CN102322636A

CN102322636A - 一种旋流燃烧器低氮氧化物低负荷稳燃装置

Info

Publication number: CN102322636A
Application number: CN201110268177A
Authority: CN
Inventors: 孙保民; 肖海平; 康志忠; 郭永红; 王世昌
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2031-09-09
Also published as: CN102322636B

Abstract

本发明属于电厂旋流燃烧器技术领域，特别涉及一种旋流燃烧器低氮氧化物低负荷稳燃装置。该装置由两部分组成，第一部分是一个撞击件，呈圆锥体结构，第二部分是一个消涡件，是由两个圆弧面组成的流线型结构体。该稳燃装置安装在旋流燃烧器的一次风管出口附近，煤粉气流经过该装置时煤粉颗粒向一次风管外圈聚集，提高煤粉浓度，有效降低NOx的生成量，减少着火热，有利于低负荷时和燃用劣质煤时煤粉气流的及时着火和稳定燃烧。并且该装置的消涡件可以有效防止稳燃装置尾部旋涡的形成，防止燃烧器结渣结焦和烧坏。

Description

一种旋流燃烧器低氮氧化物低负荷稳燃装置

技术领域

本发明属于电厂旋流燃烧器技术领域，特别涉及一种旋流燃烧器低氮氧化物低负荷稳燃装置。

背景技术

由于国内煤价上涨，大部分电厂改燃发热量低的劣质煤种，旋流燃烧器的稳燃性能尤其是低负荷稳燃能力变差，煤粉着火困难，燃烧不稳定，甚至发生灭火现象，严重危害锅炉安全经济运行。目前提高旋流燃烧器稳燃性能的措施主要有：加装浓缩环、改进中心扩口形状、加装稳燃齿或稳燃环等。

浓缩环一般加装在带有中心风管的一次风管道内。通过一次风管内的浓缩环，可以实现径向煤粉浓淡分离，得到内浓外淡的煤粉浓度分布。其原理是利用浓缩构件对煤粉气流的导向作用，强迫煤粉气流改变流动方向，通过颗粒惯性远大于空气惯性的性质，实现煤粉气流的浓缩和分流，将一次风粉混合物分成煤粉浓度相差适当的两股。增大煤粉浓度可以降低煤粉的着火温度，对稳燃有利。

在一次风管中加装稳燃齿或稳燃环是许多进口锅炉用于稳定燃烧的技术。齿形或齿环形稳燃器有装在一次风粉气流外缘的，也有装在内缘的。德国Babcock公司DS燃烧器上的齿环稳燃器装在一次风粉气流外侧。此外法国Steinmüler公司的SM2IV型燃烧器，美国(加拿大)B&W公司的典型DRB2XCL燃烧器等也均将齿形稳燃器装在一次风粉气流外侧。稳燃齿或稳燃环由一圈小齿(或再加一圆环)组成。其目的是在齿的背流面形成许多小涡流，以稳定煤粉气流的着火。附着在一次风粉气流外侧的齿形或齿环形稳燃器形成的回流区，处于一、二次风之间的环形区域，回流区的温度不高，仅靠这一回流区难于稳定煤粉的着火燃烧，但它有适当阻止一次风与二次风过早混合和阻挡煤粉(特别是粗煤粉)向二次风扩散的趋势，还可以让适量煤粉颗粒进入高温内回流区，对煤粉稳燃有一定作用；附着在一次风内侧的齿形或齿环形稳燃器有助于高温烟气的回流，对煤粉气流的着火燃烧有一定作用。

改进中心扩口(锥)形状就是将普通圆环型中心扩口(锥)更换为齿形或花瓣型结构。中心管扩口(锥)的作用是在燃烧器喷口附近形成较大的中心回流区，加大扩口(锥)角度可加宽回流区，增大回流区与高温烟气的接触面积。哈尔滨工业大学提出把普通圆环形中心扩口(锥)改为齿形结构，使煤粉颗粒体积流量峰值更加靠近燃烧器中心，增加中心回流区中煤粉密度，提高中心回流区边界附近湍流脉动强度和中心扩口下出口射流的回流强度，从而强化煤粉气流的燃烧反应。东南大学提出的花瓣稳燃器为一扩锥型结构，出口边界为花瓣形曲线，增加一次风粉气流与回流高温烟气接触边界。该设计除形成中心回流区外，还能在其背面形成径向和轴向两种回流区，强烈的回流可以加强煤粉气流与高温烟气的对流混合，对低挥发性煤和低负荷时的燃烧有利。

但以上三种方式各自存在无法避免的缺陷：

浓缩环形成了内浓外淡的煤粉浓度分布，只适合于带有中心风管的旋流燃烧器。对于不带中心风管的旋流燃烧器，采用浓缩环反而加剧了燃烧的不稳定性。

旋流燃烧器加装稳燃齿和稳燃环主要缺点，一是齿太小，其在背流面所形成的小涡流可能不稳定，稳燃效果不显著；二是不利于降低NO_X生成；三是齿和齿环均非流线形，流动阻力大，容易遭受煤粉气流的磨损，寿命短；四是容易造成结焦掉焦现象。对于不带中心风管的旋流燃烧器加装齿形稳燃器则会引导风粉气流向轴心方向发展，妨碍中心回流区的形成。

齿形或花瓣型稳燃器的缺点：一是当扩口设计较大时会引导煤粉气流向外扩散造成煤粉气流与二次风混合过早，影响煤粉着火和稳燃，二是当煤粉气流速度较大时煤粉颗粒与稳燃器表面的撞击几率增大，从而容易使煤粉颗粒从气流中分离出来造成不完全燃烧损失。

发明内容

本发明提供了一种旋流燃烧器低氮氧化物低负荷稳燃装置，主要目的是解决不带中心风管的旋流燃烧器燃用劣质煤种时的着火及稳燃问题，保证锅炉低负荷运行时煤粉气流仍然能快速着火稳定燃烧充分燃尽，实现煤粉浓淡燃烧降低NO_X生成量，同时防止燃烧器喷口结焦结渣以及防止燃烧器加装一般稳燃装置后的煤粉沉积及结焦。

本发明采用的技术方案为：该稳燃装置水平安装在一次风管中，由两部分组成，第一部分为撞击件，呈圆锥体结构，第二部分为消涡件，是由一圆弧母线回转体与一球体相贯组成的流线型结构体；所述撞击件和消涡件共用底面；圆锥体半径R为(0.3～0.6)Rc，圆锥角α为10°～30°，前端倒角圆弧半径R₀为(0.01～0.04)Rc；圆弧母线回转体弧线半径r为(1.3～1.8)Rc，球体半径r₀为(0.25～0.35)Rc，中心角β为60°～85°；稳燃装置末端与一次风管出口的距离为(0.1～0.2)Rc，其中，Rc为一次风管的半径；所述稳燃装置的中轴线与一次风管的中轴线重合。

所述撞击件选用ZG₈Cr₂₆NiMn₃N高铬铸钢、氧化物陶瓷、或者高锰铸钢制成。

所述消涡件采用普通合金钢。

当一次风管中的煤粉气流经过该稳燃器时，煤粉颗粒撞击圆锥体形的撞击件表面，而后改变前进方向，使煤粉颗粒向气流外圈聚集，形成径向方向上煤粉颗粒外浓内淡的分布。径向方向上靠近内二次风侧的煤粉浓度高，有利于减小该区域煤粉气流燃烧所需要的着火热，稳燃装置的存在增加了回流区的大小，使得更多的高温烟气回流到一次风喷口附近，且增加了煤粉气流与回流高温烟气的接触和换热周界，回流的高温烟气加热一次风管出口外圈的高浓度煤粉气流，而内二次风又及时的补充燃烧所需要的氧气，从而形成一个高煤粉浓度、高温和合适的氧气浓度的区域，有利于煤粉气流的着火和燃烧。

本发明的有益效果为：

1.对于不带中心风管的旋流燃烧器，使用本装置后，燃烧器的煤种适应性好，燃用低挥发份低发热量的劣质煤种时能够保证煤粉气流快速着火，稳定燃烧，充分燃尽。

2.对于不带中心风管的旋流燃烧器，使用本装置后，径向方向上实现了外浓内淡的煤粉浓度分布特征。煤粉浓淡分离燃烧可以有效减少NO_X的生成；高浓度煤粉区域，氧量相对不足，贫氧燃烧有利于控制燃料型NO_X的产生；低浓度煤粉区域，氧量相对充足但是燃烧强度低，区域温度低，减少了温度型NO_X的生成。

3.本装置的独特设计可以防止稳燃装置后出现掉焦、煤粉沉积、结渣等常见问题的发生。

4.本发明结构简单，易于加工和安装，且独特的流线型设计可减少磨损提高装置寿命。

附图说明

图1为本发明所述装置的结构示意图；

图2为所述装置在一次风管内的安装示意图；

图3为本装置对煤粉浓度的影响曲线；

图4为撞击体半径对煤粉浓度分布影响的曲线；

图5为该装置不同安装位置对煤粉浓度分布影响的曲线；

图6为煤粉气流流过稳燃装置后在一次风管不同截面的速度分布曲线；

图7为模拟热态时一次风管内安装本稳燃装置与不安装本稳燃装置的情况下，一次风管出口处截面上的径向温度分布对比曲线；

图8为模拟热态时一次风管内安装本稳燃装置与不安装本稳燃装置的情况下，一次风管喷口外沿轴向的温度分布对比曲线。

图中标号：

1-撞击体；2-消涡体。

具体实施方式

本发明提供了一种旋流燃烧器低氮氧化物低负荷稳燃装置，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，该稳燃装置水平安装在一次风管中，由两部分组成，第一部分为撞击件，呈圆锥体结构，第二部分为消涡件，是由一圆弧母线回转体与一球体相贯组成的流线型结构体；所述撞击件和消涡件共用底面；圆锥体半径R为(0.3～0.6)Rc，圆锥角α为10°～30°，前端倒角圆弧半径R₀为(0.01～0.04)Rc；圆弧母线回转体弧线半径r为(1.3～1.8)Rc，球体半径r₀为(0.25～0.35)Rc，中心角β为60°～85°；稳燃装置末端与一次风管出口的距离为(0.1～0.2)Rc，其中，Rc为一次风管的半径；所述稳燃装置的中轴线与一次风管的中轴线重合。

由于煤粉气流中大部分煤粉与圆锥体撞击件发生撞击，磨损严重，所以撞击件1选用耐热耐磨材料ZG₈Cr₂₆NiMn₃N高铬铸钢、氧化物陶瓷、或者高锰铸钢制成，第二部分消涡件表面是呈流线型的光滑面，磨损较小，采用普通合金钢。

图2是该稳燃装置在一次风管内的安装示意图，该稳燃装置水平安装在一次风管内中心处，且稳燃装置的中轴线与一次风管的中轴线重合；撞击件1居前。

借助CFD软件，对配置该稳燃装置的不带中心风管的旋流燃烧器出口流场及温度进行了模拟。

图3为本装置对煤粉浓度的影响曲线；从图3可以看出不安装本稳燃装置时煤粉颗粒在一次风管内的分布相对较均匀，而安装本稳燃装置后煤粉颗粒主要向一次风管外圈聚集，从而形成高煤粉浓度区域。

图4所示是圆锥体半径对煤粉浓度分布的影响，其中R1＜R2＜R3＜R4，分别表示不同的圆锥体半径，从图中可以看出浓煤粉区煤粉浓度随圆锥体半径增大而增大。

图5所示是不同安装位置对煤粉浓度分布的影响，其中L1＜L2＜L3＜L4，分别表示稳燃装置距燃烧器出口的不同距离，从图中可以看出浓煤粉区煤粉浓度随稳燃装置与燃烧器出口的安装距离的增大而减小。

图6所示是煤粉气流流过稳燃装置后在一次风管不同截面的速度分布，从图中可以看出稳燃装置尾部中心处气流速度最小，沿着气流的前进方向速度有所增加，但均没有出现负值，稳燃装置尾部煤粉气流速度向前流动，没有形成回流区，从而验证消涡件的设计可有效消除稳燃装置尾部漩涡。

图7是模拟热态时一次风管内安装本稳燃装置与不安装本稳燃装置，一次风管出口处截面上的径向温度分布对比。从图中可以看到，不安装本稳燃时截面中心位置温度最高，而此时截面上煤粉浓度分布较均匀；安装本稳燃装置后，结合图3可以看出在截面上煤粉浓度高的区域温度也相对较高，所形成的高温、高煤粉浓度有利于煤粉气流及时着火。

图8是模拟热态时一次风管内安装本稳燃装置与不安装本稳燃装置，一次风管喷口外沿轴向的温度分布对比。从图中可以看到，安装本稳燃装置后能使煤粉气流提前达到着火温度，从而有利于燃烧劣质煤或低负荷时煤粉气流及时着火并稳定燃烧。

从模拟结果还知道消涡件圆弧半径大小影响尾部回流区的形成，增大圆弧半径有利于消除回流区，且圆锥体半径越大，消涡件圆弧的最小消涡半径越大。安装稳燃装置后一次风管内通流面积减小，考虑到煤粉气流的流速一定，所以圆锥体半径不宜过大。因而可以看出，当选择合适的圆锥体半径，消涡圆弧半径及合理的安装位置后，该稳燃装置可以在径向方向上实现煤粉气流的浓淡分离，并有效消除圆椎体尾部的回流区，从而有利于不带中心风管的旋流燃烧器的着火和稳燃，并且可以保护燃烧器不被烧坏和结焦。煤粉气流流过本装置之后流动趋于平稳，因而在保证煤粉气流进入炉膛后浓淡分布的情况下适当减小L的值，可以减轻煤粉对一次风管壁的磨损。

Claims

1.一种旋流燃烧器低氮氧化物低负荷稳燃装置，水平安装在一次风管中，其特征在于，该装置由两部分组成，第一部分为撞击件，呈圆锥体结构，第二部分为消涡件，是由一圆弧母线回转体与一球体相贯组成的流线型结构体；所述撞击件和消涡件共用底面；圆锥体半径R为(0.3～0.6)Rc，圆锥角α为10°～30°，前端倒角圆半径R₀为(0.01～0.04)Rc；消涡件圆弧母线回转体弧线半径r为(1.3～1.8)Rc，球体半径r₀为(0.25～0.35)Rc，中心角β为60°～85°；稳燃装置末端与一次风管出口的距离为(0.1～0.2)Rc，其中，Rc为一次风管的半径；所述稳燃装置的中轴线与一次风管的中轴线重合。

2.根据权利要求1所述的一种旋流燃烧器低氮氧化物低负荷稳燃装置，其特征在于，所述撞击件选用ZG₈Cr₂₆NiMn₃N高铬铸钢、氧化物陶瓷、或者高锰铸钢制成。

3.根据权利要求1所述的一种旋流燃烧器低氮氧化物低负荷稳燃装置，其特征在于，所述消涡件采用普通合金钢。