本发明涉及在氧气和空气存在条件下燃烧燃料的方法和设备。具体地说，本发明涉及这类燃烧器，其中燃烧是分阶段的。在燃烧的第一和第二阶段区，燃料分别起先在化学计量上燃料富足的条件下燃烧，然后在化学计量上燃料较少的条件下燃烧。更具体来说，本发明涉及这类设备和方法，其中氧气用来支持第一阶段的燃烧，打旋的空气或富含氧的空气用来支持第二阶段的燃烧。 在许多工业的工艺中，必须对熔体进行加热，这些熔体例如是玻璃、金属、黑色及有色金属等物质的熔体。已经有了种种燃烧器，用于在由空气、氧气或富氧空气作为氧化剂存在的条件下燃烧燃料的这类工艺中。
单独使用空气的燃烧器，一般而言，具有操作范围和输出功率有限以及由于在空气氮中燃烧而可能生成NOx等缺点。为了减少NOx的生成，美国专利4，297，093提供了一种燃烧器，其中空气绕着燃料气流打旋产生一个被燃料少的燃烧区环绕的燃料多的燃烧区。这类方式的燃烧会减少NOx的生成，打旋的空气能将燃烧器与火焰隔开。
为了增加燃烧器的操作范围及输出功率，已经开发出用氧气作为氧化剂地氧-燃料燃烧器。这类燃烧器的结构是紧密的，并且在燃料的燃烧速率和火焰亮度这两方面都有高能量输出。它们的缺点是所产生的火焰引起高度的局部热流量，从而会在熔体中产生特别热的区域。此外，使用氧气增加了所涉及工艺的成本。为了节省氧气，已开发出了该技术领域称为空气-氧-燃料燃烧器的燃烧器，其中氧化剂的一部分由空气来供给，比只使用氧气燃烧燃料的成本有所降低。这类燃烧器潜在的问题是，它们比只用氧气作为氧化剂的燃烧器会产生更多的NOx。
空气-氧-燃料燃烧器的一个例子是美国专利5，145，361，其中空气被吸入燃料气流或氧气流中，令所得的混合物打旋，从而使火焰燃烧的区域伸展开来。在5，145，361的美国专利所预想的燃料中会生成大量NOx。美国专利4，642，047揭示了另一种空气-氧-燃料燃烧器，其中在焰芯处燃料和氧气的燃烧是在富燃料化学计量条件下进行的，空气按焰芯的切线方向通入，覆盖住火焰起绝热作用，从而使燃料燃烧完全。由于焰芯处没有空气，可以抑制NOx的产生。′047专利与上述讨论的′093专利并无不同。两个专利都是设法将富燃料区和贫燃料区在径向上分层，以减少NOx的生成。但是，与燃料与氧化剂是在火焰轴向上混合的燃烧器相比，由于产生了这种分层的两区，火焰朝外伸展的能力大为减小。结果，′047专利中也需要用来冷却，防止由于燃烧器附近的炽热燃烧而使燃烧器损坏。为使得火焰与使用的热负荷之间有良好的热传递，从而使燃烧器自身冷却，使火焰从燃烧器作前向延伸是必要的。
下面将要讨论，本发明提供了一种空气-氧-燃料燃烧器，与以上所述的一些专利中的燃烧器相比，它能在低的氧消耗量条件下向前喷射火焰，并且其设计能抑制NOx的生成。
本发明提供了一种燃烧燃料的方法。根据该方法，燃料和氧气先通入燃烧的第一阶段区，此时燃料和氧气以富含燃料的化学计量进行燃烧，产生了未燃烧的燃料和燃烧产品，来自第一燃烧阶段区的未燃烧的燃料和即是空气或富氧空气的氧化剂通入处于燃烧第一阶段区下游的燃烧第二阶段区，这样燃料的燃烧在就在化学计量上燃料少的情况下完成。燃料和氧气是通过形成会聚的燃料和氧化剂的气流通入燃烧的第一阶段区的。应当指出的是，这里及权利要求书中所用的“会聚”一词并不要求燃料气流和氧气气流是在方向上互相对着的。燃料气流和氧气气流可以是平行的，只要这两股气流各自的会聚能产生燃料和氧气混合所需要的整体会聚条件，未燃烧的燃料及氧化剂通入燃烧的第二阶段区是将空气以切向动量和轴向动量围绕着燃料气流和氧化剂气流打旋来进行的。氧化剂的切向动量足够大，可以在第一燃烧阶段区中形成一个再循环区，在其中加热的燃烧产物以垂直于打旋氧气的角度循环着。氧化剂的轴向动量足够大，可以令氧化剂喷流向前，从而将第二燃烧阶段区推向第一燃烧阶段区的下游。
另一方面，本发明提供了一种空气-氧-燃料燃烧器。此燃烧器是这样一种燃料燃烧器，它具有用来形成会聚的燃料气流和氧气气流的装置，并使燃料和氧气是在化学计量上富含燃料的条件下通入第一燃烧阶段区，结果生成未燃烧的燃料及燃烧产物。再有一个环绕着燃料燃烧器的空气氛围，它供给着氧化剂（空气或富氧空气），使未燃烧的燃料在化学计量上燃料少的第二燃烧区中燃烧完全。为此空气氛围提供了一个装置，它使氧化剂以足够的切向速度绕燃料和氧化剂气流打旋，从而在第一燃烧区中建立一个再循环区，在此再循环区中燃烧产物以与打旋的氧化剂成直角的方向再循环。另外，打旋的氧化剂又具有足够的轴向速度使得氧化剂被推向紧接在第一燃烧区的下游，进而第二燃烧阶段区也推向其下游。
氧气和空气或富氧空气是协同地起作用，产生了本发明的优点。氧气与所建立的再循环区使第一燃烧阶段区的富含燃料的状态非常稳定。空气或富氧空气比氧气的量更大。换言之，对于第二燃烧区要供给每单位体积的氧，需通入更多的氧化剂。因此，为了形成第一区中的再循环。空气或富氧空气不必以很大的程度进行打旋。这样，空气或富氧空气动量的大部分可以前向的轴向动量形式用于将第二燃烧阶段区推向第二燃烧阶段区的下游。这一点与前面讨论的现有技术中的专利不同，在那些专利中，多燃料区和少燃料区是径向分层的，结果所形成的火焰不象本发明火焰那样向前延伸。
正如明显所示的，本发明是使用分区划阶段的燃烧来减少NOx的产生。这主要是通过分为在化学计量上有很大差别的两个燃烧阶段区以及通过更有效的火焰辐射加强其冷却来实现的。典型的办法是，在分区燃烧中，是一种氧化剂分阶段进入燃料以形成燃料多和燃料少的两个区。而在本发明中，是有两种氧化剂分阶段进入燃料气流中，这两种氧化剂即是支持燃料多的区中燃烧的氧气和用来支持燃料少的区中未燃烧产物燃烧的空气或富氧空气。采用氧气与建立的再循环区结合起来就使第一燃烧阶段区的燃料很富的状态非常稳定，并且扩大了可以稳定操作的化学计量范围。火焰的亮度增加了在富燃料的第一燃烧阶段区中给定氧气消耗率条件下燃烧器的辐照输出功率。在大多数工业窑炉中，正是辐照输出决定着过程的热效率。
因此，本发明可以说具有增加辐照输出功率的优点，结果减少了一给定输出功率所需的氧气消耗并降低了NOx的产生。
虽然由本说明书总结出了权利要求书，此权利要求书特别指出了申请人认为是其发明的主题内容，并对这些主题内容提出了权利要求，但是，申请人认为结合附图来描述，可对本发明理解得更深。
图1是本发明空气-氧-燃料燃烧器的剖面图，其中一部分作了截面剖视，一部分未作截面剖视;
图2是沿图1中线2-2截取的剖面图;
图3是沿图1中线3-3截取的剖面图;
图3A是对图1燃烧器另一实施方案燃烧器沿如同图1的线3-3截取的剖面图;
图4是对图3A那种实施方案的燃烧器沿如同图1的线3-3截取的剖面图;
图5是图1所示的空气-氧-燃料燃烧器沿线5-5截取的剖面图。
参照这些附图，现对装有本发明燃烧器的窑炉10进行说明。窑炉10中有一个装在炉子砌体14内的氧-燃料燃烧器，炉子砌体14为空气氛围起外形限定的作用。由箭头A表示的空气进入风盒16，并通过可调节的打旋块机构18产生了旋转运动即被打旋。同时，燃料气流和氧化剂（氧气）气流在第一燃烧阶段区中于化学计量上富含燃料的条件下燃烧。
当空气A围绕着燃料气流、氧气气流和第一燃烧阶段区打旋时，未燃烧的燃料及燃烧产物遇到越来越增加的空气静压力，因为空气会因打旋而膨胀。未燃烧的燃料及燃烧产物的颗粒因遇到增大着的静压力而上扬，并在大于约0.6因而足够高的，打旋比（轴向动量除以切向动量）情况下，会接箭头B的方向进入再循环路径。在燃烧器12的氧气-燃料火焰中的燃烧产物，因其在化学计量上是富含燃料的，就增加了火焰的亮度（此火焰用C表示）。由于在给定的燃料总流量条件下火焰C的辐照输出功率随第一区中化学计量比而增长，因此也可以说对大多数工业过程来说，此时热传递效率也会增加。富含燃料的化学计量，再加上火焰C更有效的辐照冷却以及因偏离化学计量的操作所引起的火焰温度降低，都会使火焰C中由燃料（E）中的氮和/或氧化剂流（F）中的氮（图2）生成NOx的速度降低。
氧气中燃料的燃烧也会使第一燃烧阶段区膨胀并且延伸，结果打旋着的空气A与未燃烧的燃料在直接位于第一燃烧阶段区的下游，用D表示的第二燃烧阶段区中混合。这第二燃烧阶段区中燃料较少，故温度较低，结果空气中的氮就不会与氧结合生成NOx。因此，就整体来说装有本发明燃烧器的窑炉10可以有效地在空气和氧中燃烧的燃料，而同时减少NOx的生成。
再参见图2，氧-燃料燃烧器12包括一个外部燃料管22和同轴安装在外部燃料管22内的内部氧气管24。外部燃料管22和内部氧气管24提供了一个环状外部燃料通道26和被燃料通道26包围着的内部氧气通道28。燃料和氧气分别通过燃料入口30和氧气入口32通入外部燃料通道和内部氧气通道这两个入口分别装以可快速拆卸的管件34和36。这样，在氧-燃烧燃烧器12的末端38，氧气流就与周围的燃料气流非常邻近，并且由于非常邻近，这两股气流会聚起来。另外，在燃烧器12的近端40，可以看见燃料气流和氧气气流是切向引入燃烧器12的外部燃料管和内部氧气管的，结果燃料气流和氧气气流就按箭头E和F的方向作旋转运动。该旋转有助于形成再循环区B。
图3A和图4显示了另一个实施方案的氧-燃料燃烧器12。在这类燃烧器的近端也装有燃料管和氧气管，虽然图中未显示，但它们的入口不是偏置来切向注入燃料和氧气的，所以与图1中的燃料入口30和氧气入口32不同。这样，在这种氧-燃料燃烧器中没有燃料气流和氧气气流的打旋。外部燃料通道26和内部氧气通道28在末端38的位置结束。在末端38，开有一些位于中部的氧气孔42与内部氧气管28相连，并开有一些呈外环形配置的燃料孔44与外部氧气管26相连，为了形成会聚的燃料气流和氧气气流，较好的是需要有六个或更多的氧气孔以及八个或更多的燃料孔。
氧-燃料燃烧器12延伸通过开在风盒16中的孔道46和由炉子砌体14包围的中央通道48，并用与风盒16相连的套环50和固定螺钉52固定在位。风盒16则藉柱形螺栓54和六角螺母56连接到炉子砌体14上。炉子砌体14的中央通道48包括咽部58和发散形开口60。氧-燃料燃烧器12藉架子62支撑于咽部58安装在中央通道48中。
为了使燃料燃烧完全空气通入口64进入风盒16。如前所述，通过可调节的打旋块机构18使空气作打旋运动，打旋块机构18用一套环和固定螺钉装置66连接到氧-燃料燃烧器12上。如图5所示，打旋块机构有一个装有一些可动打旋块70的环形打旋板68。炉子砌体14上则有固定的打旋块72。如图所示，可动和固定的打旋块70和72起了叶片的作用迫使空气以切向和轴向的运动分量进入中央通道48，从而合成造成了空气的打旋运动。将氧-燃料燃烧器12作适当转动会使固定和可动的打旋块70和72之间的空间改变，从而改变空气的打旋程度。
作为一个计算的例子，根据图3A和图4所示实施方案设计了一个8.5×106BTU/hr的煤气燃烧器。在这个实施方案的氧-燃料燃烧器中，有12个靠近中部的氧气孔，每个为5.56mm直径，呈环状排列，还有一个直径约12.7mm的中央氧气孔它处于氧-燃料燃烧器的中心轴位置。这些靠近中部氧气孔用来代替图中所示的六个靠近中部的氧气孔42。另外，直径约为9.525mm的16个呈环状排列的外部燃料孔代替了图中所示的环状排列的外部燃料孔。这类氧-燃料燃烧器的外部直径约是6cm，中央通道48的咽部58的内直径约为8.5cm结果空气能在内径为约6cm、外径约为8.5cm的环状空间中打旋。与流入第一燃烧阶段区中的氧气流量相比，空气流所提供的氧气量是它的两倍。空气流和氧气流提供给氧-燃料燃烧器的总氧量是化学计量的。设空气含有21%氧，那末这类燃烧器中空气的打旋角度为49.5°。若用纯氧来代替空气，则打旋角度为83°，83°的打旋角所产生的前向速度分量对于将第二燃烧阶段区延伸到前方，并延伸到第一燃烧阶段区的下游是太小了。结果，燃烧会径向地分为两层，而不是延伸为两区。因为当空气富含氧气时，打旋角的增加很大。人们不会将这里例示的燃烧器的空气加氧至含氧量超过50%，因为当含氧量达50%时，打旋角会迅速增大约70%，这时要将第二燃烧阶段区以及因而火焰向前延伸，若非不可能，也极不容易。
可以理解的是，其它设计的燃烧器的使用性能会与前述例子有些不同。但是应当指出，在空气中添加氧气在任何设计中都会迅速达到可容许的极限，而达到极限时，已几乎不可能以本发明设计的方法来延伸火焰。
虽然本发明已按一个较好的实施方案进行了阐述，但该技术领域的人员应能想到，可以作出许多添加、省略和改变而不违背本发明的精神和范围。