CN101415997B - 粉状固体燃料喷嘴组件 - Google Patents

粉状固体燃料喷嘴组件 Download PDF

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Abstract

一种粉状固体燃料喷嘴组件(34)，包括燃料供给管道(38)和相对于该燃料供给管道(38)可枢轴转动地连接的喷嘴头(36)。燃料供给管道(38)包括具有圆形出口端(102)和球状突起(106)的大体圆柱形的壳(99)，该球状突起(106)围绕圆形出口端(102)的周边而布置。喷嘴头(36)包括内壳(40)，该内壳(40)具有设置成与大体圆柱形的壳(99)的圆形出口端(102)成同心关系的圆形入口端(108)。圆形入口端(108)围绕球状突起(106)布置，以用于在内壳(40)和燃料供给管道(38)之间形成密封。喷嘴头(36)还包括设置成与内壳(40)成同轴关系的外壳(39)，以及布置在内壳(40)和外壳(39)之间的环形空气通道(42)。喷嘴头(36)可以绕着至少一条轴线(52)，(250)进行枢轴转动，以对来自内壳(40)的粉状固体燃料流进行导向。

Description

粉状固体燃料喷嘴组件
背景技术
本发明涉及粉状固体燃料输送系统，而更具体地涉及用于粉状固体燃料输送系统的喷嘴组件。
用于将粉状固体燃料(例如媒)输送到蒸汽发生器的系统典型地包括多个喷嘴组件，粉煤通过这些喷嘴组件输送到蒸汽发生器的燃烧室中。喷嘴组件典型地布置在风箱内，风箱可邻近蒸汽发生器的角落设置。各喷嘴组件包括伸入到燃烧室中的喷嘴头。典型地，喷嘴头设置成上下倾斜，以调节燃烧室内火焰的位置。
图1是布置在风箱202的燃料舱208中的典型的固体燃料喷嘴组件200的局部分解透视图。如图1中所描绘的，固体燃料喷嘴组件200包括喷嘴头204和燃料供给管道(导管)216。喷嘴头204具有包括外壳210和内壳212的双壳构造。内壳212同轴地布置在外壳210内，以在内壳212和外壳210之间提供环形空间214。内壳212连接到燃料供给管道216上，以用于使由空气携带的粉状固体燃料流通过内壳212供给到蒸汽发生器的燃烧室中。环形空间214连接到辅助空气导管218上，以用于将辅助空气通过环形空间214供给到燃烧室中。辅助空气用于燃烧，并且有助于冷却喷嘴头204。
外壳210的截面形状典型地是矩形，并且大体对应于辅助空气导管218的出口端220的内截面，该内截面也具有矩形截面。类似地，内壳212的截面形状典型地是矩形，并且大体对应于燃料供给管道216的出口端222的外截面。然而，燃料供给管道216典型地具有圆形入口端224，这就要求在燃料供给管道216的入口端224和出口端222之间使用圆形-正方形或圆形-矩形过渡段。虽然这种设置适用于许多应用，但是当粉状固体燃料流过该过渡段时，其分布既不是均匀的也不是同心的。人们相信，这种非均匀的固体燃料分布会影响喷嘴200的性能，并且可在某些应用中是不利的。
简要概述
包括燃料供给管道和相对于该燃料供给管道可枢轴转动地连接的喷嘴头的粉状固体燃料喷嘴组件，克服或减轻了现有技术的上述和其它缺点和不足。该燃料供给管道包括大体圆柱形的壳，该壳具有圆形出口端和围绕该圆形出口端的周边布置的球状突起。喷嘴头包括内壳，该内壳具有设置成与大体圆柱形的壳的圆形出口端成同心关系的圆形入口端。该圆形入口端围绕球状突起而布置，用以在内壳和燃料供给管道之间形成密封。喷嘴头还包括设置成与内壳成同轴关系的外壳以及布置在内壳和外壳之间的环形空气通道。喷嘴头可以绕着至少一条轴线进行枢轴转动，用以对来自内壳的粉状固体燃料流导向。
在各种实施例中：喷嘴头可以绕着至少两条轴线进行枢轴转动，以允许喷嘴头倾斜和偏动；喷嘴组件包括布置在燃料供给管道内以用于调节火焰形状的装置；并且，大体圆柱形的壳和内壳中的至少一个镶衬有耐磨金属材料和陶瓷材料中的至少一种。内壳和大体圆柱形的壳可具有收缩喉部、发散喉部或恒定直径喉部中的任意一种喉部。
附图简述
现在参考附图，其中，各个附图中相同的项目标号相同：
图1是现有技术粉状固体燃料喷嘴组件的局部分解透视图；
图2是包括多个风箱的燃烧固体燃料的蒸汽发生器的示意性描绘，这些风箱具有布置于其中的燃料舱；
图3是布置在燃料舱内的粉状固体燃料喷嘴组件的正截面视图；
图4是布置在燃料舱内的粉状固体燃料喷嘴组件的俯视截面视图；
图5是粉状固体燃料喷嘴组件的一部分的正截面视图，该粉状固体燃料喷嘴组件包括用于调节火焰形状的备选装置；
图6是粉状固体燃料喷嘴组件的局部分解透视图；
图7是可用于粉状固体燃料喷嘴组件的、具有发散喉部的燃料供给管道的一部分的正截面视图；
图8是可用于粉状固体燃料喷嘴组件的喷嘴头的后视透视图；
图9是构造成允许喷嘴头倾斜和偏动的燃料供给管道的局部分解透视图；和
图10是构造成允许喷嘴头倾斜和偏动的备选燃料供给管道的局部分解透视图。
详细描述
现在参考图2，显示了燃烧粉状固体燃料的蒸汽发生器10，其包括燃烧室14，粉状固体燃料(例如，煤)和空气在该燃烧室14内开始燃烧。由粉状固体燃料和空气的燃烧所生成的热气在蒸汽发生器10中向上上升，并且对流经管路(未示出)的流体释放热量，该管路以传统的方式布衬于蒸汽发生器10的壁上。热气通过蒸汽发生器10的水平通路16离开蒸汽发生器10，该水平通路16又通向蒸汽发生器10的尾部气体通路18。水平通路16和尾部气体通路18都可以本领域技术人员所公知的方式来包括用于生成蒸汽和使蒸汽过热的其它热交换表面(未示出)。可使得在蒸汽发生器10中生成的蒸汽流向涡轮机(未示出)，例如用于涡轮机组/发电机组(未示出)或者任何其它目的涡轮机。
蒸汽发生器10包括一个或多个风箱20，风箱20可位于蒸汽发生器10的角落处。各风箱20设有多个空气舱15，由合适的源(例如风扇)所提供的空气通过空气舱15而注入到蒸汽发生器10的燃烧室14中。在各风箱20中还布置有多个燃料舱12，粉状固体燃料通过该燃料舱12而注入到蒸汽发生器10的燃烧室14中。
固体燃料通过粉状固体燃料供给装置22而供给到燃料舱12，该装置包括经由多个粉状固体燃料输送管26而与燃料舱12形成流体连通的粉碎器24。粉碎器24可操作地连接到空气源(例如风扇)上，因而由空气源生成的空气流以本领域技术人员所公知的方式而使得粉状固体燃料从粉碎器24开始传送，穿过粉状固体燃料输送管26，再穿过燃料舱12，并且传送进入燃烧室14中。
蒸汽发生器10可设有分离的过热空气的两个或多个离散的能级(discrete level)，这些过热空气结合于蒸汽发生器10的各个角落中，以便位于各个风箱20顶部和蒸汽发生器10的炉出口平面28之间，从而提供分离的过热空气30的低能级和分离的过热空气32的高能级。
图3描绘了布置在燃料舱12内的粉状固体燃料喷嘴组件34的沿着x-y平面获得的正截面视图，图4描绘了布置在燃料舱12内的粉状固体燃料喷嘴组件34的沿着x-z平面获得的俯视截面视图，该x-z平面垂直于x-y平面。虽然仅显示了一个燃料舱12，但将了解的是，图2的各个燃料舱12均可包括喷嘴组件34。参考图3和图4，喷嘴组件34包括伸入到燃烧室14中的喷嘴头36，以及延伸穿过燃料舱12并联接到粉状固体燃料输送管26上的燃料供给管道38。燃料供给管道38包括大体圆柱形的壳99，该壳99具有法兰104和球状突起106，法兰104布置在壳99的一端处，以用于将燃料供给管道38固连到固体燃料输送管26(图3)上，球状突起106布置在另一端处，以用于在燃料供给管道38和喷嘴头36之间提供密封，下文将对此进行更详细的描述。“大体圆柱形”表示该壳的内表面提供了具有贯穿壳的大致全部长度的圆形截面的流动路径。
喷嘴头36具有包括外壳39和内壳40的双壳构造。内壳40同轴地布置在外壳39内，以在内壳40和外壳39之间提供环形空间42。内壳40连接到燃料供给管道38上，以使由空气所携带的粉状固体燃料流44穿过燃料供给管道38和内壳40而供给到燃烧室14中。环形空间42连接到辅助空气导管46，以便使辅助空气流48穿过辅助空气导管而供给到环形空间42中，然后供给到燃烧室14中。辅助空气用于燃烧，并且有助于冷却喷嘴头36。
喷嘴组件34在燃料舱12内被适当地支承，并且可以使用任何传统的安装装置进行支承。辅助空气导管46可与大体圆柱形的壳99的纵向轴线52同轴对齐，使得燃料供给管道38在辅助空气导管46内居于中心。
可以预期的是，喷嘴组件34的尺寸可设置成使得该喷嘴组件34可代替已有的现有技术喷嘴组件进行使用。将了解的是，因此而只需对已有的风箱控制或操作进行最小的改动，就可将喷嘴组件34改装到已有的蒸汽发生器中。还可预期的是，喷嘴组件34可以用于新的设备。
喷嘴头36和燃料供给管道38与纵向轴线52同轴对齐。喷嘴头36相对于燃料供给管道38可枢轴转动地连接，使得喷嘴头36可以绕着轴线54进行枢轴转动，该轴线54垂直于纵向轴线52而延伸。在所示的示例中，喷嘴头36通过销56相对于燃料供给管道38可枢轴转动地连接，销56沿着轴线54从内壳40延伸到燃料供给管道38。或者，喷嘴头36可通过销(未示出)相对于燃料供给管道38可枢轴转动地连接，该销沿着轴线54从外壳39延伸到辅助空气导管46。
用于调节与喷嘴组件34相关的火焰的装置58布置在燃料供给管道38内。调节装置58允许在线控制火焰形状，并且提供修整火焰前缘的优点，以最大化地减少锅炉排放，例如NOx和CO。调节装置58包括沿着轴线52延伸的杆60和布置在杆60的自由端处并且位于喷嘴头36内的非流线体(bluff body)62(其具有当浸入到运动流体中时会产生阻力的形状)。杆60的相对端延伸穿过通过固体燃料输送管26而布置的密封装置64。该密封装置64防止由空气携带的粉状固体燃料流44沿着杆60而泄漏，同时允许杆60沿着轴线52方向运动。杆60在燃料供给管道38内由一对支架61来支承，这对支架固定到杆60上，并且置于燃料供给管道38的内表面上。杆60和非流线体62沿着轴线52方向的运动可以调节火焰的形状。
虽然图3和图4描绘了非流线体62的使用，但预期的是，调节装置58还可以使用其它结构。例如，如图5所示，可以使用旋流器66(其主体68具有绕该主体周边间隔的鳍状物70)来使得由空气携带的粉状固体燃料流进行旋转。
现在参考图6，其显示了喷嘴组件34的局部分解透视图。如图6中可见，大体圆柱形的壳99具有圆形入口端100和圆形出口端102。法兰104围绕入口端100的周边布置，球状突起106围绕出口端102的周边布置。如在图3到图5中最好地可见的那样，当在轴线52延伸于其中的任何平面中进行观察时，球状突起106具有半圆形截面形状。球状突起106可由附连到燃料供给管道38上的环状物形成，或者燃料供给管道38可成形为、铸造为或用其它方式而形成为包括球状突起106。
在图3到图5中，燃料供给管道38的出口端102形成恒定直径喉部。也就是说，燃料供给管道38具有贯穿出口端102部分而基本保持恒定的内径。或者，如图7所示，燃料供给管道38可具有发散喉部。也就是说，燃料供给管道38具有朝向出口端102增大(θ＞0)的内径。还预期的是，燃料供给管道38可具有收缩喉部，其中，朝向出口端102内径缩小(θ＜0)。可以根据喷嘴组件34的应用来选择燃料供给管道38的形状。例如，人们相信，对于使用火焰调节装置58的应用来说，恒定直径喉部是有利的。
燃料供给管道38可以由任何合适的材料来构造，诸如，例如钢、铁或其它金属。有利的是，燃料供给管道38的内表面的大体圆柱形设计，允许燃料供给管道38的磨损区域整体地由各种各样的耐磨和/或耐温金属材料或陶瓷制成，或者镶衬有这些金属材料或陶瓷。如本申请中所使用的，“耐磨金属材料”是具有大于等于200的布氏硬度的任何金属材料，该硬度值按照ASTM E10，Standard Test Method forBrinell Hardness of Metallic Materials、使用10mm直径的带3000千克压力的碳化钨球形压头获得。
图8显示了喷嘴头36的后视透视图，而在图6中可见喷嘴头36的正透视图。在图8的视图中已经去除了外壳39的一部分，以显示多个支承部件109，这些支承部件109从内壳延伸到外壳39中，以用于支承外壳39内的内壳40。如图6和图8中可见，内壳40具有圆形入口端108和圆形出口端110。
如在图3到图5中最好地可见的那样，内壳40可形成收缩喉部，其中，内壳40的内径朝向出口端110而缩小。或者，内壳40可形成恒定直径喉部，其中，内壳40具有贯穿其长度基本保持恒定的内径，或发散喉部，其中，内壳40的内径朝向出口端110而增大。可根据喷嘴组件34的应用来选择内壳的形状。
再次参考图6和图8，外壳39具有入口端112和出口端114。外壳39包括布置在入口端112的至少两侧上的球状(弓形)部分116，当喷嘴绕轴线54(图4)进行枢轴转动时，该球状(弓形)部分116用于在外壳39和燃料舱12之间保持密封。在所示实施例中，入口端112具有多边形截面形状(例如正方形、矩形等)，而出口端114是圆形的。然而，预期的是，外壳39可根据喷嘴组件34的应用而使用任何适宜的形状。例如，预期的是，外壳39可具有多边形(例如正方形、矩形等)入口端112和/或出口端114或圆形入口端112和/或出口端114。
喷嘴头36可由任何合适的材料构成，诸如，例如钢、铁或其它金属。有利的是，内壳40的大体圆柱形设计允许内壳40的磨损区域由各种各样的耐磨金属材料或陶瓷制成或者镶衬有这些金属材料或陶瓷。
如图3到图5所示，当将喷嘴头36组装到燃料供给管道38上时，内壳40的内表面围绕燃料供管道38的出口端上的球状突起10而布置。内壳40的内表面与球状突起106的外表面形成密封，以基本上保持辅助空气流48与由空气携带的粉状固体燃料流44之间的隔离。内壳40的内表面紧贴球状突起106的外表面而布置，以提供该密封，但在内壳40的内表面和球状突起106的外表面之间有足够的间隔，以允许喷嘴头36相对于燃料供给管道38进行枢轴转动。
在所示实施例中，销56(图4)延伸穿过布置在内壳40中的孔120(图8)，并且穿过布置在球状突起106中的孔122(图6)，以使喷嘴头36可枢轴转动地附连到燃料供给管道38上。该实施例允许喷嘴头36绕着单个轴线54(图4)而相对于燃料供给管道38进行枢轴转动，从而允许喷嘴头36上下倾斜(当水平地设置轴线54时)或左右偏动(当垂直地设置轴线54时)。或者，图9和图10描绘了实施例，其中燃料供给管道38构造成允许喷嘴头36倾斜和偏动。
在图9的实施例中，将布置在球状突起106中的孔122其中之一延长，因此允许喷嘴头36(例如图6)绕轴线250进行枢轴转动，该轴线250位于相对的孔122处并且大体与球状部分106的外表面相切而延伸，或者，如图10所描绘，两个孔122都可延长，因此允许喷嘴头36(例如图6)绕着大体垂直于纵向轴线52延伸的轴线250进行枢轴转动。
在本申请所述的各种实施例中，喷嘴组件34允许喷嘴头36相对于燃料供给管道38进行枢轴转动，从而当粉状固体燃料流44进入燃烧室14时对其进行导向。喷嘴头36的这种倾斜和/或偏动允许对火焰进行整形和控制，这就允许“调节”蒸汽发生器，以具有更好的运行和排放控制。有利的是，喷嘴组件34允许喷嘴头36的这种倾斜和/或偏动，同时为粉状固体燃料提供截面形状是圆形的流动路径。保持圆截面的流动路径又保持了进入炉中的圆形的喷射射流，因此提供均匀的径向燃烧。这种均匀性被认为提供了更好的排放控制和燃烧效率。此外，人们相信，保持圆截面的流动路径提供了穿过喷嘴头36的更好的空气流以及喷嘴头36的后续冷却，这就提升了喷嘴头36的更长寿命和耐用性。
喷嘴组件34还允许添加可调节的旋流器或非流线体，以用于火焰形状的在线控制。该特征提供修整火焰前缘以最大化地减少锅炉排放(例如NOx和CO)的优点。本申请所述实施例可用于新设计的锅炉和风箱，并且可以对风箱控制或操作进行最小的改动而改装到已有的蒸汽发生器中。此外，大体圆柱形设计允许喷嘴头和/或燃料供给管道的磨损区域整体地由各种各样的耐磨和/或耐温金属材料或陶瓷制成，或者镶衬有这些金属材料或陶瓷。
应该理解的是，除非本申请中另有说明，也可以应用或使用关于本申请的特定实施例描述的任何特征、特性、备选方案或变型，或者将其与本申请所述的任何其它的实施例相结合。此外，本申请的附图不是按比例绘制的。
由于容易获得本发明的各种变型和备选形式，所以应该理解的是，本发明不意图限制于所公开的特定形式。相反，本发明的范围扩展到落入本发明由所附权利要求限定的精神和范围中的所有变型、等效形式和备选方案。

Claims (17)

1.一种粉状固体燃料喷嘴组件，包括：
燃料供给管道，其包括：
具有圆形出口端的大体圆柱形的壳，和
围绕所述大体圆柱形的壳的所述出口端的周边而布置的球状突起；和
喷嘴头，其可枢轴转动地连接到所述燃料供给管道上以便允许所述喷嘴头相对于所述燃料供给管道的倾斜和偏动两者，所述喷嘴头包括：
内壳，其具有设置成与所述大体圆柱形的壳的所述圆形出口端成同心关系的圆形入口端，所述圆形入口端围绕所述球状突起而布置，以在所述内壳和所述燃料供给管道之间形成密封，
外壳，其设置成与所述内壳成同轴关系，和
环形空气通道，其布置在所述内壳和所述外壳之间；
其中，所述喷嘴头可以绕着至少两条轴线进行枢轴转动，以对来自所述内壳的粉状固体燃料流进行导向。
2.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述喷嘴组件还包括布置在所述燃料供给管道内以用于调节火焰形状的装置。
3.根据权利要求2所述的喷嘴组件，其特征在于，所述用于调节的装置包括：
杆，其布置在所述大体圆柱形的壳内，和
旋流器和非流线体中的至少一个，所述旋流器和非流线体邻近所述喷嘴头而布置在支承部件的一端处。
4.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述外壳具有入口端和出口端，所述入口端具有多边形截面形状，所述出口端具有圆形截面形状。
5.根据权利要求4所述的喷嘴组件，其特征在于，所述外壳的入口端包括布置在所述多边形截面形状的至少两侧上的球状部分。
6.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述内壳具有收缩喉部或发散喉部。
7.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述内壳具有恒定直径喉部。
8.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述大体圆柱形的壳具有收缩喉部或发散喉部。
9.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述大体圆柱形的壳具有恒定直径喉部。
10.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述大体圆柱形的壳和所述内壳中的至少一个镶衬有耐磨金属材料和陶瓷材料中的至少一种材料。
11.根据权利要求3所述的喷嘴组件，其特征在于，所述外壳具有入口端和出口端，所述入口端具有多边形截面形状，所述出口端具有圆形截面形状。
12.根据权利要求3所述的喷嘴组件，其特征在于，所述内壳具有收缩喉部或发散喉部。
13.根据权利要求3所述的喷嘴组件，其特征在于，所述内壳具有恒定直径喉部。
14.根据权利要求3所述的喷嘴组件，其特征在于，所述大体圆柱形的壳具有收缩喉部或发散喉部。
15.根据权利要求3所述的喷嘴组件，其特征在于，所述大体圆柱形的壳具有恒定直径喉部。
16.根据权利要求3所述的喷嘴组件，其特征在于，所述喷嘴组件还包括：
至少一个销，其从所述燃料供给管道延伸到所述头段的所述内壳，所述至少一个销与所述喷嘴头进行枢轴转动所围绕的轴线沿轴向对准。
17.根据权利要求3所述的喷嘴组件，其特征在于，所述大体圆柱形的壳和所述内壳中的至少一个镶衬有耐磨金属材料和陶瓷材料中的至少一种。
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