用于锅炉的带等离子体点火火炬的燃烧粉状燃料的燃烧器 |
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| 申请号 | CN201280063417.1 | 申请日 | 2012-11-30 | 公开(公告)号 | CN104011464B | 公开(公告)日 | 2017-03-01 |
| 申请人 | 通用电器技术有限公司; | 发明人 | T.维尔德; H.布雷格曼恩; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于 蒸汽 发生器 的粉化 煤 燃烧器 (20)。该粉化煤燃烧器(20)具有 燃料 管道道(25)。粉化煤与载气一起在燃料管道出口(32)处排出。粉化煤燃烧器进一步具有至少一个中心管道(26)和至少一个第二管道(29)。空气或 氧 气流过中心管道和第二管道，在中心管道出口(30)处以及在第二管道出口(31)处排出。中心管道出口(30)、第二管道出口(31)以及燃料管道出口(32)一起形成了燃烧器出口(33)。粉化煤燃烧器(20)具有与该粉化煤燃烧器(20)一体地实现的至少一个 等离子体 点火火炬(37)。至少一个等离子体点火火炬(37)的出口(39)布置在燃烧器出口的平面(E)中，或者关于粉化煤的流动方向在下游偏离。因此由等离子体点火火炬(37)产生的等离子体火焰(42)位于燃料管道(26)外部。(25)，粉化煤在载气的帮助下传送通过该燃料管 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种粉化煤燃烧器(20)， |
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| 说明书全文 | 用于锅炉的带等离子体点火火炬的燃烧粉状燃料的燃烧器技术领域背景技术[0002] 用于燃烧粉状燃料的燃烧器是已知的。它们为锅炉供应粉状燃料和空气或一些其它含氧气体或氧气，以便燃烧粉状燃料，尤其是粉化煤，且在该过程中，用来产生热量。为了使这样的燃烧器点火，提供了点火火炬。点火火炬可实施为单独的点火火炬或实施为与粉化煤燃烧器形成整体的一体式点火火炬。为了产生点火火焰，通常为点火火炬供应气态或液态燃料。 [0004] 作为以气或油作为燃料的点火火炬的一种备选方案，还尝试过在燃烧器的以电的方式加热的表面处点燃经由燃烧器供应的粉状燃料。最近，进一步开发出了等离子体点火火炬，所述火炬使用等离子体火焰作为用于燃烧器的点火源。与油或气体火焰对比，等离子体火焰显著地更短且更热。使用等离子体火焰的优点在于点火火炬并不需要化石燃料。 [0005] 例如，具有一体式的等离子体点火火炬的粉化煤燃烧器从EP2253884A1中获知。该粉化煤燃烧器具有燃料管道，通过该燃料管道，粉化煤可被传送通过燃烧器。该燃料管道基本为筒形。还存在通过所述燃料管道的空气流。等离子体点火火炬沿着燃烧器中心线居中地布置在燃料管道中。粉化煤/空气混合物在粉化煤燃烧器中被点燃，且然后在燃烧器出口处被排出。 [0006] US5689949和US5845480描述了具有等离子体点火装置的燃烧器。在该燃烧器内，燃料/空气混合物被引入腔室中，且在其中通过布置在腔室壁上的等离子体点火装置而点燃。 [0007] 在从US5156100A中获知的燃烧器中，燃料分成主流和附加流。附加流在等离子体点火火炬的帮助下被点燃，且之后与燃料的主流混合，由此也点燃后者。 [0008] 从具有一体式的等离子体点火火炬的多种已知的燃烧器出发，可认为本发明的一个目的是如下目的：提供粉化煤燃烧器，其中维护以及测试的费用较低，且其防止回火进入用于粉状燃料的供应线路中。 发明内容[0010] 根据本发明，用于燃烧粉状燃料的燃烧器具有燃料管道，穿过该燃料管道，粉状燃料－例如粉化煤－流动且在燃料管道出口处排出。燃烧器进一步具有：具有中心管道出口的中心管道和/或具有第二管道出口的第二管道。氧气或含氧气体或空气或甚至是富氧空气流过该中心管道和第二管道。粉化煤燃烧器进一步具有至少一个一体式的等离子体点火火炬。该至少一个等离子体点火火炬在所有情况下都产生等离子体火焰。其在燃料管道外部形成，尤其是在靠近或者邻近燃料管道出口处。在燃料管道出口的下游，在此处排出的粉状燃料与等离子体火焰发生接触。因此，粉状燃料在燃料管道外部由等离子体火焰点燃。 [0011] 这确保了不存在通过燃料管道且进入粉化煤的供应线路的回火。另一方面，借助于这种布置，可实现粉状燃料的更稳定的点火。在燃料管道出口下游，此处排出的粉状燃料在中心管道和/或第二管道中与空气或含氧气体或与氧气混合。等离子体火焰位于该紊流混合区中。尽管所述火焰有较短的长度，等离子体火焰的该布置确保了燃烧器外的粉尘/气体混合物的可靠点火。等离子体点火火炬的使用消除了对于气态或液态化石燃料的供应线路的需求。具有一体式的等离子体点火火炬的粉化煤燃烧器可以如下方式实施：即，使得可能对具有装配有油或气体点火火炬的粉化煤燃烧器的锅炉进行改型。用于燃烧器的开环或闭环控制的燃烧器监测非常简单，因为不存在单独的点火火炬或辅助燃烧器。 [0013] 如果燃料管道出口和中心管道出口位于共同的平面中，则这是有利的。此处，它们共同形成粉化煤燃烧器的燃烧器出口。在一个示意性实施例中，第二管道出口也可与燃料管道出口和/或中心管道出口位于共同的平面中。用于点燃粉化燃料/气体混合物的等离子体火焰在燃烧器出口的下游产生。 [0014] 此处，尤其还可能使等离子体点火火炬的气体管道出口与燃料管道出口布置在共同的平面中。在该实施例中，所有管道出口位于共同的平面中，并且形成燃烧器出口。作为备选方案，气体管道出口还可布置成相对于燃料管道出口在下游方向上偏离。 [0015] 由于在燃烧器出口下游提供的等离子体火焰，惰化的(inerted)粉化燃料/气体混合物还可用于将粉状燃料传送到燃烧器。 [0016] 用于燃烧粉状燃料的燃烧器可具有多个第二管道和/或多个中心管道。优选类似地存在多个等离子体点火火炬。等离子体点火火炬布置在中心管道截面内和/或煤管道截面内和/或第二管道截面内。特别地，例如，如果用于燃烧粉状燃料的燃烧器实施为环形燃烧器，则等离子体点火火炬位于燃烧器中心线外侧。已经发现，如果中心等离子体点火火炬沿着燃烧器中心线布置，则粉化燃料/气体混合物的点火不充分。在环形燃烧器中，中心管道沿着燃烧器中心线提供。由含氧气体或由来自中心管道的氧气形成的等离子体火焰的完整的包封导致等离子体火焰与粉状燃料之间的不充分的接触。因此，如果至少一个等离子体点火火炬布置成相对于燃烧器中心线偏离，且优选布置在燃料管道与中心管道之间的隔离壁的区域中或燃料管道与第二管道之间的隔离壁上，则会是有利的。在这些位置，既存在充足的含氧气体或氧气又存在充足的粉化煤以用于可靠的燃烧点火。 [0017] 在优选的示意性实施例中，在共同的圆上或燃烧器中心线周围的多个同心圆上存在多个等离子体点火火炬。作为备选或者除此之外，等离子体点火火炬还可能沿着相对于燃烧器中心线沿径向定向的不同径向平面布置。径向平面可按照规则地或不规则地分布的方式布置在绕着燃烧器中心线的周边方向中。等离子体点火火炬的这样的几何布置导致粉状燃料的点火的进一步改进，尤其是在实施为环形燃烧器的用于燃烧粉状燃料的燃烧器的情况下。 [0018] 正如所提到的，燃烧器可实施为环形燃烧器。在这种情况下，燃料管道实施为环形管道，且同轴地围绕中心管道。实施为环形管道的至少一个第二管道又同轴地围绕燃料管道。 [0019] 作为燃烧器的该实施例的备选方案，所述燃烧器还可具有矩形燃料管道截面。多个中心管道（它们的中心管道出口沿着形成交叉或者网格结构的轴线定位）可布置在燃料管道截面内。作为备选或者除此之外，优选还有多个等离子体点火火炬，它们沿着形成交叉结构或者网格结构的轴线布置，尤其是在所有情况下直接在两个中心管道之间。这会在等离子体火焰与排出的粉状燃料之间产生非常良好的接触，且同时产生与来自中心管道的含氧气体，尤其是空气或氧气，的充分的混合。 [0022] 图1a在燃烧器出口的平面图中显示了呈粉化煤燃烧器形式的用于燃烧粉状燃料的燃烧器的示意性实施例， [0023] 图1b在沿着截面线B-B的示意性截面图中显示了根据图1a的粉化煤燃烧器的示意性实施例， [0024] 图1c显示了根据图1a和1b的粉化煤燃烧器的等离子体点火火炬的部分的示意性截面图， [0025] 图2显示了根据图1a和1b的粉化煤燃烧器，其中，显示了一个或多个一体式的等离子体点火火炬的可能的位置， [0026] 图3至11显示了根据图1a，1b和2的粉化煤燃烧器中的一体式的等离子体点火火炬的不同的布置，以及 具体实施方式[0028] 本发明涉及用于燃烧粉状燃料的燃烧器。粉状燃料可从煤、生物质或煤/生物质混合物产生。在此处所述的示意性实施例中，粉化煤K优选用作粉状燃料。用于燃烧粉状燃料的燃烧器因此在下文中称为粉化煤燃烧器20。然而，本发明也可用于其它粉状燃料。 [0029] 针对锅炉-例如蒸汽发生器-提供了粉化煤燃烧器20。锅炉具有完全围绕燃烧腔室22的燃烧腔室壁21。多个粉化煤燃烧器20通常布置在燃烧腔室壁21中。经由粉化煤燃烧器 20供应的粉化煤K在燃烧腔室22中被燃烧以产生热量。热量用于产生蒸汽。 [0030] 粉化煤燃烧器20的第一示意性实施例以类似于框图的高度示意性的形式示出于图1a和1b中。那里所示的粉化煤燃烧器20实施为环形燃烧器。其具有环形燃料管道25。燃料管道25关于燃烧器中心线A同轴地布置。燃料管道25的外直径由D2标示，且内直径由D1标示。中心管道26沿着燃烧器中心线A延伸。在实施为环形燃烧器的粉化煤燃烧器20中，中心管道26具有筒形，且优选圆筒形的形状。氧气，或优选空气L，流过中心管道26。中心管道26和燃料管道25彼此紧邻。它们通过中空的筒形第一隔离壁27彼此分离。第二中空的筒形隔离壁28同轴地布置在第一中空的筒形隔离壁27周围，其间具有间隔，该第二中空的筒形隔离壁28使燃料管道25与实施为环形管道的第二管道29分离。因此第二管道29紧邻燃料管道25且以环形的形状围绕后者。作为图1a和1b中所示的示意性实施例的修改，还可存在彼此同心地布置的多个环形第二管道29。 [0031] 氧气或含氧气体以及例如空气L流过中心管道26且流过该至少一个第二空气管道29。空气L在中心管道26的中心管道出口30处以及在相关的第二管道29的第二管道出口31处排出。 [0032] 通过供应线路(未显示)供应至粉化煤燃烧器20的粉化煤K流过燃料管道26。粉化煤K在燃料管道出口32处从粉化煤燃烧器20排出。在所示的优选的示意性实施例中，燃料管道出口32位于平面E中。粉化煤燃烧器20的中心管道出口30和/或该至少一个第二管道29的相应的第二管道出口31也可布置在所述平面E中。粉化煤燃烧器20的燃烧器出口33形成于平面E中。举例来说，管道出口30，31，32一起形成了粉化煤燃烧器20的燃烧器出口33。作为备选方案，相应的第二管道29的第二管道出口31还可布置成相对于中心管道出口30和/或相对于燃料管道出口32在下游偏离。如图1b中示意性地示出的，燃烧器出口33布置成相对于燃烧腔室壁21略微偏离。燃烧器出口33通过接口件34连接到燃烧腔室壁21。接口件34具有截头圆锥形表面的形状，并且从燃烧器出口33到燃烧腔室壁21成圆锥形地变宽。 [0033] 为了点燃经由燃料管道25供应的粉化煤K和/或有助于经由燃料管道25供应的粉化煤K的燃烧，根据本发明的粉化煤燃烧器20具有至少一个－且根据该实例为多个－等离子体点火火炬37。各个等离子体点火火炬37具有气体管道38，载气－例如空气流过该管道38。在气体管道出口39的区域中，等离子体点火火炬37具有两个点火电极40。通过施加电压，电弧41在这两个点火电极40之间形成，且结果，流过气体管道的载气形成等离子体火焰 42，如图1c中示意性地显示。除了图1c之外，等离子体点火火炬37通过气体管道38和气体管道出口39在所有其它图中示意性地示出。在图1c中所示的等离子体点火火炬37的情况下（其以高度示意性的形式显示），阳极为中空的筒形构造。阴极实施为在阳极上游沿着纵向轴线的中心筒形或中空的筒形元件。阳极的内直径大于阴极的直径，从而允许载气在阴极周围流过阳极的内部，其中等离子体火焰42由在此处存在的电弧41点燃。阴极可具有用于水冷却的冷却管道。 [0034] 气体管道出口39位于燃料管道25外部。因此经由燃料管道25供应的粉化煤仅在其燃料管道出口32的下游与等离子体火焰42进入接触。避免了粉化煤在燃料管道25内点燃。在优选的示意性实施例中，气体管道出口39在沿着燃烧器中心线的流动方向上位于燃烧器出口33的水平(level)处。作为备选方案，至少一个等离子体点火火炬的气体管道出口39也可布置成相对于燃料管道出口32或燃烧器出口33在下游偏离－例如在接口件34的区域内。 粉化煤燃烧器20的根据本发明的构造的实质点在于粉化煤仅在燃料管道出口32的下游与等离子体火焰42进入接触。 [0035] 存在等离子体点火火炬37的数量与布置的许多可行的变型。在所有情况下，等离子体点火火炬都布置成相对于燃烧器中心线A偏离。在根据图1a，1b和3的第一示意性实施例中，存在四个等离子体点火火炬37，它们布置在中心管道截面内部。在该示意性实施例中，等离子体点火火炬37以在周边方向U上规则地分布的方式布置成紧邻第一隔离壁27。在第一隔离壁27的区域中，等离子体火焰42实现了与从燃料管道25排出的粉化煤的非常良好的接触。同时，经由中心管道26供应充足的空气L，从而使得可能确保可靠的点火或燃烧维持。作为在图1a和1b中所示的该第一示意性实施例的修改，中心管道截面内的等离子体点火火炬37的所选数量也可更大或更小，例如还可行的是仅提供两个或三个等离子体点火火炬，如图6中示意性地示出。 [0036] 在图2中，显示了对于此处所述的环形粉化煤燃烧器的示意性实施例中的等离子体点火火炬37的布置而言可行的那些位置。在这种情况下，考虑了布置的以下原则。一方面，关于燃烧器中心线A同心地指定了多个（且根据该实例为四个）圆46。对于等离子体火炬37的布置的所有可行位置都位于这些圆46上，同心地围绕燃烧器中心线A。相对于燃烧器中心线A径向地限定了多个径向平面47。在该示意性实施例中，指定了四个径向平面47。等离子体点火火炬37的布置的所有可行的位置都位于圆46与径向平面47之间的相交点处(图 2)。图2中标示的用于等离子体点火火炬37的位置并未全部被占据。大体上，两个到六个或八个等离子体点火火炬37就足够了。 [0037] 中心管道截面内的圆形路径46的直径由dK标示，燃料管道截面内的圆形路径46的直径由dB标示，而第二管道截面中的圆形路径46的直径由dS标示(图2)。 [0038] 在该示意性实施例中，径向平面47以在周边方向U上不规则地分布的方式布置。第一径向平面47a与紧邻的第二径向平面47b之间的第一角度α不同于第一径向平面47a与在另一侧提供的紧邻第一径向平面47a的第三径向平面47c之间的第二角度β。第四径向平面47d相对于第一径向平面47a成直角而排列。 [0039] 在图3至11中，在所有情况下多个等离子体点火火炬37的多种可行的布置基于图2中所示的基本模式显示。所提供的等离子体火炬37的数量和/或其相应的位置可有所不同。 [0040] 图3中所示的布置在中心管道截面内具有四个等离子体点火火炬37，如已经结合图1a描述过的那样。在图4中所示的布置中，多个等离子体点火火炬37直接布置成邻接第二隔离壁28。在这种情况下，等离子体点火火炬37位于第二管道29的第二管道截面内。 [0041] 在根据图3的示意性实施例中以及在根据图4的示意性实施例中，等离子体点火火炬37绕着燃烧器中心线A在周边方向U上以均匀地分布的方式布置。它们各自定位成邻接界定燃料管道25的隔离壁27，28，确保在等离子体火焰42与从燃料管道25排出的粉化煤K之间存在非常良好的接触，这会导致燃烧的稳定点火。 [0042] 一般地说，在示意性实施例中，以下规则应用于实施为环形燃烧器的粉化煤燃烧器20中的至少一个等离子体点火火炬37的布置： [0043] - 对于中心管道截面内的圆形路径46上的等离子体点火火炬37的布置，以下适用： ； [0044] - 对于燃料管道截面内的圆形路径46上的等离子体点火火炬37的布置，以下适用： ； [0045] - 对于第二管道截面内的圆形路径46上的等离子体点火火炬37的布置，以下适用： ； [0046] 这确保了当横向于燃烧器中心线A观察时，等离子体点火火炬37与燃料管道出口32之间的间隔足够小，以确保等离子体火焰42与粉状燃料（根据该实例，也即粉化煤K）之间的充分的接触。 [0047] 图3和4中所示的示意性实施例的另一个修改示于图5中。此处，多个－且根据该实例，在所有情况下为两个－等离子体点火火炬37在所有情况下布置在燃料管道出口32附近，既直接邻接内部第一隔离壁27，且又邻接外部第二隔离壁28。在该实施例中，同样提供了总共四个等离子体点火火炬37。在该示意性实施例中，等离子体点火火炬37位于共同的径向平面47中。 [0048] 所提供的等离子体点火火炬37可布置在中心管道截面内和/或燃料管道截面内和/或第二管道截面内。在图7中所示的示意性实施例中，至少一个等离子体点火火炬37布置在三个管道截面中的各个中。根据该实例，所有存在的等离子体点火火炬37都位于不同的径向平面47和不同的同心圆46上。 [0049] 举例来说如图8中所示，还可行的是将所有等离子体点火火炬37布置在燃料管道截面内。等离子体点火火炬37布置在燃料管道截面内并不意味着等离子体火焰42布置在燃料管道25内。仅仅气体管道38延伸穿过环形燃料管道25，在两个隔离壁27，28之间延伸。气体管道出口39在燃料管道25外部。这适用于所有示意性实施例。在图8中所示的实例中，存在两个等离子体点火火炬37，它们沿直径相对地布置在共同的径向平面47上。作为其修改，还将可行的是提供多于两个等离子体点火火炬37。 [0050] 在图9中，图8中所示的示意性实施例被修改，因为多个额外的等离子体点火火炬37-根据该实例为两个额外的等离子体点火火炬37-额外地布置在第二管道截面中，紧邻第二隔离壁28。当在周边方向U上观察时，所有等离子体点火火炬37都以规则地分布的方式布置。在目前的情况下，提供了总共四个等离子体点火火炬37。作为其修改，多个额外的等离子体点火火炬37也可额外地布置在中心管道截面内，如图10中所示。布置在同一截面内－即布置在中心管道截面内或燃料管道截面内或第二管道截面内－的等离子体点火火炬37各自位于共同的径向平面47中。 [0051] 图11显示了例如八个等离子体点火火炬37的另一种可行布置。两个等离子体点火火炬37布置在燃料管道截面内，而分别有三个等离子体点火火炬37布置在中心管道截面以及第二管道截面内。等离子体点火火炬37以不规则地分布的方式布置在多个径向平面47中以及不同的圆46上。 [0052] 作为所示的可行布置的修改，存在将不同的数量的等离子体点火火炬37布置在粉化煤燃烧器20上的许多其它方式。原则上，图2中所示的可行布置的所有组合都可实施。优选这样的布置，其中至少一个等离子体点火火炬37直接布置在界定燃料管道的隔离壁27，28上。 [0053] 图12显示了粉化煤燃烧器20，不像上文所述的示意性实施例，其并未实施为环形燃烧器。图12中标示的等离子体点火火炬37的位置并未被全部占据。图12中所示的等离子体点火火炬37仅仅标示了可布置等离子体点火火炬的位置，图2中也是这种情况。 [0054] 燃料管道25具有矩形截面。与其它实施例相对比，在图12中所示的示意性实施例中提供了多个筒形中心管道26。中心管道26沿着轴线48布置。轴线48在燃料管道截面内形成交叉或网格结构。在图12中所示的示意性实施例中，两个轴线48平行且间隔开地布置，与矩形燃料管道25的两个长侧面相交。表示燃料管道25的两个较短的侧面的平分线的轴线48相对于其成直角延伸。轴线48的数量可有所不同。 [0055] 沿着所述轴线48进一步布置了多个等离子体点火火炬37，在所有情况下布置在两个中心管道26之间。此外，额外的等离子体点火火炬37可布置在界定了矩形燃料管道25的外部管道壁49上。在示意性实施例中，这些火炬可沿着燃料管道25的外部管道壁49的所有四个侧面定位。 [0056] 在此处所示的示意性实施例中，燃料管道25分成两个管道段25a和25b。为此，分隔壁50布置在外部管道壁49的两个较短的侧面之间。分隔壁50可具有冷却空气管道。在此处所述的该示意性实施例中，额外的等离子体点火火炬37布置在分隔壁50的区域中。 [0057] 在所示的示意性实施例中，多个第二管道29提供于距外部管道壁49距离S处。第二管道29可以距离S布置在外部管道壁49的短侧面和/或外部管道壁49的长侧面附近。在图12中所示的示意性实施例中，在所有情况下三个第二管道29布置在燃料管道25的相反侧，根据该示例，在所有情况下布置在外部管道壁49的短侧面附近。根据该实例，第二管道29具有矩形截面。布置在外部管道壁49的共同的侧面附近的第二管道29直接彼此邻接而没有间隔。 [0058] 至少一个等离子体点火火炬37至少布置在第二管道29中的一个与燃料管道25之间，在所述火炬的出口中心与外部管道壁49之间有距离s1－优选以适用如下的方式： [0059] [0060] 其中 [0061] s1：是等离子体点火火炬37的出口39的中心与管道壁49之间的距离，且[0062] S：是相邻的第二管道29与管道壁49之间的距离。 [0063] 这确保了粉状燃料―根据该实例为粉化煤K―与等离子体火焰42之间的充分的接触。 [0064] 仍然在图12中所示的示意性实施例中，燃料管道出口32、第二管道出口31和中心管道出口30在共同的平面E中形成了燃烧器出口33。等离子体点火火炬37的气体管道出口39优选类似地位于平面E中、在平面E或燃烧器出口33的下游偏离。 [0065] 本发明涉及用于蒸汽发生器的粉化煤燃烧器20。粉化煤燃烧器20具有燃料管道25，粉化煤K在载气的帮助下流过该燃料管道25。与载气一起，粉化煤K在燃料管道出口32处排出。粉化煤燃烧器20进一步具有至少一个中心管道26和至少一个第二管道29。空气L流过中心管道26和第二管道29，分别在中心管道出口30和第二管道出口31处排出。中心管道出口30、第二管道出口31和燃料管道出口32一起形成了燃烧器出口33。粉化煤燃烧器20具有与粉化煤燃烧器20一体地实现的至少一个等离子体点火火炬37。该至少一个等离子体点火火炬37的出口39布置在燃烧器出口33的平面E中，或者关于粉化煤K的流动方向在下游偏离。由等离子体点火火炬37产生的等离子体火焰42因此位于燃料管道26外部。 |
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