CN101578483B - 带有雾化器的燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃烧器(1)，其包括至少两条用于分离地供给液体燃料和含氧气体的通道(2、3)。该燃烧器(1)包括双流体雾化器头(4)，该双流体雾化器头包括与含氧气体的供给通道(3)对准的第一流动通道(37)和与液体燃料的供给通道(2)对准的第二流动通道(34)，第二流动通道(34)在第一流动通道进入呈同轴环布置的多个孔口(38)之前的位置处进入第一流动通道(37)。冷却夹套(11)包围供给通道壁(9、10)。孔口(38)在离冷却夹套(11)一定距离处穿过雾化器头(4)。雾化器头(4)可例如由第一金属铜合金制成，并且所述冷却夹套(11)可由导热系数比第一金属低的例如钢的第二金属制成。

Description

带有雾化器的燃烧器
技术领域
本发明涉及一种燃烧器，该燃烧器包括至少两个用于从供给侧向排放端分离地供给液体燃料和含氧气体的同轴通道，该燃烧器包括插入排放端的双流体雾化器头。
背景技术
US 2,414,459公开了一种流体燃料燃烧器，其在供给空气流可透过的薄壁喷雾器中雾化所述燃料以形成可燃烧的混合物。所述喷雾器为中空的截头圆锥结构以使最大量的表面暴露于燃烧空气的环绕包围中。该燃烧器不被冷却并且因此不能在高温负载下使用。
WO-A-01/55640描述了一种燃烧器，其包括至少两个用于分离地供给液体燃料和含氧气体的通道。该燃烧器具有固定至燃烧器的排放端的双流体雾化器头。
US-A-3266552描述了一种燃烧器，其具有冷却夹套以保护燃烧器不受熔炉内部产生的热量的侵袭。
为了从固体含碳材料中获得气体燃料，由气载体输送的细碎固体燃料(例如由比如氮气和/或二氧化碳的气载体输送的粉煤)使用含氧气体在气化反应器中部分燃烧。由于不完全燃烧，气载的含碳燃料被反应以形成适于进一步燃烧的燃料气体。该部分燃烧过程被用于例如制造加压合成气体、燃料气体或还原气体。
火焰被保持在反应器中，其中燃料与含氧气体中的氧在高于1300℃的温度下发生反应以形成一氧化碳和氢气。在某些温度下，还可能形成甲烷。
为了启动气化反应器，温度和压力应当被升至足够高的水平，以使燃料能够与含氧气体发生反应。为了燃烧重的、难燃的燃料，例如粉煤，通常使用燃料来产生相对小的启动火焰，该启动火焰不太可能吹灭并且其用于点燃主燃料流。有必要提供一些装置用于点燃启动火焰并且在温度和压力增加的过程中以及在点燃主燃料流的过程中维持稳定的火焰。如果燃烧操作将在封闭、受限且加压的空间中进行，例如在煤气化工艺中，则通常在两个步骤中完成所述点燃。首先产生点燃火焰，该点燃火焰用于点燃气体或液体燃料，从而产生第二较大火焰，然后该第二较大火焰又用于点燃主燃料流。用于在加压的燃烧室中点燃燃料流的上述过程通常通过点火装置和用于利用气体或液体燃料工作的分离的启动燃烧器来实现。该启动燃烧器不仅用于点燃主燃料流，还用于在导入主燃料流之前加压和加热燃烧室。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于液体燃料的燃烧器，所述燃烧器包括雾化器单元，可用于在非常高的温度和高压负载下操作的反应器中用作启动燃烧器。
本发明的这个目的是通过一种燃烧器来实现的，该燃烧器包括至少两条用于分离地供给液体燃料和含氧气体的通道，所述至少两条通道由至少两个从供给侧至排放端以同轴间隔开的关系延伸的管状壁界定，该燃烧器包括固定至所述排放端的双流体雾化器头，该双流体雾化器头包括一条或多条与含氧气体的供给通道对准的第一流动通道和与液体燃料的供给通道对准的第二流动通道，所述第二流动通道在所述第一流动通道进入呈同轴环布置的多个孔口之前的位置处以一定角度进入所述一条或多条第一流动通道，其中冷却夹套同轴地设置成包围管状供给通道壁，所述孔口在离所述冷却夹套一定距离处穿过所述雾化器头，并且所述雾化器头由第一金属制成而所述冷却夹套由导热系数比第一金属低的第二金属制成。
已经发现，在孔口和冷却夹套之间保持一定的距离能够有效地降低对燃烧器部件造成的热损伤风险。在准备关闭燃烧器的过程中，当含氧气体的流速被降低从而导致火焰缩回到所述孔口中的风险时，尤其如此，虽然可能采取安全措施，比如在关闭之前或关闭过程中使用惰性气体(比如氮气)逐渐替换氧气。尽管人们倾向于使用具有最高导热系数的冷却夹套，但已经发现，根据本发明的燃烧器的双金属结构可在高机械强度和优良的散热性两个方面之间实现最佳平衡。
冷却夹套可适当地由钢制成并且雾化器头可由具有较高导热系数的金属制成，例如导热系数至少为250W/m＊K的金属，例如导热系数至少为300W/m＊K的金属，例如铜或优选铜合金。
为了获得更有效的冷却，特别是使与冷却夹套相距一定径向距离的部件获得更有效的冷却，所述燃烧器可包括中央冷却剂供给通道和与所述冷却剂供给通道同轴地布置的环形冷却剂返回通道，它们通过位于所述雾化器头外表面下方的冷却剂流动路径操作地连接。
可选地，所述雾化器头可包括带螺纹的裙缘，该裙缘设有用于与冷却夹套上的相应螺纹配合的螺纹。所述裙缘可设有与冷却夹套的外表面上的相应外螺纹配合的内螺纹。替代地，所述裙缘可设有与包围该裙缘的冷却夹套的表面上的相应内螺纹配合的外螺纹。
为了处理各燃烧器部件的热膨胀的差异，所述雾化器头可通过套管接头连接至一个或多个管状通道壁，从而允许所述部件相对于雾化器头轴向滑动。
如果孔口的尺寸适于将雾化后燃料的流速加速到至少音速，则可以在由大气压力至20bar的压力之间的整个压力范围内在火焰和孔口之间保持距离。这种流速加速可通过逐渐缩小流动路径的方式来实现。
孔口可以是圆形孔或者它们可以是狭缝状的、椭圆形的、多边形的或具有任一其他适当的形状。孔口可以具有任一适当的深度。通常，利用更深的孔口降低例如在准备关闭燃烧器的过程中由于缩回火焰所造成的损伤风险。
含氧气体的供给通道和孔口的尺寸可被设定以使得能够调节气流的流速，从而优化燃料的破碎和雾化。
附图说明
现在将参照附图仅以举例的方式对本发明进行详细描述，其中：
图1A示出了根据本发明的燃烧器的纵向横截面的透视图；
图1B示出了图1A的燃烧器的侧视图；
图1C示出了沿图1B的燃烧器的线A-A的横截面；
图1D示出了沿图1C的燃烧器的线B-B的横截面；
图1E示出了沿图1C的燃烧器的线D-D的横截面；
图1F示出了沿图1C的燃烧器的线G-G的横截面；
图2示出了根据本发明的燃烧器的替代实施例的纵向横截面。
具体实施方式
图1A-F示出了燃烧器1的端部段，其包括用于将液体燃料和含氧气体从上游供给侧A输送到下游排放端Z的通道2、3。雾化器头4被插入燃烧器1的排放端中。除雾化头4之外，燃烧器1还由下述沿纵轴同轴地间隔开的部件构造而成：
-内管5，其界定了用于为内冷却系统供给冷却水的内冷却水通道6；
-第二管7，其同轴地围绕所述内管5，界定了用于排放冷却水的环形冷却水返回通道8；
-第三管9，其同轴地围绕所述第二管7，并且界定了用于供给比如柴油或油的液体燃料的环形供给通道2；
-第四管10，其同轴地围绕所述第三管9，界定了用于供给含氧气体的环形供给通道3并且形成了冷却夹套11的内壁；
-圆柱形的隔离壁12，其将所述冷却夹套11分隔成沿排放端Z的方向延伸的冷却水供给流动路径13和沿相反方向延伸的冷却水返回路径14；
-外壁15，其形成了所述冷却夹套11的外壁。
在图1A中，箭头W’指示内冷却系统中的冷却水的流动路径，而箭头W”指示冷却夹套11中的冷却水的流动路径。箭头O示出了含氧气体的流动路径，而箭头F示出了液体燃料的流动路径。
间隔件(未示出)可用于将所述部件固定在所述同轴构型中。
在排放端Z处，所述冷却夹套11由与纵向轴线垂直设置的圆周端壁16封闭。分隔件12在离端壁16一定距离处终止，允许冷却水从冷却夹套11的供给侧13流向排放侧14。在该位置处，冷却水流经具有最高热负荷的部件。
雾化器头4包括沿燃烧器1的纵向轴线同轴设置的下游前段17和圆柱形段18。圆柱形段18在其上游侧具有紧密配合到具有扩大内径的第二管7中的同轴上游突起19，以形成使用密封环21密封的套管接头，从而允许轴向运动以应对热膨胀的差异。前段17包括圆形前壁24。圆柱形段18具有内孔29。内冷却系统的内管5穿过所述内孔29以进入前段17中的内部空间28。内管5的外表面和孔29的内表面之间的空间界定了冷却剂返回流动路径。径向延伸的返回通道30将前段17的内部空间28与圆柱形段18中的内孔29连接起来。所述返回通道30等间距地彼此隔开。
在内冷却系统中，冷却水从内管5经由冷却水通道6流入前段17的开放内部空间28，在该处，冷却水经由返回通道30沿径向方向流入由所述中心孔29的内表面和内管5的外表面界定的冷却水返回路径。
界定了燃料供给通道2的第三圆柱体9包括下游端部31，该下游端部与雾化器头4的圆柱形段18的上游端部32紧密配合。所述配合由两个密封环33密封以形成套管接头，允许轴向运动以应对接头部分的热膨胀的差异。圆柱形段18设有按环布置的等间距设置的纵向孔34，其中每个纵向孔34平行于纵向的燃烧器轴线从燃料供给通道2通向雾化器端口35。
雾化器头4包括同轴地围绕雾化器头4的圆柱形段18的圆柱形裙缘36，形成与含氧气体的供给通道3对准的环形通道37。环形通道37经由雾化器端口35与纵向孔34开放连接。雾化器头4的圆形前壁24设有与环形通道37开放连接的孔口38。
圆柱形裙缘36设有与冷却夹套内壁10的内表面上的内螺纹相配合的外螺纹(图中未示出)。
燃料液体在压力下被供给进入雾化器头4的圆柱形段18中的纵向孔34中，通过雾化器端口35进入环形通道37，高速流动的含氧气体在该处雾化该燃料。雾化燃料经由孔口38以音速排出，以形成由含氧气体包围的细碎燃料液滴构成的圆锥形喷雾。由于雾化燃料的音速流速，因此即使在反应器中的从大气压至20bar压力的高压条件下，火焰也能在离雾化器头一定距离处点燃。火焰和雾化器头4之间的距离减少了对燃烧器部件的加热并且降低了火焰突然返回孔口38中的风险。
冷却夹套壁10、15、16由不锈钢制成。除了冷却，它还保护通道部件和雾化器头4不受机械载荷，尤其是压力载荷。雾化器头4由铜合金制成。
图2示出了与图1A-D中的燃烧器结构相当类似的燃烧器的横截面。类似的结构细节用与图1中相同的附图标记表示。图2的燃烧器不包括用于在雾化器头4和冷却夹套11的内壁10之间获得螺纹连接的带螺纹的内裙缘。替代地，雾化器头包括带有内螺纹的裙缘36”，该内螺纹与设置在冷却夹套外壁15的外表面上的外螺纹相配合。

Claims (6)

1.一种燃烧器(1)，包括至少两条用于分离地供给液体燃料和含氧气体的通道(2、3)，所述至少两条通道由至少两个从供给侧至排放端以同轴间隔开的关系延伸的管状壁(9、10)界定，所述燃烧器(1)包括固定至所述排放端的双流体雾化器头(4)，该双流体雾化器头(4)包括一条或多条与含氧气体的供给通道(3)对准的第一流动通道(37)和与液体燃料的供给通道(2)对准的第二流动通道(34)，所述第二流动通道(34)在所述第一流动通道进入呈同轴环布置的多个孔口(38)之前的位置处以一定角度进入所述一条或多条第一流动通道(37)，其中冷却夹套(11)同轴地设置以包围管状壁(9、10)，所述孔口(38)在离所述冷却夹套(11)一定距离处穿过所述雾化器头(4)，并且所述雾化器头(4)由第一金属制成而所述冷却夹套(11)由导热系数比第一金属低的第二金属制成。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述冷却夹套(11)由钢制成并且所述雾化器头(4)由铜合金制成。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的燃烧器，其中所述雾化器头(4)包括内部空间(28)，所述内部空间将沿所述燃烧器(1)的纵向轴线布置的中央冷却剂通道(6)操作地连接至与所述中央冷却剂通道(6)同轴布置的环形冷却剂通道(8)。
4.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述雾化器头(4)包括带螺纹的裙缘(36、36”)，所述带螺纹的裙缘设有用于与所述冷却夹套(11)上的相应螺纹配合的螺纹。
5.根据权利要求4所述的燃烧器，其中所述雾化器头(4)通过套管接头联接至至少一个所述管状壁(9)。
6.根据权利要求1所述的燃烧器，其中所述孔口(38)的尺寸适于使雾化燃料的流速加速到至少音速。
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