CN114738755A - 一种用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃烧设备与技术领域，公开了一种用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器，包括中心风管，中心风管外依次套设一次风套管以及周界风套管；中心风管内设置钝体支撑柱，钝体支撑柱上设置若干轴向旋流叶片，中心风管的出风端设置稳燃钝体，一次风套管的进风端设置若干氨气喷管，一次风套管内部固定设置导流板和一次风支撑板，导流板沿中心风管轴向设置，一次风套管通过一次风支撑板与中心风管连接；周界风套管的进风端设置周界风蜗壳，周界风套管内部设置周界风支撑板，周界风套管通过周界风支撑板与一次风套管连接。适用于煤氨混燃，能够提高煤粉的着火稳定性，能够可以在不增加氮氧化物排放的同时降低飞灰含碳量，减少电站锅炉的碳排放。

Description

一种用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器

技术领域

本发明属于燃烧设备与技术领域，涉及一种用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器。

背景技术

2020年，全球由于化石能源消耗所产生的CO₂排放量为348.1亿吨，CO₂的大量排放对全球大气、生态造成了巨大的危害。所以，降低碳排放成为所面临的严峻问题。煤炭在能源供给结构和消费结构中均占主导地位，而电力行业是煤炭消费的主要行业，因此电站锅炉的脱碳需要重点关注。

氢气和氨气作为一种“零碳”燃料受到学者的广泛关注。但氢气由于其运输和储存成本高、易爆炸等原因而制约其广泛应用。而氨气的储运要求远比氢气简单，其储运成本远低于氢气，并且还具有基础设施较为完善等特点，所以氨气被广泛视为氢能的重要补充。

大型燃煤电厂通过调峰改造，实现燃煤发电和新能源发电的结合，可保证稳定的电力供应。在新能源发电处于波峰的时间段，经过深度调峰改造的燃煤电厂处于低负荷运行状态，可以排放较少的CO₂，在新能源发电处于波谷的时间段，将氨以合理的比例与煤炭混合燃烧，也可以达到减少CO₂排放的目的。燃煤电厂由于使用SNCR和SCR技术，在运输及储存氨气方面有丰富的经验和成熟的技术，但氨气比起其他气体燃料反应性略低，贫燃时还存在氮氧化物排放高的缺点。煤作为固体燃料，焦炭燃烧所需的停留时间远高于气体燃料，氨气在燃煤锅炉中燃用基本不存在无法燃尽的情形，相反还有潜力促进焦炭的燃尽。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中，将氨与煤炭混合燃烧时，存在氮氧化物排放高的缺点，提供一种用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器，包括中心风管，中心风管外依次套设一次风套管以及周界风套管；

中心风管内设置钝体支撑柱，钝体支撑柱上设置若干轴向旋流叶片，中心风管的出风端设置稳燃钝体，一次风套管的进风端设置若干氨气喷管，一次风套管内部固定设置导流板和一次风支撑板，导流板沿中心风管轴向设置，一次风套管通过一次风支撑板与中心风管连接；周界风套管的进风端设置周界风蜗壳，周界风套管内部设置周界风支撑板，周界风套管通过周界风支撑板与一次风套管连接。

可选的，所述一次风支撑板包括若干横向支撑板与若干纵向支撑板，横向支撑板的截面为矩形，纵向支撑板的截面为锯齿形。

可选的，所述周界风支撑板与一次风来流方向相同，且与一次风套管截面的法线方向之间的夹角为10～30°。

可选的，所述一次风套管的长度L、中心风管的直径D₁以及稳燃钝体的直径D₂满足如下关系：D₁/L＝0.2～0.35且D₂/D₁＝0.2～0.3。

可选的，所述钝体支撑柱上设置12～18个轴向旋流叶片。

可选的，所述轴向旋流叶片通过调节连杆与钝体支撑柱连接，调节连杆用于调节轴向旋流叶片与一次风套管截面的径向之间夹角的大小。

可选的，所述轴向旋流叶片与中心风管径向之间的夹角为30～60°。

可选的，所述导流板与一次风支撑板连接，且氨气喷管正对导流板。

可选的，所述氨气喷管与平行的一次风套管沿气流方向左右两端端面的距离分别为d1和d2，满足以下关系：d1/d2＝3～7。

可选的，中心风管安装于四角切圆燃煤锅炉的一次风喷口的中心，煤粉和氨气均从四角切圆燃煤锅炉的一次风喷口进入四角切圆燃煤锅炉的炉膛，20％～30％的空气从四角切圆燃煤锅炉的一次风喷口进入四角切圆燃煤锅炉的炉膛，50％～65％的空气从四角切圆燃煤锅炉的二次风喷口进入四角切圆燃煤锅炉的炉膛，15％～25％的空气从四角切圆燃煤锅炉的OFA喷口进入四角切圆燃煤锅炉的炉膛；当氨气掺烧比例低于25％时，所有氨气均从中心风管通入；当氨气掺烧比例超过25％时，掺烧比例25％的氨气从中心风管通入，其余部分的氨气从氨气喷管通入。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器，适用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃，通过中心风管和氨气喷管通入氨气，通过轴向旋流叶片使氨气流与煤粉流充分混合，通过周界风蜗壳和周界风套管通入周界风以防止火焰刷墙，以及冷却喷口，防止喷口温度过高变形，并在一次风支撑板上还布置有导流板，起到浓淡分离的作用，最终有效促进了煤粉与氨气的着火，进而提高煤粉的着火稳定性，实现了煤粉与氨气的充分混合以及低氮燃烧，通过分级配风实现对燃烧氛围的精准把控，可以在不增加氮氧化物排放的同时降低飞灰含碳量，减少电站锅炉的碳排放。

附图说明

图1为本发明实施例用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器结构示意图；

图2为本发明实施例用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器侧视图；

图3为本发明实施例的用于四角切圆燃煤锅炉喷口及燃烧区域分布示意图。

其中：1-一次风喷口；2-二次风喷口；3-OFA喷口；4-1-中心风管；4-2-氨气喷管；5-一次风套管；6-弯管段；7-导流板；8-周界风蜗壳；9-周界风套管；10-钝体支撑柱；11-轴向旋流叶片；12-一次风支撑板；13-周界风支撑板；14-稳燃钝体。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

首先，介绍本发明实施例中涉及的相关术语：

一次风指的是一次空气和一次燃料的混合物，一次燃料包括了煤粉与氨气。

二次风指的是二次空气和二次燃料的混合物，二次燃料包括了煤粉与氨气。

燃尽风指的是三次空气。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

目前，大型燃煤电厂所使用锅炉的燃烧方式主要为两种：四角切圆和前后墙对冲。其中，四角切圆燃烧是将一次风携带的煤粉和二次风通过角式燃烧器以一定速度喷入炉膛内，并在炉膛中心形成一假想切圆，并产生切圆燃烧。由于其具有燃烧充分、炉膛内部热负荷分布均匀、煤种适应性好等优点在我国燃煤电厂中被广泛应用。所以，结合四角切圆的燃烧方式，开发一种用于煤氨混燃的四角切圆燃烧系统，对控制燃煤过程中CO₂的排放具有重要的意义。

参见图1至3，本发明一实施例中，提供一种用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器，用于对四角切圆燃煤锅炉的优化改造，实现氨燃料的掺混，同时实现CO₂减排、氮氧化物排放的控制及飞灰含碳的降低。

具体的，该用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器包括中心风管4-1，中心风管4-1外依次套设一次风套管5以及周界风套管9；中心风管4-1内设置钝体支撑柱10，钝体支撑柱10上设置若干轴向旋流叶片11，中心风管4-1的出风端设置稳燃钝体14，一次风套管5的进风端设置若干氨气喷管4-2，一次风套管5内部固定设置导流板7和一次风支撑板12，导流板7沿中心风管4-1轴向设置，一次风套管5通过一次风支撑板12与中心风管4-1连接；周界风套管9的进风端设置周界风蜗壳8，周界风套管9内部设置周界风支撑板13，周界风套管9通过周界风支撑板13与一次风套管5连接。

其中，四角切圆燃煤锅炉的炉膛内包括一次风区域I、二次风区域II和燃尽风区域III，其中，一次风喷口1位于一次风区域I，二次风喷口2和OFA喷口(燃尽风喷口)3分别位于二次风区域II和燃尽风区域III。一次风区域为强还原性气氛，二次风区域为弱还原性气氛，OFA区域为氧化性气氛。强还原性气氛可充分抑制煤粉中挥发分氮向氮氧化物的转化，弱还原性气氛可实现氨气的充分燃尽，并抑制焦炭氮向氮氧化物的转化，氧化性气氛则能实现焦炭的充分燃尽。

图3中，A、AB、B、BC、C、CD、D及DE分别表示不同的区域，其中，一个字母代表一次风区域I，两个字母代表二次风区域II，四角切圆锅炉中一次风区域I和二次风区域II大部分是层层相间布置。

使用时，中心风管4-1安装于四角切圆燃煤锅炉的一次风喷口1的中心，中心风管4-1内有用于通入氨气的中心风道，在中心风管4-1的出风端设置稳燃钝体14用于稳定煤粉着火，钝体支撑柱10上设置若干轴向旋流叶片11，用于实现煤粉与氨气的混合；在中心风管4-1外壁和一次风套管5内壁之间形成一次风道，用于向炉膛中通入一次风，一次风套管5外壁和周界风套管9内壁之间形成周界风道，用于向炉膛通入周界风。氨气流在中心区域，被煤粉气流包裹，最外面为周界风气流，四角切圆从中心至四周依次为煤粉气流、氨气流、煤粉气流和周界风气流，氨气流通过轴向旋流叶片11实现与煤粉的充分混合，但氨气不突破煤粉气流到达周界风气流，在还原性气氛下氨气的存在可以抑制煤粉气流中挥发分氮向氮氧化物的转化，周界风气流一方面可以冷却喷口，防止喷口温度过高变形，另一方面还防止火焰刷墙以及出现氨逃逸。

进一步的，应用本发明用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器，可以在大型燃煤机组中实现氨气的掺烧，实现燃煤发电和新能源发电的结合，保证电力的稳定供应。在新能源发电处于波峰的时间段，经过深度调峰改造的燃煤电厂处于低负荷运行状态，可以排放较少的CO₂；在新能源发电处于波谷的时间段，将氨气以合适比例与煤炭混合燃烧，实现燃煤电厂的降碳。

综上所述，本发明用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器，适用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃，通过中心风管4-1和氨气喷管4-2通入氨气，通过轴向旋流叶片11使氨气流与煤粉流充分混合，通过周界风蜗壳8和周界风套管9通入周界风以防止火焰刷墙，以及冷却喷口，防止喷口温度过高变形，并在一次风支撑板上还布置有导流板，起到浓淡分离的作用，最终有效促进了煤粉与氨气的着火，进而提高煤粉的着火稳定性，实现了煤粉与氨气的充分混合以及低氮燃烧，通过分级配风实现对燃烧氛围的精准把控，可以在不增加氮氧化物排放的同时降低飞灰含碳量，减少电站锅炉的碳排放。

在一种可能的实施方式中，所述一次风支撑板12包括若干横向支撑板与若干纵向支撑板，横向支撑板的截面为矩形，纵向支撑板的截面为锯齿形。具体的，为了保证重力方向的刚性，横向支撑板可以设置为实心的矩形，纵向支撑板则为锯齿形，这可以带来更大的与煤粉的接触面积，促进煤粉的着火。

在一种可能的实施方式中，所述周界风支撑板13与一次风来流方向相同，且与一次风套管5截面法线方向之间的夹角为10～30°。具体的，由于一次风来流方向与一次风套管5法线方向呈一定的角度，为了保证周界风的来流方向也能与一次风来流方向相同，周界风支撑板13需要与一次风套管5截面法线方向呈10～30°。

在一种可能的实施方式中，所述一次风套管5的长度L、中心风管4-1的直径D₁以及稳燃钝体14的直径D₂满足如下关系：D₁/L＝0.2～0.35且D₂/D₁＝0.2～0.3。

具体的，一次风套管5矩形截面的长度L是固定的，中心风管4-1的直径D1决定了氨气的喷射速度，过高的氨气喷射速度会带来更大的能量消耗，并且氨气流会突破煤粉流与周界风气流混合，在二次风区域和燃尽风区域会转化为氮氧化物，过低的氨气喷射速度使得氨气无法完成与煤粉气流的混合，氨气抑制挥发分氮向氮氧化物转化的效果会降低，并且氨气对煤粉着火的促进作用也会降低，因此D₁和L满足下列关系D₁/L＝0.2～0.35；稳燃钝体14的直径越大，越能促进煤粉与氨气的着火，但稳燃钝体14过大会影响氨气的喷射速度以及流场，因此稳燃钝体14的直径D₂与中心风管的直径D₁满足以下关系：D₂/D₁＝0.2～0.3。

在一种可能的实施方式中，所述钝体支撑柱10上设置12～18个轴向旋流叶片11。具体的，轴向旋流叶片11数目过少时氨气流的动量较大，卷吸过程中难以实现与煤粉的充分混合，轴向旋流叶片11数目过多会增加氨气流的阻力，提高厂用电率，因此轴向旋流叶片11数量设置为12～18个。

在一种可能的实施方式中，轴向旋流叶片11通过调节连杆与钝体支撑柱10连接，调节连杆用于调节轴向旋流叶片11与中心风管4-1径向之间夹角的大小。

具体的，中心风管4-1中的轴向旋流叶片11可以给喷射的氨气带来切向速度，使氨气卷吸煤粉气流，实现氨气与煤粉以及一次空气的充分混合，轴向旋流叶片11的角度决定了氨气流切向速度的大小，对氨气与煤粉的混合程度会有影响，角度过大会使氨气流穿透煤粉气流，接近水冷壁，不利于氮氧化物控制，角度过小会影响氨气与煤粉的混合效果，本实施方式中，轴向旋流叶片11与中心风管4-1径向之间的夹角为30～60°。

在一种可能的实施方式中，所述导流板7与一次风支撑板12连接，且氨气喷管4-2正对导流板7。

具体的，导流板7的布置方式一般有两种，一种是通常使用的方法，将导流板7布置在一次风套管5的弯管段6，从弯管段6外弧面朝一次风喷口方向伸出，但这种方法在氨气同时从中心风管4-1以及氨气喷管4-2中喷出时会导致氨气流过早地与煤粉流进行混合，从而导致氨气流会穿过煤粉流与周界风接触，导致一次风区域残留过多氨气，一方面降低氨气对煤粉中挥发分氮释放的抑制，另一方面则促进了二次风和OFA区域中氨气向氮氧化物的转化。另一种即为本实施方式中采用的方式，将导流板7与一次风支撑板12连接，且氨气喷管4-2正对导流板7。

导流板7和氨气喷管4-2的偏心布置能够实现煤粉的浓淡分离，氨气喷管4-2与平行的一次风套管5沿气流方向左右两端端面的距离分别为d1和d2，本实施方式中，二者满足以下关系：d1/d2＝3～7，d1/d2越小，煤粉的浓淡分离越明显，煤粉的浓淡分离能有效抑制氮氧化物排放，但同时也会造成导流板的磨损，因此导流板7合适的布置位置是实现煤粉浓淡分离长期有效运行的关键。

在一种可能的实施方式中，中心风管4-1安装于四角切圆燃煤锅炉的一次风喷口1的中心，煤粉和氨气均从四角切圆燃煤锅炉的一次风喷口1进入四角切圆燃煤锅炉的炉膛，20％～30％的空气从四角切圆燃煤锅炉的一次风喷口1进入四角切圆燃煤锅炉的炉膛，50％～65％的空气从四角切圆燃煤锅炉的二次风喷口2进入四角切圆燃煤锅炉的炉膛，15％～25％的空气从四角切圆燃煤锅炉的OFA喷口3进入四角切圆燃煤锅炉的炉膛，且当氨气掺烧比例低于25％时，所有氨气均从中心风管4-1通入；当氨气掺烧比例超过25％时，掺烧比例25％的氨气从中心风管4-1通入，其余部分的氨气从氨气喷管4-2通入。

具体的，可以设置两个氨气管，分别布置在一次风套管5的弯管段6以及直管段。其中，直管段的氨气管为氨气喷管4-2。当氨气掺烧比例低于25％时，所有的氨气均从弯管段6的氨气管进入中心风管4-1，再进入炉膛；当氨气掺烧比例超过25％时，超过的氨气从直管段的氨气喷管4-2进入炉膛，直管段的氨气喷管4-2应当正对导流板7，使氨气从浓相区进入炉膛，一方面充分抑制煤炭中挥发分氮向氮氧化物的转化，另一方面使氨气流无法穿越煤粉气流造成氮氧化物排放升高。无论氨气掺烧比例如何变化，均可设置20～30％的空气从一次风区域进入炉膛，50～65％的空气从二次风区域进入炉膛，15～25％的空气从燃尽风区域进入炉膛，各部分具体的配风比例可根据煤质、氨气掺混比例、氮氧化物排放以及飞灰含碳量进行实际调整。

综上，本发明用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器，其包括中心风管4-1、轴向旋流叶片11和导流板7。当氨气掺混热值比例低于25％时，氨气全部通过中心风管4-1进入炉膛，轴向旋流叶片11的布置使氨气带有切向速度，实现对煤粉流的卷吸，与煤粉充分混合。煤粉气流的挥发分着火促进了氨气的着火，氨气作为气体燃料反过来给煤粉着火提供了更多的“挥发分”，促进煤粉的着火燃烧。通过煤粉流、氨气流、煤粉流及周界风气流的分层布置，充分实现了氨气对挥发分氮形成的氮氧化物的还原作用。当氨气掺混热值比例高于25％时，多余的氨气与浓相区的煤粉提前完成混合，能够实现对浓相区中煤粉氮氧化物生成的抑制。与煤粉燃烧相比，氨气的燃烧比煤粉的挥发分要慢，但快于焦炭的燃烧。继而使得四角切圆燃煤锅炉的一次风区域中大量的氧气在强还原性气氛下会被挥发分和氨气抢占，二次风区域中弱还原性的气氛不适合大比例氨气的掺烧，但适合一次风中部分剩余未燃尽的氨气。在弱还原性气氛下，这部分氨气能够抑制部分焦炭氮向氮氧化物的转化，并且氨气作为气体燃料还能辅助提高焦炭的燃烧，最终降低飞灰含碳量，提高锅炉效率。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器，其特征在于，包括中心风管(4-1)，中心风管(4-1)外依次套设一次风套管(5)以及周界风套管(9)；

中心风管(4-1)内设置钝体支撑柱(10)，钝体支撑柱(10)上设置若干轴向旋流叶片(11)，中心风管(4-1)的出风端设置稳燃钝体(14)，一次风套管(5)的进风端设置若干氨气喷管(4-2)，一次风套管(5)内部固定设置导流板(7)和一次风支撑板(12)，导流板(7)沿中心风管(4-1)轴向设置，一次风套管(5)通过一次风支撑板(12)与中心风管(4-1)连接；周界风套管(9)的进风端设置周界风蜗壳(8)，周界风套管(9)内部设置周界风支撑板(13)，周界风套管(9)通过周界风支撑板(13)与一次风套管(5)连接。

2.根据权利要求1所述的用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器，其特征在于，所述一次风支撑板(12)包括若干横向支撑板与若干纵向支撑板，横向支撑板的截面为矩形，纵向支撑板的截面为锯齿形。

3.根据权利要求1所述的用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器，其特征在于，所述周界风支撑板(13)与一次风来流方向相同，且与一次风套管截面的(5)法线方向之间的夹角为10～30°。

4.根据权利要求1所述的用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器，其特征在于，所述一次风套管(5)的长度L、中心风管(4-1)的直径D₁以及稳燃钝体(14)的直径D₂满足如下关系：D₁/L＝0.2～0.35且D₂/D₁＝0.2～0.3。

5.根据权利要求1所述的用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器，其特征在于，所述钝体支撑柱(10)上设置12～18个轴向旋流叶片(11)。

6.根据权利要求5所述的用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器，其特征在于，所述轴向旋流叶片(11)通过调节连杆与钝体支撑柱(10)连接，调节连杆用于调节轴向旋流叶片(11)与一次风套管(5)截面的径向之间夹角的大小。

7.根据权利要求6所述的用于煤氨混燃燃烧器，其特征在于，所述轴向旋流叶片(11)与中心风管(4-1)径向之间的夹角为30～60°。

8.根据权利要求1所述的用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器，其特征在于，所述导流板(7)与一次风支撑板(12)连接，且氨气喷管(4-2)正对导流板(7)。

9.根据权利要求1所述的用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器，其特征在于，所述氨气喷管(4-2)与平行的一次风套管(5)沿气流方向左右两端端面的距离分别为d1和d2，满足以下关系：d1/d2＝3～7。

10.根据权利要求1所述的用于四角切圆燃煤锅炉的煤氨混燃燃烧器，其特征在于，中心风管(4-1)安装于四角切圆燃煤锅炉的一次风喷口(1)的中心，煤粉和氨气均从四角切圆燃煤锅炉的一次风喷口(1)进入四角切圆燃煤锅炉的炉膛，20％～30％的空气从四角切圆燃煤锅炉的一次风喷口(1)进入四角切圆燃煤锅炉的炉膛，50％～65％的空气从四角切圆燃煤锅炉的二次风喷口(2)进入四角切圆燃煤锅炉的炉膛，15％～25％的空气从四角切圆燃煤锅炉的OFA喷口(3)进入四角切圆燃煤锅炉的炉膛；当氨气掺烧比例低于25％时，所有氨气均从中心风管(4-1)通入；当氨气掺烧比例超过25％时，掺烧比例25％的氨气从中心风管(4-1)通入，其余部分的氨气从氨气喷管(4-2)通入。

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