CN106594719A - 一种带有煤粉流速与浓度监测的等离子点火与稳燃装置 - Google Patents

Abstract

一种带有煤粉流速与浓度监测的等离子点火与稳燃装置，由安装斜坡扰动块的分级燃烧煤粉燃烧器部分、等离子喷枪和煤粉流速与浓度监测装置组成，利用等离子喷枪产生的约4000℃的高温火焰首先点燃煤粉燃烧器内层燃烧室的煤粉，然后内层燃烧室的煤粉燃烧放出的热量再点燃中间燃烧室的煤粉、最后点燃外层燃烧室的煤粉，达到煤粉火焰的稳定燃烧。本发明主要应用在煤粉锅炉的启动点火与稳燃阶段，代替目前使用的大油枪点火与稳燃方式，以煤代油，达到节约费用的目的。

Description

一种带有煤粉流速与浓度监测的等离子点火与稳燃装置

技术领域：

本发明涉及一种等离子点火与稳燃装置，属于热能动力技术领域。

背景技术：

随着国际国内燃油价格的不断攀升，电力、供暖机组的不断扩建，使得电力、石化等行业的各种煤粉锅炉的冷态或热态启动点火与低负荷稳燃用油量大增，费用也直线上升，同时随着交通运输、化工等各种行业用油量的加大，又使得燃油价格不断生高。为了解决这个问题，各国都在研究无油点火与稳燃技术，力图在电力、石化等行业的锅炉点火与稳燃阶段，用价格较低的燃煤来代替燃油，达到以煤代油，节能能源费用的目的。

早在七十年代至今，美国GE公司，BW公司、西屋公司、原苏联、澳大利亚等公司以及我国的清华大学、哈尔滨锅炉厂、武汉锅炉厂、烟台龙源电力技术有限公司、徐州燃控技术有限公司等单位进行了等离子无油点火技术的研究，但是从研究成果来看，都存在一定的不足，主要表现在煤粉燃烧器燃烧效果不好，煤粉流速与浓度没有精确的监测，垂直流型电弧等离子喷枪的热效率较低，导致等离子点火发生燃烧器结焦与灭火现象。

发明内容：

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种带有煤粉流速与浓度监测的等离子点火与稳燃装置，将安装斜坡扰动块的分级燃烧煤粉燃烧器和平行流型等离子喷枪，以及煤粉流速与浓度监测装置结合在一起，从根本上解决点火不成功与燃烧不稳定的问题。

本发明所采用的技术解决方案：一种带有煤粉流速与浓度监测的等离子点火与稳燃装置，包括分级燃烧煤粉燃烧器、平行流型等离子喷枪、煤粉流速与浓度监测装置、一次风粉管道；所述的分级燃烧煤粉燃烧器包括煤粉燃烧器外壳、燃烧室、煤粉燃烧器弯头、固定保护套管；燃烧室安装在煤粉燃烧器外壳内，靠近煤粉燃烧器外壳一端端口；煤粉燃烧器弯头两端分别与煤粉燃烧器外壳另一端端口、一次风粉管道连接；固定保护套管安装于煤粉燃烧器弯头上，平行流型等离子喷枪通过固定保护套管插入分级燃烧煤粉燃烧器，平行流型等离子喷枪喷口位于燃烧室端口内；煤粉流速与浓度监测装置固定安装于一次风粉管道上。

所述的分级燃烧煤粉燃烧器的燃烧室包括外层燃烧室、外层燃烧室环形碰撞环、中间燃烧室、中间燃烧室斜坡扰动块、内层燃烧室、内层燃烧室斜坡扰动块、外层燃烧室壁温测点、内层燃烧室壁温测点；外层燃烧室、中间燃烧室、内层燃烧室从靠近煤粉燃烧器外壳一端开始依次前后排布，分别通过支撑块安装于煤粉燃烧器外壳内，外层燃烧室、中间燃烧室与内层燃烧室之间同轴；外层燃烧室环形碰撞环布置于外层燃烧室的内壁靠近煤粉燃烧器外壳端口一端，中间燃烧室斜坡扰动块间隔地均匀分布于中间燃烧室的内壁上，内层燃烧室斜坡扰动块间隔地均匀分布于内层燃烧室的内壁上；外层燃烧室壁温测点位于外层燃烧室上，内层燃烧室壁温测点位于内层燃烧室上，外层燃烧室壁温测点、内层燃烧室壁温测点分别实时监测外层燃烧室和内层燃烧室的壁温变化。

所述的煤粉燃烧器弯头沿弧形弯道安装弯头隔板，煤粉燃烧器弯头内壁与弯头隔板两面都安装有耐磨材质件。

所述中间燃烧室斜坡扰动快或内层燃烧室斜坡扰动快为带有10度～45度倾角的楔形挡块。

所述分级燃烧煤粉燃烧器还包括支撑平台，支撑平台安装于煤粉燃烧器弯头上。

所述平行流型等离子喷枪包括喷枪阳极、喷枪阴极、喷枪连接管、喷枪枪体；喷枪阳极、喷枪阴极通过喷枪连接管安装于喷枪枪体上，喷枪阳极位于喷枪阴极的前部位置；喷枪阳极、喷枪阴极、喷枪连接管插入固定保护套管内，喷枪连接管通过外壁上的固定法兰安装于固定保护套管上，喷枪枪体安装移动滑轮，移动滑轮放置于支撑平台上；平行流型等离子喷枪喷口位于内层燃烧室端口内。

所述煤粉流速与浓度监测装置安装位置距一次风粉管道进口的直段长度大于倍的一次风粉管道直径，距一次风粉管道出口的直段长度大于倍的一次风粉管道管道直径，一次风粉管道与煤粉燃烧器弯头连接的一端为一次风粉管道出口，另一端为一次风粉管道进口。

所述煤粉流速与浓度监测装置的感应测量部件为内环盘管式，环绕安装在一次风粉管道上。

所述耐磨材质件的材料为耐磨陶瓷、龟甲网、高铬合金或KN纳米合金。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明采用安装斜坡扰动块的分级燃烧煤粉燃烧器，煤粉燃烧器设计为三层分级燃烧室结构，在外层燃烧室内壁布置环形的碰撞环，在中间燃烧室和内层燃烧室内壁布置斜坡扰动块，能够使风粉气流在流动过程中产生流动梯度扰动，增加风粉气流的湍流度，从而能够使风粉气流更好的与等离子火焰接触，稳定燃烧。

(2)本发明在外层燃烧室外壁布置外层燃烧室壁温测点，在内层燃烧室布置内层燃烧室壁温测点，能够实时监测外层燃烧室和内层燃烧室的壁温变化情况，通过壁温的变化来调整一次风粉的流动速度，从而防止燃烧室超温运行.

(3)本发明在煤粉燃烧器弯头内部布置弯头隔板，弯头隔板与弯头内壁布置耐磨材质件，能够防止一次风粉在流动过程中经过弯头时由于离心作用，造成煤粉浓度的不均匀，耐磨材质件保证了弯头内壁与中间隔板不被风粉气流冲刷，延长使用寿命。

(4)本发明等离子喷枪采用平行流型电弧等离子喷枪，等离子喷枪的介质气体与冷却水都从喷枪枪体和喷枪连接管进行输送，冷却水输送到喷枪阴极和喷枪阳极，介质气体输送到喷枪阴极和喷枪阳极的进气部位，形成稳定的气体供应，气体流量通过热式质量流量计或者金属管浮子流量计进行精准测量，冷却水通过涡轮流量计或者热式质量流量计进行精准测量，对介质气体和冷却水也可以采用压力开关信号测量，介质气体信号和冷却水信号输送到控制系统，对等离子喷枪的运行提供保护，防止异常情况出现。

(5)本发明等离子喷枪与煤粉燃烧器采用同轴安装结构，喷枪火焰向前运动的方向与风粉气流运动方向一致，且相互平行，风粉气流被喷枪火焰加热的时间较长，提高了点火稳定性。

(6)本发明煤粉流速与浓度监测装置设计为非接触式、全截面风粉测量的测量方式，以阵列式静电传感器和空间滤波测量为主，传感器完全包裹整个风粉径流，和风粉无摩擦碰撞，对风粉流动无任何干扰，通过煤粉携带的静电信息进行测量，实时记录风粉的流动速度与浓度。当点火燃烧火焰出现异常时，能够通过数据测量来进行判断，从而再进行相关设备与装置的运行调整，达到稳定的点火燃烧状态。

(7)本发明主要应用在煤粉锅炉的冷态或热态启动点火与低负荷稳燃阶段，同时也可以应用在水泥、陶瓷、冶金等以煤粉作为主要能源的行业。此发明装置对于煤粉具有很强的适应性，能够点燃褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤、混煤等各种煤种的煤粉。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明等离子喷枪固定连接示意图；

图3为本发明煤粉燃烧器弯头示意图；

图4为本发明煤粉燃烧器弯头隔板示意图；

具体实施方式：

如图1、图3所示，本发明一种带有煤粉流速与浓度监测的等离子点火与稳燃装置，包括安装斜坡扰动块的分级燃烧煤粉燃烧器和平行流型等离子喷枪8，以及煤粉流速与浓度监测装置21。平行流型等离子喷枪8通过固定保护套管12和固定法兰13安装在安装斜坡扰动块的分级燃烧煤粉燃烧器上，平行流型等离子喷枪8与安装斜坡扰动块的分级燃烧煤粉燃烧器部分安装时采用同轴结构，一次风粉管道20与煤粉燃烧器弯头11连接，煤粉流速与浓度监测装置固定安装于一次风粉管道20上。

分级燃烧煤粉燃烧器包括煤粉燃烧器外壳1、外层燃烧室2、外层燃烧室环形碰撞环3、中间燃烧室4、中间燃烧室斜坡扰动块5、内层燃烧室6、内层燃烧室斜坡扰动块7、煤粉燃烧器弯头11、支撑平台17、固定保护套管12、外层燃烧室壁温测点24、内层燃烧室壁温测点25；外层燃烧室2、中间燃烧室4、内层燃烧室6从靠近煤粉燃烧器外壳1一端开始依次前后排布，分别通过支撑块安装于煤粉燃烧器外壳1内，支撑平台17、固定保护套管12安装于煤粉燃烧器弯头11上，煤粉燃烧器弯头11两端分别与煤粉燃烧器外壳1另一端端口、一次风粉管道20端口连接；外层燃烧室壁温测点24安装于外层燃烧室2上，内层燃烧室壁温测点25安装于内层燃烧室6上；外层燃烧室环形碰撞环3布置于外层燃烧室2的内壁靠近煤粉燃烧器外壳1端口一端，中间燃烧室斜坡扰动块5间隔地均匀分布于中间燃烧室4的内壁上，内层燃烧室斜坡扰动块7间隔地均匀分布于内层燃烧室6的内壁上，中间燃烧室斜坡扰动快5与内层燃烧室斜坡扰动快7为带有10度-45度倾角的楔形挡块；分级煤粉燃烧器为三层分级燃烧室结构，能够使风粉气流在流动过程中产生流动梯度扰动，增加风粉气流的湍流度，从而能够使风粉气流更好的与等离子火焰接触，稳定燃烧；在外层燃烧室2外壁布置外层燃烧室壁温测点24，在内层燃烧室6布置内层燃烧室壁温测点25，能够实时监测外层燃烧室2和内层燃烧室6的壁温变化情况，通过壁温的变化来调整一次风粉的流动速度，从而防止燃烧室超温运行。

如图4所示，煤粉燃烧器弯头11沿弧形弯道安装弯头隔板18，煤粉燃烧器弯头11内壁与弯头隔板18两面都安装有耐磨材质件19，能够防止一次风粉在流动过程中经过煤粉燃烧器弯头11时由于离心作用，造成煤粉浓度的不均匀，耐磨材质件保证了煤粉燃烧器弯头11内壁与中间隔板18不被风粉气流冲刷，延长使用寿命。耐磨材质件19的材料为耐磨陶瓷、龟甲网、高铬合金或KN纳米合金。

如图2所示，平行流型等离子喷枪8包括喷枪阳极9、喷枪阴极10、喷枪连接管14、喷枪枪体15；喷枪阳极9、喷枪阴极10通过喷枪连接管14安装于喷枪枪体15上，喷枪阳极9位于喷枪阴极10的前部位置；喷枪阳极9、喷枪阴极10、喷枪连接管14插入固定保护套管12内，喷枪连接管14通过外壁上的固定法兰13安装于固定保护套管12上，喷枪枪体15安装移动滑轮16，移动滑轮16放置于支撑平台17上；平行流型等离子喷枪8喷口位于内层燃烧室6端口内。

平行流型等离子喷枪8为介质气体从喷枪阴极10和喷枪阳极9之间进入，喷枪阴极10与直流整流电源的阴极连接，喷枪阳极9与直流整流电源的阳极连接，介质气体通过高频高压装置或者短路接触装置对气体进行击穿起弧，直流整流电源的整流系统采用晶体管整流或者可控硅晶闸管整流方式，形成稳定的直流恒流电源系统，稳定的直流恒流电源持续为等离子喷枪提供电力供应，从而形成稳定的等离子体电弧火焰；平行流型等离子喷枪8的介质气体与冷却水都从喷枪枪体15和喷枪连接管14进行输送，冷却水输送到喷枪阴极10和喷枪阳极9，介质气体输送到喷枪阴极10和喷枪阳极9的进气部位，形成稳定的气体供应，气体流量通过热式质量流量计或者金属管浮子流量计进行精准测量，冷却水流量通过涡轮流量计或者热式质量流量计进行精准测量，对介质气体和冷却水也可以采用压力开关信号测量，介质气体信号和冷却水信号输送到控制系统，对平行流型等离子喷枪8的运行提供保护，防止异常情况出现。

煤粉流速与浓度监测装置21固定安装于一次风粉管道20上，对一次风粉进行流速和浓度监测。煤粉流速与浓度监测装置21安装位置距一次风粉管道20进口的直段长度大于5倍的一次风粉管道20直径，距一次风粉管道20出口的直段长度大于1倍的一次风粉管道20管道直径，一次风粉管道20与煤粉燃烧器弯头11连接一端为一次风粉管道20出口，另一端为一次风粉管道20进口。

煤粉流速与浓度监测装置21由静电传感器22和信号处理模块23组成，煤粉流速与浓度监测装置21的感应测量部件为内环盘管式设计。煤粉流速与浓度监测装置21为非接触式、全截面风粉测量的测量方式，以阵列式静电传感器22和空间滤波测量为主，静电传感器22完全包裹整个风粉径流，和风粉无摩擦碰撞，对风粉流动无任何干扰，通过煤粉自身携带的静电信息进行测量，信号处理模块23对静电传感器22测得的信息进行处理，获得并实时记录风粉的流动速度与浓度，同时监测装置也可以采用超声波测量方式。当点火燃烧火焰出现异常时，能够通过数据测量来进行判断，从而再进行相关设备与装置的运行调整，达到稳定的点火燃烧状态。

本发明的工作原理：一次风粉管道20进口与锅炉或者窑炉现场的一次风粉管道进行连接，分级燃烧煤粉燃烧器喷口前端与炉墙连接，喷枪阳极9与整流电源的阳极连接，喷枪阴极10与整流电源的阴极连接，冷却水与介质气体通过喷枪枪体15与现场管道连接，连接完毕后，仔细检查水、电、气、信号线等接口，确保无误后系统安装完成。先打开冷却水阀门，再打开介质气体阀门，压力与流量信号正常后，首先设定等离子喷枪启动电流，通过高频高压或者短路接触起弧成功后，形成温度在4000℃左右的稳定的高温等离子体火焰，等离子体火焰稳定运行的同时，保证一次风粉管道20内的风粉气流满足点火状态，并通过煤粉流速与浓度监测装置21对一次风粉气流进行稳定监测，保证一次风粉气流的流速与浓度在点火范围内，如果风粉流速与浓度出现大的波动，及时通过调整装置进行调整。4000℃的高温等离子体火焰能够使粒径在10-200μm的煤粉颗粒受到加热发生爆裂，再造挥发份，所以这种高温火焰对于点燃煤粉具有良好的效果，等离子体火焰首先与分级燃烧煤粉燃烧器内层燃烧室6内的风粉混合物进行点燃作用，然后再与中间燃烧室4的风粉点燃作用，最后再与外层燃烧室2的风粉混合物进行点燃作用，达到分级燃烧的目的，减少煤粉点燃需要的能量。同时弯头隔板18能够有效的减少风粉气流经过弯头时因为离心作用产生的煤粉颗粒不均的现象，内层燃烧室斜坡扰动块7和中间燃烧室斜坡扰动块5以及外层燃烧室环形碰撞环3能够增加一次风粉气流的湍流度，增加与等离子体火焰的接触效果，形成稳定的点火燃烧状态，风粉气流再进入到炉膛内进行后续的燃烧。

目前以煤作为燃烧介质的行业，由于煤自身的燃烧特性，低温时煤粉无法直接点燃着火，必须首先将炉膛加热到一定的温度，然后再投入煤粉，在加热的过程中，要消耗大量的燃油或燃气，我国每年仅电站锅炉的冷态启动点火与低负荷稳燃就烧掉大约3000万吨的燃油，目前在液体燃料与气体燃料价格高涨的情况下，以每吨燃油价格6000.00元计算，折合人民币1800.00亿元，再加上其它的水泥、陶瓷、冶金等行业，因此每年的冷态启动点火与低负荷稳燃，所消耗液体燃料的费用是一个极大的数字，而应用这项技术，以等离子体喷枪火焰直接点燃煤粉放出的热量，来代替大油枪燃烧放出的热量，以煤代油，不消耗燃油，所以应用这项技术在目前能源供给紧张的情况下，将对国家的燃油与燃气的安全供应提供强大的支持。

本发明未详细说明的内容为本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种带有煤粉流速与浓度监测的等离子点火与稳燃装置，其特征在于：包括分级燃烧煤粉燃烧器、平行流型等离子喷枪(8)、煤粉流速与浓度监测装置(21)、一次风粉管道(20)；所述的分级燃烧煤粉燃烧器包括煤粉燃烧器外壳(1)、燃烧室、煤粉燃烧器弯头(11)、固定保护套管(12)；燃烧室安装在煤粉燃烧器外壳(1)内，靠近煤粉燃烧器外壳(1)一端端口；煤粉燃烧器弯头(11)两端分别与煤粉燃烧器外壳(1)另一端端口、一次风粉管道(20)连接；固定保护套管(12)安装于煤粉燃烧器弯头(11)上，平行流型等离子喷枪(8)通过固定保护套管(12)插入分级燃烧煤粉燃烧器，平行流型等离子喷枪(8)喷口位于燃烧室端口内；煤粉流速与浓度监测装置(21)固定安装于一次风粉管道(20)上。

2.根据权利要求1所述的一种带有煤粉流速与浓度监测的等离子点火与稳燃装置，其特征在于：所述的分级燃烧煤粉燃烧器的燃烧室包括外层燃烧室(2)、外层燃烧室环形碰撞环(3)、中间燃烧室(4)、中间燃烧室斜坡扰动块(5)、内层燃烧室(6)、内层燃烧室斜坡扰动块(7)、外层燃烧室壁温测点(24)、内层燃烧室壁温测点(25)；外层燃烧室(2)、中间燃烧室(4)、内层燃烧室(6)从靠近煤粉燃烧器外壳(1)一端开始依次前后排布，分别通过支撑块安装于煤粉燃烧器外壳(1)内，外层燃烧室(2)、中间燃烧室(4)与内层燃烧室(6)之间同轴；外层燃烧室环形碰撞环(3)布置于外层燃烧室(2)的内壁靠近煤粉燃烧器外壳(1)端口一端，中间燃烧室斜坡扰动块(5)间隔地均匀分布于中间燃烧室(4)的内壁上，内层燃烧室斜坡扰动块(7)间隔地均匀分布于内层燃烧室(6)的内壁上；外层燃烧室壁温测点(24)位于外层燃烧室(2)上，内层燃烧室壁温测点(25)位于内层燃烧室(6)上，外层燃烧室壁温测点(24)、内层燃烧室壁温测点(25)分别实时监测外层燃烧室(2)和内层燃烧室(6)的壁温变化。

3.根据权利要求1或2所述的一种带有煤粉流速与浓度监测的等离子点火与稳燃装置，其特征在于：所述的煤粉燃烧器弯头(11)沿弧形弯道安装弯头隔板(18)，煤粉燃烧器弯头(11)内壁与弯头隔板(18)两面都安装有耐磨材质件(19)。

4.根据权利要求2所述的一种带有煤粉流速与浓度监测的等离子点火与稳燃装置，其特征在于：所述中间燃烧室斜坡扰动快(5)或内层燃烧室斜坡扰动快(7)为带有10度～45度倾角的楔形挡块。

5.根据权利要求1或2所述的一种带有煤粉流速与浓度监测的等离子点火与稳燃装置，其特征在于：所述分级燃烧煤粉燃烧器还包括支撑平台(17)，支撑平台(17)安装于煤粉燃烧器弯头(11)上。

6.根据权利要求5所述的一种带有煤粉流速与浓度监测的等离子点火与稳燃装置，其特征在于：所述平行流型等离子喷枪(8)包括喷枪阳极(9)、喷枪阴极(10)、喷枪连接管(14)、喷枪枪体(15)；喷枪阳极(9)、喷枪阴极(10)通过喷枪连接管(14)安装于喷枪枪体(15)上，喷枪阳极(9)位于喷枪阴极(10)的前部位置；喷枪阳极(9)、喷枪阴极(10)、喷枪连接管(14)插入固定保护套管(12)内，喷枪连接管(14)通过外壁上的固定法兰(13)安装于固定保护套管(12)上，喷枪枪体(15)安装移动滑轮(16)，移动滑轮(16)放置于支撑平台(17)上；平行流型等离子喷枪(8)喷口位于内层燃烧室(6)端口内。

7.根据权利要求1或2所述的一种带有煤粉流速与浓度监测的等离子点火与稳燃装置，其特征在于：所述煤粉流速与浓度监测装置(21)安装位置距一次风粉管道(20)进口的直段长度大于5倍的一次风粉管道(20)直径，距一次风粉管道(20)出口的直段长度大于1倍的一次风粉管道(20)管道直径，一次风粉管道(20)与煤粉燃烧器弯头(11)连接的一端为一次风粉管道(20)出口，另一端为一次风粉管道(20)进口。

8.根据权利要求1或2所述的一种带有煤粉流速与浓度监测的等离子点火与稳燃装置，其特征在于：所述煤粉流速与浓度监测装置(21)的感应测量部件为内环盘管式，环绕安装在一次风粉管道(25)上。

9.根据权利要求3所述的一种带有煤粉流速与浓度监测的等离子点火与稳燃装置，其特征在于：所述耐磨材质件(19)的材料为耐磨陶瓷、龟甲网、高铬合金或KN纳米合金。