CN101403496B - 具有集成的导燃燃烧器的煤尘组合燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有集成的导燃燃烧器的煤尘组合燃烧器，即用于在环境压力或者高压以及在800-1800℃的温度的情况下的含有自由氧的氧化剂的气化粉尘状燃料的组合式燃烧器，其中具有火焰监测装置的导燃燃烧器的点火装置和粉尘燃烧器集成为组合燃烧器，并且所有工作通道彼此隔开地一直通到燃烧器嘴口，并且被这些通道导引的介质在燃烧器嘴口处才混合。在拆卸导燃燃烧器时，在它的外壳上固定的旋涡体(14)在主燃烧器氧化剂输送装置(17)中可快速和简单地更换，并且因此主燃烧器火焰能最佳地和反应器的反应室轮廓相适配。

Description

具有集成的导燃燃烧器的煤尘组合燃烧器
技术领域
本发明涉及一种煤尘组合燃烧器。该组合燃烧器用于在具有流体的出渣的反应器中，在高压和高温下将粉末状燃料(褐煤和/或无烟煤或者类似的粉末形燃料)进行氧-气化，并且借助以气态燃料和氧工作的集成的导燃燃烧器，并且借助电点火装置和光学火焰监测装置投入运行和进行监测。
本发明涉及一种用于在压力处在环境压力和80巴(8MPa)的高压之间以及当温度处在800至1800℃之间的情况下的含有自由氧的氧化剂的气化粉尘状燃料的组合式燃烧器。
背景技术
已公开一些用于部分氧化的粉末状燃料的煤尘燃烧器，这些燃料是由外部设置的导燃燃烧器点燃的。
在专利文献DD 285523中描述了一种用于在处于压力下的反应器中将气态的碳氧化合物部分地氧化成含有CO和H2的气体的导燃燃烧器。
这种导燃燃烧器由用于燃气和氧化剂的同轴管子构成。这些管子朝反应室开口，并且通过流水的管道隔开或者包封。在燃气通道中设有点火索。该点火索和燃烧器外部的高压点火装置连接，并且该点火索在它的朝向反应室的一端转变为金属的电极，这个金属电极一直通到燃烧器尖端，并且在此形成到金属壁的火花间隙。这个燃烧器的这个电极在燃气通道中是如此定位的，即该电极穿过形成了喷嘴的混合器、环形喷嘴和扩压器，并且在扩压器的轴平行的曲率半径上，也就是在形成了通往氧通道的过渡段的旋涡区域中，具有到金属壁的火花间隙。是如此地设置金属电极的，即一方面能直接点燃燃气/氧，另一方面通过后续流入的燃气对金属电极进行冷却。
高压点火索引入到燃烧器中是通过两个单独的压力密封装置进行的。如此形成的压力密封空间用作防止排出的燃气泄漏的安全区域，并且在压力方面进行监测。
在下述文献中对由点火燃烧器、控制燃烧器、粉末燃烧器组成的组合燃烧器的其它组合进行了描述，这些文献是：
-中德气化和CDM论坛，北京2004年8月5-6日(Sino GermanGasification and CDM Form)
“用于合成气的褐煤和烟煤的气化和高能气体的生产”(Lignite and Coal Gasification for Syngas andEnergetic Gas Production)
-北京航空航天动力研究所(Beijing Aerospace PowerInstitute)2005年6月24日中国专利申请号CN200510079702.4：
“用可燃粉末用作燃料的旋涡燃烧器”(Powder-combustible vortex burner)
借助多芯的光导电缆将火焰信号传输到监测装置。已公开的导燃燃烧器具有如下缺陷：
-借助光导电缆将火焰信号从反应室传输到火焰监测器。由于距火焰距离近，光导电缆承受着热载荷，并且同时也由于出现的炭黑颗粒会限制视野。此外，位于光学观察前面的金属电极也妨碍自由地观察反应室。
-金属电极由于空间的原因必须设计成金属线，该金属线直到点火尖端必须多次弯曲。由于这种不稳定的结构很难精确地在飞弧部位对点火所需的调校进行调节。这样就出现点火干扰，并且不能经常保证燃烧嘴的功能的有效性。
-水冷却喷嘴的设计(混合器、缸体和扩压器)很复杂，特别导致在扩压器中的热载荷。这些热载荷导致在材料中形成裂纹，并且因此导致燃烧器的故障。
-由于点火尖端设在喷嘴的扩压器的内部在必要时在这个部位形成旋涡区域，这个旋涡区将氧部分和燃烧进行混合，并且因此形成可点燃的混合物，这种混合物可点燃。当在点火时出现介质波动时旋涡区域，并且混合部位出现位移，其结果是出现点火故障，因此受干扰的程度高。
此外，中国专利申请200510079702.4的组合燃烧器具有下述特征，即导燃燃烧器气体以及所属的氧气通过燃烧器中心中的共用的管子流到燃烧器嘴口。这隐藏着大的危险，即当流动速度变化时，如在起动和停车时出现的那样，在燃烧器通道中出现回火，这会破坏燃烧器通道，并且大大的损害运行安全。
发明内容
本发明的目的是通过一些结构措施，将导燃燃烧器和煤尘燃烧器组合在燃烧器单元中，从而提供一种煤尘组合燃烧器。这种组合燃烧器通过将两个燃烧器组合在单元中保证更加简单和可靠的运行，且火焰形成均匀，并且使得其干扰敏感度基本最小化。
本发明的任务是提供一种简单的，且具有集成的导燃燃烧器的煤尘组合燃烧器。这种燃烧器在煤尘气化条件下在压力之下可靠点燃，并且安全工作。
这个任务通过按本发明的组合式燃烧器得以完成。用于在压力处在环境压力和80巴(8MPa)的高压之间以及温度处在800至1800℃之间的情况下的含有自由氧的氧化剂的气化粉尘状燃料的组合式燃烧器，具有下述特征：基本一直通到燃烧器嘴口的中心管；绕中心管同心地设有基本一直通到燃烧器嘴口的燃气环形通道；绕燃气环形通道同心地设有基本一直通到燃烧器嘴口的氧化剂环形通道；绕氧化剂环形通道同心地设有冷却剂环形通道；绕冷却剂环形通道同心地设有用于粉尘燃烧器的氧化剂的环形通道；绕着用于粉尘燃烧器的氧化剂的环形通道同心地设有冷却剂环形通道；绕冷却剂环形通道同心地设有用于粉尘燃烧器的燃烧粉尘的环形通道；绕着用于粉尘燃烧器的燃烧粉尘的环形通道同心地设有冷却剂环形通道。
通过在反应器的中心轴中形成火焰在燃尽和转换方面和到目前为止的方案相比具有优点。同时将介质分开输送到反应器头部。随着导燃燃烧器匹配于煤尘燃烧器，同时在导燃燃烧器上进行了一些结构修改，这样就可保证功能可靠和无故障的运行。
在以下说明中对本发明的其它方案进行了说明。
附图说明
下面借助附图对本发明作为实施例以用于理解所要求的程度进行更加详细的说明。该附图是：
图1：根据本发明的具有集成的导燃燃烧器的煤尘组合燃烧器的实施例。
附图标记表
1    用于光学观察到反应室中的中心管，其具有外置的火焰监测装置，用氮喷淋。
2    燃气环形通道
3    氧化剂环形通道
4    喷嘴孔
5    冷却剂环形通道
6    点火尖端
8    高压点火索
9    陶瓷的绝缘的外衬
10   具有孔的旋入件
11   用于氧化剂喷入的点火孔
12   石英玻璃
13   旋涡装置的支承管
14   主燃烧器氧化剂流中的旋涡体
15   用于粉尘燃烧器的燃烧粉尘的环形通道
16   冷却剂环形通道
17   用于粉尘燃烧器的氧化剂的环形通道
18   主燃烧器的冷却剂环形通道
具体实施方式
根据本发明的煤尘组合燃烧器包括中心设置的导燃燃烧器件，它在单独的管子中具有分开的燃气输送和氧化剂输送，还具有火焰监测装置
Figure GSB00000825910500041
和电高压点火装置。围绕着这些组件设有给煤尘组合燃烧器输送氧化剂的环形腔。在环形的排出口上安装有使氧化剂流形成涡流的旋涡体14。
在中心的导燃燃烧器的冷却剂环形通道5和位于外部的主燃烧器的冷却剂环形通道18形成用于粉尘燃烧器的氧化剂的环形通道17。围绕这个用于粉尘燃烧器的氧化剂的环形通道和冷却剂环形通道18设有用于粉尘燃烧器的燃烧粉尘的环形通道15和主燃烧器的冷却剂环形通道16。
导燃燃烧器包括设在中心的喷淋惰性气体的中心管1、围绕中心管设置的用于输送燃气的燃气环形通道2、另一个用于输送氧化剂的氧化剂环形通道3以及用于输入和排出冷却水的包封着整个的外部的导燃燃烧器冷却剂环形通道5，其中中心管1用作设在燃烧器外部的火焰监测装置的光学监测窗，氧化剂环形通道3在端面上是封闭的并过渡到单个的喷嘴孔4中。围绕导燃燃烧器的冷却剂环形通道5还设有另一支承管13，这个支承管用于支承可更换的旋涡体。这些旋涡体用于有针对性地给主燃烧器提供氧化剂。
设置的中心管1在燃气环形通道2之内一直通到燃烧器嘴口，并且在端部处单侧地过渡到短的点火尖端6中。在点火时，这个点火尖端可使点火火花有针对性地跳到燃气环形通道的金属壁上。金属中心管在前三分之一中是电中断的，并且通过管形的绝缘体连接。中心管的上部分用作通过压力密封的套管引入的点火索8的支架。这个点火索的端部和绝缘件后中心管的燃烧器嘴口那一侧的部分相连接。
朝反应室方向以氮气喷淋中心管，以避免热气体或者脏物从反应室渗入。通过专门的石英玻璃12压力密封地将中心管和环境压力分隔。在燃烧器的外部设置的光学的火焰监测装置可通过石英玻璃12监测燃烧器火焰，并且因此避免遭受热载荷和脏物颗粒的伤害。
绕中心管设置的用于输送燃气的燃气环形通道2在出口处为了形成喷嘴而收缩(减小了直径)。界定了燃气环形通道的外部管子在喷嘴的这个区域中包括陶瓷的绝缘的外衬9。这个陶瓷的绝缘的外衬引起直径的减小，并且防止中心管的高压点火所不希望的飞弧。只是在出口处这个管子才重新构造成金属的。
通过氧化剂环形通道3为导燃燃烧器提供氧化剂。这个氧化剂环形通道在通往反应室的出口处用可更换的旋入件10封闭。这个旋入件设有多个喷嘴孔4。这些孔按照燃气的特性在直径和排出方向上是匹配的。
除了指向反应室方向的喷嘴孔4外，在旋入件10中还设有小孔11。这些小孔通到燃气通道中。
通过这两种孔，将少量的部分氧化剂引入到燃气通道中。这些孔是如此设置的，即上述少量的部分氧化剂直接通过点火尖端进入燃气通道，并且在这个区域中形成可点燃的混合气。总之，通过这些结构构造总体形成一种位置固定的和可精确调校的火花间隙。这种火花间隙从机械结构上讲设计得非常稳定。
氧化剂环形通道3由冷却剂环形通道5包围。这个冷却剂环形通道保护内部构件并且保护导燃燃烧器的喷嘴免受热载荷。
围绕着导燃燃烧器的冷却剂环形通道5设有着另一支承管13。这个支承管用作主燃烧器氧化剂通道中的可更换的旋涡体14的支架。通过外壳的绕着导燃燃烧器的这种根据本发明的结构，在拆卸导燃燃烧器时可快速和简单地更换在用于粉尘燃烧器的氧化剂的环形通道17中的旋涡体14，并且因此主燃烧器火焰可和反应器的反应室轮廓最佳匹配。
通过用于粉尘燃烧器的氧化剂的环形通道的具有旋涡体的设计，可使流出的氧气流强烈地进入旋转。那些通过专门设计的用于粉尘燃烧器的燃烧粉尘的环形通道15排出的粉尘射流被吸入到所述的氧气流中。
通过对旋涡体或者旋转叶片的不同的安装可对火焰的形成在其宽度和长度上施加影响。
本发明包括用于在环境压力或者高压，以及当温度处在800-1800℃之间时，用含有自由氧的氧化剂来气化粉尘状燃料的组合燃烧器，其中，具有火焰监测装置的导燃燃烧器的点火装置和粉尘燃烧器集合成组合燃烧器，并且所有的工作通道彼此分开地一直通到燃烧器嘴口，并且两者在燃烧器嘴口才混合起来。
在根据本发明的另一方案中，组合燃烧器具有冷却剂环形通道16和用于粉尘燃烧器的燃烧粉尘的环形通道15，它的冷却剂环形通道18用于界定容纳具有外置的旋涡体14的中心设置的导燃燃烧器，并同时形成用于粉尘燃烧器的氧化剂的环形通道17，其中，中央设置的导燃燃烧器用于煤尘燃烧器单元15、16、17的投入运行，其具有中心管1，用于光学观察到气化室中，该气化室具有外置的火焰监测装置、燃气环形通道2、氧化剂环形通道3和冷却剂环形通道5。
在本发明的另一方案中，中心管1在燃气环形通道2的内部一直通到燃烧器嘴口，在出口处一侧转变到短小的点火尖端6中。这个点火尖端在高压点火时将点火火花有针对性地引导到燃气环形通道2的位于对面的外金属壁上。
在本发明的另一方案中，金属的中心管1在前三分之一处中断，并且通过绝缘体连接。
在本发明的另一方案中，中心管1用石英玻璃12与大气封闭，并且在无的压力一侧支承着光学的检测器，其中，该石英玻璃朝着燃烧器排出口可用惰性介质，例如氮喷淋，以防止热气体从反应室渗入。
在本发明的另一方案中，该中心管1在外侧用作绝缘的高压点火索8的支架，其中，高压点火索8的金属端部和金属的中心管1的位于燃烧器嘴口附近的块段连接(绝缘体后)，为的是将高电压一直引导到点火尖端6。
在本发明的另一方案中，燃气环形通道2在通往出口喷嘴的收缩区域中在外侧的通道边界处具有陶瓷的绝缘的外衬9，为的是防止在该狭窄位置处产生不受控制的高电压飞弧。
在本发明的另一方案中，氧化剂环形通道3在介质出口区域中借助具有喷嘴孔4的旋入件10过渡，其可按照所希望的火焰形状和排出方向以及排出角度进行调节。
在本发明的另一方案中，在氧化剂环形通道3上的旋入件10中，附加地设有一些小孔。这些小孔在燃气环形通道2中终止，这样少量氧化剂直接经点火尖端6引入到燃气环形通道2的喷嘴区域中，并且在此局部地形成可点燃的混合气。这个混合气可通过高电压点火火花点燃。
在本发明的另一方案中，导燃燃烧器的外壳连同主燃烧器部件的冷却剂环形通道18形成用于粉尘燃烧器的氧化剂的环形通道17。所述环形通道在介质的出口处配设有可更换的旋涡体14，这些旋涡体固定在导燃燃烧器的外壳上，并且借助它们在反应室中的火焰几何形状是可调整的。
在本发明的另一方案中，煤尘是通过一个或者多个切线结束的用于粉尘燃烧器的燃烧粉尘的环形通道15引入到组合燃烧器中的，其中，煤尘在燃烧器的前部分进入到和煤尘输送管子共用的煤尘环形腔中，并且在此在旋转运动的情况下装满煤尘环形腔，并且作为均匀分布的煤尘雾离开环形腔，并且在燃烧器嘴口前与氧化剂流强有力地混合。

Claims (11)

1.用于在压力处在环境压力和80巴即8MPa的高压之间以及温度处在800至1800℃之间的情况下用含有自由氧的氧化剂气化粉尘状燃料的组合式燃烧器，具有下述特征：
-基本一直通到燃烧器嘴口的中心管(1)，
-绕中心管(1)同心地设有基本一直通到燃烧器嘴口的燃气环形通道(2)，
-绕燃气环形通道(2)同心地设有基本一直通到燃烧器嘴口的氧化剂环形通道(3)，
-绕氧化剂环形通道(3)同心地设有第一冷却剂环形通道(5)，
-绕第一冷却剂环形通道(5)同心地设有用于粉尘燃烧器的氧化剂的环形通道(17)，
-绕着用于粉尘燃烧器的氧化剂的环形通道(17)同心地设有第二冷却剂环形通道(18)，
-绕第二冷却剂环形通道(18)同心地设有用于粉尘燃烧器的燃烧粉尘的环形通道(15)，
-绕着用于粉尘燃烧器的燃烧粉尘的环形通道(15)同心地设有第三冷却剂环形通道(16)。
2.按照权利要求1所述的组合燃烧器，其特征在于，中心管(1)支承有相对于燃烧器电绝缘的点火尖端(6)。
3.按照权利要求2所述的组合燃烧器，其特征在于，上述绝缘通过分成两个管件的中心管(1)实现，并且这些管件通过管形的陶瓷的绝缘体机械连接。
4.按照前述权利要求中任一项所述的组合燃烧器，其特征在于，中心管(1)用作绝缘的高压点火索(8)的支架，其中，高压点火索(8)的金属端部和金属的中心管(1)的位于燃烧器嘴口附近的块段相连，该块段支承着点火尖端。
5.按照权利要求1所述的组合燃烧器，其特征在于，中心管(1)在它的背离燃烧器嘴口的端部具有耐压的用于监测火焰的光学观察窗，并且该中心管(1)通过惰性气体喷淋。
6.按照权利要求1所述的组合燃烧器，其特征在于，氧化剂环形通道(3)在燃烧器嘴口一侧通过具有喷嘴孔(4)的环形的旋入件(10)来封闭。
7.按照权利要求1所述的组合燃烧器，其特征在于，燃气环形通道(2)在通往出口喷嘴的收缩部的区域中具有陶瓷的绝缘的外衬(9)。
8.按照权利要求7所述的组合燃烧器，其特征在于，燃气环形通道(2)的上述收缩部是通过环形的旋入件(10)实现的，该旋入件的中心孔具有比燃气环形通道(2)的内径更小的直径。
9.按照权利要求8所述的组合燃烧器，其特征在于，在旋入件(10)中设有点火孔(11)，这些点火孔紧靠点火尖端(6)通入燃气环形通道(2)中。
10.按照权利要求1所述的组合燃烧器，其特征在于，绕第一冷却剂环形通道(5)设有支承管(13)，这个支承管在用于粉尘燃烧器的氧化剂的环形通道(17)中用作能够更换的旋涡体(14)的支架。
11.按照权利要求1所述的组合燃烧器，其特征在于，用于粉尘燃烧器的氧化剂的环形通道(17)和用于粉尘燃烧器的燃烧粉尘的环形通道(15)布置成能够互换的。
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