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CN101363624B - 燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃烧器，所述燃烧器特别用于通过部分燃烧气化固态含碳材料。所述燃烧器包括中心通道(2)和至少一个同轴通道(6)。所述通道(2，6)由同心壁(3，5)限定，所述壁具有自由的下游外端，这些外端具有的轮廓形状限定出形成所述同轴通道(6)的排放端并朝着所述中心通道(2)的相邻排放端会聚的环形狭缝(10)。所述燃烧器(1)由冷却护套(14)包住并包括双壁前脸(21)，所述双壁被一个或更多挡板(28)间隔开，所述挡板限定可操作地连接至冷却护套(14)的冷却剂流动路径。冷却护套(14)具有上游部分(14A)和过渡部分(25)，所述过渡部分渐缩至具有比冷却护套的上游部分(14A)小的外直径的前脸(21)。

Description

燃烧器
技术领域
本发明涉及一种燃烧器，其包括中心通道和围绕中心通道的至少一个同轴通道，用于供给分离的共反应气态或气载的介质。该燃烧器特别适于用在使用含氧气体的含碳燃料(诸如由气体载体携带的细分固体燃料，如由诸如氮气或二氧化碳的气体载体携载的粉煤)的部分燃烧中，以例如用于产生加压合成气、燃料气体或还原气体。
背景技术
固态含碳燃料的部分燃烧(也公知为气化)通过燃料与氧的反应获得。燃料主要含有碳和氢作为可燃成分。气载的细分含碳燃料和含氧气体经由燃烧器中分离的通道以较高速度通入反应器中。在反应器中维持火焰，其中燃料与含氧气体中的氧在高于1300℃的温度下反应，以形成主要是一氧化碳和氢气。
这里所用的术语“含氧气体”用于指那些含有自由氧的气体、O2，并且用于包括空气、富氧空气(即，氧的摩尔含量超过21％)以及基本上纯氧(即，氧的摩尔含量超过95％)，且其余成分包括通常在空气中发现的气体，例如氮气和/或稀有气体。
这里所用的术语“固体含碳燃料”用于包括选自以下物质构成的组的各种气载的可燃材料及其混合物：煤、来自煤的焦炭、煤液化残余物、石油焦、煤烟、生物燃料以及从油页岩、沥青砂和沥青获得的颗粒固体。煤可以是任何类型，包括褐煤、亚烟煤、烟煤和无烟煤。固体含碳燃料优选地研磨到这样的粒度，使得至少90％的重量百分比的材料小于90微米并且湿气含量少于大约百分之五的重量百分比。
US-A-4887962公开了一种用于这种部分燃烧过程的燃烧器。该燃烧器包括带有用于将燃料供给到燃烧区的出口的中心通道和同轴环形通道，该环形通道带有围绕中心通道出口的出口，以供给含氧气体，从而与来自中心通道的出口的固体燃料流交叉和混合。该燃烧器还包括布置在燃烧器的排放端处的前脸。该前脸具有中心孔，燃料和含氧气体通过该中心孔流到燃烧区。供给含氧气体的环形通道的直径越接近出口越小，从而相对于纵向轴线形成了一个角。这样获得的倾斜环形狭缝应该具有稳定的尺寸，以获得恒定的、均匀分布的含氧气体流。由于该环形狭缝沿着流动方向倾斜，流出的气体流将和从中心通道流出的共反应的可燃材料流相遇并混合，进入下游燃烧区。
由于燃烧温度可以高达1300℃或更高。这种燃烧器的主要关注点是防止在气化过程中由于高热流而导致的燃烧器前部(也称为燃烧器前脸)的损坏。为了防止燃烧器前部过热，US-A-4887962建议使用带有内部冷却通路的中空壁元件，流体冷却剂沿螺旋流动路径快速循环通过该内部冷却通路，以确保燃烧器前脸的均匀冷却，从而使得热应力最小，该热应力在延长的操作期间(特别是由于疲劳应力)可能导致恶化甚至燃烧器故障，这最终可能导致冷却剂的泄漏。在US-A-4887962中，需要大量的螺旋转弯以冷却整个燃烧器前部，导致相当大的压降。
发明内容
本发明的目的是提高冷却剂流动的效率，特别是其中热应力最高的地方的效率。
本发明的目的通过提供这样一种燃烧器实现，该燃烧器包括中心通道和至少一个围绕着所述中心通道的同轴通道，这些通道从上游供给侧延伸到下游排放端，所述中心通道和所述同轴通道由同心的内、外壁限定，所述内、外壁具有自由的下游外端，这些外端具有的轮廓形状限定出形成所述同轴通道的排放端并朝向所述中心通道的相邻排放端会聚的环形狭缝，所述燃烧器由冷却护套包住并包括带有双壁的前脸，所述双壁被一个或更多挡板间隔开，所述挡板限定可操作地连接至冷却护套的冷却剂流动路径，冷却护套具有过渡部分，所述过渡部分渐缩至前脸的较小外直径。过渡部分可以是全部或部分地渐缩、半球形或阶梯形或者可以具有任意其它在流动方向上渐缩至较小直径的适当形状。结果，冷却作用集中在通道的末端上，在该末端，燃料和氧气流相遇并混合并且热应力最高。前脸内流动路径中的压降得到有效降低。
冷却护套的过渡部分可以直接连接至其上游部。可选地，冷却护套的过渡部分以及包围它的下游燃烧器部分和冷却护套的上游部分以及包围它的燃烧器部分安装在连接块体的相对侧上，该连接块体具有开口以允许从通道和冷却剂流动路径的上游部分到其下游部分的流通。
可选地，冷却护套包括带有限定螺旋流动路径的挡板的至少一个隔间。螺旋流动路径例如可以利用至少三个平行挡板成本有效地实现，所述至少三个挡板限定与燃烧器中心通道同心的平行通道部分，每个挡板设有位于两个面对的挡板端之间的中断部以及平行间隔部，每个间隔部将挡板端连接至相邻挡板的面对的挡板端。这样，隔部将冷却剂流从一个通道部分引导到下一个通道部分。为了在水力学上优化冷却剂流动，例如通道部分的尺寸可以使得通道部分的横截面积小于冷却剂流动方向上下一个的通道部分的横截面积。
本发明的燃烧器特别适于按任何所需方式(即，竖直地、水平地或者成一定角度地)将反应物引入部分氧化气体发生器的反应区，而且特别适合于用于在燃烧区的大体相对的两侧设置多个反应物燃烧器的固体燃料气化设备中，由此，反应物被水平地引入，而且燃烧器射流相互撞击，促进部分氧化过程，并使得对耐火材料壁的侵蚀最小。
燃烧器通常用耐高温材料制造，尤其是例如以商标Inconel
Figure 2007101939835_0
销售的耐高温金属和合金制造，并且通过例如熔焊、铜焊等进行制造。对于高占空比运行，通常用金属制造的含氧气体用的通道和出口可以在内部涂敷氧化涂层，例如ZrO2或者陶瓷，使得能够应用高流速含氧气体，而不会有在氧作用下金属燃烧的风险。
附图说明
现在将参考附图仅仅通过例子来详细描述本发明，附图中：
图1显示根据本发明的燃烧器的纵向剖面；
图2显示图1的燃烧器的下游冷却护套部分的侧视图，其中外壁部分地剖开。
具体实施方式
图1显示了用于含碳燃料(诸如携载在例如氮气或二氧化碳气体上的粉煤)的部分燃烧的燃烧器1的纵向剖面。燃烧器1包括中心通道2，该通道由沿纵向轴线布置的圆筒形内壁3限定并具有用于将气载燃料供给到燃烧区的排放出口4。圆筒形外壁5绕内壁3同心地布置。内壁3和外壁5限定了用于供给含氧气体的环形同轴通道6。内壁3具有双壁的上游部3A和单壁的下游部3B。类似地，外壁5具有双壁的上游部5A和单壁的下游部5B。同轴通道6具有形成用于含氧气体流入燃烧区的出口的开口排放端7。
内壁3具有恒定的内直径和圆锥扩大部8，该圆锥扩大部具有朝向排放出口4减小的扩大外直径，以形成环形隆起，该隆起在这个特定实施例中带有三角形横截面。外壁的下游部5B形成圆筒，其带有在流动方向上会聚的圆锥端9。下游内壁部3B的扩大部8和下游外壁部5B的圆锥端9限定均匀宽度的环形狭缝10，其中扩大部8的直径在排放出口4的方向上减小。该环形狭缝10形成同轴通道6的排放出口7。
内、外壁部3A、3B、5A和5B焊接至连接块体11。块体设有：孔12，其与同轴通道6对齐；以及中心开口13，其与中心通道2对齐。其中开口13具有与中心通道2相同的直径。
同轴通道6由连接块体11的上游侧处的冷却护套14A和位于连接块体11的下游部处的下游部14B包住。两个同轴壳体15A、16A焊接至连接块体11的上游侧以形成上游冷却护套部分14A的两个同心隔间17A、18A。
冷却护套的下游部14B包括形成上游内壳体15A的上游延伸部的内护套壁15B和形成壳体16A的下游延伸部的外护套壁16B。护套壁15B、16B之间的空间18B形成上游冷却护套隔间18A的下游延伸部并被挡板19分隔成螺旋通道。内护套壁15B和外壁部5B之间的空间17B形成上游冷却护套隔间17A的下游延伸部。连接块体11设有开口20构成的两个同心圆形阵列，其分别连接上游冷却护套隔间17A、18A与下游冷却护套隔间17B、18B。
在冷却护套部分14B的下游，与冷却护套壁15B、16B成直角地布置双壁前脸21。前脸21具有限定中心开口23并邻接同轴通道外壁5B的外边缘的内边缘22。
前脸21的外直径小于上游冷却护套部14A的外直径。在流动方向上，下游冷却护套部14B具有外直径与上游冷却护壳体14A相同的第一部分24和局部渐缩的过渡第二部分25，其渐缩至前脸21的外直径。
双壁前脸21具有由限定螺旋流动路径29的挡板28间隔开的下游前壁26和后侧壁27。所述流动路径与下游冷却护套隔间18B敞开连接。在前脸21中开口23附近，前脸21的前侧壁26和后侧壁27之间的流动路径29经由前脸后侧壁27中的开口30与下游冷却护套隔间17B敞开连接。
上游内冷却护套隔间17A连接至液体冷却剂供给。冷却剂从内冷却护套隔间17A经由块体11中的开口20、下游隔间17B、开口30、前脸21中的流动路径29、外冷却护套隔间18B、块体11中的开口20和外隔间18A流动到冷却剂排放。
图1的燃烧器1基本上是筒形。块体11是一个圆形的块体，其直径与冷却护套的外直径对应。开口12、20形成与中心开口13同心的圆形阵列。
图2显示了下游冷却护套部14B，其外壁16B部分地剖开以显示内壁15B和外壁16B之间的下游冷却护套隔间18B中的螺旋流动路径31。应注意，螺旋流动路径31中所导致的冷却剂流动方向与燃烧器通道中反应物气态介质的流动方向相反。在冷却护套隔间18B中，冷却剂从连接至前脸21的小直径部分流向较大直径部分24的方向。在图2中，冷却剂流动方向由箭头A表示。挡板19彼此平行且与壁15B、16B正交地布置，从而限定平行通道部分32。挡板19被上挡板端34和下挡板端35之间的开口33中断。每个下挡板端35通过隔部36连接至沿冷却剂流动方向A定位为下一个的挡板19的上挡板端34，该上挡板端是两个相邻挡板19的最接近面对的挡板端。这样，开口33将经过的冷却剂流从一个通道部分32引导到冷却剂流动方向上下一个的通道部分32。每个通道部分32比沿冷却剂流动方向在前的通道部分宽，导致冷却剂流动方向上流动路径的横截面积逐步增加。两个相邻开口33之间的最短距离不应小于在前通道部分32的宽度并且不应大于冷却剂流动方向上下一个的通道部分32的宽度。为此，上挡板边缘34和下挡板边缘35分别不在轴向方向上对齐，而是每个上挡板边缘34相对于冷却剂流动方向上在前的上挡板边缘34在切向方向上突出。类似地，每个下挡板边缘35相对于冷却剂流动方向上下一个的下挡板边缘35在切向方向上突出。开口33具有遵循内、外壁部15B、16B的圆筒形的稍带弧形的形状。
在通过含氧气体对粉煤等含碳燃料进行气化的上述燃烧器的运行过程中，悬浮在氮气或者二氧化碳等载体流体中的所述煤通过中心通道通到用于将煤引入布置在燃烧器下游的反应器的燃烧区中的出口。同时，含氧气体通过同轴通道通到其出口，使得煤和含氧气体反应物将在反应器空间中强烈混合。通过由适当通道中的挡板的漩涡体施加到一股流或者两股流上的漩涡运动可进一步促进反应物的混合。

Claims (5)

1.一种燃烧器(1)，包括中心通道(2)和至少一个围绕所述中心通道(2)的同轴通道(6)，这些通道从上游供给侧延伸到下游排放端，所述中心通道(2)和所述同轴通道(6)由同心的内、外壁(3，5)限定，所述内、外壁(3，5)具有自由的下游外端，这些外端具有的轮廓形状限定出形成所述同轴通道(6)的排放端并朝向所述中心通道(2)的相邻排放端会聚的环形狭缝(10)，所述燃烧器(1)由冷却护套(14)包住并包括双壁的前脸(21)，所述前脸的双壁被一个或更多挡板(28)间隔开，所述挡板限定可操作地连接至冷却护套(14)的冷却剂流动路径，其中冷却护套(14)具有上游部分(14A)和过渡部分(25)，所述过渡部分渐缩至具有比冷却护套的上游部分(14A)小的外直径的前脸(21)，并且其中冷却护套的过渡部分(25)和冷却护套的上游部分安装在连接块体(11)的相对两侧上，所述块体具有开口(12，13，20)以允许通过通道(6，2)和冷却剂流动路径的流通。
2.根据权利要求1的燃烧器，其特征在于，所述过渡部分(25)至少部分地渐缩。
3.根据权利要求1或2的燃烧器，其特征在于，冷却护套(14)的过渡部分(25)封装可操作地连接至前脸(21)内的流动路径的螺旋流动路径。
4.根据权利要求1的燃烧器，其特征在于，冷却护套(14)包括带有至少三个平行挡板(19)的至少一个隔间(18B)，所述至少三个平行挡板限定与燃烧器中心通道(2)同心的通道部分(32)，每个平行挡板(19)设有位于两个面对的挡板端(34，35)之间的开口(33)以及平行隔部(36)，每个平行隔部将挡板端(34)连接至相邻挡板(19)的面对的挡板端(35)。
5.根据权利要求4的燃烧器，其特征在于，通道部分(32)的横截面积小于在冷却剂流动方向上下一个的通道部分(32)的横截面积。
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