[發明專利]負載微粒的重質燃料的噴射

有效

• 申請號: 201380027741.2
• 申請日: 2013-04-02
• 公開（公告）號: CN104379921B
• 公開（公告）日: 2017-06-09
• 發明（設計）人: L·維貝爾利;R·P·戴爾
• 申請（專利權）人: 聯邦科學與工業研究組織
• 主分類號: F02M67/00
• 分類號: F02M67/00;F02M23/00;F02M55/00;F23D11/00;F23D17/00;F23D1/00
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司11283
• 代理人: 黃志興,李雪

技術領域

本發明涉及將微粒漿體燃料(例如，水煤燃料)和其它難以霧化的燃料和/或具有磨蝕性的燃料噴射到柴油發動機和其它高壓反應器或燃燒室中。

本發明還涉及使用富氧鼓風氣體將水煤燃料和其它難以霧化的燃料和/或具有磨蝕性的燃料霧化到柴油發動機中或直燃燃氣輪機中以捕獲CO₂。

背景技術

當前用于柴油發動機中的傳統柴油和重質燃料油的噴射技術采用燃料壓力霧化技術。這包括通過小孔(0.2-1mm)以高壓(50-200MPa)將燃料泵入到發動機中。這產生高速度(通常為200-400m/s)，引起高速射流斷裂和霧化。斷裂和霧化的發生受多個因素影響，包括：離開噴嘴孔的液體流中的湍流，以及高速液體與汽缸上部中的相對密集的壓縮空氣的相互作用。

一直以來，人們都有興趣在柴油發動機中使用水煤漿燃料。水煤漿燃料的性質和柴油及燃料油的性質有很大不同，因為它們含有高濃度的顆粒(50-60wt％的煤，1-2wt％的煤礦物質)，高濃度的顆粒導致更高的黏度和更高的表面張力。此外，煤顆粒和礦物顆粒是高度磨蝕性的。將這些燃料噴射到柴油發動機中會面臨著諸多技術挑戰：

1.在每個點火循環期間以正確的時間和速度對送往噴嘴的燃料進行增壓和計量。

2.將燃料以精細分散開的狀態推進到燃燒室中以引起混合，從而提供所需燃燒速度，完成燃燒，并減少形成具有磨蝕性的燃燒殘留和未燃燒的燃料。

3.保護燃料系統中的滑動表面和密封表面(例如，單向閥/排氣閥，斷流滑閥，噴嘴滑閥)免受微粒污染，微粒污染會快速堵塞滑動間隙并引起磨料磨損。

4.將通過表面，特別是閥座和噴嘴的燃料的速度最小化，從而最小化磨耗和氣穴造成的磨損和損害。

5.提供將燃料從噴射器清空的能力，從而防止在停工期間形成油泥和堵塞。

6.將發動機上的附加負荷最小化以操作噴射裝置。

盡管存在這些問題，并且與傳統燃料油相比水煤漿燃料的性質有巨大差異，但是多個演示計劃，特別是美國能源部(USDOE)在1978年至1993年之間資助的演示計劃成功演示了水煤漿燃料的噴射。噴射系統的這些演示的合理性能的最大成功之處是對用于傳統柴油發動機燃料油的系統所作的改動相對較少。所演示的改動包括使用增加的噴射壓力，對密封表面、碳化物或陶瓷閥座進行密封油保護，以及使用陶瓷或金剛石緊湊型噴嘴。

但是，盡管成功演示了改進的傳統加壓霧化裝置，閥座磨損和噴嘴孔腐蝕仍然是個問題，并很可能將噴射器的壽命限制為大約2,000個小時。這比現在使用燃料油的大型發動機的壽命短得多，在現有的大型發動機中，噴射器噴嘴的更換和噴射器維修之間的時間間隔為大于16,000小時。

總而言之，對改進的傳統加壓霧化器而言，2,000小時的噴射器壽命被認為是無法令人滿意的，到目前為止，這阻礙了在研發階段之外在柴油發動機中使用煤的進展。

這些技術問題以及噴射裝置的加速磨損降低了霧化質量，導致在已霧化燃料的干燥過程中產生較大的煤顆粒。增加煤的有效粒徑會降低顆粒加熱速度，減緩燃燒，并增加廢氣中的未燃燒煤焦。煤團結同樣會增加因燃燒而形成的粉煤灰的粒徑，這是由于在煤結塊中含有的各個灰粒的熔合。降低的霧化質量所導致的最終后果是增加了煤焦的量以及燃燒氣體中粉煤灰顆粒的尺寸，這兩者都會增加對汽缸和活塞環的磨損，以及活塞環粘結、排氣閥磨損和渦輪增壓器渦輪磨耗等其它問題。

美國4569484號專利公開了一種用于將霧化煤漿噴射到柴油發動機中的噴射器。壓縮氣體利用帶孔盤或錐形吸氣機使噴射器中的燃料霧化。由于該裝置將煤漿和霧化器內的高速空氣混合在一起，霧化器噴嘴承受非常高速的煤漿，這會引起嚴重的腐蝕磨損。

本發明的一個目的是解決或至少減輕上述問題中的一個或多個，由此促進水煤漿燃料在柴油發動機中的使用。

本發明的概念是采用并改進一種在早期柴油發動機中采用的但現已放棄已久的技術，即鼓風噴射。盡管鼓風噴射最開始是用于柴油發動機，但是它從二十世紀三十年代早期開始就完全被單射流(即，連貫液體射流)噴射取代，這主要是因為驅動壓縮機以提供鼓風所導致的功率損耗(通常為柴油和燃料油發動機功率的7-8％)。這超過了鼓風霧化帶來的好處(例如，優秀的霧化和混合)，并降低了噴射過程中打斷或延長噴霧持續時間的液壓壓力波。

早期的鼓風噴射系統包括：