CN105650618A - 一种水煤气产烧一体化燃烧方法及其燃烧设备 - Google Patents

一种水煤气产烧一体化燃烧方法及其燃烧设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水煤气产烧一体化燃烧方法及其燃烧设备，主要应用在锅炉上，燃烧方法包括(S1)将兰碳在锅炉炉膛中覆盖有炉拱的炉排的主燃区内点燃，使主燃区的温度上升到1100度以上；(S2)向主燃区通入足量的空气及饱和水蒸汽，使兰碳与空气及饱和水蒸汽在主燃区发生反应产生水煤气并燃烧；随着主燃区的兰碳和水煤气的燃烧速度的加快，向主燃区逐渐加大空气和饱和蒸汽的进给量，加快水煤气的产生和燃烧速度，从而达到使水煤气即产即燃的效果；主燃区的水煤气燃烧后产生的高温火焰和未燃尽的高温烟气从炉拱的拱口进入炉膛内，并在二次风的配合下在炉膛内进一步燃尽。采用本发明的燃烧方法及燃烧设备，热效率高、安全环保、运行维修费用低。

Description

一种水煤气产烧一体化燃烧方法及其燃烧设备
技术领域
本发明属于锅炉技术领域，具体涉及一种水煤气产烧一体化燃烧方法及其燃烧设备。
背景技术
我国是富煤少油少气的国家，由于环保的要求，在全国的大部地区已经禁止燃煤，全国范围内的锅炉用户很多都被要求改为燃油燃气锅炉，这样生产企业的生产成本较燃煤锅炉提高4倍不止。
其实锅炉烟气排放超标与燃料(油、气、煤)并没有直接关系，而是与燃烧设备和烟气处理设备有直接的关系。例如黑烟与燃料是否燃尽与燃烧设备有关；烟气中的二氧化硫排放、燃料含硫量与脱硫设备有关；烟气中的氮氧化物排放与燃烧温度、控制氮氧化物生成和脱硝设备有关；烟气中的粉尘与锅炉的结构和除尘设备有关，等等。要想排放达标，降低排放的费用，首先就要从燃烧这一源头控制，那么就要有好的洁净燃烧技术。现有燃煤锅炉的燃烧系统都存在结构上的不足，燃烧也是直燃式的，炉膛温度低导致燃料不完全燃烧，对环境造成很大的污染，同时由于燃烧不完全也造成很大的能源浪费。
这样就有一个突出的问题摆在我们面前，要想源头控制烟气排放，首先就要有一种成熟的、应用广泛的、高效的洁净燃烧技术及相应的设备，来解决燃煤的环保和节能问题，而且设备要运行安全可靠、维修率低。
传统锅炉的燃烧系统所存在的不足：
(一)链条炉排锅炉和往复炉排锅炉的缺点：
1、由于运动的炉排风室密封不好，各个风室窜风，且炉排两侧与侧立板之间有间隙，使炉排两侧进风量比炉排中间进风量要大，炉排布风不均匀，使燃烧不均匀、燃烧不完全、灰渣含碳量高、锅炉热效率低、烟囱冒黑烟、运行成本高。
2、炉排维修率高。
(二)煤粉锅炉缺点：
1、煤粉成本高，煤粉由制粉厂集中磨制、统一供应，煤粉的价格达到1吨1000元以上，燃料成本很高。
2、对操作技术要求高，操作不当会引起炉膛内爆和外爆及煤粉燃烧效率降低，有安全隐患。
3、炉内温度高易结焦，且易产生氮氧化物，所以必须低温燃烧，导致燃烧不完全。
4、燃烧后产生大量的飞灰，需要用采购成本和维护成本很高的布袋除尘器收集飞灰，从而增大引风机的功率，增加电耗量。
5、对煤的品质要求很高。
6、锅炉负荷调节范围低，负荷调节在70％-100％之间。
7、飞灰严重，燃烧温度控制不好，易在受热面管上挂渣、腐蚀受热面。
8、设备投资费用高。
(三)循环流化床锅炉的缺点：
1、设备及锅炉房投资费用高。
2、布风板维修率高。
3、旋风分离装置维修率高。
4、由于布风板阻力和煤层阻力，增加鼓风机功率，耗电量增加。
5、不能高温燃烧，高温燃烧存在烧坏布风板和炉膛挂焦，导致锅炉不能正常运行。
6、燃烧后产生大量的飞灰，需要用采购成本和维护成本很高的布袋除尘器收集飞灰，从而增大引风机的功率，增加电耗量。
7、只能烧劣质煤。
(四)燃油燃气锅炉特点：
1、燃料费用高。
2、烟气中的氮氧化物排量高，需要用专用设备脱掉烟气中的氮氧化物，采购设备费用和使用费用很高。
(五)水煤气锅炉的特点：
水煤气是一种高热值清洁燃料。传统水煤气锅炉是在煤气发生炉内通过五步法产生水煤气，工艺复杂，且需要通过管线输送到换热设备进行燃烧、换热。
传统煤气锅炉水煤气生产用的原料为煤和水蒸气，在煤气发生炉内生产水煤气。原理化学方程式从反应方程式可以看出，碳与水产生水煤气是在高温下的化学反应。
传统水煤气锅炉存在以下缺点：
1、工艺复杂、危险系数大，易爆燃。
2、不节能，热效率低，原因是水煤气在产气过程和输送过程中消耗热能。
3、设施复杂，“炉”和“锅”分离，占地面积大。
4、煤气输送管道易被煤焦油堵塞，煤焦油的成分比较复杂，煤焦油燃烧产生苯并芘、炭黑、硫化物、蒽等污染物极其严重。
总结以上各种锅炉燃烧设备的不足之处，有必要设计出既能洁净燃烧又能保证锅炉出力、锅炉运行成本低、基本无维修率、操作简便、运行稳定、安全可靠、锅炉房造价低的水煤气产烧一体化燃烧技术和相关设备。
发明内容
针对现有燃烧技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种水煤气产烧一体化的燃烧方法和实现这种燃烧方法的燃烧设备。该方法和设备能够实现水煤气的即产即燃，燃烧充分，不产生黑烟，燃烧效率高，灰渣含碳量低，提高锅炉热效率，设备维修率低，运行费用低，设备运行安全可靠。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种水煤气产烧一体化燃烧方法，包括如下步骤：
(S1)将兰碳在锅炉炉膛中覆盖有炉拱的炉排的主燃区内点燃，使所述主燃区的温度上升到1100度以上；
(S2)向所述主燃区通入足量的空气及饱和水蒸汽，使所述兰碳与所述空气及所述饱和水蒸汽在所述主燃区发生反应产生水煤气并燃烧；随着所述主燃区的所述兰碳和所述水煤气的燃烧速度的加快，向所述主燃区逐渐加大所述空气和所述饱和蒸汽的进给量，加快所述水煤气的产生和燃烧速度，从而达到使所述水煤气即产即燃的效果；所述主燃区的所述水煤气燃烧后产生的高温火焰和未燃尽的高温烟气从所述炉拱的拱口进入炉膛内，并在二次风的配合下在所述炉膛内进一步燃尽。
进一步，还包括步骤(S3)，在所述炉膛内燃尽后的高温烟气进入锅炉的锅的部分用于换热。
更进一步，在所述步骤(S2)中还包括，对所述炉排的所述主燃区和其它区域的进风量进行单独调整，避免所述炉排其他区域的所述进风影响所述主燃区的燃烧和温度。
为达到以上目的，本发明还公开了一种用于以上的燃烧方法的水煤气产烧一体化燃烧设备，包括设置在底座上、内部的炉膛中设有炉拱的燃烧室，设置在所述燃烧室内、所述炉拱下方的设有主燃区的炉排，设置在所述燃烧室外与所述炉排一端相连的存放兰碳的料仓，连接在所述料仓上的用于向所述炉排上推送所述兰碳的燃料推送装置，设置在所述炉排下方的若干独立风室，其特征是：所述独立风室各自与所述炉排密封连接，所述燃烧室的前墙、炉顶内部以及所述炉拱内部设有冷却水管，所述炉排下方设有水蒸汽管；所述独立风室用于向所述炉排上的所述燃烧室供给空气；所述水蒸汽管用于向所述炉排上的所述主燃区供给生成水煤气所需的饱和水蒸汽。
进一步，所述炉排为固定式的水冷炉排，依次分为预热区、主燃区、烤渣区，下方分别对应密封连接第一独立风室、第二独立风室、第三独立风室，每个独立风室的进风量均能够单独调整。
更进一步，所述水蒸汽管设置在所述第二独立风室内。
进一步，所述炉拱覆盖在所述主燃区上方，采用耐1700度高温的耐火材料制作，所述炉拱一端与所述燃烧室的炉膛共同构成拱口，所述拱口的面积能够保证由所述炉排的主燃区和所述炉拱构成的燃烧空间为微负压的状态，所述微负压的状态既能保证所述炉拱下方的所述主燃区能够聚集所述水煤气产生和燃烧所需要的温度，又能保证所述主燃区的所述水煤气燃烧产生的高温火焰和高温烟气从所述主燃区顺利流出并进入所述炉膛内。
进一步，所述燃料推送装置包括设置在所述料仓下的托板，设置在所述托板上的带有液压缸的推料板、连接所述液压缸的液压站，所述液压缸能够推动所述推料板将所述料仓中的所述兰碳推至所述炉排上。
进一步，所述燃烧室上设有能够向所述燃烧室的所述炉膛内输入二次风的二次进风口，所述二次风用于同从所述拱口流入所述炉膛内的所述高温火焰和所述高温烟气混合在所述炉膛内得到充分燃烧。
更进一步，所述二次进风口设置在所述燃烧室的所述炉顶上。
本发明的有益效果有以下几点：
1.由于炉膛温度高，所以燃烧效率高，没有黑烟，灰渣含碳量低4％-5％，不但从源头控制了污染元素的产生，而且也提高了使用本发明所提供的燃烧设备的锅炉的热效率；
2.水煤气即产即燃，达到清洁燃烧，工艺简单、省去常规水煤气的生产、管路输送等多个环节，防止了爆燃的产生，设备运行安全可靠；水煤气生产设备与锅炉中“锅”的部分融为一体，占地面积小，节省锅炉房的基建投资；
3.炉排为水冷炉排不存在烧坏的问题，维修率极低(几乎为零)，为用户节省了维修费用；
4.燃料推送装置、除渣装置均为液压传动，维修率极低，定期更换密封圈就可以，不需要停炉即可更换。自动化程度高，操作安全、运行可靠；
5.生产水煤气的原料选择兰碳，可降低二氧化硫的排放和产生灰渣的量，因兰碳中的含硫量为约0.18％-0.2％左右、灰渣含量约为6.2％-10.49％左右，这样大大降低烟气的脱硫费用和运渣费用，而且购买兰碳费用很低；
6.使用水煤气产烧一体化燃烧设备的锅炉为单层布置，锅炉房基建费用低；
7.使用水煤气产烧一体化燃烧设备的锅炉在停炉时没有燃料的浪费，因炉膛密封性好，停炉后没有空气和水蒸汽供给，炉排上的兰碳完全处于不燃烧状态。
附图说明
图1是本发明具体实施例中所述水煤气产烧一体化燃烧设备的结构图；
图中：1-料仓，2-推料板，3-液压缸，4-燃料推送装置，5-托板，6-液压站，7-前墙，8-炉顶，9-二次风进风口，10-兰碳，11-拱口，12-燃料层，13-“锅”的部分，14-炉拱，15-第三独立风室，16-冷却水管，17-高温烟气，18-炉膛出口，19-炉排，20-第一独立风室，21-水蒸汽管，22-第二独立风室，23-总进风口，24-“炉”的部分。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
在本发明公开了一种水煤气产烧一体化燃烧方法，生产水煤气所用的原料为兰碳、饱和水蒸汽、空气，在高温下发生化学反应生成水煤气，制水煤气过程即碳分子气化燃烧过程。
兰碳和氧气、饱和水蒸汽发生如下的化学反应产生水煤气：
碳遇氧在高温下燃烧反应生成二氧化碳：C+O2＝CO2+Q，为放热过程；
二氧化碳与碳发生反应生成一氧化碳：CO2+C＝2CO-Q，为吸热过程；
水蒸汽与碳高温下产生一氧化碳和氢气：H2O+C＝CO+H2-Q
CO+H2O＝CO2+H2-Q
兰碳在高温下与饱和水蒸气反应生成水煤气为吸热过程，水煤气燃烧放出大量的热量。
本发明所提供的水煤气产烧一体化燃烧方法的步骤如下：
步骤S1，将兰碳在锅炉炉膛中覆盖有炉拱的炉排的主燃区内点燃，使主燃区的温度上升到1100度以上；
步骤S2，向主燃区加入足量的饱和水蒸气和空气，使兰碳与空气及饱和水蒸汽在主燃区发生反应产生水煤气，并且水煤气在产生的同时也被直接燃烧；随着主燃区的兰碳和水煤气的燃烧速度的加快、炉膛温度的提高，逐渐加大向主燃区的饱和水蒸汽和空气的进给量，加快所述水煤气的产生和燃烧速度(增加水煤气的产生和水煤气的直接燃烧)，从而达到使水煤气即产即燃的效果；主燃区的水煤气燃烧后产生的高温火焰和未燃尽的高温烟气从炉拱的拱口进入炉膛内(此时炉膛内的温度将达到1500度以上)，并在二次风的配合下在炉膛内进一步燃尽；在水煤气即产即燃的同时，要避免炉排其他区域的进风影响主燃区的燃烧和温度(例如炉排上与主燃区相邻的预热区和烤渣区只需要进给少量的风，避免过量的风进入炉膛内，不参与燃烧还给炉膛降温，影响整体燃烧效果)。
步骤S3，在炉膛内燃尽后的高温烟气进入锅炉的锅的部分用于换热。
根据本发明所提供的水煤气产烧一体化燃烧方法，产生的水煤气在高温环境(例如高温的炉膛内)和二次风的配合下直接燃烧，达到即产即燃的效果，高温环境的温度可达1500度以上，这样高的温度，加速水煤气的生产，也加速水煤气的直接燃烧，水煤气燃烧率达到近100％，消灭黑烟(主要为炭黑)于高温环境(炉膛)内，从而达到清洁燃烧的效果，兰碳燃烧效率在95％以上，降低灰渣含碳量，提高了锅炉的热效率。
为了配合本发明所提供的水煤气产烧一体化燃烧方法，本发明还提供了一种水煤气产烧一体化燃烧设备。因为水煤气产烧一体化燃烧方法主要应用在锅炉上，因此以锅炉实施例对本发明所提供的水煤气产烧一体化燃烧设备进行说明。
如图1所示，一种水煤气产烧一体化燃烧设备，(在本实施例中，燃烧设备为锅炉中的“炉”的部分)包括燃料推送装置4、燃烧室、若干个独立风室，料仓1、炉排19、水蒸汽管21组成。该燃烧设备还能够连接用于换热的锅炉中的“锅”的部分13，构成完整的锅炉结构。
炉排19倾斜设置在燃烧室的底部，为固定式的水冷炉排，炉排19的炉排管内有流动的水，对炉排管进行有效的冷却。炉排管之间设有炉排片，在保证良好的通风效果的情况下还可以有效防止炉排上燃料的撒漏(燃料为兰碳)。炉排19上针对兰碳的燃烧过程依次分为预热区、主燃区、烤渣区。
独立风室设置在炉排19的底部，共有三个(第一独立风室20、第二独立风室22、第三独立风室15)，分别针对炉排19的预热区、主燃区、烤渣区，并分别与炉排19密封连接，各个风室之间独立密封，不会发生窜风的情况。这样的设置能够保证炉排19上各个燃烧区段都可以根据燃烧需要调整风量，比如预热区可以给少量的风，主燃区可以供给足够的风保证燃烧，烤渣区可以给少量的风保证烤渣需要，通过调风装置都可以做到微调整。炉排19的底部还设有与各个独立风室连通的总进风口23。
料仓1设置在燃烧室的入口，用于盛放兰碳10，通过托板5同燃烧室内的炉排19相连。
燃料推送装置4包括设置在料仓1下方的托板5，设置在托板5上的带有液压缸3的推料板2、连接液压缸3的液压站6，液压缸3能够推动推料板2将料仓1中的燃料10(通过托板5)推至炉排19上。在本实施例中，燃料推送装置4可以根据锅炉负荷需要设定推料时间和间隔时间，为全自动控制。
在本实施例中，推料速度与燃烧速度匹配，保证铺设在炉排19上的由兰碳构成的燃料层12没有断层，连续燃烧，为全自动连锁控制。
燃烧室包括前墙7、炉顶8、炉拱14，内部为炉膛，还包括炉膛出口18，炉膛出口18能够连接用于换热的锅炉中的“锅”的部分13，使水煤气燃烧后的高温烟气17进入“锅”的部分13中进行换热。
炉拱14采用低而长的造型，设置在燃烧室的内部的炉膛中，将炉排19的主燃区覆盖，这样主燃区燃烧产生的热量被炉拱14吸收，吸收的热量又反作用于燃料层12表面，在炉排19和炉拱14之间形成高温空间，给生产水煤气创造了高温条件，促进水煤气的生产和燃烧。炉拱14采用耐1700度高温的耐火材料制作，保证炉拱14经久耐用。
炉拱14的一端(不与燃烧室的炉膛接触的一端)与燃烧室的炉膛共同构成拱口11，拱口11的面积使炉拱14下的主燃区内形成使水煤气停留并充分燃烧的微负压状态，就是能保证炉拱14下方的主燃区聚集水煤气产生和燃烧所需要的温度，还能够使水煤气燃烧生成的高温火焰和(未燃尽的)高温烟气被及时从主燃区抽离并进入炉膛内，未燃尽的高温烟气出拱口11后在炉膛内(炉膛内因为高温火焰和未燃尽的高温烟气在此处燃烧，温度达到1500度以上)与二次风混合，高温烟气中残留的水煤气在此达到完全燃烧(微负压状态使得水煤气在炉拱14下的主燃区内有足够的停留时间达到几近完全燃烧，避免因来不及燃烧的水煤气进入对流受热面，当大量的水煤气遇到低温受热面会形成煤焦油挂在受热面上，降低换热效率，还会因为煤焦油越挂越多堵塞烟气通道)，燃尽后的高温烟气17从炉膛出口18流出，进入锅内用于换热。
前墙7和炉顶8的内部设置有冷却水管16，并使用耐火混凝土覆盖，冷却水管16在燃烧室的前墙7和顶部8(“炉”的部分24)中形成整体的水循环，能够对燃烧室的炉膛的各个部位的混凝土进行冷却使得燃烧室的炉膛内部的混凝土能够承受1500度以上的高温。在本实施例中，冷却水管16与后面的“锅”的部分13连接着，冷却水管16可以将“炉”的部分24吸收的热量用于后面的“锅”的部分13的换热，充分利用了冷却水管16里热水的热量。
在炉顶8上设置有二次风进风口9，二次风进风口9用于向燃烧室的炉膛内通入二次风，保证产生的水煤气(特别是从炉拱14下的主燃区抽离的未燃尽的高温烟气中剩余的水煤气)充分燃烧，更好地达到水煤气即产即燃的效果。
水蒸汽管21设置在第二独立风室22内，用于向水冷炉排19的主燃区供给饱和水蒸汽，使燃料层12中的燃料与饱和水蒸汽一起在高温条件下产生水煤气。在本实施例中，饱和水蒸汽的用量由蒸汽流量计来计量，与燃料推送同步控制，不同吨位的锅炉需要的蒸汽量不同。
采用本发明所提供的水煤气产烧一体化燃烧设备的锅炉，热效率达到80％以上(锅炉实际测试均在82％以上)，从而达到锅炉高效、节能、环保的效果。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (10)

1.一种水煤气产烧一体化燃烧方法，包括如下步骤：
(S1)将兰碳在锅炉炉膛中覆盖有炉拱的炉排的主燃区内点燃，使所述主燃区的温度上升到1100度以上；
(S2)向所述主燃区通入足量的空气及饱和水蒸汽，使所述兰碳与所述空气及所述饱和水蒸汽在所述主燃区发生反应产生水煤气并燃烧；随着所述主燃区的所述兰碳和所述水煤气的燃烧速度的加快，向所述主燃区逐渐加大所述空气和所述饱和蒸汽的进给量，加快所述水煤气的产生和燃烧速度，从而达到使所述水煤气即产即燃的效果；所述主燃区的所述水煤气燃烧后产生的高温火焰和未燃尽的高温烟气从所述炉拱的拱口进入炉膛内，并在二次风的配合下在所述炉膛内进一步燃尽。
2.如权利要求1所述的一种水煤气产烧一体化燃烧方法，其特征是：还包括步骤(S3)，在所述炉膛内燃尽后的高温烟气进入锅炉的锅的部分用于换热。
3.如权利要求1所述的一种水煤气产烧一体化燃烧方法，其特征是：在所述步骤(S2)中还包括，对所述炉排的所述主燃区和其它区域的进风量进行单独调整，避免所述炉排其他区域的所述进风影响所述主燃区的燃烧和温度。
4.一种用于实现权利要求1所述的燃烧方法的水煤气产烧一体化燃烧设备，包括设置在底座上、内部的炉膛中设有炉拱(14)的燃烧室，设置在所述燃烧室内、所述炉拱(14)下方的设有主燃区的炉排(19)，设置在所述燃烧室外与所述炉排(19)一端相连的存放兰碳(10)的料仓(1)，连接在所述料仓(1)上的用于向所述炉排(19)上推送所述兰碳(10)的燃料推送装置(4)，设置在所述炉排(19)下方的若干独立风室，其特征是：所述独立风室各自与所述炉排(19)密封连接，所述燃烧室的前墙(7)、炉顶(8)内部以及所述炉拱(14)内部设有冷却水管(16)，所述炉排(19)下方设有水蒸汽管(21)；所述独立风室用于向所述炉排(19)上的所述燃烧室供给空气；所述水蒸汽管(21)用于向所述炉排(19)上的所述主燃区供给生成水煤气所需的饱和水蒸汽。
5.如权利要求4所述的燃烧设备，其特征是：所述炉排(19)为固定式的水冷炉排，依次分为预热区、主燃区、烤渣区，下方分别对应密封连接第一独立风室(20)、第二独立风室(22)、第三独立风室(15)，每个独立风室的进风量均能够单独调整。
6.如权利要求5所述的燃烧设备，其特征是：所述水蒸汽管(21)设置在所述第二独立风室(22)内。
7.如权利要求4所述的燃烧设备，其特征是：
所述炉拱(14)覆盖在所述主燃区上方，采用耐1700度高温的耐火材料制作，所述炉拱(14)一端与所述燃烧室的炉膛共同构成拱口(11)，所述拱口(11)的面积能够保证由所述炉排(19)的主燃区和所述炉拱(14)构成的燃烧空间为微负压的状态，所述微负压的状态既能保证所述炉拱(14)下方的所述主燃区能够聚集所述水煤气产生和燃烧所需要的温度，又能保证所述主燃区的所述水煤气燃烧产生的高温火焰和高温烟气(17)从所述主燃区顺利流出并进入所述炉膛内。
8.如权利要求4所述的燃烧设备，其特征是：所述燃料推送装置(4)包括设置在所述料仓(1)下的托板(5)，设置在所述托板(5)上的带有液压缸(3)的推料板(2)、连接所述液压缸(3)的液压站(6)，所述液压缸(3)能够推动所述推料板(2)将所述料仓(1)中的所述兰碳(10)推至所述炉排(19)上。
9.如权利要求7所述的燃烧设备，其特征是：所述燃烧室上设有能够向所述燃烧室的所述炉膛内输入二次风的二次进风口(9)，所述二次风用于同从所述拱口(11)流入所述炉膛内的所述高温火焰和所述高温烟气(17)混合在所述炉膛内得到充分燃烧。
10.如权利要求9所述的锅炉，其特征是：所述二次进风口(9)设置在所述燃烧室的所述炉顶(8)上。
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