CN103906975A - 用于生物质燃烧的预燃烧器系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种包括点火室的预燃烧器系统，所述点火室具有前壁、中心轴、直径D_ic和配置用于排出产物气体的出口。所述点火室包括中心点火氧注射器和切向第一燃料注射器，所述中心点火氧注射器配置用于从前壁与中心轴基本平行地注射第一氧流，所述切向第一燃料注射器配置用于在前壁下游轴向距离X_pf的位置与中心轴相切地注入第一燃料流。比率X_pf/D_ic为0.25-4.0。中心轴与垂线形成角α，角α小于或等于约45度。第一燃料流的轨道与垂直于中心轴的平面形成角Θ，角Θ小于或等于约20度。还公开一种燃烧方法。

Description

用于生物质燃烧的预燃烧器系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年11月11日提交的美国临时专利申请号61/558,531的优先权和权益，所述申请通过引用以其全文并入本文。

本发明的主题涉及2010年7月29日分别提交的共同待审和共同转让的美国专利申请号12/845,826和12/845,879。这些专利申请的公开内容通过引用并入本文。

发明背景

本发明的主题涉及燃烧系统和方法。特别地，本发明涉及用于在蒸汽发生锅炉中燃烧负载水分的燃料（诸如生物质）的燃烧系统和方法。

粉煤为用于炉或蒸汽发生锅炉的常规燃料。期望在某些情况下用替代燃料代替或补充粉煤。粉煤一般具有约30-40微米的质量平均粒径，这使其在燃烧区内在1-2秒的停留时间以悬浮体基本完全燃烧。然而，很多替代燃料（诸如各种生物质燃料）不能研磨为像煤那样细；结果是平均粒径为约1mm（1000微米），其中很多颗粒大到数mm。燃烧这些较大的替代燃料一般既不稳定又不完全。此外，大部分这些燃料比煤具有更高的水分含量和更低的比能量含量，因此不能产生足够高的火焰温度以保持锅炉系统的设计传热。因此导致锅炉蒸汽产出的高成本的速率下降。

其它固体燃料，诸如石油焦，例如具有非常低的挥发物含量，因此这些燃料很难在常规空中(in-flight)燃烧系统中在通常分配用于该目的的短时间内点火。最终，在一些情况下，期望先进行煤的粉化步骤，从而降低与该预备步骤有关的资本设备和动力成本两者。在这些情况下，本发明提供在常规锅炉和炉中以较大的粒径实现完全燃烧的手段。建模显示这些相对大的和高水分的替代燃料的火焰稳定性和完全的空中燃烧可通过在注入炉或锅炉前预释放水分和预热颗粒来实现。当这种颗粒预热和干燥用氧增强时，结果不仅是稳定和完全的燃烧，而且提高火焰温度和恢复设计锅炉传热率。迄今为止，利用这些非常规燃料作为设计用于常规空中燃烧的炉或锅炉中的唯一能源的尝试大部分导致不完全（即，低效的和/或有害地不稳定的）燃烧。因而，其中利用非常规燃料的空中燃烧的大多数商业应用通过由备选燃料提供总能量的仅一部分量而实现。

过去已使用切向或旋流燃烧器以试图解决固体燃料的干燥、脱挥发分和燃烧的问题。Morgan等人（Morgan, D., Biffin, M., No, S.Y.,和N. Syred,“An Analysis of the Behavior of Non-Slagging, Coal Fired, Cyclone Combustors Using a Phenomenological Model (使用唯象模型分析非-成渣、煤燃烧的旋流燃烧室的性能)”, Twenty Second Symposium (International) on Combustion / The Combustion Institute, 1988, 175-182页）描述了空气-燃料、非-成渣的（即，固体燃料残余物不在反应器内熔化的那种）旋流反应器用于燃烧固体燃料，其中从与固体燃料燃烧的气态产物分开的管道排出固体燃料残余物。然而，测试显示，需要在相对低的温度条件下使大百分比的未燃烧燃料连同固体残余物流离开，以防止燃料成渣。参见Morgan等人的图3，其表明对于大于500微米（1/2mm）的颗粒直径，碳燃尽急剧减少。这是在Morgan等人的装置中发生的固/气分离的固有限制。Sarv等人在国际申请号WO2008/151271中，D’Agostini等人在美国专利号6,910,432、美国专利号6,968,791中和D’Agostini在美国专利申请公布号2012/023823中（它们中的每一个通过引用全文并入本文）公开富氧成渣旋流燃烧室，其中熔化的固体残余物（炉渣）和燃烧的气态产物在分开的流中从燃烧室排出。美国专利6,968,791和美国申请2012/023823还包含沿着旋流反应器的主轴注射带有氧的第二燃料。在美国专利申请2,455,907中Slayter公开一种用于形成玻璃纤维的熔化设备（通过引用以其全文并入本文），其中固体玻璃批料沿着熔化器的轴垂直向下进料。在设备顶部注射空气-燃料气体混合物，以产生加热和熔化玻璃批料的涡流火焰。空气-气体燃烧的气态产物和熔融玻璃两者向下下降到会聚的锥形段，由此将它们排出到前炉内用于要实现的玻璃精炼。

没有现有技术参考文献论述反应室内的特征的尺寸比例的关键程度，特别是也没有论述对必需比例的依赖而产生的独特和必需的流场。事实上，反应室内的特征的尺寸比例对于Morgan等人的装置具有非常低的关键程度，所述装置公开于WO2008/151271，所述装置公开于US 6,910,432，所述装置公开于US 6,968,791和US 2012/023823。这是因为在相应装置内发生的固体和气态相的分离使气态和固体相的流体运动去耦合。熔化设备内的特征的尺寸比例在US 2,455,907内也不是高度关键的，因为沿着熔化设备的壁的玻璃纤维熔体和熔融材料在重力作用下自然流向底部排出口。此外，未提及排出口、设备（熔化室）直径和装置内的流动性质之间的相对尺寸的重要性。

本领域期望的是用于从具有相对高水分含量的固体燃料释放水分和燃烧该固体燃料的系统和方法，其有效并具有高的火焰稳定性和完全的空中燃烧。

发明简述

本发明通过允许在设计用于粉煤燃烧的炉或蒸汽发生锅炉内使用备选固体燃料而解决本领域中的问题。本发明涉及氧/固体燃料预燃烧器系统，其包含室，用于预热和干燥颗粒，并在注入炉或锅炉前引发颗粒脱挥发分和燃烧。将燃料切向注入其中形成或保持涡流的点火室。轴向注射的氧提供高反应性气氛，用于在点火室的核心内点火较细的颗粒和挥发物质，同时还产生重要的第二流，所述第二流确定比单独用切向流可达到的更大的停留时间。注射器能够插入空气/燃料燃烧器中，使之特别便于煤至生物质的改型或共燃烧方案。用于轴向和/或切向注射的氧喷嘴可在截面上为环形的或开槽的，以对涡流固体燃料流有改进的混合和更强的动量传递。

本发明的一个方面涉及一种包括点火室的预燃烧器系统，所述点火室具有前壁、中心轴、直径D_ic和配置用于排出产物气体的出口。所述点火室包括中心点火氧注射器和切向第一燃料注射器，所述中心点火氧注射器配置用于从前壁与中心轴基本平行地注射第一氧流，所述切向第一燃料注射器配置用于在前壁下游轴向距离X_pf的位置与中心轴相切地注射第一燃料流。比率X_pf/D_ic为0.25-4.0。所述中心轴与垂线形成角α，且所述角α的大小小于或等于约45度。所述第一燃料流的轨道与垂直于所述中心轴的平面形成角Θ，且其中角Θ的大小小于或等于约20度。

本发明的另一方面包括一种燃烧方法，所述方法包括提供具有前壁、中心轴、直径D_ic和配置用于排出产物气体的出口的点火室的步骤。从中心点火氧注射器与中心轴基本平行地从前壁注射第一氧流。从切向第一燃料注射器在前壁下游轴向距离X_pf的位置与中心轴相切地注射第一燃料流。比率X_pf/D_ic为0.25-4.0。中心轴与垂线形成角α，角α的大小小于或等于约45度。第一燃料流的轨道与垂直于中心轴的平面形成角Θ，其中角Θ的大小小于或等于约20度。

由优选实施方案的以下更详细的描述，结合通过举例说明本发明原理的附图，本发明的其它特征和优势将显而易见。

数个附图的简述

图1是粒径相对于木材脱挥发分所需时间的图解表示。

图2是比较煤和木材的燃烧室CFD建模的图解。

图3是按照本发明一个方面的预燃烧器系统的图。

图4是图3中描绘的预燃烧器系统的截面A-A的图。

图5A是按照本发明另一方面的预燃烧器系统的图。

图5B是图5A描绘的预燃烧器系统的截面B-B的图。

图6是截面B-B的图，描绘图3中描绘的预燃烧器系统的备选布置。

图7是描绘图3中描绘的预燃烧器系统的备选布置的图。

图8是按照本发明的一个方面的预燃烧器系统的备选布置的图，显示示例性过渡区段几何形状。

图9是按照本发明一个方面的另一个预燃烧器系统的图，显示示例性过渡区段和使用外部氧和燃烧空气的注射喷嘴。

图10是截面B-B的图，描绘图3中描绘的预燃烧器系统的备选布置，包含示例性覆盖氧化剂。

图11是按照本发明的一个方面的预燃烧器系统的平面图，其中由注射器区段描述的流动路径从入口处大体上垂直弯曲为出口处大体上水平，以及包含轴向喷射器。

图12是按照图11的实施方案的另一个预燃烧器系统的平面图，其还包含中心氧化剂管道。

图13是按照本发明的另一方面的预燃烧器系统的图，其中在围绕引燃燃料的环带中注入点火氧。

图14是按照本发明的另一方面的预燃烧器系统的图，其中在围绕点火氧的环带中注入引燃燃料。

图15是比较了实施例1的配置“A”和“B”的颗粒轨道的CFD结果的图。

图16是比较了实施例1的配置“A”和“B”的速度场的CFD结果的图。

图17是比较了实施例1的配置“A”和“B”的压力场的CFD结果的图。

图18是比较了实施例1的配置“A”和“B”的挥发性气体场的CFD结果的图。

图19是比较了实施例1的配置“A”和“B”的温度场的CFD结果的图。

图20是比较几何参数X_pf/D_ic对图3中描绘的发明性系统内颗粒运动的影响的CFD结果的图。

图21是比较几何参数X_pf/D_ic对图3中描绘的发明性系统的速度场的影响的CFD结果的图。

图22是比较几何参数X_pf/D_ic对图3中描绘的发明性系统的挥发性气体场的影响的CFD结果的图。

图23是比较几何参数X_pf/D_ic对图3中描绘的发明性系统的温度场的影响的CFD结果的图。

图24是比较了实施例2的配置“B”和“C”的颗粒轨道的CFD结果的图。

图25是比较了实施例2的配置“B”和“C”的速度场的CFD结果的图。

图26是比较了实施例2的配置“B”和“C”的压力场的CFD结果的图。

图27是比较了实施例2的配置“B”和“C”的氧浓度分布的CFD结果的图。

图28是比较了实施例2的配置“B”和“C”的挥发性气体场的CFD结果的图。

图29是比较了实施例2的配置“B”和“C”的温度场的CFD结果的图。

但凡可能，将由始至终在附图使用相同的附图标记来表示相同的部分。

发明详述

提供预燃烧器系统和方法，其从具有相对高的水分含量和粒径的固体燃料中释放水分并燃烧该固体燃料，允许高的燃烧效率和高的火焰稳定性。在一个实施方案中，公开燃烧生物质用于电力锅炉的系统和方法。在某些实施方案中，预燃烧器系统可代替现有的空气-粉煤燃烧器的燃料喷嘴，并实现生物质和其它替代燃料的预干燥、水分释放、早期挥发、点火和燃烧，因此对于传热或蒸汽产生能力无损失地促进共燃烧和燃料转换非常重要。

本发明的目标和配置两者与现有技术在关键方面不同。本发明为非-成渣（即，非-熔化）反应器，其中固体和气态产物从相同的口排出，这样的事实需要特别注意反应室内的两相颗粒运动。特别有利的是在整个通过系统的路径中确保气流中的固体燃料颗粒的连续悬浮，因为不这样会导致较大颗粒沉降在室壁上。这将随后导致有害结果，诸如：形成堆积，进一步妨碍期望的气体/固体流型；材料在室壁上的燃烧，对于实际关注的很多燃料这会导致装置的高温损坏；最后，颗粒的间歇混入或再夹带，导致波动或不稳定的燃烧。本发明通过其独特的几何配置结合氧的策略使用，避免与两相气/固流场的自然趋势有关的前述不期望的结果。

具有大量水分和/或大粒径的固体燃料在锅炉/炉内的有效燃烧需要完成以下单独步骤：干燥、加热、挥发、颗粒点火和燃烧。本方法中的关键步骤是挥发物质的放出。具体地，在常规现有技术空中固体燃料燃烧系统中，优选在非常接近于燃料注入炉的点（即，在稍微下游）将挥发物质大量放出，因为随后的挥发物质点火驱动固体燃料余量的前期点火和快速燃烧。然而，挥发物放出前必须有燃料表面水分的干燥和颗粒加热，它们是事件链中的时间限制步骤。利用使用FLUENT软件包的计算流体动力学（CFD）建模来预测作为初始粒径和水分含量函数的颗粒干燥和水分释放所需时间的灵敏度，如图1所说明。模型假定在127℃的燃料颗粒温度下引发燃料（在这种情况下为木材）的挥发。假定在时间等于零时颗粒为20℃，它们在该点暴露于1000℃的辐射温度。注意到引发挥发物放出所需的时间随着粒径和燃料表面水分两者而急剧增加。

作为这种所谓挥发延迟（即，颗粒注射和挥发物放出之间消耗的时间）的重要性的说明，认为固体燃料以典型的100英尺/秒的速度从燃烧器喷射至炉。在该速度下，10毫秒的挥发延迟（对应于没有表面水分的0.5mm颗粒）将导致或距燃烧器喷嘴标称1英尺（100英尺/秒×0.01秒）的点火延迟间隔距离，而100毫秒的挥发延迟（2mm颗粒，20%表面水分）具有标称10英尺（100英尺/秒×0.1秒）的点火延迟或间隔距离。

预干燥和挥发物释放的组合对空中（悬浮-燃烧，夹带流动）燃烧具有的深刻影响经由蒸汽发生锅炉中木材颗粒的空气/燃料燃烧的CFD建模可见，如图2描绘。该图将经由粉化烟煤的常规夹带流动燃烧产生的锅炉温度分布，与质量平均直径等于0.8mm和具有20%表面水分的木材颗粒相对比。图2显示，对于粉煤情况，燃烧器喷嘴附近的高温和随后的良好定义的火焰结构，相比之下，对于20%水分/木材的情况，燃烧器喷嘴周围相对低的温度，导致大体上分离的不连贯的火焰结构。本领域技术人员应理解，前一种情况特征在于火焰稳定性、早期固体燃料点火和基本完全燃烧，而后者与不稳定燃烧、差的过程控制和相对大的未燃烧燃料百分比关联。此外，因为对于工业炉中固体燃料完全燃尽可用的停留时间通常为约1秒，已知这种大的挥发/点火延迟在这些过程中是不能维持的。本预燃烧器发明促进注入炉前燃料释放物挥发和引发固体燃料燃烧，从而提高工业炉的有效性，以使用生物质或其它相对大且负载水分的可燃材料作为燃料。

除非另作说明，否则本文定义“氧”为氧化剂(oxidizer)或氧化剂(oxidant)流，具有大于30体积%O₂，或大于60体积%O₂，或大于约85体积%O₂，或约100%O₂。本文定义“富氧空气”为与空气结合的“氧”，使得复合氧浓度大于单独空气的氧浓度或等于或大于约22体积%。

就本发明目的而言，术语“旋流”和“涡流”可交换使用，旨在描述燃料、气体、氧化剂和颗粒的流型（例如，在点火室内）。“旋流”和“涡流”流型包括燃料、气体、氧化剂和颗粒在室内以大体上环形或螺旋状运动的旋转。

除非另作说明，否则“炉”是将燃料注入其中并燃烧以实现特定工业目的（诸如加热、熔化、蒸汽产生或焚化等）的室。“锅炉”是在其中产生蒸汽的一类炉。

关于本发明的第一燃料可为固体燃料或液体燃料。可能的固体第一燃料的实例包含碎煤或生物质至少之一，所述生物质诸如木屑、锯屑、草，以及其它在燃烧前不研磨成细粉的负载水分的可燃材料。第一燃料还可以是液体燃料，特别是难以雾化或点火的燃料，诸如甘油、黑液或重燃料油，或包括液体和固体两者的浆料。已列出可能的候选第一燃料，注意到该列举既不是完全的，也不应为限制性的。此外，本发明的一个优选实施方案认为第一燃料为本段中列出的固体燃料之一。

关于本发明的运载气体包括空气、氮、富氧空气、再循环燃烧产物或它们的组合。

图3说明本发明的一个实施方案的特征的截面图。预燃烧器系统300包括点火室301，点火室301具有：切向第一燃料注射器303，其配置用于将第一燃料加运载气体混合物或第一燃料流305切向引入点火室301；中心点火氧注射器307，其布置在前壁308上，配置用于基本与点火室301的中心轴311平行地递送点火氧流309；和出口313，由此将产物气体315驱出。显示第二氧注射器317，其配置用于将第二氧流319在第一燃料流305下切向引入点火室301。第二氧流319可以是氧、空气、再循环燃烧产物或它们的一些组合。按照过程操作要求，该第二流319增强室301内的切向流型或涡流分布401（参见例如图4和5），同时还进行燃烧并控制第二注射器下游的点火室301的壁温以及产物气体315的温度。第二流319还形成覆盖气，以帮助保护点火室301的壁，如以下进一步讨论。例如，通过操作点火室301的壁以保持在低于第一燃料流305的灰组分的熔点的温度，可以实现防止成渣。

预燃烧器系统300的配置用图3显示的尺寸布置。在点火室301内离前壁308线性距离为X_pf的位置经由第一燃料注射器303注射第一燃料流305。在点火室301内离前壁308线性距离为X_so的位置经由第二注射器317注射第二流319。点火室的长度L_ic为从前壁308至出口313或过渡区段801开端（参见例如图8）的线性距离。显示在图3的另一个重要尺寸包括点火室直径D_ic，这是点火室301的有效直径。D_ic可为线性尺寸（若直径是常数），或可以计算为前壁308和X_pf之间的水力直径或平均直径（若点火室301的直径不是常数）。根据本发明，无量纲比率X_pf/D_ic为从点火室的前壁308至第一燃料注射的轴向距离X_pf与点火室直径D_ic的比率，该比率为0.25-4.0，或0.5-3.0，或1.5-3.0或约2.7。

切向注射、在切向轨道注射、切向取向以及它们的其它语法上的变化，是指具有以下矢量分量的方向：所述矢量分量与中心轴为法向（即成直角）、并且从中心轴足够地偏移以产生围绕中心轴的涡流分布401。在第一燃料流305和第二流319的情况下，例如，进入点火室301的切向注射在与侧壁相切的方向（即，从中心轴偏移到基本沿着点火室301的表面的点）上提供有运载气体加第一燃料。提供所述方向使得产生涡流分布401。该类型切向注射产生的流型说明于图4，其为图3表示的截面A-A的剖视图。

而在图3所示实施方案中，在第一燃料流305的注射点下游的轴向位置注射第二流319，在图5A和5B所示的另一个实施方案中，提供第二注射器317，以将第二流319在与第一燃料流305标称相同的轴向位置切向注入点火室301。关于图3显示的第二注射器317布置，经由第二流319提供的气体可为氧、富氧空气、空气、氮、再循环燃烧产物，或它们的一些组合。经由第二注射器317提供的第二流319（参见图5B）在这个实施方案中具有多种功能。所述气体的一个功能是覆盖或保护点火室301的壁免受侵蚀。第二流319减少侵蚀，通过在切向而且在与第一燃料标称相同的截面平面中，但在圆周方向上（即在旋转方向上）相对于第一燃料注射点稍微往前地引入，如图5B所说明。按照这样做，第二流319使第一燃料流的路径在碰向点火室壁前偏转，使得第一燃料流305颗粒的侵蚀潜力最小化。如关于图3所讨论，第二氧流319的另一个功能是加强离心流场。第二流319的再一个功能是促进氧和第一燃料之间在进入点火室301时的早期和紧密混合，以进一步促进颗粒点火。虽然显示于图3和图5A和5B的实施方案包括用于第二流319注射的单一配置，但每一个可具有多个注射点或可单独地或彼此组合地存在。

整个点火室301可如下取向：其中心轴311相对于垂线601偏移角α，参见图6，例如以促进与预燃烧器系统300的应用有关的空间要求。然而，为了促进期望的遍及点火室301的固体燃料流动，角α的大小小于或等于约45度，或小于或等于30度。

可通过赋予与中心轴平行的切向流分量，部分地实现改变点火室301内的燃料停留时间。因此，第一燃料流305的轨道701可从垂直于中心轴的平面703偏移角Θ，如图7所说明。同样地，第二氧流319可从垂直于中心轴的平面703偏移角Θ，如同第一燃料流305。有利的是，角Θ的大小小于或等于约20度或小于约10度，以保持所述室内足够的颗粒停留时间，并保留系统的有益的流体力学性质。

如图8所示，按照本公开的预燃烧器系统300的一个实施方案包括过渡区段801。过渡区段801从点火室301接收产物气体，随后递送所述产物气体至可包括燃料喷嘴的出口313，或通向锅炉或炉。过渡区段801可为任意的截面几何形状，并包含从中心轴311偏移角Δ的表面，角Δ可沿着所述平面变化，但其距中心轴311的大小或平均大小（如参考线803所表示）小于或等于约45度。

按照本公开，预燃烧器系统300的又一个实施方案包括任选的外部氧注射器901和燃烧空气注射器903，如图9所说明。该实施方案特别关于其中发明性系统安装在现有空气-燃料燃烧系统中的应用。图9的预燃烧器系统300包括配置用于将点火氧流309递送至点火室301的中心点火氧注射器307。此外，引燃燃料注射器911配置用于将引燃燃料915提供至点火室。在这样的应用中，燃烧空气905可得自现有供应，且安装发明性系统以代替现有的空气-燃料燃烧器。任选的外部氧流907可用作进一步提高发明性系统的燃烧效率的手段，将其布置于预燃烧器系统300的燃烧空气905和产物气体315之间最有利。图9显示的实施方案的另一个特征是包含注射喷嘴作为过渡区段801下游的出口313。取决于产物气体315的特定过程用途，注射喷嘴或出口313有时存在，以将产物气体315的流动调节至对于其最终用途最优的速度和取向。

在又一个实施方案中，在第一氧注射器1001中围绕第一燃料流305注射第一氧流1003，如图10所说明，图10为取自与图5B相同平面的视图。此外，图10的预燃烧器系统300包括具有相同配置的第二注射器317和第二流319，如图5A和5B所显示和描述。该实施方案的优势在于，当注入所述室时马上发生氧和燃料之间迅速和紧密的混合，从而帮助第一燃料流305的迅速点火。

图11说明预燃烧器系统300的一个实施方案，其中产物气体315注入过程炉或锅炉（未显示），轨道与水平线1101标称平行。图11的系统包括第一燃料注射器303和两个第二注射器317，如图5A和5B所显示和描述。可存在和/或利用一个或两个第二注射器317。应理解第一燃料和第二氧化剂的实际轨迹可偏离水平线多达45度，而仍然落入本发明范围内。该实施方案包含点火室301、过渡区段801和在过渡区段801和过程炉或锅炉之间形成管道的注射器喷嘴1103。该实施方案的注射器喷嘴1103包括转向半径1105，如同样在图11所显示。图11还显示任选的轴向喷射器1107，其可帮助喷嘴流动流中的颗粒通气以防止跃移。喷射流体1109可为空气、富氧空气、氧或任何其它合适的流体。该实施方案的有关变体显示于图12，其具有与关于图11显示和描述的布置类似的布置，其中喷射器1107与中心氧化剂喷嘴1201连通，在沿着喷嘴中心轴的管道内递送氧化剂（空气或氧），以帮助在出口313的燃烧。

发明性系统的点火和加热可初始经由引入引燃燃料915而实现，例如，在点火室301的前壁308通过引燃燃料注射器911。在这些情况下有利的是，彼此接近地注射引燃燃料915和点火氧流309。图13和14中说明的实施方案说明引燃燃料915和点火氧流309的两个示例性取向。图13说明经由引燃燃料注射器911沿着点火室301的中心轴311注射引燃燃料915，被经由点火氧注射器307注射的点火氧流309围绕。图14说明反转配置：即，其中沿着中心轴311引导点火氧流309，并被含有引燃燃料915的引燃燃料注射器911围绕的配置。引燃燃料915可为任何固体、液体或气态燃料，诸如天然气、燃料油、粉煤或来自生物质研磨的微粒残余物，或任何其它容易点火的燃料。或者，引燃燃料915可以是少量粉煤，这可以是便利的，尤其是如果粉煤持续连同木材或其它替代燃料燃烧。最终，引燃燃料915可以是生物质微粒，其必须在磨碎过程后与生物质燃料的余量分离。其它引燃燃料915是可能的，取决于可得性。提供引燃燃料915以在第一燃料流305注射之前引发和控制预燃烧器系统300的点火室301内的加热。

已描述发明性系统的数个实施方案的物理特征，现在我们通过两个实施例说明发明性系统获得其意外良好的性能的原理，以及对本发明某些特征所施加的限定，其使所述系统能最有效地运行。我们参考用于发明性系统的实施方案的图3，实施例对此适用。除了在以下描述中特定修改的情况，否则预燃烧器系统300的布置如图3所显示和描述。在这些实施例中的第二流通过第二注射器317提供，第二注射器317安置在点火室301的前壁308的下游，且角α和Θ两者都为零。实施例中使用的第一燃料为经研磨的木屑，其具有20重量%水分、标称6060英国热量单位/磅的较高热值和如表1所示的粒径分布。这些实施例中所示的结果基于使用市售可得的Fluent软件包开发的稳态计算流体力学(CFD)模型来计算。

表1

实施例1

实施例1比较了具有两种配置的发明性系统的性能，其要点在于一个几何参数的不同值：无量纲比率X_pf/D_ic，这是从点火室前壁308到第一燃料注射的轴向距离与点火室直径的比率。注意到比率X_so/D_ic对于这两种配置也不同，它是从点火室301的前壁308到第二流注射点的轴向距离的比率。然而，这两个几何性质之间的距离仅由于便利原因而保持相同。重要的比率是第一燃料注射与点火室直径的比率X_pf/D_ic，如后文要说明和阐述的。分析显示这些示例性配置之一产生不可接受的性能，因此在发明性系统可允许的几何参数范围外，而另一配置意外地产生优异的性能，因此位于可接受几何结构的范围内。

表2

第一燃料流305的切向注射导致对第一燃料颗粒的离心力，推动它们径向往外，并起到在它们横过点火室301的圆周时保持它们悬浮的作用。这是对抗重力保持颗粒处于暂时悬浮的主要机制。所有其它因素相等，该机制的强度随着切向注射速度的平方而提高。虽然不旨在限制本发明的范围，但发现20-60m/秒的第一燃料注射切向速度通常产生一方面离心力（期望的）和另一方面侵蚀潜力和压力损失（不期望的）之间的可接受的平衡，它们全部随增加的速度而提高。对每种第一燃料颗粒的离心力的强度还与第一燃料颗粒的质量成比例。因此，对于具有给定的入口切向速度和固定颗粒密度的第一燃料流305，较大、较重的颗粒比起较小、较轻的颗粒经历更大量的离心力。发明性系统中利用这种性质，因为较小、较轻的第一燃料颗粒（较不强烈地受离心力场影响）由此能在某些规定条件下摆脱离心力场并向点火室301的中心轴311迁移，与点火氧流309反应并由此变成点火室301内持续点火的能源。

属于配置“A”的小于0.286mm（286微米，表1中的组1和2）的颗粒的计算颗粒运动描绘于图15。注意到颗粒密度在第一燃料注射点附近最大，且颗粒逐渐地（即，时间按照提供的时间标度增加）在重力作用下向下移动。总停留时间达到约0.4秒的最大值。然而，对于配置“B”，虽然颗粒密度仍在第一燃料注射口周围为最大值，但显著量的颗粒意外地逆着重力向上升，而且这将峰值停留时间提高到几乎1秒。该意外结果仅可通过整体分析而更好地理解，所述整体分析考虑点火室中速度和压力分布的细节以及流体力学和燃烧现象之间的耦合。

对于这两种配置的点火室301内的气体速度矢量存在于图16。对于每一配置“A”和“B”分别显示两个截面图。上方的一个表示穿过中心轴311（参见例如图3）的垂直面，而下方的一个表示在离前壁的轴向距离x/D_ic等于0.02处取得的水平面。比较上方的图，注意到对于配置“B”，从中心氧点火注射器307流出的中心氧点火流相对于配置“A”发展出更高的速度且更深地穿透入点火室301内。此外，在配置“B”中，组织化再循环流结构（ORFS）在注射点火氧的前壁308和第一燃料注射点之间是显然明显的。该ORFS是气体和小颗粒逆着重力向上游传输的即时机制。物质沿着壁向上流动，然后径向往内朝中心轴流动，其在中心轴被点火氧射流夹带。这种组织化流动结构在配置“A”中显著不存在。ORFS促进的夹带机制的可视化经由下方截面时图加强。我们再次集中在配置“B”，其清楚显示前壁附近气体的组合的圆周/径向往内迁移。对比配置“A”，表明对于该情况缺少径向往内的分量。

造成配置“B”中ORFS发展的起点可通过分析图17中显示的压力场而推出。注意到，该图中显示的压力为相对压力；亦即，局部压力值减去整个点火室301中的平均压力。由于源自圆周（切向）流动的径向力，在提高的第一燃料注射下，高压区在点火室的外周展开。这发生与两种配置中。两种配置共有的第二种流体现象为由于点火氧流产生的吸力而造成的接近于主轴的低压区。配置“A”和“B”之间突出的性质差异在于：在后一种情况中，高压区333与上游方向的低压区邻接。由此形成的压力梯度对于气体和燃料颗粒产生动力，以逆着重力在上游方向上移动，最终使气体和颗粒能夹带于中心点火氧流中。由此分析清楚的是，第一燃料流注射位置的轴向定位X_pf远在前壁308下游导致产生配置“B”中的ORFS，而第一燃料流位置和前壁之间的接近导致配置“A”中缺少组织化逆向流动。

刚才在图15-17中描述和说明的流体力学作用具有对燃烧的直接影响，这可概述如下：气体和小固体颗粒夹带进入点火氧内与配置“B”的组织化循环流动结构有关，允许释放显著量的挥发性气体，诸如一氧化碳、氢和通过点火氧随后燃烧的多种烃。对于配置“A”和“B”，挥发性物类在点火室301内的浓度存在于图18。由燃烧反应产生的化学能至热能的所得转化提高点火室301内的优势温度，从而产生自持续的热过程。该影响相当深远，如图19所说明。配置“B”的优势温度分布清楚显示形成火焰前缘，其沿着从点火氧注射器307发射的点火氧射流的边缘发展，而没有这样的反应能在配置“A”中发生，因为前述的在点火氧射流附近缺少挥发性物类。最终，沿着配置“B”的中心轴发生的高温燃烧导致的气体膨胀产生中心氧点火射流的更高速度，以及其更深地穿透入点火室中，进一步增加射流的流体和燃料颗粒夹带能力，这最终增加ORFS的稳定性。

由前述实施例可见注射点火氧流309的点火室前壁308和第一燃料切向引入系统的位置之间的轴向距离的重要性。当所述距离太小时，所得的压力场阻止前壁308和第一燃料注射点之间形成组织化循环流动结构，这随后阻止室内持续点火所需的挥发物质释放和燃烧。相反，当前壁308和第一燃料注射点之间确定合适的距离时，压力场有利地改变，允许确定前壁308和第一燃料注射位置之间的组织化循环流动结构。该ORFS携带流体和小的第一燃料颗粒两者，增加固体燃料停留时间，允许挥发物质释放和燃烧，并产生在点火氧流的边界形成的稳定和良好发展的燃烧火焰。

按照本发明的示例性配置，前壁308和第一燃料注射点之间的最小无量纲轴向距离X_pf/D_ic等于约0.25。对于X_pf/D_ic的值，提供其它实施例直至约4.7，以理解这样的范围：在该范围内，来自点火氧注射器307的点火氧射流和切向第一燃料注射的离心力场之间有利的相互作用将会持续。为了允许该扩展范围，无量纲点火室301长度L_ic延伸至5.0，而表2中规定的所有流速和速度保持相同。该分析阶段的颗粒轨迹/停留时间结果概括于图20。我们注意到，对于X_pf/D_ic等于1.7（例如与X_pf/D_ic等于0.6相比），小颗粒的向上迁移和最大值停留时间增加到约1.5秒的值。超过该点，即对于X_pf/D_ic等于2.7和3.7，小的第一燃料颗粒的绝对向上迁移距离持续增加，而最大停留时间保持恒定为约1.5秒。注意到对于X_pf/D_ic等于2.7，相对于X_pf/D_ic等于1.7，达到最大停留时间的第一燃料颗粒的量增加，而对于X_pf/D_ic等于3.7，其似乎稍微减少。该减少可因为以下事实：颗粒向上迁移越远，它们燃烧和气化越完全；因此，它们最后从流场消失。然而我们观察到，对于X_pf/D_ic等于4.7，虽然小部分小的第一燃料颗粒迁移了到达前壁308的整个路径，但恰好开始向上迁移的浓度从X_pf/D_ic等于3.7的情况大大降低。因此，这种降低可能不是由于颗粒的逐渐气化和燃烧，而是点火氧射流和切向第一燃料注射之间协同作用的减弱。

图21的速度分布进一步扩展对轴向点火氧和切向第一燃料流之间的耦合如何随X_pf/D_ic变化的理解。前壁308和第一燃料注射位置之间的组织化循环流动结构的区域用虚线椭圆突出。注意到对于0.6-3.7的X_pf/D_ic，ORFS基本在两个关键端点的全部距离上延伸。然而，对于X_pf/D_ic等于4.7，ORFS不完全向下延伸到切向第一燃料注射的点。这既因为点火氧流产生的吸力的影响区域达到其限制，又因为点火氧流已逐渐径向往外朝点火室的侧壁扩展，有效阻止两个流之间流体连通。

在该X_pf/D_ic范围内对挥发物释放和室温度的净影响说明于图22和23。显示挥发物释放逐渐增加，直至X_pf/D_ic的值等于2.7，其后开始减少。室温度特别是在点火氧射流周围也提高，直到X_pf/D_ic等于2.7，指示挥发物和点火氧之间的强烈燃烧。对于X_pf/D_ic等于3.7，由于ORFS和延长的室长度提供的高颗粒停留时间，仍有足够高的温度。然而，当X_pf/D_ic增加至4.7时温度明确地开始减少，直到前述的点火氧和第一燃料射流之间流体连通的破坏。

基于建模结果和分析，几何参数X_pf/D_ic的上界限于约4.0的最大值。

已经就点火室、点火氧流和切向第一燃料流之间的特别布置和关系，以及对此施加的限制，来描述发明性系统的意外性能的原因，我们现在继续到实施例2，其说明在点火氧流309中使用氧（相对于空气）对于发明性系统的有效运行的优势。

实施例2

本实施例中发明性系统的流速和几何形状与实施例1的配置“B”相同。配置“B”用作基础情况，显示配置“C”用于比较目的。配置“C”与配置“B”相同，除了点火和第二流为空气而不是氧。我们在此强调，因为第二流通过第一燃料注射器303之下的第二注射器317引入系统，其对于确立点火室301内的ORFS和（延伸而得的）稳定点火并无关键重要性。确切地说，如上所述，本实施例中讨论的结果归因于点火氧化剂的差异；第二氧主要用于加强离心流场（在点火室301内的第一燃料流之下），并调节燃烧的进行和由此调节第一燃料注射点和燃料喷嘴出口之间的温度。

比较富氧配置“B”与配置“C”的可比空气版本，第一个显著的发现在于图24的颗粒轨道和停留时间图。虽然两个情况之间流速和速度相同，但空气情况中向上颗粒迁移的程度和最大停留时间都不大大低于富氧等价情况。我们用图25的速度场对比开始根本原因分析。该图显示，不管两个情况相同的反应物几何形状和入口速度，配置“B”的中心射流相对于配置“C”特征在于高速度和进入点火室301的深穿透度。而且，在配置“C”的空气情况下，相对于前述配置“B”的ORFS，点火空气流和切向第一燃料注射之间的流动循环非常弱，而且组织化很差。然而，当我们评定图26中两个情况的相对压力场时，注意到配置“B”和“C”两者均具有性质上类似的等压线，至少对于高压区的位置。因此，与实施例1（其中推导出高压区的位置为控制配置“A”和“B”之间流体力学的关键因素）相反，压力场不是配置“B”和“C”之间的区别因素。这表示配置“B”和“C”的不同颗粒迁移特性的根本原因为相应氧化剂的氧浓度。这需要评定两种配置的燃烧特性来证明。

图27产生两个示例性配置的氧浓度等高线。我们注意到配置“B”显示沿着主垂直轴（在此注射点火氧）的很高的氧浓度，且该高氧区域在径向和按照流的方向逐渐减小。配置“B”中氧的这种逐渐减小是由于扩散（混合）和通过燃烧挥发物质和燃料颗粒的消耗的组合影响。相反，配置“C”的空气情况指示遍及所述室的标称21体积%的恒定氧浓度，表示不存在挥发和化学反应。该论断在图28和29中得以证实，图28和29分别显示两个配置的点火室中挥发物浓度和温度分布。我们清楚看到，显著的挥发物释放在使用氧的配置“B”中发生，特别是在点火氧注射点周围的区域，而在使用空气的配置“C”中不发生。因此，显然的是，在配置“B”中，在挥发物、固体颗粒和氧之间发生燃烧，导致形成在点火氧射流的边界形成的火焰（如温度分布表明），而配置“C”中无反应发生，配置“C”中整个室内的温度等于注射流的温度（标称20℃）。如实施例1中配置“A”和“B”的对比，相对于配置“C”，沿着配置“B”的中心轴发生的高温燃烧导致的气体膨胀产生中心氧点火射流的更高速度和其进入点火室的更深穿透度，且增加射流的流体和燃料颗粒夹带能力以及ORFS的稳定性。

汇总实施例2的发现，氧（即，具有大于30体积%O₂的氧化剂流）的存在，特别是来自点火氧注射器307的点火氧，显示为发明性系统的重要要素。虽然与中心点火氧化剂（氧对比空气）和切向第一燃料注射有关的运动流体力学的力对于实施例2的两个配置相同，但氧的存在按以下方式起到（仿佛是）开启和放大系统的有利性质的作用：在引发反应所需的初始加热时期后，确立组织化循环，使挥发物质和细颗粒接近点火氧流。促进预燃烧器系统300性能的点火氧流309的突出性质是加速燃烧反应的能力。因此，当接触到点火氧时，挥发物和细颗粒燃烧容易发生，释放化学能，这显示为室温度的增加、气体的随后膨胀和（由此）中心射流的强度。更强的中心射流（相对于空气情况）加强将产物气体和细颗粒从第一燃料注射平面向上推动到点火氧射流基部产生的抽吸区域所需的动力，从而使所需的事件序列存续。相反，在空气情况下缺少加速燃烧反应的性质由于不能允许点火和气体膨胀而打断必需的事件链，由此导致所有化学反应的消失。

虽然已参照优选实施方案描述了本发明，但本领域技术人员将了解可作出不同的变化并可用等价物代替其要素而不离开本发明的范围。另外，可进行很多修改以使特定的情况或材料适于本发明的教导而不偏离其实质范围。因此，旨在本发明不限于作为预期用于实施本发明的最佳方式而公开的特定实施方案，而本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施方案。

Claims (15)

1. 一种预燃烧器系统，其包含：

具有前壁、中心轴、直径D_ic和配置用于排出产物气体的出口的点火室，所述点火室包含：

配置用于从所述前壁与所述中心轴基本平行地注射第一氧流的中心点火氧注射器，和

配置用于在所述前壁下游轴向距离X_pf的位置与所述中心轴相切地注射第一燃料流的切向第一燃料注射器，

其中比率X_pf/D_ic为0.25-4.0，所述中心轴与垂线形成角α，且所述角α的大小小于或等于约45度，而所述第一燃料流的轨道与垂直于所述中心轴的平面形成角Θ，且所述角Θ的大小小于或等于约20度。

2. 权利要求1的系统，其中所述比率X_pf/D_ic为0.5-3.0。

3. 权利要求1的系统，其中所述比率X_pf/D_ic为1.5-3.0。

4. 权利要求1的系统，其进一步包含第二注射器，所述第二注射器配置用于在离所述前壁比所述切向第一燃料注射器更大距离的位置将第二流切向注入所述点火室内。

5. 权利要求1的系统，其进一步包含第二注射器，所述第二注射器配置用于在离所述前壁与所述第一燃料流大约相同距离的位置将第二流切向注入所述点火室内。

6. 权利要求1的系统，其进一步包含第二注射器和附加第二注射器，所述第二注射器配置用于在离所述前壁比所述切向第一燃料注射器更大距离的位置将第二流切向注入所述点火室内，所述附加第二注射器配置用于在离所述前壁与所述第一燃料流大约相同距离的位置将附加第二流切向注入所述点火室内。

7. 权利要求1的系统，其进一步包含与所述切向第一燃料注射器同心布置的第一氧注射器，以围绕所述切向第一燃料注射器注射氧。

8. 权利要求1的系统，其进一步包含在所述点火室下游的过渡区段和入口与所述出口流体通道的注射喷嘴，所述出口配置用于将产物气体和未燃烧燃料注入锅炉或炉内。

9. 权利要求8的系统，其中所述注射喷嘴的入口从垂向轨道接收所述产物气体和未燃烧燃料，并将所述产物气体和未燃烧燃料引导至与水平线在45度内的轨道，并将所述产物气体和未燃烧燃料排入所述炉或锅炉。

10. 权利要求1的系统，其进一步包含围绕所述出口的外部氧流。

11. 权利要求1的系统，其进一步包含燃烧空气流，所述燃烧空气流配置用于与所述产物气体和未燃烧的第一燃料在锅炉或炉中混合和反应，以完全燃烧所述产物气体和未燃烧的第一燃料。

12. 权利要求1的系统，其进一步包含引燃燃料注射器，所述引燃燃料注射器配置用于将引燃燃料从所述前壁与所述中心轴基本平行地注入所述注射室，其中所述引燃燃料在所述中心点火氧注射器邻近注入所述室。

13. 权利要求1的系统，其进一步包含引燃燃料注射器，所述引燃燃料注射器配置用于将引燃燃料从所述前壁与所述中心轴基本平行地注入所述注射室，其中所述引燃燃料注射器和所述中心点火氧注射器为同心布置。

14. 权利要求1的系统，其中所述角α小于或等于约30度。

15. 一种燃烧方法，其包含：

提供具有前壁、中心轴、直径D_ic和配置用于排出产物气体的出口的点火室，

从中心点火氧注射器与所述中心轴基本平行地从所述前壁注射第一氧流，和

从切向第一燃料注射器在所述前壁下游轴向距离X_pf的位置与所述中心轴相切地注射第一燃料流，

其中比率X_pf/D_ic为0.25-4.0，所述中心轴与垂线形成角α，且所述角α的大小小于或等于约45度，而所述第一燃料流的轨道与垂直于所述中心轴的平面形成角Θ，且所述角Θ的大小小于或等于约20度。

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