用于交替进行氧燃和空气燃烧的燃烧器和方法

专利名称：用于交替进行氧燃和空气燃烧的燃烧器和方法
用于交替进行氧燃和空气燃烧的燃烧器和方法 本发明涉及一种可交替使用氧含量高的气体或者空气作为助燃剂
(comburant)的燃烧器和燃烧方法。
随着日益严格的环境限制，特别是在产生C02和NOx方面的限制， 使用氧或氧含量高的气体的燃料燃烧对于矿物燃料的燃烧来说日益具有吸 引力。但是，使用空气作为助燃剂的常规燃烧设备并不都是具有几何结构 和必需的物质条件来利用氧或氧含量高的气体来工作。这是因为在富氧或 全氧燃烧中氮惰性质(ballast d，azote )的不存在显著地改变了燃烧室中的 传热方式、物质浓度和压力状态。
为了在这些设备中进行全氧燃烧， 一种提出的方案是再次喷射由所述 燃烧或其它燃烧所产生的烟道气以便部分弥补缺乏的氮。此过程由于没有 氮的存在且由于火焰温度比全氧燃烧更低，因此避免了 NOx的高的产量。 但是，再次喷射的烟道气常常会抵消氧燃的优点，特别是例如重油残渣中 未燃物的更低比例或者灰分部分的降低，这些未燃物和这种灰分然后会导 致下游烟道气处理方法复杂化。
这种烟道气喷射大致可通过两种方法进行。首先，通过在烟道气引入 燃烧器之前将烟道气和氧混合，以便重新形成包括约21%到27%的氧的助 燃剂且其余部分主要包括C02而不是氮。在空气锅炉/加热器(chaud化re & l，air)进行转化的情况下此方案的一个优点是能够用最少的运行调整来保 持空气燃烧器。另一方面，烟道气与氧在引入燃烧器之前的预先混合会引 起安全问题。为了避免此问题，在第二替代方案中，烟道气也可以在燃烧 室的一位置处或通过燃烧器单独地喷射。在后一种情况下，烟道气以使得 火焰加长的速度进行喷射，这将使得燃烧室的元件(在锅炉的情况下是相 对的壁或管)过热。为了避免这种问题，烟道气喷射速度必须为低速，这
5会起到增加燃烧器的尺寸的效果并产生布置的问题，然而已>^知燃烧室的 表面积必须最大4t。
因此，前述问题意味着需要改进使用烟道气再循环的方法和氧燃燃烧器。
此外，实践表明能够以灵活方式，即氧燃和空气燃烧交替的方式来使 用燃烧器的实用性。实际上，由于氧的可用性和/或安全问题的限制，能够 将氧燃转变为空气燃烧而不更换燃烧器是有用的。类似地，对于某些类型 的燃烧，为了安全的目的优选用空气开始燃烧且随后切换到氧燃。
因此，本发明的目的是提出 一种在用于空气燃烧的设备中利用烟道气 再循环来执行氧燃的设备。
本发明的另外的目的是提出一种用于交替执行利用烟道气再循环的氧 燃或空气燃烧的燃烧^殳备。
本发明的另外的目的是提出一种用于交替执行利用烟道气再循环的氧 燃或空气燃烧的燃烧设备，所述燃烧产生具有受控尺寸的火焰。
为此，本发明涉及一种使用至少一种助燃剂和至少一种主要惰性气体
的至少一种燃料的燃烧方法，其中 -喷射燃料和助燃剂以产生火焰， -以两股射流的形式喷射主要惰性气体，使得
.第一射流围绕由燃料和助燃剂产生的火焰，且所述第一射流相
对于所述火焰呈现为发散的漩涡， .第二射流围绕主要惰性气体的第一射流，且所述第二射流相对 于由燃料和助燃剂产生的火焰呈现为会聚的漩涡。
本发明还涉及一种适于执行所述方法的燃烧器，该燃烧器包括
-至少一个用于喷射燃料的装置和至少一个用于喷射助燃剂的装置，
所述装置相对于彼此安置成使得助燃剂和燃料能够产生火焰， -两个用于喷射主要惰性气体的装置
用于喷射主要惰性气体的第一装置适于以围绕由助燃剂和第一 燃料产生的火焰的射流形式喷射主要惰性气体的 一部分，所述用于喷射主要惰性气体的第 一装置包括适于使得通过它的主要 惰性气体流发散地旋转的装置， 用于喷射主要惰性气体的第二装置适于以围绕由用于喷射主要 惰性气体的第一装置产生的主要惰性气体射流的射流形式喷射 主要惰性气体的 一部分，且所述用于喷射主要惰性气体的第二 装置包括适于使得通过它的主要惰性气体流会聚地旋转的装 置。
本发明的其他特征和优点将从以下说明书的阅读中得以显现。由

图1 示出的本发明的实施例作为非限制性的示例而提供，图l是根据本发明的 燃烧器的示意图。
因此，本发明涉及一种使用至少一种助燃剂和至少一种主要惰性气体
的至少一种燃料的燃烧方法，其中 -喷射燃料和助燃剂以产生火焰， -以两股射流的形式喷射主要惰性气体，使得
.第一射流围绕由燃料和助燃剂产生的火焰，且所述第一射流相
对于所述火焰呈现为发散的漩涡， .第二射流围绕主要惰性气体的第一射流，且所述第二射流相对 于由燃料产生的火焰呈现为会聚的漩涡。 根据本发明的方法由助燃剂执行燃料的主要燃烧。所述燃料可以是任 何液体或气体类型的燃料。如果是气体，所述燃料可以是天然气、矿井气 体、焦炉气、高炉煤气、炼油厂气或合成气。如果是液体，燃料可选自家 用燃油、重燃料油、沥青、精炼法、原油。所述方法可涉及多种燃料类型 的燃烧，例如天然气和液态燃油。这些不同类型的燃料被喷射以便和助燃 剂形成火焰。所述燃料或数种燃料和助燃剂的喷射可通过本领域技术人员 已知的任何方式进行以便产生火焰。根据本发明的方法，还喷射主要惰性 气体。在本发明中，"主要惰性气体"表示其摩尔成分包括至多50%氧的 气体或气体混合物。通常，主要惰性气体包括以下成分中的至少一种C02、 N2、 H20、 Ar，优选地摩尔量至少为50%。根据所述方法的操作方式是空
7气燃烧还是氧燃，主要惰性气体的类型可以和助燃剂相同或不同。不论操 作方式如何，主要惰性气体以两股射流的形式进行喷射。第一射流围绕由 燃料和助燃剂产生的火焰，第二射流围绕所述主要惰性气体的第一射流。 这样，第二射流同样围绕由燃料和助燃剂产生的火焰，但是离火焰的距离
比主要惰性气体的第二射流更大；在应用中，注意到主要惰性气体的第一 射流作为内周射流，且注意到主要惰性气体的第二射流作为外周射流。在 本发明中，"围绕"表示主要惰性气体的这些射流环绕燃料和助燃剂的中 央火焰。根据优选的实施例，主要惰性气体的射流具有在燃料和助燃剂的 火焰上定中心的环的形状。
根据本发明，内周射流相对于燃料和助燃剂的火焰呈现为发散的漩涡。 在本发明中，射流的漩涡表示射流绕其自身的旋转运动。因此，内周射流 是绕其自身旋转的射流。由于所述射流围绕燃料和助燃剂的火焰，所述内 周射流也绕所述火焰旋转。根据本发明，此旋转是发散的，即，在内周射 流中，主要惰性气体在喷射时远离燃料和助燃剂的火焰移动。
根据本发明，外周射流相对于燃料和助燃剂的火焰呈现为会聚的漩涡。 和内周射流相同，外周射流也绕所述火焰旋转。根据本发明，此旋转是会 聚的，即，在外周射流中，主要惰性气体在喷射时远离燃料和助燃剂的火 焰移动。
不论对于内周射流或外周射流，主要惰性气体的这些射流中每一个的 涡流比(taux de swirl)有利地在0.26和1.73之间。涡流比S定义如下 S=lt/la,其中，lt和la分别是射流中旋转流体的切向和轴向脉沖。
根据本发明的方法用于通过调整外周射流的流率与内部射流的流率的 比例来控制火焰的长度。
根据本发明的方法可用于氧燃方法和空气燃烧方法。根据本方法的第 一实施例，它涉及氧燃，这表示两种助燃剂中的一种是含氧气体。在本发 明中，含氧气体是指氧浓度高于80%，优选高于90%的气体。根据此第一 实施例，助燃剂是含氧气体且主要惰性气体包括来自燃烧的烟道气。来自 燃烧的烟道气通常主要(如果不是全部)包括co2。这些气体还可包括H20。优选地，主要惰性气体至少部分地包括来自本方法的燃烧且在该燃 烧方法过程中再循环的气体。在这种情况下，烟道气在执行本方法的燃烧 室的外部再循环。它们可在再循环之前被处理。通常，在根据本发明的方 法过程中至少4Sm3的烟道气再循环。根据此第一实施例，优选地喷射到 主要惰性气体的第一射流中的主要惰性气体的流率占喷射的主要惰性气体 的总流率的50%到97%。主要惰性气体在内周射流和外周射流之间的这种 分布用于避免燃烧室中热气体的增加。此外，来自燃烧的以内周射流和外 周射流形式喷射的气体不会干扰来自燃料和含氧气体的燃烧的火焰，但是 在燃烧器的前端附近产生通道，该通道保护燃烧室壁免遭过度强烈的辐射。 在燃烧器的前端以外，来自燃烧并以内周射流和外周射流形式喷射的气体 与来自所述方法的实际燃烧的热气体相互混合以仅形成一种均匀的混合 物。根据第一实施例，来自燃烧的气体也可被喷射到燃烧室的至少一点处， 该点不同于内周射流和外周射流的喷射点。
根据本方法的第二实施例，该方法是空气燃烧方法，这表示两种助燃
剂是空气(或者没有助燃剂是含氧气体)。根据此第二实施例，助燃剂是 空气，且主要惰性气体也是空气。优选地，使用了脱油空气(l，air d&huil"， 因为该空气在也可用于在氧燃方式中喷射含氧气体的喷射装置中流动；因 此所述喷射装置在喷射含氧气体的情况下一定不能包括脂肪性物质。优选 地，作为助燃剂而喷射的空气的流率占所述方法中喷射的空气的总流率的 5%到30%。同样优选地，喷射到主要惰性气体的第一射流中的空气的流 率占所述方法中喷射的空气的总流率的4%到25%。优选地，本方法中喷 射的空气的总流率可与燃料燃烧所需的空气量一致。空气流率在内周射流
和外周射流之间的这种分布用于使得空气向燃料会聚从而将火焰连接于燃 烧器前部并^f吏它缩短以^J方止燃烧室的壁过热。
根据本方法的第三实施例，助燃剂是含氧气体，主要惰性气体是空气。 此第三实施例特别用于燃烧方法的启动。 本发明还涉及一种燃烧器，包括
-至少一个用于喷射燃料的装置和至少一个用于喷射助燃剂的装置，所述装置相对于彼此安置成使得助燃剂和第 一燃料能够产生火焰，
-两个用于喷射主要惰性气体的装置
用于喷射主要惰性气体的第 一装置适于以围绕由助燃剂和燃料 产生的火焰的射流形式喷射主要惰性气体的一部分，所述用于 喷射主要惰性气体的第一装置包括适于使得通过它的主要惰性 气体流发散地旋转的装置，
用于喷射主要惰性气体的第二装置适于以围绕由用于喷射主要 惰性气体的第一装置产生的主要惰性气体射流的射流形式喷射 主要惰性气体的 一部分，且所述用于喷射主要惰性气体的第二 装置包括适于使得通过它的主要惰性气体流会聚地旋转的装 置。
因此，根据本发明的燃烧器包括第一中央部分，该第一中央部分包括 至少一个用于喷射燃料的装置和至少一个用于喷射助燃剂的装置。这两个 喷射装置必须彼此定位成使得在燃烧器工作时助燃剂和燃料能够产生火 焰。因此用于喷射燃料和助燃剂的装置可以是共轴管或分离的管。可以使 用用于喷射燃料和助燃剂以便形成火焰的任何已知的技术。
所述燃烧器包括第二外周部分，该第二外周部分包括两个用于喷射主 要惰性气体的装置。燃烧器的这两个部分可以相邻，或者由分隔件分开。 优选地，适于使得通过第 一喷射装置或第二喷射装置的主要惰性气体流会 聚地旋转的装置使得所述流以0.26到1.73之间的涡流比旋转。所述适于发 散或会聚的旋转的装置通常为导流板。
根据特殊的实施例，燃烧器为
-用于喷射主要惰性气体的第一装置包括两个共轴管，该共轴管围绕 用于喷射燃料的装置和用于喷射助燃剂的装置而定中心，两个管之间的空 隙允许主要惰性气体的一部分通过并包括适于使得经过它的主要惰性气体 流发散地旋转的装置，
-用于喷射主要惰性气体的第二装置包括两个共轴管，该共轴管围绕 用于喷射主要惰性气体的第一装置的两个共轴管而定中心，所述用于喷射主要惰性气体的第二装置的两个管之间的空隙允许主要惰性气体的一部分 通过并包括适于使得经过它的主要惰性气体流会聚地旋转的装置。
根据此特殊的实施例，燃烧器还可包括两个用于喷射助燃剂的装置， 所述装置是共轴管，且用于喷射燃料的装置可以是金属环，在该金属环上 钻有至少一圏孔口 ，所述金属环与助燃剂喷射管共轴并安置在所述助燃剂 喷射管之间。从而燃烧器包括四个共轴管和金属环，在该金属环上钻有成
圏布置的孔口 ，所述金属环安置在最小的管和直径稍孩i:大一些的管之间。
根据本发明，燃烧器可包括两个不同的用于喷射燃料的装置以便喷射 两种不同的燃料。
本发明还涉及一种用于将空气-燃料燃烧器转变为氧-燃料燃烧器的方 法，所述空气-燃料燃烧器包括至少一个用于喷射燃料的装置和至少一个用 于喷射空气的装置，所述装置相对于彼此定位成使得空气和第一燃料能够 产生火焰。所述转变方法在于通过两个用于喷射助燃剂的装置对所述燃烧 器进行补充
-用于喷射助燃剂的第一装置适于以围绕空气-燃料燃烧器的射流的 形式喷射助燃剂的一部分，且所述用于喷射助燃剂的第一装置包括适于使 得经过它的助燃剂流发散地旋转的装置，
-用于喷射助燃剂的第二装置适于以围绕空气-燃料燃烧器的射流的 形式喷射主要惰性气体的一部分，且所述用于喷射助燃剂的第二装置包括 适于使得经过它的助燃剂流会聚地旋转的装置。
由此，可以将空气-燃料燃烧器转变为氧-燃料燃烧器以用于相同燃料 和含氧气体的燃烧。所述转变在于向空气-燃料燃烧器添加两个用于喷射助 燃剂的装置。这些喷射装置必须定位成使得能够以围绕空气-燃料燃烧器的 形式喷射助燃剂的第 一射流，并且以围绕助燃剂的第 一射流并因此围绕空 气-燃料燃烧器的形式喷射助燃剂的第二射流。此外，这两个喷射装置必须
装备有用于使它们产生旋转(涡流)运动的装置最接近火焰的射流呈现 为发散的漩涡，第二射流呈现为会聚的漩涡。
本发明还涉及一种用于将燃料的空气燃烧方法转变为氧燃方法的方
ii法，在所述空气燃烧方法中喷射燃料和空气使得产生火焰，其中 -空气由含氧气体代替，且 -来自燃烧的气体以两股射流的形式喷射，使得
第一射流围绕由燃料和含氧气体产生的火焰，且所述第一射流
相对于所述火焰呈现为发散的漩涡， 第二射流围绕来自燃烧的第一气体射流，且所述第二射流相对 于由燃料和含氧气体产生的火焰呈现为会聚的漩涡。
和含氧气体的燃烧的氧燃方法。所述转变在于在最初的方法中用含氧气体 代替空气以及喷射来自除所述氧燃之外的燃烧的气体。来自燃烧的气体可 以是来自氧燃的已经过再循环的气体，或者可以来自其它的燃烧。来自燃 烧的这些气体必须以这样的形式引入氧燃方法，即，两股射流都围绕由燃 料和含氧气体产生的火焰，第二射流自身围绕第一射流。此外，距离氧-燃料火焰最近的第一射流相对于由燃料和含氧气体产生的火焰必须呈现为 发散的旋转效果，且距离氧-燃料火焰最近的第二射流相对于由燃料和含氧 气体产生的火焰必须呈现为会聚的旋转效果。
图1示出才艮据本发明的燃烧器的端部。它包括第一中央部分，该第一 中央部分包括
-燃料喷射装置l,该燃料喷射装置是管，
-包括两个管21和22的助燃剂喷射装置2: —个管21安置在燃料喷 射管l的中央，另一个管22围绕同一燃料喷射管1。
该燃烧器还包括第二部分，该第二部分是用于喷射主要惰性气体的装 置；它包括三个共轴的管22、 31、 32,这三个共轴的管在第一中央部分上 定中心，最小的管对应于用于喷射燃料l的管22。最大的管32和中间管 31之间的空隙包括装置4 (翅片)，该装置4适于使得通过它的主要惰性 气体流发散地旋转。中间管31和最小的管22之间的空隙包括装置5 (翅 片)，该装置5适于使得通过它的主要惰性气体流会聚地旋转。
本发明的一个有利之处在于它修改了通常利用空气工作的燃烧器，使
12得它可以利用含氧气体和含氧烟道气工作。只需要用适于喷射再循环的烟 道气的根据本发明的燃烧器的第二部分来补充对应于根据本发明的燃烧器 的第 一部分的空气燃烧器就足够了 。然后将含氧气体喷射到燃烧器的第一 部分并将烟道气喷射到第二部分。
根据本发明的燃烧器的一个有利之处在于它可以用空气专门作为助燃 剂工作而同时保留用于氧燃的燃料流。在向燃烧器的氧供应被中断的情况 下，为了连续生产可能需要这种全空气工作要求。
根据本发明的燃烧器和燃烧方法的一个有利之处在于它们产生具有受 控尺寸的火焰，这在狭小的容器例如锅炉燃烧室中是有用的，在该锅炉燃 烧室中过长的火焰与棵露的钢管的直接接触是极其危险的。在后面一种情 况下，根据本发明的燃烧器产生的火焰的几何形状使得热流量在锅炉的所
有内表面上均匀分布；根据再循环的烟道气所占的比例，装备有这种以氧 燃工作的燃烧器的锅炉能够承受高达0.600MW/m3的能量密度。
根据本发明的利用含氧气体工作的燃烧器和燃烧方法的另一有利之处 在于它们产生具有高的核心温度的火焰，这样可显著减少未燃物。
1权利要求
1. 一种使用至少一种助燃剂和至少一种主要惰性气体的至少一种燃料的燃烧方法，其中-喷射燃料和助燃剂以产生火焰，-以两股射流的形式喷射主要惰性气体，使得·第一射流围绕由燃料和助燃剂产生的火焰，且所述第一射流相对于所述火焰呈现为发散的漩涡，·第二射流围绕主要惰性气体的第一射流，且所述第二射流相对于由燃料和助燃剂产生的火焰呈现为会聚的漩涡。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述助燃剂是含氧气 体且主要惰性气体包括来自燃烧的气体。
3. 根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，所述 主要惰性气体至少部分包括来自所述方法的燃烧且再循环的气体。
4. 根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，喷射到主要惰性 气体的第 一射流中的主要惰性气体的流率占喷射的主要惰性气体的总流率 的50%到97%。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述助燃剂是空气， 优选为脱油空气，且主要惰性气体是空气。
6. 根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，作为 助燃剂而喷射的空气的流率占燃料燃烧所需空气的总流率的5%到30%。
7. 根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，喷射到主要惰性 气体的第 一射流中的空气的流率占燃料燃烧所需空气的总流率的4%到 25%。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，助燃剂是含氧气体且 主要惰性气体是空气。
9. 根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，主要 惰性气体的各射流的涡流比在0.26到1.73之间。
10. 根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，主要惰性气体的射流是环形。
11. 一种燃烧器，包括-至少一个用于喷射燃料的装置(1)和至少一个用于喷射助燃剂的 装置，所述装置相对于彼此安置成使得助燃剂和燃料能够产生火 焰，-两个用于喷射主要惰性气体的装置 用于喷射主要惰性气体的第 一装置适于以围绕由助燃剂和燃料 产生的火焰的射流形式喷射主要惰性气体的一部分，所述用于 喷射主要惰性气体的第 一装置包括适于使得通过它的主要惰性 气体流发散地旋转的装置(4 )， 用于喷射主要惰性气体的第二装置适于以围绕由用于喷射主要 惰性气体的第一装置产生的主要惰性气体射流的射流形式喷射 主要惰性气体的一部分，且所述用于喷射主要惰性气体的第二 装置包括适于使得通过它的主要惰性气体流会聚地旋转的装置 (5)。
12. 根据权利要求11所述的燃烧器，其特征在于-用于喷射主要惰性气体的第一装置包括两个共轴管(22、 31)，该 共轴管围绕用于喷射燃料的装置(1)和用于喷射助燃剂的装置而 定中心，两个管之间的空隙允许主要惰性气体的一部分通过并包括 适于使得经过它的主要惰性气体流发散地旋转的装置(4)，-用于喷射主要惰性气体的第二装置包括两个共轴管(31、 32),该 共轴管围绕用于喷射主要惰性气体的第一装置的两个共轴管(22、 31)而定中心，所述用于喷射主要惰性气体的第二装置的两个管 (31、 32)之间的空隙允许主要惰性气体的一部分通过并包括适于 使得经过它的主要惰性气体流会聚地旋转的装置(5)。
13. 根据权利要求12所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器包括两 个用于喷射助燃剂的装置，所述装置是共轴管，且用于喷射燃料的装置是金属环，该金属环上钻有至少一圏孔口，所述金属环与助燃剂喷射管共轴 并安置在所述助燃剂喷射管之间。
14， 一种用于将空气-燃料燃烧器转变为氧-燃料燃烧器的方法，所述空 气-燃料燃烧器包括至少一个用于喷射燃料的装置和至少一个用于喷射空 气的装置，所述装置相对于彼此定位成使得空气和燃料能够产生火焰，其 特征在于，通过两个用于喷射主要惰性气体的装置对所述燃烧器进行补充 -用于喷射主要惰性气体的第一装置适于以围绕空气-燃料燃烧器的 射流的形式喷射助燃剂的一部分，且所述用于喷射主要惰性气体的第一装 置包括适于使得经过它的主要惰性气体流发散地旋转的装置，-用于喷射主要惰性气体的第二装置适于以围绕空气-燃料燃烧器的 射流的形式喷射主要惰性气体的一部分，且所述用于喷射主要惰性气体的 第二装置包括适于使得经过它的主要惰性气体流会聚地旋转的装置。
15. —种用于将燃料的空气燃烧方法转变为氧燃方法的方法，在所述 空气燃烧方法中喷射燃料和空气使得产生火焰，其特征在于 -空气由含氧气体代替，且 -来自燃烧的气体以两股射流的形式喷射，使得.第一射流围绕由燃料和含氧气体产生的火焰，且所迷第一射流相对于所述火焰呈现为发散的旋涡， 第二射流围绕来自燃烧的第一气体射流，且所述第二射流相对 于由燃料和含氧气体产生的火焰呈现为会聚的璇涡。
全文摘要
本发明涉及一种使用助燃剂和至少一种主要惰性气体的燃料的燃烧方法，其中喷射燃料和助燃剂以产生火焰；以两股射流的形式喷射主要惰性气体，使得第一射流围绕由燃料和助燃剂产生的火焰，且所述第一射流相对于所述火焰呈现为发散的漩涡；第二射流围绕主要惰性气体的第一射流，且所述第二射流相对于由燃料和助燃剂产生的火焰呈现为会聚的漩涡。本发明还涉及一种适于执行所述方法的燃烧器。
文档编号F23D14/32GK101490473SQ200780026562
公开日2009年7月22日 申请日期2007年7月10日 优先权日2006年7月13日
发明者C·安贝尔农, G·德斯梅特, I·桑切斯莫利奈罗, J·穆伦, P·J-M·勒库特, R·P·齐阿瓦 申请人:乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司