CN112856375B - 富氧燃烧锅炉 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种富氧燃烧锅炉，包含炉膛，燃烧器，水冷壁，过热器，再热器和空气预热器。通过充分考虑炉膛容积热负荷、炉膛截面热负荷、受热面的烟气流速、水冷壁受热面积、燃烧器的高度比和喷口间距等锅炉特性参数，形成富氧燃烧锅炉的关键特征参数和结构构成，为大容量富氧燃烧锅炉的设计提供解决方案。

Description

富氧燃烧锅炉
技术领域
本申请涉及锅炉技术领域，具体涉及一种富氧燃烧锅炉。
背景技术
我国是煤炭大国，以煤为基础能源的能源结构短期内难以改变。煤利用过程中的碳排放控制已成为我国可持续发展的重大挑战。而富氧燃烧凭借其近零排放以及和传统空气燃烧技术的良好衔接性的优点，已经成为国内外研究的重点。富氧燃烧是在现有燃煤发电技术基础上，用纯氧气或富氧气体混合物代替助燃空气，同时采用烟气循环调节锅炉的燃烧和传热特性，可获得高浓度的富含CO2烟气，通过进一步的冷凝压缩纯化，可较容易实现大规模化CO2富集和减排。但大容量高参数富氧燃烧锅炉的设计是富氧燃烧技术研发过程中面临的难点。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例为解决现有技术中存在的至少一个问题而提供一种富氧燃烧锅炉。
为达到上述目的，本申请实施例的技术方案是这样实现的：
本申请实施例提供一种富氧燃烧锅炉，包括炉膛和燃烧器，所述炉膛在富氧气氛燃烧下的炉膛容积热负荷
Figure BDA0002933856080000011
为所述炉膛在空气气氛燃烧下的炉膛容积热负荷
Figure BDA0002933856080000021
的94％～99％，所述炉膛在富氧气氛燃烧下的炉膛截面热负荷
Figure BDA0002933856080000022
为所述炉膛在空气气氛燃烧下的炉膛截面热负荷
Figure BDA0002933856080000023
的 94％～99％；所述燃烧器的高宽比范围为2～10，所述燃烧器的一次风喷口和二次风喷口的间距范围为2～6。
在一种可选的实施方式中，所述炉膛在富氧气氛燃烧下的炉膛容积热负荷
Figure BDA0002933856080000024
为所述炉膛在空气气氛燃烧下的炉膛容积热负荷
Figure BDA0002933856080000025
的 96％～99％，所述炉膛在富氧气氛燃烧下的炉膛截面热负荷
Figure BDA0002933856080000026
为所述炉膛在空气气氛燃烧下的炉膛截面热负荷
Figure BDA0002933856080000027
的96％～99％。
在一种可选的实施方式中，所述炉膛在富氧气氛燃烧下的炉膛容积热负荷
Figure BDA0002933856080000028
为所述炉膛在空气气氛燃烧下的炉膛容积热负荷
Figure BDA0002933856080000029
的 98％～99％，所述炉膛在富氧气氛燃烧下的炉膛截面热负荷
Figure BDA00029338560800000210
为所述炉膛在空气气氛燃烧下的炉膛截面热负荷
Figure BDA00029338560800000211
的98％～99％。
在一种可选的实施方式中，所述燃烧器的高宽比范围为3～9，所述燃烧器的一次风喷口和二次风喷口的间距范围为3～5。
在一种可选的实施方式中，所述燃烧器的高宽比范围为4～8，所述燃烧器的一次风喷口和二次风喷口的间距范围为3～4。
在一种可选的实施方式中，所述富氧燃烧锅炉还包含水冷壁，所述水冷壁在富氧气氛燃烧下的受热面积大于所述水冷壁在空气气氛燃烧下的受热面积。
在一种可选的实施方式中，相对于所述水冷壁在空气气氛燃烧下的受热面积，所述水冷壁在富氧气氛燃烧下的受热面积增加5％～15％。
在一种可选的实施方式中，相对于所述水冷壁在空气气氛燃烧下的受热面积，所述水冷壁在富氧气氛燃烧下的受热面积增加10％～12％。
在一种可选的实施方式中，所述富氧燃烧锅炉在富氧气氛燃烧下的受热面烟气流速
Figure BDA0002933856080000031
为所述富氧燃烧锅炉在空气气氛燃烧下的受热面烟气流速
Figure BDA0002933856080000032
的96％～99％。
在一种可选的实施方式中，所述富氧燃烧锅炉在富氧气氛燃烧下的受热面烟气流速
Figure BDA0002933856080000033
为所述富氧燃烧锅炉在空气气氛燃烧下的受热面烟气流速
Figure BDA0002933856080000034
的98％～99％。
本申请实施例的技术方案，通过充分考虑炉膛容积热负荷、炉膛截面热负荷、受热面的烟气流速、水冷壁受热面积、燃烧器的高度比和喷口间距等锅炉特性参数，形成富氧燃烧锅炉的关键特征参数和结构构成，为大容量富氧燃烧锅炉的设计提供解决方案。确保富氧燃烧系统的可靠经济稳定运行，从而提高其环境与经济效益。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本公开的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是本申请实施例一提供的一种富氧燃烧锅炉的总体布置结构示意图。
图2是本申请实施例一提供的一种富氧燃烧锅炉的炉膛结构示意图。
图3是本申请实施例一提供的一种富氧燃烧锅炉的燃烧器结构示意图。
图4是本申请实施例一提供的一种富氧燃烧锅炉的燃烧器喷口布置结构示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图及具体实施例对本申请的技术方案做进一步的详细阐述。这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
实施例一
相关技术中，目前正在开发富氧燃烧的分级燃烧系统，掌握富氧燃烧的系统集成、优化与控制方法，并提升富氧燃烧大型化设计能力。而目前国内外尚无关于大型超临界富氧燃烧锅炉的设计方案或设计原则的研究。30～40MWth级富氧燃烧工业示范项目是富氧燃烧CO2规模捕获技术走向商业化运营过程中的关键一环。已建成黑泵30MW、Callide 30MWe、Cuiden 30MW及湖北应城35MWth等工业示范装置，并进行了Janschwalde 250MWe、Futuregen 2.0 168MWe和白玫瑰448MWe等多个大型示范的预可行性研究。
现有成熟的富氧锅炉设计主要针对小型的试验平台，通常采用常规锅炉的设计方法与富氧燃烧的研究成果及经验相结合的方式，没有可供参考的富氧燃烧锅炉的设计原则，尤其针对大容量富氧燃烧锅炉。
针对现有大容量富氧燃烧锅炉设计方法缺失问题，本公开实施例提供一种富氧燃烧锅炉，该富氧燃烧锅炉是基于某200MWe常规的空气气氛燃烧下的锅炉进行富氧气氛燃烧下的锅炉设计，图1为富氧燃烧锅炉的总体布置结构示意图，图2为富氧燃烧锅炉的炉膛结构示意图，图3 为富氧燃烧锅炉的燃烧器结构示意图，图4为富氧燃烧锅炉的燃烧器喷口布置结构示意图。
在本公开实施例中，富氧燃烧锅炉包含炉膛和燃烧器，结构如图1 所示，锅炉炉膛在富氧气氛燃烧下的炉膛容积热负荷
Figure BDA0002933856080000051
为所述炉膛在空气气氛燃烧下的炉膛容积热负荷
Figure BDA0002933856080000052
的94％～99％，所述炉膛在富氧气氛燃烧下的炉膛截面热负荷
Figure BDA0002933856080000053
为所述炉膛在空气气氛燃烧下的炉膛截面热负荷
Figure BDA0002933856080000054
的94％～99％；所述燃烧器的高宽比范围为2～10，所述燃烧器的一次风喷口和二次风喷口的间距范围为2～6。
炉膛容积热负荷qv是衡量煤粉或者烟气在炉内停留时间的一把尺子，同时也能衡量炉内的温度水平、整个炉膛的燃烧和吸热强度。qv过大也说明炉膛容积相对过小，炉膛所能布置的水冷壁受热面过少，使炉膛辐射吸热量过低，对流吸热量过高，炉膛出口烟温升高，可能增大烟温偏差，容易造成炉膛上部受热面结渣。qv的计算公式如下：
qv＝Bj·Qar,net/V
式中，qv-炉膛容积热负荷，kw/m3；
Bj-锅炉设计计算煤耗量，kg/s；
Qar,net-煤的收到基低位发热量，kJ/kg。
炉膛截面热负荷qa是衡量烟气流速、表征整个炉膛截面燃烧强度的尺度，影响燃烧区域的结渣倾向。qa是选择合适炉膛断面，防止燃烧器区域水冷壁结渣的一个关键指标。qa的计算公式如下：
qa＝Bj·Qar,net/1000F1
式中，qa-炉膛截面热负荷，MW/m3；
Bj-锅炉设计计算煤耗量，kg/s；
Qar,net-煤的收到基低位发热量，kJ/kg；
F1-炉膛截面积，m2.
相对于在空气气氛燃烧下的锅炉炉膛，富氧燃烧炉膛的容积热负荷与截面热负荷均有所降低，但是降低的幅度不大，并且两种参数的值都在锅炉设计推荐的参数范围之内。炉膛的容积热负荷与截面热负荷计算公式中只有煤消耗量一个变量，而煤消耗量又取决于锅炉的热效率。富氧气氛燃烧下，锅炉热效率要高于空气气氛，则锅炉的煤消耗量降低，那么锅炉炉膛的容积热负荷与截面热负荷也随之减小，且减小的比例等于热效率增加的比例。
另外，富氧燃烧锅炉主燃烧区域的水冷壁，以及过热器屏底部的结渣和高温腐蚀倾向有所加剧，在锅炉设计中应当适当选取较低的炉膛截面热负荷和容积热负荷。
基于上述分析，在本公开实施例中，富氧燃烧气氛下锅炉的容积热负荷与截面热负荷均会减小，且减小的比例等于锅炉热效率增加的比例。最终，富氧气氛燃烧下
Figure BDA0002933856080000061
(炉膛容积热负荷)与
Figure BDA0002933856080000062
(炉膛截面热负荷) 均为空气气氛燃烧下的94％～99％，优选96％～99％，更优选98％～99％。
在本公开实施例中，更具体选择富氧气氛燃烧下
Figure BDA0002933856080000063
(炉膛容积热负荷)与
Figure BDA0002933856080000064
(炉膛截面热负荷)均为空气气氛燃烧下的98％，即
Figure BDA0002933856080000071
燃烧器的高宽比是衡量气流“刚性”的重要结构参数，高宽比越大，气流的“刚性”越差，喷口间距也是直流燃烧器的一个重要参数，间距过大，不利于上下两股气流的混合，喷口之间也易于结渣，距离过小，影响火焰稳定性，对于富氧燃烧锅炉，由于入炉氧化介质总量下降，且CO2扩散系数较N2较小，所以减小燃烧器高宽比及喷口间距。
在本公开实施例中，燃烧器高宽比指将同一角上的燃烧器视作是一个组合,将这一组燃烧器视为一个整体,其高宽比即为这个整体的高度与宽度之比，炉膛和燃烧器的结构示意图如图2和图3所示，OFA表示燃尽风喷口，1表示一次风喷口，2表示二次风喷口。在本公开实施例中，燃烧器的高宽比范围为2～10，优选3～9，更优选4～8。
在本公开实施例中，燃烧器喷口间距为一次风喷口PA中心线与二次风喷口SA中心线的距离与预燃室半径之比，即：
Figure BDA0002933856080000072
式中，L-一次风喷口中心线与二次风喷口中心线的距离；
D-预燃室直径。
在本公开实施例中，燃烧器的一次风喷口和二次风喷口的间距范围为2～6，优选3～5，更优选3～4。燃烧器的喷口布置示意图如图4所示，其中，PA为一次风喷口，SA为二次风喷口，Lower SA为底二次风喷口， Upper SA为顶二次风喷口，OFA为燃尽风喷口。
在设计富氧燃烧锅炉时，需要综合考虑各方面的影响。比较重要解决的是烟气流速低的问题，由于富氧燃烧气氛下烟气流速降低将会导致受热面积灰严重，传热效率降低，需要调整各受热面的烟气流速。《锅炉热力计算标准》(1973年版)中推荐的受热面烟气流速公式如下：
Figure BDA0002933856080000081
式中，Wy为受热面中烟气流速，m/s；Bj为锅炉设计计算煤耗量，k g/s；Vy表示烟气容积，Nm3/kg；θpj表示烟气平均温度，℃；F表示烟气流通截面积，m2。通过公式我们了解，烟气流速受到多方面因素的影响，而在这些因素中，计算煤耗量、烟气容积、烟气温度都是降低的，因此要提高烟气流速，只能减小烟气流通截面积。烟气流通截面积越小，则烟气流速越快。
富氧气氛燃烧下锅炉烟气量减少，烟气流速降低，如果烟气流速过低，不仅影响传热效果，而且长期运行导致受热面积灰严重，因此在设计富氧燃烧锅炉时，首先需要设法提高受热面的烟气流速。在调整烟气流速过程中，我们不能忽略烟气中飞灰粒子的影响。因为在富氧燃烧气氛下，烟气量减少，这导致烟气中灰浓度要高于以往的空气气氛。烟气流速过高，受热面磨损严重，烟气流速过低，受热面会积灰。因此，考虑烟气流速的标准是富氧燃烧锅炉的烟气流速略低于空气气氛下烟气流速。
在本公开实施例中，锅炉的受热面包含大屏过热器受热面、后屏过热器受热面、高温过热器受热面、高温再热器受热面、低温再热器受热面和低温过热器受热面、水冷壁受热面、空气预热器受热面等。上述过热器和再热器的结构示意图如图1所示。
在本公开实施例中，富氧燃烧锅炉在富氧气氛燃烧下的受热面烟气流速
Figure BDA0002933856080000091
为所述富氧燃烧锅炉在空气气氛燃烧下的受热面烟气流速
Figure BDA0002933856080000092
的96％～99％，优选98％～99％。
富氧气氛燃烧条件下，其屏式受热面的吸热量与空气工况时相当，水冷壁的吸热量明显低于空气气氛燃烧工况时的吸热量，富氧气氛燃烧工况水冷壁的吸热量较空气气氛燃烧工况时水冷壁的吸热量低约 7％～12％。因此，富氧气氛燃烧时，要保证与空气气氛燃烧时相同的热功率，水冷壁的受热面适当增加。
在本公开实施例中，相对于所述水冷壁在空气气氛燃烧下的受热面积，所述水冷壁在富氧气氛燃烧下的受热面积增加5％～15％，优选 10％～12％。
在本公开实施例中，更具体选择相对于所述水冷壁在空气气氛燃烧下的受热面积，所述水冷壁在富氧气氛燃烧下的受热面积增加10％，相应计算方法为：
水冷壁在富氧气氛燃烧下的受热面积＝水冷壁在空气气氛燃烧下的受热面积×110％。
在本公开实施例中，在高氧分压下，冷灰斗区域也容易出现强还原性气氛，需要加大Lower SA的配风，减少结渣与高温腐蚀。
需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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；可以是直接连通，也可以通过中间媒介间接连通，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。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (8)

1.一种富氧燃烧锅炉，包含炉膛和燃烧器，其特征在于：
所述炉膛在富氧气氛燃烧下的炉膛容积热负荷
Figure FDF0000020520400000011
为所述炉膛在空气气氛燃烧下的炉膛容积热负荷
Figure FDF0000020520400000012
的94％～99％，所述炉膛在富氧气氛燃烧下的炉膛截面热负荷
Figure FDF0000020520400000013
为所述炉膛在空气气氛燃烧下的炉膛截面热负荷
Figure FDF0000020520400000014
的94％～99％；
所述燃烧器的高宽比范围为2～10，所述燃烧器的一次风喷口和二次风喷口的间距范围为2～6，所述间距为喷口距离与预燃室半径的比值，所述喷口距离为所述一次风喷口的中心线与所述二次风喷口的中心线之间的距离；
所述富氧燃烧锅炉还包含水冷壁，相对于所述水冷壁在空气气氛燃烧下的受热面积，所述水冷壁在富氧气氛燃烧下的受热面积增加5％～15％。
2.根据权利要求1所述的富氧燃烧锅炉，其特征在于，所述炉膛在富氧气氛燃烧下的炉膛容积热负荷
Figure FDF0000020520400000015
为所述炉膛在空气气氛燃烧下的炉膛容积热负荷
Figure FDF0000020520400000016
的96％～99％，所述炉膛在富氧气氛燃烧下的炉膛截面热负荷
Figure FDF0000020520400000017
为所述炉膛在空气气氛燃烧下的炉膛截面热负荷
Figure FDF0000020520400000018
的96％～99％。
3.根据权利要求2所述的富氧燃烧锅炉，其特征在于，所述炉膛在富氧气氛燃烧下的炉膛容积热负荷
Figure FDF0000020520400000019
为所述炉膛在空气气氛燃烧下的炉膛容积热负荷
Figure FDF00000205204000000110
的98％～99％，所述炉膛在富氧气氛燃烧下的炉膛截面热负荷
Figure FDF0000020520400000021
为所述炉膛在空气气氛燃烧下的炉膛截面热负荷
Figure FDF0000020520400000022
的98％～99％。
4.根据权利要求1所述的富氧燃烧锅炉，其特征在于，所述燃烧器的高宽比范围为3～9，所述燃烧器的一次风喷口和二次风喷口的间距范围为3～5。
5.根据权利要求4所述的富氧燃烧锅炉，其特征在于，所述燃烧器的高宽比范围为4～8，所述燃烧器的一次风喷口和二次风喷口的间距范围为3～4。
6.根据权利要求1所述的富氧燃烧锅炉，其特征在于，相对于所述水冷壁在空气气氛燃烧下的受热面积，所述水冷壁在富氧气氛燃烧下的受热面积增加10％～12％。
7.根据权利要求1所述的富氧燃烧锅炉，其特征在于，所述富氧燃烧锅炉在富氧气氛燃烧下的受热面烟气流速
Figure FDF0000020520400000023
为所述富氧燃烧锅炉在空气气氛燃烧下的受热面烟气流速
Figure FDF0000020520400000024
的96％～99％。
8.根据权利要求7所述的富氧燃烧锅炉，其特征在于，所述富氧燃烧锅炉在富氧气氛燃烧下的受热面烟气流速
Figure FDF0000020520400000025
为所述富氧燃烧锅炉在空气气氛燃烧下的受热面烟气流速
Figure FDF0000020520400000026
的98％～99％。
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