專利名稱:采用分級霧化的液體燃料燃燒方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種液體燃料燃燒方法和一種實施該方法的燃燒器。
背景技術：
例如在安裝工業(yè)爐用燃燒系統的過程中，一個主要關心的問題是通過最佳地控制火焰特性而使燃燒效率最優(yōu)，同時滿足加熱方法在熱傳遞方面的需要并使空氣污染物排放最少。
液體燃料的利用氧化氣體的兩相燃燒在實際燃燒發(fā)生前包括兩個主要步驟。在第一步驟中，需要利用噴射的霧化氣體使液體燃料霧化，以便使得液體燃料流不穩(wěn)定并形成與氧化劑具有較大接觸表面積的燃料噴霧以促進燃燒。所使用的霧化氣體可以是例如空氣、氧氣、蒸汽或者甚至天然氣。然后，這樣形成的液體燃料液滴需要在燃料利用氧化劑燃燒之前蒸發(fā)。由于燃料液滴的蒸發(fā)時間比反應時間長，所以反應物的混合物以及由此得到的燃燒特性本質上取決于燃料噴霧的特性，尤其是所形成的燃料液滴的尺寸。
噴霧特性取決于所使用的噴射器的類型。大多數噴射器利用霧化氣體和液體燃料之間的大的速度差來使得燃料不穩(wěn)定并形成噴霧。根據燃料或霧化氣體是否高速流動，存在兩種類型的噴射器，即，其中燃料承受高壓并高速流過小直徑孔的機械噴射器，以及其中燃料射流以較低速度流動并通過霧化氣體的高速流動而變得不穩(wěn)定的、稱作“雙流體”噴射器的噴射器。但是，很少使用機械噴射器，因為一方面它們存在沉積物阻塞燃料噴射孔的較高危險，另一方面，由于達到較高液體壓力所需的壓縮機成本較高，流動范圍受到限制。
雙流體噴射器可以允許非常高的霧化氣體流速。在這種類型中，空氣助噴霧化器和噴淋霧化器之間存在差別，其中，空氣助噴霧化器在氣體以非常高的速度噴射而流量較低的情況下操作，而噴淋霧化器的特征則在于霧化氣體流速較低但流量較高。兩種流體可以在封閉的環(huán)境中混合(內部混合噴射器)或者在噴射系統外部混合(外部混合噴射器)。
此外，可以使液體燃料流可選地定向為在與霧化氣體流接觸之前在一適當的表面上形成薄膜。在這種情況下，將噴射器稱為預先形成液體膜的預成膜霧化器，而在相反的情況下，噴射器為普通的噴射霧化器，其中完全是液體流。
在有氧燃燒中最常用的噴射器是以低于200m.s-1的霧化氣體速度噴霧、進行外部混合的雙流型噴射器和普通的射流噴射器。
主要通過改變霧化氣體和液體燃料的相對速度來控制由這種噴射器產生的噴霧的燃燒特性。這樣做可改變燃料噴霧的平均液滴尺寸，并且由此蒸發(fā)時間與燃燒反應時間相比也發(fā)生變化。液滴尺寸和蒸發(fā)時間控制蒸發(fā)的燃料和氧化劑的混合，因此是非常重要的燃燒參數，尤其是決定了燃燒是否充分。然而，盡管控制噴射速度有助于調節(jié)噴霧和兩相燃燒的特性以使它們適應加熱過程，但是這種噴射器仍然缺乏適應性。
例如，難以有效地控制噴射器的冷卻。事實上，霧化氣體流量的增加導致平均液滴尺寸減小，并由此導致較為接近的反應區(qū)域，因此噴射器過熱。
此外，對于過高的霧化氣體流量，霧化模式可從具有充分發(fā)展的液體錐的纖維模式轉換到具有較短的截頭液體錐的超脈沖模式。在這種情況下，反應區(qū)域易于在緊鄰燃燒器處變穩(wěn)定并使其受損。此外，過高的霧化氣體速度還可引起火焰的不穩(wěn)定。事實上，已經證明，火焰的穩(wěn)定性可能與混合時間和燃燒化學的特征時間的比率有關，當該比率大于1時火焰是穩(wěn)定的。在霧化氣體速度過度增加的情況下，混合時間變得比燃燒化學的特征時間短，由此不再滿足穩(wěn)定性條件。
另一缺陷在于，噴霧特征影響若干個參數，由此不能彼此獨立地控制這些參數。因此，不能獨立地控制噴霧液滴尺寸和噴射角度，這兩個特征都依賴于霧化氣體的動量和燃料動量的比率。更具體地，如果該動量比率低于5，則霧化氣體流量的增加將同時導致液滴尺寸的減小和噴射角度的擴大，火焰容易與相鄰燃燒器的火焰互相影響。
另一缺陷出現在使用高粘性燃料的情況下。在這種情況下，以圍繞液體燃料流的環(huán)狀噴射的單一霧化氣體流不允許產生具有均勻液滴尺寸的噴霧的均勻霧化。這導致不規(guī)律的燃燒和火焰穩(wěn)定性問題。

發(fā)明內容本發(fā)明的目的是克服上述缺陷，并因而包括一種液體燃料燃燒方法，該方法包括通過噴射與液體燃料接觸的主霧化氣體流而產生液體燃料噴霧的步驟，所述方法的特征在于，在噴霧附近噴射至少一支次霧化氣體流，以便在所述噴霧與氧化劑射流接觸以實現燃料燃燒前產生所述噴霧的二次霧化。
這樣，對于相同的霧化氣體總流量，第一霧化氣流的流量減小，導致形成這樣的噴霧，其在噴射器附近形成的液滴的尺寸較大。然后，第一噴霧的燃料液滴進行二次霧化，產生具有較小液滴的改善的噴霧。在已經形成第一噴霧的情況下，二次霧化更加有效，尤其是在高粘性燃料的情況下，并且二次霧化將改善的噴霧的液滴從噴射器拖曳得較遠。由于液體燃料的分級霧化，燃燒反應在距離噴射器較遠處發(fā)生，由此降低了燃燒器過熱和損壞的危險。重要的是，可以觀察到，在燃燒器具有可縮進的噴射頭的情況下，二次霧化允許其以較高的收縮力工作。而且，霧化氣流因而加倍地允許更有效的燃燒器冷卻。由此增加了噴射器的使用壽命并且減少了對噴射器的維護。
在所使用的霧化氣體是氧氣-一種具有較高的過熱危險的氣體-的情況下，這種在冷卻噴射器方面的改善尤其有利。
此外，第二霧化氣流的存在通過限制噴射角度的增加而減少了液滴尺寸(火焰長度)和噴射角度(火焰寬度)之間的相關性。由此可以更容易地控制火焰長度，同時限制與相鄰燃燒器的火焰相互影響的危險。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于NOx化合物排放的減少。事實上，所獲得的火焰溫度較均勻，因此減少了NOx的形成。由于次霧化氣體流所產生的較好的反應物稀釋和燃燒產物，這一過程得到加強。
根據本方法的第一示例性實施例，沿與液體燃料的噴射方向平行的方向噴射所述次霧化氣體流。
根據本方法的第二示例性實施例，沿朝向液體燃料的噴射方向會聚的傾斜方向噴射所述次霧化氣體流。這使得可以更精確地控制噴射角度，改善的噴射角度等于次霧化氣體流的噴射方向和燃料流動方向之間的角度的兩倍。有利地，以0°和60°之間的角度、優(yōu)選地以0°和30°之間的角度噴射次霧化氣體流。
可選地，可以設置調節(jié)裝置以用于相對于液體燃料的噴射方向確定次霧化氣體流的噴射方向，以增大火焰寬度，并且如果需要的話，由此增加加熱過程的熱傳遞。
有利地，噴射次霧化氣體流以產生湍流。因此，湍流改善了反應物的稀釋和燃燒產物，并進一步減少NOx化合物的排放。
優(yōu)選地，次霧化氣體流量在霧化氣體總流量的20％和70％之間。
有利地，將所述次霧化氣體流分成多股氣流，所述多股氣流以均勻分布的方式噴射并且等距地圍繞所述液體燃料流。其中，可以通過圍繞燃料噴射的同心流動或者通過終止于燃燒器頭部并且均勻地分布在燃料噴射周圍的多個開口完成所述噴射。更確切地說，圍繞液體燃料同軸地噴射主霧化氣體流，而經由所述多個開口噴射次流。
根據本發(fā)明的方法對于分級燃燒過程是理想的，在所述分級燃燒過程中，氧化劑被噴射并且被分成在離燃料噴霧不同距離處引入的幾支(氧化劑)流，具體如WO2004/094902所述。因此，氧化劑射流可被分成第一氧化劑射流和第二氧化劑射流，第一氧化劑射流在燃料噴霧附近噴射，以引起不完全的第一燃燒，該第一燃燒產生的氣體仍然包括至少部分燃料，而第二氧化劑射流在離燃料噴霧距離I1處噴射，以便與存在于第一燃燒所產生氣體中的部分燃料燃燒，其中，所述距離I1比燃料噴霧和最靠近燃料噴霧的第一氧化劑射流之間的距離大。本發(fā)明還包括在離燃料噴霧距離I2處噴射第三氧化劑射流的情況，其中距離I2大于距離I1。
根據本發(fā)明的方法對于兩相燃燒器是理想的，在該燃燒器中，一方面，霧化氣體以至少比燃料噴射速度高10倍的速度被噴射，另一方面，霧化氣體的質量流量高于燃料的質量流量的10％。
本發(fā)明還涉及一種實施上述兩相燃燒方法的燃燒器，所述燃燒器包括至少一個燃料噴射裝置和至少一個氧化劑噴射裝置，所述燃料噴射裝置結合有至少一個霧化氣體噴射裝置以便產生燃料噴霧，該燃燒器的特征在于，它包括至少一個設置在所述燃料噴射裝置附近的次霧化氣體噴射裝置。應該觀察到，在射流很好地分開的燃燒器的情況下，這種燃燒器包括第一氧化劑噴射裝置；設置在離燃料噴射裝置一段距離處的第二氧化劑噴射裝置，所述距離比第一氧化劑噴射裝置離燃料噴射裝置的距離長；以及可選地，設置在燃燒器邊緣的第三氧化劑噴射裝置。
有利地，通過為共用的霧化氣體供給器設置旁路而獲得所述次霧化氣體噴射裝置。旁路直徑的選擇用于限定主霧化氣體流和主流之間的比率。有利地，所述次噴射裝置與燃料噴射裝置平行或傾斜地定向。
從下文參照附圖給出的詳細說明中可以更好地理解本發(fā)明的實施，在附圖中-圖1是根據本發(fā)明的燃燒器的霧化頭的縱剖面的局部放大示意圖；-圖2是圖1中的霧化頭的正視圖；-圖3是根據本發(fā)明的燃燒器的另一霧化頭的縱剖面的局部放大示意圖。
具體實施方式如圖1和2中所示，通過一利用外部混合、包括有噴射導向式霧化頭6的燃燒器實施根據本發(fā)明的燃燒方法。該霧化頭6包括-用于由燃料供給器2輸送的液體燃料流4的噴射管路7；和-霧化氣體噴射管路8，該霧化氣體噴射管路8與燃料噴射管路7同心并且連接于霧化氣體供給器9，并且終止于與燃料流4接觸，以便在主霧化氣體流3的作用下產生液體燃料噴霧10。
此外，霧化頭6具有六個平行于燃料噴射管路7和霧化氣體噴射管路8定向的次噴射通道11。這六個次噴射通道11圍繞噴射管路7、8均勻地分布，并被設計成產生經由旁路通道12從霧化氣體供給器9流出的次霧化氣體流1。在這些次霧化氣體流1的作用下，液體燃料噴霧10由此進行產生改善的噴霧13的二次霧化。然后，該改善的噴霧13與可選地分成主流和次流的氧化劑流(未示出)接觸，以實現燃料燃燒。還可以在離霧化頭6較遠距離處設置第三氧化劑供給器并用于高速噴射氧氣，以便在主燃燒區(qū)域之前獲得充分的反應物稀釋，并由此防止熱NOx化合物的過量形成。實驗已證明，在其他所有條件都保持相同的情況下，這種燃燒器——其中總氧氣(量)的50％是在第三供給器的位置處注入——有助于獲得等于沒有次霧化氣體流的傳統噴射器的火焰穩(wěn)定距離的大約4倍的火焰穩(wěn)定距離。這一較長的穩(wěn)定距離有助于降低霧化頭6的過熱。此外，還已經證明，由于延遲的霧化，所獲得的火焰更均勻并且更長，噴霧10的液滴尺寸大于傳統燃燒器排出的噴霧的液滴尺寸，而改善的噴霧13具有較小的液滴尺寸并且更好地被稀釋，由此具有更均勻地分布的液滴。
這樣獲得的更均勻的火焰減小了燃燒/加熱部位和冷部位之間的溫度差。
此外還證明了，由根據本發(fā)明的配備有霧化頭6的燃燒器所排放的NOx化合物顯著減少。對于相同的霧化氣體總流量，根據所選擇的氧化劑分布可以減少到原來的2/3和5/6之間。這一減少可以用本發(fā)明獲得的反應區(qū)域滯后來解釋。
作為一種變型，如圖3所示的霧化頭1與所述霧化頭6的不同之處僅在于，它包括與燃料流動方向成一角度α而傾斜地定向的次噴射管路14。該角度α有利地在0°和60°之間，優(yōu)選地在0°和30°之間。這些次噴射管路14輸送次霧化氣體流5，所述次霧化氣體流5和噴霧10一起形成噴射角度為2α的改善的噴霧13。這種霧化頭1適于更精確地調整火焰寬度。
雖然僅結合具體實施例說明了本發(fā)明，但是很明顯，本發(fā)明并不因此受到限制，并且它包括所描述的裝置的所有技術等同物以及它們的組合物-如果它們落入本發(fā)明的范圍內。
權利要求
1.液體燃料燃燒方法，該方法包括通過噴射與液體燃料(4)接觸的主霧化氣體流(3)而產生液體燃料噴霧(10)的步驟，所述方法的特征在于，在所述噴霧(10)附近噴射至少一支次霧化氣體流(1，5)，以便在所述噴霧(10)與氧化劑射流接觸以實現燃料燃燒前產生噴霧(10)的二次霧化。
2.根據權利要求
1所述的液體燃料燃燒方法，其特征在于，沿與液體燃料的噴射方向平行的方向噴射所述次霧化氣體流(1)。
3.根據權利要求
1所述的液體燃料燃燒方法，其特征在于，沿朝向液體燃料的噴射方向會聚的傾斜方向噴射所述次霧化氣體流(5)。
4.根據權利要求
1-3中任一項所述的液體燃料燃燒方法，其特征在于，噴射所述次霧化氣體流(1，5)以產生湍流。
5.根據權利要求
1-4中任一項所述的液體燃料燃燒方法，其特征在于，所述次霧化氣體流(1，5)中的霧化氣體流量在霧化氣體總流量的20％和70％之間。
6.根據權利要求
1-5中任一項所述的液體燃料燃燒方法，其特征在于，將所述次霧化氣體流(1，5)分成多股氣流，所述多股氣流以均勻分布的方式噴射并且等距地圍繞所述液體燃料流(4)。
7.根據權利要求
1-6中任一項所述的液體燃料燃燒方法，其特征在于，所述氧化劑射流被分成第一氧化劑射流和第二氧化劑射流，第一氧化劑射流在液體燃料噴霧附近噴射以引起不完全的第一燃燒，該第一燃燒產生的氣體仍然包含至少部分燃料，而第二氧化劑射流在離燃料噴霧距離I2處噴射，以便與存在于第一燃燒所產生氣體中的部分燃料燃燒，其中，所述距離I2比液體燃料射流和最靠近液體燃料噴霧的第一氧化劑射流之間的距離大。
8.燃燒器，該燃燒器包括至少一個液體燃料噴射裝置(7)和至少一個氧化劑噴射裝置，所述液體燃料噴射裝置(7)結合有至少一個霧化氣體噴射裝置(8)以便產生燃料噴霧(10)，該燃燒器的特征在于，它包括至少一個設置在所述燃料噴射裝置附近的次霧化氣體噴射裝置(11，12，14)。
9.根據權利要求
8所述的燃燒器，其特征在于，通過為共用的霧化氣體供給器(9)設置旁路而獲得所述次霧化氣體噴射裝置(11，12，14)。
10.根據權利要求
8或9所述的燃燒器，其特征在于，所述次霧化氣體噴射裝置(11，12，14)與燃料噴射裝置(7)平行或傾斜地定向。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種液體燃料燃燒方法和一種實施該燃燒方法的燃燒器，所述方法包括通過噴射與液體燃料(4)接觸的主霧化氣體流(3)而產生液體燃料噴霧(10)的步驟，所述方法的特征在于，在所述噴霧(10)附近噴射至少一支次霧化氣體流(1)，以便在所述噴霧(10)與氧化劑射流接觸以實現燃料燃燒前產生噴霧(10)的二次霧化。
文檔編號F23D11/00GK1995813SQ200610110626
公開日2007年7月11日 申請日期2006年8月4日
發(fā)明者B·勒魯, P·J-M·勒庫特, M·阿米拉特, G·康斯坦丁, R·P·特斯阿瓦 申請人:喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan