一种超临界co2锅炉的分布式风幕装置
阅读说明：本技术 一种超临界co2锅炉的分布式风幕装置 (Supercritical CO2Distributed air curtain device of boiler ) 是由 林郁郁 张丰 顾明言 杨莉 徐中文 黄庠永 陈萍 伍佳佳 袁金燕 朱雨涵 阮晨杰 于 2020-11-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超临界CO_2锅炉的分布式风幕装置,属于锅炉燃烧技术领域。本发明包括：引风机构,其包括至少一台高速引风机,所述高速引风机的进口通过管道连接锅炉炉体；所述高速引风机抽取部分省煤器后的烟气；喷气机构,其包括主进风管、气流扁平狭缝喷嘴和分流管,所述主进风管一端连接高速引风机的出口,另一端连接分流管；所述分流管的端部连接气流扁平狭缝喷嘴,所述气流扁平狭缝喷嘴的出口正对燃烧器上部热负荷集中处垂直分布。本发明的超临界CO_2锅炉的分布式风幕装置,出风均匀,防止风膜长期贴附水冷壁墙体会对墙体产生风蚀导致的水冷壁墙体寿命缩短,可用于超临界CO_2锅炉的多种燃烧器布置条件中。(The invention discloses supercritical CO 2 Distributed air curtain device of boiler belongs to boiler combustion technology field. The invention comprises the following steps: the air inducing mechanism comprises at least one high-speed induced draft fan, and the inlet of the high-speed induced draft fan is connected with the boiler body through a pipeline; the high-speed induced draft fan extracts smoke behind part of the coal economizer; the air injection mechanism comprises a main air inlet pipe, an airflow flat slit nozzle and a flow dividing pipe, wherein one end of the main air inlet pipe is connected with an outlet of the high-speed induced draft fan, and the other end of the main air inlet pipe is connected with the flow dividing pipe; the end part of the flow dividing pipe is connected with an airflow flat slit nozzle, and an outlet of the airflow flat slit nozzle is vertically distributed right opposite to the upper heat load concentrated part of the combustor. Supercritical CO of the invention 2 Distributed air curtain device of boiler, air-out is even, prevents that wind film from long-term attached water-cooling wall body can be to wallThe service life of the water wall body is shortened due to wind erosion generated by the body, and the method can be used for supercritical CO 2 Various burner arrangement conditions of the boiler.)
技术领域
本发明属于锅炉燃烧技术领域，更具体地说，涉及一种超临界CO2锅炉的分布式风幕装置。
背景技术
目前由于材料的耐压耐温性的限制，传统蒸汽锅炉的蒸汽温度及压力不能有很大程度的提升，造成传统蒸汽锅炉效率的提升进入了非常缓慢的阶段。超临界CO2锅炉在中等温区相对于蒸汽朗肯循环有更高的循环效率，并且配套的透平体积小，整体结构紧凑越来越受到国内外研究者的关注。然而由于超临界CO2锅炉内工质物化性质发生了变化，传热性能较常规蒸汽锅炉低，平均吸热温度较常规蒸汽锅炉高，尤其在水冷壁入口处，工质温度高，在炉膛热负荷集中区域极易发生水冷壁超温现象，引发水冷壁开裂甚至爆管，造成安全隐患和经济损失。
为了解决上述的问题，经检索，如专利申请号：201310375338.0，申请日：2013年8月 26日，发明创造名称为：一种膜式水冷壁锅炉防高温腐蚀结焦的装置，该装置在锅炉水冷壁侧墙上与炉膛主燃烧区相对应的区域内均匀布置多个风帽式喷嘴，在锅炉水冷壁侧墙外壁上设置为所有风帽式喷嘴提供风源的侧墙风箱，从锅炉主风道中引出一部分二次风进入到侧墙风箱中，并通过若干个风帽式喷嘴紧贴锅炉水冷壁侧墙内壁平行喷出，在锅炉水冷壁侧墙内壁形成贴壁风保护膜，从而避免锅炉高温腐蚀和结焦。其装置主要包括设置在锅炉水冷壁侧墙上的风帽式喷嘴，其伸入炉内一端沿周向均匀设计若干个喷射口。该装置的不足之处是：风帽式喷嘴设置于水冷壁之间的空隙处，喷嘴出风不够均匀，并且风膜长期贴附水冷壁墙体会对墙体产生风蚀，减少水冷壁墙体寿命。
再如专利申请号：202010238298.5，申请日：2020年3月20日，发明创造名称为：一种用于前后墙对冲燃烧锅炉防止水冷壁高温腐蚀的高效贴壁风系统及方法，包括热二次风管道、增压风机、若干贴壁风风箱、若干贴壁风支管及若干贴壁风喷嘴；一个贴壁风风箱对应一个贴壁风支管及一个贴壁风喷嘴，热二次风管道经增压风机与各贴壁风风箱的入口相连通，各贴壁风风箱的出口经对应的贴壁风支管与锅炉侧墙上对应的贴壁风喷嘴相连通，所有贴壁风喷嘴分为两组，其中一组贴壁风喷嘴位于锅炉的左侧墙上，另一组贴壁风喷嘴位于锅炉的右侧墙上，贴壁风支管上设置有调节阀。该系统的不足之处是：只针对布置了对冲燃烧器的锅炉，应用范围并不广泛；喷嘴布置只有左壁与右壁，无法保护所有水冷壁。
综上所述，如何针对超临界CO2锅炉设计一种出风均匀，防止风膜长期贴附水冷壁墙体会对墙体产生风蚀导致的水冷壁墙体寿命缩短的系统，是急需待解决的问题。
发明内容
1、发明要解决的技术问题
针对防止水冷壁超温系统中喷嘴出风不均匀且气流与水冷壁平行造成墙体风蚀的技术问题，本发明提供一种超临界CO2锅炉的分布式风幕装置，该装置出风均匀，防止风膜长期贴附水冷壁墙体会对墙体产生风蚀导致的水冷壁墙体寿命缩短。
2、技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种超临界CO2锅炉的分布式风幕装置，设置在炉墙与水冷壁之间间隙处用于冷却水冷壁，包括引风机构和喷气机构，所述引风机构包括高速引风机，所述高速引风机的进口通过管道连接锅炉炉体；所述高速引风机抽取部分省煤器后的烟气，所述喷气机构包括主进风管和分流管，所述主进风管一端连接高速引风机的出口，另一端连接分流管，所述喷气机构还包括气流扁平狭缝喷嘴，所述分流管的端部连接气流扁平狭缝喷嘴，所述气流扁平狭缝喷嘴的出口正对燃烧器上部热负荷集中处垂直分布。
本发明的分布式风幕装置利用电源和烟气管道与主进风管道的阀门开关，实现进风的控制；同时高速引风机是可调的，这样同样可以控制风速。
更进一步地，所述锅炉炉体有四面炉墙，包括相对的两个宽面和相对的两个窄面，气流扁平狭缝喷嘴在宽面上等距离间隔分布，在窄面上并排分布，所述燃烧器采用双四角切圆燃烧器，分布在宽面炉墙气流扁平狭缝喷嘴的间隔处，所述气流扁平狭缝喷嘴与燃烧器的距离满足以下关系：对于燃烧器之间的喷嘴，燃烧器与气流扁平狭缝喷嘴之间的距离W1满足关系式W1＝L1-L1/2(K1+K2)，其中，L1为相邻燃烧器之间的距离，Q为循环烟气流量，K1是与循环烟气量Q相关的无量纲系数，K2是与喷口伸入炉膛深度H1有关的无量纲系数；对于未分布燃烧器的墙面，气流扁平狭缝喷嘴的宽度W2满足关系式W2＝L2/(K1+K2+K3)，其中L2为未分布燃烧器炉墙之间的距离，K3为未分布燃烧器炉墙内壁至邻面燃烧器的垂直距离H2有关的无量纲参数。
更进一步地，所述气流扁平狭缝喷嘴由喷口以及导流板组成，喷口为特斯拉阀状；所述导流板均匀设置在喷口的出口前端，且平行于气流的流向方向。
更进一步地，所述导流板在管道弯折处使用钛合金耐磨钢，其余直管段使用普通钢材，导流板的外形为长方形，其截面的形状为楔形。
更进一步地，所述导流板上沿气流方向均设有凹槽，凹槽的深度为0.2-0.4mm，凹槽内侧形成有WC耐磨层。
更进一步地，所述分流管的管径d满足关系式：D＝(4Q/ρu)1/2，其中，Q为循环烟气量，ρ为循环烟气密度，u为分流管中烟气流速，其材质为耐磨耐高温金属，外部包裹有保温材料，为岩棉或玻璃棉。
更进一步地，所述主进风管的管径D与所述分流管(320)的管径d满足关系式：D＝(1.2-1.5)d，其材质为耐磨耐高温金属。
更进一步地，所述高速引风机为离心风机，为一台及以上。
3、有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的超临界CO2锅炉的分布式风幕装置，气流狭缝喷嘴与水冷壁之间有一定距离，出风均匀，出风方向垂直于水冷壁，防止风膜长期贴附水冷壁墙体会对墙体产生风蚀导致的水冷壁墙体寿命缩短，可用于超临界CO2锅炉的多种燃烧器布置条件中；
(2)本发明的超临界CO2锅炉的分布式风幕装置，采用分布式风幕，可根据具体炉膛结构在不影响燃烧器正常燃烧的情况下灵活分布。在炉膛壁面热负荷区域较大并且炉内燃烧环境允许的情况下(即不影响正常燃烧环境)可采用多级布置，共同调控炉膛避免超温；
(3)本发明的超临界CO2锅炉的分布式风幕装置，利用高速引风机引出烟气从高速气流扁平狭缝喷嘴喷出，在水冷壁上形成风幕，通过调整喷嘴风速能够有效阻隔或者延缓热量向水冷壁传递，避免水冷壁超温；
(4)本发明的超临界CO2锅炉的分布式风幕装置，对于炉体较大的锅炉燃烧时热负荷集中区域较大，可在炉体垂直方向不同位置设置多个喷嘴，保证热负荷集中区域的气流速度与阻隔效果；
(5)本发明的超临界CO2锅炉的分布式风幕装置，高速气流在热负荷较高处流动时会带动部分周围气流，减少部分燃料在高温区停留时间，有利于降低热力型NOx的生成；在气流流速较小处，流动的气流会扰动周围热力场，增强传热；
(6)本发明的超临界CO2锅炉的分布式风幕装置，喷出的气流周围可以卷携部分炉膛热负荷集中处的热量，能够均匀炉膛热负荷。
附图说明
图1为本发明的超临界CO2锅炉的分布式风幕装置的结构示意图；
图2为本发明的高速气流扁平狭缝喷嘴整体结构俯视图；
图3为本发明的炉内部分沿A-A截面的截面图；
图4为本发明的导流板的结构示意图。
图中标记说明：
100、锅炉炉体；
200、燃烧器；
300、喷气机构；310、主进风管；320、分流管；330、气流扁平狭缝喷嘴；340、导流板；341、凹槽；
400、省煤器；
500、高速引风机；
600、进气控制阀。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
如图1至图4所示，图中的箭头表示烟气的行径方向，本实施例的超临界CO2锅炉的分布式风幕装置，设置在炉墙与水冷壁之间间隙处用于冷却水冷壁，包括：引风机构，其包括至少一台高速引风机500，所述高速引风机500的进口通过管道连接锅炉炉体100，管道上设有进气控制阀600；所述高速引风机500抽取部分省煤器400后的烟气；喷气机构300，其包括主进风管310、气流扁平狭缝喷嘴330和分流管320，所述主进风管310一端连接高速引风机500的出口，另一端连接分流管320；所述分流管320的端部连接气流扁平狭缝喷嘴330，所述气流扁平狭缝喷嘴330的出口正对燃烧器200上部热负荷集中处垂直分布。省煤器400 后的烟气管道处引风，此处烟气具有一定温度，通入炉膛后可以减少炉膛热量损失，并且可以提供部分烟气循环所需烟气。
如图2所示，图中的箭头表示烟气的行径方向，本实施例的超临界CO2锅炉的分布式风幕装置，其基本结构在于，所述燃烧器200采用双四角切圆燃烧器，所述分流管320一端连接主进风管310，另一端连接气流扁平狭缝喷嘴330，所述锅炉炉体100有四面炉墙，包括相对的两个宽面和相对的两个窄面，与现有技术不同之处在于，气流扁平狭缝喷嘴330在宽面上等距离间隔分布，在窄面上并排分布。所述燃烧器200分布在炉墙宽面气流扁平狭缝喷嘴 330的间隔处，气流扁平狭缝喷嘴330与燃烧器200的距离满足以下关系：对于燃烧器200之间的气流扁平狭缝喷嘴330，燃烧器200与气流扁平狭缝喷嘴330之间的距离W1满足关系式W1＝L1-L1/2(K1+K2)，其中，L1为相邻燃烧器200之间的距离，Q为循环烟气流量， K1是与循环烟气量Q相关的无量纲系数，K2是与喷口伸入炉膛深度H1有关的无量纲系数；对于未分布燃烧器200的墙面，气流扁平狭缝喷嘴330的宽度W2满足关系式W2＝L2/ (K1+K2+K3)，其中L2为未分布燃烧器200炉墙之间的距离，K3为未分布燃烧器200炉墙内壁至邻面燃烧器200的垂直距离H2有关的无量纲参数。本发明的风幕气流扁平狭缝喷嘴 330与燃烧器200保持一定距离，避免对燃烧器200的正常燃烧产生较大影响，及因风幕的低温烟气导致燃烧器出现结渣或者熄火等有害现象，并且分布式风幕可根据具体炉膛结构在不影响燃烧器200正常燃烧的情况下灵活分布。在炉膛壁面热负荷区域较大并且炉内燃烧环境允许的情况下(即不影响正常燃烧环境)可采用多级布置，共同调控炉膛避免超温。
进一步的，所述气流扁平狭缝喷嘴330由喷口以及导流板340组成，喷口为特斯拉阀状，气流可以在喷口处进一步提升流速；所述导流板340均匀设置在喷口的出口前端，且平行于气流的流向方向。
在本实施例中，所述导流板340在管道弯折处使用钛合金耐磨钢，其余直管段使用普通钢材，导流板的外形为长方形，其截面的形状为楔形。
此外，所述的高速引风机500为离心风机，增大整体气流流速。
在本发明中，分流管320的管径较为重要，直接影响锅炉的冷却，所述分流管的管径d 满足关系式：D＝(4Q/ρu)1/2，其中，Q为循环烟气量，ρ为循环烟气密度，u为分流管320中烟气流速，其材质为耐磨耐高温金属，外部包裹有保温材料，为岩棉或玻璃棉。
在本实施例中，所述主进风管310的管径D与所述分流管320的管径d满足关系式：D＝ (1.2-1.5)d，其材质为耐磨耐高温金属。例如，在本实施例中，优选的，所述主进风管310的管径D＝1.2d。
在正常使用过程中，发明人发现，导流板340表面磨损较为严重，烟气中含有的少量烟尘对导流板340的楔形头部外表面造成冲刷，从而加速导流板340的磨损，因此发明人尝试了几种方式，例如在导流板340表面直接喷涂WC耐磨层，但是效果并不尽人如意。通过大量的试验和分析，发明人结合流体力学的内容，在导流板340上沿气流方向均设有凹槽341，凹槽341的深度为0.2-0.4mm，凹槽341内侧形成有WC耐磨层，WC耐磨层的厚度为0.1mm，采用静电喷涂，在经过一段时间的使用后发现，导流板340的磨损在相同时间内比直接喷涂耐磨层的效果好。发明人分析可能的原因是，在特斯拉阀状的喷口作用下，以及导流板340设计凹槽341，烟气会形成局部的涡流，烟气涡流在行进过程中遇到凹槽341，凹槽341的设置可以使得大部分运动的烟尘颗粒积聚在凹槽341内侧，并沿凹槽341内部运动，由于凹槽341内侧形成了WC耐磨层，磨损相对较小，而非凹槽341部分的导流板340头部只通过烟气，同样磨损较小，这样可以有效减小导流板340的磨损。
需要说明的是，导流板340和分流管320用于使喷嘴出风均匀，狭缝喷嘴用于喷出高速气流。高速引风机500抽取5％-10％主进风管310固定于炉墙上，当主进风管310炉墙内壁后分成多份分流管320至喷嘴处，烟气在通过主进风管310进入炉墙内部后由于水冷壁在水平截面不同位置的热负荷不同，先通过分流管320先进行一次分配，当气流到达喷嘴处时，经导流板340使喷嘴出风均匀。高速气流扁平狭缝喷嘴330设置于燃烧器200上部热负荷集中处，高速引风机500抽取部分省煤器400后的烟气从高速气流扁平狭缝喷嘴330处形成风幕，阻断或者延缓热负荷集中区域的热量向水冷壁传递，避免水冷壁超温，当气流流过炉膛热负荷较高处后，速度减缓便不再阻碍炉膛热量向水冷壁传递。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
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