专利名称：燃烧器和用于实施氧燃烧的方法
技术领域：
本发明涉及一种燃烧器和一种可以使用高氧含量的气体的燃烧方法。
背景技术：
随着日益严格的环境限制，特别是在CO2和NOx的产生方面的限制，在需要热流体 例如蒸汽、热水或热油、和/或电、和/或机械功的各类工业领域中，对于矿物燃料燃烧使用 氧气或者高氧含量的气体的燃料燃烧正在变得越来越有吸引力。然而，使用空气作为氧化 剂的常规的燃烧装置不都具有用于在氧气或高氧含量的气体的条件下运行的几何结构和 所需材料。这是因为在高氧或者全氧燃烧中稳定氮气(nitrogen ballast)的缺失显著地 更改了热传递模式、物质浓度以及燃烧室内的压力条件。为了在这些设备中进行全氧燃烧，一个建议方案是再喷射由所述燃烧或者其它燃 烧产生的烟气，以部分地弥补氮气的缺失。这个过程由于氮气的缺失以及由于比在全氧燃 烧中低的火焰温度而用于避免大量产生N0X。然而，再次喷射的烟气经常会抵消氧燃烧的优 点，特别是例如较低比例的由重油残留物产生的未燃物、或部分灰分的减少，这些未燃物和 该灰分然后会导致下游烟气处理方法的复杂化。烟气喷射大致可以分为两种方式。第一种是通过在所述烟气被引入燃烧器前将其 和氧气混合以重新组成氧化剂，该氧化剂包含约21-27%的氧气，其余基本由CO2代替氮气 组成。在对空气锅炉(air boiler)进行改装时，此方案的一个优点是在较小的操作调整的 情况下保持空气锅炉的可能性。相反，在将烟气和氧气引入燃烧器之前将它们预混和可能 引起安全问题。为了避免这个问题，在第二替换方案中，烟气也可以在燃烧室的一部位或者 通过燃烧器单独地喷射。在后面的情况中，烟气以使火焰变长的速度被喷射，这可能会使燃 烧室的元件(在锅炉的情况下是对面的壁或管)过热。为了避免该问题，烟气的喷射速度 必须低，其结果增大了燃烧器的尺寸和引起了布局问题，而众所周知燃烧室的表面积必须 最大化。因此，前述问题意味着需要改善利用烟气再循环的氧燃烧燃烧器和方法。另外，实践证明了能够以灵活模式一一即，可选择地以氧燃烧和以空气燃烧—— 使用燃烧器的效用。实际上，由于氧气的可获得量和/或安全问题的限制，能够在不更换燃 烧器的条件下将氧燃烧转变为空气燃烧可能是有益的。相似地，对于特定类型的燃烧，为了 安全原因更优选的是开始使用空气燃烧然后转换成氧燃烧。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种适于在设计成用于空气燃烧的装置中利用烟气的 再循环实施氧燃烧的装置。本发明的另一目的是提供一种适于利用烟气再循环实施氧燃烧的燃烧装置。本发明的再一目的是提供一种适于利用烟气再循环实施氧燃烧的燃烧装置，所述 燃烧产生尺寸受控制的火焰。
为此目的，本发明涉及一种使用至少一种含氧气体和至少一种主要不活泼/惰性 气体(mainly inert gas)的至少一种燃料的燃烧方法，其中-所述含氧气体包含按体积计至少80%的氧气，-所述燃料和所述含氧气体被喷射成使得生成火焰，-所述主要不活泼气体被喷射成使得该主要不活泼气体邻近并围绕由所述燃料和 所述含氧气体生成的火焰并且相对于火焰具有发散的漩涡。
本发明的其它特点和优点将通过阅读以下描述而显见。本发明的实施例作为非限 制性示例由图1示出，图1是根据本发明的燃烧器的示意图。
具体实施例方式根据本发明的方法利用含氧气体实施燃料的主燃烧。燃料可以是任何气态的、液 体、固体、浆状体、乳状体或其任何组合。如果是气体，则该燃料可以是但不局限于天然气、 矿井气、焦炉气、高炉气、精炼气、低热值气体、气化固体燃料、或合成气。如果是液体，则该 燃料可以是但不局限于家用燃油(home-heating oil)、重燃料油、浙青、精炼残留物或原 油。如果是固体，则燃料可以是但不局限于煤、焦炭、石油焦、生物质、泥煤、固态浙青、或固 态精炼残留物。这些各种类型的燃料被喷射成使得与含氧气体生成火焰。燃料或多种燃料 和含氧气体的喷射可以本领域技术人员所知的任何方式实现以产生火焰。根据本发明的方 法，还喷射主要不活泼气体。该主要不活泼气体包括摩尔量为至少50%的以下至少一种成 份C02、H20、Ar。该主要不活泼气体可以是或者包括烟气。主要不活泼气体优选以单股射流的形式喷射。该单股射流围绕由燃料和含氧气体 生成的火焰。在本发明中，“围绕”是指该主要不活泼气体射流环绕燃料和含氧气体的中心 火焰。根据一个优选的实施例，该主要不活泼气体射流具有以燃料和含氧气体的火焰为中 心的环形形状。根据本发明，该单股周围射流相对于燃料和含氧气体的火焰具有发散的漩涡。在 本发明中，射流的漩涡表示射流绕其自身的涡旋式运动。因此该单股周围射流是绕其自身 涡旋的射流。由于所述射流围绕燃料和含氧气体的火焰，因此所述单股周围射流也围绕所 述火焰涡旋。根据本发明，该漩涡是发散的，就是说，在该单股周围射流中，主要不活泼气体 在被喷射时远离燃料和含氧气体的火焰移动。对于该单股周围射流，该主要不活泼气体射流的每一个的涡流比(swirl rate)优 选在0. 26到1. 73之间。涡流比S定义为S = lt/la，其中It和Ia分别是射流中涡旋的 流体的切向和轴向脉冲。该方法尤其适于在锅炉中使用。在本发明中，含氧气体优选是氧气浓度按体积计高于90%的气体。根据本实施 例，氧化剂是含氧气体，主要不活泼气体由燃烧产生的烟气组成。燃烧生成的烟气一般主要 (如果不是唯一地)包括co2。这些气体也可含有H2O。优选地，主要不活泼气体至少部分地 包括本方法燃烧生成的气体，所述气体在燃烧方法中再循环。在这种情况下，烟气在实施本 方法的燃烧室外再循环。它们可以在再循环前进行处理。根据本发明，一般至少有4Sm3的烟气在本方法中再循环。根据本实施例，优选地，喷射到主要不活泼气体的单股周围射流中 的主要不活泼气体的流量/流率占所喷射的主要不活泼气体的总流量的100%。此外，燃烧 生成的以单股周围射流的形式喷射的气体不会干扰由燃料和含氧气体的燃烧生成的火焰， 而是会在靠近燃烧器的炉鼻(nose)的位置产生一通道(corridor)，这保护燃烧室的壁避 免受到过强的辐射。在燃烧器的炉鼻以外，燃烧生成并以单股周围射流的形式喷射的气体 和由本方法的实际燃烧生成的热气体混合，以形成一种均勻的混合物。根据第一实施例，燃 烧生成的气体也可以喷射到燃烧室的不同于单股周围射流的喷射点的至少一点处。本发明还涉及一种适于实施所述方法的燃烧器，其包括-至少一个用于喷射所述燃料的装置和至少一个用于喷射所述含氧气体的装置， 所述含氧气体包含按体积计至少80 %的氧气，所述装置相对于彼此布置成使得含氧气体和 燃料能够生成火焰，-用于喷射所述主要不活泼气体的装置-用于喷射所述主要不活泼气体的所述装置适于以射流的形式喷射该主要不活泼 气体，所述射流邻近并围绕由所述含氧气体和所述燃料生成的火焰，并且用于喷射所述主 要不活泼气体的所述装置包括适于使通过其中的所述主要不活泼气体流发散地涡旋的装置。因此，根据本发明的燃烧器包括第一中心部件，所述第一中心部件包括至少一个 用于喷射燃料的装置和至少一个用于喷射含氧气体的装置。这两个喷射装置必须相对于彼 此定位成使得含氧气体和燃料在燃烧器工作时能够生成火焰。因此，用于喷射燃料和含氧 气体的装置可以是同轴的管或者单独的管。用于喷射燃料和含氧气体以形成火焰的任何已 知技术都可以使用。燃烧器包括第二周围部件，所述周围部件包括用于喷射主要不活泼气体的装置。 优选地，适于使通过该喷射装置的主要不活泼气体流发散地涡旋的装置导致所述(主要不 活泼气体)流以在0.26到1.73之间的涡流比涡旋。所述适于发散的涡旋的装置通常是偏 导器(deflector)。根据一个具体实施例，燃烧器使得-用于喷射主要不活泼气体的装置包括两个围绕用于喷射燃料的装置和用于喷射 含氧气体的装置定中心的同轴的管，两个管之间的间隔容许部分主要不活泼气体通过并且 包括适于使通过其中的主要不活泼气体流发散地涡旋的装置。根据该具体实施例，燃烧器也可以包括两个用于喷射含氧气体的装置，所述装置 是同轴的管，用于喷射燃料的装置可以是钻有至少一圈孔口的金属环，所述金属环与含氧 气体喷射管同轴并且布置在所述管之间。这样，燃烧器由4个同轴的管组成，钻有孔口的金 属环布置在一环内，所述环布置在最小的管和紧接着较大直径的管之间。根据本发明，燃烧器可以包含两个不同的用于喷射燃料的装置来喷射两种不同的 燃料。图1示出了根据本发明的燃烧器的端部。其包括第一中心部件，该第一中心部件 包括-燃料喷射装置1，该燃料喷射装置是一管，-含氧气体喷射装置2，其包括两个管21和22；—个管21布置在燃料喷射管1的中心，另一个管22围绕相同的燃料喷射管1。燃烧器还包括第二部件，该第二部件是用于喷射主要不活泼气体的装置；其包括 两个同轴管22、31，它们以第一中心部件为中心，最小的管对应于用于喷射燃料1的管22。 中间的管31和最小的管22之间的间隔包括适于使通过其中的主要不活泼气体流发散地涡 旋的装置5(翅片)。本发明的一个优点是可以用于改造通常在空气条件下工作的燃烧器，使其在含氧 气体和含氧烟气的条件下工作。利用适于喷射再循环的烟气的根据本发明的燃烧器的第二 部件，足以补充与根据本发明的燃烧器的第一部件相对应的空气燃烧器。然后将含氧气体 喷射到燃烧器的第一部件中，将烟气喷射到第二部件中。根据本发明的燃烧器和燃烧方法的一个优点是其生成具有可控制的尺寸的火焰， 这在有限的容器例如锅炉燃烧室中是有益的，在该锅炉燃烧室中，过长的火焰与裸露的钢 管的直接接触是极其危险的。在该后一种情况中，根据本发明的燃烧器生成的火焰的几何 形状可以使热流在所有锅炉内壁上均勻分布；装配有该燃烧器且使用氧燃烧工作的锅炉根 据再循环烟气的比例可以经受最大为0. 600MW/m3的能量密度。根据本发明使用含氧气体工作的燃烧器和燃烧方法的另一个优点是生成具有高 核心温度的火焰，从而使未燃烧物显著地减少。本发明可以包括一个或者多个下述特征燃料可以是气态的、液体、固体、浆状体、乳状体、气态固体悬浮物(solid in gas suspension)或任何前述的组合。三种或更多不同的燃料可以同时喷射。燃料通过两个或 更多孔口喷射，含氧气体通过两个或更多孔口喷射。含氧气体通过两个或更多孔口喷射。含 氧气体的喷射被分级成第一和第二氧气。可以利用单组孔口喷射两种或更多不同燃料。烟 气温度保持在高于酸露点温度的温度下。燃料流、含氧气体流或两者在通过燃烧器时发生的压降可能不多于200mbar。主 要不活泼气体在通过燃烧器时发生的压降可能在4mbar到IOmbar之间。主要不活泼气 体喷射装置可以用HR 160制造，或者如果燃料具有高含硫量则可以使用另一镍基合金类 型(Hastelloy-type)合金。如果燃料中相对不含硫，则主要不活泼气体喷射装置可以 用316不锈钢制作。用于喷射氧化剂和燃料的装置可以用镍-铬-铁基固溶强化合金 600(inconel600)制造。锅炉可包含至少一个符合本设计的燃烧器。氧化剂是含氧气体，主要不活泼气体由通过所述方法的燃烧产生并再循环的气体 组成，其中再循环比(rate of recycling)在0. 1到5. 0之间变化，优选为1. 5。在本发明 中，再循环比定义为再循环的烟气的体积流量(χ)和系统中通过烟道的烟气的体积流量的 比率(x/y)。在另一个实施例中，根据本发明的燃烧方法用于生产至少一种热流体例如蒸汽、 热水或热油、和/或电和/或机械功。
权利要求
使用至少一种含氧气体和至少一种主要不活泼气体的至少一种燃料的燃烧方法，其中 所述含氧气体包含按体积计至少80％的氧气， 所述燃料和所述含氧气体被喷射成使得生成火焰， 所述主要不活泼气体被喷射成使得该主要不活泼气体邻近并围绕由所述含氧气体和所述燃料生成的火焰并且相对于火焰具有发散的漩涡。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料可以是气态的、液体、固体、浆状 体、乳状体、气态固体悬浮物或任何前述的组合。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，可以同时喷射三种或更多不同燃料。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃料通过两个或更多孔 口进行喷射，所述含氧气体通过两个或更多孔口进行喷射。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述含氧气体通过两个或更 多孔口进行喷射。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述含氧气体的喷射被分级成第一和第二氧气。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，可以使用单组孔口来喷射两 种或更多不同燃料。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述主要不活泼气体由通过 所述方法的燃烧产生并再循环的气体组成，其中，再循环比在0. 1到5. 0之间变化，优选为 1. 5。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，烟气温度保持在高于酸露点 温度的温度下。
10.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含氧气体的装置，该含氧气 体包含按体积计至少80 %的氧气，所述装置相对于彼此布置成使得含氧气体和燃料能够生 成火焰，-用于喷射主要不活泼气体的装置用于喷射主要不活泼气体的所述装置适于以射流的形式喷射主要不活泼气体，该射流 邻近并围绕由含氧气体和燃料生成的火焰，用于喷射主要不活泼气体的所述装置包括适于 使通过其中的主要不活泼气体流发散地涡旋的装置(5)。
11.锅炉，该锅炉包括至少一个根据权利要求10所述的燃烧器。
12.利用根据权利要求1所述的燃烧方法生成至少一种热流体例如蒸汽、热水或热油、 和/或电、和/或机械功的用途。
全文摘要
本发明涉及一种使用含氧气体和至少一种主要不活泼气体的燃料的燃烧方法，其中所述含氧气体包括按体积计至少80％的氧气，所述燃料和所述含氧气体被喷射成使得生成火焰，所述主要不活泼气体被喷射成使得该主要不活泼气体邻近并围绕由所述含氧气体和所述燃料生成的火焰并且相对于火焰具有发散的漩涡。
文档编号F23C7/00GK101910724SQ200980102203
公开日2010年12月8日 申请日期2009年1月15日 优先权日2008年1月17日
发明者I·桑切斯-莫利内罗, J·洛朗, J·穆伦, P·J-M·勒库特, R·P·齐阿瓦, X·波贝尔 申请人:乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司