分布式燃燒方法和燃燒器的製造方法
2023-10-26 22:04:17
分布式燃燒方法和燃燒器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種燃燒器，其具有燃料/氧化劑噴嘴和在其任一側上隔開的一對動力噴槍，所述動力噴槍分別沿著燃料噴射軸線噴射燃料和主氧化劑射流以及副氧化劑射流。致動流體射流撞擊在副氧化劑射流上以使副氧化劑射流與燃料噴射軸線流體地成一定角度。成一定角度以及主和副氧化劑噴射之間的氧化劑分級作用允許實現分布式燃燒狀態。
【專利說明】分布式燃燒方法和燃燒器
【背景技術】
[0001]燃料的富氧燃燒是一種用於相對於基於空氣的燃燒增加工業爐內的熱利用(熱效率)的已知策略。富氧燃料燃燒器具有增加從火焰到負載的輻射熱傳遞的較高火焰溫度。然而，較高火焰溫度在某些情形中會具有負面影響，尤其是對於例如用於二次鋁熔融的較低溫度的爐而言。由於高火焰溫度，增加了 NOx形成的傾向。因此，如果N2通過燃料或由於空氣滲透到爐內而進入燃燒區，則NOx形成會顯著增加。而且，較高溫度火焰會在爐中產生熱點或者不利地影響產品質量。在某些情形例如鋁的熔融中，高火焰溫度還會增加金屬氧化速度，從而引起金屬損耗。
[0002]為了克服以上問題，已開發分布式(分散，distributed)燃燒作為用於在較低但很均勻的溫度下執行富氧燃燒的策略。分布式燃燒也稱為稀釋燃燒、柔和燃燒或無焰燃燒(在某些情形中在火焰不再可見時)，該策略的中心思想是在燃燒之前用爐氣(主要是H2O與CO2的混合物)稀釋反應劑，以便實現爐內的較低和更均勻的溫度分布。稀釋後的混合物的溫度應該保持高於自動點火溫度以維持無焰模式。與在傳統燃燒過程中觀察到的質量輸送與化學反應之間的複雜反應不同的是，高度稀釋後的反應劑通過增加燃燒反應的時標而使燃燒成為動能受限的過程。該緩慢燃燒過程本身通過峰值溫度低由此大幅減少NOx的高度分布式反應區實現。
[0003]已提出很多用於分布式燃燒的燃燒器。
[0004]W02004/029511利用通過燃燒器的氧噴嘴產生的噴射器效應來提供爐氣的內部再循環。燃料的下遊噴射允許氧在到達燃料之前與爐氣混合。W02004/029511包括圍繞燃料噴射呈圓形安置的氧供給管道。氧供給管道優選以超音速遞送氧。
[0005]與W02004/029511燃燒器一樣，美國專利N0.6，007，326涉及爐中的燃料和氧氣兩者的濃度均低的燃燒。通過它們在高速度下的空間分離的噴射來獲得反應劑的稀釋。燃料和氧化劑可被預熱至高於環境溫度的任意溫度。
[0006]美國已公布的專利申請US 20070254251公開了一種設計用於無焰燃燒體系的燃燒器。其包括起不同作用的若干燃料和氧化劑噴射。可能的中央火焰穩定器被用於將燃料和氣態氧化劑噴射到爐或燃燒區內的多個噴嘴包圍。其可以使用空氣或氧作為氧化劑。
[0007]—些利用氧氣的分布式燃燒燃燒器必須依賴於反應劑的高速噴射。高速噴射通常要求用於操作的氧氣和天然氣的高壓力。由於該缺陷，需要使用利用壓力比較低的氧氣的燃燒器來實現分布式燃燒。
[0008]不論氧化劑供給的壓力如何，分布式燃燒通常通過將燃料和氧化劑分開噴射到爐內來實現。任一股或兩股反應劑射流以有利於例如通過使用高速度梯度、旋流或崖壁式體部將爐氣夾帶到射流中這樣的方式噴射到爐內。出於在兩股反應劑流彼此交互/混合之前實現一種或兩種反應劑的充分稀釋的目的來確定射流之間的距離。例如，美國專利N0.5，961，312公開了一種燃燒器設計，其中燃料與空氣射流之間的距離L通過下式給出:(L/Da) X [(Va/X)_5]>10，其中Da是空氣噴嘴的直徑，Va是空氣的速度，並且V。是空氣的單位速度(lm/s)。類似地，美國專利N0.6，007, 326需要燃料和氧化劑射流之間具有至少6英寸且優選24英寸的距離，以實現用於低NOx生產的稀釋燃燒狀態。射流之間的這些間距要求常常使燃燒器過於龐大。
[0009]有時，還利用反應劑噴嘴之間的非零噴射角度來延遲反應劑的混合，直到它們被爐氣稀釋。例如，美國專利N0.5，772，421公開了一種燃燒器設計，其中燃料和氧化劑被排出成使得它們首先彼此發散，但最終在爐內混合。然而，發散的射流的混合取決於爐幾何形狀、燃燒器操作和燃燒器在爐內的位置。結果是，這些燃燒器常常僅在某些特定爐內並且在特定操作條件下有效。
[0010]另一種實現分布式燃燒的策略是通過使用多個噴嘴來將反應劑中的一種分配到爐內。其它反應劑通常作為高速或高旋流射流供給以夾帶爐氣。例如，美國專利N0.6，773，256公開了一種燃燒器，其中將少量燃料供給到氧化劑流中以實現貧燃料火焰。剩餘燃料經由與火焰相距固定距離的多個燃料噴嘴供給。燃料噴嘴可設計成根據所期望的分級以不同角度向火焰噴射燃料。這種設計策略會導致較大、複雜的燃燒器，其可能製造起來相對昂貴並且難以控制。
[0011]由於上述缺陷，需要使用簡單、緊湊的燃燒器實現分布式燃燒。
[0012]即使不將燃燒器緊湊性考慮為一個重要因素並且針對具體爐構型和具體操作條件優化燃燒器，但一旦燃料和氧化劑噴射之間的距離被設定，就不可能修改具有燃料和氧化劑的固定噴射的傳統燃燒器中的該距離。如果期望提供能夠燃燒氣態、液態和固態燃料的單個燃燒器設計，則這一點變得重要。這是因為不同燃料具有不同的最佳噴射狀態。最佳噴射狀態之間的這種差別甚至在單個普通類別的燃料例如煤粉的不同類型之間存在。
[0013]由於上述缺陷，需要使用單一燃燒器設計實現不同類型燃料的分布式燃燒。
[0014]用於實現高度分級燃燒的一個重要條件是高爐溫。為了針對高度分級的燃燒維持燃燒室內部的徹底燃燒，該爐必須被預熱至高於800°C。大部分高度分級的燃燒器需要預熱器燃燒器以在分級之前實現期望的爐溫。例如，W02006/031163公開了一種能以火焰和分級兩種模式操作的燃燒器。首先，當爐冷時，燃料和氧化劑從共軸開口(管套管)噴射以具有穩定火焰。一旦爐溫達到燃料的自動點燃溫度，燃料和氧化劑就從彼此空間地分離的開口噴射，以形成爐內部的分布式燃燒。幾乎所有分級式燃燒器設計均存在的問題是它們常常在燃燒器功率並非為標稱設計功率時具有不良的性能。典型地，這些燃燒器在標稱功率條件下很好地工作，然而，它們的燃燒效率和排放特性常常在燃燒器功率從標稱功率變成某種其它功率時顯著降低。這種燃燒器功率的變化對於大部分工業爐而言是非常普遍的情形。
[0015]由於上述缺陷，還需要一種可在各種燃燒器功率下實現令人滿意的分布式燃燒的燃燒器。
【發明內容】
[0016]公開了一種用於執行分布式燃燒的方法，該方法包括以下步驟。將燃料從設置在噴嘴磚(燃燒器爐體，burner block)中的燃料噴嘴沿著燃料噴射軸線噴射到爐內。將氧化劑從主氧化劑噴嘴噴射到爐內，燃料和主氧化劑噴嘴相對於彼此同心地設置。燃料和主氧化劑在爐內燃燒。減少從主氧化劑噴射的氧化劑的量。將第一和第二氧化劑射流從設置在噴嘴磚中的燃料噴嘴的相對側上的第一和第二動力噴槍噴射到爐內。分別與第一和第二氧化劑射流成一定角度地噴射第一和第二致動流體射流，以使得第一和第二副氧化劑射流與燃料噴射軸線流體地(fluidically)成一定角度(angled away)。
[0017]還公開了一種用於執行分布式燃燒的燃燒器，該燃燒器包括:噴嘴磚，其具有適合背對燃燒空間的第一面和適合面朝燃燒空間的第二面；從所述第一面延伸到所述第二面的燃料/氧化劑噴嘴，該燃料/氧化劑噴嘴包括同心地設置在外管內的內管，該燃料/氧化劑噴嘴適合沿著燃料噴射軸線將燃料和主氧化劑噴射到爐內；以及第一和第二動力噴槍，其與燃料/氧化劑噴嘴等距地隔開並從所述第一面延伸到所述第二面。每個第一動力噴槍包括:具有鄰近所述第一面的入口端和面對所述第二面的終端的主體，副氧化劑噴射通道和致動流體噴射通道穿過主體從噴嘴磚的第一面延伸到主體終端，致動流體噴射通道設置在副氧化劑噴射通道的背離燃料/氧化劑噴嘴的一側上；以及設置在主體終端上的罩蓋，該罩蓋具有適合與主體終端匹配的匹配端和鄰近所述第二面的終端，該罩蓋還在罩蓋終端中具有開口，該開口定尺寸成對應於外管的內徑並且適合允許副氧化劑射流從副氧化劑噴射通道流出並離開終端開口。罩蓋構造成提供致動流體噴射通道與罩蓋終端之間的流體連通並且適合允許致動流體射流撞擊在來自副氧化劑噴射通道的副氧化劑射流上，以使副氧化劑射流與燃料噴射軸線成一定角度。
[0018]還公開了一種用於執行分布式燃燒的燃燒器系統，該燃燒器系統包括以上公開的燃燒器、與燃料/氧化劑噴嘴流體連通的燃料源以及與燃料/氧化噴嘴和動力噴槍流體連通的氧化劑源。
[0019]所述方法、燃燒器和/或燃燒器系統可包括以下方面中的一個或多個:
[0020]-燃料是氣態的。
[0021]-燃料是霧化液體。
[0022]-燃料是粉狀固體。
[0023]-燃料是煤粉。
[0024]-煤粉被空氣或回收的煙氣的輸送氣體流化並被噴射。
[0025]-當作為第一和第二致動流體射流噴射的致動流體的量增加時，噴射到爐內的燃料和氧化劑的量增加，由此減少第一和第二副氧化劑射流與燃料噴射軸線流體地成一定角度的程度。
[0026]-另外一部分副氧化劑從分別設置在燃料噴嘴的上方和下方的第一和第二低速氧化劑噴槍噴射，其中所述另外一部分副氧化劑以比來自第一和第二動力噴槍的速度低的速度噴射。
[0027]-燃料和氧化劑的燃燒不產生可見火焰。
[0028]-燃料以及第一和第二副氧化劑射流在致動流體的噴射被啟動之前互相平行地噴射。
[0029]-在致動流體的噴射被啟動之前，第一和第二副氧化劑射流與燃料噴射軸線成一定角度地噴射；並且在致動流體的噴射被啟動之後，第一和第二副氧化劑射流與燃料噴射軸線成一更大的角度噴射。
[0030]-每個罩蓋還包括在相應致動流體噴射通道與罩蓋終端開口之間流體連通的空腔；並且致動流體噴射通道、副氧化劑噴射通道、空腔和終端開口構造和適配成使得致動流體射流在副氧化劑離開終端開口之前撞擊在副氧化劑射流上。
[0031]-每個罩蓋還包括在相應致動流體噴射通道與罩蓋終端開口之間延伸的孔；並且致動流體噴射通道、副氧化劑噴射通道、孔和終端開口構造和適配成使得致動流體射流在副氧化劑離開終端開口之後撞擊在副氧化劑射流上。
[0032]-每個副氧化劑噴射通道沿著與燃料噴射軸線形成一定角度的軸線延伸。
[0033]-每個副氧化劑噴射通道沿著與燃料噴射軸線平行的軸線延伸。
[0034]-所述氧化劑是工業純氧。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]為了進一步理解本發明的性質和目的，應當參考以下結合附圖進行的詳細描述，附圖中同樣的元件被賦予相同或類似的附圖標記，並且其中:
[0036]圖1A是本發明的方法的第一實施例的第一步驟的示意圖，其中僅從噴嘴磚噴射主燃料和氧化劑。
[0037]圖1B是本發明的方法的第一實施例的第二步驟的示意圖，其中副氧化劑的噴射被啟動。
[0038]圖1C是本發明的方法的第一實施例的第三步驟的示意圖，其中實現了副氧化劑的期望分級程度。
[0039]圖1D是本發明的方法的第一實施例的第四步驟的示意圖，其中副氧化劑經由致動射流與燃料噴射軸線成一定角度。
[0040]圖2A是本發明的方法的第二實施例的第一步驟的示意圖，其中僅從噴嘴磚噴射主燃料和氧化劑。
[0041]圖2B是本發明的方法的第二實施例的第二步驟的示意圖，其中副氧化劑的噴射被啟動。
[0042]圖2C是本發明的方法的第二實施例的第三步驟的示意圖，其中實現了副氧化劑的期望分級程度。
[0043]圖2D是本發明的方法的第二實施例的第四步驟的示意圖，其中副氧化劑經由致動射流與燃料噴射軸線成一定角度。
[0044]圖3是不包括低速氧氣噴槍的本發明的燃燒器的第一實施例的前立面示意圖，其示出了隱藏部分。
[0045]圖4是包括設置在主燃料/氧化劑和副氧化劑噴嘴位於其中的平面上方和下方的一對低速氧氣噴槍的本發明的燃燒器的第二實施例的前立面示意圖，其示出了隱藏部分。
[0046]圖5A是動力噴槍的第一實施例的等軸側示意圖，其示出了隱藏部分。
[0047]圖5B是沿著線B-B截取的圖5A的動力噴槍的截面圖。
[0048]圖5C是沿著線C-C截取的圖5A的動力噴槍的截面圖。
[0049]圖是沿著線D-D截取的圖5A的動力噴槍的截面圖。
[0050]圖5E是從圖5A的動力噴槍截取的縱向部分的示意性立面圖。
[0051]圖6A是動力噴槍的第二實施例的等軸側示意圖，其示出了隱藏部分。
[0052]圖6B是從圖6A的動力噴槍截取的縱向部分的示意性立面圖。
【具體實施方式】
[0053]公開了一種用於分布式燃燒的簡單、緊湊的燃燒器，該燃燒器能夠通過利用動力噴槍實現的副氧化劑射流的流體定向在爐內廣泛分布氧化劑。動力噴槍利用更多的氧化劑部分而不是移動機械部件以便改變離開燃料射流的所噴射的副氧化劑射流的方向。因此，氧化劑在比使用具有固定噴射軸線的副氧化劑噴嘴所實現的容積大得多的容積上鋪開。通過使氧化劑在大得多的容積上鋪開，燃燒器可以以例如具有更高的爐溫均勻度以及更低的最高爐溫的分布式燃燒模式操作。分布式燃燒模式還可通過將主氧化劑流降低至零或接近零流量並且同時從設置在燃料和氧化劑噴嘴上方和下方的低速氧化劑噴嘴噴射對應的氧化劑量來增強。
[0054]本發明的燃燒器提供的一個優點是其對噴射各種燃料的適應性。該燃燒器可噴射固體顆粒物、液體或氣態燃料。固體顆粒燃料典型地為煤粉，該煤粉根據本領域中眾所周知的技術使用空氣或回收的爐/煙氣的輸送氣體被流化並輸送。輸送氣體典型地在最低燃燒器功率下具有約5%V01/V01的氧含量。液態燃料典型地是以足以使其霧化成噴霧的速度噴射的燃料油。用於噴射霧化的燃料油的技術對於本領域技術人員來說是眾所周知的。氣態燃料典型地是天然氣。
[0055]該燃燒器提供的另一個優點是其緊湊的尺寸。傳統的高分級或分布式燃燒燃燒器要求燃料和副氧化劑噴射之間的寬間距，以便在它們完全燃燒之前實現爐氣的更多夾帶和氧化劑與燃料的延遲混合。因此，傳統噴嘴磚會比較大。雖然本發明的燃燒器也允許爐氣的更多夾帶和燃料與氧化劑的延遲混合，但本發明的燃燒器是通過將噴射點布置成相對接近並且使副氧化劑射流與燃料射流成一定角度而實現這一點的。
[0056]該燃燒器提供的又一個優點是其對各種爐幾何形狀的適應性。爐的幾何形狀和燃燒器功率可影響成一定角度的副氧化劑射流內的爐氣夾帶程度。換言之，如果射流成過大的角度並且爐壁足夠接近射流，則否則爐氣可被夾帶的完全程度可被限制。如果爐幾何形狀不以這種方式限制成一定角度的射流，那麼一般而言，射流成一定角度的程度越大，其變得被爐氣稀釋的程度就越大，總的爐溫就變得越低，並且爐溫變得均勻的程度就越大。
[0057]該燃燒器提供的又一個優點是其能夠在比較寬的燃燒器功率範圍內實現期望的燃料與氧化劑混合的能力。以具有空間上分離的反應劑噴射的分布式燃燒燃燒器為例，該燃燒器的反應劑噴射角度相對於彼此是固定的。對在典型的燃燒器功率實現分布式燃燒的需求促進了這些燃燒器的設計。當這種傳統燃燒器的功率比其優化後的功率降低時，氧化劑沿著固定角度(或互相平行)的相對較低壓力的噴射將趨於增加反應劑在互相混合之前與爐氣的混合，由此引起不穩定的火焰。另一方面，當這種傳統燃燒器的功率比優化後的功率增加時，沿著固定角度(或互相平行)的相對較高壓力的噴射將趨於在反應劑混合在一起之前較少地與爐氣混合，由此引起火焰和爐中的熱點。這對於固體顆粒燃料比如在部分地燃燒的煤顆粒撞擊相對的爐壁之前不會發生總體燒盡的煤粉來說尤其成問題。為了解決這些問題，可在燃燒器功率改變時僅通過改變副氧化劑射流與燃料射流成一定角度的程度來維持燃料與氧化劑的最佳混合和爐氣的最佳夾帶。在實踐中，通過降低副氧化劑射流與燃料射流成一定角度的程度，可避免在相對較低的燃燒器功率下過量的爐氣夾帶和火焰不穩定。而且，通過降低副氧化劑射流與燃料射流成一定角度的程度，可避免在相對較高的燃燒器功率下的總體燃盡之前出現熱點或顆粒煤在爐壁上的撞擊。由於氧化劑與燃料越快混合，就越能夠在燃燒產物不過度撞擊在相對的爐壁上的情況下實現徹底的燃燒。
[0058]雖然所述燃燒器可用在各種工藝中，但其操作在包括例如用於固體填料比如玻璃和金屬的熔融和精煉的熔融階段然後是精煉階段的燃燒過程中尤其有益。
[0059]在本發明的燃燒器的操作的第一階段(加熱階段)期間，燃料和主氧化劑作為被另一種反應劑覆蓋的一種反應劑的射流經管套管式燃料/氧化劑噴嘴噴射到燃燒室(例如工業爐)中，此處它們被燃燒。雖然該被覆蓋的射流可包括被燃料覆蓋的中央主氧化劑射流，但更常見的是，其是被主氧化劑覆蓋的中央燃料射流。在加熱階段期間，雖然副氧化劑可從位於燃料/氧化劑噴嘴的相對側上的動力噴槍噴射，但通常不是這樣。
[0060]加熱階段可繼續到達到燃料和氧化劑的自動點火溫度為止。對於氣態燃料例如天然氣，該自動點火溫度通常大於700°C或大於800°C。
[0061]在燃料/氧化劑噴嘴的相對側上等距地隔開的第一和第二動力噴槍供給副氧化齊U。為了最終實現分布式燃燒，雖然來自燃料-氧化劑噴嘴的主氧化劑的噴射減少，但副氧化劑的噴射在從加熱階段過渡至第二操作階段(分布式燃燒階段)期間被啟動。如果期望進入爐內的氧化劑的總流量相同，則副氧化劑噴射的增加將對應於主氧化劑噴射的減少。隨著這種從加熱階段到分布式燃燒階段的過渡繼續，副氧化劑的量進一步增加並且主氧化劑的量進一步減少。這一直繼續到氧化劑的作為(來自動力噴槍的)副氧化劑被噴射的部分相比於(來自燃料/氧化劑噴嘴的)主氧化劑的量實現期望的部分(即，期望分級)為止。
[0062]在從第一階段到第二階段的過渡期間，閥打開以允許致動流體流經致動流體噴射通道，每個致動流體噴射通道在其與燃料/氧化劑噴嘴相對的一側上設置在副氧化劑噴射通道附近。致動流體流以一定角度撞擊副氧化劑流。由於致動流體流與副氧化劑流之間的角度關係，與在啟動致動流體噴射之前副氧化劑射流沿著其噴射的初始軸線相比，副氧化劑射流與燃料射流成一定角度。
[0063]可選地並且在從第一階段向第二階段過渡的開始和結束之間的某一點，主氧化劑的流量可減少至零並且可從一對低速噴槍噴射對應量的總氧化劑，所述低速噴槍中的一個設置在燃料/氧化劑噴嘴的上方並且其另一個設置在燃料/氧化劑噴嘴的下方。如果這樣選擇，則副氧化劑的動力射流的速度通常大於60m/s，而低速副氧化劑噴射的速度低於副氧化劑射流的速度但通常為至少5m/s。我們發現，噴射代替主氧化劑的低速氧化劑允許實現觀察不到可見火焰的無焰燃燒。
[0064]在從加熱階段到分布式燃燒階段的過渡結束時，達到副氧化劑射流的所期望的成一定角度的程度，達到主氧化劑與副氧化劑之間的期望的氧化劑分級程度，並且執行低速氧化劑的可選噴射。這些狀態可在分布式燃燒階段繼續。在分布式燃燒階段期間，通常氧化劑總量的90-95%作為副氧化劑噴射，而僅10-5%作為主氧化劑噴射。如果需要，可以以經驗方式改變分級程度，直至火焰不再是可見火焰並且實現無焰燃燒。也可能是較低的分級程度，其取決於期望的分布式燃燒程度。另外，如果由於爐幾何形狀制約而需要相對較短的火焰，則可期望較低的分級程度。
[0065]致動流體的流量通常為來自動力噴槍的氧化劑的總流量的1_20%。致動流體的速度在標稱燃燒器功率下通常為100m/s或更小,而燃料和主氧化劑速度在標稱燃燒器功率下通常分別為100-200m/s和75-150m/s。
[0066]雖然氧化劑可以是空氣、工業純氧或氧增濃空氣，但通常其是具有至少90% (以體積計)的純度的工業純氧。主氧化劑在第一階段期間通常包括燃燒器的總氧化劑流量的75-100%,但在第二階段期間在自動點火溫度以上僅包括燃燒器的總氧化劑流量的0-10%(在850°C以上通常為總氧化劑流量的0-10%)。另一方面，副氧化劑通常在標稱燃燒器功率下具有75-200m/s的速度並且在第一階段期間包括燃燒器的總氧化劑流量的0_25%，但在第二階段期間在自動點火溫度以上的燃燒室溫度下包括多達90-100%的總氧化劑流量(在8500C以上通常為總氧化劑流量的90-100%)。
[0067]所述致動流體可以是另一部分氧化劑、空氣或惰性氣體例如氬氣或回收的煙氣。
[0068]雖然動力噴槍可與燃料/氧化劑噴嘴分開仍允許產生穩定火焰的任意期望的距離，但通常每個動力噴槍的中心與燃料/氧化劑噴嘴的中心以燃料/氧化劑噴嘴的最內部管的內徑的約六倍分隔開。該距離一般產生副氧化劑與爐氣之間的充分混合程度。
[0069]由於射流是高度紊流的，因此我們可假設射流擴張率不是雷諾數Re的函數。因此，可將射流直徑表達為式(I):
[0070](r1/2) / (x) =0.08468 (I)
[0071]其中X是射流的軸線並且r1/2是軸向速度已下降至其中心線值的一半的射流半徑。利用上式，可計算兩股射流交匯的距離。在該計算中未包括射流與周圍氣體之間的密度差。然而，該計算可適合作為第一近似值。當紊流射流行進距離X時，用於射流與所存在的夾帶質量流量的比率的公式可表達為式(II):
[0072]Μχ/Μο=0.32 ( P 夕 P 0)0.5x/d。，其中
[0073]Mo:射流的質量流量，
[0074]Mx:最多X的總夾帶質量流量，
[0075]do:射流直徑，
[0076]P1:環境空氣密度，並且
[0077]P。:射流密度。
[0078]如果式(II)中的X使用72mm的值，則MjM0的值為4.72。這代表射流必須具有的最小稀釋量。為了獲得用於較高燃燒器功率的相同稀釋，射流必須行進更長距離。對於2MW的燃燒器功率，射流必須行進650mm。這產生87mm的燃料/氧化劑噴嘴與副噴槍之間的距離。這種距離可引起非期望地大的燃燒器尺寸。為了減少這種非期望地大的燃燒器尺寸，動力噴槍可與燃料噴射軸線成略微的角度(例如15)定向。該角度將燃料/氧化劑噴嘴與動力噴槍之間的距離減少為僅45mm(幾乎50%的減少)。這樣，我們可以在不增加燃料/氧化劑噴嘴與動力噴槍之間的間距的情況下保持兩種反應劑交匯的最小距離(例如650mm)。本領域的普通技術人員將認識到，以上概念可適用於針對特定燃燒器功率實現射流交匯的期望距離。
[0079]本發明的過程的第一實施例在圖1A-D中示出。如圖1A中最佳地示出的，在燃燒過程的第一(例如，加熱)階段期間，被覆蓋的燃料和氧化劑射流的主射流PJ從噴嘴磚B噴射。全部氧化劑在主射流PJ中噴射。如在圖1B中最佳地示出的，在從第一(例如，加熱)階段向第二 (例如，分布式燃燒)階段的過渡期間，通過沿著初始噴射軸線A1啟動作為動力射流DJ的副氧化劑的噴射來開始氧化劑在主、副部分之間的分級。主射流PJ的較暗的線表示與具有對應的較亮的線的作為動力射流DJ噴射的總氧化劑的相對較小的比例相比而言總氧化劑具有相對較大的比例。如在圖1C中最佳地示出的，該過渡繼續至利用分別指示作為副和主氧化劑流噴射的總氧化劑的相對較大和較小的比例的動態射流DJ的較暗的線和主射流PJ的相對較亮的線示出的主和副氧化劑之間的期望分級程度。如在圖1D中最佳地示出的，致動射流的噴射被啟動，使得動力射流DJ分別沿著與相應軸線Al形成角度Θ的軸線A2噴射。這種使副氧化劑的動力射流DJ與主射流PJ的噴射軸線成一定角度以及主和副流之間的氧化劑分級產生分布式燃燒。儘管未示出，但作為主和副氧化劑噴射的氧化劑的量可減少並且對應量的氧化劑可以以相對較低的速度從兩個低速氧化劑噴槍噴射，其中一個氧化劑噴槍設置在燃料/氧化劑噴嘴的上方並且其中一個氧化劑噴槍設置在燃料/氧化劑噴嘴的下方。
[0080]本發明的過程的第二實施例在圖2A-D中示出。如在圖2A中最佳地示出的，在燃燒過程的第一(例如，加熱)階段期間，被覆蓋的燃料和氧化劑射流的主射流PJ沿著燃料噴射軸線P1從噴嘴磚B噴射。全部氧化劑在主射流PJ中噴射。如在圖2B中最佳地示出的，在從第一(例如，加熱)階段向第二(例如，分布式燃燒)階段的過渡期間，通過啟動作為動力射流DJ的副氧化劑的沿著初始噴射軸線A1的噴射來開始氧化劑在主、副部分之間的分級。噴射軸線Al與燃料噴射軸線Pl成相應初始角度α 10主射流PJ的較暗的線表示與具有對應的較亮的線的作為動力射流DJ噴射的總氧化劑的相對較小的比例相比而言總氧化劑具有相對較大的比例。如在圖2C中最佳地示出的，該過渡繼續至利用分別指示作為副和主氧化劑流噴射的總氧化劑的相對較大和較小的比例的動態射流DJ的較暗的線和主射流PJ的相對較亮的線示出的主和副氧化劑之間的期望分級程度。如在圖2D中最佳地示出的，致動射流的噴射被啟動，使得動力射流DJ分別沿著與燃料噴射軸線P1形成相應角度α 2的軸線Α2噴射，其中α2> αι。這種使動力射流DJ與主射流PJ的噴射軸線成更大的角度以及主和副流之間的氧化劑分級產生分布式燃燒。儘管未示出，但作為主和副氧化劑噴射的氧化劑的量可減少並且對應量的氧化劑可以以相對較低的速度從兩個低速氧化劑噴槍噴射，其中一個氧化劑噴槍設置在燃料/氧化劑噴嘴的上方並且其中一個氧化劑噴槍設置在燃料/氧化劑噴嘴的下方。
[0081]如在圖3中最佳地示出的，燃燒器B的第一實施例包括從內管噴射燃料和從外管噴射主氧化劑的管套管型燃料/氧化劑噴嘴F0N。一對動力噴槍DL在燃料/氧化劑噴嘴FON的相對側上等距地分隔開。每個動力噴槍DL包括副氧化劑噴射通道SOIC和在與燃料/氧化劑噴嘴FON相對的一側上鄰近燃料/氧化劑噴嘴FON延伸的致動燃料噴射通道。在構造成在致動流體的噴射被啟動之前平行於燃料和氧化劑射流噴射副氧化劑射流的動力噴槍DL的情況下，動力噴槍DL的中心與燃料/氧化劑噴嘴的中心之間的距離L通常為燃料/氧化劑噴嘴FON的最內部管的直徑的至少6倍。如上所述，如果動力噴槍DL構造成在致動流體的噴射被啟動之前與燃料和主氧化劑射流成一定角度噴射副氧化劑射流，則距離L可減少至小於最內部管的直徑的6倍的值。
[0082]如在圖4中最佳地示出的，燃燒器B的第二實施例除了還包括一對低速氧化劑噴槍LSOL以外與圖3的第一實施例相同。一個低速氧化劑噴槍LSOL設置在燃料/氧化劑噴嘴FON和動力噴槍DL位於其中的水平面的上方並且一個低速氧化劑噴槍LSOL設置在所述水平面的下方。
[0083]適合於在本發明的方法和燃燒器中使用的一種動力噴槍DL在圖5Α-5Ε中不出。動力噴槍DL包括主噴嘴本體MB和罩蓋CP。對中地設置的反應劑噴射通道SOIC和致動流體噴射通道AFIC延伸穿過主噴嘴本體MB。罩蓋CP覆蓋主噴嘴本體MB的面對燃燒空間的一端。副氧化劑SO流經副氧化劑噴射通道並從其噴射。在從第一(例如，加熱)階段到第二(例如，分布式燃燒)階段的過渡期間或者在第二階段期間，致動流體AF流經致動流體噴射通道AFIC。致動流體噴射通道AFIC在圖5A-B中用虛線示出，因為其從動力噴槍DL的前方看不到。
[0084]主噴嘴本體MB的末端(面對燃燒空間)被覆蓋有罩蓋CP並與其接合。罩蓋CP具有與副氧化劑噴射通道SOIC的軸線對齊的終端開口 T0。終端開口 TO大體定尺寸成匹配副氧化劑噴射通道SOIC的直徑，使得從副氧化劑噴射通道SOIC流出的副氧化劑SO流繼續通過終端開口 TO並流出動力噴槍DL。罩蓋CP在面對主體MB的末端的一側上包括空腔C。
[0085]該空腔沿罩蓋CP的軸向(上遊到下遊)延伸，以在位於與動力噴槍DL的軸線垂直的平面內的平坦表面處終止。雖然圖5B、5C和5E中的外壁OW示出具有帶導圓角的三角形突起部的大體圓形的空腔，但該空腔可具有任意形狀，只要其在終端開口 TO與致動流體噴射通道AFIC之間延伸以提供其間的流體連通。
[0086]繼續參照圖5A-5E，副氧化劑SO流出副氧化劑噴射通道SOIC的終端並流出罩蓋CP中的終端開口 T0。隨著致動流體AF的流離開致動流體噴射通道AFIC，空腔的平坦表面再定向致動流體AF的流的方向，使得其與大致成直角從副氧化劑噴射通道SOIC噴射的副氧化劑SO的流相交。由於致動流體AF的射流與來自副氧化劑噴射通道SIOC的副氧化劑SO的射流相交，因此使中央副氧化劑SO的射流彎曲/偏轉/與其原始流動軸線和來自燃料/氧化劑噴嘴的燃料噴射的軸線成一定角度。可通過控制致動流體AF的壓力來控制彎曲/分流的角度。
[0087]適合於在本發明的方法和燃燒器中使用的另一種動力噴槍DL在圖6A-6B中示出。動力噴槍DL包括主噴嘴本體MB和罩蓋CP。副氧化劑噴射通道SOIC和致動流體噴射通道AFIC延伸穿過主噴嘴本體MB。罩蓋CP覆蓋主噴嘴本體MB的面對燃燒空間的一端。副氧化劑SO流經副氧化劑噴射通道SOIC並從其噴射。在從第一(例如，加熱)階段到第二 (例如，分布式燃燒)階段的過渡期間或者在第二階段期間，致動流體AF流經致動流體噴射通道AFIC。致動流體噴射通道AFIC在圖6A中用虛線示出，因為其從動力噴槍DL的前方看不到。
[0088]主噴嘴本體MB的(面對燃燒室的)末端被覆蓋有罩蓋CP並與其接合。罩蓋CP具有與副氧化劑噴射通道SOIC的軸線對齊的終端開口 T0。終端開口 TO大體定尺寸成匹配副氧化劑噴射通道SOIC的直徑，使得從副氧化劑噴射通道SOIC流出的副氧化劑SO流繼續通過終端開口 TO並流出動力噴槍DL。罩蓋CP還包括穿過其鑽出的兩個孔H，每一個孔在相應致動流體噴射通道AFIC的出口和與終端開口 TO間隔開的罩蓋CP的端面之間流體連通。孔H朝副氧化劑噴射通道SOIC的軸線成一定角度地鑽出，但孔H未與罩蓋CP的終端開口TO相交。因此，副氧化劑SO以通過終端開口 TO的射流形式流出副氧化劑噴射通道SOIC的終端，而致動流體AF從致動流體噴射通道AFIC的出口流入孔H中並以與副氧化劑SO的射流成一定角度的射流的形式離開罩蓋CP。致動流體AF的射流在其已離開動力噴槍DL之後與副氧化劑SO的射流相交。由於致動流體AF的射流與來自副氧化劑噴射通道SOIC的副氧化劑SO的射流相交，因此使中央副氧化劑SO的射流彎曲/偏轉/成一定角度背離其原始流動軸線和來自燃料/氧化劑噴嘴的燃料噴射的軸線。可通過控制致動流體AF的壓力來控制彎曲/偏轉的角度。
[0089]雖然上文已描述動力噴槍的兩個實施例，但本領域技術人員能夠認識到，在本發明的方法中可以以同等效果使用適合於使射流流體地彎曲/偏轉/成一定角度的本領域中已知的其它技術。例如，其它合適的技術包括在美國已公布的專利申請N0.US20100068666A1中教導的那些技術，該專利申請的內容整體併入本申請。
[0090]示例
[0091]燃燒天然氣的燃燒器按照圖4的實施例構成，安裝在爐的底部中，並且以20kW和25kff的功率根據上文公開的方法操作。在鄰近爐頂(標號8)和爐底(標號5)的位置將熱電偶安置在爐壁附近。在相似的位置將三個另外的熱電偶(以從高到低的次序為標號2、3和4)安置在爐壁附近，前面兩個熱電偶之間的間隔為17.75cm。在類似於安置在壁附近的最高熱電偶(標號I)和安置在壁附近的次高熱電偶(標號9)的豎直位置將又兩個熱電偶安置在燃燒器正上方，從而共有7個熱電偶。
[0092]在燃燒器在分布式燃燒狀態下操作期間，記錄每個熱電偶位置的爐溫並且在表1中列出。如在表1中可見，觀察到相對好的溫度均勻性。另外，燃燒器在20kW時僅產生30ppm的NOx水平，而在25kW時為36ppm。CO水平為零。當利用低速噴槍時，未觀察到火焰。
[0093]表1對於以下熱電偶，在20kW和25kW的爐溫(°C)
[0094]
【權利要求】
1.一種用於執行分布式燃燒的方法，包括以下步驟: 將燃料從設置在噴嘴磚中的燃料噴嘴沿著燃料噴射軸線噴射到爐內； 將氧化劑從主氧化劑噴嘴噴射到所述爐內，所述燃料和主氧化劑噴嘴相對於彼此同心地設置； 在所述爐內燃燒所述燃料和主氧化劑； 減少從所述主氧化劑噴射的氧化劑的量； 將所述氧化劑的第一和第二射流從設置在所述噴嘴磚中的所述燃料噴嘴的相對側上的第一和第二動力噴槍噴射到所述爐內； 分別與氧化劑的所述第一和第二射流成一定角度地噴射第一和第二致動流體射流，以使得第一和第二副氧化劑射流與所述燃料噴射軸線流體地成一定角度。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述燃料是氣態的。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述燃料是霧化液體。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述燃料是粉狀固體。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，所述燃料是煤粉。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述煤粉被流化並隨空氣或回收的煙氣的輸送氣體被噴射。
7.根據權利要求1的方法 ，還包括以下步驟: 增加噴射到所述爐內的燃料和氧化劑的量；以及 減少作為第一和第二致動流體射流噴射的致動流體的量，由此減小所述第一和第二副氧化劑射流與所述燃料噴射軸線流體地成一定角度的程度。
8.根據權利要求1所述的方法，還包括從分別設置在所述燃料噴嘴的上方和下方的第一和第二低速氧化劑噴槍噴射另外一部分副氧化劑的步驟，其中: 所述另外一部分副氧化劑以比從所述第一和第二動力噴槍噴射的速度低的速度噴射。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，所述燃料和氧化劑的燃燒不產生可見火焰。
10.根據權利要求1所述的方法，其中，所述燃料以及所述第一和第二副氧化劑射流在所述致動流體的噴射被啟動之前互相平行地噴射。
11.根據權利要求1所述的方法，其中: 在所述致動流體的噴射被啟動之前，所述第一和第二副氧化劑射流與所述燃料噴射軸線成一定角度地噴射；並且 在所述致動流體的噴射被啟動之後，所述第一和第二副氧化劑射流與所述燃料噴射軸線成一更大的角度噴射。
12.—種用於執行分布式燃燒的燃燒器,包括: 噴嘴磚，其具有適合背對燃燒空間的第一面和適合面朝燃燒空間的第二面； 從所述第一面延伸到所述第二面的燃料/氧化劑噴嘴，所述燃料/氧化劑噴嘴包括同心地設置在外管內的內管，所述燃料/氧化劑噴嘴適合沿著燃料噴射軸線將燃料和主氧化劑噴射到爐內； 第一和第二動力噴槍，其與所述燃料/氧化劑噴嘴等距地隔開並從所述第一面延伸到所述第二面，每個所述第一動力噴槍包括: 主體，其具有鄰近所述第一面的入口端和面對所述第二面的終端，副氧化劑噴射通道和致動流體噴射通道從所述噴嘴磚的所述第一面穿過所述主體延伸到所述主體終端，所述致動流體噴射通道設置在所述副氧化劑噴射通道的背離所述燃料/氧化劑噴嘴的一側上；以及 設置在所述主體終端上的罩蓋，所述罩蓋具有適合與所述主體終端匹配的匹配端和鄰近所述第二面的終端，所述罩蓋還在所述罩蓋終端中具有開口，所述開口定尺寸成對應於所述外管的內徑並且適合允許副氧化劑射流從所述副氧化劑噴射通道流出並離開所述終端開口，其中所述罩蓋構造成提供所述致動流體噴射通道與所述罩蓋終端之間的流體連通並且適合允許致動流體射流撞擊在來自所述副氧化劑噴射通道的副氧化劑射流上以使所述副氧化劑射流與所述燃料噴射軸線成一定角度。
13.根據權利要求12所述的燃燒器，其中: 每個所述罩蓋還包括在相應致動流體噴射通道與罩蓋終端開口之間流體連通的空腔；並且 所述致動流體噴射通道、副氧化劑噴射通道、空腔和終端開口構造和適配成使得所述致動流體射流在所述副氧化劑離開所述終端開口之前撞擊在所述副氧化劑射流上。
14.根據權利要求12所述的燃燒器，其中: 每個所述罩蓋還包括在相應致動流體噴射通道與罩蓋終端之間延伸的孔；並且 所述致動流體噴射通道、副氧化劑噴射通道、孔和終端開口構造和適配成使得所述致動流體射流在所述副氧化劑離開所述終端開口之後撞擊在所述副氧化劑射流上。
15.根據權利要求12所述的燃燒器，其中，每個所述副氧化劑噴射通道沿著與所述燃料噴射軸線成一定角度的軸線延伸。
16.根據權利要求12所述的燃燒器，其中，每個所述副氧化劑噴射通道沿著平行於所述燃料噴射軸線的軸線延伸。
17.一種燃燒器系統，包括根據權利要求12所述的燃燒器、與所述燃料/氧化劑噴嘴流體連通的燃料源以及與所述燃料/氧化劑噴嘴和所述動力噴槍流體連通的氧化劑源。
18.根據權利要求17所述的燃燒器系統，其中，所述燃料是燃料油。
19.根據權利要求17所述的燃燒器系統，其中，所述燃料是使用空氣或回收的煙氣的輸送氣體流化的煤粉。
20.根據權利要求17所述的燃燒器系統，其中，所述燃料是天然氣。
【文檔編號】F23M5/02GK103547864SQ201180068732
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2011年12月21日 優先權日:2010年12月30日
【發明者】姜泰圭, V·喬達摩, R·S·普拉巴卡爾, B·格朗德, B·勒魯, M·默特博格, N·多基耶 申請人:喬治洛德方法研究和開發液化空氣有限公司