用于高温高微粒炉的改进的自冷却氧气－燃料燃烧器及其燃烧方法技术

一种自冷却燃烧器设备，含有新颖的燃料和氧化剂喷嘴和三室难熔燃烧器装置。新的燃烧器可在高温和高微粒炉中点火，该燃烧器可根据热载荷的要求，提供圆柱形火焰或平坦火焰。该燃烧器包括：独特的用于燃料与氧化剂气流的流线型混合的燃料喷嘴设计，用于预期的火焰特征的可控的涡流输入到氧化剂气流，在径向和轴向方向上火焰层可控的展开，和采用氧化剂以提供对流冷却和防止任何过程微粒的累积对燃烧器装置内部表面的有效吹扫，带有传导叶片且壁相对厚的金属喷嘴结构。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及燃烧，特别涉及燃烧器和这种燃烧器用具有大于空气中的氧气浓度的氧化剂来燃烧燃料的方法。在燃烧器技术中常采用氧气浓度大于空气中氧气浓度的氧化剂，当这类燃烧器用于玻璃生产时，它的一个目的是为了产生明亮的低温火焰。通常地，这些火焰具有低的气体速度和非常简单(例如，套管式结构)混合方法。带有圆柱形燃烧室的燃烧器装置的使用是公知的，其中的主要步骤包括一个被富氧外壳所环绕的富含燃料的中心，位于圆柱形空腔之中。圆柱形燃烧器装置(有时称作预燃烧炉)，其长度“L”与圆柱形空腔直径“D”的比值在2-6之间。在此L/D比值范围内，选择燃料和氧气的速度(低于600ft/s)，使燃烧范围可达到20MMBtu/hr。在此，目标是通过采用延迟混合，获得一种长而散且高度明亮的氧气-燃料火焰。由热裂解(在富含燃料的中心)所形成的烟灰微粒和随后的燃烧提供了火焰的发光度。而在上述L/D比值范围之外的火焰具有非常高的“轴向”动量，所以就变得非常的不明亮。尽管这类燃烧器可用于许多目的，但是这类燃烧器存在不利之处。这类燃烧器装置最大的不利之处在于火焰的形状，尤其是最大火焰直径和/或火焰长度，总是受制于这种燃烧器装置的L/D比值和燃料与氧化剂的速度。通常的火焰特征都是长而散且高度清晰的火焰而不含有任何明显的对流加热成分，较大的火焰表面积用于提高负载复盖，或者可认为是为了减少微粒在这种燃烧器装置(循环区)的热表面附近的“吸气效应”的影响。由于燃烧的原因，这类燃烧器的轴向动量火焰将会产生一个低压区。上述的三维循环区的尺寸和强度取决于轴向火焰燃烧产物的动量。火焰的动量越高，则循环区的吸气效应将会越大，在燃烧器装置的热表面周围的低压区也将会越大。在燃烧器装置热表面附近的低压区可使得多种过程(process)微粒(如玻璃配料、挥发物、冷凝物等)沉积在燃烧器装置的热表面，或者有时甚至会进入燃烧器装置的空腔之中(如果在氧化剂气流与燃烧器装置的内表面之间存在空隙的话)。如果燃烧器装置的空腔没有设计成为完全被火焰气体所充满的，这将是很常见的。如果燃烧器的燃烧速率(燃料和氧化剂的流量)要在很宽的范围内变动，那么要没计一种紧密的没有丝毫空隙的燃烧器装置将会变是非常困难。火焰周围的燃烧器装置中微小的缝隙，由于低压区的存在和随后的循环区的抽吸作用，会把燃烧产物吸入到燃烧器装置的内腔中。阻塞的燃烧器装置结果会导致维修频率(在清扫燃烧器和/或装置或低压燃烧器/装置寿命方面)的提高或由于高温火焰的直接或间接的冲击/偏转而引起的不幸的失败。套管式燃烧器装置设计的另一不足之处是它难以产生这样一种火焰，这种火焰是以径向基本上与燃料和氧化剂气流相正交的方向展开的，在此称之为“平坦”火焰。圆柱形几何结构的套管式燃烧器没有可供火焰在径向方向扩大而展开的空间。这种径向平坦的火焰形状，在采用稳定的热流量对燃烧室内部进行加热的空气-燃料燃烧器中是很常见的。一个简单的实施方案是钢铁再热炉，其中的空气-燃料燃烧器是装配在再热炉的顶上(顶部)的，它们散发热量到其下的钢铁负载物(钢坯，钢材)上。径向展开的平坦火焰(通常是涡状的)的优点是，它可以提供一个很小的轴向加热分量，而大部分热量是归因于热壁的辐射。研究发现，这种平坦火焰通过coanda效应紧靠着炉壁表面，并形成一种能给出均匀辐射的热源。这种类型的空气-燃料燃烧器其工业商品名是“Wall Hugger”。这种紧靠炉壁的火焰是由高速下的空气涡流而形成的。尽管如此，还没有得到证实，同样的方法可用于氧气-燃料燃烧器。涡状氧化剂/燃料燃烧器是公知的，其中的氧化剂具有的氧气浓度大于空气中氧气的浓度。典型地，这种燃烧器装置具有一个圆柱形内腔，燃烧器凹进在圆柱形内腔之中。可在环形空间里获得高速的燃料喷射和涡流形的低速氧气喷射。在一个直径恒定的圆柱形装置内腔内部，形成一种漩涡稳定的火焰。在这种设计中，由于涡状氧气的运动，没有为分散的氧气气流提供空间。最终的火焰是一种基于出口直径D的“狭窄”圆柱形火焰。这种与狭窄出口几何结构相连接的管式燃烧室，不能为火焰提供足够的空间，使其在径向方向或在平坦火焰的尽头位置得到展开。这种直径恒定的几何结构(管式)，由于壁的磨擦作用，会对氧化剂涡流的维持有不利的影响。如果一种涡状气流在径向方向不能得到展开，那么由于壁的磨擦作用，涡流的强度就会很快地变小。另一方面，由于燃烧室内的紧密接近，涡状氧化剂也会很快地与燃料发生作用。这种方法可产生一种短而强烈的火焰。由于涡状氧化剂在相对狭窄直径的燃烧器装置中的快速燃烧，对于燃烧器装置的冷却也是不利的。而且，整个炉体(通常为金属管)插入在燃烧器装置之中的，直到燃烧器的顶端(燃料喷嘴顶端)距燃烧器装置的热表面的距离为“L”。涡状氧化剂在喷嘴出口的上游引入，氧化剂大都流过金属燃烧器主体，而没有冷却明显的燃烧器装置长度，可以认为，采用涡状氧化剂进行引入，比改变径向尺寸的火焰特性，具有与燃料更好的混合条件。由于固定的燃烧器装置的几何结构(圆柱形)，火焰特性如在径向方向上火焰形状改变，采用氧化剂气流冷却炉顶和装置内部，和采用吹扫氧化剂气流清扫燃烧器装置内部，都被急剧地削减。因此，在燃烧领域中，需要一种燃烧器能够解决已知燃烧器中存在的上述问题中的部分或全部。根据本专利技术，提供了燃烧器设备及其使用方法，可以解决现有设计中提及的很多问题。本专利技术的第一个方面是一种燃烧器设备，它包括a)一种燃烧器装置，它具有一个燃料导管，该燃料导管具有一个入口和一个出口，该燃料导管的出口与一个基本上呈圆锥形的氧化剂展开室相通；b)该燃烧器装置还具有一个基本上呈环形的氧化剂通道，所述的燃料导管设置在这个基本上呈环形的氧化剂通道中；c)该基本上呈环形的氧化剂通道在紧邻着燃料入口处具有一个入口端，在紧邻着燃料导管出口处具有一个出口，在其中还设置有至少一个涡旋式喷嘴用来形成涡状氧化剂气流；d)该基本上呈环形的氧化剂通道在其出口端与燃烧器装置中的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室是流体畅通的，所述基本上呈圆锥形的氧化剂展开室具有一个入口直径Ds和一个出口直径Dc，使得Dc至少为Ds的110％；e)一个基本上呈圆柱形的燃烧室，其直径为Dc，并且具有一个入口和一个出口，所述的基本呈圆锥形的氧化剂展开室的出口设置成与该基本上呈圆柱形的燃烧室入口是流体畅通的，该基本上呈圆柱形燃烧室的出口与炉膛相通；和f)所述的燃料导管出口从该基本上呈圆柱形燃烧室出口凹进一段距离Lr，其中的Lr＝Lc+Le，Lc＝所述基本上呈圆柱形燃烧室的轴向长度，Le＝所述基本上呈圆锥形氧化剂展开室的轴向长度。优选的本专利技术这个方面的燃烧器设备是这样的，其中的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室的展开角度范围约为5°～60°，更优选的范围约为10°～30°，特别优选的范围约为15°～25°。本专利技术的第一个方面的进一步优选的燃烧器设备是这样的一些燃烧器设备，在其中的至少一个涡旋式喷嘴有多个叶片，每个叶片的角度变化范围约为5°～30°，更优选的变化范围约为30°～60°。根据本专利技术的第一个方面，这些燃烧器设备也是优选的，其中的Le约为Lr的10％～50％。本专利技术的第二个方面是一种燃烧器设备，它包括a)一种燃烧器装置，它具有一个燃料导管，该燃料导管具有一个入口和一个出口，该本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃烧器设备，包括： ａ）一种燃烧器装置，具有一个燃料导管，该燃料导管具有一个入口和一个出口，该燃料导管的出口与一个基本上呈圆锥形的氧化剂展开室相通； ｂ）该燃烧器装置还具有一个基本上呈环形的氧化剂通道，所述的燃料导管设置在这个基本上呈环形的氧化剂通道中； ｃ）该基本上呈环形的氧化剂通道在紧邻着燃料入口处具有一个入口端，在紧邻着燃料导管出口处具有一个出口，在其中还设置有至少一个涡旋式喷嘴用来形成涡状氧化剂气流； ｄ）该基本上呈环形的氧化剂通道在其出口端与燃烧器装置中的基本上呈圆锥形的氧化剂展开室是流体畅通的，所述基本上呈圆锥形的氧化剂展开室具有一个入口直径Ｄｓ和一个出口直径Ｄｃ，使得Ｄｃ至少为Ｄｓ的１１０％； ｅ）一个基本上呈圆柱形的燃烧室，其直径为Ｄｃ，并且具有一个入口和一个出口，所述的基本呈圆锥形的氧化剂展开室的出口设置成与该基本上呈圆柱形的燃烧室入口是流体畅通的，该基本上呈圆柱形燃烧室的出口与炉膛相通；以及 ｆ）所述的燃料导管出口从该基本上呈圆柱形燃烧室出口凹进一段距离Ｌｒ，其中的Ｌｒ＝Ｌｃ＋Ｌｅ，Ｌｃ＝所述基本上呈圆柱形燃烧室的轴向长度，Ｌｅ＝所述基本上呈圆锥形氧化剂展开室的轴向长度。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：马亨德拉L乔希，哈利A博德斯，奥维迪尤马林，奥利维尔沙龙，
申请(专利权)人：液体空气乔治洛德方法利用和研究有限公司，
类型：发明
国别省市：FR[法国]