CN110425520B - 一种用于半焦类难燃燃料的无焰燃烧*** - Google Patents

一种用于半焦类难燃燃料的无焰燃烧*** Download PDF

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Abstract

本发明属于半焦燃烧领域，并具体公开了一种用于半焦类难燃燃料的无焰燃烧***，该***包括燃烧室、燃烧器、给粉装置和烟气处理装置，其中燃烧室被隔板分隔为内燃烧室和外环燃烧室，内燃烧室的下端设置有燃烧器，隔板的上端设置有切向导流出口，外环燃烧室的外壁设置有水冷管和烟气出口，其底端设置有返料斗；燃烧器包括同轴设置的一次风喷管、有焰二次风喷管、无焰二次风喷管和返料喷管，同时还包括伸入内燃烧室的点火组件；给粉装置与一次风喷管连接，用于为其提供燃料；烟气处理装置包括依次连接的余热换热器和除尘器。本发明将燃烧过程和烟气利用过程进行分离，既能够保证内燃烧室进行无焰燃烧所需的高温环境，又能够实现烟气热量的有效利用。

Description

一种用于半焦类难燃燃料的无焰燃烧***
技术领域
本发明属于半焦燃烧领域，更具体地，涉及一种用于半焦类难燃燃料的无焰燃烧***。
背景技术
半焦是煤加氢气化得到的副产品，它是一种挥发分含量极低(一般<5％)、固定碳含量较高的燃料。半焦具有着火温度高、反应速率慢、燃尽时间长的特点，现有燃烧工艺较难实现这类燃料的高效率利用。因此，需研发适合于这类燃料的专用技术和装置以实现半焦的大规模应用。
针对超低挥发分燃料，CN103982894B提出了一种气化半焦类难燃细颗粒燃料的燃烧装置及利用该装置燃烧的方法，期望解决半焦在循环流化床中燃烧效率低的问题，该专利提出半焦颗粒燃料通过原料仓、气力喷射器、返料斜管等装置进入炉膛密相区燃烧，但是在燃烧过程中，半焦颗粒未经预热直接送入炉膛，会造成其燃尽率仍较低且易熄火。CN106556007A提出一种采用浓淡粗细深度分离及可控涡稳燃技术燃烧煤气化半焦颗粒的方法，该专利提出将携带气化半焦粉的一次风进行浓淡分离，得到浓相及稀相半焦粉，分别送入燃烧室的内层、中间层、外层喷口，但因采用物理分隔的方法，燃烧室喷管磨损可能较严重，经济性不强。同时，上述燃烧装置或方法虽都能在一定程度上提升燃料的利用效率，但仍未摆脱传统燃烧的束缚，炉内存在高温燃烧区，氮氧化物排放仍将较高。
无焰燃烧是一种发生在中度或极度稀释的氧化剂气氛容积式燃烧状态。与传统燃烧方式相比，该技术的反应区域增加、温度均匀、不存在可见火焰锋面；在工业应用中，其热效率能提高约30％，而NOx排放量则能减少近70％。采用无焰燃烧能改善半焦燃料的着火性能，增大其在炉内的停留时间，从而提高其利用效率，但是在无焰燃烧中如何提高半焦类燃料的利用效率仍是研究热点。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于半焦类难燃燃料的无焰燃烧***，其中利用隔板将燃烧室分隔为内燃烧室和外环燃烧室，并在隔板的上端设置切向导流出口，能够将燃烧过程和换热过程分离，实现无焰燃烧，同时通过在外环燃烧室下端设置返料斗，能够提高燃料的利用效率，因而尤其适用于半焦类难燃燃料的利用场合。
为实现上述目的，本发明提出了一种用于半焦类难燃燃料的无焰燃烧***，包括燃烧室、燃烧器、给粉装置和烟气处理装置，其中：
所述燃烧室被环形分布的隔板分隔为内燃烧室和外环燃烧室，所述内燃烧室的下端设置有燃烧器，用于将燃料和氧化剂混合喷入所述内燃烧室，从而实现有焰燃烧或无焰燃烧，所述隔板的上端设置有切向导流出口，用于将燃烧产生的烟气以旋流的方式从所述内燃烧室送入所述外环燃烧室，所述外环燃烧室的外壁设置有水冷管和烟气出口，分别用于吸收所述烟气的热量和排出所述烟气，此外所述外环燃烧室的底端设置有返料斗，用于收集所述烟气中的未燃颗粒物；
所述燃烧器包括同轴设置的一次风喷管、有焰二次风喷管、无焰二次风喷管和返料喷管，同时还包括伸入所述内燃烧室的点火组件，所述一次风喷管位于所述燃烧器的中心，用于向所述内燃烧室喷射携带燃料的所述氧化剂，所述有焰二次风喷管套设在所述一次风喷管的外侧，用于在有焰燃烧阶段喷射所述氧化剂，所述无焰二次风喷管设置在所述有焰二次风喷管的外侧，用于在无焰燃烧阶段喷射所述氧化剂，所述返料喷管设置在所述无焰二次风喷管的外侧，并且其入口与所述返料斗连接，用于将所述未燃颗粒物喷入所述内燃烧室进行再次燃烧；
所述给粉装置与所述一次风喷管连接，用于为其提供燃料；
所述烟气处理装置包括依次连接的余热换热器和除尘器，所述余热换热器的入口与所述烟气出口连接，工作时所述烟气在所述余热换热器中对所述氧化剂进行预热，然后经过所述除尘器处理后排放。
作为进一步优选地，所述切向导流出口的高度与所述内燃烧室的高度之比优选为1：8～1：5。
作为进一步优选地，所述一次风喷管与有焰二次风喷管的出风量之比优选为1：6～1：3，所述一次风喷管与无焰二次风喷管的出风量之比优选为1：6～1：3。
作为进一步优选地，所述一次风喷管与无焰二次风喷管之间的距离为所述内燃烧室水力直径的0.1倍～0.7倍。
作为进一步优选地，所述无焰二次风喷管的出口风速为40m/s～100m/s。
作为进一步优选地，所述无焰二次风喷管为预设数量的竖直直流喷管或一个圆环形喷管。
作为进一步优选地，所述返料喷管为预设数量的竖直直流喷管或一个圆环形喷管。
作为进一步优选地，所述有焰二次风喷管的出口设置有稳燃器。
作为进一步优选地，所述稳燃器采用旋流式稳燃器、开缝钝体稳燃器或不开缝钝体稳燃器。
作为进一步优选地，所述燃料为半焦燃料或低挥发分煤粉，所述氧化剂为空气、氧气与惰性气体的混合物或空气与惰性气体的混合物。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明利用导热系数较低的隔板将燃烧室分隔为内燃烧室和外环燃烧室，并在外环燃烧室的外壁设置水冷壁，以此将燃烧过程和烟气利用过程进行分离，既能够保证内燃烧室进行无焰燃烧所需的高温环境，又能够实现烟气热量的有效利用，从而在降低NOx排放的同时提高***的热量利用效率，尤其是本发明通过在隔板上端设置切向导流出口，使得烟气以旋流的方式进入外环燃烧室，进而能够充分与水冷壁进行接触换热，同时产生的离心力和重力作用使得烟气中的未燃颗粒物掉落至返料斗，并通过返料喷管再次进入内燃烧室进行循环燃烧，从而增加燃料在炉内的停留时间，提高燃料的利用率，适用于半焦类或低挥发分煤粉等难燃燃料的无焰燃烧；
2.同时，本发明通过对无焰燃烧***中的各参数进行优化，能够保证烟气在外环燃烧室内形成有效的回流空间并且流动阻力适中，同时保证燃料在内燃烧室中充分燃烧，提高***的安全性和稳定性。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例构建的用于半焦类难燃燃料的无焰燃烧***的结构示意图；
图2是图1中A-A面的剖视图；
图3是图1中B-B面的剖视图；
图4是图2中C-C面的剖视图；
图5是按照本发明优选实施例构建的切向导流出口的结构示意图；
图6是按照本发明优选实施例构建的燃烧器的结构示意图；
图7是图6中D-D面的剖视图，其中(a)为无焰二次风喷管和返料喷管的数量为1个的分布示意图，(b)为无焰二次风喷管和返料喷管的数量为2个的分布示意图，(c)为无焰二次风喷管和返料喷管的数量为4个的分布示意图，(d)为无焰二次风喷管和返料喷管为圆环形喷管的示意图。
图8是本发明提供的用于半焦类难燃燃料的无焰燃烧***的内部气流流动路线示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-氧化剂入口，2-余热换热器，3-返料斗，4-给粉装置，5-燃烧器，6-内燃烧室，7-切向导流出口，8-隔板，9-外环燃烧室，10-烟气出口，11-水冷壁，12-除尘器，13-达标烟气，14-温度传感器，15-未燃颗粒物，51-燃烧器头部，52-返料喷管，53-无焰二次风喷管，531-无焰二次风喷管阀门，54-点火组件，55-一次风喷管，56-有焰二次风喷管，561-有焰二次风喷管阀门，562-稳燃器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1～6所示，本发明实施例提出了一种用于半焦类难燃燃料的无焰燃烧***，包括燃烧室、燃烧器5、给粉装置4和烟气处理装置，其中：
燃烧室被环形分布的隔板8分隔为内燃烧室6和外环燃烧室9，内燃烧室6的下端设置有燃烧器5，用于将燃料和氧化剂混合喷入内燃烧室6，从而实现有焰燃烧或无焰燃烧，隔板的上端设置有切向导流出口7，用于将燃烧产生的烟气以旋流的方式从内燃烧室6送入外环燃烧室9，外环燃烧室9的外壁设置有水冷管11和烟气出口10，分别用于吸收烟气的热量和排出烟气，此外外环燃烧室9的底端设置有返料斗3，用于收集烟气中的未燃颗粒物15；
燃烧器5包括同轴固定在燃烧器头部51的一次风喷管55、有焰二次风喷管56、无焰二次风喷管53和返料喷管52，同时还包括伸入内燃烧室6的点火组件54，该点火组件54为电子打火点火针或明火点火组件，一次风喷管55位于燃烧器5的中心，用于向内燃烧室6喷射携带燃料的氧化剂，有焰二次风喷管56套设在一次风喷管55的外侧，用于在有焰燃烧阶段喷射氧化剂，无焰二次风喷管53设置在有焰二次风喷管56的外侧，用于在无焰燃烧阶段喷射氧化剂，返料喷管52设置在无焰二次风喷管53的外侧，并且其入口与返料斗3连接，用于将未燃颗粒物15喷入内燃烧室6进行再次燃烧；
给粉装置4与一次风喷管55连接，用于为其提供燃料；
烟气处理装置包括依次连接的余热换热器2和除尘器12，余热换热器2的入口与烟气出口10连接，工作时烟气在余热换热器2中对氧化剂进行预热，然后经过除尘器12处理后将达标烟气13排入大气。
进一步，切向导流出口的高度与内燃烧室6的高度之比优选为1：8～1：5，该比例范围能够保证烟气在外环燃烧室9内形成有效的回流空间，同时还能够避免造成烟气的流动阻力过大。
一次风喷管55与有焰二次风喷管56的出风量之比优选为1：6～1：3，一次风喷管55与无焰二次风喷管53的出风量之比优选为1：6～1：3，从而保证燃料在内燃烧室6充分燃烧，避免出现燃料输送能力不足或燃料熄火的问题，在进行有焰燃烧与无焰燃烧的工况切换时，这一比例可根据实际情况进行调整，不需要保持相同。
为保证燃料在内燃烧室6形成稳定的无焰燃烧，避免因燃料过早充分反应而无法形成无焰燃烧，同时也避免燃烧区贴近隔板8造成其损坏，一次风喷管55与无焰二次风喷管53之间的距离为内燃烧室6水力直径的0.1倍～0.7倍。
无焰二次风喷管53的出口总面积应根据实际情况进行调整，并保证其出口风速达到40m/s～100m/s，从而在内燃烧室6形成有效的大尺度烟气卷吸，进而实现无焰燃烧，同时还能够避免空气输送管路阻力过大。
进一步，无焰二次风喷管53和返料喷管52分别为预设数量的竖直直流喷管或一个圆环形喷管，如图7所示，(a)为无焰二次风喷管53和返料喷管52为1个竖直直流喷管时的分布示意图，(b)为无焰二次风喷管53和返料喷管52为2个竖直直流喷管时的分布示意图，(c)为无焰二次风喷管53和返料喷管52为4个竖直直流喷管时的分布示意图，(d)为无焰二次风喷管53和返料喷管52为一个圆环形喷管的示意图。
进一步，有焰二次风喷管56的出口设置有稳燃器562，用于在有焰燃烧阶段稳定火焰，该稳燃器562采用旋流式稳燃器、开缝钝体稳燃器或不开缝钝体稳燃器。
进一步，燃料为半焦燃料或低挥发分煤粉，本发明提供的无焰燃烧***通过增加燃料在炉膛内的停留时间，能够保证难燃类的燃料燃烧更加充分，提高燃料的利用率，氧化剂为空气、氧气与惰性气体的混合物或空气与惰性气体的混合物。
下面对本发明提供的用于半焦类难燃燃料的无焰燃烧***的工作过程作具体描述。
(a)预热阶段，关闭水冷壁11中的水循环，打开有焰二次风喷管阀门561并关闭无焰二次风喷管阀门531，使二次风通过稳燃器562进入内燃烧室6，与携带半焦燃料的一次风在内燃烧室6中相遇，并在点火组件54的点火下形成稳定的火焰，从而通过有焰燃烧预热燃烧室，此过程中内燃烧室6的功率逐步加大，外环燃烧室9中的烟气依次通过余热换热器2和除尘器12后排放，氧化剂从氧化剂入口1进入，并在余热换热器2中预热后进入燃烧器5，未燃颗粒物15则经返料斗3和返料喷管52后返回内燃烧室6继续燃烧；
(b)有焰燃烧向无焰燃烧切换阶段，通过温度传感器14监视内燃烧室6的温度，当内燃烧室6被加热到600℃～800℃后，逐步关闭有焰二次风喷管阀门561，同时逐步开启无焰二次风喷管阀门531，通过高速射流使内燃烧室6产生大尺度卷吸，逐步形成无焰燃烧，实现燃烧模式的切换，该***内部气流流动路线如图8所示；
(c)无焰燃烧阶段，待内燃烧室6实现稳定的无焰燃烧后，打开水冷壁11中的水循环，实现燃烧过程与换热过程的分离，而未燃颗粒物15也可经返料斗3返回内燃烧室6，从而达到高效、低污染排放的半焦燃料无焰燃烧状态。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于半焦类难燃燃料的无焰燃烧***，其特征在于，包括燃烧室、燃烧器(5)、给粉装置(4)和烟气处理装置，其中：
所述燃烧室被环形分布的隔板(8)分隔为内燃烧室(6)和外环燃烧室(9)，所述内燃烧室(6)的下端设置有燃烧器(5)，用于将燃料和氧化剂混合喷入所述内燃烧室(6)，从而实现有焰燃烧或无焰燃烧，所述隔板的上端设置有切向导流出口(7)，用于将燃烧产生的烟气以旋流的方式从所述内燃烧室(6)送入所述外环燃烧室(9)，所述外环燃烧室(9)的外壁设置有水冷管(11)和烟气出口(10)，分别用于吸收所述烟气的热量和排出所述烟气，此外所述外环燃烧室(9)的底端设置有返料斗(3)，用于收集所述烟气中的未燃颗粒物；
所述燃烧器(5)包括同轴设置的一次风喷管(55)、有焰二次风喷管(56)、无焰二次风喷管(53)和返料喷管(52)，同时还包括伸入所述内燃烧室(6)的点火组件(54)，所述一次风喷管(55)位于所述燃烧器(5)的中心，用于向所述内燃烧室(6)喷射携带燃料的所述氧化剂，所述有焰二次风喷管(56)套设在所述一次风喷管(55)的外侧，用于在有焰燃烧阶段喷射所述氧化剂，所述无焰二次风喷管(53)设置在所述有焰二次风喷管(56)的外侧，用于在无焰燃烧阶段喷射所述氧化剂，所述返料喷管(52)设置在所述无焰二次风喷管(53)的外侧，并且其入口与所述返料斗(3)连接，用于将所述未燃颗粒物喷入所述内燃烧室(6)进行再次燃烧；
所述给粉装置(4)与所述一次风喷管(55)连接，用于为其提供燃料；
所述烟气处理装置包括依次连接的余热换热器(2)和除尘器(12)，所述余热换热器(2)的入口与所述烟气出口(10)连接，工作时所述烟气在所述余热换热器(2)中对所述氧化剂进行预热，然后经过所述除尘器(12)处理后排放。
2.如权利要求1所述的用于半焦类难燃燃料的无焰燃烧***，其特征在于，所述切向导流出口的高度与所述内燃烧室(6)的高度之比为1：8～1：5。
3.如权利要求1所述的用于半焦类难燃燃料的无焰燃烧***，其特征在于，所述一次风喷管(55)与有焰二次风喷管(56)的出风量之比为1：6～1：3，所述一次风喷管(55)与无焰二次风喷管(53)的出风量之比为1：6～1：3。
4.如权利要求1～3任一项所述的用于半焦类难燃燃料的无焰燃烧***，其特征在于，所述一次风喷管(55)与无焰二次风喷管(53)之间的距离为所述内燃烧室(6)水力直径的0.1倍～0.7倍。
5.如权利要求1所述的用于半焦类难燃燃料的无焰燃烧***，其特征在于，所述无焰二次风喷管(53)的出口风速为40m/s～100m/s。
6.如权利要求1所述的用于半焦类难燃燃料的无焰燃烧***，其特征在于，所述无焰二次风喷管(53)为预设数量的竖直直流喷管或一个圆环形喷管。
7.如权利要求1所述的用于半焦类难燃燃料的无焰燃烧***，其特征在于，所述返料喷管(52)为预设数量的竖直直流喷管或一个圆环形喷管。
8.如权利要求1所述的用于半焦类难燃燃料的无焰燃烧***，其特征在于，所述有焰二次风喷管(56)的出口设置有稳燃器(562)。
9.如权利要求8所述的用于半焦类难燃燃料的无焰燃烧***，其特征在于，所述稳燃器(562)采用旋流式稳燃器、开缝钝体稳燃器或不开缝钝体稳燃器。
10.如权利要求5～9任一项所述的用于半焦类难燃燃料的无焰燃烧***，其特征在于，所述燃料为半焦燃料或低挥发分煤粉，所述氧化剂为空气、氧气与惰性气体的混合物或空气与惰性气体的混合物。
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