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CN102439363A - 带有再循环烟道气的预燃室的燃烧系统 - Google Patents

带有再循环烟道气的预燃室的燃烧系统 Download PDF

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CN102439363A
CN102439363A CN2009801377426A CN200980137742A CN102439363A CN 102439363 A CN102439363 A CN 102439363A CN 2009801377426 A CN2009801377426 A CN 2009801377426A CN 200980137742 A CN200980137742 A CN 200980137742A CN 102439363 A CN102439363 A CN 102439363A
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oxygen
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Abstract

本公开包括要与使用再循环烟道气的氧-燃料燃烧器联合使用的预燃室系统。还公开了将料流引入预燃室以实现火焰性质的所需改进的方法。

Description

带有再循环烟道气的预燃室的燃烧系统
对相关申请的交叉引用
本申请要求2008年9月26日提交的临时申请No. 61/100,372的权益。该临时申请的公开内容经此引用并入本文。
本申请与下列申请相关：申请No. 12/238,612，名称为“OXY/FUEL COMBUSTION SYSTEM WITH LITTLE OR NO EXCESS OXYGEN”，代理人卷号No. 07228 USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文；申请No. 12/238,632，名称为“COMBUSTION SYSTEM WITH STEAM OR WATER INJECTION”，代理人卷号No. 07238 USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文；申请No.12/238,644，名称为“COMBUSTION SYSTEM WITH PRECOMBUSTOR”，代理人卷号No. 07255 USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文；申请No. 12/238,657，名称为“OXY/FUEL COMBUSTION SYSTEM WITH MINIMIZED FLUE GAS RECIRCULATION”，代理人卷号No. 07257 USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文；申请No. 12/238,671，名称为“CONVECTIVE SECTION COMBUSTION”，代理人卷号No. 07254 USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文；申请No. 12/238,695，名称为“OXY/FUEL COMBUSTION SYSTEM HAVNIG COMBINED CONVECTIVE SECTION AND RADIANT SECTION”， 代理人卷号No. 07247 USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文，和申请No. 12/238,731，名称为“PROCESS TEMPERATURE CONTROL IN OXY/FUEL COMBUSTION SYSTEM”，代理人卷号No. 07239 USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文，和申请No. 12/238,713，名称为“TRANSIENT OPERATION OF OXY/FUEL COMBUSTION SYSTEM”，代理人卷号No. 07259 USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文。
背景技术
本公开涉及燃烧系统。特别地，本公开涉及氧/燃料燃烧系统。
在CO2捕获和/或提纯方面，锅炉和工艺加热器从空气/燃料转化成氧/燃料运行代表对成熟技术的重大修改。围绕引入这些锅炉和加热器性能中的效应的大量技术论述着眼于辐射和对流交换之间的传热分布及其对工艺效率和部件寿命的影响。
许多大型锅炉和加热器用许多燃烧器运行。这些燃烧器赋予反应物以混合和动量，这基本决定如火焰长度、形状、光度和碳燃尽效率之类的因素。工艺工程师和操作员在多年运行期间微调这些性能因素以促成能够提高部件寿命和工艺效率的工艺条件。但是，已知的是，主要由于氮气与二氧化碳之间辐射系数和热容的差异，使用合成空气（CO2/O2）的氧/燃料运行用的反应物流速可能低于在同等空气/燃料燃烧率下的流速。由于现有商业实践中所用的燃烧器设计的数量极大，尝试优化各燃烧器设计是不实际的。更实际的是，提供可安装到现有或未来燃烧器上的装置以便为它们在锅炉和工艺加热器运行过程中遇到的火焰特性提供可调节性。本公开的目的因此是描述能够实现这种可调节性的在锅炉和工艺加热器中使用的氧-燃料燃烧器的运行装置和方法。
在固定燃料燃烧率下，烟道气再循环可能允许工艺操作员优化该系统内的热交换。通常，在空气/燃料燃烧的情况下，烟道气再循环与氧气流速的比例导致25至30摩尔%的O2在CO2中的混合浓度。考虑火焰温度匹配时的该含量不同于为使热交换特性匹配的该含量，这也取决于燃料。此外，燃烧器火焰动量在这种优化中的相对重要性基本未知。
美国专利No 5,256,058公开了使用在燃烧器和工艺炉之间的预燃室的氧-燃料燃烧器。美国专利No. 5,199,866公开了可调节的氧-燃料燃烧器。这些美国专利的公开内容经此引用并入本文。
在本领域中需要可以在燃烧器中使用再循环烟道气（RFG）以产生具有合意性质的火焰的氧/燃料燃烧系统和及其使用方法。
发明内容
本发明通过提供带有利用再循环烟道气、燃料和氧气以调节氧/燃料火焰的性质的预燃室的燃烧器解决与常规实践相关的问题。本发明的燃烧系统的合意方面包括：
· 将RFG和O2引入预燃室的各种构造
· 使用至少一定最低温度的RFG以促进点火
· 火焰稳定性，包括从预燃室端面发出的火焰
· 使用RFG控制燃烧系统的温度
· 几何参数
○ 预燃室横截面积随距离的变化
· 综合设计
○ 使用分段RFG（内部/外部或在内部分段）在燃烧器的整个燃烧率范围内保持一致的火焰动量
○ 使用分段O2（内部/外部或在内部分段）改变最大火焰温度和热释放速率。
本发明的一个方面涉及使用RFG以控制或改变某些火焰特性。例如，可以使用RFG作为热屏（thermal shield）（例如，在等效体积基础上，RFG作为热屏比使用空气或O2更有效）。这归因于RFG主要包含CO2和水蒸汽并因此在燃料存在下相对非反应性的事实，也归因于RFG与O2和N2两者相比更高的热容和辐射吸收性。尽管在本发明中可使用任何合适的RFG源，在无干粒子的基础上，RFG通常包含大约50至大约90体积%CO2，其余部分可以包括（be comprised of）氧气、氮气、氩气、一氧化碳、氮氧化物、硫氧化物和其它微量组分中的至少一种。RFG的水分数通常小于或等于在燃烧器入口温度下的水蒸气饱和量。RFG的粒子载量取决于燃料类型和在注入燃烧器之前可能的RFG过滤。
本公开在此包括要与使用再循环烟道气的氧-燃料燃烧器联合使用的预燃室系统。本公开还包括将料流引入预燃室以实现火焰性质的所需改进的方法。
本发明的一个方面涉及燃烧系统，其包含预燃室，该预燃室包含沿该预燃室延伸的通道，所述通道适合于从具有纵轴的燃烧器接收反应产物，其中该纵轴与该通道重合，且其中该燃烧器包含包围中心孔的至少两个环形流体孔，以使离开所述至少两个周围流体孔的流体包围离开该中心孔的流体，且其中离开这些孔的流体包含选自氧气、燃料、RFG及其混合物的至少一员。
本发明的另一方面涉及氧/燃料燃烧系统，其包含具有燃料导管和包围该燃料导管的氧气导管和包围该燃料导管和氧气导管中的至少一者的再循环烟道气导管的氧-燃料燃烧器，以及经定尺寸和定位以从该燃烧器接收料流的预燃室。
本发明的再一方面涉及燃烧燃料的方法，包括：提供燃烧系统，该燃烧系统包括预燃室，该预燃室包含沿该预燃室延伸的通道，所述通道适合于从具有纵轴的氧/燃料燃烧器接收料流，其中该纵轴与该通道重合，且其中该燃烧器包含包围中心燃料孔的至少两个同心流体孔，以使离开所述至少两个周围流体孔的流体包围离开该中心孔的燃料，且其中所述至少两个周围孔中的一个含有氧气和一个含有RFG，使氧气、燃料和再循环烟道气通过它们在氧/燃料燃烧器中的各自导管；和使这些料流通过预燃室；其中响应外部测量改变氧气和再循环烟道气中的至少一种的流速。
本文中公开了该方法和系统的其它方面。本领域技术人员根据下列详述和附图将会认识和理解如上论述的特征以及本发明的其它特征和优点。
附图的若干视图的简述。
图1-18显示本公开的各种方面。
图1和2显示本发明的燃烧系统的一个方面。
图3和4显示使用预燃室可实现的合意结果。
图5显示本发明中可用的不同预燃室。
图6至8显示与改变向燃烧器供应的料流的位置相关的本发明的某些方面。
图10和11显示通过控制向本发明的燃烧系统供应的RFG可实现的一个合意结果。
图12和13显示通过控制向本发明的燃烧系统供应的氧气可实现的一些合意结果。
图9和14至20显示与将向燃烧器供应的各种料流分段相关的本发明的某些方面。
图21至26显示通过本发明可实现的合意温度和速度分布。
发明详述
本文所用的术语“燃料”是指适合燃烧用途的任何燃料。例如，本公开可用于许多类型的燃料，包括但不限于：天然气、氢气、炼油厂废气、炼油厂燃料气体、高炉煤气、丙烷、燃料油、无烟煤、烟煤、次烟煤和褐煤；焦油；沥青；石油焦；造纸厂污泥固体物和下水道污泥固体物；木材；泥炭；草；和所有这些燃料的组合和混合物。本文所用的术语“氧气”是指O2 浓度大于大约30摩尔%；通常大于大约80摩尔%的氧化剂，并包括富氧空气和与再循环烟道气混合的氧气。本文所用的术语氧/煤燃烧是指在氧气中的煤燃烧，术语空气/煤燃烧是指在空气中的煤燃烧，术语氧/燃料燃烧是指在氧气中的燃料燃烧，和术语空气/燃料燃烧是指在空气中的燃料燃烧。本文所用的术语“燃烧流体”是指由燃烧产物形成和/或与燃烧产物混合的流体，其可用于对流传热。该术语不限于燃烧产物并可包括与至少一部分燃烧系统混合或以其它方式行经至少一部分燃烧系统的流体。本文所用的术语“再循环烟道气”或“RFG”是指在沿对流段的任何合适位置（包括末端）离开的再循环到该系统任何部分的流体。如果需要，氧气可以在任何合适的位置添加到RFG中（例如，在引入燃烧器和/或预燃室之前，RFG可包含最多30摩尔%O2）。本文所用的术语“烟道气再循环”或“FGR”是指允许燃烧流体再循环到再循环烟道气中的构造。尽管可以使用任何合适的烟道气源（包括但不限于，来自毗连或独立工艺的烟道气），但该烟道气通常包含来自本发明的系统的使用的燃烧产物。
现在参照附图，图1和2显示本公开的一个示例性实施方案。燃料从燃烧器3经导管或管道1引入预燃室2。氧气经导管或管道4引入并包围燃料导管1，再循环烟道气经导管或管道5引入并包围氧气导管4。燃料、氧气和再循环烟道气可根据常规装置和方法连接和供应至它们各自的导管。暴露在适当条件下时，燃料和氧气沿预燃室2的长度反应以便在预燃室端面6形成火焰，由此将热释放到炉或利用热的其它环境（未显示）中。
经一个或多个下列来源吸收的热可引发氧气与燃料反应：
· 来自炉的辐射
· 辐射（直接）或经中间RFG流的传导/对流形式的来自预燃室壁的能量
· 来自反应物预热的对流
· 独立能量源，如点火器或引燃火焰（pilot flame）。
在燃料和氧气反应时，反应物燃烧，由此消耗并转化成产物，反应混合物的温度提高。随着温度提高，反应速率进一步提高，导致随着沿预燃室的距离逐渐更快地出现温度变化。也就是说，温度 vs. 距离曲线相对于距离轴是凹形的。由于气体密度与温度成反比，密度因此随距离急剧降低。在具有恒定流动横截面积的预燃室中，结果逐渐提高混合物速度。计算结果显示在图3中，其显示随氧气-天然气火焰经过预燃室的距离，混合物温度和速度的提高。现在参照图3和4，在标称长径比为10的预燃室中可达到3倍的平均混合物速度提高。图3和4中所示的x/D是从燃料喷嘴出口到预燃室出口的距离除以预燃室横截面的液力内径。在圆形通道的情况下，液力直径等于实际直径。对非圆形横截面而言，例如，液力直径Dh可以等于（横截面积除以周长）的四倍。
用于这种相同建模情况的预燃室内的氧气消耗显示在图4中。类似于温度和加速度的趋势，该图显示随沿预燃室长度递增的距离，氧气消耗的变化。氧气消耗表明，热火焰界面与相对较冷的预燃室壁之间的气体屏障发生侵蚀。因此，为了实现如图3中所示的反应混合物的高加速程度，预燃室中的氧气有几乎或完全消耗的危险。在本发明的一个方面中，使用RFG作为预燃室壁（图2中的7）和氧气/燃料之间的气体屏障或缓冲以控制预燃室壁的温度（例如，RFG可具有大约373至大约1273K的温度）。如果不存在RFG保护预燃室壁免受热焰破坏，该壁会暴露在高温氧/燃料火焰下并可能最终受到高温破坏。无论如何，RFG的存在降低，即使不防止，其发生并由此实现更大运行范围。氧气消耗 vs 距离曲线的性质（即大于线性氧气消耗）也表明，随着预燃室长度和加速等级提高，反应的控制变难。也就是说，反应速率的小微扰（例如可能由反应物流动不均匀性或外加湍流引起）会造成随着燃烧反应继续进行，氧气消耗提高速率的逐渐递增。在一些情况下，这在不使用RFG的构造中造成运行条件的更窄范围。
上述图表明，RFG存在的一个合意益处是提供辅助屏障以防止高温火焰界面与预燃室壁之间的接触。不希望受制于任何理论或解释，但据信，RFG流的保护作用主要取决于预燃室壁与氧气流外缘之间的距离（例如，因为这可规定RFG流的初始屏障宽度）。但是，另一参数是RFG、燃料和氧气流之间的相对流速和速度。归因于例如使用具有低RFG流速的大RFG通道的RFG与氧气之间的高速度差可能造成RFG与氧气流的快速剪切混合和保护性屏障的随后侵蚀。与太小RFG通道宽度结合的太大RFG流速可能造成类似效应。因此可以建立与预燃室尺寸相容的RFG流速范围。为使反应性O2流体与保护性RFG流之间的混合最小化，初始流速比（R1=速度O2/速度RFG）可以在下列方程式1规定的范围内。更通常，R1可以为大约0.3至大约3.0。
0.5 < R1 < 2.0      [1]
通过具有随距离而降低的预燃室流道横截面，可以提高火焰加速程度以超过用恒定流动横截面可达到的程度。尽管这种预燃室设计照惯例由于料流流向的改变和热气随后压向预燃室壁而不合意，但根据本发明使用RFG控制温度使这可行，由此增宽由单燃烧器可实现的火焰动量范围。参照图5a至5c，在图5a和5b中显示具有会聚预燃室设计的两个构造。图5a和5b显示具有以图1和2中所示的方式供应的氧气、燃料和再循环烟道气的预燃室10，其中预燃室的横截面尺寸改变。图5a显示具有邻近预燃室端面的降低横截面11的预燃室10。图5b显示具有会聚横截面12及其后的降低和均匀横截面13的预燃室10。预燃室10也可以使用直预燃室段14，其后为发散段15，再通往工艺炉（未显示）。在这种情况下，如图5c中所示，在如上所述的直段中发生加速，而发散段促进炉气体（不同于再循环烟道气）的再循环，这提高湍流混合，有助于火焰回火（即稀释）和可能降低NOx排放。
因此，具有RFG的预燃室设计是本发明的一个合意方面并可用于控制燃烧器的运行以及调节火焰特性。通过下列方程式2，更通常通过下列方程式3显示燃料和氧化剂的初始流速之间的合意的设计关系，其中R2等于速度O2/速度燃料。
0.5<R2<2.0    [2]
0.3<R2<3.0    [3]
预燃室中RFG的使用简单地通过充当火焰与壁之间的缓冲来实现燃料和氧气的更高预燃程度和因此，燃料/氧气流进入工艺炉的更高加速程度，同时RFG流本身的动量可用于调节火焰特性。RFG流可以在渗入该炉时增加反应混合物的总体积和动量，由此抵消浮力的的作用。由此，RFG的使用是延长火焰和稳定湍流炉环境内的环境的有效手段。但是，本领域技术人员会认识到，通过具体控制RFG流，可以实现额外作用。例如，在RFG流中增加涡旋可能导致火焰在进入炉空间时变短和变宽，同时其也提高O2与RFG之间的剪切，由此降低保护层的宽度。
与预燃室一起使用RFG的另一益处是作为燃料和氧气在预燃室内的点火手段。例如，可以提高RFG流的温度至一定程度以向燃料和氧化剂流提供所有或一部分点火能量以促进该混合物在预燃室内的快速点火。这可以以几种方式实现。例如：
· 如图2中那样在氧气和燃料外部引入热RFG
· 如图6和7中那样与氧气或燃料掺合的热RFG
· 如图8中那样位于氧气和燃料之间的热RFG。
现在参照图6、7和8，图6和7显示图2中所示的燃烧系统的一个方面，例外是将一部分RFG引入燃料和氧气至少一种中。可以使用常规连接线路和方法将RFG与燃料和氧气至少一种合并。图8显示另一输送布置，其中在燃料与氧气之间引入RFG。在图6-8中所示的各方面中，使用预燃室2。
利用热RFG向预燃室内的反应物提供点火能量的优点在于，其不要求为该方法增加单独的热交换器。也就是说，已将该RFG流加热至例如随炉系统的运行而变的温度。在本发明的这一方面中，该RFG具有大约373至大约1273 K的温度。
本发明的另一方面涉及通过如图9中所示延迟RFG流与氧化剂和燃料流之间的混合来在保持RFG的保护性益处的同时改进火焰稳定性。现在参照图9，这可以通过利用屏障8将进入预燃室2的RFG流入口5分段以使相对较纯的O2流4可以与燃料1混合以引发燃烧来实现。随后在燃料/氧气混合物下游添加RFG5以保护预燃室壁免受火焰撞击。
根据本发明用RFG运行的氧-燃料燃烧器可以在宽的条件范围内稳定地以几乎恒定动量运行。例如，在图10中所示的本发明的另一方面中，预燃室2连向燃烧器3，其使用由RFG流20供应的两个RFG流21和22。一个RFG流21流经预燃室，而另一RFG流22在预燃室外流动。RFG流20中的阀23能够根据工艺变量控制内部/外部RFG分流。可用于起动阀23和改变内部/外部RFG分流的工艺变量包括，但不限于，燃烧率、观察火焰的传感器、测量预燃室温度的传感器、炉中的热通量传感器、排放物测量或炉气体/工艺流体温度或其组合。例如，当使用燃烧器燃烧率作为起动变量时，控制方案可以如下进行：在相对较低燃烧率下，内部RFG流最大化，由此增加动量和因此保持燃烧器火焰长度，而在相对较高燃烧率下，外部RFG流最大化，因此缩减内部动量，同时火焰长度在名义上保持相同。
上一段中公开的本发明的方面涉及运行本发明的燃烧系统以使燃烧器火焰长度的变化最小化的方法并定性显示在图11中。现在参照图11，图11显示改变内部/总RFG流速比的影响。例如，当燃烧器在其最低燃烧率设定下运行时，通常需要使内部RFG流速保持相对较高。类似地，在相对较高的燃烧率下，外部RFG流高。在图11中，显示产生基本恒定火焰长度（即通过燃烧器动量控制）的内部/总RFG的变动。通过如该图中定性描述的那样可能改制和适当改变RFG，本发明能够产生具有基本恒定动量的火焰，即使燃烧率可能提高或降低。因此，图10和11中所示的本发明的方面也可扩展燃烧器的燃烧率范围。
在图12中显示本发明的另一方面，其中在图10的方面中增加可控的内部和外部氧气（相对于预燃室）。图12中所示的方面提供能够提高对NOx排放和火焰性质如温度和热通量的控制的优点。例如，通过在固定燃烧率下减少内部O2和增加外部O2，降低最大火焰温度和热通量，通常延长火焰，并以导致（热和燃料）NOx生成量降低的方式改变反应化学。或者，通过经阀24增加内部O2和减少外部O2，可以实现更高的最大火焰温度和更短、更紧凑的火焰以及更高的最大热释放速率。RFG在这方面中起到的有用作用是实现更有力（aggressive）或受控的“分段”（例如，在内部和外部O2流之间的更大离散）和因此，对最大火焰温度、热通量、火焰长度和NOx排放的更宽控制范围，而不牺牲火焰稳定性或预燃室机械完整性。类似于图10所示的本发明的方面，用于控制内部 vs. 外部氧气分流的起动变量或参数可以在上述组别中，或来自对所涉工艺炉的运行更重要的另一组。
由预燃室内RFG和O2的同时可变性提供的额外火焰控制自由度定性显示在图13中。对于内部/总O2比的各个值，描绘内部/总RFG随燃烧器燃烧率的变动，它们产生恒定火焰长度。注意，随着该比率降低，燃烧效率最终降低，并可能达到可实现的氧气分段程度的实用极限。该实际极限取决于燃料性质、炉和燃烧器设计。
现在参照图14至19。这些图显示本发明的另一些方面，其中可通过分段控制一个或多个材料流。现在参照图14和15，这些图显示实现预燃室内的O2分段或RFG分段的方式的一个实例。现在参照图16和17，这些图显示实现燃烧器/预燃室系统内的O2分段或RFG分段但不将所有O2或RFG注入预燃室反应空间的方式。如果需要，也可以借助如图10和12中所示的控制阀实现这两个O2流之间或这两个RFG流之间的比率。
在本发明的一个方面中，可以使用多个O2和或RFG入口流控制或改进火焰稳定性。例如，如图18中所示，中心第一O2和第二O2流可包围燃料流。O2与燃料流之间的这种增加的接触面积提高火焰稳定性并可减少燃料NOx（由燃料氮产生的NOx），这因此对固体或液体燃料而言尤其重要。或者，可以如上所述使用RFG加热燃料和/或O2。但是，为了促进氧化剂流与燃料流之间的混合，可以在氧化剂和燃料流之间使用仅一部分RFG。其余RFG（如果需要，其可处于低得多的温度）可如图19中所示作为保护剂在氧化剂流外部注入预燃室。
现在参照图20，该图显示本发明的另一方面，其将与可能撞击预燃室壁的燃料相关联的归因于燃料雾化（例如液体燃料）或燃料输送（例如固体燃料）的任何不利影响减至最低。在这方面中，燃料喷嘴可以如图20中所示移动或延伸到预燃室内。
除上述各种方面外，可以在不背离本发明范围的情况下合并上述方面以产生其它方面或实施方案。例如，预燃室和/或料流入口可以是非圆形的，如矩形或多边形。这使火焰成型以实现更方向特异性的辐射释放。
提供下列实施例以例证本发明的某些方面且不应限制所附权利要求的范围。
实施例
ANSYS/FLUENT版本6.3计算流体动力学（CFD）软件包进行本发明的某一方面的分析。结果显示在图21至26中。该分析中建模的燃烧器具有图2中公开的构造。也就是说，在中心导管引入燃料（在这种情况下为天然气），在第一环形导管中引入氧气，并在第二（外）环形导管中引入再循环烟道气（RFG）。假定RFG为纯CO2。来自燃烧器的料流排出到9英寸直径×20英寸长的预燃室中，其排放到炉中。各种通道的流动横截面积列在表1中。
表1
导管 横截面流动面积（平方英寸）
燃料 3.14
氧气 7.49
再循环烟道气 53.0
氧气和天然气的入口温度均为300K。假定再循环烟道气为纯CO2并在500K下引入。氧气和RFG流按比例引入以使它们如果合并，所得混合物具有28%的氧摩尔浓度。也就是说：
氧气摩尔数/[氧气摩尔数+ RFG摩尔数] = 0.28。
现在参照图21和22，这些图21和22分别显示在15 MMBtu/hr热燃烧率下运行的表1的本发明的燃烧器的模型温度和X方向速度。类似地，图23和24分别显示在3 MMBtu/hr下运行的本发明的燃烧器可产生的温度和速度场。这种分析表明，随着燃烧率从15降至3 MMBtu/hr，由温度轮廓线估计的火焰长度保持基本相同。此外，由温度和速度轮廓线的形状看出，在 “极限负荷（turndown）”或3 MMBtu/hr条件下的火焰轨迹仅极小地被浮力扭曲（上拉）。
将图23和24中所示的系统的特征与用在28摩尔%O2下预混并分配到氧气和RFG导管中的氧气和RFG运行的相同燃烧器进行比较。极限负荷情况的温度和速度轮廓线分别显示在图25和26中。当比较类似参数时，对预混的O2/RFG而言，浮力诱发的变形更显著。不希望受制于任何理论或解释，但据信，这归因于在预混燃烧器的情况下最初与燃料接触的氧化剂的氧浓度比本发明的燃烧器低得多，因此减慢初始燃烧反应并降低经过预燃室的气体加速。此外，也据信，本发明的燃烧器的增加的益处在于，基本惰性的外部RFG能够提供预燃室壁的更有效温度保护。在这种比较中，本发明的燃烧器在图23中所示的情况下的最高预燃室壁温度比预混燃烧器在图25中所示的情况下的低大约73 K。尽管本发明的燃烧器的预燃室内的最高火焰温度为2184K，与此相比，预混燃烧器的为1260K，但仍存在本发明的燃烧器的这种较低的预燃室壁温度。最高火焰温度的这种相对较大的差异体现本发明的系统的稳定得多的火焰。本发明的系统可以在降低预燃室壁温度的同时实现更稳定的燃烧，由此在尽可能降低（即使不是消除）预燃室过度加热的同时实现更宽运行范围。
通过控制氧气和RFG的内部和外部（相对于燃烧器）流量，可以实现本发明的另一些有益作用，这构成本发明的另一些方面。如本文中所公开和如图10和12中所示的这些益处增加了在比不用本发明可实现的范围宽的条件范围内调节火焰特性以实现最佳结果的能力。
尽管已参照某些方面或实施方案描述本发明，但本领域技术人员会理解，可以在不脱离本发明的范围的情况下作出各种变动并可将其要素换成对等物。此外，可以在不脱离其基本范围的情况下对本发明的教导作出许多修改以适应特定情况或材料。因此，本发明无意局限于作为本发明的最佳实施方式公开的具体实施方案，但本发明包括落在所附权利要求的范围内的所有实施方案。

Claims (24)

1. 燃烧系统，该系统包含：
预燃室，该预燃室包含沿该预燃室延伸的通道，所述通道适合于从具有纵轴的燃烧器接收反应产物，其中该纵轴与该通道重合，且其中该燃烧器包含包围中心孔的至少两个环形流体孔以使离开所述至少两个周围流体孔的流体包围该离开中心孔的流体，且其中这些孔中的一个含有氧气，一个含有燃料，一个含有RFG。
2. 权利要求1的燃烧系统，其中该中心孔包含至少一种燃料，该燃料包括选自天然气、氢气、炼油厂废气、炼油厂燃料气体、高炉煤气、丙烷、燃料油、无烟煤、烟煤、次烟煤和褐煤、焦油、沥青、石油焦、造纸厂污泥固体物和下水道污泥固体物、木材；泥炭和草的成员。
3. 权利要求1的燃烧系统，其中该RFG孔包围该氧气孔。
4. 权利要求1的燃烧系统，其中该燃烧器的尺寸足以实现大约0.3至大约3.0的流速比R1 = 氧气速度/RFG速度。
5. 氧/燃料燃烧系统，该系统包含具有燃料导管和包围该燃料导管的氧气导管和包围该燃料导管和氧气导管中的至少一者的再循环烟道气导管的氧-燃料燃烧器，以及经定尺寸和经定位以从该燃烧器接收料流的预燃室。
6. 权利要求1的燃烧系统，其中该预燃室包含与排出反应产物的该燃烧器的端部相邻的第一端和与炉相邻的第二端。
7. 权利要求6的燃烧系统，其中该预燃室的该第二端包含会聚口。
8. 权利要求6的燃烧系统，其中该预燃室的该第二端包含发散口。
9. 权利要求6的燃烧系统，进一步包含流量控制系统，其中再循环烟道气在进入氧/燃料燃烧器之前与氧气和燃料中的至少一种合并。
10. 权利要求6的燃烧系统，进一步包含流量控制系统，其中响应预定参数改变烟道气再循环的流速。
11. 权利要求6的燃烧系统，进一步包含流量控制系统，其中响应预定参数改变氧气的流速。
12. 权利要求10的燃烧系统，其中经该燃烧器引入RFG并将其余RFG引入该炉中。
13. 权利要求11的燃烧系统，其中经该燃烧器引入氧气并将任何剩余料引入该炉中。
14. 权利要求6的燃烧系统，其中经该燃烧器引入RFG并将该余料引入该炉中，和经该燃烧器引入氧气并将该余料引入该炉中。
15. 权利要求12的燃烧系统，其中该烟道气紧邻该燃烧器引入并流经该预燃室内的通道。
16. 权利要求13的燃烧系统，其中该氧气紧邻该燃烧器引入并流经该预燃室内的通道。
17. 燃烧燃料的方法，该方法包括：
提供燃烧系统，该系统包括预燃室，该预燃室包含沿该预燃室延伸的通道，所述通道适合于从具有纵轴的氧/燃料燃烧器接收料流，其中该纵轴与该通道重合，且其中该燃烧器包含包围中心燃料孔的至少两个同心流体孔，以使离开所述至少两个周围流体孔的流体包围离开该中心孔的燃料，且其中所述至少两个周围孔中的一个含有氧气和一个含有RFG；
使氧气、燃料和再循环烟道气通过它们在氧/燃料燃烧器中的各自的导管；和
使这些料流通过该预燃室；其中响应外部测量改变氧气和再循环烟道气中的至少一种的流速。
18. 权利要求17的方法，其中该外部测量包括选自燃烧率、观察火焰的传感器、测量预燃室温度的传感器、炉中的热通量传感器、排放测量和炉气体/工艺流体温度的至少一员。
19. 权利要求17的方法，其中形成火焰并以足以保持基本恒定的火焰长度的方式改变再循环烟道气的流速。
20. 权利要求17的方法，其中以足以保持预定NOx排放量的方式改变氧气和再循环烟道气流速。
21. 权利要求1的燃烧系统，其中经由这些通道传送至少三种不同的流体混合物。
22. 权利要求10的燃烧系统，其中预定参数包括燃烧器燃烧率、炉温度、燃料品质、烟道气温度、火焰强度、火焰长度、火焰稳定性中的一个或多个。
23. 权利要求17的方法，其中所述使氧气、燃料和再循环烟道气通过它们在氧/燃料燃烧器中的各自导管包括使至少三种不同的流体混合物通过该燃烧器。
24. 权利要求1的燃烧系统，其中该离开各孔的流体具有不同的组成。
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