通过含氧固体燃料燃烧器产生平焰的方法

通过含氧固体燃料燃烧器产生平焰的方法
【专利摘要】本发明提供了一种使用固体燃料在工业熔融炉中产生平焰的方法。平焰可通过燃烧器实现，所述燃烧器通过在位于不同平面上的多股高速初级氧化剂料流(6)上方注入位于一个平面上的多股燃料流(4)而使颗粒燃料燃烧。燃料流(4)的速度恰在燃烧炉体正面的上游降低以减缓燃料流(4)以容许就令人满意的烧尽而言在炉中足够长的停留时间，同时避免燃料颗粒积累在燃料喷嘴中。
【专利说明】通过含氧固体燃料燃烧器产生平焰的方法
[0001]背景发明领域
[0002]本发明涉及固体燃料燃烧器，特别是能够产生平焰型(火焰面)的含氧固体燃料燃烧器，其尤其适于熔融炉和相关方法，尤其是玻璃炉的要求。相关技术
[0003]对于工业熔融炉的熔融方法，理想的是具有在熔融浴(例如玻璃或金属的)上具有更宽覆盖率的火焰。一个可能的路线是使用平焰。
[0004]通常，天然气或燃油平焰燃烧器产生比常规含氧燃料燃烧器宽三倍的火焰。另一方面，最常用的固体燃料燃烧器具有或不具有产生圆柱形火焰，而不是平焰的漩涡的管包管结构。具有漩涡的管包管燃烧器对固体燃料的燃烧而言是非常有利的，因为通过强漩涡产生的再循环区帮助保持火焰稳定性。然而，圆柱形火焰固有地提供比熔融方法要求的更小的熔融浴覆盖率。
[0005]固体燃料，例如石油焦或煤是世界上燃料的主要料源。而石油焦(石油焦)是石油化学工业的副产物，其中它由于炼油方法产生，煤是天然产物。石油焦显示出类似于煤的处理性能。
[0006]目前，不同的装置和方法可用于使煤在炉和锅炉中燃烧。煤通常随着空气或氧气与燃料气体的混合物(“合成空气”)传送。燃料作为初级料流引入燃烧区中。分开地注入其它氧化剂以完全燃烧。取决于涡流氧化剂和燃烧器几何如Quarl尺寸、注射器阻塞比、气体速度和动量比，可实现各种混合方式，有时不同的混合方式产生显著不同的火焰图形和长度。
[0007]两种常规粉状煤燃烧器包括漩涡稳定化管包管燃烧器和S型燃烧器。
[0008]漩涡稳定化管包管燃烧器六十多年来用于使多种煤在许多锅炉尺寸中燃烧。燃烧器由中心喷嘴组成，将初级氧化剂和粉状煤供入其中。煤通过喷头(tip)的叶轮快速分散于二级料流中。温和的漩涡产生圆柱形的火焰烟流。
[0009]20世纪八十年代开发了 S型燃烧器。分别控制二级空气流和漩涡，这能够使这类燃烧器以更高的燃烧效率和机械可靠性操作。如果给出与圆形燃烧器相同的设计原理，则S型燃烧器的火焰形状类似于由漩涡稳定化管包管燃烧器所预期的。
[0010]在引入NOx排放规则以后，开发了大量低NOx燃烧器，包括US4，836，772和US4，479，442中公开的那些。由于NOx排放水平明显涉及基本流混合特征，theInternat1nal Flame Research Foundat1n (IFRF)确定了四种不同类型的火焰:类型 0、类型1、类型2和类型3。类型2可被认为是固体燃料燃烧的最常见火焰类型，但由于某些目的，偶尔使用其它类型。尽管在其它类型的燃烧器中，混合方式非常不同，通常的燃烧器结构为管包管，使得预期的火焰形状是圆柱形的。还应注意，对于所有情况，通常为氧化剂的主要料源的二级氧化剂完全包围初级氧化剂和燃料流。
[0011]已作出了燃烧器设计的大量改进以符合更严格的NOx规章。例如，US2005/0092220A1公开了固体燃料燃烧器，其可促进燃料点火并防止发生由燃烧灰导致的节涌。然而，该改进不太多地改变圆柱形火焰的基本形状。
[0012]开发了平焰燃烧器用于天然气燃烧和燃料油燃烧的工业熔融炉，因为它们在熔融浴上产生大表面积的高辐射火焰。例如，US5, 611，682描述了分级含氧燃料燃烧器以产生覆盖高辐射贫燃料火焰的通常平富燃料火焰。US2010/0167219A1还公开了由燃烧器产生平焰，所述燃烧器包含从椭圆形截面过渡到圆形截面的炉体空穴。在常规天然气燃烧或燃料油燃烧平焰燃烧方法中，氧化剂和/或燃料作为高速射流通过燃烧器注入炉中以在大面积上形成平形状。当氧化剂和燃料流中的仅一种作为高速射流注入时，预期其它料流以高速射流输送。
[0013]天然气/油平焰概念在固体燃料燃烧中的应用涉及显著的不确定性，主要是由于与气体或液体燃料相比更长的固体燃料着火延迟。更具体而言，认为与固体燃料燃烧相关的技术挑战由固体燃料颗粒着火的难度产生。为解决该问题，多数固体燃料燃烧器具有具有强漩涡以完全包围燃料流的管包管结构。
[0014]一般而言，提高涡流以保持附着在燃烧器上的火焰导致更短的火焰和在熔融浴上更小的表面积覆盖率。另一方面，降低涡流以实现更长的火焰和更大的表面积可导致不稳定的火焰。
[0015]因此，需要当使用固体燃料时可实现稳定的宽火焰的燃烧器。
[0016]概述
[0017]公开了使用固体燃料在工业熔融炉中产生平焰的方法，其包括以下步骤。将第一部分初级氧化剂作为两股或更多股高速初级氧化剂料流在自燃烧炉体(burner block)底面起的相同高度从燃烧炉体正面注入炉中。将至少两股颗粒燃料流在高速初级氧化剂料流上方在自燃烧炉体底面起的相同高度从燃烧炉体正面注入炉中，其中颗粒燃料流包含用传送气体流化的固体燃料颗粒。将第二部分初级氧化剂以两股或更多股环形流的形式注入炉中，每股环形流围绕相应的一股所述燃料流。使第一和第二部分初级氧化剂在炉中在第一燃烧区中与燃料流燃烧以产生平焰和不完全燃烧产物。次级氧化剂作为至少一股次级氧化剂料流在燃料流的注射上方从燃烧炉体正面注入炉中。次级氧化剂与不完全燃烧产物在第二燃烧区中燃烧。燃烧炉体具有至少两个燃料通道，至少两股颗粒燃料流从所述通道注入炉中。燃料通道各自具有延伸通过它的燃料喷嘴以限定燃料通道的内表面与燃料喷嘴的外表面之间的环形通路。第二部分初级氧化剂从环形通路注入炉中。燃料喷嘴在燃烧炉体正面上游的点终止，使得各燃料流流出相关燃料喷嘴的末端并在注入炉中以前在燃料通路中与第二部分初级氧化剂混合。
[0018]该方法可包括一个或多个以下方面:
[0019]-次级氧化剂料流以朝向平焰的角向下注入。
[0020]-高速初级氧化剂料流以10-50m/s的轴向速度注入炉中。
[0021]-至少两股燃料流以不大于6m/s的轴向速度注入炉中。
[0022]-第二部分初级氧化剂以漩涡注入炉中。
[0023]-第二部分初级氧化剂包含通过第一和第二部分初级氧化剂和次级氧化剂料流注入炉中的氧化剂的总量的5-10%。
[0024]-燃料流以漩涡注入炉中。
[0025]-高速初级氧化剂料流各自以漩涡注入炉中。
[0026]-传送气体选自空气、CO2和烟道气。
[0027]-至少两股颗粒燃料流包含两股颗粒燃料流。
[0028]-至少两股颗粒燃料流包含四股颗粒燃料流。
[0029]-至少两股高速初级氧化剂料流包含两股初级氧化剂料流。
[0030]-至少一股次级氧化剂料流包含两股次级氧化剂料流。
[0031]-该方法进一步包括步骤:将传送气体供入具有包含颗粒燃料的料斗的燃料给料器中，调整并构造燃料给料器以产生朝向燃烧炉体的通过传送气体流化的颗粒燃料流，其中来自燃料给料器朝向燃烧炉体的颗粒燃料和传送气体流分成至少两股颗粒燃料和传送气体流，其包含注入炉中的所述至少两股颗粒燃料流。
[0032]-来自给料器的料流在燃烧炉体上游的点分开。
[0033]-来自给料器的料流在燃烧炉体内部分开。
[0034]附图简述
[0035]关于本发明的性质和目的的进一步理解，应参考以下详细描述以及附图，其中类似的元件以相同或类似的参考数字给出，且其中:
[0036]图1为本发明燃烧炉体的一个实施方案的正视图。
[0037]图2为本发明燃烧炉体的另一实施方案的正视图。
[0038]图3为注入炉中的燃料和氧化剂注入的示意图。
[0039]图4为沿着线A-A取得的图2的横断面视图的第一实施方案。
[0040]图5为沿着线A-A取得的图2的横断面视图的第二实施方案。
[0041]优选实施方案描述
[0042]根据本发明，平焰以在以多股高速料流的形式注入炉中的第一部分初级氧化剂上方且在二级氧化剂的注入下方注入颗粒燃料流(用传送气体流化的颗粒固体燃料)而实现。各燃料流从置于燃料通路内的喷嘴注入炉中。燃料通路为从燃烧炉体正面出现，延伸通过燃烧炉体的孔的形式。喷嘴延伸至孔中在燃烧炉体正面上游处的下游端以在燃烧炉体正面与喷嘴下游端之间形成凹口。各喷嘴以直径大小排列以容许孔内表面与喷嘴外表面之间的环形空间。第二部分初级氧化剂也从环形空间注入炉中以围绕各燃料流。
[0043]除提出用颗粒燃料实现平焰的新机制外，本发明解决了颗粒燃料燃烧中固有的问题。为实现燃料颗粒令人满意的烧尽，燃料流速度必须不太高。这是因为燃料颗粒需要在它们撞击炉壁以前令人满意地燃烧。与快速燃烧的天然气或燃料油相反，相对更慢燃烧的固体燃料颗粒要求相对更长的停留时间以实现令人满意的烧尽。另一方面，太低的燃料流速度可能导致燃烧区和火焰由于浮力而上升。产物，太低的燃料流速度可导致燃料颗粒积累在燃料喷嘴中，因为传送气体的速度不足以将燃料颗粒流化。
[0044]通过以高速度注入初级氧化剂料流，可防止燃烧区和火焰由于浮力而上升，尽管相对低的燃料流速度。这是因为传送气体和燃料颗粒变得一定程度地在高速初级氧化剂料流中输送。同时，固体燃料颗粒仍容许足够的停留时间以在撞击炉壁以前令人满意地烧尽。因此，可以说在高速初级氧化剂料流的多股料流上方或下方注入多股颗粒燃料流容许以颗粒燃料燃烧-燃烧器实现平焰。
[0045]固体颗粒燃料可以为平均粒度小于300 μ m的任何粉状固体颗粒燃料。通常，燃料为煤或石油焦。传送气体可以为空气、再循环烟道气或CO2(非再循环烟道气)。将颗粒固体燃料流化(而不招致颗粒固体燃料在燃烧炉体中的明显积累)所需传送气体的最小量和速度是固体颗粒燃料燃烧-燃烧器领域中熟知的。注入炉中的各燃料流通常具有圆柱形横截面且任选具有漩涡。漩涡充当另外的火焰稳定器，因为它帮助燃料流更快地与周围氧化剂混合且它的轴向动量更快地散逸到横向中。
[0046]凹口起两个作用。首先，凹口导致燃料流的速度由于它从喷嘴的下游端出现而降至所需出口速度。这是重要的，因为没有该凹口，则燃料流的速度不能降至通过传送气体将固体燃料颗粒令人满意地流化所需的最小速度以下。典型的工业标准是具有高于约15m/s的传送气体速度。理想的是实现比最小流化速度更低的速度，因为它容许燃料颗粒在更小的空间如工业熔融炉的内部实现烧尽。在较高的速度下，燃料颗粒可在烧尽以前撞击炉壁。第二，用该凹口，轻微量的混合会存在于燃料流与初级氧化剂环形流之间，所述环形流在燃烧炉体面与喷嘴下游端之间。该轻微预混合方法改进着火的氧气可用性以及增强火焰稳定性。
[0047]燃烧炉体正面与喷嘴下游端之间的距离(即凹口)可以为与2-lOcm—样大(例如3cm或6cm或9cm)。凹口可具有恒定的横截面尺寸。换言之，它可具有配有恒定直径的圆柱体形状。作为选择，凹口可以向外渐缩。在该后一种情况下，形成燃料通路的孔在与燃烧炉体正面相邻的下游端变宽。渐缩可在燃料喷嘴的下游端开始或者它可在燃料喷嘴下游端上游的点处开始。向外渐缩的凹口是有利的，因为它膨胀并在它从燃料喷嘴中出现时减缓燃料流。这帮助实现足够低的燃料流注射速度以容许燃料颗粒在撞击炉壁以前令人满意的烧尽，同时还保持足以使燃料喷嘴内的颗粒燃料流化的最小速度。
[0048]尽管由于安全原因，初级氧化剂和次级氧化剂各自通常是工业纯氧，它可包含次要量的其它气体。工业纯氧的具体纯度取决于制备方法以及是否将产生的氧气进一步提纯。例如，工业纯氧可以为来自空气分离装置的气态氧，所述空气分离装置将空气低温分离成主要氧气和氮气流，在这种情况下，气态氧具有超过99% vol/vol的浓度。工业纯氧可通过液态氧(其由来自空气分离装置的氧气液化)的蒸发而制备，在这种情况下它也具有超过99% vol/vol的纯度。工业纯氧还可通过真空变压吸附(VSA)装置制备，在这种情况下，它通常具有约92-93% vol/vol的纯度。工业纯氧可源自工业气体实业中所用任何其它类型的氧气制备技术。
[0049]高速初级氧化剂料流通常具有圆柱形横截面。如上所述，高速初级氧化剂料流的主要目的是通过将燃料颗粒从燃料流中运离而确保火焰的平整度。高速初级氧化剂料流还提供燃料在第一燃烧区中的部分燃烧。次级氧化剂料流的作用是实现固体颗粒燃料的完全燃烧，同时容许燃烧分级以降低N0X。这通过将燃烧所需的氧化剂总量分成两部分而实现:一部分用于初级氧化剂且一部分用于次级氧化剂。可以说次级氧化剂料流和高速初级氧化剂料流包围火焰流以实现其完全燃烧。通过燃烧器注入的氧化剂的总量如下在初级氧化剂和次级氧化剂的第一与第二部分之间指定:20-40%第一部分初级氧化剂(即高速初级氧化剂料流)；50-70%次级氧化剂；和5-10%第二部分初级氧化剂(即围绕燃料流的初级氧化剂的环形流)。
[0050]次级氧化剂料流可以以朝向火焰的角Θ向下注入炉中。如果燃料流和高速初级氧化剂料流的速度导致冉冉升起的火焰，以朝向火焰的角Θ注入次级氧化剂料流增强平焰在水平面的保持力。角Θ通常为4-10。在一个实施方案中，它为7。
[0051]各初级氧化剂料流(无论高速燃料流以下还是在燃料流周围的环形流)和/或各次级氧化剂料流可任选成漩涡。对于具有相对较低挥发物含量的燃料，燃料与氧化剂的混合可通过使用至多40°的漩涡(尤其是对于氧化剂料流)而进一步增强。
[0052]高速初级氧化剂料流具有比组合燃料流和环形第二部分初级氧化剂更高的轴向速度。通常，各高速初级氧化剂料流以10-50m/s的轴向速度注入炉中，同时燃料流的典型轴向速度是不大于6m/s。次级氧化剂料流通常具有约20m/s的速度。当第二部分初级氧化剂(即围绕燃料流的初级氧化剂的环形流)通常具有不大于6m/s的速度时，如果漩涡用于该氧化剂注射，则它的速度可以为与lOm/s —样多。
[0053]燃烧炉体包含形成在正面出现的初级氧化剂通路的多个孔。它还包含多个形成类似地在正面出现的燃料通路的多个孔。如上所述，燃料流从延伸通过燃烧炉体中形成燃料通路的孔的喷嘴(例如金属喷嘴)注入。也如上所述，喷嘴按大小排列以容许环形空间，所述环形空间中的每一个由相应喷嘴的外表面和形成燃料通路的相应孔的内表面限定。燃烧炉体还包含至少一个形成次级氧化剂通路的孔。
[0054]通常，形成燃料通路的孔从背面至正面一直延伸通过燃烧炉体。颗粒燃料和传送气体从歧管供入燃料喷嘴中，所述歧管将用传送气体流化的单一颗粒燃料流分成多股料流。通常歧管在燃烧炉体的上游。单一料流通过将传送气体供入具有包含颗粒燃料的料斗的燃料给料器中而形成。调整并构造燃料给料器以产生流向歧管的通过传送气体流化的颗粒燃料流。这类颗粒燃料给料器是本领域中熟知的。作为选择，歧管可以与燃烧炉体背面相邻地放置或者甚至位于燃烧炉体内。
[0055]通常，形成初级氧化剂通路和次级氧化剂通路的孔也从背面至正面一直延伸通过燃烧炉体。氧化剂(上文定义)经由氧化剂歧管从氧化剂料源供入初级氧化剂通路和次级氧化剂中。歧管通常置于燃烧炉体背面，但甚至可置于燃烧炉体本身内。
[0056]燃烧炉体可具有任何数目的燃料通路(和燃料喷嘴)，条件是存在至少两个，且各个在相同水平面上在燃烧炉体正面出现。燃烧炉体可类似地具有任何数目的初级氧化剂通路(和燃料喷嘴)，条件是存在至少两个，且各个在相同水平面上在燃烧炉体正面出现。当燃烧炉体可具有仅单一次级氧化剂通道时，如果它包含两个或更多，则它们各自在相同水平面上在燃烧炉体的正面出现。本领域技术人员认识到“相同水平面”意指所述通路在通常自燃烧炉体底面起的相同高度在燃烧炉体正面出现。
[0057]就以上描述而言，初级氧化剂通路、燃料通路和次级氧化剂通路是交错的使得当一股从燃烧炉体底面至顶面上升时，通路不以相同的垂直面取向。通常，燃烧炉体包含两个燃料通路(具有两个燃料喷嘴)、三个初级氧化剂通路和两个次级氧化剂通路。作为选择，燃烧炉体可具有四个燃料通路(具有四个燃料喷嘴)、三个初级氧化剂通路和两个次级氧化剂通路。
[0058]当平焰在工业熔融炉中平行于玻璃或金属的熔融浴取向时，它提供在相对宽表面积上的辐射加热。
[0059]以下步骤描述平焰燃烧器的典型操作。开始初级氧化剂和燃料的料流。火焰可通过使用辅助热源如一个或多个天然气燃烧器将炉内部加热至颗粒燃料的自燃温度而着火。当初始火焰建立时，其余氧化剂作为次级氧化剂料流供入用于着火区域下游的完全燃烧。
[0060]现在参考图描述本发明的某些方面。
[0061]如图1中最好地阐述，燃烧炉体2包含两个燃料通道ΙΑ、1B,三个初级氧化剂通路3A、3B、3C，和两个次级氧化剂通路5A、5B。图2的燃烧炉体类似于图1，不同之处在于代替两个燃料通路1A、1B，它现在包含四个燃料通路1A、1B、1C、1D。
[0062]如图3中最好地显示，多股燃料流4在多股高速初级氧化剂料流6上方从燃烧炉体注入。燃料和初级氧化剂在第一燃烧区7中燃烧。一股或多股次级氧化剂料流8以相对于水平HA的角Θ沿着轴IA向下注入。次级氧化剂与来自第一燃烧区7的不完全燃烧产物在第二燃烧区9中燃烧。
[0063]如图4中最好地阐述，燃料流11流入燃料喷嘴13内部。第二部分初级氧化剂的环形料流15流入由燃料喷嘴13的外表面与燃料通路17的内表面限定的环形空间中。在燃料流11和环形料流15从燃烧炉体2的正面注入炉中以前，将燃料与第二部分初级氧化剂在凹口 19中轻微地预混合。图5的燃料通路17类似于图4，不同之处在于它在燃料喷嘴13的下游端与燃烧炉体2的正面之间的渐变段21向外渐缩。
[0064]描述了用于实践本发明的优选方法和设备。技术人员应当理解且容易获悉可不偏离本发明的精神和范围地作出上述实施方案的许多改变和改进。前文仅是说明性的并可使用联合方法和设备的其它实施方案而不偏离以下权利要求书中定义的本发明真实范围。
【权利要求】
1.使用固体燃料在工业熔融炉中产生平焰的方法，其包括如下步骤:将第一部分初级氧化剂作为两股或更多股高速初级氧化剂料流在自燃烧炉体底面起的相同高度从燃烧炉体正面注入炉中； 将至少两股颗粒燃料流在高速初级氧化剂料流上方在自燃烧炉体底面起的相同高度从燃烧炉体正面注入炉中，颗粒燃料流包含用传送气体流化的固体燃料颗粒； 将第二部分初级氧化剂以两股或更多股环形流的形式注入炉中，每股环形流围绕相应的一股所述燃料流，其中: 所述燃烧炉体具有至少两个燃料通道，所述至少两股颗粒燃料流从所述通道注入炉中； 所述燃料通道各自具有延伸通过它的燃料喷嘴以限定燃料通道的内表面与燃料喷嘴的外表面之间的环形通路； 将所述第二部分初级氧化剂从环形通路注入炉中；和 燃料喷嘴在燃烧炉体正面上游的点终止，使得各燃料流流出相关燃料喷嘴的末端并在注入炉中以前在燃料通路中与第二部分初级氧化剂混合； 使所述第一和第二部分初级氧化剂与所述燃料流在炉中在第一燃烧区燃烧以产生平焰和不完全燃烧产物； 次级氧化剂作为至少一股次级氧化剂料流在所述燃料流的注射上方从燃烧炉体正面注入炉中；和 使所述次级氧化剂与所述不完全燃烧产物在第二燃烧区中燃烧。
2.根据权利要求1的方法，其中所述次级氧化剂料流以朝向平焰的角向下注入。
3.根据权利要求1或2的方法，其中所述高速初级氧化剂料流以10-50m/s的轴向速度注入炉中。
4.根据权利要求1-3中任一项的方法，其中所述至少两股燃料流以不大于6m/s的轴向速度注入炉中。
5.根据权利要求1-4中任一项的方法，其中所述第二部分初级氧化剂以漩涡注入炉中。
6.根据权利要求1-5中任一项的方法，其中所述第二部分初级氧化剂包含通过所述第一和第二部分初级氧化剂和所述次级氧化剂料流注入炉中的氧化剂总量的5-10%。
7.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中所述燃料流以漩涡注入炉中。
8.根据权利要求1-7中任一项的方法，其中所述高速初级氧化剂料流各自以漩涡注入炉中。
9.根据权利要求1-8中任一项的方法，其中所述传送气体选自空气、C02和烟道气。
10.根据权利要求1-9中任一项的方法，其中所述至少两股颗粒燃料流包含两股颗粒燃料流。
11.根据权利要求1-10中任一项的方法，其中所述至少两股颗粒燃料流包含四股颗粒燃料流。
12.根据权利要求1-11中任一项的方法，其中所述至少两股高速初级氧化剂料流包含两股初级氧化剂料流.
13.根据权利要求1-12中任一项的方法，其中所述至少一股次级氧化剂料流包含两股次级氧化剂料流。
14.根据权利要求1-13中任一项的方法，其进一步包括如下步骤:将传送气体供入具有包含颗粒燃料的料斗的燃料给料器中，调整并构造燃料给料器以产生朝向燃烧炉体的通过传送气体流化的颗粒燃料流，其中来自燃料给料器朝向燃烧炉体的颗粒燃料和传送气体流分成至少两股颗粒燃料和传送气体流，其包含注入炉中的所述至少两股颗粒燃料流。
15.根据权利要求14的方法，其中来自给料器的料流在燃烧炉体上游的点分开。
16.根据权利要求14的方法，其中来自给料器的料流在燃烧炉体内部分开。
【文档编号】F23D1/00GK104285100SQ201180076301
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2011年12月30日 优先权日:2011年12月30日
【发明者】姜泰圭, C·柏利亚三美, R·P·齐阿瓦, Y·薛, X·潘, F·刘, J·周, Z·周, Z·王, K·岑 申请人:乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司, 浙江大学