CN111023081B - 采用缝隙式燃烧器的w火焰锅炉 - Google Patents

采用缝隙式燃烧器的w火焰锅炉 Download PDF

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Abstract

采用缝隙式燃烧器的W火焰锅炉，本发明涉及一种采用灵活调峰技术的W火焰锅炉，本发明的目的是为解决传统W火焰锅炉采用油枪点火方式时锅炉负荷低于50％时，燃烧不稳定甚至灭火的情况发生，锅炉的灵活性调峰能力需达到满负荷的20％的锅炉，但现有技术中并未出现满足此条件的锅炉，它包括上炉膛、下炉膛、前炉拱、后炉拱、前墙、后墙、多个直流缝隙式燃烧器和多个分级风喷口；直流缝隙式燃烧器包括空心旋流调节拉杆、微油点火枪和煤粉导流体，微油点火枪安装在空心旋流调节拉杆内，空心旋流调节拉杆底端与煤粉导流体固定连接，空心旋流调节拉杆、微油点火枪和煤粉导流体安装在直流缝隙式燃烧器壳体内。本发明属于锅炉领域。

Description

采用缝隙式燃烧器的W火焰锅炉
技术领域
本发明涉及一种采用灵活调峰技术的W火焰锅炉，具体涉及采用缝隙式燃烧器的W火焰锅炉。
背景技术
近些年，随着大规模可再生能源介入，中国的电力系统发生了巨大改变。可再生能源的发电容量在电网中所占比重与日俱增。然而，由于发电方式本身的局限性，可再生能源发电的出力不稳定性为电力系统的调节能力带来巨大挑战；此外，发电侧及需求侧的大量不确定因素也影响着电力系统的安全稳定运行。资料显示，2015年中国全年净增火电装机7202万千瓦(其中煤电5186万千瓦)，为2009年以来年度投产最多的一年。但是火电的发电量连续两年负增长，利用小时创1969年以来的新低。此外，近年来风电持续快速发展的同时，部分地区出现了严重的弃风问题，消纳已成为制约风电等新能源发展的关键因素。因此，为了适应可再生能源的高速发展，提高电力系统对可再生能源的消纳能力，确保电力系统的安全稳定运行，对煤电机组进行灵活性改造已势在必行。
火电灵活性包含运行灵活性和燃料灵活性两个方面。其中燃料灵活性是指利用已有的煤电设备，掺烧/混烧秸秆、木屑等生物质，实现生物质原料的清洁利用，减少大气污染。由于电站锅炉燃料消耗量巨大，锅炉日常燃用的煤质很大程度上受资源赋存状况和市场环境的限制，难以实现燃料灵活性。因此，运行灵活性改造是当前火电机组普遍采用的灵活性改造方式。
运行灵活性通常是指提升已有煤电机组包括纯凝机组与热电机组的调峰幅度，扩宽锅炉锅炉的负荷调整范围，为消纳更多波动性可再生能源，灵活参与电力市场创造条件。
作为燃煤电站锅炉的主要组成部分之一，W火焰锅炉是中国自二十世纪九十年代开始从北非和西欧等地区引进的一种专为燃用贫煤和无烟煤等低挥发分难燃煤种而设计的电站锅炉。由于无烟煤和贫煤的岩相结构紧密而稳定，孔隙率小，反应性较低，在实际燃用中，往往存在着火难、稳定燃烧难和燃尽难的问题，需要较高的着火温度和燃尽温度、煤粉燃尽时间较长。当锅炉在低负荷运行时，由于送入炉内的燃料量较少，一次风和二次风随之减少，热风温度下降。炉内的含氧量相对较多，加上汽化潜热增加，炉内的热负荷和炉膛温度较低。锅炉的燃烧稳定性将进一步变差，甚至引起灭火。因此，相对其它燃煤电站锅炉，W火焰锅炉低负荷运行时煤粉气流着火和稳定燃烧能力更弱。根据燃烧器形式的不同，W火焰锅炉可以分为采用直流燃烧器的W火焰锅炉和采用旋流燃烧器的W火焰锅炉。其中采用直流燃烧器的W火焰锅炉主要包括采用双旋风筒燃烧器的W火焰锅炉和采用缝隙式燃烧器的W火焰锅炉。
采用缝隙式燃烧器的传统W火焰锅炉通常采用油枪点火的方式。在浓煤粉气流喷口处布置微油点火枪，利用油枪喷出的雾化油滴和煤粉的混合物燃烧产生的高温火核点燃整个煤粉气流。为了使煤粉气流获得较强的刚性，从而延长煤粉颗粒在炉膛内的燃尽距离，促进煤粉燃尽，缝隙式燃烧器通常采用狭窄的浓煤粉气流喷口。然而，由于气流速度的提高，与其它炉型相比，采用缝隙式燃烧器W火焰锅炉炉内浓煤粉气流着火和稳燃能力进一步减弱。在满负荷条件下燃用高挥发煤质时传统微油点火方式能够有效点燃煤粉气流，保证锅炉稳定燃烧。然而，当锅炉低负荷运行，尤其在燃用低挥发分难燃煤种时锅炉的稳燃能力减弱，煤粉浓度迅速降低，着火和稳燃特性进一步减弱。长期的实际运行结果表明：通过调整供油量和燃烧器风量配比，采用缝隙式燃烧器的传统W火焰锅炉的最大调峰能力为50％左右，当锅炉负荷低于50％时，燃烧不稳定甚至灭火的情况开始发生。远远达不到新能源形势下政府对电站锅炉的灵活性调峰能力要求满负荷的20％。然而，目前针对采用缝隙式燃烧器W火焰锅炉的研究目前还鲜见报道。因此，有必要开发针对采用缝隙式燃烧器W火焰锅炉的新型灵活性调峰技术的W火焰锅炉，提升锅炉的调峰能力。
发明内容
本发明的目的是为解决传统W火焰锅炉采用油枪点火方式时锅炉负荷低于50％时，燃烧不稳定甚至灭火的情况发生，根据要求需要提供一种锅炉的灵活性调峰能力需达到满负荷的20％的锅炉，但现有技术中并未出现满足此条件的锅炉，进而提供一种采用缝隙式燃烧器的W火焰锅炉。
本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：
它包括上炉膛、下炉膛、前炉拱、后炉拱、前墙、后墙、多个直流缝隙式燃烧器和多个分级风喷口；直流缝隙式燃烧器包括空心旋流调节拉杆、微油点火枪和煤粉导流体，上炉膛、前炉拱、前墙、下炉膛、后墙和后炉拱构成炉体，微油点火枪安装在空心旋流调节拉杆内，空心旋流调节拉杆底端与煤粉导流体固定连接，空心旋流调节拉杆、微油点火枪和煤粉导流体安装在直流缝隙式燃烧器壳体内，前墙和后墙分别设有多个分级风喷口，前炉拱水冷壁和后炉拱水冷壁上分别安装有多个直流缝隙式燃烧器。
本发明的有益效果：
本发明能够显著改善煤粉气流的着火特性，提高锅炉的低负荷稳燃能力。
传统英巴W火焰锅炉的结构简图如图1所示。对于采用微油点火装置的传统英巴W火焰锅炉，微油点火枪10自锅炉拱部斜插入炉膛，油枪喷口与浓煤粉气流喷口的中轴线相交。微油点火枪10的油量一般为80-100kg/h，雾化程度好，油滴的平均粒径为5-10微米，容易点燃，燃烧放热快。当锅炉处于高负荷运行时，燃烧器内煤粉气流的浓度较大，微油点火枪10点燃的煤粉量较多，放出大量的热，产生大范围的高温火焰，进而点燃整个煤粉气流，锅炉的稳燃特性较好。
当锅炉超低负荷运行时，送入炉内的燃料量大幅降低，然而为了保证一次风管道内煤粉的正常输送，锅炉的一次风速仍保持在较高水平，因此燃烧器内的煤粉浓度显著降低。实际运行表明，当锅炉运行负荷低于满负荷的50％时，随着锅炉负荷降低，燃烧器内的煤粉浓度逐渐降低。此外，煤粉气流由浓煤粉气流喷口喷入炉膛后，煤粉浓度迅速降低，微油点火枪10点燃的煤粉量非常有限，产生的高温火焰长度和粗度较小，放热量较少，燃烧后产生的火焰容易被扑灭，不利于煤粉气流的点燃，煤粉气流的着火特性较差。
此外，由于超低负荷条件下锅炉的燃料供入量降低，煤粉燃烧产生的热量大幅度减少，炉膛温度下降，W火焰锅炉拱下回流区的温度降低，对煤粉气流的卷吸和预热作用减弱，拱下高温回流区对煤粉颗粒和燃油混合物的预热作用较差，煤粉气流的着火和稳燃特性进一步削弱。实际运行表明，当负荷低于50％时，锅炉出现燃烧不稳定，甚至灭火的情况。
本发明利用两块导流板6-4将浓煤粉气流喷口6分隔为主煤粉喷口6-2、第一侧煤粉喷口6-1和第二侧煤粉喷口6-3，本发明在缝隙式直流煤粉燃烧器5浓煤粉管道5-2的中轴线处设置空心旋流调节拉杆9。一杆微油点火枪10设置在空心旋流调节拉杆9内，油量为30kg/h左右。浓煤粉喷口6的侧壁上设有输氧枪12。输氧枪12斜插入浓煤粉喷口6的主煤粉喷口6-2内，其喷口中轴线与微油点火枪10的中轴线相交。高纯度氧气自高压储氧罐16经输氧管道15和输氧枪10供入浓煤粉气流喷口6的主煤粉喷口6-2内，输氧枪12的供氧量通过其尾部的阀门13控制。
锅炉运行时，经旋风子5-1分离产生的浓煤粉气流进入浓煤粉管道5-2在空心旋流调节拉杆9末端煤粉导流体11的作用下低速的旋转的煤粉气流转化为直流气流。气流进入浓煤粉气流喷口6后由导流板6-4分流，大部分煤粉颗粒进入主煤粉喷口6-2内，其余部分均分至第一侧煤粉喷口6-1和第二侧煤粉喷口6-3。主煤粉喷口6-2内的煤粉气流和微油点火枪10喷出的雾化油滴在主煤粉喷口6-2内与输氧枪12喷入的高纯度氧气充分混合后经点火枪点燃形成高温火核，进而点燃整个煤粉气流。
虽然超低负荷条件下，燃烧器内的煤粉浓度降低。但是由于煤粉导流体11下端锥体以及导流板6-4的双重作用，主煤粉喷口6-2内的煤粉浓度显著提高。经计算，采用本发明后，同等负荷条件下主煤粉喷口6-2内的煤粉浓度为传统W火焰锅炉浓煤粉气流喷口内的两倍左右。同时，由于高浓度氧气的供入，燃烧器主煤粉喷口6-2内的氧气浓度由19％迅速提高至75％以上，氮气浓度由78％降低至20％左右。由于燃烧器内氧气浓度增大，单位空间内氧气分子的密度显著增高，煤粉中碳原子与油滴中的烃与氧气分子发生化学反应的放热速率和反应程度大幅度提高，煤粉颗粒的燃烧更加充分，释放出更多的热量，宏观表现为煤粉颗粒和雾化油滴混合物的燃点温度大幅度降低，煤粉气流的温度迅速升高，煤粉燃烧的火焰较短,燃烧强度增强,燃烧速度较快,雾化油滴和煤粉混合物形成的高温火焰迅速蔓延，煤粉气流的着火特性显著改善。主煤粉喷口6-2内的煤粉气流着火后剧烈燃烧，促进第一侧煤粉喷口6-1和第二侧煤粉喷口6-3内的煤粉气流着火，进而点燃整股煤粉气流。
由于N2本身几乎无辐射能力，CO2、水蒸气等三原子气体的辐射能力较强，在富氧条件下煤粉气流燃烧产生高温烟气中的N2浓度较低，CO2、水蒸气浓度较高，烟气的黑度大幅度提升，强化了烟气对锅炉辐射换热面和煤粉气流的传热特性。本发明将油枪和微游点火装置布置于浓煤粉气流喷口6的出口处，煤粉颗粒与雾化油滴的混合物直面向炉内高温区，锅炉拱下高温回流区对燃烧器喷出煤粉气流的预热作用大幅度增强，超低负荷条件下煤粉气流的稳燃特性显著增强。
此外，由于主煤粉喷口6-2侧壁上设有温度测点14，输氧枪12的供氧量根据主煤粉喷口6-2内的温度通过调整阀门13实时调控，锅炉超低负荷条件下煤粉气流的稳燃特性显著改善。经热力计算，采用本发明后，同等负荷条件下点燃煤粉气流的着火热显著降低为传统W火焰锅炉的27％左右，锅炉的最低稳燃负荷降低至13％。
附图说明
图1是传统英巴W火焰锅炉燃烧组织方式示意图。
图2是本发明W火焰锅炉示意图。
图3是图2中I处放大图。
图4是本发明直流缝隙式燃烧器5与外部供氧系统图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图2-图4说明本实施方式，本实施方式所述采用缝隙式燃烧器的W火焰锅炉，它包括上炉膛1、下炉膛2、前炉拱3、后炉拱4、前墙、后墙、多个直流缝隙式燃烧器5和多个分级风喷口8；直流缝隙式燃烧器5包括空心旋流调节拉杆9、微油点火枪10和煤粉导流体11，上炉膛1、前炉拱3、前墙、下炉膛2、后墙和后炉拱4构成炉体，微油点火枪10安装在空心旋流调节拉杆9内，空心旋流调节拉杆9底端与煤粉导流体11固定连接，空心旋流调节拉杆9、微油点火枪10和煤粉导流体11安装在直流缝隙式燃烧器5壳体内，前墙和后墙分别设有多个分级风喷口8，前炉拱3水冷壁和后炉拱4水冷壁上分别安装有多个直流缝隙式燃烧器5
具体实施方式二：结合图2-图4说明本实施方式，本实施方式所述采用缝隙式燃烧器的W火焰锅炉，前炉拱3水冷壁上的多个直流缝隙式燃烧器5呈直线排列设置，后炉拱4水冷壁上的多个直流缝隙式燃烧器5呈直线排列设置，其它方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图2-图4说明本实施方式，本实施方式所述采用缝隙式燃烧器的W火焰锅炉，直流缝隙式燃烧器5还包括旋风子5-1、浓煤粉管道5-2、乏气管道5-3、浓煤粉气流喷口6和淡煤粉气流喷口7，乏气管道5-3、旋风子5-1和浓煤粉管道5-2依次连接，乏气管道5-3与淡煤粉气流喷口7连接，浓煤粉管道5-2与浓煤粉气流喷口6连接，前炉拱3水冷壁上每个直流缝隙式燃烧器5的浓煤粉气流喷口6和淡煤粉气流喷口7均与前炉拱3水冷壁连接，后炉拱4水冷壁上每个直流缝隙式燃烧器5的浓煤粉气流喷口6和淡煤粉气流喷口7均与后炉拱4水冷壁连接，其它方法与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图2-图4说明本实施方式，本实施方式所述采用缝隙式燃烧器的W火焰锅炉，直流缝隙式燃烧器5还包括输氧枪12，空心旋流调节拉杆9插装在旋风子5-1、浓煤粉管道5-2和浓煤粉气流喷口6内，输氧枪12倾斜安装在浓煤粉气流喷口6的侧壁上，空心旋流调节拉杆9与浓煤粉喷口6可相对移动,其它方法与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图2-图4说明本实施方式，本实施方式所述采用缝隙式燃烧器的W火焰锅炉，直流缝隙式燃烧器5还包括两个导流板6-4，浓煤粉气流喷口6为锥形壳体，两个导流板6-4安装在锥形壳体的内壁上，并通过两个导流板6-4将锥形壳体分成主煤粉喷口6-2、第一侧煤粉喷口6-1和第二侧煤粉喷口6-3，输氧枪12喷口端依次穿过浓煤粉气流喷口6和一个导流板6-4设置，输氧枪12的另一端通过输氧管道15与外部高压储氧罐16连接。导流板6-4是由一块缝隙式煤粉分流板和一块竖板固定连接组成，其它方法与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图2-图4说明本实施方式，本实施方式所述采用缝隙式燃烧器的W火焰锅炉，直流缝隙式燃烧器5还包括温度测点14，温度测点14设置在浓煤粉气流喷口6上。温度测点14依次插装在浓煤粉气流喷口6、一个导流板6-4和主煤粉喷口6-2上，微油点火枪10喷口上沿长度方向的中心线、温度测点14探针的中轴线与输氧枪12喷口上沿长度方向的中心线相交。其它方法与具体实施方式四相同。
具体实施方式七：结合图2-图3说明本实施方式，本实施方式所述采用缝隙式燃烧器的W火焰锅炉，置，且每个分级风喷口8的中心线与水平面平行设置，其它方法与具体实施方式一相同。
实施例：
本发明已经在某电厂一台燃用无烟煤的600MW英巴W火焰锅炉上应用。锅炉前后拱上对称布置了24组，共48只直流缝隙式燃烧器。锅炉共配备了A、B、C、D、E、F六台磨煤机，其中锅炉B、D、F磨对应的24只燃烧器采用本发明所设计的灵活调峰技术进行了改造。
采用本发明前，满负荷条件下，锅炉前后墙48只燃烧器全部投运并能够保持稳定运行。然而当锅炉负荷降低至300MWe即50％BMCR负荷时，锅炉的A、C、E三台磨停运，仅投运B、D、F三台磨煤机，实际运行表明，三台磨对应的24只传统旋流煤粉燃烧器均不同程度的出现了着火难，燃烧不稳定甚至灭火的现象。经试验测量，此时燃烧器内的氧气浓度约为20％，煤粉气流的着火点约为700℃。
采用本发明后，仅B、D、F磨投运时，通过调整输氧枪阀门开度，燃烧器主煤粉喷口内的氧气浓度可提高至75％，经试验测量煤粉气流的着火点温度降低至580℃左右，煤粉气流及时着火，稳燃特性良好。锅炉负荷降低至13％时通过调整微油枪和输氧枪阀门开度，采用本发明的12只燃烧器依然能够稳定投运，该负荷运行时风电的并网负荷可达到522MWe，年CO2减排量可达80000t左右。

Claims (4)

1.采用缝隙式燃烧器的W火焰锅炉，它包括上炉膛（1）、下炉膛（2）、前炉拱（3）、后炉拱（4）、前墙、后墙、多个直流缝隙式燃烧器（5）和多个分级风喷口（8）；其特征在于：直流缝隙式燃烧器（5）包括空心旋流调节拉杆（9）、微油点火枪（10）、煤粉导流体（11）、旋风子（5-1）、浓煤粉管道（5-2）、乏气管道（5-3）、浓煤粉气流喷口（6）、淡煤粉气流喷口（7）、输氧枪（12）和两个导流板（6-4），上炉膛（1）、前炉拱（3）、前墙、下炉膛（2）、后墙和后炉拱（4）构成炉体，微油点火枪（10）安装在空心旋流调节拉杆（9）内，空心旋流调节拉杆（9）底端与煤粉导流体（11）固定连接，空心旋流调节拉杆（9）、微油点火枪（10）和煤粉导流体（11）安装在直流缝隙式燃烧器（5）壳体内，前墙和后墙分别设有多个分级风喷口（8），前炉拱（3）水冷壁和后炉拱（4）水冷壁上分别安装有多个直流缝隙式燃烧器（5），乏气管道（5-3）、旋风子（5-1）和浓煤粉管道（5-2）依次连接，乏气管道（5-3）与淡煤粉气流喷口（7）连接，浓煤粉管道（5-2）与浓煤粉气流喷口（6）连接，前炉拱（3）水冷壁上每个直流缝隙式燃烧器（5）的浓煤粉气流喷口（6）和淡煤粉气流喷口（7）均与前炉拱（3）水冷壁连接，后炉拱（4）水冷壁上每个直流缝隙式燃烧器（5）的浓煤粉气流喷口（6）和淡煤粉气流喷口（7）均与后炉拱（4）水冷壁连接，空心旋流调节拉杆（9）插装在旋风子（5-1）、浓煤粉管道（5-2）和浓煤粉气流喷口（6）内，输氧枪（12）倾斜安装在浓煤粉气流喷口（6）的侧壁上，微油点火枪（10）喷口上沿长度方向的中心线与输氧枪（12）喷口上沿长度方向的中心线相交，浓煤粉气流喷口（6）为锥形壳体，两个导流板（6-4）安装在锥形壳体的内壁上，导流板（6-4）包括上部倾斜板和下部竖板，上部倾斜板从锥形壳体内壁向中心倾斜，倾斜板上开有透粉口，并通过两个导流板（6-4）将锥形壳体分成主煤粉喷口（6-2）、第一侧煤粉喷口（6-1）和第二侧煤粉喷口（6-3），输氧枪（12）喷口端依次穿过浓煤粉气流喷口（6）和一个导流板（6-4）设置，输氧枪（12）的另一端通过输氧管道（15）与外部高压储氧罐（16）连接。
2.根据权利要求1所述采用缝隙式燃烧器的W火焰锅炉，其特征在于：前炉拱（3）水冷壁上的多个直流缝隙式燃烧器（5）呈直线排列设置，后炉拱（4）水冷壁上的多个直流缝隙式燃烧器（5）呈直线排列设置。
3.根据权利要求1所述采用缝隙式燃烧器的W火焰锅炉，其特征在于：直流缝隙式燃烧器（5）还包括温度测点（14），温度测点（14）设置在浓煤粉气流喷口（6）上。
4.根据权利要求1所述采用缝隙式燃烧器的W火焰锅炉，其特征在于：前墙上的多个分级风喷口（8）呈直线排列设置，后墙的多个分级风喷口（8）呈直线排列设置，且每个分级风喷口（8）的中心线与水平面平行设置。
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