CN104100969B - 宽焰氧‑固体燃料喷燃器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及宽焰氧‑固体燃料喷燃器。宽焰固体燃料/氧喷燃器包括：燃料喷嘴，燃料喷嘴具有至少大约2的纵横比，纵横比由沿着长轴中心线测量的燃料喷嘴宽度W与沿着短轴中心线测量的燃料喷嘴高度H的比限定，并且燃料喷嘴具有基本对称地与长轴中心线隔开的长壁，燃料喷嘴具有入口宽度WN；以及成对的导叶，其在长轴中心线的两侧定位在长轴中心线和相邻长壁之间，导叶沿流向相对于长轴中心线以一角度发散，使得导叶在上游端处较紧密地在一起，而在下游端处分得较开，从而在导叶之间形成中心扩散器，以及在各个导叶和一个长壁之间形成外部会聚喷嘴。

Description

宽焰氧-固体燃料喷燃器

与相关申请的交叉引用

本申请要求2013年4月12日提交的美国临时申请No. 61/811.194的优先权，该申请通过引用而整体地结合在本文中。

技术领域

本申请涉及用于燃烧固体燃料与氧的平焰喷燃器。

背景技术

由于固体燃料(诸如石油焦炭(石油焦)和无烟煤等)的易挥发物质含量非常低，所以固体燃料是难以在流动的流中点燃的燃料。因此，典型地，固体燃料会经历显著的点燃延迟，这会引起基本与燃料喷嘴分开的火焰前锋。这是内在地不稳定的情形，这种情形可导致高水平的未燃烧碳、不稳定的过程加热状况(热传递、熔化等)，而且可能导致火焰熄灭，这可使燃烧非常迅速且不安全地退化。

美国专利No. 7,390,189描述了一种构造成用于燃烧气态燃料的平焰或宽焰喷燃器，该专利通过引用而整体地结合在本文中。但是，那个喷燃器未构造成以粉状固体燃料运行，而且特别在燃料和氧喷嘴两者中都缺乏使得喷燃器能够在稳定的附连火焰中燃烧固体燃料而可能需要的任何内部几何结构特征。

发明内容

本文描述一种平焰喷燃器，其构造成燃烧固体燃料(包括(但不限于)石油焦)与氧，以熔化玻璃。本喷燃器允许形成稳定固体燃料火焰前锋，火焰前锋附连到喷燃器面上(即，燃料喷嘴末端)，这种状况会产生合乎需要的热传递、碳燃尽和火焰稳定性。

粉状固体燃料和运送气体引入到燃料进口中，并且流过燃料喷嘴。燃料混合物馈送通过成阵列的一个或多个静态流元件，静态流元件包括用以产生组合式扩散器/会聚喷嘴的导叶，并且还可包括分流器。分流器用来提高输送到由导叶限定的中心扩散器的混合物中的燃料的浓度，同时降低在导叶的相对的侧的会聚喷嘴中传送到中心扩散器外部的流动流的其余部分中的燃料的浓度。扩散器中的导叶发散会以受控制的方式降低固体燃料流的被集中部分的速度，而没有明显的流分离。在导叶外部流动的固体燃料流的被稀释部分在扩散器的两侧的会聚喷嘴中加速到较高的速度。在彼此附近流动的较高速流和低速流的组合会产生较大的流再循环型式，较大的流再循环型式基本协助在燃料喷嘴末端处维持稳定的燃烧。

在环带中引入一级(primary)氧，环带在喷燃器末端处包围燃料喷嘴。一级氧可在楔形件上面加速，楔形件使一级氧转移远离燃料流，从而在燃料流附近产生再循环区，这进一步帮助实现稳定燃烧。

方面1：一种宽焰固体燃料/氧喷燃器，包括：燃料喷嘴，其具有：上游-下游流向；至少大约2的纵横比，纵横比由沿着长轴中心线测量的燃料喷嘴宽度W与沿着短轴中心线测量的燃料喷嘴高度H的比限定；以及基本对称地与长轴中心线隔开的长壁，燃料喷嘴具有入口宽度WN；以及定位在燃料喷嘴的长轴中心线的两侧的成对的第一导叶，各个第一导叶定位在长轴中心线和长壁中的相邻一个长壁之间，第一导叶沿流向相对于长轴中心线以第一角度发散，使得第一导叶在上游端处较紧密地在一起，而在下游端处分得较开，从而在第一导叶之间形成中心扩散器，以及在各个第一导叶和一个长壁之间形成外部会聚喷嘴。

方面2：根据方面1的喷燃器，其中，第一导叶定位成关于长轴中心线不对称。

方面3：根据方面1的喷燃器，其中，第一导叶定位成关于长轴中心线基本对称。

方面4：根据方面3的喷燃器，进一步包括：定位在成对的第一导叶之间的至少一个第二导叶，第二导叶相对于各个第一导叶发散，从而为各个至少一个第二导叶形成额外的扩散通道。

方面5：根据方面4的喷燃器，其中，两个第二导叶基本对称地定位在燃料喷嘴的长轴中心线的两侧，第二导叶相对于长轴中心线以小于第一角度的第二角度发散，从而在第二导叶之间形成一级中心扩散器，以及在各个第二导叶和一个第一导叶之间形成二级(secondary)中心扩散器。

方面6：根据方面1至5中的任一方面的喷燃器，其中，各个第一导叶进一步包括定向成基本平行于燃料喷嘴的中心线长轴的前缘。

方面7：根据方面1至6中的任一方面的喷燃器，其中，各个中心扩散器具有构造成产生非分离流的几何结构。

方面8：根据方面1至7中的任一方面的喷燃器，其中，第一导叶的上游端隔开距离W1，距离W1是燃料喷嘴入口宽度WN的大约0.15倍至大约0.60倍。

方面9：根据方面8的喷燃器，其中，第一导叶的上游端之间的距离W1是燃料喷嘴入口宽度WN的大约0.20倍至大约0.40倍。

方面10：根据方面1至9中的任一方面的喷燃器，其中，第一导叶的下游端隔开距离W2，距离W2是第一导叶的上游端之间的距离W1的大约1.3倍至大约4.0倍。

方面11：根据方面10的喷燃器，其中，第一导叶的下游端之间的距离W2是第一导叶的上游端之间的距离W1的大约1.7倍至大约3.0倍。

方面12：根据方面1至11中的任一方面的喷燃器，其中，每一个第一导叶的下游端和长壁中的与其形成外部会聚喷嘴的相邻一个长壁隔开距离W4，距离W4是该一个第一导叶的上游端和该一个长壁之间的距离W3的大约0.15倍至大约0.75倍。

方面13：根据方面12的喷燃器，其中，每一个第一导叶的下游端和长壁中的与其形成外部会聚喷嘴的相邻一个长壁之间的距离W4是该一个第一导叶的上游端和该一个长壁之间的距离W3的大约0.25倍至大约0.60倍。

方面14：根据方面1至13中的任一方面的喷燃器，进一步包括：至少一个分流器，其在燃料喷嘴中定位在各个第一导叶上游，并且与各个第一导叶隔开；其中，各个分流器包括上游顶点；以及其中，分流器的顶点定位成与长轴中心线相隔距离Xm，距离Xm大于第一导叶的上游端和长轴中心线之间的距离Xv。

方面15：根据方面14的喷燃器，其中，各个分流器进一步包括内侧部，内侧部向下游延伸，并且相对于顶点延伸向长轴中心线。

方面16：根据方面15的喷燃器，其中，限定在内侧部和长轴中心线之间的角度α为大约0°至大约90°。

方面17：根据方面16的喷燃器，其中，角度α为大约15°至大约45°。

方面18：根据方面15至17中的任一方面的喷燃器，其中，内侧部是笔直的内侧部，分流器进一步包括向下游延伸且相对于顶点延伸远离长轴中心线的笔直的外侧部，以及将内侧部的下游端连结到外侧部的下游端上的弯曲的后侧部。

方面19：根据方面15至17中的任一方面的喷燃器，其中，分流器具有卵形形状，并且顶点定位在卵形的长轴的最高点(vertex)处。

方面20：根据方面15至17中的任一方面的喷燃器，其中，内侧部是笔直的内侧部，分流器进一步包括向下游延伸且基本平行于笔直的内侧部而延伸向长轴的笔直的外侧部。

方面21：根据方面15至17中的任一方面的喷燃器，其中，分流器具有基本三角形的形状，其中，内侧部是笔直的内侧部，分流器进一步包括沿下游方向相对于笔直内侧部发散的笔直的外侧部，以及将内侧部的下游端连结到外侧部的下游端上的笔直的后侧部。

方面22：根据方面1至21中的任一方面的喷燃器，进一步包括：在燃料喷嘴的各个长壁附近的一级氧管道；以及在燃料喷嘴的下游端处从各个长壁突出到氧管道中的楔形件，楔形件定位成使一级氧流相对于燃料喷嘴的长轴中心线向外发散。

方面23：根据方面22的喷燃器，其中，楔形件大体为三角形形状，并且具有大约3°至大约30°的发散角度。

方面24：根据方面22的喷燃器，其中，楔形件具有在一级氧流附近的凹形表面。

方面25：根据方面24的喷燃器，进一步包括二级氧管道，二级氧管道与一个一级氧管道隔开，并且与离该一个一级氧管道相比，与燃料流隔开更远距离。

方面26：一种宽焰固体燃料/氧喷燃器包括：燃料喷嘴，其具有：上游-下游流向；至少大约2的纵横比，纵横比由沿着长轴中心线测量的燃料喷嘴宽度W与沿着短轴中心线测量的燃料喷嘴高度H的比限定；以及基本对称地与长轴中心线隔开的长壁；以及基本对称地定位在燃料喷嘴的长轴中心线的两侧的成对的第一导叶，各个第一导叶定位在长轴中心线和长壁中的相邻一个长壁之间，第一导叶沿流向相对于长轴中心线以第一角度发散，使得第一导叶在上游端处较紧密地在一起，而在下游端处分得较开，从而在第一导叶之间形成中心扩散器，以及在各个第一导叶和一个长壁之间形成外部会聚喷嘴；其中，第一导叶的上游端隔开距离W1，距离W1是燃料喷嘴入口宽度WN的大约0.15倍至大约0.60倍；其中，第一导叶的下游端隔开距离W2，距离W2是第一导叶的上游端之间的距离W1的大约1.3倍至大约4.0倍；以及其中，每一个第一导叶的下游端和长壁中的与其形成外部会聚喷嘴的相邻一个长壁隔开距离W4，距离W4是该一个第一导叶的上游端和该一个长壁之间的距离W3的大约0.15倍至大约0.75倍。

方面27：根据方面26的喷燃器，进一步包括：定位在第一对导叶之间的至少一个第二导叶，第二导叶相对于各个第一导叶发散，从而为各个至少一个第二导叶形成额外的扩散通道。

方面28：根据方面27的喷燃器，其中，两个第二导叶基本对称地定位在燃料喷嘴的长轴中心线的两侧，第二导叶相对于长轴中心线以小于第一角度的第二角度发散，从而在第二导叶之间形成一级中心扩散器，以及在各个第二导叶和一个第一导叶之间形成二级中心扩散器。

方面29：根据方面26至28中的任一方面的喷燃器，其中，各个第一导叶进一步包括定向成基本平行于燃料喷嘴的中心线长轴的前缘。

方面30：根据方面26至29中的任一方面的喷燃器，进一步包括：分流器，其在燃料喷嘴中定位在各个第一导叶上游，并且与各个第一导叶隔开；其中，各个分流器包括上游顶点和内侧部，内侧部向下游延伸，并且相对于顶点延伸向长轴中心线；以及其中，分流器的顶点定位成与长轴中心线相隔距离Xm，距离Xm大于第一导叶的上游端和长轴中心线之间的距离Xv，以及其中，Xv=½(W1)。

方面31：根据方面30的喷燃器，其中，限定在内侧部和长轴中心线之间的角度α为大约15°至大约45°。

方面32：根据方面26至31中的任一方面的喷燃器，进一步包括：在燃料喷嘴的各个长壁附近的一级氧管道；在燃料喷嘴的下游端处从各个长壁突出到氧管道中的楔形件，楔形件定位成使一级氧流相对于燃料喷嘴的长轴中心线向外发散；其中，楔形件大体为三角形形状，并且具有大约3°至大约30°的发散角度。

方面33：根据方面32的喷燃器，进一步包括二级氧管道，二级氧管道与一个一级氧管道隔开，并且与离一个一级氧管道相比，与燃料流隔开更远距离。

方面34：一种宽焰固体燃料/氧喷燃器包括：燃料喷嘴，其具有上游-下游流向；至少大约2的纵横比，纵横比由沿着长轴中心线测量的燃料喷嘴宽度W与沿着短轴中心线测量的燃料喷嘴高度H的比限定；以及相对于长轴中心线基本对称地隔开的长壁；以及基本对称地定位在燃料喷嘴的长轴中心线的两侧的成对的第一导叶，各个第一导叶定位在长轴中心线和长壁中的相邻一个长壁之间，第一导叶相对于长轴中心线沿流向以第一角度发散，使得第一导叶在上游端处较紧密地在一起，而在下游端处分得较开，从而在第一导叶之间形成中心扩散器，以及在各个第一导叶和一个长壁之间形成外部会聚喷嘴；分流器，其定位在各个第一导叶上游的燃料喷嘴中，并且与各个第一导叶隔开；其中，各个分流器包括上游顶点和内侧部，内侧部向下游延伸，并且相对于顶点延伸向长轴中心线；以及其中，分流器的顶点定位成与长轴中心线相隔距离Xm，距离Xm大于第一导叶的上游端和长轴中心线之间的距离Xv。

方面35：根据方面34的喷燃器，进一步包括：定位在第一对导叶之间的至少一个第二导叶，第二导叶相对于各个第一导叶发散，从而为各个至少一个第二导叶形成额外的扩散通道。

方面36：根据方面35的喷燃器，其中，两个第二导叶基本对称地定位在燃料喷嘴的长轴中心线的两侧，第二导叶相对于长轴中心线以小于第一角度的第二角度发散，从而在第二导叶之间形成一级中心扩散器，以及在各个第二导叶和一个第一导叶之间形成二级中心扩散器。

方面37：根据方面34至36中的任一方面的喷燃器，其中，各个第一导叶进一步包括定向成基本平行于燃料喷嘴的中心线长轴的前缘。

方面38：根据方面37的喷燃器，其中，限定在分流器的内侧部和长轴中心线之间的角度α为大约15°至大约45°。

方面39：根据方面34至38中的任一方面的喷燃器，其中，第一导叶的上游端隔开距离W1，距离W1是燃料喷嘴高度H的大约0.15倍至大约0.60倍；其中，第一导叶的下游端隔开距离W2，距离W2是第一导叶的上游端之间的距离W1的大约1.3倍至大约4.0倍；其中，每一个第一导叶的下游端和长壁中的与其形成外部会聚喷嘴的相邻一个长壁隔开距离W4，距离W4是该一个第一导叶的上游端和该一个长壁之间的距离W3的大约0.15倍至大约0.75倍。

方面40：根据方面34至39中的任一方面的喷燃器，进一步包括：在燃料喷嘴的各个长壁附近的一级氧管道；在燃料喷嘴的下游端处从各个长壁突出到氧管道中的楔形件，楔形件定位成使一级氧流相对于燃料喷嘴的长轴中心线向外发散；其中，楔形件大体为三角形形状，并且具有大约3°至大约30°的发散角度。

方面41：根据方面40的喷燃器，进一步包括二级氧管道，二级氧管道与一个一级氧管道隔开，并且与离一个一级氧管道相比，与燃料流隔开更远距离。

方面42：一种燃烧粉状固体燃料与氧以形成宽焰的方法，该方法包括：使在运送气体中的粉状固体燃料的燃料流流过燃料喷嘴；将燃料流分成至少三个单独的流，三个单独的流包括在形成于成对的第一发散导叶之间的扩散器中流动的中心流，以及一对外部流，各个外部流在形成于一个导叶和燃料喷嘴的壁之间的会聚喷嘴中流动；其中，中心流减速，而外部流加速。

方面43：根据方面42的方法，进一步包括：在中心流流到扩散器中之后，进一步将中心流分成由定位在成对的第一发散导叶之间的一个或多个第二导叶形成的多个单独的扩散流。

方面44：根据方面42或43的方法，进一步包括：在燃料流分开之前，使燃料流流经成对的分流器，各个分流器定位在各个第一导叶上游，并且与各个第一导叶隔开；其中，各个分流器包括上游顶点和内侧部，内侧部向下游延伸，并且相对于顶点延伸向长轴中心线；以及其中，顶点定位成与长轴中心线相隔距离Xm，距离Xm大于第一导叶的上游端和长轴中心线之间的距离Xv。

方面45：根据方面42至44中的任一方面的方法，进一步包括：使一级氧在燃料喷嘴的各个长壁附近流动；以及使一级氧流经在燃料喷嘴的下游端处从各个长壁突出的楔形件上，以使一级氧流相对于燃料喷嘴的长轴中心线向外发散。

方面46：根据方面44的方法，进一步包括：使与一级氧流隔开的二级氧在燃料喷嘴的一侧流动。

本文公开的系统的各方面可单独使用，或者与彼此结合起来使用。

附图说明

图1是宽焰燃料管道或喷嘴的形状的三个可行的非限制性示例的示意性横截面或端视图，包括卵形形状、长方形形状和混合(具有圆角的卵形化长方形)形状；对于固体-燃料喷燃器，燃料喷嘴传送在运送气体中的固体燃料微粒。

图2是示例性宽焰喷燃器的示意性横截面图或端视图，其中一级氧管道包围燃料管道。

图3是示例性宽焰喷燃器的示意性横截面图或端视图，其中，一级氧化剂管道定位在燃料管道的各个长侧部上，并且基本平行于燃料管道的长轴延伸。

图4是示例性燃料喷嘴的示意性侧视横截面图，示例性燃料喷嘴包括成对的导叶，导叶沿流向发散，以形成在各侧被外部会聚喷嘴限制的中心扩散器。

图5是比较具有形成附连火焰(顶部)的燃料喷嘴的喷燃器与具有形成升起火焰(底部)的燃料喷嘴的喷燃器的示意性侧视图。

图6是显示流过燃料喷嘴的燃料流的标准化速度分布的图表，其指示中心扩散器中的流速平均而言减小，而外部会聚喷嘴中的流速平均而言增大。

图7是示出由于在离开外部会聚喷嘴的较高速燃料和离开中心扩散器的较低速燃料之间产生剪切，而在燃料喷嘴的出口处，或者在出口的下游不远处形成的成对的反向旋转式流向(streamwise)涡流的形式的示意性侧视图。

图8是示意性侧视横截面图，其示出扩散器几何结构的不利作用，扩散器几何结构引起分离，从而在扩散器内产生不合需要的微粒脱离(dropout)和再循环区，以及在扩散器的中心中产生不合乎需要的局部速度较高的区域。

图9是显示在壁处基本没有流分离的扩散器的合乎需要的运行范围的对数图，运行范围被表达成扩散器的N/W1(长度除以入口宽度)和W2/W1(出口宽度与入口宽度的面积比)之间的关系。

图10是示例性燃料喷嘴的示意性侧视横截面图，示例性燃料喷嘴包括如图4中那样的成对的发散导叶(外部导叶)，并且进一步包括成对的内部发散导叶，内部发散导叶定位成比外部导叶更接近燃料喷嘴中心线。

图11是示例性燃料喷嘴的示意性横截面图，示例性燃料喷嘴包括：成对的外部导叶，其具有基本平行于燃料喷嘴中心线的前缘，并且沿流向发散；以及成对的内部发散导叶，其定位成比外部导叶更接近燃料喷嘴中心线，并且示例性燃料喷嘴进一步包括成对的分流器，分流器定位在外部导叶的平行前缘上游。

图12是如图11中那样的示例性燃料喷嘴的示意性横截面图，它示出了与分流器和外部导叶的相对定位有关的几何结构参数。

图13是如图11中那样的对称的示例性燃料喷嘴的一半的示意性横截面图，它显示了分流器对进入由外部导叶形成的扩散器的燃料微粒分布的影响；大体上，分流器使具有较高的固体燃料微粒浓度的燃料流被引导到扩散器中，同时使具有较低的固体燃料微粒浓度的燃料流被引导到外部会聚喷嘴。

图14是如图12中那样的对称的示例性燃料喷嘴的一半的一组示意性横截面图，它显示了用于定位在外部导叶上游的分流器的三个可行的非限制性示例形状。

图15是喷燃器的示意性侧视横截面图，喷燃器具有在各个长(长轴)侧被一级氧喷嘴限制的燃料喷嘴。

图16是如图15中那样的喷燃器的示意性侧视横截面图，其中，具有角度β的大体为三角形的楔形件从燃料管道突出到各个一级氧流径中，从而使燃料流与各个一级氧流分开，并且图16示出喷燃器面处的最终流型，最终流型包括发散氧流，发散氧流使热的燃烧产物再循环且使来自燃料流的燃料微粒外流到离开喷燃器的发散氧流的尾流中。

图17是图15或图16中的喷燃器的示意性侧视横截面图，喷燃器进一步包括二级分级氧流，二级分级氧流与一个一级氧流隔开，并且与离一个一级氧流相比，与燃料流隔开较远距离。

图18是具有外部导叶的燃料喷嘴的示意性侧视横截面图，其指示尺寸参数。

具体实施方式

为了描述本文，提供以下定义。运送气体是用来传送或运送固体燃料微粒的气态流体，并且可包括空气、富氧空气、氮、二氧化碳、回收烟道气和它们的组合。氧是包含浓度大于或等于28 摩尔%O₂，优选大于或等于60 摩尔 %O₂，并且更优选大于或等于85 摩尔 %O₂的氧分子的气体。固体燃料是呈固体形式的烃燃料，并且可包括石油焦炭；各种各样的煤，其包括无烟煤、烟煤、亚烟煤和褐煤；泥煤、木头、草，以及其它所谓的生物质量材料；城市固体废料；以及它们的组合。

在本文描述平焰或宽焰氧/粉状固体燃料喷燃器的几个实施例和变型。平焰或宽焰喷燃器是其中燃料喷嘴具有纵横比(即，宽度与高度的比，或者长轴与短轴的比)大于或等于大约2的非圆形横截面的喷燃器。存在基本无限的可产生平焰或宽焰的燃料喷嘴横截面形状，而且它们全部都能够根据本文的描述工作。这些包括(但不限于)普通的燃料喷嘴形状，其具有图1中示出的卵形、长方形和混合形(即，具有半圆形端部的长方形)横截面。

喷燃器的实施例还包括燃料喷嘴附近运行的一级氧流。一级氧管道构造的两个构造是最典型的，并且落在本公开的范围内。在第一构造中，例如图2中所示，氧管道完全包围燃料管道(即，一级氧喷嘴形成基本围绕燃料喷嘴的环带)。在第二构造中，存在两个一级氧管道，一个在燃料喷嘴的顶部边缘附近，另一个在燃料喷嘴的底部边缘附近，它们定位成基本平行于燃料喷嘴的长轴，如图3中那样。各种其它一级氧喷嘴构造是可行的。各个燃料喷嘴的特征在于沿着长轴中心线测量的宽度W，以及沿着短轴中心线测量的高度H；如上面提到的那样，W与H的比为至少大约2。

喷燃器可构造成包括一个或多个不同的特征，各个特征都会影响喷燃器的性能。当结合起来使用时，两个或更多个这样的特征和谐地工作，以使得固体燃料能够稳定且高效地燃烧。这些特征都包括在燃料喷嘴设计和氧喷嘴设计两者的各方面中。

如图4中显示的那样，燃料喷嘴的一个实施例包括两个笔直的第一或外部导叶，它们关于燃料喷嘴的长轴中心线对称地定位，并且沿流向相对于彼此发散。在其它实施例中，第一导叶可定位成相对于长轴中心线不对称。外部导叶具有定位成隔开距离W1的上游端和定位成隔开大于W1的距离W2的下游端，以及沿长轴方向测量的长度N。在图11中示出备选构造，其中，在发散之前，各个导叶的前缘平行于燃料喷嘴的中心线延伸。图11的设计会使接近流的攻角减小，并且从而最大程度地降低导叶使流分离和速度场中断的趋势。

运送气体和粉状固体燃料以名义上15-25 m/秒的平均速度引入到燃料喷嘴的进入口中。这个速度对于固体燃料喷燃器中的气动运送是典型的，因为它高于防止颗粒大量从气动混合物中脱离所需的最低传送速度，同时不会过高而产生腐蚀喷嘴硬件的高趋势。不幸的是，这个同一速度范围对于实现固体燃料火焰的稳定附连往往过高，特别是当固体燃料具有较低的挥发物质含量时，诸如石油焦和无烟煤等。一般将火焰的稳定附连定义为将火焰前锋定位在燃料喷嘴末端(喷燃器面)附近不远处，分离距离小，或没有分离距离。比较图5的顶部与图5的底部，图5的顶部显示稳定的“附连”火焰，图5的底部则显示火焰升起或火焰脱离，其中，火焰前锋与燃料喷嘴末端分开相当多。因此，本喷燃器的主要目标是使较低挥发性固体燃料的火焰前锋实现稳定附连。

在固体燃料/运送气体混合物流过图4的燃料喷嘴时，它遇到第一导叶的上游端，第一导叶将混合物分成三个不同的流动流。特别地，形成用来使流减速的中心扩散流动流，同时形成用来使流加速的成对的优选对称的外部会聚流动流或喷嘴。图6显示由图10的实施例产生的有代表性的流速分布。横截面的中心中的速度大大减小到流动流的平均值(Vavg)以下，因为中心扩散器内有减速。相比之下，速度分布的外翼中(即，在会聚喷嘴的下游端处)的速度名义上是平均值的两倍，因为在外部会聚喷嘴内发生了加速。低的中心速度基本减小火焰前锋的点燃疏远距离，从而基本充分地降低流速，以允许在燃料喷嘴出口或末端的下游不远处点燃固体燃料。另外，高速外部流和低速中心区域之间的相互作用会产生剪切层，剪切层会在燃料喷嘴出口的下游产生成对的反向旋转式流向涡流，如图7中示出的那样。这对涡流用来使热的燃烧产物气体和部分地燃尽的固体微粒向上游再循环到点燃区中，以便提高燃料喷嘴出口附近的火焰前锋的强度和稳定性。在此说明书的其余部分中，假设喷嘴宽度比(例如，W2/W1、W4/W3、W1/WN，参见表1和图9、18)等于横越那些宽度的喷嘴流域的比。

如果中心扩散器构造成具有“非分离”设计，则它最有效。也就是说，扩散器几何结构应当设定成确保在扩散器通道内发生最小流分离。基本阻止中心扩散器内有流分离会最大程度地减少流的停滞区域的出现，在停滞区域中存在零速度流或逆流，如图8中描绘的那样。这种停滞流将产生两个有害作用：(1)使扩散器通道内的固体燃料颗粒脱离，以及(2)在扩散器通道的中心内产生高速流区域，从而抵消离开扩散器的低速度的前述有利作用。在图9中显示本领域已知的实现非分离扩散器通道的准则，图9是扩散器面积比(W2/W1)与无量纲长度(N/W1)的对数图。

从火焰稳定性的角度看，合乎需要的是在中心扩散器中获得最大程度的流速降低，而不引起流分离。这可通过以下实现：使用定位在扩散器区段内的一个或多个额外的(第二或内部)导叶，即，第二导叶定位成比第一导叶更接近燃料喷嘴的长轴中心线，并且以较浅的角度发散。在图10中示出利用两个额外的内部导叶的实施例。注意，这些内部导叶有效地产生额外的平行扩散区段，扩散区段相对于外部导叶具有更大的无量纲长度(N/W1)。因此，与单独使用外部导叶所实现的相比，使用内部导叶可使得能够实现更大的总出口-入口面积比(W2/W1)，以及相应地实现更小的出口-入口速度比，而不引起流分离。

存在可在扩散器-会聚喷嘴组合的构造中改变的若干几何结构参数。已经确定关于中这些几何结构参数的一些的容许范围和优选范围，但其它参数可能对喷燃器的整体运行没有那么大的影响。大体上，如果扩散器的总出口-入口面积比(W2/W1)太小，则平均扩散器出口速度将太高，而且因此无法容易地实现火焰的稳定附连。但是，扩散器面积比(W2/W1)过大可在扩散器内引起流分离，具有前面参照图8所阐明的后果。

此外，假设燃料喷嘴的总横截面面积是恒定的，中心扩散器和会聚喷嘴的出口-入口面积比是逆相关的。因而，随着扩散器比(W2/W1)减小，会聚喷嘴的面积比(W4/W3)增大，最终导致这样的情形：扩散器出口速度对于火焰附连而言过高，而会聚喷嘴出口速度过低，以至于无法产生使燃烧稳定所需的足够可靠的成对的反向旋转的涡流。相反，随着扩散器面积比(W2/W1)增大，会聚喷嘴面积比(W4/W3)减小，这可使得外部喷嘴速度非常高，这可导致内在火焰结构崩溃，或者在会聚喷嘴出口面积变得足够小时，导致外部喷嘴流有相当大的节流和减少。这些情形对于固体燃料/氧喷燃器中的火焰稳定性都是有害的。在图18中指示扩散器和会聚喷嘴入口和出口宽度。注意，在一般不对称的情况下，在燃料通道中心线的两侧，燃料喷嘴入口和出口面积的幅度可不同。因此，将它们表示为W3-L、W3-R、W4-L和W4-R。在对称的情况下(在以上论述中假设)，W3-L=W3-R=W3，并且W4-L=W4-R=W4。将以上论述扩展到不对称的情况需要用(W4-L/W3-L)和(W4-R/W3-R)代替比(W4/W3)。

扩散器入口面积与总燃料喷嘴横截面面积的比(W1/)也可对喷燃器的运行有显著影响。从火焰稳定性的角度看，合乎需要的是最大程度地增大扩散器入口面积，因为这会使最多燃料流到扩散器中，并且因而，在火焰的低速区域内释放最多化学能。但是，对于固定扩散器角度α，如图9中显示的那样(其中tan(α)=(W2–W1)/(2N))，扩散器入口面积过大(即，W1/WN过大)会导致会聚喷嘴出口面积过小(即，W4/WN过小)，有以上段落中描述的不利后果。相反，扩散器入口面积过小(即，W1/WN过小)可使扩散器缺乏形成稳定火焰所需的化学能。

因此，在下面的表1总结了上面针对扩散器-会聚喷嘴组合的几何结构所论述的各种参数的容许范围和优选范围。

表1

如表1中总结的那样，对扩散器入口面积与总燃料喷嘴面积的比(W1/WN)施加的实际约束有效地限制进入扩散器的进入燃料流的质量分数。此外，假设燃料喷嘴中的靠近扩散器入口的流速和固体燃料浓度均匀，则进入扩散器的燃料-运送气体质量比等于平均流值。但是，为了便于点燃和加强稳定性，合乎需要的是使燃料质量分数和燃料与运送气体的质量比提高超过在这些限制内通常可实现的燃料质量分数和质量比。如上面论述的那样，进入扩散器的较高的燃料分数会使得在扩散器的低速出口流处释放较多化学能，这可提高火焰稳定性。而且燃料-运送气体质量比的值较大会对运送气体产生较小的稀释作用，从而较迅速地加热燃料微粒，以及减小点燃延迟和提高火焰稳定性。

通过使进入扩散器的燃料浓缩高于其均匀浓度，可使燃料-运送气体质量比增大超过几何结构扩散器限制所蕴涵的值。在一个实施例中，通过策略性地将一个或多个分流器(静态流装置)布置在外部导叶上游来实现这一点。基本上，分流器将较多燃料转移到扩散器中，较多运送气体转移到会聚外部喷嘴中，或者两者结合起来。在图11中示出分流器的满足这些目标的示例性式样和布置，要理解的是，分流器实际上存在可实现期望目标(有时程度或大或小)的无限构造、定向和位置。

在图11的实施例中描绘两个分流器。分流器是彼此的镜像，并且它们的布局关于燃料流道的长轴中心线对称。在这个图中显示的分流器的设计包括沿下游方向相对于顶点发散的两个不对称侧部：具有笔直边缘和弯曲后部边缘的组合(弯曲后部边缘在笔直边缘后面)的第一或内侧部，以及具有单个笔直边缘的第二或外侧部，其中，弯曲后部边缘在下游端处连结到第二侧部上。为了实现使扩散器内的燃料浓度提高的目标，分流器的物理布局应当优选地适合图12中指示的几何结构参数。特别地，分流器的前缘或顶点和通道的中心线之间的距离Xm应当大于外部导叶的上游或前缘和通道中心线之间的距离Xv。注意，当导叶定位成关于长轴中心线对称时，Xv等于W1的一半。

当分流器定位成Xm>Xv时，分流器用来扩大对中心扩散器进行馈送的燃料喷嘴横截面面积的比例，即，分流器将流从大于W1的区域引导向中心扩散器的具有宽度W1的入口。为了实现这一点，分流器的内(第一)侧部应当具有朝向燃料喷嘴的中心线的初始轨线。也就是说，如图12中显示的那样，角度θ具有介于0°和90°之间，并且优选介于大约15°和大约45°之间的值。这对燃料微粒提供被引导到中心扩散器的入口内的动量(矢量)，从而相对于没有分流器时出现的情况下，增加流过扩散器的燃料微粒量。关于运送气体流，虽然固体燃料微粒的动量受到其在分流器的内侧部上的初始轨线的强烈影响，但运送气体流往往保持附连到内(第一)侧部的下游弯曲后表面上。所以，沿着分流器的内侧部流动的运送气体将较易于围绕弯曲表面回流，以及在下游边缘处遇到外侧部，如在图13中显示的流场中定性地示出的那样。因此，虽然由于分流器的内侧部作用，以及固体燃料微粒无法快速改变动量以跟随围绕分流器的运送气体流线，固体燃料微粒往往在扩散器中集中，但在燃料喷嘴上的运送气体分布将在很大程度保持不受影响，从而使扩散器燃料浓度受欢迎地提高(并且会聚喷嘴燃料浓度因此降低)。

分流器的许多其它设计和布局可在本发明的喷燃器中用来使燃料流在扩散器内集中。这些包括(但不限于)薄的笔直导叶、三角体和椭圆体，如图14中描绘的那样。

可通过调节定位在燃料喷嘴的各个长边附近的一级氧流和在燃料喷嘴出口或末端处的燃料/运送气体流之间的相互作用，来进一步提高本喷燃器的性能。一级氧在一级氧管道流动，一级氧管道的轴线在名义上平行于燃料/运送气体管道的长轴中心线内，如图15中显示的那样。但是，在燃料和一级氧流之间的混合点(燃料喷嘴末端或出口)处的平行的氧和燃料/运送气体流对于火焰附连可能是有害的，因为一级氧流对燃料流产生的剪切往往将点燃点拉离燃料喷嘴末端。为了避免这种导致不稳定的作用，结合偏转楔形件，偏转楔形件从壁突出到一级氧流中，从而使燃料喷嘴与一级氧管道分开，以便在燃料喷嘴末端处产生不平行的发散流。楔形件主要由楔形角度β限定，楔形角度β为大约3°至大约30°，并且优选为大约5°至大约15°。在图16中示出由楔形件产生的流型。在下游侧，在楔形件附近形成低压、低速尾流区域。在尾流的一侧引起燃料微粒流入，流入的燃料微粒与处于低速的一级氧密切混合，同时热的再循环燃烧产物在尾流的另一侧被吸入，从而加热一级氧和燃料微粒两者。这些流作用因而协作地工作，以提高本发明的喷燃器中的早期点燃和火焰稳定性。

喷燃器还可结合二级氧流，二级氧流在一级氧和燃料流附近引入但与它们分开，以实现分级燃烧，在分级燃烧中，提供化学计量量的一级氧，并且二级氧流提供进行完整燃烧所需的其余的必要氧。二级氧引入的一个特别有利的定向是在燃料喷嘴下方，如图17中示出的那样。这种定向允许推迟对一级氧/燃料火焰引入二级氧，从而拉长火焰，降低高峰火焰温度和减少NOx排放。此外，火焰下侧与二级氧混合会产生优先向下的火焰辐射方向，已知这具有加热和熔化其中喷燃器定位在原始馈料上方的炉的有利作用。

本发明在范围上不受示例中公开的具体方面或实施例限制，示例意于说明本发明和功能相等的任何实施例的几方面在本发明的范围内。除了本文显示和描述的那些之外，本发明的各种修改对本领域技术人员将变得显而易见，并且意于落在所附权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种宽焰固体燃料/氧喷燃器，其包括：

燃料喷嘴，其具有：上游-下游流向；至少2的纵横比，所述纵横比由沿着长轴中心线测量的燃料喷嘴宽度W与沿着短轴中心线测量的燃料喷嘴高度H的比限定；以及对称地与所述长轴中心线隔开的长壁，所述燃料喷嘴具有入口宽度WN；以及

定位在所述燃料喷嘴的所述长轴中心线的两侧的成对的第一导叶，各个第一导叶定位在所述长轴中心线和所述长壁中的相邻一个长壁之间，所述第一导叶沿所述流向相对于所述长轴中心线以第一角度发散，使得所述第一导叶在上游端处较紧密地在一起，而在下游端处分得较开，从而在所述第一导叶之间形成中心扩散器，以及在各个第一导叶和所述长壁中的一个之间形成外部会聚喷嘴；以及

定位在所述成对的第一导叶之间的至少一个第二导叶，所述第二导叶相对于所述第一导叶中的各个发散，从而为所述至少一个第二导叶中的各个形成额外的扩散通道；

其中，所述第一导叶定位成相对于所述长轴中心线对称。

2.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述第二导叶中的两个对称地定位在所述燃料喷嘴的所述长轴中心线的两侧，所述第二导叶相对于所述长轴中心线以小于所述第一角度的第二角度发散，从而在所述第二导叶之间形成一级中心扩散器，以及在各个第二导叶和所述第一导叶中的一个之间形成二级中心扩散器。

3.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述第一导叶中的各个进一步包括定向成平行于所述燃料喷嘴的所述长轴中心线的前缘。

4.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述中心扩散器具有构造成产生非分离流的几何结构。

5.根据权利要求2所述的喷燃器，其特征在于，所述一级中心扩散器和二级中心扩散器中的各个具有构造成产生非分离流的几何结构。

6.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述第一导叶的所述上游端隔开距离W1，所述距离W1是所述燃料喷嘴入口宽度WN的0.15倍至0.60倍。

7.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述第一导叶的所述下游端隔开距离W2，所述距离W2是所述第一导叶的所述上游端之间的距离W1的1.3倍至4.0倍。

8.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，所述第一导叶中的每一个的所述下游端和所述长壁中的与其形成外部会聚喷嘴的相邻一个长壁隔开距离W4，所述距离W4是所述第一导叶中的所述一个的所述上游端和所述相邻一个长壁之间的距离W3的0.15倍至0.75倍。

9.根据权利要求1所述的喷燃器，其特征在于，进一步包括：

在所述燃料喷嘴的所述长壁中的各个附近的一级氧管道；以及

在所述燃料喷嘴的下游端处从所述长壁中的各个突出到所述氧管道中的楔形件，所述楔形件定位成使一级氧流相对于所述燃料喷嘴的所述长轴中心线向外发散。

10.根据权利要求9所述的喷燃器，其特征在于，进一步包括二级氧管道，所述二级氧管道与所述一级氧管道中的一个隔开，并且与所述一级氧管道中的所述一个离燃料流的距离相比，与所述燃料流隔开更远距离。

11.一种燃烧粉状固体燃料与氧以形成宽焰的方法，所述方法包括：

使在运送气体中的粉状固体燃料的燃料流流过燃料喷嘴；

使所述燃料流分成至少三个单独的流，所述三个单独的流包括在形成于成对的第一发散导叶之间的扩散器中流动的中心流，以及一对外部流，所述外部流各自在形成于所述导叶中的一个和所述燃料喷嘴的壁之间的会聚喷嘴中流动；以及

在所述中心流流到所述扩散器中之后，使所述中心流进一步分成多个单独的扩散流，所述多个单独的扩散流由定位在所述成对的第一发散导叶之间的一个或多个第二导叶形成；

其中，所述中心流减速，而所述外部流加速。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括：

使一级氧在所述燃料喷嘴的所述壁中的各个附近流动；以及

使所述一级氧流经在所述燃料喷嘴的下游端处从所述壁中的各个突出的楔形件，以使一级氧流相对于所述燃料喷嘴的长轴中心线向外发散。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括：

使与所述一级氧流隔开的二级氧在所述燃料喷嘴的一侧流动。