CN101490473B - 用于交替进行氧燃和空气燃烧的燃烧器和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用助燃剂和至少一种主要惰性气体的燃料的燃烧方法，其中：喷射燃料和助燃剂以产生火焰；以两股射流的形式喷射主要惰性气体，使得：第一射流围绕由燃料和助燃剂产生的火焰，且所述第一射流相对于所述火焰呈现为发散的漩涡；第二射流围绕主要惰性气体的第一射流，且所述第二射流相对于由燃料和助燃剂产生的火焰呈现为会聚的漩涡。本发明还涉及一种适于执行所述方法的燃烧器。

Description

用于交替进行氧燃和空气燃烧的燃烧器和方法

本发明涉及一种可交替使用氧含量高的气体或者空气作为助燃剂(comburant)的燃烧器和燃烧方法。

随着日益严格的环境限制，特别是在产生CO₂和NO_X方面的限制，使用氧或氧含量高的气体的燃料燃烧对于矿物燃料的燃烧来说日益具有吸引力。但是，使用空气作为助燃剂的常规燃烧设备并不都是具有几何结构和必需的物质条件来利用氧或氧含量高的气体来工作。这是因为在富氧或全氧燃烧中氮惰性质(ballast d’azote)的不存在显著地改变了燃烧室中的传热方式、物质浓度和压力状态。

为了在这些设备中进行全氧燃烧，一种提出的方案是再次喷射由所述燃烧或其它燃烧所产生的烟道气以便部分弥补缺乏的氮。此过程由于没有氮的存在且由于火焰温度比全氧燃烧更低，因此避免了NO_x的高的产量。但是，再次喷射的烟道气常常会抵消氧燃的优点，特别是例如重油残渣中未燃物的更低比例或者灰分部分的降低，这些未燃物和这种灰分然后会导致下游烟道气处理方法复杂化。

这种烟道气喷射大致可通过两种方法进行。首先，通过在烟道气引入燃烧器之前将烟道气和氧混合，以便重新形成包括约21％到27％的氧的助燃剂且其余部分主要包括CO₂而不是氮。在空气锅炉/加热器(chaudière àl’air)进行转化的情况下此方案的一个优点是能够用最少的运行调整来保持空气燃烧器。另一方面，烟道气与氧在引入燃烧器之前的预先混合会引起安全问题。为了避免此问题，在第二替代方案中，烟道气也可以在燃烧室的一位置处或通过燃烧器单独地喷射。在后一种情况下，烟道气以使得火焰加长的速度进行喷射，这将使得燃烧室的元件(在锅炉的情况下是相对的壁或管)过热。为了避免这种问题，烟道气喷射速度必须为低速，这会起到增加燃烧器的尺寸的效果并产生布置的问题，然而已公知燃烧室的表面积必须最大化。

因此，前述问题意味着需要改进使用烟道气再循环的方法和氧燃燃烧器。

此外，实践表明能够以灵活方式，即氧燃和空气燃烧交替的方式来使用燃烧器的实用性。实际上，由于氧的可用性和/或安全问题的限制，能够将氧燃转变为空气燃烧而不更换燃烧器是有用的。类似地，对于某些类型的燃烧，为了安全的目的优选用空气开始燃烧且随后切换到氧燃。

因此，本发明的目的是提出一种在用于空气燃烧的设备中利用烟道气再循环来执行氧燃的设备。

本发明的另外的目的是提出一种用于交替执行利用烟道气再循环的氧燃或空气燃烧的燃烧设备。

本发明的另外的目的是提出一种用于交替执行利用烟道气再循环的氧燃或空气燃烧的燃烧设备，所述燃烧产生具有受控尺寸的火焰。

为此，本发明涉及一种使用至少一种助燃剂和至少一种主要惰性气体的至少一种燃料的燃烧方法，其中：

-喷射燃料和助燃剂以产生火焰，

-以两股射流的形式喷射主要惰性气体，使得：

·第一射流围绕由燃料和助燃剂产生的火焰，且所述第一射流相对于所述火焰呈现为发散的漩涡，

·第二射流围绕主要惰性气体的第一射流，且所述第二射流相对于由燃料和助燃剂产生的火焰呈现为会聚的漩涡。

本发明还涉及一种适于执行所述方法的燃烧器，该燃烧器包括：

-至少一个用于喷射燃料的装置和至少一个用于喷射助燃剂的装置，所述装置相对于彼此安置成使得助燃剂和燃料能够产生火焰，

-两个用于喷射主要惰性气体的装置：

·用于喷射主要惰性气体的第一装置适于以围绕由助燃剂和第一燃料产生的火焰的射流形式喷射主要惰性气体的一部分，所述用于喷射主要惰性气体的第一装置包括适于使得通过它的主要惰性气体流发散地旋转的装置，

·用于喷射主要惰性气体的第二装置适于以围绕由用于喷射主要惰性气体的第一装置产生的主要惰性气体射流的射流形式喷射主要惰性气体的一部分，且所述用于喷射主要惰性气体的第二装置包括适于使得通过它的主要惰性气体流会聚地旋转的装置。

本发明的其他特征和优点将从以下说明书的阅读中得以显现。由图1示出的本发明的实施例作为非限制性的示例而提供，图1是根据本发明的燃烧器的示意图。

因此，本发明涉及一种使用至少一种助燃剂和至少一种主要惰性气体的至少一种燃料的燃烧方法，其中：

-喷射燃料和助燃剂以产生火焰，

-以两股射流的形式喷射主要惰性气体，使得：

·第一射流围绕由燃料和助燃剂产生的火焰，且所述第一射流相对于所述火焰呈现为发散的漩涡，

·第二射流围绕主要惰性气体的第一射流，且所述第二射流相对于由燃料产生的火焰呈现为会聚的漩涡。

根据本发明的方法由助燃剂执行燃料的主要燃烧。所述燃料可以是任何液体或气体类型的燃料。如果是气体，所述燃料可以是天然气、矿井气体、焦炉气、高炉煤气、炼油厂气或合成气。如果是液体，燃料可选自家用燃油、重燃料油、沥青、精炼渣、原油。所述方法可涉及多种燃料类型的燃烧，例如天然气和液态燃油。这些不同类型的燃料被喷射以便和助燃剂形成火焰。所述燃料或数种燃料和助燃剂的喷射可通过本领域技术人员已知的任何方式进行以便产生火焰。根据本发明的方法，还喷射主要惰性气体。在本发明中，“主要惰性气体”表示其摩尔成分包括至多50％氧的气体或气体混合物。通常，主要惰性气体包括以下成分中的至少一种：CO₂、N₂、H₂O、Ar，优选地摩尔量至少为50％。根据所述方法的操作方式是空气燃烧还是氧燃，主要惰性气体的类型可以和助燃剂相同或不同。不论操作方式如何，主要惰性气体以两股射流的形式进行喷射。第一射流围绕由燃料和助燃剂产生的火焰，第二射流围绕所述主要惰性气体的第一射流。这样，第二射流同样围绕由燃料和助燃剂产生的火焰，但是离火焰的距离比主要惰性气体的第一射流更大；在应用中，注意到主要惰性气体的第一射流作为内周射流，且注意到主要惰性气体的第二射流作为外周射流。在本发明中，“围绕”表示主要惰性气体的这些射流环绕燃料和助燃剂的中央火焰。根据优选的实施例，主要惰性气体的射流具有在燃料和助燃剂的火焰上定中心的环的形状。

根据本发明，内周射流相对于燃料和助燃剂的火焰呈现为发散的漩涡。在本发明中，射流的漩涡表示射流绕其自身的旋转运动。因此，内周射流是绕其自身旋转的射流。由于所述射流围绕燃料和助燃剂的火焰，所述内周射流也绕所述火焰旋转。根据本发明，此旋转是发散的，即，在内周射流中，主要惰性气体在喷射时远离燃料和助燃剂的火焰移动。

根据本发明，外周射流相对于燃料和助燃剂的火焰呈现为会聚的漩涡。和内周射流相同，外周射流也绕所述火焰旋转。根据本发明，此旋转是会聚的，即，在外周射流中，主要惰性气体在喷射时靠近燃料和助燃剂的火焰移动。

不论对于内周射流或外周射流，主要惰性气体的这些射流中每一个的涡流比(taux de swirl)有利地在0.26和1.73之间。涡流比S定义如下：S＝lt/la，其中，lt和la分别是射流中旋转流体的切向和轴向脉冲。

根据本发明的方法用于通过调整外周射流的流率与内部射流的流率的比例来控制火焰的长度。

根据本发明的方法可用于氧燃方法和空气燃烧方法。根据本方法的第一实施例，它涉及氧燃，这表示两种助燃剂中的一种是含氧气体。在本发明中，含氧气体是指氧浓度高于80％，优选高于90％的气体。根据此第一实施例，助燃剂是含氧气体且主要惰性气体包括来自燃烧的烟道气。来自燃烧的烟道气通常主要(如果不是全部)包括CO₂。这些气体还可包括H₂O。优选地，主要惰性气体至少部分地包括来自本方法的燃烧且在该燃烧方法过程中再循环的气体。在这种情况下，烟道气在执行本方法的燃烧室的外部再循环。它们可在再循环之前被处理。通常，在根据本发明的方法过程中至少4Sm³的烟道气再循环。根据此第一实施例，优选地喷射到主要惰性气体的第一射流中的主要惰性气体的流率占喷射的主要惰性气体的总流率的50％到97％。主要惰性气体在内周射流和外周射流之间的这种分布用于避免燃烧室中热气体的增加。此外，来自燃烧的以内周射流和外周射流形式喷射的气体不会干扰来自燃料和含氧气体的燃烧的火焰，但是在燃烧器的前端附近产生通道，该通道保护燃烧室壁免遭过度强烈的辐射。在燃烧器的前端以外，来自燃烧并以内周射流和外周射流形式喷射的气体与来自所述方法的实际燃烧的热气体相互混合以仅形成一种均匀的混合物。根据第一实施例，来自燃烧的气体也可被喷射到燃烧室的至少一点处，该点不同于内周射流和外周射流的喷射点。

根据本方法的第二实施例，该方法是空气燃烧方法，这表示两种助燃剂是空气(或者没有助燃剂是含氧气体)。根据此第二实施例，助燃剂是空气，且主要惰性气体也是空气。优选地，使用了脱油空气(l’air déshuilé)，因为该空气在也可用于在氧燃方式中喷射含氧气体的喷射装置中流动；因此所述喷射装置在喷射含氧气体的情况下一定不能包括脂肪性物质。优选地，作为助燃剂而喷射的空气的流率占所述方法中喷射的空气的总流率的5％到30％。同样优选地，喷射到主要惰性气体的第一射流中的空气的流率占所述方法中喷射的空气的总流率的4％到25％。优选地，本方法中喷射的空气的总流率可与燃料燃烧所需的空气量一致。空气流率在内周射流和外周射流之间的这种分布用于使得空气向燃料会聚从而将火焰连接于燃烧器前部并使它缩短以便防止燃烧室的壁过热。

根据本方法的第三实施例，助燃剂是含氧气体，主要惰性气体是空气。此第三实施例特别用于燃烧方法的启动。

本发明还涉及一种燃烧器，包括：

-至少一个用于喷射燃料的装置和至少一个用于喷射助燃剂的装置，所述装置相对于彼此安置成使得助燃剂和第一燃料能够产生火焰，

-两个用于喷射主要惰性气体的装置：

·用于喷射主要惰性气体的第一装置适于以围绕由助燃剂和燃料产生的火焰的射流形式喷射主要惰性气体的一部分，所述用于喷射主要惰性气体的第一装置包括适于使得通过它的主要惰性气体流发散地旋转的装置，

·用于喷射主要惰性气体的第二装置适于以围绕由用于喷射主要惰性气体的第一装置产生的主要惰性气体射流的射流形式喷射主要惰性气体的一部分，且所述用于喷射主要惰性气体的第二装置包括适于使得通过它的主要惰性气体流会聚地旋转的装置。

因此，根据本发明的燃烧器包括第一中央部分，该第一中央部分包括至少一个用于喷射燃料的装置和至少一个用于喷射助燃剂的装置。这两个喷射装置必须彼此定位成使得在燃烧器工作时助燃剂和燃料能够产生火焰。因此用于喷射燃料和助燃剂的装置可以是共轴管或分离的管。可以使用用于喷射燃料和助燃剂以便形成火焰的任何已知的技术。

所述燃烧器包括第二外周部分，该第二外周部分包括两个用于喷射主要惰性气体的装置。燃烧器的这两个部分可以相邻，或者由分隔件分开。优选地，适于使得通过第一喷射装置或第二喷射装置的主要惰性气体流会聚地旋转的装置使得所述流以0.26到1.73之间的涡流比旋转。所述适于发散或会聚的旋转的装置通常为导流板。

根据特殊的实施例，燃烧器为：

-用于喷射主要惰性气体的第一装置包括两个共轴管，该共轴管围绕用于喷射燃料的装置和用于喷射助燃剂的装置，两个管之间的空隙允许主要惰性气体的一部分通过并包括适于使得经过它的主要惰性气体流发散地旋转的装置，

-用于喷射主要惰性气体的第二装置包括两个共轴管，该共轴管围绕用于喷射主要惰性气体的第一装置的两个共轴管，所述用于喷射主要惰性气体的第二装置的两个管之间的空隙允许主要惰性气体的一部分通过并包括适于使得经过它的主要惰性气体流会聚地旋转的装置。

根据此特殊的实施例，燃烧器还可包括两个用于喷射助燃剂的装置，所述装置是共轴管，且用于喷射燃料的装置可以是金属环，在该金属环上钻有至少一圈孔口，所述金属环与助燃剂喷射管共轴并安置在所述助燃剂喷射管之间。从而燃烧器包括四个共轴管和金属环，在该金属环上钻有成圈布置的孔口，所述金属环安置在最小的管和直径稍微大一些的管之间。

根据本发明，燃烧器可包括两个不同的用于喷射燃料的装置以便喷射两种不同的燃料。

图1示出根据本发明的燃烧器的端部。它包括第一中央部分，该第一中央部分包括：

-燃料喷射装置1，该燃料喷射装置是管，

-包括两个管21和22的助燃剂喷射装置2：一个管21安置在燃料喷射管1的中央，另一个管22围绕同一燃料喷射管1。

该燃烧器还包括第二部分，该第二部分是用于喷射主要惰性气体的装置；它包括三个共轴的管22、31、32，这三个共轴的管在第一中央部分上定中心，最小的管对应于用于喷射燃料1的管22。最大的管32和中间管31之间的空隙包括装置4(翅片)，该装置4适于使得通过它的主要惰性气体流发散地旋转。中间管31和最小的管22之间的空隙包括装置5(翅片)，该装置5适于使得通过它的主要惰性气体流会聚地旋转。

本发明的一个有利之处在于它修改了通常利用空气工作的燃烧器，使得它可以利用含氧气体和含氧烟道气工作。只需要用适于喷射再循环的烟道气的根据本发明的燃烧器的第二部分来补充对应于根据本发明的燃烧器的第一部分的空气燃烧器就足够了。然后将含氧气体喷射到燃烧器的第一部分并将烟道气喷射到第二部分。

根据本发明的燃烧器的一个有利之处在于它可以用空气专门作为助燃剂工作而同时保留用于氧燃的燃料流。在向燃烧器的氧供应被中断的情况下，为了连续生产可能需要这种全空气工作要求。

根据本发明的燃烧器和燃烧方法的一个有利之处在于它们产生具有受控尺寸的火焰，这在狭小的容器例如锅炉燃烧室中是有用的，在该锅炉燃烧室中过长的火焰与裸露的钢管的直接接触是极其危险的。在后面一种情况下，根据本发明的燃烧器产生的火焰的几何形状使得热流量在锅炉的所有内表面上均匀分布；根据再循环的烟道气所占的比例，装备有这种以氧燃工作的燃烧器的锅炉能够承受高达0.600MW/m³的能量密度。

根据本发明的利用含氧气体工作的燃烧器和燃烧方法的另一有利之处在于它们产生具有高的核心温度的火焰，这样可显著减少未燃物。

Claims (13)

1.一种使用至少一种助燃剂和至少一种主要惰性气体的至少一种燃料的燃烧方法，其中：

-喷射燃料和助燃剂以产生火焰，

-以两股射流的形式喷射主要惰性气体，使得：

·第一射流围绕由燃料和助燃剂产生的火焰，且所述第一射流相对于所述火焰呈现为发散的漩涡，

·第二射流围绕主要惰性气体的第一射流，且所述第二射流相对于由燃料和助燃剂产生的火焰呈现为会聚的漩涡。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述助燃剂是含氧气体且主要惰性气体包括来自燃烧的气体。

3.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，所述主要惰性气体至少部分包括来自所述方法的燃烧且再循环的气体。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，喷射到主要惰性气体的第一射流中的主要惰性气体的流率占喷射的主要惰性气体的总流率的50％到97％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述助燃剂是空气，且主要惰性气体是空气。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，作为助燃剂而喷射的空气的流率占燃料燃烧所需空气的总流率的5％到30％。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，喷射到主要惰性气体的第一射流中的空气的流率占燃料燃烧所需空气的总流率的4％到25％。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，助燃剂是含氧气体且主要惰性气体是空气。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，主要惰性气体的各射流的涡流比在0.26到1.73之间。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，主要惰性气体的射流是环形。

11.一种燃烧器，包括：

-至少一个用于喷射燃料的装置(1)和至少一个用于喷射助燃剂的装置，所述装置相对于彼此安置成使得助燃剂和燃料能够产生火焰，

-两个用于喷射主要惰性气体的装置：

·用于喷射主要惰性气体的第一装置适于以围绕由助燃剂和燃料产生的火焰的射流形式喷射主要惰性气体的一部分，所述用于喷射主要惰性气体的第一装置包括适于使得通过它的主要惰性气体流发散地旋转的装置(4)，

·用于喷射主要惰性气体的第二装置适于以围绕由用于喷射主要惰性气体的第一装置产生的主要惰性气体射流的射流形式喷射主要惰性气体的一部分，且所述用于喷射主要惰性气体的第二装置包括适于使得通过它的主要惰性气体流会聚地旋转的装置(5)。

12.根据权利要求11所述的燃烧器，其特征在于：

-用于喷射主要惰性气体的第一装置包括两个共轴管(22、31)，该共轴管围绕用于喷射燃料的装置(1)和用于喷射助燃剂的装置，两个管之间的空隙允许主要惰性气体的一部分通过并包括适于使得经过它的主要惰性气体流发散地旋转的装置(4)，

-用于喷射主要惰性气体的第二装置包括两个共轴管(31、32)，该共轴管围绕用于喷射主要惰性气体的第一装置的两个共轴管(22、31)，所述用于喷射主要惰性气体的第二装置的两个管(31、32)之间的空隙允许主要惰性气体的一部分通过并包括适于使得经过它的主要惰性气体流会聚地旋转的装置(5)。

13.根据权利要求12所述的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器包括两个用于喷射助燃剂的装置，所述装置是共轴管，且用于喷射燃料的装置是金属环，该金属环上钻有至少一圈孔口，所述金属环与助燃剂喷射管共轴并安置在所述助燃剂喷射管之间。