CN103201358B - 用于气化固体燃料的燃烧器及相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于气化固体燃料的燃烧器，包括燃烧器前部，所述燃烧器前部具有用于排出固体燃料的开口，其中，所述用于排出固体燃料的开口流体连接到中心通路，并且其中，所述中心通路具有下游部分，其中，所述通路的直径在第一长度上增大，并且随后在终止于燃烧器前部处的第二长度上减小，并且其中，所述中心通路的下游部分内部设置有中空构件，并且所述中空构件具有与所述中空构件的增大和减小的直径一致的增大的内部直径和减小的内部直径，并且其中连接管道具有位于所述中空构件的扩张部分中的排出开口。

Description

用于气化固体燃料的燃烧器及相关方法
技术领域
本发明涉及用于气化固体燃料的燃烧器。所述燃烧器特别适用于使用含氧气体来使含碳燃料气化，以例如用于制备加压合成气体、燃料气体或还原气体，所述含碳燃料例如为由气体载体携带的细粒固体燃料，如由例如氮气和/或二氧化碳等的气体载体携带的粉煤。本发明还涉及使用燃烧器通过气化固体燃料来制备氢和一氧化碳的混合物的方法。
背景技术
固体含碳燃料的气化通过燃料与氧的反应来获得。燃料主要包含作为可燃性成分的碳和氢。气体携带的细粒含碳燃料和含氧气体经由燃烧器中的分开的通道以较高的速度被送入反应器中。在反应器中，将火焰保持在高于1300°C的温度来主要形成一氧化碳和氢，在该火焰中，燃料与含氧气体中的氧反应。
现有技术中已经提出了多种燃烧器设计。EP-A-328794描述了一种燃烧器，其中细粒的煤经由沿燃烧器的纵轴线布置的中心通道供应到燃烧器前部，含氧气体经由围绕所述中心通道的至少一个环形通道供应。氧在燃烧器前部被引导到煤流中。
EP-A-130630描述了一种燃烧器，其中，在燃烧器前部处，含氧气体从中心通道以高速排出，并且含氧气体以较低速度从环形出口排出。固体燃料从设置在所述中心和环形氧出口开口之间的多个出流开口排出。根据该公开文本，外部的低速氧流用于保护燃烧器防止由于热气体的吸入造成过热。所述公开文本公开了如果燃烧器用于大生产量，则用于固体燃料的出口开口优选不是环形形状。需要说明的是，这样的设计不能使所有的固体燃料颗粒与氧适当接触。
根据EP-A-328794的燃烧器类型已经非常成功地用于商业使用。但是，在高生产量下，通到燃烧器前部的热通量增大到一定的值从而使燃烧器的使用寿命可能变得太短。
EP-A-130630通过围绕火焰施加低速氧防护层，来解决通到燃烧器前部的热通量的问题。根据EP-A-130630的燃烧器的一个缺点是，为了获得高生产量，固体燃料通过分开的通道被送入燃烧器前部，这可能造成侵蚀问题。另一个问题是由于需要制造具有用于固体燃料和含氧气体的多个通道的单个金属件而造成的设计复杂性。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种燃烧器，其可用于高生产量，并且其不具有现有技术的燃烧器的缺点。
为此，本发明提供了一种用于气化固体燃料的燃烧器，包括燃烧器前部，所述燃烧器前部具有用于排出固体燃料的开口和用于排出含氧气体的单个中心开口，其中，所述用于排出固体燃料的开口流体连接到中心通路，并且其中，所述用于排出含氧气体的开口流体连接到用于传送氧的环形通路，所述用于传送氧的环形通路与所述中心通路同轴地定位；并且
其中，所述中心通路具有下游部分，其中，所述通路的直径在第一长度上增大，并且随后在终止于燃烧器前部处的第二长度上减小，并且其中，所述中心通路的下游部分内部设置有中空构件，所述中空构件在一端处封闭并且在所述燃烧器前部处具有开口，所述中空构件具有与所述中心通路的增大和减小的直径一致的增大的直径和减小的直径，以形成用于固体燃料的环形通道，该用于固体燃料的环形通道在用于排出固体燃料的向内指向的环形开口中终止于燃烧器前部处；并且
其中，所述中空构件通过一个或多个连接管道与用于含氧气体的所述环形通路流体连接，并且其中，所述中空构件的开口为在燃烧器前部处用于排出含氧气体的开口，并且所述中空构件具有与所述中空构件的增大和减小的直径一致的增大的内部直径和减小的内部直径，并且其中所述连接管道具有位于所述中空构件的扩张部分中的排出开口。
本发明还涉及一种使用上述燃烧器通过气化固体燃料来制备包含氢和一氧化碳的混合物的方法，其中，含氧气体通过用于含氧气体的通路传送，固体燃料和载体气体通过中心通道传送，气化在燃烧器前部处进行。
因此，根据本发明，提供了一种用于气化固体燃料的燃烧器，所述燃烧器包括燃烧器前部，所述燃烧器前部具有用于排出固体燃料的开口，和用于排出含氧气体的单个中心开口，其中，所述用于排出固体燃料的开口流体连接到中心通路，并且其中，所述用于排出含氧气体的开口流体连接到与所述中心通路同轴设置的用于传送氧的环形通路，并且
其中，所述中心通路具有下游部分，其中，所述中心通路的直径在第一长度上增大，并且随后在终止于燃烧器前部处的第二长度上减小，并且其中，所述中心通路的下游部分内部设置有中空构件，所述中空构件在一端处封闭，并且在所述燃烧器前部处具有开口，所述中空构件具有与所述中心通路的增大和减小的直径一致的增大的直径和减小的直径，以形成用于固体燃料的环形通道，该用于固体燃料的环形通道在用于排出固体燃料的向内指向的环形开口中终止于燃烧器前部处，
并且其中，所述中空构件通过一个或多个连接管道与所述用于含氧气体的环形通路流体连接，并且其中，所述中空构件的开口为在燃烧器前部处用于排出含氧气体的开口，并且其中，所述中空构件具有与所述中空构件的增大和减小的直径一致的增大的内部直径和减小的内部直径，并且其中，所述连接管道具有位于所述中空构件的扩张部分中的排出开口。
可选地，所述排出开口具有椭圆形形状，其中，较长的尺寸与燃烧器的轴线对准。
可选地，所述连接管道的数目为3。
可选地，所述连接管道的数目为1。
可选地，在燃烧器前部处的中空构件的将用于排出固体燃料的开口与用于排出含氧气体的开口分隔开的边缘的宽度在0.5mm和3mm之间。
可选地，由用于排出固体燃料的向内指向的环形开口的出流方向和燃烧器的轴线形成的角度在3度和45度之间。
可选地，由用于排出固体燃料的向内指向的环形开口的出流方向和燃烧器的轴线形成的角度在5度和30度之间。
可选地，中空构件的封闭的一端具有圆锥形形状。
可选地，用于新冷却剂的环形通路围绕用于传送氧的环形通路设置，用于用过的冷却剂的环形通路围绕用于新冷却剂的环形通路设置，其中用于传送氧的环形通路、用于新冷却剂的环形通路和用于用过的冷却剂的环形通路终止在连接块处，所述连接块设置有用于中心通路的中心开口、用于使用过的冷却剂从冷却套传送到用于用过的冷却剂的环形通路的多个开口和用于使新冷却剂从用于新冷却剂的环形通路传送到冷却套的多个开口。
可选地，连接块设置在中心通路的直径从增大的直径反转为减小的直径的位置处。
根据本发明，还提供了一种使用根据上述的燃烧器通过气化固体燃料来制备氢和一氧化碳的混合物的方法，其中，含氧气体通过用于传送氧的环形通路传送，固体燃料和载体气体通过中心通道传送，而气化在燃烧器前部处进行。
可选地，含氧气体在其从开口排出时的速度在30m/s和90m/s之间，并且其中，固体流在其从环形开口排出时的速度在5m/s和15m/s之间。
可选地，多于2kg/sec的固体从开口排出。
可选地，固体为煤、石油焦炭或生物质。
可选地，载体气体为氮气或二氧化碳。
附图说明
图1为根据本发明的燃烧器的前部的纵剖视图；
图2为显示了图1的燃烧器的横截面AA’的视图。
具体实施方式
申请人发现，与EP-A-130630的教导相反，可提供用于高生产量操作的燃烧器，其具有用于固体燃料的环形开口。通过将全部氧引导通过所述用于含氧气体的中心开口，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稍微升高。这大大降低了通到燃烧器前部的热通量，由此延长了所述燃烧器前部的使用寿命和将用于固体燃料的环形通道与所述用于排出含氧气体的开口分隔开的边缘的使用寿命。
根据本发明的燃烧器不具有如在根据EP-A-130630的燃烧器中的用于以较低速度排出含氧气体的环形出口。由于中空构件和中心通路尺寸方面的一致性，形成用于固体燃料的流动路径，这限制了侵蚀。
本文所用的术语“含氧气体”用于指含自由氧的气体，O2，并且意欲包括空气、富氧空气（即氧大于21％摩尔百分比）和基本上纯氧（即氧大于约95％摩尔百分比），其余部分包含通常出现在空气中的气体，例如氮，和/或稀有气体。
本文所用的术语“固体含碳燃料”意思包括气体携带的各种可燃材料及其混合物，这些可燃材料选自包括煤、煤焦炭、煤液化残渣、石油焦炭、炭黑、生物质和从油页岩、沥青砂和沥青获得的颗粒固体的组。煤可以是任何类型，包括褐煤、次烟煤、烟煤和无烟煤。固体含碳燃料优选研磨成使至少约90%重量百分比的材料小于90微米的粒度，并且水分含量小于约5%重量百分比。将固体燃料以与载体气体（优选氮气或二氧化碳）混合的方式提供给燃烧器。
本文所用的术语“高生产能力燃烧器”旨在包括其中多于2kg/sec的固体从环形开口排出的过程。这样的高生产能力燃烧器的环形开口的宽度优选为4mm至15mm。固体在其从环形开口排出时的优选速度在5m/s和15m/s之间。结合附图进行的详细说明
借助于图1和2对本发明进行进一步示例说明。图1显示了根据本发明的燃烧器1的前部的纵剖视图。燃烧器1具有燃烧器前部2，燃烧器前部2具有用于排出固体燃料的开口3和用于排出含氧气体的单个中心开口4。用于排出固体燃料的开口3流体连接到中心通路5。通路6与中心通路5同轴设置。
中心通路5具有下游部分，其中通路5的直径在第一长度7上增大，随后在终止于燃烧器前部2处的第二长度8上减小。中心通路的下游部分内部设置有中空构件9，该中空构件在一端10处封闭，在燃烧器前部2处具有开口11。中空构件9具有与中心通路5的增大和减小的直径一致的增大的直径和减小的直径，以形成用于固体燃料的环形通道12，该用于固体燃料的环形通道在用于排出固体燃料的向内指向的环形开口13中终止于燃烧器前部2处。优选地，直径的一致性可选择成使得环形通路12的宽度保持基本上恒定以限制侵蚀。
中空构件9优选具有与中空构件9的增大和减小的直径一致的增大的内部直径和减小的内部直径16。这在具有圆锥形部分和截头圆锥形部分的中空构件中限定了中空空间。中空构件9通过一个或多个连接管道14与用于含氧气体的环形通路6流体连接。连接管道14还是将保持中空构件9保持设置在中心通路5中的间隔物。管道14可设计成使得在使用时将旋转作用施加到固体流或施加到含氧气体或施加到两者。优选地，连接管道14具有排出开口17，该排出开口设置在中空构件9的扩张部分中，换句话说，设置在所述圆锥形部分中。排出开口17适当地具有椭圆形形状，其中，较长的尺寸与燃烧器的轴线对准。在一个优选实施例中，连接管道14的数量为3。图1还显示了中空构件的在其截头圆锥形端部处的开口11，所述开口为在燃烧器前部2处用于排出含氧气体的开口4。用于排出含氧气体的开口4因而经由中空构件9和连接管道14而流体连接到用于传送含氧气体的环形通路6。
中空构件9的尺寸和形状优选地选择成使含氧气体从其开口11以均匀分布流排出。优选地，含氧气体在其从该开口排出时的速度在30m/s和90m/s之间。中空构件的形状包括圆锥形端部和在燃烧器前部2处的截头圆锥形端部，其中，这两个部分直接连接或可选地通过管状部分连接。由圆锥形端部10的顶部的斜面形成的角度优选在5度和40度之间。该角度不应太大，以限制在固体流从中心通路5流出到环形通路12的位置处的侵蚀。
优选地，在燃烧器前部2处的中空构件9的将用于排出固体燃料的开口3与用于排出含氧气体的开口4分隔开的边缘25的宽度在0.5mm和3mm之间。由用于排出固体燃料的向内指向的环形开口13的出流方向和燃烧器1的轴线形成的角度优选在3度和45度之间，更优选在5度和30度之间。已经发现，在该范围内能获得含氧气体和燃料之间的最佳接触，同时还能获得火焰的充分升高，因而降低热通量。
图1的燃烧器还具有用于新冷却剂的优选的环形通路19，其围绕环形通路6设置。围绕通路19，设置用于用过的冷却剂的环形通路20。适当地，通路6、19和20终止在连接块21处，所述连接块21设置有用于中心通路5的中心开口、用于使用过的冷却剂从冷却套23传送到通路20的多个开口22和用于使新冷却剂从通路19传送到冷却套23的多个开口24。连接块21的存在是有利的，因为其使得能够简单地更换可能损坏的中空构件9。中空构件的截头圆锥形部分可通过从连接块21切掉冷却套23和中心通路5的截头圆锥壁部分26来去除。连接块21适当地设置在中心通路5的直径从增大的直径反转为减小的直径的位置处，以允许如本文所述简单地去除。
冷却套23优选为如前面提到的EP-A-328794中所述的或如CN-A-101363624中所述的冷却套。这样的冷却套23具有双壁28、29，所述双壁限定在连接块21处开始并且在燃烧器前部2处终止的燃烧器部分的外部。双壁28、29由一个或多个隔板30间隔开，所述一个或多个隔板限定环绕所述燃烧器前部2的一部分和所述燃烧器部分的冷却剂流动路径。在燃烧器前部2处，新冷却剂通过由壁29和中心通路5的壁26限定的新冷却剂隔室31而流入开口32中。新冷却剂隔室31经由开口24流体连接到通路19。
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给接头的端部在图1中未示出。CN-A-101363622中所述的设计可适当地用于该目的。
图2中使用的附图标记具有如上所述的相同意思。另外，图2显示了环形通路20的外壁27。图2显示了具有三个开口17的优选实施例。在图1中，显示了仅一个连接管道14和三个开口中的一个开口17的替代实施例。

Claims (15)

1.一种用于气化固体燃料的燃烧器（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出固体燃料的开口（3），和用于排出含氧气体的单个中心开口（4），其中，所述用于排出固体燃料的开口（3）流体连接到中心通路（5），并且其中，所述用于排出含氧气体的开口（4）流体连接到与所述中心通路（5）同轴设置的用于传送氧的环形通路（6），并且
其中，所述中心通路（5）具有下游部分，其中，所述中心通路（5）的直径在第一长度（7）上增大，并且随后在终止于燃烧器前部（2）处的第二长度（8）上减小，并且其中，所述中心通路的下游部分内部设置有中空构件（9），所述中空构件在一端（10）处封闭，并且在所述燃烧器前部（2）处具有开口（11），所述中空构件（9）具有与所述中心通路（5）的增大和减小的直径一致的增大的直径和减小的直径，以形成用于固体燃料的环形通道（12），该用于固体燃料的环形通道在用于排出固体燃料的向内指向的环形开口（13）中终止于燃烧器前部（2）处，
并且其中，所述中空构件（9）通过一个或多个连接管道（14）与所述用于含氧气体的环形通路（6）流体连接，并且其中，所述中空构件的开口（11）为在燃烧器前部（2）处用于排出含氧气体的开口（4），并且其中，所述中空构件（9）具有与所述中空构件（9）的增大和减小的直径一致的增大的内部直径和减小的内部直径（16），并且其中，所述连接管道（14）具有位于所述中空构件（9）的扩张部分中的排出开口（17）。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述排出开口（17）具有椭圆形形状，其中，较长的尺寸与燃烧器的轴线对准。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述连接管道（14）的数目为3。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述连接管道（14）的数目为1。
5.根据权利要求1-2中任一项所述的燃烧器，其特征在于，在燃烧器前部（2）处的中空构件（9）的将用于排出固体燃料的开口（3）与用于排出含氧气体的开口（4）分隔开的边缘（25）的宽度在0.5mm和3mm之间。
6.根据权利要求1-2中任一项所述的燃烧器，其特征在于，由用于排出固体燃料的向内指向的环形开口（13）的出流方向和燃烧器（1）的轴线形成的角度在3度和45度之间。
7.根据权利要求1-2中任一项所述的燃烧器，其特征在于，由用于排出固体燃料的向内指向的环形开口（13）的出流方向和燃烧器（1）的轴线形成的角度在5度和30度之间。
8.根据权利要求1-2中任一项所述的燃烧器，其特征在于，中空构件（9）的封闭的一端（10）具有圆锥形形状。
9.根据权利要求1-2中任一项所述的燃烧器，其特征在于，用于新冷却剂的环形通路（19）围绕用于传送氧的环形通路（6）设置，用于用过的冷却剂的环形通路（20）围绕用于新冷却剂的环形通路（19）设置，其中用于传送氧的环形通路（6）、用于新冷却剂的环形通路（19）和用于用过的冷却剂的环形通路（20）终止在连接块（21）处，所述连接块（21）设置有用于中心通路（5）的中心开口、用于使用过的冷却剂从冷却套（23）传送到用于用过的冷却剂的环形通路（20）的多个开口（22）和用于使新冷却剂从用于新冷却剂的环形通路（19）传送到冷却套（23）的多个开口（24）。
10.根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，连接块（21）设置在中心通路（5）的直径从增大的直径反转为减小的直径的位置处。
11.一种使用根据权利要求1-10中任一项所述的燃烧器通过气化固体燃料来制备氢和一氧化碳的混合物的方法，其中，含氧气体通过用于传送氧的环形通路（6）传送，固体燃料和载体气体通过中心通道（5）传送，而气化在燃烧器前部（2）处进行。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，含氧气体在其从开口（11）排出时的速度在30m/s和90m/s之间，并且其中，固体流在其从环形开口（13）排出时的速度在5m/s和15m/s之间。
13.根据权利要求11-12中任一项所述的方法，其特征在于，多于2kg/sec的固体从开口（13）排出。
14.根据权利要求11-12中任一项所述的方法，其特征在于，固体为煤、石油焦炭或生物质。
15.根据权利要求11-12中任一项所述的方法，其特征在于，载体气体为氮气或二氧化碳。
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