一种掺烧氨气的四角切圆煤粉锅炉系统及掺氨燃烧方法与流程

1.本发明属于燃料燃烧技术领域，尤其涉及一种掺烧氨气的四角切圆煤粉锅炉系统及掺氨燃烧方法。


背景技术：

2.近年来，全球经济“低碳化”趋势日趋强化，世界上各主要经济体相继加入“巴黎协定”，并制定了相应的碳减排目标及规划。我国作为世界第二大经济体，制定了2030年前碳排放达峰行动方案，力争2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和。利用“零碳”燃料代替传统的化石燃料是行之有效的碳减排方式之一。
3.煤粉燃烧技术应用广泛，燃烧特性及nox排放特性的研究已经经过国内外长期的工程实践检验，相关技术成熟，但面临“低碳化”趋势，就需要考虑降低煤粉燃烧技术的碳排放问题。氨气(nh3)是氢能的一种良好载体，相比于氢气(h2)，氨的主要优势是高含氢量和高体积能量密度，液氨的单位体积含氢量和体积能量密度甚至高于液氢。同时由于其生产工艺成熟，极易液化便于存储和运输，以及安全性高等优势，被认为是更具潜力的清洁燃料，可有效充当氢和能量的载体。但其作为燃料直接燃烧存在两个非常明显的问题：燃烧特性差及nox排放高。
4.目前关于氨气燃烧的研究大部分集中于内燃机和煤粉旋流燃烧器，对于四角切圆煤粉锅炉掺烧氨气的技术开发较少，且对于大比例掺烧氨气的技术开发少之又少，所以提供一种掺烧氨气的四角切圆煤粉锅炉系统及掺氨燃烧方法显得十分重要。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种掺烧氨气的四角切圆煤粉锅炉系统及掺氨燃烧方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供一种掺烧氨气的四角切圆煤粉锅炉系统，包括从下向上依次设置在锅炉上的氨气/煤粉燃烧部和氨气燃尽区；
7.所述氨气/煤粉燃烧部包括煤粉燃烧区和氨气/煤粉燃烧区，所述煤粉燃烧区位于所述氨气/煤粉燃烧区的下方；
8.所述氨气/煤粉燃烧区包括设置在锅炉墙角的角上氨气/煤粉燃烧器和设置在锅炉墙面上的墙上氨气燃烧器。
9.氨气层流火焰燃烧速度较低，实验研究表明co、h2等气体与氨气一同燃烧，能有效提高氨气层流火焰燃烧速度，使氨气更易于燃烧。所以将所述煤粉燃烧区设置在所述氨气/煤粉燃烧区的下方，保证煤粉燃烧区为贫燃状态，目的是为上层的氨气/煤粉燃烧区在进行氨气燃烧时提供co，促进氨气的燃烧，同时为上层氨气燃烧提供大量的热量，炉膛温度较高时，有利于氨气的燃烧。
10.在锅炉的上部设置氨气燃尽区，目的是保证氨气完全燃烧。
11.本发明对四角切圆煤粉锅炉中针对实现掺氨燃烧的部件进行重点描述，对锅炉上
的其他相关配件不做过多描述，其为本领域的公知常识。
12.进一步地，所述氨气/煤粉燃烧部的数量在两个以上，所述角上氨气/煤粉燃烧器在锅炉上的安装高度和墙上氨气燃烧器在锅炉上的安装高度相同。
13.喷氨气的地方炉墙要布置卫燃带，如果高度不相同，那么卫燃带的布置面积过大，氨气掺烧量较小时，布置卫燃带的区域大部分是煤粉在燃烧，会导致炉膛温度过高，热力型nox生成量较多，所以角上氨气/煤粉燃烧器在锅炉上的安装高度和墙上氨气燃烧器在锅炉上的安装高度相同。
14.设置多个氨气/煤粉燃烧部，目的是防止大比例集中掺烧氨气时，导致炉膛温度局部过低，氨气难以燃烧。
15.一个氨气/煤粉燃烧区上通常设置四个角上氨气/煤粉燃烧器和四个墙上氨气燃烧器，所述墙上氨气燃烧器用于氨气燃烧量较少时，所以不需要等离子点火器，助燃剂为高温二次风，氨气与二次风混合后投入炉膛，不仅限于布置在炉膛墙中间，也可布置在其他位置，但是互为对立面上的两个墙上氨气燃烧器呈中心对称关系，墙上氨气燃烧器与炉墙之间的夹角可根据需要采用垂直炉墙，或者顺着煤粉切圆的旋转方向，或者逆着煤粉切圆的旋转方向。
16.氨气在角上氨气/煤粉燃烧器和/或墙上氨气燃烧器中燃烧时，需先加热至与助燃剂相同的温度，然后再与助燃剂混合。
17.进一步地，所述氨气燃尽区的上方设置sofa区，所述sofa区的上方设置用于脱硝的sncr脱硝设备，在锅炉上的所述氨气燃尽区和所述煤粉燃烧区上设置煤粉燃烧器。
18.在炉膛上部布置sncr脱销设备，目的是降低nox。
19.sofa区即分离燃尽风区域，通过分级送风的方式，使燃烧器主燃区处于贫燃状态，降低火焰温度，可以减少热力型nox的生成，同时又能保证煤粉的充分燃烧。
20.进一步地，所述角上氨气/煤粉燃烧器包括燃料通道、等离子点火器、第一套筒和第二套筒，所述燃料通道为两端开口的空心筒状结构，一端与一次风管道连接，另一端与锅炉连接；
21.所述第一套筒和所述第二套筒均固定安装于所述燃料通道的内部，在所述燃料通道内靠近锅炉的一侧固定安装所述第二套筒，在所述第二套筒远离锅炉的一端固定安装所述第一套筒，所述第一套筒和所述第二套筒的形状为两端开口的空心圆筒状结构，所述第一套筒的外径小于所述第二套筒的内径，所述第一套筒与第一助燃剂管道连接，所述第二套筒与第二助燃剂管道连接，所述等离子点火器的点火端通入所述第一套筒的内部，所述燃料通道与氨气管道连接。
22.进一步地，所述角上氨气/煤粉燃烧器的另外一种设计方式为，包括燃料通道、等离子点火器、第一套筒、第二套筒、一级氨气管道、二级氨气管道和三级氨气管道，所述燃料通道为两端开口的空心筒状结构，一端与一次风管道连接，另一端与锅炉连接；
23.所述第一套筒和所述第二套筒均固定安装于所述燃料通道的内部，在所述燃料通道内靠近锅炉的一侧固定安装所述第二套筒，在所述第二套筒远离锅炉的一端固定安装所述第一套筒，所述第一套筒和所述第二套筒的形状为两端开口的空心圆筒状结构，所述第一套筒的外径小于所述第二套筒的内径，所述等离子点火器的点火端通入所述第一套筒的内部，所述燃料通道与助燃剂管道连接。
24.进一步地，所述第一套筒与所述一级氨气管道连接，所述一级氨气管道的喷口位于所述第一套筒内部，所述二级氨气管道的喷口位于所述第一套筒和所述第二套筒之间的空隙内，所述三级氨气管道的喷口位于所述第二套筒和所述燃料通道之间的间隙内。
25.进一步地，所述燃料通道的外侧并且靠近锅炉的一端设置周界风管道，所述周界风管道与锅炉连接。
26.进一步地，所述第一助燃剂管道、第二助燃剂管道内的助燃剂为富氧空气，氧气体积比例为25％～35％。
27.进一步地，所述助燃剂管道内的助燃剂为富氧空气，其中氧气体积比例为25％～35％。
28.利用如上述掺烧氨气的四角切圆煤粉锅炉系统进行掺氨燃烧的方法为，当氨气掺烧比例为0～20％时，打开全部或部分的墙上氨气燃烧器进行氨气燃烧，打开角上氨气/煤粉燃烧器进行煤粉燃烧；
29.当氨气掺烧比例为20～60％时，打开全部或部分的角上氨气/煤粉燃烧器进行氨气燃烧。
30.氨气的掺烧比例是按照燃料燃烧产生的低位发热量来计算的。
31.有益效果：
32.(1)本发明提供的一种掺烧氨气的四角切圆煤粉锅炉系统，包括从下向上依次设置在锅炉上的氨气/煤粉燃烧部和氨气燃尽区；氨气/煤粉燃烧部包括煤粉燃烧区和氨气/煤粉燃烧区，氨气/煤粉燃烧区包括设置在锅炉墙角的角上氨气/煤粉燃烧器和设置在锅炉墙面上的墙上氨气燃烧器；煤粉燃烧区中控制煤粉处于非完全燃烧状态，为上层的氨气/煤粉燃烧区进行氨气燃烧时提供较多的co，使氨气更易于燃烧，且通过在锅炉的氨气/煤粉燃烧区所在的炉墙铺设卫燃带，保证了燃烧区域的温度，在锅炉的上部设置氨气燃尽区，保证氨气完全燃烧，在氨气燃尽区的上方设置sofa区，可降低热力型nox的生成，设置sncr脱销设备可减少炉膛nox的排放。
33.(2)本发明提供的一种掺烧氨气的四角切圆煤粉锅炉系统，通过设置多个氨气/煤粉燃烧部，可以防止大比例集中掺烧氨气时，导致炉膛温度局部过低氨气难以燃烧，且将煤粉燃烧区设置在氨气/煤粉燃烧区的下方，控制煤粉燃烧区为贫燃状态，可以为上层的氨气/煤粉燃烧区在进行氨气燃烧时提供co，促进氨气的燃烧，同时为上层氨气燃烧提供大量的热量，炉膛温度较高时，有利于氨气的燃烧。
34.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
35.图1为本发明一种掺烧氨气的四角切圆煤粉锅炉系统的结构示意图；
36.图2为本发明角上氨气/煤粉燃烧器和墙上氨气燃烧器在锅炉氨气/煤粉燃烧区的一种布置位置示意图；
37.图3为为本发明角上氨气/煤粉燃烧器和墙上氨气燃烧器在锅炉氨气/煤粉燃烧区的另一种布置位置示意图；
38.图4为实施例一中角上氨气/煤粉燃烧器的结构示意图；
39.图5为实施例二中角上氨气/煤粉燃烧器的结构示意图；
40.附图说明：
41.1、氨气/煤粉燃烧部；2、氨气燃尽区；3、sofa区；4、sncr脱硝设备；5、氨气/煤粉燃烧区；6、煤粉燃烧区；5
‑
1、角上氨气/煤粉燃烧器；5
‑
11、燃料通道；5
‑
12、一次风管道；5
‑
13、氨气管道；5
‑
14、等离子点火器；5
‑
15、第一套筒；5
‑
16、第二套筒；5
‑
17、第一助燃剂管道；5
‑
18、第二助燃剂管道；5
‑
19、周界风管道；5
‑
20、助燃剂管道；5
‑
21、一级氨气管道；5
‑
22、二级氨气管道；5
‑
23、三级氨气管道；5
‑
2、墙上氨气燃烧器；5
‑
3、煤粉燃烧器；
42.附图中的虚线是为了更好地描述本技术的结构而添加的辅助线，实际并不存在。
具体实施方式
43.下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
44.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
45.实施例1：
46.如图1、图2所示，在一个较佳的实施例中，提供一种掺烧氨气的四角切圆煤粉锅炉系统，包括从下向上依次设置在锅炉上的氨气/煤粉燃烧部1和氨气燃尽区2；
47.所述氨气/煤粉燃烧部1包括煤粉燃烧区6和氨气/煤粉燃烧区5，所述煤粉燃烧区6位于所述氨气/煤粉燃烧区5的下方；
48.所述氨气/煤粉燃烧区5包括设置在锅炉墙角的角上氨气/煤粉燃烧器5
‑
1和设置在锅炉墙面上的墙上氨气燃烧器5
‑
2。
49.氨气层流火焰燃烧速度较低，实验研究表明co、h2等气体与氨气一同燃烧，能有效提高氨气层流火焰燃烧速度，使氨气更易于燃烧。所以将所述煤粉燃烧区6设置在所述氨气/煤粉燃烧区5的下方，控制煤粉燃烧区6为贫燃状态，目的是为上层的氨气/煤粉燃烧区5在进行氨气燃烧时提供co，促进氨气的燃烧，同时为上层氨气燃烧提供大量的热量，炉膛温度较高时，有利于氨气的燃烧。
50.在锅炉的上部设置氨气燃尽区2，目的是保证氨气完全燃烧。
51.本发明对四角切圆煤粉锅炉中针对实现掺氨燃烧的部件进行重点描述，对锅炉上的其他相关配件不做过多描述，其为本领域的公知常识，另外，为了清楚地描述本技术的技术方案，将锅炉划分成不同的区域。
52.本实施例中，氨气/煤粉燃烧部1的数量设置两个，每个氨气/煤粉燃烧部1上包括四个设置在锅炉墙角上的角上氨气/煤粉燃烧器5
‑
1和四个设置在锅炉墙面上的墙上氨气燃烧器5
‑
2，四个所述角上氨气/煤粉燃烧器5
‑
1分别位于锅炉氨气/煤粉燃烧区5的四个墙角上，四个所述墙上氨气燃烧器5
‑
2分别位于锅炉氨气/煤粉燃烧区5的前后左右四个墙面的中间位置上，每个所述氨气/煤粉燃烧区5上的所述角上氨气/煤粉燃烧器5
‑
1在锅炉上的安装高度和墙上氨气燃烧器5
‑
2在锅炉上的安装高度相同。
53.喷氨气的地方炉墙要布置卫燃带，如果高度不相同，那么卫燃带的布置面积过大，氨气掺烧量较小时，布置卫燃带的区域大部分是煤粉在燃烧，会导致炉膛温度过高，热力型nox生成量较多，所以角上氨气/煤粉燃烧器5
‑
1在锅炉上的安装高度和墙上氨气燃烧器5
‑
2在锅炉上的安装高度相同。。
54.设置多个氨气/煤粉燃烧部1，目的是防止大比例集中掺烧氨气时，导致炉膛温度局部过低，氨气难以燃烧。
55.在所述氨气/煤粉燃烧部1所在的炉墙上布置卫燃带。
56.一个氨气/煤粉燃烧区5上设置四个角上氨气/煤粉燃烧器5
‑
1和四个墙上氨气燃烧器5
‑
2，墙上氨气燃烧器5
‑
2用于氨气燃烧量较少时，所以不需要等离子点火器，助燃剂为高温二次风，氨气与二次风混合后投入炉膛，不仅限于布置在炉膛墙中间，也可布置在其他位置，但是互为对立面上的两个墙上氨气燃烧器5
‑
2呈中心对称关系，墙上氨气燃烧器5
‑
2与炉墙之间的夹角可根据需要采用垂直炉墙，或者顺着煤粉切圆的旋转方向，或者逆着煤粉切圆的旋转方向。
57.如图2所示，本实例中墙上氨气燃烧器5
‑
2设置在炉膛墙壁的中间位置，墙上氨气燃烧器5
‑
2与炉墙之间的夹角为90
°
的情况。
58.氨气在角上氨气/煤粉燃烧器5
‑
1和/或墙上氨气燃烧器5
‑
2中燃烧时，需先加热至与助燃剂相同的温度，然后再与助燃剂混合。
59.所述氨气燃尽区2的上方设置sofa区3，所述sofa区3的上方设置用于脱硝的sncr脱硝设备4，在锅炉上的所述氨气燃尽区2和所述煤粉燃烧区6上设置煤粉燃烧器5
‑
3。
60.所述氨气燃尽区2和所述煤粉燃烧区6上的煤粉燃烧器5
‑
3位于锅炉的四个墙角上，其中，所述煤粉燃烧区6上所述煤粉燃烧器5
‑
3在锅炉的墙角上可以沿着锅炉的高度方向设置成多级，每一级包括四个所述煤粉燃烧器5
‑
3，本实施例中，位于锅炉上部的所述煤粉燃烧区6中的所述煤粉燃烧器5
‑
3设计成一级，即设置四个分别位于锅炉墙角上的所述煤粉燃烧器5
‑
3，位于锅炉下部的所述煤粉燃烧区6中的所述煤粉燃烧器5
‑
3设计成两级，即设置八个分别位于锅炉墙角上的所述煤粉燃烧器5
‑
3。
61.在炉膛上部布置sncr脱销设备，目的是降低nox。
62.sofa区3即分离燃尽风区域，通过分级送风的方式，使燃烧器主燃区处于贫燃状态，降低火焰温度，可以减少热力型nox的生成，同时又能保证煤粉的充分燃烧。
63.本实施例中，如图4所示，本实施例中，所述角上氨气/煤粉燃烧器5
‑
1设计的结构为，包括燃料通道5
‑
11、等离子点火器5
‑
14、第一套筒5
‑
15和第二套筒5
‑
16，所述燃料通道5
‑
11为两端开口的空心圆筒状结构，一端与一次风管道5
‑
12连接，另一端与锅炉连接；所述燃料通道5
‑
11的形状呈l型。
64.所述第一套筒5
‑
15和所述第二套筒5
‑
16均固定安装于所述燃料通道5
‑
11的内部，在所述燃料通道5
‑
11内靠近锅炉的一侧固定安装所述第二套筒5
‑
16，在所述第二套筒5
‑
16远离锅炉的一端固定安装所述第一套筒5
‑
15，所述第一套筒5
‑
15和所述第二套筒5
‑
16的形状为两端开口的空心圆筒状结构，所述第一套筒5
‑
15的外径小于所述第二套筒5
‑
16的内径，所述第一套筒5
‑
15与第一助燃剂管道5
‑
17连接，所述第二套筒5
‑
16与第二助燃剂管道5
‑
18连接，所述等离子点火器5
‑
14的点火端通入所述第一套筒5
‑
15的内部，所述燃料通道5
‑
11与氨气管道5
‑
13连接。
和/或墙上氨气燃烧器5
‑
2，后投入下层的角上氨气/煤粉燃烧器5
‑
1和/或墙上氨气燃烧器5
‑
2；但也无需将上层的角上氨气/煤粉燃烧器5
‑
1和/或墙上氨气燃烧器5
‑
2全部投入使用时再投入下层的角上氨气/煤粉燃烧器5
‑
1和/或墙上氨气燃烧器5
‑
2，比如在一些特殊情况下，先投入下层的墙上氨气燃烧器5
‑
2，再投入上层的角上氨气/煤粉燃烧器5
‑
1。
78.氨气的掺烧比例是按照燃料燃烧产生的低位发热量来计算的。
79.空气系数的定义为实际供给的空气量与理论需要的空气量的比值。
80.实施例2：
81.如图1和图3所示，本实施例与实施例1的主要区别为，墙上氨气燃烧器5
‑
2设置在非炉膛墙壁的中间位置，但是互为对立面上的两个墙上氨气燃烧器5
‑
2呈中心对称关系。
82.如图5所示为所述角上氨气/煤粉燃烧器5
‑
1的另外一种设计方式为，包括燃料通道5
‑
11、等离子点火器5
‑
14、第一套筒5
‑
15、第二套筒5
‑
16、一级氨气管道5
‑
21、二级氨气管道5
‑
22和三级氨气管道5
‑
23，所述燃料通道5
‑
11为两端开口的空心筒状结构，一端与一次风管道5
‑
12连接，另一端与锅炉连接；
83.所述第一套筒5
‑
15和所述第二套筒5
‑
16均固定安装于所述燃料通道5
‑
11的内部，在所述燃料通道5
‑
11内靠近锅炉的一侧固定安装所述第二套筒5
‑
16，在所述第二套筒5
‑
16远离锅炉的一端固定安装所述第一套筒5
‑
15，所述第一套筒5
‑
15和所述第二套筒5
‑
16的形状为两端开口的空心圆筒状结构，所述第一套筒5
‑
15的外径小于所述第二套筒5
‑
16的内径，所述等离子点火器5
‑
14的点火端通入所述第一套筒5
‑
15的内部，所述燃料通道5
‑
11与助燃剂管道5
‑
20连接。
84.所述第一套筒5
‑
15与所述一级氨气管道5
‑
21连接，所述一级氨气管道5
‑
21的喷口位于所述第一套筒5
‑
15内部，所述二级氨气管道5
‑
22的喷口位于所述第一套筒5
‑
15和所述第二套筒5
‑
16之间的空隙内，所述三级氨气管道5
‑
23的喷口位于所述第二套筒5
‑
16和所述燃料通道5
‑
11之间的间隙内。所述二级氨气管道5
‑
22和所述三级氨气管道5
‑
23均穿过所述燃料通道5
‑
11。
85.所述燃料通道5
‑
11的外侧并且靠近锅炉的一端设置周界风管道5
‑
19，所述周界风管道5
‑
19与锅炉连接。
86.所述助燃剂管道5
‑
20和周界风管道5
‑
19内的助燃剂为富氧空气，其中氧气体积比例为25％～35％。
87.所述一级氨气管道5
‑
21中喷出的氨气喷入所述第一套筒5
‑
15内与所述助燃剂管道5
‑
20中喷出的助燃剂混合，利用等离子点火器5
‑
14点火，完成第一级燃烧；然后，所述二级氨气管道5
‑
22中喷出的氨气与助燃剂在第二套筒5
‑
16内混合，利用第一级火焰完成第二级燃烧；最后，所述三级氨气管道5
‑
23中喷出的氨气与助燃管道喷出的助燃剂混合，利用第二级火焰完成第三级燃烧。
88.本实施例中，助燃剂通过助燃剂管道5
‑
20集中投入所述燃料通道5
‑
11，将氨气通过三级喷入，实现氨气的三级燃烧，而实施例1中，氨气通过氨气管道集中投入所述燃通道，将助燃剂分三级喷入，实现氨气的三级燃烧。
89.利用上述掺烧氨气的四角切圆煤粉锅炉系统进行掺氨燃烧的方法为，当氨气掺烧比例为0～20％时，打开全部或部分的墙上氨气燃烧器5
‑
2进行氨气燃烧，关闭角上氨气/煤粉燃烧器5
‑
1的助燃剂管道5
‑
20、一级氨气管道5
‑
21、二级氨气管道5
‑
22和三级氨气管道5
‑
23，打开一次风管道5
‑
12和周界风管道5
‑
19，通过等离子点火器5
‑
14点火进行煤粉燃烧；
90.当氨气掺烧比例为20～60％时，打开全部或部分的角上氨气/煤粉燃烧器5
‑
1的助燃剂管道5
‑
20、一级氨气管道5
‑
21、二级氨气管道5
‑
22、三级氨气管道5
‑
23和周界风管道5
‑
19进行氨气燃烧，关闭一次风管道5
‑
12。
91.所述角上氨气/煤粉燃烧器5
‑
1，不能同时进行氨气燃烧和煤粉燃烧。燃烧氨气和燃烧煤粉时均用等离子点火器5
‑
14进行点火燃烧。