立式煤粉锅炉的制作方法

本发明涉及锅炉领域，特别是涉及一种立式煤粉锅炉。

背景技术

我国以煤炭为主体能源的结构在未来很长时间内难以变化，中国每年燃用的煤炭量达到15亿吨，其中8亿吨煤炭用于燃煤火力发电，7亿吨煤炭用于燃煤工业锅炉。随着燃煤锅炉大气污染物排放标准的提高，煤的高效洁净燃烧技术是未来发展的必然要求。

此外，传统燃烧方式中，炉膛内一次风、二次风喷射速度与炉膛断面平均速度差异较大，炉膛内存在较大的回流区，回流区可卷吸高温烟气，预热煤粉，但回流区的控制较为复杂，回流区内容易发生煤粉颗粒团聚，若炉内流场组织不佳，则炉膛结渣倾向大，影响锅炉的安全平稳运行。

传统的燃烧方式包括使用直流燃烧器的切圆燃烧和使用旋流燃烧器的旋流燃烧。在传统的燃烧方式中，一次风携带煤粉以20-30m/s速度喷入炉膛，二次风包围一次风以30-40m/s速度喷入炉膛，形成风包粉的燃烧方式。煤粉在特定区域集中燃烧，局部燃烧温度高，导致煤粉燃烧的nox原始排放值高。对于燃用无烟煤的煤粉锅炉，nox原始排放值超过800mg/m3；对于燃用烟煤的锅炉，nox原始排放值一般超过400mg/m3，二者均大大超过相关排放标准。

此外，传统燃烧方式中，炉膛内腔一次风、二次风喷射速度与炉膛横截面上的气流平均速度差异较大，炉膛内腔存在较大的回流区，回流区可卷吸高温烟气，预热煤粉，但回流区的控制较为复杂，回流区内容易发生煤粉颗粒团聚，若炉内流场组织不佳，则炉膛结渣倾向大，影响锅炉的安全平稳运行。

此外，在煤粉的切圆燃烧方式或旋流燃烧方式中，因煤粉集中燃烧和释放热量，煤粉燃烧温度超过了灰熔点，煤粉燃烧还易形成结渣，部分渣粘结在炉膛水冷壁上，影响锅炉的传热性能。在锅炉的工作期间，需要将部分渣从炉膛底部排出，因此降低了锅炉效率。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术缺陷的至少一个方面，本发明提出一种立式煤粉锅炉，该立式煤粉锅炉能够实现煤粉的均匀且高效燃烧、低氮氧化物排放，并且避免了煤粉颗粒在炉膛内腔积聚。

根据本发明的一个方面，提供一种煤粉锅炉，包括：

炉膛，所述炉膛包括位于其四周的侧壁，位于侧壁下方的炉膛底部，由侧壁和炉膛底部包围形成的炉膛内腔；

至少一个煤粉燃烧器，其包括主体和从主体延伸的燃烧器出口管，燃烧器出口管延伸到炉膛内腔的下部空间中且适于向炉膛内腔中通入一次风和煤粉的混合物；和

二次风布风装置，所述二次风布风装置设置于炉膛底部以占据炉膛底部的整个横截面积且适于向炉膛内腔中通入二次风，

其中，一次风和煤粉的混合物与二次风掺混以在炉膛内腔中形成呈平推流整体向上流动的风粉混合物。

根据本发明的一个示例性实施例，炉膛内腔的下部空间位于二次风布风装置之上且靠近二次风布风装置，且其高度为炉膛的从炉膛顶部至炉膛底部的总高度的20％至40％。

根据本发明的另一个示例性实施例，所述至少一个煤粉燃烧器的主体设置在二次风布风装置的下方，从而所述燃烧器出口管向上延伸穿过二次风布风装置而进入到炉膛内腔的下部空间中。

根据本发明的另一个示例性实施例，所述侧壁包括高度占侧壁总高度的20％至40％的侧壁下部，所述至少一个煤粉燃烧器的主体设置于侧壁下部外侧，从而燃烧器出口管延伸穿过所述侧壁下部而进入到炉膛内腔的下部空间中。

根据本发明的另一个示例性实施例，所述煤粉锅炉，还包括：至少一层三次风喷口，其适于向炉膛内腔中通入三次风且分层地设置在炉膛的侧壁上，

所述侧壁包括高度占侧壁总高度的20％至40％的侧壁下部，

所述至少一层三次风喷口中的一层喷口设置在所述侧壁下部上以使得三次风进入到炉膛内腔的下部空间中。

根据本发明的另一个示例性实施例，所述煤粉燃烧器为煤粉预热燃烧器以将一次风和煤粉的混合物预热到850℃或以上。

根据本发明的另一个示例性实施例，所述侧壁包括高度占侧壁总高度的20％至40％的侧壁下部，所述侧壁下部为横截面自下而上逐渐变大的倒锥形部分。

根据本发明的另一方面，提供一种用于煤粉锅炉的煤粉燃烧方法，所述煤粉锅炉包括：炉膛，所述炉膛包括位于其四周的侧壁，位于侧壁下方的炉膛底部，由侧壁和炉膛底部包围形成的炉膛内腔；至少一个煤粉燃烧器，其包括主体和从主体延伸的燃烧器出口管，燃烧器出口管延伸到炉膛内腔的下部空间中且适于向炉膛内腔中通入一次风和煤粉的混合物；和二次风布风装置，所述二次风布风装置设置于炉膛底部以占据炉膛底部的整个横截面积且适于向炉膛内腔中通入二次风，所述方法包括：通过至少一个煤粉燃烧器向炉膛内腔的下部空间中通入一次风和煤粉的混合物，通过二次风布风装置从炉膛底部向炉膛内腔的下部空间中通入二次风，使得一次风和煤粉的混合物与二次风在炉膛内腔掺混以形成呈平推流整体向上流动的风粉混合物以在炉膛内腔中均温燃烧。

根据本发明的一个示例性实施例，所述一次风和煤粉的混合物通过煤粉燃烧器被预热到850℃或以上。

根据本发明的另一个示例性实施例，所述二次风的喷射动量位于所述一次风和煤粉的混合物的喷射动量的70％至90％之间。

根据本发明的另一个示例性实施例，所述二次风为空气或空气与烟气的混合气。

因此，在根据本发明实施例的立式煤粉锅炉中，采用设置于炉膛底部的整个横截面上的二次风布风装置上来提供二次风，供风均匀，几乎不出现卷吸、回流，炉膛横截面上各处的速度差很小，因此与一次风和煤粉的混合物掺混后形成弥散的风粉混合物整体向上流动，从而改变了常规的风包粉燃烧方式。因此，本发明实现了风粉混合物在全炉膛空间内整体向上平推流动，炉膛内不出现回流区，避免了煤粉颗粒在炉膛内积聚、结团，提高了系统运行稳定性。

附图说明

通过结合附图考虑本发明的各种实施例的以下详细描述，可以完全理解本发明，其中：

图1为本发明的一个示例性实施例的立式煤粉锅炉的炉膛示意图。

图2为本发明的另一示例性实施例的立式煤粉锅炉的炉膛示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本文披露的实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种立式煤粉锅炉，所述立式煤粉锅炉包括在如图1和2所示的实施例中，本发明提供一种立式煤粉锅炉，所述立式煤粉锅炉包括：炉膛1，所述炉膛包括位于其四周的侧壁11，位于侧壁下方的炉膛底部12，由侧壁11和炉膛底部12包围形成的炉膛内腔13；至少一个煤粉燃烧器5，其包括主体52和从主体延伸的燃烧器出口管51，燃烧器出口管51延伸到炉膛内腔13的下部空间13l中且适于向炉膛内腔中通入一次风和煤粉的混合物；和二次风布风装置2，所述二次风布风装置设置于炉膛底部13以占据炉膛底部13的整个横截面积且适于向炉膛内腔13中通入二次风，其中，一次风和煤粉的混合物与二次风掺混以在炉膛内腔中形成呈平推流整体向上流动的风粉混合物。在本发明中，优选地，炉膛内腔13的下部空间13l位于二次风布风装置2之上且靠近二次风布风装置2，且其高度为炉膛的从炉膛顶部至炉膛底部的总高度的20％至40％。

在本发明的一个示例性实施例中，炉膛底部12可以包括一个占据其横截面积大约80％以上的开口(未示出)，所述二次风布风装置2设置在该开口中，从而二次风布风装置2基本上占据了炉膛底部的基本上整个横截面。由于从炉膛底部的基本上整个横截面上供给二次风，因此在炉膛的横截面上的各处的速度差很小，因此一次风和煤粉混合物以及二次风形成弥散的风粉混合物而不会出现卷吸和回流的现象，因此风粉混合物呈平推流向上流动，从而改变了常规的风包粉燃烧方式。

在根据本发明的一个示例性实施例中，二次风布风装置2包括具有多个通孔的布风板，该布风板被设置在炉膛底部12中，且该布风板可以与一个风室流体连通，从而通过布风板上的通孔向炉膛内腔中通入二次风，二次风可为空气或空气与烟气的混合气。在一个示例中，二次风布风装置2的通孔中基本均匀地设置风帽，风帽之间的中心距不超过300mm(二次风布风装置上可能设有局部设施，附近的风帽间距可以适当调整)，使二次风从炉膛底部几乎整个横截面上均匀给入炉膛内腔。

在根据本发明的另一实施例中，二次风布布风装置2包括一组相互平行的二次风管，这些二次风管设置在炉膛底部中，且该二次风管的一端可以与一个用于供风的总风管流体连通，并且该二次风管的圆周壁上可以设置有多个出风孔，并且该出风孔中可以设置有风帽，风帽之间的中心距以及相互平行的风管之间的间距不大于300mm。因此，所述二次风管设置于炉膛底部以分布在炉膛底部的整个横截面上，从而二次风从炉膛底部几乎整个横截面上均匀给入炉膛内腔。

然而，以上所述仅仅是根据本发明的二次风布风装置2的优选实施例，只要一种装置能够分布在炉膛底部的基本整个横截面积上的且能够向炉膛内腔中均匀地通入二次风，则都可能作为根据本发明的二次风布风装置，并且位于本发明的保护范围之内。

因为二次风布风装置2遍布在炉膛底部的整个横截面上，在一个示例中，该装置上的出风孔的数量可以达到数百个，因此不管设置一个或几个预热燃烧器5，该燃烧器的出口管附近均存在多个出风孔而不仅仅是传统的直流燃烧器或旋流燃烧器那样，在布置在炉膛侧壁上的燃烧器的一次风通道周围仅仅布置数量相当的二次风通道，例如在炉膛侧壁上设置有5个燃烧器，则只设置5个二次风通道。在传统的燃烧器中，通常需要将二次风通道紧密地布置在一次风通道周围，因为只有这样从二次风通道中吹出的风才能够紧紧地包围住一次风和煤粉的混合物，而使得煤粉不容易扩散，从而更加有利于借助于锅炉内部的高温而在局部区域中使得煤粉着火。然而，在根据本发明的实施例中，在多个燃烧器出口管之间的区域中或者一个燃烧器出口管的附近的区域中，设置数量远远大于燃烧器出口管51的数量的若干个出风口，能够使得二次风在炉膛底部均匀地喷射，而不是紧紧包围住一次风和煤粉的混合物。

在根据本发明的一个示例性实施例中，如图1所示，至少一个煤粉燃烧器5的主体52设置在二次风布风装置2的下方，从而所述燃烧器出口管向上延伸穿过二次风布风装置2而进入到炉膛内腔13的下部空间13l中。在此实施例中，如图1所示，通过燃烧器5的出口管51从炉膛底部12向炉膛内腔的下部空间13l中通入一次风和煤粉的混合物。此外，也从炉膛底部12，通过二次风布风装置2向炉膛内腔13中通入二次风。因此，一次风和煤粉混合物以及二次风能够在该下部空间13l中掺混均匀，且不存在卷吸和回流的现象。

在根据本发明的另一个示例性实施例中，如图2所示，所述侧壁11包括高度占侧壁总高度的20％至40％的侧壁下部111，所述至少一个煤粉燃烧器5的主体52设置于侧壁下部111，从而燃烧器出口管51延伸穿过所述侧壁下部111而进入到炉膛内腔13的下部空间13l中。

在根据本发明的一个示例性实施例中，高度占侧壁11总高度的20％至40％的侧壁下部111是为横截面自下而上逐渐变大的倒锥形部分。通过将侧壁下部111设置为倒锥形部分，混合物在向上流动的过程中横截面逐渐扩大，从而更加有利于混合物的向上流动。

此外，本领域的技术人员可以理解：根据实际的需求和空间的大小，可以将如图1所示的和如图2所示的燃烧器的布置方式进行合并，也就是说，燃烧器的主体可以同时设置在炉膛侧壁下部的外侧和炉膛底部的下方，从侧壁下部和炉膛底部两处向炉膛中通入一次风和煤粉的混合物。此外，燃烧器可以分组设置，并且每组燃烧器的数量可以为一个以上。

在根据本发明的一个示例性实施例中，如图1或2所示，所述煤粉锅炉还包括至少一层三次风喷口6，其适于向炉膛内腔中通入三次风且分层地设置在炉膛的侧壁11上。在所述侧壁包括高度占侧壁总高度的20％至40％的侧壁下部111的情况下，所述至少一层三次风喷口6中的一层喷口设置在所述侧壁下部111上以使得三次风进入到炉膛内腔13的下部空间13l中。在本发明中，通过向炉膛内腔供入的三次风维持煤粉的燃烧和保持炉膛截面速度不低于2.0m/s。

在根据本发明的一个示例性实施例中，二次风的喷射动量小于或等于所述一次风和煤粉的混合物的喷射动量。进一步的，所述二次风的喷射动量为所述一次风和煤粉的混合物的喷射动量的70％至90％。通过使得二次风的喷射动量略小于一次风和煤粉的混合物的喷射动量更加有利于二次风与一次风和煤粉的混合物的混合，从而更加有利于燃烧，而不是使得二次风早于一次风和煤粉的混合物达到炉膛的上部。风粉混合物从炉膛内腔的下部空间向上流动的过程中，发生部分燃烧反应，煤粉燃烧释放的热量传递给炉膛底部四周的水冷壁，随着炉膛高度的增加和炉膛截面积的扩大，依靠向炉膛内供入的三次风维持煤粉的燃烧和保持炉膛截面速度不低于2.0m/s。

在根据本发明的一个实施例中，煤粉燃烧器采用循环流化床预热燃烧器，由一次风携带的煤粉可在循环流化床预热燃烧器内预热到800～850℃甚至更高温度，煤粉在燃烧器器内即已完成着火，预热的煤粉通入炉膛后与二次风迅速掺混、稳定燃烧。此时通过煤粉燃烧器通入炉膛的一次风和煤粉确切地说，为煤粉部分燃烧后形成的高温粉状燃料与含有大量可燃成分的高温气体。但是本领域的技术人员可以理解，至于煤粉的着火，除了采用预热燃烧器等使煤粉进入炉膛时即已达到着火温度的方法，还可以采用等离子体点火、或对煤粉进行其他处理使之着火点降低等等办法。

当锅炉运行时，通过煤粉燃烧器5从炉膛底部12和/或从炉膛侧壁下部111向炉膛内腔13的下部空间13l通入一次风和煤粉的混合物，通过二次风布风装置2从炉膛底部12的整个横截面上向炉膛内通入二次风，通过三次风喷口6向炉膛内通入三次风。由于二次风均匀地供给到炉膛内腔，配合合理的一、二次风喷射动量，在炉膛底部12即二次风布风装置2以上，一次风和煤粉的混合物与二次风掺混强烈、均匀，几乎不出现卷吸、回流，炉膛横截面上各处的速度差很小，因此形成弥散的风粉混合物整体向上流动，即风粉混合物呈平推流向上流动，从而改变了常规的风包粉燃烧方式。风粉混合物充满炉膛内腔，煤粉的燃烧方式为炉内全场空间燃烧，结合三次风的配风控制，在炉膛全场空间内实现煤粉的分级燃烧和均温控制。

煤粉燃烧的三次风分多层沿炉膛高度加入，三次风顶层喷口以下为还原性气氛，煤粉燃烧中释放的燃料氮多向氮气发生转化。因煤粉燃烧中不存在集中燃烧区，煤粉燃烧的最高温度水平低，煤粉燃烧中基本不生成热力型nox。因此，nox原始排放水平大大低于常规煤粉燃烧技术。

此外，由于炉膛内呈整体向上流动的平推流，加之控制炉膛截面速度不过低，不会发生煤粉“掉粉”，加之均温控制，无需担心炉膛底部沉粉和排渣落入风室，因此可以不设风帽，通过二次风布风装置上的出风孔直接提供二次风，此时二次风布风装置上的出风孔基本均匀设置、间距不超过300mm。

此外，本发明还提供了一种煤粉燃烧方法，该煤粉燃烧方法采用如上所述的立式煤粉燃烧器，所述煤粉锅炉包括：炉膛，所述炉膛包括位于其四周的侧壁，位于侧壁下方的炉膛底部，由侧壁和炉膛底部包围形成的炉膛内腔；至少一个煤粉燃烧器，其包括主体和从主体延伸的燃烧器出口管，燃烧器出口管延伸到炉膛内腔的下部空间中且适于向炉膛内腔中通入一次风和煤粉的混合物；和二次风布风装置，所述二次风布风装置设置于炉膛底部以占据炉膛底部的整个横截面积且适于向炉膛内腔中通入二次风，所述方法包括：通过至少一个煤粉燃烧器向炉膛内腔的下部空间中通入一次风和煤粉的混合物，通过二次风布风装置从炉膛底部向炉膛内腔的下部空间中通入二次风，使得一次风和煤粉的混合物与二次风在炉膛内腔掺混以形成呈平推流整体向上流动的风粉混合物以在炉膛内腔中均温燃烧。

在根据本发明的实施例的立式煤粉锅炉的基础上，进行了多次试验来示例性地更好地说明根据本发明的锅炉的技术效果，具体试验如下：

试验1

在本发明实施例的立式煤粉锅炉的基础上，燃料为烟煤煤粉，煤粉粒度在200um以下，二次风为预热空气和烟气再循环的混合气，氧含量为15％，温度为150℃；三次风为预热空气，空气温度为150℃；测得烟煤煤粉的燃烧效率为99.2％，nox原始排放值为120mg/nm3，显著地降低了nox原始排放值，实现了烟煤的高效低氮燃烧。

试验2

在本发明实施例的立式煤粉锅炉的基础上，燃料为挥发分很低的半焦焦粉，采用循环流化床式预热燃烧器，将经过预热至850℃的焦粉与一次风混合物喷入炉膛；二次风温度为200℃；炉膛内腔焦粉气流表观速度为3.0m/s，炉膛燃烧温度为1100℃；沿着炉膛高度方向，布置两层三次风。试验结果表明，半焦的燃烧效率为96.5％，nox原始排放水平为50mg/nm3，显著地降低了nox原始排放值，实现了低挥发分难燃燃料的高效低氮燃烧。

因此，在根据本发明实施例的立式煤粉锅炉中，采用设置于炉膛底部的整个横截面上的二次风布风装置上来提供二次风，供风均匀，几乎不出现卷吸、回流，炉膛横截面上各处的速度差很小，因此形成弥散的风粉混合物整体向上流动，从而改变了常规的风包粉燃烧方式。因此，本发明实现了风粉混合物在全炉膛空间内整体向上平推流动，炉膛内不出现回流区，避免了煤粉颗粒在炉膛内积聚、结团，提高了系统运行稳定性。

进一步地，因为本发明突破了常规燃烧器的风包粉方式，使得煤粉在整个炉膛空间内燃烧温度分布均匀，平抑了煤粉燃烧的最高温度，所以能够实现均温燃烧，从而可以改变常规燃烧方式的集中燃烧和集中放热的现状，使常规煤粉燃烧方式中的炉内集中高温区消失，不产生热力型nox。

更进一步地，因为在炉膛内腔中实现了均温燃烧，煤粉的均温燃烧使炉内最高温度低于灰熔点，避免了结渣，煤粉燃烧产生的飞灰随烟气全部进入尾部，因此锅炉运行中不需要排渣，锅炉热效率高，系统操控简单。

更进一步地，煤粉均温燃烧还使炉膛温度分布均匀，炉内平均温度较常规燃烧方式平均温度高，炉内辐射传热能力增强，可减小锅炉体积，节约锅炉造价。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。