CN1331788A - 切向燃烧系统的运行方法 - Google Patents

Abstract

一种固体燃料锅炉(10)的运行方法,这种炉具有若干风室(20),每个风室具有若干舱(32、48),燃料和空气通过这些舱进入炉中。该方法包括通过同一个舱(32、48)、以与通常位于炉中心的一个第一假想环(92)呈切向地向炉内供应一次空气和燃料,以形成旋转火球。该方法还包括向炉(10)内供应过燃空气和偏置空气,偏置空气是指用来维持第二假想环而供至炉内的那部分空气,该环与第一假想环同心并比第一环有更大的直径。进入炉中的空气总量最好根据下式分配:总空气量(100%)=(最多到40%的偏置空气)+(最多到50%的过燃空气)+(最少为20%的低份额一次空气和燃料空气的和)。

Description

切向燃烧系统的运行方法

本发明涉及一种粉状固体燃料炉的运行方法以及一种依此方法运行的锅炉的燃料和空气舱配置，此方法适用于较宽的固体燃料范围，当用在粉状固体燃料炉中时能提供理想的排放控制运行。

通过切向燃烧的方法使粉状固体燃料在锅炉中呈悬浮态成功燃烧已有很长时间了。切向燃烧技术就是使粉状固体燃料和空气从锅炉的四个角进入炉内，以使它们切向地指向锅炉中心的一个假想圆。这种燃烧形式有很多优点，如粉状固体燃料和空气能充分混合、火焰稳定、以及燃烧气体在炉内能滞留较长时间。

近来，越来越多的注意力放在了尽可能地减少空气污染上。在这方面，具体涉及到NO_X的控制时，人们知道化石燃料燃烧时产生氮氧化物主要来自两种独立的机理，即热NO_X和燃料NO_X。热NO_X来自燃烧气体中氮和氧分子的热化合。热NO_X的形成率对局部火焰温度十分敏感，而对局部氧的浓度不太敏感。实际上，全部的热氮氧化物都产生于温度最高的火焰区域。由于燃烧气体的热淬冷(quench)现象，热NO_X的浓度因此基本上“固定”在高温区的水平。这样，燃料气体的热NO_X的浓度就在火焰峰值温度的平衡值与烟气温度平衡值之间。

另一方面，燃料NO_X来自某种化石燃料中象煤和重油中有机氮的氧化。总的讲，燃料NO_X的形成率受化石燃料与空气流混合程度的影响很大，特别是受局部氧浓度的影响很大。然而，由燃料中的氮而形成的烟气中NO_X的浓度通常只占化石燃料中所有氮完全氧化所达到数值的一部分，如20-60％。综上所述，显然总体氮氧化物的形成与局部氧浓度和火焰峰值温度有关。

许多年来，对标准的切向燃烧技术有诸多改进。这些改进的许多、特别是最近提出的一些改进都主要致力于用其来更好减少排放。这种改进中的一个是构成名为“束状环式切向燃烧系统”的美国专利No.5020454之主题的一种燃烧系统，该专利于1991年6月4日公开，与本申请为同一受让人。该美国专利No.5020454提供了一个特别适用于化石燃料锅炉的束状环式切向燃烧系统。束状环式切向燃烧系统包括一个风室。第一组燃料喷嘴布置在风室内用来将束状燃料喷入炉中以使在其中产生一个第一燃料富集区。第二组燃料喷嘴布置在风室内用来将束状燃料喷入炉中以使在其中产生一个第二燃料富集区。偏置空气(offset air)喷嘴布置在风室内用来向炉内喷射偏置空气，偏置空气的喷射偏离束状燃料喷向炉内的方向，即朝向炉壁的方向。一个密偶过燃空气(close coupled overfire air)喷嘴布置在风室内向炉内喷射密偶过燃空气。一个分离的的过燃空气喷嘴布置在锅炉的燃烧区，它与密偶过燃空气喷嘴间隔开，并与风室的纵向轴线基本在一条直线上。分离的过燃空气喷嘴向炉内喷射单独的过燃空气。

这种改进中的另一个是构成美国专利No.5146858之主题的一种燃烧系统，该专利题为“锅炉燃烧系统”，于1992年9月15日公开。美国专利No.5146858公开的一种锅炉燃烧系统通常包括布置在具有竖轴的方筒形锅炉的侧壁或角上的主燃烧器，燃烧器的竖直轴切向地指向与锅炉同轴的假想圆柱表面。另外，在这种锅炉燃烧系统中，空气喷嘴布置在锅炉中高于主燃烧器的高度，以便使留在主燃烧器燃烧区的还原或低氧浓度气氛中的未燃燃料由空气喷嘴吹入的附加空气更彻底地燃烧。美国专利No.5146858公开的锅炉燃烧系统的具体特征是两组空气喷嘴分别固定在高位和低位。更具体地讲，低位空气喷嘴布置在锅炉的角上，其轴切向地指向直径比第一假想同轴圆柱表面大的第二假想同轴圆柱表面。另一方面，高位空气喷嘴布置在锅炉侧墙面的中心，其轴切向地指向直径比第二假想同轴圆柱表面小的第三假想同轴圆柱表面。

另一个这种改进是构成美国专利No.5195450之主题的一种燃烧系统，该专利名为“控制NO_X的先进过燃空气系统”，于1993年3月23日公开，与本申请为同一受让人。美国专利No.5195450提出的用于控制NO_X的先进过燃空气系统特别适用于化石燃料锅炉的燃烧系统。这种用来控制NO_X的先进的过燃空气系统包括由多个密偶过燃空气舱和多个分离的过燃空气舱构成的多层过燃空气舱。密偶过燃空气舱安装在锅炉的第一层，分离的过燃空气舱安装在锅炉的第二层，以同密偶过燃空气舱相间隔开，但它们又是直线对直的。过燃空气被供至密偶过燃空气舱和分离的过燃空气舱，使得在它们之间有一个预定的最理想的过燃空气分布，使得从分离的过燃空气舱喷出的过燃空气在锅炉的平面上形成水平的“喷洒”或“扇形”分布，同时使得从分离的过燃空气舱喷出的过燃空气的速度大大高于现有的速度。

每个粉状固体燃料喷嘴产生的火焰的稳定性是由整个传热和传质过程决定的。一个位于锅炉中心的单个旋转火焰面(“火球”)使在整个炉膛内的粉状固体燃料与空气具有有梯度的但彻底和均匀的混合。

前面例示地提出的控制NO_X的努力与改善由于锅炉在与低NO_X相关的化学至因环境下运行引起的炉壁的损坏与腐蚀的努力是并行的。沿炉壁的还原性气氛引起或加速炉壁的损坏。

因此，尽管前面所描述的这三个美国专利的燃烧系统被证明可以达到它们提出的目的，但仍有证据表示现有技术中这样的切向燃烧系统有改进的必要。更具体地讲，有证据表示现有技术需要一种新的和改进的切向燃烧系统，它能在控制如氮氧化物等的不希望的排放上更具灵活性。另外，有证据表示现有技术需要一种能增强沿锅炉水冷壁的抗腐蚀性的新的和改进的切向燃烧系统。

综上所述，有证据表明现有技术需要一种新的和改进切向燃烧系统，当将其用在粉状固体燃料锅炉中时，能优化地减少不希望的排放。

因此，本发明的一个目的是提供一种新的和改进的切向燃烧系统，其特别适用于粉状固体燃料锅炉。

本发明的另一个目的是提供一种用于粉状固体燃料锅炉的、新的、改进了的燃料和空气舱配置的切向燃烧系统，其特征是它既可用于新设计也可用于改造设计。

本发明的再一个目的是提供一种用于粉状固体燃料锅炉的、新的、改进了的燃料和空气舱配置的切向燃烧系统，其特征是更易安装、更易操作、且更便宜。

本发明的又一个目的是提供一个用于粉状固体燃料锅炉的、新的、改进了的燃料和空气舱配置的切向燃烧系统，其特征是增强沿锅炉侧壁的抗腐蚀或损坏的能力。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于锅炉的切向燃烧系统，它使供给锅炉的所有空气分为四份，以便在一种选定的风室布置中最大限度地改善和优化锅炉的运行。一般来说，空气总量最好根据下式提供：

(C)总的空气供应量(100％)＝(至多占40％的偏置空气)＋(最多到50％的过燃空气)＋(至少占20％的低份额一次空气和燃料空气的和)

其中空气总量(100％)＝V(偏置空气)＋X(过燃空气)＋Y(一次空气)＋Z(燃料空气)

在此V，X，Y，Z是各成分占总空气量的百分比，总空气量由偏置空气、过燃空气、一次空气和燃料空气这四份构成。

图1是粉状固体燃料锅炉实际竖直断面的示意图，该锅炉采用了本发明之低NO_X切向燃烧系统的燃料和空气舱配置；

图2是本发明低NO_X切向燃烧系统的燃料和空气舱配置的实际竖直断面示意图，它特别适用于固体燃料锅炉；

图3是用在本发明之低NO_X切向燃烧系统的燃料和空气舱配置中的、安装了火焰稳定头(tip)的粉状固体燃料喷嘴的侧立面图；

图4是用在本发明之低NO_X切向燃烧系统的燃料和空气舱配置中的、如图3所示的安装了火焰稳定头的粉状燃料喷嘴的端面视图；

图5是描述在本发明之低NO_X切向燃烧系统的燃料和空气舱配置中的偏置燃烧运行原理的燃烧环的平面图；

图6是采用了本发明之低NO_X切向燃烧系统的燃料和空气舱配置的、用来描述在低NO_X切向燃烧系统的燃料和空气舱配置中的分离的过燃空气可变射向运行原理的粉状固体燃料锅炉的平面图；

图7是采用了本发明之低NO_X切向燃烧系统的燃料和空气舱配置的、用来描述在低NO_X切向燃烧系统的燃料和空气舱配置中的分离的过燃空气可变倾角运行原理的粉状固体燃料锅炉的侧立面图；

图8是采用了本发明之低NO_X切向燃烧系统的燃料和空气舱配置的、阐明当使用大于0.6的旋转系数时通过主风室喷入粉状固体燃料锅炉中的粉状固体燃料和空气的流向的粉状固体燃料锅炉实际竖直断面示意图；

图9是采用了本发明之低NO_X切向燃烧系统的燃料和空气舱配置的粉状固体燃料锅炉实际平面示意图；

图10是本发明另一种低NO_X切向燃烧系统的燃料和空气舱配置实际竖直断面示意图，它特别适用于粉状固体燃料锅炉；

图11是图1所示的粉状固体燃料锅炉的风室中最高偏置空气舱的放大的顶视图；

图12是图1所示的一种粉状燃煤锅炉的部分竖直断面的立体示意图，其中采用一种选定的风室布置；

图13是图12所示锅炉的一个角部风室的放大立体图，其中示意性地显示出一个旋转火球；

图14是图1所示另一种粉状燃煤锅炉的一个角部风室的放大的立体图，其中采用一种选定的风室布置，并示意性地显示出一个旋转火球。

下面参照附图、具体是图1，描述总体标号为10的粉状固体燃料锅炉。粉状固体燃料锅炉10可以安装根据本发明设计的低位燃料空气舱配置，该配置总体上由图2中的标号12表示，当在其中安装了该燃料和空气舱配置12后能有效地限制氮氧化物的排放。有关粉状固体燃料锅炉10的建造和运行模式的更详细描述可参见现有技术，比如授予F.J.Berte的1988年1月12日公开的美国专利4719587，该专利与本申请为同一受让人，此处不做叙述。

进一步参照图1，这里描述的粉状固体燃料锅炉10包括一个总体上由标号14所指的燃烧区。下面将结合燃料和空气舱配置12的结构特点和运行模式进行详述，在粉状固体燃料锅炉10的燃烧区14内，以本领域公知的方法使粉状固体燃料和空气的燃烧启动。粉状固体燃料与空气燃烧产生的热气体在粉状固体炉中向上运动。当热气体在这个粉状固体燃料炉10中向上运动时，它用本领域技术人员公知的方式将热传给管内流动的流体(为清楚起见，图中没有表示)，这些管子通常线性地布满粉状固体燃料炉10四周的墙壁，然后从粉状固体燃料炉10出来的热空气通过粉状固体燃烧炉10的一个总体上由标号16所指的水平通道，该通道转向粉状固体燃烧炉10的后气体通道18。水平通道16和后气体通道18以本领域技术人员公知的方式共同承载了为产生和过热蒸汽的其它换热器表面(未示出)，然后蒸汽流至构成透平/发电机组(未示出)之一个部件的透平(未示出)中，蒸汽提供动力驱动透平(未示出)并进而驱动用已知方式与透平相连的发电机(未示出)，由此发电机(未示出)就能发电。

根据前面对背景情况的叙述，具体参考图1和图2来描述本发明的燃料和空气舱配置12，它用来与图1所示的粉状燃料锅炉10相配合。更具体地讲，燃料和空气舱配置12被用在象图1所示的粉状固体燃料锅炉10那样的锅炉中。以使其有效地减少不希望的排放。

根据参考图1和图2的准确理解，燃料和空气舱配置12包括若干舱室，其中每一个都采用主风室的形式，主风室在图1和图2中用20表示。各主风室20以本领域技术人员公知的方式由普通的支承装置(未示出)固定在粉状固体燃料锅炉10燃烧区14的四个角之一上，使主风室20的纵轴大致平行于粉状固体燃料锅炉10的纵轴。

现在根据图2所示的实施例继续描述燃料和空气舱配置12，主风室20包括一对分别用22和24表示的端部空气舱。根据参考图2的准确理解，端部空气舱的一个，即用22表示的，布置在主风室20的底端。另一个端部空气舱24布置在主风室20的顶端。另外，根据图2所示，主风室20中有若干分别由图2中的标号26、28、30表示的直射空气舱和若干分别由图2中的36、38、40、42、44、46表示的偏置空气舱。直射空气喷嘴用适合于此的常规方式安装在各端部空气舱22、24以及直射空气舱26、28、30中。另外，偏置空气喷嘴用适合于此的常规形式安装在各偏置空气舱32、34、36、38、40、42、44、46中，这样做的目的将在以后详述。

一个空气供应装置(后面将详细描述)被有效的连接到各端部空气舱22和24，也连接到每个直射空气舱26、28、30和每个偏置空气舱32、34、36、38、40、42、44、46上，通过这些舱，供气系统将空气送入固体燃烧炉10的燃烧区14。为此，常规形式的空气供气系统包括一个风机(未示出)、空气导管(未示出)，空气导管一方面与风机流体流动关联，另一方面也通过单独的阀和控制元件(未示出)将空气流从风机分别输送到端部空气舱22、24，直射空气舱26、28、30和偏置空气舱32、34、36、38、40、42、44、46。

进一步根据图2所示的实施例来看主风室20，主风室20还有若干燃料舱，它们总体上分别用48、50、52、54、56表示。后面在图3中以标号58所示的燃料喷嘴被安装在每一个燃料舱48、50、52、54、56之中。任何适合于这种用途的常规安装方式都可用来将燃料喷嘴58安装在每一个燃料舱48、50、52、54、56中。燃料喷嘴58最好采用一个粉状固体燃料火焰稳定喷嘴头的模式，该喷嘴头在图4中由60示意出来。图2中由48、50、52、54、56所表示的每一个燃料舱料舱都可用做粉状固体燃料舱，就象例如煤舱。然而应当明白，燃料舱48、50、52、54、56还适用于其它形式的粉状固体燃料。也就是说，适用于能在粉状固体燃料锅炉10的燃烧区域14中燃烧的任何粉状固体燃料。

由图1中的标号62示意性地表示出的一个粉状固体燃料供应装置有效地与安装在燃料舱48、50、52、54、56上的燃料喷嘴58相连，这样，粉状固体燃料供应装置62向燃料舱48、50、52、54、56提供粉状固体燃料，更具体地说，是向安装在其上的燃料喷嘴58供应燃料，以从这里将燃料喷向粉状固体燃料锅炉10的燃烧区14。为此，该粉状固体燃料供应装置62包括一个制粉机64(图1)和粉状固体燃料管道66。该制粉机64被设计用来生产预定细小颗粒度的粉状固体燃料，并配备有通常称之为动力型分选器的旋转式分选器(未示出)。

从制粉机64出来后，已经被磨到上述应有细度的粉状固体燃料通过粉状固体燃料管路66，经分开的阀门和控制元件(未示出)到达安装在与管路66流体流动关联的燃料舱48、50、52、54、56上的燃料喷嘴58。尽管出于保持图示清晰的目的没有示出，制粉机64是与空气供应装置的风机(未示出)有效相连的，这一点前面已有参考。因此，空气也从空气供应装置的风机(未示出)向制粉机64供应。这样从制粉机64向固定在燃料舱48、50、52、53、56上的燃料喷嘴58传送的粉状固体燃料是通过煤粉技术领域的人员公知的方式在空气流中流过导管66的。

图4表示的固体燃料火焰稳定喷嘴头60的主要功能是影响从其喷射到锅炉10的燃烧区14中的粉状燃料的点火，使其比现有的粉状固体燃料喷嘴头能在更近的距离内(即2英尺内)发挥作用。粉状固体燃料的这种快速点火产生一个稳定的挥发性物质火焰，并且在富固体燃料的气氛中使NO_X的生成最小。

根据参考图3和图4的准确理解，固体燃料火焰稳定喷嘴头60的形状大致为矩形盒，见图3的标号70。矩形盒70的相对两端有用图3中72和74表示的开口端部，固体燃料/一次空气流从这里分别进入和流出固体燃料火焰稳定喷嘴头60。在离矩形盒70的周围的一个小距离内有一个通道(图3的76表示)用来通过附加空气，也就是燃烧支持空气。

进一步参考图2，主风室20内还可具有一个辅助燃料舱，由图2中的88表示。该辅助燃料舱88利用在其中恰当安装的辅助燃料喷嘴发挥作用，辅助燃料喷嘴将辅助燃料喷向粉状固体燃料锅炉10的燃烧区14，它是非粉状固体燃料形式，即油或气体，当需要时它就喷射。比如，在运行的启动阶段，该粉状固体燃料锅炉10就需要这样的辅助燃料喷射。尽管图2所示的主风室20配备了一个单个的辅助燃料舱88，但如果需要的话，应理解在不偏离本发明实质的情况下，主风室可具有多个辅助燃料舱88。为此，如果需要的话，可以通过用辅助燃料舱88取代直射空气舱26、28、30中的一个或多个的方法来添加辅助燃料舱88。

下面讨论一下偏置燃烧的原理。为此最好参照图5，根据对图5的准确理解，如图5中90所示意的方向，通过粉状固体燃料舱48、50、52、54、56喷入固体燃料锅炉10燃烧区14的粉状固体燃料和一次空气流指向一个假想的小环92，小环位于固体燃料锅炉10燃烧区14的中间。与粉状固体燃料和一次空气流不同，喷入粉状固体燃料锅炉10的燃烧区14的燃烧支持空气，也就是二次空气，通过偏置空气舱32、34、36、38、40、42、44、46指向(图5标号94所示)较大直径的假想环96。该大环与小环92同心布置，也位于粉状固体燃料锅炉10燃烧区14的中间。

下面进一步描述偏置空气舱32、34、36、38、40、42、44、46。由于上述偏置空气舱都是一样的，因此只描述其中的一个，下面将详细描述最高的偏置空气舱46，应该知道，其它的偏置空气舱32、34、36、38、40、42、44在运行和结构上是一样的。现在看图10和11，最高的偏置空气舱46合适地安装在风室20中，然后风室20被合适地安装在锅炉10的燃烧区14中。另外，应当注意与风室20结构和运行一样的其它风室被合适地安装在炉10的四个角上，以便形成风室20的两对布置，每一对风室中的一个都与另一个对角相对地固定着，这样使假想的对角线(其中的一个在图10中被标做假想对角线DL)通过炉10的竖直中心VC。

如图11所示，最高偏置空气舱46内安装有偏置空气喷嘴406，该喷嘴包含一个喷嘴头408。喷嘴头408装配有若干射向控制板410、一个用来改变流过偏置空气喷嘴406的空气流量的阻尼件412和一个倾角驱动器414，它用来改变喷嘴头408的导向板相对于水平面(也就是通过喷嘴头408的与风室20的竖轴相垂直的水平面)的倾角。另外，喷嘴头408还包括：点火装置416，用来在炉10的燃烧区14中的偏置空气喷嘴406附近区域产生稳定的火焰；火焰扫描器418，用来在偏置空气喷嘴406附近探测炉10中燃烧区14的火焰熄灭。

下面将结合流过最高偏置空气舱46的偏置空气的供应根据图10所示的小环92和假想的大直径环96描述射向控制板410的功能。从燃料舱48、50、52、54、56喷入炉10的燃烧区14的燃料指向小环92，该环92与炉10的纵向中心VC同轴，换句话说，小环位于炉10燃烧区的中心。与燃料不同，空气通过偏置空气舱32、34、36、38、40、42、44、46喷入炉10的燃烧区14，在喷向控制板410的作用下指向假想的大直径环96，该环与小环92同心，也位于炉10燃烧区14的中心。因此，可以看到，由于装配在喷嘴头40内的射向控制板410的作用，通过偏置空气舱32、34、36、38、40、42、44、46射入炉10燃烧区14的空气指向了大直径环96，也就是偏离喷入炉10燃烧区14的燃料而朝向炉10的壁。另外，还可以知道通过偏置空气舱32、34、36、38、40、42、44、46喷向炉10燃烧区14的空气起到了将旋转火球和炉10的壁面隔离的作用，也就是“遮盖”住了炉壁，使其与炉10在运行中所存在的还原性气氛隔离。

使通过主风室20的一些二次空气水平地偏置造成了在燃烧的早期只有较少的空气用于粉状固体燃料和一次空气流。这也使在粉状固体燃料锅炉10的粉状固体燃料和主气流的燃烧区及以上部分的水冷壁附近产生氧化性气氛。这还能带来减少灰渣量和灰渣粘性的效果，其结果是减少了炉壁的吹扫工作并增加了粉状固体燃料锅炉10下部的热吸收。在粉状固体燃料锅炉10水冷壁周围氧气水平的提高也可以降低潜在的腐蚀，特别是当燃烧具有高含量的硫、铁或碱金属(钾、钠)的粉状固体燃料时。在实践中，硫化和其他机理的腐蚀可通过减少粉状固体燃料和一次气流对粉状固体燃料锅炉10水冷壁的直接冲刷的可能而得到很好的控制。这种可能来自粉状固体燃料锅炉10的保守的放热参数和几何特性，也可来自对在粉状固体锅炉中燃烧的粉状固体燃料的细度的进一步控制。

参照图2所述实施例，继续描述燃料和空气舱配置12。它具有通常称之为“密偶”过燃空气舱类型的一个或多个过燃空气舱，用来供应某种参数(比如预定的体积和动量)的过燃空气。作为一种布置的例子，如图2所示，燃料和空气舱配置12包括一对密偶空气过燃舱98和100，他们位于主风室20的上部。大致靠近顶部空气舱24。密偶过燃空气喷嘴通过常规的适合于此种目的安装形式(未示出)安装在每一个密偶过燃空气舱98、100之中。每一个密偶空气过燃舱98、100都与一个空气供应装置(未示出)有效地相连，如前所述，每一个端部空气舱22、24以及每一个直射空气舱26、28、30和每一个偏置空气舱32、34、36、38、40、42、44、46也都与此空气供应装置(未示出)有效地相连，该供气装置向每一个密偶过燃空气舱98、100提供一些喷入粉状固体燃料锅炉10燃烧区14的燃烧支持空气。

进一步涉及燃料和空气舱配置12的特点和结构，它具有通常称之为“分离的的”过燃空气舱类型的一个或多个过燃空气舱，供应具有某种参数(比如预定的容积和动量)的过燃空气。一种布置的举例如图2所示，燃料和空气舱配置12包括位于粉状固体燃料锅炉10每一个角部的分离的过燃空气层，它在主风室20的顶部和锅炉出口平面之间，该平面由图1中的点画线102表示。根据图1和2所示的实施例，该燃料和空气舱配置12例如有一个分开的分离的过燃空气层，在图1和图2中由104表示。该分离的过燃空气层104通过任何常规的适用于此目的的支撑方式(未示出)安装在粉状固体锅炉10燃烧区14内，并与主风室20的顶部合适地分开，更具体地说是与风室中的密偶过燃空气舱100合适地分离的，该层基本上与主风室20的纵轴在一条直线上。该分离的过燃层104合适地位于主风室20的顶部和锅炉出口平面102之间以使粉状固体燃料燃烧产生的气体从主风室20的顶部到锅炉顶部的时间(即滞留时间)超过0.3秒。

根据图1和2所述的实施例继续描述分离的过燃空气层104，分离的过燃空气层104有3个分离的过燃空气舱，分别由图2中的108，110，112表示。分离的过燃空气喷嘴通过任何常规的适用于此种目的的安装方式(未示出)安装在每个分离的过燃空气舱108、110、112中，并使每个分离的过燃空气喷嘴能偏斜和倾斜运动。参照图6可以最好地理解偏斜是指在水平面上的运动，也就是图6中箭头120表示的运动。另一方面，参照图7可以最好地理解倾斜运动是指在竖直平面内的运动，也就是图7中箭头122表示的运动。

进一步描述分离的过燃空气层104，每一个分离的过燃空气舱108，110，112都与同一个供气装置(未示出)相连；该供气装置如上又所述与每一个端部空气舱22、24，每一个直射空气舱26、28、30，每一个偏置空气舱32、34、36、38、40、42、44、46和每一个密偶过燃空气舱98、100相连的空气供应装置一样，它向每一个分离的过燃空气舱108，110，112供应一些燃烧支持空气，这些空气通过其喷射到粉状固体燃料炉10的燃烧区14。

通过利用分离的过燃空气层104中的分离的过燃空气舱108、110、112的偏斜和倾斜定位功能可调节燃烧空气和锅炉气体的混合过程。

下面简要描述本发明的燃料和空气舱配置12的运行模式，该配置适用于例如象图1所示的那种粉状固体燃料锅炉10。根据燃料和空气舱配置12的运行模式，制粉机64向其供应合适细度的粉状固体燃料。粉状固体燃料由空气流承载，通过燃料管道66从制粉机64到达固体燃料舱48、50、52、54、56。然后，仍然夹带在空气流中的粉状固体燃料通过在粉状固体燃料舱48、50、52、54、56中适合于此的固体燃料火焰稳定喷射头60喷入粉状固体燃料锅炉10的燃烧区14。

继续描述燃料和空气舱配置12的运行模式，预定量的以二次空气形式的燃烧支持空气从每一个端部空气舱22、24，直射空气舱26、28、30和偏置空气舱32、34、36、38、40、42、44、46喷入粉状固体燃料锅炉10的燃烧区14，在锅炉10燃烧区14的所谓第一燃烧区达到预定的化学计量，即化学计量欠缺状态。这里所用的术语“化学计量”定义为使固体燃料完全燃烧所需的理论空气量。

除了前面讲的燃烧支持空气被喷入第一燃烧区外，预定量的以密偶过燃空气形式的燃烧支持空气通过每个密偶过燃空气舱98和100喷入粉状固体燃料锅炉10的燃烧区14，以使在固体燃料锅炉10燃烧区14的第一燃烧区以上的另一个燃烧区的化学计量是一个预定值。

进一步涉及本发明的燃料和空气舱配置12的运行模式，预定量的燃烧支持空气以分离的过燃空气形式喷入粉状固体燃料锅炉10的燃烧区14。更具体地讲，预定量的燃烧支持空气以分离的过燃空气形式通过分离的过燃空气层104中的每个分离的过燃空气舱108、110和102喷入粉状固体燃料锅炉10的燃烧区14，以使在固体燃料锅炉10燃烧区14的第一燃烧区和其他燃烧区之上的再燃烧区中的喷入化学计量是一个预定值。

本发明的切向燃烧系统设计成根据最佳的空气分布来供应空气，意在改善或优化一个或多个运行参数，比如减少氮氧化物。为了说明本发明的切向燃烧系统的几个优化空气分布配置的变形例，现给出了不同于图1-10所示锅炉风室布置的其它锅炉风室布置方案，此种锅炉的运行也是通过与图1-9所示锅炉基本相似切向燃烧方法形成旋转火球。根据本发明，图12和图13表示的化石燃料锅炉可运行在本发明最佳的空气分配方式下。化石燃料锅炉包括中心切向燃烧系统和若干墙壁围成的燃烧区。图12中的200表示中心切向燃烧系统，它运行在形成化石燃料锅炉204的燃烧区202的燃烧室中，该锅炉可以是粉状固体燃料锅炉。燃烧区202的纵轴BL竖直地通过燃烧区中心。

形成燃烧区202的燃烧室有相邻距离大致相等的四个角，因此，燃烧室的截面基本为正方形。四个风室206分别布置在燃烧室的四个角处。每一个风室206都包括若干舱，这些舱将参照图13中详细描述，图13显示了一个风室206的一部分，即第一风室206A，同时为便于描述将此风室视为代表性风室，应该理解其它风室在结构和运行上都与这个风室一样。

第一风室206A包括一系列喷射燃料、空气及燃料空气混合物的舱208，通过这一系列舱，使燃料和空气送入燃烧室中。这一系列舱208延伸至锅炉的下半部，呈竖向布置，从称为最高舱208TM的一个舱到最下面一个舱连续地一个在另一个之下地布置着。

第一风室206A的最高舱208TM包括一个将空气喷入燃烧室的密偶过燃空气喷嘴210。如图13所示，第一风室206A还包括若干燃料喷嘴212，它们合适地安装在舱208中，用来将切向燃烧的燃料喷入燃烧室。三个燃料喷嘴212(分别由212A、212B、212C表示)在舱208中的安装位置被分别显示出来。燃料喷嘴212A、212B、212C在火球RB的切向使燃料燃烧，该火球大致围绕燃烧区202的纵轴BL转动或盘旋，同时在燃烧区202中向上流动。称做燃烧方向FO的切线燃料燃烧方向与对角线DD成一定角度。对角线DD在平面214上连接燃烧室两个相对角的联线。

端部空气喷嘴218布置在各个舱208的最高舱208TM的紧邻其的下方。第一风室206A还包括一个将空气从最高舱208TM与旋转火球RB呈切向地喷入燃烧室的密偶过燃空气喷嘴220。该密偶过燃空气喷嘴220使空气沿与对角线DD偏转的方向AO进入，该方向AO与燃料燃烧方向FO在同一侧(换句话说，从对角线DD到燃料燃烧方向FO和到空气偏置方向AO都是逆时针方向，如图13所示)。另外，空气偏置方向AO通常设置成与燃料燃烧方向FO具有相同的偏置角。偏置燃烧的燃料和空气在燃烧室内产生并维持螺旋或旋转的火球RB。进一步说，通过密偶过燃空气喷嘴206集中进入的空气量以及通过任何其它舱208进入的空气量比使燃烧区202中的燃料完全燃烧所需的量少，以使与该舱室208相关的这部分燃烧区202处于化学计量欠缺状态。

下面根据本发明的最佳空气分布配置的一个变型例来描述图12、13所示锅炉运行的其它细节。仅出于描述的方便，定义几个术语来说明燃烧过程中空气的构成。空气由四种成分构成，即一次空气、燃料空气、过燃空气和偏置空气。一次空气是指携带和输送燃料通过燃料喷嘴头的那部分空气。例如，一次空气就是携带粉状固体燃料通过图3和图4中所示的固体燃料喷嘴头60的开口端74的那部分空气。燃料空气是指通过这样舱的空气，该舱布置了燃料喷嘴头，它通常包括另外的燃烧支持空气，这些空气与一次空气以同样的角度供给。比如，流过图3所示的固体燃料喷嘴头60的通道76的空气就是燃料空气。过燃空气是指从高于最高燃料舱(比如，高于最高燃料舱212A)的位置喷入的那部分空气。偏置空气是指呈一个角度供应的、以维持较大直径假想环的那部分空气，该假想环与由燃料、一次空气和燃料空气形成的较小环同心。比如，图5所示的形成并支持这假想的大直径环96的二次空气就是偏置空气。

根据本发明几种最佳的空气分布布置，向锅炉输送的四种成分空气总量的每一种都在空气总量中有最佳的百分比。四种成分空气的每一种所占份额都是由针对该锅炉的特殊风室布置进行设计和组织而形成的。本发明最佳空气分布配置的一个变形例适合于图12和图13所示的、有以下特点的风室布置：(1)偏置空气在临近最高舱的上方、下方或通过最高舱供应，例如偏置空气通过在最高舱208TM中的偏置喷嘴220提供，(2)还提供过燃空气(也就是最高燃料舱上方的空气)，例如密偶过燃空气。在这种变型例中，四种空气成分的份额最好是：

(A)一次空气-16-24％之间

   燃料空气-12-25％之间

   过燃空气- 4-45％之间

   偏置空气- 4-35％之间

其中供给锅炉的空气总量为100％。

应当理解，这种最佳空气分布布置适合于除了具有上面两个主要特点(偏置空气和过燃空气靠近舱室的顶部)的风室配置外，还适合具有其它特点的风室配置。比如，这种最佳的空气分布布置还适合于图2中描述的风室配置，其中，在靠近所有燃料(煤)喷嘴处都供应另外的偏置空气。

本发明最佳空气分布布置的另一个变型例适合有以下主要特征的风室配置：(1)偏置空气在临近最高舱的上方、下方或通过最高舱供应，例如偏置空气通过在最高舱208TM中的偏置空气喷嘴220提供，(2)还供应密偶过燃空气(也就是靠近最高舱上方的过燃空气)。在这种变型中，四种空气成分的份额最好是：

(B)一次空气-12-25％之间

   燃料空气-12-25％之间

   过燃空气-10-45％之间

   偏置空气- 5-40％之间

其中供给锅炉的空气总量为100％。

因此，如刚刚描述的最佳空气分布布置的一个和另一个变型例所述，由本发明的切向燃烧系统供给锅炉的总气量在四种空气成分中进行分配，用来最大地改善和优化具有选定风室构型的锅炉的运行。总的来说，供应的空气总量最好符合下式：

(C)总的空气供应量(100％)＝(最多到40％的偏置空气)＋(最多到50％的过燃空气)＋(最少为20％的低份额一次空气和燃料空气的和)

其中，空气总量(100％)＝V(偏置空气)＋X(过燃空气)＋Y(一次空气)＋Z(燃料空气)

在此V，X，Y，Z分别是相应成分各自占总空气量的百分比。

图14显示了图12和图13所示的切向燃烧系统的一种变型，在这种变型中还另外提供了一个单独的分离的过燃空气层。在图14描述的变型中，燃烧系统在一个形成燃烧区302的燃烧室中运行，燃烧室具有相邻距离大致相等的四个角，即燃烧室的截面基本上为正方形。四个风室306分别布置在燃烧室的四个角处。每一个都包括若干舱，这些舱将参考图14详细描述，图14示出了一个风室306的一部分，以下称之为第一风室306A，为便于描述将此风室视为代表性风室，但是应当理解其它风室在结构和运行上都与这个风室一样。

第一风室306A包括一系列喷射燃料、空气或燃料空气混合物的舱308，通过这一系列舱，使燃料和空气喷入燃烧室。这一系列舱308延伸至锅炉的下半部，呈竖向布置，从称为最高舱308TM的一个舱到最下面一个舱连续地一个在另一个之下地布置着。

第一风室306A在最高舱308TM中包括一个将空气喷入燃烧室的密偶过燃空气喷嘴310。如图14所示，第一风室306A还包括若干燃料喷嘴312，它们合适地安装在每个舱308中，用来将切向燃烧的燃料喷入燃烧室。三个燃料喷嘴312(分别由312A、312B、312C表示)分别被显示在舱308中的各自的安装位置上。燃料喷嘴312A、312B、312C在火球RB的切向使燃料燃烧，该火球大致围绕燃烧区302的纵轴BL转动或盘旋，同时在燃烧区302中向上流动。称做燃烧方向FO的切线燃烧方向与对角线DD成一定角度。对角线DD是在平面314上连接燃烧室两个相对角的联线。

端部空气喷嘴318布置在各个舱308的最高舱208TM的紧邻其的下方。第一风室306A还包括一个将空气从最高舱308TM与旋转火球RB呈切向地喷入燃烧室的密偶过燃空气喷嘴320。该密偶过燃空气喷嘴320使空气沿与对角线DD偏转的方向AO进入，该方向AO与燃料燃烧方向FO在同一侧(换句话说，从对角线DD到燃料燃烧方向FO和到空气偏置方向AO都是逆时针方向，如图14所示)。第一风室306A包括一个单独的分离的过燃空气层，该分离的过燃空气通过布置在分离的过燃空气舱322中的空气喷嘴供应。

偏置燃烧的燃料和空气在燃烧室内产生并维持螺旋或旋转的火球RB。另外通过密偶过燃空气喷嘴306集中进入的空气量和通过任何其它舱308进入的空气量相加，比使燃烧区302中的燃料完全燃烧所需的量少，以使与该舱室308相关的这部分燃烧区302处于化学计量欠缺状态。

现在注意本发明最佳空气分布布置的的另一个变型，它适合于图14所示带分离的过燃空气的风室配置，该配制有以下主要特点：(1)偏置空气在临近最高舱的上方、下方或通过最高舱供应，例如偏置空气通过在最高舱308TM中的偏置喷嘴320供应，(2)供应过燃空气(也就是在最高舱上方的空气)，(3)还供应分离的过燃空气。在这种变型中，四种空气成分的份额最好是：

(D)一次空气-14-22％之间

   燃料空气- 9-22％之间

   过燃空气-30-46％之间

   偏置空气- 5-37％之间

其中供给锅炉的空气总量为100％。

最佳空气分布布置的又一个变型适合于具有分离的过燃空气的一种风室配置，例如图14所示的风室配置的变型，它具有两个相同的主要特性：即(1)提供过燃空气(也就是在最高燃料舱上方的空气)，(2)还提供分离的过燃空气，另外还有另一个主要特点，(3)偏置空气从紧邻过燃空气最高舱的下方提供(而不是象图14所示的风室配置那样从最高舱308TM中的偏置喷嘴320中喷出)。在这种变型中，四种空气成分的份额最好是：

(E)一次空气-17-26％之间

   燃料空气-10-24％之间

   过燃空气-15-40％之间

   偏置空气- 5-40％之间

其中供给锅炉的空气总量为100％。

本发明最佳空气分布布置的再一个变型适合于有以下主要特点的风室：与图14所示的风室配置一样，有(1)具有过燃空气(也就是最高燃料舱上方的空气)，(2)提供分离的过燃空气，但还有其他的主要特点，即(3)偏置空气从紧邻过燃空气最高舱的下方提供(而不是象图14所示的风室配置那样从最高舱308TM中的偏置喷嘴320中喷出)，和(4)分离的空气通过至少两层(包括高层和低层)来提供。这样布置的一个举例描述见图10，其中，燃料和空气舱配置12包括了图1至9中由风室20所示的风室配置的所有特征，但是图1至9所示的风室20具有单层的分离的过燃空气层，而图10所示的锅炉10的风室20A包括两个分开的分离的过燃空气层，它们位于粉状固体燃料锅炉10的每一个角上。为了便于描述，图10所示风室20A的与图2所示风室20中的相同的部件采用相同的标号。

图10所示的风室20A中的燃料和空气舱配置12装有两个分开的分离的过燃空气层，即一个低分离的过燃空气层104和一个高分离的过燃空气层106。低分离的过燃空气层104和高分离的过燃空气层106合适地位于主风室20的顶部和锅炉出口平面102之间，以使粉状固体燃料燃烧产生的气体从主风室20的顶部到高分离的过燃空气层106顶部的时间超过预定值，例如是0.3秒，该时间即滞留时间。

高分离的过燃空气层106具有三个分离的过燃空气舱114、116、118，分离的过燃空气喷嘴通过适合于此的常规安装方式(未示出)安装在高分离的过燃空气层106的每个分离的过燃空气舱114、116、118上，使每一个分离的过燃空气喷嘴都可偏斜和偏斜运动。高分离的过燃空气层106的每一个分离的过燃空气舱114、116、118都与同一个空气供应装置有效地流体流动相连，该装置给每个分离的过燃空气舱供应一些由此喷入固体燃料炉10燃烧区14的燃烧支持空气。在这种变型中，四种空气成分的份额最好是：

(F)一次空气-21-25％之间

   燃料空气-13-15％之间

   过燃空气-30-50％之间

   偏置空气- 7-20％之间

其中供给锅炉的空气总量为100％。

因此，本发明提供了一种新的和改进的切向燃烧系统，特别适用于粉状固体燃料锅炉。此外，本发明还提供了一种适合于粉状固体燃料的、新的和改进的切向燃烧系统，其特征是采用了最佳的空气分布布置改善和优化了锅炉的运行性能。最后，本发明还提供了一种用于粉状固体燃料锅炉的、新的改进了燃料和空气舱配置的切向燃烧系统，其特征是容易安装、操作简单且更便宜。

尽管本发明描述了几个实施例，但是，本领域技术人员容易将其进行变形，有些变形在前面已经给出提示。因此我们用所附的权利要求来覆盖这些所提示的、以及其它属于本发明实质和范围内的所有变形。

Claims (6)

1.一种固体燃料锅炉的运行方法，这种炉具有若干风室，每个风室各具有若干舱，燃料和空气通过这些舱进入炉中，该方法包括：

向炉内供应固体燃料；

向炉内供应一次空气，一次空气是指携带并运输燃料通过安装在锅炉风室舱中的燃料喷嘴头供至炉中的那部分空气；

向炉内供应燃料空气，燃料空气是指通过安装了燃料喷嘴头的舱供至炉内的、但不携带燃料的那部分空气，一次空气和燃料空气以与通常位于炉中心的一个第一假想环呈切向地供入炉内，使它们与已供入炉内的燃料相互作用产生一个旋转火球；

向炉内供应过燃空气，过燃空气是指从位于最高燃料舱的上方处供至炉内的那部分空气；

向炉内供应偏置空气，偏置空气是指用来维持第二假想环而供至炉内的那部分空气，该环与第一假想环同心并比第一环有更大的直径，其中进入炉中的空气总量是根据下式由一次、燃料、过燃和偏置空气构成的：

总的空气供应量(100％)＝(最多到40％的偏置空气)＋(最多到50％的过燃空气)＋(最少为20％的低份额一次空气和燃料空气的和)

其中，空气总量(100％)＝V(偏置空气)＋X(过燃空气)＋Y(一次空气)＋Z(燃料空气)

在此，V、X、Y、Z分别是相应空气成分占总空气量的百分比(％)。

2.根据权利要求1所述的一种固体燃料锅炉的运行方法，其中向炉内供应偏置空气的步骤包括从紧邻风室最高舱的上方、下方或通过风室最高舱供应偏置空气，空气总量由下面的成分百分比(％)构成：

        一次空气-16-24％之间

        燃料空气-12-25％之间

        过燃空气- 4-45％之间

        偏置空气- 4-35％之间

3.根据权利要求1所述的一种固体燃料锅炉的运行方法，其中向炉内供应偏置空气的步骤包括从紧邻风室最高舱的上方、下方或通过风室最高舱供应偏置空气，空气总量由下面的成分百分比(％)构成：

         一次空气-12-25％之间

         燃料空气-12-25％之间

         过燃空气-10-45％之间

         偏置空气- 5-40％之间

4.根据权利要求1所述的一种固体燃料锅炉的运行方法，其中向炉内供应偏置空气的步骤包括从从紧邻风室最高舱的上方、下方或通过风室最高舱供应偏置空气，向炉内供应过燃空气的步骤包括供应分离的的过燃空气，空气总量由下面的成分百分比(％)构成：

         一次空气- 14-22％之间

         燃料空气-  9-22％之间

         过燃空气- 30-46％之间

         偏置空气-  5-37％之间

5.根据权利要求1所述的一种固体燃料锅炉的运行方法，其中向炉内供应偏置空气的步骤包括从紧邻风室最高舱的上方、下方或通过风室最高舱供应偏置空气，向炉内供应过燃空气的步骤包括供应分离的的过燃空气，空气总量由下面的成分百分比(％)构成：

        一次空气-17-26％之间

        燃料空气-10-24％之间

        过燃空气-15-40％之间

        偏置空气- 5-40％之间

6.根据权利要求1所述的一种固体燃料锅炉的运行方法，其中向炉内供应偏置空气的步骤包括从紧邻风室最高舱的上方、下方或通过风室最高舱供应偏置空气，向炉内供应过燃空气的步骤包括供应分离的的过燃空气，空气总量由下面的成分百分比(％)构成：

        一次空气-21-25％之间

        燃料空气-13-15％之间

        过燃空气-30-50％之间

        偏置空气 -7-20％之间

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