CN104302976B - 粉状固体燃料小型燃烧的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了粉状固体燃料小型燃烧的系统及方法。燃料流被喷入二次风的流场，其流动方向与二次风方向大体相反。燃料流的回流在燃烧室内形成一个稳定区，延长了燃料流在燃烧室内停留的时间。火焰主要在二次风流场的中心轴线方向及附近或燃烧室中心附近形成，远离燃烧室壁，改善了燃烧室的温度分布。

Description

粉状固体燃料小型燃烧的系统及方法
技术领域
本发明涉及粉状固体燃料(例如由煤制成的粉)的小型燃烧，特别涉及一种改善粉状固体燃料燃烧点火和火焰稳定性的系统和方法。
背景技术
在燃烧室中布置一个或多个燃料喷嘴，将空气和固体燃料(如由煤制成的粉)的混合物喷射到燃烧室中是众所周知的一类燃烧室。在这种形式的系统中，由煤制成的粉状固体和加压的空气以空气-燃料混合物的形式被吹入燃烧室中并且被点燃。随后，煤-空气的火焰扩散到燃烧室内。在燃烧室的墙壁上通常布置有水管系统，以通过换热过程使得燃烧室保持相对冷却。
上述系统的一个重要作用是为燃料的燃烧提供适当条件。这主要通过将供应的燃料以所需的速率喷射到燃烧室中，并且使燃料在燃烧室中停留充分的时间进行燃烧的方式来实现。
大型的工业燃煤设施由于采用了大的燃烧室和成熟的燃料预热系统，几乎可以保证粉状固体燃料完全或近乎完全燃烧。典型地，在这些大型的设施中，预热过程和燃烧室本身的设计，使粉状燃料在燃烧室中延长停留时间，从而确保粉状燃料的充分燃烧。例如，复杂系统(如切向燃烧室)的设计中，粉状燃料被喷射入涡流中，从而延长了燃料在燃烧室中停留的时间。
但是，上述方式不适用于固体燃料的小型(<30MW)燃烧，因为小型燃烧采用的设施较小而且燃料预热过程也受到限制。
例如，对于一个长约1米、内径约0.5米的小型圆柱形燃烧室，燃料/空气喷嘴布置在燃烧室的一端。假设燃料/空气混合物以大约15米/秒的速度喷射入燃烧室，粉状燃料通过燃烧室的时间才不到10毫秒，无法达到燃料完全燃烧所需的时间。
因此，对于粉状固体燃料的小型燃烧，需要在改善点燃和火焰稳定性的同时，确保系统构造简单、造价低廉。
发明内容
本发明提供燃烧固体燃料(如由煤制成的粉)的系统和方法。按照本发明的一个实施例，一种燃烧粉状固体燃料的方法包含以下步骤：大体上在一第一方向形成一二次风的流场，所述第一方向指向所述燃烧室的出口；通过一一次风使粉状固体燃料流化，以产生一粉状固体燃料流；以与所述第一方向大体相反的一第二方向将所述粉状固体燃料流喷入所述二次风的所述流场，其中大体上在所述第一方向上形成所述粉状固体燃料流的一回流；以及点燃所述粉状固体燃料流，大体上在所述二次风的所述流场的中心轴线方向及附近形成一火焰。
在一个实施例中，所述第一方向与所述第二方向之间的夹角范围为120度至180度。在一个实施例中，所述二次风的体积大于所述一次风的体积。在一个实施例中，所述火焰包含一回流区，以保证火焰的稳定性。在一个实施例中，所述火焰的最高温度大体上出现在所述二次风的所述流场的中心轴线方向及附近。
根据本发明的另一个实施例，一种燃烧粉状固体燃料的燃烧装置包括：一燃烧室；一二次风泵送装置，用于在所述燃烧室内产生大致在一第一方向的一二次风的流场，所述第一方向指向所述燃烧室的出口；用于一供给粉状固体燃料流的一吹管；以与所述第一方向大体相反的一第二方向将所述粉状固体燃料流喷入所述二次风的所述流场的一喷嘴，其中粉状固体燃料流的一回流大体上在所述第一方向上形成，且大体上在所述二次风的所述流场的中心轴线方向及附近；用于点燃所述粉状固体燃料流的一辅助喷嘴。
根据本发明的一个实施例，一燃料流被喷入二次风的流场，其流动方向与所述二次风方向大体相反。所述燃料流的回流在所述燃烧室内形成一稳定区，从而有效延长了所述燃料流在燃烧室内停留的时间，并改善了所述燃料的燃烧。
根据本发明的一个实施例，火焰主要在二次风流场的中心轴线方向及附近或燃烧室中心附近形成，远离燃烧室壁，改善了燃烧室的温度分布。
附图说明
图1为本发明的一个实施例中燃烧室的示例性剖视图。
图2为本发明的一个实施例中燃烧室的另一示例性剖视图。
图3描绘了本发明的一个实施例中燃烧室内的示例性温度分布。
具体实施方式
通过参考附图，可以更好地理解本发明，而且熟悉本领域的技术人员也将了解本发明的目的和优势。
图1是本发明的一个实施例中燃烧室的示例性剖视图。如图1所示，燃烧室101为圆柱型。助燃空气喷嘴102布置在燃烧室101的一端，向燃烧室101内喷射二次风。多个燃料喷嘴103沿着燃烧室101壁面进行布置，燃料喷嘴103的出口与助燃空气喷嘴102的出口大体相对。编号为111、112和113的箭头描述了在燃烧室内形成的气流。一个点火装置105(如：天然气火炬、等离子火炬、矿物燃料引导火炬或电弧点火器等)布置在燃料喷嘴103附近，用于启动燃烧过程。
燃烧室101内的燃烧过程描述如下：一股燃料/空气气流通过管道输送到燃料喷嘴103，然后喷射入燃烧室101。气流的总体流向如箭头111所示。燃料/空气气流111与二次风气流112(即助燃空气)大体上可以以120度至180度范围内的夹角沿相反方向流动。
根据本发明的一个实施例，二次风112的体积大于燃料/空气气流111的体积，从而可以有效地在燃烧室101中产生回流，使气流111改变方向，朝着燃烧室的出口方向流动。在图1中，回流气流的流向如箭头113所示。这股回流在点104处会产生一个稳定区，一旦点燃，火焰将稳定。该稳定区有效地延长了燃料流(即由煤制成的粉状颗粒)在燃烧室内停留的时间。因此，随着固体燃料在燃烧室内停留时间的延长，固体燃料的燃烧得到改善。
图2是本发明的一个实施例中燃烧室的另一示例性剖视图。编号201指示燃烧室的主体。在这个实施例中，燃烧室为锥型渐扩的形状(以下称为马弗燃烧装置)。用于喷射二次风的助燃空气喷嘴202布置在燃烧室较小的一端，所述二次风从燃烧室较小的一端流向较大的一端。多个燃料喷嘴203沿燃烧室壁布置，燃料喷嘴203的出口与助燃空气喷嘴202的出口大致相对。
在这个实施例中，由于二次风212的体积大于燃料/空气气流211的体积，将在燃烧室201中产生回流，使气流211改变方向，朝着燃烧室的出口方向流动。在图2中，回流气流的流向如箭头213所示。这股回流在点204处会产生一个稳定区，一旦点燃，火焰将稳定。该稳定区的形成有效地延长了燃料流(即由煤制成的粉状颗粒)在燃烧室内停留的时间。因此，随着固体燃料在燃烧室内停留时间的延长，固体燃料的燃烧得到改善。
图3描绘了本发明的一个实施例中燃烧室内的示例性温度分布。在这个实施例中，燃烧室可理解为与图1一致，其铭牌功率为5MW。燃烧炉或燃烧室101为圆柱型，长为1米，内径为0.5米。每个燃料喷嘴103的出口内径为8cm。
燃料/空气喷嘴喷射出的空气体积最好约占粉状燃料完全燃烧所需空气总体积的10％；其余空气为助燃空气，最多占粉状燃料燃烧所需空气总体积的90％，所述助燃空气通过助燃空气喷嘴102喷入。空气/燃料混合物离开燃料喷嘴103的速度最好在15至20米/秒之间。助燃空气离开助燃空气喷嘴102的速度最好在1至10米/秒之间。
基于试验发现，上述燃烧室得到了极好的粉状燃料燃烧结果。在500℃至1300℃的燃烧温度范围内，燃烧室可获得快速点燃和稳定火焰，燃烧温度的设定是根据用户的参数选择以及燃料的可燃性，后者主要依次受燃料颗粒尺寸、燃料流的速度和空气/燃料的比例、以及所用燃料的特性(例如：水分、挥发性、含灰量等)的影响。
图3显示了如图1所述装置在二次风风速为4米/秒情况下的示例性温度分布数据。图3提供的数据仅用于说明本发明的实施例的优点，在任何情形下都不应被视为对本发明适用范围的限制。图3中，0％到100％这些温度测量点表示圆柱形燃烧室出口处各点到燃烧室轴线的相对距离，0％为中心轴，100％为燃烧室外壁。
以下数据是从同一次试验中得到：
如图3所示，温度最高的区域相对靠近燃烧室的轴线，即，在本例中为926℃到1025℃范围，分别出现在10％和28％这两个点。在远离轴线而向燃烧室壁靠近的区域，温度下降。最低温度值出现在靠近燃烧室壁的地方，即94％处的640℃和80％处的620℃。
一旦点燃，火焰主要发生在燃烧室轴线方向附近，而远离燃烧室壁。该温度曲线与现有技术不同，具有独特优势。因为火焰主要在燃烧室轴线附近燃烧，远离燃烧室壁，这样减轻了通常由燃烧室壁附近的高温导致的累积损害，同时可以避免使用昂贵的管壁冷却装置。
尽管对本发明的描述与不同的实施例相关联，本发明并不局限于这些具体的实施例。熟悉本领域的技术人员清楚，本发明的系统和方法可以用于许多应用，包括但不限于水泥窑和蒸汽发生器。特别是，尽管本发明的具体实施例与由煤制成的粉状固体的小型燃烧相关，本发明也可适用于其他固体燃料，如生物质的燃烧。而且，本发明也可能适用于中型或大型的由煤制成的粉状固体的燃烧。

Claims (15)

1.一种燃烧粉状固体燃料的方法，包括以下步骤：
大体上在一第一方向形成一二次风的流场，所述第一方向指向所述燃烧室的出口；
通过一一次风使粉状固体燃料流化，以产生一粉状固体燃料流；
以与所述第一方向大体相反的一第二方向将所述粉状固体燃料流喷入所述二次风的所述流场，其中大体上在所述第一方向上形成所述粉状固体燃料流的一回流；以及
点燃所述粉状固体燃料流，大体上在所述二次风的所述流场的中心轴线方向及附近形成一火焰。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向之间的夹角范围为120度至180度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二次风的体积大于所述一次风的体积。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述火焰包含一回流区，以保证火焰的稳定性。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述火焰的最高温度大体上出现在所述二次风的所述流场的中心轴线方向及附近。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二次风的所述流场局限在燃烧室内。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉状固体燃料为煤粉。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉状固体燃料为生物质粉。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一次风或所述二次风是富氧的。
10.一种燃烧粉状固体燃料的燃烧装置，包括：
一燃烧室；
一二次风泵送装置，用于在所述燃烧室内产生大致在一第一方向的一二次风的流场，所述第一方向指向所述燃烧室的出口；
用于一供给粉状固体燃料流的一吹管；
以与所述第一方向大体相反的一第二方向将所述粉状固体燃料流喷入所述二次风的所述流场的一喷嘴，其中粉状固体燃料流的一回流大体上在所述第一方向上形成，且大体上在所述二次风的所述流场的中心轴线方向及附近；
用于点燃所述粉状固体燃料流的一辅助喷嘴。
11.如权利要求10所述的燃烧装置，其特征在于，还包括通过一一次风使所述粉状固体燃料流化以产生所述粉状固体燃料流的一输送管。
12.如权利要求10所述的燃烧装置，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向之间的夹角范围为120度至180度。
13.如权利要求10所述的燃烧装置，其特征在于，所述的粉状固体燃料为煤粉。
14.如权利要求10所述的燃烧装置，其特征在于，所述的粉状固体燃料为生物质。
15.如权利要求10所述的燃烧装置，其特征在于，还包括用于引发所述粉状固体燃料燃烧的一点火装置。
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