CN114278939A - 燃烧器和燃烧系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃烧器和燃烧系统，燃烧器包括：出口(1)；风煤进口，被配置成引入煤粉和一次风；风煤通道(5)，一端与所述风煤进口连通，另一端与所述出口(1)连通，以将所述煤粉和一次风朝所述出口(1)输送；氨燃料喷口(3)，与所述风煤通道(5)连通，以使所述氨燃料喷口(3)输出的氨燃料与所述风煤通道(5)内的煤粉混合，燃烧器能够在燃烧初期营造有利于提高氨燃烧火焰传播速度、增强氨燃烧强度且能够抑制NOx生成的富燃料还原性区域，有利于降低燃烧过程中产生的氮氧化物的量。

Description

燃烧器和燃烧系统

技术领域

本发明涉及燃煤锅炉技术领域，具体而言，涉及一种燃烧器和燃烧系统。

背景技术

氨(NH3)作为一种零碳燃料，可直接用作燃煤锅炉燃料，与传统的化石燃料相比，能够大幅削减CO2排放量，为实现燃煤锅炉大规模CO2减排提供技术路线。然而，氨燃烧时存在两个主要技术问题：①NH3燃烧特性差，着火温度高，火焰传播速度慢，可燃极限范围窄，存在NH3是否可以稳定着火和完全燃烧的问题；②NH3分子中含有氮原子，燃烧过程控制不当易生成大量燃料型NOx(氮氧化物)，存在如何抑制NOx生成问题。

目前，氨燃料的燃烧应用尚未得到普及，主要应用集中在内燃机、燃气轮机等领域。氨煤混燃方面的工业研究则更少，仅日本进行了相关工业试验研究，IHI株式会社与日本东北大型合作，开发了一种可实现氨煤混烧的燃烧器，在已有煤粉燃烧器三段空气管道插入氨专用燃烧器；三菱动力株式会社开发了一种固体燃料与氨混合燃烧燃烧器(申请号201980032296.6)，将氨燃料透过二次风朝向距离氨喷嘴出口下游的炉膛火焰中还原区域供给。

现有技术的燃烧系统通过将氨燃料通过助燃空气，进而供给到燃烧器外火焰的还原区域。这种方式一方面，仅是意图朝向还原区域供给氨燃料以达到抑制NOx生产的目的，然而在燃烧器出口复杂的流场组织下，不能保证精准的将氨燃料引入到还原区域，因此抑制NOx生成效果不佳；另一方面，氨燃料含有氮，而氨燃料供给喷嘴处于助燃空气中，造成喷出后的氨燃料与过量氧的混合，当氧过量时燃烧过程易产生NOx。

发明内容

本发明旨在提供一种有利于降低燃烧过程中产生的氮氧化物的量的燃烧器和燃烧系统。

根据本发明实施例的一个方面，本发明提供了一种燃烧器，燃烧器包括：

出口；

风煤进口，被配置成引入煤粉和一次风；

风煤通道，一端与风煤进口连通，另一端与出口连通，以将煤粉和一次风朝出口输送；以及

氨燃料喷口，与风煤通道连通，以使氨燃料喷口输出的氨燃料与风煤通道内的煤粉混合。

在一些实施例中，氨燃料喷口设在风煤通道的靠近出口的一端。

在一些实施例中，燃烧器包括多个氨燃料喷口，多个氨燃料喷口沿风煤通道的周向布置。

在一些实施例中，燃烧器包括沿风煤通道的延伸方向布置的多个氨燃料喷口排，每个氨燃料喷口排包括沿风煤通道的周向布置的多个氨燃料喷口。

在一些实施例中，相邻两个氨燃料喷口排的氨燃料喷口错位/并列布置。

在一些实施例中，

在风煤通道的横截面中，氨燃料喷口的朝向相对于风煤通道的延伸方向朝顺时针方向或逆时针方向倾斜，以使氨燃料形成旋转的涡流；和/或

在风煤通道的纵截面中，氨燃料喷口的朝向相对于风煤通道的径向倾斜地设置。

在一些实施例中，

在风煤通道的横截面中，氨燃料喷口的朝向与风煤通道的径向之间的夹角为0～80°；

在风煤通道的纵截面中，氨燃料喷口的朝向与风煤通道的延伸方向之间的夹角为20°～160°。

在一些实施例中，燃烧器还包括第一二次风通道，第一二次风通道与风煤通道沿风煤通道的径向布置并与出口连通。

在一些实施例中，燃烧器还包括设在第一二次风通道和出口之间的旋流器。

在一些实施例中，第一二次风通道的出口端沿风煤通道的出口端的周向布置。

在一些实施例中，第一二次风通道的通风量可调。

在一些实施例中，燃烧器还包括第二二次风通道，第二二次风通道与第一二次风通道沿风煤通道的径向布置，并位于第一二次风通道的远离风煤通道的一侧，第二二次风通道与出口连通。

在一些实施例中，第二二次风通道的出口端沿第一二次风通道的出口端的周向布置。

在一些实施例中，燃烧器包括：

第一筒体，其内腔用于构成风煤通道；

第二筒体，套设在第一筒体外，第一筒体和第二筒体之间的环形腔用于构成第一二次风通道；以及

第三筒体，套设在第二筒体外，第二筒体和第三筒体之间的环形腔用于构成第二二次风通道。

在一些实施例中，燃烧器还包括用于调节第二二次风通道的进口端和第一二次风通道的进口端引入的风量的比值的风量调节分配器。

在一些实施例中，燃烧器还包括二次风风箱，第一二次风通道的靠近出口的一端为与出口连通的出口端，第一二次风通道远离出口的一端为进口端，第二二次风通道的靠近出口的一端为与出口连通的出口端，第二二次风通道的远离出口的一端为进口端，第二二次风通道的进口端和第一二次风通道的进口端沿风煤通道的径向并排设置，并分别与二次风风箱连通，风量调节分配器包括盖板，盖板可运动地盖设在第二二次风通道的进口端或第一二次风通道的进口端，以调节进口端的开度。

在一些实施例中，燃烧器还包括设在风煤通道内的点火源。

根据本发明的另一方面，还提供了一种燃烧系统，燃烧系统包括：

炉膛；

上述的燃烧器，燃烧器的出口与炉膛连通。

应用本申请的技术方案，将具有难着火燃烧稳定性差的氨燃料混入燃烧器浓一次风粉中，实现氨燃料与煤粉燃料的充分快速混合与共燃。本实施例的燃烧器能够在燃烧初期营造有利于提高氨燃烧火焰传播速度、增强氨燃烧强度且能够抑制NOx生成的富燃料还原性区域，有利于降低燃烧过程中产生的氮氧化物的量。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出了本发明的实施例的燃烧器的结构示意图；

图中：1、出口；2、风煤通道出口端；3、氨燃料喷口；4、氨燃料管路；5、风煤通道；6、第一二次风通道；7、第二二次风通道；8、旋流器；9、风量调节分配器；10、点火源；11、氨燃料主管；12、二次风风箱。

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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

如图1所示，本实施例的燃烧器包括出口1、风煤进口、风煤通道5和氨燃料喷口3。

风煤进口被配置成引入煤粉和一次风。风煤通道5的一端与风煤进口连通，另一端与出口1连通，以将煤粉和一次风朝出口1输送。氨燃料喷口3与风煤通道5连通，以使氨燃料喷口3输出的氨燃料与风煤通道5内的煤粉混合。

本实施例中，将具有难着火燃烧稳定性差的氨燃料混入燃烧器的浓一次风粉中，实现氨燃料与煤粉燃料的充分快速混合与共燃。本实施例的燃烧器能够在燃烧初期营造有利于提高氨燃烧火焰传播速度、增强氨燃烧强度且能够抑制NOx生成的富燃料还原性区域，有利于降低燃烧过程中产生的氮氧化物的量。

NH3既能充当燃料又能充当燃烧生成NOx的还原剂。在燃料燃烧推进过程中，在特定火焰温度850℃～1150℃和氧存在的条件下，燃烧残留NH3发挥还原NOx作用。另外，NH3燃烧生成水蒸气有利于降低火焰温度峰值，从而减少热力型NOx形成。

氨燃料喷口3设在风煤通道5的靠近出口1的一端。风煤通道4的靠近出口1的一端为风煤通道出口端2。

燃料燃烧初期煤粉与氨混燃，煤粉热解大量析出挥发份，所析出的活性物质CH4/H2等，有利于强化NH3的着火并增强氨燃料燃烧强度保证稳燃。由于氨本身的还原性质，在还原性气氛强的气氛中，有利于抑制煤粉NOx生成。因此，该共燃方式能起到氨燃料与煤燃料优势互补的作用。

燃烧器包括多个氨燃料喷口3，多个氨燃料喷口3沿风煤通道5的周向布置。在风煤通道5的横截面中，氨燃料喷口3的朝向相对于风煤通道5的延伸方向朝顺时针方向或逆时针方向倾斜，以使氨燃料形成旋转的涡流。氨燃料射流旋转扩散，增加火焰锋面面积强化燃烧，以进一步提升高比例混氨适应性。

氨燃料喷口3的横截面可以为圆形、椭圆形或方形。

在一些实施例中，在风煤通道5的横截面中，氨燃料喷口3的朝向与风煤通道5的径向之间的夹角为0～80°。

在风煤通道5的纵截面中，氨燃料喷口3的朝向相对于风煤通道5的径向倾斜地设置。在风煤通道5的纵截面中，氨燃料喷口3的朝向与风煤通道5的延伸方向之间的夹角为20°～160°，也即氨燃料喷口3朝向向靠近出口1的一侧或远离出口的一侧倾斜。

氨燃料射流喷出后形成一面旋转，一面扩散前进的状态，从而加强扰动促进氨燃料和煤粉混合，增加燃料与空气的接触面积，有利于强化燃烧和组织火焰。旋转射流使得轴向和径向建立压力梯度，在旋流射流内部建立涡流区，在燃烧过程中卷吸烟气对着火的稳定性起着重要作用。氨燃料射流喷出速度应保证射流在一次风粉中的穿透深度。

燃烧器包括多个氨燃料管路4，氨燃料管路4与氨燃料喷口3一一对应地设置，氨燃料管路4向相应的氨燃料喷口3输送氨燃料。在一些实施例中，氨燃料管路4的延伸方向与相应的氨燃料喷口3的朝向相顺应，也即氨燃料管路4在风煤通道5的周向上螺旋地延伸，以使氨燃料形成旋转的涡流。

燃烧器还包括沿风煤通道5的周向延伸的氨燃料主管11，多个氨燃料管路4的进口端分别与氨燃料主管11连通。氨燃料主管11为沿风煤通道5的周向延伸的环形部件，以均匀地向各个氨燃料管路4分配氨燃料。

燃烧器还包括第一二次风通道6，第一二次风通道6与风煤通道5沿风煤通道5的径向布置并与出口1连通。

在一些实施例中，燃烧器包括沿风煤通道5的延伸方向布置的多个氨燃料喷口排，每个氨燃料喷口排包括沿风煤通道5的周向布置的多个氨燃料喷口。

在一些实施例中，相邻两个氨燃料喷口排的氨燃料喷口3错位/并列布置。

燃烧器还包括设在第一二次风通道6和出口1之间的旋流器8。第一二次风通道6输出旋流的二次风，旋流二次风与着火燃料的混合位置在还原区下游，延缓了二次风对含氮中间体的氧化，抑制了NOx的大量生成。燃烧后期，二次风与燃料充分混合，促进了燃尽。

可选地，旋流器8为可调式旋流器，通过设置可调节旋流器8，组织不同火焰形态，调节出适应于不同比例氨煤混情况下的最佳氧化还原区段，拓宽燃烧器对高比例混氨燃料的适应性。

第一二次风通道6的出口端沿风煤通道5的出口端的周向布置。

在一些实施例中，第一二次风通道6的通风量可调，从而可根据具体情况调节第一二次风道6的出风量，进而改变燃烧过程中氮氧化物的量。

燃烧器还包括第二二次风通道7，第二二次风通道7与第一二次风通道6沿风煤通道5的径向布置，并位于第一二次风通道6的远离风煤通道5的一侧，第二二次风通道7与出口1连通。

第二二次风通道7的出口端沿第一二次风通道6的出口端的周向布置。

燃烧器还包括用于调节第二二次风通道7的进口端和第一二次风通道6的进口端引入的风量的比值的风量调节分配器9。

通过风量调节分配装置9分配各级二次风用风比例，改变各通道风速，并通过设置可调节旋流器8，组织不同火焰形态，调节出适应于不同比例氨煤混情况下的最佳氧化还原区段，拓宽燃烧器对高比例混氨燃料的适应性。

燃烧器包括第一筒体、第二筒体和第三筒体，第一筒体其内腔用于构成风煤通道5；第二筒体套设在第一筒体外，第一筒体和第二筒体之间的环形腔用于构成第一二次风通道6；第三筒体套设在第二筒体外，第二筒体和第三筒体之间的环形腔用于构成第二二次风通道7。

燃烧器还包括二次风风箱12，第一二次风通道6的靠近出口1的一端为与出口1连通的出口端，第一二次风通道6远离出口1的一端为进口端，第二二次风通道7的靠近出口1的一端为与出口1连通的出口端，第二二次风通道7的远离出口1的一端为进口端，第二二次风通道7的进口端和第一二次风通道6的进口端沿风煤通道5的径向并排设置，并分别与二次风风箱12连通，风量调节分配器9包括盖板，盖板可运动地盖设在第二二次风通道7的进口端或第一二次风通道6的进口端，以调节进口端的开度。在本实施例中，盖板盖设在第一二次风通道6的进口端，并被配置成沿风煤通道5的延伸方向移动。

在一些实施例中，燃烧器不具备点火源，燃烧器用于氨燃料和煤粉的混合，混合后的氨燃料和煤粉经出口1进入炉膛后燃烧着火。

经可调节旋流器8作用下，旋流的二次风促进高温烟气回流，在燃烧器外、炉膛内，加热氨燃料和煤粉的混合燃料气流，煤粉热解挥发分析出活性物质CH4/H2等，促进氨燃料燃烧强度的增强，实现NH3着火，形成初期火焰，中心区域形成高温低氧强还原性气氛区域，抑制NOx；随后，未完全燃烧的高温煤焦及可燃组分在旋流二次风的补给过程中混合燃烧，旋流二次风氧含量高，逐渐破坏中心燃烧区的贫氧富燃料气氛，使未燃尽燃料迅速氧化。在可调旋流器8的作用下，二次风强烈湍动，强化了火焰锋面的热质交换，对稳定着火及燃尽具有重要意义。

在一些实施例中，燃烧器还包括设在风煤通道5内的点火源10。点火源10可为等离子体点火、燃气枪、油枪等各种形式的煤粉燃烧器点火设备。

具有点火源10的混氨煤粉燃烧器，实现氨燃料喷入已热解燃烧的煤粉气流中，可提供给氨着火足够的热量。

风煤通道5视情况可设置一级或多级燃烧筒，燃烧筒内可设置煤粉浓缩器等实现煤粉逐级燃烧及燃料分级。

煤粉由点火源10点燃，在风煤通道5内提前热解内燃，挥发分析出大量燃烧速度高的活性物质CH4/H2，促进氨燃料燃烧强度的增强；同时创造高温、低氧、高CO和低NOx的强还原气氛区域。实现了氨燃料快速着火和低氮稳燃。

旋流二次风与着火燃料的混合位置在还原区下游，延缓了二次风对含氮中间体的氧化，抑制了NOx的大量生成。燃烧后期，二次风与燃料充分混合，促进了燃尽。

点火源10可为等离子点火、燃气枪、油枪等各种形式的煤粉燃烧器点火设备，为氨煤混燃燃料提供稳定的着火源。

风煤通道5采用单极或多级燃烧筒结构，燃烧筒内可设置煤粉浓缩器等实现煤粉逐级燃烧及燃料分级。多级燃烧筒结构使煤粉火焰逐级放大；煤粉浓缩器可进一步拓宽燃烧器对煤种的适应性，使燃烧稳定，为NH3燃料着火提供稳定点火源。

根据本发明的另一方面，还提供了一种燃烧系统，燃烧系统包括：炉膛和上述的燃烧器，燃烧器的出口1与炉膛连通。

以上所述仅为本发明的示例性实施例，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种燃烧器，其特征在于，包括：

出口(1)；

风煤进口，被配置成引入煤粉和一次风；

风煤通道(5)，一端与所述风煤进口连通，另一端与所述出口(1)连通，以将所述煤粉和一次风朝所述出口(1)输送；以及

氨燃料喷口(3)，与所述风煤通道(5)连通，以使所述氨燃料喷口(3)输出的氨燃料与所述风煤通道(5)内的煤粉混合。

2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述氨燃料喷口(3)设在所述风煤通道(5)的靠近所述出口(1)的一端。

3.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，包括多个所述氨燃料喷口(3)，多个氨燃料喷口(3)沿所述风煤通道(5)的周向布置。

4.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，包括沿所述风煤通道(5)的延伸方向布置的多个氨燃料喷口排，每个氨燃料喷口排包括沿风煤通道(5)的周向布置的多个所述氨燃料喷口(3)。

5.根据权利要求4所述的燃烧器，其特征在于，相邻两个氨燃料喷口排的氨燃料喷口(3)错位/并列布置。

6.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，

在所述风煤通道(5)的横截面中，所述氨燃料喷口(3)的朝向相对于所述风煤通道(5)的延伸方向朝顺时针方向或逆时针方向倾斜，以使所述氨燃料形成旋转的涡流；和/或

在所述风煤通道(5)的纵截面中，所述氨燃料喷口(3)的朝向相对于所述风煤通道(5)的径向倾斜地设置。

7.根据权利要求6所述的燃烧器，其特征在于，

在所述风煤通道(5)的横截面中，所述氨燃料喷口(3)的朝向与所述风煤通道(5)的径向之间的夹角为0～80°；

在所述风煤通道(5)的纵截面中，所述氨燃料喷口(3)的朝向与所述风煤通道(5)的延伸方向之间的夹角为20°～160°。

8.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，还包括第一二次风通道(6)，所述第一二次风通道(6)与所述风煤通道(5)沿所述风煤通道(5)的径向布置并与所述出口(1)连通。

9.根据权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，还包括设在所述第一二次风通道(6)和所述出口(1)之间的旋流器(8)。

10.根据权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，所述第一二次风通道(6)的出口端沿所述风煤通道(5)的出口端的周向布置。

11.根据权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，所述第一二次风通道(6)的通风量可调。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的燃烧器，其特征在于，还包括第二二次风通道(7)，所述第二二次风通道(7)与所述第一二次风通道(6)沿所述风煤通道(5)的径向布置，并位于所述第一二次风通道(6)的远离所述风煤通道(5)的一侧，所述第二二次风通道(7)与所述出口(1)连通。

13.根据权利要求12所述的燃烧器，其特征在于，所述第二二次风通道(7)的出口端沿所述第一二次风通道(6)的出口端的周向布置。

14.根据权利要求12所述的燃烧器，其特征在于，包括：

第一筒体，其内腔用于构成所述风煤通道(5)；

第二筒体，套设在所述第一筒体外，所述第一筒体和所述第二筒体之间的环形腔用于构成所述第一二次风通道(6)；以及

第三筒体，套设在所述第二筒体外，所述第二筒体和所述第三筒体之间的环形腔用于构成所述第二二次风通道(7)。

15.根据权利要求12所述的燃烧器，其特征在于，还包括用于调节所述第二二次风通道(7)的进口端和所述第一二次风通道(6)的进口端引入的风量的比值的风量调节分配器(9)。

16.根据权利要求15所述的燃烧器，其特征在于，还包括二次风风箱(12)，所述第一二次风通道(6)的靠近所述出口(1)的一端为与所述出口(1)连通的出口端，所述第一二次风通道(6)远离所述出口(1)的一端为进口端，所述第二二次风通道(7)的靠近所述出口(1)的一端为与所述出口(1)连通的出口端，所述第二二次风通道(7)的远离所述出口(1)的一端为进口端，所述第二二次风通道(7)的进口端和所述第一二次风通道(6)的进口端沿所述风煤通道(5)的径向并排设置，并分别与所述二次风风箱(12)连通，所述风量调节分配器(9)包括盖板，所述盖板可运动地盖设在所述第二二次风通道(7)的进口端或所述第一二次风通道(6)的进口端，以调节所述进口端的开度。

17.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，还包括设在所述风煤通道(5)内的点火源。

18.一种燃烧系统，其特征在于，包括：

炉膛；

权利要求1至17中任一项所述的燃烧器，所述燃烧器的出口(1)与所述炉膛连通。

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