CN109973992A - 一种二次风轴向叶片角度可调的工业煤粉锅炉燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二次风轴向叶片角度可调的工业煤粉锅炉燃烧器，包括：中心风管，以及由内到外依次套装在中心风管上的一次风套管、还原二次风套管、分离风套筒、助燃风套管和分离补燃风蜗壳；还原二次风套管的外壁紧贴设置有分离风套筒，用于推迟还原二次风与助燃风之间的混合；分离风套筒的外壁与助燃风套管的内壁之间设置有助燃风流道，用于通入助燃风；所述助燃风流道内沿周向设置有若干轴向旋流叶片；分离补燃风蜗壳上，沿中心风管的轴线设置有多个分离补燃风环。本发明的旋流燃烧器，适用于工业煤粉锅炉的送粉燃烧，可提高炉膛内着火稳定性，同时能够降低燃烧过程中NOx的生成。
Description
技术领域
本发明属于热能与动力工程技术领域，涉及燃煤工业煤粉锅炉的燃烧器，具体涉及一种二次风轴向叶片角度可调的工业煤粉锅炉燃烧器。
背景技术
虽然近年来中国大力发展新能源，但富煤贫油的能源结构导致煤炭依旧占中国能源消费的主体地位。《中国统计年鉴》的结果显示，2016年，中国能源消费量达到435818.63万吨标煤，其中，煤炭消费量到达270320万吨标煤，占总消费量的62％。我国工业锅炉受燃料价格的限制，使用的主要燃料依旧为煤炭，燃煤工业锅炉约46万台，工业锅炉的平均效率不足70％，同时粉尘及NOx和SOx等污染物排放较高。为此，我国制定了严格的排放标准，以此限制国内燃煤行业氮氧化物的排放。
煤炭作为一种高污染高排放的化石能源，在利用的过程中会产生大量的污染物排放。煤炭燃烧产生的主要污染物为NOx(氮氧化物)和SOx(硫氧化物)，二者均为形成酸雨的主要因素，且易形成光化学烟雾，污染环境；与此同时，NOx能够直接促进PM2.5的生成，与雾霾天气的形成息息相关。
如今的低氮燃烧技术主要包括：煤粉预燃技术、烟气再循环技术、浓淡燃烧技术和分级燃烧技术。煤粉预燃技术就是将煤粉送入炉膛内燃烧之前，经过一个预燃室，预燃室通过外热源或炉膛内的热量加热，用于预热煤粉；用于携带煤粉的一次风含氧量远低于燃尽所需的理论氧气量，使得预燃室内形成还原性气氛，在该气氛下，煤粉快速热解，释放出挥发分，同时煤粉中大量的N以挥发分N的形式释放出来。释放出来的挥发分与一次风中的氧气反应放热，在强还原性气氛的条件下，气相中的HCN与NH3等NOx前驱物与已经生成的NOx反应生成N2，显著降低NOx的排放。分级燃烧技术作为最为广泛使用的低氮燃烧技术，其核心思想为将空气分段送入炉膛内燃烧，在保证着火稳定性的前提下，在燃烧初期形成富燃料的局部还原性气氛，降低NOx的生成，之后分级送入空气，保证燃尽。
目前，上述技术主要应用对象为电站锅炉，直接应用于负荷小，停留时间短的工业锅炉是不合适的。现有的用于燃煤工业锅炉的旋流燃烧器，使得炉膛内着火稳定性较差，燃烧过程中NOx的生成相对较高，不能够满足目前严格的排放要求。
综上，亟需一种新型的工业煤粉锅炉燃烧器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二次风轴向叶片角度可调的工业煤粉锅炉燃烧器，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的旋流燃烧器，适用于工业煤粉锅炉的送粉燃烧，可提高炉膛内着火稳定性，同时能够降低燃烧过程中NOx的生成。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种二次风轴向叶片角度可调的工业煤粉锅炉燃烧器，包括：中心风管，以及由内到外依次套装在中心风管上的一次风套管、分离风套筒、助燃风套管和分离补燃风蜗壳；中心风管内设置有中心风流道，用于通入中心风；中心风管的外壁与一次风套管的内壁之间设置有一次风流道，用于通入一次风及煤粉；一次风套管的外壁紧贴设置有分离风套筒，用于推迟一次风与助燃风之间的混合；分离风套筒的外壁与助燃风套管的内壁之间设置有助燃风流道，用于通入助燃风；所述助燃风流道内沿周向设置有若干个轴向旋流叶片；分离补燃风蜗壳固定设置在助燃风套管的外壁上；所述分离补燃风蜗壳设置有分离补燃风入口；分离补燃风蜗壳上，沿以中心风管轴线为圆心的圆周设置有若干分离补燃风环，用于通入分离补燃风。
本发明的进一步改进在于，还包括：绝热稳燃腔室；中心风管、一次风套管及助燃风套管均经所述绝热稳燃腔室与燃煤工业煤粉锅炉的炉膛相连通。
本发明的进一步改进在于，一次风套管及中心风管的末端齐平且伸入稳燃腔室内；伸入的长度为L，助燃风套管的内径d，二者关系表达式为：L/d＝0.05～0.4。
本发明的进一步改进在于，中心风管末端设有多个稳燃钝体，多个稳燃钝体沿圆周布置用于形成扰动以生成回流区；稳燃钝体垂直于一次风套管中心线截面上的面积为S1，一次风流动通道截面积为S2，二者的比例满足：S1/S2＝0.2～0.5；稳焰钝体呈梯台状，后端平面与一次风套管出口平面平齐，斜面与一次风套管轴线呈25°～45°。
本发明的进一步改进在于，轴向旋流叶片沿周向均匀分布的安装在分离风套筒的外壁上；轴向旋流叶片通过调节连杆固定在一次风管道内，通过调节连杆能够调节轴向旋流叶片与助燃风来流方向之间的夹角。
本发明的进一步改进在于，轴向旋流叶片与助燃风来流方向角度的调节范围为20°～70°；轴向旋流叶片与分离风套筒外壁的连接结构，为与来流方向呈20°时轴向旋流叶片与分离风套筒的相贯线结构；轴向旋流叶片的重合度为0.25～1.25。
本发明的进一步改进在于，在分离补燃风蜗壳上，在以中心风管的轴线为圆心的圆周上设置的6～12个分离补燃风环。
本发明的进一步改进在于，还包括：助燃风蜗壳；助燃风蜗壳的出风口与助燃风套管的进风口相连通。
本发明的进一步改进在于，中心风风量占燃烧器总风量的0～5％；一次风量占5％～15％，送粉浓度达到0.8～3kg煤粉/kg空气；助燃风风量占20％～60％；分离补燃风占25％～50％；使用时，根据煤粉煤质和锅炉炉型的不同进行调整，在稳定燃烧的情况下保证燃尽和低氮氧化物的排放。
一种工业煤粉锅炉，采用了本发明的二次风轴向叶片角度可调的工业煤粉锅炉燃烧器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明燃烧器是一种能够稳定燃烧保证燃尽的低氮旋流燃烧器，其结构紧凑，适用于工业煤粉锅炉。本发明的燃烧器可强化煤粉在锅炉炉膛内的着火特性，优化炉膛内的燃烧特性；可保证在工业煤粉炉较小的停留时间下煤粉能够燃尽；可维持炉膛内煤粉燃烧的稳定性，保证锅炉出力稳定。本发明在保证燃尽率的前提下通过多级配风优化炉膛内流场，可保证炉膛内存在足够体积的还原区，以控制燃烧时NOx的生成量，从根本上降低NOx的排放量。具体的，本发明燃烧器中导流叶片为轴向叶片，布置于助燃风风管内，该设计不会影响蜗壳的布风特性，在助燃风炉膛入口处能够得到很均匀的进风速度，防止炉膛内火焰偏心，极大的改善在蜗壳内布置周向叶片后，单向进风造成的风管内布风不均现象；同时，轴向叶片产生的旋流强度较周向叶片更大，也更加稳定。
进一步地，本发明中的一次风与助燃风之间加装了一个分离风套筒，分离风套筒一端与助燃风蜗壳相连接，另一端与助燃风套管齐平，分离风套筒内没有气体流动，其作用为在半径方向上将一次风粉和助燃风分离开来，能够延迟助燃风的混入，使燃烧延后，既可以控制燃烧初期的火焰温度，使整个炉膛温度分布更加均匀，降低NOx的生成；又可以形成一个较大的还原区以还原生成的NOx，进一步降低NOx排放。
进一步地，本发明中的在分离补燃风蜗壳上，在以中心风管的轴线为圆心的圆周上设置多个分离补燃风环，可以是6～12个。分离补燃风环将燃烧过程进一步分级，降低NOx的生成量，同时类似周界风的结构能够拉长火焰，增加燃烧后期炉膛内的扰动，保证燃尽，同时防止火焰偏心冲刷壁面，对维持炉膛内稳定燃烧有巨大作用。
进一步地，分离补燃风和助燃风均通过大蜗壳布风，保证风管内布风的均匀性，保证炉膛内火焰的对中性，防止火焰偏转。
进一步地，本发明采用空气分级的思想，通过多级配风将空气分级送入，并集成到一个燃烧器内，从内到外依次包括中心风、一次风、助燃风、分离补燃风及三层燃尽风。中心风风量占燃烧器总风量的0～5％；一次风量占5％～15％；助燃风风量占20％～60％；分离补燃风占25％～50％；剩下的风通过燃尽风送入炉膛，以保证燃尽。本发明的燃烧器中一次风使用浓相送粉，使用远低于理论燃烧所需要的氧量的空气，将煤粉流化送入炉膛内燃烧，送粉浓度达到0.8～3kg煤粉/kg空气，极高的煤粉浓度能够在燃烧初期释放出高浓度的挥发分，强化燃烧初期的着火，保证煤粉着火的稳定。与此同时，极高的煤粉浓度能够迅速形成强还原性气氛，在该气氛下，大量析出的挥发分能够将NOx前驱物如HCN及已经生成的NOx还原成N2，以降低NOx的生成量。
附图说明
图1为本发明实施例的一种二次风轴向叶片角度可调的工业煤粉锅炉燃烧器的主视结构示意图；
图2为图1中A-A截面剖视结构示意图；
图3为本发明实施例的一种二次风轴向叶片角度可调的工业煤粉锅炉燃烧器的左视结构示意图；
图4为图3中B处的局部放大示意图；
图1至图4中，1、分离补燃风环；2、轴向旋流叶片；3、调节连杆；4、助燃风蜗壳；5、一次风入口；6、分离补燃风蜗壳；7、助燃风套管；8、分离风套筒；9、稳燃钝体；10、一次风套管；11、中心风管；12、中心风入口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1、图3和图4，本发明实施例的一种用于燃煤工业煤粉锅炉的低氮燃烧器，包括预燃室，和连通在预燃室上的助燃风套管7。
本发明预燃室壳体在分离补燃风环的对应位置与分离补燃风环数目相同的分离补燃风喷口，分离补燃风以直流的方式送入炉膛，拉长火焰，防止火焰刷墙。加强炉膛后期的扰动，强化火焰燃烧后期的混合。
预燃室上周向布置的分离补燃风环1与分离补燃风蜗壳6相连，补燃风管均匀的布置在以中心风管的轴线为圆心的圆周上，呈环形阵列分布，可以将其做成6段、8段或12段的圆环段。采用大蜗壳进风，使多通道进风更加均匀，防止不均匀进风导致炉膛内火焰偏转刷壁。布置分离补燃风环的圆周直径为Df，助燃风套管的内径为d，应满足D/d＝3～5，分离补燃风环的宽度Lf应满足：Lf>0.6d，以保证分离补燃风的刚性和对炉膛燃烧后期的扰动强度。
助燃风套管7内由外到内依次套有分离风套筒8和一次风套管10，一次风套管10内套有中心风管11。助燃风套管7与助燃风蜗壳4相连通。
助燃风套管7与预燃室相连通，且末端与预燃室内壁齐平；分离风套筒8前端连接在助燃风蜗壳4的壁面上，末端与助燃风套管7齐平；一次风套管10及中心风管11末端伸入预燃室内，三者末端齐平，伸入炉膛内部L长度，伸入长度L与恩分离风套筒8内径d的比值L/d＝0.05～0.4。
请参阅图1和图2，助燃风套管7与分离风套筒8之间沿圆周均匀的布置16片助燃风轴向旋流叶片2，旋流叶片通过调节连杆3固定在一次风管内，通过调节连杆可以调节旋流叶片与助燃风来流方向之间的夹角，轴向旋流叶片2与助燃风来流方向角度的调节范围为20°～70°，轴向旋流叶片2下方的结构，取与来流方向呈20°时叶片与分离风套筒8的相贯线结构；同时，各叶片的重合度为0.25～1.25。相较于周向叶片，轴向旋流叶片2产生的旋流强度更大，且在周向上分布更均匀。具体分析为：本发明燃烧器助燃风产生旋流所使用的导流叶片为轴向叶片而不是常规的切向叶片。在单向进风的燃烧器上，虽然使用了蜗壳希望能够获得均匀的进风，但在实际运行中，因为切向叶片的存在，单向进风时蜗壳的均布特性并不好，在炉膛进口处，风速在周向上分布差异较大，造成火焰在炉膛内部发生偏移，可能造成刷壁现象；而轴向叶片布置在风管内，不会影响蜗壳的布风特性，最后得到的炉膛入口速度分布较切向叶片更加均匀；同时，轴向叶片产生的旋流强度更大，旋度也更加稳定。
本发明中的一次风与助燃风之间加装了一个分离风套筒，分离风套筒一端与助燃风蜗壳相连，另一端与助燃风套管齐平，分离风套筒内没有气体流动，其作用为，能够延迟，分离风套筒8用于将还原二次风与助燃风在半径方向进一步分离，该设计使得在半径方向上将一次风粉和助燃风分离开来，推迟助燃风的混入，使燃烧延后，既可以控制燃烧初期的火焰温度，使整个炉膛温度分布更加均匀，降低NOx的生成；又可以形成一个较大的还原区以还原生成的NOx，进一步降低NOx排放。
一次风套管10一头与一次风入口5相连通，且外壁固定在助燃风蜗壳4上；一次风套管10伸入分离风套筒8内。
中心风管11一头与中心风入口12相连通，另一端伸入一次风套管10内，中心风管11的末端与一次风套管10末端齐平，中心风管10伸入炉膛末端的外表面上设有稳燃钝体9，稳燃钝体9沿圆周布置共计8-12个，稳燃钝体9沿一次风套管10半径方向的截面为一梯形，稳燃钝体9的后端平面与一次风套管10出口平面平齐，斜面与一次风套管10轴线呈25°～45°。稳燃钝体9垂直于一次风套管中心线截面上的面积为S1，一次风流动通道截面积为S2，二者的比例满足：S1/S2＝0.2～0.5。在使用时，具体可以是中心风风量占燃烧器总风量的0～5％；一次风量占5％～15％，远低于实际燃尽所需氧量，属于浓相送粉，送粉浓度达到0.8～3kg煤粉/kg空气，高浓度的煤粉流能够迅速释放出大量的挥发分，有利于稳定着火，同时形成强还原性气氛，抑制NOx的生成；助燃风风量占20％～60％；分离补燃风占35％～50％。
本发明还保护采用了本发明的燃烧器的燃煤工业煤粉锅炉。
本发明的工作原理：
本发明可用于工业煤粉锅炉的旋流低氮燃烧器，其利用助燃风带旋的特性，形成回流区，卷吸炉膛内的高温烟气，对预燃室及预燃室内的煤粉进行预热。在预燃室内，煤粉受到预燃室壁面的辐射以及回流烟气的加热，在预燃室内快速受热分解，释放出大量的挥发分，与此同时，煤炭中的N也大量的以挥发分氮的形式析出。释放出的挥发分有一部分燃烧释放热量用于加热预燃室和煤粉以保证燃烧初期的着火温度，剩下的在过量空气系数远小于1的还原性气氛下，含氮的化合物在预燃室内经过一系列还原反应生成N2，降低NOx的生成量。
为了保证预燃室内的还原性气氛，本发明在使用时，可以是：中心风风量占燃烧器总风量的0～5％；一次风量占5％～15％；助燃风风量占20％～60％。这三股风的风量总和应小于燃料燃烧所需理论计算总风量的50％。因为预燃室内的过量空气系数较小，氧量较低，且卷吸的炉膛烟气含氧量也较低，进一步稀释预燃室内氧气浓度，剩下的氧气基本全被产生的挥发分耗尽，有利于减少NOx的生成。其中，给出的各个配风比例实际应用时，根据煤粉煤质和锅炉炉型的不同而进行调整，以保证燃尽和低氮氧化物的排放。
综上所述，本发明针对现有技术的不足，公开了一种用于燃煤工业煤粉锅炉的低氮燃烧器，其包括绝热稳燃腔室，和连接在绝热稳燃腔室上的助燃风套管7；绝热稳燃腔室上周向布置有分离补燃风环1，分离补燃风环1与分离补燃风蜗壳6相连通，采用大蜗壳进风，使多通道进风更加均匀；助燃风套管7内依次套有分离风套筒8和一次风套管10，一次风套管10内套有中心风管11，助燃风套管7与助燃风蜗壳4相连。助燃风套管7与分离风套筒8之间沿圆周设置16片轴向叶片2。本发明利用助燃风带旋的特性，形成回流区，卷吸炉膛内的高温烟气，对预燃室及预燃室内的煤粉进行预热，释放出大量的挥发分，在过量空气系数远小于1的还原性气氛下，含氮的化合物在预燃室内经过一系列还原反应生成N2，在保证稳定着火的前提下，能够有效的控制氮氧化物的生成。本发明为一种结构紧凑的用于工业煤粉锅炉的低氮旋流燃烧器，其能够稳定燃烧并保证燃尽，强化煤粉在锅炉炉膛内的着火特性；优化炉膛内的燃烧特性，保证在工业煤粉炉较小的停留时间下煤粉能够燃尽；维持炉膛内煤粉燃烧的稳定性，保证锅炉出力稳定；在保证燃尽率的前提下通过多级配风，优化炉膛内流场，保证炉膛内存在足够体积的还原区，以控制燃烧时NOx的生成量，从根本上降低NOx的排放量。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述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依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种二次风轴向叶片角度可调的工业煤粉锅炉燃烧器，其特征在于，包括：中心风管(11)，以及由内到外依次套装在中心风管(11)上的一次风套管(10)、分离风套筒(8)、助燃风套管(7)和分离补燃风蜗壳(6)；中心风管(11)内设置有中心风流道，用于通入中心风；中心风管(11)的外壁与一次风套管(10)的内壁之间设置有一次风流道，用于通入一次风及煤粉；一次风套管(10)的外壁紧贴设置有分离风套筒(8)，用于推迟一次风与助燃风之间的混合；分离风套筒(8)的外壁与助燃风套管(7)的内壁之间设置有助燃风流道，用于通入助燃风；所述助燃风流道内沿周向设置有若干个轴向旋流叶片(2)；分离补燃风蜗壳(6)固定设置在助燃风套管(7)的外壁上；所述分离补燃风蜗壳(6)设置有分离补燃风入口；分离补燃风蜗壳(6)上，沿以中心风管(11)轴线为圆心的圆周设置有若干分离补燃风环(1)，用于通入分离补燃风。
2.根据权利要求1所述的一种二次风轴向叶片角度可调的工业煤粉锅炉燃烧器，其特征在于，还包括：绝热稳燃腔室；
中心风管(11)、一次风套管(10)及助燃风套管(7)均经所述绝热稳燃腔室与燃煤工业煤粉锅炉的炉膛相连通。
3.根据权利要求2所述的一种二次风轴向叶片角度可调的工业煤粉锅炉燃烧器，其特征在于，一次风套管(10)及中心风管(11)的末端齐平且伸入稳燃腔室内；
伸入的长度为L，助燃风套管(7)的内径d，二者关系表达式为：L/d＝0.05～0.4。
4.根据权利要求3所述的一种二次风轴向叶片角度可调的工业煤粉锅炉燃烧器，其特征在于，中心风管(11)末端设有多个稳燃钝体(9)，多个稳燃钝体(9)沿圆周布置用于形成扰动以生成回流区；
稳燃钝体(9)垂直于一次风套管(10)中心线截面上的面积为S1，一次风流动通道截面积为S2，二者的比例满足：S1/S2＝0.2～0.5；
稳焰钝体(9)呈梯台状，后端平面与一次风套管(10)出口平面平齐，斜面与一次风套管(10)轴线呈25°～45°。
5.根据权利要求1所述的一种二次风轴向叶片角度可调的工业煤粉锅炉燃烧器，其特征在于，轴向旋流叶片(2)沿周向均匀分布的安装在分离风套筒(8)的外壁上；轴向旋流叶片(2)通过调节连杆(3)固定在一次风管道内，通过调节连杆(3)能够调节轴向旋流叶片与助燃风来流方向之间的夹角。
6.根据权利要求5所述的一种二次风轴向叶片角度可调的工业煤粉锅炉燃烧器，其特征在于，轴向旋流叶片(2)与助燃风来流方向角度的调节范围为20°～70°；
轴向旋流叶片(2)与分离风套筒(8)外壁的连接结构，为与来流方向呈20°时轴向旋流叶片(2)与分离风套筒(8)的相贯线结构；
轴向旋流叶片(2)的重合度为0.25～1.25。
7.根据权利要求1所述的一种二次风轴向叶片角度可调的工业煤粉锅炉燃烧器，其特征在于，在分离补燃风蜗壳(6)上，在以中心风管(11)的轴线为圆心的圆周上设置的6～12个分离补燃风环(1)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的一种二次风轴向叶片角度可调的工业煤粉锅炉燃烧器，其特征在于，还包括：助燃风蜗壳(4)；
助燃风蜗壳(4)的出风口与助燃风套管(7)的进风口相连通。
9.根据权利要求1所述的一种二次风轴向叶片角度可调的工业煤粉锅炉燃烧器，其特征在于，中心风风量占燃烧器总风量的0～5％；一次风量占5％～15％，送粉浓度达到0.8～3kg煤粉/kg空气；助燃风风量占20％～60％；分离补燃风占25％～50％；
使用时，根据煤粉煤质和锅炉炉型的不同进行调整，在稳定燃烧的情况下保证燃尽和低氮氧化物的排放。
10.一种工业煤粉锅炉，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项所述的二次风轴向叶片角度可调的工业煤粉锅炉燃烧器。
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