用於氧-燃料燃燒器的乳化霧化器噴嘴、燃燒器及方法

2023-06-11 10:52:36 5

專利名稱：:用於氧-燃料燃燒器的乳化霧化器噴嘴、燃燒器及方法
技術領域：
：本申請涉及用於基於氧氣燃燒的液體燃料噴嘴，以及利用它們在工業熔爐中產生高溫的方法。
背景技術：
：如在美國專利5547368,5567141,5393220和5617997中所述，霧化器噴嘴的使用在本領域是已知的，將它們作為整體在此參考引用。如美國專利5547368所述，霧化器噴嘴用於諸如金屬、玻璃、陶瓷材料等各種產品的工業熔爐。在燃燒應用中霧化液體燃料的方法有很多。噴嘴可以分為兩個主要的種類a)壓力霧化器，其中使用較高的液體燃料壓力驅使流體通過一個小孔，該小孔將液體分離為液滴。這種霧化器比較簡單。但是，其負荷比窄，對於具有較寬流動變化範圍需求的系統需要噴嘴變化。b)雙流體霧化器，其中使用霧化的氣體來輔助液體的霧化。霧化氣體通常在較高壓力下被引入，而液體燃料可以在較低壓力下被輸送。這種噴嘴還可以分為1)外部混合式，其中高速霧化氣體與較低速液體燃料在外部相遇，產生液體噴射的分散，即霧化。但是，這些噴嘴通常很粗糙，火焰形狀和霧化質量通常不是最佳的，尤其是在氧-燃料燃燒器應用中。該火焰短、緊密，導致不均勻熱傳遞和局部過熱。2)內部混合式或乳化式，其中霧化氣體和液體燃料在內部腔室內混合，然後由於內部混合氣相的降壓作用，兩相混合物通過排出孔的噴射產生液體分散。這種噴嘴產生優異的和可控的霧化、優異的火焰形狀和均勻的熱傳遞。雖然內部混合式霧化器廣泛地用於空氣燃料燃燒中，但是由於冷卻問題和可能出現的火焰回火問題，其在氧-燃料燃燒器中的應用受到限制。對於非水冷燃燒器來說，初級氧化劑(primaryoxidizer)對霧化噴嘴進行冷卻。對於初級氧化劑是空氣的空氣燃料燃燒器來說，由所需和供完全燃燒的大量空氣(初級氧化劑)來完成冷卻。但是，對於氧-燃料燃燒器，即使用氧氣濃度高於空氣中氧氣濃度的初級氧化劑的燃燒器，通過減少量的初級氧化劑來冷卻霧化噴嘴可能是無法令人滿意的。例如，在100%氧氣的氧化劑的情況下，如果提供燃燒所需的量的化學計量氧氣，則用於冷卻霧化噴嘴的初級氧化劑的量比空氣燃料燃燒器中的初級氧化劑的量少約80%。另外，氧-燃料燃燒器具有高得多的火焰溫度。由於這些原因，人們希望氧-燃料燃燒器中的霧化噴嘴同空氣燃料燃燒器中的霧化噴嘴相比，可以在高得多的溫度下工作。內部混合式噴嘴的較高溫度會導致幾個可能的問題1)較高的噴嘴溫度可能導致液體燃料在被引入熔爐前發生化學降解。更具體地，對於燃料油，例如具有高含硫量的重油和具有高殘碳值(CCR)的油(例如具有高瀝青質水平的油)，高的噴嘴溫度可能導致內部焦炭沉積和噴嘴堵塞。無論所用的霧化氣體如何，這都是個問題。2)另外，如果用氧氣作為霧化氣體，高的噴嘴溫度和不適當的噴嘴設計會導致火焰逆燃和災難性的噴嘴失效或熔化。本發明闡述了如何通過合適的噴嘴設計來避免上述問題。
發明內容本發明提供了一種用於氧-燃料燃燒的方法，該方法包括通過液體燃料導管將液體燃料引入乳化室內，該液體燃料導管具有一有效直徑，所述乳化室的長度等於或小於所述液體燃料導管有效直徑的兩倍；通過至少一個霧化氣體導管將霧化氣體引入所述乳化室內；將所述液體燃料和所述霧化氣體在所述乳化室內混合從而產生乳化混合物，該乳化混合物在所述乳化室內的平均滯留時間是500到800i!s，所述乳化混合物的乳化混合物速率小於或等於12m/s;通過通常為長方形的管口將所述乳化混合物排入到富氧氧化劑流中。在本發明的另一個實施方案中提供了一種用於氧-燃料燃燒的噴嘴，該噴嘴包括具有有效直徑的液體燃料導管；乳化室，該乳化室的長度等於或小於所述有效直徑的兩倍，所述液體燃料導管布置為將液體燃料引入所述乳化室內；至少一個霧化氣體導管，用於將霧化氣體引入所述乳化室內；其中，所述液體燃料和所述霧化氣體在所述乳化室內混合從而產生乳化混合物，該乳化混合物速率小於12m/s，所述乳化混合物在所述乳化室內的平均滯留時間是500到800iis;用於提供富氧氧化劑流的裝置；另外其中所述乳化室還包括通常為長方形的卸料管口，所述乳化混合物從所述乳化室排出並進入到所述富氧氧化劑流中。在本發明的另一個實施方案中提供了一種用於氧-燃料燃燒的燃燒器，該燃燒器包括具有有效直徑的液體燃料導管；乳化室，該乳化室的長度等於或小於所述有效直徑的兩倍，所述液體燃料導管布置為將液體燃料引入所述乳化室內；至少一個霧化氣體導管，用於將霧化氣體引入所述乳化室內；其中，所述液體燃料和所述霧化氣體在所述乳化室內混合從而產生乳化混合物，該乳化混合物速率小於或等於12m/s，並且所述乳化混合物在所述乳化室內的平均滯留時間是500到800iis;用於提供富氧氧化劑流的裝置；並且另外其中所述乳化室還包括通常為長方形的卸料管口，所述乳化混合物通過該卸料管口從所述乳化室排出並進入到所述富氧氧化劑流中。圖la是本發明噴嘴的第一和第二實施方案的縱向截面圖。圖lb是圖la中所示噴嘴前端面的截面圖。圖2是沿顯示本發明第一實施方案的圖la中A-A的截面圖。圖3是沿顯示本發明第二實施方案的圖la中A-A的截面圖。圖4所示是引入本發明噴嘴的氧_燃料燃燒器。圖5a是本發明噴嘴的第三實施方案的縱向截面圖。圖5b是圖5a中所示噴嘴前端面的截面圖。具體實施方式"氧-燃料燃燒器"是指使用比空氣中02濃度高的初級氧化劑的燃燒器。"富氧氧化劑"是指氧氣高於30體積％的流體，例如富氧空氣。其他富氧氧化劑中氧氣可以高於50體積％，或者高於85體積％。"霧化氣體"可以是空氣、氧氣、富氧氧化劑、天然氣、丙烷、氮、二氧化碳、氫，或者這些氣體中的兩種或多種的混合物。在一個實施方案中，霧化氣體是富氧氧化劑。[0027]供給噴嘴的"液體燃料"包括燃料油，例如1號餾出油、2號餾出燃料油、柴油、煤油、4號燃料油、5號殘油、6號殘渣燃料油和B皿ker-C型燃料油，以及本領域技術人員已知的其他燃料油。本發明是一種內部混合型噴嘴。如圖la和5a所示，液體燃料20通過具有出口直徑14的導管31被引入乳化室10內，所述出口直徑14是在與乳化室10相鄰的導管31附近的導管31的內部或導管31的出口端15處測量的。霧化氣體21通過環繞液體燃料導管31的一個或多個通道被引入乳化室10內。霧化氣體可以通過圖2所示的單個環形通道22或圖3所示的多個通道23被引入。霧化氣體21與導流板表面12發生碰撞，然後在乳化室10內與液體燃料混合。導流板表面12具有一定角度或成一定形狀，從而將霧化氣體導向乳化室IO。乳化室10具有直徑30和長度13。乳化室10的直徑是在乳化室內部測量的，乳化室10的長度是從液體燃料導管31的出口端15到乳化室管口11的室內側18測量的。儘管圖中所示的乳化室和液體燃料導管是圓柱形的，但是本發明的導管31或乳化室10並不限於圓柱形形狀和/或圓形截面。在非圓形導管的情況中，可以計算有效直徑，所述有效直徑表示相同的截面積。在圖la中，乳化室也具有位於朝著管口11的錐形部分33，圖中所示是圓錐形的形狀，但是也可以是球形或橢圓形等形狀，並且可以或多或少地延伸到圖示乳化室長度之外。可選擇地，乳化室靠近管口的形狀可以是圖5a所示的長方形。雖然圖中所示的多數(圖la)或全部(圖5a)乳化室具有固定的截面，但是本發明並不限於固定的截面。在可選擇的實施方案中，乳化室的形狀可以這樣，即沿其長度從燃料入口到管口逐漸減小多個或全部乳化室的截面，從而產生錐形的乳化室。在被通過管口11從乳化室排出之前，霧化氣體和液體燃料在乳化室內混合形成乳化混合物(未示出)，管口11通常為是長方形的，其寬度17比高度16大，從而可以形成寬度比高度大的火焰。(對於乳化室管口的高度、寬度和其它尺寸，當需要時可以使用有效尺寸。)作為富氧氧化劑的初級氧化劑41沿著朝向乳化室管口11的方向流動，該方向即乳化混合物排出噴嘴的方向。初級氧化劑可以沿噴嘴l的全部或一部分被引入。[0030]噴嘴幾何形狀的優選實施方案可以包括如下的一般性設計參數指標[0031]tableseeoriginaldocumentpage6tableseeoriginaldocumentpage7對於乳化室容積是790mm3的噴嘴來說，平均滯留時間是[0036]790mm3xl/(0.0013m3/s)xm3/lxl09mm3=608iis在一些實施方案中，液體燃料出口的有效直徑可以為1.27mm到12.7mm，或者1.27mm到lOmm，或者1.27到8.5mm，或者6.25mm。在一些實施方案中，乳化室管口寬度可以為3mm到25.4mm，或者4mm到20mm，或者約14.2mm。在一些實施方案中，乳化室管口高度可以為0.75mm到7.62mm，或者0.75mm到4.5mm，或者約1.4mm。在一些實施方案中，液體燃料出口的面積/乳化室管口的面積可以為0.1到2，或者0.1到1.6，或者約1.1。這些面積是截面積。液體燃料出口的面積等於圖2所示的非陰影環形面積29。(需要注意的是，如果導管31的截面積不是固定的，那麼需要在出口處測量截面積，而不是在圖la中A-A交線處測量)。在圖lb中所示的實施方案中，乳化室管口的面積等於圖lb中所示非陰影部分的面積。在一些實施方案中，液體燃料以10到250升/小時，或者15至lj200升/小時，或者50到150升/小時被引入乳化室。在一些實施方案中，霧化氣體以1到20NmVhr或5到15NmVhr被引入乳化室。要在乳化室內大體產生活塞流，乳化混合物的速率可以等於或小於12m/s，從而防止焦炭沉積和噴嘴堵塞。活塞流表示乳化混合物移動穿過乳化室，由此不產生停滯或再循環區域。乳化室內的流體可以是湍流。乳化混合物的速率可以為5到12m/s，6至lj12m/s，或者8到12m/s。乳化混合物的速率可以這樣計算得到，即將油和霧化氣體的體積流速相加，將該結果除以乳化室截面積。如前所述，由於霧化氣體是可壓縮的，氣體的實際體積流速通過壓力校正得到。例如，如果油流速是70升/小時，霧化氣體流速是11NmVh，乳化室內的壓力是2.4巴，乳化室截面積是116咖2，那麼乳化混合物的速率是70〃/(11飾3//0(1.013256",)、al五6畫2y…2、…，1000〃m32.4kw3600s附2、7如果乳化室面積在其長度方向上變化，則在計算乳化混合物的速率時採用其最大面積。本發明的霧化器噴嘴以本領域技術人員已知的常規方式製造。[0043]在圖4所示本發明的一個實施方案中，本發明的霧化器噴嘴51用於燃燒器60中。霧化器噴嘴51的位置朝著燃燒器區段(block)50的熱表面52。噴嘴的乳化室管口55與熱表面52足夠接近，也就是說，在燃燒器區段50中足夠向前，從而防止或限制乳化混合物(液體燃料)在燃燒器區段通道壁54內部噴濺。通道壁54限定了初級氧化劑(在圖la中示為41)沿噴嘴51流動的通道。初級氧化劑通過導管57進入燃燒器60。初級氧化劑可以由液態氧容器源或者現場發生器提供，例如壓力或真空擺動吸附裝置或者低溫分離裝置。燃燒器區段50的熱表面52靠近火焰，即靠近燃燒器區段50熱的一側，而燃燒器區段50的冷表面53在相反側，該冷表面靠近熔爐的外部，即靠近區段的冷的一側。在圖4所示的實施方案中，燃燒器區段50為氧化劑分段提供了導管56。圖示燃燒器其它方面的情況可以參見2004年8月16日提交的共同未決美國申請10/919，940，在此引用參考。但是，本發明並不限於圖示的燃燒器結構。可以用於本發明的燃燒器的其它實施方案可以參見美國專利US5，360，171;5，545，031;5，611，682;5，575，637;4，690，635;5，439，373;5，924，858;5，458，483和5，431，559，在此引用參考。在此所述的噴嘴可以用於任何，提供將富氧氧化劑作為初級氧化劑的裝置的燃燒器。[0044]對比實施例1乳化速率大於12m/s的霧化器噴嘴經測試，對於流速是50到200升/小時的6號燃料油，傳統霧化器噴嘴的乳化速率為13到14.7m/s，滯留時間大於800ys。如圖4所示，噴嘴位於靠近燃燒器區段熱表面的位置。所要求的對噴嘴積碳的清理從每天一次變為一周兩次。對噴嘴的清理取決於火焰特性，或者液體燃料和/或霧化氣體壓力的增大。火焰會由於燃料油分布不均而變形。[0047]實施例2[0048]乳化速率小於12m/s的霧化器噴嘴經測試，對於流速是50到200升/小時的6號燃料油，本發明的霧化器噴嘴的乳化速率是8到12m/s，滯留時間為500到800ys。如圖4所示，噴嘴位於靠近熱表面的位置。對噴嘴積碳必須進行的清理減少到小於每月一次。已經參考特定的實施方案描述了本發明，但是本發明不應限於這些實施方案，並且包括屬於下列權利要求範圍和精神實質內的各種改變和等同物。權利要求一種用於工業熔爐的氧-燃料燃燒的方法，所述方法包括如下步驟通過液體燃料導管將液體燃料引入乳化室內，該液體燃料導管具有一有效直徑，所述乳化室的長度等於或小於所述液體燃料導管有效直徑的兩倍；通過至少一個霧化氣體導管將霧化氣體引入所述乳化室內；將所述液體燃料和所述霧化氣體在所述乳化室內混合從而產生乳化混合物，該乳化混合物在所述乳化室內的平均滯留時間是500到800μs，所述乳化混合物的乳化混合物速率小於或等於12m/s；和通過為長方形的管口將所述乳化混合物排出並進入富氧氧化劑流中。2.根據權利要求1所述的方法，其中所述富氧氧化劑流包含高於50體積％的氧氣。3.根據權利要求1所述的方法，其中所述乳化室的長度為所述液體燃料導管的所述有效直徑的0.5至2倍大。4.根據權利要求1所述的方法，其中所述平均滯留時間是550到780s。5.根據權利要求1所述的方法，其中所述有效直徑是1.27mm到12.7mm。6.根據權利要求1所述的方法，其中所述管口寬度是3mm到25.4mm，高度是0.75mm到7.62mm。7.根據權利要求1所述的方法，其中所述引入液體燃料的步驟的速率是10到250升/小時，所述引入霧化氣體的步驟的速率是1到20標準立方米/小時。8.—種用於氧-燃料燃燒的工業熔爐噴嘴，包括具有有效直徑的液體燃料導管，其中所述液體燃料導管具有一出口面積，而所述管口具有一面積，並且其中所述出口面積對所述管口面積之比是O.1到2;乳化室，該乳化室的長度等於或小於所述有效直徑的兩倍，所述液體燃料導管布置為將液體燃料引入所述乳化室內；至少一個霧化氣體導管，用於將霧化氣體引入所述乳化室內；其中，所述液體燃料和所述霧化氣體在所述乳化室內混合從而產生乳化混合物，該乳化混合物的乳化混合物速率小於12m/s，所述乳化混合物在所述乳化室內的平均滯留時間是500到800iis;另外其中所述乳化室包括為長方形的卸料管口，所述乳化混合物從所述乳化室排出並進入到所述富氧氧化劑流中。9.一種用於氧-燃料燃燒的工業熔爐燃燒器，包括具有有效直徑的液體燃料導管，其中所述液體燃料導管具有一出口面積，而所述管口具有一面積，並且其中所述出口面積對所述管口面積之比是O.1到2;乳化室，該乳化室的長度等於或小於所述有效直徑的兩倍，所述液體燃料導管布置為將液體燃料引入所述乳化室內；至少一個霧化氣體導管，用於將霧化氣體引入所述乳化室內；其中，所述液體燃料和所述霧化氣體在所述乳化室內混合從而產生乳化混合物，該乳化混合物的乳化混合物速率小於12m/s，所述乳化混合物在所述乳化室內的平均滯留時間是500到800iis;用於提供富氧氧化劑流的裝置；禾口另外其中所述乳化室包括為長方形的卸料管口，所述乳化混合物通過該管口從所述乳化室排出並進入到所述富氧氧化劑流中。10.根據權利要求9所述的燃燒器，其中所述富氧氧化劑流包含高於50體積％的氧氣。11.根據權利要求9所述的燃燒器，其中所述乳化室的長度是所述液體燃料導管的所述有效直徑的0.5至2倍大。12.根據權利要求9所述的燃燒器，其中所述平均滯留時間是550到780ys。13.根據權利要求9所述的燃燒器，其中所述有效直徑1.27mm到12.7mm。14.根據權利要求9所述的燃燒器，其中所述管口寬度是3mm到25.4mm，高度是0.75mm到7.62mm。15.根據權利要求9所述的燃燒器，其中所述液體燃料導管具有一出口面積，而所述管口具有一面積，並且其中所述出口面積對所述管口面積之比是O.1到1.6。16.根據權利要求9所述的燃燒器，其中所述管口寬度是4mm到20mm，高度是0.75mm至lj4.5mm。17.根據權利要求9所述的燃燒器，其中所述乳化室包括錐形部分。18.根據權利要求9所述的燃燒器，其中所述乳化室包括錐形部分。19.根據權利要求9所述的燃燒器，其中所述乳化室沿其長度成錐形。專利摘要一種用於氧-燃料燃燒的方法，所述方法包括如下步驟通過液體燃料導管將液體燃料引入乳化室內，該液體燃料導管具有一有效直徑，所述乳化室的長度等於或小於所述液體燃料導管有效直徑的兩倍；通過至少一個霧化氣體導管將霧化氣體引入所述乳化室內；將所述液體燃料和所述霧化氣體在所述乳化室內混合從而產生乳化混合物，該乳化混合物在所述乳化室內的平均滯留時間是500到800μs，所述乳化混合物的乳化混合物速率小於或等於12m/s；通過通常為長方形的管口將所述乳化混合物排出並進入到富氧氧化劑流中。還公開了用於氧-燃料燃燒的噴嘴和燃燒器。文檔編號F23K5/12GKCN1807983B發布類型授權專利申請號CN200510091379公開日2010年6月16日申請日期2005年7月1日發明者D·米林格頓,R·杜迪爾申請人:氣體產品與化學公司導出引文BiBTeX,EndNote,RefMan專利引用(1),