CN105650623A - 用于锅炉的燃烧系统 - Google Patents

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CN105650623A CN201510840009.8A CN201510840009A CN105650623A CN 105650623 A CN105650623 A CN 105650623A CN 201510840009 A CN201510840009 A CN 201510840009A CN 105650623 A CN105650623 A CN 105650623A
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T.维尔德
D.里斯蒂
N.弗兰康
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Abstract

本公开涉及一种用于燃烧固体燃料的系统和方法。燃烧系统(10)具有喷燃器(180),其供应燃料和空气的混合流通过燃料喷嘴(40)到例如锅炉(1)的燃烧室(30)。燃料和一级空气的混合流经过管道(150)从粉碎机供应到喷燃器(180),燃料在粉碎机中被碾碎到所要求的细度。管道(150)此外弯曲成使得一部分是竖直的,平行于锅炉(1)的轴线(A-A),是竖直的管道(75)而另一部分是水平的管道(80),其平行于燃料喷嘴(40)的轴线(B-B)。

Description

用于锅炉的燃烧系统
技术领域
本公开涉及一种燃烧系统并且尤其涉及一种是用于发电的锅炉的一部分的燃烧系统。
背景技术
用于发电的锅炉通常具有带有炉的燃烧系统,炉燃烧固体燃料,例如含沥青的煤、褐煤、生物质等等;这些燃烧系统通常设有碾磨机和用于提供粉碎的燃料至一个或多个喷燃器的管道。用于褐煤的燃烧系统通常运行成使得在不使用二次措施例如选择性催化还原(SCR)或者选择性非催化还原(SNCR)技术的情况下产生氮氧化物排放(NOx)。关于NOx排放,欧洲目前的限制是少于200mg/m3(干烟道气,基准6%氧气(O2),以二氧化氮(NO2)测量)。
通常,在燃烧化石燃料的过程中产生污染物,例如氮氧化物(NOx)。如果允许进入大气层,这些污染物可有害地影响环境并且对人类和动物产生健康危险。US4669398公开了一种燃烧粉碎燃料的装置,包括:粉碎燃料喷射舱,其构造成使得要消耗的一级空气和二级空气的总量少于燃烧粉碎燃料所需要的理论空气量;第二粉碎燃料喷射舱,其构造成使得一级空气和二级空气总量基本上等于用于粉碎燃料的理论空气量;以及用于喷射补充空气进入炉的补充空气舱。三个舱布置地彼此靠近并且在燃烧粉碎燃料的过程中控制NOx的产生。
用于褐煤的最先进的燃烧系统设计成实现少于200mg/m3的实际NOx排放极限。可能将适用即将出台的更严格的法规。因此存在提供产生显著少于200mg/m3的实际排放水平的燃烧系统的需求。
发明内容
本公开说明了一种用于燃烧固定燃料的系统和方法,其以下面的简要的总结的方式呈现,以允许基本理解本公开的一个或多个方面,这些方面意图克服所讨论的缺点,但包括其所有优点,并且提供一些额外的优点。该总结并不是本公开的广泛的总括。其不意图确定本公开的关键或紧要元件,也不界定本公开的范围。相反,该总结的唯一目的是以简化形式呈现本公开的一些概念、其方面和优点作为下文呈现的更详细说明的序幕。
本公开的目的在于提供一种用于燃烧固体燃料的系统和方法,其可用于现有装置中和新的装置中,尤其用于燃烧煤或生物量的锅炉中,并且显著地减少污染物(主要是氮氧化物(NOx))的排放并且改进燃烧系统的喷燃器的部分负载可操作性。
本发明提供一种用于喷燃器的改进(NOx)的排放和改进的部分负载可操作性的技术解决方案。燃烧系统可在燃料喷嘴的中心产生富含燃料的状态。固体燃料集中在中心处允许喷燃器以最少的NOx排放运行。采用这种方式意味着喷燃器作为低NOx喷燃器运行。本公开的另一方面包括倾斜的二级空气喷嘴。倾斜的二级空气喷嘴允许影响燃烧过程。采用这种方式意味着可更加减少NOx排放并且在喷燃器起动或者部分负荷运行时提高火焰稳定性。根据以下详细说明和权利要求,本公开的其它多个方面和特征将是显而易见的。
根据在此公开的方面,提供一种用于燃烧的系统,其具有至少一个喷燃器,用于将燃料和一级空气的混合流通过至少一个燃料喷嘴供应到燃烧室。此外燃料集中器将燃料和一级空气的混合流集中在至少一个燃料喷嘴的中心中。二级空气喷嘴布置在至少一个燃料喷嘴的上方和下方,以喷射二级空气,以在燃烧室中维持稳定的火焰。
本公开也涉及用于一种燃烧方法:
通过至少一个喷燃器供应燃料和一级空气的混合流穿过至少一个燃料喷嘴到燃烧室;
利用燃料集中器将燃料和一级空气的混合流集中于至少一个燃料喷嘴的中心中;
通过布置在至少一个燃料喷嘴上方和下方的二级空气喷嘴,喷射二级空气以控制燃料和一级空气的混合流在燃烧室中的燃烧。
在本公开中特别指出本公开的这些与其它方面,以及塑造本公开的多个新颖的特征。为了更好地理解本公开、其运行优点和其用途,应当参考附图和描述性的内容,其中示出了本公开的示范性的实施例。
附图说明
参考以下详细的说明和权利要求,结合附图,将更好地理解本公开的优点和特征,在附图中,相同的元件标有相同的标记,并且其中:
图1a为根据本公开的示范性的实施例的燃烧系统的侧视图;
图1b为根据本公开的示范性的实施例的燃烧系统的俯视图;
图1c为根据本公开的示范性的实施例的、带有两个燃料喷嘴和两个布置在燃料喷嘴上方和下方的二级空气喷嘴的喷燃器的出口的正视图;
图2a-d显示了根据本公开的示范性的实施例倾斜的二级空气;
图3a显示了在根据本公开的示范性的实施例的喷燃器中和燃料喷嘴处的气体速度;
图3b显示了在根据本公开的示范性的实施例的喷燃器中和空气/燃料喷嘴处的燃料分布;
图4显示了根据本公开的示范性的实施例的具有沿切向布置的喷燃器的锅炉的俯视图。
部件列表:
1锅炉
5燃料集中器
10燃烧系统
30燃烧室
40燃料喷嘴
50二级空气喷嘴
60燃料喷嘴的中心
70富含燃料的集中射流
75竖直管道
80水平管道
90富含燃料的集中射流的中心部分
100火焰
110导叶
120偏转器
130发散器
140管道的中心
150管道
160燃料稀薄的集中射流
170燃料喷嘴的其它区段
180喷燃器
190燃料喷嘴
200一个壁
210侧部
220侧部
230另一个壁
240侧部
250侧部
260燃料喷嘴的出口
270缩短的燃烧火焰
280拉长的燃烧火焰
290中心空气管。
具体实施方式
图1a显示具有喷燃器180的燃烧系统的侧视图而图1b显示俯视图,喷燃器180供应燃料和一级空气的混合流通过至少一个燃料喷嘴40到例如锅炉1的燃烧室30。从将燃料粉碎到所要求的细度的粉碎机(未显示)将燃料和一级空气的混合流供应通过管道150。此外管道150弯曲成使得,一部分是竖直的,平行于锅炉1的轴线A-A,是竖直的管道75,而另一部分是水平的管道80,其平行于燃料喷嘴40的轴线B-B。管道150装配有燃料集中器5。燃料集中器5使燃料和一级空气的混合流集中于燃料喷嘴40的中心60中。二级空气喷嘴50布置在燃料喷嘴40的上方和下方,以喷射二级空气以使燃料和一级空气的混合流在例如锅炉1的燃烧室30中稳定燃烧。二级喷嘴50的轴线C-C'平行于燃料喷嘴40的轴线B-B。燃料喷嘴40具有燃料喷嘴190和中心空气管290。在本公开的一个实施例中,燃料集中器5具有至少一个偏转器120和至少一个发散器130。在另一个实施例中,偏转器与管道150的壁200成角度,使得燃料和空气的混合流沿着管道150的壁200被引导向管道150的中心140。在管道150的容积方面提供突然的改变,使得通过使一个壁200的两个侧部210、220以朝向管道150的中心汇聚的斜面成角度到点P和P',管道150的直径减少到原直径的50%到80%并且更特别地原直径的65%。管道150的另一个壁230也可同时从两个侧部以朝向管道150的中心汇聚的斜面成角度。在容积方面的这个突然的改变不仅改变燃料颗粒的动量而且朝向管道150的中心140改变燃料和一级空气的整个混合流的方向,并且因此燃料和一级空气的混合流移动到管道150的中心140中。在另一实施例中,燃料和一级空气的集中混合流的具有大质量的颗粒(例如具有大于大约200微米尺寸的煤颗粒)移动到管道150的中心140以在燃料喷嘴40的中心60中形成富含燃料的集中射流70,因为由于颗粒的大质量的原因,速度上的改变不会改变动量,如图3a和3b中示出的那样。这导致富含燃料的集中射流70持续运动到管道150的中心140并且此外运动到燃料喷嘴40的中心60,如在图3a和3b中示出的那样。在另一实施例中,通过使一个壁200的两个侧部240、250从点P和P'以朝向管道150的原始直径发散的斜面成角度,发散器130使管道150扩大回到管道150的原始的容积。管道150的另一个壁230可从两个侧部以朝向管道150的原始直径发散的斜面成角度。两个壁200、230也可同时以朝向管道150的原始直径发散的斜面成角度。在另一实施例中,燃料和空气的集中混合流的具有小质量的颗粒(例如具有小于大约200微米尺寸的煤颗粒)再次沿着至少一个发散器130朝向管道150的壁200移动,以在燃料喷嘴40的其它区段170中形成燃料稀薄的集中射流160,如图3a和图3b中示出的那样。这种关于实现原始容积的改变提供了空间给轻质颗粒,轻质颗粒由于高动量而开始沿着侧部240、250移动,导致在靠近管道150的壁200、230的区域中和此外在燃料喷嘴40的其它区段170中的燃料稀薄的集中射流160在方向上的改变。管道150可为带有燃料集中器5的直管道,燃料集中器5取决于燃料的类型和燃烧要求而装配在管道150上的任意位置。为了更好的结果,在燃料喷嘴40的上游的水平管道80中产生富含燃料的集中射流70和燃料稀薄的集中射流160,因为速度和方向上的改变导致集中射流的产生和分离。该定位提供的优点在于,富含燃料的集中射流70不能改变其方向,因为在到达燃料喷嘴40的出口260之前要行进的距离很短,并且因为空间的原因,而燃料稀薄的集中射流160很快朝向管道150的壁200、230移动(因为轻质颗粒的高动量),并且在到达燃料喷嘴40的出口260之前在燃料喷嘴40的其它区段170中行进。燃料集中器5可被装配在壁200、300中任一者上或者壁200、230两者上。对燃料集中器5进行装甲,以承受不可避免的磨损。燃料集中器5的压力损失是有限的。为了增强积极作用,喷燃器180需要结合倾斜的二级空气喷嘴50。
图1c显示了燃料喷嘴40的出口260的正视图。富含燃料的集中射流70增加燃料和一级空气的混合流在燃料喷嘴40的中心60处的浓度而燃料稀薄的集中射流160降低燃料和一级空气的混合流在燃料喷嘴40的其它区段170中的浓度。在另一实施例中,在其被供应穿过燃料喷嘴40的出口260之后,富含燃料的集中射流70的中心部分90在燃烧室30中被点燃。富含燃料的集中射流70是富含煤的,导致改善燃料和一级空气的混合流的气化,并且是改善喷燃器180的NOx排放性能的关键因素。燃烧系统10与这些手段结合,改善燃料和一级空气与二级空气的混合流的混合,改善点火和火焰稳定性。
图2a、图2b、图2c和图2d显示倾斜的二级空气。通过调整喷射的二级空气的角度,火焰100可拉长或缩短。
在图2a的另一实施例中,二级空气喷嘴50关于燃料喷嘴40的轴线B-B是倾斜的,以在富含燃料的集中射流70燃烧时调整喷射的二级空气的角度。此外二级空气倾斜允许控制火焰100和燃烧。二级空气喷嘴50以朝向燃料喷嘴40的轴线B-B汇聚的角度倾斜,以燃烧燃料和空气的混合流20以获得缩短的火焰270。火焰100的缩短将提供点火和火焰稳定性。该设置用于喷燃器180点火期间或者喷燃器180的部分负荷操作中
图2b显示正常的二级空气设置,在具有火焰100的中等喷燃器负荷时不带有偏转。
如在图2c中示出,二级空气喷嘴50以远离燃料喷嘴40的轴线B-B发散的角度倾斜,来燃烧燃料和一级空气的混合流以获得拉长的火焰280。拉长的火焰100此外将导致NOx排放下降。当喷燃器180处于满负荷运行时使用该运行模式。
在图2d中,对二级空气喷嘴50提供导叶110,作为备选的手段,以在燃料和一级空气的混合流的燃烧中,使喷射的二级空气偏转。
图3a显示从CFD分析中得出的在喷燃器180中和在燃料喷嘴40处的气体速度分布。当以燃料集中器5产生燃料和一级空气的混合流的射流时,在管道150的中心并且在燃料喷嘴40的中心,气体速度上升,如以图中显示的浓度标志的形式观察到的那样。
在图3b中可见从CFD分析中得出的在喷燃器180中和在燃料喷嘴40处的燃料分布。在管道150的中心140并且在燃料喷嘴40的中心60产生的带有富含燃料的集中射流70的燃料分布,如以图中显示的浓度线的形式观察到的那样。
图4显示具有沿切向布置的喷燃器180的锅炉1的俯视图,其表示在燃烧褐煤的锅炉中的布置,其中燃料和空气的混合流喷射到锅炉壁上。燃料和空气的混合流20的喷射在燃烧室的中心产生竖直的涡流。
在根据本公开的燃烧方法中,供应燃料和一级空气的混合流穿过喷燃器180的管道150通过燃料喷嘴40进入燃烧室30中。通过燃料集中器5在燃料喷嘴40的中心60处产生燃料和空气的混合流的集中。通过布置在燃料喷嘴40上方和下方的二级空气喷嘴,二级空气的喷射控制燃料和空气的混合流在燃烧室30中的燃烧。喷燃器可包含一个或多个燃料喷嘴40。
燃料集中器5具有至少一个偏转器120和至少一个发散器130。至少一个偏转器120的壁200的角度将燃料和一级空气的混合流沿着管道150的壁200引导向管道150的中心140到点P和P';燃料和一级空气的集中混合流的具有大质量的颗粒移动到管道150的中心140以在燃料喷嘴40的中心60形成富含燃料的集中射流70。发散器130使管道50扩大回到管道150的原始的容积,从而允许燃料和一级空气的集中混合流的具有小质量的颗粒沿着至少一个发散器130朝向管道150的壁200移动,以在燃料喷嘴40的其它区段170中形成燃料稀薄的集中射流160。另外,使二级空气喷嘴50相对于燃料喷嘴40的轴线B-B'倾斜,以在富含燃料的集中射流70的燃烧中调整所喷射的二级空气的角度,以使火焰100拉长或缩短。使二级空气喷嘴以朝向燃料喷嘴40的轴线会聚的角度倾斜以燃烧燃料和空气的混合流会产生缩短的火焰280。而且,使二级空气喷嘴以远离燃料喷嘴40的轴线的发散角度倾斜以燃烧燃料和空气的混合流会获得拉长的火焰270。
本公开的喷燃器是可靠的射流喷燃器,以在燃料喷嘴的中心产生集中的燃料射流。燃料和空气的混合流的燃料浓度在燃料喷嘴的中心区域中增加,而在燃料喷嘴的其它区段中燃料浓度下降。从燃烧的观点来看,这导致具有不同的低于化学计量或者高于化学计量的状况的火焰拉长。结果是喷燃器基础NOx排放将更低。实际上喷燃器成为低NOx喷燃器。喷燃器以部分负荷燃烧的能力也得到改善。本公开的喷燃器遵循已有且可靠的射流喷燃器设计。喷燃器兼容可用的碾磨系统。
展示本公开的特定实施例的前述说明,以用于图示解释和说明的目的。它们并不意图为详尽的,或者将本公开限制于所公开的准确形式,并且在以上实例的教导下,明显许多修改和变型是可行的。选择并说明实施例以最好地解释本公开的原理和其实际应用,以从而使本领域的其它技术人员可最好地利用本公开,并且构想到适用于特定的用途的具有各种修改的多种实施例。要理解,根据情况的便利性,构想到多种省略或等效替代,但这是为了涵盖应用或实施方案,而不偏离本公开的权利要求的精神和范围。

Claims (19)

1.一种燃烧系统(10),包括:
至少一个喷燃器(180),其供应燃料和一级空气的混合流通过至少一个燃料喷嘴(40)到燃烧室(30);
燃料集中器(5),其将燃料和一级空气的混合流集中于所述至少一个燃料喷嘴(40)的中心(60)中;
二级空气喷嘴(50),其布置在所述至少一个燃料喷嘴(40)的上方和下方,以喷射二级空气,以在所述燃烧室(30)中维持稳定的火焰(100)。
2.根据权利要求1所述的燃烧系统(10),其特征在于,所述燃料集中器(5)包括至少一个偏转器(120)和至少一个发散器(130)。
3.根据权利要求2所述的燃烧系统(10),其特征在于,所述至少一个偏转器(120)与管道(150)的壁(200)成角度,使得燃料和一级空气的混合流沿着所述管道(150)的壁(200)被引导向所述管道(150)的中心(140)。
4.根据权利要求3所述的燃烧系统(10),其特征在于,燃料和一级空气的集中混合流的具有大质量的颗粒移动到所述管道(150)的中心(140)中,以在所述燃料喷嘴(40)的中心(60)中形成富含燃料的集中射流(70)。
5.根据权利要求2所述的燃烧系统(10),其特征在于,所述至少一个发散器(130)使所述管道(150)扩大回到所述管道(150)的原始的容积。
6.根据权利要求5所述的燃烧系统(10),其特征在于,燃料和一级空气的集中混合流的具有小质量的颗粒沿着所述至少一个发散器(130)移动向所述管道(150)的壁(200),以在所述燃料喷嘴(40)的其它区段(170)中形成燃料稀薄的集中射流(160)。
7.根据权利要求4所述的燃烧系统,其特征在于,在所述燃料喷嘴(40)上游的水平管道(80)中产生富含燃料的集中射流(70)。
8.根据权利要求1所述的燃烧系统,其特征在于,在所述燃烧室(30)中点燃富含燃料的集中射流(70)的中心部分(90)。
9.根据权利要求1所述的燃烧系统,其特征在于,所述二级空气喷嘴(50)相对于所述燃料喷嘴(40)的轴线倾斜,以在富含燃料的集中射流(70)的燃烧中调整喷射的二级空气的角度。
10.根据权利要求9所述的燃烧系统,其特征在于,所述二级空气喷嘴(50)以朝向所述燃料喷嘴(40)的轴线的汇聚角倾斜,以燃烧燃料和空气的混合流而获得缩短的火焰(100)。
11.根据权利要求9所述的燃烧系统,其特征在于,所述二级空气喷嘴(50)以远离所述燃料喷嘴(40)的轴线的发散角倾斜,以燃烧燃料和空气的混合流而获得拉长的火焰(100)。
12.根据权利要求1所述的燃烧系统,其特征在于,对所述二级空气喷嘴(50)提供导叶(100),以使喷射的二级空气在燃料和空气的混合流的燃烧中偏转。
13.一种燃烧方法,包括:
通过至少一个喷燃器(180)供应燃料和空气的混合流穿过至少一个燃料喷嘴(40)到燃烧室(30);
利用燃料集中器(5)使燃料和空气的混合流集中于所述至少一个燃料喷嘴(40)的中心(60)中;
通过布置在所述至少一个燃料喷嘴(40)上方和下方的二级空气喷嘴(50),喷射二级空气以控制燃料和一级空气的混合流在所述燃烧室(30)中的燃烧。
14.根据权利要求13所述的燃烧方法,其中特征在于,燃料集中器(5)包括至少一个偏转器(120)和至少一个发散器(130)。
15.根据权利要求13所述的燃烧方法,其中特征在于,
所述至少一个偏转器(120)的壁(200)的角度将燃料和一级空气的混合流(20)沿着管道(150)的壁(200)引导向所述管道的中心(140);
燃料和一级空气的集中混合流的具有大质量的颗粒移动到所述管道(150)的中心(140)中,以在所述燃料喷嘴(40)的中心(60)中形成富含燃料的集中射流(70)。
16.根据权利要求14所述的燃烧方法,其中特征在于,
利用所述至少一个发散器(130)使所述管道(150)扩大回到所述管道(150)的原始的容积;
允许燃料和一级空气的集中混合流的具有小质量的颗粒沿着所述至少一个发散器(130)移动向所述管道(150)的壁(200),以在所述燃料喷嘴(40)的其它区段(170)中形成燃料稀薄的集中射流(160)。
17.根据权利要求14所述的燃烧方法,其中特征在于,使所述二级空气喷嘴(50)相对于所述燃料喷嘴(40)的轴线倾斜,以在富含燃料的集中射流(70)的燃烧中调整喷射的二级空气的角度。
18.根据权利要求17所述的燃烧方法,其中特征在于,使所述二级空气喷嘴以朝向所述燃料喷嘴(40)的轴线的汇聚角倾斜,以燃烧燃料和一级空气的混合流而获得缩短的火焰(100)。
19.根据权利要求17所述的燃烧方法,其中特征在于,使所述二级空气喷嘴以远离所述燃料喷嘴(40)的轴线的发散角倾斜,以燃烧燃料和空气的混合流而获得拉长的火焰(100)。
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