CN105202535B - 一种适用于高碱金属含量燃料的燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于高碱金属含量燃料的燃烧装置，包括燃烧室（2）、辐射换热室（6）、转向室（12）、对流换热室（17）；燃烧室（2）顶端设置顶置燃烧器（1）和周向布置的主燃烧器（3），辐射换热室（6）和燃烧室（2）通过喉口（4）连接；辐射换热室（6）周向布置气体局部保护装置（7），下部设有折焰角（15），并通过转向室（12）和对流换热室（17）相连接；在辐射换热室（6）下端设置有液态排渣装置（10），由渣池（9）连接；对流换热室（17）包括高温对流段（13）、低温对流段（14）和激冷段（11）三个部分，烟气最终由对流换热室（16）排出。燃烧过程剧烈，且温度远高CaSO₄的熔点温度，燃料的燃烧效率远高于一般燃料锅炉。

Description

一种适用于高碱金属含量燃料的燃烧装置

技术领域

本发明涉及应用于含高碱金属燃料的燃烧设备，尤其涉及到以高碱金属含量、低灰熔点的新疆煤为燃料的燃烧设备。

背景技术

煤炭作为我国国民经济发展的支柱，在我国能源结构中将长期占有主导地位。随着用电量的逐年增加，用煤量也大幅度增加。新疆煤田的煤炭资源占中国煤炭总储量的2/5，总储量高达2.19万亿吨，居全国之首，是我国目前最大的整装煤田。以我国现在煤炭年产量计算一个准东煤田就够全国使用100年．但是由于历史成因和当地特殊的自然地理环境，准东煤Ca、Na等碱金属的含量高，以灰分计下氧化钠的质量分数总体都在2％以上，有的煤种其含量甚至高达10％，远高于其他地区动力用煤(中国国内动力煤氧化钠的含量都在1％以下)。而煤的高钠含量易导致燃用该煤种的锅炉出现结渣、沾污、积灰和腐蚀等问题，严重影响了锅炉的正常运行。这就致使开采成本低、燃烧活性好、低污染、低排放的准东煤得不到很好的利用。目前对新疆高钠煤的燃烧利用主要通过掺烧、合理的锅炉设计与运行添加剂燃料预处理和受热面处理等方法来实现。通过避免出现还原性气氛与局部高温区，减少气相中钠的含量以及受热面管壁采用防腐蚀材料等方法实现对新疆煤结焦的控制。

锅炉结渣是一个十分复杂的物理化学过程，传统理论认为：当炉膛内的温度较高时，一部分灰分转变为半熔融或熔融状态，若这部分灰分在到达受热面前未得到足够冷却成为固态，而仍然具有粘结性，就容易粘附在烟气受热面上形成渣层，渣层热阻较高，使外表面温度升高，甚至达熔化状态，从而形成粘性底层，易捕捉灰粒和未燃尽的焦炭，使结渣不断增厚或者恶化；另一方面，在燃烧过程中，煤中所含的碱金属化合物迅速挥发，呈气态进入烟气中，当温度降低时凝结，粘附在受热面或炉墙上，同时亦可粘附其他颗粒，凝结在飞灰颗粒的表面，成为熔融的碱化物膜形成结渣。

粘附在受热面上的结渣会引起过热蒸汽再热蒸汽温度升高，并导致过热蒸汽再热蒸汽减温水开大，排烟损失增大，锅炉效率降低，引风机消耗电量增加，对强制循环锅炉水冷壁的热偏差带来不利影响，甚至会导致汽水管爆破使锅炉出力降低，严重时会造成被迫停炉，缩短锅炉设备的使用寿命。同时，结渣易成灰渣大块，造成捞渣机和碎渣机运行困难，有时会过载跳闸，严重时使渣沟受堵，引起锅炉事故的发生，且锅炉的大渣块掉落，亦对水冷壁的安全造成很大威胁。

通过对燃用新疆煤的燃烧设备的调研发现：沾污结焦受热面的分布区域较广，沿烟气行程各段受热面均可能发生沾污结焦；发生沾污结焦的位置受煤种影响较大，但不会在所有的受热面都发生，仅是个别的受热面；受热面上的结焦粘性大，空气吹灰无法清除；锅炉负荷超过某一值时，飞灰含碳量剧增，结焦沾污发展迅速；新疆煤的结焦性和灰熔点的直接关系关联性不强。

传统理论认为新疆煤易发生沾污结焦的主要原因是：煤种灰熔点低、Na、K元素含量高，气态的Na、K元素因热脉动碰触到受热面形成灰底层，继而捕捉烟气中的固体颗粒，使受热面发生沾污结渣。但是通过对炉膛对流受热面底层灰进行扫描电镜分析，可知灰层的主要成分为CaSO₄，而非传统结焦理论中认为易升华凝结的Na、K元素形成的碱金属化合物。CaSO₄本身的灰熔点为1450℃，而结渣沾污受热面的区间温度为600~700℃，且经常出现受热面沾污不对称的情况。因此，可以判定形成沾污的主要原因不是易升华凝结的Na、K元素化合物和共熔体所致。根据新疆煤着火温度低、灰熔点低和沾污结焦易发生在高负荷下的情况，可以判定沾污结焦的主要原因是燃料在炉膛内未完全燃尽，未燃尽碳跟随烟气进入屏和对流受热面，继续燃烧，由于燃烧温度远高于CaSO₄的熔点温度，导致颗粒表面的融化或者软化，当颗粒和受热面碰撞时就会发生沾污结焦现象。当有新的未燃尽颗粒加入时，就会加剧局部沾污结焦，并不断扩大，导致运行事故的出现。同时，这也验证了形成的灰的粘性大，清除难的问题。

发明内容

由于使用新疆煤的燃烧设备的受热面沾污结焦的原因是煤种的着火温度低、灰熔点低、未燃尽碳和CaSO₄共同形成灰底层。本发明通过组织全新的燃烧方式和对烟气行程进行调节控制的方法来解决新疆煤在燃烧过程中屏和对流受热面出现的严重沾污结焦问题，提出一种能够安全稳定长期使用该煤种的燃烧装置。方案如下：

一种适用于高碱金属含量燃料的燃烧装置，主要包括燃烧室2、辐射换热室6、转向室12、对流换热室17，燃烧室2顶端设置顶置燃烧器）和周向布置的主燃烧器3，辐射换热室6和燃烧室2通过喉口4连接；辐射换热室6周向布置气体局部保护装置7，下部设有折焰角15，并通过转向室12和对流换热室17相连接；在辐射换热室6下端设置有液态排渣装置10，由渣池9连接；对流换热室17包括高温对流段13、低温对流段14和激冷段11三个部分，烟气最终由对流换热室16排出。

顶置燃烧器采用旋流燃烧器，顶置燃烧器的安装位置为燃烧室的垂直轴线上。

主燃烧器采用直流燃烧器，主燃烧器的安装位置在燃烧室的周向上，均匀对称分布，主燃烧器的射流方向和置顶燃烧器1建立的流场相切或者相交成较小的角度。

当负荷值比较低时，可以采用顶置燃烧器单独运行。

燃烧室（2）、喉口（4）、辐射冷却室（6）均垂直布置，且同轴布置。

从图2上看，折焰角的第一拐点A和第二拐点B均位于第三拐点C的内侧。为了便于调整流场，从图1上看，第二拐点B的位置低于第一拐点A的位置。

激冷段的进出口区间为口温度不低于750℃，出口温度不高于650℃。

本发明将整个技术方案分为燃烧方式创新和烟气行程调节控制两个部分。在燃烧方式上，总体上采用液态排渣方式，燃料和助燃剂通过切向和割向由设定的燃烧器进入炉膛。通过合理配风方式，使燃料在炉内旋转，在一二次风和离心力的作用下，在炉膛内壁熔融态渣膜上进行燃烧反应，燃烧后剩余的熔渣沿炉膛内壁在气体流动和重力的作用下向下流动。较大的燃料颗粒在炉膛内壁渣膜上燃烧，较细的颗粒在熔渣附近空间悬浮燃烧。在烟气行程控制方面借鉴已申请专利《一种带有灰渣捕捉的防结渣及沾污的显热回收装置》（CN102671410 B）中的烟气控制方法，在高温对流受热面和低温对流受热面之间添加烟气再循环，准确控制烟气的温度来实现受热面沾污的控制。烟气温度控制的主要目的是将气态的碱金属化合物转变为固态，防止对流受热面上由于烟气中含有较多的Na、K等气态碱金属化合物和低温共融体在~700℃的临界温度范围内发生冷凝，从而在受热面上呈现较高的粘性，并在受热面表面上凝结形成沾污底层。由于沾污底层具有较强的粘性，可以捕捉大量飞灰，从而使得受热面发生大面积沾污，极大的影响了换热效率和设备可用率。

优选地，燃烧室的外形结构采用圆形或者对称的正多边形；

优选地，燃烧器分为顶置燃烧器和主燃烧区燃烧器，顶置燃烧器采用旋流燃烧器，主燃烧器采用直流燃烧器，选择大切圆燃烧；

优选地，顶置燃烧器旋流方向和主燃烧器大切圆的旋转方向一致，加强旋流强度；

优选地，主燃烧器采用多层布置，根据实际煤种的情况间隔布置一二次风和燃料燃烧器；

优选地，燃烧室的下端采用锥形结构；

优选地，连接结构喉口4的结构选择外凸形结构，在结构的下边缘采用锯齿结构，方便液态渣的下落收集；

优选地，燃烧室选择水冷壁结构，水冷壁表面布置耐火材料，以保证熔渣的流动性；

优选地，辐射冷却室周向布置的气体保护装置采用专利《一种非激冷防结渣辐射废热锅炉及其应用》（103102993A）使用原理和方法；

优选地，辐射冷却室设有折焰角结构；

优选地，在对流换热室的受热面合理的布置吹灰器；

本发明在总体燃烧方式上燃烧室采用液态排渣的方式，通过液态排渣捕捉燃料燃烧后产生的CaSO₄成分，并且采用渣膜式的燃烧方式，燃烧过程剧烈，且温度远高CaSO₄的熔点温度，燃料的燃烧效率远高于一般燃料锅炉。

本发明在保证锅炉安全稳定运行和燃烧效率的前提下，在燃烧过程中采用液态排渣捕捉高熔点灰分及燃烧后采用激冷冷却烟气中气态碱金属化合物和共熔体。

附图说明

图1为一种适用于高碱金属含量燃料的燃烧装置结构形式示意图；

图2为图1中第一拐点A附近向下的剖视示意图。

附图标记说明：顶置燃烧器1、燃烧室2、主燃烧器3、喉口4、喉口下端、5辐射换热室6、气体局部保护装置7、灰斗8、渣池9、液态排渣装置10、激冷段11、转向室12、高温对流段13、低温对流段14、折焰角15、对流换热室出口16、对流换热室17、第一拐点A、第二拐点B、第三拐点C。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

以下实施例如图1所示的一种适用于高碱金属含量燃料的燃烧装置，主要包括燃烧室2、辐射换热室6、转向室12、对流换热室17。其中，燃烧室2顶端设置顶置燃烧器1和周向布置的主燃烧器3，辐射换热室6和燃烧室2通过喉口4连接；辐射换热室6周向布置气体局部保护装置7，下部设有折焰角15，并通过转向室12和对流换热室17相连接；在辐射换热室6下端设置有液态排渣装置10，由渣池9连接；对流换热室17包括高温对流段13、低温对流段14和激冷段11三个部分，烟气最终由对流换热室出口16排出。

上述装置的使用方法为：

步骤1、设备启动时，燃料先经过顶置燃烧器1进入燃烧室2发生燃烧反应，用来暖炉和软化水冷壁内的渣膜，同时形成炉内旋转的流场，用来捕捉主燃烧器3喷入的燃料。

步骤2、当炉内流场建立，温度超过煤粉的临界着火点~100℃，启动燃烧室2侧面布置的主燃烧器3。主燃烧器3的燃料进入方向和顶置燃烧器建立的流场相切或者小角度（5°）相割。较大的燃料颗粒在炉膛内壁渣膜上燃烧，较细的颗粒在熔渣附近空间悬浮燃烧。通过合理的设计受热面和水冷壁内衬厚度，保证炉膛的平均温度较CaSO₄熔点温度高150~200℃，保证熔渣的流动性。燃烧剩余的物质会聚集到水冷壁内壁上的渣膜上，在重力和烟气流动的带动下，通过喉口4，并在喉口4下端锯齿结构的引导下均匀细化，并流向辐射冷却室6，通过辐射冷却室6的换热高熔点熔融态的灰渣逐渐硬化并凝固，并通过折焰角15和气体保护装置7调整后的烟气流场将灰渣收集到渣池9，并由液态排渣装置10排出。

步骤3、燃烧后产生的烟气由燃烧室2（烟气平均温度~1650℃）依次进入辐射冷却室6（出口烟气温度~900℃）、转向室12（烟气出口温度~850℃）、高温对流换热段13（烟气出口温度~750℃）、激冷段11（烟气出口温度~650℃）和低温对流换热段14（烟气进口温度~650℃），对于燃料中的低熔点碱金属盐则通过对流换热室中的激冷段11降温，由气态碱金属化合物转化为固态，最终由对流换热室16排出。

步骤4、当满负荷运行时，顶置燃烧器1和主燃烧器3同时运行，当负荷逐渐降低时，优选的首先减少顶置燃烧器1的负荷，直至顶置燃烧器1的运行停止。当负荷继续降低时，逐渐减少主燃烧器3的负荷。

Claims (7)

1.一种适用于高碱金属含量燃料的燃烧装置，主要包括燃烧室(2)、辐射换热室(6)、转向室(12)、对流换热室(17)，其特征在于：燃烧室(2)顶端设置顶置燃烧器(1)和周向布置的主燃烧器(3)，辐射换热室(6)和燃烧室(2)通过喉口(4)连接；辐射换热室(6)周向布置气体局部保护装置(7)，下部设有折焰角(15)，并通过转向室(12)和对流换热室(17)相连接；在辐射换热室(6)下端设置有液态排渣装置(10)，由渣池(9)连接；对流换热室(17)包括高温对流段(13)、低温对流段(14)和激冷段(11)三个部分，烟气最终由对流换热室(16)排出；喉口(4)的结构选择外凸形结构，在结构的下边缘采用锯齿结构。

2.如权利要求1所述的一种适用于高碱金属含量燃料的燃烧装置，其特征在于顶置燃烧器采用旋流燃烧器，顶置燃烧器的安装位置为燃烧室的垂直轴线上。

3.如权利要求1所述的一种适用于高碱金属含量燃料的燃烧装置，其特征在于主燃烧器采用直流燃烧器，主燃烧器的安装位置在燃烧室的周向上，均匀对称分布，主燃烧器的射流方向和置顶燃烧器(1)建立的流场相切或者相交成较小的角度。

4.如权利要求2所述的一种适用于高碱金属含量燃料的燃烧装置，其特征在于：当负荷值比较低时，可以采用顶置燃烧器单独运行。

5.如权利要求1所述的一种适用于高碱金属含量燃料的燃烧装置，其特征在于：燃烧室(2)、喉口(4)、辐射冷却室(6)均垂直布置，且同轴布置。

6.如权利要求1所述的一种适用于高碱金属含量燃料的燃烧装置，其特征在于：折焰角的第一拐点(A)和第二拐点(B)均位于第三拐点(C)的内侧，为了便于调整流场，第二拐点(B)的位置低于第一拐点(A)的位置。

7.如权利要求1所述的一种适用于高碱金属含量燃料的燃烧装置，其特征在于：激冷段的进出口区间为进口温度不低于750℃，出口温度不高于650℃。