CN100381755C - 具有辅助点火燃料喷管的分段燃烧系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃烧系统，该燃烧系统包括燃烧炉，该燃烧炉容纳有在其内部的热负荷和燃烧气体；一个或多个燃料喷管，用于将燃料喷入燃烧气体内；以及一个或多个与上述一个或多个燃料喷管连接的点火器，用于点燃被上述一个或多个燃料喷管喷入到燃烧气体内的燃料。

Description

具有辅助点火燃料喷管的分段燃烧系统
背景技术
分段燃烧系统将燃料的连续部分引入燃烧过程，从而使氧化剂和燃料在多个区域或阶段发生反应，从而改善燃烧。这会降低火焰最高温度，并导致其它有利的减少氮氧化物(NOx)产生的燃烧过程。很多种公知的分段燃烧方法已经应用在燃烧中，包括进程加热器，燃烧炉，蒸汽锅炉，燃气轮机燃烧器，燃煤发电装置和很多其它冶金、化学工业中的燃烧系统中。
具有一定组成的燃料-氧气-惰性气体混合物在燃烧区域达到自燃温度或被单独的点火源引燃时，气体燃料与诸如空气的含氧气体中的氧气发生燃烧。当燃烧发生在三维加工空间如燃烧炉中时，在燃烧过程中混合物混合的程度是另一个重要的变量。燃烧炉，尤其是在靠近燃烧器的区域中混合的程度对局部的气体组成和温度产生影响，因此对于运行的稳定性是一个重要因素。
在燃烧过程中，尤其是在减少NOx的分段燃烧过程中，具有良好的火焰稳定性和与将分段燃料引入燃烧空间的位置相关的火焰前峰的合适位置是很重要的。在传统的燃烧系统中，为了保持火焰稳定性，使用燃料喷射装置和内部再循环模式来改善燃料流与燃烧气体的接触，并且提供为保持火焰稳定性所需要的点火能量。分段燃烧系统中的火焰稳定性和火焰位置的不当控制，尤其是当冷起动、过程混乱或停止条件下，可能会导致不期望的燃烧性能、较高的NOx排放和/或未燃燃料。后一种情况可以导致燃烧炉内燃料的过多消耗，并可能导致能量释放的失控。
需要改进分段燃烧过程以改善火焰稳定性和燃料的完全燃烧，尤其是在非稳态运行期间例如冷起动、过程混乱或过程停止时。下文所述的本发明实施方案中公开和随后的权利要求所限定的改进的分段燃烧系统可以满足以上需要。
发明内容
本发明的一个实施方案涉及一种燃烧系统，该燃烧系统包括燃烧炉，该燃烧炉容纳有在其内部的热负荷和燃烧气体；一个或多个燃料喷管，用于将燃料喷入燃烧气体内；以及一个或多个与上述一个或多个燃料喷管连接的点火器，用于点燃由上述一个或多个燃料喷管喷入到燃烧气体内的燃料。该一个或多个点火器可以从间歇式火花点火器，连续火花点火器，DC电弧等离子体，微波等离子体，RF等离子体，高能激光束和氧化剂-燃料引燃燃烧器中进行选择。在该实施方案中，至少一个点火器位于燃料喷管附近，用于点燃从燃料喷管喷出的燃料。作为备选的方案，至少一个点火器集成在燃料喷管内，用于点燃从燃料喷管喷出的燃料。燃料喷管的数量可以等于或小于点火器的数量。
另一个实施方案涉及一种燃料喷管，该燃料喷管包括喷嘴本体，该喷嘴本体具有输入面，输出面，和穿过输入面和输出面的输入流体轴线，以及两个或多个从输入面到输出面延伸穿过喷嘴本体的凹槽，每个凹槽都具有凹槽轴线，这些凹槽中至少一个凹槽的凹槽轴线与喷嘴本体的输入流体轴线不平行，这些凹槽用于在喷嘴本体的输出面处喷出燃料；点火器连接于喷嘴本体，用于点燃从喷嘴本体输出面处喷出的燃料。点火器可以在靠近喷嘴本体输出面的位置；作为备选的方案，点火器可以集成在喷嘴本体内并穿过喷嘴本体输出面。
一个备选的实施方案涉及一种燃料喷管，该燃料喷管包括喷嘴本体，该喷嘴本体具有输入面，输出面，穿过输入面和输出面的输入流体轴线，两个或多个从输入面到输出面延伸穿过喷嘴本体的凹槽，每个凹槽都具有凹槽轴线和凹槽中心面，其中所有凹槽都不交切其它凹槽，所有的凹槽都与公共燃料供应管道流体连通；并且点火器连接于喷嘴本体，用于点燃从喷嘴本体输出面处喷出的燃料。点火器可以设置在靠近喷嘴本体输出面的位置；作为备选的方案，点火器可以集成在喷嘴本体内并穿过喷嘴本体输出面。
在另一个备选的实施方案中，燃料喷管包括喷嘴本体，该喷嘴本体具有输入面，输出面，穿过输入面和输出面的输入流体轴线，以及两个或多个从输入面到输出面延伸穿过喷嘴本体的凹槽，每个凹槽都具有凹槽轴线和凹槽中心面，其中两个或多个凹槽中的第一凹槽被其它凹槽中的每一个交切，这些凹槽中至少一个凹槽的凹槽中心面交切喷嘴本体的输入流体轴线；点火器连接于喷嘴本体，用于点燃从喷嘴本体输出面处喷出的燃料。点火器可以设置在靠近喷嘴本体输出面的位置；作为备选的方案，点火器可以集成在喷嘴本体内并穿过喷嘴本体输出面。
本发明的一个相关实施方案包括一种燃烧系统，该燃烧系统包括燃烧炉，该燃烧炉包括壳体和位于壳体内部的热负荷；一个或多个氧化剂气体喷射器，该氧化剂气体喷射器安装在壳体上并用于将氧化剂气体引入燃烧炉内；一个或多个燃料喷管，该燃料喷管安装在壳体上并与一个或多个氧化剂气体喷射器分隔开，该一个或多个燃料喷管用于将燃料喷入燃烧炉内；以及，一个或多个与上二述一个或多个燃料喷管连接的点火器，用于点燃燃料喷管喷射的燃料。
在该实施方案中，该一个或多个点火器可以从间歇式火花点火器，连续火花点火器，DC电弧等离子体，微波等离子体，RF等离子体，高能激光束和氧化剂-燃料引燃燃烧器中进行选择。至少一个点火器位于燃料喷管附近，用于点燃从燃料喷管喷出的燃料。作为备选的方案，至少一个点火器集成在燃料喷管内，用于点燃从燃料喷管喷出的燃料。燃料喷管的数量可以等于或小于点火器的数量。一个或多个氧化剂气体喷射器中的一个的外围和相邻的燃料喷管的外围之间的距离可以在2-50英寸范围内。
本发明的另一个相关实施方案涉及一种燃烧系统，该燃烧系统包括燃烧炉，该燃烧炉容纳有在其内部的热负荷和燃烧气体；中心燃烧器，该中心燃烧器具有轴线，初始燃料入口，氧化剂气体入口，以及用于将燃烧气体引入燃烧炉内的燃烧气体出口；一个或多个从中心燃烧器的轴线径向分布的分段燃料喷管，用于将分段燃料喷入燃烧炉中的燃烧气体内；以及，一个或多个与上述一个或多个分段燃料喷管连接的点火器，用于点燃从分段燃料喷管喷射的分段燃料。
在该实施方案中，该一个或多个点火器可以从间歇式火花点火器，连续火花点火器，DC电弧等离子体，微波等离子体，RF等离子体，高能激光束和氧化剂-燃料引燃燃烧器中进行选择。至少一个点火器位于燃料喷管附近，用于点燃从燃料喷管喷出的燃料。作为备选的方案，至少一个点火器集成在燃料喷管内，用于点燃从燃料喷管喷出的燃料。燃料喷管的数量可以等于或小于点火器的数量。
该实施方案的系统还可以包括主燃料管道和分段燃料管道，主燃料管道用于给中心燃烧器提供初始燃料，分段燃料管道用于给所述一个或多个分段燃料喷管提供分段燃料。给中心燃烧器提供的初始燃料和给所述一个或多个分段燃料喷管提供的分段燃料组成是相同的；作为备选的方案，给中心燃烧器提供的初始燃料和给所述一个或多个分段燃料喷管提供的分段燃料组成是不同的。该一个或多个分段燃料喷管可以位于中心燃烧器外部，也可以从中心燃烧器的轴线径向分布。
本发明的一个备选的相关实施方案包括一种燃烧方法，其包括
(a)提供一种燃烧系统，该系统包括：
(1)一燃烧炉，该燃烧炉容纳有在其内部的热负荷和燃烧气体；
(2)一中心燃烧器，该中心燃烧器具有轴线，初始燃料入口，氧化剂气体入口，以及用于将燃烧气体引入燃烧炉内的燃烧气体出口；
(3)一个或多个从中心燃烧器的轴线径向分布的分段燃料喷管，用于将分段燃料喷入燃烧炉中的燃烧气体内；以及
(4)一个或多个与上述一个或多个分段燃料喷管连接的点火器，用于点燃分段燃料喷管喷射的分段燃料，
(b)通过氧化剂气体入口引入氧化剂气体并通过所述一个或多个燃料喷管将燃料喷入燃烧炉内的燃烧气体中；以及
(c)运行一个或多个点火器，点燃来自燃料喷管的燃料，从而使燃烧气体中燃料和氧气发生燃烧。
在该实施方案中，燃料可以从天然气、炼油废气、原油生产中的相关气和可燃工业废气中选择。可以采用多个燃料喷管，多个燃料喷管中可以采用不同组成的燃料。
本发明的另一个备选的相关实施方案涉及一种燃烧方法，包括：
(a)提供燃烧器装置，该燃烧器装置包括：
(1)一中心火焰保持器，该中心火焰保持器具有氧化剂气体的输入装置，初始燃料的输入装置，燃烧氧化剂气体和初始燃料的燃烧区域，以及从火焰保持器排出初始排出物的出口；和
(2)围绕中心火焰保持器出口的多个第二燃料喷射器喷嘴，其中，每个第二燃料喷射器喷嘴包括
(2a)一喷嘴本体，该喷嘴本体具有输入面，输出面，穿过输入面和输出面的输入流体轴线；以及，
(2b)一个或多个从输入面到输出面延伸穿过喷嘴本体的凹槽，每个凹槽都具有凹槽轴线和凹槽中心面；
(3)一个或多个与多个第二燃料喷射器喷嘴连接的点火器；
(b)将初始燃料和氧化剂气体引入中心火焰保持器，在火焰保持器的燃烧区域使初始燃料和部分氧化剂气体发生燃烧，将包含燃烧产物和过量氧化剂气体的初始排放物从火焰保持器出口排出；以及
(c)通过第二燃料喷射器喷嘴将第二燃料喷入到从火焰保持器出口排出的初始排放物中；以及
(d)运行一个或多个点火器，点燃来自第二燃料喷射器喷嘴的燃料，从而使燃料和燃烧产物中的过量氧化剂发生燃烧。
在该实施方案中，初始燃料和第二燃料可以是具有不同组成的燃料。初始燃料可以是天然气或炼油废气，并且第二燃料可以包括从变压吸附系统中得到的氢、甲烷、一氧化碳和二氧化碳。作为备选的方案，初始燃料和第二燃料也可以是具有相同组成的燃料。
本发明的另一个实施方案涉及一种燃烧方法，该燃烧方法包括：
(a)提供一种燃烧系统，该燃烧系统包括：
(1)一燃烧炉，该燃烧炉具有壳体，热负荷与燃烧气体位于该壳体内部；和
(2)一个或多个氧化剂气体喷射器，该氧化剂气体喷射器安装在壳体上并用于将含氧气体引入燃烧炉内；
(3)一个或多个燃料喷管，该燃料喷管安装在壳体上并与上述一个或多个氧化剂气体喷射器分隔开，该一个或多个燃料喷管用于将燃料喷入燃烧炉内；以及
(4)一个或多个与上述一个或多个燃料喷管连接的点火器，用于点燃燃料喷管喷射的燃料；
(b)通过上述一个或多个氧化剂气体喷射器将含氧气体喷入燃烧炉内的燃烧气体中；
(c)通过一个或多个燃料喷管将燃料喷入燃烧炉内的燃烧气体中；以及
(d)运行上述一个或多个点火器，点燃来自燃料喷管的燃料，从而使燃烧气体中燃料和氧气发生燃烧。
附图说明
图1是采用第二燃料喷射嘴的燃烧器装置的截面图。
图2是可用于本发明实施方案中的喷嘴装置和喷嘴本体的等距视图。
图3是图2中喷嘴本体的轴向截面图。
图4是图1中燃烧器装置的正视图。
图5是采用第二燃料喷射嘴和与本发明实施方案有关的示例性的点火器的燃烧器装置的截面图。
图6是图5中燃烧器装置的正视图。
图7A是本发明实施方案中使用的示例性的点火器的截面图。
图7B是图7A的正视图。
图8A是本发明实施方案中使用的备选的示例性的点火器引燃装置的截面图。
图8B是图8A的正视图。
图9是根据本发明实施方案的集成的燃料喷射器喷嘴和点火器的等距视图。
图10是本发明另一个实施方案的截面图，其中，图9中的集成的燃料喷射器喷嘴和点火器与氧化剂气体喷射器被安装在燃烧炉的壁或壳体上。
图11是一个实施方案中矩阵燃烧炉燃烧系统的示意图，该实施方案采用图10中的多个集成的燃料喷射器喷嘴和点火器以及图10中的多个氧化剂气体喷射器。
具体实施方式
基于燃烧的进程利用燃料流与氧气的燃烧产生进程用热，并且在某些情况下，消耗来自其它进程系统的可燃烧废气流。对于建立用各种燃料的燃烧反应来说，如果燃料-氧化剂混合物的温度高于混合物的自燃温度，自燃就会发生。例如对于空气/天然气混合物来说，自燃温度是大约1,000°F。如果燃料-氧化剂混合物的温度低于自燃温度，需要点火源来引发燃烧反应。
另一个因素，即燃烧气体或燃烧区域中混合的程度，可以影响气态或汽态燃料燃烧过程的稳定性。当采用分段燃料以限制NOx的形成时，燃烧过程的稳定将变得复杂。在采用分段燃料时，原始燃料(不含空气或氧气)被引入包含过量氧气的燃烧气体中，这些过量氧气来自较早燃烧阶段的残留气体。尽管用于每个燃烧阶段的燃料通常是相同的，但是可以使用不同的燃料源，使用不同的分段燃料可能会影响燃烧过程的运行稳定性。为了最小化NOx的形成，需要将分段燃料引入到具有最小氧气浓度的位置或该位置附近的燃烧气体中。
在冷起动、过程混乱或停止的情况下，在燃烧炉中发生非稳态运行的情况下，这时保持分段燃料燃烧系统的火焰稳定性和火焰位置将变得困难。在这些情况下，局部温度可能降到燃料-氧化剂混合物的自燃温度以下，这可能会导致不稳定的火焰和/或包含未燃燃料的区域。这是人们不希望发生的，可能使燃烧炉中能量释放可能失控。
火焰的稳定性，也就是火焰前峰相对于引入燃烧气体的燃料流的合适位置，是成功进行燃料分段的关键因素。在传统的分段燃烧系统中，通过燃料喷射装置和混合模式的结合来改善富燃料喷射和氧气源的接触，从而保持火焰的稳定性，氧气源可以是进入的燃烧空气流或燃烧炉内气态空气中包含的未反应氧气。合适的位置和点火能量的大小也很重要。对燃料喷射装置的设计通常试图将火焰固定在火焰保持器端部上，该火焰保持器端部可以是燃料喷射器本身，单独的阻流体装置(例如耐火砖的外表面)，或稳流器喷嘴。传统的阻流体型火焰稳定器的缺点是它们具有有限的关闭率，这样在冷起动和过程混乱条件下就限制了它们的稳定性能。分段燃料喷射火焰前峰和火焰保持器表面之间的任何巨大的距离或抬升(Lift-off)会导致火焰振荡，并导致不期望的燃烧性能，包括增加的NOx排放和/或产生未燃燃料。
在非稳态运行条件下，例如冷起动或过程混乱发生时，虽然通过传统的分段燃料系统的流体被保持时，但燃烧系统内以高浓度存在的燃料量将显著增加。喷射装置富燃料喷射附近的区域可能在火焰稳定限制之外(例如，对于天然气为5-15体积％)，并且在冷的燃烧炉中可能得不到足够的点火能量。当这些燃料分段系统的多个部件被包括在一个装置中或当单个燃烧器重新产生火焰时，燃烧炉内可能出现额外的点火源。这些点火源可以是，例如，燃烧器和/或分段燃料喷射装置中的燃烧反应形成的自由基。由这些自由基与进程加热器，锅炉，重整装置或其它类似装置中的未燃燃料的反应促进的失控的能量释放是需要关注的安全和运行问题。
在冷起动、燃烧炉温度较低，以及过程混乱或停止条件下，传统燃烧器技术不能为各个燃料分段喷嘴提供火焰稳定性。在这期间缺乏稳定性会导致如上所述的火焰的抬升以及随后的能量释放失控。需要采取强有力的措施来解决这些潜在的危险状况。优选的措施应当是对燃烧设备本身进行改变和强化，而不是要求进程操作人员执行特定操作和控制步骤。本发明实施方案中公开了这样的措施，其中利用一个或多个点火源与燃料喷射管相结合，该燃料喷射管将分段燃料引入燃烧区域或范围内。
发明的多个实施方案中采用了辅助点火燃料喷管，以确保点燃喷射到含氧气体中的燃料，该含氧气体存在于进程加热器，燃烧炉，蒸汽锅炉，燃气轮机燃烧器或其它燃气燃烧系统中的燃烧气体中。在此将燃料喷管定义为将燃料以较高速率喷入燃烧气体中的装置。该燃烧气体包括氧化剂气体，并且喷入到氧化剂气体中的分段燃料与氧化剂气体中的氧气发生燃烧。该氧化剂气体可以是空气、富氧空气或者包含燃烧产物和未反应氧气的燃烧气体。例如，辅助点火燃料喷管可以安装在靠近但是不接触燃烧器的边界、壁或壳体上，其中燃料喷管喷射燃料到由燃烧炉所产生的燃烧空气中，从而进行同心分段燃烧。作为备选的方案，辅助点火燃料喷管可以安装在靠近但是不接触例如空气的氧化剂气体源的位置，其中，燃料喷管将部分燃料喷入氧化剂气体或燃烧气体中，从而进行矩阵分段燃烧(matrix-staged combustion)。
在此使用的术语“燃烧气体”是指在燃烧炉壳体或边界内的气体。燃烧炉边界内的全部燃烧气体包括氧气、燃料、包含燃烧反应产物(例如碳氧化物、氮氧化物和水)的燃烧气体，以及惰性气体(例如，氮气和氩)。氧气和惰性气体的来源通常是空气；备选的或者额外的氧气来源可以是氧气喷射系统，该氧气喷射系统可以引入富氧空气和/或高纯度氧气以促进燃烧反应。燃烧气体可以是不同的，因为在燃烧炉内部其各种成分的浓度在变化。例如，在氧化剂喷射位置附近氧气的浓度较高，在燃料喷射位置附近燃料的浓度较高。在燃烧气体的其它区域，可能没有燃料存在。取决于在各个位置的燃烧气体燃烧程度的不同，氧气和燃烧反应产物的浓度也会随之不同。在某些位置，喷射的燃料可以直接与喷射到燃烧气体内的氧化剂气体中的氧气发生反应；在其它位置，喷射的燃料可能与来自其它位置燃烧气体的未反应氧气发生反应。
热负荷位于燃烧炉内部的燃烧气体中，其中热负荷的定义为：(1)传输通过燃烧炉燃烧气体的材料所吸收的热量，其中，当材料通过燃烧炉传输时，热量从燃烧气体传递到材料，或者(2)热交换装置，该热交换装置用于将热量从燃烧气体传递到被加热的材料。
图1所示的截面图是同心分段燃烧然烧器系统的一个例子，其中中心燃烧器或火焰保持器被多个喷射分段燃料的喷射管所环绕。燃烧器被定义为使氧化剂和燃料进行燃烧的集成燃烧装置，其中燃烧器适于安装在燃烧炉的壁或壳体中。中心燃烧器或火焰保持器1包括外部管道3，同心的中间管道5，以及内部同心管道7。内部管道7的内部以及外部管道3和中间管道5之间的环形空间9与外部管道3的内部流体连通。内部管道7和中间管道5之间的环形空间11与燃料输入管道13相连接并与其流体连通。中心燃烧器安装在燃烧炉壁14上。
中心燃烧器工作时，氧化剂气体15(通常是空气或富氧空气)流入外部管道3内，该气体的一部分通过内部管道7的内部流动，该气体的其余部分通过环形空间9流动。初始燃料15通过管道13和环形空间11流动，并在燃烧区域17与来自内部管道7的空气发生初始燃烧。来自燃烧区域17的燃烧气体与燃烧区域19的其余空气混合。在该区域中的燃烧通常是极其贫燃料性的。随着燃烧气体23进入燃烧炉内部25，在燃烧区域19和燃烧区域21中通常形成可见的火焰。在此使用的术语“燃烧区域”是指燃烧器内部发生燃烧的区域。
分段燃料系统包括输入管道27，歧管29，以及多个分段燃料喷管31。分段燃料喷管的末端可以配备有任何合适类型的喷射喷嘴33。分段燃料35通过输入管道27，歧管29和分段燃料喷管31流动。来自喷嘴33的分段燃料流37与含氧化剂的燃烧气体23迅速混合并燃烧。燃烧炉内部25内较冷的燃烧气体迅速被喷嘴33引起的强烈混合作用由分段燃料流37所夹带，并且同心喷射的分段燃料与中心燃烧器1出口下游的含氧化剂的燃烧气体燃烧。初始燃料可以是总燃料流量(初始燃料加分段燃料)的5-30％，分段燃料可以是总燃料流量的70-95％。
初始燃料和分段燃料可以具有相同的组成，也可以具有不同的组成，这两种燃料可以是任何气态的、汽态的或雾化的含烃原料。例如，燃料可以从天然气、炼油废气、原油生产中的相关气体和可燃工业废气中进行选择。工业废气的一个例子是变压吸附系统从天然气中制取氢的过程中产生的尾气或废气。
图2所示是喷嘴33的一个示例性类型。喷嘴装置201包括与喷嘴输入管道205相连的喷嘴本体203。在图中所示是垂直方向的凹槽207，其被凹槽209，211，213和215所交切。这些凹槽位于输出表面217和内表面(未示出)之间，在喷嘴本体203与喷嘴输入管道205相连处。流体219通过喷嘴输入管道205和凹槽207，209，211，213和215流动，并与环绕凹槽出口的另一流体混合。除了图2所示的凹槽模式外，其它的凹槽模式也是可以的；喷嘴装置可以采用任何的方向，而并不限于图示的大体水平的方向。当沿着与输出表面217垂直的方向看时，作为例子的凹槽209，211，213和215以直角角度交切凹槽207。作为例子的凹槽209，211，213和215与凹槽207以其它角度进行交切也是可以的。当沿着与输出表面217垂直的方向看时，作为例子的凹槽209，211，213和215是互相平行的；但是，一个或多个凹槽与其它凹槽不平行的实施方案也是可能的。
在此使用的术语“凹槽”被定义为穿过喷嘴本体或其它固体材料的开口，其中任何凹槽横截面(即垂直于后面所述的输入流体轴线的横截面)都是非圆形的，并且都定义有主轴和次轴。主轴比次轴长，而且这两个轴是大体垂直的。例如，图2中任何凹槽的主横截面轴在凹槽横截面的两端之间延伸；次横截面轴垂直于主轴，并在凹槽横截面的两侧之间延伸。凹槽可以具有任何非圆形的横截面，每个横截面都具有中心点或重心，其中重心具有通常的几何定义。
凹槽还可以进一步被凹槽轴所限定，该凹槽轴被定义为连接所有凹槽横截面重心的直线。另外，凹槽还可以被中心面所限定或定义，该中心面交切全部凹槽横截面的主横截面轴。每个凹槽横截面对该中心面的任何一侧来说都垂直对称。中心面延伸到凹槽的任何一端之外，可以用于确定凹槽相对于喷嘴本体输入流体轴的方向，见下文所述。
图3是沿图2中喷嘴沿I-I的轴向截面图。输入流体轴线301穿过喷嘴输入管道302，输入面303和输出表面217的中心。在本实施方案中，凹槽209，211，213和215的中心面与输入流体轴线301成一角度(即与输入流体轴线301不平行)，这样来自凹槽的流体在输出表面217处以相对输入流体轴线301发散的方向流动。凹槽207(图3中只能看到该凹槽的一部分)的中心面也与输入流体轴线301成一角度。这个作为示例的特征使来自喷嘴外表面的流体以相对于输入流体轴线301的另一个发散方向流动。在该示例的实施方案中，当沿着与图3中的轴向截面垂直的方向看时，凹槽209和211在输入面303处交切从而形成尖缘305，凹槽211和213的交切形成尖缘307，凹槽213和215的交切形成尖缘309。这些尖缘为凹槽提供空气动力的流体分离，并减少与阻流体相关的压降。作为备选的方案，这些凹槽可以在输入面303和输出表面217之间的轴向位置处交切，那么尖缘将在喷嘴本体203内部形成。作为备选的方案，当沿着与图2中的轴向截面垂直的方向看时，这些凹槽可以不交切，这样就没有尖缘形成。
在此使用的术语“输入流体轴线”是由在输入面处流入喷嘴的流体的流动方向而确定的轴线，其中该轴线穿过输入面和输出面。通常，但不是在所有的情况，该输入流体轴线垂直于喷嘴输入面303和/或喷嘴输出表面217的中心，并与这些面垂直相交。当如图所示喷嘴输入管道302是典型的圆柱形管道时，该输入流体轴线可以与管道轴线平行或重合。
轴向的凹槽长度由喷嘴输入面和输出面之间的凹槽的长度确定，例如，由图3中的输入面303和输出面217之间的凹槽的长度确定。凹槽高度由次横截面轴处凹槽壁之间的垂直距离确定。轴向的凹槽长度与凹槽高度之间的比为约1到20。
喷嘴本体上的多个凹槽可以在与输入流体轴线垂直的平面上交切。例如如图2所示，凹槽209，211，213和215以直角角度交切凹槽207。如果需要的话，这些凹槽可以在与输入流体轴线垂直的平面上以非直角角度交切。当沿着与输入流体轴线平行的平面即图3中的截面看时，相邻的凹槽也可以交切。例如如图3所示，凹槽209和211在输入面303处交切以形成前面所述的尖缘305。凹槽的中心面之间的角度关系，以及各个凹槽的中心面与输入流体轴线之间的角度关系都可以根据需要改变。这样，可以使喷嘴以相对于喷嘴轴线成任意选定的方向喷出流体。
作为备选的方案，喷嘴本体也可以这样设计，即在与轴线301垂直的任何平面上没有凹槽互相交切。在这个备选的实施方案中，例如，沿垂直于喷嘴本体平面的方向看，所有的凹槽都是分离的，都不交切其它凹槽。这种喷嘴可以，例如，与图2中没有凹槽207的喷嘴类似，其中的喷嘴只具有凹槽209，211，213和215。如图2所示，这些凹槽可以轴向交切。
图4所示是图1中示例性装置的喷射端的平面视图，该示例性的装置采用图2和3中的分段燃料喷管喷嘴。同心管道403，405和407围绕着环形空间409和411，并在这些环形空间中装备有径向元件或肋片。如图所示，有凹槽的分段燃料喷射喷嘴433(如前所述)可以绕中心燃烧器同心布置。在该实施方案中，该有凹槽的喷射喷嘴的凹槽角度这样设置，即，使喷射的分段燃料沿相对于中心燃烧器1的轴线分散的方向流动。
在分段燃料喷嘴433的喷射端(图4)，可以将其它类型的喷嘴结构用于喷嘴本体203(图2)。例如，喷嘴本体203的输出面217中的开口可以由一个或多个十字形开口形成，十字形开口由两个交切的凹槽形成。备选的是，喷嘴本体表面中也可采用任何其它类型的开口，这些开口具有不同于上述凹槽的形状。
可以根据图5所示的本发明实施方案来改进图1中的示例性同心分段燃烧燃烧器系统。在此图示的点火器501与分段燃料喷管31连接，点火器501用于点燃从喷嘴33喷出的分段燃料37。图示的点火器可以靠近分段燃料喷管，其中，点火器的点火端503靠近喷嘴33的顶端。作为备选的方案，可以如后面所述的那样，点火器可以集成在分段燃料喷管内。在此使用的术语“点火器”的一般含义是指能产生高于燃料-氧化剂混合物自燃温度的局部温度的装置。例如，点火器501靠近喷嘴33，从而确保分段燃料流的点火。图5是点火器501的示意图，它可以是任何类型的能产生足够高温度的点火器，该足够高的温度可以点燃分段燃料和氧化剂的混合物。例如，这些点火器可以在点火端503产生引燃火焰，其中引燃火焰通过燃烧燃料-氧化剂混合物来形成，该燃料-氧化剂混合物远离中心燃烧器的燃料-氧化剂混合物。作为备选的方案，点火器501可以是间歇式火花点火器，连续火花点火器，直流电弧等离子体，微波等离子体，射频等离子体，高能激光束，或者是在点火端503的任何其它类型的点火器。
图5中点火器的位置可以从图6的平面视图中看出来，图6示出了中心燃烧器的喷射端和示意性的点火端503，该点火端503与同心喷射喷嘴33连接。在本实施方案中，每个点火端都与分段喷射喷嘴邻近。作为备选的方案，点火器可以集成在分段燃料喷管31内，如下文所述。在图6所示的实施方案中，每个喷射喷嘴和燃料喷管都有邻近的点火器，点火器的数量和分段燃料喷管的数量是相等的。作为备选的方案，分段燃料喷管的数量可以小于点火器的数量，每个点火器进行多个燃料喷管的点火。在一个例子中，点火器可以交替地与分段燃料喷管连接，其中，点火器的数量是燃料喷管的数量一半。任何数量和结构的点火器都可用于分段燃料-氧化剂混合物的正确点火。在本发明公开的内容中，术语“连接”的意思是，与分段燃料喷嘴连接的点火器适于并能够点燃燃料-氧化剂混合物，该燃料-氧化剂混合物由来自分段燃料喷管的分段燃料和靠近喷管喷射区域的氧化剂形成。如上所述，与喷管连接的点火器可以是邻近喷管的或者可以是喷管的组成部分。
点火器501(图5)可以利用由引燃燃料和引燃氧化剂在点火端503处形成的引燃火焰。引燃燃料可以与供给分段燃料喷管的燃料相同，也可以是不同的燃料，例如中心燃烧器1的初始燃料15。引燃氧化剂可以是空气、富氧空气或其它含氧气体。引燃火焰喷射的方向可以与分段燃料喷射的方向大体平行，或者也可以与分段燃料喷射的方向成任何的角度。在一个实施方案中，引燃火焰可以从中心燃烧器的轴线径向向外喷射，在另一个实施方案中，可以沿与中心燃烧器的轴线大体平行的方向喷射。引燃燃料和引燃氧化剂可以在点火器端部的上游进行预混合，或者燃料和氧化剂可以被输送到引燃型点火器点火端附近并在那里燃烧。如下所述，点火器本身可以配备有火花点火装置以点燃引燃燃料和引燃氧化剂。
一示例性点火器是图7A(侧截面图)和7B(端视图)所示的引燃装置。该引燃装置包括外部管道701，内部管道703，流体紊流发生器或阻流器705，以及环带707。氧化剂气体，例如空气或富氧气体，通过环带707和流体紊流发生器(flow turbulence generator)或阻流器705上面流动，并且燃料气体通过内部管道703流动。燃料和氧化剂燃烧从而在引燃装置出口处形成引燃火焰。如果需要的话，可以使用电点火装置进行引燃燃料和氧化剂的初始点燃。一个示例性的点火装置如图8A和8B所示，其中，电极801安装在内部管道703的内部。电极的端部通常延伸到内部管道703的端部以外，并位于内部管道703的端部和外部管道701的端部之间的区域。当电极被通电激发时，电极端部和外部管道701的内壁之间产生电火花。氧化剂和燃料分别通过内部管道703和环带707流动，并在内部管道703的端部和外部管道701的端部之间的区域混合，并被电极端部和外部管道701的内壁之间产生的电火花所点燃。
点火器引燃的一个备选的方式可以作为图8A和8B的替代方式。在该备选的方式中，不采用内部管道703，通过管道701提供预混合的燃料-氧化剂混合物，该混合物被电极801端部的电火花点燃。
上述引燃点火器可以持续运行，例如，在燃烧炉被多个燃烧器点火运行期间(如图5中燃烧器1的例子那样)。作为备选的方案，引燃点火器可以只在燃烧炉冷起动期间工作，而在燃烧炉正常运行期间不工作。
如图5和6所示那样，图7A、7B或图8A、8B中的引燃点火器可以安装在邻近每个分段燃料喷管的位置。作为备选的方案，可以如图9所示那样，引燃点火器可以是分段燃料喷管的组成部分。在该示例性的实施方案中，图8A、8B中的电极辅助引燃点火器被集成到图2和图3的燃料喷管和喷嘴中。在图9的集成燃料喷管和点火器装置901中，如图所示，凹槽909，911，913和915交切凹槽907，所有的凹槽都穿过燃料喷管喷嘴表面917并与喷管的输入流体轴线成一定的角度，这样在外表面917处从凹槽流出的流体就以相对输入流体轴线分散的方向的流动。该点火器包括外部管道903，内部管道904和电极905，这些部件安装在穿过喷管并与喷管轴线平行的开口内。如上所述的点火器的运行可以参见图8A和8B。
燃料919进入喷管输入端，通过内部燃料管道(未示出)流动，并在喷嘴表面917处从凹槽907，909，911，913和915中流出。引燃燃料921可以与喷管燃料919相同或不同，该引燃燃料921流入并通过内部管道904流动。引燃氧化剂气体923(例如是空气或富氧空气)流入并通过外部管道903和内部管道904之间的环带流动。如上所述，点火电极905用于点燃引燃燃料和氧化剂气体的混合物。
除了图9所示的上述作为辅助点火喷管的一部分的引燃火焰点火器之外，也可以采用任何其它类型的点火器。例如，点火器可以从例如间歇式火花点火器，连续火花点火器，直流电弧等离子体，微波等离子体，射频等离子体和高能激光束中选择。
本发明的一个备选的实施方案涉及一种燃烧系统，该燃烧系统具有氧化剂喷射器和单独的辅助点火燃料喷管，其中，氧化剂喷射器用于将氧化剂气体喷入燃烧炉内，辅助点火燃料喷管用于将燃料喷入燃烧炉内。在该实施方案中没有使用单独的燃烧器，这可以被看作是一种矩阵(matrix)燃烧系统。该系统包括燃烧炉，该燃烧炉具有壳体和位于壳体内部的热负荷；一个或多个氧化剂气体喷射器，该氧化剂气体喷射器安装在壳体上并用于将含氧气体引入燃烧炉内；一个或多个燃料喷管，该燃料喷管安装在壳体上并与上述一个或多个氧化剂气体喷射器分隔开，其中该一个或多个燃料喷管用于将燃料喷入燃烧炉内；以及一个或多个与上述一个或多个燃料喷管连接的点火器，用于点燃燃料喷管喷射的燃料。当使用一个或多个氧化剂气体喷射器和多个燃料喷管时，该燃烧系统可以定义为矩阵分段燃烧系统。
该实施方案由图10示例性地示出，其中氧化剂气体1001被安装在燃烧炉壁或壳体1005上的氧化剂气体喷射器1003所喷射。如图所示，燃烧炉壁或壳体衬有高温耐火材料1007。氧化剂气体1001可以是空气、富氧空气或任何其它含氧气体。在燃烧炉内部1011的燃烧气体内，喷射的氧化剂气体形成分布的喷射流1009。
辅助点火燃料喷管1013位于燃烧炉壁1005上并与氧化剂气体喷射器1003分隔开，运行以将燃料气体1015喷入燃烧炉内部1011并形成分布的燃料气体喷射流1009。参考图10显示了上述辅助点火燃料喷管1013的喷管的截面图，但是也可以采用任何类型的辅助点火喷管。氧化剂气体喷射器1003的外围和相邻的辅助点火燃料喷管1013的外围之间的距离D可以在2-50英寸范围内。如上所述，引燃火焰1019由氧化剂-燃料混合物的燃烧形成，该氧化剂-燃料混合物由引燃燃料1021和引燃氧化剂1023组成并由位于喷管内的电极所点燃。
如果燃料-氧化剂混合物的温度低于其自燃温度，引燃火焰1019点燃燃烧炉内部的燃烧气体1011中燃料1017和氧化剂1009形成的该燃料-氧化剂混合物。通常火焰(未示出)紧接在分布的燃料气体喷射流1017的下游形成。如果燃料-氧化剂混合物的温度高于其自燃温度，就不需要引燃火焰点火器工作；但是在燃烧炉运行中运行混乱的情况下，如果需要的话，也可以使引燃火焰继续工作以提供燃料-氧化剂混合物的点火。
另外的辅助点火燃料喷管可以位于燃烧炉壁1005上其它间隔开的位置上；例如，与喷管1013相同的喷管可以安装在开口1025内，该开口1025在氧化剂气体喷射器1003的相对一侧。在图10的实施方案中，安装在燃烧炉壁1005上的氧化剂气体喷射器1003和辅助点火燃料喷管1013(以及任何其它未示出的辅助点火燃料喷管)通常是相互分离的部件。可以采用一个或多个氧化剂气体喷射器和多个燃料喷管以提供矩阵分段燃烧系统。
图11中的实施方案表示的是采用多个氧化剂气体喷射器和辅助点火燃料喷管的示例性的矩阵分段装置。一个示例性的燃烧炉1101由壁或壳体1103所限定以形成一个正平行六面体的燃烧空间或容积，用于封闭燃烧气体，但是在其它实施方案中，燃烧气体也可以被任何的燃烧炉形状封闭。多个氧化剂气体喷射器1105，1107，1109和多个辅助点火燃料喷管1111，1113，1115被安装在燃烧炉的上部边界或者顶部。如各个喷射器和喷管的向下箭头所示，各个氧化剂气体喷射器将氧化剂气体的喷射流或流体引入到燃烧炉内，各个辅助点火燃料喷管将燃料气体的喷射流或流体引入到燃烧炉内。该氧化剂气体喷射器可以与图10中的氧化剂气体喷射器1003相同，该辅助点火燃料喷管可以与图10中的辅助点火燃料喷管1013相同。如果需要的话也可以使用其它类型的氧化剂气体喷射器和辅助点火燃料喷管，也可以使用任何形状结构的氧化剂气体喷射器和辅助点火燃料喷管。
参见图10并如上所述，喷射的燃料气体与氧化剂气体发生燃烧，该燃烧可由辅助点火喷管内的引燃火焰引起。火焰通常形成在向下喷射的燃料喷射流以下，这些火焰可以是可见的，也可以是不可见的。热的燃烧气体包括作为废气1117从燃烧炉1101流出的碳氧化物、氮氧化物、水、未消耗的氧气以及惰性气体。燃料喷管喷出的部分燃料沿燃烧炉流体轴线向着废气1117出口方向流动时，发生矩阵分段燃烧。
热负荷通常位于燃烧炉1101内，从而吸收燃烧炉内产生的部分燃烧热量。在图中，图示的热交换器1119位于燃烧炉底部，用于加热进程供给流1121，并将其转化为进程排出流1123从燃烧炉排出。在燃烧炉内加热进程供给流1121时可以伴随有化学反应，也可以不伴随有化学反应。取决于具体的应用，进程流中可以发生相变，也可以不发生相变。可以将制品而不是包括热负荷的进程流通过燃烧炉输送以吸收其中的热量，例如冶金热处理进程就是这样。无论穿过燃烧炉的物质是何类型的，该系统和过程都具有热负荷，该热负荷吸收燃烧炉内热的燃烧空气的热量。在本发明的所有实施方案中，前述“热负荷”的一般含义是：(1)通过燃烧炉燃烧气体传输的材料所吸收的热量，其中，当材料通过燃烧炉传输时，热量从燃烧气体传递到该材料，或者(2)热交换装置，该热交换装置用于将热量从燃烧气体传递到被加热的材料。燃烧气体容纳在燃烧炉内，其中燃烧炉定义为其中发生喷入的氧化剂和燃料的燃烧的壳体。
尽管在图11的实施方案中，平行六面体的燃烧炉壳体具有安装在顶部并向下喷射的喷射器，但也可以采用其它合适的结构。例如，图11中的燃烧炉可以是侧壁点火、水平喷射氧化剂和燃料，也可以是底部点火、向上喷射氧化剂和燃料。作为备选的方案，可以采用圆柱形燃烧炉，其中以平行于圆柱形壁的圆形形状安装进程管道。可以在燃烧炉底部向上喷射燃料和氧化剂，燃烧产物可以从燃烧炉顶部通过排气管中排出。同心分段燃烧系统(图5和6)或者矩阵分段燃烧系统(图10和11)可以应用于任何燃烧炉结构中，以产生均匀的热分布，更好的火焰稳定性和更低的NOx排放。

Claims (4)

1.一种燃烧方法，该燃烧方法包括：
(a)提供燃烧器装置，该燃烧器装置包括：
(1)中心火焰保持器，该中心火焰保持器具有氧化剂气体的输入装置，初始燃料的输入装置，燃烧氧化剂气体和初始燃料的燃烧区域，以及从火焰保持器排出初始排出物的出口；以及
(2)围绕中心火焰保持器出口的多个第二燃料喷射器喷嘴，其中，每个第二燃料喷射器喷嘴包括
(2a)喷嘴本体，该喷嘴本体具有输入面，输出面，穿过输入面和输出面的输入流体轴线；以及，
(2b)一个或多个从输入面到输出面延伸穿过喷嘴本体的凹槽，每个凹槽都具有凹槽轴线和凹槽中心面：
(3)一个或多个与多个第二燃料喷射器喷嘴连接的点火器；
(b)将初始燃料和氧化剂气体引入中心火焰保持器，在火焰保持器的燃烧区域使初始燃料和部分氧化剂气体发生燃烧，将包含燃烧产物和过量氧化剂气体的初始排放物从火焰保持器出口排出：以及
(c)通过第二燃料喷射器喷嘴将第二燃料喷入从火焰保持器出口排出的初始排放物中；以及
(d)运行上述一个或多个点火器，点燃来自第二燃料喷射器喷嘴的燃料，从而使燃料和燃烧产物中的过量氧化剂发生燃烧。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：初始燃料和第二燃料是具有不同组成的燃料。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：初始燃料是天然气或炼油废气，第二燃料包括从变压吸附系统中得到的氢、甲烷、一氧化碳和二氧化碳。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：初始燃料和第二燃料是具有相同组成的燃料。
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