部分预混合式火炬燃烧器和方法

专利名称：部分预混合式火炬燃烧器和方法
技术领域：
本发明涉及用于火焰燃烧可燃废气和分流燃料原料的火炬设 备和方法。在一个实施方式中，本发明涉及地面火炬燃烧器、地 面火炬和相关方法。
背景技术：
火炬设备和方法被用于燃烧和处置各式各样的应用场合中的 可燃废气和分流燃料原料。例如，火炬通常布置在采油设备、精 炼设备、加工厂等中，以便处置排放的可燃废气和/或在通气、停 机、非正常工作、紧急情况中分流的燃料原料流。在不产生烟的 情况下火焰燃烧可燃废气和分流燃料原料(以下称作"燃料")通 常是理想的或强制性的。通过确保未氧化烟灰不形成足够多的量 离开火焰，可实现无烟火焰燃烧。为达到这一点，足够量的氧气 与燃料混合，以防止出现混合物太富含燃料而导致失效的情况。在许多应用场合，火炬产生的火焰包面(flame envelope)的长 度也很重要。希望具有相对短火焰包面的类型的火炬的例子包括 美观火炬例如坑式封闭火炬、地面火炬和浮式开采设备上的高压 火炬。在这样的火炬中，通常需要防止火焰由周围社区看到。另 一方面，这种火炬需要具有在任何给定时间燃烧掉大体积燃料的 能力。随着被火焰燃烧的燃料体积增加，火焰包面的长度趋向于 增加。地面火炬，也被称作多点火炬，通常用于这样的应用场合，
其中，在给定时间将要火焰燃烧的燃料的量可以从相对小体积变化到相对大体积(例如，l,OOO，OOO磅每小时或以上)。为了适应于燃料体积的变化并且允许燃料以无烟的方式完成，多级燃烧器 被使用。向每级燃烧器的流动由控制系统引导，所述控制系统响 应于将被火焰燃烧的燃料压力和体积。通过这种方式，足够的压 力可以在操作中供应给每个燃烧器，以确保适宜量的空气被夹带， 并且充分混合空气和燃料，以确保在应用的范围内无烟燃烧。地面火炬系统通常散布在大面积内，例如三英亩，并且被大 栅栏或围墙围绕。围墙用于阻止人或动物接近火焰区域，并且使 周围区域的热辐射、可见性和噪音最小化。围墙通常由金属或其它热折射材料制成，并且有20至60英尺高。结果，围墙的架设 和维护可能很昂贵。地面火炬系统中的燃烧器的间距和燃料的流率也很重要。燃 烧器需要彼此之间充分封闭，以防止发生交叉点燃，并且需要足 够紧凑地排布，以减小系统和包围的围墙的整体尺寸。出于成本 上的原因，最小数量的引燃装置是理想的。典型的设备包括位于 每排燃烧器端部的单一引燃装置。另一方面，燃烧器彼此之间不 能太靠近，以至于限制空气流动并阻碍无烟燃烧，或导致火焰聚 结成火球而超出围墙的高度。另外，燃料的流率必须被控制，从 而每个火焰的高度不超过围墙的高度。在此之前使用的一种类型的地面火炬燃烧器包括多个扩散喷 流，用于分配燃料并且吸入燃烧所需的空气。喷流以足够的速度 喷入大气中，以将燃烧空气吸入喷流。在点燃燃料后，来自周围 环境的空气在燃料排放点的上方被横向夹带。随着气流速度的消 减，热气体的浮力作用构成燃料和空气的整体混合条件，这使得 剩余燃料的燃烧得以完成。 只利用扩散喷流来分配燃料和横向夹带燃烧所需空气而产生 的整体火焰包面中包括燃料的密集中央芯体。该燃料中央芯体保 持不被触动，直至火焰包面的外部开始燃烧掉。随着火焰包面的 外部燃烧，空气可以进入火焰包面的内部限定区域，以完成氧化 过程。遗憾的是，由于各燃料喷流的相互作用，形成在火焰包面 中心的燃料密集芯部使得，在不引起火焰包面的长度增加和/或冒 烟的情况下，难以增加燃料的流率以承载大的容量。增加火焰包 面的长度通常需要包围地面火炬的围墙加高，这会显著增加围墙 的成本。本发明要提供一种火炬燃烧器，其可以用于地面火炬、高压 火炬和其它类型的火炬。例如，本发明的火炬燃烧器能够克服以 前使用的地面火炬燃烧器的缺点。本发明还要提供地面火炬设备 和在火炬燃烧器燃烧燃料的方法中。发明内容根据本发明，提供了一种火炬燃烧器，其能够以相对短火焰 包面燃烧大体积的燃料。火焰包面的长度减小导致许多优点。例 如，包围地面火炬的围墙的高度可以减小，或者以现有的围墙高 度可以增加可被火焰燃烧的燃料体积。本发明的火炬燃烧器包括预混合区，其包括预混合室，用于 将燃料射入预混合区的辅助燃料进口，和主燃料出口。优选地， 本发明的火炬燃烧器还包括燃料供应导管，其与辅助燃料进口和 主燃料出口流体连通。预混合室包括顶部、底部和将顶部连接到底部的侧壁。侧壁 包括内表面和外表面。空气进口设在底部和侧壁之一中，空气/燃 料出口布置在顶部中。
辅助燃料进口相对于预混合区位于这样的位置，即从辅助燃 料进口射入预混合区的燃料将空气夹带进入预混合区，从而燃料 和空气混合物形成于预混合区中并且被导致离开预混合室的空气/ 燃料出口。主燃料出口相对于预混合室顶部位于这样的位置，从而使得 燃料可围绕预混合室的空气/燃料出口周边从主燃料出口喷入。在 一个实施方式中，主燃料出口从预混合室向外隔开，以在预混合 室侧壁的外表面和主燃料出口之间提供空间。如后文详细描述， 该空间允许新鲜的空气从燃烧器下面的位置夹带到与设置在主燃 料出口内部的燃料端口相邻的点。这种夹带产生的增强的混合在 一些应用场合是重要的，例如当重碳氢化合物或不饱和燃料被火 焰燃烧时。燃料供应导管将燃料传导至辅助燃料气体进口和主燃料气体 出口。基于应用，燃料可以以相同的压力或不同压力供应至辅助 燃料进口和主燃料出口。本发明的火炬燃烧器可以还包括燃料隔板，其围绕预混合室 的外周布置。燃料隔板包括燃料进口并与主燃料出口流体连通。 在一些实施方式中，燃料隔板还与辅助燃料进口流体连通。为了 提供前面描述的空气夹带空间，燃料隔板可以从预混合室侧壁的 外表面向外隔开。基于本发明的火炬燃烧器的特定的构造，预混合区可以只包 括预混合室，或者可以包括预混合室以及实际预混合室下面和/或 上面的区域。例如，当预混合室的空气进口位于预混合室底部且 辅助燃料进口在空气进口下面相隔时，燃料和空气在空气进口和 预混合室下面混合。另外，在被点燃和燃烧于燃烧区之前，燃料 和空气通常在布置在预混合室顶部的空气/燃料出口上方持续混合。预混合室和燃料隔板可以形成为各式各样的形状和尺寸。在 一个实施方式中，预混合室和燃料隔板具有圆形横截面。在另一 实施方式中，预混合室和燃料隔板具有矩形横截面。为了增强通过辅助燃料进口将燃料喷入预混合区所产生的空 气夹带，预混合室内表面可以包括一段科安达表面。辅助燃料进 口相对于预混合室位于这样的位置，从而使得燃料可从辅助燃料 进口喷射到科安达表面。燃料趋向于附着并且随从于科安达表面 的路径，并且形成相对薄的膜，其引起更多空气被夹带进入预混 合室并且在预混合室中实现更好的空气与燃料的混合。预混合室的长度与液压内径之比可以在大约0.25: 1至大约4: l的范围内。其预混合室的长度与液压内径之比大于4: 1的单元 在功能上更加，但在成本上受限。在一个实施方式中，预混合室 的长度与液压内径之比在大约1: 1至大约3: 1的范围内。在另 一实施方式中，预混合室的长度与液压内径之比为大约1: l或以 下。相对短长度的预混合室在地面火炬和其它火炬应用场合可能 有益，例如其中燃烧器长度(或高度)重要的应用场合，或者其 中高反应性燃料可能导致内部燃烧的应用场合。另外，在一些结 构中，燃料从辅助燃料进口喷射的条件(例如，多个小喷流；高 压)允许实现均匀的空气和燃料混合物，即使预混合室具有非常 小的长度与液压内径之比。本发明的地面火炬包括多个火炬燃烧器，围绕火炬燃烧器延 伸的栅栏或其它围墙延伸，和用于将燃料供应至火炬燃烧器的燃 料供应管线。其中，至少一个火炬燃烧器是前面描述的本发明的 火炬燃烧器。
本发明还包括利用火炬燃烧器火焰燃烧燃料的方法，其中， 将被火焰燃烧的燃料通过燃烧器的燃料出口喷射到燃烧区中并且 被点燃，以产生火焰包面并燃烧燃料。根据本发明的方法， 一部 分燃料以这样的方式被引入火炬燃烧器的预混合区，即可将空气 夹带进入预混合区并在预混合区中产生空气和燃料混合物。空气 和燃料混合物从预混合区喷射到火焰包面的中央部分中。夹带进入预混合区并且喷入火焰包面的中央部分的空气量优 选为支持引入预混合区的燃料的燃烧所需要的空气化学计量量(stoichiometric amount)的至少大约15%。在一些应用场合，喷 射"富含燃料的"燃料和空气混合物(即，混合物的空气化学计量 量小于支持引入预混合区的燃料的燃烧所需要的空气化学计量量 的100%)进入火焰包面的中央部分是适宜的。在大多数应用场合， 然而，喷射"贫瘠"燃料和空气混合物(即，混合物的空气化学计 量量大于支持引入预混合区的燃料的燃烧所需要的空气化学计量 量的100%)进入火焰包面的中央部分是理想的。在大多数应用场 合，夹带进入预混合区并且喷入火焰包面的中央部分的空气量在 支持引入预混合区的燃料的燃烧所需要的空气化学计量量的大约 125%至大约300%的范围内。引入预混合区的燃料量优选在将被火炬燃烧器火焰燃烧的燃 料总量的大约5%至大约50%的范围内。由于根据本发明的方法预 混合燃料流喷入火焰包面的中央部分中，因此火焰包面包括在其 中心燃烧以及在其外表面燃烧的部分。所导致的环面火焰产生附 加的混合和紊流，这导致更均匀的和更快速的火焰包面燃烧。结 果，火焰包面的高度可以减小，或者对于给定火焰包面，可被火 焰燃烧的燃料体积可以增加。本发明的火炬燃烧器和方法也可以 获得其它有点。
因此本发明的总体目的是提供一种火炬燃烧器和相关方法， 其中大体积的燃料可以在相对短且均匀的火焰包面中燃烧。结合附图阅读下面描述的优选实施方式，本领域技术人员可 以更清楚地了解本发明的对象、特征和优点。


图1是现有技术地面火炬燃烧器的正视图。图2是示于图1的火炬燃烧器的俯视图。图3是示于图1和2的现有技术火炬燃烧器产生的火焰包面 的总体示意图。图4是本发明的地面火炬燃烧器第一实施方式的透视图。图5是沿着图4中的线5-5所作的剖视图。图6是示于图4和5燃烧器的俯视图。图7是沿着图6中的线7-7所作的剖视图，示出了可选的升管 或末端延伸部。图8示出了环形燃料喷入本体的替代性实施方式，其可以用 于本发明的火炬燃烧器的第一、第二和第四实施方式。图9是本发明的火炬燃烧器的第二实施方式的透视图。图IO是沿着图11中的线10-10所作的剖视图。图10A示出了用于第二实施方式的环形分配歧管的替代性实 施方式。图11是示于图9和IO的火炬燃烧器的俯视图。 图12是沿着图IO中的线12-12所作的剖视图。图13是本发明的火炬燃烧器的第三实施方式的透视图。 图14是沿着图13中的线14-14所作的剖视图。 图15是示于图13和14的火炬燃烧器的俯视图。图16是沿着图13中的线16-16所作的剖视图，示出了可选的升管或末端延伸部。图17是沿着图15中的线17-17所作的剖视图。图17A示出了用于第三实施方式的筒状分配歧管的替代性实 施方式。图18是沿着图14中的线18-18所作的剖视图。图19是本发明的火炬燃烧器的第四实施方式的透视图。图20是沿着图19中的线20-20所作的剖视图。图21是沿着图22中的线21-21所作的剖视图，示出了燃烧器 的可选部件。图22是示于图19-21的燃烧器的俯视图。图23示出了示于图19-22的燃烧器中的辅助燃料进口的替代性实施方式。图24是本发明的火炬燃烧器的各实施方式产生的火焰包面的 总体示意图。图25是本发明的火炬燃烧器的各实施方式的可能改造的透视图。图26是沿着图25中的线26-26所作的剖视图。图27是示于图25和26的燃烧器的俯视图。图28是本发明的火炬燃烧器的各实施方式以示于图25-27中
的方式改造后产生的火焰包面的总体示意图。图29是本发明的地面火炬的一个实施方式的示意图。
具体实施方式
现在参看附图，特别是图1-3， 一种现有技术地面火炬燃烧器 被示出，并且总体上被赋予附图标记10。现有技术燃烧器10包括 燃烧器铸件12，其连接在燃料升管14上。燃烧器铸件12包括中 央部分15和围绕着中央部分和升管14顶部同心布置的多个燃料 出口臂16。每个燃料出口臂16包括一或多个燃料端口 18。燃料 直接供应至燃料端口 18，也就是说，燃料不是首先与空气预混合。 结果，端口 18产生的燃料喷流是扩散燃料喷流。图3大体上描绘了燃烧器10产生的火焰包面20。燃料(大体 上描绘为黑色箭头)通过端口 18以高速度射入燃烧区22，以将空 气吸入喷流。来自周围环境的被从燃料排放点的上方横向夹带。 随着气流速度减小，热气体的浮力作用构成燃料和空气的整体混 合条件，这使得剩余燃料的燃烧得以完成。整个火焰包面20具有 长度23和包括密集的燃料中央芯体24。燃料中央芯体24保持不 被氧化，直至火焰22的外部26开始燃烧掉。尽管火焰包面的中 央部分可以包括一些空气穴28，但空气穴中的空气量不足以支持 燃料中央芯体24的均匀燃烧。密集的燃料中央芯体24大致上保 持不被触动，直至燃料外部26充分消耗而允许足够量的空气进入 火焰包面的内部限定空间并且允许完成氧化过程。遗憾的是，位 于火焰包面20中心的燃料密集芯部24使得其在不引起火焰长度 增加和/或冒烟的情况下难以增加燃料的流率以支持更大的火焰。本发明的火炬燃烧器 现在参看图4-8，本发明的火炬燃烧器的一个实施方式被示 出，并且总体上被赋予附图标记30。火炬燃烧器30包括具有预混 合室32的预混合区31，以及用于将燃料射入预混合区的辅助燃料 进口 34，主燃料出口 36和燃料供应导管38。说明书和权利要求 书中使用的术语"燃料"指的是将利用本发明的火炬燃烧器、火炬 设备(例如，本发明的地面火炬设备)和方法火焰燃烧的废气、 分流燃料原料和/或其它气体或液体。例如，当重的未饱和或饱和 燃料的局部压力位于或低于饱和条件时，会产生液体。如示于图4， 引燃装置40可以与燃烧器30 (以及燃烧器130、 230和330,如 后文所述)相关联，以初始点燃由燃烧器排放的燃料和空气混合 物。在示于图4-8的实施方式中，火炬燃烧器30的预混合室32 提供了预混合区31的主要部分。燃料和空气混合物(优选基本上 均匀的混合物)可以形成于包括预混合室32的预混合区31。如后 文所述，形成于预混合区中31的混合物既可以是富含燃料的，也 可以是燃料贫瘠的。预混合室32包括圆形横截面并且具有圆柱形 形状。预混合室包括顶部42、底部44、将顶部连接到底部的侧壁 46、布置在底部44的空气进口 48和布置在顶部42的空气/燃料出 口 50。如图所示，顶部42和底部44是敞开的，从而形成空气进 口 48和空气/燃料出口 50。结果，空气进口 48和空气/燃料出口 50分别具有圆形横截面。预混合室32的下部52向外张开，以向 下段赋予钟形(带有充分圆角)，以提高引入燃料和空气的流率。 或者，预混合室32的下部52不是向外张开，g卩，整个预混合室 具有均匀的圆柱形形状。如最佳示于图5，预混合区31包括预混 合室32下面(在辅助燃料进口 34与预混合室的底部44和空气进 口 48之间)的预混合空间31 (a)，预混合室的内部31 (b)， 和位于预混合室顶部42和空气/燃料出口 50紧邻上方的预混合空 间31 (c)。在示于图4-9的实施方式中，预混合空气和燃料的初 步混合发生于预混合室32的内部31 (b)和预混合空间31 (c) 中。预混合室32的长度(或高度)与液压内径之比在大约0.25:1至大约4: 1的范围内，优选大约1: 1至大约3: 1。预混合室32的长度(或高度)与液压内径的实际比值部分地取决于将被火焰燃烧的燃料的类型和可用于夹带和混合.的压力。 一般而言，更长的预混合室会导致燃料和空气在其中更好地混合；然而，这一优点要与成本和其它因素取得平衡。在优选实施方式中，预混合室32的长度(或高度)与液压内径之比约为1.5: 1。说明书和权利要求书中使用的术语"液压内径"指的是预混合室内面积乘以四(4)再除以预混合室侧壁的内表面的周长。辅助燃料进口 34相对于预混合区31位于这样的位置，即从 辅助燃料进口射入预混合区的燃料将空气夹带进入预混合空间31 (a)，并且通过空气进口 48进入预混合室32，从而燃料和空气 混合物，优选基本上均匀的混合物，形成于预混合区中并且被导 致离开预混合室顶部42的空气/燃料出口 50。燃料和空气继续于 预混合空间31 (c)中混合。燃料和空气混合物的燃烧通常不会出 现，直至混合物离开空气/燃料出口 50大致距空气/燃料出口的一 段脱离距离。与空气/燃料出口 50相距的发生燃烧的距离随着混合 物中的空气量和混合物从空气/燃料出口排出的速度而变化。在一 些情况下，由于短的分级时序，燃烧可能出现在预混合区(例如， 以短的持续时间，极低压的情况)。如示于图6和7，辅助燃料进 口 34包括中央燃料喷入器54，其内具有一或多个燃料端口 58。环形燃料隔板60围绕预混合室32的外周布置。燃料隔板60
连接着燃料供应导管38并且与主燃料出口 36流体连通。燃料隔 板60包括敞开的顶部62、底部64和将顶部连接到底部的外侧壁 66和内侧壁67。在示于图4-8的实施方式中，隔板60的内侧壁 67也是预混合室32的侧壁46。环形密封件68附装于燃料隔板60 的底部64，并且围绕预混合室32的侧壁46延伸，以确保隔板的 整体性。在替代性实施方式中，如示范于图25-28并如下所解释， 燃料隔板60可以从预混合室32的侧壁46向外隔开，以便在侧壁 46的外表面和主燃料出口 36之间提供环形空间。环形空间允许空 气从燃烧器下面的位置夹带到与设置在主燃料出口 36内部的燃料 端口74相邻的点。在这个实施方式中，隔板60的内侧壁67与预 混合室32的侧壁46相隔。主燃料出口 36相对于预混合室顶部42位于这样的位置，即 燃料可以围绕着预混合室的空气/燃料出口 50的周边69从主燃料 出口 36喷射。如最佳示于图6，主燃料出口 36包括平坦的、环形 燃料喷入本体70，其内具有多个燃料端口 74。由端口 74产生的 燃料喷流是扩散燃料喷流。环形燃料喷入本体70附装于环形隔板 60的敞开的顶部62，以使得燃料端口 74围绕预混合室的空气/燃 料出口 50的周边69设置。环形隔板60和环形燃料喷入本体70 的内径和外径基本相同。燃料围绕空气/燃料出口 50的周边69从 主燃料出口 36 (即，环形燃料喷入本体70)呈环形射入。端口 74 可以被设置尺寸和间距以控制燃料从端口射入的方式(例如，方 向和速度)。这一特征组合上燃料和空气通过空气/燃料出口 50 的流动允许整个火焰包面的形状和长度可被控制。如示于图7，如有必要，扩散燃料端口 74可以与燃料喷入本 体70相隔多个相应的短的气体升管或末端延伸部76。端口 74与 燃料喷入本体70通过升管76间隔会导致在一些应用场合更好地 横向夹带空气。升管还允许对端口进行配置，并且导致在必要时 燃料流动特性被以机械方式改变。环形燃料喷入本体70的替代性实施方式示于图8。在这个实 施方式中，多个燃料端口 74有计划地围绕燃料喷入本体70的外 部、内部和中部分隔。燃料端口 74以这种方式围绕燃料喷入本体 70分隔允许将被使用的喷流之间具有夹带狭道，以便更好地混合 和夹带。本领域技术人员可以理解，喷入本体70可以包括各式各 样重复的端口 74。所使用的特定的端口配置取决于各种因素，包 括将被火焰燃烧的燃料的类型(包括分子量，发热值，化学计量 和气流温度)以及有关的可用压力。燃料供应导管38与辅助燃料进口 34和主燃料出口 36流体连 通，用于从中传导燃料。燃料供应导管38包括主分支80，其具有 第一端82和第二端84。第一端82包括凸缘86，用于将第一端连 接至燃料源(本领域技术人员可以理解，此类连接通常通过将管 段直接焊接在一起或与一些其它不需要垫圈的机械连接件焊接起 来而形成；例如，相应凸缘之间的垫圈基本上不能承受周围环境 中的热辐射)。第二端84连接着燃料隔板60的外侧壁66中的相 应进口 88。燃料供应导管38还包括辅助分支90，其将燃料供应 导管连接至辅助燃料进口 34。辅助分支90包括第一端92和第二 端94。第一端92连接着供应导管38的主分支90。接头96将第 二端94连接至辅助燃料进口 34。或者，彼此分开的燃料供应导管 或升管可将燃料引导至辅助燃料进口 34和主燃料出口 36(不同于 单一的整体导管或升管38)。彼此分开的导管或升管通常从公共 燃料总管延伸。参看图5，火炬燃烧器30的操作将被描述。 一部分将被火焰 燃烧的燃料(大体上描绘为黑色箭头)通过燃料供应导管38的主 分支80被传导至燃料隔板60和主燃料出口 36。还有一部分将被 火焰燃烧的燃料从通过燃料供应导管38的辅助分支90传导至辅 助燃料进口 34。燃料从辅助燃料进口 34喷入预混合区31和预混 合室32可将空气夹带进入预混合空间31 (a)，并且通过空气进 口 48进入预混合室内部31 (b)，从而燃料和空气混合物(优选 基本上均匀的混合物)形成于预混合区中并且被导致离开空气/燃 料出口 50。燃料和空气继续混合于空气/燃料出口 50之上短的距 离。将被火焰燃烧的剩余燃料围绕预混合室的空气/燃料出口 50 的周边69从主燃料出口 36呈环形喷入，并且因而围绕离开预混 合室的空气/燃料出口的空气/燃料混合物。燃烧器优选被以下面的 方式设计和操作，即夹带进入包括预混合室32的预混合区31的 空气量超过燃烧喷入预混合区的燃料所需的空气化学计量量。过 量的空气施加到火焰包面的中心，以便在内部燃烧燃料。然而， 如后文中详细解释，在一些应用场合，燃烧器以下面的方式被设 计和操作，即夹带进入包括预混合室32的预混合区31的空气量 等于或小于燃烧喷入预混合区的燃料所需的空气化学计量量(尽 管仍然可燃)。将"富含燃料的"燃料和空气混合物(即，混合物 的空气化学计量量小于支持引入预混合区的燃料的燃烧所需要 的)喷入火焰包面的中央部分在一些应用场合是理想的。图24大致上描绘了火炬燃烧器30 (以及燃烧器130、 230和 330，如后文所述)产生的火焰包面100。如图所示，过量空气从 预混合室32喷入火焰包面100的中心部分102。过量的空气，在 图24中表示为空气穴103，与火焰包面100的中心部分102的燃 料混合，以实际上形成两个可燃性初始区，即区104 (a)和104 (b)。火焰中心部分102的燃料否则的话不会遇到氧化剂(空气)， 直至火焰包面外部105开始燃烧，以允许后续层的燃料触及空气。
供应空气至火焰包面100的中心部分102不但产生可燃性中间区， 而且还因为内部燃烧区在燃烧热量作用下膨胀，因此可将火焰断 开。在大主火焰内部添加不同的燃烧火焰可增加显著的紊流，以 增强混合并且断开燃料的中央芯体。结果，更均匀的和更快速的 火焰包面燃烧将发生，这縮短了火焰的整体长度，或在相同的火 焰长度下允许显著更多的燃料将被火焰燃烧。随着施加至火焰包 面100的中心部分102的过量空气的量增加，火焰的长度减小， 或在给定火焰高度下可被火焰燃烧的燃料体积增加。例如，如示 于图24，火焰包面100的长度106明显小于在相同量的燃料下图 3所示的现有技术火焰包面20的长度23。现在参看图9-12，本发明的火炬燃烧器的第二实施方式被示 出，并且总体上被赋予附图标记130。类似于本发明的火炬燃烧器 的其它实施方式，火炬燃烧器130包括具有预混合室132的预混 合区131，以及用于将燃料射入预混合区的辅助燃料进口 134，主 燃料出口 136和燃料供应导管138。引燃装置(如示于图4)可以 与燃烧器130相关联，以初始点燃由燃烧器排放的燃料和空气混 合物。在示于图9-12的实施方式中，火炬燃烧器130的预混合室132 提供了预混合区131的主要部分。燃料和空气混合物(优选基本 上均匀的混合物)可以形成于包括预混合室132的预混合区131 中。如后文所述，形成于预混合区中131的混合物既可以是富含 燃料的，也可以是燃料贫瘠的。预混合室132包括圆形横截面并 且具有圆柱形形状。其包括顶部142、底部144、将顶部连接到底 部的侧壁146、布置在底部144中的空气进口 148和布置在顶部中 的空气/燃料出口150。如图所示，顶部142和底部144是敞开的， 从而形成空气进口 148和空气/燃料出口 150。结果，空气进口 148
和空气/燃料出口 150分别具有圆形横截面。如最佳示于图10，预混合区131包括预混合室132下面(在 辅助燃料进口 134与预混合室的底部144和空气进口 148之间) 的预混合空间131 (a)，预混合室的内部131 (b)，和位于预混 合室顶部142和空气/燃料出口 150紧邻上方的预混合空间131 (c)。在示于图9-12的实施方式中，空气和燃料的初步混合发生 于预混合室132的内部131 (b)中以及预混合空间131 (c)中。 预混合室132的侧壁146包括内表面154和外表面156。侧壁146 的下段158以曲线的形式向外张开，以向侧壁的内表面154赋予 环形科安达(Coanda)表面160。预混合室132的长度(或高度)与液压内径之比在大约0.25:1至4: 1的范围，优选大约1: 1至大约3: 1。预混合室132的长度(或高度)与液压内径的实际比值部分地取决于将被火焰燃 烧的燃料的类型和可用于夹带和混合的压力。 一般而言，更长的预混合室会导致燃料和空气在其中更好地混合；然而，这一优点 要与成本和其它因素取得平衡。在优选实施方式中，预混合室132的长度(或高度)与液压内径之比约为1.5: 1。辅助燃料进口 134相对于预混合区131位于这样的位置，即从辅助燃料进口射入预混合区的燃料将空气夹带进入预混合空间131 (a)，并且通过空气进口 148进入预混合室，从而燃料和空 气混合物，优选基本上均匀的混合物，形成于预混合区中并且被 导致离开预混合室顶部142中的空气/燃料出口 150。燃料和空气 继续混合于预混合空间131 (c)中。燃料和空气混合物通常不会 出现燃烧，直至混合物离开空气/燃料出口 150大致距空气/燃料出 口的一段脱离距离处。与空气/燃料出口 150相距的发生燃烧的距 离随着混合物中的空气量和混合物从空气/燃料出口排出的速度而变化。在一些情况下，由于短的分级时序，燃烧可能出现在预混 合区(例如，以短的持续时间，极低压的情况)。如示于图10和12，辅助燃料气体进口 134包括环形分配歧管164，其内具有多个 燃料端口 166。燃料端口 166为基本上圆形的开口。如示于图10， 环形分配歧管164相对于预混合室132位于这样的位置，即可使 得燃料从歧管164呈环形射入到环形科安达表面160上。图IOA示出了环形分配歧管164的替代性实施方式。在这个 实施方式中，燃料端口 166为细长开口或槽。燃料端口 166的开 槽形状引起燃料以片层形式喷射到环形科安达表面160上，这有 助于增强科安达表面产生的夹带和混合作用，并且允许燃料以高 速率从歧管164喷射。如有必要，槽166可被连接，以在分配歧 管164中形成连续的细长开口或槽。环形燃料隔板170围绕预混合室132的外周布置。燃料隔板 170连接着燃料供应导管138并且与主燃料出口 136和辅助燃料进 口134流体连通。燃料隔板170包括敞开的顶部172，底部174, 和将顶部连接到底部的外侧壁176和内侧壁177。在示于图9-12 的实施方式中，内侧壁177也是预混合室的侧壁146。环形密封件 178附装于燃料隔板170的底部174，并且围绕预混合室132的侧 壁146延伸，以确保隔板的整体性。在替代性实施方式中，如示 范于图25-28并如下所解释，燃料隔板170可以从预混合室132 的侧壁146向外隔开，以便在侧壁146的外表面和主燃料出口 136 之间提供环形空间。环形空间允许空气从燃烧器下面的位置夹带 到与设置在主燃料出口 B6内部的燃料端口 192相邻的点。在这 个实施方式中，隔板170的内侧壁177与预混合室132的侧壁146 相隔。辅助燃料供应导管180 (a) 、 180 (b) 、 180 (c)和180 (d)
从环形燃料隔板170延伸至辅助燃料进口 134 (即，延伸至环形分 配歧管164)，以从燃料隔板170传输燃料至进口 134 (即，歧管 164)。每个辅助燃料供应导管180 (a) 、 180 (b) 、 180 (c)和 180(d)包括附装于隔板170的第一端182和附装于进口 134(即， 歧管164)的第二端184。主燃料出口 136相对于预混合室132的顶部142位于这样的 位置，从而使得燃料可围绕预混合室空气/燃料出口 150的周边186 从主燃料出口喷入。如最佳示于图11，主燃料出口 136包括平坦 的环形燃料喷入本体188，其内具有多个燃料端口 192。由端口 192 产生的燃料喷流是扩散燃料喷流。环形燃料喷入本体188附装于 环形隔板170的敞开的顶部172，从而燃料端口 192围绕预混合室 B2的空气/燃料出口 150的周边186设置。环形隔板170和环形 燃料喷入本体188的内径和外径基本相同。燃料围绕空气/燃料出 口 150的周边186从主燃料出口 136(即，环形燃料喷入本体188) 呈环形射入。端口 192可以被设置尺寸和间距，以控制燃料从端 口射入的方式(例如，方向和速度)。这一特征组合上燃料和空 气通过空气/燃料出口 150的流动，允许整个火焰包面的形状和长 度可被控制。如示于图7，如有必要，扩散燃料端口 192可以与燃料喷入本 体188相隔多个相应的短的气体升管或末端延伸部196。端口 192 与燃料喷入本体188通过升管196分隔会导致在一些应用场合更 好地横向夹带空气。升管还允许对端口进行配置，并且导致在必 要时燃料流动特性被以机械方式改变。示于图8的燃料喷入本体 70的替代性实施方式还可以用于取代环形燃料喷入本体188。本 领域技术人员可以理解，喷入本体188可以包括各式各样重复的 端口 192。所使用的特定的端口配置取决于各种因素，包括将被火
焰燃烧的燃料的类型(包括分子量，发热值，化学计量和气流温 度)以及有关的可用压力。燃料供应导管138与辅助燃料进口 134和主燃料出口 136流 体连通，用于从中传导燃料。燃料供应导管138具有第一端200 和第二端202。第一端200包括凸缘204，用于将第一端连接至燃 料源(同样，此类连接通常可由焊接形成)。第二端202连接着 环形气体隔板170的外侧壁176的相应进口 206。或者，彼此分开 的燃料供应导管或升管可将燃料引导至辅助燃料进口 134和主燃 料出口 136 (不同于单一的整体导管或升管138)。彼此分开的导 管或升管通常从公共燃料总管延伸。参看图10，燃烧器130的操作将被描述。将被火焰燃烧的燃 料(大体上描绘为黑色箭头)通过燃料供应导管138传导至环形 气体隔板170。 一部分燃料由燃料隔板170传导至主燃料出口 136 (即，环形喷入本体188)。剩余的一部分燃料由隔板170通过燃 料供应导管180 (a) 、 180 (b) 、 180 (c)和180 (d)传导至辅 助燃料进口 134 (即，环形分配歧管164)。燃料从环形分配歧管 164的燃料端口 166通过预混合空间131 (a)喷入到预混合室132 的内表面154上的环形科安达表面160上。燃料从气体端口 166 喷入预混合区131和预混合室132，可将空气夹带进入预混合空间 131 (a)，并且通过空气进口 148进入预混合室内部131 (b)， 从而燃料和空气混合物(优选基本上均匀的混合物)形成于预混 合区中并且被导致离开空气/燃料出口 150。燃料和空气继续混合 于空气/燃料出口 150之上短的距离。燃料从燃料端口 166喷射到 科安达表面160上会引起燃料附着于并且随从于科安达表面的路 径，并且形成相对薄的膜，这导致更加高效的空气夹带和空气与 燃料的混合。将被火焰燃烧的燃料围绕预混合室132的空气/燃料 出口 150的周边186从主燃料出口 136(环形喷入本体188)喷入， 并且因而围绕离开预混合室空气/燃料出口 150的空气/燃料混合 物。火炬燃烧器130优选被以下面的方式设计和操作，即夹带进 入包括预混合室132的预混合区131的空气量超过燃烧喷入预混 合区的燃料所需的空气化学计量量。过量的空气施加到火焰包面 的中心，以便在内部燃烧燃料。然而，如后文中详细解释，在一 些应用场合，燃烧器以下面的方式被设计和操作，即夹带进入包 括预混合室132的预混合区131的空气量等于或小于燃烧喷入预 混合区的燃料所需的空气化学计量量。将"富含燃料的"燃料和空 气混合物(即，混合物的空气化学计量量小于支持引入预混合区 的燃料的燃烧所需要的)喷入火焰包面的中央部分在一些应用场 合是理想的。火炬燃烧器130可以实现与火炬燃烧器30相同的优点。大体 上描绘于图24的火焰包面IOO也是火炬燃烧器130产生的。现在参看图13-18，本发明的火炬燃烧器的第三实施方式被示 出，并且总体上被赋予附图标记230。类似于本发明的火炬燃烧器 的其它实施方式，火炬燃烧器230包括具有预混合室232的预混 合区231，以及用于将燃料射入预混合区的辅助燃料进口 234，主 燃料出口 236和燃料供应导管238。引燃装置(如示于图4)可以 与燃烧器130相关联，以初始点燃由燃烧器排放的燃料和空气混 合物。在示于图13-18的实施方式中，火炬燃烧器230的预混合室 232提供了预混合区231的主要部分。燃料和空气混合物(优选基 本上均匀的混合物)可以形成于包括预混合室232的预混合区中 231中。如后文所述，形成于预混合区231的混合物既可以是富含 燃料的，也可以是燃料贫瘠的。预混合室232包括矩形横截面并
且具有矩形形状。其包括顶部242，底部244，将顶部连接到底部 的侧壁246，布置在底部244的空气进口 248和布置在顶部的空气 /燃料出口 250。如图所示，顶部242和底部244是敞开的，从而 形成空气进口 248和空气/燃料出口 250。结果，空气进口 248和 空气/燃料出口 250分别具有矩形横截面。如最佳示于图14，预混合区231包括预混合室232下面(在 辅助燃料进口 234与预混合室的底部244和空气进口 248之间) 的预混合空间231 (a),预混合室的内部231 (b)，和位于预混 合室顶部242和空气/燃料出口 250紧邻上方的预混合空间231 (c)。在示于图13-18的实施方式中，空气和燃料的初步混合发 生于预混合室232的内部31 (b)和预混合空间231 (c)中。预混合室232的侧壁246包括四个侧面246 (a) 、 246 (b)、 246 (c)和246 (d)。每个侧面246 (a) 、 246 (b) 、 246 (c) 和246 (d)包括内表面254和外表面256。每个侧面246 (a)、 246 (b) 、 246 (c)和246 (d)的下部258以曲线的形式向外张 开，以向侧面的内表面254赋予环形科安达表面260。预混合室 232的长度(或高度)与液压内径之比在大约0.25: 1至4: 1的 范围内，优选大约1.1至大约3: 1。预混合室232的长度(或高 度)与液压内径的实际比值部分地取决于将被火焰燃烧的燃料的 类型和可用于夹带和混合的压力。 一般而言，更长的预混合室会 导致燃料和空气在其中更好地混合；然而，这一优点要与成本和 其它因素取得平衡。在优选实施方式中，长度(或高度)与液压 内径之比为预混合室232约为1.5: 1。辅助燃料进口 234相对于预混合区231位于这样的位置，即 从辅助燃料进口射入预混合区的燃料将空气夹带进入预混合空间 231 (a)，并且通过空气进口 248进入预混合室232，从而
体和空气的混合物，优选基本上均匀的混合物，形成于预混合区中，并且被导致离开预混合室顶部242中的空气/燃料出口 250。 燃料和空气混合物通常不会出现燃烧，直至混合物离开空气/燃料 出口 250大致距空气/燃料出口的一段脱离距离处。与空气/燃料出 口 250分隔的发生燃烧的距离随着混合物中的空气量和混合物从 空气/燃料出口排出的速度而变化。在一些情况下，由于短的分级 时序，燃烧可能出现在预混合区(例如，以短的持续时间，极低 压的情况)。如最佳示于图18，辅助燃料进口 234包括两个筒状分配歧管 264 (a)和264 (b)，每个分配歧管中具有多个燃料端口 266。 燃料端口 266为基本上圆形的开口。分配歧管264 (a)相对于预 混合室232位于这样的位置，从而使得燃料可从歧管264 (a)喷 射到侧面246 (a)的内表面254上的科安达表面260上。类似地， 分配歧管264 (b)相对于预混合室232位于这样的位置，从而使 得燃料可从歧管264 (b)喷射到相对侧面246 (c)的内表面254 上的科安达表面260上。本领域技术人员可以理解，在这个实施 方式中，各式各样的燃料端口和喷流的配置可被用于将燃料喷射 到科安达表面上。例如，燃料端口的数量和间隔可以基于将被产 生在科安达表面上的膜的理想厚度而改变。图17A示出了每个筒状分配歧管264 (a)和264 (b)的替代 性实施方式。在这个实施方式中，燃料端口 266为细长开口或槽。 燃料端口 266的开槽形状引起燃料以片层形式喷射到环形科安达 表面260，这有助于增强科安达表面产生的夹带和混合作用，并且 允许更大体积的气体被火焰燃烧。如有必要，槽266可被连接， 以在分配歧管264 (a)和264 (b)中形成连续的细长开口或槽。 除了圆形开口和槽，燃料端口 266还可以基于特定的应用形成为
其它形状。其它形状的例子包括细长卵形和矩形槽。矩形燃料隔板270围绕预混合室232的外周布置。燃料隔板 270连接着燃料供应导管238并且与主燃料出口 236和辅助燃料进 口 234流体连通。隔板270包括敞开的顶部272，底部274，和外 侧壁276和内侧壁277将顶部连接到底部。在示于图13-18的实施 方式中，内侧壁277也是预混合室侧壁246。匹配的密封机构278 附装于燃料隔板270的底部274，并且围绕预混合室232的侧壁 246延伸，以确保隔板的整体性。在替代性实施方式中，如示范于 图25-28并如下所解释，燃料隔板270可以从预混合室232的侧壁 246的侧面246 (a) 、 246 (b) 、 246 (c)和246 (d)的外表面 256向外隔开，以便在侧壁246的外表面和主燃料出口 236之间提 供空间。该空间允许空气从燃烧器下面的位置夹带到与设置在主 燃料出口 236内部的燃料端口 292相邻的点。在这个实施方式中， 隔板270的内侧壁277与预混合室232的侧壁246相隔。辅助燃料供应导管280 (a) 、 280 (b) 、 280 (c)和280 (d) 从燃料隔板270延伸至辅助燃料进口 234，即延伸至筒状分配歧管 264 (a)和264 (b)，以从燃料隔板向其传输燃料。每个辅助燃 料供应导管280 (a) 、 280 (b) 、 280 (c)和280 (d)包括附装 于燃料隔板270的第一端282，和第二端284。导管280 (a)和 280 (d)的第二端284附装于筒状分配歧管264 (a)的相反端部。 导管280 (b)和280 (c)的第二端284附装于筒状分配歧管264 (b)的相反端部。主燃料出口 236相对于预混合室232的顶部242位于这样的 位置，从而使得燃料可围绕预混合室的空气/燃料出口 250的周边 286从主燃料出口喷射。如最佳示于图15，主燃料出口 236包括 平坦的矩形燃料喷入本体288，其内具有多个扩散燃料端口 292。 由端口 292产生的燃料喷流是扩散燃料喷流。燃料喷入本体288 附装于燃料隔板270的敞开的顶部272，从而扩散燃料端口 292 围绕预混合室232的空气/燃料出口 250的周边286布置。隔板270 和燃料喷入本体288的内径和外径基本相同。燃料可围绕空气/燃 料出口 250的周边286从主燃料出口 236(g卩，燃料喷入本体288) 喷入。端口 292可以被设置尺寸和间距，以控制燃料从端口射入 的方式(例如，方向和速度)。这一特征组合上燃料和空气通过 空气/燃料出口 250的流动，允许整个火焰包面的形状和长度可被 控制。如示于图16，如有必要，扩散燃料端口 292可以与燃料喷入 本体288相隔多个相应的短的气体升管或末端延伸部296。端口 292与燃料喷入本体288通过升管296间隔会导致在一些应用场合 更好地横向夹带空气。升管还允许对端口进行配置，并且导致在 必要时燃料流动特性被以机械方式改变。本领域技术人员可以理 解，喷入本体288可以包括各式各样重复的端口 292。所使用的特 定的端口配置取决于各种因素，包括将被火焰燃烧的燃料的类型 (包括分子量，发热值，化学计量和气流温度)以及有关的可用 压力。燃料供应导管238与辅助燃料进口 234和主燃料出口 236流 体连通，用于向其传导燃料气体。燃料供应导管238具有第一端 300和第二端302。如图所示，第一端300包括凸缘304，用于将 第一端连接至燃料气体源(同样，此类连接通常可由焊接形成)。 第二端302连接着环形燃料隔板270的外侧壁276中的相应进口 306。或者，彼此分开的燃料供应导管或升管可将燃料引导至辅助 燃料进口 234和主燃料出口 236 (不同于单一的整体导管或升管 238)。彼此分开的导管或升管通常从公共燃料总管延伸。
参看图14，在燃烧器230操作中，将被火焰燃烧的燃料(大 体上描绘为黑色箭头)通过燃料供应导管238传导至燃料隔板 270。 一部分燃料由燃料隔板270传导至主燃料出口 236 (和燃料 喷入本体288)。剩余一部分燃料由隔板270通过燃料供应导管 280 (a) 、 280 (b) 、 280 (c)和280 (d)传导至辅助燃料进口 234 (和其筒状分配歧管264 (a)和264 (b))。燃料从分配歧 管264 (a)和264 (b)的燃料端口 266喷射到预混合室232的侧 面246 (a)和246 (c)的内表面254上的科安达表面260上。燃 料从燃料端口 266喷入预混合区231和预混合室232会将空气夹 带进入预混合空间231 (a)，并且通过空气进口 248进入预混合 室内部231 (b)，从而燃料和空气混合物(优选基本上均匀的混 合物)形成于预混合区中，并且被导致离开空气/燃料出口 250。 燃料和空气继续混合于空气/燃料出口 250之上短的距离。燃料从 燃料端口 266喷射到侧面246 (a)和246 (c)的内表面254上的 科安达表面260会引起燃料附着于并且随从于科安达表面的路径， 并且在其上形成相对薄的膜，这导致更加高效的空气夹带和空气 与燃料的混合。将被火焰燃烧的燃料围绕预混合室232的空气/燃 料出口 250的周边286从主燃料出口 236 (和环形燃料喷入本体 288)喷射，并且因而围绕离开预混合室的空气/燃料出口的空气/ 燃料混合物。火炬燃烧器230优选被以下面的方式设计和操作， 即夹带进入包括预混合室232的预混合区231的空气量超过燃烧 喷入预混合区的燃料所需的空气化学计量量。过量的空气施加到 火焰包面的中心，以便在内部燃烧燃料。然而，如后文中详细解 释，在一些应用场合，燃烧器230以下面的方式被设计和操作， 即夹带进入包括预混合室232的预混合区231空气量等于或小于 燃烧喷入预混合区的燃料所需的空气化学计量量。将"富含燃料
的"燃料和空气混合物(即，混合物的空气化学计量量小于支持引 入预混合区的燃料的燃烧所需要的)喷入火焰包面的中央部分在 一些应用场合是理想的。火炬燃烧器230可以实现与火炬燃烧器30和130相同的优点。 大体上描绘于图24的火焰包面100也是火炬燃烧器230产生的。多边形(矩形在实施方式中示出)形状的火炬燃烧器230允 许间隔分布的火炬燃烧器在地面火炬应用中具有更多的灵活性。 另外，由于这样的事实，即几何形状可以被旋转以改变相互作用 区，因此这样的形状在如何引导燃料离开扩散气体端口 292方面 具有更大的灵活性。现在参看图19-23，本发明的火炬燃烧器的第四实施方式被示 出并且总体上被赋予附图标记330。类似于本发明的火炬燃烧器的 其它实施方式，火炬燃烧器330包括具有预混合室区332的预混 合区331，以及用于将燃料射入预混合区的辅助燃料进口 334，主 燃料出口 336和燃料供应导管338。引燃装置40 (如示于图4)可 以与燃烧器330相关联，以初始点燃由燃烧器排放的燃料和空气 混合物。燃料和空气混合物(优选基本上均匀的混合物)可以形成于 包括预混合室332的预混合区中331中。如后文所述，形成于预 混合区331的混合物既可以是富含燃料的，也可以是燃料贫瘠的。 预混合室332包括圆形横截面并且具有圆柱形形状。预混合室包 括顶部342，底部344，将顶部连接到底部的侧壁346，布置在底 部344的空气进口 348和布置在顶部342的空气/燃料出口 350。 侧壁346包括内表面347和外表面349。如图所示，顶部342和底 部344是敞开的，从而形成空气进口 348和空气/燃料出口 350。— 结果，空气进口 348和空气/燃料出口 350分别具有圆形横截面。 预混合室332的长度(或高度)与液压内径之比在大约0.25: 1至大约4: 1的范围内。在示于图19、 20、 22和23的实施方式中(其不包括后面讨 论的延伸气筒400)，预混合室332的长度(或高度)与液压内径 之比为大约1: 1或以下。优选地，在示于图19、 20、 22和23的 实施方式中(其不包括后面讨论的延伸气筒400)，预混合室332 的长度(或高度)与液压内径之比在大约0.25: 1至大约1: 1的 范围内。如前面所讨论，更长的预混合室大致上允许燃料和空气 在预混合室中更好地混合。然而，已发现，在示于图19和20的 实施方式中，预混合室332的长度(或高度)也足以实现良好的 混合，只要通过缓和火焰传播速度来维持点燃延迟即可。如最佳 示于图20，在这个特定实施方式(其不包括后面讨论的延伸气筒 400)中，预混合区331包括预混合室332下面(在辅助燃料喷入 器334与预混合室的底部344和空气进口 348之间)的显著的预 混合空间331 (a)，预混合室的内部331 (b)，和位于预混合室 的顶部342和空气/燃料出口 350紧邻上方的预混合空间331 (c)。 在这个实施方式中，空气和燃料的混合发生于预混合区331的所 有三个段中。辅助燃料进口 334相对于预混合区331位于这样的位置，即 从辅助燃料进口射入预混合区的燃料会将空气夹带进入预混合空 间331 (a)，并且通过空气进口 348进入预混合室332，从而燃 料气体和空气的混合物，优选基本上均匀的混合物，形成于预混 合区中并且被导致离开预混合室顶部342中的空气/燃料出口 350。 燃料和空气混合物通常不会出现燃烧，直至混合物离开空气/燃料 出口 350大致上一段与空气/燃料出口相隔的脱离距离。与空气/ 燃料出口 350相隔的发生燃烧的距离随着混合物中的空气量和混 合物从空气/燃料出口排出的速度而变化。在一些情况下，由于短 的分级时序，燃烧可能出现在预混合区(例如，以短的持续时间， 极低压的情况)。如示于图19和22，辅助燃料进口 334包括燃烧器铸件352， 其具有牛鼻状部353和多个燃料出口臂354，所述燃料出口臂围绕 牛鼻状部同心布置并且定心于预混合室332的空气进口 348下面。 辅助燃料进口 334与空气进口 348和预混合室332同心。在示于 图19和20的实施方式中，辅助燃料进口 334分隔地设置在预混 合室332的空气进口 348下面。辅助燃料进口 334可以位于空气 进口 348下面零至二英寸处；优选约为空气进口下面一英寸。实 际距离可以改变基于被火焰燃烧的燃料的类型，特定的应用，允 许的火焰包面的长度和其它因素。每个燃料出口臂354和牛鼻状部353包括多个燃料端口 356。 端口 356沿着每个燃料出口臂354的纵向轴线线性分布。辅助燃 料进口 334的替代性实施方式示于图23。在这个实施方式中，每 个气体出口臂354包括两排扩散燃料端口 356，每排中的每个端口 被定位为不直对相邻排中的端口。辅助燃料进口 334，包括燃料出 口臂354，被故意设置成较小，以使得排放燃料和夹带空气之间尽 可能多地相互作用。由进口 334的尺寸和形状产生的"非流线形体" 作用被最小化，以形成空气至排放燃料的净途径。环形燃料隔板360围绕预混合室332的外周布置。燃料隔板 360连接着燃料供应导管338并且与主燃料出口 336流体连通。隔 板360包括敞开的顶部362，底部364，和将顶部连接到底部的外 侧壁366和内侧壁367。在优选实施方式中，外侧壁366与内侧壁 367相隔大约三英寸(该距离取决于燃料的性质和整个燃烧器结 构)。在示于图19、 20、 22和23的实施方式中，隔板360的内
侧壁367也是预混合室332的侧壁346的外表面349。在替代性实 施方式中，如示范于图25-28并如下所解释，燃料隔板360可以从 预混合室332的侧壁346的外表面349向外隔开，以便在侧壁346 的外表面349和主燃料出口 336之间提供环形空间。该空间允许 空气从燃烧器下面的位置夹带到与设置在主燃料出口 336内部的 燃料端口 374相邻的点。在这个实施方式中，隔板360的内侧壁 367与预混合室332的侧壁346分开。主燃料出口 336相对于预混合室的顶部342位于这样的位置， 从而使得燃料可围绕预混合室的空气/燃料出口 350的周边368从 主燃料出口 336喷入。如最佳示于图22，主燃料出口 336包括平 坦的环形燃料喷入本体370，其内具有多个燃料端口 374。由端口 374产生的燃料喷流是扩散燃料喷流。端口 374优选以六度步距相 隔，尽管该间隔可以基于特定的应用改变。环形燃料喷入本体370 附装于环形隔板360的敞开的顶部362，从而燃料端口 374围绕预 混合室的空气/燃料出口 350的周边368布置。环形隔板360和燃 料喷入本体370的内径和外径基本相同。燃料围绕空气/燃料出口 350的周边368从主燃料出口 336 (即，燃料喷入本体370)呈环 形射入。端口 374可以被设置尺寸和间距，以控制燃料从端口射 入的方式(例如，方向和速度)。这一特征组合上通过空气/燃料 出口 350燃料和空气的流动，允许整个火焰包面的形状和长度可 被控制。如示于图7，如有必要，扩散燃料端口 374可以与燃料喷入本 体370相隔多个相应的短的气体升管或末端延伸部376。端口 374 与燃料喷入本体370通过升管376间隔会导致在一些应用场合更 好地横向夹带空气。升管还允许对端口进行配置，并且导致在必 要时燃料流动特性被以机械方式改变。本领域技术人员可以理解， 燃料喷入本体370以包括各式各样重复的端口 374。所使用的特定 的端口配置取决于各种因素，包括将被火焰燃烧的燃料的类型(包 括分子量，发热值，化学计量和气流温度)以及有关的可用压力。燃料供应导管338与辅助燃料进口 334和主燃料出口 336流 体连通，用于从中传导燃料。燃料供应导管338包括主分支380， 其具有第一端382和第二端384。第一端382包括凸缘386，用于 将第一端连接至燃料源(同样，此类连接通常可由焊接形成)。 第二端384连接着燃料隔板360的外侧壁366中的相应进口 388。 燃料供应导管338还包括辅助分支390，其将燃料供应导管连接至 辅助燃料进口 334。辅助分支3卯包括第一端392和第二端394。 第一端392连接着供应导管338的主分支390。第二端394连接着 辅助燃料进口 334 (特别是铸件352)。或者，彼此分开的燃料供 应导管或升管可将燃料引导至辅助燃料进口 334和主燃料出口 336 (不同于单一的整体导管或升管338)。彼此分开的导管或升 管通常从公共燃料总管延伸。现在特别参看图21，火炬燃烧器330的替代性实施方式被示 出。该实施方式与前面描述的燃烧器330的实施方式相同，除了 还包括预混合室延伸气筒400以外。预混合室延伸气筒400延伸 通过预混合室332的长度。在这个实施方式中，预混合室的长度(或高度)与液压内径之比在大约1: 1至大约4: 1的范围内， 更优选在大约1: 1至大约3: 1的范围内。更优选地，在这个实 施方式中，预混合室的长度(或高度)与液压内径之比为大约1.5:1。筒400包括顶部段402，底部段404和将顶部段和底部段连接 在一起的中间段406。中间段406附装于环形燃料隔板360的内侧 壁367。由于预混合室延伸气筒400，预混合室332的顶部342和空气 /燃料出口 350间隔地设置在主燃料出口 336上方。预混合室332 的顶部342和空气/燃料出口 350在主燃料出口 336上方大约0.5 英寸至大约IO英寸的范围内，优选在大约6英寸至大约8英寸的 范围内。实际距离可以基于被火焰燃烧的燃料的类型、特定的应 用、允许的火焰包面高度和其它因素改变。预混合室332的底部 344约与辅助燃料进口 334平齐或高于辅助燃料进口 334大约一英 寸。如示于图21，在这个特定实施方式(包括延伸气筒400)中， 预混合区331包括预混合室332下面(在辅助燃料喷入器334与 预混合室的底部344和空气进口 348之间)的预混合空间331(a)， 预混合室的内部331 (b)，和位于预混合室顶部342和空气/燃料 出口 350紧邻上方的预混合空间331 (c)。在这个实施方式中， 主要的空气和燃料的混合发生于预混合室332中(预混合区331 (b)中)。预混合室延伸气筒400的顶部段402同时用作风挡以及延迟 点燃的物理屏障。具体地讲，顶部段402抵消了有害的交叉流空 气作用，这种作用会迫使火焰位于预混合室的内径之内并且干扰 火炬燃烧器的无烟能力。顶部段402还用于隔离预混合燃料流使 之不被扩散火焰点燃。类似地，筒400的底部段404用作底部风 挡并且有助于防止火焰被拉回并且引起提前点燃。同样，延伸气 筒400导致的增大的预混合室332的长度可以增强燃料和空气在 预混合室中的混合。延伸的筒不是在所有应用场合必需；例如， 当交叉流作用不明显，或是当低分子量燃料被火焰燃烧时，它就 不是必需的。包括或不包括这种屏蔽体取决于将被火焰燃烧的燃 料的分子量和发热值，燃料包含饱和的还是不饱和的碳氢化合物， 所涉及的温度和压力，以及其它因素。在示于图21的实施方式中，隔板360的内侧壁367附装于延
伸气筒400的中间段406。在替代性实施方式中，如示范于图25-28 并如下所解释，燃料隔板360可以从延伸气筒400 (并且因而预混 合室332的外表面)向外隔开，以便在延伸气筒外表面和主燃料 出口 336之间提供空间。该空间允许空气从燃烧器下面的位置夹 带到与设置在主燃料出口 336内部的燃料端口 374相邻的点。参看图20和21，火炬燃烧器330的操作将被描述。 一部分将 被火焰燃烧的燃料(大体上描绘为黑色箭头)通过燃料供应导管 338的主分支380传导至燃料隔板360和主燃料出口 336。还有一 部分将被火焰燃烧的燃料通过燃料供应导管338的辅助分支390 传导至辅助燃料进口 334。燃料从辅助燃料进口 334喷入预混合区 331和预混合室332会将空气夹带进入预混合空间331 (a)，并 且通过空气进口 348进入预混合室，从而燃料和空气混合物(优 选基本上均匀的混合物)形成于预混合区中并且被导致离开空气/ 燃料出口 350。燃料和空气继续混合于空气/燃料出口 350之上短 的距离。将被火焰燃烧的剩余燃料围绕预混合室的空气/燃料出口 350的周边368从主燃料出口 336喷射，并且因而围绕离开预混合 室的空气/燃料出口的空气/燃料混合物。同样，当装有延伸气筒400 时，附加的混合可以实现，并且离开空气/燃料出口 350的预混合 流与因燃料从主燃料出口 336排出而形成的扩散火焰相互作用， 从而被隔离而不会提前点燃。使用延伸气筒400，可以用来增强利 用预混合流产生的整体效果。火炬燃烧器330优选被以下面的方 式设计和操作，即夹带进入包括预混合室332的预混合区331空 气量超过燃烧喷入预混合区的燃料所需的空气化学计量量。过量 的空气施加到火焰包面的中心，以便在内部燃烧燃料。然而，如 后文中详细解释，在一些应用场合，燃烧器330以下面的方式被 设计和操作，即夹带进入包括预混合室332的预混合区331空气 量等于或小于燃烧喷入预混合区的燃料所需的空气化学计量量。 将"富含燃料的"燃料和空气混合物(即，混合物的空气化学计量 量小于支持引入预混合区的燃料的燃烧所需要的)喷入火焰包面 的中央部分在一些应用场合是理想的。火炬燃烧器330可以实现与火炬燃烧器30、 130和230相同 的优点。大体上描绘于图24的火焰包面100也是火炬燃烧器330产生的。现在参看图25-28，可对前面描述的本发明的火炬燃烧器的第 四实施方式(示于图19-23的实施方式)作出的一种改造被示出。 相同的改造也可以实施于前面描述的本发明的火炬燃烧器的第 一、第二和第三实施方式。在这个实施方式中，火炬燃烧器330包括预混合室延伸气筒 400。然而，不是被直接附装于燃料隔板360，延伸气筒400 (并 且因而预混合室332)从燃料隔板向内相隔，以在延伸气筒和燃料 隔板之间提供空气通路，以允许空气有效地到达燃料端口 374布 置在的内部主燃料出口 336。延伸气筒400 (并且因而预混合室 332)的直径显著小于燃料隔板360的直径。在这个实施方式中， 预混合室的长度(或高度)与液压内径之比在大约0.5: l至大约4: 1的范围内，更优选在大约1: 1至大约3: 1的范围内。更优 选地，预混合室的长度(或高度)与液压内径之比在大约1.5: 1的范围内。由于延伸屏蔽体400的直径较小，因此环形空间430存在于 燃料隔板360的内侧壁367和延伸气筒400的外表面(其也是预 混合室332的侧壁346的外表面349)之间。多个薄矩形节点板 432被用于对中和保持延伸气筒400 (并且因而预混合室332)于 燃料隔板360中。如图所示，四个板432在环形空间430中布置
成90。相隔。每个板432的一端附装于燃料隔板360的内侧壁367。 每个板432的另一端附装于延伸气筒400的外表面(其也是预混 合室332的恻壁346的外表面349)。除了上述改型，示于图25-28 的燃烧器330在所有方面与前面描述的示于图19-23的实施方式相 同。主燃料出口 336也相对于预混合室的顶部342设置在这样的 位置，从而使得燃料可围绕预混合室的空气/燃料出口 350的周边 368从主燃料出口 336喷入。环形空间430仅仅在延伸气筒和燃料 隔板之间提供了空气通路，以允许新鲜的氧化剂有效地到达布置 在主燃料出口 336的内部的燃料端口 374。燃烧器330的操作是相 同的，除了新鲜的空气被内侧排的燃料端口 374的动力带动着通 过环形空间430由燃烧器下方夹带进入以外。夹带空气紧密接近 于由主燃料出口 336上的内侧排的燃料端口 374排放的燃料并且 与其混合。例如，环形空间430提供的增强的混合条件对于火焰 燃烧相对重和不饱和的燃料原料是有用的，这种燃料趋向于更容 易冒烟。其使得燃烧器最佳地实现无烟灰燃烧。本领域技术人员可以理解，相同的改造也可以应用于前面描 述的本发明的火炬燃烧器的其它三个实施方式。例如，在修改示 于图4-8的实施方式时，预混合室32的横截面直径减小，并且预 混合室32从燃料隔板60向内相隔。环形燃料隔板60的内侧壁67 或预混合室32的侧壁46可被添加(如图所示，隔板内侧壁和预 混合室侧壁相同)。环形密封件68被取消。预混合室32从燃料 隔板60向内间隔在预混合室和燃料隔板之间提供了空气空间。这 样，新鲜空气可从燃烧器下方夹带至紧密接近于从主燃料出口 36 内部的燃料端口 74排出的燃料的点。预混合室32可被定心在燃 料隔板60中并且通过示于图25-28多个节点板附装于燃料隔板60上。图28大致上描绘了由示于图25-27的改型火炬燃烧器330(以 及以相同方式改造的燃烧器130、230和330)产生的火焰包面100。 如图所示，过量空气从预混合室332喷入火焰包面100的中心部 分102。过量的空气，在图28表示为空气穴103，与火焰包面100 的中心部分102的燃料混合，以实际上形成两个可燃性初始区， 即区104 (a)和104 (b)。空气也从燃烧器330下方通过环形空 间430被夹带到紧密接近于由主燃料出口 336上的内侧排的燃料 端口 374排出的燃料的点。通过环形空间430夹带的空气增强了 混合条件，并且在整个火焰包面100内产生更快速的和更均匀的 燃烧。如示于图28，对于相同量的燃料，火焰包面100的长度106 明显小于示于图3的现有技术火焰包面20的长度23。总体信息本发明的部分预混合方法允许随着燃料被火焰燃烧在相同的 火焰包面内引起两个火焰区。外火焰区典型地与此前所使用类型 的燃烧器即只使用扩散混合的类型中所观测到的普通火焰区一 致。外层的气体被击碎以暴露相继层的气体，以实现重复的扩散 和后续燃烧。第二火焰区由燃烧器的预混合区产生，预混合区将 可燃烧混合物传输到主火焰包面内部。这一燃烧流动场用于在火 焰芯部产生明显的紊流条件，其与普通扩散火焰完全不同。随着 预混合区变位更加燃料贫瘠，火焰由于传输至火焰芯部的附加的 氧化剂而变短。过量的空气被剩余火焰浮烟使用，并且用于縮短 火焰(或使得质量流减小)，同时还用作速冷机构，以减少排放 物例如氧化亚氮和一氧化碳。过量的空气还减少了烟灰的形成并 且导致燃烧任何未燃碳氢化合物。每个火炬燃烧器30、 130、 230和330优选被这样设计和操作，
从而夹带进入预混合区并且喷入火焰包面的中央部分的空气量在 支持引入预混合区的燃料的燃烧所需要的空气化学计量量的大约15%至大约300%的范围内。因此，富含燃料方式((空气化学计 量量小于支持引入预混合区的燃料的燃烧所需要的空气化学计量 量的100%的燃料和空气混合物被喷入火焰包面的中央部分)和燃 料贫瘠方式(空气化学计量量大于支持引入预混合区的燃料的燃 烧所需要的空气化学计量量的100%的燃料和空气混合物被喷入 火焰包面的中央部分)均可被使用。每个方式同以前使用的典型 扩散/自由喷流驱动燃烧条件相比均具有自己的优点。所使用的特 定方式取决于特定的应用，包括将被火焰燃烧的燃料的类型和可 供使用的压力。所述方式可以用典型的端口和燃料传输机构进行 改造。当富含燃料方式被使用时，喷入火焰包面中心的燃料部分将 引起火焰芯部的燃烧被形成小的包裹，这可以縮短火焰，并且在 火焰包面中心产生附加的紊流燃烧区。当燃料贫瘠方式被使用时， 由于更大的预混合燃料部分在火焰芯部燃烧，火焰包面会明显縮 短。预混合流动条件支持的过量空气用于相对于剩余火焰包面的 中心进一步引起燃烧。燃料产生的附加紊流在燃烧过程中在火焰 中心膨胀，可以打碎密集燃料芯部并将其推向外火焰边界，从而 增进剩余燃料的混合条件。当富含燃料方式被使用时，重要的是向火焰包面的中心传输 的预混合流维持在可燃烧范围之内。否则的话，火焰包面的中心 的增强的混合和燃烧可能不会出现。增强的混合受益于预混合火 焰，其起始于火焰芯部并且以明显的速度膨胀，以在火焰芯部产 生明显的紊流。然而，在大多数应用场合，喷射"贫瘠"燃料和空气混合物(即，
混合物的空气化学计量量大于支持引入预混合区的燃料的燃烧所需要的空气化学计量量的100%)进入火焰包面的中央部分是理想的。在大多数应用场合，夹带进入预混合区并且喷入火焰包面的 中央部分的空气量在支持引入预混合区的燃料的燃烧所需要的空气化学计量量的大约125%至大约300%的范围内。优选地，夹带 进入预混合区的空气量在支持喷入预混合区的燃料燃烧所需的空 气化学计量量的大约150°/。至大约300°/。的范围内，更优选大约 175%至大约300%。随着夹带进入预混合区的过量空气的量增加 (也就是说，随着夹带进入预混合区的空气量超过支持引入预混 合区的燃料的燃烧所需要的空气化学计量量增加)，有关火焰长 度和排放物的优点也会增加。尽管夹带进入预混合区的空气量大 于支持喷入预混合区的燃料燃烧所需的空气化学计量量的300% 是有益的，但这需要额外的空气夹带源(例如气流喷射)和可能 其它修改，并且可能因此而导致成本难以承受。夹带进入每个燃烧器30、 130、 230和330的预混合区的空气 量高度取决于从辅助燃料进口喷射的燃料的压力和质量流，被火 焰燃烧的燃料的类型，辅助燃料进口的结构，包括其中的端口的 数量和尺寸，辅助燃料进口相对于通入预混合室的空气进口的定 位，以及空气进口的尺寸。在大多数应用场合，最终目标是实现 高度淡化，优选为燃料和空气的可引燃混合物。可引燃贫瘠混合 物将快速吸收所需的燃料，从而一旦到达火焰包面内部的芯部就 又可燃烧了。在实现了可燃混合物后，空气和气体将在火焰包面 内部产生大火焰区，这可以显著增加燃料的氧化速度，同时还可 以产生显著的紊流，并且也增大火焰区外表面的扩散混合。传输 到火焰包面中心的附加质量还用作速冷机构，以降低排放物的产 生，例如氧化亚氮和一氧化碳。增加的燃烧速度，同时维持两个
火焰锋面，还可以用于降低一氧化碳和烟灰的产生，并且进一步 减少未燃碳氢化合物的释放。燃料被以足够的动量射入预混合区，以将空气从燃烧器下面 径向夹带到燃料喷流和预混合区中。取决于燃料分子量和可供夹 带的传输压力，燃烧器可以从辅助燃料进口下面最多2英尺处夹 带空气。优选地，引入每个燃烧器30、 130、 230和330预混合区的燃 料的量在将被火炬燃烧器火焰燃烧的燃料总量的大约5%至大约 50%的范围内，更优选在大约10%至大约30%的范围内。更优选 地，引入预混合室的燃料量在将被火炬燃烧器火焰燃烧的燃料总 量的大约10%至大约25%的范围内。通过设置燃料端口的直径和 燃料压力，可以控制引入预混合区的燃料量。引入预混合区的燃料所占比例越大，火焰越短，并且燃烧器 的无烟能力越高。然而，喷入预混合区的燃料比率与可被夹带进 入预混合区的空气量之间必须实现正确的平衡。当燃料贫瘠方式 被使用时，通常重要的是夹带进入预混合区的空气量为支持喷入 预混合区的燃料燃烧所需的空气化学计量量的至少大约125%。更 少量的空气将产生高反应性(可燃)混合物，其导致燃烧器易于 以最高速度回燃或回闪，最终引起燃烧器损坏。夹带空气的量越 大，速冷效果越大，燃料火焰速度越低。这样的条件对于促进预 混合流点燃延迟是理想的，以便确保预混合流在燃烧之前的点燃 点局限于火焰芯部，以获却最大效益。充分淡化的空气和燃料流将确保空气和燃料混合物不被点 燃，直至混合物离开空气/燃料出口并且到达火焰包面的中心。一 旦燃料和空气混合物离开空气/燃料出口并进入火焰包面，混合物 就会吸收足够的附加燃料而成为可燃烧混合物，此时燃料在主火 焰包面内部被点燃。这种流动方案产生了位于火焰中的火焰，或 以两个单独的火焰锋面进行燃烧的环面火焰几何形状。在燃烧过 程中气体产生的附加紊流在火焰中心膨胀，这可用于打碎密集燃料芯部并将其推向外火焰边界，从而增进剩余燃料的混合条件。 这种方式减小了火焰高度和冒烟的可能性，同时还由于增大的混 合而提高了整个燃烧效率。重要的是空气/燃料混合物在每个燃烧器30、 130、 230和330 的预混合区中不燃烧，直至其离开预混合区的空气/燃料出口。例 如，在预混合室内燃烧，可以对预混合室产生背压，并且极大地 减少夹带进入预混合室的空气量。通过只将一部分将被火焰燃烧的燃料传输到每个燃烧器30、 130、 230和330的预混合区，燃烧器的整个横截面尺寸相对较小。 在设计和建造能够以完全预混合的方式供应100%的燃烧所需空 气的燃烧器时，通常其尺寸会受到限制。这种燃烧器的文丘里或 混合器部分必然会相当大，并且不具备适合于低燃料压力的能力。尽管每个本发明的燃烧器30、 130、 230和330的预混合室相 对较小，但整个设备能够提供充分的空气和燃料以产生预混合空 气和燃料流，其带有显著量的夹带过量空气。结果，可以实现燃 料流动的显著增强，以及相等的火焰高度和直径。基于将被火焰 燃烧的燃料的类型，本发明的燃烧器容易适应于可被设计的燃料 流率，以使传输燃料的速率超过以前使用的扩散喷流型燃烧器的 典型流率的1.4倍。在大多数情况下，这一点的实现还同时维持大 致相同的火焰长度和直径。如果允许使用更大的火焰高度，则同 以前使用的扩散喷流型燃烧器可达到的流率相比，燃料流率可以 显著更高。另外，在本发明的燃烧器的每个实施方式方面，可以 维持点燃间隔和縮减能力，同时提高燃料流率。在低分子量燃料
方面，由于火焰的缓和，火焰的热辐射部分也会在一定程度上减 少，从而降低整体火焰温度。在一些情况下，这允许燃烧器维持 或最小范围地增加燃烧器和栅栏之间的距离，尽管燃料流率被提 高了。传输至火焰中心的过量空气不但用于施加空气至火焰中心， 而且还降低了时变速度，其中，所产生的燃料浮烟在离开燃烧器 末端时被氧化。这会导致更清洁、无烟的火焰，其对于给定放热 成比例地縮短。淡化和火焰后续速冷效果还用于减少氧化亚氮和 一氧化碳排放物。燃料和空气通过预混合室的流动还有助于冷却 燃烧器组件。前面描述了辅助燃料进口的各种结构。其它结构也是可行的， 包括钻设多点喷入器本体或总管，以使在可用燃料压力下的空气 夹带和混合最大化。前面描述的每个实施方式的下段可以包括科 安达表面或可以是直段。如果科安达表面被使用，则辅助燃料进 口中的端口可以是圆形孔眼(喷流)或槽。除了科安达技术外， 燃料可以以相对较高的速度从辅助燃料进口喷入，以快速获得可 喷入火焰包面中心的燃料和空气混合物。本发明的火炬燃烧器的 各个元件的尺寸，包括预混合室和燃料隔板的尺寸，可以改变。 此外，多种端口配置(例如，端口尺寸；端口之间的间隔)可以 用于主燃料出口和辅助燃料进口。所使用的特定尺寸和结构取决 于燃料的类型和分子量，其温度、发热值及反应能力，操作参数 (例如，可供使用的压力)和其它因素。尽管不是完全必须的，但第三方惰性流体(tertiary inerting fluid)可以喷入本发明的火炬燃烧器(任何火炬燃烧器实施方式) 的预混合区，以增强空气向预混合区中的夹带。可以使用的第三 方惰性流体的例子包括蒸气、空气和氮气。蒸气是优选的。附图示出了本发明的火炬燃烧器的圆形和矩形(多边形)实 施方式。本发明的火炬燃烧器的每个实施方式也可以形成为其它 几何形状。例如，除了圆形和矩形形状以外，椭圆形、三角形、 正方形、五边形、八边形和其它多边形形状可以采用。其它几何 形状在成本或制造方面提供益处。最佳方式是产生淡化过量空气 流，然后其被从预混合室传输到火焰主体中心。然而，富含燃料 流也会相对于以前使用的仅扩散型燃烧器提供益处，这是由于本 发明的燃烧器会产生增强的混合。本发明的地面火炬现在参看图29，本发明的地面火炬被示意性示出，并且总体 上被赋予附图标记420。地面火炬420包括多个火炬燃烧器422， 围绕火炬燃烧器延伸的围墙424，和用于向火炬燃烧器供应燃料的 燃料供应管线426。火炬燃烧器布置成多个排430 (a) — (f)和排432 (a) — (e)。 排430 (a) - (f)形成第一级434火炬燃烧器422，而排432 (a) - (e)形成第二级436火炬燃烧器。至少一个火炬燃烧器422为 前面描述的本发明的火炬燃烧器的一个实施方式。优选地，第二 级436火炬燃烧器422中的每个火炬燃烧器422(相对大体积的燃 料需要被火焰燃烧时使用的燃烧器)是前面描述的本发明的火炬 燃烧器的一个实施方式。如有必要，第一级434燃烧器和第二级 436燃烧器中的每个火炬燃烧器422都是前面描述的本发明的火 炬燃烧器的一个实施方式。燃料供应管线426包括主管线440，其终止于分配歧管442。 第一级供应管线444和第二级供应管线446连接着分配歧管442 并且与其流体连通。单独的第一级供应管线450 (a) - (f)从第 一级燃料供应管线444延伸到相应的燃烧器排430 (a) - (f)。 类似地，单独的第二级供应管线452 (a) - (e)从第二级燃料供 应管线446延伸到相应的燃烧器排432 (a) - (e)。例如，本发 明的火炬燃烧器330的燃料供应导管338的主分支380的第一端 382附装于一个所述单独的供应管线450 (a) - (f)或452 (a)-(e)。如果另一类型的火炬燃烧器也被用于地面火炬420中，则 该燃烧器的燃料供应导管适宜地连接至一个所述单独的供应管线 450 (a) - (f)或452 (a) - (e)。一组引燃装置460 (a) - (f)与第一级供应管线444流体连 通，并且在点燃之前被安置适宜的燃烧器和燃料间隔体。引燃装 置通常定位于靠近相应排430 (a) -(f)中的第一火炬燃烧器422。 类似地， 一组引燃装置462 (a) - (e)与第二级供应管线446流 体连通，并且定位于靠近相应排432 (a) - (e)中的第一火炬燃 烧器422。围墙424围绕着火炬燃烧器422，并且包括多个立柱470和连 接于立柱之间的栅栏段472。围墙或栅栏在大约30英尺至大约60 英尺高的范围内。围墙424被设计成使得空气可通过围墙和从围 墙下面被抽入地面火炬。在本发明的地面火炬420操作中，将被火焰燃烧的燃料通过 主管线440传导至分配歧管442。阀控制系统(未示出)用于将燃 料分配至第一级燃料供应管线444，或分配至第一级燃料供应管线 444和第二级燃料供应管线446。如果相对小体积的燃料被传导至 分配歧管442，则阀系统只将燃料引导至第一级燃料供应管线444。 如果传导至分配歧管442的气体燃料体积相对较大，则燃料被传 导至第一级燃料供应管线444和第二级燃料供应管线446。如有必 要，还可以采用附加分级，以实现周期的导入和导出。基于燃料 体积，燃料从燃料供应管线444和446之一或二者传导至相应的 独立供应管线450 (a) — (f)和/或452 (a) — (e)。燃料从独立
供应管线450 (a) - (f)禾口/或452 (a) - (e)传导至相应排430 (a) - (f)和432 (a) - (e)中的火炬燃烧器422。如需要，引燃装置460 (a) - (f)和460 (a) - (e)点燃从 每排中的相应第一燃烧器422排出的燃料。从每排的第一燃烧器 422点燃的燃料随后点燃从相邻燃烧器排出的燃料，接着又点燃该排中下一燃烧器排出的燃料，并如此继续下去，直至从该排中每 个燃烧器排出的燃料均被点燃。燃烧所需的空气通过围墙424和/ 或从围墙424的壁下面吸入。不是必须单独地将空气供应至燃烧 器422或地面火炬。本发明的地面火炬可以用于燃烧从相对小体积燃料(例如， 每小时3,000磅或以下)至相对大体积燃料气体(例如，每小时 IO，OOO至15,000磅和以上，基于将被火焰燃烧的燃料的分子量， 可供使用的压力，温度和其它因素)。即使是在非常高的流率下 (例如，每小时10,000磅)，由本发明的地面火炬燃烧器产生的 火焰包面也可以在典型地面火炬围墙中获得。由于本发明的火炬 燃烧器的结构，更大体积的燃料可以以较小的端口和较高的压力 被火焰燃烧，而不会显著增加由地面火炬产生的火焰包面的高度。 或者，火焰高度可以减小，以允许围墙424降低高度。本发明的 燃烧器从燃烧器下面吸入空气，这允许燃烧器安置成靠近地面， 这又导致减小围墙424的所需高度。由于较少数量的燃烧器和相 关元件，所需要的地面部分较小。在许多情况，现有的地面火炬可以被改装本发明的火炬燃烧 器422，以允许更多将被火焰燃烧的燃料，而不会引起火焰包面的 高度显著超过围绕地面火炬的围墙的高度。另外，由于燃烧器的 结构，给定火炬末端的无烟率可以大范围显著提高。由于实现了 增加的产出量，每个总管可以被输送更多的气体。这会导致更少
的总管被连接更少的控制机构例如气体控制阀、截止阀、调节器和物理管道。以更少的总管获得更大的能力还使得围墙434可以 减小。本发明的地面火炬可以用于火焰燃烧燃料气体。例子包括饱 和和不饱和碳氢化合物，例如丙烷和丙烯和它们的混合物，单独 或带有氢气、水蒸汽和/或惰性气体例如氮气、 一氧化碳、氩气等。前面描述的本发明的地面火炬旨在解释地面火炬，特别是本 发明的火炬燃烧器如何被相关地使用。本领域技术人员可以理解，地面火炬设备可以在下述方面改变它们如何构成，燃烧器的数 量和类型，总管，流动系统，控制阀和相关元件，围绕设备的围 墙类型和高度，以及许多其它方面。本发明的地面火炬包括使用 了本发明的火炬燃烧器的任何地面火炬设备。本发明的方法根据本发明的方法，燃料在一个本发明的火炬燃烧器30、 130、 230或330中燃烧。参看图24，燃料通过燃料喷入本体(即，主 燃料出口 36、 136、 236或336)喷入燃烧区101，并且被点燃以 产生火焰包面100和燃烧燃料。 一部分将被燃烧的燃料以这样的 方式被引入燃烧器的包括预混合室(即，预混合室32、 132、 232 或332)的预混合区，即可将空气夹带进入预混合区并且在预混合 区中产生空气和燃料混合物(优选基本上均匀的混合物)。空气 和燃料混合物然后从预混合室喷入火焰包面的中央部分104。同 样，如前面所讨论，夹带进入预混合区并且喷入火焰包面的中央 部分的空气量可以是从富含燃料但可燃烧的混合物至夹带空气超 过燃烧所需化学计量量的混合物。这种喷入火焰包面中心的预混 合燃料和空气流引起第二火焰区，产生环面形状的火焰包面。总 的结果是整个火焰包面更快速的和更均匀的燃烧，从而实现前面
结合本发明的火炬燃烧器讨论的优点。如前面所讨论，夹带进入预混合区并且喷入火焰包面的中央 部分的空气量优选为支持引入预混合区的燃料的燃烧所需要的空气化学计量量的至少大约15%。在一些应用场合，将"富含燃料的" 燃料和空气混合物(即，混合物中空气化学计量量小于支持引入 预混合区的燃料的燃烧所需要的空气化学计量量的100%)喷入火 焰包面的中央部分是适宜的。然而，在大多数应用场合，将"贫瘠 的"燃料和空气混合物(即，混合物中空气化学计量量大于支持引 入预混合区的燃料的燃烧所需要的空气化学计量量的100%)喷入 火焰包面的中央部分是理想的。在大多数应用场合，夹带进入预 混合区并且喷入火焰包面的中央部分的空气量在支持引入预混合 区的燃料的燃烧所需要的空气化学计量量的大约125%至大约 300%的范围内。引入预混合区和预混合室(即，预混合室32、 132、 232或332) 的燃料量在将被火炬燃烧器火焰燃烧的燃料总量的大约5%至大 约50%的范围内，更优选大约10%至大约30%，更优选地大约10% 至大约25%。为了进一步解释本发明，下面给出实施例。实施例I作为本发明的火炬燃烧器的第一实施方式的火炬燃烧器30与 现有技术的高容量扩散型地面火炬燃烧器即图1和2所示的燃烧 器进行比较。两个本发明的火炬燃烧器被测试， 一个的长度为大 约30英寸，另一个的长度为大约16英寸。本发明的火炬燃烧器 的端口开设成与现有技术火炬燃烧器包含的三平方英寸的流动.面 积相匹配。 本发明的火炬燃烧器首先被单独测试。利用丙垸和丙烯进行测试。大约20%的燃料被喷入每个本发明的火炬燃烧器的预混合室。剩余燃料则被围绕从预混合室排出的空气/燃料混合物周边喷 射。可以确定，利用这两种燃料，每个本发明的火炬燃烧器都能 支持显著的燃料流动，同时产生无烟火焰。发现每个燃烧器的火 焰包面非常稳定，能够获得显著的缩减比例，并且还在整个放热 燃烧范围内非常对称。观察到每个燃烧器的火焰包面的长度很小 并且具有小直径。本发明的长度为大约30英寸的火炬燃烧器随后与现有技术燃 烧器做比较。两个火炬燃烧器被并排测试。燃烧器附装于相同的 总管上，以确保相同体积的燃料被供应至每个燃烧器。观察到，在大多数观测的测试点，本发明的火炬燃烧器产生 縮短的火焰包面。在縮减过程中，本发明的火炬燃烧器在低压下 保持燃烧。在最大燃料流率下，本发明的火炬燃烧器产生的火焰 包面的总长度同现有技术高容量扩散型地面火炬燃烧器相比縮短 了。然而，在这个方案中，由现有技术火炬燃烧器产生的火焰包 面的竖直横截面(宽度)大于由本发明的火炬燃烧器产生的火焰 包面。本发明的火炬燃烧器没有观测到回燃，直至压力明显低于1 psig。从本发明的火炬燃烧器产生的火焰包面的热辐射看上去等价 于或略小于现有技术火炬燃烧器产生的火焰包面的热辐射。在縮 减条件下，现有技术火炬燃烧器的冒烟量与本发明的火炬燃烧器 大约相同。在大约相同的流率和压力下，两种燃烧器通常都具有 尾烟。然而，在初始测试中，在较低压力下，本发明的火炬燃烧 器的尾烟密度看上去持续低于扩散型燃烧器末端。随着压力降低， 现有技术燃烧器变为产生加重的烟。 ，实施例II
作为本发明的火炬燃烧器的第三实施方式的火炬燃烧器230 也被测试并且与前面讨论的现有技术火炬燃烧器进行比较。本发 明的火炬燃烧器的该实施方式看上去至少等价于现有技术燃烧 器。然而，本发明的燃烧器在低压下产生的烟多于实施例I中描述 的本发明的火炬燃烧器第一实施方式。无烟工作范围与现有技术 火炬燃烧器的无烟性能大致相当。在这个测试中，本发明的火炬燃烧器的预混合室的角部产生 了复杂的流动模式，其从视觉上呈现为在一定程度上妨碍预混合 室中的混合条件。结果，寄生的分层富含燃料区被观测到形成在 预混合排放区域的角部，导致在火焰区的整个表面被观测到可见 的烟层。另一方面，被测试的本发明的火炬燃烧器所能处理的燃 料量几乎为现有技术火炬燃烧器的三倍。用于组装本实施例中描述的本发明火炬燃烧器测试单元的一 个焊接件出现故障并且最终失效(仅经历了一定程度的测试)。 该焊接件仅用于该测试单元(由碳钢制成)；焊接件的故障不是 因为设计原因，并且与实际燃烧器的工作或性能无关。在任何情 况下，测试表明火炬燃烧器230非常能够处理大量燃料流，而只 有较轻的冒烟问题。因此，本发明能够被良好地设置成实现本发明的目的并且获 得前面描述和其固有的各方面特征和优点。本领域技术人员可以 做出各种修改，这些修改被认为包含在权利要求限定的本发明范 围内。
权利要求
1.一种火炬燃烧器，包括预混合区，其包括预混合室，所述预混合室具有顶部、底部、将所述顶部连接到所述底部的侧壁、设在所述底部和所述侧壁之一中的空气进口、设在所述顶部中的空气/燃料出口；辅助燃料进口，其用于将燃料射入所述预混合区，所述辅助燃料进口相对于所述预混合区安置在这样的位置，从而将燃料从所述辅助燃料进口喷入所述预混合区会导致空气被夹带进入所述预混合区，以使得燃料和空气混合物形成在所述预混合区中并且被导致离开所述预混合室的所述空气/燃料出口；以及主燃料出口，其相对于所述预混合室的所述顶部安置在这样的位置，从而使得燃料围绕所述预混合室的所述空气/燃料出口的周边从所述主燃料出口喷射。
2. 如权利要求1所述的火炬燃烧器，其中，所述空气进口布 置于所述预混合室的所述底部中。
3. 如权利要求1所述的火炬燃烧器，其中，所述主燃料出口 从所述预混合室向外隔开，以在它们之间提供空气夹带空间。
4. 如权利要求1所述的火炬燃烧器，还包括燃料隔板，其围 绕所述预混合室的外周布置，所述隔板包括燃料进口并且与所述 主燃料出口流体连通。
5. 如权利要求4所述的火炬燃烧器，其中，所述燃料隔板和 所述主燃料出口从所述预混合室向外隔开，以在它们之间提供空 气夹带空间。
6. 如权利要求4所述的火炬燃烧器，其中，所述隔板也与所 述辅助燃料进口流体连通。
7. 如权利要求1所述的火炬燃烧器，还包括燃料供应导管， 其与所述辅助燃料进口和所述主燃料出口流体连通，用于将燃料 传导至所述辅助燃料进口和所述主燃料出口。
8. 如权利要求1所述的火炬燃烧器，其中，所述主燃料出口 包括多个燃料端口 ，它们围绕所述预混合室的所述空气/燃料出口 的周边布置。
9. 如权利要求4所述的火炬燃烧器，其中，包括所述空气/ 燃料出口的所述预混合室、所述燃料隔板和所述主燃料出口分别 具有圆形横截面，以使得燃料可以围绕所述空气/燃料出口的周边 从所述主燃料出口呈环形的方式喷射。
10. 如权利要求1所述的火炬燃烧器，其中，所述预混合室的 所述侧壁包括内表面和外表面，所述内表面的一段为科安达表面。
11. 如权利要求IO所述的火炬燃烧器，其中，所述辅助燃料 进口相对于所述预混合室位于这样的位置，从而使得燃料从所述 辅助燃料进口喷射到所述科安达表面上。
12. 如权利要求4所述的火炬燃烧器，其中，所述预混合室的 所述侧壁包括内表面和外表面，所述内表面的一段为科安达表面。
13. 如权利要求12所述的火炬燃烧器，其中所述空气进口布置于所述预混合室的所述底部，并且包括所 述空气进口的所述预混合室、所述隔板和所述辅助燃料进口分别 具有圆形横截面；所述科安达表面围绕所述预混合室的所述侧壁的所述内表面 呈环形延伸。
14. 如权利要求13所述的火炬燃烧器，其中，所述辅助燃料 进口相对于所述预混合室位于这样的位置，从而燃料从所述辅助 燃料进口呈环形喷射到所述科安达表面上。
15. 如权利要求IO所述的火炬燃烧器，其中，所述内表面包 括两个对置段，它们是科安达表面，所述辅助燃料进口相对于所 述预混合室位于这样的位置，从而使得燃料从所述辅助燃料进口 喷射到每个所述科安达表面上。
16. 如权利要求1所述的火炬燃烧器，其中，所述预混合室的 长度与液压内径之比在大约0.25: l至大约4: l的范围内。
17. 如权利要求1所述的火炬燃烧器，其中，所述预混合室的长度与液压内径之比为大约1: l或以下。
18. —种火炬燃烧器，包括预混合区，其包括预混合室，所述预混合室具有顶部、底部、 将所述顶部连接到所述底部的侧壁、设在所述底部中的空气进口、 设在所述顶部中的空气/燃料出口，并且长度与液压内径之比在大 约0.25: 1至大约4: 1的范围内；辅助燃料进口，其用于将燃料射入所述预混合区，所述辅助 燃料进口相对于所述预混合区安置在这样的位置，从而将燃料从 所述辅助燃料进口喷入所述预混合区会导致空气被夹带进入所述 预混合区，以使得燃料气体和空气的混合物形成在所述预混合区 中并且被导致离开所述预混合室的所述空气/燃料出口；主燃料出口，其相对于所述预混合室的所述顶部安置在这样 的位置，从而使得燃料围绕所述预混合室的所述空气/燃料出口的 周边从所述主燃料出口喷射；以及燃料供应导管，其与所述辅助燃料进口和所述主燃料出口流 体连通，用于将燃料传导至所述辅助燃料进口和所述主燃料出口。
19. 如权利要求18所述的火炬燃烧器，其中，包括所述空气 进口的所述预混合室、所述空气/燃料出口和所述主燃料出口具有 圆形横截面。
20. 如权利要求18所述的火炬燃烧器，其中，所述主燃料出 口从所述预混合室向外隔开，以在它们之间提供空气夹带空间。
21. 如权利要求19所述的火炬燃烧器，还包括环形燃料隔板，其围绕所述预混合室的外周布置，所述隔板与所述主燃料出口流 体连通，并且具有顶部、底部和将所述顶部连接到所述底部的侧壁。
22. 如权利要求21所述的火炬燃烧器，其中，所述主燃料出 口附设在所述燃料隔板的所述顶部，并且包括围绕所述预混合窒 的所述空气/燃料出口的周边延伸的多个燃料端口 。
23. 如权利要求22所述的火炬燃烧器，其中，所述燃料隔板 和所述主燃料出口从所述预混合室向外隔开，以在它们之间提供 空气夹带空间。
24. 如权利要求18所述的火炬燃烧器，其中，所述预混合室 的长度与液压内径之比为大约1: l或以下。
25. 如权利要求24所述的火炬燃烧器，其中，所述辅助燃料 进口在所述预混合室的所述空气进口的下面隔开。
26. 如权利要求18所述的火炬燃烧器，其中，所述预混合室 的所述空气/燃料出口在所述主燃料出口的上面隔开。
27. —种地面火炬，包括多个火炬燃烧器、围绕火炬燃烧器延伸的围墙、用于将燃料供应至火炬燃烧器的燃料供应管线，其中， 至少一个火炬燃烧器包括预混合区，其包括预混合室，所述预混合室具有顶部、底部、 将所述顶部连接到所述底部的侧壁、设在所述底部和所述侧壁之 一中的空气进口、设在所述顶部中的空气/燃料出口；辅助燃料进口，其用于将燃料射入所述预混合区，所述辅助 燃料进口相对于所述预混合区安置在这样的位置，从而将燃料从 所述辅助燃料进口喷入所述预混合区会导致空气被夹带进入所述 预混合区，以使得燃料气体和空气的混合物形成在所述预混合区 中并且被导致离开所述预混合室的所述空气/燃料出口；以及主燃料出口，其相对于所述预混合室的所述顶部安置在这样 的位置，从而使得燃料围绕所述预混合室的所述空气/燃料出口的 周边从所述主燃料出口喷射
28. 如权利要求27所述的地面火炬，其中，所述空气进口布 置于所述预混合室的所述底部
29. 如权利要求27所述的地面火炬，其中，所述主燃料出口 从所述预混合室向外隔开，以在它们之间提供空气夹带空间
30. 如权利要求27所述的地面火炬，其中，所述火炬燃烧器 还包括燃料隔板，其围绕所述预混合室的外周布置，所述隔板包 括燃料进口并且与所述主燃料出口流体连通
31. 如权利要求30所述的地面火炬，其中，所述燃料隔板和 所述主燃料出口从所述预混合室向外隔开，以在它们之间提供空 气夹带空间
32. 如权利要求30所述的地面火炬，其中，所述隔板也与所 述辅助燃料进口流体连通
33. 如权利要求27所述的地面火炬，还包括燃料供应导管， 其与所述辅助燃料进口和所述主燃料出口流体连通，用于将燃料 传导至所述辅助燃料进口和所述主燃料出口
34. 如权利要求27所述的地面火炬，其中，所述主燃料出口 包括多个燃料端口 ，它们围绕所述预混合室的所述空气/燃料出口 的周边布置
35. 如权利要求30所述的地面火炬，其中，包括所述空气/ 燃料出口的所述预混合室、所述燃料隔板和所述主燃料出口分别 具有圆形横截面，从而燃料围绕所述空气/燃料出口的周边从所述 主燃料出口呈环形喷射。
36. 如权利要求27所述的地面火炬，其中，所述预混合室的 所述侧壁包括内表面和外表面，所述内表面的一段为科安达表面。
37. 如权利要求36所述的地面火炬，其中，所述辅助燃料出 口相对于所述预混合室位于这样的位置，从而使得燃料从所述辅 助燃料出口喷射到所述科安达表面上。
38. 如权利要求30所述的地面火炬，其中，所述预混合室的 所述侧壁包括内表面和外表面，所述内表面的一段为科安达表面。
39. 如权利要求38所述的地面火炬，其中所述空气进口布置于所述预混合室的所述底部中，并且包括 所述空气进口的所述预混合室、所述燃料隔板和所述辅助燃料进 口分别具有圆形横截面；所述科安达表面围绕所述预混合室的所述侧壁的所述内表面 呈环形延伸。
40. 如权利要求39所述的地面火炬，其中，所述辅助燃料进 口相对于所述预混合室位于这样的位置，从而燃料从所述辅助燃 料进口呈环形喷射到所述科安达表面上。
41. 如权利要求36所述的地面火炬，其中，所述内表面包括 两个对置段，它们是科安达表面，所述辅助燃料进口相对于所述 预混合室位于这样的位置，从而使得燃料从所述辅助燃料进口喷 射到每个所述科安达表面上。
42. —种利用火炬燃烧器火焰燃烧燃料的方法，其中，将被火 焰燃烧的燃料通过燃烧器的燃料出口喷入燃烧区并且被点燃，以 产生火焰包面并且燃烧燃料，其特征在于，包括将一部分将被燃烧的燃料以这样的方式引入所述燃烧器的预 混合区，从而导致空气被夹带进入所述预混合区并且在所述预混 合区内产生空气和燃料混合物；以及将所述空气和燃料混合物从所述预混合区喷入所述火焰包面 的中央部分。
43. 如权利要求42所述的方法，其中，被夹带进入所述预混 合区并且喷入所述火焰包面的中央部分的空气量在支持引入所述预混合区的燃料燃烧所需的空气化学计量量的大约125%至大约 300%的范围内。
44. 如权利要求43所述的方法，其中，被夹带进入所述预混 合区并且喷入所述火焰包面的中央部分的空气量在支持引入所述 预混合区的燃料燃烧所需的空气化学计量量的大约150%至大约 300%的范围内。
45. 如权利要求42所述的方法，其中，引入所述预混合区的 燃料量在将被所述火炬燃烧器火焰燃烧的燃料总量的大约5%至 大约50%的范围内。
46. 如权利要求45所述的方法，其中，引入所述预混合区的 燃料量在将被所述火炬燃烧器火焰燃烧的燃料总量的大约10%至 大约30%的范围内。
全文摘要
一种适用于地面火炬和其它类型火炬的火炬燃烧器可控制由燃烧器产生的火焰包面高度。火炬燃烧器包括具有预混合室的预混合区，空气被夹带到预混合室。均匀的燃料和空气混合物形成于预混合区中并且被导致离开预混合室顶部的空气/燃料出口。在一个实施方式中，离开空气/燃料出口的燃料/空气混合物的空气量超过混合物中燃料燃烧所需的空气化学计量量。燃料围绕空气/燃料出口周边喷射，启动燃烧且产生火焰包面。通过将包括过量空气的燃料和空气混合物喷入火焰包面中心，火焰包面的中央部分燃烧加速，使得以给定火焰包面高度允许更多将被火焰燃烧的燃料。本发明还包括具有该火炬燃烧器的地面火炬和火焰燃烧燃料方法。
文档编号F23D17/00GK101153711SQ20071015314
公开日2008年4月2日 申请日期2007年9月28日 优先权日2006年9月29日
发明者J·W·怀特, J·威尔金斯, R·L·波 申请人:约翰津克公司