可用于生物质或煤粉可跨负荷调节的低NOx燃烧器的制作方法

本实用新型属于热能与动力工程技术领域，涉及一种旋流燃烧器，具体涉及一种可用于生物质/煤粉单独燃烧或混燃的可跨负荷调节的低NOx燃烧器，用于增强燃烧器对生物质/煤粉不同燃烧方式(单独燃烧、混燃)的适应性、满足跨负荷调节、提高生物质/煤粉燃烧的稳定性和降低生物质/煤粉燃烧过程中NOx生成。

背景技术：

当下，煤炭是我国能源的主体消费形式。据《中国统计年鉴》统计，2016 年，我国能源消费总量达到43.6亿吨标准煤，其中煤炭作为化石能源占能源消费的比重达62％。根据《全国电力工业统计快报》公布，2016年我国燃煤发电量39058亿千瓦时，占全国总发电量的65.2％，较2015年同比增长1.3个百分点。

同时，生物质能作为一种可再生能源被开发利用对优化能源结构、保护环境、减排温室气体等具有十分重要的作用。根据2007年国家发改委发布的《可再生能源中长期发展规划》，目前我国生物质资源可转换为能源的潜力约5亿吨标准煤，今后生物质资源转换为能源的潜力可达10亿吨标准煤。生物质作为燃料单独燃烧或者生物质与煤粉混合燃烧都可以缓解不可再生化石能源紧缺的巨大压力。

根据实际负荷的需求，锅炉主要通过合理分配一、二次风量，改变风量、给煤量，从而改变锅炉的物料循环量，以达到调整锅炉负荷的目的。正常运行中，一次风满足正常流化燃烧所需风量，二次风控制总风量，作为调整负荷变量，调整的原则是增负荷时“先加风，再加煤”，减负荷时“先减煤，后再减风”。锅炉低负荷运行时燃料量减少、炉膛温度降低，会造成燃烧不稳定，甚至可能会造成熄火；锅炉高负荷运行时炉膛温度和烟气温度增高，燃料的结渣性也越明显，会造成过热器超温、水冷壁换热量减少严重时造成水冷壁爆管，结渣掉落时可能砸坏水冷壁管同时引起炉膛负压大幅波动，严重时引起灭火事故。

我国的电力生产主要来源于燃煤发电，由于地域差异，我国出产的煤种不尽相同，涵盖无烟煤、贫煤、烟煤、褐煤等品类。不同煤种的挥发分含量不同，因而在着火和燃烧特性上存在差异。在电站和工业锅炉的设计过程中，需要根据燃用煤种的不同来考虑锅炉和燃烧器的选型。针对设计煤种，燃烧器的运行工况较好，然而，出于资源和成本的因素，在电站和工业锅炉的实际运行中，经常存在煤粉的掺混燃烧甚至变煤种燃烧的情况。此种情形下，燃烧器的运行工况往往不理想，容易出现煤粉难以燃尽或者炉膛结渣等问题，导致燃烧效率降低，污染物生成量增大，造成资源浪费和环境危害。

煤炭燃烧是氮氧化物(NOx)的主要来源，NOx是光化学烟雾产生的主要成因，同时也是形成酸雨的主要因素，严重危害大气环境与人体健康。并且，研究结果显示NOx也是大气PM2.5颗粒的重要来源，是造成全国雾霾天气的主要元凶之一。为了降低NOx对环境的污染，我国制定了越来越严格的排放标准。 2011年国家环境保护部颁发了最新修订的《火电厂大气污染物排放标准 (GB13223-2011)》，规定燃煤电站的NOx排放浓度限额为100mg·m^-3，成为了世界上最严格的火力发电厂大气污染物排放标准。

作为低NOx燃烧技术的代表之一，煤粉预燃技术在近几年得到了快速发展。煤粉进入燃烧器前，先流入一个通过外热源加热的预燃室。由于一次风携带的氧气含量远低于煤粉完全燃烧所需氧气量，预燃室内呈现还原性气氛。煤粉在预燃室内受热快速分解，释放出大量挥发分，同时伴随大量含氮化合物以气态形式析出。挥发分部分燃烧，为预燃室提供热量。在过量空气系数远小于1的还原性气氛下，HCN、NH3等含氮中间产物以及NOx经过一系列反应被还原成 N2，使得NOx的生成和排放显著降低。然而，单一的煤粉预燃技术需要将预燃室设置在燃烧器之前，并且预燃室需要通过外热源来加热，不仅使得整套燃烧装置变得复杂，而且需要消耗外部燃料来维持系统正常运行。

空气分级作为低NOx燃烧技术的典型代表，通过多级配风将助燃空气分段送入燃烧区域，形成富燃料区与局部还原性气氛，可以在生物质/煤粉燃烧过程中明显抑制NOx生成，有效降低NOx最终排放。通过燃烧器的合理组织，将燃料预燃与空气分级两种低NOx燃烧技术相耦合，使其发挥协同脱硝效应，同时起到精简燃烧装置和节约燃料成本的作用。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种结构紧凑、增强燃烧器对生物质/煤粉不同燃烧方式(单独燃烧、混燃)的适应性、满足跨负荷调节、提高生物质/煤粉燃烧稳定性和降低生物质/煤粉燃烧过程中NOx生成的可用于生物质/煤粉单独燃烧或混燃的可跨负荷调节的低NOx燃烧器，该燃烧器可通过调节外二次风是否投用来满足实际负荷的要求，达到跨负荷调节的目的。同时，该燃烧器将生物质/煤粉预燃与空气分级相耦合发挥协同脱硝效应，生物质/煤粉在还原性气氛的预燃室内热解释放出挥发分并部分燃烧将含氮化合物还原，进入炉膛的气粉混合物在还原性气氛下高温低氧燃烧，使得NOx生成显著降低。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种可用于生物质或煤粉可跨负荷调节的低NOx燃烧器，包括预燃室壳体，和连接在预燃室壳体上的二次风套筒，预燃室上套有带有SOFA风入口的SOFA 风套筒，SOFA风入口通道内设置有环向布置的SOFA风直流喷口和SOFA风旋流喷口，对应SOFA风直流喷口和SOFA风旋流喷口处设有调节挡板；二次风套筒内依次套有外一次风套筒、内二次风套筒和内一次风套筒，内一次风套筒内套有中心管，中心管端部固定有由油枪或燃气枪、高能点火器以及用于推动油枪或燃气枪和高能点火器在中心管内前后移动的点火推进器构成的点火系统，油枪或燃气枪和高能点火器由中心管末端伸入至预燃室内；

由所述内一次风套筒送入生物质/煤粉和空气的混合物的内一次风量+内二次风套筒送入内二次风量+外一次风套筒送入生物质/煤粉和空气的混合物的外一次风量+外二次风套筒送入外二次风量/燃料燃烧所需总风量＜0.5。

对于上述技术方案，本实用新型进一步优选的方案在于：

进一步，所述二次风套筒侧面开设有生物质/煤粉和空气的混合物进入的外二次风入口，外二次风入口的风筒中设有沿中心管中心轴环向布置的外二次风可调切向旋流叶片。

进一步，所述外一次风套筒连接在二次风套筒的外二次风入口上，并延伸进二次风套筒内，其端部与二次风套筒内端部齐平，外一次风套筒上设有外一次风入口。

进一步，所述内二次风套筒连接在一次风套筒的外一次风入口上，并延伸进一次风套筒内，其端部比一次风套筒内端部缩短一个距离，内二次风套筒侧面开设有内二次风入口，内二次风入口中设有沿中心管中心轴环向布置的内二次风可调切向旋流叶片。

进一步，所述外二次风可调切向旋流叶片和内二次风可调切向旋流叶片的叶片的旋流角度为α，50°≤α≤70°。

进一步，所述内一次风套筒连接在内二次风套筒的内二次风入口上，并延伸进内二次风套筒内，其端部与内二次风套筒内端部齐平，内一次风套筒侧面开设有内一次风入口。

进一步，所述外一次风套筒和外二次风套筒末端相比于中心管末端伸长d2 长度；伸长的长度d2与外二次风套筒的外径d之间长度比值d2/d＝0.2～0.25。

进一步，所述内二次风套筒和内一次风套筒末端相比于中心管末端伸长d1 长度；伸长的长度d1与外二次风套筒的外径d之间长度比值d1/d＝0.1～0.15。

进一步，所述SOFA风旋流喷口与预燃室壳体的夹角为θ，60°≤θ≤80°。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供了一种可用于生物质/煤粉单独燃烧或混燃的可跨负荷调节的低NOx燃烧器。由于一次风的供给方式分为了内一次风和外一次风通道送风，从而可以根据不同燃烧方式(单独燃烧和混燃)，实现生物质与煤粉燃料分级配送；生物质、煤粉混燃时燃料分级配送(生物质和空气的混合物由内一次风入口送入，煤粉和空气的混合物由外一次风入口送入)能够更好地控制生物质的燃烧过程，保持锅炉的燃烧效率，灵活调节生物质的掺混比例。生物质含有大量挥发分，在低温下迅速析出进而燃烧生物质挥发分与煤抢氧燃烧，从而形成较低氧气浓度，而床内NOx的形成取决于燃料中氮的氧化过程与床内还原物质(如焦碳和HCN、NH3含氮物质)对NOx的还原分解过程之间的平衡，当床内过量空气系数低时，有利于NOx的还原分解反应；生物质本身N含量远低于煤，因而对总体NO转化率起“稀释”作用；生物质释放出的挥发分组分中含有一定量的HCN和NH3，NH3能够分解成NH2和NH，它们能够将NO还原成N2，从而起到降低NOx作用；生物质秸秆属于纤维结构，当挥发分析出后形成大量多孔性焦炭，促进了NOx与焦碳的还原反应。低负荷运行时，内一次风通道、内二次风通道、外一次风通道和燃尽风通道投入运行；高负荷运行时，内一次风通道、内二次风通道、外一次风通道、外二次风通道和燃尽风通道投入运行。对于低负荷和高负荷运行，旋流内二次风能够卷吸周围高温烟气，形成回流区提高燃烧的稳定性，促进生物质/煤粉的燃烧消耗氧气形成贫氧性、还原性气氛使 NOx生成量降低；对于低负荷运行，外一次风相当于直流中二次风，能促进生物质/煤粉的燃烧，维持燃烧的稳定性；对于高负荷运行，旋流外二次风能够卷吸周围高温烟气，形成回流区提高燃烧的稳定性，促进生物质/煤粉的燃烧消耗氧气形成贫氧性、还原性气氛进一步降低NOx的生成量。

进一步的，本实用新型预燃室壳体末端外缘沿预燃室出口轴线周向对称开设有12个SOFA风直流喷口和12个SOFA风旋流喷口。低负荷运行时，SOFA 风直流喷口关闭，SOFA风通过SOFA风旋流喷口从射流边界卷吸大量高温低氧的烟气回流，使得煤粉主燃区呈现还原性气氛，促进燃烧过程中NOx还原，进一步降低NOx生成；高负荷运行时，SOFA风旋流喷口关闭，SOFA风通过SOFA 风直流喷口射入炉膛，SOFA风直流喷口可以调整方向及高低来降低炉膛出口烟温，防止结渣。

进一步的，本实用新型内二次风套筒、内一次风套筒末端相比于中心管末端伸长d1长度；外一次风套筒、外二次风套筒末端相比于中心管末端伸长d2 长度，使旋流气流偏离中心火焰减少旋流气流对着火点的扰动，延长中心燃烧区域的热解时间，增强还原性气氛，降低NOx生成。

进一步的，本实用新型设置有高能点火器、油枪或燃气枪、点火推进器，提高自动化水平。在需要点火时，推进器向前运行把高能点火器及油枪或燃气枪送到点火位置。点火结束后，推进器向后运行，将高能点火器及油枪或燃气枪收缩回中心管，避免高温冲刷、腐蚀和结焦污染，延长高能点火器及油枪或燃气枪的使用寿命。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的不当限定，在附图中：

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型A-A方向的剖视图；

图3为本实用新型的右视图；

图4为本实用新型B-B方向的剖视图；

图5为本实用新型SOFA风喷口的局部剖视图。

其中，1为高能点火器；2为油枪或燃气枪；3为点火推进器；4为中心管； 5为内一次风套筒；6为内一次风入口；7为内二次风入口；8为内二次风套筒； 9为外一次风入口；10为外一次风套筒；11为外二次风入口；12为外二次风套筒；13为SOFA风入口；14为SOFA风套筒；15为预燃室壳体；16为调节挡板；17为SOFA风直流喷口；18为SOFA风旋流喷口；19为外二次风可调切向旋流叶片；20为内二次风可调切向旋流叶片。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，在此本实用新型的示意性实施例以及说明用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

参见图1至图5，本实用新型可用于生物质或煤粉可跨负荷调节的低NOx燃烧器，包括由预燃室壳体15围成的预燃室，燃烧室外围连接外二次风套筒12；预燃室壳体15外侧套有SOFA风套筒14，预燃室壳体15末端外缘沿预燃室出口轴线周向对称开设有12个SOFA风直流喷口17和12个SOFA风旋流喷口18。预燃室入口处由内至外依次套装有中心管4、内一次风套筒5、内二次风套筒8、外一次风套筒10和外外二次风套筒12。中心管4端部固定有由油枪或燃气枪2、高能点火器1以及用于推动油枪或燃气枪2和高能点火器1在中心管4内前后移动的点火推进器3构成的点火系统，油枪或燃气枪2和高能点火器1由中心管4末端伸入至预燃室内。

外二次风套筒12侧面开设有生物质/煤粉和空气的混合物进入的外二次风入口11，外二次风入口11的风筒中设有沿中心管4中心轴环向布置的外二次风可调切向旋流叶片19，叶片的旋流角度为α，50°≤α≤70°，见图4所示。

外一次风套筒10连接在外二次风套筒12的外二次风入口11上，并延伸进外二次风套筒12内，其端部与外二次风套筒12内端部齐平，外一次风套筒10 上设有外一次风入口9。

内二次风套筒8连接在外一次风套筒10的外一次风入口9上，并延伸进外一次风套筒10内，其端部比外一次风套筒10内端部缩短一个距离，内二次风套筒8侧面开设有内二次风入口7，内二次风入口7中设有沿中心管4中心轴环向布置的内二次风可调切向旋流叶片20，叶片的旋流角度为α，50°≤α≤70°，见图2所示。

内一次风套筒5连接在内二次风套筒8的内二次风入口7上，并延伸进内二次风套筒8内，其端部与内二次风套筒8内端部齐平，内一次风套筒5侧面开设有内一次风入口6。

内二次风套筒8、内一次风套筒5末端相比于中心管末端伸长d1长度且满足d1/d＝0.1～0.15(外二次风套筒外径为d)；外一次风套筒10、外二次风套筒12 末端相比于中心管末端伸长d2长度且满足d2/d＝0.2～0.25(外二次风套筒外径为 d)。

生物质/煤粉和空气的混合物由内一次风入口6送入，并在内一次风套筒5 和中心管4之间的环形通道内流动；生物质/煤粉和空气的混合物由外一次风入口9送入，并在外一次风套筒10和内二次风套筒8之间的环形通道内流动；内二次风在内二次风套筒8和内一次风套筒5之间的环形通道内流动；外二次风在外二次风套筒12和外一次风套筒10之间的环形通道内流动；SOFA风在SOFA 风套筒14和预燃室壳体15外表面之间的环形通道内流动。内二次风入口7通道内设置的内二次风可调切向旋流叶片20的旋流角度50°≤α≤70°；内二次风以旋转射流方式进入预燃室；内一次风以直流射流方式进入预燃室；外二次风入口11通道内设置的外二次风可调切向旋流叶片19叶片的旋流角度50°≤α≤70°；外二次风以旋流射流方式进入预燃室；外一次风以直流射流方式进入预燃室；内二次风套筒8、内一次风套筒5末端相比于中心管4末端伸长d1长度；外一次风套筒10、外二次风套筒12末端相比于中心管4末端伸长d2长度；SOFA 风由SOFA风入口13送入，并在SOFA风套筒14和预燃室壳体15外表面之间的环形通道内流动。

本实用新型的原理：

本实用新型利用旋流内二次风和旋流外二次风在预燃室内形成的回流区卷吸高温烟气，对预燃室内的煤粉进行加热，煤粉在预燃室内受热快速分解，释放出大量挥发分，同时伴随大量含氮化合物以气态形式析出。挥发分部分燃烧，为预燃室提供热量。在过量空气系数远小于1的还原性气氛下，含氮化合物在预燃室内经过一系列反应被还原成N2，使得NOx生成显著降低。同时，回流进预燃室的高温烟气中氧气含量比较低，进一步降低了预燃室内的氧浓度，抑制 NOx生成。

为了保证预燃室内的低氧环境，要求：

(内一次风量(生物质/煤粉)+内二次风量+外一次风量(生物质/煤粉)+ 外二次风量)/燃料燃烧所需理论计算总风量＜0.5。

也就是说预燃室内总的过量空气系数要小于0.5。

由于预燃室内过量空气系数小于0.5，预燃室内的氧气几乎被生物质/煤粉热解与挥发分部分燃烧消耗尽。因此输送未燃烧的挥发分、高温烟气和生物质/煤粉颗粒等进入炉膛的混合气体中几乎不含有氧气，有利于组织生物质/煤粉在炉膛内高温低氧燃烧，进一步减少NOx生成。

本实用新型预燃室壳体末端外缘沿预燃室出口轴线周向对称开设有12个SOFA风直流喷口17和12个SOFA风旋流喷口18，部分SOFA风从SOFA风直流喷口以直流方式喷入炉膛；SOFA风旋流喷口与预燃室壳体的夹角为θ， 60°≤θ≤80°，使喷出的SOFA风围绕预燃室出口轴线形成旋转气流，部分SOFA 风从SOFA风旋流喷口以旋流方式喷入炉膛，实现SOFA风二级旋流，提高了旋流SOFA风旋转射流的强度，有利于从射流边界卷吸大量高温烟气回流，使得煤粉主燃区呈现还原性气氛，进入炉膛的气粉混合物在主燃区高温低氧燃烧，促进燃烧过程中NOx还原，进一步降低NOx生成。SOFA风入口13通道内设置有与SOFA风直流喷口17和SOFA风旋流喷口18对应的调节挡板16，见图5 所示。调节挡板16处于不同位置可调节SOFA风从SOFA风直流喷口17及从 SOFA风旋流喷口18喷入炉膛的比例。调节挡板挡住SOFA风直流喷口时，SOFA 风以旋转射流方式从SOFA风旋流喷口喷出进入炉膛；调节挡板挡住SOFA风旋流喷口时，SOFA风以直流射流方式从SOFA风直流喷口喷出进入炉膛。

本实用新型的工作过程：

首先，针对不同实际负荷的需求，选择是否投用外二次风满足跨负荷调节。低负荷运行时，内一次风通道、内二次风通道、外一次风通道和燃尽风通道投入运行，外二次风通道关闭；燃料和空气的混合物由内一次风入口送入，并在内一次风套筒和中心管之间的环形通道内流动；高负荷运行时，内一次风通道、内二次风通道、外一次风通道、外二次风通道和燃尽风通道投入运行。燃料和空气的混合物由内一次风入口和外一次风入口送入，并在内一次风套筒和中心管之间的环形通道内以及外一次风套筒和内二次风套筒之间的环形通道内流动；在同时燃用生物质与煤粉两种燃料情况下，生物质和空气的混合物由内一次风入口送入并在内一次风套筒和中心管之间的环形通道内流动，煤粉和空气的混合物由外一次风入口送入并在外一次风套筒和内二次风套筒之间的环形通道内流动；外二次风在外二次风套筒和外一次风套筒之间的环形通道内流动； SOFA风在SOFA风套筒和预燃室壳体外表面之间的环形通道内流动。

将内二次风和外二次风通过内二次风入口7和外二次风入口11送入，内二次风在内二次风套筒8和内一次风套筒5之间的环形通道内流动，外二次风在外二次风套筒12和外一次风套筒10之间的环形通道内流动，并进入预燃室内，对预燃室进行1分钟以上的吹扫。

然后将点火推进器3向前运行，将高能点火器1和油枪或燃气枪2送入到指定点火位置。高能点火器1工作，点燃油枪或燃气枪2出口的燃料。针对不同实际负荷的需求，选择是否投用外二次风满足跨负荷调节。将内二次风和外二次风通过内二次风入口7和外二次风入口11送入，内二次风在内二次风套筒 8和内一次风套筒5之间的环形通道内流动，外二次风在外二次风套筒12和外一次风套筒10之间的环形通道内流动，并进入预燃室内。内二次风入口7通道内设置有内二次风可调切向旋流叶片20，外二次风入口11通道内设置有外二次风可调切向旋流叶片19，旋流内二次风和旋流外二次风在预燃室内形成回流区，提高了煤粉着火的稳定性。

根据燃料分级配送，由内一次风入口6送入生物质/煤粉和空气混合物，该混合物在内一次风套筒5和中心管4之间的环形通道内流动，在进入预燃室后，发生热解，并被油枪或燃气枪2出口产生的火焰点燃；由外一次风入口9送入生物质/煤粉和空气混合物，该混合物在外一次风套筒10和内二次风套筒8之间的环形通道内流动，在进入预燃室后，发生热解，并被油枪或燃气枪2出口产生的火焰点燃。

SOFA风通过SOFA风入口13送入，SOFA风在SOFA风套筒14和预燃室壳体15外表面之间的环形通道内流动。预燃室壳体15末端外缘沿预燃室出口轴线周向对称开设有12个SOFA风直流喷口17和12个SOFA风旋流喷口18。调节挡板16处于不同位置可调节SOFA风从SOFA风直流喷口17及从SOFA 风旋流喷口18喷入炉膛的比例。调节挡板16关闭SOFA风直流喷口时，SOFA 风通过SOFA风旋流喷口射入预燃室，在补充煤粉继续燃烧所需氧气的同时，从炉膛内卷吸大量高温低氧的烟气回流，使得煤粉主燃区呈现还原性气氛，促进燃烧过程中NOx还原，进一步降低NOx生成；调节挡板16关闭SOFA风旋流喷口时，SOFA风通过SOFA风直流喷口射入预燃室，可以降低炉膛出口烟温，防止结渣。未燃烧的挥发分、高温烟气和煤粉颗粒形成的混合物在预燃室后半段均匀混合，然后送入炉膛燃烧。

待预燃室燃烧稳定后，点火推进器3动作，将高能点火器1和油枪或燃气枪2缩回中心管4内，以延长其使用寿命。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。