CN105351922A - 分相气化低氮旋流燃烧器及其控制方法 - Google Patents

分相气化低氮旋流燃烧器及其控制方法 Download PDF

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符国运
周明亮
廖加林
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Abstract

本发明涉及一种分相气化低氮旋流燃烧器，解决了现有燃烧器存在的焦炭气化率低、燃烧效率低、低氮排放物值有待进一步提高等问题。技术方案包括由内至外依次设置的一次风通道及其喷口、内二次风通道及其喷口和外二次风通道及其喷口，所述一次风通道及二次风通道之间还设有富氧气膜风通道及其喷口。本发明结构简单、燃烧效率高、有效减轻腐蚀及磨损问题、设备使用寿命长、煤种适应性好、低氮排放值低。

Description

分相气化低氮旋流燃烧器及其控制方法
技术领域
本发明涉及工业煤粉炉及电站锅炉领域，具体的说是一种分相气化低氮旋流燃烧器及其控制方法。
背景技术
随着国家对锅炉氮氧化物排放控制的日益严格，一种全炉膛空气分级配套低NOx燃烧器的燃烧***技术得到了广泛应用，并形成了各种流派的低NOx旋流和直流燃烧器技术。就工业煤粉锅炉及电站锅炉而言，为使氮氧化物在炉内得到有效还原，全炉膛分级燃烧低NOx排放技术采用把供应给炉内煤粉燃尽所需要的全部空气(氧量)分为2部分，一部分空气从下炉膛主燃烧器喷口喷入炉膛，满足煤粉早期燃烧所需氧量；而另一部分空气从炉膛上部空气喷口(燃尽风口)送人炉膛，使主燃区的空气化学当量比小于1，形成了缺氧燃烧的还原性气氛，同时在主燃区与上部风口(燃尽风口)之间形成还原性气氛区域，使早期燃烧生成的氮氧化物得到还原。同时，现大多旋流燃烧器本身也都采用煤粉浓淡分离和空气分级送风形式，控制风粉在燃烧器内部的混合时机，形成燃烧器喷口区域的还原性气氛，达到燃烧器区域降低氮氧化物的目的。如公告号为203927901U的专利公开了一种XC-LNB低氮煤粉旋流燃烧器，其具有一次风通道和内、外二次风通道，在一次风道的直管段的出口处内设有煤粉分离器，具有燃烧效率高、一次风通道内阻力小、有效减轻腐蚀及磨损问题、设备使用寿命长、维护成本低的优点，但仍存在燃烧效率有待进一步提高、低氮排放值仍有待进一步降低的问题。将上述低氮煤粉旋流燃器实际应用在煤粉炉和锅炉内时，发现存在如下问题：1、部分空气从锅炉的燃尽风口送入后，使主燃烧器区域的空气减少，出现主燃烧器区域燃烧延迟并带来飞灰可燃物偏高。2、现有技术下，电站及工业用煤粉锅炉氮氧化物排放值较高。为降低最终出口排放值，特别是为达到国家超低排放要求时，选用的烟气尾部脱硝工艺(SNCR，SCR工艺)成本较高，对尾部受热面产生的负面影响也较大，如堵管，受热面化学腐蚀等。3、煤种适应性不够广泛，特别是在燃烧贫煤或混煤的情况下，燃烧效率和焦炭气化也有待提高。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种结构简单、燃烧效率高、有效减轻腐蚀及磨损问题、设备使用寿命长、煤种适应性好、低氮排放物值低的低氮旋流燃烧器。
本发明还提供一种方法简单、操作简便、可靠性好的上述低氮旋流燃烧器的控制方法。
本发明低氮旋流燃烧器包括由内至外依次设置的一次风通道及其喷口、内二次风通道及其喷口和外二次风通道及其喷口，所述一次风通道及二次风通道之间还设有富氧气膜风通道及其喷口。
所述一次风通道的中心轴线处设有中心气流引射装置，所述中心气流引射装置由中心气流引射管及其喷口组成。
所述中心气流引射管的喷口直径与所述一次风通道的喷口的直径比值为0.15-0.35之间。
各通道的喷口扩锥角≤35°。
上述低氮旋流燃烧器的控制方法为：携带煤粉的一次风通入低氮旋流燃烧器的最内层的一次风通道内并由其喷口喷出；二次风分成两股，一股通入一次风通道外层的内二次风通道并由其喷口喷出，另一股通入内二次风通道外层的外二次风通道并由其喷口喷出，其特征在于，富氧气膜风通入位于所述一次风通道和所述内二次风通道之间的富氧气膜风通道，并由其喷口喷出，所述富氧气膜风的氧气浓度为体积百分比30-80％。
所述富氧气膜风的温度控制在110－370℃之间。
控制富氧气膜风的纯氧通入量为所述二次风纯氧通入量的5－10％。
所述二次风分成三股，第三股作为高速二次风通入位于一次风通道中心轴线处的中心气流引射管并由其喷口喷出，所述高速二次风的风速是一次风风速的2－3倍。
所述一次风为300-800℃、氧气浓度低于体积百分比15％的高温烟气。
针对背景技术中存在的问题，发明人进行了如下改进：
(1)在一次风通道及二次风通道之间增设富氧气膜风通道及其喷口，通过向富氧气膜风通道内通入富氧气膜风，在喷出的一次风外周形成一个环形的富氧区，有利于在燃烧器的喷口处火焰中心区的剧烈燃烧，形成极高温度状态，从而提高出口煤粉气化率，为后期煤粉氮的处理及燃烬创造条件。优选控制
控制富氧气膜风的纯氧通入量为所述二次风纯氧通入量的5－10％，过高会导致煤粉燃烧初期在富氧状态下产生大量氮氧化物及后期锅炉整体烟气量不足引起受热面不匹配。过低会导致初期燃烧无法迅速进入剧烈的高温状态，使得焦碳氮不能快速的气化并挥发出来，进一步的，富氧气膜风的温度优选100－180℃(对工业煤粉炉)，240－370℃(对电站煤粉炉)，相对于燃烧器工作状态时的1000℃以上的高温，富氧气膜风的通入可以有效为通道内的壁面降温，有效保护设备，确保高温燃烧状态能持续进行并提高设备的使用寿命。
(2)在一次风通道内中心轴线处设有中心气流引射装置，通过向中心气流引射装置内通入高速二次风，使由中心气流引射装置喷出的高速二次风的风速明显高于其它通道喷出的风速，因而，在近喷口处的火焰中心区形成高温负压气流，一次风携带的煤粉受高温而大量析出的挥发份会迅速被该高温负压气流卷入火焰中心区，在此快速着火，燃烧，迅速消耗内部氧量，初期深度缺氧达到还原氮氧化物的目的；之后，剩余焦炭(脱除了挥发份的煤粉)进入富氧区进行剧烈燃烧，提高焦炭气化率以确保后期燃烧效率，提高煤种的适应性。所述高速二次风的风速是一次风风速的2－3倍，过高会导致燃烧中心被过度推远引起火焰失稳，过低会则无法达到负压抽吸进行气固两相分离的效果。
(3)为了进一步提高煤粉中挥发份的析出，以利于煤粉喷出后挥发份的快速分离和燃烧，采用高温烟气送粉，在一次风通道中就利用烟气的高温将煤粉中的挥发份尽早的析出，通过控制高温烟气中的氧浓度以提高设备的安全性，优选高温烟气的温度为300-800℃，更为优选为300－500℃，过高会增加煤粉自燃产生***的风险，过低会影响煤粉中的挥发份大量析出。
(4)所有通道的喷口具有扩锥角，扩锥角可形成扩散喷出的效果，使一、二次风的混合延迟，并使燃烧器的喷口区域形成风包粉的流场结构，达到着火初期一次风内部形成缺氧气氛，使初期的氮氧化物得到充分还原，同时利用外扩结构形成的风墙达到隔离煤粉颗粒和喷口水冷壁区域管屏的目的，从而可有效缓解低氮旋流燃烧器周部水冷壁结焦和高温腐蚀的问题。优选扩锥角≤35°，更为优选为20－35°，过大会带来气流飞边的问题。
本发明结构简单、控制方法简便、可靠性高、焦炭气化率高、燃烧效率高、有效减轻腐蚀及磨损问题、设备使用寿命长、低氮排放值更低、对环境友好，煤种适应性好、可适用于褐煤，烟煤，贫煤，甚至无烟煤等。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
其中，1-一次风通道、2-一次风喷口、3-富氧气膜风通道、4-富氧气膜风喷口、5-内二次风通道、6-内二次风喷口、7-外二次风通道、8-外二次风喷口、9-中心气流引射管、10-中心气流引射喷口。
具体实施方式
参见图1，本发明分相气化低氮旋流燃烧器包括由内至外依次设置的中心气流引射管9及中心气流引射喷口10、一次风通道1及一次风喷口2、富氧气膜风通道3及富氧气膜风喷口4、内二次风通道5及内二次风喷口6和外二次风通道7及外二次风喷口8；所述中心气流引射管9位于一次风通道1的中心轴线处，所述中心气流引射管喷口10的直径与所述一次风喷口2的直径比值为0.15-0.35之间。上述各喷口的扩锥角为≤35°，优选20－35°。
作为常用设置，低氮旋流燃烧器中还根据需要设有各风道的调节装置、各种常用检测装置和点火枪、***等，此为现有技术，其安装位置、结构和工作原理不作详叙。
控制方法：
温度为300-800℃、氧气浓度低于体积百分比15％的高温烟气作为一次风携带煤粉通入一次风通道1，在一次风通道1中烟气高温能使煤粉中部分挥发分析出，由于控制了高温烟气中的含氧量，从而提高了设备的可靠性。携带煤粉的高温烟气经由一次风喷口2喷出，煤粉中的挥发分在高达一千多度的高温作用下迅速析出；同时二次风分为三股，一股通入内层的内二次风通道5，另一股通入外层的外二次风通道7，并分别经内二次风喷口6和外二次风喷口8喷出，第三股加压后作为高速二次风(风速为50－70m/s，是一次风的2-3倍)通入中心气流引射管9，再由中心气流引射喷口10喷出，喷出的高速二次风在靠近喷口的火焰中心区形成高温负压气流，煤粉中析出挥发分被高温负压气流带入火焰中心区剧烈燃烧。同时，氧气浓度为体积百分比30-80％、温度为100－180℃(对工业煤粉炉)或240－370℃(对电站锅炉)的富氧气膜风通入富氧气膜风通道3(控制富氧气膜风的纯氧通入量为所述二次风纯氧通入量的5－10％。)，由于富氧气膜风温度较低，对低氮旋流燃烧器具有保护作用，提高设备的使用寿命；从富氧气膜风喷口4喷出的富氧气膜风在一次风外周形成环形的富氧区，一次风中脱除了挥发份的煤粉(焦炭)进入富氧区在一次风和二次风的辅助下进行剧烈燃烧，提高焦炭气化率以确保后期燃烧效率；由于所有喷口均具有扩锥角，因此可形成扩散喷出的效果，所述内、外二次风通道5、7的风量和旋流强度可经由对应的调节装置进行调节，以控制一、二次风的混合时机，使火焰中心区高温剧烈燃烧，提高燃烧效率。
上述方法中，本发明燃烧器的点火过程为现有技术，在此不作详述。
安装了本发明分相气化低氮旋流燃烧器的工业煤粉炉及电站锅炉中排出的烟气中氮氧化物可降至100mg/Nm3(干态，折算为6％氧量)以内，焦炭气化率可达90％、燃烧效率可达99％以上。

Claims (9)

1.一种分相气化低氮旋流燃烧器，包括由内至外依次设置的一次风通道及其喷口、内二次风通道及其喷口和外二次风通道及其喷口，其特征在于，所述一次风通道及二次风通道之间还设有富氧气膜风通道及其喷口。
2.如权利要求1所述的分相气化低氮旋流燃烧器，其特征在于，所述一次风通道的中心轴线处设有中心气流引射装置，所述中心气流引射装置由中心气流引射管及其喷口组成。
3.如权利要求2所述的分相气化低氮旋流燃烧器，其特征在于，所述中心气流引射管的喷口直径与所述一次风通道的喷口的直径比值为0.15-0.35之间。
4.如权利要求1-3任一项所述的分相气化低氮旋流燃烧器，其特征在于，各通道的喷口扩锥角≤35°。
5.一种分相气化低氮旋流燃烧器的控制方法，其特征在于，携带煤粉的一次风通入低氮旋流燃烧器的最内层的一次风通道内并由其喷口喷出；二次风分成两股，一股通入一次风通道外层的内二次风通道并由其喷口喷出，另一股通入内二次风通道外层的外二次风通道并由其喷口喷出，其特征在于，富氧气膜风通入位于所述一次风通道和所述内二次风通道之间的富氧气膜风通道，并由其喷口喷出，所述富氧气膜风的氧气浓度为体积百分比30-80％。
6.如权利要求5所述的分相气化低氮旋流燃烧器的控制方法，其特征在于，所述富氧气膜风的温度控制在110－370℃之间。
7.如权利要求5或6所述的分相气化低氮旋流燃烧器的控制方法，其特征在于，控制富氧气膜风的纯氧通入量为所述二次风纯氧通入量的5－10％。
8.如权利要求5所述的分相气化低氮旋流燃烧器的控制方法，其特征在于，所述二次风分成三股，第三股作为高速二次风通入位于一次风通道中心轴线处的中心气流引射管并由其喷口喷出，所述高速二次风的风速是一次风风速的2－3倍。
9.如权利要求5或6或8所述的分相气化低氮旋流燃烧器的控制方法，其特征在于，所述一次风为300-800℃、氧气浓度低于体积百分比15％的高温烟气。
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