CN102834666A - 带有预燃室的燃烧系统 - Google Patents

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Abstract

预燃室(300)，其具有室(301)，该室具有第一端和第二端，和在第一端的经构造以输送被氧气包围的基本平行的固体燃料流(115)的入口(305)。第一端进一步包括再循环阶梯(303)，第二端与炉(104)流体连通。安排该入口与该再循环阶梯以形成至少一部分的固体燃料和氧气的再循环区(307)。也公开了燃烧系统和运行燃烧系统的方法。

Description

带有预燃室的燃烧系统
对相关申请的交叉引用
本申请与下列申请相关：申请No. 12/238,612，名称为“OXY/FUEL COMBUSTION SYSTEM WITH LITTLE OR NO EXCESS OXYGEN”，代理人卷号No. 07228 USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文；申请No. 12/238,632，名称为“COMBUSTION SYSTEM WITH STEAM OR WATER INJECTION”，代理人卷号No. 07238 USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文；申请No. 12/238,657，名称为“OXY/FUEL COMBUSTION SYSTEM WITH MINIMIZED FLUE GAS RECIRCULATION”，代理人卷号No. 07257 USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文；申请No. 12/238,671，名称为“CONVECTIVE SECTION COMBUSTION”，代理人卷号No. 07254 USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文；申请No. 12/238,695，名称为“OXY/FUEL COMBUSTION SYSTEM HAVNIG COMBINED CONVECTIVE SECTION AND RADIANT SECTION”，代理人卷号No. 07247 USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文；申请No. 12/238,731，名称为“PROCESS TEMPERATURE CONTROL IN OXY/FUEL COMBUSTION SYSTEM”，代理人卷号No. 07239 USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文；申请No. 61/100,372，名称为“COMBUSTION SYSTEM WITH PRECOMBUSTOR”，代理人卷号No. 07262Z USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文。
技术领域
本公开涉及燃烧系统。 特别地，本公开涉及具有提高的燃烧停留时间的氧/燃料燃烧系统。
背景技术
能量需求是美国及全世界当前的问题。由于这些能量需求，需要新的能源和更有效开发能量的来源。提供新能源的系统和与煤相关的更有效开发能量的方法可能满足这些能量需求。
由于较慢的总燃烧动力学，煤燃烧和其它固体燃料燃烧的过量氧需求通常比气体和液体燃料高得多。例如，气体燃烧用的化学计量比（即实际/理论最低O2需求量的比率）通常为1.05（5%过量）或更低，而煤燃烧的化学计量比更通常为大约1.2（20%过量）。在以较高的化学计量比运行时，空气-煤燃烧导致较高风扇功率要求（通常为蒸汽轮机的总发电量的不到百分之一）和烟囱显焓损失。因此，氧/煤燃烧的效率低得多（通常为总发电量的大约百分之几的量级）。
用于动力锅炉的煤燃烧通常使用空气作为氧化剂进行。随着CO2封存变得更普遍且法律和规章要求燃煤发电厂进行封存，由于氧/煤燃烧系统的烟道气流中提高的CO2浓度，使用具有高O2浓度（即氧体积浓度 > 35%）的合成空气和基本纯O2作为氧化剂变得更加合意。但是，在高O2浓度合成空气和基本纯O2中的煤燃烧法（统称为氧/煤燃烧）不同于在空气中的煤燃烧（被称作空气/煤燃烧）。氧/煤燃烧不同于空气/煤燃烧，因为氧/煤燃烧通常具有更高的火焰温度和不同的火焰动量。对改型(retrofit)装置而言，这些差异尤其重要，因为氧/煤火焰必须适用于现有燃烧室。另外，随着用于氧/煤燃烧的氧化剂中的氧气浓度提高，火焰温度和炉中成渣组分的浓度也提高。
因此，仍然需要提供用于氧/煤燃烧的部件和系统以提供氧气与煤之间增加的接触时间，从而提供合意的燃烧性质。
发明内容
本公开的一个方面包括预燃室（precombustor），其具有室，该室具有第一端和第二端，和在该第一端的经构造以输送被氧气包围的基本平行的固体燃料流的入口。该第一端进一步包括再循环阶梯（recirculation step）且该第二端与炉流体连通。安排该入口与该再循环阶梯以形成至少一部分的固体燃料和氧气的再循环区。
本公开的另一方面包括具有炉和至少一个预燃室的燃烧系统。该预燃室包括具有第一端和第二端的室，和在该第一端的经构造以输送被氧气包围的基本平行的固体燃料流的入口。该第一端进一步包括再循环阶梯且该第二端与该炉流体连通。安排该入口与该再循环阶梯以形成至少一部分固体燃料和氧气的再循环区。
本公开的再一方面包括提供炉和提供至少一个预燃室。该预燃室包括具有第一端和第二端的室，和在该第一端的经构造以输送被氧气包围的基本平行的固体燃料流的入口。该第一端进一步包括再循环阶梯且第二端与该炉流体连通。该方法包括向该入口输送固体燃料和氧气以形成至少一部分的固体燃料和氧气的再循环区。
本公开的实施方案的又一优点是在进入该炉之前和刚进入该炉后增加的停留时间和更完全的燃烧。
本公开的实施方案的又一优点在于再循环区充当缓冲以便为该预燃室的壁提供热保护。
本公开的实施方案的另一优点在于该再循环区充当缓冲以便在腐蚀性的炉环境与燃烧器喷嘴之间提供保护。
本公开的实施方案的另一优点是提高的火焰稳定性。
本文中公开了该方法和系统的其它方面。本领域技术人员根据下列详述和附图将会认识和理解如上论述的特征以及本发明的其它特征和优点。
附图说明
图1A显示已知燃烧系统的图示。
图1B是图1A的系统以1B-1B方向截取的截面图。
图2A显示另一已知燃烧系统的图示。
图2B是图2A的系统以2B-2B方向截取的截面图。
图3A显示根据本公开的一个实施方案的燃烧系统的图示。
图3B是图3A的系统以3B-3B方向截取的截面图。
图4A显示根据本公开的另一实施方案的燃烧系统的图示。
图4B是图4A的系统以4B-4B方向截取的截面图。
图5显示连接到根据本公开的一个实施方案的预燃室的氧/煤燃烧器的流送管的示意图。
图6显示有和没有预燃室的燃烧系统的燃料流的速度分布。
图7显示有和没有预燃室的燃烧系统的燃料流的氧浓度。
图8显示有和没有预燃室的燃烧系统的备选燃料流的氧浓度。
图9显示有和没有预燃室的燃烧系统的燃料流的温度分布。
图10显示有和没有预燃室的燃烧系统的备选燃料流的一氧化碳浓度。
图11包括代表在各种阶梯高度（step height）下的最大预燃室长度的图解数据。
图12A显示根据本公开的一个实施方案的预燃室的图示。
图12B是图12A的系统以12B-12B方向截取的截面图。
图13A显示根据本公开的另一实施方案的预燃室的图示。
图13B是图13A的系统以13B-13B方向截取的截面图。
图14A显示根据本公开的另一实施方案的预燃室的图示。
图14B是图14A的系统以14B-14B方向截取的截面图。
图15A显示根据本公开的另一实施方案的预燃室的图示。
图15B是图15A的系统以15B-15B方向截取的截面图。
图16A显示根据本公开的另一实施方案的预燃室的图示。
图16B是图16A的系统以16B-16B方向截取的截面图。
图17显示根据一个实施方案的预燃室的示例性横截面几何形状。
图18显示根据另一实施方案的预燃室的示例性横截面几何形状。
图19显示根据又一实施方案的预燃室的示例性横截面几何形状。
图20显示根据又一实施方案的预燃室的示例性横截面几何形状。
图21显示根据又一实施方案的预燃室的示例性横截面几何形状。
图22显示根据又一实施方案的预燃室的示例性横截面几何形状。
只要可能，在所有附图中使用相同标号代表相同部件。
发明详述
本文所用的术语“固体燃料”是指适合燃烧用途的任何固体燃料。例如，本公开可用于许多类型的固体燃料，包括但不限于：无烟煤、烟煤、次烟煤和褐煤；焦油；沥青；石油焦；造纸厂污泥固体物和下水道污泥固体物；木材；泥炭；草；和所有这些燃料的组合和混合物。本文所用的术语“氧气” 是指O2浓度大于30摩尔%；优选大于80摩尔%的氧化剂。本文所用的术语氧/煤燃烧是指在氧气中的煤燃烧，术语空气/煤燃烧是指在空气中的煤燃烧，术语氧/燃料燃烧是指在氧气中的固体燃料燃烧，和术语空气/燃料燃烧是指在空气中的固体燃料燃烧。本文所用的术语“燃烧流体”是指由燃烧产物形成和/或与燃烧产物混合的流体，其可用于对流传热。该术语不限于燃烧产物并可包括与至少一部分燃烧系统混合或以其它方式行经至少一部分燃烧系统的流体。本文所用的术语“再循环烟道气”或“RFG”是指再循环到该系统任何部分的离开对流段的燃烧流体。本文所用的术语“烟道气再循环”或“FGR”是指允许燃烧流体再循环到再循环烟道气中的构造。
为了提供有效的锅炉或炉运行，促进稳定燃烧是合意的。粉状燃料的稳定燃烧取决于如下因素：粉状燃料研磨尺寸、孔隙率、挥发物含量、燃烧器空气动力学(burner aerodynamics)、燃烧室温度和总化学计量学。通常，提高燃料挥发物含量改进火焰稳定性，因为挥发物燃烧是焦炭（即固体粒子）燃烧的初级阶段中主要的粒子加热源。
传统上使用空气作为氧化剂进行用于动力锅炉的煤燃烧。由于烟道气流中提高的CO2浓度，在燃煤设施中采用CO2封存(sequestration)导致使用合成空气（O2浓度小于35%的O2/CO2混合物）和基本纯O2作为氧化剂更加合意。但是，在合成空气和基本纯O2中的煤燃烧法（统称为氧/煤燃烧）不同于在空气中的煤燃烧（被称作空气/煤燃烧）。氧/煤燃烧不同于空气/煤燃烧，因为氧/煤燃烧通常具有更高的火焰温度和不同的火焰动量。对改型装置而言，这些差异尤其重要，因为氧/煤火焰必须适用于现有燃烧室。另外，随着用于氧/煤燃烧的氧化剂中的氧气浓度提高，火焰温度和炉中成渣组分的浓度也提高。
无预燃室的已知氧/煤燃烧器的一般示意图显示在图1A、1B、2A和2B中。图1A、1B、2A和2B显示无预燃室的氧/煤燃烧器。图1A、1B、2A和2B中所示的布置包括通向炉104的燃烧器109。氧气111从氧气源113经由注氧导管127送入燃烧器109。燃料115从燃料源117送入燃烧器109。随着燃料115和氧气111离开燃烧器喷嘴125，它们开始混合并在进入炉104时燃烧形成燃烧流体流108。所形成的烟道气129离开炉104并被送往对流段（未显示）或其它合适的热交换器系统以从烟道气中回收热。氧气111和燃料115混合并进入炉104烟道气再循环区145。在烟道气再循环区145中，氧气111开始与炉气体混合。烟道气再循环区145中的混合造成氧气111稀释，从而造成减小的燃烧。此外，烟道气再循环区145吸取富含成渣组分的烟道气且该富含成渣组分的烟道气与燃烧器喷嘴125接触（draws flue gases high in slag-forming components and into contact with the burner nozzle 125），这可能堵塞燃烧器109或使燃烧器109结垢。这些作用是不合意的并造成较不稳定的燃烧、较低燃料燃尽（burnout）和燃烧器劣化。类似于图1A中，图2A的已知氧/煤燃烧器包括布置在燃烧器喷嘴125周围的注氧导管127。此外，燃烧器109包括再循环烟道气导管131，由再循环烟道气或RFG源121或其它烟道气再循环装置经其提供再循环烟道气119。
不同于具有这些问题的系统且如图3A、3B、4A和4B中所示，本公开的实施方案在进入炉104之前包括的预燃室300，该的预燃室具有紧邻固体燃料入口305下游的阶梯303。在图3A和3B中，燃料115和氧气111离开入口125和注氧导管 127并进入室301。燃料和氧气优选以基本平行流形式提供。“平行流”是指燃料和氧气从入口125和注氧导管127以基本一致的方向提供。平行流可包括，但不限于同轴流、单向流、非旋流、非涡流或包括单向流体（例如燃料和氧气）流的任何其它流。室301包括可发生燃烧的空间或区域。该室优选允许燃烧流体流108经预燃室300畅通无阻地流至炉104。氧气111从氧气源113经注氧导管127送入预燃室300。燃料115从燃料源117送入入口305和预燃室300。在燃料115和氧气111离开入口305和注氧导管127时，它们开始混合并在它们经过室301时燃烧形成燃烧流体流108。燃烧流体流108包括该燃烧方法中优选的流体流。尽管不受限制，燃烧流体流108可包括火焰。但是，燃烧流体流108可包括在火焰外的流体流。燃烧流体流108包括将流体以至少部分燃烧的产物形式送入炉104的惯性和速度。所述至少部分燃烧产物随后作为烟道气129离开炉。烟道气129离开炉104并被送往对流段（未显示）或其它合适的热交换器系统以从烟道气中回收热。
在图4A和4B中所示的实施方案中，预燃室进一步包括沿注氧导管127的外缘布置的再循环烟道气导管131。从RFG源121或其它烟道气再循环部件向再循环烟道气导管131提供再循环烟道气119。再循环烟道气119进入室301并在预燃室再循环区307中与氧气111和固体燃料115混合。向燃烧流体流108提供氧气、再循环烟道气、燃料、燃料载体和其它材料的导管（包括但不限于入口205、注氧导管127和再循环烟道气导管131）包括预燃室300的“入口”。
在图3A、3B、4A和4B的所示实施方案中，预燃室300在预燃室再循环区307中提供氧气和固体燃料之间的增加的接触时间。预燃室再循环区307的形成由此提高局部燃烧流体流108和/或火焰温度和点火稳定性。预燃室再循环区307在室301内由离开入口125和注氧导管 127的一部分氧气111和固体燃料115的再循环形成。再循环阶梯303的尺寸和位置在预燃室内形成允许再循环的较低压力区（即形成预燃室再循环区307），同时基本防止来自炉104内（例如，烟道气再循环145）的流体进入预燃室 300和干扰其中发生的燃烧反应。换言之，室301的限定空间限制炉气体夹带到燃烧器中，由此降低燃烧器部件暴露在炉的腐蚀性环境中。由与燃烧流体流108相反方向的污染物再循环造成炉气体夹带。
根据本公开的实施方案的具有再循环阶梯303的用于氧/煤燃烧的预燃室300可以是火焰引燃器和/或火焰控制装置。预燃室300可改进燃烧器耐久性和寿命。预燃室300可通过防止氧化剂和固体燃料流被燃烧流体稀释直至开始燃烧来充当火焰引燃器。该氧气可包括合成空气（例如，O2浓度20%<O2<35%）、高浓度O2合成空气（35%<O<75%）或基本纯氧（O2>75%）。燃料115可以是固体燃料，如由载气，如再循环烟道气、纯化CO2、氮气或空气传送的煤或石油焦。再循环烟道气（RFG）可以使用高温或低温流（即原始烟道气或以某种方式提纯以减少水、微粒、NOx、SOx或其它组分的烟道气）再循环。
如图3A和3B中所示，预燃室300包括经构造以提供预燃室再循环区307的尺寸。预燃室300包括预燃室长度（L）。预燃室长度从再循环阶梯303延伸至炉104的入口。此外，预燃室包括在室301的外壁之间延伸的预燃室直径（Dp）。在横截面几何形状为非圆形的实施方案中，可以作为平均值或代表性直径测量预燃室直径（Dp）。预燃室300进一步包括阶梯高度（h），其是从外导管延伸到室301的外表面的长度。例如，在图3A的实施方案中，从注氧导管127的内表面的最外缘到室301的外缘（例如，从入口125（在此从注氧导管127中排出氧气）的最远点到预燃室的内部外表面）测量阶梯高度（h）。在图4A的实施方案中，例如，从再循环烟道气导管131的内表面的最外缘到室301的外缘（例如从入口125（在此从再循环烟道气导管131中排出再循环烟道气）的最远点到预燃室的内部外表面）测量阶梯高度（h）。在沿预燃室300的外缘包括导管（例如再循环流体气体导管131）的实施方案中，从环形延伸到预燃室表面的注氧导管127的外缘测量阶梯高度（h），该表面允许形成预燃室再循环区307。在另一些实施方案中，阶梯高度（h）包括沿预燃室300的内表面延伸的表面，该内表面允许预燃室再循环区307的形成。预燃室300进一步包括入口直径（d），其是在预燃室300的外导管127和131的边缘之间延伸的长度。例如，在图3A中，入口直径（d）从注氧导管127的外缘延伸。在图4A中所示的实施方案中，入口直径（d）从再循环烟道气导管131的外缘延伸。
为了建立根据本公开的再循环区307，使用最小预燃室长度。如下显示阶梯高度（h）和最小预燃室长度（L）之间的关系。太大的阶梯高度（h）造成预燃室再循环区和炉气体之间的交流。为保持再循环区307的独立性，预燃室长度必须大于阶梯高度（h）的大约5倍。
L ≥ 5 * h [1]
但是，太长的预燃室300会造成过高的预燃室温度，因为火焰直径变得大到足以接触预燃室300。最大预燃室长度与阶梯高度（h）和入口喷嘴（d）或预燃室直径（Dp）相关。为提供根据本公开的再循环区307，使用最大预燃室长度。用下列关系式测定最大预燃室长度（见方程式2，下面和图11）。
Figure 265423DEST_PATH_IMAGE001
[2]
如果需要预燃室300的进一步降温，可以使用水冷。
为了建立根据本公开的再循环区307，使用预燃室直径与入口直径（d）的预定比率。预燃室直径（Dp）与入口直径（d）的比率的极限如方程式3中所示大于1.2和小于2.4。
Figure 182563DEST_PATH_IMAGE002
[3]
相应地，阶梯303高度（h）通过方程式4与入口直径（d）相关联。
Figure 962301DEST_PATH_IMAGE003
[4]
预燃室再循环区307的加入带来的改进的预混可产生具有较少残留炭的改进的燃尽。与使用空气相比较高的氧气浓度和预燃室再循环区307的加入可由于需要较少过量氧气就可完成燃烧而提供降低的氧气消耗成本。预燃室再循环区307的加入可更好控制氧气引入之处，由此实现更有效燃烧。
为了例证预燃室对燃烧流体流108的影响，进行计算流体动力学（CFD）模拟。商业CFD套装FLUENT™用于此用途。建模结果显示在图6-10中。该模拟使用非预混的概率密度函数（PDF）燃烧模型、离散纵坐标辐射模型和k-ε湍流模型。通过CO2运载的烟煤首先以粒子形式进入燃烧区。一旦煤粒子达到400K（260°F）的温度，开始脱挥发分，并以50l/s的恒定速率继续，直至所有挥发物转化成气体燃料。在脱挥发分后，残留煤粒子发生表面反应以将可燃物转化成气体燃料。以70 MMBtu/hr的燃烧速率进行该模拟。载流比（Ib CO2 / Ib煤）为1.623。煤-载体速度为大约75 ft/s。该燃烧室为20英尺直径和40英尺长度。在室壁处采用对流边界条件，其中环境温度为500 K（440°F）且传热系数为1000 W/m2-K。
用于固体燃料燃烧的预燃室阶梯303提供至少两个要素以改进燃烧器性能。图5是燃烧流体流108的流线(stream lines)示意图，显示连接到带有阶梯303的预燃室300上的氧/煤燃烧器的结果。在图5中可以看出，存在紧邻入口喷嘴的预燃室再循环区307，这改进燃烧流体流108中氧气与燃料的混合。在根据本公开的预燃室300中，该预燃室再循环区307不与炉气体交流（communicate），而是仅在预燃室300的室301内再循环。这种交流的缺乏保护入口喷嘴接触氧/煤燃烧炉104中的高浓度成渣组分并防止燃料和氧气被炉气体过早稀释。
可以控制经入口300传送的物质、固体燃料115、氧气111和/或再循环烟道气119（参见例如，图3A和4A）的速度以改进火焰稳定性，由此使所得灰分中未燃碳低于传统方法。改变经过入口305的流体、固体燃料115的载体、氧气111和/或再循环烟道气119的流速可实现火焰几何形状的控制、改进的热通量、动量控制和/或火焰长度控制。再循环区307也将附加的阻力（drag）引入预燃室300，由此降低离开的火焰速度和促进不同流体之间的混合（例如氧气111和固体燃料115之间的混合）。
在图6-10中例证再循环作用。在图6A-6D中，显示Y-速度。在图6A中，与图1A中所示类似地显示燃烧器的Y-速度。图6B是在与图3A相同的离开速度和入口305直径下，但预燃室直径（Dp = 2.3 ft）两倍于入口直径和注氧导管直径（d）的总和。在这种情况下预燃室的长度（L）为7.0英尺。比较图6A与图6B，可以看出，预燃室减慢中心线喷射燃烧速度。在图6C和6D中可以看出证实这种减慢是再循环阶梯303（h）的结果的证据。这两个图具有相同预燃室直径（Dp = 1.7 ft）和预燃室长度（L = 3.5 ft）和相同燃烧速率，但在图6C中h=0，而在图6D中h=3.8英寸。比较这两个图可以看出，图6D的中心线燃烧喷射速度慢于图6C。
再循环区对氧化剂流与燃料流之间的混合的结果可见于图7A-7D和图8A-8D。对其余模拟图而言，子集A、B、C和D显示与对图6A-6D解释的相同的模拟情况。图7显示预燃室300中和遍布该炉中的氧气浓度。在此可以看出， 与无预燃室（参见例如，图8A）或无阶梯303（参见例如，图8B）的情况相比，带有阶梯303的预燃室300提供额外混合。这在如图8中所示的预燃室300附近的短距离内尤其可看出，其中各轮廓线代表均匀浓度，其中各相邻轮廓线包括相同的浓度差。图8B显示由于与燃料流而非炉气体混合，O2浓度沿预燃室300的长度的显著降低。图8A显示氧气流在炉104中基本立即被炉气体稀释，这导致更长火焰长度（见图9和10）。带有预燃室阶梯303的图8D也表现出比无预燃室阶梯303的图8C更多的氧气与燃料流的混合，但是该差异不那样显著。这归因于图8D比图8B小的阶梯高度（h）。此外，由于流速度的差异，在氧气和燃料流之间存在一定混合。由于氧气入口面积（即，注氧导管127）在图8C中比在图8D中大，氧气速度较低。这种较低速度造成氧气和燃料流之间的速度差增大，其由此促进额外混合。随着阶梯303高度提高，氧气和燃料流之间的混合量级提高。
预燃室300在炉104和入口305注氧导管127和/或再循环烟道气导管131之间提供屏障。通过由预燃室300的存在提供的屏蔽，保护入口305注氧导管 127和/或再循环烟道气导管131中的金属部件免受炉104中的主火焰辐射。这种屏障可以为一个或多个入口305注氧导管127和/或再循环烟道气导管131上可能存在的端头（tips）、喷嘴和/或其它结构提供额外保护。不存在和存在预燃室的情况下近燃烧器面火焰温度之间的比较可见于图9。如图9A、9C和9D中所示，使用计算流体动力学（CFD）估计温度并表现出在入口305注氧导管127和/或再循环烟道气导管131附近的区域中存在的较低温度。相反，如图9A中所示，在燃烧器109处和附近观察到高温。
除由带有阶梯的(stepped)预燃室300引入的较短火焰长度外，燃烧强度也提高。图6B显示出在带有阶梯的预燃室的情况下比图6A中所示的无预燃室的情况高的最大火焰温度。图7B也显示出比图7A中高的最大CO浓度，表明较高的燃烧强度。在图6C、6D、7C和7D中，在带有阶梯的预燃室的情况下也观察到略微更短的火焰长度，但由于上述原因，作用较小。所有这些结果表明，带有阶梯的预燃室提供氧化剂和燃料流之间的更好混合，由此在预燃室出口附近产生更短和更稳定的火焰和更强的燃烧。这些结果造成更好的燃料燃尽。与无预燃室的燃烧器相比，带有阶梯的预燃室在炉中点处的碳燃尽高55%。
燃料流的速度优选为大约50至100英尺/秒。氧化剂速度和应接近氧化剂速度的任选RFG流速度，应优选小于燃料流速度以促成预燃室再循环区307，但可能处于略高于燃料流的速度。对于使用1.6 lb CO2传送1 lb煤的在2%O2过量和假定0.3英寸的金属壁厚度下在O2中的烟煤燃烧，遵循上述设计参数的实施例构造显示在表1中。显示受方程式4限制的最小和最大阶梯尺寸的结果。
表1：实施例构造
Figure 669094DEST_PATH_IMAGE004
本公开包括连接到紧邻炉的预燃室的用于固体燃料（优选煤、石油焦或生物质）燃烧的燃烧装置，与无预燃室的燃烧器比较（比较图1A、2A、3A和4A）。该燃烧器由被氧化剂流和任选RGG流包围的固体燃料流（和载流）构成。这些流通常进入基本无旋流（swirl）的未混合的预燃室。该预燃室内径大于燃烧器排出喷嘴以在燃烧器端头附近建立再循环区。燃烧器和预燃室的横截面优选，但不限于，基本圆形几何形状。
也可以采用包含再循环烟道气（RFG）的预燃室和系统设计。利用注氧和再循环烟道气的示例性实施方案显示在图12A、12B、13A、13B、14A、14B、15A、15B、16A和16B中。图12A、12B、13A、13B、14A、14B、15A、15B、16A和16B的每个中的布置包括上文相对图3A、3B、4A和4B显示和论述的部件。在图12A和12B中，将RFG 119添加到燃料115和来自RFG源121的载气流中。在图13A和13B中，将RFG 119添加到氧气111中，由此稀释氧气浓度但不降低燃烧流体流108温度。在图14A和14B和15A和15B中，将RFG 119添加到氧气111外部。在将RFG 119添加到预燃室时，将RFG 119注入到氧气外部的实施方案更优选，因为RFG 119不稀释氧气111和固体燃料115并产生较不稳定和强度较低的燃烧。但是，在另一些实施方案中不添加RFG 119。图15A和15B是添加RFG 119时合意的构造，因为在再循环阶梯303下游添加RFG 119，由此限制RFG 119和氧气111之间的混合，同时为预燃室300提供防火焰保护。另外，在本发明的任何实施方案中可以在燃料115中心添加除氧气111外的氧化剂流以进一步改进火焰稳定性。
在本发明的优选实施方案中，连接的燃烧器通常是圆形的，其中中心环状（center annulus）固体燃料115被氧化剂流包围。由少量RFG传送固体燃料115且氧气为基本纯氧（>90%）。固体燃料115任选可以由空气、氮气或合成空气传送。参见例如图12A和12B。
在本发明的另一实施方案中，连接的预燃室300通常是圆形的，其中中心环状固体燃料流被氧气流包围，该氧气流进一步被RFG包围。由少量RFG传送固体燃料115且氧气为基本纯氧（>90%）或合成空气。固体燃料任选可以由空气、氮气或合成空气传送。优选构造显示在图14A和14B中。
在另一实施方案中，预燃室可包括提供第二氧气流的中心环状物，其至少部分被燃料包围，该燃料进一步被氧气包围。
燃料和O2喷嘴的周界也可以是非圆形的以促进这两种流体之间的额外混合。这两种流体之间的可能的界面的实例显示在图17-22中。
由于预燃室阶梯，本公开不仅适用于固体燃料，还适用于由于它们难以实现稳定燃烧而低生热的气态（即在体积基础上比H2低的热值）和液态燃料。这些燃料的实例包括提纯系统废气（例如变压吸附吹扫气体）、高炉废气（blast furnace off gas）、甘油和具有高水含量的废液燃料。预燃室内的阶梯为这些燃料提供额外火焰稳定性，这是现有技术中未知的。
尽管上文已关于连接到炉或紧邻炉的预燃室300进行了显示和描述，但也可以在燃烧系统的其它部分中，例如在对流段中或在燃烧系统的其它区段中，提供预燃室 300。此外，预燃室300可位于远离炉或燃烧系统的其它区段的位置，其中将燃烧流体流108导向或以其它方式送入炉或燃烧系统的其它区段。
尽管已参照优选实施方案描述本发明，但本领域技术人员会理解，可以在不脱离本发明的范围的情况下作出各种变动并可将其要素换成对等物。此外，可以在不脱离其基本范围的情况下对本发明的教导作出许多修改以适应特定情况或材料。因此，本发明无意局限于作为本发明的最佳实施方式公开的具体实施方案，但本发明包括落在所附权利要求的范围内的所有实施方案。

Claims (24)

1. 预燃室，包含：
具有第一端和第二端的室，和在该第一端的经构造以输送被氧气包围的基本平行的固体燃料流的入口，该第一端进一步包括再循环阶梯，该第二端与炉流体连通；和
其中该入口与该再循环阶梯经安排以形成至少一部分的该固体燃料和该氧气的再循环区。
2. 权利要求1的预燃室，其中进一步构造该入口以提供再循环烟道气。
3. 权利要求2的预燃室，其中进一步构造该入口以在该再循环阶梯的下游提供再循环烟道气。
4. 权利要求1的预燃室，其中该入口包括经构造以提供固体燃料的入口。
5. 权利要求1的预燃室，其中构造该预燃室以使：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中Dp是该室直径且d是该入口直径。
6. 权利要求1的预燃室，其中该室具有长度（L）并且其大于或等于该再循环阶梯长度（h）的大约5倍。
7. 权利要求1的预燃室，其中构造该预燃室以使：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
[2]
其中L是预燃室长度，d是该入口直径且h是该阶梯高度。
8. 权利要求1的预燃室，其中构造该预燃室以使：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
其中d是该入口直径且h是该阶梯高度。
9. 权利要求1的预燃室，其中该预燃室包括圆形横截面几何形状。
10. 权利要求1的预燃室，其中该预燃室包括非圆形横截面几何形状。
11. 权利要求1的预燃室，其中该入口经构造以输送至少部分地被燃料包围的第二氧气流。
12. 燃烧系统，包含：
炉和；
至少一个预燃室，所述至少一个预燃室具有室，该室具有第一端和第二端，和在该第一端的经构造以输送被氧气包围的基本平行的固体燃料流的入口，该第一端进一步包括再循环阶梯，该第二端与该炉流体连通；
其中该入口与该再循环阶梯经安排以形成至少一部分的该固体燃料和该氧气的再循环区。
13. 权利要求12的系统，其中进一步构造该入口以提供再循环烟道气。
14. 权利要求13的系统，其中进一步构造该入口以在该再循环阶梯的下游提供再循环烟道气。
15. 权利要求12的系统，其中该入口包括经构造以提供该固体燃料的入口。
16. 权利要求12的系统，其中构造该预燃室以使：
其中Dp是该室直径且d是该入口直径。
17. 权利要求12的系统，其中该室具有长度（L）并且其大于或等于该再循环阶梯长度（h）的大约5倍。
18. 权利要求12的系统，其中构造该预燃室以使：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
[2]
其中L是预燃室长度，d是该入口直径且h是该阶梯高度。
19. 权利要求12的系统，其中构造该预燃室以使：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
其中d是该入口直径且h是该阶梯高度。
20. 权利要求12的系统，其中该预燃室包括圆形横截面几何形状。
21. 权利要求12的系统，其中该预燃室包括非圆形横截面几何形状。
22. 权利要求12的系统，其中构造该入口以输送至少部分地被燃料包围的第二氧气流。
23. 运行燃烧系统的方法，包括：
提供炉；
提供至少一个预燃室，该预燃室具有室，该室具有第一端和第二端，和在该第一端的经构造以输送被氧气包围的基本平行的固体燃料流的入口，该第一端进一步包括再循环阶梯，该第二端与炉流体连通；和
向该入口输送该固体燃料和该氧气以形成至少一部分该固体燃料和该氧气的再循环区。
24. 权利要求23的方法，进一步包括输送至少部分地被燃料包围的第二氧气流。
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