用于扩大内部再循环区域的大直径中心区域空气分离锥

摘要

一种大直径的中心区域空气分离锥用来通过扩大在燃烧器出口处的内部再循环区域(IRZ)以在燃烧器工作过程中减少NOx。该中心区域空气分离锥具有配装在燃烧器的外部空气区域中的较短的圆柱形导边。根据空气分离锥相对于外部空气区域的位置，中心区域空气分离锥将外部空气区域的二次空气流分成两个相等的或不相等的气流，并使二次空气流的一部分径向向外偏转。由于空气分离锥的径向位置更远离燃烧器中心线，所以扩大了IRZ尺寸，并使NOx排放最小化。

说明书

技术领域

本发明一般地涉及燃料燃烧器，具体地说，涉及一种新的和有用的空气分离锥，用于扩大在围绕燃料输送喷嘴的一个或多个空气区域的出口附近的内部再循环区域。

背景技术

低NOx的化石燃料燃烧器是根据控制分离并混合燃料和氧化剂以用于使与燃烧有关的氮气和空气中的氮气氧化成NOx(即NO+NO2)的可能最小化的原理来工作的。连同富油燃烧的过度燃烧空气的利用被称为外部(或空气)分级。内部分级涉及在燃烧器火焰内产生富油和贫油的燃烧区域。由于适当的设计，可以优化燃料-空气混合和漩涡模式，以在燃烧器出口附近产生逆流区域或“内部再循环区域”(IRZ)，用于使热量和包括NOx的燃烧产物从贫油区域循环到富油区域，从而维持点燃、保持火焰稳定性并将NOx转化成N2。内部分级和外部分级对于最大程度地减少NOx来说通常都是必需的。具有大型的、高温的、低于化学计量比(缺氧)的IRZ的火焰通常产生很低的NOx水平，因为这种条件是诱导减少NOx的。低NOx燃烧器设计通过在空气和/或燃料流上以及在诸如火焰稳定器和空气分离锥的流动偏转装置上施加漩涡来产生IRZ。

图1示出具有传统的空气分离锥的低NOx的燃烧粉煤的燃烧器900。一次空气和粉煤902被吹入入口并通过燃烧器肘管904。粉煤沿着肘管出口处的外径而集中。粉煤进入燃料喷嘴或管状燃烧器喷嘴906的入口端，并遇到偏转器908，该偏转器908使煤流改变方向进入锥形扩散器912，该锥形扩散器912将在一次空气中输送的粉煤颗粒的大部分散布至管状燃烧器喷嘴906的内侧表面附近的位置，从而使喷嘴906的中心部分相对来说没有粉煤颗粒。

二次空气910或者燃烧空气的大部分从燃烧器风箱输送到内部和外部二次空气区域914和916。通过在内部空气区域914中的可调整角度的旋转叶片922以及在外部空气区域916中的固定的旋转叶片920和可调整角度的旋转叶片922可将漩涡加入到区域914和916中。内部和外部二次空气区域914和916是由同心的围绕壁来形成的。内部空气区域914同心地围绕管状燃烧器喷嘴906，而外部空气区域916同心地围绕内部空气区域914。

同心地围绕管状燃烧器喷嘴906的末端的空气分离锥924有助于将二次空气910引离内部和外部空气区域914和916。火焰稳定器926和滑动闸板928控制二次空气910。火焰稳定器926安装在管状燃烧器喷嘴906的末端，而空气分离锥924安装在将内部和外部二次空气区域914和916分开的圆柱形套管上。

内部区域914和外部区域916通过燃烧器喉管和由旋转叶片922施加的漩涡的组合作用而将二次空气径向向外引导，从而产生内部再循环区域(IRZ)930。图1示出具有传统空气分离锥924的低NOx的燃烧粉煤的燃烧器900的、预计的逆流IRZ蒸汽线。当从内部和外部空气区域引入二次空气时，沿着火焰的外部富气周缘形成NOx。IRZ引起在火焰外部周缘形成的NOx沿着富油的火焰中心再循环回去，在这里烃基与之起反应以减少NOx。

通过在二次空气流上施加更多的漩涡、以及延伸流动偏转装置、或增大其冲角，可以稍稍增大IRZ的尺寸。由于较高的压降，高旋涡流的产生需要加大风机功率。高漩涡燃烧也可强化燃料/氧化剂的混合并产生高的NOx排放。将流动偏转装置(火焰稳定器或空气分离锥)延伸进入炉内会使这些部件暴露于高火焰温度下而引起损坏。增大流动偏转装置上的冲角会限制空气流动通道，提高压降，并减小漩涡效应。因此，需要一种装置在不损坏流动偏转装置、不引起增多NOx排放或不提高压降的前提下来安全地和有效地增大IRZ的尺寸。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种在不损坏流动偏转装置、不引起增多NOx排放或不提高压降的前提下来安全地和有效地增大IRZ尺寸的装置。

因此，一种大直径的中心区域空气分离锥用来增大IRZ和减少NOx。该空气分离锥具有比传统空气分离锥更大的直径。中心区域空气分离锥具有配装在燃烧器的外部空气区域中的较短的圆柱形导边。中心区域空气分离锥由外部空气区域内的支架来支承。根据空气分离锥相对于外部空气区域的位置，中心区域空气分离锥将外部空气区域的二次空气流分成两个相等的或不相等的气流，并使二次空气流的一部分径向向外偏转。由于中心区域空气分离锥的径向位置比传统空气分离锥的径向位置更远离燃烧器中心线，所以扩大了IRZ尺寸，并使NOx排放最小化。

中心区域空气分离锥可以与多种类型的燃烧器一起使用。中心区域空气分离锥可以与燃烧粉煤、油或天然气的燃烧器一起使用。中心区域空气分离锥可以与在由一次空气和煤围绕的二次空气的中心或大型中心通道中具有一次空气和煤的燃烧器一起使用。中心区域空气分离锥可以基本上与其中有围绕燃料输送喷嘴或环的至少一个空气区域的任何燃烧器一起使用，其中空气分离锥具有大直径，并因此增大IRZ。

因此，使用本发明的中心区域空气分离锥的一些优点是：扩大IRZ、有利于火焰稳定和固定、以及降低NOx排放。同样，在燃烧器操作中没有不利的效果，诸如损坏空气分离锥或燃烧器的其它部件以及提高压降。中心区域空气分离锥是一种简单的、节省成本的解决方式，它无需燃烧器内的附加导管，并且可以相对容易地安装在许多燃烧器的空气区域内。

在所附的和形成本说明书的一部分的权利要求书中具体指出了构成本发明特性的新颖性的多种特征。为了更好地理解本发明、其操作优点和通过使用其而获得的特定目的，参照了说明本发明的较佳实施例的附图和描述。

附图说明

在附图中：

图1是具有传统空气分离锥的低NOx的燃烧粉煤的燃烧器的预计的逆流IRZ蒸汽线的示意图；

图2是在燃烧器末端的本发明的中心区域空气分离锥的示意图；

图3是传统的空气分离锥和本发明的中心区域空气分离锥的、逆向体积流量对轴向距离的曲线图；

图4是结合有本发明的中心区域空气分离锥的低NOx DRB-XCL燃烧粉煤的燃烧器的示意图；

图5是结合有本发明的中心区域空气分离锥的低NOx DRB-4Z燃烧器的示意图；以及

图6是结合有本发明的中心区域空气分离锥的低NOx中心空气喷射的燃煤燃烧器的示意图。

图7是结合有本发明的中心区域空气分离锥的低NOx XCL-S燃煤燃烧器的示意图。

具体实施方式

现在参见附图，其中，相同的标号用来指示相同的或类似的部件，图2示出邻近或接近炉子的燃烧器2的末端。燃烧器2的末端包括具有较短的圆柱形导边的大直径的中心区域空气分离锥1，该导边配装在外部二次区域4的中间。装置是由外部二次空气区域4内的支架(未示出)来支承的，且在燃烧器中不直接连接至任何导管。它基本上将外部空气区域4的二次空气流分成两个气流，并使二次空气流的一部分径向向外偏转。由于空气分离锥1的径向位置比图1所示的传统空气分离锥的径向位置更远离燃烧器中心线，所以它扩大了IRZ的尺寸，进而减少了NOx排放。

中心区域空气分离锥与水平轴线之间的发散角度可以在25-45°之间(50-90°的夹角)。尽管图2中的实施例示出了中心空气分离锥配装在外部空气区域环的大致中心，但是该空气分离锥也可以配装在外部空气区域内的任何位置，以将二次空气流分成任何想要的比例。空气分离锥1的长度可以根据空气区域间隙和燃烧器尺寸来变化。中心区域空气分离锥1还可以用在设计成用于燃烧粉煤、燃油和天然气的燃烧器中。

图3示出在火焰的靠近燃烧器区域中的、处于多达2.5倍于燃烧器直径(x/D＝2.5)的不同轴向距离的、逆向(再循环)流量的计算机模型预测。该图清楚地显示出，中心区域空气分离锥相对于传统空气分离锥来说具有更大的IRZ(更大的逆流)。应该注意，计算对应于一种东方烟煤在0.85燃烧化学计量比处的分级燃烧。

图4-7示出了在四种不同类型的燃烧器中的中心区域空气分离锥1的四种可能安装。尽管本发明示出了四种不同的实施例，但是本发明并不限于这些实施例。本发明的中心区域空气分离锥也可以安装在未在此示出的其它燃烧器中，在那里具有围绕燃料输送喷嘴或环的至少一个空气区域。

图4示出在低NOx的DRB-XCL燃烧粉煤的燃烧器10中安装中心区域空气分离锥1，该燃烧器10在美国专利第5,829,369号中作为现有技术(图2)有更详细的描述，该专利结合于此作为参照。燃烧器10包括设置在燃烧器10的中心导管内的锥形扩散器12和偏转器34，该燃烧器10借助燃料和一次空气(输送空气)入口14来供给粉煤和空气。风箱16限定于内壁18和外壁20之间。风箱16包含燃烧器导管，该燃烧器导管是由壁来同心围绕的，这些壁包含在外部空气区域26内的固定的旋转叶片22和可调整角度的旋转叶片24的外部阵列。内部空气区域27同心地设置在外部空气区域26内。燃烧器10设有火焰稳定器30和用于控制二次空气28的量的滑动闸板32。

本发明的中心区域空气分离锥1用来增大IRZ区域和减少NOx。空气分离锥1具有比图1所示的空气分离锥更大的直径。中心区域空气分离锥1还具有较短的圆柱形导边，该导边配装在外部空气区域26的中间。中心区域空气分离锥1由外部空气区域26内的支架(未示出)来支承。中心区域空气分离锥1将外部空气区域26的二次空气流分成两个气流并使二次空气流的一部分径向向外偏转。由于空气分离锥1的径向位置比图1所示的传统空气分离锥更远离燃烧器中心线，所以它扩大了IRZ的尺寸，并因此减少了NOx排放。

图5示出根据本发明的燃烧器40。燃烧器40也称为DRB-4Z燃烧器，它包括在燃烧器导管中由同心的围绕壁所形成的一组区域，该燃烧器导管用输送空气(一次空气)的有限气流和从燃烧器风箱16提供的附加燃烧空气(二次空气)28来输送诸如粉煤之类的燃料。燃烧器40的中心区域42是圆形横截面的一次区域，或燃料喷嘴，它借助入口44从供源(未示出)输送一次空气和粉煤。围绕中心或一次区域42的是环形同心壁45，该壁45形成一次-二次过渡区域46，该过渡区域46构造成引导二次燃烧空气或使二次空气输送到其余的外部空气区域。过渡区域46用作一次和二次气流之间的缓冲器，以改进地控制靠近燃烧器的混合和火焰稳定性。过渡区域46构造成引导具有或不具有漩涡的空气，或者提高湍流级以改进燃烧控制。燃烧器40其余的环形区域包括由同心围绕壁形成的内部空气区域48和外部空气区域50，它们输送大部分燃烧空气。

燃烧器40包括具有较短的圆柱形导边的中心区域空气分离锥1，该导边配装在外部空气区域50的中间。中心区域空气分离锥1由外部二次空气区域环内的支架(未示出)来支承。中心区域空气分离锥1将外部空气区域50的二次空气流分成两个气流，并使二次空气流的一部分径向向外偏转。由于空气分离锥1的径向位置比图1所示的传统空气分离锥更远离燃烧器中心线，所以它扩大了IRZ的尺寸，并因此减少了NOx排放。

在结构上，根据本发明的燃烧器40(DRB-4Z)的设计在很大程度上基于图4所示的DRB-XCL燃烧器。在美国专利第5,829,369号中提供了两种类型燃烧器之间差别的详细描述。

图6示出低NOx的中心空气喷射的燃烧粉煤的燃烧器，其中，粉煤和一次空气(PA/PC)61进入入口并通过燃烧器肘管62。粉煤大部分沿着肘管62的外径行进，并集中进入在肘管出口处沿着外径的气流。粉煤进入煤管63，并遇到偏转器64，该偏转器64使煤流改变方向进入锥形件65，从而使煤分散。中心或中央管66附连至锥形件65的下游侧。煤管63在截面63A处扩张，以形成更大直径的截面63B。分散的煤行进进入形成于中心管66和煤管63A和然后的煤管63B之间的环71。然后，PA/PC61排出煤环71进入燃烧器喉管68，然后向外进入炉(未示出)。内。中心或中央管66和环71形成燃料喷嘴。

通过压力送风机等来供给二次空气78，该二次空气78在空气加热器中预先加热并在压力下供给。馈送导管69将中心空气供给至中心区域66。当PA/PC61行进通过中心空气供给馈送导管69时，楔形件69A和69B给PA/PC61提供更具构型的流动路径。中心空气沿中心区域66往下继续前进，直到它排出为止。一些二次空气流入过渡区域76或外部空气区域77。二次空气可被节流至一个区域或另外的区域，或者当燃烧器停止运行时供给较少数量的空气至两个区域以冷却燃烧器。过渡区域76与外部空气区域77隔开。过渡区域76构造成提供空气以用于靠近燃烧器的混合和稳定性。可调整角度的旋转叶片81位于过渡区域76中，并给过渡空气提供漩涡。外部空气前进穿过固定的旋转叶片80和可调整角度的旋转叶片82，它们给外部空气施加漩涡。

具有较短的圆柱形导边的大直径中心区域空气分离锥1配装在外部空气区域77的中间。空气分离锥1由外部空气区域77内的支架(未示出)来支承，且并不直接连接至燃烧器中的任何导管。空气分离锥1将外部空气区域77的二次空气流分成两个气流，并使二次空气流的一部分径向向外偏转。由于空气分离锥1的径向位置比图1所示的传统空气分离锥更远离燃烧器中心线，所以它扩大了IRZ的尺寸，并因此减少了NOx排放。

中心区域空气分离锥的性能还在燃烧一种东方粉烟煤时、用100百万Btu/hr的低NOx中心空气喷射粉煤燃烧器来测试。在17％的整体多余空气水平上，以及在0.80的燃烧化学计量比上，对于安装在将过渡区域76与外部空气区域77分开的圆柱形套管5的末端上的传统空气分离锥来说，NOx排放为0.2761b/百万Btu，而对于如图6所示的中心区域空气分离锥来说，NOx排放为0.238b/百万Btu，同时还保持了较低的CO水平和未燃碳水平。

图7示出了根据本发明的另一低NOx的燃烧器实施例。诸如粉煤之类的化石燃料和一次空气通过燃烧器入口102进入燃烧器100，并穿过燃烧器肘管104。二次空气106提供至外部空气区域108，其中可通过调整的叶片110来增加漩涡。

中心区域分离锥1设置在外部空气区域108内。空气分离锥1由外部空气区域108内的支架(未示出)来支承。空气分离锥1将外部空气区域108的二次空气流分成两个气流，并使二次空气流的一部分径向向外偏转。由于空气分离锥1的径向位置比图1所示的传统空气分离锥更远离燃烧器中心线，所以它扩大了IRZ的尺寸，并因此减少了NOx排放。

尽管已详细显示和描述了本发明的具体实施例来说明对本发明原理的应用，但是应该理解，本发明可以以不脱离这些原理的其它方式来实施。