CN106287667A - 一种设有SOFA的高温烟气回流预燃式低NOx燃烧器 - Google Patents

一种设有SOFA的高温烟气回流预燃式低NOx燃烧器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种设有SOFA的高温烟气回流预燃式低NOx燃烧器，包括预燃室，预燃室的入口一侧设置中芯管，预燃室上设置有外二次风和SOFA风套筒，预燃室的侧壁上开设有若干外二次风喷口，预燃室壳体外侧设置若干SOFA风直流喷口；旋流内二次风套筒的入口与旋流内二次风通道相连通，出口与预燃室相连通。本发明采用煤粉低温预燃技术，通过一次风携带煤粉进入预燃室，在预燃室还原性气氛下进行预燃。内二次风通过翻板阀分成两股，主要起扰动和混合作用，还可以通过调节旋流内二次风调节阀和直流内二次风调节阀的开度，形成不同的内二次风旋流强度。本发明能够有效降低NOx的排放，同时火焰稳定性好，为火电企业降低NOx污染物排放做出贡献。

Description

一种设有SOFA的高温烟气回流预燃式低NOx燃烧器
【技术领域】
本发明属于热能与动力工程技术领域，涉及一种设有SOFA的高温烟气回流预燃式低NOx燃烧器。
【背景技术】
NOx是造成近年来大规模雾霾的元凶之一，此外NOx还会诱发光化学烟雾、酸雨等一系列环境问题，而燃煤锅炉又是我国NOx排放的最主要来源之一，经过多年的努力粉尘和SOx污染治理取得了很大的成效，但是NOx排放控制还相对落后。依据环保部的最新数据，2012年全国全年氮氧化物排放总量2337.8万吨，火电排放约占35％～40％，给我们的环境带来严重的威胁。因此国家制定了越来越严格的措施控制NOx的排放。最新的《火电厂大气污染物排放标准GB13223-2011》NOx排放标准比欧美都严格，燃煤锅炉的NOx排放量要小于100mg/m3。
目前氮氧化物的控制方法主要有烟气脱硝和燃烧脱硝两大类。目前常用的烟气脱硝方法主要包括选择性催化还原法和选择性非催化还原法。燃烧脱硝技术则包括低NOx燃烧器、空气分级燃烧和烟气再循环等方法。煤粉燃烧装置是火电生产的主要设备，因此，如何提高煤粉燃烧的稳定性，同时降低NOx的排放是煤粉燃烧装置研究的重点。煤粉低温预燃技术是近几年发展起来的低NOx燃烧技术，煤粉进入燃烧器前，先流入一个还原性气氛的预燃室。在预燃室内由于高温条件，一次风内携带的煤粉直接在预燃室内燃烧，燃料中的氮有机化合物受热首先热解为氰化氢(HCN)、氨(NH3)和CN等中间产物。由于预燃室内空气中氧气含量非常有限，氧气优先与中间产物(HCN、NH3和CN)反应生成H2O、N2和CO2，降低助燃空气的氧浓度同时降低氮氧化物的生成。此外分级配风布置技术，使进入炉膛的混合气中的氧气比例小，保证煤粉在低氧环境中燃烧，降低火焰温度，不仅可以降低燃料型NOx生成而且会减少热力型NOx的生成，在局部形成还原性气氛，有效降低NOx的排放。燃烧器二次风旋转射流对气流的扰动以及煤粉的混合有很大作用，可以稳定燃烧，而且旋转射流形成的回流区一方面从回流区回流高温烟气；另一方面旋转射流也从射流的外边界卷吸周围高温烟气，从而提高煤粉着火、燃烧的稳定性，通过高速射流卷吸大量烟气，使煤粉在低氧环境中燃烧，降低火焰温度峰值，减少热力型NOx生成。通过一次风煤粉浓淡分离以及稳焰齿也有助于降低NOx生成量以及提高燃烧稳定性。
SOFA风是远距离燃尽风(Separated Over Fire Air)的简称，是炉膛中距离主燃区有一定距离的燃尽风。因为为了降低NOx的生成，一般主燃烧区是处于微缺氧环境下(即还原性气氛)燃烧的，过量空气系数是小于1的，所以可燃物(C，CO等)并不能完全燃尽，因此需要在炉膛中距离主燃烧区一定距离的地方配置SOFA风，以使可燃物在后期进一步燃尽，而且因为距离较远所以未燃尽烟气到达此处时，温度有所降低也会抑制NOx的生成。本发明将SOFA风引入该低NOx燃烧器，使得该燃烧器在通过分级配风、旋转射流和煤粉预燃来降低NOx排放、稳定燃烧的同时能够使可燃物在后期进一步燃尽，降低飞灰并进一步降低NOx。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种设有SOFA的高温烟气回流预燃式低NOx燃烧器。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种设有SOFA的高温烟气回流预燃式低NOx燃烧器，包括预燃室，预燃室的入口一侧设置中芯管，中芯管外依次套设有一次风套筒、直流内二次风套筒以及旋流内二次风套筒；油枪和高能点火装置由中芯管的末端伸入，并由前端伸出至预燃室内；预燃室上设置有外二次风和SOFA风套筒，预燃室的侧壁上开设有若干外二次风喷口，预燃室壳体外侧设置若干SOFA风直流喷口；一次风套筒的入口与一次风入口相连通；直流内二次风套筒的入口与直流内二次风通道相连通，出口与预燃室相连通；旋流内二次风套筒的入口与旋流内二次风通道相连通，出口与预燃室相连通。
本发明进一步的改进在于：
所述油枪和高能点火装置的末端连接组合式气动推进器，在需要点火时，组合式气动推进器将油枪和高能点火装置送至点火位置，在点火结束后，将油枪和高能点火装置收缩回中芯管中。
所述中芯管的末端设置第一窥火装置，预燃室后端侧壁上设置红外火焰检测装置和第二窥火装置。
所述一次风套筒的出口处设置用于提高煤粉燃烧的稳定性的煤粉浓缩环和稳焰齿。
所述直流内二次风通道和旋流内二次风通道的入口设置用于调节直流内二次风和旋流内二次风的进风比例的翻板阀；旋流内二次风通道的出口处设置切向旋流叶片。
所述翻板阀内设置有直流内二次风调节阀和旋流内二次风调节阀，通过调节直流内二次风调节阀和旋流内二次风调节阀的开度，调节直流内二次风和旋流内二次风的比例。
所述直流内二次风套筒的出口向外扩张角度α，20°≤α≤30°。
所述预燃室入口一侧的内壁与水平方向的夹角为β，25°≤β≤35°。
所述外二次风喷口的轴向定位角为γ，25°≤γ≤35°，周向定位角为θ，25°≤θ≤35°，使喷出的外二次风围绕预燃室出口轴线形成旋流外二次风。
所述预燃室壳体外侧设置18个SOFA风直流喷口。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用煤粉低温预燃技术，通过一次风携带煤粉进入预燃室，在预燃室还原性气氛下进行预燃。燃料中的氮有机化合物受热首先热解为氰化氢(HCN)、氨(NH3)和CN等中间产物。由于预燃室内空气中氧气含量非常有限，氧气优先与中间产物(HCN、NH3和CN)反应生成H2O、N2和CO2，降低助燃空气的氧浓度同时降低氮氧化物的生成。一次风出口处的煤粉浓缩环可以实现煤粉浓淡分离，得到高浓度的煤粉气流，高浓度煤粉气流具有良好的着火和稳燃性。提高煤粉浓度可以进一步降低NOx生成量。一次风出口处的稳焰齿也能起到稳定燃烧的作用。在分级送风方面，内二次风通过翻板阀分成两股，即直流内二次风和旋流内二次风，补充了煤粉继续燃烧所需要的空气，并主要起扰动和混合作用，而且还可以通过调节旋流内二次风调节阀和直流内二次风调节阀的开度来控制两股内二次风的比例，进而形成不同的内二次风旋流强度。外二次风通过18个斜置旋流孔喷出，旋流的外二次风对气流的扰动以及煤粉的混合有很大作用，可以稳定燃烧，而且旋转射流形成的回流区一方面从回流区回流高温烟气；另一方面旋转射流也从射流的外边界卷吸周围高温烟气，从而提高煤粉着火、燃烧的稳定性，高温烟气较低的含氧量也有助于抑制NOx的生成。本燃烧装置引入了SOFA风，SOFA风从预燃室壳体边缘的18个SOFA风直流喷口喷出，使可燃物在后期进一步燃尽，降低飞灰并进一步降低NOx。本发明能够有效降低NOx的排放，同时火焰稳定性好，为火电企业降低NOx污染物排放做出贡献。
【附图说明】
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1A-A方向的剖面图；
图3为图1的右视图；
图4为图1的俯视图。
图中标记：1-高能点火装置，2-油枪，3-组合式气动推进器，4-第一窥火装置，5-中芯管，6-一次风套筒，7-直流内二次风通道，8-旋流内二次风通道，9-翻板阀，10-红外火焰监测装置，11-第二窥火装置，12-外二次风和SOFA风入口，13-预燃室壳体，14-预燃室，15-外二次风喷口，16-SOFA风直流喷口，17-稳焰齿，18-直流内二次风扩口，19-煤粉浓缩环，20-直流内二次风套筒，21-旋流内二次风套筒，22-切向旋流叶片，23-一次风入口，24-旋流内二次风调节阀，25-直流内二次风调节阀。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1-图4，本发明由点火系统(高能点火装置1，油枪2，组合式气动推进器3)、中芯管5、一次风套筒6、稳焰齿17、煤粉浓缩环19、直流内二次风通道7、旋流内二次风通道8、直流内二次风套筒20、旋流内二次风套筒21、翻板阀9、红外火焰监测装置10、窥火装置、预燃室壳体、预燃室14、外二次风喷口15、SOFA风直流喷口16等构成。
本发明包括预燃室14，预燃室14的入口一侧设置中芯管5，中芯管5外依次套设有一次风套筒6、直流内二次风套筒20以及旋流内二次风套筒21；油枪2和高能点火装置1由中芯管5的末端伸入，并由前端伸出至预燃室14内；预燃室14上设置有外二次风和SOFA风套筒，预燃室14的侧壁上开设有若干外二次风喷口15，预燃室14壳体外侧设置若干SOFA风直流喷口16；一次风套筒6的入口与一次风入口23相连通；直流内二次风套筒20的入口与直流内二次风通道7相连通，出口与预燃室14相连通；旋流内二次风套筒21的入口与旋流内二次风通道8相连通，出口与预燃室14相连通。
油枪2和高能点火装置1的末端连接组合式气动推进器3，在需要点火时，组合式气动推进器3将油枪2和高能点火装置1送至点火位置，在点火结束后，将油枪2和高能点火装置1收缩回中芯管5中。中芯管5的末端设置第一窥火装置4，预燃室14后端侧壁上设置红外火焰检测装置10和第二窥火装置11。
一次风套筒6的出口处设置用于提高煤粉燃烧的稳定性的煤粉浓缩环19和稳焰齿17。直流内二次风通道7和旋流内二次风通道8的入口设置用于调节直流内二次风和旋流内二次风的进风比例的翻板阀9；旋流内二次风通道8的出口处设置切向旋流叶片22。翻板阀9内设置有直流内二次风调节阀25和旋流内二次风调节阀24，通过调节直流内二次风调节阀25和旋流内二次风调节阀24的开度，调节直流内二次风和旋流内二次风的比例。
直流内二次风套筒20的出口向外扩张角度α，20°≤α≤30°。预燃室入口一侧的内壁与水平方向的夹角为β，25°≤β≤35°。外二次风喷口15的轴向定位角为γ，25°≤γ≤35°，周向定位角为θ，25°≤θ≤35°，使喷出的外二次风汇集在预燃室14出口轴线附近。预燃室14壳体外侧设置18个SOFA风直流喷口16。
本发明的原理：
本发明利用旋流外二次风形成的回流区卷席进预燃室的高温烟气对预燃室内煤粉进行预热，一方面有利于稳定燃烧，另一方面使煤粉在预燃室内部分燃烧及热解，燃料中的氮有机化合物受热首先热解为氰化氢等中间产物，并在低氧条件下与氧气反应生成N2，有效降低NOx的生成量。回流进预燃室的高温烟气的氧气含量比较低，进一步降低了预燃室内的氧含量，抑制了NOx的生成。
为了保证预燃室内的低氧环境，要求：
(一次风量(煤粉)+内二次风量)/煤粉燃烧所需理论计算总风量＜0.2
也就是说预热室内总的过剩空气系数要小于0.2。
由于预燃室内空气消耗系数＜0.2，预热室内的氧气几乎被煤粉燃烧消耗尽。因此输送煤粉、未燃烧的挥发分等进入炉膛的混合气体中几乎不含有氧气，利于组织煤粉在炉膛内高温低氧燃烧，进一步减少NOx污染物的排放。
为了获得较好的脱硝效率，在该设有SOFA(远方燃尽风)的高温烟气回流预燃式低NOx燃烧器所应用的锅炉中，要通过合理设计外二次风喷口直径大小和SOFA风直流喷口直径大小，来调节旋流外二次风和SOFA风的比例，进而使得主燃区的空气消耗系数＜1.0，燃烬区的空气消耗系数＞1.0。
为了提高自动化水平和监测燃烧的稳定器，该燃烧装置配备有高能点火装置、油枪和红外火焰监测装置。为了延长油枪和高能点火装置的使用寿命，配备组合式气动推进器。在需要点火时，推进器向前运行把油枪和高能点火器送到点火位置。但点火结束后，推进器向后运行，将油枪和高能点火器收缩回中芯管，避免高温冲刷、腐蚀和结焦污染。
为了提高煤粉燃烧的稳定性，在一次风出口处设置稳焰齿；在一次风煤粉气流外围设置内二次风；内二次风又通过翻板阀分为直流内二次风和旋流内二次风；直流内二次风出口扩张一定角度α，要求α角度范围在20～30度。
为了保证燃烧效果，要求预燃室内弧度β角度范围在25～35度；要求旋流外二次风喷口的定位角度γ角度范围在25～35度；要求旋流外二次风喷口的定位角度θ角度范围在25～35度。
为了提高煤粉燃烧的稳定性，在旋流内二次风通道内设置有若干切向旋流叶片，靠切向旋流叶片产生的旋流内二次风，不仅可以加强扰动和混合，还可以在预燃室内形成回流区，进而提高煤粉燃烧的稳定性；通过调节内二次风翻板阀，可以调节直流内二次风和旋流内二次风的比例，进而可以根据煤种的不同来调节内二次风的旋流强度以及回流区的大小；在一次风套管内设置煤粉浓缩环。当煤粉气流与浓缩环撞击时，由于惯性作用，煤粉被分离为内浓外淡型气流。煤粉喷入预热室后为中心浓，两侧淡的气流。
外二次风由18个斜置旋流孔喷出，形成回流区。其中斜置旋流孔接近预燃室出口处，其喷出的外二次风围绕预燃室出口轴线形成旋流外二次风，可以保证预燃室内过量空气系数不因此增加，进而保证预燃室的低氧环境，进一步减少NOx污染物的排放。
SOFA风由18个处于预燃室壳体外围的SOFA风直流喷口喷出，补充燃烧后期需要的氧气，使可燃物在后期进一步燃尽，降低飞灰，并且喷入SOFA风也降低了燃烧温度，所以进一步降低NOx。
由于预热室内的氧气几乎被煤粉燃烧消耗尽。因此输送煤粉、炭烟、未燃烧的挥发分等进入炉膛的混合气体中几乎不含有氧气，利于组织煤粉在炉膛内高温低氧燃烧，进一步减少NOx污染物的排放。
一次风，内二次风、外二次风、SOFA风等采用分级配风，保证炉内主燃区为低氧环境，使进入炉膛的氰化氢等可以在低氧条件下与氧气反应生成N2、CO2和H2O，进一步降低NOx的生成量。
本发明的工作过程：
首先，将内二次风通过内二次风入口送入，内二次风分别进入直流内二次风通道7和旋流内二次风通道8，并分别通过直流内二次风套筒20和旋流内二次风套筒21进入预燃室14内，对预燃室进行1分钟以上的吹扫。然后将组合式气动推进器3向前运行，将高能点火装置1和油枪2送入指定点火位置。高能点火装置1工作，引燃油枪2。将内二次风通过内二次风入口送入，内二次风分别进入直流内二次风通道7和旋流内二次风通道8，并分别通过直流内二次风套筒20和旋流内二次风套筒21进入预燃室14内。旋流内二次风通道8里设置的若干切向旋流叶片22可以使该通道内的二次风产生旋转，这股旋流内二次风可以在预燃室14前端产生回流区，有助于燃烧的稳定。由一次风煤粉入口23送入煤粉和空气的混合物，该混合物在一次风套筒6和中芯管5之间的环形通道内流动，由于惯性作用，在通过煤粉浓缩环19后被分离为中心浓、四周淡的煤粉气流，待其进入预燃室14后，发生热值，并被油枪2形成的火焰引燃。煤粉浓缩环19、稳焰齿17和直流内二次风扩口18使煤粉稳定燃烧。通过控制翻板阀9里的直流内二次风调节阀25和旋流内二次风调节阀24的开度，可以调节直流内二次风和旋流内二次风的比例，进而可以根据煤种的不同来调节内二次风的旋流强度以及回流区的大小。在一次风和内二次风产生的氧气不充足的情况下，煤粉热解产生的氰化氢等在低氧条件下与氧气反应生成N2、CO2和H2O，降低了NOx的生成量。外二次风通过设置在预燃室壳体13后半段的斜置的外二次风喷口15喷出，进而补充继续燃烧所需要的氧气，由于二次风喷口15是斜置的，所以外二次风是旋流射出的，旋流外二次风汇集在预燃室出口轴线附近，可以形成回流区，进而卷吸炉膛内的高温烟气稳定燃烧，并降低氧含量，保持还原性气氛，进一步降低了NOx的生成量。外二次风以及卷吸的高温烟气和未完全燃尽的燃料以及飞灰可燃物在预燃室的后半段均匀混合，然后送入炉膛燃烧。SOFA风由18个处于预燃室壳体13外围的SOFA风直流喷口16喷入到炉膛，补充燃烧后期需要的氧气，使可燃物在后期进一步燃尽，降低飞灰，并且喷入SOFA风也降低了燃烧温度，所以进一步降低NOx的生成量。待预燃室14燃烧稳定后，组合式气动推进器3动作，将油枪2和高能点火装置1缩回中芯管5内，以延长其使用寿命。同时红外火焰监测装置10通过第二窥火装置11实时监测燃烧内的火焰状态，当发生灭火时，发出警报，并及时停止煤粉的输入，重新执行吹扫和点火操作。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种设有SOFA的高温烟气回流预燃式低NOx燃烧器，其特征在于，包括预燃室(14)，预燃室(14)的入口一侧设置中芯管(5)，中芯管(5)外依次套设有一次风套筒(6)、直流内二次风套筒(20)以及旋流内二次风套筒(21)；油枪(2)和高能点火装置(1)由中芯管(5)的末端伸入，并由前端伸出至预燃室(14)内；预燃室(14)上设置有外二次风和SOFA风套筒，预燃室(14)的侧壁上开设有若干外二次风喷口(15)，预燃室(14)壳体外侧设置若干SOFA风直流喷口(16)；一次风套筒(6)的入口与一次风入口(23)相连通；直流内二次风套筒(20)的入口与直流内二次风通道(7)相连通，出口与预燃室(14)相连通；旋流内二次风套筒(21)的入口与旋流内二次风通道(8)相连通，出口与预燃室(14)相连通。
2.根据权利要求1所述的设有SOFA的高温烟气回流预燃式低NOx燃烧器，其特征在于，所述油枪(2)和高能点火装置(1)的末端连接组合式气动推进器(3)，在需要点火时，组合式气动推进器(3)将油枪(2)和高能点火装置(1)送至点火位置，在点火结束后，将油枪(2)和高能点火装置(1)收缩回中芯管(5)中。
3.根据权利要求1或2所述的设有SOFA的高温烟气回流预燃式低NOx燃烧器，其特征在于，所述中芯管(5)的末端设置第一窥火装置(4)，预燃室(14)后端侧壁上设置红外火焰检测装置(10)和第二窥火装置(11)。
4.根据权利要求1所述的设有SOFA的高温烟气回流预燃式低NOx燃烧器，其特征在于，所述一次风套筒(6)的出口处设置用于提高煤粉燃烧的稳定性的煤粉浓缩环(19)和稳焰齿(17)。
5.根据权利要求1所述的设有SOFA的高温烟气回流预燃式低NOx燃烧器，其特征在于，所述直流内二次风通道(7)和旋流内二次风通道(8)的入口设置用于调节直流内二次风和旋流内二次风的进风比例的翻板阀(9)；旋流内二次风通道(8)的出口处设置切向旋流叶片(22)。
6.根据权利要求5所述的设有SOFA的高温烟气回流预燃式低NOx燃烧器，其特征在于，所述翻板阀(9)内设置有直流内二次风调节阀(25)和旋流内二次风调节阀(24)，通过调节直流内二次风调节阀(25)和旋流内二次风调节阀(24)的开度，调节直流内二次风和旋流内二次风的比例。
7.根据权利要求1所述的设有SOFA的高温烟气回流预燃式低NOx燃烧器，其特征在于，所述直流内二次风套筒(20)的出口向外扩张角度α，20°≤α≤30°。
8.根据权利要求1所述的设有SOFA的高温烟气回流预燃式低NOx燃烧器，其特征在于，所述预燃室入口一侧的内壁与水平方向的夹角为β，25°≤β≤35°。
9.根据权利要求1所述的设有SOFA的高温烟气回流预燃式低NOx燃烧器，其特征在于，所述外二次风喷口(15)的轴向定位角为γ，25°≤γ≤35°，周向定位角为θ，25°≤θ≤35°，使喷出的外二次风围绕预燃室(14)出口轴线形成旋流外二次风。
10.根据权利要求1所述的设有SOFA的高温烟气回流预燃式低NOx燃烧器，其特征在于，所述预燃室(14)壳体外侧设置18个SOFA风直流喷口(16)。
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