涡旋燃烧器和浸没燃烧熔融的方法.pdf

一种用于浸没燃烧熔融的涡旋燃烧器100，其使排出燃烧器的第一气体和第二气体中的至少一种气体产生涡旋。该燃烧器包含用于向喷嘴递送第一气体的中心管和用于向喷嘴递送第二气体的外管。在中心管和外管中的至少一个管子中提供螺旋叶片或通道，以使排出燃烧器的第一气体和第二气体中的至少一种气体产生涡旋。

权利要求书
1.  一种用于浸没燃烧熔融的燃烧器，所述燃烧器包含：
具有顶端和底端的空心中心管；
与所述中心管的内部连通的第一气体供应线路，用于递送第一气体通过所述中心管并从所述中心管的顶端排出；
以同心方式固定于所述中心管周围的空心外管，在所述中心管和所述外管之间形成环形空间，所述外管具有底端和与所述中心管的顶端相邻的顶端；
与所述环形空间连通的第二气体供应线路，用于递送第二气体通过所述外管并从所述外管的上端排出，以与所述第一气体混合并燃烧；
在第一管和所述环形空间之一的顶端中的涡旋诱导元件，用于使所述第一气体和所述第二气体中相应的一种气体在从第一管和第二管中相应的一个管子排出时产生涡旋。

2.  如权利要求1所述的燃烧器，所述燃烧器还包含在所述中心管的顶端中的第一所述涡旋诱导元件以及在所述外管的顶端中的第二所述涡旋元件。

3.  如权利要求2所述的燃烧器，其特征在于，所述第一和第二涡旋诱导元件各自包含螺旋叶片。

4.  如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述涡旋诱导元件包含螺旋叶片。

5.  如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述涡旋诱导元件位于所述外管的顶端，并且所述外管的内周表面收敛接近所述外管的顶端，以在所述第二气体排出所述外管时加速所述第二气体的涡旋。

6.  如权利要求1所述的燃烧器，所述燃烧器还包含：
所述中心管顶端的喷嘴，通过所述喷嘴与所述中心管的内部连通的多个气体出口；并且
其中，所述至少一个涡旋元件在所述环形空间的顶端包含螺旋叶片。

7.  如权利要求6所述的燃烧器，其特征在于，至少一个玻璃出口中的多个相对于所述中心管的纵轴向外倾斜，倾斜角度范围为25°至65°。

8.  如权利要求6所述的燃烧器，其特征在于，至少一个玻璃出口中的多个在所述中心管的纵轴周围排成圆形，并且在与所述圆相切的方向上垂直倾斜。

9.  如权利要求6所述的燃烧器，其特征在于，至少一个玻璃出口中的多个在所述中心管的纵轴周围排列排成圆形，并且各自形成螺旋的一部分。

10.  如权利要求4所述的燃烧器，其特征在于，所述螺旋叶片从固定于所述中心管的顶端的环向外延伸。

11.  一种浸没燃烧熔融设备，所述设备包含：
用于容纳熔融槽的熔融室，所述熔融室具有在其壁中形成的孔；和
位于所述孔的燃烧器，以向所述熔融室中喷射火焰，所述燃烧器包含：
具有顶端和底端的空心中心管；
与所述中心管的内部连通的第一气体供应线路，用于递送第一气体通过所述中心管并从所述中心管的顶端排出；
以同心方式固定于所述中心管周围的空心外管，在所述中心管和所述外管之间形成环形空间，所述外管具有底端和与所述中心管的顶端相邻的顶端和；
与所述环形空间连通的第二气体供应线路，用于递送第二气体通过所述外管并从所述外管的上端排出，以与所述第一气体混合并燃烧；
在第一管和所述环形空间之一的顶端中的涡旋诱导元件，用于使所述第一气体和所述第二气体中相应的一种气体在从第一管和第二管中相应的一个管子排出时产生涡旋。

12.  如权利要求11所述的熔融设备，所述设备包含在所述中心管的顶端中的第一所述涡旋诱导元件以及在所述外管的顶端中的第二所述涡旋元件。

13.  如权利要求12所述的熔融设备，其特征在于，所述第一和第二涡旋诱导元件各自包含螺旋叶片。

14.  如权利要求11所述的熔融设备，其特征在于，所述涡旋诱导元件包含螺旋叶片。

15.  如权利要求11所述的熔融设备，所述设备还包含：
所述中心管顶端的喷嘴，通过所述喷嘴与所述中心管的内部连通的多个气体出口；并且
其中，所述至少一个涡旋元件在所述环形空间的顶端包含螺旋叶片。

16.  如权利要求15所述的燃烧器，其特征在于，所述螺旋叶片从固定于所述中心管的顶端的环向外延伸。

17.  一种熔融玻璃的方法，所述方法包括以下步骤：
将第一气体从第一喷嘴向上排到熔融罐中，
从围绕所述第一喷嘴的第二环形喷嘴排出第二气体；
使从所述第一喷嘴和所述第二喷嘴中的至少一个喷嘴排出的气体产生涡旋。

18.  如权利要求17所述的方法，所述方法还包括使从所述第一喷嘴排出的第一气体产生涡旋，并且使从所述第二喷嘴排出的第二气体产生涡旋。

说明书涡旋燃烧器和浸没燃烧熔融的方法
本申请要求2012年11月30日提交的美国专利申请第61/731857号的优先权，其全部内容通过引用结合入本文。
技术领域
本发明涉及浸没燃烧熔融。更具体地，本发明涉及用于浸没燃烧熔融的燃烧器，并且更具体地涉及用于浸没燃烧熔融的产生涡旋火焰的涡旋燃烧器。
背景技术
在常规玻璃熔炉中，燃烧器位于熔炉中的玻璃材料(例如，玻璃批料材料和之后熔融的玻璃材料，或统称为“玻璃熔体”)的表面之上并且向下指向玻璃熔体的上表面。在尝试增加玻璃熔炉的热效率的努力中，在已被称为浸没燃烧熔炉(“SCM”)的熔炉中，燃烧器也位于熔体的表面之下并且向玻璃熔体中喷火。在SCM中，火焰和燃烧的产物(主要是二氧化碳和水)穿过并直接与玻璃熔体接触，从而将热直接传到玻璃熔体，使得向玻璃熔体的传热效率比常规玻璃熔炉更高。因此，与常规玻璃熔炉中相比，在SCM中有更多来自燃烧的能量被传到玻璃熔体中。通过SCM中的玻璃熔体的燃烧火焰和产物也搅动并混合玻璃熔体，从而在不使用通常在常规玻璃熔炉中需要的机械混合器的情况下使玻璃熔体能有效混合。在常规玻璃熔炉中，在没有机械混合器辅助的情况下，玻璃材料表面上方存在的燃烧器和火焰没有明显搅动玻璃熔体。然而，常规玻璃熔体中使用机械搅拌器存在问题。由于玻璃熔体的高温和腐蚀性质，玻璃熔炉中的机械混合器往往是昂贵的并且使用寿命短。当玻璃熔炉中的机械混合器降解时，来自混合器的材料污染玻璃熔体。与采用机械混合器的常规玻璃熔炉中相比，SCM能够使玻璃熔体以更小的体积和更短的时间熔融并匀化。与常规玻璃熔炉相比，SCM的改善的传热和较小的尺寸可降低能量消耗和资金成本。
现有技术的SCM燃烧器10示于图1。所示的SCM燃烧器10包含两根同心管12和14。中心管12向喷嘴18递送天然气G。外管14向燃烧器递送氧O，使排出喷嘴的气体G燃烧。外管14形成在内管12和外管14周围的冷却夹套13的一部分。喷嘴18具有中心气体出口22和多个以环状排列在中心气体出口22周围的外气体出口24(例如，6个洞)。导向外气体出口24的通道25从中心管12的中心轴向外倾斜约5°的气体排出角A1。氧通过在外管14的内表面和中心管12的外表面之间形成的环形氧出口26排出燃烧器。沿着气体排出角A1排出气体出口24的气体指向排出氧出口26的氧并与之混合，使得气体燃烧产生火焰(未显示)，该火焰垂直向上烧至玻璃熔体并穿过玻璃熔体(未显示)。图1的现有技术的燃烧器10在运行时，喷嘴18和中心管12的顶部通常与外管的顶部齐平或者从外管14的顶部(和燃烧器的顶端28)向下凹陷约11/2英寸，使得气体可在到达燃烧器的顶端28之前与氧混合。冷却流体F循环经过冷却夹套13以冷却燃烧器。
在图1所示的这种SCM中，从燃烧器10垂直穿过玻璃熔体的火焰往往带走大量的玻璃熔体并将玻璃熔体喷到熔炉侧面(未显示)。一些被带走的玻璃甚至可能喷到熔炉的排气系统中。被带走的玻璃材料熔体在排气系统和熔炉的上壁上硬化并涂覆，包括观察口、传感器位置、排气管道等。被带走的材料也可能在减少污染的系统的过滤器系统(堆袋室，过滤器等)中聚集，从而使过滤器产生污垢。燃烧产物可以大的“嗝”突破玻璃熔体的表面，一些玻璃熔体向上冲，这可导致未熔融的和/或未充分混合的玻璃熔体冲向称为龙头的熔炉的玻璃出口(未显示)。有时，一些这种未熔融的或未充分混合的玻璃熔体可与需要的完全熔融并混合的金属熔体一起排出龙头，这是非常不希望的。图1所示的典型SCM燃烧器中燃烧产物的高速度也可导致在熔体中形成大量的气泡。对于许多应用而言，需要在“澄清”阶段去除这些气泡。在澄清期间，玻璃熔体必须保持在足够高的温度下，以使气泡在玻璃熔体中上升来从中去除气泡，这产生了大量的能量需求。当用某些玻璃组合物操作时，这种SCM燃烧器也可能产生非常响的刺 耳的声音。噪音水平可达到约9-dB或100dB，对操作者的听力产生重要威胁，除非两只耳朵被堵塞并且戴上耳塞。
发明内容
本发明的一个方面通过SCM燃烧器促进燃料与氧化剂的混合，使得氧和气体中的一种或两种在排出燃烧器时产生涡旋。涡旋燃烧器的优势在于，火焰通常向外丛生或展开而不是仅集中于垂直流动方向上。涡旋由此导致燃烧气体的垂直动量的强化扩散，使得较少的玻璃熔体在SCM内被燃烧器甩出，并且提供燃烧气体的增强混合。
在一个方面，本发明涉及一种燃烧器，其包含具有第一纵向内膛的第一空心中心管，以及具有第二纵向空心内膛的第二外管。第一管设置在第二管内，使得在第二管和第一管之间限定环形空间。涡旋诱导元件位于第一管和环形空间之一的顶端，用于使通过并排出第一管顶端的第一气体和通过并排出第二管顶端(例如，环形空间)的第二气体产生涡旋。
在本发明的另一个方面，燃烧器还包括在第二管的顶端形成的喷嘴。该喷嘴可包含多个在其中形成的气体出口。气体出口可相对于喷嘴的纵轴向外倾斜并且与第二纵向内膛连通。
在另一个方面，本发明涉及浸没燃烧熔融设备，其包含用于容纳熔融槽的熔融室。熔融室在其壁上形成孔。上述的燃烧器位于孔处，用于向熔融室中注射火焰。
从下面的详述和所附权利要求书很容易了解本发明的其他特征和优点。
一个实施方式是
另一个实施方式包括
在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。
应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求的性质和特性的总体评述或框架。所附附图提供了对本发明的 进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了本发明的一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各种实施方式的原理和操作。
附图说明
下文所述的附图说明了本发明的典型实施方式，但是不应认为它们限制了本发明的范围，因为本发明还包括其它同样有效的实施方式。为了清楚和简明起见，附图不一定按比例绘制，附图的某些特征和某些视图可能按比例放大显示或以示意图方式显示。
图1是现有技术的浸没燃烧熔炉燃烧器的截面侧视图；
图2是按照第一个实施方式的浸没燃烧熔炉的涡旋燃烧器的部分截面侧视图；
图3是图2的部分截面侧视图，显示图2的涡旋环(swirlcollar)和中心管；
图4是图2的燃烧器的部分俯视图，显示中心管、涡旋环和外管；
图5是按照第二个实施方式的浸没燃烧熔炉的涡旋燃烧器的部分截面侧视图；
图6是按照第三个实施方式的浸没燃烧熔炉的涡旋燃烧器的部分截面侧视图；并且
图7显示了浸没燃烧熔融系统，其包含图2-4的燃烧器设备。
具体实施方式
以下结合附图中所示的几个实施方式对本发明进行更详细的描述。在描述实施方式时，所叙述的各种具体细节是为了透彻地理解本发明。但是，对本领域技术人员显而易见的是，本发明可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其它情况中，为了不使本发明难理解，没有详细描述众所周知的特征和/或工艺步骤。此外，类似或相同的附图编号用于标识共有或类似的零件。
如图2-4所示，本发明的第一实施方式的SCM的涡旋燃烧器100包含空心的第一管或中心管12以及空心的第二管或外管14，在中心管和外管之间限定环状空间16。中心管可在外管内居中。中心管12可具有封闭的底端13，其密封了中心管的底部。在底端13附近，内管12包含端口15，其与中心管的内部连通。气体的外源(未显示)，例如，燃料源可与端口15连接以向中心管供应气体。在其他实施方式中，封闭的底端17可包含用于向内膛108导入气体的端口。外管14具有部分封闭的底端17，底端17具有从中通过的开口以接受内管12。底端17通过在外管14和内管12之间延伸来密封环形空间16的底部。在图2、5和6所示的示例中，包含端口15的内管12的底部13延伸到外管14的底端17之下。内管12能够相对于所述开口滑动，使得可能相对于外管14的位置调节内管12的位置。在底端17附近，外管14包含端口19，其与环形空间16连通。气体的外源(未显示)，例如，氧化剂源可与端口19连接以向环形空间16供应气体。或者，底端17可包含用于向环形空间16中导入气体的端口。
可在中心管12的顶端上提供喷嘴18。该喷嘴可具有以环状排列在中心管12的中轴周围的多个气体出口洞24(例如，6个出口)。喷嘴中通向气体出口24的通道25(参见图3)可以约25°的出口角相对于中心管12的中轴向外倾斜。通过将涡旋环120连接到中心管12的顶端上来将涡旋环120固定在外管14的内部。4个螺旋叶片121、122、123和124在环120的外周表面中形成，限定在涡旋环120和外管14之间的环形空间中的4个螺旋通道131、132、133和134。螺旋叶片和螺旋通道诱导通过外管并排出SCM燃烧器100进入玻璃熔体的氧产生涡旋运动，从而使排出燃烧器的氧在排出燃烧器的气体周围产生涡旋。螺旋叶片121、122、123和124的外端接触或紧紧靠近外管14的内表面，以确保涡旋环上的叶片使通过第二管的氧产生涡旋。在另一个实施方式中，喷嘴可包含中心气体出口，如图1中的气体出口22。中心出口可用作气流的开口或用作仪器(如UV安全传感器)的容器或通道。
参考图2-4，通过端口19向环形空间16供应氧化剂(如氧)O，并通过端口15向内膛15供应燃料气体G。燃料气体通过喷嘴18排出内管并且与排出环形空间顶部的气体混合以形成火焰(未显示)。当燃烧器100操作时，向 冷却夹套13中供应冷却流体F。在浸没的燃烧熔融中，燃烧器设备100的火焰在玻璃熔体中形成。
使氧在气体周围产生涡旋促进了气体和氧的混合以更高效地燃烧。氧的涡旋流动也向排出喷嘴18的氧的速度施加横向分量，这导致由燃烧器100产生的火焰向外扩展或展开，而不是像图1所示的一般现有技术SCM燃烧器中那样主要集中于垂直方向。与一般现有技术的SCM燃烧器相比，这种火焰的展开使燃烧气体的动量更为弥散，并在玻璃熔体中铺展，从而与一般SCM燃烧器相比，降低通过玻璃熔体的燃烧气体的垂直速度和动量，并减少玻璃的猛冲。短而宽的火焰可有助于降低或消除在将火焰注射到玻璃熔体中的位点处的冻结。这最终可有助于避免在熔融槽中形成冷指(coldfinger)。为了实现由涡旋燃烧器产生的火焰的最大涡旋，可使最大体积的气体(以及由此最大的动量)进料通过外管14并通过涡旋环的叶片和螺旋通道。在所示的示例中，可以比燃料气体大的体积供应氧，因此可通过外管供应氧并且可通过中心管供应燃料气体。不过，也可向中心管供应氧而向外管供应燃料气体。
所示的环120有各自呈90°排列的4个螺旋叶片121-124，形成如图4中最佳呈现的各自呈90°排列的4个螺旋通道。然而，螺旋叶片和螺旋通道的数量可以变化。例如，可以有2-6个螺旋叶片和2-6个螺旋通道。此外，可以不采用与中心管12连接的单独的螺旋环120，螺旋叶片121-124也可在中心管12的外周表面中整体形成(未显示)，从而形成单一的整体形成的组件，其包含中心管、螺旋叶片和喷嘴。所示的涡旋环120通常是圆柱体形式，具有光滑圆柱表面，并在其外周表面上具有向外延伸的螺旋叶片。或者，涡旋环可具有光滑的圆柱形外周表面，其固定在外管14的内表面，或者可在外管的内周表面上整体形成向内延伸的螺旋叶片。
内管12、外管14、喷嘴18、涡旋环120和螺旋叶片121-124可由任意合适的耐热材料制成，如不锈钢，例如304、312或其他高温不锈钢、奥氏体镍-铬-铁合金，例如喷嘴18中气体出口通道25相对于中心管的纵轴的角度可变化55°。例如，出口角的范围可以是与中心管的中心轴(例如，相对于垂直方向)呈约0°至约75°，约15°至约70°，约45°至50°，约25°至约65°，或约45°。
如图5所示，在本发明的涡旋燃烧器110的替代性实施方式中，外管14的上部144的内周表面收敛接近喷嘴18，使涡旋的氧在其与燃料气体混合之前集中。涡旋环120上部的螺旋叶片121、122、123和124的外端相应收敛或渐缩，使叶片保持仅仅靠近外管的内表面或使叶片与外管的内表面接触，并确保涡旋环上的叶片使通过第二管的氧产生涡旋。使涡旋的氧集中往往增加了氧的角速度，其方式与滑冰者或跳水者开始向外旋转其手臂然后收回其手臂以加速旋转相同。
收敛部分144可与外管14整体形成。在图6所示的一个替代性的实施方式中，具有上收敛截头圆锥部分234的圆柱形罩214可固定在外管14的上端。也可不用罩，而在外管的上端固定仅包含图6中罩214的收敛顶部的收敛环(未显示)。
在本发明的一个替代性方面(未显示)，可使氧和燃料气体都产生涡旋。在该替代性方面的第一实施方式中，氧在其通过本文之前所述和图2-5中所示的螺旋通道和螺旋叶片排出外管时产生涡旋。第二组螺旋叶片和螺旋通道可固定在中心管的顶部内侧，代替图2-5所示的喷嘴18。以这种方式，由第二组螺旋叶片和螺旋通道(未显示)使排出中心管的燃料气体产生涡旋，并且如本文之前所述使排出外管的氧产生涡旋。
在本发明使两种气体都产生涡旋的这一替代性方面的第三实施方式中，不是向中心管内添加第二涡旋环来使燃料气体产生涡旋，而是喷嘴内的气体排出通道可在远离中心管的中轴的方向上和在与喷嘴中的气体出口限定的圆相切的方向上均相对于垂直方向倾斜，这样同时向排出气体出口的气体的动量施加外径向分量和切向分量(未显示)。如本文之前所述，气体出口通道25的角A可以是0°，使得仅向排出气体出口的气体的动量施加切向分量。在另一个替代性实施方式中，气体出口通道可以沿着近似于或等同于螺旋的一部分的路径形成，以向气体施加涡旋动力。可扩展螺旋路径，以将涡旋气体向外导出，从而接触排出外管的氧，并收敛螺旋路径，以加快排出喷嘴的涡旋气体的角速度，或既不收敛也不扩展(例如，沿着圆柱体路径)。
在本发明使两种气体都产生涡旋的这一替代性方面的第三实施方式中，在如图2-5所示具有4个螺旋叶片121-124和4个螺旋通道131-134的涡旋环120 的情况中，中心管可间隔着向螺旋通道供应燃料气体，例如向第一组螺旋通道131和133供应燃料气体，并且外管可向隔在中间的螺旋通道供应氧，例如向第二组螺旋通道132和134供应氧。这可通过以下方式实现：封堵第一组螺旋通道的底端，使外管仅与第二组螺旋通道连通，并且在中心管内提供一组洞或膛孔(必要的话，还提供涡旋环120)，使中心管内部与第一组螺旋通道连通。在这样的一个实施方式中，喷嘴18可能没有任何气体出口，或者可能包含单个试验性气体出口。在这第三实施方式的变化形式中，可省去中心管，而用歧管(未显示)将燃料气体导向第一组螺旋通道，并且将氧导向第二组螺旋通道。如本文之前所述，螺旋叶片和螺旋通道的数量可以变化。
图7显示了包含熔融室172的浸没燃烧熔融设备171，该熔融室含有熔融槽174。熔融室172包含用于将批料材料从漏斗175进料到熔融室172的端口176。该批料材料可以液化形式提供。熔融室172也包含端口168，废气可通过该端口从熔融室172中逸出。熔融设备171也包含通过流动通道182与熔融室172连接的调理室180。来自熔融槽164的熔融材料通过流动通道182从熔融室172流向调理室180，然后排出熔融设备171。在熔融室162的壁上形成孔186。孔176示于熔融室172的底壁188。在替代性的设置中，可在熔融室172的侧壁190中提供孔176。孔186可相对于熔融室172的壁垂直或倾斜。燃烧器设备100排在孔186中以向熔融槽174中喷射火焰。
使排出SCM燃烧器的燃料气体和氧中的至少一种产生涡旋的有利效果在于降低了燃烧气体动量的垂直分量，这导致向上冲到熔炉中的气体的量减少，并且促进了氧和气体的混合，这提供了更高效的燃烧。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改和变动。