CN106287678B - 切圆煤粉燃烧锅炉中煤粉射流的中下游的燃烧组织方法 - Google Patents
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Abstract
切圆煤粉燃烧锅炉的煤粉射流中下游的燃烧组织方法，是在煤粉燃烧锅炉的炉膛主燃烧区域，分别对应一次风煤粉燃烧器，在距其出口煤粉射流的中下游位置较近的炉膛水冷壁中布置对应的墙式风喷嘴，在墙式风喷嘴中分别引入一部分热风，以射流形式直接喷入对应的一次风煤粉射流的中下游区间，进行煤粉射流的中下游燃烧组织，提高煤粉射流的中下游区间的氧气浓度和煤粉燃烧速率，直接阻止煤粉射流的中下游区间的贴壁发生。本方法实现了煤粉射流的中下游区间的燃烧组织和控制，防止水冷壁结焦和高温腐蚀的发生，并进一步地提高煤粉燃烧效率、降低NOx生成排放，扩大煤粉燃烧锅炉对燃用低挥发分、低灰熔点煤质的适烧能力，降低了燃料采购成本。
Description
技术领域
本发明的切圆煤粉燃烧锅炉中煤粉射流的中下游的燃烧组织方法，涉及锅炉煤粉燃烧技术领域；特别涉及具有低NOx生成排放要求、或高效燃烧节能要求、或防止锅炉结焦和防止水冷壁高温腐蚀要求的锅炉煤粉燃烧发电领域；具体涉及采用煤粉射流及热空气射流形成炉内切圆燃烧流场组织的锅炉煤粉燃烧技术领域。
背景技术
在切圆煤粉锅炉燃烧技术领域和以此为基础的锅炉煤粉燃烧发电的工程应用中，携带煤粉的风粉混合物通过一次风煤粉燃烧器出口射流和燃烧所需的热空气通过二次风喷嘴出口射流，构成在炉内水平截面稳定的旋转燃烧组织方式，是国内外所有煤粉燃烧锅炉的最主要燃烧组织方式之一。在我国采用切圆煤粉燃烧组织的锅炉占有燃煤火力发电机组锅炉的50％以上容量，特别在600MW及以下容量的火力发电机组的锅炉中，更是占有高达80％以上的煤粉锅炉采用切圆燃烧的组织方式。
煤粉锅炉的切圆燃烧组织，主要由直流一次风煤粉射流和直流二次风射流构成，主要分成两种形式，一是绝大部分切圆燃烧锅炉采用的水平截面“四角切圆”的射流燃烧组织方式，二是某些切圆燃烧锅炉采用的水平截面“四墙切圆”的射流燃烧组织方式。
所谓的“四角切圆”煤粉燃烧锅炉的射流组织方式，是将携带煤粉的一次风煤粉燃烧器、提供燃烧所需空气的二次风喷嘴，以及在热风送粉系统中的三次风燃烧器布置在炉膛的四个角部位置，每个角部位置的多个一次风燃烧器、多个二次风喷嘴以及或有的三次风燃烧器沿炉膛高度方向上相邻布置，分别构成炉膛各角部的燃烧器组合装置。由四个角部的燃烧器组合装置包围的炉膛空间称为炉膛主燃烧区域。四个角部的同层一次风燃烧器以及同层二次风喷嘴的出口射流中心线分别与位于炉膛水平截面中心的假想圆同向相切，构成了炉膛水平截面的顺时针或者逆时针旋转的炉内流场组织。为了保证煤粉的稳定着火燃烧，炉膛主燃烧区域的水平截面必须形成稳定的顺时针或者逆时针旋转流场，以实现切圆煤粉燃烧锅炉的炉内水平截面“邻角点燃、四角相互支撑”的燃烧组织要求。
而所谓的“四墙切圆”煤粉燃烧锅炉的射流组织方式，就是将“四角切圆”锅炉布置在炉膛四个角部位置的由一次风煤粉燃烧器、二次风喷嘴以及或有的三次风燃烧器构成燃烧器组合装置由角部位置移到炉膛的四面墙的某个位置，其余的布置方式以及燃烧流场组织都与“四角切圆”煤粉燃烧锅炉的射流组织方式相同。对于相同炉膛的水平截面尺寸，由于四墙布置的同层相邻的两组燃烧器喷嘴出口位置之间距离比四角布置的更近，有利于煤粉切圆燃烧的“邻角点燃”燃烧支撑，在600MW的煤粉切圆燃烧锅炉中也有少量应用。
在切圆煤粉燃烧锅炉的燃烧技术领域，至今已经过了80多年的研究发展和大量工程应用，锅炉燃煤发电也一直占有我国发电量的 60％以上，至今仍然是我国最主要的能源利用形式。特别是从上世纪 80年代末至今，为满足节能和环保的要求，国内外对锅炉切圆煤粉燃烧的理论研究、工程研发和工程应用都有了极大的发展。
在切圆煤粉燃烧锅炉的一次风煤粉燃烧器技术领域，从最初的钝体回流燃烧器、船型燃烧器、垂直浓淡分离燃烧器到水平浓淡分离燃烧器等等各种煤粉燃烧器的开发和应用，在实现煤粉的安全稳定着火方面取得了很好的效果，并且通过一次风煤粉浓淡分离实现分级燃烧在降低NOx生成方面也取得了一定的效果。
在锅炉煤粉燃烧系统的燃烧组织技术领域，为实现更低的NOx 排放，开发了带有“分离型燃尽风(简称SOFA)”的炉膛燃烧系统组织方法和各种SOFA燃烧设备。该组织方法是沿炉膛高度方向将占有锅炉总进风量一部分的热空气移到远离煤粉燃烧器的炉膛上部，通过布置在炉膛上部的燃尽风喷嘴进入炉膛，实现炉膛高度方向上煤粉燃烧的整体后期组织。这样沿炉膛高度方向，可以将炉膛燃烧分成三个区域，在炉膛下部由一次风煤粉燃烧器和二次风喷嘴以及或有的三次风乏气燃烧器的燃烧器组合装置包围构成的炉膛主燃烧区域，该区域进入炉膛的热空气仅占煤粉燃烧所需理论空气量的85％左右；在炉膛上部是由通过分离型燃尽风SOFA喷嘴的热空气射流组织构成了炉膛燃尽区域，该区域进入的热空气占煤粉燃烧所需理论空气量的 35％左右；在炉膛主燃烧区域与燃尽区域之间的炉膛中部称为炉膛还原区域，用来实现在主燃烧区域煤粉缺氧燃烧之后的NOx还原反应的时间需求。利用带有“分离型燃尽风”的炉膛燃烧系统组织方法，可以在炉膛出口较好地实现将40％～70％的NO还原成N2，从而实现煤粉锅炉燃烧的低NOx排放需求。
在切圆煤粉燃烧锅炉炉膛水平截面的燃烧射流组织技术中，为了满足低NOx生成要求和稳定着火需求，从上世纪90年代中期，在一次风垂直浓淡分离的煤粉燃烧器基础上开发了水平浓淡分离的煤粉燃烧器，在炉膛的水平截面上，一次风煤粉射流分成浓淡两股射流，其浓侧煤粉射流布置并指向上游热烟气来流侧(简称向火侧)先着火燃烧，淡侧煤粉射流在背火侧。该技术在一定程度上也实现了煤粉出口的分级燃烧的效果，不仅降低了燃烧器出口位置煤粉燃烧的NOx生成，对煤粉着火稳定更有较好效果。在炉膛水平截面的一次风和二次风射流的切圆组织方面，也开发了各种一、二次风射流指向不同切圆大小的射流组织形式，期望实现分级燃烧降低NOx生成并获得炉内水平截面的“风包粉”流场组织。
随着对于燃煤发电锅炉污染物排放的环保要求日益严格，自从 2007年开始至今，国内绝大部分燃煤发电机组的切圆煤粉燃烧锅炉都采用了带有”分离型燃尽风SOFA”的低氮燃烧技术和各种低氮燃烧设备，以满足环保要求和尽可能地实现安全高效的运行要求。通过近10年来的工程应用，发现锅炉燃烧在实现降低NOx排放的基础上都不同程度地出现了以下问题：
1、在炉膛主燃烧区域及还原区，燃烧器射流向火侧的炉膛水冷壁出现不同严重程度的水冷壁高温腐蚀发生；
2、在炉膛主燃烧区域和还原区，燃烧器射流向火侧的炉膛水冷壁出现不同程度的结渣或结焦，特别在燃用低挥发分的贫瘦煤，或者灰熔点较低的煤质时，经常性出现炉膛严重结焦从而影响锅炉的安全稳定运行；
3、炉膛出口的飞灰含碳量和炉膛底部出口的大渣含碳量在燃用低挥发份燃煤时都有不同程度上升，导致锅炉煤粉燃烧效率不同程度有所下降；
4、锅炉燃用低灰熔点、或低挥发份燃煤的适应能力下降，影响锅炉的燃煤采购成本上升。
上述问题在煤粉切圆燃烧锅炉中更是广泛发生，主要有以下两个方面的原因。
首先，在带有“分离型燃尽风”低氮燃烧系统的炉膛主燃烧区域和还原区，由于煤粉燃烧所需空气量仅占煤粉燃烧理论空气量的85％左右，炉膛该区域平均处于缺氧状态而呈现还原性气氛，如果高浓度还原性气氛出现在炉膛四墙水冷壁附近或者煤粉贴壁燃烧，将必然导致水冷壁结焦和高温腐蚀的发生；
第二，在目前的炉膛切圆燃烧系统组织中，不论是“四角切圆”还是“四墙切圆”的煤粉燃烧锅炉，炉膛四周分布的各燃烧器组合装置中，同一组中的一、二次风喷嘴出口都基本布置在炉膛水平截面投影的相同位置。根据切圆煤粉锅炉的燃烧组织技术原理，首先，一次风煤粉燃烧器出口的煤粉射流着火及燃烧初期所需氧气主要由携带煤粉的一次风提供，相邻的二次风喷嘴射流过早进入一次风煤粉射流反而会降低煤粉浓度——从而影响煤粉射流燃烧初期的安全稳定着火性能；其次，二次风射流在切圆燃烧组织系统中的主要作用是提供煤粉燃烧的中后期所需氧气和形成炉内稳定的切圆燃烧流场组织。由于同一组燃烧装置中的二次风射流与一次风煤粉射流都在炉膛水平截面上相同投影位置进入炉膛，因此在一次风煤粉射流下游的燃烧区间——即靠近下游相邻燃烧器的向火侧区间，由于二次风射流到达该区间需经过较长的距离，二次风射流的高浓度氧气基本完全扩散，导致在一次风煤粉射流下游燃烧区间的氧浓度很低，实际运行中该区间的水冷壁附近经常性的呈现氧气浓度为零而CO浓度极高的还原性气氛，从而导致该区间煤粉燃烧速率变慢，并且还在炉内旋转流场离心动量的作用下，很容易在该区间的炉膛水冷壁附近出现煤粉缓慢燃烧和贴壁燃烧的状况。在具有低氮燃烧系统的煤粉锅炉中，由于炉膛主燃烧区域又整体处于缺氧状态，将导致这种状况更加严重，这是导致各组燃烧器向火侧区间水冷壁容易出现严重结焦和发生高温腐蚀的关键因素。
针对上述问题，发明人在认真而充分的调查、了解、分析、总结已有公知技术和现状的基础上，发现至今所有的切圆煤粉燃烧锅炉的燃烧组织技术以及各种低氮燃烧技术，都是研究关注的煤粉燃烧器射流出口附近的着火和燃烧初期的射流燃烧组织，以及研究关注的炉膛高度方向上的煤粉燃烧的后期燃烧组织，并进行了大量的技术研究和设备开发，而至今还没有发现针对炉膛水平截面上煤粉射流的中下游区间的燃烧组织进行技术研究和设备开发，这是导致目前锅炉煤粉燃烧中上述问题广泛发生的根本原因。
近10年来，特别是为满足低氮排放需求而采用的低氮燃烧系统和技术的广泛应用，以及电厂为了降低发电成本尝试扩大煤种范围而采用低挥发分、低灰熔点燃煤的应用，迫切需要锅炉煤粉燃烧在满足低NOx生成排放的基础上，解决因炉膛结焦和高温腐蚀带来的安全问题，满足锅炉安全稳定的运行要求，并可以实现煤粉燃烧更低的 NOx生成排放，更高的燃烧效率，扩大锅炉燃烧煤种适应性以降低发电成本的燃烧技术。
本发明适用于所有切圆煤粉燃烧锅炉，特别适用于目前广泛应用的带有分离型燃尽风SOFA的低氮燃烧系统的切圆煤粉燃烧锅炉，以及燃用低挥发分、低灰熔点煤质的切圆煤粉燃烧锅炉；在目前国内外广泛应用的带有分离型燃尽风的低氮燃烧系统的基础上，通过本发明提出的煤粉射流的中下游的燃烧组织方法，实现切圆煤粉燃烧锅炉的防止水冷壁结焦和高温腐蚀的发生，并进一步地提高煤粉的安全稳定着火性能、提高煤粉燃烧效率、降低NOx生成排放，并且扩大燃煤锅炉的适烧煤种，降低发电运行成本。它是燃煤发电锅炉技术领域的关键燃烧组织技术，在实现清洁、安全、高效的燃煤锅炉发电产业领域具有非常重要的意义。
发明内容
通过本发明达到的目的是：①、补充和完善切圆煤粉燃烧锅炉的燃烧组织方法，实现切圆燃烧锅炉中煤粉射流的中下游区间的燃烧组织和控制；②、提高切圆煤粉燃烧锅炉对低灰熔点及低挥发分燃煤的适应能力，实现安全稳定、清洁低氮和高效燃烧运行要求，降低燃料采购成本；③、对目前带有“分离型燃尽风SOFA”的低氮燃烧系统的切圆煤粉燃烧锅炉，提供可以同时实现着火稳定、高效燃尽、更低的NOx排放、并且防止炉膛水冷壁高温腐蚀和结焦的煤粉射流中下游的燃烧组织方法。
为实现上述目的，在现有公知的切圆煤粉燃烧锅炉的低氮燃烧系统的燃烧组织技术的基础上，本发明提出的切圆煤粉燃烧锅炉的煤粉射流中下游的燃烧组织方法，其特征为：
在切圆煤粉燃烧锅炉的炉膛主燃烧区域，分别对应一次风煤粉燃烧器，在距其出口煤粉射流的中下游位置较近的炉膛水冷壁中布置对应的墙式风喷嘴，在墙式风喷嘴中分别引入一部分热风，以射流形式直接喷入对应的一次风煤粉燃烧器射流的中下游区间，进行煤粉射流的中下游燃烧组织，直接阻止煤粉射流的中下游区间的贴壁发生和提高煤粉射流的中下游区间的氧气浓度和煤粉燃烧速率。
所述的切圆煤粉燃烧锅炉的煤粉射流中下游的燃烧组织方法中，在炉膛水平截面上，各墙式风喷嘴射流出口中心线与位于炉膛中央的假想圆同侧相切，并构成与炉内切圆流场相同旋向的射流组织，与炉膛原燃烧器组合装置的一次风、二次风射流共同构成炉内稳定的切圆旋转燃烧流场。
所述的切圆煤粉燃烧锅炉的煤粉射流中下游的燃烧组织方法中，所述的墙式风喷嘴位于炉膛四墙水冷壁的开孔中，其位置在水平方向上位于对应的一次风煤粉燃烧器和同层相邻下游的一次风煤粉燃烧器之间，在垂直方向上位于对应的一次风煤粉燃烧器和相邻上层一次风煤粉燃烧器之间，对应炉膛的最上层一次风煤粉燃烧器，墙式风喷嘴位置在垂直方向上位于距最上层一次风煤粉燃烧器水平中心线的上部1.5米以内，该墙式风喷嘴的最佳位置是在距离对应的一次风煤粉燃烧射流的中下游最近的水冷壁位置附近；
所述的切圆煤粉燃烧锅炉的煤粉射流中下游的燃烧组织方法中，对于采用直吹式制粉系统的锅炉，所述的一部分热风是来自经过锅炉空气预热器加热后的热空气。
所述的切圆煤粉燃烧锅炉的煤粉射流中下游的燃烧组织方法中，对于采用中储式制粉系统热风送粉燃烧的锅炉，所述的一部分热风既可以来自经过锅炉空气预热器加热后的热空气，也可以来自制粉系统出口的乏气。
所述的切圆煤粉燃烧锅炉的煤粉射流中下游的燃烧组织方法中，所述的分别引入墙式风喷嘴的一部分热风的风量，是墙式风喷嘴对应的一次风煤粉燃烧器出口的煤粉燃烧所需理论空气量的10％～30％，在实际应用中根据煤质特性的不同和对应的一次风煤粉燃烧器出口煤粉量的变化进行调节；
所述的切圆煤粉燃烧锅炉的炉膛水平截面的燃烧中后期组织方法中，墙式风喷嘴射流的出口速度是对应的一次风煤粉燃烧器出口速度的1.0到2.5倍之间。
所述的切圆煤粉燃烧锅炉的煤粉射流中下游的燃烧组织方法中所述的墙式风喷嘴的出口可采用矩形喷口或椭圆形喷口，根据对应的一次风煤粉燃烧器射流着火性能的不同，喷口的高宽比在1.2～3.0之间。
所述的切圆煤粉燃烧锅炉的煤粉射流中下游的燃烧组织方法中，在所述的墙式风喷嘴的入口布置有风量调节装置，可以根据对应一次风煤粉燃烧器的负荷变化调节墙式风喷嘴射流出口速度和风量的大小。
所述的切圆煤粉燃烧锅炉的煤粉射流中下游的燃烧组织方法中所述的墙式风喷嘴在炉膛水冷壁开孔中可以在垂直方向、水平方向摆动，在实际运行中可以调节墙式风喷嘴射流进入煤粉射流的中下游区间的具体位置实现最佳的燃烧组织。
本发明的优点在于：在现有公知的切圆煤粉燃烧锅炉的低氮燃烧系统燃烧组织技术的基础上，采用本发明提出的切圆煤粉燃烧锅炉的煤粉射流的中下游的燃烧组织方法，在炉膛主燃烧区域，分别对应一次风煤粉燃烧器，在距该燃烧器出口煤粉射流的中下游位置较近的炉膛水冷壁中布置对应的墙式风喷嘴，在墙式风喷嘴中分别引入一部分热风，以射流形式直接喷入对应的一次风煤粉燃烧器射流的中下游区间，进行煤粉射流中下游的燃烧组织，直接提高煤粉射流中下游区间的氧气浓度和煤粉燃烧速率，并防止煤粉的贴壁燃烧。与已有公知技术相比，获得了如下有益效果：
1、由于本发明将一部分热风通过墙式风喷嘴进入煤粉燃烧射流的中下游区间，而这部分热风或者是采用进入炉膛各燃烧器组合装置中的二次风喷嘴的一部分热空气，或者在中储式制粉系统热风送粉锅炉中，这部分热风也可以采用一部分乏气和部分热空气。首先，相当于减少了炉膛燃烧器组合装置中的一次风煤粉射流出口附近的热空气量，这不仅相对提高了一次风煤粉射流出口的着火稳燃能力，还实现了煤粉射流燃烧初期更低的NOx生成；其次，在热风送粉锅炉中还相当于大幅度减少了随乏气(三次风)进入炉膛燃烧区上部的三次风量，将部分乏气作为墙式风进入煤粉射流的中下游组织燃烧，提高了该部分乏气中煤粉的炉内燃烧停留时间，降低了煤粉燃烧的未燃尽碳损失，提高了燃烧效率。
2、由于本发明的墙式风喷嘴射流在实际工程中以最短或较短距离直接进入煤粉射流的中下游区间，相对于目前已有的公知技术，极大地提高了该区间的煤粉燃烧的氧气浓度，加快了燃烧反应速率，提高了该区间的煤粉的燃尽性能，同时墙式风射流还极大地避免了切圆燃烧锅炉中的煤粉射流冲刷炉膛水冷壁和贴壁燃烧的发生，并有利于在该区间也即燃烧器射流向火侧区间的水冷壁附近形成氧化性气氛，防止了炉膛水冷壁的结焦和高温腐蚀的发生。
3、由于本发明墙式风喷嘴采用了喷口高宽比在1.2～3.0之间矩形喷口或椭圆形喷口，更有利于墙式风喷嘴射流对煤粉射流的中下游区间在垂直方向上的覆盖性，以取得更佳的煤粉燃尽性能。
4、由于本发明墙式风喷嘴射流可以根据实际运行情况进行风速调节，射流出口位置和方向可以也通过垂直摆动和水平摆动进行调节，可以获得墙式风射流在煤粉射流的中下游区间的最佳燃烧组织方式，取得上述特点的最佳效果。
5、综合本发明的技术特点，在目前国内外广泛应用的带有分离型燃尽风的低氮燃烧系统的基础上，通过本发明提出的煤粉射流中下游的燃烧组织方法，实现切圆煤粉燃烧锅炉的防止水冷壁结焦和高温腐蚀的发生，并进一步地提高煤粉的安全稳定着火性能、提高煤粉燃烧效率、降低NOx生成排放，扩大切圆煤粉燃烧锅炉对燃用低挥发分、低灰熔点煤质的适烧能力，降低发电运行成本。
附图说明
图1为布置有墙式风喷嘴的直吹式制粉系统切圆 低氮燃烧锅炉在炉膛高度方向的燃烧装置布置示意图。
图2为布置有墙式风喷嘴的中储式制粉系统热风送粉切圆 低氮燃烧锅炉在炉膛高度方向上的的燃烧装置布置示意图。
图3为布置有墙式风喷嘴的四角切圆炉膛主燃烧区域水平截面的燃烧组织示意图。
图4为布置有墙式风喷嘴的四墙切圆炉膛主燃烧区域水平截面的燃烧组织示意图。
图中各部分标号如下：1、一次风煤粉燃烧器；2、二次风喷嘴； 3、燃烧器风箱；4、分离型燃尽风风箱；5、分离型燃尽风喷嘴；6、炉膛主燃烧区；7、炉膛还原区；8、炉膛燃尽区；901、热空气墙式风喷嘴；902、乏气墙式风喷嘴；10、锅炉水冷壁；11、一次风、二次风、乏气(三次风)喷嘴射流出口中心线；12、墙式风喷嘴射流出口中心线；13、乏气(三次风)燃烧器
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式一
如图1、图3所示，为采用直吹式制粉系统，并带有分离型燃尽风系统的四角切圆煤粉燃烧锅炉中，实施煤粉射流的中下游燃烧组织的炉膛燃烧系统示意图。在本实施例中，锅炉为300MW四角切圆煤粉燃烧锅炉，制粉系统采用中速磨正压直吹系统，煤质为次烟煤和贫煤混烧，入炉煤质的干燥无灰基挥发分23％左右，低位热值21MJ/kg 左右，灰熔点ST在1210℃，锅炉原燃烧系统组织就采用了带有分离型燃尽风的低氮燃烧技术。
如图1所示，同目前所有带有分离型燃尽风系统的炉膛低氮燃烧系统整体布置形式一样，沿炉膛高度方向将炉膛燃烧分成三个区域：下部是炉膛的主燃烧区6，从最下层分离型燃尽风喷嘴5至炉膛出口截面为燃尽区8，主燃烧区和燃尽区之间区域为还原区7。
在本实施例原锅炉设计中，一次风携带进入的煤粉量占总煤粉量的100％，炉膛总进风量为煤粉燃烧理论空气量的120％，其中主燃烧区6中总共进入煤粉燃烧所需85％的理论空气量，其中一次风占煤粉燃烧理论空气量的24％，二次风占煤粉燃烧理论空气量的61％；另外煤粉燃烧所需35％的理论空气量由分离型燃尽风喷嘴5进入炉膛上部燃尽区8。
在本实施例采用本发明后的设计中，煤粉仍全部从炉膛主燃烧区的一次风煤粉燃烧器1进入炉膛。炉膛总进风量仍然为煤粉燃烧理论空气量的120％，其中主燃烧区6中仍然总共进入煤粉燃烧所需85％的理论空气量，其中一次风煤粉燃烧器1风量仍占煤粉燃烧理论空气量的24％，二次风分成两部分，其中一部分通过二次风喷嘴2的风量占煤粉燃烧理论空气量的40％，另一部分通过墙式风喷嘴901的风量占煤粉燃烧理论空气量的21％；另外煤粉燃烧所需35％的理论空气量由分离型燃尽风5进入炉膛上部燃尽区8。
如图1、图3所示，在炉膛主燃烧区，分别布置有位于炉膛四个角部的燃烧器组合装置，每组燃烧器组合装置由多层一次风煤粉燃烧器1和多层二次风喷嘴2以上下相邻间隔或集中的布置方式和燃烧器角部风箱3构成；在炉膛水平截面上，如图3所示，四个角部的各层一次风煤粉燃烧器1的射流出口中心线11和二次风喷嘴2的射流出口中心线11都与炉膛中央的一个假想圆右侧相切，构成以炉膛中央为圆心的逆时针旋转流场组织。
如图1、图3所示，在主燃烧区，还分别对应每只一次风煤粉燃烧器1，在距其出口煤粉射流的中下游位置较近的炉膛水冷壁10中布置对应的热空气墙式风喷嘴901，理论上该墙式风喷嘴901的最佳位置是在距离对应的一次风煤粉燃烧1射流的中下游最近的水冷壁10位置附近。在本例中如图3所示，在炉膛水平截面上，墙式风喷嘴901出口射流中心线12垂直于炉膛水冷壁10，各墙式风喷嘴901 的射流出口中心线12都与位于炉膛中央的另一个假想圆右侧相切，并构成与炉内切圆流场相同逆时针旋转的流场组织，与炉膛燃烧器组合装置的一次风1、二次风2射流共同构成炉内稳定的切圆旋转燃烧流场。
如图1、图3所示，在本例中每只墙式风喷嘴901的具体位置为：在水平方向上，位于对应的一次风煤粉燃烧器1和同层相邻下游的一次风煤粉燃烧器1之间，并靠近下游一次风煤粉燃烧器1一侧，在炉膛水平截面上，以垂直于两相邻一次风煤粉燃烧器1之间水冷壁的炉膛中心线为基线，在靠近下游一次风煤粉燃烧器1一侧，做与该炉膛中心线距离为墙式风假想圆半径的平行线与炉膛水冷壁的交点为墙式风喷嘴在水冷壁上的的水平位置，该平行线也即墙式风喷嘴901的射流出口中心线；在垂直方向上位于对应的一次风煤粉燃烧器1和相邻上层一次风煤粉燃烧器1之间，对应炉膛的最上层一次风煤粉燃烧器1，墙式风喷嘴901位置在垂直方向上位于距最上层一次风煤粉燃烧器1中心线的上部1.5米以内。
本发明的设计中，按照燃用煤质特性的不同，墙式风风量占煤粉燃烧理论空气量的10％～30％之间，其中对于干燥无灰基挥发份35％及以上烟煤，墙式风风量在10％～15％之间，对于干燥无灰基挥发份 20％～35％之间的次烟煤和烟煤，墙式风风量在15％～25％之间，对于干燥无灰基挥发份15％及以下的贫煤及无烟煤，墙式风风量在25～ 30％之间。
在本实施例中，从锅炉热风道引出占煤粉燃烧理论空气量的21％热空气分别进入各个热空气墙式风喷嘴901，以射流形式直接喷入对应的一次风煤粉燃烧器1射流的中下游区间，进行煤粉射流的中下游燃烧组织，直接提高煤粉射流的中下游区间的氧气浓度和煤粉燃烧速率，并防止煤粉的贴壁燃烧。
在本实施例中，设计的一次风煤粉燃烧器1喷嘴出口速度为 25m/s，二次风喷嘴2出口速度为47m/s，燃尽风喷嘴5出口速度为 50m/s，墙式风喷嘴901出口速度在对应的一次风煤粉燃烧器出口速度的1.0到2.5倍之间，本实施例中根据煤粉燃烧特性和一次风煤粉燃烧器的着火性能，确定墙式风喷嘴901出口速度为40m/s。
在本实施例中，热空气墙式风喷嘴901的出口(简称墙式风喷口) 可采用矩形截面或椭圆形截面，根据对应的一次风煤粉燃烧器1射流着火性能的不同，墙式风901喷口高宽比在1.2～3.0之间，对于椭圆形喷口，其高为高度方向的长径，宽为水平方向的短径，在本实施例中根据煤粉燃烧特性确定的墙式风喷嘴901的喷口高宽比为2.0。
在本实施例中，在各个墙式风喷嘴901的入口布置有风量调节装置，可以根据其对应的一次风煤粉燃烧器1在实际运行中的负荷大小即煤粉量多少调节墙式风喷嘴901射流出口速度和风量的大小，煤粉量越多墙式风喷嘴901出口速度越高，相应墙式风喷嘴901出口风量就越大。
在本实施例中，墙式风喷嘴901在炉膛水冷壁开孔中可以在垂直方向和水平方向进行摆动，微调其喷嘴具体位置和射流出口方向，在实际运行中可以通过调节墙式风喷嘴射流进入煤粉射流的中下游区间的具体位置来实现最佳的燃烧组织。
在本实施例中，采用本发明进行现场锅炉燃烧系统加装墙式风燃烧系统改造试验，运行结果表明：在300MW机组采用直吹式制粉系统的四角切圆 煤粉燃烧锅炉中，实际燃用煤质为次烟煤和贫煤的掺混，入炉煤质的干燥无灰基挥发分23％左右，采用本发明，锅炉的NOx 排放相对改造前再降低了25％左右，由改造前的省煤器出口平均 400mg/Nm3左右降到了平均300mg/Nm3左右，飞灰含碳量由改造前的2.8％左右降到了2.0％左右，锅炉的低负荷着火稳燃能力也有一定程度提高，最低不投油稳燃负荷达到了35％MCR工况，最突出的优点是很好地解决了过去在运行期间锅炉严重的水冷壁结焦和高温腐蚀问题，电厂的运行安全性大幅提高，原来因为结焦不敢燃用的低灰熔点煤也能够在本发明实施后的锅炉上应用，极大地降低了燃煤采购成本。
具体实施方式二
如图2、图4所示，为采用中储式热风送粉系统，并带有分离型燃尽风系统的四墙切圆煤粉燃烧锅炉中，实施煤粉射流的中下游燃烧组织的炉膛燃烧系统示意图。在本实施例中，锅炉为350MW四墙切圆煤粉燃烧锅炉，制粉系统采用钢球磨中储式热风送粉系统，煤质为贫煤、次烟煤和部分无烟煤混烧，入炉煤质的干燥无灰基挥发分14％左右，低位热值20MJ/kg左右，灰熔点ST在1300℃，锅炉原燃烧系统组织就采用了带有分离型燃尽风的低氮燃烧技术。
如图2所示，同目前所有带有分离型燃尽风系统的炉膛低氮燃烧系统整体布置形式一样，沿炉膛高度方向将炉膛燃烧分成三个区域：下部是炉膛的主燃烧区6，从最下层分离型燃尽风喷嘴5至炉膛出口截面为燃尽区8，主燃烧区和燃尽区之间区域为还原区7。
在本实施例的原锅炉设计中，一次风携带进入的煤粉量占总煤粉量的88％，制粉系统出口乏气携带的煤粉量占总煤粉量的12％。炉膛总进风量为煤粉燃烧理论空气量的125％，其中主燃烧区6中总共进入煤粉燃烧所需90％的理论空气量，其中一次风占煤粉燃烧理论空气量的20％，制粉系统出口乏气占煤粉燃烧理论空气量的24％，二次风占煤粉燃烧理论空气量的46％；另外煤粉燃烧所需35％的理论空气量由分离型燃尽风5进入炉膛上部燃尽区8。
在本实施例采用本发明后的设计中，煤粉仍然全部从炉膛主燃烧区6进入炉膛，其中通过一次风携带的煤粉量占总煤粉量的88％，制粉系统出口乏气分成两部分，一部分通过炉膛主燃烧区上部的一层乏气(三次风)燃烧器13携带的煤粉量占总煤粉量的6％，另一部分含有的6％的煤粉量的乏气通过炉膛主燃烧区的两层乏气墙式风喷嘴 902进入炉膛。炉膛总进风量仍然为煤粉燃烧理论空气量的125％，其中主燃烧区6中仍然总共进入煤粉燃烧所需90％的理论空气量，其中一次风占煤粉燃烧理论空气量的20％，制粉系统出口乏气分成两部分，一部分通过一层乏气(三次风)燃烧器13进入的乏气占煤粉燃烧理论空气量的12％，另一部分通过乏气墙式风喷嘴902进入的乏气占煤粉燃烧理论空气量的12％，二次风分成两部分，其中一部分通过二次风喷嘴2的风量占煤粉燃烧理论空气量的30％，另一部分通过热空气墙式风喷嘴901风量占煤粉燃烧理论空气量的16％；另外煤粉燃烧所需35％的理论空气量由分离型燃尽风5进入炉膛上部燃尽区8。
如图2、图4所示，在本实施例中，在炉膛主燃烧区，有分别布置位于炉膛四墙水冷壁位置的燃烧器组合装置，每组燃烧器组合装置由多层一次风煤粉燃烧器1、多层二次风喷嘴2以上下相邻间隔或集中布置方式，以及布置在最上层一次风煤粉燃烧器上部的一层乏气 (三次风)燃烧器13和燃烧器角部风箱3构成；在炉膛水平截面上，如图4所示，炉膛四墙位置的各层一次风煤粉燃烧器1射流出口中心线11、二次风喷嘴射流出口中心线11以及乏气(三次风)燃烧器13 射流出口中心线11都与炉膛中央的一个假想圆右侧相切，构成以炉膛中央为圆心的逆时针旋转流场组织。
如图2、图4所示，在主燃烧区，还分别对应每只一次风煤粉燃烧器1，在距其出口煤粉射流的中下游位置较近的炉膛水冷壁10中布置对应的热空气墙式风喷嘴901和乏气墙式风喷嘴902，理论上该墙式风喷嘴901和902的最佳位置是在距离对应的一次风煤粉燃烧1射流的中下游最近的水冷壁10位置附近。在本例中如图4所示，在四墙切圆 燃烧的炉膛水平截面上，墙式风喷嘴901和902射流出口中心线12与炉膛水冷壁10有一定夹角，各墙式风喷嘴901和902出口的射流方向中心线12都与位于炉膛中央的另一个假想圆右侧相切，并构成与炉内切圆流场相同逆时针旋转的流场组织，与炉膛燃烧器组合装置的一次风1、二次风2、乏气(三次风)13射流共同构成炉内稳定的切圆旋转燃烧流场。
如图2、图4所示，在本例中每只墙式风喷嘴901和902的具体位置为：在水平方向上，位于对应的一次风煤粉燃烧器1和相邻下游同层的一次风煤粉燃烧器1之间，并靠近下游一次风煤粉燃烧器1一侧，在炉膛水平截面上，取两相邻一次风煤粉燃烧器1出口中心的连接线的垂直平分线，在靠近下游一次风煤粉燃烧器1一侧，做与该垂直平分线距离为墙式风假想圆半径的平行线与炉膛水冷壁的交点为墙式风喷嘴在水冷壁上的的水平位置，该平行线也即墙式风喷嘴901 和902的射流出口中心线；在垂直方向上，位于对应的一次风煤粉燃烧器1和相邻上层一次风煤粉燃烧器1之间，在本实施例中，对应五层一次风煤粉燃烧器1布置有五层墙式风喷嘴901和902，其中底部两层为热空气墙式风喷嘴901，其上部两层为乏气墙式风喷嘴902，对应炉膛的最上层一次风煤粉燃烧器1，仍为热空气墙式风喷嘴901，其垂直方向上位置在距最上层一次风煤粉燃烧器1中心线上部1.5米以内。
本发明设计中，按照燃用煤质特性的不同，墙式风风量占煤粉燃烧理论空气量的10％～30％之间。其中对于干燥无灰基挥发份35％及以上烟煤，墙式风风量在10％～15％之间；对于干燥无灰基挥发份 20％～35％之间的次烟煤和烟煤，墙式风风量在15％～25％之间；对于干燥无灰基挥发份小于15％的贫煤及无烟煤，墙式风风量在25～ 30％之间。
在本实施例中，墙式风风量占煤粉燃烧理论空气量的28％，其中从锅炉热风道引出占煤粉燃烧理论空气量16％的热空气分别进入三层热空气墙式风喷嘴901，以及制粉系统出口一部分占理论空气量12％的乏气进入两层乏气墙式风喷嘴902。所有墙式风喷嘴901和902都以射流形式直接喷入各自对应的一次风煤粉燃烧器1射流的中下游区间，进行煤粉射流的中下游燃烧组织，直接提高煤粉射流的中下游区间的氧气浓度和煤粉燃烧速率，并防止煤粉的贴壁燃烧。
在本实施例中，一次风煤粉燃烧器1喷嘴出口速度为23m/s，二次风喷嘴2出口速度为47m/s，燃尽风喷嘴5出口速度为51m/s，墙式风喷嘴出口速度为对应的一次风煤粉燃烧器出口速度的1.0到2.5 倍之间，本实施例中根据煤粉燃烧特性和一次风煤粉燃烧器的着火性能，确定墙式风喷嘴901和902的出口速度为47m/s。
墙式风喷嘴901和902的出口可采用矩形喷口901或椭圆形喷口 902，根据对应的一次风煤粉燃烧器1射流着火性能的不同，喷口的高宽比在1.2～3.0之间，在本实施例中根据煤粉燃烧特性确定的喷口高宽比为2.2。
在本实施例中，在各个墙式风喷嘴901、902的入口布置有风量调节装置，可以根据其对应的一次风煤粉燃烧器1在实际运行中的负荷大小即煤粉量多少调节墙式风喷嘴901和902射流出口速度和风量的大小。
在本实施例中，墙式风喷嘴901和902在炉膛水冷壁开孔中可以在垂直方向和水平方向进行摆动，微调其喷嘴具体位置和射流出口方向，在实际运行中可以通过调节墙式风喷嘴射流进入煤粉射流的中下游区间的具体位置来实现最佳的燃烧组织。
在本实施例中，采用本发明进行现场锅炉燃烧系统加装墙式风燃烧系统改造试验，运行结果表明：在350MW机组采用中储式制粉系统热风送粉的四墙切圆 的煤粉燃烧锅炉中，实际燃用煤质为贫煤、次烟煤和部分无烟煤的掺混，入炉煤质的干燥无灰基挥发分14％左右，采用本发明，锅炉的NOx排放相对改造前再降低了24％左右，由改造前的省煤器出口平均550mg/Nm3左右降到了平均420mg/Nm3左右，飞灰含碳量由改造前的4.5％左右降到了2.8％左右，锅炉的低负荷着火稳燃能力也有一定程度提高，最低不投油稳燃负荷达到了40％MCR工况，最突出的优点是很好地解决了过去在运行期间锅炉严重的水冷壁结焦和高温腐蚀问题，电厂的运行安全性大幅提高，原来因为结焦不敢燃用的低挥发分或低灰熔点煤也能够在本发明实施后的锅炉上应用，极大地降低了燃煤采购成本。
以上所述仅为本发明的典型实施例，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员，均可按以上所述和说明书附图所示而顺畅地实施本发明；但凡在不脱离本发明技术方案而作出的更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例，均仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.切圆煤粉燃烧锅炉中煤粉射流的中下游的燃烧组织方法，其特征为：在切圆煤粉燃烧锅炉的炉膛主燃烧区域，分别对应一次风煤粉燃烧器，在距其出口煤粉射流的中下游位置较近的炉膛水冷壁中布置对应的墙式风喷嘴，在墙式风喷嘴中分别引入一部分热风，以射流形式直接喷入对应的一次风煤粉燃烧器射流的中下游区间，进行该煤粉射流的中下游燃烧组织，直接阻止煤粉射流在其中下游区间的贴壁发生和提高煤粉射流的中下游区间的氧气浓度和煤粉燃烧速率；在炉膛水平截面上，各墙式风喷嘴射流出口中心线与位于炉膛中央的假想圆同侧相切，并构成与炉内切圆流场相同旋向的射流组织，与炉膛燃烧器组合装置的一次风、二次风射流共同构成炉内稳定的切圆旋转燃烧流场；在炉膛水平截面上墙式风喷嘴的位置通过取两相邻一次风煤粉燃烧器出口中心的连接线的垂直平分线，在靠近下游一次风煤粉燃烧器一侧，做与该垂直平分线的距离为墙式风假想圆半径的平行线，该平行线与炉膛水冷壁的交点来确定墙式风喷嘴在水冷壁上的水平位置。
2.根据权利要求1所述的切圆煤粉燃烧锅炉中煤粉射流的中下游的燃烧组织方法，其特征在于：所述的墙式风喷嘴位于炉膛四墙水冷壁的开孔中，其位置在水平方向上位于对应的一次风煤粉燃烧器和同层相邻下游的一次风煤粉燃烧器之间，在垂直方向上位于对应的一次风煤粉燃烧器和上层相邻一次风煤粉燃烧器之间，对于炉膛的最上层一次风煤粉燃烧器，对应的墙式风喷嘴位置在垂直方向上位于距最上层一次风煤粉燃烧器中心线的上部1.5米以内，墙式风喷嘴的位置是在距离各自对应的一次风煤粉燃烧射流的中下游区间最近的水冷壁位置上。
3.根据权利要求1所述的切圆煤粉燃烧锅炉中煤粉射流的中下游的燃烧组织方法，其特征在于：对于采用直吹式制粉系统的锅炉，所述的一部分热风是来自经过锅炉空气预热器加热后的热空气。
4.根据权利要求1所述的切圆煤粉燃烧锅炉中煤粉射流的中下游的燃烧组织方法，其特征在于：对于采用中储式制粉系统热风送粉燃烧的锅炉，所述的一部分热风采用来自经过锅炉空气预热器加热后的热空气，或者采用来自制粉系统出口的乏气。
5.根据权利要求1所述的切圆煤粉燃烧锅炉中煤粉射流的中下游的燃烧组织方法，其特征在于：所述的墙式风喷嘴中分别引入一部分热风的风量，是墙式风喷嘴各自对应的一次风煤粉燃烧器出口的煤粉燃烧所需理论空气量的10％～30％，在实际应用中根据煤质特性的不同和对应的一次风煤粉燃烧器出口煤粉量的变化进行调节。
6.根据权利要求1所述的切圆煤粉燃烧锅炉中煤粉射流的中下游的燃烧组织方法，其特征在于：墙式风喷嘴射流的出口速度是在对应的一次风煤粉燃烧器出口速度的1.0到2.5倍之间。
7.根据权利要求1所述的切圆煤粉燃烧锅炉中煤粉射流的中下游的燃烧组织方法，其特征在于：所述的墙式风喷嘴的出口采用矩形喷口或椭圆形喷口，根据对应的一次风煤粉燃烧器射流着火性能的不同，喷口的高宽比在1.2～3.0之间。
8.根据权利要求1所述的切圆煤粉燃烧锅炉中煤粉射流的中下游的燃烧组织方法，其特征在于：在所述的墙式风喷嘴的入口布置有墙式风风量调节装置，根据对应一次风煤粉燃烧器的负荷变化调节该喷嘴射流出口速度和风量的大小。
9.根据权利要求1所述的切圆煤粉燃烧锅炉中煤粉射流的中下游的燃烧组织方法，其特征在于：所述的墙式风喷嘴在炉膛水冷壁开孔中在垂直方向及水平方向摆动，在实际运行中通过调节墙式风喷嘴射流进入煤粉射流的中下游区间的具体位置，实现煤粉射流的中下游区间的燃烧组织。
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