CN105910107A - 一种同心轴流式低氮氧化物套管燃烧器 - Google Patents

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何翔
魏增涛
周文台
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Abstract

本发明提供了一种同心轴流式低氮氧化物套管燃烧器，其特征在于，包括主燃烧器及布置在主燃烧器上方的燃尽风机构，其中：主燃烧器包括一次风粉气流管道和位于一次风粉气流管道外的二次风管道；燃尽风机构包括同轴布置的内直流风管道和外旋流风管道。本发明提供的燃气‑劣质煤混烧NOX燃烧器具有结构简单、安装布置方便、NOX生成量低、着火稳定性强、燃烧效率高等特点。

Description

一种同心轴流式低氮氧化物套管燃烧器
技术领域
本发明涉及一种工业燃煤锅炉混烧燃气-劣质煤的燃烧器，用于清洁燃煤、降低大气NOX排放量。
背景技术
我国工业锅炉以燃煤为主，截至2012年底，在用燃煤工业锅炉达46.7万台，总容量达178万蒸吨，年消耗原煤约7亿吨，占全国煤炭消耗总量的18％以上。我国燃煤工业锅炉整体能效水平较低，其实际运行效率比国际先进水平低15个百分点左右，具有较大的节能潜力。同时，燃煤工业锅炉污染物排放强度较大，是重要污染源，年排放烟尘、二氧化硫、氮氧化物分别约占全国排放总量的33％、27％、9％。近年来，我国出现的大范围、长时间严重雾霾天气，与燃煤工业锅炉区域高强度、低空排放的特点密切相关。
大多数燃煤工业锅炉容量较小，单台平均容量仅为3.8吨/时，其中2吨/时以下台数占比达66.5％。部分锅炉老化严重，很多超过折旧年限的锅炉，甚至上世纪七八十年代生产的低能效、高排放的锅炉仍在使用。锅炉系统自控水平偏低，不利于工况调节。高效锅炉价格高、市场份额低、推广难度大。产业集中度低，制造企业数量多、规模小，技术水平普遍较弱。
2014年11月，国家七大部委联合发文，要求推进落实工业锅炉领域综合节能减排工程，其目标是：到2018年，推广高效锅炉50万蒸吨，高效燃煤锅炉市场占有率由目前的不足5％提高到40％；淘汰落后燃煤锅炉40万蒸吨；完成40万蒸吨燃煤锅炉的节能改造；推动建成若干个高效锅炉制造基地，培育一批大型高效锅炉骨干企业；燃煤工业锅炉平均运行效率在2013年的基础上提高6个百分点，形成年4000万吨标煤的节能能力；减排100万吨烟尘、128万吨二氧化硫、24万吨氮氧化物。
从煤的燃烧角度来看，目前低NOX燃烧技术已广泛运用于燃煤电站锅炉上和部分工业锅炉。对于新设计锅炉，目前主流趋势是开发燃料、空气分级燃烧技术。对于现役的锅炉，主要推行低NOX燃烧器改造、尾部烟道采用SCR或SNCR脱销技术。针对低氮燃烧器来说，这面临很多问题，以四角切圆燃烧方式为例，主要有：(1)垂直浓淡燃烧器和水平浓淡燃烧器只能选其一，不能二者兼有，NOX生成量的控制没有实现最小化；(2)目前采用的垂直浓淡燃烧器，煤粉的浓淡分离一般通过弯管离心力、燃烧器内部设置百叶窗片等手段来实现，煤粉管道改造工程量大，管内耐破损能力差；(3)燃烧器一旦施工安装完成后，浓淡相浓度不可调节；(4)燃烧器煤种适应性差，一般来说，工业锅炉燃烧的煤种波动性较大，不同煤种对应的煤粉最佳着火风速及煤粉浓度不同，浓淡燃烧器需要适应不同煤种变化；(5)负荷适应性差，由于工业锅炉热负荷调节较为频繁，不同热负荷下一次风浓度变化较大，对燃烧稳定性不利，因此，浓淡燃烧器需要针对不同负荷调节一次风速及煤粉浓度；(6)难以达到不同负荷不同工况下的最佳NOX生成量；(7)燃烧器结构复杂，不易维修，不易更换。
从NOX生成机理角度来看，主要有三种类型，燃料型、热力型及快速型三种，燃料型NOX约占总NOX的80-90％，是各种低NOX技术控制的主要对象。其次是热力型，主要是由于炉内局部高温造成，降低燃料型NOX时，通过控制炉温水平加以控制，快速型NOX生成量很少。
从煤种角度来看，劣质煤的清洁利用近些年成为燃煤锅炉领域的一个热点研究方向，但是劣质煤存在着火困难(除褐煤外)、热值低、硫分高以及燃烧时NOX含量不低的特点。当前较多工业锅炉采用燃气-劣质煤混烧方式，锅炉在点火初期、低负荷运行时采用混烧方式，高负荷采用纯烧劣质煤的方式运行，当前大多数燃煤工业锅炉并未采用低NOX燃烧器，所以在燃气和劣质煤混烧领域还存在低氮燃烧的空白。
发明内容
本发明的目的是：使得浓淡燃烧器既能稳定燃用劣质煤又能多方位控制NOX生成。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种同心轴流式低氮氧化物套管燃烧器，其特征在于，包括主燃烧器及布置在主燃烧器上方的燃尽风机构，其中：
主燃烧器包括一次风粉气流管道和位于一次风粉气流管道外的二次风管道，在一次风粉气流管道与二次风管道之间设有燃气通道，一次风粉气流管道、燃气通道及二次风管道同轴布置，一次风粉气流、燃气垂直切向进入一次风粉气流管道、燃气通道，出一次风粉气流管道、燃气通道后形成圆形喷口切向旋转气流，在二次风管道内沿周向布置有可调二次风旋转叶片，从而使得出二次风管道的二次风形成环形旋转射流，在圆形喷口切向旋转气流及环形旋转射流的共同作用下，在炉膛的火焰中心形成一个回流区；
燃尽风机构包括同轴布置的内直流风管道和外旋流风管道，燃尽风经由内直流风管道和外旋流风管道形成两股独立的气流，出内直流风管道的气流形成直流风，出外旋流风管道的气流形成旋转气流，直流风及旋转气流的风量可调。
优选地，在所述一次风粉气流管道内设有煤粉浓缩器。
优选地，在所述二次风管道出口端设有外扩的导流筒。
优选地，在所述一次风粉气流管道出口处设有沿周向布置的稳焰齿。
优选地，在所述二次风管道内设有可伸缩式自动点火器。
优选地，在所述外旋流风管道的出口处沿周向布置有外旋流风旋转叶片。
劣质煤挥发分含量低、着火点高，燃烧初期所产生的热量不足以使炭粒的温度升高至着火温度，从而使燃烧持续进行，因此，确保劣质煤持续稳定点燃的方法是增加火焰中心的回流量，通过卷吸下游的高温烟气回流至火焰根部以提高一次风粉温度。本发明中煤粉气流、燃气均从套管中间以较高速度切向旋转喷入燃烧室，增强了风粉气流的湍流；在燃气管道外面一层布置二次风，管道内设置可调轴向叶片，二次风旋流进入燃烧室，火焰内部形成一个高温烟气回流，能够及时补充燃烧所需的空气，同时煤粉燃烧更加稳定。最后在燃烧器上方适当位置设置燃尽风机构，燃尽风机构内部设置内直流和外旋流式，采用空气分级来实现降低燃烧生成的氮氧化物。
本发明提供的燃气-劣质煤混烧NOX燃烧器具有结构简单、安装布置方便、NOX生成量低、着火稳定性强、燃烧效率高等特点。
附图说明
图1为本发明的总体结构剖视图；
图2为图1中的A-A向剖视图；
图3为图1中的B-B向剖视图；
图4为本发明中主燃烧器的剖视图；
图5为图5中的C-C向剖视图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明基于以下两点基本原理：
1、旋流燃烧方式
旋转射流具有向前的轴向速度和圆周向的切向速度，所以在离开喷口进入空间后，旋流以螺旋式的运动扩展向前形成辐射状的流动外形，在实际燃烧过程中，受到炉墙的作用旋转气流是封闭的，扩展角比较大，在出口处具有负压造成的回流区。旋转气流的最大轴向速度下降的很快，所以导致射程较短。由于扩展角较大，中心又有回流区，所以在燃烧器喷口旋转气流卷吸周围介质的能力比直流射流强烈。
燃烧器喷口气流的扰动比较强烈，表现在出口的早期混合强烈，伴随衰减的速度也很快，造成后期混合较弱。旋转气流的这些特性使得旋流燃烧器能够依靠自身的回流区稳定地着火，实践证明它几乎适用于各种燃料，尤其是适用于着火温度较高的劣质煤。在燃烧器出口处存在着两个回流区，即中心回流区和外回流区。中心回流区直接卷吸下游已经开始燃烧的高温气回流至一次风粉混合气流的根部，为燃料提供着火热和反应的活性基团，而且煤粉颗粒在中心回流区附近的停留时间要比在外回流区的长得多，因此煤粉着火初期发生的预热过程、热解过程、挥发分即固定碳的燃烧、污染物的生成过程主要在中心回流区边界附近进行。中心回流区对煤粉着火过程起着更为重要的作用。
2、空气分级
将旋流燃烧器固定的外二次风去掉，采用高位燃尽风布置，将更多的风量放到燃尽风去，燃尽风的通道内部布置内直流风，外部布置外旋流风。燃尽风量可实现占总二次风量的20～40％变化，燃尽风喷口可实现上下左右摆动。通过燃尽风喷口的摆动既可以实现炉膛出口温度及烟气温偏差的调整，还可以强化飞灰可燃物燃尽。运行时通过对纵向过量空气系数分布控制，从下到上分别形成为氧化燃烧区、集中还原区、燃尽区三区分布。
氧化区有煤粉初期燃烧，炉温升高，促进煤粉着火、燃烧及燃尽，但此时会产生较多的NOX。由于有较大燃尽风量的存在，主燃烧器区存在氧化还原交替存在及通过控制高度方向的配风，可形成局部还原区，可以初步还原产生的NOX，使NOX在初始燃烧时就得到抑制，在主还原区内已生成的NOX得到更充分还原，燃尽区内将作为燃尽风的二次风及时补充进来，促进焦碳最后燃尽。通过空气分级，NOX将得到极大抑制，飞灰可燃物也会得到控制。
本发明提供的一种同心轴流式低氮氧化物套管燃烧器，包括主燃烧器及布置在其上方的燃尽风机构。
主燃烧器包括同轴的一次风粉气流管道1、较薄的用于通燃气的燃气通道2、二次风管道3。燃气通道2用于初期点火炉膛升温以及低负荷运行时出现炉膛内燃烧波动时投燃气稳燃。可伸缩式自动点火器6布置在二次风管道3内。
一次风粉气流11、燃气垂直切向进入主燃烧器的一次风粉气流管道1、燃气通道2，出一次风粉气流管道1、燃气通道2后形成圆形喷口切向射流。在一次风粉气流管道1中布置煤粉浓缩器5，让煤粉浓度分离，促使燃料分级。同时，通过煤粉浓缩器5增大了一次风煤粉浓度，使煤粉更易着火。在一次风粉气流管道1出口设置稳焰齿4，加强了一次风煤粉气流与高温烟气之间的混合。
在二次风管道3内的出口处沿周向设置有可沿轴向调节的二次风旋转叶片8，同时设有向外扩张的导流筒7，使得主燃烧器喷口的二次风产生旋流，形成环形旋转射流，且旋转强度可调。
在圆形喷口切向射流及环形旋转射流的共同作用下，在炉膛的火焰的中心形成一个回流区，有利于卷吸高温烟气，使煤粉挥发分均衡挥发、快速着火，稳定燃烧。
在主燃烧器上方布置燃尽风机构，燃尽风率占总二次风的20～40％可调。燃尽风机构包括同轴的内直流风管道9和外旋流风管道10，在外旋流风管道10的出口处沿周向布置有外旋流风旋转叶片。燃尽风出燃尽风机构后分为两股独立的气流进入炉膛，中间气流为直流风，外圈气流为旋转气流，两者的风量可以调节，实现空气分级的目标，能够有效地抑制热力型NOX的生成。

Claims (6)

1.一种同心轴流式低氮氧化物套管燃烧器，其特征在于，包括主燃烧器及布置在主燃烧器上方的燃尽风机构，其中：
主燃烧器包括一次风粉气流管道(1)和位于一次风粉气流管道(1)外的二次风管道(3)，在一次风粉气流管道(1)与二次风管道(3)之间设有燃气通道(2)，一次风粉气流管道(1)、燃气通道(2)及二次风管道(3)同轴布置，一次风粉气流(11)、燃气垂直切向进入一次风粉气流管道(1)、燃气通道(2)，出一次风粉气流管道(1)、燃气通道(2)后形成圆形喷口切向旋转气流，在二次风管道(3)内沿周向布置有可调二次风旋转叶片(8)，从而使得出二次风管道(3)的二次风形成环形旋转射流，在圆形喷口切向旋转气流及环形旋转射流的共同作用下，在炉膛的火焰中心形成一个回流区；
燃尽风机构包括同轴布置的内直流风管道(9)和外旋流风管道(10)，燃尽风经由内直流风管道(9)和外旋流风管道(10)形成两股独立的气流，出内直流风管道(9)的气流形成直流风，出外旋流风管道(10)的气流形成旋转气流，直流风及旋转气流的风量可调。
2.如权利要求1所述的一种同心轴流式低氮氧化物套管燃烧器，其特征在于，在所述一次风粉气流管道(1)内设有煤粉浓缩器(5)。
3.如权利要求1所述的一种同心轴流式低氮氧化物套管燃烧器，其特征在于，在所述二次风管道(3)出口端设有外扩的导流筒(7)。
4.如权利要求1所述的一种同心轴流式低氮氧化物套管燃烧器，其特征在于，在所述一次风粉气流管道(1)出口处设有沿周向布置的稳焰齿(4)。
5.如权利要求1所述的一种同心轴流式低氮氧化物套管燃烧器，其特征在于，在所述二次风管道(3)内设有可伸缩式自动点火器(6)。
6.如权利要求1所述的一种同心轴流式低氮氧化物套管燃烧器，其特征在于，在所述外旋流风管道(10)的出口处沿周向布置有外旋流风旋转叶片。
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