CN202835334U - 用于气化固体燃料的燃烧器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及用于气化固体燃料的燃烧器(1)，包括燃烧器前部(2)，该燃烧器前部具有用于排出固体燃料的环形开口(13)和用于排出含氧气体的中心开口(4)，其中燃料排出开口(13)流体连接到中心通路(5)，用于排出含氧气体的开口(4)流体连接到与中心通路(5)同轴布置的用于传送氧的环形通路(6)。中心通路(5)具有下游部分(6)，其中，通路(5)的直径在第一长度(7)上增大，并且随后在终止于燃烧器前部(2)处的第二长度(8)上减小。在下游部分(6)内部设置有中空构件(9)，中空构件在一端(10)处封闭，并且在所述燃烧器前部(2)处或其附近具有开口(11)。中空构件(9)具有与中心通路(5)的增大和减小的直径一致的增大的直径和减小的直径，以形成环形通道(12)。中空构件(9)通过一个或多个连接管道(14)与用于含氧气体的环形通路(6)流体连接。

Description

用于气化固体燃料的燃烧器

技术领域

本实用新型涉及用于气化固体燃料的燃烧器。所述燃烧器特别适用于使用含氧气体来使含碳燃料气化，以例如用于制备加压合成气体、燃料气体或还原气体，所述含碳燃料例如为由气体载体携带的细粒固体燃料，如由例如氮气和/或二氧化碳等的气体载体携带的粉煤。 

背景技术

固体含碳燃料的气化通过燃料与氧的反应来获得。燃料主要包含作为可燃性成分的碳和氢。气体携带的细粒含碳燃料和含氧气体经由燃烧器中的分开的通道以较高的速度被送入反应器中。在反应器中，将火焰保持在高于1300℃的温度来主要形成一氧化碳和氢，在该火焰中，燃料与含氧气体中的氧反应。 

现有技术中已经提出了多种燃烧器设计。EP-A-328794描述了一种燃烧器，其中细粒的煤经由沿燃烧器的纵轴线布置的中心通道供应到燃烧器前部，含氧气体经由围绕所述中心通道的至少一个环形通道供应。氧在燃烧器前部被引导到煤流中。 

EP-A-130630描述了一种燃烧器，其中，在燃烧器前部处，含氧气体从中心通道以高速排出，并且含氧气体以较低速度从环形出口排出。固体燃料从设置在所述中心和环形氧出口开口之间的多个出流开口排出。根据该公开文本，外部的低速氧流用于保护燃烧器防止由于热气体的吸入造成过热。所述公开文本公开了如果燃烧器用于大生产量，则用于固体燃料的出口开口优选不是环形形状。需要说明的是，这样的设计不能使所有的固体燃料颗粒与氧适当接触。 

根据EP-A-328794的燃烧器类型已经非常成功地用于商业使用。但是，在高生产量下，通到燃烧器前部的热通量增大到一定的值从而 使燃烧器的使用寿命可能变得太短。 

EP-A-130630通过围绕火焰施加低速氧防护层，来解决通到燃烧器前部的热通量的问题。根据EP-A-130630的燃烧器的缺点是，对于高生产量，固体燃料通过分开的通道被送入燃烧器前部，这可能造成侵蚀问题。另一个问题是由于需要制造具有用于固体燃料和含氧气体的多个通道的单个金属件而造成的设计复杂性。而且，由于合成气体/氧火焰的原因，通到燃烧器前部的热通量仍可能非常高。 

实用新型内容

本实用新型的一个目的在于提供一种燃烧器，其可用于高生产量，并且其不具有现有技术的燃烧器的缺点。 

为此，本实用新型提供了一种用于气化固体燃料的燃烧器，包括燃烧器前部，所述燃烧器前部具有用于排出固体燃料的开口和一个或多个用于排出含氧气体的开口，其中，所述用于排出固体燃料的开口流体连接到中心通路，并且其中，所述用于排出含氧气体的开口流体连接到用于传送氧的环形通路；并且 

其中，所述中心通路具有下游部分，其中，所述通路的直径在第一长度上增大，并且随后在终止于燃烧器前部处的第二长度上减小，并且其中，所述中心通路的下游部分内部设置有中空构件，所述中空构件在一端处封闭并且在所述燃烧器前部处具有开口，所述中空构件具有与所述中心通路的增大和减小的直径一致的增大的直径和减小的直径，以形成用于固体燃料的环形通道，该用于固体燃料的环形通道在用于排出固体燃料的向内指向的环形开口中终止于燃烧器前部处；并且 

其中，所述中空构件通过一个或多个连接管道与用于含氧气体的所述环形通路流体连接，并且其中，所述中空构件的开口形成用于排出含氧气体的开口的至少一部分。 

本实用新型还涉及一种使用上述燃烧器通过气化固体燃料来制备包含氢和一氧化碳的混合物的方法，其中，含氧气体通过用于含氧气 体的通路传送，固体燃料和载体气体通过中心通道传送，气化在燃烧器前部处进行。 

申请人发现，与EP-A-130630的教导相比较，可提供用于高生产量操作的燃烧器，其具有用于固体燃料的环形开口。通过将全部氧引导通过所述一个或多个用于含氧气体的开口，实现与固体燃料的充分接触。详细的计算机模拟预测火焰将从燃烧器前部稍微升高。这大大降低通到燃烧器前部的热通量，由此延长了所述燃烧器前部的使用寿命和将用于固体燃料的环形通道与所述一个或多个用于排出含氧气体的开口分隔开的边缘的使用寿命。 

根据本实用新型的燃烧器不具有如在根据EP-A-130630的燃烧器中的用于以较低速度排出含氧气体的外环形出口。由于中空构件和中心通道尺寸方面的一致性，形成用于固体燃料的流动路径，这限制了侵蚀。 

本文所用的术语“含氧气体”用于指含自由氧的气体，O₂，并且意欲包括空气、富氧空气（即氧大于21％摩尔百分比）和基本上纯氧（即氧大于约95％摩尔百分比），其余部分包含通常出现在空气中的气体，例如氮和/或稀有气体。 

本文所用的术语“固体含碳燃料”意思包括各种气体携带的可燃材料及其混合物，这些可燃材料选自包括煤、煤焦炭、煤液化残渣、石油焦炭、炭黑、生物质和从油页岩、沥青砂和沥青获得的颗粒固体的组。煤可以是任何类型，包括褐煤、次烟煤、烟煤和无烟煤。固体含碳燃料优选研磨成使至少约90%重量百分比的材料小于90微米的粒度，并且水分含量小于约5%重量百分比。将固体燃料以与载体气体（优选氮气或二氧化碳）混合的方式提供给燃烧器。 

本文所用的术语“高生产能力燃烧器”旨在包括其中大于3kg/sec的固体从环形开口排出的过程。这样的高生产能力燃烧器的环形开口的宽度优选大于4mm。固体在其从环形开口排出时的优选速度在5m/s和15m/s之间。 

出口可为位于燃烧器前部处的单个中心开口，或者可按照不同的 方式构造，例如设置于燃烧器前部上游一定距离处。对于非竖直燃烧器，特别是对于水平燃烧器，这种缩回的出口减少了被从燃烧器前部流下来的渣堵塞的风险。 

在另一个特定实施例中，出口可包括多个开口，所述多个开口例如可为同轴的。这种布置方案可例如包括位于低速管道的端部处的中心开口和位于高速管道的端部处的环形开口，所述环形开口被用于排出固体燃料的向内指向的环形开口包围。按照这种布置方案，氧和燃料的混合在离燃烧器前部显著更短的距离处完成。可选地，中心管道的中心可与环形管道的中心偏移开，例如，中心管道可相对于环形管道的中心向下偏移。对于水平燃烧器，这补偿了重力对固体燃料出流的均匀性的影响。利用这种燃烧器布置方案，中心开口可例如排出具有介于10m/s和30m/s之间的速度的含氧气体，而中心开口周围的环形开口排出具有介于30m/s和100m/s之间的速度的含氧气体，且从环形开口排出的燃料以介于5m/s和15m/s之间的速度排出。 

在另一个特定实施例中，出口可包括一个或多个开口，所述一个或多个开口的中心点离开燃料排出开口的中心点一定距离。更特别地，出口可位于在燃料排出开口的中心点下方一定距离处。对于水平燃烧器，这补偿了重力对燃料出流的均匀性的影响。 

因此，根据本实用新型，提供了一种用于气化固体燃料的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器包括燃烧器前部，所述燃烧器前部具有用于排出固体燃料的开口，所述燃烧器包括位于所述燃烧器前部处或燃烧器前部附近的、用于排出含氧气体的出口，其中，所述用于排出固体燃料的开口流体连接到中心通路，并且其中，所述用于排出含氧气体的出口流体连接到用于含氧气体的环形通路，其中，所述中心通路具有下游部分，其中，所述中心通路的直径在第一长度上增大，并且随后在终止于燃烧器前部处的第二长度上减小，并且其中，所述中心通路的下游部分内部设置有中空构件，所述中空构件在一端处封闭，并且在所述燃烧器前部处具有开口，所述中空构件具有与所述中心通路的增大和减小的直径一致的增大的直径和减小的直径，以形成用于固 体燃料的环形通道，该用于固体燃料的环形通道在用于排出固体燃料的向内指向的环形开口中终止于燃烧器前部处，并且其中，所述中空构件通过一个或多个连接管道与所述用于含氧气体的环形通路流体连接，其中，所述出口并非位于所述燃烧器前部处的单个中心开口。 

可选地，所述出口在所述燃烧器前部上游一定距离处。 

可选地，所述出口包括多个开口。 

可选地，所述出口的多个开口是同轴的。 

可选地，所述出口的多个开口包括位于低速管道的端部处的中心开口和位于高速管道的端部处的环形开口，所述环形开口被用于排出固体燃料的向内指向的环形开口包围。 

可选地，所述出口包括一个或多个开口，在前视图中观察，所述一个或多个开口的中心点离开燃料排出开口的中心点一定距离。 

可选地，其包括与竖直方向成角度的纵向中心轴线，其中所述出口的一个或多个开口的中心点位于在燃料排出开口的中心点下方一定距离处。 

这种燃烧器特别适用于进行通过气化固体燃料来制备氢和一氧化碳的混合物的方法，其中含氧气体通过通路来传送，固体燃料和载体气体通过中心通路传送，而气化在燃烧器前部进行。 

附图说明

图1为燃烧器的第一示例性实施例的前部的纵剖视图； 

图2为显示了图1的燃烧器的横截面AA’的视图。 

图3为燃烧器的第二示例性实施例的前部的纵剖视图； 

图4为燃烧器的第三示例性实施例的前部的纵剖视图； 

具体实施方式

图1显示了燃烧器1的前部的纵剖视图。燃烧器1具有燃烧器前部2，燃烧器前部2具有用于排出固体燃料的开口3和用于排出含氧气体的单个中心开口4。用于排出固体燃料的开口3流体连接到中心 通路5。通路6与中心通路5同轴设置。 

中心通路5具有下游部分，其中通路5的直径在第一长度7上增大，随后在终止于燃烧器前部2处的第二长度8上减小。中心通路的下游部分6内部设置有中空构件9，该中空构件在一端10处封闭，在燃烧器前部2上游一定距离处具有开口11。中空构件9具有与中心通路5的增大和减小的直径一致的增大的直径和减小的直径，以形成用于固体燃料的环形通道12，该用于固体燃料的环形通道在用于排出固体燃料的向内指向的环形开口13中终止于燃烧器前部2处。直径的一致性可选择成使得流动方向仅仅逐渐地变化以限制侵蚀。 

中空构件9优选具有与中空构件9的增大和减小的直径一致的增大的内部直径15和减小的内部直径16。这在具有圆锥形部分和截头圆锥形部分的中空构件中限定了中空空间。中空构件9通过一个或多个连接管道14与用于含氧气体的环形通路6流体连接。连接管道14还是将保持中空构件9保持设置在中心通路5中的间隔物。管道14可设计成在使用时将旋转作用施加到固体流或施加到含氧气体或施加到两者。在所示的示例性实施例中，连接管道14具有排出开口17，该排出开口设置在具有直径15的中空构件9的扩张部分中，换句话说，设置在所述圆锥形部分中。排出开口17适当地具有椭圆形形状，其中，较长的尺寸与燃烧器的轴线对准。在所示的实施例中，开口14的数量为3。如果需要，也可使用更少或更多的开口14。 

图1还显示了中空构件的在其截头圆锥形端部处的开口11，所述开口为在燃烧器前部2处的用于排出含氧气体的开口4。用于排出含氧气体的开口4因而经由中空构件9和连接管道14而流体连接到用于传送含氧气体的环形通路6。 

中空构件9的下游端部形成与开口4接界的边缘25。边缘25和开口4在燃烧器前部2上游一定距离处。这减少了被从燃烧器前部2流下来的液体渣堵塞的风险，特别是在燃烧器并非竖直的例如为水平燃烧器的情况下，更是如此，并且这减少了例如在燃烧器停止运行后朝向边缘25的热通量。 

中空构件9的尺寸和形状可选择成使含氧气体从其开口11以均匀分布流排出。优选地，含氧气体在其从该开口排出时的速度在30m/s和90m/s之间。中空构件的形状包括圆锥形端部和指向燃烧器前部2处的截头圆锥形端部，其中，这两个部分直接连接或可选地通过管状部分连接。由圆锥形端部10的顶部的斜面形成的角度优选在5度和35度之间。该角度优选地不应太大，以限制在固体流从中心通路5流出到环形通路12的位置处的侵蚀。截头圆锥形部分的形状优选地选择成使得在用于排出固体燃料的向内指向的环形开口13的所形成出流方向与燃烧器1的轴线之间的角度在5度和35度之间。 

优选地，中空构件9的将用于排出固体燃料的开口3与用于排出含氧气体的开口4分隔开的边缘25的宽度在0.5mm和3mm之间。由用于排出固体燃料的向内指向的环形开口13的出流方向和燃烧器1的轴线形成的角度优选在5度和35度之间。已经发现，在该范围内能获得含氧气体和燃料之间的最佳接触，同时还能获得火焰的充分升高，因而降低热通量。 

图1的燃烧器还具有用于冷却剂的优选的环形通路19，其围绕环形通路6设置。围绕通路19，设置用于返回冷却剂的环形通路20。适当地，通路6、19和20终止在连接块21，所述连接块21设置有用于中心通路5的中心开口、用于使新冷却剂从通路19传送到冷却套23的多个开口24和用于使用过的冷却剂从冷却套23传送到通路20的多个开口22。连接块21的存在是有利的，因为其使得能够简单地更换可能损坏的中空构件9。中空构件的截头圆锥形部分可通过从连接块21切掉冷却套23和中心通路5的截头圆锥壁部分26来去除。连接块21适当地设置在中心通路5的直径从增大直径反转为减小直径的位置处，以允许如本文所述简单地去除。 

冷却套23优选为如前面提到的EP-A-328794中所述的或如CN-A-101363624中所述的冷却套。这样的冷却套23具有双壁28、29，所述双壁限定在连接块21处开始并且在燃烧器前部2处终止的燃烧器部分的外部。双壁28、29由一个或多个隔板30间隔开，所述一个或 多个隔板限定环绕所述燃烧器前部2的一部分和所述燃烧器部分的冷却剂流动路径。冷却剂从由壁29和中心通路5的壁26限定的冷却剂隔室31经由开口32进入燃烧器前部2。冷却剂隔室31经由开口24流体连接到通路19。 

燃烧器1的具有用于含氧气体、固体燃料、新冷却剂和用过的冷却剂的供给接头的端部在图1中未示出。CN-A-101363622中所述的设计可适当地用于该目的。 

图2中使用的附图标记具有如上所述的相同意思。另外，图2显示了环形通路20的外壁27。图2显示了具有三个开口17的一个实施例。为清楚起见，图1中显示了仅一个连接管道14和三个开口中的一个开口17。 

图3显示了水平地布置的燃烧器40，其在很大程度上与图1的燃烧器1相同。图3中使用的附图标记具有与上文所述相同的含义。与图1的燃烧器1的主要区别在于中空部件具有在中心通路5的纵轴线B下方距离X处的纵轴线A。因此，环形通道12的径向宽度在上侧比在下侧大，因而在环形燃料出口开口13的顶侧处，体积出流量将更大。这补偿了在燃料出口13的上部中的煤密度低于在燃料出口13的下部处的煤密度的情况。 

在图3的实施例中，边缘25和开口4位于燃烧器前部2处。在一个替代实施例中，边缘25和开口4可位于燃烧器前部2上游一定距离处，类似于图1的实施例。 

图4显示了水平地布置的燃烧器50，其在很大程度上与图1的燃烧器1及图3的燃烧器40相同。图4中使用的附图标记具有与上文所述相同的含义。在图4的实施例中，出口4包括多个同轴的开口，包括位于低速管道51的下游端部处的中心开口60和位于高速管道53的下游端部处的向内指向的环形开口52。环形开口52被用于排出固体燃料的向内指向的环形开口13包围。第二竖直连接块54将中空构件9的内部分成上游侧55和下游侧56。基本上截头圆锥形的壁57从第二连接块向开口4延伸。截头圆锥形的壁57基本上平行于中空构件 9的壁延伸。 

第二连接块54设有中心开口58，在截头圆锥形的壁57的内部与中心通路5之间提供了开放连接。按照这种方式，截头圆锥形的壁57的内部限定了第一供氧管道51。 

第二连接块54还设有一圆形阵列的开口59，在中心通路5与位于截头圆锥形的壁57同中空构件9之间的下游环形空间之间提供了开放连接。该环形空间限定了第二供氧管道52。中空构件9、截头圆锥形的壁57和第二连接块54中的开口58、59这些部件的尺寸设置成在环形管道53中获得高速氧流而在中心管道51中获得低速氧流。这减小了燃烧器前部与完成氧和燃料之间的混合处的下游位置之间的距离。 

在图4的实施例中，截头圆锥形的壁的纵轴线与中空构件9及燃烧器50的纵轴线基本上重合。在一个替代实施例中，截头圆锥形的壁57的纵轴线可与中空构件9的纵轴线偏移开和/或与燃烧器50的纵轴线偏移开。特别地，对于非竖直燃烧器例如水平燃烧器，截头圆锥形的壁57的向下偏移布置可有助于补偿环形通路52中的密度分布的不均匀性。 

Claims (7)

1.一种用于气化固体燃料的燃烧器（1、40、50），其特征在于，所述燃烧器包括燃烧器前部（2），所述燃烧器前部具有用于排出固体燃料的开口（3），所述燃烧器包括位于所述燃烧器前部（2）处或燃烧器前部（2）附近的、用于排出含氧气体的出口（4），其中，所述用于排出固体燃料的开口（3）流体连接到中心通路（5），并且其中，所述用于排出含氧气体的出口（4）流体连接到用于含氧气体的环形通路（6），其中，所述中心通路（5）具有下游部分（5A），其中，所述中心通路（5）的直径在第一长度（7）上增大，并且随后在终止于燃烧器前部（2）处的第二长度（8）上减小，并且其中，所述中心通路的下游部分（5A）内部设置有中空构件（9），所述中空构件在一端（10）处封闭，并且在所述燃烧器前部（2）处具有开口（11），所述中空构件（9）具有与所述中心通路（5）的增大和减小的直径一致的增大的直径和减小的直径，以形成用于固体燃料的环形通道（12），该用于固体燃料的环形通道在用于排出固体燃料的向内指向的环形开口（13）中终止于燃烧器前部（2）处，并且其中，所述中空构件（9）通过一个或多个连接管道（14）与所述用于含氧气体的环形通路（6）流体连接，其中，所述出口（4）并非位于所述燃烧器前部（2）处的单个中心开口。

2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述出口（4）在所述燃烧器前部（2）上游一定距离处。

3.根据权利要求1或2所述的燃烧器，其特征在于，所述出口（4）包括多个开口（52、60）。

4.根据权利要求3所述的燃烧器，其特征在于，所述出口（4）的多个开口是同轴的。

5.根据权利要求4所述的燃烧器，其特征在于，所述出口（4）的多个开口包括位于低速管道（51）的端部处的中心开口（60）和位于高速管道（53）的端部处的环形开口（52），所述环形开口被用于排 出固体燃料的向内指向的环形开口（13）包围。

6.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述出口（4）包括一个或多个开口，在前视图中观察，所述一个或多个开口的中心点离开燃料排出开口（3）的中心点一定距离。

7.根据权利要求6所述的燃烧器，其特征在于，其包括与竖直方向成角度的纵向中心轴线，其中所述出口（4）的一个或多个开口的中心点位于在燃料排出开口（3）的中心点下方一定距离处。 

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