CN104204155A - 用于使固体燃料气化的燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使固体燃料气化的燃烧器(1)，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放固体燃料的开口(13)和用于排放含氧气体的中心开口(11)，其中，燃料排放开口(13)流体连通到中央通路(5)，而用于排放含氧气体的开口(11)流体连通到用于使得氧气通过的环形通路(6)，所述环形通路定位成与所述中央通路(5)同轴。中央通路(5)具有下游部分(6)，其中，通路(5)的直径在第一段(7)上渐增，继而在终结于所述燃烧器前部(2)的第二段(8)上渐减。在下游部分(6)的内部定位有中空构件(9)，所述中空构件在一个端部(10)处封闭并且在燃烧器前部(2)处或者附近具有开口(11)。中空构件(9)具有与中央通路(5)的渐增直径和渐减直径对应的渐增直径和渐减直径，以便形成环形通道(12)。中空构件(9)借助于一条或者多条连接管道(14)与用于含氧气体的环形通路(6)流体连通。

Description

用于使固体燃料气化的燃烧器

技术领域

本发明涉及一种用于使固体燃料气化的燃烧器。所述燃烧器尤其适于使用含氧气体对含碳燃料(诸如由气体载体承载的磨碎的固体燃料，例如由诸如氮气和/或二氧化碳的气体载体所承载的煤粉)的气化中使用，例如，用于产生加压的合成气、燃料气或者还原气。

背景技术

通过燃料与氧气发生反应来获得固体含碳燃料的气化。燃料主要包含作为可燃组分的碳和氢。含氧气体和由气体承载的磨碎的含碳燃料以相对高速度经由燃烧器中的独立通道进入到反应器中。在反应器中，保持火焰处于高于1300℃的温度条件下，在所述火焰中，燃料与含氧气体中的氧发生反应，主要形成一氧化碳和氢。

在现有技术中已经提出了多种燃烧器设计方案。EP-A-328794描述了一种燃烧器，其中，磨碎的煤经由沿着燃烧器的纵向轴线布置的中心通道供应至燃烧器前部，并且含氧气体经由环绕所述中心通道的至少一条环形通道供应。氧气在燃烧器前部被引入到煤流中。

EP-A-130630描述了一种燃烧器，其中，在燃烧器前部，以高速从中心通道排放含氧气体，而以低速从环形出口排放含氧气体。从位于所述中心氧气出口和环形氧气出口之间的多个流出开口排放固体燃料。根据这个公开文献，外部低速氧气流用于防止燃烧器因吸入热气体而过热。这个公开文献公开了如果燃烧器用于高生产量，则用于固体燃料的出口优选地不具有环形形状。阐述了这种设计将不会导致所有固体燃料颗粒与氧气适当地接触。

根据EP-A-328794的燃烧器类型已经极大成功地投入商业使用。然而，在高生产量条件下，通到燃烧器前部的热通量增大至使得燃烧器的使用寿命可能变得太短的值。

EP-A-130630通过在火焰周围施加低速氧气屏障而解决了通到燃烧器前部的热通量的问题。根据EP-A-130630的燃烧器的缺点在于：对于高生产量而言，固体燃料通过独立通道通至燃烧器前部，这可导致腐蚀问题。另一个问题是因下述事实而使得设计复杂化，所述事实为需要制造具有用于固体燃料和含氧气体的多条通道的金属件。而且，因合成气体/氧气火焰，通到燃烧器前部的热通量可能仍然非常高。

发明内容

以下燃烧器旨在提供用于高生产量并且不具有现有技术燃烧器的缺点的燃烧器：

一种用于使固体燃料气化的燃烧器，该燃烧器包括燃烧器前部，所述燃烧器前部具有用于排放固体燃料的开口和用于排放含氧气体的一个或多个开口，其中，用于排放固体燃料的开口流体连通到中心通道，并且其中用于排放含氧气体的开口流体连通到用于使得氧气通过的环形通道；以及

其中，中心通道具有下游部分，其中，通道的直径在第一段上渐增，继而在终结于燃烧器前部处的第二段上渐减，并且其中，在中心通道的下游内部定位有中空构件，所述中空构件定位成其在一个端部处封闭而在燃烧器前部处具有开口，所述中空构件具有与中心通道的渐增和渐减的直径对应的渐增和渐减的直径，以形成用于固体燃料的环形通道，该环形通道在用于排放固体燃料的向内指向的环形开口中终结于燃烧器前部；以及

其中，中空构件借助于一条或多条连接管道与用于含氧气体的环形通道流体连通，并且其中，中空构件的开口形成用于排放含氧气体的开口的至少一部分。

本发明还涉及一种通过使用上述燃烧器使固体燃料气化来制备包括氢和一氧化碳的混合物的方法，其中，含氧气体流过用于含氧气体的通道，固体燃料和载气流过中心通道，并且在燃烧器前部发生气化。本发明的详细描述

本申请人发现：与EP-A-130630的教导相比，燃烧器可设置用于高生产量操作，所述燃烧器具有用于固体燃料的环形开口。通过将所有氧气都引导通过用于含氧气体的一个或多个开口，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略微升起。这极大地减小了通道燃烧器前部的热通量，并且由此延长了所述燃烧器前部的使用寿命，以及延长了与用于固体燃料的环形通道和用于排放含氧气体的一个或多个开口分离开的边沿的使用寿命。

根据本发明的燃烧器不具有用于以如根据EP-A-130630的燃烧器的低速度排放含氧气体的外部环形出口。由于使得中空构件和中心通道的尺寸对应，因此产生了用于固体燃料的流动路径，这限制了腐蚀。

如在此所使用的，术语“含氧气体”旨在表示包含游离氧的气体、O₂以及表示包括空气、富氧空气(即，多于21摩尔百分比的氧气)以及基本纯氧(即，大于大约95摩尔百分比的氧气)，其中，剩余物包括通常在空气中发现的气体，诸如、氮气和/或稀有气体。

如在此所使用的，术语“固体含碳燃料”旨在表示包括煤、来自煤的焦炭、煤液化残余物、石油焦炭、煤烟、生物质和源自油页岩、沥青砂和沥青的微粒固体的组的多种由气体承载的可燃材料及其混合物。煤可以是任何一种类型，包括：褐煤、次烟煤、烟煤和无烟煤。固体含碳燃料优选地被研磨成的颗粒尺寸使得按重量计至少大约90％的材料小于90微米，并且按重量计水分含量小于大约5％。固体燃料以带有载气(优选氮气或者二氧化碳)的混合物的形式供应到燃烧器。

如在此所使用的，术语“高容量燃烧器”旨在包括一种工艺，其中，从环形开口排放大于3kg/sec(千克/秒)的固体。这种高容量燃烧器的环形开口的宽度优选地大于4mm。从环形开口排放的固体的优选速度在5m/s至15m/s之间。

用于含氧气体的开口可以是位于燃烧器前部处的单个中心开口，或者可有所不同地构造，例如，布置在燃烧器前部上游的一段距离处。在非垂直燃烧器中，尤其是在水平燃烧器中，这种缩入式开口降低了因从燃烧器前部向下流动的炉渣造成堵塞的风险。

在另一具体实施例中，开口可以包括多个开口，所述多个开口可例如同轴。这种布置可以例如包括位于低速管道端部处的中心开口和位于高速管道端部处的环形开口，所述环形开口被用于排放固体燃料的向内指向的环形开口包围。在这种布置中，在与燃烧器前部相距大致更短距离的位置处完成氧气和燃料的混合。可选地，中心管道的纵向轴线可以相对于环形管道的纵向轴线偏置，例如，中心管道可以相对于环形管道的中心向下偏置。在水平燃烧器的情况中，这弥补了重力对固体燃料流出流均一性的影响。在这种燃烧器布置的情况下，中心开口可以例如以10m/s至30m/s之间的速度排放含氧气体，而围绕中心开口的环形开口以30m/s至100m/s之间的速度排放含氧气体，并且以5m/s至15m/s之间的速度从环形开口排放燃料。

在另一具体实施例中，用于含氧气体的开口可以包括一个或多个开口，所述一个或多个开口的纵向轴线与燃料排放开口的纵向轴线相距一段距离。更加特别地，开口可以在燃料排放开口的中心点下方的一段距离处。在水平燃烧炉的情况下，这补偿了重力对燃料流出流的均一性的影响。

燃烧器特别地适于通过使固体燃料气化来制备氢和一氧化碳的混合物的方法，其中，含氧气体流过通道，固体燃料和载气流过中心通道，并且在燃烧器前部进行气化。

附图说明

图1示出了燃烧器的第一示例性实施例的前部部分的纵向截面；

图2示出了图1的燃烧器的横截面AA'；

图3示出了燃烧器的第二示例性实施例的前部部分的纵向截面；

图4示出了燃烧器的第三示例性的前部部分的纵向截面。

具体实施方式

图1示出了燃烧器(1)的前部部分的纵向截面。燃烧器(1)燃烧器(1)具有燃烧器前部(2)，所述燃烧器前部具有用于排放固体燃料的开口(13)和用于排放含氧气体的单个中心开口(11)。用于排放固体燃料的开口(13)流体连通到中心通道(5)。通道(6)定位成与中心通道(5)共轴。

中心通道(5)具有下游部分，其中，通道(5)的直径在第一段(7)上渐增，继而在终结于燃烧器前部(2)的第二段(8)上渐减。在中心通道的下游部分(6)内部定位有中空构件(9)，所述中空构件定位成其在一个端部(10)处封闭而在燃烧器前部(2)上游的一段距离处具有开口(11)。中空构件(9)具有与中心通道(5)的渐增直径和渐减直径对应的渐增直径和渐减直径，以形成用于固体燃料的环形通路(12)，该环形通路在用于排放固体燃料的向内指向的环形开口13中终结于燃烧器前部(2)附近。直径对应可选择成使得流动方向仅仅逐渐变化，以便限制腐蚀。

中空构件(9)优选地具有与中空构件(9)的渐增直径和渐减直径对应的内部渐增直径(15)和内部渐减直径(16)。这限定了中空构件中的中空空间，所述中空构件具有圆锥状部分和截头圆锥状部分。中空构件(9)借助于一条或多条连接管道(14)与用于含氧气体的环形通路(6)流体连通。连接管道(14)还是间隔件，所述间隔件保持中空构件(9)定位在中央通路(5)内。管道(14)的设计可以使得在使用时将漩涡施加给固体流或者含氧气体流或者这两者。在所示出的示例性实施例中，连接管道(14)具有排放口(17)，所述排放口(17)定位在具有直径(15)的中空构件(9)的发散部分或者定位在所述圆锥部分中。排放口(17)适当地具有椭圆形形式，其中，更长的直径与燃烧器的轴线对准。在所示出的实施例中，开口(14)的数量是3。如果期望的话，还可使用更多或更少的开口(14)。

图1还示出了中空构件在截头圆锥状端部处的开口(11)，所述开口是用于排放含氧气体的开口。用于排放含氧气体的开口(11)由此经由中空构件(9)和连接管道(14)流体连通到用于使含氧气体通过的环形通路(6)。

中空构件(9)的下游端部形成边沿(25)。边沿(25)和开口(11)在燃烧器前部(2)上游的一段距离处。这减小了煤在与氧气混合之前被合成气稀释的部分，尤其是在燃烧器是非竖直(例如，水平)的情况中，降低了从燃烧器前部(2)向下流动的液体炉渣造成阻塞的风险，以及减小了例如在燃烧器停机之后朝向边沿(25)的热通量。

中空构件(9)的尺寸和形状可选择成使得从中空构件的开口(11)以均匀分布的流动排放含氧气体。优选地，当从该开口排放含氧气体时，含氧气体的速度在30m/s至90m/s之间。中空构件的形状包括圆锥端部和指向燃烧器前部(2)的截头圆锥端部，其中，这两个部分直接连接或者可选地经由管状部分连接。圆锥端部(10)的顶部的倾斜角度优选地在5度至35度之间。这个角度应当优选地不要过大，以便限制在固体流从中央通路(5)流出到环形通路(12)的位置处的腐蚀。截头圆锥部分的形状优选地选择成使得用于排放固体燃料的向内指向的环形开口(13)所形成的流出方向与燃烧器(1)的轴线之间的角度在5度至35度之间。

优选地，中空构件(9)的边沿(25)的宽度在0.5mm至3mm之间，所述边沿(25)将用于排放固体燃料的开口(13)与用于排放含氧气体的开口(11)分离开。用于排放固体燃料的向内指向的环形开口(13)的流出方向与燃烧器(1)的轴线所形成的角度优选地在5度至35度之间。已经发现的是，在这个范围内，在实现火焰充分升起并且由此减小热通量的同时，实现了含氧气体和燃料之间的最优接触。

图1的燃烧器还具有优选的用于围绕环形通路(6)定位的冷却剂的环形通路(19)。围绕通路(19)设置有用于返回冷却剂的环形通路(20)。适当的通路(6)、(19)和(20)终结于连接块(21)处，所述连接块(21)设置有用于中央通路(5)的中心开口、用于使得新冷却剂从通路(19)通至冷却套(23)的多个开口(24)和用于使得来自冷却套(23)的用过的冷却剂通至通路(20)的多个开口(22)。设置连接块(21)优点在于：其使得能够容易地更换可能受损的中空构件(9)。通过从连接块(21)上切掉冷却套(23)和中央通路(5)的截头圆锥壁部分(26)可移除中空构件的截头圆锥部分。连接块(21)适当地位于中央通路(5)的直径从渐增直径至渐减直径转换的位置处，以允许如在此所述的简单移除。

冷却套管(23)优选的是如在前述EP-A-328794或者在CN-A-101363624中描述的冷却套管。这种冷却套管(23)具有双层壁(28，29)，所述双层壁限定了燃烧器段的起始于连接转(21)并且终结于燃烧器前部(2)的外部。双层壁(28，29)被一块或者多块挡板(30)间隔开，所述挡板限定了冷却剂围绕所述燃烧器段和燃烧器前部(2)部分的流动路径。冷却剂经由开口(32)从由壁(29)和中央通路(5)的壁(26)限定的冷却剂隔间(31)进入燃烧器前部(2)中。冷却剂隔间(31)经由开口(24)流体连通到通路(19)。

在图1中没有示出燃烧器(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应连接件的端部。为此目的，可以适当地使用如在CN-A-101363622中所述的设计。

图2中使用的附图标记具有与上述内容相同的意义。另外，图2示出了环形通路(20)的外壁(27)。图2示出了具有三个开口(17)的实施例。在图1中，为了清晰，示出了仅仅一条连接管道(14)和三个开口中的一个开口(17)。

图3示出了水平布置的燃烧器(40)，所述燃烧器(40)与图1的燃烧器(1)很大程度地相同。图3中使用的附图标记具有与上述内容相同的意义。与图1的燃烧器(1)的主要区别在于：中空构件(9)的纵向轴线A在中央通路(5)的纵向轴线B下方一段距离X处。结果，环形通道(12)在上侧处的宽度大于在下侧处的宽度，因此在环形燃料排出开口(13)的顶侧处的排放体积流量将更大。这弥补了下述事实：燃料出口(13)的上部部分中的煤密度小于燃料出口(13)的下部部分处的煤密度。

在图3的实施例中，边沿(25)和开口(11)处于燃烧器前部(2)。在可替代实施例中，与图1的实施例类似，边沿(25)和开口(11)可以在燃烧器前部(2)上游的一段距离处。

图4示出了水平燃烧器(50)，所述水平燃烧器(50)与图1的燃烧器(1)和图3的燃烧器(40)在很大程度上相同。图4中使用的附图标记具有与上述内容相同的意义。在图4的实施例中，开口(11)包括多个同轴开口，所述同轴开口包括：用于排放含氧气体的中心开口(11)；开口(11)包括在低速管道(51)的下游处的开口(60)和高速管道(53)的下游端部处的向内指向的环形开口(52)。环形开口(52)被用于排放固体燃料的向内指向的环形开口(13)环绕。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)。大体截头圆锥壁(57)从第二连接块延伸至开口(11)。截头圆锥壁(57)基本平行于中空构件(9)的壁行进。

第二连接块(54)设置有中心开口(58)，其提供了截头圆锥壁(57)的内部和中央通路(5)之间的开放连接。以这种方式，截头圆锥壁(57)的内部限定了第一氧气供应管道(51)。

第二连接块(54)还设置有一系列沿着圆周布置的开口(59)，其提供了中央通路(5)和在截头圆锥壁(57)与中空构件(9)之间的下游环形空间之间的开放连接。这个环形空间界定了第二氧气供应管道(52)。第二连接块(54)中的中空构件(9)、截头圆锥壁(57)和开口(58、59)的尺寸设定成使得在环形管道(53)中获得高速氧气流而在中心管道(51)中获得低速氧气流。这减小了燃烧器前部(2)与完成氧气和燃料之间的混合的下游点之间的距离。

在图4的实施例中，截头圆锥壁的纵向轴线与中空构件(9)和燃烧器(50)的纵向轴线基本一致。在可替代地实施例中，截头圆锥壁(57)的纵向轴线可以相对于中空构件(9)的纵向轴线偏置，和/或相对于燃烧器(50)的纵向轴线偏置。尤其在非垂直(例如水平)的燃烧器的情况中，截头圆锥壁(57)的向下偏置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 (10)

1.一种用于使固体燃料气化的燃烧器(1，40，50)，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放固体燃料的开口(13)，所述燃烧器还包括用于排放含氧气体的开口(11)，其中，所述用于排放固体燃料的开口(13)流体连通到中央通路(5)，所述用于排放含氧气体的开口(11)流体连通到用于使得氧气通过的环形通路(6)，所述中央通路(5)具有下游部分，其中，所述中央通路(5)的直径在第一段(7)上渐增，继而在终结于所述燃烧器前部(2)的第二段(8)上渐减，在所述中央通路的下游部分内部定位有中空构件(9)，所述中空构件在一个端部(10)处封闭，所述中空构件(9)具有与所述中央通路(5)的渐增直径和渐减直径对应的渐增直径和渐减直径，以便形成用于固体燃料的环形通道(12)，该环形通道在向内指向的用于排放固体燃料的环形开口(13)中终结于所述燃烧器前部(2)处，所述中空构件(9)借助于一条或者多条连接管道(14)与用于含氧气体的环形通路(6)流体连通，其中，所述开口(11)处于所述燃烧器前部(2)上游的一段距离处。

2.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，所述开口(11)包括多个开口(52，60)。

3.根据权利要求2所述的燃烧器，其中，所述开口(11)的开口同轴。

4.根据权利要求3所述的燃烧器，其中，所述开口(11)的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)，该环形开口被用于排放固体燃料的向内指向的环形开口(13)包围。

5.根据前述权利要求中的任意一项所述的燃烧器，其中，所述中空构件(9)的纵向轴线在所述中央通路(5)的纵向轴线下方的一段距离处。

6.根据前述权利要求中的任意一项所述的燃烧器，其中，所述中空构件(9)的下游端部形成边沿(25)，所述边沿(25)和所述开口(11)在所述燃烧器前部(2)上游的一段距离处。

7.根据权利要求6所述的燃烧器，其中，所述边沿(25)的宽度在0.5mm至3mm之间。

8.根据前述权利要求中的任意一项所述的燃烧器，其中，所述用于排放固体燃料的向内指向的环形开口(13)的流出方向与所述燃烧器(1)的轴线所形成的角度在5度至35度之间。

9.一种通过使用根据权利要求1至8中的任意一项所述的燃烧器使固体燃料气化来制备氢和一氧化碳的混合物的方法，其中，含氧气体流过通路(6)，固体燃烧和载气流过中心通道(5)，并且在开口(11)和燃料排放口(13)的下游处进行气化。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述开口(11)包括：中心开口和围绕该中心开口的环形开口，所述中心开口以10m/s至30m/s之间的速度排放含氧气体，所述环形开口以30m/s至100m/s之间的速度排放含氧气体，而从环形开口(13)排放的固体燃料的速度在5m/s至15m/s之间，用于排放燃料的环形开口(13)环绕排放氧气的所述环形开口。