粉狀固體燃料小型燃燒的系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了粉狀固體燃料小型燃燒的系統(tǒng)及方法。燃料流被噴入二次風(fēng)的流場，其流動(dòng)方向與二次風(fēng)方向大體相反。燃料流的回流在燃燒室內(nèi)形成一個(gè)穩(wěn)定區(qū)，延長了燃料流在燃燒室內(nèi)停留的時(shí)間?；鹧嬷饕诙物L(fēng)流場的中心軸線方向及附近或燃燒室中心附近形成，遠(yuǎn)離燃燒室壁，改善了燃燒室的溫度分布。
【專利說明】粉狀固體燃料小型燃燒的系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及粉狀固體燃料(例如由煤制成的粉）的小型燃燒，特別涉及一種改善粉 狀固體燃料燃燒點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定性的系統(tǒng)和方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在燃燒室中布置一個(gè)或多個(gè)燃料噴嘴，將空氣和固體燃料(如由煤制成的粉）的混 合物噴射到燃燒室中是眾所周知的一類燃燒室。在這種形式的系統(tǒng)中，由煤制成的粉狀固 體和加壓的空氣以空氣-燃料混合物的形式被吹入燃燒室中并且被點(diǎn)燃。隨后，煤-空氣 的火焰擴(kuò)散到燃燒室內(nèi)。在燃燒室的墻壁上通常布置有水管系統(tǒng)，以通過換熱過程使得燃 燒室保持相對冷卻。
[0003] 上述系統(tǒng)的一個(gè)重要作用是為燃料的燃燒提供適當(dāng)條件。這主要通過將供應(yīng)的燃 料以所需的速率噴射到燃燒室中，并且使燃料在燃燒室中停留充分的時(shí)間進(jìn)行燃燒的方式 來實(shí)現(xiàn)。
[0004] 大型的工業(yè)燃煤設(shè)施由于采用了大的燃燒室和成熟的燃料預(yù)熱系統(tǒng)，幾乎可以保 證粉狀固體燃料完全或近乎完全燃燒。典型地，在這些大型的設(shè)施中，預(yù)熱過程和燃燒室本 身的設(shè)計(jì)，使粉狀燃料在燃燒室中延長停留時(shí)間，從而確保粉狀燃料的充分燃燒。例如，復(fù) 雜系統(tǒng)(如切向燃燒室）的設(shè)計(jì)中，粉狀燃料被噴射入渦流中，從而延長了燃料在燃燒室中 停留的時(shí)間。
[0005] 但是，上述方式不適用于固體燃料的小型（〈30MW)燃燒，因?yàn)樾⌒腿紵捎玫脑O(shè)施 較小而且燃料預(yù)熱過程也受到限制。
[0006] 例如，對于一個(gè)長約1米、內(nèi)徑約0. 5米的小型圓柱形燃燒室，燃料/空氣噴嘴布 置在燃燒室的一端。假設(shè)燃料/空氣混合物以大約15米/秒的速度噴射入燃燒室，粉狀燃 料通過燃燒室的時(shí)間才不到10毫秒，無法達(dá)到燃料完全燃燒所需的時(shí)間。
[0007] 因此，對于粉狀固體燃料的小型燃燒，需要在改善點(diǎn)燃和火焰穩(wěn)定性的同時(shí)，確保 系統(tǒng)構(gòu)造簡單、造價(jià)低廉。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供燃燒固體燃料(如由煤制成的粉)的系統(tǒng)和方法。按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí) 施例，方法包含以下步驟：大體上在一第一方向形成一二次風(fēng)的流場；通過一一次風(fēng)使粉 狀固體燃料流化，以產(chǎn)生一粉狀固體燃料流；以與所述第一方向大體相反的一第二方向?qū)?所述粉狀固體燃料流噴入所述二次風(fēng)的所述流場，其中大體上在所述第一方向上形成所述 粉狀固體燃料流的一回流；以及點(diǎn)燃所述粉狀固體燃料流，大體上在所述二次風(fēng)的所述流 場的中心軸線方向及附近形成一火焰。
[0009] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一方向與所述第二方向之間的夾角范圍為120度至180 度。在一個(gè)實(shí)施例中，所述二次風(fēng)的體積大于所述一次風(fēng)的體積。在一個(gè)實(shí)施例中，所述火 焰包含一回流區(qū)，以保證火焰的穩(wěn)定性。在一個(gè)實(shí)施例中，所述火焰的最高溫度大體上出現(xiàn) 在所述二次風(fēng)的所述流場的中心軸線方向及附近。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，一種燃燒裝置包括：一燃燒室；一二次風(fēng)泵送裝置， 用于在所述燃燒室內(nèi)產(chǎn)生大致在一第一方向的一二次風(fēng)的流場；用于一供給粉狀固體燃料 流的一吹管；以與所述第一方向大體相反的一第二方向?qū)⑺龇蹱罟腆w燃料流噴入所述二 次風(fēng)的所述流場的一噴嘴，其中粉狀固體燃料流的一回流大體上在所述第一方向上形成， 且大體上在所述二次風(fēng)的所述流場的中心軸線方向及附近；用于點(diǎn)燃所述粉狀固體燃料流 的一輔助噴嘴。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，一燃料流被噴入二次風(fēng)的流場，其流動(dòng)方向與所述二 次風(fēng)方向大體相反。所述燃料流的回流在所述燃燒室內(nèi)形成一穩(wěn)定區(qū)，從而有效延長了所 述燃料流在燃燒室內(nèi)停留的時(shí)間，并改善了所述燃料的燃燒。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，火焰主要在二次風(fēng)流場的中心軸線方向及附近或燃燒 室中心附近形成，遠(yuǎn)離燃燒室壁，改善了燃燒室的溫度分布。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中燃燒室的示例性剖視圖。
[0014] 圖2為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中燃燒室的另一示例性剖視圖。
[0015] 圖3描繪了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中燃燒室內(nèi)的示例性溫度分布。

【具體實(shí)施方式】
[0016] 通過參考附圖，可以更好地理解本發(fā)明，而且熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員也將了解本 發(fā)明的目的和優(yōu)勢。
[0017] 圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中燃燒室的示例性剖視圖。如圖1所示，燃燒室101為 圓柱型。助燃空氣噴嘴102布置在燃燒室101的一端，向燃燒室101內(nèi)噴射二次風(fēng)。多個(gè) 燃料噴嘴103沿著燃燒室101壁面進(jìn)行布置，燃料噴嘴103的出口與助燃空氣噴嘴102的 出口大體相對。編號為111U12和113的箭頭描述了在燃燒室內(nèi)形成的氣流。一個(gè)點(diǎn)火裝 置105 (如：天然氣火炬、等離子火炬、礦物燃料引導(dǎo)火炬或電弧點(diǎn)火器等)布置在燃料噴嘴 103附近，用于啟動(dòng)燃燒過程。
[0018] 燃燒室101內(nèi)的燃燒過程描述如下：一股燃料/空氣氣流通過管道輸送到燃料噴 嘴103,然后噴射入燃燒室101。氣流的總體流向如箭頭111所示。燃料/空氣氣流111與 二次風(fēng)氣流112 (即助燃空氣）大體上可以以120度至180度范圍內(nèi)的夾角沿相反方向流 動(dòng)。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，二次風(fēng)112的體積大于燃料/空氣氣流111的體積，從 而可以有效地在燃燒室101中產(chǎn)生回流，使氣流111改變方向，朝著燃燒室的出口方向流 動(dòng)。在圖1中，回流氣流的流向如箭頭113所示。這股回流在點(diǎn)104處會產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定區(qū)， 一旦點(diǎn)燃，火焰將穩(wěn)定。該穩(wěn)定區(qū)有效地延長了燃料流（即由煤制成的粉狀顆粒）在燃燒室 內(nèi)停留的時(shí)間。因此，隨著固體燃料在燃燒室內(nèi)停留時(shí)間的延長，固體燃料的燃燒得到改 善。
[0020] 圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中燃燒室的另一示例性剖視圖。編號201指示燃燒室 的主體。在這個(gè)實(shí)施例中，燃燒室為錐型漸擴(kuò)的形狀（以下稱為馬弗燃燒裝置)。用于噴射 二次風(fēng)的助燃空氣噴嘴202布置在燃燒室較小的一端，所述二次風(fēng)從燃燒室較小的一端流 向較大的一端。多個(gè)燃料噴嘴203沿燃燒室壁布置，燃料噴嘴203的出口與助燃空氣噴嘴 202的出口大致相對。
[0021] 在這個(gè)實(shí)施例中，由于二次風(fēng)212的體積大于燃料/空氣氣流211的體積，將在燃 燒室201中產(chǎn)生回流，使氣流211改變方向，朝著燃燒室的出口方向流動(dòng)。在圖2中，回流 氣流的流向如箭頭213所示。這股回流在點(diǎn)204處會產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定區(qū)，一旦點(diǎn)燃，火焰將穩(wěn) 定。該穩(wěn)定區(qū)的形成有效地延長了燃料流（即由煤制成的粉狀顆粒）在燃燒室內(nèi)停留的時(shí) 間。因此，隨著固體燃料在燃燒室內(nèi)停留時(shí)間的延長，固體燃料的燃燒得到改善。
[0022] 圖3描繪了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中燃燒室內(nèi)的示例性溫度分布。在這個(gè)實(shí)施例 中，燃燒室可理解為與圖1 一致，其銘牌功率為5MW。燃燒爐或燃燒室101為圓柱型，長為1 米，內(nèi)徑為〇. 5米。每個(gè)燃料噴嘴103的出口內(nèi)徑為8cm。
[0023] 燃料/空氣噴嘴噴射出的空氣體積最好約占粉狀燃料完全燃燒所需空氣總體積 的10% ;其余空氣為助燃空氣，最多占粉狀燃料燃燒所需空氣總體積的90%，所述助燃空氣 通過助燃空氣噴嘴102噴入?？諝?燃料混合物離開燃料噴嘴103的速度最好在15至20 米/秒之間。助燃空氣離開助燃空氣噴嘴102的速度最好在1至10米/秒之間。
[0024] 基于試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，上述燃燒室得到了極好的粉狀燃料燃燒結(jié)果。在500°C至1300°C 的燃燒溫度范圍內(nèi)，燃燒室可獲得快速點(diǎn)燃和穩(wěn)定火焰，燃燒溫度的設(shè)定是根據(jù)用戶的參 數(shù)選擇以及燃料的可燃性，后者主要依次受燃料顆粒尺寸、燃料流的速度和空氣/燃料的 比例、以及所用燃料的特性(例如：水分、揮發(fā)性、含灰量等）的影響。
[0025] 圖3顯示了如圖1所述裝置在二次風(fēng)風(fēng)速為4米/秒情況下的示例性溫度分布數(shù) 據(jù)。圖3提供的數(shù)據(jù)僅用于說明本發(fā)明的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)，在任何情形下都不應(yīng)被視為對本 發(fā)明適用范圍的限制。圖3中，0%到100%這些溫度測量點(diǎn)表示圓柱形燃燒室出口處各點(diǎn)到 燃燒室軸線的相對距離，〇%為中心軸，100%為燃燒室外壁。
[0026] 以下數(shù)據(jù)是從同一次試驗(yàn)中得到：
[0027]
[0028]

【權(quán)利要求】
1. 一種燃燒粉狀固體燃料的方法，包括以下步驟： 大體上在一第一方向形成一二次風(fēng)的流場； 通過一一次風(fēng)使粉狀固體燃料流化，以產(chǎn)生一粉狀固體燃料流； 以與所述第一方向大體相反的一第二方向?qū)⑺龇蹱罟腆w燃料流噴入所述二次風(fēng)的 所述流場，其中大體上在所述第一方向上形成所述粉狀固體燃料流的一回流；以及 點(diǎn)燃所述粉狀固體燃料流，大體上在所述二次風(fēng)的所述流場的中心軸線方向及附近形 成一火焰。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一方向與所述第二方向之間的夾角 范圍為120度至180度。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述二次風(fēng)的體積大于所述一次風(fēng)的體積。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述火焰包含一回流區(qū)，以保證火焰的穩(wěn)定 性。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述火焰的最高溫度大體上出現(xiàn)在所述二 次風(fēng)的所述流場的中心軸線方向及附近。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述二次風(fēng)的所述流場局限在燃燒室內(nèi)。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉狀固體燃料為煤粉。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉狀固體燃料為生物質(zhì)粉。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述一次風(fēng)或所述二次風(fēng)是富氧的。
10. -種燃燒粉狀固體燃料的燃燒裝置，包括： 一燃燒室； 一二次風(fēng)泵送裝置，用于在所述燃燒室內(nèi)產(chǎn)生大致在一第一方向的一二次風(fēng)的流場； 用于一供給粉狀固體燃料流的一吹管； 以與所述第一方向大體相反的一第二方向?qū)⑺龇蹱罟腆w燃料流噴入所述二次風(fēng)的 所述流場的一噴嘴，其中粉狀固體燃料流的一回流大體上在所述第一方向上形成，且大體 上在所述二次風(fēng)的所述流場的中心軸線方向及附近； 用于點(diǎn)燃所述粉狀固體燃料流的一輔助噴嘴。
11. 如權(quán)利要求10所述的燃燒裝置，其特征在于，還包括通過一一次風(fēng)使所述粉狀固 體燃料流化以產(chǎn)生所述粉狀固體燃料流的一輸送管。
12. 如權(quán)利要求10所述的燃燒裝置，其特征在于，所述第一方向與所述第二方向之間 的夾角范圍為120度至180度。
13. 如權(quán)利要求10所述的燃燒裝置，其特征在于，銘牌功率為5MW所對應(yīng)的噴嘴的內(nèi)徑 為8厘米，所述燃燒室的長度為1米，內(nèi)徑為0. 5米，所述一次風(fēng)的速度為15-20米/秒，所 述二次風(fēng)的速度為1-10米/秒。
14. 如權(quán)利要求10所述的燃燒裝置，其特征在于，所述的粉狀固體燃料為煤粉。
15. 如權(quán)利要求10所述的燃燒裝置，其特征在于，所述的粉狀固體燃料為生物質(zhì)。
16. 如權(quán)利要求10所述的燃燒裝置，其特征在于，還包括用于引發(fā)所述粉狀固體燃料 燃燒的一點(diǎn)火裝置。
【文檔編號】F23D14/64GK104302976SQ201380000459
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月9日
【發(fā)明者】施政 申請人:施政