CN107859995B - 一种用于燃煤锅炉的Rijke型脉动燃烧系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃煤锅炉的Rijke型脉动燃烧系统，解决了燃煤锅炉在超低负荷稳燃过程中用油量大的问题。本发明主要包括燃烧器喷口、脉动本体管、氧气流量调节阀、高压气流蜂鸣器、氧气流量计、电磁感应加热装置、热电偶、推进装置和氧枪管等，利用“肚子大，出口小”的脉动本体管解决了微长径比燃烧器不易发生脉动的问题，然后用高压气流蜂鸣器产生附加声场的方法激励燃烧器内气流的脉动频率和幅度，并用高温氧气作为值班热源改善煤粉着火工况，从而实现脉动点燃煤粉的目标，通过改变高温氧气的压力和流量，能够调整气流脉动参数，从而满足不同运行工况的需要。本发明能够使得锅炉最低无油稳燃负荷可降低到额定负荷的20％，实现了无油稳燃的目标。

Description

一种用于燃煤锅炉的Rijke型脉动燃烧系统
技术领域
本发明属于火电锅炉低负荷稳燃领域，具体涉及一种用于燃煤锅炉的Rijke型脉动燃烧系统。
背景技术
电站锅炉在深度调峰时，经常长时间低负荷运行，需要投入油枪助燃，给用户造成了沉重的经济负担。据统计，一台600MW的大型电站锅炉每年的稳燃用油量平均约400吨左右。
针对这种情况，我国研发了各种各样的节油稳燃技术来解决这个问题：
以等离子点火和高温空气点火技术为代表的无油稳燃技术，该技术专利众多，如用于直接点燃电站煤粉锅炉的等离子点火装置(CN1230659)、等离子点火燃烧装置(CN201106846)、一种电厂燃煤锅炉交流等离子点火装置(CN202048592U)、煤粉锅炉高温空气点火装置(CN2591434)等等，该类技术将锅炉下层煤粉燃烧器改造为点火燃烧器，同时，使得改造后的燃烧器可以实现无油稳燃，但是该类型的燃烧器主要是为节省锅炉冷态用油设计的，其低氮燃烧的性能较差，所以该技术只能应用于锅炉最下面一层(或最下面二层)燃烧器的改造，而其余燃烧器在低负荷或紧急情况下，仍然需要投油稳燃。
以燃烧器结构改造为代表的稳燃技术，该方面专利众多，如高效、低氧化氮、强稳燃的双一次风通道煤粉主燃烧器(CN1059022A)、浓淡组合式煤粉燃烧器(CN1239763)、一种楔形钝体燃烧装置9CN1046795)等等，该类技术不同程度的改善了锅炉的低负荷性能，但同时存在一定的局限性，主要是该类技术均存在一个最低稳燃负荷的要求，当低于各自的最低稳燃负荷时，便不能确保煤粉的稳定燃烧，仍需要投入大油枪，所以该类技术尚不是真正的超低负荷无油稳燃技术，不能满足锅炉深度调峰的需要。
脉动燃烧在一定的声振条件下能够形成周期性振荡燃烧现象，具有燃烧强度高、燃烧效率高、传热传质效率高和排烟污染小的技术优势，在燃油和燃气领域得到了广泛的应用，但在火电燃煤领域，由于燃烧器的长径比不能满足脉动燃烧的要求，而且煤粉的着火难度要大于燃油、燃气，因此脉动燃烧在火电燃煤锅炉领域没有得到应用，本专利采用附加高压气流声场和高温氧气助燃的方法，使得煤粉在微长径比脉动燃烧器内能够稳定点燃，解决了锅炉超低负荷无油稳燃的问题。
发明内容
本发明的目的是解决燃煤锅炉在超低负荷稳燃过程中用油量大的问题，尤其是燃用劣质煤的锅炉，不仅耗油量十分巨大，而且超低负荷运行时，飞灰的含碳量较高，造成了资源浪费。本发明提供一种原理先进、结构简单的用于燃煤锅炉的Rijke型脉动燃烧系统，用脉动燃烧方式促进煤粉燃烧过程的传热传质速率，加快化学反应过程，改善煤粉着火效果，实现无油稳燃，降低锅炉低负荷工况的运行成本。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种用于燃煤锅炉的Rijke型脉动燃烧系统，包括燃烧器喷口、脉动本体管、氧气流量调节阀、高压气流蜂鸣器、压力变送器、氧气流量计、煤粉管弯头、电磁感应加热装置、热电偶、支撑管、推进装置、氧枪管和耐高温金属软管，所述氧枪管安装在支撑管的内腔中，且为同轴线平行方向布置，在氧枪管右端的管壁处设有氧气入口，在氧枪管右端安装有推进装置，在支撑管右端的管壁处设有高压吹扫风入口，支撑管从煤粉管弯头的转弯中心处开孔插入，且与煤粉管弯头的出口截面垂直，煤粉管弯头的出口与脉动本体管的入口连接，燃烧器喷口设在脉动本体管的出口，氧枪管、脉动本体管和燃烧器喷口为同轴平行布置，高压气流蜂鸣器安装在氧枪管的左端出口，压力变送器通过取样管与高压气流蜂鸣器连通；氧气流量调节阀的入口与氧气管道连接，氧气流量调节阀的出口通过管道与氧气流量计的入口连接，氧气流量计的出口通过管道与电磁感应加热装置的入口连接，电磁感应加热装置的出口通过管道与耐高温金属软管的入口连接，耐高温金属软管的出口连接氧枪管的氧气入口，热电偶穿过支撑管安装在氧枪管的壁面上，热电偶的测量信号通过补偿导线输入到电磁感应加热装置。
所述高压气流蜂鸣器从左向右依次由双曲线扩压段、谐振腔、喇叭喉和气室组成。
所述气室的直径是喇叭喉出口直径/>的8倍以上；喇叭喉的形状是双曲线渐缩型；双曲线扩压段的出口直径/>是喇叭喉出口直径/>的3倍以上；谐振腔的长度L4是喇叭喉出口直径/>的2倍；谐振腔的长度L4和双曲线扩压段的长度L3相等。
所述脉动本体管的入口直径和燃烧器喷口的直径/>相等；脉动本体管的直径不小于脉动本体管入口直径/>的1.5倍；脉动本体管的长度L1是脉动本体管直径/>的5倍；脉动本体管上半部分的端角β为90°；脉动本体管下半部分的端角α不大于135°；高压气流蜂鸣器出口到脉动本体管出口之间的距离L2为脉动本体管长度L1的3/4。
本发明采用以上技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明提出的脉动本体管的设计结构具有“肚子大，出口小”的特点，有利于在小空间内激发气流脉动，从而为Rijke型微长径煤粉脉动燃烧创造了有利条件；
(2)本发明将高温氧气作为值班热源送入脉动本体管入口侧约管长的1/4处，点燃煤粉气流，满足了Rijke型脉动燃烧的起振原理，形成煤粉气流脉动燃烧；
(3)本发明通过电磁感应加热装置和氧气流量调节阀来控制高温氧气的流量和温度，从而可以调整值班热源功率，并且充分发挥了氧气的助燃特性，解决了微长径比脉动燃烧器内煤粉不易着火的问题；
(4)本发明创造性地在微长径比脉动燃烧器内部增加了高压气流蜂鸣器，能够将氧气的压力能转变为声能，在燃烧器内部产生附加声场，与脉动燃烧器原有声场实现同相位有效叠加，激发共振，利用其声谱特性激励煤粉气流脉动强度，实现压力能声能/>脉动能的转变，解决了微长径脉动燃烧器内脉动频率和幅度不足的问题；
(5)脉动本体管的上半部分具有90°的端角，有利于气流碰撞激荡，引发脉动，下半部分具有135°的端角，有利于防止煤粉沉积、自燃，能够确保燃烧器在脉动燃烧过程中的安全；
(6)在推进装置的作用下，高压气流蜂鸣器的工作位置可以沿燃烧器轴向移动，进而影响高温氧气点燃煤粉气流的位置及附加声场与原燃烧器固有声场的“共振”效果，从而可以寻找最佳着火位置；
(7)气室较大的容积具有缓冲作用，确保了在变工况情况下，喇叭喉出口处的氧气压力和流量均能满足设计要求；
(8)谐振腔的金属壁面能够产生高频振荡，形成射流反馈，提高气流发声强度，恰当的长径比(L4/L3)在发声系统中起到声阻变换的作用，使得声波以平面波模式进行传播，提高了压力能向声能的转变率；
(9)双曲线扩压段利用截面按双曲线变化率逐渐增大的特点，实现了“声变压器”的功能，把小面积的“喉”(即)过渡到大面积的“口”(即/>)，提高了声辐射效率，有效地抑制了高频谐波的产生,将声波的能量集中在基频处；
(10)压力变送器及时反馈气室压力，并通过氧气流量调节阀的开度对气室压力进行调整，从而可以产生不同频率和声强的附加声场；
(11)通过对气室压力的调整，实现了附加声场和脉动燃烧器固有声场的同相位叠加，达到“共振”的效果，最大程度的激励了燃烧器内气流的脉动频率和幅度。
工作原理
脉动燃烧具有燃烧强度高、燃烧效率高、传热传质效率高和排烟污染小的特点，在燃油和燃气领域取得了明显的节能和环保效果，但脉动燃烧的应用受到两个方面的制约：(1)要求脉动燃烧器具有较大的长径比(即燃烧器的长度与直径的比例要达到15以上)，否则不能形成强烈的气流脉动；(2)燃料相对容易着火。但在火电燃煤锅炉领域，由于燃烧器和煤粉管道布置紧凑，通常燃烧器的长径比最大不能大于5，且煤粉着火难度相对较大，因此不能满足脉动燃烧的要求。本发明针对这个问题主要采取了如下措施：
(1)将脉动本体管设计为“肚子大，出口小”的结构特征，利用金属壁面产生撞击振荡，形成射流反馈，从而解决微长径比燃烧器不易发生脉动的问题；
(2)利用高压气流发声原理，在燃烧器内部安装了高压气流蜂鸣器，产生附加声场，形成共振，强迫气流强烈脉动，解决了微长径比燃烧器脉动不足的问题；
(3)利用高温氧气作为值班热源点燃煤粉，并且通过电磁感应加热置能够调节氧气温度，从而解决了脉动燃烧不易点燃煤粉的问题。
因此，本发明所述设备及方法能够解决脉动燃烧在燃煤锅炉应用的关键问题，成功点燃煤粉，实现锅炉超低负荷无油稳燃的目标。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的高压气流蜂鸣器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1和2所示，本实施例中的一种用于燃煤锅炉的Rijke型脉动燃烧系统，包括燃烧器喷口1、脉动本体管2、氧气流量调节阀3、高压气流蜂鸣器4、压力变送器5、氧气流量计6、煤粉管弯头7、电磁感应加热装置8、热电偶9、支撑管10、推进装置12、氧枪管13和耐高温金属软管15；所述高压气流蜂鸣器4从左向右依次由双曲线扩压段41、谐振腔42、喇叭喉43和气室44组成，所述气室44的直径是喇叭喉43出口直径/>的8倍以上；喇叭喉43的形状是双曲线渐缩型；双曲线扩压段41的出口直径/>是喇叭喉43出口直径/>的3倍以上；谐振腔42的长度L4是喇叭喉43出口直径/>的2倍；谐振腔42的长度L4和双曲线扩压段41的长度L3相等；所述脉动本体管2的入口直径/>和燃烧器喷口1的直径/>相等；脉动本体管2的直径/>不小于脉动本体管2入口直径/>的1.5倍；脉动本体管2的长度L1是脉动本体管2直径的5倍；脉动本体管2上半部分的端角β为90°；脉动本体管2下半部分的端角α不大于135°；高压气流蜂鸣器4出口到脉动本体管2出口之间的距离L2为脉动本体管2长度L1的3/4；所述氧枪管13安装在支撑管10的内腔中，且为同轴线平行方向布置，在氧枪管13右端的管壁处设有氧气入口14，在氧枪管13右端安装有推进装置12，在支撑管10右端的管壁处设有高压吹扫风入口11，支撑管10从煤粉管弯头7的转弯中心处开孔插入，且与煤粉管弯头7的出口截面垂直，煤粉管弯头7的出口与脉动本体管2的入口连接，燃烧器喷口1设在脉动本体管2的出口，氧枪管13、脉动本体管2和燃烧器喷口1为同轴平行布置，高压气流蜂鸣器4安装在氧枪管13的左端出口，压力变送器5通过取样管与高压气流蜂鸣器4连通；氧气流量调节阀3的入口与氧气管道连接，氧气流量调节阀3的出口通过管道与氧气流量计6的入口连接，氧气流量计6的出口通过管道与电磁感应加热装置8的入口连接，电磁感应加热装置8的出口通过管道与耐高温金属软管15的入口连接，耐高温金属软管15的出口连接氧枪管13的氧气入口14，热电偶9穿过支撑管10安装在氧枪管13的壁面上，热电偶9的测量信号通过补偿导线输入到电磁感应加热装置8；
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于燃煤锅炉的Rijke型脉动燃烧系统，其特征在于：包括燃烧器喷口(1)、脉动本体管(2)、氧气流量调节阀(3)、高压气流蜂鸣器(4)、压力变送器(5)、氧气流量计(6)、煤粉管弯头(7)、电磁感应加热装置(8)、热电偶(9)、支撑管(10)、推进装置(12)、氧枪管(13)和耐高温金属软管(15)，所述氧枪管(13)安装在支撑管(10)的内腔中，且为同轴线平行方向布置，在氧枪管(13)右端的管壁处设有氧气入口(14)，在氧枪管(13)右端安装有推进装置(12)，在支撑管(10)右端的管壁处设有高压吹扫风入口(11)，支撑管(10)从煤粉管弯头(7)的转弯中心处开孔插入，且与煤粉管弯头(7)的出口截面垂直，煤粉管弯头(7)的出口与脉动本体管(2)的入口连接，所述煤粉管弯头(7)为90°弯头，燃烧器喷口(1)设在脉动本体管(2)的出口，氧枪管(13)、脉动本体管(2)和燃烧器喷口(1)为同轴平行布置，高压气流蜂鸣器(4)安装在氧枪管(13)的左端出口，在推进装置(12)的作用下，高压气流蜂鸣器(4)的工作位置沿燃烧器轴向移动，压力变送器(5)通过取样管与高压气流蜂鸣器(4)连通；氧气流量调节阀(3)的入口与氧气管道连接，氧气流量调节阀(3)的出口通过管道与氧气流量计(6)的入口连接，氧气流量计(6)的出口通过管道与电磁感应加热装置(8)的入口连接，电磁感应加热装置(8)的出口通过管道与耐高温金属软管(15)的入口连接，耐高温金属软管(15)的出口连接氧枪管(13)的氧气入口(14)，热电偶(9)穿过支撑管(10)安装在氧枪管(13)的壁面上，热电偶(9)的测量信号通过补偿导线输入到电磁感应加热装置(8)；
所述高压气流蜂鸣器(4)从左向右依次由双曲线扩压段(41)、谐振腔(42)、喇叭喉(43)和气室(44)组成。
2.根据权利要求1所述的一种用于燃煤锅炉的Rijke型脉动燃烧系统，其特征在于：所述气室(44)的直径φ4是喇叭喉(43)出口直径φ5的8倍以上；喇叭喉(43)的形状是双曲线渐缩型；双曲线扩压段(41)的出口直径φ6是喇叭喉(43)出口直径φ5的3倍以上；谐振腔(42)的长度L4是喇叭喉(43)出口直径φ5的2倍；谐振腔(42)的长度L4和双曲线扩压段(41)的长度L3相等。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种用于燃煤锅炉的Rijke型脉动燃烧系统，其特征在于：所述脉动本体管(2)的入口直径φ3和燃烧器喷口(1)的直径φ1相等；脉动本体管(2)的直径φ2不小于脉动本体管(2)入口直径φ3的1.5倍；脉动本体管(2)的长度L1是脉动本体管(2)直径φ2的5倍；脉动本体管(2)上半部分的端角β为90°；脉动本体管(2)下半部分的端角α不大于135°；高压气流蜂鸣器(4)出口到脉动本体管(2)出口之间的距离L2为脉动本体管(2)长度L1的3/4。
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