CN1802536A - 用氧燃烧粉状固体燃料的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及将氧和燃料结合产生火焰的燃烧器组件。该燃烧器组件包括氧供应管和燃料供应管，所述氧供应管用于接收氧流，而所述燃料供应管配置为延伸通过所述氧管以将流化的粉状固体燃料输送入火焰室。流经所述氧供应管的氧通过形成于所述燃料供应管中的氧注射孔，并随后与通过所述燃料供应管的流化的粉状固体燃料混合，以在所述燃料供应管下游部分形成氧－燃料混合物。将该混合物送入所述火焰室并在火焰室中点燃以产生火焰。

Description

用氧燃烧粉状固体燃料的装置
背景和概述
本发明涉及燃烧器组件，特别涉及氧-燃料燃烧器组件。更特别地，本发明涉及粉状固体燃料燃烧系统。
许多类型的煤和其它固体燃料可以粉状形式顺利燃烧。将煤粉碎并输送到燃料燃烧设备，并随后在炉中燃烧以产生热量来用于各种工业目的。
使用燃烧器来“点燃”粉状的煤和其它固体燃料。在直接燃烧系统中，将煤以悬浮在初级空气物流中的形式输送到所述燃烧器，并且该混合物必须在所述燃烧器中与二级空气物流混合。
燃烧器工业面临的挑战是设计在操作过程中氮氧化物生成量低于常规燃烧器的改进的燃烧器。通常，工业燃烧器排出燃料与空气或氧的混合物。建立适当的燃料和空气比例来形成可燃的燃料与空气的混合物。
一旦点燃，该可燃烧混合物燃烧产生火焰，该火焰可用于加热各种工业应用中的各种产物。诸如天然气、油、液态丙烷、低BTU气体和煤粉的燃料燃烧通常产生多种不希望的排放，例如氮的氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)以及未燃烧的碳氢化合物(UHC)。
本发明提供了将氧和流化的粉状固体燃料结合产生火焰的燃烧器组件。该燃烧器组件包括氧供应管和燃料供应管，所述氧供应管用于接收氧流，而所述燃料供应管配置为延伸通过所述氧管以将流化的粉状固体燃料物流输送入火焰室。流经所述氧供应管的氧通过形成于所述燃料供应管中的氧注射孔，并随后与通过所述燃料供应管的流化的粉状固体燃料混合。从而，在所述燃料供应管下游部分形成氧-燃料混合物，并将该混合物送入所述火焰室，并将其在火焰室中点燃以产生火焰。
在本发明示例性的实施方案中，所述燃料供应管延伸入所述氧供应管并穿过该氧供应管，从而限定了环形的氧流动通道，该通道围绕并沿着所述燃料供应管的环形外表面朝向所述火焰室的方向延伸。氧流经该环形氧流动通道到达形成于所述燃料供应管环形外表面中的氧注入孔的外部氧入口开口。
在一实施方案中，所述燃料供应管包括固体-燃料输送管和连接到所述固体燃料输送管的氧-燃料喷嘴，该喷嘴形成为包括所述氧注入孔。氧与流化的粉状固体燃料在所述喷嘴内混合产生可燃混合物，随后将该混合物送入所述火焰室并点燃以产生火焰。
在本发明示例性的实施方案中，提供了将所述氧供应管的氧流动通道内的部分氧与从所述燃料供应管排入所述火焰室的氧-燃料混合物混合的装置。这种情况下，流经所述氧流动通道的氧的第一部分与所述流化的粉状固体燃料在该燃料即将离开所述燃料供应管之前混合，而流经所述氧流动通道的氧的剩余部分与含氧的流化的粉状固体燃料物流在所述燃料供应管外接近形成于所述燃料供应管中的氧-燃料出口开口的区域内混合，以向该含氧燃料物流提供补充氧。
以下示例性地描述了实施本发明的最佳方式的示例性的实施方案的细节，通过参考这些详细描述，本发明的其它特征是本领域所属技术人员显而易见的。
附图的简要说明
以下特别参考附图进行了详细说明，其中：
图1是用于粉碎和流化将在本发明的氧燃烧器单元中燃烧的固体燃料的氧-燃料燃烧系统的示意图；
图2是图1所示的氧燃烧器单元的一部分的剖视图，其显示了燃烧器块，该燃烧器块形成为包括火焰室和包含燃料供应管的氧供应管，该燃料供应管包括氧-燃料喷嘴，该喷嘴形成为包括用于在由所述燃料供应管释放进入所述火焰室的氧-燃料混合物燃烧之前引导所述氧供应管中的氧流动通道内的氧进入流经所述燃料供应管的流化的粉状固体燃料物流中的装置；
图3是图2所示的氧-燃料喷嘴的一部分的放大的剖视图；
图3a是沿图2的3a-3a线剖开的放大的剖视图；
图3b是沿图2的3b-3b线得到的放大的正视图；
图4-9示例性地显示了图2所示的氧-燃料喷嘴元件的末端部分的六种其它实施方案，其配置为位于所述燃烧器块的火焰室中，并将氧-燃料混合物释放入或排入所述火焰室；
图4是氧-燃料喷嘴的第二实施方案的剖视图；
图4a是图4中实施方案的类似图3a的剖视图；
图4b是图4中实施方案的类似图3b的正视图；
图5是氧-燃料喷嘴的第三实施方案的剖视图；
图5a是图5中实施方案的类似图3a的剖视图；
图5b是图5中实施方案的类似图3b的正视图；
图6是氧-燃料喷嘴的第四实施方案的剖视图；
图6a是图6中实施方案的类似图3a的剖视图；
图6b是图6中实施方案的类似图3b的正视图；
图7是氧-燃料喷嘴的第五实施方案的剖视图；
图7a是图7中实施方案的类似图3a的剖视图；
图7b是图7中实施方案的类似图3b的正视图；
图8是氧-燃料喷嘴的第六实施方案的剖视图；
图8a是图8中实施方案的类似图3a的剖视图；
图8b是图8中实施方案的类似图3b的正视图；
图9是氧-燃料喷嘴的第七实施方案的剖视图；
图9a是图9中实施方案的类似图3a的剖视图；
图9b是图9中实施方案的类似图3b的正视图；
图9c是图9、9a和9b所示的氧-燃料喷嘴的透视图；
图9d是类似图9的显示“垂直”氧注入孔而非图9所示的“倾斜”氧注入孔的剖视图；
图10是氧-燃料喷嘴的第八实施方案的剖视图；
图10a是图10中实施方案的类似图3a的剖视图；
图10b是图10中实施方案的类似图3b的正视图；
图11是氧-燃料喷嘴的第9实施方案的剖视图；
图11a是图11中实施方案的类似图3a的剖视图；
图11b是图11中实施方案的类似图3b的正视图；
图12是本发明的氧燃烧器单元的第二实施方案的剖视图(类似图2)，其中本发明的氧-燃料喷嘴安装在氧供应管内并位于伸入火焰室的入口端口中，该火焰室形成于燃烧器块中，且其中(1)将所述氧供应管中的部分氧与所述氧-燃料喷嘴中的流化的粉状固体燃料预混合，并与刚离开形成于所述喷嘴中的氧-燃料出口开口的含氧的流化的粉状固体燃料混合，且(2)将所述氧供应管中的另一部分氧“分段(staged)”，以通过流经形成于所述燃烧器块中的旁通通道、绕过所述燃烧室到达所述燃烧器块外位置的火焰；及
图13是本发明的氧燃烧器单元的第三实施方案的剖视图(类似图2和12)，其中本发明的氧-燃料喷嘴安装在氧供应管内，以延伸进入形成于燃烧器块中的管接收器通道，并位于伸入火焰室的入口端口中，该火焰室形成于燃烧器块中，且其中(1)将所述氧供应管中的部分氧与所述氧-燃料喷嘴中的流化的粉状固体燃料预混合，并与刚离开形成于所述喷嘴中的氧-燃料出口开口的含氧的流化的粉状固体燃料混合，且(2)将所述氧供应管中的另一部分氧“分段”，以通过流经形成于所述燃烧器块中的旁通通道、绕过所述火焰室到达所述燃烧器块外位置的火焰。
发明的详细说明
图1显示了用于燃烧氧与流化的粉状固体燃料的混合物以产生火焰200的氧-燃料燃烧系统10的示意图。本文所用的“氧”指纯氧和任何氧浓度为约30％或更高的氧化剂或富氧混合物。在燃烧器组件14中配置了氧-燃料喷嘴12，以在固体燃料用粉碎机20粉碎并用流化气22流化后，将来自氧供应16的氧与来自固体燃料供应18的所述固体燃料混合。随后，所述含氧的流化的粉状固体燃料27被排入配置于燃烧单元26中的火焰室24以产生火焰200。示例性的燃烧器组件14、114和214如图2、10和11所示，而示例性的氧-燃料喷嘴12、112、212、312、412、512和612如图3-9所示。
固体燃料输送管28形成为包括燃料输送通道30，其用于将来自粉碎机20的粉状固体燃料送往氧-燃料喷嘴12。
使用风机32或其它适合的装置或系统将流化气体22送入固体燃料输送管28的上游末端34(或其它适合部分)，以流化进入燃料输送通道30的粉状固体燃料25。使用流化气体22来流化所述粉状固体燃料25并将其输送通过氧-燃料喷嘴12并进入火焰室24。
氧供应16提供的氧被输送至氧-燃料喷嘴12以和离开固体燃料输送管28的流化的粉状固体燃料23混合，形成可燃的氧-燃料混合物27，该混合物在火焰室24中用适合的点火器21点燃以形成火焰。
许多气体都适合用于流化释放入燃料输送通道30的粉状固体燃料。在一个示例性的实施方案中，使用二氧化碳(CO2)俘获(capture)和收集(sequestration)系统36来俘获燃烧器单元26内的燃烧过程中产生的二氧化碳，从而将俘获的二氧化碳用作所述流化气体22。在另一示例性的实施方案中，燃烧器单元26内的燃烧过程中产生的燃烧产物38提供流化气体22。在另一示例性的实施方案中，任何适当来源的空气40均可用作所述流化气体22。
氧-燃料燃烧系统10配置为可对任何能被粉碎或研磨并用空气或气体输送的固体燃料或废燃料进行燃烧。正如可用空气或二氧化碳输送的粉煤，诸如褐煤、锯屑、农业废物、磨细的壳(shells)等等的固体燃料可在氧-燃料燃烧系统10中燃烧，以产生火焰200并满足工业加热或其它需求。
图2中更细致地显示了燃烧器组件14。如图2所示，将流化的粉状固体燃料23(包括流化气体22和粉状固体燃料25)输送通过形成于固体燃料输送管28中的燃料输送通道30，并进入与固体燃料输送管28的下游端42相连的氧-燃料喷嘴12。在示例性的实施方案，流化的粉状固体燃料23中的氧量不足以维持燃烧。如图2所示的，氧-燃料喷嘴12配置为允许在氧-燃料喷嘴12外流动的氧44进入流经氧-燃料喷嘴12的流化的粉状固体燃料物流23中，产生可燃的氧-燃料混合物27，该混合物27随后被释放入位于所述氧-燃料喷嘴12下游的火焰室24中。
如图2和图3所示，氧-燃料喷嘴12形成为包括氧-燃料输送通道46、燃料入口开口47和氧-燃料出口开口48，该燃料入口开口47定位于接纳由燃料输送通道30释放的流化的粉状固体燃料23进入氧-燃料输送通道46，该氧-燃料出口开口48定位于将氧-燃料混合物27释放进入火焰室24中。喷嘴12包括位于入口开口47和出口开口48之间的环形壁49。环形壁49形成为包括上游氧注入孔50，该注入孔50配置为引导喷嘴12外流动的氧44进入氧-燃料输送通道46，从而与氧-燃料输送通道46中朝向氧-燃料出口开口48流动的流化的粉状固体燃料23混合，形成在氧-燃料输送通道46中流动并通过氧-燃料出口开口48流出的可燃的氧-燃料混合物27。点火器21用来在火焰室24中点燃所述可燃的氧-燃料混合物27，以形成火焰200。如图3和3a所示，上游氧注入孔50以圆周形式环绕氧-燃料喷嘴12的环形壁44设置，并且孔与孔间彼此间隔一定距离。
如例如图2所示，燃烧器组件14还包括外管52，其配置为引导氧44沿着路径到达至少氧注入孔50。外管52包括第一末端53、第二末端54和位于第一末端53和第二末端54之间的环状侧壁55。侧壁55形成为包括氧入口56，其适用于接收来自氧供应16的氧44。本发明的范围还包括将氧入口56定位于外管52上任何适合的位置。封闭装置57与外管55的第一末端53紧密配合，以阻断氧44流过形成于第一末端53中的开口58，从而通过氧入口56接纳进入外管52的氧44将朝向氧注入孔50流动。如图2所示，适合的固定件59和固定件结合紧固件60配置为将封闭装置57保持在外管52上的固定位置。
固体燃料输送管28和氧-燃料喷嘴12共同限定了燃料供应管61，该供应管61延伸进入并通过由外管52的环状侧壁55所限定的通道。如例如图2所示，环状侧壁55与燃料供应管61同心放置并间隔一定距离，从而在其间限定了环状的氧流动通道62。通过氧入口56接纳进入外管52的氧44流过氧流动通道62，并通过氧注入孔50进入形成于喷嘴12中的氧-燃料输送通道46。
例如，如图2、3和3b所示，氧-燃料喷嘴12还包括环形出口端面63，其形成为包括氧-燃料出口开口48。喷嘴12还形成为包括氧释放通道64，其配置为引导来自氧流动通道62的氧44通过形成于出口端面63中的开口65，使从所述氧释放通道64释放的氧44在氧-燃料喷嘴12外与从氧-燃料输送通道46释放通过氧-燃料出口开口48的可燃的氧-燃料混合物27混合。例如，如图3、3a和3b所示，6条氧释放通道64以圆周形式环绕所述喷嘴12的外周分布，且彼此间隔一定距离。
在图2和图3所示的实施方案中，喷嘴12包括放射状朝外延伸的环状边缘66，其包括面向上游的截头圆锥形壁67，该截头圆锥形壁67形成为对每一氧释放通道64都具有入口开口68。如例如图3所示，每一氧释放通道64都以一定角度沿着中心线69延伸，该中心线与氧-燃料输送通道46的中心线70共同形成其间的第一锐角倾角71。如图3、3a和3b所示，所述氧释放通道64的中心线69以截头圆锥形方式配置，并在朝向出口端面63延伸的下游方向72上汇聚于中心线70上。
每一上游氧注入孔50都以一定角度沿中心线73延伸，该中心线与氧-燃料输送通道46的中心线70共同形成其间的第二锐角倾角74。在示例性的实施方案中，角74大于角71。如图3、3a和3b所示，所述上游氧注入孔50的中心线73以截头圆锥形方式配置，并在朝向出口端面63延伸的下游方向72上汇聚于中心线70上。
在图2、3和3a所示的实施方案中，喷嘴12包括放射状朝外延伸的环状套筒(sleeve)75，其包括面向上游的截头圆锥形壁76，该截头圆锥形壁76形成为对每一氧-燃料注入孔50都具有入口开口77。所述孔50引导来自氧流动通道62的氧44通过出口开口78，该出口开口78形成于限定氧-燃料输送通道46的圆柱形内表面79(在环形壁49上)内。
如图3所示，每一氧-燃料注入孔50与喷嘴12的出口端面63相距距离80。改变所述喷嘴12的长度(以及本文公开的其它喷嘴112、212、312、412、512、612的长度)也包括在本发明范围内，通过这种改变来建立预定的距离80的长度，以控制氧44与沿下游方向72流经氧-燃料输送通道46的流化的粉状固体燃料23开始混合的位置，使该位置沿着所述燃料供应管61的长度方向并位于氧-燃料出口开口48之前。即，可改变距离80来控制氧44与燃料23的混合。在图2所示的实施方案中，距离80大于氧-燃料输送通道46的直径83。
例如，如图2和图3所示，在外管52的下游末端54上连有环状唇缘81。环状唇缘81以放射状朝内延伸，以在出口端面63处安装入形成于喷嘴12中的环状凹槽82。
环状唇缘81在环状凹槽82中与喷嘴12紧配合，以阻断氧44从外管52内的氧流动通道62通过外管52的下游末端54到周围环境的任何明显的释放或泄漏。
再次参照图2，氧-燃料燃烧系统10还包括燃烧器块85，其形成为包括外壁86、火焰室24和管接收器通道87，该通道87从形成于外壁86内的开口83延伸至火焰室24。外管52延伸进入管接收器87以将氧-燃料喷嘴12置于管接收器通道87中。这种配置使在氧-燃料输送通道46中流动并通过氧-燃料出口开口48流出的氧-燃料混合物27进入火焰室24中。在外管52上连有装配法兰88，用紧固件89将其与燃烧块85的外壁86紧密配合，以使外管52的下游部分54保持在管接收器通道87中，并(在该示例性的实施方案中)使形成于出口端面63中的氧-燃料出口开口48保持在管接收器通道87和火焰室24的结合部90处。由此，如图2所示，由此形成的燃烧器块85在结合部90处为火焰室24提供了入口开口，以及远离结合部90处提供了下游出口开口。
如图4、4a和4b所示，氧-燃料喷嘴112与氧-燃料喷嘴12类似，其中喷嘴112也形成为包括上游氧注入孔50。喷嘴112也形成为包括位于上游氧注入孔50和氧-燃料出口开口48之间的区域内的辅助氧注入孔150。这些辅助氧注入孔150配置为引导在氧流动通道62中流动的氧44进入氧-燃料输送通道46中，以和在通道46中流动并通过开口48流出的可燃的氧-燃料混合物27混合，并向其提供补充氧。如图4、4a和4b所示，每一辅助氧注入孔150都以一定角度配置并沿着圆周间隔分布，配置为截头圆锥形图案。喷嘴112还包括放射状朝外延伸的环状套筒149(在环形壁49上)，其包括面向上游的截头圆锥形壁176，该截头圆锥形壁176形成为对每一氧-燃料注入孔150都具有入口开口177。所述孔150引导来自氧流动通道62的氧44通过出口开口148，该出口开口148形成于环形壁49上的圆柱形内表面79内。喷嘴112不包括任何氧释放通道64，但的确包括截头圆锥形内表面151，该表面顺着下游方向72扩张，并终止于氧-燃料出口开口48。
在图5、5a和5b的实施方案中，氧-燃料喷嘴212包括上游氧注入孔50和下游氧释放通道64。在图6、6a和6b的实施方案中，氧-燃料喷嘴312还包括辅助氧注入孔150。
在图7、7a和7b的实施方案中，氧-燃料喷嘴412包括上游氧注入孔50和下游氧释放通道64。在图8、8a和8b的实施方案中，氧-燃料喷嘴512还包括氧注入孔150。
在图5-8所示的实施方案中，在氧-燃料输送通道46中安装了分流装置。例如，如图5、5a和5b所示，氧-燃料喷嘴212包括圆柱形内壁100，其与所述燃料入口开口47相通，并限定了氧-燃料输送通道46的第一段部分101。氧-燃料喷嘴212还包括截头圆锥形内壁151，其从圆柱形内壁100向氧-燃料出口开口48延伸，顺着朝向氧-燃料出口开口48的方向扩张，并限定了氧-燃料输送通道46的第二段部分102。
分流装置104位于第二段部分102内，用于干涉朝氧-燃料出口开口48流动的可燃的氧-燃料混合物27流动，使部分混合物27沿截头圆锥形内壁151朝环形氧-燃料出口开口48流动。
氧-燃料喷嘴212包括出口端面63，其包括圆形内边缘105，该内边缘105限定了氧-燃料出口开口48的环形外边界。如图5b所示，分流装置104包括圆形外边缘106，其与圆形内边缘105同心设置并间隔一定距离，从而形成环形氧-燃料出口开口48。分流装置104包括具有顶点107的内部圆锥形部分103，该顶点107位于氧-燃料输送通道46第一段部分101和第二段部分102之间的结合部。用三个翅113在如图5所示的位置对内部圆锥形部分103进行支持。
如图5所示，分流装置104还包括半球形部分107，其与内部圆锥形部分103的基部108相连，并配置为位于氧-燃料输送通道46外。相对而言，在图6的实施方案中，分流装置104’还包括外部圆锥形部分109，其与内部圆锥形部分103的基部108相连，并配置为位于氧-燃料输送通道46外。在图7和图8的实施方案中，分流装置104”的内部圆锥形部分103包括平面基部110，其包括圆柱形外边缘111，并基本上与出口端面63共面。在图5-8的实施方案中，所述圆柱形内壁100形成为包括所述上游氧注入孔50。在图6和8所示的实施方案中，所述圆柱形内壁100也形成为包括辅助氧注入孔150，其位于上游氧注入孔50与截头圆锥形内壁151之间的区域内。
图9、9a、9b和9c显示了氧-燃料喷嘴612。喷嘴612包括释放板900，其配置为安装在环形套筒149的下游末端901与外管50的环形唇缘81之间的间隙内。如图所示，释放板900配置为使氧-燃料混合物27通过三个“环形”的同心精确通道，这些通道共同限定了氧气-燃料出口948。释放板900包括中心环906，环绕中心环906的内环910，环绕内环910的外环914，以及位于内环910与外环914之间的中间环910，其中中心环906分隔为限定了四个精确通道908，内环910分隔为限定了四个精确通道912，外环914分隔为限定了四个精确通道916，而中间环分隔为限定了四个精确通道920。例如，如图9所示，提供来限定所述精确通道912、916和920的分隔壁为截头圆锥形，以使离开精确通道912、916和920的氧-燃料混合物27朝下游方向922以发散的圆锥形形式向外散布。在中心环906内部提供了中心通道924。
图9d显示了类似喷嘴612的氧-燃料喷嘴。在该喷嘴612’中，氧注入孔50’形成为沿着中心线73’延伸，该中心线73’垂直于氧-燃料输送通道46的中心线70’。在本文公开的任何其它氧-燃料喷嘴实施方案中使用这类方向定位的实施方案均属于本发明的范围。
在图10、10a和10b的实施方案中，氧-燃料喷嘴712形成为包括三个部分：小直径入口部分701、扩张部分702和大直径出口部分703。入口部分701具有相对较小的内径710，并限定了“高速”通道712，该通道712朝下游方向72输送由固体燃料输送管28释放的流化的粉状固体燃料23。出口部分703具有相对较大的内径714，并限定了“慢速”通道716，该通道716将所述可燃的氧-燃料混合物27送往氧-燃料出口开口48。如图10所示，扩张部分102具有截头圆锥形的形状，并限定了流动减速通道718，该通道718将入口部分701和出口部分703连接起来。扩张部分102形成为包括氧注入孔50，其用于接纳氧44进入通道718。对701、702和703部分的尺寸进行设置，从而使下游通道716中流动的混合物27的速度约等于在上游通道712中流动的混合物23的速度，即使已经通过氧注入孔50引入了氧44。
在图11、11a和11b的实施方案中，氧-燃料喷嘴812形成为包括沿圆周间隔分布的“流动扩展”通道801、802、803、804、805和806，其形状和配置如例如图11和11b所示。这些通道801-806中每一个都在内壁803上具有第一开口，而在出口末端壁63上具有第二开口，从而使氧-燃料输送通道46’中朝下游方向72流动的可燃的氧-燃料混合物27放射状扩张，而这种扩张在混合物27流过通道46'朝氧-燃料出口开口48流动时加强了该混合物27的混合。在示例性的实施方案中，内壁813具有圆柱形的形状。如例如图11和11b所示，在氧气-燃料喷嘴812中形成子弹形曲线的壁来限定每一通道801-806。
在图12所示的实施方案中，燃烧器组件114被置于第一“分段-氧”环境中。相对而言，在图13所示的实施方案中，燃烧器组件214被置于第二“分段-氧”环境中。在分段的氧环境中，由氧供应16提供的燃烧氧44的部分在氧-燃料喷嘴12中(也可能在刚离开喷嘴12的火焰室24中)与流化的粉状固体燃料23混合，并到达接近位于燃烧块185内部的火焰室24中的火焰200的顶部的第一段区域201。剩余部分的燃烧氧44输送通过形成于燃烧器块185中的旁通通道到达第二段区域202，其位置接近所述燃烧器块185外的火焰200的尖端。这类分段的氧燃烧器组件计量到达每一段的燃烧氧，从而使不希望的氮氧化物排放最小。本发明参照美国专利第5,458,483号中涉及用于混合燃料和氧来产生火焰的分段-氧燃烧器系统的公开，本发明将该参考文献引入作为参考。
如图12所示，燃烧器块185形成为包括具有入口开口180和出口开口181的火焰室24。氧供应储罐(housing)182与燃烧器块185相连，并形成为包括用于接收由氧供应16供应的氧44的舱室183。外管52延伸进入氧供应储罐182的舱室183中，以将氧-流动喷嘴12置于舱室183中，使在氧-燃料输送通道46中流动并通过氧-燃料出口开口48流出的氧-燃料混合物27流入火焰室24。第一段的氧44由舱室184通过形成于外管52中的孔186释放进入氧流动通道62中。第二段的氧44从舱室183流过至少两个(优选四个)氧释放通道187、188，这些通道形成于燃烧器块185中并配置为绕过火焰室24。通过将部分燃烧氧经氧释放通道187、188朝火焰200的尖端转移，能减少氮的氧化物的排放。
如图13所示，燃烧器块285形成为包括火焰室24和管接收器通道87。图13所示的分段-氧特征类似于图12所示的实施方案公开的分段-氧特征。图13所示的氧-燃料喷嘴布置类似于图2所示的实施方案中公开的喷嘴布置。
在本发明的公开内容中，将包含流化的粉状固体燃料的燃料物流输送通过氧-燃料喷嘴。在离开所述氧-燃料喷嘴之前，通过形成于所述喷嘴内的端口进入的氧渗透进所述燃料物流中。该氧与所述燃料物流混合，并提高了所述燃料物流中的燃料颗粒中和周围的氧浓度。由于所述喷嘴具有“直通(straight-through)”式设计，并且很少干扰所述燃料物流，因此该喷嘴可以抵抗所述燃料颗粒的摩擦和侵蚀。在燃烧前将所述燃料和氧预混合改善了火焰稳定性，并提供了使用低质量燃料的可能性。如果提供了稳定的火焰，则所述“分段-氧”系统的低排放的优点可以更容易实现。
其后，所述氧-燃料混合物离开所述氧-燃料喷嘴，其中在一个实施方案中，所述燃料物流再次与通过形成于所述氧-燃料喷嘴端面的部件流出的氧接触。由于所述氧和燃料混合良好，在接近所述氧-燃料喷嘴出口下游处维持了稳定的火焰。
随着火焰的前进，其形成富燃料燃烧。这是由于本发明公开的分段-氧设计只将所需氧的部分引入所述火焰的基部或初级区(primary zone)。所述分段的氧流过所述燃烧器储罐中的孔，并朝所述火焰的下游部分—分段区(staged zone)移动。这部分氧代表完成所述燃料燃烧所需的氧的差额部分。
耐火的燃烧器块(在某些实施方案中可选)帮助稳定所述火焰，保护所述金属组件不受热量影响，并输送所述分段的氧。在可选的实施方案中，去除了所述分段的氧端口，而所述装置变为主要起燃料/氧混合和输送作用的插入组件。该插入组件可基本上由可得的标准管制成(采用本文的公开)，并使终端用户能简易地将锅炉转化到氧/煤燃烧。
使用氧而非空气增加了所述过程可利用的热量，从而提高了效率。预计这种可利用热量的上升将使未来的锅炉比现有设计的效率更高。较低的能耗意味着更少的化石燃料消耗，产生的CO2排放更少。通过使用氧进行燃烧，消除了大气中的氮(占常用燃烧空气的79°)。这减少了燃烧产物的体积，从而降低了燃烧后污染控制过程的规模，如袋滤室和沉淀器。
部分煤的质量较低。由于缺乏燃烧稳定性，因此其作为燃料的潜力受到置疑。用氧燃烧燃料提高了燃烧反应性，并使低质量燃料可以稳定燃烧。有多个国家储有大量低质量的煤，但由于缺乏相应的燃烧技术而不能加以利用。

Claims (41)

1.用于将氧和燃料结合来产生火焰的燃烧器组件，包括：
燃料供应系统，其包括固体燃料输送管，所述固体燃料输送管形成为包括燃料输送通道；及
混合装置，其用于在燃烧前将氧流与输送通过所述燃料输送通道的流化的粉状固体燃料混合来产生混合物，该混合物可在火焰室中点燃产生火焰。
2.如权利要求1所述的燃烧器组件，其中所述混合装置包括氧流动通道和氧-燃料喷嘴，该喷嘴平放在所述氧流动通道中，并形成为包括氧-燃料输送通道、燃料入口开口、氧-燃料出口开口以及上游氧-注入孔，所述燃料入口开口配置为接纳来自所述燃料输送通道的流化的粉状固体燃料进入所述氧-燃料输送通道，所述氧-燃料输出开口配置为将氧-燃料混合物释放进入所述火焰室，所述氧注入孔配置为引导所述氧流动通道中的氧进入所述氧-燃料输送通道，从而使所述氧与所述氧-燃料输送通道中朝向所述氧-燃料出口开口方向流动的流化的粉状固体燃料混合来形成可燃的氧-燃料混合物，该混合物在所述氧-燃料输送通道中流动并通过所述氧-燃料出口开口流出。
3.如权利要求2所述的燃烧器组件，其中所述氧-燃料喷嘴包括位于所述入口开口和出口开口之间的环形壁，并且该环形壁与环绕所述氧-燃料喷嘴的外管之间存在间隙，从而在其间限定了所述氧流动通道，所述环形壁形成为包括所述上游氧注入孔，且所述上游氧注入孔围绕所述氧-燃料喷嘴的环形壁沿圆周相互间隔设置，以引导氧从所述氧流动通道进入所述氧-燃料输送通道。
4.如权利要求3所述的燃烧器组件，其中每一上游氧注入孔以一定角度沿着与所述氧-燃料输送通道中心线相配合的中心线延伸，以在其之间形成锐角倾角。
5.如权利要求3所述的燃烧器组件，其中所述氧-燃料喷嘴还包括出口端面，所述出口端面形成为包括所述氧-燃料出口开口和氧释放通道，该氧释放通道配置为引导来自所述氧流动通道的氧通过形成于所述出口端面内的开口，使由所述氧释放通道释放的氧与由所述氧-燃料输送通道释放通过所述氧-燃料出口开口的可燃的氧-燃料混合物混合。
6.如权利要求3所述的燃烧器组件，其中所述氧-燃料喷嘴还包括出口端面，所述出口末端形成为包括所述氧-燃料出口开口，所述氧-燃料喷嘴的环形壁还包括辅助氧注入孔，所述辅助氧注入孔位于所述上游氧注入孔和所述开口端面之间的区域内，并且围绕所述氧-燃料喷嘴的环形壁沿圆周相互间隔设置，以引导所述氧流动通道中流动的氧进入所述氧-燃料输送通道，使所述氧与在所述氧-燃料输送通道中流动并通过所述氧-燃料出口开口流出的可燃的氧-燃料混合物混合并为所述可燃的氧-燃料混合物提供补充氧。
7.如权利要求2所述的燃烧器组件，其中所述氧-燃料喷嘴还包括出口端面，所述出口端面形成为包括所述氧-燃料出口开口，并且每一所述上游氧注入孔与所述出口端面之间相隔第一距离。
8.如权利要求7所述的燃烧器组件，其中所述第一距离大于所述氧-燃料输送通道的直径。
9.如权利要求2所述的燃烧器组件，其中所述氧-燃料喷嘴还形成为包括辅助氧注入孔，所述辅助氧注入孔位于所述上游氧注入孔和所述开口端面之间的区域内，并配置为引导所述氧流动通道中流动的氧进入所述氧-燃料输送通道，使所述氧与在所述氧-燃料输送通道中流动并通过所述氧-燃料出口开口流出的可燃的氧-燃料混合物混合并为所述可燃的氧-燃料混合物提供补充氧。
10.如权利要求9所述的燃烧器组件，其中所述氧-燃料喷嘴还包括出口端面，所述出口端面形成为包括所述氧-燃料出口开口，每一所述上游氧注入孔与所述出口端面之间相隔第一距离，且每一所述辅助氧注入孔与所述出口端面之间相隔更短的第二距离。
11.如权利要求9所述的燃烧器组件，其中所述氧-燃料喷嘴还包括出口端面，所述出口端面形成为包括所述氧-燃料出口开口，且所述氧-燃料喷嘴还包括氧释放通道，该氧释放通道配置为引导来自所述氧流动通道的氧通过形成于所述出口端面内的开口，使由所述氧释放通道释放的氧与由所述氧-燃料输送通道释放通过所述氧-燃料出口开口的可燃的氧-燃料混合物混合。
12.如权利要求2所述的燃烧器组件，其中所述氧-燃料喷嘴还包括出口端面，所述出口端面包括所述氧-燃料出口开口和氧释放通道，该氧释放通道引导来自所述氧流动通道的氧通过形成于所述出口端面内的开口，使由所述氧释放通道释放的氧在所述氧-燃料喷嘴外与由所述氧-燃料输送通道释放通过所述氧-燃料出口开口的可燃的氧-燃料混合物混合。
13.如权利要求12所述的燃烧器组件，其中每一所述氧释放通道以一定角度沿着与所述氧-燃料输送通道中心线相配合的中心线延伸，以在其之间形成锐角倾角。
14.如权利要求13所述的燃烧器组件，其中所述氧释放通道的中心线配置为截头圆锥形样式，以顺着朝所述出口端面延伸的下游方向汇聚。
15.如权利要求13所述的燃烧器组件，其中每一上游氧注入孔以一定角度沿着与所述氧-燃料输送通道中心线相配合的中心线延伸，以在其之间形成锐角倾角。
16.如权利要求15所述的燃烧器组件，其中一个所述上游氧注入孔的中心线与所述氧-燃料输送通道的中心线之间的限定的锐角倾角大于一个所述氧流动通道的中心线与所述氧-燃料输送通道的中心线之间的限定的锐角倾角。
17.如权利要求2所述的燃烧器组件，其中所述氧-燃料喷嘴包括环形壁，所述环形壁形成为包括所述上游氧注入孔，且每一上游氧注入孔以一定角度沿着与所述氧-燃料输送通道中心线相配合的中心线延伸，以在其之间形成锐角倾角，且上游氧注入孔的中心线配置为截头圆锥形样式，以顺着朝所述氧-燃料出口开口延伸的下游方向汇聚。
18.如权利要求2所述的燃烧器组件，其中所述混合装置包括外管，所述外管形成为包括第一末端、第二末端和位于所述第一末端和第二末端之间的侧壁，部分所述固体燃料输送管延伸通过所述外管并与所述氧-燃料喷嘴配合，使所述燃料输送通道与所述氧-燃料输送通道产生流体连通，并在所述外管与所述固体燃料输送管外表面之间限定所述氧流动通道，且所述外管的侧壁形成为包括氧入口，该入口适用于接收来自氧供应的氧以产生在所述氧流动通道中朝向所述上游氧注入孔流动的氧流。
19.如权利要求18所述的燃烧器组件，还包括燃烧器块，该燃烧器块形成为包括外壁、火焰室以及从形成于所述外壁内的开口延伸至所述火焰室的管道接收器通道，其中所述外管延伸进入所述管道接收器通道中，以将所述氧-燃料喷嘴置于所述管道接收器通道中，使在所述氧-燃料输送通道中流动并通过所述氧-燃料出口开口流出的可燃的氧-燃料混合物进入所述火焰室。
20.如权利要求18所述的燃烧器组件，还包括燃烧器块及与连接到该燃烧器块的氧供应储罐，该燃烧器块形成为包括具有入口开口和出口开口的火焰室，所述氧供应储罐形成为包括用于接收氧供应的舱室，其中所述外管延伸进入所述氧供应储罐的舱室中，以将所述氧-燃料喷嘴置于所述舱室中，使得在所述氧-燃料输送通道中流动并通过所述氧-燃料出口开口流出的可燃的氧-燃料混合物进入所述火焰室。
21.如权利要求2所述的燃烧器组件，其中所述氧-燃料喷嘴包括圆柱形内壁，所述圆柱形内壁与所述燃料入口开口连通并限定了所述氧-燃料输送通道的第一段部分，且所述氧-燃料喷嘴还包括截头圆锥形内壁，所述截头圆锥形内壁从所述圆柱形内壁延伸至所述氧-燃料出口开口，并顺着朝向所述氧-燃料出口开口的方向扩张，所述截头圆锥形内壁限定了所述氧-燃料输送通道的第二段部分，并且还包括位于所述第二段部分内的分流装置，该分流装置用于阻碍朝向所述氧-燃料出口开口流动的可燃的氧-燃料混合物流，使得部分所述混合物沿着所述截头圆锥形内壁朝所述氧-燃料出口开口流动。
22.如权利要求21所述的燃烧器组件，其中所述氧-燃料喷嘴包括出口端面，该出口端面包括环形内部边缘从而限定了所述氧-燃料出口开口的环形外边界，且所述分流装置包括环形外边界，该外边界与所述环形内边界同心并存在间隙，从而建立了环形的氧-燃料出口开口。
23.如权利要求22所述的燃烧器组件，其中所述分流装置包括内部圆锥形部分，其顶点位于所述氧-燃料输送通道的第一段部分和第二段部分的结合部。
24.如权利要求23所述的燃烧器组件，其中所述分流装置还包括半球形部分，其与所述内部圆锥形部分的基部相连，并配置为位于所述氧-燃料输送通道外。
25.如权利要求23所述的燃烧器组件，其中所述分流装置还包括外部圆锥形部分，其与所述内部圆锥形部分的基部相连，并配置为位于氧-燃料输送通道外。
26.如权利要求23所述的燃烧器组件，其中所述内部圆锥形部分包括平面基部，该平面基部包括圆柱形外边缘，并基本上与所述出口端面共面。
27.如权利要求21所述的燃烧器组件，其中所述圆柱形内壁形成为包括所述上游氧注入孔。
28.如权利要求27所述的燃烧器组件，其中所述圆柱形内壁形成为包括辅助氧注入孔，该辅助氧注入孔位于所述上游氧注入孔与所述截头圆锥形内壁之间的区域内。
29.如权利要求1所述的燃烧器组件，其中所述混合装置包括外管，所述固体燃料输送管延伸进入所述外管内并在其间限定了氧流动通道，所述混合装置还包括与所述固体燃料输送管相连的氧-燃料喷嘴，其接收来自所述固体燃料输送管的流化的粉状固体燃料，并形成为包括氧-注入装置，该氧-注入装置用于接纳通过所述氧流动通道流动的氧流进入通过所述氧-燃料喷嘴流动的流化的粉状固体燃料物流中。
30.如权利要求29所述的燃烧器组件，其中所述氧-燃料喷嘴还包括用于将通过所述氧流动通道流动的氧流释放进入由所述氧-燃料喷嘴释放的氧-燃料混合物中的装置。
31.如权利要求29所述的燃烧器组件，其中所述氧-燃料喷嘴包括小直径入口部分、大直径出口部分和扩张部分，其中所述入口部分具有较小的内径，且其内壁限定了高速通道；所述出口部分具有相对较大的内径，且其内壁限定了慢速通道；而所述扩张部分配置为将所述小直径入口部分和所述大直径出口部分连接起来，并将来自所述高速通道的流化的粉状固体燃料输送通过形成于所述扩张部分中的流动减速通道进入所述低速通道，且所述扩张部分形成为包括所述氧-注入装置。
32.如权利要求31所述的燃烧器组件，其中所述扩张部分具有截头圆锥形形状和侧壁，其顺着从所述小直径入口部分延伸至所述大直径出口部分的方向扩张。
33.如权利要求29所述的燃烧器组件，其中所述氧-燃料喷嘴包括从所述氧注入装置延伸至形成于所述氧-燃料喷嘴的出口端面中的氧-燃料出口开口的内壁，以及多个流动扩展通道，其中每一流动扩展通道具有形成于所述内壁中的第一开口和形成于所述出口端面中的第二开口。
34.如权利要求33所述的燃烧器组件，其中所述氧-燃料喷嘴还包括限定每一流动扩展通道的子弹形曲线壁。
35.如权利要求33所述的燃烧器组件，其中所述内壁具有圆柱形形状，且所述多个流动扩展通道绕所述内壁沿圆周彼此间隔分布。
36.用于将氧和燃料结合来产生火焰的燃烧器组件，所述燃烧器组件包括外管和燃料供应管，所述外管形成为包括第一末端、第二末端和位于所述第一末端和第二末端之间的环状侧壁；所述燃料供应管延伸通过所述外管，并与所述环状内壁间隔一定距离，从而在其间限定了氧流动通道；所述燃料供应管形成为包括出口端面，所述出口端面形成为包括氧-燃料出口开口和上游氧注入孔，所述上游氧注入孔配置为引导在所述氧流动通道流动的氧进入在所述燃料供应管中朝向所述氧-燃料出口开口流动的流化的粉状固体燃料物流中，从而形成通过所述氧-燃料出口开口离开所述燃料供应管的可燃的氧-燃料混合物。
37.如权利要求36所述的燃烧器组件，其中所述燃料供应管还形成为包括辅助氧注入孔，该辅助氧注入孔位于所述上游氧注入孔和所述出口端面之间的区域内，并配置为引导在所述氧流动通道中流动的氧进入所述燃料供应管，从而与朝所述氧-燃料出口开口流动的氧-燃料混合物混合。
38.如权利要求36所述的燃烧器组件，其中所述燃料供应管还包括用于将流经所述氧流动通道的氧流释放进入由所述燃料供应管通过所述氧-燃料出口开口释放的氧-燃料混合物中的装置。
39.如权利要求38所述的燃烧器组件，其中所述释放装置是由形成于所述燃料供应管的出口端面中的氧释放通道限定的。
40.用于将氧和燃料结合来产生火焰的燃烧器组件，所述燃烧器组件包括：
燃烧器块，其形成为包括具有入口开口和出口开口火焰室；
燃料装置，其用于将流化的粉状固体燃料输送通过所述入口开口进入所述火焰室；和
释放装置，其用于将氧流释放进入位于所述燃料装置中的流化的粉状固体燃料，以在所述燃料装置的下游部分形成可燃的氧-燃料混合物，从而将这类混合物释放进入所述火焰室并在其中点燃形成火焰。
41.如权利要求40所述的燃烧器组件，还包括用于将氧流送入所述火焰室，以与离开所述燃料装置并进入所述火焰室的可燃的氧-燃料混合物混合。
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