CN101868672B - 燃烧方法和*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种加热一区域内的物料的方法，该区域借助于富氧燃烧器使燃料和氧化剂燃烧而被加热，所述富氧燃烧器包括布置在块内的喷射器，所述块限定腔室，该腔室具有限制指数Iconf＝(S/S’)×(L/L’)×(1/(1+α/100))≥0.10；燃料以冲量IF被喷射进入燃烧器的腔室，氧化剂以冲量IOX被喷射进入燃烧器的腔室，满足条件0.7≤IF≤3.6和0.3≤IOX≤5.1，只要当IOX＞3.8时，则IF≤3.3。

Description

燃烧方法和***
技术领域
本发明涉及一种使用富氧燃烧(oxycombustion)加热存在于加热区域的物质的方法，所述加热区域例如为尤其用于调节玻璃的分配槽或者前炉。
背景技术
燃烧器通常作为加热存在于加热区域的物质的加热***。
在本文中，术语加热不仅是指为了提高物质的温度而为其添加能量，也包括以保持或控制该物质的温度为目的的供应能量的方法，例如为了获得或者保持物质整体更均匀的温度。
燃烧器是一种用来将燃料和氧化剂结合并使其燃烧的装置。燃料和氧化剂通常是从限定加热区域的外壳的外部通过燃烧器输送到加热区域。
空气是传统的氧化剂。使用空气作为氧化剂的燃烧被称为空气燃烧。
为了提高燃烧器的能量效率及减少所产生的污染物特别是NOx的量，作为氧化剂的空气可以优选地由富氧空气或者近似纯氧代替。燃烧因此被称为富氧燃烧，相应的燃烧器被称为富氧燃烧器。
这种氧化剂的改变会产生改变燃烧特征尤其是火焰特征的效果。
当由空气燃烧改变为富氧燃烧时，火焰温度变得更高。辐射热传递变得更强烈并且部分地在不同的波长范围发生。所有的这些因素对提高火焰和将要加热的物质之间的热传递都有影响。
取决于应用目的，可根据燃烧器的功率和/或燃烧器火焰的形状选择燃烧器。
例如，就熔炉来说，燃烧器或者多个燃烧器为固体炉料提供熔融所需的加热及熔化能量。对于这样的应用，通常使用高功率燃烧器，其火焰可以很大比例地(即使不是全部)覆盖炉内相应区域中需要熔化的物质的自由表面。
对于将熔融物质从熔炉输送到下游设备、例如尤其是成型机的分配槽来说，燃烧器或者多个燃烧器提供必要的能量，以使熔融物质在进入下游(成型)设备时具有适合在下游设备处理的均匀的性质，例如温度、黏度等。分配槽可以特别装配有这样的燃烧器，该燃烧器旨在补偿通过槽壁的热损失以降低尤其是分配槽横向截面中熔融物质的温度的不均匀性。一般来说，分配槽的燃烧器是低功率燃烧器，其火焰局限在槽壁附近的区域。
此外，对于分配槽中火焰超出槽壁附近区域并因此也加热槽中心区域内的熔融物料的情况，将会存在使此区域的熔融物料再沸、并使最终产品显示出不均匀性和相应缺陷的显著风险。
燃烧器的功率和火焰的形状本质上取决于燃烧器的构思或者设计以及燃料和氧化剂的性质和流速。
富氧燃烧器的喷射器(或尖端)通常由金属(例如钢或者耐热钢)制成，通常被安装在耐热的喷口块(bloc ouvreau)里面。
在工业应用领域，耐用性、可靠性以及能耗性能是燃烧器尤其重要的性质。
此外，理想的是能够依据使用燃烧器或者多个燃烧器的方法的技术特征在不同的功率下使用同一个燃烧器或者同一类型的燃烧器和/或能够考虑到限定加热区域的腔室的老化。
实践中发现，当燃烧器没有被正确使用时，在富氧燃烧加热方法过程中产生的高温将会限制燃烧器的耐用性(寿命)。
例如，燃烧器尖端温度的过度升高可能导致其快速退化以使燃烧器不能工作。为了限制这种风险，燃烧器的尖端通常被后移进喷口块中。
然而，这种设置可能会产生使喷口块温度大大升高以及在块中形成(过)热点和/或导致喷口块在某些位置熔化的效果以至于喷口块和燃烧器都不能工作。
这种类型燃烧器的另外一个问题是由于沉积物的形成而缺乏可靠性或者能耗方面的性能一致性。
一般的情况是燃料喷射器上由于碳沉积而形成的烟灰经常伴随着火焰位置的变化并使火焰的中心和/或几何形状产生变化，因此使加热方法的有效性发生改变。
此外，这样由燃烧器尖端上形成的烟灰引起的火焰位置的改变还可能会导致在块上产生过热或者熔化区域，因此限制块的耐用性，有时也会限制燃烧器的耐用性。
最后，加热区域的易挥发物质可能在块里或者在燃烧器的尖端上沉积。如前述碳沉积的情况，在块里/在尖端上的易挥发物质的大量堆积也会使火焰发生偏转，减小燃烧器的可靠性并且可能减弱它的耐用性。
发明内容
本发明的目的是通过一种优化的并且能够用于加热分配槽中的熔融物质的加热方法和***来解决前述燃烧器的缺陷。
DE-A-102005005735公开了一种使用套筒/套管类型燃烧器加热工业炉的方法。燃烧器具有被环形的气态氧化剂喷射器包围的中心燃料喷射器和在喷射器和燃烧器出口开口之间的被称为混合和燃烧室的圆筒状腔室。由于燃料和氧化剂相似的脉冲密度，在圆筒状腔室开始的燃烧(预燃)被延迟。燃烧器腔室的有限的内部容积、其圆筒状形状及其与燃烧器外部管的直径接近的直径限制了腔室中预燃的程度并防止出现类似锥形燃烧器腔室中发生的湍流和气体再循环。离开燃烧器的氧化剂和燃料的高的总冲量和燃烧器出口处功率密度的选择意味着炉排出的大量烟气被吸入火焰的反应区域，由此降低了火焰的温度并减少了NOx和CO的形成。结果是对炉内的炉料进行均匀的加热。因此，依据DE-A-102005005735所公开的方法尤其适合于熔炉，例如玻璃熔炉。
然而，这种方法不太适合于分配槽中的应用，如前面所述，在分配槽中仅需要靠近壁的加热。
附图说明
下文参照图1至图6对本发明进行说明，其中：
-图1是玻璃分配槽的横截面视图，其中示出玻璃熔池和块的位置；
-图2图示了玻璃分配槽中使用的喷口块，其中示出燃烧器尖端和火焰的位置；
-图3是块的示意性图示，其标示出用于计算操作指数的参数，所述指数将在下文解释；
-图4示出根据本发明的燃烧器随燃料冲量(impulsion)IF和氧化剂冲量IOX变化的操作图表；
-图5是图4中区域I的放大图，其中给出了氧化剂和燃料冲量的不同组合的FM和Fm的值，FM和Fm将在下文说明；和
-图6图示了套筒式燃烧器喷射器，燃料在中心部分通过钻头(foret)喷射以产生旋转运动，氧化剂在***被喷射。
具体实施方式
本发明涉及一种加热存在于加热区域的物质的方法，所述方法利用燃烧器使燃料和氧化剂燃烧来进行加热，所述燃烧器包括定位于块内部的喷射器。
因为是富氧燃烧，氧化剂中氧含量大于21vol％，更优选地大于或等于50vol％。
所述块限定了进口通道和燃烧器腔室。所述进口通道具有进口端和出口端。进口通道经由其出口端通入块的腔室。
所述块的腔室具有下游锥体并经由该下游锥体通入加热区域，需要加热的物质位于该加热区域中。
燃烧器的喷射器安装在进口通道内并延伸到腔室紧上游的进口通道的出口端位置。因而，穿过喷射器的氧化剂和燃料经由进口通道的进口端进入块并且在所述通道的出口端离开喷射器以便喷射进入块的腔室。
根据本发明，块的腔室具有限制指数(约束指数，indice deconfinement)Iconf≥0.10。该限制指数Iconf满足下述公式：
Iconf＝(S/S’)×(L/L’)×(1/(1+α/100))，
其中：
-“L’”是下游锥体的最长长度，以m为单位，
-“L”是下游锥体的最短长度，以m为单位，
-“S”是下游锥体的最小横截面积，以m2为单位，
-“S’”是下游锥体在其最小长度L位置的横截面积，以m2为单位，
-“α”是下游锥体的锥角，以°(度)为单位。
不同的参数L’、L、S、S’和α在图3中示出。
限制指数指示火焰在块内的限制程度。指数的值越高，被限制在块的腔室内的火焰越多。
角度α在1°到16°之间。
根据本发明，燃料通过喷射器喷射进入块的腔室，其在喷射器的出口具有冲量IF，氧化剂通过喷射器喷射进入块的腔室，其在喷射器的出口具有冲量IOX，使得0.7≤IF≤3.6和0.3≤IOX≤5.1，只要当IOX＞3.8时则IF≤3.3。
有利地，IF≥1.8。
优选地，当IOX＜1.1时，IF≥2.2，当IOX＞4.3时，IF≥2.0。
本文中，排出喷射器的流体的冲量(以毫牛顿mN为单位)由公式I＝Qm×Vs定义，其中：
-Qm是涉及的通过喷射器的流体的质量流量，和
-Vs是所述流体在喷射器出口截面中的速率。
应当注意的是，对于一质量流量Qm和给定的供给压力，流体的速率Vs以及因此冲量I将取决于流体通过其离开燃烧器喷射器的横截面。
以上提到的排出喷射器的燃料的冲量IF和氧化剂的冲量IOX的范围与图4中的区域I和II对应。
根据本发明的一个优选的实施例，2.3≤IF≤3.3且1.8≤IOX≤3.8，其对应于图4中的区域I。
因此本发明可以改善块和燃烧器的耐用性和可靠性以及燃烧器的能量性能，或者对于式样翻新的情况，容许将现有的燃烧器替换为更耐用、更可靠、能效更好的燃烧器(或者可选择地，容许替换现有燃烧器的喷射器，从而获得更耐用、更可靠的燃烧器)。一般情况是式样翻新将会增加额外的条件，因为它包括将所述方法应用于现有设备，并且这些设备的操作者、特别是玻璃制造设备的操作者通常更乐于仅更换喷射器，而不是也更换耐热块或者甚至更换加热区域的其它部件(考虑到所产生的大量经济支出)。
在图4中，区域III对应于：
-高的燃料冲量和高的氧化剂冲量的组合，或者
-一种反应物高的冲量和另一种反应物显著低的冲量的组合。
在这些条件下运行燃烧器将会带来使燃烧器尖端的温度升高的高风险，尤其是带来在燃烧器尖端上烟灰(碳的沉积物)的形成及损坏喷口块的风险。
另一方面，区域I是优选的区域，其对应于相对较低的燃料冲量和相对较低的氧化剂冲量的组合。
在这些条件下运行燃烧器具有生成这样的火焰的效果，即，该火焰相对而言更长但是大部分仍然被限制在块的腔室中，允许在离开块时向待被加热物质的更好的能量传递，但是仍然靠近所述块。与在区域III中运行燃烧器相比，显著降低了在燃烧器尖端形成烟灰和损坏块的风险。
最后，区域II对应于中间状态的运行，燃烧器尖端损坏和块损坏的风险低于区域III，但是高于优选的区域I。
对于不同的应用，限制指数Iconf小于或等于0.35是有效的。
对于更优化的燃烧器的能量性能、可靠性和耐用性，锥体的最大长度必须不超过一最大值，所述最大值取决于氧化剂和燃料的冲量。
因此，根据本发明的一个优选实施例：
-当Iconf≤0.15时，L’≤(1/0.8)×FM(IF，IOX)，
-当0.25≤Iconf时，L’≤(1/0.8)×Fm(IF，IOX)，以及
-当0.15≤Iconf≤0.25时，L’≤(1/0.8)×{FM(IF，IOX)-10×(Iconf-0.15)×[FM(IF，IOX)-Fm(IF，IOX)]}，
FM(IF，IOX)＝0.06和
Fm(IF，IOX)＝0.45。
优选地：
-当Iconf≤0.15时，L’≤(1/0.9)×FM(IF，IOX)，
-当0.25≤Iconf时，L’≤(1/0.9)×Fm(IF，IOX)，以及
-当0.15≤Iconf≤0.25时，L’≤(1/0.9)×{FM(IF，IOX)-10×(Iconf-0.15)×[FM(IF，IOX)-Fm(IF，IOX)]}。
更优选地：
-当Iconf≤0.15时，L’≤FM(IF，IOX)，
-当0.25≤Iconf时，L’≤Fm(IF，IOX)，以及
-当0.15≤Iconf≤0.25时，L’≤FM(IF，IOX)-10×(Iconf-0.15)×[FM(IF，IOX)-Fm(IF，IOx)]。
如上文已提到的，富氧燃烧与空气燃烧相比具有数个优点。氧化剂的氧含量(其大于或等于50vol％)优选地大于或等于70vol％，更优选地大于或等于80vol％，甚至更优选地大于或等于87vol％。
根据另一个尤其有益的实施例，燃烧器是套筒式/套管式燃烧器。此种类型燃烧器包括具有用于供应燃料的中心管的喷射器，该中心管安装在具有用于供应氧化剂的环形通道的第二管内，所述环形通道围绕中心管定位。因此，燃料穿过喷射器的出口开口的中心部分/截面排出喷射器，氧化剂经由围绕喷射器出口开口中心部分定位的环形部分/截面排出喷射器。
燃烧器的功率优选在0.1至500kW之间。
根据本方法的一种优选的替换形式，燃烧器包括使氧化剂和/或燃料在其排出喷射器时旋转的装置，燃烧器优选为在用于燃料的中心管内部包含钻头的套筒式燃烧器。
在这种情况下，可以特别地使用受让人为American Air Liquide的专利文献US-A-6431467中公开的燃烧器的类型，该类型燃烧器特别地包括：
-用于氧化剂通过的第一管道，
-第二管道，所述第二管道与第一管道同轴，并且安装在所述第一管道内以用于燃料通过，
-定位于第一管道端部的端部构件，
-设置在第二管道端部的喷嘴，
-使氧化剂形成漩涡/打旋并定位于所述设置在第二管道端部的喷嘴上的装置。
根据这种可选形式，所述使氧化剂形成漩涡的装置可包括在第二管道的喷嘴内气动地/按空气动力学定中心的细长形状的构件(objet)，所述喷嘴的内径大于所述使氧化剂形成漩涡的装置的细长形状的构件的直径。所述细长形状的构件可在其长度的一部分上包括至少一个螺旋杆(钻头)。图6示意性地示出此类燃烧器的喷射器。
根据此变型实施例，燃烧器还可包括能够使氧化剂形成漩涡并且定位于安装在第一管道端部的端部构件上的装置；所述能够使氧化剂形成漩涡的装置可包括螺旋弹簧。
这种类型的燃烧器尤为适合，因为其生成的火焰的长度能够不随功率的变化而变化。
根据本发明的方法可以用于不同的应用领域。
本发明尤其涉及上文说明的方法在加热分配槽内熔融物料中的应用，特别是涉及为了调节玻璃而加热分配槽内熔融玻璃的应用。
在根据本发明的方法中，燃烧器尤其可以安装在侧壁上。
燃料典型地是气态燃料，例如天然气、甲烷、丙烷和丁烷。然而，燃料同样可以是(雾化的)液体燃料或者粉末状固体燃料的流态化射流。
下游锥体的最长长度L’优选为≤0.4m，更优选为L’≤0.3m。
在下文通过玻璃分配槽或者前炉领域的非限制性示例对本发明进行说明。
在流体穿过其中流动并需要注入能量以对该流体进行加热(包括保持其温度)的槽中，所述流体的特性(例如温度、黏度)通常必须得到控制。例如对于玻璃来说就是如此。
在玻璃到达成型机之前，需要控制离开熔炉的玻璃的温度，以使玻璃获得用于使其成型的合适性质，例如黏度。分配槽——也称作“进料器”或“前炉”——用来输送熔炉出口和成型机进口之间的玻璃。
这些分配槽具有加热***，从而可在玻璃行进的过程中供给玻璃所需的能量。假设玻璃的冷却主要是在分配槽的端部通过与制成分配槽的耐热材料接触而发生，为了补偿这种损失就必须将加热能量主要传输到分配槽的端部。
如图1所示，通常用于玻璃分配槽10的加热***是安装在槽的侧壁中的燃烧器11。所述燃烧器11的喷射器后移安装在喷口块13内(参见图2)。
根据本方法的技术特性(例如玻璃的温度)——所述技术特性可能从一个工业场地到另一个工业场地不同，并且根据用于槽10给定区域的燃烧器11的数量，对于同一个给定几何形状的块可能必须使用不同功率的燃烧器。
由于是富氧燃烧，火焰的温度更高，辐射热传递更剧烈并且在更有利于玻璃吸收的波长范围内发生；与相似的空气燃烧***相比，所有这些因素都有利于改善火焰和玻璃之间的热传递。
玻璃分配槽的正确操作对功率和火焰形状设定了许多标准。
因此，如果火焰太短而且基本都维持在块的腔室内，玻璃就不能被充分加热。
相反，如果火焰太长，火焰的最热区域超出槽的端部(或边缘)，就会导致边缘位置的热传递减弱。
火焰太长的另一个缺点是可能导致相对的火焰相互作用，导致槽顶部过热和损坏。
因此，对于加热分配槽中的熔融玻璃，本领域的技术人员会选择富氧燃烧器从而避免上述问题。
然而，如前面所解释的，富氧燃烧在块和/或燃烧器的耐用性和可靠性方面存在问题。
本发明容许本领域技术人员制造这样的燃烧器，特别是套筒式燃烧器，所述燃烧器容许玻璃分配槽正确操作，燃烧器耐用、可靠，并且这特别与需要的功率和块的几何形状相关。
正如已经提及的，本发明对于式样翻新的应用尤其有利。
通过应用本发明的方法，传输到槽的能量得到了优化。此外，经实验测量，块的温度水平显著地降低从而低于1500℃。因为施加到块的热应力减小，所以延长了块的使用寿命。
长的块的情况同样如此。
除了优化热传递和减少块上的应力外，同样也降低了燃烧器尖端过热和燃烧器损坏(喷射器堵塞)或者块损坏的风险。
具体地，当调整反应物的冲量时，温度测量显示燃烧器尖端的温度下降100℃或者更多并通常低于1150℃。实验测量证明，当由钢制成的尖端的温度超过1150℃时，通常会增加烟灰形成的风险。
本发明的一个显著效果是一方面减少了辐射热通量，另一方面减少了在块的腔室内聚集及在加热区域生成的易挥发物质。这样，如前所述，块内可挥发物质的大量沉积物可在火焰与所述沉积物接触时导致火焰的偏转，并且尤其会产生损坏块的风险。
当工业应用需要改变燃烧器的功率时，使用本发明的可选形式是有益的，在该可选形式中，如受让人为American Air Liquide，名称为“LowFiring rate oxy-fuel burner”的专利US-A-6029910所述使用定位在燃料喷射器中的钻头，从而当燃烧器功率变化时，气体的旋转效果使燃烧反应保持在同样的空间区域。

Claims (18)

1.一种用于加热存在于加热区域的物质的方法，所述方法使用燃烧器使燃料和氧化剂燃烧，所述燃烧器包括设置在块内的喷射器，所述块限定进口通道和燃烧器腔室，所述进口通道具有进口端和出口端，所述进口通道经由其出口端通入所述燃烧器腔室，所述燃烧室腔室具有下游锥体并且经由该下游锥体通入所述加热区域，
-所述喷射器安装在进口通道内并延伸到处于腔室的上游并邻近腔室的进口通道的出口端位置，
其特征在于：
-氧化剂的氧含量按体积计≥50％，
-所述腔室具有限制指数Iconf≥0.10，其中Iconf＝(S/S’)×(L/L’)×(1/(1+α/100))，L’是下游锥体的最长长度，L是下游锥体的最小长度，S是下游锥体的最小横截面积，S’是下游锥体在其最小长度L处的横截面积，α是下游锥体的锥角，
-α的范围为1°到16°，
-燃料通过喷射器喷射进入燃烧器腔室，其在喷射器的出口具有冲量IF，氧化剂通过喷射器喷射进入燃烧器腔室，其在喷射器的出口具有冲量IOX，使得0.7≤IF≤3.6且0.3≤IOX≤5.1，只要当IOX＞3.8时则IF≤3.3。
2.如权利要求1所述的加热方法，其特征在于，1.8≤IF≤3.6。
3.如权利要求1所述的加热方法，其特征在于，2.3≤IF≤3.3，且1.8≤IOX≤3.8。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，0.10≤Iconf≤0.35。
5.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：
-当0.10≤Iconf≤0.15时，L’≤(1/0.8)×FM(IF，IOX)，
-当0.25≤Iconf时，L’≤(1/0.8)×Fm(IF，IOX)，以及
-当0.15≤Iconf≤0.25时，L’≤(1/0.8)×{FM(IF，IOX)-10×(Iconf-0.15)×[FM(IF，IOX)-Fm(IF，IOX)]}，
其中，FM(IF，IOX)＝0.6，Fm(IF，IOX)＝0.45。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：
-当0.10≤Iconf≤0.15时，L’≤(1/0.9)×FM(IF，IOX)，
-当0.25≤Iconf时，L’≤(1/0.9)×Fm(IF，IOX)，以及
-当0.15≤Iconf≤0.25时，L’≤(1/0.9)×{FM(IF，IOX)-10×(Iconf-0.15)×[FM(IF，IOX)-Fm(IF，IOX)]}。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：
-当0.10≤Iconf≤0.15时，L’≤FM(IF，IOX)，
-当0.25≤Iconf时，L’≤Fm(IF，IOX)，以及
-当0.15≤Iconf≤0.25时，L’≤FM(IF，IOX)-10×(Iconf-0.15)×[FM(IF，IOX)-Fm(IF，IOX)]。
8.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述氧化剂的氧含量按体积计大于或等于70％。
9.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述氧化剂的氧含量按体积计大于或等于80％。
10.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述氧化剂的氧含量按体积计大于或等于87％。
11.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃烧器是套筒式燃烧器。
12.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃烧器的功率为0.1kW到500kW。
13.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃烧器包括使氧化剂和/或燃料在离开喷射器时旋转的装置。
14.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，将要被加热的物质是熔融物质。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述加热区域设置在分配槽内。
16.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃料是气态燃料。
17.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，L’≤0.4m。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，L’≤0.3m。
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