一种适用于劣质煤的富氧多重火焰直流燃烧器的制作方法

本发明属于洁净能源燃烧技术领域，具体地涉及一种适用于劣质煤高效低nox富氧多重焰直流燃烧器。

背景技术：

在中国一次能源构成中，煤炭比例达70％以上，已探明的可开采煤炭储量又以劣质煤为主，达50﹪左右的比例，仅低挥发分无烟煤和贫煤的比例就接近30﹪，且优质无烟煤和贫煤很少；进口的劣质煤也越来越多。煤直接燃烧发电的火电占我国发电总量高达70％以上，其中，绝大部分火电厂燃用劣质煤。煤炭的清洁高效利用技术研发，特别是针对劣质难燃煤，包括低挥发分无烟煤、贫煤、焦炭的清洁高效利用技术研发，在不断增加的碳捕集技术(ccs)国际背景下日益迫切。煤燃烧技术是煤炭的清洁高效利用技术中的关键技术。传统的基于直流燃烧器的煤粉燃烧技术，由于着火困难，很难应用于劣质难燃煤的高效燃烧；传统的基于旋流燃烧器的煤粉燃烧技术，由于高nox排放，也不适于难燃煤的洁净燃烧。而流化床燃烧，尽管在煤种适应性和降低nox排放方面优良，但相比煤粉燃烧，燃烧效率低。

尽管国内外研发了各种各样的燃煤技术，但对于难燃低挥发分无烟煤、贫煤、焦炭，由于在实现着火稳燃、高效、低nox、不结渣和负荷响应等的理化约束上往往互相矛盾，因此，同时实现着火稳燃、高效、低nox、不结渣和负荷响应快等性能的难燃煤燃烧技术的研发依然面临严峻技术挑战。

针对难燃的低挥发分无烟煤燃烧，现有技术提供了一种锅炉燃烧器为垂直浓淡燃烧器或低风速常规燃烧器,着火稳燃性能得到改善，扩展的还原性气氛区域利于nox抑制，但墙置的切圆燃烧器存在稳定性差，还原性气氛角部回流区的存在也使该区域水冷壁面易于结渣和高温腐蚀。

现有的无烟煤燃烧方法，采用直流燃烧器，通过燃烧器区域角置四角切圆二次风消除了现有锅炉角部回流区的不利影响，但没有描述降低nox排放的具体方法。

现有的基于旋流燃烧器的w或u型火焰燃烧技术，由于回流区快速混合和高温燃烧，降低nox排放很困难，这是我国超净燃烧技术较难在旋流燃烧器锅炉上实施的技术原因。

现有技术还提供了另一种降低循环流化床nox的燃烧方法，通过旋风分离器将煤燃烧过程分为主燃烧室还原性气氛燃烧煤颗粒和烟道内氧化性气氛燃尽飞灰两个阶段，由于对主燃烧室还原性气氛燃烧即部分氧化或气化可进行相对独立的控制，减低了nox排放，但由于循环流化床低温燃烧，排渣中的碳因无法实施高温燃烧的独立控制，并没有被充分燃尽，所以，导致提高燃烧效率和减低nox、颗粒污染物的排放量无法同时实现，这是我国超净排放燃烧技术在循环流化床锅炉上实施难度大的技术原因。

综上所述，现有燃烧器或燃烧技术难以满足劣质煤高效低nox燃烧。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有的煤粉燃烧器难以同时实现高效燃烧和低nox排放的问题，本发明提供了一种适用于劣质煤的富氧多重火焰直流燃烧器。

一种适用于劣质煤的富氧多重火焰直流燃烧器，包括同轴设置的一次风管道、浓缩器、旋流器、富氧钝体罐和周界风管道；

一次风管道内按一次风流向依次设有浓缩器、旋流器和富氧钝体罐，旋流器的口径小于浓缩器的口径；

一次风管道的入口端通过密封盖板密封，出口端与炉膛连通；

一次风管道出口区域的外部套有周界风管道，周界风管道顶端密封，周界风管道与一次风管道围合的空间与炉膛连通，周界风管道用于给从一次风管道出口进入炉膛内的煤粉气流提供周界风；

一次风管道上开设有一次风入口，通过一次风入口向一次风管道内送入煤粉气流；

浓缩器对一次风管道内的煤粉气流进行一次浓缩后，

一部分煤粉气流进入旋流器内进行搅拌及二次浓缩，使煤粉气流周向均匀分布后，形成煤粉气流环进入炉膛，在径向方向上富氧钝体罐由煤粉气流环的中心向周向喷射富氧；

另一部分煤粉气流直接进入炉膛内；

富氧钝体罐还作为钝体对煤粉气流进行整流。

优选的是，浓缩器按一次风流向为渐缩型锥筒，且浓缩器的大端与一次风管道的内壁固定连接。

优选的是，浓缩器的横截面为圆形、矩形或大于4边的正多边形。

优选的是，旋流器包括内筒、外筒和多个旋流叶片；

多个旋流叶片沿周向均匀固定在内筒外壁与外筒之间。

优选的是，内筒按一次风流向为渐扩型锥筒，外筒按一次风流向流向为渐缩型锥筒；

内筒的小端与外筒的大端平齐，内筒的大端与外筒的小端平齐。

优选的是，内筒小端的渐缩角度a为20°至35°。

优选的是，富氧钝体罐包括富氧管道和富氧罐；

富氧管道的底端按一次风流向依次穿过一次风管道顶端的密封盖板、浓缩器、旋流器和富氧罐的上盖后，伸入富氧罐内，为富氧罐提供富氧，富氧罐还作为钝体对煤粉气流进行整流；

富氧罐位于煤粉气流环的中心，并向煤粉气流环的内壁喷射富氧；

富氧罐固定在富氧管道的底端，

旋流器固定在靠近富氧管道底端的侧壁上；

富氧管道的顶端位于一次风管道外。

优选的是，富氧罐侧壁上由上至下开设有多层富氧喷口组，多层富氧喷口组靠近富氧罐底端；

每层富氧喷口组包括n个富氧喷口，且n个富氧喷口沿富氧罐侧壁的周向均匀分布；

每层富氧喷口组中的n个富氧喷口由内至外交叉喷射富氧。

优选的是，每层富氧喷口组中的富氧喷口均可沿水平向上或向下切斜5°到10°。

优选的是，富氧管道靠近顶端的管路上设有截止阀和止回阀，截止阀和止回阀设置在一次风管道外。

优选的是，富氧通过膜分离或磁分离制备。

优选的是，富氧管道的顶端管路通过法兰固定在一次风管道顶端的密封盖板上。

优选的是，内筒采用氧化铝铁合金制备，外筒和多片旋流叶片采用碳钢制备。

优选的是，富氧罐采用氧化铝铁合金制备，富氧管道采用碳钢制备。

优选的是，所述一次风管道、浓缩器和周界风管道采用碳钢制备。

优选的是，外筒的小端与一次风管道的直径比为1：2。

优选的是，浓缩器与旋流器之间的距离h1大于0.22d，d为一次风管道的内径。

优选的是，富氧罐的高度h2小于0.18d，d为一次风管道的内径。

优选的是，富氧罐底端的端面与一次风管道底端的端面之间的距离为h3，且h3的取值范围为1/8d至1/4d，d为一次风管道的内径。

优选的是，周界风管道上设有周界风入口。

原理分析：本发明首先通过浓缩器预浓缩来自一次风管道的煤粉气流，经过一段气固分离后，绝大部分煤粉和部分空气进入弱旋、渐缩的旋流器继续浓缩，获得浓煤粉气流环，然后，浓煤粉气流环与包裹它的相对高速的淡煤粉气流一起，在富氧钝体罐作用下共同喷入炉内，与此同时，浓煤粉气流与由内向外的富氧射流交叉混合后逐渐流向钝体回流区(即：富氧钝体罐以下至燃烧器出口处附近)边界层附近，形成多重火焰。本发明燃烧器对一次风送入的煤粉气流进行浓淡分离、弱旋、保障回流及改善煤粉和空气分布的钝体。浓缩后的浓煤粉气流流经钝体回流区边界层附近并借助由内向外交叉喷入的多股富氧射流实施着火稳燃，形成易冷却的多重火焰，富氧气体由内向外与多股浓煤粉气流交叉喷射。

现有燃烧器或燃烧技术难以满足劣质难燃煤高效低nox燃烧。现有技术采用燃烧热化学不同阶段进行各自独立控制原理采用分段耦合燃烧方法解决高效低nox燃烧问题，而本发明从燃烧器自身角度进行改进，必须在着火稳燃的同时，使燃烧区域既迅速降温又处于还原性气氛中，故通过旋流器在旋转回流区进行弱旋，通过烟气回流为一次风加热仅仅需要提供必要的热量，为了利于混合、冷却，炉内集中火焰重构为多重火焰；为了增加难燃煤着火区域挥发分浓度和降低着火温度，一次风进行了必要的浓淡分离(即：采用旋流器实现)和富氧着火稳燃。

本发明带来的有益效果是，首先，浓缩器预浓缩一次风煤粉气流，经过一段气固分离后，绝大部分煤粉和部分空气进入旋流器进行弱旋及继续浓缩混合，然后，浓煤粉气流环于相对高速的淡煤粉气流的包裹下在钝体作用下共同喷入炉内，与此同时，浓煤粉气流与由内向外富氧射流交叉混合后逐渐流向钝体回流区边界层，形成多重火焰，实现劣质难燃煤高效低nox煤粉燃烧。

本发明通过浓缩器对一次风送入的煤粉气流进行浓缩、通过旋流器进行弱旋、通过富氧钝体罐由内向外交叉喷射多股富氧后，在钝体回流区边界层附近，可创设多个高温、燃料/氧化剂比接近于1、着火温度低、低速的多重着火稳燃区域，实现着火稳燃；多重火焰迅速耗尽仅供着火稳燃的富氧后，仍处于富燃料的还原性气氛，同周围包裹它的但处于氧化性气氛中的淡煤粉气流一样，均进行偏离化学当量比燃烧，多重火焰易冷却，所以能实施低温燃烧，因而同时能实现了抑制热力型nox发生。

着火稳燃原理：定向浓缩的浓煤粉气流流经钝体回流区边界层附近后，在此区域，流速低、增加了表面积的浓煤粉气流环利于吸热易形成高温、浓煤粉气流中可燃挥发份浓度高、燃料/氧化剂比接近于1、富氧能降低着火温度，所以，能实现难燃煤着火稳燃，这是继续在炉内组织实施高效燃烧的根本条件，利用与包裹浓煤粉气流的淡煤粉气流的混合和与继后二次风在炉膛内的混合，保障高效燃烧；

低nox燃烧原理：富氧气体仅供着火稳燃，所以浓煤粉气流为富燃料燃烧，处于还原性气氛中，也是偏离化学当量比燃烧，能有效抑制燃料型nox发生，增加了表面积的浓煤粉气流环也利于放热，易冷却，实施低温燃烧，抑制热力型nox发生，淡煤粉气流虽然处于氧化性气氛中，由于煤粉浓度低且更靠近水冷壁，偏离化学当量比低温燃烧，所以也利于抑制热力型nox发生，由于富氧由内向外喷射，不会进入回流区，又由于火焰发生在边界层附近避免了回流区高温，所以钝体回流区中可能发生的热力型nox也得到了抑制。淡煤粉气流也具有防结渣和高温腐蚀作用。

所以，本发明能同时实现劣质难燃煤着火稳燃、低nox煤粉燃烧。

附图说明

图1和图2均为本发明所述的一种适用于劣质煤的富氧多重火焰直流燃烧器的主剖视图；

图3为浓缩器的主剖视图；

图4为浓缩器三维结构简图；

图5为富氧钝体罐主剖视图。

图6为煤粉的各燃烧区分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种适用于劣质煤的富氧多重火焰直流燃烧器，包括同轴设置的一次风管道1、浓缩器2、旋流器3、富氧钝体罐4和周界风管道5；

一次风管道1内按一次风流向依次设有浓缩器2、旋流器3和富氧钝体罐4，旋流器3的口径小于浓缩器2的口径；

一次风管道1的入口端通过密封盖板密封，出口端与炉膛连通；

一次风管道1出口区域的外部套有周界风管道5，周界风管道5顶端密封，周界风管道5与一次风管道1围合的空间与炉膛连通，周界风管道5用于给从一次风管道1出口进入炉膛内的煤粉气流提供周界风；

一次风管道1上开设有一次风入口1-1，通过一次风入口1-1向一次风管道1内送入煤粉气流；

浓缩器2对一次风管道1内的煤粉气流进行一次浓缩后，

一部分煤粉气流进入旋流器3内进行搅拌及二次浓缩，使煤粉气流周向均匀分布后，形成煤粉气流环进入炉膛，在径向方向上富氧钝体罐4由煤粉气流环的中心向周向喷射富氧；

另一部分煤粉气流直接进入炉膛内；

富氧钝体罐4还作为钝体对煤粉气流进行整流。

本实施方式中所述的一种适用于劣质煤的富氧多重火焰直流燃烧器的具体工作过程为：

煤粉气流在着火前于一次风管道1内经浓缩器2预浓缩、旋流器3进行弱旋及二次浓缩、富氧钝体罐4由内向外交叉地喷入富氧并经钝体整流预热后喷入炉内，多重火焰发生在位于燃烧器钝体回流区边界层附近的高温、低速、适当燃料氧化剂比的区域；在直流燃烧器出口附近，浓煤粉气流依次经历保证着火稳燃的富氧高温的强氧化区、局部富燃料贫氧的还原区即：直接进入炉膛内的另一部分煤粉气流，具体参见图6，抑制了nox发生、继而进入气化燃尽区以促进高效燃烧，而着火稳燃后的浓煤粉气流即：经浓缩器2预浓缩、旋流器3弱旋浓缩的煤粉被包围在相对低温的淡煤粉气流从浓缩器2出来直接落入至炉膛内的煤粉和来自周界风管道5的周界风之中，浓煤粉气流着火稳燃后点燃淡煤粉气流的同时，有条件迅速被氧化性气氛的淡煤粉气流和周界风及时冷却，既保证抑制nox发生又有利于防结渣和防高温腐蚀；最后，停炉时，先停止供煤粉、再停止供富氧、最终停止周界风管道5对一次风管道1喷口提供周界风。

浓淡煤粉气流的煤粉浓度比为3至5，即浓缩比为3至5。

旋流器3的作用是继续旋转经浓缩器2浓缩煤粉气流，调整煤粉周向均匀分布，与兼做钝体的富氧钝体罐4配合，使多重火焰在径向上稳定在钝体回流区边界层附近，为着火稳燃和抑制nox产生创造了燃料/氧化剂比接近于1、易升温和冷却和低流速的有利条件。

富氧为氧气浓度高于空气中氧气浓度的气体。

参见图1和图2说明本优选实施方式，本优选实施方式中，浓缩器2按一次风流向为渐缩型锥筒，且浓缩器2的大端与一次风管道1的内壁固定连接。

本优选实施方式中，浓缩器2按流向为渐缩型锥筒从而对一次风送入的煤粉气流进行预浓缩。

参见图3至图4说明本优选实施方式，本优选实施方式中，旋流器3包括内筒3-1、外筒3-2和多个旋流叶片3-3；

多个旋流叶片3-3沿周向均匀固定在内筒3-1外壁与外筒3-2之间。

本优选实施方式中，旋流叶片3-3优选为4片，旋流叶片3-3可以是直板、弯扭板等，优选为直板且为三角形状。

一次风管道1的内径为d，内筒3-1小端的内径为d42、内筒3-1大端的外径d41为0.1d至0.3d，优选为0.2d，外筒3-2大端的外径为d31、外筒3-2小端的内径为d32。

参见图3至图4说明本优选实施方式，本优选实施方式中，内筒3-1按一次风流向为渐扩型锥筒，外筒3-2按一次风流向流向为渐缩型锥筒；

内筒3-1的小端与外筒3-2的大端平齐，内筒3-1的大端与外筒3-2的小端平齐。

本优选实施方式中，内筒3-1与外筒3-2之间的距离按流向依次渐缩，从而使旋流器3整体呈现渐缩型，对煤粉气流进行二次浓缩，该种设置方式使旋流器3结构简单，且便于实现。

参见图3至图4说明本优选实施方式，本优选实施方式中，内筒3-1小端的渐缩角度a为20°至35°；进一步优选为30°。

参见图5说明本优选实施方式，本优选实施方式中，富氧钝体罐4包括富氧管道4-1和富氧罐4-2；

富氧管道4-1的底端按一次风流向依次穿过一次风管道1顶端的密封盖板、浓缩器2、旋流器3和富氧罐4-2的上盖后，伸入富氧罐4-2内，为富氧罐4-2提供富氧，富氧罐4-2还作为钝体对煤粉气流进行整流；

富氧罐4-2位于煤粉气流环的中心，并向煤粉气流环的内壁喷射富氧；

富氧罐4-2固定在富氧管道4-1的底端，

旋流器3固定在靠近富氧管道4-1底端的侧壁上；

富氧管道4-1的顶端位于一次风管道1外。

本优选实施方式中，富氧罐4-2用于贮存富氧、喷射富氧并兼作钝体。

参见图5说明本优选实施方式，本优选实施方式中，富氧罐4-2侧壁上由上至下开设有多层富氧喷口组，多层富氧喷口组靠近富氧罐4-2底端；

每层富氧喷口组包括n个富氧喷口4-2-1，且n个富氧喷口4-2-1沿富氧罐4-2侧壁的周向均匀分布；

每层富氧喷口组中的n个富氧喷口4-2-1由内至外交叉喷射富氧。

本优选实施方式中，富氧喷口4-2-1约以25m/s的速度向浓煤粉气流由内到外交叉喷入富氧，用以发生多重火焰，富氧罐4-2侧壁上由上至下可开设1层至5层，优选为开设2层，每层优选为3到8个富氧喷口4-2-1，为了加强混合及防止堵塞，富氧喷口4-2-1出射方向相对于水平方向可存在锐角夹角。

参见图5说明本优选实施方式，本优选实施方式中，每层富氧喷口组中的富氧喷口4-2-1均可沿水平向上或向下切斜5°到10°。

本优选实施方式中，富氧喷口4-2-1倾斜的设置方式，可实现富氧的交叉射流。

参见图5说明本优选实施方式，本优选实施方式中，富氧管道4-1靠近顶端的管路上设有截止阀4-3和止回阀4-4，截止阀4-3和止回阀4-4设置在一次风管道1外。

本优选实施方式中，止回阀4-4用于对富氧流量控制，止回阀4-4用于防止逆流。

参见图1至5说明本优选实施方式，本优选实施方式中，富氧通过膜分离或磁分离制备。进一步优选为通过磁分离制备。

参见图1和图5说明本优选实施方式，本优选实施方式中，富氧管道4-1的顶端管路通过法兰4-5固定在一次风管道1顶端的密封盖板上。

参见图3和图4说明本优选实施方式，本优选实施方式中，内筒3-1采用氧化铝铁合金制备，外筒3-2和多片旋流叶片3-3采用碳钢制备。

本优选实施方式中，碳钢和铝铁合金均为耐热耐磨材料。

参见图5说明本优选实施方式，本优选实施方式中，富氧罐4-2采用氧化铝铁合金制备，富氧管道4-1采用碳钢制备。

本优选实施方式中，碳钢和铝铁合金均为耐热耐磨材料。

参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式中，所述一次风管道1、浓缩器2和周界风管道5采用碳钢制备。

本优选实施方式中，碳钢为耐热耐磨材料。

参见图1至图4说明本优选实施方式，本优选实施方式中，外筒3-2的小端与一次风管道1的直径比为1：2。

本优选实施方式中，浓缩器2预浓缩一次风煤粉气流，经过一段气固分离后，绝大部分煤粉和部分空气进入旋流器3进行弱旋及继续浓缩混合，然后，直径约为一次风管道1当量直径的1/2的浓煤粉气流环于相对高速的淡煤粉气流的包裹下在钝体作用下共同喷入炉内，与此同时，浓煤粉气流与由内向外富氧射流交叉混合后逐渐流向钝体回流区边界层，形成多重火焰，实现劣质难燃煤高效低nox煤粉燃烧。

参见图1和图2说明本优选实施方式，本优选实施方式中，浓缩器2与旋流器3之间的距离h1大于0.22d，d为一次风管道1的内径。

本优选实施方式中，h1大于0.22d既有利于均流又不至于影响煤粉颗粒向对称轴中心集中。

参见图1和图2说明本优选实施方式，本优选实施方式中，富氧罐4-2的高度h2小于0.18d，d为一次风管道1的内径。

本优选实施方式中，h2小于0.18d用以避免浓煤粉气流直接冲刷富氧罐4-2，减小磨损。

参见图1和图2说明本优选实施方式，本优选实施方式中，富氧罐4-2底端的端面与一次风管道1底端的端面之间的距离为h3，且h3的取值范围为1/8d至1/4d，d为一次风管道1的内径。

本优选实施方式中，h3的取值范围为1/8d至1/4d，用以防止富氧罐4-2过热。

参见图1和图2说明本优选实施方式，本优选实施方式中，周界风管道5上设有周界风入口5-1。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其它的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例。