專(zhuān)利名稱(chēng)：帶旋流冷卻面的部分燃燒式燃燒器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到碳質(zhì)燃料部分燃燒用的燃燒器，特別是用于煤粉等細(xì)碎的固體燃料的部分燃燒，燃料與含氧氣體一起送入工作壓力高達(dá)100巴的反應(yīng)器空間內(nèi)，以產(chǎn)生壓力合成氣體、可燃?xì)怏w或還原氣體。
碳質(zhì)固體燃料的部分燃燒也叫氣化，它是通過(guò)燃料與氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的。燃料主要含有碳和氫之類(lèi)可燃成分，它與輸入的氧氣和可能含有的其它蒸汽和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)而生成一氧化碳和氫氣。在某種溫度下還可能生成甲烷。
固體燃料部分燃燒基本上有兩種不同過(guò)程。第一種過(guò)程是粒子狀的固體燃燒在反應(yīng)器固定床或流化床內(nèi)，在大約低于1000℃的溫度下與含氧氣體進(jìn)行接觸。這種方法的缺點(diǎn)是不是所有的固體燃料都能以這種方式部分燃燒。例如高膨脹煤就不合適，因?yàn)槠淞Ｗ尤菀捉Y(jié)渣而使反應(yīng)器有被堵塞的危險(xiǎn)。
一種比較先進(jìn)的過(guò)程是細(xì)碎的燃料被氮或合成氣之類(lèi)載運(yùn)氣體在較高的速度下送入反應(yīng)器內(nèi)。在反應(yīng)器內(nèi)保持火焰，使燃料與含氧氣體在高于1000℃的溫度下發(fā)生反應(yīng)。碳質(zhì)燃料通常通過(guò)燃燒器送入反應(yīng)器內(nèi)，含氧氣體也是通過(guò)燃燒器送入反應(yīng)器內(nèi)。在某些工藝過(guò)程中，蒸汽或二氧化碳等調(diào)節(jié)氣體也通過(guò)燃燒器送入反應(yīng)器內(nèi)，這種調(diào)節(jié)氣體通常有利于減慢或防止氧氣與反應(yīng)器氣體過(guò)早接觸，過(guò)早接觸將導(dǎo)致反應(yīng)器氣體不理想地完全轉(zhuǎn)化。
本發(fā)明的燃燒器適合于采用任意方式(垂直的或水平的方式)將反應(yīng)物送入常規(guī)的、有耐火襯的部分氧化氣體發(fā)生器中，特別適用于有多個(gè)反應(yīng)物燃燒器的固體燃燒氣化裝置，燃燒器設(shè)在燃燒區(qū)相對(duì)的兩側(cè)，使反應(yīng)物水平方向送入，燃燒器的各射流互相沖擊，以促進(jìn)部分氧化過(guò)程並減少對(duì)耐火壁的燒蝕。
因?yàn)榛鹧鏈囟瓤赡苓_(dá)到2000℃或更高，所以對(duì)這種燃燒器首先關(guān)心的是防止在氣化過(guò)程中高熱流對(duì)燃燒器前端面的損壞，也涉及對(duì)燃燒器表面的損壞。為了防止燃燒器前端面過(guò)熱，已建議在燃燒器的前壁表面上加一層耐火襯面，和提供一個(gè)有內(nèi)部冷卻通道的空心壁構(gòu)件，冷卻液通過(guò)通道快速循環(huán)。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種燃燒器，使其中的冷卻液沿特定方式流動(dòng)，保證燃燒器的前端面均勻冷卻，以最大限度地減小熱應(yīng)力，因?yàn)樵谌紵鏖L(zhǎng)期工作時(shí)，熱應(yīng)力能使其損傷甚至損壞。
本發(fā)明為此提供一種燃燒器，供細(xì)碎固體碳質(zhì)燃料與含氧氣體一起在燃燒區(qū)內(nèi)部分燃燒使用，其特征如下有一個(gè)往燃燒區(qū)送燃料用的中心通道和出口;
至少有一個(gè)與該中心通道同軸、基本上是環(huán)形的第一環(huán)形通道，它有一個(gè)往燃燒區(qū)送氧化劑氣體的供氣口;
在燃燒器輸出端有一垂直于燃燒器縱軸的前端面，前端面有一中心孔，至少有燃料和氧化劑氣體通過(guò)該中心孔流入燃燒區(qū);該前端面有一空心壁構(gòu)件接至(a)用來(lái)將流體冷卻劑送至空心壁構(gòu)件內(nèi)通道的最靠近的初始端的輸送管;(b)用來(lái)將流體冷卻劑由該通道的終端就近送回的回流管;(c)一個(gè)限定該空心壁構(gòu)件內(nèi)通道的旋流裝置，使由輸送管送入空心壁構(gòu)件的流體冷卻劑圍繞燃燒器的縱軸沿螺旋方向流動(dòng)。
最好有一個(gè)基本上是環(huán)形的第二環(huán)形通道，第二環(huán)形通道與該第一環(huán)形通道同軸布置，並有一個(gè)往燃燒區(qū)內(nèi)送第二種氣體的供氣口。
這樣，本發(fā)明提供了一種燃燒器，它能夠長(zhǎng)期運(yùn)行，能使燃燒器前端面和燃燒器其它部分不受過(guò)高應(yīng)力影響。
現(xiàn)參照附圖舉例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明如下

圖1為本發(fā)明燃燒器前端部分的縱剖面圖;
圖2為沿圖1的Ⅱ-Ⅱ剖面線的橫剖面圖;
圖3為本發(fā)明的另一燃燒器前端部分的縱剖面圖;
圖4為沿圖3的Ⅲ-Ⅲ剖面線的橫剖面圖。
應(yīng)當(dāng)指出，圖中相同構(gòu)件均用相同標(biāo)號(hào)示出。
參見(jiàn)圖1和圖2，煤粉之類(lèi)的碳質(zhì)燃料部分燃燒用的燃燒器，以標(biāo)號(hào)10總體表示，它有一個(gè)沿縱軸14設(shè)置的中心通道12和一個(gè)用氮、二氧化碳或合成氣體之類(lèi)的載氣體往燃燒區(qū)送細(xì)碎固體燃料(箭頭A)的出口16。圍繞中心通道12同心設(shè)置基本上呈環(huán)形的送氧化氣體(箭頭B)的第一環(huán)形通道18，它有一自由端20形成一個(gè)出口，將氧化劑氣流送入燃燒區(qū)。出口20與縱軸14的夾角最好是15到60度左右，以便使其射出的含氧氣體氣流與由出口16射入下游燃燒區(qū)內(nèi)的固體燃料流相交並混合。氧化劑氣體將是含氧的氣體，也可以是含氧氣體與一種蒸汽或二氧化碳之類(lèi)調(diào)節(jié)氣體的混合氣。采用常規(guī)的隔離裝置來(lái)使通彼此徑向隔開(kāi)，例如用定位銷(xiāo)、定位片、定心葉片、隔片或其它常規(guī)手段使各個(gè)通道互相對(duì)稱(chēng)隔開(kāi)，並使其穩(wěn)定對(duì)準(zhǔn)，使其對(duì)反應(yīng)物的自由流通阻礙最小。
燃燒器10還有一個(gè)空心筒壁構(gòu)件26，它有一個(gè)形成前端面28的擴(kuò)大頂端部分，前端面28與燃燒器的縱軸14相垂直，空心壁構(gòu)件內(nèi)部設(shè)有旋流裝置29，該設(shè)置可以是多少可以透流體的，但是最好是不透流體的屏蔽層，形成一個(gè)螺旋通道30，該通道的一端接至往螺旋通道送流體冷卻劑(箭頭C)的輸送管34上，該螺旋通道的另一端接至由通道30(箭頭D)送出冷卻劑的回流管32上。輸送管可以隨意接至螺旋通道的任意一端，而回流管可以接到另一端。但是最好將輸送管輸送的流體冷卻劑，特別是象軟化水之類(lèi)的液體冷卻劑，送至螺旋通道30的外端。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是使在燃燒器端面下游燃燒產(chǎn)生的熱量可以進(jìn)行對(duì)流和輻射傳導(dǎo)，而避免空心壁構(gòu)件中的冷卻液基本上沸騰或完全沸騰。采用高速冷卻液通過(guò)螺旋通道可以保證燃燒器端面溫度均勻、金屬溫度低，從而延長(zhǎng)燃燒器的壽命。
當(dāng)采用水作為冷卻劑時(shí)，送入空心壁構(gòu)件中的水流量應(yīng)足夠大，以便在燃燒器最大熱輸出時(shí)進(jìn)入回流管中的水溫升高大致不超過(guò)約5℃，特別是小于3℃左右。最好是采用溫度低于大約210℃的軟化水作為冷卻劑。
當(dāng)上述燃燒器10借助含氧氣體使碳質(zhì)燃料(例如煤粉)氣化時(shí)，懸浮在氮、合成氣體和二氧化碳之類(lèi)的載運(yùn)流體中的煤粉即通過(guò)中心通道12送至出口16，以便送入設(shè)在燃燒器下游的反應(yīng)器的燃燒區(qū)內(nèi)，同時(shí)，含氧氣體通過(guò)環(huán)形通道18送至出口20，使煤與含氧氣體反應(yīng)物在反應(yīng)器空間內(nèi)徹底混合，相應(yīng)通道內(nèi)的擋板渦旋體(未示出)使一股或兩股射流產(chǎn)生的旋渦運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步促進(jìn)反應(yīng)物混合。為了使煤的輸出量穩(wěn)定，至少使燃燒器中心通道12靠近出口處的一段輸送煤流的橫截面保持不變。
當(dāng)燃燒器工作使粉狀燃料氣化時(shí)，還可以將溫度調(diào)節(jié)氣體如蒸汽、二氧化碳或氮?dú)馑腿氕h(huán)形通道的輸入管線內(nèi)，將含氧氣體與調(diào)節(jié)氣體的混合氣通過(guò)環(huán)形通道18送至出口20以控制溫度，並根據(jù)需要來(lái)限制氧氣量。粉狀燃料流量及與溫度調(diào)節(jié)氣體任意混合的含氧氣體的流量用燃燒器上游每根輸入管線上的流量控制網(wǎng)(未示出)進(jìn)行控制。燃燒器的燃料耗量，即燃燒器調(diào)大火或調(diào)小火，是通過(guò)改變每股射流流量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)保持氧原子與固體進(jìn)料中的碳的比值基本不變。每噸不含水分和灰分的煤需要0.9到1噸氧氣，這對(duì)無(wú)煙煤來(lái)說(shuō)是相當(dāng)?shù)湫偷?低品位煤每噸需要0.7噸氧氣是更具有代表性的。
參見(jiàn)圖3和圖4，示出了一種燃燒器，圍繞其第一環(huán)形通道18同心設(shè)置了供第二種氣體用的基本上是環(huán)形的第二環(huán)形通道22，第二種氣體可以是含氧氣體、調(diào)節(jié)氣體(如蒸汽或二氧化碳)或含氧氣體與調(diào)節(jié)氣體的混合氣。環(huán)形通道22有一自由端24形成一個(gè)第二種氣體流入燃燒區(qū)的出口，該出口24通常與縱軸14構(gòu)成的角度相同，但是當(dāng)?shù)诙h(huán)形通道用來(lái)往燃燒區(qū)輸送調(diào)節(jié)氣或保護(hù)氣時(shí)，最好使該出口擴(kuò)開(kāi)，即收縮度較小。第二環(huán)形通道的截面積除以第一環(huán)形通道截面積的比值約為0.5到2，例如0.75到1.5。
當(dāng)燃燒器工作使粉狀燃料氣化時(shí)，第二種氣體通過(guò)環(huán)形通道22輸至出口24，以便按需要輸入補(bǔ)充氧氣。第二種氣體可以是含氧氣體、溫度調(diào)節(jié)氣體(如蒸汽、二氧化碳或氮?dú)?或含氧氣體與調(diào)節(jié)氣體的混合氣。當(dāng)?shù)诙N氣體含有大量調(diào)節(jié)氣體時(shí)，則在煤與氧氣射流周?chē)纬梢粋€(gè)屏蔽層，調(diào)節(jié)氣體屏蔽層可能有利于防止氧氣與反ζ髕騫緗喲ィ緗喲ソ賈路從ζ髕宀煥硐氳贗耆?。最好是通过两个通道蕼O禿跗澹驕魎僭 5至100米/秒，通過(guò)第一(最里邊的)環(huán)形通道出口的氣體流速稍低于通過(guò)第二環(huán)形通道出口送至燃燒區(qū)的氣體流速。
粉狀燃料、含氧氣體和第二種氣體的各自流量，由燃燒器的每條輸送管線上的流量控制閥來(lái)控制。燃燒器的燃料耗量，即燃燒器調(diào)大火或調(diào)小火，是通過(guò)改變每股射流流量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)保持氧原子與固體進(jìn)料中的碳的比值基本不變。通常每噸不含水分和灰分的煤需要0.9到1噸氧氣，這對(duì)無(wú)煙煤來(lái)說(shuō)是相當(dāng)?shù)湫偷?低品位煤每噸需要0.7噸氧氣是更具有代表性的。除了壽命長(zhǎng)之外，本發(fā)明燃燒器的優(yōu)點(diǎn)是它有一個(gè)往燃燒區(qū)輸送第二種氣體的通道，它可以在多種工作要求條件下更為靈活地輸送反應(yīng)物。
燃燒器通常用耐高溫材料制造，特別是用耐高溫金屬和合金制造，並采用這類(lèi)材料常用的焊接和(或)釬焊技術(shù)制造。為了大功率運(yùn)行，通?？梢栽谟媒饘僦圃斓暮鯕怏w通道和出口的內(nèi)表面涂一層氧化鋯(ZrO2)之類(lèi)的氧化層或陶瓷涂層，以便可以采用高的含氧氣體流速，而不致使金屬被氧氣燃燒。
此處使用的固體碳質(zhì)燃料-詞系指包括煤、焦碳、煤的液化殘?jiān)徒?、由油母?yè)巖產(chǎn)生的碳黑和固體粒子、油砂和焦油瀝青之類(lèi)的各種材料及其混合物。煤可以是各種煤，包或褐煤、次煙煤、煙煤和無(wú)煙煤。固體碳質(zhì)燃料最好磨成細(xì)顆粒，使至少有約占重量90%的燃料粒徑小于90微米，含水量約小于重量的5%。
此處使用的“含氧氣體”一詞系指游離氧，就是未化合的氧，並包括空氣、富氧空氣(含氧量大于21%克分子)和基本上的純氧(含氧量約大于95%克分子)，在上述氣體中還含有空氣中通常含有的其它氣體，如氮和稀有氣體。
本發(fā)明的各種改型對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人來(lái)說(shuō)，由上述說(shuō)明和附圖中是可以明白的，這些改型都將屬于附后的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.細(xì)碎的固體碳質(zhì)燃料與含氧氣體一起在燃燒區(qū)內(nèi)部分燃燒用的一種燃燒器，其特征是有一個(gè)往燃燒區(qū)送燃料用的中心通道和出口；至少有一個(gè)與該中心通道同軸、基本上是環(huán)形的第一環(huán)形通道，它有一個(gè)往燃燒區(qū)送氧化劑氣體的供氣口；在燃燒器排出端有一垂直于燃燒器縱軸的前端面，前端面有一中心孔，至少有燃料和氧化劑氣體通過(guò)該中心孔流入燃燒區(qū)；該前端面有一空心壁構(gòu)件接至(a)用來(lái)將流體冷卻劑送至空心壁構(gòu)件內(nèi)通道的最靠近的初始端的輸送管；(b)用來(lái)將流體冷卻劑由該通道的終端就近送回的回流管；(c)一個(gè)限定該空心壁構(gòu)件內(nèi)通道的旋流裝置，使由輸送管送入空心壁構(gòu)件的流體冷卻劑圍繞燃燒器的縱軸沿螺旋方向流動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燃燒器，其特征是它有一個(gè)基本上是環(huán)形的第二環(huán)形通道，第二環(huán)形通道與該第一環(huán)形通道同軸布置，並有一個(gè)往燃燒區(qū)內(nèi)送第二種氣體的供氣口，第二種氣體通過(guò)燃燒器前端面上的中心孔流入燃燒區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃燒器，其特征是該旋流裝置具有連續(xù)的、不滲透的屏蔽層，以便在空心壁構(gòu)件內(nèi)形成一個(gè)螺旋通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃燒器，其特征是該空心壁構(gòu)件的冷卻流體的通道終端設(shè)在靠近該中心孔處。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的燃燒器，其特征是第一環(huán)形通道與第二環(huán)形通道分別接至含氧氣體氣源，可以單獨(dú)進(jìn)行壓力和流量控制。
全文摘要
一種碳質(zhì)燃料部分燃燒用的燃燒器，煤，例如煤粉，通過(guò)沿燃燒器縱軸設(shè)置的中心通道進(jìn)入反應(yīng)器空間內(nèi)，含氧氣體至少通過(guò)一個(gè)圍繞該中心通道的環(huán)形通道送入，燃燒產(chǎn)生的熱量被圍繞燃燒器縱軸旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的冷卻劑由燃燒器前空心端帶走。
文檔編號(hào)F23D1/00GK1035172SQ88108098
公開(kāi)日1989年8月30日 申請(qǐng)日期1988年11月30日 優(yōu)先權(quán)日1988年2月17日
發(fā)明者漢瑞克斯·杰尼斯安多尼斯·漢森克, 埃恩·波里 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司