[发明专利]负载微粒的重质燃料的喷射

说明书

技术领域

本发明涉及将微粒浆体燃料(例如，水煤燃料)和其它难以雾化的燃料和/或具有磨蚀性的燃料喷射到柴油发动机和其它高压反应器或燃烧室中。

本发明还涉及使用富氧鼓风气体将水煤燃料和其它难以雾化的燃料和/或具有磨蚀性的燃料雾化到柴油发动机中或直燃燃气轮机中以捕获CO₂。

背景技术

当前用于柴油发动机中的传统柴油和重质燃料油的喷射技术采用燃料压力雾化技术。这包括通过小孔(0.2-1mm)以高压(50-200MPa)将燃料泵入到发动机中。这产生高速度(通常为200-400m/s)，引起高速射流断裂和雾化。断裂和雾化的发生受多个因素影响，包括：离开喷嘴孔的液体流中的湍流，以及高速液体与汽缸上部中的相对密集的压缩空气的相互作用。

一直以来，人们都有兴趣在柴油发动机中使用水煤浆燃料。水煤浆燃料的性质和柴油及燃料油的性质有很大不同，因为它们含有高浓度的颗粒(50-60wt％的煤，1-2wt％的煤矿物质)，高浓度的颗粒导致更高的黏度和更高的表面张力。此外，煤颗粒和矿物颗粒是高度磨蚀性的。将这些燃料喷射到柴油发动机中会面临着诸多技术挑战：

1.在每个点火循环期间以正确的时间和速度对送往喷嘴的燃料进行增压和计量。

2.将燃料以精细分散开的状态推进到燃烧室中以引起混合，从而提供所需燃烧速度，完成燃烧，并减少形成具有磨蚀性的燃烧残留和未燃烧的燃料。

3.保护燃料系统中的滑动表面和密封表面(例如，单向阀/排气阀，断流滑阀，喷嘴滑阀)免受微粒污染，微粒污染会快速堵塞滑动间隙并引起磨料磨损。

4.将通过表面，特别是阀座和喷嘴的燃料的速度最小化，从而最小化磨耗和气穴造成的磨损和损害。

5.提供将燃料从喷射器清空的能力，从而防止在停工期间形成油泥和堵塞。

6.将发动机上的附加负荷最小化以操作喷射装置。

尽管存在这些问题，并且与传统燃料油相比水煤浆燃料的性质有巨大差异，但是多个演示计划，特别是美国能源部(USDOE)在1978年至1993年之间资助的演示计划成功演示了水煤浆燃料的喷射。喷射系统的这些演示的合理性能的最大成功之处是对用于传统柴油发动机燃料油的系统所作的改动相对较少。所演示的改动包括使用增加的喷射压力，对密封表面、碳化物或陶瓷阀座进行密封油保护，以及使用陶瓷或金刚石紧凑型喷嘴。

但是，尽管成功演示了改进的传统加压雾化装置，阀座磨损和喷嘴孔腐蚀仍然是个问题，并很可能将喷射器的寿命限制为大约2,000个小时。这比现在使用燃料油的大型发动机的寿命短得多，在现有的大型发动机中，喷射器喷嘴的更换和喷射器维修之间的时间间隔为大于16,000小时。

总而言之，对改进的传统加压雾化器而言，2,000小时的喷射器寿命被认为是无法令人满意的，到目前为止，这阻碍了在研发阶段之外在柴油发动机中使用煤的进展。

这些技术问题以及喷射装置的加速磨损降低了雾化质量，导致在已雾化燃料的干燥过程中产生较大的煤颗粒。增加煤的有效粒径会降低颗粒加热速度，减缓燃烧，并增加废气中的未燃烧煤焦。煤团结同样会增加因燃烧而形成的粉煤灰的粒径，这是由于在煤结块中含有的各个灰粒的熔合。降低的雾化质量所导致的最终后果是增加了煤焦的量以及燃烧气体中粉煤灰颗粒的尺寸，这两者都会增加对汽缸和活塞环的磨损，以及活塞环粘结、排气阀磨损和涡轮增压器涡轮磨耗等其它问题。

美国4569484号专利公开了一种用于将雾化煤浆喷射到柴油发动机中的喷射器。压缩气体利用带孔盘或锥形吸气机使喷射器中的燃料雾化。由于该装置将煤浆和雾化器内的高速空气混合在一起，雾化器喷嘴承受非常高速的煤浆，这会引起严重的腐蚀磨损。

本发明的一个目的是解决或至少减轻上述问题中的一个或多个，由此促进水煤浆燃料在柴油发动机中的使用。

本发明的概念是采用并改进一种在早期柴油发动机中采用的但现已放弃已久的技术，即鼓风喷射。尽管鼓风喷射最开始是用于柴油发动机，但是它从二十世纪三十年代早期开始就完全被单射流(即，连贯液体射流)喷射取代，这主要是因为驱动压缩机以提供鼓风所导致的功率损耗(通常为柴油和燃料油发动机功率的7-8％)。这超过了鼓风雾化带来的好处(例如，优秀的雾化和混合)，并降低了喷射过程中打断或延长喷雾持续时间的液压压力波。

早期的鼓风喷射系统包括：