超临界二氧化碳燃煤锅炉及其多级烟气再循环方法技术

本发明专利技术首先公开了一种超临界二氧化碳燃煤锅炉，包括炉膛、锅炉烟道和再循环烟道；所述炉膛包括小炉膛段、大炉膛段和炉膛过渡段；所述炉膛的壁面设置有底二次风喷口、一次风喷口、二次风喷口、OFA风喷口和SOFA风喷口；所述再循环烟道的出口端分成五条出口支路烟道，分别与各路风喷口独立连通；各所述出口支路烟道分别设置有循环风分控阀。本发明专利技术其次公开了上述超临界二氧化碳燃煤锅炉的多级烟气再循环方法，将从锅炉烟道中抽取的再循环烟气按照一定比例与底二次风、一次风、二次风、OFA风或SOFA风中的至少二者进行混合后从对应的喷口送入炉膛中。本发明专利技术能够在掺混再循环烟气的同时保证煤粉高效燃烧。

Supercritical Carbon Dioxide Coal-fired Boiler and Its Multistage Flue Gas Recycling Method

【技术实现步骤摘要】
超临界二氧化碳燃煤锅炉及其多级烟气再循环方法
本专利技术属于超临界二氧化碳燃煤锅炉领域，具体是指一种超临界二氧化碳燃煤锅炉及其多级烟气再循环方法。
技术介绍
当下，以水作为循环工质的燃煤发电系统遇到了效率瓶颈。为提高总效率，减少传热损失，只能不断提高工质循环的参数，但这又受到了材料的限制，越来越难找到能够适应高蒸汽参数的材料，且材料成本也越来越高。由于这些情况的出现，超临界二氧化碳动力系统得到关注。超临界二氧化碳具有特殊的物理性质，以其作为工质的发电系统拥有更小的尺寸和更小的占地面积，而且由于其能量密度比水大，按照现有钢材耐高温水平，超临界二氧化碳锅炉系统效率更高。然而，超临界二氧化碳的传热系数只有水工质传热系数的1/3左右，同时，由于超临界二氧化碳布雷顿循环的特性，锅炉进口超临界二氧化碳温度将达到400～500℃左右，压力也在30MPa以上，为保证吸热，势必会导致壁面温度升高。当壁面温度升高后，显然就会引起炉膛壁面超温安全问题。利用烟气再循环来处理超临界二氧化碳锅炉的炉膛壁面温度过高问题是一个有潜力的解决方案。这种方案通过烟气再循环，能够降低炉膛的整体温度，降低炉膛热流密度，使得热力型NOx的生成大大减少，抑制结焦，炉膛安全性提升；同时还增大了烟气体积，有利于对流受热面的布置。但是，由于烟气再循环降低了炉膛的整体温度，会使得燃烧效率大大降低。目前，烟气再循环一般是从炉膛底部直接喷入或与一次风(或二次风)预混后重新进入炉膛进行循环，例如申请号为201820962786.9的中国专利，将再循环烟气在空气预热器中与一次风连通形成混合风再送入炉膛。也有部分专利采用分层思想，例如申请号为201820769536.3中国专利，将循环烟气分为了两部分，一部分与二次风混合送入炉膛，一部分在炉膛的上部烟道位置送入炉膛。上述方案的不足之处均在于虽然实现了烟气再循环的基本要求，但大大降低了燃烧效率或在负荷变动时不能保证较高的燃烧效率，这与超临界二氧化碳锅炉要求更高的总效率是相违背的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超临界二氧化碳燃煤锅炉及其多级烟气再循环方法，能够在掺混再循环烟气的同时保证煤粉高效的燃烧。为实现上述目的，本专利技术所设计的超临界二氧化碳燃煤锅炉，包括炉膛、锅炉烟道和再循环烟道；所述炉膛包括位于下部、口径(即宽深)较小的小炉膛段，位于上部、口径较大的大炉膛段，以及连接在二者之间起到过渡作用的炉膛过渡段；所述炉膛的壁面设置有底二次风喷口、一次风喷口、二次风喷口、OFA风喷口和SOFA风喷口；所述底二次风喷口、一次风喷口和二次风喷口设置在小炉膛段的壁面上，所述OFA风喷口设置在小炉膛段、大炉膛段和炉膛过渡段三者之一的壁面上，所述SOFA风喷口设置在大炉膛段的壁面上；所述再循环烟道的出口端设置有五条出口支路烟道，五条所述出口支路烟道分别与底二次风喷口、一次风喷口、二次风喷口、OFA风喷口和SOFA风喷口独立连通；五条所述出口支路烟道均设置有控制支路通过的烟气流量的循环风分控阀。优选地，所述再循环烟道上还设置有循环风机和循环风总控阀。优选地，所述锅炉烟道的尾部依次设置有空气预热器、除尘器和引风机，所述再循环烟道的进口端设置有三条进口支路烟道，三条所述进口支路烟道均与锅炉烟道连通且分别连接在空气预热器前、除尘器前和引风机前。优选地，所述大炉膛段的口径为小炉膛段的口径的1.1～1.6倍，所述炉膛过渡段为上大下小的漏斗形，其侧面与水平面的夹角为20～80°。本专利技术同时公开了采用前述超临界二氧化碳燃煤锅炉的多级烟气再循环方法，该方法将从锅炉烟道中抽取的再循环烟气按照一定比例与底二次风、一次风、二次风、OFA风或SOFA风中的至少二者进行混合后从对应的喷口送入炉膛中。具体的再循环烟气的混入位置和比例根据所限的炉膛最高温度、NOx浓度水平以及燃烧效率进行优化调整。当炉膛局部温度偏低时，调低相应位置混入的再循环烟气，反之调高相应位置混入的再循环烟气；当NOX浓度水平较高时，调高相应位置混入的再循环烟气，反之调低相应位置混入的再循环烟气。优选地，在75％THA(THA指锅炉额定出力)～BMCR(锅炉最大连续出力)工况条件下，采用二次风与SOFA风组合，将再循环烟气的50％～70％与二次风混合，再循环烟气的30％～50％与SOFA风混合后从对应的喷口送入炉膛中。优选地，在50％THA～75％THA工况条件下，采用二次风与OFA风组合，将再循环烟气的70％～90％与二次风混合，再循环烟气的10％～30％与OFA风混合后从对应的喷口送入炉膛中；或者：采用一次风与SOFA风组合，将再循环烟气的40％～60％与一次风混合，再循环烟气的40％～60％与SOFA风混合后从对应的喷口送入炉膛中。优选地，在小于50％THA工况条件下，采用底二次风与OFA风组合，将再循环烟气的40％～60％与底二次风混合，再循环烟气的40％～60％与OFA风混合后从对应的喷口送入炉膛中。优选地，当需要更低的NOx水平或是炉膛温度分布要求更均匀时，采用三级以上组合，将再循环烟气按照一定比例与底二次风、一次风、二次风、OFA风或SOFA风中的至少三者进行混合后从对应的喷口送入炉膛中。例如：三级组合可采用再循环烟气的30％～60％混合二次风，10％～30％混合一次风，20％～40％混合SOFA风；四级组合可采用再循环烟气的有10％～30％混合底二次风，10％～30％混合一次风，20％～40％混合二次风，10％～30％混合SOFA风；五级组合可采用再循环烟气10％～20％的混合底二次风，10％～20％混合一次风，20％～40％混合二次风，10％～20％混合OFA风，10％～20％混合SOFA风；上述比例可考虑燃烧效率来进行整体调整优化。优选地，所述再循环烟气的抽取位置为空气预热器前、除尘器前或引风机前的锅炉烟道上，抽取比例分别为抽取位置处烟气流量的5％～50％。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1)在炉膛五个不同的高度位置均加入了可灵活调控的再循环烟气的出口支路烟道，可以对多个不同位置的局部超温点进行调节。2)由于热力型NOx生成或超温问题均主要在最高温的区域而降低炉膛整体温度又会导致燃烧效率下降，因此，对于不同负荷下的最高温区域进行精确喷入再循环烟气而尽量不对其他燃烧区域产生影响能够保障煤粉的高效燃烧。3)设计了独特的大炉膛-小炉膛分段结构，既保证了小炉膛段内煤粉燃烧稳定性的需求，同时又使得上部烟道得到扩展，解决了大比例烟气再循环所导致的烟速过大问题，大大降低了飞灰磨损。而且，由于烟气再循环而导致的炉膛冷却壁吸热量不足的问题也能通过上部的大炉膛结构增设冷却壁面积来解决。4)喷入的再循环烟气均提前在各进风口进行混合，且有阀门控制，可灵活控制是否混入再循环烟气，能够尽量降低对于炉膛内烟温偏差的影响。附图说明图1为本专利技术实施例1所设计的超临界二氧化碳燃煤锅炉的结构示意图。图2为图1中再循环烟道与各喷口连接示意图。其中：炉膛1、小炉膛段1.1、大炉膛段1.2、炉膛过渡段1.3、底二次风喷口1.4、一次风喷口1.5、二次风喷口1.6、OFA风喷口1.7、SOFA风喷口1.8、锅炉烟道2、空气预热器2.1、除尘器2.2、引风机2.3、再循环烟道3、循环风总控阀3.1、循本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超临界二氧化碳燃煤锅炉，包括炉膛(1)、锅炉烟道(2)和再循环烟道(3)，其特征在于：所述炉膛(1)包括位于下部且口径较小的小炉膛段(1.1)，位于上部且口径较大的大炉膛段(1.2)，以及连接在小炉膛段(1.1)与大炉膛段(1.2)之间的炉膛过渡段(1.3)；所述炉膛(1)的壁面设置有底二次风喷口(1.4)、一次风喷口(1.5)、二次风喷口(1.6)、OFA风喷口(1.7)和SOFA风喷口(1.8)；所述底二次风喷口(1.4)、一次风喷口(1.5)和二次风喷口(1.6)均设置在小炉膛段(1.1)的壁面上，所述OFA风喷口(1.7)设置在小炉膛段(1.1)、大炉膛段(1.2)和炉膛过渡段(1.3)三者之一的壁面上，所述SOFA风喷口(1.8)设置在大炉膛段(1.2)的壁面上；所述再循环烟道(3)的出口端设置有五条出口支路烟道(3.3)，五条所述出口支路烟道(3.3)分别与底二次风喷口(1.4)、一次风喷口(1.5)、二次风喷口(1.6)、OFA风喷口(1.7)和SOFA风喷口(1.8)独立连通；五条所述出口支路烟道(3.3)均设置有控制支路通过的烟气流量的循环风分控阀(3.4)。

【技术特征摘要】
1.一种超临界二氧化碳燃煤锅炉，包括炉膛(1)、锅炉烟道(2)和再循环烟道(3)，其特征在于：所述炉膛(1)包括位于下部且口径较小的小炉膛段(1.1)，位于上部且口径较大的大炉膛段(1.2)，以及连接在小炉膛段(1.1)与大炉膛段(1.2)之间的炉膛过渡段(1.3)；所述炉膛(1)的壁面设置有底二次风喷口(1.4)、一次风喷口(1.5)、二次风喷口(1.6)、OFA风喷口(1.7)和SOFA风喷口(1.8)；所述底二次风喷口(1.4)、一次风喷口(1.5)和二次风喷口(1.6)均设置在小炉膛段(1.1)的壁面上，所述OFA风喷口(1.7)设置在小炉膛段(1.1)、大炉膛段(1.2)和炉膛过渡段(1.3)三者之一的壁面上，所述SOFA风喷口(1.8)设置在大炉膛段(1.2)的壁面上；所述再循环烟道(3)的出口端设置有五条出口支路烟道(3.3)，五条所述出口支路烟道(3.3)分别与底二次风喷口(1.4)、一次风喷口(1.5)、二次风喷口(1.6)、OFA风喷口(1.7)和SOFA风喷口(1.8)独立连通；五条所述出口支路烟道(3.3)均设置有控制支路通过的烟气流量的循环风分控阀(3.4)。2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳燃煤锅炉，其特征在于：所述再循环烟道(3)上还设置有循环风机(3.2)和循环风总控阀(3.1)。3.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳燃煤锅炉，其特征在于：所述锅炉烟道(2)的尾部依次设置有空气预热器(2.1)、除尘器(2.2)和引风机(2.3)，所述再循环烟道(3)的进口端设置有分为三条进口支路烟道(3.5)，三条所述进口支路烟道(3.5)均与锅炉烟道(2)连通且分别连接在空气预热器(2.1)前、除尘器(2.2)前和引风机(2.3)前。4.根据权利要求1～3中任一项所述的超临界二氧化碳燃煤锅炉，其特征在于：所述大炉膛段(1.2)的口径为小炉膛段(1.1)的口径的1.1～1.6倍，所述炉膛过渡段(...

【专利技术属性】
技术研发人员：向军，朱萌，周敬，李艾书，凌鹏，胡松，苏胜，汪一，何立模，许凯，徐俊，韩亨达，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42