CN110662922B - 用于固体燃料及其衍生物的燃烧的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于发电设备的一个或多个方面的设备和方法。更具体地，本公开涉及适于使用源于固体燃料的气化的不同燃料混合物的燃烧器设备和用于燃烧器的方法。不同燃料混合物在燃烧器内的燃烧可以通过设置燃烧器的元件来促进，这些元件被控制为使得已定义的一组燃烧特性跨不同燃料混合物的范围保持大致恒定。

Description

用于固体燃料及其衍生物的燃烧的系统和方法
技术领域
本所公开的主题涉及用于非气体燃料的燃烧的系统和方法，特别是在发电中。该系统和方法对于适应具有可变化学性质的燃料的燃烧特别有用。
背景技术
随着对发电的全球需求增加，持续需要另外的发电设备来满足这种需要。由于市场需求，期望以最大的可能效率且在可能的范围内以碳捕获实现这种发电。可以用于发电的固体燃料(诸如煤)的储量仍然很大，特别是借助产生可以进一步燃烧的气体燃料(即，合成气)的煤的部分氧化。然而，由于煤成分的显著变化，难以提供具有可靠且一致的化学性质的合成气源。由此可见，需要一种燃烧系统和方法，通过该系统和方法固体燃料可以部分氧化来提供气体燃料，这些气体燃料本身可以燃烧来发电，而没有由不一致化学性质引起的有害效应。
发明内容
本公开提供了用于由固体燃料发电的系统和方法。更具体地，本公开提供了可以使用由固体燃料的气化形成的气体燃料的发电系统和方法。系统和方法被构造为适应由在上游气化的固体燃料的化学性质的变化引起的、气体燃料的不同化学性质。这可以提供显著的优点，因为可以按需切换不同的非气体燃料，而不需要在下游燃烧气体燃料的发电系统的零件的关联交换，所有都同时提供高的燃尽效率和低的衬里温度。
在一个或多个实施方式中，本公开可以提供发电设备。在示例性实施方式中，一种发电设备可以包括：气化炉，该气化炉被构造为接收固体燃料并提供气体燃料；燃烧器，该燃烧器被构造为接收气体燃料、氧化剂以及稀释剂并且输出燃烧器排出流；以及涡轮，该涡轮被构造为接收燃烧器排出流；其中，燃烧器包括外壳和在内部限定燃烧室的燃烧器衬里，燃烧器衬里的外表面的至少一部分被构造为在被燃烧室接收之前，接收与之碰撞的燃料、氧化剂以及稀释剂中的任意一种或多种的流，从而提供燃烧器衬里的冷却。在另外实施方式中，发电设备可以关于以下陈述中的一个或多个来定义，这些陈述可以以任意数量或顺序组合。
燃烧器衬里的外表面可以包括外围和长度，并且燃烧器衬里的外表面绕外围和沿着其长度的大致整体可以被构造为在被燃烧室接收之前，接收与之碰撞的燃料、氧化剂或稀释剂中的任意一种或多种的流。
燃烧器衬里可以包括与燃烧器衬里的外表面接合的多个纵向延伸的加强肋构件，并且燃烧器衬里的外表面在相邻的加强肋构件之间的至少一部分可以被构造为在被燃烧室接收之前，接收与之碰撞的燃料、氧化剂以及稀释剂中的任意一种或多种的流。
发电设备还可以包括套筒构件，该套筒构件围绕燃烧器衬里的外表面和多个加强肋构件延伸，套筒构件与至少加强肋构件协作来围绕燃烧器衬里的外表面限定多个纵向延伸的冷却通道，燃料、氧化剂以及稀释剂中的任意一种或多种的流在被燃烧室接收之前，被引导穿过冷却通道并碰撞燃烧室的外表面。
燃烧器衬里可以包括在内部限定并适于使氧化剂通过进入燃烧室中的一个或多个开口。
燃烧器衬里可以包括在内部限定并适于使稀释剂通过进入燃烧室中的一个或多个开口。
燃烧器衬里可以包括第一内衬里和第二外衬里。
内衬里和外衬里可以隔开，以便在其间限定空间，空间适于使稀释剂通过。
燃烧室可以限定反应区域和稀释区域。
燃烧器还可以包括接合燃烧器衬里的上游端的氧化剂注入器。
氧化剂注入器可以包括第一级氧化剂注入器，该第一级氧化剂注入器被设置为将至少氧化剂的至少第一部分引入到燃烧室中。
第一级氧化剂注入器可以包括旋流器装置，该旋流器装置被构造为将氧化剂相对于轴向成角度地引导到燃烧室中。
旋流器装置可以包括多个成角度的氧化剂进出口，这些氧化剂进出口被构造为将氧化剂相对于轴向成大约20度到大约85度的角度引导到燃烧室中。
氧化剂注入器可以包括通过其的通路，该通路被构造为由燃料喷嘴接合。
氧化剂注入器可以包括第二级氧化剂注入器，该第二级氧化剂注入器被设置为将至少氧化剂的第二部分引入穿过限定燃烧室的燃烧器衬里的壁。
第二级氧化剂注入器可以相对于第一级氧化剂注入器设置，使得至少氧化剂的第二部分在第一级氧化剂注入器的下游被引入穿过燃烧器衬里的壁。
在一些实施方式中，一种发电设备可以包括：气化炉，该气化炉被构造为接收固体燃料并提供气体燃料；燃烧器，该燃烧器具有限定燃烧室的燃烧器衬里，该燃烧室被构造为接收气体燃料、氧化剂以及稀释剂，并且该燃烧器输出燃烧器排出流，燃烧室限定反应区域和稀释区域；以及注入装置，该注入装置被构造为将至少氧化剂注入到燃烧器的燃烧室中，注入装置包括：第一级氧化剂注入器，该第一级氧化剂注入器接合燃烧器衬里的端，第一级氧化剂注入器被设置为通过旋流器装置将至少氧化剂的第一部分引入到燃烧室的反应区域，第一级氧化剂注入器的旋流器装置提供氧化剂与燃料的混合以及产生围绕反应区域的再循环；和第二级氧化剂注入器，该第二级氧化剂注入器被设置为穿过限定燃烧室的燃烧器衬里的壁、在第一级氧化剂注入器的下游且在燃烧室的稀释区域之前，将至少氧化剂的第二部分引入到反应区域中，第二级氧化剂注入器被构造为稳定燃烧产生的火焰，并且在稀释区域之前提供氧化剂与燃料的另外混合。在另外实施方式中，发电设备可以关于以下陈述中的一个或多个来定义，这些陈述可以以任意数量或顺序组合。
燃烧器衬里的外表面的至少一部分可以被构造为在被燃烧室接收之前，接收与之碰撞的燃料、氧化剂以及稀释剂中的任意一种或多种之前的流，从而提供燃烧器衬里的冷却。
燃烧器衬里可以包括与燃烧器衬里的外表面接合的多个纵向延伸的加强肋构件，并且燃烧器衬里的外表面在相邻的加强肋构件之间的至少一部分可以被构造为在被燃烧室接收之前，接收与之碰撞的燃料、氧化剂以及稀释剂中的任意一种或多种的流。
燃烧器衬里可以包括在内部限定并适于使稀释剂通过进入燃烧室中的一个或多个开口。
在一个或多个实施方式中，本公开可以涉及发电方法。在示例性实施方式中，一种发电方法可以包括以下步骤：使固体燃料气化，以形成气体燃料；将来自气化炉的气体燃料与氧化剂和稀释剂一起注入到燃烧器中，以便燃烧燃料并形成燃烧器排出流；以及使燃烧器排出流穿过涡轮来发电；其中，燃烧器包括外壳和在内部限定燃烧室的燃烧器衬里，并且其中，气体燃料、氧化剂以及稀释剂中的任意一种或多种的流在被燃烧室接收之前，沿着燃烧器衬里的外表面的至少一部分传递，从而提供燃烧器衬里的冷却。在另外实施方式中，发电方法可以关于以下陈述中的一个或多个来定义，这些陈述可以以任意数量或顺序组合。
燃烧器衬里可以包括与燃烧器衬里的外表面接合的多个纵向延伸的加强肋构件，并且燃料、氧化剂中的任意一种或多种的流可以在被燃烧室接收之前，沿着燃烧器衬里的外表面在相邻的加强肋构件之间的至少一部分传递。
燃烧器衬里可以包括在内部限定的一个或多个开口，并且氧化剂的至少一部分可以穿过一个或多个开口传递到燃烧室中。
燃烧器衬里可以包括在内部限定的一个或多个开口，并且其中，稀释剂的至少一部分可以穿过一个或多个开口传递到燃烧室中。
发电方法可以包括以下步骤：将氧化剂的至少一部分通过接合燃烧器衬里的上游端的氧化剂注入器传递到燃烧室中。
发电方法可以包括以下步骤：通过第一级氧化剂注入器将氧化剂的一部分传递到燃烧室中，该第一级氧化剂注入器包括旋流器装置，该旋流器装置将氧化剂相对于轴向成大约20度到大约85度的角度引导到燃烧室中。
发电方法可以包括以下步骤：通过接合穿过氧化剂注入器的通路的燃料喷嘴将气体燃料传递到燃烧室中。
发电方法可以包括以下步骤：将氧化剂的一部分通过第二级氧化剂注入器传递到燃烧室中，该第二级氧化剂注入器穿过限定燃烧室的燃烧器衬里的壁。
在另外实施方式中，本系统和方法可以包括具有已定义构造的燃烧器设备的使用。在示例性实施方式中，这种燃烧器可以具有被构造为接收燃料、氧化剂以及稀释剂的燃烧室，该燃烧器适于在燃烧室内燃烧燃料的不同成分，并且将产生的燃烧产物从燃烧室引导到排气喷嘴的入口端中并穿过排气喷嘴到达其出口端，排气喷嘴的外表面的至少一部分被构造为接收与之碰撞的至少氧化剂的流，从而提供排气喷嘴的冷却。
在一些实施方式中，排气喷嘴的外表面可以至少部分限定从排气喷嘴的出口端向入口端延伸的螺旋通道，该螺旋通道被构造为在出口端处接收至少氧化剂并朝向入口端引导氧化剂。
在一些实施方式中，排气喷嘴的外表面可以至少部分限定从排气喷嘴的入口端向出口端延伸的螺旋通道，该螺旋通道被构造为在入口端处接收至少氧化剂并朝向出口端引导氧化剂。
在一些实施方式中，排气喷嘴的外表面可以至少部分限定螺旋通道，该螺旋通道具有从出口端向入口端延伸的第一螺旋部和与第一螺旋部流体连通并从排气喷嘴的入口端向出口端延伸的第二螺旋部，第一螺旋部被构造为在出口端处接收至少氧化剂并朝向入口端引导至少氧化剂，并且第二螺旋部被构造为在入口端处接收来自第一螺旋部的至少氧化剂并朝向出口端引导至少氧化剂。
在一些实施方式中，这种燃烧器设备可以具有被构造为接收燃料、氧化剂以及稀释剂的燃烧室。燃烧器可以适于燃烧燃料的不同成分。燃烧室可以限定燃烧区域和再循环区域。注入装置可以被构造为将至少氧化剂注入到燃烧器的燃烧室中。注入装置可以包括第一级，该第一级被设置为将至少氧化剂的第一部分通过旋流器装置引入到燃烧室的主区域中。第一级的旋流器装置可以提供氧化剂与燃料的混合，并且在围绕燃烧室的中心轴的主区域内产生再循环区域以引起稳定火焰的漩涡破裂并增强混合。第二级可以被设置为将至少氧化剂的第二部分穿过限定燃烧室的燃烧器衬里的壁、在主区域的下游且在其稀释区域之前引入到再循环区域中。第二级可以被构造为稳定由燃烧产生的火焰，并提供氧化剂与稀释区域之前的燃料的另外混合。
本公开的这些和其他特征、方面以及优点将从以下详细描述连同下面简要描述的附图一起的阅读显而易见。本公开包括上面注释的方面中的两个、三个、四个或更多个的任意组合以及本公开中阐述的任意两个、三个、四个或更多个特征或元素的组合，而不管这种特征或元素是否在这里的具体实施方式描述中明确组合。本公开旨在全面阅读，使得本公开在其各种方面和实施方式中的任意一个中的任意可分离特征或元素应被视为旨在可组合，除非上下文另外清楚指示。由此，本公开的方面提供了如这里另外详述的优点。
附图说明
图1是根据本公开的示例性实施方式的用于执行发电方法的发电设备的图；
图2是根据本公开的示例性实施方式的用于发电设备和发电方法中的燃烧器的部分截面图；
图3a是根据本公开的示例性实施方式的用于发电设备和发电方法中的燃烧器衬里的立体图；
图3a是根据本公开的示例性实施方式的用于发电设备和发电方法中的燃烧器衬里的部分截面图；
图4是根据本公开的示例性实施方式的用于发电设备和发电方法中的燃料喷嘴的部分立体图；以及
图5是根据本公开的示例性实施方式的用于发电设备和发电方法中的旋流器装置的部分立体图。
具体实施方式
现在将在下文中参照本主题的示例性实施方式更完全地描述本主题。这些示例性实施方式被描述为使得本公开将彻底且完整，并且将向本领域技术人员完全传达主题的范围。实际上，主题可以以许多不同的形式来具体实施，并且不应被解释为限于这里所阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式，使得本公开将满足适用的法律要求。如在说明书和所附权利要求中使用的，单数形式“一(a)”，“一个(an)”、“所述”包括复数指示对象，除非上下文明确另外规定。
本公开涉及适于使用诸如煤的固体燃料的发电的系统和方法。固体燃料具体可以部分氧化来提供气体燃料，诸如在发电设备和发电过程中燃烧的合成气体(或合成气)。由此可见，在一些实施方式中，本公开包含高压超临界CO2环境中的煤合成气氧燃烧。因此，本公开包含系统和方法，在这些系统和方法中，可以将煤和另一种固体碳氢化合物原料材料部分氧化成合成气，该合成气然后可以馈送到氧燃烧系统和方法中的燃烧器中。
在一个或多个实施方式中，可以部分氧化固体燃料，以提供本身在发电设备和发电过程中燃烧的气体燃料。由此可见，如这里使用的，对“气体燃料”、“燃料气体”等的参考被理解为参考直接源于固体燃料的部分氧化(例如，固体燃料的气化)的气体形式的燃料。术语“合成气”特别被理解为意指由煤的部分氧化产生的具有可变化学性质的气体。例如，可以在气化炉中部分氧化煤和/或另一种固体原料材料，以产生高温原料合成气，该合成气可以包含H2、CO、CH4、CO2、H2S以及其他次要物质的变化组合。同样，可以部分氧化其他固体燃料来提供气体燃料。原料合成气还可以例如通过冷却和清洁来处理，以去除灰、可溶酸、水以及重金属。硫类物质可以由现有的酸性气体去除过程去除或留在合成气中燃烧。包括气流床气化炉、流化床气化炉以及移动床气化炉的现有气化炉可以用于气化各种煤原料或其他固体原料材料。清洁后的煤合成气化学性质由于不同的煤原料、不同的气化炉、不同的供煤系统以及不同的合成气清除过程而变化。
包括燃烧特性的合成气的特性可以基于合成气燃料的实际化学性质而显著不同。例如，富含氢和甲醇的合成气燃料将展示来自富含一氧化碳的合成气燃料的燃料特性。合成气的热值受合成气中的CO2含量强烈影响，并且这可以取决于用于产生合成气的煤气化炉的类型而显著不同。例如，由浆进料气化炉(slurry fed gasifier)产生的合成气可以具有超过20质量％的CO2，而由干式进料气化炉(dry fed gasifier)产生的合成气通常可以具有小于10质量％的CO2含量。因此，对于给定质量的各燃料，诸如火焰特性、递送到下游系统温度曲线的热能、废气情况以及废气成分的特性可以显著变化。
因为用于发电设施的燃烧器必须被设计为固定室，所以仅窄范围的燃料混合物可以与燃烧器设计条件(并因而的火焰和燃烧器出口条件)匹配并由此可耐受用于燃烧器中。进一步地，在该范围内的混合物仍然可能引起燃烧器内的扰动或必须紧密控制的火焰行为。由此，本公开的益处在于：本公开可以将煤或另一种固体燃料用作初始燃料源通过提供部分氧化然后在燃烧器中燃烧所产生的合成气来实现发电，该燃烧器被构造为适应所产生合成气的变化的化学性质。
由此，本公开可以涉及包括各种元件的发电设备发电设备和发电过程。美国专利No.8776532、美国专利No.9581082以及美国专利公报No.2017/0241338中描述了根据本公开的可以在发电设备发电设备和发电过程中包括的元件的非限制性示例，此处以引证的方式将专利的公开并入。
这里进一步参照图1描述发电设备及其操作方法。如内部看到的，发电设备100包括元件，这些元件适于部分氧化诸如煤的固体燃料以形成在燃烧器中燃烧的气体燃料，所述燃烧器被构造为即使在使用不同化学性质的燃料时也连续操作。由此可见，可以使用不同等级的固体燃料，所述固体燃料在不需要改变燃烧器的情况下形成具有变化的化学性质的气体燃料。
参照图1，在示例性实施方式中，发电设备100可以包括空气源101，该空气源将空气提供到空气分离单元(ASU)102中，以在线路103和线路104中形成基本纯氧气的流。虽然未例示，但理解，ASU 102可以包括各种压缩机和/或泵，这些压缩机和/或泵被构造为以增大的压力(可以不同或大致相同)在线路103和104中提供氧气。然而，如果期望，可以在线路103和/或线路104中设置另外的压缩机和/或泵，以提供期望水平的压缩。线路103中的氧气指向气化炉105，该气化炉可以是单个气化炉或多个气化炉，并且可以使用如这里另外注释的任意合适类型的气化炉。来自固体燃料源106的固体燃料可以提供给准备站107，在该准备站中，例如，可以用一个或多个研磨机研磨固体燃料，以提供期望的平均颗粒尺寸的微粒化固体燃料。在准备站107中，可以在流体化介质(诸如基本纯二氧化碳)中夹带固体燃料(但另外或另选地，可以使用其他流体化介质)。在准备站107中准备的固体燃料穿过线路108传递到气化炉105，并且作为部分氧化的气态燃料在线路109中离开。例如，当固体燃料是煤时，变化化学性质的合成气体(“合成气”)可以通过线路109来提供。线路109中的气体燃料穿过擦洗单元110，该单元可以包括用于去除存在于气体燃料中的微粒和其他非燃料组分的一个或多个元件。清洁后的气体燃料在线路111中传递到热交换器112，该热交换器可以用于提供如这里另外描述的低级加热。冷却后的气体燃料在线路113中离开热交换器，在气体燃料压缩机114中压缩，并且穿过线路115递送到燃烧器116。
来自线路115的气体燃料与来自线路104的氧气一起在燃烧器116中燃烧，该氧气可选地可以用稀释剂(诸如惰性气体、一氧化碳或水)稀释。优选地，还将线路155中的回收一氧化碳输入到燃烧器116。燃烧器排出流在线路117中离开燃烧器116，并且在涡轮118中膨胀，以用发电机119发电。线路120中的涡轮排气穿过热交换器125，在热交换器125中涡轮排气冷却并且在穿过冷却器127之前在线路126中离开，该冷却器向水分离器130提供接近环境温度的、穿过线路128的排出流。水在线路132中离开分离器130，并且水流还可以包括溶解的杂质，诸如H2SO4和HNO3。基本纯的一氧化碳在线路131中离开分离器130，在压缩机135中压缩，穿过线路136传递到冷却器137，以增大二氧化碳的密度，并且在线路138中离开。线路138中的二氧化碳的一部分可以穿过线路140传递到固体燃料准备站107(例如，以用作流体化介质)。高密度二氧化碳的剩余部分在线路139中传递到泵145，在该泵中，该剩余部分被泵送至适于输入到燃烧器116的压力，并且作为线路150离开。线路150中的高压二氧化碳的一部分可以在线路151中从发电设备100输出。来自线路150的基本纯的高压回收二氧化碳的剩余部分借助线路152引导穿过热交换器125以被再加热对抗线路120的涡轮排气。加热后的回收二氧化碳在线路155中传递到燃烧器116。
在一个或多个实施方式中，本公开特别提供了一种燃烧器(116、216)，该燃烧器可以被构造为燃烧面临变化的化学性质的气体燃料，这些变化的化学性质由通过部分氧化固体燃料形成气体燃料引起。由此可见，燃烧器(116、216)可以具有燃烧室270，该燃烧室被构造为直接、间接或直接且间接地接收燃料、氧化剂以及稀释剂。例如，燃料、氧化剂以及稀释剂可以经由注入机构或扩散机构直接接收到燃烧室270中。例如，燃料、氧化剂以及稀释剂可以用混合装置的方式间接接收到燃烧室270中，在该混合装置中，其中燃料、氧化剂以及稀释剂在被引入到燃烧室270中之前预混合。
参照图2，燃烧器216的燃烧室270可以由被外壳265包围的燃烧器衬里260限定。外壳265可以包括冷却流体可以循环穿过的一个或多个冷却元件，诸如冷却孔口282。在一些实施方式中，冷却流体可以是用于如这里进一步讨论的稀释剂的相同材料。燃烧器衬里260的外表面的至少一部分可以被构造为在燃料、氧化剂或稀释剂中的任意一种或多种被引导到燃烧室270中之前，接收与之碰撞的燃料、氧化剂以及稀释剂中的任意一种或多种的流，从而提供燃烧器衬里的冷却。在一些实施方式中，燃烧器衬里260的外表面可以包括外围和长度，并且燃烧器衬里的外表面绕外围且沿着其长度的大致整体可以被构造为在燃料、氧化剂或稀释剂中的任意一种或多种被引导到燃烧室270中之前，接收与之碰撞的燃料、氧化剂或稀释剂中的任意一种或多种的流。
在一些实施方式中，背面壁冷却或外壁表面冷却可以是有益于将燃烧器衬里260的操作温度保持低于特定阈值。这在一些情况下通过在向燃烧器供应超临界二氧化碳(“sCO2”)、氧化剂和/或燃料之前使sCO2、氧化剂和/或燃料流沿着燃烧器衬里的长度流动来实现。高压sCO2具有高比热值，这与其他类型的冷却气体相比可以减少对于高效冷却燃烧器衬里260所需的sCO2的量。
除了前述之外(或作为另选)，可以随后将冷却燃烧器衬里260的sCO2引导(“回收”)到与实现这种燃烧器的电力系统关联的其他过程。这样，可以减小穿过燃烧器壁和/或衬里的能量损失，并且可以提高燃烧循环效率。
在图2所例示的示例性实施方式中，燃烧器衬里260包括多个穿孔261，使得沿着燃烧器衬里的外围流动的所注入流体可以穿过其传递到燃烧室270中。燃烧室270可以分成反应区域271和稀释区域273。反应区域(RZ)271可以是燃烧室270在燃料喷嘴280近端(即，在燃烧室的前部或上游部分处)的部分。稀释区域(DZ)273可以在燃烧室270的出口291的近端，即，在燃烧室的端或下游部分处。在一些实施方式中，反应区域271和稀释区域273可以各包含近似燃烧室270的总体积的一半。反应区域271相对于稀释区域273所包含的燃烧室270的体积比(RZ/DZ)可以为大约0.1到大约5、大约0.25到大约4、大约0.5到大约2或大约0.75到大约1.5。
为了燃烧，燃料气体在线路215中进入，以穿过燃料喷嘴280进入燃烧室270(并且具体为反应区域271)中。线路215中的燃料气体可以通过借助线路255a添加稀释剂来稀释。稀释剂例如可以是惰性气体、二氧化碳、水或其混合物。燃料喷嘴280可以包括具有多个穿孔281b的圆锥体281a。圆锥体281a中的穿孔281b可以以离轴向的已定义角度(例如，离轴向大约15度到大约80度、大约20度到大约70度、大约25度到大约60度或大约30度到大约50度)对齐，以使燃料贯穿反应区域271分布，同时燃料与氧化剂混合并燃烧。线路204中的氧化剂进入氧化剂注入器285，该氧化剂注入器包括第一级氧化剂注入器285a和第二级氧化剂注入器285b。第一级氧化剂注入器285a中的氧化剂可以与通过燃料喷嘴280进入的燃料气体大致共线地进入燃烧室270。如下面进一步描述的，第一级氧化剂注入器285a可以大致构造为向氧化剂给予已定义的方向流，诸如在燃烧室270(特别是在反应区域271)内提供旋流。虽然在图2中例示了限定第一级氧化剂注入器285a的两个开口，但应该理解，第一级氧化剂注入器285a可以基本上包围燃料喷嘴280，并由此限定用于氧化剂注入的多个开口，例如，至少2个、至少3个、至少4个、至少5个、至少6个或者甚至更多开口(诸如2到20、3到16或4到12个开口)。第二级氧化剂注入器285b可以包括一个或多个穿孔或被构造为穿过燃烧器衬里260的其他入口。由此可见，氧化剂可以围绕燃烧器衬里260的外围的一部分(特别为围绕至少部分限定燃烧室270内的反应区域271的、燃烧器衬里的外围的一部分)传递。借助第二级氧化剂注入器285b进入燃烧室270的氧化剂可以大致垂直于借助第一级氧化剂注入器285a进入的氧化剂的流注入。再次，虽然在图2中例示了限定第二级氧化剂注入器285b的四个开口，但应该理解，第二级氧化剂注入器285b可以大致包围燃烧室270的一部分，并由此限定用于穿过燃烧器衬里260的氧化剂注入的多个开口，例如，至少2个、至少3个、至少4个、至少5个、至少6个、或者甚至更多个开口(诸如2到20、3到16或4到12个开口)。限定第二级氧化剂注入器285b的开口可以如图例示沿着燃烧器衬里260的一部分纵向隔开。在一些实施方式中，限定第二级氧化剂注入器285b的开口可以围绕燃烧器衬里260的外围单行对齐或可以围绕燃烧器衬里的外围多行对齐。线路204中的氧化剂可以通过借助线路255b添加稀释剂来稀释。稀释剂例如可以是惰性气体、二氧化碳、水或其混合物。在燃烧室270的入口处，燃烧器衬里260嵌合在氧化剂注入器285上方，以提供径向支撑，同时还允许轴向热生长。燃烧器衬里260的外围被构造为管理用于冷却衬里的冷却流并管理第二级氧化剂供应。
在一个或多个实施方式中，稀释剂流255c可以穿过燃烧器衬里260直接传递到燃烧室270中。由此，稀释剂流255c可以围绕燃烧器衬里260的外围的至少一部分注入，以便穿过穿孔261或其他开口传递到燃烧室270中。稀释剂流255c可以特别注入到稀释区域273中。
图3a和图3b中进一步例示了燃烧器衬里260。在一个或多个实施方式中，燃烧器衬里260可以被构造为包括与燃烧器衬里的外表面接合的多个纵向延伸的加强构件，其中，燃烧器衬里的外表面在相邻加强构件之间的至少一部分被构造为在燃料、氧化剂或稀释剂中的任意一种或多种被引导到燃烧室中之前，接收与之碰撞的燃料、氧化剂或稀释剂中的任意一种或多种的流。如图例示，燃烧器衬里260的外表面260a包括从燃烧器衬里的外表面向外延伸的多个肋263，并且由相邻肋和燃烧器衬里的外表面限定多个冷却通道264。第二级氧化剂注入器285b的至少一部分可以以从燃烧器衬里向外延伸的多个氧化剂端口285b’的形式限定在燃烧器衬里260中。由此，用于借助第二级氧化剂注入器285b注入的氧化剂可以在注入到燃烧室270中之前，在肋263之间的通道264中沿着燃烧器衬里260的至少一部分流动，以提供燃烧器衬里的背面冷却。如图例示，形成第二级氧化剂注入器285b的氧化剂端口285b’以单个阵列形式围绕燃烧器衬里260的外围径向对齐。然而，应该理解，还包含不同的对齐。例如，可以使用多个阵列。而且，可以使用随机间隔。
除了前述之外，可以在燃烧器衬里260中包括多个稀释剂端口261’，这些稀释剂端口从燃烧器衬里的外表面260a向外延伸。稀释剂端口261’定位在相对于氧化剂端口285b’的下游。由此可见，氧化剂端口285b’可以在位置上与燃烧室270内的反应区域271大致对齐，并且稀释剂端口261’可以在位置上与燃烧室的稀释区域273大致对齐。由此，用于注入到燃烧室270中的稀释剂可以在注入到燃烧室中之前，在肋263之间的通道264中沿着燃烧器衬里260的至少一部分流动，以提供燃烧器衬里的背面冷却。如图例示，稀释剂端口261’以多个阵列围绕燃烧器衬里260的外围径向对齐。然而，应该理解，还包含不同的对齐。例如，可以使用单个阵列或更多数量的阵列。而且，可以使用随机间隔。
燃烧器216的燃烧器衬里260和/或外壳265可以按需包括另外的结构元件。例如，为了分离沿着燃烧器衬里260的外围由氧化剂和稀释剂提供的冷却流，可以在氧化剂端口285b’与稀释剂端口261’之间包括隔墙293，使得仅氧化剂可以沿着燃烧器衬里261的上游部分流动，并且仅稀释剂可以沿着燃烧器衬里261的下游部分流动。在一些实施方式中，燃烧器衬里可以包括多层。例如，如在图3a中看到的，燃烧器衬里260的第一内层260’从燃烧器衬里的上游端260c向外延伸。由此，第一层260’可以如这里另外描述的接合氧化剂注入器285。氧化剂可以沿着燃烧器衬里260的外围传递，以便传递到氧化剂端口285b’中。稀释剂可以在第一层260’与第二外层260”之间的空间266中传递。由此，可以在燃烧器衬里260的第二外层260”中限定肋263和通道264。稀释剂可以离开燃烧器衬里260的下游端260d并向外循环到燃烧器衬里的外围，以流回并进入到稀释剂端口261’中。
在又一些实施方式中，如在图3b中看到的，套筒构件267可以围绕燃烧器衬里260的外表面和多个加强肋263延伸。套筒构件267可以与至少肋263协作来限定围绕燃烧室270的外表面的多个纵向延伸的冷却通道264。燃料、氧化剂或稀释剂中的任意一种或多种的流可以在燃料、氧化剂或稀释剂中的任意一种或多种被引导到燃烧室270中之前，引导穿过冷却通道264并碰撞燃烧器衬里260的外部表面260a。在一些实施方式中，超临界二氧化碳(sCO2)可以特别用作被引导为沿着通道流动的稀释剂。沿着通道的该sCO2冷却流例如提供燃烧器衬里的背面或外表面对流冷却，这促进将燃烧器衬里维持在材料温度限制以下。
在操作中，同一燃料喷嘴280和氧化剂注入器285可以通过调节氧化剂与稀释剂比和/或燃料与稀释剂比来与变化的燃料化学性质一起使用。这可以通过改变所注入流中的比和/或通过改变在稀释剂流255c中直接添加到燃烧室270的稀释剂的量来实现。燃烧反应在反应区域中可以在大致均匀的温度范围(例如，大约1200℃到大约3000℃、大约1400℃到大约2800℃或大约1600℃到大约2400℃)内完成，以形成燃烧器排出流299，该燃烧器排出流在稀释区域273中冷却至接近均匀的温度范围(例如，大约600℃到大约1500℃、大约800℃到大约1400℃或大约900℃到大约1200℃)。燃烧器216优选地设置尺寸为适应所需的释热率、流量以及停留时间以产生具有完全燃烧的良好混合的涡轮进入流，燃烧室排气富含二氧化碳。
在一个或多个实施方式中，第一级氧化剂注入器285a可以被构造为借助旋流器装置将来自线路204的氧化剂的第一部分(可选地，包括来自线路255b的稀释剂)引入到燃烧室270的反应区域271中。在图2所例示的示例性实施方式中，可以利用氧化剂注入器285包括旋流板286，并且该旋流板优选地定位在氧化剂注入器进入燃烧室270中的出口处。旋流板286可以包括燃料喷嘴280可以延伸穿过的中心孔口286a。由此可见，中心孔口286a可以具有与燃料喷嘴280的外径大致相同的内径，但相对维数可以按需变化，以适应另外的部件，诸如可以根据需要设置在燃料喷嘴与旋流板之间的密封结构。旋流板286还包括多个氧化剂进出口286b，即，允许来自氧化剂注入器285的氧化剂流动穿过的旋流板中的开口。如图例示，通过包括旋流板286，第一级氧化剂注入器285a可以基本上包围燃料喷嘴280，并由此限定用于氧化剂注入的多个开口，例如，至少2个、至少3个、至少4个、至少5个、至少6个甚、或者至更多开口(诸如2到20、3到16或4到12个开口)。旋流板286中的氧化剂进出口286b优选地成角度地对齐来相对于轴向成角度地将氧化剂引导到燃烧室270中。在一些实施方式中，成角度对齐可以被构造为产生期望的旋流数量。例如，氧化剂进出口286b可以成角度地对齐为将氧化剂相对于轴成角度地引导到燃烧室中，该角度在大约20度到大约85度、大约30度到大约80度、大约40度到大约75度或大约50度到大约70度的范围内。成角度的对齐可以被构造为提供大约1至大约10、大约1.1至大约5或大约1.2至大约2的有效旋流数量。
在第一级氧化剂注入器285a中使用的旋流器装置优选地被构造为提供氧化剂与燃料的混合，以便围绕中心轴在反应区域271内产生再循环，以引起稳定火焰的漩涡破裂并增强混合。第二级氧化剂注入器285b可以被构造为将氧化剂(可选地包括稀释剂)的第二部分穿过燃烧器衬里260引入到燃烧室270中。借助第二级氧化剂注入器285b的氧化剂的注入优选地设置在第一级氧化剂注入器285a的下游，但仍然定位为将氧化剂引入到燃烧室270的反应区域271(即，稀释区域273的上游)中。第二级氧化剂注入器285b可以被构造为稳定燃烧所产生的火焰，并提供氧化剂与稀释区域273上游的燃料的另外混合。穿过第一级氧化剂注入器285a和第二级氧化剂注入器285b的氧化剂(可选地包括稀释剂)的质量流可以变化，并且可以响应于燃料化学性质的变化而可调节。第一级氧化剂注入器285a与第二级氧化剂注入器285b的质量流比可以为大约0.1到大约8、大约0.25到大约5、大约0.5到大约2或大约0.75到大约1.5。第一级氧化剂注入器285a与第二级氧化剂注入器285b的质量比可以调整来提供高效的燃料/氧化剂混合和燃料、氧化剂以及稀释剂燃料混合物的完全燃料燃尽。
本公开主题所属领域中的技术人员将想到本公开主题的许多修改和其他实施方式，所属领域中的技术人员受益于在前面的描述和关联附图中呈现的教导。因此，应该理解，本公开不限于这里描述的具体实施方式，并且修改和其他实施方式旨在被包括在所附权利要求的范围内。虽然这里采用特别术语，但它们仅是在一般和描述意义上使用，而不是用于限制的目的。

Claims (20)

1.一种发电设备，该发电设备包括：
气化炉，该气化炉被构造为接收固体燃料并提供气体燃料；
燃烧器，该燃烧器被构造为接收所述气体燃料、氧化剂以及稀释剂并且输出燃烧器排出流；以及
涡轮，该涡轮被构造为接收所述燃烧器排出流；
其中，所述燃烧器包括外壳和在内部限定燃烧室的燃烧器衬里，所述燃烧器衬里包括与所述燃烧器衬里的外表面接合并朝向所述外壳延伸的多个纵向延伸的加强肋构件，其中，相邻的肋构件和所述燃烧器衬里的外表面沿着所述燃烧器衬里的外表面限定多个冷却通道，所述多个冷却通道被构造为在被所述燃烧室接收之前，接收与之碰撞的所述燃料、所述氧化剂以及所述稀释剂中的任意一种或多种的流，从而提供所述燃烧器衬里的冷却，
所述燃烧器衬里包括在内部限定并适于使所述氧化剂通过以进入所述燃烧室中的一个或多个开口；
所述燃烧器衬里包括在内部限定并适于使所述稀释剂通过以进入所述燃烧室中的一个或多个开口；
所述燃烧器包括具有纵向延伸部分的壁，所述壁位于所述燃烧器衬里和所述外壳之间，所述壁用于仅允许氧化剂沿着所述燃烧器衬里的上游部分流动并仅允许所述稀释剂沿着所述燃烧器衬里的下游部分流动。
2.根据权利要求1所述的发电设备，还包括套筒构件，该套筒构件围绕所述燃烧器衬里的所述外表面和所述多个加强肋构件延伸，所述套筒构件与至少所述加强肋构件协作来围绕所述燃烧器衬里的外表面限定多个纵向延伸的冷却通道，所述燃料、所述氧化剂以及所述稀释剂中的任意一种或多种的所述流在被所述燃烧室接收之前，被引导穿过所述冷却通道并碰撞所述燃烧室的所述外表面。
3.根据权利要求1所述的发电设备，其中，所述燃烧器衬里包括第一内衬里和第二外衬里。
4.根据权利要求3所述的发电设备，其中，所述内衬里和所述外衬里隔开，以便在其间限定空间，所述空间适于使所述稀释剂通过。
5.根据权利要求1所述的发电设备，其中，所述燃烧室限定反应区域和稀释区域。
6.根据权利要求1所述的发电设备，其中，所述燃烧器还包括接合所述燃烧器衬里的上游端的氧化剂注入器。
7.根据权利要求6所述的发电设备，其中，所述氧化剂注入器包括第一级氧化剂注入器，该第一级氧化剂注入器被设置为将至少所述氧化剂的至少第一部分引入到所述燃烧室中。
8.根据权利要求7所述的发电设备，其中，所述第一级氧化剂注入器包括旋流器装置，该旋流器装置被构造为将所述氧化剂相对于轴向成角度地引导到所述燃烧室中。
9.根据权利要求8所述的发电设备，其中，所述旋流器装置包括多个成角度的氧化剂进出口，所述氧化剂进出口被构造为将所述氧化剂相对于轴向成大约20度到大约85度的角度引导到所述燃烧室中。
10.根据权利要求9所述的发电设备，其中，所述氧化剂注入器包括通过其的通路，该通路被构造为由燃料喷嘴接合。
11.根据权利要求7所述的发电设备，其中，所述氧化剂注入器包括第二级氧化剂注入器，该第二级氧化剂注入器被设置为将至少所述氧化剂的第二部分引入穿过限定所述燃烧室的所述燃烧器衬里的壁。
12.根据权利要求11所述的发电设备，其中，所述第二级氧化剂注入器相对于所述第一级氧化剂注入器设置，使得至少所述氧化剂的所述第二部分在所述第一级氧化剂注入器的下游被引入穿过所述燃烧器衬里的所述壁。
13.一种发电设备，该发电设备包括：
气化炉，该气化炉被构造为接收固体燃料并提供气体燃料；
燃烧器，该燃烧器具有被外壳围绕的燃烧器衬里，所述燃烧器衬里限定燃烧室，所述燃烧室被构造为接收所述气体燃料、氧化剂以及稀释剂，并且所述燃烧器输出燃烧器排出流，所述燃烧室限定反应区域和稀释区域，所述燃烧器衬里还包括与所述燃烧器衬里的外表面接合并朝向所述外壳延伸的多个纵向延伸的加强肋构件，其中，相邻的肋构件和所述燃烧器衬里的外表面沿着所述燃烧器衬里的外表面限定多个冷却通道；
注入装置，该注入装置被构造为将至少所述氧化剂注入到所述燃烧器的所述燃烧室中，所述注入装置包括：
第一级氧化剂注入器，该第一级氧化剂注入器接合所述燃烧器衬里的端，所述第一级氧化剂注入器被设置为通过旋流器装置将至少所述氧化剂的第一部分引入到所述燃烧室的所述反应区域，所述第一级氧化剂注入器的所述旋流器装置提供所述氧化剂与所述燃料的混合以及产生围绕所述反应区域的再循环；和
第二级氧化剂注入器，该第二级氧化剂注入器被设置为穿过限定所述燃烧室的所述燃烧器衬里的壁、在所述第一级氧化剂注入器的下游且在所述燃烧室的所述稀释区域之前，将至少所述氧化剂的第二部分引入到所述反应区域中，所述第二级氧化剂注入器被构造为稳定燃烧产生的火焰，并且在所述稀释区域之前提供所述氧化剂与所述燃料的另外混合；以及
壁，所述壁包括纵向延伸部分，所述壁位于所述燃烧器衬里和所述外壳之间，所述壁适于将来自所述第二级氧化剂注入器的氧化剂的流和所述稀释剂的流分离，其中，所述壁用于仅允许氧化剂沿着所述燃烧器衬里的上游部分流动并仅允许所述稀释剂沿着所述燃烧器衬里的下游部分流动。
14.根据权利要求13所述的发电设备，其中，所述燃烧器衬里的外表面的至少一部分被构造为在被所述燃烧室接收之前，接收与之碰撞的所述燃料、所述氧化剂以及所述稀释剂中的任意一种或多种的流，从而提供所述燃烧器衬里的冷却。
15.根据权利要求13所述的发电设备，其中，所述燃烧器衬里的所述外表面在相邻的加强肋构件之间的至少一部分被构造为在被所述燃烧室接收之前，接收与之碰撞的所述燃料、所述氧化剂以及所述稀释剂中的任意一种或多种的流。
16.根据权利要求13所述的发电设备，其中，所述燃烧器衬里包括在内部限定并适于使所述稀释剂通过以进入所述燃烧室中的一个或多个开口。
17.一种发电方法，该发电方法包括：
使固体燃料气化，以形成气体燃料；
将来自所述气化炉的所述气体燃料与氧化剂和稀释剂一起注入到燃烧器中，以便燃烧所述燃料并形成燃烧器排出流；以及
使所述燃烧器排出流穿过涡轮来发电；
其中，所述燃烧器包括外壳和在内部限定燃烧室的燃烧器衬里，所述燃烧室具有反应区域和稀释区域，并且其中，满足以下条件：
通过旋流器装置将至少氧化剂的第一部分引入到所述燃烧室的所述反应区域中；
通过所述燃烧器衬里的壁将至少氧化剂的第二部分从引入所述至少氧化剂的所述第一部分的下游和所述燃烧室的所述稀释区域的上游引入所述燃烧室的反应区域；
通过所述燃烧器衬里的所述壁将稀释剂的至少一部分引入到所述燃烧室的所述稀释区域中；
至少所述氧化剂的所述第二部分在通过所述燃烧器衬里的所述壁被引入所述反应区域中之前，仅沿着所述燃烧器衬里的上游部分传递；以及
所述稀释剂的所述至少一部分在通过所述燃烧器衬里的所述壁被引入所述稀释区域中之前，仅沿着所述燃烧器衬里的下游部分传递。
18.根据权利要求17所述的发电方法，其中，所述燃烧器衬里包括与所述燃烧器衬里的外表面接合的多个纵向延伸的加强肋构件，并且其中，所述燃料、所述氧化剂以及所述稀释剂中的任意一种或多种在被所述燃烧室接收之前，沿着所述燃烧器衬里的所述外表面在相邻的加强肋构件之间的至少一部分传递。
19.根据权利要求17所述的发电方法，其中，该旋流器装置用于将所述氧化剂相对于轴向成大约20度到大约85度的角度引导到所述燃烧室中。
20.根据权利要求17所述的发电方法，包括以下步骤：通过接合穿过所述氧化剂注入器的通路的燃料喷嘴将所述气体燃料传递到所述燃烧室中。
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