[发明专利]玻璃前炉氧燃料燃烧器

说明书

一种用于增加火焰湍流的燃烧器供气装置，该装置包含：导管，该导管特征宽度W，该导管由具有圆周方向和轴向方向的内表面界定，该轴向方向终止于界定喷嘴出口平面并且具有特征尺寸d的喷嘴，其中d≤W；以及三个钝体，每个钝体具有特征尺寸D_bb‑i，每个钝体从该内表面向该导管内突出长度L_i，并且相邻钝体之间具有轴向间距X_i(在X₁的情况下，在下游钝体和喷嘴出口平面之间)，其中0.5≤L_i/W≤1，并且其中X_i/D_bb‑i≤30。

背景技术

燃烧器的有效设计要求控制火焰特性，尤其是火焰长度。准确了解火焰长度尤其重要，因为许多燃烧器安装在燃烧室中，在运行过程中无法通过肉眼检查火焰特性。虽然实验和工程指南有助于根据燃烧器和燃烧室的设计和运行参数预测火焰长度，但众所周知，湍流火焰的火焰长度预测和控制比层流火焰更可靠。虽然许多因素可以影响从层流火焰到湍流火焰的过渡点，但通常采用基于流动特性和燃烧器中心射流几何特性的无量纲雷诺数Re_j。其定义如下公式1所示：

Re_j＝ρV_jD_j/μ (1)

公式中，ρ是喷嘴出口平面上的中心射流密度；V是中心射流平均喷嘴出口速度，D是喷嘴直径，μ是中心射流动力粘度，同样由喷嘴出口平面上的条件确定。

正如Hawthorne等人的一篇开创性论文(“湍流气体射流中的混合和燃烧(Mixingand Combustion in Turbulent Gas Jets)”，第三届燃烧、火焰和爆炸现象研讨会，第266-288页，1949)所指出的，层流和湍流中火焰长度对气体流率的响应特性不同，其根源在于分子扩散率和涡流扩散率之间的固有差异。层流火焰中的混合由分子扩散率控制(该分子扩散率是被混合气体的一种物质特性)，而湍流火焰中的混合由湍流“涡流”驱动。与分子扩散率不同，所谓的涡流扩散率不是一种物质特性，而是与火焰射流速度和喷嘴出口平面直径的乘积成比例。图1总结了这些不同混合模式对火焰长度的影响。也就是说，层流射流火焰的标准化长度L/D(L为火焰长度，D为喷嘴出口平面直径)随喷嘴流率增加而增加，而湍流射流火焰的标准化长度L/D保持不变。

从图1进一步看出，层流火焰的最大长度可能比完全湍流火焰的最大长度长得多。因此，尽管火焰可主要设计用于湍流操作，但非设计、低流量操作可能会导致火焰长度超过预期，从而冲击燃烧室端壁，从而导致壁绝缘和结构材料或传热表面过早失效。

最后，在大多数实际燃烧应用中，炉内部环境通常不是静止的。在这种情况下，长层流火焰往往相对难以控制，因为大部分燃料流在动量消散时仍然没有反应。相比之下，湍流射流火焰混合迅速，因此火焰射流的稳定性得益于膨胀热气体速度的增加。因此，层流火焰比湍流火焰更容易被炉气流和不完全燃烧所偏转，并且这些缺陷通常导致性能和操作缺陷，这些缺陷与减少和/或错误引导火焰以加载传热和降低工艺燃料效率有关。

发明内容

本文描述了一种燃烧器，包含位于出口平面上游不同轴向位置的燃烧器供气导管中的至少两个钝体。多个钝体的使用通过在流场中的多个位置引发涡流来促进湍流的扩散，而纵向间距通过流场相互作用促进了每个上游钝体产生的湍流效应的放大。

每个钝体可从供气导管内表面周围的不同圆周位置引入。这一方向产生具有不同轴的涡量(因为涡量是一个矢量)，从而使整个流场中湍流的更有效分布。