低NOX、高率、高温、分级再循环燃烧器和辐射管燃烧系统的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请是2015年9月24日提交的美国申请第14/863563的延续，其要求2014年9月25日提交的美国临时申请第62/055095的权益。上述申请的全部教导通过引用并入本文。

背景技术：

化石燃料的燃烧将排放物引入到大气中，比如氮氧化物(nox)。nox排放源自例如燃烧空气中的氮和煤或燃料油中的燃料结合氮。燃料结合氮转化为nox取决于燃料中的氮化合物的量和反应性以及燃烧区域中的氧的量。燃烧空气中存在的大气氮n2转化为nox取决于温度；燃烧区域的火焰温度越高，则排放物中所产生的nox含量就越大。减少nox含量的一种方法是产生富燃料的燃烧区域，然后是贫燃料燃烧区域，这可以通过将空气分级引入燃烧室来实现。再循环燃料气体进入火焰是另一种限制nox排放的技术。

技术实现要素：

本发明的实施例包括提供高效率、低nox和co排放以及均匀温度特性的高温分级再循环燃烧器和辐射管燃烧器组件。一个这样的分级再循环燃烧器包括具有形成用于燃烧气体和燃烧产物的相对的螺旋通路的内外螺旋翅片的燃烧管、联接到燃烧管的燃烧喷嘴、轴向延伸到燃烧管中的气体管、以及联接到气体管的分级气体喷嘴，其中分级气体喷嘴包括进入燃烧管的径向出口孔和延伸到燃烧喷嘴中以分级燃烧的轴向气体分级管。

这种分级再循环燃烧器的一些实施例可以包括作为燃烧管的一部分的陶瓷壁，其分离燃烧气体的流动和燃烧产物的流动，其中燃烧气体和燃烧产物的流动方向是相反的。在许多实施例中，燃烧管可以由碳化硅制成，和/或燃烧喷嘴是锥形燃烧喷嘴。

分级再循环燃烧器还可以包括联接到燃烧管的热交换器，其使用来自燃烧管的燃烧产物来加热提供给燃烧管的燃烧气体。在这样的实施例中，燃烧管和热交换器可以通过专门的碳化硅螺纹连接，从而允许燃烧管是可调节的。燃烧器的气体管可以延伸穿过热交换器的中心轴线并进入燃烧管。

在一些实施例中，分级气体喷嘴将气体径向喷射到流过燃烧管的预热空气的螺旋流中，并且在这种实施例中，分级气体喷嘴可以仅喷射一部分气体通过分级气体喷嘴的径向孔，从而产生基本上倾斜的气体混合物，以抑制燃烧产物的温度，并且喷射剩余气体通过轴向气体分级管。

示例性辐射管燃烧器组件包括如上所述的分级再循环燃烧器、联接到燃烧器的外辐射管、同心地位于外辐射管内的内再循环管，其中外辐射管和内再循环管形成位于内外辐射管之间的环形空间，且转动叶片间隔件位于外辐射管内，并且位于内在循环管的远端和外辐射管的远端之间，以使燃烧产物流过外辐射管和内再循环管之间的环形空间。

附图说明

从以下附图中所示的本发明的示例性实施例的更具体的描述中，前述内容将是显而易见的，其中相同的附图标记在不同的视图中指的是相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的实施例上。

图1是示出根据本发明的示例性实施例的单端辐射(ser)管燃烧器组件的示意图。

图2是示出根据本发明的示例性实施例的燃烧器组件的示意图。

图3是示出根据本发明的示例性实施例的燃烧空气热交换器入口的示意图。

图4是示出根据本发明的示例性实施例的热交换表面的示意图。

图5是示出根据本发明的示例性实施例的气体管/气体喷嘴组件的示意图。

具体实施方式

下面描述本发明的示例性实施例。

分级再循环燃烧器和辐射管燃烧器系统的结构

图1中示出了组装在常规热处理炉的室内的自回热(recuperative)单端辐射管燃烧器系统的示例性实施例。图1中示出了炉的一个壁20，通常由外侧被金属表皮22覆盖的耐火材料21制成。自回热单端辐射管燃烧器系统包括设置在炉室内的细长(外)辐射管23，其由碳化硅、金属或其他合适的耐热材料制成。外辐射管23延伸穿过炉中的空腔25，外管的下游端如24所示封闭。外辐射管23包括外凸缘26，外凸缘26固定在炉外壁上的炉安装凸缘14中并且可以使用将燃烧器组件30安装到炉的排气壳体凸缘28固定到位。燃烧器组件30固定到辐射管23并部分地设置在其中，以产生高速高温火焰，以适当地加热炉。由碳化硅制成的内辐射管27同心地组装在外辐射管23内。内辐射管27通过使用间隔件(转动叶片)29适当地定位成远离外管23的下游(远端)(例如三英寸)。内管27的长度是炉特定的，但入口面31是与内炉耐火壁20重合的。同样，燃烧器组件30的出口部件(即燃烧喷嘴32)也平行于耐火壁20的内壁和内辐射管31的表面。

参考图2，可以存在多个部件，例如包括示例性的分级再循环燃烧器组件30：入口壳体34、气体管37、排气壳体43、热交换器42(例如在美国专利第8162040号中公开的热交换器)、气体喷嘴51和燃烧管47。燃烧空气由管道引导，经由孔36进入燃烧器入口壳体34，并与鼓风机(未示出)或其他用于产生强制燃烧空气的流动的装置连通。与细长气体管道37连通的燃料供应管线35还连接到燃烧器入口壳体34。

气体管37通过热交换器42向下游延伸穿过组件的中心轴线并进入燃烧管47，在其中它支撑气体喷嘴51。入口壳体34和气体喷嘴51可以专门设计成以这样的方式连通：火花塞19和火焰传感器18(图1)可以放置在气体管37的内部。如图5所示，火花塞19可以经由51b延伸穿过气体喷嘴51，并且电极可以放置在51b下游的约一英寸处，以点燃从其排出的燃料/空气混合物。连接到指示器的火焰传感器18可以经由51c延伸穿过气体喷嘴51，并且可以位于下游约三英寸处。火焰传感器18检测到火焰的存在，并且通过适当的指示来表示火焰何时熄灭。气体管37可以由1.5"工艺80不锈钢管制成，以便承受暴露于下游燃烧本身产生的高温以及通过燃烧管47和热交换器42回热燃烧气体。气体喷嘴51可以由碳化硅制成以提供对高温环境暴露的增强并且允许天然气的稳定和一致的输送。气体喷嘴51可以组装到气体管37中并使用固定螺钉(例如三个将隔开120度的固定螺钉37a)固定，如图3所示。由气体管37的内径和气体喷嘴51的外径产生的小间隙37b可以使用陶瓷油灰密封，确保没有气体流过间隙空间。

一旦燃烧空气通过入口端口36进入入口壳体34，它就会填充气体管37周围的空隙38(图2)。燃烧器入口壳体34和热交换器间隔件凸缘40之间的垫圈39将燃烧空气密封到该空隙中，并且迫使空气进入热交换器42的导入口部分(例如约三英寸长)，其中空气开始卷入形成圆角矩形通道的单个端口中。在一些示例性实施例中，可以有六个单独的端口。图3示出了热交换器42的示例性入口。

热交换器42可以在燃烧器入口壳体34和排气壳体43(例如，热交换器凸缘同心插入的入口)之间通过间隔件凸缘40的压缩而保持就位。排气壳体43内衬有高温绝缘套筒44，其填充排气壳体43的内径和热交换器42的外径之间的空间。该绝热件用作热交换器42和排气壳体的物理结构之间的阻挡件，使温度保持足够低以使其例如由普通的低碳钢制成。

绝缘套筒44锁定在由螺旋热交换器空气通道42d产生的外表面的螺旋环形空间42e(图4)中。燃烧空气以每圈约0.8英寸的速度轴向和螺旋形地通过达7英寸，例如通过圆角矩形通道。例如，在通过约九圈之后，所有的空气在热交换器42和燃烧管47之间的过渡中的42b(图2)处结合，燃烧管47例如可以是约3.25英寸长。

热交换器42和燃烧管47可以通过专用的碳化硅螺纹47a连接(图2)。热交换器42可以具有特殊的母螺纹，而燃烧管47可以具有特殊的公螺纹。该连接允许热交换器为标准长度，并且根据炉应用来调节燃烧管以适应。一旦燃烧空气进入燃烧管47，它就进入由气体管的外径50(图2)、燃烧管47(图2)的内径和螺旋翅片通路的内径47b产生的另一螺旋环形空间，其以例如每圈约1.67英寸的速度轴向向下游延伸，并且在燃烧喷嘴32处结束。例如，随着燃烧空气轴向和径向地移动5圈，空气被带入穿过分级气体喷嘴51，其中天然气通过例如周向定位约45度间隔开的八个小孔51a(图5)喷射到燃烧空气中。然后，气体/空气混合物继续以每圈1.67英寸的速度轴向和径向地运动，例如在进入燃烧喷嘴32之前约两个全圈。同时，分级气体延伸管51d(图5)将离心空气和气体混合物下游的气体喷射到燃烧喷嘴32中并进入内辐射管27以有意地分级燃烧。径向孔与轴向孔的横截面积比范围为1:1至10:1，使得径向排出的气体的量在总气体的50％至90％之间。

气体/空气混合物然后进入燃烧管47的出口端，并且通过锥形渐缩管32送出，其被设计成当孔32a将火焰引向内辐射管27(图1)时增加火焰的速度。在内辐射管27内部完成燃烧，并且燃烧的热产物沿着管向下流向外管24的下游端，其中热气体被转动180度并被强制沿朝向内辐射管31的第一端的相反方向流动通过外辐射管23和内辐射管27之间的环形间隙。作为在内辐射管31的第一端附近的燃烧产物，由锥形渐缩管产生的高速火焰夹带一些使再循环回到正在进行的燃烧中的气体。

热交换器42和燃烧管47中的两个螺旋插入件都可以由碳化硅构成。螺旋流体通道设计增加了两个热交换表面的外陶瓷壁的传导热传递表面积。碳化硅组合物的优点在于，当经受显著的温度变化时，两个部件的热膨胀比如果由其他材料生产时更小。这还增强了螺旋热交换器与燃烧器系统的其余部分匹配和联接的能力，减少了在高温操作条件下可能与部件间联接相关的热致应力。

当发热产物离开环形空间时，发热产物的一部分再循环，而大部分进入由外辐射管23的内径15(图1)、燃烧管47的外径16以及沿着燃烧管47的长度延伸朝向排气壳体43的螺旋翅片(例如每圈1.67英寸)通路产生的环形通道。该螺旋翅片通路47b的横截面示于图2，作为位于燃烧管47内侧上的翅片的延伸；因此依次在燃烧管的两侧上设置流体路径，以通过分离流体的陶瓷壁进行传导热传递。由内外翅片燃烧管47产生的增加的热传递表面积使烟道气体的排气温度足够降低，使得高效热交换器42可以安装到单端辐射管燃烧器系统的外部(排气壳体44)中，保持温度足够低以使其能够由例如普通的低碳钢制成。

随着燃烧产物离开由燃烧管47产生的第一回热部分，产物转移到排气壳体43中，其中产物进入由热交换器42、螺旋燃烧空气通道42d和绝缘套筒44(图2)形成的螺旋间隙42e(图4)。燃烧气体穿过约0.8英寸每圈的环形间隙，例如达热交换器的整个轴向长度，并且最终经由排气壳体出口33(图1)离开燃烧器系统。排气壳体出口33处的热交换流体的温度使得否则将损失到大气的热量已经被转移到燃烧空气中，将其加热到1050°f和1250°f之间的温度，并且显著改善自回热单端辐射管燃烧器系统的效率。

上述示例性特征包括在内外部上带有螺旋翅片的燃烧管，形成螺旋翅片通路(例如其可以以每圈1.67英寸延伸)，依次设定燃烧空气(内部)和燃烧热产物(外部)的流体路径，以通过分离流体的陶瓷壁进行传导热传递。由内外翅片燃烧管产生的增加的热传递表面积使烟道气体的排气温度足够降低，使得高效热交换器可以安装到单端回热(ser)燃烧器的外部(排气壳体)中，保持温度足够低以允许排气壳体例如由普通的低碳钢制成。内部螺旋翅片还可以随着天然气通过气体喷嘴分散到已经旋转的燃烧空气中来提供改进的混合特性，气体喷嘴在策略上位于燃烧喷嘴的下游。当气体/空气混合物通过锥形渐缩管(燃烧喷嘴)加速并且火焰被点燃时，改进的混合物导致燃烧损失的降低。

另一个示例性特征包括燃烧管和热交换器的特定选择和组装。碳化硅组合物的优点在于，当经受显著的温度变化时，燃烧管和热交换器的热膨胀比如果由其他材料生产时更小。这还增强了螺旋热交换器与燃烧器系统的其余部分匹配和联接的能力，减少了在高温操作条件下可能与部件间联接相关的热致应力。燃烧管和热交换器可以通过专门的碳化硅螺纹连接，其中热交换器具有特殊的母螺纹，燃烧管具有相应的公螺纹。这种螺纹允许热交换器是标准长度，并且燃烧管长度被调节用于特定的炉应用。

另一个示例性特征包括用于独特的通道取向的热交换器。燃烧空气可以被引入到导入部分中的各个端口(例如六个端口)中，其形成圆角矩形通道，例如以约0.8英寸每圈使燃烧空气轴向和螺旋地穿过。短周期和螺旋结构的组合大大增加了热传递表面积，并允许进入的燃烧空气和出料的燃烧产物之间的最大热传递。热交换器可以在不需要规定超大鼓风机或膨胀方法的情况下运行，从而以增加的速率产生强制的空气，以克服由通道设计引起的压降。

另一个示例性特征包括通过气体管喷嘴的碳化硅轴向管。碳化硅提供增强的暴露于高温环境，具有最小的热膨胀，允许稳定和一致地分散天然气。喷嘴中的径向孔将气体喷射到预热燃烧空气的螺旋流中，从而增加混合特性，导致燃烧损失降低。轴向孔允许火花和火焰杆位于燃气管内部并插入燃烧点。通过气体管喷嘴的轴向管允许气体在离心空气和气体混合物之前轴向流入下游燃烧喷嘴并进入内辐射管以有意地分级燃烧。

所公开的示例性实施例提供了优于现有系统的优点，例如增加的效率、燃烧管的更可定制的长度、高于平均值的热点(hsoa)的均匀性小于50华氏度(其在使用合金外管时提供对负载更均匀的加热和更长的管寿命)、nox排放小于240ppm和co排放在3％氧气下在所有火速率下小于10ppm、以及可选择的全陶瓷设计(例如气体喷嘴、内管、外管、热交换器和燃烧管)，这可以实现高温应用，并降低对现有合金和陶瓷单端回热(ser)燃烧器的维护周期。

分级再循环燃烧器和辐射管燃烧器系统的操作

如上所述，示例性特定实施例可以包括如图2所示的气体管37、排气壳体43、预热流渐缩管42a、排气绝缘套筒44、螺纹燃烧管接头47a、内外翅片燃烧管47、分级气体喷嘴51、燃烧喷嘴32、定心间隔件29、空气/气体入口壳体34、空气入口36、气体入口35，气体分级管10和热交换器42。这种分级再循环燃烧器可以在辐射管燃烧系统中操作，辐射管燃烧系统可以包括如图1所示的内炉壁20、炉耐火材料21、外耐火壁/外壳22、外辐射管23、外辐射管帽和支撑件24、耐火炉开口25、外辐射管凸缘26、支撑凸缘14、内再循环管27、火焰杆18和点火器19。

作为操作的示例，气体燃料进入气体入口35和空气/气体入口壳体34，空气以例如约5:1和15:1之间的空气与气体比进入空气/气体入口壳体34的空气入口36，其足以在点燃时产生火焰和燃烧产物。气体燃料沿着气体管37向下行进，在那里它进入分级气体喷嘴51，其可以包括径向出口孔和轴向气体分级管10。径向孔与轴向管的横截面积比例如可以为1:1至10:1，使得径向排出的气体的量在总气体的50％至90％之间。与气体燃料同时，空气进入热交换器42的流体入口和热交换器42的内部螺旋通道，其可以具有基本上矩形的横截面。空气从螺旋通道的外壁接收能量，并且在其作为预热的空气离开热交换器42的螺旋通道之前被预热到大于400摄氏度的温度，然后流入预热渐缩管42b。螺旋通道的外壁从流过周围流体路径的发热产物接收能量，外部螺旋通道通过外壁形成大致矩形横截面的流体路径。随着能量传递到外壁并进一步传递到流过热交换器42的空气，发热产物被冷却。发热产物通过排气壳体43排出。排气壳体43包含排气绝缘套筒44，这使得损失到大气中的热量最小化，使得最大量的热量可以传递到外部螺旋壁，从而传递到空气。

预热的空气进入附接到内外翅片燃烧管47的预热流渐缩管，该燃烧管本身可以通过螺纹陶瓷燃烧管接头47a附接到预热流渐缩管。在内外翅片燃烧管47中，预热的空气通过在内外翅片燃烧管47的外部上流动的发热产物被进一步加热至超过500摄氏度的高度预热的空气温度，该燃烧管含有一个或多个螺旋翅片。内外翅片燃烧管将发热产物冷却，这里外辐射管23和外辐射管凸缘26可以安装在台阶凸缘14和排气壳体43凸缘之间而不使用异常高温材料。

高度预热的空气以螺旋流动路径离开内外翅片燃烧管47的翅片，其中分级气体喷嘴51定位成将气体径向喷射到高度预热的空气的螺旋流中。分级气体喷嘴51及其径向孔的位置使得空气和气体的混合物被适当地混合以形成可由点火器19的尖端点燃的混合物，并且流入燃烧喷嘴32中并进一步在其中燃烧，其例如通过高温陶瓷螺纹连接附接到内外翅片燃烧管47。不是所有的气体都通过分级气体喷嘴51的径向孔喷射。点燃的混合物基本上是稀的，以抑制发热产物的温度，这抑制了氮氧化物的形成。发热产物以这样的速度离开燃烧喷嘴32，该速度足以夹带流过由内再循环管27和外辐射管23形成的环形空间并进一步流过形成在燃烧喷嘴出口32a与内再循环管27的内部之间的开口的发热产物。发热产物处于足够低的温度，使得离开燃烧喷嘴的发热产物充分稀释，以在发热产物通过废气再循环在内再循环管27内完全燃烧之前进一步减少氮氧化物的形成。

通过可从分级气体喷嘴51延伸并进入燃烧喷嘴32的轴向管将最终量的气体喷射到部分燃烧的发热产物中。在离开内再循环管27的端部之前，气体被完全燃烧。稀燃烧、发热产物的再循环和燃烧产物的气体分级的组合足以抑制氮氧化物的形成，使燃烧温度最小化以抑制氮氧化物的形成，并且改善从外辐射管23释放的热量的温度均匀性。

发热产物可以通过定心间隔件(转动叶片)定向在由外辐射管23和内再循环管27形成的环形空间之间，该定心间隔件(转动叶片)可以包括至少两个均匀的翅片，并且促进流动从发热产物逆转到所形成的环形空间中。随着发热产物在所形成的环形空间之间流动，通过对流和辐射热传递，大量的能量被传递到外辐射管23的壁。能量通过传导被传递通过外辐射管23的壁。大量的能量通过辐射热传递从外辐射管23传递到内炉壁20。当发热产物离开环形空间时，发热产物的一部分再循环，而大部分进入内外翅片燃烧管47的外翅片。如上所述，发热产物通过在排气壳体33出口处离开系统之前流过内外翅片燃烧管47和热交换器42而被冷却。

虽然上面已经具体示出和描述了示例性实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。例如，外管23可以带有翅片、叶片和/或扭转以改善热传递。内管27可以带有翅片、叶片和/或分段，以改善热传递均匀性、燃烧和再循环。燃烧喷嘴32可以包括单个或多个喷嘴，其不一定是圆形的，并且可以包括用于空气分级的孔延伸。气体喷嘴10可以包括径向孔、轴向孔、切向孔和/或倾斜孔，其不一定是圆形的，并且可以包括用于气体分级的孔延伸。孔例如可以是圆形、椭圆形、方形、狭槽或多孔。燃烧管17可以带有不同的翅片、叶片和/或扭转以改善热传递。转动叶片29可以是具有入口点的螺旋形或u形以分离流动。内管27和外管23可以使用分级螺旋(膛线)或分级翅片，以便减少高于平均值的热点(hsoa)的变化并降低hsoa值。例如，管的第一个三分之一可能是平滑的，而后三分之二带有翅片。外管23可以是具有解调碳化硅空气加热器的合金管，其将是低空气压力、降低的效率系统，其将允许安装更高压力、更高效率的空气加热器。热交换器42可以带有翅片、叶片和/或分段以改善热传递均匀性、燃烧。气体喷嘴10可以延伸或缩回，长度是可变的，与锥形渐缩管32和孔32a的形状和直径的变化组合，以改变辐射管加热系统的排放和热特性。