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CN101169243A - 粉碎的固体燃料燃烧器 - Google Patents

粉碎的固体燃料燃烧器 Download PDF

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CN101169243A CNA2007101816746A CN200710181674A CN101169243A CN 101169243 A CN101169243 A CN 101169243A CN A2007101816746 A CNA2007101816746 A CN A2007101816746A CN 200710181674 A CN200710181674 A CN 200710181674A CN 101169243 A CN101169243 A CN 101169243A
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Abstract

一种燃烧器，包括传输氧化剂第一物流的第一氧化剂导管；具有输出口并围绕第一氧化剂导管的固体燃料导管，从而形成用来传输输运气体和固体燃料粒子混合物的第一套管；围绕固体燃料导管的第二氧化剂导管，从而形成传输所述氧化剂或其它氧化剂流第二物流的第二套管；以及将输出口附近的混合物析离成稀薄部分流和稠密部分流的装置。排出第一氧化剂导管的氧化剂第一物流在燃烧期间与稀薄部分流相结合，从而邻近输出口形成内燃烧区域，排出第二氧化剂导管的所述氧化剂或另一氧化剂第二物流在燃烧期间与稠密部分流相结合，从而形成外燃烧区域。

Description

粉碎的固体燃料燃烧器
技术领域
本发明涉及用包括但是并不局限于氧气和富氧空气的氧化剂来燃烧固体燃料的燃料燃烧器(burner)和方法，特别涉及用于燃烧粉碎的固体燃料以在用于玻璃、陶瓷材料、金属制造等的工业熔炉中来产生热量的燃烧器和方法。
然而，本发明并不限于用于这些工业熔炉。本领域技术人员将认识到，本发明的燃烧器和方法可以用于许多其他燃烧工艺的加热应用中，包括但是不限制于水泥窑(cement kilns)和蒸汽发生器(steamgenerators)。
背景技术
用例如氧气和富氧空气的氧化剂燃烧固体燃料的固体燃料燃烧器和方法是已知的。已经为不同行业(例如，玻璃熔融)开发了各种类型的这类燃烧器，包括具有供应燃料和氧气的同心或共轴通道的氧-燃料燃烧器。这种燃烧器公开在美国专利5,104,310(Saltin)、5,743,723(lattides等人)和6,685,461(Rio等人)中。其它这种燃烧器公开在美国专利3,894,834(Estes)、4,797,087(Gitman)、4,902,223(Young)、4,928,605(Suwa等人)、6,843,185(Taylor)以及美国专利申请公开2003/0075843(Wunsche)中。
例如，在美国专利3,894,834(Estes)公开了一种在煤/空气燃烧器中轴向设置的氧-燃料燃烧器以调节火焰长度和维持稳定性。
美国专利5,743,723(latrides等人)公开了一种三管氧-燃料燃烧器，包括：至少80％氧气的氧化剂源；外和内氧化剂通道，各自都连接到氧化剂源上；设置在两个氧化剂通道之间的燃料运送通道；和调节氧化剂通道之间流动的阀门。
美国专利6,685,461(Rio等人)公开了一种类似于latrides等人的专利723中的燃烧器的燃烧器，但是有一些结构和操作上的不同。例如，燃烧器固定于燃烧器喷火口(burner quarl)；并且控制阀封装在燃烧器内调节两条氧化剂管之间的氧化剂流动。氧化剂的氧气浓度没有明确限制。
美国专利5,104,310(Saltin)公开了具有几种构造的氧-燃料燃烧器，各自需要连接到氧气接受腔(燃烧器的一部分)的中央氧气喷嘴，至少一个径向上与中央氧气喷嘴间隔开的燃料喷嘴以及至少一个与中心氧气喷嘴以更大径向距离隔开的(相对于燃料喷嘴)的外围氧气喷嘴。几种变型包括一个或多个以下特征：向燃烧器供给氧气和燃料的装置部件是燃烧器的冷却夹套(cooling jacket)；外围氧气喷嘴具有收敛-发散设计(converging-diverging design)；以及燃料喷嘴仅传输燃料(即，没有载气)。
除了上面提到的氧-燃料燃烧器之外，还为燃烧粉碎的煤和其他燃料开发了许多其他的固体燃料燃烧器。这些燃烧器公开在美国专利4,497,263(Vatsky等人)、5,090,339(Okiura等人)、6,715,432(Tsumura等人)、6,752,620(Heier等人)、6,889,619(Okazaki等人)以及日本专利60-194208(Takayuki Abe)中。
此外，已经发展了多种装置以用于燃烧粉碎煤的燃烧器和燃烧炉，特别是在低负荷运行中。例如，美国专利4,274,343(Kokkinos)公开了一种在低负荷运行下稳定烧煤火焰点火的装置。美国专利4,448,135(Dougan等人)和6,475,267(Lehn)公开了用于燃烧器的不同类型的此类装置。
上述燃烧器和装置已经解决了许多与燃烧固体燃料的燃料燃烧器和方法相关的问题。然而，还有许多问题存在，或者没有得到满意地解决。
例如，现有技术中没有教导燃烧固体燃料的燃烧器和方法：其可以满意地且同时地获得稳固的火焰稳定性、增强的燃烧回落(turndown)、火焰性质的可调性，以及燃烧性能极其不同的固体燃料，特别是高挥发性和低挥发性固体燃料(包括石油焦炭)的能力。
尤其是在燃烧回落(即降低的燃烧速度)条件下，常规固体燃料燃烧器所产生的其它问题包括燃烧器火焰轴动量的弱化、内聚(coherent)火焰结构的丧失以及火焰的缩短。通常，现有技术中的燃烧器在整个运行期间中不能保持恒定(或者基本恒定)的火焰长度。
存在这样一些燃料和/或燃烧应用，其中氧气/燃料(所谓的氧/燃料)燃烧或者富氧空气/燃料燃烧提供优于空气/燃料燃烧的结果。虽然有一些关于基于氧气的固体燃料燃烧的现有技术专利[例如，美国专利4,928,605(Suwa等人)和美国专利4,902,223(Young)]，但这些专利也在致力于解决氧气基燃烧的特有挑战，但并没有满意地、全面地解决上述问题。这些挑战主要相关于，但不局限于氧增强的火焰所产生的高温和这些火焰可对燃烧器和炉组件产生的潜在不利影响。隔离燃烧器组件和高温氧增强火焰通常是利用水冷夹套完成的。尽管这些夹套名义上保护燃烧器组件远离许多场合下的高温损害，但所述夹套增加了复杂性和运行成本，同时没有减缓高温损害的任何一个主要原因，所述主要原因是控制流动分布(即燃烧器喷嘴中的流动剖面)和反应物的混合模式。在固体燃料燃烧的情况下，对反应物流动分布和混合的控制不充分，不但会导致高温损害，还会带来固体粒子冲击(impingment)以及随后对燃烧器和燃烧炉组件的腐蚀。
考虑到现有技术中利用氧化剂燃烧固体燃料的燃烧器和方法的这些以及许多其他的问题，希望有一种燃烧器和燃烧方法，其克服现有技术中的困难、问题、局限、不利因素以及缺陷，获得更好、更有利的结果。
进一步地，希望有一种更高效的用氧化剂燃烧固体燃料的燃烧器和燃烧方法。
更进一步地，希望有一种燃烧固体燃料的燃烧器和方法，其可以获得获得稳固的火焰稳定性、增强的燃烧回落(turndown)、火焰性质的可调性以及燃烧性能极其不同的固体燃料，特别是高挥发性和低挥发性固体燃料两者的能力。
更进一步地，希望有一种燃烧固体燃料的燃烧器和方法，与现有技术中燃烧器和方法相比，其可以获得比具有较低峰值温度的更长、更慢的混合火焰。
[0018]更进一步地，希望有一种燃烧固体燃料的燃烧器和方法，其可以在比现有技术中的燃烧器和方法通常能达到燃烧速度更宽的燃烧速度范围有效地运行。
更进一步地，希望有一种燃烧固体燃料的燃烧器和燃烧方法，其可以增强燃烧器火焰轴向动量、防止在常规固体燃料燃烧器和燃烧方法中发生的内聚火焰结构的丧失。
更进一步地，希望有一种燃烧固体燃料的燃烧器和燃烧方法，其可以在降低负载的时候有助于燃烧器火焰长度的增加，从而提供一种在整个运行期间保持基本恒定火焰长度的方式。
更进一步地，希望有一种燃烧固体燃料的燃烧器和燃烧方法，可以稳定地燃烧低挥发性固体燃料如石油焦碳。
更进一步地，希望有一种燃烧固体燃料的燃烧器和燃烧方法，其中可以通过控制反应物混合性能来调节火焰性能。
同样也希望有一种燃烧固体燃料的燃烧器和燃烧方法，其能够承受氧气增强的或者氧气燃料燃烧。
发明内容
本发明包括燃烧固体燃料的燃烧器和燃烧方法。存在多个所述燃烧器和燃烧方法的实施方案，以及这些实施方案的多种变型。
在燃烧固体燃料的燃烧器第一实施方案中存在多个元件。第一元件是含有第一纵轴、第一氧化剂入口和与所述第一氧化剂入口隔开的第一氧化剂出口的第一氧化剂导管(conduit)。第一氧化剂导管适于以第一流速传输氧化剂第一物流进入第一氧化剂入口并排出第一氧化剂出口，该氧化剂的氧气浓度高于约21vol.％。
第二元件是固体燃料导管，具有基本上平行于所述第一纵轴的第二纵轴、输入口以及和输入口隔开的输出口。固体燃料导管围绕第一氧化剂导管从而在第一氧化剂导管和固体燃料导管之间形成第一套管(annulus)。第一套管用来传输输运气体和许多固体燃料粒子的混合物进入输入口并排出输出口。
第三元件是第二氧化剂导管，具有基本上平行于所述第二纵轴的第三纵轴、第二氧化剂入口和与第二氧化剂入口隔开的第二氧化剂出口。第二氧化剂导管围绕着所述固体燃料导管，从而在固体燃料导管和第二氧化剂导管之间形成第二套管。第二套管适于以第二流速传输氧气浓度高于大约21vol％的所述氧化剂或者其它氧化剂第二物流，所述第二物流进入第二氧化剂入口并排出第二氧化剂出口。
第四元件是将输出口附近的混合物析离(segregating)成邻近第一氧化剂导管的该混合物的稀薄部分流和邻近固体燃料导管的该混合物的稠密部分流的装置。所述稠密部分流包含输运气体与固体燃料的第一质量比，所述稀薄部分流包含输运气体与固体燃料的第二质量比，该第二质量比大于该第一质量比。
燃烧期间，排出第一氧化剂出口的至少一部分氧化剂第一物流与至少一部分稀薄部分流相结合，从而形成邻近输出口的内燃烧区域。燃烧期间，排出第二氧化剂出口的至少一部分所述氧化剂或者另一氧化剂第二物流同至少一部分的稠密部分流相结合，从而形成接近内燃烧区域的外燃烧区域。
燃烧器第一实施方案有多种变型。一种变型中，第一流速和第二流速的至少之一是可以改变的。在另外一种变型中，第二氧化剂导管和固体燃料导管基本是同轴的。在又一种变型中，第一氧化剂导管、固体燃料导管和第二氧化剂导管中的至少两个是同轴的。
在另一变型中，析离所述混合物的装置包括邻近输出口设置在的第一套管内的旋涡发生器(swirl generator)和与旋涡发生器隔开一定距离设置在第一套管内、设置在旋涡发生器和输出口之间某一位置的旋涡溢流管(vortex finder)，该旋涡溢流管的水力半径小于第一套管的第一水力半径(first hydraulic radius)。
这个变型有多个变体。在一种变体中，混合物的析离是通过增加或者降低旋涡溢流管的水力半径和旋涡发生器与旋涡溢流管间距的至少之一来进行调节。另一种变体中，旋涡溢流管具有适于与稀薄部分流和稠密部分流的至少之一相接触的旋流叶片或者整流导叶。在另外一种变体中，固体燃料导管的输出口和旋涡溢流器靠近输出口的一部分构成了喷嘴尖端结构(nozzle tip profile)，而且该喷嘴尖端结构通过输出口的向外发散(outward divergence)和旋涡溢流管靠近输出口部分的向内收敛(inward convergence)至少之一加以改变。
在另一变体中，输出口和第一氧化剂出口两者基本互相平行，并且基本在第一平面内，该第一平面基本垂直于输出口处的第二纵轴和第一氧化剂出口处的第一纵轴，氧化剂第一物流的一部分最初在第一平面附近接触混合物的稀薄部分流的一部分。在这一变型的变体中，所述氧化剂或者另一氧化剂第二物流的一部分最初在与第一平面隔开的另一平面附近接触混合物的稠密部分流的一部分。
所述燃烧器的第二实施方案类似于燃烧器的第一实施方案，但另外包括设置在第一氧化剂导管内的旋流器(swirler)。
所述燃烧器的第三实施方案类似于燃烧器的第一实施方案，但另外包括具有基本平行于第三纵轴的第四纵轴、辅助气体入口和与辅助气体入口隔开的辅助气体出口的辅助气体导管。辅助气体导管围绕第二氧化剂导管，从而形成在第二氧化剂导管和辅助气体导管之间的第三套管。第三套管适于以第三流速传输进入辅助气体入口并排出辅助气体出口的辅助气体流。
燃烧固体燃料的燃烧方法的第一实施方案中包含多个步骤。第一步骤是提供第一氧化剂导管，其具有第一纵轴、第一氧化剂入口和与第一氧化剂入口隔开的第一氧化剂出口。第二步是通过第一氧化剂导管以第一流速传输氧气浓度大于约21vol％的氧化剂第一物流，所述第一氧化剂从第一氧化剂入口进入，从第一氧化剂出口排出。第三步是提供固体燃料导管，其具有基本平行于第一纵轴的第二纵轴、输入口和与输入口隔开的输出口，该固体燃料导管围绕第一氧化剂导管，从而在第一氧化剂导管和固体燃料导管之间形成第一套管。第四步是通过第一套管传输输运气体和许多固体燃料粒子的混合物，该混合物从输入口进入，从输出口排出。第五步是提供第二氧化剂导管，其具有基本平行于第二纵轴的第三纵轴、第二氧化剂入口和与第二氧化剂入口隔开的第二氧化剂出口，该第二氧化剂导管围绕固体燃料导管，从而在固体燃料导管和第二氧化剂导管之间形成第二套管。第六步是通过第二套管以第二流速传输氧气浓度大于约21vol％的所述氧化剂或者其它氧化剂第二物流，该第二物流从第二氧化剂入口进入，从第二氧化剂出口排出。第七步是将所述输出口附近的混合物析离成邻近第一氧化剂导管的该混合物的稀薄部分流和邻近固体燃料导管的该混合物的稠密部分流，稠密部分流包含输运气体与固体燃料的第一质量比，稀薄部分流包含输运气体与固体燃料的第二质量比，该第二质量比大于该第一质量比。第八步是燃烧至少一部分氧化剂第一物流和至少一部分稀薄部分流，从而形成邻近输出口的内燃烧区域。第九步是燃烧至少一部分所述氧化剂或另一氧化剂第二物流和至少一部分稠密部分流，从而形成靠近内燃烧区域的外燃烧区域。
燃烧固体燃料的燃烧方法的第一实施方案有多个变型。在一种变型中，第一流速和第二流速的至少之一是可变的。在另一变型中，第一氧化剂导管和固体燃料导管基本上是共轴的。在又一变型中，第一氧化剂导管、固体燃料导管和第二氧化剂导管中的至少两个是共轴的。在另外一个变型中，在第一氧化剂导管内设置有旋流器。
在另一变型中，旋涡发生器靠近输出口设置在第一套管内，旋涡溢流管设置在第一套管内、与旋涡发生器隔开一定距离设置在旋涡发生器和输出口之间的某一位置上，所述旋涡溢流管的水力半径小于第一套管的第一水力半径。在这个变型的变体中，混合物的析离通过增加或者降低旋涡溢流管的水力半径和旋涡发生器与旋涡溢流管间距的至少之一来进行调节。另一种变体中，旋涡溢流管具有适于与稀薄部分流和稠密部分流的至少之一相接触的旋流叶片或者整流导叶。在另外一种变体中，固体燃料导管的输出口和涡旋探测器靠近输出口的一部分形成喷嘴尖端结构，而且该喷嘴尖端结构通过输出口的向外发散和旋涡溢流管靠近输出口的那一部分的向内收敛至少之一加以改变。
在燃烧固体燃料的燃烧方法另一变型中，所述输出口和第一氧化剂出口两者基本互相平行，并且基本在第一平面内，该第一平面基本垂直于输出口处的第二纵轴和氧化剂出口处的第一纵轴，并且氧化剂第一物流的一部分最初在第一平面附近接触混合物的稀薄部分流的一部分。在这一变型的变体中，所述氧化剂或者另一氧化剂第二物流的一部分最初在与第一平面隔开的另一平面附近接触混合物的稠密部分流的一部分。
燃烧固体燃料的燃烧方法的第二实施方案类似于第一实施方案，但包括两个附加的步骤。第一附加步骤是提供具有基本平行于第三纵轴的第四纵轴、辅助气体入口和与辅助气体入口隔开的辅助气体出口的辅助气体导管，该辅助气体导管围绕第二氧化剂导管，从而形成第二氧化剂导管和辅助气体导管之间的第三套管。第二附加步骤是通过第三套管以第三流速传输辅助气体，辅助气体进入辅助气体入口并从辅助气体出口排出。
附图简述
下面参考附图，通过实施例对本发明加以说明，其中：
附图1是本发明一个实施方案的侧视图；
附图2是本发明一个实施方案的正视图；
附图3是例示使用固体燃料旋涡发生器和旋涡溢流管的本发明一个实施方案的侧视图。
附图4A和4B是使用各自都具有相对半径差的不同旋涡溢流管的本发明几个实施方案的侧视图。
附图5A是使用具有旋流叶片的旋涡溢流管的本发明一个实施方案的侧视图。
附图5B是使用具有整流叶片的旋涡溢流管的本发明一个实施方案的侧视图。
附图6A是使用具有向内收敛尖端的旋涡溢流管的本发明一个实施方案的侧视图。
附图6B是使用具有向外发散尖端的固体燃料喷嘴的本发明另一实施方案的侧视图。
附图7是例示本发明一个实施方案的固体燃料/外氧化剂界面和两个燃烧区域，即内燃烧区域和外燃烧区域的示意图。
附图8是例示常规粉碎煤燃烧器的火焰的示意图。
附图9是例示常规粉碎煤燃烧器的旋涡火焰的示意图。
附图10是例示夹带入高动量中心氧化剂射流的粉碎固体燃料的示意图；和
附图11是例示在内氧化剂导管内使用旋流器的本发明一个实施方案的示意图。
具体实施方式
本发明包括用氧化剂燃烧固体燃料的燃烧器和燃烧方法。这里所用的术语“固体燃料”意指任何适合于燃烧目的固体燃料。尽管本发明在粉碎煤燃烧器的范围内进行讨论，但各种类型的煤和其他固体燃料也可以应用于本发明的燃烧器和燃烧方法。
例如，本发明可以用于各种含碳燃料，包括但是不局限于：无烟煤、烟煤、亚烟煤、褐煤、焦油、沥青、石油焦炭、造纸厂污泥固体物和污水固体物、木材、泥煤、草以及所有这些燃料的组合和混合物。
此处所用的术语“氧化剂”是指氧气、富氧空气或者任何其他氧气浓度大于约21体积％的适合氧化剂。一种可能的氧化剂是用低温空气分离设备、膜或者吸附过程制备的工业纯氧。这种氧化剂的氧气浓度浓度通常大于90体积％。
此处所用的术语“辅助气体”是指氧气浓度与本发明特定实施方案中所用的主要或次要氧化剂中的氧气浓度不同的气体或者气体混合物(例如，空气、氮气、氧气或者燃烧再循环产物)。
附图1和2所示的富氧粉碎固体燃料燃烧器10，实现了增强的燃烧回落、火焰稳定性和火焰温度、长度以及形状的控制，特别是对于低挥发性的固体燃料而言。该燃烧器包括三条通道——内氧化剂通道12和围绕环形固体燃料/输运气体通道16的环形氧化剂通道14。任选的外套管通道18可以用于辅助气体。相对于常规固体燃料燃烧器技术，可通过调节内和外氧化剂流动、控制反应物流动分布以及调节反应物速度，可以获得增强的性能。
参照附图1，氧化剂流20进入内氧化剂通道12的入口22，并被传输到到所述通道的出口24。该氧化剂(或者另一氧化剂)的另一流26进入环形氧化剂通道14的入口28，并被传输到所述通道的出口30。任选的辅助气体流32可从任选的外环形通道18的入口34传输到所述通道的出口36。输运气体(例如空气、氮气、燃烧再循环产物、天然气、富氧空气)和固体燃料(例如粉碎煤)的混合物流38进入环形固体燃料/输运气体通道16的输入口40，并被传输到所述通道的输出口42。
如附图1和3所示，固体燃料分层器(stratifier)44和分离器(separator)46设置在环形固体燃料/输运气体通道16中。固体燃料分层器和分离器的组合将燃料和输运气体混合物分成两个不同性状的流。
本领域技术人员将认识到，存在多种实施分层和分离过程的设备和方法(其组合下面称为析离)。此处所述的实施方案之一使用旋涡发生器作为固体燃料分层器44、旋涡溢流管作为分离器46。旋涡发生器利用离心力将固体燃料/输运气体流分层为外稠密部分流48和内稀薄部分流50，如附图2和3中所示。稀薄部分流中的固体燃料与输运气体的质量比低于稠密部分流中的固体燃料与输运气体的质量比。离心力也影响基于粒子尺寸的分层，使得稠密部分流通常比稀薄部分流包含更大百分比的粗粒子。
实现这种析离的一个优点在于，由于缺少输运气体，该气体否则将吸收大量的局部可利用的热能，所以外稠密部分流更快加热48。因此，与该流更稀释时相比，固体燃料中的挥发物种以更高的速度驱出并且燃烧得更加迅速。这样，燃烧器火焰在靠近燃烧器尖端的位置自动点火，而且比燃烧器10没有这种析离能力时内在地更稳定。也就是说，燃烧器火焰前部会更接近燃烧器的离开平面形成，并且不太可能显示由于工艺扰动而出现的不稳定或者熄灭。而且，由于挥发物质的燃烧靠近燃烧器尖端发生，因此与挥发物质延迟燃烧相比局部气态环境更加富含燃料。相对于未析离流，这会有利于减少NOx排放。
稀薄部分流50，一般由表面积体积比稠密部分流48中存在的粒子高的更细小固体粒子组成，邻近内氧化剂流20排出燃烧器10。具有单位体积高表面积的细小固体粒子和富氧内氧化剂流增强的氧化能力加速稀薄部分流的燃烧。稀薄部分流的燃烧产物因而贡献进一步有助于稠密部分流的点火和稳定的热能和化学活性物种(自由基)。
外稠密部分流48和内稀薄部分流50中的固体粒子的析离性能，可通过改变旋涡溢流管(分离器46)的尺寸和/或径向设置来改变，如附图4A和4B所示。为例示的目的，附图4A表示了一种基本情况，其中旋涡溢流管具有特定的水力半径，稠密部分流48和稀薄部分流50的固体粒子与输运气体的相对质量流量比由该基本情况中那些流的阴影的相对差异加以表示(较黑的阴影代表较高的固体粒子与输运气体质量流量比)。在附图4B中所示的实施方案中，相对于所述基本情况，旋涡溢流管具有更大的水力半径。该图中，稠密部分流48的更高的固体粒子与输运气体质量流量比用更黑的阴影表示(相对于基本情况中的稠密部分流48)，而附图4B中的稀薄部分流50与基本情况中的稀薄部分流相比也具有更黑的阴影。
此处所用的术语“水力半径”等于旋涡溢流管边界内横截面积与旋涡溢流管周长的比值的两倍。本领域技术人员将认识到，分离设备(在该情况下指旋涡溢流管)可呈现不同的截面形状，包括但是不限制于圆形、椭圆形、多边形或者其他不规则形状或者它们的组合。此外，固体粒子与输运气体质量流量比的调节也可以通过改变分层和分离设备的轴向间距d来实现(参见附图5A)。
如附图5A和5B中所示，固体燃料和输运气体混合物流38(参见附图1)的空气动力性能可以通过使用在旋涡溢流管(分离器46)内的设备如旋流叶片52或整流叶片54进行改变。附图5A例示了具有旋流叶片的旋涡溢流管，而附图5B例示了具有整流叶片的旋涡溢流管。旋流叶片用于增加燃料和氧化剂之间的的混合速率，从而缩短火焰，而整流叶片可以使固体燃料/输运气体流呈流线型，从而降低混合速率、降低峰值温度以及增长火焰。所述叶片，或者类似的设备，可用作固体燃料/输运气体混合物的稀薄部分流50或稠密部分流48，或者该两者的流动改变器，从而调节反应物的混合达到希望的火焰性能。
这两种流(稠密部分流48和稀薄部分流50)的流动和混合性能也可通过燃烧器10的喷嘴尖端结构的改变而改变，如图6A和6B中所示。图6A例示了旋涡溢流管尖端60向内收缩，这使稀薄部分流50同内氧化剂在燃烧器喷嘴出口处更快速地混合。附图6B例示了固体燃料喷嘴62的向外发散，这使流出燃烧器喷嘴的稠密部分流48产生径向膨胀，从而导致在燃烧器喷嘴出口下游的逆流或者再循环流动低压核心。这种流动有利于提高火焰的稳定性。附图6A和6B的特点可以结合，使喷嘴尖端具有向内收缩旋涡溢流管尖端和向外发散的固体燃料喷嘴。本领域技术人员将认识到，还可通过调节多种反应物流的出口面的相对轴向位置来改变流动和混合性能。
本发明的一个重要优点在于，通过将内和外氧化剂流与稀释和稠密部分流相分别混合，来产生两个不同的燃烧区域的能力。附图7例示了本发明的一个实施方案，其中，这个优点可通过将内稀薄部分流50径向向内地引导向内氧化剂流20而实现。因此邻近燃烧器喷嘴出口产生较小的且稳定的内火焰64。还形成了外火焰65，其主要包括稠密部分流48、外氧化剂流26和再循环燃烧产物66。将旋涡赋予外火焰，导致形成逆流68区域。来自该逆流区域的再循环材料66直接与内火焰64相互作用，使再循环材料被加热和/或点火。随后该被加热(或点火)的再循环材料再次转向，携带其热能和/或点火源进入外火焰，进一步增加外火焰的挥发物种的释放速率和燃烧，提高火焰稳定性并降低NOx排放。此外，富燃料的稠密部分流48的外界面从与富氧气的外氧化剂流26的相互作用中受益。该界面处的加速加热进一步提高稳定性，同时增加来自外火焰的热辐射并降低碳携带(carboncarryover)。本领域技术人员将会意识到可以存在其它使用本发明混合反应物流的方法，以及可以由其获得的各种益处。
本发明一个重要特征是，固体燃料/输运气体流38与两个氧化剂流(20，26)在两个不同半径的两个界面上接触。这增加燃料/输运气体和氧化剂之间的表面接触面积，同时也减少氧化剂和燃料互相扩散经过的燃料/输运气体流的有效厚度。这与其中燃料和氧化剂仅共有单一界面的常规燃烧器相比，加速了燃料的反应。
这种结构的另外一个优点在于，改变氧化剂流(20，26)的流量和速度，从而控制燃料/输运气体流38内外界面的剪切力。因此，例如，如果使用低挥发的固体燃料或者期望得到较短的火焰，那么可将燃烧器喷嘴出口处内和外氧化剂流(20，26)的速度设计成不同于与稀释和稠密部分流(48，50)的速度。特别地，如果外氧化剂流26的速度显著大于稠密部分流48的速度，且内氧化剂流20的速度显著小于稀薄部分流50的速度，那么剪切速率将较高，促进快速混合和轴向动量的耗散，结果获得较短、稳定的火焰。相反，如果要使用高挥发性的固体燃料或者预期得到较低温度的长火焰，那么燃烧器喷嘴出口处氧化剂流和燃料流的速度将保持在大致相同的数量级，从而减小剪切速率，降低轴向动量的耗散速率和反应物混合。
许多现有技术的固体燃料燃烧器的一个限制在于十分不利的窄燃料燃烧速率范围。这通常因为在燃烧回落情况下固体燃料/输运气体流轴向动量的破坏而发生。如图8中所示，在相对靠近燃烧器喷嘴出口面72的位置，火焰70倾向于变得非常松散(lazy)，导致火焰结构破坏。而旋涡74，如附图9中所示，能够加入到粉碎燃料/输运气体流中以保持内聚的火焰结构，这具有缩短和增宽火焰76的增加的效果，总不总是所需要的。
本发明通过向内氧化剂通道12增加流体而增加火焰动量来在燃烧回落时保持内聚火焰结构。如附图10所示，粉碎的固体燃料78被带入高动量中央氧化剂射流80中。这个行为加强了燃烧器的火焰结构，从而使火焰更大地穿透进入工艺加热区域，而不会屈服于紊流燃烧环境中内在地难以控制的浮力导致的变形。本发明的这一方面在丧失对火焰形状、长度或者轨迹控制会对工艺安全或效率产生有害影响的应用中特别重要。
本领域技术人员将会意识到，内氧化剂通道12和环状氧化剂通道14之间的氧化剂流速的分歧可以以几种方法改变。例如，可使用阀来改变向两条通道的流动。另一种方法是使用自动流量控制器和两个单独进行控制的计量管线来向两条通道供应氧化剂。
取决于固体燃料性能和工艺限制，有时期望通过使用内氧化剂通道12内的旋涡发生器(或者旋流器)84进一步增强火焰稳定性，如附图11所示。使用时，该内氧化剂旋流器84会沿燃烧器轴向产生小的再循环区域，该区域依靠其量级和位置，通过促进粉碎固体燃料的夹带和再循环，以及通过在燃烧器喷嘴出口紧接的下游处增加停留时间和热释放，来帮助固定火焰。
本发明通过在固体燃料/输运气体混合物流即将从燃烧器喷嘴排出之前析离固体燃料/输运气体混合物流，增加粒子加热和脱挥发分速率以及通过氧化剂流围绕固体燃料/输运气体混合物流两侧，来提高燃烧器火焰的稳定性。此外，通过以可控的方式改变外和内氧化剂通道的氧化剂流量比例，来扩大燃烧器燃烧回落范围。因此，在燃烧回落(即燃烧速率下降)的情况下，增加内与外氧化剂的比例，从而加强燃烧器火焰的轴向动量，防止在常规固体燃料燃烧器技术中发生的内聚火焰结构的丧失。通过相同的机理，本发明也有助于在负荷降低时增长火焰。因此，本发明提供了一种在整个运行期间里维持几乎恒定的火焰长度的方式。
尽管参照某些具体的实施方案做了说明描述，但本发明并不限于所公开的细节。相反，在权利要求的范畴和等价范围之内，可以进行各种细节变化并且不脱离本发明的精神。

Claims (24)

1.一种用于燃烧固体燃料的燃烧器，包括：
第一氧化剂导管，其具有第一纵轴、第一氧化剂入口和与第一氧化剂入口隔开的第一氧化剂出口，所述第一氧化剂导管适于以第一流速传输氧化剂第一物流进入第一氧化剂入口和排出第一氧化剂出口，该氧化剂具有大于约21vol％的氧气浓度；
固体燃料导管，其具有基本上平行于第一纵轴的第二纵轴、输入口和与输入口隔开的输出口，该固体燃料导管围绕所述第一氧化剂导管，从而在第一氧化剂导管和该固体燃料导管之间形成第一套管，所述第一套管适于传输输运气体和多个固体燃料粒子的混合物进入输入口和排出输出口；
第二氧化剂导管，其具有基本上平行于第二纵轴的第三纵轴、第二氧化剂入口和与第二氧化剂入口隔开的第二氧化剂出口，该第二氧化剂导管围绕所述固体燃料导管，从而在固体燃料导管和第二氧化剂导管之间形成第二套管，所述第二套管适于以第二流速传输氧气浓度大于约21vol％的所述氧化剂或其它氧化剂的第二物流，所述第二物流进入第二氧化剂入口和排出第二氧化剂出口；和
将输出口附近的混合物析离成邻近第一氧化剂导管的该混合物的稀薄部分流和邻近固体燃料导管的该混合物的稠密部分流的装置，所述稠密部分流包含输运气体与固体燃料的第一质量比，所述稀薄部分流包含输运气体与固体燃料的第二质量比，该第二质量比大于该第一质量比，
其中，排出第一氧化剂出口的至少一部分氧化剂第一物流在燃烧期间与至少一部分稀薄部分流结合，从而形成邻近输出口的内燃烧区域，和
其中，排出第二氧化剂出口的至少一部分所述氧化剂或者另一氧化剂第二物流在燃烧期间和至少一部分稠密部分流结合，从而形成接近内燃烧区域的外燃烧区域。
2.权利要求1所述的燃烧器，进一步包括：
辅助气体导管，其具有基本平行于第三纵轴的第四纵轴、辅助气体入口和与辅助气体入口隔开的辅助气体出口，所述辅助气体导管围绕第二氧化剂导管，从而在第二氧化剂导管和辅助气体导管之间形成第三套管，所述第三套管适于以第三流速传输辅助气体，所述辅助气体进入辅助气体入口并排出辅助气体出口。
3.权利要求1所述的燃烧器，进一步包括设置在第一氧化剂导管内的旋流器。
4.权利要求1所述的燃烧器，其中所述用于析离混合物的装置包括：
旋涡发生器，靠近输出口设置在第一套管内；和
旋涡溢流管，设置在第一套管内，与旋涡发生器隔开一定距离设置在旋涡发生器和输出口之间某一位置，所述旋涡溢流管的水力半径小于第一套管的第一水力半径。
5.权利要求4所述的燃烧器，其中通过增加或者降低旋涡溢流管的水力半径和旋涡发生器与旋涡溢流管间距的至少之一来调节所述混合物的析离。
6.权利要求4所述的燃烧器，其中所述旋涡溢流管具有适于与稀薄部分流和稠密部分流的至少之一相接触的旋流叶片或者整流叶片。
7.权利要求4所述的燃烧器，其中所述固体燃料导管的输出口和旋涡溢流管靠近输出口的一部分形成喷嘴尖端结构，该喷嘴尖端结构通过输出口的向外发散和靠近输出口的旋涡溢流管部分的向内收敛至少之一加以改变。
8.权利要求1所述的燃烧器，其中第一流速和第二流速的至少之一是可变的。
9.权利要求1所述的燃烧器，其中第一氧化剂导管和固体燃料导管基本同轴。
10.权利要求1所述的燃烧器，其中第一氧化剂导管、固体燃料导管和第二氧化剂导管中的至少两个同轴。
11.权利要求1所述的燃烧器，其中所述输出口和第一氧化剂出口基本互相平行并且基本在第一平面内，所述第一平面基本垂直于输出口处的第二纵轴和第一氧化剂出口处的第一纵轴，且
其中，氧化剂第一物流的一部分最初在该第一平面附近与混合物的稀薄部分流的一部分相接触。
12.权利要求11所述的燃烧器，其中所述氧化剂或者另一氧化剂第二物流的一部分，最初在和该第一平面隔开的另一平面附近与混合物的稠密部分流的一部分相接触。
13.一种燃烧固体燃料的方法，包括以下步骤：
提供第一氧化剂导管，其具有第一纵轴、第一氧化剂入口和与第一氧化剂入口隔开的第一氧化剂出口；
通过第一氧化剂导管以第一流速传输氧气浓度大于约21vol.％的氧化剂第一物流，该第一氧化剂进入第一氧化剂入口并排出第一氧化剂出口；
提供固体燃料导管，其具有基本平行于第一纵轴的第二纵轴、输入口和与输入口间隔的输出口，固体燃料导管围绕着第一氧化剂导管从而在第一氧化剂导管和固体燃料导管之间形成第一套管；
通过第一套管传输输运气体和许多固体燃料粒子的混合物，混合物从输入口进入，从输出口排出；
提供第二氧化剂导管，其具有基本平行于第二纵轴的第三纵轴、第二氧化剂入口和与第二氧化剂入口隔开的第二氧化剂出口，第二氧化剂导管围绕固体燃料导管从而在固体燃料导管和第二氧化剂导管之间形成第二套管；
通过第二套管以第二流速传输氧气浓度大于约21vol％的所述氧化剂或另一氧化剂的第二物流，该第二物流进入第二氧化剂入口并排出第二氧化剂出口；
将输出口附近的混合物析离成邻近第一氧化剂导管的该混合物的稀薄部分流和邻近固体燃料导管的该混合物的稠密部分流，所述稠密部分流具有输运气体与固体燃料的第一质量比，所述稀薄部分流具有输运气体与固体燃料的第二质量比，该第二质量比大于该第一质量比；
使至少一部分所述氧化剂第一物流和至少一部分稀薄部分流进行燃烧，从而邻近输出口形成内燃烧区域；和
使至少一部分所述氧化剂或另一氧化剂第二物流和至少一部分的稠密部分流进行燃烧，从而在内燃烧区域附近形成外燃烧区域。
14.权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：
提供辅助气体导管，其具有基本平行于第三纵轴的第四纵轴、辅助气体入口和与辅助气体入口隔开的辅助气体出口，该辅助气体导管围绕第二氧化剂导管从而在第二氧化剂导管和辅助气体导管之间形成第三套管；
通过第三套管以第三流速传输辅助气体流，所述辅助气体流进入辅助气体入口并排出辅助气体出口。
15.权利要求13所述的方法，其中，将旋流器设置在第一氧化剂导管内。
16.权利要求13所述的方法，其中，将旋涡发生器靠近输出口设置在第一套管内；和
其中将旋涡溢流管设置在第一套管内，与旋涡发生器隔开一定距离设置在旋涡发生器和输出口之间某一位置，所述旋涡溢流管的水力半径小于第一套管的第一水力半径。
17.权利要求16所述的方法，其中，通过增加或者降低旋涡溢流管的水力半径和旋涡发生器与旋涡溢流管间距的至少之一来调节所述混合物的析离。
18.权利要求16所述的方法，其中，所述旋涡溢流管具有适于与稀薄部分流和稠密部分流的至少之一相接触的旋流叶片或者整流叶片。
19.权利要求16所述的方法，其中所述固体燃料导管的输出口和旋涡溢流管靠近输出口的一部分形成喷嘴尖端结构，且所述喷嘴尖端结构通过输出口的向外发散和靠近输出口的旋涡溢流管部分的向内收敛的至少之一加以改变。
20.权利要求13所述的方法，其中，所述第一流速和第二流速的至少之一是可变的。
21.权利要求13所述的方法，其中，所述第一氧化剂导管和固体燃料导管基本同轴。
22.权利要求13所述的方法，其中，所述第一氧化剂导管、固体燃料导管和第二氧化剂导管中的至少两个同轴。
23.权利要求13所述的方法，其中，输出口和第一氧化剂出口两者基本互相平行，并且基本在第一平面内，所述第一平面基本垂直于输出口处的第二纵轴和第一氧化剂出口处的第一纵轴，且
其中氧化剂第一物流的一部分最初在该第一平面附近与混合物的稀薄部分流的一部分相接触。
24.权利要求23所述的方法，其中，所述氧化剂或者另一氧化剂第二物流的一部分，最初在和所述第一平面隔开的另一平面附近与混合物的稠密部分流的一部分相接触。
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