固体燃料喷燃器.pdf

本发明涉及固体燃料喷燃器。一种固体燃料/氧喷燃器包括：上游区段、中间区段和下游区段；固体燃料管道，其延伸通过中间区段和下游区段，以运送处于运送气体中的固体燃料的混合物，固体燃料管道在下游区段比在中间区段中具有更大的横截面积；以及在下游区段中定位在固体燃料管道内的管状燃料分离器，燃料分离器由入口平面和出口平面限制，燃料分离器将燃料管道分成具有横截面积的内部喷嘴和具有横截面积的外部环形喷嘴，其中，在出口平面处测量的外部喷嘴横截面积与内部喷嘴横截面积的比大于1。

1.   一种固体燃料/氧喷燃器，其包括：
上游区段、中间区段和下游区段；
固体燃料管道，其延伸通过所述中间和下游区段，以运送处于运送气体中的固体燃料的混合物，所述固体燃料管道在所述下游区段中比在所述中间区段中具有更大的横截面积；以及
在所述下游区段中定位在所述固体燃料管道内的管状燃料分离器，所述燃料分离器由入口平面和出口平面限制，所述燃料分离器将所述燃料管道分成具有横截面积的内部喷嘴和具有横截面积的外部环形喷嘴中，其中，在所述出口平面处测量的所述外部喷嘴的横截面积与所述内部喷嘴的横截面积的比大于1。

2.   根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，进一步包括：
定位在所述外部喷嘴内的至少一个燃料楔形件，所述燃料楔形件具有上游顶点，以及与所述燃料分离器的出口平面对齐的下游基部。

3.   根据权利要求1或2所述的喷燃器，其特征在于，进一步包括至少在所述中间区段中包围所述固体燃料管道的环形氧管道。

4.   根据权利要求1至3中的任一项所述的喷燃器，其特征在于，进一步包括：
在所述下游区段中从所述环形固体燃料管道沿径向向外延伸的至少一个氧楔形件，所述氧楔形件具有上游顶点，以及与所述燃料分离器的出口平面对齐的下游基部。

5.   根据权利要求1至4中的任一项所述的喷燃器，其特征在于，进一步包括：
在所述喷燃器的上游区段中的主燃料管道，其用于使固体燃料和一级运送气体在所述喷燃器的中间区段中流到所述固体燃料管道；
其中，所述中间区段和所述下游区段同轴，并且限定喷燃器轴线。

6.   根据权利要求5所述的喷燃器，其特征在于，进一步包括：
管状固体燃料和一级运送气体管道，其沿着固体燃料入口轴线延伸到所述主燃料管道中，并且被所述主燃料管道包围，所述管状固体燃料和一级运送气体管道具有用于将固体燃料和所述一级运送气体提供给所述喷燃器的入口；以及
用以将补充运送气体提供给所述主燃料管道的补充运送气体入口。

7.   根据权利要求1至6中的任一项所述的喷燃器，其特征在于，在所述出口平面处测量的所述外部喷嘴的横截面积与所述内部喷嘴的横截面积的比为大约1.5至大约6。

8.   根据权利要求1至7中的任一项所述的喷燃器，其特征在于，进一步包括：
燃料阻绊盘，其定位成关于所述喷燃器轴线对称，并且在所述燃料分离器的入口平面的上游达一纵向距离，所述燃料阻绊盘具有径向高度。

9.   根据权利要求8所述的喷燃器，其特征在于，由所述燃料分离器形成的内部环形喷嘴在所述入口平面处具有径向高度，以及其中，所述阻绊盘的径向高度是所述内部环形喷嘴的径向高度的大约0.2倍至大约0.5倍。

10.   根据权利要求1至9中的任一项所述的喷燃器，其特征在于，所述燃料分离器大体为圆柱形形状。

11.   根据权利要求1至9中的任一项所述的喷燃器，其特征在于，所述燃料分离器包括大体圆柱形的上游部分和大体会聚的平顶圆锥形下游部分。

12.   一种在权利要求8至11中的任一项所述的喷燃器中燃烧固体燃料和氧的方法，包括：
提供足够的补充运送气体，以将固体燃料和运送气体的混合物的氧浓度提高到大于大约21摩尔%且小于或等于大约50摩尔%。

13.   一种使用权利要求1至11中的任一项所述的喷燃器来运行再生性空气-燃料玻璃熔化炉的方法，所述炉具有热空气端口，所述方法包括：将所述喷燃器中的至少一个定位在所述热空气端口的边缘附近。

14.   根据权利要求13所述的方法，其特征在于，化学计量比为大约0.05至大约0.5。

15.   一种再生性炉，其包括：
喷燃器块，其具有安装在所述炉的侧壁中的至少一个燃烧端口；以及
定位在所述至少一个燃烧端口的边缘附近的一个或多个固体燃料/氧喷燃器，所述喷燃器包括：
上游区段、中间区段和下游区段；
固体燃料管道，其延伸通过所述中间区段和所述下游区段，以运送处于运送气体中的固体燃料的混合物，所述固体燃料管道在所述下游区段中比在所述中间区段中具有更大的横截面积；以及
在所述下游区段中定位在固体燃料管道内的管状燃料分离器，所述燃料分离器由入口平面和出口平面限制，所述燃料分离器将所述燃料管道分成具有横截面积的内部喷嘴和具有横截面积的外部环形喷嘴中，其中，在所述出口平面处测量的所述外部喷嘴的横截面积与所述内部喷嘴的横截面积的比大于1。

固体燃料喷燃器
与相关申请的交叉引用
本申请要求2014年1月7日提交的美国临时申请No. 61/924,272的优先权，该申请通过引用而整体地结合在本文中。
技术领域
本申请涉及燃烧固体燃料与氧的喷燃器。
背景技术
部分地由于固体燃料的易挥发物质含量是可变的，所以固体燃料可能是难以在流动的流中点燃的燃料。因此，典型地，固体燃料会经历显著的点燃延迟，这会引起基本与燃料喷嘴分开的火焰前锋。这是内在地不稳定的情形，这种情形可导致高水平的未燃烧碳、不稳定的过程加热状况(热传递、熔化等)，而且可能导致火焰熄灭，这可导致燃烧非常迅速且不安全地退化。
具有一种能够形成附连到喷燃器末端上的固体燃料火焰的喷燃器是合乎需要的。这是最大程度地提高热传递、碳燃尽和火焰稳定性的内在地合乎需要的状况。
发明内容
描述一种氧-固体燃料喷燃器的实施例，它具有上游区段、中间区段和下游区段。固体燃料管道延伸通过中间区段和下游区段，以运送处于运送气体中的固体燃料的混合物，固体燃料管道在下游区段中比在中间区段中具有更大的横截面积。管状燃料分离器在下游区段中定位在固体燃料管道内，燃料分离器由入口平面和出口平面限制，燃料分离器将燃料管道分成具有横截面积的内部喷嘴和具有横截面积的外部环形喷嘴中，其中，在出口平面处测量的外部喷嘴的横截面积与内部喷嘴的横截面积的比大于1。
另一方面，喷燃器可进一步包括定位在外部喷嘴内的至少一个燃料楔形件，燃料楔形件具有上游顶点，以及与燃料分离器的出口平面对齐的下游基部。优选地，至少两个且不超过六个燃料楔形件定位在外部喷嘴内。
另一方面，环形氧管道至少在中间区段中包围固体燃料管道。
另一方面，喷燃器可进一步包括在下游区段中从环形固体燃料管道沿径向向外延伸的至少一个氧楔形件，氧楔形件具有上游顶点，以及与燃料分离器的出口平面对齐的下游基部。氧楔形件可为包围环形固体燃料管道的一个连续楔形件。
另一方面，喷燃器可进一步包括在喷燃器的上游区段中的主燃料管道，主燃料管道用于使固体燃料和一级运送气体在喷燃器的中间区段中流到固体燃料管道，其中，中间区段和下游区段同轴，并且限定喷燃器轴线，并且上游区段限定固体燃料入口轴线，固体燃料入口轴线相对于喷燃器轴线偏移大约30°至大约60°的角。在一个变型中，喷燃器可进一步包括管状固体燃料和一级(primary)运送气体管道，管状固体燃料和一级运送气体管道沿着固体燃料入口轴线延伸到主燃料管道中，并且被主燃料管道包围，管状固体燃料和一级运送气体管道具有用于将固体燃料和一级运送气体提供给喷燃器的入口，以及用以将补充运送气体提供给主燃料管道的补充运送气体入口。
另一方面，在出口平面处测量的外部喷嘴的横截面积与内部喷嘴的横截面积的比为大约1.5至大约6。
另一方面，喷燃器进一步包括燃料阻绊(trip)盘，燃料阻绊盘定位成关于喷燃器轴线对称，并且在燃料分离器的入口平面的上游达一纵向距离，燃料阻绊盘具有径向高度。优选地，燃料阻绊盘和燃料分离器的入口平面之间的纵向距离是燃料阻绊盘的径向高度的大约2倍至大约5倍。由燃料分离器形成的内部环形喷嘴在入口平面处具有径向高度，并且优选地，阻绊盘的径向高度是内部环形喷嘴的径向高度的大约0.25倍至大约0.5倍。在一个变型中，燃料分离器为大体圆柱形形状。在另一个变型中，燃料分离器为大体会聚的平顶圆锥形形状。在又一个变型中，燃料分离器包括大体圆柱形的上游部分和大体会聚的平顶圆锥形下游部分。
描述一种使用喷燃器来燃烧固体燃料和氧的方法，该方法包括提供足够的补充运送气体来将固体燃料和运送气体的混合物的氧浓度提高到大于大约21摩尔%且小于或等于大约50摩尔%。在燃烧方法的一方面，补充运送气体使固体燃料和运送气体的混合物的氧浓度升高到大于大约21摩尔%且小于或等于大约35摩尔%。
提供一种使用喷燃器来运行再生性空气-燃料玻璃熔化炉的方法，炉具有热空气端口，方法包括将至少一个喷燃器定位在热空气端口附近。方法可进一步包括以亚化学计量氧运行喷燃器。在运行方法的一方面，化学计量比为大约0.1至大约0.5。
描述一种再生性炉，它包括：喷燃器块，喷燃器块具有安装在炉的侧壁中的至少一个燃烧端口；以及定位在至少一个燃烧端口的边缘附近的一个或多个固体燃料/氧喷燃器。喷燃器包括：上游区段、中间区段和下游区段；固体燃料管道，其延伸通过中间区段和下游区段，以运送处于运送气体中的固体燃料的混合物，固体燃料管道在下游区段中比在中间区段中具有更大的横截面积；以及在下游区段中定位在固体燃料管道内的管状燃料分离器，燃料分离器由入口平面和出口平面限制，燃料分离器将燃料管道分成具有横截面积的内部喷嘴和具有横截面积的外部环形喷嘴中，其中，在出口平面处测量的外部喷嘴的横截面积与内部喷嘴的横截面积的比大于1。
附图说明
图1是氧-固体燃料喷燃器的示例性实施例的侧视图。
图2是图1中显示的氧-固体燃料喷燃器的实施例的后视图。
图3是通过截面A-A得到的图2中显示的喷燃器实施例的横截面图。
图4是如从视图B-B看到的图1中显示的喷燃器实施例的前部端视图。
图5是图1-4的喷燃器实施例的出口端的特写详细横截面图。
图6是图1-4的喷燃器的出口端的另一个实施例。
图7是插入到预燃烧器中的图5的喷燃器实施例的出口端的横截面图。
图8是烟煤和石油焦的最小点燃能量与氧浓度的关系的标图。
图9是本文描述的定位在再生性玻璃炉内的热空气端口下方的几个喷燃器的示意图。
图10是本文描述的定位在再生性玻璃炉内的热空气端口的侧部上的两个喷燃器的示意图。
具体实施方式
为了描述本文，提供以下定义。运送气体是用来将固体燃料微粒传送或运送到喷燃器且通过喷燃器的气态流体，并且可包括空气、富氧空气、氮、二氧化碳、回收烟道气和它们的组合。补充运送气体是用来提高喷燃器内的运送气体的流率的气态流体，并且可包括空气、富氧空气、氮、二氧化碳、回收烟道气和它们的组合。氧是包含浓度大于或等于28 摩尔%的O₂，优选大于或等于60摩尔%O₂，并且更优选大于或等于85摩尔%O₂的氧分子的气体。固体燃料是碳或呈固体形式的烃燃料，并且可包括石油焦；各种各样的煤，其包括无烟煤、烟煤、亚烟煤和褐煤；泥煤、木材、草，以及其它所谓的生物质量材料；城市固体废料；以及它们的组合。最后，如本文所用，用语“非流线型(bluff)”指的是这样的结构，即，该结构在垂直于主流向的平面上的尺寸在幅度上与其沿着主流向的尺寸相当。
在图1至6中示出氧/粉状固体燃料喷燃器10的一个实施例。喷燃器10包括上游区段12、中间区段14和下游区段16。
上游区段12包括用于运送粉状固体燃料和(一级)运送气体的管状固体燃料管道20。固体燃料管道具有入口22。上游区段12可选地进一步包括主燃料管道30，主燃料管道30包围固体燃料管道20，以在固体燃料管道20周围形成环形补充运送气体通道34。主燃料管道30具有补充运送气体入口32。固体燃料管道20在主燃料管道30内下游端24处终止于气室或混合区域26处，在气室或混合区域26中，固体燃料和一级运送气体在流到中间区段14中之前与补充运送气体混合。
如图1-3中显示的那样，喷燃器10具有由同轴的中间区段14和下游区段16的轴向方向限定的主轴线18。喷燃器的轴向方向指示离开喷燃器10的流的方向。主燃料管道30具有相对于主轴线18以角θ偏移的固体燃料入口轴线21。在下面论述偏移角θ的优选范围。为了将流从成角度的主燃料管道30引导到中间区段14中，固体燃料和运送气体混合物流过肘部区段28。
上游区段12还包括优选与喷燃器轴线18同轴的中心燃料喷嘴支承杆40，如图1-3中显示的那样。燃料喷嘴支承杆40用作毂，毂用以对喷燃器的其它特征提供结构支承，如下面论述的那样。
中间区段14包括包围中心燃料喷嘴支承杆40的外部燃料管道44。在中心燃料喷嘴支承杆40的外表面和外部燃料管道44的内表面之间形成环形通道46。环形通道46在流体方面连接到肘部区段28上，使得固体燃料和运送气体混合物被引导成流过环形通道46。可提供渐缩区段13，以使流从肘部区段28过渡到环形通道46。
氧管道50在中间区段14中包围外部燃料管道44，以形成环形氧通道54，环形氧通道54由外部燃料管道44的外表面和氧管道50的内表面限制。氧管道50具有氧入口52，并且在下游端56处终止。
中间区段14直接或通过过渡区段15而连接到下游区段16上。中心燃料喷嘴支承杆40连续地延伸通过中间区段14，并且进入和通过下游区段16的至少一部分。外部燃料管道44过渡到薄壁式外部燃料管道45，从而在下游区段16中产生环形流道47，环形流道47在中间区段14中比环形通道46具有更大的横截面积。在图5中显示下游区段16的分解图，并且在图4中显示下游区段16的下游端视图。
下游区段16可包括从燃料喷嘴支承杆40沿径向向外延伸的燃料阻绊盘68或类似地构造的障碍物。燃料阻绊盘68具有从燃料喷嘴支承杆40的外表面测量的径向高度H1。
下游区段16包括横跨入口平面62和出口平面64之间的燃料分离器60，在图5中，出口平面64也是喷燃器10的出口平面94。但是，燃料分离器60的出口平面64和喷燃器18的出口平面94重合不是必要的。例如，在图6中显示的实施例中，燃料分离器60的出口平面64位于喷燃器18的出口平面94的上游。燃料分离器60包括管状元件66，管状元件66定位成包围燃料喷嘴支承杆40且被外部燃料管道45包围。管状元件66可包括大体圆柱形的上游部分74，上游部分74的后面是会聚的大体平顶圆锥形的下游部分76，或者整个管状元件66可具有大体圆柱形形状或者会聚的大体平顶圆锥形形状。在燃料喷嘴支承杆40和管状元件66之间形成内部环形喷嘴72，而在管状元件和外部燃料管道45之间形成外部环形喷嘴70。
燃料分离器60的入口平面62定位在燃料阻绊盘68的下游面69的下游的距离L1处。在入口平面62处的内部喷嘴72的开口具有高度H2，从燃料喷嘴支承杆的外表面到管状元件66的内表面测量高度H2。
导引导叶92在内部喷嘴72中定位在管状元件66和燃料喷嘴支承杆40之间。可使用至少两个导引导叶92，而且在描绘的实施例中使用四个导引导叶92。导引导叶92可沿轴向定向，或者它们可定向成相对于轴向流方向成角度，以促进产生涡旋。
楔形件78在外部喷嘴70中定位在管状元件66和外部燃料管道45之间，并且在各个成对的相邻的楔形件78之间形成排出通道71。楔形件78具有前顶点80和后基部82，以及大约10°至大约60°的周向散布角。使用至少两个楔形件78和不到六个楔形件78，而且在描绘的实施例中使用四个楔形件78，并且排出通道71的数量等于楔形件78的数量。
如图7中显示的那样，当喷燃器10安装到预燃烧器90中时，在氧管道50的下游端56终止之后，在外部燃料管道45的外表面和预燃烧器90的内表面之间形成环形氧管道。多个楔形件84或一个环形楔形件84可在燃料分离器60的出口平面64处定位在外部燃料管道45的外表面上，楔形件84具有上游顶点86和下游基部88，以及大约5°至大约30°的散布角。楔形件(一个或多个)84可包围外部燃料管道45的全部或仅一部分或多个部分。
在运行中，固体燃料和运送气体通过固体燃料管道20以大于或等于名义上为15 米/秒的速度进入喷燃器10。在利用补充运送气体的喷燃器实施例中，固体燃料管道20在被补充运送气体包围的气室26中终止。补充运送气体可用来提高通过喷燃器10的燃料运送速度，其中，压降比通过使(一级)运送气体流率提高相等量所产生的压降低得多。
补充运送气体还可用来引入氧，以提高运送气体流的氧化剂含量。这可为改进固体燃料的点燃特性的便利方式。例如，图8显示烟煤和石油焦炭的固体燃料点燃能量与氧化剂浓度的关系，在表1中给出烟煤和石油焦炭的有关属性。
表1