CN110645567A - 一种煤粉锅炉结构及煤粉燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锅炉设备技术领域，公开了一种煤粉锅炉结构及煤粉燃烧方法，包括竖直安装的主炉膛以及设于主炉膛顶部的燃烧器，燃烧器连接有一次风的送风通道，燃烧器同时与煤粉储存仓和钙粉储存仓相连，煤粉和钙粉同时送入燃烧器，一次风在总风量中的占比为60%‑80%，主炉膛的上方侧壁上设有二次风的进口，二次风在总风量中的占比为20%‑30%。本发明提供的一种煤粉锅炉结构及煤粉燃烧方法，通过向炉膛送入钙粉，可实现炉内脱硫；通过设置的一次风和二次风送风形式，通过分级送风控制煤粉的燃烧过程，燃料分步燃烧，热量缓慢释放，这样避免了产生局部高温区，减少了氮氧化物的生成。

Description

一种煤粉锅炉结构及煤粉燃烧方法

技术领域

本发明涉及锅炉设备技术领域，特别是涉及一种煤粉锅炉结构及煤粉燃烧方法。

背景技术

我国是一个以煤为主要能源的发展中国家，煤炭资源占我国能源生产和消费总量的75%左右。传统的气化燃烧技术是在煤炭缺氧的情况下，通入水蒸气制取水煤气，然后再将水煤气送入锅炉的炉膛中燃烧。这一技术的主要特点是水煤气的制取和燃烧过程是相对独立的两个过程，制取的煤气热值低，燃烧后产生的水气比例较大。

另外，煤在燃烧过程中，会产生大量的污染物，目前，国内外已研制出多种技术和装置应用于锅炉的脱硫、脱硝。其中，脱硝技术包括低氮燃烧技术，烟气脱硝( SNCR )技术等。因为反应温度控制不到位，反应时间短的问题，烟气中的氮气与碳颗粒的反应量很少，氮氧化物的自分离也来不及进行，致使在锅炉尾部排出的烟气中氮氧化物的含量较高。对于锅炉脱硫的各种方法也均存在不足之处。

目前所用燃煤工业锅炉，大多设有脱硫脱硝装置，其环保投入较大，占地较大且经济性较差。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种煤粉锅炉结构及煤粉燃烧方法，用于解决或部分解决目前所用燃煤工业锅炉，大多设有脱硫脱硝装置，其环保投入较大，占地较大且经济性较差的问题。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明第一方面，提供一种煤粉锅炉结构，包括竖直安装的主炉膛以及设于所述主炉膛顶部的燃烧器，所述燃烧器连接有一次风的送风通道，所述燃烧器同时与煤粉储存仓和钙粉储存仓相连，煤粉和钙粉同时送入燃烧器，所述一次风在总风量中的占比为60%-80%，所述主炉膛的上方侧壁上设有二次风的进口，所述二次风在总风量中的占比为20%-30%。

在上述方案的基础上，所述主炉膛的后部依次并排设有副炉膛和对流通道，所述主炉膛的底端与所述副炉膛的底端相连通，所述副炉膛的顶端与所述对流通道的顶端相连通，所述对流通道的底端与尾部烟道相连通。

在上述方案的基础上，所述主炉膛的下方和/或所述副炉膛的下方侧壁上设有再循环风口，所述再循环风口与烟气管道的一端相连，所述烟气管道的另一端与尾部烟道的末端相连、用于向所述再循环风口中引入再循环烟气。

在上述方案的基础上，所述再循环烟气为所述尾部烟道中温度为100-150℃的烟气，所述再循环烟气在总烟气中的占比为15%-25%。

在上述方案的基础上，所述尾部烟道上串联设有反应器，所述反应器的内部喷入预设量的水。

在上述方案的基础上，所述反应器设于所述尾部烟道上的空气预热器的后方；所述反应器的内部喷入雾化水。

在上述方案的基础上，所述主炉膛的下方侧壁上设有喷嘴，所述喷嘴用于向所述主炉膛的内部喷入氨水或尿素。

本发明第二方面，提供一种基于上述煤粉锅炉结构的煤粉燃烧方法，包括：通过减少一次风的风量，对煤粉进行缺氧燃烧，生成煤气；通入二次风，对煤气进行燃烧；通入再循环烟气，对烟气进行完全燃烧。

在上述方案的基础上，还包括：向主炉膛的内部喷入氧化钙粉末进行炉内脱硫；将尾部烟气流经反应器，对未反应的氧化钙粉末进行增湿活化再次进行脱硫反应；向主炉膛的内部喷入氨水或尿素进行炉内脱硝。

在上述方案的基础上，氧化钙粉末的喷入量根据煤粉中的含硫量确定，使得钙硫摩尔比为1.5-2.5；反应器中水的喷入量根据氧化钙粉末的量确定，使得水钙摩尔比为3.5-4。

（三）有益效果

本发明提供的一种煤粉锅炉结构及煤粉燃烧方法，通过向炉膛送入钙粉，在煤粉燃烧过程中钙粉可与烟气中的酸性物质发生反应，通过酸碱中和与氧化还原，可实现炉内脱硫；通过设置的一次风和二次风送风形式，通过分级送风控制煤粉的燃烧过程，燃料燃烧过程的第一步在欠氧的情况下，使煤粉燃烧生成大量的一氧化碳；第二部在燃烧的不同阶段补风，使一氧化碳和未燃烧完全的煤粉充分燃烧，燃料分步燃烧，热量缓慢释放，这样避免了产生局部高温区，减少了氮氧化物的生成；另外燃烧过程中生成大量一氧化碳，形成还原性气氛，抑制了氮氧化物的产生。

附图说明

图1为本发明实施例的一种煤粉锅炉结构的整体示意图。

附图标记说明：

1—钙粉储存仓；	2—煤粉储存仓；	3—送风通道；
			4—喷嘴；	5—烟气管道；	6—主炉膛；
7—副炉膛；	8—燃烧器；	9—对流通道；
			10—尾部烟道；	11—对流受热面；	12—SCR模块；
13—省煤器；	14—空气预热器；	15—反应器；
			16—除尘器；	17—节能器；	18—二次风的进口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种煤粉锅炉结构，参考图1，该锅炉结构包括竖直安装的主炉膛6以及设于所述主炉膛6顶部的燃烧器8，所述燃烧器8连接有一次风的送风通道3，所述燃烧器8同时与煤粉储存仓2和钙粉储存仓1相连，煤粉和钙粉同时送入燃烧器8，所述一次风在总风量中的占比为60%-80%，所述主炉膛6的上方侧壁上设有二次风的进口18，所述二次风在总风量中的占比为20%-30%。

钙粉可为氧化钙粉末或碳酸钙粉末。以下以氧化钙粉末为例进行说明，通过向炉膛送入氧化钙粉末，在煤粉燃烧过程中氧化钙粉末可与烟气中的酸性物质发生反应，通过酸碱中和与氧化还原，可实现炉内脱硫。

进一步地，本实施例提出将锅炉的燃烧过程设定为既相对独立又连贯的两个部分。第一个过程是将煤粉利用高压一次风送入锅炉的主炉膛6，通过减少一次风的通入量进行缺氧燃烧，释放部分热量，生成煤气；第二个过程是利用负压通风原理，在煤气生成区域通入二次风，对干煤气进行燃烧，释放出全部热量。第一个过程是在不用通入水蒸气的干态情况下制取的高热值空气煤气，完成了碳固相到气相的转换。第二个过程完成了气相碳的燃烬，两个过程是在锅炉这一装置内连贯实施的，是一种低温、低氮、高效的燃烧技术。

该煤粉锅炉结构设置的一次风和二次风送风形式，通过分级送风控制煤粉的燃烧过程，燃料燃烧过程的第一步在欠氧的情况下，使煤粉燃烧生成大量的一氧化碳；第二部在燃烧的不同阶段补风，使一氧化碳和未燃烧完全的煤粉充分燃烧。燃料分步燃烧，热量缓慢释放，这样避免了产生局部高温区，减少了氮氧化物的生成；另外燃烧过程中生成大量一氧化碳，形成还原性气氛，抑制了氮氧化物的产生。

进一步地，二次风的进口18可设于主炉膛6与煤粉燃烧火焰的中下段对应位置处。二次风的进口18可沿主炉膛6的高度方向平行设置多层，分不同位置送入到主炉膛6火焰的中下段，有利于煤气的充分燃烧。

在上述实施例的基础上，进一步地，所述主炉膛6的后部依次并排设有副炉膛7和对流通道9，所述主炉膛6的底端与所述副炉膛7的底端相连通，所述副炉膛7的顶端与所述对流通道9的顶端相连通，所述对流通道9的底端与尾部烟道10相连通。

主炉膛6的后部即沿烟气流动方向的后侧，即烟气后流到的部位。副炉膛7和对流通道9同样竖直布置，与主炉膛6依次并排相接。该层燃锅炉在主炉膛6的后侧增设副炉膛7和对流通道9。主炉膛6内部燃料燃烧产生的烟气通过底部出口流入副炉膛7，然后从副炉膛7底部流至顶部进入对流通道9中，然后流入尾部烟道10中。

该锅炉结构在主炉膛6的后方依次并排设置副炉膛7和对流通道9，并使主炉膛6底部与副炉膛7连通，副炉膛7顶部与对流通道9连通，从而主炉膛6、副炉膛7和对流通道9形成S型三回程烟气通道，能够有效的提高烟气的流动距离，增加燃料即煤粉在炉内的燃烧时间，提高燃烧效率；减少烟气中未充分燃烧的产物，有利于减少硫氧化物的排放，减少环保投入，提高经济性。

进一步地，主炉膛6和副炉膛7的四周侧壁上附着有膜式水冷壁；对流通道9的侧壁上同样设有膜式水冷壁，对流通道9内设有对流受热面11，以提高热量的使用效率。对流受热面11可采用蛇形管。

在上述实施例的基础上，进一步地，所述主炉膛6的下方和/或所述副炉膛7的下方侧壁上设有再循环风口，所述再循环风口与烟气管道5的一端相连，所述烟气管道5的另一端与尾部烟道10的末端相连、用于向所述再循环风口中引入再循环烟气。

尾部烟道10的始端与炉膛出口相连。尾部烟道10的末端即烟气后流过的部位，越靠近尾部烟道10的末端，烟气的温度越低。在尾部烟道10的末端取部分烟气送入主炉膛6中，可降低主炉膛6内燃烧区的燃烧温度，减少氮氧化物的生成；满足硫氧化物和氮氧化物的环保排放要求；且将烟气再次通入主炉膛6中，还有利于燃料的充分完全燃烧以及进一步提高热量利用率，提高热效率，还可降低烟气中的氧含量。

进一步地，所述再循环烟气为所述尾部烟道10中温度为100-150℃的烟气，所述再循环烟气在总烟气中的占比为15%-25%。再循环风口可设于主炉膛6的中下部或副炉膛7的中下部或在主炉膛6的中下部和副炉膛7的中下部均设置再循环风口。送入主炉膛6和/或副炉膛7的再循环烟气的总量为总烟气的15%-25%。再循环风口可设于主炉膛6和/或副炉膛7温度在600℃以上的部位。

进一步地，烟气管道5的另一端可设置在尾部烟道10末端的侧壁上，用于引出烟气。烟气管道5用于将从尾部烟道10取出的烟气导入至炉膛的下方，即靠下部位。使得再循环烟气可与灰渣接触，从而可降低灰渣温度，减少灰渣热损失，提高锅炉效率。

所述尾部烟道10上串联设有反应器15，所述反应器15的内部喷入预设量的水。设置反应器15，尾部烟气流经反应器15，反应器15中的水可使未反应的氧化钙增湿活化，使其再次与烟气中的二氧化硫发生反应，可进一步去除烟气中的硫氧化物，且可充分利用氧化钙粉末，提高脱硫效果和效率。

本实施例提供的一种锅炉结构，向炉内喷入氧化钙粉末可实现炉内脱硫，再通过炉外增湿活化氧化钙，可充分利用氧化钙进一步进行脱硫反应，通过炉内外脱硫的配合，可显著提高脱硫效率和效果，满足硫氧化物的环保排放要求，降低了环保设备投入及环保设备运行费用，有较好的经济效益和社会效益。

在上述实施例的基础上，进一步地，所述反应器15设于所述尾部烟道10上的空气预热器14的后方；所述反应器15的内部喷入雾化水。

在上述实施例的基础上，进一步地，利用氧化钙进行炉内脱硫的具体反应式为：

CaO+SO₂+1/2O₂→CaSO₄；

CaO＋SO₃→CaSO₄；

进一步地，氧化钙粉末可研磨至200目喷入炉膛内，有利于提高反应效率。氧化钙粉末可放置在钙粉储存仓1内部，每次燃烧将一定量的氧化钙粉末输送至一次风的送风通道3处，经气流喷射进入炉膛。

因为氧化钙粉末具有吸湿性，与水反应生成碱，有腐蚀性并伴有大量热生成，具体反应式为：CaO＋H₂O→Ca(OH)₂。因此，设置除水装置，将引入的一次风在与氧化钙粉末混合之前经过除水装置，以避免尾部烟气携带有水而影响氧化钙粉末的酸碱中和与氧化还原反应。

在上述实施例的基础上，进一步地，对流通道9的内部设有对流受热面11和SCR模块12，可进行炉内脱硝，减少锅炉外部占地面积。在对流通道9内部、烟温为300-350℃的区域处设有脱硝装置。在对流通道9内部、烟温为300-350℃的区域，预留脱硝装置安装空间，实现炉内脱硝。脱硝装置可为脱硝催化剂（SCR模块12）。

尾部烟道10上沿烟气流动方向依次设有省煤器13、空气预热器14、反应器15、除尘器16和火能节能器17。流经空气预热器14之后的尾部烟道10与反应器15相连。流经反应器15的尾部烟道10可依次与布袋除尘和火能节能器17相连。提高热量使用效率。

在上述实施例的基础上，进一步地，所述主炉膛6的下方侧壁上设有喷嘴4，所述喷嘴4用于向所述主炉膛6的内部喷入氨水或尿素。通过向炉膛适当区域喷入氨水或尿素，可实现炉内SNCR脱硝。该层燃锅炉结构可无需在炉膛外部设置脱硫脱硝装置，可降低环保投入，减小锅炉占地，提高经济性。

进一步地，喷嘴4可设置在主炉膛6的靠下部位。使得氧化钙粉末和氨水或尿素在不同区域与烟气反应，可避免二者相互影响而降低脱硫脱硝效率；且烟气先经过氧化钙粉末再经过氨水或尿素，可避免氧化钙粉末吸湿失活以及产生腐蚀。

在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例提供一种基于上述任一实施例所述煤粉锅炉结构的煤粉燃烧方法，包括：通过减少一次风的风量，对煤粉进行缺氧燃烧，生成煤气；通入二次风，对煤气进行燃烧；通入再循环烟气，对烟气进行完全燃烧。

本实施例提出一种煤粉气化分相燃烧方法，主要是将原本一步法燃煤技术变为两步法，第一步是固相碳在干态缺氧条件下燃烧转换为气相的一氧化碳，并放出部分热量，这一步主要有三个燃烧反应发生；第二步是气相的一氧化碳在抑氧情况下燃烧后并释放出剩余热量，具体反应式如下：

第一步反应：C+1/2O₂→CO+115kJ/mol（主要发生的反应）；

C+O₂→CO₂+398kJ/mol（局部过氧时反应）；

C+CO₂→2CO-162kJ/mol（欠氧时副反应）；

第二步反应：CO+1/2O₂→CO₂+283kJ/mol。

这一燃烧技术将传统的碳燃烧一次放热过程转化为两次放热过程，在气化炉膛内，由于采用干态缺氧燃烧方法，每一步碳燃烧时放热量小，通过设计计算和炉膛结构设计，有利于保证燃烧温度小于950℃。在这种低温还原性氛围下，可以解决碳与灰的安全分离，既在燃烧过程中避免了灰份结焦的问题，同时抑制了氮氧化物的生成。

进一步地，该煤粉燃烧方法可适用于上述各实施例所提供的煤粉锅炉结构，也可适用于矩形炉膛、U型炉膛、N型炉膛以及M、W型炉膛。

在上述实施例的基础上，进一步地，一种煤粉燃烧方法，还包括：向主炉膛6的内部喷入氧化钙粉末进行炉内脱硫；将尾部烟气流经反应器15，对未反应的氧化钙粉末进行增湿活化再次进行脱硫反应；向主炉膛6的内部喷入氨水或尿素进行炉内脱硝。

通过向炉膛内喷入氧化钙粉末，可通过酸碱中和与氧化还原反应，实现炉内脱硫，操作简便且环保投入较小，具有较优的经济性。再通过炉外增湿活化氧化钙，可充分利用氧化钙进一步进行脱硫反应，通过炉内外脱硫的配合，可显著提高脱硫效率和效果。通过向炉膛内喷入氨水或尿素，可实现炉内脱硝。

因为氧化钙粉末具有吸湿性，与水反应生成碱，有腐蚀性，并伴有大量热生成，因此，先喷射氧化钙粉末进行脱硫，然后再喷射氨水或尿素进行脱硝，保证脱硫脱硝的顺利进行。

向主炉膛6的内部喷入氨水或尿素具体为：向主炉膛6烟温为850-950℃的区域喷入氨水或尿素。该区域温度合适，较有利于进行脱硝反应。氨水或尿素采用泵输送及压缩空气雾化形式喷入炉膛，使其迅速在炉膛内气化混合反应，以确保反应充分。喷射氨水或尿素的压缩空气的流量根据氨水或尿素的重量以及气力输送装置的型式确定；氨水或尿素的重量根据锅炉脱硝需要确定。

进一步地，向主炉膛6的内部送入氧化钙粉末与向主炉膛6的内部顶端喷入氨水或尿素的间隔时间大于等于预设时间；氧化钙粉末的送入区域与氨水或尿素的喷射区域之间的距离大于等于预设距离。以避免氧化钙粉末接触氨水，与水反应生成碱，对喷嘴4造成腐蚀且影响脱硫脱硝的正常进行。

在上述实施例的基础上，进一步地，氧化钙粉末的喷入量根据燃料中的含硫量确定，使得钙硫摩尔比为1.5-2.5；反应器15中水的喷入量根据氧化钙粉末的量确定，使得水钙摩尔比为3.5-4。

钙硫摩尔比约为1.5:1-2.5:1。在尾部受热面后设有活化反应器15，在活化反应器15中喷入一定量的水，水钙摩尔比约在3.5:1-4:1之间，使未反应的CaO通过雾化水进行增湿活化，使其再次与烟气中的二氧化硫发生反应。

上述实施例提供的一种煤粉燃烧方法，解决了燃煤工业锅炉在燃烧过程中控制SO₂生成的问题，减小锅炉尾部污染物处理强度。该锅炉结构设置副炉膛7和对流通道9形成三回程烟气流程且简化了锅炉系统的结构；满足环保排放要求的同时，降低了脱硫设备投入及脱硫设备运行费用；有较好的经济效益与社会效益。

上述实施例提供的一种煤粉燃烧方法，在炉膛适当区域喷入氧化钙粉末及氨水（或尿素），在炉外设置反应器15，在对流通道9适当区域预留脱硝催化剂安装空间，实现炉内脱硫与脱硝。解决了燃煤工业锅炉在燃烧过程中控制SO₂、NO_x的生成的问题，降低锅炉尾部污染物处理强度；简化了锅炉系统的结构。满足环保排放要求的同时，降低了环保设备投入及环保设备运行费用，给其他设备留有放置的空间；有较好的经济效益与社会效益。

在上述实施例的基础上，进一步地，一种煤粉燃烧方法还包括：从尾部烟道10的末端抽取再循环烟气；将再循环烟气通入主炉膛6内部下方。所述再循环烟气的温度小于等于150℃；所述再循环烟气在总烟气中的占比为15%-25%；所述再循环烟气通入主炉膛6的流速为25-35m/s。

进一步地，二次风和一次风可同时送入主炉膛6；根据运行工况对再循环烟气的送入进行调控，具体可根据尾部烟气的氧含量以及燃烧工况来调控再循环烟气的送入。可通过烟气的再循环，降低烟气中的氧含量，控制烟气中的氧含量小于6%。

具体的，在尾部烟道10位于空气预热器14之后设置取烟口，此处烟气温度应低于150℃，取此部分烟气送入烟气管道5。再循环风口设于炉膛下方，保证对炉渣的冷却。最大烟气循环量约取总烟气量的25%左右。实际运行当中，可利用变频风机来调整再循环烟气量，以取得最好的效果。

该煤粉燃烧方法在锅炉尾部取部分烟气送入，降低炉膛内的燃烧温度，减少氮氧化物的生成。解决锅炉热效率低，氮氧化物排放高的问题，可减小锅炉污染物（氮氧化物）处理强度；降低灰渣温度，减少灰渣热损失，提高了锅炉效率；降低炉膛内火焰的燃烧温度，减少氮氧化物的生成；满足氮氧化物的环保排放要求，降低了环保设备投入及环保设备运行费用，有较好的经济效益与社会效益。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种煤粉锅炉结构，包括竖直安装的主炉膛以及设于所述主炉膛顶部的燃烧器，其特征在于，所述燃烧器连接有一次风的送风通道，所述燃烧器同时与煤粉储存仓和钙粉储存仓相连，煤粉和钙粉同时送入燃烧器，所述一次风在总风量中的占比为60%-80%，所述主炉膛的上方侧壁上设有二次风的进口，所述二次风在总风量中的占比为20%-30%。

2.根据权利要求1所述的煤粉锅炉结构，其特征在于，所述主炉膛的后部依次并排设有副炉膛和对流通道，所述主炉膛的底端与所述副炉膛的底端相连通，所述副炉膛的顶端与所述对流通道的顶端相连通，所述对流通道的底端与尾部烟道相连通。

3.根据权利要求2所述的煤粉锅炉结构，其特征在于，所述主炉膛的下方和/或所述副炉膛的下方侧壁上设有再循环风口，所述再循环风口与烟气管道的一端相连，所述烟气管道的另一端与尾部烟道的末端相连、用于向所述再循环风口中引入再循环烟气。

4.根据权利要求3所述的煤粉锅炉结构，其特征在于，所述再循环烟气为所述尾部烟道中温度为100-150℃的烟气，所述再循环烟气在总烟气中的占比为15%-25%。

5.根据权利要求2所述的煤粉锅炉结构，其特征在于，所述尾部烟道上串联设有反应器，所述反应器的内部喷入预设量的水。

6.根据权利要求5所述的煤粉锅炉结构，其特征在于，所述反应器设于所述尾部烟道上的空气预热器的后方；所述反应器的内部喷入雾化水。

7.根据权利要求1所述的煤粉锅炉结构，其特征在于，所述主炉膛的下方侧壁上设有喷嘴，所述喷嘴用于向所述主炉膛的内部喷入氨水或尿素。

8.一种基于上述权利要求1-7任一所述煤粉锅炉结构的煤粉燃烧方法，其特征在于，包括：

通过减少一次风的风量，对煤粉进行缺氧燃烧，生成煤气；

通入二次风，对煤气进行燃烧；

通入再循环烟气，对烟气进行完全燃烧。

9.根据权利要求8所述的煤粉燃烧方法，其特征在于，还包括：

向主炉膛的内部喷入氧化钙粉末进行炉内脱硫；

将尾部烟气流经反应器，对未反应的氧化钙粉末进行增湿活化再次进行脱硫反应；

向主炉膛的内部喷入氨水或尿素进行炉内脱硝。

10.根据权利要求9所述的煤粉燃烧方法，其特征在于，氧化钙粉末的喷入量根据煤粉中的含硫量确定，使得钙硫摩尔比为1.5-2.5；

反应器中水的喷入量根据氧化钙粉末的量确定，使得水钙摩尔比为3.5-4。

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