CN102563688A - 一种燃用低灰熔点高钠钾含量燃料的锅炉热力系统 - Google Patents

Abstract

一种燃用低灰熔点高钠钾含量燃料的锅炉热力系统，该锅炉热力系统以旋风燃烧方式为基础，主要包括旋风筒、排渣池、锅炉主炉膛、各级受热面和除灰装置，通过采用增大炉膛容积和辐射换热面积的设计，增加炉膛辐射换热量，降低炉内温度水平和炉膛出口烟温，使得锅炉在正常工作时炉膛出口烟温控制在700℃到850℃之间，在此温度范围内，燃料在高温燃烧时产生的气态碱金属化合物在烟气中基本完全凝固下来，因此从根本上解决了低灰熔点高钠钾含量燃料在燃烧时由于挥发态碱金属在受热面上凝结而导致的严重的积灰结渣问题。此外，该锅炉热力系统还具有热强度高、燃烧稳定、燃烧经济性好、捕渣率高、结构尺寸紧凑、可用率高及应用范围广等优点。

Description

一种燃用低灰熔点高钠钾含量燃料的锅炉热力系统

技术领域

本发明属于热能工程研究领域，特别涉及一种适用于低灰熔点、高钠钾含量、易积灰易结渣燃料燃烧的锅炉热力系统。

背景技术

能源是现代社会赖以生存和发展的物质基础，也是国民经济快速持续发展的有力保障。近年来，随着工业的发展和人民生活水平的提高，我国的能源消耗也是与日俱增。然而我国是一个能源短缺的国家，为了满足国民经济快速发展对能源的需求，多层次能源的安全高效利用已刻不容缓。

我国有着丰富的低灰熔点高钠钾含量燃料资源，所谓高钠钾含量燃料是指燃料中当量Na₂O(当量Na₂O＝(Na₂O+0.659K₂O)×A_d/100，％；式中：Na₂O、K₂O为燃料灰中氧化钠与氧化钾含量，％；A_d为燃料的干燥基灰分，％；0.659为Na₂O与K₂O分子量之比)含量大于等于0.45的高沾污性燃料，对于那些当量Na₂O含量小于0.45但燃烧时仍以挥发态碱金属在受热面上凝结为主而导致积灰结渣的燃料仍应归类到高钠钾含量燃料。例如2005年被勘探发现的准东煤田。准东煤田资源预测储量达3900亿吨，是我国目前最大的整装煤田，以现在我国煤炭年产量计算，一个准东煤田就够全国使用120多年。从总体上看，我国多数动力产煤区都富藏灰熔融性较低的高钠钾含量煤。此外，大多数生物质燃料也具有灰熔点低、钠钾含量高的特点。生物质能不仅总量大，而且可再生，据测算，如果充分利用我国目前的农业生物质资源，每年可新增5亿吨左右标准煤，能极大补充我国能源缺口。然而截止到目前，我国燃用低灰熔点高钠钾含量燃料的锅炉基本都存在着严重的锅炉炉膛受热面以及各级对流受热面结渣、沾污和腐蚀问题。锅炉受热面的积灰结渣不仅会严重影响锅炉出力，降低锅炉效率，还会在受热面管壁产生高温腐蚀，使管子金属处于超温运行状态，降低受热面管子强度，当积灰结渣严重时会导致锅炉爆管，增加检修工作量或被迫停炉，给锅炉的安全经济运行带来极大威胁。从上世纪锅炉被大规模利用开始，锅炉受热面的积灰结渣问题就一直困扰着人们，低灰熔点高钠钾含量燃料由于其自身的特点，使得它比其他结渣煤种具有更强的结渣性，也正因为如此，低灰熔点高钠钾含量燃料在我国的高效广泛利用受到极大限制。

低灰熔点高钠钾含量燃料碱金属含量高，在高温燃烧下除了以硅铝酸盐形式存在的碱金属化合物有很高的熔点外(NaAlSiO₄在1550℃的高温下也不会分解或者蒸发，它最终留在灰中)，其他低熔点的碱金属化合物都会从燃料中挥发出来，主要以气相氯化物、硫酸盐、氧化物等形式存在于高温烟气中，形成升华灰。升华灰非常细小，很容易冷凝到受热面表面形成呈粘稠状熔融态的冷凝液膜，以这层液膜为粘结剂，一方面捕集烟气中的固体颗粒，一方面还可继续形成粘结物，使得渣层迅速增长，最终产生结渣。虽然近些年我国对锅炉的设计与运行中在防止积灰结渣方面积累了一些经验，但从目前我国锅炉应用的实际情况来看，现有的这些方法都无法从根本上解决低灰熔点高钠钾含量燃料燃烧的积灰结渣问题，具体归结如下：

(1)控制炉内温度水平。炉内温度水平与锅炉结渣密切相关，实验表明，烟气温度每升高50℃结渣率变增长5倍。现有的应用是根据煤灰熔融特性和结渣指数来选择炉膛出口烟温，使得炉膛出口烟温低于煤灰熔融温度，从而避免熔融或半熔融状态灰在对流受热面上的粘附，降低对流受热面的结渣。当燃用低灰熔点高钠钾含量燃料时，大量碱金属化合物挥发混合在烟气中，即使控制炉膛出口烟温在灰熔点以下，约1100℃，在此温度下飞灰颗粒呈固体状态，但碱金属化合物仍然以气体形式存在，随烟气进入炉膛出口高温对流受热面，在受热面的低温壁面上产生冷凝液膜，进而导致积灰结渣。若进一步降低炉膛出口烟温至960℃左右(工业锅炉的炉膛出口烟温水平)，仍不能避免碱金属化合物的冷凝结渣，实际应用中燃用生物质的工业锅炉炉膛出口对流受热面严重的积灰结渣现象即可证明此点。较低的炉膛出口烟温对应较小的炉膛容积热负荷，过小的炉膛容积热负荷会给燃料的着火、燃烧及燃尽带来极大困难，因此炉膛出口烟温不可能无限制地降低，这也是我国目前无法解决燃用低灰熔点高钠钾含量燃料时在高温对流受热面上的积灰结渣问题的根源所在。

(2)组织良好的炉内空气动力场。我国目前在组织炉内合理空气动力场方面的工作主要包括防止一次风气流贴壁、防止炉膛近壁区形成还原性气氛、降低近壁区温度和均匀分配炉内热负荷，这些措施在防止炉膛特别是燃烧器区域结渣取得了良好效果，但对于由升华灰导致的燃用低灰熔点高钠钾含量燃料锅炉的对流受热面严重的积灰结渣问题却无法起到防治作用。

(3)合理的吹灰。吹灰是一种控制受热面积灰结渣的有效手段，吹灰器对受热面上积聚的干松灰和低粘结性灰有良好的吹除效果。当燃用低灰熔点高钠钾含量燃料时，气相碱金属化合物直接凝结在受热面上会形成致密的强粘结灰，吹灰器很难吹除粘附在受热面表面上的强粘结灰，因此吹灰亦不能解决受热面由升华灰导致的积灰结渣问题，这也解释了某些燃用高钠煤的机组锅炉即使吹灰器频繁工作仍无法避免严重的炉内积灰结渣。

(4)进行混煤燃烧。混煤的燃烧是在燃烧结渣倾向严重的煤种时掺混部分不易结渣煤以收到减轻炉内结渣程度的效果。但由于灰成分共晶现象，有可能使得混煤的灰熔点较之原煤中任何一种的灰熔点都要低，因此混煤燃烧前需要进行大量的灰熔融特性试验，耗费人力物力，且混煤燃烧并不能解决原高钠钾含量燃料燃烧碱金属蒸汽在受热面上的凝结问题，即使混煤搭配得当，由升华灰导致结渣的可能性依然存在。混煤燃烧在实际应用中还会受到地域影响，从而降低了混煤燃烧的可操作性。

(5)添加高熔点耐熔剂。对于易结渣煤种，适当加入合适的添加剂可减轻结渣，添加剂主要起到提高灰熔点、与易结渣的煤灰结合成熔点较高的不易结渣物质的作用。但目前针对高碱金属含量燃料还无有效可行的添加剂，并且燃烧时大量添加剂的使用会增加燃烧成本，从经济性方面考虑，极大地限制了该方法的现实可行性。

发明内容

针对低灰熔点高钠钾含量燃料燃烧时存在的锅炉受热面严重的积灰结渣问题，以及截至到目前我国仍无有效解决途径的现状，本发明的目的在于提出了一种适用于低灰熔点、高钠钾含量、易积灰、易结渣燃料燃烧的锅炉热力系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括安装在炉膛下部炉墙上并与炉膛相连通的带有燃烧器的旋风筒，在炉膛下部设有炉底排渣口，炉膛上方布置有屏式受热面；在炉膛出口后面的水平烟道内布置有对流受热面；

所述旋风筒的上部设置有二次风入口；

所述的炉膛采用大容积炉膛；

所述的屏式受热面采用加长、加宽或增多布置片数的结构。

所述的屏式受热面和对流受热面区域设有吹灰装置。

所述的炉底排渣口下端连接有排渣池。

所述的旋风筒由水冷壁管圈构成，管圈内侧焊有密集销钉，销钉间涂有耐火衬里。

所述的旋风筒采用立式布置、卧式布置或卧式多层布置；所述多层布置采用单侧布置、双侧对冲布置或双侧不对冲布置。

所述的屏式受热面的屏节距S₁≥700mm，均为辐射式受热面。

所述的对流受热面采用高烟气流速设计。

本发明所提出的锅炉热力系统以旋风燃烧锅炉为基础，在实际运行过程中进行液态排渣，并使炉膛出口烟气温度控制在挥发态碱金属化合物(升华灰)的凝结温度以下。该系统不仅可以大大减轻低灰熔点高碱含量燃料燃烧时产生的炉膛结渣，而且能够解决由于升华灰凝结而导致的炉膛出口后面密集对流受热面严重的积灰结渣问题。此外，该系统还具有旋风炉热强度高、燃烧稳定、燃烧经济性好、捕渣率高、结构尺寸紧凑等优点。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

1为旋风筒；2为燃烧器；3为二次风入口；4为炉膛；5为炉底排渣口；6为排渣池；7为屏式受热面；8为对流受热面；9为吹灰器；10为炉膛出口；11为水平烟道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括安装在大容积炉膛4下部炉墙上并与炉膛4相连通的带有燃烧器2的旋风筒1，旋风筒的上部设置有二次风入口3，所述的旋风筒1由水冷壁管圈构成，管圈内侧焊有密集销钉，销钉间涂有耐火衬里，旋风筒1采用立式布置、卧式布置或卧式多层布置；所述多层布置采用单侧布置、双侧对冲布置或双侧不对冲布置，在炉膛4下部设有炉底排渣口5及与炉底排渣口5相连接的排渣池6，炉膛4上方布置加长、加宽或增多布置片数结构的屏式受热面7；屏式受热面7的屏节距S₁≥700mm，均为辐射式受热面，在炉膛出口10后面的水平烟道11内布置有对流受热面8，对流受热面8采用高烟气流速设计；其中屏式受热面7和对流受热面8区域设有吹灰装置9。

本发明的炉膛在结构设计时，采用加大炉膛容积设计(包括增加炉膛的宽度、深度或高度)，增加炉内水冷壁面积(包括水冷壁、墙式换热器和顶棚换热器)，增加炉膛的水冷壁辐射换热量，降低炉内温度水平和炉膛出口烟温。

屏式受热面7布置在锅炉上部直接吸收炉膛的辐射热。所述屏还具有以下特点：为了进一步增加炉内辐射换热面积，所用屏的面积加大(包括增加屏的长度或宽度)或炉内布置屏的数目增多，以达到降低炉膛出口烟温的目的。考虑到防止屏式受热面结渣的要求，屏节距可根据需要适当增大。

所述对流受热面8布置在炉膛出口之后，采用高烟气流速设计，以强化传热，减轻积灰。

所述除灰装置布置在屏式受热面和对流受热面周围，根据锅炉的实际运行情况，以合理的除灰间隔时间和一次除灰的持续时间工作，达到防止屏式受热面结渣挂渣和对流受热面积灰严重的目的。

所述炉膛出口位置按公认方法界定划分。

所述炉膛出口烟气温度控制在挥发态碱金属化合物的凝结温度以下是指炉膛出口烟温控制在700℃到850℃范围间，在此温度范围内，燃料在高温燃烧时产生的气相碱金属化合物基本完全凝固下来，在炉膛出口之后的烟气中不再含有挥发态碱金属化合物。

高碱含量燃料和一次风从燃烧器2进入旋风筒1内，高速的二次风从旋风筒上部的二次风入口3切向喷入，带动燃料颗粒在筒内旋转前进。燃料在旋风筒内高热负荷、高扰动条件下迅速着火燃烧，直至燃尽排出筒外。在高温作用下，燃料中灰分完全熔化成液态渣粘在筒壁上形成液态排渣，而碱金属化合物完全挥发出来并混合在烟气中从旋风筒后锥进入炉膛4内。大约有80％的灰分以液态渣的形式从旋风筒下部流入炉底，通过炉底的排渣口5进入到排渣池6中；剩余20％的灰分以飞灰的形式夹杂在烟气中。夹带飞灰和升华态碱金属的烟气在炉内辐射降温，随后经炉膛出口10流过各级对流受热面8，最后经除尘、脱硫脱硝后通过烟囱排出锅炉。

由于炉膛容积和辐射换热面积的增加，烟气在炉膛内的辐射换热量增大，从而降低炉内温度水平和炉膛出口烟温。在该锅炉热力系统中炉内温度水平低、烟气中飞灰含量少且无一次风带粉气流贴壁，因此可避免炉膛发生结焦结渣。

该锅炉热力系统在设计运行时控制炉膛出口烟温在700℃到850℃之间，在此温度范围内，烟气中的升华态碱金属基本全部冷凝为凝固态碱金属，之后烟气以较高流速通过对流受热面，由于烟气中已无气相碱金属化合物，因此在对流受热面上只发生干松灰的积聚，干松灰在吹灰器9和高流速烟气的作用下极易清除，故密集对流受热面的积灰结渣问题也可得到彻底解决。

烟气在流经屏式受热面7时，主要发生辐射换热，对流扩散的作用很小，因此烟气中气相碱金属化合物在屏表面发生凝结的很少，为了更进一步防止屏的结渣挂渣，在设计时可视情况适当增大屏节距和布置吹灰器，故屏也不会产生严重的结渣挂渣。

因此，本发明所提出的锅炉热力系统可完全适用于低灰熔点高钠钾含量燃料的燃烧而不会产生严重的积灰结渣问题。

基本原理

低灰熔点高钠钾含量燃料碱金属含量高，在高温燃烧时低熔点的碱金属化合物会从燃料中挥发出来，主要以气相氯化物、硫酸盐、氧化物等形式混合在高温烟气中形成升华灰，升华灰极易冷凝在受热面上形成呈粘稠状熔融态的冷凝液膜，进而导致严重的积灰结渣问题，对锅炉运行的经济性和安全性构成极大威胁。

本发明提出的一种适于燃用低灰熔点、高碱含量燃料的旋风燃烧锅炉热力系统，一次风和燃料通过旋风筒前端的燃烧器进入旋风筒内，在旋风筒上部切向进入的高速二次风携带下旋转前进，受热后迅速着火燃烧，直至燃尽排出筒外。旋风燃烧热强度高，在高温作用下，燃料中的低熔点碱金属化合物全部挥发出来，混合在烟气中从旋风筒后锥进入主炉膛；燃料中的灰分完全熔化成液态渣，从旋风筒下部的出渣口流入炉膛底部，并从炉底的排渣口进入排渣池中。旋风筒捕渣率很高，可达70％至85％，因此只有15％至30％的灰分随烟气进入炉膛，烟气中飞灰浓度明显低于同容量的煤粉炉，从而使得炉膛水冷壁结焦结渣的可能性大大降低。从旋风筒后锥出来混合有碱金属化合物蒸汽和飞灰的烟气在炉内辐射放热，由于锅炉采用加大炉膛容积和增加辐射换热面积的设计，炉内辐射换热量较一般旋风炉明显增大，从而达到降低炉内温度水平和炉膛出口烟温的目的。炉内温度水平的降低有助于更进一步抑制炉膛结焦结渣；降低炉膛出口烟温至气相碱金属化合物凝结温度以下，使得碱金属化合物蒸汽在炉膛内的烟气中全部凝固下来，保证在到达炉膛出口后方对流受热面的烟气中不再含有气相的碱金属化合物，从而避免了升华灰在受热面表面发生凝结而产生冷凝液膜，因此从根源上解决低灰熔点高钠钾含量燃料在燃烧时存在的高温对流受热面严重的积灰结渣问题。在实际设计运行中控制炉膛出口烟温在700℃到850℃之间，在此温度范围内，燃料燃烧时产生的主要气相碱金属化合物已基本全部凝固下来。混合有碱金属蒸汽的烟气在流经炉膛上部屏式受热面时主要以辐射换热为主，气相碱金属化合物通过对流扩散作用到达屏表面发生凝结的很少，此外，该锅炉系统在设计中还采用适当增大屏节距和布置除灰装置的方法使得屏区结渣挂渣的问题得到解决。之后烟气以较高流速通过对流受热面，由于烟气中所含的碱金属化合物均已凝固，因此对流受热面的沾污主要以干松灰为主，积聚的干松灰灰粒间呈松散状态，在高流速烟气和除灰装置的作用下十分容易清除。

综上分析，本发明提出的锅炉热力系统可完全适用于低灰熔点、高钠钾含量燃料的燃烧而不会产生严重的积灰结渣。在此需要特别强调指出的是：

(1)从整个锅炉热力系统分析，本发明通过增加炉内辐射换热量的方法将高温对流受热面放在炉膛内成为辐射式受热面，从而降低炉膛出口烟温至700℃到850℃之间。在实际应用时，应根据各个受热面的工作条件和传热温差综合确定各级过热器、再热器在炉膛和烟道内的布置方式、位置、结构形式及其面积，以最大限度地提高该锅炉热力系统的安全性和经济性。

(2)从控制炉膛出口烟温的可行性分析，本发明是通过在旋风燃烧的基础上实现炉膛出口烟温的大幅度降低的。煤粉炉在设计运行时，受煤粉颗粒着火、燃烧及燃尽的限制必须维持炉内一定的温度水平，因此炉膛出口烟温不可能降低至700℃到850℃之间，这在工程实践中是不可行的。与煤粉炉不同，旋风炉的着火、燃烧、燃尽过程绝大部分发生在旋风筒内，主炉膛的温度水平对旋风炉的着火燃烧几乎没有影响，因此在旋风炉内控制炉膛出口烟温在气相碱金属化合物的凝结温度以下是完全可行的，这也是本发明得以实现的基本保证。

(3)该锅炉热力系统同普通的旋风炉系统有着很大的区别，普通的旋风炉系统炉膛出口烟温与煤粉炉在一个温度水平上，约1100℃左右，燃用高碱含量燃料时大量气相碱金属化合物在高温对流受热面上凝结，虽然烟气中的飞灰含量较少，但仍会产生严重的积灰结渣，本发明提出的锅炉热力系统采用增大炉膛容积和辐射受热面的方法，保证锅炉在正常工作时炉膛出口烟温控制在700℃到850℃范围内，从而避免了密集受热面严重的积灰结渣问题。

本发明提出的锅炉热力系统，具有如下优点：

(1)该锅炉热力系统最大的优点在于能够彻底解决低灰熔点高钠钾含量燃料在燃烧时存在的严重积灰结渣问题，可大大促进我国对低灰熔点高碱含量燃料(例如准东煤、生物质燃料等)的安全高效利用。

(2)该锅炉热力系统采用旋风燃烧方式，热强度高、燃烧稳定、燃烧经济性好，且没有对冲燃烧和切圆燃烧存在的一次风带粉气流贴壁现象。

(3)旋风炉采用液态排渣，本身就适宜燃用低灰熔点燃料，且捕渣率高，飞灰含量低，大大减轻了对流受热面的磨损。

(4)炉内辐射受热面面积增大，相应的对流受热面面积减小，可节约水平烟道和竖井烟道的布置空间，为更进一步提高对流受热面烟气流速和锅炉布置的紧凑性提供了可能。

(5)可用率高，虽然该锅炉热力系统钢材耗量较同容量的普通旋风炉要大，但与同容量的煤粉炉相比，整台锅炉系统的金属耗量还是降低的。

(6)应用范围广，该锅炉热力系统不仅可以用于电站锅炉，也可用于工业锅炉和生活锅炉，锅炉参数可从亚临界范围直到超临界和超超临界。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种燃用低灰熔点高钠钾含量燃料的锅炉热力系统，其特征在于：包括安装在炉膛(4)下部炉墙上并与炉膛(4)相连通的带有燃烧器(2)的旋风筒(1)，在炉膛(4)下部设有炉底排渣口(5)，炉膛(4)上方布置有屏式受热面(7)；在炉膛出口(10)后面的水平烟道(11)内布置有对流受热面(8)；

所述旋风筒的上部设置有二次风入口(3)；

所述的炉膛(4)采用大容积炉膛；

所述的屏式受热面(7)采用加长、加宽或增多布置片数的结构。

2.根据权利要求1所述的燃用低灰熔点高钠钾含量燃料的锅炉热力系统，其特征在于：所述的屏式受热面(7)和对流受热面(8)区域设有吹灰装置(9)。

3.根据权利要求1所述的燃用低灰熔点高钠钾含量燃料的锅炉热力系统，其特征在于：所述的炉底排渣口(5)下端连接有排渣池(6)。

4.根据权利要求1所述的燃用低灰熔点高钠钾含量燃料的锅炉热力系统，其特征在于：所述的旋风筒(1)由水冷壁管圈构成，管圈内侧焊有密集销钉，销钉间涂有耐火衬里。

5.根据权利要求1所述的燃用低灰熔点高钠钾含量燃料的锅炉热力系统，其特征在于：所述的旋风筒(1)采用立式布置、卧式布置或卧式多层布置；所述多层布置采用单侧布置、双侧对冲布置或双侧不对冲布置。

6.根据权利要求1所述的燃用低灰熔点高钠钾含量燃料的锅炉热力系统，其特征在于：所述的屏式受热面(7)的屏节距S₁≥700mm，均为辐射式受热面。

7.根据权利要求1所述的燃用低灰熔点高钠钾含量燃料的锅炉热力系统，其特征在于：所述的对流受热面(8)采用高烟气流速设计。

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