CN114963160A - 气化粗合成气与煤耦合燃烧的fw型w火焰锅炉装置及方法 - Google Patents

气化粗合成气与煤耦合燃烧的fw型w火焰锅炉装置及方法 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FW型W火焰锅炉装置及方法，所述装置包括气化炉、辐射废锅、渣池、合成气通道以及锅炉，所述锅炉包括燃烧器喷口，所述气化炉下部连接所述辐射废锅，所述辐射废锅的出口连接所述渣池，所述合成气通道的入口端连接所述辐射废锅的下部，所述合成气通道的出口端连接所述燃烧器喷口。本发明通过将气化炉产生的粗合成气与一次风煤粉气流平行喷入锅炉中，利用粗合成气产生的高温烟气加热一次风煤粉气流，同时解决了现有锅炉中存在的稳燃差、无法实现灵活性调峰、NOx排放浓度高及燃尽差等问题，以及现有气化炉存在的灰中可燃物含量高且无较好的处理方案以及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FW型W火焰锅炉装置及方法
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FW型W火焰锅炉装置及方法。
背景技术
W火焰锅炉是我国自国外引进的一种用来燃用难燃煤的炉型，其燃烧特点是煤粉气流自前、后炉拱上布置的燃烧器喷入下炉膛，下行至一定深度后转折上行而形成“W”型火焰。W火焰锅炉由于其较长的火焰燃烧行程和良好燃烧组织方式，在燃用难燃煤方面有其独特的优势。FW型W火焰锅炉是其中的一种技术流派，在我国具有最大比例的市场份额。近年来，我国一方面采取更加有力的政策和措施以顺应碳减排趋势，火电机组低负荷或深度调峰成为新常态；另一方面继续加大生态环境保护治理力度，要求燃煤电厂实现超低排放。在这样的形势下，现有FW型W火焰燃烧技术存在稳燃差、无法实现灵活性调峰、NOx排放浓度高及燃尽差等问题。
煤气化技术是高效清洁的洁净煤技术，其中气流床气化技术具有气化强度高、单炉生产能力大、煤种适应范围广等优点。传统气流床气化炉在运行时，反应温度在1350℃-1500℃，煤与气化剂在缺氧条件下反应生成高温的粗合成气，进入激冷室，在激冷室中穿过激冷环，激冷环中喷出的激冷水在短时间内将高温粗合成气迅速降至200-220℃后进入激冷罐，再经洗涤塔洗涤除灰后，洁净的粗合成气送往变换界区，另一部分以渣的形式排至渣池。气化过程产生的灰中，约有40-50％随渣排至渣池，这一部分灰中可燃物含量为 2-3％；还有50-60％的灰会随粗合成气进入后续工艺，这一部分灰中可燃物含量为40-50％。目前对于气化过程产生的灰，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。传统气流床气化炉工艺存在着灰中可燃物含量高且无较好的处理方案以及激冷后温度迅速降低使其热能浪费等问题。
发明内容
本发明解决的问题是现有技术中锅炉存在稳燃差、无法实现灵活性调峰、 NOx排放浓度高及燃尽差等问题，以及气化炉存在灰中可燃物含量高且无较好的处理方案以及激冷后温度迅速降低使其热能浪费等问题。
为解决锅炉和气化炉存在的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FW型W火焰锅炉装置，包括气化炉、辐射废锅、合成气通道以及FW型W火焰锅炉，所述FW型W火焰锅炉包括燃烧器喷口，所述气化炉下部连接所述辐射废锅，所述合成气通道的入口端连接所述辐射废锅的下部，所述合成气通道的出口端连接所述燃烧器喷口。
较佳地，所述合成气通道的出口端设置于所述燃烧器喷口的内部，且所述合成气通道的出口端与所述燃烧器喷口同轴设置，所述合成气通道的出口端的直径为R1，所述燃烧器喷口的直径为R2，且满足R1＝(0.6-0.7)*R2。
较佳地，所述合成气通道的出口端设置于所述燃烧器喷口的外部，且所述合成气通道的出口端与所述燃烧器喷口同轴设置，所述合成气通道的出口端的直径为R3，所述燃烧器喷口的直径为R4，且满足R3＝(1.2-1.4)*R4。
较佳地，所述合成气通道的出口端的外部设置有二次风喷口，所述二次风喷口的直径为R5，且满足R3＝(0.7-0.8)R5。
较佳地，所述合成气通道的出口端连接多个分支通道，多个所述分支通道设置于所述燃烧器喷口的内部，多个所述分支通道的总出口面积为A1，所述燃烧器喷口的出口面积为A2，且满足A1＝(0.35-0.5)*A2。
较佳地，还包括合成气分配箱，所述合成气通道的出口端与所述合成气分配箱连接，所述合成气分配箱上设置多个所述分支通道。
较佳地，所述FW型W火焰锅炉还包括炉膛、前炉拱和后炉拱，所述前炉拱和所述后炉拱将所述炉膛分为上炉膛和下炉膛，所述燃烧器喷口设置于所述前炉拱和所述后炉拱上。
较佳地，所述FW型W火焰锅炉还包括油二次风喷口、燃尽风喷口、乏气喷口和F层二次风喷口，其中，所述油二次风喷口设置于所述前炉拱和所述后炉拱上，所述燃尽风喷口在所述上炉膛的侧墙处沿所述炉膛宽度方向布置，所述乏气喷口和所述F层二次风喷口在所述下炉膛的前墙和后墙侧沿所述炉膛宽度方向布置，且所述F层二次风喷口布置在所述乏气喷口的下方。
本发明还提供一种气化粗合成气与煤耦合燃烧的方法，基于气化粗合成气与煤耦合燃烧的FW型W火焰锅炉装置，包括：气化炉产生的粗合成气经辐射废锅进入合成气通道，并经所述合成气通道进入燃烧器喷口，与经所述燃烧器喷口进入的一次风煤粉气流平行喷入炉膛内。
较佳地，所述粗合成气与所述一次风煤粉气流的质量比为为 (0.4-0.45):1。
本发明的气化粗合成气与煤耦合燃烧的FW型W火焰锅炉装置相较于现有技术的优势在于：
本发明通过将气化炉产生的粗合成气导入锅炉中，利用粗合成气产生的高温烟气加热一次风煤粉气流，与传统的利用回流烟气加热一次风煤粉气流的加热方式相比，一方面，缩短了一次风煤粉气流的着火距离，能够将着火距离控制在0.4-0.5m，在锅炉运行负荷为额定负荷10-100％范围内能够依靠粗合成气燃烧升温后产生的烟气将一次风煤粉气流迅速加热升温，改变了锅炉随负荷降低引起的一次风煤粉气流着火距离过大带来的稳燃差、难以实现灵活性调峰等问题；
另一方面，一次风煤粉气流混合了粗合成气，降低了一次风煤粉气流过量空气系数，提高了挥发份析出量，延长了一次风煤粉气流的燃烧在还原性气氛中的停留时间，有利于抑制挥发份N向NOx转化，同时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；
再一方面，由于缩短了着火距离，使得煤粉燃烧的时间更长，由于一次风煤粉气流中混合了粗合成气，使得燃煤比例降低，且由于粗合成气为气体燃料，其燃烧速率远大于煤粉，升温迅速，使得煤粉燃烧速率大幅提高，这些都有利于煤粉的燃尽；
还一方面，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，有利于实现“双碳”目标；
最后，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，利用粗合成气产生的高温烟气加热一次风煤粉气流，同时解决了现有锅炉中存在的稳燃差、无法实现灵活性调峰、NOx排放浓度高及燃尽差等问题，以及现有气化炉存在的灰中可燃物含量高且无较好的处理方案以及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FW型W火焰锅炉装置相同，在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明一种实施例中气化粗合成气与煤耦合燃烧的FW型W火焰锅炉装置的结构示意图；
图2为图1中A向视图示意；
图3为本发明另一种实施例中气化粗合成气与煤耦合燃烧的FW型W火焰锅炉装置的结构示意图；
图4为图3中B向视图示意；
图5为图3的局部放大图；
图6为本发明另一种实施例中气化粗合成气与煤耦合燃烧的FW型W火焰锅炉装置的结构示意图；
图7为图6中C向视图示意；
图8为本发明实施例中锅炉的结构示意图；
图9为现有技术中的气化炉结构示意图。
附图标记说明：
10、气化室；20、激冷室；30、激冷环；40、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、FW型W火焰锅炉；6、燃烧器喷口；7、二次风喷口；8、合成气分配箱；81、分支通道；
51、前炉拱；52、后炉拱；53、上炉膛；54、下炉膛；55、油二次风喷口；56、燃尽风喷口；57、乏气喷口；58、F层二次风喷口；541、前墙；542、后墙。
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1-7所示，本发明实施例的一种气化粗合成气与煤耦合燃烧的 FW型W火焰锅炉装置(以下简称为锅炉装置)，包括气化炉1、辐射废锅2、合成气通道4以及FW型W火焰锅炉5，FW型W火焰锅炉5包括燃烧器喷口6，气化炉1下部连接辐射废锅2，合成气通道4的入口端连接辐射废锅2的下部，合成气通道4的出口端连接燃烧器喷口6。
可以理解，辐射废锅2的出口连接渣池3，煤在气化炉1中气化产生气化合成气和灰，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％的灰随气化合成气一同经合成气通道4进入电站FW型W火焰锅炉5中，这部分灰中的可燃物含量为40-50％。本实施例中将含有大量可燃物含量的灰与气化合成气一起通入电站FW型W火焰锅炉5中进行燃烧，实现了能源利用。为便于阐述，将一起通入电站FW型 W火焰锅炉5的气化合成气和灰称之为粗合成气，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％，其中的灰即为气化炉1中产生的约50-60％的灰，其可燃物含量为40-50％。
具体实施方式中，气化炉1可以为气流床气化炉，FW型W火焰锅炉5为 FW型W火焰锅炉。下面以气流床气化炉和FW型W火焰锅炉为例说明。
气化炉1的下部连接辐射废锅2，气化炉1与辐射废锅2的高度分别为 H1和H2，且满足H1＝(0.2-0.35)H2。FW型W火焰锅炉5的燃烧器喷口6布置于前炉拱51、后炉拱52，前炉拱51和后炉拱52将炉膛结构分为上炉膛53 和下炉膛54，前炉拱51和后炉拱52上还布置有油二次风喷口55，上炉膛53 侧墙处沿炉膛宽度方向布置燃尽风喷口56，下炉膛54的前墙541和后墙542 侧沿炉膛宽度方向布置有乏气喷口57、F层二次风喷口58，F层二次风喷口 58布置在乏气喷口57下方。图8中箭头所示为沿炉膛宽度方向，虚线以上为上炉膛53，虚线以下为下炉膛54，其中，图1、3、5中的FW型W火焰锅炉5 为图8的剖视图。
合成气通道4与燃烧器喷口6的连接方式有三种，分别为合成气通道4 设置于燃烧器喷口6的内部、合成气通道4设置于燃烧器喷口6的外部且在合成气通道4外部设置二次风喷口7、合成气通道4设置于燃烧器喷口6的内部但合成气通道4在燃烧器喷口6内部分成若干个分支通道81，具体如下：
第一种实施方式中，如图1所示，图1中FW型W火焰锅炉5内所示的箭头表示煤粉气流自前、后炉拱上布置的燃烧器喷入下炉膛54并下行至一定深度后转折上行形成的“W”型火焰的轨迹，合成气通道4的出口端设置于燃烧器喷口6的内部，且合成气通道4的出口端与燃烧器喷口6同轴设置。由此，粗合成气和一次风煤粉气流从同轴布置的合成气通道4出口端和燃烧器喷口6 中平行喷入炉膛内。其中，如图2所示，合成气通道4的出口端的直径为R1，燃烧器喷口6的直径为R2，且满足R1＝(0.6-0.7)*R2。
第二种实施方式中，如图3-图5所示，合成气通道4的出口端设置于燃烧器喷口6的外部，且合成气通道4的出口端与燃烧器喷口6同轴设置，由此，粗合成气和一次风煤粉气流从同轴布置的合成气通道4出口端和燃烧器喷口6中平行喷入炉膛内。其中，如图4所示，合成气通道4的出口端的直径为R3，燃烧器喷口6的直径为R4，且满足R3＝(1.2-1.4)*R4。合成气通道 4的出口端的外部设置有二次风喷口7，二次风喷口7的直径为R5，且满足R3＝(0.7-0.8)R5。
第三种实施方式中，如图6所示，合成气通道4的出口端连接多个分支通道81，多个分支通道81设置于燃烧器喷口6的内部。优选地，锅炉装置还包括合成气分配箱8，合成气通道4的出口端与合成气分配箱8连接，合成气分配箱8上设置多个分支通道81。示例性地，合成气通道4从合成气分配箱 8处分成若干个分支通道81，优选为16-18个，且分支通道81的出口端均匀布置在燃烧器喷口6的内部。其中，如图7所示，多个分支通道81的总出口面积为A1，燃烧器喷口6的出口面积为A2，A1与A2的关系为：A1＝(0.35-0.5) *A2。
本发明实施例的锅炉装置的工作原理是：煤和气化剂先在气流床气化炉中进行气化反应，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引出至FW型W火焰锅炉中。
对于合成气通道4的出口端置于燃烧器喷口6的内部，且二者在出口部分同轴布置的形式，粗合成气与一次风煤粉气流平行喷入炉膛中。一次风煤粉气流中心进行混合，混好效果较好，一次风煤粉气流中的一次风很快扩散进入了粗合成气中，使含氧量小于0.5％的粗合成气氧量迅速升高，且由于粗合成气900-950℃的温度远高于其600-700℃的着火温度，在氧量升高之后迅速着火燃烧，并升温至1300-1400℃。粗合成气燃烧产生1300-1400℃的烟气在中心加热一次风煤粉气流，一次风煤粉气流迅速升温至950℃以上，此时一次风煤粉气流的温度远高于其900-950℃的着火温度，因此煤粉也迅速着火，由此实现了粗合成气和一次风煤粉气流的耦合燃烧。
对于合成气通道4的出口端置于燃烧器喷口6的外部，且二者在出口部分同轴布置的形式，粗合成气在进入炉膛后，合成气通道4出口端外部的二次风和内部的一次风煤粉气流中大量的氧迅速扩散进入其中，使粗合成气含氧量迅速升高，在氧量升高之后迅速着火燃烧，并升温至1300-1400℃。粗合成气燃烧产生1300-1400℃的烟气包裹着一次风煤粉气流对其进行加热，使一次风煤粉气流迅速升温至950℃以上，此时一次风煤粉气流的温度远高于其 900-950℃的着火温度，煤粉也迅速着火，由此实现粗合成气和一次风煤粉气流的耦合燃烧。
对于合成气通道4的出口端置于燃烧器喷口6的内部，且在合成气通道4 的出口端分出若干个分支通道81的形式，粗合成气的着火燃烧过程与前两种形式相同，着火后产生多股1300-1400℃的高温烟气，均匀分布在一次风煤粉气流内部，从内部对一次风煤粉气流进行多点加热，使一次风煤粉气流迅速升温至950℃以上，此时一次风煤粉气流的温度远高于其900-950℃的着火温度，煤粉也迅速着火，由此实现粗合成气和一次风煤粉气流的耦合燃烧。
本发明实施例的一种气化粗合成气与煤耦合燃烧的方法，包括：
气化炉1产生的粗合成气经辐射废锅2进入合成气通道4，并经合成气通道4进入燃烧器喷口6，与经燃烧器喷口6进入的一次风煤粉气流平行喷入炉膛内，其中，粗合成气与一次风煤粉气流的质量比为为0.4-0.45:1，由燃烧器喷口喷入炉膛内的粗合成气的温度为900-950℃，一次风煤粉气流的温度为 100℃左右。
与现有技术相比，本发明实施例的锅炉装置及燃烧方法具有以下有益效果：
1、从一次风煤粉气流加热方式、着火位置对稳燃性能的影响方面来看：
巴威型W火焰锅炉专为燃用无烟煤、贫煤等难燃煤设计，难燃煤的干燥无灰基挥发分Vdaf＜10％，且孔隙率小，反应性低，实际燃用中往往需要较高的着火温度，其着火温度为900-950℃。
对于巴威型W火焰锅炉，燃烧器出口区域难以形成中心回流区，煤粉气流着火需要依靠炉膛中心的高温烟气。一般情况下，着火距离在0.3-0.6m的范围内稳燃效果较好，此时着火距离远大于该范围，火焰不稳定，稳燃差。当FW型W火焰锅炉5降低至额定负荷的45-50％运行时，一次风煤粉气流进入炉膛后，同样依靠拱下回流区卷吸的高温烟气对其进行加热，然而此时相对于高负荷，炉膛平均温度较低，回流的高温烟气温度约比高负荷时低230-300℃，一次风煤粉气流从100℃左右被加热到900-950℃的过程更慢，着火距离更大，约为2.4-3.0m，此时火焰更加不稳定，稳燃更差，但尚未出现熄火现象。随着负荷进一步降低，稳燃性能越来越差，负荷降低到45-50％以下时出现熄火现象。
因此采用FW型W火焰锅炉拱下回流区加热一次风煤粉气流这种传统的方法，由于随着锅炉负荷的降低，炉膛平均温度降低，加热一次风煤粉气流的回流区温度也降低，导致一次风煤粉气流着火距离变大，难以实现低负荷时稳燃，使FW型W火焰锅炉最低不投油稳燃负荷率为45-50％，无法满足现有政策中将锅炉运行负荷降低至10％额定负荷的深度调峰要求。
本发明实施例的气化粗合成气与煤耦合燃烧的FW型W火焰锅炉装置，煤与气化剂先在气化炉1中进行气化，气化反应产生粗合成气和液态熔渣经过辐射废锅2冷却到900-950℃，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％。
本实施例涉及三种合成气通道4与燃烧器喷口6的连接方式，粗合成气与一次风煤粉气流平行喷入FW型W火焰锅炉后，对于合成气通道4出口部分置于燃烧器喷口6的内部，且二者在出口部分同轴布置的形式，在一次风煤粉气流中心进行混合效果较好，一次风煤粉气流中的一次风很快扩散进入了粗合成气中，使含氧量小于0.5％的粗合成气氧量迅速升高，且由于粗合成气 900-950℃的温度远高于其600-700℃的着火温度，在氧量升高之后迅速着火燃烧，并升温至1300-1400℃，另外本实施例通过调节气化炉1给煤量，控制粗合成气与一次风煤粉气流质量比为(0.4-0.45)：1。粗合成气燃烧产生 1300-1400℃的烟气在中心加热一次风煤粉气流，一次风煤粉气流迅速升温至 950℃以上，此时一次风煤粉气流的温度远高于其900-950℃的着火温度，迅速着火燃烧，大大缩小了着火距离。
对于合成气通道4出口部分置于燃烧器喷口6的外部，且二者在出口部分同轴布置的形式，粗合成气外部设有二次风，粗合成气进入炉膛后与二次风和一次风煤粉气流混合，二次风和一次风煤粉气流中的氧迅速从外部和内部扩散进入粗合成气中，使其氧量迅速升高，着火燃烧。粗合成气燃烧产生 1300-1400℃的烟气包裹内部的一次风煤粉气流对其加热，使其迅速升温至950℃以上，并着火燃烧，大大缩小了着火距离。
对于合成气通道4出口部分置于燃烧器喷口6的内部，且在出口部分分出若干分支的小通道的形式，粗合成气中分成多股进入炉膛内，一次风煤粉气流中的氧扩散进入各股粗合成气中，使其氧含量迅速上升，着火燃烧。粗合成气燃烧产生多股1300-1400℃的高温烟气，在一次风煤粉气流内部多点进行加热，使一次风煤粉气流的受热均匀，升温速度大大加快，迅速升温至950℃以上并着火燃烧，大大缩小了着火距离。
因此本发明实施例实现在FW型W火焰锅炉5运行负荷为额定负荷的 10-100％范围内，保证足够的粗合成气加热一次风煤粉气流，一次风煤粉气流迅速升温至950℃以上并着火，将着火距离控制在0.4-0.5m。
在采用本发明实施例的燃烧方法后，在FW型W火焰锅炉5运行负荷为额定负荷的10-100％范围内均依靠粗合成气燃烧升温后产生1300-1400℃的烟气将一次风煤粉气流迅速加热升温，将着火距离控制在0.4-0.5m。改变了FW型 W火焰锅炉随负荷降低引起的一次风煤粉气流着火距离过大而稳燃差，难以实现灵活性调峰的问题，实现了FW型W火焰锅炉5在运行负荷为额定负荷的 10-100％时的稳燃，满足国家政策对于低负荷和深度调峰的要求。
2、从一次风煤粉气流过量空气系数、烟气气氛、在还原性气氛中停留时间对NOx排放浓度的影响方面来看：
FW型W火焰锅炉燃烧产生的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NO x，挥发份型NOx约占燃料型NOx生成量的60-80％，焦炭型NO x约占燃料型NOx生成量的20-40％。因此，控制FW型W火焰锅炉燃烧的NOx排放水平的关键就是抑制燃料型NO x，特别是挥发份型NO x的生成。
影响燃料型NO x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。其中，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。
采用本发明实施例的锅炉装置，进行气化粗合成气与煤耦合燃烧的方法中，由于一次风煤粉气流混合了粗合成气，使得一次风煤粉气流过量空气系数降低，而过量空气系数的降低，有利于抑制挥发份N向NOx转化，同时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。
具体地，FW型W火焰锅炉燃用的是无烟煤和贫煤的混煤，一般无烟煤的干燥无灰基挥发分Vdaf为7-8％，贫煤的Vdaf为14-16％，混煤的Vdaf在10％左右。对于采用回流区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0.2-0.25。而对于采用粗合成气产生的高温烟气加热一次风煤粉气流的新方法，由于控制其粗合成气与一次风煤粉气流质量比为 (0.4-0.45)：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0.1-0.15。因此，与采用回流区加热一次风煤粉气流的传统方法相比，采用粗合成气产生的高温烟气加热一次风煤粉气流的新方法中，一次风煤粉气流过量空气系数降低了0.1，降低的幅度达50-60％。
本发明实施例采用粗合成气产生的高温烟气加热一次风煤粉气流，提高了挥发份析出量，而较多的挥发份析出量，能够迅速消耗氧气，使局部更加缺氧，形成了更强的还原性气氛。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。
具体地，采用回流区加热一次风煤粉气流的传统方法中，一次风煤粉气流进入炉膛后，挥发份逐渐析出，高负荷时在距离燃烧器出口1.8-2.2m，低负荷时在距离燃烧器出口2.4-3m处，一次风煤粉气流升温至950℃以上着火，此时的挥发份析出量约为煤粉质量的10％。由于挥发份析出量少，消耗的氧气量较少，一次风煤粉气流着火燃烧的烟气气氛为氧化性气氛。在氧化性气氛下，有利于挥发份N向NOx转化。且由于挥发份消耗氧气量少，使焦炭N也容易向NOx转化，从而使总的燃料型NOx生成浓度高。
采用粗合成气产生的高温烟气加热一次风煤粉气流的新方法中，控制其粗合成气与一次风煤粉气流质量比为(0.4-0.45)：1。由于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％，灰的可燃物含量为40-50％。一方面，粗合成气中的CO和H2属于还原性气体，与一次风煤粉气流混合后，在距燃烧器出口0-0.5m范围内形成了还原性气氛。另一方面，粗合成气本身是与挥发份性质相近的气体，可以看作是挥发份的一部分，相当于煤粉质量的120-135％。加上一次风煤粉气流自身挥发份的析出，为煤粉质量的10％。因此距燃烧器出口0.4-0.5m处，一次风煤粉气流着火燃烧时，相当于总挥发份析出量达 130-145％，是传统方法中挥发份析出量的13-14.5倍。
本发明实施例采用粗合成气产生的高温烟气加热一次风煤粉气流，使得一次风煤粉气流的燃烧在还原性气氛中的停留时间较长，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，从而使总的燃料型NOx生成浓度降低。
具体地，采用粗合成气产生的高温烟气加热一次风煤粉气流的新方法在距燃烧器出口0.4-0.5m的处已着火燃烧，相比于采用回流区加热一次风煤粉气流的传统方法，着火距离缩小了至少1.3m。且传统方法中一次风煤粉气流着火燃烧的烟气气氛为氧化性气氛，新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，新方法中一次风煤粉气流的燃烧在还原性气氛中至少多停留了1.3m的距离，停留时间较长，且着火后的燃烧也一直处于强还原性气氛中。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。
因此，采用回流区烟气加热一次风煤粉气流加热的传统方式，其NOx排放浓度受以上因素影响而较高，NOx排放浓度达1700-1800mg/m3(6％O2折算值)。而采用气化粗合成气加热的新方法，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200-300mg/m3(6％O2折算值)，降低幅度为82-88％。
3、从一次风煤粉气流燃尽性能不同及气化粗合成气中灰的燃尽程度方面来看：
本发明实施例中，采用粗合成气产生的高温烟气加热一次风煤粉气流，能够缩短着火距离，使得煤粉燃烧的时间更长，有利于燃尽。具体地，FW型W火焰锅炉主要燃用难燃煤，难燃煤的岩相结构紧密而稳定，孔隙率小，反应性较低，难以燃尽。采用回流区加热一次风煤粉气流的传统方法在高负荷时，着火距离为燃烧器出口1.8-2.2m，低负荷时为2.4-3.0m。采用粗合成气产生的高温烟气加热一次风煤粉气流的新方法在距燃烧器出口0.4-0.5m的处已着火燃烧，相比于采用回流区加热一次风煤粉气流的传统方法，着火距离缩小了至少1.3m。着火距离大大缩小，使煤粉气流的燃烧过程比原来至少多进行了1.3m的距离，煤粉燃烧的时间更长，有利于燃尽。
本发明实施例中，由于一次风煤粉气流中混合了粗合成气，因此燃煤比例降低，有利于燃尽。具体地，相对于FW型W火焰锅炉燃用的煤种，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。采用回流区烟气加热一次风煤粉气流的传统方法中，燃煤的比例为100％。采用粗合成气产生的高温烟气加热一次风煤粉气流的新方法是控制粗合成气与一次风煤粉气流质量比为(0.4-0.45)：1喷入炉膛的，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％。新方法中的燃煤比例比传统方法降低了 30-35％，更有利于燃尽。
本实施例中煤粉燃烧速率大幅提高，煤粉燃烧速率越高，燃尽性能越好。具体地，采用回流区烟气加热一次风煤粉气流的传统方法，依靠回流的烟气将一次风煤粉气流加热至950℃以上后着火。在着火后的燃烧过程中，煤粉气流依靠自身放出的热量升温，升温缓慢。采用粗合成气产生的高温烟气加热一次风煤粉气流的新方法，依靠粗合成气产生的高温烟气将一次风煤粉气流中心加热至950℃以上后着火。在着火后的燃烧过程中，粗合成气在中心与一次风煤粉气流耦合燃烧，煤粉气流的升温不仅依靠自身放出的热量，也依靠中心粗合成气燃烧放出的热量。粗合成气为气体燃料，其燃烧速率远大于煤粉，升温迅速。新方法中的一次风煤粉气流的温度约比传统方法高100-150℃。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。因此采用新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。
因此，与传统的采用回流区烟气加热一次风煤粉气流的方法相比，采用回流区烟气加热的方法燃尽差，飞灰可燃物含量达11-13％，而本发明实施例的方法燃尽好，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。而本发明将粗合成气通入FW型W火焰锅炉中与一次风煤粉气流一起燃烧，由于供入氧量充分，迅速着火燃烧，可燃物含量从40-50％降低为4-5％，降低幅度达87.5-92％，燃尽好。
4、从气化工艺、工质品质和输出的能源品位方面来看：
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9所示，为传统气化激冷工艺气化炉1结构示意图，其中，900-950℃的高温粗合成气自上而下从气化室10进入激冷室20，激冷环30与激冷水管连接，激冷水管用于供应激冷水，180-200℃的激冷水从激冷环30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20上部合成气出口40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FW型W火焰锅炉中与一次风煤粉气流耦合燃烧，其温度升高至1300-1400℃。水冷壁是FW型W火焰锅炉5四周布置的一些钢管，水在其内部流通；对流受热面是在FW型W火焰锅炉5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FW 型W火焰锅炉5时，粗合成气的温度为900-950℃，而FW型W火焰锅炉5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 W火焰FW型W火焰锅炉5，蒸汽温度为520-540℃，蒸汽压力为15-16MPa；相对于超临界FW型W火焰锅炉5，蒸汽温度为570-580℃，蒸汽压力为 23-24MPa。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2.5-3Mpa，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FW型W火焰锅炉中燃烧后，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W火焰 FW型W火焰锅炉5，蒸汽温度为520-540℃，蒸汽压力为15-16MPa；相对于超临界FW型W火焰锅炉5，蒸汽温度为570-580℃，蒸汽压力为23-24MPa。所得工质为单一的蒸汽，品质较高，容易利用。
另外，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、0.7-0.8Mpa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。而本实施例的工艺可以产生温度为520-540℃、压力为15-16MPa的蒸汽。所得工质品质高，容易利用，可以用于推动汽轮机做功产生电能和供热等。本发明实施例中的工艺相当于将900-950℃的粗合成气中的热能，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
如图1、2所示，一种气化粗合成气与煤耦合燃烧的FW型W火焰锅炉装置，包括气流床气化炉、辐射废锅2、渣池3、合成气通道4、FW型W火焰锅炉、燃烧器喷口6。气流床气化炉下部连接辐射废锅2，辐射废锅2出口处连通渣池3，合成气通道4入口端设置在辐射废锅2下部，合成气通道4的出口端连通FW型W火焰锅炉的燃烧器喷口6。合成气通道4出口部分置于燃烧器喷口6的内部，二者在出口部分同轴布置。合成气通道4、燃烧器喷口6出口部分的直径分别为R1、R2，且满足R1＝(0.6-0.7)R2。粗合成气和一次风煤粉气流从同轴布置的合成气通道4出口和燃烧器喷口6中平行喷入炉膛内，且使粗合成气和一次风煤粉气流的质量比为(0.4-0.45)：1。气流床气化炉下部连接辐射废锅2，其高度分别为H1、H2，且满足H1＝0.2-0.35H2。FW型W火焰锅炉的燃烧器喷口6布置于前炉拱51、后炉拱52，前、后炉拱将炉膛结构分为上炉膛53、下炉膛54，前炉拱51、后炉拱52上还布置有油二次风喷口 55，上炉膛53侧墙处沿炉膛宽度方向布置燃尽风喷口56，下炉膛54的前墙 541和后墙542侧沿炉膛宽度方向布置有乏气喷口57、F层二次风喷口58，F 层二次风喷口58布置在乏气喷口57下方。
气化粗合成气与煤耦合燃烧的FW型W火焰锅炉方法，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通入FW型W火焰锅炉中，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FW型W火焰锅炉时的温度为900-950℃；一次风煤粉气流在喷入FW型W火焰锅炉时的温度为 100℃左右。
合成气通道4出口部分置于燃烧器喷口6的内部，二者在出口部分同轴布置，使粗合成气和一次风煤粉气流平行喷入炉膛内，合成气通道4、燃烧器喷口6出口部分的直径分别为R1、R2，且满足R1＝(0.6-0.7)R2。
控制平行喷入炉膛内的粗合成气和一次风煤粉气流的量，使粗合成气和一次风煤粉气流的质量比为(0.4-0.45)：1。
喷入FW型W火焰锅炉中的粗合成气成为是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出口端的垂直距离为5-7m。
实施例2
如图3-图5所示。一种气化粗合成气与煤耦合燃烧的FW型W火焰锅炉装置，合成气通道4出口部分置于燃烧器喷口6的外部，二者在出口部分同轴布置。合成气通道4、燃烧器喷口6出口部分的直径分别为R3、R4，且满足 R3＝1.2-1.4R4。合成气通道4出口端外侧设置二次风喷口7，二次风喷口7直径为R5，且满足R3＝0.7-0.8R5。其他装置及方法与实施例1相同。
实施例3
如图6、图7所示，一种气化粗合成气与煤耦合燃烧的FW型W火焰锅炉装置，合成气通道4从合成气分配风箱处分成若干个分支的小通道并置于燃烧器喷口6的内部。合成气通道4的分支通道81数量为16-18个，并均匀布置在燃烧器喷口6的内部。合成气通道4出口处通道总面积为A1，燃烧器喷口6出口面积为A2，且满足，A1＝0.35-0.5A2。其他装置及方法与实施例1相同。
粗合成气分成多股和一次风煤粉气流从合成气通道4出口和燃烧器喷口6 中平行喷入炉膛内，且使粗合成气和一次风煤粉气流的质量比为(0.4-0.45)： 1。在喷入炉膛后，一次风煤粉气流中的氧迅速扩散进入粗合成气中，使含氧量小于0.5％的粗合成气氧量迅速升高，且由于粗合成气900-950℃的温度远高于其600-700℃的着火温度，在氧量升高之后迅速着火燃烧，并升温至 1300-1400℃。本实施方式中，粗合成气着火燃烧，形成多股火焰，依靠多股火焰产生的高温烟气，在内部对一次风煤粉气流进行多点加热，使其迅速升温至950℃以上并着火，着火距离缩小至0.4-0.5m。
应用实施例
现有技术中一台600MWe巴威型W火焰锅炉，燃用的是无烟煤和贫煤的混煤，其NOx排放量约为1300mg/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400万元。
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45％，其一年内约有 3.1万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215℃，造成热能的浪费。一年内热能损失约3000万元。
一台采用本发明所涉及的装置及方法的600MWe巴威型W火焰锅炉及造气量为80000Nm3/h的气化炉1，燃用的是无烟煤，该装置合成气通道4出口处角度为180°。FW型W火焰锅炉5飞灰可燃物含量为3％，相对于单独的600MWe 巴威型W火焰锅炉,飞灰可燃物含量降低幅度为73％，一年节省40850吨标准煤。粗合成气中灰的可燃物含量为3％，相对于单独的造气量为80000Nm3/h的气化炉1，降低幅度为93％。一年节省29150吨标准煤。按每吨标准煤700元计算，一年内节省燃煤费用约4900万元。且FW型W火焰锅炉5的NOx排放浓度为220mg/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8500万元。
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FW型W火焰锅炉装置，其特征在于，包括气化炉(1)、辐射废锅(2)、合成气通道(4)以及FW型W火焰锅炉(5)，所述FW型W火焰锅炉(5)包括燃烧器喷口(6)，所述气化炉(1)下部连接所述辐射废锅(2)，所述合成气通道(4)的入口端连接所述辐射废锅(2)的下部，所述合成气通道(4)的出口端连接所述燃烧器喷口(6)。
2.根据权利要求1所述的气化粗合成气与煤耦合燃烧的FW型W火焰锅炉装置，其特征在于，所述合成气通道(4)的出口端设置于所述燃烧器喷口(6)的内部，且所述合成气通道(4)的出口端与所述燃烧器喷口(6)同轴设置，所述合成气通道(4)的出口端的直径为R1，所述燃烧器喷口(6)的直径为R2，且满足R1＝(0.6-0.7)*R2。
3.根据权利要求1所述的气化粗合成气与煤耦合燃烧的FW型W火焰锅炉装置，其特征在于，所述合成气通道(4)的出口端设置于所述燃烧器喷口(6)的外部，且所述合成气通道(4)的出口端与所述燃烧器喷口(6)同轴设置，所述合成气通道(4)的出口端的直径为R3，所述燃烧器喷口(6)的直径为R4，且满足R3＝(1.2-1.4)*R4。
4.根据权利要求3所述的气化粗合成气与煤耦合燃烧的FW型W火焰锅炉装置，其特征在于，所述合成气通道(4)的出口端的外部设置有二次风喷口(7)，所述二次风喷口(7)的直径为R5，且满足R3＝(0.7-0.8)R5。
5.根据权利要求1所述的气化粗合成气与煤耦合燃烧的FW型W火焰锅炉装置，其特征在于，所述合成气通道(4)的出口端连接多个分支通道(81)，多个所述分支通道(81)设置于所述燃烧器喷口(6)的内部，多个所述分支通道(81)的总出口面积为A1，所述燃烧器喷口(6)的出口面积为A2，且满足A1＝(0.35-0.5)*A2。
6.根据权利要求5所述的气化粗合成气与煤耦合燃烧的FW型W火焰锅炉装置，其特征在于，还包括合成气分配箱(8)，所述合成气通道(4)的出口端与所述合成气分配箱(8)连接，所述合成气分配箱(8)上设置多个所述分支通道(81)。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的气化粗合成气与煤耦合燃烧的FW型W火焰锅炉装置，其特征在于，所述FW型W火焰锅炉(5)还包括炉膛、前炉拱(51)和后炉拱(52)，所述前炉拱(51)和所述后炉拱(52)将所述炉膛分为上炉膛(53)和下炉膛(54)，所述燃烧器喷口(6)设置于所述前炉拱(51)和所述后炉拱(52)上。
8.根据权利要求7所述的气化粗合成气与煤耦合燃烧的FW型W火焰锅炉装置，其特征在于，所述FW型W火焰锅炉(5)还包括油二次风喷口(55)、燃尽风喷口(56)、乏气喷口(57)和F层二次风喷口(58)，其中，所述油二次风喷口(55)设置于所述前炉拱(51)和所述后炉拱(52)上，所述燃尽风喷口(56)在所述上炉膛(53)的侧墙处沿所述炉膛宽度方向布置，所述乏气喷口(57)和所述F层二次风喷口(58)在所述下炉膛(54)的前墙(541)和后墙(542)侧沿所述炉膛宽度方向布置，且所述F层二次风喷口(58)布置在所述乏气喷口(57)的下方。
9.一种气化粗合成气与煤耦合燃烧的方法，其特征在于，基于如权利要求1-8任一项所述的气化粗合成气与煤耦合燃烧的FW型W火焰锅炉装置，包括：气化炉(1)产生的粗合成气经辐射废锅(2)进入合成气通道(4)，并经所述合成气通道(4)进入燃烧器喷口(6)，与经所述燃烧器喷口(6)进入的一次风煤粉气流平行喷入炉膛内。
10.根据权利要求9所述气化粗合成气与煤耦合燃烧的方法，其特征在于，所述粗合成气与所述一次风煤粉气流的质量比为为(0.4-0.45):1。
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