CN1035172A - 带旋流冷却面的部分燃烧式燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种碳质燃料部分燃烧用的燃烧器，煤，例如煤 粉，通过沿燃烧器纵轴设置的中心通道进入反应器空 间内，含氧气体至少通过一个围绕该中心通道的环形 通道送入，燃烧产生的热量被围绕燃烧器纵轴旋转流 动的冷却剂由燃烧器前空心端带走。

Description

本发明涉及到碳质燃料部分燃烧用的燃烧器，特别是用于煤粉等细碎的固体燃料的部分燃烧，燃料与含氧气体一起送入工作压力高达100巴的反应器空间内，以产生压力合成气体、可燃气体或还原气体。

碳质固体燃料的部分燃烧也叫气化，它是通过燃料与氧气发生反应产生的。燃料主要含有碳和氢之类可燃成分，它与输入的氧气和可能含有的其它蒸汽和二氧化碳发生反应而生成一氧化碳和氢气。在某种温度下还可能生成甲烷。

固体燃料部分燃烧基本上有两种不同过程。第一种过程是粒子状的固体燃烧在反应器固定床或流化床内，在大约低于1000℃的温度下与含氧气体进行接触。这种方法的缺点是：不是所有的固体燃料都能以这种方式部分燃烧。例如高膨胀煤就不合适，因为其粒子容易结渣而使反应器有被堵塞的危险。

一种比较先进的过程是细碎的燃料被氮或合成气之类载运气体在较高的速度下送入反应器内。在反应器内保持火焰，使燃料与含氧气体在高于1000℃的温度下发生反应。碳质燃料通常通过燃烧器送入反应器内，含氧气体也是通过燃烧器送入反应器内。在某些工艺过程中，蒸汽或二氧化碳等调节气体也通过燃烧器送入反应器内，这种调节气体通常有利于减慢或防止氧气与反应器气体过早接触，过早接触将导致反应器气体不理想地完全转化。

本发明的燃烧器适合于采用任意方式（垂直的或水平的方式）将反应物送入常规的、有耐火衬的部分氧化气体发生器中，特别适用于有多个反应物燃烧器的固体燃烧气化装置，燃烧器设在燃烧区相对的两侧，使反应物水平方向送入，燃烧器的各射流互相冲击，以促进部分氧化过程並减少对耐火壁的烧蚀。

因为火焰温度可能达到2000℃或更高，所以对这种燃烧器首先关心的是防止在气化过程中高热流对燃烧器前端面的损坏，也涉及对燃烧器表面的损坏。为了防止燃烧器前端面过热，已建议在燃烧器的前壁表面上加一层耐火衬面，和提供一个有内部冷却通道的空心壁构件，冷却液通过通道快速循环。

因此，本发明的目的是提供一种燃烧器，使其中的冷却液沿特定方式流动，保证燃烧器的前端面均匀冷却，以最大限度地减小热应力，因为在燃烧器长期工作时，热应力能使其损伤甚至损坏。

本发明为此提供一种燃烧器，供细碎固体碳质燃料与含氧气体一起在燃烧区内部分燃烧使用，其特征如下：

有一个往燃烧区送燃料用的中心通道和出口;

至少有一个与该中心通道同轴、基本上是环形的第一环形通道，它有一个往燃烧区送氧化剂气体的供气口;

在燃烧器输出端有一垂直于燃烧器纵轴的前端面，前端面有一中心孔，至少有燃料和氧化剂气体通过该中心孔流入燃烧区;该前端面有一空心壁构件接至：（a）用来将流体冷却剂送至空心壁构件内通道的最靠近的初始端的输送管;（b）用来将流体冷却剂由该通道的终端就近送回的回流管;（c）一个限定该空心壁构件内通道的旋流装置，使由输送管送入空心壁构件的流体冷却剂围绕燃烧器的纵轴沿螺旋方向流动。

最好有一个基本上是环形的第二环形通道，第二环形通道与该第一环形通道同轴布置，並有一个往燃烧区内送第二种气体的供气口。

这样，本发明提供了一种燃烧器，它能够长期运行，能使燃烧器前端面和燃烧器其它部分不受过高应力影响。

现参照附图举例对本发明进行详细说明如下：

图1为本发明燃烧器前端部分的纵剖面图;

图2为沿图1的Ⅱ-Ⅱ剖面线的横剖面图;

图3为本发明的另一燃烧器前端部分的纵剖面图;

图4为沿图3的Ⅲ-Ⅲ剖面线的横剖面图。

应当指出，图中相同构件均用相同标号示出。

参见图1和图2，煤粉之类的碳质燃料部分燃烧用的燃烧器，以标号10总体表示，它有一个沿纵轴14设置的中心通道12和一个用氮、二氧化碳或合成气体之类的载气体往燃烧区送细碎固体燃料（箭头A）的出口16。围绕中心通道12同心设置基本上呈环形的送氧化气体（箭头B）的第一环形通道18，它有一自由端20形成一个出口，将氧化剂气流送入燃烧区。出口20与纵轴14的夹角最好是15到60度左右，以便使其射出的含氧气体气流与由出口16射入下游燃烧区内的固体燃料流相交並混合。氧化剂气体将是含氧的气体，也可以是含氧气体与一种蒸汽或二氧化碳之类调节气体的混合气。采用常规的隔离装置来使通彼此径向隔开，例如用定位销、定位片、定心叶片、隔片或其它常规手段使各个通道互相对称隔开，並使其稳定对准，使其对反应物的自由流通阻碍最小。

燃烧器10还有一个空心筒壁构件26，它有一个形成前端面28的扩大顶端部分，前端面28与燃烧器的纵轴14相垂直，空心壁构件内部设有旋流装置29，该设置可以是多少可以透流体的，但是最好是不透流体的屏蔽层，形成一个螺旋通道30，该通道的一端接至往螺旋通道送流体冷却剂（箭头C）的输送管34上，该螺旋通道的另一端接至由通道30（箭头D）送出冷却剂的回流管32上。输送管可以随意接至螺旋通道的任意一端，而回流管可以接到另一端。但是最好将输送管输送的流体冷却剂，特别是象软化水之类的液体冷却剂，送至螺旋通道30的外端。

本发明的一个优点是使在燃烧器端面下游燃烧产生的热量可以进行对流和辐射传导，而避免空心壁构件中的冷却液基本上沸腾或完全沸腾。采用高速冷却液通过螺旋通道可以保证燃烧器端面温度均匀、金属温度低，从而延长燃烧器的寿命。

当采用水作为冷却剂时，送入空心壁构件中的水流量应足够大，以便在燃烧器最大热输出时进入回流管中的水温升高大致不超过约5℃，特别是小于3℃左右。最好是采用温度低于大约210℃的软化水作为冷却剂。

当上述燃烧器10借助含氧气体使碳质燃料（例如煤粉）气化时，悬浮在氮、合成气体和二氧化碳之类的载运流体中的煤粉即通过中心通道12送至出口16，以便送入设在燃烧器下游的反应器的燃烧区内，同时，含氧气体通过环形通道18送至出口20，使煤与含氧气体反应物在反应器空间内彻底混合，相应通道内的挡板涡旋体（未示出）使一股或两股射流产生的旋涡运动进一步促进反应物混合。为了使煤的输出量稳定，至少使燃烧器中心通道12靠近出口处的一段输送煤流的横截面保持不变。

当燃烧器工作使粉状燃料气化时，还可以将温度调节气体如蒸汽、二氧化碳或氮气送入环形通道的输入管线内，将含氧气体与调节气体的混合气通过环形通道18送至出口20以控制温度，並根据需要来限制氧气量。粉状燃料流量及与温度调节气体任意混合的含氧气体的流量用燃烧器上游每根输入管线上的流量控制网（未示出）进行控制。燃烧器的燃料耗量，即燃烧器调大火或调小火，是通过改变每股射流流量来实现的，同时保持氧原子与固体进料中的碳的比值基本不变。每吨不含水分和灰分的煤需要0.9到1吨氧气，这对无烟煤来说是相当典型的;低品位煤每吨需要0.7吨氧气是更具有代表性的。

参见图3和图4，示出了一种燃烧器，围绕其第一环形通道18同心设置了供第二种气体用的基本上是环形的第二环形通道22，第二种气体可以是含氧气体、调节气体（如蒸汽或二氧化碳）或含氧气体与调节气体的混合气。环形通道22有一自由端24形成一个第二种气体流入燃烧区的出口，该出口24通常与纵轴14构成的角度相同，但是当第二环形通道用来往燃烧区输送调节气或保护气时，最好使该出口扩开，即收缩度较小。第二环形通道的截面积除以第一环形通道截面积的比值约为0.5到2，例如0.75到1.5。

当燃烧器工作使粉状燃料气化时，第二种气体通过环形通道22输至出口24，以便按需要输入补充氧气。第二种气体可以是含氧气体、温度调节气体（如蒸汽、二氧化碳或氮气）或含氧气体与调节气体的混合气。当第二种气体含有大量调节气体时，则在煤与氧气射流周围形成一个屏蔽层，调节气体屏蔽层可能有利于防止氧气与反ζ髌骞缃哟ィ缃哟ソ贾路从ζ髌宀焕硐氲赝耆Ｗ詈檬峭ü礁鐾ǖ朗渌秃跗澹骄魉僭?5至100米/秒，通过第一（最里边的）环形通道出口的气体流速稍低于通过第二环形通道出口送至燃烧区的气体流速。

粉状燃料、含氧气体和第二种气体的各自流量，由燃烧器的每条输送管线上的流量控制阀来控制。燃烧器的燃料耗量，即燃烧器调大火或调小火，是通过改变每股射流流量来实现的，同时保持氧原子与固体进料中的碳的比值基本不变。通常每吨不含水分和灰分的煤需要0.9到1吨氧气，这对无烟煤来说是相当典型的;低品位煤每吨需要0.7吨氧气是更具有代表性的。除了寿命长之外，本发明燃烧器的优点是它有一个往燃烧区输送第二种气体的通道，它可以在多种工作要求条件下更为灵活地输送反应物。

燃烧器通常用耐高温材料制造，特别是用耐高温金属和合金制造，並采用这类材料常用的焊接和（或）钎焊技术制造。为了大功率运行，通常可以在用金属制造的含氧气体通道和出口的内表面涂一层氧化锆（ZrO₂）之类的氧化层或陶瓷涂层，以便可以采用高的含氧气体流速，而不致使金属被氧气燃烧。

此处使用的固体碳质燃料-词系指包括煤、焦碳、煤的液化残渣石油焦、由油母页岩产生的碳黑和固体粒子、油砂和焦油沥青之类的各种材料及其混合物。煤可以是各种煤，包或褐煤、次烟煤、烟煤和无烟煤。固体碳质燃料最好磨成细颗粒，使至少有约占重量90%的燃料粒径小于90微米，含水量约小于重量的5%。

此处使用的“含氧气体”一词系指游离氧，就是未化合的氧，並包括空气、富氧空气（含氧量大于21%克分子）和基本上的纯氧（含氧量约大于95%克分子），在上述气体中还含有空气中通常含有的其它气体，如氮和稀有气体。

本发明的各种改型对于熟悉本领域的人来说，由上述说明和附图中是可以明白的，这些改型都将属于附后的权利要求范围之内。

Claims (5)

1、细碎的固体碳质燃料与含氧气体一起在燃烧区内部分燃烧用的一种燃烧器，其特征是：

有一个往燃烧区送燃料用的中心通道和出口；

至少有一个与该中心通道同轴、基本上是环形的第一环形通道，它有一个往燃烧区送氧化剂气体的供气口；

在燃烧器排出端有一垂直于燃烧器纵轴的前端面，前端面有一中心孔，至少有燃料和氧化剂气体通过该中心孔流入燃烧区；该前端面有一空心壁构件接至：(a)用来将流体冷却剂送至空心壁构件内通道的最靠近的初始端的输送管；(b)用来将流体冷却剂由该通道的终端就近送回的回流管；(c)一个限定该空心壁构件内通道的旋流装置，使由输送管送入空心壁构件的流体冷却剂围绕燃烧器的纵轴沿螺旋方向流动。

2、根据权利要求1的燃烧器，其特征是它有一个基本上是环形的第二环形通道，第二环形通道与该第一环形通道同轴布置，並有一个往燃烧区内送第二种气体的供气口，第二种气体通过燃烧器前端面上的中心孔流入燃烧区。

3、根据权利要求1或2的燃烧器，其特征是该旋流装置具有连续的、不渗透的屏蔽层，以便在空心壁构件内形成一个螺旋通道。

4、根据权利要求1或2的燃烧器，其特征是该空心壁构件的冷却流体的通道终端设在靠近该中心孔处。

5、根据权利要求2的燃烧器，其特征是第一环形通道与第二环形通道分别接至含氧气体气源，可以单独进行压力和流量控制。

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