低ΝΟ的制作方法
低no
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和co燃烧器方法及设备
1.本技术是申请日为2018年9月5日、发明名称为“低no
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和co燃烧器方法及设备”、国际申请号为pct/ib2018/056780并且中国国家申请号为201880057140.9的申请的分案申请。
2.相关申请的交叉引用
3.本技术要求2017年9月5日提交的美国临时申请号62/554,327以及2018年6月26日提交的美国临时申请号62/690,185的权益，这两个申请以引用方式并入本文。
技术领域
4.本公开涉及用于燃烧燃料-空气混合物的燃烧器设备和方法，由此产生具有低nox和co的烟道气。
背景技术：
5.由于政府主管部门和机构采取了严格的环境排放标准，迄今已经开发了燃烧器设备和方法，这些设备和方法抑制了通过燃烧燃料-空气混合物产生的烟道气中的氮氧化物(nox)的形成。例如，已经开发了燃烧器设备和方法，其中在小于化学计量浓度的空气中燃烧液体或气体燃料以降低火焰温度并从而降低热nox。即，已开发了阶段空气燃烧器设备和方法，其中燃料在第一燃烧区域中的空气不足的情况下燃烧，由此产生抑制nox形成的还原环境，并且将剩余的空气部分引入第一区域下游的第二区域中，在那里燃烧未燃烧的剩余燃料。
6.还开发了阶段燃料燃烧器设备，其中供应所有的燃烧空气，并且在第一区域中燃烧部分燃料，具有大部分燃料在第二下游区域中燃烧。在此类阶段燃料燃烧器设备和方法中，在与来自第一区域的过量空气混合之前，用加热炉烟道气稀释第二区域，从而减少热nox的形成。
7.尽管迄今已利用产生包含低水平nox的烟道气的阶段燃料燃烧器，但仍有需要具有更大操作范围的改进的燃烧器设备，从而产生具有一致较低的nox和co排放水平的烟道气和使用燃烧器设备的改进方法。
技术实现要素：
8.本公开的实施方案涉及控制来自加热炉的排放中的nox和/或co含量的系统和方法。一般来讲，排放将在加热炉堆中确定。如本文所用，“堆叠”或“加热炉堆”包括加热炉燃烧区域下游的任何点，其中可测量烟道气的排放和过量氧气含量。通常，这一点将在加热炉的辐射段的堆叠或出口烟道中，但在一些实施方案中可为加热炉内但在燃烧区域外侧的区域，或者可为刚好位于加热炉出口烟道下游的区域。
9.广义地讲，可通过在燃烧之前将初级燃料与特定范围的过量燃烧空气充分混合来减少在叠堆中的nox和/或co的排放，过量燃烧空气超过了化学计量地燃烧初级燃料所需的量，以使热和迅速的nox排放最小化。然后将初级燃料-空气混合物排放并锚定在燃烧器的
燃烧室内。将初级燃料-空气混合物火焰锚定在设备的燃烧室内不允许由火焰产生的热量立即转移到周围的加热炉环境中，而是使用在燃烧室中具有足够停留时间产生的热量，以使nox和/或co排放显著最小化。由该构型引起的nox和co水平使初级火焰与加热炉周围的烟道气环境的排放性能相对脱离。对于现有技术的燃烧装置，周围的加热炉环境越热，nox越高并且co越低。另外，对于现有技术的燃烧装置，周围的加热炉环境越冷，nox越低并且co越高。当前实施方案避免了这些问题。
10.更具体地讲，通过将燃料和一定量的空气排放到加热炉空间中的方法来避免这些问题，其中燃料被燃烧，使得由此形成具有低nox含量和低co含量的烟道气，所述方法包括以下步骤：
11.混合所述燃料的第一部分和基本上所有的空气以形成贫初级燃料-空气混合物；
12.将所述贫初级燃料-空气混合物排放到由燃烧器瓦限定的初级燃烧区域内的所述加热炉空间中，使得存在围绕所述燃烧器瓦的加热炉环境；
13.在所述初级燃烧区域中燃烧所述初级燃料-空气混合物以产生火焰并因此产生烟道气，其中所述初级燃烧区域具有第一末端和第二末端，并且引入所述贫初级燃料-空气混合物，使得所述火焰邻近所述第一末端被锚定，并且所产生的烟道气在所述第二末端排放到所述加热炉环境中。
14.另外，在包括集气室、燃烧器瓦、多个火焰保持器、多个初级燃料喷嘴、多个初级管和多个次级燃料喷嘴的燃料气体燃烧器设备中避免了这些问题。
15.所述集气室包括附接到加热炉的第一末端，与所述第一末端相对的第二末端；以及将第一末端和第二末端连接在一起的侧壁。侧壁和第二末端中的至少一者具有设置在其中的空气入口。
16.燃烧器瓦包括附接到所述集气室的上端的基座，与所述基座相对的排放末端，所述排放末端限定排放出口，以及将所述基座连接到所述排放末端并围绕所述排放出口的壁。所述壁延伸到加热炉中，并且具有外表面和限定初级燃烧室的内表面。
17.位于所述燃烧室内的多个火焰保持器。多个初级燃料喷嘴延伸到集气室中。初级管包括第一部分。第一部分中的每一个初级管具有位于集气室内的引入末端和位于初级燃烧室内的排放末端。初级管的第一部分与多个初级燃料喷嘴相关联，使得来自初级燃料喷嘴的燃料流入初级管的第一部分的引入末端中并且将空气从集气室内侧吸入引入末端中，以便产生燃料-空气混合物。排放末端相对于火焰保持器定位，使得燃料-空气混合物通过排放末端被引入初级燃烧室中，以便遇到火焰保持器。
18.另外，瓦的底端和集气室的上端对空气流关闭，使得除了通过一个或多个初级管之外，空气不会从集气室传递到瓦。
19.多个次级燃料喷嘴连接到燃料气体源并且可操作地与燃烧器设备相关联，使得次级阶段燃料气体从燃烧器瓦的外侧注入到所述燃烧器瓦的排放出口下游的点。
20.上述方法和设备的实施方案还可包括在结合上述方法和设备的加热炉的排放中动态地控制nox含量的系统和方法。虽然这些系统和方法可与非上文所述的其他燃烧器和燃烧器操作方法一起使用，但它们在与上述方法和设备一起使用时可尤其有效。
21.系统和方法调节导致nox和co排放变化的加热炉系统变化。在许多应用中，燃料组成可在加热炉的操作期间变化。由于燃料组成的变化，nox和co的排放存在变化。驱动nox和
co排放变化的附加的变型是燃烧空气条件，诸如空气中的相对湿度，以及燃烧火焰周围的燃烧室内的烟道气温度。所有这些条件最终导致nox和co排放的大变型。
22.广义地讲，这些控制排放的系统和方法可包括以下步骤：
23.确定所述初级燃料和次级燃料的组成；
24.确定初级燃料进入所述系统的流量和次级燃料进入所述系统的流量；
25.确定所述初级燃料和次级燃料燃烧的绝热火焰温度(第一aft)；
26.基于第一aft和第二aft，确定产生预定nox所需的过量空气量；以及；
27.调节初级燃料的流量、次级燃料的流量、基于最小化nox所需的过量空气量的初级量的空气以及在燃烧器内空气的分布中的至少一者。
28.在一些实施方案中，调节步骤至少针对初级燃料的流量和次级燃料的流量两者，并且任选地，调节同时针对初级燃料的流量和次级燃料的流量两者。
29.系统和方法可利用传感器来确定初级燃料和次级燃料的组成，以测量初级燃料和次级燃料的流量。另外，传感器可用来测量加热炉或燃烧器中各种位置处的火焰温度，并且测量加热炉堆中的nox、co和过量空气量。
30.各种阀和致动器可用来控制燃料和空气进入加热炉的流量。计算机处理系统可用来计算加热炉和设备，并且更具体地用于燃烧器的条件。例如，可基于燃料组成和空气量来计算aft。另外，可基于实验曲线数据来计算将nox最小化的目标aft。
附图说明
31.图1为简化燃烧器瓦中传统的现有技术火焰锚定的示意图。
32.图2为根据当前公开的简化构型的示意图，其中火焰锚定于燃烧室内侧(在燃烧器瓦内侧)。
33.图3为根据本公开的一个实施方案的燃烧器的示意图。
34.图4为根据本公开的第二实施方案的燃烧器的示意图。
35.图5为根据第三实施方案的使用燃烧器系统的加热炉的示意图。
36.图6为根据第四实施方案的使用燃烧器系统的加热炉的示意图。
37.图7为根据另一个实施方案的使用燃烧器系统的加热炉的示意图。
38.图8示意性地示出了阶段燃料喷嘴相对于加热炉壁中的燃烧器瓦的一种可能的布置。
39.图9为燃烧器系统的示意性俯视图，其示出了燃烧器瓦内的管布置的一个实施方案。
40.图10为燃烧器系统的示意性俯视图，其示出了燃烧器瓦内的管布置的另一个实施方案。
41.图11为根据本公开的适于与燃烧器系统一起使用的点火单元的一个实施方案的示意图。
42.图12为用于图11的点火单元中的适宜的喷嘴的一个实施方案的示意图。
43.图13为用于图11的点火单元中的适宜的喷嘴的第二实施方案的示意图。
44.图14为用于图11的点火单元中的适宜的喷嘴的第三实施方案的示意图。
45.图15为根据本公开的适于与燃烧器系统一起使用的点火单元的另一个实施方案
的示意图。
46.图16为图15的点火单元的顶视图。
47.图17为根据当前公开的用于调节nox和co排放的方法的流程图。
48.图18为过量空气(λ)相对于关于一种燃料组合物的绝热火焰温度曲线的示例。
49.图19为用于实施图17的方法的系统的示意图。
具体实施方式
50.通过参考包括示例的下列描述，可以更容易地理解本公开。另外，阐述了许多具体细节以便提供对本文所述的实施方案的透彻理解。然而，本领域的普通技术人员应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本文所述的实施方案。在其他情况下，未详细描述方法、程序和部件以免混淆所描述的相关特征。另外，该描述不应被认为是限制本文所述的实施方案的范围。
51.在绘图中，示出和描述了各种实施方案，其中在本文中使用类似的参考标号以在整个各种视图中指定类似的元件。附图未必按比例绘制，并且在一些情况下，有几处绘图已被放大和/或简化，仅为了进行示意性的说明。在采用相对熟知的设计的组件的情况下，将不详细描述它们的结构和操作。本领域的普通技术人员将会知道基于以下描述的本发明的许多可能的应用和变型。
52.本公开涉及设计用于实现从启动(冷炉条件)至最大燃烧速率(设计条件)的低氮的氧化物和一氧化碳排放的燃烧方法和设备。其通过以具体的燃烧器条件为目标，实现独特的排放性能，诸如以特定的火焰温度为目标，这是通过将燃料与燃料燃烧所需的过量的化学计量量的预定的空气流预混合，并通过将火焰锚定在具体设计的燃烧室中，提供足够的停留时间以减少一氧化碳排放，从而将设备性能与周围的环境的影响隔离开来。
53.本公开的系统和方法一般适用于其中初级燃料在具有一定量空气的初级燃烧区域中燃烧的类型的加热炉。该系统和方法尤其适用于其中除了初级燃烧区域之外，次级燃料在次级燃烧区域中燃烧的情况。通常，次级燃料与来自初级燃烧区域的过量空气一起燃烧；然而，该系统和方法也适用于其中加入额外空气以用于次级燃料燃烧的加热炉。
54.一般来讲，在许多实施方案中，将初级燃料充分预混在特定范围的燃烧空气内，所述燃烧空气超过初级燃料的化学计量燃烧所需的量，以使热和迅速的nox排放最小化。然后将所得的初级燃料-空气混合物排放并锚定在燃烧器瓦的燃烧室内。将初级火焰锚定在燃烧器瓦的燃烧室内不允许由火焰产生的热量立即转移到周围的加热炉环境中，而是使用由适当尺寸的燃烧室实现的具有足够停留时间产生的热量，以使co排放显著最小化。由该构型引起的nox和co水平使初级预混物火焰与加热炉周围的空气的排放性能相对脱离。目前在市场上，nox和co的排放非常依赖于周围的环境条件，并且因此是相对可变的，尤其是在启动和关闭条件下。对于其他燃烧装置，周围的环境越热，nox越高并且co越低。另外，对于其他燃烧装置，周围的环境越冷，nox越低并且co越高。当前实施方案避免了这些问题
55.例如，图1示出了利用传统现有技术火焰锚定的用于加热炉的简化燃烧器110。在燃烧器110中，火焰锚定件112出现在燃烧器瓦114的顶部，并且火焰长度本身很好地从燃烧器瓦114突出到加热炉室中。因此，大部分，如果不是全部的燃烧发生在燃烧器瓦(在燃烧室116外侧)的外侧，其中它暴露于(并且夹带)加热炉烟道气。不受理论的束缚，据信此类构型
导致燃烧暴露于周围的加热炉环境的较低温度下，从而导致火焰封套的骤冷，并因此导致co的额外产生，并且在烟道气中的co以大于400ppm的量存在，修正至3％的o2，并且在一些情况下，大于500ppm co，大于600ppm co，或甚至大于800ppm co，修正至3％的o2。
56.相比之下，本公开的一些实施方案利用由包含在加热炉内侧的燃烧器瓦限定的燃烧室底部的火焰锚定，如图2所示。在图2中，示出了简化的燃烧器210。燃烧器210被设计成(如下进一步所述)具有火焰锚定件212出现在由燃烧器瓦214限定的燃烧室216内侧。示出的图2的构型被简化并呈现为类似于图1，以进行直接比较，并且图2示出了燃烧室216内侧或燃烧器瓦214内侧的火焰锚定，而不是如图1所示的在燃烧器瓦114的顶部或燃烧器瓦的出口孔118处的火焰锚定。在一些实施方案中，燃烧器瓦可具有延伸主体(诸如图3和4所示)，以便扩大燃烧器室并增加燃料-空气混合物和产生的烟道气的停留时间。如从图2可看出的那样，燃烧室由燃烧器瓦214限定，所述燃烧室是从燃烧器瓦的基座220向上至燃烧器瓦顶部处的出口孔218的空间。因此，通过瓦壁222将燃烧室216内的燃烧与周围的加热炉环境屏蔽。
57.使用上述低火焰锚定和/或本文所讨论的其他原理的实施方案利用更长的停留时间用于燃料-空气混合物和与周围的加热炉环境屏蔽的初级燃烧区域中的烟道气。传统上，燃烧器将大部分燃料置于瓦外侧。混合一些燃料和空气并将其发射在燃烧器瓦内的传统燃烧器具有极小的停留时间(如果有的话)，其中燃料-空气混合物和所得的烟道气被从周围的加热炉环境屏蔽。许多当前设备和方法可导致至少0.01秒的停留时间。
58.根据当前公开的具体实施方案利用初级燃烧室，其使初级燃烧区域的排放性能与周围的环境脱离，并且允许以抑制迅速氮的氧化物和一氧化碳排放水平的方式、以及抑制热的氮的氧化物和一氧化碳排放水平的温度来燃烧初级火焰。一般来讲，本发明实施方案允许低于15ppm，在3％o2下修正，并且更典型低于10ppm、低于9ppm或低于5ppm的nox，在3％o2下修正的nox水平。同时，本发明实施方案允许co水平低于400ppm，在3％o2下修正，并且更典型地低于350ppm、低于300ppm、低于200ppm、低于100ppm或甚至低于50ppm，在3％o2下修正。可作为副产物可被降低的附加的排放为uhc、voc以及可能的pm10或pm2.5。另外，这些优点可在当前设备和方法的操作的所有阶段实现。
59.因此，本发明的实施方案具有优于现有系统的优点，因为它们能够通过最大(设计)热释放(更热加热炉温度操作)在启动/关闭热释放(冷却器加热炉温度操作)两者时都减少氮的氧化物和一氧化碳排放。市场上易于获得的解决方案目前在设计热释放时优化氮的氧化物的减少，同时牺牲在启动/关闭条件下的一氧化碳排放性能。本公开所述的实施方案可满足比市场上当前可用的更严格的氮的氧化物，以及在启动/关闭两者和设计热释放条件下的一氧化碳排放。
60.现在转到图3和图4，现在将进一步描述利用本公开的方法和设计的设备的示例。在这些示例中，加热炉利用包括燃烧器瓦314的燃烧器310，所述燃烧器瓦通常为耐火砖。燃烧器瓦314具有安装到加热炉的壁306的基座320，所述壁可为加热炉的底板、侧面或顶部。燃烧器瓦314具有从基座320在第一末端324延伸到其中出口孔318所在的第二末端326的壁322。瓦壁322限定燃烧室316。在实施方案中，燃烧室一般显示为圆柱体，并且瓦壁通常具有圆柱形形状；然而，形状可为不同的。例如，具有矩形、正方形或椭圆形横截面的形状可用于一些操作条件中。在所示的实施方案中，第一末端324被安装板328封闭，使得流入或流出燃
烧室316的流体限于出口孔318或通过管延伸穿过安装板328，如下文进一步所述的。
61.图3的实施方案的瓦壁322沿着燃烧器轴线354延伸并提供限定燃烧室316的不间断壁；即，所述壁不具有口或孔。图4的实施方案的瓦壁322具有用作卸压/再循环窗口的口425。口425可均匀地放置在瓦的圆周上并且在火焰保持器350下游的小距离处。如果在水平平面中观察，则口的放置在介于管340之间。这些口425可防止瓦燃烧室内侧的过量的正压或负压，这可有助于保持火焰稳定性。在热释放变化期间的压力波动的情况下，一些少量的燃烧气体可从口425排放出来，或少量的加热炉气氛气体可被吸入腔室内侧。本公开所述的若干实施方案的设备可配备有或可不配备有这些窗口。
62.集气室330固定在与燃烧器314相对的一侧上的安装板328上，并且设置在其中燃烧空气和燃料被引入燃烧室316的相对侧上。集气室330具有从安装板328延伸到集气室基座334的实心集气室壁332。集气室壁332限定空气室336。集气室基座334具有空气可穿过其进入空气室336中的开口338，所述开口可为加筛网的开口。可为打孔的限制板的该筛网其围绕管入口342和初级燃料喷嘴344，改善了到管340的空气分配。另外，该筛网可防止污垢颗粒和杂物随着空气进入。集气室因此被配置成防止空气进入空气室336，而不是穿过开口338。另外，空气仅可通过延伸穿过安装板328的管340从空气室336进入燃烧室316，如下所述。
63.集气室330内侧有多个管340，用于将燃料和空气混合物引入燃烧室316中。通常，将存在两个或更多个此类管，并且可存在五个或更多个管。从图8和图9可见，某些实施方案具有最多10个或更多个管。每个管的横截面轮廓可为圆形、椭圆形、矩形或任何其他形状，诸如星形。
64.对于每个此类燃烧器310，管340用作燃料-空气混合物进入加热炉的主要引入。点火器(图3和图4中未示出)可存在于燃烧室316中以点燃燃料。在示出的示例中，管被布置成圆形并且邻近燃烧室的内侧表面，如图8和图9可见。相对于彼此的可变定位以及集气室和瓦内侧的管的数量是可能的，并且取决于燃烧器尺寸和操作要求。
65.示出的管340为燃料-空气混合管，在于在每个管的入口342处的是初级燃料喷嘴344，其沿着管的纵向轴线将高动量燃料射流从燃料分配器349和燃料源347排放到相关联的管340中。高动量燃料射流将空气从集气室的集气室基座334中夹带，并且促进介于空气与燃料之间的混合，以在管340的出口348处产生完全混合的料流。图3示出了不具有强制空气的自然通风集气室。然而，如图4所示，空气可通过使用与围绕集气室基座334处的开口338的外壳435流体流动接触的风扇或鼓风机而夹带和/或强制。因此，风扇通过外壳435中的开口339向集气室提供强制通风。
66.每个管340的出口348可配备有火焰保持器350，其定位在相距出口348固定的距离处，并且用于帮助火焰稳定和锚定。火焰稳定/锚定装置(火焰稳定器350)侧向扩展进入的燃料和空气混合物，使得其可扩散穿过限定燃烧室的瓦壁的内表面321，并且可锚定在燃烧器瓦的内表面321和基座或凸缘327的内侧。火焰稳定/锚定装置350还有利于为更大的火焰稳定和锚定产生涡旋。
67.火焰保持器或火焰稳定/锚定装置350可被配置成多种形状，诸如杯、圆锥、蜂窝结构、环、打孔的圆盘。另外，实施方案可使用其他火焰稳定/锚定装置和布置，诸如钝体、构建到瓦中的凸缘或可采用涡旋。
68.虽然上述燃料-空气混合管引入燃料-空气混合物目前是优选的，但也可使用提供彻底的燃料-空气混合的其他递送系统。例如，燃料-空气混合物可在集气室330的上游产生并引入管340中。在另一个示例中，燃料和空气可分别提供至燃烧室，然后在燃烧室入口处“快速混合”，只要燃料和空气可彻底混合至点火并可锚定在燃烧室内即可。可通过使用高气压降和/或旋转空气或燃料或两者来实现这方法。
69.靠近加热炉壁306的水平并且刚好在瓦壁322的外侧，放置了多个附加的原料气体燃料喷嘴或阶段燃料喷嘴352(通常将有四个或更多个，具有八个或十个喷嘴也并非罕见的)。每个阶段燃料喷嘴352可从分配器346和燃料源347接收燃料，并且每个阶段燃料喷嘴352被设计成将燃料射流沿大致在出口孔318下游的方向排放到燃烧器瓦314外侧，以便在燃烧室316的外侧并且通常在出口孔318的下游产生次级燃烧区域。例如，阶段燃料喷嘴352可在相对于纵向燃烧器轴线354的可变角度下沿火焰流的方向沿着瓦壁322的外表面323排放燃料。
70.虽然图3和图4仅利用燃烧器瓦外侧的阶段燃料喷嘴，但当前实施方案可与同时利用燃烧器瓦外侧的初级燃料喷嘴的设计一起利用。例如，当前实施方案中的一些可利用具有燃料喷嘴在燃烧器瓦外侧的康达(coanda)设计，如在2011年2月1日公布的美国专利号7，878，798中所公开的。在那个专利中，有多个用于点火燃料喷嘴，以及用于燃烧器瓦外侧的阶段燃料的多个喷嘴。每个点火燃料喷嘴被设计成将燃料射流排放到康达(coanda)型材窗口上，该窗口通向瓦的燃烧室。点火燃料的目的是在燃烧室内提供具有最小量热释放的一些局部的富含燃料的点，以便最小化来自点火燃料的总体排放冲击。
71.当使用此类点火燃料喷嘴和阶段燃料喷嘴的组合时，它们可以交替序列定位在相同直径的圆上。介于喷嘴之间的距离和喷嘴的数量可根据燃烧器尺寸而变化。喷嘴也可被定位在燃烧器周围或内的不同位置。例如，点火喷嘴可位于接近康达(coanda)型材窗口，而阶段喷嘴可被放置在来自燃烧器轴线较大的半径上。在另一个示例中，可将阶段喷嘴远程引入焙烧气氛(加热炉)中，以便把特定的热通量或其他操作或排放(低nox)要求作目标。在另一个示例中，点火喷嘴可仅为位于燃烧室自身内的一个或多个点火喷嘴。点火燃料和阶段燃料区域的设计可根据设计细节而变化。
72.现在转到图5，其示出了涉及加热炉500的与图3和图4类似的第三实施方案。加热炉500包括具有叠堆504的加热炉外壳502。所述加热炉至少部分地包含限定燃烧室316的耐火砖314的燃烧器310，所述燃烧室在瓦314内侧。耐火砖314固定在加热炉外壳502上。如图所示，耐火砖314固定在加热炉壁上，在这种情况下为加热炉底板506，但可固定到加热炉的侧壁上。耐火砖314也固定到集气室330上，所述集气室也可固定到外侧的加热炉底板506上。集气室330具有空气入口342，所述空气入口是示意性地示出的，并且可以是自然通风布置或强制供气布置。
73.如所指出的那样，燃烧器310还包括点火单元560(通常由点火器(未示出)点燃)、管340、火焰保持器350和初级燃料喷嘴344。点火单元560的点火末端562位于燃烧室316内并延伸穿过集气室330以附接到第二末端564处的燃料源(未示出)。集气室330内侧有排放到燃烧室316中的多个管340。管340使用夹带原理来混合燃料和空气，如上所述。通常，管340将围绕点火单元560；例如，五个或六个混合管340可定位在围绕点火单元560的圆中。每个管340的出口配备有火焰保持器350，其定位在相距管出口固定的距离处，并且用于帮助
火焰稳定和锚定。
74.如对于图3和图4的情况，图5中所示的实施方案在加热炉底板平面附近和刚好在由耐火砖314形成的燃烧室316外侧具有多个次级或分段燃料喷嘴352。每个阶段燃料喷嘴352被设计成将燃料射流沿在燃烧室316中形成的火焰流的方向排放到加热炉500中。来自燃料喷嘴352的燃料射流可平行于燃烧器轴线354或可为相对于燃烧器轴线354成可变的角度。
75.如从图5将会知道的那样，来自点火单元560的燃料和来自管340的燃料-空气混合物在燃烧室316中并在燃烧室316的紧接的下游燃烧，以便形成初级燃烧区域566。在一些实施方案中，用于在初级燃烧区域566中燃烧的燃料可在启动或点火后仅由管340提供。在一些实施方案中，用于在加热炉500内燃烧的燃烧空气或氧气通常仅通过管340供应，并且超过燃料从点火单元560和管340的化学计量燃烧所需的量。来自阶段燃料喷嘴352的燃料与烟道气和过量燃烧空气混合，然后在次级燃烧区域568中燃烧。因此，初级燃烧区域566形成在燃烧室316内，并且可延伸到仅在燃烧室316的末端下游的加热炉中。次级燃烧区域568形成在初级燃烧区域566的外侧。次级燃烧区域568将在燃烧器瓦314外侧的加热炉中，并且通常在初级燃烧区域566的火焰锚定的下游，并且可在初级燃烧区域566的下游。虽然次级燃烧区域可直接在初级燃烧区域566的下游，但目前据信它更典型地将至少部分地围绕初级燃烧区域的一部分，并且可具有圆环状形状或杯状形状，并且围绕初级燃烧区域的下游部分并且在初级燃烧区域下游延伸。
76.如图5所示，从阶段喷嘴352排放的次级燃料射流在大致下游的方向上被导向；即，初级火焰流移动的方向。次级燃料射流与初级区域火焰流逐渐混合，并且在行进穿过加热炉空间时燃烧。在与初级火焰混合之前，这些次级阶段燃料射流夹带并与加热炉气氛气体混合，所述加热炉气氛气体大部分为惰性物质，诸如co2、h2o和n2。因此，当与来自瓦的贫燃料火焰流混合和燃烧时，用惰性气体饱和的次级阶段燃料射流不产生升高的火焰温度区域。例如，设计可被布置为在次级燃烧区域568内具有2400-2600
°
f的绝热火焰温度，其足够低而不产生热nox。
77.图3-5的实施方案具有通过管340夹带或推挤并递送至燃烧室316的所有或基本上所有的所需的燃烧空气。例如，管340的边缘(或侧面)可被密封到安装到燃烧器瓦314的集气室330和基座320的安装板328，确保没有空气无需行进穿过管340还能够从集气室330进入燃烧室。在另选的实施方案中，诸如下文所述的图6和10，可在燃烧区域的其他区域中引入微量的燃烧空气。
78.目前据信，通过将所有的燃烧空气与初级燃料引入燃烧室316内或通过将燃烧空气的主要部分引入燃烧室316中来递送最大的有益效果。然而，在一些实施方案中，可将较小部分的燃烧空气引入燃烧室316的外侧。燃烧空气的“微量”或“小部分”通常是指燃烧一个单位燃料所需的化学计量空气的25％或更少。通常，其将小于所需化学计量空气的10％，可为10％或更小。在许多实施方案中，少量燃烧空气将在燃烧一个单位燃料所需的化学计量空气的5％至25％的范围内。当将所有的燃烧空气供应到燃烧室316中时，本领域的技术人员将会理解，这可允许可忽略量的燃烧空气从其他来源进入燃烧区域，诸如来自对于阶段喷射器的口、点火喷射器的口等。一般来讲，说明此类可忽略量的燃烧空气，本公开将涉及在初级燃料-空气混合物中的“基本上所有”燃烧空气。在这种情况下，“基本上全部”是指
除了这些微量的空气之外的所有的空气，所述微量的空气为燃烧引入用于点火的燃料，作为初级燃料和阶段燃料所需的燃烧空气小于3％，小于2％，小于1％或小于0.5％。一般来讲，“基本上所有的空气”可意味着燃料燃烧所需的空气的至少97％、至少98％、至少99％或至少99.5％，所述燃料包括初级燃料，以及任选地用于点火的第二部分燃料和用于阶段燃料燃烧的第三部分燃料。
79.如将通过上文实现的，由管340引入燃烧室中的燃料和空气混合物将不是化学计量的；即，所述混合物将不具有对初级燃料(引入燃烧室316中的燃料)的化学计量燃烧所必需的燃料与氧化剂比率的比率。相反，初级燃料将作为贫燃料-空气混合物引入。“贫”燃料-空气混合物指示包含比完全燃烧燃料所需的量更多的氧化剂的燃料/氧化剂混合物。一般来讲，本文所述的实施方案可在50％至110％的过量空气(约7％至11％的过量氧气)的范围内。
80.现在转到图6，示出了其中少量燃烧空气可与燃料-空气混合管分开引入的实施方案。图6示出了至少部分地容纳具有耐火砖314的燃烧器610的加热炉500，所述耐火砖限定具有管340和火焰保持器350的燃烧室316。另外，管340通过初级燃料喷嘴344供给燃料气体，并从周围的集气室330接收燃烧空气。加热炉500具有在瓦314的外侧和周围的阶段燃料喷嘴352。上述部件类似于图5的那些，但可根据本文所示的其他实施方案。因此，与图5所示的实施方案一样，加热炉500形成初级燃烧区域566和次级燃烧区域568。
81.然而，燃烧器610包括旁路空气管670，其将燃烧空气引入加热炉500中，以便不影响在初级燃烧区域566中发生的燃烧。可以看出，旁路空气管670甚至随着初级燃烧区域566下游或从初级燃烧区域566的下游延伸，使得进入穿过旁路空气管670的燃烧空气被引入次级燃烧区域568而不引入初级燃烧区域566中。这样，当相对较少量的初级燃料可用于初级燃烧区域时，通过管340引入的燃料-空气混合物可显著地为贫的，即具有足够的多余空气以用于初级燃烧区域中的初级燃料的完全燃烧。因此，附加的燃烧空气一次级燃料燃烧和维持叠堆504中的过量氧气所需的-通过旁路空气管670提供应。通过旁路气管670引入燃烧空气由致动器672控制。例如，计算机处理系统可控制致动器672以减少或增加通过旁路空气管670作为必要引入的燃烧空气，以控制初级燃烧区域内的绝热火焰温度(atf)，这将使得能够进一步控制初级和次级燃烧区域的nox和co水平，如下文进一步讨论的。这在其中初级和次级燃料不同的情况下尤其有用，并且在初级燃烧区域中可用的燃料的量被限于在将所有的燃烧空气引入初级燃烧区域中实现适当aft所需的期望量之下。
82.另选地或除上文之外，对通过管340引入的燃烧空气和通过旁路空气管670引入的燃烧空气的调节可用来改变燃烧器610内的空气分布。例如，来自初级燃烧区域的过量空气的量可随着来自旁路空气管670的过量空气的相应的降低或增加而增加或降低。
83.现在转到图7-14，现在将讨论当前公开的上述实施方案和另外的实施方案的某些特征。具体地讲，图7示出了另一个燃烧器实施方案。图7的燃烧器710具有与图3-5类似的许多部件；因此，类似的标号表示类似的部件。然而，鉴于图3-5使用圆柱形燃烧器瓦(内侧和/或外侧)，本公开的实施方案也可利用具有限定燃烧器室的收敛的或发散的内表面的燃烧器瓦。例如，图7示出了具有瓦壁722的燃烧器瓦714，所述瓦壁具有圆柱形外表面723和发散的内表面721。因此，瓦壁722在第一末端724处比在第二末端726更厚。因此，与图3-5的圆柱形燃烧室相反，发散的内表面721限定锥形燃烧室716。内表面721的该发散角允许火焰和再
循环涡旋可自由地朝向瓦出口孔或出口718膨胀，从而防止瓦燃烧室内侧的可能的压力波动，尤其是在较高的热释放下。
84.如图7所示的阶段燃料喷嘴352，从燃烧器瓦714的外表面723向外排放阶段燃料射流。喷嘴可定位在距燃烧器更远的距离处，并且甚至可放置在加热炉壁中，而不是与瓦714的基座720相对。图8示出了此类布置，其中加热炉壁306具有多个燃烧器710，具有阶段燃料喷嘴352远离燃烧器瓦714定位在加热炉壁306中。确定阶段燃料喷嘴352相对于燃烧器瓦的定位，以在与来自初级燃烧区域的过量空气混合之前通过惰性加热炉烟道气实现最大可能的阶段燃料射流饱和度。因此，阶段燃料喷嘴352可从外表面723向外排放燃料射流，将燃料射流排放成与外表面723成一直线或甚至朝向燃烧器瓦714的外表面723，以有助于实现此类饱和。
85.如前所述，管340的数量、直径、横截面形状可从一个瓦尺寸到另一个显著变化。图9示出了以两行定位在瓦壁722内侧的十个管340；每个具有与中心或中心点火单元760不同的半径。图10示出了围绕中心或中心点火单元760的一排定位的十个管。虽然相对于图7的实施方案示出，但本领域的技术人员将会理解，放置原理通常适用于本公开涵盖的大多数实施方案，包括本文所公开的其他具体实施方案。
86.虽然点火器是本领域已知的，但其他实施方案提供了可用作上述实施方案的点火单元的新型点火单元。图7示出了相对于燃烧器瓦714的一个此类点火单元760。图11更详细地示出了点火单元760。
87.点火单元760包括同心地定位在升管900中的燃料供应喷880。喷880的第一末端882与燃料气体源(图11中未示出)流体流动连通。喷880的第二末端884终止于燃料排放喷嘴886中的升管900内，使得流经喷880的燃料以涡旋模式通过燃料射流排放。换句话讲，燃料被排放以便在升管900内周向地和纵向地移动。
88.喷嘴886的一些适宜的结构示于图12、13和14中。如图12和图14中所示，喷嘴886可具有用作燃料射流的一个或多个排放臂888。排放臂888将燃料与升管900的内表面902相切地排放，该内表面相对于燃料供应喷880是切向的。通常，将存在围绕喷880的圆周等距间隔开的多个排放臂888。图12示出了三个排放臂888，并且图13示出了六个排放臂888。如图14所示，涡旋图案也可通过喷880中的一个或多个通道来实现，所述通道用作燃料喷射。通道890从内表面892延伸穿过喷880至外表面894。通道890从内表面892切向延伸。通常，排放臂888或通道890，无论使用哪一个，均朝向升管900的第二末端908成角度；因此，燃料与升管900的中心相切地排放，并且略微向前(朝向第二末端908)排放。通常，向前的角度将为约5度至约25度。
89.升管900具有第一末端904，该末端可为闭合的(未示出)或可与燃烧空气的供应流体流动连通(如图11所示)。因此，第一末端904可终止于位于集气室334的基座处或附近的孔906中，在集气室内侧或集气室外侧(如图所示)。通常，孔906将在集气室外侧，尤其是在其中有强制空气供应进入集气室中的情况下。
90.涡旋杯910连接到升管900的第二末端908。涡旋杯910定位在燃烧器瓦内并且可沿着燃烧器710的中心燃烧器轴线354定位。另外，涡旋杯910将通常位于管340的中心，如图7-10所示。涡旋杯910被配置成促进从喷嘴886排放的燃料的涡旋和前向运动。如图所示，涡旋杯910包括发散的弯曲壁912。
91.在操作中，高压原料燃料气体通过喷880朝向连接的喷嘴886引导。然后，燃料喷射(诸如排放臂888或通道890)与升管900的中心相切地排放燃料并且略微向前(5-25度)排放。因此，排放角度为复合角，其允许一个或多个燃料喷射在升管900内侧涡旋和向前移动。涡旋/螺旋移动沿着涡旋杯910的内表面继续，导致在涡旋杯910内侧形成涡旋火焰，并且进一步在涡旋杯910流出时形成涡旋火焰。如通过本领域已知的点火器761(图7中示意性示出)所提供的直接电火花可用来立即点燃火焰。涡旋器火焰是非常稳定的，这是由于在涡旋杯910内侧沿着中心线914形成了强大的逆流旋转涡旋。该涡旋使涡流永久地重新点燃并维持点火火焰的总稳定性。
92.无论具有或不具有通过升管900朝向涡旋燃料射流的轻微空气流，涡旋器火焰均可被组织。图11示出，一些空气可穿过形成在介于管900的内表面902与喷880的外表面894之间的环面通道901。可优化空气流以使nox排放最小化。
93.如所指出的那样，涡旋杯910可沿着燃烧器710的中心燃烧器轴线354定位并在管340的中心中，如图7-10所示。在该位置，涡旋器火焰可接触从管340流出的所有的初级燃料-空气流并立即点燃它们。然而，根据瓦的几何形状，管的数量和几何形状以及其他因素，将点火单元760和管340不同地定位在本公开的范围内。
94.图15-16示出了可能的点火单元的另一个实施方案。该点火单元920具有沿着燃烧器瓦，诸如图3的314的纵向中心线924延伸的中心管道或管922。管道922具有至少一个径向延伸的支柱926。通常，管道922将分成多个径向延伸的支柱(五个，如图16所示)。每个支柱926在喷嘴928中结束，所述喷嘴具有一个或多个口930以沿着燃烧器瓦314的内表面321的内圆周排放燃料射流。燃料或空气混合物通过中心管道922、通过支柱926引入，然后通过喷嘴928引入瓦壁322的内表面321上，使得燃料或燃料-空气混合物沿着内表面321周向地移动。其中仅通过喷嘴928提供燃料的情况下，或其中通过喷嘴928供给用于燃料的化学计量燃烧的不足空气的情况下，来自通过管340的燃料空气混合物的空气用来从点火单元燃烧燃料。
95.一般来讲，穿过喷嘴928的排放将沿着凸缘327，如果使用的话。因此，由点燃的燃料射流形成的火焰可被保持在由瓦凸缘327形成的环腔932内侧和安装在该凸缘上的环934内侧。如本领域已知的直接电火花装置(点火器761)可被用来点燃从喷嘴928中的一个排放的燃料。一旦建立来自一个喷嘴的火焰，火焰就沿着圆周在两个方向上非常可靠地传播。
96.在上述实施方案中，初级燃料和次级燃料的流动可通过调节通过初级燃料喷嘴344和次级燃料喷嘴352引入的燃料的流量来控制。通常，流速的调节是反相相关的，即，如果初级燃料流增加，则次级燃料降低，或者反之亦然。另外，可通过调节集气室来控制在自然通风燃烧器中引入的燃烧空气，诸如通过改变引入空气的孔尺寸，以便允许更多或更少的空气传递集气室中。可通过改变强制进入集气室中的空气，诸如通过改变风扇或鼓风机速度来控制在强制供气燃烧器中的燃烧空气。在一些实施方案中，计算机处理系统可被配置为控制燃料流和将空气引入集气室中，如下文进一步讨论的。
97.另外，集气室330的空气室336可为空的(除了空气之外)。因此，空气室336上部的空气在靠近安装板328的末端被加热，并且升温的空气气体可从靠近燃烧室的末端在管340的外侧向下行进，类似同流换热器那样在管340中预热初级燃烧空气。已发现这样做可通过在其离开管340之前增加燃料-空气混合物温度来进一步改善co排放性能，所述温度刚好足
以模拟在燃烧室内的附加的停留时间。在另一个示例中，管340可直接安装到燃烧室安装板上并且不被集气室围绕。
98.如图所示，燃烧室的设计可包括计算的空间、凸缘327、点火和压力释放/再循环窗口(图4的口425)、布置在燃烧室内侧的管340(大致混合管)和火焰保持器350。上述部件相对于彼此唯一地布置，以确保初级火焰锚定器在燃烧室内的所需位置处。可利用任何数量的燃烧锚定装置350，并且它们用来稳定瓦的燃烧室内侧的初级火焰。
99.结果是，所述设备可在接近或甚至高于燃料在室温下的易燃性极限的过量空气水平下操作。这些条件降低来自火焰的热和迅速形成的氮的氧化物。一氧化碳排放水平被抑制，因为瓦的燃烧室设计提高了瓦燃烧室内的局部环境温度。目前据信这使得初级火焰的co排放水平与安装在热应用(热加热炉应用)中的典型设备所进行的co排放水平类似，其中由于co2的快速氧化速率，co排放水平自然降低。
100.根据上述讨论，以上实施方案的一般操作方法包括首先建立炉膛负压以引起燃烧空气流以对于点火所需的量通过管340。来自点火单元(例如，点火单元760或点火单元920)的原料点火燃料的流动被传递到燃烧器瓦的燃烧室中，并且使用点火器点燃。在一些实施方案中，点火燃料的流动可诸如通过点火单元920或由于通道侧面的形状产生的康达(coanda)效应(使用美国专利号7,878,798的康达(coanda)设计)，沿着瓦的内瓦凸缘导向。
101.在建立点火火焰之后，初级燃料喷嘴344将燃料注入到管340中，使得使用夹带效应将燃料与燃烧空气充分混合，并且该混合物被点火单元由已经存在于燃烧室中的点火火焰点燃。因此，初级火焰稳定在火焰保持器350和瓦的内部梯级凸缘327上，如果使用的话。通过刚好位于火焰保持器下游的热的、再点燃的涡流和由瓦的凸缘形成的再循环区域来保持稳定性。空气-燃料混合物的一部分被火焰保持器偏转到瓦的燃烧室内表面。该混合物在表面上擦洗并燃烧，从而使表面发亮并充当在瓦的燃烧室内侧稳定化的附加的、可靠的火焰来源。
102.为了形成可能的最低nox排放，需要抑制热和迅速形成的氮的氧化物。优选地，在不损害火焰稳定性的情况下，将混合管出口处的空气/燃料比率设置得尽可能高，尽可能接近易燃性上限。例如，可将过量空气水平控制至50-110％(贫混合物，贫火焰)过量空气水平。燃料优选地与空气混合的同时尽可能彻底地行进穿过管340；空气/燃料混合物的均匀度对于设备的性能至关重要。
103.如前所论述，在其他实施方案中，燃料和空气可分别提供至设备燃烧室，只要它们在点燃之前快速混合至适当的水平即可。
104.将火焰锚定在设备燃烧室内允许平均且均匀的2400-2600
°
f的绝热火焰温度。从而，设备燃烧室空间温度也在约2400-2600
°
f左右，而不管周围的环境温度(燃烧器外侧的加热炉室温度)。
105.为了增加从正常至最大热释放的热释放，实施方案使用阶段燃料喷嘴352。逐渐排放阶段燃料允许通过消耗初级火焰中的过量氧气而将热释放从正常的热释放增加至最大的热释放。例如，如果燃烧器以5mmbtu/hr的热释放操作，仅具有初级燃料和点火燃料，并且混合物燃烧时具有火焰稳定在瓦内侧，则加热炉堆中的氧气浓度设定在介于7-11％(空间干燥)之间。此时，鼓风机燃烧空气流速率为固定的，并且阶段燃料流可逐渐增加以消耗过量氧气并实现8mmbtu hr的热释放速率。堆叠氧气含量将降低至2-3％(空间干燥)，这为最
大热释放时对于加热器操作的常见要求，以获得最佳的燃料效率。
106.一旦实现该条件，就可按比例改变初级燃料、阶段燃料两者以及空气供应以保持加热炉堆中的2-3％(空间干燥)过量o2，只要环境(加热器烟道气火墙)温度不降至低于某个下限，在该下限下阶段燃料将开始产生额外的co排放。在发生这种情况之前(通常在或低于～1350
°
f的加热炉温度下)，然后可关闭阶段燃料，并且可通过仅操作初级火焰保持低co和nox排放，所述初级火焰锚定在设备燃烧室内。
107.在许多应用中，燃料组成可在燃烧器的操作期间发生变化。由于燃料组成的变化，nox和co的排放可有变化。另外，驱动nox和co排放变化的变型为燃烧空气条件(诸如空气中的相对湿度)，和燃烧火焰周围的加热炉烟道气温度。所有这些系统条件均可导致nox和co排放的大变型。因此，本公开还涉及用于调节燃烧器以便保持期望的nox和co排放的系统和方法。
108.一般来讲，所述系统和方法将监测燃料组成，以便检测燃料组成的变化。该确定可以间歇间隔或周期性间隔进行，或者可连续地确定。所述系统和方法还监测进入所述系统的初级燃料的流量和进入所述系统次级燃料的流量。另外，所述系统确定在加热炉或燃烧器中的各种位置处的绝热火焰温度(aft)。通常，位置将包括至少初级燃烧区域和次级燃烧区域。可由燃料组成和引入燃烧器和/或加热炉中的空气的量来计算这些aft值，在该情况下，监控进入燃烧器/加热炉中的燃烧空气流。另选地，可通过传感器监测每个位置的实际火焰温度。
109.在确定了aft值之后，确定最小化nox所需的空气量。空气量可基于aft值和实验曲线来确定，其中实验曲线衍生自关于多种燃料组合物的过量空气量(超过完成燃烧的化学反应所需的化学计量空气流的空气的量)和绝热火焰温度(aft)的实验数据。
110.基于空气量确定，调节初级燃料的流量、次级燃料的流量、引入燃烧器和/或加热炉中的空气的量以及引入燃烧器和/或加热炉中的空气的分布中的至少一者。如将会知道的那样，如果调节燃料流量，则调节步骤通常至少对应于初级燃料的流量和次级燃料的流量两者。另外，通常同时调节初级燃料的流量和次级燃料的流量。例如，当初级燃料的流量增加时，次级燃料的流量同时降低。
111.可参考图17进一步理解该方法和系统。其中在各个阶段概述了燃烧器启动程序950，之后进行正常燃烧器操作。
112.对于已不活动的加热炉，激活燃烧器启动程序950。首先在步骤952中，通过启动鼓风机来建立燃烧空气流，并且通过例如，通过使用直接火花点火器来点燃通过点火单元引入的点火燃料。点火单元可为任何适宜的设计，诸如涡旋器型点火单元或瓦-凸缘点火单元。
113.一旦为点火单元建立了点火火焰，就激活步骤954。在步骤954中，初级燃料和燃烧-空气混合物通过初级燃料喷射器启动。然后通过初级燃料喷射器引入至燃烧器中的混合物被点火单元的火焰点燃。
114.在建立了初级火焰之后，步骤956继续增加初级燃料流，以获得初级燃烧区域中的最大热释放。燃烧-空气流也增加，以保持在加热器堆中的氧气水平在第一过量氧气水平，并且在初级燃烧区域内保持精确过量空气/氧气水平，这与用于排放的具体燃烧温度相关。通常，该第一过量氧气水平将足以允许初级燃料在计算以最小化nox和co排放的氧气水平
下燃烧。例如，初级燃料可用足够的氧气引入以燃烧初级燃烧区域中的初级燃料并在步骤956中保持堆叠中的氧气水平为7-11％(空间干燥)(第一过量氧气水平)。这可被计算成当次级燃料流在步骤958启动时在次级燃烧区域中燃烧次级燃料，并且在正常燃烧器操作960期间剩余的2-3％氧气水平留在堆叠中。2-3％氧气水平是作为焙烧设备中的正常过量氧气水平施加的典型标准，以便使燃料效率最大化。如上文所指出的那样，如本文所用的“堆叠”或“加热炉堆”包括加热炉燃烧区域下游的任何点，其中可测量烟道气的排放和过量氧气含量。通常，这一点将在加热炉的辐射段的堆叠或出口烟道中，但在一些实施方案中可为加热炉内但在燃烧区域外侧的区域，或者可为刚好位于加热炉出口烟道下游的区域。
115.接着，在燃烧器启动程序950期间，激活步骤958，其中将阶段燃料或次级燃料从阶段燃料喷嘴排放到加热炉中。为了增加从初级燃烧区域的热释放并因此最大总热释放，所述加热炉配备有阶段燃料喷嘴以排放次级燃料射流。阶段燃料的排放允许从初级燃料释放的热量增加，以通过消耗初级火焰的过量氧气使总热量最释放大化。
116.因此，在通过初级燃料的燃烧将加热炉温度升高至足以用于阶段燃料的温度之后，通过阶段燃料喷嘴启动次级燃料流。一旦次级燃料流启动，可调节初级燃料流、阶段燃料流和/或燃烧-空气流以实现该过程所需的总燃烧器热释放(初级燃料和次级燃料一起)。
117.例如，如果燃烧器以5mmbtu/hr的热释放操作，仅具有初级燃料引入(初级喷射器和点火单元)，并且混合物在火焰稳定在瓦内侧的情况下燃烧，则加热炉堆中的氧气浓度可设定在介于7-11％(空间干燥)之间。此时，鼓风机燃烧-空气流速率为固定的，并且次级(阶段)燃料流可逐渐增加以消耗过量氧气并实现8mmbtu/hr的热释放速率。堆叠氧气含量将降低至2-3％(空间干燥)，例如，这为最大热释放时对于加热器操作的常见要求。
118.另选地，一旦加热炉温度足以进行阶段燃料焙烧，则可启动阶段燃料引入，并且可降低初级燃料和空气流，同时增加次级燃料流以实现加热炉堆中所需的氧含量-例如2-3％(空间干燥)氧气-不必燃烧显著更多的总燃料(初级燃料和次级燃料组合)。
119.一旦启动了阶段燃料并且已实现堆叠中的预定氧气水平，该加热炉就处于正常的燃烧器操作。根据当前方法，在正常燃烧器操作960期间，初级和次级燃料流两者和空气供应可按比例变化以将预定过量氧气保持在加热炉堆中，在该示例中，在加热炉堆中高于2-3％(空间干燥)过量氧气。通常，将仅改变初级和次级燃料流。另外，只要环境(加热器烟道火墙)温度降低于预定下限，在该下限下阶段燃料将开始产生额外的co排放，那么加热炉将继续使用初级和次级燃料以及低过量堆叠氧气运行。然而，如果温度接近下限(例如，在或低于-1350
°
f的加热炉温度下)，则可关闭阶段燃料，并且可通过仅操作附接到燃烧器燃烧室内的火焰保持器的初级燃料火焰来保持低co排放。
120.该方法提供了响应燃料(初级和次级)组成变化以及其他系统变化诸如湿度水平来控制加热炉需要的正常操作。例如，在操作期间，燃料可间歇地、周期性地或连续地改变构成燃料的混合气体的比率。例如，燃料通常包含天然气、乙烷、丙烷和氢气以及附加的重质烃的组合。如果这些组分的比率改变，则燃烧的绝热火焰温度改变。例如，如果氢气的比例增加，燃料将燃烧更热，并且如果氢气的比例降低，燃料将燃烧更冷。
121.在所述方法的正常燃烧器操作阶段960期间，在步骤962期间确定燃料混合物组分。另外，在步骤962期间，测量并跟踪初级和次级燃料流入加热炉的流量。通常，将测量通过初级燃料喷嘴，通过阶段燃料喷嘴和通过点火单元(如果在使用中)的燃料流量。另外，如
果系统中使用有其他燃料喷嘴，也可跟踪和测量通过这些燃料喷嘴的燃料的流动。
122.接着在步骤964中，测量的数据被用来计算对于每个测量的点的燃料组合物的绝热火焰温度(aft)。在步骤966中，使用燃料的实验数据曲线和计算的aft来确定每个测量的燃料组合物所需的过量空气(exa)水平。保持该exa水平允许系统使初级燃烧区域中的nox排放输出最小化，即使燃料气体组成间歇地、不断地或周期性地改变。
123.实验数据曲线为exa(λ)相对于aft曲线。过量空气相对于aft的一个示例示出为图18。λ是穿过燃烧器的总空气流与化学计量的空气流的比率。过量空气(exa)可表示为高于化学计量流量的百分比，例如，如果λ为1.0，则exa为0％；如果λ为1.75，则exa为75％；如果λ为2.0，则exa为100％；并且如果λ为3.0，则exa为200％。基于燃料气体组成和燃烧空气特性来计算aft数。实验地确定对于每种燃料组合物的exa以作为最小可能的nox排放输出的目标。另外，可使用实验数据来确定每种燃料组合物的最低可能的aft，以最小化nox排放，同时保持aft足以使得燃烧过可程自维持(稳定而不存在附加的恒定点火源)。
124.该方法可包括连续取样和测量变化的燃料组成气体，然后计算绝热火焰温度(aft)(或直接测量火焰温度)，随着进一步确定操作燃烧器的主要部件以获得最小nox排放输出所需的过量空气exa。
125.在另选的实施方案中，一个或多个传感器测量叠堆中的氧气含量、叠堆中的nox和/或co水平。然后可使用这些测量的值而不是exa(λ)相对于aft曲线来确定要在以下步骤中对系统进行的调节。
126.由于操作条件的改变，诸如加热器操作期间燃料组成的连续、间歇或周期性变化-并因此导致了aft和最终nox和co的排放变化-下一步骤968将是调节初级燃料流、次级燃料流和/或燃烧-空气流，以便将由加热炉中的燃料燃烧释放的总热量保持恒定。因此，所述系统允许加热炉内的燃料气体分布和/或燃烧空气每个焙烧区域以这样的方式动态改变：在加热炉(或加热器)中的总燃料流或热释放不改变(恒定)。
127.例如，如果燃料组合物转变至更高的火焰温度(诸如由较高的氢含量引起)，则随着在初级燃烧区域内所需的燃烧-空气流被固定时，初级燃料流可降低，而同时增加次级燃料流。因此，初级和次级燃料流可以这样的方式同时调节：到燃烧器(或加热器/加热炉)的总燃料流和通过燃料燃烧释放的总热量不改变；即，它们是恒定的。因此，具有燃烧空气流固定，降低初级燃料流并同时增加次级燃料流，导致燃烧器的初级区域中的exa流量增加，这正是更热燃烧燃料、诸如较高含氢燃料所需的，以获得不基于燃料组成而变化的nox和co排放。
128.当燃料流被改变时，加热器堆中测量的氧气含量通常将需要保持在预定范围内，例如，基于叠堆中的总气体含量，1-4％(空间干燥)，或2-3％(空间干燥)或2.5-3％(空间干燥)。因此，改变初级和次级燃料流可能需要在最终步骤970中调节总燃烧空气，以便确保堆叠中的氧气含量始终在预定范围内。
129.如将会知道的那样，正常燃烧器操作步骤960是一个持续的过程，伴随燃料组成在步骤962中被不断监测，并且每当在燃料组成上有显著变化时执行步骤964至970；即，每当燃料组成的变化很可能导致nox排放的至少5％变化时，通常nox排放上的至少10％变化，并且更典型地，nox排放上的至少15％变化。然而，该变化可根据排放目标和对于加热炉的设定边缘而变化。常规加热炉在nox上的排放在一天内可由25％变化至50％；然而，使用当前
系统和方法的加热炉可在一天内减少至小于5％的在nox排放上的变化。
130.另外，如将会知道的那样，燃料的调节可与上述描述相反，即，燃料组成的变化可能需要增加初级燃料流并同时降低次级燃料流。例如，当燃料改变成比先前组合物燃烧更冷的组合物时，诸如当燃料组成变化以具有更少的氢含量时，可能需要增加初级燃料流，并且降低次级燃料流。另外，燃料流的此类变化还可需要增加或降低总燃烧空气，以便将堆叠中的氧气保持在预定范围内。
131.现在参见图19，其示出了用于执行上述过程的系统972的示意图。系统972包括具有叠堆504、多个燃料分配器978和计算机处理系统(cps)980的加热炉500。此外，加热炉500包括通常具有用于在加热炉内点燃并燃烧燃料的组件的燃烧器，所述组件诸如耐火砖、燃料喷嘴、集气室等，其可根据上述燃烧器实施方案。在图19中，仅燃烧器的集气室985是可见的。
132.燃料分配器978通过燃料管线982和通过燃料管线984的次级燃料提供初级燃料(用于初级燃料喷射器和点火单元两者)。一般来讲，将存在用于初级燃料和次级燃料的单独燃料分配器，以便这些的燃料流量可个别控制。此外，初级燃料喷射器和点火单元通常将具有单独的分配器，因此可个别控制对它们的燃料流量。燃料管线982和/或984通过集气室985(形成至少部分地容纳在加热炉500内的燃烧器的一部分)，在那里来自集气室的燃烧空气可与通过燃料管线的燃料混合，诸如通过使用混合管。通常，用于初级喷射器的燃料管线982将引入燃料-空气混合物。
133.一个或多个传感器986对燃料进行测量并将所得数据传输到cps980，以便确定初级燃料和次级燃料的组成。一个或多个传感器988和990测量初级和次级燃料的流量，并且将所得数据传输至cps 980。在一些实施方案中，系统972使用传感器992和994来测量包括在加热炉500内的初级燃烧区域和次燃烧区域的各种位置处的绝热火焰温度。在其他实施方案中，绝热火焰温度由cps 980基于燃料组合物和预加载实验数据来确定。另外，系统972可利用传感器996来测量加热炉堆504中的nox、co和/或过量空气量。各种阀和致动器998可用来控制燃料、并且在一些实施方案中，空气进入加热炉的流量。cps 980可被配置成控制阀和致动器，以便独立地调节初级燃料流、次级燃料流和燃烧-空气流。如将意识到的那样，cps 980将包括计算机存储器、计算机处理单元和类似的标准计算机系统部件。cps用来计算关于加热炉的各种条件并调节对于初级燃料、次级燃料和燃烧空气的流量。例如，可基于燃料组成来计算aft，并且可基于实验曲线数据来计算将nox最小化的空气量。
134.系统972将测量、计算、参考实验数据和调节加热炉系统的特征相互关联。系统972提供不断变化的燃料组成气体(例如天然气、丙烷、氢气)的连续取样和测量，之后进行计算或测量绝热火焰温度(aft)和/或预测排放，同时进一步确定操作燃烧器以获得最小nox、co或其他排放输出所需的过量空气(exa)。
135.上述系统和方法适用于多种加热炉(加热器)系统。例如，所述系统和方法可用于加热炉系统中，其中利用低火焰锚定将所有的燃烧空气与初级燃料一起引入燃烧器室中。
136.已参照图中所示的具体实施方案描述了当前公开的设备、系统和方法；然而，这些实施方案并不旨在限于那些具体的实施方案。对于本领域的技术人员将显而易见的是，一个实施方案的特征能够用于其他实施方案中的一个，只要它们不与另一个实施方案的元件直接冲突即可。例如，图7的发散的瓦可与图7所公开的具体点火单元一样与其他实施方案
中的任一个结合使用。另外，例如，图19示出了用于执行图17的过程的系统。虽然图19未示出如图6所示的中央空气管，本领域的技术人员将基于本公开实现图17和图19中所示系统和方法，而可容易地适合于控制空气通过中央空气管的流动，诸如图在6中所示的。
137.尽管组合物和方法根据“包含”、“含有”或“包括”各种部件或步骤的方式来描述，但所述组合物和方法还可以“基本上由所述各种部件或步骤组成”或“由所述各种部件或步骤组成”。每当公开具有下限和上限的数值范围时，具体公开了落入该范围内的任何数字和任何其中包括的范围。具体而言，本文公开的每个值范围(形式为“从约a至约b，”或等同地“从大约a至b，”或等同地“从大约a-b”)应被理解为列出范围更广的值范围内包含的每个数字和范围。另外，在术语“约”相对于范围使用的情况下，除非上下文指示适用“约”的另一定义，否则一般是指加或减该范围值的最后一个有效数字的一半。
138.另外，权利要求中的术语具有其清晰的普通含义，除非专利权人另外明确和清楚地定义。此外，如权利要求中所用的不定冠词“一个”或“一种”在本文中被定义为是指其引入的元件中的一者或多者。如果本说明书和可以引用方式并入本文的一个或多个专利或其他文献中的词语或术语的用法有任何冲突，应采用符合本说明书的定义。
技术特征：
1.一种燃料气体燃烧器设备，其包括：燃烧器瓦，其包括：基座；与所述基座相对的排放末端，所述排放末端限定排放出口；和将所述基座连接到所述排放末端并围绕所述排放出口的壁，所述壁延伸到加热炉中，并且具有外表面和限定初级燃烧室的内表面，其中所述排放出口允许从所述初级燃烧室到所述加热炉的流动；位于所述燃烧室内的多个火焰保持器；和多个初级管，每个初级管具有出口末端，并且其中每个初级管被配置成将燃料-空气混合物引入所述初级燃烧室中，并且所述出口末端相对于所述火焰保持器定位，使得通过所述出口末端被引入所述初级燃烧室中的所述燃料-空气混合物遇到所述火焰保持器，以将由所述燃料-空气混合物的燃烧导致的火焰锚定在所述初级燃烧室内。2.根据权利要求1所述的燃料气体燃烧器设备，其中所述燃烧器被配置成使得引入所述加热炉中的用于燃烧燃料的基本上所有的空气通过所述初级管引入。3.根据权利要求2所述的燃料气体燃烧器设备，其还包括多个次级燃料喷嘴，所述次级燃料喷嘴连接到燃料气体源并且可操作地与所述燃烧器设备相关联，使得次级阶段燃料气体从所述燃烧器瓦的外侧注入到所述燃烧器瓦的所述排放出口下游的点。4.根据权利要求1所述的燃料气体燃烧器设备，其还包括控制单元，其中通过所述初级燃料喷嘴和次级燃料喷嘴引入的燃料的量能够被控制。5.根据权利要求1所述的燃料气体燃烧器设备，其中所述火焰保持器附接到所述初级管的所述出口末端。6.根据权利要求5所述的燃料气体燃烧器设备，其中所述火焰保持器具有选自杯形、圆锥形、棱锥形和具有穿孔的圆柱形的形状。7.根据权利要求1所述的燃料气体燃烧器设备，其还包括点火单元，其中所述点火单元包括：具有内表面、第一末端和第二末端的升管，其中所述第二末端在所述瓦内并且与所述燃烧室流体流动接触；燃料喷，其具有在所述升管内的第二末端和与燃料供应流体流动接触的第一末端，其中所述第二末端具有被配置成注入燃料的排放喷嘴，以便在升管内周向地和纵向地移动，并且从所述升管的所述第二末端传递出到所述燃烧室中；和点火器，其点燃通过所述升管的所述第二末端的所述燃料空气混合物。8.根据权利要求7所述的燃料气体燃烧器设备，其中所述升管的所述第二末端还包括具有弯曲和发散的壁的涡旋杯。9.根据权利要求8所述的燃料气体燃烧器设备，其中所述第一末端被配置成允许空气进入所述升管中，使得来自所述排放喷嘴的燃料与通过所述升管的空气混合以产生涡旋空气-燃料混合物。10.根据权利要求1所述的燃料气体燃烧器设备，其还包括点火单元，其中所述点火单元包括：燃料喷，其具有第二末端和与燃料供应流体流动接触的第一末端，其中所述第二末
端在所述燃烧室内并且具有至少一个排放喷嘴，所述至少一个排放喷嘴被配置成沿着所述瓦的所述壁的内表面周向地排放所述燃烧室内侧的燃料；和点火器，其点燃通过所述排放喷嘴的燃料。11.根据权利要求10所述的燃料气体燃烧器设备，其中所述升管还包括一个或多个支柱，所述一个或多个支柱从所述升管向外朝所述瓦的所述壁的内表面延伸，并且其中所述支柱在一个或多个所述排放喷嘴中邻近所述壁的所述内表面终止。12.根据权利要求11所述的燃料气体燃烧器设备，其中所述喷嘴位于由所述壁的所述内表面上的凸缘和连接到所述凸缘的环形成的腔体中。13.根据权利要求10所述的燃料气体燃烧器设备，其中从所述排放喷嘴排放的所述燃料在燃料-空气混合物中。14.根据权利要求3所述的燃料气体燃烧器设备，其还包括：一个或多个传感器，其用于测量通过所述初级管引入的初级燃料的燃料流量和通过所述次级燃料喷嘴引入的次级燃料的燃料流量；一个或多个阀，其用于控制所述初级燃料的所述燃料流量和所述次级燃料的所述燃料流量；和计算机处理系统，其可操作地连接到所述传感器和阀，并且被配置成基于所述初级和次级燃料的组成、所述初级和次级燃料的绝热火焰温度以及对于nox排放的量的测量值中的一个或多个来调节所述初级燃料的所述流量和所述次级燃料的所述燃料流量。15.根据权利要求14所述的燃料气体燃烧器设备，其中所述燃烧器被配置成使得引入所述加热炉中的用于燃烧燃料的基本上所有的空气通过所述初级管引入。16.根据权利要求15所述的燃料气体燃烧器设备，其中所述火焰保持器附接到所述初级管的排放末端。
技术总结
通过其中初级燃料与特定范围的过量燃烧空气充分混合的系统和方法，在叠堆处减少O
