CN1014627B - 煤粉燃烧装置 - Google Patents

Abstract

一种煤粉燃烧装置包括煤粉和载体风通过其中被送到燃烧室中燃烧的燃烧器，及装在燃烧器端部的火焰挡圈。火焰挡圈包括扩口管和环形板，该板带有数个彼此等角距的径向向内的凸出部件。环形板包括数个陶瓷片和数个紧固件，两者交替排列并装配成环形板。陶瓷片这样成形，装配后它径向向内的凸出用作凸出部件。陶瓷片在其对侧带有光滑的弧形边缘表面，及紧固件在其对侧带有光滑弧形边缘表面，该表面与相邻两陶瓷片的弧形边缘表面相啮合。

Description

本发明涉及到一种煤粉燃烧装置，特别是涉及到一种在燃烧器中的端部装有一特殊火焰挡圈的煤粉燃烧装置。

近来燃料情况的变化，增加了煤作为主要燃料，用作工业锅炉例如用于热动力电厂的大容量锅炉的燃煤锅炉的数量。

在这种燃煤锅炉中，煤被磨煤机磨成200目的细粉煤，例如按煤粉通过量70%，因此提高了燃煤的燃烧效率。煤仓含有大量的氮（N）及碳（C）和氢（H）。煤粉燃烧过程产生的N_OX的量大于气体燃料或液体燃料燃烧时产生的量。因而，要求尽可能多的减少产生N_OX的生成量。

燃料燃烧过程中产生的N_OX主要分为两种类型，即：热力型N_OX和燃料型N_OX。热力型N_OX是通过在空气中包含的氮（N）的氧化燃烧而产生。热力型N_OX的产生主要取决于火焰温度。火焰温度变的越高，产生的热力型N_OX的量就越大。另一方面，燃料型N_OX通过在燃料中包含的（N）的氧化而产生。燃料型N_OX的产生主要取决于火焰中的氧浓度，过氧率变的越大，产生的燃料型Nox量就变的越大。

作为抑制Nox产生的燃烧方法，已采取各种方法，例如向燃烧室中多级送风的多级燃烧方法及采用非燃烧区的低含氧量的已燃气体进行尾气再循环的方法。上述两种方法都试图通过低氧燃烧来降低燃烧火焰的温度而抑制热力型N_OX的产生。

通过降低燃烧温度能够抑制热力型Nox的产生。然而，燃料型N_OX的形成不取决于燃烧的温度，和其次通过降低燃烧温度不能完全抑制燃料型N_OX的产生。

因此，适用于降低火焰温度的普通方法对于包含少量氮（N）的气体燃料或液体燃料是有效的，但对于氮的重量百分比通常占1～2%的煤粉燃料的燃烧来说就不那么有效。

另一方面，煤粉的燃烧包含煤粉中的挥发分被释放出来的热分解过程，及热分解后释放出的挥发分燃烧过程和可燃固体成分（以下称为“炭”）的燃烧过程。

挥发分的燃烧率大大高于固体成分的燃烧率。挥发分在燃烧的初始阶段燃烧。同样，在热分解过程中，煤粉中的含氮被分成两部分。一部分象其它可燃成分一样通过挥发被释放出来，其余的残留在炭中。

因此，煤粉燃烧中产生的燃料型N_OX包含从挥发氮（N）生成的N_OX和在炭中从氮（N）生成的N_OX。由于在炭的燃烧过程中，炭产生的燃料型N_OX一直持续不断，则N_OX的产生将持续到燃料燃烧的最后阶段。因此，对此采取防范措施是非常重要的。

我们知道，在起始燃烧时和在氧气不足燃烧区域中，挥发氮（N）可以变成化合物，如NH₃和HCN。这些氮化物不仅与氧反应变成N_OX，而且作为还原剂与N_OX反应，将其分解成氮（N）。

在与N_OX共存的系统中，由于氮化物而增进了还原反应。在一个没有Nox存在的系统中，大部分氮化物被氧化成Nox。同样，由于存在低氧浓度气氛，还原物质很可能先产生。

由于煤粉燃烧采用Nox还原方法，通过形成Nox同具有还原 性的氮化物共存的状态，由于氮化物的作用，Nox有效地还原成氮（N）。

换句话说，通过采用具有还原性质的氮化物，例如NH₃或类似物作为Nox的母体，能减少Nox生成量和Nox母体量。这对于减少Nox是有效的。

在常用的煤粉燃烧装置中，在工艺上燃烧器的端部装一金属火焰挡圈。据此，在装置的燃烧室中，沿燃料流动方向的顺序形成还原区，脱硝区和完全燃烧区。並且，在还原区的周围形成氧化区。

对于这样的装置，煤粉通过火焰挡圈喷入燃烧室。挡圈使得在挡圈内形成涡流，而使煤粉夹带进涡流中及空气也从外部夹带进去，从而保证了点燃火焰的形成。

如上所述，当利用火焰挡圈在燃烧器附近形成还原区时，通过煤粉燃烧产生氧化氮，在还原区分解成挥发性氧化氮（简称挥发性N）和含氧化氮的炭（简称炭N）如下所述。

挥发性N包含还原性中间产物，例如，Co，或者如·NH₂，·CN基团。

尽管少量的Nox就在还原区产生，但正如公式（2）所示，通过在煤粉中所含的烃基（例如·CH）能够转换成还原的基团。

在氧化区，来自还原区的挥发性N和在空气中含有的氮（N₂）被氧化，因此如公式（3）和（4）所示，产生了燃料型NO和热力型NO。

在脱硝区，氧化区产生的NO与还原区的还原性中间产物（·NX）反应产生N₂，进行如下的自身脱氮。

其中X表示H₂，C和类似物。

在完全燃烧区，未燃烧的成分和包含在上述炭N中的炭被完全燃烧。炭N以大约百分之几的转换率转变成NO。人们希望尽可能将炭中含的氮N释放到气相中。

如下文所述，火焰挡板的措施能改善火焰维持特性。从而实现了低Nox和能够减少未燃成分的量。

如上所述，普通的火焰挡圈由金属制成，通常火焰温度高达1200～1400℃且煤粉在挡圈内以15米/秒的速度流动。由于火焰温度，挡圈的火焰挡板被烧损，由于与煤粉碰撞，火焰挡板产生严重磨损。因此，必须经常换上一个新的火焰挡圈。

因此，本发明的一个目的是提供一种装有具有高抗磨损和高抗烧的火焰挡圈的煤粉燃烧装置。

最后，根据本发明，提供的煤粉燃烧装置包含一个煤粉和载体介质通过其中被送到燃烧室中燃烧的燃烧器，和装在燃烧器端部的火焰挡圈，火焰挡圈包括扩口管和环形板，在其尾部带有许多彼此等角距的径向向内凸出部件，其中所述的环形板包括许多陶瓷片和许多紧固件。它们彼此安装和装配在一起构成所述的环形板，所述的陶瓷片是这样的形状，当被装配时，径向向内的凸出，用作所述的突出部件，且所述的陶瓷片在对侧具有光滑的弧形边缘表面，及所述的紧固件在相对侧具有光滑的弧形边缘表面，该表面与所述的陶瓷片的相邻两块 陶瓷片的弧形边缘表面相啮合。

从下面的关于本发明的最佳实施例的描述中，本发明的其它目的和显著优点是明显的。

图1是按照本发明的一个实施例的火焰挡圈的局部放大图;

图2是一个描述装有图1所示的挡圈的煤粉燃烧器的纵向剖视图;

图3A和3B是陶瓷片和图1所示的挡圈的金属紧固件的正视图;

图4展示的是图1所示的挡圈的主要部件的透视图;

图5示出了按图4装配方式主要部件透视图;

图6示出了按照本发明的另一实施例的火焰挡圈的局部放大正视图;

图7示出了如图6所示的金属紧固件的平面图;

图8示出了结合图6所示挡圈煤粉燃烧器的纵向剖视图;

图9示出了图6所示的挡圈的主要部件的分解透视图;

图10示出了按图9装配方式主要部件的透视图;

图11示出了煤粉燃烧器一般安装的纵向剖视图;

图12示出了燃烧器的正视图;和

图13示出了火焰挡圈附近燃烧器情况的示意图。

参照图11，煤粉燃烧器1主要包括煤粉输送管3和弯头4。弯头4带有用于改变混合物流流动方向的挡板5。煤粉输送管3和弯头4的内部形成煤粉输送通道6。通过输送通道6射入燃烧室2的是煤粉和一次风的混合物流，或者是煤粉和尾气的混合物流，或者是煤粉，一次风和尾气的混合物流。

为了将风箱7的燃烧空气输送到燃烧室墙壁8上的燃烧器的出口9处，沿煤粉输送管3的外缘装上隔板10和套筒11。风箱7被分隔成专门的二次风通道12和三次风通道13。二次风导叶14和三次风调气器15分别装在二次风通道12和三次风通道13上。通过二次风通道12和三次风通道13的燃烧空气的流量分别通过这种调气器来控制。

在煤粉燃烧器1的前端，装上包括环形板16和带有环形板16的扩口管17的火焰挡圈18。环形板16装有许多彼此等角距的凸起部件，每个部件都径向向内凸起。如图11～13所示，环形板16在其中心部分还具有一个开孔19，通过该孔，混合物流流到燃烧室2。

火焰挡圈18用来抑制煤粉向煤粉燃烧器1的径向向外方向扩散。同时，如图13所示，挡圈18产生涡流20，因此提高了着火性能和火焰维持效果。

挡圈18与其内部在二次风通道12内引导二次风及在三次风通道13内引导三次风的套筒11的一个端部沿径向向外方向上尽可能多地配合。

采用这种装置，煤粉通过火焰挡圈18的开口19射进燃烧室2。如图13所示，涡流20被形成通过挡圈18输送煤粉和输入空气到燃烧室2的中心部分形成着火火焰。

如前所述，火焰挡圈18经受到高温度，例如1200℃～1400℃火焰的烧损，及煤粉带有更高速度的撞击。在烧损和磨损过程中，火焰挡圈受到损害。因此，根据本实施例，环形板16由交替安装在一起的数个陶瓷片23和数个金属紧固件25组成。它们彼 此相啮合並装配成环形板16。当装配时，陶瓷片23朝环形板16的开孔19的中心方向凸出，涡流20得以产生。

如图3A和3B所示，陶瓷片23由Si₃N₄（氮化硅）或SiC（碳化硅）制成。陶瓷片23在其对侧带有凹陷24a和凸起部24b。金属紧固件25，例如可由不锈钢（SUS310S）制成。紧固件25在其对侧带有凸起部26a和凹陷26b。

如图1所示，金属紧固件25在凸起部26a处被安装，26a嵌入陶瓷片的凹陷24a。同样，金属紧固件25在凹陷26b被安装，26b扣上陶瓷23的凸起部24b。

这样，陶瓷片23和金属紧固件25彼此交替组装在一起，借此，每片陶瓷片23两边被金属紧固件25卡紧，25用来防止陶瓷片23脱落。金属紧固件25利用螺栓22固定到扩口管17上。

如图2所示，陶瓷环27装在扩口管17内。陶瓷环27装在火焰挡圈18的径向向内的方向上以用作金属紧固件25的衬垫。

为了防止陶瓷环27和环形板16轴向移动，管17焊上一个制动环28（见图4和图5）。陶瓷环27和环形板16卡紧並紧固在煤粉输送管3的前端和制动环28之间。

陶瓷片23和陶瓷环27用在最可能被磨损的火焰挡圈18的端部。由于涡流20引起的煤粉偏流而与陶瓷片23及陶瓷环27撞击。然而，这种陶瓷材料的抗磨损性和抗燃性完全能够经得起煤粉的撞击。

如果在金属紧固件25和陶瓷片23之间，及陶瓷环27和扩口管17及金属紧固件25之间填充诸如陶瓷纸之类的吸震材料，就可避免金属紧固件25和陶瓷片23及陶瓷环27之间的直接接触。

金属紧固件25和扩口管17利用螺栓22连在一起，以便使螺栓22的紧固力不直接作用在陶瓷片23上。

如上所述，环形板16由陶瓷片23和金属紧固件25以环形交替联接装配而成。由于火焰热的作用，金属紧固件25比陶瓷片23的膨胀量大，即它们之间出现热应力。然而，由于每个陶瓷片23和金属紧固件25都带有凸面部分（弧形凸起部分24b，26a）和凹陷部分（弧形凹陷24a，26b）因而在啮合部分存在轻微的应力集中且几乎不用担心陶瓷片23会被破坏。

图6到10示出了本发明的另一实施例。第一个实施例和第二个实施例之间有两个不同。也就是，第一，代替制动环28的凸缘部分29由两侧的金属紧固件25整体构成。

如图6和10所示，当装配时，凸缘部分29与陶瓷片23的端面啮合，以防止陶瓷片23向燃烧室方向移动。由于凸缘部分29是由金属紧固件25整体构成的，故不用担心由于变形在陶瓷片23和凸缘部分29之间产生裂缝。

对于第一个实施例来说，当扩口管17被火焰的辐射热加热时，扩口管17由于内外间的温度不同而产生热变形，结果在陶瓷片23和金属制动环28或陶瓷环27和陶瓷片23之间产生裂缝。因此，燃灰就进入到裂缝中。在这种情况下，燃烧器被冷却，管17恢复到初始状况，但进入裂缝中的燃灰起着支点的作用，使得制动环28在陶瓷片23中产生的弯曲应力引起破坏作用。比较起来，根据第二个实施例，由于凸缘部分29同金属紧固件25是整体构成，第一个实施例的固有缺陷就被克服。

下文就陶瓷片23，陶瓷环27和类似物所使用的材料加以说明。

可以用作陶瓷材料的，例如，氧化铝，二氧化硅，氧化镁，氧化锆，尖晶石（MgO·Al₂O₃），富铝红柱石（3Al₂O₃·2SiO₃），碳化硅、碳化硼、氮化铝、氮化硅、氮化钛及类似物。最好选用氮化硅和碳化硅。

在陶瓷材料用作陶瓷片23和陶瓷环27的情况下，下面的条件应于考虑。

（1）硬度

所用的陶瓷材料与普通燃烧器耐磨材料（例如，耐磨铸铁）相比，应具有足够的硬度。

（2）弯曲强度

所用的陶瓷材料应具有足够的抗外力，如各部之间紧固力的性能。

（3）高温强度

由于燃烧室的辐射热，使得靠近燃烧器端部的部分保持相当高的温度，在这样高温状态下，所用的陶瓷材料应具有预定的机械强度。

（4）耐热冲击性

所用的陶瓷材料应具有足够的抵抗瞬间产生的热冲击的机械强度。例如没有运行的燃烧器从高温状态（由于来自燃烧室的辐射热）到点火时的全部冷却（由于包含一次风的煤粉流）。

（5）耐热性

所用的陶瓷材料应能经受燃烧室的强辐射热。

有关每种材料的各种性能将说明：

1.维氏硬度（负荷：500g）;

2.弯曲强度;

3.高温强度（1000℃或小于1000℃）;

4.抗热冲击性（加热试样到400℃，然后浸入水中经受热冲击。然后，测量其弯曲强度）;和

5.最高使用温度。

氮化硅

1.维氏硬度：1780（Kg/mm²），

2.弯曲强度;6000（Kg/Cm²），

3.高温强度;5500（Kg/Cm²），

4.抗热冲击性;5500（Kg/Cm²），和

5.最大使用温度;1200℃

碳化硅

1.维氏硬度;2000（Kg/mm²）

2.弯曲强度;5500（Kg/Cm²）

3.高温强度;5500（Kg/Cm²）

4.抗热冲击性;5500（Kg/Cm²）

5.最大使用温度;1200℃

氧化铝

1.维氏硬度;1670（Kg/mm²）

2.弯曲强度;3180（Kg/Cm²）

3.高温强度;2200（Kg/Cm²）

4.抗热冲击性;（由于断裂而不能测量）

5.最高使用温度;1590℃

耐热铸铁

1.维氏硬度;600（Kg/mm²）

2.最高使用温度;790℃

结果明显看出，氮化硅和碳化硅是满足上述条件1到5的最好材料。

按照本发明，既然最可能遭受磨损和烧坏的环形板可以由陶瓷制成，因此防止环形板被磨损和烧坏是可能的。

Claims (5)

1、一种煤粉燃烧装置，包括煤粉和载体介质通过其中被送到燃烧室(2)中燃烧的燃烧器(1)，和装在所述燃烧器一端的火焰挡圈(18)，所述的火焰挡圈包括一扩口管(17)和一环形板(16)，该板装有数个彼此角距相等径向向内凸起部件，其特征在于所述的环形板包括数个陶瓷片(23)和数个金属紧固件(25)，两者交替排列並装配成所述的环形板，每个所述的陶瓷片是这样的成形，当装配后，所述的陶瓷片径向向内凸出，用作所述凸出部件，並且所述的陶瓷片在其对侧带有光滑的弧形边缘表面(24a，24b)，并且每个所述金属紧固件在其对侧带有光滑的弧形边缘表面(26a，26b)，该表面与所述陶瓷片中相邻两块陶瓷片的弧形边缘表面啮合。

2、按照权利要求1所述的装置，其特征在于所述的金属紧固件（25），在其对侧进一步包括与所述紧固件加工成一体的凸缘部分（29，29），其中每个凸缘部分与相邻的陶瓷片（23）的一个轴向端面相啮合，其端面则面向所述的燃烧器（2）。

3、按照权利要求1所述的装置，其特征在于所述的挡圈（18）还包括一个装在所述环形板（16）内的陶瓷环（27），利用该陶瓷环就给所述的环形板上加上了衬里。

4、按任何一个权利要求1至3中所述的装置，其特征在于所述陶瓷片（23）和所述陶瓷环（27）的制造材料可从下述材料中选择：氧化铝，二氧化硅，氧化镁，氧化锆，尖晶石（MgO·Al₂O₃），富铝红柱石（3Al₂O₃·2SiO₃），碳化硅，碳化硼，氮化铝，氮化硅，氧化钛。

5、按任何一个权利要求1至3中所述的装置，其特征在于所述金属紧固件（25）由不锈钢制成。

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