一种多煤种适应性的旋流煤粉燃烧器的制作方法

本发明涉及工业煤粉锅炉燃用各类煤种和混煤燃烧技术领域，涉及一种多煤种适应性的旋流煤粉燃烧器。

背景技术：

我国一次能源主要以煤炭为主，并且我国是世界上煤炭储量最丰富的国家之一。当前，中小型燃煤工业锅炉是我国除电站锅炉外主要用煤装备，在用燃煤工业锅炉近60万台，年耗煤量达6.4亿吨，其中煤粉锅炉因采用悬浮燃烧方式而具有较高的锅炉效率。不同煤种燃烧时具有不同的燃烧特性，但一般情况下，煤粉燃烧器的设计只针对燃烧某一特定煤种的煤粉，当改变煤种时，燃烧器容易出现燃烧不良的现象，对锅炉运行造成不利影响。在我国工业企业中，尤其是那些装备中小型工业煤粉锅炉的企业，往往会根据市场煤价的波动和煤种资源供应的变化而燃用煤种差异较大的煤。然而当燃烧煤种改变时，由于未对燃烧器和锅炉及时进行改造（锅炉改造昂贵且耗时较长，一般不对锅炉和燃烧器进行改造），致使锅炉燃烧不稳定，热效率降低，甚至出现燃烧器被烧坏，炉内结渣等问题。

另外，由于混煤燃烧技术可以有效促进难燃煤种的有效利用，已受到国内外广泛关注，为保证两种不同燃烧特性的煤种经过同一燃烧器在炉内同时高效燃烧，需要所设计燃烧器有较广的煤种适应性，在实现优质煤种高效燃烧的同时，也能够满足难燃煤种稳定燃烧的需求。旋流煤粉燃烧器具有出口中心回流区较大，炉膛内流场稳定，煤粉燃烧效率高等特点，在各类煤粉锅炉，尤其是中小型工业锅炉中被广泛利用。因此，为满足工业生产需求，保证中小型工业锅炉能够高效稳定燃用不同煤种，促进不同煤种在工业煤粉锅炉中的高效利用，设计一种多煤种适应性的旋流煤粉燃烧器就显得十分必要。

技术实现要素：

本发明涉及一种多煤种适应性的旋流煤粉燃烧器，实现燃烧器燃用不同煤种时，能够保证煤粉及时着火、稳定燃烧和高效燃尽，并能保证燃烧器及锅炉长久稳定运行。

本发明的上述目的是通过以下技术方案来实现的：

一种多煤种适应性的旋流煤粉燃烧器，包括中心风管、一次风管、二次风管、三次风管、二次风旋流叶片、中心风管扩口、一次风管扩口和二次风管扩口；所述一次风管（2）设置在中心风管（1）外侧，一次风管（2）与中心风管（1）间为一次风通道（9）；所述二次风管（3）设置在一次风管（2）外侧，二次风管（3）与一次风管（2）间为二次风通道（10）；所述的三次风管在二次风管外侧，三次风管（4）和二次风管（3）间为三次风通道（11），三次风管（4）入口为直流入口，有利于稳定燃烧器出口气流流场和煤粉火焰，延长炉膛内高温中心回流区，并适当降低燃烧器出口火焰温度，为着火的煤粉补充燃尽风。同时，当燃用不同煤粉而需调整一次风时，通过适当调整三次风速，可有效避免高挥发分煤粉在燃烧器出口因燃烧温度过高，或因风煤比不同导致的高温烟气冲刷炉膛壁面而结渣的问题；进行混煤燃烧时，可将部分风量由三次风管补入，通过分级燃烧，保证煤粉及时着火和高效燃尽，避免燃烧过程中因优质煤粉大量消耗氧气，致使难燃煤粉氧气供给不足、无法燃尽的现象，提高混煤燃烧时各煤种的燃尽率。

所述旋流叶片（5）设置在一次风管（2）和二次风管（3）之间，位于二次风通道（10）出口处；所述中心风管扩口、一次风管扩口和二次风管扩口分别安装在中心风管出口处、一次风管出口处和二次风管出口处，可以增大中心回流区，避免一次风所携带煤粉被卷入旋流二次风而导致着火延迟，使更多煤粉集中在中心回流区边界附近的高温区域，增强煤粉和高温烟气的热质交换，有利于煤粉的稳定燃烧。同时，还能使较大粒径煤粉直接冲入中心回流区，并在燃烧器出口旋转，延长较大粒径煤粉在燃烧器出口高温燃烧区域的停留时间，有利于保障较大粒径煤粉的着火和燃尽。

进一步的，所述中心风管扩口（6）相对燃烧器出口内缩或与燃烧器出口相平齐，中心风管扩口（6）水平长度大于或等于一次风管扩口（7）水平长度，二次风管扩口水平长度大于或等于中心风管扩口（6）到燃烧器出口的水平距离与中心风管扩口（6）水平长度之和。中心风管扩口和一次风管扩口与三次风出口平齐或者内缩，有利于保证更多煤粉进入回流区，同时有利于增加燃烧器出口的回流速度，使中心回流区卷吸更多高温烟气，增强煤粉与回流区内高温烟气的换热，保证煤粉及时着火，并稳定燃烧器出口火焰。直流三次风有利于实现煤粉的分级燃烧，在稳定火焰和降低火焰温度的同时，还有助于降低炉内NOx的生成。

进一步的，所述中心风管扩口（6）与燃烧器轴线夹角θ1小于或等于一次风管扩口（7）与燃烧器轴线夹角θ2，二次风管扩口（8）与燃烧器轴线夹角θ3根据各扩口水平长度确定，二次风管扩口（8）末端设置有与三次风管（4）平行的平台。

进一步的，所述的一次风通道（9）为一次风直流气流通道，所述的二次风通道（10）为由二次风旋流叶片（5）形成的二次风旋流气流通道，所述的三次风通道（11）为三次风直流气流通道。

综合以上，本发明的有益效果是：

1、能够延长炉膛内高温中心回流区，并适当降低燃烧器出口火焰温度，为着火的煤粉补充燃尽风；

2、可有效避免高挥发分煤燃烧器出口温度过高，或因风煤比不同导致高温烟气冲刷炉膛壁面而发生结渣的问题；

3、实现了分级燃烧，保证煤粉及时着火和高效燃尽；可有效避免燃烧过程中优质煤粉大量消耗氧气，而难燃煤粉燃烧氧气供给不足的问题，提高混煤燃烧时各煤种的燃尽率；

4、避免一次风煤粉被卷入旋流二次风而导致着火延迟，使更多煤粉集中在燃烧器出口中心回流区边界的高温区，增强煤粉和高温烟气的热质交换，有利于煤粉的稳定燃烧；

5、可使较大粒径煤粉直接冲入中心回流区，并在燃烧器出口旋转，延长较大粒径煤粉在燃烧器出口处高温区的停留时间，有利于促进较大粒径煤粉的着火和燃尽。

附图说明

图1本发明结构示意图；

图2燃烧器风道布置示意图；

图3燃烧器扩口角度参数示意图；

图4燃烧器扩口水平长度参数示意图；

图5普通旋流煤粉燃烧器温度场分布图；

图6本发明多煤种适应性的旋流煤粉燃烧器温度分布图；

图7普通旋流煤粉燃烧器炉内速度场分布图；

图8本发明多煤种适应性的旋流煤粉燃烧器炉内速度场分布图；

图9不同燃烧器结构较大粒径煤粉典型运动路径对比图；

主要构件符号说明

1、中心风管 2、一次风管

3、二次风管 4、三次风管

5、二次风旋流叶片 6、中心风管扩口

7、一次风管扩口 8、二次风管扩口

9、一次风通道 10、二次风通道

11、三次风通道。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步说明：

实施例：一种多煤种适应性的旋流煤粉燃烧器，如图1和图2所示，包括中心风管1、一次风管2、二次风管3、三次风管4、二次风旋流叶片5、中心风管扩口6、一次风管扩口7和二次风管扩口8。一次风管2设置在中心风管1外侧，二次风管3设置在一次风管2外侧，三次风管4设置在二次风管3外侧，旋流叶片5设置在一次风管2和二次风管3之间，位于二次风通道10出口处。中心风管扩口6安装在中心风管1出口处，一次风管扩口7安装在一次风管2出口处，二次风管扩口8安装在二次风管3出口处。中心风管1与一次风管2之间为直流一次风通道9，一次风管2与二次风管3之间为旋流二次风通道10，二次风管3与三次风管4之间为直流三次风通道11。一次风通道9为一次风直流气流通道，二次风通道10为由二次风旋流叶片5形成的二次风旋流气流通道，三次风通道11为三次风直流气流通道。一次风采用直流风从一次风通道9送入，二次风和三次风分别通过蜗壳从二次风通道10和三次风通道11送入。

燃烧器结构简单，加工制作方便，通过调整配风可以实现不同煤种的稳定燃烧。一次风通道9中一次风采用直流风能够保证更多煤粉进入中心高温回流区，有助于增加煤粉浓度，增加煤粉与高温烟气的换热，使煤粉更快获得更多着火热量。二次风通道10中旋流二次风可以在炉膛内形成稳定较大的中心回流区，增强炉内气体的扰动，有助于煤粉的稳定燃烧和高效燃尽。三次风通道11中直流三次风由二次风外侧送入，形成分级燃烧，在有助于稳定火焰的同时，还可以延长中心回流区的长度，卷吸更多高温烟气为煤粉着火和稳定燃烧提供充足的热量，可以降低燃烧器出口火焰温度，避免火焰温度偏高，并且有助于降低炉内NOx的生成。燃烧不同煤粉时，可以根据煤粉种类调整各风道内的风量，保证煤粉能够稳定燃烧和高效燃尽。

如图3所示，中心风管扩口6距离燃烧器出口距离为d0，d0大于或等于0。中心风管扩口6水平长度为d1，一次风管扩口7水平长度为d2，二次风管扩口水平长度为d3，d1大于或等于d2，d3大于或等于d1+d0。如图4所示，中心风管扩口6与燃烧器轴线夹角θ1小于或等于一次风管扩口7与燃烧器轴线夹角θ2，二次风管扩口8与燃烧器轴线夹角θ3，θ3根据各扩口水平长度确定，二次风管扩口8末端设置有与三次风管4平行的平台。

中心风管扩口6与燃烧器轴线夹角θ1小于或等于一次风管扩口7与燃烧器轴线夹角θ2，有利于避免一次风中煤粉冲入燃烧器出口旋流二次风而导致的着火延迟现象，同时，可以使较大粒径的煤粉直接冲入燃烧器出口的中心回流区，并在燃烧器出口进行旋转，延长停留时间，有助于粒径较大的煤粉及时着火和燃尽。中心风管扩口6和一次风管扩口7末端与燃烧器出口距离d0，d0大于或等于0，可以保证更多煤粉集中在中心回流区边界，提高中心回流区边界煤粉浓度，降低煤粉着火温度，更快地吸收着火所需热量，有助于煤粉的稳定燃烧。同时，这种结构与三次风管4配合可以使煤粉火焰更稳定，对高效燃烧低挥发分煤和混煤有利。

利用ANSYS CFX 14.0软件在相同工况下分别对普通旋流煤粉燃烧器和本发明多煤种适应性的旋流煤粉燃烧器的煤粉燃烧过程进行数值模拟，获得炉内温度场结果如图5和图6所示。通过对比可知，普通燃烧器高温区距离燃烧器出口较远，即煤粉着火延迟，适合燃烧优质煤粉，但是当燃烧混煤或者难燃煤时，对煤粉着火和燃尽却不利。普通燃烧器形成的温度场过高，高温区靠近壁面，容易造成炉墙壁面结渣，这是因为中心风管扩口和一次风管扩口突出，煤粉着火后迅速与二次风和三次风混合，造成煤粉燃烧速度快，燃烧温度过高； 同时，因三次风管的直径相对较小，在普通的中小型燃烧器设计中，对稳定和降低火焰温度作用不明显，因此炉内最高温度可高达1790℃，而过高的炉内温度对一些难燃煤种的燃烧也不利，同时也会促使生成大量的NOx等有害气体。而从多煤种适应的旋流煤粉燃烧器所形成的温度场（图6）可以看出，合理的结构、合适的三次风管直径及三次风量，保证了炉膛内良好的温度场分布，煤粉着火及时，既有利于优质煤粉的燃烧和燃尽，又对混煤燃烧和难燃煤粉的稳定燃烧有利；多煤种适应的旋流煤粉燃烧器形成的温度场分布均匀，炉内平均温度在1100℃到1300℃之间，最高温度约为1500℃，既提供了满足多种煤粉稳定燃烧的温度场，同时又有利于降低NOx等有害气体的形成和排放；由于高温区靠近炉膛中心，还有利于避免炉墙壁面结渣。

在相同工况下分别对负荷4t/h的普通旋流煤粉燃烧器和本发明多煤种适应性的旋流煤粉燃烧器的煤粉燃烧过程进行数值模拟，获得炉内速度场分布如图7和图8所示。通过对比可知，普通旋流煤粉燃烧器和本发明多煤种适应性的旋流煤粉燃烧器形成的回流区长度分别为2m和2.2m，多煤种适应性的旋流煤粉燃烧器的回流区长度略长，有利于卷吸更多高温烟气。普通旋流煤粉燃烧器形成的中心回流区的最高回流速度约为5m/s，而本发明多煤种适应性的旋流煤粉燃烧器形成的最高回流速度达到8.17m/s；另外，后者高速回流区更靠近燃烧器出口，有利于对煤粉气流的加热，进而有利于煤粉的及时着火和稳定燃烧。

利用模拟软件对普通旋流煤粉燃烧器和本发明多煤种适应性的旋流煤粉燃烧器的煤粉燃烧过程进行数值模拟，获得较大粒径煤粉典型运动路径对比，结果如图9所示。通过对比可知，相比普通旋流煤粉燃烧器，多煤种适应性的旋流煤粉燃烧器可以使较大粒径煤粉在燃烧器出口旋转回流，延长煤粉在燃烧器出口高温区域的停留时间，增强煤粉与高温烟气的混合，有利于对粒径较大煤粉的加热，使煤粉及时着火；特别是对难燃煤粉的燃烧非常有利，可以有效促进煤粉的燃尽。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，各零件的布置有多种方式，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。