CN101865459B - 具有自适应功能的防焦多级点火燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有自适应功能的防焦多级点火燃烧装置。现有燃烧装置内部发生结焦，影响燃烧装置的安全运行。本发明包括一级热源管、风箱、煤粉气流进料装置、初级预燃装置、后级预燃装置；初级预燃装置包括套置的内筒和外筒，内筒的内部空间为初级预燃室，内筒与外筒之间的空间为环形的煤粉气流通道，初级预燃装置的外筒两端分别连接有初级调节环和后级调节环；初级预燃装置的内筒分为引燃段和防焦段，防焦段内筒的侧壁开有呈阵列排列的防焦孔，防焦孔为倾斜的圆锥形通孔。本发明可替代现有的电站锅炉的一次风煤粉燃烧装置，拆卸更换方便，防焦孔具有自适应性，且具有气流的单向自锁性，可以有效防止装置内部发生结焦。

Description

具有自适应功能的防焦多级点火燃烧装置

技术领域

本发明涉及一种用于多级点火，并具有自适应防焦功能的点火燃烧装置，适用于以煤粉为燃料的锅炉。

背景技术

在电力行业中，电站煤粉锅炉在启动时通常用价格昂贵的轻油来进行点火升炉，并且在低负荷运行或煤质变差时也需用轻油来稳燃。同时，随着机组容量向大型化发展，要求电网中有更多的机组参与调峰，致使点火和助燃用油大幅增加。而我国自2003年以来，石油进口量和消耗量已超过日本，位居世界第二位，石油安全形势严峻。故而开发电站锅炉的无油或少油直接点火与稳燃新技术为缓解我国石油供需矛盾，保障国家经济安全，具有重要的现实意义。

我国现有的煤粉直接点火技术，根据点燃煤粉的能量的最终来源(激发热源)的不同，可以将直接点火技术分为两大类：以某物质的燃烧热作为激发热源，包括马弗炉点火，少油与微油点火，可燃性气体点火等点火方式；以电能作为激发热源，包括电阻加热点火，中频感应加热热壁面点火，等离子体点火，中频感应加热高温空气点火等点火方式。而对于大容量的电站煤粉锅炉来说，无论何种点火技术，如果采用单级点火的方式去点燃一次风煤粉气流，外界所需供给的点火能量是非常巨大的，势必增加煤粉直接点火系统的设计难度、设备成本和运行费用。

对此，研究者们提出了多级点火的概念：利用煤粉直接点火技术先将一小股煤粉点燃，再利用这股煤粉放出的着火热去点燃后续的二三级煤粉，最终点燃整个一次风煤粉气流，实现低功率点火。

为了快速稳定地点燃一次风煤粉气流，多级点火都是内燃式点火。而煤粉气流的着火放热呈现强烈的非线性，一旦被点燃后，煤粉气流放出的着火热进一步促进煤粉的燃烧放热，不但提高了点火燃烧装置内部温度，而且迅速消耗气流中的氧气，产生大量CO，使得燃烧室内的气氛转变为还原性气氛，这些都容易使煤粉在燃烧装置内部发生结焦，从而影响燃烧装置的安全运行。

发明内容

本发明的目的就是针对现有煤粉多级点火技术中，煤粉着火燃烧与防焦的矛盾，提出一种用于电站锅炉上具有自适应防焦功能的多级点火燃烧装置。

本发明包括一级热源管、风箱、煤粉气流进料装置、初级预燃装置、后级预燃装置。

初级预燃装置包括套置的内筒和外筒，内筒的内部空间为初级预燃室，内筒与外筒之间的空间为环形的煤粉气流通道；外筒的长度为外筒内径D的1.5～5倍；内筒的侧壁端面设置有倒角，内筒长度为外筒长度的60～90％，内筒的两个端面均在外筒的两个端面以内。

后级预燃装置为与初级预燃装置的外筒等径的圆筒，圆筒的内部空间为后级预燃室，后级预燃装置圆筒的长度为0.2～3D。

煤粉气流进料装置包括进料管和连接筒，连接筒与为与初级预燃装置的外筒等径的圆筒，进料管与连接筒连通，进料管轴线与连接筒轴线的夹角为Ф，30°≤Ф≤70°，连接筒内对应进料管的进口设置有挡板。

煤粉气流进料装置中的连接筒与初级预燃装置的外筒之间设置有初级调节环，初级预燃装置的外筒与后级预燃装置的圆筒之间设置有后级调节环，初级预燃装置的外筒的一端与初级调节环以及连接筒通过法兰连接，初级预燃装置的外筒的另一端与后级调节环以及后级预燃装置的圆筒通过法兰连接。

初级调节环和后级调节环均为圆环形，包括连接为一体的环形平面和圆锥面，其中环形平面作为法兰，圆锥面母线与法兰环形平面的夹角为θ，30°≤θ≤80°，圆锥面的高度h＝0.1～0.3D，初级调节环的圆锥面在初级预燃装置的外筒内、后级调节环的圆锥面在后级预燃室内。

风箱包括圆筒形的本体和与本体端面中心连通的套筒，套筒的轴向与本体端面垂直，本体的侧面开有进风口。

风箱的套筒穿过煤粉气流进料装置的连接筒进入初级预燃室，一级热源管穿过风箱的本体伸入套筒内，一级热源管与套筒间隙配合，一级热源管的出口端面与套筒的出口端面的距离k＝0～0.8D，一级热源管与套筒之间的环形空间为微调风道。

初级预燃装置的内筒分为引燃段和防焦段，防焦段的长度L为内筒总长度的20～80％；防焦段内筒的侧壁开有呈阵列排列的防焦孔，防焦孔为倾斜的圆锥形通孔，圆锥孔的顶点位于初级预燃室内，圆锥孔的顶角β为15～60°，圆锥孔的轴线与内筒的轴线夹角α为30～60°，圆锥孔在内筒内壁的开口的最小孔径大于等于4mm，圆锥孔在内筒外壁的开口面积为防焦段内筒外壁总面积的60～95％。

一级热源管、风箱的本体和套筒、初级预燃装置的内筒和外筒、后级预燃装置的圆筒同轴设置。

本发明可替代现有的电站锅炉的一次风煤粉燃烧装置，其中初级调节环和后级调节环采用法兰连接，拆卸更换方便，其结构形状可根据煤种、煤粉细度的变化而改变，对燃料的适应性强。本发明的防焦段的防焦孔的斜向圆锥孔的布置形式使得进入初级预燃室的冷态后级稀相煤粉气流的流量与二级预燃室的燃烧状况相适应，具有自适应性，且具有气流的单向自锁性。点燃电站锅炉一次风煤粉的一级点火源，可来自于等离子体、高温空气、微油、可燃性气体等点火方式点燃的少量一级煤粉气流产生的高温烟气，也可以用单纯的高温空气、或燃油、燃气产生的高温烟气。本发明加入微调风，可对燃烧装置内部的燃烧状态进行调节。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中初级调节环和后级调节环的截面示意图；

图3为图1中初级预燃装置内筒的截面示意图；

图4为采用不同微调风时初级预燃室的轴向温度场；

图5为采用不同微调风时点火燃烧装置出口端面中心温度；

图6为采用不同微调风时点火燃烧装置出口端面中心处烟气中CO，CO₂、O₂的浓度。

具体实施方式

如图1、2和3所示，具有自适应功能的防焦多级点火燃烧装置包括一级热源管1、风箱、煤粉气流进料装置、初级预燃装置、后级预燃装置6。

一级热源管1内通过作为点火热源的高温气流，它可以是由等离子、微油、高温空气、可燃性气体等方式点燃的少量煤粉气流形成的高温烟气，或燃油、燃气产生的高温烟气，也可以是单纯的高温空气。

初级预燃装置包括套置的内筒9和外筒5，内筒9的内部空间为初级预燃室，内筒9与外筒5之间的空间为环形的煤粉气流通道；外筒5的长度为外筒5内径D的1.5～5倍；内筒9的侧壁端面设置有倒角，内筒9的长度为外筒5长度的60～90％，内筒9的两个端面均在外筒5的两个端面以内。内筒9将电站锅炉的一次风煤粉气流分为内外两股，其内部的煤粉气流为初级煤粉气流，在初级预燃室内被一级热源管内的高温气流点燃，其外部的煤粉气流通过内筒与外筒之间的环形通道进入后级预燃室。在后级预燃室被已经着火燃烧的初级煤粉气流点燃。

后级预燃装置6为与初级预燃装置的外筒等径的圆筒，圆筒的内部空间为后级预燃室。后级预燃装置6圆筒的长度为0.2～3D。

煤粉气流进料装置包括进料管2和连接筒3，连接筒3与为与初级预燃装置的外筒5等径的圆筒，进料管2与连接筒3连通，进料管轴线与连接筒轴线的夹角为Ф，30°≤Ф≤70°，锅炉一次风煤粉气流从进料管进入多级点火燃烧装置。连接筒内对应进料管的进口设置有挡板10。该挡板能够减少一次风煤粉气流拐弯处形成的回流区，防止煤粉在该处沉积。

煤粉气流进料装置中的连接筒3与初级预燃装置的外筒5之间设置有初级调节环4，初级预燃装置的外筒5与后级预燃装置6的圆筒之间设置有后级调节环7，初级预燃装置的外筒5的一端与初级调节环4以及连接筒3通过法兰连接，初级预燃装置的外筒5的另一端与后级调节环7以及后级预燃装置6的圆筒通过法兰连接。在一次风煤粉气流分为两股之前，流经靠近初级预燃装置的进口位置处的初级调节环，使得处于中心位置与处于近壁面处的煤粉气流产生速度差，由于煤粉颗粒的跟随性，使得大量的煤粉随气流进入初级预燃室，提高了位于初级预燃室内的煤粉的浓度，使得从一次风煤粉气流中分出一股较浓的煤粉作为初级预燃煤粉，降低了其着火热，使之更易于被点燃。不同参数的初级调节环可以使这两股煤粉气流形成不同的浓淡比。而相对较稀的后级煤粉经过内筒外的环行通道后，流经的后级浓淡调节环又将其再进行浓淡分离，使它的浓相处于后级预燃室的中心位置，便于被初级预燃室出口的高温烟气点燃；而稀相处于后级预燃室的壁面位置，便于保护后级预燃室壁面，避免其壁面超温，预防其壁面结焦。

初级调节环4和后级调节环7均为圆环形，包括环形平面4-1和圆锥面4-2，环形平面4-1作为法兰，圆锥面4-2母线与法兰环形平面4-1的夹角为θ，30°≤θ≤80°，圆锥面4-2的高度h＝0.1～0.3D，初级调节环的圆锥面在初级预燃装置的外筒内、后级调节环的圆锥面在后级预燃室内。

风箱包括圆筒形的本体12和与本体端面中心连通的套筒11，套筒11的轴向与本体12的端面垂直，本体12的侧面开有进风口。

风箱的套筒11穿过煤粉气流进料装置的连接筒3进入初级预燃室，一级热源管1穿过风箱的本体伸入套筒内，一级热源管1与套筒11间隙配合，一级热源管1的出口端面与套筒11的出口端面的距离k＝0～0.8D，一级热源管1与套筒11之间的环形空间为微调风道。微调风为温度为环境温度的冷空气，用于一次风煤粉气流着火后对燃烧的调节，其作用有两点：首先，冷却一级热源管，避免一级点火热源管内在可能产生的结焦；其次，对初级预燃室的内部温度进行一定范围的调节。其风量最大不超过一次风煤粉气流流量的5％。

初级预燃装置的内筒9分为引燃段和防焦段，为了防止结焦，在煤粉气流燃烧较剧烈的初级预燃室后部设计了防焦段，防焦段的长度L为内筒总长度的20～80％。防焦段内筒的侧壁开有呈阵列排列的防焦孔8，防焦孔8为倾斜的圆锥形通孔，圆锥孔顶点位于初级预燃室内，圆锥孔顶角β为15～60°，圆锥孔的轴线与内筒的轴线夹角α为30～60°，圆锥孔在内筒内壁的开口的最小孔径大于等于4mm，圆锥孔在内筒外壁的开口面积为防焦段内筒外壁总面积的60～95％。圆锥孔的作用在于：防止煤粉气流燃烧较剧烈的初级预燃室后部结焦，降低初级预燃室后部的壁面温度。当初级煤粉被点燃后，由于气流的膨胀，初级预燃室内的高温烟气向出口高速流动，此时其内部产生较大负压，将其外筒外侧的环形通道内相对稀相的部分后级煤粉气流通过斜圆锥孔吸入初级预燃室的防焦段内，冷却初级预燃室防焦段的壁面，同时在其壁面处形成具有氧化性气氛的保护膜。由于初级煤粉的燃烧越剧烈，烟气流速就越快，产生的负压就越大，从防焦锥型孔吸入的气流就越多，更好地保护了初级预燃室壁面，故而该结构具有防焦的自适应性，可根据初级预燃室内的燃烧剧烈程度自动调节吸入的防焦风量。且斜锥形孔的结构使得气流流动具有一定的单向自锁性，即：气流从初级预燃室通过锥孔流向其外环的流动(反向)阻力远大于外环稀相后级气流流入初级预燃室(正向)的阻力大，在试验工况下，通过数值模拟以及试验测量表明，当正向流动的阻力系数为0.7时，反向流动的局部阻力系数为8。在点火初期，由于可能存在着火的不稳定，造成的初级预燃室压力波动，可能会产生间断性的瞬时正压，此时，这种自锁特性防止了正压时较大量二级煤粉从防焦孔反向串入三级煤粉气流。

一级热源管、风箱的本体和套筒、初级预燃装置的内筒和外筒、后级预燃装置的圆筒同轴设置。

为了验证多级防焦型燃烧装置的效果，并研究微调风对多级煤粉燃烧的影响，了解其调节性能，我们燃用灰熔点为1273℃的神华混煤。采用高温热空气点燃冷态的少量一级煤粉气流产生的高温烟气作为一级热源管的点火热源，点燃由进料管进入的一次风煤粉气流，通过开启微调风，在其不同流量下，对煤粉气流的着火燃烧进行了试验研究。

图4、图5和图6为高温空气流量为50Nm³/h，温度为800℃，一级煤粉气流流量为5Nm³/h，浓度为0.46kg/kg，一次风流量为160Nm³/h，浓度为0.35kg/kg，微调风流量分别为：0，5，10，12.5Nm³/h时，初级预燃室内温度场以及燃烧装置出口温度和烟气成分的变化。

由图4可知微调风的加入能够显著降低初级预燃室内温度。再根据图5和图6可知，当加入微调风风量5Nm³/h时，出口CO浓度略有下降，CO₂浓度略有上升，燃烧装置出口的温度略有增加，这说明少量微调风的加入能促进煤粉气流在后级预燃室的燃烧，起到补氧的作用。同时，加入少量微调风后剧烈燃烧区域向后级预燃室移动。这对降低燃烧装置内超温和结焦的可能性是有利的。当环形冷却风增大到10Nm³/h和12.5Nm³/h时，不但二级预燃室内温度快速降低，而且出口温度也显著降低，烟气中的O₂浓度快速上升，CO₂和CO迅速下降。说明此时的环形冷却风对多级煤粉燃烧的不利影响增大。故而环形冷却风的最大补入量不得大于多级送粉风量(即：一次风流量)的5％。

当微调风全关时，由图4可知，其初级预燃后段的温度超过1350℃，高于煤粉的融化温度1273℃，但连续运行4小时后检查燃烧装置内部，未见结焦现象发生。

Claims (1)

1.具有自适应功能的防焦多级点火燃烧装置，包括一级热源管、风箱、煤粉气流进料装置、初级预燃装置、后级预燃装置；其特征在于：

所述的初级预燃装置包括套置的内筒和外筒，内筒的内部空间为初级预燃室，内筒与外筒之间的空间为环形的煤粉气流通道；外筒的长度为外筒内径D的1.5～5倍；内筒的侧壁端面设置有倒角，内筒长度为外筒长度的60～90％，内筒的两个端面均在外筒的两个端面以内；

所述的后级预燃装置为与初级预燃装置的外筒等径的圆筒，圆筒的内部空间为后级预燃室，后级预燃装置圆筒的长度为0.2～3D；

所述的煤粉气流进料装置包括进料管和连接筒，连接筒为与初级预燃装置的外筒等径的圆筒，进料管与连接筒连通，进料管轴线与连接筒轴线的夹角为Φ，30°≤Φ≤70°，连接筒内对应进料管的进口设置有挡板；

煤粉气流进料装置中的连接筒与初级预燃装置的外筒之间设置有初级调节环，初级预燃装置的外筒与后级预燃装置的圆筒之间设置有后级调节环，初级预燃装置的外筒的一端与初级调节环以及连接筒通过法兰连接，初级预燃装置的外筒的另一端与后级调节环以及后级预燃装置的圆筒通过法兰连接；

所述的初级调节环和后级调节环均为圆环形，包括连接为一体的环形平面和圆锥面，其中环形平面作为法兰，圆锥面母线与法兰环形平面的夹角为θ，30°≤θ≤80°，圆锥面的高度h＝0.1～0.3D，初级调节环的圆锥面在初级预燃装置的外筒内、后级调节环的圆锥面在后级预燃室内；

所述的风箱包括圆筒形的本体和与本体端面中心连通的套筒，套筒的轴向与本体端面垂直，本体的侧面开有进风口；

风箱的套筒穿过煤粉气流进料装置的连接筒进入初级预燃室，一级热源管穿过风箱的本体伸入套筒内，一级热源管与套筒间隙配合，一级热源管的出口端面与套筒的出口端面的距离k＝0～0.8D，一级热源管与套筒之间的环形空间为微调风道；

所述的初级预燃装置的内筒分为引燃段和防焦段，防焦段的长度L为内筒总长度的20～80％；防焦段内筒的侧壁开有呈阵列排列的防焦孔，所述的防焦孔为倾斜的圆锥形通孔，圆锥形通孔的顶点位于初级预燃室内，圆锥形通孔的顶角β为15～60°，圆锥形通孔的轴线与内筒的轴线夹角α为30～60°，圆锥形通孔在内筒内壁的开口的最小孔径大于等于4mm，圆锥形通孔在内筒外壁的开口面积为防焦段内筒外壁总面积的60～95％；

所述的一级热源管、风箱的本体和套筒、初级预燃装置的内筒和外筒、后级预燃装置的圆筒同轴设置。

Images