燃烧系统及其控制方法、预热设备
技术领域
本发明的实施例涉及预热燃烧领域，尤其涉及一种燃烧系统及其控制方法，一种预热设备。
背景技术
中国是以煤炭为主要能源的国家，每年煤炭燃烧消耗量约24亿吨，煤炭燃烧排放的NOx是大气雾霾的重要成因。燃用烟煤和褐煤的锅炉其NOx原始排放多在200mg/m3以上，其通过非选择性催化还原SNCR和选择性催化还原SCR联合脱硝措施(SNCR和SCR为燃烧后脱除技术)，达到超低NOx排放水平，燃用无烟煤的锅炉其NOx原始排放多在600mg/m3以上，即便通过SNCR和SCR联合脱硝措施也无法达到50mg/m3以下的超低NOx排放水平。此外，SNCR和SCR联合脱硝过程中，会带来氨逃逸引发的二次污染问题。因此，煤粉燃烧过程中大幅度降低NOx排放是洁净煤燃烧技术和燃煤锅炉发展的重要方向和行业的重大需求。
预热燃烧是煤粉先预热、再燃烧的方式，煤粉预热温度因高于800℃，预热过程中不但具有燃料改性而且煤氮向N2的转化比可达40％以上，预热为煤尤其是低挥发分煤的高效燃烧和低NOx排放创建了条件。
但煤粉预热燃烧中，预热燃料一次全部进入炉膛，不利于预热燃料燃烧生成的NOx的高效还原。
发明内容
为缓解或解决上述问题中的至少一个方面或者至少一点，提出本发明。
在本发明中，可以利用例如高温煤气的强还原性气体实现NOx的还原，可大幅度减少煤粉预热燃烧的NOx排放水平，有利于实现煤粉预热燃烧的超低NOx排放。
根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种燃烧系统，包括：
预热装置，所述预热装置包括两两相通的预热室、第一气固分离器和返料器；
第二气固分离器，第一气固分离器的上部出口与所述第二气固分离器入口相通，所述第二气固分离器具有位于上部的气体燃料出口以及位于下部的固体燃料出口；
炉膛，设置有固体燃料入口和气体燃料入口，所述固体燃料出口与固体燃料入口相通，所述气体燃料出口与气体燃料入口相通，所述气体燃料入口在高度方向上高于固体燃料入口。
根据本发明的实施例的另一方面，提出了一种上述燃烧系统的控制方法，所述炉膛设置有三次风入口，所述三次风入口在高度方向上处于固体燃料入口与气体燃料入口之间，所述方法包括步骤：使得来自第二气固分离器的固体燃料以及气体燃料分区燃烧。
根据本发明的实施例的又一方面，提出了一种预热设备，包括：
预热装置，所述预热装置包括两两相通的预热室、第一气固分离器和返料器；和
第二气固分离器，第一气固分离器的上部出口与所述第二气固分离器入口相通，所述第二气固分离器具有位于上部的气体燃料出口以及位于下部的固体燃料出口。
附图说明
图1为根据本发明的一个示例性实施例的燃烧系统的示意图；
图2为示例性示出图1中的燃烧系统的燃烧区域的划分的示意图；
图3为根据本发明的另一个示例性实施例的燃烧系统的示意图；
图4为根据本发明的再一个示例性实施例的燃烧系统的示意图。
具体实施方式
下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。在附图中，相同的附图标记表示相同或者相似的部件。
如图1所示，根据本发明的一个示例性实施例的锅炉(对应于燃烧系统)主要包括预热器1、气固分离器2和炉膛3。
在一个实施例中，预热器1为循环流化床，一次风输送煤粉进入预热器内，煤粉在预热器内预热温度到800℃以上。煤粉预热后转化为含有高温煤气和高温焦炭的预热燃料。
如图1所示，预热器1包括预热室10，预热室10为燃料提供预热的空间，在预热室上，虽然没有示出，但可以设置有：燃料入口，设置在预热室10的下部或底部，适于将燃料，例如煤，通入预热室；预热风入口，设置在预热室10的底部，适于将预热风通入预热室，预热风将用于流化预热室10内的固体物料，同时提供燃料部分燃烧所需要的氧气。与预热风入口相配合的，预热室10底部可以设置有布风装置，用于将预热风均匀通入预热室内。
如图1所示，预热器还包括第一气固分离器12，其可以为旋风分离器，虽然没有示出，但可以包括：筒段、锥段和顶板，分离器12的上部与预热室10上部相通，适于将在预热室中预热后的高温燃料分离；顶板上设置有中心筒，经过预热后达到要求的高温燃料(包括高温煤气和高温焦炭)从中心筒离开第一气固分离器12；锥段下部设置有下料管，经过分离器捕集下来的高温固体燃料和床料进入下料管中。筒段对应于第一气固分离器的分离腔室。
如图1所示，预热器还包括返料器13，返料器13与第一气固分离器12下部的下料管和预热室10下部相连通，适于将下料管中的高温固体燃料和床料返回至预热室10。
气固分离器2为第二气固分离器，包括入口、气体出口和固体出口。其可为旋风分离器或惯性分离器，可以具有与第一气固分离器相同的结构，即具有旋风筒和下料管21(对应于固体出口)以及上部出口(对应于气体出口)。其入口与第一气固分离器12的中心筒出口相通，第二气固分离器的气体出口与炉膛相通，固体出口通过另一个位置与炉膛相通。从第一气固分离器12的中心筒而来的高温燃料(高温煤气携带高温焦炭)流入气固分离器2内，在第二气固分离器的分离作用下，固体颗粒(高温焦炭)从分离器下料管21经高温固体燃料喷口进入锅炉燃烧；气体携带少部分未被分离的焦炭经上部出口22与同高温固体燃料不同的位置进入炉膛。
如图1所示，炉膛的炉膛壁包括肩部A，肩部A使得炉膛下部的横截面积大于炉膛上部，所述肩部A与竖向方向的外部夹角θ为钝角(在图中，假定炉膛的肩部以上的炉膛壁为竖直壁，从而对应于竖向方向)，肩部A与其他炉膛壁共同限定了炉膛的内部空间；且第二分离器分离的高温固体燃料从肩部的位置进入到炉膛内，在肩部设置有高温固体燃料喷口。高温气体燃料喷口22设置在炉膛竖直壁面上。在高温气体燃料喷口22的上方，还设置有燃尽风33。
通过炉膛肩部A和炉膛竖直壁面相交处的水平面，将炉膛的空间分为下部空间和上部空间。更具体的，炉膛3下部的前墙和后墙较上部向外倾斜(倾斜部构成肩部A)，炉膛下部空间大，炉膛3包括位于炉底的均匀二次风布风装置31，二次风从炉膛底部均匀供入，预热燃料从肩部倾斜向下喷入炉膛后，与炉底上来的二次风发生燃烧反应，高温焦炭在炉膛底部燃烧过程中形成的渣块可从锅炉底部排出，三次风从炉膛下部空间和上部空间的相邻处喷入，三次风入口设置在炉膛竖直壁面上。控制二次风的量，使得二次风到三次风喷口32之间的区域(处在炉膛下部空间内)为高温焦炭还原区，高温焦炭在还原性气氛下燃烧；三次风喷口32到高温气体燃料喷口22之间的区域(处在炉膛上部空间内)为高温焦炭的氧化区，高温气体燃料喷口22至燃尽风33的区域为高温煤气还原区，燃尽风33以上为燃尽区。以上的高温焦炭还原区、高温焦炭的氧化区、高温煤气还原区和燃尽区在图2中示例性示出。
因此，在图1所示的实施例中，煤粉预热后产生的含有高温煤气和高温焦炭的高温气固混合燃料未直接喷入炉膛，而是通过了气固分离器2实现了高温焦炭和高温煤气的分区燃烧，从而，可以将炉膛的燃烧分为高温焦炭还原区—高温焦炭氧化区—高温煤气还原区—燃尽区的四个控制区域。
下面示例性说明图1中的实施例的具体工作过程和原理。
一次风输送煤粉到预热器1内，预热器可为循环流化床，一次风量占煤粉理论燃烧空气量的15-30％，即一次风空燃当量比为0.15-0.30，循环流化床可为绝热式，也可内置水冷受热面，煤粉预热温度为800-1000℃，超出着火点。烟煤粉在预热器内预热过程中，其析出的挥发分和部分焦炭等与一次风发生燃烧和气化反应，维持热量平衡，同时转化为高温煤气，未与一次风反应的固体物料转化为高温焦炭。煤粉经循环流化床预热后，焦炭内孔变得丰富，活性增强，有利于焦炭的燃烧和燃尽，为促进焦炭的改性效果，还可向预热器内通入部分水蒸气，以起到焦炭活化效果。煤粉在循环流化床内预热过程中，床内为强还原性气氛，预热中析出的煤氮容易向N2发生转化，这为煤燃烧的超低NOx排放创建了条件。
预热燃料进入分离器2后，可实现气固分离，固体即高温焦炭流入锅炉炉膛下部，因高温焦炭温度超出800℃，高温焦炭已经着火，因此，高温焦炭喷入炉膛后与炉膛底部经均布流来的二次风相遇发生空间燃烧反应。炉膛底部的二次风即起到助燃作用，又起到托底风作用，防止煤粉颗粒直接冲入炉膛最下方的灰斗区，以减少燃烧损失。
炉膛下部二次风和三次风之间的区域为高温焦炭还原区，因高温焦炭与二次风混合充分，局部氧气浓度低，且还原区温度高，还原区温度例如可控制在灰熔点以下，为例如1200℃，这样可减少灰的结渣沾污倾向，有利于锅炉稳定运行，另一方面，在这样的温度范围下，尤其是炉膛温度高于1000℃时，焦炭与氮氧化物的还原反应具有较高的速率，可有效还原氮氧化物，同时可较好避免热力型NOx的生成。
在三次风喷口32和高温气体燃料喷口22之间的区域为高温焦炭氧化区，高温焦炭在此区域内燃尽，燃烧温度例如为1100℃，因高温焦炭中的N在还原区已经大部分析出且发生了向N2的转化，在氧化区，高温焦炭N含量很少，焦炭中的N从表面析出后一部分转化为NOx，一部分转化为N2。
高温焦炭中的N形成的NOx随气流向上再次进入高温煤气还原区，因高温气体燃料中含有CH4、H2、CO等强还原性气体，高温焦炭形成的NOx容易发生还原反应而向N2转化，同时，煤气中的部分HCN和NH3等也会发生还原反应。
最后，高温固体燃料和高温气体燃料燃烧的气体进入燃尽区，未反应的气体或极少部分焦炭颗粒与燃尽风混合并燃尽。
通过在预热器出口设置气固分离器2，实现了高温焦炭和高温煤气的分层分区燃烧，有效延长了高温焦炭的燃烧反应时间，实现了针对焦炭氮和挥发分氮等迁移转化的不同控制方法，即焦炭氮在炉膛下部析出后主要发生与焦炭的异相还原，挥发分氮在高温煤气还原区发生与已生成NOx的还原反应和碳氢气体或CO的还原反应。且煤粉预热燃烧过程中，可控制燃烧温度低于灰熔点，减少了炉膛结渣腐蚀倾向，有利于锅炉的稳定安全运行。
在更具体的示例性实施例中，一次风携带烟煤进入预热器，一次风当量比为0.2-0.3，预热器工作温度800-900℃，预热燃料从喷口流出速度为20-30m/s，预热燃料流入气固分离器2，实现高温煤气和高温焦炭的分离。高温焦炭从下部以3-8m/s速度喷入高温焦炭还原区，高温煤气以20-35m/s速度喷入炉膛上部。二次风当量比为0.3-0.5，高温焦炭燃烧平均温度1100℃，三次风当量比0.2-0.4，燃尽风当量比0.1-0.3，烟煤粉预热燃烧的NOx排放约30-50mg/m3。
在另外的更具体的示例性实施例中，一次风携带无烟煤进入预热器，一次风当量比为0.1-0.2，预热器工作温度900-1000℃，预热燃料从喷口流出速度为15-25m/s，预热燃料流入气固分离器2，实现高温煤气和高温焦炭的分离。高温焦炭从下部以3-8m/s速度喷入高温焦炭还原区，高温煤气以20-35m/s速度喷入炉膛上部。二次风当量比为0.3-0.5，高温焦炭燃烧平均温度1100℃，三次风当量比0.2-0.4，燃尽风当量比0.1-0.3，无烟煤粉预热燃烧的NOx排放约50-80mg/m3。
在图1-2以及后续提及的图3和4所示的结构中，二次风从炉膛底部以竖直向上的方向提供二次风，该二次风既为助燃风，又充当托底风，从而可以减少预热燃料或固体燃料直接冲入炉底灰斗区的风险。
在可选的实施例中，虽然没有示出，二次风风口也可以设置在如图1-4所示的炉膛下部的倾斜侧壁上，从而以倾斜向上的方向提供二次风。在进一步可选的实施例中，二次风风口的出风方向与固体燃料进入炉膛的方向之间形成的角度为大于30度的锐角。
此外，在可选的实施例中，虽然没有示出，二次风风口也提供二次风的方向不限于倾斜向上，也可以大致水平，只要有利于托起固体燃料即可。
在图1-2中，炉膛的下部因为肩部A的存在而变大，但是本发明不限于此。图3为根据本发明的另一个示例性实施例的燃烧系统的示意图，其中，在预热燃料喷口上方的炉膛燃烧区域的整体截面形状可以保持不变。如本领域技术人员能够理解的，这里的保持不变还包括了基本上不变的情形。
如图3所示，炉膛设置有燃料进入通道B，所述燃料进入通道与高温固体燃料喷口相通，且如图3所示，燃料进入通道倾斜向下延伸，第二分离器2的固体燃料出口与燃料进入通道A相通。
如图3所示，燃料进入通道B包括端部B1，端部的端面与竖向方向的外部夹角θ为钝角，且第二分离器2的固体燃料出口在所述端面连通到所述燃料进入通道B。
在图1-3中，在炉膛的相对的炉膛竖壁设置有两套预热装置和第二分离器，但是本发明不限于此，也可以仅在炉膛的一个炉膛竖壁设置一套预热装置和一个第二分离器，如图4所示。
在本发明中，煤粉预热后产生的含有高温煤气(即高温气体燃料)和高温焦炭(即高温固体燃料)的高温气固混合燃料先通过气固分离器实现高温煤气和高温焦炭的分离，高温焦炭从炉膛下方进入、高温煤气从炉膛上方进入，炉膛的燃烧区域可被分为高温焦炭还原区、高温焦炭氧化区、高温煤气还原区和燃尽区的还原氧化交替气氛，实现高温焦炭燃烧和高温煤气燃烧的分区控制，达到煤粉锅炉低(超低)NOx排放的效果。
采用本发明的方案，可以实现一种煤粉预热燃烧超低NOx锅炉，其可以实现烟煤、褐煤和无烟煤的低(超低)NOx排放。例如，烟煤燃烧的NOx原始排放可低于50mg/m3，不再需要喷氨设施，减少了氨气逃逸二次污染，根除了催化剂二次处置技术难题，提高了经济和环保效益。再如，无烟煤燃烧的NOx原始排放可低于100mg/m3或直接达到50mg/m3以下，结合SNCR措施，可实现无烟煤燃烧的NOx超低排放，解决了无烟煤燃烧无法满足超低NOx排放的技术难题。
采用本发明的方案，煤粉燃烧温度可低于灰熔点，减少锅炉结渣风险，有利于安全稳定运行。
采用本发明的方案，锅炉炉膛底部二次风即为助燃风，又充当托底风，减少预热燃料直接冲入炉底灰斗区的风险，通过二次风的均匀布置，高温焦炭在炉膛底部实现了容积燃烧。
在本发明中，由预热装置以及第二分离器形成的结构可以形成预热设备，该预热设备不限于用于图1-4中所示的预热系统或者锅炉燃烧系统，也可以单独使用或者与煤粉锅炉之外的其他装置一起使用。
需要指出的是，在本发明中，各个数值范围，除了明确指出不包含端点值之外，除了可以为端点值，还可以为各个数值范围的中值，这些均在本发明的保护范围之内。
基于以上，本发明提出了如下技术方案：
1、一种燃烧系统，包括：
预热装置，所述预热装置包括两两相通的预热室、第一气固分离器和返料器；
第二气固分离器，第一气固分离器的上部出口与所述第二气固分离器入口相通，所述第二气固分离器具有位于上部的气体燃料出口以及位于下部的固体燃料出口；
炉膛，设置有固体燃料入口和气体燃料入口，所述固体燃料出口与固体燃料入口相通，所述气体燃料出口与气体燃料入口相通，所述气体燃料入口在高度方向上高于固体燃料入口。
2、根据1所述的燃烧系统，其中：
所述炉膛设置有二次风入口，二次风入口在高度方向上低于固体燃料入口。
3、根据2所述的燃烧系统，其中：
来自所述二次风入口的二次风为竖向二次风；或者
来自所述二次风入口的二次风为横向或者倾斜向上的二次风。
4、根据2所述的燃烧系统，其中：
二次风入口设置在炉膛下部的倾斜侧壁上，二次风入口的出风方向与固体燃料进入炉膛的方向之间形成的角度为大于30度的锐角。
5、根据1-4中任一项所述的燃烧系统，其中：
所述炉膛设置有三次风入口，所述三次风入口在高度方向上处于固体燃料入口与气体燃料入口之间。
6、根据1-5中任一项所述的燃烧系统，其中：
所述炉膛设置有燃尽风入口，燃尽风入口高于气体燃料入口。
7、根据1所述的燃烧系统，其中：
所述第一气固分离器和第二气固分离器均为旋风分离器。
8、根据1所述的燃烧系统，其中：
所述炉膛的对置的两个炉膛壁分别设置有预热装置和第二气固分离器。
9、根据1所述的燃烧系统，其中：
所述燃料固体为预热装置产生的焦炭，所述气体燃料为预热装置产生的煤气。
10、根据1-9中任一项所述的燃烧系统，其中：
所述炉膛的炉膛壁包括肩部，所述肩部与竖向方向的外部夹角为在90度-180度之间的钝角，所述肩部限定炉膛的内部空间的一部分；且
所述固体燃料入口设置在所述肩部。
11、根据1-9中任一项所述的燃烧系统，其中：
所述炉膛设置有燃料进入通道，所述燃料进入通道与所述固体燃料入口相通，且所述燃料进入通道倾斜向下延伸，所述固体燃料出口与所述燃料进入通道相通。
12、根据11所述的燃烧系统，其中：
所述燃料进入通道包括端部，所述端部的端面与竖向方向的外部夹角为在90度-180度之间的钝角，且所述固体燃料出口在所述端面连通到所述燃料进入通道。
13、根据12所述的燃烧系统，其中：
所述固体燃料入口往上的炉膛的整体截面形状保持不变。
14、一种根据5所述的燃烧系统的控制方法，所述方法包括步骤：
使得来自第二气固分离器的固体燃料以及气体燃料分区燃烧。
15、根据14所述的方法，所述燃烧系统为根据5所述的燃烧系统，预热室内通入一次风和固体燃料，且所述炉膛设置有二次风入口、三次风入口以及燃尽风入口，所述方法包括步骤：
使得炉膛内的燃烧区域在高度方向上依次为固体燃料还原区、固体燃料氧化区、气体燃料还原区、燃尽区，其中：二次风入口与三次风入口之间为固体燃料还原区，三次风入口与气体燃料入口之间为固体燃料氧化区，气体燃料入口与燃尽风入口之间为气体燃料还原区，燃尽风入口之上为燃尽区。
16、根据15所述的方法，其中：
一次风风量占进入预热室的固体燃料理论燃烧空气量的15-30％，二次风风量占进入预热室的固体燃料理论燃烧空气量的25-70％，三次风风量占进入预热室的固体燃料理论燃烧空气量的20-40％，燃尽风风量占进入预热室的固体燃料理论燃烧空气量的10-40％。
17、一种预热设备，包括：
预热装置，所述预热装置包括两两相通的预热室、第一气固分离器和返料器；
第二气固分离器，第一气固分离器的上部出口与所述第二气固分离器入口相通，所述第二气固分离器具有位于上部的气体燃料出口以及位于下部的固体燃料出口。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化、要素组合，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
