CN116025893A - 带有受热面的预热燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预热燃烧器，包括：两两相通的预热室、分离器和返料器，分离器具有分离腔室；燃料喷口，所述分离器的顶部出口与所述燃料喷口相通，其中：所述预热室、所述分离器以及所述返料器中的至少一个设置有受热面。

Description

带有受热面的预热燃烧器

技术领域

本发明的实施例涉及燃料预处理领域，尤其涉及一种带有受热面的预热燃烧器。

背景技术

目前广泛使用的低氮燃烧技术，主要有燃烧后脱除技术(如SNCR和SCR等)和燃烧中脱除技术(主要为分级燃烧技术)。但是，因为锅炉尾部需要安装SNCR和SCR联合脱硝装置，大幅度增加系统制造、安装成本和运行费用；此外，SNCR和SCR技术中，均需通过喷射大量的氨水来增加NOx还原反应，但存在氨逃逸现象，造成了大气的二次污染。

欲实现经济的超低排放甚至是近零排放，只有通过发展燃烧过程中的大幅度降低氮氧化物，才能从根本上解决问题。

预热燃烧器是对燃料预处理的一种装置，其是通过预热燃料在预热燃烧器内部分燃烧释放的热量加热固体燃料实现预热的，可以降低燃料氮。因此，预热燃烧器要具有足够的体积，以容纳高温气固混合物，同时为燃料氮的脱除提供充足的反应空间。如此，使得预热燃烧器的体积偏大、重量较高，制造成本较高，进而影响了预热燃烧器的规模放大和应用。

此外，已知的循环流化床预热燃烧器的预热过程，基于循环流化床的原理，但由于预热后的高温燃料中，除高温可燃烟气外，还含有大量半焦，预热燃烧器内循环的物料，则为大颗粒的床料和大颗粒的燃料。预热燃烧器内循环的物料，呈现出明显的“两元”特性，即物料粒径分布，预热后的高温固体燃料(主要为粒径较小的半焦)和预热器内部循环的物料(主要为粒径更大的半焦和床料)粒径上存在较大的差别，如图16所示。但现有技术中，分离器会将预热后的高温固体燃料(主要是粒径较小的半焦)也捕集下来，送回预热器内部循环，造成了能量的浪费，这是不希望看到的。

另外，现实中有在燃料预处理中进一步降低燃料氮的需要。

发明内容

为缓解或解决上述问题中的至少一个方面或者至少一点，提出本发明。

根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种预热燃烧器，包括：

两两相通的预热室、分离器和返料器，分离器具有分离腔室；

燃料喷口，所述分离器的顶部出口与所述燃料喷口相通，

其中：

所述预热室、所述分离器以及所述返料器中的至少一个设置有受热面。

附图说明

图1为根据本发明的一个示例性实施例的预热装置的示意图；

图2为图1中的预热装置的俯视图；

图3为示例性示出不同耦合深度下的返料器形式；

图4为根据本发明的另一个示例性实施例的预热装置的示意图，其中分离器的锥段偏心布置；

图5为图4中的预热装置的俯视图；

图6为根据本发明的另一个示例性实施例的预热装置的示意图，其中分离器的锥段偏心布置；

图7为图6中的预热装置的俯视图；

图8为根据本发明的一个示例性实施例的预热装置的示意图，其中示出了三级配风方式；

图9为图8中的预热装置的另一视角的示意图；

图10为根据本发明的一个示例性实施例的预热装置的俯视示意图；

图11为根据本发明的一个示例性实施例的预热装置的示意图；

图12为图11中的预热装置的俯视图；

图13为根据本发明的一个示例性实施例的预热装置的示意图；

图14为图13中的预热装置的俯视图；

图15为示例性说明预热装置中燃料的预热过程的示意图；

图16为“两元”物料粒径示意图；

图17为根据本发明的一个示例性实施例的煤粉锅炉的示意性主视图。

图1-15中有关预热装置和预热过程的附图标记说明：

预热室10，燃料入口11，预热风入口12，布风装置121，分级配风装置13(各级分级配风口131、132、133)；

分离器20，分离器筒段21，锥段22，顶板23，中心筒24，下料管25；

返料器30；

燃料C，预热风A，高温燃料H；

耦合深度d；

旋风分离器筒段半径r；

分离腔室最大宽度D；

方筒预热室宽度W，方筒预热室长度L，圆筒预热室横截面半径R；

连接通道P，连接壁S。

图17中的附图标记说明：

粉仓1，给料机2，送粉管3，流化风管4，流化风风室5，流化风风帽6，提升管7，旋风分离器8，立管9，返料器10，预热燃料喷口11，二次风喷口12，炉膛13，三次风喷口14。

具体实施方式

下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。在附图中，相同的附图标记表示相同或者相似的部件。

本发明提出了一种预热装置，包括两两连通的预热室、分离器、返料器，预热室与分离器的部分侧壁共用，即存在共用侧壁。或者，分离器的部分侧壁同时也构成预热室的侧壁。如后面提及的，分离器可以例如为现有的形状保持不变，而预热室上部则相对于例如圆形横截面的现有设计存在变化，即存在形状与分离器外形相匹配的壁部分，该壁部分例如在横截面中为呈向预热室凹入的弧形。

下面参照附图1-16具体说明本发明的技术方案。

如图1、图2所示，预热装置包括两两相联通的预热室10、分离器20和返料器30，其中分离器20和预热室10相耦合。

预热室10为燃料提供预热的空间，在预热室10上，设置有：燃料入口11，设置在预热室10的下部或底部，适于将燃料C通入预热室；预热风入口12，设置在预热室10的底部，适于将预热风A通入预热室，预热风A将用于流化预热室10内的固体物料，同时提供燃料部分燃烧所需要的氧气。与预热风入口相配合的，预热室10底部设置有布风装置121，用于将预热风A均匀通入预热室10内。

分离器20为旋风分离器，包括筒段21、锥段22和顶板23，分离器20的上部与预热室10上部相通，适于将在预热室中预热后的高温燃料分离；顶板上设置有中心筒24，经过预热后达到要求的高温燃料H从中心筒24离开预热装置；锥段下部设置有下料管25，经过分离器捕集下来的高温固体燃料和床料进入下料管25中。筒段21对应于分离器的分离腔室。

返料器30与分离器20下部的下料管25和预热室10下部相连通，适于将下料管25中的高温固体燃料和床料返回至预热室10。

部分燃烧实现燃料自预热的方法中，被预热后的高温燃料中除高温气体燃料外，还存在高温固体燃料，即半焦，而在预热装置内部循环的物料，则为粒径更大的高温半焦和床料，固体物料，存在明显的“两元”分布特性，如图16所示。因此，在一般的循环流化床中，由于需要较高的分离效率，旋风分离器入口段需要有足够长的距离，以使固体颗粒在气体的曳力作用下被加速到气体速度的70％及以上，从而保证旋风分离器的分离效果。而在本发明中，针对“两元”物料的特殊性，形成的高温燃料中，必须含有一定的半焦(其粒径相对于预热器内循环的物料更小)。基于以上的原理，在旋风分离器入口段，可不单独设置分离器进口段，而是在分离器20的筒段上方直接开口，利用分离器筒段的壁面厚度为气体曳力提供加速固体物料的时间和空间。该开口直接形成的通道，与筒段圆周方向大致相切。另外，预热室上部截面较下部截面小，为进入分离器的物料提供了一个预加速环节。

在图2中，预热室的出口与分离腔室的入口之间设置有连通通道P，所述连通通道P包括与预热室壁面以及分离腔室壁面均相切连接的连接壁S。

在本发明中，分离器和预热室的耦合是指：分离器20向预热室10内部空间凹陷，即共用侧壁呈向预热室凹入的形状，使预热室10上部空间受到挤压，使预热室10的上部空间横截面由预热室10的一部分壁面和分离器20的一部分壁面共同围合而成。

分离器可以采用现有设计中的外部形状和内部空间，保持上筒或筒段、下锥或锥段结构与现有技术一致。不过，分离器也可以基于实际需要而做出改变，如图4和图6所示的示例。

定义耦合深度d为分离器向预热室内凹入的深度，耦合深度d越大，则预热室10内的上部空间横截面相对于中下部空间的横截面越小。在旋风分离器的筒段为圆筒状的情况下，耦合深度满足小于旋风分离器的直径2r，即d≤2r。换言之，如图2所示，共用侧壁与预热室下部的位于分离器一侧的侧壁(图2中的以虚线表示的预热室边界)两者之间的横向最大距离为耦合深度d，所述耦合深度d不大于所述分离腔室的最大宽度D。在筒段为圆筒状的情况下，分离腔室的最大宽度D为图2中的直径2r。在本发明中，分离腔室的最大宽度D表示在耦合方向上，分离腔室的最大宽度。

分离器20与预热室10耦合，分离器20和预热室10的空间通过共用壁面隔开，分离器壁面的形状保持为部分圆筒形状与部分锥筒形状，因此，在图1的实施例中，该共用壁面可理解为预热室10和分离器20两者的相贯线在分离器20上切割出的壁面，包含分离器20筒段的一部分和锥段的一部分。

在一种可选的实施例中，分离器20的锥段中心与分离器20筒段中轴线大致在同一竖直直线上，即在分离器20的俯视图中，下降管和分离器20筒段大致同心圆布置。这样，返料器布置在预热室10的内部或外部，取决于分离器的耦合深度d与分离器筒段半径和下降管直径之间的关系。

返料器的具体设置依据分离器20和预热室10的耦合深度具体设定，如图3所示。图3中的(a)为耦合深度小于r时的返料器形式，此时，由于耦合深度较小，下降管25布置在预热室10之外，返料器为完整的U形返料器结构，即包括下降段31、上升段32和返料段33；图3中的(b)为耦合深度为r时的返料器形式，此时，下降管25一部分布置在预热室10之外，一部分布置在预热室10之内，返料器为U形返料器，此时，包括下降段31和上升段32，分离器捕集的物料从下降管25，经返料器的下降段31、上升段32后，直接进入到预热室10内；图3中的(c)为r<d<2r时的返料器形式，此时，下降管25全部布置在预热室10内，返料器为U形返料器。

在另一种可选的实施例中，分离器20的锥段偏心布置，即在分离器20的俯视图中，锥段的顶点与筒段的中心不重合，如图4和6所示。采用该技术方案，一方面不会对分离器的分离效率产生较大影响，另一方面，有利于优化预热装置整体的结构布置，进一步减少预热装置体积。进一步可选的，在分离器20的俯视图中，锥段的顶点与筒段的壁面重合。进一步的，锥段顶点靠近分离器20和预热室10共用壁面设置在筒段下方，下降管和返料器将布置在预热室10内部；或者进一步的，锥段顶点靠近共用壁面相对一侧设置在分离器的筒段的下方，例如设置在共用壁面相对一侧的分离器筒段的正下方。

更进一步的，在一种实施例中，可将锥段的顶点布置在分离器和预热室筒段共用壁面的正下方，即在俯视图中，下料管紧贴分离器和预热室筒段共用壁面，如图4、图5所示。在该实施例中，返料器布置在预热室内部，以便进一步减小预热装置的体积，且不必在下料管和返料器上布置保温材料，减少了设备制造的成本。

或者在另一种实施例中，可将锥段的顶点布置在与分离器和预热室筒段共用壁面正对的分离器筒段壁面的正下方，即在俯视图中，下料管紧贴远离预热室一侧的分离器壁面，如图6、图7所示。在该实施例中，返料器布置在预热室外部，这种布置结构，将返料器放在外部，便于在运行阶段对返料器进行维护等。

在可选的实施例中，该共用壁面两侧均为高温、高物料浓度的气固混合物，即一侧为预热室10内的高温气固混合物，一侧为分离器20内的旋转固体物料。在制造时，该共用壁面采用水冷或汽冷形式，并分别在两侧敷设耐火耐磨材料，该技术方案同时可防止分离器20和预热室10的共用壁面超温，进一步降低预热装置的重量。可选的，由于该共用壁面为非平面形状，且存在一部分锥形面，在布置水冷或汽冷管时，可以采用局部跳管或并管等形式，为现有技术手段，因此不赘述。需要指出的是，在本发明中，所述预热室和/或所述分离器可设置有受热面，另外，不限于共用壁面采用水冷或汽冷形式，预热室和/或分离器的侧壁的至少一部分可以为水冷或汽冷形式。

为强化预热的效果、优化预热室内的流场，进一步降低NO_x的生成水平，预热室10除底部通入预热风A外，还可沿预热室高度方向设置分级配风口13(可包括各级分级配风口131、132、133等)，将预热风A中的一部分从预热室的侧壁通入预热室10内，预热室10下部侧切，以适应分级配风的预热风组织方式，如图8、图9所示。分级配风口13与预热室下部侧切面不在同一壁面上。

在可选的实施例中，预热装置可以由原横截面为圆筒状的预热室(称为圆筒预热室)和旋风分离器耦合而成，耦合后形成的预热装置横截面大致沿预热室10和分离器20的圆心连线的延长线所在的竖直平面呈镜像对称，如图1、图2所示。预热室10的主体为圆柱体，可选的，该圆柱体的直径不小于分离器的直径。分离器20的一部分筒段和锥段壁面向圆筒预热室10内部凹陷，分离器20和预热室10的壁面相贯，预热室10内部形成了上部横截面积小于下部的预热空间。

在如图1、图2所示的实施例中，预热室10和分离器20之间设置有连接通道，其一侧为布置在预热室和分离器之外的管道壁面，另一侧为预热室内部空间，该连通管道可与预热室10和分离器20的桶状壁面相切，其使预热室10和分离器20的空间相连通。分离器入口处设置在该相切通道与分离器20的相贯线处，为分离器20壁面的开口，其方向与分离器内筒大致相切。需要指出的是，虽然在预热室10和分离器20之间设置了“连接通道”，但由于该连接通道与预热室10之间为开放空间，其对于气流的加速作用有限，因此与现有技术中的旋风分离器入口加速段存在区别。

在可选的实施例中，预热装置还可以由原横截面为矩形的预热室(称为方筒预热室)和旋风分离器耦合而成。如图10所示，预热室10的主体为矩形横截面的直四棱柱，其中直四棱柱的一个侧面与旋风分离器耦合，定义该侧面的矩形截面边长为预热室宽度W，定义另一条边长为预热室长度L(当预热室为圆形预热室时，W＝L＝2R，其中R为圆筒预热室横截面的半径)，则预热室宽度满足W≥2r(r为旋风分离器筒段半径)。预热室10与分离器20耦合的侧面由于耦合而形成凹陷，凹陷部分边缘为预热室10和分离器20的相贯线，凹陷的形状与分离器20相配合。方筒预热室上方，沿方筒预热室壁面与分离器20相贯处设置分离器20进口，该进口大致与分离器20筒段内壁相切布置，利用分离器壁面厚度，实现固体物料加速。

本发明还可以采用以下的实施例，如图11、图12所示，将分离器加工成正四棱柱和正四棱锥组合而成的上部为四棱柱空间、下部为上宽下窄的正四棱锥空间的分离器，预热室10为方筒预热室。采用四棱柱和四棱锥形式的分离器，便于布置预热室10和分离器20的共用壁面，尤其对于采用水冷或汽冷形式的共用壁面，该实施例便于实现水冷或汽冷管路的布置。由于分离器内部敷设耐磨材料，如需要进一步优化分离器的分离效果，可利用内部敷设的耐磨材料将分离器内部加工成相对平滑的圆筒状空间。也可以通过在“方形分离器”设置切角，从而提高分离器的分离性能。与图1、图2和图10所示的两种实施例类似，本实施例中，旋风分离器入口加速段同样利用分离器20壁面厚度实现，此处不再赘述。

更进一步的，可将分离器加工成由N棱柱和与之相匹配的N棱锥组合而成的上部为柱状空间、下部为上宽下窄的锥形空间的分离器(N为大于等于4的正整数)。优选的，为保证分离器的对称性和分离效率，可将所述N棱柱和N棱柱选定为正N棱柱和正N棱锥。图13、图14是以N取8时的预热装置为例。

如图10、12和14所示，预热室的共用侧壁之外的侧壁包括与分离腔室的共用侧壁之外的侧壁相切或者共面的部分。更具体的，在图10中的标示L的壁与分离腔室的侧壁相切，在图12中，标示L所对应的侧壁的一部分与分离腔室的侧壁共面，在图14中，预热室的侧壁(图14中的上下两侧)的一部分与分离腔室的八边形中的对应侧壁(图14中的正八边形的上边与下边)共面。

虽然没有示出，例如，在图12中，预热室的截面可以是大矩形、而分离腔室的截面可以是小矩形。如此，在预热装置的俯视图中，预热室与分离腔室的共用侧壁为所述预热室的一个侧壁的一部分。图10和14中所示的实施例也可以变更为共用侧壁仅为预热室的侧壁的一部分。这些均在本发明的保护范围之内。

在图10、12和14所示的示例中，分离腔室的入口可以开口于预热室，分离腔室的入口构成预热室的出口。如此，相较于现有技术，省却了布置在预热室出口与分离腔室入口之间的连接通道。这可以进一步减小分离器入口的连接通道的距离，从而减少该连接通道的加速作用，进一步有利于降低烟气中的粒径较小的半焦颗粒的速度，从而有利于其离开预热装置。

类似的，预热室10也可以采用正棱柱的形式，与同样采用正棱柱或圆筒状旋风分离器的分离器20相耦合，同样在本发明保护的范围之内。

基于图1-15所示的本发明的技术方案，至少可以获得如下是技术效果之一：

1、本发明利用最小周界原理，将分离器和预热室耦合在一起，使得预热装置的总体积减小，总的内外表面积减小，节约成本，利于工程放大；

2、采用水冷结构，降低材料的使用，减少预热装置的重量和体积；

3、由于预热室和分离器相耦合，形成的上窄下宽的预热室结构能容纳更多的床料，预热装置的热容量更大，因此运行更加稳定；

4、通过将分离器与预热室耦合在一起，可以减小分离器入口的连接通道的距离，从而减少该连接通道的加速作用，这有利于降低烟气中的粒径较小的半焦颗粒的速度，从而有利于其离开预热装置。

下面示例性描述应用本发明所述的预热装置的燃料预热过程。

如图15所示，在本发明的一个实施例中，两两相连通的预热室10、分离器20和返料器30构成一个循环回路，从预热室10的燃料入口11加入预热室的燃料C在预热室10内与预热风A等混合。基于燃料C的量控制预热风A，使燃料C在预热室10内部分燃烧/气化，放出热量实现自预热。燃料C在预热室10内发生部分燃烧/气化反应，释放热量，生成高温煤气和高温煤焦的混合物(即高温气固混合物)，预热室10内为强还原气氛。高温气固混合物从预热室10的上部进入分离器20，其中颗粒较大的煤焦被分离器20捕集下来，进入下料管25，随后通过返料器30返回至预热室10内，维持预热室内床层温度的稳定同时继续参与预热过程；另一部分没有被分离器捕集的颗粒较小的煤焦则随着高温煤气一同从分离器20顶部的中心筒24离开预热装置，该部分煤焦和高温煤气一同组成高温燃料H。燃料C加入预热装置和高温燃料H离开预热装置达到动态平衡，至此，说明了本发明的预热装置的具体工作过程。

由于预热装置利用循环流化床的原理，物料循环的建立需要依赖重力作用，因此在运行时需要竖直放置。因此本发明中所说的竖直方向，与该预热装置的预热室10和分离器20轴线为同一方向。

本发明的预热装置可以作为预热燃烧器的组成部分，或者直接向燃料系统中的炉膛提供燃料。

基于图1-16所示以及以上参照附图1-16的描述，本发明提出了如下技术方案：

1、一种预热装置，包括：

两两相通的预热室、分离器和返料器，分离器具有分离腔室，

其中：

所述预热室的侧壁与所述分离器的侧壁存在共用部分，即共用侧壁；或者

在所述预热装置的俯视图中，所述预热室的下部预热腔室与所述分离腔室存在重叠。

2、根据1所述的预热装置，其中：

共用侧壁呈向预热室凹入的形状，使得预热室的上部的横截面的面积小于预热室的下部的横截面的面积。

3、根据2所述的预热装置，其中：

所述预热室的横截面为圆形的一部分或正多边形，所述分离腔室的横截面为圆形或正多边形，所述正多边形为边数不小于4的多边形。

4、根据3所述的预热装置，其中：

所述预热室的共用侧壁之外的侧壁包括与分离腔室的共用侧壁之外的侧壁相切或者共面的部分；或

在预热装置的俯视图中，所述共用侧壁为所述预热室的一个侧壁的一部分。

5、根据1所述的预热装置，其中：

所述预热室与所述分离腔室的横截面关于所述分离腔室的竖向中心线与所述预热室的竖向中心线所限定的竖直平面呈镜像对称。

6、根据1-5中任一项所述的预热装置，其中：

所述分离腔室的入口开口于预热室，分离腔室的入口构成预热室的出口。

7、根据6所述的预热装置，其中：

所述分离腔室入口与分离腔室的内壁相切布置。

8、根据1所述的预热装置，其中：

所述预热室上部的横截面为圆形的一部分，所述分离腔室的横截面为圆形；且

所述预热室的出口与分离腔室的入口之间设置有连通通道，所述连通通道包括与预热室壁面以及分离腔室壁面均相切连接的连接壁。

9、根据2-8中任一项所述的预热装置，其中：

所述分离器包括限定分离腔室的旋风分离筒，在分离筒下端与分离筒相接的锥段，以及在锥段下端与锥段相接的下降管，所述下降管的下端与所述返料器的入口相接。

10、根据9所述的预热装置，其中：

所述预热室的侧壁与所述分离器的分离筒的侧壁存在共用部分，以及锥段侧壁在锥段的高度上存在共用部分。

11、根据10所述的预热装置，其中：

返料器具有由下降段与上升段形成的U形通道，下降管与下降段位于预热室外，且上升段位于预热室内。

12、根据11所述的预热装置，其中：

下料管和预热室共用壁面。

13、根据10所述的预热装置，其中：

返料器具有由下降段与上升段形成的U形通道，下降管、下降段与上升段均位于预热室内。

14、根据13所述的预热装置，其中：

所述锥段为偏心布置锥段，且所述分离筒、锥段与下降管具有在预热装置的竖直方向上的共线部分。

15、根据10所述的预热装置，其中：

预热室设置有返料口，返料器、下降管均位于预热室外，返料器出口与返料口相通。

16、根据15所述的预热装置，其中：

所述锥段为偏心布置锥段，且所述分离筒、锥段与下降管具有在预热装置的竖直方向上的共线部分。

17、根据9所述的预热装置，其中：

所述共用侧壁与预热室下部的位于所述分离器一侧的侧壁两者之间的横向最大距离为耦合深度d，所述耦合深度d不大于所述分离腔室的最大宽度D。

18、根据17所述的预热装置，其中：

所述耦合深度d小于最大宽度D的二分之一，即，d＜D/2，且预热室设置有返料口，返料器、下降管均位于预热室外，返料器出口与返料口相通；或者

所述耦合深度d等于最大宽度D的二分之一，即，d＝D/2，且，返料器具有由下降段与上升段形成的U形通道，下降管与下降段位于预热室外，上升段位于预热室内；或者

所述耦合深度d大于最大宽度D的二分之一且小于最大宽度D，即，D/2＜d＜D，且，返料器具有由下降段与上升段形成的U形通道，下降管、下降段与上升段均位于预热室内。

19、根据1所述的预热装置，其中：

所述预热室下部具有向内倾斜壁面，且所述预热室下部设置有分级配风口；

所述分级配风口所在的壁面与所述向内倾斜壁面不同面。

20、根据1-19中任一项所述的预热装置，其中：

所述预热室和/或所述分离器设置有受热面。

21、根据20所述的预热装置，其中：

所述预热室的侧壁和/或所述分离器的侧壁的至少一部分为水冷壁或汽冷壁。

22、根据21所述的预热装置，其中：

共用侧壁为水冷壁或汽冷壁。

23、根据21所述的预热装置，其中：

所述水冷壁或汽冷壁的外部敷设有耐火耐磨材料。

24、一种预热燃烧器，包括：

根据1-23中任一项所述的预热装置；和

燃料喷口，所述预热装置中的分离器的气体出口与所述燃料喷口相通。

25、一种燃烧系统，包括：

炉膛；和

根据1-23中任一项所述的预热装置，所述预热装置的分离器的气体出口与所述炉膛相通，以向炉膛内供应燃料，或者根据24所述的预热燃烧器。

图17示出了本发明的一种示例性实施例的煤粉锅炉的示意性主视图。

如图17所示，根据本发明实施例的煤粉锅炉包括：粉仓1、给料机2、送粉管3、流化风管4、流化风风室5、流化风风帽6、提升管7、旋风分离器8、立管9、返料器10、预热燃料喷口11、二次风喷口12、炉膛13和三次风喷口14。

提升管7、旋风分离器8、立管9和返料器10组合成循环流化床预热燃烧器，具有预热煤粉功能，煤粉在循环流化床预热燃烧器预热后，转化为高温煤气和部分未气化的高温固体燃料，高温煤气和部分未气化的高温固体燃料称为预热燃料，预热燃料温度在800-1000℃之间，预热燃料由预热燃料喷口11喷入炉膛13内。预热过程实际为气化/部分气化反应过程。

还需要指出的是，图17中示出的向提升管7提供煤粉仅仅是示例性的，并不限于该实施例，只要是能够将煤粉送入到提升管内的装置均可。

还需要指出的是，对于流化风的给风装置，除了图17中示出的设置在提升管7底部的流化风风室5、流化风风帽6以及布风板的示例外，也可以直接采用布风管与风帽的形式，只要能够为提升管7提供流化风即可。不过，如本领域技术人员能够理解的，在需要控制提升管乃至循环流化床预热燃烧器内的过量空气系数的情况下，流化风的供给风量需要得到控制。

为强化循环流化床预热燃烧器的预热(气化)效果，提升管7可设置成水冷壁结构，旋风分离器8可设成空冷旋风分离器或汽冷旋风分离器，返料器10内可设置成外置床形式，即在返料器外置床内设置水冷受热面。

二次风喷口12可环绕在预热燃料喷口11外围，二次风喷口与预热燃料喷口组成同心圆，二次风喷口12可为一个环形通道，且环形通道内可设置旋流叶片，也可为环形布置的多个单管通道。二次风喷口还可布置在炉膛底部，采用风帽供风形式或风管供风形式。

下面描述图17所示实施例的工作原理。

循环流化床的提升管、旋风分离器和返料器内设置受热面，增大循环流化床吸热量，即在维持合理的预热燃烧器运行温度下，可加大煤炭与氧气的反应量，由于预热燃烧器内为强还原性气氛，更多的煤氮被析出到气态并在还原性气氛下转化为氮气。

因循环流化床为预热器，在循环流化床内，煤粉燃烧的过剩空气系数远远小于1.0，循环流化床处于整体还原性气氛，煤中的碳转化后主要生成CO、CO₂和CH₄等气体，少部分未转化的碳残留在固体燃料中，循环流化床预热过程中通过提高气化强度增加了碳的转化，同时，提高气化强度也大幅度提高了煤中氮向气态物质的转化。

因循环流化床预热燃烧器内存在大量的CO、CH₄等还原性气体，煤中析出的氮易于向N₂转化，即循环流化床气化器或预热器相当于煤氮脱除器，煤氮脱除率可达到70％以上。

煤氮脱除后的预热燃料喷入炉膛后，结合分级配风和温度控制，可进一步抑制预热燃料的氮向NOx转化过程，综合循环流化床预热燃烧器和煤粉炉，即煤粉先在循环流化床预热燃烧器内充分气化(预热)后、再送入煤粉炉燃烧的方法，可大幅度降低煤粉燃烧的NOx排放水平，甚至可直接实现煤粉燃烧的超低排放。

此外，为深度减少NOx排放，循环流化床预热燃烧器内和煤粉炉内可通过喷入催化剂方式(如喷入石灰石粉等)强化NO与CO等还原气体的反应速率。

下面具体描述根据图17的实施例的一个具体示例。

循环流化床预热燃烧器的提升管内铺设床料，床料类型为石英砂或河砂，料层厚度为400-800mm，床料粒径为0-2mm。

打开系统引风、一次风、流化风、返料风、送粉风、二次风和三次风，启动循环流化床点火器，待循环流化床温度稳定在800℃左右时，启动粉仓1下的给料机2，煤粉在一次风的作用下经送粉管3喷入提升管7内。

控制循环流化床内空气过剩系数为0.3-0.8之间，例如0.3、0.32、0.35、0.4、0.5、0.7或者0.8，循环流化床预热燃烧器温度为800-1000℃之间，例如800℃、900℃或者1000℃，煤粉在循环流化床内具有较高的气化(预热)强度，碳转化率在70％以上。

循环流化床的流化风可为空气，或空气与蒸汽的混合气体，或空气、烟气与蒸汽的混合气体。流化风内含有蒸汽时，可促进煤粉的气化(预热)，提高还原气体产量，有利于煤氮析出后向氮气的还原。

运行过程中，也可向循环流化床内添加少量石灰石，促进氮氧化物的还原。

煤粉在循环流化床内进行了氮的提前脱除，少部分氮在煤气中的表现形式为HCN/NH₃和高温焦炭氮，预热燃料喷入炉膛与二次风相遇燃烧后，炉内通过分级配风，进一步抑制HCN/NH₃和高温焦炭氮向NOx的转化，同时采用炉内喷入石灰石方式，促进NOx的还原。

煤粉炉三次风喷口以下过量空气系数为0.85-0.95之间，如为0.85、0.90或0.95，三次风喷口以上过量空气系数为1.15-1.35之间，如为1.15、1.20或1.35。预热燃料在炉膛内燃烧温度控制在1000-1250℃之间，例如为1000℃、1100℃或者1250℃，有效避免热力型氮氧化物的生成。

结合循环流化床预热燃烧器、煤粉炉分级燃烧和炉膛温度综合控制技术，可大幅度降低煤粉燃烧NOx排放水平，设置直接实现煤粉工业锅炉NOx超低排放。

在图17所示结构的示例性实施例中，结合预热燃烧器和预热燃料分级燃烧工艺，可大幅度在预热燃烧器内完成煤氮的预脱除，煤粉燃烧的NOx原始排放有望直接达到超低水平，减少了锅炉制造、安装成本和运行费用，减弱了二次污染。

在图17所示结构的示例性实施例中，循环流化床预热燃烧器采用水冷壁形式，结构紧凑、重量轻，便于循环流化床预热燃烧器和锅炉的直接安装。

在图17所示结构的示例性实施例中，循环流化床预热燃烧器引入了促进气化转化的水蒸气气化剂，这强化了颗粒改性效果，提升了预热燃料的质量，使得进入炉膛内的残炭和气化气体能够稳定高效燃烧。

基于图17所示以及以上参照附图17的描述，本发明提出了如下技术方案：

1、一种煤粉锅炉，包括：

炉膛；

预热燃烧器，适于将煤粉预热，形成预热燃料；和

至少一个预热燃料喷口，

其中：

所述预热燃料喷口与预热燃烧器的出口相通，且所述预热燃料喷口适于将预热燃料通入炉膛内。

2、根据1所述的锅炉，其中：

所述预热燃烧器包括循环流化床预热燃烧器，所述循环流化床预热燃烧器包括：

提升管，燃料在提升管内预热；

旋风分离器，来自提升管的预热燃料流体进入旋风分离器；以及

返料器，返料器的一端与旋风分离器下端相通，另一端与提升管的下部相通；

所述预热燃料喷口与旋风分离器的上部出口相通。

3、根据2所述的锅炉，还包括：

二次风喷口，用于向炉膛内通入二次风。

4、根据3所述的锅炉，其中：

二次风喷口围绕所述预热燃料喷口设置；或者

二次风喷口设置于炉膛底部。

5、根据3所述的锅炉，其中：

二次风喷口围绕所述预热燃料喷口设置，且同轴地环绕在预热燃料喷口外侧。

6、根据2所述的锅炉，还包括：

三次风喷口，设置于炉膛中上部或者上部，用于向炉膛内通入三次风。

7、根据6所述的锅炉，其中：

三次风喷口下方的炉膛内过量空气系数为0.85-0.95之间。

8、根据6所述的锅炉，其中：

三次风喷口上方的炉膛内过量空气系数为1.15-1.35之间。

9、根据2所述的锅炉，还包括：

送粉管，用于将来自煤粉仓的煤粉输送到提升管内，进入到提升管内的煤粉在提升管内流化。

10、根据2-9中任一项所述的锅炉，其中：

提升管、旋风分离器和返料器三者中至少一个设置有受热面。

11、根据10所述的锅炉，其中：

提升管受热面为水冷壁结构。

12、根据2所述的锅炉，其中：

通入所述提升管内的流化气体为空气或者空气与烟气的混合气。

13、根据2所述的锅炉，其中：

通入所述提升管内的流化气体为空气与蒸汽的混合气或者空气、烟气与蒸汽的混合气。

14、一种煤粉锅炉的控制方法，包括步骤：

利用预热燃烧器将煤粉预热，形成预热燃料；和

将来自预热燃烧器的预热燃料送入炉膛。

15、根据14所述的方法，其中：

利用循环流化床预热燃烧器将煤粉预热，所述循环流化床预热燃烧器包括提升管、旋风分离器和返料器；且

将来自循环流化床预热燃烧器的预热燃料送入炉膛。

16、根据15所述的方法，包括步骤：

将煤粉仓中的煤粉送入提升管中，煤粉适于在提升管中预热。

17、根据15或16所述的方法，包括步骤:

控制所述循环流化床预热燃烧器内空气过剩系数为0.3-0.8之间。

18、根据17所述的方法，包括步骤：

控制所述循环流化床预热燃烧器内温度为800-1000℃之间。

19、根据17所述的方法，包括步骤：

向循环流化床预热燃烧器和/或炉膛内通入催化剂，所述催化剂用于促进氮氧化物的还原。

20、根据17所述的方法，其中：

所述炉膛设置有三次风喷口；

所述方法包括步骤：向炉膛内通入二次风，且控制二次风的风量使得处于三次风喷口下方的炉膛内过量空气系数为0.85-0.95之间。

21、根据17所述的方法，其中：

所述炉膛设置有三次风喷口；

所述方法包括步骤：向炉膛内通入三次风，且控制三次风的风量使得处于三次风喷口上方的炉膛内过量空气系数为1.15-1.35之间。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化、要素组合，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种预热燃烧器，包括：

两两相通的预热室、分离器和返料器，分离器具有分离腔室；

燃料喷口，所述分离器的顶部出口与所述燃料喷口相通，

其中：

所述预热室、所述分离器以及所述返料器中的至少一个设置有受热面。

2.根据权利要求1所述的预热燃烧器，其中：

所述预热室和/或所述分离器的至少一部分为水冷壁或汽冷壁。

3.根据权利要求2所述的预热燃烧器，其中：

所述水冷壁或汽冷壁的外部敷设有耐火耐磨材料。

4.根据权利要求1所述的预热燃烧器，其中：

所述预热室的侧壁与所述分离器的侧壁存在共用部分，即共用侧壁；

所述共用侧壁为水冷壁或汽冷壁。

5.根据权利要求4所述的预热燃烧器，其中：

所述共用侧壁呈向预热室凹入的形状，使得预热室的上部的横截面的面积小于预热室的下部的横截面的面积。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的预热燃烧器，其中：

所述预热室的横截面为圆形的一部分或正多边形，所述分离腔室的横截面为圆形或正多边形，所述正多边形为边数不小于4的多边形。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的预热燃烧器，其中：

所述预热室上部的横截面为圆形的一部分，所述分离腔室的横截面为圆形；且

所述预热室的出口与分离腔室的入口之间设置有连通通道，所述连通通道包括与预热室壁面以及分离腔室壁面均相切连接的连接壁。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的预热燃烧器，其中：

所述分离器包括限定分离腔室的旋风分离筒，在分离筒下端与分离筒相接的锥段，以及在锥段下端与锥段相接的下降管，所述下降管的下端与所述返料器的入口相接。

9.根据权利要求8所述的预热燃烧器，其中：

所述预热室的侧壁与所述分离器的分离筒的侧壁存在共用部分，以及

锥段侧壁在锥段的高度上存在共用部分。

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