在燃烧用液相或气相载体喷入的细粒含碳材料，例如煤的先进排，渣燃烧装置中，尽可能快地点火和使火焰面维持在或接近于燃料喷入点是极为重要的。如果不是这样，点火将有延迟，因为在排渣燃烧器中的停留时间是几百毫秒数量级，所以极其可能产生燃烧的不稳定，以及在细粒中的碳含量转化为燃烧的气体产物前燃料细粒可能已离开燃烧室。此外，如果火焰面离开喷入点太远，火焰也趋向不稳定。 这里描述的排渣燃烧装置中，喷咀装置伸入到燃烧室内。活动的燃烧发生在或接近于喷咀的咀部，即喷咀或针式喷咀口。为了避免粉状煤的结块或部分碳化而造成喷咀装置的堵塞，喷射装置通常是用流体冷却。流体冷却喷射器块加它的耐用性和可靠性;但是这种冷却方法也冷却了喷射器周围氧化剂、燃料和燃烧产物的混合体。这反过来影响燃烧。当使用水煤浆时问题就更加严重，大量的水被喷射到燃烧器内需要汽化，然而当细粒煤用载气流体化并喷入时间问题仍很显著。
在这类粉粒密度很高的燃烧装置中，燃料喷射器浸入在氧化剂、燃料和燃烧产物的混合体内，温度约在1200°～2000°F左右。而喷射器本身必须在足够低的温度下操作，以使燃料通过喷射器时没有明显的烧结、碳化或堵塞通道。同时，要使火焰稳定和燃烧产生的氧化氮（NOx）低而恒定，在喷射装置附近的燃烧混合物就应保持大致均一的操作温度。因而我的发明的主要目标是既保持喷射器相对冷却，又防止它严重阻碍或延迟周围空间中的燃烧。
本发明满足前述的各个目标，通过装设障壁使得从周围燃料和气体混合物中传到喷射器地热量最小。它阻止喷射器冷却周围的气体，也保护喷射器免受潜在热流的损害。
在加长的燃烧区内使细粒含碳材料的燃烧过程得以改善。燃烧区有终端壁，燃料喷射装置通过壁伸入到旋转流动和轴向流动着的加热氧化剂流动场。燃烧使燃料中一般固态的不可燃烧的组份形成熔融的渣。熔化的渣沿着燃烧室的内壁流动，如果喷咀的外表面是相对冷的就会阻止和延迟附近的燃烧。
改进措施包括使喷射装置装有套筒状的外部件，它保留一层固化和熔化的渣，因而绝热以避免冷却周围的气体。这套筒保留熔化流动状态的渣，并且使渣从套筒排放到流动场以在套筒周围提供加热区，维持套筒和所包围的喷射器周围细粒燃料的稳定燃烧。喷咀装置被装置内流体的纵向流动所冷却。
最好喷射装置保留渣的部分是套筒状的部件，它包括第一加长管道，提供与喷咀本体接触的第一内表面和第一外表面;第二加长管道提供第二内表面和与第一外表面环形间隔一段距离的第二外表面。端壁连接第一加长管道和第二加长管道。这样在第一和第二管道之间就得到环状的流体流动通道。终端壁适合按装在喷咀喷口或槽口附近。壁把环状流体流动通道分成流体入口管道和流体出口管道。在第二外表面上向外突出的肋和钉使渣停留在外表面上形成自恢复的固化渣层这渣层有足够的绝热效果使得熔化的渣可在它的外表面上连续流动。这熔化的渣维持在与周围燃料和气体混合物近似相等的高温。因而有助于喷咀装置和燃料喷入端附近的燃烧。
图1是与流态化燃烧炉有关的排渣燃烧系统透视图;
图2表示图1排渣燃烧系统的预燃烧器;
图3表示可应用本发明而得益的主燃烧室，以及相应的收集熔渣和把气相产品送到终端应用设备的装置;
图4详细表示按照本发明外热式喷射装置的优先实施方案;
图5和图5A说明另一种实施方案。
本发明是想改善小型设备和系统中细粒含碳材料的有效燃烧，这些材料是以固态颗粒密相流体的形式通过液相或气相的载体输送到燃烧设备，在那里燃料中不可燃烧的组份作为熔融渣可能被移到最上层。通过下述方法和设备互相配合的使用，使细粒含碳材料与预热的氧化剂，典型的是空气，在这样的条件下结合，产生点火并在流体动态流动场中进行连续燃烧，从而使系统的基本性能得到改善。
象将要解释的那样，如系统保持邻接的各层固化渣和半熔化渣以使喷射大量含碳燃料的喷射装置外部绝热，系统就能立即得到改进。并能稳定燃料喷射器附近的燃烧，提高燃烧的可靠性和协调性。
A.排渣燃烧装置
首先参考图1，2，3，排渣燃烧装置10包括予燃烧室12，主燃烧室14和与渣收集单元18相连的出口室16。如图1所示，所消耗的大量细粒含碳燃料是由管道22从气柜20送到主燃烧室14的。一般约10%到25%的总进料是通过喷咀装置24送到予燃烧室12的。
图1是装置系统的总体透视图，各个子系统的优化结构的细节请参看图2和图3。
予燃烧器12的功能是加热通常为空气的氧化剂，然后供给主燃烧室（反应室）14，在那里细粒含碳材料的主原料是在各组份理想配比、成渣的条件下燃烧的。
这里所用术语“细粒含碳材料”指的是含有碳元素的物质，它可作为分散在气相或液相载体中的燃料源。代表性的含碳材料包括煤，炭，固态废料回收操作中的有机残渣，可分散在气体或液体中的柏油，以及其他类似的东西。对主燃烧室中消耗的含碳材料，总的要求是能作为气相或液相载体中离散的颗粒分散到燃烧室内。含碳材料最典型的形式是煤，按照用水或空气作为载体的煤的燃烧，将对本发明进行详细的描述。
这里所用的术语“氧化剂”，意思是氧元素的气体源，最好是空气或富氧的空气。
把初级的氧化剂供应给小型的予燃烧室，它最好是圆筒形的几何形状，进行氧化剂的予处理。将这初级氧化剂送入燃烧空气入口26与少量的细粒含碳材料结合，并与燃烧产品混合作为预热过的氧化剂气流供应给主燃烧室14。单位时间所燃烧的总燃料的约10%到25%供给预燃烧室12。预燃烧室12优先实施方案更详细的描述，请参看共同未决的专利申请，其案件号为31-0155，该申请已公共列文转让给本申请的受让人。
加热过的氧化剂和在予燃烧室12中产生的反应产物通过出口30切向运动到最好是圆筒形几何形状的主燃烧室14。矩形出口的长高比约为2.5比1。
矩形出口30的中心最好在这点上，从头部终端34测量该点的距离为主燃烧室（园柱主反应器）14长度的1/3到1/2。在这个位置，氧化剂和从预燃烧室来的反应产物不仅引起主燃烧室（园柱主反应器）14内流动场的旋涡运动，而且如图3所示，从预燃烧器设备流出的氧化剂和反应产物分成两股基本相等的二级流体，一般沿着壁螺旋旋转流向主燃烧器14的头部终端34，另一股沿着主燃烧器的壁螺旋流向带孔的挡板36。向头部终端的流体在头部终端向内返回，轴向流回到主燃烧器带孔挡板36，所有流动都围绕着燃料喷射器40螺旋式旋转。主燃烧器带孔挡板36最好是水冷式挡板，它与主燃烧器的中心线垂直按装，并有中心孔38，孔直径至少为主燃烧器直径的一半左右。
含碳燃料的其余部分也是主要部分是在头部终端通过喷射装置40喷入到主燃烧器14内，喷射装置最好是按装在主燃烧器14的中心线上。这样喷射器40使得喷入的流体所载的燃料从圆锥形流动状态成为大致螺旋前进的气体流动场，其相对主燃烧器中心线的净角度大约从45°到90°左右。喷咀40从头部终端34突入到主燃烧器14中这一点，它位于预燃烧器出口30前端边缘的上游。根据本发明设计的燃料喷射器40的结构适合保持灼热的外表面，固而它从周围气体中吸收最小的辐射热能，能保证很快的点火和在燃料喷射点附近稳定的燃烧。
预燃烧器的氧化剂和预燃烧产物流向主燃烧器14头部终端34的那部分提供初始点火和富含燃料的反应区，头部终端总的理想配比约为0.4到0.5。气相的预燃烧产物带有熔化渣子的微滴，集合起来就形成燃烧室14头部终端内表面上半熔融的绝热层。如图3所示，旋涡的流动场和锥形的喷入形式使得细粒含碳燃料通常沿向外的路径向主反应器的壁运动。在通过加热的氧化剂流动场时消耗大部分的可燃物质，以反应热的形式放出能量，进一步加热得到的反应产物和局部残留的氧化剂。自由飞翔的固体含碳颗粒也沿着轴向运动移向出口挡板36，这是由头部终端氧化剂返回的轴向运动所引起。在操作中基本所有燃料所含的碳都在飞行中消耗完。任何没有消耗尽的碳到达主燃烧室14的壁后，作为可燃烧的炭在壁42上继续燃烧。旋转的流动场将熔化的不可燃物质由离心力带到主燃烧室14的壁上。
特别是通过很快的加热固体所发生的燃烧过程，会引起固体可燃部分中易挥发反应物的气化，萃取出总可燃物质约50%到80%。剩余部分的固体基本作为固体炭燃烧。逸出的挥发物质作为气体燃烧和反应。
在主燃烧器14头部终端产生的富含燃料的气体在维持旋涡运动的同时通常是流向主燃烧器14的出口挡板36。典型的总体平均轴向流动速度约为每秒80-100英呎。这样，例如燃烧室为5呎长，典型的颗粒通过该室长度所需的传递时间约为40-80毫秒;在燃烧的气体产物从室内通过带孔的挡板出口之前，在少于几百毫秒的通过时间内几乎所有喷入燃料的碳含量都转化为碳的氧化物。因很强的沿着主燃烧室14中心线的二次再循环流动，和从挡板孔38的中心到主燃烧器14头部终端34的流动使得主燃烧器14里的内部流动、混合和反应进一步加强。这种二次流动是由预燃烧器出口流速和选择的中心孔38的直径所控制。最好预燃烧室出口速度约为每秒330英呎，最优的挡板开口直径和主室直径之比约为0.5，这样产生理想的二次再循环流动以增强点火的控制和主燃烧室14内的整个燃烧。
流体的旋涡流动是这样，它的切向速度从主燃烧器（反应器）14的壁向内连续增加，一直到出口挡板36的半径。从出口挡板36的半径处向内，切向速度减小直到主燃烧器的中心线处基本为零随着径向增加的切向速度，从主燃烧器的壁向内与半径的减小成反向变化，直到近似于挡板孔的半径处。从那点向内到主燃烧器（反应器）的中心线，切向速度衰减到零。这种径向流动场与轴向的流动场组合，使得喷入的固体颗粒在它们早期的消耗过程中被径向加速，同时使得尺寸小于10微米或更小的烧过的颗粒能机械地被捕捉到包围主燃烧室14壁的渣内。
喷射器的喷咀40最好设计成这种形式以便使它的外围足够热可允许熔化的渣沿着它的外表面流到散布燃料的喷入点。在燃料不喷入的点渣剥落，为强烈的辐射和头部终端产生的富含燃料气体的点火提供附加的微粒中心，这样从喷入到点火所损失的时间就为最小。
如指出过的那样，主燃烧器的理想配比选择约为0.7～0.9最好是0.7～0.8。当调节系统保持主燃烧器14的平均理想配比在这些范围内时，富含燃料的气体足够热到产生熔化的渣，它的温度在渣的软化温度之上从而渣将沿着主燃烧器室14的壁自由流动。但是如温度不是这样高，将产生大量渣气化的损失。
如图3所示，主燃烧器14的容器壁包括出口挡板36最好有水冷的管式膜结构。管式膜结构再加上保留渣的钉（未显示）。容器壁起初用耐火材料衬里，它会被腐蚀掉并被固化的渣层代替，当系统经过一段时间运行后，进入准稳定状态。在操作中，熔化的渣粘到固化的渣层上，多余的渣从凝结的渣层上流过。这种从凝固到熔化的渣层给管式膜壁结构提供主要的防止热和化学作用的保护。一旦建立起来，渣层在长期的操作中始终保护着壁。
主燃烧器内部渣的流动方式由气体作旋转运动和轴向运动的空气动力学剪切力及重力所决定。使主燃烧器相对水平面倾斜约15°的角度，主燃烧器（反应器）14内渣的流动将会令人满意，渣通过出口挡板36上键孔状的开口46流到渣收集器18。
通常主燃烧器的长度直径比为1.5比1或2比1;挡板直径与主燃烧器（反应器）直径比为0.5比1.0;如这里描述的那样，进行200筛目煤充分的自由飞翔的燃烧，实际上没有发现过损失未燃烧完的煤。而且壁上渣层流动良好，达到阻碍热传递的作用。富含燃料的理想配比牵涉到使富含燃料气体中产生的一氧化二氮为最小的反应化学。
渣回收室16和除渣系统18的详细结构和操作在前述的共同未决申请，案件号31-0155中有更详尽的描述，这里插入这个申请作为参考。
现在参考图4和5，喷咀装置40可用喷咀型煤喷射器54，它特别适合雾化水作液相载体的细粒煤浆，或者如描述过的针式喷射器56，例如具格（Burge）等人的美国专利4，217，132，作为参考插到这里。
B.热套筒喷射装置
不管是利用大气压进行燃烧还是采用高压磁流体动力学的各种应用，排渣燃烧器操作的动力学本质是含碳材料颗粒在氧化剂和预热过的预燃烧产物高速旋转的流动中喷入和迅速燃烧。现在参看图4、5和5A，喷咀54一般以与主燃烧器14的纵向轴成45-90度的角度喷入水煤浆。针式喷咀56以45-90度的角度喷入以密相混合物的形式由载气所带的粉状煤。
由雾化喷咀54或针式喷咀56喷入的细粒含碳材料燃烧，消耗掉，不可燃物质变成渣沿着主燃烧器14的壁和喷咀装置40积累起来。含碳的原料必须保持冷却以防止原料的过热、碳化和烧结，和保护在燃烧器热空气中的喷咀装置结构材料。为了这目的，通常喷咀或针式喷咀是水冷的。这也有冷却喷射装置40周围氧化剂、燃料和燃烧产物混合体的趋向。这种冷却是最不希望的。燃料颗粒喷到局部冷却区可产生不稳定的火焰，使燃烧离开喷入点，这样就减少了燃烧的时间。希望使燃烧区尽可能接近喷入点。这需要提高喷入点的温度。为了这目的应有利地使用熔化的渣。
为了获得表面灼热的喷射器，使沿着终端壁34移动的渣保持在熔融状态，并沿着喷咀装置40的表面按含碳材料进料方向流动，直到它到达喷射装置40的末端被烧掉。渣的作用是通过对流和辐射加热喷射区的氧化剂和细粒含碳材料以便使火焰面接近喷入点，增加火焰的稳定性和尽可能快地点火。
为了保证这种结果，按照本发明，如图4和5所示，为喷咀54或针式喷咀56装设保留渣的套筒。套筒伸入到主燃烧室14的终端壁34内，它包括液体夹套58，液体如水从夹套58的一端60流入，通过分离的壁62和64形成的通道，通过环形的室67，然后从分离壁62和64的另一端，即通道66的另一端流出。装设适当的管道（未显示）以在主燃烧器14外边为夹套58供应和返回冷却剂。
参考图4，从外壁68向外伸出很多轴的翅片80，它们之间形成很多槽78。沿着主燃烧室14的终端壁34形成的渣将沿着喷咀装置40流出，充填满这些连续的槽然后溢流，这些翅片的作用象减缓流动的坝一样。当这些槽都充满后，多余的渣在表面上堆积起来，在夹套的末端烧掉，在旋转流动中被带向主燃烧器14的圆筒形壁。由于水经过管道60和66的流动，在热交换器接口处的渣固化成渣的固体层紧挨着金属。在那个固体层的上面第二层熔化和半熔化的渣复盖在夹套58的外面。
图5和5A说明另一种实施方案，从喷射器的壁上伸出很多钉84，最初用来保持耐火材料，当耐火材料腐蚀后形成自恢复的渣层。槽或钉可分布在夹套的整个长度，也可仅限于终端区域86，这决定于设计和渣的流速。
应用这里描述和说明的结构，用于喷入细粒含碳材料的喷射装置维持足够的冷却以防止有害的软化和粉状燃料的烧结。同时渣作为外热式的障壁用来限制热流使得围绕在喷射装置附近的氧化剂和预燃烧产物的混合体不会损失很多热量给喷射器。此外，还由约为0.25到0.5英吋的设计间隙和在喷射器和它的套筒之间存在任意气体的间隙形成一层很薄的绝热层。
总之，在粉粒密度很高的排渣燃烧器中本发明使燃料喷射器有相对很热的外表面，从而使附近的氧化剂、燃料和燃烧产物的混合体并没有冷却很多，而保持着预先选择的或多或少均一的温度，一般超过2000F°。结果喷射到该混合体中的含碳燃料在喷射器附近，和燃料颗粒到达燃烧室壁之前立即点火并燃烧，而且稳定性也提高。