[发明专利]增强燃烧的液体燃料雾化和蒸发的方法和装置

说明书

本发明涉及含氧液体燃料的加热，以在生产诸如金属，玻璃，陶瓷材料和类似物等不同产品的工业熔炉中产生高温。

在常规液体燃料燃烧器中，液体燃料的雾化是借助于单个或多个由一种高速雾化流体包围着的液体燃料射流实现的，雾化流体在燃烧器中采用的通常是空气，蒸汽，氧气或其它气体。对于“空气喷射的雾化器”，雾化介质的流速大于约100米/秒，对于“空气协助的雾化器”，则其流速最高达到声速，使液体燃料分解成适于燃烧的小液滴。对于空气协助的雾化器，雾化介质的供给压力，液体燃料射流与高速雾化介质流体之间的冲击角决定了平均液滴的尺寸分布。但是在燃烧含氧燃料的燃烧器中采用高压氧气作为雾化介质，而不用空气或其它雾化气体会导致一系列的操作问题。首先，高压雾化氧气在燃烧器顶端处的膨胀使氧气产生高速，从而在雾化过程中氧气与液体燃料完全混合。这样形成的液体燃料与氧气的混合物在高温环境中能马上燃烧。没有惰性气体的存在，高度可反应性的氧气促使燃烧迅速而无法控制，导致含氧燃料燃烧器附近产生温度极高的火焰，这一般又导致以下情况：

1.燃烧器喷嘴损坏或氧化。

2.燃烧器主体的耐火材料受损，有时被熔化，妨碍了火焰在燃烧器主体内腔中的正常传播方向。

3.炉子侧壁受到不希望有的加热，这也是向环境的一种热量损失。

4.火焰短，这是因为液滴尺寸分布较小，反应速度较高，以及相对于炉子负载，热分布不均匀。

5.某些配料成分的挥发增大，例如在生产PbO（氧化铅）玻璃、含硼物质时如此。

6.高纯质量产品的生产率下降。

7.燃烧喷嘴寿命较短，维修增加。

操作过程的经济性也受所采用的雾化方式的影响。一般来说，采用高压液氧供给要比在现场用压力或真空摆动吸收装置（即PSA或VSA）产生的低压气态氧要昂贵得多。采用高压雾化氧气或者要求一个单独的液态氧储存和高压供给系统，或者要求用一个专门的氧气压缩机，以便将在PSV/VSA型装置中产生的低压气态氧提高到雾化所要求的高压。这两种方案都增加了在液体燃料燃烧器中使用氧气的费用，从而增加了使用者的生产费用。

此外已经注意到，采用高压氧气（大于10磅/英寸²）进行雾化导致产生噪声大和强烈的含氧燃料火焰，这就限制了对火焰形状或长度的控制范围。由于燃烧速度高，使火焰速度极高，导致燃烧器顶端，燃烧器主体和炉子耐火材料部件过热。

为了克服现有技术中含氧液体燃料燃烧器的问题，本发明发现了一种在组合的含氧燃料燃烧器和预燃烧室中增强燃烧的雾化和蒸发液体燃料的方法和装置，这种方法和装置允许采用低压雾化介质，最好是氧气，利用气动剪切作用分解一个中央喷嘴组件中的多股液体燃料射流，随后在预燃烧室中由于燃烧使液体燃料产生蒸发。预燃烧室基本上是一个具有确定长度和直径的圆筒形腔室。在该腔室中，液体燃料喷雾在一个中心火焰区中雾化和蒸发，其余用于燃烧的氧化剂通过围绕中央火焰区的一个环形射流或多个沿径向分布的射流进行分布。

图1是一种常规液体燃料雾化装置部分剖面纵向局部视图，

图2是对于象图1所示雾化器的索特平均直径作为空气-液体（燃料）比的函数的曲线图，

图3是体现本发明的一个装置的纵向局部剖视图，

图4是在图3所示预燃烧室内部截面A-A处的雾化氧气速度（V_a），燃料液滴平均直径（MMD），局部化学计量理想配比（S.R.）和局部火焰温度（T_f）作为雾化氧气流率与总氧气流率比（Ro₂）的函数的曲线图，

图5是在图3所示预燃烧室内部燃料液滴平均直径（MMD）和火焰温度（T_f）作为火焰区长度的函数的曲线图，

图6是在图3所示的预燃烧室截面A-A处的浓度在预燃烧室中心线两侧不同间距处的分布趋势的曲线图，

图7是对于图3所示的装置在不同水平的Ro₂值下的过程性能图。