一种风粉周向偏置的低氮旋流燃烧器及燃烧装置的制作方法

本实用新型涉及燃烧器领域，特别涉及一种风粉周向偏置的低氮旋流燃烧器及燃烧装置。

背景技术：

旋流燃烧器在电站锅炉、工业锅炉等燃烧设备中应用广泛，它利用旋流器使气流产生旋转运动，气流在进入炉膛后形成旋转射流，并在旋转射流内部形成内回流区，通过卷吸高温烟气回流点燃燃料。在旋流燃烧器的设计与运行中，强化着火，高效燃烧，低氮排放一直是重要的研究课题。

浓淡燃烧是降低燃烧过程中氮氧化物(NOx)生成的手段之一，煤粉在富氧的淡煤粉区域和贫氧的浓煤粉区域内分别燃烧可以降低燃烧温度，抑制NOx的生成。

现有技术中的浓淡煤粉旋流燃烧器大多采用径向浓淡技术，其技术要点是将煤粉沿径向分为浓淡两个圆环区域，浓淡煤粉沿着径向分布。有的浓煤粉环在外侧，如中国实用新型专利93144359.1“一种径向浓淡旋流煤粉燃烧器”，有的浓煤粉环在内侧，如中国实用新型专利03134317.1“一种径向浓淡式双调风旋流煤粉燃烧器”，但由于燃烧器一次风出口径向尺度较小，且一次风紧邻二次风，气流在径向混合较快，从而使浓淡分离的实际效果大打折扣，因此，降低NOx的效果相当有限。

另外，也有专利将一次风沿周向形成浓淡间隔分布的多股煤粉气流，如中国实用新型专利200810018042.2“一种煤粉周向浓缩分区驻涡的旋流燃烧器”和中国实用新型专利 200580007215.5“低氧化氮(NOx)的燃料喷射器和提高火焰稳定性”，由于一次风紧邻二次风，所以浓淡的实际效果同样被打了折扣，降低NOx的效果同样有限。

技术实现要素：

鉴于现有技术的不足，本实用新型提供一种风粉周向偏置的低氮旋流燃烧器1及燃烧装置，以切实提高煤粉的浓淡分离效果，强化着火，有效抑制主燃区的峰值温度，减少燃烧NOx的生成。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型所提供的一种风粉周向偏置的低氮旋流燃烧器1，包括中心风通道12、一次风通道13、内二次风通道14、外二次风通道15、一次风轴向叶片旋流器132、内二次风轴向叶片旋流器141、外二次风切向叶片旋流器151、一次风周向煤粉分离器131、内二次风风量偏置调节装置142、外二次风风量偏置调节装置152。

在一个实施方式中，所述一次风周向煤粉分离器131由在所述中心风通道12外壁上的部分圆周范围内沿螺旋线排列的若干个导流叶片形成，所述导流叶片之间保留一定间隙。

在一个实施方式中，所述周向浓淡分离器的导流叶片排列在所述中心风通道外壁上的半个圆周范围内。

在一个实施方式中，所述一次风周向煤粉分离器131的导流叶片排列在所述中心风通道 12外壁上的半个圆周范围内。

在一个实施方式中，所述一次风周向浓淡分离器131位于所述一次风轴向叶片旋流器132 的下游。

在一个实施方式中，所述内二次风通道内设置有内二次风风量偏置调节装置142，所述外二次风通道内设置有外二次风风量偏置调节装置152。

在一个实施方式中，所述内二次风风量偏置调节装置142为部分圆周环型挡板，所述外二次风风量偏置调节装置152为部分圆周柱面挡板。

在一个实施方式中，所述部分圆周环型挡板和部分圆周柱面挡板周向夹角均为周角的 0.35～0.65倍。

在一个实施方式中，所述一次风周向煤粉分离器131、一次风轴向叶片旋流器132、内二次风轴向叶片旋流器141和外二次风切向叶片旋流器151沿顺时针方向偏转。

在一个实施方式中，所述一次风周向煤粉分离器131、一次风轴向叶片旋流器132、内二次风轴向叶片旋流器141和外二次风切向叶片旋流器151沿逆时针方向偏转。

在本实用新型中，一次风周向煤粉分离器131将一次风沿整个圆周一分为二，成浓粉段和淡粉段一次风；风量偏置调节装置将二次风沿整个圆周一分为二，成强风段和弱风段二次风。在燃烧器出口截面，形成强风段二次风与淡粉段一次风相配、弱风段二次风与浓粉段一次风相配的风粉配合方式。这种风粉配合方式既能强化着火，又能抑制主燃区的峰值温度，显著减少NOx排放。

本实用新型还提供一种安装有前述任一种风粉周向偏置的低氮旋流燃烧器的燃烧装置。

附图说明

图1显示为本实用新型实施例中一种风粉周向偏置的低氮旋流燃烧器在锅炉上的安装位置示意图。

图2显示为本实用新型实施例中一种风粉周向偏置的低氮旋流燃烧器的主剖面示意图。

图3显示为本实用新型实施例中一次风通道结构示意图。

图4显示为本实用新型实施例中内二次风通道和外二次风通道结构示意图。

图5显示为图2所示本实用新型旋流燃烧器出口处的截面示意图。

图6显示为本实用新型实施例中的射流轨迹图。

图7显示为本实用新型一次风出口处的煤粉浓度场。

图8显示为本实用新型二次风出口处的速度场。

图9显示为安装传统旋流燃烧器的锅炉主燃区纵截面的速度场。

图10显示为安装图2所示本实用新型旋流燃烧器的锅炉主燃区纵截面的速度场。

图11显示为安装传统旋流燃烧器的锅炉主燃区纵截面的温度场。

图12显示为安装图2所示本实用新型旋流燃烧器的锅炉主燃区纵截面的温度场。

图13显示为安装传统旋流燃烧器的锅炉全炉膛纵截面的NOx浓度场。

图14显示为安装图2所示本实用新型旋流燃烧器的锅炉全炉膛纵截面的NOx浓度场。元件标号说明

1 风粉周向偏置的低氮旋流燃烧器

12 中心风通道

13 一次风通道

131 一次风周向煤粉分离器

132 轴向叶片旋流器

134 一次风淡粉段

135 一次风浓粉段

14 内二次风通道

141 轴向叶片旋流器

142 内二次风风量偏置调节装置

143 内二次风强风段

144 内二次风弱风段

15 外二次风通道

151 切向叶片旋流器

152 外二次风风量偏置调节装置

153 外二次风强风段

154 外二次风弱风段

2 锅炉

3 分离式燃尽风燃烧器

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

须知，本说明书附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

图1-5示出本实用新型的一个实施例，可应用于电站煤粉锅炉、工业煤粉锅炉、各种燃气、燃油锅炉以及其他各种以旋转射流燃烧固体、液体、气体燃料的燃烧装置中。

如图1所示，本实用新型旋流燃烧器1安装在锅炉2的主燃区的前墙和后墙上，作为主燃区的燃烧器。分离式燃尽风(SOFA风)燃烧器3安装在锅炉2的燃尽区的前墙和后墙上，作为燃尽区的燃烧器。本实施例中以烟煤煤粉为燃料，采用空气分级燃烧，煤粉燃烧所需空气的70％通过燃烧器1送入主燃区，剩余30％的空气通过燃烧器3送入燃尽区。

如图2所示，本实用新型旋流燃烧器1包括由内向外依次设置的中心风通道12、一次风通道13、内二次风通道14和外二次风通道15。中心风通道12向锅炉内喷射不含煤粉的直流中心风，一次风通道13向锅炉内喷射含煤粉的旋流一次风，内二次风通道14和外二次风通道15向锅炉内喷射旋流二次风。一次风通道13内设有一次风周向煤粉分离器131，以及位于一次风周向煤粉分离器131上游的轴向叶片旋流器132。内二次风通道14内布置有轴向叶片旋流器141，外二次风通道15内布置有切向叶片旋流器151。

如图3所示，中心风通道12外壁上设有一次风周向浓淡分离器131与轴向叶片旋流器 132。一次风通道13内的一次风周向煤粉分离器131由在中心风通道12外壁上的半个圆周范围内沿螺旋线排列的若干个导流叶片组成，导流叶片之间保留一定间隙。结合图3、图5，当一次风经过一次风周向煤粉分离器131时，一部分一次风在一次风通道13内未设置导流叶片的圆周区域内流动，另一部分一次风在一次风通道13内设置有导流叶片的圆周区域内流动，该区域内的部分一次风沿导流叶片方向运动，进入一次风通道13内未设置导流叶片的圆周区域内，与该区域内的一次风汇合，剩下的一次风则穿过导流叶片的间隙向前流动，最终在燃烧器1的出口截面形成一次风淡粉段133(图5虚线上方区域)和一次风浓粉段134(图5虚线下方区域)两股近似半环形的煤粉气流。射流轨迹参见图6。通过调整导流叶片的角度，可以调整浓粉段一次风和淡粉段一次风的煤粉比例。

在此基础上，可通过在内二次风通道14和外二次风通道15入口处分别的内二次风风量偏置调节装置142和外二次风风量偏置调节装置152对强风段二次风和弱风段二次风进行风量偏置调节，使得燃烧器出口处二次风风量达到所需的偏置分布，即在燃烧器出口截面，形成强风段二次风与淡粉段一次风相配、弱风段二次风与浓粉段一次风相配的风粉配合方式。图2、4示出内二次风风量偏置调节装置142和外二次风风量偏置调节装置152的一种具体示例。所谓内二次风风量偏置调节装置142和外二次风风量偏置调节装置152即阻挡二次风通道入口处部分圆周范围内二次风流动的部分圆周环型挡板和部分圆周柱面挡板。当内二次风经过设有内二次风风量偏置调节装置142的内二次风通道14时，内二次风从未设有内二次风风量偏置调节装置的通道内进入并旋转，在燃烧器1的出口截面形成内二次风强风段143(图 5虚线下方区域)和内二次风弱风段144(图5虚线上方区域)。同样地，当外二次风经过设有外二次风风量偏置调节装置152的外二次风通道15时，外二次风从未设有外二次风风量偏置调节装置的通道进入并旋转，在燃烧器1的出口截面形成外二次风强风段153(图5虚线下方区域)和外二次风弱风段154(图5虚线上方区域)。通过调整内二次风风量偏置调节装置142和外二次风风量偏置调节装置152的位置，可以调整燃烧器出口处强风段二次风和弱风段二次风的分布位置，实现二次风偏置分布，即在燃烧器出口截面，形成强风段二次风与淡粉段一次风相配、弱风段二次风与浓粉段一次风相配的风粉配合方式。

锅炉运行时，本实用新型旋流燃烧器形成的这种风粉配合方式，一方面创造了贫氧和富氧两种燃烧氛围。浓煤粉易点燃，有利于劣质煤的着火和低负荷稳燃。浓煤粉气流中煤粉浓度高，着火得以提前和稳定，而氧浓度较低，着火后的峰值温度受到抑制；淡煤粉气流中氧浓度高，但煤粉浓度低也会降低燃烧温度，从而都能有效控制NOx的生成。浓煤粉的贫氧燃烧产生了大量还原性气体，也可以与燃烧生成的NOx产生还原反应，降低NOx的排放浓度。另一方面，这种风粉配合方式可有效地推迟浓煤粉与二次风的混合，因而在比较长的射流行程上可保持煤粉浓淡燃烧。因此，本实用新型旋流燃烧器既能强化着火，又能抑制主燃区的峰值温度，显著减少NOx排放。

在同一个本实用新型旋流燃烧器1中，所有产生流动偏转的叶片(包括一次风周向煤粉分离器131、一次风轴向叶片旋流器132、内二次风轴向叶片旋流器141和外二次风切向叶片旋流器151)，其偏转方向相同，既可以顺时针方向偏转，也可以逆时针方向偏转。上述实施例示意了一种逆时针偏转的设计，顺时针的设计方案只需将所有产生流动偏转的叶片做对称变换布置即可。

实用新型人对本实用新型旋流燃烧器分别进行速度场和煤粉浓度场的CFD数值模拟，以证实风粉周向偏置的实际效果。图7是一次风出口处煤粉浓度场的分布。图8是二次风出口处速度场分布。

从煤粉浓度场分布看，本实用新型旋流燃烧器的一次风周向煤粉分离器将浓煤粉集中在右下区域内。从速度场分布看，本实用新型旋流燃烧器的二次风集中在左上区域内。本实用新型旋流燃烧器可以实现风粉在燃烧器出口的周向偏置。

实用新型人对主燃烧区全部安装传统旋流燃烧器和全部安装本实用新型旋流燃烧器的锅炉分别进行速度场，温度场和NOx浓度场的CFD数值模拟，用于对比两者的燃烧差异。图9、图11和图13分别是安装传统旋流燃烧器的锅炉某一纵截面速度场、温度场和NOx浓度场的分布。图10、图12和图14分别是安装本实用新型旋流燃烧器的锅炉某一纵截面速度场、温度场和NOx浓度场的分布。

从速度场的分布看，本实用新型旋流燃烧器由于二次风的偏置分布，回流区域偏向浓煤粉侧，可以卷吸高温气流到燃烧器喷口附近的浓煤粉区域。

从温度场的分布看，本实用新型旋流燃烧器的出口温度较高，有利于劣质煤燃烧和低负荷的稳燃，而且相对传统燃烧器，浓煤粉贫氧燃烧和淡煤粉富氧燃烧的温度都较低，燃烧中后期温度也有所较低，高温峰值区域相对较小，这为降低NOx提供了良好的温度条件。

从NOx浓度的分布看，安装本实用新型旋流燃烧器的锅炉出口处的NOx浓度有了明显的降低，比安装传统旋流燃烧器的锅炉降低了约20％左右。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。