专利名称：液态燃料燃烧工艺和设备的制作方法
液态燃料燃烧工艺和设备
背景技术：
雾化器喷嘴的使用在燃烧领域中是公知的，如美国专利No. 5, 547, 368, No. 5，567，141、No. 5，393，220、No. 5，617，997 和 No. 7，500，849 中所例示的那样，在此通过引用将这些专利全文并入。如美国专利No. 5，547, 368中所述，雾化器喷嘴被用在诸如金属、玻璃、陶瓷材料等各种产品所用的工业熔炉中。燃烧应用中存在许多使液态燃料雾化的途径。可将喷嘴分组为两个主要群组 a)压力雾化器，其中使用比较高的液态燃料压力来驱动燃料流通过小孔口，该小孔口
将液体分散成液滴。这些雾化器比较简单。然而，它们的调节比(turn down ratio)较窄， 从而需要对流量要求变化大的系统更换喷嘴。b)双流体雾化器，其中雾化气体用于协助液体雾化。雾化气体通常以较高的压力被引入，而液态燃料可以较低的压力被传送。该组喷嘴可被进一步分为
1)外部混合，其中高速雾化气体在外部与较低速的液态燃料相遇，从而导致液体射流分散，即雾化。然而，这些喷嘴通常很粗糙，火焰形状和雾化质量常常不是最佳的，尤其是在氧-燃料燃烧器应用中。火焰短、紧密，从而引起不均勻的传热和局部过热。2)内部混合或乳化，其中雾化气体和液态燃料在内部腔室内混合，并且该两相混合物然后通过出口孔喷射，从而导致液体由于互相混合的气态相的减压而分散。这些喷嘴产生极好和可控的雾化、极好的火焰几何形状和均勻的热传递。虽然内部混合雾化器广泛用于空气-燃料的燃烧中，但它们在氧-燃料燃烧器中的使用却已由于冷却问题和可能的火焰回烧(flash-back)问题而受到限制。对于非水冷式燃烧器，主氧化剂冷却雾化喷嘴。对于主氧化剂为空气的空气-燃料燃烧器而言，冷却由于完全燃烧所需并为其提供的大量空气(主氧化剂)来完成。然而，对于利用O2浓度高于空气的主氧化剂的燃烧器的氧-燃料燃烧器而言，经由减小量的主氧化剂来冷却雾化喷嘴可能不令人满意。例如，在100% O2的氧化剂的情况下，如果提供用于燃烧的氧的化学计量要求量，则可用于冷却雾化喷嘴的主氧化剂的体积将是空气-燃料燃烧器的容积的约80%。另外，氧-燃料燃烧器具有高得多的火焰温度。由于这些原因，预期氧-燃料燃烧器中的雾化喷嘴将在比空气-燃料燃烧器中高得多的温度下运行。较高的内部混合喷嘴温度引起若干潜在的问题
1)升高的喷嘴温度可能导致液态燃料在它们被引入到炉内之前发生化学劣化。更具体而言，对于燃料油，如硫含量高的重油以及例如通过高的康氏残碳(CCR)数表示的残碳值高的油而言，诸如含有高水平浙青质的燃料油中普遍存在的那样，高喷嘴温度可能引起内部积碳和喷嘴堵塞。积碳和喷嘴堵塞需要维护，诸如清洁喷嘴。不论是否使用雾化气体，积碳和喷嘴堵塞都是一个问题。2)另外，如果使用氧气作为雾化气体，则升高的喷嘴温度和不恰当的喷嘴设计可能引起火焰回烧和严重的喷嘴故障。因此，行业希望适合用于燃烧氧-燃料的炉中的燃烧液态燃料的燃烧器和液态燃料雾化器。
行业希望不需要频繁清洁和/或维护的燃烧液态燃料的燃烧器和液态燃料雾化
ο行业希望易于清洁的燃烧液态燃料的燃烧器和液态燃料雾化器。
发明内容
本发明涉及一种用于燃烧液态燃料的设备。该用于燃烧的设备可为液态燃料雾化器。该液态燃料雾化器包括(a)总体上呈圆柱形的外导管，其具有雾化气体入口端部和雾化气体排放端部；(b)总体上呈圆柱形的内导管，其具有液态燃料入口端部和液态燃料排放端部，该内导管被布置在所述外导管内并形成所述外导管与所述内导管之间的雾化气体通道，该雾化气体通道从雾化气体入口端部延伸到雾化气体排放端部；以及(C)具有入口端部和排放端部的喷射末梢，该喷射末梢的入口端部与外导管的雾化气体排放端部结合。 该喷射末梢具有(i)混合室，其被布置成接收来自内导管的液态燃料排放端部的液态燃料，并被布置成接收来自雾化气体通道的雾化气体排放端部的雾化气体；以及(ii)在喷射末梢的出口端部的孔口，该孔口被布置成接收来自混合室的液态燃料和雾化气体，并用于将来自喷射末梢的液态燃料和雾化气体作为雾化液态燃料而排放。内导管在其液态燃料排放端部具有多个外翅片，其中所述多个外翅片中的至少一些接触喷射末梢的入口端部的内表面。液态燃料雾化器的孔口可为长形有缝孔口。多个外翅片可具有沿液态燃料排放端部的方向会聚的会聚外锥度。喷射末梢可在入口端部处具有沿出口端部的方向会聚的会聚内锥度，该内锥度总体上与所述多个外翅片的外锥度互补。多个外翅片可为纵向翅片。多个外翅片可为纵向翅片，并且多个外翅片的长度与外导管的外径的比可为0. 1 至 3. 0。多个外翅片可为螺旋翅片。多个外翅片的数目可为从3到20，或者为从6到10。外导管的导管壁厚与导管外径的比可为0. 1到0. 2。该设备的雾化气体通道液力直径与外导管的外径的比可为0. 05到0. 25。该设备在具有多个外翅片的内导管横截面处的内导管壁厚与内导管外径的比可为 0. 2 到 0. 7。
权利要求
1.一种用于液态燃料的燃烧的设备，所述设备包括总体上圆柱形的外导管，其具有雾化气体入口端部和雾化气体排放端部；总体上圆柱形的内导管，其具有液态燃料入口端部和液态燃料排放端部，所述内导管被布置在所述外导管内，并在所述外导管与所述内导管之间形成雾化气体通道，所述雾化气体通道从所述雾化气体入口端部延伸到所述雾化气体排放端部；以及喷射末梢，其具有入口端部和排放端部，所述喷射末梢的所述入口端部与所述外导管的所述雾化气体排放端部结合，所述喷射末梢具有混合室，其被布置成接收来自所述内导管的所述液态燃料排放端部的液态燃料，并且被布置成接收来自所述雾化气体通道的雾化气体；以及在所述喷射末梢的出口端部处的孔口，所述孔口被布置成接收来自所述混合室的液态燃料和雾化气体，并用于从所述喷射末梢作为雾化的液态燃料来排放所述液态燃料和雾化气体；其中，所述内导管在其液态燃料排放端部处具有多个外翅片，其中所述多个外翅片的至少一些接触所述喷射末梢的入口端部的内表面。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述孔口为长形有缝孔口。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述多个外翅片具有沿所述液态燃料排放端部的方向会聚的会聚外锥度，并且其中所述喷射末梢在所述入口端部处具有沿所述出口端部的方向会聚的会聚内锥度，所述内锥度与所述多个外翅片的所述外锥度总体上互补。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述多个外翅片为纵向翅片。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述设备的所述多个外翅片的长度与所述外导管的外径的比为0. 1至3. 0。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述多个外翅片为螺旋形翅片。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述多个外翅片的数目为从3到20。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述外导管的导管壁厚与导管外径的比为 0. 1 到 0. 2。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备的雾化气体通道液力直径与所述外导管的外径的比为0. 05到0. 25。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备在具有所述多个外翅片的内导管横截面处的内导管壁厚与内导管外径的比为0. 2到0. 7。
11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，
12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述喷射末梢的入口端部通过焊接接合部与所述外导管的所述雾化气体排放端部结合。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述焊接接合部具有大于所述外导管壁厚的25%到100%的厚度。
14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述混合室在邻近所述孔口处具有沿所述孔口的方向会聚的会聚内锥度。
15.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括限定了第一氧化剂气体通道的第一氧化剂气体导管区段，所述第一氧化剂气体通道具有第一氧化剂气体通道入口端部和用于排放第一氧化剂气流的第一氧化剂气体通道排放端部；以及其中所述外导管被布置成与所述第一氧化剂气体导管成间隔开的关系，所述外导管的至少一部分被布置在所述氧化剂气体通道内。
16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，进一步包括第二氧化剂气体导管区段，其限定了接近所述第一氧化剂气体通道的第二氧化剂气体通道，所述第二氧化剂气体通道用于排放第二氧化剂气流。
17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述设备还包括与所述第一氧化剂气体通道和所述第二氧化剂气体通道流体流连通的氧化剂入口歧管；以及级阀，其在下游与所述氧化剂入口歧管流体流连通，且在上游与所述第二氧化剂气体通道流体流连通，以便调节通向所述第二氧化剂气体通道的所述第二氧化剂气流的流量。
18.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，进一步包括氧化剂入口高压室，其在上游与所述第一氧化剂气体通道流体流连通，所述氧化剂入口高压室的至少一部分在所述外导管的至少一部分周围被间隔开；以及位于所述氧化剂高压室上游的氧化剂扩散器。
19.一种用于燃烧液态燃料的方法，包括提供根据权利要求15所述的设备；使第一氧化剂气体经过所述第一氧化剂气体通道，从而从所述第一氧化剂气体通道排放端部排放所述第一氧化剂气流；使所述液态燃料经过所述内导管并进入所述混合室，且使所述雾化气体经过所述雾化气体通道并进入所述混合室，从而形成液态燃料和雾化气体的混合物；使所述液态燃料和所述雾化气体的混合物经过所述孔口，从而将所述液态燃料和雾化气体的混合物作为雾化液态燃料从所述混合室排放到所述第一氧化剂气流中；以及使所述液态燃料的至少一部分与所述第一氧化剂气流的至少一部分燃烧，从而形成火焰。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述设备进一步包括限定出第二氧化剂气体通道的第二氧化剂气体导管区段，所述第二氧化剂气体通道接近所述第一氧化剂气体通道且在所述第一氧化剂气体通道下方，所述第二氧化剂气体通道用于排放第二氧化剂气流，所述方法进一步包括使所述第二氧化剂气流经过所述第二氧化剂气体通道，从而在所述火焰下方排放所述第二氧化剂气流；以及使所述液态燃料的至少另一部分与所述第二氧化剂气流的至少一部分燃烧。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述液态燃料和所述雾化气体的混合物在所述混合室内的平均停留时间为从250微秒到1600微秒。
22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述液态燃料和所述雾化气体的混合物以速度Vj从所述喷射末梢排放，并且所述第一氧化剂气体以速度&从所述第一氧化剂气体导管排放端部排放，其中1 IGO。
全文摘要
本发明涉及液态燃料燃烧工艺和设备。具体地，提供了一种用于液态燃料的燃烧的设备，例如雾化器或燃烧器，以及使用该设备燃烧雾化液态燃料的相关方法。该用于燃烧的设备具有外导管、内导管和喷射末梢。喷射末梢具有用于接收液态燃料和雾化气体的混合室，以及用于作为雾化液态燃料排放液态燃料和雾化气体混合物的孔口。内导管具有外翅片，其中至少一些外翅片接触喷射末梢的内表面。
文档编号F23D11/36GK102192502SQ20111004049
公开日2011年9月21日 申请日期2011年2月18日 优先权日2010年2月18日
发明者J. 沃森 M., 何筱毅 申请人:气体产品与化学公司