CN104406160B - 一种耦合空气分级和燃料分级低NOx四拱型W火焰锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耦合空气分级和燃料分级的四拱型低NO_x W火焰锅炉，其炉膛分为下炉膛和上炉膛两部分，下炉膛由四个炉拱、两段式前后墙和冷灰斗组成；在上炉拱上布置外倾的煤粉燃烧器，在上部前后墙布置下倾的分级风喷口，在下炉拱上布置内倾的超细粉燃烧器，在冷灰斗上部近于水平布置保护风喷口，在上炉膛下部布置下倾的燃尽风喷口。从而在炉内构建耦合深度空气分级燃烧和燃料分级燃烧的条件，辅以因独特的燃烧设计而延长的火焰行程和增加的火焰充满度，实现W火焰锅炉低NOx燃烧和高效燃尽。

Description

一种耦合空气分级和燃料分级低NOx四拱型W火焰锅炉

技术领域

本发明涉及一种W火焰锅炉，具体涉及一种耦合空气分级和燃料分级的四拱型W火焰锅炉，属于W火焰锅炉燃烧技术领域。

背景技术

W火焰锅炉采用了多种强化低挥发分煤燃烧的措施和延长煤粉颗粒在炉内停留时间的燃烧方式，因而被认为是比较适用于燃用低挥发分煤(主要是无烟煤和贫煤)的一种炉型。为维持低挥发分煤的稳燃、及时着火和较好燃尽，其炉内需保持较高的烟温水平，加之多数锅炉炉内分级燃烧程度有限，最终导致其NO_x排放水平多数高达1200~1800 mg/m³。已于2014年7月1日开始执行的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223–2011)中规定：W火焰锅炉NO_x最高允许排放浓度为200mg/m³。针对W火焰锅炉超高的NO_x排放，低氮燃烧结合尾部SCR脱硝被认为是经济且行之有效的NO_x排放控制方案。现役W火焰锅炉为实现低氮燃烧，往往是在保留现有拱下分级风的同时于上炉膛或靠近上炉膛区域增设燃尽风，抑或再辅以一定的燃烧器改造(用以推迟燃烧器区域内煤粉气流与二次风的混合)，从而构建炉内深度分级燃烧条件；相比而言，燃料分级燃烧在W火焰锅炉上的应用则鲜有报道。实用新型专利《一种低NO_x煤粉燃烧的W型火焰炉》(中国专利号为ZL 200620020919.8、授权公告日为2007年5月30日、授权公告号为CN2906360Y)、发明专利《W型火焰锅炉燃尽风装置及方法》(中国专利号为ZL 200410060622.X、授权公告日为2007年1月17日、授权公告号为CN1295460C)、发明专利《具有布置于上下炉膛交汇处的W型火焰锅炉燃尽风装置的锅炉》(中国专利号为ZL200810137177.0、授权公告日为2010年2月2日、授权公告号为CN101358730B)和发明专利《在炉拱上布置有缝隙式燃尽风喷口的W型火焰锅炉》(中国专利号为ZL 200910309113.9、授权公告日为2011年2月16日、授权公告号为CN101694295B)均提出，在W火焰锅炉的上炉膛下部或靠近上炉膛区域增加燃尽风装置，能减少下炉膛的氧量，使之处于还原性气氛，从而降低NO _x 生成量；而发明专利《多次引射分级燃烧的方法》(中国专利号为ZL201010149634.5、授权公告日为2013年3月27日、授权公告号为CN101832549B)和发明专利《浓、淡煤粉喷***错布置的多次引射分级燃烧W火焰锅炉》(中国专利号为ZL201110231069.1、授权公告日为2013年3月13日、授权公告号为CN102297418B)则是通过改变燃烧器喷口布置来推迟拱下燃烧器区域的风粉混合过程，从而抑制燃料型NO_x的生成。从现有研究成果看来，上述文件中提出的燃尽风和燃烧器喷口布置方式在降低NO_x排放和保证燃尽上取得了一定进展，即最优条件下可将NO_x排放降至约800mg/m³的同时维持飞灰可燃物含量7~10%，调整锅炉配风以继续强化炉内分级条件可进一步将NO_x减排至约500mg/m³，但却引起了飞灰可燃物含量急剧升高和锅炉效率低下的问题；与此同时，将最优条件下的NO_x排放800mg/m³通过尾部SCR脱硝降至上述200mg/m³的排放限值，需耗费巨大的SCR脱硝投资和运行成本。可见，现有W火焰燃烧技术尚难实现理想的低NO_x排放和高效燃尽(即炉内NO_x排放不高于500mg/m³的同时飞灰可燃物含量不高于5%)。

发明内容

本发明的目的是为了解决背景技术提及的W火焰锅炉无法同时兼顾低NO_x排放和高效燃尽的问题，进而提供了一种耦合空气分级和燃料分级的四拱型低NO_x W火焰锅炉。有别于现有技术中常规的双拱型W火焰锅炉(空气分级程度较低，在空气分级上一般仅配备拱下分级风)，本发明中的W火焰锅炉在下炉膛共设有四个炉拱，即两个对称的上炉拱设有外倾布置的煤粉燃烧器(用于给入煤粉和二次风)和两个对称的下炉拱用于布置内倾的超细粉燃烧器(用于给入再燃的超细煤粉)，上、下炉拱之间的上部前后墙设有下倾的分级风(用于主燃区组织分级燃烧)，冷灰斗上部设有冷灰斗保护风(用于避免再燃区内超细粉射流和下行火焰冲刷冷灰斗壁面)，上炉膛的前后墙下部设有下倾给入的燃尽风，从而在炉内构建了耦合深度空气分级和燃料分级燃烧的条件；四拱型设计有助于延长煤粉颗粒在下炉膛的行程和提高炉内火焰充满度，确保在组织深度空气分级和燃料分级燃烧时维持较好燃尽效果。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种耦合空气分级和燃料分级的四拱型低NO_x W火焰锅炉，所述W火焰锅炉包含下炉膛和上炉膛两部分，所述下炉膛由上炉拱、上部前后墙、下炉拱、下部前后墙和冷灰斗组成；多个煤粉燃烧器沿炉膛中心线对称布置于前、后两个上炉拱上并与下炉膛连通；多个超细粉燃烧器沿炉膛中心线对称布置于前、后两个下炉拱上并与下炉膛连通；所述W火焰锅炉还在上部前后墙的中部布置有多个下倾的分级风喷口，在冷灰斗斜坡水冷壁上部布置有多个冷灰斗保护风喷口，在上炉膛的前后墙下部布置有多个下倾的燃尽风喷口。

进一步的，所述多个煤粉燃烧器沿炉膛宽度方向均匀布置；所述超细粉燃烧器、分级风喷口、冷灰斗保护风喷口和燃尽风喷口沿炉宽方向均与多个煤粉燃烧器一一对应，且均沿炉膛中心线对称布置于炉膛的前后两侧。

进一步的，所述煤粉燃烧器相对于竖直方向外倾5~15°角，所述超细粉燃烧器相对于竖直方向内倾10~25°角，所述分级风喷口相对于水平方向下倾45~60°角，所述冷灰斗保护风喷口相对于水平方向上倾0~10°角，所述燃尽风喷口相对于水平方向下倾30~45°角。

进一步的，所述煤粉燃烧器给入的二次风、所述分级风喷口给入的分级风、所述超细粉燃烧器给入的超细粉射流、所述冷灰斗保护风喷口给入的冷灰斗保护风和所述燃尽风喷口给入的燃尽风，其风速均在40~60m/s范围内。

现有技术存在的缺陷及本发明较现有技术所具有的特性和有益效果如下：

a. 如背景技术中所述，现有技术往往是在常规双拱型W火焰锅炉的上炉膛下部增设燃尽风，或再辅以燃烧器喷口布置上的改进，以强化炉内空气分级燃烧程度而实现NO_x减排。常规的双拱型W火焰锅炉(图2)包含下炉膛4和上炉膛5，下炉膛4由前后炉拱1、前后墙2和冷灰斗3组成；多个煤粉燃烧器6沿炉膛中心线1-1对称布置于前后炉拱1上并与下炉膛4连通；在前后墙2的下部布置有分级风喷口7。虽然现有技术通过增设燃尽风使下炉膛4内形成贫氧燃烧而抑制了NO_x生成，但因来自燃烧器6的下行煤粉气流8其风量不可避免地减少，加之分级风9对下行煤粉气流8的拦截作用较强，使得火焰的下射深度l ₀较增设燃尽风之前有所缩短，火焰在下炉膛的充满度(以火焰下射深度l ₀和宽度w ₀的乘积l ₀×w ₀与下炉膛4的纵截面面积的比值来度量)减小，煤粉颗粒在贫氧的下炉膛4内的停留时间随之缩短，下炉膛4内形成大量未燃尽颗粒且这些颗粒随上行烟气11(上行烟气11中的一部分作为拱下回流烟气10以强化拱下的煤粉着火)进入上炉膛5，在上炉膛5内纵然有燃尽风的助燃而使这些颗粒继续燃烧，但最终的燃尽效果不可避免地受到影响。如背景技术中所述，其最优条件下可将NO_x减排至约800mg/m³的同时维持飞灰可燃物含量7~10%，虽然NO_x排放最低可降至约500mg/m³，但此时飞灰可燃物含量急剧升高至15~20%；而利用SCR脱硝将炉内最优条件下的NO_x排放800mg/m³降至前述200mg/m³排放限值需耗资巨大。可见，现有W火焰低氮燃烧技术尚难实现理想的低NO_x排放和高效燃尽。

在采用本发明中的耦合空气分级和燃料分级的四拱型低NO_x W火焰锅炉后，下炉膛4包含有四个炉拱(即前后两个上炉拱1a和前后两个下炉拱1b)、两段式前后墙(即上部前后墙2a和下部前后墙2b)和冷灰斗3；多个煤粉燃烧器6和多个分级风喷口7分别布置于上炉拱1a和上部前后墙2a，多个超细粉燃烧器6a和多个冷灰斗保护风喷口7a分别布置于下炉拱1b和冷灰斗3的上部区域；上炉膛5的下部设有多个燃尽风喷口7b。在这一燃烧布局下，炉内燃烧区域的划分为：上炉拱1a和上部前后墙2a所包围区域为主燃区，下行煤粉气流8(即煤粉燃烧器6给入约占总燃料量85%的煤粉与二次风的混合物)在分级风9和拱下回流烟气10协助下于过量空气系数接近1的主燃区内较好燃烧，形成携有大量NO_x的高温火焰；此火焰继续下行进入由下炉拱1b、下部前后墙2b和冷灰斗3组成的再燃区，再燃区因超细粉燃烧器6a给入较多超细煤粉颗粒(约占总燃料量的15%，平均粒径10~15μm，颗粒表面活性较强)和少量风而形成较强的还原性气氛，超细粉射流8a在此强还原性气氛下混入携有大量NO_x的高温火焰中，将其中的NO_x还原成N₂并同时抑制新的NO_x的生成，近乎水平给入的冷灰斗保护风9a布置于再燃区最下部，起到托举超细粉射流8a和下射火焰的作用；在再燃区因还原性气氛而未燃尽的颗粒随上行烟气11进入位于上炉膛5下部的燃尽区，在燃尽风9b的助燃下完成燃尽，鉴于富氧的燃尽区其燃烧份额较少而烟温较低，在完成燃尽的同时不会有大量NO_x生成。独特的煤粉燃烧器6外倾布置、分级风喷口大角度下倾布置、超细粉燃烧器6a内倾布置以及近乎水平布置的冷灰斗保护风喷口7a，辅以其对应的四股射流具有较高风速(40~60m/s)，使得火焰在下炉膛4内的下设深度l ₁明显较现有技术中l ₀大，下炉膛火焰充满度较现有技术得以显著提高(在w ₁与w ₀接近的情况下，l ₁×w ₁明显大于l ₀×w ₀)，煤粉颗粒在高温的下炉膛空间内停留时间得以显著延长，加之主燃区内约占总燃料量85%的煤粉在接近理论空气量的条件下较好燃烧，而再燃区内参与再燃的超细煤粉量仅占总燃料量的15%左右，使得进入燃尽区的未燃尽颗粒在总飞灰颗粒中所占比例较现有技术小得多；这些条件均有助于本发明在W火焰炉内构建深度空气分级和燃料分级而大幅度降低NO_x排放的同时确保较好燃尽。鉴于深度空气分级和燃料分级合理利用均可实现NO_x减排50%，在本发发明提供的四拱型低NO_x W火焰炉中将两者精妙配合联用，预计NO_x初始浓度1800mg/m³有望减排至450mg/m³，配以上述解决燃尽问题的各种燃烧设计，本发明有望解决现有技术中存在的“低NO_x燃烧对应燃尽差”的问题。

附图说明

图1是本发明的炉膛结构、燃烧组织及炉膛纵截面上流场示意图（图中流场分布以炉膛中心1-1为对称面，图中各股喷入炉内气流的速度方向均采用箭头标出)；

图2是现有技术中的双拱型W火焰锅炉炉膛结构、燃烧组织及炉膛纵截面上流场示意图，现有低氮燃烧技术通常是在此双拱型W火焰锅炉的上炉膛下部增设如图1中所示燃尽风喷口7b。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施方式一

结合图1说明本实施方式，本发明的耦合空气分级和燃料分级的四拱型低NO_x W火焰锅炉其炉膛分为下炉膛4和上炉膛5两部分，下炉膛4由上炉拱1a、上部前后墙2a、下炉拱1b、下部前后墙2b和冷灰斗3组成；多个煤粉燃烧器6布置在前、后两个上炉拱1a上并与下炉膛4连通，用以给入下射的煤粉气流8；多个分级风喷口7布置于上部前后墙2a的中部并与下炉膛4连通，用以通入分级风9而组织分级燃烧并携带着火的煤粉气流继续下行；多个超细粉燃烧器6a布置在前、后两个下炉拱1b上并与下炉膛4连通，用于给入参与再燃反应的超细粉射流8a；多个冷灰斗保护风喷口7a接近水平布置在冷灰斗3的斜坡水冷壁上部并与下炉膛4连通，用以给入冷灰斗保护风9a；多个燃尽风喷口7b布置在上炉膛5的前后墙下部并与上炉膛5连通，用以给入燃尽风9b。

所述上炉拱1a、多个煤粉燃烧器6、上部前后墙2a、多个分级风喷口7、下炉拱1b、多个超细粉燃烧器6a、下部前后墙2b、多个冷灰斗保护风喷口7a和多个燃尽风喷口7b沿炉膛中心线1-1对称设置于整个炉膛的前后侧；所述多个煤粉燃烧器6、多个分级风喷口7、多个超细粉燃烧器6a、多个冷灰斗保护风喷口7a和多个燃尽风喷口7b均沿炉膛宽度方向均匀布置，且所述多个分级风喷口7、多个超细粉燃烧器6a、多个冷灰斗保护风喷口7a和多个燃尽风喷口7b在炉宽方向均与所述多个煤粉燃烧器6一一对应。

燃烧区域划分为：上炉拱1a和上部前后墙2a所包围区域为主燃区，其过量空气系数接近1，下行煤粉气流8在分级风9和拱下回流烟气10的协助下在主燃区较好燃烧；下炉拱1b、下部前后墙2b和冷灰斗3包围的区域为含较强还原性气氛的再燃区，在此还原性气氛中辅以冷灰斗保护风9a的托举作用，超细粉射流8a将下行煤粉气流8燃烧生成的大量NO_x还原成N₂并同时抑制新的NO_x的生成；再燃区还原性气氛下未燃尽的超细粉颗粒随上行烟气11进入位于上炉膛下部的燃尽区，在燃尽风9b的助燃下完成燃尽。

实施方式二

结合图1说明本实施方式，本发明的耦合空气分级和燃料分级的四拱型低NO_x W火焰锅炉其煤粉燃烧器6相对于竖直方向外倾5~15°角，分级风喷口7相对于水平方向下倾45~60°角，超细粉燃烧器6a相对于竖直方向内倾10~25°角，冷灰斗保护风喷口7a相对于水平方向上倾0~10°角，燃尽风喷口7b相对于水平方向下倾30~45°角；下射煤粉气流8、分级风9、超细粉射流8a、冷灰斗保护风9a和燃尽风9b其风速均在40~60m/s范围内。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

Claims (5)

1.一种耦合空气分级和燃料分级的四拱型低NO_x W火焰锅炉，所述W火焰锅炉包含下炉膛（4）和上炉膛（5）两部分，其特征在于：所述下炉膛（4）由上炉拱（1a）、上部前后墙（2a）、下炉拱（1b）、下部前后墙（2b）和冷灰斗（3）组成，多个外倾的煤粉燃烧器（6）沿炉膛中心线（1-1）对称布置在前后两个上炉拱（1a）上并与下炉膛（4）连通，多个内倾的超细粉燃烧器（6a）沿炉膛中心线（1-1）对称布置在前后两个下炉拱（1b）上并与下炉膛（4）连通，多个煤粉燃烧器（6）和多个超细粉燃烧器（6a）均沿炉膛宽度方向均匀布置且多个超细粉燃烧器（6a）与多个煤粉燃烧器（6）一一对应。

2.如权利要求1所述的耦合空气分级和燃料分级的四拱型低NOx W火焰锅炉，其特征在于：所述上部前后墙（2a）的中部下倾设置有多个与下炉膛（4）连通的分级风喷口（7），所述冷灰斗（3）的斜坡水冷壁上部近于水平设置有多个与下炉膛（4）连通的冷灰斗保护风喷口（7a），所述上炉膛（5）的前后墙下部下倾设置有多个与上炉膛（5）连通的燃尽风喷口（7b），多个分级风喷口（7）、多个冷灰斗保护风喷口（7a）和多个燃尽风喷口（7b）均在炉宽方向均匀分布且均与多个煤粉燃烧器（6）一一对应。

3.如权利要求2所述的耦合空气分级和燃料分级的四拱型低NO_x W火焰锅炉，其特征在于：所述煤粉燃烧器（6）相对于竖直方向外倾5~15°角，所述超细粉燃烧器（6a）相对于竖直方向内倾10~25°角，所述分级风喷口（7）相对于水平方向下倾45~60°角，所述冷灰斗保护风喷口（7a）相对于水平方向上倾0~10°角，所述燃尽风喷口（7b）相对于水平方向下倾30~45°角，分别向炉内给入下射煤粉气流（8）、超细粉射流（8a）、分级风（9）、冷灰斗保护风（9a）和燃尽风（9b）。

4.如权利要求3所述的耦合空气分级和燃料分级的四拱型低NO_x W火焰锅炉，其特征在于：所述下射煤粉气流（8）、分级风（9）、超细粉射流（8a）、冷灰斗保护风（9a）和燃尽风（9b）其风速均在40~60m/s范围内。

5.如权利要求2所述的耦合空气分级和燃料分级的四拱型低NO_x W火焰锅炉，其特征在于：在燃烧区域的划分上，上炉拱（1a）和上部前后墙（2a）所包围区域为主燃区，下炉拱（1b）、下部前后墙（2b）和冷灰斗（3）包围的区域为含较强还原性气氛的再燃区，位于上炉膛下部的区域为燃尽区。