CN110360544B - 一种煤粉气化与分级预混燃烧的低氮燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤粉气化与分级预混燃烧的低氮燃烧装置，有效解决实现合理氧浓度下的燃烧强度高、燃烧效率高、氮氧化物含量低的问题。煤粉旋流混合室顶部装有点火与气流调节管，侧面装有煤粉及携带气流进口管，下部出口装有煤粉气流分散罩，煤粉气流分散罩置于煤粉预燃气化室上部中心内，预燃气化进风管连通煤粉预燃气化室，预燃气化室收缩通道置入燃烧风旋流配风室内，燃烧风旋流配风室下部内有气化燃气燃烧室，燃烧风进口管装在燃烧风旋流配风室上，气化燃气燃烧室上部的导流稳焰钝体的尖部正对预燃气化室出口，气化燃气燃烧室的下部外周壁与燃烧风旋流配风室内壁间装有旋流燃烧风导流片，气化燃气燃烧室、旋流燃烧风导流片下部有气化燃烧装置出口。

Description

一种煤粉气化与分级预混燃烧的低氮燃烧装置

技术领域

本发明涉及工业炉窑的燃烧装置，特别适合于获取高温烟气的锅炉、热风炉、加热炉、熔炼炉、回转窑等工业炉窑使用的一种煤粉气化与分级预混燃烧的低氮燃烧装置。

背景技术

在工业炉窑的应用领域，针对燃烧煤粉的条件下，既能获得高效可控的完全燃烧又能有效降低燃烧过程中氮氧化物（NOx）的生成量，已经成为燃烧装置实现高效、节能、环保与安全使用的主要技术方向。为此，在工业炉窑煤粉燃烧器的结构设计上除了必须实现燃料与助燃气流间快速均匀混合与高强度稳定燃烧外，还能针对不同的煤粉品种实现燃烧过程的调节与可控，最终在获取高温热能的同时使得氮氧化物的含量符合相关规定（脱硫与除尘不在燃烧装置考虑范围）。显见，氮氧化物可控的煤粉燃烧对燃烧装置、燃烧室结构、以及相互间的合理配置等提出了更高的技术要求。

纵观目前各种工业炉窑使用的常规的煤粉燃烧器，明显存在因设计原理（理念）问题而引起的结构上的各种问题，如燃气（燃料）与空气之间混合不均、不恰当的空燃比、与燃气（燃料）燃烧不完全等。尤其是在煤粉与空气的不均匀混合，常常导致在在较低的燃烧温度下出现燃烧烟气中氮氧化物含量超标，这就是燃烧过程中存在局部高温且氧含量过高或者过低的燃烧状态。前者可以采用分级燃烧与氧浓度控制技术来抑制氮氧化物的生成，而后者氮氧化物超标是因煤粉颗粒后续表面高温过氧燃烧所致，常常不易得到彻底的处理与控制。显然，改变现存的煤粉在助燃气流中的常规的燃烧方式，采取先气化后燃烧的分级燃烧方式，才有可能彻底解决煤粉燃烧的氮氧化物难以控制的问题。基于上述分析，这里提出一种新结构的煤粉燃烧装置，用以完成煤粉气流的快速低温气化（包括煤粉挥发分析出与燃烧，以及煤粉与欠氧气流间生成一氧化碳的过程），以及接下来的煤粉气化气燃烧与残炭颗粒表面的继续燃烧。在这两级燃烧过程中都力求实现预混燃烧过程，也就是完成低温欠氧（低空燃比）预混气化与挥发分燃烧，以及煤粉气化气与燃烧气流间预混燃烧和未燃尽煤粉与燃烧气流间充分混合的高温控氧（空燃比适当）的预混燃烧。从而实现合理氧浓度下的燃烧强度高、燃烧效率高、氮氧化物含量低的燃烧过程，为煤粉燃烧炉窑在不设置专门烟气脱氮（硝）装置就能实现低氮无污染排放成为可能，但至今未见有公开报导。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种煤粉气化与分级预混燃烧的低氮燃烧装置，可有效解决实现合理氧浓度下的燃烧强度高、燃烧效率高、氮氧化物含量低的燃烧过程，为煤粉燃烧炉窑在不设置专门烟气脱氮（硝）装置就能实现低氮无污染排放的问题。

本发明解决的技术方案是，一种煤粉气化与分级预混燃烧的低氮燃烧装置，包括煤粉旋流混合室、煤粉及携带气流进口管、煤粉气流分散罩、预燃气化进风管、煤粉预燃气化室、燃烧风进口管、燃烧风旋流配风室、气化煤气燃烧室和气化燃烧装置出口，所述的煤粉旋流混合室为倒置瓶状结构，其顶部装有插入的点火与气流调节管，侧面装有横向连通的煤粉及携带气流进口管，煤粉旋流混合室下部出口装有连通的渐扩状的煤粉气流分散罩，构成煤粉旋流混合分配的煤粉混合结构；煤粉气流分散罩置于煤粉预燃气化室上部中心内，并密封固定在煤粉预燃气化室上部中心部位，预燃气化进风管横向连通筒状结构的煤粉预燃气化室，其下部连通的预燃气化室收缩通道与下部中心的预燃气化室出口构成煤粉低温气化的气化结构；预燃气化室收缩通道置入煤粉预燃气化室下部的燃烧风旋流配风室内，燃烧风旋流配风室下部内设有与预燃气化室收缩通道正对间开的气化燃气燃烧室，燃烧风进口管横向设置在燃烧风旋流配风室的外侧壁上，气化燃气燃烧室上部中心设置有导流稳焰钝体，导流稳焰钝体上尖部正对预燃气化室出口，预燃气化室收缩通道的下部与气化燃气燃烧室的上部间构成燃烧风进风环缝，气化燃气燃烧室的下部外周壁与燃烧风旋流配风室的内壁间装有旋流燃烧风导流片，气化燃气燃烧室、旋流燃烧风导流片下部有气化燃烧装置出口，构成气化煤气混合燃烧与残余煤粉燃烧的燃烧结构；上述煤粉旋流混合分配的煤粉混合结构、煤粉低温气化的气化结构、气化煤气混合燃烧与残余煤粉燃烧的燃烧结构同心，外周壁依次紧密连接构成整体的燃烧装置。

由上述结构可以看出，本发明燃烧装置结构新颖独特，易生产，既实现煤粉的快速高强度的气化，又能在气化之后迅速高强度的混合、预热与燃烧，同时还能使残炭部分地完成燃烧，实现煤粉燃烧高效、高强与低氮可控燃烧，节能环保，就为煤粉清洁无污染燃烧开拓了新的途径，是工业炉窑上的创新，经济和社会效益巨大。

附图说明

图1为本发明结构的剖面主视图。

图2为本发明的俯视图。

图3为本发明燃烧室横截面的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式作详细说明。

如图1、图2及图3所示，本发明一种煤粉气化与分级预混燃烧的低氮燃烧装置，包括煤粉旋流混合室1、煤粉及携带气流进口管3、煤粉气流分散罩4、预燃气化进风管5、煤粉预燃气化室6、燃烧风进口管9、燃烧风旋流配风室10、气化煤气燃烧室12和气化燃烧装置出口15，所述的煤粉旋流混合室1为倒置瓶状结构，其顶部装有插入的点火与气流调节管2，侧面装有横向连通的煤粉及携带气流进口管3，煤粉旋流混合室1下部出口装有连通的渐扩状的煤粉气流分散罩4，构成煤粉旋流混合分配的煤粉混合结构（又称煤粉混合结构功能组件）；煤粉气流分散罩4置于煤粉预燃气化室6上部中心内，并密封固定在煤粉预燃气化室6上部中心部位，预燃气化进风管5横向连通筒状结构的煤粉预燃气化室6，其下部连通的预燃气化室收缩通道7与下部中心的预燃气化室出口8构成煤粉低温气化的气化结构（又称气化功能组件）；预燃气化室收缩通道7置入煤粉预燃气化室6下部的燃烧风旋流配风室10内，燃烧风旋流配风室10下部内设有与预燃气化室收缩通道7正对间开的气化燃气燃烧室12，燃烧风进口管9横向设置在燃烧风旋流配风室10的外侧壁上，气化燃气燃烧室12上部中心设置有导流稳焰钝体14，导流稳焰钝体14上尖部正对预燃气化室出口8，预燃气化室收缩通道7的下部与气化燃气燃烧室12的上部间构成燃烧风进风环缝11，气化燃气燃烧室12的下部外周壁与燃烧风旋流配风室10的内壁间装有旋流燃烧风导流片13，气化燃气燃烧室12、旋流燃烧风导流片13下部有气化燃烧装置出口15，构成气化煤气混合燃烧与残余煤粉燃烧的燃烧结构（又称燃烧功能组件）；上述煤粉旋流混合分配的煤粉混合结构、煤粉低温气化的气化结构、气化煤气混合燃烧与残余煤粉燃烧的燃烧结构同心，外周壁依次紧密连接构成整体的燃烧装置。

为了保证使用效果和使用方便，所述的煤粉旋流混合分配的煤粉混合结构、煤粉低温气化的气化结构、气化煤气混合燃烧与残余煤粉燃烧的燃烧结构的各部件均由既耐高温又有良好加工性能的不锈钢材料制成，必要时在温度超过700℃以上的部位均设置相应的冷却装置，如水夹套或冷气夹套，还可在炉体外加防热保护层（图中未标示）。

所述的煤粉及携带气流进口管3以水平旋切方式连通煤粉旋流混合室1，煤粉旋流混合室1顶部是垂直同心插入点火与气流调节管2，其出口端呈逐步收缩状，煤粉旋流混合室1下部逐步收缩并从煤粉预燃气化室6顶部中心插入，进入后连通渐扩状的煤粉气流分散罩4。

所述的预燃气化进风管5水平旋切方式与煤粉及携带气流进口管3方向一致，连通上部封闭的筒状结构的煤粉预燃气化室6、其下部连通预燃气化室收缩通道7，预燃气化室收缩通道7置于燃烧风旋流配风室10的上半部分内，预燃气化室出口8的轴线与燃烧风环形进风口11呈相互垂直状态。

所述的燃烧风旋流配风室10外侧壁与燃烧风进风管9水平旋切方向连通，下部设置旋流燃烧风导流片13，其旋流方向与燃烧风旋流配风室10气流方向一致，中心圆筒内的气化燃气燃烧室上部中心设置的导流稳焰钝体14与燃烧风进风环缝11处在同一位置上，导流稳焰钝体14结构为锥角在上的圆锥体。

具体实施时，煤粉携带气流与煤粉通过煤粉及携带气流进口管3以旋切的方式进入煤粉旋流混合室1形成强烈旋转的煤粉气流，并逐步收缩之后向下进入煤粉预燃气化室6，之后进入流通面积逐渐扩大的煤粉气流分散罩4，在此旋转的煤粉气流发生粉气分离，大多数煤粉从煤粉气流分散罩4壁面散发到煤粉预燃气化室6；在此，从预燃气化进风管5进入煤粉预燃气化室6而形成强力旋转气流与之相遇，并逐步在旋流中预热燃烧与加热气化，逐步形成气化煤气与兰炭颗粒的混合气流，随后向下进入预燃气化室收缩通道7并从预燃气化室出口8流出而进入气化煤气燃烧室12；在此，与从燃烧风进口管9进入燃烧风旋流配风室10并经燃烧风环形进风口11进入的一次燃烧风相遇，在气化煤气燃烧室12完成气化煤气的燃烧与兰炭颗粒的部分燃烧，随后相遇从旋流燃烧风导流片13出来的二次燃烧风相遇，继续进行煤气与兰炭的继续燃烧过程，最后烟气流及未完全燃烧的兰炭颗粒从气化燃烧装置出口15流出；为了控制煤粉气流的浓度，以及初始点火的需要在煤粉旋流混合室1顶部同心设置点火与气流调节管2；为了气化煤气与兰炭的燃烧过程的稳定，在气化煤气燃烧室12的上部中心设置有导流稳焰钝体14。到此为止，借助于上述的燃烧装置的特殊结构，煤粉在气流的携带下，完成其充分的气化过程和气化后形成的兰炭的燃烧过程。

这里必须说明的是，该发明的实施例为垂直放置的燃烧装置，是为了满足各种炉窑在其顶部布置燃烧装置的需要，而且也是现代炉窑设备通常选择的结构形式，实际上也有其他方位的燃烧装置的布置形式。但不论以何种方式放置燃烧装置其各部位的结构特征以及相对位置是不会改变的，也不会影响其技术特征与使用性能，仅仅会涉及燃烧装置的固定与支撑。

由于该燃烧装置采用了煤粉低温气化分级燃烧的燃烧装置的结构形式，无论其过程还是煤气燃烧过程都不会出现局部高温的过氧状态，因而能有效控制氮氧化物的生成，为气体燃料低氮（低NOx）燃烧提供了有效的技术手段。此外，由于煤粉的低温气化（干馏）有利于煤粉中挥发分析出以及煤的低温裂解，使得生成的微细多孔状的兰炭极易实现完全燃烧，且在低氧浓度下完全燃烧，热能利用率大大提高，可高达99%以上，因而使得煤粉的清洁无污染燃烧得以实现，经济和社会效益巨大。

Claims (4)

1.一种煤粉气化与分级预混燃烧的低氮燃烧装置，包括煤粉旋流混合室（1）、煤粉及携带气流进口管（3）、煤粉气流分散罩（4）、预燃气化进风管（5）、煤粉预燃气化室（6）、燃烧风进口管（9）、燃烧风旋流配风室（10）、气化煤气燃烧室（12）和气化燃烧装置出口（15），其特征在于，所述的煤粉旋流混合室（1）为倒置瓶状结构，其顶部装有插入的点火与气流调节管（2），侧面装有横向连通的煤粉及携带气流进口管（3），煤粉旋流混合室（1）下部出口装有连通的渐扩状的煤粉气流分散罩（4），构成煤粉旋流混合分配的煤粉混合结构；煤粉气流分散罩（4）置于煤粉预燃气化室（6）上部中心内，并密封固定在煤粉预燃气化室（6）上部中心部位，预燃气化进风管（5）横向连通筒状结构的煤粉预燃气化室（6），煤粉预燃气化室（6）下部连通的预燃气化室收缩通道（7）与下部中心的预燃气化室出口（8）构成煤粉低温气化的气化结构；预燃气化室收缩通道（7）置入煤粉预燃气化室（6）下部的燃烧风旋流配风室（10）内，燃烧风旋流配风室（10）下部内设有与预燃气化室收缩通道（7）正对间开的气化煤气燃烧室（12），燃烧风进口管（9）横向设置在燃烧风旋流配风室（10）的外侧壁上，气化煤气燃烧室（12）上部中心设置有导流稳焰钝体（14），导流稳焰钝体（14）上尖部正对预燃气化室出口（8），预燃气化室收缩通道（7）的下部与气化煤气燃烧室（12）的上部间构成燃烧风进风环缝（11），气化煤气燃烧室（12）的下部外周壁与燃烧风旋流配风室（10）的内壁间装有旋流燃烧风导流片（13），气化燃气煤烧室（12）、旋流燃烧风导流片（13）下部有气化燃烧装置出口（15），构成气化煤气混合燃烧与残余煤粉燃烧的燃烧结构；上述煤粉旋流混合分配的煤粉混合结构、煤粉低温气化的气化结构、气化煤气混合燃烧与残余煤粉燃烧的燃烧结构同心，外周壁依次紧密连接构成整体的燃烧装置。

2.根据权利要求1所述的煤粉气化与分级预混燃烧的低氮燃烧装置，其特征在于，所述的煤粉及携带气流进口管（3）以水平旋切方式连通煤粉旋流混合室（1），煤粉旋流混合室（1）顶部是垂直同心插入点火与气流调节管（2），气流调节管（2）出口端呈逐步收缩状，煤粉旋流混合室（1）下部逐步收缩并从煤粉预燃气化室（6）顶部中心插入，进入后连通渐扩状的煤粉气流分散罩（4）。

3.根据权利要求1所述的煤粉气化与分级预混燃烧的低氮燃烧装置，其特征在于，所述的预燃气化进风管（5）横向连通筒状结构的煤粉预燃气化室（6）为水平旋切方式连通上部封闭的筒状结构的煤粉预燃气化室（6），与煤粉及携带气流进口管（3）方向一致，煤粉预燃气化室（6）下部连通预燃气化室收缩通道（7），预燃气化室收缩通道（7）置于燃烧风旋流配风室（10）的上半部分内，预燃气化室出口（8）的轴线与燃烧风环形进风口（11）呈相互垂直状态。

4.根据权利要求1所述的煤粉气化与分级预混燃烧的低氮燃烧装置，其特征在于，所述的燃烧风旋流配风室（10）外侧壁与燃烧风进风管（9）水平旋切方向连通，下部设置旋流燃烧风导流片（13），其旋流方向与燃烧风旋流配风室（10）气流方向一致，燃烧风旋流配风室（10）的中心圆筒内的气化煤气燃烧室上部中心设置的导流稳焰钝体（14）与燃烧风进风环缝（11）处在同一位置上，导流稳焰钝体（14）结构为锥角在上的圆锥体。

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