圆形燃烧器.pdf

用来燃烧化石燃料的圆形燃烧器，它包括：用于输入空气流或再循环气体流或者由O2或空气和再循环气体组成的混合气流的第一喷嘴(2)、与第一喷嘴(2)同心设置并包围它和形成圆环形横截面(11)的用于喷入燃料的燃料喷嘴(3)、与第一喷嘴(2)同心设置并包围燃料喷嘴(3)和形成一圆环形横截面(12)的用于输入空气流或再循环气体流或者由O2或空气和再循环气体组成的混合气流的气体喷嘴I(4)、与第一喷嘴(2)同心设置并包围气体喷嘴I(4)和形成一圆环形横截面(13)的用于输入空气流或O2流或者由O2或空气和再循环气体组成的混合气流的气体喷嘴II(5)、与第一喷嘴(2)同心设置并包围气体喷嘴II(5)和形成一圆环形横截面(14)的用于输入空气流或再循环气体流或者由O2或空气和再循环气体组成的混合气流的气体喷嘴III(6)，其中，在气体喷嘴出口区(17)内，气体喷嘴II(5)圆环形横截面(13)面积与气体喷嘴I(4)圆环形横截面(12)面积之比为1.2至2.0∶1；气体喷嘴III(6)圆环形横截面(14)面积与气体喷嘴I(4)圆环形横截面(14)面积之比为0.2至0.8∶1；第一喷嘴(2)横截面(10)面积与气体喷嘴I(4)圆环形横截面(12)面积之比为0.01至0.1∶1。

1.  用来燃烧化石燃料的圆形燃烧器，它包括：
—用于输入空气流或再循环气体流或者由O₂或空气和再循环气体组成的混合气流的第一喷嘴(2)，
—与所述第一喷嘴(2)同心设置的、包围该第一喷嘴并形成一圆环形横截面(11)的用于喷入燃料的燃料喷嘴(3)，
—与所述第一喷嘴(2)同心设置的、包围所述燃料喷嘴(3)并形成一圆环形横截面(12)的用于输入空气流或再循环气体流或者由O₂或空气与再循环气体组成的混合气流的气体喷嘴I(4)，
—与所述第一喷嘴(2)同心设置的、包围所述气体喷嘴I(4)并形成一圆环形横截面(13)的用于输入空气流或O₂流或者由O₂或空气和再循环气体组成的混合气流的气体喷嘴II(5)，
—与所述第一喷嘴(2)同心设置的、包围所述气体喷嘴II(5)并形成一圆环形横截面(14)的用于输入空气流或再循环气体流或者由O₂或空气和再循环气体组成的混合气流的气体喷嘴III(6)，
其中，在气体喷嘴出口区(17)内，气体喷嘴II(5)的圆环形横截面(13)的面积与气体喷嘴I(4)的圆环形横截面(12)的面积之比为1.2至2.0:1；气体喷嘴III(6)的圆环形横截面(14)的面积与气体喷嘴I(4)的圆环形横截面(12)的面积之比为0.2至0.8:1；第一喷嘴(2)的横截面(10)的面积与气体喷嘴I(4)的圆环形横截面(12)的面积之比为0.01至0.1:1。

2.  用来燃烧化石燃料的圆形燃烧器，它包括：
—用于输入空气流或再循环气体流或者由O₂或空气和再循环气体组成的混合气流的第一喷嘴(2)，
—与所述第一喷嘴(2)同心设置的、包围该第一喷嘴并形成一圆环形横截面(11)的用于喷入燃料的燃料喷嘴(3)，
—与所述第一喷嘴(2)同心设置的、包围所述燃料喷嘴(3)并形成一圆环形横截面(12)的用于输入空气流或再循环气体流或者由O₂或空气和再循环气体组成的混合气流的气体喷嘴I(4)，
—与所述第一喷嘴(2)同心设置的、包围所述气体喷嘴I(4)并形成一圆环形横截面(14)的用于输入空气流或再循环气体流或者由O₂或空气和再循环气体组成的混合气流的气体喷嘴III(6)，
—至少三个气体喷嘴II.1(5.1)，它们在所述气体喷嘴I(4)或所述气体喷嘴III(6)的圆环形横截面(12，14)内，用于输入空气流或O₂流或者由O₂或空气和再循环气体组成的混合气流，
其中，在气体喷嘴出口区(17)内，全部气体喷嘴II.1(5.1)的横截面(13.1)的面积与气体喷嘴I(4)的圆环形横截面(12)的面积之比为1.2至2.0:1；气体喷嘴III(6)的圆环形横截面(14)的面积减去气体喷嘴II.1(5.1)的全部横截面面积(13.1)与气体喷嘴I(4)的圆环形横截面(12)的面积之比为0.2至0.8:1；第一喷嘴(2)的横截面(10)的面积与气体喷嘴I(4)的圆环形横面(12)的面积之比为0.01至0.1:1。

3.  按权利要求1或2所述的圆形燃烧器，其特征为：气体喷嘴I、II或者III(4，5，6)之一设计成这样或气体喷嘴II.1(5.1)的全部设计成这样，即，使得通过它们的横截面(12，13，14)在氧燃料运行中经由其一个横截面(12，13，14)或者在气体喷嘴II.1(5.1)的情况下经由其全部横截面(13.1)可输入用来燃烧在圆形燃烧器(1)处加入的燃料所需要的全部氧气量。

4.  按权利要求1至3之任一项所述的圆形燃烧器，其特征为：第一喷嘴(2)、燃料喷嘴(3)、气体喷嘴I(4)、气体喷嘴II(5)或气体喷嘴III(6)中的至少一个喷嘴设计有一阻滞环(7)。

5.  按权利要求1至3之任一项所述的圆形燃烧器，其特征为：第一喷嘴(2)、燃料喷嘴(3)、气体喷嘴I(4)、气体喷嘴II(5)或气体喷嘴III(6)中的至少一个喷嘴设计有一转向喉部(8)。

6.  按权利要求1至5之任一项所述的圆形燃烧器，其特征为：第一喷嘴(2)、燃料喷嘴(3)、气体喷嘴I(4)、气体喷嘴II(5)或气体喷嘴III(6)中的至少一个喷嘴设计有一涡旋元件(9)。

7.  按权利要求6所述的圆形燃烧器，其特征为：第一喷嘴(2)和燃料喷嘴(3)的相应的涡旋元件(9)相互同方向或反方向盘绕。

8.  按权利要求6所述的圆形燃烧器，其特征为：至少在一个气体喷嘴I、II或II.1或者III(4，5，5.1，6)上，涡旋元件(9)设计成在燃烧器运行中能被调整。

9.  按权利要求1至8之任一项所述的圆形燃烧器，其特征为：燃料喷嘴(3)的圆环形横截面(11)的环形缝隙的宽度(s)为至少20mm。

10.  按权利要求2所述的圆形燃烧器，其特征为：各气体喷嘴II.1(5.1)的纵轴线(16)平行或倾斜于第一喷嘴(2)的纵轴线(15)设置。

11.  按照权利要求1或2所述特征的圆形燃烧器的运行方法。

圆形燃烧器
本发明涉及一种用来燃烧化石燃料的圆形燃烧器以及这种圆形燃烧器的运行方法。
圆形燃烧器是除了通常具有矩形横截面的喷射燃烧器之外在燃烧化石燃料的大型发电设备的燃烧室中最常用的燃烧器。它们也常常被称为涡流式或涡旋式燃烧器，因为通常加入的氧化剂和/或加入的燃料要借助于涡旋装置产生涡旋或形成涡流，以便由此进行有效的燃烧。例如由VGB电站技术76(1996)第5册的文献“Entwicklung vonschadstoffarmen Staubfeuerungssystemen(低有害物质的灰粉燃烧系统的发展)”所知的这种圆形燃料器通常具有一芯部空气管(或者说芯部空气喷嘴)，它在外部被一燃料管(或燃料喷嘴)包围，该燃料管又在外部被二次空气管(或二次空气喷嘴)包围。二次空气管在外部又可以被一个三次空气管(或三次空气喷嘴)包围，其中，全部管子或喷嘴都同心布置，因此与相邻管子或喷嘴分别构成圆环形横截面。通过相应的各管子或喷嘴，将相应于管子或喷嘴的名称所表征的介质输入燃烧室中，以燃烧化石燃料，例如，通过二次空气喷嘴输入二次空气。燃料连同其载体介质、一次空气一起通过燃料喷嘴输入。
因为在借助于空气作为氧化剂燃烧化石燃料时已知向大气排放包含CO₂的烟气，而CO₂作为使气候变化之温室效应的可能的主要原因受到越来越严厉的公开批评，所以人们便提出了氧燃料过程(Oxyfuel-Prozess)，其中，代替空气，采用纯氧作为氧化剂来进行燃烧。通过采用从空气中获取的纯氧或者说O₂，可以不排放烟气而是提供一种高纯度CO₂流，它可以被分离和不影响气候地处置。例如由文献DE 103 56 703 A1已知这样的氧燃料(Oxyfuel)过程或者说这样的氧燃料(Oxyfuel)燃烧方法。
对于电站或燃烧器供应商和运行企业，由上述事实得到的结果是：一方面鉴于采用不同的化石燃料因为不同的氧化剂需要而造成不同的圆形燃烧器横截面，另一方面鉴于采用氧化剂，亦即空气或者是O₂，又造成不同的和有差别的圆形燃烧器横截面以及在气体类型方面有差别的气流，例如，代替在传统运行中的气流，在氧燃料运行(Oxyfuelbetrieb)时造成再循环气体流(循环烟气)。如果电站或燃烧器供应商在设计圆形燃烧器时确定了一种化石燃料和一种氧化剂，那么电站运行企业在以后更换燃料或从空气换成氧气作为氧化剂时，除了将圆形燃烧器(一个电站燃烧室通常具有大量这种圆形燃烧器)按新的状态或新的燃料改装外别无选择。这样要求的改装从很多方面来看是非常不利的，因为，为了进行改装，整个电站必须停止运行。在这个阶段例如由于不能发电会造成巨大的收入下降。此外，对于新的圆形燃烧器也需要支付可观的材料及安装费用。
现在本发明的目的是，提供一种圆形燃烧器，它能在必要时燃烧不同的化石燃料，例如
— 用空气燃烧干褐煤，或
— 用O₂载体燃烧干褐煤，其中可以存在不同的O₂体积份量，或
— 用空气燃烧生煤，或
— 用O₂载体燃烧生煤，其中可以存在不同的O₂体积份量，
— 用空气燃烧油/气，
— 用O₂载体燃料油/气，其中可以存在不同的O₂体积份量，并且这里具有很大的调节范围。此外，在新提供的圆形燃烧器上，各种不同的气流或燃料流的排出速度不允许超过或低于规定的速度范围，因为否则便不再能保证加入的化石燃料的稳定燃烧，或对于不同气流所需要的鼓风机须大型化设计，这是不经济的。其次，本发明的目的是，提供这种圆形燃烧器的运行方法。
上述目的在圆形燃烧器方面通过权利要求1或2的特征得以实现。在圆形燃烧器的运行方法方面通过权利要求11的特征实现。
本发明有利的设计方案可由各从属权利要求得到。
通过本发明的解决方案，提供了一种圆形燃烧器以及一种圆形燃烧器的运行方法，其具有以下优点：
在O₂载体流的流量方面有大的灵活性，因此
— 在燃料选择方面有大的自由度，
— 在O₂载体流的O₂含量选择方面，也可能甚至在不同气体喷嘴的单个横截面方面有大的自由度，
— 燃烧所需要的氧气有在燃烧器处直接输入的可能性，
— 有大的调节范围。
在本发明一种有利的设计方案中，气体喷嘴I、II或者III之一设计成这样或气体喷嘴II.1总体上设计成这样，即，使得通过它们的横截面在氧燃料运行中经由其一个横截面或者在气体喷嘴II.1的情况下经由其全部横截面可引入全部的氧气量，这个氧气量是用来燃烧在圆形燃烧器处加入的燃料所需要的。
为了实现化石燃料可靠和稳定的燃烧，有利的是，第一喷嘴和/或燃料喷嘴和/或气体喷嘴I和/或气体喷嘴II或气体喷嘴II.1和/或气体喷嘴III设计有一滞流环和/或一转向喉部。
在本发明的有利设计中，第一喷嘴和/或燃料喷嘴和/或气体喷嘴I和/或气体喷嘴II或气体喷嘴II.1和/或气体喷嘴III具有涡旋元件。通过这个措施可以加剧和优化化石燃料的燃烧。这里适宜的是，第一喷嘴和燃料喷嘴的涡旋元件相互要么同方向要么反方向盘绕，也就是说，涡旋元件调整为，使得导通的气流和燃料流形成同向或反向的涡旋。
本发明一种适宜的设计规定，在气体喷嘴I和/或气体喷嘴II处或者在气体喷嘴II.1和/或气体喷嘴III处，涡旋元件在燃烧器运行期间是可调的。因此，在电站运行期间任何时刻都可以对燃烧进行控制。
本发明一种适宜的设计规定，燃料喷嘴的圆环形横截面的环形缝隙的宽度s为至少20mm。通过这个措施使得由燃料喷嘴引起的压力损失保持很小，并且可以有利地影响圆形燃烧器其他喷嘴的几何形状。
另一种有利的设计规定，气体喷嘴II.1的纵轴线平行或倾斜于第一喷嘴的纵轴线或圆形燃烧器设置。
下面借助于附图和说明书详细说明本发明的实施例。
附图表示：
图1 示意表示本发明圆形燃烧器的纵剖视图，
图2 示意表示按图1中A-A线的横剖面，
图3 如图1，但表示的是另一种可选择的实施结构，
图4 示意表示按图3中B-B线的横剖面，
图5 如图4，但表示的是另一种可选择的实施结构，
图6 借助于图表表示在运行中相应的圆形燃烧器-喷嘴横截面依据O₂载体体积流量和气体速度变化的对应关系和转换。
，它可以被分离并且能不影响气候地处置。如上面已经述及的那样，氧气可以作为例如与再循环气体的混合物输入，其中可以改变氧气在混合物中的份量。
用作O₂载体的循环烟气(再循环气体)例如由连接在燃烧室后面的烟气通道中提取，并以150℃至300℃的温度输入圆形燃烧器1。为了这个目的，有时它必须通过与较高温度的介质热交换重新被加热。再循环气体可以具有小的残余氧含量。
按图1和2，本发明的圆形燃烧器1包括具有横截面10的第一喷嘴2，它被一个与第一喷嘴2同心布置的燃料喷嘴3包围或包裹，其中在第一喷嘴2和燃料喷嘴3之间形成一圆环形横截面11，其环形缝隙在径向具有一宽度s。燃料喷嘴3被气体喷嘴I4包围或包裹，该气体喷嘴I4被气体喷嘴II5包围或包裹，而后者又被气体喷嘴III6包围或包裹。气体喷嘴I、II和III4、5、6全部与第一喷嘴2同心布置，其中，在气体喷嘴I、II和III4、5、6内形成圆环形横截面12、13、14。在气体流动方面看，气体喷嘴III6的输出侧的末端连接在燃烧器喉部18上，该燃烧器喉部构成与未画出的燃烧室的过渡部位。
图3和4表示了本发明另一种圆形燃烧器1。与按图1和2的圆形燃烧器不同，它没有同心布置并包围气体喷嘴I4的气体喷嘴II5，而是具有例如8个气体喷嘴II.1 5.1，它们的纵轴线16平行于第一喷嘴2或圆形燃烧器1的纵轴线15，并且气体喷嘴II.1 5.1设置在气体喷嘴I4的圆环形横截面12内。代替纵轴线16相对于纵轴线15的平行布置，气体喷嘴II.1 5.1的纵轴线也可以倾斜，亦即与第一喷嘴2的纵轴线15成一角度布置(未画出)。其中，气体喷嘴II.1 5.1可以朝向纵轴线15或者也可以背离它。与此不同，也可以选择如图5中所示将气体喷嘴II.1 5.1设置在气体喷嘴III6的圆环形横截面14内。气体喷嘴II.1 5.1总共具有一全部横截面13.1。这里，全部气体喷嘴II.15.1的中心有利地在一个分度圆上，并且尤其是相互等距分布。
按照本发明，第一喷嘴2以及气体喷嘴I、II或II.1和III4、5或5.1和6的横截面10、12、13或13.1和14在气体喷嘴出口区17内相互保持一定关系。具体来说，气体喷嘴II5圆环形横截面13的面积与气体喷嘴I4圆环形横截面12面积之比为1.2-2.0:1，气体喷嘴III6圆环形横截面14的面积与气体喷嘴I4圆环形横截面12的面积之比为0.2-0.8:1；以及，第一喷嘴2的横截面10面积与气体喷嘴I4圆环形横截面12的面积之比为0.01-0.1:1。借助于喷嘴2、4、5或5.1和6不同的横截面面积能使圆形燃烧器1在燃烧所需要的氧化剂的输入方面得到最大的灵活性，亦即通过不同大小的横截面面积10、12、13或13.1和14，可以通过喷嘴2、4、5或5.1和6或者说其横截面10、12、13或13.1和14适当的组合对于燃烧器不同的运行方式提供极其不同的横截面面积。这里，全部横截面10、11、12、13或13.1和14设计成这样，即，使得在相应的横截面内流过的气体或燃料保持需要的最小流动速度或允许的最大流动速度。其中，在喷嘴2、4、5或5.1和6内的气体速度在15m/s和80m/s之间。
气体喷嘴出口区17确定这样的区域，在该区域内，在一相应的横截面上看存在喷嘴2、3、4、5或5.1、6的全部横截面10、11、12、13或13.1、14，并且不同的分气流以及燃料流最终在它们流出到燃烧室中之前流过相应的喷嘴2、3、4、5或5.1、6。
燃料喷嘴3的圆环形横截面11一方面取决于携带燃料的载体介质体积流量，另一方面取决于在燃料喷嘴3内载体介质的速度，它通常为10m/s至35m/s。从而，一方面使由燃料喷嘴3引起的压力损失保持在正常范围内或者说保持很小，另一方面其余喷嘴2、4、5或5.1和6，特别是第一喷嘴2的几何参数同样保持在实际的和可实现的尺寸内，燃料喷嘴3的圆环形横截面11的环形间隙的径向宽度s有利地设计为至少20mm。
图6具有一图表，由它可以示例性看出：依据由圆形燃烧器1输入的O₂载体体积流量可以采用哪些喷嘴组合。0至约20％的O₂载体体积流量只能通过气体喷嘴II5或气体喷嘴II.1 5.1的横截面13或13.1输入。在O₂载体体积流量增加时它不是通过气体喷嘴II5或II.1 5.1而是通过气体喷嘴I4输入。如果O₂载体体积流量继续提高，那么除气体喷嘴I4之外再加上气体喷嘴II5或II.1 5.1的横截面13或13.1。在O₂载体体积流量继续增加时，变成气体喷嘴II5或II.1 5.1和III6的横截面13或13.1和14、接着转变成气体喷嘴I4和III6的横截面12和14、最后转变成用全部可供使用的气体喷嘴I、II或II.1和III4、5或5.1和6的横截面12、13或13.1和14来输入相应的气流。用最后一种组合，可以通过圆形燃烧器1输入最大的O₂载体体积流量。在其中一个或两个气体喷嘴没有O₂载体体积流量流过的情况下，这个或这些气体喷嘴可以通入用于冷却的小的气量。如果外部的气体喷嘴III6没有O₂载体流过，则特别适用这种情况。
对于氧燃料运行，圆形燃料器1可以设计成这样，即，使得气体喷嘴I、II或II.1或III4、5或5.1或6的横截面12、13或者13.1或14适合于通过其一个横截面输入所需要的全部氧气量，其中，这里所需要的氧气量可作为纯O₂气流输入。为了减小在燃烧室内的尖峰温度，至少一个另外的气体喷嘴I、II或II.1、III4、5或5.1、6还必须输入再循环气体。
在利用本发明的圆形燃烧器1以氧燃料运行方式来燃烧化石燃料例如干褐煤、生煤、油或气，亦即用来燃烧的氧化剂是纯氧时，在燃烧器1处的输入例如可以是：化石燃料通过燃料喷嘴3输入，O₂通过气体喷嘴II5或气体喷嘴II.1 5.1输入，再循环气体亦即循环烟气通过第一喷嘴2输入，以及作为载体气体通过燃料喷嘴3和通过气体喷嘴I和III4、6输入。或者，在第一喷嘴2、燃料喷嘴3及气体喷嘴I和III4、6内的循环气流可以被配给氧气成份，以及给气体喷嘴II5或II.15.1内的O₂气流配给再循环气流成份。举例的数据是涉及100％气体体积流量流过圆形燃烧器1，如上所述，在流过量较小时，可以取消个别气体喷嘴的流过量(见图6)。而在必要时可导通少量冷却气体。
在圆形燃烧器1的传统运行中，亦即在用空气作为氧化剂燃烧化石燃料时，例如在流过100％的气体体积流量亦即在全负荷运行燃烧时，通过全部喷嘴2、3、4、5或5.1和6输入空气。在燃料喷嘴3内，空气用作燃料的载体介质。或者，也可以在相应的喷嘴2、4、5或5.1和6内给空气添加循环烟气(再循环气体)。在较小的气体体积流量流过时，亦即在部分负荷运行燃烧时，可以像上面已经提到的那样，可以通过闸门关闭个别气体喷嘴，因此流过量能被调节或调整到几乎为0的非常小的冷却介质流过量。
为了稳定圆形燃烧器1的火焰或引导它，可以按已经验证过的方法安装阻滞环7和/或转向喉部8。它们可以分别安置在每个喷嘴2、3、4、5或5.1和6上。此外，个别或全部气体支流或燃料流通过设置在相应横截面10、11、12、13或13.1和14内的涡旋元件9产生涡旋，这时在第一喷嘴2和燃料喷嘴3(作为载体气流)内的气流可以相互同方向或者也可以反方向涡旋。在气体喷嘴I、II或II.1或III4、5或5.1或6处的涡旋元件9也可以设计成在燃烧器运行期间能被调整，以便在运行中对燃烧施加影响。所述装置的选择取决于优选的运行状态(例如全负荷空气运行或在一定的O₂份量时运行等等)和与此相关的圆形燃烧器1燃料器横截面的组合。因此在这些运行情况下可以有利地控制火焰导向。
附图标记表
1           圆形燃烧器
2           第一喷嘴
3           燃料喷嘴
4           气体喷嘴I
5           气体喷嘴II
5.1         气体喷嘴II.1
6           气体喷嘴III
7           阻滞环
8           转向喉部
9           涡旋元件
10          第一喷嘴的横截面
11          燃料喷嘴的圆环形横截面
12          气体喷嘴I的圆环形横截面
13          气体喷嘴II的圆环形横截面
13.1        气体喷嘴II.1横截面总和
14          气体喷嘴III的圆环形横截面
15          圆形燃烧器或第一喷嘴的纵轴线
16          气体喷嘴II.1的纵轴线
17          气体喷嘴出口区
18          燃烧器喉部