一种煤粉耦合式燃烧装置及燃烧方法与流程

本发明涉及煤粉燃烧技术领域，特别是涉及一种煤粉耦合式燃烧装置及燃烧方法。

背景技术：

随着人类社会对能源特别是化石能源需求的增长，能源对经济社会发展的制约和对资源环境的影响也愈加明显。近年来全球大气污染日趋严重，环境保护已经成为当今世界发展非常重要的话题。氮氧化物(nox)是形成酸雨和pm2.5的主要原因之一，对人类的生活和健康产生了极大的危害。而煤作为人类世界使用的主要能源之一，煤粉燃烧产生的氮氧化物非常之多，国家对于相关的排放要求也变得越来越严格。2014年9月国家发改委、环保部、国家能源局联合印发《煤电节能减排升级与改造行动计划》，计划实现火电厂氮氧化物超低排放，超低排放中要求nox排放值在6％的基准氧含量下低于50mg/m³。

传统的燃烧方式主要包括使用直流燃烧器的切圆燃烧和使用旋流燃烧器的旋流燃烧。在传统的燃烧方式中，由于煤粉在特定区域集中燃烧产生火焰，火焰锋面局部区域的燃烧温度非常高，导致煤粉燃烧的nox原始排放值很高。例如对于燃用无烟煤的煤粉锅炉和燃用烟煤的锅炉，nox原始排放值均超过400mg/m³，二者均大大超过相关排放标准。同时采用诸如scr、sncr等脱硝技术虽然能够降低氮氧化物的排放量，但是并不能改变氮氧化物的原始排放值。

申请号为201410542668.9的中国专利公开了一种双切圆浓淡分离可调直流煤粉燃烧器，在一组燃烧器中同时实现水平浓淡和垂直浓淡燃烧，使nox的生成量比采用单一燃烧方式降低10％～20％。但是氮氧化物的原始排放值依旧很高，并不能达到氮氧化物的超低排放。申请号为201510442294.8的中国专利公开了一种低nox燃烧方法以及低nox燃烧系统，通过分级燃烧的方式加强氮氧化物的还原，但是氮氧化物的排放量仅能达到小于320mg/m³，也不能实现氮氧化物的超低排放。美国专利us5464344a通过将空气和燃料喷嘴保持一定的距离，并将空气与燃料喷嘴保持一定的角度，可一定程度降低nox生成，但该燃烧仍然是基于传统有焰燃烧，虽通过构造回流区减少了nox生成，但仍无法消除局部高温区的产生，因此无法大幅度降低nox排放。

无焰燃烧是一种新型高效低污染燃烧技术，其具有以下优点：反应速率低、局部释热少、热流分布均匀、燃烧温度低且分布均匀、无火焰锋面、噪音极小，且氮氧化物(nox)排放极低。无焰燃烧技术可降低70％的氮氧化物排放，被国际燃烧界视为21世纪最具备发展潜力的技术之一。随着对燃烧技术的深入研究，其应用也逐渐从气体燃烧拓宽至煤粉的燃烧。

采用无焰燃烧技术能够极大程度上降低煤粉燃烧氮氧化物的原始排放值，相比于传统燃烧方式，无焰燃烧技术能降低70％的氮氧化物排放。为了达到煤粉燃烧的超低氮氧化物排放，需要尽可能降低氧气的浓度以及燃烧的温度。如果将燃烧温度降低到1250k以下，则有望直接实现煤粉的超低nox排放。但是这种所需要的低温低氧氛围很难维持煤粉的持续稳定燃烧，因而需要均匀的外部热源使煤粉在低温低氧下的无焰燃烧更加稳定。

总而言之，传统煤粉燃烧方式将产生大量的氮氧化物原始排放，且不能满足相关排放标准。为了实现煤粉燃烧的超低nox排放，需要尽可能降低燃烧过程炉内的氧气浓度以及燃烧温度。但是在这种氛围下煤粉不能够进行自维持地稳定燃烧，会造成不完全燃烧且燃尽度低等问题，甚至反应温度会逐渐下降最后导致熄火发生。

技术实现要素：

为了解决以上技术问题，本发明提供一种煤粉耦合式燃烧装置及燃烧方法，可以实现煤粉燃烧过程中超低nox排放。本发明的煤粉耦合式燃烧装置通过气体无焰燃烧产生的均匀温度场作为一个均匀的辐射热源，使煤粉无焰燃烧能够自发维持，在低温低氧的氛围下能够稳定氧化，从而大量降低氮氧化物的生成量，实现煤粉燃烧氮氧化物的超低排放。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面提供一种煤粉耦合式燃烧装置，该装置包括燃气燃烧室和设置在所述燃气燃烧室内的煤粉燃烧室；

所述燃气燃烧室的顶部安装有燃气无焰燃烧器；燃气通过所述燃气无焰燃烧器在所述燃气燃烧室内、煤粉燃烧室外的腔内进行无焰燃烧；

所述煤粉燃烧室的顶部安装有煤粉无焰燃烧器，所述煤粉无焰燃烧器贯穿所述燃气燃烧室顶部；煤粉通过所述煤粉无焰燃烧器在所述煤粉燃烧室内进行无焰燃烧。

本发明的煤粉耦合式燃烧装置构造燃气无焰燃烧和煤粉无焰燃烧两个燃烧室，均实现无火焰锋面(即无局部高温区的)无焰燃烧，因而两种燃烧室均可有效地进行nox生成控制，并能实现气体燃料与煤粉的共同高效利用。该装置通过气体无焰燃烧产生的均匀温度场作为一个均匀的辐射热源，使煤粉无焰燃烧能够自发维持，在低温低氧的氛围下能够稳定氧化，从而大量降低氮氧化物的生成量，实现煤粉燃烧氮氧化物的超低排放。

优选地，所述燃气无焰燃烧器包括燃气喷管、内氧化剂管以及外氧化剂管；

所述燃气喷管为f型管，两个弯折处分别为主燃气入口与预热燃气入口，出口处设置有稳焰器；

所述内氧化剂管为l型管，嵌套在所述燃气喷管外，二者之间的环缝作为氧化剂通道，通道内设置有导流叶片；

所述外氧化剂管主体为l型管，嵌套在所述内氧化剂管外，在l型管出口处沿周向均匀设置并连通有若干直流喷嘴作为外氧化剂管出口，直流喷嘴的出口端面与内氧化剂管出口端面平齐。

预热燃气通过所述预热燃气入口通入对所述燃气燃烧室进行预热，此时氧化剂气体通过内氧化剂管通入；预热完毕后，切断预热燃气，通过所述主燃气入口通入主燃气，并将氧化剂气体切换成由所述外氧化剂管通入，主燃气自燃，待燃烧稳定后火焰锋面消失形成无焰燃烧，温度场分布均匀，同时向煤粉燃烧室辐射热量，对煤粉燃烧室进行预热。

优选地，所述煤粉无焰燃烧器包括燃料喷嘴以及环绕所述燃料喷嘴均匀布置的若干氧化剂喷嘴。所述煤粉无焰燃烧器贯穿燃气燃烧室的上侧壁(即顶部)，并通过焊接的方式进行加固。

煤粉通过氧化剂气体携带从所述燃料喷嘴进入所述煤粉燃烧室；同时氧化剂气体通过加压后以高速射流的形式通过所述氧化剂喷嘴进入所述煤粉燃烧室，使煤粉在燃烧室内进行无焰燃烧。

其中，氧化剂气体通过加压后以高速射流的形式通过所述氧化剂喷嘴进入所述煤粉燃烧室，助燃的同时卷吸大量烟气形成低温低氧氛围，使煤粉在燃烧室内进行稳定的无焰燃烧，实现在低温低氧氛围下的缓慢氧化反应，抑制热力型和燃料型nox生成，从而达到超低的nox排放。

优选地，所述燃气无焰燃烧器的直流喷嘴的管内径d1为内氧化剂喷管出口内径d2的0.1-0.3倍；

所述煤粉无焰燃烧器的氧化剂喷嘴的管内径与所述燃气无焰燃烧器的直流喷嘴的管内径相同。

优选地，所述直流喷嘴和氧化剂喷嘴均大于等于4个。

优选地，所述预热燃气为甲烷气体或氢气；所述主燃气可以是其他更经济的可燃性气体，例如天然气、人工燃气、液化石油气、沼气或煤制气等，从而达到煤粉与燃气共同利用。所述氧化剂气体为空气或氧气。

优选地，所述煤粉耦合式燃烧装置还包括用以提供氧化剂气体的氧化剂发生装置、用以提供煤粉的给粉机和用以提供燃气的燃气气瓶；

所述氧化剂发生装置为所述燃气无焰燃烧器提供氧化剂气体的管路为燃气氧化剂管路，为携带煤粉提供氧化剂气体的管路为煤粉一次风路，为所述煤粉无焰燃烧器的氧化剂喷嘴提供氧化剂气体的管路为煤粉二次风路；所述燃气氧化剂管路、煤粉一次风路和煤粉二次风路上均包括有送风机，且所述燃气氧化剂管路和煤粉二次风路上的送风机均为增压风机；

所述给粉机通过给粉管路与所述煤粉一次风路连接；所述燃气气瓶通过燃气管路与所述燃气无焰燃烧器连接，所述燃气管路上包括有流量计。

进一步优选地，所述燃气燃烧室顶部还设置有燃气燃烧室烟气出口，所述煤粉燃烧室底部设置有贯穿所述燃气燃烧室底部的煤粉燃烧室烟气出口；

所述燃气燃烧室内和煤粉燃烧室内燃烧产生的烟气分别通过所述燃气燃烧室烟气出口和煤粉燃烧室烟气出口导出，两路烟气合并后分为烟气循环风路一、烟气循环风路二和排烟风路；所述烟气循环风路一与煤粉一次风路连接，循环烟气与氧化剂气体混合后(称为一次风，二次风路的氧化剂气体称为二次风)携带煤粉进入所述燃料喷嘴；所述烟气循环风路二与所述燃气氧化剂管路连接，循环烟气与氧化剂气体混合后进入所述燃气内氧化剂喷管或外氧化剂喷管；所述排烟风路与烟气处理系统连接，对剩余烟气进行处理后排放；

所述燃气氧化剂管路和煤粉一次风路上的送风机均设置在与循环烟气混合后的管路上。

优选地，所述烟气处理系统包括依次设置的锅炉水膜除尘器、烟气冷凝器、引风机和排烟口，剩余烟气在所述引风机的作用下依次通过所述锅炉水膜除尘器和烟气冷凝器进行处理后由所述排烟口排出。

优选地，所述煤粉燃烧室通过固定连接件固定连接在所述燃气燃烧室内正中央；

所述燃气无焰燃烧器和燃气燃烧室烟气出口分别安装在燃气燃烧室顶部相对两侧的四分之一至三分之一距离处；所述煤粉无焰燃烧器贯穿所述燃气燃烧室内顶部中央安装连接与所述煤粉燃烧室的顶部中央。

优选地，所述燃气燃烧室和煤粉燃烧室分别独立的为正方体或球体结构。

优选地，所述燃气燃烧室外壁材料使用氧化铝浇注料或其他可以保温的耐火材料；

所述煤粉无焰燃烧器以及煤粉燃烧室采用刚玉或其他能耐1600℃的材料作为管材。

本发明另一方面还提供一种煤粉燃烧方法，包括以下步骤：首先通过预热燃气对燃气燃烧室进行预热，此时氧化剂气体通过燃气无焰燃烧器的内氧化剂管进入；预热完毕后，切断预热燃气，通入主燃气，并将氧化剂切换成由燃气无焰燃烧器的外氧化剂管进入，主燃气自燃，待燃烧稳定后火焰锋面消失形成无焰燃烧，温度场分布均匀，同时向煤粉燃烧室辐射热量，对煤粉燃烧室进行预热；煤粉燃烧室预热完毕后，煤粉由氧化剂气体携带通过煤粉无焰燃烧器的燃料喷嘴进入煤粉燃烧室，同时氧化剂气体加压后以高速射流的形式通过煤粉无焰燃烧器的氧化剂喷嘴进入煤粉燃烧室，助燃的同时卷吸大量烟气形成低温低氧氛围，使煤粉在燃烧室内进行稳定的无焰燃烧。

优选地，所述煤粉无焰燃烧器的燃料喷嘴的出口风速为10～20m/s，所述煤粉无焰燃烧器的氧化剂喷嘴的出口风速为100～200m/s。

本发明采取以上技术方案，具有如下优点：

通过燃气无焰燃烧产生的均匀温度场作为热源对煤粉燃烧进行辅热，同时用燃气无焰燃烧产生的再循环烟气与氧化剂气体进行混合作为煤粉燃烧的一次风，进一步提高一次风的温度并增强对煤粉的再燃还原作用，使煤粉在低温低氧的氛围下稳定氧化，大量降低热力型和燃料型nox的生成，并增强对no的还原作用，从而实现煤粉燃烧氮氧化物的超低排放。

附图说明

图1为本发明优选实施例中的双耦合式燃烧装置的结构示意图。

图2为本发明优选实施中的燃气无焰燃烧器的结构示意图。

图3为图2中的a向示意图。

图4为本发明优选实施中的煤粉无焰燃烧器的结构示意图。

图5为图4中的b向示意图。

图6为本发明优选实施中的燃烧室的结构示意图。

附图标记说明：

1-燃气氧化剂送风机，2-给粉机，3-煤粉二次风送风机，4-煤粉一次风送风机，5-空气，6-流量计，7-燃气气瓶，8-燃气燃烧室，9-煤粉燃烧室，10-锅炉水膜除尘器，11-烟气冷凝器，12-引风机，13-排烟口，14-燃气管路，15-燃气氧化剂管路，16-给粉管路，17-煤粉一次风路，18-煤粉二次风路，19-燃气燃烧室烟气管路，20-煤粉燃烧室烟气管路，21-烟气循环风路一，22-烟气循环风路二，23-排烟风路。

24-燃气喷管，241-主燃气入口，242-预热燃气入口，25-内氧化剂喷嘴，251-氧化剂入口一，26-外氧化剂喷嘴，261-氧化剂入口二，27-导流叶片，28-直流喷嘴，29稳焰器。

30-燃料喷嘴，301-煤粉与一次风入口，31-氧化剂喷嘴，311-二次风入口。

32-燃气无焰燃烧器，33-煤粉无焰燃烧器，34-燃气燃烧室烟气出口，35-燃气燃烧室，36-煤粉燃烧室烟气出口，37-煤粉燃烧室，38-固定连接件。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本文披露的实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。在本发明中的实施例中所提到的一些方位词，例如“左”、“右”、“顶部”、“底部”等，这些方位词的含义与装置的放置情况有关，不应理解为对本发明保护范围的限制。

本发明提供一个优选实施例，如图1所示，该煤粉双耦合式燃烧装置主要包括燃气燃烧室8、煤粉燃烧室9以及烟气管路。

所述燃气燃烧室8安装有燃气无焰燃烧器。燃气无焰燃烧器的燃气喷管与燃气管路14连接，燃气管路14上包括有流量计6，通过调节流量计6由燃气气瓶7提供燃气，燃气无焰燃烧器的内氧化剂喷嘴以及外氧化剂喷嘴与燃气氧化剂管路15连接，可以进行切换。空气5通过燃气氧化剂送风机1送入氧化剂喷嘴，燃气氧化剂送风机1为增压风机，通过升压加速使空气5以高速射流(100-150m/s)的形式送入燃气燃烧室8进行助燃。

所述煤粉燃烧室9安装有煤粉无焰燃烧器。煤粉无焰燃烧器的燃料喷嘴与煤粉一次风路17进行连接，煤粉一次风由空气5以及烟气循环风路一21的循环烟气混合而成，一次风通过煤粉一次风送风机4进行送风，携带给粉机2通过给粉管路16出来的煤粉，送入煤粉燃烧室9进行燃烧。煤粉无焰燃烧器的氧化剂喷嘴与煤粉二次风路18进行连接，通过煤粉二次风送风机3进行送风，煤粉二次风送风机3为增压风机，通过升压加速使二次风以高速射流(100-150m/s)的形式送入煤粉燃烧室9进行助燃。

所述烟气管路包括燃气燃烧室烟气管路19、煤粉燃烧室烟气管路20、烟气循环风路一21、烟气循环风路二22、排烟风路23以及烟气处理系统。燃气燃烧室烟气管路19与煤粉燃烧室烟气管路20汇集后分成三个支路：烟气循环风路一21与煤粉一次风路17进行连接，烟气循环风路二22与燃气氧化剂管路15进行连接，排烟风路23与烟气处理系统进行连接。通过引风机12的作用依次通过锅炉水膜除尘器10以及烟气冷凝器11进行处理后由排烟口13排出。

图2和图3为本优选实施例中的燃气无焰燃烧器的结构示意图，所述燃气无焰燃烧器位于燃气燃烧室上方左侧四分之一距离处，包括燃气喷管24、内氧化剂管25以及外氧化剂管26；

所述燃气喷管24为f型管，两个弯折处分别为主燃气入口241与预热燃气入口242，出口处设置有稳焰器29；

所述内氧化剂管25为l型管，嵌套在所述燃气喷管24外，二者之间的环缝作为氧化剂通道，通道内设置有导流叶片27；

所述外氧化剂管26主体为l型管，嵌套在所述内氧化剂管25外，在l型管出口处沿周向均匀设置并连通有若干直流喷嘴28(大于等于4个，本实施例取4个)作为外氧化剂管出口，直流喷嘴28的出口端面与内氧化剂管25出口端面平齐；

预热燃气通过所述预热燃气入口通入对所述燃气燃烧室进行预热，此时氧化剂气体通过内氧化剂管通入；预热完毕后，切断预热燃气，通过所述主燃气入口通入主燃气，并将氧化剂气体切换成由所述外氧化剂管通入，主燃气自燃，待燃烧稳定后火焰锋面消失形成无焰燃烧，温度场分布均匀，同时向煤粉燃烧室辐射热量，对煤粉燃烧室进行预热。

图4和图5为本优选实施例中的煤粉无焰燃烧器的结构示意图，所述煤粉无焰燃烧器穿过燃气燃烧室安装在煤粉燃烧室上方中心，包括燃料喷嘴30以及环绕所述燃料喷嘴30均匀布置的若干氧化剂喷嘴31(大于等于4个，本实施例取4个)；

煤粉通过氧化剂气体携带从所述燃料喷嘴30的煤粉与一次风入口301进入所述煤粉燃烧室；同时氧化剂气体通过加压后以高速射流的形式通过所述氧化剂喷嘴31的二次风入口311进入所述煤粉燃烧室，使煤粉在燃烧室内进行无焰燃烧。

图6为燃烧室的结构示意图，包括燃气燃烧室35和煤粉燃烧室37。所述燃气燃烧室35为正方体或球体结构，腔内嵌套一煤粉燃烧室37，腔体空间由燃气燃烧室的内壁与煤粉燃烧室的外壁围成。煤粉燃烧室37通过固定连接件38固定连接在燃气燃烧室内。燃气燃烧室上方左侧安装有燃气无焰燃烧器32，上方中心被煤粉燃烧室的煤粉无焰燃烧器33贯穿，上方右侧设有烟气出口34，下方被煤粉燃烧室的烟气出口36所贯穿。

本实施例首先通过预热燃气对燃气燃烧室进行预热，此时氧化剂气体通过燃气无焰燃烧器的内氧化剂管进入；预热完毕后，切断预热燃气，通入主燃气，并将氧化剂切换成由燃气无焰燃烧器的外氧化剂管进入，主燃气自燃，待燃烧稳定后火焰锋面消失形成稳定的无焰燃烧，温度场分布均匀，在1000-1300k之间，同时向煤粉燃烧室辐射热量，对煤粉燃烧室进行预热；而煤粉由一次风携带进入煤粉燃烧室，二次风由高压风机进行加压处理后以很高的速度射流进入煤粉燃烧室补充氧化剂气体的要求的同时卷吸烟气形成低氧氛围。使煤粉在燃烧室内进行无焰燃烧，实现在低温低氧氛围下的氧化反应。而且气体排烟烟气和一部分煤粉燃烧烟气进行再循环利用，因而增强了no还原作用。本实施综合效果，可达到小于50mg/m³超低的nox排放。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。