CN111140868B - 内置返混式煤粉自预热方法及设备、煤粉自热式燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤粉自预热设备，包括：预热室，所述预热室形成内部空腔且底部设置有送粉风入口；和返混装置，设置于所述预热室的内部空腔。所述返混装置包括：气固分离器，所述气固分离器的入口位于预热室上部而与预热室的内部空腔相通，所述气固分离器的出口适于与预热室外部相通；和料腿，所述料腿与气固分离器的下部相通且向下延伸，所述料腿适于形成料封，其中：通过料腿的出口进入预热室的内部空间的煤粉适于加热由送粉风入口送入的煤粉。

Description

内置返混式煤粉自预热方法及设备、煤粉自热式燃烧器

技术领域

本发明的实施例涉及锅炉领域，尤其涉及一种煤粉自预热方法及设备，一种煤粉自热式燃烧器。

背景技术

煤炭是中国主要能源和重要的化工原料。煤炭燃烧发电是煤炭作为一次能源利用的主要方式，煤炭热解或者气化制合成气和油品是煤炭作为化工原料以及清洁高效转化的重要方式。但是煤炭在利用过程中，均存在二次污染问题。比如煤粉燃烧过程中产生的氮氧化物是形成雾霾的主要污染物之一，对环境的危害较大；煤炭在热解或气化转化过程中产生大量挥发分含量较低的难燃残渣(又称热解半焦和气化残炭)，这类残渣处理不当，一方面危害环境，另一方面大大降低煤炭的利用率。因此，在中国煤炭利用技术已基本成熟的现状下，仍然有二次污染，包括气体污染物和固体污染物，未充分控制和解决等问题。

随着我国高品质煤炭资源的逐渐匮乏，我国大量电站煤粉锅炉面临燃料品质下降和超低排放的挑战，原有煤粉燃烧技术在燃烧如高水分或低挥发分煤，掺烧煤泥、兰炭、污泥等情况下，无法达到高效和超低排放的要求。

中国专利CN105444198B公开了一种粉状燃料自预热装置和方法、粉状燃料燃烧锅炉系统，其基于循环流化床燃烧技术，提出了一种粉状燃料自预热方法，通过该方法对燃料进行处理，实现了燃料特别是低挥发分燃料变负荷的高效稳定燃烧。但该方法采用的粉状燃料自预热装置体积较大，结构复杂，需要进一步简化结构和减小体积。

发明内容

为缓解或解决上述问题中的至少一个方面，提出本发明。

根据本发明的实施例的一个方面，本发明提出煤粉自预热设备，包括：预热室，所述预热室形成内部空腔且底部设置有送粉风入口；和返混装置，设置于所述预热室的内部空腔。所述返混装置包括：气固分离器，所述气固分离器的入口位于预热室上部而与预热室的内部空腔相通，所述气固分离器的出口适于与预热室外部相通；和料腿，所述料腿与气固分离器的下部相通且向下延伸，所述料腿适于形成料封，其中：通过料腿的出口进入预热室的内部空间的煤粉适于加热由送粉风入口送入的煤粉。

可选的，所述预热室为筒体和/或所述返混装置为水冷结构或者由耐火耐磨材料制成。

可选的，所述料腿包括与气固分离器的下部连接的竖直部以及与竖直部的下端连接的倾斜部；所述倾斜部与纵向形成的夹角在大于等于20度而小于30度的范围内。或者，所述倾斜部与纵向形成的夹角在大于等于30度而小于等于50度的范围内。

可选的，所述料腿的出口端面为竖直端面。

可选的，所述料腿的出口段为出口通道的横截面积渐缩的形状。

可选的，所述料腿的出口设置有挡板，所述挡板用于限缩料腿出口的通道横截面积或者为煤粉从料腿的出口流出提供阻力。

根据本发明的实施例的另一方面，提出了一种煤粉自预热方法，包括步骤：提供预热室与返混装置，返混装置设置于预热室的内部空间，返混装置包括气固分离器和与之相连的料腿；从预热室的底部向预热器的内部空间通入携带有煤粉的送粉风；和利用气固分离器从进入气固分离器的风粉混合物中分离煤粉，分离的煤粉通过料腿的出口进入预热室的内部空间，其中通过料腿的出口进入预热室的内部空间的煤粉适于加热由送粉风送入的煤粉，由送粉风送入的煤粉在预热室内在还原性气氛下发生燃烧和气化反应。

可选的，所述方法还包括步骤：在向预热器的内部空间通入送粉风之前，将预热室的温度加热到500℃以上。

可选的，送粉风的风量占煤粉完全燃烧理论空气量的10～25％。

可选的，所述料腿包括与气固分离器的下部连接的竖直部以及与竖直部的下端连接的倾斜部；且所述方法还包括步骤：选择或者确定所述倾斜部与竖直线之间的夹角以调节或者确定料腿内封料的高度。

可选的，所述方法还包括步骤：选择或者确定所述料腿的出口通道的横截面的渐缩形状以调节或者确定料腿内封料的高度。

可选的，在料腿的出口端面处设置挡板以限缩料腿的出口通道的横截面积或者为煤粉从料腿的出口流出提供阻力。

根据本发明的实施例的再一方面，提出了一种煤粉自热式燃烧器，包括：上述的煤粉自预热设备；高温燃料连通管，所述连通管的一端与所述气固分离器的出口相通；和燃料喷口，与所述连通管的另一端连通。

附图说明

图1为根据本发明的一个示例性实施例的煤粉自预热设备的示意图；

图2为根据本发明的一个示例性实施例的煤粉自热式燃烧器的示意图；

图3为根据本发明的一个示例性实施例的料腿结构的示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

图1为根据本发明的一个示例性实施例的煤粉自预热设备的示意图。如图1所示，一种煤粉自预热设备包括：

预热室2，所述预热室2形成内部空腔且底部设置有送粉风入口；和

返混装置3，设置于所述预热室2的内部空腔，所述返混装置3包括：

气固分离器3-1，所述气固分离器3-1的入口3a位于预热室上部而

与预热室的内部空腔相通，所述气固分离器3-1的出口适于与预热室外部

相通；和

料腿3-2，所述料腿3-2与气固分离器的下部相通且向下延伸，所述

料腿适于形成料封，

其中：通过料腿的出口进入预热室的内部空间的煤粉适于加热由送粉风入口送入的煤粉。

如图1-3所示，所述料腿3-2包括与气固分离器3-1的下部连接的竖直部以及与竖直部的下端连接的倾斜部。

虽然没有示出，所述料腿的出口段为出口通道的横截面积渐缩的形状。

如图3所示，所述料腿的出口设置有挡板5，所述挡板用于限缩料腿出口的通道横截面积或者为煤粉从料腿的出口流出提供阻力。

如图3所示，所述挡板5位于料腿的出口端面的上半部。

虽然没有示出，煤粉自预热设备还可包括挡板控制装置，用于控制所述挡板在料腿的出口端面处的位置。

虽然没有示出，在可选的实施例中，所述挡板以弹力可复位的方式枢转连接在料腿的出口处。

在本发明中，在预热室内部设置返混装置，取消需要单独控制的返料器，简单可靠，易于操作，可以利用预热室内部建立的循环维持预热温度。

图2为根据本发明的一个示例性实施例的煤粉自热式燃烧器的示意图。

如图2所示，一种煤粉自热式燃烧器，包括：

例如图1中所示的煤粉自预热设备，所述送粉风入口适于与送粉风管1连通；

高温燃料连通管6，所述连通管的一端与所述气固分离器3-1的出口相通；和

燃料喷口4，与所述连通管6的另一端连通。

送粉风管1与煤粉锅炉的制粉系统通过管道相连，用于将来自制粉系统的风粉混合物直接通入煤粉预热室进行部分燃烧和预热。

如图2所示，在可选的实施例中，所述燃料喷口4与在径向方向上依次设置在其外侧的内二次风喷口4a和外二次风喷口4b一起构成同轴射流多通道喷口。

虽然没有示出，燃烧器还可包括燃烧器控制装置，用于控制或者调整給煤量、送粉风量、内二次风量、外二次风量中的至少一种。所述燃烧器控制装置还可包括前述的挡板控制装置。

在可选的实施例中，预热室的送粉风入口与制粉系统连通。

本发明的燃烧器为一种新型内循环自热式煤粉燃烧器，可用于煤粉、半焦、残炭、煤泥、固废飞灰等粉体燃料的高效及低氮燃烧利用，能够有效地适应现有煤粉锅炉中煤粉制备要求，并能够替代现有煤粉锅炉的燃烧器。本发明的燃烧器包括了预热室、返混装置和燃料喷口，其中预热室的送粉风入口适于与送粉风管连通，返混装置位于预热室内，返混装置的上部出口与燃料喷口相通。

在上述的燃烧器中，不需要外界提供热量，预热煤粉的热量可全部由煤粉自身提供。

下面进一步说明本发明的内循环自热式煤粉燃烧器。

在燃烧器启动前，可以首先利用启动点火器将煤粉预热室的温度加热到500℃以上。

在运行该燃烧器时，送粉风携带煤粉进入煤粉预热室底部，送粉风量占煤粉完全燃烧理论空气量的10～25％，煤粉在缺氧的环境下发生部分燃烧和部分气化反应，释放部分热量维持自身的温度，同时生成高温的焦炭和煤气。送粉风携带煤粉在煤粉预热室中向上运动，进入返混装置，返混装置包括分离和返料两个环节，集成为一体装置，煤粉中较粗颗粒被分离捕捉下来返回煤粉预热室底部继续参与部分燃烧和部分气化反应，并通过自身携带的热量加热刚刚送入煤粉预热室的煤粉，送粉和返混达到平衡后，维持预热燃烧室温度，粒度较细的煤粉预热后则直接从煤粉预热室出口随生成的高温焦炭和煤气进入高温燃料喷口，可在高温燃料喷口处通入空气和/或再循环烟气，最后在炉膛中完成高温燃料的燃烧。煤粉预热室的温度可以通过调整给煤量、送粉风量、送粉风成分在700～1000℃的范围内灵活调节。

根据本发明的燃烧器中，由气固分离器分离得到的煤粉进入到料腿中，在重力的作用下再通过料腿进入预热室底部或者下部。

在可选的实施例中，料腿底部为一段倾斜管，和/或出口端设置有挡板，通过倾斜角度和/或挡板面积控制料腿中的料封高度，防止气流通过料腿反窜入气固分离器，造成气固分离器失效，料封高度可以根据不同燃料而不同。

在本发明中，料腿倾斜管出口流通面积≤料腿流通面积，可以包括设置挡板、管径变化等多种具体方式。

如图3所示，料腿斜管段与垂直方向的夹角为θ。对于堆积密度较大的燃料可选用较小的角度θ，一般选择20度≤θ<30度之间；对于堆积密度较小的燃料可选用较大的角度θ，一般选择30度≤θ≤50度之间。

另外，也可利用挡板的面积控制料腿内料位的高度，如需要高料位提供较大的压差可选择较大面积的挡板，如需要低料位提供较小的压差可选择较小面积的挡板。

总之，在设置有倾斜管的情况下，可以使得料腿倾斜管出口流通面积≤料腿流通面积。

在本发明中，利用返混装置3，可以使预热室内部形成稳定的内循环，可以不断加热新进入煤粉预热室的冷煤粉，保持煤粉预热室内部的整体温度。

在采用上述方案的燃烧器中，粉体燃料在预热燃烧器中的循环都发生在预热室中，与现有技术中的循环流化床方法预热粉体燃料相比，不再需要设置返料器，利用煤粉预热室内部建立的循环维持预热温度，因此无需单独控制返料器，使预热燃烧器工艺简化并稳定。

为了适应煤粉锅炉中制粉系统的要求，燃烧器可采用直吹送粉的给料方式，煤粉由送粉风携带进入煤粉预热室。燃烧器中所用煤粉的粒径与煤粉炉所用煤粉的粒径相似。

在本发明中，预热室的筒体和返混装置可以均为耐火耐磨材料浇筑而成，也可以均为水冷结构，或者一个为水冷结构，另一个为由耐磨耐火材料构成。

本发明也涉及煤粉自预热方法，该方法中，预热煤粉的热量由煤粉自身提供。新鲜煤粉进入煤粉预热室中与已经加热到高温经返混装置返回煤粉预热室底部的煤粉接触引燃，由于送粉风量占煤粉燃烧理论氧气量的10～25％，煤粉将发生部分的燃烧和气化反应，放出热量，维持煤粉预热室的温度。

基于以上，本发明还提出了如下的煤粉自预热方法：

1、一种煤粉自预热方法，包括步骤：

提供预热室与返混装置，返混装置设置于预热室的内部空间，返混装置包括气固分离器和与之相连的料腿；

从预热室的底部向预热器的内部空间通入携带有煤粉的送粉风；和

利用气固分离器从进入气固分离器的风粉混合物中分离煤粉，分离的煤粉通过料腿的出口进入预热室的内部空间，其中通过料腿的出口进入预热室的内部空间的煤粉适于加热由送粉风送入的煤粉，由送粉风送入的煤粉在预热室内在还原性气氛下发生燃烧和气化反应。

2、根据1的方法，还包括步骤：

在向预热器的内部空间通入送粉风之前，将预热室的温度加热到500℃以上。

3、根据1的方法，其中：

送粉风的风量占煤粉完全燃烧理论空气量的10～25％。

4、根据1或2或3的方法，其中：

所述料腿包括与气固分离器的下部连接的竖直部以及与竖直部的下端连接的倾斜部；且

所述方法还包括步骤：选择或者确定所述倾斜部与竖直线之间的夹角以调节或者确定料腿内封料的高度。

5、根据1或2或3的方法，还包括步骤：

选择或者确定所述料腿的出口通道的横截面的渐缩形状以调节或者确定料腿内封料的高度。

6、根据1-5中任一个的方法，其中：

在料腿的出口端面处设置挡板以限缩料腿的出口通道的横截面积或者为煤粉从料腿的出口流出提供阻力。

7、根据6的方法，其中：

所述挡板的位置可调整，所述方法还包括步骤：调整挡板的位置以调整料腿内封料的高度；或者

所述方法还包括步骤：调整所使用挡板在料腿的出口处的面积以调整料腿内封料的高度。

8、根据7的方法，还包括步骤：

基于不同的燃料，调整挡板的位置或者调整所使用的挡板在料腿的出口处的面积以调整料腿内封料的高度。

9、根据1-8中任一个的方法，还包括步骤：

通过调整給煤量以及送粉风量调节煤粉的预热温度。

需要专门指出的是，虽然在本发明的实施例中，以煤粉为例进行了说明，本发明中的煤粉自预热设备、煤粉自预热方法、煤粉自热式燃烧器，同样可以适用于能够小颗粒或者粉状形式进行预热的其他燃料，这些均在本发明的保护范围内。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化、要素组合，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (16)

1.一种煤粉自预热设备，包括：

预热室，所述预热室形成内部空腔且底部设置有送粉风入口；和

返混装置，设置于所述预热室的内部空腔，所述返混装置包括：

气固分离器，所述气固分离器的入口位于预热室上部而与预热室的内部空腔相通，所述气固分离器的出口与预热室外部相通；和

料腿，所述料腿与气固分离器的下部相通且向下延伸，所述料腿形成料封，

其中：通过料腿的出口进入预热室的内部空间的煤粉加热由送粉风入口送入的煤粉。

2.根据权利要求1所述的设备，其中：

所述预热室为筒体和/或所述返混装置为水冷结构或者由耐火耐磨材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中：

所述料腿包括与气固分离器的下部连接的竖直部以及与竖直部的下端连接的倾斜部；且

所述倾斜部与纵向形成的夹角在大于等于20度而小于30度的范围内，或者

所述倾斜部与纵向形成的夹角在大于等于30度而小于等于50度的范围内。

4.根据权利要求1或2所述的设备，其中：

所述料腿的出口段为出口通道的横截面积渐缩的形状。

5.根据权利要求1或2所述的设备，其中：

所述料腿的出口设置有挡板，所述挡板用于限缩料腿出口的通道横截面积或者为煤粉从料腿的出口流出提供阻力。

6.根据权利要求3所述的设备，其中：

所述料腿的出口设置有挡板，所述挡板用于限缩料腿出口的通道横截面积或者为煤粉从料腿的出口流出提供阻力。

7.根据权利要求4所述的设备，其中：

所述料腿的出口设置有挡板，所述挡板用于限缩料腿出口的通道横截面积或者为煤粉从料腿的出口流出提供阻力。

8.一种煤粉自预热方法，包括步骤：

提供预热室与返混装置，返混装置设置于预热室的内部空间，返混装置包括气固分离器和与之相连的料腿；

从预热室的底部向预热器的内部空间通入携带有煤粉的送粉风；和

利用气固分离器从进入气固分离器的风粉混合物中分离煤粉，分离的煤粉通过料腿的出口进入预热室的内部空间，其中通过料腿的出口进入预热室的内部空间的煤粉加热由送粉风送入的煤粉，由送粉风送入的煤粉在预热室内在还原性气氛下发生燃烧和气化反应。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括步骤：

在向预热器的内部空间通入送粉风之前，将预热室的温度加热到500℃以上。

10.根据权利要求9所述的方法，其中：

送粉风的风量占煤粉完全燃烧理论空气量的10～25％。

11.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其中：

所述料腿包括与气固分离器的下部连接的竖直部以及与竖直部的下端连接的倾斜部；且

所述方法还包括步骤：选择或者确定所述倾斜部与竖直线之间的夹角以调节或者确定料腿内封料的高度。

12.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，还包括步骤：

选择或者确定所述料腿的出口通道的横截面的渐缩形状以调节或者确定料腿内封料的高度。

13.根据权利要求11所述的方法，还包括步骤：

选择或者确定所述料腿的出口通道的横截面的渐缩形状以调节或者确定料腿内封料的高度。

14.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其中：

在料腿的出口端面处设置挡板以限缩料腿的出口通道的横截面积或者为煤粉从料腿的出口流出提供阻力。

15.根据权利要求11所述的方法，其中：

在料腿的出口端面处设置挡板以限缩料腿的出口通道的横截面积或者为煤粉从料腿的出口流出提供阻力。

16.一种煤粉自热式燃烧器，包括：

根据权利要求1-7中任一项所述的煤粉自预热设备；

高温燃料连通管，所述连通管的一端与所述气固分离器的出口相通；和

燃料喷口，与所述连通管的另一端连通。

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