CN101363623A - 燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃烧器，尤其是通过部分燃烧对固体含碳材料进行气化的燃烧器。这种燃烧器包括中心通道(2)和至少一个同轴通道(6)，这些通道从上游供给侧延伸到下游排放端。所述通道(2，6)由同心的壁(3，5)限定，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同轴通道(6)的排放端并朝着中心通道的相邻排放端会聚的环形狭缝(10)。连接单元(11)至少与同轴通道(6)相交，可选择地还提供冷却套。单元(11)设有与单元(11)两侧的相应通道部分对齐的一个或者更多的开口(12)。

Description

燃烧器
技术领域
本发明涉及一种燃烧器，其包括一个中心通道和至少一个围绕着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，用来向燃烧区供给单独的共同反应气体或者气载介质流。这种燃烧器尤其适合于用在使用含氧气体的含碳燃料(例如载气载带的细碎固体燃料(诸如氮气和/或二氧化碳等载气载带的粉煤))的部分燃烧中，例如用来制造加压的合成气体、燃料气体或者还原气体。
背景技术
固体含碳燃料的部分燃烧(也称为气化)是通过燃料与氧反应得到的。这种燃料主要含有碳和氢作为可燃成分。气载的细碎含碳燃料和含氧气体以较高的速度流经燃烧器中的单独通道进入反应器中。反应器中一直燃烧着火焰，其中，燃料和含氧气体中的氧在1300℃以上的温度下反应，以形成主要是一氧化碳和氢。
这里使用的术语“含氧气体”想要指的是含有自由氧、O2的气体，并包括空气、富氧空气(即21mol％以上的氧)，还有基本上纯的氧(即大约95mol％以上的氧)，其他包括诸如氮气和/或稀有气体等在空气中通常发现的气体。
这里使用的术语“固体含碳燃料”意欲包括选自下面的材料组中的各种气载可燃材料以及这些材料的混合物，该材料组中有：煤，用煤制造的焦炭，煤液化残余物，石油焦炭，烟炱，生物燃料，以及从油页岩、焦油沙和沥青中得到的微粒状固体。煤可以是任何种类，包括褐煤、亚烟煤、烟煤和无烟煤。固体含碳燃料优选地被磨成颗粒级尺寸，使得至少大约90％重量百分比的材料小于90微米，水份含量小于大约5％重量百分比。
US4,887,962公开了一种针对这种部分燃烧工艺的燃烧器。这种燃烧器包括一个带有向燃烧区供燃料的出口的中心通道和一个带有出口的同轴环形通道。同轴环形通道的出口围绕着中心通道出口，用以提供含氧气体，含氧气体与从中心通道的出口出来的固体燃料流相遇并混合。该燃烧器还包括位于燃烧器排放端的前脸。该前脸具有一个中心孔，燃料和含氧气体经该中心孔流向燃烧区。供应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动。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同反应的可燃材料相遇并混合，进入下游的燃烧区。分隔件被用来相互对称地把这些通道隔开并保持它们稳定排列，并且对反应材料的自由流动造成最小的阻碍。
含碳燃料流的温度通常为80℃，而含氧气体流的温度通常为大约300～350℃。燃烧区的温度可高达1300℃甚至更高。燃烧器在一端暴露于接近周围的条件，而在其排放端，燃烧器暴露于燃烧区的条件。结果，燃烧器的各部分将发生不同的热应力膨胀。由于燃烧器的纵向长度一般在1.5～2.5米之间变动，各部分之间的膨胀差异可对环形狭缝的宽度造成显著影响，并因此显著影响含氧气体的流出量。
同轴通道一般设有横向入口，用来输送气体。这导致气体流量在同轴通道上不均匀分布，这也可能对含氧气体的流出量造成影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃烧器结构，使气体成分的流出量更加一致并稳定。
本发明的目的是通过提供下面的一种燃烧器实现的，该燃烧器包括至少与同轴通道相交的连接单元，该单元把内、外壁桥接起来，并设有与该单元两侧的相应上游和下游通道部分对齐的一个或者更多的开口。该连接单元通过限制内、外壁的热膨胀差异来稳定环形狭缝的尺寸。此外，该单元减少了纤维化，并对气体流动具有等同的效果，导致同轴通道整个周边上的均匀气体流动。
连接单元把燃烧器的上游部分连接到燃烧器的下游部分。这里使用的术语“上游部分”指的是燃烧器中气体流的流动方向，并打算指供给侧和该单元之间的燃烧器部分，而术语“下游”指的是该单元和排放端之间的燃烧器部分。
通流开口可例如是圆形的开口，均匀分布在同轴通道的周边上。按可替换方式，通流开口可具有不同形状，例如狭缝。开口的边缘可例如倒角或者倒圆。沿流动方向，通流开口可平行于中心通道的纵向轴线，或者沿切向和/或轴向与该轴线成一个角。
连接单元可与内、外壁相交，把这两个壁分成两个部分，这两个部分相互对齐地结合到连接单元，于是，允许燃烧器的模块式安装。与连接单元另一侧的上游部分相比，下游壁部分将暴露于更高的温度和更大的温度变化。按照这种构造，可以独立地替换这些暴露严重的下游部分。
限定中心通道的内壁可例如具有恒定的直径。可选择的是，内壁在其部分长度上是逐渐变细的。
为了防止燃烧器过热，燃烧器通常用经冷却套流过外壁的水等冷却剂进行冷却。冷却套包括在排放端附近彼此开放连接在一起的两个同轴套通道，而在另一端，套通道之一连接到冷却剂源，另一个套通道连接到冷却剂排放端。在本发明的一个具体实施例中，连接单元与两个套通道都相交，并设有用于冷却剂流动的通流开口。
通流开口的径向宽度可例如等于同轴通道的径向宽度，或者稍稍小些，例如在径向通道宽度的85～100％之间，或者如果需要甚至可更小。
内壁外端和连接单元下游侧之间的距离可例如为连接单元直径的大约1～3倍。
在一个具体实施例中，连接单元的一侧或者两侧都设有一个或者更多台阶构型的同心突起。一定直径的每个突起对应于结合于连接单元的同心壁之一，以允许焊接工在组装过程中更容易地接近。
本发明的燃烧器能很好地适应于按任何希望的方式，即竖直地，水平地或者成一定角度地，把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基本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，并使对燃烧区壁的侵蚀最小。
由于燃烧温度可达到1300℃甚至更高，所以，这种燃烧器的主要考虑是防止气化过程中的高热通量造成损坏燃烧器前脸(也称为燃烧器面)。为了保护燃烧器前脸不受过热损害，可在燃烧器前壁的外表面上施加耐火衬，和/或优选地，可使用中空壁构件，具有内部的冷却路径，流体冷却剂经该冷却路径沿着特定流路快速循环，以确保燃烧器前脸的均匀冷却，因此使热应力最小。而在长期运行中，热应力可能会造成燃烧器变差甚至失效。更具体地说，流路是螺旋型路径，例如US4,887,962中描述的那样。这样的螺旋型路径可例如通过同心挡板获得，这些同心挡板限定了经挡板上的障碍物相互开放连通的同心流路段。同时横向隔板经障碍物引导通过的流动，以通向下一个同心流路段。
可选择的是，为了允许更加模块化的安装，燃烧器可通过把连接单元的一侧焊接到同轴布置的内、外壁上游部分的外端而构建。内壁和外壁的下游部分可与相应的上游部分对齐地安装或者焊接到连接单元的第二侧。为了在把外壁上游部分焊接到连接单元之后构建冷却套，可把两个围绕着的壳体焊接到连接单元，以形成与连接单元上两个同心的圆形开口阵列对齐的两个同心腔。
为了完成冷却通道回路，可以使用双壁筒体，该双壁的外壁留着内壁的上游边缘在整个周边上没有盖住，该筒体在其下游侧用前脸盖上，该前脸具有限定了中心开口并与外壁的边缘相接的边缘。筒体双壁之间的空间与上游冷却套腔之一开放连接，并且在所述前脸的开口附近与包围着所述外通道壁的空间开放连接，后一空间又与另一个上游冷却套腔开放连接。这就在外壁和连接单元之间形成了一个间隙，允许焊接工更容易接近以把内壁焊接到连接单元上。把筒体的双壁中的内壁焊接到连接单元上之后，至少分成两个单独的C形部分的一个环形盖板，被焊接到连接单元和筒体，以封闭双壁中的外壁和连接单元之间的间隙。
燃烧器通常用耐高温材料制造，尤其是例如以商标
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销售的耐高温金属和合金，并通过例如熔焊、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
下面参照附图仅以举例的方式，更详细地描述本发明。其中：
图1示出的是根据本发明的燃烧器前面部分的纵向截面；
图2以俯视图示出了图1燃烧器的连接单元；
图3示出的是图1燃烧器的连接单元的剖视图。
具体实施方式
图1示出的燃烧器1用于例如氮气或二氧化碳气体中载带的粉煤等含碳燃料的部分燃烧。燃烧器1包括中心通道2。中心通道2由具有上游部分3A和下游部分3B的筒形内壁3限定。中心通道2具有一个排放出口4，用来把气载燃料供应给燃烧区。
围绕着内壁3同心布置的是筒形外壁5。外壁5具有上游部分5A和下游部分5B。内壁3、外壁5限定了用来供应含氧气体的环形同轴通道6。同轴通道6具有一个开放的排放端7，该排放端7形成了含氧气体流进燃烧区的出口。
内壁3具有恒定的内径。下游内壁部分3B具有凸起部分8。凸起部分8的外径朝着排放出口4按锥形扩大并随后变小，因而形成了一个环形凸起，在这个具体例子中，该环形凸起具有三角形的截面。外壁的下游部分5B形成一个在燃烧区的方向上有一个锥形端9的缸。内壁部分3B的环形凸起8和外壁的下游部分5B的锥形端9限定了宽度均匀的环形狭缝10，其中，凸起部分8的直径沿排放出口4的方向上逐渐减小。这个环形狭缝10形成了同轴通道6的排放出口7。
内、外壁的上游部分3A、5A与它们相应的下游部分3B、5B对齐地焊接到一个连接单元11。连接单元11表示在图2的俯视图和图3的剖视图中。
连接单元11设有针对同轴通道6的通流开口12和形成部分中心通道2的中心开口13。其中，中心开口13具有与内壁部分3A、3B相同的内径。连接单元11的下游表面和内壁部分3B的外下游端之间的距离X在连接单元11的直径的1～3倍之间。
同轴通道6用一个冷却套14包住。冷却套14具有位于连接单元11上游侧的上游部分14A和位于连接单元11下游侧的下游部分14B。两个同轴的壳体15A、16A焊接到连接单元11的上游侧，从而形成了两个同轴套腔—内套腔17A和外套腔18A。
类似地，冷却套14的下游部分14B形成了一个双壁筒体，包括形成上游内壳体15A的下游延伸部的内套壁15B和形成壳体16A的下游延伸部的外套壁16B。内套壁15B、外套壁16B之间的空间形成上游冷却套腔18A的下游延伸部，并被挡板19分成螺旋形通道。内套壁15B和外壁下游部分5B之间的空间17B形成了上游内套腔17A的下游延伸部。连接单元11设有两个同心的圆形开口20阵列，这些开口把上游冷却套腔17A、18A与下游冷却套腔17B、18B分别连起来。
在双壁筒体14B下游，双壁前脸21与冷却套壁15B、16B成直角地布置。前脸21具有限定中心开口23并与同轴通道外壁5B的外边缘相接的内边缘22。
双壁前脸21具有由限定同心流路段27的同心挡板26分开的下游前壁24和后侧壁25。每一个流路段27都被一个隔板挡住，该隔板紧接在内挡板中的一障碍物(未示出)之后把内、外挡板26桥接起来。按此方式，挡板26限定了一个螺旋型流路。这个流路与下游冷却套腔18B开放连接。在前脸21的开口23附近，前脸21的前、后侧壁24、25之间的冷却剂流路段27经前脸后侧壁25上的开口30，与下游冷却套腔17B开放连接。
上游内冷却套腔17A连接到液体冷却剂源。冷却剂从内冷却套腔17A经单元11上的开口20、下游腔17B、开口30、前脸21上的流路段27、外冷却套腔18B、单元11上的开口20和外腔18A，流向冷却剂排放端。
连接单元11的上游侧设有同心的台阶构型的突起31。具有一定直径的每一个突起31对应着结合到连接单元11的同轴上游壁部分3A、5A之一。连接单元11的下游侧设有圆形外沿32、33，圆形外沿32、33的外径对应着拟结合到连接单元11的相应下游壁部分3B、5B的外径。
在连接单元11附近，双壁筒体14B的内壁15B相对外壁16B伸出，留出内壁15B的上游边缘沿整个周边没有盖住。这产生了一个允许焊接工把内壁15B焊接到连接单元11上的周向间隙。把内壁15B焊接到连接单元11后，做成两个单独的C形圈段的环形盖板34焊接到连接单元11和筒体14B，以封闭上述间隙。
图1的燃烧器1基本上是筒形的。单元11是一个圆形的块体，其直径对应着冷却套的外径。如图2所示，开口12、20的阵列都形成了和中心开口13同心的圆形布局。
在利用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流体中的所述煤，通过中心通道到达用于把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，含氧气体通过环形通道到达出口，这样，煤和含氧气体这些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。为了促进煤的稳定流出，可用于煤流动的横截面积应在出口附近的燃烧器的至少部分中心通道上保持恒定。

Claims (10)

1.一种燃烧器(1)，包括中心通道(2)和至少一个围绕着所述中心通道的同轴通道(6)，所述中心通道(2)和所述同轴通道(6)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)由同心的内壁(3)和外壁(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)的排放端并朝着所述中心通道(2)的一相邻排放端会聚的环形狭缝(10)，其中，一连接单元(11)至少与所述同轴通道(6)相交，所述连接单元(11)把所述内、外壁(3，5)桥接起来，并在所述连接单元(11)两侧设有与相应通道部分对齐的一个或者更多的开口(12)。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，所述连接单元(11)与所述内、外壁(3，5)相交，把这两个壁分成两个部分(3A，3B；5A，5B)，其中，对于这两个壁来说，所述两个部分相互对齐地结合到所述连接单元(11)。
3.根据权利要求2所述的燃烧器，其中，所述外壁(5)由冷却套(14)包着，其中，所述连接单元(11)在所述冷却套的宽度上延伸，留下用于冷却剂流动的通流开口(20)。
4.根据权利要求3所述的燃烧器，其中，所述冷却套(14)包括两个在所述排放端附近相互开放连接的同轴套腔(17A，18A)，在两个同轴套腔的另一端，其中一个套腔(17A)连接到冷却剂源，而另一个套腔(18A)连接到冷却剂排放端，其中，所述连接单元(11)和两个套腔(17A，18A)都相交，并设有用于冷却剂流动的通流开口(20)。
5.根据前述任一权利要求所述的燃烧器，其中，所述内壁(3)的外端和所述连接单元(11)的下游侧之间的距离为所述连接单元(11)直径的大约1～3倍。
6.根据前述任一权利要求所述的燃烧器，其中，所述连接单元的至少一侧设有一个或者更多个台阶构型的同心突起(31)，具有一定直径的每个突起对应着结合于所述连接单元(11)的同心壁(3A，5A)中的一个。
7.根据前述任一权利要求所述的燃烧器，其中，所述连接单元(11)的至少一侧设有一个或者更多个圆形外沿(32，33)，所述外沿与将结合于所述连接单元(11)的筒形部分(3B，5B)的外径紧密配合。
8.一种用于构建燃烧器(1)的方法，所述燃烧器(1)包括中心通道(2)和至少一个围绕着所述中心通道(2)的同轴通道(6)，所述中心通道(2)和所述同轴通道(6)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)由同心的内壁(3)和外壁(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)的排放端并朝着所述中心通道(2)的相邻排放端会聚的环形狭缝(10)，其中，所述连接单元(11)的一侧焊接到所述内、外壁(3A，5A)上同轴布置的上游部分的外端，所述连接单元(11)设有与所述中心通道(2)对齐布置的中心开口(13)和与所述同轴通道(6)对齐布置的圆形开口(12)阵列，其中，所述内壁的下游部分(3B)、接着是所述外壁的下游部分(5B)，与相应的上游部分对齐地被焊接到所述连接单元(11)的第二侧上。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在把所述外壁的上游部分(5A)焊接到所述连接单元(11)之后，将两个围绕着的壳体(15A，16A)焊接到所述单元上，形成冷却套(14)的两个同心腔(17A，18A)，所述连接单元(11)设有与所述冷却套腔(17A，18A)对齐的两个同心的圆形开口(20)阵列。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，下游冷却套腔(17B，18B)由双壁筒体(14B)提供，所述双壁筒体的双壁中的外壁(16B)留出内壁(15B)的上游边缘在整个周边上没有盖住，所述筒体(14B)在其下游侧用前脸(21)盖住，所述前脸(21)具有边缘(22)，所述边缘(22)限定了中心开口(23)并与所述外壁(5)的边缘相接，其中，所述筒体(14B)的双壁(15B，16B)之间的空间(18B)与其中一个上游冷却套腔(18A)开放连接，并且在所述前脸(21)的开口(23)附近与包围着所述外通道壁(5B)的空间(17B)开放连接，所述空间(17B)又与另外的上游冷却套腔(17A)开放连接，其中，在把所述筒体的双壁中的内壁(15B)焊接到连接单元(11)之后，做成至少两个单独C形部分的环形盖板(34)焊接到所述连接单元(11)和所述筒体(14B)，以封闭所述双壁中的外壁和所述连接单元(11)之间的间隙。
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