CN101280920A - 流化-悬浮组合燃烧锅炉 - Google Patents

Abstract

一种流化－悬浮组合燃烧锅炉，包括常规锅炉布置的立式燃烧室，燃烧室底部为鼓泡流化床燃烧区并配以给料机、流化床风道及流化床排渣口；燃烧室下部为低温还原性主燃烧区，燃烧室上部为高温氧化性燃尽区。所述的燃烧室下部主燃烧区，包括在燃烧室上下相对的墙布置的一次风－燃料混合物进入炉膛的一次风喷嘴和辅助风射流喷嘴。所述的燃烧室上部高温氧化性燃尽区，是在一次风喷嘴的上方布置至少一层二次风喷嘴。一次风－燃料混合物喷嘴和相对的辅助风射流喷嘴在燃烧室下部形成强烈的旋转－循环流场，实现大部分燃料在低温、还原性的主燃烧区内燃烧；未燃尽的颗粒和可燃气体则在燃烧室上部的高温氧化区燃尽。具有燃烧效率高、有害物质排放低，结构简单，工作安全可靠。

Description

流化-悬浮组合燃烧锅炉

技术领域

本发明涉及一种燃用固体燃料的燃烧组合系统，具体地说涉及一种流化-悬浮组合燃烧锅炉。是对传统流化床燃烧和煤粉悬浮燃烧技术的革新，以获得更高的燃烧效率和更低的有害物质排放水平。

背景技术

长期以来使用固体化石燃料(如煤等)直接燃烧是使我国环境造成严重破坏的重要因素。目前，除少数地区外，我国大气污染以煤烟型为主，主要污染物为悬浮颗粒物(TSP)、二氧化硫(SO₂)、氮氧化物(NOx)等。由于我国目下的煤炭生产和消费技术水平及装备能力难于达到环境保护的要求，洁净煤技术的开发应用刚起步不久，因而环境的承受能力日益不堪重负，已经影响到国民经济的可持续发展和人民大众的健康。

为了减少TSP、SO₂、NOx等有害物质的排放量，采用静电除尘或滤袋除尘能获得95～99％的除尘效率，TSP达到国家标准已不是大问题了，最困难的是降低SO₂和NOx的排放量。当前电站煤粉锅炉除硫所用技术最成熟的是湿式烟气脱硫装置(FGD，如石灰-石膏法)，在Ca/S＜2条件下可达95％以上的脱硫率。但该法投资大，运行费用高，占地面积广，费水多等也让用户难于承受。煤粉炉降低NOx措施，包括低NOx燃烧器和低NOx燃烧技术(如空气分级法、燃料分级法、烟气再循环法等)。这些技术措施同样存在初投资大、运行费用高，系统复杂等不足；而且某些技术存在明显的局限性，例如，用烟气再循环降低NOx的效果是随再循环量增加而增加的，然而再循环量增加使燃烧温度降低，影响煤粉的燃尽率和燃烧效率，一般烟气再循环率控制在10～20％。燃料分级法很强地依赖再燃燃料的种类，一般采用天然气作再燃燃料，因此要求有稳定的天然气气源，否则只好望空兴叹。循环流化床锅炉(CFB锅炉)脱硫、脱氮方法相对较简单，采用加石灰石脱硫，当Ca/S＝2～2.5时，脱硫效率大于90～95％；而低的燃烧温度和空气分级能有效抑制NOx的生成，通常NOx的排放量仅为煤粉炉的50％或更低。但随着容量的增大使CFB锅炉结构布置带来不少问题，尤其是庞大、笨重的高温旋风分离器及回料系统的结构布置，大大增加设计难度，加大制造成本，增加流动阻力，延长启动停炉时间，降低运行机动性；此外分离-回料系统间或出现的二次燃烧还带来系统的结焦、堵塞、磨损等问题。

目前，已知的俄罗斯圣彼得堡工业能源公司发明的“固体燃料的涡流燃烧技术”中，利用空气动力学方法在燃烧室内形成两个类型的燃烧区：底部的低温涡流区和上部的高温区，以保证燃料的充分燃烧。分散送风和给料以及炉内的燃料往复循环运动，为获得高燃烧效率和低排放提供了有力保障。采用5～10mm的颗粒燃料，最大可达25mm。该技术比传统煤粉燃烧方式确实有所创新，据称在使用褐煤和烟煤的50～300MW锅炉机组获得成功的工业试验。然而该技术的核心是利用空气动力学方法组织涡流燃烧区，带动大量粒子燃料进行燃烧，属于悬浮燃烧范畴；要在涡流区里裹带5～10mm甚至25mm的固体燃料颗粒燃烧是很难实现的，除非另有途径，否则这些大颗粒就很难在有限的停留时间内燃尽，其燃烧效率高也就变成虚话了。其次，这些宽筛分颗粒气流的点火及稳燃也是复杂而困难的事，常规方法很难做到。中科院广州能源所公开了一种的“喷动流化旋涡煤粉燃烧器”(专利号200410077340.0)，其构造是，具有一个立式圆柱形或方形的燃烧室，所述燃烧室侧壁上分别开有倾斜向上的一次风粉管道和倾斜向下的底部风道以及燃气与未燃烬颗粒出口、倾斜底部。一次风携带煤粉颗粒通过倾斜向上的一次风粉管道进入燃烧室，与其相对的底部喷动流化风通过底部风道进入燃烧室，一次风与喷动流化风相对喷射形成旋流区和上升的气流区。与上述俄罗斯圣彼得堡工业能源公司技术本质上没有太多区别，也同样存在着稳燃、燃尽率和燃烧效率等一些问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃烧效率高、能有效降低SO₂及NOx、结构简单、使用方便的流化-悬浮组合燃烧锅炉。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种流化-悬浮组合燃烧锅炉，包括常规锅炉布置的立式燃烧室，燃烧室底部为鼓泡流化床燃烧区并配以给料机、流化床风道及流化床排渣口；其特征在于：燃烧室下部为低温、还原性主燃烧区，燃烧室上部为高温氧化性燃尽区。

所述的燃烧室底部鼓泡流化床燃烧区，是采用非定向圆柱形风帽播风的鼓泡流化床结构；整个床由多个小床组成，每个小床独立调节供风和燃料量，并配备等压风室。

所述的燃烧室下部主燃烧区，包括在燃烧室上下相对的墙布置的一次风-燃料混合物进入炉膛的一次风喷嘴和辅助风射流喷嘴。所述的一次风喷嘴其水平倾角α取值0～70°；与一次风喷嘴相对的辅助风射流喷嘴其水平倾角β取值0～70°之间；所述的一次风-燃料喷嘴至少一个。

所述的燃烧室上部高温氧化性燃尽区，是在一次风喷嘴的上方布置至少一层二次风喷嘴。所述的二次风喷嘴可水平或微倾斜布置，并设置成四角、直流喷射方式。

本发明的工作原理：根据气-固两相流及射流理论以及固体燃料浓淡燃烧的基本原理，提出一个将固体颗粒燃料分区燃烧的概念。具体来说，在锅炉燃烧室下方由两股标高不同而相对喷射的射流形成强烈上下旋转的流场，它们可携带大量的细碎颗粒边循环运动边燃烧，形成主燃烧区；此间未完全燃尽的颗粒及可燃气体进入燃烧室上方的具有充分燃烧空气的高温燃烧区内完成燃尽阶段。那些较粗的颗粒从气流中被分离出来，滑落到布置在燃烧室底部的鼓泡流化床内燃烧。

固体燃料颗粒在空气中自由降落时，开始因粒子本身的重力而加速下降，随着下降速度的增大，空气对粒子运动的阻力(浮力)也增加，直到阻力与重力相等时，粒子才以等速下降；该速度被称为“自由沉降速度”(简称“沉降速度”)。如果气体不是静止而具有一定的水平或上升速度，且该速度大于粒子的沉降速度，粒子就会被气流带走。气流速度等于颗粒在气流中的沉降速度，称为“带出速度”，又称颗粒下落的“终端速度”。气流达到带出速度时固体颗粒被均匀带走，以颗粒团形式上下运动。根据这个原理，当气流速度达到某定值时，不同粒径的燃料颗粒将有三种运动形式：粒径较小的颗粒，由于其沉降速度小于气体运动速度被上升气流带走；粒径较大的颗粒其终端速度大于气流速度而被分离出来，在重力作用下滑落到床层下方；处于两者之间的颗粒为气流裹带着一起上下循环、运动，直到实现预期的燃烧工艺要求为止。本发明采用常规流化床的入炉燃料粒度，即粒径在0～10mm或0～8mm之间，并且这些原始粒径在炉内工作时还会变小，一方面是燃料颗粒(包括脱硫剂)在受热分解析出挥发成分过程中，由于内压加大被破裂成数块碎片，同时颗粒之间频繁的相互碰撞和磨损，也使粒度越来越小，更有利于被工作气流携带。

为了建立炉膛下部旋转燃烧区，一次风-燃料混合物气流从喷嘴以向下倾斜某一角度α进入炉膛下部，α取值0～70°；在与一次风喷嘴相应的对面炉墙下部、标高比一次风喷嘴更低处布置底部辅助风射流风喷嘴。喷嘴2向上倾斜某一角度β，β取值0～70°。β可以等于α，此时两股射流轴线平行。β也可以不等于α，此时两股射流轴线形成某夹角(β-α)，其大小以保证在炉膛下部形成合理的气-固两相流的旋转流场为依据。通过两股射流合理的动量比调节，在炉膛下部建立一个强烈的、上下旋转的流场，它能裹带着大量的细碎燃料颗粒使之边旋转循环、边着火燃烧。一次风混合物气流与辅助风气流的动量比m＝0.1～10。在旋转流场内，控制总气流量要小于燃料颗粒燃烧所需的化学当量值，并使该燃烧区处于相对低的燃烧温度，在富燃料条件下创造还原性气氛，一方面抑制NOx的生成和排放量，同时也为脱硫剂固硫创造最佳温度条件，提高脱硫效率。一次风喷嘴形状无固定要求，可为圆形、方形、扁形或其它形状；一次风可为热风，也可用冷风；一次风进口的燃料可用气力输送，也可用其它方法输送。辅助风可以是热风、冷风，也可用惰性气体或低温烟气。

二次风是为保证整个燃烧过程的完善和提高固硫效果而设置的。它在主燃烧区的上方，二次风的加入使之形成一个富氧贫燃料稀相燃烧的高温燃烧区。二次风喷嘴形状不限，圆形、方形、扁形或其它形状均可。二次风喷嘴可布置一层，也可布置两层。二次风喷嘴可水平或微倾斜放置，采用四角切圆方式布置以在炉内形成水平切向上升气流。二次风的加入使那些在低温燃烧区来不及燃尽的燃料小颗粒或未反应完全的石灰石颗粒，以及未燃尽的可燃气体(如CO、H₂、CmHn等)创造一个高温富氧的反应环境，以提高燃烧和脱硫效率。为了延长这些未反应完全的物料在炉内的停留时间，在高温燃烧区适当扩大炉膛横截面积，降低气流上升速度，为那些被裹带的较大些粒子返回下部燃烧区再燃创造条件，也降低了阻力、减轻了磨损。由于大部分燃烧份额是在下部燃烧区内完成，上部高温区的存在不会造成NOx生成量的增加，但却大大提高了燃烧和脱硫效率。

底部鼓泡流化床燃烧区的存在，更适合于宽筛分燃料的运行，使燃料制备系统极大的得到简化，节省成本和运行费用。常规鼓泡床固有的缺点：燃烧和脱硫效率低以及埋管磨损严重在本系统获得有效解决。传统鼓泡床燃烧和脱硫效率低是由于其扬析量大，不少细颗粒(燃料和脱硫剂)一飞出床层后就被气流带走而来不及发挥作用；本发明在鼓泡床出口上方设置了一个强烈旋转循环的燃烧区，让被扬析的细颗粒进入燃烧区继续燃烧和反应；如果还不彻底，它们还有机会在上部的高温燃烧区获得完全燃尽。本发明流化床不设埋管，用风量调节床层温度，简单又安全。由于鼓泡床是当今十分成熟的技术，它在本系统中还起着其它重要作用：提供一个强大而稳定的、源源不断的热源来支撑整个燃烧系统安全运行，不管是机组起动点火或低负荷稳燃，无需任何贵重辅助燃料或高新技术装备而轻易满足各种运行要求。和当今流行的等离子点火技术、气化小油枪微油点火技术、激光点火技术等相比，鼓泡流化床点火更安全、更简单、更节约、更环保和更有效。

综上所述，流化-悬浮组合燃烧锅炉具有下列技术优点：

1.简化或取消传统锅炉制粉系统，节省投资，提高运行安全性可靠性；

2.提高锅炉总体热效率；

3.经济而有效地降低TSP、SO₂、NOx等有害物质的排放量；

4.燃料适应范围广，包括难燃的无烟煤、石油焦以及生物燃料；

5.用鼓泡床点火、稳燃，安全、简单、节约、环保和高效；无需助燃燃料；

6.调节简单，运行机动性好，负荷范围大，容易参与调峰；

7.总体投资省。既适于新炉建造，也便于老炉改造，回收期短。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明的剖视构造示意图。

图2是本发明单炉膛二次风喷嘴的布置示意图。

图3是本发明双炉膛二次风喷嘴的布置示意图。

图中：1.一次风-燃料混合物喷嘴，2.辅助风射流喷嘴，3.二次风喷嘴，4.流化床风道，5.给料机，6.流化床排渣口，7.流化床燃烧区，8.主燃烧区，9.燃尽区。

具体实施方式

如图1、2所示，一种流化-悬浮组合燃烧锅炉，包括常规锅炉布置的立式燃烧室，燃烧室底部为鼓泡流化床燃烧区7并配以给料机5、流化床风道4及流化床排渣口6；燃烧室下部(即鼓泡床上方)为低温还原性主燃烧区8，燃烧室上部为高温氧化性燃尽区9。所述的燃烧室底部鼓泡流化床燃烧区7，是一个常规的鼓泡床结构：采用非定向圆柱形风帽播风，整个床由N(N＝1～20，根据锅炉容量而定)个小床组成，每个小床独立调节供风和燃料量，并配备等压风室。燃用0～10mm固体颗粒燃料和0～3mm脱硫剂(石灰石)。所谓“鼓泡流化床”是指气-固两相达到临界流化速度后，随着气速的增加，床层开始膨胀并有气泡形成，通常将气泡部分称为气泡相，气泡以外的部分称为乳化相。气泡相和乳化相之间气体不断进行交换，同时气泡在上升过程中不断聚并增大。这种流化状态称为聚式流态化，也称鼓泡流态化，相应的床层称鼓泡流化床。(见吴占松等编著《流态化技术基础及应用》，“研究生教育创新工程”化工类研究生教学用书，化学工业出版社，2006，北京)

所述的燃烧室下部主燃烧区8，一次风-燃料混合物通过倾斜向下的一次风喷嘴1进入炉膛。其水平倾角α＝0～70°之间；与一次风喷嘴相对的辅助风喷嘴2，其水平倾角β＝0～70°之间。α可等于β(即两股射流平行)，也可不等于β。一次风-燃料喷嘴可以是一个，也可以是数个，按锅炉容量不同而变。一次风喷嘴可布置在前墙、后墙或任一侧墙，则辅助风射流喷嘴在其相对的墙布置。

所述的燃烧室上部高温氧化燃尽区9，是在一次风喷嘴的上方布置一层或二层二次风喷嘴3；如图2所示，二次风喷嘴可水平或微倾斜布置，并设置成四角、直流方式以在炉内形成一个或多个切向流动上升的流场，卷吸主燃烧区出来的燃烧产物进入高温燃尽区9，使经过鼓泡床燃烧区7、低温主燃烧区8尚未燃尽的燃料小颗粒、未反应完全的脱硫剂以及未燃尽的可燃气体增加在炉内的停留时间并在氧化性气氛中燃尽，提高燃烧和脱硫效率。高温燃尽区9的炉膛横截面积略有扩大，以适当降低燃烧产物的流速，让被裹带的稍大些颗粒再返回下部主燃烧区再燃，以减少损失；同时也降低对上部水冷壁的磨损。

点火过程是直接利用鼓泡流化床7来完成。由于整个流化床由N个小床组成，点火时只需点燃一个或几个小床后，便可由它们安全而便捷地引燃周围的小床，直至整个床层正常流化燃烧为止。利用鼓泡床燃烧产生的炽热烟气慢慢地加热炉膛，直到炉温上升到一次风-燃料混合物着火后即相继投入一次风和辅助射流风，成功过渡到正常运行。

该流化床还具有稳燃和调节负荷功能。当锅炉燃用的燃料性质突然变差或锅炉工作在较低负荷条件下而带来燃烧不稳时，可增大流化床的燃烧份额以产生足够的热量支持主燃烧区的工作，省去宝贵的辅助燃料和相应的系统设置。锅炉需要低负荷运行时，或令鼓泡床7压火，只投一次风射流，适当减弱辅助风射流；也可停用一次风混合射流及辅助风射流，单纯维持鼓泡床7工作，而鼓泡床还可停用部分小床，仅保留其余部分小床工作。因此，即使在锅炉很低负荷条件下，燃烧工况仍然能够维持十分安全而稳定。

如图3所示，如果是双炉膛，二次风喷嘴的布置也是在每个炉膛设置成四角、直流方式以在炉内形成一个或多个切向流动上升的流场。

Claims (6)

1.一种流化-悬浮组合燃烧锅炉，包括常规锅炉布置的立式燃烧室，燃烧室底部为鼓泡流化床燃烧区并配以给料机、流化床风道及流化床排渣口；其特征在于：燃烧室下部为低温、还原性主燃烧区，燃烧室上部为高温氧化性燃尽区。

2.如权利要求1所述的流化-悬浮组合燃烧锅炉，其特征在于：所述的燃烧室底部鼓泡流化床燃烧区，是采用非定向圆柱形风帽播风的鼓泡床结构；整个床由多个小床组成，每个小床独立调节供风和燃料量，并配备等压风室。

3.如权利要求1或2所述的流化-悬浮组合燃烧锅炉，其特征在于：所述的燃烧室下部主燃烧区，包括在燃烧室上下相对的墙布置的一次风-燃料混合物进入炉膛的一次风喷嘴和辅助风射流喷嘴。

4.如权利要求3所述的流化-悬浮组合燃烧锅炉，其特征在于：所述的一次风喷嘴其水平倾角α取值0～70°；与一次风喷嘴相对的辅助风射流喷嘴其水平倾角β取值0～70°之间；所述的一次风-燃料喷嘴至少一个。

5.如权利要求1或2所述的流化-悬浮组合燃烧锅炉，其特征在于：所述的燃烧室上部高温氧化性燃尽区，是在一次风喷嘴的上方布置至少一层二次风喷嘴。

6.如权利要求5所述的流化-悬浮组合燃烧锅炉，其特征在于：所述的二次风喷嘴可水平或微倾斜布置，并设置成四角、直流喷射方式。

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