[发明专利]空气－氧－燃料燃烧的方法及设备

说明书

本发明涉及在氧气和空气存在条件下燃烧燃料的方法和设备。具体地说，本发明涉及这类燃烧器，其中燃烧是分阶段的。在燃烧的第一和第二阶段区，燃料分别起先在化学计量上燃料富足的条件下燃烧，然后在化学计量上燃料较少的条件下燃烧。更具体来说，本发明涉及这类设备和方法，其中氧气用来支持第一阶段的燃烧，打旋的空气或富含氧的空气用来支持第二阶段的燃烧。

在许多工业的工艺中，必须对熔体进行加热，这些熔体例如是玻璃、金属、黑色及有色金属等物质的熔体。已经有了种种燃烧器，用于在由空气、氧气或富氧空气作为氧化剂存在的条件下燃烧燃料的这类工艺中。

单独使用空气的燃烧器，一般而言，具有操作范围和输出功率有限以及由于在空气氮中燃烧而可能生成NOx等缺点。为了减少NOx的生成，美国专利4,297,093提供了一种燃烧器，其中空气绕着燃料气流打旋产生一个被燃料少的燃烧区环绕的燃料多的燃烧区。这类方式的燃烧会减少NOx的生成，打旋的空气能将燃烧器与火焰隔开。

为了增加燃烧器的操作范围及输出功率，已经开发出用氧气作为氧化剂的氧-燃料燃烧器。这类燃烧器的结构是紧密的，并且在燃料的燃烧速率和火焰亮度这两方面都有高能量输出。它们的缺点是所产生的火焰引起高度的局部热流量，从而会在熔体中产生特别热的区域。此外，使用氧气增加了所涉及工艺的成本。为了节省氧气，已开发出了该技术领域称为空气-氧-燃料燃烧器的燃烧器，其中氧化剂的一部分由空气来供给，比只使用氧气燃烧燃料的成本有所降低。这类燃烧器潜在的问题是，它们比只用氧气作为氧化剂的燃烧器会产生更多的NOx。

空气-氧-燃料燃烧器的一个例子是美国专利5,145,361，其中空气被吸入燃料气流或氧气流中，令所得的混合物打旋，从而使火焰燃烧的区域伸展开来。在5,145,361的美国专利所预想的燃料中会生成大量NOx。美国专利4,642,047揭示了另一种空气-氧-燃料燃烧器，其中在焰芯处燃料和氧气的燃烧是在富燃料化学计量条件下进行的，空气按焰芯的切线方向通入，覆盖住火焰起绝热作用，从而使燃料燃烧完全。由于焰芯处没有空气，可以抑制NOx的产生。′047专利与上述讨论的′093专利并无不同。两个专利都是设法将富燃料区和贫燃料区在径向上分层，以减少NOx的生成。但是，与燃料和氧化剂是在火焰轴向上混合的燃烧器相比，由于产生了这种分层的两区，火焰朝外伸展的能力大为减小。结果，′047专利中也需要用来冷却，防止由于燃烧器附近的炽热燃烧而使燃烧器损坏。为使得火焰与使用的热负荷之间有良好的热传递，从而使燃烧器自身冷却，使火焰从燃烧器作前向延伸是必要的。

下面将要讨论，本发明提供了一种空气-氧-燃料燃烧器，与以上所述的一些专利中的燃烧器相比，它能在低的氧消耗量条件下向前喷射火焰，并且其设计能抑制NOx的生成。

本发明提供了一种燃烧燃料的方法。根据该方法，燃料和氧气先通入燃烧的第一阶段区，此时燃料和氧气以富含燃料的化学计量进行燃烧，产生了未燃烧的燃料和燃烧产品，来自第一燃烧阶段区的未燃烧的燃料和即是空气或富氧空气的氧化剂通入处于燃烧第一阶段区下游的燃烧第二阶段区，这样燃料的燃烧在就在化学计量上燃料少的情况下完成。燃料和氧气是通过形成会聚的燃料和氧化剂的气流通入燃烧的第一阶段区的。应当指出的是，这里及权利要求书中所用的“会聚”一词并不要求燃料气流和氧气气流是在方向上互相对着的。燃料气流和氧气气流可以是平行的，只要这两股气流各自的会聚能产生燃料和氧气混合所需要的整体会聚条件，未燃烧的燃料及氧化剂通入燃烧的第二阶段区是将空气以切向动量和轴向动量围绕着燃料气流和氧化剂气流打旋来进行的。氧化剂的切向动量足够大，可以在第一燃烧阶段区中形成一个再循环区，在其中加热的燃烧产物以垂直于打旋氧气的角度循环着。氧化剂的轴向动量足够大，可以令氧化剂喷流向前，从而将第二燃烧阶段区推向第一燃烧阶段区的下游。