CN201348246Y - 一种点燃煤粉的燃烧器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种点燃煤粉的燃烧器，其中本体是由封头壁、流道的壁、封头壁和另一个流道的壁构成，其整体是具有两级阶梯形突然扩大的流道，其中一次风喷口与一个截面较大的流道的壁用封头壁(阶梯壁)联接起来，形成一次截面阶梯突然扩大的流道，同时此流道又与一个截面比此流道小但比一次风喷口大的另一流道用封头壁联接，形成另一个方向相反的截面阶梯突然扩大。用这种流道来产生回流。用首先点燃回流，再利用已点燃的回硫去点燃主气流来实现点燃全部煤粉气流。本实用新型点燃煤粉的燃烧器是一种投资低廉、结构简单，完全不用油且煤种适应性强的点火燃滤器，符合了现阶段的市场需求，有效的节约了能源。

Description

一种点燃煤粉的燃烧器

技术领域

本实用新型涉及一种燃煤锅炉中的点火装置，具体涉及一种制造成本低、结构简单和操作简单的点燃煤粉的燃烧器。

背景技术

在燃煤发电厂中，煤由磨煤机磨成细粉，然后用空气吹入炉膛燃烧，由于煤较难着火，在锅炉启动时炉膛温度很低，煤粉不能被引燃，必需用油或天燃气或人工煤气把炉膛加热到相当程度才能吹入煤粉进行燃烧，此外在锅炉处于低负荷下炉膛温度也较低，燃烧不稳定也要靠油或可燃气体来助燃。由于电力负荷周期性变化，锅炉频繁启停，这样大量的油消耗在机组的启动和低负荷运行中。因此不用油或少用油的技术已用于部分发电厂中。

现在所用的等离子体点火器，它利用带有电压的两极击穿空气产生温度极高的等离子体来点燃煤粉，可以完全不用油实现电站锅炉启动，但因其结构复杂，并且投资费用高，一台300MW的锅炉需投资450万元，此外，其操作复杂，使用寿命短，机械故障多，因而维护费用也相当大，虽然它可以100％的节约用油，但只能节约其中75％的费用。此外其煤种适应性差，不能点燃难着火的煤。等离子体点火器已在200多台锅炉上得到应用。

还有一种微油点火器，它利用压缩空气将油高效雾化，用少量的高燃烧率产生的高温气体先点燃含煤浓的煤粉——空气混合物(下简称混合物)中的煤粉(一级点火)，然后用已点燃的混合物点燃含煤较稀的混合物(二级点火)，再用已点燃的“二级”混合物再点燃更多的混合物(三级点火)。这样就实现了用少量油点然大量煤粉的功能，可节约95％锅炉启动和低负荷助燃用油。虽然微油点火技术与等离子体点火器相比构造较简单，但系统仍较复杂，控制监测点数目与等离子体点火器相同，其投资虽仅为等离子的三分之一，但仍有130～180万元之巨。目前已在100到600MW机组上得到应用。

除了上述微油点火器外，还有一种高温空气无油点火器，它利用电磁感应技术使高磁通密度较高频率的交变磁场作用于金属管，使管壁内产生涡流而发热，然后使空气通过管中被加热，再用被加热的空气加热煤粉点燃煤粉。此项技术投资费用和等离子体点火器一样高，目前在少数电厂得到应用。

除以上三种已经得到实际应用的技术外，另外还有电阻加热点火、电感应加热点火以及激光点火等点火技术尚处在实验室阶段。然而，前述这些不用油或少用油的点火技术的共同点是，以把所有要点燃的混合物全部加热到煤粒的燃点为基本手段，所不同的是加热的方式，也就是说，其点火源均直接作用于全部要点燃的混合物，因此需在较高温度(大大高于煤粒的燃点)下点火，并且在点火过程中会产生更多的NOx污染，配套设备随之复杂化，造价高，因此都在不同程度上存在着投资费用高，结构复杂，煤种适应性差等缺点。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种制造成本低、结构简单、操作简单和减少NOx污染的点燃煤粉的燃烧器。

为达上述目的，本实用新型具体的内容为：

一种点燃煤粉的燃烧器，其整体为阶梯形的通道，具有一个进风喷口，与进风喷口相对端为一出火口，通道其他壁面均封闭；所述阶梯型的通道，设与进风喷口相连的第一流道、与出火口相连的第三流道以及在第一流道和第三流道之间的第二流道，其中，第二流道较第一流道截面积突然扩大，第三流道较第一流道截面积大，但比第二流道截面积小，至少在第二流道顶部内壁，全部或分段布设点火元件。

其中，所述第一流道与第二流道之间、第二流道与第三流道之间以封头壁连接。

其中，在第三流道靠近第二流道的内壁面，全部或分段布设点火元件。

其中，第二流道在第一流道单侧扩大。

其中，所述第二流道在垂直方向或水平方向突然扩大。

其中，第二流道在第一流道双侧扩大。

其中，所述第二流道在垂直方向或水平方向突然扩大。

本实用新型还提供一种多级点燃煤粉的燃烧器，是将前述点燃煤粉的燃烧器串接而成，且燃烧器之间相连通。

所述多级点燃煤粉的燃烧器，下一级燃烧器通过其上壁面或下壁面位置与前一级燃烧器出火口连通。

与现有技术相比，本实用新型的特点和效果在于：

1、本燃烧器是以火焰稳定性理论为依据(首先点燃回流)而设计的，这与上述所有点火技术有实质的不同。

2、由于本燃烧器是以火焰稳定性理论为依据而设计的，因此它具有自稳定能力，混合物气流一经点燃即可停止外部热源的供给，火焰能自行稳定，即进入燃烧器的混合物将稳定地不断被引燃。这一自稳定能力是所有现有点火技术所不具备的，这是本燃烧器与已有技术中所有点火技术另一个实质不同。

3、由于本燃烧器只需点燃回流混合物，且由于具有自稳定能力，外部热源供给时间约40分钟，因而既能实现100％地不用油点火，其能耗也是最低的。

4、本燃烧器用截面阶梯性扩大来产生回流，它可实现在较低温度(＜1000℃)下引燃混合物主流，结构简单且不需大量使用昂贵的耐热钢，因而造价也是最低的，约为微油点火技术的1/10。

5、本燃烧器可以在较低温度(＜1000℃)下引燃混合物，因而NOx的生成也是最低的。

6、本燃烧器的初级点火是点燃在回流区中靠近热壁的煤粉。由于回流区中流速低(主气流的1/10，二次回流为其1/100)且由于湍流涡流作用，使得部分煤粉在热壁附近停留时间很长，它们的着火过程是“娄流化床”；且只需回流区中有一粒煤粉着火，由于回流速度低，在边界处的速度梯度也极低，火焰即可迅速传遍全部回流区，进而引燃主气流。因此可以合理地推断：凡是在流化床上可以燃烧的煤种均可在本燃烧器上稳定燃烧。这个功能也是上述所有点火技术不具备的。

7、本实用新型燃烧器在较低温度下(＜1000℃)点燃混合物，而无需冷却系统，在燃烧器中不同时存在高于灰熔点的部位和低于灰熔点的部位，因此它的结渣几率是最小的。

附图说明

图1A：为本实用新型点燃煤粉的燃烧器的立体结构示意图。

图1B：为图1A所示点燃煤粉燃烧器内剖面及工作原理示意图。

图2A：为本实用新型一侧突然扩大中再接触点位置及气流特性关系示意图。

图2B：为本实用新型两侧突然扩大中再接触点位置及气流特性关系示意图。

图3A：为本实用新型二级燃烧器组合结构立体示意图。

图3B：为图3A所示点燃煤粉燃烧器A-A剖面及工作原理示意图。

图4：为本实用新型点燃煤粉的燃烧器二维扩大方式的立体结构示意图。

图5A：过渡管段的壁所形成的张角在12-15°的示意图。

图5B：过渡管段的壁所形成的张角大于12-15°的示意图。

图5C：过渡管段的壁所形成的张角在90°或180°的示意图。

图6：为本实用新型多级燃烧器结构及工作原理示意图。

图7为本实用新型多级燃烧器中垂直及水平方向两侧突然扩大结构示意图。

具体实施方式

本实用新型把煤粉——空气混合物当作“预混可燃气体”，而把关于预混可燃气体火焰的稳定性理论应用于煤粉-空气混合物。本实用新型把混合物吹入炉膛的一次风喷口，当作本生灯管，(本生灯管是研究预混可燃气体火焰现象的基本装置)，根据该理论，稳定一个混合物的火焰和点燃该混合物在物理(流体力学、传热学)机理上是一样的，火焰被吹灭的机理是由于火焰根部边界处大的速度梯度引起大的燃烧波切向热损失所致，要稳定或者要点燃一个气流，就要在燃烧器出口的根部外侧供给足够的热量。点燃一个气流的实质机理是使燃烧波能跨过热损失极大的火焰根部边界层而传播至全部气流。

实现上述理念的方法是使混合物流出一次风喷口时进入一个面积突然扩大的流道，而形成回流，用点燃回流的办法来向主气流提供上述所需的热量。

图5A～5C说明面积突然扩大的流道的含义和构形以及回流的形成。在工程应用中当流体由一个较小截面的管道1’流入一个截面较大形状相同或不相同的管道3’时，为了减小压力损失通常用一个截面在大小和形状上逐渐变化的过渡管段2’(俗称“喇叭口”“楔形管”“天圆地方”等)来联接，如图5A所示，此时过渡管段2’的壁所形成的张角α等于或小于12-15°，流体会紧贴管壁流动；而当张角α大于12-15°时，流体开始离开过渡管壁面，而在较大截面管3’的某处再与管壁接触，称为再接触点(如图5B所示A点)，这样在主流体和所离开的壁面之间便可形成回流。此时若流体为预混可燃气体，点燃这一回流即可引燃主气流。当过渡管2’的张角大到90°(一侧扩大)或180°(两侧扩大)，或过渡管2’的长度小到零时形成一侧或两侧阶梯突然扩大(如图5c所示)，此时过渡管的管壁实际上成了一个封头壁，它同时垂直于小截面管壁1’和大截面管壁3’，将此两管联接起来，这就是所述的阶梯壁，就形成面积突然扩大或阶梯形突然扩大的流道。

阶梯形突然扩大能在较小管长内形成较大回流区，因此本燃烧器采用阶梯形突然扩大的设计，并且为适应发电厂的一般情况截面采用矩形。

结合上述原理，以下就本实用新型煤粉点火燃烧器的结构组成及所能产生的功效，配合附图以较佳实施例详细说明如下：

如图1A和图1B所示，为本实用新型点燃煤粉的燃烧器的基本实施例示意图，其整体是具有两级仅在一个方向阶梯形突然扩大的流道，其中一次风喷口1(壁5围成)与一个截面较大的流道3的壁7用封头壁(阶梯壁)12联接起来，形成一次截面阶梯突然扩大的流道3，同时流道3又与另一个截面比流道3小但比一次风喷口大的流道2(壁6围成)用封头壁13联接，形成另一个方向相反的截面阶梯突然扩大。喷口1的壁5、封头壁12、流道3的壁7、封头壁13和流道2的壁6构成本燃烧器的本体，在流道3上的内壁面以及流道2中回流的内壁面，全部或分段布设点火元件8(参见图1B)，流道2出口21用于喷出燃烧的火焰，燃烧器本体的功能是产生两次回流，并提供点火元件8的支撑。

工作时，参见图1B所示，当混合物由一次风喷口1流入燃烧器本体后，由于截面突然扩大，气流离开壁面并扩散，在流道2下游处再接触点P与流道2壁面重新接触，这部分气流称作主气流A，其边界为D(假想边界线)。在主气流A与所离开的阶梯形壁面之间(即封头壁12和流道3的壁及封头壁13的下方和边界线D的上方)为回流区形成回流，其中一次回流B与主气流反向流向阶梯面。途中流入二级阶梯扩大流道3，在流道3内顶部形成二次回流C。布设在流道3上的内壁面以及流道2中回流内壁面的点火元件8点燃回流B和C并进而点燃主气流A。

点火元件8是采用耐热不锈钢制成的电组发热线圈或二硅化钼发热元件，也可以是用其它任何加热办法加热回流区的壁或直接加热回流(包括在回流区中引入高温气体)使回流引燃。点火元件可放在耐高温的薄壁夹层中(用Al₂O₃材料)使其与高温烟气隔离，点火元件8的支撑结构也可做成可抽出式的，在点燃煤粉后抽出燃烧器而延长其使用寿命

在发热元件8加热时，混合物由一次风喷口1流入燃烧器本体中，被加热的壁可使其附近二次回流C中的混合物着火，由于二次回流在壁面处的速度梯度低，因此发热元件8和热壁所提供的热可使火焰跨过回流与热壁间的边界层而传至整个回流区回流B和C，回流区着火后，它的温度迅速提高可通过回流与主气流的边界层D向主气流A提供足够的热，因而使火焰传至主气流A的中心，整个气流被点燃，从燃烧器出口9向炉膛喷火。主气流被引燃后，进入回流区B的不再是未点燃的低温未然混合物而是已燃和正在燃烧的高温混合物，它不断地向主气流的边界层提供热量，使不断流出一次风喷口(本生管口)的未燃混合物被点燃，这时可以停止向电热元件供电，而火焰能自行稳定。

发热元件8可以布设于回流区(包括二次回流区)内壁面上，其功率密度应不小于120kw/m2，以使发热元件及壁面温度达到950℃。布设面积和分布可视煤种情况适当减小，布设的最佳位置是“再接触点”附近及二次回流区。

流道3的长L3应小于1/2再接触点距离，其高度h3应小于流道2的高度h。

图2A和图2B显示了气流进入单侧或双侧截面突然扩大流道时有关特性关系，其中虚线表示主气流与回流的假想分界线；H为单侧流入口高度，h为突然扩大的阶梯高度(单侧大面积流道高度与单侧入口高度之差)，l为大流道封头壁面起点到再接触点的距离。

如图2A和图2B所示，当混合物流入一个截面突然扩大的流通区域，便可使该气流产生回流。突然扩大可以是单侧突然扩大也可以是双侧突然扩大，为了不使外部冷空气进入回流区，然烧器长度应大于再接触点到封头壁的距离l，距离l与h/H有以下近似关系。

单侧阶梯形扩大

0.2  0.3  0.4  0.5  0.6  0.8  1.0  1.5  2.0

1.0  1.2  3.0  4.0  4.8  6.4  8    12   16

双侧阶梯形扩大

0.2  0.3  0.4  0.5  0.6  0.8  1.0  1.5  2.0

1.8  2.5  3.0  4.0  5.6  9.5  13.0 22.5 29

双侧阶梯扩大，两侧再接触点位置不相同时，如图2B，l’＜l，以上关系用于较大再接触点距离l。

较大的h/H可以有较大的回流区容积，可利于主气流火焰的稳定，但却需要较大的燃烧器长度，目前采用h/H＝1.0，可视现场空间允许情况及火焰稳定性要求(一次风速变化)按以上数据作适当调整。

在同一h/H下为了得到较大回流区容积，从而增加其热容量及燃烧率，从而提高火焰的稳定性能力(对不同一次风速及煤种的适应能力)，可以在回流区的下游处，即紧靠阶梯部分，再建立一个回流通道的突然扩大部即二次回流区(即图1A和图1B中流道3上面一部分)。二次回流区中速度更低，煤粒停留时间更长，更易被引燃。

主气流的突然扩大可以在水平方向(z轴)或垂直方向(y轴)扩大(一维扩大，参见图1A)也可同时在两个方向扩大(z轴方向和y轴方向二维扩大，参见图4)。在某个方向扩大时，可以一侧扩大也可两侧扩大，二维扩大尺寸可参照上述一维扩大的情况。

如图3A和图3B所示，为本发明的第二实施例，其功用是用同样的点火能量和装置来提高燃烧器的点火能力(燃煤量/小时)。它由一个基本实施例中单侧(或两侧)突然扩大的燃烧器(作为一级燃烧器)再接另一个双侧(或单侧)扩大的燃烧器(作为二级燃烧器)串联而成。分别具有一次风喷口1和二次风喷口4，一级燃烧器的出口接入二级燃烧器的回流区中，和一级燃烧器一样，二级燃烧器本体也由多段壁面和多个封头壁围成内部多个流道。它可以产生一次及二次回流。这样已被点燃的一级燃烧器的高温气流与要引燃混合物即二级混合物的回流在二级燃烧器的回流区中，在相对速度很慢的情况下互相混合，通过幅射、对流换热方式将二级混合的回流点燃，从而像在一级燃烧器的情况一样进一步将二级混合物的主气流点燃，从而达到提高燃烧器的点火能力的目的。最后燃烧着的二级混合物通过二级燃烧器出口9流入炉膛中；本实施例中燃烧器有两级燃烧器，但就被引燃的过程实际为四级引燃：即依次引燃一级回流、一级主气流、二级回流和二级主气流。

图3B中，E11为流入一级燃烧器的混合物，E12为被点燃的一级混合物，E13为流出一级燃烧器并流入二级然烧器回流区的已燃混合物。E21为流入二级燃烧器的混合物，E22为被点燃的二级混合物，E23为流出二级燃烧器并流入炉膛的已燃混合物。B1为一级燃烧器的回流区。B2为二级燃烧器的回流区。P为一级燃烧器的再接触点，P’为二级燃烧器的再接触点。

二级燃烧器的截面大小取决所需燃煤量。此时二级燃烧器的长度由以下原则确定。

二级燃烧器只有一侧向一级主气流方向的扩大。

把M线假想为面积突然扩大流道的壁面，再按上述方法求出一级主气流流出后在此假想的面积突然扩大流道的再接触点P1，把N线当作面积突然扩大流道的壁面，再按上述方法求出二级主气流此假想的面积突然扩大流道的再接触点P2。此时，一、二级主气流的边界有一个交点S(如图3B所示)，它距二级主气流入口距离为ls，则二级燃烧器的长度不应小于ls。

二级燃烧器在另一个方向扩大，则求出其l₃后取l₃和l_s中的大值为燃烧器长度最小值。

如果实际空间允许最好在与一级主气流相对的方向或和相邻的方向，进行突然扩大，并增设二次回流区以提高火焰稳定性。

根据同样原理，可将二级燃烧器的出口接入下一级(第三级)燃烧器的回流区(见图6)，使从二级燃烧器流出的已燃高温气体点燃三级燃烧器的回流从而进一步点燃三级燃烧器的主气流。图6中A1，A2，A3，分别为流入一，二，三级燃烧器的混合物，P1，P2，P3，为一，二，三级然烧器的混合物的再接触点，B1，B2，B3，为一，二，三级然烧器的回流区，S12为一，二级混合物的交点S23为二，三级混合物的交点，依此类推，把更多的燃烧器照此法串连起来。这样一方面提高了这个燃烧器串连组的点燃能力，另一方面使锅炉具有自稳定能力的燃烧器数量增加，提高整个炉膛的火焰稳定性，在燃烧器四角布置的锅炉上只要场地允许，可以将一个角上的全部一次风喷口照此法串连起来。这样，使整个炉膛具有了绝对的火焰稳定能力。它将有利于劣质煤的燃烧。

一级、二级、三级燃烧器是自下而上串连起来的。如果由于空间的限制，二级、三级燃烧器的流道不能进行向上的突然扩大，则进行水平方向两侧的突然扩大(已有向下突然扩大)，设计二级和三级燃烧器。如图7所示一种水平方向向两侧突然扩大的二级燃烧器，其中一级燃烧器具有一次风喷口1，二级燃烧器具有二次风喷口4，二级燃烧器的第三流道43不仅在在垂直方向(y轴)向上扩大，还在水平方向(z轴)向两侧扩大。

总体来说，上述两种不同结构的实施例，均是使混合物由一个较小截面的通道一次风喷口流入一个面积阶梯形突然扩大的通道，产生流体力学所称的内分离流动从而在阶梯部分形成回流(见图1B)，由于回流区的流速只有主气流的1/10因而容易被点燃，通过二次回流区流速只有主气流的1/100(见图1B)。因此它在边界处的速度悌度也就只有主流的1/100。

根据上述的工作原理和方法，设计了一个具有工业规模的全尺寸验证性试验装置，试验装置的一次风喷口(即混合物入口)，为210mm×70mm的距形截面，使混合物进入一个210mm×150m/n的一侧阶梯的矩形截面，在回流区的壁面上布设了普通电热电阻丝，加热约20分钟后，测得电阻丝温度为950℃，被加热壁面的热输出功率密度为120KW/m²。送入混合物后立即被引燃，引燃后20分钟停止供电，火焰仍能稳定，混合物流入流速为17.8m/s，燃煤量约为400kg/h，试验重复多次均成功。此试验表明，本实用新型具有工业实用性。

本发明虽由前述实施例来描述，但仍可变化其具体结构，在不脱离本发明的基本结构(建立回流)和工作原理(首先点燃回流)下制作。前述为本实用新型最合理的使用方法，仅为本发明可以具体实施的方式之一，但并不以此为限。

Claims (9)

1、一种点燃煤粉的燃烧器，其特征在于，其整体为阶梯形的通道，具有一个进风喷口，与进风喷口相对端为一出火口，通道其他壁面均封闭；所述阶梯型的通道，设与进风喷口相连的第一流道、与出火口相连的第三流道以及在第一流道和第三流道之间的第二流道，其中，第二流道较第一流道截面积突然扩大，第三流道较第一流道截面积大，但比第二流道截面积小，至少在第二流道顶部内壁，全部或分段布设点火元件。

2、根据权利要求1所述点燃煤粉的燃烧器，其特征在于，所述第一流道与第二流道之间、第二流道与第三流道之间以封头壁连接。

3、根据权利要求1所述点燃煤粉的燃烧器，其特征在于，在第三流道靠近第二流道的内壁面，全部或分段布设点火元件。

4、根据权利要求1或2或3所述点燃煤粉的燃烧器，其特征在于，第二流道在第一流道单侧扩大。

5、根据权利要求4所述点燃煤粉的燃烧器，其特征在于，所述第二流道在垂直方向或水平方向突然扩大。

6、根据权利要求1或2或3所述点燃煤粉的燃烧器，其特征在于，第二流道在第一流道双侧扩大。

7、根据权利要求6所述点燃煤粉的燃烧器，其特征在于，所述第二流道在垂直方向或水平方向突然扩大。

8、一种多级点燃煤粉的燃烧器，其特征在于，将至少两个权利要求1至7任一所述点燃煤粉的燃烧器串接而成，且燃烧器之间相连通。

9、根据权利要求8所述多级点燃煤粉的燃烧器，其特征在于，下一级燃烧器通过其上壁面或下壁面位置与前一级燃烧器出火口连通。

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