[发明专利]脉动燃烧方法和装置

说明书

本发明涉及一种在氧化剂存在下燃烧燃料的方法，其中由燃料和氧化剂在混合层中的流动形成燃料和氧化剂的混合喷射流，更具体地说，本发明涉及这样一种方法和装置，其中燃料或氧化剂或两者的质量流速是间歇的，且以足够高频率规则地脉动，使得在整个由燃料和氧化剂的燃烧产生的喷射火焰中产生均衡分布的富含燃料区域和燃料贫乏区域。

在许多需要加热-熔体的工业过程中使用一些燃烧器，在其中于氧化剂中燃烧燃料，氧化剂例如是空气、富含氧气的空气，或氧气。燃料的燃烧产生称为热NOx的污染物。当燃料以化学计量比燃烧时，所产生的热NOx量达最大。

在已有技术中已知，若燃料以不足化学计量或超化学计量地燃烧时，热NOx的释放将减少。按这思路，澳大利亚专利9220395号揭示了一种用于工业熔炉的燃烧器，其中燃料或氧化剂或两者以低于3Hz，典型地低于1Hz的频率脉动，该方法减少了NOx的释放。在频率高于3Hz时，测量发现一氧化碳的释放增加，因而确定用于燃烧器的频率低于3Hz是较好的。澳大利亚专利9220395号中的燃烧器是一比较复杂的机械装置，它是通过含一系列阀的导管工件来输料的，所述阀必须在所需的脉动频率下持续定期地打开和关闭。

正如将要讨论的，本发明提供一种能在比澳大利亚′395申请更高频率下操作且附带低NOx和低一氧化碳产物的脉动驱动燃烧方法和装置。另外，本发明提供一种能脉动燃烧，且比已有技术中用来使燃料和/或氧化剂脉动的燃烧器简单得多的燃烧器。

本发明提供一种在氧化剂存在下燃烧燃料的方法，其中在质量流速下流动的燃料和氧化剂形成燃料和氧化剂的混合喷射流。燃料和氧化剂燃烧产生-喷射火焰，它们在湍流混合层中混合，在该层中的燃料和氧化剂在涡流中紧密地互相接触。以平均化学计量比混合燃料和氧化剂，燃料或氧化剂或两者的质量流速是间歇的且规则地脉动。该规则脉动具有一足够高的频率，使得在整个喷射火焰中所含燃料和氧化剂之比为富含燃料的涡流和燃料贫乏的涡流基本上是均衡分布的。

规则脉动具有一脉动频率，该频率至少与湍流频率的数量级是相同的，此时的湍流是由平均流动不稳定性引起的。正是对于这些数量级为1的Strouhal数（St＝fD/V，其中f为强制频率，D为燃烧器流动的特征长度，V为燃烧器流动的特征速率），引入了最大流体动力学不稳定性，因而在富含燃料和燃料贫乏的涡流之间获得化学计量的最大差别。

按本发明的另一方面，提供一种在氧化剂存在下燃烧燃料的装置，在这种装置中，有一燃烧器含用于形成燃料和氧化剂的混合喷射流的装置，所述喷射流是在质量流速下流动的燃料和氧化剂形成的，该装置可在燃烧时形成喷射火焰。燃料和氧化剂喷射流在湍流混合层中混合，其中燃料和氧化剂在涡流中紧密地互相接触，有一装置将燃料和氧化剂以平均化学计量比，在质量流速下补给入燃烧器中，补给装置包含一个流体振荡器，用于以规则脉动方式间歇地将燃料或氧化剂补给入燃烧器中，所述脉动具有一足够高的频率，使涡流包含富含燃料比例和燃料贫乏比例的燃料和氧化剂。本发明的再一个方面，补给装置包含二个流体振荡器，用于在规则脉动下间歇地将燃料和氧化剂补给入燃烧器中，所述规则脉动具有足够高的频率，使整个喷射火焰中涡流包含富含燃料比例和燃料贫乏比例的燃料和氧化剂。

典型地，从燃烧器发射出的燃料和氧化剂喷射流的速率的数量级为10-100m/s，所得火焰的长度的数量级为2-5m，若将燃料或氧化剂或两者在3Hz左右的频率下，以脉动方式供给，显然整个火焰本身将在整体化学计量是富含燃料和燃料贫乏两种情况之间来回地摆动。结果将会减少NOx的生成，这是因为尽管从长时间的平均来看，燃烧是按化学计量进行的，但在任何一段时间内则是富含燃料或燃料贫乏的。另一方面，富含燃料的燃烧将产生高一氧化碳的释放。

通常，在工业燃烧器中，燃料和氧化剂的喷射流是湍流的，且形成涡流谱，其尺寸范围和频率可由湍流理论估算。燃料和氧化剂在湍流混合层中反应。若燃料，氧化剂或两者在某一频率下脉动，该频率的数量级与由平均流动不稳定性产生的湍流频率的数量级相同，则强烈的流体动力学不稳定性会在整个火焰中产生许多微观分区，这些分区交替地具有富含燃料和燃料贫乏的特征。结果，事实上当频率保持这种状态时，燃烧产生的一氧化碳量和NOx量实际上将会减少，而且，本发明使用不带移动部件的流体振荡器，而不使用阀。这样，本发明可比已有技术脉冲燃烧器更简单地实现。

说明书结尾的权利要求明确地指出了申请人认为是其发明的主题内容，但申请人认为结合附图本发明将得到更好的理解，附图为：

图1为实施本发明方法的装置的示意图;

图2为用于本发明的流体振荡器的示意图;