TW202129198A - 用於燃料燃燒的燃燒器及其燃燒方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露了一種用於燃料燃燒的燃燒器及其燃燒方法。該燃燒器包含初級氧化劑-燃料輸送組件、二級氧化劑輸送組件及三級氧化劑輸送組件。其中，二級氧化劑輸送組件及三級氧化劑輸送組件設置在初級氧化劑-燃料輸送組件的同一側，且所述二級氧化劑輸送組件位於三級氧化劑輸送組件與初級氧化劑-燃料輸送組件之間。本發明結合分級和稀釋燃燒技術，使得燃燒器具有較寬的火焰可調節範圍，實現火焰燃燒位置、火焰速度範圍、火焰局部氣氛和火焰長度之調整，且可以有效減少NOx的產生，同時達到較高的傳熱效率。

Description

用於燃料燃燒的燃燒器及其燃燒方法
本發明關於一種用於燃料燃燒的燃燒器及燃燒方法，尤其關於一種能夠以多級配置產生分段火焰之燃燒器，適用於工業熔爐時具有更低NOx排放。
本領域已知的是，工業熔爐中，全氧燃燒與傳統的空氣燃燒（例如應用於冶金或者玻璃行業）相比具有較低投資成本、較高燃燒效率、降低的NOx排放以及較高產品品質。
先前技術中，通常的分級式氧氣-燃料燃燒器具有燃料通道和氧化劑通道，採用氧氣分級將一部分氧氣從火焰中分流而延遲燃燒。燃燒器之噴嘴端產生大致扁平的富燃料火焰，分級噴嘴將部分氧化劑從該富燃料火焰下方引入，夾帶該富燃料火焰的下部會產生貧燃料火焰。
公告號為CN 1134610 C的中國專利揭露了一種典型的分級燃燒器。如圖1A所示，分級的含氧燃料燃燒器可以產生一個具有富燃料火焰區和貧燃料火焰區的大致為扁平形的火焰。燃燒器之燃料通道終止於噴嘴。此外，類似分級燃燒器也可如圖1B所示，二級氧化劑或分級氧化劑依然參與遠離燃料-初級氧化劑之分級燃燒。這類燃燒器之局限性在於很難靈活地調節氧氣分佈及火焰形狀，也很難實現在某個特定區域達到需要之氧化氣氛或還原氣氛等。
先前技術中也揭露了如圖2所示之雙極氧氣燃料燃燒器。公告號為CN 108458339 B的中國專利闡述了該氧氣燃料燃燒器包括中心導管和環形導管，其中燃料由中心導管噴出，氧化劑由上下兩導管噴出。但該分級燃燒器之不足之處在於調節熔融原料表面之氣氛時具有很大的局限性，火焰調節範圍有限。如果採用減少或關閉下層氧化劑的噴出量之方法，氧化劑則集中在中層和上層，致使氧化劑分級燃燒調節方式受限。
圖3係另一種先前技術中的稀釋氧燃燒（DOC）燃燒器之燃料和氧氣噴出狀態示意圖，燃料和氧氣各自從獨立的噴出口噴射出。雖然稀釋氧燃燒器可以避免局部高溫點出現，同時產生更均勻的溫度分佈，但為了實現較好還原氛圍，氧氣和燃料之噴射口必須保持相當大的距離，才能保證氧氣和燃料高速噴出進行混合燃燒後，燃燒後的廢氣可以卷吸到氧化劑和燃料流中，使其可以再分別和燃料/氧氣反應。這種稀釋氧之燃燒形式要求燃料和氧化劑之噴出速度極高，也要求更複雜的控制過程，該等因素決定了其更難實現工業化應用。
基於上述討論，市場需要一種更高效的燃燒器和燃燒方法來克服該等不足。人們希望儘量將初始混合時的燃料流和氧化劑流的平均速度差最小化。也希望藉由運行較高動量和較多分級的燃燒器來提高熔爐性能，以產生較長且穩定的富燃料火焰。進一步地希望提高總傳熱率，提高熔爐之性能，減少玻璃之缺陷，提高產量。同時，可以靈活地控制指定局部區域之氣氛，提高氣氛可調節性，並且降低氮氧化物（NOx）之排放。
本發明意欲解決先前技術中以下技術問題：火焰剛性、火焰長度和覆蓋區域之可調節範圍窄；火焰燃燒位置和速度調節範圍有限；火焰局部氣氛可調節空間有限，很難控制指定區域之特定氣氛；很難藉由改變傳熱係數（輻射和對流）適應製程需求；無法便利地調節氧氣濃度，以及點火溫度極限適應性差、局部火焰溫度過高等。
本發明之目的係結合分級和稀釋燃燒技術，使得燃燒器具有較寬的火焰可調節範圍，實現火焰燃燒位置、火焰速度範圍、火焰局部氣氛和火焰長度的調整，且可以有效減少Nox之產生，同時達到較高傳熱效率。
為了達到上述目的，本發明之第一方面，提供了一種用於燃料燃燒之燃燒器，其包含燃燒器本體，所述燃燒器本體沿一軸向延伸，並且在燃燒器本體之前端面形成對被加熱物進行加熱的火焰，該燃燒器本體包含：初級氧化劑-燃料輸送組件，二級氧化劑輸送組件及三級氧化劑輸送組件； 所述二級氧化劑輸送組件及三級氧化劑輸送組件設置在初級氧化劑-燃料輸送組件的同一側，且所述二級氧化劑輸送組件位於三級氧化劑輸送組件與初級氧化劑-燃料輸送組件之間； 所述初級氧化劑-燃料輸送組件包含： 至少一個燃料供給通路，用於供燃料流動，其一端設有燃料噴嘴；及 至少一個初級氧化劑供給通路，用於供初級氧化劑流動，該初級氧化劑供給通路配置為圍繞燃料供給通路外壁，其一端設置有環繞所述燃料噴嘴之環形噴嘴； 所述二級氧化劑輸送組件包含至少一個二級氧化劑供給通路，用於供二級氧化劑流動，其一端設置有二級氧化劑噴嘴； 所述三級氧化劑輸送組件包含至少一個三級氧化劑供給通路，用於供三級氧化劑流動，其一端設置有三級氧化劑噴嘴。這種設置方式可為初級氧化劑-燃料輸送組件位於二級氧化劑輸送組件和被加熱物的熔融面之間，而三級氧化劑輸送組件位於二級氧化劑輸送組件和熔爐頂部之間。
進一步地，至少一個初級氧化劑-燃料輸送組件中，所述初級氧化劑供給通路與燃料供給通路同軸設置。
進一步地，所述二級氧化劑噴嘴和所述三級氧化劑噴嘴之出口端配置在燃燒器本體之前端面上，各出口端分別噴射二級氧化劑和三級氧化劑，且二級氧化劑比三級氧化劑更先與燃料發生混合。
進一步地，至少一個所述燃料噴嘴沿燃燒器本體之軸向噴出燃料。
進一步地，至少一個所述燃料噴嘴之前端部具有第一傾斜流路，所述第一傾斜流路以朝向二級氧化劑噴嘴之方式傾斜。
進一步地，至少一個燃料噴嘴及環繞該燃料噴嘴的環形噴嘴設置有偏向燃燒器本體外側的第一水平擴散角度α1 ，所述第一水平擴散角度α1 範圍在0~20°，較佳的是0~10°，更較佳的是3°~6°。第一水平擴散角度α1 使得自該燃料噴嘴噴出的燃料和自環形噴嘴噴出的初級氧化劑均向燃燒器本體外側擴展。該第一水平擴散角度α1 是指燃料噴嘴之中心軸線與燃燒器本體之軸向之間的夾角，所述燃燒器本體外側是指遠離燃燒器本體中心處。
進一步地，所述燃料供給通路佈置為與其端部的燃料噴嘴同軸，具有所述第一水平擴散角度α1 。
進一步地，至少一個所述二級氧化劑噴嘴沿燃燒器本體之軸向噴出二級氧化劑。
進一步地，至少一個所述二級氧化劑噴嘴之前端部具有第二傾斜流路，所述第二傾斜流路以朝向燃料噴嘴的方式傾斜。藉由使得氧化劑的傾斜流路，能夠改變氧化劑的噴射方向，根據爐的形狀和被加熱物的特性，靈活地改變火焰之形狀。
進一步地，至少一個所述二級氧化劑噴嘴設置有偏向燃燒器本體外側的第二水平擴散角度α2 ，所述第二水平擴散角度α2 的範圍在0~15°，較佳的是0~10°，更較佳的是3°~8°。第二水平擴散角度α2 使得自該二級氧化劑噴嘴噴出的二級氧化劑向燃燒器本體外側擴展。該第二水平擴散角度α2 是指，將所述二級氧化劑噴嘴投影至所述初級氧化劑-燃料輸送組件所在的XY平面上，二級氧化劑噴嘴的中心軸線與燃燒器本體之軸向之間之夾角。
進一步地，至少一個所述二級氧化劑供給通路佈置為與其端部的二級氧化劑噴嘴同軸，具有第二水平擴散角度α2 。
進一步地，至少一個所述三級氧化劑噴嘴沿燃燒器本體之軸向噴出三級氧化劑。
進一步地，至少一個所述三級氧化劑噴嘴之前端部具有第三傾斜流路，所述第三傾斜流路以朝向燃料噴嘴之方式傾斜。
進一步地，至少一個所述三級氧化劑噴嘴設置有偏向燃燒器本體外側的第三水平擴散角度α3 ，所述第三水平擴散角度α3 範圍在0~15°，較佳的是2°~10°，更較佳的是4°~10°。第三水平擴散角度α3 使得自該三級氧化劑噴嘴噴出的三級氧化劑向燃燒器本體外側擴展。其中，該第三水平擴散角度是指，將所述三級氧化劑噴嘴投影至所述初級氧化劑-燃料輸送組件所在的XY平面上，三級氧化劑噴嘴之中心軸線與所述燃燒器本體之軸向之間的夾角。
進一步地，至少一個所述三級氧化劑供給通路佈置為與其端部的三級氧化劑噴嘴同軸，具有第三水平擴散角度α3 。
進一步地，至少一個所述燃料噴嘴設置有偏向二級氧化劑噴嘴的第一垂直角度β1 ，且所述度β1 的範圍在0~10°，較佳的是0~3°。第一垂直角度β1 是指將燃料噴嘴投影在XZ平面方向上，燃料噴嘴之中心軸線與燃燒器本體之軸向之間的夾角
進一步地，至少一個所述初級氧化劑-燃料輸送組件還包含：第一調節連接件，用於連接燃料供給通路及其燃料噴嘴，並能根據需要調整燃料噴嘴具有第一水平擴散角度α1 和/或第一垂直角度β1 。該第一調節連接件可以包括但不限於萬向接頭（Universal Joint）、波紋管或類似的連接機構，它們允許燃料供給通路附接到燃料噴嘴上，具有一定範圍內的轉動以允許燃料噴嘴具有較佳的或默認的第一水平擴散角度α1 和/或第一垂直角度β1 。
進一步地，至少一個所述二級氧化劑噴嘴設置有偏向初級氧化劑-燃料輸送組件方向的第二垂直角度β2 ，且所述β2 的範圍在0~20°，較佳的是0~10°，更較佳的是2°~7°。第二垂直角度使得自該二級氧化劑噴嘴噴出的二級氧化劑向初級氧化劑-燃料輸送組件方向偏移。其中，第二垂直角度是指，將所述二級氧化劑噴嘴投影在所述初級氧化劑-燃料輸送組件所在的XY平面的垂直面XZ上，二級氧化劑噴嘴中心軸線與燃燒器本體之軸向之間的夾角。
進一步地，至少一個所述二級氧化劑供給通路佈置為與其端部的二級氧化劑噴嘴同軸，具有第二垂直角度β2 。
進一步地，所述二級氧化劑輸送組件還包含：第二調節連接件，用於連接二級氧化劑供給通路及其二級氧化劑噴嘴，並調整二級氧化劑噴嘴的第二水平擴散角度α2 和/或第二垂直角度β2 。該第二調節連接件可以包括但不限於萬向接頭（Universal Joint）、波紋管或類似的連接機構，它們允許二級氧化劑供給通路附接到二級氧化劑噴嘴上，具有一定範圍內的轉動以允許燃料噴嘴具有較佳的或默認的第二水平擴散角度α2 和/或第二垂直角度β2 。
進一步地，至少一個所述三級氧化劑噴嘴設置有偏向初級氧化劑-燃料輸送組件方向的第三垂直角度β3 ，且所述β3 的範圍在0~20°，較佳的是0~9°。第三垂直角度使得自該三級氧化劑噴嘴噴出的三級氧化劑向初級氧化劑-燃料輸送組件方向偏移。其中，第三垂直角度β3 是指，將所述三級氧化劑噴嘴投影在所述初級氧化劑-燃料輸送組件所在的XY平面的垂直面XZ上，三級氧化劑噴嘴中心軸線與燃燒器本體之軸向之間的夾角。
進一步地，至少一個所述三級氧化劑供給通路佈置為與其端部的三級氧化劑噴嘴同軸，具有第三垂直角度。
進一步地，所述三級氧化劑輸送組件還包含：第三調節連接件，用於連接三級氧化劑供給通路及其三級氧化劑噴嘴，並能根據需要調整三級氧化劑噴嘴的第三水平擴散角度α3 和/或第三垂直角度β3 。該第三調節連接件可以包括但不限於萬向接頭（Universal Joint）、波紋管或類似的連接機構，它們允許三級氧化劑供給通路附接到三級氧化劑噴嘴上，具有一定範圍內的轉動以允許燃料噴嘴具有較佳的或默認的第三水平擴散角度α3 和/或第三垂直角度β3 。
進一步地，該燃燒器還包含分別獨立控制所述初級氧化劑供給通路、二級氧化劑供給通路及三級級氧化劑供給通路中氧化劑流量的氧化劑分級控制機構。
進一步地，所述初級氧化劑-燃料輸送組件、二級氧化劑輸送組件及三級氧化劑輸送組件集成在同一燒嘴磚體內，或，分佈在不同燒嘴磚體內組裝構成。
進一步地，所述初級氧化劑-燃料輸送組件、二級氧化劑輸送組件及三級氧化劑輸送組件由下向上依次佈置。
進一步地，所述燃料噴嘴、環形噴嘴、二級氧化劑噴嘴及三級氧化劑噴嘴分別呈圓形、橢圓形、正方形或不規則形狀中的任意一種。
進一步地，在初級氧化劑-燃料輸送組件中，所述至少一個燃料供給通路設置為包括第一燃料供給通路和第二燃料供給通路，該第一燃料供給通路套置在相應的第二燃料供給通路之內部，其中，所述第一燃料和第二燃料各自獨立地選自固體燃料、液體燃料或氣體燃料。
本發明之第二方面，提供了一種用於燃料燃燒的燃燒器之燃燒方法，採用至少一個上述的燃燒器形成的火焰，該方法包含： 藉由初級氧化劑-燃料輸送組件導入燃料和環繞該燃料的初級氧化劑，使二者在靠近燃燒器本體之前端面處混合後一起噴入燃燒空間，提供的初級氧化劑的量少於完全燃燒所述燃料需要的氧化劑量，以產生初級燃燒產物和未完全燃燒燃料之初級混合物； 藉由二級氧化劑輸送組件導入二級氧化劑，使得初級混合物與二級氧化劑在設定的位置接觸並混合，發生燃燒，產生二級混合物； 藉由三級氧化劑輸送組件導入三級氧化劑，與二級混合物接觸並混合，發生燃燒並形成最終燃燒生成物。
進一步地，初級氧化劑占總氧化劑流量的1~20%，較好範圍係1~15%，最佳範圍為2~5%，以上均以體積流量比計；二級氧化劑流量占總氧化劑流量的5~70%，較好範圍係10~50%，最佳範圍為15~30%，以上均以體積流量比計；三級氧化劑流量占總氧化劑流量的5~90%，較好範圍係20~80%，最佳範圍為50~75%，以上均以體積流量比計。
進一步地，初級氧化劑之噴出速度設定為0.5~30m/s，所述燃料之噴出速度設定為5~130m/s，所述二級氧化劑之噴出速度設定為2.5~80m/s，所述三級氧化劑之噴出速度設定為5~160m/s，形成火焰，並且利用該火焰對被加熱物進行加熱。
本發明提供的燃燒器和燃燒方法具有以下優勢： 本發明提供的燃燒器藉由高度分級之方式輸送燃料和氧化劑，實現了低的NOx排放，實現了被加熱物表面附近之氣氛控制。
藉由調節各分級氧化劑之速度、流量和分佈，本發明提供的燃燒器可以更好地控制熔爐內氧化劑和熱煙氣之稀釋程度，調節火焰之長度和剛性，調節火焰覆蓋區域。
該燃燒器可以有效控制爐內溫度，避免產生不希望的局部過熱。
該燃燒器可以增強熱效率和產率，有助於在被加熱物中形成更強的對流，促進更完全地消除雜質，提高產品品質。
該燃燒器可以降低成本，易於加工成集成燃燒器，減少了燃燒器佔用的空間。
下面將結合附圖對本發明之技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述之實施方式係本發明一部分實施方式，而不是全部實施方式。基於本發明中之實施方式，熟悉該項技術者在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施方式，都屬於本發明保護之範圍。
在本發明之描述中，需要說明的是，術語「上」、「下」、「左」、「右」、「垂直」、「水平」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示之方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明之簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明之限制。此外，術語「第一」、「第二」、「第三」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
在本發明之描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可為固定連接，也可為可拆卸連接，或一體地連接；可為機械連接；可為直接相連，也可以藉由中間媒介間接相連，可為兩個元件內部的連通。對於熟悉該項技術者而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
除非清楚地指出相反的，這裡限定的每個方面或實施方案可以與任何其他一個或多個方面或一個或多個實施方案組合。特別地，任何指出的作為較佳的或有利的特徵可以與任何其他指出的作為較佳的或有利的特徵組合。
本文中所用，「燃燒器本體之軸向」 指大體平行於燃燒器本體之旋轉軸線、對稱軸線或中心線的方向，大致指初級氧化劑-燃料輸送組件中燃料之輸送方向。例如在圖13中所示的XY平面上沿著或平行X軸方向即為燃燒器本體之軸向。相應地，可以確定Y軸方向是指與X軸正交的方向。相應地，可以按照右手螺旋法則確定Z軸方向。
本文中所用，「燃燒器本體外側」是指將燃燒器本體看做一個整體，遠離其中心向外延伸之方向。
本文中所用，「圍繞」或「環繞」基本指構成環的形狀，大致意味著內圈被包圍在外圈之內，從而使得內層和外層之間有一定間隙。這裡的間隙可為環形間隙，也可為非環形間隙。如在此所使用的，可以指初級氧化劑供給通路包圍了燃料供給通路之一部分周長（例如一半以上），也可以指初級氧化劑供給通路包圍了燃料供給通路之全部周長。後者可以理解為初級氧化劑供給通路沿周向地完全環繞燃料供給通路的周長設置。燃料噴嘴和環形噴嘴的設計可做類似的理解。
本文中所用，「分級」是指在不同時間和不同位置，使燃料和氧化劑混合，可以實現低的氮氧化物的排放和在熔融物表面附近的氣體氣氛控制。分級是指可以藉由與燃料噴嘴間隔開的其它噴嘴按照不同的比例或流速供應氧化劑。例如，當二級氧化劑和三級氧化劑的分級為95%，意味著其餘5%的氧化劑與燃料一起供給初級氧化劑-燃料輸送組件。
本文中所用，「燃料」指的是可互相替代或結合使用的氣體燃料、液體燃料或固體燃料。氣體燃料可為天然氣(主要是甲烷)、丙烷、氫氣或其它任何烴類化合物和/或含硫的化合物。固體或液體燃料可以主要是含碳和/或烴類和/或含硫形式的任何化合物。熟悉該項技術者可根據需要決定氣體燃料、液體燃料或固體燃料之引入方式，本發明不意圖做任何限制。本文介紹的部分數據採用天然氣作為燃料，但結果被認為適用於其它燃料，例如氫氣等氣體燃料。
本文中所用，「氧化劑」可以由諸如空氣或富氧空氣之類的氧化劑組成。氧化劑流股較佳的是由氧莫耳濃度為至少50%、較佳的是至少80%、更較佳的是至少90%且最較佳的是至少95%的氧化劑組成。該等氧化劑包括含有至少50%體積百分比氧的富氧空氣、諸如藉由低溫空氣分離裝置生產的99.5%純氧、或者藉由真空變壓吸附製程產生的非純氧（88%體積百分比或更多）、或者任何其它源生產的氧。
本文中，使用含氧燃料能夠消除熔化操作中的氮並將NOx和微粒排放物降低至標準之下。使用含氧燃料燃燒器可以實現不同的火焰動量（Flame Momentum）、熔體覆蓋率和火焰輻射特性。在爐內，氮主要來源於空氣洩漏、從真空變壓吸附或變壓吸附裝置供應的低純度氧、燃料中（例如天然氣）中的氮或裝爐的熔融原料內所含的氮。
本文中所用，術語「噴嘴」可具有多種不同的含義。一般來講，本說明書中的噴嘴可理解為霧化噴射系統之末端錐形部分，噴霧最終從所述末端錐形部分噴出。參見例如韋氏詞典（Merriam Webster’s Dictionary）對噴嘴之定義：具有用於(如在軟管上)對流體束流加速或引導的圓錐或縮小部的短管。本說明書中的 「噴嘴」指的是位於燃燒器之端部，並提供燃料和氧化劑使其發生燃燒的部件。
本文中所用，燃料供給通路、初級氧化劑供給通路、二級氧化劑供給通路和三級氧化劑供給通路可為基本上呈環形的通道，可為具有一個入口和一個出口的一段區域。當所述基本上呈環形的各通路從與軸向流動方向相垂直的平面的橫截面觀察時，較佳的是環形的，但是這種形狀也可為非環形的。
本文中所用，「燃燒面」可以理解為建立在燒嘴磚之前端面上的，環形噴嘴、二級氧化劑噴嘴和三級氧化劑噴嘴可以終止於該燃燒面。
圖4示出了本發明一示例性的具有總燃料入口和總氧化劑入口的燃燒器之橫截面（XZ截面）示意圖。燒嘴金屬件3可為一個插入到大致為長方體形狀的燒嘴磚2中的金屬體，它們共同構成燃燒器本體之一部分。燒嘴金屬件3配置有總燃料入口、總氧化劑入口、氧化劑分級控制機構和隔開的通道。氧化劑分級控制機構和隔開的通道可以允許燃料或氧化劑按比例地輸送到燃料供給通路11、初級氧化劑供給通路12、二級氧化劑供給通路21及三級氧化劑供給通路31。
燃料經總燃料入口輸送至燃料供給通路11，該燃料供給通路11終止於燃料噴嘴111。燃料噴嘴111可為圓形截面的或者可為具有一定長寬比的非圓形截面。所有氧化劑經總氧化劑入口輸送至燒嘴金屬件3，燒嘴金屬件內的氧化劑分級控制機構按比例將總氧化劑分配至初級氧化劑供給通路12、二級氧化劑供給通路21以及三級氧化劑供給通路31中的至少一者。如圖4所示的用於初級氧化劑流動的初級氧化劑供給通路12，圍繞燃料供給通路11的外壁，並與該燃料供給通路11同軸。初級氧化劑供給通路12的一端設置有環繞燃料噴嘴111的環形噴嘴121。
氧化劑分級控制機構可為分級分配閥，可以裝配在燃燒器之燒嘴金屬件中，功能係將氧化劑之分階段部分從燒嘴金屬件轉移到各氧化劑供給通路中進行分配。氧化劑分級控制機構可以包含初級氧化劑控制閥、二級氧化劑控制閥和三級氧化劑控制閥。
燃料供給通路可為由適當的材質（例如耐高溫金屬或陶瓷）構成的燃料導管。燃料導管之起始端與燒嘴金屬件可拆卸地連接，也可一體成形。燃料導管之出口端與燃料噴嘴相連接。各氧化劑供給通路可為由特定的材質（例如耐高溫金屬或陶瓷）構成的各氧化劑供給導管，也可為在燒嘴磚中形成的形狀相適應的空腔或通路。對於後者而言，燒嘴金屬件插入到燒嘴磚相應的空腔或通路的起始部位，使得氧化劑在該等空腔或通路內流動。
二級氧化劑輸送組件20包含用於二級氧化劑流動的二級氧化劑供給通路21，其端部設置有二級氧化劑噴嘴211。
三級氧化劑輸送組件30包含用於三級氧化劑流動的三級氧化劑供給通路31，其端部設置有三級氧化劑噴嘴311。
燃料供給通路11、二級氧化劑供給通路21及三級氧化劑供給通路31在Z軸方向上自下而上依次佈置。
總氧化劑可以分成三個流股：初級氧化劑流股、二級氧化劑流股和三級氧化劑流股。初級氧化劑流股環繞燃料噴嘴周圍，其體積流量只占總氧化劑的很小比例，較佳的是小於20%或小於10%或小於5%或約為2%~5%。其餘氧化劑作為二級氧化劑流股和三級氧化劑流股。這將分別等同於至少10%或至少20 %或至少40%或至少50%或至少60%甚至至少70%的較佳分級比例。這意味著足夠的氧化劑流經二級氧化劑供給通路或三級氧化劑供給通路，或者在兩個供給通路之間分配，進行分級。這不僅減少了Nox之產生，還顯著提高了控制與被加熱物之熔融表面相鄰的氣體氣氛之能力。為了能夠控制鄰近熔融表面之氣氛，根據製程情況選擇性地氧化或還原，希望可以方便地切換燃燒器之運行。這可以藉由氧化劑分級控制機構來分別獨立控制初級、二級和三級氧化劑供給通路中的氧化劑流量（即流股）。各氧化劑流股之間相互獨立，因此可實現精準的燃燒控制。
應該指出的是，初級氧化劑流股為零是不理想的，這會在初級氧化劑供給通路中產生空隙或真空，從而吸入熱腐蝕性的爐氣，很快會破壞燃燒器，並且也會造成火焰不穩定。並且，初級氧化劑流股過少，火焰的穩定效果也會降低，並且氣體燃料及氧化劑的混合狀態變差，難以得到實用的火焰。在某些情況下，二級氧化劑流股或三級氧化劑流股可以接近於零，此時該燃燒器基本接近或等同於雙極分級燃燒器，相應的燃燒效果以及特性可以按熟悉該項技術者所知悉的進行預測及調整。
作為示例性的，環形噴嘴121環繞著燃料噴嘴111，環形噴嘴121的出口端可以終止於燃燒器本體之前端面，形成對被加熱物進行加熱的火焰，該燃燒器本體之前端面也可以稱為「燃燒面」或「熱面」。燃料噴嘴111之噴射口可以凹進該燃燒面2cm~5cm左右，這種設置方式可以使得燃料和初級氧化劑在靠近燃燒面附近混合後形成更穩定的火焰。
圖5示意性地表示本發明所涉及的燃燒器之原理圖。金屬等冶金爐或玻璃熔融爐等工業爐通常在爐內下部放置熔融原料等被加熱物，並且在該爐內的上部空間形成火焰，藉由來自該火焰的熱輻射加熱或熔解被加熱物。
本實施方式中，三級氧化劑和二級氧化劑位於燃料-初級氧化劑的同一側之上方。通常來說，初級氧化劑和二級氧化劑先於三級氧化劑與燃料流接觸，形成富燃料火焰，產生富燃料燃燒混合物，其中可能包含一部分燃燒產物、未反應的燃料和氧化劑等。藉由該等富燃料燃燒混合物裂解來增強煙灰生成，更有利於形成發光火焰。
在某些情況下，玻璃熔化爐往往需要較高的火焰發光度，此時設置更快速度噴射的二級氧化劑，則會發生更快速的燃燒。因為這往往使得燃料和氧化劑之混合更迅速，從而縮短火焰長度，使得局部溫度迅速上升。熟悉該項技術者知悉的是，可以採用多種方式實現希望的氧化劑噴射速度，本發明不意圖作出限制，不限於調節氧化劑流量、調節氧化劑噴嘴尺寸以及調節氧化劑溫度等方式。
在某些情況下，例如鋁冶煉工業爐中，往往需要更長的火焰長度來提高傳熱效率，可以繼續提高三級氧化劑的噴射速度到合適的範圍。高速噴出的三級氧化劑在前兩級燃燒產物混合物中進一步得到稀釋，三級氧化劑進一步卷吸到周圍的混合物氛圍中，有利於形成更長的火焰長度，同時Nox之生成也進一步降低。
圖6A和6B中，對與圖4所示的燃燒器相同的結構部分使用相同附圖標記。圖6A和6B示出了本發明第一實施方式之典型燃燒器設計，其中圖6A顯示了該燃燒器各噴嘴出口端之截面圖，圖6B顯示了該燃燒器之立體圖。該燃燒器分為三個區域：A區、B區和C區。燃燒器本體1包含位於C區的初級氧化劑-燃料輸送組件10，位於B區的二級氧化劑輸送組件20及位於A區的三級氧化劑輸送組件30。大致長方體形狀的燒嘴磚2可以由各種耐火材料製成。燒嘴磚2之前端面可以構成整個燃燒器本體之端面。
初級氧化劑-燃料輸送組件10與二級氧化劑輸送組件20及三級氧化劑輸送組件30彼此間隔開。二級氧化劑輸送組件20及三級氧化劑輸送組件30設置在初級氧化劑-燃料輸送組件10的同一側，即上側。且二級氧化劑輸送組件20位於三級氧化劑輸送組件30與初級氧化劑-燃料輸送組件10之間。
各氧化劑噴嘴可以終止於燒嘴磚2之燃燒面。燃料噴嘴111之出口端可以凹進該燃燒面2cm~5cm左右，即可以在距離燃燒面一定位置處提前終止。這種設置方式可以使得燃料和初級氧化劑在靠近燃燒面附近混合後形成更穩定的火焰。如果過早地終止，如果燃料噴嘴之出口端凹進該燃燒面的距離小於2cm，則燃料和初級氧化劑之混合時間太短，混合效果差；如果大於5cm，過快的燃燒導致的局部過熱容易造成燃燒器的燒損。
圖7為本發明示例性的初級燃料-氧化劑輸送組件在XY平面方向上的截面示意圖。至少一個燃料噴嘴111及環繞該燃料噴嘴的環形噴嘴121同時設置有偏向燃燒器本體外側的第一水平擴散角度α1 ，整體使得自該燃料噴嘴111噴出的燃料、自環形噴嘴121噴出的初級氧化劑均向燃燒器本體外側擴展，使得火焰之覆蓋範圍更廣。該第一水平擴散角度α1 是指燃料噴嘴111之中心軸線與燃燒器本體之軸向之間的夾角。這裡的燃燒器本體外側是指遠離燃燒器本體中心的側部。該第一水平擴散角度α1 為0~20°，較佳的是0~10°，更較佳的是3°~6°。當某個燃料噴嘴的第一水平擴散角度α1 為零時，其噴射出的燃料方向基本沿著燃燒器本體之軸向方向。
在一個初級氧化劑-燃料輸送組件中，當初級氧化劑供給通路12和環形噴嘴121分別與其圍繞的燃料供給通路11和燃料噴嘴111同軸時，即具有同樣的第一水平擴散角度α1 。熟悉該項技術者應知悉的是，燃料噴嘴111和環形噴嘴121可以設置為不同軸，只要保證環形噴嘴始終環繞燃料噴嘴即可。
示例性地，根據情況可以設置成每個燃料噴嘴設置有偏向燃燒器本體外側的不同的或相同的第一水平擴散角度。示例性地，燃料供給通路11佈置為與其端部的燃料噴嘴111同軸，即，也具有所述第一水平擴散角度。當然，為了加工製造的便利，燃料供給通路11和燃料噴嘴111可以固定連接並一體成型。
圖8為本發明一示例性的二級氧化劑輸送組件20在XY平面方向上的投影示意圖。根據圖8所示，兩組二級氧化劑噴嘴211分別設有偏向燃燒器本體外側的第二水平擴散角度α2 ，使得自該二級氧化劑噴嘴211噴出的二級氧化劑之噴射平面更開闊，火焰覆蓋面更廣，更有利於形成平火焰。該第二水平擴散角度α2 是指，將所述二級氧化劑噴嘴211投影至所述初級氧化劑-燃料輸送組件所在的XY平面上，二級氧化劑噴嘴211之中心軸線與燃燒器本體之軸向之間的夾角。熟悉該項技術者所知悉的是，可以根據需要設置成每個二級氧化劑噴嘴設置有偏向燃燒器本體外側的不同的或相同的第二水平擴散角度。
第二水平擴散角度α2 之範圍在0~15°，較佳的是0°~10°，更較佳的是3°~8°。如果第二水平擴散角度大於15°，則會導致局部氧化劑濃度過低，燃燒不充分。可選擇地，二級氧化劑供給通路21及其連接的二級氧化劑噴嘴211的第二水平擴散角度可以為零。
示例性地，也可以將至少一個二級氧化劑供給通路21佈置為與其端部的二級氧化劑噴嘴211同軸，均具有第二水平擴散角度α2 。
圖9為本發明一示例性三級氧化劑輸送組件30在XY平面方向上之投影示意圖。根據圖9所示的設置，兩組三級氧化劑噴嘴311分別設有偏向燃燒器本體外側的第三水平擴散角度α3 ，使得自該三級氧化劑噴嘴311噴出的三級氧化劑之噴射平面更開闊，火焰覆蓋面更大，更有利於形成平火焰。該第三水平擴散角度α3 是指，將所述三級氧化劑噴嘴311投影至XY平面上，三級氧化劑噴嘴311之中心軸線與燃燒器本體之軸向之間的夾角。熟悉該項技術者所知悉的是，可以根據需要設置成每個三級氧化劑噴嘴設置有偏向燃燒器本體外側的不同或相同第三水平擴散角度。
第三水平擴散角度α3 之範圍在0~15°，較佳的是2°~10°，更較佳的是4°~10°。如果第三水平擴散角度大於15°，則會導致局部氧化劑濃度過低，燃燒不充分。可選擇地，三級氧化劑供給通路31及其連接的二級氧化劑噴嘴311的第三水平擴散角度可以為零。
示例性地，也可以將至少一個三級氧化劑供給通路31佈置為與其端部的三級氧化劑噴嘴311同軸，均具有第三水平擴散角度α3 。
圖10A和圖10B為本發明一示例性的燃燒器在XZ平面方向上的投影示意圖。位於C區的燃料噴嘴的第一垂直角度β1 之範圍在0~10°，較佳的是0~3°。其中，第一垂直角度β1 是指，將燃料噴嘴投影在XZ平面方向上，燃料噴嘴之中心軸線與燃燒器本體之軸向之間的夾角。β1 為零即表示燃料噴嘴之噴射方向與燃燒器本體之軸向基本一致。β1 大於0°，可以使得燃料噴嘴之噴射方向整體上使得燃料更接近或更朝向二級氧化劑噴嘴。β1 設置在0至10°之間，有利於燃料噴嘴之噴射方向更加偏移向二級氧化劑噴嘴。如果β1 超過10°，二級和三級氧化劑會過早地與燃料接觸並混合，無法維持需要的火焰長度。
位於B區的各二級氧化劑噴嘴211還分別設置有沿Z軸偏向初級氧化劑-燃料輸送組件方向的不同的或相同的第二垂直角度β2 ，使得自該二級氧化劑噴嘴211噴出的二級氧化劑向初級氧化劑-燃料輸送組件方向偏移。其中，第二垂直角度是指，將二級氧化劑噴嘴投影在初級氧化劑-燃料輸送組件所在的XY平面的垂直面XZ上，二級氧化劑噴嘴211之中心軸線與燃燒器本體之軸向之間的夾角。第二垂直角度β2 小於20°，較佳的是0~10°，更較佳的是2°~7°。如果第二垂直角度β2 大於20°，則會導致二級氧化劑過早地與燃料接觸並混合，發生不希望的提前燃燒。
熟悉該項技術者所知悉的是，可以根據需要設置成每個二級氧化劑噴嘴設置有沿Z軸偏向初級氧化劑-燃料輸送組件方向的不同的或相同的第二垂直角度β2 。進一步地，也可以將至少一個二級氧化劑供給通路21佈置為與其端部的二級氧化劑噴嘴211同軸，均具有第二垂直角度β2 。
位於A區的三級氧化劑噴嘴311分別設置有偏向初級氧化劑-燃料輸送組件方向的相同或不同第三垂直角度β3 ，使得自該三級氧化劑噴嘴311噴出的三級氧化劑向初級氧化劑-燃料輸送組件方向偏移。其中，第三垂直角度是指，將所述三級氧化劑噴嘴311投影在所述初級氧化劑-燃料輸送組件所在的XY平面的垂直面XZ上，三級氧化劑噴嘴中心軸線與燃燒器本體之軸向之間的夾角。
第三垂直角度β3 可以為0°~20°，較佳的是0°~9°。如果β3 大於20°，會導致三級氧化劑過早地與燃料接觸並混合，無法維持火焰長度，火焰不會進一步地在熔融面平面擴散形成有效的加熱火焰。
進一步地，根據情況可以設置成每個三級氧化劑噴嘴311設置有沿Z軸偏向初級氧化劑-燃料輸送組件方向的不同的或相同的第三垂直角度。
進一步地，還可以將至少一個三級氧化劑供給通路31佈置為與其端部的三級氧化劑噴嘴311同軸，均具有第三垂直角度。
圖11顯示了各氧化劑供給通路的限定角度之示意性截面圖。將所述二級氧化劑供給通路21、三級氧化劑供給通路31均投影至所述初級氧化劑-燃料輸送組件所在的XZ平面時，分別示出二級氧化劑噴嘴以及三級氧化劑噴嘴之噴射方向的延長線與燃燒器本體之軸向（此處也可理解為初級氧化劑-燃料輸送組件的軸線方向）的交叉位置，以下稱為第三交叉位置和第二交叉位置，那麼第二交叉位置會比第三交叉位置更接近燒嘴金屬件，也即更接近燃燒面。假設燃料和初級氧化劑噴出的方向為P1，二級氧化劑之噴出的方向為P2，三級氧化劑噴出的方向為P3。
可以用以下關係來更形象地說明。第三交叉位置與燃燒面之間的距離d3 （即d2 /tgβ2 ）＞ 第二交叉位置與燃燒面之間的距離d4 （即d1 /tgβ3 ）＞ 初級氧化劑供給通路相應的交叉位置與燃燒面之間的距離d5 ，即d3 ＞ d4 ＞ d5 。其中d1 表示二級氧化劑供給通路的中心到燃料供給通路的中心之間的距離，d2 表示三級氧化劑供給通路的中心到燃料供給通路的中心之間的距離。
僅作為示例性地，一個燃燒器內可設置三組初級氧化劑-燃料輸送組件、兩組二級氧化劑輸送組件和兩組三級氧化劑輸送組件，熟悉該項技術者可知悉的是，根據工業爐之尺寸、熔融物料之類型、火焰之控制要求等可選擇每組組件相應的個數及各組件的參數。
各氧化劑供給通路之截面形狀可以不同，可以呈圓形、橢圓形、正方形或不規則形狀等。進一步地，所述燃料噴嘴、環形噴嘴、二級氧化劑噴嘴及三級氧化劑噴嘴分別呈圓形、橢圓形、正方形或不規則形狀中的任意一種。
燒嘴磚材料可以選擇奶花磚材料或者其它耐高溫合金材料。該全氧燃燒器可以應用於多種工業領域，例如有色金屬（如鋁工業）、玻璃、水泥及陶瓷等領域。由於該燃燒器可以產生下部呈中性或還原性氛圍之火焰，而且火焰覆蓋面積大，火焰長度更長，火焰溫度更均勻，火焰局部熱點不突出，因此尤其適合於有色金屬（如鋁冶煉）等冶金爐。
本發明之燃燒器的氧化劑和燃料將會在爐內以合理方式接觸混合完成燃燒過程： 1) 燃燒器一側（例如下部）的燃料供給通路被初級氧化劑供給通路包圍，該初級氧化劑只占總氧化劑很小比例。燃料和初級氧化劑在靠近燃燒器本體之前端面附近混合後一起噴入燃燒空間，以產生初級燃燒產物和未完全燃燒燃料之初級混合物。 2) 上步中的初級燃燒產物和未完全燃燒燃料之初級混合物，會在合適的位置先和二級氧化劑相遇，產生二級混合物。相遇後的燃燒速率由各流股的流速和燃料/氧化劑的化學計量比共同控制。 3) 三級氧化劑由燃燒器另一側（例如上部）的其它氧氣供給通路噴出，與二級混合物接觸後發生燃燒並形成最終燃燒生成物。
二級氧化劑和三級氧化劑與燃料可以由預定角度在預期位置混合，藉由此可以實現控制火焰溫度和火焰發光度，以及控制燃燒速率並且降低氮氧化物（NOx）生成。
本燃燒器中使用的各種流股，可以設置燃料之噴出速度範圍為5~130 m/s，初級氧化劑之噴出速度範圍為0.5~30 m/s，二級氧化劑之噴出速度範圍為2.5~80 m/s，三級氧化劑之噴出速度範圍為5~160 m/s。合適的燃燒器功率負荷範圍為0.6~5MW。
本發明之實施方式中，燃料可為固體燃料、氣體燃料或液體燃料。固體燃料可以選自石油焦、煤粉、生物質顆粒或其它化石燃料，固體燃料一般需要載氣（例如空氣或二氧化碳）形成輸送風輸送。液體燃料可以選自液體烴類或煤焦油。氣體燃料可以選自天然氣、氫氣或其他烴類氣體。公告號為CN 109489038 B、名稱為「一種可調節多種燃料進料比例的燃燒器」的中國發明專利，其全文經此藉由引用併入本文。本發明之燃燒器也可設置多種燃料，並調整各燃料之進料比例來控制燃燒效果。尤其適用於使用氫氣作為氣態燃料，本發明可以藉由在氫氣燃料的中心可控量地引入固態或液態燃料，極大改變火焰之黑度，明顯提高火焰對熔融面的直接傳熱效果且降低燃燒廢氣中之水含量。
示例性地可以如圖17所示，第一燃料入口端426和第二燃料入口端427可以引入不同類型的燃料。各第一燃料噴射管道422套置在相應的各第二燃料噴射管道425的內部。第一燃料和第二燃料最終都經燃料出口端424噴出。第一燃料和第二燃料在各自的管路中流動，其中第二燃料可以在第一燃料噴射管道之外壁和第二燃料噴射管道之內壁所限定的環形管道中流動。
該第一燃料可為固體燃料、氣體燃料或液體燃料。其中固體燃料可選自石油焦、煤粉、生物質顆粒或其它化石燃料，固體燃料一般需要載氣形式形成風粉輸送。液體燃料可以選自液體烴類或煤焦油。在固體燃料外環形包圍氣體燃料流，可以使火焰亮度更亮，燃燒效果更好。一般會將著火點高（例如常規的液體燃料或固體燃料）或熱值高的燃料作為第一燃料。當使用生物質製氣或煤製氣時，傾向於將這種熱值偏低且不穩定的燃料作為第二燃料，選擇熱值高的天然氣作為第一燃料。
該第二燃料可以為氣體燃料。當使用氫氣作為第二燃料時，由於氫火焰之特性，在高溫爐內幾乎看不到火焰，當使用固體燃料或液體燃料作為位於中心的第一燃料時，火焰的黑度會發生極大變化，火焰對被加熱物的直接傳熱效果明顯提高。 實施方式一
將本發明之燃燒器應用於一個長度為5米寬度為3米的工業爐中。該燃燒器的燃燒速率約為500 KW左右（常用範圍400~700 KW）。該燃燒器包括初級氧化劑-燃料輸送組件、二級氧化劑輸送組件和三級氧化劑輸送組件。圖12顯示了本發明之燃燒器安裝在工業爐之俯視示意圖。
圖13顯示了本實施方式中的燃燒器之立體示意圖。初級氧化劑-燃料輸送組件中，設置三組燃料噴嘴111，位於外側的兩組燃料噴嘴111的第一水平擴散角度α1 為5°，朝向燃燒器本體之外側，中間位置的燃料噴嘴111的第一水平擴散角度為零。各環形噴嘴隨其環繞的燃料噴嘴進行相應設置。二級氧化劑輸送組件中，設置兩組二級氧化劑噴嘴211的第二垂直角度β2 為6°，朝向燃料噴嘴111。設置第二水平擴散角度α2 為5°，朝向燃燒器外側。
三級氧化劑輸送組件中，設置兩組三級氧化劑噴嘴311的第三垂直角度β3 為8°，朝向燃料噴嘴111。設置第三水平擴散角度α3 為5°，朝向燃燒器外側。
燃料由總燃料入口進入燃燒器後，由燒嘴金屬件3均勻分配至三條燃料供給通路11。氧化劑經由總氧化劑入口進入後，由燒嘴金屬件3中的氧化劑分級控制機構分配至三個氧化劑輸送組件中，最終噴入燃燒空間。
燃燒反應速率由混合流股之速率和燃料/氧化劑化學計量比共同控制。在本實施方式中，初級氧化劑占總氧化劑流量的5%，燃料和初級氧化劑在靠近燃燒器本體之前端面附近混合後噴入燃燒空間。二級氧化劑占總氧化劑流量的30%，噴出後與初級混合物在爐內某一位置相遇後混合。三級氧化劑占總氧化劑流量的65%，噴出後與前兩級燃燒的混合物在爐內混合，完成燃燒過程。
針對上述工業爐內的NOx分佈濃度做了歸一化處理後如圖14B所示，而背景技術中如圖1B所示的分級燃燒器產生的NOx分佈濃度情況如圖14A 所示。代表NOx濃度分佈的色標顏色越淡，表示NOx的濃度越高。可以看出，上述工業爐採用本發明燃燒器之NOx濃度明顯較低。本實施方式中的燃燒器產生的長火焰對被加熱物表面形成了較大覆蓋面積，火焰整體溫度均勻，沒有局部的過熱點。我們可以認為這種火焰與被加熱物料之間更接近還原性氣氛，此類火焰特別適用於鋁冶煉爐，其對鋁冶煉物料之傳熱效率較高，可防止局部過熱導致的物料氧化或者揮發，Nox之生成也隨之降低。
針對背景技術中如圖1B所示的分級燃燒器與本發明實施方式中之燃燒器，設置不同的分級氧比例，測試燃燒生成物中的NOx體積濃度，如圖15所示。除了燃燒器結構有差異，燃燒空間尺寸、燃燒空間最高溫度、爐壓（窯爐火焰空間燃燒時的壓力測量值）、氧燃比、外界環境等其餘條件均相同。
利用如圖1B所示的分級燃燒器進行了a、b、c三組測試，分別設置初級氧化劑的比例約為35%、約為20%以及約為5%。a、b、c三組測試的結果經歸一化處理後，火焰區域的燃燒生成物中NOx的體積濃度分別約為1.30、1.00和0.78。利用如本發明實施方式中所示的燃燒器中，進行了d、e、f三組測試，分別設置初級氧化劑和二級氧化劑的比例之和約為40%、約為25%以及約為15%。d、e、f三組測試的結果經歸一化處理後，火焰區域的燃燒生成物中Nox之體積濃度分別約為0.91、0.62和0.30。可以得出在接近的分級比例的情況下，在爐內空間，尤其是火焰區域中，本發明之燃燒器中氮氧化物之生成明顯降低，降低的幅度分別約30%、38%和61%。
其中，在如圖1B所示的分級燃燒器中，設置初級氧化劑的比例約為35%，以及，本發明實施方式中所示的燃燒器中，設置初級氧化劑和二級氧化劑的比例之和約為40%，實現的燃燒效果基本為火焰較短，亮度高，火焰輻射係數大。
在如圖1B所示的分級燃燒器中，設置初級氧化劑的比例約為 5%甚至更低，以及，本發明實施方式中所示的燃燒器中，設置初級氧化劑和二級氧化劑的比例之和約為15%甚至更低，實現的燃燒效果基本為火焰較長，火焰覆蓋面積大，火焰溫度均勻性好，該條件下燃燒生成的NOx量較低。
在如圖1B所示的分級燃燒器中，設置初級氧化劑的比例為20%，以及，本發明實施方式中所示的燃燒器中，設置初級氧化劑和二級氧化劑的比例之和約為25%，實現的燃燒效果介於上述兩種情況之間。
與背景技術中如圖1B所示的分級燃燒器相比，設置初級、二級、三級氧化劑逐漸依次遠離燃料流，這樣在初級氧化劑和二級氧化劑保證先與燃料流初步混合以穩定火焰的前提下，其生成的富燃料未完全燃燒物與三級氧化劑混合，進行充分氧化還原反應，達到了火焰覆蓋面積大、火焰溫度均勻、低NOx排放的效果。
以寬度為3米的實驗爐為例，針對背景技術中如圖1B所示的分級燃燒器與本實施方式中的燃燒器，圖16顯示了這兩種燃燒器之爐內火焰長度的可調性的對比。維持相同的爐內壓力，選用天然氣作為燃料，選用純氧作為氧化劑。燃燒器佈置在工業爐的端牆上（如圖12所示），每個燃燒器的燃燒速率約為500KW。經測試，如圖1B所示的分級燃燒器之火焰可調節長度範圍在0.9~1.9米，而本實施方式中的燃燒器之火焰長度可調範圍為0.8~2.75米。可以看出本發明提供的燃燒器之火焰調節範圍廣，可以滿足不同生產負荷、不同原材料和產品性質等生產條件變化時的需求。
綜上所述，本發明提供的燃燒器採用多級配置的燃料-氧化劑燃燒技術。初級和二級氧化劑與燃料形成富燃料火焰，藉由富燃料混合物裂解燃料來增強煙灰生成以形成發光火焰。進一步減少初級氧化劑流量，提高二級氧化劑流量（或速度）將會增長火焰長度。進一步提高三級氧化劑速度到適當範圍，將形成更長的火焰長度，以此來降低NOx生成，並且達到較高的傳熱效率。藉由控制初級氧化劑、二級氧化劑和三級氧化劑之分配比例，可以調節火焰長度和覆蓋區域，控制局部的氧化性或者還原性氣氛，還可以根據產品製程需求調節火焰方向。
儘管本發明之內容已經藉由上述較佳的實施方式作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明之限制。在熟悉該項技術者閱讀了上述內容後，對於本發明之多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明之保護範圍應由所附的請求項來限定。
1:燃燒器本體 2:燒嘴磚 3:燒嘴金屬件 10:初級氧化劑-燃料輸送組件 11:燃料供給通路 111:燃料噴嘴 12:初級氧化劑供給通路 121:環形噴嘴 20:二級氧化劑輸送組件 21:二級氧化劑供給通路 211:二級氧化劑噴嘴 30:三級氧化劑輸送組件 31:三級氧化劑供給通路 311:三級氧化劑噴嘴 422:第一燃料噴射管道 426:第一燃料入口端 427:第二燃料入口端 424:燃料出口端 425:第二燃料噴射管道
[圖1A]為公告號為CN 1134610 C的中國專利揭露的一種分級燃燒器之佈局示意圖。
[圖1B]為先前技術中另一種典型的分級燃燒器之佈局示意圖。
[圖2]為公告號為CN 108458339 B的中國專利揭露的一種雙極氧氣燃料燃燒器之佈局示意圖。
[圖3]為先前技術中另一種稀釋氧燃燒（DOC）燃燒器之燃料和氧氣噴出狀態示意圖。
[圖4]為本發明一示例性的具有總燃料入口和總氧化劑入口的燃燒器之橫截面（XZ平面方向）示意圖。
[圖5]示意性地表示本發明所涉及的燃燒器之原理圖。
[圖6A]顯示了本發明所涉及的燃燒器各噴嘴出口端之截面圖；圖6B顯示了該燃燒器之立體圖。
[圖7]為本發明一示例性的初級燃料-氧化劑輸送組件在XY平面方向上的截面示意圖。
[圖8]為本發明一示例性的二級氧化劑輸送組件20在XY平面方向上的投影示意圖。
[圖9]為本發明一示例性的三級氧化劑輸送組件30在XY平面方向上之投影示意圖。
[圖10A和圖10B]為本發明一示例性的燃燒器在XZ平面方向上的投影示意圖。
[圖11]顯示了本發明一示例性的各氧化劑供給通路的限定角度之示意性截面圖。
[圖12]顯示了本發明實施方式一的燃燒器安裝在鋁冶煉爐之俯視示意圖。
[圖13]顯示了本發明實施方式一的燃燒器之立體示意圖。
[圖14A]顯示了如圖1B所示的分級燃燒器產生的NOx濃度分佈色標示意圖；圖14B顯示了本發明實施方式一的燃燒器配置在鋁冶煉爐內時產生之NOx濃度分佈色標示意圖。
[圖15]為本發明實施方式一的燃燒器與如圖1B所示的分級燃燒器在工業爐出口位置氮氧化物之體積流量對比示意圖。
[圖16]顯示了本發明實施方式一的燃燒器與如圖1B所示的分級燃燒器的爐內火焰長度之可調性之對比。
[圖17]顯示了本發明示例性的配置有多燃料噴嘴的燃燒器之示意圖。
附圖標記說明：燃燒器本體1，燒嘴磚2，燒嘴金屬件3，初級氧化劑-燃料輸送組件10，燃料供給通路11，燃料噴嘴111，初級氧化劑供給通路12，環形噴嘴121，二級氧化劑輸送組件20，二級氧化劑供給通路21，二級氧化劑噴嘴211，三級氧化劑輸送組件30，三級氧化劑供給通路31，三級氧化劑噴嘴311，第一燃料噴射管道422，第一燃料入口端426，第二燃料入口端427，燃料出口端424，第二燃料噴射管道425。
無
2:燒嘴磚
3:燒嘴金屬件
11:燃料供給通路
111:燃料噴嘴
12:初級氧化劑供給通路
121:環形噴嘴
21:二級氧化劑供給通路
211:二級氧化劑噴嘴
31:三級氧化劑供給通路
311:三級氧化劑噴嘴

Claims (22)

  1. 一種用於燃料燃燒的燃燒器，其特徵在於，該燃燒器包含燃燒器本體，所述燃燒器本體沿一軸向延伸，並且在燃燒器本體之前端面形成對被加熱物進行加熱的火焰，該燃燒器本體包含：初級氧化劑-燃料輸送組件、二級氧化劑輸送組件及三級氧化劑輸送組件； 其中，所述二級氧化劑輸送組件及三級氧化劑輸送組件設置在初級氧化劑-燃料輸送組件的同一側，且所述二級氧化劑輸送組件位於三級氧化劑輸送組件與初級氧化劑-燃料輸送組件之間； 所述初級氧化劑-燃料輸送組件包含： 至少一個燃料供給通路，用於供燃料流動，其一端設有燃料噴嘴；及 至少一個初級氧化劑供給通路，用於供初級氧化劑流動，該初級氧化劑供給通路配置為圍繞燃料供給通路之外壁，其一端設置有環繞所述燃料噴嘴之環形噴嘴； 所述二級氧化劑輸送組件包含至少一個二級氧化劑供給通路，用於供二級氧化劑流動，其一端設置有二級氧化劑噴嘴； 所述三級氧化劑輸送組件包含至少一個三級氧化劑供給通路，用於供三級氧化劑流動，其一端設置有三級氧化劑噴嘴。
  2. 如請求項1所述之燃燒器，其特徵在於，至少一個初級氧化劑-燃料輸送組件中，所述初級氧化劑供給通路與燃料供給通路同軸設置。
  3. 如請求項1所述之燃燒器，其特徵在於，所述二級氧化劑噴嘴和所述三級氧化劑噴嘴之出口端設置在燃燒器本體之前端面上，各出口端分別噴射二級氧化劑和三級氧化劑，且二級氧化劑比三級氧化劑更先與燃料發生混合。
  4. 如請求項1所述之燃燒器，其特徵在於，至少一個所述燃料噴嘴之前端部具有第一傾斜流路，所述第一傾斜流路以朝向二級氧化劑噴嘴之方式傾斜。
  5. 如請求項1所述之燃燒器，其特徵在於，至少一個所述燃料噴嘴及環繞該燃料噴嘴的環形噴嘴設置有偏向燃燒器本體外側的第一水平擴散角度α1 ，所述第一水平擴散角度α1 範圍在0°~20°，較佳的是0°~10°，更較佳的是3°~6°。
  6. 如請求項5所述之燃燒器，其特徵在於，所述燃料供給通路佈置為與其端部的燃料噴嘴同軸，具有所述第一水平擴散角度α1 。
  7. 如請求項1所述之燃燒器，其特徵在於，至少一個所述二級氧化劑噴嘴之前端部具有第二傾斜流路，所述第二傾斜流路以朝向燃料噴嘴之方式傾斜。
  8. 如請求項1所述之燃燒器，其特徵在於，至少一個所述二級氧化劑噴嘴設置有偏向燃燒器本體外側的第二水平擴散角度α2 ，所述第二水平擴散角度α2 的範圍在0~15°，較佳的是0~10°，更較佳的是3°~8°。
  9. 如請求項8所述之燃燒器，其特徵在於，至少一個所述二級氧化劑供給通路佈置為與其端部的二級氧化劑噴嘴同軸，具有第二水平擴散角度α2 。
  10. 如請求項1所述之燃燒器，其特徵在於，至少一個所述三級氧化劑噴嘴之前端部具有第三傾斜流路，所述第三傾斜流路以朝向燃料噴嘴之方式傾斜。
  11. 如請求項1所述之燃燒器，其特徵在於，至少一個所述三級氧化劑噴嘴設置有偏向燃燒器本體外側的第三水平擴散角度α3 ，所述第三水平擴散角度α3 範圍在0~15°，較佳的是2°~10°，更較佳的是4°~10°。
  12. 如請求項11所述之燃燒器，其特徵在於，至少一個所述三級氧化劑供給通路佈置為與其端部的三級氧化劑噴嘴同軸，具有第三水平擴散角度α3 。
  13. 如請求項1所述之燃燒器，其特徵在於，至少一個所述燃料噴嘴設置有偏向二級氧化劑噴嘴的第一垂直角度β1 ，且所述度β1 的範圍在0~10°，較佳的是0~3°。
  14. 如請求項1所述之燃燒器，其特徵在於，至少一個所述二級氧化劑噴嘴設置有偏向初級氧化劑-燃料輸送組件方向的第二垂直角度β2 ，且所述β2 的範圍在0~20°，較佳的是0~10°，更較佳的是2°~7°。
  15. 如請求項14所述之燃燒器，其特徵在於，至少一個所述二級氧化劑供給通路佈置為與其端部的二級氧化劑噴嘴同軸，具有第二垂直角度β2 。
  16. 如請求項1所述之燃燒器，其特徵在於，至少一個所述三級氧化劑噴嘴設置有偏向初級氧化劑-燃料輸送組件方向的第三垂直角度β3 ，且所述β3 的範圍在0~20°，較佳的是0~9°。
  17. 如請求項16所述之燃燒器，其特徵在於，至少一個所述三級氧化劑供給通路佈置為與其端部的三級氧化劑噴嘴同軸，具有第三垂直角度β3 。
  18. 如請求項1所述之燃燒器，其特徵在於，該燃燒器還包含分別獨立控制所述初級氧化劑供給通路、二級氧化劑供給通路及三級氧化劑供給通路中的氧化劑流量的氧化劑分級控制機構。
  19. 如請求項1所述之燃燒器，其特徵在於，在初級氧化劑-燃料輸送組件中，所述至少一個燃料供給通路設置為包括第一燃料供給通路和第二燃料供給通路，該第一燃料供給通路套置在相應的第二燃料供給通路的內部，其中，所述第一燃料和第二燃料各自獨立地選自固體燃料、液體燃料或氣體燃料。
  20. 一種用於燃料燃燒的燃燒器之燃燒方法，其特徵在於，採用請求項1-19中任意一項所述之燃燒器形成火焰，該燃燒方法包含： 藉由初級氧化劑-燃料輸送組件導入燃料和環繞該燃料的初級氧化劑，使二者在靠近燃燒器本體之前端面處混合後一起噴入燃燒空間，提供的初級氧化劑的量少於完全燃燒所述燃料需要的氧化劑量，以產生初級燃燒產物和未完全燃燒燃料之初級混合物； 藉由二級氧化劑輸送組件導入二級氧化劑，使得初級混合物與二級氧化劑在設定的位置接觸並混合，發生燃燒，產生二級混合物； 藉由三級氧化劑輸送組件導入三級氧化劑，與二級混合物接觸並混合，發生燃燒並形成最終燃燒生成物。
  21. 如請求項20所述之燃燒方法，其特徵在於，均以體積流量比計，初級氧化劑占總氧化劑流量的1~20%，較好範圍係1~15%，最佳範圍為2~5%；二級氧化劑流量占總氧化劑流量的5~70%，較好範圍係10~50%，最佳範圍為15~30%；三級氧化劑流量占總氧化劑流量的5~90%，較好範圍係20~80%，最佳範圍為50~75%。
  22. 如請求項20所述之燃燒方法，其特徵在於，初級氧化劑之噴出速度設定為0.5~30m/s，所述燃料之噴出速度設定為5~130 m/s，所述二級氧化劑之噴出速度設定為2.5~80m/s，所述三級氧化劑之噴出速度設定為5~160m/s，形成火焰，並且利用該火焰對被加熱物進行加熱。
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