專利名稱：液體燃料燃燒系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用液體燃料和含有約20％-100％(體積)的氧氣(空氣、富氧空氣、工業(yè)純氧氣)的氧化劑的燃燒系統(tǒng)。在這類燃燒器中，火焰的穩(wěn)定性是操作的必要條件。本發(fā)明可限定這類燃燒器的幾何尺寸以便保證火焰的穩(wěn)定性及使所述的燃燒器產(chǎn)生的火焰正確地布置。
許多高溫處理(玻璃爐、再熱爐、焚化爐等)使用燃燒，特別是借助于液體燃料的燃燒。在液體燃料燃燒中的關(guān)鍵的步驟是霧化液體噴射流首先轉(zhuǎn)變成汽化的液滴，隨后燃燒。可利用一些裝置來制造這些液滴。第一個實(shí)例是在環(huán)境空氣中的機(jī)械霧化，主要包括使液體撞擊靜止的氣體。另一個實(shí)例包括使用運(yùn)動的霧化氣體(如空氣、氧氣、蒸汽或其它可用的氣體)的介入。對于各種霧化器的詳細(xì)資料請參閱A.Lefebvre的著作“霧化及噴霧”Taytor & Francis出版(1989年)，P136及后面。
霧化器一般放入一個(典型地由耐火材料制的)爐口中，氧化劑氣體流入該爐口中。雖然在理論上沒有阻止霧化器定位在從爐口的出口面縮回處，迄今沒有人能夠證明在火焰的穩(wěn)定性和噴霧器在所述的爐口中的定位之間有任何關(guān)系。
按照本發(fā)明，表達(dá)穩(wěn)定的火焰意味著這樣一種火焰，其根部的平均位置不會隨時間改變。這個位置典型地相對噴射器有關(guān)。
在氣體燃燒中，火焰的穩(wěn)定性由在氣體噴射流的邊界處設(shè)的再循環(huán)結(jié)構(gòu)所控制(見JE Broadwell，WJA Dahm和MG Mungal的文章“Blowout of Tuibulent diffusion flames”在20屆國際燃燒年會上發(fā)表，燃燒研究院出版，1984年，P303-310)。在再循環(huán)區(qū)域的芯部發(fā)生的燃燒提供了穩(wěn)定火焰需要的能量。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)液體燃料火焰比氣體燃料的火焰穩(wěn)定性問題更有訣竅。特別是，液滴的汽化將消耗能量。該能量對維持燃燒及穩(wěn)定火焰不再是可用的。因此已證明對這類火焰必須考慮對于穩(wěn)定的附加因素小尺寸化的液滴。更具體地，后者要符合兩條標(biāo)準(zhǔn)。第一它們應(yīng)具有跟隨氣流的能力。隨后是可以把它們收集在再循環(huán)區(qū)中。因此，它們迅速蒸發(fā)和以氣體燃料供入再循環(huán)區(qū)和允許按照如氣體火焰的同樣機(jī)理保持火焰。
保證火焰穩(wěn)定性的一個手段是提供額外的再循環(huán)區(qū)(與沿著噴射流天然產(chǎn)生的再循環(huán)區(qū)不同)。在氣體燃燒中，從US 5645413已知產(chǎn)生內(nèi)部再循環(huán)，而US 4536152和US 5791893已知對燃燒器補(bǔ)充一個火焰保持器。
例如在US 4203719(“盤形擋板”)和US 4836772(“穩(wěn)定環(huán)”)中說明了液體霧化器裝有火焰保持器(或穩(wěn)定器)。
但是在富氧空氣或純氧火焰中使用火焰保持器裝置一般是不可能的，在這類火焰中這類裝置經(jīng)受的溫度被大大地犧牲了。
按照本發(fā)明，確定了相對沿氣流方向在爐口的下游端退回噴射器的端部的必要性以便得到作為燃料、氧化劑、霧化劑、爐口系統(tǒng)的函數(shù)的、火焰的穩(wěn)定性，及可行的對火焰的定位。
一般，已知可借助三個特征時間來分析兩相火焰(液體及氣體)的穩(wěn)定性。這些時間是化學(xué)時間，蒸發(fā)時間和混合的特征時間。這些術(shù)語的限定可參見D.Stepowski，A.Cessou和P.Goix的文章(“在噴射流的附近場中的燃燒結(jié)構(gòu)中的火焰穩(wěn)定性及OH熒光圖”《燃燒及火焰》99卷，P516-522，1994年)。
在本發(fā)明的上下文中，限定了兩個參數(shù)穩(wěn)定性參數(shù)(S)和附著參數(shù)(A)。這些數(shù)字分別相應(yīng)于蒸發(fā)時間和混合時間比及化學(xué)時間和混合時間比。
有兩種液體燃料霧化器。對每一種液體燃料霧化器，限定了一個當(dāng)量速度Vequi，其代表液滴噴射的平均速度。
對于所謂的輔助霧化器，可加上霧化速度，下面標(biāo)為Vato。該速度是保證霧化的氣流速度。典型地，內(nèi)霧化器具有低的霧化速度(50m/s最小)和外霧化器具有高的霧化速度(250m/s最大)。當(dāng)量速度與霧化速度有下列關(guān)系Vequi＝0.5×Vato在所謂的機(jī)械霧化器的情形下，噴射流的當(dāng)量速度是直徑d(在

圖1中限定)和液流速度m(Kg/s)的函數(shù)，如下式Vequi＝2.4m/(ρπd2)機(jī)械霧化器的當(dāng)量速度的典型量級為50m/s。
可以把正切分量加入到液體噴射速度或氧化劑氣體噴射速度(“渦旋”)中，該分量傾向減小當(dāng)量速度。
按照本發(fā)明，提供了一種借助液體燃料和含有20％-100體積％的氧的氣體氧化劑的燃燒方法，其中燃料通過噴射器噴入，所述的噴射器的內(nèi)高度為d，放在內(nèi)高度為D的爐口的里面，在與把氣體混合物朝爐料加熱區(qū)噴射相應(yīng)的端部，其特征在于由下式限定的系數(shù)SS=s1Vequi-a2La3d(2-e-L/10d)]]>式中a1＝2.5·10-11a2＝2·10-9a3＝0.00875γ+0.525在整個燃燒過程中S保持在小于或等于1，以保證火焰的穩(wěn)定性，L限定為液體燃料噴射器的端部和在爐口的流體流動方向的下游端之間的距離，Vequi在機(jī)械霧化器的情形下限定為代表液體燃料的液滴噴射的平均速度的當(dāng)量速度和等于2.4m/(ρπd2)，而在其余的情形下為等于0.5Vatom的速度，γ限定為在爐口的出口處氣體中氧的總的體積百分比。在分段火焰燃燒器或分開的噴射的情形下，對計(jì)算γ值只考慮供入火焰的主區(qū)或包圍分開噴入的燃料的氣體。
一般，一個穩(wěn)定的火焰可以是1.附著到噴射器的前端，2.分離的，但穩(wěn)定在爐口中，3.分離的，在爐口外面。
分離的火焰(第2，3種情形)將在離開噴射器穩(wěn)定一段距離。如果該距離增加，火焰熄火的危險也增加，引起裝置的整體性的問題。
按照本發(fā)明的方法，用來維持附著到噴射器的前端或者分離的但是穩(wěn)定的火焰而沒有任何熄火危險，其特點(diǎn)是參數(shù)由下面公式限定A＜Amax式中A=τ·Vequid(2-e-L/10D);]]>τ=4.56(4γ-50)2;]]>Amax=2·min(Din,D)d.]]>為了得到在整個燃燒中附著到噴射器的前端的火焰，參數(shù)A的值保持在小于或等于1。
在火焰用于熱環(huán)境的情形下，也就是爐溫約≥1100℃的情形下，可使用系數(shù)在1和Amax之間的燃燒系統(tǒng)。
通過下面結(jié)合附圖對作為非限制實(shí)例的實(shí)施例的說明可以更清楚了解本發(fā)明，附圖中圖1是通過一個爐口/霧化器系統(tǒng)的垂直剖面圖；圖2-7示出限定燃燒器的穩(wěn)定區(qū)的各種曲線。
在圖1中，在爐口1中設(shè)有一個霧化器2。圖1示出軸對稱幾何形狀及平行管形的爐口/霧化器兩種情形。固有地限定了四個幾何尺寸d、L、D和Dint。尺寸“d”是在霧化器的出口測量的。長度“L”是霧化器2的平面和爐口1的出口平面隔開的距離。Dint和D分別是在爐口的進(jìn)口和出口的特征距離(對軸對稱的幾何形狀，則指直徑)。
實(shí)例1制造出一種燃燒裝置，其包括直徑d＝2.7mm的液體燃料的噴射器，設(shè)在圓錐形爐口中，爐口沿液流方向開口并且下游孔徑D等于86mm。為了噴出液體燃料，使用了如上面限定的“內(nèi)霧化”型的裝置。液體的霧化速度為50m/s，因此當(dāng)量速度(如上面限定)為25m/s。
圖2表示對于系數(shù)γ的兩個值(分別為20％和100％)，作為參數(shù)L/10D的函數(shù)的系數(shù)S的變化曲線。當(dāng)噴射器在爐口中的位置改變時，如此L/10D的比在0-0.6之間變化，系數(shù)S分別保持小于0.35(對γ＝100％)和小于0.65(對γ＝20％)，實(shí)際上，證實(shí)了火焰相應(yīng)的穩(wěn)定性。
實(shí)例2所有其它的條件和實(shí)例1的相同，但是燃燒系統(tǒng)設(shè)的液體噴射為外霧化，液體霧化速度等于250m/s，也就是當(dāng)量速度(如上面所述)約125m/s。
對于γ＝20％和γ＝100％(如上)作了曲線S＝f(L/10D)(圖3)，試驗(yàn)證實(shí)了對于γ＝20％，火焰絕不穩(wěn)定，而對于γ＝100％，僅僅在L/10D超出約0.55時火焰穩(wěn)定。
實(shí)例3在實(shí)例1的同樣條件下，借助于機(jī)械霧化裝置，當(dāng)量速度為50m/s，得到圖4表示的結(jié)果。當(dāng)γ＝100％，沒有觀察到火焰的穩(wěn)定有問題，相反地一當(dāng)L/10D小于2時，火焰變得不穩(wěn)定。
實(shí)例4在實(shí)例1同樣條件下，氧的百分比γ在20％-100％(體積)之間變化。
已發(fā)現(xiàn)(見圖5)對于L/10 D＝0，對γ在100％-88％之間，和對于L/10D＝1，γ低到約65％，火焰保持附著。但是在兩種情形下，火焰分離，但是在可接受的穩(wěn)定性極限內(nèi)。
但是發(fā)現(xiàn)對于L/10D＝0的燃燒系統(tǒng)，用空氣操作是不可接受的。本實(shí)例所述的裝置特別很好地適于使用VSA型吸收裝置(真空振蕩吸收裝置)產(chǎn)生的氧氣，純度為約88％氧氣至98％氧氣，剩余的百分比主要為氬氣及少量的殘余的氮?dú)狻?br> 實(shí)例5該實(shí)例在與實(shí)例2同樣的條件下實(shí)施。在該實(shí)例中，發(fā)現(xiàn)(見圖6)火焰絕不附著，但是在富氧空氣(大于30％)，其保持在可接受區(qū)域。
實(shí)例6該實(shí)例的實(shí)施條件和實(shí)例3相同，其結(jié)果示于圖7。
其它的變型對本專業(yè)技術(shù)人員很清楚。因此最好要避免把液體燃料噴射器相對于爐口的下游端太靠后，以便預(yù)防細(xì)的液體燃料液滴的噴射流與爐口的內(nèi)壁直接接觸。通過噴射理論已知噴射角為12°的量級，通過簡單計(jì)算可以得到L/10D＜0.6的比。
權(quán)利要求
1.一種借助液體燃料和含有20％-100體積％的氧的氣體氧化劑的燃燒方法，其中燃料通過噴射器(2)噴入，所述的噴射器的內(nèi)高度為d，放在內(nèi)高度為D的爐口的里面，在與把氣體混合物朝爐料加熱區(qū)噴射相應(yīng)的端部，其特征在于由下式限定的系數(shù)SS=a1Vequi-a2La3d(2-e-L/10d)]]>式中a1＝2.5·10-11a2＝2·10-9a3＝0.00875γ+0.525在整個燃燒過程中S保持在小于或等于1，以保證火焰的穩(wěn)定性，L限定為液體燃料噴射器的端部和在爐口(1)的流體流動方向的下游端之間的距離，Vequi在機(jī)械霧化器的情形下限定為代表液體燃料的液滴噴射的平均速度的當(dāng)量速度和等于2.4m/(ρπd2)，而在其余的情形下為等于0.5Vatom的速度，γ限定為在爐口(1)的出口處氣體中氧的總的體積百分比。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于由下列公式限定的參數(shù)A小于Amax，式中A=τ·Vequid(2-e-L/10D);]]>τ=4.56(4γ-50)2;]]>Amdx=2·min(Din,D)d.]]>
3.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于為了保持火焰附著到噴射器的前端，保持A≤1。
4.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于1＜A≤Amax，和爐溫保持在≥1100℃。
全文摘要
一種借助液體燃料和含有20%－100體積%的氧的氣體氧化劑的燃燒方法,可保證火焰的穩(wěn)定性,其中由下式限定的系數(shù)S在燃燒過程中保持小于或等于1,右式中d為噴射器的內(nèi)高度,L為液體燃料噴射器的端部和爐口(1)的下游端之間的距離,Vequi為燃料液滴噴射的當(dāng)量平均速度。
文檔編號F23M5/02GK1259636SQ9912281
公開日2000年7月12日 申請日期1999年11月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月30日
發(fā)明者奧利維耶·德拉布羅伊, 皮埃爾·博得林, 邁克爾·喬希, 伯納德·拉貝戈?duì)? 弗朗索瓦斯·拉卡斯 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司