CN102119298B - 氧燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括外壳(1)的燃烧室，该燃烧室具有至少一个燃料喷射装置(2)，至少一个氧化剂喷射装置(3)和至少一个燃烧烟雾回收装置(5)，其中外壳(1)具有任意截面的弯曲闭合管的形状，且燃料喷射装置(2)和氧化剂喷射装置(3)布置在外壳(1)上从而以角度θ偏移，所述角度θ由氧化剂喷射位置和燃料喷射位置中的每个喷射位置相对于外壳(1)中心(C)而形成，其范围在10°到90°之间，并且其中，氧化剂喷射装置是喷射氧浓度为90％以上的气体氧化剂的装置。

Description

氧燃烧室

技术领域

本发明涉及氧燃烧领域，且更具体地涉及一种燃烧设备，其几何形状允许自然烟雾再循环并适于与液体或气体进料的氧燃烧相关的约束。

当前的经济活动和增长的能量需求通过使用化石燃料对大气产生增多的二氧化碳排放和温室气体。这些二氧化碳排放被怀疑是观察到的气候变化以及特别是全球变暖的来源。

减少这些排放的解决措施包括俘获和隔绝已排放的二氧化碳。然而目前，关于设备总体效率上的投资和处罚的联合附加成本是非常高的。至今，还未有经济上令人满意的解决方案。目前正进行研究以提高现有技术，特别是提高俘获技术。

目前，所研究的主要的二氧化碳俘获技术是：

－后燃烧俘获，即直接俘获在空气燃烧烟雾中出现的二氧化碳。这种俘获要求增加专用的二氧化碳分离单元，

－预燃烧俘获，即在转化为合成气的第一阶段后在进料中预先俘获二氧化碳。这种转化产生富含氢气的气体，该气体一旦从其含碳的混合物中游离，在燃烧过程中就不释放二氧化碳，

－氧燃烧俘获：在燃烧阶段用氧气代替空气。具有高二氧化碳含量的烟雾因此出现在燃烧设备出口处，并且然后可直接隔绝烟雾而不要求在二氧化碳分离单元中对其作处理。另一方面，这需要专用的制氧单元。

本发明涉及后一种氧燃烧技术。事实上，这种技术具有许多优点：

－降低形成的氮氧化物（NOx）量（在纯氧的情况下并在进料时无氮化物），

－降低在标准功率的条件下产生的烟雾量，

―降低热损失量（对应于氮气通过燃烧循环的“无用的”供热），

－诸如氮氧化物和硫氧化物（NOx和SOx）的可能的污染物浓度越高，分离越简单，

－大多数组分可由压缩冷凝，且可有利地在整个加工流程中使用冷凝热。

对氧燃烧来说还有许多问题亟待解决。事实上，在氧气中燃烧明显地引起更高的、局部可能达到2500摄氏度的火焰温度。一般在氧气环境下，用通常使用的燃料观察到温度上升，其范围是在绝热结构的空气中所获得温度（以摄氏度）的30％到45％之间。因为这种温度在常规设计的紧凑的燃烧室中无论怎样使用合金和耐火材料都是无法处理的，所以这种约束要求特殊的技术。

减少这些热点的专用的解决方案之一包括引导预先燃烧气体再循环从而稀释和使温度的分布围绕其平均值均匀化。这种通过惰性气体的稀释和这种涡流（本领域技术人员称为对涡流强度进行量化的雾化率）因此避免形成对燃烧室壁和/或内部造成局部损失的热点。这种再循环需求基本上要求涉及NOx形成的原因和热效率。应当注意，再循环的需求对于在空气中燃烧比对于氧燃烧的约束少。

除能按照燃烧和温度的均质性来反应外，有必要通过冷却燃烧室按照平均温度来反应，从而处于允许例如使污染物的形成最小化、同时提供对进料良好燃烧的温度范围内。

一些专利提供试图解决这些由氧燃烧引发的问题的装置。

背景技术

可特别提到专利申请US－2005/0239005。该专利描述了强调再循环使用的一种特殊的燃烧器。这是一种低氮氧化物的燃烧器，该燃烧器能用于在燃烧器和内部（管，壁等）之间有较宽空间的诸如大气炉的常规燃烧室中。这种设备因此需要特殊的燃烧器。并行地喷射燃料和氧化剂，这样干扰再循环并且不允许提供分布在燃烧室整个容积内的燃烧。

专利申请WO-2004/065,848涉及一种基于椭圆形状的设备，这种椭圆形状虽然有利于烟雾的环形再循环从而稀释反应物，但不提供十分良好的燃烧均质性。借助管贯穿燃烧室可实现交换，这可能干扰再循环。

专利US-7,318,317描述了一种允许燃烧气体环形再循环的涡轮燃烧器从而使燃烧均质化。在该设备中，气体仅在环路中循环而不允许均质化的再循环。

本发明的任务因此是通过提供一种特定的、新颖的、允许了解专用于氧燃烧的约束的布置来克服现有技术的一个或多个缺点。燃烧室因此具有允许烟雾自然再循环并适于氧燃烧约束的几何形状。此外，在不同点实现喷射从而提供反应物的再循环和稀释，这使得获得一种分布在燃烧室整个容积而不使用专门燃烧器的燃烧。

发明内容

本发明因此提供一种包括外壳的燃烧室，该燃烧室具有至少一个燃料喷射装置，至少一个氧化剂喷射装置和至少一个燃烧烟雾回收装置，其中，外壳具有任意截面的弯曲闭合管的形状，且燃料喷射装置和氧化剂喷射装置布置在外壳上从而以角度θ偏移，该角度θ由氧化剂喷射位置和燃料喷射位置中的每个喷射位置相对于外壳中心而形成，范围在10°到90°之间，且其中氧化剂喷射装置是喷射氧浓度为90％以上的气体氧化剂的装置。

根据本发明的实施例，外壳具有弯成闭合圆的管的形状。

在本发明的另一个实施例中，外壳具有弯成椭圆的管的形状。

根据本发明的实施例，管的截面是圆形、椭圆形或多边形的。

在本发明的另一个实施例中，管的截面是三角形的。

在根据本发明的燃烧室中，回收装置布置在由外壳形成的圆内从而实现小角度的回收。

根据本发明的实施例，燃料喷射装置包括至少一个布置在该外壳外侧的、外壳的径向平面中的喷射管。

在本发明的实施例中，燃料喷射管形成倾斜角α，该倾斜角α由管的纵轴线与穿过燃料喷射点并在喷射点后与气体循环轨迹相切的直线形成，所述倾斜角α的范围在5°到80°之间。

根据本发明的实施例，燃料喷射装置包括至少两个在外壳上相对布置的小角度的管，第一管允许在外壳顶部喷射，第二管允许在外壳底部喷射。

在本发明的实施例中，燃料喷射管形成相对于管的纵轴线和外壳径向平面所限定的倾斜角α’，其范围在5°到80°之间。

根据本发明的实施例，氧化剂喷射装置包括至少一个布置在该外壳外侧的、外壳径向平面中的喷射管。

在本发明的实施例中，氧化剂喷射管形成倾斜角β，该倾斜角β由管的纵轴线和穿过燃料喷射点并在喷射点后与气体循环轨迹相切的直线形成，所述倾斜角β的范围在5°到80°之间。

根据本发明的实施例，氧化剂喷射装置包括至少两个在外壳上相对布置的小角度的管，第一管允许在外壳顶部喷射，第二管允许在外壳底部喷射。

在本发明的实施例中，氧化剂喷射管形成相对于管的纵轴线与外壳径向平面所限定的倾斜角β’，其范围在5°到80°之间。

在根据本发明的燃烧室中，回收装置形成角度γ，该角度γ相对于回收装置的纵轴线与由外壳形成的圆的半径来限定，且在烟雾循环方向上定向。

根据本发明的实施例，角度γ范围在20°到85°之间。

根据本发明的实施例，管具有尺寸在100毫米到2000毫米之间的截面。

附图说明

在阅读下面参照附图以举例方式给出的描述之后，本发明的其它特征和优点会变得清楚，在附图中：

－图1示意地示出根据本发明的设备的变型的截面图，

－图2示意地示出根据本发明的设备的变型的侧视图，

－图3示意地示出根据本发明的设备的图2的变型的纵向截面图，以及

－图4示意地示出根据本发明的第二种变型的侧视图。

具体实施方式

如在图1中所示，根据本发明的燃烧室包括外壳1，该外壳具有形成闭合圆或闭合椭圆的弯管的形状。所谓管是指细长形且任意截面为中空的元件。管的截面可明显是圆形9、椭圆形（图2和3）或多边形、较佳的是三角形9'（图4），但也可以是正方形或直角形。当形成外壳的弯管横截面是圆形9时，称为环面燃烧室。

外壳也能限定为由任意生成面在代表其质心轨迹的闭合曲线方向上的位移而产生的中空容积。

形成外壳的管的横截面尺寸d（例如直径或边长）的范围在100毫米到2000毫米之间。

燃烧室的壁由诸如Haynes230，KanthalAPM，MA956，HR120的特定合金或同类型的任何其它材料制成。这些壁在外可由使反应物可从外部进行冷却的材料来涂覆。因此调整燃烧室的出口温度，并保护壁免于在燃烧室中产生的热点。在未借助专门设备冷却燃烧室的情况下，也可考虑燃烧室的内部耐火。用于耐火的材料例如是陶瓷或耐火水泥或同类型的任何其它材料。

燃烧室包括燃料喷射装置2和氧化剂喷射装置。

当燃料为液体时，燃料喷射装置是喷管，且该喷管有利地设置成保证用喷雾流体使燃料内部混合。

当燃料例如为诸如天然气的气体时，喷射喷管是允许到达较佳为100米/秒以上速率的高速喷管，例如由WS使用的RegeMAT类型的商用喷射喷管。

本发明当然不限于这两种类型燃料，并也包括使用固体燃料。在这种情况下，喷射喷管可包括排出阀，其中所述燃料例如由诸如水蒸气的液体来携带。

燃烧室包括氧化剂喷射装置3，所述氧化剂在本发明的范围内是一种高氧浓度（通常在90％以上）的气体或纯氧。

这种氧化剂喷射装置可以是喷射喷管，较佳是管状的并由耐热材料制成。

通过诸如再循环烟雾的任意方法来辅助氧化剂喷射，在由于喷射氧气而限制浓度异质时这就有加速氧化剂喷射率的优点。

也可通过蒸气来辅助氧化剂的喷射，这种方法例如允许减少诸如煤烟的固体未燃材料的形成。

典型地，用允许维持快速烟雾循环的高脉冲来喷射氧化剂。

在任何情况下，在说明书的其余部分中，喷射装置可理解为管，即圆形、椭圆形或多边形的管。

根据本发明的设备的特征之一是实施喷射和回收以限制热点的出现。因此，将燃料和氧化剂分别（因此无预混合地）喷射到外壳的外侧轴线上，并对允许喷射的管的入射角进行优化以避免任何对壁的热气冲击。

对喷射装置定位也要求考虑管的位置约束。

对于根据在图1中示出的第一种变型的燃料喷射来说，喷射喷管布置在由外壳形成的圆的外侧上，即在外壳的径向平面P中。角度α标志管的倾斜，且该角度较佳地限定为由管的纵轴线20和穿过喷射点并在喷射点后与气体循环轨迹4的中位圆轴线A相切的直线31所形成的角度。

然而，构造根据本发明的燃烧室需要焊接若干元件，且在某些情况下，因此在外侧精确地提供喷射是不可能的。根据本发明第二种变型，喷射装置如在图2、3和4中所示出的那样因此包括关于径向平面P相对的一对小角度管2’，2’’的系统。布置这些管从而鉴于管的横截面允许在外壳的顶部和底部进行喷射。相对于管的纵轴线20’，20’’和外壳1的径向平面P来限定这些管的角度α’。

这些角度α和α’受到结构限制和喷雾角8的约束。角度α符合要求补偿雾化并在外壳中保持居中喷射的倾斜，其范围在5°到80°之间，较佳地在15°到50°之间。角度α’的范围在5°到80°之间。

由于喷管流速的灵活性低，且空气起动要求大喷射幅度，指定至少一个喷射点，但也可要求若干点串联。调整所用管的数量以获得流速的灵活性而不大幅修改每个喷管的流速。管数的范围在1到15之间，较佳地在2到10之间。此外，这种设备改进燃料的分布，这种分布可改进燃烧质量并可避免热点形成。

对于氧化剂和特别是氧气（或用于起动的空气）的喷射，所用管3布置在由外壳1形成的圆的外侧，即在外壳的径向平面内，并沿角度β倾斜以保证在混合后和外壳一致的循环。该角度标志管的倾斜并限定成由管的纵轴线30和穿过燃料喷射点且在喷射点后与气体循环轨迹4的中位圆轴线A相切的直线31来形成。该角度的范围在5°到80°之间，较佳地在15°到45°之间。关于装配问题，以对于燃料喷射相同的方式，可使用带有两个相对布置的管的喷射装置。布置这些管以允许在外壳的顶部和底部喷射。在这种情况下，管各形成相对于管的纵轴线和外壳1的径向平面所限定的角度β’（未示出）。该角度必须最小化从而使引发的雾化最大化，其范围在5°到80°之间。

由每种燃料和氧化剂喷射位置相对于外壳中心所形成的角度θ，即由穿过燃料和氧化剂喷射点和外壳中心C的线22，32形成的角度，其范围必须在10°到150°之间，较佳地在15°到90°之间。

在本发明一较佳实施例中，丰度定义为工作中燃料/氧化剂流速比与在化学计量条件下的燃料/氧化剂流速比之商，其范围在0.5到3之间。

燃烧室也包括回收燃烧烟雾的装置5。该回收装置布置在不干扰再循环气体的循环4之处。回收装置5因此布置在由外壳1形成的圆内以实现小角度的回收。回收管的纵向轴线51因此相对于在回收装置出口点处形成的圆的半径r形成角度γ。回收管在烟雾循环方向上定向，且角度γ的范围有利地在20°到85°之间。因此，回收轨迹从烟雾循环4开始连续。回收管具有范围在10毫米到250毫米之间的直径。

在燃烧室工作中，大流量的热燃烧烟雾进行循环且永久地在环形室的环中再循环。在这种情况中，称为与外部循环技术（也可考虑用于氧燃烧）相对的内部循环。借助燃烧室中的高喷射率来维持大流量的烟雾。因此，当烟雾进入燃烧室时，氧化剂和燃料喷射流经受由烟雾引起的强涡流和高稀释。涡旋在尽可能稀释和均质的条件下提供反应物的接触，也提供在整个燃烧室中反应带的传播。这些烟雾足够热以引起反应物的自燃。

在热烟雾中首先喷射燃料并使之形成涡旋。这些烟雾包含一小部分剩余的氧气。这种混合物从燃料喷射点到氧化剂（空气或氧气）喷射的路径因此允许气体进行混合、稀释和部分反应。

然后以高脉冲对氧化剂进行喷射。这种脉冲允许维持烟雾的快速循环和附加涡旋。在经过环的整个流动过程中，燃烧继续进行。

这些烟雾的部分被提取到烟雾流不被干扰的区域中。

在整个外壳中，烟雾的温度和成分基本上是均匀的。在标定的操作条件下，温度范围在600摄氏度到2000摄氏度之间、较佳地在800摄氏度到1500摄氏度之间，从而限制与可能的寄生空气入流或与氧化剂的氮相关的NOx的形成。

范围在20米/秒到500米/秒之间、较佳地在100米/秒到250米/秒之间的高空气/氧气喷射率维持出现在燃烧室中气体的高雾化。这种较高的再循环有利于存在的物质形成涡旋与稀释，从而实现在燃烧室容积中尽可能均匀分布的燃烧。

这种运作类型的结果如下：

－燃烧经两级发生

－在喷射点处获得较强涡旋

－热烟雾的高循环率在环形的整个容积内使燃烧进行传播并维持燃烧。

因此可以实现阻止热点形成并提供在整个燃烧室中容积燃烧的设备。

此外，燃烧分布在整个外壳上而在喷射点的平面处不以火焰形式集中，温度从未超过2000摄氏度且热点位于环形室的中心。从外部冷却壁、无直接热气冲击和燃烧均质性的组合作用使得可获得低于1000摄氏度的壁面温度。

这种布局（外壳几何形状，分离喷射，中央回收）有利于燃烧烟雾的再循环和在整个燃烧室容积中均匀的燃烧。

此外，想到的概念是特别适于和涉及低功率的。事实上，在这种功率范围内，根据本发明的燃烧室的几何形状允许保证在较小容积中良好的再循环，然而根据低功率的常规几何形状，使用纯氧造成通常来说太低的雾化程度。这种气体再循环归因于使出口气体流速与再循环气体流速之比最小化的离心力。

此外，由于热烟雾的再循环，预热使运作灵活度可加大并例如可覆盖较大的丰度范围。

此外，借助较小几何形状，较高的表面积容积比有利于燃烧室可能的冷却以及因此通过控制燃烧室的平均温度有利于燃烧质量的控制。

将炉膛的温度降低至相对低的温度（不同于空气燃烧室）而不停止燃烧的可能性使得连带地可考虑具有合适丰度的诸如部分氧化、制备诸如甲醛的氢或氧混合物的其它应用。

对于本领域技术人员必须清楚的是，本发明不应限制于上述给出的细节，并且允许以许多其它特定形式实施而不背离本发明的应用领域。因此应当借助示例考虑本实施例并可以不脱离本发明的范围进行更改。

Claims (10)

1.一种包括外壳（1）的燃烧室，燃烧分布在整个所述外壳（1）上，所述燃烧室具有至少一个燃料喷射装置（2）、至少一个氧化剂喷射装置（3）和至少一个燃烧烟雾回收装置（5），其中外壳（1）具有任意截面的弯曲闭合管的形状，该弯曲闭合管的形状允许自然烟雾再循环，且燃料喷射装置（2）和氧化剂喷射装置（3）布置在外壳（1）上从而以角度θ偏移，所述角度θ是由穿过燃料喷射位置和外壳（1）的中心（C）的线（22）与穿过氧化剂喷射位置和外壳（1）的中心（C）的线（32）形成的角度，所述角度θ的范围在10°到90°之间，其中，所述氧化剂喷射装置是喷射氧浓度为90％以上的气体氧化剂的装置，所述外壳（1）具有弯成闭合圆的管的形状，所述回收装置（5）布置在由外壳（1）形成的圆内，所述回收装置的纵轴线（51）相对于所述回收装置的出口点处形成的圆的半径（r）形成倾斜角γ，所述倾斜角γ的范围在20°到85°之间，从而实现小角度的回收。

2.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述管的截面是圆形（9）、椭圆形或多边形的。

3.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述管的截面是三角形的（9’）。

4.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述燃料喷射装置包括至少一个布置在所述外壳外侧的、外壳（1）的径向平面中的燃料喷射管（2）。

5.如权利要求4所述的燃烧室，其特征在于，所述燃料喷射管形成倾斜角α，所述倾斜角α由所述燃料喷射管的纵轴线（20）与穿过燃料喷射点并在喷射点后与气体循环轨迹（4）的中位圆轴线（A）相切的直线（21）形成，所述倾斜角α的范围在5°到80°之间。

6.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述燃料喷射装置包括至少两个在所述外壳（1）上相对布置的小角度燃料喷射管（2’,2”），第一管允许在所述外壳（1）的顶部喷射，第二管允许在所述外壳（1）的底部喷射，所述小角度燃料喷射管（2’,2”）形成相对于所述小角度燃料喷射管的纵轴线（20’,20”）与所述外壳（1）的径向平面所限定的倾斜角α’，所述倾斜角α’的范围在5°到80°之间。

7.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述氧化剂喷射装置包括至少一个布置在所述外壳外侧的、所述外壳（1）径向平面中的氧化剂喷射管（3）。

8.如权利要求7所述的燃烧室，其特征在于，所述氧化剂喷射管形成倾斜角β，所述倾斜角β由所述氧化剂喷射管的纵轴线（30）与穿过燃料喷射点并在喷射点后与气体循环轨迹（4）的中位圆轴线（A）相切的直线（31）形成，所述倾斜角β的范围在5°到80°之间。

9.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述氧化剂喷射装置包括至少两个在所述外壳（1）上相对布置的小角度氧化剂喷射管，第一管允许在所述外壳（1）的顶部喷射，第二管允许在所述外壳（1）的底部喷射，所述小角度氧化剂喷射管形成相对于所述小角度氧化剂喷射管的纵轴线（20’,20”）与所述外壳（1）的径向平面所限定的倾斜角β’，所述倾斜角β’的范围在5°到80°之间。

10.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述弯曲闭合管具有直径（d）的范围在100毫米到2000毫米之间的截面。