相關申請的交叉引用

本申請是2015年9月24日提交的美國申請第14/863563的延續(xù)，其要求2014年9月25日提交的美國臨時申請第62/055095的權益。上述申請的全部教導通過引用并入本文。

背景技術：

化石燃料的燃燒將排放物引入到大氣中，比如氮氧化物(nox)。nox排放源自例如燃燒空氣中的氮和煤或燃料油中的燃料結合氮。燃料結合氮轉化為nox取決于燃料中的氮化合物的量和反應性以及燃燒區(qū)域中的氧的量。燃燒空氣中存在的大氣氮n2轉化為nox取決于溫度；燃燒區(qū)域的火焰溫度越高，則排放物中所產生的nox含量就越大。減少nox含量的一種方法是產生富燃料的燃燒區(qū)域，然后是貧燃料燃燒區(qū)域，這可以通過將空氣分級引入燃燒室來實現(xiàn)。再循環(huán)燃料氣體進入火焰是另一種限制nox排放的技術。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施例包括提供高效率、低nox和co排放以及均勻溫度特性的高溫分級再循環(huán)燃燒器和輻射管燃燒器組件。一個這樣的分級再循環(huán)燃燒器包括具有形成用于燃燒氣體和燃燒產物的相對的螺旋通路的內外螺旋翅片的燃燒管、聯(lián)接到燃燒管的燃燒噴嘴、軸向延伸到燃燒管中的氣體管、以及聯(lián)接到氣體管的分級氣體噴嘴，其中分級氣體噴嘴包括進入燃燒管的徑向出口孔和延伸到燃燒噴嘴中以分級燃燒的軸向氣體分級管。

這種分級再循環(huán)燃燒器的一些實施例可以包括作為燃燒管的一部分的陶瓷壁，其分離燃燒氣體的流動和燃燒產物的流動，其中燃燒氣體和燃燒產物的流動方向是相反的。在許多實施例中，燃燒管可以由碳化硅制成，和/或燃燒噴嘴是錐形燃燒噴嘴。

分級再循環(huán)燃燒器還可以包括聯(lián)接到燃燒管的熱交換器，其使用來自燃燒管的燃燒產物來加熱提供給燃燒管的燃燒氣體。在這樣的實施例中，燃燒管和熱交換器可以通過專門的碳化硅螺紋連接，從而允許燃燒管是可調節(jié)的。燃燒器的氣體管可以延伸穿過熱交換器的中心軸線并進入燃燒管。

在一些實施例中，分級氣體噴嘴將氣體徑向噴射到流過燃燒管的預熱空氣的螺旋流中，并且在這種實施例中，分級氣體噴嘴可以僅噴射一部分氣體通過分級氣體噴嘴的徑向孔，從而產生基本上傾斜的氣體混合物，以抑制燃燒產物的溫度，并且噴射剩余氣體通過軸向氣體分級管。

示例性輻射管燃燒器組件包括如上所述的分級再循環(huán)燃燒器、聯(lián)接到燃燒器的外輻射管、同心地位于外輻射管內的內再循環(huán)管，其中外輻射管和內再循環(huán)管形成位于內外輻射管之間的環(huán)形空間，且轉動葉片間隔件位于外輻射管內，并且位于內在循環(huán)管的遠端和外輻射管的遠端之間，以使燃燒產物流過外輻射管和內再循環(huán)管之間的環(huán)形空間。

附圖說明

從以下附圖中所示的本發(fā)明的示例性實施例的更具體的描述中，前述內容將是顯而易見的，其中相同的附圖標記在不同的視圖中指的是相同的部分。附圖不一定按比例繪制，而是將重點放在說明本發(fā)明的實施例上。

圖1是示出根據本發(fā)明的示例性實施例的單端輻射(ser)管燃燒器組件的示意圖。

圖2是示出根據本發(fā)明的示例性實施例的燃燒器組件的示意圖。

圖3是示出根據本發(fā)明的示例性實施例的燃燒空氣熱交換器入口的示意圖。

圖4是示出根據本發(fā)明的示例性實施例的熱交換表面的示意圖。

圖5是示出根據本發(fā)明的示例性實施例的氣體管/氣體噴嘴組件的示意圖。

具體實施方式

下面描述本發(fā)明的示例性實施例。

分級再循環(huán)燃燒器和輻射管燃燒器系統(tǒng)的結構

圖1中示出了組裝在常規(guī)熱處理爐的室內的自回熱(recuperative)單端輻射管燃燒器系統(tǒng)的示例性實施例。圖1中示出了爐的一個壁20，通常由外側被金屬表皮22覆蓋的耐火材料21制成。自回熱單端輻射管燃燒器系統(tǒng)包括設置在爐室內的細長(外)輻射管23，其由碳化硅、金屬或其他合適的耐熱材料制成。外輻射管23延伸穿過爐中的空腔25，外管的下游端如24所示封閉。外輻射管23包括外凸緣26，外凸緣26固定在爐外壁上的爐安裝凸緣14中并且可以使用將燃燒器組件30安裝到爐的排氣殼體凸緣28固定到位。燃燒器組件30固定到輻射管23并部分地設置在其中，以產生高速高溫火焰，以適當?shù)丶訜釥t。由碳化硅制成的內輻射管27同心地組裝在外輻射管23內。內輻射管27通過使用間隔件(轉動葉片)29適當?shù)囟ㄎ怀蛇h離外管23的下游(遠端)(例如三英寸)。內管27的長度是爐特定的，但入口面31是與內爐耐火壁20重合的。同樣，燃燒器組件30的出口部件(即燃燒噴嘴32)也平行于耐火壁20的內壁和內輻射管31的表面。

參考圖2，可以存在多個部件，例如包括示例性的分級再循環(huán)燃燒器組件30：入口殼體34、氣體管37、排氣殼體43、熱交換器42(例如在美國專利第8162040號中公開的熱交換器)、氣體噴嘴51和燃燒管47。燃燒空氣由管道引導，經由孔36進入燃燒器入口殼體34，并與鼓風機(未示出)或其他用于產生強制燃燒空氣的流動的裝置連通。與細長氣體管道37連通的燃料供應管線35還連接到燃燒器入口殼體34。

氣體管37通過熱交換器42向下游延伸穿過組件的中心軸線并進入燃燒管47，在其中它支撐氣體噴嘴51。入口殼體34和氣體噴嘴51可以專門設計成以這樣的方式連通：火花塞19和火焰?zhèn)鞲衅?8(圖1)可以放置在氣體管37的內部。如圖5所示，火花塞19可以經由51b延伸穿過氣體噴嘴51，并且電極可以放置在51b下游的約一英寸處，以點燃從其排出的燃料/空氣混合物。連接到指示器的火焰?zhèn)鞲衅?8可以經由51c延伸穿過氣體噴嘴51，并且可以位于下游約三英寸處。火焰?zhèn)鞲衅?8檢測到火焰的存在，并且通過適當?shù)闹甘緛肀硎净鹧婧螘r熄滅。氣體管37可以由1.5"工藝80不銹鋼管制成，以便承受暴露于下游燃燒本身產生的高溫以及通過燃燒管47和熱交換器42回熱燃燒氣體。氣體噴嘴51可以由碳化硅制成以提供對高溫環(huán)境暴露的增強并且允許天然氣的穩(wěn)定和一致的輸送。氣體噴嘴51可以組裝到氣體管37中并使用固定螺釘(例如三個將隔開120度的固定螺釘37a)固定，如圖3所示。由氣體管37的內徑和氣體噴嘴51的外徑產生的小間隙37b可以使用陶瓷油灰密封，確保沒有氣體流過間隙空間。

一旦燃燒空氣通過入口端口36進入入口殼體34，它就會填充氣體管37周圍的空隙38(圖2)。燃燒器入口殼體34和熱交換器間隔件凸緣40之間的墊圈39將燃燒空氣密封到該空隙中，并且迫使空氣進入熱交換器42的導入口部分(例如約三英寸長)，其中空氣開始卷入形成圓角矩形通道的單個端口中。在一些示例性實施例中，可以有六個單獨的端口。圖3示出了熱交換器42的示例性入口。

熱交換器42可以在燃燒器入口殼體34和排氣殼體43(例如，熱交換器凸緣同心插入的入口)之間通過間隔件凸緣40的壓縮而保持就位。排氣殼體43內襯有高溫絕緣套筒44，其填充排氣殼體43的內徑和熱交換器42的外徑之間的空間。該絕熱件用作熱交換器42和排氣殼體的物理結構之間的阻擋件，使溫度保持足夠低以使其例如由普通的低碳鋼制成。

絕緣套筒44鎖定在由螺旋熱交換器空氣通道42d產生的外表面的螺旋環(huán)形空間42e(圖4)中。燃燒空氣以每圈約0.8英寸的速度軸向和螺旋形地通過達7英寸，例如通過圓角矩形通道。例如，在通過約九圈之后，所有的空氣在熱交換器42和燃燒管47之間的過渡中的42b(圖2)處結合，燃燒管47例如可以是約3.25英寸長。

熱交換器42和燃燒管47可以通過專用的碳化硅螺紋47a連接(圖2)。熱交換器42可以具有特殊的母螺紋，而燃燒管47可以具有特殊的公螺紋。該連接允許熱交換器為標準長度，并且根據爐應用來調節(jié)燃燒管以適應。一旦燃燒空氣進入燃燒管47，它就進入由氣體管的外徑50(圖2)、燃燒管47(圖2)的內徑和螺旋翅片通路的內徑47b產生的另一螺旋環(huán)形空間，其以例如每圈約1.67英寸的速度軸向向下游延伸，并且在燃燒噴嘴32處結束。例如，隨著燃燒空氣軸向和徑向地移動5圈，空氣被帶入穿過分級氣體噴嘴51，其中天然氣通過例如周向定位約45度間隔開的八個小孔51a(圖5)噴射到燃燒空氣中。然后，氣體/空氣混合物繼續(xù)以每圈1.67英寸的速度軸向和徑向地運動，例如在進入燃燒噴嘴32之前約兩個全圈。同時，分級氣體延伸管51d(圖5)將離心空氣和氣體混合物下游的氣體噴射到燃燒噴嘴32中并進入內輻射管27以有意地分級燃燒。徑向孔與軸向孔的橫截面積比范圍為1:1至10:1，使得徑向排出的氣體的量在總氣體的50％至90％之間。

氣體/空氣混合物然后進入燃燒管47的出口端，并且通過錐形漸縮管32送出，其被設計成當孔32a將火焰引向內輻射管27(圖1)時增加火焰的速度。在內輻射管27內部完成燃燒，并且燃燒的熱產物沿著管向下流向外管24的下游端，其中熱氣體被轉動180度并被強制沿朝向內輻射管31的第一端的相反方向流動通過外輻射管23和內輻射管27之間的環(huán)形間隙。作為在內輻射管31的第一端附近的燃燒產物，由錐形漸縮管產生的高速火焰夾帶一些使再循環(huán)回到正在進行的燃燒中的氣體。

熱交換器42和燃燒管47中的兩個螺旋插入件都可以由碳化硅構成。螺旋流體通道設計增加了兩個熱交換表面的外陶瓷壁的傳導熱傳遞表面積。碳化硅組合物的優(yōu)點在于，當經受顯著的溫度變化時，兩個部件的熱膨脹比如果由其他材料生產時更小。這還增強了螺旋熱交換器與燃燒器系統(tǒng)的其余部分匹配和聯(lián)接的能力，減少了在高溫操作條件下可能與部件間聯(lián)接相關的熱致應力。

當發(fā)熱產物離開環(huán)形空間時，發(fā)熱產物的一部分再循環(huán)，而大部分進入由外輻射管23的內徑15(圖1)、燃燒管47的外徑16以及沿著燃燒管47的長度延伸朝向排氣殼體43的螺旋翅片(例如每圈1.67英寸)通路產生的環(huán)形通道。該螺旋翅片通路47b的橫截面示于圖2，作為位于燃燒管47內側上的翅片的延伸；因此依次在燃燒管的兩側上設置流體路徑，以通過分離流體的陶瓷壁進行傳導熱傳遞。由內外翅片燃燒管47產生的增加的熱傳遞表面積使煙道氣體的排氣溫度足夠降低，使得高效熱交換器42可以安裝到單端輻射管燃燒器系統(tǒng)的外部(排氣殼體44)中，保持溫度足夠低以使其能夠由例如普通的低碳鋼制成。

隨著燃燒產物離開由燃燒管47產生的第一回熱部分，產物轉移到排氣殼體43中，其中產物進入由熱交換器42、螺旋燃燒空氣通道42d和絕緣套筒44(圖2)形成的螺旋間隙42e(圖4)。燃燒氣體穿過約0.8英寸每圈的環(huán)形間隙，例如達熱交換器的整個軸向長度，并且最終經由排氣殼體出口33(圖1)離開燃燒器系統(tǒng)。排氣殼體出口33處的熱交換流體的溫度使得否則將損失到大氣的熱量已經被轉移到燃燒空氣中，將其加熱到1050°f和1250°f之間的溫度，并且顯著改善自回熱單端輻射管燃燒器系統(tǒng)的效率。

上述示例性特征包括在內外部上帶有螺旋翅片的燃燒管，形成螺旋翅片通路(例如其可以以每圈1.67英寸延伸)，依次設定燃燒空氣(內部)和燃燒熱產物(外部)的流體路徑，以通過分離流體的陶瓷壁進行傳導熱傳遞。由內外翅片燃燒管產生的增加的熱傳遞表面積使煙道氣體的排氣溫度足夠降低，使得高效熱交換器可以安裝到單端回熱(ser)燃燒器的外部(排氣殼體)中，保持溫度足夠低以允許排氣殼體例如由普通的低碳鋼制成。內部螺旋翅片還可以隨著天然氣通過氣體噴嘴分散到已經旋轉的燃燒空氣中來提供改進的混合特性，氣體噴嘴在策略上位于燃燒噴嘴的下游。當氣體/空氣混合物通過錐形漸縮管(燃燒噴嘴)加速并且火焰被點燃時，改進的混合物導致燃燒損失的降低。

另一個示例性特征包括燃燒管和熱交換器的特定選擇和組裝。碳化硅組合物的優(yōu)點在于，當經受顯著的溫度變化時，燃燒管和熱交換器的熱膨脹比如果由其他材料生產時更小。這還增強了螺旋熱交換器與燃燒器系統(tǒng)的其余部分匹配和聯(lián)接的能力，減少了在高溫操作條件下可能與部件間聯(lián)接相關的熱致應力。燃燒管和熱交換器可以通過專門的碳化硅螺紋連接，其中熱交換器具有特殊的母螺紋，燃燒管具有相應的公螺紋。這種螺紋允許熱交換器是標準長度，并且燃燒管長度被調節(jié)用于特定的爐應用。

另一個示例性特征包括用于獨特的通道取向的熱交換器。燃燒空氣可以被引入到導入部分中的各個端口(例如六個端口)中，其形成圓角矩形通道，例如以約0.8英寸每圈使燃燒空氣軸向和螺旋地穿過。短周期和螺旋結構的組合大大增加了熱傳遞表面積，并允許進入的燃燒空氣和出料的燃燒產物之間的最大熱傳遞。熱交換器可以在不需要規(guī)定超大鼓風機或膨脹方法的情況下運行，從而以增加的速率產生強制的空氣，以克服由通道設計引起的壓降。

另一個示例性特征包括通過氣體管噴嘴的碳化硅軸向管。碳化硅提供增強的暴露于高溫環(huán)境，具有最小的熱膨脹，允許穩(wěn)定和一致地分散天然氣。噴嘴中的徑向孔將氣體噴射到預熱燃燒空氣的螺旋流中，從而增加混合特性，導致燃燒損失降低。軸向孔允許火花和火焰桿位于燃氣管內部并插入燃燒點。通過氣體管噴嘴的軸向管允許氣體在離心空氣和氣體混合物之前軸向流入下游燃燒噴嘴并進入內輻射管以有意地分級燃燒。

所公開的示例性實施例提供了優(yōu)于現(xiàn)有系統(tǒng)的優(yōu)點，例如增加的效率、燃燒管的更可定制的長度、高于平均值的熱點(hsoa)的均勻性小于50華氏度(其在使用合金外管時提供對負載更均勻的加熱和更長的管壽命)、nox排放小于240ppm和co排放在3％氧氣下在所有火速率下小于10ppm、以及可選擇的全陶瓷設計(例如氣體噴嘴、內管、外管、熱交換器和燃燒管)，這可以實現(xiàn)高溫應用，并降低對現(xiàn)有合金和陶瓷單端回熱(ser)燃燒器的維護周期。

分級再循環(huán)燃燒器和輻射管燃燒器系統(tǒng)的操作

如上所述，示例性特定實施例可以包括如圖2所示的氣體管37、排氣殼體43、預熱流漸縮管42a、排氣絕緣套筒44、螺紋燃燒管接頭47a、內外翅片燃燒管47、分級氣體噴嘴51、燃燒噴嘴32、定心間隔件29、空氣/氣體入口殼體34、空氣入口36、氣體入口35，氣體分級管10和熱交換器42。這種分級再循環(huán)燃燒器可以在輻射管燃燒系統(tǒng)中操作，輻射管燃燒系統(tǒng)可以包括如圖1所示的內爐壁20、爐耐火材料21、外耐火壁/外殼22、外輻射管23、外輻射管帽和支撐件24、耐火爐開口25、外輻射管凸緣26、支撐凸緣14、內再循環(huán)管27、火焰桿18和點火器19。

作為操作的示例，氣體燃料進入氣體入口35和空氣/氣體入口殼體34，空氣以例如約5:1和15:1之間的空氣與氣體比進入空氣/氣體入口殼體34的空氣入口36，其足以在點燃時產生火焰和燃燒產物。氣體燃料沿著氣體管37向下行進，在那里它進入分級氣體噴嘴51，其可以包括徑向出口孔和軸向氣體分級管10。徑向孔與軸向管的橫截面積比例如可以為1:1至10:1，使得徑向排出的氣體的量在總氣體的50％至90％之間。與氣體燃料同時，空氣進入熱交換器42的流體入口和熱交換器42的內部螺旋通道，其可以具有基本上矩形的橫截面?？諝鈴穆菪ǖ赖耐獗诮邮漳芰浚⑶以谄渥鳛轭A熱的空氣離開熱交換器42的螺旋通道之前被預熱到大于400攝氏度的溫度，然后流入預熱漸縮管42b。螺旋通道的外壁從流過周圍流體路徑的發(fā)熱產物接收能量，外部螺旋通道通過外壁形成大致矩形橫截面的流體路徑。隨著能量傳遞到外壁并進一步傳遞到流過熱交換器42的空氣，發(fā)熱產物被冷卻。發(fā)熱產物通過排氣殼體43排出。排氣殼體43包含排氣絕緣套筒44，這使得損失到大氣中的熱量最小化，使得最大量的熱量可以傳遞到外部螺旋壁，從而傳遞到空氣。

預熱的空氣進入附接到內外翅片燃燒管47的預熱流漸縮管，該燃燒管本身可以通過螺紋陶瓷燃燒管接頭47a附接到預熱流漸縮管。在內外翅片燃燒管47中，預熱的空氣通過在內外翅片燃燒管47的外部上流動的發(fā)熱產物被進一步加熱至超過500攝氏度的高度預熱的空氣溫度，該燃燒管含有一個或多個螺旋翅片。內外翅片燃燒管將發(fā)熱產物冷卻，這里外輻射管23和外輻射管凸緣26可以安裝在臺階凸緣14和排氣殼體43凸緣之間而不使用異常高溫材料。

高度預熱的空氣以螺旋流動路徑離開內外翅片燃燒管47的翅片，其中分級氣體噴嘴51定位成將氣體徑向噴射到高度預熱的空氣的螺旋流中。分級氣體噴嘴51及其徑向孔的位置使得空氣和氣體的混合物被適當?shù)鼗旌弦孕纬煽捎牲c火器19的尖端點燃的混合物，并且流入燃燒噴嘴32中并進一步在其中燃燒，其例如通過高溫陶瓷螺紋連接附接到內外翅片燃燒管47。不是所有的氣體都通過分級氣體噴嘴51的徑向孔噴射。點燃的混合物基本上是稀的，以抑制發(fā)熱產物的溫度，這抑制了氮氧化物的形成。發(fā)熱產物以這樣的速度離開燃燒噴嘴32，該速度足以夾帶流過由內再循環(huán)管27和外輻射管23形成的環(huán)形空間并進一步流過形成在燃燒噴嘴出口32a與內再循環(huán)管27的內部之間的開口的發(fā)熱產物。發(fā)熱產物處于足夠低的溫度，使得離開燃燒噴嘴的發(fā)熱產物充分稀釋，以在發(fā)熱產物通過廢氣再循環(huán)在內再循環(huán)管27內完全燃燒之前進一步減少氮氧化物的形成。

通過可從分級氣體噴嘴51延伸并進入燃燒噴嘴32的軸向管將最終量的氣體噴射到部分燃燒的發(fā)熱產物中。在離開內再循環(huán)管27的端部之前，氣體被完全燃燒。稀燃燒、發(fā)熱產物的再循環(huán)和燃燒產物的氣體分級的組合足以抑制氮氧化物的形成，使燃燒溫度最小化以抑制氮氧化物的形成，并且改善從外輻射管23釋放的熱量的溫度均勻性。

發(fā)熱產物可以通過定心間隔件(轉動葉片)定向在由外輻射管23和內再循環(huán)管27形成的環(huán)形空間之間，該定心間隔件(轉動葉片)可以包括至少兩個均勻的翅片，并且促進流動從發(fā)熱產物逆轉到所形成的環(huán)形空間中。隨著發(fā)熱產物在所形成的環(huán)形空間之間流動，通過對流和輻射熱傳遞，大量的能量被傳遞到外輻射管23的壁。能量通過傳導被傳遞通過外輻射管23的壁。大量的能量通過輻射熱傳遞從外輻射管23傳遞到內爐壁20。當發(fā)熱產物離開環(huán)形空間時，發(fā)熱產物的一部分再循環(huán)，而大部分進入內外翅片燃燒管47的外翅片。如上所述，發(fā)熱產物通過在排氣殼體33出口處離開系統(tǒng)之前流過內外翅片燃燒管47和熱交換器42而被冷卻。

雖然上面已經具體示出和描述了示例性實施例，但是本領域技術人員將理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以在形式和細節(jié)上進行各種改變。例如，外管23可以帶有翅片、葉片和/或扭轉以改善熱傳遞。內管27可以帶有翅片、葉片和/或分段，以改善熱傳遞均勻性、燃燒和再循環(huán)。燃燒噴嘴32可以包括單個或多個噴嘴，其不一定是圓形的，并且可以包括用于空氣分級的孔延伸。氣體噴嘴10可以包括徑向孔、軸向孔、切向孔和/或傾斜孔，其不一定是圓形的，并且可以包括用于氣體分級的孔延伸?？桌缈梢允菆A形、橢圓形、方形、狹槽或多孔。燃燒管17可以帶有不同的翅片、葉片和/或扭轉以改善熱傳遞。轉動葉片29可以是具有入口點的螺旋形或u形以分離流動。內管27和外管23可以使用分級螺旋(膛線)或分級翅片，以便減少高于平均值的熱點(hsoa)的變化并降低hsoa值。例如，管的第一個三分之一可能是平滑的，而后三分之二帶有翅片。外管23可以是具有解調碳化硅空氣加熱器的合金管，其將是低空氣壓力、降低的效率系統(tǒng)，其將允許安裝更高壓力、更高效率的空氣加熱器。熱交換器42可以帶有翅片、葉片和/或分段以改善熱傳遞均勻性、燃燒。氣體噴嘴10可以延伸或縮回，長度是可變的，與錐形漸縮管32和孔32a的形狀和直徑的變化組合，以改變輻射管加熱系統(tǒng)的排放和熱特性。