CN110242952A - 一种采用复合材料喷口的低冷却风量燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种采用复合材料喷口的低冷却风量燃烧器，包括中心风通道和煤粉管道，中心风通道的端部为中心风喷口，煤粉管道的端部为煤粉喷口，中心风喷口具有与中心风通道连接的中心风喷口金属段，以及套设在中心风喷口金属段外的中心风喷口非金属材料段；煤粉喷口具有与煤粉管道连接的煤粉喷口金属段，以及插入煤粉喷口金属段内的煤粉喷口非金属材料段。喷口前端覆盖壁温衰减区域，使用耐高温耐磨损的陶瓷材料，喷口连接段使用常规金属材料，在两种材料连接面上形成高阶壁温断层，避免金属喷口烧损，实现停运燃烧器在低冷却风量运行，降低燃烧器区域的氧量，对氮氧化物控制更有利，是一种高效、环保、可靠的燃烧器，特别适用于高挥发分烟煤。
Description
技术领域
本发明涉及锅炉煤粉燃烧技术领域，尤其是涉及一种采用复合材料喷口的低冷却风量燃烧器。
背景技术
对于燃用烟煤的墙式冲燃烧煤粉锅炉，控制NOx排放通常空气分级燃烧方式，即采用较低的燃烧器区域氧量来控制NOx的生成，配合置于燃烧器区域上方一定高度的燃尽风喷口，形成NOx还原区域。
实际运行中监测燃烧器喷口壁温，在各设备正常运行的情况下，投运燃烧器由于有介质冷却，壁温均处于远低于范围，停运燃烧器暴露在炉膛火焰下的喷口，各喷口壁温均处于较高水平，当停运上层燃烧器时，此类情况尤为明显。如果喷口长期处于高温状态，易发生变形，影响燃烧器使用效果，此前更多是采用通风冷却的办法，即在燃烧器停运期间仍旧通入一定量的二次风甚至是冷一次风冷却各级喷口，这种做法实际上增加了燃烧器区域氧量，这部分氧量会给NOx的控制带来负面影响，当停运下层燃烧器的情况下，此部分氧量折入中上层燃烧器区域氧量，对NOx影响尤为严重。从整体而言，冷却停运燃烧器的用风对于锅炉燃烧系统本身而言并不是必须的，仅仅是防止设备损坏而不得不采取的办法；针对此类情况，如果能控制燃烧器壁温不超过限定值，那么冷却风量就可以减小，在不影响燃烧稳定性的情况下使燃烧器区域氧量更低，无疑会给NOx的控制带来更为便利条件。
现有如公开号为201925914U专利申请文件提供的一种用于墙式对冲燃烧煤粉锅炉的燃尽风喷口布置结构，以及公开号为202647734U的专利申请文件公开的煤粉燃烧装置，包括由四个水冷壁组成的炉膛，所述炉膛四个角处各设置一列角式燃烧器，所述炉膛的其中两个相对水冷壁各设置一列墙式燃烧器，所述两个列墙式燃烧器设置在水冷壁中间，所述两个列墙式燃烧器的喷嘴中心线在一条直线上。
对于燃烧器壁温的分布情况，经过长期多方面的调研和统计。就较高壁温的停运层燃烧器而言，中间位置燃烧器壁温最高；就同一只停运燃烧器而言，由内而外温降明显，中心风喷口壁温最高，一次风喷口壁温次之，二次风喷口壁温相对较低；就同燃烧器同一喷口而言，沿燃烧器轴向壁温衰减明显，在距离喷口某特征长度以外，壁温变化放缓且明显低于常规金属喷口许用温度，该特征长度以内可以定义为壁温衰减区域。总之，同等冷却条件下，暴露在炉膛火焰辐射下的喷口面积越大，该喷口壁温越高，而喷口之间相对于炉膛火焰相互遮盖后，壁温衰减明显，同时由于停运磨基本无一次风，所以一次风内外两侧的喷口冷却效果最差。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种采用复合材料喷口的低冷却风量燃烧器，选取一种耐高温耐磨材料布置在一次风内外两侧作为喷口端部直面炉膛火焰，耐温条件以同机组满负荷停运顶层燃烧器，停运燃烧器风箱风门最小开度工况下，实测燃烧器最高壁温为准，该材料布置长度以覆盖温度衰减区域为宜。
一种采用复合材料喷口的低冷却风量燃烧器，包括中心风通道和煤粉管道，所述中心风通道的端部为中心风喷口，所述煤粉管道的端部为煤粉喷口，
所述的中心风喷口具有与中心风通道连接的中心风喷口金属段，以及套设在所述中心风喷口金属段外的中心风喷口非金属材料段；
所述的煤粉喷口具有与所述煤粉管道连接的煤粉喷口金属段，以及插入煤粉喷口金属段内的煤粉喷口非金属材料段。
本发明中，中心风喷口端部和煤粉喷口端部采用金属材料段与非金属材料段复合结构，非金属材料段为碳化硅-氮化硅复合陶瓷材料，金属材料段可采用常规喷口燃烧器耐热不锈钢材质，由于碳化硅-氮化硅复合陶瓷材料耐高温特性远高于常规金属材料，在炉内火焰炙烤的情况下即使无冷却条件也不会烧损，可以实施此部分喷口的壁温免监测；与非金属段连接的金属段布置在中心风/二次风一侧，背向煤粉气流，避免金属段被煤粉气流磨损，继而避免非金属段脱落，最高温度金属段喷口设置热电偶监测壁温。
复合结构的喷口安装后，前端耐磨耐高温的特殊材料段(碳化硅-氮化硅复合陶瓷材料)可以确保低冷却风量甚至无冷却风的条件下面对炉膛火焰炙烤无损坏，常规喷口材料(金属段)与特殊材料(碳化硅-氮化硅复合陶瓷材料)之间较高的接触热阻形成高阶壁温断层，常规喷口材料(不锈钢材质)温度处于安全温度范围内。
作为优选的，所述中心风喷口非金属材料段和煤粉喷口非金属材料段采用碳化硅-氮化硅复合陶瓷材料制成。
燃烧器用纤维增强碳化硅陶瓷性能指标
| 项目 | 指标 |
| SiC含量(％) | ≥70 |
| 体积密度(g/cm<sup>3</sup>) | ≥2.7 |
| 常温耐压强度(Mpa) | ≥200 |
| 常温抗折强度(Mpa) | ≥50 |
| 高温抗折强度(1400℃Mpa) | ≥50 |
| 热振稳定性(1100℃水冷次) | ≥50 |
| 导热系数(1200℃W/M·K) | ≥14 |
| 热膨胀系数(/℃) | 4.7×10<sup>-6</sup> |
| 常温耐磨性(cm<sup>3</sup>) | ≤3 |
作为优选的，所述的中心风喷口金属段和中心风喷口非金属材料段间采用双重机械固定连接。所述的煤粉喷口金属段和煤粉喷口非金属材料段间采用双重机械固定连接。
中心风喷口和煤粉喷口处的非金属材料段与常规喷口材料相连接，形成较大的接触热阻，进而形成高阶壁温断层，在连接处不宜使用焊接结构，但由于投运期间煤粉气流的冲刷，所以两种材料之间应考虑可靠的连接方式和布置方式。因此，金属段喷口与非金属段喷口之间的连接采用双重机械固定，碳化硅-氮化硅复合陶瓷的热膨胀系数与钢铁接近，机械固定后不易脱落。
作为优选的，所述的中心风喷口非金属材料段和煤粉喷口非金属材料段采用弧形瓦分段设计。
两处的非金属段喷口采用弧形瓦分段设计，当陶瓷喷口由于运输或安装过程中局部损坏，只需更换破损位置弧形瓦即可。
作为优选的，所述的低冷却风量燃烧器上设置有带中心风入口的船型装置，所述中心风入口处设有向中心风通道内延伸的中心风导向叶片。
作为优选的，所述煤粉喷口外环套设置有内二次风通道和外二次风通道，所述内二次风通道内安装内二次叶片，外二次风通道中设有外二次风固定叶片和外二次风可调叶片。
作为优选的，所述的低冷却风量燃烧器用于前后墙对冲燃烧方式锅炉。
作为优选的，所述的低冷却风量燃烧器用于燃烧烟煤的煤粉锅炉。
本发明在现有带中心风双调风旋流燃烧器(见图1)的基础上，将钢制的煤粉喷口和中心风喷口更换为复合材料喷口，并重新核算燃烧器局部阻力，改进调风器结构。调风器改进内容如下，厚壁碳化硅喷口元件煤粉侧保持平滑，向二次风侧凸起，凸起所造成的二次风喷口局部阻力以内二次风调风器叶片高度缩减形式补偿，增大固定叶片相互之间的叠加角度以获取更强的内二次风旋流动量。喷口前端覆盖壁温衰减区域，使用耐高温耐磨损的陶瓷材料；喷口连接段使用常规金属材料，与陶瓷材料采用机械固定方式，在两种材料连接面上形成高阶壁温断层，避免金属喷口烧损。此类燃烧器可以实现停运燃烧器在低冷却风量运行，进而可以降低燃烧器区域的氧量，对氮氧化物控制更有利，是一种高效、环保、可靠的燃烧器，特别适用于高挥发分烟煤。
附图说明
图1为现有带中心风双调风旋流燃烧器；
图中：101.中心风喷口；102.煤粉喷口；103.中心风及煤粉管道组件；104.中心风导流叶片；105.调风套筒；106.外二次风固定叶片；107.外二次风可调叶片；108.内二次叶片。
图2为本发明中采用复合材料喷口的低冷却风量燃烧器；
图中：201.复合材料煤粉喷口；202.复合材料中心风喷口；203.中心风及煤粉管道组件；204.中心风导流叶片；205.调风套筒；206.外二次风固定叶片；207.外二次风可调叶片；208.内二次叶片。
图3为中心风套筒组件(以中心风径向取风为例)。
图中：301.煤粉管道扩锥段；302.中心风入口船型装置；303.中心风导流板；304.焊接段；305.煤粉喷口金属段；306.煤粉喷口陶瓷段；307.中心风喷口金属段；308.中心风喷口陶瓷段。
图4为中心风导流叶片控制示意图。
图中：401.中心风取风口；402.中心风导向叶片。
图5为弧形瓦自锁结构。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。本文中所涉及的方位词“上”、“下”、“左”和“右”，是以对应附图为基准而设定的，可以理解，上述方位词的出现并不限定本发明的保护范围。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示的现有带中心风双调风旋流燃烧器，包括煤粉喷口102，中心风喷口101，中心风及煤粉管道组件103，中心风导流叶片104，调风套筒105，外二次风固定叶片106，外二次风可调叶片107，内二次叶片108。
中心风及煤粉管道组件103包括中心风管道和煤粉管道，中心风导流叶片104位于中心风管道内的中心风通道中，中心风喷口101位于中心风管道的端部，煤粉喷口102位于煤粉管道的端部。煤粉喷口102外环套设置有内二次风通道和外二次风通道，内二次风通道内安装内二次叶片108，外二次风通道中设有外二次风固定叶片106和外二次风可调叶片107。内外二次风装置属于现有技术，不属于本发明的改进点，本实施例中不在具体阐述内外二次风的具体结构。
如图2和图3所示，本实施例中对图1中燃烧器的结构进行改进。复合材料中心风喷口202具有与中心风管道连接的中心风喷口金属段307，以及套设在中心风喷口金属段307外的中心风喷口陶瓷段308。复合材料煤粉喷口具有与煤粉管道连接的煤粉喷口金属段305，以及插入煤粉喷口金属段305内的煤粉喷口陶瓷段306。本实施例中，中心风喷口陶瓷段308(中心风喷口非金属材料段)和煤粉喷口金属段305(煤粉喷口非金属材料段)均采用碳化硅-氮化硅复合陶瓷材料制成。
中心风喷口金属段和中心风喷口非金属材料段间采用双重机械固定连接。煤粉喷口金属段和煤粉喷口非金属材料段间采用双重机械固定连接。本次双重机械固定为燕尾压槽固定和偏置销钉固定。具体为，所述的煤粉喷口金属段开设有燕尾压槽，煤粉喷口非金属材料段可设有卡入所述燕尾压槽内的梯形导轨，并通过偏置销钉将所述煤粉喷口非金属材料段固定。
所述的中心风喷口非金属材料段和煤粉喷口非金属材料段采用弧形瓦分段设计。两处的非金属段喷口采用弧形瓦分段设计，包括多个拼接的弧形瓦段，每个弧形瓦段均采用上述的双重机械固定连接，弧形瓦呈拱形自锁结构，单片弧形瓦存在一凸一凹两个侧面，相邻瓦片侧面凹凸咬合，整体成圈后相当于一个拱形结构(如图5所示)，有较强的承载能力，同时弧形瓦之间的缝隙在膨胀过程中也有吸收膨胀的作用。当陶瓷喷口由于运输或安装过程中局部损坏，只需更换破损位置弧形瓦即可。
低冷却风量燃烧器上设置有带中心风入口的船型装置302，中心风入口处设有向中心风通道内延伸的中心风导流板303。
本实施例中的燃烧器(图2和图3)系在原有带中心风双调风旋流燃烧器(图1)的基础上改进而来。预计高温段的喷口前端采用碳化硅-氮化硅复合陶瓷材料，许用温度超过1400℃，且高温工况硬度远超过常规喷口用不锈钢铸件，热膨胀系数明显低于氧化铝陶瓷，与钢铁热膨胀系数接近，基本符合靠煤粉侧耐高温耐磨喷口材料的要求。但碳化硅-氮化硅复合陶瓷材料与其他陶瓷材料同样质地较脆，不耐冲击，意外碰撞易造成碎裂，针对此种特性，本实施例中将喷口形状制作成若干弧形瓦结构，当意外损坏后通常只损坏部分弧形瓦，更换少量备品即可正常使用。考虑到碳化硅-氮化硅复合陶瓷材料烧制工艺需要较大的厚度，在燃烧器的内外二次风喷口设计中需要考虑由于陶瓷喷口厚壁引起的喷口截面减小和喷口连接段凸起引起的内二次风局部阻力变化。
本实施例中，采用复合材料喷口后，由于喷口结构和性能发生变化，燃烧器其他结构相应进行了以下优化：
1.内层火焰着火位置优化。喷口调整为碳化硅-氮化硅复合陶瓷的情况下，喷口耐温能力和延展性的提升使内层火焰允许使用更接近喷口的着火点。具体实施情况为采用较厚的喷口结构使一次风和中心风之间形成较厚间隔，即碳化硅喷口的厚度大于与其向连接的金属喷口段厚度，间隔区域容纳较厚的火焰片层，更厚的火焰片层在加热一次风风粉混合物的过程中温度衰减速率更低，从而形成了快速加热煤粉，充分释放挥发分的效果；
2.中心风流速和内层火焰形状优化。数值模拟结果显示中心风流速在一定范围内降低会控制内层火焰的形状发生向中心风方向局部凸起的变化，这种凸起意味着内层火焰的进一步加厚，同样可以对加热煤粉产生促进作用。具体实施的情况为调整中心风导流叶片的位置，中心风入口不在燃烧器正上方(中心风取风口401相对燃烧器的中心线具有一倾斜角度)，通过叶片402引导中心风射流不再完全垂直于炉膛内部烟气流向，叶片将引来的中心风分成倾斜的三部分，赋予中心风一定的倾斜方向的风速分层，使一次风和中心风之间的流速差相应减小，在维持正常燃烧的情况下给内层火焰提供了膨胀的空间，从而在高度方向拉伸内火焰的占据空间，使内火焰抗变形能力得到加强，如图4所示，图中向上的箭头标号为炉膛烟气上升带来一次风扰动速度分量。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，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 (9)
1.一种采用复合材料喷口的低冷却风量燃烧器，包括中心风通道和煤粉管道，所述中心风通道的端部为中心风喷口，所述煤粉管道的端部为煤粉喷口，其特征在于：
所述的中心风喷口具有与中心风通道连接的中心风喷口金属段，以及套设在所述中心风喷口金属段外的中心风喷口非金属材料段；
所述的煤粉喷口具有与所述煤粉管道连接的煤粉喷口金属段，以及插入煤粉喷口金属段内的煤粉喷口非金属材料段。
2.如权利要求1所述的采用复合材料喷口的低冷却风量燃烧器，其特征在于，所述中心风喷口非金属材料段和煤粉喷口非金属材料段采用碳化硅-氮化硅复合陶瓷材料制成。
3.如权利要求1所述的采用复合材料喷口的低冷却风量燃烧器，其特征在于，所述的中心风喷口金属段和中心风喷口非金属材料段间采用双重机械固定连接。
4.如权利要求1所述的采用复合材料喷口的低冷却风量燃烧器，其特征在于，所述的煤粉喷口金属段和煤粉喷口非金属材料段间采用双重机械固定连接。
5.如权利要求1所述的采用复合材料喷口的低冷却风量燃烧器，其特征在于，所述的中心风喷口非金属材料段和煤粉喷口非金属材料段采用弧形瓦分段设计。
6.如权利要求1所述的采用复合材料喷口的低冷却风量燃烧器，其特征在于，所述的低冷却风量燃烧器上设置有带中心风入口的船型装置，所述中心风入口处设有向中心风通道内延伸的中心风导向叶片。
7.如权利要求1所述的采用复合材料喷口的低冷却风量燃烧器，其特征在于，所述煤粉喷口外环套设置有内二次风通道和外二次风通道，所述内二次风通道内安装内二次叶片，外二次风通道中设有外二次风固定叶片和外二次风可调叶片。
8.如权利要求1～7任一项所述的采用复合材料喷口的低冷却风量燃烧器，其特征在于，所述的低冷却风量燃烧器用于前后墙对冲燃烧方式锅炉。
9.如权利要求1～7任一项所述的采用复合材料喷口的低冷却风量燃烧器，其特征在于，所述的低冷却风量燃烧器用于燃烧烟煤的煤粉锅炉。
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