CN110260299B - 超临界二氧化碳燃煤锅炉及其多级烟气再循环方法 - Google Patents

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Abstract

本发明首先公开了一种超临界二氧化碳燃煤锅炉，包括炉膛、锅炉烟道和再循环烟道；所述炉膛包括小炉膛段、大炉膛段和炉膛过渡段；所述炉膛的壁面设置有底二次风喷口、一次风喷口、二次风喷口、OFA风喷口和SOFA风喷口；所述再循环烟道的出口端分成五条出口支路烟道，分别与各路风喷口独立连通；各所述出口支路烟道分别设置有循环风分控阀。本发明其次公开了上述超临界二氧化碳燃煤锅炉的多级烟气再循环方法，将从锅炉烟道中抽取的再循环烟气按照一定比例与底二次风、一次风、二次风、OFA风或SOFA风中的至少二者进行混合后从对应的喷口送入炉膛中。本发明能够在掺混再循环烟气的同时保证煤粉高效燃烧。

Description

超临界二氧化碳燃煤锅炉及其多级烟气再循环方法
技术领域
本发明属于超临界二氧化碳燃煤锅炉领域，具体是指一种超临界二氧化碳燃煤锅炉及其多级烟气再循环方法。
背景技术
当下，以水作为循环工质的燃煤发电***遇到了效率瓶颈。为提高总效率，减少传热损失，只能不断提高工质循环的参数，但这又受到了材料的限制，越来越难找到能够适应高蒸汽参数的材料，且材料成本也越来越高。由于这些情况的出现，超临界二氧化碳动力***得到关注。超临界二氧化碳具有特殊的物理性质，以其作为工质的发电***拥有更小的尺寸和更小的占地面积，而且由于其能量密度比水大，按照现有钢材耐高温水平，超临界二氧化碳锅炉***效率更高。
然而，超临界二氧化碳的传热系数只有水工质传热系数的1/3左右，同时，由于超临界二氧化碳布雷顿循环的特性，锅炉进口超临界二氧化碳温度将达到400～500℃左右，压力也在30MPa以上，为保证吸热，势必会导致壁面温度升高。当壁面温度升高后，显然就会引起炉膛壁面超温安全问题。
利用烟气再循环来处理超临界二氧化碳锅炉的炉膛壁面温度过高问题是一个有潜力的解决方案。这种方案通过烟气再循环，能够降低炉膛的整体温度，降低炉膛热流密度，使得热力型NOx的生成大大减少，抑制结焦，炉膛安全性提升；同时还增大了烟气体积，有利于对流受热面的布置。但是，由于烟气再循环降低了炉膛的整体温度，会使得燃烧效率大大降低。
目前，烟气再循环一般是从炉膛底部直接喷入或与一次风(或二次风)预混后重新进入炉膛进行循环，例如申请号为201820962786.9的中国专利，将再循环烟气在空气预热器中与一次风连通形成混合风再送入炉膛。也有部分专利采用分层思想，例如申请号为201820769536.3中国专利，将循环烟气分为了两部分，一部分与二次风混合送入炉膛，一部分在炉膛的上部烟道位置送入炉膛。上述方案的不足之处均在于虽然实现了烟气再循环的基本要求，但大大降低了燃烧效率或在负荷变动时不能保证较高的燃烧效率，这与超临界二氧化碳锅炉要求更高的总效率是相违背的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳燃煤锅炉及其多级烟气再循环方法，能够在掺混再循环烟气的同时保证煤粉高效的燃烧。
为实现上述目的，本发明所设计的超临界二氧化碳燃煤锅炉，包括炉膛、锅炉烟道和再循环烟道；所述炉膛包括位于下部、口径(即宽深)较小的小炉膛段，位于上部、口径较大的大炉膛段，以及连接在二者之间起到过渡作用的炉膛过渡段；所述炉膛的壁面设置有底二次风喷口、一次风喷口、二次风喷口、OFA风喷口和SOFA风喷口；所述底二次风喷口、一次风喷口和二次风喷口设置在小炉膛段的壁面上，所述OFA风喷口设置在小炉膛段、大炉膛段和炉膛过渡段三者之一的壁面上，所述SOFA风喷口设置在大炉膛段的壁面上；所述再循环烟道的出口端设置有五条出口支路烟道，五条所述出口支路烟道分别与底二次风喷口、一次风喷口、二次风喷口、OFA风喷口和SOFA风喷口独立连通；五条所述出口支路烟道均设置有控制支路通过的烟气流量的循环风分控阀。
优选地，所述再循环烟道上还设置有循环风机和循环风总控阀。
优选地，所述锅炉烟道的尾部依次设置有空气预热器、除尘器和引风机，所述再循环烟道的进口端设置有三条进口支路烟道，三条所述进口支路烟道均与锅炉烟道连通且分别连接在空气预热器前、除尘器前和引风机前。
优选地，所述大炉膛段的口径为小炉膛段的口径的1.1～1.6倍，所述炉膛过渡段为上大下小的漏斗形，其侧面与水平面的夹角为20～80°。
本发明同时公开了采用前述超临界二氧化碳燃煤锅炉的多级烟气再循环方法，该方法将从锅炉烟道中抽取的再循环烟气按照一定比例与底二次风、一次风、二次风、OFA风或SOFA风中的至少二者进行混合后从对应的喷口送入炉膛中。具体的再循环烟气的混入位置和比例根据所限的炉膛最高温度、NOx浓度水平以及燃烧效率进行优化调整。当炉膛局部温度偏低时，调低相应位置混入的再循环烟气，反之调高相应位置混入的再循环烟气；当NOX浓度水平较高时，调高相应位置混入的再循环烟气，反之调低相应位置混入的再循环烟气。
优选地，在75％THA(THA指锅炉额定出力)～BMCR(锅炉最大连续出力)工况条件下，采用二次风与SOFA风组合，将再循环烟气的50％～70％与二次风混合，再循环烟气的30％～50％与SOFA风混合后从对应的喷口送入炉膛中。
优选地，在50％THA～75％THA工况条件下，采用二次风与OFA风组合，将再循环烟气的70％～90％与二次风混合，再循环烟气的10％～30％与OFA风混合后从对应的喷口送入炉膛中；或者：采用一次风与SOFA风组合，将再循环烟气的40％～60％与一次风混合，再循环烟气的40％～60％与SOFA风混合后从对应的喷口送入炉膛中。
优选地，在小于50％THA工况条件下，采用底二次风与OFA风组合，将再循环烟气的40％～60％与底二次风混合，再循环烟气的40％～60％与OFA风混合后从对应的喷口送入炉膛中。
优选地，当需要更低的NOx水平或是炉膛温度分布要求更均匀时，采用三级以上组合，将再循环烟气按照一定比例与底二次风、一次风、二次风、OFA风或SOFA风中的至少三者进行混合后从对应的喷口送入炉膛中。例如：三级组合可采用再循环烟气的30％～60％混合二次风，10％～30％混合一次风，20％～40％混合SOFA风；四级组合可采用再循环烟气的有10％～30％混合底二次风，10％～30％混合一次风，20％～40％混合二次风，10％～30％混合SOFA风；五级组合可采用再循环烟气10％～20％的混合底二次风，10％～20％混合一次风，20％～40％混合二次风，10％～20％混合OFA风，10％～20％混合SOFA风；上述比例可考虑燃烧效率来进行整体调整优化。
优选地，所述再循环烟气的抽取位置为空气预热器前、除尘器前或引风机前的锅炉烟道上，抽取比例分别为抽取位置处烟气流量的5％～50％。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)在炉膛五个不同的高度位置均加入了可灵活调控的再循环烟气的出口支路烟道，可以对多个不同位置的局部超温点进行调节。
2)由于热力型NOx生成或超温问题均主要在最高温的区域而降低炉膛整体温度又会导致燃烧效率下降，因此，对于不同负荷下的最高温区域进行精确喷入再循环烟气而尽量不对其他燃烧区域产生影响能够保障煤粉的高效燃烧。
3)设计了独特的大炉膛-小炉膛分段结构，既保证了小炉膛段内煤粉燃烧稳定性的需求，同时又使得上部烟道得到扩展，解决了大比例烟气再循环所导致的烟速过大问题，大大降低了飞灰磨损。而且，由于烟气再循环而导致的炉膛冷却壁吸热量不足的问题也能通过上部的大炉膛结构增设冷却壁面积来解决。
4)喷入的再循环烟气均提前在各进风口进行混合，且有阀门控制，可灵活控制是否混入再循环烟气，能够尽量降低对于炉膛内烟温偏差的影响。
附图说明
图1为本发明实施例1所设计的超临界二氧化碳燃煤锅炉的结构示意图。
图2为图1中再循环烟道与各喷口连接示意图。
其中：炉膛1、小炉膛段1.1、大炉膛段1.2、炉膛过渡段1.3、底二次风喷口1.4、一次风喷口1.5、二次风喷口1.6、OFA风喷口1.7、SOFA风喷口1.8、锅炉烟道2、空气预热器2.1、除尘器2.2、引风机2.3、再循环烟道3、循环风总控阀3.1、循环风机3.2、出口支路烟道3.3、循环风分控阀3.4、进口支路烟道3.5、辐射对流受热面4、送风***5、一次风机5.1、二次风机5.2、空气进气管5.3、空气进气阀5.4
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如图1～2所示，本实施例提供了一种超临界二氧化碳燃煤锅炉，包括炉膛1、锅炉烟道2、再循环烟道3和送风***5。其中：
炉膛1包括位于下部且口径较小的小炉膛段1.1，位于上部且口径较大的大炉膛段1.2，以及连接在二者之间起到过渡作用的炉膛过渡段1.3。大炉膛段1.2的宽深为小炉膛段1.1的宽深的1.1～1.6倍，炉膛过渡段1.3为上大下小的漏斗形，其侧面与水平面的夹角为20～80°。
炉膛1的壁面从下往上依次设置有底二次风喷口1.4、一次风喷口1.5、二次风喷口1.6、OFA风喷口1.7和SOFA风喷口1.8，各喷口所处的高度位置按照现有现有锅炉设计规范选取。其中，底二次风喷口1.4、一次风喷口1.5、二次风喷口1.6和OFA风喷口1.7设置在小炉膛段1.1的壁面上，SOFA风喷口1.8设置在大炉膛段1.2的壁面上。
锅炉烟道2上依次设置有辐射对流受热面4、空气预热器2.1、除尘器2.2和引风机2.3，再循环烟道3的进口端设置有三条进口支路烟道3.5，三条所述进口支路烟道3.5均与锅炉烟道2连通且分别连接在空气预热器2.1前、除尘器2.2前和引风机2.3前，每条支路上均设置有阀门以便切换抽取点。
送风***5包括一次风机5.1和二次风机5.2，一次风机5.1和二次风机5.2均设置有空气进气管5.3。空气预热器2.1为回转式式结构，其烟气通道连接在锅炉烟道2上，其空气通道则连接在空气进气管5.3上。一次风机5.1的空气进气管5.3在炉膛1前分为多路支管，分别连接到底二次风喷口1.4、二次风喷口1.6、OFA风喷口1.7和SOFA风喷口1.8，各路支管上均设置有空气进气阀5.4，以便对底二次风、二次风、OFA风和SOFA风的流量进行调节。一次风机5.1的空气进气管5.3的出口端则与一次风喷口1.5相连，其上同样设置有空气进气阀5.4，以便对一次风的流量进行调节。
再循环烟道3上设置有循环风机3.2，循环风机3.2前设置有循环风总控阀3.1。再循环烟道3的出口端分成五条出口支路烟道3.3，分别连接在底二次风喷口1.4、一次风喷口1.5、二次风喷口1.6、OFA风喷口1.7和SOFA风喷口1.8前的空气进气管5.3的支管上，以便与底二次风、一次风、二次风、OFA风或SOFA风在管道中混合后再从对应的喷口中一起喷入炉膛1。各出口支路烟道3.3分别设置有可独立控制该支路通过的烟气流量的循环风分控阀3.4。
图1为Π型炉，但本实施例中的改进也可以用于其它炉型，例如塔式炉。
实施例2
本实施例公开了一种多级烟气再循环方法，采用实施例1中给出的超临界二氧化碳燃煤锅炉，炉型为Π型炉，处于BMCR工况。大炉膛段1.2与小炉膛段1.1通过四个斜面构成的炉膛过渡段1.3连接，斜面与水平面的倾斜角为45°，大炉膛段1.2的宽深为小炉膛段1.1的1.2倍。再循环烟气从空气预热器2.1进口前的锅炉烟道2抽取，抽取比例为35％。此时燃烧火焰中心位于较高位置，采用二次风+SOFA风的组合，将再循环烟气的70％与二次风混合，再循环烟气的30％与OFA风混合后从对应的喷口送入炉膛1中。具体操作为：打开再循环烟道3通往二次风喷口1.6和SOFA风喷口1.8的出口支路烟道3.3上的循环风分控阀3.4，关闭其余循环风分控阀3.4，也即只有二次风喷口1.6和SOFA风喷口1.8是再循环烟气与空气的混合风，其余喷口为空气或煤粉空气混合气流。底二次风、一次风、二次风、OFA风、SOFA风的空气进气阀5.4均打开，其流量分配根据现有锅炉设计规范选取(即保持原设计流量，下同)。
实施例3
本实施例公开了一种多级烟气再循环方法，采用实施例1中给出的超临界二氧化碳燃煤锅炉，炉型为Π型炉，处于70％THA工况。大炉膛段1.2与小炉膛段1.1通过四个斜面构成的炉膛过渡段1.3连接，斜面与水平面的倾斜角为45°，大炉膛段1.2宽深为小炉膛段1.1的1.2倍。再循环烟气从空气预热器2.1进口前的锅炉烟道2抽取，抽取比例为35％。此时燃烧火焰中心位置下移，采用一次风+SOFA风的组合，将再循环烟气的50％与一次风混合，再循环烟气的50％与SOFA风混合后从对应的喷口送入炉膛1中，具体操作为：打开再循环烟道3通往一次风喷口1.5和SOFA风喷口1.8的出口支路烟道3.3上的循环风分控阀3.4，关闭其余循环风分控阀3.4，也即只有一次风喷口1.5和SOFA风喷口1.8是再循环烟气与煤粉空气或空气的混合风，其余喷口为空气气流。底二次风、一次风、二次风、OFA风、SOFA风的空气进气阀5.4均打开，其流量分配根据现有锅炉设计规范选取。
实施例4
本实施例公开了一种多级烟气再循环方法，采用实施例1中给出的超临界二氧化碳燃煤锅炉，炉型为Π型炉，处于45％THA工况。大炉膛段1.2与小炉膛段1.1通过四个斜面构成的炉膛过渡段1.3连接，斜面与水平面的倾斜角为40°，大炉膛段1.2宽深为小炉膛段1.1的1.2倍。再循环烟气从空气预热器2.1进口前的锅炉烟道2中抽取，抽取比例为20％。此时燃烧火焰中心位置下移更多，采用底二次风+OFA风的组合，将再循环烟气的50％与底二次风混合，再循环烟气的50％与OFA风混合后从对应的喷口送入炉膛1中，具体操作为：打开再循环烟道3通往底二次风喷口1.4和OFA风喷口1.7的出口支路烟道3.3上的循环风分控阀3.4，关闭其余循环风分控阀3.4，也即只有底二次风喷口1.4和OFA风喷口1.7是再循环烟气与空气的混合风，其余喷口为空气或煤粉空气混合气流。底二次风、一次风、二次风、OFA风、SOFA风的空气进气阀5.4均打开，其流量分配根据现有锅炉设计规范选取。
实施例5
本实施例公开了一种多级烟气再循环方法，采用实施例1中给出的超临界二氧化碳燃煤锅炉，炉型为Π型炉，处于BMCR工况，要求更低的NOx排放水平。大炉膛段1.2与小炉膛段1.1通过四个斜面构成的炉膛过渡段1.3连接，斜面与水平面的倾斜角为40°，大炉膛段1.2宽深为小炉膛段1.1的1.24倍。再循环烟气从引风机2.3进口前的锅炉烟道2抽取，抽取比例为45％。此时燃烧火焰中心位置较高，采用SOFA风+OFA风+二次风+一次风+底二次风的五级组合调控方法，打开全部出口支路烟道3.3的循环风分控阀3.4，保证混入SOFA风、OFA风、二次风、一次风和底二次风的再循环烟气流量占比为20％、10％、35％、15％和20％。底二次风、一次风、二次风、OFA风、SOFA风的空气进气阀5.4均打开，其流量分配根据现有锅炉设计规范选取。
实施例6
本实施例公开了一种多级烟气再循环方法，采用实施例1中给出的超临界二氧化碳燃煤锅炉，炉型为塔式炉(本发明对塔式炉的结构改进与Π型炉相同，故未给出塔式炉的附图)，处于BMCR工况。大炉膛段1.2与小炉膛段1.1通过四个斜面构成的炉膛过渡段1.3连接，斜面与水平面的倾斜角为45°，大炉膛段1.2宽深为小炉膛段1.1的1.24倍。再循环烟气从除尘器2.2进口前的锅炉烟道2中抽取，抽取比例为45％。此时燃烧火焰中心位于较高位置，采用二次风+SOFA风的组合，将再循环烟气的70％与二次风混合，再循环烟气的30％与OFA风混合后从对应的喷口送入炉膛1中。具体操作为：打开再循环烟道3通往二次风喷口1.6和SOFA风喷口1.8的出口支路烟道3.3上的循环风分控阀3.4，关闭其余循环风分控阀3.4，也即只有二次风喷口1.6和SOFA风喷口1.8是再循环烟气与空气的混合风，其余喷口为空气或煤粉空气混合气流。底二次风、一次风、二次风、OFA风、SOFA风的空气进气阀5.4均打开，其流量分配根据现有锅炉设计规范选取。
试验例
对实施例2～4进行模拟试验，计算炉膛下部(小炉膛段)热负荷、炉膛上部(大炉膛段)热负荷、锅炉效率和冷却壁壁面最高温度，并与常规水锅炉BMCR工况、无烟气再循环且无大小炉膛结构的超临界二氧化碳锅炉BMCR工况(表中记为无再循环无大小炉膛)、仅底部通入再循环烟气且无大小炉膛结构的超临界二氧化碳锅炉BMCR工况(表中记为有再循环无大小炉膛)进行对比，结果列于下表中。
表1各实施例与对比例性能参数表
Figure BDA0002077059960000101
从上表中可以看出，无烟气再循环的超临界二氧化碳锅炉的壁面最高温度达到了670℃，远远大于常规水锅炉的壁面温度，现有的冷却壁钢材无法满足需要，极易产生超温爆管安全问题。通过加入烟气再循环后大小炉膛热负荷均有显著降低，同时也就能显著降低冷却壁壁面最高温度。对比实施例2(BMCR)与仅底部通入再循环烟气且无大小炉膛结构的超临界二氧化碳锅炉(BMCR)可以看出，采用了多级烟气再循环调节方法+大小炉膛结构后，炉膛热负荷有了进一步的降低，壁面温度也进一步下降，同时锅炉效率较高。

Claims (10)

1.一种超临界二氧化碳燃煤锅炉，包括炉膛(1)、锅炉烟道(2)和再循环烟道(3)，其特征在于：
所述炉膛(1)包括位于下部且口径较小的小炉膛段(1.1)，位于上部且口径较大的大炉膛段(1.2)，以及连接在小炉膛段(1.1)与大炉膛段(1.2)之间的炉膛过渡段(1.3)；
所述炉膛(1)的壁面设置有底二次风喷口(1.4)、一次风喷口(1.5)、二次风喷口(1.6)、OFA风喷口(1.7)和SOFA风喷口(1.8)；所述底二次风喷口(1.4)、一次风喷口(1.5)和二次风喷口(1.6)均设置在小炉膛段(1.1)的壁面上，所述OFA风喷口(1.7)设置在小炉膛段(1.1)、大炉膛段(1.2)和炉膛过渡段(1.3)三者之一的壁面上，所述SOFA风喷口(1.8)设置在大炉膛段(1.2)的壁面上；
所述再循环烟道(3)的出口端设置有五条出口支路烟道(3.3)，五条所述出口支路烟道(3.3)分别与底二次风喷口(1.4)、一次风喷口(1.5)、二次风喷口(1.6)、OFA风喷口(1.7)和SOFA风喷口(1.8)独立连通；五条所述出口支路烟道(3.3)均设置有控制支路通过的烟气流量的循环风分控阀(3.4)。
2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳燃煤锅炉，其特征在于：所述再循环烟道(3)上还设置有循环风机(3.2)和循环风总控阀(3.1)。
3.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳燃煤锅炉，其特征在于：所述锅炉烟道(2)的尾部依次设置有空气预热器(2.1)、除尘器(2.2)和引风机(2.3)，所述再循环烟道(3)的进口端设置有三条进口支路烟道(3.5)，三条所述进口支路烟道(3.5)均与锅炉烟道(2)连通且分别连接在空气预热器(2.1)前、除尘器(2.2)前和引风机(2.3)前。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的超临界二氧化碳燃煤锅炉，其特征在于：所述大炉膛段(1.2)的口径为小炉膛段(1.1)的口径的1.1～1.6倍，所述炉膛过渡段(1.3)为上大下小的漏斗形，其侧面与水平面的夹角为20～80°。
5.一种采用如权利要求1～4中任一项所述超临界二氧化碳燃煤锅炉的多级烟气再循环方法，其特征在于：该方法将从锅炉烟道(2)中抽取的再循环烟气按照一定比例与底二次风、一次风、二次风、OFA风或SOFA风中的至少二者进行混合后从对应的喷口送入炉膛(1)中。
6.根据权利要求5所述的多级烟气再循环方法，其特征在于：在75％THA～BMCR工况条件下，采用二次风与SOFA风组合，将再循环烟气的50％～70％与二次风混合，再循环烟气的30％～50％与SOFA风混合后从对应的喷口送入炉膛(1)中。
7.根据权利要求5所述的多级烟气再循环方法，其特征在于：在50％THA～75％THA工况条件下，采用二次风与OFA风组合，将再循环烟气的70％～90％与二次风混合，再循环烟气的10％～30％与OFA风混合后从对应的喷口送入炉膛(1)中；或者：采用一次风与SOFA风组合，将再循环烟气的40％～60％与一次风混合，再循环烟气的40％～60％与SOFA风混合后从对应的喷口送入炉膛(1)中。
8.根据权利要求5所述的多级烟气再循环方法，其特征在于：在小于50％THA工况条件下，采用底二次风与OFA风组合，将再循环烟气的40％～60％与底二次风混合，再循环烟气的40％～60％与OFA风混合后从对应的喷口送入炉膛(1)中。
9.根据权利要求5所述的多级烟气再循环方法，其特征在于：当需要更低的NOx水平或是炉膛(1)温度分布要求更均匀时，采用三级以上组合，将再循环烟气按照一定比例与底二次风、一次风、二次风、OFA风或SOFA风中的至少三者进行混合后从对应的喷口送入炉膛(1)中。
10.根据权利要求5～9中任一项所述的多级烟气再循环方法，其特征在于：所述再循环烟气的抽取位置为空气预热器(2.1)前、除尘器(2.2)前或引风机(2.3)前的锅炉烟道(2)上，抽取比例为抽取位置处烟气流量的5％～50％。
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