CN108413431B - 锅炉燃料预处理装置及锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锅炉燃料预处理装置及锅炉，其中锅炉燃料预处理装置包括反应管、分离弯管、第一输送管和第二输送管，反应管设有燃料进口，燃料通过燃料进口进入反应管内进行不完全燃烧，分离弯管设置在反应管的下游，分离弯管用于对燃料在反应管内生成的燃烧产物进行气固分离，第一输送管连接在分离弯管的向内凹的一侧，并用于将分离出的气体送入锅炉炉膛；第二输送管连接在分离弯管的向外凸的一侧，并用于将分离出的固体送入炉膛。本发明中燃烧产物的分离原理是利用分离弯管在拐弯处的分离特性并通过离心力的作用实现燃烧产物中气体和固体的分离，进而将气体和固体分别输送到炉膛中，这种分离结构简单，运行和维护成本较低，便于推广。

Description

锅炉燃料预处理装置及锅炉

技术领域

本发明涉及锅炉燃料燃烧技术领域，尤其涉及一种锅炉燃料预处理装置及锅炉。

背景技术

根据《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》的要求，全国所有具备条件的燃煤电厂在2020年都要实现超低排放，其中氮氧化物的排放浓度不高于50mg/m³。目前，国内大部分电厂均采用尾部SCR脱硝技术来降低污染物的排放，采用该技术每年需支付巨额的SCR脱硝运行维护费用，整体经济效益不佳；同时，采用SCR脱硝***容易导致下游空气预热器的腐蚀和堵塞，影响锅炉机组的安全性；而且，SCR催化剂及氨逃逸带来的二次污染也无法得到有效解决。

为实现超低排放，目前普遍认可的技术路线为通过向炉内喷入还原气体，将已生成的NO_x还原为N₂，以实现NO_x的超低排放，减少腐蚀和堵塞，降低二次污染。虽然天然气再燃能有效降低NO_x的浓度，减排率可达70％，但现有的煤气化装置结构复杂，运行费用高，不便于推广，如何低成本地获取满足再燃份额的还原性气体成为目前最大的难题。

需要说明的是，公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是提出一种锅炉燃料预处理装置及锅炉，以实现对预处理过程所产生的燃烧产物的分离，并为将分离后的气体和固体分别送入炉膛的不同位置提供支持，尽可能地简化锅炉燃料预处理装置的结构，降低运行和维护成本。

为实现上述目的，本发明提供了一种锅炉燃料预处理装置，包括反应管、分离弯管、第一输送管和第二输送管，反应管设有燃料进口，燃料通过燃料进口进入反应管内进行不完全燃烧，分离弯管设置在反应管的下游，分离弯管用于对燃料在反应管内生成的燃烧产物进行气固分离，第一输送管连接在分离弯管的向内凹的一侧，并用于将通过分离弯管分离出的气体送入锅炉炉膛；第二输送管连接在分离弯管的向外凸的一侧，并用于将通过分离弯管分离出的固体送入炉膛。

进一步地，反应管水平布置；或者，反应管竖直布置。

进一步地，第一输送管包括沿气流方向倾斜向上布置的第一管段和水平布置的第二管段，第一管段与分离弯管连通，第二管段与第一管段连通。

进一步地，第二输送管包括沿气流方向倾斜向下布置的第三管段和水平布置的第四管段，第三管段与分离弯管连通，第四管段与第三管段连通。

进一步地，锅炉燃料预处理装置还包括加速管，加速管的进口截面面积大于加速管的出口截面面积，加速管连接在反应管与分离弯管之间。

进一步地，锅炉燃料预处理装置还包括进口管，进口管与反应管的燃料进口连通，反应管的截面面积比进口管的截面面积大。

进一步地，反应管的截面面积与进口管的截面面积之比为3～15.5。

进一步地，进口管与反应管的布置方向不同，进口管与反应管之间设有连接弯头。

进一步地，锅炉燃料预处理装置还包括减速管，减速管的进口截面面积小于减速管的出口截面面积，减速管连接在连接弯头与反应管之间。

进一步地，进口管水平布置，反应管竖直布置。

进一步地，锅炉燃料预处理装置还包括热源，热源用于点燃燃料。

为实现上述目的，本发明还提供了一种锅炉，包括炉膛和锅炉燃料预处理装置，锅炉燃料预处理装置采用上述的锅炉燃料预处理装置，第一输送管和第二输送管均与炉膛连通。

进一步地，反应管的轴线与竖直线之间的夹角为0°～30°，分离弯管设置在反应管的下方，锅炉燃料预处理装置还包括导流管，导流管连接在分离弯管的上游，导流管沿着远离炉膛的方向延伸。

进一步地，导流管和/或分离弯管相对于竖直线倾斜布置。

进一步地，第一输送管与炉膛内主燃区的上层喷口连通；或者，第一输送管与炉膛内的还原区连通；或者，第一输送管与炉膛内燃尽区的上方区域连通。

进一步地，第二输送管与炉膛内的主燃区连通。

基于上述技术方案，本发明实施例通过设置反应管，可以使燃料在反应管内进行不完全燃烧，实现对燃料的预处理；通过设置分离弯管，可以对燃料燃烧生成的燃烧产物进行气固分离；通过设置第一输送管和第二输送管，可以将分离后得到的气体和固体分别送入炉膛，为将气体和固体分别送入炉膛的不同位置提供了支持。其中，燃烧产物的分离原理是利用分离弯管在拐弯处的分离特性并通过离心力的作用实现燃烧产物中气体和固体的分离，进而将气体和固体分别输送到炉膛中，这种分离方式所采用的结构比较简单，运行和维护成本较低，可以简化锅炉燃料预处理装置的整体结构，降低成本，便于推广。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明锅炉一个实施例的结构示意图。

图2为本发明锅炉另一个实施例的结构示意图。

图中：

1、进口管；2、热源；3、反应管；4、加速管；5、导流管；6、分离弯管；7、第一输送管；8、第二输送管；9、连接弯头；10、减速管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，在本发明所提供的锅炉燃料预处理装置的一个示意性实施例中，该锅炉燃料预处理装置包括反应管3、分离弯管6、第一输送管7和第二输送管8，反应管3设有燃料进口，燃料通过燃料进口进入反应管3内进行不完全燃烧。在反应管3内，可以完成对燃料的预处理过程，通过不完全燃烧可以生成CH₄、H₂、CO等还原性气体，将这些还原性气体通入炉膛内可以对炉膛内燃料燃烧所产生的NO_x进行还原，实现锅炉NO_x低排放。这种方式可以实现还原性气体的自给自足，低成本获取还原性气体。

由于燃料在不完全燃烧后所生成的燃烧产物中有气体和固体，为保证通入炉膛中的气体的纯度，以及使剩余燃料充分燃烧，减少燃料浪费，锅炉燃料预处理装置中还设有分离器，以对气体和固体进行分离。分离器包括分离弯管6、第一输送管7和第二输送管8，分离弯管6设置在反应管3的下游，分离弯管6具有拐弯，通过分离弯管6在拐弯处的分离特性，可对燃料在反应管3内生成的燃烧产物进行气固分离，第一输送管7连接在分离弯管6的向内凹的一侧，并用于将通过分离弯管6分离出的气体送入锅炉炉膛；第二输送管8连接在分离弯管6的向外凸的一侧，并用于将通过分离弯管6分离出的固体送入炉膛。

通过设置分离弯管6、第一输送管7和第二输送管8，为将气体和固体分别送入炉膛的不同位置提供了支持。在可选的实施例中，通过分离弯管6可分离出还原性气体和半焦，将还原性气体送入炉膛的相应位置，可对炉膛内燃烧产生的NO_x进行还原，降低NO_x排放；将半焦送入炉膛的相应位置，可使半焦进行充分燃烧，提高燃料利用率，减少浪费。

在上述示意性实施例中，燃烧产物的分离原理是利用分离弯管在拐弯处的分离特性并通过离心力的作用实现燃烧产物中气体和固体的分离，进而将气体和固体分别输送到炉膛中，这种分离方式所采用的结构比较简单，运行和维护成本较低，可以简化锅炉燃料预处理装置的整体结构，降低成本，便于推广。

在本发明所提供的锅炉燃料预处理装置实施例中，反应管3可以水平布置，也可以竖直布置。

可选地，第一输送管7包括沿气流方向倾斜向上布置的第一管段和水平布置的第二管段，第一管段与分离弯管6连通，第二管段与第一管段连通。这样设置可以方便气体的输送，使气体更加顺畅地进入第一输送管7。

可选地，第二输送管8包括沿气流方向倾斜向下布置的第三管段和水平布置的第四管段，第三管段与分离弯管6连通，第四管段与第三管段连通。这样设置可以方便固体的输送，使固体更加顺畅地进入第二输送管8。

如图1所示，锅炉燃料预处理装置还包括加速管4，加速管4的进口截面面积大于加速管4的出口截面面积，加速管4连接在反应管3与分离弯管6之间。通过设置加速管4，可以提高气流的流速，使反应管3出口处的气流可以快速排出，防止积粉结渣。

在如图1和图2所示的实施例中，锅炉燃料预处理装置包括一级加速管4。在其他实施例中，可以设置两级或两级以上的加速管4。

可选地，锅炉燃料预处理装置还包括进口管1，进口管1与反应管3的燃料进口连通，反应管3的截面面积比进口管1的截面面积大。这样设置可以使气流在通过进口管1后进入横截面积较大的反应管3中，延长燃料在反应管3内的反应时间，提高反应管3内横截面上温度分布的均匀性，还可以有效避免反应管3内的积粉结渣问题。

可选地，反应管3的截面面积与进口管1的截面面积之比(称为扩展比)为3～15.5。将扩展比设置为3～15.5，可以使煤粉燃烧更加稳定，温度分布更加均匀，反应管3内部烟气的平均温度可达900～1500℃，可使煤粉迅速热解、气化，产生大量的还原性气体，实现NO_x的超低排放；还可以将反应管3的横截面积和长度控制在合理的范围内，方便安装，有效控制成本。

当扩展比小于3时，为了保证燃料在反应管3内的停留时间，满足热解和气化反应的要求，产生足够的还原性气体，需要加长反应管3的长度，这样就会提高对锅炉空间布置的要求，给锅炉整体装置的安装带来较大的困难，而且增加反应管3的长度本身也会带来成本增加的问题，经济性差；当扩展比大于15.5时，反应管3的横截面积太大，也会面临空间、安装和成本方面的问题。

可选地，如图2所示，进口管1与反应管3的布置方向不同，进口管1与反应管3之间设有连接弯头9。通过设置连接弯头9，可以使进口管1和反应管3的布置方向有更多选择，提高安装方便性。通过设置连接弯头9，还可以利用弯头的浓缩效应提高点火效率，提高锅炉燃料预处理装置对不同工况和不同煤种的适应性。

连接弯头9内可设置导流板，以实现较好的导流效果。

可选地，进口管1水平布置，反应管3竖直布置。这样可以使燃料沿水平方向进入进口管1内，方便燃料的输送；而反应管3竖直布置，可以有效防止燃料气流在反应管3内积粉结渣。

进一步地，锅炉燃料预处理装置还包括减速管10，减速管10的进口截面面积小于减速管10的出口截面面积，减速管10连接在连接弯头9与反应管3之间。通过设置减速管10，可以消除点火初期的涡流，有利于火焰的扩散和燃烧的稳定。

另外，锅炉燃料预处理装置还包括热源2，热源2用于点燃燃料。热源2可以采用燃烧器、等离子体点火、油枪点火、***点火、高温空气等可以点燃或加热一次风粉的装置。

可选地，热源2沿反应管3的径向布置或者相对于水平方向倾斜设置。

可选地，热源2设置在连接弯头9处，通过连接弯头9的浓缩效应便于点火。通过设置热源2，可以为燃料燃烧(比如煤粉热解、气化反应)提供稳定、可靠的火源。

可选地，热源2包括至少两级燃烧筒。采用两级或多级燃烧筒，可通过分级燃烧增强点火性能，使火焰燃烧更加稳定，通过合理选择点火功率，可以扩大锅炉燃料预处理装置对工况和煤种的适用范围。

可选地，热源2的功率可调。通过调节热源2的功率，可以调节一次风粉的点火强度，从而控制锅炉燃料预处理装置内部的燃烧强度，进而实现控制温度的目的，有效防止装置内部超温、结渣。

本发明所提供的锅炉燃料预处理装置实施例，还可以作为低氮燃烧器使用。

本发明还提供了一种锅炉，该锅炉包括炉膛和锅炉燃料预处理装置，锅炉燃料预处理装置采用上述各个实施例中的锅炉燃料预处理装置，第一输送管7和第二输送管8均与炉膛连通。

可选地，反应管3的轴线与竖直线之间的夹角为0°～30°，这样可以使反应管3整体大致呈竖直布置，这样布置的好处是可以有效避免反应管3内的积粉结渣。

分离弯管6设置在反应管3的下方，锅炉燃料预处理装置还包括导流管5，导流管5连接在分离弯管6的上游，导流管5沿着远离炉膛的方向延伸。由于分离弯管6最终需要将分离出的气体和固体送入炉膛，因此分离弯管6沿着靠近炉膛的方向延伸。通过设置导流管5，可以使气流先沿着导流管5流向远离炉膛的方向，然后再进入分离弯管6内进行分离，这样可以增大分离弯管6内的弯管效应，提高分离效果。

可选地，导流管5和/或分离弯管6相对于竖直线倾斜布置。这样设置可以使气流流通更加顺畅，减少不必要的气流扰动或涡流，影响燃烧和输送效果。

可选地，导流管5和/或分离弯管6引导气流倾斜向下。

在锅炉实施例中，第一输送管7和第二输送管8的布置位置有多种方式，根据锅炉的结构和NO_x的排放水平，可以灵活设置第一输送管7和第二输送管8的安装位置，使锅炉实现超低排放。可选地，第一输送管7与炉膛内主燃区的上层喷口连通；或者，第一输送管7与炉膛内的还原区连通；或者，第一输送管7与炉膛内燃尽区的上方区域连通。其中优选地，第一输送管7与炉膛内的还原区连通，可实现较好地还原效果，有效降低NO_x的排放。

可选地，第二输送管8与炉膛内的主燃区连通。这样可以把燃烧剩余的产物(比如半焦)送入炉膛继续进行燃烧。

上述各个实施例中锅炉燃料预处理装置所具有的积极技术效果同样适用于锅炉，这里不再赘述。

下面结合图2对本发明锅炉燃料预处理装置及锅炉的一个实施例的具体结构和工作原理进行说明：

以锅炉燃料为煤粉为例，如图2所示，锅炉燃料预处理装置主要包括进口管1、热源2、反应管3、加速管4、导流管5、分离弯管6、第一输送管7、第二输送管8、连接弯头9和减速管10。

其中，进口管1水平布置，减速管10、反应管3和加速管4竖直布置，反应管3的横截面积与进口管1的横截面积之比为3～15.5。加速管4的设置可以提高反应管3喷口烟气的流速。分离弯管6采用弯头分离，充分利用高速气流和弯头效应对燃气和半焦进行分离，结构简单，阻力较小。与分离弯管6的向内凹的一侧连通的第一输送管7用于输送气体，将气体通入锅炉炉膛的还原区，深度还原已生成的NO_x；与分离弯管6的向外凸的一侧连通的第二输送管8用于输送固体，将未燃尽的半焦通入锅炉炉膛的主燃区，保证煤粉充分燃尽。进口管1与减速管10之间通过连接弯头9连通，热源2位于连接弯头9及减速管10的内部，连接弯头9具有浓缩效应，有利于煤粉点火。

在工作时，一次风粉进入进口管1中，通过连接弯头9的浓缩效应，煤粉在连接弯头9处积聚，热源2点燃煤和空气的风粉混合物，通过部分煤粉燃烧放热，在反应管3内使输入的煤粉发生热解、气化反应，经至少一级加速管4把燃烧产物的流速提高，避免管路内积粉和结渣，流速提升后的燃烧产物经导流管5的导流作用进入分离弯管6进行分离，然后通过第一输送管7和第二输送管8分别将还原性气体和半焦输送到炉膛。

其中，一次风粉不经过浓淡分离，直接全部进入反应管，煤粉处理量大，还原性产物更多，实现低成本、低能耗的制气；热源2为煤粉的热解、气化提供了稳定、可靠的火源；反应管3采用大扩展比，且竖向安装，既可延长反应时间，提高反应管3在横截面上温度分布的均匀性，又可有效避免反应管3内积粉、结渣；在反应管3内燃烧后，可以简单地、低成本地、低能耗地获得大量CH₄、H₂、CO等还原性气体，其中H₂为6～15％，CH₄为0.5～5％，CO为8～20％，将这些气体喷入炉膛，可对NO_x进行深度还原，使锅炉出口NO_x的浓度为0或趋于0，实现锅炉NO_x超低排放。

通过对本发明锅炉燃料预处理装置及锅炉的多个实施例的说明，可以看到本发明锅炉燃料预处理装置及锅炉实施例至少具有以下一种或多种优点：

1、分离弯管利用弯管分离特性，将燃烧产物中的气体和固体分离，且通过第一输送管和第二输送管可以对气体和固体分别进行输送，为将气体和固体分别输送至炉膛的不同位置提供支持；

2、反应管的扩展比为3～15.5，且竖向安装，不仅可提高反应的稳定性，还可延长反应时间，并解决反应管内积粉、结渣的问题；

3、反应管与导流管之间连接有加速管，可提高喷口烟气的流速，可避免堵塞、积粉、结渣等问题，对下游的气固分离也有增强作用；

4、进口管与反应管之间设有连接弯头，通过连接弯头的局部浓缩效应有利于煤粉的点火，扩大装置对煤质及工况的适应范围；

5、连接弯头与反应管之间设有减速管，可消除点火初期的涡流，有利于火焰的扩散及燃烧稳定；

6、锅炉燃料预处理装置整体结构简单，改造容易，运行费用较低，对一次风粉进行预处理产生的大量还原性气体可直接喷入炉膛，通过炉内燃烧使锅炉实现NO_x超低排放，与SCR***相比经济效益显著，而且避免了废弃催化剂及氨逃逸等二次污染，在NO_x超净排放领域具有很好的应用前景。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (14)

1.一种锅炉燃料预处理装置，其特征在于，包括反应管(3)、分离弯管(6)、第一输送管(7)和第二输送管(8)，所述反应管(3)设有燃料进口，燃料通过所述燃料进口进入所述反应管(3)内进行不完全燃烧，所述分离弯管(6)设置在所述反应管(3)的下游，所述分离弯管(6)用于对燃料在所述反应管(3)内生成的燃烧产物进行气固分离，所述第一输送管(7)连接在所述分离弯管(6)的向内凹的一侧，并用于将通过所述分离弯管(6)分离出的气体送入锅炉炉膛；所述第二输送管(8)连接在所述分离弯管(6)的向外凸的一侧，并用于将通过所述分离弯管(6)分离出的固体送入所述炉膛，所述第一输送管(7)包括沿气流方向倾斜向上布置的第一管段和水平布置的第二管段，所述第一管段与所述分离弯管(6)连通，所述第二管段与所述第一管段连通，所述第二输送管(8)包括沿气流方向倾斜向下布置的第三管段和水平布置的第四管段，所述第三管段与所述分离弯管(6)连通，所述第四管段与所述第三管段连通。

2.根据权利要求1所述的锅炉燃料预处理装置，其特征在于，所述反应管(3)水平布置；或者，所述反应管(3)竖直布置。

3.根据权利要求1所述的锅炉燃料预处理装置，其特征在于，所述锅炉燃料预处理装置还包括加速管(4)，所述加速管(4)的进口截面面积大于所述加速管(4)的出口截面面积，所述加速管(4)连接在所述反应管(3)与所述分离弯管(6)之间。

4.根据权利要求1所述的锅炉燃料预处理装置，其特征在于，所述锅炉燃料预处理装置还包括进口管(1)，所述进口管(1)与所述反应管(3)的燃料进口连通，所述反应管(3)的截面面积比所述进口管(1)的截面面积大。

5.根据权利要求4所述的锅炉燃料预处理装置，其特征在于，所述反应管(3)的截面面积与所述进口管(1)的截面面积之比为3～15.5。

6.根据权利要求4所述的锅炉燃料预处理装置，其特征在于，所述进口管(1)与所述反应管(3)的布置方向不同，所述进口管(1)与所述反应管(3)之间设有连接弯头(9)。

7.根据权利要求6所述的锅炉燃料预处理装置，其特征在于，所述锅炉燃料预处理装置还包括减速管(10)，所述减速管(10)的进口截面面积小于所述减速管(10)的出口截面面积，所述减速管(10)连接在所述连接弯头(9)与所述反应管(3)之间。

8.根据权利要求4所述的锅炉燃料预处理装置，其特征在于，所述进口管(1)水平布置，所述反应管(3)竖直布置。

9.根据权利要求1所述的锅炉燃料预处理装置，其特征在于，所述锅炉燃料预处理装置还包括热源(2)，所述热源(2)用于点燃所述燃料。

10.一种锅炉，其特征在于，包括炉膛和锅炉燃料预处理装置，所述锅炉燃料预处理装置采用如权利要求1～9任一项所述的锅炉燃料预处理装置，所述第一输送管(7)和所述第二输送管(8)均与所述炉膛连通。

11.根据权利要求10所述的锅炉，其特征在于，所述反应管(3)的轴线与竖直线之间的夹角为0°～30°，所述分离弯管(6)设置在所述反应管(3)的下方，所述锅炉燃料预处理装置还包括导流管(5)，所述导流管(5)连接在所述分离弯管(6)的上游，所述导流管(5)沿着远离所述炉膛的方向延伸。

12.根据权利要求11所述的锅炉，其特征在于，所述导流管(5)和/或所述分离弯管(6)相对于竖直线倾斜布置。

13.根据权利要求10所述的锅炉，其特征在于，所述第一输送管(7)与所述炉膛内主燃区的上层喷口连通；或者，所述第一输送管(7)与所述炉膛内的还原区连通；或者，所述第一输送管(7)与所述炉膛内燃尽区的上方区域连通。

14.根据权利要求10所述的锅炉，其特征在于，所述第二输送管(8)与所述炉膛内的主燃区连通。