CN105444198A - 粉状燃料自预热装置和方法、粉状燃料燃烧锅炉系统 - Google Patents

Abstract

一种粉状燃料自预热装置，包括：循环流化床预热室，设置有预热室出口和返料口；分离器，与预热室出口相通；返料器，与返料口相通；锥形部，顶部大于底部，锥形部的顶部端缘与预热室的底部端缘在形状上相配合而彼此相接；以及风粉输送管，与锥形部的底部相通，用于经由锥形部向预热室内输送粉状燃料和一次风，粉状燃料适于在预热室中部分燃烧而放热。本发明还涉及一种粉状燃料自预热方法。

Description

粉状燃料自预热装置和方法、粉状燃料燃烧锅炉系统

技术领域

本发明涉及燃烧技术领域，特别是一种粉状燃料自预热方法和装置以及利用该粉状燃料自预热装置的粉状燃料燃烧锅炉系统。

背景技术

煤粉电站锅炉是中国火力发电的主要方式，2013年，燃煤火电装机容量超过7.6亿千瓦，发电量达37866亿千瓦时，占总供电能力的80％以上。然而，低负荷条件下，煤粉电站锅炉常需要投油助燃，低负荷稳定燃烧能力差。此外，挥发分低于10％的无烟煤、半焦等燃料，存在着火困难、稳燃特性差和燃烧效率低等主要问题。实现燃料特别是低挥发分燃料变负荷的高效稳定燃烧，是煤粉高效燃烧技术遇到的主要困难。

CN102032564A公开了一种利用在燃烧器前设置等离子体或小型油枪方法，持续预热煤粉，预热的煤粉再送入燃烧室燃烧；煤粉预热温度超过800℃，预热的煤粉送入燃烧室后不存在着火稳定性和燃尽性问题，且负荷调节范围宽。但该方法需要外部热源持续加热煤粉，增加了系统的复杂性。

CN1082164A公开了一种流化床煤粉预燃加热燃烧器，在煤粉一次风喷口外设置一小型流化床煤粉预燃加热室，以期燃用难燃煤种，并解决煤粉锅炉低负荷下通常需要助燃的问题。由于加入预燃加热室的煤粉将被流化风直接向上输送至燃烧室出口，无法在加热室底部形成炽热的密相区，因此很难提供高温的煤粉。

CN101158468A公开了一种煤粉高温预热方法，煤粉从循环流化床燃烧室中下部加入，从其底部通入空气，通过煤粉部分燃烧放热，将煤粉预热到800℃以上。由于煤粉电站锅炉的送粉系统采用一次风携带煤粉形成风粉混合物喷入锅炉燃烧器，因此该方法无法与现有电站锅炉送粉系统对接。

发明内容

本发明的目的是提供一种粉状燃料自预热装置及方法，可用于粉状燃料、特别是低挥发分煤粉及其它低挥发分粉状燃料的高效、稳定燃烧。

本发明的技术方案如下：

根据本发明的一个方面的实施例，提出了一种粉状燃料自预热装置，包括：循环流化床预热室，设置有预热室出口和返料口；分离器，与预热室出口相通；返料器，与返料口相通；锥形部，锥形部的顶部大于锥形部的底部，锥形部的顶部端缘与预热室的底部端缘在形状上相配合而彼此相接；以及风粉输送管，与锥形部的底部相通，用于经由锥形部向预热室内输送粉状燃料和一次风，其中，粉状燃料适于在预热室中部分燃烧而放热。

可选地，风粉输送管的输送通道的尺寸与锥形部的底部的通道的尺寸相同。

可选地，在上下方向的投影中，锥形部的底部的投影位于锥形部的顶部的投影的中心。

可选地，所述预热室的从预热室的底部到顶部的整个内部空间构造为粉状燃料的循环流化空间。

可选地，所述预热室的从预热室的底部到顶部的横截面的形状和面积保持不变。

可选地，风粉输送管与预热室的横截面积之比为1∶10～1∶30。

根据本发明的另一个方面的实施例，提出了一种粉状燃料燃烧锅炉系统，包括：粉状燃料燃烧锅炉，具有炉膛；和上述的粉状燃料自预热装置，其中：分离器的气体出口连接有粉状燃料出口管道，用于将预热的粉状燃料以及烟气送往炉膛。所述粉状燃料可以为煤粉。

根据本发明的再一个方面的实施例，提出了一种粉状燃料自预热方法，包括步骤：提供循环流化床预热室，其中，预热室的底部设置有锥形部，锥形部的顶部大于锥形部的底部，锥形部的顶部端缘与预热室的底部端缘在形状上相配合而彼此相接；提供粉状燃料与一次风的风粉混合物；以及利用风粉输送管将风粉混合物经由锥形部输送到预热室内部，其中，粉状燃料在预热室中部分燃烧而放热。

可选地，上述方法还包括步骤：控制粉状燃料与一次风的比例为0.3～3.0kg粉状燃料∶1m³空气，优选为0.5～2.0kg粉状燃料∶1m³空气。

可选地，上述方法还包括步骤：控制分离器的分离效率在80～98％之间。

可选地，上述方法还包括步骤：调节经返料器送回预热室的粉状燃料与经由风粉输送管送入预热室的粉状燃料的质量比为5～50。

可选地，上述方法中，所述粉状燃料为煤粉。

可选地，上述方法中，所述粉状燃料粒径小于200μm。

可选地，上述方法中，风粉混合物在风粉输送管中的流速为20～30m/s。

可选地，上述方法中，预热室内的风粉混合物流速高于粉状燃料颗粒的终端沉降速度。进一步地，预热室内的风粉混合物的流速为1～6m/s。更进一步地，预热室内的风粉混合物的流速为2～3m/s。

可选地，上述方法中，分离器的气体出口连接有粉状燃料出口管道，用于将预热的粉状燃料以及烟气引出分离器。

附图说明

图1为本发明的一个示例性实施例的粉状燃料自预热装置的示意图。

具体实施方式

虽然将参照含有本发明的较佳实施例的附图充分描述本发明，但在此描述之前应了解本领域的普通技术人员可修改本文中所描述的发明，同时获得本发明的技术效果。因此，须了解以上的描述对本领域的普通技术人员而言为一广泛的揭示，且其内容不在于限制本发明所描述的示例性实施例。

如图1所示，一种粉状燃料自预热装置，包括：循环流化床预热室2，设置有预热室出口21和返料口22；分离器3，与预热室出口21相通；返料器4，与返料口22相通；锥形部6，锥形部6的顶部大于锥形部的底部，锥形部6的顶部端缘与预热室的底部端缘在形状上相配合而彼此相接；以及风粉输送管1，与锥形部6的底部相通，用于经由锥形部向预热室内输送粉状燃料和一次风，其中，粉状燃料适于在预热室中部分燃烧(不完全燃烧)而放热。

可选地，风粉输送管1的输送通道的尺寸与锥形部6的底部的通道的尺寸相同。

可选地，在上下方向的投影中，锥形部6的底部的投影位于锥形部的顶部的投影的中心。

可选地，所述预热室2的从预热室的底部到顶部的整个内部空间构造为粉状燃料的循环流化空间。换言之，预热室2内为空腔结构，且不设布风板、风帽或风管等对风粉混合物的流动形成障碍的部件。

可选地，所述预热室的从预热室的底部到顶部的横截面的形状和面积保持不变。

可选地，风粉输送管与预热室的横截面积之比为1∶10～1∶30。分离器形式可以为旋风分离器或惯性分离器。

需要指出的是，在本发明中，粉状燃料可以是煤粉，也可以是半焦细粉等低挥发性燃料。

根据本发明的另一个方面的实施例，提出了一种粉状燃料燃烧锅炉系统，包括：锅炉，具有炉膛；和上述的粉状燃料自预热装置，其中：分离器气体出口连接有粉状燃料出口管道，用于将预热的粉状燃料以及烟气送往炉膛。

根据本发明的再一个方面的实施例，提出了一种粉状燃料自预热方法，包括步骤：提供循环流化床预热室，其中，预热室的底部设置锥形部，锥形部的顶部大于锥形部的底部，锥形部的顶部端缘与预热室的底部端缘在形状上相配合而彼此相接；提供风粉输送管，风粉输送管直接连通到锥形部的底部；提供粉状燃料与一次风的风粉混合物；以及利用风粉输送管将风粉混合物经由锥形部输送到预热室内部，其中，粉状燃料在预热室中部分燃烧而放热。

可选地，上述方法还包括步骤：控制粉状燃料与一次风的比例为0.3～3.0kg粉状燃料∶1m³空气，优选为0.5～2.0kg粉状燃料∶1m³空气。

可选地，上述方法还包括步骤：控制分离器的分离效率在80～98％之间。分离器3的分离效率在80～98％之间时，可获得适宜的循环量。

可选的，上述方法还包括步骤：控制预热室的温度在800～1300℃之间。

可选地，上述方法还包括步骤：调节经返料器送回预热室的粉状燃料与经由风粉输送管送入预热室的粉状燃料的质量比为5～50。

可选地，上述方法中，所述粉状燃料粒径小于200μm。

可选地，上述方法中，风粉混合物在风粉输送管中的流速为20～30m/s。

可选地，上述方法中，预热室内的风粉混合物流速高于粉状燃料颗粒的终端沉降速度。进一步地，预热室内的风粉混合物的流速为1～6m/s。更进一步地，预热室内的风粉混合物的流速为2～3m/s。

可选地，上述方法中，分离器的气体出口连接有粉状燃料出口管道，用于将携带粉状燃料的烟气引出分离器。

本发明的粉状燃料自预热装置可直接与煤粉锅炉等的送粉系统对接，装置结构简单，操作简便。

经返料器送回预热室的粉状燃料成为稳定持续的点火源。本发明的粉状燃料自预热装置无需外热源即可将粉状燃料预热至高温，不存在着火稳定性差和熄火问题，且能很好的适应锅炉变负荷的高效燃烧问题，特别适合无烟煤等低挥发分燃料的高效、稳定燃烧，还可适用于半焦细粉等低挥发分燃料的燃烧。

下面以煤粉为例，进一步说明根据本发明的粉状燃料自预热方法。

来自煤粉锅炉制粉系统的粒径小于200μm的煤粉与一次风混合形成的风粉混合物从循环流化床预热室底部喷入循环流化床预热室；风粉混合物中，煤粉与一次风的比例为0.3～3.0kg粉状燃料∶1m³空气，优选为0.5～2.0kg粉状燃料∶1m³空气。在这样的空气、煤粉比例下，风粉输送管内空气携带煤粉的状态为稀相输送，配合20～30m/s的气流速度，可避免煤粉在风粉输送管内的沉积、同时防止管道的磨损；不仅如此，这样的煤粉空气比例还使得煤粉仅可部分燃烧，可将煤粉的燃烧份额控制在理想的范围内，同时又可达到预定的煤粉预热温度。风粉混合物喷入循环流化床预热室后，首先与从返料器返回循环流化床预热室的高温物料混合，喷入循环流化床预热室的煤粉和一次风受热温度上升，当煤粉温度超过着火点时，煤粉与一次风中的氧气发生部分燃烧反应，煤中的C向CO、CO₂和CH₄转化，C向CO₂的转化为放热反应，一次风与煤粉的反应过程中，一次风转化为含有CO、CO₂和CH₄的还原性烟气。煤粉与一次风部分燃烧反应放热，使循环流化床预热室温度上升，煤粉被持续稳定的预热到800～1300℃。循环流化床预热室内的风粉混合物流速高于煤粉颗粒的终端沉降速度，使循环流化床预热室中下部的物料返混大为减少，使进入旋风分离器的物料浓度较大，在相同的分离效率下，返料流率增大，有利于预热室的稳定运行。综合考虑预热室横截面和高度，循环流化床预热室内的风粉混合物流速为1～6m/s较为经济，更加优选的流速范围为2～3m/s。被预热至高温的煤粉随还原性烟气一起从循环流化床预热室进入分离器，部分煤粉被分离器捕集、经返料器送回循环流化床预热室、成为稳定持续的点火源，大部分煤粉与还原性烟气一起经分离器的气体出口进入预热煤粉出口管道，通往煤粉锅炉的燃烧器，进行燃烧。

返料器返回的高温物料量与进入循环流化床预热室总煤粉量之比(质量比)即循环倍率，为5～50。循环倍率较大时，返料器返回的高温物料多，可瞬间加热喷入循环流化床预热室的煤粉和一次风；循环倍率较小，返料器返回的高温物料少，加热喷入循环流化床预热室的煤粉和一次风的时间廷长。若预热燃料为低挥发的无烟煤和半焦，则可选较大的循环倍率；若预热燃料为挥发分较高的烟煤或褐煤，则可选择较小的循环倍率。为获得较大的循环倍率，可选用分离效率较高的分离器以及粒径较大的煤粉；反之则可获得较小的循环倍率。

进入煤粉锅炉炉膛的预热煤粉及还原性烟气的温度在800～1300℃之间，因此煤粉喷入煤粉炉后不存在着火和火焰稳定性问题，可适应变负荷条件下的高效稳定燃烧。

本发明提供的粉状燃料自预热装置及其方法实现了与粉状燃料锅炉制粉系统的直接连接。风粉混合物从循环流化床预热室的底部直接喷入循环流化床预热室内，依靠返料器返回的高温物料和一次风与粉状燃料的部分燃烧反应，持续稳定的实现粉状燃料自预热，粉状燃料预热温度可达800～1300℃，粉状燃料预热温度可通过一次风量、返料量等进行调整。循环流化床预热室中不设置风帽、布风板、布风管、燃料加入口等，其结构简单、操作简便。粉状燃料经自预热装置预热后，温度超过着火点，经燃烧器进入粉状燃料锅炉后，将不存在着火稳定性差和熄火问题，能很好的适应锅炉变负荷的高效燃烧问题，也特别适合无烟煤及半焦等低挥发分燃料的高效稳定燃烧。

下面以示例的形式描述本发明的具体实施方式。

实施例1：

循环流化床预热室2、分离器3、返料器4依次相连，循环流化床预热室2为竖直柱状，底部连接有锥形部6，预热室2和锥形部6内部为空腔结构，没有布风板、风帽或风管，也没有燃料加入口；来自煤粉锅炉制粉系统的风粉输送管1与锥形部6直接连接；分离器3的固体出口连接返料器4，气体出口连接预热煤粉出口管道5，用于引出携带着大量高温煤粉的烟气，送往煤粉锅炉的炉膛。风粉输送管1与循环流化床预热室2的横截面积之比为1∶20～1∶25；分离器3为旋风分离器，分离效率为90～95％。

来自煤粉锅炉制粉系统、煤粉粒径小于200μm的烟煤煤粉在一次风的携带下经风粉输送管从循环流化床预热室底部直接喷入，每m³一次风携带1.5kg煤粉，一次风温度100℃。风粉混合物在风粉输送管中的流速为26m/s，进入循环流化床预热室后的流速为4m/s。煤粉在循环流化床预热室内部分燃烧，使预热室温度维持在800～850℃，煤粉部分燃烧，一次风转化为含有CO、CH₄、CO₂的还原性烟气，预热煤粉随还原性烟气进入分离器，部分高温煤粉被分离后经返料器送回循环流化床预热室，循环倍率为5～20，送回的高温煤粉起到加热点燃冷煤粉的作用，其余煤粉在高温还原性烟气的携带下，由分离器出口经预热煤粉出口管道喷入到煤粉锅炉炉膛中。

实施例2：

依次相连的循环流化床预热室2、分离器3、返料器4，来自煤粉锅炉制粉系统的风粉输送管1与位于循环流化床预热室2底部的锥形部6直接连接；分离器3的气体出口连接预热煤粉出口管道5，用于引出携带着大量高温煤粉的烟气，送往煤粉锅炉炉膛。风粉输送管1与循环流化床预热室2的横截面积之比为1∶22～1∶27；分离器3为旋风分离器，分离效率为95～98％。

一次风携带煤粉喷入循环流化床预热室，一次风温度30℃，每m³一次风携带0.5kg煤粉，输送煤粉为无烟煤，粒径小于90μm，风粉混合物在风粉输送管中的流速为24m/s，进入循环流化床预热室后的流速为3m/s。煤粉在循环流化床预热室内部分燃烧，使预热室温度维持在950～1000℃，高温煤粉随燃烧产生的还原性烟气进入分离器，部分煤粉被捕集、经返料器送回循环流化床预热室，循环倍率为35～50，其余煤粉在高温还原性烟气的携带下，经分离器出口喷入到煤粉锅炉中。

实施利3：

依次相连的循环流化床预热室2、分离器3、返料器4，风粉输送管1与位于循环流化床预热室2底部的锥形部6直接连接；分离器3的气体出口连接通往煤粉锅炉炉膛的预热煤粉出口管道5。风粉输送管1与循环流化床预热室2主体部分的横截面之比为1∶15～1∶20；分离器3为惯性分离器，分离效率为80～90％。

一次风携带粒径小于120μm的半焦细粉喷入循环流化床预热室，一次风温度100℃，每m³一次风携带1.0kg焦粉，风粉混合物在风粉输送管中的流速为30m/s，进入循环流化床预热室后的流速为6m/s。焦粉在循环流化床预热室内部分燃烧，使预热室温度维持在1100～1300℃，部分高温焦粉被分离器捕集后经返料器送回循环流化床预热室，循环倍率为20～35，其余焦粉在高温还原性烟气的携带下，经预热煤粉出口管道通入煤粉锅炉炉膛。

虽然在上文已经公开了结合了本发明的原理的示例性实施例，但本发明不限定于所公开的实施例。相反地，本申请旨在使用本发明的一般原则覆盖本发明的任何变化、用途或修改。而且，本发明意图涵盖偏离本公开内容的、如落入本发明所属领域中已知或习惯做法范围内这种内容。

Claims (21)

1.一种粉状燃料自预热装置，包括：

循环流化床预热室，设置有预热室出口和返料口；

分离器，与预热室出口相通；

返料器，与返料口相通；

锥形部，锥形部的顶部大于锥形部的底部，锥形部的顶部端缘与预热室的底部端缘在形状上相配合而彼此相接；以及

风粉输送管，与锥形部的底部相通，用于经由锥形部向预热室内输送粉状燃料和一次风，

其中，粉状燃料适于在预热室中部分燃烧而放热。

2.根据权利要求1所述的粉状燃料自预热装置，其中：

风粉输送管的输送通道的尺寸与锥形部的底部的通道的尺寸相同。

3.根据权利要求2所述的粉状燃料自预热装置，其中：

在上下方向的投影中，锥形部的底部的投影位于锥形部的顶部的投影的中心。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的粉状燃料自预热装置，其中：

所述预热室的从预热室的底部到顶部的整个内部空间构造为粉状燃料的循环流化空间。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的粉状燃料自预热装置，其中：

所述预热室的从预热室的底部到顶部的横截面的形状和面积保持不变。

6.根据权利要求5所述的粉状燃料自预热装置，其中：

风粉输送管与预热室的横截面积之比为1∶10～1∶30。

7.一种粉状燃料燃烧锅炉系统，包括：

粉状燃料燃烧锅炉，具有炉膛；和

根据权利要求1-6中任一项所述的粉状燃料自预热装置，

其中：

分离器的气体出口连接有粉状燃料出口管道，用于将预热的粉状燃料以及烟气送往炉膛。

8.根据权利要求7所述的粉状燃料燃烧锅炉系统，其中：

所述粉状燃料燃烧锅炉为煤粉燃烧锅炉。

9.一种粉状燃料自预热方法，包括步骤：

提供循环流化床预热室，其中，预热室的底部设置有锥形部，锥形部的顶部大于锥形部的底部，锥形部的顶部端缘与预热室的底部端缘在形状上相配合而彼此相接；

提供风粉输送管，风粉输送管直接连通到锥形部的底部；

提供粉状燃料与一次风的风粉混合物；以及

利用风粉输送管将风粉混合物经由锥形部输送到预热室内部，

其中，粉状燃料在预热室中部分燃烧而放热。

10.根据权利要求9所述的方法，其中：

所述粉状燃料为煤粉。

11.根据权利要求9或10所述的方法，还包括步骤：

控制粉状燃料与一次风的比例为0.3～3.0kg粉状燃料∶1m³空气。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括步骤：

控制粉状燃料与一次风的比例为0.5～2.0kg粉状燃料∶1m³空气。

13.根据权利要求9-12中任一项所述的方法，还包括步骤：

控制分离器的分离效率在80～98％之间。

14.根据权利要求9-13中任一项所述的方法，还包括步骤：

控制预热室的温度在800～1300℃之间。

15.根据权利要求9-14中任一项所述的方法，还包括步骤：

调节经返料器送回预热室的粉状燃料与经由风粉输送管送入预热室的粉状燃料的质量比为5～50。

16.根据权利要求9-15中任一项所述的方法，其中：

所述粉状燃料粒径小于200μm。

17.根据权利要求9-16中任一项所述的方法，其中：

风粉混合物在风粉输送管中的流速为20～30m/s。

18.根据权利要求9-17中任一项所述的方法，其中：

预热室内的风粉混合物流速高于粉状燃料颗粒的终端沉降速度。

19.根据权利要求18所述的方法，其中：

预热室内的风粉混合物的流速为1～6m/s。

20.根据权利要求19所述的方法，其中：

预热室内的风粉混合物的流速为2～3m/s。

21.根据权利要求9-20中任一项所述的方法，其中：

分离器的气体出口连接有粉状燃料出口管道，用于将预热的粉状燃料以及烟气引出分离器。