专利名称：用于粉状固体燃料炉的过热空气控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃烧粉状固体燃料的炉的控制系统，更具体地说，涉及一种用于将助燃的空气引入炉内的过热空气控制系统。
煤粉炉使用多个将粉状固体燃料，例如粉状煤或焦炭喷入炉内的燃烧器，燃料在炉内被点燃并燃烧从而产生热。通常将燃料输送到炉内并悬浮在称之为＂一次风＂的空气中，另外将辅助的＂二次风＂也引入到炉内靠近燃料流和用于给燃料助燃的一次风处。
这些类型的炉常受到限制一氧化二氮排放到大气中的量的法规制约。因此，降低燃烧过程中产生的一氧化二氮量的技术得以发展，包括将一部分二次风从燃烧器转送到延伸通过燃烧器下游的炉壁的过热空气口，然后将一部分二次风经这些口引入炉内。对流向过热空气口的空气量进行控制，以使燃料的初燃烧发生在亚理想配比的状态，从而形成将一氧化二氮的形成减至最小的还原气氛，同时将剩余的用于完全燃烧所需的空气提供给过热空气口。用于提供和控制流向并通过过热空气口的二次风的流动的系统是多种多样的，该系统通常包括用于输送过热空气的燃烧器类喷嘴或类似装置，以及包括旋流叶片、独立的鼓风机和其它有关设备，这会使安装较为复杂，并且费用较高。
在这些设备中，建立相当精确的燃料与一次风的比率是十分重要的，其目的是建立和保持高效率的点火和燃烧，特别是在采用过热空气系统的时候。然而，在安装多个燃烧器时，在给定时间可利用的一次风量随燃料的品质而变化，这样就难以建立最佳的燃料/一次风之比。增设过热空气系统时，由于它们本身固有的复杂性及高昂的成本，则使这些问题更加严重。
因此，本发明的目的是提出一种用于煤粉炉的能降低一氧化二氮的形成量的过热空气控制系统，该系统设计较简单，不需要许多复杂而昂贵的相关设备，并且尽管燃料的品质和可利用的一次风量变化，但仍可保持最佳的燃料一空气比。
因此，本发明提供一种用于煤粉炉的过热空气控制系统及操作这种炉的方法，其中降低了一氧化二氮的形成量并可保持相当精确的空气燃料比，尽管燃料的品质和可利用的一次风量是变化的。为此目的，本发明的燃烧器组件可将燃料/一次风混合物随二次风一起排出，以燃烧燃料。对排出的一次风和二次风量进行控制，以达到不完全燃烧，并且设置一个过热空气口，辅助空气通过该口排出，以完成燃烧。过热空气口接收两股空气流，其中的一股容量大，速度低；另一股容量小，速度高。为控制气流设置一些风门，以实现空气量和空气速度的优化。按照一个实施例，一股空气流的气源是提供给燃烧器组件的燃料/一次风混合物中的一次风部分。
尽管燃料的品质和可利用的空气量有变化，但由于可精确地保持燃料-空气比，因此本发明的主要优点是利用本发明的过热空气口控制系统和燃烧方法来取得的，同时可使一氧化二氮的形成量减至最小。另外，该系统较简单，不需要复杂的相关设备，而且安装和运行成本都较低。
图1是采用本发明的过热空气系统的炉的剖视图；图2是与图1类似的视图，但描绘的是本发明系统的另一个实施例。
参见附图中的图1，标号10表示粉状燃料炉的竖直壁。可以理解，该炉由其它三面竖直壁、炉顶和炉底(图中都未示出)所限定。炉壁最好由间隔设置的多根水管构成并具有沿管间延伸的连续翅片，从而形成气密封罩。两个相隔的开口或孔10a和10b穿过壁10并与炉子内部10c相通。孔口10a和10b位于炉内的炉顶和炉底之间的预定的高度。
由标号12表示的燃烧器组件设有一个与孔口10a对齐并用于将粉状燃料(如煤)与一次风的混合物排入炉子内部10c的燃烧器12a。套筒12b也与孔口10a对齐并包围着燃烧器12a，从而限定出一个环形通道12c，该环形通道接收来自二次风通风装置或风箱(图中未示出)的加压二次风。可以理解，为了对燃料进行初点火，应设置点火器或类似装置(图中未示出)，可将风门、导流叶片和类似装置设置在环形通道12c内，以便接收和控制流向炉子内部10c的二次风，二次风对从燃烧器12a排出的燃料起助燃作用，这就是按传统方式所要进行的全部措施。燃料连续燃烧所产生的燃烧产物在炉子内部10c靠自然通风向上流动。由于燃烧器组件12不构成本发明的一部分，所以不再对它进行详细描述。
本发明过热空气系统用标号14表示，它包括一个以一定角度向壁10方向延伸并与孔口20a对齐的套筒16。套筒16伸入到气室18a内，该气室延伸到壁10上，气室18a与辅助气室18b相连接。共用壁20将两个气室18a和18b隔离，它具有两个相隔一定距离的并且贯穿该壁的通气孔20a和20b，在两孔内分别设置风门22a和22b，以用于由于上述原因而控制通过孔的空气的流动。
二次风管道24正对着用于从上述的二次风气室或风箱中将二次风引入气室18b的气室18b壁上的开口。这样，气室18b中的空气在风门22a和22b的控制下流入气室18a。管道26的一端正对着开口20a，而另一端正对着喷管28的入口端，以便使空气在风门22a的控制下从气室18b流入喷管。喷管28的另一端与套筒16同轴地延伸到套筒16内并与孔口10b对正。因此，喷管28中的空气从燃料/一次风混合物于其它大量的二次风排放位置的上方区域排入炉子内部10c。
喷管28的外径小于套筒16的直径，以限定一个用于在风门22b的控制下接收来自气室18a的空气的环形通道30。在环形通道30的周围间隔地设置若干有一定倾角的旋流叶片32，当空气排入炉子内部10c之前通过该环形时，这些旋流叶片使空气产生旋流。因此可以理解，这些叶片是可调节的，以便以常规的方式改变旋流。
可以理解到，按常规方式，套筒16和喷管28安装到壁10上，管道26安装到壁20上。另外，风门22a和22b及旋流叶片32可按已知技术进行手动控制或遥控操纵。
在操作中，将一次风和粉状固体燃料(如煤)混合物按照实线流动箭头所指方向送入燃烧器12a，将二次风按照虚线流动箭头所指的方向送入喷管12a与套筒12b之间的通道内。将燃料与一次风的混合物及二次风排入炉子内部10c并对燃料进行初点火，利用一次风助燃的与二次风使燃料连续燃烧。应小心地控制引入的二次风量，使之低于理想比，同时在能将一氧化二氮的形成降至最低的还原状态下形成不完全燃烧。将可燃气体随炉子内部产生的不完全燃烧的燃料一起送到过热空气控制系统14。
将辅助二次风或来自将二次风提供给燃烧器组件12的气源的过热空气按照虚线流动箭头所指的方向送到过热空气系统14。因此，空气流入气室18b并在风门22a和22b的控制下通过孔20a和20b。通过孔20a的空气进入管道26并流到喷管28，以便经孔口10b排入炉子内部10c。空气通过孔20b进入气室18a，再流过环形通道30，并由叶片32使之产生旋流，然后以绕着喷管28的空气流而流动的气流形式排入炉子内部10c。这样设计的由喷管直径限定的喷管28的排放区域要大于环形通道30的排放区域。因此，从喷管28排入炉子内部的二次风的容量较大，速度较低，同时从通道30排入炉子内部10c的空气的容量较低，速度较高。
对风门22a和22b进行调节，使通过孔10b引入炉子内部10c的过热空气的总量足以使燃料完全燃烧。
按照本发明的一个特点，可控制以上述方式送入孔10b的过热空气的量和/或速度，以取得最佳运行状态，尽管可利用的空气的量和/或速度是变化的。例如，如果管道24内的过热空气速度较低，则风门22a可朝其关闭位置运动，而风门22b朝其开启位置运动。这样就引导绝大部分空气从气室18b流出开口20b和通道30，使空气排入炉子内部10c，而其流速增加足以使燃料在最佳状态下完成燃烧。另一方面，如果需要增加空气量，则风门22b朝其关闭位置运动，而风门22a朝其开启位置方向运动，从而使绝大部分空气从气室18b流过开口20a，管道26和喷管28则使较高的空气量进入炉子内部10c。
可以理解到，利用在下面两篇文章中公开的射流原理，可对通过过热空气口的过热空气的流量进行分析并从而进行处理。这两篇文章可作为参考文献(1)N.A Chigier和J.M.Beer，1963年由J.Chedaille，W.Leeucghkel和A.KChesters引述的在＂国际火焰研究基金会(Ijmuiden)所做的对紊流射流的动力学研究＂第三次火焰和工业论文集，英国伦敦66年10月19日；(2)N.M.Kerr和D.Fraser＂旋流部分1轴对称紊流射流＂燃料协会期刊第39卷，1965年12月。
应注意到，在上述文章中提出的公式中，必须将旋流数乘以过热空气口10b内的空气密度与炉子内部10c中的燃气密度之比的平方根。另外，射流轴向速度不应大大超过炉内孔上方的燃气的流速，并且射流应将来自炉子内部10c一定高度处的孔10b下方的全部炉气抽出。这样会带来一些优点，例如，本发明的过热空气系统不但减小了一氧化二氮的形成量，而且该系统设计简单，不需要大量复杂昂贵的相关设备。另外，可精确地控制在过热空气口10b处的过热空气的量和流速，尽管如上所述的可利用空气的量和压力是变化的。
本发明的系统用来与图2的实施例所示的拱式燃炉(arch-fired furnace)相连。拱式燃炉具有一个由上垂直部分40a、下垂直部分40b和与水平成锐角延伸的倾斜部分40c组成的竖直前壁40，该倾斜部分将上垂直部分40a连接到下垂直部分40b上。可以理解，该壁由一个后壁(它是前壁40的镜象)、两个侧壁和一个底(都未示出)组成，各壁可由多根水管构成(正如图1的第一实施例所讨论的)，从而按传统方式构成一个气密外壳。开口或孔40d贯穿壁部分40c，开口或孔40c’贯穿壁部分40a。两个孔40d和40c都与炉子内部40f相通并且部位于炉内底与顶之间的某一预定高度。
标号为42的旋风燃烧器组件包括一个燃烧器42a，它具有与孔40d对齐的并用于将颗粒状燃料(如煤)与一次风的混合物排入炉子内部40f的排气端。
该燃烧器组件42是一种公知的设计，例如在作为参考文献的美国专利US 5,107,776中公开了这种燃烧器，因此这里不再详细描述。
套筒42b也正对着孔40d并包围燃烧器42a的排气端部分，因而限定了一个以上述方式接收压缩空气的环形通道42c，进气管43正对着燃烧器42a并沿切向朝燃烧器方向延伸，它用于将粉煤与一次风的混合物引入燃烧器。这样，当混合物流到燃烧器的排气端以便流到炉子内部40f时，在燃烧器42a内产生旋流。可以理解到，可设置点火器或类似装置，以便对燃料进行初点火。
进气管44连接在压缩空气源上并与气室48a对正，该气室与一个辅助气室48b相连，燃烧器42a穿过该辅助气室延伸。气室48a和48b由炉壁部分40a，40b和40c和共用壁50对其部分限定，该共用壁50具有贯穿它的气流孔50a。隔板52设置在气室48a内并具有一个贯穿它的气流孔52a。两个风门54a和54b分别设置在壁50和52的孔50a和52a内，出于上述原因，它们用于控制通过孔的空气的流动。
孔40b′设置在壁部分40b上，它用于将气室48a中的空气作为二次风在风门54b的控制下送入炉子内部40f。如果壁40是由多根相隔开的上述水管构成的，则孔40b′可由一根或多根从壁平面伸出的管子弯曲构成。
气室48a中的另一部分空气在风门54a的控制下流入气室48b，以便通过环形通道42c排出。可理解的是，风门、叶片或类似装置设置在环形通道42c内，以用于接收和控制进入炉子内部40f的空气的气流，这部分空气对从燃烧器42a排出的燃料起助燃和三次风的作用。
风管58具有一个与燃烧器42a的上部对正的一端，以用于接收一部分从燃烧器排出的燃料/一次风的混合物，并且该风管58延伸到靠近壁部分40a安装的过热空气室60，并通过该过热空气室。在风管58内设置一个风道59，它用于控制通过风管58的燃料/一次风混合物的流动。风管58的排气端与孔口40c’对正，套筒62沿风管的排气端部分的周围延伸，以在它们之间限定一个环形通道64。因此，一部分从燃烧器42a排出的的燃料/一次风混合物在风道59的控制下通过风管58，然后经孔口40c’排入炉子内部40f，该孔口40c’处在燃烧器42a排放剩余部分燃料/一次风混合物位置上方区域。
进气管66与气室60壁上的孔对正，它用于从空气源(最好是与风管44的空气相同的空气源)将过热空气引入气室。在气室60内设置一块隔板68，它具有两个贯穿它的开口68a和68b，在这两个开口分别设置风门70a和70b。这样，在气流进入环形通道64前，当它通过开口68a时由风门70a进行控制，然后再将它排入炉子内部40f。多个环流叶片72环绕环形通道64成一定角度地隔开设置，以使空气在进入炉子内部40f之前通过通道时产生旋流。可理解到，为此目的可将叶片制成可调节的，从而可按传统方式改变旋流。
风管74使开口68b与风管59内部连通，以使空气在风门70b的控制下，从气室60进入风管59。气室60中的空气与通过风管59排出的燃料/一次风混合物混合，然后通过孔口40c排入炉子内部40f。
在图2的实施例的工作过程中，将颗粒状燃料和来自外气源的一次风的混合物送入导管43。由于颗粒燃料的动量并且导管43与燃烧器42a相切，所以混合物被分离成富燃料部分和富空气部分，富燃料部分在燃烧器42a内形成旋流并靠离心力将其推向并撞击在已剩很少燃料的燃烧器内壁上；而富空气部分处在燃烧器的中心区。燃料/一次风混合物流沿燃烧器42a的内表面向下推动混合物的富燃料部分，然后通过孔口40d流出燃烧器的排气端并进入炉子内部40f。混合物的富空气部分也经孔口40d排出燃烧器42a的排气端的中心部分，然后进入炉子内部40f。对燃料进行初点火，在一次风的助燃下使其连续燃烧。
将进气管44中的空气引入气室48a并使一部分空气在风门54b的控制下通过隔板52上的开口52a，然后再通过壁孔40b′流入炉子内部40f。如上所述，该空气起二次风的作用，并且它随流过燃烧器42a的一次风量一起流入炉子内部40f的量，小于完全燃烧所需的量。
在气室48a中的剩余空气部分在流过环形通道42c和孔口40d之前，在风门54a的控制下进入气室48b，然后流入炉子内部40f。该空气起三次风的作用，因此它也对从燃烧器42a排出的燃料起助燃作用，并且还不足以实现完全燃烧，因此在炉子内部维持还原状态，以最大限度地减小一氧化二氮的形成。燃料气体随不完全燃烧的燃料一起从孔口40c流入炉子内部40f。
调节风门59，以排出燃烧器42a内部中心的燃料/空气混合物中的富空气部分中的一部分，该部分空气经风管58和孔口40c’排入炉子内部40f，在炉子内部，混合物中的较小量的燃料燃烧。辅助二次风或过热空气最好是来自将二次风和三次风提供给风管44的相同的气源，该气源通过风管66将二次风和过热空气输送到气室60。这些空气的一部分在风门70b的控制下流过隔板68上的开口68b，然后经风管74进入风管58内，并在这里与排出的燃料/空气混合物相混合，然后再与该混合物一起通过孔口40c’流入炉子内部40f。利用风门59和70b可分别对通过风管58进入炉子内部40f的燃料/空气混合物和空气的量进行调节。
气室60中剩余部分的空气在风门70a的控制下通过隔板68上的开口68a进入环形通道64，由叶片72使空气产生旋流，然后以包围来自风管58的燃料和一次风的气流的环形气流形式经孔口40c’流入炉子内部40f。风管58和通道64的设计与图1实施例的设计相同，也就是说，由其直径限定的风管排放面积大于环形通道的排放面积。因此，正如图1的实施例所示，从风管58排入炉子内部40f的燃料/一次风混合物的容积较高，流速较低；而来自通道64的辅助二次风或过热空气则容积较低，流速较高。调节风门70a和70b，使通过孔口40c流入炉子内部40f的过热空气的总容量足以使燃料完全燃烧。
因此，图2的实施例具有图1实施例的所有优点，包括按照需要调节经孔口40c’引入炉子内部40f的燃料/空气混合物和过热空气的相对容量和流速的能力。另外，混合物的空气部分温度较高，并且不干扰由燃烧器42a经孔口40d引入的燃料的主燃烧。此外，经孔口40c排出的燃料/空气混合物中的燃料部分较容易燃烧，这就进一步减少了一氧化二氮的形成。
图2中的虚线和标号58a表示风管58排气端部分的另一种结构。更具体地说，该排出端部分形成一种文丘里结构，按照一般原理，当风管74中的空气通过文丘里管的喉部时，该文丘里结构形成一个低压区。这就促使经风管58排出的燃料/空气混合物以上述讨论的方式流入炉子内部40f。也可理解到，在不脱离本发明的保护范围的情况下还可有其它几种变型。例如，在各实施例中讨论的各孔口、风管、喷嘴、燃烧器、套筒和通道的截面不一定是圆形的，而是可以采用其它的截面形状。另外，本发明的系统可采用抛煤机炉排或燃烧粉碎的固体燃料的流化床燃烧器来替代上述燃烧器组件。此外，可将水喷入风管58内，以形成已知的可进一步减少形成一氧化二氮的化学基。
在上述公开内容中还可采用其它改进、变型和替代物，并且在某些情况下也可采用本发明的某些特征而不采用相应的其它特征。因此，对本说明的权利要求书作更宽范围和与本发明的保护范围相一致的解释是较适当的。
权利要求
1.一种将空气引入炉壁上的开口以对炉内燃料起助燃作用的空气控制系统，其特征在于，该系统包括一个用于接收和经所述开口排出空气并使之进入炉内的内部件和一个沿该内部件周围延伸的外部，从而在内部件和外部件之间限定出一条通道，该通道通过所述开口接收和排出空气并将空气引入炉内，内部件的横截面大于该通道的横截面，使由内部件排出并进入炉内的空气比从通道排入炉内的空气具有较高的容量和较低的流速。
2.按照权利要求1的系统，其特征在于，它还包括用于分别向内部件和外部件供风的第一气室和第二气室。
3.按照权利要求2的系统，其特征在于，第一气室接收来自一个气源的空气，第二气室接收来自第一气室的空气。
4.按照权利要求3的系统，其特征在于，它还包括用于控制从第一气室流向内部件的空气和用于控制从第二气室流向通道的空气的风门。
5.按照权利要求3的系统，其特征在于，它还包括一个将第一气室连接在内部件上以将第一气室内的空气提供给内部件的风管连接件。
6.按照权利要求5的系统，其特征在于，外部件设置在第二气室内，以用于接收来自第二气室的空气。
7.按照权利要求3的系统，其特征在于，第二气室设置在靠近炉壁处，并通过在第一气室与第二气室之间延伸的共用壁使第二气室与第一气室相连接。
8.按照权利要求6的系统，其特征在于，在该共用壁上开设两个可使空气通过的开口。
9.按照权利要求8的系统，其特征在于，它还包括一根将其中一个开口连接在内部件上的风管，其中其它开口允许空气从第一气室流入第二气室然后进入通道。
10.按照权利要求8的系统，其特征在于，它还包括两个分别与两个开口相连、用于控制通过开口的空气流动的风门。
11.按照权利要求1的系统，其特征在于，它还包括设置在通道内、用于在空气通过通道时使空气产生旋流的叶片。
12.按照权利要求1的系统，其特征在于，内部件是一个具有圆形截面的喷嘴，它的一端接收空气，另一端与用于排气的所述开口对正。
13.按照权利要求8的系统，其特征在于，外部件是一个与内部件相隔开地延伸以在它们之间限定一个环形通道的套筒，它的一端用于接收空气，另一端用于排气。
14.按照权利要求9的系统，其特征在于，内部件的横截面是喷嘴的另一端的横截面，通道的横截面是环形通道的排气端的横截面。
15.按照权利要求1的系统，其特征在于，它还包括一个用于在与炉子内部相隔开的区域将燃料/空气混合物随二次风一起送入炉子内部的燃烧器组件，空气从内部件和通道中排入炉内。
16.按照权利要求15的系统，其特征在于，由燃烧器组件排出的二次风和通过通道排出的二次风是来自于同一气源。
17.按照权利要求15的系统，其特征在于，由内部件接收和排出的二次风是燃烧器组件排出的燃料/空气混合物的一部分。
18.按照权利要求17的系统，其特征在于，它还包括一个从燃烧器组件延伸到将一部分燃料/空气混合物从燃烧器组件中排出的开口的风管，该风管的排气端构成内部件。
19.按照权利要求17的系统，其特征在于，它还包括一个用于控制燃烧器组件排出的燃料/空气混合物的量和输送到内部件并由内部件排出的燃料/空气混合物的量的风门。
20.按照权利要求18的系统，其特征在于，风管的排气端结构可产生一个低压区，以促进通过风管送到开口的燃料/空气混合物部分的流动。
全文摘要
一种粉状燃料炉的过热空气控制系统,其中,对一次风和二次风的排放进行控制,以实现不完全燃烧,并设置一个过热空气口,辅助空气通过该口排出,以完成燃烧。过热空气口接收两股气流,一股容量高,流速低,另一股容量低,流速高。设置风门,以便控制气流,使空气的量和速度达到最佳化。这样就降低了一氧化二氮的形成量并可相当精确地维持空气燃料比,尽管燃料的品质、压力和一次风的量都不相同。
文档编号F23C7/02GK1170845SQ97113278
公开日1998年1月21日 申请日期1997年4月17日 优先权日1996年4月17日
发明者胡安·A·加尔恰－马洛尔 申请人:福斯特惠勒能源公司