燃燒器區域變截面適應靈活性調峰的煤粉鍋爐爐膛的製作方法

2023-05-02 05:55:11

本實用新型屬於鍋爐領域，尤其涉及煤粉鍋爐爐膛。

背景技術：

大型常規煤粉鍋爐(指煤粉氣流和助燃劑送入方向與爐膛內煙氣流向垂直的煤粉鍋爐，與之對應的是的拱式燃燒鍋爐)採用的爐型主要有П型布置和塔型布置，也有少數T型鍋爐。與之匹配的燃燒方式有牆式燃燒和切向燃燒，其中牆式燃燒又包括單側的牆式燃燒和對衝燃燒，切向燃燒包括單切圓和雙切圓燃燒方式。現有常規煤粉鍋爐都採用燃燒區域等截面積爐膛結構。

對於附圖1所示的典型П型布置鍋爐，圖中豎直向上箭頭為煙氣流動方向，爐膛水冷壁和頂棚等部件包圍的空腔稱為爐膛，在爐膛出口及以後的煙道中布置有過熱器、再熱器等各種受熱面。在爐膛下部，前後牆水冷壁傾斜一定角度組成冷灰鬥，在冷灰鬥底部，留有間隙作為排渣出口。爐膛上部，有時會將後牆水冷壁彎曲成一個向爐膛內突出的形狀，稱為折焰角。在爐膛下部布置了燃燒設備，包括燃燒器、風箱、燃盡風調風器、燃盡風箱等，燃燒所需的燃料及空氣或氧氣等助燃劑從燃燒設備送入爐膛，並在爐膛內發生熱解、氣化、燃燒等一系列反應，釋放出燃料的化學能，生成高溫煙氣。隨後高溫煙氣的熱量被水冷壁等受熱面吸收。

對於附圖2所示的典型塔型布置鍋爐，圖中豎直向上箭頭為煙氣流動方向，除了爐內受熱面布置型式，其爐膛結構與П型布置鍋爐是相似的。

無論哪種布置型式和燃燒方式，常規煤粉鍋爐下部爐膛(本專利中指爐膛屏區受熱面以下部分的爐膛)均由四面垂直的水冷壁組成，各層燃燒器位置的爐膛截面積均相等。在爐膛底部，水冷壁前後牆傾斜一定角度形成冷灰鬥。冷灰鬥底部有間隙作為排渣口。

隨著國家能源局發布《關於下達火電靈活性改造試點項目的通知》的要求，要進一步增加機組的調峰能力，即供熱機組增加20％額定容量的調峰能力，最小技術出力達到40％-50％額定容量；純凝機組增加15％-20％額定容量的調峰能力，最小技術出力達到30％-35％額定容量，要求機組不投油穩燃時純凝工況最小技術出力達到20％-25％，針對鍋爐而言則需要滿足20-25％BMCR不投油穩燃負荷的要求，並長期穩定運行，而現有常規煤粉鍋爐爐膛型式和燃燒器布置雖然技術很成熟，但要滿足20-25％BMCR不投油穩燃負荷還是存在一定的風險。

1)現有鍋爐方案設計時均需要考慮滿負荷的煤種適應能力和防結渣能力，因此鍋爐爐膛熱力指標取的較低，因此在投運單臺磨/單層燃燒器時，整個爐膛溫度水平和環境溫度較低，難以實現單臺磨穩燃，通常需要2臺磨相互配合，才能達到30％BMCR的穩燃能力；

2)由於現有技術下層燃燒器區域燃燒強度較低，爐膛溫度不夠高，使下層燃燒器送入的煤粉燃盡率偏低，降低了鍋爐效率；

3)鍋爐點火升負荷期間是逐臺投入磨煤機的，一般先投運與下層燃燒器對應的磨煤機，如果爐膛溫度不夠高，煤粉進入爐膛不會點燃，因此在投入煤粉之前往往要先投入輔助燃料油或者天然氣使爐膛內溫度升高到允許投煤的條件，由於現有技術爐膛溫度升高緩慢，這樣就造成大量燃油或天然氣的消耗，使每次啟動的成本居高不下。

4)由於冷灰鬥的傾斜角度有一定要求，一般不小於55度，使得現有技術冷灰鬥高度很大。因煤粉燃盡需要在爐膛內有合理的停留時間，對上層燃燒器到爐膛出口的距離也有要求。這兩個因素造成了鍋爐高度很大，鍋爐製造成本高。

5)冷灰鬥下半部分的煙氣溫度低，造成這個區域的水冷壁換熱強度低，受熱面利用不充分。

6)現有爐膛型式斷面積大，下組燃燒器區域煙氣溫度低，煤粉氣流加熱速度更慢，不利於揮發份快速析出，NOx控制不夠理想。研究表明，使煤中的揮發份快速析出有利於降低NOx生成，揮發份快速析出需要高的溫度，因此普遍採用製造回流區，讓回流的煙氣加熱煤粉氣流的技術，但是回流煙氣的溫度與爐膛內的燃燒溫度相關，在下組燃燒器區域不易獲得理想的高溫回流煙氣；另一方面，現代鍋爐普遍採用空氣深度分級技術降低NOx的排放，燃燒區域供應的空氣比煤粉完全燃燒所需的空氣量少時，也就是形成還原性氣氛時，NOx會被還原成N2，NOx的生成量會降低。在還原性氣氛下，根據阿累尼烏斯定律，提高煙氣溫度能加快還原反應速度，減少NOx生成。現有爐膛結構的下組燃燒器區域煙氣溫度較低，還原反應速度受到抑制，該區域的NOx不能得到充分還原。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於：提出一種燃燒區變截面積爐膛結構，以解決現有常規煤粉鍋爐爐膛型式存在的上述問題，特別是單臺磨穩燃的能力，可使鍋爐達到單臺磨穩燃，達到20％BMCR的不投油穩燃能力。

本實用新型目的通過下述技術方案來實現：

一種燃燒器區域變截面適應靈活性調峰的煤粉鍋爐爐膛，不同燃燒器層的爐膛截面積不完全相同，燃燒器區域的爐膛截面積沿煙氣流向逐漸擴大。

本專利中，所述「燃燒器區域的爐膛截面積沿煙氣流向逐漸擴大」並不限制要求爐膛截面積必須隨煙氣流向嚴格遞增，而是只需要總體上遞增即可，即允許部分爐膛截面積隨煙氣流量不變。

作為選擇，在爐膛燃燒器區域設置一級或多級斜坡段，形成變截面積爐膛，斜坡段與冷灰鬥之間直連或垂直段過渡，斜坡段設置在某一面水冷壁，或者設置在多面水冷壁。作為一種變截面的方式，本方案中採用一級或多級斜坡段，形成變截面積爐膛。

作為選擇，斜坡段可以是前後牆或左右側牆對稱的，也可以是不對稱的。但優先採用對稱布置。

作為選擇，各斜坡段之間由垂直段過渡，燃燒器可以安裝在垂直段水冷壁上，也可以安裝在斜坡段。優先安裝在垂直段，減少噴口上端結渣。

作為選擇，變截面段爐膛截面積與其下遊燃燒器對應的爐膛截面積比值為0.7～0.95。該方案中，特定控制變截面段爐膛截面積與其下遊燃燒器對應的爐膛截面積比值，若太小可能造成局部易結渣，更優選0.75～0.9。

作為選擇，爐膛立式布置，斜坡段與煙氣流向的傾斜角度夾角在5～35°範圍，可避免本專利的斜坡段積灰或堆渣，更優選15～35°。若爐膛為臥式布置(煙氣橫向經過爐膛，燃燒器沿水平分布)，此斜度不做限制。

作為選擇，燃燒器的煙氣下遊設置有一層或多層燃盡風。

本專利的爐膛深度減小，冷灰鬥高度可相應減小，比傳統技術可降低1～5米，在相同煤粉停留時間條件下，本專利鍋爐的高度比常規鍋爐降低，節約了鍋爐製造成本。如果採用與常規爐膛相同的高度，在下組燃燒器與冷灰鬥距離相同的條件下，新型爐膛結構鍋爐的燃燒器標高可以降低，煤粉在爐內的燃燒時間更長，鍋爐效率更高。

前述本實用新型主方案及其各進一步選擇方案可以自由組合以形成多個方案，均為本實用新型可採用並要求保護的方案；且本實用新型，(各非衝突選擇)選擇之間以及和其他選擇之間也可以自由組合。本領域技術人員在了解本實用新型方案後根據現有技術和公知常識可明了有多種組合，均為本實用新型所要保護的技術方案，在此不做窮舉。

本實用新型的有益效果：本專利的創新點在於進入過熱器/再熱器之前的爐膛區域採用多級布置，因此該結構既適用於П型鍋爐，也適用於塔型鍋爐/T型鍋爐，既適用於立式布置鍋爐，也適用於臥式布置鍋爐。新型變截面爐膛結構提高了爐膛下部的燃燒強度，優先應用於燃高灰熔點燃料的固態排渣鍋爐。採用本專利的爐膛結構，可以解決現有爐膛型式存在的問題，有以下有益效果：

1)新型爐膛使下組燃燒器區域的燃燒強度加強，煙氣溫度提高，低負荷穩燃能力提高，最低穩燃負荷比現有技術可降低10％BMCR，可實現單臺磨穩燃，實現機組20％BMCR工況的不投油穩燃能力，滿足機組靈活性調峰的要求。

2)由於鍋爐低負荷穩燃能力提高，機組啟停階段消耗的輔助燃料或能源減少，降低了電廠運行成本。

3)提高了下層燃燒器區域的爐膛煙氣溫度，送入爐膛的煤粉燃盡率提高，鍋爐效率得以改善。

4)本專利相對現有技術冷灰鬥高度可減小，在相同煤粉停留時間條件下，鍋爐的高度比常規鍋爐降低，節約了鍋爐製造成本。如果採用與常規爐膛相同的高度，在下組燃燒器與冷灰鬥距離相同的條件下，新型爐膛結構鍋爐的燃燒器標高可以降低，煤粉在爐內的燃燒時間更長，鍋爐效率更高。

5)冷灰鬥比常規鍋爐小，爐膛內水冷壁受熱面利用更充分。

6)下組燃燒器區域的煙氣溫度提高，由於採用空氣分級燃燒技術，該區域為欠氧區，還原反應速度隨溫度升高而加快，強化了NOx還原，減少燃料型NOx的生成。回流煙氣溫度高促進了煤中更多的揮發份析出，也有利於NOx控制。由於燃料型NOx佔總NOx的70％以上，下組燃燒器區域的煙溫適當提高但不足以使熱力型NOx飛升，因此總的NOx會比常規爐膛降低。

附圖說明

圖1是常規П型煤粉爐爐膛結構示意圖；

圖2時常規塔式煤粉鍋爐爐膛結構示意圖；

圖3是本實用新型實施例1的結構示意圖；

圖4是本實用新型實施例2的結構示意圖；

圖5是本實用新型實施例3的結構示意圖；

圖6是本實用新型實施例4的結構示意圖；

其中1爐膛、2爐膛出口及以後的煙道、3排渣出口、10爐膛水冷壁、20斜坡段、30頂棚、50受熱面、11冷灰鬥、12折焰角、101燃燒器、102風箱、103燃盡風調風器、104燃盡風箱。

具體實施方式

下列非限制性實施例用於說明本實用新型。

實施例1：

參考圖3所示，一種燃燒器區域變截面適應靈活性調峰的煤粉鍋爐爐膛，不同燃燒器層的爐膛截面積不完全相同，燃燒器區域的爐膛截面積沿煙氣流向逐漸擴大(即A2<A1<A0)，變截面段爐膛截面積與其下遊燃燒器對應的爐膛截面積比值為0.75～0.95(即A2:A0＝0.75～0.95，A1:A0＝0.75～0.95)。作為優選，在爐膛燃燒器區域設置一級或多級斜坡段，形成變截面積爐膛，斜坡段與冷灰鬥之間直連或垂直段過渡，斜坡段設置在某一面水冷壁，或者設置在多面水冷壁。如本實施例圖3所示，П型煤粉爐爐膛，在爐膛燃燒器區域設置一級斜坡段，斜坡段與冷灰鬥之間直連，斜坡段前後牆對稱布置。斜坡段與煙氣流向(圖中為豎直向上方向)的傾斜角度夾角在5～35°範圍。燃燒器包括布置於變截面段爐膛的2層燃燒器，以及之上的1層上層燃燒器(下遊燃燒器)。燃燒器的煙氣下遊設置有一層燃盡風。

實施例2：

參考圖4所示，本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：在爐膛燃燒器區域設置2級斜坡段，形成變截面積爐膛，斜坡段與冷灰鬥之間垂直段過渡，各斜坡段之間由垂直段過渡，變截面段爐膛的2層燃燒器安裝在垂直段水冷壁上，其上還有1層上層燃燒器(下遊燃燒器)。

實施例3：

參考圖5所示，本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：在爐膛燃燒器區域設置1級斜坡段，形成變截面積爐膛(即A1<A0，且A1:A0＝0.75～0.95)，斜坡段與冷灰鬥之間垂直段過渡，變截面段爐膛的1層燃燒器安裝在垂直段水冷壁上，其上還有2層上層燃燒器(下遊燃燒器)。

實施例4：

參考圖6所示，本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：為塔式煤粉爐爐膛，在爐膛燃燒器區域設置2級斜坡段，形成變截面積爐膛，斜坡段僅設置在前牆。斜坡段與冷灰鬥之間垂直段過渡，變截面段爐膛的2層燃燒器安裝在垂直段水冷壁上，其上還有1層上層燃燒器(下遊燃燒器)。

應用示例：

以660MW燃高灰熔點煤的超臨界牆式對衝燃燒煤粉鍋爐為例，結合附圖1、5說明如下：

1)常規設計(圖1)：

爐膛寬約22米，爐膛深15.5米，冷灰鬥傾斜角度(與水平夾角)為55°，爐膛截面面積約340平方米。配6臺磨煤機，每臺磨煤機匹配6隻燃燒器，燃燒器層間距約4.5米，燃燒器單只功率～50MW，燃燒器口徑約1100mm，火炬長度不超過4倍燃燒器口徑，即～4.5米，啟動時先投對應下層燃燒器的磨煤機，一臺磨煤機對應斷面熱負荷為0.882MW/m2，滿負荷時爐膛斷面熱負荷為4.41MW/m2。可見啟動階段斷面燃燒強度比滿負荷時有很大差距。

2)本專利方案設計(圖5)：

第二層燃燒器以上爐膛斷面與常規設計相同，仍為22米寬，15.5米深。在下層燃燒器與第二層燃燒器之間設置一高度為2米、傾斜角度為60°的斜坡(斜坡段與煙氣流向的夾角為30°)，下層燃燒器位置的爐膛深度為13.19米，深度減小了2.31米，爐膛深度仍可滿足前後牆獨立火炬不互相干擾，爐膛斷面積減小為上層燃燒器斷面的85％。下層燃燒器到冷灰鬥拐點的距離按與常規設計相同設計，冷灰鬥高度減小了1.649米。對應一臺磨的斷面熱負荷為1.036MW/m2，比常規設計方案提高了18％，穩燃能力大大增強。變截面區域爐膛煙溫比傳統技術提高50～100℃」和「氮氧化物降低10％。在維持相同燃燒效率的情況下，爐膛高度可降低至少1米，鍋爐成本可降低約100萬元。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。