CN101556039B - 富氧燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种富氧燃烧器,其包括与炉膛连通的燃烧器,还包括富氧气体发生器,该富氧气体发生器包括空气分离器、空气进管、氮气出管及富氧气体出管;空气进管、氮气出管及富氧气体出管分别与空气分离器的三个端口连接;该燃烧器包括内套管、中套管、外套管及内外套管连接管,其中,内套管置于中套管内,中套管置于外套管内,内套管的一端通过内外套管连接管与外套管的一端连接,内套管的另一端与炉膛的入口连通,外套管的另一端为再生循环烟气的进口;中套管一端与炉膛的入口连通,另一端为煤粉及富氧气体进口。本发明使得富氧气体与煤粉充分、均匀混合,提高回流气体预热煤粉的换热效率,克服了现有富氧燃烧技术的缺点。

Description

富氧燃烧器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种富氧燃烧器,尤其涉及一种用于电站燃煤锅炉的富氧燃烧器。
背景技术
[0002] 由于煤粉点火时间长、耗费大以及低负荷时燃烧不稳定等,其着火条件比燃油和 燃气的着火条件高得多,因此过去的传统电站锅炉点火普遍采用油枪点火。点火过程如下: 锅炉启动时先点燃油枪,油在炉膛中燃烧一定时间后将炉膛加热到煤粉的着火温度,此时 将煤粉喷入炉膛进行煤油混烧;直到锅炉达到50%以上负荷且煤粉可以稳定燃烧时才将 油逐渐切断,完成点火启动过程。这种点火方法有以下两个缺点:一、耗油量大,根据对燃 煤机组点火用油情况进行的抽样调查显示100丽、125丽、20(MW、30(MW及600丽机组年冷态 起动机组平均用油量分别为216. 4吨/台、309. 6吨/台、291. 66吨/台、908. 24吨/台和 451. 62吨/台。近几年,工业用电及民用电不断增长,但平均电负荷率却在下降,电网峰谷 差不断扩大,特别是在低谷时段,使得大容量机组被迫频繁启停调峰,这样又大大地增加了 电站锅炉的点火及稳燃用油。统计数字显示,100MW、125MW、200MW、300MW及600MW机组年 平均稳燃用油量分别为312. 2吨/台、119. 6吨/台、276. 8吨/台、546. 8吨/台和359. 8 吨/台。二、会产生环保与社会问题,重油与煤粉混烧导致火电厂的技术及经济指标变坏, 在投油燃烧时,锅炉配套的静电除尘器不能使用,产生一系列环保、生态等社会问题。例如: 机械不完全燃烧的损失将提高10%〜15%,而锅炉总效率则降低4%〜5% ;氮、硫氧化物 排放量将增大40%〜50% ;同时由于重油的初始含硫量一般比煤的含硫量多好几倍,因而 受热面的高温腐蚀将加剧,二氧化硫的排放量也将增加;此外,燃烧重油时排放出的V2O5还 是一种较强的致癌物质。
[0003] 因此,为了提高火力发电厂的经济性,我国及世界其他国家的科研工作者研制成 功了多种少(节)油点火。少油点火技术主要有以下五种:
[0004] 1、小油枪点火,将油枪布置在一次风燃烧器中,由于油枪的发热量全部用于煤粉 气流的升温及点火,因此油枪的容量比放置在二次风燃烧器中的油枪小得多。在冷炉启动 或者锅炉低负荷稳燃时,投入小油枪。带油运行时,小油枪煤粉燃烧器的燃油热负荷仅占煤 粉燃烧器热负荷的6%-13%,不会引起燃烧器烧坏或结渣。小油枪煤粉燃烧器已应用于全 国100多台电站锅炉(150t/h-1050t/h)的直流煤粉燃烧器技术改造。但小油枪点火技术 仍需燃用一定量的燃料油;且小油枪煤粉燃烧器的设计还没有一种公认的方法,特别是对 小油枪容量基本上是通过试验确定的,其仍然存在需要改进的地方。
[0005] 2、预燃室型煤粉燃烧器,如图1所示,该种燃烧器包括预燃筒100、旋流器101、内 套管102以及一次风进口 103和二次风进口 104,其利用回流卷吸高温烟气和高浓度煤粉使 煤粉着火与燃烧稳定。预燃室型煤粉燃烧器分为烟煤型和贫煤型两种:烟煤型预燃室的壁 面为裸露的钢板,可用冷空气输送煤粉;贫煤型预燃室的壁面涂有耐火涂料,用热风送粉, 使着火稳定。这两种预燃室的燃烧器采用叶片旋流式或直流式,因而分别称为旋流预燃室 和直流预燃室。在1990年左右,预燃室的应用最为广泛,全国使用预燃室的锅炉达159台,总容量达36860t/h,单台锅炉出力在35t/h-670t/h之间不等。但是,该种燃烧器预燃室内 的结渣和积粉阻碍了其推广和应用,另外,该技术在大容量机组方面还不成熟。
[0006] 3、中心火炬点火技术:如图2所示,为南京电力专科学校和东南大学等单位为某 电厂670T/H锅炉研制的一种中心火炬点火稳燃器,其分为两段,由燃油预燃室200和燃煤 预燃室201组成,燃油预燃室200周壁上设有一次风进口 202,燃煤预燃室201周壁上设有 二次风进口 203,燃油预燃室200和燃煤预燃室201外部设有夹套204。该点火稳燃器还包 括设在一次风管内的点火油枪和燃烧器(未图示)。在一次风管内,一部分煤粉预燃,剩余 的煤粉都直接在炉膛中点燃,且燃烧器和一次风进口平齐放置。该点火稳燃器可同时适用 于烟煤和贫煤的点火与稳燃。
[0007] 4、煤粉直接点火燃烧器,如图3所示,该点火燃烧器包括外壳300、散热片301、托 架302、燃烧管303、稳燃锥304、点火枪305、电弧枪306、防磨板307以及密封座308,将直 流燃烧器的一次风进口分成内、外两部分,内部的中心部分即为燃烧管303。由于点火燃烧 器内安装了一支点火枪305,所以开启点火点火枪305时,燃油火炬将流过燃烧管303的煤 粉加热并点燃。燃烧放出的热量通过燃烧管303管壁向外传递,使流过一次风管与燃烧管 303之间的煤粉气流加热升温,这部分煤粉被喷入炉膛后即被燃烧管303中喷出的煤粉火 焰点燃。当关闭点火枪305时,燃烧管303内的煤粉气流停止燃烧,使燃烧管303象普通的 一次风进口一样工作。其与第二种煤粉预燃室比较可看出,当点火枪305开启时,燃烧管 303相当于一个直流式燃烧预燃室,预燃的煤粉是主煤粉气流的一部分,这就省去煤粉预燃 室所需的专用煤粉管道及有关设备。这种燃烧器的燃烧管壁不会结焦,可通用于四角燃烧 和一般煤种的锅炉。
[0008] 5、少油煤粉直接点火燃烧器,如图4所示,该种燃烧器主要由抛物线型的内筒构 成。燃烧器内筒利用抛物线有聚焦能量于焦点的光学特性,把热量聚焦于焦点;同时,一次 风煤粉气流以旋流方式进入燃烧筒时形成的回流区吸引一部分高温烟气对风粉进行根部 加热。这两者足以满足煤粉着火所需的着火热和环境温度的需要。内筒的二次风既冷却内 筒,又吹扫内衬,使之不积灰、不结焦,保证燃烧器长期稳定工作。
[0009] 上述几种少油点火技术经过科研工作者的不懈努力和电力工作者的密切配合,被 不断应用到电力生产之中,节省了点火与稳燃用油,降低了发电成本。但是,少油点火技术 只是降低了燃油消耗量,并没有根本解决煤粉锅炉点火和稳燃用油的现状,燃油系统依然 存在,油燃料的采购、运输、储存和处理等系统的设施和管理成本并没有降低太多。
[0010] 为了解决点火和稳燃用油的问题,国内外的各大研究机构投入了大量的人力和物 力研究开发了无油点火技术。无油点火技术抛弃原有的燃油点火系统,采用电弧、等离子 体、热壁面、激光等热源直接点燃煤粉气流,实现锅炉启动和低负荷稳燃。从1978年美国燃 烧公司(ACI)研制成功电弧直接点燃煤粉的燃烧器开始,至今二十多年来,无油点火燃烧 器技术的研究和应用一直是最活跃的课题之一。目前,煤粉燃烧器无油直接点火技术主要 有等离子体火焰直接点火技术、易燃气体直接点火技术、电加热直接点火技术和激光直接 点火技术等4种,目前激光直接点火技术尚未实现工业应用。
[0011] 但是,前述的少油点火方式或无油点火方式,或者需要利用某种物质的燃烧热为 激发热源,如天然气、甲烷、乙炔、轻质柴油等,或者需要利用电能作为激发热源维持一个长 久的点火火炬以保证一次风粉的稳定燃烧。但综合评价煤粉直接点火燃烧器的标准如计算标准(点火技术、稳燃技术、污染物排放水平)以及经济标准(初投资及运行、维护等综合 费用),现有的煤粉点火燃烧器总拘泥于一种纯粹预燃室的形式,即创造一个高温的热源, 而忽略了稳燃的另一方面问题:即如何降低一次风粉的着火温度,因此这种点火方式还有 待于进一步改进。于是,研究人员研发了富氧燃烧技术。由于燃料的燃点温度通常不是一个 常数,它与燃烧状况、受热速度及环境温度等有关,燃料在空气中和在纯氧中的燃烧速度相 差甚大,如CO在空气中的点火温度为609°C,而在纯氧中仅为388°C ;氢气在空气中的燃烧 速度最大为280cm/s,在纯氧中的燃烧速度最大为1175cm/s,是空气中的4. 2倍;天然气更 是高达10. 7倍左右,因此用富氧助燃,不仅能使火焰变短,提高燃烧强度,加快燃烧速度, 获得较好的热传导,同时温度的提高将有利于燃烧反应完全,从而消除烟尘污染。另外加入 富氧后,燃烧产物减少,相应提高了理论燃烧温度。在一般条件下,富氧率每提高1%,理论 燃烧温度可提高50°C〜60°C。因此,对煤粉的点火将起到积极的作用。实验显示用26. 7% 的富氧空气燃烧褐煤或用21. 8%的富氧空气燃烧无烟煤所得到的理论燃烧温度T与用普 通空气燃烧重油得到的T相当,说明用富氧烧煤可代替用空气烧油,这在我国煤多油少的 情况下特别具有重要意义。
[0012] 随着近年来膜法制氧技术的日臻成熟和制氧成本的下降,富氧燃烧技术日益得到 人们的重视。图5为Kiga公司在研究CO2烟气回流富氧点火燃烧装置时采用的富氧煤粉点 火器形式,其包括空气室400、调风器401、粉煤喷管402、氧气管403及精洗煤气入口 404。 这种燃烧装置不能使富氧气体与煤粉得到充分、均勻混合,而且利用回流气体预热的换热 效率也比较低,在富氧气体与煤粉的混合以及利用回流气体对煤粉进行预热方面仍存在缺 陷。
发明内容
[0013] 本发明的目的是提供一种用于电站燃煤锅炉的富氧燃烧器。
[0014] 为了实现上述目的,本发明提供的富氧燃烧器,包括与炉膛连通的燃烧器,还包括 富氧气体发生器,该富氧气体发生器包括空气分离器、空气进管、氮气出管及富氧气体出 管;空气进管、氮气出管及富氧气体出管分别与该空气分离器的三个端口连接;燃烧器包 括内套管、中套管、外套管及内外套管连接管,其中,内套管置于中套管内,中套管置于外套 管内,内套管的一端通过内外套管连接管与外套管的一端连接,内套管的另一端与炉膛的 入口连通,外套管的另一端为再生循环烟气的进口 ;中套管一端与炉膛的入口连通,另一端 为煤粉及富氧气体进口。
[0015] 由以上可见,本发明使得电站燃煤锅炉在点火与稳燃过程中不再使用燃油,节约 传统火电站锅炉消耗的高品位能;而且燃烧器采用内外套管的结构可对富氧气体和煤粉进 行双重换热,提高回流气体预热煤粉的换热效率,同时利用富氧气体对煤粉进行气力输送, 使得富氧气体与煤粉充分、均勻混合,克服了现有富氧燃烧技术的缺点,采用的烟气再生回 流技术降低了氮氧化物的排放及减少了高温烟气带走的余热。
附图说明
[0016] 图1是现有的预燃室型煤粉燃烧器的结构示意图;
[0017] 图2是现有的中心火炬预燃室的结构示意图;[0018] 图3是现有的煤粉直接点火燃烧器的结构示意图;
[0019] 图4是现有的少油煤粉直接点火燃烧器的结构示意图;
[0020] 图5是现有的富氧点火燃烧器的结构示意图;
[0021] 图6是本发明的结构示意图。
[0022] 以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。 具体实施方式
[0023] 参照图6,本发明包括富氧气体发生器和燃烧器两部分,其中,富氧气体发生器包 括空气分离器10、空气进管11、氮气出管12以及富氧气体出管13。燃烧器与炉膛23连通, 其包括内套管20、中套管21、外套管22以及内外套管连接管24。在富氧气体发生器中,空 气进管11、氮气出管12、富氧气体出管13分别与空气分离器10的三个端口连接;在燃烧器 中,内套管20置于中套管21中,中套管21又置于外套管22中;内套管20的一端通过内外 套管连接管24与外套管22的一端连接,内套管20的另一端与炉膛23的入口 230连通,夕卜 套管22的另一端为如二氧化碳、水蒸气等再生循环烟气的进口 220,再生回流烟气依次从 进口 220进入外套管22后经过内套管20流入炉膛23内;中套管21的一端为富氧气体及 煤粉的进口,另一端与炉膛23的入口 230连通。再生回流烟气在外套管22内流动时运用 逆流原理与中套管21中的富氧气体、煤粉混合气流进行热交换;而再生回流烟气在内套管 20内流动时运用顺流原理与中套管21中的富氧气体、煤粉混合气流进行热交换;经过两次 热交换后的富氧气体与煤粉混合后,经过中套管21吹入炉膛23内。
[0024] 以下以运用于燃煤电厂的电站锅炉中的本发明的富氧燃烧器为例,对本发明的工 作原理作进一步的说明:
[0025] 电厂进行发电时,首先需要点燃锅炉,锅炉进行燃烧时,将空气由空气进管11通 入空气分离器10中,空气分离器10将空气分离为氮气和富氧气体两部分,其中氮气部分由 氮气出管12排出,富氧气体部分由富氧气体出管13排出,排出的富氧气体将煤粉运用气力 输送原理吹入中套管21中;中套管21中的富氧气体、煤粉混合气流,一方面与外套管22中 流动的再生回流烟气运用逆流原理进行热交换,另一方面与内套管20中流动的再生回流 烟气运用顺流原理进行热交换,最后经过充分预热的富氧气体、煤粉混合气流进入锅炉炉 膛23中进行燃烧;燃烧产生的烟气经过再生处理后经过外套管22的进口 220流入外套管 22中,该再生回流烟气与中套管21中流动的富氧气体、煤粉混合气流经过逆流热交换后, 再由内外套管连接管24流入内套管20中,在内套管20中的再生回流烟气又与中套管21 中流动的富氧气体、煤粉混合气流经过顺流热交换,最后由内套管20进入锅炉炉膛23,如 此进行不断循环回流。
[0026] 本发明不但能够使得电站锅炉在点火与稳燃过程中不再使用燃油,节约传统火电站锅炉消耗的高品位能;而且采用的烟气再生回流技术,在降低氮氧化物排放,减少高温烟 气所带走的余热的同时;采用的内套管20、外套管22与中套管21双重的换热技术,将使得 富氧气体、煤粉混合气流得到充分预热,缩短煤粉在锅炉炉膛内的着火时间,提高回流气体 预热煤粉的换热效率。同时本发明利用富氧气体吹送煤粉,使得富氧气体与煤粉得到充分、 均勻的混合,这将有利于煤粉充分燃烧,克服了现有富氧燃烧技术的缺点。同时采用的内套 管、外套管与中套管双重的换热技术,将使得富氧气体、煤粉混合气流得到充分预热,缩短煤粉在锅炉炉膛内的着火时间,提高回流气体预热煤粉的换热效率.

Claims (1)

  1. 富氧燃烧器,包括与炉膛(23)连通的燃烧器,其特征在于:还包括富氧气体发生器,所述富氧气体发生器包括空气分离器(10)、空气进管(11)、氮气出管(12)及富氧气体出管(13);所述空气进管(11)、氮气出管(12)及富氧气体出管(13)分别与所述空气分离器(10)的三个端口连接;所述与炉膛(23)连通的燃烧器包括内套管(20)、中套管(21)、外套管(22)及内外套管连接管(24),其中,所述内套管(20)置于所述中套管(21)内,所述中套管(21)置于所述外套管(22)内,所述内套管(20)的一端通过所述内外套管连接管(24)与所述外套管(22)的一端连接,所述内套管(20)的另一端与炉膛的入口(230)连通,所述外套管(22)的另一端为再生循环烟气的进口(220);所述中套管(21)一端与炉膛的入口(230)连通,另一端为煤粉及富氧气体进口。
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