一种配备氢气值班火焰稳燃的煤粉锅炉燃烧系统的制作方法

1.本发明涉及燃煤电厂灵活性改造及深度调峰技术领域，具体涉及一种配备氢气值班火焰稳燃的煤粉锅炉燃烧系统。


背景技术：

2.受电厂煤质、设备情况等影响，目前我国火电机组调峰能力在纯凝工况下普遍只有50％额定容量，无法满足装机规模持续增长的可再生能源的消纳。而锅炉低负荷稳燃能力是限制机组进一步提升调峰能力的关键因素之一，提高锅炉在低负荷状态下乃至超低负荷下的稳燃能力，使火电机组能够在更低的负荷下安全稳定运行而不致引起熄火事故，从而实现深度调峰，是当前亟待解决的问题同时也是当前的研究难点。
3.采用特殊助燃技术加强燃烧稳燃能力，是目前提升锅炉低负荷稳燃能力的一项重要手段，目前针对机组深度调峰工况可采用的助燃技术手段包括以下几种：
4.微油点火燃烧器助燃。微油点火助燃技术是在传统油枪点火技术的基础上发展出来的，比传统油枪更加节油。但就低负荷稳燃方面来讲，微油助燃使得锅炉处于油煤混烧状态，对于环保设备带来不利影响，长期运行会对脱硫、脱硝、除尘等带来损伤。
5.等离子点火燃烧器助燃。等离子点火助燃主要依靠强磁场下获得稳定功率的直流空气等离子体，形成温度＞5000k的局部高温区；煤粉颗粒经过高温区迅速释放出挥发分，并使煤粉颗粒破裂，从而迅速燃烧。但等离子点火器阴极头寿命较短，对于长期深度调峰，需频繁更换阴极头，费用较高，同时也影响机组运行的连续性。
6.富氧微油点火燃烧器助燃。该技术采用小空间自稳燃烧原理，并利用氧气强化燃烧的特性，使一次风粉在富氧燃烧器内提前主动着火燃烧，以稳定燃烧状态进入炉膛，在低负荷运行过程中确保不因炉内热负荷过低，燃烧不稳而熄火，从而实现机组深度调峰。但富氧微油技术同样存在着需配备复杂的加氧系统、油煤混烧影响环保设备等缺点。
7.天然气点火燃烧器助燃。该技术采用主动稳定燃烧的结构与控制的设计方法，在燃烧器小空间内利用空气与燃气充分预混燃烧，产生高温燃烧中心，点燃小空间内的煤粉流，然后分级点燃整个一次风煤粉气流。在确保燃烧器安全、稳定运行的前提下，利用微量燃气，即可实现整个一次风粉混合物以稳定着火燃烧的状态进入炉膛，确保不因炉膛热负荷过低燃烧不稳而熄火，从而实现机组深度调峰及锅炉点火功能。但该技术仅适用于周边有天然气资源条件的电厂，限制了它的应用。


技术实现要素：

8.为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种配备氢气值班火焰稳燃的煤粉锅炉燃烧系统，充分考虑锅炉深度调峰的需求，以能够提升锅炉低负荷稳燃能力为宗旨，同时兼顾经济性，利用燃煤电厂脱硝用氨来制取氢气，采用部分预混燃烧及稀态燃烧的原理，设计氢气燃烧器结构及布置方案，整体助燃技术以值班火焰为核心手段，分级分区、逐层扩展，确保了使用少量氢气实现提升煤粉气流燃烧稳定性的目标。
9.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
10.一种配备氢气值班火焰稳燃的煤粉锅炉燃烧系统，包括在一次风管内高浓度煤粉区内布置内置式氢气燃烧器，所述内置式氢气燃烧器末端设置分级扩展式煤粉燃烧器，所述高浓度煤粉区域设置有预燃室，所述一次风管上设置有与氨分解制氢系统相连的管道，氨分解制氢系统为预燃室提供氢气，所述管道上还与压缩空气相连通。
11.所述的一次风管内的一次风粉气流经过中心煤粉浓缩器进行分离浓缩，形成中心富燃料区。
12.所述内置式氢气燃烧器采用射流引吸式结构。
13.所述系统在低负荷阶段通过少量氢气的燃烧形成值班火焰，加热周围高浓度煤粉，形成火核，稳定煤粉主气流的燃烧。
14.所述低负荷下投入氢气值班火焰后，整个燃烧区域形成两级燃烧，一级燃烧为氢气值班火焰对高浓度煤粉气流内核的加热和点燃，二级燃烧为一级煤粉火核对煤粉气流整体的加热和点燃。
15.所述系统在高负荷运行时，氢气值班火焰不投入，通入少量压缩空气对氢气燃烧器进行冷却；在低负荷运行时，压缩空气以射流的形式进入氢气燃烧器，抽吸氢气同步进入，经预混段后，喷出燃烧，形成值班火焰。
16.所述氢气燃烧器采用部分预混燃烧方式，通过压缩空气抽吸氢气经过渡混合后喷出燃烧，保证氢气火焰的连续稳定。
17.本发明的有益效果：
18.本发明提供的一种配置氢气值班火焰稳燃的煤粉锅炉燃烧系统，通过在一次风管内设置氢气燃烧器，在低负荷时通入氢气形成值班火焰，在高温以及火焰的直接作用下，维持煤粉主气流的稳定燃烧，从而达到大幅度提升锅炉低负荷稳燃能力的目的。
19.与现有燃烧器助燃技术相比，本发明充分考虑了锅炉深度调峰的需求，旨在实现长期深调负荷下燃烧器助燃的稳定投入及锅炉的稳定燃烧，同时也为燃煤机组高灵活性运行提供支撑。本发明在助燃剂的选择上，以能实现清洁燃烧的氢气作为助燃剂，氢气燃烧产物为水蒸气，对锅炉燃烧及运行不产生任何负面影响。另外氢气火焰温度高、燃烧速度快、燃烧强度高，这些特性都有利于形成火焰核心，稳定煤粉气流的燃烧。从氢气的获得上，基于燃煤电厂的资源禀赋条件，本发明提出采用脱硝用氨制取氢气，实现了随用随制，减少了氢气储运环节，降低了氢气使用的安全风险。氢气燃烧器设置在一次风管内部，便于直接加热煤粉气流内核，形成高温一级燃烧火核，以小带大、逐级扩展，燃烧能量逐级放大，将煤粉燃烧扩展至主气流，达到稳定煤粉燃烧的目的。
20.氢气燃烧器的设计采用部分预混燃烧和稀态燃烧方式，保证了氢气火焰自身的稳定性，确保值班火焰在一次风管内不熄灭。通过压缩空气抽吸氢气经过渡混合后喷出燃烧，使得氢气火焰能够连续稳定。低负荷下投入氢气值班火焰后，整个燃烧区域形成两级燃烧，一级燃烧为氢气值班火焰对高浓度煤粉气流内核的加热和点燃，二级燃烧为一级煤粉火核对煤粉气流整体的加热和点燃，在消耗少量氢气的条件实现了整体火焰的稳燃。
21.本发明兼顾了不同负荷下的运行工况，高负荷运行时，氢气值班火焰不投入，通入少量压缩空气对氢气燃烧器进行冷却；在低负荷运行时，压缩空气以射流的形式进入氢气燃烧器，抽吸氢气同步进入，经预混段后，喷出燃烧，形成值班火焰。这样既保证了高负荷时
氢气燃烧器的安全性，也能够给予燃烧系统更宽负荷范围内的灵活性。
附图说明
22.图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
24.参见图1，本发明提供的一种配备氢气值班火焰稳燃的煤粉锅炉燃烧系统，包括氨分解制氢系统(供氢系统)、内置式氢气燃烧器、一次风管、中心煤粉浓缩器、氢气预燃室、二次风道、煤粉燃烧器喷口。
25.其中供氢系统利用燃煤电厂现有技术资源条件，以氨为原料制取氢气供氢气稳燃系统用，减少了氢气的储运环节，实现了氢气的随用随制，降低了安全风险。内置式氢气燃烧器设置在一次风管的中心内部，采用射流引吸式结构，压缩空气通过射流器时抽吸氢气，经过渡段完成氢气与空气的预混，为形成氢气值班火焰奠定了基础。为降低氢气的耗量，采用部分预混与稀态燃烧方式，同时设置了预燃室。预燃室处于一次风管中的高浓度煤粉区域，一次风粉气流经过中心煤粉浓缩器进行分离浓缩，形成中心富燃料区，氢气值班火焰在中心富燃料区将高浓度煤粉气流加热点燃，形成火核。由于预燃室的存在，氢气值班火焰的热量积聚在有限空间内不易散失，这对形成局部高温从而进一步加热引燃煤粉气流很有利。而中心富燃料区的高浓度煤粉颗粒加热后挥发分逸出，这些可燃气体对氢气的稀态燃烧是一个有力的补充。预燃室的设置，从热量积聚和促成稀态燃烧两方面来讲，都对氢气值班火焰以及煤粉气流的稳燃有着重要的作用，减少了氢气的消耗，使本发明成为一种节约型的燃烧器助燃技术。
26.本发明中，氢气值班火焰设计为低负荷工况值班，以确保在低负荷段尤其是深调负荷段煤粉燃烧器的燃烧稳定性。同时由于氢气值班火焰的加入，大大拓宽了煤粉燃烧器的稳燃负荷范围。本发明创造性地运用了氢气部分预混燃烧与稀态燃烧技术，通过压缩空气定量控制抽吸氢气的量，实现稀态燃烧，同时将氢气火焰设置在预燃室内，实现了普通易吹熄、不稳定的火焰向高度稳定的值班火焰的转变。预燃室内随煤粉颗粒被加热后逸出的挥发分气体，在氢气火焰燃烧的中后期逐步加入并促进燃烧，从而促进了稀态燃烧的发展，增强了火焰的稳定性。
27.本发明在不同负荷下的具体运行方式如下：当锅炉处在高负荷运行时，氢气值班火焰不投入，通入少量压缩空气对氢气燃烧器进行冷却，使其处于吹扫状态，防止煤粉气流倒灌进入氢气燃烧器管路，堵塞气嘴；在低负荷运行时，压缩空气以射流的形式进入氢气燃烧器，抽吸由氨分解制氢装置来的氢气同步进入，经过渡预混段后，喷出燃烧，形成值班火焰。这样既保证了高负荷时氢气燃烧器的安全性，也能够给予燃烧系统更宽负荷范围内的灵活性。
28.本发明充分考虑了煤粉锅炉低负荷燃烧组织的特点，兼顾清洁燃烧与锅炉长期运行的需求，采用氢气作为助燃剂，并充分依托燃煤电厂现有资源条件，选取氨分解制氢工艺进行氢气的制取。氨分解制氢系统作为供氢系统，可实现即时制取、即时供应，简化了常规供氢系统的储运环节，降低了安全风险。
29.本发明采用了内置式氢气燃烧器加预燃室的新技术，结合中心煤粉浓缩，大大减少了氢气作为助燃剂的消耗。同时，为形成高效稳定的值班火焰，采用了部分预混燃烧与稀态燃烧结合的创新氢气燃烧技术，使燃烧系统的前驱核心
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氢气值班火焰达到真正的自稳定。在煤粉燃烧器的稳燃设计上，本发明在利用氢气值班火焰的基础上，还设计了煤粉气流的分级扩展燃烧，氢气值班火焰先加热点燃并稳定中心富燃料区的高浓度煤粉气流的燃烧，形成处于煤粉气流内部的火核，随着煤粉气流的运动，燃烧亦随之向稀相区发展，最后在燃烧器喷口位置由于二次风的加入，煤粉火焰达到充分发展的旺盛阶段。由于煤粉气流内部存在稳定的高温热源
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火核，整个煤粉气流所需的外部着火热大大减少，这对在深调负荷下运行时因炉膛温度较低而引起的火焰不稳现象有着极大的缓解，从而达到超低负荷下稳燃的目的。
30.综上所述，本发明针对机组灵活性改造及锅炉深度调峰的需求，通过配备内置式氢气燃烧器，采用氢气作为助燃剂，以清洁燃烧并且不对锅炉长期运行产生负面影响的方式，使煤粉锅炉燃烧系统具备在超低负荷下稳燃的能力，拓宽锅炉的运行负荷区间，改善并提升机组灵活性，是一种可在火电机组灵活性改造或深度调峰改造中应用的改造技术。同时，本发明充分考虑了氢气作为助燃剂的来源，利用燃煤电厂现有资源条件，采用氨分解制氢工艺，既减少了氢气储运环节、降低了安全风险，也实现了氢气的随用随制。本发明在氢气值班火焰技术的形成上，采用了内置式氢气燃烧器加预燃室的设计，创造性地运用以部分预混燃烧与稀态燃烧双结合的创新燃烧技术，在保持氢气值班火焰对煤粉气流稳燃性能不变的前提下，大幅降低了氢气的耗量，是一种节约型、环保型的稳燃方式。