一种煤粉环流垂线燃烧火焰发生器的制作方法

本发明涉及煤粉锅炉燃烧器技术领域，特别是指一种煤粉环流垂线燃烧火焰发生器。

背景技术：

中国工业窑炉煤炭利用率及环境污染与世界发达国家相比差距甚大,因此研究一种洁净燃煤节能技术是当务之急。

现有的卧式旋风燃烧器，需要砌筑耐火砖燃尽室(经常跑火漏风)，其原理是：风煤混合物直接喷入燃烧室，在高速旋风作用下燃烧。其最大的缺点是：高速风道强气流在燃烧室顶部产生螺旋渣线、底部积粉，使喷粉中心与旋转中心偏离，造成同一截面给粉浓度不均，极大的影响了燃烧和除渣效果。因炉膛内积灰严重、不能实现液态排渣。

煤粉环流垂线燃烧是在旋风燃烧理论的基础上，进行研究改进的一种燃烧方式。如美国TRW旋风燃烧装置，分预燃室和主燃室，设备庞大、投资及运行成本高、且不容易点火；其原理是：30—40％的煤粉低热量预燃；把风温从260-371℃加热到1093-1204℃后进入主燃烧室,余下的60-70％的煤粉由端部多孔喷入，温度可达980-1900℃。其缺点是：切线进风导致燃烧室旋转回流场扭曲,使得捕渣率难以提高；进风口处于熔渣场中,高速气流产生局部激冷造成风口结渣。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种充分发挥煤粉环流垂线燃烧节能技术优点，具有安全、环保、节能等特点，适合油田注气及锅炉等长期连续燃烧使用的火焰发生器。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供了一种煤粉环流垂线燃烧火焰发生器，包括火焰发生器主体，所述火焰发生器主体内部形成直立燃烧室及连通直立燃烧室下部的火焰发生腔，直立燃烧室上部设有出火口，直立燃烧室底部设有排渣口，所述火焰发生腔连通一次风及煤粉喷管，一次风及煤粉喷管进入火焰发生腔前的位置还连通二次风管，所述直立燃烧室内设有两组以上沿圆周切线方向设置出风口的三次风管组，所有的三次风管组连通至直立燃烧室上方的三次风进口。

进一步的，所述火焰发生器主体由内向外依次为耐火水泥层、水冷却套、风室外层。

其中，所述风室外层厚度为200毫米，所述水冷却套厚度为100毫米，所述耐火水泥层厚度为75毫米。

进一步的，所述一次风及煤粉喷管内径为160毫米，所述二次风管内径为268毫米。

进一步的，所述三次风管组共有4组，每组有8个出风口，所述出风口向上倾斜8度。

进一步的，所述火焰发生腔内对应一次风及煤粉喷管的位置设有钝体。

其中，所述钝体直径为80毫米，钝体张角为60度。

进一步的，所述排渣口直径为200毫米。

本发明的技术方案具有如下有益效果；

上述方案中，风煤混合物直接喷入燃烧室，在高速旋风作用下燃烧。变卧式旋风燃烧为立式悬浮环流燃烧，取消预燃室侧壁切线进风、变为端面叶片轴向旋流给风。一次风轴向进入，二次风煤混合物经端部喷出切向引入悬浮除渣腔，三次高速风旋转射入；让煤粉颗粒在1—2秒内能够完成由底向上的环流悬浮燃烧。不再单独增设预燃室和燃尽室，燃烧、除渣、供热三位于一体的功效均由多功能洁净火焰发生器来完成，煤粉燃烧火焰接近燃油火炬外形,充分发挥了煤粉环流垂线燃烧节能技术的优势。本发明提供的火焰发生器，采用环流垂线燃烧技术，消除了卧式切线进风结渣、积灰、液排渣不畅的缺陷。具有安全、环保、节能等特点，可实现液、固态排渣，适合油田注气及锅炉等长期连续燃烧使用。

附图说明

图1为本发明的煤粉环流垂线燃烧火焰发生器的立体图；

图2为本发明的煤粉环流垂线燃烧火焰发生器的内部结构示意图；

图3为本发明的煤粉环流垂线燃烧火焰发生器的三次风管组的布置示意图；

图4为本发明的煤粉环流垂线燃烧火焰发生器的工作原理图。

[主要元件符号说明]

1、直立燃烧室；

2、火焰发生腔；

3、出火口；

4、排渣口；

5、一次风及煤粉喷管；

6、二次风管；

7、三次风管组；

8、三次风进口；

9、耐火水泥层；

10、水冷却套；

11、风室外层；

12、钝体；

13、出水口；

14、放气阀；

15、查看水阀；

16、进火口；

17、观察门；

18、切向旋流片；

19、调节杆；

20、支撑叶片；

21、放水阀；

22、进水口；

23、二次风进口。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对目前卧式燃烧器切线进风结渣、积灰、液排渣不畅的缺陷，以及现有的环流垂线燃烧器切线进风导致燃烧室旋转回流场扭曲,使得捕渣率难以提高；进风口处于熔渣场中,高速气流产生局部激冷造成风口结渣的问题设计。

如图1、图2、图3所示，煤粉环流垂线燃烧火焰发生器，包括火焰发生器主体，火焰发生器主体内部形成直立燃烧室1及连通直立燃烧室1下部的火焰发生腔2，直立燃烧室1上部设有出火口3，直立燃烧室1底部设有排渣口4，火焰发生腔2连通一次风及煤粉喷管5，一次风及煤粉喷管5进入火焰发生腔2前的位置还连通二次风管6，直立燃烧室1内设有两组以上沿圆周切线方向设置出风口的三次风管组7，所有的三次风管组7连通至直立燃烧室1上方的三次风进口8。

优选的，火焰发生器主体由内向外依次为耐火水泥层9、水冷却套10、风室外层11。

优选的，火焰发生腔2内对应一次风及煤粉喷管5的位置设有钝体12。

上述为本发明火焰发生器的基本结构，根据本行业的惯常设计，还可以具体设置如图2所示的位于直立燃烧室上方的出水口13，放气阀14，位于火焰发生腔上的查看水阀15，进火口16，观察门17，为二次风管6设置的切向旋流片18，调节杆19，支撑叶片20，二次风进口23，以及位于直立燃烧室1下方的放水阀21，进水口22。

本发明的火焰发生器的工作原理如图4所示：

一次风将直径0.03—0.1mm的煤粉喷入与二次风充分混合、不完全燃烧后沿切向送入悬浮除渣腔，与高速旋转的三次风形成一个连续完整垂直向上的环流燃烧带，燃烧中心温度高达1400—1700℃以上,独特的结构保证了煤粉充分燃尽的时间和路程。在浮力和离心力的作用下,空气先于煤粉转向；灰粒下降、烟气上升作循环旋转净化运动，含大量灰渣的沉降流夹带着上旋的细灰粒一起被抛向腔壁在高温下熔化形成约30mm渣膜，90％的煤灰以液态熔渣方式流落水池除去。从而产生洁净的高温烟气，具有明显的自净化除渣效果。

采取稳燃钝体，有效的防止回火的发生，煤粉射流因绕过钝体改变了流动特性，在紧靠回流区边界存在一层浓度高、温度和速度梯度大的煤粉气流，与回流区气流的湍流热量和质量交换激烈，从而具备容易点火，运行安全的性能。

根据上述原理，具体的工作参数选择如下：

进、出火口及燃烧室计算公式及参数的选定。

设进火口直径为D_进(m)，一次风速V₁(m/s)，出火口直径为D_出(m)，U_t—灰粒质点流体某一时刻的切向速度(m/s)。则：U_t(D_出/2)ⁿ＝V₁(D/2)ⁿ。又V₁＝4Q_m/(πD_进²)，公式中：Q_m—风煤混合物体积流量(Nm³/s)，D—悬浮除渣腔直径(m)。

高温烟气中的灰粒在离心力作用下，沿径向向外运动就得克服流体阻力，当二者相等时，灰粒便以等速V_r(m/s)运动。由此推导出V_r＝U_gU_t²/(gr)，公式中：U_g—球形灰粒(炉渣)悬浮速度(取值范围5—17.7m/s),r—灰粒质点运动圆周半径(m)。

H_e＝(2/3){(D-d_流渣)/[2tan(α/2)]},公式中：流渣口直径d_流渣＝0.04—0.28D(流渣取大值d_流渣＝0.28D)；锥体角α＝30°；则H_e≈0.9D，D≈5Q_m^1/3。

悬浮除渣腔的实际直径为：D≈(0.12—0.25)B^1/3；悬浮除渣腔高度为：L＝(1—2)D，一般取L＝2D。

进火口直径为：D_进＝0.45D；进火口沿着悬浮除渣腔的切线进入并且沿水平线向下倾斜角度为5°—20°、当时倾斜角度为15°时煤粉喷燃效果最好，其长度L_进＝1—1.4D,一般取L_进＝D。

出火口直径为：D_出＝1.3D_进≥0.6m，出火口长度L_出＝0.25—0.45m，取L_出＝0.3m。

煤粉颗粒在进火口及悬浮除渣腔所走过的总路程[S_z＝L_进+πDn,n—煤粉旋转圈数]必须大于S_z＝14m才完全燃尽。

钝体及一、二、三次风管计算公式及参数的选定。

钝体外径：d0＝m{4(A1+A2)/[π(1-m2)]}1/2；钝体的实际直径为：

d0≈0.0035B 1/2。

一次风管内径：d1＝2d0；一次风管采用无缝钢管，连接处圆滑过渡，其弯头或夹角一定≥120°，调节阀门采用蝶阀。

二次风管内径：d2＝(d12+4A1/π)1/2，二次风管的实际直径为：d2≈0.012B 1/2。二次风管锥部分长度一般取0.15—0.3m。

换向加速区环流高速旋风三次风管内径：d3≈0.005(B/Z)1/2，Z—三次风管数量(一般为每排个数n＝5—15个、排数m＝3—5排)，三次风管直径一般选取20mm—40mm，以防止风口过大造成局部激冷结渣。三次风总进风管内径：d总＝[4Bvnβ3/(3600πu3)]1/2≈0.006B1/2。

进风机及引风机、水泵等参数的选定。

进风机及引风机、冷却循环水泵(离心管道泵)的选型：进风机风量Q进＝1.2Bvn(N m3/h)，全压4000Pa以上；引风机引风量Q引＝1.5Bkg/h×10m3/kg＝15B(N m3/h)；水泵总流量Q水(m3/h)＝3600μA水(2gh水)1/2，公式中A水—水流截面积(m2)，h水—扬程(mH2O)，流量系数μ＝0.6，进水流速一般取2m/s。

风室厚度为δ3＝200mm；水冷套厚度为δ2＝100mm；一般耐火水泥厚度为δ1＝75mm；排渣口不可太大(以防热量流失过大)，其直径为d排＝200mm为宜。

以500kg/h多功能洁净火焰发生器为例，最终的参数选择如下：

(1)悬浮除渣腔直径：D≈(0.12—0.25)B1/3(B＝500kg/h)，取D＝1200mm；高度L＝2D＝2400mm。煤粉旋转圈数n≥4(三次风管4排)；则Sz＝L进+πDn＝1.2+3.14×1.2×4≈16m≥14m，满足完全燃尽条件。

(2)进火口直径：D进＝0.45D≈0.5m＝500mm；长度L进＝D＝1200mm；进火口向下倾斜角度为15°。

(3)出火口直径：D出＝1.3D进≥0.6m，D出≈0.65m＝650mm；长度L出＝300mm。

(4)钝体直径：d0≈0.0035B 1/2＝0.0035×500 1/2≈0.08m＝80mm；钝体张角为60°、取高度h＝2d0＝160mm，旋流片倾斜角为35°。

(5)一次风管内径：d1＝2d0＝160mm；一次风率β1＝10％、一次风速u1＝20m/s。

(6)二次风管直径：d2≈0.012B 1/2≈0.268m，选外径为299mm、壁厚16mm无缝钢管的内径为d2＝267mm；取管锥部分长度0.2m；二次风率β1＝20％、二次风速u1＝30m/s。

(7)三次风管直径：d3≈0.005(B/Z)1/2,取三次风管数Z＝32(排数m＝4、每排个数n＝8个)，则d3≈0.02m,；选外径为35mm、壁厚6mm无缝钢管的内径为d3＝22mm；三次风率β1＝70％、三次风速u1＝50m/s。

(8)风室厚度：δ3＝200mm；水冷套厚度：δ2＝100mm；耐火水泥厚度：δ1＝75mm；钢板厚度：δ＝14mm；排渣口直径：d排＝0.04—0.28D，取d排＝200mm。

(9)悬浮除渣腔(即直立燃烧室)展开长度设计计算

悬浮除渣腔(包括耐火水泥)内径为R0＝D/2＝600mm；水冷套内径为R1＝D/2+δ1＝600+75＝675mm，水冷套外径为R2＝D/2+δ1+δ2＝675+100＝775mm；cosα＝(R0-d3/2)/R1＝(600-22/2)/675≈0.8726，α≈29.2°；cosβ＝(R0-d3/2)/R2＝(600-22/2)/775≈0.76，β≈40.5°。

旋转角γ值计算：sinγ＝(R0-d出/2)/R2＝(600-650/2)/775≈0.3548，γ≈20.8°。定位角κ值计算：cosκ1＝[R0-d进/2]/R1＝(600-500/2)/675≈0.5185，κ1≈58.8°；cosκ2＝(R0-d进/2)/R2＝(600-500/2)/775≈0.4516，κ2≈63.2°。

沿45°线AA1展开，则：弧长AB＝(β-α+γ+45°)πR1/180°＝(40.5°-29.2°+20.8°+45°)×3.14×675/180°≈908mm；弧长A1B1＝(γ+45°)πR2/180°＝(20.8°+45°)×3.14×775/180°≈890mm。进、出火口中心线弧长距离B1B2＝(γ+90°+κ2)πR2/180°＝(20.8°+90°+63.2°)×3.14×775/180°≈2352mm。中心线高度距离L中＝L-D出/2-(D进/2)tan15°＝2400-650/2-(500/2)≈1825mm。

水冷内、外套展开长度计算：b1＝2πR1＝2×3.14×675≈4239mm、b2＝2πR2＝2×3.14×775≈4867mm；水冷内、外套展开高度计算：高度L展1＝L+2δ1＝2400+2×75＝2550mm，高度L展2＝L+2(δ1+δ1)＝2400+2×(75+100)＝2750mm；圆周方向两个风管间距(弧长)c1＝b1/n＝4239/8≈530mm、c2＝b2/n＝4867/8≈608mm。水冷套沿高度方向两个风管相隔间距：e＝[L-2a1-(D出+δ1+δ2)-(D进+δ1+δ2)]/(m-1)＝2400-2×100-(650+75+100)-(500+75+100)/(4-1)≈233mm；a2＝a1+δ2tanθ＝100+100×tan8°≈114mm。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。