用于生物質(zhì)燃燒的預(yù)燃燒器系統(tǒng)和方法
【專利摘要】一種包括點火室的預(yù)燃燒器系統(tǒng)，所述點火室具有前壁、中心軸、直徑Dic和配置用于排出產(chǎn)物氣體的出口。所述點火室包括中心點火氧注射器和切向第一燃料注射器，所述中心點火氧注射器配置用于從前壁與中心軸基本平行地注射第一氧流，所述切向第一燃料注射器配置用于在前壁下游軸向距離Xpf的位置與中心軸相切地注入第一燃料流。比率Xpf/Dic為0.25-4.0。中心軸與垂線形成角α，角α小于或等于約45度。第一燃料流的軌道與垂直于中心軸的平面形成角Θ，角Θ小于或等于約20度。還公開一種燃燒方法。
【專利說明】用于生物質(zhì)燃燒的預(yù)燃燒器系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求2011年11月11日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/558，531的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，所述申請通過引用以其全文并入本文。
[0002]本發(fā)明的主題涉及2010年7月29日分別提交的共同待審和共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請?zhí)?2/845，826和12/845,879。這些專利申請的公開內(nèi)容通過引用并入本文。
[0003]發(fā)明背景
本發(fā)明的主題涉及燃燒系統(tǒng)和方法。特別地，本發(fā)明涉及用于在蒸汽發(fā)生鍋爐中燃燒負(fù)載水分的燃料(諸如生物質(zhì))的燃燒系統(tǒng)和方法。
[0004]粉煤為用于爐或蒸汽發(fā)生鍋爐的常規(guī)燃料。期望在某些情況下用替代燃料代替或補充粉煤。粉煤一般具有約30-40微米的質(zhì)量平均粒徑，這使其在燃燒區(qū)內(nèi)在1-2秒的停留時間以懸浮體基本完全燃燒。然而，很多替代燃料(諸如各種生物質(zhì)燃料)不能研磨為像煤那樣細(xì)；結(jié)果是平均粒徑為約1_ (1000微米)，其中很多顆粒大到數(shù)_。燃燒這些較大的替代燃料一般既不穩(wěn)定又不完全。此外，大部分這些燃料比煤具有更高的水分含量和更低的比能量含量，因此不能產(chǎn)生足夠高的火焰溫度以保持鍋爐系統(tǒng)的設(shè)計傳熱。因此導(dǎo)致鍋爐蒸汽產(chǎn)出的高成本的速率下降。
[0005]其它固體燃料，諸如石油焦，例如具有非常低的揮發(fā)物含量，因此這些燃料很難在常規(guī)空中(in-flight)燃燒系統(tǒng)中在通常分配用于該目的的短時間內(nèi)點火。最終，在一些情況下，期望先進(jìn)行煤的粉化步驟，從而降低與該預(yù)備步驟有關(guān)的資本設(shè)備和動力成本兩者。在這些情況下，本發(fā)明提供在常規(guī)鍋爐和爐中以較大的粒徑實現(xiàn)完全燃燒的手段。建模顯示這些相對大的和高水分的替代燃料的火焰穩(wěn)定性和完全的空中燃燒可通過在注入爐或鍋爐前預(yù)釋放水分和預(yù)熱顆粒來實現(xiàn)。當(dāng)這種顆粒預(yù)熱和干燥用氧增強時，結(jié)果不僅是穩(wěn)定和完全的燃燒，而且提高火焰溫度和恢復(fù)設(shè)計鍋爐傳熱率。迄今為止，利用這些非常規(guī)燃料作為設(shè)計用于常規(guī)空中燃燒的爐或鍋爐中的唯一能源的嘗試大部分導(dǎo)致不完全(即，低效的和/或有害地不穩(wěn)定的)燃燒。因而，其中利用非常規(guī)燃料的空中燃燒的大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用通過由備選燃料提供總能量的僅一部分量而實現(xiàn)。
[0006]過去已使用切向或旋流燃燒器以試圖解決固體燃料的干燥、脫揮發(fā)分和燃燒的問題。Morgan 等人(Morgan, D., Biffin, Μ., No, S.Y.,和 N.Syred, “An Analysisof the Behavior of Non-Slagging, Coal Fired, Cyclone Combustors Using aPhenomenological Model (使用唯象模型分析非-成洛、煤燃燒的旋流燃燒室的性倉泛)，，，Twenty Second Symposium (International) on Combustion / The CombustionInstitute, 1988，175-182頁)描述了空氣-燃料、非-成渣的(g卩，固體燃料殘余物不在反應(yīng)器內(nèi)熔化的那種)旋流反應(yīng)器用于燃燒固體燃料，其中從與固體燃料燃燒的氣態(tài)產(chǎn)物分開的管道排出固體燃料殘余物。然而，測試顯示，需要在相對低的溫度條件下使大百分比的未燃燒燃料連同固體殘余物流離開，以防止燃料成渣。參見Morgan等人的圖3，其表明對于大于500微米(l/2mm)的顆粒直徑,碳燃盡急劇減少。這是在Morgan等人的裝置中發(fā)生的固/氣分離的固有限制。Sarv等人在國際申請?zhí)朩02008/151271中，D，Agostini等人在美國專利號6，910, 432、美國專利號6，968，791中和D’ Agostini在美國專利申請公布號2012/023823中(它們中的每一個通過引用全文并入本文)公開富氧成渣旋流燃燒室，其中熔化的固體殘余物(爐渣)和燃燒的氣態(tài)產(chǎn)物在分開的流中從燃燒室排出。美國專利6，968，791和美國申請2012/023823還包含沿著旋流反應(yīng)器的主軸注射帶有氧的第二燃料。在美國專利申請2，455，907中Slayter公開一種用于形成玻璃纖維的熔化設(shè)備(通過引用以其全文并入本文)，其中固體玻璃批料沿著熔化器的軸垂直向下進(jìn)料。在設(shè)備頂部注射空氣-燃料氣體混合物，以產(chǎn)生加熱和熔化玻璃批料的渦流火焰。空氣-氣體燃燒的氣態(tài)產(chǎn)物和熔融玻璃兩者向下下降到會聚的錐形段，由此將它們排出到前爐內(nèi)用于要實現(xiàn)的玻璃精煉。
[0007]沒有現(xiàn)有技術(shù)參考文獻(xiàn)論述反應(yīng)室內(nèi)的特征的尺寸比例的關(guān)鍵程度，特別是也沒有論述對必需比例的依賴而產(chǎn)生的獨特和必需的流場。事實上，反應(yīng)室內(nèi)的特征的尺寸比例對于Morgan等人的裝置具有非常低的關(guān)鍵程度，所述裝置公開于W02008/151271，所述裝置公開于US 6，910，432，所述裝置公開于US 6，968，791和US 2012/023823。這是因為在相應(yīng)裝置內(nèi)發(fā)生的固體和氣態(tài)相的分離使氣態(tài)和固體相的流體運動去耦合。熔化設(shè)備內(nèi)的特征的尺寸比例在US 2，455，907內(nèi)也不是高度關(guān)鍵的，因為沿著熔化設(shè)備的壁的玻璃纖維熔體和熔融材料在重力作用下自然流向底部排出口。此外，未提及排出口、設(shè)備(熔化室)直徑和裝置內(nèi)的流動性質(zhì)之間的相對尺寸的重要性。
[0008]本領(lǐng)域期望的是用于從具有相對高水分含量的固體燃料釋放水分和燃燒該固體燃料的系統(tǒng)和方法，其有效并具有高的火焰穩(wěn)定性和完全的空中燃燒。
[0009]發(fā)明簡述
本發(fā)明通過允許在設(shè)計用于粉煤燃燒的爐或蒸汽發(fā)生鍋爐內(nèi)使用備選固體燃料而解決本領(lǐng)域中的問題。本發(fā)明涉及氧/固體燃料預(yù)燃燒器系統(tǒng)，其包含室，用于預(yù)熱和干燥顆粒，并在注入爐或鍋爐前引發(fā)顆粒脫揮發(fā)分和燃燒。將燃料切向注入其中形成或保持渦流的點火室。軸向注射的氧提供高反應(yīng)性氣氛，用于在點火室的核心內(nèi)點火較細(xì)的顆粒和揮發(fā)物質(zhì)，同時還產(chǎn)生重要的第二流，所述第二流確定比單獨用切向流可達(dá)到的更大的停留時間。注射器能夠插入空氣/燃料燃燒器中，使之特別便于煤至生物質(zhì)的改型或共燃燒方案。用于軸向和/或切向注射的氧噴嘴可在截面上為環(huán)形的或開槽的，以對渦流固體燃料流有改進(jìn)的混合和更強的動量傳遞。
[0010]本發(fā)明的一個方面涉及一種包括點火室的預(yù)燃燒器系統(tǒng)，所述點火室具有前壁、中心軸、直徑Di。和配置用于排出產(chǎn)物氣體的出口。所述點火室包括中心點火氧注射器和切向第一燃料注射器，所述中心點火氧注射器配置用于從前壁與中心軸基本平行地注射第一氧流，所述切向第一燃料注射器配置用于在前壁下游軸向距離Xpf的位置與中心軸相切地注射第一燃料流。比率\￡/^。為0.25_4.0。所述中心軸與垂線形成角α，且所述角α的大小小于或等于約45度。所述第一燃料流的軌道與垂直于所述中心軸的平面形成角O，且其中角?的大小小于或等于約20度。
[0011]本發(fā)明的另一方面包括一種燃燒方法，所述方法包括提供具有前壁、中心軸、直徑Dic和配置用于排出產(chǎn)物氣體的出口的點火室的步驟。從中心點火氧注射器與中心軸基本平行地從前壁注射第一 氧流。從切向第一燃料注射器在前壁下游軸向距離Xpf的位置與中心軸相切地注射第一燃料流。比率Xpf/Di。為0.25-4.0。中心軸與垂線形成角α，角α的大小小于或等于約45度。第一燃料流的軌道與垂直于中心軸的平面形成角?，其中角O的大小小于或等于約20度。
[0012]由優(yōu)選實施方案的以下更詳細(xì)的描述，結(jié)合通過舉例說明本發(fā)明原理的附圖，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)勢將顯而易見。
[0013]數(shù)個附圖的簡述
圖1是粒徑相對于木材脫揮發(fā)分所需時間的圖解表示。
[0014]圖2是比較煤和木材的燃燒室CFD建模的圖解。
[0015]圖3是按照本發(fā)明一個方面的預(yù)燃燒器系統(tǒng)的圖。
[0016]圖4是圖3中描繪的預(yù)燃燒器系統(tǒng)的截面A-A的圖。
[0017]圖5A是按照本發(fā)明另一方面的預(yù)燃燒器系統(tǒng)的圖。
[0018]圖5B是圖5A描繪的預(yù)燃燒器系統(tǒng)的截面B-B的圖。
[0019]圖6是截面B-B的圖，描繪圖3中描繪的預(yù)燃燒器系統(tǒng)的備選布置。
[0020]圖7是描繪圖3中描繪的預(yù)燃燒器系統(tǒng)的備選布置的圖。
[0021]圖8是按照本發(fā)明的一個方面的預(yù)燃燒器系統(tǒng)的備選布置的圖，顯示示例性過渡區(qū)段幾何形狀。
[0022]圖9是按照本發(fā)明一個方面的另一個預(yù)燃燒器系統(tǒng)的圖，顯示示例性過渡區(qū)段和使用外部氧和燃燒空氣的注射噴嘴。
[0023]圖10是截面B-B的圖，描繪圖3中描繪的預(yù)燃燒器系統(tǒng)的備選布置，包含示例性
覆蓋氧化劑。
[0024]圖11是按照本發(fā)明的一個方面的預(yù)燃燒器系統(tǒng)的平面圖，其中由注射器區(qū)段描述的流動路徑從入口處大體上垂直彎曲為出口處大體上水平，以及包含軸向噴射器。
[0025]圖12是按照圖11的實施方案的另一個預(yù)燃燒器系統(tǒng)的平面圖，其還包含中心氧化劑管道。
[0026]圖13是按照本發(fā)明的另一方面的預(yù)燃燒器系統(tǒng)的圖，其中在圍繞引燃燃料的環(huán)帶中注入點火氧。
[0027]圖14是按照本發(fā)明的另一方面的預(yù)燃燒器系統(tǒng)的圖，其中在圍繞點火氧的環(huán)帶中注入引燃燃料。
[0028]圖15是比較了實施例1的配置“A”和“B”的顆粒軌道的CFD結(jié)果的圖。
[0029]圖16是比較了實施例1的配置“A”和“B”的速度場的CFD結(jié)果的圖。
[0030]圖17是比較了實施例1的配置“A”和“B”的壓力場的CFD結(jié)果的圖。
[0031]圖18是比較了實施例1的配置“A”和“B”的揮發(fā)性氣體場的CFD結(jié)果的圖。
[0032]圖19是比較了實施例1的配置“A”和“B”的溫度場的CFD結(jié)果的圖。
[0033]圖20是比較幾何參數(shù)Xpf/Dic;對圖3中描繪的發(fā)明性系統(tǒng)內(nèi)顆粒運動的影響的CFD結(jié)果的圖。
[0034]圖21是比較幾何參數(shù)Xpf/Dic;對圖3中描繪的發(fā)明性系統(tǒng)的速度場的影響的CFD結(jié)果的圖。
[0035]圖22是比較幾何參數(shù)XpfZDic對圖3中描繪的發(fā)明性系統(tǒng)的揮發(fā)性氣體場的影響的CFD結(jié)果的圖。
[0036]圖23是比較幾何參數(shù)Xpf/Die對圖3中描繪的發(fā)明性系統(tǒng)的溫度場的影響的CFD結(jié)果的圖。
[0037]圖24是比較了實施例2的配置“B”和“C”的顆粒軌道的CFD結(jié)果的圖。
[0038]圖25是比較了實施例2的配置“B”和“C”的速度場的CFD結(jié)果的圖。
[0039]圖26是比較了實施例2的配置“B”和“C”的壓力場的CFD結(jié)果的圖。
[0040]圖27是比較了實施例2的配置“B”和“C”的氧濃度分布的CFD結(jié)果的圖。
[0041]圖28是比較了實施例2的配置“B”和“C”的揮發(fā)性氣體場的CFD結(jié)果的圖。
[0042]圖29是比較了實施例2的配置“B”和“C”的溫度場的CFD結(jié)果的圖。
[0043]但凡可能，將由始至終在附圖使用相同的附圖標(biāo)記來表示相同的部分。
[0044]發(fā)明詳述
提供預(yù)燃燒器系統(tǒng)和方法，其從具有相對高的水分含量和粒徑的固體燃料中釋放水分并燃燒該固體燃料，允許高的燃燒效率和高的火焰穩(wěn)定性。在一個實施方案中，公開燃燒生物質(zhì)用于電力鍋爐的系統(tǒng)和方法。在某些實施方案中，預(yù)燃燒器系統(tǒng)可代替現(xiàn)有的空氣-粉煤燃燒器的燃料噴嘴，并實現(xiàn)生物質(zhì)和其它替代燃料的預(yù)干燥、水分釋放、早期揮發(fā)、點火和燃燒，因此對于傳熱或蒸汽產(chǎn)生能力無損失地促進(jìn)共燃燒和燃料轉(zhuǎn)換非常重要。
[0045]本發(fā)明的目標(biāo)和配置兩者與現(xiàn)有技術(shù)在關(guān)鍵方面不同。本發(fā)明為非-成渣(即，非-熔化)反應(yīng)器，其中固體和氣態(tài)產(chǎn)物從相同的口排出，這樣的事實需要特別注意反應(yīng)室內(nèi)的兩相顆粒運動。特別有利的是在整個通過系統(tǒng)的路徑中確保氣流中的固體燃料顆粒的連續(xù)懸浮，因為不這樣會導(dǎo)致較大顆粒沉降在室壁上。這將隨后導(dǎo)致有害結(jié)果，諸如:形成堆積，進(jìn)一步妨礙期望的氣體/固體流型；材料在室壁上的燃燒，對于實際關(guān)注的很多燃料這會導(dǎo)致裝置的高溫?fù)p壞；最后，顆粒的間歇混入或再夾帶，導(dǎo)致波動或不穩(wěn)定的燃燒。本發(fā)明通過其獨特的幾何配置結(jié)合氧的策略使用，避免與兩相氣/固流場的自然趨勢有關(guān)的前述不期望的結(jié)果。
[0046]具有大量水分和/或大粒徑的固體燃料在鍋爐/爐內(nèi)的有效燃燒需要完成以下單獨步驟:干燥、加熱、揮發(fā)、顆粒點火和燃燒。本方法中的關(guān)鍵步驟是揮發(fā)物質(zhì)的放出。具體地，在常規(guī)現(xiàn)有技術(shù)空中固體燃料燃燒系統(tǒng)中，優(yōu)選在非常接近于燃料注入爐的點(即，在稍微下游)將揮發(fā)物質(zhì)大量放出，因為隨后的揮發(fā)物質(zhì)點火驅(qū)動固體燃料余量的前期點火和快速燃燒。然而，揮發(fā)物放出前必須有燃料表面水分的干燥和顆粒加熱，它們是事件鏈中的時間限制步驟。利用使用FLUENT軟件包的計算流體動力學(xué)(CFD)建模來預(yù)測作為初始粒徑和水分含量函數(shù)的顆粒干燥和水分釋放所需時間的靈敏度，如圖1所說明。模型假定在127°C的燃料顆粒溫度下引發(fā)燃料(在這種情況下為木材)的揮發(fā)。假定在時間等于零時顆粒為20°C，它們在該點暴露于1000°C的輻射溫度。注意到引發(fā)揮發(fā)物放出所需的時間隨著粒徑和燃料表面水分兩者而急劇增加。
[0047]作為這種所謂揮發(fā)延遲(B卩，顆粒注射和揮發(fā)物放出之間消耗的時間)的重要性的說明，認(rèn)為固體燃料以典型的100英尺/秒的速度從燃燒器噴射至爐。在該速度下，10毫秒的揮發(fā)延遲(對應(yīng)于沒有表面水分的0.5mm顆粒)將導(dǎo)致或距燃燒器噴嘴標(biāo)稱I英尺(100英尺/秒X0.01秒)的點火延遲間隔距離，而100毫秒的揮發(fā)延遲(2mm顆粒，20%表面水分)具有標(biāo)稱10英尺(100英尺/秒X0.1秒)的點火延遲或間隔距離。
[0048]預(yù)干燥和揮發(fā)物釋放的組合對空中(懸浮-燃燒，夾帶流動)燃燒具有的深刻影響經(jīng)由蒸汽發(fā)生鍋爐中木材顆粒的空氣/燃料燃燒的CFD建模可見，如圖2描繪。該圖將經(jīng)由粉化煙煤的常規(guī)夾帶流動燃燒產(chǎn)生的鍋爐溫度分布，與質(zhì)量平均直徑等于0.8mm和具有20%表面水分的木材顆粒相對比。圖2顯示，對于粉煤情況，燃燒器噴嘴附近的高溫和隨后的良好定義的火焰結(jié)構(gòu)，相比之下，對于20%水分/木材的情況，燃燒器噴嘴周圍相對低的溫度，導(dǎo)致大體上分離的不連貫的火焰結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，前一種情況特征在于火焰穩(wěn)定性、早期固體燃料點火和基本完全燃燒，而后者與不穩(wěn)定燃燒、差的過程控制和相對大的未燃燒燃料百分比關(guān)聯(lián)。此外，因為對于工業(yè)爐中固體燃料完全燃盡可用的停留時間通常為約I秒，已知這種大的揮發(fā)/點火延遲在這些過程中是不能維持的。本預(yù)燃燒器發(fā)明促進(jìn)注入爐前燃料釋放物揮發(fā)和引發(fā)固體燃料燃燒，從而提高工業(yè)爐的有效性，以使用生物質(zhì)或其它相對大且負(fù)載水分的可燃材料作為燃料。
[0049]除非另作說明，否則本文定義“氧”為氧化劑(oxidizer)或氧化劑(oxidant)流，具有大于30體積％02，或大于60體積％02，或大于約85體積％02，或約100%02。本文定義“富氧空氣”為與空氣結(jié)合的“氧”，使得復(fù)合氧濃度大于單獨空氣的氧濃度或等于或大于約22體積％。
[0050]就本發(fā)明目的而言，術(shù)語“旋流”和“渦流”可交換使用，旨在描述燃料、氣體、氧化劑和顆粒的流型(例如，在點火室內(nèi))?！靶鳌焙汀皽u流”流型包括燃料、氣體、氧化劑和顆粒在室內(nèi)以大體上環(huán)形或螺旋狀運動的旋轉(zhuǎn)。
[0051]除非另作說明，否則“爐”是將燃料注入其中并燃燒以實現(xiàn)特定工業(yè)目的(諸如加熱、熔化、蒸汽產(chǎn)生或焚化等)的室?！板仩t”是在其中產(chǎn)生蒸汽的一類爐。
[0052]關(guān)于本發(fā)明的第一燃料可為固體燃料或液體燃料?？赡艿墓腆w第一燃料的實例包含碎煤或生物質(zhì)至少之一，所述生物質(zhì)諸如木屑、鋸屑、草，以及其它在燃燒前不研磨成細(xì)粉的負(fù)載水分的可燃材料。第一燃料還可以是液體燃料，特別是難以霧化或點火的燃料，諸如甘油、黑液或重燃料油，或包括液體和固體兩者的漿料。已列出可能的候選第一燃料，注意到該列舉既不是完全的，也不應(yīng)為限制性的。此外，本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案認(rèn)為第一燃料為本段中列出的固體燃料之一。
[0053]關(guān)于本發(fā)明的運載氣體包括空氣、氮、富氧空氣、再循環(huán)燃燒產(chǎn)物或它們的組合。
[0054]圖3說明本發(fā)明的一個實施方案的特征的截面圖。預(yù)燃燒器系統(tǒng)300包括點火室301，點火室301具有:切向第一燃料注射器303，其配置用于將第一燃料加運載氣體混合物或第一燃料流305切向引入點火室301 ;中心點火氧注射器307，其布置在前壁308上，配置用于基本與點火室301的中心軸311平行地遞送點火氧流309 ;和出口 313，由此將產(chǎn)物氣體315驅(qū)出。顯示第二氧注射器317，其配置用于將第二氧流319在第一燃料流305下切向引入點火室301。第二氧流319可以是氧、空氣、再循環(huán)燃燒產(chǎn)物或它們的一些組合。按照過程操作要求，該第二流319增強室301內(nèi)的切向流型或渦流分布401 (參見例如圖4和5)，同時還進(jìn)行燃燒并控制第二注射器下游的點火室301的壁溫以及產(chǎn)物氣體315的溫度。第二流319還形成覆蓋氣，以幫助保護(hù)點火室301的壁，如以下進(jìn)一步討論。例如，通過操作點火室301的壁以保持在低于第一燃料流305的灰組分的熔點的溫度，可以實現(xiàn)防止成渣。
[0055]預(yù)燃燒器系統(tǒng)300的配置用圖3顯示的尺寸布置。在點火室301內(nèi)離前壁308線性距離為Xpf的位置經(jīng)由第一燃料注射器303注射第一燃料流305。在點火室301內(nèi)離前壁308線性距離為Xs。的位置經(jīng)由第二注射器317注射第二流319。點火室的長度Lie為從前壁308至出口 313或過渡區(qū)段801開端(參見例如圖8)的線性距離。顯示在圖3的另一個重要尺寸包括點火室直徑Dic;，這是點火室301的有效直徑。Dic;可為線性尺寸(若直徑是常數(shù))，或可以計算為前壁308和Xpf之間的水力直徑或平均直徑(若點火室301的直徑不是常數(shù))。根據(jù)本發(fā)明，無量綱比率Xpf/Dic;為從點火室的前壁308至第一燃料注射的軸向距離Xpf與點火室直徑Die的比率，該比率為0.25-4.0，或0.5-3.0，或1.5-3.0或約2.7。
[0056]切向注射、在切向軌道注射、切向取向以及它們的其它語法上的變化，是指具有以下矢量分量的方向:所述矢量分量與中心軸為法向(即成直角)、并且從中心軸足夠地偏移以產(chǎn)生圍繞中心軸的渦流分布401。在第一燃料流305和第二流319的情況下，例如，進(jìn)入點火室301的切向注射在與側(cè)壁相切的方向(即，從中心軸偏移到基本沿著點火室301的表面的點)上提供有運載氣體加第一燃料。提供所述方向使得產(chǎn)生渦流分布401。該類型切向注射產(chǎn)生的流型說明于圖4，其為圖3表示的截面A-A的剖視圖。
[0057]而在圖3所示實施方案中，在第一燃料流305的注射點下游的軸向位置注射第二流319，在圖5A和5B所示的另一個實施方案中，提供第二注射器317，以將第二流319在與第一燃料流305標(biāo)稱相同的軸向位置切向注入點火室301。關(guān)于圖3顯示的第二注射器317布置，經(jīng)由第二流319提供的氣體可為氧、富氧空氣、空氣、氮、再循環(huán)燃燒產(chǎn)物，或它們的一些組合。經(jīng)由第二注射器317提供的第二流319 (參見圖5B)在這個實施方案中具有多種功能。所述氣體的一個功能是覆蓋或保護(hù)點火室301的壁免受侵蝕。第二流319減少侵蝕，通過在切向而且在與第一燃料標(biāo)稱相同的截面平面中，但在圓周方向上(即在旋轉(zhuǎn)方向上)相對于第一燃料注射點稍微往前地引入，如圖5B所說明。按照這樣做，第二流319使第一燃料流的路徑在碰向點火室壁前偏轉(zhuǎn)，使得第一燃料流305顆粒的侵蝕潛力最小化。如關(guān)于圖3所討論，第二氧流319的另一個功能是加強離心流場。第二流319的再一個功能是促進(jìn)氧和第一燃料之間在進(jìn)入點火室301時的早期和緊密混合，以進(jìn)一步促進(jìn)顆粒點火。雖然顯示于圖3和圖5A和5B的實施方案包括用于第二流319注射的單一配置，但每一個可具有多個注射點 或可單獨地或彼此組合地存在。
[0058]整個點火室301可如下取向:其中心軸311相對于垂線601偏移角α，參見圖6，例如以促進(jìn)與預(yù)燃燒器系統(tǒng)300的應(yīng)用有關(guān)的空間要求。然而，為了促進(jìn)期望的遍及點火室301的固體燃料流動，角α的大小小于或等于約45度，或小于或等于30度。
[0059]可通過賦予與中心軸平行的切向流分量，部分地實現(xiàn)改變點火室301內(nèi)的燃料停留時間。因此，第一燃料流305的軌道701可從垂直于中心軸的平面703偏移角O，如圖7所說明。同樣地，第二氧流319可從垂直于中心軸的平面703偏移角O，如同第一燃料流305。有利的是，角Θ的大小小于或等于約20度或小于約10度，以保持所述室內(nèi)足夠的顆粒停留時間，并保留系統(tǒng)的有益的流體力學(xué)性質(zhì)。
[0060]如圖8所示，按照本公開的預(yù)燃燒器系統(tǒng)300的一個實施方案包括過渡區(qū)段801。過渡區(qū)段801從點火室301接收產(chǎn)物氣體，隨后遞送所述產(chǎn)物氣體至可包括燃料噴嘴的出口 313，或通向鍋爐或爐。過渡區(qū)段801可為任意的截面幾何形狀，并包含從中心軸311偏移角△的表面，角△可沿著所述平面變化，但其距中心軸311的大小或平均大小(如參考線803所表示)小于或等于約45度。
[0061]按照本公開，預(yù)燃燒器系統(tǒng)300的又一個實施方案包括任選的外部氧注射器901和燃燒空氣注射器903，如圖9所說明。該實施方案特別關(guān)于其中發(fā)明性系統(tǒng)安裝在現(xiàn)有空氣-燃料燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用。圖9的預(yù)燃燒器系統(tǒng)300包括配置用于將點火氧流309遞送至點火室301的中心點火氧注射器307。此外，引燃燃料注射器911配置用于將引燃燃料915提供至點火室。在這樣的應(yīng)用中，燃燒空氣905可得自現(xiàn)有供應(yīng)，且安裝發(fā)明性系統(tǒng)以代替現(xiàn)有的空氣-燃料燃燒器。任選的外部氧流907可用作進(jìn)一步提高發(fā)明性系統(tǒng)的燃燒效率的手段，將其布置于預(yù)燃燒器系統(tǒng)300的燃燒空氣905和產(chǎn)物氣體315之間最有利。圖9顯示的實施方案的另一個特征是包含注射噴嘴作為過渡區(qū)段801下游的出口 313。取決于產(chǎn)物氣體315的特定過程用途，注射噴嘴或出口 313有時存在，以將產(chǎn)物氣體315的流動調(diào)節(jié)至對于其最終用途最優(yōu)的速度和取向。
[0062]在又一個實施方案中，在第一氧注射器1001中圍繞第一燃料流305注射第一氧流1003，如圖10所說明，圖10為取自與圖5B相同平面的視圖。此外，圖10的預(yù)燃燒器系統(tǒng)300包括具有相同配置的第二注射器317和第二流319，如圖5A和5B所顯示和描述。該實施方案的優(yōu)勢在于，當(dāng)注入所述室時馬上發(fā)生氧和燃料之間迅速和緊密的混合，從而幫助第一燃料流305的迅速點火。
[0063]圖11說明預(yù)燃燒器系統(tǒng)300的一個實施方案，其中產(chǎn)物氣體315注入過程爐或鍋爐(未顯示)，軌道與水平線1101標(biāo)稱平行。圖11的系統(tǒng)包括第一燃料注射器303和兩個第二注射器317，如圖5A和5B所顯示和描述。可存在和/或利用一個或兩個第二注射器317。應(yīng)理解第一燃料和第二氧化劑的實際軌跡可偏離水平線多達(dá)45度，而仍然落入本發(fā)明范圍內(nèi)。該實施方案包含點火室301、過渡區(qū)段801和在過渡區(qū)段801和過程爐或鍋爐之間形成管道的注射器噴嘴1103。該實施方案的注射器噴嘴1103包括轉(zhuǎn)向半徑1105，如同樣在圖11所顯示。圖11還顯示任選的軸向噴射器1107，其可幫助噴嘴流動流中的顆粒通氣以防止躍移。噴射流體1109可為空氣、富氧空氣、氧或任何其它合適的流體。該實施方案的有關(guān)變體顯示于圖12，其具有與關(guān)于圖11顯示和描述的布置類似的布置，其中噴射器1107與中心氧化劑噴嘴1201連通，在沿著噴嘴中心軸的管道內(nèi)遞送氧化劑(空氣或氧)，以幫助在出口 313的燃燒。
[0064]發(fā)明性系統(tǒng)的點火和加熱可初始經(jīng)由引入引燃燃料915而實現(xiàn)，例如，在點火室301的前壁308通過引燃燃料注射器911。在這些情況下有利的是，彼此接近地注射引燃燃料915和點火氧流309。圖13和14中說明的實施方案說明引燃燃料915和點火氧流309的兩個示例性取向。圖13說明經(jīng)由引燃燃料注射器911沿著點火室301的中心軸311注射引燃燃料915，被經(jīng)由點火氧注射器307注射的點火氧流309圍繞。圖14說明反轉(zhuǎn)配置:SP，其中沿著中心軸311引導(dǎo)點火氧流309，并被含有弓I燃燃料915的引燃燃料注射器911圍繞的配置。引燃燃料915可為任何固體、液體或氣態(tài)燃料，諸如天然氣、燃料油、粉煤或來自生物質(zhì)研磨的微粒殘余物，或任何其它容易點火的燃料?；蛘撸既剂?15可以是少量粉煤，這可以是便利的，尤其是如果粉煤持續(xù)連同木材或其它替代燃料燃燒。最終，引燃燃料915可以是生物質(zhì)微粒，其必須在磨碎過程后與生物質(zhì)燃料的余量分離。其它引燃燃料915是可能的，取決于可得性。提供引燃燃料915以在第一燃料流305注射之前引發(fā)和控制預(yù)燃燒器系統(tǒng)300的點火室301內(nèi)的加熱。
[0065]已描述發(fā)明性系統(tǒng)的數(shù)個實施方案的物理特征，現(xiàn)在我們通過兩個實施例說明發(fā)明性系統(tǒng)獲得其意外良好的性能的原理，以及對本發(fā)明某些特征所施加的限定，其使所述系統(tǒng)能最有效地運行。我們參考用于發(fā)明性系統(tǒng)的實施方案的圖3，實施例對此適用。除了在以下描述中特定修改的情況，否則預(yù)燃燒器系統(tǒng)300的布置如圖3所顯示和描述。在這些實施例中的第二流通過第二注射器317提供，第二注射器317安置在點火室301的前壁308的下游，且角α和Θ兩者都為零。實施例中使用的第一燃料為經(jīng)研磨的木屑，其具有20重量％水分、標(biāo)稱6060英國熱量單位/磅的較高熱值和如表1所示的粒徑分布。這些實施例中所示的結(jié)果基于使用市售可得的Fluent軟件包開發(fā)的穩(wěn)態(tài)計算流體力學(xué)(CFD)模型來計算。
[0066]表1
【權(quán)利要求】
1.一種預(yù)燃燒器系統(tǒng)，其包含: 具有前壁、中心軸、直徑Di。和配置用于排出產(chǎn)物氣體的出口的點火室，所述點火室包含: 配置用于從所述前壁與所述中心軸基本平行地注射第一氧流的中心點火氧注射器，和 配置用于在所述前壁下游軸向距離Xpf的位置與所述中心軸相切地注射第一燃料流的切向第一燃料注射器， 其中比率Xpf/Dic;為0.25-4.0，所述中心軸與垂線形成角α，且所述角α的大小小于或等于約45度，而所述第一燃料流的軌道與垂直于所述中心軸的平面形成角O，且所述角Θ的大小小于或等于約20度。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述比率Xpf/Dic;為0.5-3.0。
3.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述比率Xpf/Dic;為1.5-3.0。
4.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含第二注射器，所述第二注射器配置用于在離所述前壁比所述切向第一燃料注射器更大距離的位置將第二流切向注入所述點火室內(nèi)。
5.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含第二注射器，所述第二注射器配置用于在離所述前壁與所述第一燃料流大約相同距離的位置將第二流切向注入所述點火室內(nèi)。
6.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含第二注射器和附加第二注射器，所述第二注射器配置用于在離所述前壁比所述切向第一燃料注射器更大距離的位置將第二流切向注入所述點火室內(nèi)，所述附加第二注射器配置用于在離所述前壁與所述第一燃料流大約相同距離的位置將附加第二流切向注入所述點火室內(nèi)。
7.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含與所述切向第一燃料注射器同心布置的第一氧注射器，以圍繞所述切向第一燃料注射器注射氧。
8.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含在所述點火室下游的過渡區(qū)段和入口與所述出口流體通道的注射噴嘴，所述出口配置用于將產(chǎn)物氣體和未燃燒燃料注入鍋爐或爐內(nèi)。
9.權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所述注射噴嘴的入口從垂向軌道接收所述產(chǎn)物氣體和未燃燒燃料，并將所述產(chǎn)物氣體和未燃燒燃料引導(dǎo)至與水平線在45度內(nèi)的軌道，并將所述產(chǎn)物氣體和未燃燒燃料排入所述爐或鍋爐。
10.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含圍繞所述出口的外部氧流。
11.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含燃燒空氣流，所述燃燒空氣流配置用于與所述產(chǎn)物氣體和未燃燒的第一燃料在鍋爐或爐中混合和反應(yīng)，以完全燃燒所述產(chǎn)物氣體和未燃燒的第一燃料。
12.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含引燃燃料注射器，所述引燃燃料注射器配置用于將引燃燃料從所述前壁與所述中心軸基本平行地注入所述注射室，其中所述引燃燃料在所述中心點火氧注射器鄰近注入所述室。
13.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含引燃燃料注射器，所述引燃燃料注射器配置用于將引燃燃料從所述前壁與所述中心軸基本平行地注入所述注射室，其中所述引燃燃料注射器和所述中心點火氧注射器為同心布置。
14.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述角α小于或等于約30度。
15.—種燃燒方法,其包含: 提供具有前壁、中心軸、直徑Dic;和配置用于排出產(chǎn)物氣體的出口的點火室，從中心點火氧注射器與所述中心軸基本平行地從所述前壁注射第一氧流，和從切向第一燃料注射器在所述前壁下游軸向距離Xpf的位置與所述中心軸相切地注射第一燃料流， 其中比率Xpf/Dic。為0.25-4.0，所述中心軸與垂線形成角α，且所述角α的大小小于或等于約45度，而所述第一燃料流的軌道與垂直于所述中心軸的平面形成角Θ，且所述角Θ的大小小于或等于約20度。
【文檔編號】F23L7/00GK103906975SQ201280055229
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月11日
【發(fā)明者】M.D.德亞戈斯蒂尼, A.G.斯拉維科夫, S.B.波斯索, 何筱毅, F.A.米塞蒂奇 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司