CN109642728B - 提高在内部燃烧室中粉状燃料浓度的系统 - Google Patents

Abstract

一种用于粉状燃料喷嘴的预点火导管(10)，所述预点火导管包括具有相对的第一端部和第二端部的管道(16)，所述第一端部配置成面向点火器(20)的出口。所述导管进一步包括锥形集中器(12)，所述锥形集中器用于收集粉状燃料并且将其转送到所述管道中点燃，所述锥形集中器固定到所述第一端部并且位于所述点火器的所述出口与所述管道之间。所述预点火导管用作粉状燃料喷嘴(14)内的点火室。

Description

提高在内部燃烧室中粉状燃料浓度的系统

技术领域

本发明的实施例大体上涉及粉状燃料发电装置(工厂)。某些实施例涉及用于增加粉状燃料燃烧器的预点火导管中的粉状燃料浓度的系统和方法。

背景技术

粉状燃料发电装置最终通常燃烧油或天然气来点燃待燃烧的粉状燃料，例如煤。应理解，这样会消耗大量油和天然气。为了减少所述消耗，已经开发出等离子体点火系统来代替油或气体点火系统。更确切地说，许多等离子体点火系统使用多级点火技术，即“逐级”点火技术来点燃粉状燃料。在逐级系统中，采用相对较长的粉状燃料喷嘴，所述燃料喷嘴包括位于喷嘴内的至少一个并且通常为两个或更多个点火室。

更确切地说，在所述系统中，含有粉状燃料的一次气流通过等离子体发生器的作用点燃，以在第一点火室中产生等离子体云，从而产生“第一级”粉状燃料火焰。之后，第一级火焰在第二级点火室中点燃含有一次气流的粉状燃料，从而形成“第二级”粉状燃料火焰。最后，被点燃的燃料进入熔炉中并且与通过燃烧器供应的燃烧空气中的氧气反应，从而形成最终级火焰。

通常，点火室中的粉状燃料浓度由位于粉状燃料喷嘴的弯头部分中的导向板(guide plate)决定。更确切地说，所述导向板使粉状燃料流和一次空气流对准，使得它们平行于等离子体云。所述导向板还通过离心分离效应将粉状燃料集中在燃烧器和等离子体云的中心轴线附近。这反过来又增加了进入点火室中的粉状燃料浓度，因此促进点火。

但是由于粉状燃料喷嘴内的空间限制，因此无法在不影响点火性能的情况下容易地增加点火室中的粉状燃料浓度。因此，需要一种用于与当前可用系统不同的增加粉状燃料浓度的系统和方法。

发明内容

在实施例中，一种用于粉状燃料喷嘴的预点火导管包括具有相对的第一端部和第二端部的管道，所述第一端部配置成面向点火器的出口。所述导管进一步包括锥形集中器，所述锥形集中器用于收集粉状燃料并且将其转送到所述管道中点燃，所述锥形集中器固定到所述第一端部并且位于所述点火器的所述出口与所述管道之间。所述预点火导管用作所述粉状燃料喷嘴内的点火室。

在另一个实施例中，一种用于燃烧器的粉状燃料喷嘴包括具有出口的点火器以及预点火导管，所述预点火导管包括：具有相对的第一端部和第二端部的管道，所述第一端部配置成面向所述点火器的所述出口；以及锥形集中器，所述锥形集中器用于收集粉状燃料并且将其转送到所述管道中点燃，所述锥形集中器固定到所述第一端部并且位于所述点火器的所述出口与所述管道之间。所述预点火导管用作所述粉状燃料喷嘴内的点火室。

在又一个实施例中，一种用于粉状燃料喷嘴的预点火导管包括：具有相对的第一端部和第二端部的管道，所述第一端部配置成面向点火器的出口；以及锥形集中器，所述锥形集中器用于收集粉状燃料并且将其转送到所述管道中点燃，所述锥形集中器固定到所述第一端部并且位于所述点火器的所述出口与所述管道之间。所述管道进一步包括用于接收点火源的点火入口。

附图说明

参照附图阅读以下非限制性实施例的描述将更好地理解本发明，其中：

图1示意性地示出根据本发明实施例的粉状燃料喷嘴和预点火导管。

图2A示意性地示出根据本发明另一个实施例的具有偏心锥形集中器的预点火导管的端视图。

图2B示意性地示出图2A所示预点火导管的剖视侧视图。

图3A示意性地示出根据本发明另一个实施例的具有锥形集中器的预点火导管的端视图。

图3B示意性地示出图3A所示预点火导管的剖视侧视图。

图3C示意性地示出图3A所示预点火导管的另一侧视图。

图4A到图4C以图示形式示出根据本发明实施例，预点火导管中的粉状燃料和空气浓度基于点火器间距和集中器几何形状改变。

图5示意性地示出根据本发明实施例的包括倾斜机构的粉状燃料喷嘴和预点火导管。

图6A和图6B是根据本发明实施例的包括点火器入口的预点火导管的平面图和透视图。

具体实施方式

下文将详细地参照本发明的示例性实施例，这些示例性实施例的示例将参照附图说明。在任何可能情况下，附图中所用的相同参考字符是指相同或类似部分。尽管本发明的实施例描述成适于与粉煤燃烧器一起使用，但是本发明的实施例可以适用于各种燃料，例如化石燃料或生物质。因此，本说明书中所使用的术语“粉状燃料”或“PF”包括但不限于上述示例性燃料。此外，尽管实施例描述为配置成与等离子体发生器/火炬(torch)一起使用，但是实施例可以与其他点火器例如油/气体点火器，例如油/气枪或“微型”油/气燃烧器一起使用。此外，实施例可以同样适用于多级点火系统例如逐级点火系统或单级系统。

现在参照图1和2，其中示出配置用于逐级点火系统中的本发明实施例。如图所示，所述实施例包括预点火导管10，所述预点火导管位于粉状燃料喷嘴14内。预点火导管10包括锥形集中器12和管道16。在使用中，聚集的粉状燃料例如粉煤由喷嘴弯头部分中的导向板15提供，所述导向板将粉状燃料引向点火器/等离子体发生器20和预点火导管10。也就是说，所述导向板15引导粉状燃料和一次空气的流动，使其大体上平行于点火器并且将其集中在点火器和燃烧器的中心轴线附近。在某些实施例中，还可以通过使用喷射器(kicker)17将聚集的粉状燃料引向点火器20和导管10。所述聚集的粉状燃料之后进入位于管道16上游的锥形集中器12中。锥形集中器12用于有效地收集所述聚集的粉状燃料并且将其转送到管道16中并在其中点燃。

本发明的实施例通过使用锥形集中器和/或喷嘴14、管道16、锥形集中器12和点火器/等离子体发生器20之间的一个或多个几何关系来提高预点火导管中粉状燃料的浓度。鉴于预点火导管中粉状燃料的浓度提高，在实施例中，本发明的预点火导管本身用作粉状燃料喷嘴内的点火室。结果，可以通过包括本发明预点火导管和单个常规点火室，例如图1中的点火室26的喷嘴来实现逐级系统。

再次参照图1，如上所述，本发明使用锥形集中器12。集中器12具有大体均匀形状的圆锥体，所述圆锥体具有连续周向边缘部分13，在实施例中，所述边缘部分与点火器/等离子体发生器出口23相距大体均匀距离S。所述集中器通过例如焊接来操作性地连接到管道16，或者在其他实施例中，所述集中器可以与管道16一起形成为整体结构。

在某些实施例中，锥形集中器12具有约5°到约45°之间，并且进一步地，约15°到约30°之间的集中器角度β，以优化压力降、集中器侵蚀和粉状燃料浓度。更确切地说，已经确定如果集中器角度β<15°，则压力降和侵蚀最小，但是预点火导管中的粉状燃料浓度降低。如果角度β>30°，则粉状燃料浓度增大，但压力降和侵蚀增加。因此，在某些实施方案中，上述范围优化了这些参数。但是应理解，在其他实施例中，可以采用与上述不同的集中器角度，只要适当地优化上述因素即可。

现在参照图2A和图2B，在实施例中，锥形集中器32可以具有偏心/斜圆锥形状。如图所示，连续周向边缘部分36从较短的锥形部分31延伸到较长的伸出锥形部分33。在所述实施例中，集中器角度β改变，例如，所述角度可以从较长部分33处的约45°过渡到较短部分31处的较小角度。在所述实施例中，所述角度β同样为约5°到约45°之间。通过改变所述锥体的长度和形状，可以从粉状燃料浓度较高的区域收集粉状燃料并且收集较少粉状燃料浓度低的一次空气。换言之，偏心/倾斜形锥体可以用于收集一次空气量较少的更大量粉状燃料并且将其输送到管道38中燃烧。

如图3A到图3C所示，在其他实施例中，所述锥形集中器42包括周向边缘部分46，所述周向边缘部分包括一个或多个例如两个空隙或不连续部分48。如图所示，所述不连续部分可以是弧形切除部分，但也可以采用其他形状。在实施例中，所述不连续部分48可以具有倒角或斜面部分49。具有不连续部分48的实施例也可以具有图2A和图2B所示的偏心/斜锥体形状。应理解，这些锥体实施例还选择性地收集粉状燃料相对于空气浓度较高的一次空气。

本发明的实施例还包括预点火导管与粉状燃料喷嘴的部件之间的特定几何关系。确切地说，所述粉状燃料喷嘴的内径D是重要燃烧器设计参数。因此，实施例使用内径D与各种其他参数例如预点火导管的管道内径d之间的几何关系。

更确切地说，在某些实施例中，粉状燃料喷嘴的内径D的几何形状使得如果D小于500mm，则管道内径d大于D的一半。换言之，如果D<500mm，则d≥D/2。对于此关系，已经确定如果直径d小于D/2，则在点火和锅炉启动过程期间，即，当点火器运行时，预点火导管的温度将过快升高并且保持高温。应理解，这可能潜在地损坏和/或缩短粉状燃料喷嘴的寿命。

此外，在一些方面中，如果粉状燃料喷嘴内径D在500mm到600mm之间，则管道16的内径d在250mm到300mm之间。也就是说，如果500mm≤D≤600mm，则250mm≤d≤300mm。此关系的重要之处在于如果直径d小于250mm，则预点火导管的温度可能在点火和锅炉启动期间同样过快升高并且保持高温，进而可能缩短粉状燃料喷嘴的寿命。相反，如果直径d大于300mm，则在点火和锅炉启动过程期间，预点火导管的温度将保持低温，因而可能降低煤点火性能。

在其他方面中，如果粉状燃料喷嘴内径D大于600mm，则管道16的内径d小于粉状燃料喷嘴内径D的一半，即，如果D>600mm，则d≤D/2。此处，如果直径d大于D/2，则在点火和锅炉启动过程期间，预点火导管的温度将保持低温，因而同样可能降低煤点火性能。

在某些实施例中，管道16的内径d小于双倍粉状燃料喷嘴内径D的三分之一。也就是说，d≤2D/3。此关系的重要之处在于如果直径d大于2D/3，则将影响点火，使得粉状燃料的浓度降低。此外，建议第二级或后续下游级点火导管的内径大于双倍粉状燃料喷嘴内径D的三分之一。

继续参照图1，除了涉及粉状燃料喷嘴的内径D的上述几何关系之外，可以利用其他几何关系来优化粉状燃料的浓度。例如，在实施例中，点火器出口例如等离子体出口以距离S与锥形集中器12间隔开。在特定实施例中，距离S在约50mm到150mm之间，即50mm≤S≤150mm。更确切地说，此距离为约100mm。应注意，如果距离S小于约50mm，则锥形集中器12的入口区域可能被部分堵塞，从而影响进入预点火导管的粉状燃料浓度。如果距离S大于约150mm，则粉状燃料的点火可能发生在锥形集中器12的上游，因此影响燃烧器和点火器的寿命。

此外，在一些方面中，锥形集中器12的内径M比管道内径d大约1.1到约1.3倍。在特定实施例中，锥形集中器12的内径M比内径d大1.2倍。换言之，内径M与d之间的关系可以表示为d×1.1≤M≤d×1.3。在此处，已经确定如果倍数大于或小于1.2，则可能对粉状燃料浓度以及粉状燃料的收集及输送到管道中产生不利影响。

此外，在实施例中，管道d的内径大于点火器出口的外径P，即d≥P。此关系的重要之处在于如果直径d较小，则粉状燃料例如煤的浓度减小，并且点火过程可能受到负面影响。

在某些实施例中，预点火导管具有总长度L，所述总长度大于喷嘴的内径D，即L≥D。此关系的重要之处在于如果长度L较小，则预点火导管中的粉状燃料的停留时间减小，从而影响点火。

现在参照图4A到图4C，加压燃料预点火导管中的粉状燃料/空气混合物浓度基于锥体几何形状以及点火器/等离子体发生器与所述锥体的间距S改变。更确切地说，图4A到图4B示出浓度根据距离S改变。图4B和图4C示出浓度基于锥体形状和几何形状改变。

如图5所示，在某些实施例中，预点火导管100可以配置用于包括倾斜机构150的喷嘴140中。在图示实施例中，喷嘴140包括集成点火器/等离子体发生器120，所述预点火导管100和第二级点火导管或点火室126。喷嘴170的远端部分可以经由倾斜机构150围绕轴线A倾斜。应理解，预点火导管100的实施例可以包括在具有其他倾斜或旋转机构的喷嘴中。

现在参照图6A到图6B，在实施例中，预点火导管400可以包括锥体412和管道416，所述管道的特征在于点火入口410。所述点火入口410配置成接收点火源，例如等离子火炬(未示出)。在某些实施例中，点火入口410处于约30度到约90度之间的角度α下。换言之，30°<α<90°。应理解，在此实施例中，点火源本身朝向预点火导管中点火并且不以距离S与锥体间隔开。但是，此实施例可以使用本说明书中所述的各种锥体配置和其他几何关系，并且可以设置在配备有倾斜机构的喷嘴内。

在实施例中，用于粉状燃料喷嘴的预点火导管包括：具有相对的第一端部和第二端部的管道，所述第一端部配置成面向点火器的出口；锥形集中器，所述锥形集中器固定到所述第一端部并且位于所述点火器的出口与所述管道之间，并且配置成收集粉状燃料并且将其转送到所述管道中以便在所述管道点燃。所述预点火导管用作粉状燃料喷嘴内的点火室。所述锥形集中器可以包括偏心锥体或者具有不连续的周向边缘部分。所述锥形集中器可以位于距点火器出口约50mm到约150mm的距离处。所述粉状燃料喷嘴具有内径D，并且预点火导管的管道具有内径d；并且如果D>500mm，则d≥D/2。在实施例中，如果500mm≤D≤600mm，则250mm≤d≤300mm。此外，在一些方面中，如果D>600mm，则d≤D/2并且d可以≤2D/3。在实施例中，所述点火器的出口具有外径P并且d≥P。预点火导管具有总长度L并且L≥D。锥形集中器可以具有锥角β，所述锥角在5度到45度之间，并且在15度到30度之间。所述锥形集中器具有内径M，并且预点火导管的管道具有内径d，并且d×1.1≤M≤d×1.3。

在实施例中，一种粉状燃料喷嘴包括具有出口的点火器以及预点火导管，所述预点火导管包括：具有相对的第一端部和第二端部的管道，所述第一端部配置成面向所述点火器的所述出口；以及锥形集中器，所述锥形集中器在所述出口与所述管道之间固定到所述第一端部，并且所述锥形集中器配置成收集粉状燃料并且将其转送到所述管道中以便在所述管道点燃。所述预点火导管用作所述粉状燃料喷嘴内的点火室。所述锥形集中器可以包括偏心锥体或者具有不连续的周向边缘部分。所述锥形集中器可以位于距点火器出口约50mm到约150mm的距离处。所述粉状燃料喷嘴具有内径D，并且预点火导管的管道具有内径d；并且如果D>500mm，则d≥D/2。在实施例中，如果500mm≤D≤600mm，则250mm≤d≤300mm。此外，在一些方面中，如果D>600mm，则d≤D/2并且d可以≤2D/3。在实施例中，所述点火器的出口具有外径P并且d≥P。预点火导管具有总长度L并且L≥D。锥形集中器可以具有锥角β，所述锥角在5度到45度之间，并且在15度到30度之间。所述锥形集中器具有内径M，并且预点火导管的管道具有内径d，并且d×1.1≤M≤d×1.3。所述粉状燃料喷嘴可以包括倾斜机构。

在又一个实施例中，一种用于粉状燃料喷嘴的预点火导管包括具有相对的第一端部和第二端部的管道，所述第一端部配置成面向点火器的出口。所述管道进一步包括用于将点火源安装到预点火导管上的点火出口或侧进入管道。所述点火出口处于角度α下，所述角度在约30度到90度之间，换言之，30°<α<90°。所述导管还可以包括集中器，所述集中器固定到第一端部并且位于所述点火器的所述出口与所述管道之间，并且配置成收集粉状燃料并且将其转送到所述管道中以在所述管道内点燃。

应了解，以上描述旨在说明而非限定。例如，上述实施例(和/或其方面)可以彼此结合使用。此外，可以在不背离本发明范围的情况下做出许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教示。尽管本说明书中所述材料的尺寸和类型意图用于定义本发明的参数，但是它们不以任何方式限定，并且仅为示例性实施例。在查阅上述描述后，许多其他实施例将对所属领域中的技术人员而言显而易见。因此，本发明的范围应参照随附的权利要求书，以及所述权利要求书所拥有的完全范围等效物来确定。在随附权利要求书中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”用作相应术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的简明英语等效物。此外，在随附权利要求书中，术语例如“第一”、“第二”、“第三”、“上”、“下”、“底部”、“顶部”等仅用作标签，并不旨在对相应对象做出数值或位置要求。此外，除非且直到所述权利要求限制明确使用词语“装置用于”并且后跟不含进一步结构的功能说明，否则随附权利要求书中的限制并非以装置加功能的格式撰写。

本说明书使用示例来公开本发明的若干实施例，包括最佳模式，同时也让所属领域中的普通技术人员能够实践本发明的实施例，包括制造和使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的专利保护范围由权利要求书限定，并且可以包括所属领域中的普通技术人员得出的其他示例。如果其他示例的结构构件与权利要求书的字面意义相同，或如果所述示例包括的等效结构构件与权利要求书的字面意义无实质差别，则所述示例也应在权利要求书的范围内。

如本说明书中所使用，除非明确排除，否则以单数形式表示并前跟字词“一个”或“一种”的元件或步骤应理解为不排除多个所述元件或步骤。此外，对本发明“一个实施例”的引用并不旨在解释为排除存在同样包括所述特征的额外实施例。此外，除非明确指出相反情况，否则“包含”、“包括”或“具有”具备特定性质的某个元件或多个元件的实施例可以包括不具备所述性质的其他所述元件。

由于可以在不背离本说明书中所涉及的本发明精神和范围的情况下对上述系统和方法进行特定更改，因此上述说明或者附图中图示的所有主题应仅解释为说明本说明书中的发明概念的示例，并不视作限制本发明。

Claims (26)

1.一种用于粉状燃料喷嘴的预点火导管，所述预点火导管包括：

具有相对的第一端部和第二端部的管道，所述第一端部面向点火器的出口；和

锥形集中器，所述锥形集中器用于收集粉状燃料并且将其转送到所述管道中点燃，所述锥形集中器固定到所述第一端部并且位于所述点火器的所述出口与所述管道之间；

其中所述预点火导管用作粉状燃料喷嘴内的点火室，并且

所述锥形集中器包括偏心锥体。

2.根据权利要求1所述的预点火导管，其中所述锥形集中器具有包括不连续部分的周向边缘部分。

3.根据权利要求1所述的预点火导管，其中所述锥形集中器位于距所述点火器出口约50mm到约150mm的距离处。

4.根据权利要求1所述的预点火导管，其中所述粉状燃料喷嘴具有内径D，并且所述预点火导管的所述管道具有内径d；并且

如果D>500mm，则d≥D/2。

5.根据权利要求1所述的预点火导管，其中所述粉状燃料喷嘴具有内径D，并且所述预点火导管的所述管道具有内径d；并且

其中500mm≤D≤600mm，则250mm≤d≤300mm。

6.根据权利要求1所述的预点火导管，其中所述粉状燃料喷嘴具有内径D，并且所述预点火导管的所述管道具有内径d；并且

其中如果D>600mm，则d≤D/2。

7.根据权利要求1所述的预点火导管，其中所述粉状燃料喷嘴具有内径D，并且所述预点火导管的所述管道具有内径d，并且d≤2D/3。

8.根据权利要求1所述的预点火导管，其中所述预点火导管的所述管道具有内径d，并且所述点火器的所述出口具有外径P，并且d≥P。

9.根据权利要求1所述的预点火导管，其中所述粉状燃料喷嘴具有内径D，并且所述预点火导管具有总长度L，并且L≥D。

10.根据权利要求1所述的预点火导管，其中所述锥形集中器具有介于5度到45度之间的锥角β。

11.根据权利要求10所述的预点火导管，其中锥角β介于15度到30度之间。

12.根据权利要求1所述的预点火导管，其中所述锥形集中器具有内径M，并且所述预点火导管的所述管道具有内径d，并且d×1.1≤M≤d×1.3。

13.一种用于具有内径D的燃烧器的粉状燃料喷嘴，所述喷嘴包括：

点火器，所述点火器具有出口；和

预点火导管，所述预点火导管包括：具有相对的第一端部和第二端部的管道，所述第一端部配置成面向所述点火器的所述出口；以及锥形集中器，所述锥形集中器用于收集粉状燃料并且将其转送到所述管道中点燃，所述锥形集中器固定到所述第一端部并且位于所述点火器的所述出口与所述管道之间；

其中所述预点火导管用作所述粉状燃料喷嘴内的点火室，并且

所述锥形集中器包括偏心锥体。

14.根据权利要求13所述的粉状燃料喷嘴，其中所述锥形集中器具有不连续的周向边缘部分。

15.根据权利要求13所述的粉状燃料喷嘴，其中所述锥形集中器位于距所述点火器出口约50mm到约150mm的距离处。

16.根据权利要求13所述的粉状燃料喷嘴，其中所述粉状燃料喷嘴具有内径D，并且所述预点火导管的所述管道具有内径d；并且

如果D>500mm，则d≥D/2。

17.根据权利要求13所述的粉状燃料喷嘴，其中所述粉状燃料喷嘴具有内径D，并且所述预点火导管的所述管道具有内径d；并且

其中500mm≤D≤600mm，则250mm≤d≤300mm。

18.根据权利要求13所述的粉状燃料喷嘴，其中所述粉状燃料喷嘴具有内径D，并且所述预点火导管的所述管道具有内径d；并且

其中如果D>600mm，则d≤D/2。

19.根据权利要求13所述的粉状燃料喷嘴，其中所述粉状燃料喷嘴具有内径D，并且所述预点火导管的所述管道具有内径d，并且d≤2D/3。

20.根据权利要求13所述的粉状燃料喷嘴，其中所述预点火导管的所述管道具有内径d，并且所述点火器的所述出口具有外径P，并且d≥P。

21.根据权利要求13所述的粉状燃料喷嘴，其中所述粉状燃料喷嘴具有内径D，并且所述预点火导管具有总长度L，并且L≥D。

22.根据权利要求13所述的粉状燃料喷嘴，其中所述锥形集中器具有介于5度到45度之间的锥角β。

23.根据权利要求22所述的粉状燃料喷嘴，其中锥角β介于15度到30度之间。

24.根据权利要求13所述的粉状燃料喷嘴，其中所述锥形集中器具有内径M，并且所述预点火导管的所述管道具有内径d，并且d×1.1≤M≤d×1.3。

25.一种用于粉状燃料喷嘴的预点火导管，所述预点火导管包括：

具有相对的第一端部和第二端部的管道，所述第一端部配置成面向点火器的出口；和

锥形集中器，所述锥形集中器用于收集粉状燃料并且将其转送到所述管道中点燃，所述锥形集中器固定到所述第一端部并且位于所述点火器的所述出口与所述管道之间；

其中所述管道进一步包括用于接收点火源的点火入口，并且

所述锥形集中器包括偏心锥体。

26.根据权利要求25所述的预点火导管，其中所述点火入口相对所述管道的纵轴处于角度α下，并且30°<α<90°。

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