CN102297422B - 一种低NOx排放的燃烬风燃烧装置和燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低NO_x排放的燃烬风燃烧装置和燃烧方法。包括：炉膛上段设有燃烬风喷射单元的多组燃烬风喷嘴，每组燃烬风喷嘴喷射出两股气流，两股气流的几何喷射路线同在一个与炉膛竖直对称轴线垂直的炉膛截面中，几何喷射路线相交并对称于在同一平面内的喷射对称轴线，喷射对称轴线过两条几何喷射路线的交点与炉膛竖直对称轴线在炉膛截面中的垂足。本发明设置一组燃烬风喷嘴喷射出两股气流，一股正切燃烬风，一股反切燃烬风。反切燃烬风与炉内螺旋火焰相交混合，削减了其旋转动量，减弱炉内气流偏斜，而正切燃烬风防止由于反切气流过强而造成的反向气流偏斜，以此极大削弱螺旋火焰在炉膛出口处的残余旋转动量，减小过再热器的传热偏差。

Description

一种低NOx排放的燃烬风燃烧装置和燃烧方法

技术领域

本发明涉及一种低NO_x排放的燃烬风燃烧装置和燃烧方法，是一种燃煤锅炉中的燃烧装置和燃烧方法，是一种不通过燃烧器的送风装置和方法。是一种燃煤锅炉燃烧初始控制技术中空气分级燃烧技术在燃烧过程中对燃烬风布置的燃烧装置和燃烧方法。 

背景技术

减少NO_x排放技术有两种主要分类，初始性技术和二次性技术。初始性技术即控制燃烧过程中NO_x的生成，二次性技术为使用化学药品将燃烧区形成的NO_x还原为分子氮。空气分级燃烧是通过改变送风方式，控制炉内空气量的分布，达到抑制NO_x生成的技术。通过空气分级燃烧将炉内燃烧分为两个燃烧阶段，即欠氧燃烧阶段和燃烬阶段。煤粉欠氧燃烧，抑制NO_x的生成量，这一燃烧阶段的后期不送入空气，燃烧处于还原气氛下，此时前期燃烧生成的NO_x有一部分被还原为N₂。随后,在燃烬阶段，未燃烬的碳粒在炉膛上部与燃烬风混合并燃烧完全。然而，在利用空气分级技术时尤其是利用深度空气分级燃烧时容易造成燃烧滞后，导致燃烧效率下降，飞灰含碳量上升。为了最终燃烧完全就要求燃烬风射入炉膛时保证与煤焦颗粒迅速强烈的混合，使煤焦颗粒能够最大限度的利用好燃烬阶段有限的停留时间，提高燃烬程度，如目前高速燃烬风技术的目的就是如此。但是高速燃烬风技术会增加高压风机，从而引起不必要的设备投资和耗能增加等问题。 

直流燃烧器切圆燃烧方式由于着火条件好，煤种适应性强，一、二次风混合的快慢可以通过燃烧器结构和布置方式进行适当的调节，燃烧后期气流扰动较强有利于燃烬等优点而得到了广泛的应用。但是在这种炉膛内，从燃烧器烧嘴出来的气流并不能保持沿烧嘴几何轴线喷射方向前进，而会出现一定程度的偏斜，气流偏向炉墙一侧。偏斜严重时，会导致燃烧器射流贴附或冲击炉墙。这是造成炉膛水冷壁结渣的主要原因。而水冷壁结渣直接影响锅炉的安全运行。切圆燃烧方式带来的另一个问题是炉内的旋转气流上升到炉膛出口处仍有残余旋转动量，这会引起过热器的传热偏差而影响其运行安全，在大型锅炉中这一问题更为突出。 

实际运行中的低NO_x燃烧技术在燃烬风技术再组织燃烬和消除残余旋转方面还存在不足，如燃烬风投入不能及时强烈的与煤焦混合均匀，使燃烬过程存在一定延迟，导致飞灰含碳量上升。此外，虽然正切布置的燃烬风可减小主旋气流在炉膛上部的残余旋转，但并不能完全消除残余旋转，对于大容量锅炉，炉膛出口布置的过再热器仍存在烟气流动偏差带来的传热偏差问题。 

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出一种低NO_x排放的燃烬风燃烧装置和燃烧方法，所述燃烬风燃烧装置和方法在不提高燃烬风速度的前提下，通过改进燃烬风喷嘴的布置和炉内射流组织达到与高速燃烬风技术同样效果。本发明所述燃烧装置和燃烧方法大幅度降低NO_x排放量，炉内燃烧稳定、燃烧效率高、结渣少、气流偏斜减轻，消除炉膛上部残余旋转。 

本发明的目的是这样实现的：一种低NO_x排放的燃烬风燃烧装置，包括：燃烧炉的炉膛，所述的炉膛下段两侧设有多层成排安装的燃烧器的烧嘴，所述的炉膛上段设有燃烬风喷射单元，所述的燃烬风喷射单元为多层设置，每层设置至少两组燃烬风喷嘴，每组燃烬风喷嘴喷射出两股气流，所述的两股气流的几何喷射路线同在一个与炉膛竖直对称轴线垂直的炉膛截面中，所述几何喷射路线相交并对称于在同一平面内的喷射对称轴线，所述的喷射对称轴线过所述的两条几何喷射路线的交点与炉膛竖直对称轴线在所述炉膛截面中的垂足。 

一种使用上述燃烧装置的低NO_x排放的燃烬风燃烧方法，所述方法的步骤如下： 

送风欠氧燃烧的步骤：用于炉膛下段的烧嘴喷出欠氧燃烧风量的送风，所述送风将煤粉送入炉膛下段进行欠氧燃烧，产生螺旋火焰；

无送风欠氧燃烧的步骤：用于炉膛底部螺旋火焰旋转上升进入炉膛中段，此时不送入空气，以形成还原性气氛，延长氮氧化物的还原时间，使得“送风欠氧燃烧的步骤”燃烧生成的一部分NO_x会在此时被还原为N₂；

送入燃烬风的步骤：用于炉膛上段的燃烬风喷射单元向螺旋火焰喷射燃烬风，所述燃烬风的燃烬风量是全部燃烧送风量减去欠氧燃烧风量的量，将燃烬风量平均分配到各组燃烬风喷嘴上，所述一组燃烬风喷嘴喷射出两股风量和刚性相同的气流，一股与螺旋火焰的切圆方向相同，一股与螺旋火焰的切圆方向相反。

本发明的有益效果是：本发明设置一组燃烬风喷嘴喷射出两股气流，一股正切燃烬风，一股反切燃烬风。反切燃烬风与炉内螺旋火焰成钝角相交冲撞，使未完全燃烧的碳粒与射入的空气混合良好。正切燃烬风在稳定炉内空气动力场的同时送入燃烬所需要的剩余足够空气，使未完全燃烧的碳粒在有限的停留时间内燃烧更加完全，保证飞灰含碳量在深度空气分级的燃烧条件下不至于上升。同时，反切燃烬风进入炉膛后，与炉内螺旋火焰相交混合，削减了螺旋火焰的旋转动量，有助于减弱炉内气流偏斜，而正切燃烬风可以防止由于反切气流过强而造成的反向气流偏斜。这样布置的燃烬风会极大的削弱螺旋火焰的气流在炉膛出口处的残余旋转动量，从而减小过再热器的传热偏差。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

图1是本发明实施例一所述燃烧炉的结构示意图； 

图2是本发明实施例一所述燃烧炉的燃烬风喷射示意图，是图1中A-A的剖面图。

具体实施方式

实施例一： 

本实施例是一种低NO_x排放的燃烬风燃烧装置，如图1、2所示。本实施例包括：燃烧炉的炉膛2，所述的炉膛下段两侧设有多层成排安装的燃烧器1，所述的炉膛上段设有燃烬风喷射单元3，所述的燃烬风喷射单元为多层设置，每层设置至少两组燃烬风喷嘴31，每组燃烬风喷嘴喷射出两股气流，所述的两股气流的几何喷射路线34、35同在一个与炉膛竖直对称轴线4垂直的炉膛截面中，所述几何喷射路线相交并对称于在同一平面内的喷射对称轴线33，所述的喷射对称轴线过所述的两条几何喷射路线的交点32与炉膛竖直对称轴线在所述炉膛截面中的垂足41。

在炉膛中层或段的概念是：两个不同高度的水平面所截出的一段炉膛。由于燃烧是由炉膛的底部向上进行的，自下而上不同的水平面，所产生的反应和温度等燃烧状态不断变化。因此，用上下两个不同的水平面所截出的一段炉膛称为“段”，用各段的燃烧状态描述炉膛中的燃烧变化。用层描述炉膛中在同一水平面或近似同一水平面中的烧嘴或燃烬风喷嘴的排布。同一水平面或近似同一水平面中排列的烧嘴或燃烬风喷嘴称为：“一层烧嘴”或“一层燃烬风喷嘴”。 

本实施例所述的炉膛大致分为三段，自下而上称为（如图1所示）：下段B、中段C和上段D。下段B段是喷入空气和煤粉的燃烧阶段，由于喷入的空气不充分，因此，这一阶段的燃烧是欠氧燃烧，可以称为欠氧燃烧阶段前期，或称送风欠氧燃烧阶段。中段C没有燃烧器喷嘴，即不送入空气，也不送入煤粉。空气还是不充分的，所以也是欠氧燃烧，可称为欠氧燃烧阶段后期，或称无送风欠氧燃烧。这一阶段由于燃烧欠氧，燃烧温度降低，使燃烧形成的一部分氧化氮或二氧化氮形成氮气，降低排放污染。上段D设置了多层燃烬风喷嘴，补充欠缺的空气，使燃烧充分，并防止了气流偏斜。 

下段炉膛设置燃烧器，如通常的布置，在炉膛设置多层烧嘴。每层烧嘴根据平面排布位置的不同，以不同的角度喷射空气和煤粉，在以炉膛竖直对称轴为中心的主燃烧区形成螺旋火焰。在炉膛中，通过烧嘴的排布和喷射方向的调整，人为的将高温燃烧火焰控制在一个圆筒形区域中螺旋上升的，简单起见，将这个圆筒形区域中的火焰，称为螺旋火焰。圆筒形区域在炉膛俯视图的投影，为假想的圆环形。由于圆环形也是一个区域，在该区域中有无数个假想的圆形，任何一条进入环形区域的线条，都有可能是一个假想的圆形的切线。所以，可以认为烧嘴或燃烬风喷嘴所喷射气流的几何路线与某个假想的圆环形成相切的形态。因此，行业中将这些假想的圆形称为切圆。切圆具有方向性。切圆的方向是螺旋火焰旋转方向在炉膛俯视图上的投影的方向。在烧嘴或燃烬风喷嘴所喷射气流的几何路线与某个假想的圆形相切的切点处，烧嘴或燃烬风喷嘴所喷射气流的方向与螺旋火焰的方向相同则称为正切，反之称为反切。 

中段炉膛不设置喷嘴和烧嘴。螺旋火焰在通过中段炉膛时既没有增加空气也没有增加燃料，只是进行欠氧燃烧。 

本实施例的上段炉膛是关键。本实施例在上段设置了多层燃烬风喷嘴。燃烬风喷嘴的位置按照两个燃烬风喷嘴为一组，以四角切园锅炉为例，设置在炉膛的四角（炉膛水平截面投影或称炉膛俯视图正投影为矩形），如果炉膛截面的水平投影为圆形或椭圆形，则设置在燃烧器水平投影的两侧。 

一组燃烬风喷嘴所喷射的角度，是根据喷射对应的螺旋火焰所确定的。一组燃烬风喷嘴中的一个燃烬风喷嘴所喷射的方向与螺旋火焰的切圆方向相同，另一个喷嘴的喷射方向与螺旋火焰的切圆方向相同反，如图2所示。两个燃烬风喷嘴所喷射气流的气流几何喷射路线与喷射对称轴线之间的夹角可以在15—20度范围内选择，具体角度根据炉膛的具体尺寸和容积确定。 

本实施例所述燃烬风量占全部风量的20-40%，按照按需供氧的原则送入空气，燃烬风喷嘴根据锅炉容量大小布置二到五层喷嘴，将燃烬风平均分配到各层的各组燃烬风喷嘴，且每组燃烬风喷嘴喷出两股燃烬风，以50-60m/s的速度射入炉膛。其中一股是射入方向与螺旋火焰方向相反的反切燃烬风，另一股是与螺旋火焰方向相同的正切燃烬风。两股射流形成的切圆21比螺旋火焰的切圆22要小，见图2。两股燃烬风射流刚性均较强，其中反切燃烬风与螺旋火焰的旋转气流成钝角相交冲撞，有足够的能力穿透螺旋火焰的气流，到达炉膛中心螺旋火焰的高温区，使得这股燃烬风与螺旋火焰的气流混合强烈，从而使未完全燃烧的碳粒与射入的空气混合良好，延长了碳粒在高温区的停留时间。而且正切燃烬风在稳定炉内空气动力场的同时送入燃烬所需要的剩余足够空气，使未完全燃烧的碳粒在有限的停留时间内燃烧更加完全，保证飞灰含碳量在深度空气分级的燃烧条件下不至于上升。同时，反切燃烬风的射流进入炉膛后，与螺旋火焰的螺旋火焰气流相交混合，削减了螺旋火焰气流的旋转动量，有助于减弱炉内气流偏斜。而正切燃烬风的射流又可以防止由于反向切圆气流过强而造成的反向气流偏斜。这样布置的燃烬风会极大的削弱主旋气流在炉膛出口处的残余旋转动量，从而减小过再热器的传热热偏差。 

实施例二： 

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于气流几何喷射路线的细化，如图2所示。本实施例所述气流几何喷射路线与喷射对称轴线之间的夹角为15—20度。

所述气流几何喷射路线与喷射对称轴线之间的夹角根据炉膛的容积确定。 

实施例三： 

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于燃烬风喷射单元的细化，如图2所示。本实施例所述炉膛为四角切园形，所述的燃烬风喷射单元每层设置四组燃烬风喷嘴，分别设置在四角切园形炉膛的四角。

本实施例适应于四角切园形或正方形的炉膛，燃烬风的喷嘴设置在四角。或者描述为：在炉膛俯视图中，燃烬风喷嘴的正投影布置在燃烧器正投影的两侧。由于，在炉膛俯视图中燃烧器在炉膛的炉前侧和炉后侧（图2中，图左侧炉前，图右侧为炉后），则燃烧器的左右两侧（图中燃烧器的上下），布置了燃烬风喷嘴。如果炉膛是圆形或椭圆形，则可以用燃烧器的左右侧描述燃烬风喷嘴的位置。 

实施例四： 

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于燃烬风喷射单元的细化。本实施例所述的燃烬风喷射单元的层数为2—5层。

根据炉膛的容积大小选择燃烬风喷射单元的层数，一般不超过五层，也可以更多层，不少于两层。三层或四层效果较好。利用多层燃烬风对螺旋火焰产生更有力的影响。 

实施例五： 

本实施例是一种使用上述实施例所述燃烧装置的燃煤低NO_x排放的燃烬风燃烧方法，所述方法的步骤如下：

送风欠氧燃烧的步骤：用于炉膛下段的烧嘴喷出欠氧燃烧风量的送风，所述送风将煤粉送入炉膛下段进行欠氧燃烧，产生螺旋火焰。本实施例按炉膛竖直对称轴线，根据燃烧状态将炉膛分为欠氧燃烧阶段和燃烬阶段。在欠氧燃烧阶段前期（即本步骤：送风欠氧燃烧），煤粉被送风送入炉膛进行燃烧，该阶段送入炉内风量占全部风量的60-80%。全部风量指的是：燃烧一定数量的煤所需用的风量，该风量中含有足够燃烧该数量煤的氧气。

无送风欠氧燃烧的步骤：用于炉膛底部螺旋火焰旋转上升进入炉膛中段，此时不送入空气，以形成还原性气氛，延长氮氧化物的还原时间，使得“送风欠氧燃烧的步骤”燃烧生成的一部分NO_x会在此时被还原为N₂。在欠氧燃烧阶段后期（即本步骤：无送风欠氧燃烧）不送入空气，此时形成还原性气氛，延长氮氧化物的还原时间，使得欠氧燃烧阶段前期燃烧生成的一部分NO_x会在此时被还原为N₂。欠氧燃烧阶段后期的存在对于NO_x的减排起着非常重要的作用，和没有欠氧燃烧阶段后期的空气分级燃烧相比，有此阶段的空气分级燃烧技术NO_x排放量要低很多。 

送入燃烬风的步骤：用于炉膛上段的燃烬风喷射单元向螺旋火焰喷射燃烬风，所述燃烬风的燃烬风量是全部燃烧送风量减去欠氧燃烧风量的量，将燃烬风量平均分配到各组燃烬风喷嘴上，所述一组燃烬风喷嘴喷射出两股风量和刚性相同的气流以以下方式喷入螺旋火焰中：一股与螺旋火焰的切圆方向相同，一股与螺旋火焰的切圆方向相反。燃烬风量可占全部风量的20-40%，按照按需供氧的原则送入空气，将燃烬风平均分配到各喷嘴，且每组燃烬风分两股以50-60m/s的速度射入炉膛，其中一股射入方向与螺旋火焰的气流方向相反，另一股与螺旋火焰的气流方向相同，两股射流形成的切圆比螺旋火焰的气流切圆要小，见图2。两股燃烬风射流刚性均较强，其中反切燃烬风与螺旋火焰的气流成钝角相交冲撞，有足够的能力穿透主旋气流，到达炉膛中心高温区，使得这股燃烬风与主旋气流混合强烈，从而使未完全燃烧的碳粒与射入空气混合良好，延长了碳粒在高温区的停留时间。而且正切燃烬风在稳定炉内空气动力场的同时送入燃烬所需要的剩余足够空气，使未完全燃烧的碳粒在有限的停留时间内燃烧更加完全，保证飞灰含碳量在深度空气分级的燃烧条件下不至于上升。同时，与炉内螺旋火焰的气流方向相反的燃烬风射流进入炉膛后，与螺旋火焰的气流相交混合，削减了螺旋火焰的气流的旋转动量，有助于减弱炉内气流偏斜，而与炉内螺旋火焰的气流方向相同的射流又可以防止由于反切燃烬风气流过强而造成的反向气流偏斜。这样布置的燃烬风会极大的削弱螺旋火焰的气流在炉膛出口处的残余旋转动量，从而减小过再热器的传热偏差。 

实施例六： 

本实施例是实施例五的改进，是实施例五关于送风欠氧燃烧的步骤细化。本实施例所述送风欠氧燃烧的步骤，采用“水平浓淡风”燃烧方法。

本实施例采用的浓淡风燃烧方式是：在燃烧器前使用煤粉浓缩器，把燃烧器喷出的风粉在水平方向上分为浓淡两股煤粉气流，浓一次风粉气流小角度正切射入炉膛，形成较小直径的螺旋火焰切圆，淡一次风粉和部分二次风以较大角度正向射入炉膛，其形成的切圆的直径较浓一次风粉的切圆大，其余二次风以更大角度正向射入炉膛。这样可以形成淡一次风粉包裹浓一次风粉，二次风包裹一次风粉的效果，达到“风包粉”的效果，实现稳定燃烧，而且二次风分两部分送入炉膛，对于进一步降低NO_x的排放很有利。同时，浓一次风粉小角度射入炉膛，使得浓一次风粉和高温烟气提前接触，有利于燃烧、燃烬，提高了燃烧效率。另外，浓一次风粉小角度射入炉膛，有利于抵消直流燃烧技术造成的旋转动量，从而减轻受热面的热偏差。 

实施例八： 

本实施例是实施例六和七的改进，是实施例六和七的关于燃烬风的细化。本实施例所述的燃烬风的风速为50-60m/s。

燃烬风的风速根据炉膛的容积确定。 

实施例九： 

本实施例是实施例八的改进，是实施例八关于送风量的细化。本实施例所述的欠氧燃烧风量为60—80%，所述的燃烬风量为20—40%。

实施例十： 

本实施例是实施例九的改进，是实施例九关于送风量的细化。本实施例所述的欠氧燃烧风量为70%，所述的燃烬风量为30%。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如燃烬风喷嘴的排布、炉膛的结构、燃烬风的特性等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。 

Claims (10)

1.一种低NO_x排放的燃烬风燃烧装置，包括：燃烧炉的炉膛，所述的炉膛下段两侧设有多层成排安装的燃烧器的烧嘴，所述的炉膛上段设有燃烬风喷射单元，其特征在于，所述的燃烬风喷射单元为多层设置，每层设置至少两组燃烬风喷嘴，每组燃烬风喷嘴喷射出两股气流，所述的两股气流的几何喷射路线同在一个与炉膛竖直对称轴线垂直的炉膛截面中，所述几何喷射路线相交并对称于在同一平面内的喷射对称轴线，所述的喷射对称轴线过所述的两条几何喷射路线的交点与炉膛竖直对称轴线在所述炉膛截面中的垂足。

2.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，所述气流几何喷射路线与喷射对称轴线之间的夹角为15—20度。

3.根据权利要求1或2所述的燃烧装置，其特征在于，所述炉膛为四角切圆形，所述的燃烬风喷射单元每层设置四组燃烬风喷嘴，分别设置在四角切圆形炉膛的四角。

4.根据权利要求1或2所述的燃烧装置，其特征在于，所述的燃烬风喷射单元的层数为2—5层。

5.根据权利要求4所述的燃烧装置，其特征在于，所述炉膛为四角切圆形，所述的燃烬风喷射单元每层设置四组燃烬风喷嘴，各组燃烬风喷嘴分别设置在四角切圆形炉膛的四角。

6.一种使用权利要求1所述燃烧装置的燃煤低NO_x排放的燃烬风燃烧方法，所述方法的步骤如下：

送风欠氧燃烧的步骤：用于炉膛下段的烧嘴喷出欠氧燃烧风量的送风，所述送风将煤粉送入炉膛下段进行欠氧燃烧，产生螺旋火焰；

无送风欠氧燃烧的步骤：用于炉膛底部螺旋火焰旋转上升进入炉膛中段，此时不送入空气，以形成还原性气氛，延长氮氧化物的还原时间，使得“送风欠氧燃烧的步骤”燃烧生成的一部分NO_x会在此时被还原为N₂；

其特征在于：

送入燃烬风的步骤：用于炉膛上段的燃烬风喷射单元向螺旋火焰喷射燃烬风，所述燃烬风的燃烬风量是全部燃烧送风量减去欠氧燃烧风量的量，将燃烬风量平均分配到各组燃烬风喷嘴上，每组燃烬风喷嘴喷射出两股风量和刚性相同的气流，一股与螺旋火焰的切圆方向相同，一股与螺旋火焰的切圆方向相反。

7.根据权利要求6所述的燃烧方法，其特征在于，所述送风欠氧燃烧的步骤，采用“水平浓淡风”燃烧方法。

8.根据权利要求6或7所述的燃烧方法，其特征在于，所述的燃烬风的风速为50-60m/s。

9.根据权利要求8所述的燃烧方法，其特征在于，所述的欠氧燃烧风量为60—80%，所述的燃烬风量为20—40%。

10.根据权利要求8的燃烧方法，其特征在于，所述的欠氧燃烧风量为70%，所述的燃烬风量为30%。

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