CN102454987B - 一种煤粉燃烧器和具有该煤粉燃烧器的锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种煤粉燃烧器包括热源和内燃室，所述热源位于内燃室内，所述内燃室具有进口，长筒形主燃烧室和出口；所述热源能够点燃通过内燃室的煤粉，并使煤粉在内燃室内进行不完全燃烧；所述煤粉燃烧器还包括设置在内燃室内筒壁的煤粉浓缩装置。本发明提供一种煤粉燃烧器和锅炉，以获得较好的点火和稳燃性能、更好的降氮效果。

Description

一种煤粉燃烧器和具有该煤粉燃烧器的锅炉

技术领域

本发明涉及一种煤粉燃烧设备，特别涉及一种煤粉燃烧器，还涉及具有该煤粉燃烧器的锅炉。

背景技术

申请人在另一件申请号为200910175071.4，发明名称为“一种煤粉燃烧器及具有该煤粉燃烧器的锅炉”的中国专利申请中，提供了一种煤粉燃烧器，请参考图1、该图示意上述发明提供的煤粉燃烧器的结构。该煤粉燃烧器包括热源200和内燃室100，内燃室100具有进口101和出口102，内燃室100形成一个适合的空间，以维持内部煤粉气流具有预定过量空气系数。内燃室100的进口101与一次风煤粉管道相通，煤粉气流通过一次风煤粉管道、进口101进入内燃室中。热源200从进风管300伸入内燃室100中，以持续地将通过进口101进入内燃室100的煤粉点燃。

在煤粉气流流动方向上，所述内燃室100具有预定的长度，并能够维持煤粉气流中的过量空气系数远小于1。这里的过量空气系数是指，燃烧1kg煤粉时实际供入内燃室100的空气量与完全燃烧1kg煤粉时所需的理论空气量的比值。维持预定过量空气系数的方式可以是限制煤粉气流中空气与煤粉的比例，保持较高的一次风煤粉浓度。过量空气系数与煤种有关：煤的水分越大，过量空气系数越大，煤的灰分越大，过量空气系数越小；反之，煤的水分越小，过量空气系数越大，煤的灰分越小，过量空气系数越大。通过简单的试验，就可以确定适合的过量空气系数，获得最优的技术效果。过量空气系数优选在0.15-0.45之间，在该范围内煤粉燃烧器能够维持稳定燃烧，同时可以实现在煤粉着火的内燃室100内形成强烈的还原性气氛，从而有效地抑制氮氧化物的生成。

该发明提供的煤粉燃烧器的工作过程是：过量空气系数为0.15-0.45的煤粉气流通过内燃室100时，热源200持续地将煤粉气流中煤粉，煤粉在内燃室100内进行不完全燃烧，产生还原性气氛。不完全燃烧形成的火焰在内燃室100中传播，并释放出热量，在内燃室100中形成适当高温环境，煤粉气流形成高温煤粉燃烧火焰从出口102喷出。在不完全燃烧过程中，持续性热源200和过量空气系数远小于1的条件使内燃室100内维持一个还原性气氛。在该高温环境下，还原性气氛使煤粉中的氮元素首先被热分解，并转化成NHi(i＝0，1，2)、HCN等还原性中间产物和氮氧化物。还原性中间产物与已生成的氮氧化物反应生成氮气。

煤粉气流在内燃室100内燃烧，形成的高温煤粉燃烧火焰通过出口102喷到炉膛中，这样，煤粉就不依赖于炉膛内的高温烟气着火，从而为煤粉后续在炉膛内的继续燃烧提供良好的着火基础和条件，满足锅炉炉膛中，煤粉稳定燃烧的需要。

煤粉在内燃室100内不完全燃烧过程中，相应的氮元素转化为氮气，从而能够减少进入炉膛的煤粉中的氮元素含量，减少煤粉在炉膛中燃烧时产生的燃料型氮氧化物的生成量；由于燃料型氮氧化物为煤粉燃烧的氮氧化物的主要组成部分，从而能够减少炉膛燃烧过程中氮氧化物的生成量，减少锅炉运行过程中氮氧化物的生成量。而且，还可以提高锅炉热效率，从而兼顾了锅炉的环保性能与热效率。

为了达到稳定燃烧和减少氮氧化物(NOx)生成的目的，燃煤锅炉的煤粉燃烧器一般会采用煤粉浓缩装置，使煤粉在燃烧器内部和喷口附近形成特定的浓淡分离特性。煤粉浓缩装置性能的优劣会直接影响到煤粉燃烧器的整体性能。常规煤粉锅炉用的气、固两相流分离的煤粉浓缩装置一般采用弯头和百叶窗结构。其中，弯头结构是利用煤粉粒子在经过弯头时由于气、固两相流的惯性不同而进行分离和浓缩，存在空间布置受限的缺点。百叶窗式气、固两相流分离和浓缩装置是在燃烧筒内设置多个浓缩栅，该装置结构复杂，并且存在分离和浓缩效果差，气流通道阻力大和抗磨损性差的缺点。

因此，如何提供一种煤粉燃烧器，获得更小的燃烧阻力，较好的点火和稳燃性能，较低的氮氧化物(NOx)生成量，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供一种煤粉燃烧器和锅炉，较好的点火和稳燃性能，较低的氮氧化物(NOx)生成量。

为此，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种煤粉燃烧器，包括热源和内燃室，所述热源位于内燃室内，所述内燃室具有进口，长筒形主燃烧室和出口；所述热源能够点燃通过内燃室的煤粉，并使煤粉在内燃室内进行不完全燃烧；

所述煤粉燃烧器还包括设置在内燃室内筒壁的煤粉浓缩装置。

优选地，所述内燃室包括与所述主燃烧室前端相接的减速进口段，所述减速进口段的截面积小于主燃烧室的截面积。

优选地，所述煤粉浓缩装置包括：具有空间几何结构的主体，所述主体包括迎风面和背风面；

所述主体的迎风面与背风面之间开有至少一个导流孔。

优选地，所述煤粉浓缩装置布置在所述内燃室内距离内燃室进口1.5m以内的截面上。

优选地，所述煤粉浓缩装置在相邻着的不同的截面上是错开布置，在同一截面上是间隔布置。

优选地，所有多个所述截面上的煤粉浓缩装置投影到与主燃烧室轴向相垂直的平面上时，为无间隙的圆环。

优选地，所述煤粉浓缩装置的导流孔与水平面平行或具有预定倾斜角，所述预定倾斜角范围是±80°之间。

优选地，所述煤粉浓缩装置所有导流孔的孔面积之和与所述迎风面的总面积之比为1∶20至7∶10之间。

优选地，所述内燃室还包括与所述主燃烧室后端相接的加速出口段；所述加速出口段的截面积小于主燃烧室的截面积。

优选地，所述内燃室还包括与加速出口段后端相接的出口调整段，出口调整段前端和后端的截面积相等。

一种锅炉，包括炉体形成的炉膛和前文所述任一种煤粉燃烧器；所述煤粉燃烧器内燃室的出口与所述炉膛相通，使着火的煤粉进入炉膛内继续燃烧。

本发明实施例公开的煤粉燃烧器，内部布置有煤粉浓缩装置，一次风中风粉混合物经煤粉浓缩装置浓淡分离后，部分煤粉被导入到内燃室中心区域，使该区域获得较高的煤粉浓度，一方面能够降低煤粉燃烧所需的着火热，提高其点火性能，使煤粉着火更加稳定；另一方面使更多的煤粉处在高温燃烧区域，煤粉中的挥发份迅速析出并在低氧条件下发生一系列氧化-还原反应，从而降低氮氧化物(NOx)的生成量。

附图说明

图1为本申请人另一发明提供的煤粉燃烧器的结构图；

图2为本发明实施例一提供的煤粉燃烧器的纵向结构图；

图3a是根据本发明实施例的煤粉浓缩装置的侧视图；

图3b是图3a所示煤粉浓缩装置的主视图；

图4是根据本发明实施例的实现煤粉浓淡分离的原理示意图；

图5a是根据本发明实施例二的煤粉燃烧器的主视图；

图5b是图5a所示煤粉燃烧器的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

实施例一

请参考图2，该图为本发明实施例一提供的煤粉燃烧器的纵向结构图。

本发明实施例一所述煤粉燃烧器包括内燃室100和火源200，内燃室100具有进口101和出口102。

为了描述的方便，图中还示出了进风管300；火源200从进风管300伸入到内燃室100内，进风管300与进口101相通。

所述火源200能够点燃通过内燃室100的煤粉，并使煤粉在内燃室100不完全燃烧，产生还原性气氛。

所述煤粉燃烧器还包括设置在内燃室100内筒壁的煤粉浓缩装置16。

由于所述煤粉浓缩装置16运用了浓缩撞击导向分离原理，使阻力显著降低，以便在浓淡分离的同时，不仅可以获得较好的分离和浓缩效果而且不产生过大的阻力。

此外，所述煤粉浓缩装置16可以设置有导流孔，可以方便在一定规格范围内灵活地调整煤粉浓缩装置16的尺寸，包括高度和宽度等。再有，由于所述煤粉浓缩装置16比百叶窗和浓缩环结构厚实，且可以直接固定于筒壁，因而抗磨损性能非常好，同时也兼顾到了膨胀方面的问题，使得煤粉浓缩装置16在相同的材料条件下具有更长的使用寿命。

实施例一提供的煤粉燃烧器的工作原理是：进入燃烧器的内层煤粉气流首先被热源200快速点燃，外层的一次风中风粉混合物经煤粉浓缩装置16分离后，部分煤粉被导入到火焰中心，使该区域获得较高的煤粉浓度，一方面能够降低煤粉燃烧所需的着火热，提高其点火性能，使煤粉着火更加稳定；另一方面使更多的煤粉处于高温燃烧区域，煤粉中的挥发份迅速析出并在还原性气氛下反应，从而降低了氮氧化物(NOx)生成量；煤粉着火后放出的热量再点燃燃烧器内剩余的煤粉并同时被喷入炉膛燃烧。

由于煤粉持续地在内燃室100内燃烧，持续的高温可能会使煤粉浓缩装置16的使用寿命缩短。因此，为了解决这个问题，所述煤粉浓缩装置16可以由陶瓷质耐火材料制成。

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合图3a、图3b以及图4，具体介绍煤粉浓缩装置的结构和工作原理。

参见图3a、图3b以及图4，图3a是根据本发明实施例的煤粉浓缩装置的侧视图；图3b是图3a所示煤粉浓缩装置的主视图；图4是根据本发明实施例的实现煤粉浓淡分离的原理示意图。

本发明实施例所述煤粉浓缩装置包括：具有空间几何结构的主体1，所述主体包括迎风面2和背风面3；主体1的迎风面2与背风面3之间开有至少一个导流孔4。即所述煤粉浓缩装置可以存在一个或多个导流孔4。

在图3所示煤粉浓缩装置中，迎风面2为曲面，背风面3为垂直平面，主体1的迎风面2与背风面3之间开有一个导流孔4。

上述导流孔4的截面可以有多种形状，包括任意的规则的形状，如圆形、矩形等，或者，任意的不规则形状。导流孔4与水平线可以平行也可以具有倾斜角。导流孔4与水平线之间倾斜角度的范围可以是在±80°之间，例如可以是±70°、±60°、±50°、±40°、±30°、±20°、±10°等范围。

上述导流孔4的位置和规格，与煤质相关，并且，可以根据所需达到的煤粉浓缩程度确定；所述导流孔4的位置为所述导流孔4相对迎风面2的穿透位置，所述导流孔4的规格包括导流孔4的角度、导流孔4的形状以及导流孔4的数量等。

上述所有导流孔4的孔面积与所述迎风面2的总面积之比为1∶20至7∶10之间，也就是说，导流孔4的孔总面积占到煤粉浓缩装置总迎风面积的5％至70％。

其中，所述迎风面2可以是凹形曲面，如双曲线型、抛物线型、圆弧线型等等。迎风面2还可以是陡坡状直线型斜面。所述陡坡状直线型斜面的倾斜角可以在40°至75°之间。

其中，所述背风面3为可以形成长距离涡流的平面或曲面。多数情况下优选方式为垂直面。

导流孔4的主要作用如下：

1)由于一部分含粉较少的气流从导流孔4中通过，能够促进气固两相流浓淡分离。

2)气流对煤粉浓缩装置16背面进行吹扫，从而防止结渣。

3)煤粉浓缩装置的尺寸易于调整，如果煤粉浓缩装置16的尺寸过大必然会导致阻力过大，而由于煤粉浓缩装置上开设了导流孔，因而减小了阻力，从而可以使得煤粉浓缩装置16的体积可调范围变大，克服了现有技术的煤粉浓缩装置阻力与浓淡分离效果之间的矛盾。

4)在煤粉浓缩装置16后部形成的扰流漩涡，在导流孔4射流的引带作用下，形成长距离的气垫效应，消除固体颗粒二次沉降和扩散。

5)相对低温的导流孔4射流，可以很好地对煤粉燃烧器的内燃室100筒体壁面有所冷却，减少烧损变形。

背风面的主要作用为：

1)在主一次风浓相区流体携带和导流孔4射流的帮助下，形成长距离涡流气垫，促进固体燃料颗粒的悬浮，生成截面中心区域极为稳定的高浓度风粉气流。

2)在煤粉浓缩装置16后加长的涡流区使煤粉的浓度集中，因此由低功率火源加热的一次风量减少，总的着火热有效利用率大为增强，形成放大的稳定一次引燃火焰，形成内燃式煤粉燃烧器核心火焰。

参见图4，其是根据本发明实施例所提供的煤粉浓缩装置实现煤粉浓淡分离的原理示意图。风粉混合物5进入燃烧器内燃室100内，其中惯性较强的煤粉颗粒经碰撞后被迎风面2导流分离，弹射到煤粉浓缩装置上方，然后被主气流带入内燃室100靠中间的区域；而其余风粉含量很小的空气穿过导流孔4，从而形成浓淡分离。再者，由于导流孔4的压力平衡作用，产生同等浓缩效果下具有非常小的流通阻力，解决了浓淡分离与一次风速、阻力之间的矛盾，。

可见，煤粉浓缩装置前部迎风面2的结构，可以在燃烧筒中心形成煤粉浓相区7。煤粉浓缩装置背风面3穿孔的钝体结构，使煤粉浓缩装置后部形成局部沿程很长的气流涡流区6，减少后期浓相区煤粉的再度沉积，对长距离保持密度较高的煤粉气流有很好的作用。此外，由于浓缩装置的扰动作用，可以产生中心区域火焰边界的卷吸、湍流横向脉动，有效地提高煤粉点火效果。

参见图5a和图5b，图5a是根据本发明实施例二的煤粉燃烧器的主视图，图5b是图5a所示煤粉燃烧器A-A截面的剖视图。

本发明实施例二的煤粉燃烧器中安装煤粉浓缩装置16。煤粉浓缩装置16布置在内燃室100内四个不同的截面上。

所述内燃室100包括主燃烧室120和与主燃烧室120前端相接的减速进口段110，进口101位于减速进口段110与进风管道300的交会处。

为了避免使煤粉气流受到减速进口段110和主燃烧室120之间的直角结构影响而出现涡流和死区，减速进口段110可以设置为截面积渐变的结构，如图5a所示。

煤粉浓缩装置16在布置在内燃室内距离内燃室进口1.5m以内的截面上。

煤粉浓缩装置在相邻着的不同的截面上是错开布置，在同一截面上是间隔布置。

所有多个截面上的煤粉浓缩装置投影到侧视图即图5(b)(即与主燃烧室120轴向相垂直的平面)上为无间隙的圆环。

实施例二提供的煤粉燃烧器，还具有与主燃烧室120后端相接的加速出口部件130，使煤粉气流燃烧火焰通过出口部件130喷入炉膛时具有合适的动量，以满足锅炉燃烧组织需要。加速出口部件130截面积应小于主燃烧室120的截面积，以增加煤粉气流燃烧火焰动量。优选地，加速出口部件130的截面积逐渐减小，使煤粉气流的流速逐渐增加，提高燃烧射流的刚性。

内燃室100还可以设置出口调整部件140，并使出口调整部件140的前端与加速出口部件130后端相接，以对煤粉气流火焰和燃烧产物作进一步调整，满足锅炉炉膛燃烧组织的需要。出口调整部件140可以为前端和后端截面积相等的筒形结构，也可以根据实际需要设置为其他具体结构。

煤粉浓缩装置16不限于上述的结构，还可以为现有技术提供的其他结构的煤粉浓缩装置，比如专利文献CN2157400公开的百叶窗煤粉浓缩装置，专利文献CN1477330公开的挡块煤粉浓缩装置等；还可以是多个煤粉浓缩装置的组合，以更好地调整煤粉气流浓度的分布。

本发明还提供一种锅炉，包括炉膛和前文所述任何一种煤粉燃烧器；所述煤粉燃烧器内燃室的出口与所述炉膛相通，使着火的煤粉进入炉膛内继续燃烧。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种煤粉燃烧器，其特征在于，包括热源和内燃室，所述热源位于内燃室内，所述内燃室具有进口，长筒形主燃烧室和出口；所述热源能够点燃通过内燃室的煤粉，并使煤粉在内燃室内进行不完全燃烧；

所述煤粉燃烧器还包括设置在内燃室内筒壁的煤粉浓缩装置，所述煤粉浓缩装置在相邻着的不同的截面上是错开布置，在同一截面上是间隔布置，且所有多个所述截面上的煤粉浓缩装置投影到与主燃烧室轴向相垂直的平面上时，为无间隙的圆环；

所述内燃室还包括与所述主燃烧室后端相接的加速出口段；所述加速出口段的截面积小于主燃烧室的截面积。

2.根据权利要求1所述的煤粉燃烧器，其特征在于，所述内燃室包括与所述主燃烧室前端相接的减速进口段，所述减速进口段的截面积小于主燃烧室的截面积。

3.根据权利要求1或2所述的煤粉燃烧器，其特征在于，所述煤粉浓缩装置包括：具有空间几何结构的主体，所述主体包括迎风面和背风面；所述主体的迎风面与背风面之间开有至少一个导流孔。

4.根据权利要求3所述的煤粉燃烧器，其特征在于，所述煤粉浓缩装置布置在所述内燃室内距离内燃室进口1.5m以内的截面上。

5.根据权利要求3所述的煤粉燃烧器，其特征在于，所述煤粉浓缩装置的导流孔与水平面平行或具有预定倾斜角，所述预定倾斜角范围是±80°之间。

6.根据权利要求3所述的煤粉燃烧器，其特征在于，所述煤粉浓缩装置所有导流孔的孔面积之和与所述迎风面的总面积之比为1：20至7：10之间。

7.根据权利要求1所述的煤粉燃烧器，其特征在于，所述内燃室还包括与加速出口段后端相接的出口调整段，出口调整段前端和后端的截面积相等。

8.一种锅炉，包括炉体形成的炉膛，其特征在于，还包括权利要求1至7任一项所述的煤粉燃烧器；所述煤粉燃烧器内燃室的出口与所述炉膛相通，使着火的煤粉进入炉膛内继续燃烧。