CN108700287A - 用于喷射流体推动型微粒状固体燃料和氧化剂的方法及其喷射器 - Google Patents

Abstract

用于喷射流体推动型微粒状固体燃料和氧化剂的方法和喷射器，其中在固体燃料射流周围喷射至少三股快速氧化剂射流和至少三股慢速氧化剂射流，氧化剂射流沿着包围燃料喷射开口(12)的轮廓(40)喷射，并且沿着轮廓(40)，在两股快速氧化剂射流之间喷射至多三股慢氧化剂射流。

Description

用于喷射流体推动型微粒状固体燃料和氧化剂的方法及其喷 射器

本发明涉及流体推动型微粒状固体燃料在燃烧室中的燃烧，例如以便加热所述燃烧室或以便加热存在于所述燃烧室中的炉料。

在例如用于玻璃熔化炉的工业燃烧过程中会燃烧不同类型的燃料。

从技术的角度来看，诸如天然气和页岩气等优质气体燃料通常是优选的燃料类型，特别是因为它们容易运输、喷射、配给和燃烧。

特别是在气体燃料的价格较高并且可以以较低成本得到诸如粉煤或石油焦(又名“石油焦炭”)的微粒状或粉状固体燃料的地区，经济上优选的可能是燃烧粉状固体燃料，包括在最初设计用于燃烧气体燃烧的设施中。

然而，在这种情况下，仅仅用流体推动型粉状固体燃料来代替气体燃料通常是不够的。

实际上发现，当用粉状固体燃料代替气体燃料(例如，在玻璃熔化炉中)时，过程的能源效率因固体燃料的不完全燃烧而降低。当与固体燃料接触地喷射以燃烧固体燃料的氧化剂气体具有非常高的含氧量时，情况也是如此。

甚至在燃料和氧化剂气体的喷射速度被调整以便延长燃料/氧化剂气体流/火焰中的固体燃料在炉中的停留时间并且延迟未燃烧或部分燃烧的固体燃料的沉淀时，相对于使用气体燃料的情况，固体燃料的燃烧程度仍然很低。此外，由于结构(炉壁)与所述流/火焰中的未燃烧或部分燃烧的固体燃料之间发生摩擦，因此观察到炉结构的腐蚀增加。

因此，需要一种喷射和燃烧固体粉状材料的方法和一种用于粉状燃料和氧化剂的喷射器，从而使得固体粉状燃料能够在诸如玻璃熔化炉等工业燃烧设施的限定空间内更大程度地燃烧。

鉴于最初设计用于燃烧气体燃料的设施明显具有这种需要，将了解，其他并非最初设计用于气体燃料的工业燃烧设施和过程(包括将要构造的新工业固体燃料燃烧设施)也可能需要一种能够在相对紧凑的火焰中能够实现较大程度的粉状固体燃料燃烧的喷射器。

本领域中已知用于喷射和燃烧流体推动型微粒状固体燃料的过程和装备。

例如，CN-A-101709876描述了一种用于燃料气体推动型石油焦粉末的预混合型或半预混合型燃烧器。所述燃烧器包括用于输送和喷射气体推动型石油焦粉末的中空内管以及介于内管与外管之间的用于空气(用作气态燃烧氧化剂)的周围狭窄管状通道。内管终止于喷嘴，而外管终止于锥形帽。锥形帽的末端限定燃烧器的末端喷射开口。

CN-A-101709876更具体地披露了这样一种燃烧器，其中内部喷嘴的外表面设置有大量的肋，这些肋在内部喷嘴与锥形帽之间限定一圈具有矩形横截面的均匀分布的空气喷射通路。通过所述矩形空气通路喷射的空气在燃烧器的末端喷射开口的上游接触气体推动型石油焦粉末并且与之混合。

CN-A-101709876还提到将燃烧器用于在玻璃熔化炉中燃烧石油焦粉末。

预混合型和半预混合型燃烧器的特性是燃料在燃烧器内点燃或靠近燃烧器点燃。

鉴于这可以用于某些应用，在其他应用、尤其是高温应用中，这可能导致燃烧器喷尖过热而致使燃烧器迅速出故障。

当可能发生燃烧器喷尖过热时，优选使用燃料与氧化剂喷射器，其中氧化剂在喷射器下游(即，在设施的燃烧室的内部)接触流体推动型微粒状固体燃料。这样的喷射器通常被称为“后混合型”喷射器，但也可以被称为“非预混合型”喷射器。

在后混合型喷射器中，通常经由喷射器的内管来供应流体推动型微粒状固体燃料并且经由喷射器的外部通道来供应氧化剂。

然而，已经发现，利用这种后混合型喷射配置，只有相对少量的由外部通道供应的氧化剂在距喷射器的、氧化剂射流第一次撞击燃料射流的距离处并且在其附近与流体推动型燃料混合。

实际上已经观察到，在所述第一次撞击的下游，剩余的氧化剂往往形成基本上与流体推动型微粒状燃料射流平行且与由所述燃料的燃烧产生的火焰平行流动的氧化剂护层，氧化剂被基本上位于周边区中的火焰逐步消耗，在所述周边区中氧化剂与流体推动型微粒状燃料射流/火焰接触。

上述现象可能会导致(a)火焰过长，(b)微粒状燃料燃烧不完全，以及(c)如果微粒状燃料的一部分在与氧化剂混合并燃烧之前因重力作用而从夹带流体中沉淀下来，那么未燃烧或部分燃烧的燃料和灰烬沉积在燃烧室内部或者沉积在存在于燃烧室中的炉料上/中。

本发明的目的是至少部分地克服后混合型喷射器的上述缺点。

根据本发明，通过以下方式来实现这个目标：增加从后混合型喷射器的外部通路涌出的氧化剂的部分，所述部分在距喷射器的其中来自外部通路的所述氧化剂第一次撞击流体推动型燃料射流的距离处且紧靠所述距离的下游与流体推动型微粒状燃料有效地混合。

本发明更具体地涉及实现上述情况的一种方法和一种混合型喷射器，以及其中使用所述方法的工业过程和配备有所述喷射器的工业设施。

本发明更具体地涉及一种将流体推动型微粒状固体燃料和氧化剂喷射到燃烧室中的方法。所述方法包括以下步骤：

·以燃料喷射速度v_f将流体推动型微粒状固体燃料射流喷射到燃烧室中，所述燃料射流经由燃料喷射开口喷射到燃烧室中，所述燃料喷射开口的圆周对应于第一二维几何轮廓(在下文中称为“第一轮廓”)，所述第一轮廓呈现出几何中心或形心；

·喷射n₁股第一氧化剂射流(在下文中称为“快速氧化剂射流”)，所述快速氧化剂射流经由n₁个第一喷射开口喷射到燃烧室中，所述快速氧化剂射流以第一氧化剂喷射速度V_O1(称为“高氧化剂速度”)进行喷射，第一喷射开口的数量n₁等于或大于3；

·喷射n₂股第二氧化剂射流(在下文中称为慢速氧化剂射流)，所述慢速氧化剂射流经由n₂个第二喷射开口喷射到燃烧室中，所述慢速氧化剂射流以第二氧化剂喷射速度V_O2(称为“低氧化剂速度”)进行喷射，第二喷射开口的数量n₂等于或大于3。

当需要具有圆形横截面的火焰时，第一轮廓通常是圆形的，而当需要“平火焰”，即，具有与火焰的传播方向垂直的细长横截面的火焰时，第一轮廓是细长的。

根据本发明的方法，所述n₁个第一氧化剂喷射开口中的每一者和所述n₂个第二氧化剂喷射开口中的每一者与第二轮廓相交。所述第二轮廓包围第一轮廓并且与第一轮廓间隔开，所述第二轮廓对应于在顺时针方向或在逆时针方向上连接n₁+n₂个氧化剂喷射开口的闭合曲线。换言之，第二轮廓包围燃料喷射开口的外圆周，同时与燃料注射开口及其外圆周间隔开。

此外，沿着所述第二轮廓，在n₁股快速氧化剂射流中的两股连续快速氧化剂射流之间喷射n₂股慢速氧化剂射流中的至多三股慢速氧化剂射流。换言之，第一氧化剂注射开口和第二氧化剂注射开口沿着第二轮廓的连续使得在两个连续的第一氧化剂注射开口之间定位至多三(3)个第二氧化剂注射开口。此外，高氧化剂喷射速度V_O1和低氧化剂喷射速度V_O2使得高氧化剂速度V_O1中的最低速度大于或等于低氧化剂速度V_O2中的最高速度的1.25 倍。

优选地，n₂股慢速氧化剂射流中的至多两股慢速氧化剂射流沿着第二轮廓在n₁股快速氧化剂射流中的两股连续快速氧化剂射流之间喷射，更优选地，n₂股慢速氧化剂射流中的至多一股(即，一股或零股)沿着第二轮廓定位在n₁股快速氧化剂射流中的每两股连续快速氧化剂射流之间。

在当前的上下文中，术语“射流”、“流”和“流动”用作同义词。

同样地，术语“粉状”和“微粒状”用作同义词。因此，除非另有指明，否则表述“粉状燃料”用来指代“微粒状燃料”，而不限制如何获得或制造所述微粒状燃料。

在当前的上下文中，两股氧化剂射流或两个氧化剂喷射开口在它们沿着第二轮廓紧接彼此时被说成“相邻”。

借助于燃料射流周围的慢速氧化剂射流和快速氧化剂射流的上述配置，可以喷射相邻的快速氧化剂射流和慢速氧化剂射流，以便在距燃料喷射开口的基本上相同距离处撞击燃料射流(在垂直于燃料喷射开口的平面的方向上测量)。或者，也可以喷射相邻的快速氧化剂射流和慢速氧化剂射流，以便快速氧化剂射流中的一股或多股且可能全部射流紧靠相邻慢速氧化剂射流下游撞击燃料射流。当并非所有的快速氧化剂射流都在相邻慢速氧化剂射流撞击燃料射流的地方的上游撞击燃料流时，剩余的快速氧化剂射流与相邻慢速氧化剂射流在距燃料喷射开口的基本上相同距离处撞击燃料流。

当燃料和氧化剂射流的喷射方向平行时，氧化剂喷射开口相对于燃料喷射开口的位置决定了距燃料喷射开口的对应氧化剂射流(即，通过所述氧化剂喷射开口注射的氧化剂射流)撞击燃料射流的距离。当在与燃料射流的方向不同的方向上喷射氧化剂射流时，那么距燃料喷射开口的氧化剂射流撞击燃料射流的距离便由对应的氧化剂喷射开口相对于燃料喷射开口的位置以及氧化剂射流的喷射方向相对于燃料射流的喷射方向(例如，朝向燃料射流或远离燃料射流)来决定。

应了解，由于所喷射的射流在相应喷射开口的下游自然发生扩宽，因此即使在与燃料射流平行的方向上或在稍微倾斜远离燃料射流的喷射方向的方向上喷射氧化剂射流，氧化剂射流也可以撞击燃料射流。

已发现，通过在燃料射流周围以多股氧化剂射流来喷射氧化剂而不是作为燃料射流周围的单个环状射流，在所有其他因素都相同的情况下，粉状固体燃料的燃烧程度稍微增加，但仍需要更高程度的燃料燃烧。

根据本发明，这通过以下项的组合来实现：快速氧化剂射流和慢速氧化剂射流，以及它们相对于彼此(沿着第二轮廓)且相对于燃料射流的位置，如上所述。

据推测，利用现有技术的后混合型固体燃料和氧化剂喷射方法，在氧化剂射流与燃料射流之间的在它们相应喷射开口下游的撞击点处，最初只有一小部分的氧化剂与燃料射流混合，而多数的氧化剂之后沿循围绕且平行于燃料射流/火焰的流型，从而将燃料燃烧限制在氧化剂射流与燃料射流/火焰之间的前沿区域。

利用根据本发明的快速氧化剂射流和慢速氧化剂射流的配置，已发现在撞击点处有效地渗透燃料射流的氧化剂的量增加，从而在火焰的早期阶段提高燃料燃烧程度。

不希望受到这种可能说明的约束，我们相信，通过如上所述使用快速氧化剂射流和慢速氧化剂射流的组合，快速氧化剂射流和燃料射流的撞击使燃料射流的表面动摇，并且由此允许来自附近慢速氧化剂射流的氧化剂的更大部分在两股射流的撞击点处或紧靠其后与燃料射流/火焰的燃料混合。

应了解，已知借助于喷射所有燃料和所有氧化剂的有目的地选择的喷射速度(尤其是相对于彼此的喷射速度)来增加燃料和氧化剂的湍流混合。然而，这种过程参数约束可能无法与将要进行固体燃料燃烧的工业过程/炉的要求诸如功率灵活性和温度曲线兼容。此外，改变燃料喷射速度和氧化剂喷射速度一般会引起火焰的形状改变，例如，从长的紧密火焰变成较短的浓密火焰，其中改变的火焰形状可能会导致不适合过程的要求的温度曲线和/或增加腐蚀和/或造成热损伤等。

根据本发明的包括喷射快速氧化剂射流和慢速氧化剂射流两者的方法的情况并非如此或至少程度更轻。

同样应了解，已知将燃料气和喷射器配备诸如旋流器和扁平体等装置，以便增加燃料和氧化剂的湍流混合。同样地，这些装置一般会引起火焰的形状改变，其后果如上所述。此外，它们使喷射器的结果复杂化，并且因此增加它的生产成本。另外，尤其是在诸如玻璃熔化炉的高温环境下，这样的附加装置可能会降低喷射器的稳固性。最后，当这些装置与固体燃料流接触时，它们会经受由燃料颗粒造成的快速腐蚀。

根据本发明的方法可以在不使用此类装置的情况下改善燃料与氧化剂之间的混合，如在下文根据本发明的燃料与氧化剂喷射器的描述中将变得清楚。

为了进一步增加快速氧化剂射流和慢速氧化剂射流的在距喷射器的其中所述氧化剂射流第一次撞击流体推动型燃料射流的距离处且紧靠其下游与流体推动型微粒状燃料有效混合的那部分，高氧化剂速度V_O1中的最低速度有利地大于或等于低氧化剂速度V_O2中的最高速度的1.30倍，优选地大于或等于低氧化剂速度V_O2中的最高速度的1.50倍。

为了便于执行所述方法，优选n₁股快速氧化剂射流中的每一股的高氧化剂速度V_O1都相同(在这种情况下，所述速度也等于上述高氧化剂速度V_O1中的最低速度)。

同样地，当n₂股慢速氧化剂射流中的每一股的低氧化剂速度V_O2都相同(在这种情况下，所述速度也等于上述低氧化剂速度V_O2中的最高速度)时，本发明的方法的执行被简化。

因此，按照根据本发明的方法的直接实施例，所有的n₁股快速氧化剂射流都以相同的高氧化剂速度V_O1进行喷射，并且所有的n₂股慢速氧化剂射流都以相同的低氧化剂速度V_O2进行喷射，其中所述高氧化剂速度V_O1是所述低氧化剂速度V_O2的至少1.25倍，优选地至少1.30倍并且更优选地至少1.50倍。

当将流体推动型微粒状固体燃料喷射到燃烧室中的燃料喷射速度v_f小于n₁股快速氧化剂射流中的每一股的高氧化剂速度V_O1时，燃料燃烧的程度可以进一步增加，并且当燃料喷射速度v_f小于或等于n₂股慢速氧化剂射流中的每一股的低氧化剂速度V_O2时，更是如此。

根据一个实施例，快速氧化剂射流的数量n₁与慢速氧化剂射流的数量n₂相同。在那种情况下，快速氧化剂射流和慢速氧化剂射流可以沿着第二轮廓交替(即，一股快速氧化剂射流沿着第二轮廓在每两股连续的慢速氧化剂射流之间喷射，并且一股慢速氧化剂射流沿着所述第二轮廓在每两股连续的快速氧化剂射流之间喷射)。

根据可用的实施例，第二轮廓与由燃料喷射开口限定的第一轮廓同形是或基本上同形的。例如，第一轮廓和第二轮廓两者可以呈圆形或基本上呈圆形。

第一轮廓和第二轮廓优选地也同心或基本上同心。

当第一轮廓和第二轮廓同心时，它们呈现出相同的几何中心。

优选地，第一轮廓与第二轮廓之间的横向距离不变或基本上不变。

流体推动型微粒状固体燃料优选为气体推动型微粒状固体燃料。微粒状固体燃料更优选地由空气、富氧空气、回收的烟道气体或者回收的烟道气体与空气或与富氧空气的组合推动。

根据本发明的方法适合于任何类型的微粒状固体燃料，包括例如微粒状固体生物质。优选的固体燃料是煤和石油焦。

有利地，第一氧化剂射流和/或第二氧化剂射流并且优选这两者是具有介于50％vol与100％vol之间、优选至少80％vol、更优选至少90％vol的含氧量的氧化剂的射流。

按照根据本发明的方法的优选实施例，借助于快速氧化剂射流和慢速氧化剂射流喷射到燃烧区中的50％以上的氧气都是在第一轮廓的几何中心下方进行喷射。换言之，经由快速氧化剂射流和慢速氧化剂射流喷射的多数的氧气都在燃料喷射开口的几何中心下方喷射到燃烧区中。

这样的实施例可以尤其用于许多应用。例如，当燃烧区含有位于微粒状固体燃料火焰下方的待加热的炉料时，这使得有可能将火焰朝向炉料拉动以便更有效地加热。当喷射器位于空气端口下方时，这个实施例提供对经由快速氧化剂射流和慢速氧化剂射流喷射的氧化剂的更有效使用，尤其是在所述射流是富氧氧化剂射流(即，比空气具有更高含氧量的氧化剂的射流)的情况下。

根据本发明的具体实施例，n₂股慢速氧化剂射流中的至少一半是在燃料喷射开口的中心下方喷射，优选地n₂股慢速氧化剂射流中的大部分。当喷射器位于空气端口下方时，这个实施例同样特别有意义。

根据本发明的方法可以用在广泛范围的工业燃烧设施中。例如，所述方法尤其适合用于反射炉的燃烧室。

燃烧室可以是熔化室，并且具体地玻璃熔化室。

燃烧室可以是侧面烧制室或端部烧制室，所述方法尤其适合用于端部燃烧室，如在例如玻璃熔化领域中已知。

如上所述，可以有益地采用本发明的一个特定配置是配备有燃烧空气端口的燃烧室，所述燃烧空气端口将空气喷射到所述燃烧室中。此类燃烧室的实例是例如玻璃熔化炉，玻璃熔化炉配备有蓄热器或换热器以便对经由一个或多个空气端口喷射的燃烧空气进行预加热。在具有空气端口的燃烧室的情况下，流体推动型微粒状固体燃料以及快速氧化剂射流和慢速氧化剂射流有利地通过位于所述燃烧空气端口内或与之相邻、优选地在所述燃烧空气端口下方的喷射开口进行喷射。

当流体推动型微粒状固体燃料以及快速氧化剂射流和慢速氧化剂射流通过与空气端口相邻地定位的喷射开口进行喷射时，可能有利的是在燃烧空气端口与第一轮廓的几何中心之间，即在燃烧空气端口与燃料喷射开口的几何中心之间喷射快速氧化剂射流或慢速氧化剂射流中的至少一者。在这种情况下，在燃烧空气端口与第一轮廓的几何中心之间喷射的氧化剂射流中的大部分优选为快速氧化剂射流，以便促进经由空气端口喷射的空气与微粒状固体燃料射流和/或火焰迅速混合。

本发明还涉及一种用于将粉状固体燃料和氧化剂喷射到燃烧区中的装置，所述装置适合用于根据本发明的方法，并且涉及将这样的装置用于在工业设施的燃烧区中燃烧微粒状固体燃料。

本发明更具体地提议一种燃料与氧化剂喷射器，所述燃料与氧化剂喷射器包括：第一导管，所述第一导管内限定燃料通路，以用于供应流体推动型粉状或微粒状固体燃料；以及第二导管，所述第二导管包围所述第一导管并且与之横向间隔开，因此在所述第一导管与所述第二导管之间限定氧化剂通路。燃料通路终止于燃料喷射开口中。所述燃料喷射开口的外圆周限定第一二维几何轮廓。

如上文关于本发明的方法所述，当需要具有圆形横截面的火焰时，所述第一轮廓通常是圆形的，而当需要“平火焰”时，所述第一轮廓是细长的。

氧化剂通路终止于包围燃料喷射开口并且从第一导管延伸到第二导管的凸缘中。凸缘呈现出沿着第二二维轮廓定位的大量穿孔。

对应于闭合曲线的这个第二轮廓在顺时针方向上或在逆时针方向上连接所述大量穿孔。第二轮廓包围第一轮廓，同时与之间隔开。

所述大量穿孔中的每一者在凸缘中限定与氧化剂供应通路处于流体连通的氧化剂喷射开口。对应的大量氧化剂喷射开口因而沿着第二轮廓位于第一燃料开口的周围。

凸缘中的大量穿孔包括n1个较小穿孔(被称为“第一穿孔”)和n2个较大穿孔(被称为“第二穿孔”)，其中n1和n2各自大于或等于3。每个第一穿孔限定具有第一喷射横截面面积S1的第一氧化剂喷射开口，并且每个第二穿孔限定具有第二喷射横截面面积S2的第二氧化剂喷射开口。较大即第二穿孔的横截面面积大于较小即第一穿孔的横截面面积。

具体地，根据本发明，n2个第二氧化剂喷射开口中的最小喷射开口的横截面面积是n1个第一喷射开口中的最大喷射开口的横截面面积的1.12倍，优选地至少1.5倍并且有利地不超过58倍。

根据本发明，氧化剂喷射开口连续地沿着第二轮廓另外使得(较大)第二氧化剂喷射开口中的至多三个喷射开口位于两个连续的(较小)第一氧化剂喷射开口之间，优选地第二氧化剂喷射开口中的至多两个并且更优选地至多一个(即，一个或零个)喷射开口沿着第二轮廓位于两个连续的第一氧化剂喷射开口之间。

因此，喷射器是如上所论述的后混合型喷射器。

如先前所述，第一氧化剂喷射开口和第二氧化剂喷射开口优选地相对于彼此并且相对于燃料喷射开口定位，以便通过相邻的第一氧化剂喷射开口和第二氧化剂喷射开口喷射的氧化剂流撞击通过燃料喷射开口喷射的燃料流，使得通过第一氧化剂喷射开口喷射的氧化剂流(即，快氧化剂流)在距燃料喷射开口的一定距离处撞击燃料流，所述距离与距燃料喷射开口的来自第二氧化剂喷射开口的相邻氧化剂流(即，慢氧化剂流)撞击所述燃料流的距离相同或紧靠所述距离之前。

利用根据本发明的氧化剂喷射开口的配置，在燃料流与氧化剂流之间的撞击点处有效地渗透燃料流的氧化剂的量增加，从而在火焰的早期阶段提高燃料燃烧程度。不希望受到这种可能说明的约束，我们相信，如上所述使用较小氧化剂喷射开口和较大氧化剂喷射开口的组合会产生不同速度的氧化剂流，其中从较小第一氧化剂喷射开口涌出的较高速度的氧化剂射流(或快速氧化剂射流)的撞击使燃料流的表面不稳定，并且因此允许从较大第二氧化剂喷射开口涌出的较低速度的氧化剂射流(或慢速氧化剂射流)中的氧化剂的更大部分在燃料射流与较低速度的氧化剂射流之间的撞击点处与燃料混合。

因此，本发明提供一种用于改善微粒状固体燃料燃烧的燃料与氧化剂喷射器，所述燃料与氧化剂喷射器特别简单、可靠、稳固、适合高温环境并且容易操作。

根据喷射器的一个实施例，第二轮廓与第一轮廓同形或基本上同形。优选地，第二轮廓对应于在燃料喷射开口的外圆周的凸缘上的加大突起。

第一轮廓和第二轮廓优选地同心或基本上同心。在这种情况下，第一轮廓与第二轮廓之间的横向距离不变或基本上不变。

第一轮廓和第二轮廓通常呈圆形或基本上呈圆形。然而，如上所述，第一轮廓和第二轮廓可以具有其他形状，具体地取决于将要获得的火焰的横截面。

同样地，氧化剂喷射开口通常也呈圆形或基本上呈圆形，但这些喷射开口也可以具有另一形状。

根据可用于多数应用的优选实施例，所有的第一穿孔都相同(在这种情况下，所有的第一氧化剂喷射开口也相同)，和/或所有的第二穿孔相同(在这种情况下，所有的第二氧化剂喷射开口同样相同)。

通常，凸缘中的所有穿孔是位于第二轮廓上的(较小)第一氧化剂喷射开口或(较大)第二氧化剂喷射开口。

然而，例外地，喷射器的一些实施例可以在凸缘中呈现出既不是第一氧化剂喷射开口也不是第二氧化剂喷射开口的附加氧化剂喷射开口，例如，并不位于第二轮廓上的氧化剂喷射开口和/或具有喷射横截面面积A的氧化剂喷射开口，所述喷射横截面面积A既不满足第一氧化剂喷射开口的喷射横截面面积S1的标准也不满足第二氧化剂喷射开口的横截面面积S2的标准。

通常，第一穿孔和第二穿孔将均匀地分布在燃料喷射开口的周围。

然而可以设想其他配置。例如，在水平平火焰的情况下，大多数的第一穿孔和第二穿孔可以位于燃料喷射开口的下方和上方，与在燃料喷射开口的左边和右边相反。

类似地，更多的(第一和/或第二)氧化剂喷射开口可以位于燃料喷射开口的下方，或者位于燃料喷射开口下方的(第一和/或第二)氧化剂喷射开口可以比第二轮廓上的其他氧化剂喷射开口更靠近彼此定位，以便防止来自燃料流/火焰的未燃烧或部分燃烧的燃料颗粒提早沉淀，即，以便延迟所述颗粒的沉淀。

第一穿孔和第二穿孔的总数量(n1+n2)实际上取决于将要使用喷射器的过程并且取决于炉配置。

根据一个实施例，(较小)第一氧化剂喷射开口的数量n1等于(较大)第二氧化剂喷射开口的数量n2。在这种情况下，可能有利的是让第一喷射开口和第二喷射开口沿着第二轮廓交替，即，第一开口、之后是第二开口、接着是第一开口等等，以便使氧化剂在撞击点处或紧随撞击点后对燃料流的渗透最大化。

然而，第一穿孔和第二穿孔的替代性连续可能有用。例如，更多的(较大)第二氧化剂喷射开口可以位于燃料喷射开口的下方而不是上方，以便在燃料流的下方喷射更多的氧化剂，并且由此延迟未燃烧或部分燃烧的燃料颗粒的沉淀。

如下文将说明，可能有用的是第二穿孔包括与氧化剂通路相邻的上游区段和与氧化剂喷射开口相邻的下游区段，其中上游区段的横截面面积(垂直于氧化剂流动方向)小于给定的第二穿孔的下游区段的横截面面积。或者，第一穿孔和第二穿孔两者都可以包括如上所述的上游区段和下游区段。

为了使粉状固体燃料的燃料程度最大化，优选地利用富氧氧化剂(即，比空气具有更高含氧量的氧化剂)来操作燃料与氧化剂喷射器。另外，喷射器的氧化剂通路与这样的富氧氧化剂的源流体地连通，所述氧化剂具有例如介于50％vol与100％vol之间、优选至少80％vol并且更优选至少90％vol的含氧量。氧化剂源可以尤其是空分单元(ASU)、用于输送富氧氧化剂的管线，或者液化的富氧氧化剂的贮存器。

在操作中，燃料与氧化剂喷射器的燃料通路与流体推动型粉状燃料源、优选地流体推动型粉煤或流体推动型粉末石油焦流体地连通。本领域中公知用于生成流体推动型粉状固体燃料流的装置。夹带粉状固体燃料的流体可以是液体或气体。优选地，流体推动型粉状固体燃料是由气体推动的粉状固体燃料，所述气体优选空气、富氧空气、回收的烟道气体或者回收的烟道气体与空气或与富氧氧化剂的组合。

本发明还涉及使用所述燃料与氧化剂喷射器来将粉状固体燃料和氧化剂喷射到燃烧室中。

因此，本发明还涵盖一种使用燃料与氧化剂喷射器的上述实施例中的任一实施例来将粉状固体燃料喷射到燃烧室中的方法，其中在一方面，流体推动型粉状固体燃料通过燃料喷射开口被喷射到燃烧室中，并且另一方面，氧化剂通过氧化剂喷射开口被喷射到燃烧室中。在燃烧室的内部且在燃料喷射开口以及第一氧化剂喷射开口和第二氧化剂喷射开口的下游，因而喷射的燃料流和氧化剂流发生撞击，从而引起燃料与氧化剂一起点燃并燃烧。

如上文提及，氧化剂优选为富氧氧化剂，并且燃料优选为气体推动型粉状固体燃料；粉状固体燃料本身优选粉煤或石油焦。

如下文将说明，根据本发明，燃料粉状固体燃料所需的所有氧气没有必要都经由燃料与氧化剂喷射器的氧化剂通路喷射到燃烧室中。实际上，可以通过其他方式将额外的氧气供应到燃烧室，例如，经由燃烧室的分别以空气流和氧气流的形式将额外的氧气喷射到燃烧室中的空气或氧气端口。

后一种方法尤其可用于玻璃熔化炉的燃烧室。

本发明还涉及炉，所述炉包括燃烧室，所述燃烧室配备有至少一个根据上述实施例中的任一实施例所述的燃料与氧化剂喷射器。

因此，根据本发明的炉包括燃烧室，所述燃烧室具有至少一个如上所述的燃料与氧化剂喷射器，所述喷射器被安装成使得燃料喷射开口以及第一氧化剂喷射开口和第二氧化剂喷射开口面向燃烧室的内部。

根据一个实施例，燃烧室配备有附加的氧气供应装置，以用于供应额外的氧气来燃烧所述燃烧室内的粉状固体燃料。例如，燃烧室可以在其壁中的一个壁中具有空气端口，以用于将含氧的燃烧空气供应到燃烧室。在这种情况下，燃料与氧化剂喷射器优选地位于空气端口内或者与包括所述空气端口的燃烧室的壁中的空气端口相邻。因此，燃料与氧化剂喷射器可以是穿过端口的喷射器或者端口下方的喷射器。所述喷射器也可以位于两个相邻的空气端口之间等。

将了解，归因于喷射器的简单且紧凑的结构，所述喷射器可以容易整合在空气端口内或在燃烧室内的不同位置处。所述喷射器可以具体地整合在耐火砖中，所述耐火砖本身整合在燃烧室中。

本发明的燃料与氧化剂喷射器的简单结构及其简单的操作方法还提供了不需要复杂的喷射器控制装备和草案的额外益处。

此外，必要时，喷射器的简单结构还使得能直接为喷射器配备包围氧化剂供应通路的冷却套。在操作中，冷却流体便在冷却套内循环，以便保护第一导管和第二导管并且尤其是凸缘以免过热。

根据本发明的炉还可以包括至少一个换热器或蓄热器，以利用来自从燃烧室排出的烟道气体的热量对由空气端口供应的燃烧空气进行预加热。

具体地，所述炉可以是交流炉。此类炉是本领域中公知的。在操作期间，炉的一侧是烧制侧，即，燃料和氧化剂被喷射到炉中的炉的那侧，另一侧是燃烧气体排出炉的排气侧，这两侧在炉操作期间循环地颠倒。这样的炉通常配备有蓄热器，以利用来自排出的烟道气体的热量对燃烧空气进行预加热。

如上文已指明，本发明适合于广泛范围的工业燃烧设施。例如，本发明尤其适合用于反射炉的燃烧室。燃烧室可以是熔化室，并且具体地玻璃熔化室。燃烧室可以是侧面烧制室或端部烧制室，本发明尤其适合于端部燃烧室。

根据以下实例将更好地理解本发明，其中参考图1A、图1B、图1C、图2A、图2B、图2C、图3B和图3C，在其中：

·图1A是根据本发明的燃料与氧化剂喷射器的第一实施例的示意性正视图，图1B和图1C是根据平面B-B和C-C的所述喷射器的示意性局部横截面图；

·图2A是根据本发明的燃料与氧化剂喷射器的另一实施例的示意性正视图，图2B和图2C是根据平面B-B和C-C的所述喷射器的示意性局部横截面图；以及

·图3B和图3C是根据本发明的燃料与氧化剂喷射器的替代实施例的相应平面B-B和C-C的示意性局部横截面图。所述替代实施例的正视图可以例如对应于图1A或图2A。

附图中示出的燃料与氧化剂喷射器包括内部导管10、外部导管20，以及在喷射器的喷射端处将内部导管10连接到外部导管20的凸缘30。

内部导管10限定中心燃料通路11，所述中心燃料通路终止于燃料喷射开口12中，所述燃料喷射开口具有限定第一轮廓13的圆形圆周。

中心燃料通路11被位于内部导管10与外部导管20之间的氧化剂通路21包围，凸缘30位于氧化剂通路21的喷射端处。

凸缘30包括许多“第一穿孔”31和许多“第二穿孔”35。在凸缘30的喷射侧上，每个第一穿孔31终止于第一氧化剂喷射开口32中，并且每个第二穿孔35终止于第二氧化剂喷射开口36中，第一喷射开口32的横截面面积小于第二喷射开口的横截面面积。在所示的实施例中，第一氧化剂喷射开口32的横截面面积与第二氧化剂喷射开口36的横截面面积相同，第二氧化剂喷射开口36的横截面面积是第一喷射开口32的横截面面积的四倍。

第一氧化剂喷射开口32和第二氧化剂喷射开口36位于第二轮廓40上，所述第二轮廓包围第一轮廓13、与所述第一轮廓13间隔开并且与所述第一轮廓13同形。

在图1A至图1C所示的实施例中，第一氧化剂喷射开口32和第二氧化剂喷射开口36沿着第二轮廓40交替，第一氧化剂喷射开口32沿着所述第二轮廓40位于每两个连续的第二氧化剂喷射开口36，并且第二氧化剂喷射开口36位于每两个连续的第一氧化剂喷射开口32之间。

在图2A至图2C所示的实施例中，两个第二喷射开口36位于燃料喷射开口12的左边和右边，并且三个第一喷射开口32位于燃料喷射开口12的上方和下方。

第一氧化剂喷射开口32和第二氧化剂喷射开口36沿着第二轮廓40的顺序使得两个连续的第一氧化剂喷射开口32之间没有第二氧化剂喷射开口36(在燃料喷射开口12的上方和下方)，或者两个连续的第一氧化剂喷射开口32之间有两个第二氧化剂喷射开口36(在燃料喷射开口的12左边和右边)。

如图1B和图1C所示，在第一实施例中，第一穿孔31和第二穿孔32是圆柱形的，并且因此自始至终具有恒定的横截面面积。鉴于容易产生这样的第一穿孔31和第二穿孔35，它们可能会导致与穿过较小的第一穿孔31相比，优先氧化剂流动路径穿过较大的第二穿孔35，因为所述第一穿孔的流动阻力更大。然而，这对一些喷射器配置或燃烧过程来说可能不是问题，存在穿过第二氧化剂穿孔35的优先流动路径可能证明对其他燃料与氧化剂喷射器/燃烧过程来说有问题。

在图2A至图2C所示的实施例中，至少部分地克服了优先氧化剂流动路径的出现。如图2C所示，根据所述实施例，较小的第一穿孔31与图1C中示出的那些相同，即，它们是圆柱形的并且自始至终具有恒定的横截面面积。然而，第二穿孔35具有与凸缘30的上游面(即，在氧化剂通路的那侧上的面)相邻的上游区段37，以及与凸缘30的出口面(即，远离氧化剂通路并朝向燃烧区的凸缘的面)相邻的下游区段38。第二氧化剂穿孔的上游区段37是圆柱形的并且具有与第一氧化剂穿孔31相同的横截面面积。第二穿孔35的下游区段38朝向氧化剂喷射开口36扩宽。通过这种方式，第一穿孔31与第二穿孔35之间的流动阻力的差异基本上减小，同时维持了具有较小第一氧化剂喷射开口32和较大第二氧化剂喷射开口36的效果。

这个实施例制造起来同样简单，因为首先可以在凸缘30中的小穿孔31和大穿孔35的位置处制作出相同的穿孔，然后在较大第二穿孔35的位置处，将所述穿孔的出口区段扩宽，如图2B所示。

图3B和图3C中示出替代实施例，所述替代实施例也容易产生。根据这个实施例，第一穿孔31和第二穿孔35两者都呈现出与凸缘30的入口面相邻的入口区段33、37以及与凸缘30的出口面相邻的出口区段。第一穿孔31和第二穿孔35具有相同的圆柱形上游区段33、37，所述上游区段的横截面面积小于较大第二氧化剂喷射开口36和较小第一氧化剂喷射开口32两者的面积。第一穿孔31和第二穿孔35的下游区段33、37也是圆柱形的，第一穿孔的下游区段33的横截面面积对应于较小第一氧化剂喷射开口31的横截面，并且第二氧化剂穿孔35的出口区段37的横截面面积对应于第二氧化剂喷射开口35的较大横截面。

应了解，使用具有较窄上游区段和较宽下游区段的第二穿孔和任选地还有第一穿孔不仅具有如图1A和图2A所示的喷射器配置的益处，而且还可以有效地应用于本发明的燃料与氧化剂喷射器的其他实施例。

已发现，与当使用具有包围燃料喷射开口的圆柱形氧化剂喷射开口的燃料与氧化剂喷射器时或者当使用具有在中心燃料喷射开口的周围定位的一系列相同的氧化剂喷射开口的燃料与氧化剂喷射器时相比，在所有其他因素相同的情况下，根据本发明的方法和/或喷射器实现了明显更高程度的固体微粒状燃料的燃烧。因此，实现了燃料的更有效的使用，火焰的长度可以减小，并且内部炉结构的腐蚀被发现降低。

Claims (14)

1.一种将流体推动型微粒状固体燃料和氧化剂喷射到燃烧室中的方法，所述方法包括：

·以燃料喷射速度v_f经由燃料喷射开口(12)将流体推动型微粒状固体燃料射流喷射到所述燃烧室中，所述燃料喷射开口具有的圆周对应于具有几何中心的第一二维几何轮廓(13)，

·以被称为高氧化剂速度的第一氧化剂喷射速度V_O1经由n₁个第一喷射开口(31)将被称为快速氧化剂射流的n₁股第一氧化剂射流喷射到所述燃烧室中，其中n₁≥3，

·以被称为低氧化剂速度的第二氧化剂喷射速度V_O2经由n₂个第二喷射开口(35)将被称为慢速氧化剂射流的n₂股第二氧化剂射流喷射到所述燃烧室中，其中n₂≥3，

·其中，所述n₁个第一氧化剂喷射开口(31)和所述n₂个第二氧化剂喷射开口(35)中的每一个与包围所述第一轮廓(13)的第二轮廓(40)相交，所述第二轮廓(40)与所述第一轮廓(13)间隔开，

·其中，沿着所述第二轮廓(40)，在所述n₁股快速氧化剂射流中的两股连续快速氧化剂射流之间喷射所述n₂股慢速氧化剂射流中的至多三股连续的慢速氧化剂射流，并且

·其中，所述高氧化剂速度V_O1中的最低速度大于或等于所述低氧化剂速度V_O2中的最高速度的1.25倍，优选地大于或等于所述低氧化剂速度V_O2中的最高速度的1.30倍，更优选地大于或等于所述低氧化剂速度V_O2中的最高速度的1.50倍。

2.根据权利要求1所述的方法，其中沿着所述第二轮廓(40)，所述n₂股慢速氧化剂射流中的至多两股连续的慢速氧化剂射流在所述n₁股快速氧化剂射流中的两股连续快速氧化剂射流之间喷射，优选地所述n₂股慢速氧化剂射流中的至多一股位于所述n₁股快速氧化剂射流中的两股连续快速氧化剂射流之间。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述燃料喷射速度v_f小于所述n₁股快速氧化剂射流的高氧化剂速度V_O1。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一轮廓(13)和所述第二轮廓(40)是(a)同心的或基本上同心的和/或同形的或基本上同形的。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述流体推动型微粒状固体燃料是气体推动型微粒状固体燃料，所述微粒状固体燃料优选地由空气、富氧空气、回收的烟道气体或者回收的烟道气体与空气或与富氧氧化剂的组合来推动。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一氧化剂射流和所述第二氧化剂射流的氧化剂具有介于50％vol与100％vol之间、优选至少80％vol、更优选至少90％vol的含氧量。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中借助于所述快速氧化剂射流和所述慢速氧化剂射流喷射到燃烧区中的50％以上的氧气是在所述第一轮廓(13)的几何中心下方喷射的。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述燃烧室配备有燃烧空气端口，所述燃烧空气端口将空气喷射到所述燃烧室中，并且其中所述流体推动型微粒状固体燃料和所述氧化剂通过位于所述燃烧空气端口内、在其旁边或下方、优选在所述燃烧空气端口下方的喷射开口进行喷射。

9.一种燃料与氧化剂喷射器，包括：

·第一导管(10)，所述第一导管内限定燃料通路(11)，以用于供应流体推动型粉状固体燃料，

·第二导管(20)，所述第二导管包围所述第一导管(10)并与其横向间隔开，以便在所述第一导管(10)与所述第二导管(20)之间限定氧化剂通路(21)，

其中：

·所述燃料通路(11)终止于燃料喷射开口(12)，所述燃料喷射开口具有限定第一二维几何轮廓(13)的外圆周，其特征在于：

·所述氧化剂通路(21)终止于包围所述燃料喷射开口(12)并且从所述第一导管(10)延伸到所述第二导管(20)的凸缘(30)中，

·所述凸缘(30)呈现出沿着第二二维轮廓(40)定位的大量穿孔(31，35)，所述第二轮廓(40)包围所述第一轮廓(13)并且与所述第一轮廓(13)间隔开，每个所述穿孔(31，35)在所述凸缘(30)中限定与所述氧化剂通路(21)处于流体连通的氧化剂喷射开口(32，36)，

·所述大量穿孔(31，35)包括：

i.n1个第一穿孔(31)，每个第一穿孔限定具有第一喷射横截面面积S1的第一氧化剂喷射开口(32)，其中n1≥3以及

ii.n2个第二穿孔(35)，每个第二穿孔限定具有第二喷射横截面面积S2的第二喷射开口(36)，其中n2≥3，

其中所述第二喷射横截面面积S2中的最小面积是所述第一喷射横截面面积S1中的最大面积的至少1.12倍，优选地介于1.5倍与58倍之间，

·沿着所述第二轮廓(40)，至多三个第二氧化剂喷射开口(36)位于两个连续的第一氧化剂喷射开口(32)之间，优选地至多两个第二氧化剂喷射开口(36)并且更优选地至多一个第二氧化剂喷射开口(36)。

10.根据权利要求9所述的燃料与氧化剂喷射器，其中所述第二轮廓(40)与所述第一轮廓(13)是同形的或基本上同形的和/或同心的或基本上同心的。

11.根据前述权利要求中任一项所述的燃料与氧化剂喷射器，其中所述第二穿孔(35)包括与所述氧化剂通路(11)相邻的上游区段(37)以及与给定的第二穿孔(35)的第二氧化剂喷射开口(36)相邻的下游区段(38)，并且其中所述上游区段(37)具有的横截面面积比所述给定的第二穿孔(35)的下游区段(38)的横截面面积小。

12.根据前述权利要求中任一项所述的燃料与氧化剂喷射器，

·其中所述氧化剂通路(21)与氧化剂的源流体地连通，所述氧化剂具有优选地介于50％vol与100％vol之间、更优选地至少80％vol并且最优选地至少90％vol的含氧量，并且

·其中所述燃料通路(11)与流体推动型粉状燃料、优选地气体推动型粉状燃料的源流体地连通。

13.一种使用根据前述权利要求中任一项所述的燃料与氧化剂喷射器将粉状固体燃料喷射到燃烧室中的方法，其中：

·通过所述燃料喷射开口(12)将流体推动型固体粉状燃料喷射到所述燃烧室中并且

·通过所述氧化剂喷射开口(32，36)将氧化剂喷射到所述燃烧室中。

14.一种炉，所述炉包括燃烧室，所述燃烧室具有根据权利要求1至7中任一项所述的燃料与氧化剂喷射器，所述燃料与氧化剂喷射器被安装成使得所述燃料喷射开口(12)和所述氧化剂喷射开口(32，36)面向所述燃烧室的内部。