激光点火多级放大煤粉燃烧器及其激光点火燃烧方法与流程

本发明涉及大功率热力燃烧领域的点火、助燃及稳燃新方法新技术新工艺新装置，尤其涉及一种激光点火多级放大煤粉燃烧器及其激光点火燃烧方法。

背景技术：

1、火力发电是大功率热力燃烧的典型应用，目前火力发电仍然是主要的电能提供方式，由于燃煤发电具有良好的经济性，故“煤电”是“火电”的主力，也是主要的大气污染源之一，目前中大型煤电机组普遍采用煤粉锅炉，配置旋流或直流射流燃烧器。

2、燃烧，俗称“烧火”，属于人类利用能源的古老形式，目前仍然是获取能源的主要手段，是我们生产生活的刚需，也是能源的终极应用。随着全球减排温室气体迫切性的急剧提升，大功率热力燃烧必须走更高效节能、更低排放的“绿色燃烧”发展路线，必须顺应燃料洁净化、燃烧精细化、控制智能化的时代发展潮流。因此，进一步深入研究燃烧精细化技术，不仅有很大空间，也具有重要的社会意义、巨大经济的效益和现实的市场需求。

3、业界共识，随着太阳能、风能等“绿电”快速发展，客观上要求电网调度多用“绿电”，这势必迫使发电机组频繁调峰，并且希望调峰深度见底。现有锅炉情况是，当锅炉在低负荷运行稳燃时，要么负荷不能足够降低，仍要消耗大量燃煤；要么降至超低负荷，又需要额外消耗如轻质柴油、天燃气等其它燃料，使稳燃成本很高。因此，当锅炉在低负荷，甚至超低负荷运行稳燃时，如何能兼容安全性、可靠性和经济性这个问题凸显，成为亟待解决的工程难题。

技术实现思路

1、本公开实施例提供一种激光点火多级放大煤粉燃烧器及其激光点火燃烧方法，适用于各种固体燃料锅炉(煤粉炉、流化床炉等)的点火、助燃及稳燃；能够实现全煤粉点火，节省点火费用；能够实现全煤粉燃烧，兼容煤粉锅炉低负荷甚至超低负荷运行时稳燃的安全性可靠性经济性，显著降低稳燃成本，从根本上提高煤电机组频繁大深度调峰的灵活性；能够用作各种出力等级的煤粉燃烧装置。

2、根据本发明第一方面，提供一种激光点火多级放大煤粉燃烧器，包括：激光能量输送管路、多条相互独立同轴嵌套的风/煤粉输送管路和支撑部件；其中，激光能量输送管路沿其轴向延伸且用于输送预热、点火用激光能量；多条相互独立同轴嵌套的风/煤粉输送管路依次套设于所述激光能量输送管路且与所述激光能量输送管路同轴设置，用于输送燃烧所需风/煤粉；支撑部件，设置在所述激光能量输送管路和所述风/煤粉输送管路之间和/或多条相互独立同轴嵌套的风/煤粉输送管路之间。

3、至少一些实施例中，所述激光点火多级放大煤粉燃烧器包括激光能量输送管路、多条相互独立同轴嵌套的风/煤粉输送管路和支撑部件，以使所述风/煤粉流在所述激光能量的作用下，构成激光预热、激光点火、强化燃烧、激光助燃及稳燃、多级燃烧放大、微摆动变径喷射的煤粉燃烧器；所述煤粉燃烧器由多段锥体、管筒组成。

4、至少一些实施例中，所述激光能量输送管路包括一根具有设定通径的点火激光束管，一端为前端，另一端为后端；和多根具有设定通径，围绕点火激光束管同轴心或不同轴心，等分或不等分圆周分布的防回火管，防回火管长度较短，设在点火激光束管的后端，二管的端面取齐或不取齐。防回火管一方面防止着火火焰倒回造成危害，提高燃烧器的安全性可靠性，另一方面用于流通一部分风/煤粉流，便于将风/煤粉流分流输送，有利于激光点火及燃烧发展。

5、至少一些实施例中，所述点火激光束为单束具有设定功率密度的激光束，伴有同光路指示光和洁净压缩空气，能够在光斑照射范围内提供600℃及以上高温，激光的光/热能复合致风/煤粉流可靠稳定着火；指示光用于指示激光束传输路径，以及点火的大致空间位置；洁净压缩空气用于减轻激光束传输过程中pmx(粉末或颗粒)衰减激光能量的影响，以及精准确定点火的具体区域。当然，也可以为具有外围环形光束和一束中心光束的复合激光束，外围环形激光束为预热激光束，仅具有设定的低功率密度(即第一功率密度)，仅能够在环形光斑照射范围内提供400℃及以下低温，光/热能复合致风/煤粉流升温；中心光束为点火激光束，具有能够可靠稳定引发煤粉着火的高功率密度(即第二功率密度，该第二功率密度比第一功率密度高)；但考虑到燃烧器的复杂性可靠性及经济性，本发明优单束具有设定功率密度伴有同光路指示光和洁净压缩空气的激光束为点火激光束。

6、至少一些实施例中，所述激光能量输送管路包括位于所述点火激光束管前端的激光能量输入口和位于后端的激光能量输出口，所述防回火管包括输入口和输出口；每个所述风/煤粉输送管路包括风/煤粉输入口和风/煤粉输出口；其中，所述激光能量输送管路和所述多条相互独立同轴嵌套的风/煤粉输送管路构成同轴嵌套管路结构，所述同轴嵌套管路结构中各个管路设置为彼此隔离，以使各个管路实现彼此独立地输送。

7、至少一些实施例中，所述风/煤粉输出口和所述激光能量输出口之间具有在所述轴向上的间距，多层风/煤粉输送管路的多个间距设置为从内层到外层依次增大或等间距。

8、至少一些实施例中，所述多层风/煤粉输送管路包括：第一风/煤粉输送管路，套设于所述激光能量输送管路并且包括第一风/煤粉输出口，所述第一风/煤粉输出口和所述激光能量输出口之间具有在所述轴向上的第一间距；和第二风/煤粉输送管路，套设于所述第一风/煤粉输送管路并且包括第二风/煤粉输出口，所述第二风/煤粉输出口和所述第一风/煤粉输出口之间具有在所述轴向上的第二间距，所述第二间距大于或等于所述第一间距；第三风/煤粉输送管路，套设于所述第二风/煤粉输送管路并且包括第三风/煤粉输出口，所述第三风/煤粉输出口和所述第二风/煤粉输出口之间具有在所述轴向上的第三间距，所述第三间距大于或等于所述第二间距，依此类推。

9、至少一些实施例中，在第二间距空间设置第一准绝热强化燃烧区域，为着火后的风/煤粉流发展成自持燃烧及形成刚性火焰提供一个局部高温环境和悬浮燃烧状态；视实际需要可以在第三间距空间设置第二准绝热强化燃烧区域，依此类推。

10、至少一些实施例中，所述激光能量输送管路和所述风/煤粉输送管路之间和/或所述多层风/煤粉输送管路之间设置的环形腔内设置至少一个支撑部件，用于支撑相邻嵌套的两个管路，所述支撑部件包括内衬筒、外衬筒和设置在所述内衬筒和外衬筒之间的多个支撑棱；支撑棱迎风/煤粉流的面和背面设为某种尖锐的流线型，在起到向左或向右旋转风/煤粉流的作用的同时，最大限度减小对风/煤粉流的阻碍。

11、至少一些实施例中，所述第一风/煤粉输出口设为45°收缩，收缩输出口直径略大于激光能量输送管路后端直径，使第一风/煤粉输送管路与激光能量输送管路之间环形腔中输送的风/煤粉流被分配为二部分，小于等于30％且大于1％的这部分经防回火管输送，不受45°收缩口的阻挡，不改变原输送方向，在第一间距空间继续与点火激光束沿轴向同向输送，构成“轴向输送风/煤粉流”，以下简称“轴向流”；大于等于70％且小于99％的这部分在防回火管外围仍然与点火激光束沿轴向同向输送，但是在结束第一间距空间这段行程后被45°收缩口阻挡，改变原沿轴向输送方向，折转为与点火激光束垂直正交输送，构成“垂直输送风/煤粉流”，以下简称“垂直流”或“径向流”；在第一间距空间的45°收缩口处“轴向流”与“径向流”正交汇集，这种正交冲击产生强烈的径向(切向或横向)扰动，在第一燃烧区域的前端形成有利于稳定火焰的回流，起到无形的“气流火焰稳定器”的重要作用，使燃烧充满强化燃烧区域并向外发展；在第一间距空间，点火激光束以光/热能辐射方式预热“轴向流动”的二部分风/煤粉流，并以直接照射方式强制点燃正交汇集的二部分风/煤粉流，在第一燃烧区域前端的回流区稳定着火火焰，在中段强化自持燃烧，在后端形成刚性火焰，自第一燃烧区域输出。当然，有很多种方式和结构能够将风/煤粉流分配为“轴向流”“径向流”二部分，但综合考虑，本发明优选采用45°收缩口的结构。另外，也可分别设置“轴向流”“径向流”二部分形成某种形式的旋转，以加强径向扰动，但从简约起见，不作为本发明的优选。

12、至少一些实施例中，高功率密度点火激光束致风/煤粉流预热升温及强制点火后，剩余的激光能量继续沿着火火焰传播方向传输，在已燃和未燃煤粉等pmx造成严重前后向散射的情形下，一方面散射激光能量被高温燃烧火焰流吸收，持续强化煤粉燃烧，起重要的助燃及稳燃作用；另一方面严重散射也使低、高功率密度激光束的能量快速衰减，完全消除了由高功率密度激光束直接照产生危害性硬毁伤的重大安全隐患，提高了激光点火、助燃及稳燃的安全性可靠性。

13、至少一些实施例中，所述激光能量输送管路包括激光能量输入口，还包括激光能量产生装置，与所述激光能量输入口连接，用于产生并且提供所述预热、点火激光能量到所述激光能量输送管路中；激光能量检测口，开设在所述激光能量管路的靠近所述激光能量产生装置的管道内；并设有活动的密封盖，覆盖所述激光能量检测口，以打开或关闭所述激光能量检测口。

14、至少一些实施例中，上述煤粉燃烧装置，还包括：矢量喷嘴，位于所述风/煤粉输出口外，设为可俯仰偏转(或称上下左右)微摆动并且可变径的耐高温锥筒，所述锥筒与所述激光能量传输管路同轴设置，所述锥筒包括张口和缩口，所述张口正对所述风/煤粉输出口且面积大致与所述风/煤粉输出口相等(便于联接)，所述缩口设置为直径可调节，以便于在不同动量燃烧火焰流的情形下，仍然能够微调变径，进一步保持一定的高温火焰流喷射速度，实现煤粉燃烧高温火焰流的矢量喷射。

15、根据本发明第二方面，提供一种激光点火多级放大煤粉燃烧器的激光点火燃烧方法包括：利用激光能量输送管路输送预热、点火激光能量；利用多条风/煤粉输送管路分别独立地输送燃料，以使所述燃料在所述点火能量的作用下燃烧；其中，将风/煤粉流分配为“轴向流”、“径向流”，正交汇集产生径向(切向或横向)扰动，由激光束以光/热辐射方式预热“轴向流”，由激光束以直接照射正交汇集的风/煤粉射流强制点火，强化自持燃烧，形成刚性火焰

16、上述本公开实施例提供的燃烧装置，具备以下优点：

17、1)采用激光能量预热、点火，能够提高风/煤粉流着火的可靠性稳定性，为大型煤粉锅炉冷启动提供便利，或降低预热能耗。

18、2)采用将风/煤粉流分配为“轴向流、径向流”二部分再由激光强制点火的构造，以“无形的气流稳焰器”解决了高温环境稳定火焰的难题，更有利于燃烧发展。

19、3)采用“多级放大式”煤粉燃烧的创新思想，将煤电机组煤粉锅炉的点火、助燃及低负荷运行稳燃统一考虑一体化设计，全煤粉点火，全煤粉燃烧，主要依靠煤粉的化学能/热能转换实现燃烧正常发展，以及维持锅炉最低限度出力时的稳燃，一揽子解决了自冷炉点火到低负荷甚至超低负荷运行稳燃安全性可靠性经济性兼容的工程难题，为大型煤电机组煤粉锅炉全负荷段运行的灵活性，简约地经济地适应频繁的大深度的调峰提供一种具有显著经济性的新方法新技术新工艺新装置。

20、4)进一步实现燃烧精细化，提高节能减排效果；进一步降低点火、助燃及稳燃成本，特别是显著降低稳燃运行成本；进一步总体上降低点火、助燃及稳燃装置的体积、重量和造价；

21、5)分层错时输送风/煤粉，改“一股”为分层“多股”，逐次错时点火，多级燃烧放大，塑造混合型射流，设置即可变量可微摆动可变径的输送体系，产生行程、炬型、能量、传播速度全面满足锅炉各出力等级运行时所要求的火焰形状、炉膛温度及温度场分布。

22、综上，本发明抓住煤电机组煤粉锅炉点火、助燃及低负荷运行稳燃的关键环节及技术难题，积极探索更高效节能减排的煤粉大功率燃烧新方法新技术新工艺新装置，从而提出一种“多级放大式”煤粉大功率燃烧的激光点火方法及装置，能够用作各种出力等级的煤粉燃烧器，适用于各种固体燃料锅炉(煤粉炉、流化床炉等)的点火、助燃及稳燃；能够实现全煤粉点火，节省点火费用；能够实现全煤粉燃烧，兼容煤粉锅炉低负荷甚至超低负荷运行时稳燃的安全性可靠性经济性，显著降低稳燃成本。