流体料流以产生至少一股喷射后的氧化剂流体料流的设备；
供燃料流体料流的设备；
用所述的至少两个燃料流体空腔喷所述燃料流体料流以产生至少两股喷射后的燃料流体料流；
其中氧化剂流体料流和燃料流体料流的喷射方向在燃烧区基本上汇聚并相交，而至少两个相邻燃料流体空腔的方向是发散的。
本发明燃烧器装置实施方案的第一个耐火砖部件5示出在图1中，它在第一平面2有3个燃料流体空腔1a，1b，1c，在第二平面4有2个氧化剂流体空腔3a和3b。第一平面和第二平面(2和4)成α角。3个燃料流体空腔1a，1b和1c相邻两者成β，优选相同的角。优选，中间燃料空腔1b的轴线垂直于耐火砖5的出口面10 。
图2示出了图1砖5的正视图。在图2中，d表示在出口面10上的燃料空腔1a，1b和1c的直径，1表示它们在出口面10上的轴线距离；D表示在出口面10上氧化剂空腔3a和3b的直径；和L表示它们在出口面10上的轴线距离。“h”表示在砖5的出口面10上平面2和4之间的距离。应该明白参照图2描述在本文的所有尺寸根据使用的具体燃料都可以改变。例如如果使用燃料油，距离h将比使用天然气作燃料时大。
图3表示用于例如熔玻璃塔12中的图1和2的燃烧系统操作的侧视图。图4示出了图1-3的系统的透视图。燃料“片”或“云雾”是由在第一平面2的燃料空腔出来的燃料流体料流形成的。氧化剂6的喷射流从第二平面4的空腔喷出，并在熔炉的燃烧室70中与燃料片相交。燃料与氧化剂的燃烧发生在两股料的交界面上以在熔融物9上面产生一个火焰8。在燃烧过程的早期，位于火焰下的区域富燃料，这促进了碳颗粒(炭黑)的形成，从而提高了火焰的亮度。本发明的特征之一是：通过分散燃料在一平面内并在熔融物上并基本上平行于熔融物产生平面状层或“片”，将氧气从上导入“片”方向以与“片”相交，然后燃烧优选在氧化剂流体和燃料流之间进行，在此它们相互交叉。在平面相交之前，流体分层，火焰底部(接近于熔融物)富燃料，因而由于高温火焰裂解过量燃料产生炭黑。该炭黑被气体料流夹带到平面相交处上方，进一步在火焰中再燃烧，这使火焰更明亮。
示于图1-3的结构在方截面(宽1米，长2.5米)小试熔炉中进行了试验。熔炉被一个助氧天燃气燃烧器加热到820℃(1500°F)。当熔炉温度足够高时，开动本发明的燃烧系统并关闭助燃烧器。火陷从熔炉侧面观察孔观察。如果需要，将包括示于图1中的耐火砖的燃烧器装置旋转(例如90度)，以使得火焰能从侧观察孔更好地观测。在所有的实验中，天然气空腔的第一个平面平行于熔炉壁之一(侧壁或底部)。
试验的燃烧系统使用流量为32nm3/hr(1200scfh)的天然气作为燃料流体和流量为64nm3/hr(2400scfh)的纯氧气作为氧化剂流体，高于熔炉压力100mbar。这表示燃烧比为1 。氧空腔之间的距离L为15cm。天然气空腔之间的角为5度。该方案可使第一平面和第二平面之间的距离h从2.5cm变到10cm，两个氧空腔的相对角从0度变到5度。空腔包括由陶瓷莫来石管制成的喷嘴(不锈钢管也进行了试验)。所有空腔都安装在钻通耐火材料(称为耐火砖5)形成的空腔中。天然气空腔的直径在0.925cm和1.58cm(0.364英寸和0.622英寸)之间变化，从而使得燃料流体流速分别达到44m/s，26m/s，和16m/s。氧空腔的直径在1.9和2.66cm(0.75和1.049英寸)之间变化以获得16m/s，27m/s，和31m/s的氧气速度。连续检测烟道气中CO，O2，CO2，NOx的含量。在所有试验期间维持过量氧气和熔炉泄漏(空气进入)的类似条件以使得各种结构的排放量可比较。在所有试验中平均炉温为1450℃。取样探头也装在熔炉中，距耐火砖2米远处以测定熔炉中该处CO浓度。取样探头低的CO测量浓度表示短的火焰。另外在相同化学计量条件下相对低的烟道气温度是这种特定熔炉短火焰的标志。
另外，在小试熔炉中也用后混合型氧气一天然气燃烧器进行了试验，使用一般的“管套管”方案：天然气的喷射被环形氧气流包围。这种燃烧器用作参比。燃烧器接到熔炉壁上，并在烟道气中产生500ppm的NOx。
对于本发明系统，当距离h等于2.5cm且两个平面之间的夹角等于0°，一个脱离燃烧器砖的稳定火焰产生了。在燃料和氧气喷射流之间有很好的混合。火焰长度较短(1.5m)，特别是当燃料速度是氧气速度的2到4倍。NOx浓度是400ppm。火焰似乎比参比火焰稍宽。
当距离h增加(仍维持α＝0°)，天然气和氧气之间的混合被延迟，在火焰中形成一些炭黑。在h＝8cm，火焰似乎很大且很长。在距离装有燃烧器的燃烧器砖2米处水冷取样探头测量到大量炭黑。火焰可目测到，但其边界难以确定因为火焰不稳定。熔炉压力由于这种不稳定呈现出大的波动。NOx排放急剧降到60ppm。虽然燃烧质量似乎比较差，但在烟道气中没有CO残留。
当h＝8cm，将第一和第二平面之间夹角提高到5°，10°和20°时，火焰稳定性得到改进。当α＝20°得到最好的稳定性。超过20°没有明显地降低形成炭黑的量和火焰亮度，也没有降低火焰宽度，但在烟道气中NOx浓度提高了，火焰长度变短。另外，在α＝20°时，氧气喷射流对燃料片的碰撞，甚至当氧气速度下降时，仍改变了“片”形状并将其偏转到平行于第一平面的壁方向，这是不希望的。因此当h＝8cm，α在5°到15°之间火焰被认为是稳定的或很稳定。
在一给定的结构中，增加天然气速度同氧气速度之比改进了火焰稳定性。例如对于α＝10°和h＝8cm的结构，当燃料速度是70m/s和氧气速度是16m/s时，火焰是稳定的。但稳定性效果对火焰长度和亮度是不利的。通过关闭位于第一平面中心的天然气喷头以使所有的天然气经外面两个天然气空腔流过可获得较大的天然气速度。
然而出人意料地发现如果一个天然气喷头位于第二平面的两个氧气空腔之间如图5所示，优选如果在第一平面2上的天然气喷头21之一移到第二平面4上或靠近它，并与每个氧气喷头23，24保持基本相等距离，则火焰稳定性能大大改进而不影响火焰的亮度和火焰的长度。另两个燃料空腔20，22保持不变的位置。如果安装3个气体空腔20，21，22和2个氧气空腔23，24，优选2个天然气空腔20，22在第一平面2，2个氧气空腔23，24在第二平面4，第三个天然气喷头21靠近或位于第二平面4，优选位于与每个燃料空腔等距离，所述距离优选小于或优选至多与两个氧气空腔的距离相等。近似地天然气流量的三分之一可从第一平面分出以改进火焰的稳定性。在第一平面2和第二(氧化剂)平面4之间产生一个稳定的燃烧区，它引发了在主燃料片上方的燃烧。对于稳定天然气辅助喷头优选的位置是氧气空腔之间的中间平面。在天然气流速为44m/s，氧气流速为16m/s，距离h为8cm，和α＝10°的条件下，当辅助天然气喷头位于氧气空腔正中间时，NOx排放(63ppm)比辅助天然气喷头靠近一个或另一个氧气时NOx排放(74ppm)来得低。但在两种情况，NOx排都较低。
改变角度α有利于增加向面对第一平面的壁的传热。现在发明将角度α从0°增加到10°在靠近第一平面2的壁与对面壁之间的温差从0℃增加到27℃。在α＝20°时，温差为32℃。
因此，本发明的燃烧系统可用来提高向熔炉中物料传热并降低熔炉峰温度。
按照本发明另一个实施方案，火焰稳定性同样得到改进，如果辅助氧气喷头25安装在燃料空腔20，22的第一平面2上，如图6所示。(如图5所示的相对位置，同样适用于该氧气喷头和气体空腔)。在该结构中，在第二平面4有2个燃料空腔20，22，在第一燃料平面2有1个氧气喷头25。
从上述燃烧系统的操作的描述中可看出，通过改变氧空腔的第二平面4和燃料空腔第一燃料平面2之间的角α可改变火焰的长度。通过在氧空腔附近燃料的辅助喷射或在燃料空腔附近氧的辅助喷射在火焰长度的调整范围内提高并维持了火焰的稳定性。改变两个火焰之间的角度也能用来增加向熔炉中物料的传热，从而改进燃料燃烧的效率。对于玻璃熔炉，在熔炉的某些区域的补充传热对提高熔融玻璃的对流循环和/或增加熔炉中熔融玻璃的停留时间是有用的，这改善了玻璃的质量。
本发明燃烧系统可用来，例如代替现存熔炉中的空气—燃料燃烧系统，和/或在新熔炉中用作能量的主源。
按照本发明的第三个方面，提供一种燃烧器，它有与侧壁略成一定角的氧化剂出口，在它们的未端(即在出口面10上)通常被修整过优选为圆头型。相当惊奇地发现有一定角的出口使氧气流动，从而火焰更宽并可防止燃料未燃烧排出。另外，圆形边缘引起更小的扰动，从而可更好地对火焰形状控制。
事实上，获得特定类型火陷形状是最重要的，而且最好能按客户要求调整火焰形状。
本发明的这些和其他方面可进一步参照图7-12描述。
示于图7中优选的燃烧器装置的主要部件是：1)耐火砖5；2)固定支架装置72；3)燃料分配器74，位于固定支架装置底部，和4)氧化剂分配器76，位于固定支架装置顶部。燃料经进口78加入。氧化剂经进口80加到燃烧器装置中。
在图8a(平视图)，8b(端视图)和8c(侧视图)中，燃料和氧化剂空腔是穿过耐火砖5的直孔。每个氧化剂空腔和每个燃料空腔的气体出口在气体出口面10为圆形边缘，与直边缘相反。圆形边缘降低了从砖射出的气流和周围气氛之间的速度梯度，从而防止了含在周围气氛中颗粒物或挥发性物在空心出口附近的积累，这种积累将最终改变空腔的几何形状。对于天然气空腔这特别重要因为天然气的热裂解和焦炭沿积物在耐火砖天然气出口处的形成加重了积累过程。这样改变了熔炉中的流动方向。
用于燃料的底部空腔成发散角β以将燃料气体以片状模型分散。示于图8(a)的角β为5°。从大量的模拟试验结果发现通过增大天然气空腔的角度可增大火焰宽度。例如β＝7.5°产生的火焰较β＝5°宽，同时不会明显地降低火焰长度。
示于图9a(侧视图)和9b(平视图)的耐火砖有5个空腔：在底部的用于喷燃料到熔炉中的3个空腔和在顶部的用于氧化剂喷射的2个空腔。示于图9a和9b的耐火砖5优选为整块耐火材料，有多个空腔或穿通的孔如空腔91和92用于氧化剂，空腔94，96和98用于燃料。在示于图9a和9b的实施方案中，注意氧化剂空腔91和92最初彼此平行且与燃料空腔(见91a和92a)平行，但然后彼此成2Θ角并与燃料空腔成μ角。另外注意到燃料空腔94和98(在砖5两侧的2条线)与中心燃料空腔96成一个角，优选也为Θ。这种设计可比图8所示实施方案使燃料空腔彼此靠得更近。当燃料为燃料油时，靠近的燃料出口可能更有用。
用作耐火砖的适宜材料为熔融氧化锆(ZrO2)，熔融浇注AZS(氧化铝-氧化锆-氧化硅)，再粘接AZS或熔融浇注氧化铝(Al2O3)。特定材料的选择在其它参数不变时取决于在玻璃塔中熔融玻璃的类型。
当某种物质堵塞气体出口时，示于图8的直空腔很容易清除。然而空腔偏离几个厘米便足以给燃料气体料流提供一转向角。这类空腔设计示于图10a(仅为氧化剂空腔的平视图)，10b(氧化剂和燃料空腔的平视图)，10c(后端视图)和10d(侧视图)，对于氧化剂空腔。氧化剂空腔91和92每一个包括两条直流径91a和92a，最初平行，然后在靠近出口(流径)向外成一小角。小角度的目的是使氧化剂以类似于燃料气喷射的方式向外流动。在实验室和现场试验中，成一定偏角的氧化剂(在试验中使用氧气)空腔提供了更稳定的火焰且通过增宽火焰宽度而不会明显降低火焰长度对燃烧器操作更有利。优选的结构是两个氧化剂空腔间在它们的出口处的夹角等于两个侧燃料气空腔间的夹角。
示于图11a-e中的实施方案类似于示于图10中的实施方案，不同不处在于图11e说明2个侧燃料喷头在靠近出口处向外成一小角，这样两个氧化剂空腔91b和92b如同两个侧燃料喷头94b和98b一样在靠近出口面10向外转向。
从图8，10和11可看出氧气空腔优选与天然气空腔向下成一定角。示于附图中的角为10°。在某些情况下，可使用更小的角(如7.5°)。同样空腔偏离几英寸足以使氧气喷射流和天然气喷射流有一汇聚角。
示于图12中的燃烧器装置包括一个由两部分制成的固定支架，它安装在耐火砖5的上部和下部，通过用螺栓拧入到板P中而紧固在一起。固定支架装置放入耐火砖的垂直凹槽G1和G2中，一旦螺栓60和61就位，它就牢固地连到砖上。
图12的氧化剂分配器30用螺栓32和板34直接安装到固定支架装置上。分配器和砖之间的气密性由密封垫36来确保。分配器包括一块板38，其上焊有氧化剂喷头40和41 。当安装到燃烧器上时，氧化剂喷头伸到燃烧器砖5的空腔中并停止在距砖出口面10有10cm(4英寸)处，在可由氧化剂空腔几何尺寸引起的流动方向变化之前。
燃料气体分配器50用快速联结夹53a和53b安到板52上。板52用螺栓54a和54b连到固定支架上。板52和耐火砖5之间的气密性由密封垫56来确保。3个气体喷头58a，58b，和58c伸到耐火砖5中并停止在距砖5出口面10有10cm(4英寸)处，在可由燃料气体空腔的几何尺寸引起的流动方向变化之前。燃料气体喷头的进口头被固定在喷头60和板52之间。燃料气体的气密性由安装在燃料气体喷头进口头上的O型圈62和64确保。在图12(d)具体标出了管的密封细节。
图13a是用于本发明中耐火砖5的透视图，说明了2个氧化剂空腔91a和91b，3个燃料气空腔94a，94b，和94c和一个液体燃料空空腔95的出口。图13b是图13a耐火砖气体出口端视图，说明了距离d1和d2，其中d2是含2个氧化剂空腔91的轴中线平面(第二平面)和液体燃料空腔95之间的距离，d1是第二平面和含3个燃料气体空空腔94的平面之间的距离。(注意d1与图2中的h相等)。图13c是图13a耐火砖另一个设计的气体出口端视图，说明了一个实施方案其中实际上没有气体燃料出口，仅有一个液体燃料出口97(2个氧化剂气体出口与图13a的相同)。
发现在本发明燃烧器功率和图2，13b和22所示的距离d1＝h，d2，d，D，L，21之间有一个关联式。如果燃烧器氧气和天然气出口之间的距离定义为d1，则
d1＝A(P/1000)1/2
其中P是燃烧器功率(KW)，和50mm＜A＜150mm。优选的A是110mm，如果d2定义为含燃料气体出口平面到含液体燃料出口的平行平面间距离，则
d2＝d1ρFO/ρNG[(IFO+IAIR)/ING](10-3)其中：
IFO＝在空腔或喷头中液体燃料的力量，
IAIR＝在喷头或空腔中雾化空气的动量，
ING＝气体燃料动量，
ρFO＝液体燃料比重，和
ρNG＝气体燃料比重。
对于优选的A值和下列动量值：
IFO＝0.06N，
IAIR＝1.79N，
ING＝1.56N，
ρFO＝0.9kg/dm3，和
ρNG＝0.74kg/dm3，
可获得表1所列尺寸值。
                                      表1.燃烧器功率
  功率(KW) 500 1000 1500 2000 3000 4000 5000 6000 7000
   d1(mm) 78 110 135 156 191 220 246 270 291
   d2(mm) 113 160 196 227 278 320 358 392 423
   d(mm) 10.6 15 18.4 21.2 26 30 33.5 36.7 39.7
   D(mm) 29.7 42 51.4 59.4 72.7 84 93.9 102.9 111.1
   L(mm) 113.1 160 196 226.3 277.1 320 357.8 391.9 423.3
   2L(mm) 99  140  171.5  198  242.5  280     313     342.9     370.4
表14是按本发明另一个燃烧器装置实施方案，没有耐火砖的燃烧器装置侧视图，有仅仅一个穿过并固定在熔炉或玻璃熔融塔壁100上的氧化剂喷头102和燃料喷头104。所示氧化剂喷头是直的，没有角度变化，但是喷头当然最初可以是与燃料喷头平行的，然后变化方向，以使得燃料和氧化剂在燃烧室混合。当燃料为液体燃料时，也可使用该实施方案。该方案及示于图17的实施方案是有用的因为燃料和氧化剂可被在燃烧室中燃烧的燃料预热，增加燃料燃烧效率。
图15是耐火砖的平视图，示出了空腔(氧化剂或燃料)91a和91b；图16是图15的耐火砖的平视图，示出了在空腔中有短喷头102a和102b的实施方案；和图17是图15的耐火砖的平视图，示出了有伸出空腔外的长喷头102a和102b的实施方案。
II.液体燃料雾化的详细说明
图18是用于本发明的液体燃料雾化器200的剖视图。
正如在背景技术部分所述，本发明的这一方面落在液体燃料雾化的第三种方式范围内，它描述了一个完整的设备，使得利用气体流体和将该设备用到燃烧器如描述在本文中的本发明燃烧器装置有可能控制液体燃料的雾化。
在本发明中，虽然用于加入流体的几何形状似乎是相似的，加到燃烧区的流体是雾化气体和液体燃料液滴的两相混合物。此外，本发明的具体特征在于雾化发生在喷嘴外(外部雾化)并且可以形成有高相对角(5°到30°)的清晰喷雾喷射流。
对操作在高温燃烧区(1400℃到1700℃)的液体燃料雾化器的基本约束是它的寿命，另外，在该喷头出口产生的火焰保持在甚至更高的温度下仍是敏锐的火焰。在任何情况下，这些高温都不应引起包括该设备的部件的损坏。该设备必须在这些条件下连续起作用并且检修频率为数月一次。
本发明液体燃料雾化器能确保产生一个宽火焰，一个长火焰或同时产生几个短火焰。
用于本发明雾化器的雾化原理是外雾化法。这种选择主要是由用于第三代燃烧器(带有分开喷射系统的自冷燃烧器)中喷头的耐热性和维修的约束决定的。实际上，在这种类型燃烧器中燃料喷头可能达到的温度值远高于第一代和第二代燃烧器中温度值。
这些温度值因此不允许燃料喷雾流与高温金属部分直接接触。这种接触不可避免地造成在喷头边缘焦碳的形成并在短时间内堵塞该边缘。
外雾化法是能克服这一困难并确保喷头运转频率在数月的唯一雾化方法。实际上，这种雾化法的特征在于喷雾在喷射器外部形成，从而避免了喷雾流与金属部分的接触。
此外，正如我们从设备描述中看到的，液体燃料一直被雾化流体“覆盖”，雾化流体被优先加热，因而吸收了传输给喷头的热流。通过起冷却传热流体的作用，雾化流体从而防止了液体燃料的过热，因而不会有焦炭形成的开始。
A.本发明液体雾化设备的描述(图18)
本发明的雾化设备的特征在于：
一种液体燃料喷头，和
一个完全包围该喷头的外部喷嘴。
为便于清洁雾化设备，该外部喷嘴由两个对称的罩组成，当两个罩面对面安装时，完全包住了液体燃料喷头并形成该外部喷嘴。
参照图18-19。在图18中，液体燃料喷头200由一个内径DOI和外径DOE的中空圆柱体构成，其末端有一定数目的中空普通管C1，C2和C3。液体燃料输送到直径DOI的圆柱体中，然后进入所有中空管的内部以从外部淹没液体燃料喷头(燃烧室侧)。普通管的数量为2到5(通常为2或3)。所有普通管的轴线都在同一平面(“喷雾平面”)；该平面含中空圆柱体(DOI；DOE)的轴线。
在图18及对其的讨论中，带字母“i”上标的符号指“普通雾化器i”其中i可为1，2，3，4，或5，取决于雾化器上安装的普通喷头的数目。
每一个中空管都有一个内径D1 i(液体燃料流入其中)和一个外“径”D2 i。普通管的外部形状不必须是圆柱形：它可为带正方形截面的平行六面体。这时，D2 i是正方形侧边，该侧边平行于“喷雾平面”。
每一个普通管都有一个相对于圆柱体(DOI；DOE)轴线的倾角α1 i；该角位于“喷雾平面”上。
这些普通管的长度(圆柱体(DOI；DOE)和普通管端之间的距离)是L1 i。
B.外部喷嘴的描述(图19a和19b)
外部喷嘴是由中空圆柱体(内径DFI和外径DFE)形成，它被局部放大。喷嘴局部的内部被通道穿过，通道被直径DFI的圆柱体包住。通道的的数目等于液体燃料喷头中普通管的数目。所有这些通道的轴线都位于“喷雾平面”上，该平面也包含圆柱体(DFI，DFE)的轴线。
通道长度为L2 i和直径为D3 i。通道的形状与燃料喷头普通管形状相同：它可为圆柱形或带正方形截面的平行六面体(在前一种情况下，D3 i是圆柱体的直径，在后一种情况下，D3 i是正方形侧边的长度，该侧边平行于“喷雾平面”)。
每一个通道有一个相对于中空园柱体(DFI；DFE)的轴线的倾角α2 i；该角位于“喷雾平面”内。
中空圆柱体(DOI；DOE)与中空园柱体(DFI；DFE)同轴线。
雾化流体被输送到外部喷嘴的内部和液体燃料喷头的周围。
C.“普通雾化器”的细节(图18)
普通雾化器由下列部件组成：
一根中空管，液体燃料从其内流过。该管的外部是圆柱形或带正方形截面的平行六面体；该管的内部几何形状是圆柱形。
一种车削过的通道，中空管置于其中。该通道的几何形状与中空管的外部几何形状相同。雾化流体在通道中沿中空管周围循环。
为由雾化流体对液体燃料提供外部雾化，所有组成本发明雾化设备的普通雾化器都必须满足精确的技术标准。
对于每个普通雾化器i，其中根据本发明雾化设备具有的普通喷头的数i可为1，2，3，4或5，满足下列标准：
1.为防止液体燃料循环的中空管的堵塞：
D1 i≥0.5mm且通常D1 i＝2mm。
2.中空管壁厚必须尽可能小以为了当液体燃料从管中流出时沿管周向流动的雾化流体立即剪切燃体燃料喷射流：将燃料与雾化流体隔离开来的材料的厚度越小，两种流体的接触越迅速，从而两种喷射流的剪切越有效。此外，降低管的厚度也有利于形成有低立体角的喷雾流体的形式。
3.最后，该厚度的降低也有利于降低遭受来自燃烧室热辐射物质的量：管壁厚越溥，管所吸收的热量越有限。管的温度因而越低。
另一方面，该厚度必须有足够的机械强度以耐在雾化设备操作时产生的震动。
D2 i一D1 i≤6mm，且通常和优选
D2 i-D1 i＝1mm。
在中空管外部和通道内部(“火焰”)之间的空隙必须成比例以使得雾化流体速度(V雾化流体)满足关系：
马赫数0.3≤V雾化流体≤马赫数≤1.2
因此，根据欲雾化燃料的传输速率，应满足下列关系：
0.2mm≤(D3 i-D2 i)≤6mm，
且通常(D3 i-D2 i)＝1mm，
每一个普通雾化器的目的是以精确方向喷出液滴喷雾流。该方向是通道和液体燃料中空管的轴线的方向。
为确保组成雾流的液滴流径的精确定向，必须让通道和中空管精确地同轴，这样标准为
α1 i＝α2 i。
此外，中空管长度和通道的长度必须足以确保在它们的管中建立两种流体的流动。如果希望两个流体进入燃烧室，它们各自速度矢量的轴向分量有相同的定向，优选：
L1 i≥5D1 i且通常L1 i＝10D1 i
L2 i≥5(D3 i-D2 i)且通常L2 i＝15(D3 i-D2 i)
D.在不同普通雾化器中流体的分布
为确保液体燃料在组成设备的不同的普通管中的适当分布，要满足的标准是
DOI 2≥1.3∑iD1 i2且通常DOI＝4mm。
此外，不同管的长度必须尽可能互相接近：
若i和j是两个普通雾化器，则L1 i＝L1 j。
根据是否希望或不希望分配不同液体燃料传输速率到每一个普通管，人们可能选择或可能不选择D1 i值具体到每一个普通管。D1 i越大，普通雾化器i带的燃料越多。
为确保雾化流体在组成设备的各种普通管的适当分布，要满足的标准是：
DEF 2-DOE 2≥1.3∑i(D3 i2-D2 i2)
此外，不同管的长度必须尽可能彼此接近：
若i和j是两个普通雾化器，则L2 i＝L2 j。
E.不同普通雾化器之间的相对角：
有3个普通雾化器的设备的实施例
(图18)
不同普通雾化器之间的相对角是组成雾化设备的普通雾化器数目和希望获得的火焰形态的函数，这样
0≤α1 i≤50°和0≤α2 i≤60°。
通常，普通雾化器数目越多，这些普通雾化器之间的相对角越大，火焰将越宽且短。相反，有两个带低相对角(10°即α1 1＝α2 2＝5°和α1 2＝α2 2＝5°)的普通雾化器的雾化设备将产生一个长而直的火焰。
借助实施例，在玻璃熔炉和在带有两个雾化设备每个有三个普通雾化器的中试熔炉中的工业试验获得下列火焰：燃料流传输速率＝100kg/h；雾化空气传输速率＝20kg/h。
设备A(图18)
α1 1＝α2 1＝16°；α1 2＝α2 2＝0°；α1 3＝α2 3＝16°
D1 1＝D1 2＝D1 3＝2.0mm.
可见火陷长度＝3.5m.
可见火陷宽度＝1.5m.
设备B(图18)
α1 1＝α2 1＝12°；α1 2＝α2 2＝0°；α1 3＝α2 3＝12°.
D1 1＝D1 2＝D1 3＝2.0mm.
可见火陷长度＝4.5m.
可见火陷宽度＝0.7m.
根据普通雾化器的相应角度和带液体燃料中空管的相对直径，对于每个普通雾化器也可获得独立的火陷。
这样在相同的燃料油和雾化空气传输速率下，可有：
设备C(图18)
α1 1＝α2 1＝20°；α1 2＝α2 2＝0°；α1 3＝α2 3＝20°
D1 1＝D1 2＝D1 3＝2.0mm.
3个独立的可见火陷长度＝1.5m
3个独立的可见火陷宽度＝0.5m。
F.有关在玻璃熔炉中使用的雾化设备的外部喷嘴的附加特征(图19a和19b)
当该设备连续用于玻璃熔炉(燃烧室具有1500℃到1670℃的高温)时，本发明的雾化设备必须能确保产生一个有几个月的稳定的火焰。选择的雾化原理应尽可能保持组成该设备的金属部件的温度小于11000℃。这样，在于600℃的玻璃熔炉进行一个月工业试验期间在设备的边缘测量的温度未超过800℃。
这样温度，相对于玻璃的熔融温度(～1350℃)它们不很高，提高了玻璃熔炉中玻璃质物质的冷凝现象。
为避免在外部喷嘴上玻璃冷凝层的形成，两个对称的孔板安装在喷嘴上(图19a和图19b)。直径DOR和高度HOR的确定以使得从孔板喷出的雾化流体的喷射流覆盖外部喷嘴的端整个表面。
通常DOR～1mm和HOR～10mm。
G.在固定的几何形状下火焰长度的控制
对于给定几何形状的本发明的雾化设备，由使用该设备的燃烧器产生的火焰的长度可能有相当大的变化。当该设备用于玻璃熔炉中时，观察到的挠性(用在燃料传输速率不变时火焰长度表示)相当于1∶3的比值(火焰长度从3.7到1.2m)。
火焰长度的这种控制是通过增加或减少流过外部喷嘴和液体燃料喷头之间的雾化流体的传输速率来完成的，这种传输流率的变化直接与雾化设备上游的雾化流体的压力变化有关。
在普通的使用中，这种设备在雾化流体压力为1和6巴之间起作用。雾化流体的压力越高，雾化流体的传输速率也越高，所得的火焰也将越短和越“猛烈”。这种现象直接归结于组成喷雾流体的液体燃料液滴粒径分布的变化：增加雾化流体的传输速率将会降低平均喷雾液滴直径并使直径在该平均值附近的分布变窄。相反，降低雾化流体的传输速率将会增加平均直径同时使该分布变宽。
液体燃料燃烧的整个机理揭示了三个特征时间，根据它们各自的份量，这三个时间完全决定了由给定雾化得到的火焰的类型。这三个特征时间是：蒸发时间，化学时间和流体动力时间。获得在小液滴直径附近的窄粒径分布导致液滴蒸发时间的下降，因为化学时间几乎不变从而增加了突爆燃的迅速性。由这类分布(高雾化流体的传输速率)表征的喷雾流因而将产生一个典型的快速燃烧和空间上很定域的短火焰。
优选使用加压雾化流体如加压空气，蒸汽水蒸汽等。
III.其它燃烧器装置实施方案
图20a是耐火砖5及其燃料气空腔94的示意图，而图20b是空腔喉管直径D’和喷头或空腔的气体出口直径D的示意图。对于燃料气，1(图2，相邻燃料气出口之间距离)与D’(燃料空腔或喷头喉管直径)之比为1.5到10，更优选1.5到3，最优选2。图20a也说明了耐火砖空腔在气流方向可有直径变化，气体出口通常在出口处整修，以使出口不易被堵塞。
图21和22是本发明的其他两个耐火砖实施方案的气体出口端视图，示出了氧化剂空腔91a和91b。图21的实施方案说明燃料气空腔94可在每一个空腔有几个同心气体喷头，借此例如在低功率操作时，燃料可在小直径燃料气喷头94’中喷射，对于高功率燃烧器操作，燃料可仅流经大直径燃料气喷头94或流径喷头94和94’。94和94’之间的燃料流控制可用适宜的阀来完成，或在给94或94’加料管线上使用一个孔板。也示出了液体燃料喷头。
图22示出了本发明范围内另一个重要的耐火砖实施方案，其中当周向氧化剂喷头91a和91b按所示方式安装成彼此间隔L距离且L比相邻燃料喷头距离1大2倍即L＞21时，火焰稳定性明显增加。当燃料和氧化剂仅使用喷头喷入而不使用耐火砖，情况也是这样。
图23-31以正视图的方式示出了本发明燃烧器装置的其他实施方案。图23示出了一个实施方案其中两个氧化剂空腔91a和91b出口为矩形，也示出了3个燃料气出口94和一个燃体燃料出口95。
图24示出了一个实施方案其中氧化剂从2个氧化剂出口91a和91b流出，氧化剂也从分别环绕3个燃料出口94’的3个环形部分91’流出。
图25示出了一个实施方案其中单个氧化剂出口91为矩形，其长度远大于其宽度。在该实施方案中，氧化剂空腔出口的长宽比为1∶1到至多4∶1。
图26示出了一个实施方案其中2个氧化剂空腔91a和91b为椭圆形出口，也示出了3个燃料气出口94。
图27示出了类似于图26的实施方案的实施方案，多一个有圆形出口的液体燃料空腔95。
图28示出了一个实施方案其中有一个椭圆形氧化剂出口91及3个有圆形出口燃料气空腔94被示出。
图29示出了一个类似于图28的实施方案的实施方案，多一个圆形出口液体燃料空腔95。
图30示出了一个实施方案其中有一个椭圆形氧化剂出口91及2个有圆形出口的燃料气空腔94被示出。
图31示出了类似于图30的实施方案，其中有单个椭圆形氧化剂出口91及2个圆形出口的燃料气空腔94，附加一个有圆形出口的液体燃料空腔95被示出。
图32和图33示出了实施方案其中氧化剂从一个或多个位于燃料气出口之上和之下的位置流出。在这些实施方案中，燃料空腔基本上平行于下部氧化剂空腔，上部氧化剂空腔向下偏一定角度以使得上部氧化剂流体流与燃料流体流和下部氧化剂流体流在燃料室汇聚。在图32中2个氧化剂出口91a和91b分别位于单个燃料出口94。图33示出了一个类似实施方案，区别在于2个氧化剂出口91a和91b位于2个燃料出口94之上，2个氧化剂出口91a’和91b’位于2个燃料出口之下。为与上部和下部氧化剂出口相对应，多于2个燃料出口也可想像到。
许多其他实施方案是可能的且在本领域技术人员阅读和理解了上述描述后可以理解这许多其他方案。
重要的是在所有实施方案中氧化剂和燃料出口优选是被整修的，如图8-11所示。
通过上述的描述，本领域普通技术人员在不偏离本发明精神和范围可对上述实施方案作出许多变化和改变。

Claims (54)

1一种用氧化剂燃烧燃料的方法，该方法以下列步骤为特征：
a)提供氧化剂流体料流的进料；
b)喷所述氧化剂流体料流到燃烧室中以产生至少一种喷射的氧化剂流体料流；
c)提供燃料流体料流的进料；
d)喷所述的燃料流体料流到燃烧室中以产生至少两个喷射的燃料流体料流；
e)通过喷至少两种喷射后的燃料流体料流到燃料室中以在燃烧室中产生一个平面状的燃料流体片，喷射后的燃料流体料流的至少两股位于第一燃料平面；
f)在燃烧室中将氧化剂流体料流与燃料流体片相交；和
g)在燃烧室中用氧化剂流体燃烧燃料流体。
2按照权利要求1的方法，其特征在于两个相邻的燃料流体料流有一个不大于15°的最终发散角。
3按照权利要求1的方法，其特征在于燃料流体料流的大部分位于第一平面，所述的第一燃料平面位于所述氧化剂料流之下。
4按照权利要求1的方法，其特征在于所有的燃料流体料流位于第一平面，所述第一燃料平面位于所述氧化剂料流之下。
5按照权利要求1的方法，其特征在于所述的燃料流体是一种气体燃料。
6按照权利要求1的方法，其特征在于所述燃料流体选自甲烷，天然气，液化天然气，水蒸汽重整的天然气，丙烷，一氧化碳，氢，雾化的油或它们的混合物。
7按照权利要求1的方法，其特征在于所述氧化剂流体是有至少50％(体积)氧气的含氧气体。
8按照权利要求2的方法，其特征在于所述最终发散角为3°到10°
9按照权利要求1的方法，其特征在于大部分氧化剂以定义第二平面的至少两股氧化剂流体料流被喷射，在所述第二平面中的所述至少两股氧化剂料流以一定的汇聚角与在所述的第一平面中的所述燃料流汇聚并在燃烧室中与在第一燃料平面上的燃料料流相交。
10按照权利要求1的方法，其特征在于所有的氧化剂以定义第二平面的至少两股氧化剂流体料流被喷射，在所述第二平面中的所述至少两股氧化剂料流以一定的汇聚角与在所述的第一平面中的所述燃料流汇聚并在燃烧室中与在第一燃料平面上的燃料料流相交。
11按照权利要求9的方法，其特征在于所述的汇聚角不大于20°。
12按照权利要求9的方法，其特征在于两股相邻的氧化剂流体料流的最终发散角小于15°。
13按照权利要求1的方法，其特征在于燃料料流的喷射产生一个扩散角至多120°的燃料云雾。
14按照权利要求13的方法，其特征在于所述扩散角为10°到60°。
15按照权利要求1的方法，其特征在于燃料速度至少为15米/秒。
16一种燃烧器装置，它有至少两个燃料流体空腔，至少一个氧化剂流体空腔和至少一个出口面，该出口面为燃料流体空腔的至少一个或氧化剂流体空腔的至少一个或两者的终端，其特征为：
a)供给氧化剂流体料流的设备；
b)用所述的至少一个氧化剂流体空腔喷所述氧化剂流体料流以产生至少一股喷射后的氧化剂流体料流的设备；
c)供燃料流体料的设备；
d)用所述的至少两个燃料流体通道喷所述燃料流体料流以产生至少两股喷射后的燃料流体料流；和
e)其中氧化剂流体料流和燃料流体料流的喷射方向在燃烧区基本上汇聚并相交，而至少两股相邻燃料流体通道的方向是发散的。
17一种改善了火焰长度和形状控制的燃烧器装置，其特征为：
一种加工成与氧化剂和燃料源流体连通的耐火砖，该耐火砖有燃料及氧化剂进口端和燃料及氧化剂出口端，出口端有燃料出口和氧化剂出口，该耐火砖还有多个燃料空腔，燃料空腔的至少两个确定了第一燃料平面，和确定了第二氧化剂平面的多个氧化剂空腔，燃料空腔数大于氧化剂空腔数。
18按照权利要求17的燃烧器装置，其特征在于氧化剂出口数大于燃料出口数。
19按照权利要求17的燃烧器装置，其特征在于一个可拆下的接到耐火砖的燃料和氧化剂进口端的固定支架装置，该固定支架装置有一个气体分配面。
20按照权利要求19的燃烧器装置，其特征在于安装在气体分布面下部的一个燃料分配器。
21按照权利要求19的燃烧器装置，其特征在于安装在气体分配面上部的一个氧化剂分配器。
22权利要求17的燃烧器装置，其特征在于所述耐火砖是选自下列的材料：熔融氧化锆，熔融浇注氧化铝-氧化锆-二氧化硅，再粘接的氧化铝-氧化锆-二氧化硅，和熔融浇注氧化铝。
23权利要求17的燃烧器装置，其特征在于一个或多个空腔上有一个喷头。
24权利要求17的燃烧器装置，其特征在于所述耐火砖有至少5个空腔。
25权利要求17的燃烧器装置，其特征在于所述耐火砖在其下部有3个空腔以喷射所述燃料到熔炉燃料室，在其上部有两个空腔以喷射所述氧化剂到所述熔炉燃烧室。
26权利要求17的燃烧器装置，其特征在于所述燃料和氧化剂出口是圆形的。
27权利要求26的燃烧器装置，其特征在于所述空腔是穿过耐火砖的直孔且空腔出口是被整修的。
28权利要求25的燃烧器装置，其特征在于在所述下部用于所述燃料喷射的所述3个空腔在燃料和氧化剂出口端每一个与相邻的燃料空心的最终发散角为3°到15°。
29权利要求25的燃烧器装置，其特征在于在所述下部用于所述燃料喷射的所述3个空腔在燃料和氧化剂出口端每一个与相邻的燃料空腔的最终发散角为3°到10°。
30权利要求25的燃烧器装置，其特征在于在所述上部用于所述氧化剂喷射的所述2个空腔被固定成在燃料和氧化剂出口端彼此间的最终发散角为0°到15°。
31权利要求25的燃烧器装置，其特征在于在所述上部用于所述氧化剂喷射的所述2个空腔被固定成在燃料和氧化剂出口端彼此间的最终发散角为7°到15°。
32权利要求21的燃烧器装置，其特征在于所述氧化剂分配器用紧固设备直接安装到所述固定支架装置上。
33权利要求20的燃烧器装置，其特征在于所述燃料分配器用紧固设备直接安装到所述固定支架装置上。
34权利要求20的燃烧器装置，其特征在于所述燃料分配器是一个单独的一体化部件，它安装在所述耐火砖的空腔内，所述燃料分配器有多个燃料出口。
35按照权利要求17的燃烧器装置，其特征在于每个燃料空腔有一个直径为D’的喉道和直径为d的出口，燃料空腔出口相隔距离1。
36按照权利要求35的燃烧器装置，其特征在于所述距离1同最小的燃料空腔喉道的所述直径D’比值为1.5到10。
37权利要求36的燃烧器装置，其特征在于所述比值为1.5到3。
38权利要求36的燃烧器装置，其特征在于所述比值为2。
39按照权利要求17的燃烧器装置，其特征在于每个所述空腔具有一个出口，出口直径为“d”，各燃料空腔的所述出口之间间隔的距离为：
1)比值(1/d)为4到10。
40按照权利要求17的燃烧器装置，其特征在于每个所述空腔具有一个出口，出口直径为“d”，各燃料空腔的所述出口之间间隔的距离为：
1)比值(L/D)为2到10。
41权利要求17的燃烧器装置，其特征在于有至少一个液体燃料喷头安装在比所述第一燃料平面低距离d2，d2定为
d2＝d1ρFO/ρNG[(IFO+IAIR)/ING](10-3)
其中IFO＝空腔或喷头中液体燃料的动量，
    IAIR＝空腔或喷头中雾化空气的动量，
    ING＝气体燃料的动量，
    ρFO＝液体燃料的比重，
    ρNG＝气体燃料的比重，和
所述第一燃料平面和第二燃料平面间隔距离d1，
d1＝A(P/1000)1/2
其中P是燃烧器容量，用KW表示，和50＜A＜150mm
42权利要求41的燃烧器装置，其特征在于A为110mm和
IFO＝0.06N，
IAIR＝1.79N
ING＝1.56N
ρFO＝0.9kg/dm3
ρNG＝0.74kg/dm3和
表1所列尺寸值，其中d是气体燃料出口的直径，D是氧化剂出口的直径，L是两最远的氧化剂出口之间的距离，和l是任何两个燃料出口之间的距离，
                                                   表1.燃烧器功率   功率(KW) 500 1000 1500 2000 3000 4000 5000 6000 7000    d1(mm) 78 110 135 156 191 220 246 270 291    d2(mm) 113 160 196 227 278 320 358 392 423    d(mm) 10.6 15 18.4 21.2 26 30 33.5 36.7 39.7    D(mm) 29.7 42 51.4 59.4 72.7 84 93.9 102.9 111.1    L(mm) 113.1 160 196 226.3 277.1 320 357.8 391.9 423.3    2L(mm) 99 140 171.5 198 242.5 280 313 342.9 370.4
43权利要求17的燃烧器装置，其特征在于至少两个圆周氧化剂空腔间隔距离L，所述燃料空腔的相邻者间隔距离1，且其中L比1大至少2倍。
44权利要求17的燃烧器装置，其特征在于在所述第一燃料平面的所述燃料流体空腔至少一个在所述空腔内有一个管，所述管的外径远小于所述空腔的内径。
45权利要求17的燃烧器装置，其特征在于氧化剂第二平面和所述第一燃料平面安装成以使它们以0°到15°的角汇聚。
46权利要求18的燃烧器装置，其特征在于至少一个空腔其上安装有喷头。
47权利要求46的燃烧器装置，所述喷头伸到燃烧室中。
48权利要求46的燃烧器装置，其特征在于所述喷头的长度应使其不伸到燃烧室中，而是终止于耐火砖内。
49一种改进火焰长度和形状控制的燃烧器装置，其特征为：
一种耐火砖，它有燃料和氧化剂的进口端和燃料和氧化剂的出口端且进一步有单个燃料空腔和多个氧化剂空腔，所述氧化剂空腔定义了一个氧化剂平面，该平面位于耐火砖上部且在燃料空腔之上。
50一种改进火焰长度和形状控制的燃烧器装置，其特征为：
一种耐火砖，它有燃料和氧化剂的进口端和燃料和氧化剂出口端，且进一步有多个燃料空腔和多个氧化剂空腔，所述氧化剂空腔的至少2个定义了第一氧化剂平面，该平面位于耐火砖上部且位于定义燃料平面的燃料空腔的部分之上，其中至少一些氧化剂空腔形成在耐火砖上位置低于第一氧化剂平面的第二平面，其中在第二平面上的至少一个氧化剂空腔中装有一个其直径小于相应氧化剂空腔的燃料喷头。
51一种改进火焰长度和形状控制的燃烧器装置，其特征为：
一种耐火砖，它有燃料和氧化剂的进口端和燃料和氧化剂出口端且还有多个燃料空腔和单个氧化剂空腔，所述氧化剂空腔位于耐火砖上部且在燃料空腔定义的燃料平面部分之上。
52按照权利要求51的燃烧器装置，其特征在于氧化剂空腔有非圆形出口。
53一种燃烧器装置，其特征在于：
a)定义了第一平面的至少两个燃料喷头；
b)至少一个氧化剂喷头；和
c)一个壁，经该壁氧化剂和燃料喷头伸入到燃烧室中，可拆下的喷头固定在壁上，其中氧化剂喷头以向燃烧室的第一平面汇聚的汇聚角为0°到15°被安装。
54一种改进了火焰长度和形状控制的燃烧器装置，其特征为：
一种耐火砖，它有燃料和氧化剂的进口端和燃料和氧化剂出口端且还有至少一个燃料空腔和至少两个氧化剂空腔，所述氧化剂空腔的至少一个位于耐火砖上部并在燃料空腔之上，所述氧化剂空腔的至少一个位于耐火砖下部并在燃料空腔之下。
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