CN109073218B - 焚烧系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料焚烧系统，该燃料焚烧系统包括：燃料喷射器；多级燃料空气混合装置，该多级燃料空气混合装置包括垂直堆叠的多个燃料进气管并且配置为在一个或多个垂直堆叠的燃料进气管之间提供环形间隙以夹带周围空气来形成燃料空气混合物；以及燃烧器，该燃烧器与燃料空气混合装置连通并且限定燃烧室且与点火源连通。燃烧器配置为阻碍燃料空气混合物通过燃烧室的气流以实现燃料空气混合物在燃烧室内的期望的保留时间，以便实现燃料的基本上完全燃烧。

Description

焚烧系统

技术领域

本发明一般性地涉及用于碳氢化合物的燃烧的焚烧炉与火炬系统，所述碳氢化合物诸如在天然气或石油钻井现场产生的废气和废液，或者来自各种化学和石油化工应用的废物处理气体和液体。

背景技术

可燃碳氢化合物通常用作能源，但是在某些情况下，例如，在生产过剩或者设备的意外关停的情况下，可能需要它们的破坏。一些可燃碳氢化合物是自然进程或工业过程的副产品，在所述自然进程或工业过程中，能源无法停止和/或不易于控制并且无法存储以用于后续使用。

无法停止和/或不易于控制的可燃气体源的一个示例是垃圾填埋场。在垃圾填埋场中，废物中包含的有机物利用自然进程随时间缓慢腐烂，从而产生包含甲烷(CH₄)的气流。甲烷是可燃气体并且当从垃圾填埋场排出时以可变比例与其它可燃和非可燃气体混合。甲烷气体是有价值的能源，但如果直接排放至大气中，也是温室气体。因此，如果从垃圾填埋场排出的气流中包含的甲烷气体可能不易于使用或存储，该甲烷气体应当通过在废气燃烧器中的燃烧而被破坏。包含甲烷气体的气流也可通过其它工艺过程产生，例如，在厌氧消化池中产生。还存在很多其它情形和环境。

诸如用于可燃气体和液体的燃烧和处理的火炬设备的系统是众所周知的。火炬设备通常安装在火炬塔上并且位于生产、精炼、处理工厂等处，用于处理为任何原因而转移的可燃废气或其它可燃气流，所述原因包括但不限于通风、关停、扰乱和/或紧急事件。

一般期望的是不产生烟的燃烧可燃气体/液体，并且通常这种无烟或基本上无烟燃烧是强制性的。用于实现无烟燃烧的一种方法是为助燃空气供给蒸汽喷射泵，该蒸汽喷射泵有时被称作喷射器。助燃空气确保可燃气体被充分氧化以防止产生烟。因此，通常将蒸汽用作动力以在火炬设备中移动空气。当供给足够量的助燃空气且供给的空气与可燃气体充分混合时，蒸汽/空气混合物和可燃气体可以最低限度的烟燃烧或者无烟燃烧。

在典型的火炬设备中，使用诸如鼓风机、使用蒸汽的喷射泵、压缩空气或其它气体的动力连同沿着火焰的长度从周围大气获得空气一起来供给必需的助燃空气。

美国专利第8,967,995号公开了一种双压火炬系统，该双压火炬系统包括：双压火炬塔，该双压火炬塔具有与高压出口的中心对准的中心轴；高压烟道，具有与双压火炬塔的中心轴共线的中心轴；以及低压烟道，连接至低压尖端，并且还包括具有连接至鼓风机和混合室的气源连接器的气辅组件，其中，混合室围绕低压尖端。

US9464804公开了火炬气系统，该火炬气系统包括：具有开放的顶端和底板壁的垂直火炬塔，穿过底板壁设置的燃烧器配置。燃烧器配置接收来自废气电路的废气流以及一次空气。围绕燃烧器的二次空气孔口提供来自直接位于底板壁下方的集气室的二次空气。

EP2636951描述了一种燃烧系统，该燃烧系统包括燃烧装置、热交换器和烟囱。燃烧装置包括：废气进气管、负载气进气管、空气进气系统、用于将空气与废气和/或与负载气混合的混合室、以及气体可渗透燃烧表面，在预混合料已经流过气体可渗透燃烧表面后废气将在其上被燃烧，从而产生烟道气。烟囱将燃烧装置连接至热交换器，从而产生从燃烧装置流到热交换器中的烟道气。热交换器包括用于烟道气且用于至少一种待加热的流体的通道。

US6146131公开了一种配合到燃烧器室的多个燃烧器组件，所述多个燃烧器组件由向上指向的喷嘴构成，所述喷嘴用于在燃烧室中分散废气、以及用于废气的雾化并且将可燃废气向上引导并排放至燃烧器室中。在一些实施例中，烟囱的下端由一个或多个轴向置换的下管状壳形成，所述下管状壳被同中心地间隔开以形成用于接收额外的助燃空气的环形入口。

US2003/0059732公开了薄膜冷却技术以及在燃烧产物离开系统前的燃烧产物的最大稀释法。该参考文件教导使用置于燃烧室上方的分段的管以冷却气体燃烧的产物。在该参考文件中公开的系统还包括一对或多对废气入口端和封闭端，其中，每对的入口端和封闭端位于燃烧室的相对侧。

诸如在US6146131和US2003/0059732中公开的通常使用的焚烧炉系统使用火焰引导的空气流，其中，由燃烧器在燃烧室中产生的对流用于朝向燃烧器吸引更多空气以实现期望的燃烧。

因此，存在用于可燃气体和液体与空气的无烟燃烧以减轻噪声且提高效率的改进的设备、系统和方法的需求，借以可以以较小增加的诸如蒸汽、鼓风机等动力来燃烧更多燃料。

发明内容

本发明涉及一种焚烧系统，该焚烧系统包括空气燃料混合设备/装置和提供用于焚烧和/或火炬气操作的燃料空气混合物的燃烧器系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种燃料焚烧系统，该燃料焚烧系统包括：燃料喷射器，配置为以预定的速率喷射燃料；多级燃料空气混合装置，具有入口端和出口端，多级燃料空气混合装置在入口端处与燃料喷射器流体连通以接收从燃料喷射器喷射的燃料，以便与夹带的空气混合以形成燃料空气混合物，多级燃料空气混合装置包括垂直堆叠的多个燃料进气管，每个燃料进气管具有入口和出口，其中，每个燃料进气管的入口的横截面面积大于在前的燃料进气管的出口的横截面面积，从而在两个相邻的燃料进气管之间提供环形间隙，以便当将燃料空气混合物从一个燃料进气管传递到相邻的燃料进气管时夹带额外的空气；燃烧器，从多级燃料空气混合装置垂直地延伸，燃烧器具有与多级燃料空气混合装置的出口端流体连通的入口部，以及用于排出燃料燃烧产物的出口部，所述燃烧器在入口部和出口部之间限定燃烧室；所述燃烧器还与主点火源连通；其中，燃烧器配置为阻碍燃料空气混合物的气流通过燃烧室以实现燃料空气混合物在燃烧室内的期望的保留时间。

提供了一种增强燃料的焚烧的方法，所述方法包括：提供具有入口端和出口端的垂直堆叠的多级燃料空气混合装置，并且多级燃料空气混合装置在一端处与燃料喷射器流体连通并且在另一端处与燃烧器流体连通，多级燃料空气混合装置包括垂直堆叠的多个燃料进气管，每个燃料进气管具有入口和出口，其中，每个燃料进气管的入口的横截面面积大于在前的燃料进气管的出口的横截面面积，从而在两个相邻的燃料进气管之间提供环形间隙以夹带额外的空气；将燃料喷射至多级燃料空气混合装置中以实现使得混合的空气和燃料流入燃烧器中的速率并且当将空气燃料混合物传递至相邻的燃料进气管中时夹带额外的空气，阻碍混合的燃料和空气的气流通过燃烧器并且实现混合的燃料和空气在燃烧室内的期望的保留时间，从而产生具有足以实现燃料的基本上完全燃烧的燃料对空气的比率的燃料空气混合物。

附图说明

从与附图结合的以下详细说明中本改进的进一步特征和优点将变得明显，在附图中：

图1是根据本发明的实施例的燃料空气混合系统的透视图。

图2是图1的燃料空气混合系统的侧视图。

图3A是根据本发明的实施例的焚烧系统的透视图。

图3B是图3A的焚烧系统的示意性横截面图。

图4是根据本发明的实施例的燃料空气混合系统的耦接构件的透视图。

图5是根据本发明的实施例的燃烧室的透视图。

图6是根据本发明的实施例的排气管的透视图。

图7是根据本发明的实施例的燃烧罐的透视图。

图8A是根据本发明的实施例的防护罩的透视图。

图8B是图8A的防护罩的示意性横截面图。

图8C是根据本发明的实施例的带有门的防护罩的透视图。

图9A是根据本发明的另一实施例的焚烧系统的透视图。

图9B是图9A的焚烧系统的侧视图。

图9C是图9A的焚烧系统的示意性横截面图。

图10A是根据本发明的另一实施例的燃烧罐的透视图。

图10B是图10A的仰视图。

图11是根据本发明的另一实施例的防护罩的透视图。

图12是根据本发明的实施例的焚烧系统的示意性横截面图。

具体实施方式

除非以其它方式限定，否则文中使用的所有技术与科学术语具有与由本发明所属领域的普通技术人员所通常理解的相同的含义。

文中使用的术语“燃料”包括在天然气和石油钻井现场产生的废气和废液，或者来自化学和石油化工应用的废物处理气体和液体。废气的非限制性示例是包括甲烷、丙烷、丁烷和戊烷及其混合物的气体。

文中使用的表述“基本上完全燃烧”是指燃料的至少80％已经燃烧的燃烧。

文中使用的术语“燃烧区”是指燃烧器的长度的至少1/4。

如文中所使用的，术语“约”是指给定值的近似+/-10％的变化。将理解，这种变化总是包括在文中提供的任意给定值内而不管该给定值是否被具体提及。

本发明提供一种焚烧系统，该焚烧系统包括：与多级燃料空气混合装置/设备结合的燃料喷射器；以及燃烧器，该燃烧器提供一种用于基本上完全焚烧和/或火炬气操作的理想的燃料空气混合物的系统。

根据本发明的焚烧系统，包括：燃料喷射器，配置为以预定的速率/速度喷射燃料；多级燃料空气混合装置，与燃料喷射器流体连通以接收从喷射器喷射的燃料，以便与夹带的空气混合以形成燃料空气混合物。多级燃料空气混合装置包括多个垂直堆叠的燃料进气管，每个进气管具有入口和出口，其中，一个或多个进气管的入口的横截面面积大于先前进气管的出口的横截面面积，从而在两个相邻的进气管之间提供环形间隙以便当将燃料空气混合物从一个进气管传递到相邻的进气管中时夹带额外的空气。从多级燃料空气混合装置向上垂直地设置有燃烧器。燃烧器具有与多级燃料空气混合装置的出口端流体连通的入口部，以及用于排出燃料燃烧的产物的出口部。燃烧器在入口部和出口部之间限定燃烧室，并且还与主点火源连通。

燃料进气管配置为使得当空气燃料混合物从一个燃料进气管的出口喷射到相邻的燃料进气管的入口时，由燃料喷射器喷射的燃料和最初夹带的空气在夹带额外的空气的同时以足以到达燃烧室的速率/速度向上移动到燃料进气系统。燃烧器配置为阻碍燃料和空气混合物通过燃烧室的气流，以实现燃烧室内混合的燃料和空气的期望的保留时间。

申请人惊奇地发现，如文中所述地在燃料进气系统的入口处通过以预定推动的速率/速度喷射燃料，提供足够的燃料速率使得燃料空气混合物向上流动并在途中夹带额外的空气，以便形成在不需要使用动力的情况下燃料对空气的比率足以实现基本上完全燃烧/焚烧反应的燃料空气混合物。已经确定的是，可通过阻碍(由本发明的燃料进气系统产生的)燃料空气混合物流经燃烧室以实现燃烧室内的混合的燃料和空气的期望的保留时间导致燃料的基本上完全破坏。

已经确定的是，可通过实现燃料燃烧的产物以每秒英尺数计的排出速率小于燃烧区的长度的两倍并且大于燃料的燃烧速度，以便实现增强级别的燃烧/焚烧。

燃料的燃烧的速度在本领域中是已知的，并且/或者可基于本领域中已知的计算方法来容易地计算燃料的燃烧的速度。例如，已知甲烷的燃烧速度为约1英尺/秒，并且丙烷的燃烧速度为2.8英尺/秒。

本发明还已确定的是，可通过适当选择流体喷射器的喷嘴、用于夹带空气的环形间隙的尺寸和定位、空气进气管的尺寸和定位和/或燃烧器的尺寸和定位，以实现针对特定燃料的燃料空气混合物的必需的速率/速度以及燃料空气混合物在燃烧室中的期望的保留时间/位置。

更靠近燃料喷射器的燃料进气管的长度对宽度/直径的比率通常高于更靠近燃烧器的燃料进气管的长度对宽度的比率。

进气管的数量和进气管的相对长度和宽度的选择取决于燃烧器的尺寸和类型和/或待焚烧的燃料的类型和/或体积。

燃料进气管可具有恒定的横截面面积或者从入口端到出口端增大的横截面面积。

在一些实施例中，燃料进气管具有这样的长度和宽度，所述长度和宽度配置为在产生使得燃料对空气的比率促使燃料的基本上完全破坏/焚烧的最终的燃料空气混合物的同时，具有非共振对准(non-resonating alignment)以实现速率/动量足以使燃料空气混合物的气流到达燃烧室。

在本发明的上下文中，长度对直径(或宽度)的比率小于1：1(或者直径对长度的比率大于1：1)的燃料进气管还被称作“扩散器管(diffuser ducts)”。长度对直径/宽度的比率为1：1或更大(或者直径对长度的比率小于1：1)的燃料进气管还被称作“集中器管(concentrator ducts)”。

本发明的焚烧系统可具有一个或多个扩散器管以及一个或多个集中器管。

在一些实施例中，集中器管的横截面面积是恒定的，而一个或多个扩散器管的横截面面积从入口端向出口端增大。

在一些实施例中，至少第一扩散器管的横截面面积从入口端向出口端增大，并且最后一个扩散器管的横截面面积是恒定的。

在一些实施例中，本发明的多级燃料空气混合装置包括：以集中器管形式的第一燃料进气管，具有配置为接收从燃料喷射器喷射的燃料和夹带的空气以产生第一燃料空气混合物的第一管入口，以及用于喷射第一燃料空气混合物的第一管出口；以及作为第二集中器管的第二燃料进气管，具有配置为接收第一管出口和从第一管出口喷射的第一燃料空气混合物以及夹带的额外的周围空气以产生第二燃料空气混合物的第二管入口，以及用于喷射第二燃料空气混合物的第二管出口。燃料空气混合装置还包括：扩散器管，具有配置为接收第二管出口和从第二管出口喷射的第二燃料空气混合物以及夹带的额外的周围空气以产生第三燃料空气混合物的扩散器管入口，以及配置为与用于排出第三燃料空气混合物的燃烧室的入口连通的扩散器管出口。

在一些实施例中，燃料空气混合装置可具有作为集中器管的一个或多个额外进气管和/或一个或多个额外扩散器管。

在以上实施例的一个方面中，燃料空气混合装置包括三个扩散器管和两个集中器管，其中，第一扩散器管配置为在其入口中接收第二集中器管的出口，第二扩散器管配置为在其入口中接收第一扩散器管出口，并且第三扩散器管配置为在其入口中接收第二扩散器管出口，并且具有配置为与燃烧器的入口连通的出口。

在以上实施例的一个方面中，第一扩散器管具有从入口端向出口端增大的横截面面积，并且第二扩散器管具有从入口端到出口端的恒定的横截面面积。

在以上实施例的另一方面中，第一扩散器管具有向其出口逐渐增大的横截面面积，第二扩散器管具有向其出口快速增大的横截面面积，并且第三扩散器管具有恒定的横截面面积。

在一些实施例中，燃料空气混合系统包括四个扩散器管和三个集中器管，其中，第一扩散器管配置为在其入口中接收第三集中器管的出口，第二扩散器管配置为在其入口中接收第一扩散器管出口，等等，并且第五扩散器管配置为在其入口中接收第二扩散器管出口，并且具有配置为与燃烧器的入口连通的出口。

在以上实施例的一个方面中，第一扩散器管至第三扩散器管具有从入口向出口增大的横截面面积，并且第四扩散器管具有恒定的横截面面积。

在一些实施例中，一个或多个燃料进气管在入口和出口处具有渐扩的截面。在一些实施例中，一个或多个燃料进气管具有沙漏状配置。

可通过适当选择用于流体喷射器的喷嘴、用于夹带空气的环形间隙的尺寸和定位、空气进气管的尺寸和定位和/或燃烧器的尺寸和定位，以实现针对特定燃料的燃料空气混合物的必需的速率/速度和燃烧室中的燃料空气混合物的期望的保留时间/位置。

在一些实施例中，两个相邻的燃料进气管的入口和出口的横截面面积的比率为从约1.1：1至约4：1。在一些实施例中，两个相邻的燃料进气管的入口和出口的横截面面积的比率为从约1.1：1至约2：1。

在一些实施例中，燃烧器具有从约2：1至约20：1、从约3：1至约10：1或者从约4：1至约6：1的长度对直径的比率。

在一些实施例中，燃烧器的长度对燃料进气管的结合长度的比率为约1：1至约10：1。

在一些实施例中，扩散器管的结合长度对集中器管的结合长度的比率为约1：1至约10：1。在一些实施例中，扩散器管的结合长度对集中器管的结合长度的比率为约1：1至约1：10。在一些实施例中，扩散器管的结合长度对集中器管的结合长度的比率为约1：1至约2：1。在一些实施例中，集中器管的结合长度对扩散器管的结合长度的比率为约2：1至约1：1。

在一些实施例中，第一集中器管进入第二集中器管的相对定位、和/或第二集中器管进入第一扩散器管的定位、和/或第一扩散器管进入第二扩散器管的位置是可调整的，以实现针对特定燃料在最终的燃料空气混合物中的燃料对空气的比率。

燃料空气混合系统还包括耦接构件以将燃料空气混合系统保持在合适的位置。在一些实施例中，通过纵向取向的支架将进气管和扩散器管保持在合适的位置，所述支架使凹口就位并且配置为将进气管和扩散器管的入口啮合。

在一些实施例中，三个这种支架用于将燃料空气混合系统的组件耦接。在一些实施例中，所述支架在一端处附着到喷射器并且在另一端处附着到凸缘环，其中，凸缘环配置为配合在最后一个扩散器管的出口端上。

在一些实施例中，所述支架制造得薄以便使得它们对流入的空气的阻力最小化。

在一些实施例中，所述支架成型为鳍片形状。在一些实施例中，鳍片被穿孔以使得它们对空气的阻力最小化。

在一些实施例中，燃料进气管可经由多个耦接构件连接，使得一个耦接构件连接两个相邻的组件。例如，一个耦接构件将第一管入口与燃料喷射器的喷嘴同轴耦接，第二个耦接构件将第一管出口与第二管入口连接，等等。

在一些实施例中，燃料空气混合系统的凸缘环还配置为将燃料空气混合系统与燃烧器附着，使得最后一个扩散器管的出口与燃烧室的入口连通。

在一些实施例中，可将最后一个燃料进气管的出口端直接焊接至燃烧器的入口端中。

在一些实施例中，本发明的燃烧器具有细长的燃烧室。在一些实施例中，燃烧器具有恒定的横截面面积。在一些实施例中，燃烧室具有从其入口部至其出口部增大的横截面面积。

将理解的是，本发明中的燃烧器的总体尺寸和形状可改变以生成适于实现针对特定燃料的期望的保留时间的燃烧器。

在一些实施例中，燃烧器通常为柱体。替代地，也可使用其他形状。例如，燃烧器和/或燃烧室可以以通常的椭圆形横截面来制造。

在一些实施例中，燃烧器的出口部被分段并且包括各具有入口和出口的两个或更多个堆叠的圆柱段，其中，每个圆柱段的入口具有大于先前圆柱段的出口的横截面面积的横截面面积，从而在两个圆柱段之间提供进一步的空气进气位置。

在一些实施例中，燃烧器具有尾管，该尾管从燃烧室延伸并限定到该尾管的出口。

在一些实施例中，排气管配置为分段的排气管，包括各具有入口和出口的两个或更多个堆叠的圆柱段。

在一些实施例中，连接至燃烧器的排气管的第一圆柱段的入口具有小于燃烧器的出口端的横截面面积的横截面面积，并且剩余的圆柱段中的至少一个圆柱段的出口端具有大于先前圆柱段的入口的横截面面积的横截面面积，从而提供在两个圆柱段之间的进一步的空气进气位置。在一些实施例中，圆柱段中的第一段之后的每个圆柱段的出口端具有大于先前圆柱段的入口的横截面面积的横截面面积，从而提供在两个圆柱段之间的进一步的空气进气位置。

在一些实施例中，第一圆柱段位于燃烧器上方并且第一圆柱段的入口具有大于燃烧器的出口的横截面面积的横截面面积，从而提供在燃烧器和第一圆柱段之间的第一空气进气位置。此外，剩余圆柱段中的至少一个圆柱段的入口具有大于先前圆柱段的出口的横截面面积的横截面面积，从而提供在两个圆柱段之间的进一步的空气进气位置。在一些实施例中，剩余圆柱段中的每个圆柱段的出口具有大于先前圆柱段的入口的横截面面积的横截面面积，从而提供在两个圆柱段之间的进一步的空气进气位置。

由于一个或多个圆柱段的入口(多个入口)和出口(多个出口)的不同的横截面面积，支撑槽可设置在下部组件中，其提供以上组件的支撑。

在某些情况下，离开燃烧室的主排气可包括还未在燃烧器内燃烧的剩余燃料。通过在燃烧器中提供分段的出口部，将空气添加至离开燃烧室的主排气中可增强该剩余燃料在第一圆柱段内的二次燃烧，导致二次排气的产生。二次排气还可包括一些剩余燃料，并且将空气添加至二次排气中可增强在第二圆柱段内的三次燃烧。以此方式，由于第一空气进气口和第二空气进气口，在主排气和二次排气中的剩余燃料的进一步燃烧可提供用于被输入至焚烧炉系统中的燃料的基本上完全燃烧的方式。

在某些情况下，离开燃烧器的主排气可包括还未在燃烧器内燃烧的剩余燃料。在第一圆柱段内将空气添加至主排气中可增强该剩余燃料在第一圆柱段内的二次燃烧，导致二次排气的产生。二次排气还可包括一些剩余燃料，并且将空气添加至二次排气中可增强在第二圆柱段内的三次燃烧。以此方式，由于第一空气进气口和第二空气进气口，在主排气和二次排气中的剩余燃料的进一步燃烧可提供用于被输入至焚烧炉系统中的燃料的基本上完全燃烧的方式。

如将被易于理解的是，更多的圆柱段可被集成到焚烧炉系统的排气装置中。圆柱段的长度可配置为具有足够的长度以在维持通过焚烧炉系统的燃料的期望级别的产量的同时提供期望级别的燃烧，例如，通过焚烧炉系统的燃料的基本上完全燃烧。

在一些实施例中，燃烧器的出口部还包括在内部上的孔环。

在一些实施例中，燃烧器的出口部和从燃烧室延伸的尾管还包括在出口端处的在其内部上的孔环。在本发明的一些实施例中，一个或多个圆柱段还可包括在圆柱段的出口端处的在其内部上的孔环。

在一些实施例中，燃烧器的出口部和从燃烧室延伸的尾管还包括在出口端处的在其内部上的孔环。在本发明的一些实施例中，燃烧器的出口部和一个或多个圆柱段还包括在圆柱段的出口端处的在其内部上的孔环。

该孔环可对离开特定圆柱段的燃料/空气的气流提供阻碍，从而增加燃料/空气在特定圆柱段内的保留时间，这可以进一步提高系统的燃烧效率。孔环可具有半圆形状、或者锥体形状、或者其中孔环在仍提供穿过孔环的气流的同时减小了特定圆柱段的横截面面积的其他形状。

在一些实施例中，在排气管的第一空气进气口或随后的空气进气口处的空气的介入可能不足以开始二次燃烧(或三次燃烧)。随着在燃料/空气沿着分段的排气管的长度移动期间压力增加，这种情况可能发生。为了帮助二次燃烧(或三次燃烧)开始，在一些实施例中，二次点火源(或三次点火源)可设置在分段的排气管内。该二次点火源(或三次点火源)可提供用于进一步增强焚烧炉系统的效率的方式。根据实施例，二次点火源(或三次点火源)位于接近于空气进气口的位置或者在可被从空气进气位置移除的位置处，同时处于空气在空气进气口处进入焚烧炉系统的路径内。

根据本发明的实施例，燃烧器配置为提供两个或更多个分段的燃烧室，其中，与燃料空气混合与进气系统和主点火源连通的第一室被称作主燃烧器，并且随后的室被称作加力燃烧室。在这种系统中，离开主燃烧器的主排气在一个或多个加力燃烧室中进一步燃烧，从而提供用于被输入焚烧炉系统中的燃料的基本上完全燃烧的方式。

为了帮助二次燃烧(或三次燃烧)开始，在一些实施例中，二次点火源(或三次点火源)可设置在分段的燃烧室内。该二次点火源(或三次点火源)可提供用于进一步提高焚烧炉系统的效率的方式。根据实施例，二次点火源(或三次点火源)位于接近于空气进气口的位置或者在可被从空气进气位置移除的位置，同时处于空气在空气进气口处进入焚烧炉系统的路径内。

在一些实施例中，燃烧器和尾管的形状、长度和宽度配置为具有非共振对准和/或配置为在燃料燃烧时不产生推力。

在一些实施例中，燃烧器具有包括入口的底部和包括出口的顶部。

在一些实施例中，燃烧器的底部配置为附着到燃料空气混合系统的凸缘环。

在一些实施例中，燃烧器具有从顶部延伸至燃烧器室中的燃烧罐。在一些实施例中，燃烧罐经由凸缘环耦接至燃烧器的顶部。在一些实施例中，燃烧罐在其壁上具有多个穿孔或槽。在一些实施例中，所述罐配置为底部封闭的圆筒，该圆筒在其中(在侧壁和底部两者上)包括多个孔。在一些实施例中，底部是圆锥形状。在一些实施例中，底部是平坦壁。

根据实施例，侧壁的穿孔随着向上朝向燃烧器的出口部而在直径上增大，并且/或者在底部中的孔随着径向朝向底部的外边缘而在直径上增大。穿孔和孔尺寸的这种配置可提供当燃料的喷射位于接近于罐的底部的中央位置时用于控制焚烧炉内的气流的方式。如此，在燃烧器的中央区域(和罐的中央)的燃料空气混合物的速率将高于在罐的边缘处的燃料空气混合物的速率，并且通过增大朝向罐的底部的边缘的孔的直径可提供用于罐内的“正常化”气流的方式。根据实施例，可通过从罐的底部至罐的顶部逐渐增大罐中的孔的尺寸来实现罐内的类似正常化气流。

本发明的燃料喷射器考虑为具有变化的喷嘴。在一些实施例中，喷射器包括高压喷嘴。在一些实施例中，喷嘴是超音速的、亚音速的或者高超音速的流体喷嘴。在一些实施例中，燃料以约0.5psi至约30psi的压力喷射。燃料喷射器可与第一燃料进气管的入口空气动力学地耦接。

根据本发明的一些实施例，焚烧炉系统被防护罩包围。根据本发明的一些实施例，防护罩成型为在其底部和/或侧壁处可选地具有开口/穿孔/槽的圆筒形状。

在一些实施例中，防护罩可提供免受由焚烧炉系统产生的热的一定级别的保护和/或增强焚烧炉系统的冷却。根据一些实施例，防护罩由铰链门或盖形成，该铰链门或盖可为接近其中包围的焚烧炉系统提供方便。

在一些实施例中，防护罩增强了焚烧炉系统的冷却。在燃烧过程中，防护罩和焚烧炉系统之间的气泡被加热，该气泡垂直向上移动导致吸引外部空气通过防护罩中的开口。空气沿着焚烧炉系统的高度的这种移动可有助于热从焚烧炉系统的传递。在本发明的一些实施例中，防护罩中的开口可包括倾斜的散热孔，所述散热孔可对在进入焚烧炉系统和防护罩之间的空间期间的空气起作用或者具有向上的方向性。

根据本发明的一些实施例，其中，焚烧炉系统包括分段的出口部或分段的排气管，防护罩的覆盖排气管的分段的出口部或分段部分的部分设有多个吸气口。在一些实施例中，这些吸气口与相邻分段之间的一个或多个过渡区大体对准，其中，这些吸气口提供开口以便外部空气进入分段的排气管的第一空气进气口和/或第二空气进气口。在一些实施例中，所有这些吸气口均与过渡区对准。通过在防护罩内设置这些开口，较冷的外部空气可被提供至空气进气口，这可提高分段的排气管中的剩余燃料的二次燃烧和三次燃烧。

在一些实施例中，防护罩的吸气口布置为与相邻分段之间的一个或多个过渡区偏移。在一些实施例中，所有这些吸气口均与过渡区偏移。偏移的吸气口的存在有助于增强焚烧炉系统的冷却。

通常使用的焚烧炉系统使用火焰引导的气流，其中，由燃烧室中的燃烧器产生的对流用于向燃烧器吸引空气，这需要使用非常大的焚烧炉体积和/或机械系统以减小装置的尺寸，和/或使用动力，诸如，鼓风机、使用蒸汽的喷射泵、压缩空气或者用于有效操作的其他气体。

本发明利用喷射的燃料的动能以产生燃料通过文中所述的燃料进气系统的燃料引导的文丘里气流(venturi flow)，同时夹带沿途的空气以实现具有在不需要使用额外动力的情况下实现燃料的有效焚烧的空气对燃料的比率的燃料空气混合物。此外，本发明已经确立的是，通过阻碍燃料空气混合物(由本发明的燃料进气系统产生)通过燃烧室的气流以实现燃烧室内的混合的燃料和空气的期望的保留时间而导致了燃料的基本上完全破坏。申请人已经发现通过本系统可实现超过90％的燃烧。

示例性实施例

图1和图2示出本发明的示例性实施例中的与(从燃烧器拆卸的)燃料喷射器耦接的燃料空气混合系统。如图1和图2中所描绘，燃料空气混合系统10包括具有入口端14a和出口端14b(未示出)的第一燃料进气管/集中器管14，第一燃料进气管/集中器管14与具有入口端16a和出口端16b(未示出)的第二燃料进气管/集中器管16连通，第二燃料进气管/集中器管16依次与第一扩散器管18连通。第一管的入口端14a配置为接收从喷射器12喷射的燃料，并且出口端14b通过入口端16a位于第二管内。类似地，第二管的出口端16b(未示出)经由其入口端18a位于第一扩散器内。第一扩散器管18的出口端18b(未示出)经由其入口端20a位于第二扩散器管20内，并且第二扩散器管20的出口端20b(未示出)经由其入口端22a位于第三扩散器管22内。第三扩散器管22的出口端22b(未示出)与凸缘环24附着/耦接。

在本示例中，喷射器12(具有喷嘴13)、第一燃料进气管14和第二燃料进气管16、第一扩散器管18、第二扩散器管20和第三扩散器管22通过三个纵向取向的支架26以同轴定向被保持在它们的位置，支架26从置为围绕喷射器12的主体的环30延伸并接合凸缘环24的底部24b。

如图4中所示，支架26中的每个支架具有配置为支撑/保持燃料进气管和扩散器管的入口端的凹口28a-28d。

支架26中的每个支架26的凹口28a-28d配置为分别保持第一燃料进气管的入口与燃料喷射器同轴、第二燃料进气管的入口与第一燃料进气管的出口同轴、第一扩散器管的入口与第二燃料进气管的出口同轴、第二扩散器管的入口端与第一扩散器管的出口同轴并且第三扩散器管的入口端与第二扩散器管的出口同轴。支架26中的每个支架26的上端附着到凸缘环24的底表面24b。

第一燃料进气管进入第二燃料进气管的穿透深度和第二燃料进气管进入第一扩散器管的穿透深度、第二扩散器进入第二扩散器管的穿透深度、以及第二扩散器管进入第三扩散器管的穿透深度未在图1和图2中描绘。

转到图3A和图3B，图3A和图3B描绘了本发明的焚烧炉系统的示例，其中，燃料空气混合系统与具有限定燃烧器室34的圆柱体的燃烧器32连接，燃烧器室34具有入口端34a和具有第二端34b的出口部。

如图5中所示，本示例中的燃烧器的端部34a和34b带有凸缘，其中，凸缘34a配置为与燃料空气系统的凸缘环24连接。

在本示例中，燃烧器还具有排气管36，排气管36具有第一凸缘端36a和第二端36b(图6)。排气管的端部36a与燃烧器的凸缘端34b连接。排气管延伸远离燃烧器室并且端部36b限定排气管的出口。

如图3A和图3B中描绘的，在本示例中，燃烧器具有从其端部34b延伸至燃烧器室中的额外的燃烧罐38。

如图7中所示，燃烧罐具有上凸缘端38b和下圆锥端38a，其中，上凸缘端38b配置为被保持在燃烧器的上端34b和排气管的第一端36a之间的凸缘连接内。燃烧罐在其壁上还具有多个穿孔40。

图8A至图8C示出用于图3A和图3B中描绘的焚烧炉系统的防护罩50。防护罩50在其底壁上具有穿孔/槽53a，并且在其下侧壁上具有穿孔/槽53b。在本示例中，防护罩具有铰链门或盖52以易于接近其中包围的焚烧炉系统。

图9A至图9C示出本发明的焚烧炉系统的另一示例，其中，燃烧器的出口部62包括两个堆叠的圆柱段64和66。第一圆柱段64位于燃烧室68上方并且具有大于燃烧室的直径，从而提供介于燃烧器和第一圆柱段64之间的第一空气进气位置64a。此外，第二圆柱段66具有大于第一圆柱段64的直径，从而提供介于第一圆柱段64和第二圆柱段66之间的第二空气进气位置66a。由于圆柱段的不同直径，支撑槽70设置在下部组件中，该下部组件提供对以上较大的直径组件的支撑。

图10A和图10B示出燃烧罐的另一示例，该燃烧罐配置为在其中(在侧壁84和底部86上)包括多个孔82的底部封闭的圆筒80。在本示例中，底部86中的孔82随着径向地朝向底部86的外边缘而在直径上增大。

图11描绘了配置为包围如图9A至图9C中示出的包括分段的排气管的焚烧炉系统的防护罩90。在本示例中，防护罩配置为类似于以上针对图8A至图8C讨论的防护罩，而修改以增强分段的排气管的功能性。在本示例中，防护罩的上部包括第一吸气口92和第二吸气口94，其中，这些吸气口提供开口以便于外部空气进入分段的排气管的第一空气进气口和第二空气进气口。通过在防护罩内提供这些开口，较冷的外部空气可被提供到空气进气口，这可提高分段的排气管中的剩余燃料的二次燃烧和三次燃烧。

图12描绘了本发明的焚烧炉系统的示例，其中，燃料空气混合系统110与用于限定分段的燃烧器室114(主室)和116(加力燃烧室)的燃烧器112连接。燃烧器具有与具有分段部分128和130的排气系统126连通的入口端118a和第二端118b。主室经由入口端118a和主点火源120与燃料空气混合系统110连通。在某些情况下还可设置二次点火源122和三次点火源124。例如，第一个二次点火源可设置在主燃烧器和第一个加力燃烧室的接合点处，等等。三次点火源可设置在最后一个加力燃烧室和排气系统的入口的接合点处。

将易于理解的是，文中讨论的所有组件可由任何适当的材料构成。此外，文中讨论的所有组件可通过本领域技术人员易于理解的任何适当的工艺来制造。

在试验中，燃烧器由钢制成。然而，也可使用其他材料。一种考虑是材料具有足够的耐热性，特别是对于燃烧室和排气管来说。

显而易见的是，本发明的前述实施例是示例并且可以很多方式变化。这种目前或将来的变化不应当被认为是脱离本发明的精神和范围，且如对本领域技术人员来说明显的所有这些修改旨在被包括在权利要求的范围内。

权利要求的范围不应当由说明书中阐述的优选实施例来限制，而是应当作为整体给出与说明书一致的最广义的解释。

Claims (24)

1.一种燃料焚烧系统，包括：

燃料喷射器，配置为以预定的速率喷射燃料；

多级燃料空气混合装置，具有入口端和出口端，所述多级燃料空气混合装置在所述入口端处与所述燃料喷射器流体连通以接收从所述燃料喷射器喷射的燃料，以便与夹带的空气混合以形成燃料空气混合物，

所述多级燃料空气混合装置包括垂直堆叠的多个燃料进气管，每个燃料进气管具有入口和出口，其中，每个燃料进气管的所述入口的横截面面积大于在前的燃料进气管的所述出口的横截面面积，从而在两个相邻的燃料进气管之间提供环形间隙，以便当将所述燃料空气混合物从一个燃料进气管传递到相邻的燃料进气管中时夹带额外的空气；

燃烧器，从所述多级燃料空气混合装置垂直地延伸，所述燃烧器具有与所述多级燃料空气混合装置的所述出口端流体连通的入口部，以及用于排出燃料燃烧的产物的出口部，所述燃烧器在所述入口部和所述出口部之间限定燃烧室；所述燃烧器还与主点火源连通；

其中，所述燃烧器配置为阻碍所述燃料空气混合物通过所述燃烧室的气流以实现所述燃料空气混合物在所述燃烧室内的期望的保留时间。

2.如权利要求1所述的燃料焚烧系统，其中，所述燃烧器包括两个或更多个分段的燃烧室，每个燃烧室具有入口部和出口部，其中，第一室与所述多级燃料空气混合装置和所述主点火源连通以限定主燃烧室，并且随后的分段限定加力燃烧室并与所述出口部连通。

3.如权利要求2所述的燃料焚烧系统，其中，一个或多个所述加力燃烧室设有二次点火源或三次点火源。

4.如权利要求2或3所述的燃料焚烧系统，其中，所述主点火源、二次点火源和/或三次点火源设置在所述分段的燃烧室内。

5.如权利要求2或3所述的燃料焚烧系统，其中，所述主点火源、二次点火源和/或三次点火源设置为接近于空气进气口或者位于能够被从空气进气位置移除的位置处，同时处于空气在所述空气进气口处进入焚烧炉系统的路径内。

6.如权利要求2所述的燃料焚烧系统，其中，至少一个所述分段的燃烧室的所述入口的横截面面积大于前一分段的燃烧室的所述出口的横截面面积。

7.如权利要求1所述的燃料焚烧系统，其中，所述燃烧器的所述出口部包括两个或更多个堆叠的分段部分，每个所述分段部分具有入口和出口。

8.如权利要求7所述的燃料焚烧系统，其中，至少一个分段的出口部的所述入口的横截面面积大于前一分段的出口部的横截面面积。

9.如权利要求1所述的燃料焚烧系统，其中，所述燃烧室具有罐。

10.如权利要求9所述的燃料焚烧系统，其中，所述罐在其中具有多个孔。

11.如权利要求10所述的燃料焚烧系统，其中，第一孔具有第一直径并且位于比具有第二直径的第二孔更靠近所述多级燃料空气混合装置，其中，所述第一直径小于所述第二直径。

12.如权利要求1所述的燃料焚烧系统，还包括与所述燃烧器的所述出口部流体连通的排气管。

13.如权利要求12所述的燃料焚烧系统，其中，所述排气管在其出口处具有孔环，所述孔环伸入所述排气管的内部中。

14.如权利要求12所述的燃料焚烧系统，其中，所述排气管包括两个或更多个堆叠的圆柱段，每个圆柱段具有入口和出口。

15.如权利要求14所述的燃料焚烧系统，其中，所述堆叠的圆柱段的第一段具有第一横截面面积并且所述堆叠的圆柱段的第二段具有第二横截面面积，所述第一段比所述第二段更靠近所述燃烧室，并且其中，所述第一横截面面积小于所述第二横截面面积。

16.如权利要求15所述的燃料焚烧系统，其中，所述第一横截面面积和所述第二横截面面积被选择为在所述第一段和所述第二段之间提供环形间隙使得空气被夹带至所述堆叠的圆柱段中。

17.如权利要求16所述的燃料焚烧系统，其中，所述第一段连接至所述燃烧器并且所述第一段的横截面面积小于所述燃烧器的所述出口部的横截面面积。

18.如权利要求16所述的燃料焚烧系统，其中，所述第一段的横截面面积大于所述燃烧器的所述出口部的横截面面积，从而在所述燃烧器和所述第一段之间提供额外的空气进气位置。

19.如权利要求14所述的燃料焚烧系统，其中，所述堆叠的圆柱段中的至少一个圆柱段在其出口处具有孔环，所述孔环伸入所述堆叠的圆柱段中的至少一个圆柱段的内部中。

20.如权利要求19所述的燃料焚烧系统，其中，所述孔环由多个浅凹形成或者形成为突起。

21.如权利要求1所述的燃料焚烧系统，还包括围绕所述燃烧室的防护罩。

22.如权利要求21所述的燃料焚烧系统，其中，所述防护罩包括一个或多个吸气口。

23.如权利要求12所述的燃料焚烧系统，还包括围绕所述燃烧室的防护罩，所述防护罩包括一个或多个吸气口，其中，所述排气管包括以堆叠配置的第一段和第二段，其中，所述第一段的横截面面积小于所述第二段的横截面面积使得空气能够被夹带至所述第二段中，并且其中，所述防护罩的所述一个或多个吸气口与所述第一段和所述第二段之间的过渡区对准，并且/或者其中，所述防护罩的所述一个或多个吸气口与所述第一段和所述第二段之间的过渡区偏移。

24.一种增强燃料焚烧的方法，所述方法包括：

提供在一端处与空气源流体连通并且在另一端处与燃烧器流体连通的垂直堆叠的多级燃料空气混合装置，

所述多级燃料空气混合装置包括垂直堆叠的多个燃料进气管，每个燃料进气管具有入口和出口，其中，每个燃料进气管的所述入口的横截面面积大于在前的燃料进气管的所述出口的横截面面积以便在两个相邻的燃料进气管之间提供环形间隙以夹带额外的空气；

将燃料喷射至所述多级燃料空气混合装置中以获得使得混合的空气和燃料流入所述燃烧器中的动量/速率，并且当空气燃料混合物被喷射至相邻的燃料进气管中时夹带额外的空气，

阻碍混合的燃料和空气的气流通过所述燃烧器以获得混合的燃料和空气在所述燃烧器的燃烧室内的期望的保留时间，从而产生具有足以实现所述燃料的基本上完全燃烧的燃料对空气的比率的燃料空气混合物。

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