一种自预热及煤粉分段燃烧的低NOx燃烧装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种自预热及煤粉分段燃烧的低NOx燃烧装置及方法，该装置包括连接在锅炉卫燃带上的预燃室，在预燃室的前端设有中心管及中心管外侧同轴套设的一次风管，中心管和一次风管之间的通道为一次风环形通道，一次风管外侧设有二次风环形通道，在预燃室外侧套设有三次风环形通道，三次风环形通道的出口端设有三次风环形喷口与预燃室、锅炉卫燃带连通；该方法分为在预燃室内的第一次富燃料燃烧，再在预燃室外进行第二次富氧燃烧。本发明采用煤粉预燃、烟气循环、多通道供风、部分助燃风自预热的分段燃烧，具有火焰稳定性好、烟气NOX含量低、煤粉燃尽率高、扩展了煤种适应能力，并具有煤粉与气体燃料混烧的功能。
【专利说明】一种自预热及煤粉分段燃烧的低NOx燃烧装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于煤粉燃烧【技术领域】，特别是涉及一种自预热及煤粉分段燃烧的低NOx燃烧装置及方法。
【背景技术】
[0002]煤炭是我国能源资源的主要形式，在可预见的未来，煤炭作为工业锅炉的基本燃料很难被燃油和燃气大范围取代。我国现有工业锅炉60万台左右，并以每年约8000台的速度增长；我国工业锅炉85%为燃煤锅炉，年用煤量约7亿吨，占全国年用煤总量的20%左右，其每年的总能耗和污染排放均位居全国第二。我国的燃煤工业锅炉中，29MW以下的中小型占大部分，并以层燃炉为主。近年来出现的煤粉工业锅炉因其具有即开即停、易实现自动调控、热效率高、节省煤耗的优点，已成为旧的燃煤工业锅炉房改造和新建燃煤工业锅炉的主要选项之一。煤粉工业锅炉尤其是中小型锅炉具有燃烧空间狭小、水冷度高的特殊性，稳燃、燃尽问题突出，只能燃用优质的烟煤或褐煤煤粉，并普遍存在飞灰含碳偏高的现象，无法适用资源更丰富及地域更宽广的中等质量煤种；在污染物排放方面，尽管S02&理及粉尘收集已有成熟可靠技术保障，但是NOx的排放却是个很难克服的挑战。由于煤粉工业锅炉房受系统投资和运行成本的制约，无法像大型煤电锅炉配套复杂的烟气炉外NOx处理系统，而现行的低氮燃烧技术在这一特殊环境下效果不良，导致烟气中的NOx与国家排放标准有较大的差距。
[0003]基于我国能源资源的特点及煤粉工业锅炉的节能优势，开发煤种适应性强、稳燃效果好、燃尽率与大型煤电锅炉相当、NOx含量能达到或接近国家排放标准的适用燃烧技术和方法，对于促进煤粉工业锅炉的推广和技术的提高、节能减排，具有现实的紧迫性。
【发明内容】
[0004]本发明公开了一种自预热及煤粉分段燃烧的低NOx燃烧装置及方法，旨在提供一种具有预燃、烟气循环及部分助燃空气自预热的高效低污染的煤粉分段燃烧方法，以解决工业锅炉现行煤粉燃烧装置的火焰稳定性不良、煤种适应能力有限、飞灰燃尽效果不佳、烟气NOx含量偏高等问题。
[0005]本发明的技术方案是:一种自预热及煤粉分段燃烧的低NOx燃烧装置，包括连接在锅炉卫燃带上的预燃室，在预燃室的前端设有中心管及中心管外侧同轴套设的一次风管，中心管和一次风管之间的通道为一次风环形通道，一次风管外侧设有二次风环形通道，在预燃室外侧套设有三次风环形通道，三次风环形通道的出口端设有三次风环形喷口与预燃室、锅炉卫燃带连通，其中三次风在其通道内经过一定程度的预热，沿着与燃烧装置轴线成5~15°角度的方向或沿着与燃烧装置轴线平行的方向由三次风喷口导入锅炉炉膛，在锅炉的卫燃带及炉膛与来自预燃室的未燃尽煤粉火焰强烈混合与燃烧。
[0006]作为一种优选实施方式，在中心管内部同轴设有燃气导管与预燃室连通，中心管与燃气导管之间的空间构成中心风环形通道。
[0007]作为一种优选实施方式，在二次风环形通道外侧还设有循环烟气环形通道。
[0008]作为一种优选实施方式，在三次风环形通道内，预燃室的外侧，设有换热鳞片。
[0009]作为一种优选实施方式，在二次风环形通道和/或三次风环形通道的进风口内设有调节板。
[0010]作为一种优选实施方式，在一次风环形通道和/或二次风环形通道内设有切向旋流叶片或轴向旋流器。
[0011]本发明的另一目的是提供一种自预热及煤粉分段燃烧的低NOx燃烧方法，将由一次风环形通道中进入到预燃室的煤粉，与由二次风环形通道导入到预燃室的助燃空气在预燃室内进行第一次富燃料燃烧，空气过剩系数控制在0.4-0.75范围内，火焰温度保持在1000~1100°C水平；将在三次风环形通道中预热后的空气，与预燃室中第一次富燃料燃烧未燃尽的煤粉火焰进行第二次富氧燃烧，空气过剩系数控制在1.2-1.35范围内，火焰温度保持在1200~1350°C的中温水平。具体讲就是:煤粉经由一次风环形通道，以旋流或直流方式引入预燃室，同时，部分助燃空气以旋流方式通过二次风环形通道经由二次风喷口导入预燃室，并与一次风粉气流混合，点燃后，进入预燃室中的一次风及二次风中的氧气与煤粉发生燃烧反应，预燃室中的燃烧反应既有煤粉裂解出的挥发分可燃气体参与，又有碳的不完全和完全燃烧反应参与，同时还伴随着其它一些气态和固态物质的还原和氧化，借助于预燃室的蓄热和绝热环境，能实现煤粉的顺利点燃和初期火焰的持续稳定，加快煤粉的燃烧反应速度和增加燃烧行程，煤粉在预燃室内完成第一阶段的燃烧反应或称一次燃烧，预燃室内为富燃料的还原性气氛，其空气过剩系数控制在0.4-0.75范围内，以抑制燃料型NOx的形成，并还原已生成的NOx，使煤粉所含有机氮绝大部分转化为N2;三次风在其通道内经过一定程度的预热，沿着与燃烧装置轴线成5~15°角度的方向或沿着与燃烧装置轴线平行的方向由三次风喷口导入锅炉炉膛，在锅炉的卫燃带及炉膛与来自预燃室的未燃尽煤粉火焰强烈混合与燃烧。这是煤粉燃烧的第二阶段燃烧或称二次燃烧，也是煤粉的燃尽阶段，其特点是一次燃烧不足的氧气由三次风在此全部提供。该二次燃烧的空气过剩系数为
1.2-1.35，火焰的最高温度< 1350°C，沿轴线分布的1200~1350°C中温火焰区域较长，且温度分布比较均匀，宽度上火焰相对比较集中，有利于气固间的质量、热量交换，提高反应速度，为煤粉的燃尽创造条件。而因为火焰温度处于中温范畴，可有效地抑制热力型NOx的生成。
[0012]作为一种优选实施方式，为了深度降低烟气中NOx的含量，并在煤粉灰熔点偏低情况下预燃室不发生结焦现象，该方法还包括向预燃室中导入除尘处理后的烟道净烟气，该净烟气作为循环烟气，循环烟气的温度为120~160°C，且循环烟气用量占助燃空气量的15~30%。其中，循环烟气可以作为载体与煤粉一起经由一次风环形通道导入到预燃室，也可以以净烟气形式由预燃室的根部专用通道导入，循环烟气的引入不但有利于预燃室内还原气氛的调控，同时也能将预燃室内的火焰温度控制在1000~1100°C的适当水平，即在第一阶段实现低温燃烧，待煤粉经过第一阶段的充分预燃后，于第二阶段实施宽度上相对集束的中温燃烧，破除燃尽和低NOx 二者的矛盾，并消除预燃室的结焦隐患。
[0013]作为一种优选实施方式，为适应燃用挥发分较低的贫瘦煤或烟煤、褐煤与贫瘦煤的混合煤煤粉，以及本身氮含量高的煤粉，该方法还包括向预燃室中导入天然气、焦炉煤气、液化石油气中的一种或多种气体燃料。其中，气体燃料既可作为启动点火的燃料源，又可与煤粉搭配进行气固混烧，气体燃料中碳氢化合物等活性基团的存在和参与，可大幅度降低一次燃烧过程NOx的生成量，同时也能促进煤粉火焰的稳定。气体燃料的用量为燃烧装置总功率的0~25%，气体燃料由布置在中心管中的圆形燃气导管送入预燃室。中心管中通入助燃空气，称为中心风，中心风引自助燃空气总管，由中心管喷口导入预燃室。中心风除向预燃室补充部分氧气外，还有通过喷口射流速度的变化调节预燃室火焰根部位置的作用。
[0014]此外，三次风在流经三次风通道时与通道内的换热鳞片接触，风温被提升30~100°C。较高温度的三次风有利于改善第二阶段燃烧的燃尽效果，而三次风吸收由换热鳞片传导来的预燃室壁面热量，可防止三次风通道内套筒壁温度过高而影响燃烧装置的结构强度，起到冷却和保护燃烧装置的作用。
[0015]与现有技术相比本发明具有如下优点。
[0016](I)火焰稳定性好:借助预燃室的绝热和蓄热作用，即使冷态下启动点火，也可实现使用少量燃气短时间内点燃煤粉，并能快速形成自稳定性良好的煤粉火焰。
[0017](2)烟气NOx含量低:采取烟气循环、多通道分级供风及分段燃烧方法，第一阶段将部分助燃空气及循环烟气引入预燃室进行低温富燃料燃烧，火焰温度控制在1000~1100°C的范围，空气过剩系数控制在0.4-0.75的范围，抑制燃料型NOx的生成，创造不生成热力型和快速型NOx的温度和气氛条件，实现煤粉所含有机氮绝大多数转化为队的目标；第二阶段引入三次风进行中温富氧燃烧，空气过剩系数为1.2~1.35，火焰温度控制在1200~1350°C的中温水平，在兼顾燃尽效果的同时，避开了热力型NOx生成所需的高温条件，可大幅度降低炉膛烟气的NOx含量。
[0018](3)煤粉燃尽率高:煤粉经历第一阶段较长行程的低温燃烧，在炉膛与三次风进行中温条件下的第二阶段(二次)燃烧。三次风经过燃烧装置的自预热，温度得到进一步提升，保证了二次燃烧的火焰温度高于1200°C ;火焰的相对集中状态强化了预燃室出口烟气与三次风的混合，有利于气固间的热量、物质交换，加速未燃煤粉的燃烧速度；相对集束、刚性良好的火焰的空间跨度得以延长，不但改善了火焰温度分布的均匀状态，而且也增加了未然煤粉在火焰中的存留时间。上述三方面的共同作用，保证了煤粉的燃尽程度能达到或接近大型煤电锅炉的水平。
[0019](4)扩展了煤种适应能力:本发明借助于预燃室的绝热和蓄热特性，为煤粉火焰的稳定提供了良好的条件，使得可以燃用着火性能较差的煤粉；在导入燃气的情况下，还可以燃用挥发分较低的贫瘦煤及其与烟煤或褐煤的混合煤粉。
[0020](5)具有煤粉与气体燃料混烧的功能:本发明提供了向预燃室引入燃气与煤粉混烧的技术方案，气体燃料的引入有利于增加煤粉火焰的稳定性，同时可促进烟气NOx含量的进一步降低，对工业煤粉锅炉的NOx达标排放是非常有利的。混烧时气体燃料的最大用量为燃烧装置总功率的25%。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]附图1为本发明实施例1中的燃烧装置结构示意图。
[0022]附图2为本发明实施例2中的燃烧装置结构示意图。
[0023]图中:1.锅炉卫燃带，2.三次风环形喷口，3.圆筒形预燃室，4.三次风环形通道，5.预燃室耐火衬，6.换热鳞片，7.三次风调节板，8.二次风调节板，9.切向旋流叶片，10.一次风管，11.一次风粉入口，12.中心管，13.燃气导管，14.中心风环形通道，15.—次风环形通道，16.二次风环形通道，17.循环烟气风室，18.二次风轴向旋流器，19.高温耐火环，20.循环烟气环形通道，21.二次风风室，22.三次风风室。
【具体实施方式】
[0024]现结合实施例对本发明作进一步的解释说明。
[0025]实施例1
一种自预热及煤粉分段燃烧的低NOx燃烧装置，包括连接在锅炉卫燃带I上的圆筒形预燃室3，圆筒形预燃室3内壁设有预燃室耐火衬5，在圆筒形预燃室的前端设有中心管12及中心管12外侧同轴套设的一次风管10，在中心管12内部同轴设有燃气导管13与圆筒形预燃室3连通，中心管12与燃气导管13之间的空间构成中心风环形通道14，一次风管10的进口为一次风粉入口 11，中心管12与一次风管10之间的通道为一次风环形通道15，一次风管10的外侧的二次风环形通道16是由一次风管10和圆筒形预燃室3前端围绕而成的，在二次风环形通道16内设有切向旋流叶片9，并在进风口设有二次风调节板8，在二次风环形通道16向圆筒形预燃室3在圆筒形预燃室3的外侧套设有三次风环形通道4，在三次风环形通道4内，圆筒形预燃室3的外侧，设有换热鳞片6，三次风环形通道4的出口端设有三次风环形喷口 2与圆筒形预燃室3、锅炉卫燃带I连通，在三次风环形通道4的进风口设有三次风调节板7。
[0026]将由一次风环形通道15中进入到圆筒形预燃室3的煤粉，由二次风环形通道16导入到圆筒形预燃室3的助燃空气及由燃气导管13导入到圆筒形预燃室3中的气体燃料在圆筒形预燃室3内进行第一次富燃料燃烧，空气过剩系数控制在0.4-0.75范围内，火焰温度保持在1000~1100°C水平；将在三次风环形通道4中预热后的空气，与圆筒形预燃室3中第一次富燃料燃烧未燃尽的煤粉火焰在圆筒形预燃室3外进行第二次富氧燃烧，空气过剩系数控制在1.2-1.35范围内，火焰温度保持在1200~1350°C的中温水平。
[0027]实施例2
一种自预热及煤粉分段燃烧的低NOx燃烧装置，包括连接在锅炉卫燃带I上的圆筒形预燃室3，圆筒形预燃室3内侧壁设有预燃室耐火衬5，圆筒形预燃室3前端的两侧加设高温耐火环19，在圆筒形预燃室3的前端设有中心管12及中心管12外侧同轴套设的一次风管10，在中心管12内部同轴设有燃气导管13与圆筒形预燃室3连通，中心管12与燃气导管13之间的空间构成中心风环形通道14，一次风管10的进口为一次风粉入口 11，中心管12与一次风管10之间的通道为一次风环形通道15，一次风管10的外侧的二次风环形通道16是由一次风管10和高温耐火环19围绕而成的，在二次风环形通道16外侧设有的循环烟气环形通道20是由预燃室耐火衬5和高温耐火环19围绕构成的，在二次风环形通道16进风口设有二次风调节板8，并在二次风环形通道16内设有二次风轴向旋流器，在圆筒形预燃室3的外侧套设有三次风环形通道4，在三次风环形通道4内，圆筒形预燃室3的外侧，设有换热鳞片6，三次风环形通道4的出口端设有三次风环形喷口 2与圆筒形预燃室3、锅炉卫燃带I连通，在三次风环形通道4的进风口设有三次风调节板7。
[0028]将由一次风环形通道15中进入到圆筒形预燃室3的煤粉，由二次风环形通道16导入到圆筒形预燃室3的助燃空气、由中心风环形通道14导入到圆筒形预燃室3的循环烟气及由燃气导管13导入到圆筒形预燃室3中的气体燃料在圆筒形预燃室3内进行第一次富燃料燃烧，空气过剩系数控制在0.4-0.75范围内，火焰温度保持在1000~1100°C水平；将在三次风环形通道4中预热后的空气，与圆筒形预燃室3中第一次富燃料燃烧未燃尽的煤粉火焰在圆筒形预燃室3外进行第二次富氧燃烧，空气过剩系数控制在1.2-1.35范围内，火焰温度保持在1200~1350°C的中温水平。
【权利要求】
1.一种自预热及煤粉分段燃烧的低NOx燃烧装置，包括连接在锅炉卫燃带上的预燃室，其特征在于:在预燃室的前端设有中心管及中心管外侧同轴套设的一次风管，中心管和一次风管之间的通道为一次风环形通道，一次风管外侧设有二次风环形通道，在预燃室外侧套设有三次风环形通道，三次风环形通道的出口端设有三次风环形喷口与预燃室、锅炉卫燃带连通。
2.如权利要求1所述的自预热及煤粉分段燃烧的低NOx燃烧装置，其特征在于:在中心管内部同轴设有燃气导管与预燃室连通，中心管与燃气导管之间的空间构成中心风环形通道。
3.如权利要求2所述的自预热及煤粉分段燃烧的低NOx燃烧装置，其特征在于:在二次风环形通道外侧还设有循环烟气环形通道。
4.如权利要求1所述的自预热及煤粉分段燃烧的低NOx燃烧装置，其特征在于:在三次风环形通道内，预燃室的外侧，设有换热鳞片。
5.如权利要求1~4中任一所述的自预热及煤粉分段燃烧的低NOx燃烧装置，其特征在于:在二次风环形通道和/或三次风环形通道的进风口内设有调节板。
6.如权利要求5所述的自预热及煤粉分段燃烧的低NOx燃烧装置，其特征在于:在一次风环形通道和/或二次风环形通道内设有切向旋流叶片或轴向旋流器。
7.一种自预热及煤粉分段燃烧的低NOx燃烧方法，其特征在于:将由一次风环形通道中进入到预燃室的煤粉，与由二次风环形通道导入到预燃室的助燃空气在预燃室内进行第一次富燃料燃烧，空气过剩系数控制在0.4-0.75范围内，火焰温度保持在1000~1100°C水平；将在三次风环形通道中预热后的空气，与预燃室中第一次富燃料燃烧未燃尽的煤粉火焰进行第二次富氧燃烧，空气过剩系数控制在1.2~1.35范围内，火焰温度保持在1200~1350°C的中温水平。
8.如权利要求7所述的自预热及煤粉分段燃烧的低NOx燃烧方法，其特征在于:该方法还包括向预燃室中导入除尘处理后的烟道净烟气，该净烟气作为循环烟气，循环烟气的温度为120~160°C，且循环烟气用量占助燃空气量的15~30%。
9.如权利要求8所述的自预热及煤粉分段燃烧的低NOx燃烧方法，其特征在于:该方法还包括向预燃室中导入天然气、焦炉煤气、液化石油气中的一种或多种气体燃料。
【文档编号】F23D1/00GK104501145SQ201410812698
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月24日 优先权日:2014年12月24日
【发明者】王欢, 王民发, 许洪臣, 郎凤娥, 郎鹏德, 张宗旺, 杨元博 申请人:山西蓝天环保设备有限公司