用于燃烧固相燃料的方法和装置.pdf

本发明涉及用于燃烧固相燃料的方法，其中，借助于非气动式给料装置(11)将燃料给料到燃烧器装置(10)内的进入口(11a)，其中，使所述燃烧器装置(10)包括用于氧化剂的第一入口(13a)，将氧化剂经由第一供给管道(13)通过所述第一入口流出。本发明的特征在于，将用于氧化剂的所述第一入口(13a)设置为围绕所述进入口(11a)的开口的形式；使所述氧化剂以至少100m/s的速度通过所述开口(13a)流出、流过燃烧器管道(16)并通过燃烧器喷孔(17)流出到燃烧空间(18)，从而所述氧化剂通过喷射作用使所述燃料传送通过所述燃烧器管道(16)并通过所述燃烧器喷孔(17)送出。

1、  一种用于燃烧固相燃料的方法，其中，借助于非气动式给料装置(11)将燃料供给到燃烧器装置(10)内的进入口(11a)，其中，所述燃烧器装置(10)包括用于氧化剂的第一入口(13a)，氧化剂经由第一供给管道(13)通过所述第一入口流出，其特征在于，把用于氧化剂的第一入口(13a)设置为围绕所述进入口(11a)的开口；使所述氧化剂以至少100m/s的速度通过所述开口(13a)流出、流过燃烧器管道(16)并通过燃烧器喷孔(17)流出到燃烧空间(18)，以便所述氧化剂通过喷射作用而使燃料传送通过燃烧器管道(16)并通过燃烧器喷孔(17)而送出。

2、  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述开口(13a)以呈圆形对称的方式围绕所述进入口(11a)。

3、  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述开口(13a)以不呈圆形对称的方式围绕所述进入口(11a)，以便使所述开口(13a)在所述进入口(11a)的下部比在所述进入口(11a)的上部宽或大。

4、  根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，使所述进入口(11a)的直径为所述进入口(11a)和所述燃烧器喷孔(17)之间的燃烧器管道(16)长度的1/6-1/4。

5、  根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，通过所述第一入口(13a)流出的每单位时间的氧化剂数量相对于供给到所述进入口(11a)的燃料数量而言不足化学计量比。

6、  根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述氧化剂以至少为声速的速度流过所述第一入口(13a)。

7、  根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，将所述燃烧器管道(16)设计成具有收敛部(16a)，以使所述燃烧器管道(16)在所述燃烧器喷孔(17)处的内径比在所述第一入口(13a)处的内径小2％-30％。

8、  根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，使附加氧化剂经由第二附加供给管道(14)通过用于氧化剂的第二附加入口(14a)流出，所述第二附加入口设置为面对所述燃烧空间(18)并紧邻所述燃烧器喷孔(17)。

9、  根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，使附加氧化剂经由第三附加供给管道(15)通过用于氧化剂的第三附加入口(15a)流出，所述第三附加入口设置为面对所述燃烧空间(18)并距所述燃烧器喷孔(17)一定距离。

10、  根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将用于氧化剂的所述第三附加入口(15a)设置为相对于燃料和氧化剂的流出混合物从所述燃烧器喷孔(17)流出的方向成一角度，以使从所述第三附加入口(15a)流出的氧化剂流与所述混合物流在距所述燃烧器喷孔(17)一定距离处汇集。

11、  根据权利要求8至10中任意一项所述的方法，其特征在于，使至少一股附加氧化剂流以至少为声速的速度从附加入口(14a；15a)流出。

12、  根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，使所述氧化剂包含重量百分比至少80％的氧。

13、  一种用于燃烧固相燃料的装置，其中，设有非气动给料装置(11)，以将燃料给料到燃烧器装置(10)内的进入口(11a)，其中，所述燃烧器装置(10)包括供给系统(12；19)，所述供给系统设置为将氧化剂经由用于氧化剂的第一供给管道(13)和第一入口(13a)供给到所述燃烧器装置(10)，其特征在于，用于氧化剂的所述第一入口(13a)设置为围绕所述进入口(11a)的开口的形式，所述供给系统(12；19)设置为将所述氧化剂以流的形式以至少100m/s的速度通过所述第一入口、流过燃烧器管道(16)并流出燃烧器喷孔(17)而供给到燃烧空间(18)，并且从而通过由氧化剂流产生的喷射作用而将燃料传送通过所述燃烧器管道(16)并通过所述燃烧器喷孔(17)送出。

14、  根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述进入口(11a)的直径为所述进入口(11a)和所述燃烧器喷孔(17)之间的燃烧器管道(16)长度的1/6-1/4。

15、  根据权利要求13或14所述的装置，其特征在于，所述供给系统(12；19)设置为控制每单位时间通过所述第一入口(13a)流出的氧化剂的数量，以使该氧化剂的数量相对于供给到所述进入口(11a)的燃料数量不足化学计量比，并且，所述供给系统(12；19)设置为经由至少一个附加供给管道(14；15)通过面对所述燃烧空间(18)设置的至少一个用于氧化剂的附加入口(14a；15a)而供应出附加的氧化剂流，以使所供给的氧化剂总量能够成化学计量比地对应于所供给的燃料的数量。

16、  根据权利要求15所述的装置，其特征在于，用于氧化剂的附加入口(14a；15a)设置为相对于燃料和氧化剂的流出混合物的方向成一角度，以使从所述附加入口(14a；15a)流出的氧化剂流与所述混合物流在距所述燃烧器喷孔(17)一定距离处汇集。

17、  根据权利要求13至16中任意一项所述的装置，其特征在于，所述燃烧器管道(16)设有收敛部(16a)，以使所述燃烧器管道(16)在所述燃烧器喷孔(17)处的内径比在所述第一入口(13a)处的内径小2％-30％。

用于燃烧固相燃料的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于燃烧固相燃料的方法和装置，更具体地，本发明涉及使用具有高含氧量的氧化剂在燃烧器装置内的燃烧。
背景技术
通常在工业燃烧器内燃烧固相燃料时，通常是采用气动系统，其包括用于将固相燃料从入口传送到燃烧空间的载气。例如，燃料可以为诸如粉煤的粉末形式，并且可以借由载气的运动来推动。通常情况下，该载气是由空气或氮气组成。这样的燃烧系统可以例如用于加热工业炉。
采用这种方式存在的一个问题是，载气组成燃烧装置内气流的主要部分。因此，例如以氮气形式的大量镇流气体必须被加热，这导致效率的降低。
此外，希望将固相燃料和全氧燃烧装置一起使用，换句话说，在全氧燃烧装置中氧化剂具有高的含氧量。采用这种燃烧存在的问题是火焰温度局部变得非常高。与燃烧区域内存在的大量氮气结合，这导致燃烧气体中NO_x水平的升高，这是不希望的，因为除了其它原因外主要是考虑到规章制度和环境方面的担心。同时，已经证实很难将传统的燃烧装置用于燃烧固相燃料以便能用炉内气体来稀释燃料，这样做的目的是为了实现所谓的无焰燃烧，即燃烧区域扩散的燃烧，以便基本上不存在可见火焰，从而实现较低的燃烧温度。
发明内容
因此，希望能够实现有效地燃烧固相燃料的方式，其燃烧产物含有低浓度的NO_x。
本发明解决了上述问题。
因此，本发明涉及用于燃烧固相燃料的方法，其中，借助于非气动式给料装置将燃料给料到燃烧器装置内的进入口，其中，使所述燃烧器装置包括氧化剂第一入口，使氧化剂经由第一供给管道流过所述第一入口，其特征在于，使所述氧化剂第一入口设置为围绕所述进入口的开口的形式，其中，使所述氧化剂以至少100m/s的速度通过所述开口流出、流过燃烧器管道并通过燃烧器喷孔流出到燃烧空间，以便所述氧化剂通过喷射作用而使所述燃料传送通过所述燃烧器管道并通过所述燃烧器喷孔而送出。
此外，本发明涉及根据权利要求13所述类型并且大体上具有这些特征的装置。
附图说明
现将参照本发明的实施例以及附图对本发明进行详细说明，其中：
图1为根据本发明的燃烧器装置的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的燃烧器装置10，其适合用于实施根据本发明的方法。该燃烧器装置10安装在工业炉20的炉壁上，并且被定向成使得与燃烧器装置10相关联的燃烧空间18设置在炉20的加热空间21内。工业炉20可以用于加热各种材料，例如玻璃、钢、有色金属以及陶瓷材料。而且，还可将本发明的燃烧器装置应用在例如供热厂、发电站或火电厂，其中，将来自燃烧器装置10的热量例如作为市政供热和/或转化为电力。
设有螺旋进料机或相应形式的给料装置11，以将预定数量的诸如粉煤的固相燃料供料到进入口11a，该进入口设置在燃烧器装置10内。该给料装置11还可以以其它方式来设计，但是优选地不采用气动驱动。
氧化剂供给系统12分支为供给氧化剂的第一供给管道13、第二供给管道14以及第三供给管道15。常规的控制装置19设置用于控制通过供给系统12对氧化剂的供给。
第一供给管道13通到第一入口13a，该第一入口设置为围绕进入口11a的开口的形式。进入口11a和开口13a的出口均在同一燃烧器管道16内。换句话说，氧化剂通过开口13a流出，且燃料传送到进入口11a，并且因此氧化剂和燃料在燃烧器管道16内汇合。根据优选的实施例，开口13a以对称的方式围绕进入口11a，优选为沿着进入口11a在外周延伸的呈圆形对称、狭窄的开口的形式。
根据另一优选实施例，开口13a以不呈圆形对称的方式围绕进入口11a，以使开口13a在进入口11a的下部比在进入口11a的上部宽或大。这将允许每单位时间较大量的氧化剂在进入口11a的下部流过开口13a，从而能维持燃料较低的给料速度并且与炉20内产生火焰的方向相同。
开口13a可以完全围绕进入口11a，替代地也可以以许多洞、孔或类似形式围绕进入口11a，以使开口13a不是完全包围进入口11a。
燃烧器管道16延伸到燃烧器喷孔17，该燃烧器喷孔朝外面向燃烧空间18。根据非常优选的实施例，燃烧器管道16的长度大约为进入口11a内径长度的4-6倍，优选约5倍。这种关系已经证实能够在燃烧器装置10内产生非常有吸引力的燃烧特性。
氧化剂通过开口13a以高速度流出，优选为至少100m/s，但是更优选为至少是声速。这产生了喷射作用，氧化剂夹带固相燃料。此后，氧化剂和燃料的混合物中燃料借助于氧化剂流而分散并传送，该混合物沿着燃烧器管道16流到喷孔17并流出喷孔17。
朝向燃烧器管道16的末端，有一逐渐增大的收敛部16a，导致燃烧器管道16在喷孔17处的内径比在开口13a处的内径小2％-30％。进入口11a、开口13a、燃烧器管道16和收敛部16a的尺寸适用于特定应用，尤其是关于燃烧器装置10的功率。特别地，收敛部16a的尺寸设置为用于实现特定的最终速度，氧化剂和燃料的混合物以该速度通过喷孔17而流出。除其它因素外，该速度取决于燃烧空间18的几何形状和所希望的燃烧特征，并且该速度基于实际的条件和目的来选择。
因此，固相燃料在不需要单独的惰性载气的条件下而传送到燃烧空间18。取而代之的是，氧化剂自身作为载气。所以，也不需要加热任何镇流材料，从而增加了燃烧器装置10的效率。
此外，根据优选的实施例，通过开口13a流出的每单位时间的氧化剂数量相对于被供给到进入口11a的燃料数量而言是不足化学计量比的。换句话说，流经燃烧器管道16的燃烧混合物是不足化学计量比的。
当混合物接近燃烧空间18时，由于来自燃烧空间18的辐射热，该混合物可能已经在燃烧器管道16内点燃。然而，由于上述不足化学计量比的关系以及没有附加的氮气以载气的形式供应，因此，除其它结果外并且以牺牲NO_x形成为代价，该燃烧反应将会导致CO的形成。
根据优选的实施例，附加的氧化剂经由第二供给管道14通过一个或几个其它的氧化剂入口14a而流出。这个或这些个其它入口14a布置成面对燃烧空间18且紧邻燃烧器喷孔17。“紧邻燃烧器喷孔17”在这里意指，该入口或这些入口14a和燃烧器喷孔17彼此接近，以致于燃烧混合物和附加的氧化剂基本上立刻混合，以在燃烧空间18内形成单独的连续的火焰。
通过该入口或该些入口14a流出的附加氧化剂数量选择为能够使所供给的氧化剂总量和所供给燃料的数量达到化学计量比平衡。
在燃烧空间18内如此形成的火焰中，从燃烧器管道16流出的燃烧混合物中还没有消耗的燃料被消耗，而且不完全氧化的诸如CO的化合物也被消耗。由于经由入口14a附加供给的氧化剂而使得在火焰中产生与炉内气氛的一定程度的再循环，因此所述燃烧可以在相对较低的受控温度下进行。这导致了火焰尺寸的增加并且变得更加扩散，从而降低最大燃烧温度并且因此还降低NO_x化合物的形成。
此外，优选地是，附加的氧化剂以至少为声速的速度通过该入口或该些入口14a流出。这样导致再循环在燃烧空间18内强有力地增加，同时伴随有上文指出的优势。
根据另一优选实施例，附加的氧化剂经由第三供给管道15通过一个或几个氧化剂的第三入口15a而流出，该一个或几个第三入口面对燃烧空间18设置，并且距燃烧器喷口17一定距离设置。
“距燃烧器喷口17一定距离”在这里意指，该入口或该些入口15a和燃烧器喷孔17彼此相隔一定距离，以致于从该入口或该些入口15a流出的附加的氧化剂不是立刻与通过燃烧器喷口17流出的燃烧混合物混合，而是这两个或多个料流仅在从燃烧器喷口17的角度看进入到燃烧空间18内一定距离处才混合。
在一些应用中，优选地将该入口或该些入口15a设置为大体上平行于燃烧器管道16的纵轴线。
在其它应用中，尤其是在燃烧器装置10相对较大以及炉空间21相对有限时，优选地将该入口或该些入口15a设置成，使得附加的氧化剂与燃烧混合物从喷孔17流出的方向成一角度地流入到燃烧空间18内，从而使这些料流获得距离喷孔17一定距离处的共同交点。
根据优选的实施例，该入口或该些入口15定位并关于燃烧器管道16的纵轴线形成角度，以便在燃烧空间18内形成单独的连续的火焰。
此外，优选地是，附加的氧化剂以至少为声速的速度通过该入口或该些入口15a流出。这样导致在可应用的情况下在燃烧混合物流和附加氧化剂流汇合点处或附近，在燃烧空间18内的再循环强有力地增加。作为结果，火焰变得更为扩散，同时最高温度较低，并且以这种方式能实现无焰燃烧，除其它结果外，这导致NO_x化合物的产生较少。而且，来自燃烧反应的热量更均匀地分布在燃烧空间18内。
也可使附加氧化剂通过紧邻燃烧器喷孔17设置的一个或几个入口14a与距燃烧器喷口17一定距离设置的一个或几个入口15a的组合入口流出，只要能使所供给的氧化剂总量大体上与所供给的燃料保持化学计量比的平衡。通过入口14a、15a的氧化剂流中氧化剂的数量、这些入口相互之间的几何位置和它们各自的斜度、它们各自的流速等等之间的关系视情况而定，取决于实际的条件和目的。
在希望有较小、较好限定的火焰的情况下，主要使用该入口或该些入口14a。另一方面，如果希望无焰燃烧时，则主要使用该入口或该些入口15a。
也可使供给管道13、14、15连接到一个或几个供给系统上，从而不同类型的氧化剂可以通过开口13a和附加入口14a、15a分别进行供给。在这种情况下，控制装置19可以设置为控制氧化剂到不同供给管道13、14、15的供给，替代地，也可并行使用几个不同的控制装置19。
通过采用本发明的燃烧器装置10，就可使用比例如空气具有更大氧含量的气体作为氧化剂，而不导致过高的局部燃烧温度。因此，优选氧化剂包括重量百分比至少为80％的氧，更优选重量百分比为至少95％的氧。这样就导致燃烧器装置10效率的增加。尽管如此，由于如上所述在燃烧空间18内的再循环的帮助下而减小燃烧温度，因此，如上所述，所形成的NO_x的数量没有增加。
上文已经对优选实施例进行了说明。然而，本领域技术人员将明白可对所述实施例进行许多改进，而不背离本发明范围。因此，本发明不局限于所述实施例，而是可以在所附权利要求的范围内进行改变。