专利名称：一种旋风燃烧锅炉先进空气分级燃烧脱硝系统与方法
技术领域：
本发明涉及一种旋风燃烧锅炉先进空气分级燃烧脱硝方法与系统。
背景技术：
氮氧化物(NOx)是化学工业、国防工业、电力工业以及锅炉和内燃机等排放气体中有毒物质之一。NOx以燃料燃烧过程中所产生的数量最多，约占30%以上，其中70%来自于煤炭的直接燃烧，固定燃烧源是NOx排放的主要来源。近几年，NOx的危害受到全球各国越来越多的重视，它不仅是形成酸雨的主要原因之一，而且其经紫外线照射后，可与碳氧化合物生成一种浅蓝色的有毒物质——硝基化合物，造成光化学烟雾，对人的眼、鼻、心、肺及造血组织等均有强烈的刺激和损害作用，也是一种强致癌物质，典型事例为被称为世界八大污染事件之一的1952年美国洛杉矶光化学烟雾事件。该事件致使大批居民发生眼睛红肿、喉痛咳嗽、皮肤潮红等症状，严重者心肺功能衰竭，有400余名65岁以上的老人因此死亡。此外，氧化亚氮(队0)在高空同温层中会破坏臭氧层，使较多的紫外线辐射到地面，增加皮肤癌的发病率，还可能影响人的免疫系统。旋风燃烧锅炉是指采用旋风燃烧方式的动力用蒸汽锅炉。空气带动煤粉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(高达1650°C以上)和极其强烈的混合强度，会使得其燃烧过程中生成大量的大气污染物——氮氧化物(NOx)，这些气体如果不加以处理直接排入大气，势必会产生严重的大气污染。为更好地适应“十二五”环境保护工作的新要求，进一步加大大气污染防治工作力度，我国环境保护部于2011年1月14日在网上以政府信息公开的方式向有关单位征求正在修订中的《火电厂大气污染物排放标准》(二次征求意见稿)的意见。按二次修订稿要求，2004年后所有新建机组NOx排放要达到100mg/Nm3、2004年前机组要达到200mg/Nm3的要求，使几乎所有机组必须采用SCR烟气脱硝技术。如此严格的排放标准，对于旋风燃烧锅炉——锅炉出口 NOx排放浓度通常在 1200 1500mg/Nm3，要达到100mg/Nm3排放限值，脱硝效率须在92%以上——目前的SCR技术根本无法实现。且大幅提高排放限值水平需大量增加催化剂和还原剂，在运行中氨逃逸控制难度加大，并可能引起锅炉空预器堵塞等影响运行安全性的问题。当机组低负荷运行时，烟气温度容易低于脱硝催化剂的反应窗口温度，致使SCR系统无法正常工作，也难以达到标准限值要求。
发明内容
针对旋风燃烧锅炉本身所存在的污染物NOx排放高，以及目前我国SCR烟气脱硝关键技术、原料、仪表等仍需进口，且该技术本身需要昂贵的催化剂，并存在催化剂中毒，更换，增加装置和占用空间等不利因素，导致其运行成本过高，使其应用受到很大限制。为此， 本发明提出一种旋风燃烧锅炉先进空气分级燃烧脱硝方法与系统，其脱硝效率有望高达 95 %以上，不仅能大大降低旋风燃烧锅炉的NOx排放，而且与SCR技术相比，免去了昂贵的催化剂使用和烟气脱硝装置的占用空间，具有成本低廉、设备简单、实施改造容易等优点。为了达到上述发明目的，本发明的技术方案通过以下方式实现一种旋风燃烧锅炉先进空气分级燃烧脱硝方法，其步骤为(1)由一次风进口送入旋风筒的燃料气流，与二次风进口送入的二次风强烈混合后在过量空气系数α < 1的条件下燃烧，形成所谓的富燃料燃烧区，并生成含有一定浓度NOxW烟气；( 由布置在锅炉主炉膛下部一定位置处的氨剂/添加剂喷口送入炉膛的氨剂(氨、尿素等)和增效添加剂(如无机盐Na2CO3等)，在还原性气氛下与第一阶段生成的含NOx的烟气发生还原反应，从而将NOx还原为N2 ； (3)达到完全燃烧所需的剩余空气通过布置在主炉膛上部一定位置处的燃尽风(OFA)喷口送入炉膛，在过量空气系数α > 1的条件下达到完全燃烧。其中步骤(1)所述旋风筒中的富燃料燃烧区的过量空气系数α为0.6 0.95，同时考虑到旋风燃烧锅炉在采用常规空气分级燃烧技术时，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，作为对本发明的进一步改进，根据实际燃煤的特点，二次风进口可以根据需要采用送入“富氧”的空气(即氧气浓度大于21%的空气)，这样会使旋风筒内主燃区氧浓度得到较大提高，由于氧气具有极大助燃作用，使得旋风筒内的燃烧温度大大提高， 从而可以很好地克服旋风燃烧锅炉在采用常规空气分级燃烧技术时所造成的旋风筒内燃烧温度与正常燃烧状况相比会有所降低，进而可能会对旋风筒内正常的液态排渣构成一定威胁这一隐患。步骤⑵中所添加的增效添加剂(如无机盐Na2C03等)能大大提高氨剂还原烟气中NOx反应的反应速率，从而大大提高采用该技术方法的脱硝效率，其脱硝率有望高达95% 以上，随着研究开发的不断深入，未来所适用的增效添加剂的种类将不断增多。步骤(3)中的过量空气系数α为1.05 1.2，且送入完全燃烧所需剩余空气的燃尽风(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。实现上述一种旋风燃烧锅炉先进空气分级燃烧脱硝方法与系统，主要包括旋风筒 1、锅炉主炉膛5和液态渣粒化水箱4，其中锅炉主炉膛5下部一定位置处布置有氨剂/添加剂喷口 6，上部一定位置处布置有燃尽风喷口 7，锅炉主炉膛5的底部布置有用来粒化其液态排渣的粒化水箱4。作为对本发明的进一步改进，在实际设计生产过程中，可以根据需要适当加长旋风筒的筒体长度，把氨剂/添加剂喷口布置在旋风筒的后半部分，从而充分利用旋风筒内的强旋转流场，使得氨剂、增效添加剂与烟气充分地混合，最大限度地提高氨剂还原烟气中 NOx反应的脱硝效率。本发明所提出的一种旋风燃烧锅炉先进空气分级燃烧脱硝方法与系统，与美国通用能源与环境石if究公司(GE-Energy andEnvironmental Research Corporation, GE-EER) 所提出的专利技术——第二代先进再燃技术(Second Generation Advanced Reburning, SGAR)相比具有本质的不同美国通用能源与环境研究公司所提出的第二代先进再燃技术是基于燃料分级技术(即再燃技术)研究开发出来的，其在应用中需要一套独立的再燃燃料制备、输送系统；而本发明所提出的方法是基于空气分级燃烧技术开发出来的。本发明所提出的一种旋风燃烧锅炉先进空气分级燃烧脱硝方法与系统，并不是简简单单的常规空气分级燃烧技术与SNCR烟气脱硝技术的组合，常规的SNCR脱硝技术是一种烟气处理技术，只有在一个较窄的温度窗口才有效，其典型的温度窗口是900 1100°C， 且是基于氧化性气氛下进行氨剂与NOx的还原反应的；而本发明中所提到的先进空气分级燃烧脱硝方法属于一种燃烧控制技术，其氨剂、添加剂喷入区的炉膛温度约在1300 1700°C，所发生的氨剂还原NOx的反应是基于还原性气氛前提下的，同时所添加的增效盐添加剂在反应中能大大提高脱硝反应的反应速率，其与SNCR中发生的氨剂与NOx的还原反应在原理上具有本质的不同。另一方面，为了应对我国未来日趋严格的环境保护标准，满足不同区域用户对旋风燃烧锅炉最终NOx排放浓度的不同要求，作为对本发明的进一步改进，用户可以根据实际需要在采用先进空气分级燃烧脱硝方法的基础上再采用SNCR烟气脱硝技术，不仅能更进一步降低烟气中的NOx浓度，而且操作实施起来非常简单方便，只需沿炉膛高度选择适合SNCR脱硝反应的温度窗口布置氨剂喷口，而其氨剂储备、输送系统可以与原先的先进空气分级燃烧脱硝方法共用一套设备。本发明所提出的一种旋风燃烧锅炉先进空气分级燃烧脱硝方法与系统，具有如下优点(1)成本低廉，脱硝效率高，其脱硝效率有望高达95%以上，设备简单，实施容易；(2)易于对已有锅炉进行改造；(3)与SNCR烟气脱硝技术相比，本发明所提出的方法大大克服了 SNCR在实际应用中脱硝效率较低，且具有明显的温度窗口(900 1100°C )限制的缺点；(4)与SCR烟气脱硝技术相比，本发明所提出的方法不仅具有与其相当的脱硝效率，甚至其脱硝率比SCR还要高，而且在应用中可以免除昂贵的催化剂使用和烟气脱硝装置的占用空间。
图1是应用本发明的装置结构示意图；其中，1为旋风筒；2为一次风进口 ；3为二次风进口 ；4为液态渣粒化水箱；5为锅炉主炉膛；6为氨剂/添加剂喷口 ；7为燃尽风(OFA)喷口；8为选择性非催化还原脱硝 (SNCR)喷口。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细描述参见图1，本发明所提出的一种旋风燃烧锅炉先进空气分级燃烧脱硝方法与系统， 具体是指(1)由一次风进口送入旋风筒的燃料气流，与二次风进口送入的二次风强烈混合后在过量空气系数α < 1的条件下燃烧，形成所谓的富燃料燃烧区，并生成含有一定浓度 NOx的烟气，其过量空气系数α约为0.6 0.95。在具体实施过程中，根据实际燃煤的特点，二次风进口可以根据需要采用送入“富氧”的空气(即氧气浓度大于21%的空气)，以克服旋风燃烧锅炉在采用常规空气分级燃烧技术时所造成的旋风筒内燃烧温度与正常燃烧状况相比会有所降低，进而可能会对旋风筒内正常的液态排渣构成一定威胁这一隐患；(2)由布置在锅炉主炉膛下部一定位置处的氨剂/添加剂喷口送入炉膛的氨剂 (氨、尿素等)和增效添加剂(如无机盐Na2CO3等)，在还原性气氛下与第一阶段生成的含 NOx的烟气发生还原反应，从而将NOx还原为队，其中所送入的添加剂能大大提高氨剂还原烟气中NOx反应的反应速率，从而大大提高采用该技术方法的脱硝效率，其脱硝率有望高达 95%以上；(3)达到完全燃烧所需的剩余空气通过布置在主炉膛上部一定位置处的燃尽风 (OFA)喷口送入炉膛，在过量空气系数α > 1的条件下达到完全燃烧，其过量空气系数α 约为1. 05 1. 2，且送入完全燃烧所需剩余空气的燃尽风(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。为了应对我国未来日趋严格的环境保护标准，满足不同区域用户对旋风燃烧锅炉最终NOx排放浓度的不同要求，作为对本发明的进一步改进，在具体实施过程中，用户可以根据实际需要在采用先进空气分级燃烧脱硝方法的基础上再采用SNCR烟气脱硝技术，不仅能更进一步降低烟气中的NOx浓度，而且操作实施起来非常简单方便，只需沿炉膛高度选择适合SNCR脱硝反应的温度窗口布置氨剂喷口，而其氨剂储备、输送系统可以与原先的先进空气分级燃烧脱硝方法共用一套设备。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。
权利要求
1.一种旋风燃烧锅炉先进空气分级燃烧脱硝系统，其特征在于包括旋风筒、锅炉主炉膛和液态渣粒化水箱，其中锅炉主炉膛下部布置有氨剂/添加剂喷口，锅炉主炉膛上部布置有燃尽风喷口，锅炉主炉膛的底部布置有用来粒化其液态排渣的粒化水箱。
2.基于权利要求1所述的一种旋风燃烧锅炉先进空气分级燃烧脱硝系统的方法，其特征在于，按照下述步骤(1)由一次风进口送入旋风筒的燃料气流，与二次风进口送入的二次风强烈混合后在过量空气系数α < 1的条件下燃烧，形成富燃料燃烧区，并生成含有NOx的烟气；(2)由布置在锅炉主炉膛下部位置处的氨剂/添加剂喷口送入炉膛的氨剂和增效添加剂，在还原性气氛下与步骤(1)生成的含NOx的烟气发生还原反应，从而将NOx还原为N2 ；(3)达到完全燃烧所需的剩余空气通过布置在主炉膛上部的燃尽风喷口送入炉膛，在过量空气系数α > 1的条件下达到完全燃烧。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述步骤(1)旋风筒中的富燃料燃烧区的过量空气系数α为0.6 0.95，根据实际燃煤的特点，二次风进口根据需要采用送入“富氧”的空气。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述步骤O)中所添加的增效添加剂是碱 金属无机盐。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述步骤(3)中的过量空气系数α为 1. 05 1. 2，且送入完全燃烧所需剩余空气的燃尽风喷口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。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于根据实际需要在采用先进空气分级燃烧脱硝方法的基础上再采用SNCR烟气脱硝技术，其中SNCR技术可以与原先的先进空气分级燃烧脱硝方法共用一套氨剂储备和输送系统。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于根据需要加长旋风筒的筒体长度，把氨剂/ 添加剂喷口布置在旋风筒的后半部分。
全文摘要
本发明公开了一种旋风燃烧锅炉先进空气分级燃烧脱硝系统与方法。针对旋风燃烧锅炉本身所存在的污染物NOx排放高，以及目前我国SCR烟气脱硝关键技术、原料、仪表等仍需进口，且该技术本身需要昂贵的催化剂，并存在催化剂中毒，更换，增加装置和占用空间等不利因素，导致其运行成本过高，使其应用受到很大限制。为此，本发明提出一种旋风燃烧锅炉先进空气分级燃烧脱硝方法与系统，其脱硝效率有望高达95％以上，不仅能大大降低旋风燃烧锅炉的NOx排放，而且与SCR技术相比，免去了昂贵的催化剂使用和烟气脱硝装置的占用空间，具有成本低廉、设备简单、实施改造容易等优点。
文档编号F23C10/18GK102287812SQ201110197740
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月15日 优先权日2011年7月15日
发明者刘银河, 白文刚, 车得福 申请人:西安交通大学