一种用于工业煤粉锅炉的氨气和煤粉双燃料燃烧器

1.本发明属于热能与动力工程领域，涉及一种用于工业煤粉锅炉的氨气和煤粉双燃料燃烧器。


背景技术：

2.近年来，减少温室气体排放越来越成为全球所面临的严峻问题。减少温室气体的排放，尤其是碳排放(主要是co2)，成为热门话题。由于能源资源结构存在“贫油、少气、多煤”的特征，煤炭多年来一直占据能源消费结构中的主体地位，而燃煤过程中将产生大量的co2、nox和sox等大气污染物，造成极大的污染。所以，积极展开对新能源、储能技术的研究是实现降低碳排放目标的关键。
3.氢气作为一种“零碳”燃料受到学者的广泛关注，但运输和储存成本高等原因制约其广泛应用。氨气只需常温下1.03mpa，或者常压下-33.4℃即可实现液化，其储运成本远低于氢气，所以氨气被广泛视为氢能的一个补充，但是，氨气同时具有燃烧速度慢以及nox排放量高等问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术中，燃煤机组的碳排放较高，而以氨气作为补充时，又具有燃烧速度慢以及nox排放量高等问题的缺点，提供一种用于工业煤粉锅炉的氨气和煤粉双燃料燃烧器。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.一种用于工业煤粉锅炉的氨气和煤粉双燃料燃烧器，包括中心风筒；
7.中心风筒外依次套设一次风套筒、二次风套筒以及周界风道；一次风套筒的侧壁上设置若干与一次风套筒内部连通的氨气通管；二次风套筒的进风端设置二次风蜗壳；周界风道的进风端设置周界风蜗壳；中心风筒的出风端设置氨气喷嘴，氨气喷嘴上设置稳燃钝体，氨气喷嘴上开设若干氨气喷口。
8.可选的，所述二次风套筒内部设置若干轴向旋流叶片。
9.可选的，所述轴向旋流叶片叶片斜面与一次风套筒轴线之间的夹角为30
°
～60
°
。
10.可选的，所述轴向旋流叶片的长度l与二次风套筒的直径d1满足l/d1＝0.15～0.4。
11.可选的，所述氨气喷嘴上开设8～16个氨气喷口，氨气喷口的直径为8～15mm，所述二次风套筒内部设置12～18个轴向旋流叶片。
12.可选的，所述若干氨气喷口中，沿中心风筒轴线对称的两个氨气喷口的中心线之间的夹角为30
°
～80
°
。
13.可选的，所述周界风道包括若干沿间隔设置的扇形风环，若干扇形风环的进气端均与周界风蜗壳连接。
14.可选的，所述周界风道包括若干6～12个扇形风环。
15.可选的，所述二次风套筒直径d1、周界风道的宽度l以及周界风道的直径d2满足：l＞0.5d1及d2/d1＝3～4。
16.可选的，当氨气热值比例低于30％时，氨气全部由中心风筒通入预燃室，当氨气热值比例高于30％时，高出30％的部分由一次风套筒通入预燃室，一次风套筒的一次风中空气量占总空气量的20％～30％，二次风套筒的二次风中空气量占总空气量的40％～50％，周界风道的周界风中空气量占总空气量的20％～40％。
17.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
18.本发明用于工业煤粉锅炉的氨气和煤粉双燃料燃烧器，一次风套筒安装于中心风筒外壁，中心风筒外壁和二次风套筒内壁之间形成一次风道，一次风道通过少量空气携带大量煤粉进入炉膛，高掺氨比例时还会有部分氨气一同参与输送，二次风套筒安装于一次风套筒外壁，一次风套筒外壁和二次风套筒内壁之间形成二次风道，二次风道通过大量空气携带部分煤粉进入炉膛，与一次风道构成了分级燃烧，二次风套筒外壁安装有周界风蜗壳，周界风蜗壳进口与外界连通，出口与周界风道连接，周界风道的周界风输送剩余的空气，起到燃尽风的作用，通过多次配风，实现氨气和煤粉的低氮、高效燃烧，可以在氨逃逸为0，不增加氮氧化物排放的基础上降低10％～40％的飞灰含碳，最终在实现达标排放的同时降低飞灰含碳量，可以实现大比例地掺烧氨气，提高锅炉效率。同时，通过旋流钝体的设计，实现了氨气/煤粉双燃料燃烧器的稳定着火。
附图说明
19.图1为本发明实施例的用于工业煤粉锅炉的氨气和煤粉双燃料燃烧器结构示意图；
20.图2为本发明实施例的图1中a-a截面的剖面图；
21.图3为本发明实施例的图2中b区域的放大图；
22.图4为本发明实施例的氨气喷管及稳燃钝体结构示意图；
23.图5为本发明实施例的一次风套筒结构示意图。
24.其中：1-中心风筒；2-一次风套筒；3-二次风蜗壳；4-二次风套筒；5-轴向旋流叶片；6-周界风蜗壳；7-周界风道；8-氨气喷嘴；9-稳燃钝体；10-预燃室；11-1-第一氨气通管；11-2-第二氨气通管。
具体实施方式
25.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
26.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆
盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
27.首先，介绍本发明实施例中涉及的相关术语：
28.一次风指的是一次空气和一次燃料的混合物，一次燃料包括了煤粉与氨气。
29.二次风指的是二次空气和二次燃料的混合物，二次燃料包括了煤粉与氨气。
30.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
31.对于上述背景技术中的问题，发明人在实际工作中发现，当氨气/煤粉混燃时，不仅可以减少燃煤机组的碳排放，同时还有望降低飞灰含碳量，提高锅炉的效率。因此，开发一种适用于工业锅炉的大比例掺烧氨气的氨气/煤粉双燃料燃烧器，对控制燃煤过程中碳排放和氮氧化物排放具有重要的意义。
32.参见图1至5，本发明一实施例中，提供一种用于工业煤粉锅炉的氨气和煤粉双燃料燃烧器，能够有效控制煤燃烧过程中co2和nox的排放，降低燃煤对大气环境带来的污染，能够适用于工业煤粉锅炉，继而实现氨气和煤粉的稳定着火，降低燃煤锅炉中温室气体的排放。
33.该用于工业煤粉锅炉的氨气和煤粉双燃料燃烧器包括中心风筒1，中心风筒1外依次套设一次风套筒2、二次风套筒4以及周界风道7；一次风套筒2的侧壁上设置若干与一次风套筒2内部连通的氨气通管；二次风套筒4的进风端设置二次风蜗壳3；周界风道7的进风端设置周界风蜗壳6；中心风筒1的出风端设置氨气喷嘴8，氨气喷嘴8上设置稳燃钝体9，氨气喷嘴8上开设若干氨气喷口。
34.具体的，所述一次风套筒2安装于中心风筒1外壁，中心风筒1外壁和二次风套筒2内壁之间形成一次风道，一次风道通过少量空气携带大量煤粉进入炉膛，高掺氨比例时还会有部分氨气一同参与输送，二次风套筒4安装于一次风套筒2外壁，一次风套筒2外壁和二次风套筒4内壁之间形成二次风道，二次风道通过大量空气携带部分煤粉进入炉膛，与一次风道构成了分级燃烧，二次风套筒4外壁安装有周界风蜗壳6，周界风蜗壳6进口与外界连通，出口与周界风道7连接，周界风道7的周界风输送剩余的空气，起到燃尽风的作用，有效降低飞灰含碳量。同时，通过旋流钝体9的设计，实现了氨气/煤粉双燃料燃烧器的稳定着火。
35.综上所述，本发明用于工业煤粉锅炉的氨气和煤粉双燃料燃烧器，可以实现大比例地掺烧氨气，有效降低燃煤机组的碳排放，通过多次配风，实现氨气和煤粉的低氮、高效燃烧，可以在氨逃逸为0，不增加氮氧化物排放的基础上降低20％～40％的飞灰含碳，最终在实现达标排放的同时降低飞灰含碳量，提高锅炉效率。
36.在一种可能的实施方式中，所述二次风套筒4内部设置若干轴向旋流叶片5。轴向旋流叶片5可以产生回流区，通过卷吸高温烟气，对预燃室10内的煤粉以及氨气进行预热，促进预燃室10内煤粉挥发分的快速析出，煤粉中的氮更多的以挥发分氮的形式析出，在预燃室10内的强还原性气氛以及氨气的双重还原作用下，充分抑制煤粉中挥发分氮向氮氧化物的转化，预燃室10内挥发分氮的充分析出也减少了后燃烧区焦炭氮向氮氧化物的转化，从而实现了低氮燃烧。
37.本实施方式中，二次风套筒4内部设置12～18个轴向旋流叶片5，轴向旋流叶片5叶
片斜面与一次风套筒2轴线之间的夹角为30
°
～60
°
，轴向旋流叶片5的长度l与二次风套筒4的直径d1满足l/d1＝0.15～0.4，过大的轴向旋流叶片5会给二次风带来较大的旋转动量，尽管会卷吸更多的高温烟气，利于氨气/煤粉的着火稳定以及焦炭的燃尽，但有潜在的火焰刷墙的风险，不利于周界风的设计。
38.在一种可能的实施方式中，所述氨气喷嘴8上开设8～16个氨气喷口，氨气喷口的直径为8～15mm，所述若干氨气喷口中，沿中心风筒1轴线对称的两个氨气喷口的中心线之间的夹角为30
°
～80
°
。
39.氨气从中心风的氨气喷嘴8喷出，氨气喷口的数量取决于煤粉中的氮含量，煤粉中含氮量越高，氨气喷口数量越多，氨气喷口的直径取决于氨气的掺烧比例，当氨气掺烧比例越高时，氨气喷嘴的直径越大，同样的，相对的两个氨气喷口与中心风轴线的夹角也取决于氨气的掺烧比例，氨气掺烧比例越高，二者的夹角则越小。总的设计原则是：氨气射流保持着较大的动量，但不能穿透一次风的煤粉射流达到二次风区域。因此较大的动量可以保证氨气充分的扩散，充分抑制煤粉中氮氧化物的生成，但过大的动量以及过大的喷射张角会导致氨气射流穿透一次风区域煤粉射流，到达二次风区域，氨气过早的接触二次风区域中的氧化性气氛会导致其大量地向氮氧化物进行转化，从而导致氮氧化物生成反而被促进。大动量的氨气射流在一次风区域与煤粉充分混合，煤粉在这一区域完成挥发分的析出，之后少量未燃尽的氨气与焦炭射流一起逐步扩散至二次风区域，氨气作为气体燃料其燃烧速度明显快于焦炭，它能促进焦炭更好的燃尽，从而提高锅炉效率。
40.在一种可能的实施方式中，所述周界风道7包括若干沿间隔设置的扇形风环，若干扇形风环的进气端均与周界风蜗壳6连接。
41.本实施方式中，周界风道7由6～12个扇形风环组成，氨气比起煤粉更易着火燃烧，它会在二次风区域基本完成氧化，焦炭的氧化在二次风区域还未完成，周界风区域布置6～12个扇形风环是为了焦炭能够充分的氧化，扇形风环的数量取决于煤质，不易燃尽的煤种无烟煤、烟煤等选择布置更多的扇形风环。
42.在一种可能的实施方式中，所述二次风套筒4直径d1、周界风道7的宽度l以及周界风道7的直径d2满足：l＞0.5d1及d2/d1＝3～4。
43.周界风道7足够宽才能保证足够的强度抵抗炉膛燃烧带来的扰动，然而与纯煤燃烧相比，混氨燃烧之后所需的空气量会下降，为了保证相似的周界风流速，周界风道7的直径不能过大，过小的周界风道7又无法阻止旋流煤粉/氨气火焰刷墙，造成水冷壁超温，周界风道7的直径在满足上述要求下具有较好的效果。
44.具体的，该用于工业煤粉锅炉的氨气和煤粉双燃料燃烧器，在使用时，当氨气热值比例低于30％时，氨气全部由中心风筒1通入预燃室10，当氨气热值比例高于30％时，高出30％的部分由一次风套筒2的氨气通管通入预燃室10，本实施方式中，设置了第一氨气通管11-1和第二氨气通管11-2两个氨气通管，一次风套筒2的一次风中空气量占总空气量的20％～30％，二次风套筒4的二次风中空气量占总空气量的40％～50％，周界风道7的周界风中空气量占总空气量的20％～40％。当然，各部分配风比例可以根据煤质、氨气掺混比例以及氮氧化物排放情况进行实际调整。
45.基于上述设计，一次风中空气量最少，保持强还原性气氛，由于氨气比煤粉更易着火燃烧，一次风中的氧气大部分被氨气抢占，预燃室10内的温度升高会促进煤粉挥发分的
析出(大部分挥发分通过热解析出)，但氨气的存在会抑制煤粉中挥发分氮向氮氧化物的转化；二次风的空气量略多，但始终是缺氧的状态，保持着弱还原性的气氛，这是为了使氨气尽量能在这一部分全部燃尽，氨气的存在同样会抑制煤粉中挥发分氮和焦炭氮向氮氧化物的转化，同时氨气更快的释放热量还能有助于焦炭更快的燃尽；周界风会补充剩余的空气，这一区域为氧化性气氛，可以帮助煤粉充分燃尽，未燃尽的氨气若进入这一区域通常会导致烟气出口氮氧化物的提高。
46.下述以两个具体的实施情况为例说明本发明用于工业煤粉锅炉的氨气和煤粉双燃料燃烧器的性能：实施例1：在本发明用于工业煤粉锅炉的氨气和煤粉双燃料燃烧器燃烧纯煤，过量空气系数为1.2，不加sncr时炉膛出口烟气原始氮氧化物排放为100mg/nm3，飞灰含碳量为4％，氨逃逸为0。实施例2：在本发明用于工业煤粉锅炉的氨气和煤粉双燃料燃烧器掺混20％热值比例的氨气，过量空气系数为1.2，不加sncr时炉膛出口烟气原始氮氧化物排放为105mg/nm3，飞灰含碳量为3.5％。可见，本发明用于工业煤粉锅炉的氨气和煤粉双燃料燃烧器，能够有效降低飞灰含碳量。
47.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。