CN112628725A - 一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置 - Google Patents

一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置 Download PDF

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Abstract

一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置，涉及煤粉锅炉领域。为解决现有的煤粉锅炉存在NOx排放量高、减排效果不佳的问题。燃烧器喷射煤粉气流在初级燃烧区内燃烧生成的烟气，在圆周径向方向依次与一级再循环烟气环形喷口喷射的一级再循环高温烟气、点喷式氨基还原剂圆形喷口喷射的氨基还原剂、二级再循环烟气环形喷口喷射的二级再循环高温烟气以及点喷式燃尽风圆形喷口喷射的燃尽风接触混合，两级再循环烟气环形气流所夹区域形成氨基还原剂NOx区域，氨基还原剂在此区域内合适的温度窗口下与煤粉气流燃烧生成的烟气充分接触混合，还原烟气中NOx。促进煤粉燃尽。通过多级径向布置方式，实现煤粉的高效低氮燃烧。本发明适用于煤粉锅炉领域。

Description

一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置
技术领域
本发明涉及煤粉锅炉领域，具体涉及一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置。
背景技术
我国是煤炭消耗大国，据统计，2017年末我国年煤炭消耗量为38.57亿吨。燃煤电站锅炉和燃煤工业锅炉是两大耗煤装备，其中燃煤电站锅炉耗煤量19亿吨左右，燃煤工业锅炉耗煤量超过7亿吨。大气中67％的氮氧化物(NOx)源于燃煤，燃煤电站锅炉和燃煤工业锅炉是大气中NOx主要来源。近年来，我国环保部门对燃煤电站锅炉和燃煤工业锅炉的污染物排放限制日趋严格。国家发改委、环保部和能源局联合下发通知，要求到2020年，燃煤电站锅炉实现超低排放，其中NOx排放浓度不高于50mg/m3(O2＝6％)；燃煤工业锅炉的污染物排放标准也在逐渐向燃煤电站锅炉的超低排放标准靠拢。在燃煤电站锅炉和燃煤工业锅炉的两大耗煤装备中，煤粉锅炉占有很大比重。因此，针对煤粉锅炉开发高效低NOx的燃烧装置至关重要。
中国发明专利中国专利号为ZL201710861939.0，申请公布号CN107559823B,授权日期为2019年4月30日公开了一种适用于工业锅炉的炉内脱硝的燃烧装置，在炉膛中部四面炉墙的四角各布置一只氨基还原剂喷口，四股氨基还原剂射流在炉膛纵截面中心切于截面为圆形的还原剂漩涡流，可以降低部分NOx的排放量，但是这样的布置方式氨基还原剂容易被燃烧器中二次风和燃尽风氧化，脱硝效率低。
中国发明专利中国专利号为ZL201710861941.8，申请公布号CN107477573B,授权日期为2019年4月16日公开了一种适用于工业锅炉的在燃烧器中心喷氨的燃烧装置，在一次风管前端的混合器中将氨基还原剂与煤粉气流混合喷入炉内，在燃烧器出口中心回流区内形成的强还原性气氛有利于氨基还原剂还原NOx，但是此种布置方式在氨基还原剂进入回流区之前，一直处于氧化性气氛，氨基还原剂易被一次风中的氧气氧化，NOx减排效果不佳。
综上所述，现有的煤粉锅炉存在NOx排放量高、减排效果不佳的问题。
发明内容
本发明为解决现有的煤粉锅炉存在NOx排放量高、减排效果不佳的问题，而提出一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置。
本发明的一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置，其组成包括燃烧器、四级圆台型预燃室、一级再循环烟气环形喷口、点喷式氨基还原剂圆形喷口、二级再循环烟气环形喷口、点喷式燃尽风圆形喷口、一级圆台型预燃室、二级圆台型预燃室、三级圆台型预燃室和炉膛；
炉膛端面沿圆周方向设有n个点喷式燃尽风圆形喷口，n为正整数，炉膛端面中部设有三级圆台型预燃室，三级圆台型预燃室的上表面设有二级再循环烟气环形喷口，三级圆台型预燃室的上表面中央处设有二级圆台型预燃室，二级圆台型预燃室的上表面沿圆周方向设有m个点喷式氨基还原剂圆形喷口，m为正整数，二级圆台型预燃室的中央处设有一级圆台型预燃室，一级圆台型预燃室的上表面设有一级再循环烟气环形喷口，一级圆台型预燃室的中央处设有四级圆台型预燃室，四级圆台型预燃室的上表面中央处设有燃烧器；
所述的一级圆台型预燃室、二级圆台型预燃室和三级圆台型预燃室的纵截面均为梯形，三级圆台型预燃室的直径小于二级圆台型预燃室的直径，二级圆台型预燃室的直径小于一级圆台型预燃室的直径，一级圆台型预燃室的直径小于四级圆台型预燃室的直径；
一级再循环烟气环形喷口、m个点喷式氨基还原剂圆形喷口、二级再循环烟气环形喷口以及n个点喷式燃尽风圆形喷口的中心所在圆均与燃烧器同轴布置；所述的一级再循环烟气环形喷口喷射的一级再循环烟气温度为850℃；所述的二级再循环烟气环形喷口喷射的二级再循环烟气温度为1300℃；
进一步的，所述的燃烧器喷射的空气量总和与煤粉理论燃烧所需空气量比值小于等于0.7；
进一步的，所述的点喷式氨基还原剂圆形喷口的数量m，8≤m≤20，周向均匀布置，且点喷式氨基还原剂圆形喷口的中心线与竖直方向的夹角α，夹角α的范围为±15°；
进一步的，所述的点喷式燃尽风圆形喷口的数量n，8≤n≤20，且点喷式燃尽风圆形喷口的中心线与竖直方向的夹角β，夹角β的范围为±15°；
进一步的，所述的三级圆台型预燃室的扩展壁面与炉膛内壁之间的夹角γ，夹角γ为30～60°；
进一步的，所述的燃烧器中心设有一次风煤粉通道，在一次风煤粉通道的外侧设有环形的二次风通道；
进一步的，所述的二次风通道的内部底端设有旋流叶片；
进一步的，所述的四级圆台型预燃室、一级圆台型预燃室、二级圆台型预燃室和三级圆台型预燃室均与炉膛内部连通设置；
进一步的，在正常燃烧装置投运时，燃烧器喷射煤粉气流在初级燃烧区内燃烧生成的烟气，在圆周径向方向依次与一级再循环烟气环形喷口喷射的一级再循环高温烟气、点喷式氨基还原剂圆形喷口喷射的氨基还原剂、二级再循环烟气环形喷口喷射的二级再循环高温烟气以及点喷式燃尽风圆形喷口喷射的燃尽风接触混合，两级再循环烟气环形气流所夹区域形成氨基还原剂NOx区域，氨基还原剂在此区域内合适的温度窗口下与煤粉气流燃烧生成的烟气充分接触混合，还原烟气中NOx。氨基还原剂还原后的烟气与燃尽风接触，促进煤粉的燃尽。通过多级径向布置方式，实现煤粉的高效低氮燃烧。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明可避免在氨基还原剂还原NOx初期形成局部高氧气浓度的情况发生。本发明中采用一级再循环烟气环形气流从圆周方向包裹燃烧器中二次风与煤粉气流，延长二次风与煤粉气流的接触混合时间，促进煤粉气流与二次风中的氧气充分反应，降低局部高氧气浓度出现的可能性；煤粉气流燃烧后，与一级再循环烟气混合后，局部的氧气浓度进一步降低，避免氨基还原剂还原NOx区域产生局部高氧浓度区域；
2、本发明可避免氨基还原剂还原烟气中NOx区域出现局部高温的情况发生。通常氨基还原剂还原烟气中NOx反应的温度窗口在氧化性气氛下为850℃-1100℃左右，在强还原性气氛下能够扩宽温度窗口为850℃-1300℃左右。对于煤粉锅炉，煤粉燃烧峰值温度在1400℃以上，超过氨基还原剂还原NOx反应温度上限，脱硝效率大幅度降低。而本发明能够在扩宽氨基还原剂与烟气反应温度窗口的前提下，避免出现局部高温的情况发生。初始燃烧区内煤粉气流在过量空气系数低于0.7的情况下燃烧，使在初始燃烧区内生成的烟气具有强还原性气氛，能够扩宽氨基还原剂还原NOx的反应温度窗口为850℃-1300℃。为了避免氨基还原剂直接与初始燃烧区内生成局部高温高于温度窗口上限的烟气直接接触混合，在氨基还原剂喷射气流圆周径向方向的内侧布置有一级再循环烟气环形气流，初始燃烧区内生成烟气与一级再循环烟气环形气流接触混合后，再与氨基还原剂喷射气流混合，一级再循环烟气温度取温度窗口下限值850℃，即使初始燃烧区内生成烟气的局部温度高于1300℃，与一级再循环烟气混合后低于温度窗口上限1300℃，从而避免在氨基还原剂还原烟气中NOx区域出现局部高温情况发生；
3、相比目前煤粉锅炉普遍采用轴向分级低氮燃烧的布置方式，本发明提出一级高温再循环烟气、氨基还原剂、二级高温再循环烟气以及燃尽风的径向分级布置方式，各股喷射的气流沿径向方向逐级与初始燃烧区内生成的烟气混合，形成初始燃烧区、氨基还原剂还原NOx区以及燃尽区。一级再循环烟气环形气流沿圆周径向布置于氨基还原剂的内侧，能够避免在氨基还原剂还原NOx区内出现局部高氧和局部高温的情况出现，为氨基还原剂还原初始燃烧区内生成烟气中的NOx创造合适的初始反应条件。二级再循环烟气环形气流沿圆周径向方向布置于氨基还原剂和燃尽风之间，隔离氨基还原剂与燃尽风，避免在径向方向靠近燃尽风的氨基还原剂被燃尽风氧化，同时能够延长氨基还原剂与初始燃烧区内生成烟气的反应区间，使氨基还原剂与烟气充分反应。通常燃尽风的温度低于300℃，燃尽风在径向方向首先与二级再循环烟气环形接触，为了避免由于低温的燃尽风对初始燃烧区内生成烟气的冷却作用而导致烟气温度低于反应温度窗口的问题发生，二级再循环烟气温度取氨基还原剂还原NOx的反应温度窗口上限1300℃。综合上述，本发明能够充分发挥氨基还原剂、再循环烟气以及燃尽风的径向协同作用，在保证煤粉具有高的燃尽度的前提下，高效地发挥氨基还原剂还原NOx的作用，大幅度降低NOx排放量，实现煤粉的高效低氮燃烧。
附图说明
图1是本发明所述一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置的剖视图；
图2是本发明所述一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置中燃烧器的剖视图；
图3是本发明所述一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置A方向的仰视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置包括燃烧器1、四级圆台型预燃室2、一级再循环烟气环形喷口3、点喷式氨基还原剂圆形喷口4、二级再循环烟气环形喷口5、点喷式燃尽风圆形喷口6、一级圆台型预燃室7、二级圆台型预燃室8、三级圆台型预燃室9和炉膛10；
炉膛10端面沿圆周方向设有n个点喷式燃尽风圆形喷口6，n为正整数，炉膛10端面中部设有三级圆台型预燃室9，三级圆台型预燃室9的上表面设有二级再循环烟气环形喷口5，三级圆台型预燃室9的上表面中央处设有二级圆台型预燃室8，二级圆台型预燃室8的上表面沿圆周方向设有m个点喷式氨基还原剂圆形喷口4，m为正整数，二级圆台型预燃室8的中央处设有一级圆台型预燃室7，一级圆台型预燃室7的上表面设有一级再循环烟气环形喷口3，一级圆台型预燃室7的中央处设有四级圆台型预燃室2，四级圆台型预燃室2的上表面中央处设有燃烧器1；
所述的一级圆台型预燃室7、二级圆台型预燃室8和三级圆台型预燃室9的纵截面均为梯形，三级圆台型预燃室9的直径小于二级圆台型预燃室8的直径，二级圆台型预燃室8的直径小于一级圆台型预燃室7的直径，一级圆台型预燃室7的直径小于四级圆台型预燃室2的直径；
一级再循环烟气环形喷口3、m个点喷式氨基还原剂圆形喷口4、二级再循环烟气环形喷口5以及n个点喷式燃尽风圆形喷口6的中心所在圆均与燃烧器同轴布置；所述的一级再循环烟气环形喷口3喷射的一级再循环烟气温度为850℃；所述的二级再循环烟气环形喷口5喷射的二级再循环烟气温度为1300℃；
本具体实施方式，在正常燃烧装置投运时，燃烧器1喷射煤粉气流在初级燃烧区内燃烧生成的烟气，在圆周径向方向依次与一级再循环烟气环形喷口3喷射的一级再循环高温烟气、点喷式氨基还原剂圆形喷口4喷射的氨基还原剂、二级再循环烟气环形喷口5喷射的二级再循环高温烟气以及点喷式燃尽风圆形喷口6喷射的燃尽风接触混合，两级再循环烟气环形气流所夹区域形成氨基还原剂NOx区域，氨基还原剂在此区域内合适的温度窗口下与煤粉气流燃烧生成的烟气充分接触混合，还原烟气中NOx。氨基还原剂还原后的烟气与燃尽风接触，促进煤粉的燃尽。通过多级径向布置方式，实现煤粉的高效低氮燃烧。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的燃烧装置的进一步的限定，本实施方式所述的一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置，所述的燃烧器1喷射的空气量总和与煤粉理论燃烧所需空气量比值小于等于0.7。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的燃烧装置的进一步的限定，本实施方式所述的一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置，所述的点喷式氨基还原剂圆形喷口4的数量m，8≤m≤20，周向均匀布置，且点喷式氨基还原剂圆形喷口4的中心线与竖直方向的夹角α，夹角α的范围为±15°。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的燃烧装置的进一步的限定，本实施方式所述的一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置，所述的点喷式燃尽风圆形喷口6的数量n，8≤n≤20，且点喷式燃尽风圆形喷口6的中心线与竖直方向的夹角β，夹角β的范围为±15°。
具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的燃烧装置的进一步的限定，本实施方式所述的一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置，所述的三级圆台型预燃室9的扩展壁面与炉膛10内壁之间的夹角γ，夹角γ为30～60°。
具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述的燃烧装置的进一步的限定，本实施方式所述的一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置，所述的燃烧器1中心设有一次风煤粉通道1-1，在一次风煤粉通道1-1的外侧设有环形的二次风通道1-2。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的燃烧装置的进一步的限定，本实施方式所述的一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置，所述二次风通道1-2的内部底端设有旋流叶片1-3。
具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式七所述的燃烧装置的进一步的限定，本实施方式所述的一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置，所述的四级圆台型预燃室2、一级圆台型预燃室7、二级圆台型预燃室8和三级圆台型预燃室9均与炉膛10内部连通设置。
工作原理
在正常燃烧装置投运时，燃烧器1喷射煤粉气流在初级燃烧区内燃烧生成的烟气，在圆周径向方向依次与一级再循环烟气环形喷口3喷射的一级再循环高温烟气、点喷式氨基还原剂圆形喷口4喷射的氨基还原剂、二级再循环烟气环形喷口5喷射的二级再循环高温烟气以及点喷式燃尽风圆形喷口6喷射的燃尽风接触混合，两级再循环烟气环形气流所夹区域形成氨基还原剂NOx区域，氨基还原剂在此区域内合适的温度窗口下与煤粉气流燃烧生成的烟气充分接触混合，还原烟气中NOx。氨基还原剂还原后的烟气与燃尽风接触，促进煤粉的燃尽。通过多级径向布置方式，实现煤粉的高效低氮燃烧。

Claims (8)

1.一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置，其特征在于：包括燃烧器(1)、四级圆台型预燃室(2)、一级再循环烟气环形喷口(3)、点喷式氨基还原剂圆形喷口(4)、二级再循环烟气环形喷口(5)、点喷式燃尽风圆形喷口(6)、一级圆台型预燃室(7)、二级圆台型预燃室(8)、三级圆台型预燃室(9)和炉膛(10)；
炉膛(10)端面沿圆周方向设有n个点喷式燃尽风圆形喷口(6)，n为正整数，炉膛(10)端面中部设有三级圆台型预燃室(9)，三级圆台型预燃室(9)的上表面设有二级再循环烟气环形喷口(5)，三级圆台型预燃室(9)的上表面中央处设有二级圆台型预燃室(8)，二级圆台型预燃室(8)的上表面沿圆周方向设有m个点喷式氨基还原剂圆形喷口(4)，m为正整数，二级圆台型预燃室(8)的中央处设有一级圆台型预燃室(7)，一级圆台型预燃室(7)的上表面设有一级再循环烟气环形喷口(3)，一级圆台型预燃室(7)的中央处设有四级圆台型预燃室(2)，四级圆台型预燃室(2)的上表面中央处设有燃烧器(1)；
所述的一级圆台型预燃室(7)、二级圆台型预燃室(8)和三级圆台型预燃室(9)的纵截面均为梯形，三级圆台型预燃室(9)的直径小于二级圆台型预燃室(8)的直径，二级圆台型预燃室(8)的直径小于一级圆台型预燃室(7)的直径，一级圆台型预燃室(7)的直径小于四级圆台型预燃室(2)的直径；
一级再循环烟气环形喷口(3)、m个点喷式氨基还原剂圆形喷口(4)、二级再循环烟气环形喷口(5)以及n个点喷式燃尽风圆形喷口(6)的中心所在圆均与燃烧器同轴布置；所述的一级再循环烟气环形喷口(3)喷射的一级再循环烟气温度为850℃；所述的二级再循环烟气环形喷口(5)喷射的二级再循环烟气温度为1300℃。
2.根据权利要求1所述的一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置，其特征在于：所述的燃烧器(1)喷射的空气量总和与煤粉理论燃烧所需空气量比值小于等于0.7。
3.根据权利要求1所述的一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置，其特征在于：所述的点喷式氨基还原剂圆形喷口(4)的数量m，8≤m≤20，周向均匀布置，且点喷式氨基还原剂圆形喷口(4)的中心线与竖直方向的夹角α，夹角α的范围为±15°。
4.根据权利要求1所述的一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置，其特征在于：所述的点喷式燃尽风圆形喷口(6)的数量n，8≤n≤20，且点喷式燃尽风圆形喷口(6)的中心线与竖直方向的夹角β，夹角β的范围为±15°。
5.根据权利要求1所述的一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置，其特征在于：所述的三级圆台型预燃室(9)的扩展壁面与炉膛(10)内壁之间的夹角γ，夹角γ为30～60°。
6.根据权利要求1所述的一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置，其特征在于：所述的燃烧器(1)中心设有一次风煤粉通道(1-1)，一次风煤粉通道(1-1)的外侧设有环形的二次风通道(1-2)。
7.根据权利要求6所述的一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置，其特征在于：所述的二次风通道(1-2)的内部底端设有旋流叶片(1-3)。
8.根据权利要求1所述的一种径向分级低NOx煤粉燃烧装置，其特征在于：所述的四级圆台型预燃室(2)、一级圆台型预燃室(7)、二级圆台型预燃室(8)和三级圆台型预燃室(9)均与炉膛(10)内部连通设置。
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