CN101124433A - 低氧化氮(NOx)的燃料喷射器和提高的火焰稳定性 - Google Patents

Abstract

提供一用于炉子内的燃料喷射器(10)。该燃料喷射器(10)用来将磨成粉的燃料供应到炉子的燃烧室。燃料喷射器(10)的结构便于有效地燃烧，同时稳定燃烧火焰。其结果，最小量的NOx和其它不理想的副产品释放到大气中。

Description

低氧化氮(NOx)的燃料喷射器和提高的火焰稳定性

相关申请

本申请要求对2004年3月8日提交的美国临时专利申请60/551,143的优先权，本文援引其内容以供参考。

技术领域

本发明涉及一用于炉子的燃料喷射器。具体来说，本发明涉及一燃料喷射器和一炉子，其中，磨成粉的煤或其它固体燃料用一载体气体传输并在炉子的燃烧室内有效地燃烧，这样，减少氧化氮(NOx)的形成和与未燃烧燃料相关的其它不希望的副产品。

背景技术

低NOx的磨成粉的煤燃烧器由一燃料喷射器和二次空气调节控制器组成，后者具有二次空气流过的两个或多个通道。磨成粉的煤由一种或多种气体通常是空气承载并通过燃料喷射器进入炉子内。载体气体被认为是一次空气。然而，承载煤的一次空气代表不大于25％的燃烧所需要的总的燃烧空气。其余的燃烧空气通过二次空气调节进入炉子。在许多另外的情形中，某些二次空气被引导到诸如过热空气端口的单独的分级端口，以使煤的燃烧更加有效。

煤燃烧器，特别是低NOx的磨成粉的煤燃烧器，必须形成确立在燃烧器喉部内的稳定的强火焰井。在众多的设计中这种类型燃烧器的典型问题是保持燃料喷射器的高可靠性，同时，形成磨成粉的煤和最少产生NOx的载体(一次)空气的分布，并使围绕燃料喷射器进入燃烧器的二次燃烧空气形成一接近零的空气动力学稳定性图形。

许多较老的设计在煤粉流中使用火焰稳定器、叶片或收集端口，意图形成优化的分布到燃烧器内的燃料/空气之比。然而，这些结构经受零件快速地磨损、可能的过热，以及煤在零件上焦化(不希望的形成)和结果造成寿命降低。此外，由于零件磨损，所以零件的几何形改变并致使燃烧变劣。

在典型的低NOx燃烧器中，二次空气通过两个或多个同心的通道进入燃烧器以形成一“空气分级”效应。一般来说，这些设计包括一内一外两个二次空气区域，在每一区域内具有可调整的漩涡发生器。因此，在内和外区域之间独立于漩涡不能达到空气的平衡和优化。这些设计没有在内对外的二次空气区域内优化流量和漩涡的独立装置。

低NOx燃烧器设计将燃料喷射和二次空气流控制的功能分离为基本上独立的功能，但将两个组件集成到一个燃烧器内。来自一种类型燃烧器的燃料喷射通常不转换到来自另一燃烧器系统的调节组件中。

发明内容

本发明通过提供一燃料喷射器解决了与现有技术的低NOx燃烧器设计有关的诸多问题，该燃料喷射器具有一不中断的通道，磨成粉的燃料和其载体气体流过所述通道。布置多个外火焰稳定器以在燃烧器内提供优良的火焰稳定性。一固定的叶片旋流器和一空气控制阻尼器也布置在燃料喷射器上，以便进一步控制磨成粉的燃料燃烧产生的火焰。本发明的燃料喷射器解决了上述的操作和可靠性的问题。此外，这样的燃料喷射器实际上可用于任何燃烧器的结构内：圆形燃烧器结构，以及“四角”或“切线”点火型的垂直地堆叠的线性燃烧器。

如本文中所采用的，术语“燃料喷射器”意图涵盖用来运输磨成粉的燃料和一载体气体以便在一有关的炉子内燃烧的各种装置。应该认识到，术语“磨成粉的燃料”意图涵盖诸如磨成粉的煤或诸如此类的各种类型的燃料。尽管为了方便起见使用术语“磨成粉的煤”来描述一优选的实施例，但其也欲包括除煤之外的各种类型的磨成粉的燃料。此外，术语“载体气体”涵盖存在于空气中的气体之外的各种气体。然而，由于根据本发明的一优选实施例空气被用来运输磨成粉的煤，所以术语“一次空气”将常被用于本文中并欲包括除空气之外的各种类型的载体气体。

本发明燃料喷射器的设计已经开发而提高了低NOx燃烧器的性能和可靠性。因此，本发明设计特征适用于各种类型的低NOx燃烧器系统。

根据本发明的一优选实施例，提供一用于一炉子中的燃料喷射器。燃料喷射器包括一具有入口和出口端的内筒，以及一在入口和出口端之间延伸的通道，一包括一载体气体和燃料颗粒在内的燃料流允许流过该通道。该内筒较佳地在入口和出口端之间没有障碍，以使载体气体和燃料颗粒可不中断地流入相关的炉子内。燃料喷射器较佳地包括一包围内筒至少一部分的外筒，以及一介于两筒之间的外通道，二次空气允许流过外通道。多个稳定器叶片较佳地布置在外通道内靠近内筒的出口端。流过外通道的二次空气将冲击稳定器叶片并将帮助保持靠近内筒出口端的燃料流的燃烧。多个轴向叶片也较佳地布置在外通道内，介于内和外筒之间。各个轴向叶片布置在对应的一对稳定器叶片之间，并与稳定器叶片合作地发挥作用而相对于流出出口端的燃料流形成理想的二次空气流。一固定的叶片旋流器也较佳地布置在外通道内，介于内和外筒之间。固定的叶片旋流器包括一结构，该结构足以冲击二次空气并围绕稳定器和轴向叶片形成一可转动的气流。

在另一优选的实施例中，一空气控制阻尼器可布置在外通道内，介于内和外筒之间。该空气控制阻尼器可构造和布置成控制流过固定的叶片旋流器的二次空气量

稳定器和轴向叶片可附连到内筒，而固定的叶片旋流器可附连到外筒。然而，这些特征的具体的布置只是可供选择的，且代表一个优选的实施例。

空气控制阻尼器可包括一孔板和一沿轴向可移动的套筒，以允许有选择地控制允许流过固定的叶片旋流器的空气量。

在另一优选实施例中，提供一炉子系统。该炉子可包括一外壳、一布置在外壳内的燃烧区域，以及具有上述特征的一个或多个燃料喷射器。

低NOx燃烧器设计将燃料喷射器和二次空气流控制的功能分离成基本上独立的功能，并将两个组件集成到一个燃烧器中。取自一种类型的燃烧器系统的燃料喷射器通常不能集成到另一燃烧器设计系统的阻尼器组件内。

本发明是一独立的燃料喷射器，它包括其自己一体的稳定空气流的控制器和装置。因此，本燃料喷射器可插入到各种类型的阻尼器组件内。本燃料喷射器提供改进的火焰稳定性、低NOx输出，以及较佳地控制一氧化碳和未燃烧的碳。

因此，本发明的一个目的是提供一改进的燃料喷射器，以及可供选择地提供一产生低NOx输出的全部的炉子。本发明的另一目的是提供一燃料喷射器和一可供选择的具有提高的火焰稳定性的炉子系统。如果结合诸附图和下面优选实施例的详细的描述，则可更加容易地理解本发明上述和其它的目的和优点。

附图的简要说明

图1是本发明燃料喷射器的一优选实施例的出口部分的示意的组合截面图和前视图。

图2是本发明燃料喷射器的一优选实施例的剖切的立体图。

图3是本发明燃料喷射器的另一实施例的示意的截面图，其显示在一相对于一炉子的安装位置内。

图4是本发明燃料喷射器的另一优选实施例的示意的截面图，其显示在一相对于一炉子的安装位置内。

图5是显示一四角点火燃烧器阵列的前视图，示出根据本发明的多个燃料喷射器。

图6是本发明燃料喷射器的一实施例的一部分的前视立体图。

图7是处于炉子内的另一组装位置的如图6所示的燃料喷射器的实施例的前视立体图。

图8是根据本发明一实施例的多个燃料喷射器的示意的组合截面图和前视图，其容纳在一炉子的四角点火阵列中。

具体实施方式

参照附图中的图1-8，本发明的燃料喷射器10显示在各种实施例和视图中。在诸如图1和2的某些视图中，燃料喷射器10显示为孤立的。在诸如图5、6、7和8的其它的视图中，燃料喷射器10显示为包括到一炉子内。

本发明的燃料喷射器10的一优选实施例显示在图1和2中。它包括一具有一入口端16和一出口端14的细长的内筒12。一分段的喷嘴设计布置在出口端，那里，一系列凹陷或椭圆形区域18的功能是产生在出口端14处退出喷嘴的多个集中的煤粉流。

图2示出该燃料喷射器10，其包括一外筒20，外筒至少在内筒的一部分上圆周地包围内筒12。稳定器叶片22、轴向叶片24和一固定的叶片旋流器26布置在内筒12和外筒20之间的通道内。这些部件的结构和操作将在下面作进一步描述。

一空气控制阻尼器28也布置在内筒12和外筒20之间的通道内。空气控制阻尼器组件包括一孔板30和一轴向可移动的套筒32。一控制臂34连接到可移动的套筒，以允许一操作者轴向地调整套筒，以使一要求的二次空气量可流入到固定的叶片旋流器26内并围绕叶片旋流器26。

如图2、3和4所示，一连接突缘36布置在燃料喷射器10的入口端16处。连接突缘36可用来将燃料喷射器10连接到一弯头或其它的管道，以便将一载体气体和磨成粉的燃料颗粒提供到内筒12。

图5、7和8示出燃料喷射器10(或多个燃料喷射器10)，其作为全部炉子组件38的部分。当布置在这样一炉子内时，燃料喷射器10可包括一空气阻挡板40(如图6和7所示)以确保最佳的特性。

为了获得优良的火焰稳定性和最小的NOx输出，低NOx火焰稳定喷嘴15是一重要的元件。图1示出分段的煤喷嘴，其具有一敞开的设计，对于煤的收集没有障碍。由于压降较低，在煤的路径内没有部件经受磨损、煤的积聚或焦化。由于包围各个分段的外火焰稳定器，从而实现优良的火焰稳定性。

稳定器和轴向叶片22和24组合地作用，以在离开喷嘴15的燃料流上和其周围形成一流出内部区域的复杂的二次空气流。该效应形成一靠近燃料喷射器喷嘴15的初始稳定区域。

图2示出全部的燃料喷射器组件10，并有火焰稳定器的部位，火焰稳定器包括圆周弧形的稳定器叶片22和轴向叶片24的组合，一固定的叶片旋流器26和一空气控制阻尼器28。这些装置的功能在下面进行描述。

火焰稳定器的功能如以上在美国专利No.5,762,007中所描述，本文援引其内容以供参考。一般地来说，图1-8示出弧形稳定器叶片22和纵向的轴向叶片24，它们布置在外通道内(在内和外筒12和20之间，靠近内筒12的出口端14)。如图1和2清晰地所示，一间隙可保持在相邻的弧形稳定器叶片22之间以允许二次空气通过。弧形稳定器叶片22和轴向叶片24的组合起作火焰稳定器的功能，其有助于确保退出喷嘴15的燃料流燃烧后形成的火焰是靠近于燃料喷射器10输出端“良好确立”的。因此，火焰达到最大稳定性，并将诸如NOx和CO之类不希望的副产品减到最少。内和外筒12和20之间流动的二次空气冲击弧形稳定器叶片22并由轴向叶片24导向。这形成涡流，涡流将与一次的磨成粉的煤流的干扰减到最小，同时，仍便于提高生成的火焰。

固定的叶片旋流器26附连到燃料喷射器10的外筒20。旋流器26的位置恒定不变并不需任何调整。它对在火焰稳定器22上流动的空气形成转动，并提高其控制由离开喷嘴15的煤流形成的火焰根部的作用。

空气控制阻尼器28包括孔板30，其被一轴向可移动的套筒32包围。阻尼器进行操作从而控制流过固定的叶片旋流器26和在包围喷嘴15的火焰稳定器22上方的空气量。轴向可移动的套筒32连接到一控制臂34，控制臂允许控制气流量，并允许优化火焰位置和靠近炉子38的燃烧器区域内的内部定量关系。

带有其自己空气流控制器的燃料喷射器组件10代表一独立的组件，其不再需要安装为某一特定燃烧器几何形的一体部分。因此，可结合一相对简单的单一阻尼器组件使用，如果与这里揭示的燃料喷射器组件组合，则单一的阻尼器组件可完成两级的二次空气的空气动力学特性，这种特性是低NOx燃烧器的典型。

固定的叶片旋流器26附连到燃料喷射器10的外筒20。旋流器的位置被固定而不需调整。

图3示出一双阻尼器的实施例，其使用一位于炉子系统内的径向轴的主阻尼器。在此组件中，一单一阻尼器包括径向轴旋转叶片以控制外部区域的的二次空气涡流，以及一套筒阻尼器用来控制进入燃烧器的全部二次空气量，这样一单一阻尼器与燃料喷射器10和其二次空气控制器组合，以形成一完全的低NOx燃烧器。

图4示出另一实施例，其中，本发明的火焰稳定性提高的燃料喷射器10集成到一使用一轴向轴主阻尼器的阻尼器组件内。火焰稳定性提高的燃料喷射器10插入到具有最少修改的对应的主阻尼器组件内。由于由本文揭示的设计提供的靠近区域一致的空气动力学特性，所以，各个这些燃烧器结构的特性基本上相同，即使总的几何形不同其特性也相同。

一替代类型的燃烧系统示于图5中，一四角点火燃烧器系统。在此系统中，燃烧器包括一垂直阵列的交替的二次空气喷射的喷嘴以及燃料喷射器10，前者通常为正方形或矩形的几何形。在传统的结构中，燃料喷射器也是正方形或矩形结构。然而，本发明的火焰稳定性提高的燃料喷射器10可代替标准设计安装，以提供与在圆形燃烧器中使用该技术得出的相同的可靠性和燃烧状态。

在四角点火的结构中，一二次空气流动分配器围绕本发明的火焰稳定性提高的燃料喷射器10一体地安装，以在一体的固定的叶片旋流器26上引导二次空气。一空气阻挡板附连到流动分配器以防止二次空气围绕流动分配器的外面旁路，由此，不通过位于流动分配器内和介于流动分配器和煤喷嘴15之间的固定的叶片旋流器26。

图8示出带有本发明火焰稳定性提高的燃料喷射器10组件的完全的四角燃烧器阵列，组件显示为与该阵列一体。

本发明的火焰稳定性提高的燃料喷射器10揭示了一燃料喷射器组件，其可容纳到各种磨成粉的煤燃烧器类型中，同时，保持最佳的空气动力学和燃料流动的状态，以确保产生最少的NOx而不损害燃烧特性。

应该认识到，在不脱离下面阐述的附后权利要求书所定义的本发明范围的前提下，对于本发明的优选实施例可在本燃料喷射器10及其相关的炉子系统的构造和尺寸上作出各种修改。

Claims (16)

1.一用于一炉子中的燃料喷射器，所述燃料喷射器包括：

(a)一具有入口和出口端的内筒，所述内筒形成一在所述入口和出口端之间延伸的通道，一包括载体气体和燃料颗粒在内的燃料流允许流过该通道；

(b)一外筒，包围所述内筒的至少一部分并形成一外通道，二次空气允许流过该通道；

(c)多个稳定器叶片，布置在所述外通道内靠近所述内筒的所述出口端，流过外通道的二次空气冲击所述多个稳定器叶片，以使燃料流的燃烧保持在所述内筒的所述出口端的附近；

(d)多个轴向叶片，布置在所述外通道内，介于所述内和外筒之间，各个所述轴向叶片布置在对应的一对所述稳定器叶片之间，并与所述稳定器叶片合作地发挥作用而相对于流出所述出口端的燃料流形成一理想的二次空气流；以及

(e)一固定的叶片旋流器，布置在所述外通道内，介于所述内和外筒之间，所述固定的叶片旋流器具有一结构，该结构足以围绕所述多个稳定器和轴向叶片形成一可转动的二次空气流。

2.如权利要求1所述的燃料喷射器，其特征在于，还包括一布置在所述外通道内的空气控制阻尼器，该空气控制阻尼器构造和布置成控制流过所述固定的叶片旋流器的二次空气量。

3.如权利要求1所述的燃料喷射器，其特征在于，所述多个稳定器叶片附连到所述内筒。

4.如权利要求1所述的燃料喷射器，其特征在于，所述多个轴向叶片附连到所述内筒。

5.如权利要求1所述的燃料喷射器，其特征在于，所述固定的叶片旋流器附连到所述外筒。

6.如权利要求2所述的燃料喷射器，其特征在于，所述空气控制阻尼器包括一孔板和一沿轴向可移动的套筒。

7.如权利要求1所述的燃料喷射器，其特征在于，所述内筒的所述出口端包括多个椭圆形截面，以适于在所述内筒的所述出口处形成多个集中的燃料流。

8.一炉子，包括：

(a)一外壳；

(b)一在所述外壳内的燃烧区域；以及

(c)一燃料喷射器，布置成将至少一个燃料流供应到所述燃烧区域，所述燃料喷射器包括：(1)一具有入口和出口端的内筒，所述内筒形成一在所述入口和出口端之间延伸的通道，一包括载体气体和燃料颗粒在内的燃料流允许流过该通道，(2)一外筒，包围所述内筒的至少一部分并形成一外通道，二次空气允许流过该通道，(3)多个稳定器叶片，布置在所述外通道内靠近所述内筒的所述出口端，流过外通道的二次空气冲击所述多个稳定器叶片，以使燃料流的燃烧保持在所述内筒的所述出口端的附近，(4)多个轴向叶片，布置在所述外通道内，介于所述内和外筒之间，各个所述轴向叶片布置在对应的一对所述稳定器叶片之间，并与所述稳定器叶片合作地发挥作用而相对于流出所述出口端的燃料流形成一理想的二次空气流，以及(5)一固定的叶片旋流器，布置在所述外通道内，介于所述内和外筒之间，所述固定的叶片旋流器具有一结构，该结构足以围绕所述多个稳定器和轴向叶片形成一可转动的二次空气流。

9.如权利要求8所述的燃料喷射器，其特征在于，还包括一布置在所述外通道内的空气控制阻尼器，该空气控制阻尼器构造和布置成控制流过所述固定的叶片旋流器的二次空气量。

10.如权利要求8所述的燃料喷射器，其特征在于，所述多个稳定器叶片附连到所述内筒。

11.如权利要求8所述的燃料喷射器，其特征在于，所述多个轴向叶片附连到所述内筒。

12.如权利要求8所述的燃料喷射器，其特征在于，所述固定的叶片旋流器附连到所述外筒。

13.如权利要求9所述的燃料喷射器，其特征在于，所述空气控制阻尼器包括一孔板和一沿轴向可移动的套筒。

14.如权利要求8所述的燃料喷射器，其特征在于，所述内筒的所述出口端包括多个椭圆形截面，以适于在所述内筒的所述出口处形成多个集中的燃料流。

15.如权利要求1所述的炉子，其特征在于，还包括多个燃料喷射器。

16.如权利要求15所述的燃料喷射器，其特征在于，还包括一空气控制阻尼器，布置在所述外通道内，该空气控制阻尼器构造和布置成控制流过所述固定的叶片旋流器的二次空气量。

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