WO2015062455A1 - 煤粉燃烧器以及锅炉 - Google Patents

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李明
林淑胜
孙树翁
刘欣
伊磊
王志远
姬亚
甄晓伟
李强
李平
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    • F23DBURNERS
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    • F23D2201/00Burners adapted for particulate solid or pulverulent fuels
    • F23D2201/20Fuel flow guiding devices

Abstract

一种煤粉燃烧器以及使用该煤粉燃烧器的锅炉,其中,该煤粉燃烧器包括中心风筒(46,56)、一次风筒(42,52)以及设置在一次风筒(42,52)内的双区流场生成结构。一次风筒(42,52)套设于中心风筒(46,56)之外;双区流场生成结构能使经过双区流场生成结构并由一次风筒(42,52)喷出的含粉气流的煤粉浓度呈外淡内浓的状态分布,并能在浓度较低的含粉气流(65)与浓度较高的含粉气流(64)之间形成环形回流区(12,32,63),在浓度较高的气流内部形成中心回流区(24,62,71)。该燃烧器可以更为有效的抑制NOx的生成。

Description

煤粉燃烧器以及锅炉 技术领域
本发明涉及煤粉燃烧技术,具体涉及一种煤粉燃烧器以及设置该煤粉燃烧器的锅炉。
背景技术
煤炭市场波动,供电需求下降,大多数电厂通过改变燃煤结构来提高企业效益。同时,燃煤结构的变化即锅炉实际运行煤质与原设计煤质之间的巨大差别,造成燃烧器出口气流流场混乱,难以满足合理的气流流场,燃烧器着火燃烧特性下降,NOx排放特性变差。
NOx是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)等多种氮氧化物的统称,主要来源于燃料的燃烧产物,是大气中一种主要的污染物。其中,电站锅炉煤粉等燃料是NOx产生的主要燃烧来源。为了降低煤粉锅炉中的NOx排放量,现有技术提供了多种煤粉燃烧器。
申请号为200610021753.6的中国发明专利申请公开了一种旋流煤粉燃烧器,题为《旋流煤粉燃烧器的燃烧优化》的论文对具有该专利公开的技术方案的燃烧器进行了试验研究,并公开了针对该型燃烧器的研究结论。研究结论表明:该型燃烧器在一次风通道内设置2~3级煤粉浓淡分离机构和楔形凹槽的主喷嘴,使得一次风的煤粉气流沿燃烧器径向形成由内向外由淡向浓的分布形态,实现煤粉气流浓淡分离,并通过与二次风气流相互影响,在一次风煤粉气流和四周的二次风气流之间形成环形回流区域。
如图1所示:在煤粉燃烧器出口11的下游,从燃烧器轴线10沿径向向外分别为淡煤粉气流14、浓煤粉气流15,环形回流区12和二次风气流13;煤粉气流集中在燃烧器轴线10附近,呈现出四周浓、中心淡的浓度分布状态;浓煤粉气流15外周为带有一定负压的环形回流区12;环形回流区12从炉膛内卷席来的高温烟气直接与浓煤粉气流15接触,将其加热至着火温度以上,使煤粉气流由外向内,由浓至 淡逐渐开始着火、燃烧,在进入燃尽区16燃烧并燃尽。同时,在进入燃尽区16之前,该煤粉燃烧器能够使浓煤粉气流15在欠氧的还原性气氛条件下燃烧,抑制NOx的生成。
申请号为03111101.7的中国发明专利申请公开了一种中心给粉旋流燃烧器,题为《中心给粉旋流燃烧器气固两相流动的数值模拟》的论文公开了针对该燃烧器的研究结论。研究结论表明:该燃烧器通过多个分离环使一次风的煤粉气流沿燃烧器径向形成由内向外由浓至淡的分布状态,实现煤粉气流浓淡分离;同时利用二次风的旋转作用在燃烧器出口的中心轴线位置形成中心回流区,中心回流区通过卷席高温烟气将煤粉气流点燃;二次风分级送入,实现空气分级燃烧。
如图2所示:在煤粉燃烧器出口21的下游,从燃烧器轴线20沿径向向外分别形成中心回流区24、浓煤粉气流22、淡煤粉气流23,以及二次风气流25。在燃烧器轴线20附近的中心回流区24内,从炉膛深处卷吸来的高温烟气加热煤粉气流,使从煤粉燃烧器内射出的煤粉气流由内向外、由浓煤粉气流22向淡煤粉气流23逐渐着火,并燃烧;二次风气流25包覆在已着火的煤粉气流22外部并分级供入,与煤粉气流进入燃尽区26进行混合燃烧。浓煤粉气流22含有煤粉气流中的大多数煤粉,在进入燃尽区26之前,该型燃烧器能够使浓煤粉气流22在欠氧的还原性气氛条件下燃烧,从而抑制NOx的生成。
申请号为201010167308.7的中国发明专利申请公开了一种煤粉燃烧器及包括该煤粉燃烧器的煤粉锅炉,该技术通过实际工程项目验证,主要有如下结论:该型燃烧器通过采用多个煤粉分隔筒和煤粉导流筒,将燃烧器的一次风含粉气流强制分隔成浓煤粉气流和淡煤粉气流,使得燃烧器喷口处形成沿径向由内向外由浓到淡的煤粉浓度分布状态,二次风分级供入与煤粉混合燃烧,加上二次风的旋流作用,在浓煤粉气流和煤粉气流间形成环形回流区,利用卷吸的高温烟气实现煤粉的着火、燃烧。
如图3所示:在煤粉燃烧器出口31的下游,从燃烧器轴线30沿径向向外分别为浓煤粉气流34、环形回流区32、淡煤粉气流33和二 次风气流35;煤粉气流集中在燃烧器轴线30附近,呈现出四周淡、中心浓的浓度分布状态;浓煤粉气流34外周和淡煤粉气流33内沿为带有一定负压的环形回流区32;环形回流区32从炉膛内卷吸来的高温烟气直接与浓煤粉气流34和淡煤粉气流33接触,将两者加热至着火温度以上,并开始着火、燃烧,在进入燃尽区36燃烧并燃尽。同时,在进入燃尽区36之前,该煤粉燃烧器能够使浓煤粉气流34在欠氧的条件下燃烧,抑制NOx的生成。
现有技术至少存在以下诸多技术问题:
现有技术中,煤粉浓缩器或分隔筒分离性能的优劣直接影响煤粉的浓淡分离效果,进而影响煤粉燃烧器的浓度分布状态对煤粉燃烧初期NOx的抑制性能。
现有技术中,通过煤粉浓缩器和分隔筒分离形成的浓煤粉气流和淡煤粉气流在射离燃烧器出口后,由于受到相互间气流的影响,浓煤粉气流和淡煤粉气流在进入燃尽区之前,很容易再次发生混合,破坏浓淡分离效果,影响燃烧器的NOx抑制性能。
现有技术中,通过煤粉浓缩器和分隔筒分离形成的浓煤粉气流和淡煤粉气流在射离燃烧器出口后,淡煤粉气流由于受到二次风的影响和自身刚性的特性,很容易与二次风发生混合,在高温烟气的卷席下,再次生成NOx,影响燃烧器的NOx抑制性能。
现有技术中,由于燃烧器输送煤粉特性的变化,一次风气流和二次风气流速度和动量随之变化,燃烧器出口形成的环形回流区和中心回流区一定程度推迟了二次风气流与一次风气流的混合时机,使得煤粉燃烧初期形成了欠氧还原性气氛条件,一定程度上抑制NOx的生成;同时,燃烧器出口一次风气流刚性的变化,二次风气流不能很好包覆在外周,造成煤粉燃烧后期二次风气流和一次风气流不能充分混合,生成大量的一氧化碳,影响煤粉的燃尽程度。
总之,如何更好地实现煤粉气流的浓淡分离,实现燃烧器出口气流的合理流场,实现燃烧器的强着火和燃尽特性,从而在不影响锅炉安全、经济运行的前提下更好地抑制煤粉锅炉NOx的生成是当前本领 域技术人员面临的一个技术难题。
发明内容
本发明的目的是提出一种煤粉燃烧器以及设置该煤粉燃烧器的锅炉,解决了现有技术中存在煤粉气流浓淡分离效果较差,一氧化碳排放浓度高,气流流场混乱,一氧化碳排放、煤粉燃尽及NOx排放间的制约和矛盾,导致无法有效深度抑制NOx生成的技术问题。
另外,本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案还具有燃烧效率高、煤种适应性更强等诸多优点。
为实现上述目的,本发明提供了以下技术方案:
本发明提供的煤粉燃烧器包括中心风筒、一次风筒以及设置在一次风筒内的双区流场生成结构,其中:
所述一次风筒套设于所述中心风筒之外;
所述双区流场生成结构能使经过所述双区流场生成结构并由所述一次风筒喷出的含粉气流的煤粉浓度呈外淡内浓的状态分布,并能在浓度较低的含粉气流与浓度较高的含粉气流之间形成环形回流区,在所述浓度较高的气流内部形成中心回流区。
在一个优选或可选地实施例中,所述双区流场生成结构包括导流风筒、挡块、喷口段以及能调整煤粉气流刚性的导流装置,其中:
所述导流风筒介于所述中心风筒的下游段以及所述一次风筒的下游段之间;
所述挡块固设于所述一次风筒上游段的内壁上,所述导流装置固设于所述中心风筒的外壁上,且所述导流装置位于所述导流风筒之内,所述导流风筒的出流端口处设置有所述喷口段,所述喷口段沿所述导流风筒的出流方向内径尺寸逐渐增大;
所述浓度较低的含粉气流由所述一次风筒的下游段与所述喷口段之间形成气流通道喷出;
所述浓度较高的含粉气流由所述导流风筒与所述中心风筒的下游段之间形成气流通道喷出。
在一个优选或可选地实施例中,所述挡块的横截面呈梯形,其包括依次相连的第一坡面、顶面以及第二坡面,所述第一坡面朝向所述一次风筒的进流端口,所述第二坡面朝向所述一次风筒的出流端口以及所述导流风筒的进流端口。
在一个优选或可选地实施例中,所述挡块上设置有通风孔或通风槽,所述通风孔或所述通风槽的最大延伸方向与所述一次风筒的出流方向相一致。
在一个优选或可选地实施例中,所述第一坡面与所述第二坡面的坡度不同。
在一个优选或可选地实施例中,所述中心风筒沿轴向方向包括依次相连的第一平直段、扩口段、第二平直段、外扩段、第三平直段以及缩口段,其中:
所述第一平直段、所述第二平直段以及所述第三平直段各自各处的外径尺寸一致;
所述扩口段、所述外扩段各自的外径尺寸沿所述中心风筒的出流方向逐渐增大;
所述缩口段的外径尺寸沿所述中心风筒的出流方向逐渐减小;
所述导流装置固设于所述第三平直段上,且所述导流装置与所述导流风筒的内壁之间存在间隙。
在一个优选或可选地实施例中,所述一次风筒的出流端口处设置有扩口部,所述扩口部的内径尺寸沿出流方向逐渐增大,且所述扩口部与所述煤粉燃烧器中轴线之间的夹角不小于(优选为大于)所述喷口段与所述煤粉燃烧器中轴线之间的夹角;和/或,所述导流风筒的出流端口处的内壁上固设有导流凸起,所述导流凸起的末端朝接近所述煤粉燃烧器中轴线的方向延伸。
在一个优选或可选地实施例中,所述导流风筒的出流端口处的内壁上固设有导流凸起,所述导流凸起的末端朝接近所述煤粉燃烧器中轴线的方向延伸。
在一个优选或可选地实施例中,所述扩口部与所述煤粉燃烧器中 轴线之间的夹角为5°~60°(优选为5~30°),所述扩口部与所述煤粉燃烧器中轴线之间的夹角以及所述喷口段与所述煤粉燃烧器中轴线之间的夹角两者之间的差值为5°~15°(优选为10°)。
在一个优选或可选地实施例中,所述导流风筒下游段固设有横截面呈梯形的定位台,所述定位台包括依次相连的上升坡面、安装台面以及下降坡面,所述上升坡面朝向所述一次风筒的进流端口,所述下降坡面朝向所述一次风筒的出流端口,另一导流装置固设于所述安装台面上。
在一个优选或可选地实施例中,所述双区流场生成结构包括锥形挡风筒、导流风筒以及喷口段,其中:
所述导流风筒介于所述中心风筒的下游段以及所述一次风筒的下游段之间;
所述锥形挡风筒外径较大的端口边棱固设于所述一次风筒上游段的内壁上,且所述锥形挡风筒沿所述一次风筒的出流方向内径尺寸逐渐减小;
所述导流风筒的出流端口处设置有所述喷口段,所述喷口段沿所述导流风筒的出流方向内径尺寸逐渐增大;
所述浓度较低的含粉气流由所述一次风筒的下游段与所述喷口段之间形成气流通道喷出;
所述浓度较高的含粉气流由所述导流风筒与所述中心风筒的下游段之间形成气流通道喷出。
在一个优选或可选地实施例中,所述中心风筒沿轴向方向包括依次相连的第一平直段、扩口段以及第二平直段,其中:
所述第一平直段与所述第二平直段均呈圆筒状;
所述扩口段外径尺寸沿中心风筒的出流方向逐渐增大。
本发明实施例提供的锅炉,包括本发明任一技术方案提供的煤粉燃烧器。
基于上述技术方案,本发明实施例至少可以产生如下技术效果:
本发明中一次风在通过双区流场生成结构(优选为包括挡块、导 流风筒)的过程中被分成浓、淡两股含粉气流,浓侧含粉气流的煤粉浓度较高,为煤粉管道气流煤粉浓度的1.5~2倍,淡侧含粉气流的煤粉浓度较低,为煤粉管道气流煤粉浓度的0.2~0.25倍,淡侧煤粉气流通过喷口段,与浓侧煤粉气流分开喷入炉膛,在一次风喷口出口处一段距离内,约500~1200mm,在浓侧煤粉气流和淡侧煤粉气流间形成环形回流区域,环形回流区域可以卷席高温烟气回流加热浓侧煤粉气流和淡侧煤粉气流,使得煤粉挥发分尽快析出,产生大量的HCN等中间产物,提供抑制NOx生成的条件。同时,淡侧煤粉气流含粉浓度低,空气含量较大,实现燃料和空气分级,推迟混合时机,深度抑制NOx生成。本发明中一次风中通过喷口段、导流装置在浓侧煤粉气流内部形成中心回流区,卷席高温烟气至浓侧煤粉气流内部,大量煤粉挥发份很快析出,为抑制NOx生成提供还原性气氛。同时,降低浓侧煤粉气流刚性,增强煤粉燃烧后期与空气的混合程度,提高煤粉的燃尽程度。
由上可见,本发明一次风筒内采用特殊的双区流场生成结构(包括煤粉气流的导流装置),实现一次风气流的弱旋特性,创新性的提出了在一次风粉内部实现“内置环形回流区”和“中心回流区”双区的气流流场特性;
本发明一次风喷口实现“外淡内浓”的煤粉分布状态,与“内置环形回流区“和”中心回流区”双区的高温烟气回流特性相适应;
本发明采用内置“双区”流场特性,利用火焰内还原,合理的解决了煤粉燃烧效率、CO排放和NOx抑制三者间的矛盾;
本发明在一次风粉内部实现“双区”的基础上,提出一次风与二次风间的回流区形状,满足不同煤种下所产生的HCN等中间产物与氧量隔绝的合理时机,所以解决了现有技术存在煤粉气流浓淡分离效果比较差,导致无法有效抑制NOx生成的技术问题。
本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案与现有技术相比还具有至少下述优点:
1、一次风部分内部结构的不同位置组合,更加适应电厂燃煤结 构的不断变化所带来的制粉系统出力和风率的变化。
本发明中,一次风中导流装置调整煤粉气流的刚性或动量,还可以调整煤粉气流中含粉较多,动量较大的煤粉颗粒沿筒段即导流风筒的近壁区域内流动,配合燃烧器出口的流场特性,提供煤粉提前着火和快速析出挥发分的条件。不同的导流装置的结构实现一次风出口不同大小和面积的中心回流区域,配合不同煤种的燃烧特性。煤种适应性更强,合理改变燃烧器出口气流流场,适应不同煤种的着火特性和低NOx特性。
2、在保证燃尽程度较高的前提下,减少了CO的排放,抑制了NOx的生成,合理的解决了燃烧器的煤粉燃尽程度、CO排放和NOx抑制三者间的矛盾,更大程度上实现了深度脱氮。
3、更加合理的解决了乏气与二次风混合所带来的着火问题、避免乏气与二次风的过早混合,降低了HCN等NOx中间产物与氧气过早接触的几率,更加深度抑制煤粉燃烧初期NOx的生产量。
4、本发明采用二次风与一次风喷口不同角度和形状的差别,二次风气流包覆一次风气流,有效保护燃烧器区域水冷壁的近壁区气氛,提高煤粉燃尽程度,控制CO的生成量,解决炉膛内水冷壁的高温腐蚀,缓解或解决了由于炉膛空气深度分级所带来的高温腐蚀。
5、本发明提供的煤粉燃烧器可以确保各级气流参数配比变化对燃烧效率不会造成影响。可以通过调节挡块、扩口段和导流风筒之间的相互位置,匹配浓煤粉气流通道和淡煤粉气流通道间的相互阻力,以调节两通道内气流内的含粉气流浓度配比,以适合燃烧器不同一次风筒的风率和出力对煤粉燃烧和抑制燃料型NOx特性的影响氛围,提供更为合适的气氛以有效的降低NOx的生成,避免各级气流参数配比变化对燃烧效率造成的影响。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构 成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为现有技术提供的一种具有环形回流区的煤粉燃烧器的流场分布图;
图2为现有技术提供的一种具有中心回流区的煤粉燃烧器的流场分布图;
图3为现有技术提供的一种具有环形回流区的煤粉燃烧器的流场分布图;
图4为本发明第一实施例所提供的煤粉燃烧器的剖视示意图;
图5为图4所示煤粉燃烧器工作过程中喷出的含粉气流的流场分布图;
图6为本发明第二实施例所提供的煤粉燃烧器的剖视示意图;
图7为图6所示煤粉燃烧器工作过程中喷出的含粉气流的流场分布图;
图8为本发明第三实施例所提供的煤粉燃烧器的剖视示意图;
图9为图8所示煤粉燃烧器工作过程中喷出的含粉气流的流场分布图;
附图标记:10、燃烧器中轴线;11、煤粉燃烧器出口;12、环形回流区;13、二次风气流;14、淡煤粉气流;15、浓煤粉气流;16、燃尽区;20、燃烧器中轴线;21、煤粉燃烧器出口;22、浓煤粉气流;23、淡煤粉气流;24、中心回流区;25、二次风气流;26、燃尽区;30、燃烧器中轴线;31、煤粉燃烧器出口;32、环形回流区;33、淡煤粉气流;34、浓煤粉气流;35、二次风气流;36、燃尽区;41、煤粉燃烧器中轴线;42、一次风筒;421、挡块;211、第一坡面;212、第二坡面;213、顶面;422、扩口段;423、外扩段;424、导流装置;425、导流风筒;426、喷口段;427、缩口段;428、导流凸起;429、锥形挡风筒;43、内二次风筒;431、旋流器;432、扩口部;44、外风筒;45、外二次风管;450、外二次风壁;451、旋流器;452、扩流部;46、中心风筒;461、第一平直段;462、第二平直段;47、壁体;471、碹口;51、煤粉燃烧器中轴线;52、一次风筒;521、挡块; 522、导流风筒;520、定位台;523、筒段;524、导流装置;525、导流环;526、扩口部;527、导流凸起;53、二次风筒;531、旋流器;551、旋流器;54、外风筒;55、外二次风筒;552、扩流部;553、外二次风壁;554、壁体;56、中心风筒;61、一次风筒中轴线;62、中心回流区;63、环形回流区;64、浓度较高的含粉气流;65、浓度较低的含粉气流;66、二次风气流;70、一次风筒中轴线;71、中心回流区;72、第一环形回流区;73、浓度较低的含粉气流;74、第二环形回流区;75、浓度较高的含粉气流;76、二次风气流。
具体实施方式
下面可以参照附图图1~图9以及文字内容理解本发明的内容以及本发明与现有技术之间的区别点。下文通过附图以及列举本发明的一些可选实施例的方式,对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。需要说明的是:本实施例中的任何技术特征、任何技术方案均是多种可选的技术特征或可选的技术方案中的一种或几种,为了描述简洁的需要本文件中无法穷举本发明的所有可替代的技术特征以及可替代的技术方案,也不便于每个技术特征的实施方式均强调其为可选的多种实施方式之一,所以本领域技术人员应该知晓:可以将本发明提供的任一技术手段进行替换或将本发明提供的任意两个或更多个技术手段或技术特征互相进行组合而得到新的技术方案。本实施例内的任何技术特征以及任何技术方案均不限制本发明的保护范围,本发明的保护范围应该包括本领域技术人员不付出创造性劳动所能想到的任何替代技术方案以及本领域技术人员将本发明提供的任意两个或更多个技术手段或技术特征互相进行组合而得到的新的技术方案。
本发明实施例提供了一种煤粉气流浓淡分离效果比较好,合理有效解决煤粉燃尽程度、一氧化碳排放浓度及NOx排放特性间的制约和矛盾,可以有效抑制NOx生成的煤粉燃烧器以及设置该煤粉燃烧器的锅炉。
下面结合图4~图7对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。
如图4~图7所示,本发明提供的煤粉燃烧器包括中心风筒46、一次风筒42以及设置在一次风筒42内的双区流场生成结构,其中:
一次风筒42套设于中心风筒46之外。
双区流场生成结构能使经过双区流场生成结构并由一次风筒42喷出的含粉气流的煤粉浓度呈外淡内浓的状态分布,并能在浓度较低的含粉气流65与浓度较高的含粉气流64之间形成环形回流区63,在浓度较高的气流内部形成中心回流区62。
环形回流区63与中心回流区62可以配合燃烧器出口的流场特性,提供煤粉提前着火和快速析出挥发分的条件,进而有效抑制NOx生成。
本发明第一实施例所提供的双区流场生成结构包括如图4和图5所示锥形挡风筒429、导流风筒425以及喷口段426,其中:
导流风筒425介于中心风筒46的下游段以及一次风筒42的下游段之间。
锥形挡风筒429外径较大的端口(该端口为锥形挡风筒429的进流口)边棱固设于一次风筒42上游段的内壁上,且锥形挡风筒429沿一次风筒42的出流方向内径尺寸逐渐减小;
导流风筒425的出流端口处设置有喷口段426,喷口段426沿导流风筒425的出流方向内径尺寸逐渐增大。
浓度较低的含粉气流65由一次风筒42的下游段与喷口段426之间形成气流通道喷出;
浓度较高的含粉气流64由导流风筒425与中心风筒46的下游段之间形成气流通道喷出。
锥形挡风筒429以及导流风筒425的共同作用下(当然,锥形挡风筒429以及导流风筒425两者其中任一也可以设计为同时具有两者中其中另一功能的结构,例如:可以设计为具体结构与两者中其中另一的结构类似,以起到双区流场生成结构的作用),从一次风筒42 流出的一次风在一次风出口即一次风筒42的出流端口形成了外淡内浓的分布状态,实现了煤粉浓度的浓淡分离,在喷口段426的导向作用下,浓淡两股含粉气流之间的间距被拉大,由此提高了煤粉浓度的浓淡分离的效果,同时,在浓侧煤粉气流和淡侧煤粉气流间形成环形回流区域,卷席高温烟气回流加热浓侧煤粉气流和淡侧煤粉气流,使得煤粉挥发分尽快析出,产生大量的HCN等中间产物,提供抑制NOx生成的条件。而且,淡侧煤粉气流含粉浓度低,空气含量较大,实现燃料和空气分级,推迟混合时机,深度抑制NOx生成。
作为优选或可选地实施方式,如图4所示中心风筒46沿轴向方向包括依次相连的第一平直段461、扩口段422以及第二平直段462,其中:第一平直段461与第二平直段462均呈圆筒状。
扩口段422外径尺寸沿中心风筒46的出流方向逐渐增大。
扩口段422可以增加接近中心风筒46外壁的含粉气流的浓度,使浓度较高的含粉气流在近壁区域流动。
本发明第二实施例所提供的双区流场生成结构包括如图6和图7所示导流风筒425、挡块421、喷口段426以及能调整煤粉气流的刚性或动量的导流装置424,其中:
导流风筒425介于中心风筒46的下游段以及一次风筒42的下游段之间。
挡块421固设于一次风筒42上游段的内壁上,导流装置424固设于中心风筒46的外壁上,且导流装置424位于导流风筒425之内,导流风筒425的出流端口处设置有喷口段426,喷口段426沿导流风筒425的出流方向内径尺寸逐渐增大。
浓度较低的含粉气流65由一次风筒42的下游段与喷口段426之间形成气流通道喷出;
浓度较高的含粉气流64由导流风筒425与中心风筒46的下游段之间形成气流通道喷出。
挡块421、导流装置424以及导流风筒425的共同作用下(当然,挡块421、导流装置424以及导流风筒425三者其中任一也可以设计 为同时具有三者中其余两者功能的结构,例如:可以设计为具体结构与三者中其余两者的结构类似,以起到双区流场生成结构的作用),从一次风筒42流出的一次风在一次风出口即一次风筒42的出流端口形成了外淡内浓的分布状态,实现了煤粉浓度的浓淡分离,在喷口段426的导向作用下,浓淡两股含粉气流之间的间距被拉大,由此提高了煤粉浓度的浓淡分离的效果,同时,在浓侧煤粉气流和淡侧煤粉气流间形成环形回流区域,卷席高温烟气回流加热浓侧煤粉气流和淡侧煤粉气流,使得煤粉挥发分尽快析出,产生大量的HCN等中间产物,提供抑制NOx生成的条件。而且,淡侧煤粉气流含粉浓度低,空气含量较大,实现燃料和空气分级,推迟混合时机,深度抑制NOx生成。
作为一种优选或可选地实施方式,挡块421的横截面呈梯形,其包括依次相连的第一坡面211、顶面213以及第二坡面212,第一坡面211朝向一次风筒42的进流端口,第二坡面212朝向一次风筒42的出流端口。挡块421的第二坡面212优选为朝向一次风筒42的出流端口以及导流风筒425的进流端口。
第一坡面211与顶面213可以将含粉气流的浓度增大,可以将浓度较低的含粉气流导入导流风筒425与一次风筒42之间形成的气流通道。
作为一种优选或可选地实施方式,挡块421上设置有通风孔或通风槽,通风孔或通风槽的最大延伸方向与出流方向相一致。
通风孔或通风槽的设置可以减小挡块421对含粉气流施加的阻力。
作为一种优选或可选地实施方式,中心风筒46沿轴向方向包括依次相连的第一平直段461、扩口段422、第二平直段462、外扩段423、第三平直段以及缩口段427,其中:
第一平直段461、第二平直段462以及第三平直段各自各处的外径尺寸一致。第一平直段461、第二平直段462以及第三平直段三者均呈圆筒状。第三平直段的外径尺寸大于第二平直段462的外径尺寸,第二平直段462的外径尺寸大于第一平直段461的外径尺寸。
扩口段422、外扩段423各自的外径尺寸沿中心风筒46的出流方向逐渐增大。
缩口段427的外径尺寸沿中心风筒46的出流方向逐渐减小。
导流装置424固设于第三平直段上,且导流装置424与导流风筒425的内壁之间存在间隙。
扩口段422、外扩段423以及导流装置424均可以增加接近中心风筒46外壁的含粉气流的浓度,使浓度较高的含粉气流在近壁区域流动。
作为一种优选或可选地实施方式,一次风筒42的出流端口处设置有扩口部432,扩口部432的内径尺寸沿出流方向逐渐增大,且扩口部432与煤粉燃烧器中轴线41之间的夹角大于或等于(优选为大于)喷口段426与燃烧器中轴线41之间的夹角。
作为一种优选或可选地实施方式,导流风筒425的出流端口处的内壁上固设有导流凸起428,导流凸起428的末端朝接近煤粉燃烧器中轴线41的方向延伸。导流凸起428可以与喷口段426为一体式结构。
扩口部432与喷口段426、导流凸起428共同作用下,可以拉大浓淡两股含粉气流之间的间距,使浓淡分离效果更为理想,可以实现一次风出口不同大小及面积和形状的环形回流区域,满足不同煤种挥发份的析出速率和份量对NOx及NOx中间产物HCN等的影响规律,提供合理的抑制NOx生成的气氛环境,并考虑不同煤质的燃烧特性及结渣特性。
作为一种优选或可选地实施方式,扩口部432与煤粉燃烧器中轴线41之间的夹角为5°~60°(优选为5~30°),扩口部432与煤粉燃烧器中轴线41之间的夹角以及喷口段426与煤粉燃烧器中轴线41之间的夹角两者之间的差值为5°~15°(优选为10°)。
上述结构不仅便于制造、安装,而且浓淡两股含粉气流之间的间距较大,浓淡分离效果更为理想。
作为一种优选或可选地实施方式,煤粉燃烧器还包括内二次风筒43、外二次风壁450以及壁体47,其中:
内二次风筒43套设于一次风筒42之外,内二次风筒43的出流端口处设置有扩流部452,扩流部452沿出流方向内径尺寸逐渐增大。
外二次风壁450环绕并固定于内二次风筒43的外壁。
壁体47环绕内二次风筒43且与内二次风筒43之间存在间隙,内二次风筒43与一次风筒42之间形成内二次风通道。
壁体47与外二次风壁450、内二次风筒43之间形成外二次风通道。
内二次风通道、外二次风通道内各自均设置有旋流器。
在一个优选或可选地实施例中,扩流部452与扩口部432的延伸方向相平行。
上述结构形成的两次风可以实现燃烧器空气的二次燃烧,提高燃烧器的燃烧效率。
下文详述本发明的第二实施例及其所取得的技术效果:
燃烧器包括中心风筒46、一次风筒(一次风会由该风筒流出)42、内二次风筒43、外二次风筒45,一条输送煤粉管道(未在图中示出)在燃烧器上游与其相连,为该燃烧器供应含有煤粉的气流,一次风筒42其内或其上设置有挡块421、扩口段422、外扩段423、导流装置424、导流风筒425、缩口段427和喷口段426。通过一次风筒42中上述结构的组合将含粉浓度为煤粉管道含粉浓度的1.5~2倍的气流从导流风筒425和设置外扩段423的中心风筒46之间形成的通道内喷出,含粉浓度为煤粉管道含粉浓度的0.2~0.25倍的气流从导流风筒425和扩口部432之间形成的通道内喷出,在一次风筒42出口形成外淡内浓的浓度分布状态,实现煤粉浓度的浓淡分离,提供燃烧器出口提前着火的条件,同时提供燃烧器出口抑制燃料型NOx的条件。挡块421、扩口段422和导流风筒425之间的相互移动形成不同的位置,可匹配浓煤粉气流通道和淡煤粉气流通道间的相互阻力,调节两通道内气流内的含粉气流浓度配比,以适合燃烧器不同一次风筒42的风率和出力(出力指煤粉量)对煤粉燃烧和抑制燃料型NOx特性的影响氛围,提供更为合适的气氛以更为有效地降低NOx的生成。
本发明中,挡块421可采用不同入口扩展角度和出口扩展角度,实现煤粉气流的导向作用,使得煤粉气流在合理的阻力基础上,调整进入浓煤粉气流通道和淡煤粉气流通道。同时挡块421中开设通孔,不同布置位置的通孔、不同尺寸的孔径及不同孔轴线来进一步降低一次风筒42通道阻力,提高含粉气流的浓缩效率。
本发明中,外扩段423和导流风筒425不同组合位置、外扩段423的不同扩展角度可进一步调整浓煤粉气流通道内浓淡分离,浓煤粉气流刚性或动量,实现合理的燃烧器出口的环形回流区和中心回流区,提供新的煤粉提前着火和抑制燃料型NOx的条件和气氛。气流刚性强,气流不易偏斜变形;气流刚性削弱,气流稳定性变差。
本发明中,一次风筒42中导流装置424调整煤粉气流的刚性或动量,还可以调整煤粉气流中含粉较多,动量较大的煤粉颗粒沿导流风筒425的近壁区域内流动,配合燃烧器出口的流场特性,提供煤粉提前着火和快速析出挥发分的条件。不同角度的导流装置(导流装置优选为弯曲叶片)424的结构,来调整一次风的气流旋转特性和刚性,在一次风筒42出口与二次风气流配合实现不同大小和面积的中心回流区域,配合不同煤种的燃烧特性,合理解决煤粉燃烧效率和抑制NOx生成间的矛盾。
本发明中,喷口段426形成一定的扩展角度的结构,扩口角度可在0~30度间变化,但小于二次风扩流部452的角度,且角度差值在10度以上。喷口段426的不同高度、长度及喷口段426不同的扩展角度,实现一次风筒42出口不同大小及面积和形状的环形回流区域,满足不同煤种挥发份的析出速率和份量对NOx及NOx中间产物HCN等的影响规律,提供合理的抑制NOx生成的气氛环境,并考虑不同煤质的燃烧特性及结渣特性。
本发明中,一次风筒42通过挡块421、导流风筒425和扩口段422等结构分成浓、淡两股含粉气流,浓侧含粉气流的煤粉浓度较高,为煤粉管道气流煤粉浓度的1.5~2倍,淡侧含粉气流的煤粉浓度较低,为煤粉管道气流煤粉浓度的0.2~0.25倍,淡侧煤粉气流通过喷口段 426,与浓侧煤粉气流分开喷入炉膛,在一次风筒42喷口出口处一段距离内,约500~1200mm,在浓侧煤粉气流和淡侧煤粉气流间形成环形回流区域,卷席高温烟气回流加热浓侧煤粉气流和淡侧煤粉气流,使得煤粉挥发分尽快析出,产生大量的HCN等中间产物,提供抑制NOx生成的条件。同时,淡侧煤粉气流含粉浓度低,空气含量较大,实现燃料和空气分级,推迟混合时机,深度抑制NOx生成。
本发明中,一次风筒42中通过喷口段426、导流装置424,在浓侧煤粉气流内部形成中心回流区,卷席高温烟气至浓侧煤粉气流内部,大量煤粉挥发份很快析出,为抑制NOx生成提供还原性气氛。同时,降低浓侧煤粉气流刚性,增强煤粉燃烧后期与空气的混合程度,提高煤粉的燃尽程度。
本发明中,二次风分为内二次风筒43和外二次风筒45,实现燃烧器空气的分级燃烧,内二次风筒43中布置旋流器431和扩口部432,外二次风筒45中布置旋流器451和扩流部452,旋流器431和旋流器451可选择不同的旋转角度和长度调整空气气流不同的旋转强度,扩口段432和扩流部452采用不同的扩展角度和长度,扩展角度在45~90度范围内变化,两者不同的扩展角度组合,并与不同的水冷壁碹口471角度组合,实现二次风筒与一次风筒42的不同混合时机,提供煤粉燃烧初期抑制NOx生成的条件。同时,扩口段432和扩流部452与一次风筒42喷口段426间的角度组合和位置组合,实现燃烧器合理的气流流场,组合合理的环形回流区和中心回流区域的形状、大小面积,提供煤粉燃烧和抑制NOx特性的条件。
本发明中,燃烧器采用“内置火焰内还原”的方式,在燃烧器出口形成环形回流区和中心回流区相结合的流场形态,有效的抑制CO的生成,提供了深度抑制NOx的条件,合理解决了燃烧效率、CO排放浓度的降低与NOx的抑制三者间的矛盾。
由上可以看出:本发明与现有技术的主要区别点在于:
1、采用缩孔均流部件(优选为带通风孔的挡块)和浓淡分隔套筒的结构,在不增加气流流通阻力的前提下,燃烧器喷口实现外淡内 浓的煤粉分布状态;
2、一次风喷口稳燃环的结构与外淡内浓的不同煤粉分布状态相适应,满足不同煤粉分布状态下合理的气流流场特性,实现不同程度的着火特性和低NOx特性;
3、一次风部分内采用特殊的煤粉气流导流装置,实现一次风气流的弱旋特性,创新性的提出了在一次风粉内部实现“内置环形回流区”和“中心回流区”双区的气流流程特性;
4、采用内置“双区”流场特性,利用火焰内还原,合理的解决了煤粉燃烧效率、CO排放和NOx抑制三者间的矛盾;
5、在一次风粉内部实现“双区”的基础上,提出一次风与二次风间的回流区形状,满足不同煤种下所产生的HCN等中间产物与氧量隔绝的合理时机;
6、缩孔均流部件、浓淡分离筒两者间的不同位置或组合,来适应不同燃煤结构的变化。
如图8~图9所示,本发明第三实施例提供了另一种煤粉燃烧器,包括中心风筒56、一次风筒52、导流风筒522、挡块521以及能调整煤粉气流的刚性或动量的导流装置524,煤粉燃烧器还包括导流环525,其中:
一次风筒52套设于中心风筒56之外。
导流风筒522介于中心风筒56的下游段以及一次风筒52的下游段之间。
挡块521固设于中心风筒56上游段的外壁上,导流装置524固设于导流风筒522的外壁上,导流风筒522的出流端口处设置有导流环525。
与本发明提供的第一和第二实施例不同的是:本文第三采用导流环525的结构,在一次风出口浓侧煤粉气流和淡侧煤粉气流间形成环形回流区域和中心回流区域,推迟浓侧煤粉气流和淡侧煤粉气流的混合时机,实现深度脱氮。不同煤质和风量的变化,采用导流环525不同扩展角度和形状。
作为一种优选或可选地实施方式,导流风筒522下游段固设有横截面呈梯形的定位台520,定位台520包括依次相连的上升坡面、安装台面以及下降坡面,上升坡面朝向一次风筒52的进流端口,下降坡面朝向一次风筒52的出流端口,导流装置524固设于安装台面上。
定位台520用于安装导流装置524,上升坡面与下降坡面可以对含粉气流具有导向作用,可以增大近壁区气流的含粉量。
下文详述本文提供的第三实施例及其所取得的技术效果:
燃烧器包括中心风筒56、一次风筒52、内二次风筒53、外二次风筒55,一条输送煤粉管道(未在图中示出)在燃烧器上游与其相连,一次风筒52其内或其上设置有挡块521、导流风筒522、筒段523、导流装置524、导流环525、扩口部526。
与本发明第一和第二实施例提供的煤粉燃烧器的结构不同的是:本文提及的第三实施例中一次风筒52通过挡块521、导流风筒522和筒段523的结构,将一次风含粉气流分为两部分,含粉浓度较高的气流进入由导流风筒522和筒段523形成的通道,含粉浓度较低的气流进入由导流风筒522和中心风筒56形成的通道,一次风喷口形成外浓内淡的浓度分布状态,利用扩口部526的结构在浓煤粉气流和二次风间形成环形回流区域,卷席高温烟气,提供煤粉着火和抑制NOx生成的条件。
与本发明实施方式1提供的煤粉燃烧器的结构不同的是:本文提及的第三实施例提出采用双环形回流区,卷席高温烟气,形成内置火焰内还原,有效推迟各级风及燃料的混合时机,提供抑制NOx生成的条件,不同环形回流区域的形状和大小对NOx中间产物HCN等的影响不同,抑制NOx能力不同。
本文提及的第三实施例提出采用双环形回流区和中心回流区相结合的方式,煤粉尽快释放挥发分,提供抑制NOx生成的氛围,同时利用中心回流区卷席高温烟气,实现煤粉的燃尽,有效解决煤粉燃尽和CO浓度控制间的毛肚。
本文提及的第三实施例采用二次风与一次风喷口不同角度和形 状的差别,二次风气流包覆一次风气流,有效保护燃烧器区域水冷壁的近壁区气氛,提高煤粉燃尽程度,控制CO的生成量,解决炉膛内水冷壁的高温腐蚀。
本发明实施例提供的锅炉,包括本发明任一技术方案提供的煤粉燃烧器。
本发明任一技术方案提供的煤粉燃烧器可以产生前文所述的诸多技术效果,适宜用于改善煤粉燃烧器的燃烧性能,并降低锅炉使用过程中NOx的生成量。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外,如果其公开了数值范围,那么公开的数值范围均为优选的数值范围,任何本领域的技术人员应该理解:优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多,无法穷举,所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案,并且,上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话,本领域技术人员应该知晓:“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外,上述词语并没有特殊的含义。
同时,上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件,那么,除另有声明外,固定连接可以理解为:能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接),也可以理解为:不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接),当然,互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外,上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成,也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制;尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明,所属 领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换;而不脱离本发明技术方案的精神,其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (12)

  1. 一种煤粉燃烧器,其特征在于,所述煤粉燃烧器包括中心风筒(46)、一次风筒(42)以及设置在一次风筒(42)内的双区流场生成结构,其中:
    所述一次风筒(42)套设于所述中心风筒(46)之外;
    所述双区流场生成结构能使经过所述双区流场生成结构并由所述一次风筒(42)喷出的含粉气流的煤粉浓度呈外淡内浓的状态分布,并能在浓度较低的含粉气流与浓度较高的含粉气流之间形成环形回流区,在所述浓度较高的气流内部形成中心回流区。
  2. 根据权利要求1所述的煤粉燃烧器,其特征在于,所述双区流场生成结构包括导流风筒(425)、挡块(421)、喷口段(426)以及能调整煤粉气流刚性的导流装置(424),其中:
    所述导流风筒(425)介于所述中心风筒(46)的下游段以及所述一次风筒(42)的下游段之间;
    所述挡块(421)固设于所述一次风筒(42)上游段的内壁上,所述导流装置(424)固设于所述中心风筒(46)的外壁上,且所述导流装置(424)位于所述导流风筒(425)之内,所述导流风筒(425)的出流端口处设置有所述喷口段(426),所述喷口段(426)沿所述导流风筒(425)的出流方向内径尺寸逐渐增大;
    所述浓度较低的含粉气流由所述一次风筒(42)的下游段与所述喷口段(426)之间形成气流通道喷出;
    所述浓度较高的含粉气流由所述导流风筒(425)与所述中心风筒(46)的下游段之间形成气流通道喷出。
  3. 根据权利要求2所述的煤粉燃烧器,其特征在于,所述挡块(421)的横截面呈梯形,其包括依次相连的第一坡面(211)、顶面(213)以及第二坡面(212),所述第一坡面(211)朝向所述一次风筒(42)的进流端口,所述第二坡面(212)朝向所述一次风筒(42)的出流端口以及所述导流风筒(425)的进流端口。
  4. 根据权利要求3所述的煤粉燃烧器,其特征在于,所述挡块 (421)上设置有通风孔或通风槽,所述通风孔或所述通风槽的最大延伸方向与所述一次风筒(42)的出流方向相一致。
  5. 根据权利要求3所述的煤粉燃烧器,其特征在于,所述第一坡面(211)与所述第二坡面(212)的坡度不同。
  6. 根据权利要求2-5任一所述的煤粉燃烧器,其特征在于,所述中心风筒(46)沿轴向方向包括依次相连的第一平直段(461)、扩口段(422)、第二平直段(462)、外扩段(423)、第三平直段以及缩口段(427),其中:
    所述第一平直段(461)、所述第二平直段(462)以及所述第三平直段各自各处的外径尺寸一致;
    所述扩口段(422)、所述外扩段(423)各自的外径尺寸沿所述中心风筒(46)的出流方向逐渐增大;
    所述缩口段(427)的外径尺寸沿所述中心风筒(46)的出流方向逐渐减小;
    所述导流装置(424)固设于所述第三平直段上,且所述导流装置(424)与所述导流风筒(425)的内壁之间存在间隙。
  7. 根据权利要求6所述的煤粉燃烧器,其特征在于,所述一次风筒(42)的出流端口处设置有扩口部(432),所述扩口部(432)的内径尺寸沿出流方向逐渐增大,且所述扩口部(432)与所述煤粉燃烧器中轴线(41)之间的夹角不小于所述喷口段(426)与所述煤粉燃烧器中轴线(41)之间的夹角;和/或,
    所述导流风筒(425)的出流端口处的内壁上固设有导流凸起(428),所述导流凸起(428)的末端朝接近所述煤粉燃烧器中轴线(41)的方向延伸。
  8. 根据权利要求7所述的煤粉燃烧器,其特征在于,所述扩口部(432)与所述煤粉燃烧器中轴线(41)之间的夹角为5°~60°,所述扩口部(432)与所述煤粉燃烧器中轴线(41)之间的夹角以及所述喷口段(426)与所述煤粉燃烧器中轴线(41)之间的夹角两者之间的差值为5°~15°。
  9. 根据权利要求2-5任一所述的煤粉燃烧器,其特征在于,所述导流风筒(425)下游段固设有横截面呈梯形的定位台,所述定位台包括依次相连的上升坡面、安装台面以及下降坡面,所述上升坡面朝向所述一次风筒(42)的进流端口,所述下降坡面朝向所述一次风筒(42)的出流端口,另一导流装置(424)固设于所述安装台面上。
  10. 根据权利要求1所述的煤粉燃烧器,其特征在于,所述双区流场生成结构包括锥形挡风筒(429)、导流风筒(425)以及喷口段(426),其中:
    所述导流风筒(425)介于所述中心风筒(46)的下游段以及所述一次风筒(42)的下游段之间;
    所述锥形挡风筒(429)外径较大的端口边棱固设于所述一次风筒(42)上游段的内壁上,且所述锥形挡风筒(429)沿所述一次风筒(42)的出流方向内径尺寸逐渐减小;
    所述导流风筒(425)的出流端口处设置有所述喷口段(426),所述喷口段(426)沿所述导流风筒(425)的出流方向内径尺寸逐渐增大;
    所述浓度较低的含粉气流(65)由所述一次风筒(42)的下游段与所述喷口段(426)之间形成气流通道喷出;
    所述浓度较高的含粉气流(64)由所述导流风筒(425)与所述中心风筒(46)的下游段之间形成气流通道喷出。
  11. 根据权利要求10所述的煤粉燃烧器,其特征在于,所述中心风筒(46)沿轴向方向包括依次相连的第一平直段(461)、扩口段(422)以及第二平直段(462),其中:
    所述第一平直段(461)与所述第二平直段(462)均呈圆筒状;
    所述扩口段(422)外径尺寸沿所述中心风筒(46)的出流方向逐渐增大。
  12. 一种锅炉,其特征在于,包括权利要求1-11任一所述的煤粉燃烧器。
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