一种流态平衡煤粉循环流化燃烧锅炉及其燃烧方法与流程

本发明涉及能源利用技术领域，特别涉及一种流态平衡煤粉循环流化燃烧锅炉及其燃烧方法。

背景技术：

煤粉锅炉是一种具有广泛应用前景的锅炉，煤粉通过送粉装置至炉膛中进行燃烧，但是经过一段时间的使用之后，煤粉管壁上经常会有煤粉堆积，严重时会造成煤粉管堵塞，煤粉无法及时足量的输送至炉膛，最终造成煤粉锅炉无法正常运行。

因此，如何能够有效解决煤粉在煤粉管内堆积的问题，以保证煤粉及时足量的输送至炉膛是目前本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种流态平衡煤粉循环流化燃烧锅炉，以便能够有效解决煤粉在煤粉管内堆积的问题，从而保证煤粉及时足量的输送至炉膛内。

本发明的另一目的还在于提供一种上述流态平衡煤粉循环流化燃烧锅炉的燃烧方法。

为达到上述目的，本发明提供的流态平衡煤粉循环流化燃烧锅炉，包括炉膛，所述炉膛内设置有煤粉播撒器，且所述煤粉播撒器与送粉装置相连，所述送粉装置包括：

用于连接煤粉仓和所述煤粉播撒器的煤粉管；

围绕在所述煤粉管外周且内部中空的封闭式圆环，所述封闭式圆环构成布风环管；

与所述布风环管相连的播粉风输入管；

一端连接于所述布风环管，另一端连接于所述煤粉管的播粉风支管，所述播粉风支管包括多个并且所述播粉风支管沿所述布风环管的周向分布，所述播粉风支管的横截面积小于所述布风环管的横截面积，所述布风环管与所述播粉风支管形成小端朝下的锥体。

优选的，所述播粉风支管的出风方向为沿所述煤粉管的切线倾斜向下。

优选的，所述煤粉管上还集成有脱硫剂入口管，且所述脱硫剂入口管与所述煤粉管的连接位置低于所述播粉风支管与所述煤粉管的连接位置。

优选的，所述煤粉播撒器与所述床面之间的距离为2～4m。

优选的，所述炉膛的下部为流化床燃烧室，所述流化床燃烧室的床面下方设置有一次布风装置，所述流化床燃烧室的床面上方设置有二次布风装置，所述炉膛的上部出口连接有旋风分离器，所述旋风分离器的返料口与所述流化床燃烧室连通，所述炉膛的侧壁上开设有二次风口，所述二次布风装置的二次风管安装在所述二次风口上，所述流态平衡煤粉循环流化燃烧锅炉还包括至少两个使二次风形成旋风的导向旋片，所述导向旋片设置在所述二次风口中或者设置在所述二次风管靠近所述二次风口的一端内。

优选的，若所述导向旋片设置在所述二次风口中，则所述导向旋片沿所述二次风口的周向间隔设置；若所述导向旋片设置在所述二次风管内，则所述导向旋片沿所述二次风管的周向布置。

优选的，在所述炉膛的高度方向上，所述二次风口包括下层二次风口和高于所述下层二次风口的上层二次风口，所述上层二次风口和所述下层二次风口均包括多个，且在所述炉膛的高度方向上，所述上层二次风口与所述下层二次风口相错布置。。

优选的，所述下层二次风口和所述上层二次风口与所述床面之间的距离均为3～4m。

优选的，任意一所述二次风口的出风方向朝下且与水平面之间的夹角为5°～30°。

优选的，所述二次风管和所述二次风口的横截面均呈长圆形，或者所述二次风管和所述二次风口的横截面均呈椭圆形。

优选的，所述旋风分离器的返料口通过分离回输通道与所述流化床燃烧室连通，且所述分离回输通道上设置有自平衡返料阀，所述旋风分离器的上部与烟道连通。

优选的，所述一次布风装置包括设置在所述床面下方的一次风室和与所述一次风室相连的一次风管，所述床面上设置有与所述一次风室连通的风帽。

本发明中所公开的流态平衡煤粉循环流化燃烧锅炉的燃烧方法为：向所述燃烧室内送入脱硫剂、媒体床料以及煤粉，并通过所述一次布风装置和所述二次布风装置向所述燃烧室内送入一次风和二次风，所述一次风与所述二次风的总体积比例范围4:6～5:5。

优选的，所述脱硫剂为粒度范围为50目～100目的石灰石，所述媒体床料为粒径范围为1mm～3mm的惰性媒体物料，所述煤粉的平均粒度范围为50目～100目。

优选的，所述炉膛内的燃烧温度范围为830℃～890℃。

由以上技术方案可以看出，本发明中所公开的循环流化床燃烧锅炉中，炉膛内的煤粉播撒器与送粉装置相连，送粉装置中以煤粉管为中心，在煤粉管的周向上围设有一环状的布风环管，布风环管中空并与播粉风输入管连通，多个播粉风支管沿布风环管的周向分布，且播粉风支管一端与布风环管连通，另一端与煤粉管连通，布风环管与播粉风支管形成小端朝下的锥体。

高速播粉风进入播粉风输入管内后，在播粉风输入管内迅速分配至各个播粉风支管，由于播粉风支管的截面积小于播粉风输入管的截面积，因此播粉风的风速在播粉风支管处进一步增大，多个播粉风支管内的高速播粉风汇合后在煤粉管内形成强烈的紊流，该股紊流可以对播粉风支管下游的煤粉管进行强力冲刷，从而避免煤粉管壁内出现煤粉堆积；同时根据文丘里效应可知，由于播粉风在播粉风支管处的风速急剧增大，因此播粉风支管位置将产生较大的负压，这可以形成强大的吸力，不仅可以使煤粉能够快速顺利的进入煤粉管，而且还能够有效冲刷播粉风支管上游的煤粉管，避免煤粉管壁内出现煤粉堆积。

附图说明

图1为本发明实施例中所公开的流态平衡煤粉循环流化燃烧锅炉的剖视结构示意图；

图2为二次风口与水平面之间所形成的夹角的结构示意图；

图3为一种实施例中导向旋片在二次风口布置的结构示意图；

图4为一种实施例中导向旋片的结构示意图；

图5为另一种实施例中导向旋片在二次风口布置的结构示意图；

图6为本发明实施例中所公开的送粉装置的主视示意图；

图7为图6的a向示意图。

其中，1为检修放料管，2为一次风室，3为流化床燃烧室，4为二次风道，5为脱硫剂入口管，6为二次风总管，7为煤粉管，8为炉膛，9为旋风分离器，10为烟道，11为省煤器，12为空气预热器，13为自平衡返料阀，14为过热器，15为二次风管，16为膜式壁，151为二次风口，152为导向旋片，161为冷管，71为播粉风输入管，72为布风环管，73为播粉风支管。

具体实施方式

本发明的核心之一是提供一种流态平衡煤粉循环流化燃烧锅炉，以便能够有效解决煤粉在煤粉管内堆积的问题，从而保证煤粉及时足量的输送至炉膛内。

本发明的另一核心还在于提供一种上述流态平衡煤粉循环流化燃烧锅炉的燃烧方法。

本实施例中所公开的流态平衡煤粉循环流化燃烧锅炉，包括炉膛8，炉膛8的下部为流化床燃烧室3，流化床燃烧室3的床面下方设置有一次布风装置，流化床燃烧室3的床面上方设置有二次布风装置，炉膛8内设置有能够在床面上均匀播撒煤粉的煤粉播撒器，煤粉播撒器与上述送粉装置相连，请同时参考图1、图6和图7，送粉装置包括煤粉管7、布风环管72、播粉风输入管71以及播粉风支管73，煤粉管7设置在炉膛8的侧墙中，其用于将煤粉播撒器和存储有煤粉的煤粉仓相连，以便向流化床燃烧室3内提供煤粉，可选的，煤粉播撒器距离流化床燃烧室3的床面高度范围可以为2m至4m，布风环管72具体是围绕在煤粉管7外周且内部中空的封闭式圆环，播粉风输入管71与布风环管72相连通，以便将播粉风输送至布风环管72内，播粉风支管73的一端与布风环管72内腔连通，另一端与煤粉管7连通，播粉风支管73包括多个，并且播粉风支管73沿布风环管72的周向分布(例如均匀设置四个)，请参考图6，布风环管72与播粉风支管73形成小端朝下的锥体。

高速播粉风进入播粉风输入管内后，在播粉风输入管71内迅速分配至各个播粉风支管73，由于播粉风支管73的截面积小于播粉风输入管71的截面积，因此播粉风的风速在播粉风支管73处进一步增大，多个播粉风支管73内的高速播粉风汇合后在煤粉管7内形成强烈的紊流，该股紊流可以对播粉风支管73下游的煤粉管7进行强力冲刷，从而避免煤粉管壁内出现煤粉堆积；同时根据文丘里效应可知，由于播粉风在播粉风支管73处的风速急剧增大，因此播粉风支管73位置将产生较大的负压，这可以形成强大的吸力，不仅可以使煤粉能够快速顺利的进入煤粉管7，而且还能够有效冲刷播粉风支管73上游的煤粉管7，避免煤粉管壁内出现煤粉堆积。

需要进行说明的是，所谓播粉风具体是指将煤粉携带进入炉膛内的气流，布风环管72与播粉风支管73形成小端朝下的锥体使得播粉风支管73朝下倾斜，这可以有效避免煤粉在播粉风支管73的管壁堆积，从而提高煤粉的输送效率。

作为优选的方式，播粉风支管73的出风方向沿煤粉管7的切线倾斜向下，具体的，播粉风支管73与煤粉管的连接位置在煤粉管内壁的切斜位置处，并且播粉风支管73的端口倾斜朝下，多个播粉风支管73的端口倾斜方向一致，以使播粉风形成旋流。如图7中所示，多个播粉风支管73所吹出的播粉风形成旋流并带动煤粉形成紊流，螺旋状的紊流气流可以进一步避免煤粉在管壁或者拐弯处堆积，从而可以保证煤粉燃料具有优异的播撒效果。

炉膛8的侧墙中还可以设置有媒体床料入口管和脱硫剂入口管5，媒体床料入口管和脱硫剂入口管5均与流化床燃烧室3连通，以便向流化床燃烧室3对应供应媒体床料和脱硫剂。通过煤粉播撒器、媒体床料入口管以及脱硫剂入口管5分别向炉膛8内供料，能够保证煤粉燃料、媒体物料及脱硫剂均衡进入炉膛8内，使用于燃烧的各种燃料可以及时进入炉膛8内。

作为一种优选的方式，脱硫剂入口管5可以集成设置在煤粉管7上，如图6中所示，这可以有效提高整个流态平衡煤粉循环流化燃烧锅炉的结构紧凑性，为了将脱硫剂顺利带入炉膛内，脱硫剂入口管5与煤粉管7的连接位置低于播粉风支管73与煤粉管7的连接位置。

请结合图1、图3进行理解，本实施例中所公开的流态平衡煤粉循环流化燃烧锅炉，炉膛8的上部出口连接有旋风分离器9，旋风分离器9的返料口与流化床燃烧室3连通，炉膛8的侧壁上开设有二次风口151，二次布风管装置包括二次风机、与二次风机相连的二次风道4、与二次风道4相连的二次风总管6以及与二次风总管6相连的二次风管15，二次风管15安装在二次风口151上，除此之外，该流态平衡煤粉循环流化燃烧锅炉还包括至少两个相互配合的导向旋片152，两个导向旋片152相互配合以使二次风形成旋风，导向旋片152可以设置在二次风口151中，也可设置在二次风管15靠近二次风口151的一端内，如图4中所示。

本领域技术人员能够理解的是，循环流化燃烧锅炉为一次欠氧燃烧，二次富氧燃烧式锅炉，由于增设了导向旋片，因此二次风会从二次风口中旋转吹出，这显著强化了二次风的扰动作用和穿透力，二次风进入到炉膛内可以使炉膛的局部区域产生翻滚运动的旋流，旋流具有强大的穿透能力，因此其能够穿入到炉膛的下部，这一方面使二次风与燃料充分混合燃烧，增加了物料在炉膛上部富氧燃烧的时间，使煤粉的各种成分充分燃尽，提高燃料的燃烧效率；另一方面穿透至炉膛下方的二次风还有效降低了炉膛下部的燃烧温度；

旋风分离器可以捕捉未燃尽的颗粒返回至炉膛内进行再次燃烧，这能够有效解决低温燃烧所带来的飞灰中余碳含量高的难题，同时相比于炉膛温度，由旋风分离器所分离出的未燃尽的固体颗粒物的温度较低，因此由旋风分离器返回到流化床燃烧室内的未燃尽固体颗粒物也进一步降低了炉膛内的燃烧温度；

流化床燃烧室底部本身为欠氧燃烧，燃烧温度较低，结合二次布风装置以及旋风分离器的作用，可以使炉膛内的温度控制在830℃至890℃的范围内，该温度范围是炉内脱硫的最佳温度范围，因而可以有效降低烟气中的二氧化硫的含量，并且在该温度范围内还可以有效抑制氮氧化物的产生，这就极大的降低了氮氧化物的原始排放浓度，因而也就降低锅炉烟气处理难度和处理成本。

在一种实施例中，导向旋片152设置在二次风口151中，请参考如图3和图5，导向旋片152的数量可以为2片、3片、4片等，并且这些导向旋片152沿二次风口151的周向间隔设置，作为优选的方式，导向旋片152在二次风口151的周向上均匀分布，也就是说，任意相邻两个导向旋片152所夹的圆心角均相等，这可以进一步增强二次风的旋转力度，从而增强二次风的穿透力以及与燃料的混匀效果；在另一种实施例中，导向旋片152设置在二次风管内，导向旋片152的数量可以为2片、3片、4片等，并且这些导向旋片152沿二次风管15的周向间隔设置，作为优选的方式，导向旋片152在二次风管15的周向上均匀分布，也就是说，任意相邻两个导向旋片152所夹的圆心角均相等。

导向旋片152的表面可以为曲面，该种导向旋片152称为曲面导向片，当曲面导向片沿二次风口151或者二次风管15的周向进行布置时，曲面导向片依靠自身的曲面形状可以对气流进行引导，使气流形成旋风，如图4中所示，曲面导向片的一侧为用于与二次风口151或二次风管15相连的固定侧，另一侧为导流侧，作为一种优选的方式，由固定侧至导流侧，导向旋片152的厚度逐渐减小，如图3和图4中所示。通常情况下，可采用焊接的方式将导向旋片152与二次风口151或二次风道4的内壁相连，厚度较大的固定侧可以为导向旋片152的焊接提供便利。

当然，导向旋片152的表面还可以为平面，如图5中所示，该种导向旋片152称为平面导向片，当二次风管15和二次风口151的截面为圆形时，使导向旋片152与二次风管15和二次风口151的中心线呈相同的夹角安装，以改变二次风的风向，该种安装方式即可使通过二次风管15和二次风口151的二次风形成旋风，平面导向片也可采用焊接的方式与二次风管15和二次风口151连接。

进一步的，本实施例中所公开的流态平衡煤粉循环流化燃烧锅炉，其二次布风装置中的二次风口151还采用了多层布置的方式，在炉膛8高度方向上，二次风口151至少包括下层二次风口和高于下层二次风口的上层二次风口，当然，二次风口151还可以为三层或四层布置。图3中以两层二次风口为例进行展示，结合图1进行理解，上层二次风口以及下层二次风口可以分别设置在炉膛8的左右两侧，同时二次风口151可以设置在炉膛8侧墙的中下部分。

上下两层二次风口的布置方式可以使得炉膛8上部的湍流更为复杂，气流和燃料更为充分的混合，二次风口151的数量可以根据实际需要进行设置，作为一种优选的方式，上层二次风口和所述下层二次风口均包括多个，并且在炉膛8的高度方向上，上层二次风口与下层二次风口相错布置，如图3中所示，二次风从炉膛8的左右两侧分别送入，每侧分上下两层二次风口151交错布置，可以使二次风布置更为均匀，使燃料燃烧的更为充分。

为了进一步增强二次风的穿透能力，在本实施例中，每一个二次风口151的出风方向均不是水平方向，而是倾斜朝下并与水平面之间具有5°～30°(包含端点值)的夹角，优选的，二次风口151的出风方向与水平面之间的夹角为10°～25°(包含端点值)，二次风口151出风方向采用倾斜向下的角度，可以使二次风与炉膛8底部送入的一次风形成对流，这可以进一步加强床料和燃料的流化程度，并加强炉膛8稀相区的富氧燃烧效果。

需要进行说明的是，任意两个二次风口151的出风方向与水平面之间的夹角可以相等也可以不相等，如图2中所示，上层二次风口与水平面之间的夹角为α，下层二次风口与水平面之间的夹角为β，α与β可以相等也可以不等。

下层二次风口和上层二次风口与炉膛8中的床面之间的距离范围均为3m～4m，例如可以为3m、3.5m以及4m或者该范围内的其他高度值。

目前的二次风管15以及二次风口151多为矩形截面，空气在矩形截面的二次风管15和二次风口151流动时所受到的阻力较大，动能损失较多，最终导致二次风的穿透力较差，为此，本实施例中所公开的流态平衡煤粉循环流化燃烧锅炉中，二次风管15以及二次风口151的截面均为长圆形孔，或者二次风管15以及二次风口151的截面均为椭圆形，以便降低二次风的流动阻力，提高其喷射速度和穿透力，需要进行说明的是，所谓长圆形孔是指两端为圆弧中间为矩形的长条孔。

如图1中所示，一次布风装置包括设置在床面下方的一次风室2和与一次风室2相连的一次风管，床面上设置有与一次风室2连通的风帽，流化床燃烧室3的中部可以设置检修放料管1，检修放料管1延伸至一次风室2之外。

如图1中所示，旋风分离器9的返料口通过分离回输通道与流化床燃烧室3连通，分离回输通道上设置有自平衡返料阀13，旋风分离器9的上部与烟道连通。

高效的旋风分离器9和自平衡返料阀13相结合，不仅颗粒分离效率高，并且分级切割粒径相比于常规循环流化床锅炉大大减小，在薄料层、低床压状态下可以实现物料流化状态自平衡(即无需放渣，在自平衡返料阀底部不需要设置放渣口)。

需要进行说明的是，分级切割粒径是本行业内的通用名词，是指旋风分离器能够分离的最小的粒径。

在流态平衡煤粉循环流化燃烧锅炉中，通过媒体物料循环燃烧系统、送配风系统、换热系统配合以产生蒸汽。其中，媒体物料循环燃烧系统包括炉膛8以及送粉装置，送配风系统包括一次风装置和二次风装置；换热系统包括炉膛8内的膜式壁以及烟道，膜式壁可以为水冷膜式壁，每个二次风口151均开设在水冷膜式壁相邻的两个冷管161之间，同一层的二次风口151中，相邻两个二次风口151之间间隔有一个或多个冷管161，如图3中所示。

一次风室2设置于流化床燃烧室3的下方，一次风自下而上进入流化床燃烧室3，使物料形成流化状态并使煤粉进行缺氧燃烧；二次风管15向炉膛8通入二次风，以使炉膛8上方的形成富氧燃烧气氛，一次风与二次风的配合可以提高煤粉燃烧的充分性，二次风穿透力强，送配风效果较好，同时，由于二次风管15以及二次风口151的出口为椭圆形或长圆形，因此进风阻力较小，有利于煤粉的高效燃烧，且有利于节约二次风机以及整个锅炉所需消耗的能量。

如图1中所示，烟道系统由上至下一次设置有过热器14、省煤器11和空气预热器12，省煤器11和空气预热器12均可以水平布置，以利于减小烟气阻力，空气预热器12可以选用列管式空气预热器，该种空气预热器12的密封性好，传热效率高，并且易于制造和加工，过热器14可以呈悬挂式垂直布置在烟道中，以便在保证换热效率的同时提高安装便利性。

本发明中还公开了一种上述流态平衡煤粉循环流化燃烧锅炉的燃烧方法，具体包括：

向流化床燃烧室3内送入脱硫剂、媒体床料以及煤粉，并通过一次布风装置和二次布风装置向流化床燃烧室3内送入一次风和二次风，并且使一次风与所述二次风的总体积比例范围4:6～5:5，可选的，一次风与二次风的总体积比例可以为4:6、5:6、5:5或者该比例范围内的其他比值。

上述实施例中，通过调整一次风、二次风的比例，可以确保一次风满足流化状态并创造流化床燃烧室3缺氧燃烧环境，以降低炉膛8的温度，同时确保二次风满足炉膛8上部富氧燃烧，使煤粉的各种可燃成份充分燃尽，在富氧燃烧环境下，根据燃料与氧气结合的先后顺序进行燃烧，从而最大限度降低燃料型nox的生成，有效地降低烟气中氮氧化物的原始浓度。

在上述实施例的基础上，脱硫剂可以为粒径为50目至100目的石灰石，媒体床料可以为粒径为1mm至3mm的惰性媒体物料，惰性媒体物料可以由高岭土、白云石、氧化硅以及锅炉炉渣中的一种或多种混合形成，煤粉的平均粒度可以为50目至100目，煤粉的平均粒径小于3mm可以有效避免煤粉爆燃。

本实施例中通过合理地设置燃料粒度级配及脱硫剂碳酸钙粒度，配合高效的旋风分离器9，可以实现物料流化状态自平衡(即无需放渣，在自平衡返料阀底部不需要设置放渣口)，合理组织了炉内燃烧，可以实现煤粉高效燃烧、炉内脱硫、降硝，能够极大降低烟气中so2及nox污染物的原始排放浓度，降低对环境的污染。

在上述实施例的基础上，炉膛8与流化床燃烧室3内的温度范围控制为830℃至890℃。

本实施例采用低炉温设计，在石灰石作为脱硫剂时，830℃至890℃的炉膛燃烧温度为炉内脱硫创造了最佳的温度环境，辅以旋风分离器的高效分离能力，在恰当的钙硫摩尔比时，可实现脱硫率达95％。

以上对本发明所提供的流态平衡煤粉循环流化燃烧锅炉及其燃烧方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。