[发明专利]低NOX、高率、高温、分级再循环燃烧器和辐射管燃烧系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是2015年9月24日提交的美国申请第14/863563的延续，其要求2014年9月25日提交的美国临时申请第62/055095的权益。上述申请的全部教导通过引用并入本文。

背景技术

化石燃料的燃烧将排放物引入到大气中，比如氮氧化物(NOx)。NOx排放源自例如燃烧空气中的氮和煤或燃料油中的燃料结合氮。燃料结合氮转化为NOx取决于燃料中的氮化合物的量和反应性以及燃烧区域中的氧的量。燃烧空气中存在的大气氮N2转化为NOx取决于温度；燃烧区域的火焰温度越高，则排放物中所产生的NOx含量就越大。减少NOx含量的一种方法是产生富燃料的燃烧区域，然后是贫燃料燃烧区域，这可以通过将空气分级引入燃烧室来实现。再循环燃料气体进入火焰是另一种限制NOx排放的技术。

发明内容

本发明的实施例包括提供高效率、低NOx和CO排放以及均匀温度特性的高温分级再循环燃烧器和辐射管燃烧器组件。一个这样的分级再循环燃烧器包括具有形成用于燃烧气体和燃烧产物的相对的螺旋通路的内外螺旋翅片的燃烧管、联接到燃烧管的燃烧喷嘴、轴向延伸到燃烧管中的气体管、以及联接到气体管的分级气体喷嘴，其中分级气体喷嘴包括进入燃烧管的径向出口孔和延伸到燃烧喷嘴中以分级燃烧的轴向气体分级管。

这种分级再循环燃烧器的一些实施例可以包括作为燃烧管的一部分的陶瓷壁，其分离燃烧气体的流动和燃烧产物的流动，其中燃烧气体和燃烧产物的流动方向是相反的。在许多实施例中，燃烧管可以由碳化硅制成，和/或燃烧喷嘴是锥形燃烧喷嘴。

分级再循环燃烧器还可以包括联接到燃烧管的热交换器，其使用来自燃烧管的燃烧产物来加热提供给燃烧管的燃烧气体。在这样的实施例中，燃烧管和热交换器可以通过专门的碳化硅螺纹连接，从而允许燃烧管是可调节的。燃烧器的气体管可以延伸穿过热交换器的中心轴线并进入燃烧管。

在一些实施例中，分级气体喷嘴将气体径向喷射到流过燃烧管的预热空气的螺旋流中，并且在这种实施例中，分级气体喷嘴可以仅喷射一部分气体通过分级气体喷嘴的径向孔，从而产生基本上倾斜的气体混合物，以抑制燃烧产物的温度，并且喷射剩余气体通过轴向气体分级管。

示例性辐射管燃烧器组件包括如上所述的分级再循环燃烧器、联接到燃烧器的外辐射管、同心地位于外辐射管内的内再循环管，其中外辐射管和内再循环管形成位于内外辐射管之间的环形空间，且转动叶片间隔件位于外辐射管内，并且位于内在循环管的远端和外辐射管的远端之间，以使燃烧产物流过外辐射管和内再循环管之间的环形空间。

附图说明

从以下附图中所示的本发明的示例性实施例的更具体的描述中，前述内容将是显而易见的，其中相同的附图标记在不同的视图中指的是相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的实施例上。

图1是示出根据本发明的示例性实施例的单端辐射(SER)管燃烧器组件的示意图。

图2是示出根据本发明的示例性实施例的燃烧器组件的示意图。

图3是示出根据本发明的示例性实施例的燃烧空气热交换器入口的示意图。

图4是示出根据本发明的示例性实施例的热交换表面的示意图。

图5是示出根据本发明的示例性实施例的气体管/气体喷嘴组件的示意图。

具体实施方式

下面描述本发明的示例性实施例。

分级再循环燃烧器和辐射管燃烧器系统的结构

图1中示出了组装在常规热处理炉的室内的自回热(recuperative)单端辐射管燃烧器系统的示例性实施例。图1中示出了炉的一个壁20，通常由外侧被金属表皮22覆盖的耐火材料21制成。自回热单端辐射管燃烧器系统包括设置在炉室内的细长(外)辐射管23，其由碳化硅、金属或其他合适的耐热材料制成。外辐射管23延伸穿过炉中的空腔25，外管的下游端如24所示封闭。外辐射管23包括外凸缘26，外凸缘26固定在炉外壁上的炉安装凸缘14中并且可以使用将燃烧器组件30安装到炉的排气壳体凸缘28固定到位。燃烧器组件30固定到辐射管23并部分地设置在其中，以产生高速高温火焰，以适当地加热炉。由碳化硅制成的内辐射管27同心地组装在外辐射管23内。内辐射管27通过使用间隔件(转动叶片)29适当地定位成远离外管23的下游(远端)(例如三英寸)。内管27的长度是炉特定的，但入口面31是与内炉耐火壁20重合的。同样，燃烧器组件30的出口部件(即燃烧喷嘴32)也平行于耐火壁20的内壁和内辐射管31的表面。