CN108506925A - 一种空气分级解耦燃烧机械炉排燃烧炉及其燃烧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空气分级解耦燃烧机械炉排燃烧炉及其燃烧方法，属于煤炭燃烧设备领域，为解决现有装置NOx排放高等问题而设计。本发明空气分级解耦燃烧机械炉排燃烧炉包括预燃装置和主炉体，预燃装置的出口与主炉体的进口连接，主炉体包括顶拱、位于顶拱下方并与顶拱形成主燃烧区的炉排、至少前部位于顶拱和炉排之间的后拱、位于后拱后端上方并与顶拱的后端之间形成第一出口的后墙，主燃烧区的位于后拱前方的部分沿从前至后的方向依次包括连通的贫氧燃烧区和富氧燃烧区，顶拱和后拱上方之间为高温燃尽区，炉排上方和后拱下方之间为低温燃尽区。本发明的燃烧炉及其燃烧方法燃烧充分、NOx排放低、飞灰含碳量少、固硫效果好。

Description

一种空气分级解耦燃烧机械炉排燃烧炉及其燃烧方法
技术领域
本发明涉及煤炭燃烧设备领域，尤其涉及一种空气分级解耦燃烧机械炉排燃烧炉及其燃烧方法。
背景技术
由于传统的机械炉排炉采用炉膛和炉拱辐射加热煤层上部的“上点火”方式，为了提高点火性能，后炉拱必须延伸到前拱下，炉膛出口在煤点火和燃烧初期的区域，为保障可燃物离开炉膛后已经燃尽，该区域必须高温高氧，因而传统的机械炉排炉不能在煤层着火阶段和炉膛前部形成大范围的独立和可控的还原区，无论采取何种措施都无法在机械炉排燃烧炉实现真正意义的深度空气分级燃烧。传统机械炉排炉主要依靠煤燃烧过程在煤层和煤粒内部形成的多种还原反应层，来降低主要由焦炭氮产生的NOx的排放，对于燃烧初期阶段挥发分氮产生的NOx始终无法有效控制，深度降低机械炉排燃烧炉NOx排放的问题多年来都没有进展。由于传统炉炉膛出口位置靠近进煤侧，该区域通风也最强，因而有大量粒径较大、燃烧不完全的煤粒被烟气带出炉膛，造成飞灰含碳量较高，机械不完全燃烧损失较大。另外，上点火方式也不利于炉内脱硫。一方面，炉膛出口下部的炉排燃烧强度非常高，另一方面，炉排后部的上层燃料脱硫反应生成的硫酸钙受下部煤层的加热作用，很容易加速分解。因而，无论采取何种措施，上点火方式的炉内脱硫效率都很难提高。
解耦燃烧技术为解决机械炉排燃烧炉NOx排放问题提供了可行的技术方案。现在虽然一些技术方案中通过对预燃烧室炉排和预燃烧室结构的重新设计，在一定程度上解决了“下点火”稳定燃烧的问题，但是这些技术方案仅解决了预燃烧室燃烧区的局部还原性气氛问题，没有在锅炉的主燃烧区形成更大范围的还原区；同时，对还原区的反应过程控制缺乏有效的手段，不能根据煤质和燃烧工况情况进行调节；另外，之前的技术没有充分解决炉膛温度的分区控制和飞灰含碳量大的问题，不能有效利用下点火方式的低温燃烧特性，无法有效提高炉内燃烧脱硫的效率。
发明内容
本发明的目的在于提出一种NOx排放低、燃烧效果好的空气分级解耦燃烧机械炉排燃烧炉及其燃烧方法。
为达此目的，一方面，本发明采用以下技术方案：
一种空气分级解耦燃烧机械炉排燃烧炉，包括预燃装置和主炉体，所述预燃装置的出口与所述主炉体的进口连接，所述主炉体包括顶拱、位于所述顶拱下方并与所述顶拱形成主燃烧区的炉排、至少前部位于所述顶拱和所述炉排之间的后拱、位于所述后拱后端上方并与所述顶拱的后端之间形成第一出口的后墙，炉排后端为第二出口，所述主燃烧区的位于所述后拱前方的部分沿从前至后的方向依次包括连通的贫氧燃烧区和富氧燃烧区，所述顶拱和后拱上方之间为高温燃尽区，炉排上方和后拱下方之间为低温燃尽区。
进一步地，所述顶拱下方设置有分隔墙，所述分隔墙前后分别为所述贫氧燃烧区和所述富氧燃烧区；所述分隔墙与所述炉排之间具有将贫氧燃烧区和富氧燃烧区连通的通道。
进一步地，所述顶拱下方设置有分隔墙，所述分隔墙上设有若干通孔，所述贫氧燃烧区通过所述通孔与所述富氧燃烧区连通；所述通孔设有可调节开度的挡板，以控制流通截面积。
进一步地，在所述预燃装置的顶部和/或所述预燃装置的两侧墙上设置有前置调节风管，空气由所述前置调节风管的喷***入所述预燃装置的热解气化区或所述贫氧燃烧区内。
进一步地，所述贫氧燃烧区设置有后置调节风管，所述后置调节风管设置于所述顶拱的顶部和/或所述贫氧燃烧区的两侧墙上，空气由所述后置调节风管的喷***入所述贫氧燃烧区。
进一步地，在所述富氧燃烧区和/或所述高温燃尽区中设置有二次风管，所述二次风管设置在所述顶拱的顶部、和/或所述富氧燃烧区的两侧墙上、和/或所述高温燃尽区的两侧墙上，空气由所述二次风管的喷***入所述富氧燃烧区和/或所述高温燃尽区。
另一方面，本发明采用以下技术方案：
一种基于上述任一所述的空气分级解耦燃烧机械炉排燃烧炉的燃烧方法，包括如下步骤：
步骤A、煤炭进入所述预燃装置进行热解气化产生半焦和热解气化煤气；
步骤B1、步骤A产生的煤气进入所述贫氧燃烧区，在还原性气氛下继续燃烧、使得至少部分NOx被还原为N2；
步骤C、步骤B1燃烧所产生的烟气进入富氧燃烧区充分燃烧，最后在高温燃尽区燃尽后经第一出口离开主炉体；
步骤B2、步骤A产生的半焦进入到炉排上随炉排向后方移动，并与经炉排下部进入炉膛的助燃空气反应，逐渐燃尽后产生的固体产物经第二出口排出主炉体。
进一步地，所述炉排的位于所述富氧燃烧区中的部分的下部配风强于所述炉排的位于所述贫氧燃烧区中的部分的下部配风，所述炉排的位于所述后拱下方的部分的下部配风沿从前至后的方向逐渐减弱。
进一步地，所述富氧燃烧区的空气过量系数和所述高温燃尽区的过量空气系数均大于或等于1，且所述高温燃尽区的过量空气系数大于等于所述富氧燃烧区的空气过量系数。
进一步地，所述低温燃尽区的空气过量系数大于等于1。
进一步地，所述步骤A中，所述预燃装置中采用下点火方式燃烧。
本发明的有益效果如下：
1、本发明提供的燃烧炉及其燃烧方法以可进行下点火的预燃装置为基础，通过易调控配风的主炉体，大幅增加了主炉体内的还原性反应区，实现了机械炉排燃烧炉的深度空气分级燃烧。由于挥发分氮和焦炭氮的主要转化区都处于还原性气氛下，因而十分有利于抑制燃料氮向NOx的转化，实现机械炉排燃烧炉的低NOx燃烧。
2、采用下点火的方式，由于炉排上煤层从一开始就稳定燃烧，没有传统炉上点火的干燥加热区段，可显著降低小颗粒煤在炉排的漏煤损失；同时，由于炉排利用率更高，炉排通风强度不仅更为均匀，而且由进煤口到距离较远的主炉体第一出口逐渐增强，因而被风带入炉体内并随烟气离开的煤粒粒径更小，燃烧时间也更为充分，有利于降低飞灰含碳量。
3、预燃装置产生的热解气化煤气中含有较多对NOx具有强还原性的热解产物NH3、HCN和CmHn等，本发明去掉了传统炉的前拱，炉膛顶拱较高，不仅上部热解气化煤气还原区反应时间增长，也有利于使其与下部炉排产生的烟气进行降低NOx的燃料再燃反应。
4、通过设置控制主燃烧区烟气流动的分隔墙，可以调节主燃烧区的流动压降，改善贫氧燃烧区和富氧燃烧区中空气与还原性烟气的混合均匀性，有利于贫氧燃烧区抑制氮氧化物的生成和增加富氧燃烧区的燃尽速度，避免出现局部过氧和高温峰值。
5、相比传统炉的炉排中部集中燃烧，本发明的炉排燃烧负荷更为均匀，煤层燃烧温度峰值和平均温度都较低。另外，燃料进入后部高温区后，由于燃料上部的燃烧热由下部助燃冷风向上带入炉膛，以及煤层上部对高温炉膛的隔离作用，下部已燃尽煤层脱硫后生成的硫酸钙更不易分解。因而，也有利于提高机械炉排燃烧炉的炉内脱硫率。
附图说明
图1是本发明空气分级解耦燃烧机械炉排燃烧炉的结构示意图。
图中：
1、预燃装置；2、热解气化区；3、前置调节风管；4、炉排；5、贫氧燃烧区；6、顶拱；7、主炉体；8、后置调节风管；9、分隔墙；10、富氧燃烧区；11、二次风管；12、高温燃尽区；13、后拱；14、低温燃尽区；15、后墙。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
优选实施例一：
本优选实施例提供了一种空气分级解耦燃烧机械炉排燃烧炉，包括预燃装置1和主炉体7，预燃装置1的出口与主炉体7的进口连接，预燃装置1用于热解气化，主炉体7包括顶拱6、位于顶拱6下方并与顶拱形成主燃烧区的炉排4、至少前部位于顶拱6和炉排4之间的后拱13、位于后拱13后端上方并与顶拱6的后端之间形成第一出口的后墙15，炉排4后端为第二出口，主燃烧区的位于后拱13前方的部分沿从前至后的方向(从前至后的方向是指沿炉排4上煤层的运行方向依次包括连通的贫氧燃烧区5和富氧燃烧区10，顶拱6和后拱13上方之间为高温燃尽区12，炉排4上方和后拱13下方之间为低温燃尽区14。
在上述结构的基础上，为了便于进一步控制贫氧燃烧区5和富氧燃烧区10的配风，保证贫氧燃烧区5中为还原性气氛区域，富氧燃烧区10为氧化性气氛区域，在顶拱6下方设置有分隔墙9，分隔墙9前后分别为贫氧燃烧区5和富氧燃烧区10；分隔墙9与炉排4之间具有将贫氧燃烧区5和富氧燃烧区10连通的通道。
在上述结构的基础上，为了便于调节预燃烧室内或潘阳燃烧区内混合气体的还原性气氛和反应，在预燃装置1的顶部和/或预燃装置1的两侧墙上设置有前置调节风管3，空气由前置调节风管3的喷***入预燃装置1的热解气化区2或贫氧燃烧区5内。
在上述结构的基础上，贫氧燃烧区5设置有后置调节风管8，后置调节风管8设置于顶拱6的顶部和/或贫氧燃烧区5的两侧墙上，空气由后置调节风管8的喷***入贫氧燃烧区5。
在炉膛顶拱6上设置后置调节风管8，可以通过后置调节风管8调节贫氧燃烧区5内的气体流动和扰动混合，并使得贫氧燃烧区5内的混合气体从炉膛分隔墙9下部进入富氧燃烧区10时的过量空气系数接近1；可缩短调节风的贯穿行程，也有利于缩小设置后置调节风管8上的喷口口径、增加喷口数量，使得气流混合更为快速、均匀；可以提高进入贫氧燃烧区5中的调节风的气流刚性，可增强对贫氧燃烧区5上部气流的卷席作用，改善贫氧燃烧区5内的气流充满度，增大还原反应的时间。
在上述结构的基础上，为了便于进一步控制富氧燃烧区10和高温燃尽区12的配风，保证富氧燃烧区10中和高温燃尽区12中为氧化性气氛区域，在富氧燃烧区10和/或高温燃尽区12中即在分隔墙9与炉体后墙15之间设置有二次风管11，二次风管11设置在顶拱6的顶部、和/或富氧燃烧区10的两侧墙上、和/或高温燃尽区12的两侧墙上，空气由二次风管11的喷***入富氧燃烧区10和/或高温燃尽区12，以调节控制区域内的气体流动和扰动混合，并使得富氧燃烧区10和高温燃尽区12内的过量空气满足烟气中可燃物充分燃尽的需要。二次风管11的布置位置和风量大小可根据煤种的不同选择，在满足富氧燃烧区10温度分布的情况下尽可能靠近分隔墙9一侧，以缩短燃尽时间。
另外，需要指出地是，本实施例中分隔墙9的设置方式并不局限于上述情况。例如，可以在顶拱6下方设置有分隔墙9，分隔墙9前后分别为贫氧燃烧区5和富氧燃烧区10，分隔墙9与炉排4之间具有将贫氧燃烧区5和富氧燃烧区10连通的通道的同时在分隔墙9上设有若干通孔，贫氧燃烧区5通过通孔与富氧燃烧区10连通；通孔设有可调节开度的挡板，以控制流通截面积。或者，贫氧燃烧区5和富氧燃烧区10之间仅通过分隔墙9上的通孔连通，而分隔墙9与炉排4之间并不具有将贫氧燃烧区5和富氧燃烧区10连通的通道。该分隔墙9上设置通孔，且通孔上设有可调节通孔开度的挡板，有助于调节主燃烧区流动压降，改善贫氧燃烧区5和富氧燃烧区10中空气与还原性烟气的混合均匀性，有利于贫氧燃烧区5抑制氮氧化物的生成和增加富氧燃烧区10的燃烧速度。
本实施例还提供了一种基于上述空气分级解耦燃烧机械炉排燃烧炉的燃烧方法，包括如下步骤：
步骤A、煤炭进入预燃装置1进行热解气化产生半焦和热解气化煤气；
步骤B1、步骤A产生的煤气进入贫氧燃烧区5，在还原性气氛下继续燃烧、使得至少部分NOx被还原为N2；
步骤C、步骤B1燃烧所产生的烟气进入富氧燃烧区10充分燃烧，最后在高温燃尽区12燃尽后经第一出口离开主炉体7；
步骤B2、步骤A产生的半焦进入到炉排4上随炉排4向后方移动，并与经炉排4下部进入炉膛的助燃空气反应，逐渐燃尽后产生的固体产物经第二出口排出主炉体7。
步骤A中，预燃装置1中优选为采用下点火方式燃烧。
本实施例提供的空气分级解耦燃烧机械炉排燃烧炉可以通过炉排4下方的配风装置和炉顶下方的风管调节配风强度，以确保贫氧燃烧区5中为还原性气氛区域，富氧燃烧区10中为氧化性气氛区域，高温燃尽区12中为高温高氧区域，低温燃尽区14中为低温高氧区域。优选地，炉排4的位于富氧燃烧区10中的部分的下部配风强于炉排4的位于贫氧燃烧区5中的部分的下部配风，炉排4的位于后拱13下方的部分的下部配风沿从前至后的方向逐渐减弱。
富氧燃烧区10的空气过量系数和高温燃尽区12的过量空气系数均大于或等于1，且高温燃尽区12的过量空气系数大于等于富氧燃烧区10的空气过量系数。
本实施例提供的燃烧炉及其燃烧方法具有以下优点：
1、以可进行下点火的预燃装置1为基础，通过易调控配风的主炉体7，大幅增加了主炉体7内的还原性反应区，实现了机械炉排燃烧炉的深度空气分级燃烧。由于挥发分氮和焦炭氮的主要转化区都处于还原性气氛下，因而十分有利于抑制燃料氮向NOx的转化，实现机械炉排燃烧炉的低NOx燃烧。
2、采用下点火的方式，由于炉排4上煤层从一开始就稳定燃烧，没有传统炉上点火的干燥加热区段，可显著降低小颗粒煤在炉排4的漏煤损失；同时，由于炉排4利用率更高，炉排4通风强度不仅更为均匀，而且由进煤口到距离较远的主炉体7第一出口逐渐增强，因而被风带入炉体内并随烟气离开的煤粒粒径更小，燃烧时间也更为充分，有利于降低飞灰含碳量。
3、预燃装置1产生的热解气化煤气中含有较多对NOx具有强还原性的热解产物NH3、HCN和CmHn等，本发明去掉了传统炉的前拱，炉膛顶拱6较高，不仅上部热解气化煤气还原区反应时间增长，也有利于使其与下部炉排4产生的烟气进行降低NOx的燃料再燃反应。
4、通过设置控制主燃烧区烟气流动的分隔墙9，可以调节主燃烧区的流动压降，改善贫氧燃烧区5和富氧燃烧区10中空气与还原性烟气的混合均匀性，有利于贫氧燃烧区5抑制氮氧化物的生成和增加富氧燃烧区10的燃尽速度，避免出现局部过氧和高温峰值。
5、相比传统炉的炉排4中部集中燃烧，本发明的炉排4燃烧负荷更为均匀，煤层燃烧温度峰值和平均温度都较低。另外，燃料进入后部高温区后，由于燃料上部的燃烧热由下部助燃冷风向上带入主炉体7内，以及煤层上部对高温炉膛的隔离作用，下部已燃尽煤层脱硫后生成的硫酸钙更不易分解。因而，也有利于提高机械炉排燃烧炉的炉内脱硫率。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空气分级解耦燃烧机械炉排燃烧炉，其特征在于，包括预燃装置(1)和主炉体(7)，所述预燃装置(1)的出口与所述主炉体(7)的进口连接，所述主炉体(7)包括顶拱(6)、位于所述顶拱(6)下方并与所述顶拱(6)形成主燃烧区的炉排(4)、至少前部位于所述顶拱(6)和所述炉排(4)之间的后拱(13)、位于所述后拱(13)后端上方并与所述顶拱(6)的后端之间形成第一出口的后墙(15)，炉排(4)后端为第二出口，所述主燃烧区的位于所述后拱(13)前方的部分沿从前至后的方向依次包括连通的贫氧燃烧区(5)和富氧燃烧区(10)，所述顶拱(6)和后拱(13)上方之间为高温燃尽区(12)，炉排(4)上方和后拱(13)下方之间为低温燃尽区(14)。
2.根据权利要求1所述的空气分级解耦燃烧机械炉排燃烧炉，其特征在于，所述顶拱(6)下方设置有分隔墙(9)，所述分隔墙(9)前后分别为所述贫氧燃烧区(5)和所述富氧燃烧区(10)；所述分隔墙(9)与所述炉排(4)之间具有将贫氧燃烧区(5)和富氧燃烧区(10)连通的通道。
3.根据权利要求1所述的空气分级解耦燃烧机械炉排燃烧炉，其特征在于，所述顶拱(6)下方设置有分隔墙(9)，所述分隔墙(9)上设有若干通孔，所述贫氧燃烧区(5)通过所述通孔与所述富氧燃烧区(10)连通；所述通孔设有可调节开度的挡板，以控制流通截面积。
4.根据权利要求1所述的空气分级解耦燃烧机械炉排燃烧炉，其特征在于，在所述预燃装置(1)的顶部和/或所述预燃装置(1)的两侧墙上设置有前置调节风管(3)，空气由所述前置调节风管(3)的喷***入所述预燃装置(1)的热解气化区(2)或所述贫氧燃烧区(5)内。
5.根据权利要求1所述的空气分级解耦燃烧机械炉排燃烧炉，其特征在于，所述贫氧燃烧区(5)设置有后置调节风管(8)，所述后置调节风管(8)设置于所述顶拱(6)的顶部和/或所述贫氧燃烧区(5)的两侧墙上，空气由所述后置调节风管(8)的喷***入所述贫氧燃烧区(5)。
6.根据权利要求1所述的空气分级解耦燃烧机械炉排燃烧炉，其特征在于，在所述富氧燃烧区(10)和/或所述高温燃尽区(12)中设置有二次风管(11)，所述二次风管(11)设置在所述顶拱(6)的顶部、和/或所述富氧燃烧区(10)的两侧墙上、和/或所述高温燃尽区(12)的两侧墙上，空气由所述二次风管(11)的喷***入所述富氧燃烧区(10)和/或所述高温燃尽区(12)。
7.一种基于如权利要求1至6任一所述的空气分级解耦燃烧机械炉排燃烧炉的燃烧方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A、煤炭进入所述预燃装置(1)进行热解气化产生半焦和热解气化煤气；
步骤B1、步骤A产生的的煤气进入所述贫氧燃烧区(5)，在还原性气氛下继续燃烧、使得至少部分NOx被还原为N2；
步骤C、步骤B1燃烧所产生的烟气进入富氧燃烧区(10)充分燃烧，最后在高温燃尽区(12)燃尽后经第一出口离开主炉体(7)；
步骤B2、步骤A产生的半焦进入到炉排(4)上随炉排(4)向后方移动，并与经炉排(4)下部进入炉膛的助燃空气反应，逐渐燃尽后产生的固体产物经第二出口排出主炉体(7)。
8.根据权利要求7所述的燃烧方法，其特征在于，所述炉排(4)的位于所述富氧燃烧区(10)中的部分的下部配风强于所述炉排(4)的位于所述贫氧燃烧区(5)中的部分的下部配风，所述炉排(4)的位于所述后拱(13)下方的部分的下部配风沿从前至后的方向逐渐减弱。
9.根据权利要求7所述的燃烧方法，其特征在于，所述富氧燃烧区(10)的空气过量系数和所述高温燃尽区(12)的过量空气系数均大于或等于1，且所述高温燃尽区(12)的过量空气系数大于等于所述富氧燃烧区(10)的空气过量系数。
10.根据权利要求7至9任一项所述的燃烧方法，其特征在于，所述步骤A中，所述预燃装置(1)中采用下点火方式燃烧。
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