CN202452487U - 一种浓侧分级的煤粉解耦燃烧器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种浓侧分级的煤粉解耦燃烧器，所述燃烧器包括喷口(1)和一对集粉稳焰器，该一对集粉稳焰器后端的横截面为由喷口(1)边缘至中心逐渐缩小的阶梯状结构。本实用新型提供的煤粉解耦燃烧器及燃烧方法的突出特点：通过集粉稳焰器对浓粉气流的局部再分级浓缩，可使局部煤粉气流达到超浓的浓缩效果。由于从浓到淡逐级引燃的燃烧方式即可产生解耦燃烧的效果，局部浓缩相比整体浓缩可以减小整个系统设备的压降和磨损。

Description

一种浓侧分级的煤粉解耦燃烧器

技术领域

本实用新型涉及煤粉燃烧设备领域，具体地，本实用新型涉及一种浓侧分级的煤粉解耦燃烧器。

背景技术

在煤粉燃烧的实际应用中，随着煤粉空气混合物在燃烧阶段的燃烧温度和氧浓度的提高，煤粉更易快速、充分燃尽，烟气中飞灰可燃物(未燃尽碳和CO)的含量降低；同时，高温富氧又会使燃烧过程中生成的NO_x大幅提高；另一方面，煤粉空气混合物在燃烧阶段的燃烧温度和氧浓度越低越有利于抑制氮氧化物NO_x生成，但煤粉更不易燃尽。因而，解除煤粉燃烧的飞灰可燃物与NO_x的耦合排放问题是燃烧技术上长期存在的技术难点。

目前，已开发的适用于煤粉燃烧锅炉的低NO_x燃烧技术主要有空气分级燃烧技术等。由于前述的耦合排放关系，传统技术往往只能侧重一个方面问题的解决，不仅不能彻底地解决问题，同时还带来许多其它问题。例如宏观空气分级燃烧技术降低NO_x的效率较低，同时还会使富氧燃烧的阶段拖后，极难燃尽的焦炭和半焦推迟到低温燃烧区去燃尽，致使飞灰可燃物的含量增高，而且炉膛中大范围还原性气氛也使得炉膛结焦和水冷壁的高温腐蚀几率大大增加。

目前已开发的煤粉低氮燃烧器多采用煤粉浓缩后燃烧的方式，一定程度上可降低NO_x的排放，但由于浓缩效率不高，浓缩后的浓煤粉气流的A/C(空气质量与煤粉质量的比值)多在0.8～1.3之间，特别是对于挥发分低于10％～20％的煤，该气流煤粉燃烧时的空气量依然高于或接近煤中挥发分燃烧所需的空气量，挥发分与氧气的气相反应速度较快，因而该燃烧条件必然会使得煤中热解出的氮大量与氧气结合，转化成NO_x。已生成的NO_x虽然可通过控制空气的供给过程，使之利用半焦在还原性气氛中燃烧来部分还原，但此多相反应受气固反应速率限制，该阶段以C、CO等为主的还原剂反应活性较低，气流进入炉膛空间扩大后，还原剂扩散速度以及与NO_x的接触几率极低，因而在炉膛内还原反应难以充分完成，降低NO_x排放的效率较低。

解耦燃烧技术可以实现解除煤炭燃烧的飞灰可燃物与NO_x的耦合排放关系，是同时降低飞灰可燃物和NO_x排放的有效方法。其机理是：将煤炭燃烧过程分为两个阶段，第一阶段，煤炭在很高的还原性气氛下发生热解、气化和煤气燃烧，充分利用煤炭自身的热解和气化产物将燃料型NO_x转化为更为稳定的N₂；第二阶段创造高温富氧但不产生热力型NO_x的环境，再确保煤炭的充分燃尽。

由此可见，解耦燃烧抑制NO_x排放的关键过程，在燃烧初期热解气化产生的挥发份氮的转化过程，该过程主要在一次风内部、二次风混合前的较小空间范围进行，一次风与二次风混合后即开始燃尽阶段，不需要前述的空气分级燃烧产生的大范围炉膛还原性气氛。该过程是属于微观上的分级燃烧，只是机理不同于前述的宏观上的空气分级燃烧，解耦燃烧的还原剂充分利用了热解气化产物，反应活性更高。目前，人们已对解耦燃烧降低NO_x的机理进行了深入研究，专利“低氮氧化物排放煤粉解耦燃烧器及煤粉解耦燃烧方法”(中国实用新型专利申请号：201110033811.8)实用新型了一种煤粉解耦燃烧器和煤粉解耦燃烧方法，其煤粉浓缩与稳燃是一体化的结构，虽然煤粉浓缩和气流加热的综合性能较好，但结构相对较为复杂，制造成本较高。另外，由于煤粉浓缩集成在燃烧器喷口上，使得煤粉浓淡分离性能不可调节，因而对燃用不同煤种只能通过提前设计来适应，因而灵活性较低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供了一种浓侧分级的煤粉解耦燃烧器，所述该燃烧器不仅可以提高解耦燃烧的效果，结构也较为简单，可以和任意一种煤粉浓缩装置对接，灵活性较高，对燃用不同煤种的适应性增强。

为了实现上述目的本实用新型提供的一种浓侧分级的煤粉解耦燃烧器，所述燃烧器包括喷口1和一对集粉稳焰器，沿气流方向，该一对集粉稳焰器后端的横截面为由喷口1边缘至中心逐渐缩小的阶梯状结构，常规集粉稳焰器中横截面为由上之下以及由下之上逐渐缩小的阶梯状结构，例如在申请号为201110033811.8的专利申请(如图1所示)，采用该结构时，煤粉在喷口1的中心处浓度最大，并随阶梯结构由中心往喷口外侧递减，而在本实用新型中改变常规的设置方法，将集粉稳焰器设置为横截面由喷口1边缘至中心逐渐缩小的阶梯状结构，通过所述设置煤粉气流流经集粉稳焰器时，由于集粉稳焰器后端的阶梯型结构，在该通道内形成靠近喷口外壳体的外侧气流煤粉浓度更高、流速更快，靠近喷口内中心的煤粉浓度和流速呈相应降低的阶梯式分布；由于集粉稳焰器的前端在外侧形成更大的回流空间，从炉膛回流的热烟气量更大，而且外侧超浓煤粉气流更容易和热烟气相接处，因而外侧超浓煤粉气流受加热的强度更高，煤粉热解气化和燃烧速度更高。

作为上述方案的一种改进，所述一对集粉稳焰器包括中间集粉稳焰器2和与中间集粉稳焰器2的斜面相对的设置于喷口外壳体侧壁上的侧壁集粉稳焰器3，喷口1外壳与中间集粉稳焰器2平面形成淡粉通道，中间集粉稳焰器2的斜面和侧壁集粉稳焰器3之间形成浓粉通道。

作为上述方案的再一改进，所述所述的喷口1的中部设置浓淡隔板4，该浓淡隔板4的后端与中间集粉稳焰器2的前端相接，浓淡隔板4的两端与喷口外壳体连接。

作为上述方案的又一改进，所述中间集粉稳焰器2整体的截面呈扁锥形，沿气流方向，中间集粉稳焰器2前端截面小，后端截面大，所述中间集粉稳焰器2平面的两端与喷口外壳体连接，中间集粉稳焰器2的后端距喷口外壳体的后端留有距离。

作为上述方案的又一改进，所述侧壁集粉稳焰器3的数目为两个，该侧壁集粉稳焰器3的整体横截面呈扁锥形，沿气流方向，前端截面小，后端截面大，侧壁集粉稳焰器3的外侧面与喷口1连接，斜侧面与中间集粉稳焰器2的斜侧面之间设有空间。

本实用新型中基于浓侧分级的煤粉解耦燃烧器的燃烧方法包括以下步骤：

1)所述煤粉进入喷口1后，经过相对设置的一对集粉稳焰器时，由于斜面的挤压作用，空气向喷口内中部流动，煤粉由于惯性作用，煤粉气流的浓度提高，形成浓煤粉气流

2)所述煤粉经过相对设置的集粉稳焰器时，由于该一对集粉稳焰器后端的阶梯型结构，阶梯高的气流受挤压大，在该通道内形成靠近喷口外壳体的外侧气流煤粉浓度更高、流速更快，靠近喷口内中心的煤粉浓度和流速呈相应降低的阶梯式分布，该一对集粉稳焰器的前端在外侧形成更大的回流空间，从炉膛回流的热烟气量更大，外侧浓煤粉气流受加热的强度更高。

作为优选，本实用新型的装置还可以和其他煤粉煤粉浓缩装置对接，从而实现对煤粉的进一步浓缩，得到浓侧再分级的煤粉解耦燃烧器，所述一对集粉稳焰器包括中间集粉稳焰器2和与中间集粉稳焰器2的斜面相对的设置于喷口外壳体侧壁上的侧壁集粉稳焰器3，该中间集粉稳焰器2将喷口1分成浓粉通道和淡粉通道，所述煤粉中的浓粉气流6和淡粉气流5分别进入喷口1的浓粉通道和淡粉通道，淡粉气流5经过喷口1进入炉膛燃烧，其气流通道横截面的面积沿气流方向逐渐变小。

作为进一步的优选，所述步骤1)和2)包括以下子步骤：

11)浓粉气流6经过相对设置的中间集粉稳焰器2的浓粉通道时，由于斜面的挤压作用，空气向喷口内中部流动，煤粉由于惯性作用，浓煤粉气流的浓度进一步提高，形成超浓煤粉气流；使得浓侧煤粉气流再分级为超浓煤粉气流和浓煤粉气流；

21)浓粉气流6经过相对设置的中间集粉稳焰器2的浓粉通道时，由于中间集粉稳焰器2和侧壁集粉稳焰器3后端的阶梯型结构，阶梯高的气流受挤压大，在该通道内形成靠近喷口外壳体的外侧气流煤粉浓度更高、流速更快，靠近喷口内中心的煤粉浓度和流速呈相应降低的阶梯式分布；由于中间集粉稳焰器2和侧壁集粉稳焰器3的前端在外侧形成更大的回流空间，从炉膛回流的热烟气量更大，外侧超浓煤粉气流受加热的强度更高；

22)外侧超浓煤粉气流急速升温，超浓煤粉发生快速热解、气化，挥发分氮比例大幅提高，超浓煤粉气流的含氧量极低，以及煤热解气化后的挥发分中还原性强，挥发分氮生成稳定的N₂，超浓粉气流的挥发分燃烧后，相继与浓粉气流和淡粉气流逐步混合燃烧，由于浓煤粉中的焦炭已相继燃烧，对氧气的消耗增大，致使淡粉气流与浓粉气流混合后燃烧仍处于贫氧环境下，同时受焦炭的催化还原作用，因而焦炭氮转化为NO_x的比率很低。

作为进一步的优选，所述方法进一步包括以下步骤：燃烧器内浓粉、淡粉的挥发分以及浓粉焦炭燃烧转化为N₂后，及时补充二次风，让煤粉发生高温富氧反应，延长在炉膛充分燃烧的时间，从而充分燃尽，降低烟气中飞灰可燃物、CO的含量，实现了粉煤的解耦燃烧。

本实用新型提供的煤粉解耦燃烧器及燃烧方法的突出特点：

1、通过集粉稳焰器对浓粉气流的局部再分级浓缩，可使局部煤粉气流达到超浓的浓缩效果。由于从浓到淡逐级引燃的燃烧方式即可产生解耦燃烧的效果，局部浓缩相比整体浓缩可以减小整个系统设备的压降和磨损；

2、本实用新型的集粉稳焰器的煤粉最浓区在喷口的外侧，这样更有利于更多的热烟气卷吸到超浓煤粉气流，使之受到高速加热的能力更强；

3、该燃烧器适应性强。由于可以和任意一种煤粉浓缩装置对接，灵活性较高，对不同炉型和燃用不同煤种的适应性增强；

4、本实用新型的燃烧器结构也较为简单，造价低，维护容易。

附图说明

图1为现有含有集粉稳焰器的解耦燃烧器结构正视图；

图2为本实用新型的煤粉解耦燃烧器的结构正视图；

图3为本实用新型的煤粉解耦燃烧器的结构剖视图；

图4为本实用新型的煤粉解耦燃烧器的结构右视图。

附图标识

1、喷口        2、中间集粉稳焰器    3、侧壁集粉稳焰器

4、浓淡隔板    5、淡粉气流          6、浓粉气流

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的浓侧分级的煤粉解耦燃烧器作进一步的说明。

如图2所示，本实用新型所述的解耦燃烧器包括喷口1，中间集粉稳焰器2，侧壁集粉稳焰器3和浓淡隔板4。

所述中间集粉稳焰器2位于喷口1内的中部，所述中间集粉稳焰器2的结构形式见附图3(燃烧器正视图)和附图4(燃烧器右侧剖视图)，其整体为一个不规则的扁锥形体，平面的两端与喷口外壳体连接，斜面的两侧分别与喷口外壳体围成不同通道；在实施例部分，集粉稳焰器2的前端与喷口外壳体的前端均相对于粉煤气流相反的方向而言，在后面的部分，不做特殊说明均以粉煤气流相反的方向作为参照；中间集粉稳焰器2的前端距位于喷口1的前端留有距离；中间集粉稳焰器2的后端与浓淡隔板4的前端相接，浓淡隔板4的两端与喷口外壳体连接，中间集粉稳焰器2和浓淡隔板4从而将喷口1内部分隔为两部分通道；中间集粉稳焰器2前端截面大，后端截面小，其中前端的一斜侧面设有阶梯型的平面槽道，在喷口中间部位低，靠近喷口外壳体外壳侧高；

在喷口1内，中间集粉稳焰器2设有阶梯型平面槽道的一侧，设有侧壁集粉稳焰器3，侧壁集粉稳焰器3其整体为一个不规则的扁锥形体，前端截面大，后端截面小，外侧面与喷口1连接，斜侧面与中间集粉稳焰器2的斜侧面相对并保持一定距离，前端的斜侧面设有阶梯型的平面槽道，在喷口中间部位低，靠近喷口1外壳侧高；

而常规集粉稳焰器中横截面为由上之下以及由下之上逐渐缩小的阶梯状结构，例如在申请号为201110033811.8的专利申请(如图1所示)，采用该结构时，煤粉在喷口1的中心处浓度最大，并随阶梯结构由中心往喷口外侧递减，而在本实用新型中改变常规的设置方法，将集粉稳焰器设置为横截面由喷口1边缘至中心逐渐缩小的阶梯状结构，通过所述设置煤粉气流流经集粉稳焰器时，由于集粉稳焰器后端的阶梯型结构，在该通道内形成靠近喷口外壳体的外侧气流煤粉浓度更高、流速更快，靠近喷口内中心的煤粉浓度和流速呈相应降低的阶梯式分布；由于集粉稳焰器的前端在外侧形成更大的回流空间，从炉膛回流的热烟气量更大，而且外侧超浓煤粉气流更容易和热烟气相接处，因而外侧超浓煤粉气流受加热的强度更高，煤粉热解气化和燃烧速度更高。

通过外部煤粉浓缩后的浓粉气流6经过喷口1内设有侧壁集粉稳焰器3的一侧通道进入炉膛燃烧，由于中间集粉稳焰器2和侧壁集粉稳焰器3的斜面，所形成的气流通道横截面的面积沿气流方向逐渐变小；淡粉气流5经过喷口1内另一侧通道进入炉膛燃烧，由于中间集粉稳焰器2的斜面，所形成的气流通道横截面的面积沿气流方向逐渐变小；中间集粉稳焰器2在喷口内起到钝体的作用，即煤粉气流靠近钝体斜面的两侧煤粉浓度高，并在钝体的前端形成了热烟气回流区；

当浓粉气流6经过相对的中间集粉稳焰器2和侧壁集粉稳焰器3之间的通道时，由于斜面的挤压作用，空气向喷口内中部流动，而煤粉由于惯性作用，大部分沿通道流过，这样在中间集粉稳焰器2和侧壁集粉稳焰器3之间的通道内流过的浓煤粉气流的浓度进一步提高，形成超浓煤粉气流；由于该通道的阶梯型结构，阶梯高的气流受挤压大，压力也较高，这样在该通道内形成靠近喷口外壳体的外侧气流煤粉浓度更高、流速更快，靠近喷口内中部的煤粉浓度和流速相应降低的阶梯式分布；由于中间集粉稳焰器2和侧壁集粉稳焰器3的前端在外侧截面更大，两者在外侧有更大的回流空间，因而从炉膛回流的热烟气量更大，外侧超浓煤粉气流受加热的强度更高；

在外侧超浓煤粉气流的双侧对炉膛高温烟气的更强射流卷吸形成更大的回流热量，这样可使外侧着火热很小，截面积很薄的超浓煤粉气流快速在强还原性气氛下发生燃烧，逐级引燃中部浓煤粉气流；并在炉膛内，已经燃烧的浓煤粉气流再引燃淡粉气流，实现逐级点火燃烧的过程。

该逐级点火燃烧的过程更有利于提高解耦燃烧的效果。首先使超浓煤粉气流温度急速升高到700～1200℃高温，煤粉发生快速热解、气化，挥发分氮比例大幅提高。由于超浓煤粉气流的含氧量极低，以及煤热解气化后的挥发分中NH₃、NCH、C_mH_n(碳氢化合物)、CO的强还原性，该阶段挥发分氮生成的NO_x大部分已转化成稳定的N₂。浓粉气流的挥发分燃烧后，相继与浓粉气流和淡粉气流逐步混合燃烧；由于浓煤粉中的焦炭已相继燃烧，对氧气的消耗增大，致使淡粉气流与浓粉气流混合后燃烧仍处于贫氧环境下，直至与二次风混合后，贫氧燃烧的条件才有所变化。由于大部分挥发分已燃烧完，而焦炭氮析出时首先穿过碳粒表面还原性气氛层，同时受焦炭的催化还原作用，因而焦炭氮转化为NO_x的比率很低。燃烧器燃烧较早地完成N₂的转化后，可及时补充二次风，让煤粉及早发生高温富氧反应，延长在炉膛充分燃烧的时间，从而充分燃尽，降低烟气中飞灰可燃物、CO的含量。由上所述，该燃烧方式可解决煤粉燃烧的飞灰可燃物、CO与NO_x的耦合排放问题，实现了二者排放同时降低的解耦燃烧。

本实用新型所述的集粉稳焰器整体的横截面也可为斜波浪形等形式，只要达到外侧截面大，内侧截面小，且与煤粉气流接触的周界长即可；

本实用新型所述的中间集粉稳焰器2也可以仅一侧为阶梯型截面，与之对应的侧壁集粉稳焰器3也可以只有一个，这样可在不增大整个燃烧器外形尺寸下，有更大空间提升和确保一侧的性能。

本实用新型的淡粉侧也可采用与浓粉侧相同的结构形式，以提高淡粉侧的燃烧性能。

本实用新型的喷口1可以为矩形也可以为圆形或椭圆形，不影响本实用新型方案的实施。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种浓侧分级的煤粉解耦燃烧器，所述燃烧器包括喷口(1)和一对集粉稳焰器，其特征在于，该一对集粉稳焰器后端的横截面为由喷口(1)边缘至中心逐渐缩小的阶梯状结构。

2.根据权利要求1所述的浓侧分级的煤粉解耦燃烧器，其特征在于，所述一对集粉稳焰器包括设置于喷口(1)内的中间集粉稳焰器(2)和与中间集粉稳焰器(2)的斜面相对的设置于喷口外壳体侧壁上的侧壁集粉稳焰器(3)，喷口(1)外壳与中间集粉稳焰器(2)平面形成淡粉通道，中间集粉稳焰器(2)的斜面和侧壁集粉稳焰器(3)之间形成浓粉通道。

3.根据权利要求1所述的浓侧分级的煤粉解耦燃烧器，其特征在于，所述的喷口(1)的中部设置浓淡隔板(4)，该浓淡隔板(4)的后端与中间集粉稳焰器(2)的前端相接，浓淡隔板(4)的两端与喷口外壳体连接。

4.根据权利要求2或3所述的浓侧分级的煤粉解耦燃烧器，其特征在于，所述中间集粉稳焰器(2)整体的截面呈扁锥形，沿气流方向，中间集粉稳焰器(2)前端截面小，后端截面大，所述中间集粉稳焰器(2)平面的两端与喷口外壳体连接，中间集粉稳焰器(2)的后端距喷口外壳体的后端留有距离。

5.根据权利要求2或3所述的浓侧分级的煤粉解耦燃烧器，其特征在于，所述侧壁集粉稳焰器(3)的数目为两个，该侧壁集粉稳焰器(3)的整体横截面呈扁锥形，沿气流方向，前端截面小，后端截面大，侧壁集粉稳焰器(3)的外侧面与喷口(1)连接，斜侧面与中间集粉稳焰器(2)的斜侧面之间设有空间。

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