一种煤粉浓缩装置和应用该装置的煤粉燃烧器.pdf

本发明公开了一种煤粉浓缩装置，用于实现固体燃料的浓淡分离，其包括：具有空间几何结构的主体(1)，所述主体包括迎风面(2)和背风面(3)；所述主体(1)的迎风面(2)与背风面(3)之间开有至少一个导流孔(4)。应用本发明，由于其运用了浓缩撞击导向分离原理，使阻力显著降低，且便于在一定规格范围内灵活地调整煤粉浓缩装置的尺寸。本发明还公开了一种应用所述煤粉浓缩装置的煤粉燃烧器。

1.  一种煤粉浓缩装置，用于实现固体燃料的浓淡分离，其特征在于，包括：具有空间几何结构的主体(1)，所述主体包括迎风面(2)和背风面(3)；
所述主体(1)的迎风面(2)与背风面(3)之间开有至少一个导流孔(4)。

2.  根据权利要求1所述的煤粉浓缩装置，其特征在于，所述导流孔(4)的截面形状包括任意的规则或不规则形状。

3.  根据权利要求1所述的煤粉浓缩装置，其特征在于，所述导流孔(4)与水平线平行或倾斜，所述导流孔(4)与水平线之间倾斜角度的范围是±80°之间。

4.  根据权利要求1所述的煤粉浓缩装置，其特征在于，所述所有导流孔(4)的孔面积与所述迎风面(2)的总面积之比为2∶10至7∶10之间。

5.  根据权利要求1所述的煤粉浓缩装置，其特征在于，所述迎风面(2)为凹形曲面或陡坡状直线型斜面。

6.  根据权利要求1所述的煤粉浓缩装置，其特征在于，所述背风面(3)为可以形成长距离涡流的平面或曲面。

7.  一种煤粉燃烧器，包括：点火源(11)、外筒(12)、各级内套筒(13)、中心筒(14)和支撑块(15)，所述点火源(11)位于中心筒(14)内，所述中心筒(14)、各级内套筒(13)和外筒(12)同轴布置，截面逐级放大，并且通过支撑块(15)连接和固定，其特征在于，还包括被设置在煤粉燃烧器筒壁上的煤粉浓缩装置(16)。

8.  根据权利要求7所述的煤粉燃烧器，其特征在于，所述煤粉燃烧器筒壁包括以下位置之一或任意组合：中心筒筒壁、各级内套筒筒壁、外筒筒壁。

9.  根据权利要求7或8所述的煤粉燃烧器，其特征在于，所述煤粉浓缩装置连续或非连续地设置在煤粉燃烧器筒壁上。

10.  根据权利要求7所述的煤粉燃烧器，其特征在于，所述煤粉浓缩装置在煤粉燃烧器筒壁的同一截面上，或在不同的截面上。

一种煤粉浓缩装置和应用该装置的煤粉燃烧器
技术领域
本发明涉及煤粉燃烧器技术领域，特别涉及一种煤粉浓缩装置和应用该装置的煤粉燃烧器。
背景技术
为了达到稳定燃烧和减少氮氧化物(NOx)生成的目的，燃煤锅炉的煤粉燃烧器一般会采用煤粉浓缩装置，使煤粉在燃烧器内部和喷口附近形成特定的浓淡分离特性。煤粉浓缩装置性能的优劣会直接影响到煤粉燃烧器的整体性能。常规煤粉锅炉用的气、固两相流分离的煤粉浓缩装置一般采用弯头和百叶窗结构。其中，弯头结构是利用煤粉粒子在经过弯头时由于气、固两相流的惯性不同而进行分离和浓缩，存在空间布置受限的缺点。百叶窗式气、固两相流分离和浓缩装置是在燃烧筒内设置多个浓缩栅，该装置结构复杂容易导致煤粉沉积，并且存在分离和浓缩效果差，气流通道阻力大和抗磨损性差的缺点。
发明内容
本发明实施例一方面在于提供一种煤粉浓缩装置，既可以在对固体燃料的浓淡分离时获得较好的分离和浓缩效果，又可以降低阻力，增加抗磨性。
本发明实施例另一方面在于提供一种煤粉燃烧器，以获得更小的燃烧阻力，较好的点火性能和稳燃效果。
为此，本发明实施例提供的技术方案如下：
本发明实施例提供的一种煤粉浓缩装置，用于实现固体燃料的浓淡分离，包括：具有空间几何结构的主体1，所述主体包括迎风面2和背风面3；
所述主体1的迎风面2与背风面3之间开有至少一个导流孔4。
其中，所述导流孔4的截面形状包括任意的规则或不规则形状。
其中，所述导流孔4与水平线平行或倾斜，所述导流孔4与水平线之间倾斜角度的范围是±80°之间。
其中，所述所有导流孔4的孔面积与所述迎风面2的总面积之比为2∶10至7∶10之间。
其中，所述迎风面2为凹形曲面或陡坡状直线型斜面。
其中，所述背风面3为可以形成长距离涡流的平面或曲面。
本发明实施例提供的一种煤粉燃烧器，包括：点火源11、外筒12、各级内套筒13、中心筒14和支撑块15，所述点火源11位于中心筒14内，所述中心筒14、各级内套筒13和外筒12同轴布置，截面逐级放大，并且通过支撑块15连接和固定，还包括被设置在煤粉燃烧器筒壁上的煤粉浓缩装置16。
其中，所述煤粉燃烧器筒壁包括以下位置之一或任意组合：中心筒筒壁、各级内套筒筒壁、外筒筒壁。
其中，所述煤粉浓缩装置连续或非连续地设置在煤粉燃烧器筒壁上。
其中，所述煤粉浓缩装置在煤粉燃烧器筒壁的同一截面上，或在不同的截面上。
应用本发明实施例公开的带有导流孔的煤粉浓缩装置，由于其运用了浓缩撞击导向分离原理，在煤粉浓缩装置上设置了专门的导流孔，使阻力显著降低，以便在浓淡分离的同时，不仅可以获得较好的分离和浓缩效果而且不产生过大的阻力。此外，由于导流孔的存在，便于在一定规格范围内灵活地调整煤粉浓缩装置的尺寸，包括高度和宽度等。再有，由于本发明实施例提供煤粉浓缩装置比百叶窗和浓缩环结构厚实，且直接固定于筒壁，因而抗磨损性能非常好，同时也兼顾到了膨胀方面的问题，使其在相同的材料条件下具有更长的使用寿命。
应用本发明实施例公开的带有煤粉浓缩装置煤粉燃烧器，由于各级燃烧筒阻力从中心筒到最外筒，逐级减小，从而使得气固两相流风粉混合物流速从中心筒到最外筒逐级增大，并且具有较小的燃烧器总阻力；还可以防止结渣，有利于点火和稳燃。由于煤粉浓缩装置的导流孔气流的扰动作用，可以产生火焰边界的卷吸、湍流横向脉动，从而使得着火迅速、稳定，并且由于煤粉形成浓淡分布，可以有效地降低NO_X。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1(a)是根据本发明实施例的一种煤粉浓缩装置的主视图；
图1(b)是图1(a)所示煤粉浓缩装置的左视图；
图2是根据本发明实施例的实现煤粉浓淡分离的原理示意图；
图3(a)是根据本发明实施例的一种煤粉燃烧器的侧视图；
图3(b)是图3(a)所示燃烧器的主视图；
图4(a)是根据本发明实施例的另一种煤粉燃烧器的侧视图；
图4(b)是图4(a)所示燃烧器的主视图；
图5(a)是根据本发明实施例的再一种煤粉燃烧器的侧视图；
图5(b)是图5(a)所示燃烧器的主视图；
图6是根据本发明实施例的煤粉浓缩装置在又一种煤粉燃烧器上的应用示意图。
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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，其是根据本发明实施例的一种煤粉浓缩装置结构示意图，其中图1(a)是主视图；图1(b)是左视图。本发明实施例所述的煤粉浓缩装置，用于实现固体燃料的浓淡分离，其包括：具有空间几何结构的主体1，所述主体包括迎风面2和背风面3；主体1的迎风面2与背风面3之间开有至少一个导流孔4，也就是说，可以存在一个或多个导流孔4。在图1所示煤粉浓缩装置中，迎风面2为曲面，背风面3为垂直平面，主体1的迎风面2与背风面3之间开有一个导流孔4。
上述导流孔4的截面可以有多种形状，包括任意的规则的形状，如圆形、矩形等，或者，任意的不规则形状。导流孔4与水平线可以平行也可以倾斜，导流孔4与水平线之间倾斜角度的范围可以是在±80°之间，如可以是±70°、±60°、±50°、±40°、±30°±20°、±10°等等。
上述导流孔4的位置和规格，与煤质和所采用的燃烧器相关，并且，可以根据所需达到的煤粉浓缩程度确定；所述导流孔4的位置为所述导流孔4相对迎风面2的穿透位置，所述导流孔4的规格包括导流孔4的角度、孔的形状以及孔的数量等。
上述所有导流孔4的孔面积与所述迎风面2的总面积之比为2∶10至7∶10之间，也就是说，导流孔4的孔总面积占到煤粉浓缩装置总迎风面积的20％～70％。
其中，所述迎风面2可以是凹形曲面，如双曲线型、抛物线型、圆弧线型等等，迎风面2还可以是陡坡状直线型斜面。所述陡坡状直线型斜面的倾斜角度可以在40°～75°之间。
其中，所述背风面3为可以形成长距离涡流的平面或曲面。多数情况下优选方式为垂直面。
导流孔的主要作用如下：
1)由于一部分含粉较少的气流从导流孔中通过，能够促进气固两相流浓淡分离；
2)通过燃烧器各级筒体煤粉浓缩装置的导流孔及布置方式，实现沿燃烧器中心各级筒体径向向外逐渐减少阻力，从中心向外逐步增加风速，降低燃烧器筒体中心区气固两相流射流的流速；
3)气流对煤粉浓缩装置背面进行吹扫，从而防止结渣；
4)煤粉浓缩装置的尺寸易于调整，如果煤粉浓缩装置的尺寸过大必然会导致阻力过大，而由于煤粉浓缩装置上开设了导流孔，因而减小了阻力，从而可以使得煤粉浓缩装置的体积可调范围变大，克服了现有技术的煤粉浓缩装置阻力与浓淡分离效果之间的矛盾；
5)导流孔降低流通阻力，使煤粉浓缩装置流体平衡能力增强；
6)在煤粉浓缩装置后部形成的扰流漩涡，在导流孔射流的引带作用下，形成长距离的气垫效应，消除固体颗粒二次沉降和扩散；
7)对于分级燃烧的内燃式燃烧器，有组织地建立沿燃烧器各层筒壁的火焰边界层湍流脉动，增强后期火焰之间逐级点燃的着火稳燃效果；
8)通过对一次风气、固两相流的有效组织，使得燃烧器各段分级燃烧与浓淡分离程度相适应；
9)相对低温的导流孔射流，可以很好地对筒体壁面有所冷却，减少烧损变形；
10)导流孔射流将大颗粒相对较多的中心气固两相流与金属筒壁隔离，减小高浓度大颗粒对较高温度金属壁面的直接磨损。
背风面的主要作用为：
1)在主一次风浓相区流体携带和导流孔射流的帮助下，形成长距离涡流气垫，促进固体燃料颗粒的悬浮，生成截面中心区域极为稳定的高浓度风粉气流；
2)在煤粉浓缩装置后加长的涡流区使煤粉的浓度集中，因此由低功率火源加热的一次风量减少，总的着火热有效利用率大为增强，形成放大的稳定一次引燃火焰，形成内燃式煤粉燃烧器核心火焰；
3)在内燃式燃烧器各级筒体中，形成火焰下游的高效灼热烟气热回流，产生稳定的下一级煤火焰点火源，同时使后面未着火的冷气流区域与之有所“屏蔽”，实现逐级稳燃。
参见图2，其是根据本发明实施例所提供的煤粉浓缩装置实现煤粉浓淡分离的原理示意图。风粉混合物5进入燃烧器筒体8，当风粉混合物5接近燃烧器点火源11时，其中惯性较强的煤粉颗粒经碰撞后被可以为曲面或直面的迎风面2导流分离，弹射到煤粉浓缩装置上方，然后被主气流带入燃烧器筒体8靠中间的区域；而其余风粉含量很小的空气穿过导流孔4，从而形成浓淡分离，且可控制中心区域风速。再者，由于导流孔的压力平衡作用，产生同等浓缩效果下具有非常小的流通阻力，解决了浓淡分离与一次风速、阻力之间的矛盾，同时产生防止结渣等一系列好的效果。
可见，煤粉浓缩装置前部迎风面2的结构，可以有效消除煤粉浓缩装置前部涡流区，并在燃烧筒中心形成煤粉浓相区7。煤粉浓缩装置背风面3穿孔的钝体结构，使煤粉浓缩装置后部形成局部沿程很长的气流涡流区6，减少后期浓相区煤粉的再度沉积，对长距离保持密度较高的煤粉气流有很好的作用。此外，由于导流孔气流的扰动作用，可以产生中心区域火焰边界的卷吸、湍流横向脉动，有效地提高煤粉点火效果。图2所示原理示意图给出的是燃烧器形成中心浓煤粉、四周淡煤粉的示意图。根据煤粉浓缩装置的结构不同以及煤粉浓缩装置在燃烧器中的布置位置不同，还可以形成其他的浓、淡相分布，比如中心为淡煤粉区、四周为浓煤粉区等。
下面介绍使用上述煤粉浓缩装置的煤粉燃烧器。
本发明实施例提供的煤粉燃烧器，包括：点火源11、外筒12、各级内套筒13、中心筒14和支撑块15，所述点火源11位于中心筒14内，所述中心筒14、各级内套筒13和外筒12同轴布置，截面逐级放大，并且用支撑块15连接和固定，其中，还包括被设置在煤粉燃烧器筒壁上的煤粉浓缩装置16。
上述煤粉燃烧器筒壁包括以下位置之一或任意组合的位置：中心筒14筒壁、各级内套筒13筒壁、外筒12筒壁；其中，中心筒14筒壁、各级内套筒13筒壁包括风粉出入口处筒壁、以及除此之外其他位置的筒壁；外筒筒壁包括煤粉燃烧器的风粉入口处筒壁、煤粉燃烧器的喷口处筒壁以及除上述两处之外的其他位置筒壁。
上述煤粉浓缩装置可以连续或非连续地设置在煤粉燃烧器筒壁上。在煤粉浓缩装置为连续设置或非连续地设置时，所述煤粉浓缩装置可以在煤粉燃烧器筒壁的同一截面上，或在不同的截面上。而且，在煤粉浓缩装置为连续设置或非连续地设置时，煤粉浓缩装置可以均匀间隔或非均匀间隔设置在煤粉燃烧器筒壁上。
所述煤粉燃烧器筒壁的截面形状可以均为圆形，或均为矩形，或一部分为圆形一部分为矩形。
上述煤粉燃烧器中心筒点火源距中心筒内煤粉浓缩装置的距离可以根据燃料特性来设计，具体应用时可以根据实际情况确定。
各级燃烧筒阻力从中心筒到最外筒，逐级减小，从而使得气固两相流风粉混合物流速从中心筒到最外筒逐级增大，并且具有较小的燃烧器总阻力；还可以防止结渣，有利于点火和稳燃。由于煤粉浓缩装置的导流孔气流的扰动作用，可以产生火焰边界的卷吸、湍流横向脉动，从而使得着火迅速、稳定，并且由于煤粉形成浓淡分布，可以有效地降低NO_X。
参见图3，其是根据本发明实施例的一种煤粉燃烧器的结构图，其中，图3(a)是侧视图，图3(b)主视图。本实施例中，中心筒14、各级内套筒13和外筒12同轴布置，截面逐级放大，并且用支撑块15连接和固定，煤粉浓缩装置16是连续的被设置在煤粉燃烧器筒壁上。
图3所示的煤粉燃烧器筒壁的截面均为圆形，且在多级筒壁(中心筒和各级内套筒)上设置了连续的煤粉浓缩装置，当然也可以仅在单级筒壁上设置连续的煤粉浓缩装置。本例中，每个圆周筒壁上设置的连续煤粉浓缩装置，可以为一圈，也可以为多圈。此种结构的燃烧器适合于大多数贫煤或褐煤的燃烧装置。连续的煤粉浓缩装置结构便于形成更加集中的轴向中心高浓度引燃区域，逐级点火稳燃趋势较好，但核心区燃烧温度稍高。此种中心区超长距离的浓粉射流火焰对下一级煤粉引燃效果极佳，非常适合于贫煤和褐煤的一次风燃烧器结构，缺点是压力损失略大一些，但远小于其他的同类具有浓淡分离作用的一次风燃烧器结构，出口射流刚度不太高，风压有一些损失。
参见图4，其是根据本发明实施例的另一种煤粉燃烧器的结构图，其中，图4(a)是侧视图，图4(b)是主视图。其与图3所示实施例的区别是，煤粉浓缩装置16是非连续的被设置在煤粉燃烧器筒壁上。带有这种煤粉浓缩装置结构的燃烧器，虽然浓缩效果和射流整流效果一般，但比较起其他类型浓缩方式的燃烧装置，能满足烟煤的着火条件，且具有较高的刚度，阻力较小，可以达到良好的着火稳燃效果，避免筒体过热和膨胀变形。图4所示类型的燃烧器最适合于旋流燃烧器中心一次风筒的改造和新燃烧器设备，也可以用于直流燃烧器的改造和新燃烧器设备。
需要说明的是，对于图4所示的煤粉燃烧器，可以在单级或多级燃烧筒上设置非连续煤粉浓缩装置。可以在所有筒壁上都安装非连续的煤粉浓缩装置，也可以在部分筒壁上设置。在部分筒壁上存在非连续设置的煤粉浓缩装置时，可以在其余的一些或者全部筒壁内设置连续的煤粉浓缩装置。每个筒壁上非连续安装的煤粉浓缩装置，可以在同一圆周截面上，也可以在不同圆周截面上。
参见图5，其是根据本发明实施例的再一种煤粉燃烧器的结构图，其中，图5(a)是侧视图，图5(b)是主视图。其与图3所示实施例的区别是，煤粉燃烧器筒壁的截面形状均为矩形，且煤粉浓缩装置16是连续的被设置在煤粉燃烧器筒壁的单个面上。此类燃烧器适用于直流燃烧器改造或新燃烧器设备，由于周边淡相区而中心区域为浓相区，可以实现较好的中心弱火源引燃条件，而对于两侧接近于周界风的情况，不易产生水冷壁的贴壁结渣或气流散射。导流孔的射流会很好地包裹着喷口火焰，使得一次风的整流效果更好，喷口处一次风刚度较高，也可适应内燃式分级燃烧的燃烧器。
这种布置方式可以根据煤种条件做局部调整，煤种差的提高浓缩比；对于挥发分高、发热量高，灰分、水分低的优质煤，须适度降低浓淡分离效果，并考虑喷口易烧损和结渣的特点，需要加强射流的刚度和局部温度的控制。
需要说明的是，对于图5所示的煤粉燃烧器，可以在单级或多级燃烧筒的单个面或多个面上设置连续或非连续煤粉浓缩装置。每个筒壁上安装的煤粉浓缩装置，可以对称，也可以不对称，每个筒壁的单个面安装的煤粉浓缩装置可以为一排，也可以为多排。
参见图6，其是根据本发明实施例的又一种煤粉燃烧器的结构图。风粉混合物从弯头20进入燃烧器，燃烧器筒壁18内设置带有导流孔4的煤粉浓缩装置16，该煤粉浓缩装置16通过支撑块15与燃烧器筒壁18固定连接，经过煤粉浓缩装置16的风粉混合物进入炉膛19。
本实施例中，风粉混合物从弯头20进入燃烧器，经过带孔的煤粉浓缩装置16时，由于煤粉浓缩装置16的导流作用，大部分煤粉从燃烧器筒壁附近通过形成浓相区，气流和少量煤粉从中心通过形成淡相区，也即形成中心为淡煤粉、四周为浓煤粉的浓淡分离。另外，由于导流孔气流的扰动作用，可以产生火焰边界的卷吸、湍流横向脉动。从而使得煤粉喷入炉膛19时，能够快速接受炉膛辐射热，迅速着火，并且由于煤粉形成浓淡分布，可以有效地降低NOx。
需要说明的是，图6所示煤粉浓缩装置可以安装在燃烧器喷口21附近或燃烧器筒壁内其他位置。
以上是将煤粉浓缩装置用于煤粉燃烧器的说明，对于本文所述的煤粉浓缩装置其还有可能被用作普通的煤粉管道做浓缩装置，且具体应用不限于此。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。