专利名称：:用于氧-燃料燃烧器的乳化雾化器喷嘴、燃烧器及方法
技术领域：
：本申请涉及用于基于氧气燃烧的液体燃料喷嘴，以及利用它们在工业熔炉中产生高温的方法。
背景技术：
：如在美国专利5547368,5567141,5393220和5617997中所述，雾化器喷嘴的使用在本领域是已知的，将它们作为整体在此参考引用。如美国专利5547368所述，雾化器喷嘴用于诸如金属、玻璃、陶瓷材料等各种产品的工业熔炉。在燃烧应用中雾化液体燃料的方法有很多。喷嘴可以分为两个主要的种类a)压力雾化器，其中使用较高的液体燃料压力驱使流体通过一个小孔，该小孔将液体分离为液滴。这种雾化器比较简单。但是，其负荷比窄，对于具有较宽流动变化范围需求的系统需要喷嘴变化。b)双流体雾化器，其中使用雾化的气体来辅助液体的雾化。雾化气体通常在较高压力下被引入，而液体燃料可以在较低压力下被输送。这种喷嘴还可以分为1)外部混合式，其中高速雾化气体与较低速液体燃料在外部相遇，产生液体喷射的分散，即雾化。但是，这些喷嘴通常很粗糙，火焰形状和雾化质量通常不是最佳的，尤其是在氧-燃料燃烧器应用中。该火焰短、紧密，导致不均匀热传递和局部过热。2)内部混合式或乳化式，其中雾化气体和液体燃料在内部腔室内混合，然后由于内部混合气相的降压作用，两相混合物通过排出孔的喷射产生液体分散。这种喷嘴产生优异的和可控的雾化、优异的火焰形状和均匀的热传递。虽然内部混合式雾化器广泛地用于空气燃料燃烧中，但是由于冷却问题和可能出现的火焰回火问题，其在氧-燃料燃烧器中的应用受到限制。对于非水冷燃烧器来说，初级氧化剂(primaryoxidizer)对雾化喷嘴进行冷却。对于初级氧化剂是空气的空气燃料燃烧器来说，由所需和供完全燃烧的大量空气(初级氧化剂)来完成冷却。但是，对于氧-燃料燃烧器，即使用氧气浓度高于空气中氧气浓度的初级氧化剂的燃烧器，通过减少量的初级氧化剂来冷却雾化喷嘴可能是无法令人满意的。例如，在100%氧气的氧化剂的情况下，如果提供燃烧所需的量的化学计量氧气，则用于冷却雾化喷嘴的初级氧化剂的量比空气燃料燃烧器中的初级氧化剂的量少约80%。另外，氧-燃料燃烧器具有高得多的火焰温度。由于这些原因，人们希望氧-燃料燃烧器中的雾化喷嘴同空气燃料燃烧器中的雾化喷嘴相比，可以在高得多的温度下工作。内部混合式喷嘴的较高温度会导致几个可能的问题1)较高的喷嘴温度可能导致液体燃料在被引入熔炉前发生化学降解。更具体地，对于燃料油，例如具有高含硫量的重油和具有高残碳值(CCR)的油(例如具有高沥青质水平的油)，高的喷嘴温度可能导致内部焦炭沉积和喷嘴堵塞。无论所用的雾化气体如何，这都是个问题。2)另外，如果用氧气作为雾化气体，高的喷嘴温度和不适当的喷嘴设计会导致火焰逆燃和灾难性的喷嘴失效或熔化。本发明阐述了如何通过合适的喷嘴设计来避免上述问题。
发明内容本发明提供了一种用于氧-燃料燃烧的方法，该方法包括通过液体燃料导管将液体燃料引入乳化室内，该液体燃料导管具有一有效直径，所述乳化室的长度等于或小于所述液体燃料导管有效直径的两倍；通过至少一个雾化气体导管将雾化气体引入所述乳化室内；将所述液体燃料和所述雾化气体在所述乳化室内混合从而产生乳化混合物，该乳化混合物在所述乳化室内的平均滞留时间是500到800i!s，所述乳化混合物的乳化混合物速率小于或等于12m/s;通过通常为长方形的管口将所述乳化混合物排入到富氧氧化剂流中。在本发明的另一个实施方案中提供了一种用于氧-燃料燃烧的喷嘴，该喷嘴包括具有有效直径的液体燃料导管；乳化室，该乳化室的长度等于或小于所述有效直径的两倍，所述液体燃料导管布置为将液体燃料引入所述乳化室内；至少一个雾化气体导管，用于将雾化气体引入所述乳化室内；其中，所述液体燃料和所述雾化气体在所述乳化室内混合从而产生乳化混合物，该乳化混合物速率小于12m/s，所述乳化混合物在所述乳化室内的平均滞留时间是500到800iis;用于提供富氧氧化剂流的装置；另外其中所述乳化室还包括通常为长方形的卸料管口，所述乳化混合物从所述乳化室排出并进入到所述富氧氧化剂流中。在本发明的另一个实施方案中提供了一种用于氧-燃料燃烧的燃烧器，该燃烧器包括具有有效直径的液体燃料导管；乳化室，该乳化室的长度等于或小于所述有效直径的两倍，所述液体燃料导管布置为将液体燃料引入所述乳化室内；至少一个雾化气体导管，用于将雾化气体引入所述乳化室内；其中，所述液体燃料和所述雾化气体在所述乳化室内混合从而产生乳化混合物，该乳化混合物速率小于或等于12m/s，并且所述乳化混合物在所述乳化室内的平均滞留时间是500到800iis;用于提供富氧氧化剂流的装置；并且另外其中所述乳化室还包括通常为长方形的卸料管口，所述乳化混合物通过该卸料管口从所述乳化室排出并进入到所述富氧氧化剂流中。图la是本发明喷嘴的第一和第二实施方案的纵向截面图。图lb是图la中所示喷嘴前端面的截面图。图2是沿显示本发明第一实施方案的图la中A-A的截面图。图3是沿显示本发明第二实施方案的图la中A-A的截面图。图4所示是引入本发明喷嘴的氧_燃料燃烧器。图5a是本发明喷嘴的第三实施方案的纵向截面图。图5b是图5a中所示喷嘴前端面的截面图。具体实施方式"氧-燃料燃烧器"是指使用比空气中02浓度高的初级氧化剂的燃烧器。"富氧氧化剂"是指氧气高于30体积％的流体，例如富氧空气。其他富氧氧化剂中氧气可以高于50体积％，或者高于85体积％。"雾化气体"可以是空气、氧气、富氧氧化剂、天然气、丙烷、氮、二氧化碳、氢，或者这些气体中的两种或多种的混合物。在一个实施方案中，雾化气体是富氧氧化剂。[0027]供给喷嘴的"液体燃料"包括燃料油，例如1号馏出油、2号馏出燃料油、柴油、煤油、4号燃料油、5号残油、6号残渣燃料油和B皿ker-C型燃料油，以及本领域技术人员已知的其他燃料油。本发明是一种内部混合型喷嘴。如图la和5a所示，液体燃料20通过具有出口直径14的导管31被引入乳化室10内，所述出口直径14是在与乳化室10相邻的导管31附近的导管31的内部或导管31的出口端15处测量的。雾化气体21通过环绕液体燃料导管31的一个或多个通道被引入乳化室10内。雾化气体可以通过图2所示的单个环形通道22或图3所示的多个通道23被引入。雾化气体21与导流板表面12发生碰撞，然后在乳化室10内与液体燃料混合。导流板表面12具有一定角度或成一定形状，从而将雾化气体导向乳化室IO。乳化室10具有直径30和长度13。乳化室10的直径是在乳化室内部测量的，乳化室10的长度是从液体燃料导管31的出口端15到乳化室管口11的室内侧18测量的。尽管图中所示的乳化室和液体燃料导管是圆柱形的，但是本发明的导管31或乳化室10并不限于圆柱形形状和/或圆形截面。在非圆形导管的情况中，可以计算有效直径，所述有效直径表示相同的截面积。在图la中，乳化室也具有位于朝着管口11的锥形部分33，图中所示是圆锥形的形状，但是也可以是球形或椭圆形等形状，并且可以或多或少地延伸到图示乳化室长度之外。可选择地，乳化室靠近管口的形状可以是图5a所示的长方形。虽然图中所示的多数(图la)或全部(图5a)乳化室具有固定的截面，但是本发明并不限于固定的截面。在可选择的实施方案中，乳化室的形状可以这样，即沿其长度从燃料入口到管口逐渐减小多个或全部乳化室的截面，从而产生锥形的乳化室。在被通过管口11从乳化室排出之前，雾化气体和液体燃料在乳化室内混合形成乳化混合物(未示出)，管口11通常为是长方形的，其宽度17比高度16大，从而可以形成宽度比高度大的火焰。(对于乳化室管口的高度、宽度和其它尺寸，当需要时可以使用有效尺寸。)作为富氧氧化剂的初级氧化剂41沿着朝向乳化室管口11的方向流动，该方向即乳化混合物排出喷嘴的方向。初级氧化剂可以沿喷嘴l的全部或一部分被引入。[0030]喷嘴几何形状的优选实施方案可以包括如下的一般性设计参数指标[0031]<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>对于乳化室容积是790mm3的喷嘴来说，平均滞留时间是[0036]790mm3xl/(0.0013m3/s)xm3/lxl09mm3=608iis在一些实施方案中，液体燃料出口的有效直径可以为1.27mm到12.7mm，或者1.27mm到lOmm，或者1.27到8.5mm，或者6.25mm。在一些实施方案中，乳化室管口宽度可以为3mm到25.4mm，或者4mm到20mm，或者约14.2mm。在一些实施方案中，乳化室管口高度可以为0.75mm到7.62mm，或者0.75mm到4.5mm，或者约1.4mm。在一些实施方案中，液体燃料出口的面积/乳化室管口的面积可以为0.1到2，或者0.1到1.6，或者约1.1。这些面积是截面积。液体燃料出口的面积等于图2所示的非阴影环形面积29。(需要注意的是，如果导管31的截面积不是固定的，那么需要在出口处测量截面积，而不是在图la中A-A交线处测量)。在图lb中所示的实施方案中，乳化室管口的面积等于图lb中所示非阴影部分的面积。在一些实施方案中，液体燃料以10到250升/小时，或者15至lj200升/小时，或者50到150升/小时被引入乳化室。在一些实施方案中，雾化气体以1到20NmVhr或5到15NmVhr被引入乳化室。要在乳化室内大体产生活塞流，乳化混合物的速率可以等于或小于12m/s，从而防止焦炭沉积和喷嘴堵塞。活塞流表示乳化混合物移动穿过乳化室，由此不产生停滞或再循环区域。乳化室内的流体可以是湍流。乳化混合物的速率可以为5到12m/s，6至lj12m/s，或者8到12m/s。乳化混合物的速率可以这样计算得到，即将油和雾化气体的体积流速相加，将该结果除以乳化室截面积。如前所述，由于雾化气体是可压縮的，气体的实际体积流速通过压力校正得到。例如，如果油流速是70升/小时，雾化气体流速是11NmVh，乳化室内的压力是2.4巴，乳化室截面积是116咖2，那么乳化混合物的速率是70〃/(11飾3//0(1.013256",)、al五6画2y…2、…，1000〃m32.4kw3600s附2、7如果乳化室面积在其长度方向上变化，则在计算乳化混合物的速率时采用其最大面积。本发明的雾化器喷嘴以本领域技术人员已知的常规方式制造。[0043]在图4所示本发明的一个实施方案中，本发明的雾化器喷嘴51用于燃烧器60中。雾化器喷嘴51的位置朝着燃烧器区段(block)50的热表面52。喷嘴的乳化室管口55与热表面52足够接近，也就是说，在燃烧器区段50中足够向前，从而防止或限制乳化混合物(液体燃料)在燃烧器区段通道壁54内部喷溅。通道壁54限定了初级氧化剂(在图la中示为41)沿喷嘴51流动的通道。初级氧化剂通过导管57进入燃烧器60。初级氧化剂可以由液态氧容器源或者现场发生器提供，例如压力或真空摆动吸附装置或者低温分离装置。燃烧器区段50的热表面52靠近火焰，即靠近燃烧器区段50热的一侧，而燃烧器区段50的冷表面53在相反侧，该冷表面靠近熔炉的外部，即靠近区段的冷的一侧。在图4所示的实施方案中，燃烧器区段50为氧化剂分段提供了导管56。图示燃烧器其它方面的情况可以参见2004年8月16日提交的共同未决美国申请10/919，940，在此引用参考。但是，本发明并不限于图示的燃烧器结构。可以用于本发明的燃烧器的其它实施方案可以参见美国专利US5，360，171;5，545，031;5，611，682;5，575，637;4，690，635;5，439，373;5，924，858;5，458，483和5，431，559，在此引用参考。在此所述的喷嘴可以用于任何，提供将富氧氧化剂作为初级氧化剂的装置的燃烧器。[0044]对比实施例1乳化速率大于12m/s的雾化器喷嘴经测试，对于流速是50到200升/小时的6号燃料油，传统雾化器喷嘴的乳化速率为13到14.7m/s，滞留时间大于800ys。如图4所示，喷嘴位于靠近燃烧器区段热表面的位置。所要求的对喷嘴积碳的清理从每天一次变为一周两次。对喷嘴的清理取决于火焰特性，或者液体燃料和/或雾化气体压力的增大。火焰会由于燃料油分布不均而变形。[0047]实施例2[0048]乳化速率小于12m/s的雾化器喷嘴经测试，对于流速是50到200升/小时的6号燃料油，本发明的雾化器喷嘴的乳化速率是8到12m/s，滞留时间为500到800ys。如图4所示，喷嘴位于靠近热表面的位置。对喷嘴积碳必须进行的清理减少到小于每月一次。已经参考特定的实施方案描述了本发明，但是本发明不应限于这些实施方案，并且包括属于下列权利要求范围和精神实质内的各种改变和等同物。权利要求一种用于工业熔炉的氧-燃料燃烧的方法，所述方法包括如下步骤通过液体燃料导管将液体燃料引入乳化室内，该液体燃料导管具有一有效直径，所述乳化室的长度等于或小于所述液体燃料导管有效直径的两倍；通过至少一个雾化气体导管将雾化气体引入所述乳化室内；将所述液体燃料和所述雾化气体在所述乳化室内混合从而产生乳化混合物，该乳化混合物在所述乳化室内的平均滞留时间是500到800μs，所述乳化混合物的乳化混合物速率小于或等于12m/s；和通过为长方形的管口将所述乳化混合物排出并进入富氧氧化剂流中。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述富氧氧化剂流包含高于50体积％的氧气。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述乳化室的长度为所述液体燃料导管的所述有效直径的0.5至2倍大。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述平均滞留时间是550到780s。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述有效直径是1.27mm到12.7mm。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述管口宽度是3mm到25.4mm，高度是0.75mm到7.62mm。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述引入液体燃料的步骤的速率是10到250升/小时，所述引入雾化气体的步骤的速率是1到20标准立方米/小时。8.—种用于氧-燃料燃烧的工业熔炉喷嘴，包括具有有效直径的液体燃料导管，其中所述液体燃料导管具有一出口面积，而所述管口具有一面积，并且其中所述出口面积对所述管口面积之比是O.1到2;乳化室，该乳化室的长度等于或小于所述有效直径的两倍，所述液体燃料导管布置为将液体燃料引入所述乳化室内；至少一个雾化气体导管，用于将雾化气体引入所述乳化室内；其中，所述液体燃料和所述雾化气体在所述乳化室内混合从而产生乳化混合物，该乳化混合物的乳化混合物速率小于12m/s，所述乳化混合物在所述乳化室内的平均滞留时间是500到800iis;另外其中所述乳化室包括为长方形的卸料管口，所述乳化混合物从所述乳化室排出并进入到所述富氧氧化剂流中。9.一种用于氧-燃料燃烧的工业熔炉燃烧器，包括具有有效直径的液体燃料导管，其中所述液体燃料导管具有一出口面积，而所述管口具有一面积，并且其中所述出口面积对所述管口面积之比是O.1到2;乳化室，该乳化室的长度等于或小于所述有效直径的两倍，所述液体燃料导管布置为将液体燃料引入所述乳化室内；至少一个雾化气体导管，用于将雾化气体引入所述乳化室内；其中，所述液体燃料和所述雾化气体在所述乳化室内混合从而产生乳化混合物，该乳化混合物的乳化混合物速率小于12m/s，所述乳化混合物在所述乳化室内的平均滞留时间是500到800iis;用于提供富氧氧化剂流的装置；禾口另外其中所述乳化室包括为长方形的卸料管口，所述乳化混合物通过该管口从所述乳化室排出并进入到所述富氧氧化剂流中。10.根据权利要求9所述的燃烧器，其中所述富氧氧化剂流包含高于50体积％的氧气。11.根据权利要求9所述的燃烧器，其中所述乳化室的长度是所述液体燃料导管的所述有效直径的0.5至2倍大。12.根据权利要求9所述的燃烧器，其中所述平均滞留时间是550到780ys。13.根据权利要求9所述的燃烧器，其中所述有效直径1.27mm到12.7mm。14.根据权利要求9所述的燃烧器，其中所述管口宽度是3mm到25.4mm，高度是0.75mm到7.62mm。15.根据权利要求9所述的燃烧器，其中所述液体燃料导管具有一出口面积，而所述管口具有一面积，并且其中所述出口面积对所述管口面积之比是O.1到1.6。16.根据权利要求9所述的燃烧器，其中所述管口宽度是4mm到20mm，高度是0.75mm至lj4.5mm。17.根据权利要求9所述的燃烧器，其中所述乳化室包括锥形部分。18.根据权利要求9所述的燃烧器，其中所述乳化室包括锥形部分。19.根据权利要求9所述的燃烧器，其中所述乳化室沿其长度成锥形。专利摘要一种用于氧-燃料燃烧的方法，所述方法包括如下步骤通过液体燃料导管将液体燃料引入乳化室内，该液体燃料导管具有一有效直径，所述乳化室的长度等于或小于所述液体燃料导管有效直径的两倍；通过至少一个雾化气体导管将雾化气体引入所述乳化室内；将所述液体燃料和所述雾化气体在所述乳化室内混合从而产生乳化混合物，该乳化混合物在所述乳化室内的平均滞留时间是500到800μs，所述乳化混合物的乳化混合物速率小于或等于12m/s；通过通常为长方形的管口将所述乳化混合物排出并进入到富氧氧化剂流中。还公开了用于氧-燃料燃烧的喷嘴和燃烧器。文档编号F23K5/12GKCN1807983B发布类型授权专利申请号CN200510091379公开日2010年6月16日申请日期2005年7月1日发明者D·米林格顿,R·杜迪尔申请人:气体产品与化学公司导出引文BiBTeX,EndNote,RefMan专利引用(1),