專利名稱：燃燒器和用于實(shí)施氧燃燒的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃燒器和一種可以使用高氧含量的氣體的燃燒方法。
背景技術(shù)：
隨著日益嚴(yán)格的環(huán)境限制，特別是在CO2和NOx的產(chǎn)生方面的限制，在需要熱流體 例如蒸汽、熱水或熱油、和/或電、和/或機(jī)械功的各類工業(yè)領(lǐng)域中，對(duì)于礦物燃料燃燒使用 氧氣或者高氧含量的氣體的燃料燃燒正在變得越來(lái)越有吸引力。然而，使用空氣作為氧化 劑的常規(guī)的燃燒裝置不都具有用于在氧氣或高氧含量的氣體的條件下運(yùn)行的幾何結(jié)構(gòu)和 所需材料。這是因?yàn)樵诟哐趸蛘呷跞紵蟹€(wěn)定氮?dú)?nitrogen ballast)的缺失顯著地 更改了熱傳遞模式、物質(zhì)濃度以及燃燒室內(nèi)的壓力條件。為了在這些設(shè)備中進(jìn)行全氧燃燒，一個(gè)建議方案是再噴射由所述燃燒或者其它燃 燒產(chǎn)生的煙氣，以部分地彌補(bǔ)氮?dú)獾娜笔?。這個(gè)過(guò)程由于氮?dú)獾娜笔б约坝捎诒仍谌跞?燒中低的火焰溫度而用于避免大量產(chǎn)生N0X。然而，再次噴射的煙氣經(jīng)常會(huì)抵消氧燃燒的優(yōu) 點(diǎn)，特別是例如較低比例的由重油殘留物產(chǎn)生的未燃物、或部分灰分的減少，這些未燃物和 該灰分然后會(huì)導(dǎo)致下游煙氣處理方法的復(fù)雜化。煙氣噴射大致可以分為兩種方式。第一種是通過(guò)在所述煙氣被引入燃燒器前將其 和氧氣混合以重新組成氧化劑，該氧化劑包含約21-27%的氧氣，其余基本由CO2代替氮?dú)?組成。在對(duì)空氣鍋爐(air boiler)進(jìn)行改裝時(shí)，此方案的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在較小的操作調(diào)整的 情況下保持空氣鍋爐的可能性。相反，在將煙氣和氧氣引入燃燒器之前將它們預(yù)混和可能 引起安全問(wèn)題。為了避免這個(gè)問(wèn)題，在第二替換方案中，煙氣也可以在燃燒室的一部位或者 通過(guò)燃燒器單獨(dú)地噴射。在后面的情況中，煙氣以使火焰變長(zhǎng)的速度被噴射，這可能會(huì)使燃 燒室的元件(在鍋爐的情況下是對(duì)面的壁或管)過(guò)熱。為了避免該問(wèn)題，煙氣的噴射速度 必須低，其結(jié)果增大了燃燒器的尺寸和引起了布局問(wèn)題，而眾所周知燃燒室的表面積必須 最大化。因此，前述問(wèn)題意味著需要改善利用煙氣再循環(huán)的氧燃燒燃燒器和方法。另外，實(shí)踐證明了能夠以靈活模式一一即，可選擇地以氧燃燒和以空氣燃燒—— 使用燃燒器的效用。實(shí)際上，由于氧氣的可獲得量和/或安全問(wèn)題的限制，能夠在不更換燃 燒器的條件下將氧燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝馊紵赡苁怯幸娴摹Ｏ嗨频?，?duì)于特定類型的燃燒，為了 安全原因更優(yōu)選的是開(kāi)始使用空氣燃燒然后轉(zhuǎn)換成氧燃燒。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是提供一種適于在設(shè)計(jì)成用于空氣燃燒的裝置中利用煙氣的 再循環(huán)實(shí)施氧燃燒的裝置。本發(fā)明的另一目的是提供一種適于利用煙氣再循環(huán)實(shí)施氧燃燒的燃燒裝置。本發(fā)明的再一目的是提供一種適于利用煙氣再循環(huán)實(shí)施氧燃燒的燃燒裝置，所述 燃燒產(chǎn)生尺寸受控制的火焰。
為此目的，本發(fā)明涉及一種使用至少一種含氧氣體和至少一種主要不活潑/惰性 氣體(mainly inert gas)的至少一種燃料的燃燒方法，其中-所述含氧氣體包含按體積計(jì)至少80%的氧氣，-所述燃料和所述含氧氣體被噴射成使得生成火焰，-所述主要不活潑氣體被噴射成使得該主要不活潑氣體鄰近并圍繞由所述燃料和 所述含氧氣體生成的火焰并且相對(duì)于火焰具有發(fā)散的漩渦。


本發(fā)明的其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)閱讀以下描述而顯見(jiàn)。本發(fā)明的實(shí)施例作為非限 制性示例由圖1示出，圖1是根據(jù)本發(fā)明的燃燒器的示意圖。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明的方法利用含氧氣體實(shí)施燃料的主燃燒。燃料可以是任何氣態(tài)的、液 體、固體、漿狀體、乳狀體或其任何組合。如果是氣體，則該燃料可以是但不局限于天然氣、 礦井氣、焦?fàn)t氣、高爐氣、精煉氣、低熱值氣體、氣化固體燃料、或合成氣。如果是液體，則該 燃料可以是但不局限于家用燃油(home-heating oil)、重燃料油、浙青、精煉殘留物或原 油。如果是固體，則燃料可以是但不局限于煤、焦炭、石油焦、生物質(zhì)、泥煤、固態(tài)浙青、或固 態(tài)精煉殘留物。這些各種類型的燃料被噴射成使得與含氧氣體生成火焰。燃料或多種燃料 和含氧氣體的噴射可以本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的任何方式實(shí)現(xiàn)以產(chǎn)生火焰。根據(jù)本發(fā)明的方 法，還噴射主要不活潑氣體。該主要不活潑氣體包括摩爾量為至少50%的以下至少一種成 份C02、H20、Ar。該主要不活潑氣體可以是或者包括煙氣。主要不活潑氣體優(yōu)選以單股射流的形式噴射。該單股射流圍繞由燃料和含氧氣體 生成的火焰。在本發(fā)明中，“圍繞”是指該主要不活潑氣體射流環(huán)繞燃料和含氧氣體的中心 火焰。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，該主要不活潑氣體射流具有以燃料和含氧氣體的火焰為中 心的環(huán)形形狀。根據(jù)本發(fā)明，該單股周圍射流相對(duì)于燃料和含氧氣體的火焰具有發(fā)散的漩渦。在 本發(fā)明中，射流的漩渦表示射流繞其自身的渦旋式運(yùn)動(dòng)。因此該單股周圍射流是繞其自身 渦旋的射流。由于所述射流圍繞燃料和含氧氣體的火焰，因此所述單股周圍射流也圍繞所 述火焰渦旋。根據(jù)本發(fā)明，該漩渦是發(fā)散的，就是說(shuō)，在該單股周圍射流中，主要不活潑氣體 在被噴射時(shí)遠(yuǎn)離燃料和含氧氣體的火焰移動(dòng)。對(duì)于該單股周圍射流，該主要不活潑氣體射流的每一個(gè)的渦流比(swirl rate)優(yōu) 選在0. 26到1. 73之間。渦流比S定義為S = lt/la，其中It和Ia分別是射流中渦旋的 流體的切向和軸向脈沖。該方法尤其適于在鍋爐中使用。在本發(fā)明中，含氧氣體優(yōu)選是氧氣濃度按體積計(jì)高于90%的氣體。根據(jù)本實(shí)施 例，氧化劑是含氧氣體，主要不活潑氣體由燃燒產(chǎn)生的煙氣組成。燃燒生成的煙氣一般主要 (如果不是唯一地)包括co2。這些氣體也可含有H2O。優(yōu)選地，主要不活潑氣體至少部分地 包括本方法燃燒生成的氣體，所述氣體在燃燒方法中再循環(huán)。在這種情況下，煙氣在實(shí)施本 方法的燃燒室外再循環(huán)。它們可以在再循環(huán)前進(jìn)行處理。根據(jù)本發(fā)明，一般至少有4Sm3的煙氣在本方法中再循環(huán)。根據(jù)本實(shí)施例，優(yōu)選地，噴射到主要不活潑氣體的單股周圍射流中 的主要不活潑氣體的流量/流率占所噴射的主要不活潑氣體的總流量的100%。此外，燃燒 生成的以單股周圍射流的形式噴射的氣體不會(huì)干擾由燃料和含氧氣體的燃燒生成的火焰， 而是會(huì)在靠近燃燒器的爐鼻(nose)的位置產(chǎn)生一通道(corridor)，這保護(hù)燃燒室的壁避 免受到過(guò)強(qiáng)的輻射。在燃燒器的爐鼻以外，燃燒生成并以單股周圍射流的形式噴射的氣體 和由本方法的實(shí)際燃燒生成的熱氣體混合，以形成一種均勻的混合物。根據(jù)第一實(shí)施例，燃 燒生成的氣體也可以噴射到燃燒室的不同于單股周圍射流的噴射點(diǎn)的至少一點(diǎn)處。本發(fā)明還涉及一種適于實(shí)施所述方法的燃燒器，其包括-至少一個(gè)用于噴射所述燃料的裝置和至少一個(gè)用于噴射所述含氧氣體的裝置， 所述含氧氣體包含按體積計(jì)至少80 %的氧氣，所述裝置相對(duì)于彼此布置成使得含氧氣體和 燃料能夠生成火焰，-用于噴射所述主要不活潑氣體的裝置-用于噴射所述主要不活潑氣體的所述裝置適于以射流的形式噴射該主要不活潑 氣體，所述射流鄰近并圍繞由所述含氧氣體和所述燃料生成的火焰，并且用于噴射所述主 要不活潑氣體的所述裝置包括適于使通過(guò)其中的所述主要不活潑氣體流發(fā)散地渦旋的裝置。因此，根據(jù)本發(fā)明的燃燒器包括第一中心部件，所述第一中心部件包括至少一個(gè) 用于噴射燃料的裝置和至少一個(gè)用于噴射含氧氣體的裝置。這兩個(gè)噴射裝置必須相對(duì)于彼 此定位成使得含氧氣體和燃料在燃燒器工作時(shí)能夠生成火焰。因此，用于噴射燃料和含氧 氣體的裝置可以是同軸的管或者單獨(dú)的管。用于噴射燃料和含氧氣體以形成火焰的任何已 知技術(shù)都可以使用。燃燒器包括第二周圍部件，所述周圍部件包括用于噴射主要不活潑氣體的裝置。 優(yōu)選地，適于使通過(guò)該噴射裝置的主要不活潑氣體流發(fā)散地渦旋的裝置導(dǎo)致所述(主要不 活潑氣體)流以在0.26到1.73之間的渦流比渦旋。所述適于發(fā)散的渦旋的裝置通常是偏 導(dǎo)器(deflector)。根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施例，燃燒器使得-用于噴射主要不活潑氣體的裝置包括兩個(gè)圍繞用于噴射燃料的裝置和用于噴射 含氧氣體的裝置定中心的同軸的管，兩個(gè)管之間的間隔容許部分主要不活潑氣體通過(guò)并且 包括適于使通過(guò)其中的主要不活潑氣體流發(fā)散地渦旋的裝置。根據(jù)該具體實(shí)施例，燃燒器也可以包括兩個(gè)用于噴射含氧氣體的裝置，所述裝置 是同軸的管，用于噴射燃料的裝置可以是鉆有至少一圈孔口的金屬環(huán)，所述金屬環(huán)與含氧 氣體噴射管同軸并且布置在所述管之間。這樣，燃燒器由4個(gè)同軸的管組成，鉆有孔口的金 屬環(huán)布置在一環(huán)內(nèi)，所述環(huán)布置在最小的管和緊接著較大直徑的管之間。根據(jù)本發(fā)明，燃燒器可以包含兩個(gè)不同的用于噴射燃料的裝置來(lái)噴射兩種不同的 燃料。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的燃燒器的端部。其包括第一中心部件，該第一中心部件 包括-燃料噴射裝置1，該燃料噴射裝置是一管，-含氧氣體噴射裝置2，其包括兩個(gè)管21和22；—個(gè)管21布置在燃料噴射管1的中心，另一個(gè)管22圍繞相同的燃料噴射管1。燃燒器還包括第二部件，該第二部件是用于噴射主要不活潑氣體的裝置；其包括 兩個(gè)同軸管22、31，它們以第一中心部件為中心，最小的管對(duì)應(yīng)于用于噴射燃料1的管22。 中間的管31和最小的管22之間的間隔包括適于使通過(guò)其中的主要不活潑氣體流發(fā)散地渦 旋的裝置5(翅片)。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以用于改造通常在空氣條件下工作的燃燒器，使其在含氧 氣體和含氧煙氣的條件下工作。利用適于噴射再循環(huán)的煙氣的根據(jù)本發(fā)明的燃燒器的第二 部件，足以補(bǔ)充與根據(jù)本發(fā)明的燃燒器的第一部件相對(duì)應(yīng)的空氣燃燒器。然后將含氧氣體 噴射到燃燒器的第一部件中，將煙氣噴射到第二部件中。根據(jù)本發(fā)明的燃燒器和燃燒方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其生成具有可控制的尺寸的火焰， 這在有限的容器例如鍋爐燃燒室中是有益的，在該鍋爐燃燒室中，過(guò)長(zhǎng)的火焰與裸露的鋼 管的直接接觸是極其危險(xiǎn)的。在該后一種情況中，根據(jù)本發(fā)明的燃燒器生成的火焰的幾何 形狀可以使熱流在所有鍋爐內(nèi)壁上均勻分布；裝配有該燃燒器且使用氧燃燒工作的鍋爐根 據(jù)再循環(huán)煙氣的比例可以經(jīng)受最大為0. 600MW/m3的能量密度。根據(jù)本發(fā)明使用含氧氣體工作的燃燒器和燃燒方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是生成具有高 核心溫度的火焰，從而使未燃燒物顯著地減少。本發(fā)明可以包括一個(gè)或者多個(gè)下述特征燃料可以是氣態(tài)的、液體、固體、漿狀體、乳狀體、氣態(tài)固體懸浮物(solid in gas suspension)或任何前述的組合。三種或更多不同的燃料可以同時(shí)噴射。燃料通過(guò)兩個(gè)或 更多孔口噴射，含氧氣體通過(guò)兩個(gè)或更多孔口噴射。含氧氣體通過(guò)兩個(gè)或更多孔口噴射。含 氧氣體的噴射被分級(jí)成第一和第二氧氣。可以利用單組孔口噴射兩種或更多不同燃料。煙 氣溫度保持在高于酸露點(diǎn)溫度的溫度下。燃料流、含氧氣體流或兩者在通過(guò)燃燒器時(shí)發(fā)生的壓降可能不多于200mbar。主 要不活潑氣體在通過(guò)燃燒器時(shí)發(fā)生的壓降可能在4mbar到IOmbar之間。主要不活潑氣 體噴射裝置可以用HR 160制造，或者如果燃料具有高含硫量則可以使用另一鎳基合金類 型(Hastelloy-type)合金。如果燃料中相對(duì)不含硫，則主要不活潑氣體噴射裝置可以 用316不銹鋼制作。用于噴射氧化劑和燃料的裝置可以用鎳-鉻-鐵基固溶強(qiáng)化合金 600(inconel600)制造。鍋爐可包含至少一個(gè)符合本設(shè)計(jì)的燃燒器。氧化劑是含氧氣體，主要不活潑氣體由通過(guò)所述方法的燃燒產(chǎn)生并再循環(huán)的氣體 組成，其中再循環(huán)比(rate of recycling)在0. 1到5. 0之間變化，優(yōu)選為1. 5。在本發(fā)明 中，再循環(huán)比定義為再循環(huán)的煙氣的體積流量(χ)和系統(tǒng)中通過(guò)煙道的煙氣的體積流量的 比率(x/y)。在另一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的燃燒方法用于生產(chǎn)至少一種熱流體例如蒸汽、 熱水或熱油、和/或電和/或機(jī)械功。
權(quán)利要求
使用至少一種含氧氣體和至少一種主要不活潑氣體的至少一種燃料的燃燒方法，其中 所述含氧氣體包含按體積計(jì)至少80％的氧氣， 所述燃料和所述含氧氣體被噴射成使得生成火焰， 所述主要不活潑氣體被噴射成使得該主要不活潑氣體鄰近并圍繞由所述含氧氣體和所述燃料生成的火焰并且相對(duì)于火焰具有發(fā)散的漩渦。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料可以是氣態(tài)的、液體、固體、漿狀 體、乳狀體、氣態(tài)固體懸浮物或任何前述的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，可以同時(shí)噴射三種或更多不同燃料。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述燃料通過(guò)兩個(gè)或更多孔 口進(jìn)行噴射，所述含氧氣體通過(guò)兩個(gè)或更多孔口進(jìn)行噴射。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述含氧氣體通過(guò)兩個(gè)或更 多孔口進(jìn)行噴射。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述含氧氣體的噴射被分級(jí)成第一和第二氧氣。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，可以使用單組孔口來(lái)噴射兩 種或更多不同燃料。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述主要不活潑氣體由通過(guò) 所述方法的燃燒產(chǎn)生并再循環(huán)的氣體組成，其中，再循環(huán)比在0. 1到5. 0之間變化，優(yōu)選為 1. 5。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，煙氣溫度保持在高于酸露點(diǎn) 溫度的溫度下。
10.燃燒器，包括-至少一個(gè)用于噴射燃料的裝置(1)和至少一個(gè)用于噴射含氧氣體的裝置，該含氧氣 體包含按體積計(jì)至少80 %的氧氣，所述裝置相對(duì)于彼此布置成使得含氧氣體和燃料能夠生 成火焰，-用于噴射主要不活潑氣體的裝置用于噴射主要不活潑氣體的所述裝置適于以射流的形式噴射主要不活潑氣體，該射流 鄰近并圍繞由含氧氣體和燃料生成的火焰，用于噴射主要不活潑氣體的所述裝置包括適于 使通過(guò)其中的主要不活潑氣體流發(fā)散地渦旋的裝置(5)。
11.鍋爐，該鍋爐包括至少一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃燒器。
12.利用根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒方法生成至少一種熱流體例如蒸汽、熱水或熱油、 和/或電、和/或機(jī)械功的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使用含氧氣體和至少一種主要不活潑氣體的燃料的燃燒方法，其中所述含氧氣體包括按體積計(jì)至少80％的氧氣，所述燃料和所述含氧氣體被噴射成使得生成火焰，所述主要不活潑氣體被噴射成使得該主要不活潑氣體鄰近并圍繞由所述含氧氣體和所述燃料生成的火焰并且相對(duì)于火焰具有發(fā)散的漩渦。
文檔編號(hào)F23C7/00GK101910724SQ200980102203
公開(kāi)日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2009年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月17日
發(fā)明者I·桑切斯-莫利內(nèi)羅, J·洛朗, J·穆倫, P·J-M·勒庫(kù)特, R·P·齊阿瓦, X·波貝爾 申請(qǐng)人:喬治洛德方法研究和開(kāi)發(fā)液化空氣有限公司