液體燃料燃燒系統的製作方法

2023-05-26 19:43:46 2

專利名稱：液體燃料燃燒系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及使用液體燃料和含有約20％-100％(體積)的氧氣(空氣、富氧空氣、工業純氧氣)的氧化劑的燃燒系統。在這類燃燒器中，火焰的穩定性是操作的必要條件。本發明可限定這類燃燒器的幾何尺寸以便保證火焰的穩定性及使所述的燃燒器產生的火焰正確地布置。
許多高溫處理(玻璃爐、再熱爐、焚化爐等)使用燃燒，特別是藉助於液體燃料的燃燒。在液體燃料燃燒中的關鍵的步驟是霧化液體噴射流首先轉變成汽化的液滴，隨後燃燒。可利用一些裝置來製造這些液滴。第一個實例是在環境空氣中的機械霧化，主要包括使液體撞擊靜止的氣體。另一個實例包括使用運動的霧化氣體(如空氣、氧氣、蒸汽或其它可用的氣體)的介入。對於各種霧化器的詳細資料請參閱A.Lefebvre的著作「霧化及噴霧」Taytor Francis出版(1989年)，P136及後面。
霧化器一般放入一個(典型地由耐火材料制的)爐口中，氧化劑氣體流入該爐口中。雖然在理論上沒有阻止霧化器定位在從爐口的出口面縮回處，迄今沒有人能夠證明在火焰的穩定性和噴霧器在所述的爐口中的定位之間有任何關係。
按照本發明，表達穩定的火焰意味著這樣一種火焰，其根部的平均位置不會隨時間改變。這個位置典型地相對噴射器有關。
在氣體燃燒中，火焰的穩定性由在氣體噴射流的邊界處設的再循環結構所控制(見JE Broadwell，WJA Dahm和MG Mungal的文章「Blowout of Tuibulent diffusion flames」在20屆國際燃燒年會上發表，燃燒研究院出版，1984年，P303-310)。在再循環區域的芯部發生的燃燒提供了穩定火焰需要的能量。
已經發現液體燃料火焰比氣體燃料的火焰穩定性問題更有訣竅。特別是，液滴的汽化將消耗能量。該能量對維持燃燒及穩定火焰不再是可用的。因此已證明對這類火焰必須考慮對於穩定的附加因素小尺寸化的液滴。更具體地，後者要符合兩條標準。第一它們應具有跟隨氣流的能力。隨後是可以把它們收集在再循環區中。因此，它們迅速蒸發和以氣體燃料供入再循環區和允許按照如氣體火焰的同樣機理保持火焰。
保證火焰穩定性的一個手段是提供額外的再循環區(與沿著噴射流天然產生的再循環區不同)。在氣體燃燒中，從US 5645413已知產生內部再循環，而US 4536152和US 5791893已知對燃燒器補充一個火焰保持器。
例如在US 4203719(「盤形擋板」)和US 4836772(「穩定環」)中說明了液體霧化器裝有火焰保持器(或穩定器)。
但是在富氧空氣或純氧火焰中使用火焰保持器裝置一般是不可能的，在這類火焰中這類裝置經受的溫度被大大地犧牲了。
按照本發明，確定了相對沿氣流方向在爐口的下遊端退回噴射器的端部的必要性以便得到作為燃料、氧化劑、霧化劑、爐口系統的函數的、火焰的穩定性，及可行的對火焰的定位。
一般，已知可藉助三個特徵時間來分析兩相火焰(液體及氣體)的穩定性。這些時間是化學時間，蒸發時間和混合的特徵時間。這些術語的限定可參見D.Stepowski，A.Cessou和P.Goix的文章(「在噴射流的附近場中的燃燒結構中的火焰穩定性及OH螢光圖」《燃燒及火焰》99卷，P516-522，1994年)。
在本發明的上下文中，限定了兩個參數穩定性參數(S)和附著參數(A)。這些數字分別相應於蒸發時間和混合時間比及化學時間和混合時間比。
有兩種液體燃料霧化器。對每一種液體燃料霧化器，限定了一個當量速度Vequi，其代表液滴噴射的平均速度。
對於所謂的輔助霧化器，可加上霧化速度，下面標為Vato。該速度是保證霧化的氣流速度。典型地，內霧化器具有低的霧化速度(50m/s最小)和外霧化器具有高的霧化速度(250m/s最大)。當量速度與霧化速度有下列關係Vequi＝0.5×Vato在所謂的機械霧化器的情形下，噴射流的當量速度是直徑d(在

圖1中限定)和液流速度m(Kg/s)的函數，如下式Vequi＝2.4m/(ρπd2)機械霧化器的當量速度的典型量級為50m/s。
可以把正切分量加入到液體噴射速度或氧化劑氣體噴射速度(「渦旋」)中，該分量傾向減小當量速度。
按照本發明，提供了一種藉助液體燃料和含有20％-100體積％的氧的氣體氧化劑的燃燒方法，其中燃料通過噴射器噴入，所述的噴射器的內高度為d，放在內高度為D的爐口的裡面，在與把氣體混合物朝爐料加熱區噴射相應的端部，其特徵在於由下式限定的係數SS=s1Vequi-a2La3d(2-e-L/10d)]]>式中a1＝2.5·10-11a2＝2·10-9a3＝0.00875γ+0.525在整個燃燒過程中S保持在小於或等於1，以保證火焰的穩定性，L限定為液體燃料噴射器的端部和在爐口的流體流動方向的下遊端之間的距離，Vequi在機械霧化器的情形下限定為代表液體燃料的液滴噴射的平均速度的當量速度和等於2.4m/(ρπd2)，而在其餘的情形下為等於0.5Vatom的速度，γ限定為在爐口的出口處氣體中氧的總的體積百分比。在分段火焰燃燒器或分開的噴射的情形下，對計算γ值只考慮供入火焰的主區或包圍分開噴入的燃料的氣體。
一般，一個穩定的火焰可以是1.附著到噴射器的前端，2.分離的，但穩定在爐口中，3.分離的，在爐口外面。
分離的火焰(第2，3種情形)將在離開噴射器穩定一段距離。如果該距離增加，火焰熄火的危險也增加，引起裝置的整體性的問題。
按照本發明的方法，用來維持附著到噴射器的前端或者分離的但是穩定的火焰而沒有任何熄火危險，其特點是參數由下面公式限定A＜Amax式中A=Vequid(2-e-L/10D);]]>=4.56(4-50)2;]]>Amax=2min(Din,D)d.]]>為了得到在整個燃燒中附著到噴射器的前端的火焰，參數A的值保持在小於或等於1。
在火焰用於熱環境的情形下，也就是爐溫約≥1100℃的情形下，可使用係數在1和Amax之間的燃燒系統。
通過下面結合附圖對作為非限制實例的實施例的說明可以更清楚了解本發明，附圖中圖1是通過一個爐口/霧化器系統的垂直剖面圖；圖2-7示出限定燃燒器的穩定區的各種曲線。
在圖1中，在爐口1中設有一個霧化器2。圖1示出軸對稱幾何形狀及平行管形的爐口/霧化器兩種情形。固有地限定了四個幾何尺寸d、L、D和Dint。尺寸「d」是在霧化器的出口測量的。長度「L」是霧化器2的平面和爐口1的出口平面隔開的距離。Dint和D分別是在爐口的進口和出口的特徵距離(對軸對稱的幾何形狀，則指直徑)。
實例1製造出一種燃燒裝置，其包括直徑d＝2.7mm的液體燃料的噴射器，設在圓錐形爐口中，爐口沿液流方向開口並且下遊孔徑D等於86mm。為了噴出液體燃料，使用了如上面限定的「內霧化」型的裝置。液體的霧化速度為50m/s，因此當量速度(如上面限定)為25m/s。
圖2表示對於係數γ的兩個值(分別為20％和100％)，作為參數L/10D的函數的係數S的變化曲線。當噴射器在爐口中的位置改變時，如此L/10D的比在0-0.6之間變化，係數S分別保持小於0.35(對γ＝100％)和小於0.65(對γ＝20％)，實際上，證實了火焰相應的穩定性。
實例2所有其它的條件和實例1的相同，但是燃燒系統設的液體噴射為外霧化，液體霧化速度等於250m/s，也就是當量速度(如上面所述)約125m/s。
對於γ＝20％和γ＝100％(如上)作了曲線S＝f(L/10D)(圖3)，試驗證實了對於γ＝20％，火焰絕不穩定，而對於γ＝100％，僅僅在L/10D超出約0.55時火焰穩定。
實例3在實例1的同樣條件下，藉助於機械霧化裝置，當量速度為50m/s，得到圖4表示的結果。當γ＝100％，沒有觀察到火焰的穩定有問題，相反地一當L/10D小於2時，火焰變得不穩定。
實例4在實例1同樣條件下，氧的百分比γ在20％-100％(體積)之間變化。
已發現(見圖5)對於L/10 D＝0，對γ在100％-88％之間，和對於L/10D＝1，γ低到約65％，火焰保持附著。但是在兩種情形下，火焰分離，但是在可接受的穩定性極限內。
但是發現對於L/10D＝0的燃燒系統，用空氣操作是不可接受的。本實例所述的裝置特別很好地適於使用VSA型吸收裝置(真空振蕩吸收裝置)產生的氧氣，純度為約88％氧氣至98％氧氣，剩餘的百分比主要為氬氣及少量的殘餘的氮氣。
實例5該實例在與實例2同樣的條件下實施。在該實例中，發現(見圖6)火焰絕不附著，但是在富氧空氣(大於30％)，其保持在可接受區域。
實例6該實例的實施條件和實例3相同，其結果示於圖7。
其它的變型對本專業技術人員很清楚。因此最好要避免把液體燃料噴射器相對於爐口的下遊端太靠後，以便預防細的液體燃料液滴的噴射流與爐口的內壁直接接觸。通過噴射理論已知噴射角為12°的量級，通過簡單計算可以得到L/10D＜0.6的比。
權利要求
1.一種藉助液體燃料和含有20％-100體積％的氧的氣體氧化劑的燃燒方法，其中燃料通過噴射器(2)噴入，所述的噴射器的內高度為d，放在內高度為D的爐口的裡面，在與把氣體混合物朝爐料加熱區噴射相應的端部，其特徵在於由下式限定的係數SS=a1Vequi-a2La3d(2-e-L/10d)]]>式中a1＝2.5·10-11a2＝2·10-9a3＝0.00875γ+0.525在整個燃燒過程中S保持在小於或等於1，以保證火焰的穩定性，L限定為液體燃料噴射器的端部和在爐口(1)的流體流動方向的下遊端之間的距離，Vequi在機械霧化器的情形下限定為代表液體燃料的液滴噴射的平均速度的當量速度和等於2.4m/(ρπd2)，而在其餘的情形下為等於0.5Vatom的速度，γ限定為在爐口(1)的出口處氣體中氧的總的體積百分比。
2.按照權利要求1的方法，其特徵在於由下列公式限定的參數A小於Amax，式中A=Vequid(2-e-L/10D);]]>=4.56(4-50)2;]]>Amdx=2min(Din,D)d.]]>
3.按照權利要求2的方法，其特徵在於為了保持火焰附著到噴射器的前端，保持A≤1。
4.按照權利要求2的方法，其特徵在於1＜A≤Amax，和爐溫保持在≥1100℃。
全文摘要
一種藉助液體燃料和含有20%－100體積%的氧的氣體氧化劑的燃燒方法,可保證火焰的穩定性,其中由下式限定的係數S在燃燒過程中保持小於或等於1,右式中d為噴射器的內高度,L為液體燃料噴射器的端部和爐口(1)的下遊端之間的距離,Vequi為燃料液滴噴射的當量平均速度。
文檔編號F23M5/02GK1259636SQ9912281
公開日2000年7月12日 申請日期1999年11月30日 優先權日1998年11月30日
發明者奧利維耶·德拉布羅伊, 皮埃爾·博得林, 麥可·喬希, 伯納德·拉貝戈爾, 弗朗索瓦斯·拉卡斯 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司