一種均流多角切圓煤粉解耦燃燒裝置和燃燒方法與流程
2023-12-01 16:57:21
本發明涉及煤粉燃燒設備領域，具體地，本發明涉及一種均流多角切圓煤粉解耦燃燒裝置和燃燒方法。
背景技術：
煤粉燃燒的效率與nox的排放存在較難克服的耦合問題。煤粉高溫高氧條件下燃燒有利於燃盡，但會增加的氮氧化物nox生成；反之，低溫低氧燃燒有利於抑制nox生成，但煤粉更不易燃盡。
目前空氣分級燃燒技術是煤粉鍋爐最有效的低nox燃燒技術。宏觀空氣分級燃燒技術主要採用增加燃盡風和到主燃燒區的距離，來控制爐膛內還原性氣氛和還原性氣氛的區域範圍，但使得富氧燃盡階段拖後，反應活性更低的焦炭的燃燒溫度和燃燒時間縮短，致使飛灰可燃物的含量增高，鍋爐效率下降。同時爐膛中大範圍還原性氣氛也使得爐膛結焦和水冷壁的高溫腐蝕機率增加。
為解決煤粉燃燒效率與nox排放的耦合問題，專利(專利申請號：201110374539x)提出一種多角切圓煤粉解耦燃燒技術方案。該專利採用多尺度方法，細化了空氣分級，強化了較小尺度和中等尺度的空氣分級燃燒，減少了對較大尺度宏觀空氣分級燃燒的依賴，可在降低nox排放的同時確保燃燒效率和提高穩燃能力。該方案對燃用低揮發份和低熱值等難燃煤時，效果更突出。
但該方案在實際應用中還存在一些不足。相比傳統四角切圓燃燒煤粉爐，所述專利(專利申請號：201110374539x)提出的方案雖然提高了一次風的集中布置程度，但其一次風和二次風採用分組相對應設置，一、二次風的混合相對集中，容易產生局部過氧高溫，不利於形成穩定均勻的還原性氣氛抑制nox的生成。
相對傳統四角切圓燃燒煤粉爐，由於所述專利的上下遊相鄰的噴口間距減小，且部分上遊噴口射流方向垂直於下遊噴口的射流方向，上遊氣流對下遊氣流的橫向推力增大，造成爐膛旋轉氣流切圓直徑過大，氣流和煤粉顆粒過多地集中在爐牆周圍，一方面容易造成爐牆結焦，另一方面爐膛的燃燒充滿度下降，爐膛中部利用下降。由於爐牆射流的較大偏轉和較少的角部二次風的射流引吸作用，該多角切圓燃燒方案在爐膛的爐牆附近和牆角區域的氣流上升速度均高於原四角切圓燃燒方式，爐膛中下部氣流向下流動量增加，下降速度較快，造成了爐渣比例和爐渣含碳量增大。
另外，針對低揮發分難燃煤的傳統空氣分級低氮燃燒，應在燃燒初期和爐膛下部採用更低的過量空氣係數，但過低的空氣量使得燃燒區燃燒強度降低，反應溫度降低，不利於穩定燃燒、提高燃燒速度和使氮儘快析出。
技術實現要素：
為了克服上述問題，本發明提出一種均流多角切圓煤粉解耦燃燒裝置。
本發明提供的均流多角切圓煤粉解耦燃燒裝置，該裝置包括多角切圓燃燒爐膛，所述多角切圓燃燒爐膛包括爐膛角牆和爐膛側牆、多角切圓燃燒爐膛爐牆上的多列沿高度方向設置的一次風噴口、點火二次風噴口和燃盡風噴口，
所述的一次風噴口的寬高比為1.5～3；所述一次風噴口間不設置二次風噴口，相鄰的一次風噴口間的中心距為噴口高度的1.5～3倍；
最下部的一次風噴口的下方設置點火二次風噴口；最上方的一次風噴口的上方間隔一定距離設置燃盡風噴口，燃盡風噴口與最上方的一次風噴口的中心距大於一次風噴口高度的2倍；
每列一次風噴口的下遊側均平行布置有一列二次風噴口，相鄰的二次風噴口的中心距為二次風噴口高度的1.2～4倍；最下方的二次風噴口的高度不低於點火二次風噴口；最上方的二次風噴口的高度高於最上方的一次風噴口，低於燃盡風噴口。
所述一次風噴口採用集中布置方式，一次風噴口間不設置二次風噴口，一次風噴口間的中心距為噴口高度的1.5～3倍。最下部兩個一次風噴口的間距根據煤種確定，如對於不易著火的煤，最下部一次風噴口中心距小於噴口高度的2倍；
作為一種改進，所述一次風噴口、點火二次風噴口和燃盡風噴口採用氣流流向不垂直於爐牆的傾斜布置，以形成較小的假想切圓直徑，且一次風噴口形成的假想切圓直徑不大於二次風噴口的假想切圓直徑；或者一次風噴口形成的假想切圓與二次風噴口的假想切圓旋向相反。
作為上述技術方案的一種改進，所述的二次風噴口採用能同時進行垂直上下擺動和左右擺動的結構。如所述的二次風噴口採用一套獨立的可同時進行垂直上下擺動和左右擺動的結構，水平擺動採用現場手動調節，垂直擺動採用遠程電動調節。
作為上述技術方案的一種改進，所述的一次風噴口設有冷卻助燃風噴口，冷卻助燃風噴口設置在一次風噴口的背火側(旋轉氣流的下遊側)，冷卻助燃風環繞一次風噴口四壁流動後由冷卻助燃風噴口進入爐膛；所述冷卻助燃風噴口的調節擋板在全關閉位置留有間隙通流。各層一次風噴口的冷卻助燃風量視煤種調節，可保障與燃燒進程相適應的合理配風；每個噴口的冷卻助燃風的調節擋板在全關閉位置也留有間 隙通流，保障最小冷卻風流量。
作為上述技術方案的一種改進，所述冷卻助燃風噴口為變截面噴口，此處可採用噴口變截面和風道變截面兩種調節流量的方式以增強對噴口氣流速度的調節能力；所述冷卻助燃風噴口可與一次風噴口採用外殼一體化結構，便於製造和安裝。
作為改進，所述冷卻助燃風噴口與一次風噴口的氣流流向的水平夾角為0～30度，以控制一次風與冷卻助燃風的混合時機；
作為上述技術方案的一種改進，所述的點火二次風噴口內設置有大小兩隻點火油槍，或所述一次風噴口內部設置油槍或/或等離子點火裝置。例如所述的點火二次風噴口內可設置大小兩隻點火油槍，大小油槍可隨燃燒狀況切換投運，以達到節油的目的；對於優質易燃煤，點火二次風噴口內可不設置點火油槍，而在所述一次風噴口內部設置點火和助燃的小油槍或等離子點火裝置。
作為上述技術方案的一種改進，所述的多角切圓燃燒爐膛為四角切圓燃燒爐膛或八角切圓燃燒爐膛。
作為上述技術方案的一種改進，所述的每列二次風噴口設置於爐膛角牆上，對應地，所述的每列一次風噴口、點火二次風噴口及其燃盡風噴口設置於爐膛側牆上；或，所述的二次風噴口設置於爐膛側牆上，對應地，所述的每列一次風噴口、點火二次風噴口及其燃盡風噴口設置於爐膛角牆上；或，所述的每列一次風噴口、點火二次風噴口及其燃盡風噴口設置於爐膛側牆一側，並與設置於爐膛同一側牆上的二次風噴口彼此保持一定間隔。
由於爐膛中煙氣的旋轉上升運行，煙氣上遊和下遊是相對的，因而，上述二次風噴口作為中等尺度分級送風噴口可以布置在一次風噴口的上遊，也可布置在下遊，二次風噴口也可和對應的每列一次風噴口、點火二次風噴口及其燃盡風噴口都設置於爐膛側牆上，只要彼此保持一定間隔即可實現上下遊分級燃燒的目的，但二次風噴口設置在距離一次風噴口較近的下遊更有利於抑制爐牆的結焦和高溫腐蝕。
作為上述技術方案的一種改進，所述的一次風噴口採用煤粉解耦燃燒器。所述的點火二次風噴口採用一套獨立的進行水平左右擺動的結構；所述的燃盡風噴口採用一套獨立的同時進行水平左右擺動和垂直上下擺動的結構。
作為上述技術方案的一種改進，所述的燃盡風噴口採用單個噴口，或，採用上下或左右相鄰2個及以上的燃盡風噴口組成一組，各噴口獨立布置。燃盡風噴口也可僅設一個噴口，也可多個噴口採用上下或左右分散布置。
作為上述技術方案的一種改進，所述的燃盡風噴口和最上部一次風噴口間還設置有三次風噴口或乏氣噴口，以利於三次風或乏氣攜帶的煤粉在高溫區燃盡。
作為一種改進，三次風噴口或乏氣噴口可布置於一次風噴口之間。
作為上述技術方案的一種改進，所述各噴口的配風方式為：
流經所述二次風噴口的二次風比例佔二次風、冷卻助燃風和燃盡風總量的20％～80％；隨著燃煤的易燃性的增強，該風量可減小；若鍋爐爐膛的結焦狀況較重，可增大該風量；
流經所述點火二次風噴口的二次風比例佔二次風、冷卻助燃風和燃盡風總量的10％～30％；隨著燃煤的易燃性的增強，該風量可增大；
流經所述燃盡風噴口的燃盡風比例佔二次風、冷卻助燃風和燃盡風總量的10％～40％；隨著燃煤的易燃性的增強，該風量可減小；若要提高鍋爐主、再熱汽溫，則可增大該風量；若飛灰含碳量較大，可減小該風量；
流經冷卻助燃風噴口的冷卻助燃風量佔二次風、冷卻助燃風和燃盡風總量的5～40％，隨著燃煤的易燃性的增強，該風量可增大；若鍋爐爐膛的結焦狀況較重，可增大該風量。
本發明實現同時降低飛灰可燃物和nox排放的解耦燃燒過程是：
由各噴口進入爐膛的氣流在相互作用下在爐膛形成旋轉上升的氣流，一次風噴口攜帶煤粉進入爐膛燃燒，二次風噴口補充主要助燃空氣，冷卻助燃風噴口補充部分助燃空氣，燃盡風噴口補充燃盡空氣。
在較小尺度上，通過將多角切圓燃燒爐膛上的每列一次風噴口3採用集中布置方式，利用解耦燃燒器一次風噴口的高度濃縮和高速加熱特性，使燃燒器噴口射向爐膛的一次風氣流在前後分別形成強還原性和弱還原性燃燒區域，實現多區徑向前後分級燃燒，重點抑制揮發分氮向nox的轉化；
在中等尺度上，通過設置與一次風噴口有一定夾角的冷卻助燃風噴口，以及在所述的每列一次風噴口近側平行布置有一列二次風噴口，使得一次風噴口射流的上下遊前後分別形成強還原性區域和弱還原性或弱氧化性區域，實現多區水平左右分級燃燒，重點抑制焦炭氮向nox的轉化；
在宏觀尺度上，通過在大爐膛上部設置燃盡風噴口，使爐膛下部和上部分別形成還原性區域和氧化性區域，實現垂直上下空氣分級燃燒，同時抑制燃料型氮和熱力型氮的生成。
由於較小尺度和中等尺度空氣分級燃燒在煤粉揮發分氮和焦炭氮析出階段抑制了大部分氮氧化物的生成，可以減小對宏觀空氣分級的依賴，減小燃盡風量和距離爐膛下部主燃燒區的距離，從而提高了可燃物燃盡階段的燃燒溫度和時間，提高了燃燒效率。
另外，由於助燃風和二次風的均勻分布，助燃空氣及時與煤粉逐漸均勻擴散混合，精確控制了煤粉不同燃燒階段的燃燒氣氛，避免了二次風和燃盡風與可燃物的集中混合造成的局部高溫富氧，並使燃燒過程連續進行，不必設置獨立的反應速度較低的較長燃盡階段。
各噴口水平擺動可調節假想切圓的直徑，優化動力場，噴口垂直擺動可調節爐膛出口煙溫，從而調節鍋爐再熱蒸汽溫度等，燃盡風噴口水平擺動還可以調節爐膛出口煙氣的溫度偏差，確保受熱面的安全。
優選的，流經所述二次風噴口的二次風比例佔二次風、冷卻助燃風和燃盡風總量的20％～80％；
流經所述點火二次風噴口的二次風比例佔二次風、冷卻助燃風和燃盡風總量的10％～30％；
流經所述燃盡風噴口的燃盡風比例佔二次風、冷卻助燃風和燃盡風總量的10％～40％。
更優選的，流經冷卻助燃風噴口的冷卻助燃風量佔二次風、冷卻助燃風和燃盡風總量的5～40％。
本發明提供的多角切圓煤粉解耦燃燒裝置可根據煤粉燃燒特性和nox轉化規律，實現多尺度降低nox排放，並改進了先前多角切圓煤粉解耦燃燒裝置的不足：
1、在下遊二次風防止爐牆結焦的配合下，一次風噴口寬高比增大，增加了卷吸能力和近距離橫向剛性，提高了穩定燃燒和防止爐牆結焦能力；一次風噴口間不設置二次風噴口，可降低一次風總體安裝高度，煤粉初期易燃部分更集中，燃燒穩定性增強；通過控制助燃空氣和二次風量來控制爐膛下部區域燃燒強度，使得下部形成更為強烈的還原性氣氛；一次風噴口間不設置二次風，還使得上層一次風對下層一次風產生燃料再燃作用。
2、二次風噴口上部不設置燃盡風噴口，且與一次風噴口相對連續布置，使二次風與螺旋上升的一次風混合氣流及早均勻擴散混合，即有利於避免產生局部過氧和高溫環境，也可確保在適宜的還原性氣氛下使燃盡過程連續展開。
3、一次風噴口背火側設置冷卻助燃風噴口，即可防止置於高溫區的一次風噴口過熱燒損，又可根據煤質調節與燃燒進程相適應的合理配風，強化了水平空氣分級燃燒，並且均勻配風使燃燒連續性增強。
4、除最下層一次風噴口隨煤種調整距離外，其它一次風噴口間均留有適當間距，可增強一次風與高溫煙氣的混合，並減小一次風向火側與背火側的壓差，有利於提高穩定燃燒和防止爐牆結焦的能力。
5、動量較大的二次風採用可水平和垂直擺動的噴口，即保障可遠程電動調節汽溫，也有利優化動力場，控制氣流切圓直徑，減少爐膛中心的下降氣流量，減小爐渣比例和爐渣含炭量。
6、對於難燃煤，牆式二次風噴口內設容量大小不同的兩隻點火油槍，根據煤種和燃燒負荷分別控制兩隻油槍的投入，即可以集中點火能量提高點火區溫度，油槍全部置於最下部，也有利於對上部煤粉的傳熱和點火，提高燃盡度，同時減少助燃的耗油量，達到節油的目的。
7、本發明可有效解決燃用低灰熔點煤的易結焦問題，便於優化爐膛設計和燃燒控制；本發明可將一次風噴口設置在靠近火焰中心更近的爐牆，並具有高溫空氣燃燒的特點，對於低揮發難燃煤可顯著提高穩燃能力，降低nox的排放，即可採用直吹式系統，也可取代w型火焰爐等，顯著降低鍋爐、燃燒及制粉系統的造價。
附圖說明
圖1為本發明的一種均流多角切圓煤粉解耦燃燒裝置的俯視圖示意圖，
圖2是本發明的一種均流多角切圓煤粉解耦燃燒裝置局部膛爐牆上的噴口示意圖。
附圖標識
1、二次風噴口；2、爐膛角牆；3、一次風噴口；4、爐膛側牆；5、假想切圓；6、冷卻助燃風噴口；7、點火二次風噴口；8、點火油槍；9、燃盡風噴口。
具體實施方式
如下為本發明的實施例，其僅用對本發明的解釋而並非限制。
本發明提出一種均流多角切圓煤粉解耦燃燒裝置包括多角切圓燃燒爐膛，該多角切圓燃燒爐膛包括爐膛角牆2和爐膛側牆4、多角切圓燃燒爐膛爐牆上的多列沿高度方向設置的一次風噴口3、點火二次風噴口7和燃盡風噴口9。
所述的一次風噴口3的寬高比1.5～3；所述一次風噴口3採用集中布置方式，一次風噴口3間不設置二次風噴口，一次風噴口間的中心距為噴口高度的1.5～3倍，最下部兩個一次風噴口的間距根據煤種確定，不易著火的煤最下部一次風噴口中心距小於噴口高度的2倍；
最下部的一次風噴口3的下方設置點火二次風噴口7；最上方的一次風噴口3的上方間隔一定距離設置燃盡風噴口9，燃盡風噴口與最上方的一次風噴口3的中心距 大於一次風噴口高度的3倍；
所述的每列一次風噴口3的近側均平行布置有一列二次風噴口1，該列二次風噴口1的中心距為二次風噴口高度的1.2～4倍；最下方的二次風噴口1的高度不低於點火二次風噴口7；最上方的二次風噴口的高度高於最上方的一次風噴口3，低於燃盡風噴口9；
作為一種改進，布置在側牆上的噴口採用氣流流向不垂直於爐牆的傾斜布置，以形成較小的假想切圓直徑，一次風噴口形成的假想切圓直徑不大於二次風噴口的假想切圓直徑或者一次風噴口形成的假想切圓與二次風噴口的假想切圓旋向相反；
作為上述技術方案的一種改進，所述的二次風噴口1採用一套獨立的可同時進行垂直上下擺動和左右擺動的結構，水平擺動採用現場手動調節，垂直擺動採用遠程電動調節；
作為上述技術方案的一種改進，所述的一次風噴口3設有冷卻助燃風噴口6，冷卻助燃風噴口6設置在一次風噴口3的背火側(旋轉氣流的下遊側)，冷卻助燃風環繞一次風噴口3四壁流動後由冷卻助燃風噴口6進入爐膛；各層一次風噴口的冷卻助燃風量視煤種調節，可保障與燃燒進程相適應的合理配風；每個噴口的冷卻助燃風的調節擋板在全關閉位置也留有間隙通流，保障最小冷卻風流量；作為改進，所述冷卻助燃風噴口6為變截面噴口，可採用噴口變截面和風道變截面兩種調節流量的方式以增強對噴口氣流速度的調節能力；所述冷卻助燃風噴口6可與一次風噴口3採用外殼一體化結構，便於製造和安裝；作為改進，所述冷卻助燃風噴口6與一次風噴口3的氣流流向的水平夾角為0～30度，以控制一次風與冷卻助燃風的混合時機；
作為上述技術方案的一種改進，所述的點火二次風噴口7內設置有大小兩隻點火油槍8，大小油槍可隨燃燒狀況切換投運，以達到節油的目的；對於優質易燃煤，點火二次風噴口7內不設置點火油槍8，在所述一次風噴口3內部設置點火和助燃的小油槍或等離子點火裝置。
作為上述技術方案的一種改進，所述的多角切圓燃燒爐膛為四角切圓燃燒爐膛或八角切圓燃燒爐膛。
作為上述技術方案的一種改進，所述的每列二次風噴口1設置於爐膛角牆上，對應地，所述的每列一次風噴口3、點火二次風噴口7及其燃盡風噴口9設置於爐膛側牆上；或，所述的二次風噴口1設置於爐膛側牆上，對應地，所述的每列一次風噴口3、點火二次風噴口7及其燃盡風噴口9設置於爐膛角牆上；或，所述的每列一次風噴口3、點火二次風噴口7及其燃盡風噴口9設置於爐膛側牆一側，並與設置於爐膛同一側牆上的二次風噴口1彼此保持一定間隔。
由於爐膛中煙氣的旋轉上升運行，煙氣上遊和下遊是相對的，因而，上述二次風噴口1作為中等尺度分級送風噴口可以布置在一次風噴口3的上遊，也可布置在下遊，二次風噴口也可和對應的每列一次風噴口3、點火二次風噴口7及其燃盡風噴口9都設置於爐膛側牆上，只要彼此保持一定間隔即可實現上下遊分級燃燒的目的，但二次風噴口設置在距離一次風噴口較近的下遊更有利於抑制爐牆的結焦和高溫腐蝕。
作為上述技術方案的一種改進，所述的一次風噴口3採用煤粉解耦燃燒器。所述的點火二次風噴口7採用一套獨立的進行水平左右擺動的結構；所述的燃盡風噴口9採用一套獨立的同時進行水平左右擺動和垂直上下擺動的結構。
作為上述技術方案的一種改進，所述的燃盡風噴口9採用單個噴口，或，採用上下或左右相鄰2個及以上的燃盡風噴口9組成一組，各噴口獨立布置。燃盡風噴口9也可僅設一個噴口，也可多個噴口採用上下或左右分散布置。
作為上述技術方案的一種改進，所述的燃盡風噴口9和最上部一次風噴口3間還設置有三次風噴口或乏氣噴口，以利於三次風或乏氣攜帶的煤粉在高溫區燃盡。
作為一種改進，三次風噴口或乏氣噴口可布置於一次風噴口3之間。
作為上述技術方案的一種改進，所述各噴口的配風方式為：
流經所述二次風噴口1的二次風比例佔二次風、冷卻助燃風和燃盡風總量的20％～80％；隨著燃煤的易燃性的增強，該風量可減小；若鍋爐爐膛的結焦狀況較重，可增大該風量；
流經所述點火二次風噴口7的二次風比例佔二次風、冷卻助燃風和燃盡風總量的10％～30％；隨著燃煤的易燃性的增強，該風量可增大；
流經所述燃盡風噴口9的燃盡風比例佔二次風、冷卻助燃風和燃盡風總量的10％～40％；隨著燃煤的易燃性的增強，該風量可減小；若要提高鍋爐主、再熱汽溫，則可增大該風量；若飛灰含碳量較大，可減小該風量；
流經冷卻助燃風噴口6的冷卻助燃風量佔二次風、冷卻助燃風和燃盡風總量的5～40％，隨著燃煤的易燃性的增強，該風量可增大；若鍋爐爐膛的結焦狀況較重，可增大該風量。
本發明實現同時降低飛灰可燃物和nox排放的解耦燃燒過程是：
由各噴口進入爐膛的氣流在相互作用下在爐膛形成旋轉上升的氣流，一次風噴口攜帶煤粉進入爐膛燃燒，二次風噴口補充主要助燃空氣，冷卻助燃風噴口6補充部分助燃空氣，燃盡風噴口補充燃盡空氣。
在較小尺度上，通過將多角切圓燃燒爐膛上的每列一次風噴口3採用集中布置方式，利用解耦燃燒器一次風噴口的高度濃縮和高速加熱特性，使燃燒器噴口射向爐 膛的一次風氣流在前後分別形成強還原性和弱還原性燃燒區域，實現多區徑向前後分級燃燒，重點抑制揮發分氮向nox的轉化；
在中等尺度上，通過設置與一次風噴口3有一定夾角的冷卻助燃風噴口6，以及在所述的每列一次風噴口3近側平行布置有一列二次風噴口1，使得一次風噴口3射流的上下遊前後分別形成強還原性區域和弱還原性或弱氧化性區域，實現多區水平左右分級燃燒，重點抑制焦炭氮向nox的轉化；
在宏觀尺度上，通過在大爐膛上部設置燃盡風噴口9，使爐膛下部和上部分別形成還原性區域和氧化性區域，實現垂直上下空氣分級燃燒，同時抑制燃料型氮和熱力型氮的生成。
由於較小尺度和中等尺度空氣分級燃燒在煤粉揮發分氮和焦炭氮析出階段抑制了大部分氮氧化物的生成，可以減小對宏觀空氣分級的依賴，減小燃盡風量和距離爐膛下部主燃燒區的距離，從而提高了可燃物燃盡解讀的燃燒溫度和時間，提高了燃燒效率。
另外，由於助燃風和二次風的均勻分布，助燃空氣及時與煤粉逐漸均勻擴散混合，精確控制了煤粉不同燃燒階段的燃燒氣氛，避免了二次風和燃盡風與可燃物的集中混合造成的局部高溫富氧，並使燃燒過程連續進行，不必設置獨立的反應速度較低的較長燃盡階段。
各噴口水平擺動可調節假想切圓的直徑，優化動力場，噴口垂直擺動可調節爐膛出口煙溫，從而調節鍋爐再熱蒸汽溫度等，燃盡風噴口水平擺動還可以調節爐膛出口煙氣的溫度偏差，確保受熱面的安全。