TWI668393B - 雙級氧燃料燃燒器 - Google Patents

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亞力山大喬治 斯拉韋伊科夫
麥克大衛 巴辛斯基
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Abstract

一種氧燃料燃燒器，其包括一中央燃燒器元件，其具有一中央導管，其末端設有一中央噴嘴，以及一環狀導管，其末端設有環繞該中央導管之一環狀噴嘴，該中央導管供一第一反應物流動，且該環狀導管供一第二反應物流動；一第一級導管，其係與該中央燃燒器元件之一側相間隔且末端具有一第一級噴嘴；一第二級導管，其係與該中央燃燒器元件之一相反側相間隔且末端具有一第二級噴嘴；一第一機構，其係將該第二反應物之流量分配為導向該環狀導管之該第二反應物之一非零主要流量與該第二反應物之一非零次要流量；以及一第二機構，其用以選擇性分配各級導管間之第二反應物之次要流量；其中一反應物係為燃料，而另一反應物係為氧氣。

Description

雙級氧燃料燃燒器 相關申請案之交互參照
本發明主張於2017年2月22日所提出之美國第62/461,946號專利臨時申請案之優先權，並透過引用方式將其全文併入本文中。
本申請案係有關一種氧燃料燃燒器及操作該燃燒器之方法，具體而言係涉及一種能以兩種交替配置產生分級火焰之氧燃料燃燒器，其中依據爐體之操作條件與參數，於一富燃料主火焰上方或下方，或同時於一富燃料主火焰上方及下方引入分級氧氣。
存在於氧燃料燃燒中之某些問題，特別係有關玻璃熔爐中之氧燃料燃燒，係已透過本發明之燃燒器與方法所解決。
首先，於一氧氣天然氣氣體火焰中產生高發光度係較為困難。碳氫化合物氣體火焰中之煙灰形成係為電磁光譜(electromagnetic spectrum)中之可見光與近紅外線範圍內之實質熱輻射所需。眾所周知，最常使用之碳氫化合物氣體，亦即主要包含甲烷及相對少量之其他碳氫化合物氣體與其他稀釋氣體之天然氣，係具有所有主要碳氫化合物氣體中最低之煙灰形成傾向。因此，由天然氣產生一高發光度火焰係實際上相當困難。因一旦形成能經產生之任何煙 灰，壽命係極為短暫，因此固有難處於氧燃料火焰中更為加劇。此係因天然氣燃料與氧氣之反應性極高，特別係處於氧燃料燃燒中所產生之超高火焰溫度下。解決該問題之一先前技術方法為，係利用一燃燒器內腔，透過預混合與燃燒一富燃料氧氣氣體混合物，以熱「裂解」天然氣以形成煙灰，並將含煙灰之產物引入一燃燒器噴嘴內，其等係於此處與氧氣混合以產生穿透該玻璃熔爐之火焰。此方法固有難處在於預混合係發生於該燃燒器之一內部腔室中，因此使該燃燒器金屬曝露於極高溫度中，同時亦有因煙灰沉積於燃燒器通道造成內部積垢之風險。此外，因裂解係需極為特定之反應物組成物，因此由該裝置與/或方法所形成之火焰係難以進行調節。
煙灰形成之另一種方法係根據透過使用具高長寬比之噴嘴(例如，寬焰或平焰)使燃料與氧氣之間之交界面積最大化，並以於相鄰該玻璃表面之火焰底側上逐漸引入或「分級」之氧氣餘量形成一富燃料火焰。例如參閱美國第5,575,637號、第5,611,682號與第7,390,189號專利。因此，於189號專利中所載之資料表示，於更高氧氣分級程度下，尖峰底側(例如，朝下)之火焰輻射係隨該主火焰所增加之當量比增加。雖然此種方法無須承擔燃料與氧氣預混合之風險，但因實際原因，可達成氧氣分級程度上係有限度。此係因氧氣係流動於火焰邊界與預燃燒器之內壁之間，藉以對預燃燒器壁進行對流冷卻以免於火焰輻射與衝擊。因此主火焰之氧氣分級程度係受冷卻條件支配，且於商業系統中主火焰燃料氧當量比通常係限制最大值為3(例如，約2/3氧氣係流經次要或分級噴嘴，於主要噴嘴中剩餘1/3氧氣係與100%之燃料進行燃燒，因此具有3：1之主當量比)。但需要更高之當量比以將朝下至玻璃表面之火焰輻射最大化。
再者，對於玻璃熔爐而言，泡沫產生與控制係為極重要之問題。於氧/燃料燃燒中所產生之高水分與氧氣濃度，於玻璃熔爐中之次要發泡量較普通空氣燃料爐產生量更高。已知次要發泡實質上限制燃燒空間與玻璃熔體間之熱傳遞，其降低平均玻璃溫度，其造成較差之玻璃品質，並降低整體熱效率，同時增加耐火材料之溫度與侵蝕率，因此縮短耐火材料之使用壽命。過往，其他人曾試圖透過各種特定(ad hoc)方法減少或減緩泡沫生成，並取得不同成功程度。其中部分方法包括：a)對批料增加或移除精煉劑，b)將燃料噴灑於該玻璃表面上，c)將燃燒器之氧氣/燃料或空氣/燃料比率改變為更多富燃料操作，d)減少玻璃拉力速率，e)增加爐體壓力，以及f)調整燃燒器燃燒速率。然而，通常相同之方法係無法用於相異之爐體，其係因例如批料化學、爐體溫度與流態(flow pattern)之差異所造成。因此一種可靠、便利、不顯眼且平價有關減少泡沫之一裝置及其相關系統方法係為當前所需。
已知用於玻璃熔化之氧燃料燃燒相較於空氣燃料燃燒係具有數個效益，例如較低本資成本、較高燃料效率、NOx排放之降低以及較高之玻璃品質。氧氣分級可進一步增加該些效益。具體而言，氧氣分級可用以減少NOx之排放並增加熔化效率與產物品質。「氧氣分級」係透過將一部分氧氣自火焰中分流達到延遲燃燒之手段。較佳地，近火焰分級係用於其中，該分級氧氣流束(或複數流束)保持鄰近該火焰以確保燃料與氧氣之最終共混合與完全燃燒。
189號專利描述具典型「低級」氧氣之一氧燃料燃燒器，並產生可說明數種關鍵原則之一火焰。起初缺乏化學計量氧氣之火焰會產生煙灰與一氧化碳(carbon monoxide，CO)，其量值係隨分級氧氣之百分比增加。具體而言，該煙灰瀰漫之區域包含含碳微粒雲，並可能有遮光性質，因此造成輻射熱 傳遞之阻礙。相反地，主要基於煙灰與分級氧氣之反應，該火焰下側極為明亮，並於電磁光譜之可見光與近紅外線區域中具熱輻射之高傳遞速率。由於輻射於鄰近之煙灰雲中遭遇強烈阻抗，因此其大部分係朝該玻璃表面向下導引。因此相對一未分級之火焰，熔化效率係有所增加。此外，當燃料與氧氣混合之完成受到延遲，該分級火焰係比具相同燃料流動速率之一未分級者更長。此現象加上經提升之可見光與遠紅外線輻射，可確保分級火焰之火焰尖峰溫度較低。
高度分級與未分級之氧燃料火焰之計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)建模結果已顯示，高度分級火焰之峰值溫度係低約600℃。與分級火焰之缺氧狀態相結合之實質上較低溫度，可導致較低之NOx生成速率。以未分級模式與低級模式操作之189號專利之燃燒器之影像有效說明透過具氧氣之低火焰分級所產生之火焰結構與輻射特性之差異(參見圖26A之不具氧氣分級之火焰，對照圖26B具氧氣低火焰分級之火焰)。
以低級燃燒器取代未分級燃燒器係已顯示出，用氧氣使火焰落後係增加玻璃底部溫度，且此有助於玻璃熔體中具更強烈之對流，其係促進雜質更完全之消除，藉以達到減少玻璃缺陷之效果。於一典型漏斗狀玻璃爐體之案例中，其係自未分級氧燃料燃燒器轉換成低級氧燃料燃燒器，玻璃底部溫度係上升10℃，同時缺陷係減少近50%。爐體煙氣溫度亦下降60℃，此有助於降低等同標稱9%之特定燃料之使用(每單位玻璃輸出之能量輸入)。
然而，於先前氧燃料對玻璃爐體-玻璃表面泡沫之實施方式，並未解決另一層面關於氧氣分級/玻璃品質之關係。因來自玻璃之氣體逸出，於批次熔化(主要泡沫)與澄清(次要泡沫)過程中將形成泡沫。主要由二氧化硫、水蒸氣與氧氣組成之次要泡沫係特別易聚集成一穩定之氣泡層，有時可增長至 數英寸之厚度。表面泡沫之主要負面影響為其對玻璃熱傳遞之阻抗，隨後將熱能反射至頂冠，以及其對爐體耐火材料之腐蝕特性。關於對玻璃較低之熱傳遞速率，此將降低玻璃溫度，並減弱熔體內對流驅動之次要流動，其將中斷澄清過程並使成品中存在更多缺陷。
於此所述係為雙級富氧燃燒器，其提供優於用於現有玻璃熔爐氧燃料燃燒器之操作優點。具體而言，本發明之燃燒器展現出較低特定能耗、NOx產量下降以及經提升之玻璃品質。
層面1。一種氧燃料燃燒器包含：一中央燃燒器元件包含：一中央導管，其具有一中心軸且末端具有一中央噴嘴；以及一環狀導管，其末端設有環繞該中央導管並於其同軸之一環狀噴嘴，該環狀導管與該中央導管係由一環壁所分離；該中央導管係經排列以供一第一反應物流動，且該環狀導管係經排列以供第二反應物；一第一級導管，其係與該中央燃燒器元件之一側相間隔，且末端具有一第一級噴嘴；一第二級導管，其係與該中央燃燒器元件之一相反側相間隔，且末端具有一第二級噴嘴；一第一機構，其係經排列以將該第二反應物之流量分配為導向該環狀導管之該第二反應物之一非零主流量與該第二反應物之一非零次流量；以及一第二機構，其係經排列以選擇性分配該第一級導管與該第二級導管之間之第二反應物之次流量；其中該第一與第二反應物中之一者係為一燃料，而該第一與第二反應物中之另一者係為氧氣。
層面2。層面1之氧燃料燃燒器，其中，該中央噴嘴與該環狀噴嘴各具有一長寬比大於或等於2之一非圓形形狀，其中該長寬比係為最大開口尺寸對最小開口尺寸之比值。
層面3。層面2之氧燃料燃燒器，其中該等分級導管各具有一長寬比大於或等於2之一非圓形形狀，其中該長寬比係為最大開口尺寸對最小開口尺寸之比值，以及其中定義該中央噴嘴之最大開口尺寸之一軸線與定義各該等分級導管之個別最大開口尺寸之一軸線彼此係實質上互相平行。
層面4。層面1至3中任一者之氧燃料燃燒器，其中該第一機構包含一可變流量限制，用以調節第二反應物往該環狀管道之主流量藉此以一互補方式間接調節往至該第二機構之第二反應物之次流量。
層面5。層面1至4中任一者之氧燃料燃燒器，其中該第二機構包含一閥體，用以選擇性導引該第一級導管與該第二級導管之間之第二反應物之流量。
層面6。層面5之氧燃料燃燒器，其中該閥體係為一三通閥體，其係設置用以將該第二反應物之次流量導引至該第一級導管，或導引至該第二級導管，或同時導引至該第一級導管與該第二級導管之組合。
層面7。層面1至6中任一者之氧燃料燃燒器，其中該第一反應物係為燃料，而該第二反應物係為氧氣。
層面8。層面1至6中任一者之氧燃料燃燒器，其中該第一反應物係為氧氣，而該第二反應物係為燃料。
層面9。層面1至8中任一者之氧燃料燃燒器，進一步包含一裝置，其用以感測該燃燒器於一爐體內正在燃燒之狀況，該裝置係經設置以啟動該第 二機構以根據該所感測之狀況，將該第二反應物之次流量導引至該第一級導管，或導引至該第二級導管，或同時導引至該第一級導管與該第二級導管之組合。
層面10。層面1至9中任一者之氧燃料燃燒器，進一步包含一燃燒器磚，其具有一中央通道，該中央燃燒器元件係由此處排出，以及一第一與第二級通道，該第一與第二級噴嘴係分別由此處排出。
層面11。層面1至10中任一者之氧燃料燃燒器，進一步包含：一阻流體，其係設置於該環狀噴嘴中並於該阻流體靠近該環壁之一側上形成一內噴嘴，以及於該阻流體遠離該環壁之一相反側上形成一外噴嘴，該內噴嘴具有小於該外噴嘴之一截面積。
層面12。層面11之氧燃料燃燒器，其中該內噴嘴具有不超過該外噴嘴10%之一非零截面積。
層面13。層面11之氧燃料燃燒器，進一步包含：具有一高度之一阻流體，該阻流體設置於該中央導管之中心軸上，並位於該中央噴嘴之下游處，距該阻流體高度2至20倍之一軸線距離。
層面14。層面13之氧燃料燃燒器，進一步包含：一分流板，其係沿該阻流體下游處之該中心導管之中心軸設置，該分流板之長度係為該阻流體高度之1至10倍。
層面15。一種操作包含一玻璃池及包含一熔化區域與一精煉區域之一氧燃料玻璃熔爐之方法，其中第一複數個層面1至14中任一者之氧燃料燃燒器係經設置以於該熔化區域中進行燃燒，且該第二複數個層面1至14中任一者之氧燃料燃燒器係經設置以於該精煉區域中進行燃燒，其中對各燃燒器而言，該 第一級導管設置於該中央燃器元件與該玻璃池之間，且該第二級導管係設置於該中央燃燒器元件與該爐體之爐頂之間，該方法包含：使流動之燃料作為該第一反應物並使氧氣作為該第二反應物；操作該第一複數個氧燃料燃燒器以產生相鄰該玻璃池之一富氧(氧化)大氣；以及操作該第二複數個氧燃料燃燒器以產生相鄰該玻璃池之一富燃料(還原)大氣。
層面16。層面15之方法，其中該氧化大氣係透過將該第一複數個氧燃料燃燒器中至少50%之次氧氣流量分配至該第一級導管所產生；以及其中該還原大氣係透過將至少70%之次氧氣流量分配至該第二級導管所產生。
層面17。層面15之方法，其中該氧化大氣係透過以大於1之化學計量比(stoichiometric ratio)操作該第一複數個氧燃料燃燒器貧燃料(fuel-lean)；以及其中該還原大氣係透過以大於1之化學計量比操作該第二複數個氧燃料燃燒器富燃料；其中一燃燒器之化學計量比係定義為流經該燃燒器之氧氣對燃料之比率除以理論上無多餘氧氣之化學計量完全燃燒所需之氧氣對燃料流量比率。
層面18。層面15至17之任一者之方法，進一步包含：測量至少一爐體參數，其係選自以下所組成之群組：指示一玻璃表面狀態之一參數、一爐體溫度分布、一爐體出口氣體溫度與一爐體氣體出口組成；並對於該氧燃料燃燒器中至少一者，根據該至少一所測量之爐體參數控制至少一燃燒速率、氧/燃料比率與次氧氣流量之分佈。
層面19。層面18之方法，進一步包含：當該所測量之參數指出具有玻璃表面泡沫時，將該第一複數個氧燃料燃燒器中之至少一燃燒器自產生相 鄰該玻璃池之一氧化大氣切換成產生相鄰該玻璃池之一還原大氣。
10‧‧‧燃燒器
12‧‧‧燃燒器面/燃燒器熱面/排放面
20‧‧‧中央導管
22‧‧‧中央噴嘴
24‧‧‧第一反應物入口
28‧‧‧中央燃燒器元件/中央燃燒器
30‧‧‧環狀導管
32‧‧‧環狀噴嘴
34‧‧‧第二反應物入口
36‧‧‧第二反應物流/環狀導管
38‧‧‧可變流量限制器
40‧‧‧充氣部
42‧‧‧分級入口
44‧‧‧三通閥體/閥體
50‧‧‧第一級導管
52‧‧‧第一級噴嘴
56‧‧‧流束/充氣部
60‧‧‧第二級導管
62‧‧‧第二級噴嘴
66‧‧‧流束
70‧‧‧阻流體
72‧‧‧外間隔
74‧‧‧內間隔
80‧‧‧阻流體
82‧‧‧分流板
84‧‧‧輻射熱
86‧‧‧輻射發光底側
88‧‧‧主要上火焰
90‧‧‧發光上側
92‧‧‧主要低火焰
94‧‧‧還原大氣
99‧‧‧玻璃
100‧‧‧燃燒器磚
128‧‧‧中央燃燒器磚通道
180‧‧‧火焰片
500‧‧‧玻璃爐體
510‧‧‧進料端
512‧‧‧批次給料器
520‧‧‧熔化區域
530‧‧‧精煉區域
540‧‧‧側邊
542‧‧‧煙道
550‧‧‧工作端
560‧‧‧爐體感測器
562‧‧‧控制器
599‧‧‧燃燒器磚裂縫
圖1係為一雙級氧燃料燃燒器之一側橫截面示意圖。
圖2係為用於圖1中之一燃燒器磚之前端立體示意圖。
圖3係為圖1中一雙級氧燃料燃燒器之一側橫截面示意圖，其係作業於一低火焰級(低級)或熔化模式
圖4係為圖1中一雙級氧燃料燃燒器之一側橫截面示意圖，其係作業於一過火焰級(過級)或泡沫控制模式。
圖5係為圖1中一雙級氧燃料燃燒器之一側橫截面示意圖，其係作業於一低火焰級與過火焰級(低與過級)或混合或分離方式操作。
圖6係為圖1與圖3中一燃燒器之一側橫截面示意圖，其係以一熔化模式於一玻璃爐體中操作，其中燃料係為該第一反應物，而氧氣係為該第二反應物，以及其中次要或分級氧氣係經引入至燃料與主氧氣口下方。
圖7係為圖1與圖4中一燃燒器之一側橫截面示意圖，其係以一泡沫控制模式於一玻璃爐體中操作，其中燃料係為該第一反應物，而氧氣係為該第二反應物，且次要或分級氧氣係經引入至該燃料與主氧氣口上方。
圖8A係為圖1中一燃燒器之中央口之一側橫截面示意圖，圖8B為圖1中一燃燒器之中央口之一前端示意圖，並描繪環繞該燃料噴嘴之主氧氣噴嘴之細節，具體顯示主氧氣流中之阻流體係透過氧氣排氣狹縫及該氧氣噴嘴與該燃料噴嘴間之壁體分離。
圖9係為圖8A與圖8B中之一中央口之一側橫截面示意圖，顯示一橫向圓柱形流量分流器以及處於圓柱形分流器之下游並與其略微間隔之一軸向分離器板之組合。
圖10係為圖6中之操作模式之一側橫截面視圖，顯示圖9之流量分流器與分離器以及圖8A與圖8B之阻流體之流動效應。
圖11係為圖7中之操作模式之一側橫截面視圖，顯示圖9之流量分流器與分離器以及圖8A與圖8B之阻流體之流動效應。
圖12A至12C係為比較由圖3(熔化模式-圖12A)、圖4(泡沫控制模式-圖12B)與圖5(混合模式-圖12C)之作業模式中所取得之火焰之攝影端視圖。
圖13A與圖13B係為以一過級模式操作之一雙級氧燃料燃燒器之火焰間比較之一攝影端視圖，圖13A係使用一傳統筆直噴嘴，圖13B係使用具有圖8A、8B之阻流體、氧氣排氣狹縫及圖9之阻流體、分流板的噴嘴。
圖14係為一雙級燃燒器之一側橫截面示意圖，其顯示以一火焰擴張角α所界定之一火焰擴張速率。
圖15係為一圖表，顯示噴嘴不具一氧氣噴嘴阻流體(描繪於圖13A影像中之版本)與具有一氧氣噴嘴阻流體(描繪於圖13B影像中之版本)之火焰擴張速率比較資料。
圖16係為使用複數個圖1中之燃燒器之一玻璃爐體之一俯視示意圖，其係根據該爐體之區域以不同模式進行操作。
圖17係為使用複數個圖1中之燃燒器之一玻璃爐體之一俯視示意圖，其顯示一控制器根據該感測器資料或例如起泡之一所感測狀態，調整各燃燒器之操作模 式，具體而言係根據透過一數位相機或其他類型之感測器所取得之即時光學溫度測量或溫度對應資料。
圖18係為使用複數個圖1中之燃燒器之一玻璃爐體之一俯視示意圖，其係根據該爐體之區域以不同模式進行操作。
圖19係為比較於189號專利中先前技藝燃燒器(圓點，虛線)與於此所述之雙級燃燒器(交叉點，實線)之特定燃料使用對熱值之一圖表，其顯示本發明燃燒器於較寬熱值範圍內減少3.2%之油耗比(specific fuel consumption)。
圖20係為比較於189號專利中先前技藝燃燒器(位於左側之圓點)與於此所述之雙級燃燒器(位於右側之交叉點)之火源數(玻璃瑕疵之指標)之一圖表，其顯示本發明燃燒器減少43%之火源。
圖21係為比較189號專利中先前技藝燃燒器(位於左側之原點)與於此所述之雙級燃燒器(位於右側之交叉點)之氣泡數(玻璃瑕疵之指標)之一圖表，其顯示本發明燃燒器減少38%之氣泡。
圖22係為比較189號專利中先前技藝燃燒器(圓點，上虛線)與於此所述之雙級燃燒器(交叉點，下實線)之相關NOx(針對先前技藝之燃燒器經標準化至1)之一圖表，其顯示本發明燃燒器於熱值範圍內減少40%之相關NOx。
圖23A與23B係為一影像比較圖，其顯示一玻璃熔爐之精煉區域中(圖23A)與於此所述實施例之燃燒器之泡沫減少模式結果相同精煉區域中之一鏡射表面中(圖23B)之次要發泡。
圖24A與圖24B係為一先前技藝氧燃料燃燒器未分級(圖24A)與低級(圖24B)火焰間之一影像側視比較。
圖25係為圖2中一燃燒器磚之一前端立體示意圖，但顯示該燃燒器磚中產生裂痕。
圖26A與圖26B係為一影像比較，其顯示一先前技藝低級燃燒器(圖26A)對於此所述一燃燒器之實施例(圖26B)。
於此所使用之用語「氧氣」，意指一氧分子(O2)濃度大於空氣中之氧化劑(例如，大於20.9mol%)，且於某些實施例中氧係具有至少23mol%之氧分子、至少30mol%之氧分子、至少70mol%之氧分子或至少90mol%之氧分子。
於此所使用之用語「氧燃料燃燒器(oxy-fuel burner)」意指，一燃燒器係燃燒於此所定義之燃料與氧氣。
於此所使用之用語「燃料」係包括能進行燃燒之任何碳氫化合物混合物，具體包括氣態、液態與粉末化固態燃料。於此顯示之所有資料係將天然氣作為燃料，但所得之結果係經認為可廣泛應用於其他燃料上，特別是其他氣態燃料。
於此使用之用語「分級(staging)」意指，分級反應物之一部分係透過與當前供應其他反應物之燃燒器元件所分離之一噴嘴所供應。例如，當論及一燃燒器元件時，若氧氣係經分級，則意即燃料係與低於供給至總體燃燒器之總氧氣量之氧氣量共同流經該燃燒器元件，而剩餘之氧氣係流經另一或次要噴嘴。若氧氣係經分級為75%，此意即25%之氧氣係與該燃料(雖位於一不同噴嘴中)共同供給至該燃燒器元件，而75%之氧氣係由與該燃燒器元件分離之 一獨立噴嘴所提供。燃料與氧氣皆可經分級。透過理解該燃燒器之總體化學計量(stoichiometry)與分級比(staging ratio)，分級係與燃燒器元件中之當量比有關。
於此所述係為一雙級氧燃料燃燒器。該燃燒器達到兩目標：(a)低NOx排放，與(b)鄰近燃燒器火焰下方之玻璃表面之氣體大氣控制。透過以高於現有燃燒器可達到之分級比，以一高度分級方式輸送燃料與氧氣可獲得較低之NOx排放。通常，氧氣係為分級之反應物，而燃料係為非分級之反應物，但應當理解，若氧氣係為非分級反應物，而燃料係為分級反應物時，則於此之設計同樣可進行作業。於以下描述中，於此所述之氧氣有時係作為分級反應物，此描述有時更為廣泛，但於兩案例中，其應當理解燃料或氧氣皆可為分級反應物。
影響氣體釋出與形成泡沫之速率之關鍵因素包括批次組合物，其包括用於澄清的硫酸鹽之添加量、玻璃表面溫度與爐氣大氣。因主要與玻璃質量相關之次要泡沫通常發生於1400℃與1500℃之間並具所釋放之澄清氣體之體積，因此起泡問題之嚴重性係隨溫度增加。
關於氣體大氣方面，緊鄰玻璃表面上方之一還原環境可透過泡沫特性之改變以減輕泡沫問題之發生。發生此事由之機制係為與泡沫接觸之還原氣體，例如一氧化碳(carbon monoxide)，該泡沫係達到降低泡沫氣泡之液體界面處表面張力梯度之作用，藉以促使泡沫加速排水回至熔體。此建議於火焰上方使用氧氣分級，例如於鄰近玻璃表面處形成一富燃料火焰，以作為燃燒過程中助於減緩起泡問題之手段。
圖1顯示一燃燒器10之一橫截面示意圖，其具有一第一反應物入口24與一第二反應物入口34，以及一燃燒器面12，其定義該燃燒器10之一出口平面。該第一反應物入口24係將一第一反應物R1(通常為燃料)饋送至一中央導管20，其末端設有於該燃燒器熱面12處之一中央噴嘴22。該中央噴嘴22可為圓形或可為具至少2之長寬比(最大尺寸至最小尺寸)之一非圓形或寬或平坦火焰結構。
該第二反應物入口34係將一第二反應物R2(通常為氧氣)饋送至一充氣部40，其係將該第二反應物R2分配於環繞該中央導管20並與其同軸之一環狀導管30之間，一分級入口42，該第二反應物R2係由此處輸送至一對分級導管50與60中之一者或兩者。該環狀導管30末端設有於位於該燃燒器熱面12處之一環狀噴嘴32。該中央導管20與該中央噴嘴22以及該環狀導管30與該環狀噴嘴32共同形成一中央燃燒器元件28。
該環狀導管30與該分級入口42之間所分配之流量係由位於該充氣部與該環狀導管30接合處之一可變流量限制器38所控制。
一第一級導管50係與該中央燃燒器元件28之一側平行且分離，且末端具有該燃燒氣熱面12處之一第一級噴嘴52。一第二級導管60係與該中央燃燒器28之一相反側平行且分離，且末端具有該燃燒器熱面12處之一第二級噴嘴62。位於該分級入口下游處之一三通閥體44係分配該第一級導管50與該第二級導管60之間第二反應物之分級流量。該閥體44可經設置使所有第二反應物分級流量經導引至該第一級導管50，或使所有第二反應物分級流量經導引至該第二級導管60，或使所有第二反應物分級流量可經分配，使一非零部分經導引至該第一級導管50並使該非零餘量經導引至該第二級導管60。
於一較佳實施例中，該第一反應物為一燃料，而該第二反應物(其係經分級)為氧氣。於圖3、4與5中進一步描繪之實施例係顯示該燃燒器10之各種作業模式。
圖3顯示一熔化模式之操作，於其中次要氧氣係經分級低於該燃料與主要氧氣(低焰分級)。次要氧氣係透過該閥體44經導引至該第二級導管60，使該次要氧氣之流束66自該第二級噴嘴62流出並通過一第二次要氧氣燃燒器磚通道160。如圖6與圖10中所示，於熔化模式期間，該燃燒器10產生具高溫、高輻射發光底側86之火焰，以及位於該輻射發光底側86上方之一含煙灰、光厚之富燃料主要上火焰88。該發光底側能藉由直接通往該玻璃表面之一無障礙輻射路徑一有效將輻射熱84傳輸至該爐體內之玻璃99。該光厚主要上火焰88係使該爐頂免於過熱之損害，並將燃燒熱向下導引至該玻璃。於圖12A中顯示於熔化模式期間所產生之火焰其影像端視圖。
圖4顯示一泡沫控制模式之操作，於其中次要氧氣係經分級高於該燃料與主要氧氣(過焰分級)。次要氧氣係透過該閥體44經導引至該第一級導管50，使該次要氧氣之流束56自該第一級噴嘴52流出並通過一第一次要氧氣燃燒器磚通道150。如圖7與圖11中所示，於泡沫控制模式期間，該燃燒器10產生一火焰，其具有一含煙灰、光厚之富燃料主要低火焰92以及一發光上側90。該富燃料主要低火焰92產生低於該火焰並未於該玻璃99上方之一還原大氣94，其有助於使該玻璃標面上之泡沫不穩定並使其瓦解。泡沫係為非期望的，因其降低火焰將熱傳遞至該玻璃之能力，因此可間歇結合該熔化模式使用該泡沫控制模式，以週期性瓦解泡沫，使熔化模式可有效熔化並對該玻璃進行加熱。圖12B中係顯示於泡沫控制模式過程中所產生該火焰之一影像端視圖。
圖5顯示一混合或分離模式之操作，於其中次要氧氣係經分級高於及低於該燃料與主要氧氣。當高火焰動量與高火焰亮度之組合係為期望時，該混合或分離模式之操作係為有益的。例如於圖17與18中所描繪，當燃燒器係置於該爐體熔化區域中之排煙道附近時，通常為此種情形。此區域內之燃燒器火焰通常受經該煙道自該爐體排出之燃燒氣體鄰近流動之負面影響。高動量火焰有助於於此環境下維持火焰之穩定性。然而，本領域之通常知識者將了解，達到高動量火焰並同時產生用於有效玻璃熔化所需之高火焰亮度係極為困難。此係因高火焰動量通常無法提供充足用於達成高發光火焰先決條件之煙灰起始、生成與黏聚之程序之滯留時間。本發明之燃燒器係克服該等困難並能達成高動量及高亮度之組合，當以混合或分離模式操作時，透過當其排至該爐體內時於兩側以氧氣圍繞該火焰，其使該燃料噴射比僅於一側發生氧氣分級情況下能更快進行燃燒與加熱。進一步，火焰兩側之分級氧氣係限制爐體內之火焰其垂直方向之膨脹。以此方式進行，經提升之前向軸向加速度係主要係因燃料噴射燃燒與加熱所造成；因此，能達到高火焰(軸向)動量。此模式下之火焰亮度係以根據特定環境操作限制條件所允許之低主要氧氣操作所得。意外地發現，同時進行之過與低氧氣分級以及低比例之主要氧氣之組合對燃料之流動速率有益地提供充足用於煙灰起始、生長與黏聚之滯留時間，同時亦達到高火焰動量。於混合模式操作過程中所獲得之火焰係以一影像端視圖顯示於圖12C中。
於使用中，該燃燒器10係安裝於一玻璃爐體中，以該第一與第二級導管50與60中之一者置於該中央燃燒器元件28與玻璃池之間，並以該第一與第二級導管50與60中之另一者置於該中央燃燒器元件28與該爐頂之間。
因於此所述該燃燒器10之設計，於盡量遠離化學計量而不對該燃燒器噴嘴造成損害情況下，該燃燒器10係以該中央燃燒器元件28中該中央噴嘴22中之第一反應物(例如燃料)對該環狀噴嘴32中之第二反應物(例如氧氣)之比率進行操作。例如，當燃料為該第一反應物且氧氣為第二反應物時，供應至該燃燒器10之總燃料量係流經該中央噴嘴22，而供應至該燃燒器10之極少比例之氧氣係流經該環狀噴嘴，較佳係低於20%或低於10%或低於5%或低於2%或低於1%，氧氣之剩餘部分係前往該第一與第二級噴嘴50與60中之一者或兩者。此將分別等同於至少80%、至少90%、至少95%、至少98%或至少99%之較佳分級配量。因中央與環狀噴嘴之結構，此分級程度係為先前技術所未能達成。
當該燃燒器10係以低焰級(例如，熔化模式，於其中一氧化大氣係產生於玻璃熔體上方)操作時，至少50%之次要氧氣係流經該第二級噴嘴60，剩餘部分係流經該環狀噴嘴32。於某些實施例中，至少75%或至少90%之氧氣係流經該第二級噴嘴60。
當該燃燒器10係以過焰級(例如，減少泡沫模式，於其中一還原大氣係產生於玻璃熔體上方)操作時，至少70%之次要氧氣係流經該第一級噴嘴50，剩餘部分係流經該環狀噴嘴32。於某些實施例中，至少80%或至少90%之氧氣係流經該第一級噴嘴50。
其應當理解，因於該環狀管道30中產生空隙或真空時，其將吸入會快速侵蝕該燃燒器10完整性之高熱並具腐蝕性之爐氣，故於該環狀管道30中以零第二反應物進行操作係非期望的。此外，因該環狀管道30中之流會於該中央導管20中之第一反應物與該第一級及第二級導管50及60兩者中之第二反應物之間產生一緩衝，故將該環狀第二反應物流36簡單的除掉係非為期望的，因此， 如圖25所示，當相鄰磚通道之間產生燃燒器磚裂縫599時，燃料與氧氣之非受控交叉混合將不存在。
於實務上，已發現將某些結構元件加入至該中央燃燒器元件28可將該環狀管道所需之次要反應物之量最小化(如參酌以下圖8與圖9所述)，使其可低至約1%之該總次要反應物流率。此意即剩餘多達99%之次要反應物係經第一級導管50或第二級導管60(或可於該兩分級導管間受分配)中之一者進行分級。與前一代分級燃燒器相比(參閱美國第7,390,189號專利，於此係引用其整體特徵)，其能以最大70%之次要反應物(氧氣)進行分級，本發明燃燒器中峰值主燃料對環狀氧氣之比率名義上係為前代燃燒器所能達成之30倍(例如，於本發明燃燒器中100%燃料：1%氧氣，與前代燃燒器中之100%燃料：30%氧氣相比較)。透過使用關於圖8與圖9之噴嘴設計進行內部噴嘴分級亦達成額外NOx之減少。
除減少NOx外，該燃燒器以極大量之分級產生遠大於化學計量之主火焰能力，可顯著提升控制鄰近玻璃表面之氣體大氣之能力。但為能控制鄰近該玻璃表面處之大氣根據程序環境選擇性為氧化或還原，需要於有所需求時，在無需切換燃燒器且無顯著時間延遲下，得以便利切換該燃燒器之操作，以於鄰近該玻璃處產生一還原大氣或一氧化大氣，此係透過上述之三通級分配閥體44所達成，其設置於本發明燃燒器之次要反應物充氣部40中，其功能係將該次要反應物流量之分級部分自該充氣部40轉向至該第一級導管50或第二級導管60中之一者(或按一定比例分配至兩者)。且如上所述，該燃燒器10將安裝於一爐體內，例如，該第二級導管60係位於該中央燃燒器元件28下方(例如朝向玻璃池)，且該第一級導管50係位於該中央燃燒器28上方(例如朝向爐頂)。
較佳地，如圖2之端視圖所描繪，該燃燒器10係安裝於一燃燒器磚100中，其係將該燃燒器10與該爐體分離，並亦將該燃燒器之中央主要流體導管與次要環狀導管合併至一單中央燃燒器磚通道128中，使該主要流體與次要環狀流體能作為火焰自該磚體排出至該爐體。
如圖16中所示，複數個燃燒器10係安裝於一玻璃爐體500中，其中根據各燃燒器10於該爐體500中之位置對其等進行不同操作。典型之玻璃熔爐具有一進料端510與一工作端550，透過一批次給料器512將粗玻璃批次成分(固體)供給至該進料端510中，並將精煉之熔化玻璃自該工作端550移除。該爐體500爐可經描述為具兩區段或區域、鄰近該批次端510之一熔化區域520，其特徵在於熔化玻璃與未熔化批料之固體塊之混合物，以及鄰近該工作端之一精煉區域530，其特徵在於主要熔化玻璃。側邊540係將該進料端510與該工作端550相連接。沿兩側邊540放置之燃燒器10係用以熔化該熔化區域520中之批料，並用以精煉該精煉區域530中之熔化玻璃。至少一煙道542係設置於該等側邊540中之一者上，與/或該等端部510、550中之一者上以將燃燒產物自該爐體500中移除。
於圖16之操作情況下，該玻璃爐體500之熔化區域520中之燃燒器10可經操作以產生如同圖6與圖10中所示之火焰，以最大化傳遞至該熔化區域520中玻璃批料之輻射能量。此係透過低於主火焰下對氧氣進行分級所完成。此技術優先將火焰輻射朝該熔體方向向下偏置。可選擇地，與前述結合，該精煉區域530中之燃燒器10可經操作以產生如同圖7與圖11中所示之火焰，以於相鄰該玻璃表面處產生一還原大氣。此可透過高於主火焰下對氧氣進行分級所完成。此技術可透過給予表面張力之突然改變對泡沫表面之穩定性進行破壞，藉 以使其迅速回流至該熔體中。此外，該還原大氣引起阻隔對熔體之熱輻射之煙灰，藉以降低表面溫度以及發泡澄清氣體如二氧化硫之析出速率。
應注意由於以下原因，泡沫對於玻璃爐體之作業係為有害，因此依照環境需求，於操作期間中不同時間點或於熔體之某些部分中選擇性減少泡沫，對於業和玻璃質量可以具有顯著作益處。第一，泡沫嚴重限制該爐體燃燒空間與該玻璃融體之間之熱傳遞。此導致更高玻璃表面與頂冠溫度，同時減少玻璃池之熔化階段中玻璃之自然對流驅動次要流動。該些次要流動對於提供爐體中玻璃所需之留滯時間以達到玻璃雜質之高度消除係極為重要。第二，泡沫對爐體耐火材料係具極強之腐蝕性，並會導致造成玻璃缺陷之耐火材料之加速衰變，與耐火材料變為玻璃相之剝離。
圖17描繪如上關於圖16所述之方法相比較之爐體操作之一替代方法。非預決定過焰級燃燒器(例如，於鄰近玻璃池處，如於精煉區域中產生一還原大氣)與低焰級燃燒器(例如，於鄰近玻璃池處，如於熔化區域中產生一氧化大氣與輻射火焰)之分配，此方法使用至少一爐體感測器560以檢測爐體中一感測狀況，例如泡沫之存在，與/或以檢測高溫或低溫區域，則一控制器562能相應調整各獨立燃燒器10之操作狀態。可透過數種類型傳感器中之任一者檢測泡沫之存在，包括但不限於熱電偶(thermocouples)、紅外線溫度計、紅外線成像相機與攝影機。此對於本發明之燃燒器10係特別有利，因該三通切換閥體44可輕易地透過如電動或氣動手段經遠程啟動，以快速將分級之第二反應物流動轉向至該等分級噴嘴中之任一者。
於另一實施例中，圖18描繪用以最小化NOx排放之一最佳爐體配置。該爐體510之下游或精煉區域530中NOx之形成係可透過於該區域中次化學 計量(富燃料)操作該燃燒器10所最小化，以產生一富燃料火焰534，而以超化學計量(貧燃料)操作位於該下游或熔化區域520中之燃燒器10，其係鄰近一典型氧燃料玻璃爐體500之煙道542，以產生一貧燃料火焰524。於此配置中，來自上游貧燃料燃燒器火焰524之過量氧氣係與來自下游富燃料火焰534之部分燃燒之富燃料產物混合，以於經由該煙道543離開爐體燃燒空間前完成該富燃料產物之燃燒。該燃燒器500中之燃燒器10之總化學計量，即於此所定義進入該爐體中總氧氣分子對總燃料分子之比率除以理論上用於無多餘氧氣之完全燃燒所需之燃燒比率，並非必為1，但總爐體化學計量比起貧燃料上游燃燒器或富燃料下游燃燒器更接近1。
藉由於非化學計量條件下操作獨立燃燒器，透過限制熱NOx之形成(其係為NOx形成機制中最慢之步驟)，減少部分富燃料與部分貧燃料及NOx之排放。驅動熱NOx形成之反應需要利用游離氧(free oxygen)。因此，透過確認具最長留滯時間之氣體(例如，位於該爐體之下游端處、最遠離煙道之該些氣體)可具有最小游離氧並減少熱NOx之形成。此外，一旦下游燃料與氧氣之剩餘部分於靠近煙道之該爐體區域內進行反應，則該反應實質上係由爐內廢氣所稀釋，因此可於低於燃燒器反應所產生之溫度下發生。此較低溫度進一步減少熱NOx形成之速率。由於富燃料區域係與精煉區域或區段重疊，其進一步強化本發明燃燒器10之泡沫減少作用，因此該爐體配置自泡沫減少角度上觀之係為有益的。
該爐體10之操作可透過將特定元件併入至該燃燒器元件28之噴嘴中所提升，如圖8與圖9所示。該些元件可大幅促進上述主要火焰之非化學計量之操作。
首先，如圖8A與圖8B所示，一阻流體70係設置於該第二反應物環狀噴嘴32內，以產生兩第二反應物(例如，氧氣)流束，即流經一內噴嘴或間隔74之一內流束，與流經外噴嘴或間隔72之一外流束。該內間隔74與該外間隔74相比係相對較小。於一實施例中，該內間隔74具有至多為該外間隔72其10%橫截面面積之一橫截面面積。較佳地，該阻流體70係貼附至該中央導管20之一外側，使該內間隔74係形成為該阻流體70一基部中之一狹縫。該第二反應物之一小狹縫流束係流經該內間隙74，並於該燃燒器10之一排放面12處與該第一反應物(例如燃料)混合。於該排放面12處，該第二反應物之小狹縫流束係與自該中央噴嘴22所排放之第一反應物混合並進行燃燒，於該中央噴嘴排放流束(係為第一反應物的)之邊界處產生一火焰片或火焰噴射。
本發明技術領域之人已知悉，與一非反應性噴射相反，就一反應性噴射火焰而言，周圍氣體受挾帶至噴射中之速率係顯著降低。我方進一步發現，於如上所述具該內間隔74與該外間隔72之阻流體70案例中，由此系統所產生之火焰之挾帶速率係小於缺少所述阻流體情況下所產生者。雖於實驗上難以測量挾帶速率，但已知對於固定噴嘴排放流速之中央噴流而言，挾帶速率係與噴流擴張速度直接相關。
圖14顯示自一雙級燃燒器10之中央燃燒器磚通道128所出現之一火焰片180(表示主火焰之邊界)之火焰擴張速率之量化，如透過該擴展角α所測量，使一火焰擴張速率可由角度α之正切所表徵。
圖15比較來自以兩噴嘴所產生之火焰之火焰蔓延速率資料。圖表中之較低實線(交叉資料點)係描繪具於圖8A與圖8B所示特徵之一噴嘴之一燃燒器之火焰蔓延速率，例如於此所述係具有該阻流體70、該內間隔74與該外間 隔72。該較高虛線(方形資料點)係描繪具相同基本噴嘴但不具該阻流體與該等間隔之一燃燒器之火焰蔓延速率。圖15中之垂直軸線係為相對火焰蔓延速率(無因次正切(α))，而水平軸線係表示該主要火焰化學計量比率，例如根據流經該主要燃燒器噴嘴之中央第一反應物(燃料或天然氣)與該環狀第二反應物(氧氣)之化學計量比率。應注意的是，透過具該阻流體與該等間隔之噴嘴所產生之火焰蔓延速率係如何顯著低於由不具該阻流體與該等間隔之相同噴嘴所產生之火焰蔓延速率。此外，兩者火焰蔓延速率之間之差異係隨主要火焰化學計量比率降低(例如，隨分級氧氣之比例增加)而增大。正如前所述，本發明之燃燒器之效益係隨分級氧氣之比例增加而增加，故此係為特別重要。
圖13A與13B顯示於此所述不具有與具有圖8A、8B及圖9中所示之噴嘴特徵之燃燒器之比較，並特別描繪火焰之相對蔓延速率分別具有較高與較低之挾帶速率。於圖13A之影像中，係採用一筆直噴嘴，所得之火焰於垂直方向上之蔓延係相對快速，並挾帶大量爐氣。相比之下，於圖13B之影像中，受到圖8A與圖8B之噴嘴中的阻流體、氧氣排氣狹縫的影響，所得之火焰於垂直方向上之蔓延係相對較慢，並挾帶較少量之爐氣。
儘管不願受任何理論之拘束，但仍據信以具該阻流體與該等間隔之燃燒器噴嘴所獲減低之火焰蔓延速率係源自於兩個因素。一者為少量之次要環狀流體，於此種情況下係為氧氣，其透過該內間隔74進入以與主要流體(天然氣)進行混合。此混合物產生錨定於該噴嘴尖端之一相對低溫、微弱之火焰。於該噴嘴尖端處該火焰之錨定係確保火焰反應之存在，其係阻礙渦度(vorticity)之增長，並因此降低燃料與氧氣流束之間剪力層內之徑向混合速率。此外，該火焰相對較弱且較低溫之性質，代表反應速率之初始速率有所下降；因此該火 焰片由燃燒誘導之初始體積膨脹係受到最小化。第二因素在於，該阻流體70係於流經該內間隔74之燃料與氧氣之初始接觸與透過外間隔72流經該阻流體周圍之剩餘環狀氧氣之間產生一物理性分離。此番氧氣與燃料混合之延遲將延長該火焰片初始體積低膨脹率。
較佳地，如圖9中所描繪，該阻流體70具有一高度(h)其係為該主要反應物中央噴嘴22高度(H)之50%至150%。此外，如圖9中所示，一阻流體80亦可設置於該噴嘴22上游處之該中央第一反應物導管20中。該阻流體80較佳具有一橫向尺寸(d)，使其佔該中央導管橫截面面積之25%至75%，並具一凹陷長度L，其係起始自該燃燒器排放面12並為該橫向尺寸(d)2至20倍之間。該阻流體80之流體機械效應係用以將該中央導管20中之主要反應物分成兩外部高速度流束與一軸向低速度核心或尾流。此種分離之主要優點為，隨火焰噴射出現於該爐體內，該主要反應物與該分級次要反應物流之隔離可增加至超過不具此種隔離者之程度。例如，若氧氣(如第二反應物)係經分級高於該火焰，則於該中央噴嘴之較低部分上流動之該燃料(如第一反應物)之高速度部分係受相當程度地緩衝並與較高級之氧氣混合。相反地，若氧氣係經分級低於該火焰，則於該中央噴嘴之較高部分上流動之該燃料之高速度部分係受相當程度地緩衝並與較低級之氧氣混合。該些情況係描繪於圖10與圖11中。
然而，設置於該主要反應物導管20中之阻流體80可能容易於其尾流中產生漩渦洩離。該些漩渦實質上增加鄰近該燃燒器排放面12之第一與第二反應物之間之混合速率，導致更快速之燃燒與更高之NOx排放。為減緩此種潛在影響，可沿該阻流體80之下游處該中央導管20之中心線軸線增加一後緣分流板82。較佳地，該分流板82係與該阻流體80略微間隔，以允許位於該阻流體80 下游側上之壓力平衡，且該分流板82較佳具有等於或大於該阻流體80之尺寸(d)之一長度(x)，且較佳係具有該橫向尺寸(d)之1倍至10倍之間之一長度(x)。然而，該分流板82之後緣並未延伸超出該燃燒器排放面12。
圖13A與圖13B中也顯示將一阻流體80與該分流板82沿該中央導管20之中央線放置之實際效果，其等係分別為不具有(圖13A)與具該阻流體80與該分流板82組合(圖13B)之火焰之攝影圖。該阻流體係佔該中央導管之流動橫截面面積之50%，其係具有等於14之一凹陷尺寸d/L，與具有等於5之長度尺寸x/d之一分流板。該影像係沿火焰軸線自該火焰下游所拍攝，引入流經上級充氣部56之標稱90%燃燒器氧氣(流經該環形管道36之餘量)。火焰下方之不透明區域係表示一煙灰雲，且係為於消散之次要泡沫中活動之下火焰減少區域尺寸之測量。由該些影像之比較可明顯得知，於具該阻流體80與該分流板82之噴嘴情況下，該煙灰填充之還原區域之尺寸係實質上更大。
如此所述，能選擇下級(低於該主要火焰之次要氧氣)或過級(高於該主要火焰之次要氧氣)之一雙級氧燃料燃燒器，係提供用於更高熔化效率與更低NOx排放之氧氣分級之效益，以及減少泡沫形成之能力。本發明所保護之燃燒器係讓使用者控制氧氣分級之量值與位置。如上所述，該燃燒器係配備三通道：容納該燃燒器燃料與氧氣噴嘴之一主要通口，用於引入分級氧氣之上與下氧氣通口，以及用以控制該三個通道中氧氣之方向與流速之兩閥體。
與189號專利之先前技術燃燒器相比較，其氧氣(下)分級係限制為進入氧氣之70%，而本發明所保護之燃燒器係能於氧氣分級超過95%之情況下安全操作。於以本發明所保護之燃燒器取代先前技術189號專利之燃燒器之一容器玻璃爐之測試結果中，特定能量消耗、玻璃缺陷與NOx排放皆為減少。 具體而言，如圖19中所示，特定能量消耗係降低3%。再者，顆粒與氣泡形式之瑕疵係降低40%(顆粒減少43%與氣泡減少38%，係分別如圖20與圖21中所示)。此外，NOx排放係減少40%(參見圖22)。於不受理論拘束情況下，據信該些有益效果係因增加超出先前技術燃燒器中可達成之分級比率之能力，與於熔化操作過程中瓦解泡沫之能力。意即，係認為較低之NOx排放係因由本發明設計所達成之分級氧氣更高比例所造成，而缺陷之減少係因於澄清區域中使用過級氧氣，其係造成次要泡沫之清除(參見圖23A與圖23B；應注意本發明保護之燒燃氣之鏡面表面外觀)。至於所減少之燃料消耗係因上述兩因素所導致。
明確地，該精煉區域中泡沫之減少不僅減少缺陷之產生，且降低對該玻璃之熱傳遞之阻抗，藉以助於更高之燃料效率。進一步，當應用於該批次熔化區域中之燃燒器時，相較於先前技術189號專利之燃燒器，所增加之低分級使本發明燃燒器火焰之發光度增加。例如，參見圖24A與圖24B，應注意兩燃燒器之火焰亮度與胸壁(breast wall)之間之對比變化，圖24B中具下火焰氧氣分級之本發明燃燒器之火焰係比圖24A中不具分級之本發明燃燒器之火焰更加明亮，(需注意，拍攝影像之相機係自動校正整體亮度，因此相較於幾乎融入該熱爐壁背景中之圖24A中之火焰，圖24B中之火焰之對比係更為鮮明)。此係增加該爐體區域中對玻璃之輻射熱傳遞速率。
本發明係不受限揭露於範例中之特定層面或實施例之範圍，其係作為本發明某些方面之說明，且功效均等之任何實施例係落入本發明之範疇內。除於此所示與所述外，本發明之各種變化對於本發明技術領域之人係為顯而易見，並係落入本發明申請專利範圍之範疇內。

Claims (17)

  1. 一種氧燃料燃燒器，包含：一中央燃燒器元件，其包含：一中央導管，其具有一中心軸且末端具有一中央噴嘴；以及一環狀導管，其末端設有環繞該中央導管並於其同軸之一環狀噴嘴，該環狀導管與該中央導管係由一環壁所分離；該中央導管係經排列以供一第一反應物流動，且該環狀導管係經排列以供一第二反應物流動；一第一級導管，其係與該中央燃燒器元件之一側相間隔，且末端具有一第一級噴嘴；一第二級導管，其係與該中央燃燒器元件之一相反側相間隔，且末端具有一第二級噴嘴；一第一機構，其係經排列以將該第二反應物之流量分配為導向該環狀導管之該第二反應物之一非零主流量與該第二反應物之一非零次流量；以及一第二機構，其係經排列以將該第二反應物之次流量選擇性分配於該第一級導管與該第二級導管之間；其中，該第一與第二反應物中之一者係為一燃料，而該第一與第二反應物中之另一者係為氧氣。
  2. 如請求項1所述之氧燃料燃燒器，其中，該中央噴嘴與該環狀噴嘴各具有一長寬比大於或等於2之一非圓形形狀，其中該長寬比係為最大開口尺寸對最小開口尺寸之比值。
  3. 如請求項2所述之氧燃料燃燒器，其中，該等分級導管各具有一長寬比大於或等於2之一非圓形形狀，其中該長寬比係為最大開口尺寸對最小開口尺寸之比值，以及其中定義該中央噴嘴之最大開口尺寸之一軸線與定義各該等分級導管之個別最大開口尺寸之一軸線彼此係實質上互相平行。
  4. 如請求項1所述之氧燃料燃燒器，其中，該第一機構係包含用以調節通往該環狀管道之該第二反應物之主流量之一可變流量限制，藉此以一互補方式間接調節通往該第二機構之該第二反應物之次流量。
  5. 如請求項1所述之氧燃料燃燒器，其中，該第二機構包含一閥體，用以選擇性導引該第一級導管與該第二級導管之間之第二反應物之流量。
  6. 如請求項5所述之氧燃料燃燒器，其中，該閥體係為一三通閥體，其係設置用以將該第二反應物之次流量導引至該第一級導管，或導引至該第二級導管，或同時導引至該第一級導管與該第二級導管之組合。
  7. 如請求項1所述之氧燃料燃燒器，進一步包含一裝置，其係用以感測該燃燒器於一爐體內正在燃燒之狀況，該裝置係經設置以啟動該第二機構以根據該所感測之狀況，將該第二反應物之次流量導引至該第一級導管，或導引至該第二級導管，或同時導引至該第一級導管與該第二級導管之組合。
  8. 如請求項1所述之氧燃料燃燒器，進一步包含一燃燒器磚，其具有一中央通道，該中央燃燒器元件係由此處排氣，以及一第一與第二級通道，該第一與第二級噴嘴係分別由此等處排氣。
  9. 如請求項1至8中任一項所述之氧燃料燃燒器，進一步包含：一阻流體，其係設置於該環狀噴嘴中，並於該阻流體接近該環壁之一側上形成一內噴嘴，以及於該阻流體遠離該環壁之一相反側上形成一外噴嘴，該內噴嘴具有小於該外噴嘴之一橫截面面積。
  10. 如請求項9所述之氧燃料燃燒器，其中，該內噴嘴具有不超過該外噴嘴10%之一非零橫截面面積。
  11. 如請求項9所述之氧燃料燃燒器，進一步包含：具有一高度之一阻流體，該阻流體係設置於該中央導管之中心軸上，並位於該中央噴嘴之下游處，距該阻流體高度2至20倍之一軸線距離。
  12. 如請求項11所述之氧燃料燃燒器，進一步包含：一分流板，其係沿該阻流體下游處之該中心導管之中心軸設置，該分流板之長度係為該阻流體高度之1至10倍。
  13. 一種操作含一玻璃池並包含一熔化區域與一精煉區域之一氧燃料玻璃爐之方法，其中，第一複數個請求項1之氧燃料燃燒器係經設置以於該熔化區域中進行燃燒，且該第二複數個請求項1之氧燃料燃燒器係經設置以於該精煉區域中進行燃燒，其中對各燃燒器而言，該第二級導管係設置於該中央燃燒器元件與該玻璃池之間，且該第一級導管係設置於該中央燃燒器元件與該爐體之爐頂之間，該方法包含：使燃料作為該第一反應物流動，並使氧氣作為該第二反應物流動；操作該第一複數個氧燃料燃燒器以產生鄰近該玻璃池之一富氧(氧化)大氣；以及操作該第二複數個氧燃料燃燒器以產生鄰近該玻璃池之一富燃料(還原)大氣。
  14. 如請求項13所述之操作含一玻璃池並包含一熔化區域與一精煉區域之一氧燃料玻璃爐之方法，其中該氧化大氣係透過將該第一複數個氧燃料燃燒器中至少50%之次氧氣流量分配至該第二級導管所產生；且其中該還原大氣係透過將至少70%之次氧氣流量分配至該第一級導管所產生。
  15. 如請求項13之方法，其中，該氧化大氣係透過以大於1之化學計量比操作該第一複數個氧燃料燃燒器貧燃料；且其中，該還原大氣係透過以大於1之化學計量比操作該第二複數個氧燃料燃燒器富燃料所產生；其中一燃燒器之一化學計量比係經定義為流經該燃燒器之氧氣對燃料之比率除以理論上無多餘氧氣之化學計量完全燃燒所需之氧氣對燃料流量比率。
  16. 如請求項13至15中任一項所述之方法，進一步包含：測量至少一爐體參數，其係選自以下所組成之群組：指示一玻璃表面狀態之一參數、一爐體溫度分布、一爐體出口氣體溫度與一爐體氣體出口成分；以及對於該氧燃料燃燒器中至少一者，根據該至少一所測量之爐體參數控制至少一燃燒速率、氧/燃料比率與次氧氣流量之分佈。
  17. 如請求項16之方法，進一步包含：當該所測量之參數指出具有玻璃表面泡沫時，將該第一複數個氧燃料燃燒器中之至少一燃燒器自產生鄰近該玻璃池之一氧化大氣切換成產生鄰近該玻璃池之一還原大氣。
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