用于燃烧器的气体分布部件

技术领域

本申请涉及一种用于燃烧器的气体分布部件。具体地，本申请涉及用于将反应物流体分配至燃烧器的气体分布部件。

背景技术

在冶金或者玻璃工业熔炉中，与传统的空气燃烧相比，氧燃料燃烧具有更低的投资成本、更高的燃烧效率、更低的NOx排放和更高的产品质量。

在现有技术中，常见的分级氧燃料燃烧器具有至少一个燃料通道和至少一个氧化剂通道。通过氧气分级，可以将一部分氧气分流并由此延迟燃烧。燃烧器的喷嘴端产生大体上为扁平的富燃料火焰，分级喷嘴从富燃料火焰上方或下方引入一部分氧化剂，因此产生贫燃料火焰。

公布号为CN114667412A的中国发明专利披露了一种用于蓄热式玻璃熔炉的同步氧燃料助燃的系统，该系统的第一双极燃料燃烧器具有主氧气阀用来在主氧气和分级氧气之间分配氧气流，以及分级模式阀用来在上部分级端口与下部分级端口之间分配分级氧气流。分级氧气可以经由分级模式阀通过主预燃器附近的一个或两个上部或下部分级端口进行定向控制和比例分配。虽然这类分级模式阀可以提供若干益处，但是实际应用中存在加工难度大和加工成本高的问题。尤其是对于某些并不需要频繁调节分级流量的工况来说，并不需要配置如此复杂的调节阀。

基于以上讨论，市场需要更易加工和更稳定的气体分布部件来克服上述不足。

发明内容

本申请希望解决上述提及的现有技术中的技术问题，提供一个易加工、制造成本低并且易调节的气体分布部件，主要用于向多级燃烧器中导入氧化剂。

为了实现上述目的，在本申请的第一方面，提供了一种用于燃烧器的气体分布部件，该气体分布部件包括：

氧化剂入口，用于将氧化剂流引入所述燃烧器内；

氧化剂入口通道，与所述氧化剂入口流体连接；

扩散缓冲腔，提供氧化剂流出氧化剂入口通道后进行扩散的空间，并连通至各氧化剂递送部件，其中，氧化剂入口通道与扩散缓冲腔相邻的壁上设置有多个通孔。

进一步地，将扩散缓冲腔的实际可用氧化剂流的总面积与扩散缓冲腔的总体积之间的比值设为缓冲比系数，该缓冲比系数范围在5％至50％m

进一步地，扩散缓冲腔与各氧化剂递送部件的连接处之间可设置挡板，所述挡板部分地遮挡氧化剂递送部件的入口。这些挡板可以限定传输至各氧化剂递送部件的氧气剂流量，从而调节氧化剂的分布比例。

进一步地，所述多个通孔的孔径分布不均匀。

进一步地，所述多个通孔配置为中间通孔的孔径越小，周缘通孔的孔径越大。其中，中间通孔指的是与氧化剂入口距离越短的通孔。

进一步地，所述燃烧器设置有燃料入口，所述氧化剂入口与所述燃料入口不连通。也就是说，不设有混合燃料和氧化剂的结构。

进一步地，所述氧化剂递送部件包括初级氧化剂燃料递送部件、二级氧化剂递送部件和三级氧化剂递送部件；

该二级氧化剂递送部件和该三级氧化剂递送部件布置在该初级氧化剂燃料递送部件的同一侧上，并且该二级氧化剂递送部件位于该三级氧化剂递送部件与该初级氧化剂燃料递送部件之间。

进一步地，所述初级氧化剂燃料递送部件包括：

供燃料流动通过的至少一个燃料供给通道，该至少一个燃料供给通道的一个端部设有燃料喷嘴；以及

供初级氧化剂流动通过的至少一个初级氧化剂供给通道，该初级氧化剂供给通道被构造成环绕该燃料供给通道的外壁，并且该初级氧化剂供给通道的一个端部设有环绕该燃料喷嘴的环形喷嘴；

该二级氧化剂递送部件包括供二级氧化剂流动通过的至少一个二级氧化剂供给通道，该至少一个二级氧化剂供给通道的一个端部设有二级氧化剂喷嘴；

该三级氧化剂递送部件包括供三级氧化剂流动通过的至少一个三级氧化剂供给通道，该至少一个三级氧化剂供给通道的一个端部设有三级氧化剂喷嘴。

本申请提供的气体分布部件具有以下优点：

1.该气体分布部件易加工，不需要配置复杂的阀门结构，大大降低了加工制造成本。

2.氧化剂入口通道和扩散缓冲腔的设置增强了氧化剂在流入各氧化剂递送部件之前的充分扩散，有效降低了氧化剂的流速，因此氧化剂在该环节的压力损失明显减少。目前常见的现有纯氧燃烧器在该工序的氧化剂压力损失约5KPa至20KPa，而本申请在该工序的压力损失低于1KPa。这样可以大大降低对上游氧气源头的压力需求，例如对于现场制氧VSA设备，可以降低加压泵的负荷，或者不需要设置加压泵。

3.多个通孔的孔径设置为不均匀分布，与氧化剂入口距离越短的通孔处(即中间通孔处)流速越快，因此可以更好地配备该平面上不同位置的氧化剂流速，稳定的氧化剂流速有利于后续的火焰稳定。

4.该气体分布部件具有较大的氧化剂分布调节幅度，可以在各级氧化剂供给通道之间对氧化剂分布进行较大幅度的调整(例如，以二级氧化剂分布比例调节范围为例，其调节范围可以达到全部氧化剂的1％至80％)。该性能可以适应不同类型燃料的变化(例如从天然气切换为氢气、生物质气、或者天然气与氢气混合燃料等)，以及适应氧化剂性能或品种的变化(例如氧气温度的变化，从常温到预热至500摄氏度左右；或者氧气的氧纯度变化)。在发生以上较大条件变化时，仍旧可以获得需要的燃烧效果。

附图说明

关于本申请的优点和精神可以通过以下对本申请的详细描述及附图进一步了解。

图1示出了用于燃烧器的气体分布部件的立体示意图。

图2示出了氧化剂入口以及氧化剂入口通道的示意图；

图3示出了气体分布部件与各氧化剂递送部件的入口的示意图；

图4示出了扩散缓冲腔的示意图；

图5a和图5b示出了扩散缓冲腔与各氧化剂递送部件的连接处之间的挡板示意图，其中图5b为图5a沿着C-C方向的剖视图。

附图标记说明：氧化剂入口通道101，氧化剂入口102，扩散缓冲腔的外侧壁103，燃料入口通道104，燃料入口105，氧化剂供给导管106，导流隔板201，螺栓301，初级氧化剂燃料递送部件302，二级氧化剂递送部件303，三级氧化剂递送部件304，扩散缓冲腔401，挡板501。

具体实施方式

下面将结合附图清楚且完整地描述本申请的技术方案。显然，所描述实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都应当落入本申请的保护范围。

在本申请的描述中，必须解释的是，由诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”和“外”等术语指示的取向和位置关系是基于附图中所示的取向或位置关系，并且仅是旨在有利于描述本申请的简化描述，而不指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定取向或以特定取向构造和操作，并且因此不能理解为限制本申请。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”仅用于描述性目的，并且不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，必须解释的是，除非另外清楚地说明和限定，否则术语“安装”、“连接在一起”和“连接”应当做广义理解，例如，可以表示以固定方式连接，但也可以表示可移除地连接或一体连接；可以表示机械地连接；可以表示直接连接在一起，但也可以表示经由中间介质间接地连接在一起；并且可以表示两个元件之间的内部连通。本领域的技术人员可以根据特定情况理解上述术语在本申请中的特定含义。

除非另外清楚地指示，否则这里限定的每个方面或实施例可以与任何其他方面或实施例组合。特别地，所指示的任何优选或有利特征可以与所指示的任何其他优选或有利特征组合。

如在此使用的，表达“围绕”或“环绕”基本上表示形成环形，大致上表示内环被包围在外环内，使得内层与外层之间存在一定间隙。此间隙可以是环形间隙或非环形间隙。如在此使用的，这可以表示初级氧化剂供给通道环绕燃料供给通道的部分周长(例如，多于一半)，或者初级氧化剂供给通道环绕燃料供给通道的整个周长。后一种情况可以解释为意指初级氧化剂供给通道被布置成使得在周向方向上完全环绕燃料供给通道的周长。燃料喷嘴和环形喷嘴的设计可以按类似方式理解。

如在此使用的，表达“分级”表示使燃料和氧化剂在不同时间和不同位置处混合，使得可以实现低氮氧化物排放和对靠近熔融材料表面的气体气氛的控制。分级的意思是可以经由与燃料喷嘴间隔开的另一个喷嘴以不同的比率或流速供给氧化剂。例如，当二级氧化剂和三级氧化剂的分级为95％时，这表示将剩余5％的氧化剂与燃料一起供给到初级氧化剂燃料递送部件。

如在此使用的，表达“燃料”表示可以相互替代使用或结合使用的气体、液体或固体燃料。气体燃料可以是天然气(主要是甲烷)、丙烷、氢气或任何其他烃化合物和/或含硫化合物。固体或液体燃料可以主要是含碳和/或烃和/或含硫形式的任何化合物。固体燃料可以选自石油焦、煤粉、生物质颗粒或其它化石燃料，固体燃料一般需要载气(例如空气或二氧化碳)形成输送风输送。液体燃料可以选自液体烃类或煤焦油。本领域的技术人员可以根据需要决定气体、液体或固体燃料的引入方式。本申请不意图在此方面强加任何限制。在此呈现的数据中的一些使用天然气作为燃料，但结果被认为适用于其他燃料，例如氢气和其他气体燃料。

如在此使用的，表达“氧化剂”可以由诸如空气或富氧空气等氧化剂构成。氧化剂优选地由摩尔氧浓度为至少50％、优选地至少80％、更优选地至少90％、且最优选地至少95％的氧化剂构成。这些氧化剂包括包含至少50体积％氧气的富氧空气，诸如低温空气分离装置产生的99.5％的纯氧，或通过真空变压吸附过程产生的非纯氧(88体积％或更大)，或任何其他来源产生的氧气。

在此，含氧燃料的使用可以清除熔融操作中的氮气，并且将NOx和颗粒排放降低到低于标准。氧燃料燃烧器的使用可以获得不同的火焰动量、熔体覆盖率和火焰辐射特性。在炉内，氮气的主要来源是空气泄漏、从真空变压吸附设备或变压吸附设备供给的低纯度氧气、燃料(例如天然气)中的氮气或装填在加热炉中的熔融原材料中所含的氮气。

如在此使用的，燃料供给通道、初级氧化剂供给通道、二级氧化剂供给通道和三级氧化剂供给通道可以是大体上环形的通道，并且可以具有入口和出口的区域。当从垂直于轴向流动方向的平面的横截面观察时，大体上环形的通道中的每一个优选地是环形的，但是此形状也可以是非环形的。

申请号为CN202080084376.9的中国发明专利申请公开了一种用于燃料燃烧的燃烧器及其燃烧方法，其公开内容及其全部内容并入本申请中。

图1示出了用于燃烧器的气体分布部件的立体示意图。氧化剂经由氧化剂入口102进入氧化剂入口通道101。如图1和图4所示，氧化剂入口通道101与扩散缓冲腔相邻的壁上设有通孔305，氧化剂经过这些通孔305分散至扩散缓冲腔401。扩散缓冲腔401的外侧壁103可拆卸地与扩散缓冲腔连接。示例性地，可通过螺栓301进行连接。可拆卸的连接使得操作人员可以快速地对燃烧器的部件进行清理，从而克服了现有技术中需要把整个燃烧器部件拆卸才能清理积灰等堵塞的问题。

从扩散缓冲腔流出的氧化剂被引导至各氧化剂递送部件。在一些示例性的描述中，这些通孔可以均匀分布。在一些示例性的描述中，这些通孔可呈现中间通孔的孔径小，周缘通孔的孔径大的分布。这种分布可以使得经由周缘通孔供氧化剂流过的有效面积更大，使得从扩散缓冲腔流出的氧化剂在整个氧化剂流通截面的单位面积上流过的氧化剂更加均匀，保证了氧化剂在各氧化剂递送部件的分布更均匀，火焰更稳定。

虽然现有技术的燃烧器中也会设立独立的缓冲罐，但是往往距离位于缓冲罐下游的燃烧器较远，减弱了缓冲罐的缓冲平滑效果。并且由于缓冲罐之后需要连接多个燃烧器，受各燃烧器位置及管道布局影响，对每个缓冲罐的缓冲效果是不同的。而上述扩散缓冲腔的设置能够保证对氧化剂流的缓冲效果。

示例性地，如图2所示，氧化剂入口通道101里配置有数个导流隔板201。导流隔板201定向为基本平行于氧化剂入口的中心轴线的方向。这些导流隔板可以对氧化剂入口通道内的氧化剂起到引导和导向作用。

如图3所示，氧化剂递送部件包括初级氧化剂燃料递送部件302、二级氧化剂递送部件303和三级氧化剂递送部件304。该二级氧化剂递送部件和该三级氧化剂递送部件布置在该初级氧化剂燃料递送部件的同一侧上，并且该二级氧化剂递送部件位于该三级氧化剂递送部件与该初级氧化剂燃料递送部件之间。相应地，氧化剂入口相当于总入口，将氧化剂分别递送至初级氧化剂燃料递送部件302、二级氧化剂递送部件303和三级氧化剂递送部件304。

燃料经由燃料入口105递送到燃料入口通道104，燃料入口通道再将燃料流输送至燃料供给通道。用于初级氧化剂流的初级氧化剂供给通道可以环绕燃料供给通道的外壁，并且与燃料供给通道同轴。

燃料供给通道可以是由适合的材料(例如，耐高温金属或陶瓷)形成的燃料导管。燃料导管的起始端可移除地连接到整个气体分布部件，但也可以与其一体形成。燃料导管的出口端连接到燃料喷嘴。氧化剂供给通道可以是由特定材料(例如耐高温金属或陶瓷)形成的氧化剂供给导管，但也可以是形成在燃烧器块中的形状贴合的腔体或通道。示例性地，二级氧化剂递送部件303包括3根氧化剂供给导管106。

总氧化剂可分离成三个料流：初级氧化剂料流、二级氧化剂料流和三级氧化剂料流。初级氧化剂料流环绕燃料喷嘴，并且其体积流量仅占总氧化剂的很小比例，优选地小于20％或小于10％或小于5％或约2％-5％。其余的氧化剂用作二级氧化剂料流和三级氧化剂料流。这将分别相当于至少10％或至少20％或至少40％或至少50％或至少60％或甚至至少70％的优选分级比例。这表示足够量的氧化剂流动通过二级氧化剂供给通道或三级氧化剂供给通道，或者分配在两个供给通道之间，以用于分级。这不仅减少了NOx的产生，还显著提高了控制邻近被加热材料的熔融表面的气体气氛的能力。为了能够控制靠近熔融表面的气氛以便根据处理情况选择性地进行氧化或还原，希望可以便利地切换燃烧器的操作。为此，可以借助于氧化剂分级控制机制独立地控制初级氧化剂供给通道、二级氧化剂供给通道和三级氧化剂供给通道中的氧化剂流量。

应当指出的是，初级氧化剂料流为零并不是理想的；这将在初级氧化剂供给通道中产生空隙或真空，因此吸入热腐蚀性炉气，这将非常快速地毁坏燃烧器并且导致火焰不稳定性。此外，如果初级氧化剂料流太小，则火焰稳定性也将下降；而且，气体燃料与氧化剂的混合状态将变差，使得难以获得实用的火焰。在某些情况下，二级氧化剂料流或三级氧化剂料流可以接近于零；在这种情况下，燃烧器基本上接近或相当于双级燃烧器，并且对应的燃烧效果和特性可以根据本领域的技术人员的知识进行预测和调节。

尽管为了加工制造以及操作简便，本申请的技术方案省略了阀门等复杂设计，但仍然配置了简易的调节机构用于调节流入各氧化剂递送部件的流量。如图5a和图5b所示，沿着C-C方向的剖视图显示，扩散缓冲腔与各氧化剂递送部件的连接处之间可设置挡板501。这些挡板可以根据需要遮挡氧化剂递送部件的入口，从而限定传输至各氧化剂递送部件的氧化剂流量。

虽然现有技术中有多种更为精确的方法调节氧化剂流的分级比例，例如设置氧气分级阀门等。但是阀门的加工制造成本更高，同时占据了更大的氧化剂入口通道的空间，反而不适合应用于要求更快速、更方便实现分级控制的场景。

尽管已经通过上述优选实施例详细呈现本申请的内容，但应当理解，上文的描述不应当视为限制本申请。本领域的技术人员在阅读上述内容后，将明白对本申请的各种修改和替换。因此，本申请的保护范围应当由所附权利要求书限定。