[发明专利]采用扩张流喷嘴的燃烧器设备及方法

说明书

本发明涉及用于在氧化剂中燃烧燃料的燃烧器设备及方法。更具体地说，本发明涉及其中氧化剂为氧气或富氧空气的燃烧器设备及方法。本发明还涉及能产生平的、均匀扩张的流体流的喷嘴，它尤其适用于在本发明的燃烧器设备和方法中用作氧化剂喷嘴。

燃烧器用于待加工的材料如玻璃、铜、铝、铁和钢呈熔融状的许多种工业用途。为了最大限度地从燃料获得热量，发展了氧-燃料燃烧器，其中燃料是在氧气或富氧空气中燃烧的。这些燃烧器通常能产生具有很高能量输出的火焰，从而在熔融体中产生局部过热区域。典型的这种燃烧器采用高速度的氧化剂和高质量流量的燃料以产生高能量输出。由于这些原因，强热容易在被加工熔融体中产生挥发物，而且很高的流速容易将被加工的进料夹带入炉子的废气中。被夹带进入废气的进料和释放出的挥发物结果会损失掉并污染大气，或者会沉集在炉中或与炉子一起使用的废热回收系统之中。

氧-燃料燃烧器的另一个问题是在氧气或富氧空气中燃料的高温燃烧会产生污染性的NOx。

如下面的讨论可见，本发明提供了一种燃烧器设备和方法，与已有技术的设备和方法相比，它不易形成局部过热区域和也不会将进料颗粒夹带引入氧化剂流及燃料流中，而且适于采用限制NOx形成的燃烧方式。

本发明提供了一种用于在氧化剂中燃烧燃料的、包括燃料喷嘴装置以及氧化剂上、下喷嘴装置的燃烧器。燃料喷嘴装置产生向外扩张的扇形燃料喷射流，它适合于与氧化剂燃烧产生向外延展的扩张形火焰。氧化剂上、下喷嘴装置是互相分开而且不同的，并且与燃料喷嘴装置也不同，它们在燃料喷射流的上方和下方分别形成向外扩张的扇形的氧化剂上、下喷射流。氧化剂喷射流的速度低于燃料喷射流，使得氧化剂被吸入燃料中。

作为本发明的另一个方面，本发明提供了燃料在氧化剂中燃烧的一种方法。按照此方法，先形成一个向外扩张的扇形燃料喷射流，使得它在氧化剂中燃烧时产生向外延展的扩张形火焰。在燃料喷射流的上方位置和下方位置，则分别形成分隔开的，互相不同而且与燃料喷射流也不同的氧化剂上、下喷射流，它们的流速小于燃料喷射流的速度，结果氧化剂就被吸入燃料中。

在本发明的上述的各方面，燃料喷射流和氧化剂喷射流是向外扩张的并且为扇形，结果在广大区域上产生向外伸展的燃烧火焰。燃烧的范围广有助于将很大的热量输入熔融体，而同时却消除熔融体中的局部过热区域。氧化剂上、下喷嘴装置产生较低速度的，因而是较高压力的氧化剂喷射流，产生的压力差从而将氧化剂吸入燃料。但是，因为氧化剂喷射流的速度较低，所以它不会夹带进料颗粒，因此能起屏蔽燃料喷射流的作用。

另一方面，本发明提供了一种能产生平的、均匀扩张的流体流的喷嘴。此种喷嘴特别适合作为氧化剂上、下喷嘴装置。该喷嘴的本体中含有一个通道。此通道有一个喷射出流体流的出口和将流体流引入通道的入口。该喷嘴中有一装置将通道沿其长度方向分隔开，因此流体流就分成许多的支流，它们具有大致相同的速度，并且它们的取向使得其在流体流的横截面方向上逐渐分散开来。

正如前面所述，本发明是适用于减少NOx生成的。在已有技术的氧-燃料燃料器中，大气中的氮会与氧反应生成“热NOx”。此外，燃料自由基如CH会与空气中的氮反应形成“瞬发NOx”。本发明在这方面，燃料的燃烧是分两段进行的，以便减少热NOx和瞬发NOx的形成。在两段燃烧的第一阶段，燃料在由氧化剂上、下喷射流所提供的氧化剂中的燃烧是低于化学计量的。燃烧器还包括氧化剂的上、下次级喷嘴装置，它们相互之间以及与氧化剂上、下喷嘴和燃料喷嘴装置都不相同并且是互相分开的。氧化剂的上、下喷嘴和燃料喷嘴装置提供了至少一对分别位于氧化剂上、下喷射流上方和下方的呈向外扩张的、扇形的氧化剂上、下次级喷射流，以提供足量的氧化剂供燃料的充分燃烧。因此，燃料的燃烧是在两段燃烧的第二阶段完成的。应该注意，足量的氧化剂既可以恰好是完成燃烧所需的量，也可以是超过化学计量的。本发明在这方面的方法包括：产生至少一对分别位于氧化剂上、下喷射流上方和下方的呈向外扩张的、扇形的氧化剂上、下次级喷射流以提供足量的氧化剂使燃烧充分。已经发现这种分段燃烧会减少NOx的形成。

尽管本发明说明书末尾的权利要求清楚明了地指明了申请人认为的本发明的实质内容，结合附图加以阐述相信会更好地理解本发明。

图1是本发明燃烧器的顶部平视图;

图2是图1的一个正视图;

图3是图1的前部正视图;

图4A是图3沿线4-4的剖面图;

图4B是图4A的前部剖面正视图;

图4C是图4A沿线4C的剖面图;