CN114877314A - 气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置及方法 - Google Patents

气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置及方法，属于煤粉燃烧技术领域。所述装置包括：合成气通道和中心给粉旋流燃烧器，合成气通道的入口部分用于与煤气化装置连接，合成气通道的出口部分与中心给粉旋流燃烧器连接，中心给粉旋流燃烧器的喷口由内向外依次设置有一次风通道、内二次风通道、外二次风通道，合成气通道的出口部分设置于所述内二次风通道内部。本发明将气化炉产生的粗合成气与一次风煤粉气流喷入锅炉中，利用粗合成气燃烧放热使锅炉中心回流区内烟气温度升高，同时解决了现有旋流煤粉锅炉低负荷运行时稳燃能力差、NOx排放高、燃尽差以及气化炉灰中含碳量高、激冷后温度迅速降低使其热能浪费等问题。

Description

气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置及方法
技术领域
本发明涉及煤粉燃烧技术领域，具体而言，涉及一种气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置及方法。
背景技术
燃用无烟煤和贫煤等难燃煤型是我国一次能源利用领域的重点。电站锅炉燃烧系统的核心设备是燃烧器，其运行特性对气流的空气动力场特性、煤粉的着火及燃烧特性都有着直接的影响。旋流燃烧技术是煤粉气流两种主要燃烧方式之一，旋流煤粉燃烧器是采用旋流一次风或装设中心扩锥形成有利于着火的中心回流区，利用气流混合强烈的特点来燃烧煤粉的装置，用旋转的二次风包裹浓煤粉气流从而引射携带煤粉气流下冲。由于难燃煤种反应性较低，煤粉着火晚、燃尽时间长，需要很高的着火温度，低负荷运行时往往稳燃效果差、燃尽困难，同时旋转气流存在一定旋流强度，致使一、二次风的切向速度和轴向速度衰减速度很大，从而使旋流煤粉锅炉的低负荷稳燃能力和燃尽效果变差。此外，旋流煤粉锅炉在实际运行中还存在飞灰可燃物含量高、NOx排放超高等问题。
煤气化技术是对煤所蕴含的化学能的梯级利用，作为煤炭清洁高效利用技术的重要组成部分，已成为煤化工等行业的关键核心技术。在已工业化的煤气化技术中，气流床气化技术具有碳转化率高、煤种适应范围广以及冷煤气效率高等优点。气流床气化炉操作温度一般在1300℃以上，气化反应所生成的高温粗合成气经由激冷室中的激冷环所喷出的冷却水降温后，沿下降管进入水池除灰后被送往变换界区，同时煤燃烧所形成的熔渣通过下渣口排至渣池。从粗合成气中分离出的飞灰尽管含有大量可燃物(约占含量的40％-50％)，但由于具有高灰分、低挥发分等特点往往很难加以高效利用，最常见的处理方式为集中填埋，不仅占用大量土地资源，同时也带来了严重的环境污染，导致传统气流床气化炉存在粗合成气经激冷后温度急遽降低从而使大量热能无法得到有效利用，以及飞灰可燃物含量高且处理办法不合理等问题。
发明内容
本发明解决的问题是现有技术中旋流煤粉锅炉低负荷运行时稳燃能力差、NOx排放高、燃尽差等问题，以及气化炉灰中含碳量高、激冷后温度迅速降低使其热能浪费等问题。
为解决上述问题中的至少一个方面，本发明提供一种气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置，包括：合成气通道和中心给粉旋流燃烧器，所述合成气通道的入口部分用于与煤气化装置连接，所述合成气通道的出口部分与所述中心给粉旋流燃烧器连接，所述中心给粉旋流燃烧器的喷口由内向外依次设置有一次风通道、内二次风通道、外二次风通道，所述合成气通道的出口部分设置于所述内二次风通道内部。
较佳地，所述合成气通道的出口部分在所述内二次风通道内部呈环形布置，所述合成气通道的的出口部分的端部与所述中心给粉旋流燃烧器的轴线之间的夹角为α，当燃用煤种为烟煤或干燥无灰基挥发分Vdaf>20％时，α＝30°-60°。
较佳地，所述合成气通道的出口部分的内径为R1，外径为R2，所述一次风通道出口处直径为R3，且满足R1＝(1.2-1.3)*R3，R2＝(1.4-1.5)*R3。
较佳地，所述合成气通道的出口部分包括多个分支通道，所述分支通道相对于所述中心给粉旋流燃烧器的轴向具有倾角，相同倾角的所述分支通道在所述内二次风通道内部均匀且对称设置。
较佳地，多个所述分支通道的总出口面积为A1，所述一次风通道的出口面积为A2，且满足A1＝(1.4-1.7)*A2。
较佳地，所述分支通道包括间隔设置的第一通道和第二通道，所述第一通道与所述中心给粉旋流燃烧器的轴向夹角为α1，切向夹角为β1，所述第二通道与所述中心给粉旋流燃烧器(6)的轴向夹角为α2，切向夹角为β2；
当燃用煤种为烟煤或干燥无灰基挥发分为Vdaf>20％时，α1＝30°-35°，α2＝45°-50°，β1＝80°-85°，β2＝70°-75°；
当燃用煤种为贫煤或者干燥无灰基挥发分为10％≤Vdaf≤20％时，α1＝35°-40°，α2＝50°-55°，β1＝75°-80°，β2＝65°-70°；
当燃用煤种为无烟煤或者干燥无灰基挥发分为Vdaf＜10％时，α1＝40°-45°，α2＝55°-60°，β1＝70°-75°，β2＝60°-65°。
较佳地，气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置还包括煤粉分离器、内二次风叶片和外二次风叶片，所述煤粉分离器设置于所述一次风通道内，所述内二次风叶片设置于所述内二次风通道内，所述外二次风叶片设置于所述外二次风通道内。
较佳地，所述内二次风叶片为轴向弯曲叶片，和/或所述外二次风叶片为切向直叶片。
较佳地，气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置还包括导向叶片，当所述合成气通道的出口部分在所述内二次风通道内部呈环形布置时，所述导向叶片设置于所述合成气通道内。
本发明还提供一种气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉方法，基于如上所述的气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置，包括：煤气化装置产生的粗合成气经合成气通道以设定角度喷入旋流煤粉锅炉的炉膛内，一次风煤粉气流经一次风通道喷入所述炉膛内，所述粗合成气与所述一次风煤粉气流的质量比为(0.4-0.45):1。
本发明的气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置相较于现有技术的有益效果如下：
本发明将气化产生的高温粗合成气导入锅炉中进行燃烧，利用粗合成气燃烧放热使锅炉中心回流区内烟气温度升高，加热煤粉气流至其着火温度，使得一次风煤粉气流的着火取决于粗合成气在回流区内燃烧放热，不再仅仅依赖于炉膛内烟气温度，大幅提高了旋流煤粉锅炉低负荷运行时中心回流区内烟气温度，解决了低负荷运行时稳燃性能差的问题，本发明燃用烟煤、贫煤和无烟煤时均可实现锅炉实际运行负荷降低至其额定负荷10％-30％的深度调峰能力。
本发明通过气化粗合成气增强了回流区内强还原性气氛、延长了煤粉气流在还原性气氛中停留时间、降低了一次风煤粉气流过量空气系数，最终实现降低NOx排放浓度的目的。
本发明通过将一次风煤粉气流与易燃的粗合成气耦合喷入炉膛，减少了一次风煤粉气流着火距离、降低了燃煤的比例、提高了煤粉燃烧速率、加强了燃尽灰壳的脱落，提高了一次风煤粉气流中煤粉及气化粗合成气中灰的燃尽性。
另外，本发明导入锅炉中的粗合成气中，含有气化产生的灰，其可燃物含量达40-50％，本发明将含有高可燃物含量的粗合成气导入锅炉中与一次风煤粉气流一起燃烧，大幅降低了可燃物含量，充分利用资源。并且，本发明不采用激冷方式对粗合成气进行处理，而是将粗合成气导入锅炉中，充分利用粗合成气中的热能，并将其转化成更高品位的电能及其他形式的能而输出，提高了输出的能源品位。
综上，本发明通过将气化炉产生的粗合成气与一次风煤粉气流喷入锅炉中，利用粗合成气燃烧放热使锅炉中心回流区内烟气温度升高，同时解决了现有旋流煤粉锅炉低负荷运行时稳燃能力差、NOx排放高、燃尽差以及气化炉灰中含碳量高、激冷后温度迅速降低使其热能浪费等问题。
本发明的气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉方法相较于现有技术的优势与气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置相同，在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例中气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置的结构示意图；
图2为图1中A向视图示意；
图3为图1中的中心给粉旋流燃烧器的轴向剖面图；
图4为内二次风叶片的结构示意图；
图5为外二次风叶片的结构示意图；
图6为本发明另一实施例中气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置的结构示意图；
图7为图6中B向视图示意；
图8为图6中的中心给粉旋流燃烧器喷入角度为α1时所在截面的轴向剖面图；
图9为图8中第一通道的俯向视图；
图10为图6中的中心给粉旋流燃烧器喷入角度为α2时所在截面的轴向剖面图；
图11为图10中第二通道的俯向视图；
图12为现有技术中的气化炉结构示意图。
附图标记说明：
100、气化室；200、激冷室；300、激冷环；400、粗合成气出口；
1、气化炉；2、辐射废锅；3、渣池；4、合成气通道；5、旋流煤粉锅炉；6、中心给粉旋流燃烧器；7、一次风通道；8、内二次风通道；9、外二次风通道；10、煤粉分离器；11、内二次风叶片；12、外二次风叶片；13、前墙；14、后墙；15、上炉膛；16、下炉膛；17、燃尽风喷口；18、合成气分配箱；19、分支通道；20、导向叶片。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
请参阅图1所示，本发明实施例的一种气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置，包括：合成气通道4和中心给粉旋流燃烧器6，合成气通道4的入口部分用于与煤气化装置连接，合成气通道4的出口部分与中心给粉旋流燃烧器6连接，中心给粉旋流燃烧器6的喷口由内向外依次设置有一次风通道7、内二次风通道8、外二次风通道9，合成气通道4的出口部分设置于内二次风通道8内部。
其中，煤气化装置是一种将煤制成气化合成气的装置，包括气化炉1、辐射废锅2和渣池3，气化炉1可以为气流床气化炉，气化炉1下部连接辐射废锅2，辐射废锅2出口处连接渣池3，辐射废锅2下部连通合成气通道4，合成气通道4与中心给粉旋流燃烧器6连接，由此实现气化粗合成气与煤粉在旋流煤粉锅炉5中的耦合燃烧。气化炉1中发生煤的气化反应，炉内运行温度为1350-1500℃，气化产生的合成气与液态熔渣经辐射废锅2冷却到900-950℃，在气化炉1产生的灰中，约有40-50％的灰落入渣池3中，这部分灰中的可燃物含量为2-3％，还有约有50-60％的灰随合成气经合成气通道4进入旋流煤粉锅炉5中，这部分灰中的可燃物含量为40-50％。为便于阐述，将一起通入旋流煤粉锅炉5的合成气和灰称之为粗合成气，进入旋流煤粉锅炉5中的粗合成气的成分为CO、H2、O2、CO2、H2O和灰，其中CO和H2被称为有效气，其体积分数为85-88％，O2的体积分数小于0.5％，灰的可燃物含量为40-50％。
其中，合成气通道4与中心给粉旋流燃烧器6之间的连接方式有两种，一种实施方式中，如图1所示，合成气通道4的出口部分在内二次风通道8内部呈环形布置，合成气通道4的的出口部分的端部与中心给粉旋流燃烧器6的轴线之间的夹角为α，当燃用煤种为烟煤或干燥无灰基挥发分Vdaf>20％时，α＝30°-60°，粗合成气从合成气出口以该角度范围喷入炉膛中心回流区内。优选地，气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置还包括导向叶片20，导向叶片20设置于合成气通道4内。如图2所示，合成气通道4的出口部分的内径为R1，外径为R2，一次风通道7出口处直径为R3，且满足R1＝(1.2-1.3)*R3，R2＝(1.4-1.5)*R3。需要说明的是，图2示出的内二次风道8用两根引线指出，由于合成气通道4位于内二次风通道8的内部，因此内二次风通道8被分成了两部分，因此图2中采用了两根引线标示。
另一种实施方式中，如图6-图8所示，合成气通道4的出口部分包括多个分支通道19，多个分支通道19在内二次风通道8内部均匀且对称设置。即在合成气通道4出口处分叉为若干细小通道，示例性地，如图6所示，气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置还包括合成气分配箱18，合成气分配箱18与合成气通道4连接，合成气通道4从合成气分配箱18处分成若干个分支通道19，分支通道19的数量为n个，例如n为4、6、8、10等，且n个分支通道19对称均匀布置在中心给粉旋流燃烧器6的内二次风通道8的内部。
其中，多个分支通道19的总出口面积为A1，一次风通道7的出口面积为A2，且满足A1＝(1.4-1.7)*A2。分支通道19包括间隔设置的第一通道和第二通道，如图8、图9所示，第一通道与中心给粉旋流燃烧器6的轴向夹角为α1，切向夹角为β1，如图10、图11所示，第二通道与中心给粉旋流燃烧器6的轴向夹角为α2，切向夹角为β2；
当燃用煤种为烟煤或干燥无灰基挥发分为Vdaf>20％时，α1＝30°-35°，α2＝45°-50°，β1＝80°-85°，β2＝70°-75°；
当燃用煤种为贫煤或者干燥无灰基挥发分为10％≤Vdaf≤20％时，α1＝35°-40°，α2＝50°-55°，β1＝75°-80°，β2＝65°-70°；
当燃用煤种为无烟煤或者干燥无灰基挥发分为Vdaf＜10％时，α1＝40°-45°，α2＝55°-60°，β1＝70°-75°，β2＝60°-65°。
本实施例中，合成气通道4的出口部分包含两种不同轴向倾角的细小通道，轴向倾角不同的细小通道在内二次风通道8中交错间隔布置，在燃烧器喷口截面处共同构成如图7所示的环形。
如图3、图8所示，气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置还包括煤粉分离器10、内二次风叶片11和外二次风叶片12，煤粉分离器10设置于一次风通道7内，内二次风叶片11设置于内二次风通道8内，外二次风叶片12设置于外二次风通道9内。优选地，如图4、图5所示，内二次风叶片11为轴向弯曲叶片，外二次风叶片12为切向直叶片。
本发明实施例的一种气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉方法，基于气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置，包括：煤气化装置产生的粗合成气经合成气通道4以设定角度喷入旋流煤粉锅炉5的炉膛内，一次风煤粉气流经一次风通道7喷入炉膛内，粗合成气与一次风煤粉气流的质量比为(0.4-0.45):1。
本发明实施例的气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置的工作过程如下：
煤与水蒸气、氧气组成的气化剂在气流床气化炉内发生气化反应，炉内运行温度为1350℃-1500℃，气化反应产生的粗合成气和液态熔渣经过辐射废锅2冷却到900℃-950℃，一部分灰渣落入渣池3中，粗合成气则由辐射废锅2下部的合成气通道4导出至至旋流煤粉锅炉5的前墙13和后墙14对冲布置的燃烧器喷口，粗合成气经由合成气通道4内的导向叶片20形成旋转气流，从置于旋流燃烧器内二次风通道8内部的合成气通道4出口处以与旋流燃烧器轴线成α角度喷入由上炉膛15和下炉膛16构成的炉膛内部的中心回流区内，并交于中心回流区内O点(如图3所示)。当燃用煤种为烟煤，即干燥无灰基挥发分Vdaf>20％时，α＝30°-60°。对于合成气通道4出口部分置于中心给粉旋流燃烧器6内二次风通道8内部，在合成气分配箱18处分叉为若干细小通道，且部分通道与燃烧器轴向呈α1角度、切向呈β1角度，其余通道与燃烧器轴向呈α2角度、切向呈β2角度，不同倾角的细小通道在内二次风通道8中交错布置的情况，气流床气化炉经气化反应产生的粗合成气和液态熔渣经过辐射废锅2冷却到900℃-950℃，一部分灰渣落入渣池3中，粗合成气则由辐射废锅2下部的合成气通道4经由合成气分配箱18分出的若干细小通道导出至在旋流煤粉锅炉5的前墙13和后墙14对冲布置的燃烧器喷口，不同倾角的细小通道内的粗合成气喷入由上炉膛15和下炉膛16构成的炉膛内部的中心回流区的不同位置，沿α1、β1角度喷入中心回流区的粗合成气交于O1点(如图8所示)，沿α2、β2角度喷入中心回流区的粗合成气交于O2点(如图10所示)。
一次风煤粉气流经由一次风通道7内布置的煤粉分离器10，煤粉向中心聚集形成内浓外淡的煤粉气流，在一次风管中心集中有序流动并喷入炉膛内部，内二次风经过内二次风通道8并经过内二次风叶片11以旋转的形式进入炉膛，外二次风经过外二次风通道9并经过外二次风叶片12以旋转的形式进入炉膛，旋转的内、外二次风通过内二次风通道8和外二次风通道9梯级布置的带角度的二次风扩口对一次风逐级引射，一、二次风在一次风出口和二次风出口处形成的预混段进行预混，燃尽风从旋流燃烧器上方平行布置的燃尽风喷口17轴向进入炉膛内部。
与现有技术相比，本发明的气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置及方法具有以下有益效果：
1、与传统旋流煤粉锅炉5相比，本发明依靠粗合成气燃烧放热使中心回流区内烟气温度大幅度升高。
现有的旋流燃烧器在工作时，煤粉由直流一次风载送由燃烧器喷入炉内，内、外二次风经由内二次风叶片11和外二次风叶片12形成旋转气流，在燃烧器喷口附近依靠内、外二次风形成的旋转气流产生中心回流区，中心回流区卷吸的高温烟气将煤粉气流加热到着火温度，使煤粉气流着火燃烧，有利于煤粉气流的着火与稳定。二次风不断和一次风混合，使燃烧过程不断发展，臻于燃尽。
旋流燃烧器煤种适应性较好，燃料可选择烟煤、贫煤、无烟煤等，其中，烟煤的干燥无灰基挥发分Vdaf>20％，着火温度在400℃-800℃，贫煤10％≤Vdaf≤20％，无烟煤Vdaf<10％。贫煤和无烟煤的岩相结构紧密而稳定，孔隙率小，反应性较低，实际燃用中，这类难燃煤往往需要较高的着火温度，其着火温度在750℃-950℃。当旋流煤粉锅炉5处于高负荷运行时，炉膛烟气温度为1200℃-1300℃。当锅炉降低至额定负荷的40％-50％运行时，相对于高负荷，炉膛内烟气平均温度降低，中心回流区卷吸的烟气温度比高负荷时低250℃-300℃，回流区内的高温烟气加热煤粉气流升温到着火温度速度变慢、稳燃效果差。对于不同燃用煤种，最低稳燃负荷不同，燃用烟煤时，最低稳燃负荷为额定负荷的40％-45％，燃用贫煤时，最低稳燃负荷为额定负荷的45％；燃用无烟煤时，最低稳燃负荷为额定负荷的50％。当实际运行负荷低于最低稳燃负荷后，炉膛内烟气平均温度进一步降低，回流区卷吸的烟气温度逐渐降低，回流区卷吸的高温烟气无法将煤粉气流加热到着火温度，发生灭火事故，造成经济损失。例如，当燃用煤种为烟煤，锅炉运行负荷为额定负荷的10％时，相对于高负荷，中心回流区卷吸的烟气温度比高负荷时低550℃-600℃，烟气温度在600℃-700℃，一次风煤粉气流初始温度为100℃-150℃，回流区内烟气无法将煤粉气流加热至着火温度，发生灭火，燃用贫煤和无烟煤时情况类似。现有的旋流煤粉锅炉5无法实现低负荷稳燃，最低稳燃负荷率无法满足国家能源局现有政策要求锅炉实际运行负荷降低至其额定负荷10％-30％的深度调峰能力。
在气化反应中，气流床气化炉中的煤在加热过程中热解，脱除挥发分后生成煤焦后与气化剂进行气化反应，生成粗合成气。气化反应产生的粗合成气和液态熔渣经过辐射废锅2冷却到900℃-950℃，一部分灰渣落入渣池3中。
采用本发明所提供的气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉5装置及方法后，粗合成气由合成气通道4喷入旋流煤粉锅炉5，喷入旋流煤粉锅炉5中的粗合成气成分为CO、H2、O2、CO2、H2O和灰，其中CO和H2被称为有效气，其体积分数为85-88％，O2的体积分数小于0.5％，灰的可燃物含量为40-50％，粗合成气的着火温度为600℃-700℃，因为粗合成气中氧量较高会引起爆炸，所以气化工艺需要在缺氧条件下进行，通常氧含量要求低于1％。
粗合成气以旋转的形式喷入中心回流区内，二次风中的氧扩散到粗合成气中增大了粗合成气含氧浓度，由于粗合成气经合成气通道4喷入回流区时的温度900℃-950℃高于其600℃-700℃的着火温度，含氧量升高后粗合成气迅速着火燃烧，释放出大量的热量加热中心回流区卷吸的烟气，使烟气温度升高，回流区内的高温烟气将一次风煤粉气流迅速加热至远高于煤粉气流着火温度，煤粉气流达到着火温度后迅速着火。
与现有技术相比，中心回流区内烟气温度在从炉膛内卷吸回来的烟气温度基础上，增加了由粗合成气燃烧放热所引起进一步大幅提高的温度，煤粉气流着火不再仅仅依赖于炉膛内烟气温度，最终实现稳定燃烧。
本发明实施例涉及两种合成气通道4与中心给粉旋流燃烧器6的连接形式。当燃用煤种为烟煤，即煤的干燥无灰基挥发分Vdaf>20％时，由于烟煤着火温度较低，一般为400℃-800℃，采用合成气通道4在内二次风通道8中呈环形布置的形式，在回流区内只进行单点加热即可满足着火需求。粗合成气喷入回流区后，由于含氧量升高迅速自燃，对回流区卷吸的烟气进行单点加热，回流区内高温烟气温度由600℃-700℃升高至1300℃-1400℃，高温烟气将一次风煤粉气流加热至950℃-1000℃，高于烟煤着火温度并使之迅速着火，实现低负荷稳燃。
当燃用煤种为贫煤或无烟煤，即10％≤Vdaf≤20％或Vdaf＜10％时，由于贫煤与无烟煤着火温度较高，一般在750℃-950℃，采用合成气通道4出口部分在内二次风通道8内分叉为若干与燃烧器轴向和切向成不同夹角的细小通道，且不同夹角细小通道在内二次风通道8中交错布置的形式，在回流区内进行两点加热，方可满足着火需求。粗合成气喷入回流区内不同位置后，由于含氧量升高迅速自燃，对回流区卷吸的烟气进行两点加热，使其均匀受热并迅速升温，烟气温度由600℃-700℃升高至1400℃-1500℃，相比于单点加热的形式，烟气温度进一步提高，高温烟气将一次风煤粉气流加热至1100℃-1200℃，高于贫煤和无烟煤着火温度，使煤粉气流迅速着火，实现低负荷稳燃。与现有技术相比，超低负荷时回流区内烟气温度大幅提高，远高于煤粉气流着火温度，燃用烟煤、贫煤和无烟煤均可实现10％超低负荷稳燃。
本发明在旋流煤粉锅炉5低负荷运行时，保证有足量高温气化反应粗合成气自燃用以提高回流区卷吸的高温烟气温度，使煤粉气流达到着火温度并着火，一次风煤粉气流的着火取决于粗合成气在回流区内燃烧放热，不再仅仅依赖于炉膛内烟气温度，大幅提高了旋流煤粉锅炉5低负荷运行时中心回流区内烟气温度，解决了低负荷运行时稳燃性能差的问题，燃用烟煤、贫煤和无烟煤时均可实现锅炉实际运行负荷降低至其额定负荷10％-30％的深度调峰能力。
2、本发明实施例通过气化粗合成气增强回流区内强还原性气氛、延长煤粉气流在还原性气氛中停留时间、降低一次风煤粉气流过量空气系数，最终实现降低NOx排放浓度。
旋流燃烧器运行时产生的NOx主要有两种，一种为热力型NOx，约占20％-25％；另一种为燃料型NOx，约占75％-80％。燃料型NOx中，又可分为挥发份型NOx和焦炭型NOx，挥发份型NOx约占燃料型NOx生成量的60％-80％，焦炭型NOx约占燃料型NOx生成量的20％-40％。因此，控制旋流煤粉锅炉5的NOx排放水平的关键就是抑制燃料型NOx。影响燃料型NOx排放水平的因素主要有：一次风煤粉气流过量空气系数、炉膛气氛和停留时间。一次风煤粉气流的过量空气系数是指一次风量与燃烧所需理论空气量之比，一次风煤粉气流的过量空气系数越小，燃料型NOx生成量越低。
烟气气氛分为氧化性气氛和还原性气氛，挥发份N中HCN遇到氧后会形成NCO，在氧化性气氛中，NCO会进一步氧化成NO；而在还原性气氛中，NCO会反应生成NH。此时NH在氧化性气氛中会进一步氧化成NO，又能在还原性气氛中与已生成的NO进行还原反应，使NO还原成N2，成为NO的还原剂。挥发份N中的NH3在氧化性气氛中，可进一步氧化为NO；在还原性气氛中，也可与已生成的NO进行还原反应，使NO还原成N2。因此氧化性气氛越强，燃料型NOx排放浓度越高，还原性气氛越强，燃料型NOx排放浓度越低。在氧化性气氛停留时间越长，燃料型NOx生成量越高；在还原性气氛停留时间越长，燃料型NOx生成量越低。
从增强回流区内还原性气氛，抑制NOx生成方面来看，具体如下：
现有技术下的旋流燃烧器，在炉膛内中心回流区形成以煤的不完全燃烧产物CO为主的还原性气氛，抑制NOx的生成，但CO浓度并不高，还原性气氛并不强。燃用烟煤时，由于烟煤挥发分含量高，着火性能好，NOx生成量较低，因此炉膛出口处NOx排放浓度为600mg/m3-900mg/m3(6％O2折算值)。燃用贫煤时，由于贫煤挥发分含量较低，着火性略差，NOx生成量较高，因此炉膛出口处NOx排放浓度可达750mg/m3-1000mg/m3(6％O2折算值)。燃用无烟煤时，由于无烟煤挥发分含量低，着火性能差，NOx生成量最高，炉膛出口处NOx排放浓度可达800mg/m3-1100mg/m3(6％O2折算值)。
粗合成气的成分包括CO、H2、O2、CO2、H2O和灰，其中CO和H2被称为有效气，其体积分数为85％-88％，O2的体积分数小于0.5％，灰中可燃物含量为40％-50％。采用本发明实施例中粗合成气自燃放热提高回流区卷吸回来的高温烟气的方法，并控制其粗合成气与一次风煤粉气流质量比为0.4：1-0.45：1。有以下效果：第一，粗合成气中大量的CO和H2属于还原性气体，粗合成气喷入回流区后，未燃的低氧、强还原性粗合成气将大幅增强回流区内的还原性气氛，抑制挥发份N向NOx转化，且有利于挥发份N将NO还原成N2。第二，通入炉膛的粗合成气本身是高温且极易燃的气体，相比煤粉更易燃烧，燃烧速度更快，粗合成气着火燃烧将迅速消耗氧气，使局部更加缺氧、煤粉不完全燃烧形成了更强的还原性气氛。第三，合成气通道4出口和燃烧器喷口轴向夹角为α，α越大，合成气通道4出口越向燃烧器喷口方向倾斜，粗合成气气流进入回流区前的射程越短，粗合成气气流进入回流区越早，回流区内的未燃粗合成气越多，还原性气氛越强。
本发明涉及的两种合成气通道4与中心给粉旋流燃烧器6的连接形式中，对于合成气通道4在内二次风通道8中呈环形布置、合成气通道4出口处与燃烧器喷口轴向夹角为α的形式，当燃用煤种为烟煤，即干燥无灰基挥发分Vdaf>20％时，α＝30°-60°,炉膛出口处NOx排放浓度可控制在200mg/m3-300mg/m3(6％O2折算值)；对于合成气通道4出口部分在内二次风通道8内分叉为若干细小通道，且部分通道与燃烧器轴线向夹角为α1，其余通道与燃烧器轴向夹角为α2，不同夹角细小通道在内二次风通道8中交错布置的形式，当燃用煤种为烟煤，即Vdaf>20％时，α1＝30°-35°，α2＝45°-50°；当燃用煤种为贫煤，即10％≤Vdaf≤20％时，α1＝35°-40°，α2＝50°-55°；当燃用煤种为无烟煤，即Vdaf＜10％时，α1＝40°-45°，α2＝55°-60°，炉膛出口处NOx排放浓度可控制在200mg/m3-300mg/m3(6％O2折算值)。在强还原性气氛下，有利于抑制挥发份N向NOx转化，且有利于挥发份N将NO还原成N2；同时由于挥发份消耗大量的氧气，也有利于抑制焦炭型NOx的生成。从而使总的燃料型NOx生成浓度降低。
从延长煤粉气流在还原性气氛中的停留时间，降低NOx生成浓度方面来看，具体如下：
采用现有技术的旋流煤粉锅炉5低负荷运行时，当燃用煤种为烟煤，着火距离为0.35m-0.45m，当燃用煤种为贫煤，着火距离为0.4m-0.6m，当燃用煤种为无烟煤，着火距离为0.45m-0.7m。本发明采用粗合成气自燃放热大幅提高回流区内烟气温度，高温烟气将煤粉气流加热至着火温度的方法，使得一次风煤粉气流在距燃烧器出口0.15m-0.3m处已着火燃烧，着火距离缩小了至少0.2m。且传统方法中一次风煤粉气流着火燃烧的烟气的还原性气氛较弱，本发明方法中一次风煤粉气流着火燃烧的烟气气氛为强还原性气氛，着火后一次风煤粉气流的燃烧也一直处于处于强还原性气氛之中。因而相比于传统方法，本发明方法中一次风煤粉气流的燃烧在强还原性气氛中至少多停留了0.2m的距离，停留时间延长，从而有利于抑制挥发份N向NOx转化，也有利于挥发份N将NO还原成N2，同样也抑制了焦炭型NOx的生成。
从降低一次风煤粉气流过量空气系数，抑制NOx生成方面来看，具体如下：
对于仅依靠回流区卷吸回来的高温烟气加热一次风煤粉气流的传统方法，其一次风煤粉气流的过量空气系数为0.3-0.35。而采用本发明粗合成气自燃放热大幅提高回流区内烟气温度，高温烟气将煤粉气流加热至着火温度的方法，由于控制其粗合成气与一次风煤粉气流质量比为0.4：1-0.45：1，一次风煤粉气流混合了粗合成气，其过量空气系数降低为0.2-0.25。与仅依靠回流区卷吸回来的高温烟气加热一次风煤粉气流的传统方法相比，采用本发明粗合成气自燃放热大幅提高回流区内烟气温度，高温烟气将煤粉气流加热至着火温度的方法中，一次风煤粉气流过量空气系数降低了0.15，降低幅度达42％-50％。过量空气系数的降低，有利于抑制挥发份N向NOx转化，也有利于抑制焦炭型NOx的生成。从而使总的燃料型NOx生成浓度降低。
综合以上分析，对于仅依靠回流区卷吸回来的高温烟气加热一次风煤粉气流的传统方法，其NOx排放浓度受以上因素影响而较高，燃用烟煤时，炉膛出口处NOx排放浓度可达600mg/m3-900mg/m3(6％O2折算值)；燃用贫煤时，炉膛出口处NOx排放浓度可达750mg/m3-1000mg/m3(6％O2折算值)；燃用无烟煤时，炉膛出口处NOx排放浓度可达800mg/m3-1100mg/m3(6％O2折算值)。而采用本发明粗合成气自燃放热大幅提高回流区内烟气温度，高温烟气将煤粉气流加热至着火温度的方法，受以上因素的影响，抑制了燃料型NOx的生成，其NOx排放浓度降低至200mg/m3-300mg/m3(6％O2折算值)，降低幅度为66％-75％。
3、本发明实施例将一次风煤粉气流与易燃的粗合成气耦合喷入炉膛，减少了一次风煤粉气流着火距离、降低了燃煤的比例、提高了煤粉燃烧速率、加强了燃尽灰壳的脱落，提高了一次风煤粉气流中煤粉及气化粗合成气中灰的燃尽性。
从减少一次风煤粉气流着火距离方面来看，具体如下：
旋流煤粉锅炉5低负荷运行时，相对于高负荷，炉膛内烟气平均温度降低，当锅炉负荷降低至额定负荷的40％-50％运行时，回流区卷吸回来的烟气温度比高负荷时低250℃-300℃，燃烧不稳，燃尽性差，尤其考虑到锅炉运行的经济性，燃料选择为无烟煤、贫煤等难燃煤或难燃煤掺烧时，难燃煤的岩相结构紧密而稳定，孔隙率小，反应性较低，更难以燃尽。采用现有技术的旋流燃烧器，燃烧器喷出的一次风煤粉气流依靠回流区卷吸回来的炉膛内高温烟气进行加热，加热点燃较慢。燃用烟煤时，着火距离为0.35m-0.45m，燃用贫煤时，着火距离为0.4m-0.6m，燃用无烟煤时，着火距离为0.45m-0.7m。而采用本发明粗合成气自燃放热大幅提高回流区卷吸回来的烟气温度，高温烟气将煤粉气流加热至着火温度的方法，使得一次风煤粉气流在距燃烧器出口0.15m-0.3m处已着火燃烧，相比于现有技术，着火距离缩小了至少0.2m，使煤粉气流的燃烧过程比原来至少多进行了0.2m以上的距离，煤粉燃烧的时间更长，有利于燃尽。
从降低燃煤比例方面来看，具体如下：
相对于旋流煤粉锅炉5燃用的煤种，气化粗合成气属于极易燃尽的气体。燃煤比例越低，越有利于燃尽。采用回流区卷吸回来的高温烟气直接加热一次风煤粉气流的传统方法中，燃煤的比例为100％。采用粗合成气自燃放热大幅提高回流区卷吸回来的烟气温度，高温烟气将煤粉气流加热至着火温度的方法时，控制粗合成气与一次风煤粉气流质量比为0.4：1-0.45：1喷入炉膛，一次风煤粉气流混合了粗合成气，燃煤比例从100％降低至65％-70％。本发明方法中的燃煤比例比传统方法降低了30-35％，更有利于燃尽。
从煤粉燃烧速率方面来看，具体如下：
煤粉燃烧速率越高，燃尽性能越好。采用回流区卷吸回来的高温烟气直接加热一次风煤粉气流的传统方法中，依靠高温烟气将一次风煤粉气流加热至着火温度以上后着火。而采用本发明粗合成气自燃放热大幅提高回流区卷吸回来的烟气温度，高温烟气将煤粉气流加热至着火温度的方法，依靠粗合成气自然放热将回流区卷吸回来的烟气加热至1300℃-1500℃，高温烟气将一次风煤粉气流中心加热至着火温度以上迅速着火。粗合成气为气体燃料，其燃烧速率远大于煤粉，升温迅速。本发明方法中的一次风煤粉气流的温度约比传统方法高100℃-200℃。煤粉燃烧速率与温度呈指数幂关系，温度越高，煤粉燃烧速率越大。例如当温度由1000℃升高到1100℃，煤粉燃烧速率约增大了3倍。因此采用本发明方法后煤粉燃烧速率较传统方法大幅度提高，更有利于燃尽。
从加强煤粉颗粒燃尽灰壳的脱落，提高了一次风煤粉气流中煤粉的燃尽性方面来看，具体如下：
粗合成气中带有灰的固体颗粒，粗合成气与一次风煤粉气流在剧烈混合和燃烧过程中，粗合成气中携带的灰颗粒与一次风煤粉气流中的煤粉颗粒燃烧后的灰壳相互撞击脱落，有利于煤粉颗粒内部的燃烧，提高燃尽性。
综合以上分析，采用回流区卷吸回来的高温烟气直接加热一次风煤粉气流的传统方法，燃尽差，飞灰可燃物含量达11％-13％。采用本发明粗合成气自燃放热大幅提高回流区卷吸回来的烟气温度，高温烟气将煤粉气流加热至着火温度的方法，燃尽好，飞灰可燃物含量为4％-5％，与传统方法相比降低幅度达60％-70％。
另外，传统气化工艺产生的粗合成气中的灰，其可燃物含量为40％-50％，浪费煤炭资源，难以资源化利用，目前处理方式主要为堆存或填埋，造成严重的环境污染和土地资源浪费，不利于实现“双碳”目标。本发明通过提高供氧量，加强灰颗粒燃尽灰壳的脱落，提升了气化粗合成气中灰的燃尽性。
从提高供氧量，提高气化粗合成气中灰的燃尽性方面来看，具体如下：
本发明将粗合成气通入旋流煤粉锅炉5中与一次风煤粉气流耦合燃烧，因为粗合成气中氧量较高会燃烧引起爆炸，所以气化工艺需要在缺氧条件下进行，供氧量与煤完全燃烧所需氧量的比值在0.5-0.6，因此煤在气化炉1中燃烧不充分，飞灰中可燃物含量可达40％-50％。而对于传统的旋流燃烧器，供氧量与煤完全燃烧所需氧量的比值在1.3-1.35，远高于气化炉1工艺。由于供入氧量充分，可将灰的可燃物含量从40％-50％降低为4％-5％，降低幅度达87.5％-92％，大大提高了燃尽性。
从加强灰颗粒燃尽灰壳的脱落，提高了气化粗合成气中灰的燃尽性方面来看，具体如下：
粗合成气中带有灰的固体颗粒，粗合成气与一次风煤粉气流在剧烈混合和燃烧过程中，粗合成气中的灰颗粒与一次风煤粉气流中的煤粉颗粒燃烧后的灰壳相互撞击脱落，有利于粗合成气中灰颗粒内部的燃烧，提高燃尽性。
4.与现有技术相比，本发明通过旋流粗合成气增大了中心回流区。
旋流燃烧器在工作时，煤粉由直流一次风载送从燃烧器喷入炉内，内、外二次风经由内二次风叶片11和外二次风叶片12形成旋转气流，在燃烧器喷口附近依靠内、外二次风形成的旋转气流产生中心回流区。回流区的大小对稳燃有着极为重要的作用，而回流区大小与旋流强度有关，若旋流强度较大，则气流旋转强烈，中心回流区增大。现有技术下的旋流煤粉锅炉5，低负荷运行时旋流强度小，燃烧器在炉膛内形成的中心回流区尺寸小，回流区卷吸回来的烟气少，回流区内烟气温度低，稳燃效果差。本发明通过在合成气通道4内布置导向叶片20或令合成气细小通道与燃烧器出口切向成一定角度β的方式，将旋流的气化粗合成气喷入回流区内，提高了旋流强度，从而增大了中心回流区尺寸，回流区卷吸回来的高温烟气增多，回流区内烟气温度升高，与现有技术相比低负荷稳燃效果好。
5.本发明将一次风煤粉气流与易燃的粗合成气耦合喷入炉膛，提高了气化工质品质和输出的能源品位。
从气化工艺不同，工质品质不同方面来看，具体如下：
传统气流床气化工艺中，采用激冷的方式对粗合成气进行降温处理。如图12所示，900℃-950℃的高温粗合成气自上而下从气化室100进入激冷室200，180℃-200℃的激冷水从激冷环300喷射出并混入粗合成气中，二者一起下行。合成气温度降至200℃-220℃，合成气与汽化后的激冷水蒸汽一同经激冷室200的上部粗合成气出口400进入后续净化工艺，在后续工艺中进一步降温至130℃左右。
本发明实施例中，去除了激冷室，不采用激冷方式对粗合成气进行处理。粗合成气经合成气通道4通入旋流煤粉锅炉5中与一次风煤粉气流耦合燃烧，其温度升高至1300℃-1500℃。水冷壁是锅炉四周布置的一些钢管，水在其内部流通；对流受热面是在锅炉烟道中布置的一些钢管，水也在其内部流通。一方面高温的火焰在外部加热水冷壁内部的水，以辐射换热的形式与水冷壁进行热量交换，水冷壁中的水汽化成为蒸汽输出；另一方面，高温烟气在烟道中从外部加热各对流换热面内部的水，以对流换热的形式与各对流受热面进行热量交换，也使水汽化成为蒸汽输出。进入锅炉时，粗合成气的温度为900℃-950℃，而锅炉的排烟温度为130℃-140℃左右。所得到的工质为高温高压的蒸汽，相对于亚临界旋流煤粉锅炉5，蒸汽温度为520℃-540℃，蒸汽压力为15MPa-16MPa；相对于超临界锅炉，蒸汽温度为570℃-580℃，蒸汽压力为23MPa-24MPa。所得工质为单一的蒸汽，品质较高，容易利用。
因此传统气流床气化工艺中，900℃-950℃的高温粗合成气经激冷和后续净化工艺后，所得工质成为粗合成气、灰渣及激冷水汽化后蒸汽的混合物，其温度为130℃左右，压力为2.5MPa-3MPa，品质低，无法利用。而本发明实施例中，900℃-950℃的高温粗合成气在通入旋流煤粉锅炉5中燃烧后，温度也降低为130℃-140℃。而其所得到的工质为高温高压的蒸汽，相对于亚临界旋流煤粉锅炉5，蒸汽温度为520℃-540℃，蒸汽压力为15MPa-16MPa；相对于超临界锅炉，蒸汽温度为570℃-580℃，蒸汽压力为23MPa-24MPa。所得工质为单一的蒸汽，品质较高，容易利用。
从输出的能源品位不同方面来看，具体如下：
传统气流床气化工艺中，900℃-950℃的粗合成气，经激冷和后续净化工艺后，成为100℃左右、0.7MPa-0.8MPa的混合物工质。由于所得工质品质低，该工艺相当于将900℃-950℃的粗合成气中的热能没有利用,以及损失了气化炉1中灰未燃尽的热能。
本发明实施例中，最终所得工质为单一高温高压蒸汽，品质高，容易利用，可以用于推动汽轮机做功产生电能和供热等。该工艺相当于将900℃-950℃的粗合成气中的热能，以及气化炉1中灰未燃尽的热能损失，转化成了更高品位的电能及其他形式的能而输出，输出的能源品位高。
下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
参照说明书附图1-附图4说明本实施方式。一种气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉5装置，它包括气流床气化炉、辐射废锅2、渣池3、合成气通道4、旋流煤粉锅炉5、燃烧器。气流床气化炉下部连接辐射废锅2，辐射废锅2出口处连接渣池3，辐射废锅2下部联通合成气通道4，合成气通道4出口部分连接旋流煤粉锅炉5燃烧器喷口，中心给粉旋流燃烧器6由内向外依次布置一次风通道7、内二次风通道8、外二次风通道9，且设有煤粉分离器10、内二次风叶片11和外二次风叶片12，内二次风叶片11采用轴向弯曲叶片，外二次风叶片12采用切向直叶片。合成气通道4置于中心给粉旋流燃烧器6内二次风通道8内部，在内二次风通道8中呈环形布置，合成气通道4出口部分与旋流燃烧器轴线夹角α，合成气通道4内部布置导向叶片20。使粗合成气和一次风煤粉气流的质量比为0.4：1-0.45：1。合成气通道4出口处内径为R1，外径为R2，旋流燃烧器一次风通道7出口处直径为R3且满足R1＝(1.2-1.3)R3、R2＝(1.4-1.5)R3。当燃用煤种为烟煤，即Vdaf>20％时，α＝30°-60°
本实施方式还包括一种气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉方法，本方法具体包括：
气化产生的灰中，约有40％-50％落入渣池3中，其可燃物含量为1％-2％；约有50％-60％随粗合成气经合成气通道4喷入旋流煤粉锅炉5中，其可燃物含量为40％-50％。
经辐射废锅2进入合成气通道4中的粗合成气，在喷入旋流煤粉锅炉5炉内中心回流区时的温度为900℃-950℃；一次风气流在喷入旋流煤粉锅炉5时的温度为100℃左右，内、外二次风气流在喷入旋流煤粉锅炉5时的温度为400℃左右。
控制喷入炉膛中心回流区的粗合成气的量，使粗合成气和一次风煤粉气流的质量比为0.4：1-0.45：1。
合成气通道4置于中心给粉旋流燃烧器6内二次风通道8内部，在内二次风通道8中呈环形布置，且合成气通道4出口部分与旋流燃烧器轴向夹角为α，合成气通道4内部布置导向叶片20，合成气通道4出口处内径为R1，外径为R2，旋流燃烧器一次风通道7出口处直径为R3且满足R1＝(1.2-1.3)R3、R2＝(1.4-1.5)R3。当燃用煤种为烟煤，即Vdaf>20％时，α＝30°-60°。
喷入旋流煤粉锅炉5中的粗合成气成分为CO、H2、O2、CO2、H2O和灰，其中CO和H2被称为有效气，其体积分数为85-88％，O2的体积分数小于0.5％。
渣池3距离辐射废锅2出口部分的垂直距离为5m-7m。
实施例2
参照说明书附图5-附图10说明本实施方式。一种气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉5装置，合成气通道4置于中心给粉旋流燃烧器6内二次风通道8内部，在合成气通道4出口处分叉为若干细小通道，部分通道与燃烧器的轴向夹角为α1，切向夹角为β1，其余通道与燃烧器轴向夹角为α2，切向夹角为β2,不同倾角的细小通道在内二次风通道8中交错布置，合成气通道4从合成气分配箱18处分成的分支通道19数量为n个(n＝4、6、8、10)，对称均匀布置在中心给粉旋流燃烧器6内二次风通道8的内部。合成气通道4出口处总面积为A1，中心给粉旋流燃烧器6一次风通道7出口面积为A2，且满足A1＝(1.4-1.7)A2。当燃用煤种为烟煤，即Vdaf>20％时，α1＝30°-35°，α2＝45°-50°，β1＝80°-85°，β2＝70°-75°；当燃用煤种为贫煤，即10％≤Vdaf≤20％时，α1＝35°-40°，α2＝50°-55°，β1＝75°-80°，β2＝65°-70°；当燃用煤种为无烟煤，即Vdaf＜10％时，α1＝40°-45°，α2＝55°-60°，β1＝70°-75°，β2＝60°-65°。其他装置及方法与具体实施方式一中相同。
应用实施例
现有技术中一台600MWe旋流煤粉锅炉5，燃用煤种为无烟煤，其NOx排放量约为1050mg/m3(6％O2折算值)；其低负荷下着火和稳燃性能较差，最低不投油稳燃负荷率为50％；燃尽差，飞灰可燃物含量达11％，难以满足“双碳”政策的要求。且一年内低负荷运行时曾出现灭火事故两次，因停炉需重新点火，造成经济损失约600万元。
现有技术中一台造气量为80000Nm3/h的气化炉1，采用激冷方式对气化粗合成气进行处理。由于粗合成气中灰的可燃物含量约为50％，其一年内约有3.4万吨煤没有得到充分利用。且粗合成气温度经激冷后迅速降至210℃，造成热能的浪费。一年内热能损失约合3500万元。
将本发明所涉及的装置及方法应用于一台600MWe旋流煤粉锅炉5及造气量为80000Nm3/h的气化炉1改造后，合成气通道4出口部分在内二次风通道8内分叉为若干与燃烧器喷口成轴向夹角α和切向夹角β的细小通道，不同夹角细小通道在内二次风通道8中交错布置，且α1＝42°，α2＝57°，β1＝73°，β2＝63°，锅炉燃用煤种为无烟煤。改造后锅炉飞灰可燃物含量为4％，相对于单独的600MWe旋流煤粉锅炉5,飞灰可燃物含量降低幅度为64％，一年节省35800吨标准煤。粗合成气中灰的可燃物含量为4％，相对于单独的造气量为80000Nm3/h的气化炉1，降低幅度为92％。一年节省31300吨标准煤。按每吨标准煤700元计算，一年内节省燃煤费用约4700万元。且锅炉的NOx排放浓度为240mg/m3(6％O2折算值)，最低不投油稳燃负荷率降至10％。符合了“双碳”目标的要求，两年内运行时无事故发生。考虑节省燃煤、无灭火事故发生、无热能损失，经济效益提高约一亿元。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置，其特征在于，包括：合成气通道(4)和中心给粉旋流燃烧器(6)，所述合成气通道(4)的入口部分用于与煤气化装置连接，所述合成气通道(4)的出口部分与所述中心给粉旋流燃烧器(6)连接，所述中心给粉旋流燃烧器(6)的喷口由内向外依次设置有一次风通道(7)、内二次风通道(8)、外二次风通道(9)，所述合成气通道(4)的出口部分设置于所述内二次风通道(8)内部。
2.根据权利要求1所述的气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置，其特征在于，所述合成气通道(4)的出口部分在所述内二次风通道(8)内部呈环形布置，所述合成气通道(4)的的出口部分的端部与所述中心给粉旋流燃烧器(6)的轴线之间的夹角为α，当燃用煤种为烟煤或干燥无灰基挥发分Vdaf>20％时，α＝30°-60°。
3.根据权利要求2所述的气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置，其特征在于，所述合成气通道(4)的出口部分的内径为R1，外径为R2，所述一次风通道(7)出口处直径为R3，且满足R1＝(1.2-1.3)*R3，R2＝(1.4-1.5)*R3。
4.根据权利要求1所述的气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置，其特征在于，所述合成气通道(4)的出口部分包括多个分支通道(19)，所述分支通道(19)相对于所述中心给粉旋流燃烧器(6)的轴向具有倾角，相同倾角的所述分支通道(19)在所述内二次风通道(8)内部均匀且对称设置。
5.根据权利要求4所述的气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置，其特征在于，多个所述分支通道(19)的总出口面积为A1，所述一次风通道(7)的出口面积为A2，且满足A1＝(1.4-1.7)*A2。
6.根据权利要求4所述的气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置，其特征在于，所述分支通道(19)包括间隔设置的第一通道和第二通道，所述第一通道与所述中心给粉旋流燃烧器(6)的轴向夹角为α1，切向夹角为β1，所述第二通道与所述中心给粉旋流燃烧器(6)的轴向夹角为α2，切向夹角为β2；
当燃用煤种为烟煤或干燥无灰基挥发分为Vdaf>20％时，α1＝30°-35°，α2＝45°-50°，β1＝80°-85°，β2＝70°-75°；
当燃用煤种为贫煤或者干燥无灰基挥发分为10％≤Vdaf≤20％时，α1＝35°-40°，α2＝50°-55°，β1＝75°-80°，β2＝65°-70°；
当燃用煤种为无烟煤或者干燥无灰基挥发分为Vdaf＜10％时，α1＝40°-45°，α2＝55°-60°，β1＝70°-75°，β2＝60°-65°。
7.根据权利要求1-6任一项所述的气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置，其特征在于，还包括煤粉分离器(10)、内二次风叶片(11)和外二次风叶片(12)，所述煤粉分离器(10)设置于所述一次风通道(7)内，所述内二次风叶片(11)设置于所述内二次风通道(8)内，所述外二次风叶片(12)设置于所述外二次风通道(9)内。
8.根据权利要求7所述的气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置，其特征在于，所述内二次风叶片(11)为轴向弯曲叶片，和/或所述外二次风叶片(12)为切向直叶片。
9.根据权利要求2所述的气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置，其特征在于，还包括导向叶片(20)，所述导向叶片(20)设置于所述合成气通道(4)内。
10.一种气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉方法，其特征在于，基于如权利要求1-9任一项所述的气化粗合成气与煤耦合燃烧的旋流煤粉锅炉装置，包括：煤气化装置产生的粗合成气经合成气通道(4)以设定角度喷入旋流煤粉锅炉(5)的炉膛内，一次风煤粉气流经一次风通道(7)喷入所述炉膛内，所述粗合成气与所述一次风煤粉气流的质量比为(0.4-0.45):1。
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