一种超低负荷稳燃预热解燃烧系统及超低负荷运行方法

技术领域

本发明属于锅炉燃烧领域，具体涉及一种超低负荷稳燃预热解燃烧系统及超低负荷运行方法。

背景技术

随着生态环境的恶化，全球二氧化碳减排的步伐加快，能源结构将会发生变化。近年来，以风能、太阳能为代表的低碳新能源发展迅速，大规模风、光能源并网，然而这些电力都有着随机性强、能源生产是间歇性的、不能随电网的需求而调节的特征，这对电网的安全和稳定产生了极大的挑战。据分析，风电、光伏在电力系统中比例到达一定比例15％-20％后，每高一个百分点，对电力系统的调峰要求都是质的改变。很多地区电力系统运行灵活性不足，系统亟需较大比例灵活电源改善调峰电源结构，缓解系统调峰压力。

煤电是最为经济可靠和最具开发潜力的灵活性电源，煤电机组将越来越多地作为配合新能源发电的调峰手段。目前所谓的调峰，主要是针对电网低谷时煤电机组的低负荷跟踪能，分为深度调峰和启停调峰。为了激发煤电机组调峰的积极性，有地方启动电力调峰市场，大幅提高了调峰补偿的标准，报价分为0-0.4元/kW·h、0.4-1元/kW·h两档。也有最新的电力辅助服务市场运行规则，将深度调峰补偿标准改为跟东北的一致，最高可达1元/kW·h。

对于电站煤粉锅炉来讲，一般最低不投油稳燃负荷为额定负荷的30-50％。电站煤粉锅炉最常用的两种煤粉燃烧器为旋流燃烧器和直流燃烧器。旋流燃烧器采用前墙布置或前后墙对冲布置，各只燃烧器在炉膛内形成一个独立的火焰。旋流燃烧器比直流燃烧器一二次风混合的更早，而后期混合又不够强烈，所以容易导致着火不稳定或燃烬较困难的情况。为使燃烧器具有良好的着火和燃烧性能，通常会在燃烧器内加装预燃室。预燃室卷吸回流的高温烟气对煤粉进行加热，使煤粉气流稳定着火；煤粉燃烧释放的热量也可使预燃室保持高温。由于预燃室温度高、空间小，煤粉在预燃室内燃烧会产生大量的氮氧化物，且容易出现积灰和结渣的情况。

申请号为CN201720210613.7公开的一种新型低负荷稳燃旋流型燃烧器，通过掺混天然气，将天然气和空气在中心风管后半段预混，喷入预燃室与周边一次风粉混合燃烧，来实现煤粉的稳定燃烧。申请号为CN201811552507.2公开的一种采用烟气再循环及预燃室的旋流煤粉燃烧装置，在旋流燃烧器一次风管与内二次风管、内二次风管与外二次风管之间分别设置烟气再循环风管，强化炉膛的分级燃烧程度，实现空气分级燃烧。申请号为CN201310049397.9公开的一种基于煤粉分级预燃-热解的电站锅炉燃烧器，通过在原有旋流燃烧器的基础上，将预燃室与热解室串联，稀煤粉进入预燃室燃烧产生的高温烟气进入热解室，为浓煤粉热解提供热量，在不需外热源的情况下，使煤粉进行热解。虽然目前对旋流燃烧器进行了改进，但是煤粉仍需在预燃室内着火，氮氧化物排放量高，燃烧器的长期使用会导致预燃室结渣以及烧损，会出现燃烧不稳定的情况。

直流燃烧器采用四角布置方式，布置于炉膛的四个角上，形成切圆燃烧。然而，稳燃能力一直是切圆燃烧的一个问题。采用四角切圆燃烧的锅炉，煤粉气流必须靠切圆火球点燃，每层的4个燃烧器必须同步控制，同步运行或者同时关闭，位于四角的燃烧器无法单独独立运行。当煤电机组负荷降低时，会出现炉内燃煤量低、炉膛温度较低的情况，从而导致燃烧不稳定。因此，为避免锅炉因炉膛温度过低而灭火，运行负荷无法进一步降低，这制约了锅炉进行深度调峰。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种超低负荷稳燃预热解燃烧系统及超低负荷运行方法，通过在锅炉炉膛的前后墙上加装预热解旋流燃烧器，解决煤粉在旋流燃烧器的预燃室内着火导致氮氧化物排放量高、易结渣，直流燃烧器无法在超低负荷下稳定运行的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种超低负荷稳燃预热解燃烧系统，包括磨煤机、风箱、第一给粉管道、直流燃烧器、给粉管道换向阀、二次风调节阀、预热解旋流燃烧器、锅炉炉膛、二次风管道以及主燃烧器；主燃烧器每一层均设有直流燃烧器，预热解旋流燃烧器喷口中心高度与其所在层的直流燃烧器的喷口高度相同；磨煤机通过第一给粉管道连通直流燃烧器和预热解旋流燃烧器，预热解旋流燃烧器安装在锅炉炉膛的前后墙上，风箱布置在锅炉炉膛与安装预热解旋流燃烧器相邻的侧墙上，风箱与直流燃烧器以及预热解旋流燃烧器连通；预热解旋流燃烧器包括中心管、旋流内二次风管道、轴向叶片、外二次风管道、预热解室以及外二次风喷口；所述第二给粉管道与中心管相连，中心管、旋流内二次风管道以及外二次风管道同轴布置，旋流内二次风管道和中心管出口与预热解室入口相连，外二次风喷口与外二次风管道相连通，且均匀布置于预热解室四周。

旋流内二次风管道中设置轴向叶片，且沿中心管环向布置。

沿着介质流向，预热解室设有第一段和第二段，所述第一段和第二段的截面面积均逐渐增大，并且所述面积呈线性增大，第二段相对于第一段有一外扩角α。

外扩角α为90°～135°

预热解旋流燃烧器共有四个，分为两对，对称分布于锅炉炉膛的前后墙上。

第一给粉管道至直流燃烧器与预热解旋流燃烧器的管路上设置有给粉管道换向阀，给粉管道换向阀设置有A通道、B通道和C通道，其中A通道连通第一给粉管道，B通道连通预热解旋流燃烧器的中心管，C通道连通直流燃烧器；所述B通道通过第二给粉管道连通预热解旋流燃烧器的中心管。

所述预热解旋流燃烧器通过二次风管道与风箱连通，二次风管道上设置有二次风调节阀，通过二次风调节阀来调节预热解旋流燃烧器二次风的风量。

一种超低负荷稳燃预热解燃烧系统的超低负荷运行方法，只开启预热解旋流燃烧器，并运行对应的磨煤机，给粉管道换向阀的A通道和B通道开启，C通道关闭，二次风调节阀开启，一次风粉由磨煤机输出，一次风粉依次通过第一给粉管道、给粉管道换向阀的A通道、B通道和第二给粉管道，然后到达预热解旋流燃烧器，煤粉在预燃室内进行低温热解，其产物与外二次风混合，喷入锅炉炉膛内稳定燃烧。

对于预热解旋流燃烧器，旋流内二次风管道和外二次风管道提供辅助风，二次风调节阀开启，二次风管道与风箱相连通，从而为预热解旋流燃烧器提供辅助风；旋流内二次风管道内的风量占总体的15％-30％。

燃烧干燥无灰基挥发分V

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明所述超低负荷稳燃预热解燃烧系统中采用预热解旋流燃烧器与直流燃烧器结合，使煤粉在预热解旋流燃烧器先发生预热和热解，而不是直接燃烧，热解产物与外二次风喷口喷出的外二次风混合，喷入锅炉炉膛内进行充分燃烧，有助于实现低氮燃烧，预热解旋流燃烧器位置可灵活调节，布置在主燃烧器的中上层，即为B-F层的任意一层，从而满足屏式过热器温度要求，来保护屏式过热器。

进一步的，本发明可通过调节件调节轴向叶片的角度，改变旋流强度，增加或减少高温烟气的卷吸量，进一步控制预热解室的温度，使煤粉在预热解室内进行低温热解，热解产物与外二次风喷口喷出的外二次风混合，喷入锅炉炉膛内，然后稳定燃烧。

进一步的，本发明可通过给粉管道换向阀切换直流燃烧器和预热解旋流燃烧器的给粉，进一步实现锅炉在超低负荷工况下的稳定运行。

本发明中超低负荷稳燃预热解燃烧系统中布置预热解旋流燃烧器，预热解旋流燃烧器通过调节旋流内二次风量与一次风量的比例，使预热解室内部整体呈现还原性气氛，以抑制煤粉在高温预燃室内热解时NOx的生成，能够降低NOx排放；经过改造后，一台预热解旋流燃烧器可在30％设计负荷下稳定运行；当关闭其他五层层燃烧器，只运行切圆旋流耦合燃烧器中的四台预热解旋流燃烧器时，可实现锅炉在6％-20％超低负荷稳定运行，可为电厂带来更多收益。

进一步的，采用本发明所述超低负荷运行方法，还能扩大燃料的适合种类。

附图说明

图1为本发明一种超低负荷稳燃预热解燃烧器及系统设计的结构示意图。

图2为本发明一种超低负荷稳燃预热解燃烧器及系统设计的预热解旋流燃烧器结构示意图。

图3为本发明一种超低负荷稳燃预热解燃烧器及系统设计的燃烧器布置示意图。

图4为本发明一种超低负荷稳燃预热解燃烧器及系统设计的燃烧器喷口布置示意图。图中：1-磨煤机、2-风箱、3-第一给粉管道、4-直流燃烧器、5-给粉管道换向阀、6-二次风调节阀、7-预热解旋流燃烧器、71-中心管、72-旋流内二次风管道、73-轴向叶片、74-外二次风管道、75-预热解室、76-外二次风喷口、8-锅炉炉膛、9-二次风管道、10-第二给粉管道、11-切圆旋流耦合燃烧器、12-主燃烧器、121-燃烧器喷口、122-辅助风喷口、13-燃尽风喷口、14-分离风喷口。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶部、”“底部、”“一侧、”“另一侧、”“前面、”“后面”、“中间部位、”“内部”、“顶端”、“底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一、”“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明提供一种超低负荷稳燃预热解燃烧器及系统设计，包括预热解旋流燃烧器以及超低负荷稳燃系统；

预热解旋流燃烧器7包括中心管71、旋流内二次风管道72、轴向叶片73、外二次风管道74、预热解室75、外二次风喷口76；所述第二给粉管道10与中心管71相连，所述中心管71、旋流内二次风管道72、外二次风管道74同轴布置，所述中心管71出口与预热解室入口相连，所述轴向叶片73安装于旋流内二次风管道72中，且环向布置于中心管71上，所述外二次风喷口76与外二次风管道74相连通，且均匀布置于预热解室75四周。

参考图2，沿着介质流向，预热解室设有第一段和第二段，所述第一段和第二段的截面面积均逐渐增大，并且所述面积呈线性增大，第二段相对于第二段有一外扩角α，外扩角α在设定范围90°～135°可调，燃用燃烧特性差的煤种时，绝热腔体外扩角度和外二次风管角度增大，以有利于部分卷吸高温烟气提供热解所需的部分热量。

旋流内二次风管道72内的风量占总体的15％-30％，通过调节旋流内二次风量与一次风量的比例，使预热解室75内部整体呈现还原性气氛，以抑制煤粉在高温预燃室内热解时NOx的生成，能够降低NOx排放；

所述轴向叶片73可通过安装于管道外的调节件统一调节轴向叶片73的角度，改变旋流强度，增加或减少高温烟气的卷吸量，控制预热解室75的温度，使煤粉在预热解室75内进行低温热解，热解产物与外二次风喷口76喷出的外二次风混合，喷入锅炉炉膛8内，然后稳定燃烧；经过改造后，单台所述预热解旋流燃烧器7可实现在30％设计负荷下稳定运行。

超低负荷稳燃系统包括直流燃烧器4、预热解旋流燃烧器7和给粉系统；所述直流燃烧器4对称布置于锅炉炉膛8四角上，且位于同一水平高度，每层设置四个所述直流燃烧器4，共6层，分别标记为A、B、C、D、E和F，每层燃烧器分别对应连通一个磨煤机1；

所述预热解旋流燃烧器7喷口与B层、C层、D层、E层或F层直流燃烧器4喷口位于同一水平面，设置四个，分为两对，对称分布于锅炉炉膛8的前后墙上；

给粉系统包括磨煤机1、风箱2、第一给粉管道3、给粉管道换向阀5、二次风调节阀6、二次风管道9、第二给粉管道10，所述磨煤机1通过一第一给粉管道3与直流燃烧器4相连，所述预热解旋流燃烧器7通过第二给粉管道10与第一给粉管道3连接，其连接处布置有给粉管道换向阀5，通过给粉管道换向阀5来实现燃烧器给粉的切换，风箱2布置于锅炉炉膛8左右两侧侧墙上，与直流燃烧器4相连通，预热解旋流燃烧器7通过二次风管道9与风箱2相连通，二次风调节阀6布置于二次风管道9上，通过二次风调节阀6的开启、关闭来控制预热解旋流燃烧器7二次风的供给。

预热解旋流燃烧器7与炉膛四个角的直流燃烧器4耦合形成切圆旋流耦合燃烧器11。

主燃烧器12位于燃尽风喷口13的下方，所述分离风喷口14位于燃尽风喷口13的上方，所述主燃烧器12、燃尽风喷口13、分离风喷口14对称分布在锅炉炉膛9四角上；所述主燃烧器12上两个相邻的辅助风喷口122之间布置有一个燃烧器喷口121，预热解旋流燃烧器7布置在主燃烧器12的中上层，即B-F层的任意一层。

给粉管道换向阀5有A通道、B通道和C通道三个通道，A通道和B通道开启时，一次风粉由磨煤机1输出，通过第一给粉管道3、第二给粉管道10输送至预热解旋流燃烧器7，此时，二次风调节阀6开启，输入二次风至预热解旋流燃烧器7，煤粉在预热解室75内进行低温热解后，喷入锅炉炉膛8内，然后稳定燃烧；

A通道和C通道两个通道开启时，一次风粉由磨煤机1输出，通过第一给粉管道3输送至直流燃烧器4，预热解旋流燃烧器7停止运行，二次风调节阀6关闭，煤粉由直流燃烧器4喷入锅炉炉膛8内进行切圆燃烧。

当锅炉满负荷运行时，五台磨煤机1运行，一台磨煤机1备用；当锅炉降负荷时，关闭燃烧器层以及对应的磨煤机1；锅炉负荷与磨煤机1运行台数之间的关系可按下式计算：

D＝n÷5×100％

式中，D表示锅炉蒸发量，n表示磨煤机1运行台数，n＝1,2,3,4,5。

当锅炉只运行一台磨煤机1时，只开启一层燃烧器，直流燃烧器已无法正常运行；此时，运行预热解旋流燃烧器7，给粉管道换向阀5的A通道和B通道开启，C通道关闭，四角的直流燃烧器4关闭；当四台预热解旋流燃烧器7满负荷运行时，锅炉的负荷为1÷5×100％＝20％；经过改造的预热解旋流燃烧器7单台即可在30％设计负荷下稳定运行，若4台预热解旋流燃烧器7均在30％负荷下运行时，锅炉的负荷最低可达30％×100％＝6％。

本发明的实施例中，预热解旋流燃烧器7安装在主燃烧器的中上层，即为B层到F层的任意一层。为便于阐述，本发明的实施例中，预热解旋流燃烧器7皆安装于主燃烧器的C层，实际应用中，预热解旋流燃烧器7的安装位置可灵活调节。考虑屏式过热器的温度要求，当锅炉降负荷时，从锅炉炉膛8最底层向上依次关闭每层燃烧器。

实施例一，600MW锅炉在满负荷工况下运行时，五台磨煤机1运行，一台磨煤机1备用。每台磨煤机1通过第一给粉管道3向各自对应的燃烧器层内的直流燃烧器4输送一次风粉，由风箱2提供辅助风，一次风粉和辅助风混合射入锅炉炉膛8内，受上游邻角横扫过来的高温火焰的直接冲击，着火条件优越，即可稳定着火。对于主燃烧器12的C层，在满负荷工况下，其四台预热解旋流燃烧器7暂不运行，只运行四台直流燃烧器4。给粉管道换向阀5的A通道和C通道开启，B通道关闭，二次风调节阀6关闭。一次风粉由磨煤机1输出，首先到达给粉管道换向阀5的A通道处，由给粉管道换向阀5的C通道到达布置于锅炉炉膛8四角上的四台直流燃烧器4，射入锅炉炉膛8内，然后着火燃烧。

实施例二，当600MW锅炉在80％负荷工况下运行时，关闭A层燃烧器并停用对应的磨煤机1，运行其他四台磨煤机1，一台磨煤机1备用。此时，锅炉的一次风粉与辅助风输送方式与实施例一完全相同。每台磨煤机1通过第一给粉管道3向各自对应的燃烧器层内的直流燃烧器4输送一次风粉，由风箱2提供辅助风，一次风粉和辅助风混合射入锅炉炉膛8内，然后稳定着火。四台预热解旋流燃烧器7暂不运行，只运行四台直流燃烧器4。给粉管道换向阀1的A通道和C通道开启，B通道关闭，二次风调节阀6关闭。一次风粉由磨煤机1输出，通过第一给粉管道3依次经过给粉管道换向阀5的A通道和C通道，再到达布置于锅炉炉膛8四角上的切圆旋流耦合燃烧器11内的四台直流燃烧器4，射入锅炉炉膛8内，然后着火燃烧。

实施例三，600MW锅炉在60％负荷工况下运行时，关闭A层和B层燃烧器并停用对应的磨煤机1，运行其他3台磨煤机1，一台磨煤机1备用。此时，锅炉的一次风粉与辅助风输送方式与实施例一完全相同，故不再赘述。

实施例四，600MW锅炉在40％负荷工况下运行时，关闭锅炉炉膛9底部的A层、B层和D层燃烧器并停用对应的磨煤机1，运行其他2台磨煤机1，一台磨煤机1备用。此时，锅炉的一次风粉与辅助风输送方式与实施例一完全相同，故不再赘述。

实施例五，600MW锅炉在20％负荷以下工况运行时，关闭A层、B层、D层和E层燃烧器并停用对应的磨煤机1，开启C层预热解旋流燃烧器7，运行对应的磨煤机1，F层磨煤机1备用。关闭四台直流燃烧器4，给粉管道换向阀1的A通道和B通道开启，C通道关闭，二次风调节阀6开启。一次风粉由磨煤机1输出，依次通过第一给粉管道3、给粉管道换向阀5的A通道、B通道和第二给粉管道10，然后到达布置于锅炉炉膛8前后墙上的4台预热解旋流燃烧器7，预热解旋流燃烧器7由旋流内二次风管道72和外二次风管道74提供辅助风，二次风调节阀6开启，二次风管道9与风箱2相连通，从而为预热解旋流燃烧器7提供辅助风。煤粉在预燃室75内进行低温热解，其产物与外二次风喷口76喷出的外二次风混合，喷入锅炉炉膛8内，然后稳定燃烧。当四台预热解旋流燃烧器7均在30％设计负荷下稳定运行时，此时锅炉负荷可降低至6％。