一种旋风炉低NOx燃烧方法和旋风炉液态排渣余热回收利用系统

摘要

本发明公开了一种旋风炉低NOx燃烧方法和旋风炉液态排渣余热回收利用系统，该方法通过旋风筒二次风进口送入富氧的空气(O2浓度＞21％)以使旋风筒内可以达到更深程度的分级送风，从而大大降低旋风炉燃烧过程中污染物NOx的生成，减轻环境污染；同时所提出的旋风炉液态排渣余热回收利用系统，针对液态渣粒化时产生的大量水蒸气和高温的冲渣水所具有的热量进行了回收利用，本发明不仅能大大降低旋风炉燃烧过程中污染物NOx的生成，减轻环境污染，同时还对旋风炉液态排渣所具有的大量物理显热进行回收利用，提高锅炉热效率，减少回热系统的抽汽量，提高机组发电出力，降低发电煤耗，节约水资源，提高液态渣的粒化质量，减少工业水的热污染以及大量水蒸气排入大气后所造成的环境热污染，减轻工厂区热岛效应，具有显著的社会经济效益和环境效益。

说明书

方法领域：

本发明属于旋风炉应用领域，涉及一种旋风炉低NO_x燃烧方法及其液态渣余热回收利用系统，同时本发明所提出的低NO_x燃烧方法也适用于其他锅炉型式，而所提出的液态排渣余热回收利用系统尤其适用于具有液态排渣的燃烧设备领域，如高炉炼铁、冶金行业等。

背景方法：

旋风炉是指采用旋风燃烧方式的动力用蒸汽锅炉。空气带动燃料颗粒在圆筒内旋转燃烧时称为旋风燃烧，旋风燃烧是人为组织的一种稳定的、可控的高速旋转火焰流，它充满在整个燃烧室空间，具有极其强烈的扰动能力，比一般室燃方式具有更高的热强度。旋风炉中主要进行燃烧的圆筒称为旋风筒，一台旋风炉可以有一只或数只旋风筒。由于旋风筒内具有很高的燃烧温度和燃烧强度，会使得燃烧形成的渣熔化并且粘附在筒壁上形成液态渣膜，液态渣排出筒外形成液态排渣。

旋风炉具有很高的燃烧温度和很强的湍流混合强度，优良的传热和传质条件，能充分保证燃料的完全燃烧，其化学不完全燃烧损失、机械不完全燃烧损失都较小。排渣中的含碳量一般均小于0.2％，飞灰中的含碳量远低于一般煤粉炉，飞灰份额也大大低于煤粉炉。在旋风炉中，燃烧与燃料的性质无关，无论难燃或易燃的燃料都可以在旋风炉中稳定而完全地燃烧，同时由于其燃料只需破碎，因而可以大大简化甚至取消庞大的制粉系统，节约制粉电耗。

与煤粉炉相比，旋风炉的优势主要体现在以下几个方面：

燃烧稳定，燃烧经济性高；

燃料只需破碎，简化制粉系统，大大节约制粉电耗；

热强度高，锅炉体积小；

旋风筒内的高扰动性能和高温度水平，是旋风炉强化燃烧的基础。采用旋风炉，可以使整个锅炉的金属消耗量大为减少，与同容量的煤粉炉相比，可以使锅炉房的面积缩小25％，锅炉房容积缩小30％，重量减少20～25％。

捕渣率高，飞灰含量大大降低，使得对流受热面磨损缓解；对于旋风炉，只有15～30％的灰分进入对流烟道，而对于煤粉锅炉通常为80％ 左右的灰分经过对流受热面，因而旋风炉对流受热面的磨损要比煤粉炉轻得多。旋风筒内高速旋转的气流具有很高的分离熔渣的能力，各种类型的旋风炉的捕渣率大体在70～85％之间。旋风炉的高捕渣率可以大大地减少烟气带走的飞灰量，其本身就相当于一台效率为70～85％的除尘器，因此与煤粉炉相比，可节约除尘器总投资的三分之一，经济效益显著。

过量空气系数低，可以降低排烟热损失；

由于旋风筒内扰动强烈，可以采用低氧燃烧，旋风筒内的过量空气系数一般为1.05～1.1，因而可以减小排烟热损失。

可以燃用多种燃料；

在旋风炉中，由于具有很高的燃烧温度(通常1649℃以上)和扰动能力，燃烧与燃料的性质无关，无论难燃或易燃的燃料都可以在旋风炉中稳定而完全燃烧。

灰渣便于综合利用。

从以上可以看出，旋风炉具有非常优越的优点，但是，它并不是“十全十美”的，也存在一些缺点和问题，其中最大的缺点和问题包括以下两个方面：

◆污染物NO_x生成高；

由于旋风筒内具有很高的燃烧温度和强烈的湍流混合强度，使得其污染物NO_x的生成量比一般煤粉炉要高出很多，而这与我国日趋严格的环境保护标准是格格不入的，如我国自2010年1月1日起新实施的《火电厂大气污染物排放标准》中对燃煤锅炉第3时段的污染物NO_x排放浓度规定为：重点地区是200mg/m³；其他地区是400mg/m³。虽然在各种降低NO_x的方法中分级送风方法是一种已经被广泛应用的非常经济有效的方法，但是，当分级送风方法被应用于旋风炉领域时，随着旋风筒内过量空气系数的降低，旋风筒内的温度水平也跟着具有较大程度的降低，而这会对维持正常的液态排渣构成威胁。因此，由于受旋风筒内液态排渣正常进行的最低过量空气系数的限制，使得旋风筒内能够达到的分级送风的程度有限，其最低过量空气系数大约在0.8左右，因而使得分级送风这一方法所具有的降低NO_x的能力得不到充分发挥。

◆液态排渣灰渣物理热损失大。

旋风炉液态排渣具有很高的温度，一般约为1400℃左右，当其遇到25℃左 右的冲渣冷却水急剧冷却粒化时将放出大量的热量，产生大量的水蒸气和大量温度在85～90℃左右的冲渣水，长期以来，这部分热量都得不到合理的利用，而是白白浪费掉，并且产生的大量水蒸气和冲渣水排入环境后会造成环境热污染。同时当冲渣水循环使用时，随着循环冲渣水温度的逐渐升高，势必造成液态渣粒化率下降，形成粒化箱内结焦量增大，严重时可造成堵渣，致使锅炉停运，因此，不得不补充大量的新水来降低循环冲渣水的温度，而这将消耗大量的水资源，特别是对于水资源缺乏地区，这将产生严重的社会危害。

为了设法降低旋风炉中NO_x生成，美国专利WO 2007/117243A1中提出了一种纯氧燃烧旋风炉方案，通过将空气中的氧气分离后与烟气混合送入炉膛中进行燃烧，该方案虽然能够达到降低NO_x的目的，但是由于要对燃烧所需的空气进行分离制氧，这将耗费大量的经济成本，并且该方案只能降低热力型NO_x的生成，而对燃料型NO_x的生成基本无抑制作用，甚至反而会增加燃料型NO_x的生成，同时该方案未能考虑到对旋风炉液态排渣所具有的大量热量进行回收利用，使得这部分热量得不到合理利用，而被白白浪费掉。与之相类似，在美国随后的专利WO 2008/151271A1中提出了一种降低旋风炉NO_x排放的系统和方法，通过在旋风筒二次风进口送入部分氧气以及在炉膛上部增设煤粉再燃器来达到降低NO_x的目的，该方法虽然能够大大降低燃烧过程中NO_x的生成，但是同样存在具有很高成本的空气分离制氧过程，并且该方法由于需要采用煤粉再燃，因此需要额外增设一套燃料制粉系统，增加制粉电耗，使旋风炉本身所具有的取消制粉系统及节约制粉电耗的优点大打折扣，同时该方法同样未能考虑到液态排渣具有灰渣物理热损失大的问题，而未对这部分热量进行二次回收利用。

发明内容：

针对目前有关旋风炉领域已有发明专利所存在的缺点和不足，本发明提出了一种旋风炉低NOx燃烧方法及其液态排渣余热回收利用系统，其目的在于，降低旋风炉燃烧过程中的污染物NO_x排放和液态排渣灰渣物理热损失。

为了实现上述任务，本发明是通过以下技术方案来解决的：

一种旋风炉低NO_x燃烧方法，将旋风筒和锅炉炉膛通过排渣管连接；在锅炉炉膛上方设置OFA喷口；在旋风筒顶部设置一次风进口和喷燃器；在旋风筒 上方设置二次风进口；在在旋风筒底部设置粒化水箱；通过二次风进口送入的二次风是氧气浓度大于21％的富氧空气；控制旋风筒1内的过量空气系数范围在0.5～0.7；在OFA喷口送入达到完全燃烧所需的剩余空气，其过量空气系数为1.1～1.2。

所述旋风筒采用立式布置、卧式布置或立式卧式多层布置；所述多层布置是单侧布置、双侧对冲布置或双侧不对冲布置；

所述旋风筒内水冷壁管子外焊有密置的销钉，销钉间铺设一层耐火内衬。

一种旋风炉液态排渣余热回收利用系统，所述系统包括蒸汽余热回收系统和冲渣水余热回收系统；所述蒸汽余热回收系统和冲渣水余热回收系统都与液态渣粒化水箱相连接。

所述蒸汽余热回收系统包括间壁式换热器和若干个阀门；所述间壁式换热器通过若干个阀门与电厂凝结水低压加热器回路连接；所述冲渣水余热回收系统包括分离式热管换热器、循环水泵和沉淀过滤池；所述沉淀过滤池和循环水泵串接在液态渣粒化水箱和分离式热管换热器蒸发段之间；所述分离式热管换热器的冷凝段依次与汽轮机、发电机、工质冷凝器和工质泵串接形成低温发电循环回路；考虑到冬季时可能需要对电厂家属区及周边用户住宅区进行采暖供热，因此该余热回收系统连接有冬季采暖系统。

所述蒸汽余热回收系统包括间壁式换热器和若干个阀门；所述间壁式换热器通过若干个阀门串接在电厂凝结水低压加热器回路中；所述冲渣水余热回收系统包括分离式热管换热器、沉淀过滤池和循环水泵；所述沉淀过滤池和循环水泵依次串接在液态渣粒化水箱和分离式热管换热器蒸发段之间；所述分离式热管换热器的冷凝段通过阀门与电厂凝结水低压加热器回路连接。

所述分离式热管换热器的蒸发段采用耐腐蚀钢材、冷凝段采用普通钢材。

其基本原理如下：

分级送风是一种已经被广泛应用的非常经济有效的降低燃烧过程中NO_x排放的方法，然而，当分级送风技术被应用于旋风炉领域时，随着旋风筒内过量空气系数的降低，使得旋风筒内的温度水平也跟着具有较大程度的降低，这就有可能对维持正常的液态排渣构成威胁。因此，由于受旋风筒内液态排渣正常进行的最低过量空气系数的限制，使得旋风筒内能够达到的分级送风的程度有限，其最低过量空气系数大约在0.8左右，因而使得分级送风所具有的降低NO_x的能力得 不到充分发挥。为此，本发明提出了一种送入富氧的空气(其中O₂的浓度大于21％)的新思想：在旋风炉分级送风的基础上，通过旋风筒二次风进口送入富氧的空气，由于旋风筒内氧气浓度的增大，使得旋风筒内的燃烧温度大大提高，同时还能使污染物NO_x的生成有较小程度的降低，而通过旋风筒二次风进口送入富氧的空气所带来的最大好处是：由于旋风筒内温度的大大提高，使得维持液态排渣正常进行的最低过量空气系数的限制可以达到更低，即旋风筒内可以达到更深程度的分级送风(其过量空气系数为0.5～0.7，甚至更低)，而不会对旋风炉液态排渣的正常进行构成威胁，从而使得分级送风技术所具有有的降低NO_x的能力得到最大程度的发挥，大大降低燃烧过程中污染物NO_x的产生。

其特征在于：

所述旋风筒可分为立式和卧式两种，且可以根据需要采用多个旋风筒，进行多层布置(对于立式旋风筒采用多层布置时，考虑到布置空间的限制，可以采用多层交错布置)，同时多层布置时可以采用单侧布置，双侧对冲布置、双侧不对冲布置等方式；旋风筒内水冷壁管子外焊有密置的销钉，销钉间铺设一层耐火内衬；

所述旋风筒内的过量空气系数范围在0.5～0.7，甚至更低，为强还原性气氛；

通过二次风进口送入的二次风是富氧的空气，其中氧气的浓度大于21％(具体送入的氧气的浓度与实际燃用的煤种有关，存在一个最优值，可以通过试验确定)；

达到完全燃烧所需的剩余空气是由OFA喷口送入的，其过量空气系数大约为1.1～1.2左右；

送入完全燃烧所需剩余空气的OFA喷口可以根据具体需要布置多层，且各层间的送风量可以相等或不等。

一种旋风炉液态排渣余热回收利用系统，分别针对液态渣粒化时产生的大量水蒸气和大量具有较高温度的冲渣水(约85℃左右)所具有的余热进行了二次回收利用，提出了两种可供选择的方案。在方案1中，针对蒸汽和冲渣水的余热回收分别包括有两种可供选择的回收途径，一是对冬季需要进行供暖的电厂家属区及周边用户住宅区进行采暖供热，二是利用蒸汽来加热来自电厂某一级加热器的凝结水，冲渣水用于低温余热发电，获得高品位的电能，其系统主要包括有液 态渣粒化水箱、沉淀过滤池、循环水泵、汽轮机、发电机、工质冷凝器、工质泵、分离式热管换热器、间壁式换热器、阀门。在方案2中，将液态渣粒化时产生的水蒸气和冲渣水所具有的余热都用来加热来自电厂某一级加热器的凝结水，其系统主要包括有液态渣粒化水箱、沉淀过滤池、循环水泵、分离式热管换热器、间壁式换热器、阀门。在具体实施过程中，可以根据具体实际需要只对蒸汽或冲渣水所具有的余热进行回收利用。

其特征在于：

针对旋风炉液态排渣的余热回收利用分别提出了两种可供用户选择的方案，从而大大拓宽了本发明的适用范围；

在方案1的冲渣水余热回收发电循环回路中，所选用的循环工质为在80～40℃范围内具有较大焓降、工质压力适中、成本低廉的低沸点工质，如氯乙烷、氟利昂-11、氟利昂-12、液氨、R134a等；

当利用液态渣粒化时产生的蒸汽或冲渣水余热来加热电厂某一级加热器的凝结水时，考虑到整个系统的最优化问题，具体凝结水从电厂哪一级加热器引出以及从哪一级再回到原加热器系统中都与具体的热力系统参数有关，需要通过计算确定，为此在本发明中用小写英文字母i、j、m、n来表示其对应的最优值；

当利用液态渣粒化时产生的蒸汽或冲渣水余热来加热电厂某一级加热器的凝结水时，其加热循环回路在整个加热器系统中的联结方式可以采用串联方式也可以采用并联方式，具体与实际的热力系统有关，需要通过优化计算确定；

考虑到冲渣水具有一定腐蚀性的特点，因此在对其进行余热回收时所选用的换热器为分离式热管换热器，其蒸发段采用耐腐蚀钢材，冷凝段采用普通钢材。

附图说明：

图1为本发明一种旋风炉低NO_x燃烧方法部分的结构示意图，图中各标号分别表示：1、旋风筒；2、煤粉和一次风进口；3、喷燃器；4、二次风进口；5、粒化水箱；6、排渣管；7、OFA喷口；8、锅炉炉膛；

图2为本发明旋风炉液态排渣余热回收利用系统部分方案1的结构示意图，图中各标号分别表示：9、液态渣粒化水箱；10、沉淀过滤池；11、循环水泵；12、汽轮机；13、发电机；14、工质冷凝器；15、工质泵；16、分离式热管换热 器；17、间壁式换热器；18、第一阀门；19、第二阀门；20、第三阀门；

图3为本发明旋风炉液态排渣余热回收利用系统部分方案2的结构示意图，图中各标号分别表示：9、液态渣粒化水箱；10、沉淀过滤池；11、循环水泵；16、分离式热管换热器；17、间壁式换热器。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，一种旋风炉低NO_x燃烧方法，所述旋风炉采用分级送风的方式，并且在旋风筒二次风进口送入富氧的空气；所述富氧的空气是指空气中所含O₂的体积百分比浓度大于21％的空气(具体送入的氧气的浓度与实际燃用的煤种有关，存在一个最优值，可以通过试验确定)。

包括有旋风筒1、煤粉和一次风进口2、喷燃器3、二次风进口4、粒化水箱5、排渣管6、OFA喷口7和锅炉炉膛8。

在具体实施过程中，上述旋风筒1可以根据需要布置多层，且可以采用单侧布置，双侧对冲布置、双侧不对冲布置等方式，且旋风筒1内水冷壁管子外焊有密置的销钉，销钉间铺设一层耐火内衬；

所述旋风筒内的过量空气系数范围在0.5～0.7，强还原性气氛；

达到完全燃烧所需的剩余空气是由OFA喷口7送入的，其过量空气系数大约为1.1～12左右；

送入完全燃烧所需剩余空气的OFA喷口7可以根据具体需要布置多层，且各层间的送风量可以相等或不等。

其工作过程是，在旋风炉分级送风的基础上，通过旋风筒二次风进口送入富氧的空气(其中O₂的浓度大于21％)，由于旋风筒内氧气浓度的增大，使得旋风筒内的燃烧温度大大提高，同时还能使污染物NO_x的生成有较小程度的降低，而通过旋风筒二次风进口送入富氧的空气所带来的最大好处是：由于旋风筒内温度的大大提高，使得维持液态排渣正常进行的最低过量空气系数的限制可以达到更低，即旋风筒内可以达到更深程度的分级送风(其过量空气系数为0.5～0.7，甚至更低)，而不会对旋风炉液态排渣的正常进行构成威胁，从而使得分级送风技术所具有有的降低NO_x的能力得到最大程度的发挥，大大降低燃烧过程中污染物NO_x的产生。

本发明一种旋风炉液态排渣余热回收利用系统，针对液态渣粒化时产生的大量水蒸气和大量具有较高温度的冲渣水(约85℃左右)所具有的余热进行了二次回收利用，提出了两种可供选择的方案，其中方案1如图2所示，方案2如图3所示。

参见图2，在方案1中，对液态渣粒化时产生的水蒸气和冲渣水所具有的余热除考虑到对冬季需要进行供暖的电厂家属区及周边用户住宅区进行采暖供热外，采用了不同的回收利用方法，其中蒸汽用来加热来自电厂某一级加热器的凝结水，冲渣水用于低温余热发电，获得高品位电能。其系统主要包括有液态渣粒化水箱9、沉淀过滤池10、循环水泵11、汽轮机12、发电机13、工质冷凝器14、工质泵15、分离式热管换热器16、间壁式换热器17、第一阀门18、第二阀门19、第三阀门20。

其具体过程如下：

液态渣粒化时产生的约100℃左右的蒸汽流经间壁式换热器17，通过凝结换热释放出汽化潜热后变成凝结水再回到粒化水箱中与冲渣水和新加入的冲渣冷却水水混合后用于粒化锅炉排出的液态渣，完成循环利用；引自电厂第i级加热器的凝结水流经间壁式换热器17吸收水蒸气凝结时释放的潜热后再回到原加热器系统中。其中第一阀门18可以用来控制蒸汽加热回路与原加热器系统的具体连接方式，即串联还是并联，当第一阀门18关闭时即为串联连接，打开时则为并联连接方式。在并联连接的前提下，即第一阀门18处于打开状态，经过蒸汽加热的凝结水回路可以从第i级加热器回到原加热器系统，也可以从第j级回到原加热器系统，也可以分成两路分别从第i、j级加热器回到原加热器系统，具体需要根据实际的热力系统参数进行最优化计算确定。

液态渣粒化时产生的温度约为85℃左右冲渣水，先经过沉淀过滤池10，去除冲渣水中所含有的杂质颗粒，然后在循环水泵11的作用下流经分离式热管换热器16的蒸发段放出热量，考虑到冲渣水可能具有一定的腐蚀作用，分离式热管换热器蒸发段采用耐腐蚀钢材，放出热量后温度降为50℃左右的冲渣水再回到粒化水箱中用于粒化液态排渣，完成循环利用；低沸点循环工质在分离式热管换热器16的冷凝段中吸热后成为80℃左右的过热蒸汽，然后进入汽轮机12膨胀做功，带动发电机13发电，做功后的工质变成低压过热蒸汽，低压过热蒸汽经由工质冷凝器14放出热量，变成低温低压的液体工质，在工质循环泵15的作 用下再次进入换热器16中吸收冲渣水放热完成循环过程。

参见图3，在方案2中，将液态渣粒化时产生的水蒸气和冲渣水所具有的余热都用来加热来自电厂某一级加热器的凝结水，其系统主要包括有液态渣粒化水箱9、沉淀过滤池10、循环水泵11、分离式热管换热器16、间壁式换热器17、第一阀门18、第二阀门19、第三阀门20。

其具体过程如下：

液态渣粒化时产生的约100℃左右的水蒸气流经间壁式换热器17，释放汽化潜热后变成凝结水再回到粒化水箱中与冲渣水和新加入的冲渣冷却水水混合后用于粒化锅炉排出的液态渣，进行循环使用；引自电厂第j级加热器的凝结水流经间壁式换热器17吸收蒸汽凝结时释放的潜热后从第m级加热器回到原加热器系统。

液态渣粒化时产生的温度约为85℃左右冲渣水，先经过沉淀过滤池10，去除冲渣水中所含有的杂质颗粒，然后在循环水泵11的作用下流过分离式热管换热器16的蒸发段放出热量，考虑到冲渣水可能具有一定的腐蚀作用，分离式热管换热器蒸发段采用耐腐蚀钢材，放出热量后温度降为50℃左右的冲渣水再回到粒化水箱中用于粒化液态排渣，完成循环利用；引自电厂第i级加热器的凝结水流经分离式热管换热器16的冷凝段吸收热量后从第n级加热器回到原加热器系统。

本发明所提出的一种旋风炉低NO_x燃烧方法及其液态排渣余热回收利用系统，不仅能大大降低旋风炉燃烧过程中污染物NO_x的生成，减轻环境污染，而且所提出的旋风炉液态排渣余热回收利用系统，通过分别对液态渣粒化时产生的大量水蒸气和高温的冲渣水所具有的热量进行回收利用，大大降低锅炉灰渣物理热损失，提高锅炉热效率，减少回热系统的抽汽量，提高机组发电出力，降低发电煤耗，同时热量回收利用后的蒸汽和冲渣水循环利用，粒化旋风炉液态排渣，可以节约水资源，提高液态渣的粒化质量，减少工业水的热污染以及大量水蒸气排入大气后所造成的环境热污染，减轻工厂区热岛效应，具有显著的社会经济效益和环境效益。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。