CN1884909A - 基于高温分离的飞灰内循环流化复燃装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高温分离的飞灰内循环流化复燃燃尽装置，分别以炉拱与二次风配合使用实现初级高温分离和在炉膛高温烟气出口布置的水冷凝渣管束受热面上设置高温组合式水冷分离器实现飞灰高温分离，并将分离的飞灰回送炉膛高温区完成飞灰内循环流化复燃，因为高温分离的飞灰进一步流化复燃，同时满足温度，时间和扰动混合的复燃燃尽条件，提高了飞灰中碳的燃尽率，减少机械不完全燃烧损失，达到降低烟尘黑度，提高燃烧效率、锅炉热效率和节能降耗的多重目的。本发明的装置除提高飞灰中碳的燃尽率和煤的燃烧效率外，可以进一步降低烟尘排放黑度，还能有效地提高锅炉的出力。可用于新产品设计，又可以用于在役工业和生活锅炉的节能改造。

Description

基于高温分离的飞灰内循环流化复燃装置

                         技术领域

本发明属于热能工程应用技术领域，涉及一种基于高温分离的飞灰内循环流化复燃装置。

                         背景技术

我国是以煤炭作为主要能源的国家，83％以上的煤炭以燃烧方式被利用，其中广泛用于工业生产和社会生活等领域的燃煤工业锅炉年耗煤量约5亿吨。截止2005年底，全国在用工业锅炉约55.38万台，总容量约172.6万MW，单台平均容量约3.11MW；其中约85％为燃煤锅炉，燃煤锅炉中的65％以上属于机械化层燃锅炉，特别是1t/h以上的工业和集中供热锅炉。

目前，机械化层燃燃煤锅炉整体技术落后，燃烧效率和设备热效率低，平均运行效率约为65％左右，而发达国家约为80％以上，能源浪费大，污染排放严重。国家《节能中长期专项规划》已将工业锅炉的改造列为“十一五”十大重点节能工程。为此，研究开发适合于层燃燃煤锅炉高效洁净的关键创新技术，成为我国实施节能战略的关键步骤。

长期以来，由于存在很大的机械不完全燃烧损失，机械化炉排层燃锅炉的热效率一直无法突破80％的运行热效率。经过我们对层燃链条炉排锅炉热效率的反平衡分析可知：机械不完全燃烧损失由飞灰，漏煤和灰渣中的未燃碳而形成，是层燃锅炉的主要热损失，约占13％～15％；除此之外，另一项较大的热损失被称为排烟热损失，占8％～10％，排烟热损失是由排烟温度和过量空气系数决定，可通过结构设计和减少漏风实现排烟热损失的有效控制。

因此，层燃锅炉节能的关键是降低飞灰，灰渣和漏煤中的含碳量，其热损失在机械不完全燃烧损失中所占的比例分别为4％～6％，6％～7％和1％。目前，我国已具有专业化炉排生产厂家，提高炉排片和支撑结构的加工精度，可以控制漏煤；而均匀配风优化可以减少灰渣中的含碳量，提高灰渣中碳的燃尽率。但迄今为止，降低飞灰中的含碳量没有得到有效地改善。

由此可见，降低机械不完全燃烧损失中的飞灰热损失是提高机械化层燃锅炉热效率的主要途径。

多年来，如何降低飞灰中的含碳量引起锅炉行业研究人员的极大关注，已有的改进技术有两种方案：

(1)在炉膛中增设炉拱。依靠炉拱阻挡部分飞灰逸出，使之冲击炉拱后跌落到炉排上完成燃尽。但由于烟气冲出炉拱喉口的速度较大，冲击炉拱后向下跌落的飞灰将被旋转的气流夹带而出，实践证明，炉拱的主要作用是强化引燃、燃烧和燃尽，捕捉飞灰的功能较弱。工程实践证明：只有炉拱与二次风配合使用才能有效阻挡飞灰逸出。

(2)在过热器或省煤器之后的中温段或转向室烟道上设置中温分离器，分离器下部连接灰斗收集飞灰回送到炉膛或炉排后部进行“复燃”，图1示出了传统设计的“乌托邦式”的飞灰复燃装置。它包括炉排1、前拱2、前墙水冷壁3、炉膛4、水冷凝渣管束5、高温过热器6、低温过热器7、第一级省煤器8、烟气出口9、第二级省煤器10、第三级省煤器11、落灰斗12、飞灰回送阀13、后拱14；它是在经过第一级省煤器8、第二级省煤器10之后的转向室之下布置落灰斗12收集飞灰，然后通过回送阀13将收集的飞灰回送到炉排中后部。这种技术方案是一种典型的“乌托邦式”的飞灰复燃装置设计。

因为，首先，中温分离后飞灰温度低，其次，炉排后部燃尽区温度也很低，缺乏飞灰中碳燃尽的高温条件，这种中温的飞灰被称为“死灰”，“死灰”“处于温度较低的炉排后部是永远不会复燃”的。只有将高温分离的飞灰送入炉膛高温区实现飞灰内循环流化复燃，才能真正降低飞灰中的含炭量，减少机械不完全燃烧的飞灰热损失。

                         发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于高温分离的飞灰内循环流化复燃装置，该装置能够将高温分离的飞灰回送炉膛高温区进行内循环流化复燃燃尽，最大程度地降低飞灰含碳量。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种基于高温分离的飞灰内循环流化复燃燃尽装置，它至少包括炉膛、前墙水冷壁和后墙水冷壁，前墙水冷壁和后墙水冷壁延伸进入炉膛内部的前拱和后拱和设置于后拱的二次风组合结构，以及水冷凝渣管束受热面，其特征在于，在炉膛出口水冷凝渣管束受热面上设置有组合式水冷分离器，组合式水冷分离器分离的飞灰以重力自然回送到炉膛高温区复燃。

本发明首次突破在凝渣管束受热面设置高温分离器的禁区设置组合式水冷分离器实现飞灰的高温分离。组合式水冷分离器下部设置飞灰收集装置，飞灰靠重力自然回送到炉膛高温区，高温区飞灰循环流化复燃，降低飞灰含碳量。

本发明的优点有三个：

(1)以炉拱与二次风配合使用形成飞灰初级高温分离和初级内循环流化复燃，提高飞灰中碳的燃尽率，减少高温烟气携带的飞灰量；

(2)以水冷凝渣管束受热面为基管形成组合式水冷分离器，从而实现飞灰的高温分离，从而避开了循环流化床锅炉为实现高温分离而设置复杂的旋风分离器的结构设计，而且也避免了循环流化床锅炉在旋风分离器中可能出现的二次燃烧发生结渣的危险性。因为，锅炉的凝渣管束本身具有凝渣和防渣功能；

(3)以高温分离，高温收集和回送和循环流化等三项措施全面实现温度、时间和扰动混合的三个燃尽的基本条件。首先，将高温分离的飞灰回送炉膛高温区，满足飞灰燃尽的温度条件；循环流化复燃燃尽，既满足飞灰燃尽的时间条件，又满足流化的扰动混合条件。至此，飞灰燃尽的温度、时间和扰动条件都得到了充分地满足，这就是本发明强调的最大程度飞灰燃尽功能。

经过实验室和工业现场试验，在增加10mm水柱烟气流动阻力的条件下，高温飞灰分离可使50％～60％的飞灰从气流中分离开来，可减少飞灰不完全燃烧热损失2.5％～3.5％左右，提高了煤炭的燃烧效率和锅炉热效率。

本发明的基于高温分离的飞灰内循环流化复燃燃尽装置，即可用于新产品的结构设计，又可以用于在役工业和生活锅炉的节能改造，其改造成本低，改造的投资费用在锅炉改造运行后的半年内就可以成功回收。除提高飞灰中碳的燃尽率和煤的燃烧效率外，可以进一步降低烟尘排放黑度，还能有效地提高锅炉的出力。

                         附图说明

图1是传统设计的“乌托邦式”的飞灰复燃装置示意图。

图2是本发明的结构全图；

图3是以水冷凝渣管束为基管的组合式水冷分离器结构及剖面图，其中的标号为31、水冷凝渣管束；32、和凝渣管束连接的肋片；33、飞灰收集及回送装置；

图4(a)是组合水冷分离器结构中扁钢肋片的零件图。

图4(b)是通过和凝渣管焊接冷却的金属附着物镶嵌或机械固定的陶瓷挂片式百叶窗分离器结构。其中的标号为41、水冷凝渣管束；42、和凝渣管束镶嵌或机械固定连接的陶瓷挂片；43、飞灰收集及回送装置；

                        具体实施方式

本发明的一种基于高温分离的飞灰内循环流化复燃燃尽装置，对不同锅炉型式而言，它至少包括炉膛、前墙水冷壁和后墙水冷壁，前墙水冷壁和后墙水冷壁延伸进入炉膛内部的前拱和后拱和设置于后拱的二次风组合结构，以及水冷凝渣管束受热面，在炉膛出口水冷凝渣管束受热面上设置有组合式水冷分离器，组合式水冷分离器分离的飞灰以重力自然回送到炉膛高温区复燃。

参见图2、图3，图2是本发明的一个实施例，它包括炉排1、前拱2、二次风21、前墙水冷壁3、炉膛4、水冷凝渣管束5、和凝渣管束连接的金属肋片22、飞灰收集及回送装置23、第一级省煤器8、后墙水冷壁24、第二级省煤器10、第三级省煤器11、后拱14、烟气出口25。

图3是以水冷凝渣管束为基管的组合式水冷分离器结构及剖面图，图中包括水冷凝渣管束31、和凝渣管束连接的肋片32、飞灰收集及回送装置33。

本发明的基于高温分离的飞灰内循环流化复燃燃尽装置，具有两级的高温分离和飞灰内循环流化复燃燃尽功能。其一是由炉拱(前拱2和后拱14)与二次风21配合使用获得的初级高温分离和流化燃尽功能，此举旨在减少高温烟气携带的飞灰量；其二是在炉膛4高温烟气出口布置的水冷凝渣管束5的受热面上设置高温分离器实现飞灰高温分离，并将分离的飞灰回送炉膛4的高温区完成飞灰内循环流化复燃，提高飞灰中碳的燃尽率，减少机械不完全燃烧损失，达到降低烟尘黑度、提高燃烧效率、提高锅炉热效率和节能降耗的多重目的。

以下是申请人给出的具体实施方式。

为实现基于高温分离的飞灰内循环流化复燃燃尽和维持凝渣管束原有的凝渣功能，首先，需要优化炉膛截面热负荷和容积热负荷设计，降低进入凝渣管的炉膛出口烟温，约为940℃左右，从而为高温分离创造条件；水冷凝渣管束的第一或第二排保持光管凝渣状态，在水冷凝渣管束的第三和第四排设置基于水冷受热面的高温分离器，高温分离器可以选择槽形分离器或百叶窗式分离器其中一种，槽形分离器由凝渣管和开有U形膨胀槽的肋片组合焊接而成，肋片材料采用铬镍硅不锈钢并进行防磨热喷涂处理；百叶窗式分离器可以采用和凝渣管中心线成一定角度的防磨铬镍硅不锈钢板焊制或刚玉陶瓷片嵌入的方法组合而成。

冲击式槽形分离器的金属肋片和烟气来流垂直或向炉膛倾斜布置，为保证图3中的凝渣管束31对肋片32的冷却作用，根据金属壁温的理论计算和现场初步测试，以肋片32宽度设计15mm～34mm为宜(图4(a))；肋片32平面和烟气来流倾斜75°夹角，便于灰粒聚集成团垂直落下，肋片32的底部焊接三角形的分流锥，以保证飞灰颗粒团向炉前移动，而不是向后移动进入对流竖井，否则，会减少返回炉膛高温区的飞灰量；为保证沉降积聚的飞灰颗粒团不被烟气流二次携带逸出分离器，烟气流速经过优化计算和现场测试，研究表明：烟气流速可比炉膛截面的烟气上升速度略高1～3m/s，过高的烟气流速难以实现飞灰的有效分离。

由炉膛出口水冷凝渣管束31或41受热面和金属肋片32或陶瓷挂片42(图3、图4)形成的组合式水冷分离器。分离器实际上属于槽形分离器或百叶窗式分离器的一种；由凝渣管束31或41拉稀形成的高温飞灰收集和回送装置33或43(实际应用中的可选件)。

凝渣管束水冷组合式分离器和来流垂直或向炉膛倾斜布置结构，肋片平面和烟气来流倾斜70°～87°夹角，肋片的底部焊接的三角形分流锥结构，以炉膛烟气上升速度为基准建立的凝渣管束烟气流速优化范围。

凝渣管束焊接或包覆工艺而成的的金属肋片材料1Cr20Ni14Si2(309S)，0Cr25Ni20，HR3C(310NbN)，NF709，Cr30A(Cr23Ni43W6)，800H，IN72等高镍铬合金及包覆材料，通过和凝渣管焊接冷却的金属附着物镶嵌或机械固定而成的所有类型的各种形状、尺寸的耐高温陶瓷制品。

二次风一般安装于后拱，向前拱下倾，扰动混合，中心二次风和周边环向二次风的面积比约为0.05～0.5，射流速度之比约为1～10。

                         性能分析

基于高温分离的飞灰内循环流化复燃燃尽机理，在整体结构布置上分两个阶段进行，主要在以下二个方面得以体现：

(1)炉拱下烟气流夹带飞灰粒子在炉拱喉口部位截面扩大和二次风旋转动量流率矩作用下实现高温分离，分离出来的飞灰粒子在炉拱喉口附近形成飞灰内循环流化复燃燃尽。炉膛容积较小和横截面积小是过去的层燃锅炉燃烧效率低的重要原因，本发明从炉膛飞灰燃尽开始，首先优化炉膛截面热负荷和容积热负荷，设计相对合理的大炉膛容积，增大了炉膛的横截面积，减小飞灰沿炉膛高度的上升速度，增加烟气中飞灰沿炉膛高度方向上的停留时间，使飞灰和可燃气体能够充分燃烧，炉膛下部设计重点在于控制前后拱的喉口横截面积，实现飞灰粒子在逃逸炉拱喉口后截面扩大和二次风旋转形成的飞灰沉降，沉降中的飞灰粒子在回落过程中会再次被气流夹带上升，从而形成飞灰粒子的初级流化燃尽，根据粗略测定：炉拱与二次风配合使用能有效阻挡飞灰逸出，被阻挡的飞灰占烟气流中飞灰含量的30％以上，而循环流化燃尽的飞灰粒子占逃逸喉口飞灰颗粒的20％以上。

(2)以布置在炉膛出口的水冷凝渣管束受热面为基管组合形成的槽形分离器或百叶窗式分离器实现强制式飞灰高温分离。含碳的飞灰粒子在气流作用下冲击错列布置的以凝渣管束为基管组合而成的水冷分离器形成高温分离，飞灰颗粒受重力作用沿分离装置下降积聚成飞灰颗粒团并垂直下降移动，下降的飞灰颗粒团在下行过程中受炉膛高温烟气流作用而不断散开，散开的飞灰颗粒受到烟气流的夹带再此上升，循环往复，分离的飞灰不断实现炉膛内循环流化复燃的过程，飞灰中的未燃尽碳在循环流化复燃过程中不断被燃尽。实验室和工业试验结果表明：在10mm水柱的低阻力条件下，约有50％～60％的飞灰从气流中分离出来，而分离出来的飞灰经炉膛循环流化燃尽后，仍然会不断燃尽形成含碳量更低的飞灰进入分离器中等待更进一步的分离，因为飞灰质量总体是平衡的，这种高温分离只能提高飞灰中碳的燃尽率，不会引起飞灰质量的减少。

本发明描述的装置适应于机械化层燃移动式炉排工业和生活锅炉，如：应用最为广泛的正转链条炉排锅炉，倒转抛煤机链条炉排锅炉，振动炉排锅炉，往复炉排锅炉等炉膛出口含有水冷受热面的炉型，实际上，考虑到凝渣和防渣的功能，容量稍大工业和生活锅炉一般都布置凝渣管束受热面。

本发明描述的装置同样适应于机械化层燃移动式炉排的工业水火管锅炉和水管锅炉，包括角管式水管锅炉，水冷凝渣管束受热面的飞灰分离结构也同样适应于循环流化床锅炉，根据申请人所作的资料检索，还没有看到与本发明相同的报导，也没有看到循环流化床锅炉在凝渣管束受热面上布置分离器的技术创新的相关文献。因此，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。

Claims (9)

1.一种基于高温分离的飞灰内循环流化复燃燃尽装置，它至少包括炉膛、前墙水冷壁和后墙水冷壁，前墙水冷壁和后墙水冷壁延伸进入炉膛内部的前拱和后拱和设置于后拱的二次风组合结构，以及水冷凝渣管束受热面，其特征在于，在炉膛出口水冷凝渣管束受热面上设置有组合式水冷分离器，组合式水冷分离器分离的飞灰以重力自然回送到炉膛高温区复燃。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的前拱和后拱沿炉膛深度的覆盖率达55％以上，所述的二次风的风管采用双套管结构，分别形成中心高速射流的刚性二次风和周边流化的二次风，以实现初级高温飞灰分离。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的水冷分离器为槽形分离器或百叶窗式分离器的一种；所述的组合式水冷分离器是以水冷凝渣管束受热面为基管和金属肋片或陶瓷挂片构成，分离器下部可由凝渣管束拉稀形成飞灰收集器。

4.如权利要求1或3所述的装置，其特征在于，所述的水冷组合式分离器和来流方向垂直或向炉膛倾斜布置。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的金属肋片采用凝渣管束焊接或包覆而成。

6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的金属肋片材料选择1Cr20Ni14Si2、0Cr25Ni20、HR3C、NF709、Cr30A、800H或IN72。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的肋片平面和烟气来流倾斜70～87°夹角，肋片的底部焊接三角形分流锥结构。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的二次风安装于后拱，向前拱下倾。

9.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的中心高速射流的刚性二次风和周边流化的二次风的面积比为0.05～0.5，射流速度之比为1～10。

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