本发明涉及一种水煤浆低氮燃烧注汽锅炉及其低氮燃烧方式。
背景技术：
我国新疆油田稠油开采采用常规燃气注汽锅炉，随着天然气用量受限及价格上调两大不利因素的影响，将现有常规燃气注汽锅炉再制造升级为水煤浆过热油田注汽锅炉是以煤代气实现燃料转型的选择之一。我国煤炭储量丰富，煤种齐全，发展和应用水煤浆技术符合国家以煤代油能源政策，是推广洁净煤技术的一项重要内容。水煤浆作为一种石油燃料的替代品具有价格便宜、低污染、技术成熟等优点，但是相比于燃气锅炉，水煤浆注汽低氮锅炉在燃烧过程中产生的NOx排放及灰渣污染问题急需引起重视。由于水煤浆注汽低氮锅炉是由燃气注汽锅炉改造而成，其自身结构的缺陷，导致水煤浆注汽低氮锅炉NOx排放普遍较高。
水煤浆因含有30％～35％的水份而着火困难，高速喷雾又使炉膛着火推迟。水煤浆水份蒸发着火后燃烬过程又与煤粉相近，但由于水份的存在，使理论燃烧温度下降。与天然气相比，水煤浆燃烧会产生大量的NOx排放及灰渣污染。水煤浆燃烧过程中产生的NOx主要是燃料型NOx，维持低氧燃烧环境可以有效抑制燃料型NOx的生成，但如果氧量供应不足，将影响燃烧效率，造成能源浪费。这些特点要求对水煤浆在注汽锅炉中的燃烧结构、布置、燃烧方式及稳燃特性等进行专门设计。
技术实现要素：
本发明提供一种水煤浆低氮燃烧注汽锅炉，目的是克服现有技术中的不 足，降低水煤浆燃烧过程中的NOx排放。
本发明进而提供一种适用于上述水煤浆注汽低氮锅炉的低氮燃烧方式。
一种水煤浆低氮燃烧注汽锅炉，其特征在于：锅炉本体上部为炉体周围不安装水冷壁而安装绝热层的绝热区，锅炉本体下部为炉体周围安装水冷壁的受热区；锅炉的炉膛顶部安装燃烧器，燃烧器中心为水煤浆喷口的水煤浆枪，点火器和点火用天然气枪安装在水煤浆枪旁边，水煤浆枪的外围安装一次风喷口，一次风喷口外安装二次风喷口；炉膛从上至下分为着火预燃区、稳燃区和燃尽区；稳燃区安装有稳燃区二次风喷口，燃尽区安装有SOFA风喷口；燃尽区下方连接渣斗，燃尽区侧方连接烟气出口。
所述一次风喷口、二次风喷口、稳燃区二次风喷口、SOFA风喷口分别设置用于控制风的流量的风门或风量调节装置。
所述SOFA风喷口设置摆动机构，摆动机构可使SOFA风喷口上下、左右摆动，上下摆动调节范围±30°，左右方向摆动调节范围±15°。
所述SOFA风喷口具有两个，两个SOFA风喷口对冲布置安装。
一种水煤浆低氮燃烧注汽锅炉的低氮燃烧方式，其特征在于：所述着火预燃区的风量、稳燃区的风量以及燃尽区的风量分别占总风量的40％、40％和20％。
所述一次风风率为20％，二次风率及稳燃区二次风风率之和为51％，SOFA风风率为25％，漏风率为4％。
所述着火预燃区一次风和二次风为旋流风，稳燃区二次风为直流助燃风。
所述着火预燃区和稳燃区的氧浓度低于3％，燃尽区的氧浓度为4-6％。
本发明的有益效果在于：
(1)在注汽锅炉中燃用水煤浆时，通过燃烧器的结构设计和布置，以及 燃烧过程中进行合理配风和低氮燃烧方式，有效控制燃烧过程中的氧量，实现NOx排放的控制。
(2)对于现有注汽锅炉，只需对现有锅炉和燃烧器进行局部改造，无需对锅炉本体进行大的改动。
(3)低氮燃烧方式通过燃烧过程中温度和氧量的控制来抑制燃料型NOx的生成，无需任何脱硝药剂和催化剂，无需任何额外投入。
附图说明
图1是本发明采用低氮燃烧方式的水煤浆注汽低氮锅炉结构示意图。
图中标号：1：水煤浆喷口；2：一次风喷口；3：二次风喷口；4：绝热区；5：水冷壁管；6：稳燃区二次风喷口；7：SOFA风喷口；8：渣斗；9：着火预燃区；10：稳燃区；11：燃尽区；12：烟气出口。
具体实施方式
下面结合附图1，对本发明的具体实施方式加以阐述。
水煤浆注汽低氮锅炉的低氮燃烧方式，包括燃水煤浆低氮燃烧器、适度低氧燃烧技术、空气分级配风技术等。
水煤浆的着火和稳燃需要一定的绝热区域以提高区域内的环境温度，改造后的水煤浆注汽低氮锅炉上半部分为安装绝热层4的绝热区，不布置水冷壁，有利于水煤浆的着火，下半部分为炉体周围安装水冷壁管5的受热区。炉膛从上至下依次分为着火预燃区9、稳燃区10和燃尽区11，确保了水煤浆的点火、稳燃和低氮燃烧。各风门配备电动执行机构以便于风门开度的调节。其中，着火预燃区9的风量、稳燃区10的风量以及燃尽区11的风量分别占总风量的40％、40％和20％。燃烧产生的烟气自炉膛底部侧面的烟气出口12排出，灰渣自炉膛底部的排渣口排出至渣斗8。
燃水煤浆低氮燃烧器布置在注汽锅炉顶部，从内至外依次为水煤浆枪作为水煤浆喷口1、一次风喷口2和二次风喷口3，三者同轴心布置，中心为水煤浆喷口1，其外围为旋流一次风喷口2，最外层为旋流二次风喷口3，喷口朝下，喷口区域形成着火预燃区9。高能点火器和点火用天然气枪布置在水煤浆赔款1旁边。稳燃区10中心位置布置两个直流稳燃区二次风喷口6，前后墙对冲布置。燃尽区11侧面的烟气出口12侧布置两个SOFA风喷口7，前后墙对冲布置，确保水煤浆燃料在炉膛中有足够长的停留时间，以控制NOx生成，SOFA风喷口7设置摆动机构，可以上下、左右摆动。上下摆动调节范围±30°，左右方向摆动调节范围±15°。其中：一次风为旋流，旋流强度固定，通过调节风门可调节风量；二次风旋流可调，调节方式采用现有可调旋流结构，调节旋流强度可调整火焰长度，保证燃烧效率；稳燃区二次风为直流助燃风，阻隔助燃二次风与水煤浆的过早混合，通过调节风门可调节风量。一次风、二次风各风管的喷口出口均设计成扩口形状，一次风喷口扩口角度要大于二次风喷口，以合理控制各层风的混合和火焰长度。
所述一次风风率为20％，二次风率及稳燃区二次风风率之和为51％，SOFA风风率为25％，漏风率为4％。
水煤浆燃烧过程中NOx的生成是一个复杂的过程，燃料中N元素在燃烧过程中被氧化生成NOx的同时也伴有NOx被还原的过程，氧化反应和还原反应的快慢主要取决于反应的温度和氧浓度，氧浓度越低、温度越低最终NOx生成量越少。燃烧过程各阶段氧浓度控制得当可大幅降低NOx的生成，同时又不会对燃烧产生明显影响，但控制不当可能会影响锅炉燃烧效率。适度低氧燃烧技术是通过强化着火、空气分级、配风燃烧等技术综合运用得到的一个最佳燃烧状态，使得着火预燃区9、稳燃区10都处于最佳氧浓度(＜3％) 下，燃尽区的氧浓度为4-6％。同时使得炉膛温度分布更加均匀，避免局部高温；同时低氧燃烧可提高着火初期火焰温度，保证燃烧效率。
本发明所述空气分级配风技术，是指将水煤浆燃烧所需的总风量分成了多股，包括着火预燃区的一次风、二次风和稳燃区的助燃二次风，以及燃尽区的SOFA风，并将各股风之间留有合理的间隙，各层风喷口设置风门，调节各股风量，以适应水煤浆低氮燃烧的需要。这样的空气分级设计可以起到两方面作用：一是使着火预燃区燃烧前期阶段总氧量处于最佳氧浓度，实现燃烧初期NOx生成的抑制；二是在为水煤浆燃烧中期适时补充氧量，保证燃烧速率不因空气分级燃烧而受到影响。在稳燃区所供给的空气基本消耗掉时需补入剩余的空气，而且这股风需要与主燃烧器拉开一定距离，所以叫做“分离式火上风”即“SOFA”。SOFA风的布置位置是此技术设计的关键，其位置主要考虑水煤浆在欠氧的环境中的合理停留时间，保证燃料N在该区域最大限度地转化为N2，同时又保证水煤浆的燃烧不受到抑制，此外SOFA风喷口到炉膛出口距离要足够长以保证焦炭在该区域充分燃尽。考虑到以上技术要求，SOFA风喷口设置摆动机构，可以上下、左右摆动。上下摆动调节范围±30°，左右方向摆动调节范围±15°。通过上下摆动调整SOFA喷口可调整控制SOFA风的混入时机，实现精细化的燃烧氧量控制；通过水平摆动调整SOFA风射流切圆大小来调整炉膛出口烟气旋转动量矩，进而控制炉膛出口烟温在可调范围内。
着火预燃区和稳燃区的氧浓度低于3％，燃尽区的氧浓度为4-6％。通过以上措施有效控制各股风与水煤浆的混合，保证水煤浆整个燃烧过程都在最佳氧浓度下进行，在保证燃烧效率的前提下大幅降低NOx排放。
本发明的优势是：通过水煤浆低氮燃烧方式，对现有注汽锅炉进行简单 改造，即可实现低NOx排放，有效实现了水煤浆代气清洁燃烧和节能减排，对新疆油田稠油开采具有很好的应用前景。