用于生物质燃烧的预燃烧器系统和方法

用于生物质燃烧的预燃烧器系统和方法
【专利摘要】一种包括点火室的预燃烧器系统，所述点火室具有前壁、中心轴、直径Dic和配置用于排出产物气体的出口。所述点火室包括中心点火氧注射器和切向第一燃料注射器，所述中心点火氧注射器配置用于从前壁与中心轴基本平行地注射第一氧流，所述切向第一燃料注射器配置用于在前壁下游轴向距离Xpf的位置与中心轴相切地注入第一燃料流。比率Xpf/Dic为0.25-4.0。中心轴与垂线形成角α，角α小于或等于约45度。第一燃料流的轨道与垂直于中心轴的平面形成角Θ，角Θ小于或等于约20度。还公开一种燃烧方法。
【专利说明】用于生物质燃烧的预燃烧器系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求2011年11月11日提交的美国临时专利申请号61/558，531的优先权和权益，所述申请通过引用以其全文并入本文。
[0002]本发明的主题涉及2010年7月29日分别提交的共同待审和共同转让的美国专利申请号12/845，826和12/845,879。这些专利申请的公开内容通过引用并入本文。
[0003]发明背景
本发明的主题涉及燃烧系统和方法。特别地，本发明涉及用于在蒸汽发生锅炉中燃烧负载水分的燃料(诸如生物质)的燃烧系统和方法。
[0004]粉煤为用于炉或蒸汽发生锅炉的常规燃料。期望在某些情况下用替代燃料代替或补充粉煤。粉煤一般具有约30-40微米的质量平均粒径，这使其在燃烧区内在1-2秒的停留时间以悬浮体基本完全燃烧。然而，很多替代燃料(诸如各种生物质燃料)不能研磨为像煤那样细；结果是平均粒径为约1_ (1000微米)，其中很多颗粒大到数_。燃烧这些较大的替代燃料一般既不稳定又不完全。此外，大部分这些燃料比煤具有更高的水分含量和更低的比能量含量，因此不能产生足够高的火焰温度以保持锅炉系统的设计传热。因此导致锅炉蒸汽产出的高成本的速率下降。
[0005]其它固体燃料，诸如石油焦，例如具有非常低的挥发物含量，因此这些燃料很难在常规空中(in-flight)燃烧系统中在通常分配用于该目的的短时间内点火。最终，在一些情况下，期望先进行煤的粉化步骤，从而降低与该预备步骤有关的资本设备和动力成本两者。在这些情况下，本发明提供在常规锅炉和炉中以较大的粒径实现完全燃烧的手段。建模显示这些相对大的和高水分的替代燃料的火焰稳定性和完全的空中燃烧可通过在注入炉或锅炉前预释放水分和预热颗粒来实现。当这种颗粒预热和干燥用氧增强时，结果不仅是稳定和完全的燃烧，而且提高火焰温度和恢复设计锅炉传热率。迄今为止，利用这些非常规燃料作为设计用于常规空中燃烧的炉或锅炉中的唯一能源的尝试大部分导致不完全(即，低效的和/或有害地不稳定的)燃烧。因而，其中利用非常规燃料的空中燃烧的大多数商业应用通过由备选燃料提供总能量的仅一部分量而实现。
[0006]过去已使用切向或旋流燃烧器以试图解决固体燃料的干燥、脱挥发分和燃烧的问题。Morgan 等人(Morgan, D., Biffin, Μ., No, S.Y.,和 N.Syred, “An Analysisof the Behavior of Non-Slagging, Coal Fired, Cyclone Combustors Using aPhenomenological Model (使用唯象模型分析非-成洛、煤燃烧的旋流燃烧室的性倉泛)，，，Twenty Second Symposium (International) on Combustion / The CombustionInstitute, 1988，175-182页)描述了空气-燃料、非-成渣的(g卩，固体燃料残余物不在反应器内熔化的那种)旋流反应器用于燃烧固体燃料，其中从与固体燃料燃烧的气态产物分开的管道排出固体燃料残余物。然而，测试显示，需要在相对低的温度条件下使大百分比的未燃烧燃料连同固体残余物流离开，以防止燃料成渣。参见Morgan等人的图3，其表明对于大于500微米(l/2mm)的颗粒直径,碳燃尽急剧减少。这是在Morgan等人的装置中发生的固/气分离的固有限制。Sarv等人在国际申请号W02008/151271中，D，Agostini等人在美国专利号6，910, 432、美国专利号6，968，791中和D’ Agostini在美国专利申请公布号2012/023823中(它们中的每一个通过引用全文并入本文)公开富氧成渣旋流燃烧室，其中熔化的固体残余物(炉渣)和燃烧的气态产物在分开的流中从燃烧室排出。美国专利6，968，791和美国申请2012/023823还包含沿着旋流反应器的主轴注射带有氧的第二燃料。在美国专利申请2，455，907中Slayter公开一种用于形成玻璃纤维的熔化设备(通过引用以其全文并入本文)，其中固体玻璃批料沿着熔化器的轴垂直向下进料。在设备顶部注射空气-燃料气体混合物，以产生加热和熔化玻璃批料的涡流火焰。空气-气体燃烧的气态产物和熔融玻璃两者向下下降到会聚的锥形段，由此将它们排出到前炉内用于要实现的玻璃精炼。
[0007]没有现有技术参考文献论述反应室内的特征的尺寸比例的关键程度，特别是也没有论述对必需比例的依赖而产生的独特和必需的流场。事实上，反应室内的特征的尺寸比例对于Morgan等人的装置具有非常低的关键程度，所述装置公开于W02008/151271，所述装置公开于US 6，910，432，所述装置公开于US 6，968，791和US 2012/023823。这是因为在相应装置内发生的固体和气态相的分离使气态和固体相的流体运动去耦合。熔化设备内的特征的尺寸比例在US 2，455，907内也不是高度关键的，因为沿着熔化设备的壁的玻璃纤维熔体和熔融材料在重力作用下自然流向底部排出口。此外，未提及排出口、设备(熔化室)直径和装置内的流动性质之间的相对尺寸的重要性。
[0008]本领域期望的是用于从具有相对高水分含量的固体燃料释放水分和燃烧该固体燃料的系统和方法，其有效并具有高的火焰稳定性和完全的空中燃烧。
[0009]发明简述
本发明通过允许在设计用于粉煤燃烧的炉或蒸汽发生锅炉内使用备选固体燃料而解决本领域中的问题。本发明涉及氧/固体燃料预燃烧器系统，其包含室，用于预热和干燥颗粒，并在注入炉或锅炉前引发颗粒脱挥发分和燃烧。将燃料切向注入其中形成或保持涡流的点火室。轴向注射的氧提供高反应性气氛，用于在点火室的核心内点火较细的颗粒和挥发物质，同时还产生重要的第二流，所述第二流确定比单独用切向流可达到的更大的停留时间。注射器能够插入空气/燃料燃烧器中，使之特别便于煤至生物质的改型或共燃烧方案。用于轴向和/或切向注射的氧喷嘴可在截面上为环形的或开槽的，以对涡流固体燃料流有改进的混合和更强的动量传递。
[0010]本发明的一个方面涉及一种包括点火室的预燃烧器系统，所述点火室具有前壁、中心轴、直径Di。和配置用于排出产物气体的出口。所述点火室包括中心点火氧注射器和切向第一燃料注射器，所述中心点火氧注射器配置用于从前壁与中心轴基本平行地注射第一氧流，所述切向第一燃料注射器配置用于在前壁下游轴向距离Xpf的位置与中心轴相切地注射第一燃料流。比率\￡/^。为0.25_4.0。所述中心轴与垂线形成角α，且所述角α的大小小于或等于约45度。所述第一燃料流的轨道与垂直于所述中心轴的平面形成角O，且其中角?的大小小于或等于约20度。
[0011]本发明的另一方面包括一种燃烧方法，所述方法包括提供具有前壁、中心轴、直径Dic和配置用于排出产物气体的出口的点火室的步骤。从中心点火氧注射器与中心轴基本平行地从前壁注射第一 氧流。从切向第一燃料注射器在前壁下游轴向距离Xpf的位置与中心轴相切地注射第一燃料流。比率Xpf/Di。为0.25-4.0。中心轴与垂线形成角α，角α的大小小于或等于约45度。第一燃料流的轨道与垂直于中心轴的平面形成角?，其中角O的大小小于或等于约20度。
[0012]由优选实施方案的以下更详细的描述，结合通过举例说明本发明原理的附图，本发明的其它特征和优势将显而易见。
[0013]数个附图的简述
图1是粒径相对于木材脱挥发分所需时间的图解表示。
[0014]图2是比较煤和木材的燃烧室CFD建模的图解。
[0015]图3是按照本发明一个方面的预燃烧器系统的图。
[0016]图4是图3中描绘的预燃烧器系统的截面A-A的图。
[0017]图5A是按照本发明另一方面的预燃烧器系统的图。
[0018]图5B是图5A描绘的预燃烧器系统的截面B-B的图。
[0019]图6是截面B-B的图，描绘图3中描绘的预燃烧器系统的备选布置。
[0020]图7是描绘图3中描绘的预燃烧器系统的备选布置的图。
[0021]图8是按照本发明的一个方面的预燃烧器系统的备选布置的图，显示示例性过渡区段几何形状。
[0022]图9是按照本发明一个方面的另一个预燃烧器系统的图，显示示例性过渡区段和使用外部氧和燃烧空气的注射喷嘴。
[0023]图10是截面B-B的图，描绘图3中描绘的预燃烧器系统的备选布置，包含示例性
覆盖氧化剂。
[0024]图11是按照本发明的一个方面的预燃烧器系统的平面图，其中由注射器区段描述的流动路径从入口处大体上垂直弯曲为出口处大体上水平，以及包含轴向喷射器。
[0025]图12是按照图11的实施方案的另一个预燃烧器系统的平面图，其还包含中心氧化剂管道。
[0026]图13是按照本发明的另一方面的预燃烧器系统的图，其中在围绕引燃燃料的环带中注入点火氧。
[0027]图14是按照本发明的另一方面的预燃烧器系统的图，其中在围绕点火氧的环带中注入引燃燃料。
[0028]图15是比较了实施例1的配置“A”和“B”的颗粒轨道的CFD结果的图。
[0029]图16是比较了实施例1的配置“A”和“B”的速度场的CFD结果的图。
[0030]图17是比较了实施例1的配置“A”和“B”的压力场的CFD结果的图。
[0031]图18是比较了实施例1的配置“A”和“B”的挥发性气体场的CFD结果的图。
[0032]图19是比较了实施例1的配置“A”和“B”的温度场的CFD结果的图。
[0033]图20是比较几何参数Xpf/Dic;对图3中描绘的发明性系统内颗粒运动的影响的CFD结果的图。
[0034]图21是比较几何参数Xpf/Dic;对图3中描绘的发明性系统的速度场的影响的CFD结果的图。
[0035]图22是比较几何参数XpfZDic对图3中描绘的发明性系统的挥发性气体场的影响的CFD结果的图。
[0036]图23是比较几何参数Xpf/Die对图3中描绘的发明性系统的温度场的影响的CFD结果的图。
[0037]图24是比较了实施例2的配置“B”和“C”的颗粒轨道的CFD结果的图。
[0038]图25是比较了实施例2的配置“B”和“C”的速度场的CFD结果的图。
[0039]图26是比较了实施例2的配置“B”和“C”的压力场的CFD结果的图。
[0040]图27是比较了实施例2的配置“B”和“C”的氧浓度分布的CFD结果的图。
[0041]图28是比较了实施例2的配置“B”和“C”的挥发性气体场的CFD结果的图。
[0042]图29是比较了实施例2的配置“B”和“C”的温度场的CFD结果的图。
[0043]但凡可能，将由始至终在附图使用相同的附图标记来表示相同的部分。
[0044]发明详述
提供预燃烧器系统和方法，其从具有相对高的水分含量和粒径的固体燃料中释放水分并燃烧该固体燃料，允许高的燃烧效率和高的火焰稳定性。在一个实施方案中，公开燃烧生物质用于电力锅炉的系统和方法。在某些实施方案中，预燃烧器系统可代替现有的空气-粉煤燃烧器的燃料喷嘴，并实现生物质和其它替代燃料的预干燥、水分释放、早期挥发、点火和燃烧，因此对于传热或蒸汽产生能力无损失地促进共燃烧和燃料转换非常重要。
[0045]本发明的目标和配置两者与现有技术在关键方面不同。本发明为非-成渣(即，非-熔化)反应器，其中固体和气态产物从相同的口排出，这样的事实需要特别注意反应室内的两相颗粒运动。特别有利的是在整个通过系统的路径中确保气流中的固体燃料颗粒的连续悬浮，因为不这样会导致较大颗粒沉降在室壁上。这将随后导致有害结果，诸如:形成堆积，进一步妨碍期望的气体/固体流型；材料在室壁上的燃烧，对于实际关注的很多燃料这会导致装置的高温损坏；最后，颗粒的间歇混入或再夹带，导致波动或不稳定的燃烧。本发明通过其独特的几何配置结合氧的策略使用，避免与两相气/固流场的自然趋势有关的前述不期望的结果。
[0046]具有大量水分和/或大粒径的固体燃料在锅炉/炉内的有效燃烧需要完成以下单独步骤:干燥、加热、挥发、颗粒点火和燃烧。本方法中的关键步骤是挥发物质的放出。具体地，在常规现有技术空中固体燃料燃烧系统中，优选在非常接近于燃料注入炉的点(即，在稍微下游)将挥发物质大量放出，因为随后的挥发物质点火驱动固体燃料余量的前期点火和快速燃烧。然而，挥发物放出前必须有燃料表面水分的干燥和颗粒加热，它们是事件链中的时间限制步骤。利用使用FLUENT软件包的计算流体动力学(CFD)建模来预测作为初始粒径和水分含量函数的颗粒干燥和水分释放所需时间的灵敏度，如图1所说明。模型假定在127°C的燃料颗粒温度下引发燃料(在这种情况下为木材)的挥发。假定在时间等于零时颗粒为20°C，它们在该点暴露于1000°C的辐射温度。注意到引发挥发物放出所需的时间随着粒径和燃料表面水分两者而急剧增加。
[0047]作为这种所谓挥发延迟(B卩，颗粒注射和挥发物放出之间消耗的时间)的重要性的说明，认为固体燃料以典型的100英尺/秒的速度从燃烧器喷射至炉。在该速度下，10毫秒的挥发延迟(对应于没有表面水分的0.5mm颗粒)将导致或距燃烧器喷嘴标称I英尺(100英尺/秒X0.01秒)的点火延迟间隔距离，而100毫秒的挥发延迟(2mm颗粒，20%表面水分)具有标称10英尺(100英尺/秒X0.1秒)的点火延迟或间隔距离。
[0048]预干燥和挥发物释放的组合对空中(悬浮-燃烧，夹带流动)燃烧具有的深刻影响经由蒸汽发生锅炉中木材颗粒的空气/燃料燃烧的CFD建模可见，如图2描绘。该图将经由粉化烟煤的常规夹带流动燃烧产生的锅炉温度分布，与质量平均直径等于0.8mm和具有20%表面水分的木材颗粒相对比。图2显示，对于粉煤情况，燃烧器喷嘴附近的高温和随后的良好定义的火焰结构，相比之下，对于20%水分/木材的情况，燃烧器喷嘴周围相对低的温度，导致大体上分离的不连贯的火焰结构。本领域技术人员应理解，前一种情况特征在于火焰稳定性、早期固体燃料点火和基本完全燃烧，而后者与不稳定燃烧、差的过程控制和相对大的未燃烧燃料百分比关联。此外，因为对于工业炉中固体燃料完全燃尽可用的停留时间通常为约I秒，已知这种大的挥发/点火延迟在这些过程中是不能维持的。本预燃烧器发明促进注入炉前燃料释放物挥发和引发固体燃料燃烧，从而提高工业炉的有效性，以使用生物质或其它相对大且负载水分的可燃材料作为燃料。
[0049]除非另作说明，否则本文定义“氧”为氧化剂(oxidizer)或氧化剂(oxidant)流，具有大于30体积％02，或大于60体积％02，或大于约85体积％02，或约100%02。本文定义“富氧空气”为与空气结合的“氧”，使得复合氧浓度大于单独空气的氧浓度或等于或大于约22体积％。
[0050]就本发明目的而言，术语“旋流”和“涡流”可交换使用，旨在描述燃料、气体、氧化剂和颗粒的流型(例如，在点火室内)。“旋流”和“涡流”流型包括燃料、气体、氧化剂和颗粒在室内以大体上环形或螺旋状运动的旋转。
[0051]除非另作说明，否则“炉”是将燃料注入其中并燃烧以实现特定工业目的(诸如加热、熔化、蒸汽产生或焚化等)的室。“锅炉”是在其中产生蒸汽的一类炉。
[0052]关于本发明的第一燃料可为固体燃料或液体燃料。可能的固体第一燃料的实例包含碎煤或生物质至少之一，所述生物质诸如木屑、锯屑、草，以及其它在燃烧前不研磨成细粉的负载水分的可燃材料。第一燃料还可以是液体燃料，特别是难以雾化或点火的燃料，诸如甘油、黑液或重燃料油，或包括液体和固体两者的浆料。已列出可能的候选第一燃料，注意到该列举既不是完全的，也不应为限制性的。此外，本发明的一个优选实施方案认为第一燃料为本段中列出的固体燃料之一。
[0053]关于本发明的运载气体包括空气、氮、富氧空气、再循环燃烧产物或它们的组合。
[0054]图3说明本发明的一个实施方案的特征的截面图。预燃烧器系统300包括点火室301，点火室301具有:切向第一燃料注射器303，其配置用于将第一燃料加运载气体混合物或第一燃料流305切向引入点火室301 ;中心点火氧注射器307，其布置在前壁308上，配置用于基本与点火室301的中心轴311平行地递送点火氧流309 ;和出口 313，由此将产物气体315驱出。显示第二氧注射器317，其配置用于将第二氧流319在第一燃料流305下切向引入点火室301。第二氧流319可以是氧、空气、再循环燃烧产物或它们的一些组合。按照过程操作要求，该第二流319增强室301内的切向流型或涡流分布401 (参见例如图4和5)，同时还进行燃烧并控制第二注射器下游的点火室301的壁温以及产物气体315的温度。第二流319还形成覆盖气，以帮助保护点火室301的壁，如以下进一步讨论。例如，通过操作点火室301的壁以保持在低于第一燃料流305的灰组分的熔点的温度，可以实现防止成渣。
[0055]预燃烧器系统300的配置用图3显示的尺寸布置。在点火室301内离前壁308线性距离为Xpf的位置经由第一燃料注射器303注射第一燃料流305。在点火室301内离前壁308线性距离为Xs。的位置经由第二注射器317注射第二流319。点火室的长度Lie为从前壁308至出口 313或过渡区段801开端(参见例如图8)的线性距离。显示在图3的另一个重要尺寸包括点火室直径Dic;，这是点火室301的有效直径。Dic;可为线性尺寸(若直径是常数)，或可以计算为前壁308和Xpf之间的水力直径或平均直径(若点火室301的直径不是常数)。根据本发明，无量纲比率Xpf/Dic;为从点火室的前壁308至第一燃料注射的轴向距离Xpf与点火室直径Die的比率，该比率为0.25-4.0，或0.5-3.0，或1.5-3.0或约2.7。
[0056]切向注射、在切向轨道注射、切向取向以及它们的其它语法上的变化，是指具有以下矢量分量的方向:所述矢量分量与中心轴为法向(即成直角)、并且从中心轴足够地偏移以产生围绕中心轴的涡流分布401。在第一燃料流305和第二流319的情况下，例如，进入点火室301的切向注射在与侧壁相切的方向(即，从中心轴偏移到基本沿着点火室301的表面的点)上提供有运载气体加第一燃料。提供所述方向使得产生涡流分布401。该类型切向注射产生的流型说明于图4，其为图3表示的截面A-A的剖视图。
[0057]而在图3所示实施方案中，在第一燃料流305的注射点下游的轴向位置注射第二流319，在图5A和5B所示的另一个实施方案中，提供第二注射器317，以将第二流319在与第一燃料流305标称相同的轴向位置切向注入点火室301。关于图3显示的第二注射器317布置，经由第二流319提供的气体可为氧、富氧空气、空气、氮、再循环燃烧产物，或它们的一些组合。经由第二注射器317提供的第二流319 (参见图5B)在这个实施方案中具有多种功能。所述气体的一个功能是覆盖或保护点火室301的壁免受侵蚀。第二流319减少侵蚀，通过在切向而且在与第一燃料标称相同的截面平面中，但在圆周方向上(即在旋转方向上)相对于第一燃料注射点稍微往前地引入，如图5B所说明。按照这样做，第二流319使第一燃料流的路径在碰向点火室壁前偏转，使得第一燃料流305颗粒的侵蚀潜力最小化。如关于图3所讨论，第二氧流319的另一个功能是加强离心流场。第二流319的再一个功能是促进氧和第一燃料之间在进入点火室301时的早期和紧密混合，以进一步促进颗粒点火。虽然显示于图3和图5A和5B的实施方案包括用于第二流319注射的单一配置，但每一个可具有多个注射点 或可单独地或彼此组合地存在。
[0058]整个点火室301可如下取向:其中心轴311相对于垂线601偏移角α，参见图6，例如以促进与预燃烧器系统300的应用有关的空间要求。然而，为了促进期望的遍及点火室301的固体燃料流动，角α的大小小于或等于约45度，或小于或等于30度。
[0059]可通过赋予与中心轴平行的切向流分量，部分地实现改变点火室301内的燃料停留时间。因此，第一燃料流305的轨道701可从垂直于中心轴的平面703偏移角O，如图7所说明。同样地，第二氧流319可从垂直于中心轴的平面703偏移角O，如同第一燃料流305。有利的是，角Θ的大小小于或等于约20度或小于约10度，以保持所述室内足够的颗粒停留时间，并保留系统的有益的流体力学性质。
[0060]如图8所示，按照本公开的预燃烧器系统300的一个实施方案包括过渡区段801。过渡区段801从点火室301接收产物气体，随后递送所述产物气体至可包括燃料喷嘴的出口 313，或通向锅炉或炉。过渡区段801可为任意的截面几何形状，并包含从中心轴311偏移角△的表面，角△可沿着所述平面变化，但其距中心轴311的大小或平均大小(如参考线803所表示)小于或等于约45度。
[0061]按照本公开，预燃烧器系统300的又一个实施方案包括任选的外部氧注射器901和燃烧空气注射器903，如图9所说明。该实施方案特别关于其中发明性系统安装在现有空气-燃料燃烧系统中的应用。图9的预燃烧器系统300包括配置用于将点火氧流309递送至点火室301的中心点火氧注射器307。此外，引燃燃料注射器911配置用于将引燃燃料915提供至点火室。在这样的应用中，燃烧空气905可得自现有供应，且安装发明性系统以代替现有的空气-燃料燃烧器。任选的外部氧流907可用作进一步提高发明性系统的燃烧效率的手段，将其布置于预燃烧器系统300的燃烧空气905和产物气体315之间最有利。图9显示的实施方案的另一个特征是包含注射喷嘴作为过渡区段801下游的出口 313。取决于产物气体315的特定过程用途，注射喷嘴或出口 313有时存在，以将产物气体315的流动调节至对于其最终用途最优的速度和取向。
[0062]在又一个实施方案中，在第一氧注射器1001中围绕第一燃料流305注射第一氧流1003，如图10所说明，图10为取自与图5B相同平面的视图。此外，图10的预燃烧器系统300包括具有相同配置的第二注射器317和第二流319，如图5A和5B所显示和描述。该实施方案的优势在于，当注入所述室时马上发生氧和燃料之间迅速和紧密的混合，从而帮助第一燃料流305的迅速点火。
[0063]图11说明预燃烧器系统300的一个实施方案，其中产物气体315注入过程炉或锅炉(未显示)，轨道与水平线1101标称平行。图11的系统包括第一燃料注射器303和两个第二注射器317，如图5A和5B所显示和描述。可存在和/或利用一个或两个第二注射器317。应理解第一燃料和第二氧化剂的实际轨迹可偏离水平线多达45度，而仍然落入本发明范围内。该实施方案包含点火室301、过渡区段801和在过渡区段801和过程炉或锅炉之间形成管道的注射器喷嘴1103。该实施方案的注射器喷嘴1103包括转向半径1105，如同样在图11所显示。图11还显示任选的轴向喷射器1107，其可帮助喷嘴流动流中的颗粒通气以防止跃移。喷射流体1109可为空气、富氧空气、氧或任何其它合适的流体。该实施方案的有关变体显示于图12，其具有与关于图11显示和描述的布置类似的布置，其中喷射器1107与中心氧化剂喷嘴1201连通，在沿着喷嘴中心轴的管道内递送氧化剂(空气或氧)，以帮助在出口 313的燃烧。
[0064]发明性系统的点火和加热可初始经由引入引燃燃料915而实现，例如，在点火室301的前壁308通过引燃燃料注射器911。在这些情况下有利的是，彼此接近地注射引燃燃料915和点火氧流309。图13和14中说明的实施方案说明引燃燃料915和点火氧流309的两个示例性取向。图13说明经由引燃燃料注射器911沿着点火室301的中心轴311注射引燃燃料915，被经由点火氧注射器307注射的点火氧流309围绕。图14说明反转配置:SP，其中沿着中心轴311引导点火氧流309，并被含有弓I燃燃料915的引燃燃料注射器911围绕的配置。引燃燃料915可为任何固体、液体或气态燃料，诸如天然气、燃料油、粉煤或来自生物质研磨的微粒残余物，或任何其它容易点火的燃料。或者，引燃燃料915可以是少量粉煤，这可以是便利的，尤其是如果粉煤持续连同木材或其它替代燃料燃烧。最终，引燃燃料915可以是生物质微粒，其必须在磨碎过程后与生物质燃料的余量分离。其它引燃燃料915是可能的，取决于可得性。提供引燃燃料915以在第一燃料流305注射之前引发和控制预燃烧器系统300的点火室301内的加热。
[0065]已描述发明性系统的数个实施方案的物理特征，现在我们通过两个实施例说明发明性系统获得其意外良好的性能的原理，以及对本发明某些特征所施加的限定，其使所述系统能最有效地运行。我们参考用于发明性系统的实施方案的图3，实施例对此适用。除了在以下描述中特定修改的情况，否则预燃烧器系统300的布置如图3所显示和描述。在这些实施例中的第二流通过第二注射器317提供，第二注射器317安置在点火室301的前壁308的下游，且角α和Θ两者都为零。实施例中使用的第一燃料为经研磨的木屑，其具有20重量％水分、标称6060英国热量单位/磅的较高热值和如表1所示的粒径分布。这些实施例中所示的结果基于使用市售可得的Fluent软件包开发的稳态计算流体力学(CFD)模型来计算。
[0066]表1
【权利要求】
1.一种预燃烧器系统，其包含: 具有前壁、中心轴、直径Di。和配置用于排出产物气体的出口的点火室，所述点火室包含: 配置用于从所述前壁与所述中心轴基本平行地注射第一氧流的中心点火氧注射器，和 配置用于在所述前壁下游轴向距离Xpf的位置与所述中心轴相切地注射第一燃料流的切向第一燃料注射器， 其中比率Xpf/Dic;为0.25-4.0，所述中心轴与垂线形成角α，且所述角α的大小小于或等于约45度，而所述第一燃料流的轨道与垂直于所述中心轴的平面形成角O，且所述角Θ的大小小于或等于约20度。
2.权利要求1的系统，其中所述比率Xpf/Dic;为0.5-3.0。
3.权利要求1的系统，其中所述比率Xpf/Dic;为1.5-3.0。
4.权利要求1的系统，其进一步包含第二注射器，所述第二注射器配置用于在离所述前壁比所述切向第一燃料注射器更大距离的位置将第二流切向注入所述点火室内。
5.权利要求1的系统，其进一步包含第二注射器，所述第二注射器配置用于在离所述前壁与所述第一燃料流大约相同距离的位置将第二流切向注入所述点火室内。
6.权利要求1的系统，其进一步包含第二注射器和附加第二注射器，所述第二注射器配置用于在离所述前壁比所述切向第一燃料注射器更大距离的位置将第二流切向注入所述点火室内，所述附加第二注射器配置用于在离所述前壁与所述第一燃料流大约相同距离的位置将附加第二流切向注入所述点火室内。
7.权利要求1的系统，其进一步包含与所述切向第一燃料注射器同心布置的第一氧注射器，以围绕所述切向第一燃料注射器注射氧。
8.权利要求1的系统，其进一步包含在所述点火室下游的过渡区段和入口与所述出口流体通道的注射喷嘴，所述出口配置用于将产物气体和未燃烧燃料注入锅炉或炉内。
9.权利要求8的系统，其中所述注射喷嘴的入口从垂向轨道接收所述产物气体和未燃烧燃料，并将所述产物气体和未燃烧燃料引导至与水平线在45度内的轨道，并将所述产物气体和未燃烧燃料排入所述炉或锅炉。
10.权利要求1的系统，其进一步包含围绕所述出口的外部氧流。
11.权利要求1的系统，其进一步包含燃烧空气流，所述燃烧空气流配置用于与所述产物气体和未燃烧的第一燃料在锅炉或炉中混合和反应，以完全燃烧所述产物气体和未燃烧的第一燃料。
12.权利要求1的系统，其进一步包含引燃燃料注射器，所述引燃燃料注射器配置用于将引燃燃料从所述前壁与所述中心轴基本平行地注入所述注射室，其中所述引燃燃料在所述中心点火氧注射器邻近注入所述室。
13.权利要求1的系统，其进一步包含引燃燃料注射器，所述引燃燃料注射器配置用于将引燃燃料从所述前壁与所述中心轴基本平行地注入所述注射室，其中所述引燃燃料注射器和所述中心点火氧注射器为同心布置。
14.权利要求1的系统，其中所述角α小于或等于约30度。
15.—种燃烧方法,其包含: 提供具有前壁、中心轴、直径Dic;和配置用于排出产物气体的出口的点火室，从中心点火氧注射器与所述中心轴基本平行地从所述前壁注射第一氧流，和从切向第一燃料注射器在所述前壁下游轴向距离Xpf的位置与所述中心轴相切地注射第一燃料流， 其中比率Xpf/Dic。为0.25-4.0，所述中心轴与垂线形成角α，且所述角α的大小小于或等于约45度，而所述第一燃料流的轨道与垂直于所述中心轴的平面形成角Θ，且所述角Θ的大小小于或等于约20度。
【文档编号】F23L7/00GK103906975SQ201280055229
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年11月7日 优先权日:2011年11月11日
【发明者】M.D.德亚戈斯蒂尼, A.G.斯拉维科夫, S.B.波斯索, 何筱毅, F.A.米塞蒂奇 申请人:气体产品与化学公司