低温等离子体旋流煤粉炉炉内深度分级低NOx燃烧系统

摘要

本发明公开了一种低温等离子体旋流煤粉炉炉内深度分级低NOx燃烧系统，包括煤粉锅炉以及对冲布置在锅炉两侧的低温等离子旋流煤粉点火燃烧器，所述低温等离子旋流煤粉点火燃烧器的一次风喷口与煤粉锅炉的炉膛主燃区相连，且炉膛主燃区与二次风主管道喷口连接，所述锅炉的炉膛燃尽区安装分段风喷嘴，所述二次风主管道配置二次风支管，所述分段风喷嘴与二次风支管连接；因此：本发明把低温等离子旋流煤粉燃烧器与炉内分级低NOx燃烧系统相结合，从而保证燃烧设备在低负荷状况下能稳定燃烧，同时解决在不降低锅炉经济效率的前提下，降低NOx的排放。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤粉低NOx燃烧系统，尤其是一种将低温等离子旋流煤粉燃烧器以及炉内分级配风技术结合应用到锅炉的煤粉低NOx燃烧系统。属于热能动力工程技术领域，以及环保技术领域。

背景技术

氮氧化物是主要的大气污染物之一，主要包括NO、NO₂、N₂O、N₂O₃、N₂O₅等，统称NOx。氮氧化物除了作为一次污染物伤害人体健康外，还会产生多种二次污染。氮氧化物是生成臭氧的重要前体物之一，也是形成区域细粒子污染和灰霾的重要原因，从而使我国珠江三角洲等经济发达地区大气能见度日趋下降，灰霾天数不断增加。近年来，我国总颗粒物排放量基本得到控制，二氧化硫排放量有所下降，但氮氧化物排放量随着我国能源消费和机动车保有量的快速增长而迅速上升。研究结果还显示，氮氧化物排放量的增加使得我国酸雨污染由硫酸型向硫酸和硝酸复合型转变，硝酸根离子在酸雨中所占的比例从上世纪80年代的1/10逐步上升到近年来的1/3。“十一五”期间，氮氧化物排放的快速增长加剧了区域酸雨的恶化趋势，部分抵消了我国在二氧化硫减排方面所付出的巨大努力。 　　火电行业氮氧化物排放量巨大，迫切需要控制。据中国环保产业协会组织的《中国火电厂氮氧化物排放控制技术方案研究报告》的统计分析，2007年火电厂排放的氮氧化物总量已增至840万吨，比2003年的597.3万吨增加了近40.6％，约占全国氮氧化物排放量的35％～40％。2007年我国单位发电量的氮氧化物排放水平为3.1克/千瓦时，同世界主要工业国家比较，高于美国、日本、英国、德国等发达国家1999年的单位发电量排放水平。据专家预测，随着国民经济发展、人口增长和城市化进程的加快，中国氮氧化物排放量将继续增长。2008年全国氮氧化物排放量达到2000万吨，成为世界第一氮氧化物排放国。若无控制，氮氧化物排放量在2020年将达到3000万吨，给我国大气环境带来巨大的威胁。

火电行业煤粉燃烧过程中生成NOx的三种机理为：热力型、瞬间型和燃料型。燃料型NOx占NOx总排放量的80%。燃料型NOx是由于燃料中含有氮（N）而生成，在煤粉燃烧过程中，燃料N随挥发份逸出，和入炉空气中氧反应生成NOx；在煤粉主燃区中缺氧燃烧，在煤粉燃烧初始阶段，燃料N随挥发份逸出，生成NOx，然后在缺氧的情况下，NOx又被还原成N2，最后在主燃区上部适当位置，喷入燃尽风，将飞灰中焦炭燃尽。目前锅炉厂普遍采用的低N0x燃烧技术主要有：空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术、提前着火强化燃烧及再燃技术等。这些技术的应用通常会对炉内的燃烧组织产生改变，从而影响锅炉的燃烧效率。锅炉实际运行时，在虑煤粉喷入炉膛后的着火、稳燃和燃尽的要求，以及锅炉运行经济性指标，燃料分级和空气分级的程度有限，NOx减排的效果无法达到预期。

因此，电站锅炉迫切需要一种对稳燃和燃烧效率不产生影响的高效低NOx燃烧技术，来满足电站煤粉锅炉NOx减排的要求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种低温等离子体旋流煤粉炉炉内深度分级低NOx燃烧系统，其在燃料燃烧前对燃料进行热裂化处理，提高燃烧效果；在燃料炉内燃烧中采用分级配风，从而降低NOx生成。因此，本发明的技术目的是把低温等离子旋流煤粉燃烧器与炉内分级低NOx燃烧系统相结合，从而保证燃烧设备在低负荷状况下能稳定燃烧，同时解决在不降低锅炉经济效率的前提下，降低NOx的排放。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种低温等离子体旋流煤粉炉炉内深度分级低NOx燃烧系统，包括煤粉锅炉以及对冲布置在锅炉两侧的低温等离子旋流煤粉点火燃烧器，所述低温等离子旋流煤粉点火燃烧器的一次风喷口与煤粉锅炉的炉膛主燃区相连，且炉膛主燃区与二次风主管道喷口连接，所述锅炉的炉膛燃尽区安装分段风喷嘴，所述二次风主管道配置二次风支管，所述分段风喷嘴与二次风支管连接；所述低温等离子旋流煤粉点火燃烧器包括顺序连接的点火煤粉旋流器、等离子发生器安装管段、一级热裂化室、主煤粉混合室以及二级热裂化室，等离子发生器安装在等离子发生器安装管段，一级热裂化室的出口处设置旋流调节器；一次风管道通过风粉三通分别与主煤粉管道以及点火煤粉管道连接，而主煤粉管道与主煤粉混合室连接，点火煤粉管道与点火煤粉旋流器连接。

所述等离子发生器包括阴极组件、阳极组件以及将阴极组件、阳极组件连接的阴阳极连接件，其中：所述阴极组件，包括两端敞口设置的阴极壳体、内设空腔的阴极以及阴极导电杆；阴极壳体的上端与阴极顶盖封接，且阴极壳体的内壁面加工有阴极水冷环形槽；阴极外壁的两端分别与阴极水冷环形槽上下两侧的凸缘对应地液密封连接；阴极导电杆的一端伸出阴极顶盖后与阴极接线板固紧，另一端则置于阴极的内腔，且阴极导电杆、阴极、阴极壳体以及阴极顶盖装配后形成阴极进气室，同时阴极外壳上对应地开设有与阴极进气室贯通的阴极进气口以及分别与水冷环形槽连通的阴极进水口和阴极出水口，所述阴极导电杆与阴极的内腔螺纹连接后与阴极电弧控制器固定；所述阴极电弧控制器包括旋流件本体，该旋流件本体沿轴线开设有中心喷管；所述旋流件本体包括旋流圆柱段以及沿圆柱段的一端收缩延伸而成的旋流圆锥段，同时，所述旋流圆柱段的外表面开设螺旋槽；所述中心喷管、螺旋槽均通过阴极导电杆上开设的导流通孔与阴极进气室连通，且中心喷管由锥段喷管以及沿锥段喷管细端延伸而成的柱段喷管组成，所述柱段喷管开设于旋流圆锥段内，而锥段喷管则开设于旋流圆柱段内，且中心喷管的大端与阴极导电杆相邻；所述阳极组件，包括阳极、阳极水套、阳极壳体以及阳极旋流环；阳极壳体紧靠着上端部的内壁设置凹槽，阳极旋流环的外圆面与凹槽槽底相对设置的敞口端部紧密配合封接，该阳极旋流环与凹槽槽底之间的空间形成阳极进气室；阳极旋流环的圆周方向均布2个以上的切向流孔；阳极沿轴向开设用于等离子体喷射的喷管，且阳极置于阳极旋流环的下方，同时阳极的外表面与阳极壳体液密封连接；阳极水套置于阳极与阳极壳体之间，该阳极水套将阳极与阳极壳体之间的空间隔成连通的阳极冷却水出水室和阳极冷却水进水室；阳极壳体上分别开设有与阳极冷却水进水室贯通连接的阳极冷却水进口、与阳极冷却水出水室相贯通的阳极冷却水出口、与阳极进气室贯通连接的阳极进气口以及用于安装引弧器的安置腔；所述阴阳极连接件，包括绝缘套筒，该绝缘套筒的一端与阴极螺纹连接，另一端则通过压紧法兰与与阳极连接。

所述阴极外壁与水冷环形槽之间的空间通过设置阴极水套分隔成连通的阴极冷却水进水室和阴极冷却水出水室；且阴极水套的一端与阴极水冷环形槽螺纹连接，阴极进水口与阴极冷却水进水室连通，阴极出水口则与阴极冷却水出水室连通。

所述阴极进气口与阴极进气室的内壁垂直连接；阴极进水口与阴极冷却水进水室内壁切向连接，阴极出水口与阴极冷却水出水室内壁垂直连接；阳极进气口与阳极进气室内壁切向连接；阳极冷却水进口、阳极冷却水出口分别与阳极冷却水进水室内壁上端面、阳极冷却水出水室内壁上端面对应地切向连接。

所述引弧器为高频引弧器，包括衔铁、线圈、绝缘支架以及探针；所述探针为钨针，线圈与电磁振荡器连接；衔铁的一端与绝缘支架铰接，另一端则与线圈相邻接；钨针一端与衔铁固定连接，另一端则穿过绝缘支架悬置。

根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：

1、本发明采用低温等离子旋流煤粉点火燃烧器作为煤粉锅炉的点火器，锅炉运行过程中，等离子发生器保持工作状态，使进入炉膛的燃料发生热裂化反应，并且可以通过改变等离子发生器的输出功率，来调整煤粉在燃烧器内的热裂化程度。该点火燃烧器内仅有一次风空气提供的氧量，过量空气系数很低，形成的强还原性燃烧环境可有效地降低NOx的生成。燃料喷入炉膛后，由于着火问题已经解决，仅需保证一定的空气量来保证稳燃，因此炉内整体配风可在更大范围内进行调节，主燃区的过量空气系数也可以控制在很低的水平。这样，在燃烧器内部和主燃烧区内都形成了极强的还原性气氛，有利于抑制煤粉燃烧过程中NOx的生成。为保证煤粉最终的燃尽率，将剩余空气从炉膛上部以燃尽风形式供入，形成一个强氧化性气氛的区域，使得在锅炉主燃烧区内未完全燃烧的煤粉在此区域内与空气强烈混合，充分反应，从而保证锅炉燃烧效率不降低。

2、低温等离子燃烧器可使煤粉在进入炉膛前发生热裂化，使燃料中的C元素在高温低氧的条件下无法与足够的空气混合就开始大量反应，生成物以CO为主。这种气氛中，煤粉预热后燃料中含氮组分发生破裂，同时生成氨基类或氰类含氮原子团(NH3，CN，HCN)。如果这个反应过程是在还原介质中进行(剩余空气系数DB<0.4)，则上述类型的不稳定原子团多数转化成分子氮(N2)，而不转化成氮氧化物，最终减少了燃料型Nox的生成。

3、同时，由于主燃区内过量空气系数很低，煤粉燃烧不完全，温度有限，控制了热力型NOx的生成。在燃尽区，未燃尽燃料虽然获得足量氧气充分反应，但由于混入空气温度较低，NOx生成量不大，使得NOx总体生成量得到有效控制。

综上所述，本发明能够在保证锅炉燃烧效率不降低的前提下，有效抑制煤粉燃烧过程中NOx的生成量，实现NOx减排。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1中的低温等离子旋流煤粉点火燃烧器的结构示意图；

图4是图3中等离子发生器的结构示意图；

图5是图4的A-A剖视图；

图6是等离子体高频引弧器示意图；

其中：等离子发生器1、风粉三通2、主煤粉管道3、点火煤粉管道4、点火煤粉旋流器5、等离子发生器安装管段6、一级热烈化室7、旋流调节器8、主煤粉混合室9、二级热烈化室10、炉膛主燃区11、低温等离子旋流煤粉点火燃烧器12、分段风喷嘴13、炉膛燃尽区14、阴极顶盖15；螺母16；阴极拉紧装置17；阴极接线板18；阴极密封垫19；阴极垫片20；阴极上部O型密封圈21；阴极旋流器22；阴极下部O型密封圈23；阴极接线柱24；安装法兰25；阴极进气室26；阴极冷却进水室27；阴极冷却出水室28；阳极进气室29；阳极冷却进水室30；阳极冷却出水室31；阳极32；阳极O型密封圈33；阳极水套34；阳极外壳35；阳极密封垫36；等离子体高频引弧器37；阳极旋流环38；绝缘压盖法兰39；绝缘连接器40；锁紧螺母41；阴极42；阴极水套43；阴极下壳体44；阴极上壳体45；衔铁61；线圈62；绝缘支架63；钨针64。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

如图1至6所示，本发明所述的低温等离子体旋流煤粉炉炉内深度分级低NOx燃烧系统，包括煤粉锅炉以及对冲布置在锅炉两侧的低温等离子旋流煤粉点火燃烧器，所述低温等离子旋流煤粉点火燃烧器的一次风喷口与煤粉锅炉的炉膛主燃区相连，且炉膛主燃区与二次风主管道喷口连接，所述锅炉的炉膛燃尽区安装分段风喷嘴，所述二次风主管道配置二次风支管，所述分段风喷嘴与二次风支管连接；如图3所示，所述低温等离子旋流煤粉点火燃烧器包括顺序连接的点火煤粉旋流器、等离子发生器安装管段、一级热裂化室、主煤粉混合室以及二级热裂化室，等离子发生器安装在等离子发生器安装管段，一级热裂化室的出口处设置旋流调节器；一次风管道通过风粉三通分别与主煤粉管道以及点火煤粉管道连接，而主煤粉管道与主煤粉混合室连接，点火煤粉管道与点火煤粉旋流器连接。

将锅炉所有燃烧器全部设计或改造成为低温等离子旋流煤粉点火燃烧器12。锅炉运行时，等离子发生器1始终保持工作状态，等离子体与热裂化反应室使把煤粉加热到800～1100℃，使之从燃烧器抵达炉膛前达到分离出固相挥发份的温度；烧器一次风喷口与炉膛主燃烧区11相连，煤粉燃料从燃烧器喷出时形成温度达1200K以上的混合物（大于30％的可燃气体＋剩余炭芯），与二次风混合后自身起燃并稳定燃烧，燃烧释放出的热量去点燃剩余的煤粉燃料。通过将两侧二次风总管上各抽取一路风，经风管引至炉膛主燃烧区11上部，分别进入两侧的分段风喷嘴13，从而使主燃区内氧气浓度降低，形成有利于抑制N0x生成的强还原性气氛。煤粉在进入炉膛前在等离子体作用下发生热裂化反应，燃料中的C元素在高温以及严格控制氧量的条件下大量反应，生成物以CO为主。这种气氛中，煤粉预热后燃料中含氮组分发生破裂，同时生成氨基类或氰类含氮原子团(NH3，CN，HCN)。如果这个反应过程是在还原介质中进行(剩余空气系数DB<0.4)，则上述类型的不稳定原子团多数转化成分子氮(N2)，而不转化成氮氧化物，最终减少了燃料型NOx的生成。由于主燃区11内过量空气系数很低，煤粉燃烧不完全，温度有限，控制了热力型NOx的生成。

之前抽取一路风，从炉膛上部的燃尽风喷口13射入炉膛燃尽区14，与从主燃烧区11过来的未燃尽的烟气强烈混合，形成很强的氧化性气氛，使烟气中的煤粉颗粒在此燃烧。在燃尽区14， 由于从燃尽风喷口13射入了大量的低温空气，使得炉膛燃尽区内的温度水平不会太高，因此煤粉充分燃烧生成的NOx量有限。这样，就在保证了锅炉燃烧效率和经济效率的前提下，降低了N0x的生成。

其中，所述等离子发生器，如图4-6所示，包括：

32、阳极：与阳极O型密封圈33、阳极水套34、阳极外壳35、阳极密封垫36、阳极旋流环38装配在一起，形成阳极组件；设计成锥形喇叭口形状，通过阳极旋流环38产生的旋转的压缩空气，使其表面的电弧起弧点产生旋转，减小表面磨损，提高使用寿命；由于其特殊的结构，与阴极42的共同作用下生成低温等离子体，射出旋转的低温等离子体炬； 

33、阳极O型密封圈：阳极32下部与阳极外壳35下部连接处的密封，防止冷却水外漏；

34、阳极水套：将阳极32外表面与阳极外壳35内表面之间的空间隔成两半，形成阳极冷却进水室30和阳极冷却出水室31，并使冷却水产生旋转，充分对阳极32进行冷却，提高冷却效果；

35、阳极外壳：与阳极32通过螺纹连接，等离子体高频引弧器6通过螺钉固定在其侧面；设有阳极进气口d、阳极冷却水进口e、阳极冷却水出口f； 

36、阳极密封垫：阳极32上部与阳极外壳35上部螺纹连接处的密封，防止冷却水外漏；

37、等离子体高频引弧器：单独列出，如图6所示，包括衔铁61、线圈62、绝缘支架63以及探针；所述探针为钨针64，线圈与电磁振荡器连接；衔铁的一端与绝缘支架铰接，另一端则与线圈相邻接；钨针一端与衔铁固定连接，另一端则穿过绝缘支架悬置。

38、阳极旋流环：与阳极外壳35装配后，形成阳极进气室29，将通过阳极进气口d进入的压缩空气沿圆周方向均匀分配并产生旋转；

39、绝缘压盖法兰：将绝缘连接器40通过螺栓连接固定在阳极外壳35上；

40、绝缘连接器：将阳极组件与阴极组件连接在一起，并对两部分的连接起到绝缘效果；同时对阳极旋流环38起到固定作用；与阴极下壳体44通过螺纹连接，便于阴极42与阳极32之间的间隙准确调节定位；

41、锁紧螺母：在阴极42与阳极32之间的间隙调整好后，将阴极组件与绝缘连接器40锁紧固定；

42、阴极：与阴极水套43、阴极下壳体44、阴极上壳体45、阴极顶盖15、螺母16、阴极拉紧装置17、阴极接线板18、阴极密封垫19、阴极垫片20、阴极上部O型密封圈21、阴极旋流器22、阴极下部O型密封圈23组装在一起形成阴极组件；设计成圆柱筒状，阴极旋流器22下方为放电室，产生旋转的高温电弧，将阴极压缩空气变为等离子体；其特点为放电面积大，电弧起弧点由于旋转作用不停的改变，有效提高阴极的寿命；由于其特殊的结构，与阳极32的共同作用下，所产生的等离子体为低温等离子体；

43、阴极水套：与阴极上壳体45通过螺纹连接，将阴极42外表面与阴极下壳体44内表面之间的空间隔成两半，形成阴极冷却进水室27和阴极冷却出水室28，充分对阴极42进行冷却，提高冷却效果； 

44、阴极下壳体：设有阴极出水口b；与绝缘连接器40通过螺纹连接，便于阴极42与阳极32之间的间隙准确调节定位；与阴极上壳体45通过氩弧焊接连接；

45、阴极上壳体：设有阴极进水口a、阴极进气口c；与阴极下壳体44通过氩弧焊接连接；

15、阴极顶盖：与阴极上壳体45通过螺母连接固定，并形成阴极进气室26；

16、螺母：与拉紧装置17配合，固定阴极42及阴极接线板18； 

17、阴极拉紧装置：与阴极42通过螺纹连接，固定阴极旋流器22，设有通气孔与导流槽，将阴极进气室26内的压缩空气均匀的分配至阴极旋流器22的进气口；与阴极接线板18相连，将电源负极连通至阴极42亦可作为阴极42与阴极壳体连接的拆装定位工具；

18、阴极接线板：电源负极与阴极的过渡连接；

19、阴极密封垫：对阴极进气室26进行密封；

20、阴极垫片：用于拆、装阴极时的定位；

21、阴极上部O型密封圈：阴极进气室26与阴极冷却进水室27之间的密封；

22、阴极旋流器：特点为圆周方向采用多线螺旋槽，使产生等离子体的载体压缩空气产生旋转，改变起弧点，提高阴极42的寿命；

23、阴极下部O型密封圈：阴极42下部与阴极下壳体44下部连接处的密封，防止冷却水外漏；

24、阳极接线柱：焊接在阳极外壳35上，电源正极与阳极32之间的过渡连接；

25、安装法兰：用于等离子发生器与燃烧器之间的安装连接；

26、阴极进气室：使进入阴极的压缩空气均匀分配；

27、阴极冷却进水室：使进入阴极的冷却水均匀分配；

28、阴极冷却出水室：将阴极冷却水热水与冷水分开后均匀排出；

29、阳极进气室：使进入阳极极的压缩空气均匀分配；

30、阳极冷却进水室：使进入阳极的冷却水均匀分配；

31、阳极冷却出水室：将阳极冷却水热水与冷水分开后均匀排出；

a、阴极进水口：连接形式分为快插接头型与螺纹连接型；

b、阴极出水口：连接形式分为快插接头型与螺纹连接型；

c、阴极进气口：连接形式分为快插接头型与螺纹连接型；

d、阳极进气口：连接形式分为快插接头型与螺纹连接型；

e、阳极冷却水进口：连接形式分为快插接头型与螺纹连接型；

f、阳极冷却水出口：连接形式分为快插接头型与螺纹连接型。

等离子发生器通过等离子体高频引弧器拉弧生成低温等离子体，等离子体内含有大量化学活性的粒子，如原子（C、H、O）、原子团（OH、H₂、O₂）、离子（O₂^－、H₂^－、OH^－、O^－、H^＋）和电子等，可加速热化学转换，促进生料粉末燃烧分解。本发明的等离子发生器均采用了热裂解气化技术。它是等离子体与热裂化反应室可把煤粉加热到800～1100℃，使之从燃烧器抵达炉膛前达到分离出固相挥发份的温度，可达到冷炉无油点火及低负荷助燃的条件；等离子发生器通过拉弧生成低温等离子体，对风粉进行加热，在热裂化室内进行热裂化反应，固态煤粉被电离成气态，分离出挥发份，使得煤粉部分燃烧，降低一次风粉中的含氧量，使得一级热裂化室出口燃料温度高于煤的燃烧温度，小于煤粉熔点温度，同时氧量趋近于0，严格控制在无氧状态，热裂化室出口处燃料直接送入锅炉炉膛；煤粉燃烧器的核心理念为在燃烧过程前加入物理反应，使得煤粉颗粒被最大程度的气化，经过等离子体气化后的混合燃料可燃气体成分数倍生成，实现煤制气后的低温燃烧。降低主燃区供入的二次风量，是从炉膛左右侧入口处的二次风总管上各抽取一路风，通过风管引至炉膛主燃区上部，分别进入两侧的前后四个分段风喷嘴，作为燃尽风喷入炉膛，从而在主燃区形成欠氧区，在主燃区上部，燃尽风的作用使一些未燃的可燃物燃尽；进入每个燃尽风燃烧器的管道上，设置流量测量装置，控制燃尽风风门开度与风量成正比例变化。