CN206973529U - 一种燃低挥发分煤多角切圆低氮稳燃锅炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型具体涉及一种燃低挥发分煤多角切圆低氮稳燃锅炉，主要解决四角切圆锅炉存在燃烧不充分、所需燃烧器数量较大和布置复杂等问题。本实用新型包括带有角墙和侧墙的切圆炉膛、一次风、角墙上的一级二次风与侧墙上的二级二次风和燃尽风。炉膛沿竖直方向分为燃尽区、再燃区、及空气分级稳燃区。四角射流在锅炉内形成极小的假想切圆；侧墙二级二次风垂直于炉墙入射，形成直径为2d假想切圆，负责启旋。二级二次风吸引四角射流，在炉膛中心形成高温、高浓度煤粉区，同时在四墙水冷壁附近形成氧化性气氛。本实用新型可以提高燃低挥发分煤粉锅炉的燃烧效率，降低NO_x排放水平，同时又能兼顾防结渣和防高温腐蚀。

Description

一种燃低挥发分煤多角切圆低氮稳燃锅炉

技术领域

本实用新型属于锅炉燃烧技术领域，具体涉及一种燃低挥发分煤多角切圆低氮稳燃锅炉。

背景技术

煤炭在未来一段时间，仍将是我国各个能源消耗部门的主要能量来源。而随着近年来能源开采的限制，火电站动力用煤中，低挥发分贫煤和无烟煤所占的比例日渐增加，燃用低挥发分煤成为我国部分低挥发分煤产地燃煤电站的基本任务。受经济条件及锅炉运行情况的限制，目前我国燃用低挥发分煤的主要炉型，仍然是四角切圆炉膛，配合采用浓淡燃烧和空气分级技术对燃煤过程中NO_x的排放加以控制。在四角切圆炉膛中，虽然煤粉在高温高氧条件下燃烧有利于燃尽，但会增加NO_x的生成；反之，低温低氧燃烧有利于抑制NO_x生成，但更不利于煤粉的燃尽；另外，由于一次风在炉内容易发生偏转贴墙，造成实际切圆直径过大，容易在水冷壁区域结渣和磨损，而如果切圆直径过小又容易造成炉膛充满度不够、燃烧不充分和炉膛出口余旋以及烟温偏差的问题。在燃用低挥发分煤的锅炉中，该问题更为突出，无法兼顾低氮效果和燃烧效率，严重制约了低挥发分煤的利用效率，必须提出有针对性的新技术来解决该问题。

研究表明，有效降低燃烧初期的过量空气系数并及时补充燃尽风是大幅度降低NO_x排放，同时又不会对煤粉燃尽造成很大影响的有力技术路径；而补充燃尽风的加入时间和位置是否合适，对未燃尽产物的燃烧和NO_x生成起着决定性的作用。对现有技术的检索发现，专利(200610118898.8)提出一种无烟煤燃烧方法，在四墙中心线附近设置一列一次风组成的喷口组，最下层一次风下方可增加一层二次风；而二次风喷口全部设置于炉膛四角，四角射流在炉膛中心形成假想切圆。用二次风的补气和支持，避免单纯四墙切圆时形成的角涡。该方法虽然通过一、二次风的分离，推迟了一、二次风竖直和水平方向上过早的混合，可以起到对难燃煤低氮、稳定燃烧的作用，但是该技术一、二次风射流在同一高度上，二者混合迅速且强烈，不利于抑制燃料N的生成；更重要的是该技术无法用于对在役四角切圆锅炉进行改造，施工难度大。此外，专利(200510124586.3)提出一种新三区燃烧器的分体布置方法。其主燃烧器的一次风和二次风喷口集中布置在炉膛四角，分体燃尽风喷口作为深度低氧燃烧与还原区内主体燃烧器的辅助燃烧器，集中或间隔布置在4面炉墙中央，高度方向上拉开一定距离，射流在炉膛中心呈一定直径的假想切圆，分别向该区的一次风喷口集中布置区补充部分空气。该方法虽然可以对现役四角切圆锅炉进行改造，但是增加的分体燃尽风所在的还原区位置靠近炉膛上部，距离顶部换热器距离较近，如果维持较大的还原性气氛，则不利于燃料充分燃尽；如果提供充足氧量，则不利于对炉膛下部稳燃区和分体燃尽风所在还原区投入的50％～70％的燃料燃烧产生的NO_x的还原。所需燃烧器数量也较大、布置复杂。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有四角切圆锅炉存在燃料不充分、所需燃烧器数量也较大和布置复杂的技术问题，提供一种燃低挥发分煤多角切圆低氮稳燃锅炉。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种燃低挥发分煤多角切圆低氮稳燃锅炉，包括由4个角墙和4个侧墙组成的切圆炉膛，其中：还包括24个一次风喷口、8个一级二次风喷口、16个二级二次风喷口和12个燃尽风喷口，所述由4个角墙和4个侧墙组成的切圆炉膛从上到下分为燃尽区A、还原区B和空气分级稳燃区C，所述4个角墙的喷口布置相同，4个侧墙的喷口布置相同；在宏观尺度上，通过设置空气分级稳燃区、再燃区和燃尽区，使炉膛下部和上部分别形成弱氧化性区域、还原性区域和强氧化性区域，实现垂直方向上的燃料再燃和空气分级燃烧。

所述其中一个角墙的喷口布置为：3个燃尽风喷口纵向排列设在燃尽区A的角墙上，2个一次风喷口纵向排列设在还原区B的角墙上，1个一级二次风喷口、4个一次风喷口和1个一级二次风喷口纵向排列设在空气分级稳燃区C的角墙上；

所述其中一个侧墙的喷口布置为：1个二级二次风喷口设在还原区B的侧墙上，3个二级二次风喷口纵向排列设在空气分级稳燃区C的侧墙上。

所述设在还原区B侧墙上的二级二次风喷口位于设在还原区B角墙的一次风喷口的中心高度上；所述设在空气分级稳燃区C侧墙上的二级二次风喷口位于设在空气分级稳燃区C角墙的一次风喷口和一级二次风喷口的中心高度上。以上技术方案，在水平方向中等尺度上，通过一次风喷口局部集中布置方式，在与二级二次风喷口混合前后分别形成强还原性区域和弱氧化性区域，实现径向前后空气分级燃烧，促进煤粉自身热解气的产生。达到在炉膛中心形成的高温、高浓度煤粉区，形成NO_x还原反应床，在高温、还原性气氛下高效还原燃烧产生的NO_x。

所述设在角墙的喷口射流偏斜0～5°度，在炉膛内不形成切圆或形成极小的一次风假想切圆，避免传统四角切圆锅炉中由于射流倾斜入射，两侧压差较大而容易发生偏转，使高温煤粉颗粒冲刷水冷壁的问题。

所述设在侧墙上二级二次风喷口垂直于侧墙入射，形成直径为2d的二次风假想切圆，代替传统四角切圆锅炉中四角射流负责启旋的作用。所述设在侧墙上二级二次风喷口中心轴线距离侧墙中心线的距离d与炉膛总宽度2D的比值d/2D在0.17～0.25之间。该范围内二级二次风控制启旋，与角部射流在炉膛中心区域才混合，强化燃烧初期贫氧气氛，促进贫煤稳燃与低氮燃烧。

设在燃尽区A的4个角墙上的燃尽风喷口可以在水平或垂直方向摆动0～10°，可形成四角切向射流，或四角对冲不形成切圆，以起到消除余旋，减少烟温偏差等问题，以加强炉膛上部区域的扰动和混合，延长煤粉颗粒停留时间，从而保证难燃煤的充分燃尽。

本实用新型可以解决低挥发分煤着火稳燃的问题，实现对现役四角切圆煤粉锅炉的高效燃烧与低氮排放改造，在兼顾低挥发分煤燃烧效率的同时保证降氮的效率，并且防止炉膛水冷壁高温腐蚀和结渣。与其它现有改造技术相比，该技术结构简单，对传统四角切圆煤粉炉炉膛结构改动不大，主要靠合理确定炉膛侧墙二级二次风喷口的安装位置以及正确选择二级二次风风量与风速。在工程设计中有良好的可操作性。

附图说明

图1为本实用新型的立体图；

图2为本实用新型喷口布置俯视图；

图3为本实用新型角墙喷口布置示意图；

图4为本实用新型侧墙喷口布置示意图；

图5为实施例中炉膛典型截面上速度云图(单位m/s)

图6为实施例中炉膛典型界面上煤粉颗粒质量浓度云图(单位kg/m³)；

图7为实施例中炉膛典型截面上温度云图(单位T)；

图8为实施例中炉膛内氧气质量分数分布云图(单位％)；

图9为实施例中炉膛内二氧化碳质量分数分布云图(单位％)；

图10为实施例中炉膛内一氧化碳质量分数分布云图(单位％)；

图11为实施例中炉膛内NO质量分布云图(单位％)；

图12为实施例中炉膛内热力型NO反应速率云图(单位kmol/m³-s)；

图13为实施例中炉膛内燃料型NO反应速率云图(单位kmol/m³-s)。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作详细说明。

本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本实用新型的保护范围不限于下述实施例。

如图1-4所示，本实施例中的一种燃低挥发分煤多角切圆低氮稳燃锅炉，包括由4个角墙1和4个侧墙2组成的切圆炉膛，其中：还包括24个一次风喷口3、8个一级二次风喷口4、16个二级二次风喷口5和12个燃尽风喷口6，所述由4个角墙1和4个侧墙2组成的切圆炉膛从上到下分为燃尽区A、还原区B和空气分级稳燃区C，所述4个角墙1的喷口布置相同，4个侧墙2的喷口布置也相同；

所述其中一个角墙1的喷口布置为：3个燃尽风喷口6纵向排列设在燃尽区A的角墙1上，2个一次风喷口3纵向排列设在还原区B的角墙1上，1个一级二次风喷口4、4个一次风喷口3和1个一级二次风喷口4纵向排列设在空气分级稳燃区C的角墙1上；所述设在角墙1的喷口射流偏斜2°，在炉膛内形成极小的一次风假想切圆7；设在燃尽区A的4个角墙1上的燃尽风喷口6在水平或垂直方向上不发生摆动。

所述其中一个侧墙2的喷口布置为：1个二级二次风喷口5设在还原区B的侧墙2上，3个二级二次风喷口5纵向排列设在空气分级稳燃区C的侧墙2上；所述设在侧墙2上二级二次风喷口5中心轴线距离侧墙2中心线的距离d与炉膛总宽度2D的比值d/2D为0.17；设在侧墙2上二级二次风喷口5垂直于侧墙2入射，形成直径为2d的二次风假想切圆8负责启旋。

所述设在还原区B侧墙2上的二级二次风喷口5位于设在还原区B角墙1的一次风喷口3的中心高度上；所述设在空气分级稳燃区C侧墙2上的二级二次风喷口5位于设在空气分级稳燃区C角墙1的一次风喷口3和一级二次风喷口4的中心高度上。

上述实施例中所述设在角墙1的喷口射流还可以偏斜0～5°度，在炉膛内形成极小的一次风假想切圆7。

上述实施例中所述设在侧墙2上二级二次风喷口5中心轴线距离侧墙2中心线的距离d与炉膛总宽度2D的比值d/2D还可以在0.17～0.25之间。

上述实施例中设在燃尽区A的4个角墙1上的燃尽风喷口6还可以在水平或垂直方向摆动0～10°。

本实用新型实现高效燃烧与低氮排放的过程：

在中等尺度上，通过一次风喷口局部集中布置方式，在与二级二次风喷口混合前后分别形成强还原性区域和弱还原性或弱氧化性区域，实现径向前后空气分级燃烧，促进煤粉自身热解气的产生。同时在炉膛中心形成的高温、高浓度煤粉区形成NO还原反应床，在高温、还原性气氛下高效还原燃烧产生的NO_x；在宏观尺度上，通过设置空气分级稳燃区、再燃区和燃尽区，使炉膛下部和上部分别形成弱氧化性区域、还原性区域和强氧化性区域，实现垂直方向上的燃料再燃和空气分级燃烧。

通过二级二次风水平方向上的空气分级燃烧，与一次风中心高度上供入二级二次风的方式，推迟了一、二次风初期的混合、控制了空气的供应量，一方面保证了喷口附近较高的煤粉浓度，降低着火热，促进燃烧，另一方面，强化NO_x析出阶段NO_x的控制，减小宏观空气分级的降氮压力，从而减小燃尽风量和距离稳燃区的距离，从而提高了燃尽阶段的燃烧温度和时间，保证难燃煤的燃烧效率。

下面提供本实施例中所述的燃低挥发分煤多角切圆低氮稳燃锅炉的数值模拟。

一、数值模拟方法

采用三维稳态方法对实施例中特定结构的燃低挥发分煤多角切圆低氮稳燃锅炉进行数值模拟。各次风入口采用速度入口边界条件，出口采用压力出口边界条件，炉膛壁面采用标准壁面方程，无滑移边界条件，采用温度边界条件，给定壁面温度和辐射率。以上边界条件根据某电厂330MW燃贫煤粉煤锅炉额定工况设置。根据在该电厂实际采样获得的入炉煤样进行粒径分布分析和工业、元素分析，粒径按照Rosin-Rammler分布进行计算。

二、数值模拟结果与分析

图5和6为炉膛内典型截面上速度云图和煤粉颗粒质量浓度云图。由速度云图可以看出，炉内稳燃区与燃尽区气流场被有效的控制形成较好的切圆，形成直径近似等于假想切圆直径的实际切圆；而在再燃区，切圆直径稍微变大，可以增加炉膛充满度，保证燃料在炉内的停留时间。在炉膛燃尽区喷口以上区域，实际切圆消旋快，出口余旋小。由颗粒质量浓度云图可以看出，受炉内气流场的控制，炉膛内颗粒主要集中在实际切圆以内，形成高煤粉浓度区域。

图7为炉膛内各典型截面上温度云图，由图可以看出，炉膛内温度最高的区域在底层稳燃区实际切圆内，远离水冷壁面；再燃区内高温区范围增大，温度低于稳燃区，有利于反应物的充分扰动混合，促进已生成NO的还原与低挥发分煤粉的充分燃烧，而不对水冷壁造成高温腐蚀；在炉膛顶端燃尽区，温度随气流速度场形成良好的切圆，高温区向炉膛中心集中。

图8、9和10为炉膛内氧气、二氧化碳及挥发分质量分数分布，由图中可以看出，炉膛下部为贫氧区，炉膛中间段中心区域也为贫氧区，炉膛上部为氧化区；炉膛中间段中心区，也是煤粉颗粒高浓度区和高温区，有利于焦炭对NO_x的还原。由CO质量分数分布图可见，炉膛下部稳燃区中贫氧气氛下，挥发分集中释放，生成大量CO，在炉膛上部燃尽区以上完全被燃尽，表明该炉型具有较高的燃烧效率。

图11、12和13为炉膛内NO质量分数分布图、热力型N反应速率分布图和燃料型N反应速率分布图。由图中可以看出，炉内NO主要为稳燃区高温燃烧区域中的燃料型N和热力型N，以及再燃区一次风喷口附近的燃料型N。由于高温区面积较小，热力型N的生成范围很小；由于炉膛内大范围强弱还原性气氛区域，强化已生成NO的还原，大大降低炉膛出口NO_x排放浓度，模拟计算结果显示，炉膛顶部出口NO质量浓度为281.4mg/Nm³。

Claims (6)

1.一种燃低挥发分煤多角切圆低氮稳燃锅炉，包括由4个角墙(1)和4个侧墙(2)组成的切圆炉膛，其特征在于：还包括24个一次风喷口(3)、8个一级二次风喷口(4)、16个二级二次风喷口(5)和12个燃尽风喷口(6)，所述由4个角墙(1)和4个侧墙(2)组成的切圆炉膛从上到下分为燃尽区A、还原区B和空气分级稳燃区C，所述4个角墙(1)的喷口布置相同，4个侧墙(2)的喷口布置相同；

所述其中一个角墙(1)的喷口布置为：3个燃尽风喷口(6)纵向排列设在燃尽区A的角墙(1)上，2个一次风喷口(3)纵向排列设在还原区B的角墙(1)上，1个一级二次风喷口(4)、4个一次风喷口(3)和1个一级二次风喷口(4)纵向排列设在空气分级稳燃区C的角墙(1)上；

所述其中一个侧墙(2)的喷口布置为：1个二级二次风喷口(5)设在还原区B的侧墙(2)上，3个二级二次风喷口(5)纵向排列设在空气分级稳燃区C的侧墙(2)上。

2.根据权利要求1所述的一种燃低挥发分煤多角切圆低氮稳燃锅炉，其特征在于：所述设在还原区B侧墙(2)上的二级二次风喷口(5)位于设在还原区B角墙(1)的一次风喷口(3)的中心高度上；所述设在空气分级稳燃区C侧墙(2)上的二级二次风喷口(5)位于设在空气分级稳燃区C角墙(1)的一次风喷口(3)和一级二次风喷口(4)的中心高度上。

3.根据权利要求2所述的一种燃低挥发分煤多角切圆低氮稳燃锅炉，其特征在于：所述设在角墙(1)的喷口射流偏斜0～5°度，在炉膛内形成极小的一次风假想切圆(7)。

4.根据权利要求3所述的一种燃低挥发分煤多角切圆低氮稳燃锅炉，其特征在于：所述设在侧墙(2)上二级二次风喷口(5)垂直于侧墙(2)入射，形成直径为2d的二次风假想切圆(8)负责启旋。

5.根据权利要求4所述的一种燃低挥发分煤多角切圆低氮稳燃锅炉，其特征在于：所述设在侧墙(2)上二级二次风喷口(5)中心轴线距离侧墙(2)中心线的距离d与炉膛总宽度2D的比值d/2D在0.17～0.25之间。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种燃低挥发分煤多角切圆低氮稳燃锅炉，其特征在于：设在燃尽区A的4个角墙(1)上的燃尽风喷口(6)可以在水平或垂直方向摆动0～10°。