一种煤粉自持内燃燃烧器及自持燃烧控制方法

技术领域

本发明涉及一种煤粉自持内燃燃烧器及自持燃烧控制方法，属于燃烧器技术领域。

背景技术

火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气作为燃料生产电能的工厂，目前使用最多的燃料是煤粉，发电的基本生产过程是：燃料在锅炉中燃烧加热水使成蒸汽，将燃料的化学能转变成热能，蒸汽压力推动汽轮机旋转，热能转换成机械能，然后汽轮机带动发电机旋转，将机械能转变成电能。

现在，新能源(光伏，风电各种其他)发展迅速，从节能和环保角度考虑，火电厂发电往往需要进行深度调峰，对火电机组灵活性改进是当前电源供应侧变革的有效途径，但是火电厂深度调峰对燃烧器的自持稳燃和安全性要求较高。

火电厂中的燃烧器是与锅炉配套使用的装置，燃烧器是使燃料和空气以一定方式喷出混合燃烧的装置统称。目前常规的燃烧器一般使用等离子点火器进行点火，燃烧器工作过程中，需要等离子点火器持续工作，才能保证燃烧器的稳定运行，但是等离子点火器自身存在一定的使用寿命，长时间持续运行，等离子点火器很容易损坏，从而增加设备成本及维修成本；另外，燃烧器经常中断工作，重新开启，也同时增加了运行成本。

中国专利申请CN101206035A中公开了一种电点火煤粉燃烧器，电点火煤粉燃烧器由电热器和套管组成，电热器外型为圆柱形体，套管套装在电热器的外面，在电热器与套管之间形成一个圆环形腔体，圆环形腔体的一端封闭，另一端敞开，在圆环形腔体封闭端的套管上开有一个切向进风口，煤粉与空气混合后，从套管的切向进风口进入电热器与套管之间的圆环形腔体内螺旋前进，在接近圆环形腔体出口处开始燃烧，形成旋转燃烧的火焰向外喷出。煤粉在圆环形腔体中螺旋前进，圆环形腔体内容易堵塞煤粉，另外无法实现着火点的灵活控制，所以自持稳燃的受限性较高。

中国专利CN105042585B中公开了一种煤粉燃烧器，包括进料混合器、中心风管、进风壳体、稳燃器和点火器，稳燃器固定安装于中心风管的前端，点火器从中心风管的后端穿入，并延伸至稳燃器内部，使用过程中，能使煤粉和空气充分的混合，让煤粉燃烧更稳定更完全，但是稳燃器的结构比较复杂，加工制作成本高，另外点火器延伸至稳燃器内部，会导致稳燃器很容易被烧坏。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种煤粉自持内燃燃烧器及自持燃烧控制方法，所述的燃烧器可以实现煤粉的均匀分散，点火功率低，着火点位置可以灵活控制，既可以避免燃烧器内灭火，又能保证器件不被烧坏，所述的燃烧器整体运行能量低，能实现燃烧器内的低负荷稳燃运行，所述燃烧器既可以降低运行成本又能降低设备成本。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种煤粉自持内燃燃烧器，所述的燃烧器包括点火器、中心风管路和燃烧单元筒，所述燃烧单元筒的进口端处设有至少一级旋流环，所述点火器的点火端朝向所述燃烧单元筒的进口端；

所述旋流环的外表面设有旋流引导结构，所述中心风管路内的中心风通过所述旋流环的内环进入所述燃烧单元筒，部分煤粉通过所述旋流环的内环进入所述燃烧单元筒，部分煤粉通过所述旋流环的旋流引导结构进入所述的燃烧单元筒。

本发明的有益效果是：旋流环的结构设置可以使煤粉在燃烧单元筒内均匀分散，煤粉更容易被点燃及燃烧充分，点火功率低，同时旋流环可以使煤粉在燃烧单元筒内呈螺旋路径运动，即煤粉环绕在火核的外周，形成煤粉包着火的状态，既可以实现煤粉的均匀燃烧，又能够对燃烧单元筒的筒壁起到保护作用，避免筒壁长时间接触高温火焰而易烧坏的问题；中心风的设置使火核的位置更利于控制，通过调节中心风的压力来实现燃烧单元筒内燃烧火核位置的调整，使燃烧火核的位置始终处在安全位置内，因为如果火核位置离点火器太远，煤粉没有被及时点燃，火核容易灭，如果火核位置离点火器太近，则点火器容易被烧坏，这些问题都会导致燃烧器无法实现自持稳燃。

本发明所述的燃烧器中，旋流环和中心风管路的协同作用，使燃烧器内的煤粉燃烧充分，火核位置动态稳定平衡，最终确保燃烧器内实现自持稳定燃烧，点火器只需一开始点火时使用，无需长时间运行，提升点火器的使用寿命；另外旋流环和中心风管路的协同作用，还能够对燃烧器内的各个部件起到有效保护作用，从而减少设备投资和维修费用，因此本发明所述燃烧器既可以降低运行成本又能降低设备成本。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步的，所述的燃烧器设有供风环，所述供风环位于所述旋流环的进风口侧，所述供风环的表面上设有若干倾斜通孔，所述中心风管路出风口正对所述供风环上的倾斜通孔。

采用上述进一步方案的有益效果是：供风环的结构设置，可以使中心风在供风环内实现一定的旋转运动，避免中心风直吹燃烧单元筒内的着火点，导致燃烧不稳定。

进一步的，所述旋流环外表面设有若干的旋流片或者旋流槽，所述旋流片或者旋流槽与旋流环轴向的角度为30-60℃；

所述旋流环的内环呈拉法尔管结构，所述旋流环的材质为310不锈钢、304不锈钢或碳化硅材质。

采用上述进一步方案的有益效果是：所述旋流环的材质可以使旋流环具有更长的使用寿命；拉法尔管结构设置，可以对中心风起到加速作用，而且更利于中心风的通过；所述旋流片或旋流槽的角度限定，既可以使煤粉能够在燃烧单元筒内均匀分散，又能避免煤粉堵塞旋流片或者旋流槽。

优选的，所述旋流环外表面设有若干的旋流槽。

采用上述优选方案的有益效果是：旋流环上的旋流槽可以通过机加工铣出来，加工过程可以实现机械化，加工更加简单，能确保旋流槽在旋流环上的均匀分布，通过铣旋流槽的方式加工出来的旋流环，可以使旋流环为整体部件，与通过焊接旋流片加工出来的旋流环相比，使用旋流槽结构的旋流环更不易损坏。

进一步的，所述燃烧单元筒壁面上设有平衡孔。

采用上述进一步方案的有益效果是：当燃烧单元筒内有燃烧不充分的煤粉时，燃烧不充分的煤粉会粘在燃烧单元筒内壁，导致燃烧单元筒堵塞或者损坏，平衡孔的设置可以使燃烧单元筒内燃烧不充分的煤粉掉落出来，被吹向下一级燃烧，避免燃烧单元筒内积灰积碳。

进一步的，各级所述的旋流环呈套接方式安装，最内侧旋流环的内环呈拉法尔管结构。

采用上述进一步方案的有益效果是：多级旋流环的套接，可以使煤粉被分成不同直径的螺旋路线进入燃烧单元筒内，从而使燃烧单元筒内的煤粉分散性更加均匀，更利于燃烧器的自持稳燃燃烧。

进一步的，所述的燃烧器包括至少两级或两级以上燃烧单元筒，上一级所述燃烧单元筒的出口端依次套接下一级所述燃烧单元筒的进口端。

采用上述进一步方案的有益效果是：多级燃烧单元筒的设置，可以实现燃烧的多级放大，有效降低点火能耗。

进一步的，各所述燃烧单元筒之间均设有至少一级旋流环，煤粉通过所述旋流环的旋流引导结构进入各级所述的燃烧单元筒。

采用上述进一步方案的有益效果是：各级燃烧单元筒之间均设有旋流环，可以使煤粉在每一级燃烧单元筒内都能实现均匀的分散，进而实现均匀稳定的燃烧。

进一步的，所述的燃烧器包括外壳，所述点火器、燃烧单元筒和旋流环均安装在所述外壳内，所述外壳的侧面设有煤粉进口。

采用上述进一步方案的有益效果是：外壳的设置更便于整个燃烧器的安装与使用。

进一步的，所述外壳内壁处设有回流夹层，所述回流夹层的近点火器端设有回流风进口，所述回流夹层与燃烧器出口端的最后一级燃烧单元筒通过逆射流稳燃喷嘴相通，所述逆射流稳燃喷嘴的出口朝向点火器的点火位置。

采用上述进一步方案的有益效果是：回流夹层内通入回流风，回流风可以对外壳及燃烧单元筒起到冷却的作用，避免被烧坏，另外回流风收集的热量重新吹进燃烧单元筒内，可以对煤粉起到加热的作用，从而实现能量的充分利用，在提升燃烧器内着火特性的同时，又能保证自身设备的安全。

本发明还公开了一种使用所述一种煤粉自持内燃燃烧器进行稳燃燃烧的控制方法，所述的控制方法为：煤粉通过所述旋流环进入所述的燃烧单元筒，所述点火器将所述燃烧单元筒内的煤粉点燃形成火核，煤粉在所述燃烧单元筒内呈螺旋路径运动，使煤粉均匀的分散在燃烧单元筒内，关闭所述点火器，在所述燃烧单元筒内均匀分散的煤粉被燃烧着的煤粉点燃，通过调节所述中心风管路内的中心风来实现所述燃烧单元筒内火核位置情况及燃烧情况的调整，实现燃烧器内的自持稳燃燃烧。

本发明所述控制方法的有益效果是：煤粉在燃烧单元筒内呈螺旋路径运动，可以使煤粉在燃烧单元筒内均匀分散，从而利于煤粉的点燃和充分燃烧，同时煤粉环绕在火核的外周，形成煤粉包着火的状态，既可以实现煤粉的均匀燃烧，又能够对燃烧单元筒的筒壁起到保护作用；中心风的设置使火核的位置更利于控制，通过调节中心风的压力来实现燃烧单元筒内燃烧火核位置的调整，使燃烧火核的位置始终处在安全位置内，既可以确保燃烧单元筒内的火不易熄灭，又能保证各个部件的长期使用安全性。

所述燃烧器在使用过程中，根据各个零部件的结构及使用需求，确定出火核的较佳位置，根据中心风和煤粉进风的风速调整，就能实现火核位置的调整，最终提升燃烧效率及燃烧器各部件的使用寿命；另外，所述的控制方法能够使火核位置保持在一个稳定平衡的位置，实现燃烧过程平稳持续进行，火核处燃烧会导致负压，则在压差的作用下，中心风会带动部分煤粉通过旋流环的内环及时给火核处补充煤粉，避免火核熄灭，从而保持气压平衡，确保燃烧器内的自持稳燃进行。

常规使用的燃烧器进行稳燃燃烧时，往往需要点火器持续工作，能耗高，而且点火器易损坏，设备成本和维修成本增加，而本申请所述稳燃燃烧的控制方法，通过中心风的调整就能实现稳燃过程的持续进行，中心风使用常规的压缩空气就能实现，压缩空气的使用与高耗电的点火器相比，能耗大大降低，在相同的体量下，本发明所述燃烧器的能耗只有常规燃烧器能耗的1％。

附图说明

图1为实施例中所述燃烧器的立体结构示意图；

图2为实施例中所述燃烧器的左视图；

图3为实施例中所述燃烧器的仰视图；

图4为图3中的A-A剖视图；

图5为图4的B处局部放大图；

图6为燃烧单元筒与供风环和中心风管路的结构示意图；

图7为燃烧单元筒与逆射流稳燃喷嘴的结构示意图；

图8为燃烧单元筒的结构示意图；

图9为两级旋流环的结构示意图；

图10为旋流环的结构示意图；

图11为供风环的结构示意图；

图12为拉杆式开关的结构示意图；

图中，1、点火器；2、中心风管路；3、燃烧单元筒；4、旋流环；5、供风环；6、倾斜通孔；7、旋流槽；8、平衡孔；9、外壳；10、回流夹层；11、回流风进口；12、逆射流稳燃喷嘴；13、拉杆式开关；14、煤粉进口。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式做详细说明。本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受公开的具体实施例的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与本发明所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。所使用的术语只为描述具体实施方式，不为限制本发明。

如图1-图5所示，一种煤粉自持内燃燃烧器，所述的燃烧器包括点火器1、中心风管路2和燃烧单元筒3，所述燃烧单元筒3的进口端处设有至少一级旋流环4，所述点火器1的点火端朝向所述燃烧单元筒3的进口端；所述点火器1可以采用常规已知的产品，本实施例中使用的是等离子体点火器1。

所述旋流环4的外表面设有旋流引导结构，所述中心风管路2内的中心风(压缩空气)通过所述旋流环4的内环进入所述燃烧单元筒3，部分煤粉通过所述旋流环4的内环进入所述燃烧单元筒3，部分煤粉通过所述旋流环4的旋流引导结构进入所述的燃烧单元筒3。

具体的，如图6和图11所示，所述的燃烧器设有供风环5，所述供风环5位于所述旋流环4的进风口侧，所述供风环5的表面上设有若干倾斜通孔6，所述中心风管路2出风口正对所述供风环5上的倾斜通孔6。

具体的，所述旋流环4外表面设有若干的旋流片或者旋流槽7，所述旋流片或者旋流槽7与旋流环4轴向的角度为30-60℃；所述旋流环4的内环呈拉法尔管结构，所述旋流环4的材质为310不锈钢、304不锈钢或碳化硅材质。

本实施例中，如图10所示，所述旋流环4外表面设有均匀分布的若干旋流槽7，旋流槽7与旋流环4轴向的角度为45℃

具体的，如图8所示，所述燃烧单元筒3壁面上设有平衡孔8。平衡孔8可以为圆形孔，也可以是长条孔等形状，以实现未燃烧煤粉的排出，避免燃烧单元筒3内壁积碳。

具体的，各级所述的旋流环4呈套接方式安装，最内侧旋流环4的内环呈拉法尔管结构。

本实施例中，如图9所示，所述燃烧器中包括两级旋流环4套接在一起，旋流环4的级数越多，越利于煤粉在燃烧单元筒3内的均匀分散，但是在实际使用过程中，会根据设备成本和运行成本的平衡以及设备尺寸情况，确定出最佳级数的旋流环4。

具体的，所述的燃烧器包括至少两级或两级以上燃烧单元筒3，上一级所述燃烧单元筒3的出口端依次套接下一级所述燃烧单元筒3的进口端。

本实施例中，如图4所示，所述的燃烧器包括三级燃烧单元筒3，离点火器1从近到远依次套接的燃烧单元筒3分别为第一级燃烧单元筒3、第二级燃烧单元筒3和第三级燃烧单元筒3，离点火器1从近到远依次套接的燃烧单元筒3的直径逐级放大，点火器1处的第一级燃烧单元筒3内空间较小，所以更利于点火，降低点火功率。

具体的，各所述燃烧单元筒3之间均设有至少一级旋流环4，煤粉通过所述旋流环4的旋流引导结构进入各级所述的燃烧单元筒3。

本实施例中，各级燃烧单元筒3之间均设有两级旋流环4(与第一级燃烧单元筒3进口端的旋流环4安装结构相同，所以图中没有详细画出)，从而使每一级燃烧单元筒3内的煤粉都能实现螺旋路径运动，煤粉在每一级燃烧单元筒3内都能均匀分散，从而使煤粉实现充分、稳定的燃烧。

具体的，所述的燃烧器包括外壳9，所述点火器1、燃烧单元筒3和旋流环4均安装在所述外壳9内，所述外壳9的侧面设有煤粉进口14。

本实施例中，如图4和图12所示，所述点火器1通过法兰安装在外壳9内，所述的外壳9上配置有拉杆式开关13，用于调节煤粉进口14的开关，从而控制煤粉的进入量。

具体的，如图4和图7所示，所述外壳9内壁处设有回流夹层10，所述回流夹层10的近点火器1端设有回流风进口11，所述回流夹层10与燃烧器出口端的最后一级燃烧单元筒3通过逆射流稳燃喷嘴12相通，所述逆射流稳燃喷嘴12的出口朝向点火器1的点火位置。

本实施例中，如图1和图4所示，所述回流风进口11设置在点火器1和外壳9连接的法兰上，回流风使用常规的压缩空气。回流风可以对外壳9及燃烧单元筒3起到冷却的作用，避免被烧坏，另外回流风收集的热量重新吹进燃烧单元筒3内，可以对煤粉起到加热的作用，从而实现能量的充分利用，在提升燃烧器内着火特性的同时，又能保证自身设备的安全。

使用本实施例所述煤粉自持内燃燃烧器进行稳燃燃烧的控制方法，所述的控制方法为：煤粉通过所述旋流环4进入所述的燃烧单元筒3，所述点火器1将所述燃烧单元筒3内的煤粉点燃形成火核，煤粉在所述燃烧单元筒3内呈螺旋路径运动，使煤粉均匀的分散在燃烧单元筒3内，关闭所述点火器1，在所述燃烧单元筒3内均匀分散的煤粉被燃烧着的煤粉点燃，通过调节所述中心风管路2内的中心风来实现所述燃烧单元筒3内火核位置情况及燃烧情况的调整，实现燃烧器内的自持稳燃燃烧。

本实施例中，使用了三级燃烧单元筒3，可以实现燃烧的逐级放大，点火过程在一个相对较小的空间内完成，只需很低的点火功率就能实现点火，降低点火能耗。

所述燃烧器在使用过程中，根据各个零部件的结构及使用需求，确定出火核的较佳位置，根据中心风和煤粉进风的风速来调节整体的粉煤风速，就能实现火核位置的调整，最终提升燃烧效率及燃烧器各部件的使用寿命。其中，火核位置与煤粉风速函数关系为：

其中：L为火核的位置，即煤粉着火处与点火器之间的距离，单位m；

c为混合气体比热容，1.3kJ/(kg.K)；

Q

C

υ

T

T

β为自持内燃燃烧器阻力系数，无量纲，与装置结构有关，取值≤1；

u

d

d

X为热涡流区体积修正系数，结构确定后，该值与回热风流量及喷出方式有关，经实验验证，X近似为0.2-0.6；

k

上式表明，煤粉着火距离与热涡流区温度、煤粉气流流速、燃烧器阻力系数及煤粉气流的初始温度密切相关，同时还与煤粉特性、煤粉浓度及热涡流与壁面间散热强度有关。自持内燃燃烧器的结构及煤粉特性确定后，便可计算出不同热涡流区温度、不同煤粉浓度及不同流速下煤粉气流的着火距离，从而便于使用过程中的调控。

另外，所述的控制方法能够使火核位置保持在一个稳定平衡的位置，实现燃烧过程平稳持续进行，火核处燃烧会导致负压，则在压差的作用下，中心风会带动部分煤粉通过旋流环4的内环及时给火核处补充煤粉，避免火核熄灭，从而保持气压平衡，确保燃烧器内的自持稳燃进行。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合穷举，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以所附权利要求为准。