CN105849464A - 调节燃烧器内的火焰特性 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种系统和方法，通过四个主要变量的调整改变燃烧火焰，从而改善以粉状固体为燃料的中小型燃烧器的运行状况。这些变量包括：一次风/燃料混合物的体积；二次风体积；三次风体积和对二次风的旋流。通过改变这些变量可以根据用户的偏好对燃料的燃烧特性进行显著的调整。

Description

调节燃烧器内的火焰特性

对相关申请的交叉引用。

本申请要求标题为“增强中小型燃烧器内火焰特性的可调节性的方法系统”、提交于2013年11月8日的美国临时专利申请US 61902073的优先权，该申请以引用方式纳入。

技术领域

本发明涉及中小型燃烧器内粉状固体燃料（例如煤粉）的燃烧。特别涉及一种通过在燃烧过程中对四个主要变量进行调整来改善锅炉运行状况的系统和方法。

背景技术

本发明涉及小型燃烧器内粉状固体燃料以及运行所述系统的方法。然而，本发明不仅仅局限于这个应用。本领域技术人员可以认识到，本发明的系统和方法可用于许多其他应用，通过其燃烧少量粉状固体燃料（例如，3.5吨煤每小时），包括但不局限于水泥窑和蒸汽发生器。

燃烧器中排列了一个或多个燃料喷嘴，喷射空气和固体燃料的混合物进入燃烧器，是众所周知的。在这种系统中，煤粉和加压空气作为空气-燃料混合物被吹进燃烧器中。此空气-燃料混合物在进入所述燃烧器前可能已经被点燃，或者可能进入所述燃烧器来点燃。

上述系统的一个重要任务是为燃料的完全燃烧提供合适的条件。这主要通过以适当的速度、角度和旋转喷射燃料供给进入所述燃烧器，并使所述燃料在所述燃烧器内停留充足的时间来实现。

在大型工业燃煤燃烧器中，所述粉状固体燃料的完全燃烧得以确保，是由于这些燃烧器有大燃烧室和复杂的燃料预热和传送系统。典型地，这些大型燃烧器中，预热装置和燃烧室本身的设计为，煤粉与助燃空气充分混合，在燃烧器中停留时间延长，从而确保煤粉的充分燃烧。例如，复杂的系统，如切向燃烧的燃烧器，设计为，煤粉射入虚拟的涡流，从而延长了煤粉在燃烧室中的停留时间。

遗憾的是，以上所述不适用于燃烧粉状固体燃料，如煤粉，的中小型燃烧器，使用小型装置，燃料预热准备受到限制。

因此，有必要改进中小型燃烧器的燃料燃烧，同时提供容易建造，生产成本低的系统。

进一步地，本发明也通过低和高的燃料负荷以及燃烧器火焰的调节，增强了运行的灵活性。

发明内容

本发明描述了这样一种方法，二次和三次助燃风气流以与一次风/燃料混合物气流明显相反的方向移动，而且对所述二次风有旋转作用，通过调节这些因素可以明显改变燃烧火焰的各方面。对火焰燃烧的大幅度调节可以有效地通过以下四个主要变量的相互作用进行：一次风/燃料混合物的体积；二次风体积；三次风体积；以及施加于二次风的旋流。

相比于现有技术，本发明有许多优势，尤其是：增加的极限负荷比，燃烧过程中效率的提高，以及在燃料燃烧过程中有更多的操作可选项。

附图说明

图1A和1B根据本发明的一个实施例描述了本发明的两个横截面图。图1A说明了对二次风未施加旋流的系统，而图1B说明了对二次风施加旋流的系统。

图2是本发明的一个横截面图，说明了低燃料负荷和大部分燃烧发生在燃烧器内的情景。

图3是本发明的一个横截面图，说明了低燃料负荷和小部分燃烧发生在燃烧器内的情景。

图4是本发明的一个横截面图，说明了高燃料负荷和小部分燃烧发生在燃烧器内的情景。

图5是本发明的一个横截面图，说明了高燃料负荷和大部分燃烧发生在燃烧器内的情景。

具体实施方式

通过参考附图，对于本领域的技术人员，本发明会更容易被理解，本发明的许多目的和优势也会变得显而易见。

图1A和1B根据本发明的一个实施例描述了本发明的两个横截面图。图1A说明了对二次风未施加旋流的系统，而图1B说明了对二次风施加旋流的系统。编号为1至4的粗箭头图示了发生在系统内相关空气气流的流动方向。参照图1A和图1B，燃烧器101包括了一个燃烧室，其形状为渐宽的圆锥形。一次风/燃料混合气流1大体沿着所述燃烧器的中轴线的第一方向，通过安装在燃烧器101出口处轴向位置的风管102，使用一次风/燃料混合物送风装置（在图1中未显示），进入燃烧器101。所述风管的出口面对所述燃烧器101的进口。在燃烧器101的进口，安装了二次送风装置104，使二次风气流2进入燃烧器101时，二次风气流2的方向与一次风/燃料气流1的方向明显相反。二次风气流2使一次风/燃料混合气流1改变方向成为回流4。在二次送风装置104和燃烧器101的进口之间，安装了可调节的联动的成型叶栅105，使得旋流效果可以施加于到达燃烧器101的二次风2。可调节的联动的成型叶栅105的方向垂直于燃烧器101的中轴线。参考图1A可以看出，可调节的联动的成型叶栅105被调整为使进入的二次风2不受旋流影响。在这种情况下，如标号为2的箭头所示，二次风2直接吹入燃烧器101。参考图1b可以看出，对可调节的联动的成型叶栅105被调整为使进入的二次风2受旋流影响。在这种情况下，如标号为2的箭头所示，二次风2以旋转的方式吹入燃烧器101。

沿着燃烧器101的内壁，安装了环形空间106，使三次风气流3从三次送风装置107进入燃烧器101时，三次风气流3沿着燃烧器101内壁与二次风气流2大致相同的方向流动。尽管不包括在本文件描述的实施例内，可调节的联动的成型叶栅或其他在垂直于燃烧器101的中轴线的方向上给三次风施加旋流的装置，也可以被设想。

如前文提到的，本发明利用四个主要变量来调整燃烧在系统内如何发生以及在何处发生。这些变量是：一次风/燃料混合物1的体积；二次风2体积；三次风3体积和施加于二次风2的旋流R。

由于一次风1的体积太小，无法显著地影响燃料的燃烧过程，因此其主要用途是把粉状固体燃料输送到燃烧器101。第一个变量，即一次风/燃料混合物1，其空气体积不会发生显著变化。粉状燃料的体积却是这个变量的决定因素。

二次风2和三次风3的共同作用是供应助燃空气到燃烧器101。可以理解为，二次风2和三次风3供应的助燃空气的比例取决于粉状固体燃料的负荷。因此，对于一定量的燃料负荷，改变二次风体积必然会导致三次风体积的同比例的相反变化，这样，，在任何时候供应到燃烧器的助燃空气的总体积必须为该燃料负荷的助燃空气足量供应所需的摩尔当量体积的负/正10%（因此，避免了由于助燃空气的过量供应或供应不足导致的潜在问题）。

最后，第四个变量，即对二次风的旋流R，的主要功能是为了更好地混合粉状固体燃料，并在高燃料负荷运行的状态下在燃烧器101内实现一个强大的回流动力机制。

需要指出的是，上述的回流取决于燃烧器101的直径和整体设计，相对较小的直径会减轻二次风2的旋流对燃烧器内部流体动力机制的影响。另一方面，相对较大的直径会增加二次风2的旋流对燃烧器内部流体动力机制的影响。

本发明的方法和实质可以通过分别对以下4种不同运行情景下的燃烧器的运行状况进行描述而更好地被阐述：1. 低燃料负荷且大部分燃烧发生在燃烧器内；2. 低燃料负荷且小部分燃烧发生在燃烧器内；3. 高燃料负荷且小部分燃烧发生在燃烧器内；4. 高燃料负荷且大部分燃烧发生在燃烧器内。

可以理解，为了简单起见，披露了上述四个运行情景。然而，这些都是极端情景，根据本文件未描述的不同的燃料负荷，本发明的方法也允许火焰燃烧的逐步变化。

1. 低燃料负荷且大部分燃烧发生在燃烧器内

参照图2可以看出，在低燃料负荷且大部分燃烧发生在燃烧器内的情况下，本发明将如何运行。

在这种情景下，可调节的联动的成型叶栅205被做成对进入的二次风2的旋流很小甚至无影响。粗箭头2描绘了二次风2的方向。需要指出的是，这些箭头的相对长度代表了它们相对于其他气流的体积，这种情况在其他图中也适用。在这种情况下，假定对二次风2没有旋流，二次风2直接吹入燃烧器201。在低负荷情景下这种做法有一个很大的优势，即二次风2吹进燃烧器201并且以相当均匀的方式分散（即，沿内壁流动和穿过中轴线的空气量相近）。一次风/燃料混合气流1内的燃料负荷比降低到所需的数量，且回流效果4主要沿燃烧器201的中轴线发生。这是因为，燃烧器201的中轴线的氧气由进入的二次风2供给，一次风/燃料混合气流1大体沿着燃烧器201的轴线流动（因此，粉状燃料集中于那个区域），因此燃料的燃烧大都沿中轴线发生。因此，沿燃烧器201轴线的有效燃烧可以在低燃料负荷的情况下有效地实现。

同时，二次风2的相对比例相对于三次风3有所减少。考虑到二次风的体积，这样做会导致回流4退回到燃烧器201的入口，因此二次风气流2的力量有所减少。这使得更少阻碍的一次风气流1可以进一步向燃烧器201的进口回移。因此，如图2中的火焰所示，燃烧火焰主要沿轴线燃烧并朝向燃烧器201的进口方向。

2. 低燃料负荷且小部分燃烧发生在燃烧器内

参照图3可以看出，在低燃料负荷且小部分燃烧发生在燃烧器内的情况下，本发明将如何运行。

与情景1相似，可调节的联动的成型叶栅305被做成使对进入的二次风2的旋流较小甚至无影响。二次风2吹进燃烧器301并且以相当均匀的方式分散（即沿内壁流动和穿过中轴线的空气量相近）。一次风/燃料混合气流1内的燃料负荷比降低到所需的数量，回流效果4主要沿燃烧器201的中轴线发生，燃料的燃烧主要沿燃烧器301的中轴线发生。

与情景1不同的是，当希望减少发生在燃烧器301内的燃烧比例（这会增加发生在燃烧器外的燃烧比例）时，二次风气流2的比例相对于三次风气流3会增加。考虑到二次风的体积，这样做的影响会导致回流4向前移动到燃烧器301的出口，因此气流2的力量有所增加。这使得一次风气流1受到更强的作用，随后将回流4推向燃烧器301的出口。因此，如图3所示，燃烧火焰主要发生在燃烧器301以外。

3. 高燃料负荷且小部分燃烧发生在燃烧器内

参照图4可以看出，在高燃料负荷且小部分燃烧发生在燃烧器内的情况下，本发明将如何运行。

与之前的情形一样，使用一次送风装置，一次风/燃料混合物1通过风管403吹入燃烧器401。二次送风装置405和三次送风装置407将二次风和三次风送入燃烧器401。在进入燃烧器之前，二次风2会先通过可调节的联动的成型叶栅406。

如前文所述，当燃料处于高负荷或满负荷时，可调节的联动的成型叶栅406被调整为，导致更强的对进入的二次风气流的旋流。图4图解了可调节的联动的成型叶栅406被调整为，导致更强的对进入的二次风气流的旋流。二次风气流2被调整，使它变得足够强劲，使回流4向燃烧器401的出口移动。

燃烧器401内会产生涡流，从而二次风气流2沿燃烧室内壁以及燃烧器401的轴线旋转。二次风气流2的旋转吹向一次风气流1，使得高燃料负荷与助燃空气沿燃烧室的轴线和边缘适当地混合，因此会增加燃烧过程的效率。

正如场景2，为了使燃烧器401内的燃烧量减少，可以增加二次风2相对于三次风3的体积比例。增加二次风2的比例会使回流4向燃烧器401的出口和燃烧器401的外部移动，如图4所示的火焰那样。

4. 高燃料负荷且大部分燃烧发生在燃烧器内

参照图5可以看出，在高燃料负荷且大部分燃烧发生在燃烧器内的情况下，本发明将如何运行。

可调节的联动的成型叶栅506被调整为，导致对进入的二次风气流2的旋流最大化。

与情景3相似，由于二次风围绕燃烧器501的内壁旋转，在燃烧器501内产生强大的涡流，二次风气流2沿燃烧室内壁流动，大体上远离燃烧器501的轴线。图5图解了可调节的联动的成型叶栅506被调整为，导致对进入的二次风气流2的旋流最大化。二次风气流2被调整，使回流4向燃烧器501的入口移动。此外，涡流使高燃料负荷与助燃空气适当地混合，因此增加了燃烧过程的效率。

与情景3相反，为了在燃烧器501内获得最大的燃烧量，会减少二次风相对于三次风的体积比例。减少二次风2的比例会使回流4向燃烧器501的入口移动，如图5所示的火焰那样。

Claims (18)

1.一种改进燃烧器内粉状固体燃料燃烧产生的火焰的特性和可调性的系统，其特征在于，包括：

-一个用于点燃并维持所述火焰的燃烧器；

-一次送风装置，用于向所述火焰中注入一次风和燃料混合物，大体在第一方向上沿着所述燃烧器的中轴线；

-二次送风装置，用于向所述火焰中注入二次风，大体在第二方向上沿着所述燃烧器的中轴线，所述第二方向大体与所述第一方向相反；

-三次送风装置，用于向所述火焰中注入三次风，大体在第三方向上沿着所述燃烧器的内壁，所述第三方向大体与所述第一方向相反；

-一个调节装置，用于调节所述一次风和燃料混合物，所述二次风和所述三次风的速度和比例；

其中，所述一次风和燃料混合物，所述二次风，和所述三次风的融合建立并维持火焰，并且所述火焰的所述特性可以调节。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述火焰的特性是所述火焰沿着所述燃烧器的所述中轴线分布。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述火焰的特性是所述火焰围绕所述燃烧器的所述中轴线旋转。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调节装置进一步包括一套可调节的联动的成型叶栅，用于使所述二次风在垂直于所述燃烧器的所述中轴线的方向上产生旋转。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调节装置进一步包括一套可调节的联动的成型叶栅，用于使所述三次风在垂直于所述燃烧器的所述中轴线的方向上产生旋转。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三次风沿着所述燃烧器的内壁，通过多级通道注入所述火焰。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃烧器内的燃烧空间是圆柱形。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃烧器内的燃烧空间是圆锥形。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二方向与所述第一方向形成的夹角范围在120到180度之间。

10. 一种改进燃烧器内粉状固体燃料燃烧产生的火焰的特性和可调性的方法，其特征在于，包括：

向所述火焰中注入一次风和燃料混合物，大体在第一方向上沿着所述燃烧器的中轴线；

向所述火焰中注入二次风，大体在第二方向上沿着所述燃烧器的中轴线，所述第二方向大体与所述第一方向相反；

向所述火焰中注入三次风，大体在第三方向上沿着所述燃烧器的内壁，所述第三方向大体与所述第一方向相反；

调节所述一次风和燃料混合物，所述二次风和所述三次风的速度和比例；

其中，所述一次风和燃料混合物，所述二次风，和所述三次风的融合建立并维持火焰，并且所述火焰的所述特性可以调节。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述火焰的特性是所述火焰沿着所述燃烧器的所述中轴线分布。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述火焰的特性是所述火焰围绕所述燃烧器的所述中轴线旋转。

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括，通过一套可调节的联动的成型叶栅，使所述二次风在垂直于所述燃烧器的所述中轴线的方向上产生旋转。

14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括，通过一套可调节的联动的成型叶栅，使所述三次风在垂直于所述燃烧器的所述中轴线的方向上产生旋转。

15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括，所述三次风沿着所述燃烧器的内壁，通过多级通道注入所述火焰。

16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述燃烧器内的燃烧空间是圆柱形。

17.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述燃烧器内的燃烧空间是圆锥形。

18.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二方向与所述第一方向形成的夹角范围在120到180度之间。