TWI416051B - 穿埠氧-燃料燃燒器 - Google Patents

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Michael Edward Habel
Matthew James Watson
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Air Prod & Chem
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  • Pre-Mixing And Non-Premixing Gas Burner (AREA)

Description

穿埠氧-燃料燃燒器
本發明係關於高溫爐(舉例來說，玻璃窯)中使用的氧-燃料燃燒器。
以空氣燃料點燃的蓄熱式玻璃窯乃眾所周知。蓄熱式玻璃窯具有多重用於產生供玻璃熔融用的燃燒火焰之空氣燃料蓄熱器埠。各種不同參考資料均述及玻璃窯的基本設計特徵，舉例來說Wolfgang Trier所著，由K. L. Loewenstein翻譯的“Glass Furnaces,Design Construction and Operation”，Society of Glass Technology，雪非耳，英國，2000年，及由Fay Tooley所著(編輯)的“The Handbook of Glass Manufacture“，第3版第1及2卷，Ashlee Publishing公司(紐約)，1984年，在此以引用方式將其併入本文。
將一或更多蓄熱器埠轉換成氧-燃料點燃可能會要求將該爐再修整為混合爐，例如美國專利案第6,519,973號所述的，在此以引用方式將其併入本文。
終止空氣燃料點燃並且將能量輸入替換成氧-燃料點燃有其挑戰性。因為該爐最初係設計為空氣燃料爐，所以難以找到適合位置安裝氧-燃料燃燒器。有一個已經用來設立氧-燃料燃燒器的位置在該蓄熱器埠的埠頸部。
該埠的背部可以被阻斷或設障礙物以侷限或預防熱空氣從該蓄熱器流入該埠。供該氧-燃料燃燒器設立用的埠頸部的頂部、底部或側面中可以做一洞孔。接著使該氧-燃料燃燒器穿過此洞孔並且***該埠頸部。該氧-燃料燃燒器必須被設計成將燃料及氧注入該爐子的燃燒空間。這需要該燃燒器具有肘管或彎管以改變該燃料及氧化劑的流向。關於設立穿過該埠頸部的燃燒器的問題為為了維持該埠頸部的結構完整性用於***該燃燒器的洞孔尺寸係小的。
當該燃燒器穿過該蓄熱器埠頸部的頂部或底部中的洞孔設立時，該燃燒器將會具有透過該洞孔輸送該燃料和氧的大體垂直段及將該燃料及氧注入該玻璃窯的燃燒空間的大體水平段，以及介於該大體垂直段與該大體水平段之間的肘管段。當該燃燒器穿過蓄熱器埠頸部的側壁設立時，該燃燒器可具有二大體水平段及介於該二大體水平段之間的肘管段。
與氧-燃料燃燒器設立於該蓄熱器埠頸部中有關的問題為該氧-燃料燃燒器必須使該注入噴嘴接近該肘管段，該肘管段必需在接近該注入噴嘴的位置急遽或明顯改變流動方向。由於該蓄熱器埠中的空間限制使得長水平段在該埠內的注入噴嘴中形成末端會有問題。此外，長水平段在該注入噴嘴中形成末端的問題是因為必需在該埠的壁中削出一個大洞，其可能衝擊到圍繞該埠的結構鋼。在接近該注入噴嘴的位置急遽或明顯改變流動方向造成高壓降，並且擾亂離開該噴嘴的流動。擾亂造成迅速混合及後續接近該噴嘴的燃燒，而導致短的火焰。由於噴嘴過熱及，當把該燃燒器用作穿埠燃燒器時，該埠頸部中的耐火材料過熱的關係，並不想要接近該噴嘴的燃燒。
本發明係關於一種適合利用蓄熱器埠將空氣燃料點燃轉換成氧-燃料點燃，同時解決前述問題的燃燒器。本發明也關於具有該燃燒器的爐子及利用該燃燒器加熱爐子的方法。在蓄熱器修護的期間可使用該方法以延長該爐子的壽命，及/或提高現有爐子的生產速率。
該燃燒器包含具有外當量直徑，D，的第一冷卻流體外套、與該第一冷卻流體外套呈固定間隔關係而且大體上同心地配置於其內的第一氧化劑導管，及燃料導管。
該第一氧化劑導管具有入口、在該第一氧化劑導管的入口下游的第一部位、在該第一氧化劑導管的第一部位下游的彎曲部位及在該第一氧化劑導管的彎曲部位下游的第二部位。
該彎曲部位具有45°至120°的彎角，α，該彎角，α，可為60°至110°。
該第一氧化劑導管的第二部位在出口端形成末端並且具有一流動軸及長度，L。該第二部位可具有一圓形截面。
該燃料導管具有入口、在該入口下游的第一部位及第二部位。該燃料導管的第一部位與該第一氧化劑導管的第一部位呈固定間隔關係而且大體上同心地配置於其內。該燃料導管的彎曲部位與該氧化劑導管的彎曲部位呈固定間隔關係而且大體上同心地配置於其內。該燃料導管的第二 部位在出口端形成末端並且具有一流動軸。該燃料導管的第二部位與該第一氧化劑導管的第二部位呈固定間隔關係而且大體上同心地配置於其內。該燃料導管的第二部位可具有一圓形截面。
該第一氧化劑導管的第二部位的流動軸可為直的而且可與該燃料導管的第二部位的流動軸實質上平行或實質上重合。
在該燃料導管的第二部位與該第一氧化劑導管的第二部位之間形成或界定一氧化劑通道。該氧化劑通道具有入口段、在該入口段下游的過渡段及在該過渡段下游的出口段。該入口段具有一截面積，Ai ，該出口段具有一截面積，Ao 。
介於0.8至7或介於1.4至7，而且介於1.3至5。該第一氧化劑導管的第二部位在該氧化劑通道的過渡段中可具有一凸狀內表面。
該燃料導管的第二部位界定一燃料通道，其中該燃料通道具有入口段、在該入口段下游的過渡段及在該過渡段下游的出口段。該燃料導管的第二部位的入口段具有一截面積，Afi ，及該燃料導管的第二部位的出口段具有一截面積，Afo ，其中可介於1.0至5或介於1.37至5。
該燃料導管的第二部位在該氧化劑通道的過渡段可具有一凹狀外表面。
該燃料導管的第二部位可具有在該燃料通道的過渡段中的凹狀內表面及凸狀內表面，其中該燃料導管的凸狀內表面在該燃料導管的凹狀內表面的下游。
該第一氧化劑導管的第二部位的出口端從該燃料導管的第二部位突出0.2cm至3cm。
該燃燒器可另外包含與該第一氧化劑導管的第二部位呈固定間隔關係的第二氧化劑導管。
該第二氧化劑導管可與該第一冷卻流體外套呈固定間隔關係而且大體上同心地配置於其內。該燃燒器可另外包含第二冷卻流體外套，而且該第二氧化劑導管可與該第二冷卻流體外套呈固定間隔關係而且大體上同心地配置於其內。該第二氧化劑導管可具有入口、在該第二氧化劑導管的入口下游的第一部位、在該第二氧化劑導管的第一部位下游的彎曲部位及在該第二氧化劑導管的彎曲部位下游的第二部位。
該第二氧化劑導管的彎曲部位具有一彎角，β，該彎角β在該彎角α的15°範圍以內，而且該第二氧化劑導管的彎曲部位下游的第二部位，該第二氧化劑導管的第二部位在噴嘴中形成末端並且具有一流動軸，該第二氧化劑導管的第二部位與該第一氧化劑導管的第二部位呈固定間隔關係。
該彎角，β可於該彎角，α，的2°範圍以內，而且該第二氧化劑導管的第二部位的流動軸可實質上平行於該第一氧化劑導管的第二部位的流動軸。
該噴嘴具有一入口及一出口。該第一氧化劑導管的第二部位的出口端可從該第二氧化劑導管的第二部位的噴嘴出口突出0.2 cm至3 cm。該入口可具有圓形截面及一截面積，Ani ，而且該出口具有非圓形截面及一截面積，Ano ，其中該噴嘴的出口具有1.5至5的寬高比。可介於1.25至5。
該第二氧化劑導管的噴嘴可具有一收歛高度及一發散寬度。
該第二氧化劑導管的噴嘴的圓形截面與非圓形截面之間具有一凹狀表面轉變。
該爐子包含蓄熱器、爐子燃燒艙及將該蓄熱器連至該爐子燃燒艙的蓄熱器埠頸部，該蓄熱器埠頸部在該爐子的壁中界定一埠及一埠開口。該爐子也包含如上述特徵之燃燒器。該燃燒器穿過該蓄熱器埠頸部並且進入該埠，而且該燃燒器係配置成能透過該埠開口導引燃料及氧化劑並且進入該爐子。
該爐子也包含配置於該爐子燃燒艙下方並且毗鄰該爐子燃燒艙的熔融槽盆(melting tank basin)、把玻璃形成成分引入該熔融槽盆的填充端及從該熔融槽盆取出玻璃產物的排放端。該爐子也包含在該爐子之一壁中的排氣埠，其係用於從該爐子燃燒艙抽出燃燒產物。
有一具體實施例中，該第二氧化劑導管穿過該爐壁在該埠開口下方的位置，而且被配置成能將氧化劑導入該爐子。
該加熱爐子之方法包含：阻斷空氣流至該埠，終止燃燒流至與該埠相關聯的空氣燃料燃燒器，設立上述之燃燒器使得該燃燒器穿過該蓄熱器埠頸部並且進入該埠，使冷卻劑通過該第一冷卻流體外套並且，若存在的話，通過該第二冷卻流體外套，透過該第一氧化劑導管將第一氧化劑氣體引入該爐子，及透過該燃料導管將該燃料或另一燃料引入該爐子，利用該第一氧化劑氣體燃燒該燃料或另一燃料以形成燃燒產物，及透過排氣管從該爐子燃燒艙取出該燃燒產物。
該方法可包含使空氣以高於5%至低於或等於25%的量之燃燒經過該燃燒器的該燃料所需的化學計量的空氣持續流經該埠。
該方法可另外包含透過第二氧化劑導管將該第一氧化劑氣體或第二氧化劑氣體導入該爐子以燃燒該燃料或另一燃料。
當應用於說明書及申請專利範圍所述之本發明的具體實施例中的任何特徵時，文中所用的冠詞"一"意指一或更多。"一"的應用不會限制單一特徵的意義，除非明確地指明此限制。在單數或複數名詞或名詞片語前面的冠詞“該”表示特別指定的特徵，並且可依據其應用於其中的上下文具有單數或複數涵義。該形容詞“任何”意指不區分任何事物的數量中之一、一些或全部。
該片語“至少一部分”意指“一部分或全部”。
為求簡化及清晰的目的，省略眾所周知的裝置、迴路及方法的詳細說明以便不致模糊本發明的說明與不必要的細節。
本發明係關於一種燃燒器。更明確地說本發明係關於在具有空氣燃料蓄熱器埠的玻璃窯中利用氧-燃料點燃替代空氣燃料點燃的氧-燃料燃燒器。該燃燒器特別適用於至少局部將一蓄熱器埠從空氣燃料點燃轉換為氧-燃料點燃。由於玻璃窯蓄熱器埠的幾何形狀，用於此轉換的燃燒器需要在接近該注入噴嘴的位置急遽或明顯改變流動方向。
對於相關的蓄熱器必須予以修護的情況，該蓄熱器埠可暫時從空氣燃料點燃轉換為氧-燃料點燃。該蓄熱器埠可在更永久性的基礎之上轉換為氧-燃料點燃以獲得氧-燃料益處的優點。可以把數個最接近該玻璃窯的批料末端的埠轉換為氧-燃料點燃以藉由該等氧-燃料焰改善批料熔融。
現在參照圖形，其中在此數個圖式各處類似的參考編號表示類似的元件，圖1顯示根據本發明的具體實施例的燃燒器1，以及圖2顯示一爐子100的片斷，其包含蓄熱器埠頸部105及設立於該蓄熱器埠頸部中的燃燒器101。
燃燒器1及101包含第一冷卻流體外套10、第一氧化劑導管20及燃料導管40。該第一冷卻流體外套10具有一外當量直徑，D，就圓形截面的案例而言等於外徑，而就非圓形截面而言等於該外套外部截面積的2倍除以外周長。該第一氧化劑導管20與該第一冷卻流體外套10呈固定間隔關係而且大體上同心地配置於其內，而且該燃料導管40與該第一氧化劑導管20呈固定間隔關係而且大體上同心地配置於其內。大體上同心意指一導管的軸與另一導管的軸共通或稍微位移至多2 cm。
冷卻流體外套為一外部封套或套管，像是封圍中間空間的封套，溫度控制流體可透過該中間空間循環。該流冷流體可為水。冷卻流體外套(例如，水冷式外套)為燃燒器及燃燒的技藝中眾所周知者。該冷卻流體外套設計的細節對於本發明並不重要。熟悉此技藝者可從此技藝中習知的那些輕易選擇及/或修飾適當的冷卻流體外套設計。
該第一冷卻流體外套10必需預防該燃燒器過熱。當把該燃燒器***一玻璃窯蓄熱器埠時，來自該爐子的熱將輻射至該燃燒器的外表面。當該燃燒器運轉時，來自該燃燒器的火焰將輻射回該燃燒器。將水或其他冷卻流體引入該第一冷卻流體外套10的入口11並且在該第一氧化劑導管20周圍，包括該燃料及氧化劑排放端周圍的區域流動。從該第一冷卻流體外套10的出口13抽出該水或其他冷卻流體。
如文中所用的，導管為任何用於運輸流體的裝置，舉例來說，輸送管、細管或管道等。該第一冷卻流體外套10、該第一氧化劑導管20及該燃料導管40係由金屬製成，較佳地不銹鋼。熟悉此技藝者可輕易地選擇適用於建構該燃燒器的材料。
氧化劑導管為預期輸送氧化劑氣體及連至氧化劑供應源的導管。氧化劑氣體為任何包含多於21體積%氧的氣體。具有80體積%至100體積%的氧濃度的工業級氧為氧化劑氣體，因為是來自氮設備的氣態排出流，所以經常具有60體積%至80體積%的氧濃度。氧化劑也可為空氣與具有介於22體積%與28體積%之間或介於28體積%與60體積%之間的氧濃度的工業或排出流的氧之混合物。該氧化劑導管可被設計成能利用與工業級的氧相容的材料來輸送工業級的氧。
燃料導管為預期輸送燃料的導管。將燃料導管連至燃料供應源。該燃料可為氣態燃料，舉例來說，天然氣、丙烷或其他氣態烴類、氫、一氧化碳或其組合。或該燃料可為液體，舉例來說，1號餾出液、2號餾出燃料油、柴油燃料、生物柴油及其副產物(例如甘油)、煤油、4號燃料油、5號殘餘油、6號殘餘燃料油、燃料庫-C型燃料油及其他普通熟悉此技藝者習知之物。該液態燃料可藉由普通熟悉此技藝者習知的數種裝置之任一者予以原子化。
該第一氧化劑導管20具有用於接收氧化劑氣體的入口21、在該入口21下游的第一部位23、在該第一部位23下游的彎曲部位25及在該彎曲部位25下游的第二部位27。該氧化劑氣體可為工業級的氧。
上游及下游為相對於預期的流體流，例如，該燃料或氧化劑，來界定。上游端相當於最靠近該入口的末端，在那裡將流體引入該裝置，及下游端相當於最靠近該出口或噴嘴端，流體在那裡排出該裝置。
該入口21可包括快速斷開附件或其他適用於檢查供給該燃燒器的氧化劑氣體供應的附件。
該第一部位23可具有一圓形截面。該第一部位23也可具有間隔物以確保該第一氧化劑導管的第一部位與該燃料導管的第一部位之間的同心性質。
該彎曲部位25具有45°至120°的彎角，α。該彎角，α，可為60°至110°。該彎角係定義為該夾角的補償角。該夾角，其小於180°，為定義於導管的第一部位的筆直段與該導管的第二部位的筆直段之間的角度。關於該第一氧化劑導管的夾角為定義於該第一氧化劑導管的第一部位的筆直段與該第一氧化劑導管的第二部位的筆直段之間的角度。圖1及圖2所示的彎角，α，為關於該第一氧化劑導管的夾角的補償角。0°的彎角相當於沒有彎曲，亦即直的。180°的彎角相當於“U-形”彎曲。
該彎曲部位25中的彎曲可為平順的，其具有如圖2所示，或，如圖1所示的半徑，該彎曲部可具有銳角。
該第一氧化劑導管20的第二部位27在出口端29形成末端並且具有一流動軸22及長度，L。該第二部位27可具有一圓形截面。
流動軸相當於依通過該導管截面的幾何形狀中心的流動方向的線，其中該等截面位於與該線垂直的平面中。該流動軸可包括曲線。關於此燃燒器，該流動軸的至少一段為直線段。
為了達到此揭示內容的目的，該第一氧化劑導管的第二部位長度，L，相當於介於圖1及圖2所示的彎曲部位與出口端之間的流動軸的直線段。
該燃料導管40具有用於接收燃料的入口41、在該入口41下游的第一部位43、彎曲部位45及第二部位47。
該入口41可包括快速斷開附件或其他適用於檢查供給該燃燒器的氧化劑氣體供應的附件。
如圖1及圖2所示，把該燃料導管40的第一部位43配置成與該第一氧化劑導管20的第一部位23呈固定間隔關係而且大體上同心地配置於其內。將該彎曲部位45配置成與該彎曲部位25呈固定間隔關係而且大體上同心地配置於其內。
該彎曲部位45中的彎曲可為平順的，其具有如圖2所示的半徑，或具有如圖1所示的銳角。該彎曲部位45能與該彎曲部位25相容。
該第一氧化劑導管20的第二部位27在出口端29形成末端並且具有一流動軸22及長度，L。該第二部位27可具有一圓形截面。
該第二部位47在出口端49形成末端並且具有一流動軸42。把該第二部位47配置成與該第一氧化劑導管20的第二部位27呈固定間隔關係而且大體上同心地配置於其內。該第二部位47可具有一圓形截面。
該燃料導管的第二部位47可與該第一氧化劑導管20的第二部位27同中心使得該流動軸42及該流動軸22二者均為筆直，而且實質上平行或實質上重合。該流動軸42及流動軸22在圖1中為重合。
該措辭“平行”意指依相同方向延伸，無論何處均等距離而且不相逢。關於該流動軸22及該流動軸42，實質上平行意指隔開2cm的最大間隔距離偏離。
該措辭“重合”意指佔據相同空間或位置。關於該流動軸22及該流動軸42，實質上重合意指在2cm範圍以內的重合。
在該燃料導管40的第二部位47與該第一氧化劑導管20的第二部位27之間形成或界定一氧化劑通道50。該氧化劑通道50具有入口段51、在該入口段51下游的過渡段53及在該過渡段53下游的出口段55。該入口段51具有一截面積，Ai ，該出口段55具有一截面積，Ao 。在設計氧化劑氣體流速時把該截面積，Ao 設計成能提供約30m/sec至約150m/s的氧化劑氣體速度。
該第一氧化劑流動方向在接近該注入噴嘴的位置的急遽或明顯改變可藉由該第一冷卻流體外套的長度，L，與外當量直徑，D，之間的關係來描述。吾人所欲為將該比例L/D最大化以使該注入噴嘴處的第一氧化劑速度剖面圖中的不均勻性最小化，因為速度不均勻性為該注入噴嘴附近加速燃料的主因，其可能導致過高的火焰溫度及，因而，燃燒器損壞或故障。然而，為了將該燃燒器組件套入玻璃窯的蓄熱器埠中可取得的有限空間內需要短的長度。估計以可取得的空間為基礎的最大容許L/D為7.0。
有一個達到具有短的L/D之可接受的流動分佈的解決方法為將靜態混合裝置放在該第一氧化劑通道的第二部位中。靜態混合裝置為放在該流動場中的靜態阻礙物，其能藉由局部提高紊流混合及擴散，大體上透過靜壓的消散促成流動重分佈。靜態混合裝置常見的例子為穿孔板；也就是說，橫斷流動截面的板子，該板子包含多數橫越該板子分佈的小洞，而且該流必須通過該板子。
不幸地，靜壓的消散及紊流混合/擴散的產生二者均為此案例中所不欲的流動特性。首先，提高該氧化劑流的紊亂度導致氧化劑與燃料之間更迅速的混合，其導致該燃燒器噴嘴附近的過高火焰溫度的問題惡化。其次，靜壓的消散導致對於該氧化劑較高的供應壓力要求。有一些案例中，可能無法符合該較高的供應壓力要求，然而在其他案例中由於必需設立及運轉一或更多氣體壓縮機使其增加相當大的資本及運作成本來設立。關於此燃燒器的具體實施例，該燃燒器包含與該第一氧化劑導管呈固定間隔關係的第二氧化劑導管：。關於不包括該第二氧化劑導管的燃燒器的具體實施例：。
傾向於使該氧化劑的流動均勻分佈且變直，並且預防該氧化劑與該燃料在該爐子中過早混合而沒有前述不欲的靜態混合裝置特徵之本燃燒器的特性為減小從該入口段51至該出口段55的氧化劑通道50的截面積。此該第一氧化劑通道的截面積減小係透過該過渡段53達到。為了改善第一氧化劑流動分佈，吾人所欲為使入口至出口截面積的比例最大化。然而，對於該出口處的特定第一氧化劑速度，要提高比例必需增加該入口截面積的尺寸。由於該蓄熱器埠中可取得的空間有限使得對於此比例上方值的實際極限為。關於此燃燒器，。
如圖1、圖2及圖3中放大顯示的，該氧化劑導管20的第二部位27在該氧化劑通道50的過渡段53中可具有一凸狀內表面。
如圖1、圖2及圖3中放大顯示的，該燃料導管40的第二部位47在該氧化劑通道50的過渡段53中可具有一凹狀外表面。這些凸狀及凹狀曲率有助於使該氧化劑的流動變直，所以當其接近該出口端29時使其與該第一氧化劑流的軸22對齊，同時降低擾渦產生及擴散。
該燃料導管40的第二部位47形成或界定一燃料通道60。該燃料通道60具有入口段61、在該入口段61下游的過渡段63及在該過渡段63下游的出口段65。該燃料導管的第二部位的入口段具有一截面積，Afi ，及該燃料導管的第二部位的出口段具有一截面積，Afo 。
類似於該第一氧化劑導管的第二部位，傾向於使該燃料的流動變直，並且預防該氧化劑與該燃料在該爐子中的加速紊亂混合的燃燒器特性為減小從該入口段61至該出口段65的燃料通道60的截面積。為了改善燃料流動分佈，吾人所欲為使入口至出口截面積的比例最大化。然而，對於該出口處的特定燃料速度，要提高比例必需增加該入口截面積的尺寸。由於該蓄熱器埠中可取得的空間有限使得對於此比例上方值的實際極限為等於5。關於此燃燒器，或。根據預期的點燃速率(亦即，燃料流動速率)，把該截面積，Afo ，設計成能提供約25m/s至約150m/s的燃料速度。
如圖1及圖2所示，該燃料導管40的第二部位47在該燃料通道60的過渡段中可具有一凹狀內表面及一凸狀內表面，其中該凸狀內表面在該燃料導管60的凹狀內表面下游。此幾何形狀有助於有助於該燃料通道內表面處的流動與該流動軸42再對齊，同時使該燃料流中的擾渦產生及擴散最小化。藉著使該第一氧化劑及燃料的流動沿著其分別的軸並且同時使擾渦的產生及擴散最小化，當該燃料及氧化劑排放至該爐子內時這些特性將會降低其混合速率。如前所述，這對於預防該燃燒器的金屬組件受到短的氧/燃料焰所引起的高溫損壞很重要。
如圖1及圖2所示，該氧化劑導管20的第二部位27的出口端29從該燃料導管40的第二部位47的出口端49突出。該出口端29可從該出口端49突出0.2 cm至3 cm。突出意指從周圍表面或周圍環境突出或向外延伸。
該燃料導管40的出口端49從該氧化劑導管20的出口端29向內凹以預防該出口端49受到來自該燃燒器的火焰及該玻璃窯的高溫環境的輻射。包括該氧化劑導管出口端29的氧化劑導管20係藉由透過該第一冷卻流體外套10的冷卻流體循環予以冷卻。
另一方面，該燃料導管40係藉由通過該氧化劑通道的氧化劑流動予以冷卻。藉著使該出口端49凹陷，該出口端49將暴露於較少的熱輻射而且可避免過熱。在該出口端49凹陷太多的案例中，該燃料及氧化劑可能在該燃燒器內反應，由於該氧化劑導管的過熱而引起該燃燒器的損壞。藉著使該出口端29從該出口端49突出0.2 cm至3 cm而提供在屏蔽該出口端49不受熱輻射與混合該燃料及氧化劑之間的適當平衡。
該燃燒器也可包括氧化劑分級。在本揭示內容上下文中的氧化劑分級意指從該第一氧化劑流留住一部分燃燒氧使得其可在該燃料燃燒的後來“階段”時遞送。如圖1所示，該分級噴管可為放在該蓄熱器埠中的燃燒器的一部分，所謂的埠中噴管，及/或如圖2所示，該分級噴管可為放在該蓄熱器埠下方的獨立部分，所謂的埠下噴管。據發現氧化劑分級能提供調節該爐子中的火焰的手段。
分級的氧能降低該氧/燃料焰的尖峰溫度。降低該尖峰溫度將減少高溫引起該燃燒器損壞的風險，而且也降低燃料及氧化劑混合的速率。降低該燃料及氧化劑混合速率將減緩該燃燒程序，藉以導致較長的火焰，其更適宜。再者，分級在火焰內創造富含燃料或貧氧燃燒區。該富含燃料區促成富含碳的固體粒子(油煙)形成，該等富含碳的固體粒子增進從該火焰至該玻璃熔融物的輻射熱轉移，而且也導致較低的NOx排放。然而，分級程度有一個實際限制，其可安全並有效地加以運用。此限制經常藉由該火焰的動量來設定，當分級的氧量增加時就降低該火焰的動量。若該火焰的動量太低，該火焰在該爐子中將會變得不穩定而且可能，舉例來說，朝該爐頂向上仰，在該處該火焰可能損壞該爐頂耐火材料。
該分級的氧的配置及取向也會影響來自該燃燒器的火焰。直接引入該第一氧化劑/燃料噴嘴下方的分級氧化劑具有適宜的特性。舉例來說，引入此位置的分級的氧化劑與正好在該燃燒器噴嘴下游的燃料混合，因而實質上未被煙道氣稀釋。再者，在此位置分級能有效增進該主要燃料器火焰下方部分的燃燒。這導致來自該火焰的輻射能優先往下游導向該玻璃熔融物，而非向上朝該爐頂。若是涉及過度加熱該埠，該埠中分級噴嘴可能會往下游導向該埠底，在該處提供表面的對流冷卻。也可以，若沒有足夠的空間能使該燃燒器噴嘴及噴管同時容納於該埠內，則能將分級的氧噴嘴設置於別處，舉例來說，在該埠下方但是高於該玻璃熔融物表面。
包括在該蓄熱器埠底下及在該蓄熱器埠中二者的氧化劑分級給予操作者影響該玻璃熔融物的加熱、該蓄熱器埠耐火材料的過度加熱及污染物排放(如NOx)的彈性。實驗在單埠測試爐中進行。實驗結果證實氧化劑分級的量及位置對於熱傳遞、埠溫及爐頂溫度的實質作用。舉例來說，圖5指示藉由80%的埠中氧化劑分級比“沒分級”及80%的埠下分級案例能達到使大許多的熱通量及於該爐底。儘管這些數據提供代表性趨勢，最理想的氧化劑分級量及位置最好根據特定的爐子幾何形狀及操作條件決定。
如圖2所示，該燃燒器可包括一埠下氧化劑分級噴管90，使其與該第一氧化劑導管20的第二部位27呈固定間隔關係放置。利用該埠下氧化劑分級噴管導引在火焰下方的氧化劑流，該火焰分別從該燃料導管40及第一氧化劑導管20引入燃料及氧化劑而產生。
該埠下氧化劑分級噴管90具有用於接收該第一氧化劑氣體或第二氧化劑氣體的入口91。該第一氧化劑氣體及該第二氧化劑氣體可為來自相同或不同來源的工業級的氧。
該入口91可包括快速斷開附件或其他適用於檢查供給該埠下氧化劑分級噴管90的氧化劑氣體供應的附件。
該埠下氧化劑分級噴管90可能不需要冷卻流體外套。穿過該埠下氧化劑分級噴管的氧化劑氣體流動可能足以使該埠下氧化劑分級噴管的噴嘴保持冷卻。被引入該埠下氧化劑分級噴管90的氧化劑氣體一般與被引入該第一氧化劑導管20的氧化劑氣體相同，舉例來說，工業級的氧。然而，被引入該埠下氧化劑分級噴管的氧化劑氣體可與被引入該第一氧化劑導管20的氧化劑氣體不同。
該燃燒器可包括圖1所示的埠中氧化劑分級噴管作為第二氧化劑導管80，該第二氧化劑導管80與該第一氧化劑導管20的第二部位27呈固定間隔關係放置。利用該第二氧化劑導管80導引在該火焰下方的氧化劑流。
因為該埠中氧化劑分級噴管位於該蓄熱器埠中，所以其必需冷卻。該第二氧化劑導管80可與該第一冷卻流體外套10或圖1所示的任意第二冷卻流體外套70呈固定間隔關係而且大體上同心地配置於其內。
該燃燒器可另外包含任意的第二冷卻流體外套70及與該任意的第二冷卻流體外套70呈固定間隔關係而且大體上同心地配置於其內的第二氧化劑導管80。該第二冷卻流體外套70可能必需預防該氧化劑噴管的噴嘴由於該火焰及該爐子的輻射加熱而過熱。把水或其他冷卻流體引入該任意的第二冷卻流體外套70的入口71並且流到該第二氧化劑導管80周圍，其包括該氧化劑排放端周圍的區域。從該任意的第二冷卻流體外套70的出口73抽出水或其他冷卻流體。
該第二氧化劑導管80具有用於接收該氧化劑氣體或第二氧化劑氣體的入口81、在該入口81下游的第一部位83、在該第一部位83下游的彎曲部位85及在該彎曲部位85下游的第二部位87。該第一氧化劑氣體及該第二氧化劑氣體可為來自相同或不同來源的工業級的氧。
該入口21可包括快速斷開附件或其他適用於檢查供給該燃燒器用的氧化劑噴管的氧化劑氣體供應的附件。
該第一部位83可具有一圓形截面，而且可以特理方式附接，舉例來說藉由熔接，於該第一氧化劑噴嘴的第一部位外表面。
該彎曲部位85具有一彎角，β，其中該彎角，β，係於該彎角，α，的15°範圍以內。該彎角，β，可為60°至110°。該第二氧化劑導管80的第二部位87可相對於該第一氧化劑導管20的第二部位27向上或向下傾斜。把關於該第二氧化劑導管80的夾角定義為介於該第二氧化劑導管80的第一部位81的筆直段與該第二氧化劑導管80的第二部位85的筆直段之間。該彎角，β，為關於該第二氧化劑導管的夾角的補償角。
該第二氧化劑導管80的第二部位87在噴嘴中形成末端並且具有一流動軸82。該第二氧化劑導管80的第二部位87與該第一氧化劑導管20的第二部位27呈固定間隔關係。該任意的第二冷卻流體外套70及該第二氧化劑導管80可被熔接在一起或當作該燃燒器組件的零件附接。
該彎角，β，可在該彎角，α，的2°範圍以內。該第二氧化劑導管80的第二部位87的流動軸82可實質上平行於該第一氧化劑導管20的第二部位27的流動軸22。關於該流動軸82及該流動軸22，實質上平行意指間隔開並且等距離隔開最大間隔距離的10%範圍以內。
如圖1所示，該第一氧化劑導管20的第二部位27的出口端29可從該噴嘴的出口89突出。該出口端29可從該出口89突出0.2 cm至3 cm。該第二氧化劑導管80的噴嘴可相對於該第一氧化劑導管20的第二部位27的出口端29凹陷使該第一冷卻套及/或該第一氧化劑導管20的第二部位27能屏蔽該噴嘴不受該火焰及/或爐子的輻射。
如圖1及圖4中詳細顯示的，該第二氧化劑導管80的第二部位87的噴嘴具有入口88、過渡段及出口89。該入口88可具有圓形截面及一截面積，Ani ，及該出口89具有非圓形截面及一截面積，Ano 。該噴嘴的出口89可具有1.5至5的寬對高(“W”對“H”)比。為了此揭示內容的目的，在該噴嘴的排出面處測量該出口89的寬高比。寬度相對於高度具有較大的尺寸。
關於此噴嘴，可為1.25至5。大於指定下限的面積比為使該噴嘴出口處的氧化劑流動不均勻性最小化所不可或缺，氧化劑流動不均勻性會導致分開或逆向流動，提高噴嘴腐蝕、阻塞及過早損壞的風險。為了避免過高的第二氧化劑速度或無法接受的過大第二氧化劑導管需要小於上限的面積比。
該噴嘴可具有一收歛高度及一發散寬度。該收歛高度有助於減小截面積，其為預防流動分開所必需。該發散寬度提高露出的副流的橫寬以致其比該第一氧化劑及燃料所產生火焰更寬。這將提高在該分級的氧化劑下方及該火焰下側混合的均勻性。該第二氧化劑導管80的第二部位87可在該出口89附近具有一凸狀內表面。該凸狀內表面使該排出流能迅速且平順轉換成與該主要流動軸82平行的取向。寬度的發散半角可為5°至15°。
噴嘴通常被稱為“收歛的”(依流動方向從一寬度到一較小尺寸縮小)或“發散的”(依流動方向從一較小尺寸張大到一較大尺寸)。第拉瓦(de Laval)噴嘴具有一收歛段，接著一發散段並且經常被叫做收歛-發散噴嘴。
收歛噴嘴使次音速流體加速。若該噴嘴壓力比夠高，該流動在最窄點(亦即，該噴嘴喉部)處將達到次音速。在此情況中，該噴嘴係謂之“阻塞”。
文中所述的噴嘴與該第拉瓦型噴嘴不同。與此噴嘴具有一發散寬度及一收歛高度對照起來該第拉瓦型噴嘴具有收歛段接著發散段。
將該燃燒器設計成能***如圖2所示的蓄熱器埠。該蓄熱器埠頸部內必須切出一個洞孔以提供用於***該燃燒器的位置。該洞孔可以切入該埠頸部的頂部、底部(基部)或側面。較佳地，該洞孔切在該埠頸部的底部。
該燃燒器可透過該埠頸部底部切出的洞孔***該埠，較佳如圖2所示呈實質上垂直的取向。該燃燒器可包括把該燃燒器設置並附接於該埠頸部的安裝板95。該燃燒器將該燃料及氧化劑氧體以實質上水平平面的方式排放至該爐子燃燒空間內。
該燃燒器可以各式各樣的方式操作以控制該玻璃槽中及該蓄熱器埠中的溫度及熱通量分佈。這原則上經由調整氧的分佈達到，其策略上的應用提供火焰長度、亮度及穩定度的訂製，而且也可助於該埠表面的冷卻。
該燃燒器可藉著透過該燃料導管40引入氣態燃料，透過該第一氧化劑氣體導管20、埠中氧化劑分級噴管(第二氧化劑導管80)及埠下氧化劑分級噴管90中之二或更多者引入一或多種氧化劑氣體而運轉。
本發明也關於一種爐子100，圖2中顯示出其一部分。儘管根據本發明的該爐子顯示出含有根據圖2的燃燒器，但是根據圖1的燃燒器也可與該爐子連結使用而且熟悉此技藝者顯然可改編關於根據圖1的燃燒器的說明。該爐包含蓄熱器125、爐子燃燒艙135及將該蓄熱器125連至該爐子燃燒艙135的蓄熱器埠頸部105。該蓄熱器埠頸部105在該爐子100的壁120中界定一埠110及一埠開口115。該爐子也包含根據上述特性的燃燒器。該燃燒器穿過該蓄熱器埠頸部105並且進入該埠110，而且把該燃燒器配置成能將燃料及氧化劑導入該爐子100。
該蓄熱器埠頸部105包含埠拱頂(頂部)、埠基部(底部)及側壁，其經常由耐火磚建構而成。該蓄熱器埠頸部在蓄熱器與該爐子的埠開口或埠口之間界定一通道或埠。如文中所用的，該埠為通道而且與該埠開口有所區分。
蓄熱器為利用蓄熱式熱傳的熱回收裝置而且在此技藝中眾所周知。蓄熱器的細節可在Wolfgang Trier所著，由K. L. Loewenstein翻譯的“Glass Furnaces,Design Construction and Operation”，Society of Glass Technology，雪非耳，英國，2000年，及由Fay Tooley所著(編輯)的“The Handbook of Glass Manufacture“，第3版第1及2卷，Ashlee Publishing公司(紐約)，1984年，中找到。
如文中所用的，蓄熱器埠頸部為任何導管，其用於或以前用於將燃燒空氣從蓄熱器轉移至爐子中的燃燒空間。
該爐子可包括一燃燒器，該燃燒器包括任何或全部上述關於該燃燒器的特性。
有一具體實施例中，如圖1所示，該爐子中可使用一埠中分級噴管。
有一具體實施例中，如圖2所示，一導管90穿過該爐壁120在該埠開口115下方的位置並且被配置成能將該氧化劑導入該爐子內。導管90為埠下氧化劑分級噴管。若從該噴管垂直地向上牽引的管道和該埠相交則該導管在該埠開口“下方”。垂直地意指全然筆直向上或向下。
該爐子可同時包括埠中氧化劑分級噴管及埠下氧化劑分級噴管。
該爐子也包含配置於該爐子燃燒艙下方並與其鄰接的熔融槽盆、用於將玻璃形成成分引入該熔融槽盆的填充端及用於從該熔融槽盆取出玻璃產物的排放端。把玻璃形成成分填入該爐子的熔融槽盆並且藉由該爐子燃燒艙中的燃燒火焰的熱予以熔融。熔融的玻璃從該填充端流至該排放端並且從該爐子取出作為產物。所取出的熔融玻璃進行成形操作以使該玻璃化成玻璃板、玻璃纖維、容器或其他希望產物的形態。
該爐子也包含在該爐壁中的排氣埠以便從該爐子燃燒艙取出燃燒產物。燃料及氧化劑經由該蓄熱器埠頸部中的燃燒器引入該爐子燃燒艙，燃燒形成火焰並且把熱傳遞至該等玻璃形成成分及熔融玻璃。透過該排氣埠從該爐子燃燒艙移除來自該燃料及氧化劑的反應之燃燒產物。
本發明也關於加熱爐子的方法，舉例來說在蓄熱器修護的期間。等爐子經過長時間運轉之後，該蓄熱器中的熱傳遞填料或檢驗設備可能被該玻璃窯凝結的揮發物阻塞或劣化。當為了要修護該蓄熱器而停頓空氣燃料埠時該爐子仍然必需得加熱。較佳提供足夠的熱以供維持玻璃生產。
此方法也可用以延長爐子的壽命而不需修護該劣化的蓄熱器或提高現行爐子的生產速率。
在修護蓄熱器時加熱爐子的方法中可使用上述燃燒器，以延長該爐子的壽命而不需修護該蓄熱器及/或提高現行爐子的生產速率。
加熱爐子的方法包含阻斷空氣流至該埠；終止燃燒流至與該埠相關聯的空氣燃料燃燒器；設立上述燃燒器使得該燃燒器穿過該蓄熱器埠頸部並且進入該埠；使冷卻劑通過該第一冷卻流體外套；透過該第一氧化劑導管將第一氧化劑氣體引入該爐子；及透過該燃料導管將先前空氣燃料運轉期間所用的燃料或不同燃料引入該爐子。
該方法也包含利用該第一氧化劑氣體燃燒所選用的燃料以形成燃燒產物；及透過排氣管從該爐子燃燒艙取出該等燃燒產物。
在蓄熱器修護的期間，必需停止穿過該蓄熱器檢驗設備組件的部分的空氣使得該劣化的檢驗設備能被移除並且設立替代檢驗設備。該蓄熱器可為開放箱設計或分成數格的設計。空氣流動可在該蓄熱器的底部處加以阻斷或阻擋。適宜地也可在該蓄熱器埠的上游端阻斷或阻擋空氣流動。
該蓄熱器埠頸部可被切削或修改以提供用於設立該燃燒器的洞孔。該蓄熱器埠頸部中的洞孔可以在圖2所示的蓄熱器埠頸部的底部或基部。該洞孔也可切入該蓄熱器埠頸部的任意側或該蓄熱器埠頸部的拱頂或頂部。
該燃燒器可被設立成使該燃燒器穿過該蓄熱器埠頸部並且進入該埠。該第一氧化劑導管的第二部位的出口端離任何埠頸部壁的距離及該燃料導管的第二部位的出口端離任何埠頸部壁的距離可藉由該安裝板95的位置來設定。
一般冷卻劑，較佳水，會在該燃燒器設立於該蓄熱器埠頸部內的期間通過該第一冷卻流體外套以預防該燃燒器設立時過熱。
一旦設立之後，第一氧化劑氣體將會透過該第一氧化劑導管導入該爐子而且燃料將會透過該燃料導管導入該爐子。該燃料可與先前空氣燃料運轉的燃料相同，或是必要的話可使用不同燃料。該燃料可為天然氣。
該方法可另外包含透過第二氧化劑導管將該第一氧化劑氣體或第二氧化劑氣體引入該爐子。
該方法可另外包含透過該蓄熱器埠引入大量空氣。該空氣可穿過該蓄熱器進來或來自另一來源。如此引入的空氣具有至少三種有益的作用。首先，其洗淨煙道氣和微粒再循環的埠，藉此使該埠內的腐蝕及累積的微粒最少化。其次其給火焰添加動量。最後其能減少流至該燃燒器的氧化劑，接著降低運轉成本並且減緩該燃燒器噴嘴附近的燃燒速率。較慢的燃燒速率一般將擴大並且加強火焰的光亮區，藉以增加輻射熱傳作用。該燃燒器至多25%的化學計量的氧需求可經由穿過該埠的空氣流動來供應。部分氧需求係藉由穿過該埠的空氣提供，供流至該燃燒器的燃料完全燃燒所需的95%至約75%那麼少的化學計量氧化劑可藉由該第一氧化劑氣體及/或該第二氧化劑氣體來提供。
該蓄熱器可在那時被修護，同時該燃燒器的運轉提供熱給該爐子並且持續進行玻璃生產。
要不然該爐子可依此模式持續操作而不需修護該蓄熱器直到該爐子活動結束。
關於該燃燒器的參數範圍的一些限制由蓄熱式玻璃窯的燃燒器和埠的幾何形狀(亦即，可用空間)考量決定。為了有助於決定這些範圍的其他限制，依下列實施例所述的方式應用計算流體動力學(CFD)模型化。
實施例
利用CFD模型化分離並且檢查設計和操作參數對於燃燒器流體機械和熱現象的影響。圖1中舉例說明的燃燒器和相關聯的第二氧化劑用作基礎模型化組態。表1中提供在致力於模型化的期間產生變化的參數，及其分別的範圍。注意儘管該分級的氧化劑流量，也就是(第一加第二)氧化劑流量總共的百分比，不是該燃燒器的設計參數，但是文中仍將其包括在內，因為其在此實施例內的變化有助於進一步強調其他參數的影響。假設該燃料為天然氣，以其仿製100%甲烷。
為求實用的緣故，僅呈現最顯著的CFD結果。
藉由該第一氧化劑和燃料面流量截面積比的最大值進行燃燒器無因次長度，L/D，的變化(參見表1)。圖6至9中總結出結果。
舉例來說，圖6中舉例說明L/D對尖峰火焰溫度的影響。注意儘管關於該20%分級案例的趨勢顯示當L/D降低時溫度逐漸且相當小幅提高，但是就80%氧化劑來看當L/D從2.7降至1.4時關於該80%分級案例的尖峰火焰溫度提高將近100 K，接著當L/D進一步降至0.8時下降。因為就介於0.8至2.7的L/D來看該尖峰火焰溫度提高少於100 K，而且大於2.7的L/D可能具有又更低的尖峰火焰溫度，所以適合0.8至7的L/D。該燃燒器可在超出0.8至7的L/D範圍運轉。
圖7中給予涉及80%分級的案例之火焰溫度較緊密的檢視，其比較L/D等於0.8、1.4及2.7的火焰溫度分佈。首先要注意的是全部三個案例的尖峰溫度均發生在相當接近該燃燒器噴嘴；因而，該尖峰值的偏離可能將該燃燒器金屬暴露於高溫損壞的情況。再者，就L/D等於1.4及2.7來看，該火焰溫度最初提高，在離該噴嘴出口將近0.5 m的距離達到尖峰值。然而，就L/D等於0.8來看，該尖峰溫度發生在離該噴嘴出口小於0.2 m的距離，因此進一步提高該噴嘴過熱的風險。另外也令人感興趣的是關於L/D等於0.8的案例該火焰溫度在達到尖峰之後立即下限，達到局部最小值，其比另外兩個案例發生的溫度低150與200K之間。這些特徵暗示在L/D等於1.4與0.8之間發生比L/D等於2.7和1.4發生更極端的火焰性質偏移。
關於火焰性質偏移的解釋分別從圖8a和8b中所提供該L/D等於1.4和0.8案例的噴嘴出口速度剖面圖來推斷。特別是，儘管對於該二案例該燃料/第一氧化劑混合物的路徑基本上維持不變，但是當L/D變化時第二氧化劑的路徑明顯改變。也就是說，就L/D等於1.4來看，該第二氧化劑途徑基本上平行於該第一氧化劑/燃料流。然而，當L/D降至0.8時，該分級的氧化劑流動，在該第二氧化劑噴嘴內沒有充分的發展長度，朝主火向上彎將近4度。這導致該火焰與第二氧化劑之間的迅速收歛，當其與較大量的第二氧化劑(全部氧化劑的80%當作分級的氧化劑)結合時，在該燃燒器尖端附近產生加速混合，造成該尖峰溫度位置更靠近該噴嘴而且隨後的最低溫度變得比其他案例更低。這些發現的實際作用為當該燃燒器包含第二氧化劑導管時，L/D的最小值應該大於或等於1.4。然而，因為該燃料/第一氧化劑流的特性不大受到從L/D等於1.4變成0.8所影響，所以當該燃燒器不包含該第二氧化劑導管時，L/D的最小值應該大於或等於0.8。
L/D對於火焰長度的影響，在圖9中舉例說明，將強化圖6至8所描述的結論。此圖形顯示為何L/D降低導致該火焰縮短，或許由於該燃燒器和分級噴管噴嘴內的反應物速度剖面圖的發展不充分而導致加速混合。關於該80%氧化劑分級的案例L/D介於1.4與0.8之間的火焰縮短效應特別猛烈而且可再度歸因於前述主要和次要噴嘴流動之間的迅速收歛。
藉由0.8和1.4的燃燒器無因次長度，L/D，進行該第一氧化劑面積比的變化。據顯示尖峰火焰溫度對於第一氧化劑面積比敏感。圖10顯示關於L/D等於1.4及20%和80%氧化劑分級以該尖峰溫度當作的函數。當該面積比從1.9降至1.0時，80%分級發生190 K的尖峰溫度提高，然而20%分級發生230 K的尖峰溫度提高。關於後面的案例，當從1.3降至1.0時該尖峰溫度提高變陡峭。關於圖11中L/D等於0.8的案例呈現類似的結果。如圖10，當降至低於1.3時該尖峰溫度急遽提高。對於所有案例最高的尖峰火焰溫度在等於1.0時達到在2600至2650 K範圍中的值。
圖12中呈現其他比較關於等於1.0和1.9的情況該80%分級案例的火焰溫度分佈的細項。關於二案例的溫度分佈再度顯示在該燃燒器出口附近的特徵峰值。注意無論如何該尖峰的位置都會從等於1.9時離該燃燒器噴嘴將近0.4 m的距離偏移至等於1.0離該噴嘴將近0.2 m。因為其係界定噴嘴過熱的相對風險的尖峰溫度和尖峰位置的組合，所以結論為應該避免小於1.3的值。
變化該氧化劑面積比的效應改變火焰性所憑藉的機構為透過該第一氧化劑出口速度剖面圖。也就是說，降低該比例將提高該燃燒器噴嘴出口處的第一氧化劑流動的分配不當，藉以產生會提高尖峰火焰溫度且縮短火焰長度的過度紊亂和剪切力。一個測定速度分配不當的量的方式為算出速度偏差，其係定義為由該截面的平均值所得的局部速度的標準偏差。依本發明的方式定義，較高的速度偏差相當於較大程度的不均勻性，導致燃料與第一氧化劑之間所不欲的較高混合速率。表2中列舉對應於該第一氧化劑面積比等於1.0、1.3及1.9；L/D等於1.4；20%分級的速度偏差。偏差的大小，正規化成平均截面速度百分比，指示當該面積比從1.9降至1.0時該第一氧化劑不均勻性變兩倍。再者，與從1.3降至1.0時相當大幅的提高相比，其顯示當從1.9降至1.3時速度偏差相對小量的提高，其進一步指示必需維持在等於或高於1.3的第一氧化劑面積比。
關於該燃料面積比，，將此參數降至1.9至1.0的範圍像改變該第一氧化劑面積比(至相同範圍)一樣對於尖峰火焰溫度具有定性上類似的效應。然而，此效應的大小較小。舉例來說，關於L/D等於0.8，燃料面積比從1.9降至1.0使尖峰火焰溫度產生70 K的提高，而由第一氧化劑面積比相同的降幅所產生火焰溫度提高為250 K(參見圖11)。
比起對於該第一氧化劑面積比的敏感性，該火焰特性對於燃料噴嘴面積比的較低敏感性可追溯到事實上該燃料噴嘴出口速度剖面圖並不像該第一氧化劑出口速度剖面圖一樣對於面積比變化那麼敏感。如表3中的文件附記的，在燃料面積比。等於1.0和1.9的噴嘴出口處之燃料速度偏差小於關於該第一氧化劑的同等值(參見表2)的一半。小於1.0的燃料面積比並非所欲，因為其傾向於不穩定的流動分離效應。因而，以CFD模型化為基礎，任何高於或等於1.0的燃料噴嘴面積比，，在此發明中均可接受。然而，在實驗室原型測試的期間所做的火焰性質測量及觀察指示透過高於1.37的燃料面積比的應用，另外藉由圖3中舉例說明的凹狀至凸狀的輪廓將進一步改善燃燒器效能。
該第二氧化劑導管的流動截面積比例，，強烈影響離開該噴嘴的第二氧化劑速度分佈，其接著會同時影響該燃燒器系統的效能及持久性。關於本發明感興趣的條件，1.0==1.55，CFD模型化結果證實對於速度分佈的強大影響。圖13顯示當該面積比，，降至低於將近1.25的數值時該第二氧化劑的速度偏差將急遽地提高，如該曲線中提高的斜率所示。儘管此等結果暗示對於燃燒效能的影響在此範圍內較小，但是該噴嘴出口速度剖面圖在面積比低於此臨界值時的崩潰導致非常低的出口速度區，該等非常低的出口速度區傾向不穩定而會導致分離或逆向流動。這將提高噴嘴腐蝕及阻塞的風險，而且可能導致需要更頻繁的維護及較高的故障率。就其本身而論，關於本發明的第二氧化劑噴嘴的最小可接受面積比為1.25。
Afi ‧‧‧入口段截面積
Afo ‧‧‧出口段截面積
Ai ‧‧‧入口段截面積
Ao ‧‧‧出口段截面積
Ani ‧‧‧入口截面積
Ano ‧‧‧出口截面積
α‧‧‧彎曲部位的彎角
β‧‧‧彎曲部位的彎角
D‧‧‧第一冷卻流體外套外當量直徑
W‧‧‧噴嘴出口寬度
H‧‧‧噴嘴出口高度
L‧‧‧第一冷卻流體外套長度
1‧‧‧燃燒器
10‧‧‧第一冷卻流體外套
13‧‧‧第一冷卻流體外套的出口
11‧‧‧第一冷卻流體外套的入口
20‧‧‧第一氧化劑導管
21．．．用於接收氧化劑氣體的入口
22．．．第二部位流動軸
23．．．第一部位
25．．．彎曲部位
27．．．第二部位
29．．．第二部位出口端
40．．．燃料導管
41．．．用於接收燃料的入口
42．．．第二部位流動軸
43．．．第一部位
45．．．彎曲部位
47．．．第二部位
49．．．第二部位出口端
50．．．氧化劑通道
51．．．入口段
53．．．過渡段
55．．．出口段
60．．．燃料通道
61．．．入口段
63．．．過渡段
65．．．出口段
70．．．第二冷卻流體外套
71．．．入口
73．．．出口
80．．．第二氧化劑導管
81．．．入口
82．．．第二部位流動軸
83．．．第一部位
85．．．彎曲部位
87．．．第二部位
88．．．噴嘴入口
89．．．噴嘴出口
90．．．埠下氧化劑分級噴管
91．．．入口
95．．．安裝板
100．．．爐子
101．．．燃燒器
105．．．蓄熱器埠頸部
110．．．埠
115．．．埠開口
120．．．爐壁
125．．．蓄熱器
135．．．爐子燃燒艙
圖1顯示具有任意的埠中氧化劑分級噴管的穿埠燃燒器。
圖2顯示被設立於具有埠下氧化劑分級噴管的爐子的蓄熱器埠頸部中之穿埠燃燒器。
圖3顯示該第一氧化劑導管與該燃料導管的排放端的放大示意圖。
圖4顯示埠下氧化劑分級噴管的排放端的放大示意圖。
圖5為把正規化熱通量當作離測試爐中的燃燒器噴嘴的距離的函數之圖形。
圖6為顯示以尖峰火焰溫度當作無因次噴嘴長度的函數之模型化結果的圖形。
圖7為顯示以火焰溫度當作離該燃燒器噴嘴出口的距離的函數之模型化結果的圖形。
圖8a為源於模型化結果的速度大小等高線圖。
圖8b為源於模型化結果的速度大小等高線圖。
圖9為顯示以火焰長度當作無因次噴嘴長度的函數之模型化結果的圖形。
圖10為顯示以溫度當作氧通行面積比的函數之模型化結果的圖形。
圖11為顯示以溫度當作氧通行面積比的函數之模型化結果的圖形。
圖12為顯示以火焰長度當作離該燃燒器噴嘴出口的距離的函數之模型化結果的圖形。
圖13為顯示以第二氧化劑速度偏差當作第二氧化劑通道面積比的函數之模型化結果的圖形。
α‧‧‧彎曲部位的彎角
β‧‧‧彎曲部位的彎角
D‧‧‧第一冷卻流體外套外當量直徑
1‧‧‧燃燒器
L‧‧‧第一冷卻流體外套長度
10‧‧‧第一冷卻流體外套
11‧‧‧第一冷卻流體外套的入口
13‧‧‧第一冷卻流體外套的出口
20‧‧‧第一氧化劑導管
21‧‧‧用於接收氧化劑氣體的入口
22‧‧‧第二部位流動軸
23‧‧‧第一部位
25‧‧‧彎曲部位
27‧‧‧第二部位
29‧‧‧第二部位出口端
40‧‧‧燃料導管
41‧‧‧用於接收燃料的入口
42‧‧‧第二部位流動軸
43‧‧‧第一部位
45‧‧‧彎曲部位
47‧‧‧第二部位
49‧‧‧第二部位出口端
50‧‧‧氧化劑通道
51‧‧‧入口段
53‧‧‧過渡段
55‧‧‧出口段
60‧‧‧燃料通道
61‧‧‧入口段
63‧‧‧過渡段
65‧‧‧出口段
70‧‧‧第二冷卻流體外套
71‧‧‧入口
73‧‧‧出口
80‧‧‧第二氧化劑導管
81‧‧‧入口
82‧‧‧第二部位流動軸
83‧‧‧第一部位
85‧‧‧彎曲部位
87‧‧‧第二部位
88‧‧‧噴嘴入口
89‧‧‧噴嘴出口

Claims (27)

  1. 一種燃燒器，其包含：一第一冷卻流體外套，其具有外當量直徑，D；一第一氧化劑導管，其與該第一冷卻流體外套呈固定間隔關係而且大體上同心地配置於其內，該第一氧化劑導管具有：入口；在該第一氧化劑導管的入口下游的第一部位；在該第一氧化劑導管的第一部位下游的彎曲部位，該第一氧化劑導管的彎曲部位具有45°至120°的彎角，α，及；在該第一氧化劑導管的彎曲部位下游的第二部位，該第一氧化劑導管的第二部位在出口端形成末端並且具有一流動軸及長度，L；以及一燃料導管，其具有：入口；在該燃料導管的入口下游的第一部位，其中該燃料導管的第一部位與該第一氧化劑導管的第一部位呈固定間隔關係而且大體上同心地配置於其內；彎曲部位，其中該燃料導管的彎曲部位與該第一氧化劑導管的彎曲部位呈固定間隔關係而且大體上同心地配置於其內；及在出口端形成末端並且具有一流動軸的第二部位，其中該燃料導管的第二部位與該第一氧化劑導管的第二部位呈固定間隔關係而且大體上同心地配置於其內，藉以界定該燃料導管的第二部位與該第一氧化劑導管的第二部位之間的氧化劑通道；其中該氧化劑通道具有入口段、在該入口段下游的過渡段及在該該過渡段下游的出口段，其中該入口段具有一截面積，Ai ，該出口段具有一截面積，Ao ，及其中及。
  2. 如申請專利範圍第1項之燃燒器，其中該燃料導管的第二部位界定一燃料通道，其中該燃料通道具有入口段、在該入口段下游的過渡段及在該該過渡段下游的出口段，其中該燃料導管的第二部位的入口段具有一截面積，Afi ，及該燃料導管的第二部位的出口段具有一截面積，Afo ，其中
  3. 如申請專利範圍第1項之燃燒器，其中該燃料導管的第二部位界定一燃料通道，其中該燃料通道具有入口段、在該入口段下游的過渡段及在該該過渡段下游的出口段，其中該燃料導管的第二部位的入口段具有一截面積，Afi ，及該燃料導管的第二部位的出口段具有一截面積，Afo ，其中
  4. 如申請專利範圍第2或3項之燃燒器，其中該燃料導管的第二部位具有在該燃料通道的過渡段中的凹狀內表面及凸狀內表面，其中該燃料導管的凸狀內表面在該燃料導管的凹狀內表面的下游。
  5. 如申請專利範圍第1項之燃燒器，其中該第一氧化劑導管的第二部位的出口端從該燃料導管的第二部位突出0.2cm至3cm。
  6. 如申請專利範圍第1項之燃燒器，其另外包含：一任意的冷卻流體外套；以及一第二氧化劑導管，其與該第一冷卻流體外套及該第二冷卻流體外套之至少其一呈固定間隔關係而且大體上同心地配置於其內，該第二氧化劑導管具有：入口；在該第二氧化劑導管的入口下游的第一部位；在該第二氧化劑導管的第一部位下游的彎曲部位，該第二氧化劑導管的彎曲部位具有一彎角，β，該彎角β在該彎角α的15°範圍以內；及在該第二氧化劑導管的彎曲部位下游的第二部位，該第二氧化劑導管的第二部位在噴嘴中形成末端並且具有一流動軸，該第二氧化劑導管的第二部位與該第一氧化劑導管的第二部位呈固定間隔關係； 其中。
  7. 如申請專利範圍第6項之燃燒器，其中該彎角，β係於該彎角，α，的2°範圍以內，而且其中該第二氧化劑導管的第二部位的流動軸實質上平行於該第一氧化劑導管的第二部位的流動軸。
  8. 如申請專利範圍第6項之燃燒器，其中該噴嘴具有一入口及一出口，而且其中該第一氧化劑導管的第二部位的出口端從該第二氧化劑導管的第二部位的噴嘴出口突出0.2cm至3cm。
  9. 如申請專利範圍第6項之燃燒器，其中該第二氧化劑導管的第二部位的噴嘴具有一入口及一出口，而且其中該入口具有圓形截面及一截面積，Ani ，而且該出口具有非圓形截面及一截面積，Ano ，其中該噴嘴的出口具有1.5至5的寬高比。
  10. 如申請專利範圍第9項之燃燒器，其中。
  11. 如申請專利範圍第9項之燃燒器，其中該噴嘴具有一收歛高度及一發散寬度。
  12. 如申請專利範圍第9項之燃燒器，其中該噴嘴的圓形截面與非圓形截面之間具有一凹狀表面轉變。
  13. 如申請專利範圍第1項之燃燒器，其中該第一氧化劑導管的第二部位在該氧化劑通道的過渡段中有一凸狀內表面。
  14. 如申請專利範圍第1項之燃燒器，其中該燃料導管的第二部位在該氧化劑通道的過渡段中有一凹狀外表面。
  15. 如申請專利範圍第6項之燃燒器，其中60°<a<110°而且60°<β<110°。
  16. 如申請專利範圍第1項之燃燒器，其中該第一氧化劑導管的第二部位具有一圓形截面。
  17. 如申請專利範圍第1項之燃燒器，其中該燃料導管的第二部位具有一圓形截面。
  18. 如申請專利範圍第1項之燃燒器，其中該第一氧化劑導管的第二部位的流動軸為直的而且與該燃料導管的第二部位的流動軸實質上平行或實質上重合。
  19. 一種爐子，其包含：一蓄熱器；一爐子燃燒艙；一蓄熱器埠頸部，其將該蓄熱器連至該爐子燃燒艙，該蓄熱器埠頸部在該爐子的壁中界定一埠及一埠開口；及如申請專利範圍第1至18項中任一項之燃燒器，該燃燒器穿過該蓄熱器埠頸部並且進入該埠，把該燃燒器配置成能將燃料及氧化劑導入該爐子燃燒艙。
  20. 如申請專利範圍第19項之爐子，其另外包含：一配置於該爐子燃燒艙下方的熔融槽盆，該熔融槽盆具有把玻璃形成成分引入該熔融槽盆的填充端及從該熔融槽盆取出玻璃產物的排放端；及在該爐子的該壁或另一壁中的排氣埠，其係用於從該爐子燃燒艙抽出燃燒產物。
  21. 一種爐子，其包含：一蓄熱器；一爐子燃燒艙；一蓄熱器埠頸部，其將該蓄熱器連至該爐子燃燒艙，該蓄熱器埠頸部在該爐子的壁中界定一埠及一埠開口；及如申請專利範圍第6項之燃燒器，其中該第一冷卻套、該第一氧化劑導管及該燃料導管穿過該蓄熱器埠頸部並且進入該埠，把該第一氧化劑導管配置成能將氧化劑導入該爐子，把該燃料導管配置成能將燃料導入該爐子，及其中該第二氧化劑導管穿過該爐壁在該埠開口下方的位置，把該第二氧化劑導管配置成能將氧化劑導入該爐子。
  22. 如申請專利範圍第21項之爐子，其另外包含：一配置於該爐子燃燒艙下方的熔融槽盆，該熔融槽盆具有把玻璃形成成分引入該熔融槽盆的填充端及從該熔融槽取出玻璃產物的排放端；及在該爐子的該壁或另一壁中的排氣埠，其係用於從該爐子燃燒艙抽出燃燒產物。
  23. 一種加熱爐子之方法，該爐子具有一將蓄熱器連至爐子燃燒艙蓄熱器埠頸部，該蓄熱器埠頸部在該爐子的壁中界定一埠及一埠開口，該方法包含：阻斷空氣流至該埠；終止一燃料的流至與該埠相關聯的空氣燃料燃燒器；設立申請專利範圍第1至18項中任一項所定義之燃燒器使得該燃燒器穿過該蓄熱器埠頸部並且進入該埠；使冷卻劑通過該第一冷卻流體外套並且，若存在的話，通過該第二冷卻流體外套；透過該第一氧化劑導管將第一氧化劑氣體引入該爐子燃燒艙；透過該燃料導管將該燃料或另一燃料引入該爐子燃燒艙；利用該第一氧化劑氣體燃燒該燃料或另一燃料以形成燃燒產物；及透過排氣管從該爐子燃燒艙取出該燃燒產物。
  24. 如申請專利範圍第23項之方法，其另外包含使空氣持續流經該埠，其量為高於5%至低於或等於25%的經過該燃燒器的該燃料或另一燃料的燃燒所需的化學計量的空氣量。
  25. 如申請專利範圍第24項之方法，其中該第一氧化劑氣體包含28體積%至100體積%的氧。
  26. 如申請專利範圍第24項之方法，其中該燃燒器係藉由申請專利範圍第5至12及18項中任一項予以定義，並且另外包含：透過該第二氧化劑導管將該第一氧化劑氣體或一第二氧化劑氣體導入該爐子燃燒艙。
  27. 如申請專利範圍第26項之方法，其中該第二氧化劑氣體包含28體積%至100體積%的氧。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114761730A (zh) * 2019-12-31 2022-07-15 乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司 用于燃料燃烧的燃烧器及其燃烧方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5147438A (en) * 1991-09-18 1992-09-15 Union Carbide Industrial Gases Technology Corporation Auxiliary oxygen burners technique in glass melting cross-fired regenerative furnaces
TW432183B (en) * 1997-07-01 2001-05-01 Texaco Development Corp Fuel injector nozzle with protective refractory insert
US6582218B1 (en) * 2002-06-11 2003-06-24 Air Products And Chemicals, Inc. Self-cooling oxy-fuel through-port burner for protruding into glass furnace atmosphere
CN2800078Y (zh) * 2005-06-24 2006-07-26 北京航天动力研究所 可燃粉体旋流组合燃烧器
TW200628424A (en) * 2005-01-19 2006-08-16 Shinetsu Chemical Co Manufacturing method of porous glass base material and burner for deposition
TWI265257B (en) * 2002-05-15 2006-11-01 Praxair Technology Inc Combustion with reduced carbon in the ash
CN1902439A (zh) * 2003-11-18 2007-01-24 维特罗环球有限公司 用于玻璃熔化炉中粉碎燃料进料和燃烧的方法和***、以及用于该***的燃烧器
CN101363623A (zh) * 2007-08-06 2009-02-11 国际壳牌研究有限公司 燃烧器

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5147438A (en) * 1991-09-18 1992-09-15 Union Carbide Industrial Gases Technology Corporation Auxiliary oxygen burners technique in glass melting cross-fired regenerative furnaces
TW432183B (en) * 1997-07-01 2001-05-01 Texaco Development Corp Fuel injector nozzle with protective refractory insert
TWI265257B (en) * 2002-05-15 2006-11-01 Praxair Technology Inc Combustion with reduced carbon in the ash
US6582218B1 (en) * 2002-06-11 2003-06-24 Air Products And Chemicals, Inc. Self-cooling oxy-fuel through-port burner for protruding into glass furnace atmosphere
CN1902439A (zh) * 2003-11-18 2007-01-24 维特罗环球有限公司 用于玻璃熔化炉中粉碎燃料进料和燃烧的方法和***、以及用于该***的燃烧器
TW200628424A (en) * 2005-01-19 2006-08-16 Shinetsu Chemical Co Manufacturing method of porous glass base material and burner for deposition
CN2800078Y (zh) * 2005-06-24 2006-07-26 北京航天动力研究所 可燃粉体旋流组合燃烧器
CN101363623A (zh) * 2007-08-06 2009-02-11 国际壳牌研究有限公司 燃烧器

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