燃烧器区域变截面适应灵活性调峰的煤粉锅炉炉膛的制作方法

本发明属于锅炉领域，尤其涉及煤粉锅炉炉膛。

背景技术：

大型常规煤粉锅炉(指煤粉气流和助燃剂送入方向与炉膛内烟气流向垂直的煤粉锅炉，与之对应的是的拱式燃烧锅炉)采用的炉型主要有П型布置和塔型布置，也有少数T型锅炉。与之匹配的燃烧方式有墙式燃烧和切向燃烧，其中墙式燃烧又包括单侧的墙式燃烧和对冲燃烧，切向燃烧包括单切圆和双切圆燃烧方式。现有常规煤粉锅炉都采用燃烧区域等截面积炉膛结构。

对于附图1所示的典型П型布置锅炉，图中竖直向上箭头为烟气流动方向，炉膛水冷壁和顶棚等部件包围的空腔称为炉膛，在炉膛出口及以后的烟道中布置有过热器、再热器等各种受热面。在炉膛下部，前后墙水冷壁倾斜一定角度组成冷灰斗，在冷灰斗底部，留有间隙作为排渣出口。炉膛上部，有时会将后墙水冷壁弯曲成一个向炉膛内突出的形状，称为折焰角。在炉膛下部布置了燃烧设备，包括燃烧器、风箱、燃尽风调风器、燃尽风箱等，燃烧所需的燃料及空气或氧气等助燃剂从燃烧设备送入炉膛，并在炉膛内发生热解、气化、燃烧等一系列反应，释放出燃料的化学能，生成高温烟气。随后高温烟气的热量被水冷壁等受热面吸收。

对于附图2所示的典型塔型布置锅炉，图中竖直向上箭头为烟气流动方向，除了炉内受热面布置型式，其炉膛结构与П型布置锅炉是相似的。

无论哪种布置型式和燃烧方式，常规煤粉锅炉下部炉膛(本专利中指炉膛屏区受热面以下部分的炉膛)均由四面垂直的水冷壁组成，各层燃烧器位置的炉膛截面积均相等。在炉膛底部，水冷壁前后墙倾斜一定角度形成冷灰斗。冷灰斗底部有间隙作为排渣口。

随着国家能源局发布《关于下达火电灵活性改造试点项目的通知》的要求，要进一步增加机组的调峰能力，即供热机组增加20％额定容量的调峰能力，最小技术出力达到40％-50％额定容量；纯凝机组增加15％-20％额定容量的调峰能力，最小技术出力达到30％-35％额定容量，要求机组不投油稳燃时纯凝工况最小技术出力达到20％-25％，针对锅炉而言则需要满足20-25％BMCR不投油稳燃负荷的要求，并长期稳定运行，而现有常规煤粉锅炉炉膛型式和燃烧器布置虽然技术很成熟，但要满足20-25％BMCR不投油稳燃负荷还是存在一定的风险。

1)现有锅炉方案设计时均需要考虑满负荷的煤种适应能力和防结渣能力，因此锅炉炉膛热力指标取的较低，因此在投运单台磨/单层燃烧器时，整个炉膛温度水平和环境温度较低，难以实现单台磨稳燃，通常需要2台磨相互配合，才能达到30％BMCR的稳燃能力；

2)由于现有技术下层燃烧器区域燃烧强度较低，炉膛温度不够高，使下层燃烧器送入的煤粉燃尽率偏低，降低了锅炉效率；

3)锅炉点火升负荷期间是逐台投入磨煤机的，一般先投运与下层燃烧器对应的磨煤机，如果炉膛温度不够高，煤粉进入炉膛不会点燃，因此在投入煤粉之前往往要先投入辅助燃料油或者天然气使炉膛内温度升高到允许投煤的条件，由于现有技术炉膛温度升高缓慢，这样就造成大量燃油或天然气的消耗，使每次启动的成本居高不下。

4)由于冷灰斗的倾斜角度有一定要求，一般不小于55度，使得现有技术冷灰斗高度很大。因煤粉燃尽需要在炉膛内有合理的停留时间，对上层燃烧器到炉膛出口的距离也有要求。这两个因素造成了锅炉高度很大，锅炉制造成本高。

5)冷灰斗下半部分的烟气温度低，造成这个区域的水冷壁换热强度低，受热面利用不充分。

6)现有炉膛型式断面积大，下组燃烧器区域烟气温度低，煤粉气流加热速度更慢，不利于挥发份快速析出，NOx控制不够理想。研究表明，使煤中的挥发份快速析出有利于降低NOx生成，挥发份快速析出需要高的温度，因此普遍采用制造回流区，让回流的烟气加热煤粉气流的技术，但是回流烟气的温度与炉膛内的燃烧温度相关，在下组燃烧器区域不易获得理想的高温回流烟气；另一方面，现代锅炉普遍采用空气深度分级技术降低NOx的排放，燃烧区域供应的空气比煤粉完全燃烧所需的空气量少时，也就是形成还原性气氛时，NOx会被还原成N2，NOx的生成量会降低。在还原性气氛下，根据阿累尼乌斯定律，提高烟气温度能加快还原反应速度，减少NOx生成。现有炉膛结构的下组燃烧器区域烟气温度较低，还原反应速度受到抑制，该区域的NOx不能得到充分还原。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提出一种燃烧区变截面积炉膛结构，以解决现有常规煤粉锅炉炉膛型式存在的上述问题，特别是单台磨稳燃的能力，可使锅炉达到单台磨稳燃，达到20％BMCR的不投油稳燃能力。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种燃烧器区域变截面适应灵活性调峰的煤粉锅炉炉膛，不同燃烧器层的炉膛截面积不完全相同，燃烧器区域的炉膛截面积沿烟气流向逐渐扩大，变截面段炉膛截面积与其下游燃烧器对应的炉膛截面积比值为0.7～0.95。

本专利中，所述“燃烧器区域的炉膛截面积沿烟气流向逐渐扩大”并不限制要求炉膛截面积必须随烟气流向严格递增，而是只需要总体上递增即可，即允许部分炉膛截面积随烟气流量不变。其中特定控制变截面段炉膛截面积与其下游燃烧器对应的炉膛截面积比值，若太小可能造成局部易结渣，更优选0.75～0.9。

作为选择，在炉膛燃烧器区域设置一级或多级斜坡段，形成变截面积炉膛，斜坡段与冷灰斗之间直连或垂直段过渡，斜坡段设置在某一面水冷壁，或者设置在多面水冷壁。作为一种变截面的方式，本方案中采用一级或多级斜坡段，形成变截面积炉膛。

作为选择，斜坡段可以是前后墙或左右侧墙对称的，也可以是不对称的。但优先采用对称布置。

作为选择，各斜坡段之间由垂直段过渡，燃烧器可以安装在垂直段水冷壁上，也可以安装在斜坡段。优先安装在垂直段，减少喷口上端结渣。

作为选择，炉膛立式布置，斜坡段与烟气流向的倾斜角度夹角在5～35°范围，可避免本专利的斜坡段积灰或堆渣，更优选15～35°。若炉膛为卧式布置(烟气横向经过炉膛，燃烧器沿水平分布)，此斜度不做限制。

作为选择，燃烧器的烟气下游设置有一层或多层燃尽风。

本专利的炉膛深度减小，冷灰斗高度可相应减小，比传统技术可降低1～5米，在相同煤粉停留时间条件下，本专利锅炉的高度比常规锅炉降低，节约了锅炉制造成本。如果采用与常规炉膛相同的高度，在下组燃烧器与冷灰斗距离相同的条件下，新型炉膛结构锅炉的燃烧器标高可以降低，煤粉在炉内的燃烧时间更长，锅炉效率更高。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：本专利的创新点在于进入过热器/再热器之前的炉膛区域采用多级布置，因此该结构既适用于П型锅炉，也适用于塔型锅炉/T型锅炉，既适用于立式布置锅炉，也适用于卧式布置锅炉。新型变截面炉膛结构提高了炉膛下部的燃烧强度，优先应用于燃高灰熔点燃料的固态排渣锅炉。采用本专利的炉膛结构，可以解决现有炉膛型式存在的问题，有以下有益效果：

1)新型炉膛使下组燃烧器区域的燃烧强度加强，烟气温度提高，低负荷稳燃能力提高，最低稳燃负荷比现有技术可降低10％BMCR，可实现单台磨稳燃，实现机组20％BMCR工况的不投油稳燃能力，满足机组灵活性调峰的要求。

2)由于锅炉低负荷稳燃能力提高，机组启停阶段消耗的辅助燃料或能源减少，降低了电厂运行成本。

3)提高了下层燃烧器区域的炉膛烟气温度，送入炉膛的煤粉燃尽率提高，锅炉效率得以改善。

4)本专利相对现有技术冷灰斗高度可减小，在相同煤粉停留时间条件下，锅炉的高度比常规锅炉降低，节约了锅炉制造成本。如果采用与常规炉膛相同的高度，在下组燃烧器与冷灰斗距离相同的条件下，新型炉膛结构锅炉的燃烧器标高可以降低，煤粉在炉内的燃烧时间更长，锅炉效率更高。

5)冷灰斗比常规锅炉小，炉膛内水冷壁受热面利用更充分。

6)下组燃烧器区域的烟气温度提高，由于采用空气分级燃烧技术，该区域为欠氧区，还原反应速度随温度升高而加快，强化了NOx还原，减少燃料型NOx的生成。回流烟气温度高促进了煤中更多的挥发份析出，也有利于NOx控制。由于燃料型NOx占总NOx的70％以上，下组燃烧器区域的烟温适当提高但不足以使热力型NOx飞升，因此总的NOx会比常规炉膛降低。

附图说明

图1是常规П型煤粉炉炉膛结构示意图；

图2时常规塔式煤粉锅炉炉膛结构示意图；

图3是本发明实施例1的结构示意图；

图4是本发明实施例2的结构示意图；

图5是本发明实施例3的结构示意图；

图6是本发明实施例4的结构示意图；

其中1炉膛、2炉膛出口及以后的烟道、3排渣出口、10炉膛水冷壁、20斜坡段、30顶棚、50受热面、11冷灰斗、12折焰角、101燃烧器、102风箱、103燃尽风调风器、104燃尽风箱。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

实施例1：

参考图3所示，一种燃烧器区域变截面适应灵活性调峰的煤粉锅炉炉膛，不同燃烧器层的炉膛截面积不完全相同，燃烧器区域的炉膛截面积沿烟气流向逐渐扩大(即A2<A1<A0)，变截面段炉膛截面积与其下游燃烧器对应的炉膛截面积比值为0.75～0.95(即A2:A0＝0.75～0.95，A1:A0＝0.75～0.95)。作为优选，在炉膛燃烧器区域设置一级或多级斜坡段，形成变截面积炉膛，斜坡段与冷灰斗之间直连或垂直段过渡，斜坡段设置在某一面水冷壁，或者设置在多面水冷壁。如本实施例图3所示，П型煤粉炉炉膛，在炉膛燃烧器区域设置一级斜坡段，斜坡段与冷灰斗之间直连，斜坡段前后墙对称布置。斜坡段与烟气流向(图中为竖直向上方向)的倾斜角度夹角在5～35°范围。燃烧器包括布置于变截面段炉膛的2层燃烧器，以及之上的1层上层燃烧器(下游燃烧器)。燃烧器的烟气下游设置有一层燃尽风。

实施例2：

参考图4所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：在炉膛燃烧器区域设置2级斜坡段，形成变截面积炉膛，斜坡段与冷灰斗之间垂直段过渡，各斜坡段之间由垂直段过渡，变截面段炉膛的2层燃烧器安装在垂直段水冷壁上，其上还有1层上层燃烧器(下游燃烧器)。

实施例3：

参考图5所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：在炉膛燃烧器区域设置1级斜坡段，形成变截面积炉膛(即A1<A0，且A1:A0＝0.75～0.95)，斜坡段与冷灰斗之间垂直段过渡，变截面段炉膛的1层燃烧器安装在垂直段水冷壁上，其上还有2层上层燃烧器(下游燃烧器)。

实施例4：

参考图6所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：为塔式煤粉炉炉膛，在炉膛燃烧器区域设置2级斜坡段，形成变截面积炉膛，斜坡段仅设置在前墙。斜坡段与冷灰斗之间垂直段过渡，变截面段炉膛的2层燃烧器安装在垂直段水冷壁上，其上还有1层上层燃烧器(下游燃烧器)。

应用示例：

以660MW燃高灰熔点煤的超临界墙式对冲燃烧煤粉锅炉为例，结合附图1、5说明如下：

1)常规设计(图1)：

炉膛宽约22米，炉膛深15.5米，冷灰斗倾斜角度(与水平夹角)为55°，炉膛截面面积约340平方米。配6台磨煤机，每台磨煤机匹配6只燃烧器，燃烧器层间距约4.5米，燃烧器单只功率～50MW，燃烧器口径约1100mm，火炬长度不超过4倍燃烧器口径，即～4.5米，启动时先投对应下层燃烧器的磨煤机，一台磨煤机对应断面热负荷为0.882MW/m²，满负荷时炉膛断面热负荷为4.41MW/m²。可见启动阶段断面燃烧强度比满负荷时有很大差距。

2)本专利方案设计(图5)：

第二层燃烧器以上炉膛断面与常规设计相同，仍为22米宽，15.5米深。在下层燃烧器与第二层燃烧器之间设置一高度为2米、倾斜角度为60°的斜坡(斜坡段与烟气流向的夹角为30°)，下层燃烧器位置的炉膛深度为13.19米，深度减小了2.31米，炉膛深度仍可满足前后墙独立火炬不互相干扰，炉膛断面积减小为上层燃烧器断面的85％。下层燃烧器到冷灰斗拐点的距离按与常规设计相同设计，冷灰斗高度减小了1.649米。对应一台磨的断面热负荷为1.036MW/m²，比常规设计方案提高了18％，稳燃能力大大增强。变截面区域炉膛烟温比传统技术提高50～100℃”和“氮氧化物降低10％。在维持相同燃烧效率的情况下，炉膛高度可降低至少1米，锅炉成本可降低约100万元。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。