CN1153925C - 燃烧燃料的方法和反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃烧任意物态燃料的方法，燃料与空气一起并可能在加水的情况下燃烧，以及本发明还涉及一种用于此方法的反应器，它应能优化此燃烧过程。固态、液态和/或气态燃料，可能有水和/或氧化剂，借助压缩空气沿反应室(2)轴向引入反应室内，其中喷入压缩空气的量与完全燃烧所需要的空气量相当，以及引入的混合物导向在反应室(2)内腔中的致偏面(7)上，因此在混合物能到达反应室(2)的壁或底之前雾化、升华和/或蒸发和爆发式燃烧。用于这种燃烧方法的反应器(1)有一双曲线形的反应器头部(3)，它连接在反应室(2)的出口(4)上并从那里起横截面扩张，因此反应器(1)成形成喷嘴状。

Description

燃烧燃料的方法和反应器
本发明涉及一种燃烧燃料的方法，其中，燃料与空气一起并可能在加水和/或氧化剂的情况下燃烧，以及涉及一种用于这种燃烧方法的反应器，包括一个反应室，它有燃料、空气、可能的水和/或氧化剂的输入口和燃烧产物的出口。
由德国公开文件DE2118073已知一种所述的燃烧方法和燃烧反应器。为了处理污染的液体和油泥渣，在那里建议，将两种处于不能混合状态的要燃烧的燃料借助雾化设备与空气中的氧一起导入反应室，在那里形成伪均匀混合物，它气化和燃烧。此外，在反应室内应造成一种再循环运动使混合物均匀化。其中一部分燃料应沿着反应室的壁掠过并吸收其热量。在此方法中，燃料沿轴向引入圆柱形反应室。在反应室下游可设一膨胀室，它用于冷却废气和沉积未燃的尘粒。
在按DE2118073所述的燃烧过程中，重要的是保持反应室内壁的温度相当于在气态反应物质内的温度。这一点尤其在燃烧器起动时有缺点，因为难以燃烧的物质可能在反应室底部形成残渣。不可燃的成分如灰尘同样会发生这种情况，因为在反应室内循环运动使它们很难从反应室排出。此外，反应器的几何结构也不允许高的流速。
由WO95/23942已知一种设备和方法用于燃烧加水的油，在那里将油加入燃烧室，直至形成油池，然后将油池预热到温度在250℃与350℃之间。接着将水喷在热油池表面上，由此在同时向燃烧室内输入空气的情况下导致火焰爆发。在燃烧过程中油池的液面高度应不低于3至4mm，以防止燃烧中断。为此目的所使用的设备主要包括设计为平截头棱锥形或截圆锥体具有从相应的储箱来的油和水的侧向输入口的燃烧室。油池电加热。空气与水一起进入燃烧室内部。1200℃至2000℃的高温火焰经圆柱形管引入炉子内用于加热的目的。
在这种已知的尤其废油的燃烧方法中，在油池中存在的朝底部方向的温度梯度已证明是有害的，因为底部温度可能低于废油中重馏分的蒸发温度，其后果是它们在燃烧室底部构成不能完全焚烧的油泥团。油的喷入也证明并不适用，因为废油中的残渣和高度粘滞的成分会堵塞喷嘴。此外，整个设备包括其输入和预热装置结构设计复杂。尤其在停机时由于余留的残渣使过程控制难以进行。因此业已证实此设备不适用于持续运行。
由GB765197已知一种燃烧液态和可液化的燃料的设备，它由一圆柱形燃烧室和一个与之连接向下开口的火箱组成。液态燃料沿径向或切向加入燃烧室内部，空气单独沿切向输入，在这种情况下燃料接触燃烧室的内表面并在那里蒸发和燃烧。在火箱内形成的温度在1500℃与1800℃之间。在通过减少空气输入量不完全燃烧时燃料借助于输入的蒸汽热裂，因此重油分解为低碳氢化合物、氢和一氧化碳。
在这种已知的燃烧方法中引入的方式在技术上也相当复杂，此外还存在这样的危险，即在某些壁区温度不足以蒸发重的废油馏分，它们于是聚集在燃烧室的底部并在那里形成不可燃的残渣。在这里水蒸气不是规定用于真正的燃烧，而仅仅用于热解重油。
在US4069005中建议，水/燃料/空气混合物的燃烧在存在金属催化剂(镍)的情况下进行，其中，在燃烧器的内部设多块上下排列的板，它们也可以由金属催化剂组成，以提高由此引起的热解效率。在用于此目的的设备中，液态燃料和水分别从上方滴落在金属催化剂构成的堆叠板上，这些板在预热阶段已加热到800℃以上。上升的蒸汽沿着金属催化剂导引，因此通过热解生成气态的易于燃烧的碳氢化合物，它们在进一步的过程中燃烧，由此产生800℃至1000℃的燃烧气体。
为了造成长的火焰用于加热工业锅炉，在US3804579中油和空气与在热交换器螺旋管内由火焰本身产生的水蒸气一起燃烧。在这里伸长的火焰在约730℃燃烧。
最后，由DE3929759C2已知一种焚烧废油料的设备，其中，废油与已知低粘度的普通燃料油按这样的方式混合，即，构成一种有恒定粘度的平均产物，然后将其预热并喷入锅炉。在锅炉的相对侧设空气、水和常用的中和剂的输入装置。为了喷入油混合物使用空气或水蒸汽。油混合比控制装置和油混合物喷入装置再加上其他的用于空气及中和剂的输入管道，导致一种结构复杂和难以控制的设备，它不可能高效地工作，因为除了真正的废油燃料外还必须附加地一起燃烧大量正常的燃料油，其结果是严重限制了废物处理能力。简单的燃烧锅炉不可能支持这种燃烧过程。
本发明的目的是提供一种可能在加水和/或氧化剂的情况下有利于环保地燃烧任意物态燃料的方法，其中，燃料在具有高的能量利用率的情况下完全和无残渣地燃烧。为此适用的反应器应在结构简单、尽可能免维护以及自动净化的同时在连续运行中优化燃烧过程。
根据本发明，提出一种燃烧燃料的方法，其中，燃料借助于压缩空气沿反应室轴向引入反应室内并燃烧，其特征为：(a)使用固态和/或液态和/或气态燃料；(b)喷入压缩空气的量与完全燃烧所需要的空气量相当；以及(c)引入的混合物被引导到一个在反应室内腔中沿其轴向布置的致偏面上，所述致偏面具有使引入的混合物均匀分布的对称的形状，在常规操作过程中，在混合物能到达反应室的壁或底之前，液体和/或固体组分被进一步雾化，液体组分蒸发，固体组分升华并且混合物开始爆发式燃烧。
根据本发明，还提出一种燃烧方法用的反应器，其中，燃料与空气一起并可能在加上水和/或氧化剂的情况下燃烧，反应器包括一反应室，它有燃料、空气、氧化剂和/或水的输入口和燃烧产物的排出口，其特征为：反应器具有一个形状为双曲线的扩展部分的反应器头部，它连接在反应室的出口上并从那里起横截面扩张，为实现引入的燃料的均匀分布，喷入的燃料流和致偏面的轴线与反应室的垂直轴线对齐。
按本发明，固态和/或液态和/或气态燃料，可能有水和/或氧化剂，借助于高压的压缩空气沿轴向引入反应室内，其中，喷入的压缩空气量与完全燃烧所需要的空气量相当，引入的混合物导向在反应室内腔中的致偏面上，从而在混合物能到达反应室的壁或底之前进一步被雾化、液态成分蒸发、固态的升华以及此混合物爆发式燃烧。爆发式燃烧可以通过引入反应室的混合物表面积高度增大来理解：
(a)借助于压缩空气输入的燃料在喷入反应室时分裂和雾化，与此同时
(b)存在的压力仍足以将燃料以高速度引向在反应室内腔中的致偏面上，在那里造成冲击、反弹和进一步分散和雾化。
附加地用压缩空气喷入的水在进入反应室内时雾化成小滴，它们在水蒸气内漫游并被致偏面沿所有的方向分布在反应室的内腔中。由于冲击式地蒸发引起的膨胀支持燃料与存在的压缩空气以及水蒸气的混合，其结果是尤其使难以燃烧的燃料成分有效地燃烧。由此还可以更加有效地防止燃料沉积在内壁上和残渣聚集在底部，所以此反应器是自动净化的。
压缩空气流可以2至10bar优选3至5bar喷入反应室内。在此压力下，在输入管出口时的雾化与通过反应室内腔的致偏面上冲击引起的雾化相组合特别有效。
燃料、水和/或氧化剂分别或作为混合物经一根或多根文氏管加入压力空气流中。在这里气态燃料可单独引入反应室。这种输入方式可以在结构非常简单的情况下准确计量并与此同时提高在进入反应室时的雾化效果。向反应室的喷入借助于小直径的普通管道实现，不加装喷嘴，因此避免了在燃烧废油时喷嘴被不可燃残渣或粘滞的成分堵塞。此外，为输入燃料和水使用统一的文氏管可进一步降低结构性成本。
有利的是反应室内部的温度借助于导热的反应器壁保持朝反应室轴线方向均匀。若借助于致偏面在反应室内部实现混合物对称分布，则可以在温度对称分布的情况下达到更加均匀地燃烧。
对于预定几何尺寸的反应室，要燃烧的混合物进入反应室的入流速度可按这样的方式调整，即，使形成的燃烧火焰至少以音速离开反应室以及产生的热能向外传输以便进一步加以利用。这些可如后面所说明的那样通过反应器恰当的几何设计得到进一步改善。
混合物在反应室内的点火恰当的方式是用先导火焰或借助于发生的火花进行。可以通过燃烧产生的废热在燃料、水或空气进入反应室之前对它们进行预热。尤其对于重油，通过由此达到的降低其粘度更便于输送。
有利的是在燃烧时附加地催化热裂燃料，在这种情况下作为催化剂可例如使用一种含镍的材料。
按本发明的反应器有双曲线形的反应器头部，它连接在反应室出口并从那里起横截面扩大。燃烧火焰在此反应器头部燃烧。反应器的这种类似喷嘴的几何形状导致燃气加速和在反应室出口区内形成相应的负压，其结果是使要在反应室内部燃烧的物质进一步朝出口方向加速，这对于燃烧以及反应器的自动净化都带来正面的影响。
可以采取措施改善这种喷嘴效应，为此，反应室至少在其上部朝出口方向收缩，在这种情况下此收缩的部分具体可设计为平截头棱锥形或截圆锥体。另一方面整个反应室可成形为使之朝出口方向收缩的双曲线状。
对于喷嘴状的反应器几何结构有利的是，燃料(和水)的输入口埋置在反应室的底部内，所以它们平行于反应室轴线定向。因此，反应室的轴线被确定为优选的流动方向，为了改善要燃烧的混合物的分布，可在反应室内设一致偏面，混合物借助于它首先被从反应室轴线引开，接着基于已提及的反应器的喷嘴效应重新朝此轴线导引。此外借助于这种压力状况也有利于从输入口流出。
为了获得均匀分布，作为致偏面可采用一个其尖端逆燃料流动方向定向的圆锥体或同样布置的棱锥体，它们用耐火材料制造并沿反应室轴线装在其内部。因此，通过物理参数如压力、流速、紊流度和温度在反应室横截面内的对称分布优化了燃烧过程。
若燃料应附加地热裂，有利的是例如在反应室内壁中、反应室内部的耐火插件中或也在致偏面中设尤其含镍的金属催化剂。高效的催化热裂可通过大面积的鳞片状或多孔的金属催化剂达到。
反应器统一用一种材料如不锈钢制造，但也可以至少局部用特别耐热和能承受机械负荷的合金如Ni-Mo-Cr-Co合金(“Nimonic”)制造。此外，反应器可用陶瓷或玻璃纤维制的外隔热装置围绕，以减少向外辐射热量和将反应室内的温度保持在约1000℃以上。
下面可借助于附图表示的实施例进一步说明本发明。图中表示：
图1从斜下方看按本发明的反应器侧视图；
图2从斜上方看反应器的透视图；以及
图3反应器侧向透视图。
这些图表示按本发明的反应器1，包括反应室2和连接在其出口4上的反应器头部3。输入管5和6沿同轴的方向埋入反应器1底部中央。在本例中作为致偏面是在反应室2的内部沿轴线安装的一个以其尖端朝输入管5和6方向的圆锥体7。
反应室2的上部在此实施例中朝出口4的方向呈双曲线状收缩，并从那里起在反应器头部3内双曲线状继续延伸。这种几何形状造成喷嘴效应，由于这一效应流动气体在负压作用下从反应室2内部被吸入出口和反应器头部的区域内，因此可以进一步降低输入管5和6内的输送压力。由此还同时可以使反应器自动净化，因为不可燃颗粒和残渣由于抽吸作用被从反应器内部吸走。这种残渣可通过过滤燃气分离出来。
在此实施例中，反应器的容积约15升并用不锈钢制造。有利的是局部用耐热和可承受机械负荷的材料加工而成，如一种Nimonic合金，它具有下列成分：C＝0.057；Si＝0.18；Mn＝0.36；S＝0.002；Al＝0.47；Co＝19.3；Cr＝19.7；Cu＝0.03；Fe＝0.55；Mo＝5.74；Ti＝2.1；Ti+Al＝2.59(按重量百分比)；Ag、B、Bi和Pb微量；其余镍。所含的这些元素同时起催化热裂碳氢化合物的作用。反应器可用壁厚为3至4mm的这种材料制成，对于不锈钢则壁厚为5至7mm。有利的是用一种由陶瓷纤维或玻璃纤维组成的材料制造反应器1的外隔热套，它减少热辐射并因而提高反应器内部的温度。
通过设计为直径3至7mm的文氏管的输入管5，液态燃料亦即不同成分的废油和重油以及固态燃料如尤其经干燥的橄榄色遮渣和污油泥渣，被来自相应的储罐(图中未表示)的压缩空气抽吸并以3至5bar压力输入反应室2内部。在输入管5出口处燃料流破碎，燃料以高速冲击在致偏面7上，由此开始燃料在反应室的横截面内对称分布。通过输入管5喷入的水在排出到反应室2内时雾化和蒸发，水蒸气同样在反应室2内对称分布。通过其内部布置有输入管5的输入管6可在需要时供入附加的压缩空气，以提供完全燃烧所需的空气量。
在反应室2内加入约30至40l/h水和70至80l/h废油。固体燃料如经干燥的生物量按110至130l/h输入。若液态和固态燃料应一起加入，则输入量相应减少。燃烧器的功率接近1MWt。业已证明有害物排放微量至可忽略不计。
燃烧过程的控制通过测量温度、燃气的量和化学成分进行。据此控制水、空气和燃料的输入量。
图示的反应器结构促使燃烧过程的物理量对称分布，亦即相对于反应室2的轴线点旋转对称。在反应室2的一个横截面内，气体的温度、压力、流速值近似常数。温度从反应室2的底部向出口4的方向逐渐增加，在这种情况下由于反应器壁是导热的，所以在连续运行时形成平缓的温度梯度。
当改变反应器几何结构以及致偏面的位置和几何结构时可以调整燃烧过程的流体动力学过程。
燃料在反应器内完全燃烧。万一有不可燃的残渣可通过抽吸作用被从反应器内部输出并可借助于过滤加以收集。反应器1的这种喷嘴效应可与输入速度一起按这样的方式调整，即，使燃气在温度为约1200至约1500℃时以音速离开反应器头部3。
按本发明的反应器和燃烧方法可有利地供不同的工业应用。例如，用热燃气可发动一流化床，热气体穿过沙子流入其中。这种流化床大多用于净化物体(例如净化油漆残渣)。也可有利用于特种垃圾处理。生物量可通过有意地在空气不足的情况下在流化床上经受催化过程，由此获得固态和气态燃料，它们可以直接输入按本发明的工艺过程中。此外，产生的燃气可直接在内燃机内用于发电。最后，按本发明的燃烧方法可用于组合式地生热和发电，亦即既用于推动蒸汽轮机也用于驱动燃气轮机。
本发明可符合环保要求地燃烧难以废物处理的废品，如不同成分的废油、污油泥渣、橄榄色遮渣、石墨和其他可燃的废品。

Claims (26)

1.燃烧燃料的方法，其中，燃料借助于压缩空气沿反应室(2)轴向引入反应室(2)内并燃烧，其特征为：
(a)使用固态和/或液态和/或气态燃料；
(b)喷入压缩空气的量与完全燃烧所需要的空气量相当；以及
(c)引入的混合物被引导到一个在反应室(2)内腔中沿其轴向布置的致偏面上，所述致偏面(7)具有使引入的混合物均匀分布的对称的形状，在常规操作过程中，在混合物能到达反应室(2)的壁或底之前，液体和/或固体组分被进一步雾化，液体组分蒸发，固体组分升华并且混合物开始爆发式燃烧。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征为：在加水的情况下将燃料引入到反应室(2)中。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征为：在添加氧化剂的情况下使用燃料。
4.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征为：一个或多个压缩空气流以约2至10bar优选3至5bar的压力喷入反应器(2)。
5.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征为：燃料、水和/或氧化剂经由一根或多根文氏管加入压缩空气流中。
6.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征为：气态燃料与引入的压缩空气分开地引入到反应室(2)内。
7.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征为：在反应室(2)内部的温度借助于导热的反应器壁保持朝反应室(2)轴线方向均匀。
8.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征为：混合器在反应室(2)内的点火借助于先导火焰或发生火花进行。
9.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征为：燃料和/或水和/或空气在加入反应室(2)之前用燃烧产生的废热预热。
10.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征为：反应室(2)内腔借助于可置入反应室的插件按流体动力学进行成形。
11.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征为：含碳氢化合物的燃料在燃烧过程中被催化热裂。
12.按照权利要求11所述的方法，其特征为：使用含镍的材料作为催化剂。
13.燃烧方法用的反应器，其中，燃料与空气一起并可能在加上水和/或氧化剂的情况下燃烧，反应器包括一反应室，它有燃料、空气、氧化剂和/或水的输入口和燃烧产物的排出口，其特征为：反应器(1)具有一个形状为双曲线的扩展部分的反应器头部(3)，它连接在反应室(2)的出口(4)上并从那里起横截面扩张，为实现引入的燃料的均匀分布，喷入的燃料流和致偏面的轴线与反应室(2)的垂直轴线对齐。
14.按照权利要求13所述的反应器，其特征为：反应室(2)至少在上部朝出口(4)的方向收缩。
15.按照权利要求14所述的反应器，其特征为：反应室(2)收缩的部分设计为平截头棱锥形或截圆锥体。
16.按照权利要求14所述的反应器，其特征为：反应室(2)成形为双曲线状。
17.按照权利要求13至16之一所述的反应器，其特征为：输入管(5、6)的口埋置在反应室(2)底部并平行于反应室(2)轴线定向。
18.按照权利要求17所述的反应器，其特征为：输入管(5、6)的管口同心地设在反应室(2)底部的面积中心。
19.按照权利要求17所述的反应器，其特征为：输入管(5、6)由简单管组成，它们设计为文氏管用于吸入燃料和/或水。
20.按照权利要求13至16之一所述的反应器，其特征为：在反应室(2)内部朝着由输入口给定的入流方向设置所述致偏面(7)，该致偏面(7)具有对称的形状。
21.按照权利要求20所述的反应器，其特征为：致偏面(7)由一个或多个以尖端朝输入口方向指的圆锥体或棱锥体构成。
22.按照权利要求13至16之一所述的反应器，其特征为：在反应室(2)内设一点火源。
23.按照权利要求13至16之一所述的反应器，其特征为：金属催化剂设在反应室(2)内部，例如设在反应室壁内、反应室(2)内部的耐火插件内或致偏面(7)内。
24.按照权利要求23所述的反应器，其特征为：金属催化剂处于一种耐火、鳞片状或多孔的材料内。
25.按照权利要求13至16之一所述的反应器，其特征为：反应器(1)局部尤其在材料负荷最高的区域内用Ni-Mo-Co-Cr合金制成。
26.按照权利要求13至16之一所述的反应器，其特征为：反应器(1)有一个例如用陶瓷或玻璃纤维制的外隔热装置。
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