專利名稱:氣體噴燃器的制作方法
本發(fā)明所涉及為具有高度火焰穩(wěn)定性的調(diào)整氣體噴燃器。具體而言，本發(fā)明所涉及的這種高速氣體噴燃器，在很寬的工作范圍內(nèi)增強了火焰的穩(wěn)定性，可適用于熔爐或其它類似的設(shè)備。
工業(yè)部門所迫切關(guān)注的一個問題，就是對于能夠高效率地進行加熱和熔化作業(yè)的燃燒器的需求。特別是在能源價格不斷上漲而燃料供應(yīng)日見短缺的今天，更是如此。與此相應(yīng)，現(xiàn)在所需要的是這樣的燃燒器無論是大噸位的熔爐還是小噸位的爐子，都能使用。而且能保持生產(chǎn)出可被市場所接受的熔煉金屬產(chǎn)品，亦即沒有雜質(zhì)的產(chǎn)品。
本發(fā)明所提供的這種氣體噴燃器可以用于數(shù)種不同的熔爐或需要高溫的其它設(shè)備。這里所給出的氣體噴燃器已被證實可有效地用在諸如美國專利3199977號里所描述和圖示的立式熔化爐等類熔爐。該美國專利的頒布日期是1965年8月10日。發(fā)明者為阿爾伯特·J·菲利浦斯(Albert J·phillips)等人。在該美國專利中，這些氣體噴燃器通過爐體側(cè)壁上的一個個孔插入爐內(nèi)，并借助于螺栓將每一噴燃器的安裝面緊壓在爐子外殼上，以此來保證大體上的氣密安裝。但是，該專利以及與其有關(guān)的其它幾項專利中，都未提出任何方法來加強裝在熔爐上或其它高溫加熱設(shè)備上的這些噴燃器的火焰穩(wěn)定性。例如我們可以參看美國專利3701517號，3715203號，3788623號，以及在這些參考文獻中所引用的以前的一些技術(shù)手段。這些文獻給出了若干種氣體噴燃器的設(shè)計，此外還討論了一些噴燃器的燃燒室系統(tǒng)，見于美國專利3299940號，4211555號，4301997號，4309170號和4311519號，以及加拿大專利1100029號，西德公開書DE-OS2946120號。
如何在大范圍變動的工況下保持火焰的穩(wěn)定性，一直是燃燒器技術(shù)中的一個難題，特別是當(dāng)用于象菲利浦斯等人提出的那種立式熔爐時更是如此。在本發(fā)明的一種噴燃器設(shè)計中，火焰既在燃燒室的內(nèi)部燃燒又在它的外部燃燒，燃燒室內(nèi)部火焰的形狀由燃燒室的形狀決定，而外部火焰的形狀則基本成圓錐形。這種噴燃器，在典型的情況下，其點火段內(nèi)設(shè)有一根點火棒，而燃燒室的半徑要大于點火段的出口。火焰被保持在緊靠點火棒的下游處，向流過的未燃混和氣體傳播。在點火段與燃燒室的連接處，形成了環(huán)狀的肩部，也對火焰起到附加的保持作用。這樣一來，就建立起了兩個火焰前峰一個由點火棒傳播出來，另一個則從環(huán)形肩的火焰保持區(qū)傳播出來。
然而糟糕的是，由環(huán)形肩部傳播的火焰可能是不穩(wěn)定的，這是因為火焰并不完全形成于該肩部，因而在肩部的區(qū)域產(chǎn)生了黑點或冷點。這種火焰便會成為閃爍跳動的不穩(wěn)定火焰，當(dāng)用于立式化銅爐時，在肩部產(chǎn)生的冷點處還會有金屬銅沉積出來。這些在燃燒室中沉積的銅和/或不穩(wěn)定的火焰會對爐子的運行發(fā)生不利的影響，造成熔過的銅材不純凈，甚至有可能要停下爐子進行清除工作。這種火焰的不穩(wěn)定性在開爐的時候，即爐子和噴燃器都處于冷態(tài)時尤為嚴(yán)重。甚至在“穩(wěn)態(tài)”的運行工況下，這種不穩(wěn)定性也仍然存在。
上述問題在立式熔爐技術(shù)中一直很嚴(yán)重，特別是對于中等容量的爐子，即每小時小于20短噸者，這類爐子要求當(dāng)下調(diào)率超過2.5∶1時，仍能保持噴燃器中火焰的穩(wěn)定。這里用到的“下調(diào)”的意思，是指通過減少供給噴燃器的燃料-氧氣混合氣來降低爐子的熔化率。對于一臺最大設(shè)計能力每小時20短噸的爐子來說，下調(diào)率為2.5/1可使產(chǎn)量低至每小時8短噸，即20/2.5＝8。要使?fàn)t子在這樣寬的運行范圍內(nèi)正常工作，就需要噴燃器能在這樣的下調(diào)范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的火焰。假如在低產(chǎn)率的情況下火焰不能穩(wěn)定，則熔化了的銅將混入雜質(zhì)，燃燒室內(nèi)會有金屬沉積，還會出現(xiàn)其它一些問題。
例如，小容量的爐子通常只沿周邊布置一排噴燃器，而認(rèn)為再加上一排噴燃器只能造成多余的熔化能力。這樣，當(dāng)把爐子的熔化速率調(diào)下來時，便會帶來問題，即無法避免金屬在爐內(nèi)的“塌落”和凝結(jié)。在小型熔爐中僅靠一排噴燃器而要獲得均勻的熱量分布一直是個難題。這些單排噴燃器的熔爐中常見的問題是，在最大熔化率時，金屬很容易懸在噴燃器之上而出現(xiàn)金屬懸空現(xiàn)象，使得未熔化的金屬裝料不能從較大直徑的上部下落到直徑縮小的爐底部分。這種現(xiàn)象會導(dǎo)致金屬含氧高，溫度分布不均勻，以及爐子的“嘯叫”。此外，這種熱量分布不均勻的結(jié)果，還會產(chǎn)生“虧料”現(xiàn)象，即在爐子底部缺少金屬的裝料。這一現(xiàn)象會導(dǎo)致耐火材料的過熱，金屬熔化溫度的大幅度變化，以及在熱量輸入最大或接近最大的時候，發(fā)生金屬流動的劇烈波動。在雙排燃燒器的爐子里，或既使在單排的爐子里，長時間的下調(diào)可能會使金屬由于燃料供給減少即熱量輸入減少而變“軟”，結(jié)果使得金屬逐漸在爐內(nèi)發(fā)生塌落。
本發(fā)明的目的，就是要提供一種高速氣體噴燃器，它可以在很寬的工作范圍內(nèi)保持高度的火焰穩(wěn)定性。其它的一些目的則可從以下的敘述中清楚地看到。
具體而言，本發(fā)明是一種經(jīng)過改進的熔爐氣體噴燃器，其組成部分包括進口，用以有效地向噴燃器供給混有氣體(空氣)的氧氣流和燃料流;混合段，用以混合摻有氣體的氧氣流和燃料流;火焰保持段，以點燃混合氣;以及基本是圓筒形狀的燃燒室，以保持并加強燃燒。改進之處在于相對于噴燃器其它部分的大小來協(xié)調(diào)燃燒室的尺寸，以使噴燃器在具有2.5/1的下調(diào)率時，能保持穩(wěn)定的火焰和在此范圍內(nèi)平穩(wěn)而充分的燃燒;延長噴燃器耐熱瓦的壽命;使由于在燃燒室中有“冷”點而造成熔化金屬的摻雜程度降至最低;以及其它一些益處。
燃燒室基本上呈圓筒狀，其耐熱瓦體總長為LT，其“有效長度”即從燃燒室與火焰保持段(肩部)接合處起到燃燒室另一端的襯瓦的長度為LE，其直徑為Ds，該直徑對整個燃燒室來說基本上保持不變?nèi)紵业耐獠坑心突鹜叩耐鈿?，二端均開有孔，圓形孔最好，以給燃?xì)馓峁┻M口(DF)和出口(Ds)。燃燒室通常由耐高溫材料制成，最好采用SiC。進一步來說，燃燒室要能夠適于在內(nèi)部燃燒進入它的燃料和摻有空氣的氧氣，又能沿燃燒室有效長度持續(xù)保持對預(yù)定溫度大體均勻的溫度梯度，該預(yù)定溫度定為2800°F左右較為適宜。為獲得這種性能，在燃燒室的設(shè)計中要處理好幾項重要的關(guān)系(1)燃燒室直徑Ds與臨近的火焰保持段的出口直徑DF之比，應(yīng)在1.35至1.70之間，最適宜的值是在1.43左右;(2)有效長度LE與燃燒室直徑Ds的比值，在1.2至3.70之間，最佳值大約是。1.56或3.0。對于一個較好的實用方案，噴燃器總體設(shè)計將把燃燒室總長LT與有效長度LE之比，控制在大約1.2到2.00之間，最好在1.47左右。所謂有效長，也即由燃燒室與火焰保持段結(jié)合處至燃燒室出口的耐火襯瓦的總長度。
盡管我們說噴燃器帶有混合段50，但熟悉噴燃器技術(shù)的人都會懂得，燃料與空氣也可以在噴燃器外邊混合，再導(dǎo)入點燃段或火焰保持段51而進入燃燒室52。這里公開介紹的幾個采用這種布置方式的噴燃器，其作用結(jié)果都一樣，即在較寬的工作范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的火焰。
本發(fā)明中的噴燃器特別適于小容量的立式金屬熔爐即每小時產(chǎn)量20短噸左右或更少些的熔爐，組成為一個耐火磚襯砌的基本為圓筒狀的爐室，帶有多個噴燃器，沿周邊布置，離爐子下端部有一定距離，每一噴燃器均可提供足夠數(shù)量的能量，一般在0.7到1.8×106英熱單位/小時。這些爐子的設(shè)計思想是要有效地分配熱量來均勻地熔化不斷下降的固體裝料(最好是銅陰極或銅屑)，而不會發(fā)生爐內(nèi)堵塞或金屬冷固等現(xiàn)象。對大容量的爐子，則可采用大些的噴燃器。
本發(fā)明還提供了另外一些能在寬工作范圍內(nèi)保持火焰穩(wěn)定性的噴燃器，其能量水平可達(dá)50×106英熱單位/小時，甚至更高。適宜的范圍是2×105到20×106英熱單位/小時，例如可以用30×106英熱單位/小時，最好在0.7-10×106英熱單位/小時之內(nèi)，或是5×106英熱單位/小時左右。
圖1為放大了的噴燃器的縱剖圖，以說明其整體。
圖2是本發(fā)明優(yōu)先推選采用的燃燒室剖視圖。
圖3所示為一立式熔爐的全套裝備。
圖4是熔爐的縱剖圖，以及圖3中所示爐身的一部分，帶有部分噴燃器總成，而略去了燃料供給管道。
如圖1所示，噴燃器本體3具有一個混合段50，以將燃料流和含氧的氣體(空氣)流合為一股，并導(dǎo)入火焰保持段51。本體部分還包括燃燒室段52，該段在圖2中顯示的更為詳細(xì)，它裝在法蘭53內(nèi)，靠著火焰保持段51的肩部54。點火棒58可以裝在喉部內(nèi)。普通的電火花塞59裝在點火段51的側(cè)壁上，其內(nèi)端頭靠近點火棒58，用來點燃混合氣流。喉部與點火棒58的結(jié)合，對燃燒室52內(nèi)混合氣流的燃燒起著至關(guān)重要的作用，當(dāng)燃料流速很高時更是如此。點火段51上還開有孔69和70，以對混合氣流取樣。
混合段50有一環(huán)形歧管部分60，套管61，彎管62，量孔板63，以及帶有透明鏡片65的觀察孔64。套管61抵在管段50的左端和肩66上，與環(huán)狀部分60配合形成兩股流體中較小那股(通常是燃料流)的支管，將其由管36通過孔67導(dǎo)入混合室68，可以由選擇孔67的大小和沿套管周邊的排布方式來控制進入混合室的流體。另一股較大的流體則由管29通過板63上的孔和彎管段62進入混合室68。
噴燃器在工作時，欲混合的二股流體中較大者通過量孔、彎管、進入混合室，從而到達(dá)噴燃器內(nèi)部;該股流體的精確成分可以用美國專利3199977中所給的方法加以確定。
圖2詳細(xì)地表示出了裝在耐火爐墻5上的噴燃器燃燒室52的優(yōu)選結(jié)構(gòu)形式。燃料與空氣的混合氣流穿過火焰保持段51，流過點火棒58，混合氣在該位置被火花塞59或其它有效的點火方法點燃，然后進入燃燒室52。
燃燒室52最好是一個大體上完整的圓筒，從其與鄰近的火焰保持段51接合部形成的肩部99一直延伸至漏斗狀出口96的起始端，即圖中距離94。在該起始端，燃著的氣體進入爐內(nèi)熔化金屬裝料。如圖所示，燃燒室52由噴燃器襯瓦49所形成，該瓦體最好采用碳化硅制成，燃燒室還包括一薄壁圓筒狀襯套90。該襯套90的預(yù)定尺寸均勻壁厚通常為1/2吋左右，用堅硬、致密、耐磨的耐火材料制成，最好也是碳化硅，它可以長時間地耐受2800°F的高溫。盡管我們傾向于采用可動的SiC襯套，但在本發(fā)明極為廣泛的實施方案中，也可以將整個噴燃器瓦體結(jié)構(gòu)與襯套鑄成一體或用類似的方法作成一體，只要結(jié)構(gòu)與前邊給出的各尺寸比例相吻合就可以獲得相似的效果。采用襯套可以很容易地更換被侵蝕或磨損的部分，同時也可以來改變?nèi)紵业某叽缫詽M足用于不同噸位爐子的需要。前邊說到的襯套的“預(yù)定尺寸”是指襯套壁厚的基本均勻一致。襯套應(yīng)與直徑92所示燃燒室膛孔同軸，并用氧化膠等粘在邊上的瓦體49上。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)包括襯套90在內(nèi)的燃燒器耐熱瓦體49的尺寸與燃燒室的幾個重要參數(shù)匹配時，噴燃器就在一定工作范圍內(nèi)保持良好的特性。這些參數(shù)是(1)燃燒室直徑95(即Ds)與火焰保持段出口直徑97(即DF)之比;(2)有效長度LE與襯套直徑(Ds)之比。在一優(yōu)選實施方案中。噴燃器的尺寸設(shè)計還與耐熱瓦體總長100(即LT)對“有效長度”94(即LE)之比值相協(xié)調(diào)。LT是耐熱瓦體49入口處到燃燒室中心線與耐熱瓦體49出口平面交點的距離，而LE則是從燃燒室與火焰保持段的結(jié)合處(肩99)到襯套層在燃燒室出口端部這一段耐熱襯料的長度，這幾個特別的參數(shù)和比值所以如此重要的原因還未得到充分的了解，但已經(jīng)得出了下述的理論，盡管對于申請者而言并不希望因此而受到束縛。
Ds/DF這一結(jié)構(gòu)關(guān)系的作用是控制燃料混合氣在流出火焰保持段而進入燃燒室時的擴散程度。這種有控制的擴散使點火得以實現(xiàn)而且把火焰保持在由火焰保持段與燃燒室所形成的肩部上。原有的技術(shù)中，噴燃器的燃燒反應(yīng)常常要到達(dá)燃燒室的中部才得以進行。這種情況據(jù)信是由于高速燃?xì)饬鲃倓傔M入燃燒室便驟然擴散而造成的。讓人驚奇的是，現(xiàn)已確定適當(dāng)?shù)貙?yīng)選擇燃燒室與點火段的尺寸關(guān)系(Ds/DF)便可以提供并保持“穩(wěn)定的”火焰，從而使噴燃器的熔化能力保持在最佳的水平。獲得一種基本上根據(jù)對流的機理來熔化金屬的火焰。
保持穩(wěn)定的火焰這一點是人們所特別希望的，因為長而不穩(wěn)定的火焰正是燃料和氧燃燒的不充分的表現(xiàn)。這種火焰會使燃燒室內(nèi)沉積大量的銅，而使銅的含氧量上升至不期望的程度。相反，短而穩(wěn)定的火焰，表明了燃燒室內(nèi)進行的是基本完全的燃燒。不完全燃燒的進一步后果，是耐火材料溫度的大幅度變動，耐火材料的不均勻損耗，并進而導(dǎo)致其壽命縮短。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，燃燒室與火焰保持段出口的直徑比(Ds/DF)的適宜范圍，大約在1.35～1.70左右，如在1.40～1.45間更好，例如可取1.43。
噴燃器有效長度LE與襯套直徑Ds之比，也被發(fā)現(xiàn)是噴燃器的一個重要的性能參數(shù)。這種看法的事實根據(jù)是這一比值保證了燃燒室的合適的幾何形狀與尺寸，而這種適宜的幾何特性既加強了燃燒又保持了沿該有效長度的壁面的加熱。人們發(fā)現(xiàn)，這一比值又取決于噴燃器的工作能量范圍(BTU/小時)，一般說，這一能量范圍高，則該比值應(yīng)較低。因此，可以滿意地用于本發(fā)明的該值范圍是1.2-3.7。當(dāng)LE/Ds比值位于1.85～3.70間時，特別是，對于低于10×106BTU/小時的噴燃器，如處于0.5×106～4×106BTU/小時間的小型噴燃器來說，該比值在2.5～3.5之間，例如取3.0時，獲得了最好的結(jié)果。對于諸如大于10×106BTU/小時的大型噴燃器，這一比值最好在1.2～1.7左右，如可選用1.3～1.6。
燃燒室耐熱瓦體全長(LT)與“有效長度”LE的比值(LT/LE)基本上決定了要多長的襯套才能使每一具體的噴燃器得到所期望的結(jié)果。當(dāng)這一比值在大約1.20～2.00之間時，得到了最好的結(jié)果。這時所用的優(yōu)選設(shè)計形式為耐火瓦體有11英寸長，帶有長約6～9英寸的SiC襯套。襯套長度最好是7 1/2 英寸，這時該比值為1.47。
熟悉本門技術(shù)的人不難理解，Ds，DF，LE，LT等參數(shù)的絕對數(shù)值要根據(jù)所需噴燃器的大小(BTU/小時)來變動，但要保持這里所說的幾個比值?？偟膩碚f，噴燃器輸出熱量越多，Ds，DF，LE和LT的數(shù)值便越大。
另一個重要的系統(tǒng)參數(shù)是燃燒氣體通過燃燒室的流速。令人驚奇的是，這里所述的氣流速度，當(dāng)獲得最佳效果時，其值差不多比以前的噴燃器中氣流速度要大兩倍。據(jù)信這是由于為使噴燃器的尺寸與上述幾個比值協(xié)調(diào)一致而做了一些調(diào)整，并且加劇了燃?xì)獾娜紵?br>這樣，按照本發(fā)明為使噴燃器尺寸適當(dāng)而對其進行的調(diào)整便有助于改進下調(diào)率大約為2.5∶1這一范圍時的火焰穩(wěn)定性，進而降低熔化銅的不純凈度，并大大減輕燃燒室的磨損。
圖3和圖4表示了立式熔爐1，出流槽2，和相應(yīng)的管道所構(gòu)成的整體。這些管道用來為二排沿周邊布置的噴燃器提供燃料和含氧氣體(空氣)如圖4所示，爐體1在其內(nèi)墻和底部砌有耐火襯層5，外邊由外殼6所包裹。外殼6由某種適宜的金屬制成，最好用鋼材，用焊接等方法很好地組裝以后造成基本氣密的結(jié)構(gòu)。爐體側(cè)壁上開有若干個孔7以安裝燃燒器3。如圖4所示，爐子側(cè)壁靠下邊的部分向下內(nèi)傾斜，而爐底9則向出流口10傾斜，后者再通向出流槽2。
現(xiàn)在請看圖3?？諝庥晒娘L(fēng)機11流出，以某一所需要的正壓流經(jīng)管道12到控制閥13，向支管14送風(fēng)。由支管14，空氣再以所需的正壓由保溫管道提供給各個噴燃器3。由某個適宜的來源提供的氣體燃料，以所需的正壓流經(jīng)加溫管道15。管道15帶有加熱器16，熱量可以由任一適宜的方式提供，例如可以用電熱或燃燒產(chǎn)物換熱，以將燃燒預(yù)熱。經(jīng)預(yù)熱的燃?xì)饨又鬟^保溫管和控制閥16A，到達(dá)各個噴燃器3。這些噴燃器也可以加以保溫以防熱量損失。噴燃器3插入爐壁上的各個孔內(nèi)并用插頭17將每一噴燃器的安裝平面18壓緊在爐殼6上將其固定住，并形成基本氣密的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)，加上噴燃器本身的封密結(jié)構(gòu)，基本上可以防止由噴燃器孔向爐內(nèi)流入額外的空氣。如前所述，爐壁上裝有若干個噴燃器，彼此間是按預(yù)定的空間關(guān)系排列好的。
有關(guān)典型的立式熔爐和噴燃器的細(xì)節(jié)，可以在美國專利3199977號中找到，這里所引用的幾處該專利的內(nèi)容只作為參考。
圖2給出了本發(fā)明的一個優(yōu)選高速噴燃器的設(shè)計方案，其尺寸如下噴燃器耐熱瓦體49是方形的，每邊長9英寸。該耐熱瓦體49的襯套直徑Ds大約為2 1/2 英寸，火焰保持段51出口直徑DF約為1.75英寸，Ds/DF大約為1.43。噴燃器裝有電火花塞59，用來給混合氣流點火，還裝有點火棒58以幫助保持在燃燒室52中的混合氣的燃燒。從火焰保持段51的尾部到燃燒室耐熱瓦體49尾部之間的有效長度LE，為7 1/2 英寸左右。瓦體長度LT，大約為11英寸。使得LT/LE＝1.47。有效長度LE與襯套出口直徑Ds的比值LE/Ds＝3.00。本噴燃器當(dāng)用于美國專利3199977所述的熔化能力每小時20短噸左右的立式熔爐時，可以在下調(diào)率達(dá)2.5∶1時保持穩(wěn)定的火焰。
參考圖2，根據(jù)本發(fā)明設(shè)計，供熱能力超過10×106BTU/小時的大型噴燃器。要有約10 1/4 英寸的襯套直徑Ds，則出口直徑DF約為7 1/2 英寸，有效長度LE約16英寸，耐熱瓦體總長LT約23 3/16 英寸。Ds/DF的比值為1.37，LE/Ds比值為1.56，LT/LE比值為1.45。這種噴燃器也能在下調(diào)率2.5∶1左右提供穩(wěn)定的火焰。
權(quán)利要求
1.一種氣體噴燃器，具有2.5∶1左右的下調(diào)能力，而能保持穩(wěn)定的火焰，并在該下調(diào)范圍內(nèi)保持平穩(wěn)完全的燃燒。其組成部分為一個混合段，用來混合含氧氣的氣流與燃料流；一個出口直徑為DF的火焰保持段，用以點燃燃料與氧氣的混合氣；一個臨近保持段的燃燒室，用來保持并強化燃燒過程，該室由耐火的噴燃器耐熱瓦體制成，基本形式為一圓筒，直徑為DS，有效長度LE，耐熱瓦體總長為LT。這種噴燃器的特點在于噴燃器各部尺寸是相互匹配的，即DS/DF在1.35到1.70間，LE/DS在1.2到3.7間。
2.如權(quán)利要求
1所述之噴燃器，特點還在于燃燒室的尺寸彼此協(xié)調(diào)，其中LT/LE在1.2～2.0之間。
3.如權(quán)利要求
1或2所述之噴燃器，特點還在于Ds/DF之比值在1.40到1.45之間。
4.如權(quán)利要求
1或2所述之噴燃器，特點還在于LE/Ds在1.85到3.7之間。
5.如權(quán)利要求
1或2所述之噴燃器，其特點還在于LE/Ds在1.2到1.7之間。
6.上述任一條權(quán)利要求
中所述之噴燃器，其特點還在于燃燒室與它鄰近的火焰保持段，二者沿軸向在一條共同的中心線上。
專利摘要
高速氣體噴燃器。通過 協(xié) 調(diào) 燃 燒室與噴燃器其它部分尺寸之間的關(guān)系，具體而言，是燃燒室直徑與火焰保持段出口直徑之比值，和燃燒室有效長度與燃燒室直徑之比值，使本噴燃器能在較寬工作范圍內(nèi)提供高穩(wěn)定性的火焰。
文檔編號F23D14/32GK85104775SQ85104775
公開日1986年12月17日 申請日期1985年6月20日
發(fā)明者維克托爾·利特里·Jr, 查理斯·L·托馬斯 申請人:阿薩科公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan