TW201641892A - 用於蓄熱爐的選擇性氧－燃料助推燃燒器系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明關於一種用於具有一對蓄熱器埠口的蓄熱爐之氧-燃料助推燃燒器，該對蓄熱器埠口係建構成輪流朝該爐內點火及從該爐排出廢氣，該氧-燃料助推燃燒器包括：至少一燃燒器構件，該至少一燃燒器構件藉由調位朝該爐的互補區點火而對應該等蓄熱器埠口各者，各燃燒器構件包括經建構成能流出第一反應物的選擇性分布噴嘴及經建構成能流出第二反應物的比例分布噴嘴；及一控制器，其係經編寫程式以分辨那個蓄熱器埠口正在點火及那個蓄熱器埠口正在排氣，而且獨立地控制送到各選擇性分布噴嘴的第一反應物流量以致於對應該正在點火的蓄熱器埠口之至少一燃燒器構件具有比平均第一反應物流量更大的流量而且對應該正在排氣的蓄熱器埠口之至少一燃燒器構件具有比平均第一反應物流量更小的流量。

Description

用於蓄熱爐的選擇性氧-燃料助推燃燒器系統及方法
本案關於一種於蓄熱爐中運用一或更多氧-燃料燃燒器之系統及用於操作於蓄熱爐中的此類燃燒器之方法，為了的提供增強的熱熱轉移率同時改善加熱均勻度而且減少氮氧化物(NOx)的可能形成量。
在習用的蓄熱爐系統中，空氣-燃料燃燒器係以輪流朝成對燃燒器點火以藉由預熱在操作該成對燃燒器中第二者期間所用的空氣從該成對燃燒器中第一者的煙道氣回收能量。特別是，當該第一燃燒器在點火而且接著釋出能量(當熱能)給往該第二燃燒器的空氣流時電容式熱交換器(例如，耐火材料)係用以從該煙道氣吸收能量(當熱能)，反之亦然。當各燃燒器在點火時，另一燃燒器的空氣通道則當該煙道氣導管用，而且包括該電容式熱交換器，而且該等燃燒器週期性地在當燃燒器點火及用作該煙道氣導管之間往復循環。
圖9中顯示端埠蓄熱爐(end-port regenerative furnace)100的構型之一實例。該爐經常使用二燃燒器埠口110、130輪流扮作燃燒器及煙道以蓄熱方式操作。該爐以前壁102、後壁120及第一側壁114和第二側壁134，還有頂部(沒顯示)為界，該第一側壁114和第二側壁134各自從該前壁102延伸至該後壁120。把要被熔融的填料，例如玻璃或金屬，裝入該爐100而且置於該爐100內的適當位置。
在端埠構型中，把第一蓄熱器埠口110及第二蓄熱器埠口130安裝於該前壁102中。在第一操作模式中，把燃料及空氣供應給該第一蓄熱器埠口110而且在該爐10中燃燒，而熱燃燒產物係以煙道氣形式經由該第二蓄熱器埠口130的空氣供應開口排放。該等燃燒氣體行經該爐100中大抵上U-形的通道。在第二操作模式中，把燃料及空氣供應給該第二蓄熱器埠口130而且在該爐100中燃燒，而熱燃燒產物係以煙道氣形式經由該第一蓄熱器埠口110的空氣供應開口排放。煙道(沒顯示)可被設於該爐100的適當位置以助於產生保持該U-形流型的通風裝置(draft)。爐操作係於該第一與第二模式之間輪流，以致於該等蓄熱器埠口110、130係週期性地操作當成燃燒器埠口及排氣埠口，而且該二模式之間的轉換靠預定時標發生，例如每10至30分鐘。熱交換器(也被稱作蓄熱器)係設於各蓄熱器埠口110、130的適當位置使向內流經該蓄熱器埠口的空氣及向外流經該蓄熱器埠口的廢氣通過該熱交換器，藉以利用從離去的廢氣回收的熱預熱進來的空氣。
如果用該成對或輪流點火的蓄熱爐構型，有時候難以將該成對燃燒器放在熔融/加熱製程中的最佳位置以便獲 得均勻加熱。為了確保當該第一蓄熱器埠口在點火時大部分煙道氣通過該第二蓄熱器埠口離去，加入通風裝置，其會造成煙道氣的短暫循環及可能的能量分布不均勻。舉例來說，該爐100中可能存有冷點(cold spot)122，造成延長的循環時間。這樣的冷點常見於該U-形通道基部，特別是在比起其寬度且比起由該等蓄熱器埠口燃燒器110、130發出的火焰所能及的區域相對較長之爐100中。
策略設置的氧-燃料燃燒器能提供該爐中的能量助推，目標瞄準那些冷點，以改善加熱均勻性、效率及生產力，而不需明顯加大煙道氣容量。至於氧氣增濃在空氣-燃料爐中的其他用途，提高燃燒效率及較高火焰溫度可能有益處。然而氧-燃料燃燒器加入空氣-燃料點火爐也可能不利地增加NOx排出量。參見“Oxygen-Enhanced Combustion,”Charles E.Baukal，編輯，CRC Press,1998(48頁，圖2.1)，其描述在氧化劑中的氧接近45至50%有一NOx波峰，而且由於該氧化劑中較低氮濃度的結果使NOx於高於55%氧下滑落。以前在空氣-燃料點火的蓄熱爐中利用氧氣增濃的試圖皆未曾克服此問題。
一種選擇性助推燃燒器系統及方法係供增加爐中的火焰涵蓋範圍及視界因子，及使減少冷點進而更均勻的爐加熱成為可能。如本文界定的，氧-燃料助推燃燒器可提供1%至90%的燃燒能給該爐，或在不同具體實施例中，至少 5%、至少10%、至少20%、至少30%、或至少40%；或少於90%、少於80%、少於70%、少於60%、或少於50%；或前述上限和下限的組合。該燃燒器的構型使空間上和時間上同時最適宜的熱通量傳遞變得可能，所以使爐中能達成而且保持均勻溫度分布。均勻熱通量係藉由將該熱通量指向適當位置，舉例來說以爐幾何形狀為基礎，或以一或更多感測器的即時反饋(real-time feedback)為基礎的算法求得，經過一定時間。該燃燒器及方法使能碰到爐中填料以提供改良熔融作用，同時使氧化性熔融損失最小化之選擇性更長且更具穿透力的火焰變得可能。特別是，使多重高動量火焰依循環方式指向該熔融物。過度加熱得以避免而且能量在該熔融浴上面分布的更均勻。該燃燒器具有多數獨立燃燒器構件，位於一外殼中或分散於多於一外殼中。各燃燒器構件依鈍態或活動狀態具有其自己的火焰，該鈍態或活動狀態能依不同圖案及頻率調節以達成希望的熱通量外廓。各活動火焰與該爐中的火焰帶有關。
如本文所述，調整由該選擇性助推燃燒器實現的氧-燃料燃燒以摹擬蓄熱爐的循環操作或與其同時發生。這能利用單一助推燃燒器或多數助推燃燒器達成，該單一助推燃燒器或多數助推燃燒器係關聯該蓄熱器燃燒器策略設立於該爐中以根據該爐的需求運送能量同時使該爐中的氧-燃料助推火焰與空氣-燃料蓄熱器火焰之間的互相影響最小化。
以下說明助推燃燒器系統的不同具體實施例。
態樣1：一種用於具有一對蓄熱器埠口的蓄熱爐 之氧-燃料助推燃燒器，該對蓄熱器埠口係建構成輪流朝該爐內點火及從該爐排出廢氣，該助推燃燒器包含：至少二燃燒器構件，其中該等燃燒器構件中之至少一者對應該等蓄熱器埠口各者使得一蓄熱器埠口及其相應的至少一燃燒器構件係經調位以朝該爐的互補區點火，各燃燒器構件包含：經建構成能流出第一反應物的選擇性分布噴嘴；及經建構成能流出第二反應物的比例分布噴嘴；以及一控制器，其係經編寫程式：以分辨那個蓄熱器埠口正在點火及那個蓄熱器埠口正在排氣；及以獨立地控制送到各分布噴嘴的第一反應物流量以致於對應該正在點火的蓄熱器埠口之至少一燃燒器構件在活動而且對應該正在排氣的蓄熱器埠口之至少一燃燒器構件為鈍態，其中該活動燃燒器構件的選擇性分布噴嘴中之第一反應物流量大於送到該等選擇性分布噴嘴的平均第一反應物流量而且該鈍態燃燒器構件的選擇性分布噴嘴中之燃料流量小於送到該等選擇性分布噴嘴的平均第一反應物流量，而且其中該第一反應物係燃料及氧化劑中之其一而且其中該第二反應物係燃料及氧化劑中之另一者。
態樣2：如態樣1之助推燃燒器，其中該比例分布噴嘴係環繞該選擇性分布噴嘴的環形噴嘴。
態樣3：如態樣1或2之助推燃燒器，其中該第一反應物係燃料而且該第二反應物係氧化劑。
態樣3a：如態樣1或2之助推燃燒器，其中該第一反應物係氧化劑而且該第二反應物係燃料。
態樣4：如態樣3之助推燃燒器，其另外包含： 至少一分段噴嘴與該等燃燒器構件各者間隔開而且係建構成流出輔助氧化劑；其中該控制器係經進一步編寫程式以將分段比控制成小於或等於約75%，其中該分段比係該輔助氧化劑流所含的氧對流過該等比例分布噴嘴及該分段噴嘴的氧化劑總和之比率。
態樣5：如態樣1至4之助推燃燒器，其中該等蓄熱器埠口係安裝於該爐的端壁中，而且其中該助推燃燒器係安裝於該爐的相對端壁中。
態樣6：如態樣1至4之助推燃燒器，其中該等蓄熱器埠口係設於接近該爐的端壁之相對側壁中，各蓄熱器埠口與其個別側壁成非直角，而且其中該助推燃燒器係安裝於該爐的相對端壁。
態樣7：如態樣1至4之助推燃燒器，其中該等蓄熱器埠口係設於接近該爐的端壁之相對側壁中，各蓄熱器埠口與其個別側壁成非直角，而且其中該助推燃燒器係安裝於該爐的頂部。
態樣8：如態樣1之助推燃燒器，其中該等燃燒器構件係安裝於相同外殼中。
態樣9：如態樣1之助推燃燒器，其中該等燃燒器構件中之至少一者係安裝於與該等燃燒器構件中之至少一其他者分開的外殼中。
態樣10：如態樣1之助推燃燒器，其中該控制器係經編寫程式以將送到鈍態選擇性分布噴嘴的第一反應物流量控制成大於0而且小於或等於該活動選擇性分布噴嘴的第 一反應物流速之一半。
態樣11：如態樣1之助推燃燒器，其中流過該等燃燒器構件的氧化劑具有等於或大於約70%的氧濃度。
態樣12：如態樣1之助推燃燒器，其中該活動燃燒器構件的選擇性分布噴嘴具有一活動噴流流速而且其中該鈍態燃燒器構件的選擇性分布噴嘴具有一鈍態噴流流速；而且其中該控制器係經編寫程式以將該活動噴流流速對該鈍態噴流流速的比率控制成約5至約40.
態樣13：如態樣1之助推燃燒器，其中鈍態燃燒器構件具有約0.2至約1的當量比，而且其中活動燃燒器構件具有約1至約10的當量比，其中該當量比係燃燒通過該燃燒器構件的實際燃料流量所需之理論化學計量氧化劑流量對通過該燃燒器構件的實際氧化劑流量之比率。
態樣14：一種具有第一及第二端壁之蓄熱爐，第一及第二端壁接合該等端壁、頂部及以該等端壁、側壁和頂部為界的艙，該爐包含：一對蓄熱器埠口，其係建構成輪流朝該艙內點火及從該艙排出廢氣，各蓄熱器埠口界定了從前述蓄熱器埠口伸入該艙的火焰帶；一氧-助推燃燒器，其包含至少二燃燒器構件，各燃燒器構件界定了從前述燃燒器構件伸入該艙的火焰帶，以致於至少一燃燒器構件界定了與該等蓄熱器埠口各者所界定的火焰帶實質上不重疊之火焰帶，各燃燒器構件包含：經建構成能流出第一反應物的選擇性分布噴嘴；及經建構成能流出第二反應物的比例分布噴嘴；以及一控制器，其係經編寫程式：以分辨那個蓄熱器埠口正在點 火及那個蓄熱器埠口正在排氣；以把具有與該正在點火的蓄熱器埠口的火焰帶實質上不重疊之火焰帶的至少一燃燒器構件稱作活動而且把剩下的燃燒器構件稱作鈍態；及以將送到各活動燃燒器構件的選擇性分布噴嘴之第一反應物流量獨立地控制成大於送到該等選擇性分布噴嘴的平均第一反應物流量而且將送到各鈍態燃燒器構件的選擇性分布噴嘴之第一反應物流量控制成小於送到該等選擇性分布噴嘴的平均第一反應物流量；其中該第二反應物實質上依比例分配給該等比例分布噴嘴；及其中該第一反應物係燃料及氧化劑中之其一而且其中該第二反應物係燃料及氧化劑中之另一者。
態樣15：一種具有一對蓄熱器埠口的蓄熱爐中助推燃燒器之操作方法，該對蓄熱器埠口係建構成輪流朝該爐內點火及從該爐排出廢氣，該燃燒器具有至少二燃燒器構件，各燃燒器構件包含鄰近比例分布噴嘴的選擇性分布噴嘴，該燃燒器另外具有經編寫程式以獨立地控制送到各燃燒器構件的選擇性分布噴嘴之第一反應物流量的控制器，該方法包含：使第二反應物於第二反應物流速下流過該等比例分布噴嘴各者；分辨那個蓄熱器埠口正在點火及那個蓄熱器埠口正在排氣；將該等選擇性分布噴嘴中之至少其一選定為活動性及將該等選擇性分布噴嘴中之至少其一選定為鈍態，該至少一活動分布噴嘴具有與該正在點火的蓄熱器埠口的火焰帶互補之火焰帶；使該第一反應物於活動噴流流速下流過該至少一活動選擇性分布噴嘴；及使該第一反應物於鈍態噴流流速下流過該至少一鈍態選擇性分布噴嘴；其中該活動噴流 流速大於通過該等選擇性分布噴嘴的平均流速而且該鈍態噴流流速小於通過該等選擇性分布噴嘴的平均第一反應物流速；而且其中該第一反應物係燃料及氧化劑中之其一而且其中該第二反應物係燃料及氧化劑中之另一者。
態樣16：如態樣1之助推燃燒器，其中該等燃燒器構件係佈置於同一直線上。
態樣17：如態樣1之助推燃燒器6，其另外包含介於各相鄰對燃燒器構件之間的分段噴嘴，而且各分段噴嘴係實質上等距離設置於二燃燒器構件之間。
本發明的其他態樣係描述於下文。
A‧‧‧燃燒器構件傾斜角度
B‧‧‧燃燒器構件傾斜角度
Γ‧‧‧燃燒器構件傾斜角度
A‧‧‧燃燒器構件
b‧‧‧燃燒器構件
c‧‧‧燃燒器構件
d‧‧‧燃燒器構件
A‧‧‧活動噴流
F1‧‧‧第一流體
F2‧‧‧第二流體
F3‧‧‧第三流體
P‧‧‧鈍態噴流
10‧‧‧選擇性助推燃燒器
11‧‧‧選擇性助推燃燒器
12‧‧‧本體
14‧‧‧面部
20‧‧‧燃燒器構件
20a‧‧‧燃燒器構件
20b‧‧‧燃燒器構件
20c‧‧‧燃燒器構件
20d‧‧‧燃燒器構件
22‧‧‧選擇性分布噴嘴
23‧‧‧控制閥
24‧‧‧環形比例分布噴嘴
26‧‧‧控制閥
27‧‧‧旁通通道
28‧‧‧控制閥
29‧‧‧歧管
30‧‧‧分段噴嘴
32‧‧‧控制閥
100‧‧‧端埠蓄熱爐
102‧‧‧前壁
105‧‧‧控制器
110‧‧‧燃燒器埠口
112‧‧‧空氣-燃料火焰
114‧‧‧第一側壁
120‧‧‧後壁
121‧‧‧次要冷點
122‧‧‧冷點
130‧‧‧燃燒器埠口
131‧‧‧回流
132‧‧‧空氣-燃料火焰
134‧‧‧第二側壁
140‧‧‧氧-燃料助推燃燒器
142‧‧‧氧-燃料火焰
150‧‧‧氧-燃料助推燃燒器
152‧‧‧氧-燃料火焰
200‧‧‧端埠蓄熱爐
240‧‧‧選擇性氧-燃料助推燃燒器
242‧‧‧火焰帶
244‧‧‧火焰帶
248‧‧‧外殼
250‧‧‧外殼
310‧‧‧蓄熱器埠口
312‧‧‧空氣-燃料火焰
330‧‧‧蓄熱器埠口
332‧‧‧空氣-燃料火焰
圖1A係有氧化劑分段的選擇性助推燃燒器具體實施例之端視透視圖。
圖1B係沒有氧化劑分段的選擇性助推燃燒器具體實施例之端視透視圖。
圖2A係如圖1A有分段的選擇性助推燃燒器具體實施例之對照組示意圖。
圖2B係如圖1B沒有分段的選擇性助推燃燒器具體實施例之對照組示意圖。
圖3係如圖1A及1B的選擇性助推燃燒器具體實施例之操作順序示意圖。
圖4係顯示選擇性助推燃燒器之二具體實施例的噴嘴取 向之端視示意圖。
圖5A(a)至5A(e)係有分段的選擇性助推燃燒器的不同具體實施例之端視圖。圖5A(a)顯示中央分段噴嘴被徑向向外傾斜的四燃燒器構件環繞之燃燒器；圖5A(b)顯示中央分段噴嘴被沿外接圓切線傾斜的四燃燒器構件環繞之燃燒器；圖5A(c)顯示使燃燒器構件與分段噴嘴交替的共線佈置之燃燒器，其中幾乎該中央分段噴嘴皆向外傾斜；圖5A(d)顯示具有與長孔分段噴嘴主軸毗鄰而且實質上平行的四共線燃燒器構件之燃燒器；而且圖5A(e)顯示與各燃燒器構件主軸毗鄰而且實質上平行的一對校直扁平焰燃燒器構件及一對共線分段噴嘴。
圖5B(a)至5B(f)係沒有分段的選擇性助推燃燒器之不同具體實施例的端視圖。圖5B(a)顯示具有四燃燒器構件徑向向外傾斜之燃燒器；圖5B(b)顯示具有四燃燒器構件沿外接圓切線傾斜的燃燒器；圖5B(c)顯示具有各自遠離別的燃燒器向外傾斜的二共線燃燒器構件之燃燒器；圖5B(d)顯示具有在相鄰對中與別的相鄰對向外傾斜的四共線燃燒器構件之燃燒器；而且圖5B(e)顯示一對校直扁平焰燃燒器構件。圖5B(f)顯示具有多列共線燃燒器構件之燃燒器。
圖6顯示各燃燒器構件內的選擇性分布噴嘴之不同可能幾何形狀。
圖7係顯示選擇性助推燃燒器的二可能安裝取向之一類型爐的透視圖。
圖8係依發光及不發光模式操作，於爐例如圖7中的，習用氧-燃料燃燒器、習用分段氧-燃料燃燒器及選擇性助推燃 燒器的相對刻度NOx產量數據之比較圖。
圖9係示範的空氣-燃料點火端埠蓄熱爐之示意平面圖。
圖10係顯示連續點火氧-燃料助推燃燒器的對比構型之端埠蓄熱爐的示意平面圖。
圖11係端埠蓄熱爐的示意平面圖，其顯示有多重燃燒器構件裝入單一外殼中之安裝於端壁的選擇性助推燃燒器之運行法。
圖12係端埠蓄熱爐的示意平面圖，其顯示有多重燃燒器構件分配到二或更多獨立外殼中之安裝於端壁的選擇性助推燃燒器之構型。
圖13係傾斜側埠蓄熱爐的示意平面圖，其顯示有多重燃燒器構件裝入單一外殼中之安裝於端壁的選擇性助推燃燒器之構型。
圖14係傾斜側埠蓄熱爐的示意平面圖，其顯示有多重燃燒器構件分配到二或更多獨立外殼中之安裝於端壁的選擇性助推燃燒器之構型。
圖15係傾斜側埠蓄熱爐的示意平面圖，其顯示安裝於頂部的選擇性助推燃燒器之構型。
圖1A描繪有一反應物分段的選擇性助推燃燒器10具體實施例(亦即，“分段燃燒器”)，而圖1B描繪沒有任一反應物分段的選擇性助推燃燒器11具體實施例(亦即，無分段燃燒器”)。該燃燒器10及11各自包括具有面部14的本體 12，其中當該燃燒器10或11係安裝於爐(舉例來說如圖7或圖11至15)中時，該面部14係暴露於該爐的燃燒帶。
該無分段燃燒器11包括經定向以便界定一外接圓的多數燃燒器構件20(參見圖4)，而且該等燃燒器構件20較佳地等間隔圍繞於該外接圓。該分段燃燒器10另外包括置於該外接圓內的適當位置之至少一分段噴嘴30。為達參照的目的，描繪一活動噴流(A)及一鈍態噴流(P)，以顯示該活動噴流具有比該鈍態噴流更大的火焰。
分別描繪於圖1A及1B的燃燒器10及11各自具有依大約90°間隔隔開的四燃燒器構件20。然而，咸了解該燃燒器10或11可包括等於或大於2之任何數目n的燃燒器構件20。舉例來說，燃燒器10或11可能具有經隔開成直徑上對置的二燃燒器構件20(如圖5A(d)及5B(d)所示)，或替換地依大約120°間隔隔開的三燃燒器構件20，或依奇數間隔隔開的五或更多燃燒器構件20。咸亦了解關於爐幾何形狀、構型或操作條件，可能希望的是具有多數燃燒器構件20非等間隔圍繞於該外接圓的燃燒器10或11。在另一替代方案中，該燃燒器10或11可能具有依據該爐幾何形狀及構型，經調位界定出圓以外的幾何形狀，舉例來說橢圓形或不規則多邊形，之多數燃燒器構件20。
除此之外，該無分段燃燒器11可包括置於爐中的不同位置處之多重外殼中，但是如本文所述依協同選擇性方式操作的二或更多燃燒器構件20，而非在同一外殼中的所有燃燒器構件20。
圖1A的分段燃燒器10具有一佈置於中央的分段噴嘴30。然而，咸了解可能裝備多數分段噴嘴30，其中該等分段噴嘴30可能全為相同尺寸或不同尺寸。附帶地，依據爐幾何形狀、希望的火焰特性、個別燃燒器構件20的取向及其他因子，該(等)分段噴嘴30可能偏心佈置於該等燃燒器構件20所界定的外接圓內。該分段噴嘴30可為任何形狀。
在該分段燃燒器10及該無分段燃燒器11二者中，各燃燒器構件20包括被環形比例分布噴嘴24環繞的選擇性分布噴嘴22。選擇性分布反應物係流經該選擇性分布噴嘴22，而比例分布反應物係流經該環形比例分布噴嘴24，其中有一反應物係燃料而且另一反應物係氧化劑。在該分段燃燒器10中，使一部分該比例分布反應物也流過該分段噴嘴30。在該燃燒器10或11之一具體實施例中，燃料係流經該選擇性分布噴嘴22當成該選擇性分布反應物，而氧化劑係流經該環形比例分布噴嘴24當成該比例分布反應物。在該燃燒器10或11之另一具體實施例中，氧化劑係流經該選擇性分布噴嘴22的選擇性分布反應物而且燃料係流經該環形比例分布噴嘴24的比例分布反應物。再者，在該燃燒器構件20之可供選擇的具體實施例中，該比例分布噴嘴24不一定是環形，而是能包括設於緊密相鄰該選擇性分布噴嘴22的適當位置之一或更多噴嘴。舉例來說，一比例分布噴嘴24可能鄰近該選擇性分布噴嘴22，或多數比例分布噴嘴24可能設於鄰近或沿圓周圍繞該選擇性分布噴嘴22的適當位置。在任何構型中，該比例分布噴嘴24(或噴嘴24)理應夠接近該選擇性分布 噴嘴22使該燃料及氧化劑互相影響並且燃燒以形成安定的火焰。
在該分段燃燒器10中，與該分段噴嘴30相比通過該等環形比例分布噴嘴24引進的比例分布反應物之比例能經調整以保持穩定的燃燒器操作及/或控制火焰性質例如熱釋放曲線。該措辭“分段比”表示流經該分段噴嘴30的比例分布反應物的量除以流經該分段噴嘴30及該等環形比例分布噴嘴24的比例分布反應物合起來的總量。
如本文所用的，該措辭“燃料”表示能用於燃燒反應中充當燃料的任何含烴物質。較佳地，該燃料係氣態燃料，例如天然氣，但是該燃料也可能是霧化液體燃料或於載運氣體中的粉碎固體燃料。如本文所用的，該措辭“氧化劑”表示能於燃燒反應中將燃料氧化的任何含氧物質。氧化劑可能是空氣、污濁空氣(亦即，含有少於約20.9%氧的氣體)、富氧空氣(亦即，含有多於約20.9%氧的氣體)或基本上純的氧(亦即，含有大約100%氧的氣體)。在不同具體實施例中，該氧化劑係具有至少約23%、至少約26%、至少約40%、至少約70%或至少約98%的氧濃度之富氧空氣。
該選擇性分布噴嘴22可能具有任何形狀。可行示範形狀的子集係顯示於圖6，其包括長孔噴嘴(圖6a)、單長孔噴嘴(圖6b)、圓形噴嘴(圖6c)及多孔噴嘴(圖6d)。可行的噴嘴形狀更詳細的討論能於US 6,866,503中見到，在此以引用的方式將其全文併入本文。舉例來說，為了藉著高輻射轉移性質產生發光火焰，能使用形狀因子小於10的選擇性分布噴 嘴22，而為了產生可能具有較低NOx的非發光火焰，能使用形狀因子為10或更大的選擇性分布噴嘴。就熔融操作而言可能偏好發光模式。注意高形狀因子噴嘴能包括多孔噴嘴。如US 6,866,503中詳細描述的，該形狀因子，σ，係定義為周長，P，的平方除以2倍截面積，A，或以方程式項定義：σ=P2/2A.
如上所述，圖2A顯示分段燃燒器10的簡化對照組示意圖，而且圖2B顯示無分段燃燒器11的簡化對照組示意圖。第一流體F1係於由控制閥23所控制的總流速下供應給該等選擇性分布噴嘴22。該第一流體F1送到各選擇性分布噴嘴22的流量係單獨控制。在一具體實施例中，在各選擇性分布噴嘴22上游的控制閥26係於高流量與低流量位置之間調整，其分別對應含有該選擇性分布噴嘴22的燃燒器構件20之活動狀態及鈍態狀態。在一可供選擇的具體實施例中，該控制閥26與旁通通道27並聯佈置。在此具體實施例中，該控制閥26係於開閥位與閉閥位之間調整，此外其分別對應該燃燒器構件20的活動及鈍態狀態，而該旁通通道27使較小量流能繞過該控制閥26，所以有一些第一流體F1始終流至該選擇性分布噴嘴22，即使是在該鈍態狀態下亦同。送到各選擇性分布噴嘴22的流速能調設成使送到各選擇性分布噴嘴22的第一流體F1的活動狀態流速可能不同或相同，而且送到各選擇性分布噴嘴22的第一流體F1的鈍態狀態流速可能不同或相同，其取決於特定爐或應用的要件。
任一配置的效果在於相對較高活動流速與相對 較低鈍態流速之間調整通過該選擇性分布噴嘴22的流量。舉例來說，活動流速可被定義成大於送到該等選擇性分布噴嘴22的平均流速之流速，而鈍態流速可被定義成小於送到該等選擇性分布噴嘴22的平均流速之流速。該平均流速係藉由將該第一流體F1的總流速除以該選擇性分布噴嘴22/燃燒器構件20的總數n求出。該活動流速與該鈍態流速之間的其他關係皆可使用，而且該活動流速始終比該鈍態流速更大。
不管該活動及鈍態流速如何求出，該鈍態流速必須大於0流量。該鈍態流速足以保持各燃燒器構件20中的燃燒，以便當燃燒器構件20從該鈍態狀態轉換成該活動狀態時提供立即點火的機構。該非0鈍態流速也防止該選擇性分布噴嘴22有外來材料進來。在一具體實施例中，該鈍態流速小於或等於該活動流速的一半。在另一具體實施例中，該活動流速對該鈍態流速的比率係至少約5而且不大於約40。在又另一具體實施例中，該活動流速對該鈍態流速的比率係至少約15而且不大於約25。
第二流體F2係供應給該等環形比例分布噴嘴24。控制閥28控制送到該等環形比例分布噴嘴24的第二流體F2之總流速，而且歧管29分配大約等於越過該n個環形比例分布噴嘴24的流量。
在該分段燃燒器10(圖2A)中而非在該無分段燃燒器11(圖2b)中，第三流體F3係供應給該分段噴嘴30，而且而且該第三流體F3的流速係藉由控制閥32來控制。該分段噴嘴30可包括渦漩輪葉或加諸於離去該分段噴嘴30的第 三流體F3渦漩的其他機構(沒顯示)。加諸於該第三流體F3的渦漩將會造成流體噴流瓦解，其能助於該第三流體F3噴流被該(等)活動噴流霧化。然而，強烈渦漩並不適宜，因為其可能在流結構中佔主要地位而且改變火焰形狀。
該第二流體F2及該第三流體F3含有相同類型的反應物，燃料或或氧化物中任一者。舉例來說，當該第一流體F1係燃料時，該第二流體F2及該第三流體F3各自為氧化劑，而且當該第一流體F1係氧化劑時，該第二流體F2及該第三流體F3各自為燃料。在一具體實施例中，該第二流體F2及該第三流體F3係不同流體，亦即，各自具有相同反應物(燃料或氧化劑)但是不同濃度。在此案例中，該控制閥28及該控制閥32必定為單獨閥以控制該二流體F2及F3。在一可供選擇的具體實施例中(沒顯示)，當該第二流體F2及該第三流體F3係具有相同濃度的相同反應物之相同流體時，分段閥能代替該控制閥28及該控制閥32被用以分配大約等於該n個比例分布環形噴嘴24的一部分流及剩下部分的流給該分段噴嘴30。
在圖2A及2B描繪的具體實施例中，送到該等環形比例分布噴嘴24各者的第二流體F2流速並未被單獨控制。結果，當該控制閥28開啟時各環形比例分布噴嘴24始終流出約該第二流體F2的平均流速。該平均流速係藉由將該第二流體F2的總流速除以該環形比例分布噴嘴24/燃燒器構件20的總數n求出。或者，可單獨地控制送到各環形比例分布噴嘴24的第二流體F2流速。
在圖2A及2B描繪的具體實施例中，因為送到各環形比例分布噴嘴24的第二流體F2流速約為相同，所以各燃燒器構件20依據到底該燃燒器構件20當時處於活動性或鈍態而根據兩側之一的計量化學操作。當燃燒器構件20係處於該活動狀態時，該燃燒器構件20脫離計量化學，而且有時候完全脫離計量化學，依一方向操作，而且當該燃燒器構件20係處於該鈍態狀態時，該燃燒器構件20脫離計量化學，而且有時候完全脫離計量化學，依相反方向操作。舉例來說，當該第一流體F1係燃料及該第二流體F2係氧化劑時，處於該活動狀態的燃燒器構件20能以富有燃料的方式操作而且處於該鈍態狀態的燃燒器構件20能以燃料貧乏的方式操作。或者，當該第一流體F1係氧化劑及該第二流體F2係燃料時，處於該活動狀態的燃燒器構件20能以燃料貧乏的方式操作而且處於該鈍態狀態的燃燒器構件20能以富有燃料的方式操作。然而，因為該燃料及氧化劑的總流量係藉由控制閥23及28(而且也藉由分段控制閥32)來控制，所以不管有多少燃燒器構件20係處於該活動狀態與該鈍態狀態的對比，該燃燒器10的總體計量化學仍舊相同。
各燃燒器構件20操作時的計量化學之特徵可為當量比。關於指定的燃料流速，把該當量比當成理論計量化學氧流量對實際氧流量之比率求得。關於身為100%氧的氧化劑，該氧流量等於該氧化劑流量。關於氧百分比X小於100%的氧化劑，氧化劑流中的氧流量係藉由將該氧化劑流速除以氧百分比X求出；舉例來說，為了利用含有40%氧的氧化劑 滿足100SCFH的氧必要條件，需要250SCFH的氧化劑。
下列討論有關該第一流體F1係燃料而且該第二流體F2係氧化劑(無分段燃燒器)，及該第一流體F1係燃料而且該第二流體F2及該第三流體F3二者皆為氧化劑(分段燃燒器)的具體實施例。當燃燒器構件20處於該鈍態狀態時，該當量比小於約1，而且較佳為至少約0.2。這意味著鈍態燃燒器構件20係以燃料貧乏的方式利用多到5倍於完全燃燒所需的氧操作。相對之下，當燃燒器構件20處於該活動狀態時，該當量比大於約1，而且較佳為不大於約10。這意味著活動燃燒器構件20係以富有燃料的方式利用少到完全燃燒所需的氧之10%操作。
分段比，在分段燃燒器的情況中，係定義成流經該分段噴嘴30的反應物量對流經該等環形比例分布噴嘴24及該分段噴嘴30的反應物總量之比率。舉例來說，當該第二流體F2及該第三流體F3係氧化劑時，該分段比係該分段噴嘴30所提供的氧量除以該分段噴嘴30及該等環形比例分布噴嘴24合起來提供的氧總量。若該第二流體F2及該第三流體F3係相同流體(亦即，具有相同氧濃度)，則該分段比簡單來說是該第三流體F3流速除以該第二流體F2流速及該第三流體F3流速的總和。但是若該第二流體F2及該第三流體F3係不同流體(亦即，分別具有不同氧濃度X2及X3)，則該分段比把濃度差考慮在內計算成X 3 F 3/(X 2 F 2+X 3 F 3)，如同熟悉此技藝者所了解的。
該分段燃燒器10較佳為藉著等於或小於約75% 的分段比操作。舉例來說，當氧化劑被分段時，亦即，當該第二流體F2及該第三流體F3係氧化劑時，至少約25%送到該燃燒器10的氧係流經該等環形比例分布噴嘴24而且使不多於約75%的氧流經該分段噴嘴30。更佳地，該分段燃燒器10係藉著等於或小於約40%的分段比來操作。再者，如以上討論的，由於該等燃燒器構件20各者的活動或鈍態操作，於某時間時為活動性的一或更多燃燒器構件20利用比計量化學過量的第一流體F1操作，而鈍態的一或更多燃燒器構件20利用比計量化學過量的第二流體F2操作，從而提供些微分段效果，甚至是沒將該分段噴嘴30所提供的第三流體F3考慮在內亦同。
再者，甚至該無分段燃燒器11也藉著些微“分段”效果操作，其中該等活動燃燒器構件20以富有該第一流體F1的方式操作而且該等鈍態燃燒器構件以該第一流體F1貧乏的方式操作，以致於某些來自該等活動燃燒器構件20的第一流體F1藉著一些來自該等鈍態燃燒器構件20的第二流體F2以更延遲散佈的方式燃燒。舉例來說，當該第一流體F1係燃料及該第二流體F2係氧化劑時，該等活動燃燒器構件20富有燃料，而且該過量燃料有些利用來自燃料貧的鈍態燃燒器構件20之過量氧化劑燃燒。
該離去活動選擇性分布噴嘴22的第一流體F1具有取決於該第一流體F1流速及該選擇性分布噴嘴22截面積的活動噴流速度。該離去環形比例分布噴嘴24的第二流體F2具有取決於該第一流體F2流速及該環形比例分布噴嘴24截 面積的環形噴流速度。在該分段燃燒器10中，該離去分段噴嘴30的第三流體F3具有取決於該第三流體F3流速及該分段噴嘴30截面積的分段噴流速度。就該分段燃燒器10及該無分段燃燒器11二者而言該活動噴流速度較佳皆高於該環形噴流速度。
除此之外，為了該分段燃燒器10的最適效能，該分段噴流速度應該小於或等於該活動噴流速度，而且高於或等於該活動噴流速度的約0.05倍。在一具體實施例中，該分段噴流速度對該活動噴流速度的比率小於或等於約0.4。在另一具體實施例中，該分段噴流速度對該活動噴流速度的比率高於或等於約0.1。
以一垂直點火裝置(安裝於頂部)測試之一示範具體實施例中，該通過活動選擇性分布噴嘴22的第一流體F1噴流速度係至少約250ft/s而且較佳為至少約300ft/s，而且該通過鈍態選擇性分布噴嘴22的速度係該活動噴流速度的約20%。關於一水平點火裝置，該活動噴流速度可能低相當多，因為較不需要費心除去飄浮效應以避免燒嘴磚(burner block)過熱。
所有控制閥23、26、28及32皆連接至而且受控於控制器105，該控制器105清楚地被編寫或建構成能操作該燃燒器10。該控制器105可包括習用電子裝置組件例如CPU、RAM、ROM、I/O裝置，而且該控制器105的程式設計或構型可藉由硬體、韌體、軟體及現在已知或後來發展出來用於把操作指令編寫至控制器中的任何其他機構中的一或多者之 組合完成。
如上所述，該等流體F1及F2中之其一必定或含有燃料，而且該等流體F1及F2中之另一者必定是氧化劑或含有氧。在一分段燃燒器10中，該第三流體F3應該是與該第二流體F2相同類型的流體(燃料或氧化劑)。該燃料可能是氣態燃料、液態燃料或於氣態載劑中的粉碎固體燃料。在無分段燃燒器11之一具體實施例中，F1係燃料而且F2係氧化劑。在分段燃燒器10之一具體實施例中，F1係燃料而且F2及F3係氧化劑。在此案例中，F2及F3可能是相同氧化劑，或F2及F3可能是不同氧化劑。舉例來說，於一較佳具體實施例中，就分段燃燒器10或無分段燃燒器11而言，F1係氣態燃料例如天然氣，F2係氧濃度等於或大於約70%的氧化劑。就此具體實施例中的分段燃燒器10而言，F3係濃度等於或大於約20.9%的氧化劑。於另一類似具體實施例中，F1係氣態燃料例如天然氣，F2係氧濃度大於空氣的氧化劑，而且在該分段燃燒器版本中，F3係空氣。
在一可供選擇的具體實施例中，F1係氧化劑而且F2(及分段案例中的F3)係燃料。在此案例中F1之氧濃度等於或大於約26%，較佳地等於或大於約40%，而且更佳地等於或大於約70%。
圖3顯示關於圖1A及1B例示的燃燒器10及11的具體實施例之一可行的操作順序。為了討論的目的，把該四燃燒器構件20標示成a、b、c及d。如所示，一時間僅一燃燒器構件20在活動，而剩下的燃燒器構件20則為鈍態， 而且各燃燒器構件20在先前活動燃燒器構件20回復該鈍態狀態時接連轉換成該活動狀態。
特別是，在所描繪的具體實施例中，燃燒器構件20a在活動，同時燃燒器構件20b、20c及20d為鈍態。換句話說，各燃燒器構件20中之各自環形噴嘴24在接收大約相等流量的第二流體F2，而且僅燃燒器構件20a中的選擇性分布噴嘴22在接收較高活動流量的第一流體F1，而其他燃燒器構件20b、20c及20d中的選擇性分布噴嘴22在接收較低鈍態流量的第一流體F1。這造成該活動燃燒器構件20a發出的較長且更具穿透力的火焰及該等鈍態燃燒器構件20b、20c及20d發出的較短(引燃)火焰。如所描繪的具體實施例進一步顯示的，當燃燒器構件20b變成活動性時，燃燒器構件20a恢復該鈍態狀態，而且燃燒器構件20c及20d保持鈍態。接下來，當燃燒器構件20c變成活動性時，燃燒器構件20b恢復該鈍態狀態而且燃燒器構件20c及20a保持鈍態。最終，當燃燒器構件20d變成活動性時，燃燒器構件20d恢復該鈍態狀態而且燃燒器構件20a及20b保持鈍態。
圖3所示及上述順序僅為基本上無限制變化中之其一。在一無限制實例中，一燃燒器構件20在某時間依一重複順序例如a-b-c-d或a-b-d-c或a-c-b-d或a-c-d-b活動。在另一無限制實例中，一燃燒器構件20在某時間依無規順序活動。在又另一無限制實例中，一燃燒器構件20在某時間為活動性，但是每次經過相同或不同時間長度。
再者，在其他實例中，多於一燃燒器構件20在 某時間為活動性。舉例來說，關於具有三或更多燃燒器構件20的燃燒器10，二燃燒器構件20可為活動性而且剩餘者為鈍態。一般而言，關於具有n個燃燒器構件的燃燒器10，1至n-1中任何數目的燃燒器構件可為活動性，而且剩餘者為鈍態。
各燃燒器構件20可根據程式預編寫的時序，根據預定演算法，根據無規順序，依據爐條件或與該爐的其他循環或週期性事件同步從該鈍態轉換成該活動狀態。一或更多感測器110可能被設於該爐的適當位置以供感測可能有關測定那裡需要大約多少燃燒熱的任何參數。舉例來說，該感測器可能是溫度感測器，以致於當該溫度感測器係低於閾設定值時，可使適於加熱該爐的溫度感測器區之燃燒器構件20更頻繁地或更長時期變成活動性。或者若溫度感測器偵測到該爐或填料的一部分收到不足的熱，則設於該爐部分附近的適當位置或朝該填料部分傾斜之一或更多燃燒器構件20便會轉換成該活動狀態，而接受了過量熱的爐部分中的燃燒器構件20則會被轉換成該鈍態狀態。明確地說關於蓄熱爐，溫度感測器，例如光學感測器，能偵測該爐不同部分中的填料溫度而且偵測需要額外的熱的區域，例如所有或部分冷點122，而且目標那些區域的燃燒器構件20能較長時期或更頻繁地變成活動性以提高那些區域的溫度。
溫度感測器可包括位於該爐壁中的接觸式感測器例如熱電耦或RTD，或非接觸式感測器例如紅外線感測器、輻射感測器、光學感測器、攝影機、顏色感測器或工業 上可取得的其他感測器。其他類型的感測器也可用以指示該爐中的熔融或加熱程度，其包括但不限於近端感測器(例如，感測還在熔融的固體填料的近處)或傳導度感測器(例如，偵測液體與互相連接不足的固體厚片相比的較高傳導度)。
藉由如本文所述的燃燒器10或燃燒器11的操作能達成數個益處。因為熱能優先對準一定的位置而且經過較長或較短的時期，所以能分辨並且除去該爐中的冷點，造成更均勻的加熱及熔融。特別是有關圖7或圖15的垂直點火裝置(亦即，安裝於頂部指向下的燃燒器)，以活動模式利用不到全部的燃燒器構件20來操作該燃燒器降低或去除了飄浮火焰的危害，從而避免該燒嘴磚及爐頂過度加熱。由活動燃燒器構件20引起的富有燃料的燃燒，在通過該環形比例分布噴嘴24提供的氧明顯少於通過該選擇性分布噴嘴22提供的燃料所需的計量化學氧的情況中，在該熔融浴附近創造出一非氧化性氣氛以助於防止該填料的不當氧化。附帶地，在重複循環模式中啟動該等燃燒器構件20能用以產生渦漩加熱模式，其增長燃燒氣體的滯留時間，提高熱轉移速率，而且改善加熱均勻性，諸如舉例來說US 2013/00954437中所示者。再者，選擇性啟動燃燒器構件20而且變化該分段比能用以調整該等燃燒反應放射最大熱通量的位置而且順應不同爐幾何形狀、條件及填充程度調整火焰涵蓋範圍。
該分段燃燒器10及無分段燃燒器11的不同可行構型包括圖5A及5B所示者。在圖5A(a)及5B(a)所示類型的具體實施例中，該等燃燒器構件20中的一或多者可能從該等 燃燒器構件20外接的圓或從與該燒嘴磚12垂宜的軸或該分段噴嘴30所界定的軸徑向向外傾斜一角度α。儘管所描繪的具體實施例顯示所有四燃燒器構件20皆徑向向外傾斜相同角度α，但是咸了解各燃燒器構件20可能依據該爐幾何形狀及該燃燒器10的希望操作特性傾斜不同角度。該角度α可能是等於或大於約0°而且較佳為非0而且等於或小於約60°。更佳地，該角度α係至少約10°而且不大於約40°。
在圖5A(a)及5B(a)所示類型的具體實施例中，一或更多燃燒器構件20可能對該外接圓沿切線傾斜一角度β以產生渦漩。儘管所描繪的具體實施例顯示所有四燃燒器構件20皆沿切線傾斜相同角度β，但是咸了解各燃燒器構件20可能依據該爐幾何形狀及該燃燒器10的希望操作特性傾斜不同角度βn。該角度β可能等於或大於約0°而且較佳為等於或小於約60°。更佳地，該角度β係至少約10°而且不大於約40°。
在圖5A(c)及5B(d)所示類型的具體實施例中，多數燃燒器構件20大抵上彼此共線佈置而定義出具有中心點及末端的線。儘管顯示出四燃燒器構件20，但是此具體實施例適於具有至少二燃燒器構件20(舉例來說如圖5B(c)所示用於無分段燃燒器者)一直到特定爐中可能需要的儘可能多的燃燒器構件20之構型。在一分段燃燒器中，把分段噴嘴30設於各相鄰對燃燒器構件20之間的適當位置，所以該等燃燒器構件20與分段噴嘴30輪流佈置。舉例來說，具有二燃燒器構件20的裝置把一分段噴嘴30設於該二燃燒器構件20之間的適當位置，而且具有三燃燒器構件20的裝置把二分段噴嘴30 各自設於一對相鄰燃燒器構件20之間的適當位置。該等燃燒器構件20可能全與該燃燒器面部14垂直，或該等燃燒器構件20有些或全部可能從朝向該等線末端中之其一的線中心點向外傾斜小於或等於約45°的角度γ。同樣地，該等分段噴嘴30可能與該燃燒器面部14垂直，或該等分段噴嘴30有些或全部可能依一方或其他的沿著該線。在所描繪的具體實施例中，中央分段噴嘴30與該燃燒器面部14垂直，而且把一組三共線構件-燃燒器構件20、分段噴嘴30及另一燃燒器構件20-往任一側佈置於直徑上，而且從該中央分段噴嘴30向外而且朝該線的個別末端傾斜。
在圖5A(d)及5B(d)所示類型的具體實施例中，多數燃燒器構件20彼此共線佈置而定義出具有中心點及末端的線。儘管顯示出四燃燒器構件20，但是此構型適於具有至少二燃燒器構件20一直到特定爐中可能需要的儘可能多的燃燒器構件20之構型。在一分段燃燒器中，把主軸為短軸的至少1.5倍長的長形或大抵上矩形分段噴嘴30設於鄰近該等燃燒器構件20的適當位置而且與該等燃燒器構件20間隔固定距離，而且該主軸與該等燃燒器構件20所界定的線實質上平行。該等燃燒器構件20可能全與該燃燒器面部14垂直，或該等燃燒器構件20有些或全部可能從朝向該等線末端中之其一的線中心點向外傾斜小於或等於約45°的角度γ。
在圖5A(e)及5B(e)所示類型的具體實施例中，各燃燒器構件20具有扁平焰構型，其中該選擇性分布噴嘴22及該環形噴嘴24二者皆具有主軸為短軸的至少1.5倍長的長 形或大抵上矩形構型。此類型的扁平焰燃燒器係更詳細的描述於，舉例來說US 5,611,682。在分段燃燒器中，把至少二分段噴嘴30設於鄰近該等燃燒器構件20的適當位置而且與該等燃燒器構件20間隔開，而且大抵上共線定向而界定出與該燃燒器構件20的主軸實質上平行的線。此構型中利用了至少二燃燒器構件20。
在圖5A及5B的任一上述構型中，選擇性操作方案能以上述圖1A及1B構型的類似方式實施。明確地說，於任何特定時刻，至少一燃燒器構件20係依活動狀態操作，其中經過活動選擇性分布噴嘴22的流體流量大於通過所有選擇性分布噴嘴22的平均流體流量，而至少一燃燒器20係處於鈍態狀態，其中通過鈍態選擇性分布噴嘴22的流體流量小於通過所有選擇性分布噴嘴22的平均流體流量。
如圖7及圖15所示，一或更多燃燒器10或11可安裝於爐200的頂部(垂直設立)或爐200的側壁(水平設立)。在垂直設立的情形中，該等燃燒器構件20較佳為依例如圖5A(a)或圖5B(a)或圖5A(b)或圖5B(b)的構型設置，以提供最佳熱通量給該填料，同時防止該燒嘴磚過熱。舉例來說，如以上討論的，該等燃燒器構件20能從該等燃燒器構件20定義的外接圓徑向向外朝某一角度，而且該外接圓圍住該分段燃燒器10的分段噴嘴30(圖5A(a))。或者，該等燃燒器構件20能依渦漩構型定向(對該外接圓沿切線傾斜)(圖5A(b)或圖5B(b))。在水平構型的情形中，該等燃燒器構件20能依任何陣列設置，而且特別是可依據該爐的幾何形狀按照圖5A(c) 至5A(e)或圖5B(c)至5B(e)中的任一者設置。除此之外，可使用多列共線構件，特別是在無分段燃燒器11中，如圖5B(f)所示。
如圖8的數據所示，該分段燃燒器10與習用的氧-燃料燃燒器相比顯現減少的NOx排放量。注意圖8的標度是相對性，被標準化成習用氧-燃料燃燒器的波峰NOx量。當該燃燒器10係依發光模式如本文所述般選擇性地操作(亦即，利用低形狀因子的選擇性分布噴嘴22)時，該波峰NOx排放量僅為習用氧-燃料燃燒器排放量的約40%。當該燃燒器10係依非發光模式如本文所述般選擇性地操作(亦即，利用高形狀因子的選擇性分布噴嘴22)時，該波峰NOx排放量又更低，僅為習用氧-燃料燃燒器排放量的約35%。在二案例中，該分段燃燒器10利用燃料當該分布流體及氧化劑當該分段流體操作。不受理論所限，有人認為此驚人的結果是該燃燒器10產生的燃燒之高度分段特性結果，其由於有限的氧可用性而造成產生低量NOx的第一富有燃料的火焰帶，及由於其低燃燒溫度而產生低量NOx的第二燃料貧乏的火焰帶。
該選擇性助推分段燃燒器10或無分段燃燒器11可包括共置(於一或更多外殼中)或佈置於該爐100的不同位置處(於二或更多獨立外殼中)，而且以本文所述的選擇性助推方式操作之二或更多燃燒器構件20的組合，而且可用以有效地提供助推加熱作用給蓄熱爐同時保持該煙道氣中的較低NOx排放量。
一般而言，延遲空氣、氧及燃料之間的混合會降 低局部化(波峰)火焰溫度而且因此降低NOx產生的可能性。完成延遲之一方式是在空氣上分隔空氣、氧及燃料，至少當引進該爐時。換句話說，設立與空氣-燃料燃燒器分開的氧-燃料燃燒器容易具有比一般氧氣增濃(亦即，於單一空氣-氧-燃料燃燒器中使用富氧空氣)更低的NOx可能性，因為一般氧氣增濃容易獲得更緊密的氧和空氣混合。
然而，可達成的分離程度可能受到該爐中的燃燒器相對物理配置、空間利用率、能量(助推)需求及其他因子所限制。例如，若設立了二氧-燃料助推燃燒器140、150以去除該冷點122，如圖10的比較例所示，而且那些助推燃燒器140、150由於空間限制而位於該爐的任一橫切側，則在各操作模式的期間該等氧-燃料火焰各者將易於與來自該等蓄熱器埠口燃燒器110、130之一對應火焰互相影響。更明確地說，在該第一操作模式的期間該該助推燃燒器140的氧-燃料火焰142將會與該第一蓄熱器埠口燃燒器110的空氣-燃料火焰112互相影響，而在該第二操作模式的期間該助推燃燒器150的氧-燃料火焰152將會與該第二蓄熱器埠口燃燒器130的空氣-燃料火焰132互相影響。這不僅增加了NOx產生的可能性，而且還創造火焰的碰撞，其會造成煙道氣流停滯及煙塵產生而可能過度加熱該頂部。
更常地，該端壁102中的各蓄熱器埠口110、130分別界定了火焰帶112、132，以致於當該蓄熱器埠口當燃燒器運轉時，該燃料及空氣合併而且最強烈的燃燒發生於該火焰帶。關於端埠蓄熱器埠口燃燒器110，此火焰帶通常沿著該 爐100之一側114上的縱長區(亦即，該U形流動模型的前半段，在該U形物的彎曲部之前)佈置，以致於燃燒到該等燃燒產物於該爐100的遠端120形成該U形彎曲部的時候最完全，而且沿著該爐100相對側134的平行縱長區之U形流動模型回流131主要是在從另一端埠蓄熱器埠口130排出途中的燃燒產物。當該等蓄熱器埠口110、130轉換時，此流動模型反轉但是別處都相同，以致於該火焰帶132沿著該爐100之一側134上的縱長區，該燃燒作用到該等燃燒產物於該遠端120形成該U形彎曲部的時候最完全，而且該回流131沿著該爐100相對側114的平行縱長區在從另一端埠蓄熱器110排出該燃燒產物的途中發生。因此，相對冷點122繼續存在於該爐100的遠端120處。儘管使用連續點火的助推燃燒器140、150將提供額外的熱給該冷點122，但是該等助推燃燒器140、150各自界定出其本身的火焰帶。如以上討論的，當該等助推燃燒器140、150中之其一的火焰帶與該等蓄熱器埠口燃燒器110、130任一者的火焰帶重疊或互相影響時，可能會發生問題例如增加的NOx量及局部化過度加熱。
本文所述的數種構型能減輕與圖10的比較例相關的問題，同時有效率地提供熱以降低或去除該爐100中的冷點122。
在圖11的構型中，選擇性氧-燃料助推燃燒器240係安裝於設置該等蓄熱器埠口110、130的端壁102相對側的該爐端壁120中。該助推燃燒器240可依關於助推燃燒器10及11的任何上述構型建構，而且特別是該助推燃燒器240較 佳為建構成具有如舉例來說圖5B(c)或5B(d)所示般向外傾斜的至少二燃燒器構件20，或具有側向隔開而且與該端壁120實質上垂直的至少二燃燒器構件20。在任一取向中，不論向外傾斜或垂直，該等燃燒器構件皆可為任何形狀。除此之外，在任一取向中，必要的話，該等燃燒器構件也可朝該填料傾斜向下或脫離該填料向上傾斜。也可如圖5B(f)般使用多列共線燃燒器構件20。
圖11的助推燃燒器240具有多重火焰帶，有一火焰帶與各燃燒器構件20有關。舉例來說，於具有二火焰構件20的助推燃燒器240中，使一燃燒器構件20相對於該蓄熱器埠口燃燒器110取向而具有朝該爐100的互補區內點火的火焰帶242，而且因此與該蓄熱器埠口燃燒器110的火焰帶112實質上不互相影響。而且使另一燃燒器構件20相對於該蓄熱器埠口燃燒器130取向而具有朝該爐100的互補區內點火的火焰帶244，而且因此與該蓄熱器埠口燃燒器130的火焰帶132實質上不互相影響。
該控制器105係建構而且編寫程式以使個別燃燒器構件20在該助推燃燒器240中的選擇性活動/鈍態點火與該等蓄熱器埠口110、130的輪流點火/排氣同步。於任何特定時刻，該控制器105先分辨那個蓄熱器埠口110、130正在點火及那個正在排氣。接著，該控制器105依活動模式調設或保持該一或更多燃燒器構件20，其火焰帶相對於該正在點火的蓄熱器埠口的火焰帶朝該爐的互補區點火，而且依鈍態模式調設或保持該一或更多燃燒器構件20，其火焰帶常常與正在 點火的蓄熱器埠口火焰帶重疊或互相影響。
更明確地說，如以上討論的，該比例分布反應物，該第二流體F2，的流速在各燃燒器構件20的環形比例分布噴嘴24中保持恆定，而該選擇性分布反應物，該第一流體F1，的流速係將通過被稱作活動性的至少一燃燒器構件20的選擇性分布噴嘴22調整成較高活動流速而且將通過被稱作鈍態的至少一燃燒器構件20的選擇性分布噴嘴22調整成較低鈍態流速。該控制器重覆進行此機械式動作，所以當該正在點火的蓄熱器埠口轉換時，該等燃燒器構件20便相應地迅速轉換，而且先前鈍態的燃燒器構件20通常變成活動性而且先前活動的燃燒器構件20通常變成鈍態。然而，注意在某些爐構型中，不管那個蓄熱器埠口正在點火，一或更多燃燒器構件20可能連續保持活動性及/或一或更多燃燒器構件20可能連續保持鈍態。舉例來說，在某些構型中，特定燃燒器構件20可能具有與任一蓄熱器埠口的火焰帶不重疊之火焰帶，而另一特定燃燒器構件20可能具有常常與二蓄熱器埠口的火焰帶重疊之火焰帶。
在圖11的構型之一具體實施例中，該第一流體F1係燃料及該第二流體F2係氧化劑。較佳地該氧化劑係至少26%分子氧，至少40%分子氧，至少70%分子氧，至少98%分子氧，或為工業用純氧。因此，處於活動模式的選擇性助推燃燒器240之各燃燒器構件20以富有燃料的方式操作(亦即，大於1且上達約10的當量比)，而處於鈍態模式的各燃燒器構件20以燃料貧乏的方式操作(亦即，小於1且下達約0.2 的當量比)。因此，離去該點火的蓄熱器埠口火焰帶之燃燒產物將會先與從該一或更多鈍態燃燒器構件20前往該U形彎曲部之低動量燃料貧乏火焰帶互相影響，而且接著與從該一或更多活動燃燒器構件20經過該U形彎曲部之後的高動量富有燃料的火焰帶互相影響。此貧乏接著富有的燃燒順序避免該波峰NOx產量計量化學，同時仍舊能運送相當大量燃燒熱至該爐100的遠端120處之冷點122。
圖12的具體實施例基本上按照與圖11的具體實施例相同的方式操作，除了該助推燃燒器240的燃燒器構件20可被安裝於二獨立外殼248、250中而且各外殼248、250具有至少一燃燒器構件20，而不是安裝於如圖11的共用外殼中。該等燃燒器構件20另一方面以圖11的具體實施例的相同方式操作。
圖13及14顯示於蓄熱爐100中的選擇性助推燃燒器240之替代應用，該爐100具有設於該爐100之一端壁102附近的適當位置之傾斜側壁蓄熱器埠口310、330。該蓄熱器埠口110係設於該側壁114中的適當位置而且該蓄熱器埠口130係設於該側壁134中的適當位置。來自個別蓄熱器埠口310、330的空氣-燃料火焰312、332大抵上朝斜對地橫越該爐100的方向，而且來自該蓄熱器埠口310的火焰312於軸向分量朝該遠端壁120而且橫向分量朝相對側壁114的角度下伸出，而且來自該蓄熱器埠口110的火焰112於軸向分量朝該遠端壁120而且橫向分量朝相對側壁134的角度下伸出。
在圖13及14的構型中，選擇性氧-燃料助推燃燒器240係安裝於該端壁120，安裝於含有所有燃燒器構件20的單一外殼中(圖13)或安裝於各自含有至少一燃燒器構件20的二獨立外殼248、250中(圖14)。如同圖11及12的構型，該助推燃燒器240可依上述關於助推燃燒器10及11的任何構型建構，而且特別是該助推燃燒器240較佳為建構成具有如舉例來說圖5B(c)或5B(d)所示般向外傾斜的至少二燃燒器構件20，或具有側向隔開而且與該端壁120實質上垂直的至少二燃燒器構件20。在任一取向中，不論向外傾斜或垂直，該等燃燒器構件皆可為任何形狀。除此之外，在任一取向中，必要的話，該等燃燒器構件也可朝該填料傾斜向下或脫離該填料向上傾斜。也可如圖5B(f)般使用多列共線燃燒器構件20。
圖13及14的助推燃燒器240各自具有多重火焰帶，有一火焰帶與各燃燒器構件20有關。舉例來說，於具有二火焰構件20的助推燃燒器240中，使一燃燒器構件20相對於該蓄熱器埠口燃燒器110取向而具有朝該爐100的互補區內點火的火焰帶242，而且因此與該蓄熱器埠口燃燒器110的火焰帶112實質上不互相影響。而且使另一燃燒器構件20相對於該蓄熱器埠口燃燒器130取向而具有朝該爐100的互補區內點火的火焰帶244，而且因此與該蓄熱器埠口燃燒器130的火焰帶132實質上不互相影響。
該控制器105係建構而且編寫程式以使個別燃燒器構件20在該助推燃燒器240中的選擇性活動/鈍態點火與該 等蓄熱器埠口110、130的輪流點火/排氣同步。於任何特定時刻，該控制器105先分辨那個蓄熱器埠口110、130正在點火及那個正在排氣。接著，該控制器105依活動模式調設或保持該一或更多燃燒器構件20，其火焰帶相對於該正在點火的蓄熱器埠口的火焰帶朝該爐的互補區點火，而且依鈍態模式調設或保持該一或更多燃燒器構件20，其火焰帶常常與正在點火的蓄熱器埠口火焰帶重疊或互相影響。
類似於參照圖11及12討論的爐構型，圖13、14及15中的爐100之遠端壁120附近有一冷點122。除此之外，有一次要冷點121可能存於沒接收到來自該等蓄熱器埠口燃燒器110、130的燃燒產物流之區域中的近端壁102附近。儘管圖13及14的構型不能有效地解決該次要冷點121的問題，如圖15般安裝於頂部的燃燒器能同時供應該氧-燃料燃燒的熱給二冷點121、122。關於圖15之安裝於頂部的應用，如圖1A或1B的助推燃燒器240係一較佳裝置。
本發明的範疇並不受多數實施例所揭示的特定態樣或具體實施例所限制，該等實施例被當成本發明的一些態樣及功能同樣在本發明範疇以內的任何具體實施例之例證。除了本文所示及所述者以外，本發明的不同修飾對熟悉此技藝將變得顯而易見而且被認為落於後附申請專利範圍的範疇之外。
α‧‧‧燃燒器構件傾斜角度
A‧‧‧活動噴流
P‧‧‧鈍態噴流
10‧‧‧選擇性助推燃燒器
12‧‧‧本體
14‧‧‧面部
20‧‧‧燃燒器構件
22‧‧‧選擇性分布噴嘴
24‧‧‧環形比例分布噴嘴
30‧‧‧分段噴嘴

Claims (15)

  1. 一種用於具有一對蓄熱器埠口的蓄熱爐之氧-燃料助推燃燒器，該對蓄熱器埠口係建構成輪流朝該爐內點火及從該爐排出廢氣，該助推燃燒器包含：至少二燃燒器構件，其中該等燃燒器構件中之至少一者對應該等蓄熱器埠口各者使得一蓄熱器埠口及其相應的至少一燃燒器構件係經調位以朝該爐的互補區點火，各燃燒器構件包含：經建構成能流出第一反應物的選擇性分布噴嘴；及經建構成能流出第二反應物的比例分布噴嘴；以及一控制器，其係經編寫程式：以分辨那個蓄熱器埠口正在點火及那個蓄熱器埠口正在排氣；以控制要實質上依比例分配給該等比例分布噴嘴的第二反應物流量；及以獨立地控制送到各選擇性分布噴嘴的第一反應物流量以致於對應該正在點火的蓄熱器埠口之至少一燃燒器構件在活動而且對應該正在排氣的蓄熱器埠口之至少一燃燒器構件為鈍態，其中該活動燃燒器構件的選擇性分布噴嘴中之第一反應物流量大於送到該等選擇性分布噴嘴的平均第一反應物流量而且該鈍態燃燒器構件的選擇性分布噴嘴中之第一反應物流量小於送到該等選擇性分布噴嘴的平均第一反應物流量；其中該第二反應物實質上依比例分配給該等比例分布噴 嘴；及其中該第一反應物係燃料及氧化劑中之其一而且其中該第二反應物係燃料及氧化劑中之另一者。
  2. 如申請專利範圍第1項之助推燃燒器，其中該比例分布噴嘴係環繞該選擇性分布噴嘴的環形噴嘴。
  3. 如申請專利範圍第1項之助推燃燒器，其中該第一反應物係燃料而且該第二反應物係氧化劑。
  4. 如申請專利範圍第3項之助推燃燒器，其另外包含：至少一分段噴嘴，其與該等燃燒器構件各者間隔開而且係建構成流出輔助氧化劑；其中該控制器係經進一步編寫程式以將分段比(分段ratio)控制成小於或等於約75%，其中該分段比係該輔助氧化劑流所含的氧對流過該等比例分布噴嘴及該分段噴嘴的氧化劑總和之比率。
  5. 如申請專利範圍第1項之助推燃燒器，其中該等蓄熱器埠口係安裝於該爐的端壁，而且其中該助推燃燒器係安裝於該爐的相對端壁。
  6. 如申請專利範圍第1項之助推燃燒器，其中該等蓄熱器埠口係設於接近該爐的端壁之相對側壁中，各蓄熱器埠口與其 個別側壁成非直角，而且其中該助推燃燒器係安裝於該爐的相對端壁。
  7. 如申請專利範圍第1項之助推燃燒器，其中該等蓄熱器埠口係設於接近該爐的端壁之相對側壁中，各蓄熱器埠口與其個別側壁成非直角，而且其中該助推燃燒器係安裝於該爐的頂部。
  8. 如申請專利範圍第1項之助推燃燒器，其中該等燃燒器構件係安裝於相同外殼中。
  9. 如申請專利範圍第1項之助推燃燒器，其中該等燃燒器構件中之至少一者係安裝於與該等燃燒器構件中之至少一其他者分開的外殼中。
  10. 如申請專利範圍第1項之助推燃燒器，其中該控制器係經編寫程式以將送到鈍態選擇性分布噴嘴的第一反應物流量控制成大於0而且小於或等於該活動選擇性分布噴嘴的第一反應物流速之一半。
  11. 如申請專利範圍第1項之助推燃燒器，其中流過該等燃燒器構件的氧化劑具有等於或大於約23%的氧濃度。
  12. 如申請專利範圍第1項之助推燃燒器，其中該活動燃燒器構件的選擇性分布噴嘴具有一活動噴流流速而且其中該鈍態燃燒器構件的選擇性分布噴嘴具有一鈍態噴流流速；而且其中該控制器係經編寫程式以將該活動噴流流速對該鈍態噴流流速的比率控制成5至約40。
  13. 如申請專利範圍第1項之助推燃燒器，其中鈍態燃燒器構件具有約0.2至約1的當量比，而且其中活動燃燒器構件具有約1至約10的當量比，其中該當量比係燃燒通過該燃燒器構件的實際燃料流量所需之理論化學計量氧化劑流量對通過該燃燒器構件的實際氧化劑流量之比率。
  14. 一種具有第一及第二端壁之蓄熱爐，該第一及第二端壁接合該等端壁、頂部及以該等端壁、側壁和頂部為界的艙，該爐包含：一對蓄熱器埠口，其係建構成輪流朝該艙內點火及從該艙排出廢氣，各蓄熱器埠口界定了從前述蓄熱器埠口伸入該艙的火焰帶；一氧-助推燃燒器，其包含至少二燃燒器構件，各燃燒器構件界定了從前述燃燒器構件伸入該艙的火焰帶，以致於至少一燃燒器構件界定了與該等蓄熱器埠口各者所界定的火焰帶實質上不重疊之火焰帶，各燃燒器構件包含：經建構成能流出第一反應物的選擇性分布噴嘴；及 經建構成能流出第二反應物的比例分布噴嘴；以及一控制器，其係經編寫程式：以分辨那個蓄熱器埠口正在點火及那個蓄熱器埠口正在排氣；以把具有與該正在點火的蓄熱器埠口的火焰帶實質上不重疊之火焰帶的至少一燃燒器構件稱作活動而且把剩下的燃燒器構件稱作鈍態；及以將送到各活動燃燒器構件的選擇性分布噴嘴之第一反應物流量獨立地控制成大於送到該等選擇性分布噴嘴的平均第一反應物流量而且將送到各鈍態燃燒器構件的選擇性分布噴嘴之第一反應物流量控制成小於送到該等選擇性分布噴嘴的平均第一反應物流量；其中該第二反應物實質上依比例分配給該等比例分布噴嘴；及其中該第一反應物係燃料及氧化劑中之其一而且其中該第二反應物係燃料及氧化劑中之另一者。
  15. 一種具有一對蓄熱器埠口的蓄熱爐中助推燃燒器之操作方法，該對蓄熱器埠口係建構成輪流朝該爐內點火及從該爐排出廢氣，該燃燒器具有至少二燃燒器構件，各燃燒器構件包含鄰近比例分布噴嘴的選擇性分布噴嘴，該燃燒器另外具有經編寫程式以獨立地控制送到各燃燒器構件的選擇性分布噴嘴之第一反應物流量的控制器，該方法包含：使第二反應物於第二反應物流速下流過該等比例分布噴嘴 各者；分辨那個蓄熱器埠口正在點火及那個蓄熱器埠口正在排氣；將該等選擇性分布噴嘴中之至少其一選定為活動性及將該等選擇性分布噴嘴中之至少其一選定為鈍態，該至少一活動分布噴嘴具有與該正在點火的蓄熱器埠口的火焰帶互補之火焰帶；使該第二反應物實質上依比例流至該等比例分布噴嘴各者；使該第一反應物於活動噴流流速下流過該至少一活動選擇性分布噴嘴；及使該第一反應物於鈍態噴流流速下流過該至少一鈍態選擇性分布噴嘴；其中該活動噴流流速大於通過該等選擇性分布噴嘴的平均流速而且該鈍態噴流流速小於通過該等選擇性分布噴嘴的平均流速；而且其中該第一反應物係燃料及氧化劑中之其一而且其中該第二反應物係燃料及氧化劑中之另一者。
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