CN112484036B - 一种无级调峰耦合热解燃烧器及燃烧系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种无级调峰耦合热解燃烧器及燃烧系统，燃烧器包括预热解室、外二次风管、内二次风旋流叶片、内二次风管、一次风管以及中心风管，中心风管、一次风管、内二次风管由内到外依次套设在一起，其出口与预热解室连通；一次风管内设置煤粉浓淡分离结构，一次风管与内二次风管之间沿一次风管外壁面圆周布置内二次风旋流叶片；绝热层为预热解室内腔的腔壁，外二次风管布置在绝热层中，外二次风管沿周向布置在预热解室内腔周围，煤粉在预热解室内腔进行预热和热解，进入锅炉炉膛燃烧，通过所述燃烧器控制煤粉在预热解室中的热解过程以适应不同煤种低负荷稳定着火；解决电站锅炉低负荷运行时煤粉稳燃问题，更大程度地提升火电机组深度调峰能力。

Description

一种无级调峰耦合热解燃烧器及燃烧系统
技术领域
本发明属于热能与动力工程技术领域，具体涉及一种无级调峰耦合热解燃烧器及燃烧系统。
背景技术
近几十年来，化石燃料的大量使用，带来环境、生态和全球气候变化等一系列问题，为应对发展带来的问题，世界各国开始纷纷制定能源转型战略，制定更加积极的低碳政策，推动可再生能源发展，推动经济绿色低碳转型。
可再生能源的快速发展，能源结构的重大调整，使得新能源的消纳问题日益突出。由于风电、光伏发电等新能源发电存在着间歇性、波动性、随机性、无功供给性能低、短时提供短路电流能力弱等不可避免的问题，而目前电力系统的调节能力难以消纳清洁能源的大规模并网运行，这就导致了较为严重的弃风、弃光现象，造成了风电、光电等新能源电力的极大浪费。能源结构的变化发展对电力系统的调节能力提出了更高的要求，清洁能源的大规模发展必须解决电力系统对于风电、光电等清洁电力能源的完全消纳的问题。
改变新能源电力难以消纳的现状，提高整个电力系统的灵活性，需要电源侧、电网侧和负荷侧的多侧并举，其中，电源侧灵活性提升潜力最大，调峰能力最强。且在未来很长一段时间内，由于火力发电较为成熟的维护、运行技术使得火电具有运行相对稳定、改造经验较为丰富、改造工程量相对较小等优势，煤电将仍是我国电力系统中主要来源，因此进行火电灵活性改造是消纳新能源电力最经济、效果最显著的方式。
为提高电力系统的深度调峰能力，要加大燃煤电站灵活性的改造力度，加大煤电调峰的能力。近年来增加热电联产机组改造，纯凝机组改造，主要用于增加火电厂的调峰能力。对调峰机组提出了相关的灵活性改造技术要求：1使热电机组增加20％额定容量的调峰能力，最小技术出力达到40％～50％的额定容量；2纯凝机组增加15％～20％额定容量的调峰能力，最小技术出力达到30％～35％额定容量；3部分具备改造条件的电厂预期达到国际先进水平，机组不投油稳燃时纯凝工况最小技术处理达到20％～25％。目前，为鼓励火电厂积极进行灵活性改造，制定了行之有效的火电厂有偿调峰补助机制，东北地区最早开展火电机组调峰补偿，供热期纯凝火电机组负荷率在40％～48％、热电机组负荷率在40％～50％时电价报价上限为0.4元/kWh，全部火电机组负荷率小于40％时电价报价上限可以达到为1元/kWh；甘肃、福建、新疆、山东等地也相继出台灵活性调峰补偿政策。
由此可见，火电厂进行灵活性改造以提高其深度调峰能力，进而适应未来能源结构的大调整是火电行业长期稳定可持续发展的必经之路。但是在机组进行深度调峰时，会处于与设计负荷相差巨大的低负荷甚至超低负荷运行状态，机组运行会出现许多问题，尤其当负荷低于30％～20％时，这些问题尤为突出。在锅炉侧会出现低负荷稳燃问题、水动力安全问题、脱硝系统安全性问题和机组的寿命问题；在汽机侧可能会出现汽轮机末级叶片颤振、水蚀、轴系振动等问题；同时机组的经济性和效率也会受到很大影响。其中，锅炉燃烧不稳定是限制机组深度调峰能力的关键因素，提升机组深度调峰能力最核心的问题就是如何确保锅炉低负荷时的稳燃。
针对深度调峰时锅炉稳燃问题的需求，常见的保证低负荷稳燃的方式是采用投油气、等离子体点火、富氧燃烧等方式保证煤粉气流的稳燃。国内外许多学者提出了一些技潜在的术路线，主要包括提高一次风送风温度、提高磨煤机出口温度、提高煤粉细度、提高煤粉浓度、降低一次风率等。总体而言，目前的低负荷稳燃解决方案或多或少地存在着调峰深度不足、运行成本高、初投资高等缺点。如何经济且有效地最大程度释放现有机组的深度调峰潜力成为亟待解决的问题。
申请号CN202010544553.9的专利公开了一种基于双调风旋流燃烧器的富氧微油点火装置及方法，采用多级燃烧器和多级富氧油枪维持稀相煤粉气流的燃烧，仅适用于燃用褐煤的对冲燃烧。
富氧燃烧和投油气辅助燃烧可以大幅提升煤种的燃烧特性，但是其改造成本和运行成本较高，煤种的适应性也较差。
申请号CN201710771874.0的专利公开了一种深度调峰组合稳燃燃烧器，采用水平布置、连通炉膛的煤粉预燃室，设置旋流的二次风进入煤粉预燃室，在旋转射流的卷吸作用下，在煤粉预燃室内形成持续的高温烟气回流区；申请号CN201710128666.9的专利公开了一种低负荷稳燃旋流型燃烧器，通过掺混总燃料10～30％的天然气预混煤粉和设置预燃室、利用卷吸的高温烟气实现低负荷稳燃。
设置预燃室和旋流二次风，掺混天然气目的在于利用旋流射流持续大量卷吸高温烟气加热煤粉，为煤粉燃烧提供着火热，煤粉在预燃室中被预热、气化，大量释放挥发分，开始燃烧，即煤粉在预燃室中被高温回流烟气加热点燃，在一定程度上这将改善煤粉的燃烧特性，但是同时会导致预燃室内部和燃烧器出口附近区域温度过高，不利于低氮控制；更重要的在于，当锅炉负荷过低时，或当煤种燃烧特性较差、挥发分含量较低时，燃烧器卷吸的高温烟气不足以预热、气化一次风粉气流，即不能满足燃用燃烧特性较差的煤种时低负荷稳定着火的条件，难以实现较宽煤种适应的、较低负荷的稳燃。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种无级调峰耦合热解燃烧器及燃烧系统，以解决锅炉低负荷运行时煤粉稳定燃烧问题，增强低负荷运行煤种适应性，更大程度地提升火电机组深度调峰能力。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种无级调峰耦合热解燃烧器，包括预热解室、外二次风管、内二次风旋流叶片、内二次风管、一次风管以及中心风管，中心风管、一次风管、内二次风管由内到外依次套设在一起，中心风管、一次风管和内二次风管的出口与预热解室连通；一次风管内设置煤粉浓淡分离结构，一次风管与内二次风管之间沿一次风管外壁面圆周布置内二次风旋流叶片；预热解室包括预热解室内腔和绝热层，绝热层为预热解室内腔的腔壁，外二次风管布置在绝热层中，外二次风管沿周向布置在预热解室内腔周围。
内二次风管靠近预热解室处的直径小于其远离预热解室处的直径。
内二次风旋流叶片连接有内二次风旋流叶片调节机构，内二次风旋流叶片调节结构用于调节内二次风旋流叶片在内二次风管中的位置。
一次风管的外壁设置凸起结构作为煤粉浓淡分离结构，所述凸起结构的高度沿着介质流向逐渐增高至最高点再逐渐降低。
沿着介质流向，预热解室内腔逐渐外扩；预热解室内腔呈线性外扩，预热解室内腔外扩角度α取值90°～150°。
外二次风管的截面为圆形、矩形或椭圆形，或外二次风管采用环形管，矩形管的宽高比为1.1～1.5，椭圆形管的长短轴之比为1.5～2.5。
外二次风管靠近其出口处相对于预热解室内腔设有斜角，外二次风管出口斜角β的角度不超过30°。
外二次风管入口处设置旋流叶片。
本发明还提供一种无级调峰耦合热解燃烧系统，燃烧器布置在燃烧系统的中层或最上层，在所述中层或上层全部采用无级调峰耦合热解燃烧器或部分采用无极调峰耦合热解燃烧器，当部分采用无极调峰耦合热解燃烧器时，间隔布置无极调峰耦合热解燃烧器。
部分采用无级调峰耦合热解燃烧器时，燃烧器采用双侧或单侧布置。与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明所述无级调峰耦合热解燃烧器设置有预热解室，煤粉在进入炉膛前，在预热解室内可以得到预热和热解，燃料的燃烧特性得到改善，避免锅炉低负荷运行时出现燃料着火困难、火焰不稳定等问题，实现较低负荷下煤粉的稳定燃烧；本发明所述无级调峰耦合热解燃烧器能实现径向深度空气分级，在主燃区形成还原性气氛，避免出现局部高温；预热解室内煤粉仅进行预热解过程，而非预燃过程，控制了燃烧器出口温度，二者结合共同控制炉膛温度避免过高，实现煤粉超低氮氧化物排放控制，同时保证煤粉的燃尽效果。
进一步的，内二次风旋流叶片调节结构用于调节内二次风旋流叶片在内二次风管中的位置能够改变内二次风旋流强度。
本发明所述燃烧系统，采用本发明所述无级调峰耦合热解燃烧器部分取代现有锅炉燃烧系统中的旋流燃烧器，具有维持锅炉低负荷稳定运行能力的无级调峰耦合热解燃烧器承担20％的锅炉负荷，而本发明所述无级调峰耦合热解燃烧器可以在其30％额定负荷下稳定运行，因此，这就为电站锅炉深度调峰能力提供了可能性，此时电站锅炉可以快速地实现6～100％的超低负荷无级调峰能力。
进一步的，采用本发明无级调峰耦合热解燃烧器的燃烧系统使得电站锅炉能够超低负荷稳定燃烧的同时，锅炉具有超强的燃料的适应性，适应燃料范围：Vdaf挥发分＝10～40％，Mar水分＝5～35％，Aad灰分＝5～40％。
附图说明
图1为本发明涉及无级调峰耦合热解燃烧器示意图。
图2为本发明涉及另一种形式的无级调峰耦合热解燃烧器示意。
图3为本发明涉及无级调峰耦合热解燃烧器预热解室示意图。
图4为本发明涉及无级调峰耦合热解燃烧器侧视示意图。
图5a为本发明一种无级调峰耦合热解燃烧器圆形截面的外二次风管示意图。
图5b为本发明一种无级调峰耦合热解燃烧器椭圆形截面的外二次风管示意图。
图5c为本发明一种无级调峰耦合热解燃烧器环形截面的外二次风管示意图。
图6为本发明涉及无级调峰耦合热解燃烧器的布置示意图。
附图中，1-预热解室，2-外二次风管，3-内二次风旋流叶片，4-内二次风管，5-一次风管，6-中心风管，7-煤粉浓淡分离结构，8-内二次风旋流叶片调节机构，11-预热解室内腔，12-绝热层；13-燃烧器，14-锅炉风箱，15锅炉炉膛。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明进行详细阐述。
实施例1：
如图1和图4所示，本实施例涉及一种无级调峰耦合热解燃烧器及系统，包括预热解室1、预热解室内腔11、绝热层12、外二次风管2、内二次风旋流叶片3、内二次风管4、一次风管5、中心风管6、煤粉浓淡分离结构7以及内二次风旋流叶片调节机构8。中心风管6、一次风管5和内二次风管4由内向外依次套设在一起，中心风管6、一次风管5和内二次风管4的管路出口与预热解室1连通，预热解室由预热解室内腔11和绝热层12组成，绝热层12绕煤粉流中心一周围成预热解室内腔11，且在绝热层12中布置有外二次风管2，此外，在一次风管5内壁上设置有煤粉浓淡分离结构7；在一次风管5与内二次风管4之间沿一次风管外管壁圆周方向布置内二次风旋流叶片3，内二次风旋流叶片3上设置有二次风旋流叶片调节机构8，且内二次风旋流叶片调节机构8用于调节内二次风旋流叶片3的角度。
一次风管5的外壁设置凸起结构作为煤粉浓淡分离结构7，所述凸起结构的高度沿着介质流向逐渐增高至最高点再逐渐降低；通过不同煤粉浓淡分离结构7的高度实现不同比例的浓淡分离比例，煤粉浓淡分离比范围为1.0～3.0，燃用燃烧特性好的煤种时，调节煤粉浓淡分离结构，实现煤粉浓淡分离比为1.0，燃用燃烧特性差的煤种时控制煤粉浓淡分离比为3.0
锅炉运行时，一次风携带煤粉进入一次风管5，经煤粉浓淡分离结构7形成浓煤粉流和淡煤粉流经一次风管5进入预热解室内腔11，浓淡煤粉气流在预热解室内腔11内得到预热并发生热解，煤粉气流的燃烧特性大大改善；与此同时，内二次风管4内的内二次风经内二次风旋流叶片3调节形成旋流射流，在预热解室内腔11内与气化热解之后的“煤粉”气流混合之后进入矩形燃烧室。在矩形燃烧室内，旋流的内二次风混合直流的一次风和热解之后的“煤粉”气流进一步混合直流外二次风，最终完成燃烧过程。整个燃烧过程，煤粉的预热、气化热解和燃烧，以及各级配风的混合几乎在同时发生，共同组成煤粉气流的完全燃烧。
本发明中涉及的系统，在现有电站锅炉旋流对冲燃烧方式的基础上，在布置了3层燃烧器的中层或上层燃烧器中，采用本发明所述无级调峰耦合热解燃烧器替代原有旋流燃烧器。具体替代方案为：电站锅炉原燃烧系统中30只旋流燃烧器分3层布置，30只旋流燃烧器的中层的燃烧器，采用本发明所述燃烧器间隔替换掉6只原有旋流燃烧器；或30只旋流燃烧器的上层的燃烧器，采用本发明所述燃烧器间隔替换掉4只原有旋流燃烧器；形成“24只原旋流燃烧器以及6只无级调峰耦合热解燃烧器”燃烧模式或者“26只原旋流燃烧器以及4只无级调峰耦合热解燃烧器”燃烧模式。
以“24只原旋流燃烧器以及6只无级调峰耦合热解燃烧器”燃烧模式为例，在最低负荷运行的情况下，由于本发明所述无级调峰耦合热解燃烧器具有良好的低负荷稳燃性能，只开启6只无级调峰耦合热解燃烧器仍可保证煤粉气流着火，且保持燃烧稳定，而每只无级调峰耦合热解燃烧器可以在其自身30％额定负荷下稳定运行，因此对于采用本发明所述燃烧系统设计方案的电站锅炉最低可以实现6％的超低负荷运行，在只开启6只满负荷运行的无级调峰耦合热解燃烧器时，可以实现20％的超低负荷运行。
实施例2：
如图2所示，本实施例涉及的一种无级调峰耦合热解燃烧器及系统设计，布置方式如实施例1，特别地，外二次风出口可布置为斜向出口，外二次风入口处布置旋流叶片9，锅炉运行时，外二次风经旋流叶片9的调节，形成旋流的外二次风，进而与旋流的内二次风混合直流的一次风和热解之后的“煤粉”气流，进入矩形燃烧室，最终完成燃烧过程，进一步提高燃烧效率。整个燃烧过程，煤粉的预热、气化热解和燃烧，以及各级配风的混合几乎在同时发生，共同组成煤粉气流的完全燃烧。
如图3所示，沿着介质流向，预热解室内腔11设有第一段和第二段，所述第一段和第二段的截面面积均逐渐增大，并且所述面积呈线性增大，第二段相对于第二段有一外扩角α，α范围取90～150°，外二次风管角度β范围取0～30°，燃用燃烧特性差的煤种时，绝热腔体外扩角度和外二次风管角度增大，以有利于部分卷吸高温烟气提供热解所需的部分热量。
另外，如图5a、图5b和图5c所示，对于外二次风管型结构可设计为圆形管、矩形、椭圆形或环形，圆形和矩形二次风管型可以燃用燃烧特性好的煤种；基于本申请所述燃烧器结构，通过控制外二次风与煤粉混合程度，实现低氮燃烧的控制，且矩形的外二次风管型能够增强煤粉火焰的火焰强度；环形管型可以燃用燃烧特性差的煤种，此时环形的外二次风管型可以增加外二次风与煤粉的接触面积和混合程度，以改善煤粉的燃烧情况，实现完全燃烧；椭圆形的外二次风管型可以燃用燃烧特性一般的煤种，同时达到低氮燃烧控制和提高燃尽效果的目的。
如图6所示，燃烧器13布置在锅炉风箱内，锅炉风箱14为燃烧器13分级配风提供空气来源，煤粉在本发明所述无级调峰耦合热解燃烧器的预热解室内腔进行预热和热解，进入锅炉炉膛15燃烧，通过本发明所述无级调峰耦合热解燃烧器控制煤粉在预热解室中的热解过程以适应不同煤种低负荷稳定着火；解决电站锅炉低负荷运行时煤粉稳燃问题，更大程度地提升火电机组深度调峰能力。
一种无级调峰耦合热解燃烧系统中全部采用本发明所述燃烧器，采用双侧或单侧布置，实现电站锅炉6～30％超低负荷稳燃，大幅提升电站锅炉深度调峰能力；燃料适应范围为：Vdaf挥发分＝10～40％，Mar水分＝5～35％，Aad灰分＝5～40％。

Claims (5)

1.一种无级调峰耦合热解燃烧器，其特征在于：包括预热解室(1)、外二次风管(2)、内二次风旋流叶片(3)、内二次风管(4)、一次风管(5)以及中心风管(6)，中心风管(6)、一次风管(5)、内二次风管(4)由内到外依次套设在一起，中心风管(6)、一次风管(5)和内二次风管(4)的出口与预热解室(1)连通；一次风管(5)内设置煤粉浓淡分离结构(7)，一次风管(5)与内二次风管(4)之间沿一次风管(5)外壁面圆周布置内二次风旋流叶片(3)；预热解室(1)包括预热解室内腔(11)和绝热层(12)，绝热层(12)为预热解室内腔(11)的腔壁，外二次风管(2)布置在绝热层(12)中，外二次风管(2)沿周向布置在预热解室内腔(11)周围；沿着介质流向，预热解室内腔(11)设有第一段和第二段，所述第一段和第二段的截面面积均逐渐增大，并且所述面积呈线性增大，第二段相对于第二段有一外扩角α，α范围取90～150°；外二次风管的截面为圆形、矩形或椭圆形；内二次风旋流叶片(3)上设置有二次风旋流叶片调节机构(8)，且内二次风旋流叶片调节机构(8)用于调节内二次风旋流叶片(3)的角度；一次风管(5)的外壁设置凸起结构作为煤粉浓淡分离结构(7)，所述凸起结构的高度沿着介质流向逐渐增高至最高点再逐渐降低；内二次风管(4)靠近预热解室(1)处的直径小于其远离预热解室(1)处的直径；外二次风管靠近其出口处相对于预热解室内腔(11)设有斜角，外二次风管出口斜角β的角度不超过30°。
2.根据权利要求1所述的无级调峰耦合热解燃烧器，其特征在于：外二次风管采用环形管，矩形管的宽高比为1.1～1.5，椭圆形管的长短轴之比为1.5～2.5。
3.根据权利要求1所述的无级调峰耦合热解燃烧器，其特征在于：外二次风管入口处设置旋流叶片。
4.基于权利要求1所述的无级调峰耦合热解燃烧器的燃烧系统，其特征在于：燃烧器布置在燃烧系统的中层或最上层，在所述中层或上层全部采用无级调峰耦合热解燃烧器或部分采用无极调峰耦合热解燃烧器，当部分采用无极调峰耦合热解燃烧器时，间隔布置无极调峰耦合热解燃烧器。
5.根据权利要求4所述的燃烧系统，其特征在于：部分采用无级调峰耦合热解燃烧器时，燃烧器采用双侧或单侧布置。
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