发明内容

本发明的目的在于提供一种低二氧化碳排放的燃煤锅炉及燃烧方法，其利用顶部下沉式供风区的供风管向炉膛中心持续喷射气流，气流与上升通道的烟尘、二氧化碳对冲形成风幕，阻断烟尘、CO₂、SO₂、NO_X等排放物上行，再通过炉膛中心的无风区折返回流下沉到燃烧层与煤炭进行混合形成二次循环燃烧，解决了现有技术中煤炭燃烧不充分即排出锅炉所造成的燃煤成本高，以及二氧化碳、烟尘以及其他污染排放物排放量大所导致的后处理成本高、处理负荷大的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种低二氧化碳排放的燃煤锅炉，包括炉体，所述炉体上设置有底部进风口、排风口、燃烧供风区和燃尽供风区，所述燃烧供风区、燃尽供风区的对角进风口向炉体内供风形成切圆风场，还包括位于所述燃尽供风区上方的下沉供风区，所述下沉供风区用于向炉体中心喷射下沉气流，所述下沉气流穿过所述切圆风场的中心无风区下沉至锅炉底部与底部上升气流混合。

本技术方案中，与现有技术相同的是，燃煤锅炉包括炉体底部设置有进风口，底部上升气流由底部进风口进入炉体并在炉体内竖直向上移动。燃烧供风区、燃尽供风区均沿炉膛横截面对角设置有四个对角进风口，以向炉膛内提供一次风和煤粉的混合气流，或者进一步含有偏置起旋风、折边风、直吹风等二次风，形成稳定的切圆风场。上升气流在上升过程中经过切圆风场，携带炉膛内的燃烧得到的烟尘、气体排放物竖直向上移动，最终经顶部的排风口排出炉。其中，烟尘主要有重量较轻的氧化物杂质，以及未完全燃烧的煤炭颗粒，气体排放物主要有燃烧过程中产生的CO₂、SO₂、NO_X。

为了让燃烧反应更加充分，与现有技术不同的是，在燃尽供风区上方设置有下沉供风区。下沉供风区用于向炉体中心喷射下沉气流。在部分实施例中，该下沉气流可以是直风也可以是螺旋风。喷向炉膛中心的下沉气流有两个作用。其一，下沉气流为水平或者大致水平的气流，与上升气流的移动方向近乎垂直，从而在燃尽供风区上方形成风幕，以减少向排风口移动的烟尘、CO₂、SO₂、NO_X等排放物的排放量；其二，受切圆风场的影响，炉膛的横截面的中心处为风量很小的无风区，因而在炉膛中心形成了圆柱形的中心无风区，下沉气流向中心喷射后，能够带动部分烟尘、CO₂、SO₂、NO_X等排放物沿中心无风区竖直向下移动至锅炉底部，再次与底部上升气流接触上升形成循环气流；在下沉过程中，烟尘、CO₂、SO₂、NO_X等排放物再次经过燃尽供风区、燃烧供风区，与供给的氧气二次燃烧，提高燃料的燃尽率，减少烟尘中的固体颗粒杂质，降低CO₂、SO₂、NO_X的气体排放物的排放量；以二氧化碳为例，上升的二氧化碳受下沉气流作用，再次与煤炭接触生成一氧化碳，一氧化碳与氧气充分燃烧生成二氧化碳，生成的二氧化碳又在上升气流的作用下继续与煤炭反应。

下沉供风区产生的下沉气流在燃尽供风区上方形成阻挡，一定程度上阻断烟尘、CO₂、SO₂、NO_X等排放物的上行，同时，下沉气流由中心无风区下沉，与底部上升气流结合形成循环气流，循环气流将燃尽供风区上方的排放物输送向锅炉底部，在下沉过程中，排放物与氧气、煤炭二次燃烧，增加了排放物、煤炭、氧气的接触时间，使得各物质的反应更加充分，燃料的燃尽率明显提高、降低了燃煤成本，减少烟尘中的固体颗粒杂质，降低CO₂、SO₂、NO_X的气体排放物的排放量，降低了后处理工艺的处理难度和处理负荷。

作为本发明中下沉供风区的优选实施方式，所述下沉供风区包括安装于炉体内壁上的第一供风管，所述第一供风管包括管体，所述管体上可拆卸地设置有若干喷嘴，所述喷嘴朝向所述中心无风区。本技术方案中，第一供风管可以设置于一面炉墙上，也可以设置于多面炉墙上，同一面炉墙上既可以设置一根第一供风管，也可以设置多根第一供风管。第一供风管的进风口连通外部气源，外部气源进入管体后，经管体上设置的若干喷嘴喷出。优选地，每一面炉墙上均设置有第一供风管，且各面炉墙上的第一供风管的喷嘴数量、喷嘴位置、出风量相同，以使得下沉气流在燃尽供风区上方形成均匀地风幕，并向中心无风区持续输入稳定的下沉气流。在一个或多个实施例中，所述喷嘴既可以是金属喷嘴，例如310不锈钢，也可以是陶瓷喷嘴，例如氧化铝陶瓷。

进一步地，所述第一供风管上的喷嘴的出气端向下倾斜5～15°。第一供风管上的喷嘴喷出的气流出射方向可以是水平方向，也可以向下倾斜一定的角度，但向下倾斜角度不宜过大，否则会与上升气流形成明显对冲，造成炉膛顶部气流紊乱，且大部分下沉气流无法进入至中心无风区。本技术方案中，为了促使下沉气流对上升的排放物形成更好的阻拦，同时使大部分下沉气流进入至中心无风区，第一供风管的喷嘴的气流出射方向与水平面的夹角为5～15°，优选为5～12°。

进一步地，所述下沉供风区的供风量为进入炉体总风量的10％～20％。下沉供风区喷射的下沉气流进入燃烧仓上面火焰部分对上部火焰形成冲压折返力量，从而阻断上升通道的烟尘及气体排放物，使烟尘和气体排放物下沉再次燃烧，因此，下沉供风区的供风量不宜过小，否则风幕较薄，阻拦效果差，且能够穿过中心无风区达到底部的下沉气流少，难以形成有效的循环气流；下沉供风区的供风量不宜过大，过大的下沉气流容易不仅易造成炉膛顶部气流堆积，而且会加速循环气流，导致炉膛底部、中部的温度降低，不利于煤炭充分燃烧。综合上述影响因素，本技术方案中，将下沉供风区的供风量为进入炉体总风量的10％～20％。

作为本发明的一种优选实施方式，所述炉体上还设置有下部供风区和中部供风区，所述下部供风区位于所述燃烧供风区的下方，所述中部供风区位于燃烧供风区和燃尽供风区之间，所述下部供风区、中部供风区包括至少一组供风组件，所述供风组件包括对角进风口，所述对角进风口用于向炉体内供风形成切圆风场，相邻的两个对角进风口之间设置有第二供风管，所述第二供风管用于向所述切圆风场配风；所述中部供风区的供风量为进入炉体总风量的25％～35％，所述下部供风区的供风量为进入炉体总风量的5％～10％。

本技术方案中，位于底部进风口和燃烧供风区之间的下部供风区向燃烧仓的下部供风，下部供风区包括至少一组供风组件，供风组件包括四个对角进风口，四个对角进风口向炉膛内提供一次风和煤粉的混合气流，或者进一步含有偏置起旋风、折边风、直吹风等二次风，形成稳定的切圆风场，相邻的两个对角进风口之间设置有一根或多根第二供风管，所述第二供风管用于向所述切圆风场配风，下部供风区一方面增加了燃料表面积与氧气的结合、延长了接触时间，另一方面增加了燃料可燃物的溢出量，一定程度上阻断自重较大的废弃颗粒物的上升通道，降低了废弃颗粒物排放的数量。

位于燃烧供风区和燃尽供风区之间的中部供风区也设置有至少一组供风组件，中部供风区的供风组件的设置、排布方式可以与下部供风区相同，也可以不同，例如在相邻的对角进风口之间可以设置至少两根第二供风管。中部供风区进入燃烧仓内火焰部分的气流直达火焰中心，对燃烧火焰形成助燃力量，从而增强火焰的燃烧和热值，中部供风区除了满足燃烧火焰的供氧，风场更加均匀的气流冲击可以促使颗粒物的再次充分燃烧。

本技术方案中，由于中部供风区的气流直达火焰中心以用于助燃，而下部供风区需要避免影响锅炉底部的温度，因此，中部供风区的风量大于下部供风区的风量。优选地，所述中部供风区的供风量为进入炉体总风量的25％～35％，进一步优选为27％～32％；所述下部供风区的供风量为进入炉体总风量的5％～10％，进一步优选为5％～8％。

本技术方案中，第二供风管稳定地向切圆风场配风，不仅能够减小切圆风场的弱风区的面积，提高风场的均匀性，整个截面的气流充满度更好，尤其是靠近壁面处，第二供风管的配风将高温气体和壁面阻隔开，降低了火焰对壁面的冲刷，有效地防止了锅炉壁面挂灰和结渣，并且实现了更加合理地供氧，有效地降低烟尘、二氧化碳等排放物的排放量。

本技术方案中，根据炉体供风情况，燃烧供风区和燃尽供风区可以设置第二供风管，也可以不设置第二供风管。优选地，燃烧供风区和燃尽供风区仅在对角设置对角进风口而不设置第二供风管。

作为第二供风管的优选结构，所述第二供风管包括管体，所述管体上设置有进风口、以及沿管体的轴向分布的若干出风口，所述进风口位于所述第二供风管的端部，且相邻的两根第二供风管的进风口靠近不同的对角进风口。

第二供风管为管状结构，管身上设置有进风口以及若干出风口。进风口连接外部气源，出风口朝向炉膛内部。出风口的数量、间距、尺寸、出风角度可以根据锅炉的设计要求进行调整。出风口越靠近进风口，则在出风口尺寸相同的情况下配风的风速、风量越大，反之则越小，因此，进风口在管身上的位置可以根据配风管所属的供风区进行调整。本技术方案中，进风口设置于管体的端部，以使得从一个对角进风口到另一个对角进风口的方向，配风的风速、风量逐步减小，进而与两个对角进风口之间面积逐渐增大或逐渐减小的弱风区相匹配，实现风场补强。结合稳定的切圆风场可以发现，沿顺时针方向或逆时针方向，同一面炉墙前的弱风区的面积总是逐渐减小或者逐渐增大，因此，相邻的两根配风管的进风口需要靠近不同的对角进风口，才能在每一个面上均能实现均匀配风。本领域技术人员应当理解，为实现配风，一定是弱风区面积越大的区域，配风量越强，也即配风管的进风口始终靠近弱风区面积更大的区域。通过上述设置，显著地减少了弱风区的面积，炉内风场更加均匀，而且整个截面的气流充满度更好，尤其是靠近壁面处，供风系统使流动增强，把高温气体和壁面阻隔开，降低了火焰对壁面的冲刷，有效地防止了锅炉壁面挂灰和结渣。

进一步地，所述燃尽供风区和下沉供风区之间设置有上部供风区，所述上部供风区包括至少一组供风组件，所述上部供风区的供风量多于所述下部供风区的供风量、且小于中部供风区的供风量。本技术方案中，在燃尽供风区的上方还设置有上部供风区，上部供风区提供的水平或近乎水平的气流用于一定程度上阻挡未燃尽的煤炭继续上升，或者形成回流通道，进一步延长煤炭与氧气的接触时间，使炉体内的煤炭充分燃烧。

进一步地，所述第一供风管或第二供风管的管体上铺设有珍珠岩层，所述珍珠岩层的外表面上覆盖有陶瓷纤维布。在未配风时，为避免高温导致供风管管体受热产生形变，在管体的外壁上设置有由珍珠岩铺设构成的珍珠岩层，珍珠岩层具有表观密度轻、导热系数低、化学稳定性好、使用温度范围广等特点，铺设在管体的表面能够显著地降低管体受热，避免管体受热形变或损坏。此外，在珍珠岩层外部还包裹有陶瓷纤维布，利用陶瓷纤维布耐高温、导热系数低、抗热震、低热容的优点，不仅能够提高供风管的受热能力，而且能够稳固珍珠岩层，提高供风管结构的整体稳定性。优选地，所述陶瓷纤维布和珍珠岩层的总厚度高出出风口的出口端，或者高出出风口上设置的用于连接陶瓷喷嘴的连接座。通过上述设置，供风管上铺设的珍珠岩层，以及包裹在最外层的陶瓷纤维布能够极大地提升供风管的耐温性能，确保供风管在未配风时在炉膛高温下不会出现变形，延长了设备的使用寿命，并且增强了配风的准确性。

在部分实施例中，所述供风管上可拆卸连接的喷嘴与管体上的出风口的可拆卸方式可以是卡接，也可以是螺纹连接。优选地，喷嘴的外壁上设置有外螺纹/内螺纹，出风口上设置有连接座，连接座的上设置有相匹配的内螺纹/外螺纹，以实现喷嘴与出风口的螺纹连接。通过可拆卸地连接喷嘴，在配风前可根据实际风场更换喷嘴，以调整喷嘴的朝向、出风角度、出风形式、出风量等参数，同一根配风管上的喷嘴的参数可以相同也可以不同。

作为本发明中喷嘴的一种优选结构，所述第一供风管、第二供风管的出风口上可拆卸地连接有喷嘴，所述喷嘴包括喷嘴主体，所述喷嘴主体内设置有沿喷嘴主体内壁呈螺旋形延伸的螺旋槽，喷嘴主体内设置有隔板，所述隔板将喷嘴主体的内部空间分隔为连通进气端的进气区和连通出气端的气旋区，所述隔板上设置有连通进气区和气旋区的斜切孔，所述斜切孔的中轴线与隔板的中轴线存在夹角，喷嘴主体上还设置有至少一根助旋管，所述助旋管的内部形成助旋气道，所述助旋气道的一端连通进气区，助旋气道的另一端连通气旋区。

本技术方案中，喷嘴的主体优选采用直管或者L形弯管结构。其中，直管结构能够更好地形成螺旋风且制造工艺更加简单，易批量生产；L形弯管结构能够调整喷嘴出气端的朝向，进而允许根据风场的实际需求调节角度以实现更好地供风或配风，螺旋槽为设置在主体内壁上的凹槽，凹槽的延伸方向为主体内壁的螺旋线的延伸方向，通过在主体内壁上设置螺旋形盘旋的凹槽，更改气流的流动方式。气流在主体内由进气端向出气端移动的过程中逐渐旋转，最终以螺旋气流的状态从出气端中喷出，改变了现有技术中炉膛供风、配风的形态，对炉膛内的风场起到更好的冲击搅拌作用，不仅使风场更加均匀，而且增加了氧气与煤炭、二氧化碳与煤炭、一氧化碳与氧气等气体的接触、反应时间，提高了二氧化碳、煤炭的利用率，有效地降低了烟尘、二氧化碳等排放物的排放量。

本技术方案中，隔板将主体的内部空间分隔为与进气端连通的进气区，以及与出气端连通的气旋区，气流经隔板上设置的若干斜切孔由进气区进入气旋区。斜切孔的中轴线，也即母线与隔板的中轴线存在夹角，使得气流经过斜切孔时，受斜切孔的引导而改变方向产生螺旋气流。隔板的设置虽然一定程度上对气体流动产生了阻力，但能够更加快速、高效地将中心流速更快的气流转化螺旋气流，配合主要改变边缘气流流动方式的螺旋槽，能够更加快速地在主体内形成螺旋槽，显著地提高了气流运动形态的转换效率，在主体的出气端形成稳定喷射的螺旋气流。优选地，所述螺旋槽设置于气旋区。

本技术方案中，助旋管内构成助旋气道，助旋气道的两端分别连通进气区和气旋区，使得进气区的气体在与隔板接触之前，有一小部分即进入到助旋管内，之后经助旋气道与气旋区的连接口返回到主体中。返回的助旋气流由于入射方向与气旋区内的气流流动方向不一致，因而起到偏置的作用，冲击主体气流并造成主体气流一定程度上旋转，进一步提高了气流运动形态的转换效率，有助于在气旋区内更快地形成稳定的螺旋气流。

本发明还提供一种低二氧化碳排放的燃烧方法，该方法采用前述任一种燃煤锅炉，所述方法包括以下步骤：

燃烧供风区、燃尽供风区的对角进风口向炉体内输入空气和煤粉混合气流形成切圆风场；

底部上升气流自底部进风口进入至炉体内，底部上升气流竖直向上经过燃烧供风区、燃尽供风区对应的切圆风场向排风口移动；

下沉气流穿过所述切圆风场的中心无风区下沉至锅炉底部与底部上升气流混合。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明的下沉供风区产生的下沉气流在燃尽供风区上方形成阻挡，一定程度上阻断烟尘、CO₂、SO₂、NO_X等排放物的上行，同时，下沉气流由中心无风区下沉，与底部上升气流结合形成循环气流，循环气流将燃尽供风区上方的排放物输送向锅炉底部，在下沉过程中，排放物与氧气、煤炭二次燃烧，增加了排放物、煤炭、氧气的接触时间，使得各物质的反应更加充分，燃料的燃尽率明显提高、降低了燃煤成本，减少烟尘中的固体颗粒杂质，降低CO₂、SO₂、NO_X的气体排放物的排放量，降低了后处理工艺的处理难度和处理负荷；

2、本发明的第二供风管对切圆风场进行配风以显著地减少了弱风区的面积，使得炉内风场更加均匀，不仅供氧更加合理、充足，煤炭燃烧更加充分，降低了烟尘、二氧化碳等排放物的排放量，而且整个截面的气流充满度更好，尤其是靠近壁面处，供风系统使流动增强，把高温气体和壁面阻隔开，降低了火焰对壁面的冲刷，有效地防止了锅炉壁面挂灰和结渣；

3、本发明通过设置上、中、下三级供风区，利用下部供风区增加了燃料表面积与氧气的结合、延长了接触时间，并且增加了燃料可燃物的溢出量，一定程度上阻断自重较大的废弃颗粒物的上升通道，降低了废弃颗粒物排放的数量；中部供风区对燃烧火焰形成助燃力量，从而增强火焰的燃烧和热值，中部供风区除了满足燃烧火焰的供氧，风场更加均匀的气流冲击可以促使颗粒物的再次充分燃烧；上部供风区用于一定程度上阻挡未燃尽的煤炭继续上升，或者形成回流通道，进一步延长煤炭与氧气的接触时间，使锅炉内的煤炭充分燃烧；

4、本发明供风管上铺设的珍珠岩层，以及包裹在最外层的陶瓷纤维布能够极大地提升配风管的耐温性能，确保配风管在未配风时在炉膛高温下不会出现变形，延长了设备的使用寿命，并且增强了配风的准确性；

5、本发明的喷嘴使得气流在主体内由进气端向出气端移动的过程中逐渐旋转，最终以螺旋气流的状态从出气端中喷出，改变了现有技术中炉膛供风、配风的形态，对炉膛内的风场起到更好的冲击搅拌作用，不仅使风场更加均匀，而且增加了氧气与煤炭、二氧化碳与煤炭、一氧化碳与氧气等气体的接触、反应时间，提高了二氧化碳、煤炭的利用率，有效地降低了烟尘、二氧化碳等排放物的排放量；

6、本发明的喷嘴通过设置隔板，能够更加快速、高效地将中心流速更快的气流转化螺旋气流，配合主要改变边缘气流流动方式的螺旋槽，能够更加快速地在主体内形成螺旋槽，显著地提高了气流运动形态的转换效率，在主体的出气端形成稳定喷射的螺旋气流；

7、本发明的喷嘴利用入射方向与气旋区内的气流流动方向不一致的助旋气流偏置、冲击主体气流，造成主体气流一定程度上旋转，进一步提高了气流运动形态的转换效率，有助于在气旋区内更快地形成稳定的螺旋气流。