零油耗点火及自稳定煤粉燃烧器

零油耗点火及自稳定煤粉燃烧器背景技术在燃煤发电厂中，煤由磨煤机磨成细粉，然后用空气吹入炉膛燃烧，由于煤较难着火，在锅炉启动时炉膛温度很低，煤粉不能被引燃，必需用油或天燃气或人工煤气把炉膛加热到相当程度才能吹入煤粉进行燃烧，此外在锅炉处于低负荷下炉膛温度也较低，燃烧不稳定也要靠油或可燃气体来助燃。由于电力负荷周期性变化，锅炉频繁启停,这样大量的油消耗在机组的启动和低负荷运行中。因此不用油或少用油的技术已用于部分发电厂中。现在所用的等离子体点火器，它利用带有电压的两极击穿空气产生温度极高的等离子体来点燃煤粉，可以完全不用油实现电站锅炉启动，但因其结构复杂，并且投资费用高，一台300MW的锅炉需投资450万元，此外，其操作复杂，使用寿命短，机械故障多，因而维护费用也相当大，虽然它可以100%的节约用油，但只能节约其中75%的费用。此外其煤种适应性差，不能点燃难着火的煤。等离子体点火器已在200多台锅炉上得到应用。还有一种微油点火器，它利用压缩空气将油高效雾化，用少量的高燃烧率产生的高温气体先点燃含煤浓的煤粉——空气混合物（下简称混合物）中的煤粉（一级点火），然后用已点燃的混合物点燃含煤较稀的混合物（二级点火）,再用已点燃的“二级”混合物再点燃更多的混合物（三级点火）。这样就实现了用少量油点然大量煤粉的功能，可节约95%锅炉启动和低负荷助燃用油。虽然微油点火技术与等离子体点火器相比构造较简单，但系统仍较复杂，控制监测点数目与等离子体点火器相同，其投资虽仅为等离子的三分之一，但仍有130～180万元之巨。目前已在100到600MW机组上得到应用。除了上述微油点火器外，还有一种高温空气无油点火器，它利用电磁感应技术使高磁通密度较高频率的交变磁场作用于金属管，使管壁内产生涡流而发热，然后使空气通过管中被加热，再用被加热的空气加热煤粉点燃煤粉。此项技术投资费用和等离子体点火器一样高，目前在少数电厂得到应用。除以上三种已经得到实际应用的技术外，另外还有电阻加热点火、电感应加热点火以及激光点火等点火技术尚处在实验室阶段。然而，前述这些不用油或少用油的点火技术的共同点是，以把所有要点燃的混合物全部加热到煤粒的燃点为基本手段，所不同的是加热的方式，也就是说，其点火源均直接作用于全部要点燃的混合物，因此需在较高温度（大大高于煤粒的燃点）下点火，并且在点火过程中会产生更多的NOx污染，配套设备随之复杂化，造价高，因此都在不同程度上存在着投资费用高，结构复杂，煤种适应性差等缺点。发明内容本实用新型的目的在于提供一种制造成本低、结构简单、操作简单和减少NOx污染的点燃煤粉的燃烧器。为达上述目的，本实用新型具体的内容为：一次风（煤粉—空气混合物）流入一个截面阶梯形突然扩大的流道，从而在阶梯面的下游处产生一次及二次回流，由于回流流速低，在回流区的壁上放置加热元件，就能把回流引燃，用被引燃的回流进一步引燃主气流。且在引燃主气流后可停止加热元件的工作，而可使主气流不断地着火，即具有自稳定能力（见示意图，1、一次风2、主气流3、一次回流4、二次回流，5、被引燃的混合物6、阶梯壁7、加热元件）。现有技术相比，本实用新型的特点和效果在于：1、本燃烧器是以火焰稳定性理论为依据(首先点燃回流)而设计的，这与上述所有点火技术有实质的不同。2、由于本燃烧器是以火焰稳定性理论为依据而设计的，因此它具有自稳定能力，混合物气流一经点燃即可停止外部热源的供给，火焰能自行稳定，即进入燃烧器的混合物将稳定地不断被引燃。这一自稳定能力是所有现有点火技术所不具备的，这是本燃烧器与已有技术中所有点火技术另一个实质不同。3、由于本燃烧器只需点燃回流混合物，且由于具有自稳定能力，外部热源供给时间约40分钟，因而既能实现100%地不用油点火，其能耗也是最低的。4、本燃烧器用截面阶梯性扩大来产生回流，它可实现在较低温度（1000℃）下引燃混合物主流，结构简单且不需大量使用昂贵的耐热钢，因而造价也是最低的，约为微油点火技术的1/10。5、本燃烧器可以在较低温度（1000℃）下引燃混合物，因而NOx的生成也是最低的。6、本燃烧器的初级点火是点燃在回流区中靠近热壁的煤粉。由于回流区中流速低（主气流的1/10，二次回流为其1/100）且由于湍流涡流作用，使得部分煤粉在附近停留时间很长，它们的着火过程是“娄流化床”；且只需回流区中有一粒煤粉着火，由于回流速度低，在边界处的速度梯度也极低，火焰即可迅速传遍全部回流区，进而引燃主气流。因此可以合理地推断：凡是在流化床上可以燃烧的煤种均可在本燃烧器上稳定燃烧。这个功能也是上述所有点火技术不具备的。7、本实用新型燃烧器在较低温度下（1000℃）点燃混合物，而无需冷却系统，在燃烧器中不同时存在高于灰熔点的部位和低于灰熔点的部位，因此它的结渣几率是最小的。具体实施方式本实用新型把煤粉——空气混合物当作“预混可燃气体”，而把关于预混可燃气体火焰的稳定性理论应用于煤粉—空气混合物。本实用新型把混合物吹入炉膛的一次风喷口，当作本生灯管，（本生灯管是研究预混可燃气体火焰现象的基本装置），根据该理论，稳定一个混合物的火焰和点燃该混合物在物理（流体力学、传热学）机理上是一样的，火焰被吹灭的机理是由于火焰根部边界处大的速度梯度引起大的燃烧波切向热损失所致，要稳定或者要点燃一个气流，就要在燃烧器出口的根部外侧供给足够的热量。点燃一个气流的实质机理是使燃烧波能跨过热损失极大的火焰根部边界层而传播至全部气流。实现上述理念的方法是使混合物流出一次风喷口时进入一个面积突然扩大的流道，而形成回流，用点燃回流的办法来向主气流提供上述所需的热量。点火元件是采用耐热不锈钢制成的电组发热线圈，也可以是用其它任何加热办法加热回流区的壁或直接加热回流（包括在回流区中引入高温气体）使回流引燃。点火元件可放在耐高温的薄壁夹层中（用Al2O3材料）使其与高温烟气隔离，发热元件的支撑结构也可做成可抽出式的，在点燃煤粉后抽出燃烧器而延长其使用寿命根据上述的工作原理和方法，设计了一个具有工业规模的全尺寸验证性试验装置，在回流区的壁面上布设了普通电热电阻丝，用大大低于等离子体点火装置的功率加热约20分钟后，送入混合物后立即被引燃，引燃后20分钟停止供电，火焰仍能稳定，燃煤量约为400kg/h，试验重复多次均成功。有试验所在电厂总工程师兼试验主持人及有关试验参加人员签字，并加盖该电厂公章的试验报告以及燃烧器结构及点燃火焰的照片。。试验表明论述气体火焰的着火和火焰稳定性理论可应用于煤粉气流的着火及火焰稳定技术。证实了本燃烧器的点火及自稳定能力和与具它点火技术比较所具有的优点。此试验表明，本实用新型具有工业实用性。试验是在冬季进行的，锅炉处于完全冷态，因此煤粉—空气混合物及炉膛温度只有20℃以下，试验结果表明此燃烧器可使煤粉在0~100%锅炉负荷下着火并稳定燃烧，这就从根本上彻底地解决了煤粉锅炉在低负荷下燃烧不稳定的问题，也免除了由于灭火保护系统误动作而引起锅炉灭火。这一功能表明本燃烧器能够100%地不用油，在0-100%负荷下均能稳定燃烧，而无需外加能源，且在电厂建设上可完全省去燃油供应系统。用同样的点火能量和装置可以提高燃烧器的点火能力（然媒量/小时），它由一个上述的基燃烧器（作为一级燃烧器）再接另一截面双侧（或单侧）扩大的燃烧器（作为二级燃烧器）串联而成。二级燃烧器也可以产生一次及二次回流。这样已被点燃的一级燃烧器的高温气流与要引燃混合物即二级混合物的回流在二级燃烧器的回流区中，在相对速度很慢的情况下互相混合，通过幅射、对流换热方式将二级混合的回流点燃，从而像在一级燃烧器的情况一样进一步将二级混合物的主气流点燃，从而达到提高燃烧器的点火能力的目的。最后燃烧着的二级混合物通过二级燃烧器出口流入炉膛。本燃烧器经过简单的商业化试验即可用于直到600MW的燃煤机组。商业化试验的主要任务是：1、以验证性试验的结构为原型，根据设计试制和调试出可批量生产的易于安装和更换的，且价格低的燃烧器本体。2、根据设计试制和调试出易于更换以及可抽出式电阻丝加热元件的具体结构。3、根据设计试制和调试出用于大机组的二级及多级燃烧器的结构。4、其它辅助设施，如点火用供粉方式和系统。一，二次风配风风箱。简单的供电线路及操作系统。以及简单的电阻丝和回流区热壁温度监测系统。。试验工作可以在一个25—50MW的退役锅炉上进行。所需初期启动费用不大于50万元（包括加装供粉管道及炉膛原燃烧器处改造）。进一步的大型机组的试验费用可以从在小型机组上应用节油获利中获得。预计一个成品燃烧器的费用约小于13万元。在试验取得基本成功（能完成一次冷态启动，低负荷无需投油或对电能引燃系统再送电，完成一次启动的零件损耗及电能费用不超个过燃油费用的10%,此任务可在1-2月内完成。取决于锅炉炉膛及供粉管道的改装时间，此费用最终可作到1%，投资者即可以技术服务方式开始对10万千瓦机组进行技术推广。以收取服务费方式获取商业利益。据有关资料估计10千瓦（100MW）以下机组目前每年约有100次（此为保守估计），启动每年约耗油1000吨，多耗资340万元。60千瓦（600MW）启动每年约耗油5000吨，多耗资2800万元。此项目设备改装费估计为50万元。燃烧器费约为32万元（4个燃烧器），技术服务费50万元，共计132万元，由电厂方支付则半年可收回投资，而研制投资方不到半年仅一台炉即可收回投资。以后的获利除支付下一步研究外，均为净利。与等离子体点火器和微油点火器相比分别可节约投资约450万和～180万元，且可免去大量维修工作和费用.加之上述本点火器所具有的优点,本点火燃烧器具有绝对市场竟争优势.对于已装有等离子体点火器和微油点火器的机组,由于其维修工作和费用大,根据其投资估计很可能更换一个部件的费用即可购买本点火燃烧器.(有待进一步调查比较)因此，对于这些机组，本点火燃烧器仍具有相当的竟争优势由以上分析可知；本燃烧器优于80年代以来所有有关的节油技术。也优于正在推广的微油点火技术。因此，本燃烧器在市场上可以取得绝对优势。