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一種煤粉低NOX富氧燃燒裝置.pdf

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一種 煤粉低 NOX 燃燒 裝置
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摘要
申請專利號:

CN201510307031.6

申請日:

2015.06.05

公開號:

CN104896501A

公開日:

2015.09.09

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):F23L 7/00申請日:20150605|||公開
IPC分類號: F23L7/00 主分類號: F23L7/00
申請人: 華中科技大學
發明人: 張立麒; 祝鑫陽; 毛志慧; 易寶軍; 周棟; 吳勇富; 劉文倩; 鄭楚光
地址: 430074湖北省武漢市洪山區珞喻路1037號
優先權:
專利代理機構: 華中科技大學專利中心42201 代理人: 梁鵬
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510307031.6

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2016.04.20|||2015.10.07|||2015.09.09

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種煤粉低NOx富氧燃燒裝置,包括爐膛、氧氣罐、氧化劑噴嘴、中心噴嘴、蒸氣噴嘴和蒸氣發生器,中心噴嘴安裝在爐膛的一側;一次風管道的側壁通過一次蒸氣進氣管道與蒸氣發生器的出口連接;氧化劑噴嘴安裝在爐膛上與中心噴嘴相同的一側;氧化劑噴嘴的出口伸入爐膛內,其進口連接二次風管道,二次風管道通過二次蒸氣進氣管道與所述的一次蒸氣進氣管道連接,二次風管道的側壁通過氧氣進氣管與氧氣罐連接;蒸氣噴嘴安裝在爐膛上與中心噴嘴相同的一側。本發明加入水蒸氣降低爐內溫度峰值,并使爐膛內的溫度場分布更均勻,減少了煙氣循環設備,消除了煙氣循環中氮不斷積累的因素,以降低NOx的排放,提高燃燒效率,節約成本。

權利要求書

權利要求書
1.  一種煤粉低NOx富氧燃燒裝置,包括爐膛(1)、氧氣罐(4)、氧化劑噴嘴(13)、中心噴嘴(11)、蒸氣噴嘴(12)和蒸氣發生器(3),其特征在于:
所述中心噴嘴(11)安裝在爐膛(1)的一側,其出口伸入爐膛(1)內,其進口連接一次風管道(9)并且一次風管道(9)的另一端作為煤粉入口(2);所述一次風管道(9)的側壁通過一次蒸氣進氣管道(6)與蒸氣管道(18)連接,所述蒸氣管道(18)的另一端與蒸氣發生器(3)的出口連接,以使蒸氣進入一次風管道(9)內后攜帶煤粉進入爐膛(1);
所述氧化劑噴嘴(13)安裝在爐膛(1)上與中心噴嘴(11)相同的一側,所述氧化劑噴嘴(13)的數量為多個且這些氧化劑噴嘴(13)周向均勻布置在爐膛(1)的此側;所述氧化劑噴嘴(13)的出口伸入爐膛(1)內,其進口連接二次風管道(10),所述二次風管道(10)的另一端通過二次蒸氣進氣管道(7)與所述的蒸氣管道(18)連接,所述二次風管道(10)的側壁通過氧氣進氣管(5)與氧氣罐(4)連接,以使氧氣與蒸氣在二次風管道(10)內混合后進入爐膛(1);
所述蒸氣噴嘴(12)安裝在爐膛(1)上與中心噴嘴(11)相同的一側,所述蒸氣噴嘴(12)的數量為多個且這些蒸氣噴嘴(12)周向均勻布置在爐膛(1)的此側;所述的蒸氣噴嘴(12)的出口伸入爐膛(1)內,其進口通過三次蒸氣進氣管道(8)與所述的蒸氣管道(18)連接。

2.  根據權利要求1所述的一種煤粉低NOx富氧燃燒裝置,其特征在于:所述的多個蒸氣噴嘴(12)關于中心噴嘴(11)中心對稱分布,所述的多個氧化劑噴嘴(13)關于中心噴嘴(11)中心對稱分布,并且任一蒸氣噴嘴(12)到中心噴嘴(11)的距離小于任一氧化劑噴嘴(13)到中心噴嘴(11)的距離。

3.  根據權利要求1所述的一種煤粉低NOx富氧燃燒裝置,其特征在于:所述蒸氣噴嘴(12)為回轉體結構,其可拆卸安裝在爐膛(1)上,其內腔作為蒸氣通道并且該蒸氣通道為一段直的圓通孔。

4.  根據權利要求3所述的一種煤粉低NOx富氧燃燒裝置,其特征在于:所述蒸氣噴嘴(12)伸入爐膛(1)的一端設置有圓柱部(14),所述圓柱部(14)的側壁上設置有一組以上的側噴口(15),每組側噴口(15)包括多個側噴口(15)且每組的這些側噴口(15)周向均勻布置在圓柱部(14)的側壁上。

5.  根據權利要求3所述的一種煤粉低NOx富氧燃燒裝置,其特征在于:所述蒸氣噴嘴(12)伸入爐膛(1)的一端設置有圓臺部(16);沿著遠離三次蒸氣進氣管道(8)的方向,所述圓臺部(16)的橫截面積逐漸減小;所述圓臺部(16)的側壁上設置有一組以上的斜側噴口(17),每組斜側噴口(17)包括多個斜側噴口(17)且每組的這些斜側噴口(17)周向均勻布置在圓臺部(16)的側壁上。

6.  根據權利要求5所述的一種煤粉低NOx富氧燃燒裝置,其特征在于:每組斜側噴口(17)中任意兩個相鄰斜側噴口(17)的中心線夾角的取值范圍為60~120°。

7.  根據權利要求5所述的一種煤粉低NOx富氧燃燒裝置,其特征在于:所述蒸氣噴嘴(12)伸入爐膛(1)的一端設置有圓臺部(16),圓臺部(16)靠近三次蒸氣進氣管道(8)的一端與圓柱部(14)遠離三次蒸氣進氣管道(8)的一端相連;沿著遠離三次蒸氣進氣管道(8)的方向,所述圓臺部(16)的橫截面積逐漸減小;所述圓臺部(16)的側壁上設置有一組以上的斜側噴口(17),每組斜側噴口(17)包括多個斜側噴口(17)且每組的這些斜側噴口(17)周向均勻布置在圓臺部(16)的側壁上。

說明書

說明書一種煤粉低NOx富氧燃燒裝置
技術領域
本發明屬于燃煤鍋爐領域,更具體地,涉及一種煤粉低NOx富氧燃燒裝置。
背景技術
煤炭是我國的主要能源,占一次能源消耗的65~70%,通過燃煤鍋爐燃燒發電占總發電量的75%。煤炭的燃燒會產生大量的溫室氣體CO2和氮氧化物NOx,給我國帶來了很大的環境問題,因此開發具有CO2捕集和低NOx排放功能的燃燒技術十分必要。
富氧燃燒是目前燃煤鍋爐發電技術中極具發展前景的規模化CO2減排技術之一。該技術用純氧和循環煙氣代替空氣作為氧化劑進入爐膛燃燒,煙氣中的CO2濃度可達到80%以上。但是,由于煙氣的大量循環和系統漏風等,煙氣中氮元素不斷的累積,使得富氧燃燒的煙氣中的NOx排放濃度升高,達到了空氣燃燒的3-6倍。
要有效脫除富氧燃燒煙氣中的NOx,需要添加SCR等脫硝設備,增加運行成本。現有的富氧燃燒裝置一般為旋流燃燒器,存在著火不穩定,火焰長度不易控制,燃燒不均勻,噴嘴的前端出現異常高溫、NOx排放量較大等問題;而常規的空氣燃燒低NOx燃燒器又無法適用于富氧燃燒技術。
另外,煤粉加入爐膛燃燒時,由于不同煤種揮發份含量不同導致其在爐膛的主燃區的位置不同,使得一般的燃燒器難以對不同的煤種均達到較好的燃燒效果,從而使鍋爐的燃燒受限于固定的煤種,降低了鍋爐的適用性。
發明內容
針對現有技術的以上缺陷或改進需求,本發明提供了一種煤粉低NOx富氧燃燒裝置,通過高速射流卷吸煙氣使氧氣稀釋到較低的濃度,同時通過加入水蒸氣降低爐內溫度峰值使爐內的溫度場分布均勻,解決目前電力行業富氧燃燒裝置設備復雜、燃燒效率較低、NOx排放較高、CO2捕集成本過高等問題。
為實現上述目的,按照本發明,提供了一種煤粉低NOx富氧燃燒裝置,包括爐膛、氧氣罐、氧化劑噴嘴、中心噴嘴、蒸氣噴嘴和蒸氣發生器,其特征在于:
所述中心噴嘴安裝在爐膛的一側,其出口伸入爐膛內,其進口連接一次風管道并且一次風管道的另一端作為煤粉入口;所述一次風管道的側壁通過一次蒸氣進氣管道與蒸氣管道連接,所述蒸氣管道的另一端與蒸氣發生器的出口連接,以使蒸氣進入一次風管道內后攜帶煤粉進入爐膛;
所述氧化劑噴嘴安裝在爐膛上與中心噴嘴相同的一側,所述氧化劑噴嘴的數量為多個且這些氧化劑噴嘴周向均勻布置在爐膛的此側;所述氧化劑噴嘴的出口伸入爐膛內,其進口連接二次風管道,所述二次風管道的另一端通過二次蒸氣進氣管道與所述的蒸氣管道連接,所述二次風管道的側壁通過氧氣進氣管與氧氣罐連接,以使氧氣與蒸氣在二次風管道內混合后進入爐膛;
所述蒸氣噴嘴安裝在爐膛上與中心噴嘴相同的一側,所述蒸氣噴嘴的數量為多個且這些蒸氣噴嘴周向均勻布置在爐膛的此側;所述的蒸氣噴嘴的出口伸入爐膛內,其進口通過三次蒸氣進氣管道與所述的蒸氣管道連接。
優選地,所述的多個蒸氣噴嘴關于中心噴嘴中心對稱分布,所述的多個氧化劑噴嘴關于中心噴嘴中心對稱分布,并且任一蒸氣噴嘴到中心噴嘴的距離小于任一氧化劑噴嘴到中心噴嘴的距離。
優選地,所述蒸氣噴嘴為回轉體結構,其可拆卸安裝在爐膛上,其內 腔作為蒸氣通道并且該蒸氣通道為一段直的圓通孔。
優選地,所述蒸氣噴嘴伸入爐膛的一端設置有圓柱部,所述圓柱部的側壁上設置有一組以上的側噴口,每組側噴口包括多個側噴口且每組的這些側噴口周向均勻布置在圓柱部的側壁上。
優選地,所述蒸氣噴嘴伸入爐膛的一端設置有圓臺部;沿著遠離三次蒸氣進氣管道的方向,所述圓臺部的橫截面積逐漸減小;所述圓臺部的側壁上設置有一組以上的斜側噴口,每組斜側噴口包括多個斜側噴口且每組的這些斜側噴口周向均勻布置在圓臺部的側壁上。
優選地,每組斜側噴口中任意兩個相鄰斜側噴口的中心線夾角的取值范圍為60~120°。
優選地,所述蒸氣噴嘴伸入爐膛的一端設置有圓臺部,圓臺部靠近三次蒸氣進氣管道的一端與圓柱部遠離三次蒸氣進氣管道的一端相連;沿著遠離三次蒸氣進氣管道的方向,所述圓臺部的橫截面積逐漸減小;所述圓臺部的側壁上設置有一組以上的斜側噴口,每組斜側噴口包括多個斜側噴口且每組的這些斜側噴口周向均勻布置在圓臺部的側壁上。
總體而言,通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比,能夠取得下列有益效果:
1)本發明將水蒸氣加入爐膛內,與氧氣一起作為氧化劑,將爐內氧稀釋到較低的濃度,相比較于富氧燃燒,低氧稀釋下的燃燒反應速率較低并含有較高濃度的水蒸氣,由于水蒸氣的輻射系數要遠高于CO2,具有很高的輻射和換熱能力,從而使爐膛溫度場分布更加均勻,溫度峰值更低,并大幅提高了燃燒室內的換熱效率。
2)本發明能減少煙氣循環設備大大降低了發電的運行成本,消除煙氣循環中氮不斷積累的因素也將減少NOx的排放;燃燒后的煙氣僅需冷卻后將水蒸氣冷凝,即可使CO2濃度在90%以上,大大簡化了CO2捕集的過程,減少了設備,節約了成本;
3)本發明將水蒸氣分別通過處于爐膛同側但不同位置的中心噴嘴、蒸氣噴嘴和氧化劑噴嘴進入爐膛,從而使水蒸氣在爐膛內的分布更加均勻;另外,蒸氣噴嘴設置在中心噴嘴和氧化劑噴嘴兩者之間的特殊結構有利于水蒸氣在不同燃燒區域進行反應。通常情況下,蒸氣噴嘴噴出的蒸氣速度較低,氧化劑噴嘴速度較高,而此特殊結構有利于蒸氣噴嘴噴出的蒸氣在燃燒的主燃區和碳進行氣化反應,一方面氣化反應吸熱降低了主燃區的溫度從而降低NOx的生成,另一方面氣化反應生成的還原性氣體可還原NOx。
4)本發明的蒸氣噴嘴可拆卸安裝在爐膛上,可根據不同煤種,不同工況下更換不同的蒸汽噴嘴已達到較好的燃燒效果。
附圖說明
圖1為本發明低NOx富氧燃燒裝置的結構示意圖。
圖2為本發明燃燒器噴嘴的位置布置示意圖。
圖3為本發明蒸氣噴嘴的結構示意圖。
在圖中,1-爐膛,2-煤粉入口,3-蒸氣發生器,4-氧氣罐,5-氧氣進氣管,6-一次蒸氣進氣管道,7-二次蒸氣進氣管道,8-三次蒸氣進氣管道,9-一次風管道,10-二次風管道,11-中心噴嘴,12-蒸氣噴嘴,13-氧化劑噴嘴,14-圓柱部,15-側噴口,16-圓臺部,17-斜側噴口,18-蒸氣管。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白,以下結合附圖及實施例,對本發明進行進一步詳細說明。應當理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明,并不用于限定本發明。此外,下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
如圖1~圖3所示,一種煤粉低NOx富氧燃燒裝置,包括爐膛1、氧氣罐4、氧化劑噴嘴13、中心噴嘴11、蒸氣噴嘴12和蒸氣發生器3,所述中心噴嘴11安裝在爐膛1的一側,其出口伸入爐膛1內,其進口連接一次風 管道9并且一次風管道9的另一端作為煤粉入口2;所述一次風管道9的側壁通過一次蒸氣進氣管道6與蒸氣管18連接,所述蒸氣管18的另一端蒸氣發生器3的出口連接,以使蒸氣進入一次風管道9內后攜帶煤粉進入爐膛1;一次風管道9遠離爐膛1的一端為煤粉入口2。
所述氧化劑噴嘴13安裝在爐膛1上與中心噴嘴11相同的一側,所述氧化劑噴嘴13的數量為多個且這些氧化劑噴嘴13周向均勻布置在爐膛1的此側;所述氧化劑噴嘴13的出口伸入爐膛1內,其進口連接二次風管道10,所述二次風管道10的另一端通過二次蒸氣進氣管道7與所述的蒸氣管道18連接,所述二次風管道10的側壁通過氧氣進氣管5與氧氣罐4連接,以使氧氣與蒸氣在二次風管道10內混合后進入爐膛1;本發明名稱中的“富氧”即指從氧氣進氣管5中進入的氧氣占氧化劑的體積分數大于21%,富氧燃燒裝置的使用目前比較普遍,在此不詳述。
所述蒸氣噴嘴12安裝在爐膛1上與中心噴嘴11相同的一側,所述蒸氣噴嘴12的數量為多個且這些蒸氣噴嘴12周向均勻布置在爐膛1的此側;所述的蒸氣噴嘴12的出口伸入爐膛1內,其進口通過三次蒸氣進氣管道8與所述的蒸氣管道18連接。
進一步,所述的多個蒸氣噴嘴12關于中心噴嘴11中心對稱分布,所述的多個氧化劑噴嘴13關于中心噴嘴11中心對稱分布,并且任一蒸氣噴嘴12到中心噴嘴11的距離小于任一氧化劑噴嘴13到中心噴嘴11的距離。作為更進一步優選,所述蒸氣噴嘴12為回轉體結構,其可拆卸安裝在爐膛1上,其內腔作為蒸氣通道并且該蒸氣通道為一段直的圓通孔。本發明將水蒸氣分別通過處于爐膛1同側但不同位置的中心噴嘴11、蒸氣噴嘴12和氧化劑噴嘴13進入爐膛,從而使水蒸氣在爐膛1內的分布更加均勻;另外,蒸氣噴嘴12設置在中心噴嘴12和氧化劑噴嘴13兩者之間的特殊結構有利于水蒸氣在不同燃燒區域進行反應。通常情況下,蒸氣噴嘴12噴出的蒸氣速度較低,氧化劑噴嘴13速度較高,而此特殊結構有利于蒸氣噴嘴12噴 出的蒸氣在燃燒的主燃區和碳進行氣化反應,一方面氣化反應吸熱降低了主燃區的溫度從而降低NOx的生成,另一方面氣化反應生成的還原性氣體可還原NOx。
進一步,所述蒸氣噴嘴12伸入爐膛1的一端設置有圓柱部14,所述圓柱部14的側壁上設置有一組以上的側噴口15,每組側噴口15包括多個側噴口15且每組的這些側噴口15周向均勻布置在圓柱部14的側壁上。采用側噴口15,能使蒸氣在爐膛1內的分布更加均勻,有利于的降低爐膛1內的溫度并使其內溫度場分布更加均勻,從而降低了NOx的生成,提高了燃燒效率。
優選地,所述蒸氣噴嘴12伸入爐膛1的一端設置有圓臺部16;沿著遠離三次蒸氣進氣管道8的方向,所述圓臺部16的橫截面積逐漸減小;所述圓臺部16的側壁上設置有一組以上的斜側噴口17,每組斜側噴口17包括多個斜側噴口17且每組的這些斜側噴口17周向均勻布置在圓臺部16的側壁上。采用圓臺部16,及在圓臺部16上加上斜側噴口17,斜側噴口17有利于蒸氣噴嘴噴出的蒸氣在燃燒的主燃區和碳進行氣化反應,一方面氣化反應吸熱降低了主燃區的溫度,另一方面氣化反應生成的還原性氣體可還原NOx,這兩方面都進一步降低了NOx的生成。作為更進一步的優選,每個斜側噴口17的中心線與水平線的夾角的取值范圍為60~120°,這樣可以根據采用的煤粉的種類導致的主燃區的位置不同,使水蒸氣射流進入煤粉的主燃區并與煤粉發生氣化反應。蒸氣噴嘴12上設置有螺紋,以用于連接三次蒸氣進氣管道8。
作為另一種優選,蒸氣噴嘴12上又可以設置圓柱部14,也可以設置圓臺部16;所述蒸氣噴嘴12伸入爐膛1的一端設置有圓臺部16,圓臺部16靠近三次蒸氣進氣管道8的一端與圓柱部14遠離三次蒸氣進氣管道8的一端相連;沿著遠離三次蒸氣進氣管道8的方向,所述圓臺部16的橫截面積逐漸減小;所述圓臺部16的側壁上設置有一組以上的斜側噴口17,每組斜 側噴口17包括多個斜側噴口17且每組的這些斜側噴口17周向均勻布置在圓臺部16的側壁上。
如圖2所示,蒸氣噴嘴12對稱地分布在中心噴嘴11的四周,其個數優選為4個;氧化劑噴嘴13亦均勻對稱地分布在中心噴嘴11的四周,其個數也優選為4個。蒸氣噴嘴12分布在中心噴嘴11和氧化劑噴嘴13之間。
為使煤粉在低氧濃度下燃燒,水蒸氣會加熱到過熱狀態后噴出,溫度為150~200℃,速度達到20m/s以上;氧氣一般也會加熱到一個較高的溫度并以較大的速度射出。氧氣加熱到1300℃以上,速度達到60m/s以上,由于氧氣和水蒸氣形成的高速的氣流加強了對煙氣的卷吸作用,循環煙氣會降低局部氧氣濃度和增加反應物的溫度。煙氣的循環使反應區域擴大以及低氧濃度使整體反應速率的降低,使得爐膛1內的溫度場更加均勻。回流煙氣形成的還原區和爐膛1內的峰值溫度的降低,這些都抑制了NOx的生成。本發明名稱中的低NOx即指爐膛1中NOx的濃度較低。
作為一種選擇,煤粉在爐膛1內低氧濃度下燃燒時,蒸氣噴嘴12的構造可以只有一個直的圓通孔,不設置圓柱部14和圓臺部16。憑借著氧化劑噴嘴13射流與中心噴嘴11射流比較大的速度差,氧氣和蒸氣可以迅速并且均勻與爐內煙氣混合。卷吸的煙氣在回流的過程中會與蒸氣噴嘴12的蒸氣射流進行混合,形成了一個較大的還原區,同時降低了煙氣的溫度,有利于NOx的還原。
作為第二種選擇,煤粉在爐膛1內低氧濃度下燃燒時,蒸氣噴嘴12的結構相對于上述的選擇,可選擇加上有圓柱部14,圓柱部14上設置側噴口15,但是不設置圓臺部16。蒸氣射流一部分由直的圓通孔進入爐膛1,剩下一部分則由圓柱部14外圍的側噴口15進入爐膛1。由于側噴口15的口徑比較小,故通過外圍圓形噴口的蒸氣射流的速度較大,與周圍的氣體進行較為強烈的摻混作用。相比較于第一種只有圓通孔的蒸氣噴嘴12,含有側噴口15的蒸氣噴嘴12中的蒸氣會更快、更廣泛地與爐膛1內的氣體相 混合,從而進一步擴大了還原區并使爐內溫度場的分布更加均勻,更好地抑制了NOx的生成。
作為第三種選擇,煤粉在低氧濃度下燃燒時,蒸氣噴嘴12的結構可選擇在第二種選擇的基礎上加上圓臺部16,圓臺部16上設置斜側噴口17。圓臺部16上的任意兩相鄰斜側噴口17中心線的夾角可為60~120°。蒸氣射流一部分由圓通孔進入爐膛1,剩下一部分則由側噴口15和斜側噴口17進入爐膛1。相比較于沒有圓臺部16的蒸氣噴嘴12,含有斜側噴口17的蒸氣噴嘴12中的蒸氣射流可以以一定的角度與中心噴嘴11的一次風射流在主燃區相混合。由于不同煤種在爐膛1的主燃區的位置不同,對于揮發份含量較高的褐煤,其主燃區距離噴嘴的位置較近,可以選擇任意兩斜側噴口17的中心線夾角取值范圍在90~120°的蒸氣噴嘴12;對于揮發份含量較低的煙煤,其主燃區距離噴嘴的位置較遠,可以選擇斜側噴口17的中心線夾角為60~90°的蒸氣噴嘴12。一方面,蒸氣射流進入煤粉的主燃區并與煤粉發生氣化反應,氣化反應是吸熱反應,可以使其溫度更均勻并降低其峰值溫度;另一反面,煤粉主燃區的燃燒會產生NOx氣體,而水蒸氣與煤粉發生氣化反應生成的HCN、NH3等還原性物質可以還原NOx。上述的這兩方面都有利于抑制NOx的生成。
本領域的技術人員容易理解,以上所述僅為本發明的較佳實施例而已,并不用以限制本發明,凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等,均應包含在本發明的保護范圍之內。

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