分布式燃烧方法和燃烧器的制造方法

分布式燃烧方法和燃烧器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种燃烧器，其具有燃料/氧化剂喷嘴和在其任一侧上隔开的一对动力喷枪，所述动力喷枪分别沿着燃料喷射轴线喷射燃料和主氧化剂射流以及副氧化剂射流。致动流体射流撞击在副氧化剂射流上以使副氧化剂射流与燃料喷射轴线流体地成一定角度。成一定角度以及主和副氧化剂喷射之间的氧化剂分级作用允许实现分布式燃烧状态。
【专利说明】分布式燃烧方法和燃烧器
【背景技术】
[0001]燃料的富氧燃烧是一种用于相对于基于空气的燃烧增加工业炉内的热利用(热效率)的已知策略。富氧燃料燃烧器具有增加从火焰到负载的辐射热传递的较高火焰温度。然而，较高火焰温度在某些情形中会具有负面影响，尤其是对于例如用于二次铝熔融的较低温度的炉而言。由于高火焰温度，增加了 NOx形成的倾向。因此，如果N2通过燃料或由于空气渗透到炉内而进入燃烧区，则NOx形成会显著增加。而且，较高温度火焰会在炉中产生热点或者不利地影响产品质量。在某些情形例如铝的熔融中，高火焰温度还会增加金属氧化速度，从而引起金属损耗。
[0002]为了克服以上问题，已开发分布式(分散，distributed)燃烧作为用于在较低但很均匀的温度下执行富氧燃烧的策略。分布式燃烧也称为稀释燃烧、柔和燃烧或无焰燃烧(在某些情形中在火焰不再可见时)，该策略的中心思想是在燃烧之前用炉气(主要是H2O与CO2的混合物)稀释反应剂，以便实现炉内的较低和更均匀的温度分布。稀释后的混合物的温度应该保持高于自动点火温度以维持无焰模式。与在传统燃烧过程中观察到的质量输送与化学反应之间的复杂反应不同的是，高度稀释后的反应剂通过增加燃烧反应的时标而使燃烧成为动能受限的过程。该缓慢燃烧过程本身通过峰值温度低由此大幅减少NOx的高度分布式反应区实现。
[0003]已提出很多用于分布式燃烧的燃烧器。
[0004]W02004/029511利用通过燃烧器的氧喷嘴产生的喷射器效应来提供炉气的内部再循环。燃料的下游喷射允许氧在到达燃料之前与炉气混合。W02004/029511包括围绕燃料喷射呈圆形安置的氧供给管道。氧供给管道优选以超音速递送氧。
[0005]与W02004/029511燃烧器一样，美国专利N0.6，007，326涉及炉中的燃料和氧气两者的浓度均低的燃烧。通过它们在高速度下的空间分离的喷射来获得反应剂的稀释。燃料和氧化剂可被预热至高于环境温度的任意温度。
[0006]美国已公布的专利申请US 20070254251公开了一种设计用于无焰燃烧体系的燃烧器。其包括起不同作用的若干燃料和氧化剂喷射。可能的中央火焰稳定器被用于将燃料和气态氧化剂喷射到炉或燃烧区内的多个喷嘴包围。其可以使用空气或氧作为氧化剂。
[0007]—些利用氧气的分布式燃烧燃烧器必须依赖于反应剂的高速喷射。高速喷射通常要求用于操作的氧气和天然气的高压力。由于该缺陷，需要使用利用压力比较低的氧气的燃烧器来实现分布式燃烧。
[0008]不论氧化剂供给的压力如何，分布式燃烧通常通过将燃料和氧化剂分开喷射到炉内来实现。任一股或两股反应剂射流以有利于例如通过使用高速度梯度、旋流或崖壁式体部将炉气夹带到射流中这样的方式喷射到炉内。出于在两股反应剂流彼此交互/混合之前实现一种或两种反应剂的充分稀释的目的来确定射流之间的距离。例如，美国专利N0.5，961，312公开了一种燃烧器设计，其中燃料与空气射流之间的距离L通过下式给出:(L/Da) X [(Va/X)_5]>10，其中Da是空气喷嘴的直径，Va是空气的速度，并且V。是空气的单位速度(lm/s)。类似地，美国专利N0.6，007, 326需要燃料和氧化剂射流之间具有至少6英寸且优选24英寸的距离，以实现用于低NOx生产的稀释燃烧状态。射流之间的这些间距要求常常使燃烧器过于庞大。
[0009]有时，还利用反应剂喷嘴之间的非零喷射角度来延迟反应剂的混合，直到它们被炉气稀释。例如，美国专利N0.5，772，421公开了一种燃烧器设计，其中燃料和氧化剂被排出成使得它们首先彼此发散，但最终在炉内混合。然而，发散的射流的混合取决于炉几何形状、燃烧器操作和燃烧器在炉内的位置。结果是，这些燃烧器常常仅在某些特定炉内并且在特定操作条件下有效。
[0010]另一种实现分布式燃烧的策略是通过使用多个喷嘴来将反应剂中的一种分配到炉内。其它反应剂通常作为高速或高旋流射流供给以夹带炉气。例如，美国专利N0.6，773，256公开了一种燃烧器，其中将少量燃料供给到氧化剂流中以实现贫燃料火焰。剩余燃料经由与火焰相距固定距离的多个燃料喷嘴供给。燃料喷嘴可设计成根据所期望的分级以不同角度向火焰喷射燃料。这种设计策略会导致较大、复杂的燃烧器，其可能制造起来相对昂贵并且难以控制。
[0011]由于上述缺陷，需要使用简单、紧凑的燃烧器实现分布式燃烧。
[0012]即使不将燃烧器紧凑性考虑为一个重要因素并且针对具体炉构型和具体操作条件优化燃烧器，但一旦燃料和氧化剂喷射之间的距离被设定，就不可能修改具有燃料和氧化剂的固定喷射的传统燃烧器中的该距离。如果期望提供能够燃烧气态、液态和固态燃料的单个燃烧器设计，则这一点变得重要。这是因为不同燃料具有不同的最佳喷射状态。最佳喷射状态之间的这种差别甚至在单个普通类别的燃料例如煤粉的不同类型之间存在。
[0013]由于上述缺陷，需要使用单一燃烧器设计实现不同类型燃料的分布式燃烧。
[0014]用于实现高度分级燃烧的一个重要条件是高炉温。为了针对高度分级的燃烧维持燃烧室内部的彻底燃烧，该炉必须被预热至高于800°C。大部分高度分级的燃烧器需要预热器燃烧器以在分级之前实现期望的炉温。例如，W02006/031163公开了一种能以火焰和分级两种模式操作的燃烧器。首先，当炉冷时，燃料和氧化剂从共轴开口(管套管)喷射以具有稳定火焰。一旦炉温达到燃料的自动点燃温度，燃料和氧化剂就从彼此空间地分离的开口喷射，以形成炉内部的分布式燃烧。几乎所有分级式燃烧器设计均存在的问题是它们常常在燃烧器功率并非为标称设计功率时具有不良的性能。典型地，这些燃烧器在标称功率条件下很好地工作，然而，它们的燃烧效率和排放特性常常在燃烧器功率从标称功率变成某种其它功率时显著降低。这种燃烧器功率的变化对于大部分工业炉而言是非常普遍的情形。
[0015]由于上述缺陷，还需要一种可在各种燃烧器功率下实现令人满意的分布式燃烧的燃烧器。

【发明内容】

[0016]公开了一种用于执行分布式燃烧的方法，该方法包括以下步骤。将燃料从设置在喷嘴砖(燃烧器炉体，burner block)中的燃料喷嘴沿着燃料喷射轴线喷射到炉内。将氧化剂从主氧化剂喷嘴喷射到炉内，燃料和主氧化剂喷嘴相对于彼此同心地设置。燃料和主氧化剂在炉内燃烧。减少从主氧化剂喷射的氧化剂的量。将第一和第二氧化剂射流从设置在喷嘴砖中的燃料喷嘴的相对侧上的第一和第二动力喷枪喷射到炉内。分别与第一和第二氧化剂射流成一定角度地喷射第一和第二致动流体射流，以使得第一和第二副氧化剂射流与燃料喷射轴线流体地(fluidically)成一定角度(angled away)。
[0017]还公开了一种用于执行分布式燃烧的燃烧器，该燃烧器包括:喷嘴砖，其具有适合背对燃烧空间的第一面和适合面朝燃烧空间的第二面；从所述第一面延伸到所述第二面的燃料/氧化剂喷嘴，该燃料/氧化剂喷嘴包括同心地设置在外管内的内管，该燃料/氧化剂喷嘴适合沿着燃料喷射轴线将燃料和主氧化剂喷射到炉内；以及第一和第二动力喷枪，其与燃料/氧化剂喷嘴等距地隔开并从所述第一面延伸到所述第二面。每个第一动力喷枪包括:具有邻近所述第一面的入口端和面对所述第二面的终端的主体，副氧化剂喷射通道和致动流体喷射通道穿过主体从喷嘴砖的第一面延伸到主体终端，致动流体喷射通道设置在副氧化剂喷射通道的背离燃料/氧化剂喷嘴的一侧上；以及设置在主体终端上的罩盖，该罩盖具有适合与主体终端匹配的匹配端和邻近所述第二面的终端，该罩盖还在罩盖终端中具有开口，该开口定尺寸成对应于外管的内径并且适合允许副氧化剂射流从副氧化剂喷射通道流出并离开终端开口。罩盖构造成提供致动流体喷射通道与罩盖终端之间的流体连通并且适合允许致动流体射流撞击在来自副氧化剂喷射通道的副氧化剂射流上，以使副氧化剂射流与燃料喷射轴线成一定角度。
[0018]还公开了一种用于执行分布式燃烧的燃烧器系统，该燃烧器系统包括以上公开的燃烧器、与燃料/氧化剂喷嘴流体连通的燃料源以及与燃料/氧化喷嘴和动力喷枪流体连通的氧化剂源。
[0019]所述方法、燃烧器和/或燃烧器系统可包括以下方面中的一个或多个:
[0020]-燃料是气态的。
[0021]-燃料是雾化液体。
[0022]-燃料是粉状固体。
[0023]-燃料是煤粉。
[0024]-煤粉被空气或回收的烟气的输送气体流化并被喷射。
[0025]-当作为第一和第二致动流体射流喷射的致动流体的量增加时，喷射到炉内的燃料和氧化剂的量增加，由此减少第一和第二副氧化剂射流与燃料喷射轴线流体地成一定角度的程度。
[0026]-另外一部分副氧化剂从分别设置在燃料喷嘴的上方和下方的第一和第二低速氧化剂喷枪喷射，其中所述另外一部分副氧化剂以比来自第一和第二动力喷枪的速度低的速度喷射。
[0027]-燃料和氧化剂的燃烧不产生可见火焰。
[0028]-燃料以及第一和第二副氧化剂射流在致动流体的喷射被启动之前互相平行地喷射。
[0029]-在致动流体的喷射被启动之前，第一和第二副氧化剂射流与燃料喷射轴线成一定角度地喷射；并且在致动流体的喷射被启动之后，第一和第二副氧化剂射流与燃料喷射轴线成一更大的角度喷射。
[0030]-每个罩盖还包括在相应致动流体喷射通道与罩盖终端开口之间流体连通的空腔；并且致动流体喷射通道、副氧化剂喷射通道、空腔和终端开口构造和适配成使得致动流体射流在副氧化剂离开终端开口之前撞击在副氧化剂射流上。
[0031]-每个罩盖还包括在相应致动流体喷射通道与罩盖终端开口之间延伸的孔；并且致动流体喷射通道、副氧化剂喷射通道、孔和终端开口构造和适配成使得致动流体射流在副氧化剂离开终端开口之后撞击在副氧化剂射流上。
[0032]-每个副氧化剂喷射通道沿着与燃料喷射轴线形成一定角度的轴线延伸。
[0033]-每个副氧化剂喷射通道沿着与燃料喷射轴线平行的轴线延伸。
[0034]-所述氧化剂是工业纯氧。
【专利附图】

【附图说明】
[0035]为了进一步理解本发明的性质和目的，应当参考以下结合附图进行的详细描述，附图中同样的元件被赋予相同或类似的附图标记，并且其中:
[0036]图1A是本发明的方法的第一实施例的第一步骤的示意图，其中仅从喷嘴砖喷射主燃料和氧化剂。
[0037]图1B是本发明的方法的第一实施例的第二步骤的示意图，其中副氧化剂的喷射被启动。
[0038]图1C是本发明的方法的第一实施例的第三步骤的示意图，其中实现了副氧化剂的期望分级程度。
[0039]图1D是本发明的方法的第一实施例的第四步骤的示意图，其中副氧化剂经由致动射流与燃料喷射轴线成一定角度。
[0040]图2A是本发明的方法的第二实施例的第一步骤的示意图，其中仅从喷嘴砖喷射主燃料和氧化剂。
[0041]图2B是本发明的方法的第二实施例的第二步骤的示意图，其中副氧化剂的喷射被启动。
[0042]图2C是本发明的方法的第二实施例的第三步骤的示意图，其中实现了副氧化剂的期望分级程度。
[0043]图2D是本发明的方法的第二实施例的第四步骤的示意图，其中副氧化剂经由致动射流与燃料喷射轴线成一定角度。
[0044]图3是不包括低速氧气喷枪的本发明的燃烧器的第一实施例的前立面示意图，其示出了隐藏部分。
[0045]图4是包括设置在主燃料/氧化剂和副氧化剂喷嘴位于其中的平面上方和下方的一对低速氧气喷枪的本发明的燃烧器的第二实施例的前立面示意图，其示出了隐藏部分。
[0046]图5A是动力喷枪的第一实施例的等轴侧示意图，其示出了隐藏部分。
[0047]图5B是沿着线B-B截取的图5A的动力喷枪的截面图。
[0048]图5C是沿着线C-C截取的图5A的动力喷枪的截面图。
[0049]图是沿着线D-D截取的图5A的动力喷枪的截面图。
[0050]图5E是从图5A的动力喷枪截取的纵向部分的示意性立面图。
[0051]图6A是动力喷枪的第二实施例的等轴侧示意图，其示出了隐藏部分。
[0052]图6B是从图6A的动力喷枪截取的纵向部分的示意性立面图。
【具体实施方式】
[0053]公开了一种用于分布式燃烧的简单、紧凑的燃烧器，该燃烧器能够通过利用动力喷枪实现的副氧化剂射流的流体定向在炉内广泛分布氧化剂。动力喷枪利用更多的氧化剂部分而不是移动机械部件以便改变离开燃料射流的所喷射的副氧化剂射流的方向。因此，氧化剂在比使用具有固定喷射轴线的副氧化剂喷嘴所实现的容积大得多的容积上铺开。通过使氧化剂在大得多的容积上铺开，燃烧器可以以例如具有更高的炉温均匀度以及更低的最高炉温的分布式燃烧模式操作。分布式燃烧模式还可通过将主氧化剂流降低至零或接近零流量并且同时从设置在燃料和氧化剂喷嘴上方和下方的低速氧化剂喷嘴喷射对应的氧化剂量来增强。
[0054]本发明的燃烧器提供的一个优点是其对喷射各种燃料的适应性。该燃烧器可喷射固体颗粒物、液体或气态燃料。固体颗粒燃料典型地为煤粉，该煤粉根据本领域中众所周知的技术使用空气或回收的炉/烟气的输送气体被流化并输送。输送气体典型地在最低燃烧器功率下具有约5%V01/V01的氧含量。液态燃料典型地是以足以使其雾化成喷雾的速度喷射的燃料油。用于喷射雾化的燃料油的技术对于本领域技术人员来说是众所周知的。气态燃料典型地是天然气。
[0055]该燃烧器提供的另一个优点是其紧凑的尺寸。传统的高分级或分布式燃烧燃烧器要求燃料和副氧化剂喷射之间的宽间距，以便在它们完全燃烧之前实现炉气的更多夹带和氧化剂与燃料的延迟混合。因此，传统喷嘴砖会比较大。虽然本发明的燃烧器也允许炉气的更多夹带和燃料与氧化剂的延迟混合，但本发明的燃烧器是通过将喷射点布置成相对接近并且使副氧化剂射流与燃料射流成一定角度而实现这一点的。
[0056]该燃烧器提供的又一个优点是其对各种炉几何形状的适应性。炉的几何形状和燃烧器功率可影响成一定角度的副氧化剂射流内的炉气夹带程度。换言之，如果射流成过大的角度并且炉壁足够接近射流，则否则炉气可被夹带的完全程度可被限制。如果炉几何形状不以这种方式限制成一定角度的射流，那么一般而言，射流成一定角度的程度越大，其变得被炉气稀释的程度就越大，总的炉温就变得越低，并且炉温变得均匀的程度就越大。
[0057]该燃烧器提供的又一个优点是其能够在比较宽的燃烧器功率范围内实现期望的燃料与氧化剂混合的能力。以具有空间上分离的反应剂喷射的分布式燃烧燃烧器为例，该燃烧器的反应剂喷射角度相对于彼此是固定的。对在典型的燃烧器功率实现分布式燃烧的需求促进了这些燃烧器的设计。当这种传统燃烧器的功率比其优化后的功率降低时，氧化剂沿着固定角度(或互相平行)的相对较低压力的喷射将趋于增加反应剂在互相混合之前与炉气的混合，由此引起不稳定的火焰。另一方面，当这种传统燃烧器的功率比优化后的功率增加时，沿着固定角度(或互相平行)的相对较高压力的喷射将趋于在反应剂混合在一起之前较少地与炉气混合，由此引起火焰和炉中的热点。这对于固体颗粒燃料比如在部分地燃烧的煤颗粒撞击相对的炉壁之前不会发生总体烧尽的煤粉来说尤其成问题。为了解决这些问题，可在燃烧器功率改变时仅通过改变副氧化剂射流与燃料射流成一定角度的程度来维持燃料与氧化剂的最佳混合和炉气的最佳夹带。在实践中，通过降低副氧化剂射流与燃料射流成一定角度的程度，可避免在相对较低的燃烧器功率下过量的炉气夹带和火焰不稳定。而且，通过降低副氧化剂射流与燃料射流成一定角度的程度，可避免在相对较高的燃烧器功率下的总体燃尽之前出现热点或颗粒煤在炉壁上的撞击。由于氧化剂与燃料越快混合，就越能够在燃烧产物不过度撞击在相对的炉壁上的情况下实现彻底的燃烧。
[0058]虽然所述燃烧器可用在各种工艺中，但其操作在包括例如用于固体填料比如玻璃和金属的熔融和精炼的熔融阶段然后是精炼阶段的燃烧过程中尤其有益。
[0059]在本发明的燃烧器的操作的第一阶段(加热阶段)期间，燃料和主氧化剂作为被另一种反应剂覆盖的一种反应剂的射流经管套管式燃料/氧化剂喷嘴喷射到燃烧室(例如工业炉)中，此处它们被燃烧。虽然该被覆盖的射流可包括被燃料覆盖的中央主氧化剂射流，但更常见的是，其是被主氧化剂覆盖的中央燃料射流。在加热阶段期间，虽然副氧化剂可从位于燃料/氧化剂喷嘴的相对侧上的动力喷枪喷射，但通常不是这样。
[0060]加热阶段可继续到达到燃料和氧化剂的自动点火温度为止。对于气态燃料例如天然气，该自动点火温度通常大于700°C或大于800°C。
[0061]在燃料/氧化剂喷嘴的相对侧上等距地隔开的第一和第二动力喷枪供给副氧化齐U。为了最终实现分布式燃烧，虽然来自燃料-氧化剂喷嘴的主氧化剂的喷射减少，但副氧化剂的喷射在从加热阶段过渡至第二操作阶段(分布式燃烧阶段)期间被启动。如果期望进入炉内的氧化剂的总流量相同，则副氧化剂喷射的增加将对应于主氧化剂喷射的减少。随着这种从加热阶段到分布式燃烧阶段的过渡继续，副氧化剂的量进一步增加并且主氧化剂的量进一步减少。这一直继续到氧化剂的作为(来自动力喷枪的)副氧化剂被喷射的部分相比于(来自燃料/氧化剂喷嘴的)主氧化剂的量实现期望的部分(即，期望分级)为止。
[0062]在从第一阶段到第二阶段的过渡期间，阀打开以允许致动流体流经致动流体喷射通道，每个致动流体喷射通道在其与燃料/氧化剂喷嘴相对的一侧上设置在副氧化剂喷射通道附近。致动流体流以一定角度撞击副氧化剂流。由于致动流体流与副氧化剂流之间的角度关系，与在启动致动流体喷射之前副氧化剂射流沿着其喷射的初始轴线相比，副氧化剂射流与燃料射流成一定角度。
[0063]可选地并且在从第一阶段向第二阶段过渡的开始和结束之间的某一点，主氧化剂的流量可减少至零并且可从一对低速喷枪喷射对应量的总氧化剂，所述低速喷枪中的一个设置在燃料/氧化剂喷嘴的上方并且其另一个设置在燃料/氧化剂喷嘴的下方。如果这样选择，则副氧化剂的动力射流的速度通常大于60m/s，而低速副氧化剂喷射的速度低于副氧化剂射流的速度但通常为至少5m/s。我们发现，喷射代替主氧化剂的低速氧化剂允许实现观察不到可见火焰的无焰燃烧。
[0064]在从加热阶段到分布式燃烧阶段的过渡结束时，达到副氧化剂射流的所期望的成一定角度的程度，达到主氧化剂与副氧化剂之间的期望的氧化剂分级程度，并且执行低速氧化剂的可选喷射。这些状态可在分布式燃烧阶段继续。在分布式燃烧阶段期间，通常氧化剂总量的90-95%作为副氧化剂喷射，而仅10-5%作为主氧化剂喷射。如果需要，可以以经验方式改变分级程度，直至火焰不再是可见火焰并且实现无焰燃烧。也可能是较低的分级程度，其取决于期望的分布式燃烧程度。另外，如果由于炉几何形状制约而需要相对较短的火焰，则可期望较低的分级程度。
[0065]致动流体的流量通常为来自动力喷枪的氧化剂的总流量的1_20%。致动流体的速度在标称燃烧器功率下通常为100m/s或更小,而燃料和主氧化剂速度在标称燃烧器功率下通常分别为100-200m/s和75-150m/s。
[0066]虽然氧化剂可以是空气、工业纯氧或氧增浓空气，但通常其是具有至少90% (以体积计)的纯度的工业纯氧。主氧化剂在第一阶段期间通常包括燃烧器的总氧化剂流量的75-100%,但在第二阶段期间在自动点火温度以上仅包括燃烧器的总氧化剂流量的0-10%(在850°C以上通常为总氧化剂流量的0-10%)。另一方面，副氧化剂通常在标称燃烧器功率下具有75-200m/s的速度并且在第一阶段期间包括燃烧器的总氧化剂流量的0_25%，但在第二阶段期间在自动点火温度以上的燃烧室温度下包括多达90-100%的总氧化剂流量(在8500C以上通常为总氧化剂流量的90-100%)。
[0067]所述致动流体可以是另一部分氧化剂、空气或惰性气体例如氩气或回收的烟气。
[0068]虽然动力喷枪可与燃料/氧化剂喷嘴分开仍允许产生稳定火焰的任意期望的距离，但通常每个动力喷枪的中心与燃料/氧化剂喷嘴的中心以燃料/氧化剂喷嘴的最内部管的内径的约六倍分隔开。该距离一般产生副氧化剂与炉气之间的充分混合程度。
[0069]由于射流是高度紊流的，因此我们可假设射流扩张率不是雷诺数Re的函数。因此，可将射流直径表达为式(I):
[0070](r1/2) / (x) =0.08468 (I)
[0071]其中X是射流的轴线并且r1/2是轴向速度已下降至其中心线值的一半的射流半径。利用上式，可计算两股射流交汇的距离。在该计算中未包括射流与周围气体之间的密度差。然而，该计算可适合作为第一近似值。当紊流射流行进距离X时，用于射流与所存在的夹带质量流量的比率的公式可表达为式(II):
[0072]Μχ/Μο=0.32 ( P 夕 P 0)0.5x/d。，其中
[0073]Mo:射流的质量流量，
[0074]Mx:最多X的总夹带质量流量，
[0075]do:射流直径，
[0076]P1:环境空气密度，并且
[0077]P。:射流密度。
[0078]如果式(II)中的X使用72mm的值，则MjM0的值为4.72。这代表射流必须具有的最小稀释量。为了获得用于较高燃烧器功率的相同稀释，射流必须行进更长距离。对于2MW的燃烧器功率，射流必须行进650mm。这产生87mm的燃料/氧化剂喷嘴与副喷枪之间的距离。这种距离可引起非期望地大的燃烧器尺寸。为了减少这种非期望地大的燃烧器尺寸，动力喷枪可与燃料喷射轴线成略微的角度(例如15)定向。该角度将燃料/氧化剂喷嘴与动力喷枪之间的距离减少为仅45mm(几乎50%的减少)。这样，我们可以在不增加燃料/氧化剂喷嘴与动力喷枪之间的间距的情况下保持两种反应剂交汇的最小距离(例如650mm)。本领域的普通技术人员将认识到，以上概念可适用于针对特定燃烧器功率实现射流交汇的期望距离。
[0079]本发明的过程的第一实施例在图1A-D中示出。如图1A中最佳地示出的，在燃烧过程的第一(例如，加热)阶段期间，被覆盖的燃料和氧化剂射流的主射流PJ从喷嘴砖B喷射。全部氧化剂在主射流PJ中喷射。如在图1B中最佳地示出的，在从第一(例如，加热)阶段向第二 (例如，分布式燃烧)阶段的过渡期间，通过沿着初始喷射轴线A1启动作为动力射流DJ的副氧化剂的喷射来开始氧化剂在主、副部分之间的分级。主射流PJ的较暗的线表示与具有对应的较亮的线的作为动力射流DJ喷射的总氧化剂的相对较小的比例相比而言总氧化剂具有相对较大的比例。如在图1C中最佳地示出的，该过渡继续至利用分别指示作为副和主氧化剂流喷射的总氧化剂的相对较大和较小的比例的动态射流DJ的较暗的线和主射流PJ的相对较亮的线示出的主和副氧化剂之间的期望分级程度。如在图1D中最佳地示出的，致动射流的喷射被启动，使得动力射流DJ分别沿着与相应轴线Al形成角度Θ的轴线A2喷射。这种使副氧化剂的动力射流DJ与主射流PJ的喷射轴线成一定角度以及主和副流之间的氧化剂分级产生分布式燃烧。尽管未示出，但作为主和副氧化剂喷射的氧化剂的量可减少并且对应量的氧化剂可以以相对较低的速度从两个低速氧化剂喷枪喷射，其中一个氧化剂喷枪设置在燃料/氧化剂喷嘴的上方并且其中一个氧化剂喷枪设置在燃料/氧化剂喷嘴的下方。
[0080]本发明的过程的第二实施例在图2A-D中示出。如在图2A中最佳地示出的，在燃烧过程的第一(例如，加热)阶段期间，被覆盖的燃料和氧化剂射流的主射流PJ沿着燃料喷射轴线P1从喷嘴砖B喷射。全部氧化剂在主射流PJ中喷射。如在图2B中最佳地示出的，在从第一(例如，加热)阶段向第二(例如，分布式燃烧)阶段的过渡期间，通过启动作为动力射流DJ的副氧化剂的沿着初始喷射轴线A1的喷射来开始氧化剂在主、副部分之间的分级。喷射轴线Al与燃料喷射轴线Pl成相应初始角度α 10主射流PJ的较暗的线表示与具有对应的较亮的线的作为动力射流DJ喷射的总氧化剂的相对较小的比例相比而言总氧化剂具有相对较大的比例。如在图2C中最佳地示出的，该过渡继续至利用分别指示作为副和主氧化剂流喷射的总氧化剂的相对较大和较小的比例的动态射流DJ的较暗的线和主射流PJ的相对较亮的线示出的主和副氧化剂之间的期望分级程度。如在图2D中最佳地示出的，致动射流的喷射被启动，使得动力射流DJ分别沿着与燃料喷射轴线P1形成相应角度α 2的轴线Α2喷射，其中α2> αι。这种使动力射流DJ与主射流PJ的喷射轴线成更大的角度以及主和副流之间的氧化剂分级产生分布式燃烧。尽管未示出，但作为主和副氧化剂喷射的氧化剂的量可减少并且对应量的氧化剂可以以相对较低的速度从两个低速氧化剂喷枪喷射，其中一个氧化剂喷枪设置在燃料/氧化剂喷嘴的上方并且其中一个氧化剂喷枪设置在燃料/氧化剂喷嘴的下方。
[0081]如在图3中最佳地示出的，燃烧器B的第一实施例包括从内管喷射燃料和从外管喷射主氧化剂的管套管型燃料/氧化剂喷嘴F0N。一对动力喷枪DL在燃料/氧化剂喷嘴FON的相对侧上等距地分隔开。每个动力喷枪DL包括副氧化剂喷射通道SOIC和在与燃料/氧化剂喷嘴FON相对的一侧上邻近燃料/氧化剂喷嘴FON延伸的致动燃料喷射通道。在构造成在致动流体的喷射被启动之前平行于燃料和氧化剂射流喷射副氧化剂射流的动力喷枪DL的情况下，动力喷枪DL的中心与燃料/氧化剂喷嘴的中心之间的距离L通常为燃料/氧化剂喷嘴FON的最内部管的直径的至少6倍。如上所述，如果动力喷枪DL构造成在致动流体的喷射被启动之前与燃料和主氧化剂射流成一定角度喷射副氧化剂射流，则距离L可减少至小于最内部管的直径的6倍的值。
[0082]如在图4中最佳地示出的，燃烧器B的第二实施例除了还包括一对低速氧化剂喷枪LSOL以外与图3的第一实施例相同。一个低速氧化剂喷枪LSOL设置在燃料/氧化剂喷嘴FON和动力喷枪DL位于其中的水平面的上方并且一个低速氧化剂喷枪LSOL设置在所述水平面的下方。
[0083]适合于在本发明的方法和燃烧器中使用的一种动力喷枪DL在图5Α-5Ε中不出。动力喷枪DL包括主喷嘴本体MB和罩盖CP。对中地设置的反应剂喷射通道SOIC和致动流体喷射通道AFIC延伸穿过主喷嘴本体MB。罩盖CP覆盖主喷嘴本体MB的面对燃烧空间的一端。副氧化剂SO流经副氧化剂喷射通道并从其喷射。在从第一(例如，加热)阶段到第二(例如，分布式燃烧)阶段的过渡期间或者在第二阶段期间，致动流体AF流经致动流体喷射通道AFIC。致动流体喷射通道AFIC在图5A-B中用虚线示出，因为其从动力喷枪DL的前方看不到。
[0084]主喷嘴本体MB的末端(面对燃烧空间)被覆盖有罩盖CP并与其接合。罩盖CP具有与副氧化剂喷射通道SOIC的轴线对齐的终端开口 T0。终端开口 TO大体定尺寸成匹配副氧化剂喷射通道SOIC的直径，使得从副氧化剂喷射通道SOIC流出的副氧化剂SO流继续通过终端开口 TO并流出动力喷枪DL。罩盖CP在面对主体MB的末端的一侧上包括空腔C。
[0085]该空腔沿罩盖CP的轴向(上游到下游)延伸，以在位于与动力喷枪DL的轴线垂直的平面内的平坦表面处终止。虽然图5B、5C和5E中的外壁OW示出具有带导圆角的三角形突起部的大体圆形的空腔，但该空腔可具有任意形状，只要其在终端开口 TO与致动流体喷射通道AFIC之间延伸以提供其间的流体连通。
[0086]继续参照图5A-5E，副氧化剂SO流出副氧化剂喷射通道SOIC的终端并流出罩盖CP中的终端开口 T0。随着致动流体AF的流离开致动流体喷射通道AFIC，空腔的平坦表面再定向致动流体AF的流的方向，使得其与大致成直角从副氧化剂喷射通道SOIC喷射的副氧化剂SO的流相交。由于致动流体AF的射流与来自副氧化剂喷射通道SIOC的副氧化剂SO的射流相交，因此使中央副氧化剂SO的射流弯曲/偏转/与其原始流动轴线和来自燃料/氧化剂喷嘴的燃料喷射的轴线成一定角度。可通过控制致动流体AF的压力来控制弯曲/分流的角度。
[0087]适合于在本发明的方法和燃烧器中使用的另一种动力喷枪DL在图6A-6B中示出。动力喷枪DL包括主喷嘴本体MB和罩盖CP。副氧化剂喷射通道SOIC和致动流体喷射通道AFIC延伸穿过主喷嘴本体MB。罩盖CP覆盖主喷嘴本体MB的面对燃烧空间的一端。副氧化剂SO流经副氧化剂喷射通道SOIC并从其喷射。在从第一(例如，加热)阶段到第二 (例如，分布式燃烧)阶段的过渡期间或者在第二阶段期间，致动流体AF流经致动流体喷射通道AFIC。致动流体喷射通道AFIC在图6A中用虚线示出，因为其从动力喷枪DL的前方看不到。
[0088]主喷嘴本体MB的(面对燃烧室的)末端被覆盖有罩盖CP并与其接合。罩盖CP具有与副氧化剂喷射通道SOIC的轴线对齐的终端开口 T0。终端开口 TO大体定尺寸成匹配副氧化剂喷射通道SOIC的直径，使得从副氧化剂喷射通道SOIC流出的副氧化剂SO流继续通过终端开口 TO并流出动力喷枪DL。罩盖CP还包括穿过其钻出的两个孔H，每一个孔在相应致动流体喷射通道AFIC的出口和与终端开口 TO间隔开的罩盖CP的端面之间流体连通。孔H朝副氧化剂喷射通道SOIC的轴线成一定角度地钻出，但孔H未与罩盖CP的终端开口TO相交。因此，副氧化剂SO以通过终端开口 TO的射流形式流出副氧化剂喷射通道SOIC的终端，而致动流体AF从致动流体喷射通道AFIC的出口流入孔H中并以与副氧化剂SO的射流成一定角度的射流的形式离开罩盖CP。致动流体AF的射流在其已离开动力喷枪DL之后与副氧化剂SO的射流相交。由于致动流体AF的射流与来自副氧化剂喷射通道SOIC的副氧化剂SO的射流相交，因此使中央副氧化剂SO的射流弯曲/偏转/成一定角度背离其原始流动轴线和来自燃料/氧化剂喷嘴的燃料喷射的轴线。可通过控制致动流体AF的压力来控制弯曲/偏转的角度。
[0089]虽然上文已描述动力喷枪的两个实施例，但本领域技术人员能够认识到，在本发明的方法中可以以同等效果使用适合于使射流流体地弯曲/偏转/成一定角度的本领域中已知的其它技术。例如，其它合适的技术包括在美国已公布的专利申请N0.US20100068666A1中教导的那些技术，该专利申请的内容整体并入本申请。
[0090]示例
[0091]燃烧天然气的燃烧器按照图4的实施例构成，安装在炉的底部中，并且以20kW和25kff的功率根据上文公开的方法操作。在邻近炉顶(标号8)和炉底(标号5)的位置将热电偶安置在炉壁附近。在相似的位置将三个另外的热电偶(以从高到低的次序为标号2、3和4)安置在炉壁附近，前面两个热电偶之间的间隔为17.75cm。在类似于安置在壁附近的最高热电偶(标号I)和安置在壁附近的次高热电偶(标号9)的竖直位置将又两个热电偶安置在燃烧器正上方，从而共有7个热电偶。
[0092]在燃烧器在分布式燃烧状态下操作期间，记录每个热电偶位置的炉温并且在表1中列出。如在表1中可见，观察到相对好的温度均匀性。另外，燃烧器在20kW时仅产生30ppm的NOx水平，而在25kW时为36ppm。CO水平为零。当利用低速喷枪时，未观察到火焰。
[0093]表1对于以下热电偶，在20kW和25kW的炉温(°C)
[0094]
【权利要求】
1.一种用于执行分布式燃烧的方法，包括以下步骤: 将燃料从设置在喷嘴砖中的燃料喷嘴沿着燃料喷射轴线喷射到炉内； 将氧化剂从主氧化剂喷嘴喷射到所述炉内，所述燃料和主氧化剂喷嘴相对于彼此同心地设置； 在所述炉内燃烧所述燃料和主氧化剂； 减少从所述主氧化剂喷射的氧化剂的量； 将所述氧化剂的第一和第二射流从设置在所述喷嘴砖中的所述燃料喷嘴的相对侧上的第一和第二动力喷枪喷射到所述炉内； 分别与氧化剂的所述第一和第二射流成一定角度地喷射第一和第二致动流体射流，以使得第一和第二副氧化剂射流与所述燃料喷射轴线流体地成一定角度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料是气态的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料是雾化液体。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料是粉状固体。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述燃料是煤粉。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述煤粉被流化并随空气或回收的烟气的输送气体被喷射。
7.根据权利要求1的方法 ，还包括以下步骤: 增加喷射到所述炉内的燃料和氧化剂的量；以及 减少作为第一和第二致动流体射流喷射的致动流体的量，由此减小所述第一和第二副氧化剂射流与所述燃料喷射轴线流体地成一定角度的程度。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括从分别设置在所述燃料喷嘴的上方和下方的第一和第二低速氧化剂喷枪喷射另外一部分副氧化剂的步骤，其中: 所述另外一部分副氧化剂以比从所述第一和第二动力喷枪喷射的速度低的速度喷射。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料和氧化剂的燃烧不产生可见火焰。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料以及所述第一和第二副氧化剂射流在所述致动流体的喷射被启动之前互相平行地喷射。
11.根据权利要求1所述的方法，其中: 在所述致动流体的喷射被启动之前，所述第一和第二副氧化剂射流与所述燃料喷射轴线成一定角度地喷射；并且 在所述致动流体的喷射被启动之后，所述第一和第二副氧化剂射流与所述燃料喷射轴线成一更大的角度喷射。
12.—种用于执行分布式燃烧的燃烧器,包括: 喷嘴砖，其具有适合背对燃烧空间的第一面和适合面朝燃烧空间的第二面； 从所述第一面延伸到所述第二面的燃料/氧化剂喷嘴，所述燃料/氧化剂喷嘴包括同心地设置在外管内的内管，所述燃料/氧化剂喷嘴适合沿着燃料喷射轴线将燃料和主氧化剂喷射到炉内； 第一和第二动力喷枪，其与所述燃料/氧化剂喷嘴等距地隔开并从所述第一面延伸到所述第二面，每个所述第一动力喷枪包括: 主体，其具有邻近所述第一面的入口端和面对所述第二面的终端，副氧化剂喷射通道和致动流体喷射通道从所述喷嘴砖的所述第一面穿过所述主体延伸到所述主体终端，所述致动流体喷射通道设置在所述副氧化剂喷射通道的背离所述燃料/氧化剂喷嘴的一侧上；以及 设置在所述主体终端上的罩盖，所述罩盖具有适合与所述主体终端匹配的匹配端和邻近所述第二面的终端，所述罩盖还在所述罩盖终端中具有开口，所述开口定尺寸成对应于所述外管的内径并且适合允许副氧化剂射流从所述副氧化剂喷射通道流出并离开所述终端开口，其中所述罩盖构造成提供所述致动流体喷射通道与所述罩盖终端之间的流体连通并且适合允许致动流体射流撞击在来自所述副氧化剂喷射通道的副氧化剂射流上以使所述副氧化剂射流与所述燃料喷射轴线成一定角度。
13.根据权利要求12所述的燃烧器，其中: 每个所述罩盖还包括在相应致动流体喷射通道与罩盖终端开口之间流体连通的空腔；并且 所述致动流体喷射通道、副氧化剂喷射通道、空腔和终端开口构造和适配成使得所述致动流体射流在所述副氧化剂离开所述终端开口之前撞击在所述副氧化剂射流上。
14.根据权利要求12所述的燃烧器，其中: 每个所述罩盖还包括在相应致动流体喷射通道与罩盖终端之间延伸的孔；并且 所述致动流体喷射通道、副氧化剂喷射通道、孔和终端开口构造和适配成使得所述致动流体射流在所述副氧化剂离开所述终端开口之后撞击在所述副氧化剂射流上。
15.根据权利要求12所述的燃烧器，其中，每个所述副氧化剂喷射通道沿着与所述燃料喷射轴线成一定角度的轴线延伸。
16.根据权利要求12所述的燃烧器，其中，每个所述副氧化剂喷射通道沿着平行于所述燃料喷射轴线的轴线延伸。
17.一种燃烧器系统，包括根据权利要求12所述的燃烧器、与所述燃料/氧化剂喷嘴流体连通的燃料源以及与所述燃料/氧化剂喷嘴和所述动力喷枪流体连通的氧化剂源。
18.根据权利要求17所述的燃烧器系统，其中，所述燃料是燃料油。
19.根据权利要求17所述的燃烧器系统，其中，所述燃料是使用空气或回收的烟气的输送气体流化的煤粉。
20.根据权利要求17所述的燃烧器系统，其中，所述燃料是天然气。
【文档编号】F23M5/02GK103547864SQ201180068732
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2011年12月21日 优先权日:2010年12月30日
【发明者】姜泰圭, V·乔达摩, R·S·普拉巴卡尔, B·格朗德, B·勒鲁, M·默特博格, N·多基耶 申请人:乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司