CN102661605A - 一种具有三次旋流风的低nox液排渣煤粉燃烧设备 - Google Patents

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潘玉明
贾明生
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Abstract

本发明提供了一种具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备，主要由喷燃器总成和燃烧室总成组成。喷燃器总成的内部呈锥形喇叭口形状，其一次风/煤粉喷头设于喇叭口的锥顶端，三次风出风口位于喇叭口中间，二次风出风口位于喇叭口锥底部，一、二、三次风为方向相同的旋转风；根据燃烧工况需要，燃烧室总成可以设计成后端圆筒状，前端为具有捕渣屏和渣槽的缩口状燃烧室，燃烧室总成也可以布置成为一个简单的只有圆筒状的结构。本发明的优点是煤粉/空气流扰动大，混合均匀，点火容易，燃烧装置内实现分级燃烧、贫氧燃烧，燃烧室内能够产生较大的回流区，NOX排放量低，捕渣率高，燃尽率高，火焰洁净度高，适应不同煤种和负荷变动的能力强，节能减排效果显著。

Description

一种具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备
技术领域
本发明涉及一种具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备，适用于6～35吨蒸汽、热水锅炉，炉窑、锻造、炼钢等各种工业生产对热能需求的燃烧装置，属于煤粉燃烧器技术领域。
背景技术
传统的液排渣旋风燃烧器，其二次风均是从燃烧器的侧面切向引入，这种方式导致燃烧室中旋转回流流场及温度场的严重畸变，缩短了煤粉在燃烧室中的燃烧停留时间，降低了灰渣的离心分离作用，导致煤粉和灰渣短路逸出燃烧室。由于这种先天性缺陷，导致无论采取什么措施，其捕渣率都不会太高，一般不会高于80％，同时由于二次风口位于燃烧室侧壁熔渣流场之中，尽管二次风通常都预热到200℃～400℃，但与液态渣高达1500℃以上的温度比起来，仍是很“冷”的气流，加上其流速极高(可达80m/s以上)，其对液渣的冷却作用强烈，易于发生结渣事故，风口一结渣，轻则改变二次风的风量和风向，从而使燃烧不稳定，重则堵塞风口直至停炉。
为了解决以上问题，申请人于2010年5月19日申请了名为《低NOX固液态排渣双旋流煤粉燃烧设备》的实用新型专利(授权公开号为CN201772450U)，该设备完全摈弃了液排渣旋风燃烧器侧面切向或割向进风的传统，侧壁上没有任何风口或进料口，整个侧壁为一连续完整的圆柱面，而将传统液排渣旋风燃烧器的切向引入二次风的位置由燃烧器内壁集中到喷燃器总成的前端与燃烧室总成的后端相连接端面处。这为煤粉和液渣附着在侧壁上进行附壁燃烧并在重力和气流力作用下沿螺旋线逐渐向出渣口移动提供了完美的流场，这一点同时也是该设备与传统的液排渣旋风燃烧器的根本区别之一。此煤粉燃烧器的一次风和二次风采用了双旋流的燃烧方式，在6t/h以下小型工业锅炉的应用中效果非常理想，但是当应用到锅炉出力超过6t/h时，因为一次风/煤粉喷口距离二次风进风口较远，如运行调整不当，可能导致出现以下问题：1)煤粉与空气混合的强度不够、点火较难，燃烧强度及燃烧效果不佳；2)煤粉燃烧不够充分，难以有效利用燃烧室空间，以及有效组织煤粉燃烧。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃烧效果好，NOX排放量低，捕渣率高，火焰洁净度高，能保证长期安全稳定运行，使之可以广泛应用到各种工业锅炉中的煤粉燃烧装置。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备，包括喷燃器总成及燃烧室总成，喷燃器总成的前端与燃烧室总成的后端相连接，该喷燃器总成包括一次风/煤粉喷管，一次风/煤粉喷头的导杆从一次风/煤粉喷管的前部出口通向该管内部，其特征在于：所述喷燃器总成的内侧呈锥形喇叭口形状，一次风出风口位于喇叭口的锥顶端，三次风出风口位于喇叭口的中部，二次风出风口位于喇叭口的锥底部。
优选地，在所述喷燃器总成的外侧设有两级进风口，从喷燃器前端开始依次为二次风进风通道和三次风进风通道，所述二次风进风通道和三次风进风通道分别由喷燃器总成的侧壁、进口端面、风室隔板形成，二次风进风通道和三次风进风通道或根据需要共用一个风管道或各自分开各配一台鼓风机并分别对应一个风管道，若二次风进风通道和三次风进风通道共用一个风管道，则通过风通道调节隔板来控制二者的风量配比，风通道调节隔板与手动调节螺杆铰接，二次风进风通道和三次风进风通道分别与二次风出风口和三次风出风口相连通。
优选地，二次风出风口和三次风出风口分别沿圆周均匀布置着二次风旋流叶片和三次风旋流叶片。
优选地，一次风/煤粉喷头的导杆或锥体喷头位置装有一次风旋流叶片。
优选地，所述燃烧室总成布置成简单的圆筒状燃烧室，或布置成后部为圆筒状，前部为具有捕渣屏和渣槽的缩口状燃烧室，在圆筒状燃烧室或缩口状燃烧室的内壁上设有工作衬，工作衬包括不定性耐火材料层和柱形导热金属锚固件，柱形导热金属锚固件设于不定性耐火材料层之内并与燃烧室的内筒壁紧密连接，工作衬外包裹有冷却水套件，该冷却水套件包括冷却水内套及冷却水外套，在冷却水外套上设有冷却水进水管及冷却水出水管，在所述燃烧室总成的下部布置有支撑前腿及支撑后腿，通过调整支撑前腿及支撑后腿的高度差来确定所述燃烧室总成的倾斜角。
优选地，所述倾斜角在5°～60°之间。
优选地，所述喷燃器总成的内侧呈锥形喇叭口形状，锥顶角为40°～150°，所述二次风出风口与所述三次风出风口之间的部分覆盖有耐火浇注料，一次风出风口位于喇叭口的锥顶端，所述三次风出风口位于喇叭口的中部，所述二次风出风口位于喇叭口的锥底部。
优选地，所述三次风出风口位于所述一次风/煤粉喷头与所述二次风出风口之间，分别通过一次风出风口、二次风出风口及三次风出风口出来的一次风、二次风、三次风的旋流方向一致。
优选地，所述一次风或单独配一台高压风机或与所述二次风及所述三次风共用一台鼓风机。
优选地，从所述二次风出风口和所述三次风出风口出来的风皆为旋转风，其中，二次风出风口的旋流叶片的轴向倾角为2°～15°，径向切角为20°～90°，三次风出风口的旋流叶片的轴向倾角为10°～30°，径向切角为60°～90°。
优选地，所述一次风旋流叶片的数量为3～12片，长度为100～400mm，高度为50～120mm，厚度为2～5mm，倾角为5°～35°。
优选地，所述的二次风旋流叶片的数量为15～40片，长度为200～500mm，高度为60～200mm，厚度为5～10mm。
优选地，所述三次风旋流叶片的数量为12～25片，长度为60～250mm，高度为20～120mm，厚度为3～8mm。
将传统液排渣旋风燃烧器的切向引入二次风的位置由燃烧器内壁集中到喷燃器总成的前端，与燃烧器总成的后端相连接，同时增加了三次风，结构更合理，这种布置方式有效的解决了上面提到的专利CN201772450U中可能出现的问题，非常有利于增强煤粉与空气混合的强度，降低点火难度，实现煤粉的分级燃烧，充分利用燃烧室空间，提高燃烧效果。本发明中，煤粉通过一次风浓相送粉之后，煤粉空气流经过一次风旋流叶片，流经煤粉喷头(钝体)后，在钝体后面产生一个较大而稳定的回流区，进而使得煤粉在与三次风混合的时候能够更加均匀，在一定的高温环境下煤粉析出水分和挥发分，煤粉挥发分首先着火燃烧，煤粉经过三次风的旋转输送作用不断旋转前进的过程中，挥发分逐渐燃烧完全，随着燃烧温度持续升高，当煤粉行进至喷燃器总成与燃烧室总成的连接端面即二次风进风口处时，经过二次风更强的旋流作用，煤粉气流旋转更加强烈，这为煤粉附壁燃烧创造了有利条件，此时煤粉达到固定碳燃烧的温度，大部分煤粉贴壁燃烧并燃尽，进而在高温环境下形成液态渣，因自重和粘滞作用，液态渣运行速度很低，与二次风的高速流动形成很大的相对速度，使液态熔渣贴壁下移，在捕渣屏的作用下沿设定的渣槽排出燃烧器。
本发明采用同轴向具有三次旋流风的分区段控制燃烧，一、二、三次风的旋转方向相同，弱旋高压一次风输送煤粉，较强的三次风旋流促进煤粉与空气的混合并提供煤粉的初期燃烧条件，强旋流二次风则为燃烧后期煤粉和空气的充分混合提供保障，并保证煤粉燃尽，使排渣顺畅，此种具有三次旋流风的布置形式能使80～300目的小颗粒煤粉与热空气混合充分，其燃烧速度快，火焰洁净度高，燃尽率高达99.5％，液态捕渣率高于90％以上，降低排烟中的粉尘浓度，减少烟尘排放量。
本发明使煤粉/空气混合气体在燃烧器内分级燃烧、贫氧燃烧，从而产生还原反应，使氮氧化物还原：
CO+NO→CO2+N2
H2+NO→N2+H2O
CHi+NO→HCN+O
HCN+NO→N2…(过量空气系数α＜1)
NO+C→N2+CO
从上述反应物的生成物可看出，NOX的生成被抑制，达到洁净燃烧，NOX减排的效果。
本发明可根据实际需要采用远距离高压一次风浓相送粉，且二、三次风量可以很方便的调节，从而使得这种远距离浓相送粉方式的煤粉与空气混合更加均匀，更容易调整负荷大小，可以在满负荷40％以上的负荷范围内任意变动而不降低燃烧状况，同时可以燃烧多种不同的煤种，具有非常广泛的适应性。另外，由于一次风所携带的煤粉浓度高，当煤粉与三次风混合均匀后容易点火，燃烧强烈。
本发明可根据实际需要进行不同的布置，当供煤粉点距离锅炉较远时，可采用独立高压风机远距离一次风浓相送粉；当供煤粉点与锅炉较近时，可采用输送煤粉的一次风与二、三次风共用一台风机的办法，从而实现锅炉的灵活布置。
根据需要，如果二、三次风需要共用一台鼓风机和一个总风道时，二次风和三次风可通过各种不同形式的风通道调节隔板来控制二者风量的配比。风通道调节隔板与手动调节螺杆铰接，二次风进风通道和三次风进风通道分别与二次风出风口和三次风出风口相连通。
综上所述，本发明具有煤粉/空气流扰动大，混合均匀，点火容易，NOX排放量低，捕渣率高，燃尽率高，火焰洁净度高，适应不同煤种和负荷变动的能力强，节能减排效果显著等诸多优点。目前，全国使用的6～35吨蒸汽、热水锅炉、炉窑上百万台，依据本发明的技术方案进行改造，将会产生巨大的节能减排社会效益和惊人的节能经济效益。
附图说明
图1为本发明提供的一种具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备的结构示意图；
图2为图1中A-A的向视图(喷燃器总成部分)；
图3为一次风/煤粉喷管示意图；
图4为三次风旋流叶片部分剖视图；
图5为三次风旋流叶片的展开图；
图6为本发明提供的另外一种具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例一
参见图1，为本发明提供的一种具有三次风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备，本实施例包括喷燃器总成5和燃烧室总成9，喷燃器总成5的前端与燃烧室总成9的后端相连接，喷燃器总成5后端连接一次风/煤粉喷管1，一次风/煤粉喷头3的导杆从一次风/煤粉喷管1的前部出口通向该管内部。在喷燃器总成9的进口端面分布有火检器29、点火油枪2以及观火孔16，点火油枪2伸至一次风/煤粉喷头3之外。喷燃器总成5的外侧装有二次风进风通道19和三次风进风通道17，二次风进风通道19和三次风进风通道17分别由喷燃器总成的侧壁、进口端面、风室隔板形成。二次风进风通道19和三次风进风通道17可根据需要共用一个总风道，也可各自分开各配一台鼓风机。当共用一个总风道时，二者可通过风通道调节隔板18来控制二者的风量比，风通道调节隔板18与手动调节螺杆20铰接，二次风进风通道19和三次风进风通道17分别与二次风出风口7和三次风出风口4相连通。喷燃器总成5的内侧呈锥形喇叭口形状，锥顶角为40°～150°，二次风出风口7与三次风出风口4之间的部分覆盖有耐火浇注料，喷燃器总成5和燃烧室总成9上均装有吊耳6。燃烧室总成9包括燃烧室内壁工作衬10，工作衬10由不定性耐火材料层12和柱形导热金属锚固件11组成，后者设于前者之内并与燃烧室内内筒壁紧密连接。工作衬10外包裹有冷却水套件，冷却水套件包括冷却水内套13及冷却水外套14，在冷却水外套14上设有冷却水进水管23及冷却水出水管8，燃烧室总成9的前端设有喷火口26、捕渣屏24以及渣槽25，喷燃器总成5前端与燃烧器总成9的后端采用法兰连接，燃烧室总成的下部布置有燃烧器支撑前腿22及支撑后腿21，可以通过调整支撑前后腿的高度差来确定燃烧器的适宜倾斜角，一般在5°～60°之间。
如图2所示，燃烧室装有二次风进风通道19和三次风进风通道17，二次风和三次风通过风通道调节隔板18来控制二者的风量比，二次风进风通道19和三次风进风通道17分别与二次风出风口7和三次风出风口4相连通，二次风出风口7和三次风出风口4分别沿圆周均匀布置着二次风旋流叶片27和三次风旋流叶片28，从所述的二次风出风口7和三次风出风口4出来的风皆为旋转风，其中二次风出风口7的旋流叶片27轴向倾角为2°～15°，径向切角为20°～90°，三次风出风口4的旋流叶片28轴向倾角为10°～30°，径向切角为60°～90°。喷燃器总成的进口端面布置有火检器29、点火油枪16以及观火孔2。在本实施例的一个变化例中，所述二次风旋流叶片27和三次风旋流叶片28可以被省略。
如图3所示，所述的一次风煤粉喷管1前部装有一次风/煤粉喷头3，一次风/煤粉喷头3的导杆从一次风/煤粉管1的前部出口通向该管内部，一次风/煤粉锥形喷头3上布置有一圈一次风旋流叶片15。一次风旋流叶片15的数量为3～12片，长度为100～400mm，高度为50～120mm，厚度为2～5mm，倾角为5°～35°。在本实施例的一个变化例中，所述第一风旋流叶片可以被省略。
如图4及图5所示，所述三次风旋流叶片28数量为12～25片，长度为60～250mm，高度为20～120mm，厚度为3～8mm。
二次风旋流叶片27的数量为15～40片，长度为200～500mm，高度为60～200mm，厚度为5～10mm。
该实施例把燃烧室总成设计成前端带捕渣屏、渣槽和喷火口的缩口状结构，可有效提高捕渣率，并使得燃烧器排渣顺畅。
实施例二
参见图6，为本发明提供的另外一种具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备的结构示意图，本实施例包括喷燃器总成5和燃烧室总成9，喷燃器总成5后端连接一次风/煤粉喷管1，一次风/煤粉喷头3的导杆从一次风/煤粉喷管1的前部出口通向该管内部，喷燃器总成5的外侧装有二次风进风通道19和三次风进风通道17，二者分别与二次风出风口7和三次风出风口4相连通，喷燃器总成5的内侧呈锥形喇叭口形状，锥顶角为40°～150°，二次风出风口7与三次风出风口4之间的部分覆盖有耐火浇注料，喷燃器总成5和燃烧室总成9上均装有吊耳6。燃烧室总成9布置成筒状燃烧室，包括燃烧室内壁工作衬10，工作衬10由不定性耐火材料层12和柱形导热金属锚固件11组成，后者设于前者之内并与燃烧室内筒壁紧密连接，工作衬10外包裹有冷却水套件包括冷却水内套13及冷却水外套14，在冷却水外套14上设有冷却水进水管23及冷却水出水管8。燃烧室的前端不设捕渣屏和渣槽，燃烧室总成的下部布置有燃烧器支撑前后腿22及21，可以通过调整支撑前后腿的高度差来确定燃烧器的适宜倾斜角，一般在5°～60°之间。
本实施例把燃烧室总成设计成不带捕渣屏和渣槽的简单圆筒状结构，喷燃器总成部分与实施例一相同，可参见图2至图5部分及其说明。本实施例的燃烧室布置方式可在燃烧室中心区域内产生比较大的回流区，排渣更顺畅，使煤粉/空气混合气体在燃烧器内分级燃烧，贫氧燃烧，从而产生还原反应，抑制NOX的生成，达到洁净燃烧，获得NOX减排的效果，同时具有简单实用的特点，可有效降低燃烧设备成本。

Claims (16)

1.一种具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备，包括喷燃器总成(5)及燃烧室总成(9)，喷燃器总成(5)的前端与燃烧室总成(9)的后端相连接，该喷燃器总成(5)包括一次风/煤粉喷管(1)，一次风/煤粉喷头(3)的导杆从一次风/煤粉喷管(1)的前部出口通向该管内部，其特征在于：所述喷燃器总成(5)的内侧呈锥形喇叭口形状，一次风出风口位于喇叭口的锥顶端，三次风出风口(4)位于喇叭口的中部，二次风出风口(7)位于喇叭口的锥底部。
2.如权利要求1所述的具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备，其特征在于：在所述喷燃器总成(5)的外侧设有两级进风口，从喷燃器前端开始依次为二次风进风通道(19)和三次风进风通道(17)，所述二次风进风通道(19)和三次风进风通道(17)分别由喷燃器总成的侧壁、进口端面、风室隔板形成，二次风进风通道(19)和三次风进风通道(17)或根据需要共用一个风管道或各自分开各配一台鼓风机并分别对应一个风管道，若二次风进风通道(19)和三次风进风通道(17)共用一个风管道，则通过风通道调节隔板(18)来控制二者的风量配比，风通道调节隔板(18)与手动调节螺杆(20)铰接，二次风进风通道(19)和三次风进风通道(17)分别与二次风出风口(7)和三次风出风口(4)相连通。
3.如权利要求1所述的具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备，其特征在于：二次风出风口(7)和三次风出风口(4)均设有旋流装置，即分别沿圆周均匀布置着二次风旋流叶片(27)和三次风旋流叶片(28)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备，其特征在于：一次风/煤粉喷头(3)的导杆或锥体喷头位置装有一次风旋流叶片(15)。
5.如权利要求4所述的具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备，其特征在于：所述三次风出风口(4)位于所述一次风/煤粉喷头(3)与所述二次风出风口(7)之间，分别通过一次风出风口、二次风出风口(7)及三次风出风口(4)出来的一次风、二次风、三次风的旋流方向一致。
6.如权利要求1所述的具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备，其特征在于：所述燃烧室总成(9)布置成简单的圆筒状燃烧室，或布置成后部为圆筒状、前部为具有捕渣屏(24)和渣槽(25)的缩口状燃烧室。
7.如权利要求1或6所述的具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备，其特征在于：在燃烧室的内壁上设有工作衬(10)，工作衬(10)包括不定性耐火材料层(12)和柱形导热金属锚固件(11)，柱形导热金属锚固件(11)设于不定性耐火材料层(12)之内并与燃烧室的内筒壁紧密连接。
8.如权利要求7所述的具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备，其特征在于：工作衬(10)外包裹有冷却水套件，该冷却水套件包括冷却水内套(13)及冷却水外套(14)，在冷却水外套(14)上设有冷却水进水管(23)及冷却水出水管(8)。
9.如权利要求1所述的具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备，其特征在于：所述燃烧室总成(9)的倾斜角在5°～60°之间。
10.如权利要求1所述的具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备，其特征在于：所述喷燃器总成(5)的内侧锥形喇叭口的锥顶角为40°～150°。
11.如利要求1所述的一种具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备，其特征在于：所述二次风出风口(7)与所述三次风出风口(4)之间的部分覆盖有耐火浇注料。
12.如权利要求5所述的具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备，其特征在于：所述一次风或单独配一台高压风机或与所述二次风及所述三次风共用一台鼓风机。
13.如权利要求3所述的具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备，其特征在于：从所述二次风出风口(7)和所述三次风出风口出来的风(4)皆为旋转风，其中，二次风出风口(7)的旋流叶片的轴向倾角为2°～15°，径向切角为20°～90°，三次风出风口(4)的旋流叶片的轴向倾角为10°～30°，径向切角为60°～90°。
14.如权利要求4所述的具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备，其特征在于：所述一次风旋流叶片(15)的数量为3～12片，长度为100～400mm，高度为50～120mm，厚度为2～5mm，倾角为5°～35°。
15.如权利要求3所述的具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备，其特征在于：所述的二次风旋流叶片(27)的数量为15～40片，长度为200～500mm，高度为60～200mm，厚度为5～10mm。
16.如权利要求3所述的具有三次旋流风的低NOX液排渣煤粉燃烧设备，其特征在于：所述三次风旋流叶片(28)的数量为12～25片，长度为60～250mm，高度为20～120mm，厚度为3～8mm。
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