[发明专利]用于浸没燃烧式熔化的燃烧器

说明书

本申请要求2013年2月28日提交的美国申请第61/770593号的优先权权益，其内容全文以参见的方式纳入本文。

技术领域

本发明涉及浸没燃烧式熔化。更具体地，本发明涉及用于浸没燃烧式熔化的燃烧器，且更具体地涉及在燃烧室内部将氧化剂与燃料气体混合的用于浸没燃烧式熔化的燃烧器。

背景

在常规的玻璃熔化器中，燃烧器位于熔化器中的玻璃材料表面上方(例如玻璃配合料和后面熔化的玻璃材料，或者统称“玻璃熔融物”)并朝向玻璃熔融物的顶表面向下引导。在努力提高玻璃熔化器的热效率中，燃烧器也位于熔化物的表面下方并在玻璃熔融物中进行燃烧，这被称为浸没燃烧式熔化器(“SCM”)。在SCM中，燃烧器的火焰和产物(主要是碳氧化物和水)行进穿过并直接接触玻璃带，由此将热量直接传递至玻璃带，带来比常规玻璃熔化器更有效的至玻璃熔融物的热传递。因此，比常规玻璃熔化器更多的来自燃烧的能量被传递到SCM中的玻璃熔融物。行进经过SCM中玻璃熔融物的燃烧火焰和产物也搅拌和混合该玻璃熔融物，从而能够使玻璃熔融物有效混合而不使用机械混合器，在传统的玻璃熔化器中，通常需要这种机械混合器。常规玻璃熔化器中，玻璃熔融物不显著由存在的燃烧器和玻璃材料的表面上方的火焰搅拌而没有机械混合器的帮助。然而，常规玻璃熔化器中，机械混合器的使用是有问题的。由于玻璃熔融物的高温和腐蚀特性，玻璃熔化器中的机械混合器倾向于是昂贵且具有短的有用寿命。随着玻璃熔化器中的机械混合器退化，来自混合器的材料污染玻璃熔融物。SCM可以比常规的玻璃熔化器在更小的容积和更短的时间内使得玻璃熔融物熔化和同质化。相比于常规的玻璃熔化器，SCM改进的热传递和更小的尺寸可以降低能量消耗和资金成本。

图1示出现有的SCM燃烧器10。该示出的SCM燃烧器10包括两个同心管，中心管12和外管14。中心管12将燃料气体G递送至喷嘴18。在管12与外管14之间的环形空间16将氧气O递送至燃烧器，用于离开喷嘴的燃料气体G的燃烧。外管14形成冷却套13的一部分，其围绕内管12和外管14。喷嘴18具有中心气体出口22和多个外气体出口24(例如，六个孔)，多个外气体出口24布置在围绕中心气体出口22的环中。通向外气体出口24的通道以范围在25°至65°的气体离开角度A从中心管12的纵向中心轴线向外倾斜。氧气离开燃烧器穿过环形氧气出口26，其形成在外管14与中心管12之间。沿气体出口角度离开气体出口24的燃料气体被朝向离开氧气出口26的氧气引导并与之混合，从而气体燃烧产生火焰(图未示)，其向上垂直烧入并穿过玻璃熔融物(图未示)。图1的现有燃烧器10通常在如下情况下运行，即喷嘴18的顶部和中心管12与外管的顶部齐平或者在外管14的顶部(以及燃烧器的顶端28)下方凹陷约1¹/₂英寸，从而气体可以在到达燃烧器的顶端28之前与氧气混合。冷却流体F循环经过冷却套13，以冷却燃烧器。

在图1所示的这种SCM中从燃烧器10垂直行进穿过玻璃熔融物的火焰倾向于夹带大量的玻璃熔融物并将玻璃熔融物喷射到熔化器的侧面(图未示)。一些被夹带的玻璃熔融物甚至可能喷洒入熔化器的空气排放系统。该夹带的玻璃熔融物硬化熔化器的上壁和排放系统(包括观察端口、传感器位置、排放管道等)并使其成本提高。该夹带的熔融玻璃材料还可收集在污染减排系统(布袋收尘室，过滤器等)的过滤系统内和上，由此使过滤器积垢。燃烧产物可以大“打嗝”打破穿过玻璃熔融物的表面，其将一些玻璃熔融物向上甩，这可导致未熔化和/或不足够混合的熔融玻璃材料朝向熔化器的玻璃出口(称为抽头)的急张(图未示)。偶尔，这些未熔化或不足够混合的玻璃熔融物中的一些可以离开该抽头而具有所需的完全熔化和混合的玻璃熔融物，这是非常不可取的。在图1所示的典型SCM燃烧器中燃烧产物的高速度也可导致该熔融物中大量气泡的形成。对于很多应用，需要在“澄清”阶段移除这些气泡。在澄清期间，玻璃熔融物必须在足够高的温度下保持以使得气泡在玻璃熔融物中升起而从其移除，产生巨大能量需求。当在一些玻璃组合物下运行时，这种SCM燃烧器也可产生非常大声的破空声。噪声水平可达到约9-dB或100dB，对操作者的听力产生很大威胁，除非两个耳朵都塞住且戴耳罩。

发明内容

本发明的一个方面在进入玻璃熔融物之前在燃烧器中预混合燃料和氧化剂。