CN111623346A - 一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器 - Google Patents
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Abstract
一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器，属于高效洁净煤燃烧技术领域。解决了针对现有技术中低NOx燃烧器并不适用于荒煤气的高效低NOx旋流燃烧及现有技术中由于不存在一种高效低NOx荒煤气旋流燃烧器，使其无法为分段耦合煤粉燃烧技术配置荒煤气旋流燃烧器的问题。本发明主要包括中心管、内周界风通道、荒煤气通道和外周界风通道、水冷盘管冷却系统和扩散小火焰发生器；基于荒煤气扩散小火焰、弱旋流涡外边界层内着火稳燃、富燃料燃烧、空气分级、水冷和空冷综合冷却技术，实现荒煤气的燃烧；本发明具有绝对着火稳燃、抑制燃料型和热力型NOx发生、高效、防结渣及高温腐蚀、负荷响应优良、冷却可靠的特点，适用于广泛煤种的分段耦合煤粉燃烧。
Description
技术领域
本发明属于高效洁净煤燃烧技术领域。
背景技术
随着中国GDP的不断增长，能源需求也不断增长。现中国一次能源构成中，煤炭比例仍达70％以上，预计到2030年，中国煤炭占一次能源消费总量的比重仍超过50％，消费量将达45亿吨左右。中国发电及供热平均综合利用效率仅为40％左右，比发达国家低10个百分点，燃煤排放的NOx占75％。中国已探明的可开采煤炭储量中，劣质煤达50﹪左右，仅无烟煤和贫煤的比例就接近30﹪，而褐煤提质或低温热解生产的大量焦炭也亟需新型燃烧、气化技术以清洁、高效地利用；煤直接燃烧发电的火电占中国发电总量70％以上，煤炭提供了火电燃料的80％，其中，绝大部分火电厂燃用劣质煤；此外，中国动力用煤的煤质不稳定，常常达不到设计用煤标准。中国火电近期目标：平均供电标准煤耗降到315克/千瓦时，S02排放浓度控制在50mg/Nm3，NOX排放浓度控制在100mg/Nm3，这也是我国新型燃煤技术研发的内在动力。
尽管国内外研发了各种各样的燃煤技术，表现在难燃的低挥发分无烟煤、贫煤、焦炭等燃料燃烧上，由于同时实现高效洁净的理化条件往往相互制约，因此，研发同时实现着火稳燃、高效、低NOx、防结渣及高温腐蚀、负荷响应快、低负荷性能优良的煤燃烧技术依然面临挑战。
针对难燃的低挥发分无烟煤、贫煤、焦炭等燃料燃烧，现有技术提供了一种分段耦合煤粉燃烧装置及方法，基于煤燃烧热化学转化不同阶段针对性地实施热解、燃烧、破碎、气化、脱硫、颗粒分选、碳转化、燃尽的理论设计，并利用炉内新结构实施各阶段质量、动量、能量有效耦合的结构设计，将优选的双涡快速流化床的低温热解段和煤粉炉的高温碳转化段结合起来，通过各段的独立控制，打破高效洁净煤燃烧理化条件的相互制约，发挥各段优势并克服各段劣势，从而能够同时实现煤、特别是难燃的劣质煤的着火稳燃、高效、低NOx、防结渣及高温腐蚀、负荷响应快、低负荷性能优良的煤粉燃烧，并拓展了燃烧设备的煤种适应性。但是分段耦合煤粉燃烧技术中，必须为高温碳转化段实施碳转化、燃尽的煤粉炉配置高性能荒煤气旋流/直流燃烧器以有效耦合燃烧低温段双涡快速流化床产生的荒煤气，才能现实地实施一种分段耦合煤粉燃烧，实现广泛煤种的高效洁净煤粉燃烧。
具体地，一种分段耦合煤粉燃烧过程分两段实施，在小于980℃低温段，利用优选的双涡快速流化床，将粒径小于10mm的煤、特别是难燃煤颗粒，通过离心流化，独立地实施干燥、热解、燃烧、破碎、气化、脱硫、颗粒分选，将燃料重整为荒煤气，所以，所述的荒煤气是在低温段由优选的双涡快速流化床产生的、压力小于3MPa、温度为500℃至980℃、可燃气中仅含带颗粒粒径小于70μm的半焦、焦炭颗粒的气固两相流；而在大于980℃高温段，利用煤粉炉中需要配置一种旋流/直流荒煤气燃烧器，使荒煤气在煤粉炉中独立地实施高效洁净燃烧，从而才能最终实现一种分段耦合煤粉燃烧过程中能够同时实现广泛煤种特别是难燃煤的着火稳燃、高效、低NOx、防结渣及高温腐蚀、负荷响应快、低负荷性能优良的煤粉燃烧。
但是，在现有技术中没有为分段耦合煤粉燃烧技术中配备相应的荒煤气旋流燃烧器，以实现高温碳转化段高效低NOx旋流燃烧；且现有技术中，虽然公开了微注入弱旋低NOx高效氢旋流燃烧器和绝对着火稳燃大空气过量系数低NOx油旋流燃烧器，但是它们均不适用于所述荒煤气燃烧，还公开了一种燃烧煤粉旋流燃烧器，能有效抑制燃料型NOx发生，但抑制热力型NOx发生技术不完善；因此，由于燃料不同、燃烧目的不同，现有低NOx旋流燃烧器并不适用于荒煤气的高效低NOx旋流燃烧。
综上，针对现有技术中低NOx燃烧器并不适用于荒煤气的高效低NOx旋流燃烧及现有技术中由于不存在一种高效低NOx荒煤气旋流燃烧器，使其无法为分段耦合煤粉燃烧技术配置荒煤气旋流燃烧器的问题，亟需解决。
发明内容
本发明目的是为了解决针对现有技术中低NOx燃烧器并不适用于荒煤气的高效低NOx旋流燃烧及现有技术中由于不存在一种高效低NOx荒煤气旋流燃烧器，使其无法为分段耦合煤粉燃烧技术配置荒煤气旋流燃烧器的问题，本发明提供了一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器。
一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器的第一种结构：
一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器，包括由内至外同轴设置的中心管、内周界风通道、荒煤气通道和外周界风通道，且四者底端连通，中心管、内周界风通道和荒煤气通道的底端平齐，其中，中心管、内周界风通道和外周界风通道均用于通入空气；荒煤气通道用于通入荒煤气，旋流燃烧器还包括水冷盘管冷却系统、荒煤气渐扩锥管、荒煤气适配环、外周界风扩散锥管、径向旋流器、扩散小火焰发生器、轴向旋流器和钝体；
内周界风通道的顶端通过法兰进行密封，中心管顶端穿出法兰；
中心管被划分为两段，分别为上段管路和下段管路，上段管路为伸出内周界风通道的部分，下段管路为位于内周界风通道内的部分，且上段管路的口径远远小于下段管路；
钝体位于中心管内部底端，用于对中心管底端进行密封，且钝体上设有通气孔；
内周界风通道的侧壁上设有内周界风进气口，荒煤气通道的顶端位于内周界风进气口下方，且通过密封盖板对其荒煤气通道的顶端进行密封；
荒煤气通道的侧壁上设有荒煤气入口，荒煤气入口用于通入荒煤气，所述的荒煤气为压力小于3MPa、温度为500℃至980℃、可燃气仅含带颗粒粒径小于70微米的半焦、焦炭颗粒的气固两相流；荒煤气通道的底端通过荒煤气渐扩锥管与荒煤气适配环连通；荒煤气适配环的底端与外周界风通道平齐；
外周界风通道的顶端位于荒煤气入口下方，且通过密封盖板对其外周界风通道的顶端进行密封；外周界风通道的底端固定有外周界风扩散锥管，且二者连通；外周界风通道的侧壁上设有外周界风进气口；
水冷盘管冷却系统用于对荒煤气通道进行冷却保护；
中心管的外侧壁与内周界风通道的内侧壁之间构成了内周界风环形通道，径向旋流器设置在内周界风环形通道内，用于对内周界风环形通道内的内周界风的旋流强度进行调节；
内周界风通道的外侧壁与荒煤气通道内侧壁之间构成了荒煤气环形通道，扩散小火焰发生器设置在荒煤气环形通道底端，用于喷射环向均匀分布的多股荒煤气气流，通过对多股荒煤气气流进行点燃形成多重扩散小火焰；
荒煤气通道的外侧壁与外周界风通道的内侧壁之间构成了外周界风环形通道，轴向旋流器设置在外周界风环形通道底端，用于调节外周界风的旋流强度。
一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器的第二种结构：
一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器，包括由内至外同轴设置的中心管、内周界风通道、荒煤气通道和外周界风通道，且四者底端连通，中心管、内周界风通道和荒煤气通道的底端平齐，其中，中心管、内周界风通道和外周界风通道均用于通入空气；荒煤气通道用于通入荒煤气，其特征在于，旋流燃烧器还包括水冷盘管冷却系统、荒煤气渐扩锥管、荒煤气适配环、外周界风扩散锥管、径向旋流器、扩散小火焰发生器、轴向旋流器和钝体；
内周界风通道的顶端通过法兰进行密封，中心管顶端穿出法兰；
内周界风通道的侧壁上设有内周界风进气口，荒煤气通道的顶端位于内周界风进气口下方，且通过密封盖板对其荒煤气通道的顶端进行密封；
荒煤气通道的侧壁上设有荒煤气入口，荒煤气入口用于通入荒煤气，所述的荒煤气为压力小于3MPa、温度为500℃至980℃、可燃气仅含带颗粒粒径小于70微米的半焦、焦炭颗粒的气固两相流；荒煤气通道的底端通过荒煤气渐扩锥管与荒煤气适配环连通；荒煤气适配环的底端与外周界风通道平齐；
外周界风通道的顶端位于荒煤气入口下方，且通过密封盖板对其外周界风通道的顶端进行密封；外周界风通道的底端固定有外周界风扩散锥管，且二者连通；外周界风通道的侧壁上设有外周界风进气口；
水冷盘管冷却系统用于对荒煤气通道进行冷却保护；
中心管的外侧壁与内周界风通道的内侧壁之间构成了内周界风环形通道，径向旋流器设置在内周界风环形通道内，用于对内周界风环形通道内的内周界风的旋流强度进行调节；
钝体套固在中心管外部底端，且钝体与径向旋流器相对设置，且二者间存在间距；中心管的口径远远小于内周界风通道的口径；
内周界风通道的外侧壁与荒煤气通道内侧壁之间构成了荒煤气环形通道，扩散小火焰发生器设置在荒煤气环形通道底端，用于喷射环向均匀分布的多股荒煤气气流，通过对多股荒煤气气流进行点燃形成多重扩散小火焰；
荒煤气通道的外侧壁与外周界风通道的内侧壁之间构成了外周界风环形通道，轴向旋流器设置在外周界风环形通道底端，用于调节外周界风的旋流强度。
优选的是，扩散小火焰发生器为圆环形结构，且沿圆环形结构周向方向上均匀的设有N个轴向喷口，N为大于或等于5的整数。
优选的是，轴向喷口的径向截面的直径相同或渐变；其中，渐变的方式包括渐缩或渐扩。
优选的是，水冷盘管冷却系统包括两个水冷盘管，其中，第一个水冷盘管位于外周界风环形通道内，并盘绕在荒煤气通道的外侧壁上，第二个水冷盘管位于内周界风环形通道内，并盘绕在内周界风通道的内侧壁上；
两个水冷盘管内通入循环的冷却水用于对荒煤气通道进行冷却保护。
优选的是，水冷盘管冷却系统还包括位于燃烧器外部的阀门、进水管线、下降管、高压循环泵和回水管线；
下降管通过进水管线同时与两个水冷盘管的进水口连通，下降管通过回水管线同时与两个水冷盘管的回水口连通，
阀门设置在进水管线上；
高压循环泵设置在回水管线上，用于将两个水冷盘管内的水泵回下降管。
优选的是，轴向喷口的径向截面渐缩或渐扩的夹角为20°至70°。
优选的是，荒煤气适配环出口端面与中心管出口端面的间距为H1，且H1＝(0.5～1.5)D1；其中，D1表示中心管的下段管路的外径。
优选的是，荒煤气适配环出口端面与中心管出口端面的间距为H1，且H1＝(0.5～1.5)D2；其中，D2表示钝体的外径。
优选的是，荒煤气渐扩锥管的径向截面为矩形、正方形或圆形的直管，且荒煤气渐扩锥管的扩散角A1的取值为15°至35°；
内周界风通道的径向截面为矩形、正方形或圆形的直管；
荒煤气通道的径向截面为矩形、正方形或圆形的直管；
荒煤气适配环的径向截面为矩形、正方形或圆形的直管。
原理、性能：本发明由于使用高温荒煤气为燃料，具备高温、燃料、氧化剂的着火燃烧三要素，所以，不存在着火问题，即绝对着火；
稳燃：采用荒煤气扩散小火焰及内、外周界风包裹荒煤气实施荒煤气燃烧，扩散火焰理论上是绝对稳燃的，荒煤气扩散小火焰的稳燃机理不是借助弱旋涡回流热，因为弱旋涡回流气体是内周界风而不是热烟气，而是通过弱旋涡对荒煤气燃料、空气氧化剂等热态气固两相流流场所出的轴向、径向改变，即：荒煤气燃料、空气氧化剂、燃烧产物的速度分布能在弱旋涡外边界边界层内更宽广的速度范围内使空气速度有效地匹配荒煤气的可燃气、焦炭、半焦颗粒着火燃烧火焰的传播速度，从而实现实际意义上的绝对稳燃，简而言之，籍助弱旋涡外边界层内着火稳燃实施荒煤气扩散小火焰着火稳燃；
低NOx：荒煤气的配风设计要求荒煤气扩散小火焰依据一种分段耦合煤粉燃烧方法在高温段煤粉炉整体燃烧器区域内而不仅是燃烧器近场实施1100℃温度水平下富燃料燃烧、气化，拓展了能抑制燃料型NOx发生的空间与时间，并且随着荒煤气富燃料燃烧、气化的进展，碳转化率不断提高，优选地达到80％以上，最大化地实现富燃料燃烧抑制燃料型NOx发生的机理；另一方面，荒煤气扩散小火焰被设计在弱旋涡外边界层内发生，既利于火焰自身冷却，又避免了高温烟气回流到中心管底部的、回流气体仅是小部分内周界风的回流涡心之内，以抑制涡心之内热力型NOx发生，外周界风适时混入、冷却火焰以维持整体燃烧器区域内在1100℃温度水平下燃烧、气化，这种低温燃烧能显著地抑制热力型NOx发生；
防结渣及高温腐蚀：所有荒煤气扩散小火焰均被内、外周界风所包裹并且组合射流为扩散环所规范，燃烧器近场及其附近水冷壁区域呈低温、强氧化性气氛、无颗粒冲刷之有利状态，所以能防止燃烧器自身及其附近水冷壁壁面的结渣及高温腐蚀发生；
高效：在实现了上述性能的有利条件下，于煤粉炉内燃烧器区域以上区域，依据分段耦合煤粉燃烧原理，通过科学地引入火上风、燃尽风，在1300℃温度水平下实施氧化性气氛的迅速燃尽，有充分条件能实施所述荒煤气的高效燃烧；
冷却：采用水冷、风冷综合冷却方式，利用水冷盘管冷却系统实施燃烧器强制循环水冷却，而水冷盘管自身又通过内、外周界风喷入炉内的过程中实施吹灰和空气冷却保护；
负荷响应与低负荷性能：在绝对着火稳燃的关键前提下，内周界风的最低风量依据旋流燃烧器额定负荷或旋流燃烧器额定功率(25～30)％设计，能安全有效地满足(25～30)％低负荷的商业需求；由于所述荒煤气绝对着火稳燃，在常规的超负荷范围内，所述荒煤气能迅速着火、稳定地燃烧，与煤粉直接燃烧比较，会明显改善负荷响应特性，负荷响应快；
煤种适应性：只要能通过分段耦合煤粉燃烧装置将煤在优选的低温段双涡快速流化床内重整为所述的荒煤气，通入本发明所述的一种燃用高温荒煤气旋流燃烧器，就能在分段耦合煤粉燃烧的高温段煤粉炉内高效清洁地实现煤燃烧，所以，本发明能适用于广泛煤种的分段耦合燃烧。
本发明带来的有益效果是，本发明为现有的分段耦合煤粉燃烧技术提供一种高温燃烧器，而燃料为荒煤气，所述的荒煤气为，由优选的双涡快速流化床产生的、压力小于3MPa、温度为500℃至980℃、可燃气中仅含带颗粒粒径范围小于70微米的半焦、焦炭颗粒的气固两相流，所以，本发明为一种特种燃料新型旋流燃烧器。
本发明所述的一种燃用高温荒煤气旋流燃烧器，通过配置在一种分段耦合煤粉燃烧的煤粉炉上，将传统煤粉燃烧的集中火焰重整为环状分布的荒煤气扩散小火焰，不存在着火问题，于弱旋涡外边界层内绝对着火稳燃；在整体燃烧器区域，1100℃温度水平的富燃料低温燃烧，既拓展了还原性气氛燃烧抑制燃料型NOx发生机理作用空间与时间又能抑制热力型NOx发生，扩散小火焰在弱旋涡外边界层内着火稳燃，既有利于荒煤气火焰冷却又能防止高温烟气回流到弱旋涡内，特别有利于抑制热力型NOx发生；内、外周界风包裹荒煤气扩散小火焰的设计以及荒煤气渐扩锥管、荒煤气适配环与周界风协同作用改善了燃烧器及燃烧器附近水冷壁的防高温腐蚀和防结渣的性能；燃用所述荒煤而不是直接燃用原煤改善了燃烧器防磨损性能；提供了一种水冷风冷综合冷却保护燃烧器的原理与方法，风冷和水冷盘管冷却系统的综合冷却技术既无常规水冷夹套冷却易漏的缺点，又不会污染冷却水的水系统，安全可靠，延长了燃烧器使用寿命；绝对着火稳燃改善了负荷响应能力；绝对着火稳燃为高效燃烧创造了充分有利条件。
综上，本发明基于荒煤气扩散小火焰、弱旋涡外边界层内着火稳燃、空气分级、水冷和空冷综合冷却技术，实现了荒煤气的高效洁净旋流燃烧，具有绝对着火稳燃、显著抑制燃料型和热力型NOx发生、高效、防结渣及高温腐蚀、负荷响应良好、冷却可靠的特点，本发明适用于广泛煤种的分段耦合煤粉燃烧。
附图说明
图1是本发明所述一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器的一种结构的原理示意图；
图2是本发明所述一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器的第二种结构的原理示意图。
图3是扩散小火焰发生器10的结构示意图；
图4是水冷盘管冷却系统5的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器的第一种结构：
参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器，包括由内至外同轴设置的中心管1、内周界风通道2、荒煤气通道3和外周界风通道4，且四者底端连通，中心管1、内周界风通道2和荒煤气通道3的底端平齐，其中，中心管1、内周界风通道2和外周界风通道4均用于通入空气；荒煤气通道3用于通入荒煤气，其特征在于，旋流燃烧器还包括水冷盘管冷却系统5、荒煤气渐扩锥管6、荒煤气适配环7、外周界风扩散锥管8、径向旋流器9、扩散小火焰发生器10、轴向旋流器11和钝体12；
内周界风通道2的顶端通过法兰13进行密封，中心管1顶端穿出法兰13；
中心管1被划分为两段，分别为上段管路和下段管路，上段管路为伸出内周界风通道2的部分，下段管路为位于内周界风通道2内的部分，且上段管路的口径远远小于下段管路；
钝体12位于中心管1内部底端，用于对中心管1底端进行密封，且钝体12上设有通气孔；
内周界风通道2的侧壁上设有内周界风进气口2-1，荒煤气通道3的顶端位于内周界风进气口2-1下方，且通过密封盖板对其荒煤气通道3的顶端进行密封；
荒煤气通道3的侧壁上设有荒煤气入口3-1，荒煤气入口3-1用于通入荒煤气，所述的荒煤气为压力小于3MPa、温度为500℃至980℃、可燃气仅含带颗粒粒径小于70微米的半焦、焦炭颗粒的气固两相流；荒煤气通道3的底端通过荒煤气渐扩锥管6与荒煤气适配环7连通；荒煤气适配环7的底端与外周界风通道4平齐；
外周界风通道4的顶端位于荒煤气入口3-1下方，且通过密封盖板对其外周界风通道4的顶端进行密封；外周界风通道4的底端固定有外周界风扩散锥管8，且二者连通；外周界风通道4的侧壁上设有外周界风进气口4-1；
水冷盘管冷却系统5用于对荒煤气通道3进行冷却保护；
中心管1的外侧壁与内周界风通道2的内侧壁之间构成了内周界风环形通道，径向旋流器9设置在内周界风环形通道内，用于对内周界风环形通道内的内周界风的旋流强度进行调节；
内周界风通道2的外侧壁与荒煤气通道3内侧壁之间构成了荒煤气环形通道，扩散小火焰发生器10设置在荒煤气环形通道底端，用于喷射环向均匀分布的多股荒煤气气流，通过对多股荒煤气气流进行点燃形成多重扩散小火焰；荒煤气通道3的外侧壁与外周界风通道4的内侧壁之间构成了外周界风环形通道，轴向旋流器11设置在外周界风环形通道底端，用于调节外周界风的旋流强度。
一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器的第二种结构：
参见图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器，包括由内至外同轴设置的中心管1、内周界风通道2、荒煤气通道3和外周界风通道4，且四者底端连通，中心管1、内周界风通道2和荒煤气通道3的底端平齐，其中，中心管1、内周界风通道2和外周界风通道4均用于通入空气；荒煤气通道3用于通入荒煤气，其特征在于，旋流燃烧器还包括水冷盘管冷却系统5、荒煤气渐扩锥管6、荒煤气适配环7、外周界风扩散锥管8、径向旋流器9、扩散小火焰发生器10、轴向旋流器11和钝体12；
内周界风通道2的顶端通过法兰13进行密封，中心管1顶端穿出法兰13；
内周界风通道2的侧壁上设有内周界风进气口2-1，荒煤气通道3的顶端位于内周界风进气口2-1下方，且通过密封盖板对其荒煤气通道3的顶端进行密封；
荒煤气通道3的侧壁上设有荒煤气入口3-1，荒煤气入口3-1用于通入荒煤气，所述的荒煤气为压力小于3MPa、温度为500℃至980℃、可燃气仅含带颗粒粒径小于70微米的半焦、焦炭颗粒的气固两相流；荒煤气通道3的底端通过荒煤气渐扩锥管6与荒煤气适配环7连通；荒煤气适配环7的底端与外周界风通道4平齐；
外周界风通道4的顶端位于荒煤气入口3-1下方，且通过密封盖板对其外周界风通道4的顶端进行密封；外周界风通道4的底端固定有外周界风扩散锥管8，且二者连通；外周界风通道4的侧壁上设有外周界风进气口4-1；
水冷盘管冷却系统5用于对荒煤气通道3进行冷却保护；
中心管1的外侧壁与内周界风通道2的内侧壁之间构成了内周界风环形通道，径向旋流器9设置在内周界风环形通道内，用于对内周界风环形通道内的内周界风的旋流强度进行调节；
钝体12套固在中心管1外部底端，且钝体12与径向旋流器9相对设置，且二者间存在间距；中心管1的口径远远小于内周界风通道2的口径；
内周界风通道2的外侧壁与荒煤气通道3内侧壁之间构成了荒煤气环形通道，扩散小火焰发生器10设置在荒煤气环形通道底端，用于喷射环向均匀分布的多股荒煤气气流，通过对多股荒煤气气流进行点燃形成多重扩散小火焰；荒煤气通道3的外侧壁与外周界风通道4的内侧壁之间构成了外周界风环形通道，轴向旋流器11设置在外周界风环形通道底端，用于调节外周界风的旋流强度。
以上两种结构的旋流燃烧器具体使用时，首先启动水冷盘管冷却系统5，同时向中心管1、内周界风通道2、和外周界风通道4通入空气，向荒煤气通道3通入荒煤气，借助由中心管1投放的点火装置如油枪，利用点火装置点燃由扩散小火焰发生器10喷射出的、环向均匀分布的多股荒煤气气流，直至在由钝体12、内周界风和外周界风联合形成的弱旋(回流)涡外边界层内形成稳定的多股荒煤气小火焰后，撤出点火装置，通过中心风对弱旋涡的积极干预，能够适当调节荒煤气扩散小火焰距离燃烧器喷口的着火稳燃位置；钝体12规范了弱旋流涡内径的特征尺度，内周界风，小部分回流于弱旋涡内，主要用于多股荒煤气的着火稳燃、燃烧，形成绝对着火稳燃的多重扩散小火焰，荒煤气点燃后，形成稳定的多重小火焰，在其向下游富燃料燃烧发展的过程中，借助外周界风适时混入、冷却，于煤粉炉的整体燃烧器区域内实施1100℃温度水平下的荒煤气燃烧、气化，并经过这阶段还原性气氛热化学转化后，使碳转化率达到80％以上，以充分拓展富燃料燃烧机理作用空间与时间，深刻抑制燃料型NOx发生，而相对低温的荒煤气燃烧、也充分抑制了热力型NOx的发生；通过继后的在煤粉炉燃烧区域以上的氧化性气氛区域合理组织火上风、燃尽风，有充分的条件实施荒煤气的燃尽，以实现高效燃烧。
所述荒煤气燃烧的过程中，不断向中心管1通入空气，防止烟气倒灌、对旋流燃烧器进行中心冷却、防止中心管端面结渣及高温腐蚀。
内周界风用于促进荒煤气着火稳燃、燃烧，外周界风用于对荒煤气燃烧火焰进行冷却及对荒煤气进行助燃，当内、外周界风的旋流强度为0的极限情况时，所述的一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器为直流燃烧器。
使用时，内周界风最低风量依据旋流燃烧器额定负荷或旋流燃烧器额定功率(25～30)％设计。
停炉情况下，首先停止通入荒煤气、直至完全冷却，再依次停内、外周界风，中心风及水冷盘管冷却系统5。
水冷盘管冷却系统5由内、外周界风冷却、清灰，实施燃烧器的水冷和风冷的综合冷却以发挥各自冷却优势，可靠地实现燃烧器冷却保护。
内周界风通道2提供径向旋流内周界风过程中也进行为水冷盘管冷却系统5吹灰、风冷操作，内周界风通道2的口径规范了组合射流的径向内径的特征尺度。
外周界风通道4提供轴向旋流外周界风过程中也进行为水冷盘管冷却系统5吹灰、风冷操作，外周界风通道4的口径规范了组合射流的径向外径的特征尺度。
本实施方式所述的一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器，重整传统煤粉燃烧的集中火焰，变为环状均匀分布的扩散小火焰，为弱旋涡外边界层内着火稳燃、抑制燃料型特别是热力型NOx发生、改善燃烧器及燃烧器附近区域水冷壁的防结渣和防高温腐蚀性能、改善燃烧器磨损、冷却及延长燃烧器寿命、改善负荷响应能力创造了有利条件；
在整体燃烧器区域，所述荒煤气于弱旋涡外边界层内的绝对着火稳燃及扩散小火焰通过外周界风及时混入、冷却，实施1100℃温度水平下的低温燃烧、能显著地抑制了热力型NOx发生；本发明燃烧器不存在着火问题，拓展了煤种适应性，由于扩散火焰绝对稳燃，所以，理论上，本发明燃烧器稳燃性能也是绝对稳燃；荒煤气渐扩锥管6、荒煤气适配环7与周界风协同作用于燃烧器和燃烧器附近区域水冷壁防结渣和防高温腐蚀；风冷和水冷盘管冷却系统5的综合冷却技术既无水冷夹套易漏的缺点，又不会污染水系统，安全可靠；由于燃料为荒煤气，与煤粉比较，燃烧器的防磨损性能得到根本改善，本发明所述的一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器的以上性能从根本上为高效燃烧创造了有利条件。
进一步的，具体参见图3，扩散小火焰发生器10为圆环形结构，且沿圆环形结构周向方向上均匀的设有N个轴向喷口10-1，N为大于或等于5的整数。
本优选实施方式中，周向方向上均匀开设的N个轴向喷口10-1使得荒煤气从轴向喷口10-1喷出，重构为多股荒煤气，点燃荒煤气，形成多重扩散小火焰，且小火焰便于火焰被冷却，是实现燃用所述荒煤气燃料旋流燃烧器的绝对稳然、抑制热力型NOx的关键之一。
更进一步的，具体参见图2，轴向喷口10-1的径向截面的直径相同或渐变；其中，渐变的方式包括渐缩或渐扩。
本优选实施方式中，轴向喷口10-1设置成渐扩或渐缩的目的是让荒煤气加速或减速喷入炉膛，实现对喷入荒煤气喷入动量的控制，确定燃烧器负荷或功率。
更进一步的，具体参见图4，水冷盘管冷却系统5包括两个水冷盘管5-1，其中，第一个水冷盘管5-1位于外周界风环形通道内，并盘绕在荒煤气通道3的外侧壁上，第二个水冷盘管5-1位于内周界风环形通道内，并盘绕在内周界风通道2的内侧壁上；
两个水冷盘管5-1内通入循环的冷却水用于对荒煤气通道3进行冷却保护。
本优选实施方式中，两个水冷盘管5-1采用如15CrMo耐热耐压材料制作，而本发明所述一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器的其它部件均可采用氧化铝铁合金、HAYNES 188合金或耐热钢等制作而成。
两个水冷盘管5-1分别由内、外周界风冷却、清灰，实施燃烧器的水冷和风冷的综合冷却以发挥各自冷却优势，可靠地实现燃烧器冷却保护。
具体应用时，两个水冷盘管5-1可以是在周向方向上多层错列配置，优选地为单层配置。
更进一步的，具体参见图4，水冷盘管冷却系统5还包括位于燃烧器外部的阀门5-2、进水管线5-3、下降管5-4、高压循环泵5-5和回水管线5-6；
下降管5-4通过进水管线5-3同时与两个水冷盘管5-1的进水口连通，下降管5-4通过回水管线5-6同时与两个水冷盘管5-1的回水口连通，
阀门5-2设置在进水管线5-3上；
高压循环泵5-5设置在回水管线5-6上，用于将两个水冷盘管5-1内的水泵回下降管5-4。
更进一步的，水冷盘管冷却系统5的运行压力略高于炉内压力。
本优选实施方式中，将水冷盘管冷却系统5的运行压力设置成略高于炉内压力，目的在于以防意外泄漏导致水冷盘管冷却系统5的冷却水被污染。
更进一步的，具体参见图3，轴向喷口10-1的径向截面渐缩或渐扩的夹角为20°至70°。
更进一步的，具体参见图1，一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器的第一种结构中，荒煤气适配环7出口端面与中心管1出口端面的间距为H1，且H1＝0.5～1.5D1；其中，D1表示中心管1的下段管路的外径。
更进一步的，具体参见图2，一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器的第二种结构中，荒煤气适配环7出口端面与中心管1出口端面的间距为H1，且H1＝0.5～1.5D2；其中，D2表示钝体12的外径。
更进一步的，具体参见图3，荒煤气渐扩锥管6的径向截面为矩形、正方形或圆形的直管，且荒煤气渐扩锥管6的扩散角A1的取值为15°至35°。
更进一步的，具体参见图1和图2，内周界风通道2的径向截面为矩形、正方形或圆形的直管；
荒煤气通道3的径向截面为矩形、正方形或圆形的直管；
荒煤气适配环7的径向截面为矩形、正方形或圆形的直管。
更进一步的，所述一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器可以水平、倾斜、垂直地配置在燃烧设备上。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (10)
1.一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器，包括由内至外同轴设置的中心管(1)、内周界风通道(2)、荒煤气通道(3)和外周界风通道(4)，且四者底端连通，中心管(1)、内周界风通道(2)和荒煤气通道(3)的底端平齐，其中，中心管(1)、内周界风通道(2)和外周界风通道(4)均用于通入空气；荒煤气通道(3)用于通入荒煤气，其特征在于，旋流燃烧器还包括水冷盘管冷却系统(5)、荒煤气渐扩锥管(6)、荒煤气适配环(7)、外周界风扩散锥管(8)、径向旋流器(9)、扩散小火焰发生器(10)、轴向旋流器(11)和钝体(12)；
内周界风通道(2)的顶端通过法兰(13)进行密封，中心管(1)顶端穿出法兰(13)；
中心管(1)被划分为两段，分别为上段管路和下段管路，上段管路为伸出内周界风通道(2)的部分，下段管路为位于内周界风通道(2)内的部分，且上段管路的口径远远小于下段管路；
钝体(12)位于中心管(1)内部底端，用于对中心管(1)底端进行密封，且钝体(12)上设有通气孔；
内周界风通道(2)的侧壁上设有内周界风进气口(2-1)，荒煤气通道(3)的顶端位于内周界风进气口(2-1)下方，且通过密封盖板对其荒煤气通道(3)的顶端进行密封；
荒煤气通道(3)的侧壁上设有荒煤气入口(3-1)，荒煤气入口(3-1)用于通入荒煤气，所述的荒煤气为压力小于3MPa、温度为500℃至980℃、可燃气仅含带颗粒粒径小于70微米的半焦、焦炭颗粒的气固两相流；荒煤气通道(3)的底端通过荒煤气渐扩锥管(6)与荒煤气适配环(7)连通；荒煤气适配环(7)的底端与外周界风通道(4)平齐；
外周界风通道(4)的顶端位于荒煤气入口(3-1)下方，且通过密封盖板对其外周界风通道(4)的顶端进行密封；外周界风通道(4)的底端固定有外周界风扩散锥管(8)，且二者连通；外周界风通道(4)的侧壁上设有外周界风进气口(4-1)；
水冷盘管冷却系统(5)用于对荒煤气通道(3)进行冷却保护；
中心管(1)的外侧壁与内周界风通道(2)的内侧壁之间构成了内周界风环形通道，径向旋流器(9)设置在内周界风环形通道内，用于对内周界风环形通道内的内周界风的旋流强度进行调节；
内周界风通道(2)的外侧壁与荒煤气通道(3)内侧壁之间构成了荒煤气环形通道，扩散小火焰发生器(10)设置在荒煤气环形通道底端，用于喷射环向均匀分布的多股荒煤气气流，通过对多股荒煤气气流进行点燃形成多重扩散小火焰；
荒煤气通道(3)的外侧壁与外周界风通道(4)的内侧壁之间构成了外周界风环形通道，轴向旋流器(11)设置在外周界风环形通道底端，用于调节外周界风的旋流强度。
2.根据权利要求1所述的一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器，其特征在于，包括由内至外同轴设置的中心管(1)、内周界风通道(2)、荒煤气通道(3)和外周界风通道(4)，且四者底端连通，中心管(1)、内周界风通道(2)和荒煤气通道(3)的底端平齐，其中，中心管(1)、内周界风通道(2)和外周界风通道(4)均用于通入空气；荒煤气通道(3)用于通入荒煤气，其特征在于，旋流燃烧器还包括水冷盘管冷却系统(5)、荒煤气渐扩锥管(6)、荒煤气适配环(7)、外周界风扩散锥管(8)、径向旋流器(9)、扩散小火焰发生器(10)、轴向旋流器(11)和钝体(12)；
内周界风通道(2)的顶端通过法兰(13)进行密封，中心管(1)顶端穿出法兰(13)；
内周界风通道(2)的侧壁上设有内周界风进气口(2-1)，荒煤气通道(3)的顶端位于内周界风进气口(2-1)下方，且通过密封盖板对其荒煤气通道(3)的顶端进行密封；
荒煤气通道(3)的侧壁上设有荒煤气入口(3-1)，荒煤气入口(3-1)用于通入荒煤气，所述的荒煤气为压力小于3MPa、温度为500℃至980℃、可燃气仅含带颗粒粒径小于70微米的半焦、焦炭颗粒的气固两相流；荒煤气通道(3)的底端通过荒煤气渐扩锥管(6)与荒煤气适配环(7)连通；荒煤气适配环(7)的底端与外周界风通道(4)平齐；
外周界风通道(4)的顶端位于荒煤气入口(3-1)下方，且通过密封盖板对其外周界风通道(4)的顶端进行密封；外周界风通道(4)的底端固定有外周界风扩散锥管(8)，且二者连通；外周界风通道(4)的侧壁上设有外周界风进气口(4-1)；
水冷盘管冷却系统(5)用于对荒煤气通道(3)进行冷却保护；
中心管(1)的外侧壁与内周界风通道(2)的内侧壁之间构成了内周界风环形通道，径向旋流器(9)设置在内周界风环形通道内，用于对内周界风环形通道内的内周界风的旋流强度进行调节；
钝体(12)套固在中心管(1)外部底端，且钝体(12)与径向旋流器(9)相对设置，且二者间存在间距；中心管(1)的口径远远小于内周界风通道(2)的口径；
内周界风通道(2)的外侧壁与荒煤气通道(3)内侧壁之间构成了荒煤气环形通道，扩散小火焰发生器(10)设置在荒煤气环形通道底端，用于喷射环向均匀分布的多股荒煤气气流，通过对多股荒煤气气流进行点燃形成多重扩散小火焰；
荒煤气通道(3)的外侧壁与外周界风通道(4)的内侧壁之间构成了外周界风环形通道，轴向旋流器(11)设置在外周界风环形通道底端，用于调节外周界风的旋流强度。
3.根据权利要求1或2所述的一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器，其特征在于，扩散小火焰发生器(10)为圆环形结构，且沿圆环形结构周向方向上均匀的设有N个轴向喷口(10-1)，N为大于或等于5的整数。
4.根据权利要求1或2所述的一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器，其特征在于，轴向喷口(10-1)的径向截面的直径相同或渐变；其中，渐变的方式包括渐缩或渐扩。
5.根据权利要求1或2所述的一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器，其特征在于，水冷盘管冷却系统(5)包括两个水冷盘管(5-1)，其中，第一个水冷盘管(5-1)位于外周界风环形通道内，并盘绕在荒煤气通道(3)的外侧壁上，第二个水冷盘管(5-1)位于内周界风环形通道内，并盘绕在内周界风通道(2)的内侧壁上；
两个水冷盘管(5-1)内通入循环的冷却水用于对荒煤气通道(3)进行冷却保护。
6.根据权利要求5所述的一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器，其特征在于，水冷盘管冷却系统(5)还包括位于燃烧器外部的阀门(5-2)、进水管线(5-3)、下降管(5-4)、高压循环泵(5-5)和回水管线(5-6)；
下降管(5-4)通过进水管线(5-3)同时与两个水冷盘管(5-1)的进水口连通，下降管(5-4)通过回水管线(5-6)同时与两个水冷盘管(5-1)的回水口连通，
阀门(5-2)设置在进水管线(5-3)上；
高压循环泵(5-5)设置在回水管线(5-6)上，用于将两个水冷盘管(5-1)内的水泵回下降管(5-4)。
7.根据权利要求4所述的一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器，其特征在于，轴向喷口(10-1)的径向截面渐缩或渐扩的夹角为20°至70°。
8.根据权利要求1所述的一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器，其特征在于，荒煤气适配环(7)出口端面与中心管(1)出口端面的间距为H1，且H1＝(0.5～1.5)D1；其中，D1表示中心管(1)的下段管路的外径。
9.根据权利要求2所述的一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器，其特征在于，荒煤气适配环(7)出口端面与中心管(1)出口端面的间距为H1，且H1＝(0.5～1.5)D2；其中，D2表示钝体(12)的外径。
10.根据权利要求1或2所述的一种燃用高温荒煤气的旋流燃烧器，其特征在于，荒煤气渐扩锥管(6)的径向截面为矩形、正方形或圆形的直管，且荒煤气渐扩锥管(6)的扩散角A1的取值为15°至35°；
内周界风通道(2)的径向截面为矩形、正方形或圆形的直管；
荒煤气通道(3)的径向截面为矩形、正方形或圆形的直管；
荒煤气适配环(7)的径向截面为矩形、正方形或圆形的直管。
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