一种燃煤和天然气两用锅炉系统及其使用方法与流程

1.本发明属于锅炉技术领域，特别涉及一种燃煤和天然气两用锅炉系统及其使用方法。


背景技术：

2.我国目前的能源结构仍以煤炭为主，使得市场上的电站锅炉和工业蒸汽锅炉系统基本是以煤作为单一燃料来设计的。但是当煤炭供应不足或者受煤炭价格波动影响很大时，锅炉系统就无法正常运行，影响到机组供电或工业园区下游的蒸汽需求。另一方面，在国家绿色低碳、节能环保的能源政策下，煤炭不会一直成为锅炉系统的主流燃料，势必希望能用更加清洁环保的天然气在某一段时间内来代替煤炭。天然气相比煤而言，几乎不含硫、粉尘等有害物质，燃烧产生的污染物含量低，co2排放量约是煤炭的59％，被公认是一种清洁能源。
3.以煤为设计燃料的锅炉系统和以天然气为设计燃料的锅炉系统差异比较大，目前市场上的锅炉系统没有按100％燃煤和100％天然气切换使用来设计的。
4.对于燃煤和天然气两用的锅炉，由于煤和天然气两者燃料性质不同，燃烧器的结构差异较大，目前市场上还没有既能烧煤又能烧天然气的燃烧器。因此对煤粉燃烧器和天然气燃烧也需要进行合理布置。
5.燃煤锅炉系统和燃天然气锅炉系统由于燃料不同，在锅炉系统设计上差异比较大。燃煤锅炉系统不能直接以天然气作为燃料，燃天然气锅炉系统也不能直接以煤作为燃料。
6.燃煤锅炉系统相比燃天然气锅炉系统，在燃料供给侧多了一个磨煤机制粉系统，燃烧所需的空气分为一次风和二次风，通过空气预热器加热后，一次风进入磨煤机参与制粉，然后随煤粉一起进去燃烧器，二次风通过大风箱进入燃烧器。燃天然气时，燃烧所需的空气通过空气预热器加热后需全部通过大风箱进入燃烧器，因此在煤和天然气两种燃料之间切换时，如何保证燃烧所需的空气正确合理分配是其中一个需要解决的问题。
7.天然气热值比煤高，相同锅炉蒸发量下，天然气燃烧产生的烟气量比煤要小，对流换热较弱，燃料从煤切换到天然气后，如何保证主汽额定温度也是其中一个需要解决的问题。
8.煤为固体燃料，天然气为气体燃料，由于两者燃料特性不同，导致燃烧器的结构差异较大，目前的燃烧器技术还无法做到同时适应煤和天然气的燃烧。


技术实现要素：

9.为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种可单独以煤或天然气作为燃料的燃煤和天然气两用锅炉系统及其使用方法。
10.本发明所采用的技术方案为：
11.一种燃煤和天然气两用锅炉系统，包括锅炉主体，锅炉主体的底部连接有除渣机，
锅炉主体上部连接有尾部烟道，锅炉主体上布置有若干天然气燃烧器和煤粉燃烧器；还包括与若干天然气燃烧器连通的天然气管路和与若干煤粉燃烧器连通的煤粉管路，煤粉管路上连接有磨煤机；还包括与磨煤机连接的一次风道、与若干天然气燃烧器和若干煤粉燃烧器连通的二次风道，一次风道与二次风道之间连接有旁路风道。
12.当使用天然气作为燃料时，天然气管路将天然气引入天然气燃烧器，二次风道和旁路风道将一次风和二次风汇合后送入天然气燃烧器，从而天然气能在炉膛内充分燃烧。
13.当使用煤作为燃料时，煤粉管路上的磨煤机将煤研磨后送入煤粉燃烧器，并同时通过一次风道送入一次风参与制粉。二次风道将二次风送至各煤粉燃烧器，则煤粉在炉膛内充分燃烧，除渣机工作。
14.本发明同时配备了燃烧天然气时和燃烧煤粉时所需的所有部件，通过合理配置燃烧系统、配风系统、烟气系统，合理布置煤粉燃烧器和天然气燃烧器来满足既可以单独燃煤，又可以单独燃天然气。
15.作为本发明的优选方案，所述尾部烟道与锅炉主体下部之间连接有再循环烟道。本发明设置再循环烟道，以天然气作为燃料时，将烟气送至炉膛，增加炉膛内的烟气量，增加对流换热强度，保证了按燃煤设计的炉膛用于燃烧天然气时能有效对流吸热。
16.作为本发明的优选方案，所述再循环烟道上连接有第一插板门，第一插板门靠近锅炉主体的一端与二次风道之间连接有密封风道。在使用煤作为燃料时，需要关闭再循环烟道。为了避免再循环烟道上的第一插板门关闭不严导致炉膛高温烟气出现反串，本发明设置了一路密封风道，从二次风道将部分二次风引入第一插板门靠近锅炉主体的一端。由于二次风道内气压大于炉膛内压力，则可避免高温烟气在再循环烟道中反串。
17.作为本发明的优选方案，还包括空气预热器，一次风道和二次风道均经过空气预热器。空气预热器能对一次风和二次风进行预热，提高空气接触燃烧时的温度，可使燃烧更加充分。
18.作为本发明的优选方案，所述尾部烟道连接有脱硝装置，脱硝装置的出口管道经过空气预热器，使烟气作为空气预热器的热源。脱硝装置对烟气进行脱硝处理，再使烟气通过空气预热器，以对一次风道和二次风道内的空气进行加热，烟气的热量得到充分利用，空气预热器无需外部热源。
19.作为本发明的优选方案，若干天然气燃烧器的平均高度高于若干煤粉燃烧器的平均高度。燃天然气时，蒸发吸热偏多，烟气量少导致对流吸热不足，相比燃煤，主汽温度达额定值的能力偏弱，因此布置天然气燃烧器时的燃烧火焰中心要比燃煤燃烧器高。
20.作为本发明的优选方案，若干煤粉燃烧器在锅炉主体上呈四角布置，锅炉主体上设置有风箱，二次风道与风箱连接，风箱与各煤粉燃烧器连通；若干天然气燃烧器在锅炉主体上呈墙式布置，二次风道分别通过风管与若干天然气燃烧器连通。
21.作为本发明的优选方案，若干煤粉燃烧器和若干天然气燃烧器在锅炉主体上均呈四角布置，锅炉主体上设置有风箱，二次风道与风箱连接，风箱分别与各煤粉燃烧器和各天然气燃烧器连通。
22.作为本发明的优选方案，所述旁路风道上设置有调节挡板和流量计。燃天然气相比燃煤，燃烧所需空气量稍小，而一、二次风机和空气预热器是共用的，为了匹配一、二次风机运行特性和空气预热器一、二次风侧受热面积，在旁路风道上设置了调节挡板和流量计
来调节一次风侧空气量。
23.一种燃煤和天然气两用锅炉系统的使用方法，包括以下步骤：
24.锅炉采用煤作为燃料：关闭天然气管路，将一次风送入磨煤机参与制粉，打开煤粉管路，将磨制的煤粉送入煤粉燃烧器；关闭旁路风道，关闭再循环烟道，将二次风送入各煤粉燃烧器；打开除渣机除渣；
25.锅炉采用天然气作为燃料：关闭煤粉管路，打开天然气管路将天然气送至天然气燃烧器；关闭一次风道与磨煤机之间的通路并将一次风道与旁路风道连通，一次风和二次风汇合后送入各天然气燃烧器；关闭除渣机。
26.本发明的有益效果为：
27.1.本发明同时配备了燃烧天然气时和燃烧煤粉时所需的所有部件。通过合理配置燃烧系统、配风系统、烟气系统，合理布置煤粉燃烧器和天然气燃烧器来满足既可以单独燃煤，又可以单独燃天然气。
28.2.煤粉作为燃料时，一次风道将一次风通入磨煤机参与制粉，然后随煤粉一起进去燃烧器，二次风由二次风道送入燃烧器。天然气作为燃料时，旁路风道将一次风连通到二次风道，则燃烧天然气时所需的空气全部送入燃烧器。因此，通过旁路风道实现了空气的分配，使得本发明能在煤和天然气两种燃料之间切换。
29.3.本发明设置再循环烟道，以天然气作为燃料时，将烟气送至炉膛，增加炉膛内的烟气量，增加对流换热强度，保证了按燃煤设计的炉膛用于燃烧天然气时能有效对流吸热。
附图说明
30.图1是本发明的结构示意图；
31.图2是煤粉燃烧器和天然气燃烧器的第一种布置方式的主视图；
32.图3是煤粉燃烧器和天然气燃烧器的第一种布置方式的俯视图；
33.图4是煤粉燃烧器和天然气燃烧器的第二种布置方式的主视图；
34.图5是煤粉燃烧器和天然气燃烧器的第二种布置方式的俯视图。
35.图中：1-天然气管路；2-煤粉管路；3-一次风道；4-二次风道；5-旁路风道；6-密封风道；7-再循环烟道；8-第一插板门；9-第二插板门；10-第一挡板；11-调节挡板；12-流量计；13-切断阀；14-第三插板门；15-第三挡板门；16-第二挡板；17-节流孔板；18-除渣机；19-磨煤机；20-锅炉主体；21-煤粉燃烧器；22-天然气燃烧器；23-风箱；24-尾部烟道；25-脱硝装置；26-空气预热器；27-一次风机；28-二次风机。
具体实施方式
36.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
37.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范
围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.如图1所示，本实施例的燃煤和天然气两用锅炉系统，包括锅炉主体20，锅炉主体20的底部连接有除渣机18，锅炉主体20上部连接有尾部烟道24，锅炉主体20上布置有若干天然气燃烧器22和煤粉燃烧器21；还包括与若干天然气燃烧器22连通的天然气管路1和与若干煤粉燃烧器21连通的煤粉管路2，煤粉管路2上连接有磨煤机19；还包括与磨煤机19连接的一次风道3、与若干天然气燃烧器22和若干煤粉燃烧器21连通的二次风道4，一次风道3与二次风道4之间连接有旁路风道5。天然气管路1上连接有切断阀13，煤粉管路2上连接有第三插板门14，旁路风道5上连接有第一挡板10，一次风道3连接磨煤机19的一段上连接有第二挡板16。
39.当使用天然气作为燃料时，打开切断阀13、关闭第三插板门14、打开第一挡板10、关闭第二挡板16。天然气管路1将天然气引入天然气燃烧器22，二次风道4和旁路风道5将一次风和二次风汇合后送入天然气燃烧器22，从而天然气能在炉膛内充分燃烧。
40.当使用煤作为燃料时，关闭切断阀13、打开第三插板门14、关闭第一挡板10、打开第二挡板16。煤粉管路2上的磨煤机19将煤研磨后送入煤粉燃烧器21，并同时通过一次风道3送入一次风参与制粉。二次风道4将二次风送至各煤粉燃烧器21，则煤粉在炉膛内充分燃烧，除渣机18工作。
41.本发明同时配备了燃烧天然气时和燃烧煤粉时所需的所有部件，通过合理配置燃烧系统、配风系统、烟气系统，合理布置煤粉燃烧器21和天然气燃烧器22来满足既可以单独燃煤，又可以单独燃天然气。
42.煤粉作为燃料时，一次风道3将一次风通入磨煤机19参与制粉，然后随煤粉一起进去燃烧器，二次风由二次风道4送入燃烧器。天然气作为燃料时，旁路风道5将一次风连通到二次风道4，则燃烧天然气时所需的空气全部送入燃烧器。因此，通过旁路风道5实现了空气的分配，使得本发明能在煤和天然气两种燃料之间切换。
43.燃煤锅炉为了考虑防止炉膛结渣以及保证煤粉在离开炉膛之前充分燃尽，相比天然气锅炉，炉膛尺寸较大，热负荷指标较低，按燃煤设计的炉膛大小能适应天然气，而按天然气设计的炉膛大小是不能适应燃煤的，因此锅炉炉膛按燃煤来设计更加合理。这样，当燃天然气时，锅炉炉膛偏大，蒸发吸热偏多，再加上燃天然气时的烟气量相比燃煤会减少，对流吸热会出现不足，导致中低负荷下主汽温度可能达不到额定值。因此，燃天然气相比燃煤，本发明增加一套再循环烟道7，将部分烟气从锅炉尾部烟道24引出，通过再循环风机，从下部水冷壁引入炉膛。再循环烟道7上连接有再循环风机，再循环烟道7上设置有第一插板门8和第二插板门9，第一插板门8位于再循环风机与锅炉主体20之间，第二插板门9位于再循环风机与尾部烟道24之间。
44.在使用天然气作为燃料时，开启再循环风机，打开第一插板门8和第二插板门9，关闭阀门，尾部烟道24内的部分烟气从再循环风道通入炉膛内。本发明设置再循环烟道7，以天然气作为燃料时，将烟气送至炉膛，增加炉膛内的烟气量，增加对流换热强度，保证了按燃煤设计的炉膛用于燃烧天然气时能有效对流吸热。
45.在使用天然气作为燃料时，为了避免烟气在循环烟道内反串，第一插板门8靠近锅炉主体20的一端与二次风道4之间连接有密封风道6，且密封风道6上连接有阀门。在使用煤
作为燃料时，再循环风机停机，关闭再循环烟道7上的第一插板门8和第二插板门9。再打开阀门，小部分热二次从密封风道6进入再循环烟道7靠近锅炉主体20的一端，再进入锅炉内。由于二次风道4内气压大于炉膛内压力，则可避免高温烟气在再循环烟道7中反串，从而避免高温烟气烧坏再循环烟道7和再循环风机。
46.一次风道3上连接有一次风机27，二次风道4上连接有二次风机28。燃天然气相比燃煤，燃烧所需空气量稍小，而一次风机27、二次风机28和空气预热器26是共用的，为了匹配一次风机27、二次风机28运行特性和空气预热器26一、二次风侧受热面积，在旁路风道5上设置调节挡板11和流量计12来调节一次风侧空气量。一次风机27压头比二次风机28压头要高，为避免旁路风道5和二次风道4在汇合处出现乱流或紊流，在旁路风道5上设置节流孔板17进行减压。
47.为使空气得到余热，本发明使用空气预热器26对一次风道3和二次风道4内的空气进行加热。空气预热器26能对一次风和二次风进行预热，提高空气接触燃烧时的温度，可使燃烧更加充分。所述尾部烟道24连接有脱硝装置25，脱硝装置25的出口管道经过空气预热器26，使烟气作为空气预热器26的热源。脱硝装置25对烟气进行脱硝处理，再使烟气通过空气预热器26，以对一次风道3和二次风道4内的空气进行加热，烟气的热量得到充分利用，空气预热器26无需外部热源。
48.本发明的燃烧器有两种布置方式：
49.第一种布置方式：如图2和图3所示，煤粉燃烧器21采用四角布置，切圆燃烧；天然气燃烧器22采用墙式布置，对冲燃烧。以200mw等级蒸汽锅炉为例，煤粉燃烧器21共布置5层(一层备用)，共20个燃烧器；天然气燃烧器22两侧墙共布置6层，共18个燃烧器。燃天然气时，蒸发吸热偏多，烟气量少导致对流吸热不足，相比燃煤，主汽温度达额定值的能力偏弱，因此布置天然气燃烧器22时的燃烧火焰中心要比燃煤燃烧器高。
50.锅炉主体20上设置有风箱23，二次风道4与风箱23连接，风箱23与各煤粉燃烧器21连通；二次风道4分别通过风管与若干天然气燃烧器22连通。燃天然气时，燃烧所需空气通过风管进入燃烧器。燃煤时，燃烧所需空气一部分通过一次风和煤粉进入燃烧器，一部分通过二次风进入大风箱23，然后分配给各层燃烧器。
51.第二种布置方式：如图4和图5所示，煤粉燃烧器21和天然气燃烧器22均采用四角布置，切圆燃烧。以200mw等级蒸汽锅炉为例，煤粉燃烧器21共布置5层(一层备用)，共20个燃烧器；天然气燃烧器22共布置5层，共20个燃烧器。燃天然气时，蒸发吸热偏多，烟气量少导致对流吸热不足，相比燃煤，主汽温度达额定值的能力偏弱，因此布置天然气燃烧器22时的燃烧火焰中心要比燃煤燃烧器高。
52.锅炉主体20上设置有风箱23，二次风道4与风箱23连接，风箱23分别与各煤粉燃烧器21和各天然气燃烧器22连通。燃天然气时，燃烧所需空气先进入大风箱23，然后分配给每层燃烧器。燃煤时，燃烧所需空气一部分通过一次风和煤粉进入燃烧器，一部分通过二次风进入大风箱23，然后分配给每层燃烧器。
53.煤粉燃烧器21和天然气燃烧器22均四角布置，在高度上错开，天然气燃烧器22一部分布置在煤粉燃烧器21上面，一部分布置在煤粉燃烧器21之间。当燃煤时，布置在煤粉燃烧器21上面的天然气喷口可以当燃尽风喷口使用，布置在煤粉燃烧器21之间的天然气喷口可以当二次风喷口使用。
54.本实施例的燃煤和天然气两用锅炉系统的使用方法，包括以下步骤：
55.当锅炉采用煤作为燃料时，天然气作为备用，关闭天然气管路1上的切断阀13，打开煤粉管路2上的第三插板门14。燃煤时，需要热一次风进入磨煤机19参与制粉，则打开热一次风道3上的第二挡板16，关闭旁路风道5上的第一挡板10。锅炉炉膛及受热面是按燃煤设计的，因此燃煤时不需要投烟气再循环系统即可达到主汽额定温度，则关闭再循环烟道7上的第一插板门8和第二插板门9。由于炉膛烟温比较高，在不投烟气再循环风机的情况下，担心插板门关闭不严导致炉膛高温烟气出现反串，烧坏第一插板门8后的再循环烟道7和再循环风机，设置一路密封风道6，从二次风道4引入热二次风道4第一插板门8靠近锅炉主体20的一端。
56.当锅炉采用天然气作为燃料时，燃煤作为备用，关闭煤粉管路2上的第三插板门14，打开天然气管路1上的切断阀13。燃天然气时，不再需要热一次风进入磨煤机19参与制粉，因此关闭一次风道3上的第二挡板16，打开旁路风道5上的第一挡板10，将空气预热器26出口的热一次风通过旁路风道5与二次风道4的热二次风汇合后一起进入炉膛。燃天然气相比燃煤，燃烧所需空气量稍小，而一、二次风机28和空气预热器26是共用的，为了匹配一、二次风机28运行特性和空气预热器26一、二次风侧受热面积，在旁路风道5上设置了调节挡板11和流量计12来调节一次风侧空气量。一次风机27压头比二次风机28压头要高，担心旁路风道5和二次风道4在汇合处出现乱流或紊流，在旁路风道5上设置了节流孔板17进行减压。由于炉膛是按燃煤来设计的，燃天然气时，炉膛偏大，蒸发吸热偏多，再加上燃天然气时的烟气量相比燃煤会减少，对流吸热会出现不足，因此燃天然气时会出现中低负荷下主汽温度达不到额定值的情况，则增加再循环烟道7，通过增加烟气量来加强对流换热，保证主汽额定温度。同样，在满负荷工况下，不需要投烟气再循环风机的情况下，担心第一插板门8关闭不严导致炉膛高温烟气出现反串，烧坏第一插板门8后的再循环烟道7和再循环风机，设置一路密封风道6，从二次风道4引入第一插板门8靠近锅炉主体20的一端。燃天然气时，不存在排渣情况，除渣机18不工作，关闭除渣机18前的第三挡板门15，防止烟气串入。
57.本发明提供了一种燃煤和天然气两用的锅炉系统，既可以单独烧煤，又可以单独烧天然气。当其中一种燃料供应不足时，即可用另外一种燃料来代替，能够提高锅炉利用率和满足工业需求，同时符合环保要求。本发明提出的一种燃煤和天然气两用的锅炉系统针对室燃炉，适用于中等容量的电站锅炉和工业蒸汽锅炉。
58.随着环保要求越来越高，一些指标落后的燃煤锅炉就面临着被淘汰或者升级改造，影响工业和电力需求。而本发明提供的燃煤和天然气两用的锅炉系统，可以直接切换为更为清洁环保的天然气，无需再进行升级改造，不会影响到工业和电力需求。
59.本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。