阅读说明：本技术 具有流动构造体的煤喷嘴 (Coal nozzle with flow structure ) 是由 迈克尔·萨帕纳罗 威廉·P·贝利 杰森·杰瑞米·韦尔古姆 约瑟夫·霍尔斯道姆 于 2018-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种粉状固体燃料喷嘴(10),特别是煤喷嘴,包括用于接纳煤/空气混合物的料流(16)的入口开口(12)以及用于将该料流(16)排放到燃烧器中的出口开口(14)。入口开口(12)和出口开口(14)通过流动部分(18)以流体方式连接,并且流动部分(18)的流动横截面(20)沿煤/空气混合物的料流(16)的流动方向(22)变化。流动部分(18)包括流动构造体(24),该流动构造体具有优先地全局的最小流动横截面(26)。流动构造体(24)以流体方式定位在该入口开口(12)和该出口开口(14)之间,并且该流动部分(18)具有流动横截面(20),该流动横截面特别是连续地从该流动构造体(24)到该出口开口(14)增大。(The invention relates to a pulverized solid fuel nozzle (10), in particular a coal nozzle, comprising an inlet opening (12) for receiving a stream (16) of a coal/air mixture and an outlet opening (14) for discharging the stream (16) into a burner. The inlet opening (12) and the outlet opening (14) are fluidically connected by a flow section (18), and the flow cross section (20) of the flow section (18) varies in the flow direction (22) of the stream (16) of the coal/air mixture. The flow portion (18) comprises a flow structure (24) having a preferably global minimum flow cross section (26). A flow arrangement (24) is positioned in a fluid manner between the inlet opening (12) and the outlet opening (14), and the flow portion (18) has a flow cross section (20) which increases in particular continuously from the flow arrangement (24) to the outlet opening (14).)

具有流动构造体的煤喷嘴

背景技术

本发明涉及可施加在用于燃烧粉状煤的燃烧器中的粉状固体燃料喷嘴，特别是煤喷嘴，其中喷嘴以使燃烧过程中氮的氧化物的形成最小化的方式设计。

现有技术

在固体燃料烧制系统中，将粉状固体燃料(通常为煤)吹入空气流中的燃烧器中，该空气流通常称为初级空气。该空气流输送粉状煤，并且还提供燃烧煤所需的氧气的至少一部分。此类燃烧器通常用于加热炉或锅炉中，该锅炉为各种应用(诸如发电)产生蒸汽。

多年来开发了多种喷嘴和燃烧器设计，并且在加热炉、锅炉等中使用的一些燃烧器尤其适于燃烧粉状煤。燃烧粉状煤以及其他矿物燃料的主要问题之一是在燃烧过程中产生氮的氧化物。燃烧器设计中的一个目标是实现在燃烧粉状煤过程中形成的氮的氧化物的量的减少。此类氧化物(称为NOX)会造成空气污染，并且通常是不良的。

从US 8955776已知用于固体燃料炉的固定喷嘴包括在喷嘴的出口区域中彼此平行布置的若干扁平导向叶片，以引导初级空气和煤颗粒流入加热炉中。

目前，需要一种改进的煤喷嘴组件以导致燃烧过程，该燃烧过程在烟道气中产生较少的污染物，例如NOx。

发明内容

本发明的一个目的是提供粉状固体燃料喷嘴，特别是煤喷嘴，其允许粉状煤的清洁燃烧，特别是煤的低NOx燃烧。另一个目标是，该喷嘴构造简单并且具有高使用寿命。

该目标用根据权利要求1所述的粉状固体燃料喷嘴，特别是煤喷嘴来达到。

根据本发明的粉状固体燃料喷嘴，特别是煤喷嘴是用于固体燃料喷射的喷嘴，其包括用于接收煤/空气混合物的料流的入口开口以及用于将所述料流排放到燃烧器中的出口开口，其中所述入口开口和所述出口开口通过流动部分以流体方式连接，其中所述流动部分的流动横截面沿煤/空气混合物的流动方向变化，并且其中所述流动部分包括流动构造体，所述流动构造体具有优先地全局的最小流动横截面，其特征在于流动构造体以流体方式定位在所述入口开口和所述出口开口之间，并且其特征在于所述流动部分具有流动横截面，所述流动横截面从所述流动构造体到所述出口开口增大。任选地，流动部分具有这样的流动横截面，其在流动部分的在流动构造体和出口开口之间的延伸部的至少50％连续增加，特别地，在流动部分的在流动构造体和出口开口之间的延伸部的至少60％连续增加，特别地，在流动部分的在流动构造体和出口开口之间的延伸部的至少80％连续增加。任选地，流动部分的具有连续增加的流动横截面的部分是流动部分的一个不间断部分。任选地，流动部分具有的流动横截面在流动部分的在流动构造体和出口开口之间的整个延伸部范围内连续增加。

将粉状煤和空气的混合物吹入喷嘴的入口开口中，然后沿流动部分在流动方向上流动。当煤/空气混合物的料流到达流动构造体时，气流处于其最大流动速度。当煤/空气混合物的料流已通过流动构造体时，其流动速度由于流动横截面的增加而降低。流动速度的这种降低允许火焰传播到喷嘴中。因此，在喷嘴的操作过程中，火焰前沿位于喷嘴内，其为燃料中的挥发性物质提供有利的燃烧条件。煤可在富含燃料的环境中点燃，并且燃料中的挥发性物质可被烧掉，使得可产生降低经由燃烧的后期产生的NOx的化学物质。

任选地，流动部分包括以流体方式定位在流动构造体与出口开口之间的第一膨胀部分和第二膨胀部分，其中所述第一膨胀部分的流动横截面的变化速率高于所述第二膨胀部分的流动横截面的变化速率。具有两个膨胀部分的所述实施方案提供优选的流动特性，使得火焰前沿位于喷嘴内，但不会传播超过流动构造体。

任选地，所述第一膨胀部分沿流动方向布置在所述第二膨胀部分之前，优选地其中所述第一膨胀部分邻接所述第二膨胀部分。通过这种布置，实现了煤/空气混合物的料流的流动速度迅速降低至通过的流动构造体。

任选地，第一膨胀部分和/或第二膨胀部分的流动横截面与沿所述第一膨胀部分和/或所述第二膨胀部分的流动方向的相应延伸部的平方成比例地增加。例如，如果相应的膨胀部分具有圆形横截面并且该横截面的直径随着流动方向上的范围线性地增加，则实现这一点。所述流动横截面的增加导致喷嘴中的有利流动特性。

任选地，流动部分的流动横截面至少局部地、优先地沿其整个长度具有圆形形状。通过这种形状，喷嘴可容易地制造，而横截面的圆形形状有利于流动特性，尤其是与横截面的圆形形状相结合的流动横截面的增加需要有利于改善进入喷嘴的火焰传播的流动特性。

任选地，点火器位于喷嘴的流动部分中，优先地位于流动构造体与出口开口之间。通过这种方式，可在新型中直接点燃煤/空气混合物的料流，并且喷嘴的操作和所有流动特性使得火焰前沿位于喷嘴内。

任选地，喷嘴的位于流动构造体和出口开口之间的流动部分的壁至少局部地、优先地沿着其在流动方向上的整个延伸部，涂覆有涂层，该涂层包括适于催化煤与氧气的反应的催化剂。由此增强了煤的燃烧，并促进了喷嘴内的火焰前沿位置。

任选地，喷嘴包括冷却装置，其中所述冷却装置优先地沿流动方向至少也在所述流动构造体和所述出口开口之间布置。通过这种材料的加热，喷嘴可保持较低的温度并且增加喷嘴的使用寿命。与其中火焰前沿位于喷嘴外的喷嘴操作相比，喷嘴内火焰前沿的位置导致喷嘴组件的较高加热程度，使得实施上述冷却装置尤其有利地与喷嘴内火焰前沿的位置结合。此类冷却装置可为冷却翅片或通道，冷却介质通过所述冷却翅片或通道被供应到旨在被冷却的喷嘴的区域。任选地，可存在在喷嘴周围吹入的气体以实现从喷嘴外部的冷却。

任选地，冷却装置包括流体，特别是液体，冷却剂夹套，优先地其中所述冷却剂夹套围绕流动部分的壁，至少也位于所述流动构造体和所述出口开口之间，并且/或者其中所述冷却剂夹套围绕流动部分的壁，在所述流动构造体之前和之后，并且/或者其中所述冷却剂夹套沿流动方向从所述流动构造体之前延伸至所述出口开口。这种冷却剂夹套允许用流体冷却剂围绕待冷却的组件。优先地，冷却剂夹套被设计成容纳液体冷却剂。由于液体的通常高比热容量，液体冷却剂的使用提供了高冷却速率的有益效果。这种液体冷却剂可以是提供低成本、通用可用性和高比热容量的有益效果的水。

任选地，冷却剂夹套具有与煤/空气混合物的料流的流动方向相反的冷却剂流动方向。由此实现冷却剂及其最冷状态与喷嘴的最热部件接触，使得获得有利的热传递速率。

任选地，喷嘴包括至少一个冷却剂管，所述冷却剂管具有靠近所述喷嘴的入口开口的入口和进入所述冷却剂夹套的出口，其中所述出口优选地位于所述喷嘴的出口开口附近。由此，冷却剂可被引入靠近入口开口的冷却剂管中，其中在喷嘴操作期间温度在合理的边界内，然后冷却剂经由冷却剂管传送至出口开口，其中喷嘴的密集冷却是有益的。

任选地，冷却剂夹套包括热膨胀补偿接头，所述热膨胀补偿接头用于补偿喷嘴的不同区段的不同热膨胀，这是由于在操作期间沿喷嘴的温度分布不均匀。当在喷嘴操作期间从喷嘴的入口开口到出口开口观察时，可能存在强烈的温度梯度，使得喷嘴沿其范围不均匀地变形。上述热膨胀补偿接头被构造成使得其可适应喷嘴的各个部分的变化的热膨胀速率，这有利于喷嘴尤其是冷却剂夹套的使用寿命。

任选地，热膨胀补偿接头包括波纹管。这样，热膨胀补偿接头可以直接且低成本的方式制造，使得基于液体冷却剂的冷却可以有限的费用在喷嘴中实现。此外，这种波纹管提供高度的柔韧性，因此可适应不同组件的热膨胀的较大差异。

任选地，喷嘴包括枢转机构，该枢转机构允许出口开口相对于入口开口枢转。通过这种煤/空气混合物的料流的方向或在点燃状态下，离开喷嘴的火焰可直接为所需的，而喷嘴的附接可为静止的。

任选地，喷嘴包括圆柱形区段，以及沿流动方向在所述圆柱形区段后面的会聚锥形区段，以及沿流动方向在所述会聚锥形区段后面的第一发散锥形区段，并且沿流动方向在所述第一发散锥形区段后面的第二发散锥形区段，其中所述第一发散锥形区段具有高于第二发散锥形区段的发散角。任选地，喷嘴的上述区段中的两个(优选地全部)邻接相应的上一区段。由此实现喷嘴的容易实施的构造。此类喷嘴可使用易于获得的部件来制造，并且因此构造便宜并且耐久性高。

任选地，流动部分至少位于流动构造体与出口开口之间，优先地沿着其整个长度，无插入件。这允许在喷嘴中形成有利的流动分布。无插入件是指这样的流动部分或其一部分，其中在流动部分的横截面中不存在将导致流动部分的横截面积发生显著突然变化的插入件。

附图说明

图1：根据本发明的喷嘴的透视图；

图2：图1的喷嘴的侧视图；并且

图3：图1和图2的喷嘴的剖视图，

图4：图3的视图中的喷嘴的一个可供选择的实施方案；

图5：图3的视图中的喷嘴的一个可供选择的实施方案；并且

图6：图3的视图中的喷嘴的一个可供选择的实施方案。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的用于固体燃料喷射的喷嘴10的透视图。喷嘴10包括入口开口12和出口开口14。

入口开口12用于接纳经由箭头以符号指示的煤/空气混合物的料流16。出口开口14用于将所述料流16排放到未示出的燃烧器中。

入口开口12和出口开口14通过流动部分18以流体方式连接，如图3所示。流动部分18的流动横截面20沿煤/空气混合物的料流16的流动方向22变化。流动部分18包括流动构造体24，在附图的实施方案中，该流动构造体具有全局最小的流动横截面26，即，流动横截面20在最小流动横截面26处具有其最小值。流动构造体24以流体方式定位在入口开口12和出口开口14之间，即，煤/空气混合物的料流16首先穿过入口开口12，然后穿过流动构造体24，然后穿过出口开口14。流动部分18的流动横截面20从流动构造体24到出口开口14增大。在当前实施方案中，流动部分18的流动横截面20在流动部分18的从流动构造体24至出口开口14的整个延伸部上方连续增加。

流动部分18包括以流体方式定位在所述流动构造24和所述出口开口14之间的第一膨胀部分28和第二膨胀部分30。第一膨胀部分28的流动横截面20的变化速率高于第二膨胀部分30的流动横截面20的变化速率。第一膨胀部分28沿流动方向被布置在第二膨胀部分30之前，并且稍后邻接。

第一膨胀部分28和第二膨胀部分30的流动横截面20沿流动方向22与相应延伸部的平方成比例地增大，因为膨胀部分28、30中的每一个中的流动横截面20的横截面积是圆形的，并且该圆形横截面积的直径沿流动方向22与延伸部成比例地增大。

喷嘴10包括在当前实施方案中被实现为冷却剂夹套34的冷却装置32。冷却装置32即冷却剂夹套34至少也在流动构造体24和出口开口14之间沿流动方向布置。更具体地讲，冷却剂夹套从流动构造体24之前沿着喷嘴10的延伸部延伸直到接近出口开口14。

冷却剂夹套34被构造成容纳经由箭头以符号指示的液体冷却剂36。冷却剂夹套34围绕流动部分18的壁38。冷却剂夹套34以这种围绕方式沿流动方向22从流动构造体24之前延伸至出口开口14附近。

冷却剂夹套34被构造成使得冷却剂夹套34内的冷却剂流动方向40与煤/空气混合物的料流16的流动方向22相反。

喷嘴10包括呈管道形式的若干冷却剂供应管线42。冷却剂供应管线42各自具有靠近喷嘴10的入口开口12的入口44和进入冷却剂夹套34的出口46，其中出口46位于喷嘴10的出口开口14附近。冷却剂36离开冷却剂夹套34冷却剂出口管线48。在当前的实施方案中，冷却剂夹套34适于并被布置成与水一起用作冷却剂36。使用其它液体作为冷却剂36是可能的并且在本发明的范围内。

冷却剂夹套34包括热膨胀补偿接头50，该热膨胀补偿接头用于补偿喷嘴10的不同区段的不同热膨胀，这是由于在操作期间沿喷嘴10的温度分布不均匀。

热膨胀补偿接头50继而包括波纹管52。

当前实施方案中的喷嘴包括圆柱形区段54，以及沿流动方向22在圆柱形区段54后面的会聚锥形区段56，以及沿流动方向22在会聚锥形区段56后面的第一发散锥形区段58，以及沿流动方向22在第一发散锥形区段58后面的第二发散锥形区段60，其中所述第一发散锥形区段58具有第一发散角62，其高于第二发散锥形区段60的第二发散角64。

在当前实施方案中，流动部分18是无插件的。无插件是指这样的流动部分18或其一部分，其中在流动部分18的横截面中不存在将导致流动部分18的横截面积发生显著突然变化的插入件。如在图3中可见，存在延伸到流动部分18中的热元件66。然而，这些热元件66的尺寸如此小，使得它们不会导致流动部分18的横截面积发生显著的突然变化。因此，它们被认为不构成本发明含义内的插入件。然而，布置在流动部分18中的静态或动态混合器将被视为构成本发明含义内的插入件。

图4示出了类似于图1至图3的实施方案构造的实施方案。在图4的实施方案中，喷嘴10另外包括位于喷嘴10的流动部分18中的点火器68(示意性示出)。更具体地，在本实施方案中，点火器68位于流动构造体24和出口开口14之间。

图5示出了类似于图1至图3的实施方案构造的实施方案。在图5的实施方案中，喷嘴10的位于流动构造体24和出口开口14之间的流动部分18的壁38涂覆有涂层70(示意性示出)，该涂层包括适于催化煤与氧气的反应的催化剂72。

图6示出了类似于图1至图3的实施方案构造的实施方案。在图6的实施方案中，喷嘴包括枢转机构74(示意性示出)，该枢转机构允许出口开口14相对于入口开口12枢转。

显然，将点火器68与涂层70和/或枢转机构74组合，或者将涂层70与枢转机构74组合也在本发明的范围内。

在上述实施方案的操作中，将煤/空气混合物的料流16吹入入口开口12中，然后沿喷嘴10传播通过流动构造体24并随后降低其流动速度。要么煤/空气混合物的料流16由点火器68点燃，并且火焰前沿已由于该点火而位于喷嘴10内，并且由于流动构造体24后面的流动速度降低而留在那里，或者煤/空气混合物的料流16在喷嘴10的外部，即在其通过出口开口14之后被点燃。在后一情况下，由于流动构造体24后面的流动速度降低，火焰前沿传播到喷嘴10中并在喷嘴10的操作期间保持在流动构造体24和出口开口14之间。

由于火焰前沿位于喷嘴10内，因此煤或其它固体燃料的燃烧在富含燃料的环境中开始。在富含燃料的环境中的这种燃烧产生了与已经燃烧的煤/空气混合物的料流16一起运输的化学物质，并且减少了在喷嘴10外部发生的燃烧期间的NOx的形成。这总共导致在燃烧煤/空气混合物的料流16期间NOx形成显著降低。

辅助空气可沿喷嘴10的外部吹入并且可增强燃烧过程。

包含催化剂72的涂层70(如果存在的话)有利于火焰前沿在喷嘴10内的位置，因为它降低了开始煤与氧气之间的反应(即燃煤)所需的能量的量。

附图标号列表

10 喷嘴

12 入口开口

14 出口开口

16 煤/空气混合物的料流

18 流动部分

20 流动横截面

22 流动方向

24 流动构造体

26 最小流动横截面

28 第一膨胀部分

30 第二膨胀部分

32 冷却装置

34 冷却剂夹套

36 液体冷却剂

38 流动部分的壁

40 冷却剂流动方向

42 冷却剂供应管线

44 入口

46 出口

48 冷却剂出口管线

50 热膨胀补偿接头

52 波纹管

54 圆柱形区段

56 会聚的锥形区段

58 第一发散锥形区段

60 第二发散锥形区段

62 第一发散角

64 第二发散角

66 热元件

68 点火器

70 涂层

72 催化剂

74 枢转机构