CN113551223A - 一种用于向电厂大型燃煤锅炉增强传送生物质烟气的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于向电厂大型燃煤锅炉增强传送生物质烟气的装置，立式烟气涡流燃烧塔模块(3)用于将燃气(26)的再燃焼与秸秆气化过程分开，并将充分清洁燃烧的热风(9)传送入电厂等的大型燃煤锅炉(4)，所需的驱动负压是由立式烟气涡流燃烧塔模块内热烟气的热浮力产生的，这个负压还可以通过注入压缩的二次燃烧给风或燃烧后的热气和新鲜空气的混合物得到增强。注入压缩的二次燃烧给风或燃烧后的热气和新鲜空气的混合物是通过位于立式烟气涡流燃烧塔模块底部的吹风管(14)吹入立式烟气涡流燃烧塔模块，这样可以加强立式烟气涡流燃烧塔模块内热烟气的涡流速度，而且这种加强作用不受立式烟气涡流燃烧塔模块尺寸大小和烟气温度的影响。
Description
技术领域
在发电厂等一部分煤炭等燃料被作物秸秆等生物质燃料替代时，由于燃料燃烧特性不同，将作物秸秆等生物制燃料置于独立的燃烧系统中燃烧时需要足够的负压作为驱动。根据本发明提出的一种塔式结构的烟气燃烧装置，这种燃烧装置是通过热烟气的热浮力获得负压，并且这个负压又可通过吹入的带压空气得到加强。这种塔式结构的烟气燃烧装置不受限于燃烧装置的大小和烟气温度的高低。
背景技术
根据专利CN201811060841.6，设计成涡流燃烧的烟气涡流燃烧塔可以将秸秆独立的完成充分清洁燃烧后引入到燃煤锅炉中，这里的热烟气是由热烟气的热浮力和燃煤锅炉中的负压共同驱动的，其热烟气的热浮力往往会受制于燃烧塔的高度和热烟气的温度。
一般电厂锅炉的引风压力多是在-200Pa以下，而这个压力一般不足以让热烟气获得实现清洁燃烧所必需的速度，这样就会限制烟气的最大流量。因此根据CN202010695870.0，提出了一种轴向设计的高温风机，通过其产生必需的负压以实现独立的秸秆气化燃烧，这就意味着可以实现高程较低的中小型燃煤锅炉，特别是类似市政供热系统的锅炉等可以实现燃料的“煤转秸秆”或者实现“煤-秸秆”混烧。
而将以上方法用于大型电厂等燃煤锅炉的大型系统时会要求系统运行的绝对可靠性，这样就会增加高温轴流风机设计和制造的难度并导致整个系统成本的提高。同时以上高温轴流风机的最高工作温度被限制在800℃以下，而满足电厂高温蒸汽过热器运行一般通常需要最低920℃的工作温度。
而已知的涡流后燃烧室在高度达到60米以上、热烟气温度900℃时，仅通过热烟气的热浮力能够产生的最大负压是450Pa，而这个负压是不足以产生足够快的烟气流速而实现清洁燃烧、清洁排放和使得烟气过滤系统免收腐蚀等。。
发明内容
本发明目的是发明一种通过在燃烧塔的底部产生更大负压，强化烟气的涡流旋转的装置，并且本发明的装置其设计构造简单、不会受燃烧塔规格尺寸和热烟气温度的限制，也不需要特殊的耐高温材料，并且可以实现最高的可用性和最长的使用寿命。
根据本发明，发明目的是通过有鼓风驱动的、与地面垂直的立式烟气涡流燃烧塔模块来实现的，来自独立的、可以是各种不同结构设计的秸秆气化系统的燃气成水平和切向进入立式烟气涡流燃烧塔模块后，产生出干净的、充分燃烧不再含有火焰的热风被传送到电厂等大型、大热功率燃煤锅炉内。
立式烟气涡流燃烧塔模块高度可以达到30m以上，750℃以上的热烟气通过热浮力会在立式烟气涡流燃烧塔模块底部形成负压，这个负压又可以通过鼓风驱动得到加强。经过预热和带压的二次风或者热烟气-空气的混合物通过带有风嘴的吹风管从底部吹入立式烟气涡流燃烧塔模块。本发明中经过预热和带压的二次风或者热烟气-空气的混合物时优选在与地面垂直的方向上吹入，但是沿与立式烟气涡流燃烧塔模块成切向的燃气通道中燃气进入方向水平吹入也属于本发明的范围。
这种以超过120m/秒的速度进入立式烟气涡流燃烧塔模块的二次风或者热烟气-空气的混合物通过将动能传递给燃气并驱动燃气加速流动，通过射流效应增加了燃气通道中的负压后，燃气通过燃气通道进入立式烟气涡流燃烧塔模块，这时候的压力足以使燃气获得足够高的流速、强涡流和完成燃气的充分后燃烧。本发明的装置可以通过变化二次风或者热烟气-空气的混合物热风通道的横截面改变立式烟气涡流燃烧塔模块的热出力。
来自秸秆气化系统的燃气成水平和切向进入立式烟气涡流燃烧塔模块，与地面成垂直方向的吹风管布置在一个直径为立式烟气涡流燃烧塔模块内直径0.5-0.7倍的圆形区域内，燃气流经吹风管进入立式烟气涡流燃烧塔模块。
这里的每个吹风管都包含一个经过优化设计的拐角风嘴，带压的二次风或者热烟气-空气的混合物通过风嘴沿偏向于涡流热烟气运动的方向向上吹入立式烟气涡流燃烧塔模块，二次风或者热烟气-空气的混合物吹入立式烟气涡流燃烧塔模块的吹出风角度与地面垂直方向成一个12-18°的角，这样带压的二次风或者热烟气-空气的混合物也略微流向立式烟气涡流燃烧塔模块的内壁，其结果是被吹入的二次风或者热烟气-空气的混合物基本随涡流热烟气流动，不仅不会阻碍涡流热烟气速度，还会为涡流热烟气提供额外的推动力。
在另一个位于立式烟气涡流燃烧塔模块中心、其直径为气体燃烧塔内径的0.2-0.25倍的圆形区域内，不布置吹风管或者只布置可沿与地面垂直方向成0°角的吹入经过预热的二次风或者热烟气-空气的混合物的吹风管。这些沿垂直方向吹入经过越热的二次风或者热烟气-空气的混合物的吹风管可以将动能带入几乎是处于静止状态的涡流热烟气运动的中心区域，在这个区域的热烟气的流动速度非常低。
所有的吹风管都固定在位于立式烟气涡流燃烧塔模块底部的一个腔体上，该腔体内的压力将始终控制其低于法定的压力容器的允许压力。经风机压缩后的二次风或者热烟气-空气的混合物被送入腔体中，由于吹风管的管体布置在来自作物秸秆气化模块、燃烧着的热烟气中，因此吹风管中的经风机压缩后的二次风或者热烟气-空气的混合物会被进一步加热而更快速而有效的喷射出来，这样就会减少系统的电力消耗。
位于密封槽最外圈的吹风管最短，位于最内圈的吹风管最长，这样可以最大限度的避免对涡流热烟气形成阻力。
本发明专利中如果没有足够的经过预热的燃烧给风可用，则还可以从立式烟气涡流燃烧塔模块的较高位置抽取热烟气并经过与新鲜空气混合至温度200-300℃后经高压鼓风机加压后吹入立式烟气涡流燃烧塔模块，这意味着还可以最大限度减少进入燃烧过程的外部氧气量。
附图说明
图1示出的是底部带有高压鼓风机驱动的吹风管的、连接两个独立和移动炉排结构的整捆包作物秸秆气化模块、将整捆包作物秸秆气化燃烧产出热风传送到燃煤锅炉的立式烟气涡流燃烧塔模块。
图2更详细地示出了包含更多装置的立式烟气涡流燃烧塔模块的下部和底部。
图3以平面图的形式示出了立式烟气涡流燃烧塔模块的横截面。
图4以侧视图的剖面图示出了吹风管的布置。
图5示出了带有拐角风嘴的吹风管。
图中：1-整捆包作物秸秆，2-移动炉排结构的整捆包作物秸秆气化模块，3-立式烟气涡流燃烧塔模块，4-电厂等的大型燃煤锅炉，5-燃气通道，6-经过预热的燃烧给风，7-热风通道，8-新鲜空气，9-热风，10-温度调控装置，11-高压鼓风机，12-腔体，13-出灰螺杆，14-吹风管，15-拐角风嘴，16-耐火砖内衬，17-隔热层，18-立式烟气燃烧塔模块钢外壳体，19-热烟气输送通道，20-热烟气应急通道，21-烟气燃烧塔模块内直径，22-包含带拐角风嘴吹风管的圆形区域的直径，23-不含吹风管或包含带直角风嘴吹风管的圆形区域的直径，24-风嘴，25-吹出风角度，26-燃气。
具体实施方式
以下将通过一个实施例详细地解释本发明。本实施例是将一个包含一个底部带有高压鼓风机驱动的、燃烧功率为72MW立式烟气涡流燃烧塔模块并且独立布置的秸秆气化系统所产生的热风传送到燃烧功率为330MW的电厂燃煤锅炉内的装置。
图1包含在根据专利CN202110669974.9设计构造的两个移动炉排结构的整捆包作物秸秆气化模块(2)中气化燃烧的整捆包作物秸秆(1)，产出的燃气(26)通过两条燃气通道(5)切向流入根据专利CN201811060841.6设计构造的立式烟气涡流燃烧塔模块(3)。
立式烟气涡流燃烧塔模块(3)内部有耐火砖内衬(16)、在外部有一个厚的隔热层(17)，在本实施例中隔热层(17)的厚度约55厘米。这意味着可以省去对立式烟气燃烧塔模块钢外壳体(18)的额外的冷却设计。本实施例的立式烟气涡流燃烧塔模块(3)的内直径为4.5米、高度约为60米，立式烟气涡流燃烧塔模块(3)的设计构造需要符合抗震等级要求的技术规范。
本实施例中温度920℃的燃气(26)以240m3/秒的速度流入立式烟气涡流燃烧塔模块(3)中并驻留燃烧约为4秒，这样既可保证燃气清洁燃烧、燃烧状态没有峰谷值变化、NOx和二噁英等物质排放得到优化，系统下游设备最大限度免于作物秸秆烟气腐蚀等。
本实施例中电厂等的大型燃煤锅炉(4)的热功率为330MW，在与作物秸秆耦合发电时将72MW热功率分配给独立的移动炉排结构的整捆包作物秸秆气化模块(2)和立式烟气涡流燃烧塔模块(3)等组成的作物秸秆燃烧系统。如果大型燃煤锅炉的热功率330MW全部由移动炉排结构的整捆包作物秸秆气化模块(2)和立式烟气涡流燃烧塔模块(3)等组成的作物秸秆燃烧系统替代时，则由移动炉排结构的整捆包作物秸秆气化模块(2)和立式烟气涡流燃烧塔模块(3)等组成的作物秸秆燃烧系统燃烧参数等可保持不变，立式烟气涡流燃烧塔模块(3)内直径调整为8.6m、高度调整为75m即可，涉及工艺过程和系统设计和构造方法等均可不变。
图2示出了热风通道(7)，通过热风通道(7)可从电厂等由移动炉排结构的整捆包作物秸秆气化模块(2)和立式烟气涡流燃烧塔模块(3)等组成的作物秸秆燃烧系统以外的热源供给经过预热的燃烧给风(6)，或者通过热风通道(7)吸入来自立式烟气涡流燃烧塔模块(3)的热风(9)与新鲜空气(8)的混合物，本实施例中通过温度调控装置(10)将该混合物的温度控制为约250℃。来自立式烟气涡流燃烧塔模块(3)的热风(9)与新鲜空气(8)的混合物或是来自电厂等的经过预热的燃烧给风(6)被高压鼓风机(11)以6000Pa的压力压缩为流速63000立方米/小时、温度250℃的气体，这里的高压鼓风机(11)功率约为180kW。
本实施例中的高压鼓风机(11)约可产生高达6000Pa的负压，合并立式烟气涡流燃烧塔模块(3)中热烟气的热浮力产生的负压，约10000Pa总负压可用，这个总负压值足以满足保证本实施例中进入立式烟气涡流燃烧塔模块(3)的热烟气涡流速度不低于35m/s。当来自立式烟气涡流燃烧塔模块(3)的热风(9)与新鲜空气(8)的混合物或是来自电厂等的经过预热的燃烧给风(6)的流速较低时高压鼓风机(11)的压力大于4500Pa即可，这时候的高压鼓风机(11)功率仅约为120kW。
高压鼓风机(11)产生的压缩空气首先进入位于立式烟气涡流燃烧塔模块(3)底部的、在本实施例中以焊接等方式固定了不锈钢制的吹风管(14)的腔体(12)中。当从上面俯视腔体(12)时腔体(12)呈漏斗状，位于腔体(12)底部中间的空心可用于收集和冷却粉尘颗粒，为此这里布置了一个出灰螺杆(13)。
来自高压鼓风机(11)的带压气体沿不锈钢制成的吹风管(14)向上流动，本实施例中吹风管(14)的内直径约为140毫米。其中位于该中心区域直径为2.7m的包含带拐角风嘴吹风管(14)的圆形区域内的每个吹风管(14)的顶端布置了一个拐角风嘴(15)连接风嘴(24)使得吹风管(14)喷射的气体射流与地面垂直方向偏转约17°，使得所有带拐角风嘴(15)连接风嘴(24)的吹风管(14)吹出的气体射流方向倾斜于立式烟气涡流燃烧塔模块(3)的耐火砖内衬(16)并随立式烟气涡流燃烧塔模块(3)的涡流热烟气旋转流动。
图3示出了本实施例中的立式烟气涡流燃烧塔模块(3)中心区域内布置的21根吹风管(14)，其中带有拐角风嘴(15)的吹风管(14)都位于该中心区域直径为2.7m的圆形区域内，这个包含带拐角风嘴吹风管的圆形区域的直径(22)是烟气燃烧塔模块内直径(21)的0.6倍，燃气(26)可以在吹风管(14)的外侧周围自由流入立式烟气涡流燃烧塔模块(3)。
本实施例中另一个位于圆形区域中心的、不含吹风管或包含带直角风嘴吹风管的圆形区域的直径(23)为1m，约为烟气燃烧塔模块内直径(21)的0.2倍。在本实施例中的不含吹风管或包含带直角风嘴吹风管的圆形区域内布置了直角的风嘴(24)垂直向上将来自立式烟气涡流燃烧塔模块(3)的热风(9)与新鲜空气(8)的混合物或是来自电厂等的经过预热的燃烧给风(6)吹入立式烟气涡流燃烧塔模块(3)几乎静止的热烟气涡流中心区域从而提高立式烟气涡流燃烧塔模块(3)内热烟气的浮力。
为不阻碍立式烟气涡流燃烧塔模块(3)内对烟气清洁燃烧起到重要作用的烟气涡流燃烧过程，所有带拐角风嘴(15)连接风嘴(24)的吹风管(14)吹出的气体射流方向倾斜于立式烟气涡流燃烧塔模块(3)的耐火砖内衬(16)并随立式烟气涡流燃烧塔模块(3)的涡流热烟气旋转流动并且使得热烟气涡流燃烧得到强化。
图4显示的是带拐角风嘴吹风管的圆形区域内的吹风管(14)长度较短，但位于不含吹风管或包含带直角风嘴吹风管的圆形区域内的、朝向立式烟气涡流燃烧塔模块(3)内中央的吹风管(14)长度较长。这样从切向布置的燃气通道(5)流入的燃烧着的燃气(26)的涡流不受阻碍，而且从带直角风嘴的较长的吹风管(14)喷出的气体射流可以通过吸收更多热量并转化为动能产生更大负压但基本不发生偏转。
图5更进一步示出了带拐角风嘴(15)的吹风管(14)优化气体喷射角度的风嘴(24)，本实施例的所有吹风管(14)的风嘴(24)内直径均为85毫米。本实施例的带拐角风嘴(15)的吹风管(14)的风嘴(24)喷射气流的速度约为163m/s，喷射气流与地面垂直线约17°的吹出风角度(25)可以强化立式烟气涡流燃烧塔模块(3)中的燃烧烟气涡流速度使其不低于340转/分钟，从而实现热烟气完全充分的清洁燃烧和尾部烟气排放值的优化。
本发明还可以通过使用根据专利CN201811655101.2的用于增减燃气通道(5)的自由横截面的装置使得立式烟气涡流燃烧塔模块(3)的出力在一个较大范围内改变，一定程度上将电力控制的任务可以从煤炭转移到秸秆。
Claims (8)
1.一种用于向电厂大型燃煤锅炉增强传送生物质烟气的装置，包含一个承接上游作物秸秆气化系统产出燃气的、30m以上高度的立式烟气涡流燃烧塔模块(3)；其特征在于，压力大于4500Pa、速度大于120m/s的燃烧二次风或者热烟气-空气混合物被从立式烟气涡流燃烧塔模块(3)底部的下方，通过一定数量的吹风管(14)以接近于与地面垂直的方向经高压鼓风机(11)喷射到立式烟气涡流燃烧塔模块(3)中。
2.一种用于向电厂大型燃煤锅炉增强传送生物质烟气的装置，包含一个承接上游作物秸秆气化系统产出燃气的、30m以上高度的立式烟气涡流燃烧塔模块(3)；其特征在于，通过与立式烟气涡流燃烧塔模块(3)连接的近似水平的燃气通道(5)中一定数量的吹风管(14)，将压力大于4500Pa的燃烧二次风或者热烟气-空气混合物沿近似水平方向吹入立式烟气涡流燃烧塔模块(3)。
3.根据权利要求1所述的一种用于向电厂大型燃煤锅炉增强传送生物质烟气的装置，其特征在于，吹风管(14)都布置在位于立式烟气涡流燃烧塔模块(3)底部中央的直径为包含带拐角风嘴吹风管的圆形区域的直径(22)的圆形区域内，该圆形区域的直径为立式烟气涡流燃烧塔模块内直径(21)的0.5-0.7倍。
4.根据权利要求3所述的一种用于向电厂大型燃煤锅炉增强传送生物质烟气的装置，其特征在于，直径为不含吹风管或包含带直角风嘴吹风管的圆形区域的直径(23)的圆形区域外的吹风管(14)都包含一个成一定角度的风嘴(24)，吹出风角度(25)与地面垂直方向成12-18°角，直径为不含吹风管或包含带直角风嘴吹风管的圆形区域的直径(23)的圆形区域内的吹风管(14)的风嘴(24)与吹风管(14)都成直角，吹出风角度(25)与地面垂直方向成0°角。
5.根据权利要求3所述的一种用于向电厂大型燃煤锅炉增强传送生物质烟气的装置，其特征在于，位于立式烟气涡流燃烧塔模块(3)内部、不含吹风管或包含带直角风嘴吹风管的圆形区域的直径(23)为立式烟气涡流燃烧塔模块(3)内直径(21)的0.2-0.25倍，直径为不含吹风管或包含带直角风嘴的吹风管的圆形区域的直径(23)的圆形区域外的吹风管(14)的吹出气体的方向与立式烟气涡流燃烧塔模块(3)内烟气涡流方向接近相同方向。
6.根据权利要求3所述的一种用于向电厂大型燃煤锅炉增强传送生物质烟气的装置，其特征在于，所有吹风管(14)都布置在位于立式烟气涡流燃烧塔模块(3)内底部下方的腔体(12)上。
7.根据权利要求3所述的一种用于向电厂大型燃煤锅炉增强传送生物质烟气的装置，其特征在于，布置在立式烟气涡流燃烧塔模块(3)内底部下方不含吹风管或包含带直角风嘴吹风管的圆形区域内的吹风管(14)设计的较高长，直径为不含吹风管或包含带直角风嘴吹风管的圆形区域的直径(23)的圆形区域外、包含带拐角风嘴吹风管的圆形区域的吹风管(14)设计的较矮短。
8.根据权利要求1和2所述的一种用于向电厂大型燃煤锅炉增强传送生物质烟气的装置，其特征在于，用于吹入立式烟气涡流燃烧塔模块(3)的带压气体是来自立式烟气涡流燃烧塔模块(3)的热风(9)与新鲜空气(8)的混合物或是经过预热的燃烧给风(6)。
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