TW201910275A - 用於燃燒具有氧化劑之燃料氣體的方法及燃燒組件 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於用於藉由使用包括燃燒器(12)及噴槍(14)之燃燒組件(10)以燃燒具有氧化劑之燃料氣體的方法，該方法包括經由該燃燒器(12)向燃燒提供主氣流，其中該主氣流包括該燃料氣體之主要部分及該氧化劑之第一部分。此外，該方法包括經由該噴槍(14)向該燃燒提供分段氣流，其中該分段氣流包括該氧化劑之第二部分及該燃料氣體之輔助部分。該燃料氣體之該主要部分大於該燃料氣體之該輔助部分。此外，本發明係關於燃燒組件(10)及包括此類燃燒組件之熔爐。

Description

用於燃燒具有氧化劑之燃料氣體的方法及燃燒組件
本發明係關於用於燃燒具有氧化劑之燃料氣體的方法及裝置，以及包括此類燃燒組件之熔爐。特定而言，本發明係關於待與熔爐結合使用之用於熔化可熔材料的方法及燃燒組件，例如用於熔化或生產玻璃。
對於用於熔化玻璃之加熱熔爐，通常燃燒組件用於提供熔爐內所需之熱量。為了達成熔爐內及待在其中熔化或燃燒之材料的最佳化加熱，較佳地最佳化關於燃燒之空間尺寸及/或溫度及/或光度。
具體而言，對於熔化玻璃，在諸多情形中，平焰係有利的，此在火焰與待熔化之材料或玻璃之間具有最佳化輻射熱傳送。此外，通常，期望寬焰或平焰以最大化燃燒之輻射發射。在此態樣中，平焰燃燒器通常表徵為：燃燒及/或火焰在其寬度(亦即，橫向或水平)上較垂直具有較大擴展，藉此增加燃燒及/或火焰與待熔化之材料之間的接觸面積。
對於高效燃燒，需要燃料氣體且亦氧化劑。儘管燃料氣體通常係經由燃燒器提供，但氧化劑通常分數個階段來提供，其中氧化劑之一部分經由燃燒器與燃料氣體一起提供，導致燃料氣體在燃燒器中之至少部分預燃燒，而氧化劑之另一部分通常經由燃燒器外部之噴槍提供，此通常稱為分段。燃燒器中之預燃燒亦允許控制由燃燒器噴出之內部燃料氣流及外部氧化劑流之速度。
通常，燃燒器中之預加熱或預燃燒用於在燃料氣體內產生具有較長長度之分子鏈之目的，此可增加燃燒期間之輻射發射。此外，預加熱可在燃料氣體內產生較大數目之煙灰顆粒，此亦可增加輻射發射。
分段，亦即在外部提供氧化劑之至少一部分(諸如經由燃燒器外部之噴槍)可有利於控制燃燒器內之溫度，特定而言，降低燃燒之峰值溫度以減少產生及排放在燃燒期間火焰內產生之氮氧化物(NOx )。
例如，US 9,568,194 B2揭示用於單獨將燃料氣體及氧化劑噴射至燃燒區中之燃燒組件。
然而，在先前技術中已知的燃燒組件及方法通常具有以下缺點：火焰或燃燒區進入熔爐中之穿透深度係極有限的。
因此，本發明之技術問題在於提供用於燃燒具有氧化劑之燃料氣體的方法及燃燒組件，其中燃燒區及/或火焰具有較長穿透深度或長度，且適合於更深地穿透至熔爐中。
此目的係藉由具有各別獨立請求項之特徵的方法及裝置來達成。較佳實施例係從屬請求項及以下說明之標的物。
在一個態樣中，本發明係關於用於藉由使用包括燃燒器及噴槍之燃燒組件以燃燒具有氧化劑之燃料氣體的方法，該方法包括經由該燃燒器向燃燒提供主氣流，其中該主氣流包括該燃料氣體之主要部分及該氧化劑之第一部分。此外，該方法包括經由該噴槍向該燃燒提供分段氣流，其中該分段氣流包括該氧化劑之第二部分及該燃料氣體之輔助部分。該燃料氣體之主要部分大於該燃料氣體之輔助部分。
在另一態樣中，本發明係關於用於燃燒具有氧化劑之燃料氣體的燃燒組件，該燃燒組件包括用於向燃燒提供主氣流之燃燒器，其中該主氣流包括該燃料氣體之主要部分及該氧化劑之第一部分。此外，該燃燒組件還包括用於向該燃燒提供分段氣流之噴槍，其中該分段氣流包括該氧化劑之第二部分及該燃料氣體之輔助部分；及用於在經由該噴槍向該燃燒提供該分段氣流之前將該燃料氣體之輔助部分噴射至該氧化劑之第二部分之噴射元件。該燃料氣體之主要部分大於該燃料氣體之輔助部分。
在另一態樣中，本發明係關於包括根據本發明之燃燒組件之熔爐。
該燃料氣體可包括任何可燃流體，其可係液體但較佳地係氣體，且適合於藉由燃燒組件來燃燒。特定而言，該燃料氣體可包括天然氣或可基本上由天然氣及/或甲烷組成。「基本上由天然氣組成」意味著可能存在雜質及/或污染物，其中該燃料氣體仍然被認為基本上由天然氣組成。
該氧化劑可係任何氧化流體，其可係液體但較佳地係氣體，且適合在藉由燃燒組件燃燒燃料氣體中使用。較佳地，該氧化劑包括氧氣或基本上由氧氣組成。「基本上由氧氣組成」意味著可能存在雜質及/或污染物，其中該氧化劑仍然被認為基本上由氧氣組成。
本發明提供以下優點：亦在分段氣流內，在向該燃燒提供分段氣流之前，可藉由預燃燒具有該氧化劑之第二部分的該燃料氣體之輔助部分來達成預燃燒。藉由此，可增加分段氣流之體積，因為該分段氣流中自預燃燒產生之氣體較未預燃燒之分段氣流具有較高溫度及較大體積，亦即，該分段氣流不包括燃料氣體之任何輔助部分，(如自先前技術已知)。分段氣流之此所增加體積通常導致流出噴槍之分段氣流之較高速度，此允許該分段氣流進入燃燒區中之較長範圍及/或穿透深度。因此，本發明提供以下益處：可提供分段氣流使得較深地穿透至熔爐且因此燃燒區中；及/或可關於其空間尺寸最佳化燃燒及/或火焰，其中可達成熔爐中該等材料之最佳化加熱。
此外，本發明提供以下優點：在該分段氣流被提供至該燃燒之前，該燃料氣體之輔助部分(特定而言)可預加熱該分段氣流之至少一部分。換言之，該分段氣流之預燃燒亦可導致該分段氣流之預加熱，其中特定而言，可預加熱經由噴槍提供之該氧化劑之第二部分。此提供以下優點：可更精確地控制藉由加熱器組件在熔爐內供應之溫度(且特定而言)溫度分佈，且藉由此可改良熔爐燃燒及/或加熱之效率。
此外，本發明提供以下優點：可藉助於包括該燃料氣體之輔助部分之分段氣流改良該燃燒之光度。特定而言，可藉助於包括該燃料氣體之輔助部分之分段氣流來防止歸因於其低輻射發射而通常不期望之無焰燃燒，且因此導致該分段氣流之預燃燒及/或預加熱，此可增加燃燒溫度，且藉由此，輻射發射在燃燒期間釋放。
此外，本發明提供以下優點：較佳地形成該燃燒組件之部分且較佳地包括用於該主氣流之至少一個出口區及用於該分段氣流之至少一個出口區的燃燒器區塊可被該分段氣流中之主氣流高效地淹沒。特地而言，歸因於該分段氣流之預燃燒及/或預加熱之該分段氣流之所增加體積亦可具有有益效應，即燃燒器區塊之燃道被該分段氣流充滿且因此，可顯著地降低熔爐氣體再循環(亦即，逆著該分段氣流之流動方向)至燃道中之風險。
較佳地，經由該燃燒器提供之該氧化劑之主要部分包括不超過95％，較佳地不超過90％，更佳地不超過80％，再更佳地不超過70％，最佳地不超過60％之提供至該燃燒之總氧化劑。較佳地，該氧化劑之補充部分藉助於分段經由噴槍或多個噴槍提供至該燃燒。此提供如下益處：可以更精確之方式控制及/或調整該燃燒器內及/或熔爐內之溫度，且因此該燃燒可達到較高效率。由於經由該燃燒器提供之該氧化劑之主要部分係有限的，因此燃燒器內或其直接附近之該燃燒可限制至預定量，且因此可降低及/或限制該燃燒器內或該燃燒器附近之溫度，此對於該燃燒器之可持續操作係有利的。
較佳地，經由該噴槍提供之該氧化劑之第二部分包括至少5%，較佳地至少10%，更佳地至少20%，再更佳地至少30%，最佳地至少40%之提供至該燃燒之總氧化劑。此提供如下優點：可以更精確之方式控制該燃燒器內及/或該燃燒器區塊內及/或該熔爐內之溫度。此外，可降低及/或限制該燃燒器內及/或該燃燒器區塊內之峰值溫度。
較佳地，經由該噴槍提供之該燃料氣體之輔助部分包括不超過20%，較佳地不超過10%，再更佳地不超過5%，最佳地不超過2%之提供至該燃燒之總燃料氣體。此特徵具有如下優點：當僅極有限量之燃料氣體被噴射至該分段氣流中時，該分段氣流中僅一小比率之氧化劑被燃燒或消耗。換言之，噴射至該分段氣流中之燃料氣體之量及/或比率較佳地係受限的，使得該分段氣流且特定而言其中含有之氧化劑有效地經預加熱，但不會導致不必要或不期望之氧化劑之消耗。例如，該燃料氣體之輔助部分之量及/或比率係關於總燃料氣體及/或關於總氧化劑來調整，使得該預燃燒及/或預加熱將該分段氣流加熱至較佳地超過400℃之範圍的溫度。
較佳地，該燃燒組件包括用於向該燃燒提供主氣流之數個燃燒器。或者或另外，該燃燒組件包括燃燒器區塊，該燃燒器區塊包括用於噴出該燃料氣體之至少一部分及該氧化劑之至少一部分的多個出口區。當提供數個燃燒器及/或數個出口區時，該燃燒區及/或該火焰之空間分佈及/或尺寸可以更靈活之方式變化。
特定而言，用於該燃料氣體及/或用於該分段氣流(亦即用於該噴槍)之該燃燒器區塊之出口區較佳地具有大致上矩形形狀，儘管亦具有其他形狀，例如橢圓之形狀可係適合的。「大致上矩形」意味著該出口區未必具有在幾何意義上精確矩形形狀，(而是例如)隅角可係圓形的。
舉例而言，出口區可具有至少3:1，較佳地至少4:1，更佳地至少5:1，再更佳地至少6:1，最佳地至少6.5:1之其寬度與其高度之比率。在較佳實施例中，用於該主氣流之燃燒器之出口區可具有6.9:1之比率，且/或其中用於該分段氣流之燃燒器之出口區具有7.1:1之比率。特定而言，該燃燒器可係平焰燃燒器。在此態樣中，該燃燒器之出口區之寬度與高度之大比率對於達成具有大橫向延伸之平焰以在熔爐中提供與待熔化或加熱之材料之大接觸面積可係有益的。
根據其他較佳實施例，該燃燒組件可包括數個噴槍，其中該數個噴槍中之每一者經調適以向該燃燒提供該數個分段氣流中之一者。而且，此特徵亦提供如下有益效應：可以靈活之方式調整該燃燒區及/或該火焰之空間分佈。
較佳地，該分段氣流中燃料氣體之輔助部分之量及/或比率係可調整的。此允許藉由控制該分段氣流之預燃燒及/或預加熱之量來至少部分地調整該分段氣流之體積及/或溫度。因此，藉助於此特徵，該燃燒區及/或該火焰之穿透深度及/或空間尺寸及/或該燃燒之溫度及/或該火焰之溫度及/或該火焰之光度亦可調整及調適至所需之目的。較佳地，該燃燒組件包括用於調整該分段氣流中燃料氣體之輔助部分之量及/或比率之控制構件。例如，該控制構件可包括計算單元及/或控制單元，其可控制或調整該分段氣流中燃料氣體之輔助部分之量及/或比率。例如，可藉由打開及/或關閉及/或調整閥門及/或經由用於將該輔助燃料氣體噴射至該分段氣流之噴射元件來執行該分段氣流中燃料氣體之輔助部分之量及/或比率之調整。
在以下說明及圖中揭示本發明之其他優點及較佳實施例。
熟習此項技術者應理解，上述及以下各種特徵不僅以詳細之組合予以揭示，且亦可在不超出本發明之範疇之情形下單獨使用其他組合或特徵。
現將參考展示較佳實施例之附屬圖式進一步闡述本發明。
圖1展示燃燒組件10，其包括用於向熔爐中之燃燒提供燃料氣體之燃燒器12，用於向燃燒提供氧化劑之噴槍14及燃燒器區塊16。燃燒器區塊16可由石材製成，諸如耐火黏土，且可用於將燃燒組件10安裝至熔爐中，同時特定而言，防止燃燒器12及噴槍14曝露於通常主要在熔爐內之高溫。
燃燒組件10進一步包括用於將燃料氣體供應至燃燒器12作為主氣流中燃料氣體之主要部分的主燃料氣體入口18。此外，還提供氧化劑入口20，用於向燃燒器12供應待自燃燒器噴出之氧化劑之第一部分連同殘餘燃料氣體。此外，還提供另一氧化劑噴射器22，其允許將進入主氣流中之氧化劑之其他部分噴射至燃燒器中，其中經由氧化劑噴射器22噴射之氧化劑之其他部分可用於預燃燒及/或預加熱主氣流，且特定而言經由燃料氣體入口18供應至燃燒器12之燃料氣體。由於通常經由氧化劑噴射器22噴射之其他氧化劑之體積及/或量遠小於經由燃料氣體入口18供應至燃燒器12之燃料氣體之量及/或體積，因此氧化劑噴射器22之直徑顯著地小於燃料氣體入口18之直徑。
噴槍14配備有用於向噴槍14供應氧化劑之氧化劑入口24，及具有較氧化劑入口24小之直徑之燃料氣體噴射器26(部分被燃燒器12之氧化劑入口20覆蓋)。燃料氣體噴射器26允許將燃料氣體之輔助部分噴射至噴槍14中用於預燃燒及/或預加熱分段氣流，且特定而言經由噴槍14提供至燃燒之氧化劑。
因此，燃燒器12以及噴槍14二者皆被供應燃料氣體及氧化劑，以分別允許燃燒器12中之主氣流及噴槍14中之分段氣流之預燃燒及/或預加熱。
根據所繪示實施例，燃燒器區塊16由石材(特定而言耐火黏土)形成，其經調適以承受主要在熔爐中燃燒組件待連接至或燃燒器區塊將整合至其中之處之高溫。例如，此高溫可介於1000℃與2000℃之間。歸因於燃燒器區塊16，保護無法承受此等高溫之部件(諸如燃燒器12、噴槍14及/或供應管)不曝露於主要在熔爐中之熱量。儘管燃燒器區塊16係由實心石材形成，但其包括用於引導主氣流及分段氣流且分別連接燃燒器12與主氣流出口區28及噴槍14與分段氣流出口區30的通道。
主氣流出口區28及分段氣流出口區30具有基本上矩形形狀，其中對於兩個出口區，其寬度(亦即,其在水平方向上之尺寸)顯著大於高度。根據所繪示之實施例，主氣流出口區28具有6.9:1之其寬度與高度之比率，此允許流出主氣流出口區28之主氣流之寬廣、片狀分佈。分段氣流出口區30具有7.1:1之比率，此亦允許當流出分段氣流出口區30時分段氣流之寬廣、片狀分佈。藉由此，可在燃燒器區塊之出口側16a處提供寬廣(在水平方向上)及薄(在垂直方向上)之燃燒區及/或火焰。歸因於將輔助燃料氣體噴射至噴槍中，可獲得分段氣流之高速度且因此分段氣流之深度穿透，因此允許燃燒區及/或火焰進入熔爐中之深度穿透。
10‧‧‧燃燒組件
12‧‧‧燃燒器
14‧‧‧噴槍
16‧‧‧燃燒器區塊
16a‧‧‧燃燒器區塊之出口側
18‧‧‧主燃料氣體入口/燃料氣體入口
20‧‧‧氧化劑入口
22‧‧‧氧化劑噴射器
24‧‧‧氧化劑入口
26‧‧‧燃料氣體噴射器
28‧‧‧主氣流出口區/出口區
30‧‧‧分段氣流出口區/出口區
圖1繪示根據較佳實施例之燃燒組件。

Claims (14)

  1. 一種用於藉由使用包括燃燒器(12)及噴槍(14)之燃燒組件(10)來燃燒具有氧化劑之燃料氣體的方法，該方法包括： 經由燃燒器(12)向燃燒提供主氣流，其中該主氣流包括該燃料氣體之主要部分及該氧化劑之第一部分； 經由噴槍(14)向該燃燒提供分段氣流，其中該分段氣流包括該氧化劑之第二部分及該燃料氣體之輔助部分； 其中該燃料氣體之該主要部分大於該燃料氣體之輔助部分，且其中經由該噴槍提供之該燃料氣體之該輔助部分包括不大於20％，較佳地不大於10％，再更佳地不大於5％，最佳地不大於2%之提供至該燃燒之總燃料氣體。
  2. 如請求項1之方法，其中該燃料氣體之該輔助部分在向該燃燒提供該分段氣流之前預加熱該分段氣流之至少一部分。
  3. 如請求項1或2之方法，其中經由燃燒器(12)提供之該氧化劑之該第一部分包含不超過95％，較佳地不超過90％，更佳地不超過80％，再更佳地不超過70％，最佳地不超過60％之提供至該燃燒之總氧化劑。
  4. 如前述請求項中任一項之方法，其中經由噴槍(14)提供之該氧化劑之該第二部分包含至少5％，較佳地至少10％，更佳地至少20％，再更佳地至少30％，最佳地至少40％之提供至該燃燒之該總氧化劑。
  5. 如前述請求項中任一項之方法，其中該燃燒組件(10)包括用於向該燃燒提供該主氣流之數個燃燒器(12)，且/或其中該燃燒組件包括燃燒器區塊(16)，該燃燒器區塊包括用於噴射該經燃燒燃料氣體之至少一部分及該氧化劑之至少一部分的多個出口區(28、30)。
  6. 如前述請求項中任一項之方法，其中該燃燒組件(10)包括數個噴槍(14)，其中該數個噴槍(14)中之每一者向該燃燒提供數個分段氣流中之一者。
  7. 如前述請求項中任一項之方法，其中該分段氣流中之該燃料氣體之該輔助部分之量及/或比率係可調整的。
  8. 一種用於燃燒具有氧化劑之燃料氣體之燃燒組件(10)，其包括： 燃燒器(12)，其用於向燃燒提供主氣流，其中該主氣流包括該燃料氣體之主要部分及該氧化劑之第一部分； 噴槍(14)，其用於向該燃燒提供分段氣流，其中該分段氣流包括該氧化劑之第二部分及該燃料氣體之輔助部分； 噴射元件，其用於在經由該噴槍(14)向該燃燒提供該分段氣流之前將該燃料氣體之輔助部分噴射至該氧化劑之該第二部分； 其中該燃料氣體之該主要部分大於該燃料氣體之該輔助部分，且其中經由該噴槍提供之該燃料氣體之該輔助部分包括不超過20％，較佳地不超過10％，再更佳地不超過5％，最佳地不超過2%之提供至該燃燒之總燃料氣體。
  9. 如請求項8之燃燒組件(10)，其進一步包括用於較佳地經由該噴射元件調整該分段氣流中該燃料氣體之該輔助部分之量及/或比率之控制構件。
  10. 如請求項8或9之燃燒組件(10)，其中該燃燒組件包括用於向該燃燒提供該主氣流之數個燃燒器(12)，且/或其中該燃燒組件包括燃燒器區塊(16)，該燃燒器區塊包括用於噴射該經燃燒燃料氣體之至少一部分及該氧化劑之至少一部分的多個出口區(28、30)。
  11. 如請求項8至10中任一項之燃燒組件(10)，其中用於該燃料氣體及/或用於該噴槍(14)之該燃燒器區塊(16)之出口區(28、30)具有大致上矩形形狀，且/或其中該出口區(28、30)具有至少3:1，較佳地至少4:1，更佳地至少5:1，再更佳地至少6:1，最佳地至少6.5:1之其寬度與其高度之比率。
  12. 如請求項8至11中任一項之燃燒組件(10)，其中該燃燒組件(10)包括數個噴槍(14)，其中該數個噴槍(14)中之每一者經調適以向該燃燒提供數個分段氣流中之一者。
  13. 如請求項8至12中任一項之燃燒組件(10)，其中該燃燒器(12)係平焰燃燒器。
  14. 一種包括請求項8至13中之任一項之燃燒組件(10)之熔爐。
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