CN105531541B - 用于燃烧气体燃料或者液体燃料的燃烧器组件和方法 - Google Patents
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Abstract
用于燃烧气体燃料或者液体燃料的燃烧器组件和方法。本发明涉及用于燃烧气体燃料或者液体燃料来加热工业炉(9)的燃烧器组件(1)和方法，燃烧器组件具有：燃烧室(2)；至少一个主燃烧空气入口(3)，用于将预热燃烧空气(4)供给到燃烧室(2)中；燃烧器(5)，具有至少一个燃料供给管(7)及至少一个空气供给管(8)以用于分别将燃料和一次空气供给到燃烧室(2)中，其中，燃烧器(5)定位于燃烧室(2)的燃烧区域附近，以使得经主燃烧空气入口(3)流入燃烧室(2)的燃烧空气(4)在燃烧区域中经过燃烧器(5)并且然后转向以使预热燃烧空气流和较小的燃料流与一次空气流大体上平行地从燃烧器(5)流向工业炉(9)；及控制单元，用于控制将燃料和或许一次空气供给到燃烧室(2)中。控制单元适合于将燃料和/或一次空气以高于150m/s的出口速度从燃料供给管和/或空气供给管(7，8)供给到燃烧室(2)中。
Description
技术领域
本发明涉及用于燃烧气体燃料或者液体燃料(例如燃气或者油)以加热工业炉(特别是常用移动炉篦式球团生产设备的焙烧炉)的燃烧器组件和方法。燃烧器组件具有燃烧室、用于将预热燃烧空气供应到燃烧室中的至少一个主燃烧空气入口、和燃烧器(也称为燃烧器砖)，该燃烧器具有用于将燃料和一次空气供给到燃烧室中的至少一个燃料供给管和至少一个空气供给管，其中，燃烧器靠近燃烧室的燃烧区域定位，使得经主燃烧空气入口流入燃烧室的燃烧空气在燃烧区域中经过燃烧器，并且然后转向(例如，在燃烧室壁处)以使(特别是较大的)预热燃烧空气流和(特别是比该较大的预热燃烧空气流小的)燃料流及一次空气流大体上平行地从燃烧器流到炉中。燃烧器可优选安装在燃烧室壁中，燃烧室一般安装在炉处。根据本发明，在预热燃烧空气主流转向之前，燃料流和一次空气流优选几乎垂直于预热燃烧空气主流地从燃烧器供给。
根据本发明，与燃烧器相联的是控制单元(也称为控制设备)，用于至少控制把燃料和一次空气供给到燃烧室中。当然，控制单元可适合于控制其它工艺参数，例如，例如预热燃烧空气的流量和/或温度或者炉内温度及燃烧器的输出。
背景技术
类似的标准燃烧器通常用于例如移动炉篦式球团生产设备焙烧炉的燃烧器组件。常用的燃烧器把火焰稳定在具有出口的燃烧器烧嘴处。由于一般达1000℃的高燃烧空气温度，燃烧室内的火焰也是非常热的。一般最高理论温度为大约2000℃的该热火焰导致了非常高的NOx排放，并且还导致燃烧室壁的热损害。一般地，预热燃烧空气的流速介于15到25m/s的范围内。
由于当今的环保努力，法律上允许的NOx排放限值将要减小或者已经减小，导致的问题是这类工业炉中(特别是球团生产设备的焙烧炉)常用的标准燃烧器在某些国家不再允许安装。关于NOx排放，焙烧炉由于炉中高温以及燃料与氧化剂燃烧空气的燃烧而产生了大量的NOx，其中，氧化剂燃烧空气一般包括伴随着燃料的未加热(一次)空气以及由所谓的下降管道(主燃烧空气入口)供给到燃烧室中的更大量强烈预热的空气。燃料注入到燃烧空气中，并且在燃烧器烧嘴或者喷嘴处点燃，从而在燃烧室的燃烧区域中产生了最高理论温度约2000℃的稳定且可见的热火焰。
为了减少NOx排放，US8202470B2描述了焙烧炉的类似加热站(燃烧器组件)，焙烧炉具有通向加热站的空气通道。经通道把预热循环空气流驱向加热站，并且与燃料气体混合以形成在通道中点燃的可燃混合物。与之相伴随的是将燃料气体流注入通道中，它不会在进入通道之前与预热循环空气形成可燃混合物。所提出的这种燃烧器具有混合管，用于接收流过混合管的燃料流和一次燃烧空气流，以形成称为预混物的可燃混合物。该预混物具有贫乏的燃料-氧化剂比，这有助于避免相互反应生成NOx。为此，首先使用点燃器在混合管外端内的反应区中完成点燃。随着预混物从混合管的开口或者喷嘴注入到燃烧室中以与燃烧空气混合，燃烧持续。预混物中的燃料则在预混空气和下行空气的可燃混合物中燃烧。
由于点燃时燃料以贫乏的燃料-氧化剂比混合，上述过程有助于减小火焰温度。在进一步燃烧期间，燃料在下降管道中与燃烧空气混合，从而在燃烧室中产生了具有更低火焰温度的更分布的火焰。
然而，与当今所使用的常见标准燃烧器相比，这种所提出的燃烧器需要预混燃烧空气有一定温度水平以便避免自燃，并且对于向燃烧器供给燃烧空气和燃料气体需要特别的努力和相关设备。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种燃烧器组件及其使用方法，特别是用于移动炉篦式球团生产设备的焙烧炉或者用于钢带烧结(SBSTM)炉或移动炉篦式烧结炉，减少了NOx排放，该燃烧器结构简单和耐用，并且无需大的改造即可用于现有设备中。
该目的是通过本发明的特征来实现。为了减少NOx排放，根据本发明以高于150m/s(米每秒)的出口速度分别从燃料供给管和/或空气供给管向燃烧室内供给燃料和/或一次空气。优选是，燃料和/或一次空气的出口速度高于200m/s或者甚至高于流体的音速。非常优选的实施例提供了在250m/s到音速之间的燃料和/或一次空气出口速度。
根据本发明已经发现，特别是从燃料供给管供给到燃烧室内的燃料的非常高的出口速度导致了燃料与流过主燃烧空气入口的燃烧空气的强烈有效混合。该燃烧空气在以下也称为二次空气。由于燃料与二次燃烧空气以及与一次空气的有效混合，当燃料与空气中的氧气反应时燃料很好地分布到燃烧室中。因此，在燃烧器砖处燃料供给管的出口或者喷嘴处不存在火焰峰值温度高达2000℃的稳定热火焰，而是存在所谓的举升火焰或者所谓的温和火焰。
与燃烧器砖处的出口或者喷嘴处的通常标准火焰相比，举升火焰位于燃烧器烧嘴的下游侧，并且是大区域或者外延火焰，这是因为燃料更广地分布在燃烧室中并且更多的二次空气混合到其中。因此，举升火焰(仍是可见的)位于燃烧室中或者甚至位于燃烧室与连接至燃烧室的炉自身之间的入口处。由于火焰广泛地分布在区域中，因此火焰的平均温度比标准火焰的温度低得多，并且温度峰值降低。这显著地减少了NOx排放，并且因燃烧室的耐火材料受的热应力较小而提高了燃烧室的耐久性。
对于温和火焰，在燃烧室中与燃烧器分开更远地发生燃烧，或者甚至在炉本身中发生燃烧，并且没有或者几乎没有可见火焰。因此，该无焰燃烧是燃料与燃烧室中预热燃烧空气的热氧气和/或炉自身中工艺空气的反应，没有明显的火焰点燃。炉中工艺空气的氧含量大约16到18体积％，而预热燃烧空气的氧含量大致等于环境空气的氧含量，即大约20.9体积％。以上是例如对于球团生产设备焙烧过程来说的标准氧含量。
由于燃料不是在明显可见的发光火焰中集中燃烧，因此举升火焰和温和火焰均具有更低的平均温度和减小的温度峰值。根据本发明已经发现，与例如US8202470B2的公开相对比，不必在不同位置处给燃烧室供给燃料以便实现分级燃烧，而是以非常高的出口速度将燃料和/或一次空气从燃料供给管和/或空气供给管供给到燃烧室中(在燃烧室中主燃烧空气(二次空气)经过燃烧器砖)就足够了。
当然，有利的是，与燃料一起供给至燃烧室的一次空气的出口速度与燃料的出口速度相当。一次空气通常是未预热的并且可具有在20℃到100℃之间的温度，该一次空气冷却了在燃料供给管和空气供给管出口(喷嘴)正前方的可反应区域，因而避免了会导致大体稳定标准火焰的燃料自发点燃。还发现有利的是，当供给到燃烧室中时一次空气具有与燃料至少相似的出口速度。
根据优选实施例，控制单元或者控制设备可适合于通过例如压缩机或者别的压力发生器来把压力施加给燃料和/或一次空气，以达到所需的出口速度。在燃料气体(例如天然气)的情况中，所供给的燃料气体相对于大气压一般优选的压升大约2巴，特别是在0.8到4巴之间范围内的压力。所供给的一次空气一般优选的压升介于2到3巴的范围内，或者至少在0.8到4巴的范围内。在液体燃料(例如油)的情况中，当使用压力为5到11巴的雾化介质(空气或者蒸汽)时一般优选压升为3到9巴之间，或者当使用压力雾化时压升为14到20巴之间。优选是，在液体燃料供给到燃烧室中之前，通过在燃料供给管出口或者喷嘴之前不远或者正好在燃料供给管出口或者喷嘴处施加于供给燃料的高压雾化空气来雾化液体燃料，从而导致液体燃料如液滴云那样注射。然而，注意，出口速度强烈取决于燃料供给管和气体供给管的出口容积(即，特别是出口或者喷嘴的形状)。因此，本领域技术人员将调整压力以便达到所需出口速度。
可以使用燃料气体喷嘴和空气喷嘴的不同设计和种类。根据本发明最简单的设计是直切管。也可以使用包括40°入口的喷嘴或者甚至具有专门出口设计的拉瓦尔型喷嘴。最优选是，使用低压力损失和高出口速度的喷嘴。
燃料和一次空气的出口速度可优选是相等的或者相似的。然而，根据本发明以及燃烧器和炉的几何形状，燃料和一次空气的出口速度(相应地，和/或燃料与一次空气的压力)也可以是不同的。有益地是一次空气的速度和/或压力高于燃料的速度和/或压力。特别是，一次空气的出口速度可以是1.5到2.5倍，特别是可为大约2倍。
根据本发明发现，燃料在燃烧器中燃烧期间影响和减少NOx排放的另一方面是燃烧器砖的空气供给管和燃料供给管中一次空气与燃料的比。为了显著地减少NOx排放，可以进行适合的控制，以按等于或者高于0.1的一次空气-燃料的过量空气比λ来将燃料和一次空气供给到燃烧室中。
过量空气比λ定义为λ＝m一次空气/m一次空气，计量
其中，
m一次空气:一次空气的质量流量
m一次空气，计量：燃料完全(化学计量)燃烧所需一次空气的最小质量流量。
一次空气冷却燃料供给管出口或者喷嘴前方的反应区，并且因此避免了在燃料供给管或者燃烧器砖之前燃料快速点燃。优选是，一次空气-燃料的过量空气比在0.1到0.6之间，并且最优选在0.2到0.5之间。该比值是指一次空气流量相对于燃料流量的过量空气比λ。
已发现有利的是，过量空气比适应于燃料和/或一次空气的出口速度。特别是，优选地，过量空气比越高则出口速度越小。本发明的优选实施例使用的燃料和/或一次空气的出口速度在250m/s和音速之间的范围且空气比λ在大约0.2到0.3的范围。
根据优选实施例，经燃烧空气入口供给到燃烧室中的燃烧空气(二次空气)具有超过750℃的温度和/或在17％到21％特别是在19％到21％之间的氧浓度。燃烧空气和/或炉为超过750℃的工艺温度是燃料自发点燃和/或燃料与燃烧空气的氧反应所必需的。该自燃将产生标准火焰、举升火焰或者温和火焰。该优选实施例避免了在标准燃烧器中会发生的标准火焰稳定。
因此，与已知的低NOx燃烧器(采用的原理是用燃烧自身产生的仅含极少量(一般1％到7％)氧的大量(内部)循环烟气来稀释火焰)相比，该稀释对于某些工艺(例如球团生产设备中的焙烧)是不可能的，因为焙烧炉中的烟气自身包含大约17％的更高氧含量，当与供给到燃烧室中的燃料接触时会导致反应(标准火焰)。此外，本发明不需要通过额外鼓风机来把低O2含量的烟气从外部循环到燃烧空气中。内部烟气循环和外部烟气循环都会由于工艺气体中的一定灰尘含量而产生问题。
根据本发明的燃烧器组件的优选实施例，控制适合于在燃烧器的第一次点燃之后分别经燃料供给管和空气供给管以低于150m/s的出口速度将燃料和一次空气供给到燃烧室中，直到主燃烧空气入口和/或燃烧室中的燃烧空气已达到比预定温度值更高的温度为止。另一或者额外的判断标准是直到炉中工艺空气已经达到高于预定温度值的温度为止。到这样的程度，发生了标准火焰的正常燃烧，直到工艺温度已经达到所需的最低温度为止。为此，如前面提到的，预定温度优选大约750℃。一旦超过预定温度值(例如750℃)，控制适合于经燃料供给管和空气供给管以高于150m/s的出口速度将燃料和一次空气供给到燃烧室中。特别是，可如上所述地选择出口速度和一次空气与燃料的比(特别是过量空气比λ)。当使用相同的燃料/空气喷枪时可以通过增大燃料气体和/或一次空气的体积流量来实现增大速度，或者可通过从以恒定燃气和/或一次空气流量提供低速度的一种喷枪切换成以恒定燃气和/或一次空气流量提供高速度的第二种喷枪来实现增大速度。与始终使用标准火焰配置的运行模式相比，在举升火焰或者温和火焰的该第二运行模式中NOx显著减少了。
根据优选的结构特征，燃烧器中燃料供给管和空气供给管可形成复式喷枪形式的至少一个供给管，其具有中心管和包围中心管的包围管，它们具有朝向燃烧室的开口端。这种管也称为复式喷枪。中心管可优选用于燃料供给管，并且包围管可优选用于一次空气供给管。然而，根据本发明，包围管和中心管的用法也可以是相反的。在使用超过一个供给管的情况中，如以上所述的混合用法也是可以的，即，这些供给管的一部分可用于燃料供给的中心管，并且这些供给管的另一部分可以用于一次空气供给的中心管。取决于供给管(复式喷枪)在燃烧器砖中的位置，所提出的供给管的混合用法可优化燃料和二次空气(主燃烧空气)在燃烧室中的混合。
作为出口，中心管的开口端和包围管的开口端可形成不同于简单开口管端的结构化喷嘴，以便按一定的方式影响一次空气和/或燃料的流动，例如增进燃料与一次空气和/或二次空气的混合或者更改出口速度。
结构化喷嘴的优选实施例具有对应于包围管内径的入口和直径小于入口的出口。出口的直径可大约为入口直径的一半。结构化喷嘴的内壁可具有至少部分地按锥形形状减小的表面。该形状增大了出口速度并且已经表现出正面的实验结果。
在根据本发明的另一实施例中，结构化喷嘴可具有对应于包围管内径的入口和直径比入口大的出口。作为一例，喷嘴可以是可依照本发明使用的拉瓦尔式喷嘴。
根据本发明，供给管可具有仅有单个通道的结构化喷嘴，中心管和包围管都终止于该单个通道中。因此，经两个不同管(特别是中心管和包围管)供给到喷嘴中的燃料和一次空气在离开喷嘴和供应管之前分别经喷嘴的该单个通道流入燃烧室中。
根据本发明，燃烧器可具有多于一个的供给管。优选实施例可具有两到六个供给管或者复式喷枪。
根据本发明的一优选实施例，主燃烧空气入口可以是下降管道，其中，燃烧空气(二次空气)竖直地向下引导并且在进入燃烧室和炉之前沿垂直方向转向。在这种配置中，燃烧器砖优选定位成使得施加到燃烧室中的燃料和一次空气与所转向的燃烧空气(二次空气)的主流动方向一致地直线流过燃烧室流入炉中。
本发明还涉及使用前述燃烧器组件或其部件燃烧气体燃料或者液体燃料(例如天然气或油)来加热工业炉(特别是球团生产设备的焙烧炉)的方法。根据本发明的方法所使用的燃烧器组件具有燃烧室、用于将预热燃烧空气供给到燃烧室中的至少一个主燃烧空气入口、和燃烧器，该燃烧器具有用于分别将燃料和一次空气供给到燃烧室中的至少一个燃料供给管和至少一个空气供给管，其中，燃烧器邻近燃烧室的燃烧区域定位以使得经主燃烧空气入口流入燃烧室的燃烧空气在燃烧区域中经过燃烧器，并且然后转向以使预热燃烧空气流以及较小的燃料流和一次空气流大体上平行地从燃烧器流至炉。此外，与燃烧器相联的是控制单元，用于控制燃料和或许一次空气供给到燃烧室中。根据本发明，燃料和/或一次空气以高于150m/s(米每秒)的出口速度从燃料供给管和/或空气供给管供给到燃烧室中。所提出的方法可使用先前所描述的根据本发明的燃烧器的全部特征。因此，先前描述的各个方面对于方法也是适用的，并且不再详细地描述。
所提出的方法还可使得，将燃料供给管和/或空气供给管中的燃料和/或一次空气增压以达到出口速度，特别是，对于气体燃料来说在0.8到4巴之间的压力并且对于液体燃料来说在2到8巴之间的压力。所达到的燃料出口速度和一次空气出口速度和/或燃料压力和一次空气压力可以是不同的。然而，优选是，速度是相等的(或者至少相似)。
减少燃烧NOx排放的另一重要方面是在将燃料和一次空气供给到燃烧室中期间一次空气与燃料的比。如前面定义的过量空气比λ应当高于0.1，特别是在0.1到0.6之间，并且最优选是在0.2到0.5之间。
此外，燃烧空气可按照所提出的方法以高于750℃的温度和/或17％到21％之间的氧浓度经主燃烧空气入口供给到燃烧室中。
液体燃料可以液滴云的形式注入到燃烧室中，根据优选实施例液滴云可通过引入燃料供给管中的雾化空气来实现。
根据方法的一优选实施例，还可在燃烧器点燃之后以低于150m/s的出口速度经燃料供给管和空气供给管将燃料和一次空气供给到燃烧室中，直到主燃烧空气入口和/或燃烧室中的燃烧空气具有高于预定温度(例如前述的750℃)的温度。仅在超过该预定温度值时，以高于150m/s的出口速度经燃料供给管和空气供给管将燃料和一次空气供给到燃烧室中。优选是，出口速度可介于250m/s到音速之间的范围内。
所提出的燃烧器和方法具有进一步的优点：燃烧器能够以标准火焰工作，也能够以举升火焰或者温和火焰工作。这可以容易地通过使用不同的过量空气比来实现。因此，小于0.1(λ＜0.1)的一次空气与燃料的过量空气比产生了标准火焰，并且大于0.1(λ＞0.1)的一次空气与燃料的过量空气比产生了举升火焰(12)或者温和火焰(13)。为了具有标准火焰，即传统的燃烧器模式，根据本发明燃料和/或一次空气的出口速度也可低于150m/s。
从以下对示例性实施例和附图的说明可以了解本发明的其它特征、优点和可能的应用。所描述和/或图示的所有特征自身或任何组合构成了发明主题，不管是包含在权利要求中还是回引。
附图说明
附图中：
图1示意性地显示了根据本发明优选实施例的燃烧器组件的剖视图；
图2示意性地显示了利用根据图1的燃烧器组件可获得的不同种类型燃烧器火焰；
图3示意性地显示了焙烧炉的剖视图，具有两个根据本发明的燃烧器组件；
图4显示了根据优选实施例具有混合管的燃烧器的后视透视图；
图5显示了根据图4的燃烧器的前视透视图，供给管的开口指向燃烧室中；
图6显示了根据第一实施例的优选供给管的剖视图；以及
图7显示了根据第二实施例的优选供给管的剖视图。
具体实施方式
在图1中，以剖视图示出了根据本发明优选实施例的燃烧器组件1。燃烧器组件1具有燃烧室2、用于将预热燃烧空气4供给到燃烧室2中的主燃烧空气入口3、和燃烧器5，燃烧器位于燃烧室2的壁6中以使得经主燃烧空气入口3流入燃烧室2的燃烧空气4经过燃烧器5。燃烧器5具有至少一个燃料供给管7和至少一个空气供给管8，用于分别将燃料和一次空气供给到燃烧室2中。此外，燃烧器1具有控制单元或者控制设备(未显示)，用于控制将燃料和一次空气供给到燃烧室中。
燃烧室2通向对材料进行所需处理的工业炉9。
根据本发明的优选实施例，工业炉9是球团生产设备的具有移动炉篦10的焙烧炉。在球团生产设备中，主燃烧空气入口一般是下降管道3，二次空气(即，预热燃烧空气4)经下降管道3向下流动到燃烧室2中，从而经过燃烧器砖5，并且然后经燃烧室2垂直地转向到炉9中。在燃烧室2中，经燃料供给管7供给到燃烧室2中的燃料与预热燃烧空气4混合以生成火焰，将炉9加热至所需温度。
在传统的燃烧器组件1中，燃烧室2中的火焰是标准火焰11(如图2a中所示)。标准火焰11只是在燃料供给管的端部点燃，并且通向燃烧室2。因此，标准火焰11几乎完全容纳在燃烧室内并且具有稳定的、传统的焰式形态，而标准火焰11在非常靠近燃烧器嘴处是稳定的。该标准火焰11中的峰值温度一般高于1500℃，而炉9中的温度将为大约1300℃(至少对于球团生产设备的焙烧炉9来说)。
由于高火焰温度，因此火焰产生大量的热致NOx。为了减少该热致NOx排放，有必要减少火焰的中间温度并且避免高的峰值温度。
为了实现该目的，本发明提出使图2a中所示标准火焰11不稳定。
与现有技术中提出的燃烧器为分级燃烧和向燃烧器的燃烧室进行多点燃料供给(参见US8202470B2)形成对比，本发明提出的是至少使经燃烧器砖5的燃料供给管7供给到燃烧室中的燃料的出口速度增大。由于引入燃烧室中燃料的高速度，所以燃料出口正前方的标准火焰11不可能是稳定的，并且燃料在点燃之前与二次空气(预热燃烧空气4)可更好地混合。
这至少导致了如图2b中示意性地示出的举升火焰，这是根据本发明的优选火焰之一。该举升火焰12比标准火焰11覆盖更大的反应面积，并且在火焰内提供了更均匀地分布的温度，这是由于燃料不是集中在燃烧器5中燃料供给管7的喷嘴周围，而是因燃料与二次燃烧空气4广泛混合而很好地分布在燃烧室2内部。因此，火焰的中间温度降低了，并且火焰沿燃烧空气流的方向从燃烧器5向炉9举离。举升火焰12在燃烧室2中产生，并且可部分地进入炉9自身中。
然而，根据本发明，最优选的火焰是如图2c和图1中所示的大幅举升火焰或者温和火焰13。
对于温和(或者大幅举升)火焰13来说，在燃烧室2或者炉9自身中没有或者几乎没有可见火焰。相反，由于二次空气的高温，燃料以大体上无焰反应地与预热燃烧空气4(二次空气)起反应。这通过燃料在二次燃烧空气4中更大地分布来实现，从而避免了燃烧空气中的燃料富集区引起可见火焰11。燃料与燃烧空气4之间的反应主要在燃烧室2的端部和炉9自身中有规律地发生。因此，在完全反应区域上该反应的中间温度比标准火焰11中亦或举升火焰12中的中间温度低得多。根据本发明，这是由于从燃烧器砖5中燃料供给管7喷出燃料的非常高的出口速度和/或过量空气比因而通过用燃烧空气高度稀释来实现的。
为了简明起见，不是所有的附图标记都在图2b和图2c中重现，而是认为与图2a中的附图标记是相同的。
另外，随着燃料供给到燃烧室2中，一次空气经燃烧器砖5中的空气供给管8供给到燃烧室2中。有利地是，一次空气也以高于150m/s的出口速度供给到燃烧室2中。燃料和一次空气可以优选高于250m/s的相同出口速度供给到燃烧室中。当然，燃料与一次空气也可具有不同的出口速度。
与二次空气是预热至例如温度大约750到1000℃的燃烧空气相反，一次空气当供给到燃烧室中时具有优选20℃到100℃范围内低的类环境温度。一次空气的效果是冷却燃烧室2中燃料供给管和空气供给管正前方的可能反应区，从而避免了燃料在预热燃烧空气中的快速点燃。因此，燃料随着预热燃烧空气4一起更深地输送到燃烧室2和炉9中，从而产生举升火焰12，或者最佳地产生没有或者几乎没有可见火焰的温和火焰13。
图3显示了如图1中所示具有一移动炉篦10和两个燃烧器组件1的焙烧炉9的横截面。预热燃烧空气(二次空气)经作为主燃烧空气入口的下降管道3供给到燃烧室2和炉10中。在图3中，示出了温和火焰13。
为了实现燃料和一次空气的所需出口速度，可在燃烧器组件1的控制单元的控制下对燃料和一次空气增压。一般地，以大约3巴或者0.8到4巴范围内的优选压升来对(气体)燃料和一次空气增压。
一次空气甚至可以增压到例如6或者7巴的更高值。
基本上，燃料和一次空气的压力越高，则燃料和一次空气的出口速度越高，并且燃料与预热燃烧空气4的混合越好。为了达到甚至超音速，可以使用特殊喷嘴，例如拉瓦尔式喷嘴。因此，为了获得温和火焰13，与相同燃烧器和炉组合中的举升火焰12相比，出口速度和压力分别都将更高。过量空气比的增大也可使火焰形态从举升火焰改变为温和火焰。
上述燃烧器组件1的一大优点是：如果需要，例如当要将炉9和燃烧室2加热到工艺温度时，通过以比150m/s低得多的速度供给燃料和一次空气从而获得稳定火焰，燃烧器5也能够产生标准火焰11。
图4和图5显示了燃烧器砖5的后(图4)和前(图5)，“前”定义为燃烧器砖5的朝向燃烧室2的那侧。
在燃烧器砖5内部设有数个供给管14，每个供给管的形式为具有中心管15和包围管16的复式喷枪，如图5中的局部放大图所示。
优选是，中心管15用作燃料供给管，并且包围管16用作一次空气的空气供给管。已经发现，复式喷枪中燃料供给管7和空气供给管8的这种结构易于操纵，并且对于在燃烧室2中燃料和一次空气混合到二次空气或者预热燃烧空气4中具有很好的效果。
在图6中，中心管15的开口和二次管16的开口包括具有减小开口直径的喷嘴，但是也可以通过切割管而简单地开口。然而，可在中心管15和/或包围管16的开口端处分别设置用于燃料和一次空气的单独喷嘴，或者甚至设置用于燃料和一次空气的一个共用喷嘴，如图6或图7中所示，以便按照火焰的所需形态和/或燃烧器1和/或炉9的几何形状来影响燃烧室2中燃料和一次空气的进入、混合和流动。
为了在压力下将燃料和二次空气供给到供给管14中，为每个供给管或者复式喷枪14设置了通向中心管15的第一端口17和通向包围管16的第二端口18，如图5中所示。
图6显示了具有中心管15和包围管16及通向中心管15的第一端口17和通向包围管16的第二端口18的一个供给管或者复式喷枪14的剖视图。如图6所示，使中心管15开口和包围管16开口的横截面具有特定形状和容积，以便能调整燃料和一次空气的出口速度和方向；优选是，还能调整一次空气与燃料的过量比。
图7显示了前述的供给管14，具有结构化喷嘴19，其带有对应于复式喷枪14的包围管16内径的入口20和直径比入口20小的出口21。出口21的直径可大约为入口10直径的一半。结构化喷嘴19的内壁局部具有呈锥形减小的表面22。这种形状增大了出口速度，并且已经表现出正面的实验结果。燃料气体和一次空气流过中心管15和包围管16并且流过喷嘴21。在该实例中，喷嘴仅具有用于燃料和一次空气两者的一个共用通道。
实验已经表明，一次空气相对于燃料的过量空气比应该优选大约0.2到0.5，以便在燃烧器1中实现低NOx燃烧。
所提出的燃烧器组件1和方法是有利的，因为燃烧器5自身可以用作传统燃烧器5以产生稳定火焰11，也可仅通过修改一次空气与燃料的出口速度和/或过量比而作为产生举升火焰12或者温和火焰13的低NOx燃烧器。
附图标记列表
1 燃烧器组件
2 燃烧室
3 主燃烧空气入口，下降管道
4 预热燃烧空气(二次空气)
5 燃烧器，燃烧器砖
6 燃烧室壁
7 燃料供给管
8 用于供给一次空气的空气供给管
9 工业炉，焙烧炉
10 移动炉篦
11 标准火焰
12 举升火焰
13 温和火焰
14 供给管，复式喷枪
15 中心管
16 包围管
17 通向中心管的第一端口
18 通向包围管的第二端口
19 结构化喷嘴
20 入口
21 出口
22 锥形减小的表面
Claims (15)
1.一种燃烧器组件，用于燃烧气体燃料或者液体燃料以加热工业炉(9)，所述工业炉内工艺空气的氧含量为16％至18％，该燃烧器组件(1)具有：燃烧室(2)；至少一个主燃烧空气入口(3)，用于将预热燃烧空气(4)供给到燃烧室(2)中；燃烧器(5)，具有至少一个燃料供给管(7)及至少一个空气供给管(8)以用于分别将燃料和一次空气供给到燃烧室(2)中，其中，燃烧器(5)定位于燃烧室(2)的燃烧区域附近；以及控制单元，用于控制将燃料、一次空气和预热燃烧空气供给到燃烧室(2)中，其特征在于，燃烧器(5)定位成使得经主燃烧空气入口(3)流入燃烧室(2)的燃烧空气(4)在燃烧区域中经过燃烧器(5)并且然后转向以使预热燃烧空气流和较小的燃料流与一次空气流大体上平行地从燃烧器(5)流向工业炉(9)；控制单元适合于将燃料和/或一次空气以高于150m/s的出口速度且一次空气处于20℃到100℃范围的类环境温度的情况下从燃料供给管(7)和/或空气供给管(8)供给到燃烧室(2)中，并且控制单元适合于在燃烧空气(4)具有环境空气的氧含量且预热到约750℃到1000℃的温度的情况下将其供给到燃烧室(2)中。
2.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，控制单元适合于给燃料和/或一次空气施加压力，以用于达到出口速度。
3.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，控制适合于以一次空气与燃料的过量空气比高于0.1地将燃料和一次空气供给到燃烧室(2)中。
4.根据权利要求3所述的燃烧器组件，其特征在于，过量空气比是与燃料和/或一次空气的出口速度相适应的。
5.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，控制适合于在燃烧器点燃之后以低于150m/s的出口速度将燃料和一次空气经燃料供给管(7)和空气供给管(8)供给到燃烧室(2)中，直到主燃烧空气入口(3)和/或燃烧室(2)中的燃烧空气(4)和/或炉中的工艺空气达到高于预定温度值的温度为止，并且一旦超过预定温度值，就以高于150m/s的出口速度将燃料和/或一次空气经燃料供给管(7)和空气供给管(8)供给到燃烧室中。
6.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，燃料供给管(7)和空气供给管(8)形成了至少一个供给管(14)，该供给管的形式为复式喷枪，具有中心管(15)和包围中心管(15)的包围管(16)，中心管和包围管具有朝向燃烧室(2)的开口端。
7.根据权利要求6所述的燃烧器组件，其特征在于，供给管(14)具有结构化喷嘴(19)，该结构化喷嘴具有对应于包围管(16)内径的入口(20)和直径比入口(20)更小或者更大的出口(21)。
8.根据权利要求6或7所述的燃烧器组件，其特征在于，供给管(14)具有结构化喷嘴(19)，该结构化喷嘴具有单个通道，中心管(15)和包围管(16)都终止于该单个通道中。
9.一种使用燃烧器组件(1)燃烧气体燃料或者液体燃料来加热工业炉(9)的方法，该燃烧器组件具有：燃烧室(2)；至少一个主燃烧空气入口(3)，用于将预热燃烧空气(4)供给到燃烧室(2)中；燃烧器(5)，具有至少一个燃料供给管(7)及至少一个空气供给管(8)以用于分别将燃料和一次空气供给到燃烧室(2)中，其中，燃烧器(5)位于燃烧室(2)的燃烧区域附近，以使得经主燃烧空气入口(3)流入燃烧室(2)的燃烧空气(4)在燃烧区域中经过燃烧器(5)并且然后转向以使预热燃烧空气流和较小的燃料流与一次空气流大体上平行地从燃烧器(5)流向工业炉(9)；以及控制单元，用于控制将燃料和或许一次空气供给到燃烧室(2)中，其特征在于，将燃料和/或一次空气以高于150m/s的出口速度从燃料供给管(7)和/或空气供给管(8)供给到燃烧室(2)中，并且工业炉(9)内工艺空气的氧含量的体积百分比为16％至18％，而预热燃烧空气(4)则应具有环境空气的氧含量。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，给燃料供给管(7)和空气供给管(8)中的燃料和/或一次空气增压，以用于达到出口速度。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，燃料和一次空气的出口速度是相等的或者不同的。
12.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，在将燃料和一次空气供给到燃烧室(2)中期间一次空气与燃料的过量空气比高于0.1。
13.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，把燃烧空气(4)以高于750°的温度经主燃烧空气入口(3)供给到燃烧室(2)中。
14.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，在燃烧器点燃之后，以低于150m/s的出口速度将燃料和一次空气经燃料供给管(7)和空气供给管(8)供给到燃烧室(2)中，直到主燃烧空气入口(3)和/或燃烧室(2)中的燃烧空气(4)具有高于预定温度值的温度为止，并且一旦超过预定温度值，就以高于150m/s的出口速度将燃料和一次空气经燃料供给管(7)和空气供给管(8)供给到燃烧室中。
15.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，燃烧器(5)能够在标准火焰(11)以及举升火焰(12)或者温和火焰(13)的方式下工作，这是通过以下方式来实现的：通过小于0.1的一次空气与燃料的过量空气比来产生标准火焰(11)，或者通过大于0.1的一次空气与燃料的过量空气比来产生举升火焰(12)或者温和火焰(13)。
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