CN116481020A - 一种包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置，披露了在循环流化床锅炉(1)中实现秸秆清洁燃烧和CO低排放的工艺工程方法。为此本发明提出了一种包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置(8)，在该装置中，由于烟气涡流燃烧室内半径小从而产生大的离心力作用。烟气中未燃烧燃料碳颗粒在具有小内半径的烟气涡流燃烧室(12)的内壁上破碎并迅速而完全地燃烧。因此本发明特别适用于循环流化床炉型或移动炉排炉型的松散秸秆的完全清洁燃烧。
Description
技术领域
本发明属于生物质燃料燃烧装置，具体来说，是一种包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置。
背景技术
在移动炉排等炉型锅炉中的松散秸秆燃烧过程中，特别是在生物质电厂燃烧秸秆的流化床锅炉中，大量的颗粒物会被旋起。这些颗粒物包括矿物杂质、未完全燃烧或未充分气化的含碳颗粒物，这些含碳颗粒物主要是长碳链纤维素的残留物。这些含碳颗粒物往往是相对柔软、多孔和低密度。
这会导致这些含碳颗粒物的导热性降低，气化需要的时间更长。而这些含碳颗粒物在循环流化床等锅炉内高温区存留时间短因而无法达到这些含碳颗粒物完全气化燃烧所需要的时间。由于循环流化床炉型最初是为燃煤而开发，而旋起的煤颗粒具有相对较高的强度和密度，因此它们通过离心式颗粒物分离器充分有效地从气流中分离出来并返回到流化床中。
然而在利用流化床等炉型燃烧秸秆时，几乎只有重的、含矿物等成分的大颗粒物能够在离心式颗粒物分离器中得到有效分离。而那些较轻、多孔的含碳颗粒物则更多会随烟气上行到换热面并且继续释放出CO，然而随烟气温度下降，这些后释放的CO无法完全充分燃烧，由此导致CO排放值欠佳。
为减少对烟气排放值影响，可以将这些未充分燃烧的CO等在例如根据CN201811060841.6的一个或多个串联的涡流后燃烧装置中进行进一步燃烧。但因在流化床等燃烧设备中旋起的含碳颗粒物的颗粒大、数量多，以至于利用以上已知的涡流后燃烧装置等无法确保所有的CO等完全燃烧，对于较大的含碳颗粒物来说则会更加困难。
垃圾等焚烧时热烟气中存在的包括CO在内的未燃烬碳使热烟气中二噁英的再聚合成为可能，而秸秆燃料中因同样含有氯离子，因此秸秆热能利用过程中同样会面临类似垃圾等焚烧热利用时二噁英再聚合的困扰。
因为离心式颗粒物分离器只能在有限范围内分离含矿物质的、或者质量比较大的颗粒物，无法分离的未充分燃烧的、不含矿物质和较小的含碳颗粒物则会下行并损害下游的换热面等。即便是采用多个离心式颗粒物分离器也无法保证完全分离烟气中的颗粒物，尤其是无法保证完全分离未充分燃烧的含碳颗粒物，并且还会因为增加引风机等电力消耗而在运行成本上得不偿失。
发明内容
本发明的目的是通过包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置，仅通过机械作用力而不是依靠增加机械动力装置即可将烟气中旋飞的未燃烬含碳颗粒物等破碎，让旋飞后的未燃烬含碳颗粒物的燃烧强度大大增强并在更短时间内实现充分燃烬，并且在几乎不增加风机功耗的情况下使得尾部烟气中含矿物质等的粉尘颗粒物等的排放得到有效控制。
本发明的方法是，让含有很多未充分燃烬含碳颗粒物的烟气流经一个以上的、相互靠近和平行排列的烟气涡流燃烧室，这个包含一个以上烟气涡流燃烧室的后燃烧装置还包含一个更大容积、更长燃烧时长的烟气燃烧室，这个更大容积、更长燃烧时长的烟气燃烧室的大容积可使烟气进行更长燃烧时长的燃烧，并且这个更大容积、更长燃烧时长的烟气燃烧室中的低烟气流速可以使烟气中质量较大的颗粒物向下沉降并通过更长燃烧时长的烟气燃烧室底部的出渣槽、出灰渣装置和出渣冷却风装置等与烟气实现有效分离。
一个以上的、相互靠近和平行排列的烟气涡流燃烧室和一个更大容积、更长燃烧时长的烟气燃烧室被同一隔热层所环围。一个以上的烟气涡流燃烧室可以根据实际需要和可用场地限制排列成圆形、方形、长方形、椭圆形甚至其它异形。
含有很多未充分燃烬含碳颗粒物的烟气被设计为通过由可移动耐火材料等构件构成的烟气进口喷嘴流入一个以上的烟气涡流后燃烧室，这些由可移动耐火材料等构件构成的烟气进口喷嘴可根据压力需要，通过改变可移动耐火材料等构成的构件的间距来改变烟气进口喷嘴的开口大小。
作用于本发明中的涡流燃烧室里的颗粒物的离心力的大小可以通过以下公式计算得出：
公式中涡流的半径r减半时，离心力F加倍。当相同流量的烟气在一个以上的烟气涡流燃烧室之间分配时，分配于一个以上的烟气涡流燃烧室的烟气的涡流半径就会减少到单一烟气涡流燃烧室的时候的烟气涡流半径的几分之一。这样就会使位于一个以上烟气涡流燃烧室中的烟气的离心力呈倍数增加，烟气中的含碳颗粒物会被抛向坚硬的烟气涡流燃烧室的临火面并与之碰撞和摩擦，碰撞和摩擦后的含碳颗粒物会破碎成更小颗粒而获得更大的表面积从而加速燃烧过程。
与此同时烟气速度V随离心力改变而呈四次方关系提高并对烟气中颗粒物破碎产生影响，涡流中心区域会呈负压，压力由内向外逐渐增强并提高烟气氧化过程强度。在720℃以上温度条件下，涡流中心区域较大负压还会引发水分子裂解产生极具活性的氢和氧离子并与自由碳基结合形成可燃成分。
由于本发明的装置中的烟气涡流燃烧室的内径小，烟气涡流在烟气涡流燃烧室中高速旋转从而能够实现烟气和烟气中的含碳颗粒物的完全燃烧，甚至有可能使CO排放值接近于零。这里的机理机制目前尚无法完全确定，但可以肯定的是由于动力学和化学反应产生电流和电荷会作用于化学过程本身并且能够强化这些过程。
每个烟气涡流燃烧室的临火面是由多个相互叠加的耐火混凝土环构成，这些相互叠加的耐火混凝土环使得涡流燃烧室里的烟气流动的横截面积不是一个恒定值，因此会导致烟气流动的速度和压力不断变化并产生压力振荡。每个烟气涡流燃烧室由支撑墙支撑，支撑墙与支撑墙之间各有一个排烟槽，排烟槽的底部陡然向下倾斜。这样可以减少颗粒物在排烟槽里的沉积。在烟气的下行流动方向上，排烟槽横截面积不断扩大从而降低烟气速度并产生一定的负压作用。
每个排烟槽都通向一个更长燃烧时长的烟气燃烧室，更长燃烧时长的烟气燃烧室的尺寸应该大到可以使得烟气获得超过一秒钟的驻留时间。一个吹气装置被布置在排烟槽的上部并可以定期用压缩空气吹向下方清理可能的积灰。
一个吹气装置被布置在排烟槽的上部并可以定期用压缩空气吹向下方清理可能的积灰。在更长燃烧时长的烟气燃烧室的底部有一个狭窄和较高的出渣槽，出渣槽底部有一个出灰渣装置和用来冷却含矿物质等大颗粒物并回收部分热量的出渣冷却给风装置。沿排烟槽下部向下流动的烟气在更长燃烧时长的烟气燃烧室的底部被成垂直方向向上翻转，在这个过程中出现的离心力和重力双重作用会导致含有矿物质等的大颗粒物向下沉积并通过更长燃烧时长的烟气燃烧室底部的出渣槽、出灰渣装置和出渣冷却风装置等与烟气实现有效分离。这里的大颗粒物的沉淀不需要额外的力进行驱动。
附图说明
图1显示了本实施例的示意说明图，本实施例中包括循环流化床锅炉(1)、离心式颗粒物分离器(3)和一个包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置(8)。为了便于说明以上的烟气涡流燃烧室(12)在这里被显示为并列排列，而烟气涡流燃烧室(12)的实际布置可见图2。
图2显示了循环流化床燃烧器(1)、离心式颗粒物分离器(3)和设计为近似长方形的包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置(8)的俯视图。
图3显示了从图3中的包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置(8)的更长燃烧时长的烟气燃烧室(20)看向烟气涡流燃烧室(12)部分时的侧视剖面图。
图4显示了涡流燃烧室(12)顶部的烟气进口喷嘴(26)的设计。
图中：1-循环流化床锅炉，2-燃料给料器，3-离心式颗粒物分离器，4-烟气排放通道，5-返料管，6-通往包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置的烟气通道，7-第二换热面，8-包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置，9-二次风，10-经过预热的三次风，11-通往第二换热面的烟气通道，12-烟气涡流燃烧室，13-外壁，14-隔热层，15-砌筑衬里，16-支撑墙，17-排烟槽，18-排烟槽底部，19-耐火混凝土环，20-更长燃烧时长的烟气燃烧室，21-出渣槽，22-出灰渣装置，23-出渣冷却给风装置，24-吹风装置，25-可移动耐火材料构件，26-烟气进口喷嘴，27-烟气涡流燃烧室上盖，28-三次风环形通道，29-烟气截面减缩装置，30-第一换热面。
具体实施方式
本发明的包含一个以上的涡流燃烧室的烟气后燃烧装置将通过如下的一个例子进行更详细的说明。本实施例的目的是通过改造一个以农作物秸秆为燃料、热功率45MW的热电厂锅炉的燃烧过程，使其达到CO排放标准要求。
图1显示了根据本发明的、包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置(8)作物秸秆燃料通过燃料给料器(2)被送入循环流化床锅炉(1)。二次风(9)被添加到循环流化床锅炉(1)炉膛的上方。随烟气从流化床向上旋飞的大部分的颗粒物在离心式颗粒物分离器(3)分离并通过返料管(5)返回炉膛。通过离心式颗粒物分离器(3)含有质量较小含碳等颗粒物烟气的烟气排放通道(4)和通往包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置的烟气通道(6)，含有质量较小含碳等颗粒物烟气进入下游的本发明的包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置(8)中并完成最后燃烧过程。
为保证通往包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置的烟气通道(6)的烟气速度始终保持相对恒定值，在通往包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置的烟气通道(6)中布置了一个根据CN201811655101.7的烟气截面减缩装置(29)，经过预热的三次风(10)从三次风环形通道(28)通过许多小的开口进入烟气排放通道(4)，由于来自离心式颗粒物分离器(3)的始终保持的不低于100米/秒的烟气流速对经过预热的三次风(10)形成一定的负压从而实现来自烟气排放通道(4)的含有质量较小含碳颗粒物的烟气与经过预热的三次风(10)的充分混合，这将导致来自烟气排放通道(4)的含有质量较小含碳颗粒物的烟气加速燃烧并提高温度后进入包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置(8)的烟涡流燃烧室(12)，本实施例中的烟气涡流燃烧室(12)数量是24个。
每个烟气涡流燃烧室(12)由支撑墙(16)支撑，支撑墙(16)与支撑墙(16)之间各有一个排烟槽(17)。与烟气涡流燃烧室(12)连接的排烟槽底部(18)向更长燃烧时长的烟气燃烧室(20)陡然向下倾斜，每个排烟槽(17)的顶部安装了一个吹风装置(24)用来在必要时吹掉可能沉积在陡峭的排烟槽底部(18)上的灰烬颗粒。需要说明的有两点，一是因为在涡流燃烧室(12)残存的未燃烬碳大幅度减少，因此在陡峭的排烟槽底部(18)出现结焦的可能性微乎其微；二是吹风装置(24)运行时不会引起明显的温度变化，因为总重约111吨的耐火混凝土环(19)完全能够起到起到稳定烟气温度的作用。
烟气到达陡峭的排烟槽底部(18)后沿垂直方向向上折返并进入更长燃烧时长的烟气燃烧室(20)进行更长时长的燃烧后，通过通往第二换热面的烟气通道(11)流向第二换热面(7)。更长燃烧时长的烟气燃烧室(20)可以实现烟气完全燃烬而没有燃烧的火焰进入第二换热面(7)，从而避免第二换热面(7)接受强烈辐射热并有效减少第二换热面(7)表面的高温腐蚀侵害。
在更长燃烧时长的烟气燃烧室(20)的底部布置了一个出渣槽(21)，出渣槽(21)底部有一个出灰渣装置(22)和一个出渣冷却给风装置(23)。烟气经陡峭的排烟槽底部(18)沿垂直方向向上折返进入更长燃烧时长的烟气燃烧室(20)这个过程中，受离心力和重力双重作用会使得含有矿物质等稍大颗粒物向下沉积到出渣槽(21)，并通过出灰渣装置(22)和出渣冷却给风装置(23)与烟气实现有效分离。
图2显示了循环流化床锅炉(1)、离心式颗粒物分离器(3)和设计为近似长方形的、包含24个烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置(8)的布置图，这里的包含24个烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置(8)约需4.5×9米的落地面积，环卫包含24个烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置(8)的隔热层(14)至少有40厘米厚，因此不再需要采取其他技术措施冷却包含24个烟气涡流燃烧室的的烟气后燃烧装置(8)的外壁(13)。这里的烟气涡流燃烧室(12)还可以根据实际需要调整其排列形状、直径大小和数量。
图3显示了从图3中的包含24个烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置(8)的更长燃烧时长的烟气燃烧室(20)看向24个烟气涡流燃烧室(12)的侧视剖面图。这里的烟气涡流燃烧室(12)大约有12米高，烟气涡流燃烧室(12)的顶部由两个可移动耐火材料构件(25)构成的烟气进口喷嘴(26)和烟气涡流燃烧室上盖(27)组成。每个烟气涡流燃烧室(12)的临火面是由上下罗列的35个耐火混凝土环(19)构成，耐火混凝土环(19)通过内部截面不断变化使得流动的烟气不断产生压力振荡从而有助于破碎烟气中的颗粒物。本实施例中这里的烟气垂直方向流速约为30米/秒，压力振荡频率约为90赫兹。
这里的耐火混凝土环(19)是由重而坚硬的耐火陶瓷制成，耐火陶瓷的铝土含量超过50％，因此耐火混凝土环(19)的催化作用会因壁面摩擦和离心力而得到加强。本实施例中布置的24个烟气涡流燃烧室(12)的内表面积总和为约480m2，这个内表面积几乎是容纳相同容积、相同停留时间的烟气的单一涡流燃烧室时的内表面积的5倍。
这里的烟气涡流燃烧室(12)是安放在由耐火砖等构成的支撑墙(16)上，支撑墙(16)之间布置有排烟槽(17)。来自烟气涡流燃烧室(12)的烟气沿排烟槽(17)的底部陡然下降到更长燃烧时长的烟气燃烧室(20)的底部后沿垂直方向向上折返进入约20m高的更长燃烧时长的烟气燃烧室(20)，更长燃烧时长的烟气燃烧室(20)在不需要额外推力的情况下可容纳烟气停留超过一秒。
烟气在更长燃烧时长的烟气燃烧室(20)的底部缓慢的改变流动方向时，在重力和离心力双重作用下烟气中可能存留的含矿物质颗粒会沉淀下来从而进一步加强对第二换热面(7)的保护。
图4显示了包含24个烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置(8)的一个涡流燃烧室(12)的顶部构造，其中耐火混凝土环(19)的内径分别为480mm和560mm。当循环流化床锅炉(1)中的烟气温度最高850℃时，烟气涡流燃烧室(12)中的烟气温度可以达到740℃。通过包含24个烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置(8)的烟气总流量约为150立方米/秒，通过每个烟气涡流燃烧室(12)烟气流量约为6.25立方米/秒。
烟气通过两个烟气进口喷嘴(26)切向进入烟气涡流燃烧室(12)，烟气进口喷嘴(26)是由两个可移动耐火材料构件(25)构成。两个可移动耐火材料构件(25)可以通过改变间距偏移来改变和优化烟气流速，本实施例的烟气速度是90米/秒，此时的烟气进口喷嘴(26)的宽度为140mm，高度为500mm。
进入涡流燃烧室(12)中的烟气涡流速度超过3000转/分，根据的各种烟气中的粒子的离心力粒子质量的3000倍以上。一个质量为0.1克的碳颗粒被以高达3.52牛顿(＝0.35公斤)的力被抛向烟气涡流燃烧室(12)的、由耐火混凝土环(19)罗列而成的临火面并在那里被破碎。破碎后的更细小颗粒迅速而完全地燃烧起来，这个过程中的烟气涡流燃烧室(12)变成了一个烟气中未燃烬碳颗粒的研磨装置。
经过本发明的包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置(8)充分燃烧的烟气中几乎没有未燃烬碳，CO排放远低于200毫克/立方米甚至趋近零值，即使到达第二换热面(7)的热气温度降低到600℃并可能含有少量氯化合物时，但因为烟气中已经没有未燃烧碳从而有效阻止二噁英的再合成。
因此本发明的包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置(8)未来还可以更广泛的应用在在垃圾焚烧发电领域，在垃圾发电领域应用包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置(8)时可以将垃圾发电中的天然气用秸秆代替，同样因为储存在大量耐火混凝土中的热量可以弥补低热出力时的热源缺失，燃煤热力系统还可以使用包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置(8)对燃煤热力系统进行改造从而避免低热出力时燃煤热力系统排放指标的恶化。
Claims (10)
1.一种包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置，包括一个以上带切向烟气进口喷嘴(26)的、有耐火陶瓷等材料内表面的烟气涡流燃烧室(12)；其特征在于，一个以上的烟气涡流燃烧室(12)以平行的方式相互临近排列。
2.根据权利要求1所述的一种包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置，其特征在于，包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置(8)被一个隔热层(14)所环围。
3.根据权利要求1所述的一种包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置，其特征在于，它还包括一个更长燃烧时长的烟气燃烧室(20)。
4.根据权利要求1所述的一种包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置，其特征在于，一个以上的烟气涡流燃烧室(12)的临火面是由相互叠加的耐火混凝土环(19)组成，其内部的烟气横截面积不固定。
5.根据权利要求1所述的一种包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置，其特征在于，烟气涡流燃烧室(12)被布置在支撑墙(16)上，支撑墙与支撑墙之间有一个排烟槽(17)。
6.根据权利要求1所述的一种包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置，其特征在于，烟气通过由可移动耐火材料构件(25)构成的烟气进口喷嘴(26)切向流入烟气涡流燃烧室(12)。
7.根据权利要求5所述的一种包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置，其特征在于，排烟槽底部(18)陡然向下倾斜。
8.根据权利要求5所述的一种包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置，其特征在于，排烟槽(17)排出的烟气流向更长燃烧时长的烟气燃烧室(20)。
9.根据权利要求5所述的一种包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置，其特征在于，一个吹风装置(24)被布置在每个排烟槽(17)的上部。
10.根据权利要求3所述的一种包含一个以上烟气涡流燃烧室的烟气后燃烧装置，其特征在于，在更长燃烧时长的烟气燃烧室(20)的底部布置了一个出渣槽(21)，出渣槽(21)底部有一个出灰渣装置(22)和一个出渣冷却给风装置(23)。
Priority Applications (1)
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| CN116481020A true CN116481020A (zh) | 2023-07-25 |
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- 2023-04-08 CN CN202310388746.3A patent/CN116481020A/zh active Pending
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