CN101363622B - 燃烧器 - Google Patents

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Abstract

一种燃烧器(1)，包括至少部分由内缸(3)限定的中心通道(2)和至少一个围绕着中心通道(2)的同轴环形通道(6)，通道(2，6)从上游供给侧延伸到下游排放端，其中，同轴环形通道(6)的至少一部分在双壁壳体(5A)的内、外壁之间延伸，双壁壳体(5A)的一端相对内缸(3)固定，其另一端能够在内缸(3)上滑动。按此方式，内缸(3)和双壁壳体(5A)在发生不同的热膨胀时具有轴向上的运动自由。可以选择使用冷却套，该冷却套包括能够在同轴环形通道(6)的壳体(5A)上滑动的类似双壁壳体。

Description

燃烧器
技术领域
本发明涉及一种燃烧器，其包括一个中心通道和至少一个围绕着中心通道的同轴通道，用来供给单独的共同反应气体或者气载介质流。这种燃烧器尤其适合于用在使用含氧气体的含碳燃料(例如气体载带的细碎固体燃料(诸如氮气和/或二氧化碳等载气载带的粉煤))的部分燃烧中，例如用来制造加压的合成气体、燃料气体或者还原气体。
背景技术
固体含碳燃料的部分燃烧，也称为气化，是通过燃料与氧反应得到的。这种燃料主要含有碳和氢作为可燃成分。气载的细碎含碳燃料和含氧气体以较高的速度流经燃烧器中的单独通道进入反应器中。反应器中一直燃烧着火焰，其中，燃料和含氧气体中的氧在1300℃以上的温度下反应，形成一氧化碳和氢。
这里使用的术语“含氧气体”想要指的是含有自由氧、O2的气体，并包括空气、富氧空气(即21mol％以上的氧)，还有基本上纯的氧(即大约95mol％以上的氧)，其他包括氮气和/或稀有气体等在空气中通常发现的气体。
这里使用的术语“固体含碳燃料”意欲包括选自下面的材料组中的各种气载可燃材料以及这些材料的混合物，该材料组中有：煤，用煤制造的焦炭，煤液化残余物，石油焦炭，烟炱，生物燃料，以及从油页岩、焦油沙和沥青中得到的微粒状固体。煤可以是任何种类，包括褐煤、亚烟煤、烟煤和无烟煤。固体含碳燃料优选地被磨成颗粒级尺寸，使得至少大约90％重量百分比的材料小于90微米，水份含量小于大约5％重量百分比。
US4,887,962公开了一种针对这种部分燃烧工艺的燃烧器。这种燃烧器包括一个带有向燃烧区供燃料的出口的中心通道和一个带有出口的同轴环形通道。同轴环形通道的出口围绕着中心通道出口，用以提供含氧气体，含氧气体与从中心通道的出口出来的固体燃料流相遇并混合。该燃烧器还包括位于燃烧器排放端的前脸。该前脸具有一个中心孔，燃料和含氧气体经该中心孔流向燃烧区。供应含氧气体的环形通道的直径越接近出口越小，相对于纵向轴线形成了一个角。由于该环形狭缝沿着流动方向倾斜，流出的气体流将和从中心通道流出的共同反应的气体流相遇并混合，进入下游的燃烧区。
含碳燃料流的温度通常为80℃，而含氧气体流的温度通常为大约300～350℃。燃烧区的温度可高达1300℃甚至更高。结果，外壁和内壁暴露于不同的温度和温度变化，导致不同的热膨胀。由于燃烧器的纵向长度一般在1.5～2.5米之间变动，各部分之间的膨胀差异可在相关部分中造成显著的弯曲和弯曲应力载荷。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃烧器构造，能防止由于各部分的热膨胀造成的机械应力。
本发明的目的是通过提供下面的一种燃烧器实现的，该燃烧器的至少一部分同轴环形通道在双壁壳体的内、外壁之间延伸，所述双壁壳体的一端相对内缸固定，其另一端在是能够在所述内缸上滑动的。按此方式，当内缸和双壁壳体发生不同的热膨胀时，它们具有沿轴向的运动自由。
例如，通过多个凹槽，例如三个或者更多等距布置的凹槽，或者通过固定在双壁壳体或者内缸上的圈，可以形成所述可滑动接合。
燃烧器可设有冷却套。这一点可以用双壁冷却套围绕着同轴环形通道的双壁壳体来实现。冷却套的一端相对双壁壳体固定，而其另一端能够在双壁壳体的外壁上滑动，因此，当冷却套和双壁壳体发生不同热膨胀时形成了沿着轴向的运动自由。气体入口可以经双壁壳体上没被冷却套盖住的上游部分上形成的开口连接到同轴通道。
内缸和包围的双壁壳体的相互固定端，例如可以焊接到连接单元的一侧，该连接单元设有同相应通道对齐的开口。在连接单元的相反一侧，通道可继续并例如由焊在连接单元上的同轴的内、外缸限制。连接单元还用来固定可滑动接合的双壁冷却套的一端。连接单元可设有用来供冷却剂流过的若干开口，同时在连接单元的相反面上，冷却套可例如用固定到所述连接单元的中空构件形成。连接单元可例如靠近排放端设置，例如在约其外径1-3倍的距离处，其中，同轴通道的上游部分，可选择地还有冷却套的上游部分，形成为可滑动接合的双壁壳体，其一端焊到连接单元。这里使用的术语“上游”指的是燃烧器中气体流动方向。按照这种结构，上游部分显著长于下游部分，因此，能最佳地利用双壁壳体的轴向运动的自由。下游部分更靠近燃烧区，因此更多地暴露于热，这些下游部分可以在万一变差或者失效时替换为单独部分。
限定中心通道的内壁可例如具有不变的直径。可选择的是，内壁在其部分长度上可以逐渐变细。
本发明的燃烧器能很好地适应于按任何希望的方式(即竖直地，水平地或者成一定角度地)把反应物引入部分氧化气体发生器的反应区，而且特别适合于用于在燃烧区基本相对的两侧设置多个反应物燃烧器的固体燃料气化设备中，由此，反应物被水平地引入，而且燃烧器射流相互撞击，促进部分氧化过程，并使对燃烧区壁的侵蚀最小。
所述燃烧器可具有一个前脸，其布置在排放端并垂直于纵向轴线，前脸具有一个中心孔，气体经该中心孔流向燃烧区。由于燃烧温度可达到1300℃甚至更高，所以，这种燃烧器的主要考虑是防止气化过程中的高热通量造成损坏燃烧器前脸。为了保护前脸不受过热损害，可在前脸的外面上施加耐火衬。按可替换方式，或者进行补充，可使用中空壁构件，具有内部的冷却路径，例如螺旋形通路。流体冷却剂经该冷却路径快速循环，以确保燃烧器前脸的均匀冷却。
燃烧器通常用耐高温材料制造，尤其是例如以商标
Figure GSB00000452410400031
销售的耐高温金属和合金，并通过例如熔焊、铜焊等进行制造。对于高占空比运行，通常用金属制造的含氧气体用的通道和出口可以在内部涂敷氧化涂层，例如ZrO2或者陶瓷，使得能够应用高流速含氧气体，而不会有在氧作用下金属燃烧的风险。
因此，根据本发明，提供了一种燃烧器，包括至少部分由内缸限定的中心通道和至少一个围绕着所述中心通道的同轴环形通道，所述中心通道和所述同轴环形通道从上游供给侧延伸到下游排放端，其中，所述同轴环形通道的至少一部分在双壁壳体的内、外壁之间延伸，所述双壁壳体的一端相对所述内缸固定，其另一端能够在所述内缸上滑动。
优选地，所述内缸和所述围绕着的双壁壳体的相互固定部分焊接在连接单元的一侧，所述连接单元设有与所述同轴环形通道对齐的开口和与所述中心通道对齐的开口，其中，在所述连接单元的相反一侧，所述同轴环形通道和所述中心通道继续并由焊接到所述连接单元的同轴内、外缸限定。
优选地，限定所述同轴环形通道的所述双壁壳体的至少一部分被双壁冷却套包围，所述双壁冷却套的一端相对所述双壁壳体固定，其另一端能够在所述双壁壳体的外壁上滑动。
优选地，气体入口经所述双壁壳体上没被所述双壁冷却套盖住的上游部分中的开口，连接到所述同轴环形通道。
附图说明
下面参照附图仅以举例的方式，更详细地描述本发明。其中：
图1示出的是根据本发明的燃烧器的纵向截面。
具体实施方式
图1以纵向截面的方式示出了燃烧器1，用于例如氮气或二氧化碳气体中载带的粉煤等含碳燃料的部分燃烧。燃烧器1包括中心通道2。中心通道2由沿着纵向轴线布置并具有上游部分3A和下游部分3B的内缸3限定。中心通道2具有一个排放出口4，用来把燃料供应给燃烧区。围绕着内缸3的上游部分3A同心布置的是双壁筒形壳体5A。双壁壳体5A的双壁间的空间限定了用来供应含氧气体的环形同轴通道6的上游部分。在下游，同轴通道6由下游内缸3B和单壁外缸5B限定。同轴通道6具有一个开放的排放出口7，该排放出口7形成了含氧气体流进燃烧区的出口。
下游内壁部分3B具有凸起部分8。凸起部分8具有一个锥形的部分，该锥形部分的外径朝着排放出口4变小。在图1中针对部分8所示的一个环形凸起具有三角形的截面。下游的外壁部分5B形成一个在燃烧区的方向上有一个锥形端9的缸。内壁部分3B的环形凸起部分8和外壁部分5B的锥形端9限定了宽度均匀的环形狭缝10，其中，壁部分5B的直径沿排放出口4的方向逐渐减小。这个环形狭缝10形成了同轴通道6的排放出口7。
内、外壳体的上游部分3A、5A与相应的下游部分3B、5B对齐地焊接到圆形连接单元11。连接单元11设有针对同轴通道6的通流开口12和形成部分中心通道2的中心开口13。其中，中心开口13具有与上游部分3A和下游部分3B的内壁相同的内径。
壳体5A是一个双壁缸，具有内壁14和外壁15，这两个壁都与内缸3的上游部分3A同轴布置。壳体5A的内、外壁14、15在下游端焊接到连接单元11。双壁筒形壳体5A在上游端由环形端壁16封闭。在这个上游端附近，内壁14和内缸3的上游部分3A被在周边上等距布置的三个凹槽17隔开。按此方式，双壁壳体5A能在内缸3上沿着轴向滑动，因此，当上游部分3A、5A发生不同热膨胀时，双壁壳体5A具有运动自由。
燃烧器1包括具有双壁上游部分18A的冷却套18。冷却套上游部分18A是一个双壁缸，具有内壁19和外壁20A，这两个壁都与内缸3同轴布置。冷却套18的内壁19、外壁20A在下游端焊接到连接单元11。双壁冷却套部分18在上游端由环形端壁21封闭。在这个上游端附近，壳体5A的内壁19和外壁15被在周边上等距布置的三个凹槽17分开。按此方式，上游冷却套部分能在双壁壳体5A上沿着轴向滑动，并当部分5A、18A发生不同热膨胀时具有运动的自由。
同轴的筒形分隔器22A把套18A分成了两个同轴的筒形腔23、24。外套腔24连接于冷却剂出口25。内套腔23在冷却套18A的上游端经过冷却剂出口25延伸超过外套腔24，并在该处连接到冷却剂入口26。筒形分隔器22A的下游端焊接到连接单元11。
壳体5A在其上游端延伸超过冷却套18A。在没有被冷却套18A盖住的部分上，由壳体5A包住的同轴通道6连接到用来供应含氧气体的入口27。
内缸3的上游部分3A在其上游端延伸超过壳体5A，在该处设有法兰28，用来把中心通道2连接到含碳燃料的供应管线。
在连接单元11的下游部分，冷却套由双壁筒体18B形成，该双壁筒体18B包括形成上游分隔器22A的下游延伸部的内套壁22B和形成壳体18A的外壁20A的下游延伸部的外套壁20B。外套壁20B、内套壁22B之间的空间被挡板29分成螺旋形通道。连接单元11设有两个同心的圆形开口30的阵列。这些开口30把壁19、壁20A和分隔器22A限定的上游冷却套腔，同壁20B、壁22B和缸部分5B限定的下游冷却套腔连接起来。
在双壁筒体18B下游，双壁前脸31与冷却套壁20B、22B成直角地布置。前脸31具有与中心通道2和同轴通道6的排放端4、7重合的中心开口32。
双壁前脸31具有由限定流路的挡板35分开的下游前壁33和后侧壁34。该流路与下游冷却套腔18B开放连接。在前脸31的开口32附近，前脸31的前、后侧壁33、34之间的冷却剂流路经由前脸后侧壁34上的开口36，与上游冷却套腔18A开放连接。
在燃烧器1的运行过程中，燃料1通过中心通道2到达排放端4。排放端4用来把燃料引入布置在燃烧器1下游的反应器的燃烧区。同时，含氧气体通过环形的同轴通道6，使煤和含氧气体这些反应物将在反应器空间中强烈混合。

Claims (4)

1.一种燃烧器(1)，包括至少部分由内缸(3)限定的中心通道(2)和至少一个围绕着所述中心通道(2)的同轴环形通道(6)，所述中心通道(2)和所述同轴环形通道(6)从上游供给侧延伸到下游排放端，其中，所述同轴环形通道(6)的至少一部分在双壁壳体(5A)的内、外壁之间延伸，所述双壁壳体(5A)的一端相对所述内缸(3)固定，其另一端能够在所述内缸(3)上滑动。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，所述内缸(3)和所述围绕着的双壁壳体(5A)的相互固定部分焊接在连接单元(11)的一侧，所述连接单元(11)设有与所述同轴环形通道(6)对齐的开口和与所述中心通道(2)对齐的开口，其中，在所述连接单元(11)的相反一侧，所述同轴环形通道(6)和所述中心通道(2)继续并由焊接到所述连接单元(11)的同轴内、外缸(3B，5B)限定。
3.根据权利要求1或者2所述的燃烧器，其中，限定所述同轴环形通道(6)的所述双壁壳体(5A)的至少一部分被双壁冷却套(18A)包围，所述双壁冷却套(18A)的一端相对所述双壁壳体(5A)固定，其另一端能够在所述双壁壳体(5A)的外壁上滑动。
4.根据权利要求3所述的燃烧器，其中，气体入口(27)经所述双壁壳体(5A)上没被所述双壁冷却套(18A)盖住的上游部分中的开口，连接到所述同轴环形通道(6)。
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