循环流化床脱硫脱硝的燃烧方法及装置与流程

本发明涉及一种循环流化床锅炉的燃烧方法及装置，具体地，涉及一种循环流化床炉内联合脱硫脱硝的燃烧方法及装置。

背景技术：

二氧化硫和氮氧化物(NOx)是重要的大气污染物，是造成酸雨和光化学污染的重要物质。二氧化硫进入大气达到一定浓度后，就会对人、动植物造成危害；更重要的是在相对湿度较大，有颗粒物存在时，会发生催化氧化反应生成SO₃和硫酸雾，毒性比二氧化硫大10倍。燃煤锅炉中的氮氧化物排放总量上比二氧化硫要少，但其对环境的潜在危害程度却比二氧化硫严重，其中NO和NO₂是污染大气的主要成分，能引起人体中毒、植物损害、酸雨酸雾等，并与碳氢化合物形成光化学烟雾，造成臭氧层的破坏。因此，控制火电厂燃煤锅炉的二氧化硫和氮氧化物排放至关重要。我国规定新建、改建和扩建燃煤电厂，必须达到和满足环保国家排放标准；最新的《火力发电厂大气污染物排放标准(GB-13223-2011)》要求所有火力电厂锅炉必须执行SO₂和NO_x均低于100mg/Nm³的排放标准，而目前循环流化床锅炉原始二氧化硫和氮氧化物排放浓度绝大多数均不能直接达标。因此循环流化床锅炉面临着必须进一步降低二氧化硫和氮氧化物排放的问题。

目前控制燃煤产生的二氧化硫主要有三类脱硫技术，即燃烧前脱硫、燃烧中脱硫以及烟气脱硫。烟气脱硫是目前控制燃煤电厂SO₂气体排放最有效和应用最广的技术。按照脱硫剂以及脱硫反应物的状态烟气脱硫可分为湿法、干法及半干法三大类。湿法脱硫工艺成熟、效率高，但投资和运行费用昂贵；干法工艺具有投资少，设备简单并且产物易于处理等优点，但存在脱除效率和吸收剂利用率低的问题。半干法技术的脱硫产物呈干态，便于处理，但是系统易结垢和堵塞，需要专门的设备进行吸收剂的制备，投资费用较大，并且脱硫效率与吸收剂的利用率不如湿法高。

循环流化床锅炉控制NOx排放的技术可分为两类：一是通过各种技术手段降低燃烧过程中的NOx生成量，即低NOx燃烧技术；二是将以生成的NOx通过技术手段从烟气中脱除，即烟气脱硝技术。烟气脱硝技术工艺复杂，投资和运行成本高，无疑降低了循环流化床锅炉的市场竞争力。传统的低NOx燃烧技术主要包括低氧燃烧、在炉膛内采用空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环等。

为达到国家环保标准对于大气污染物排放的限制要求，大型火力发电锅炉氮氧化物和二氧化硫控制的成熟工艺是采用选择性催化还原(SCR)技术或选择性非催化还原(SNCR)技术结合尾部脱硫，这是分级治理方式。这种方式不仅占地面积大，而且投资和运行费用高，难以广泛应用。而且由于SCR的最佳操作温度在350～450℃左右，还存在脱硫后烟气再热的问题。如果运行不当，SO₂含量升高将使SCR催化剂中毒。国内外已有较多相关研究，但大多存在技术和经济等方面的缺欠，难以发展能为较为实用的技术。所以目前开发既廉价又高效可以同时脱硫脱硝的新技术、新设备是烟气净化技术研究的总趋势。

中国专利申请201310539752.0提出了一种循环流化床锅炉多重分级高效低氮燃烧方法及燃烧系统，燃烧空气分别经相应入口进入炉膛，通过控制各区过量空气系数将炉膛分为不同的区域，使燃料在炉膛内分散均匀燃烧。但该方法只能降低氮氧化物生成量而无法降低硫化物的排放。此外，中国专利申请201310723729.7提供了一种循环流化床锅炉低氮氧化物排放的燃烧方法，将二次风管风口设为上、中、下三层，每层的范围限定在一定的高度，同时降低一次风量和二次风量使烟气氧量保持在2％至3％的低氧量运行，同时该方法还有诸多其它的要求，例如床料的温度保持低床温，床料的厚度保持低料位，风室风压保持低压等。尽管该方法能有效降低氮氧化物的排放但还是无法同时满足脱除烟气中硫化物的需求。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述不足，提出一种循环流化床锅炉炉内同时脱硫脱硝的燃烧方法和装置。

根据本发明的一方面，提供一种循环流化床脱硫脱硝的燃烧方法，步骤：

a)向循环流化床炉膛下部区域内通入燃料、脱硫剂和高于理论燃烧空气量但低于常规燃烧空气量的燃烧用风，使循环流化床炉膛下部区域的气氛保持在还原性气氛，其中燃烧用风的一部分从炉膛底部的布风板通入；

b)使循环流化床炉膛内燃烧产生的气固混合物从炉膛上部进入旋风分离器，气固混合物中的颗粒被分离并送回循环流化床炉膛，气固混合物中的烟气经旋风分离器顶部的中心筒，再经出口烟道流入尾部烟道；以及

c)在循环流化床炉膛距布风板2.5倍～4倍流化速度值的高度处、炉膛上部和/或旋风分离器入口段设置补燃风喷口，在所述补燃风喷口通入补充燃烧用风，保证烟气中的二氧化硫和脱硫剂可充分反应，其中流化速度单位：长度单位/s。

根据一具体实施方案，在步骤c)之后还包括步骤d)：在中心筒和/或出口烟道外部也设置补燃风喷口，通入补充燃烧用风，使烟气中的一氧化碳和飞灰可燃物完全燃烧。

根据一具体实施方案，所述步骤b)中向循环流化床炉膛下部通入的燃烧用风量为：使得下部区域炉膛过量空气系数为1.05-1.08。

根据一具体实施方案，步骤c)和步骤d)中的补充燃烧用风总量占输入到燃烧装置中的总空气量的10％-15％。

根据一具体实施方案，步骤c)和步骤d)中的补充燃烧用风总量使燃烧装置中的总过量空气系数达到1.15-1.2。

根据一具体实施方案，步骤c)和步骤d)中的补充燃烧用风通过集风箱提供。

根据本发明的另一方面，提供一种循环流化床联合脱硫脱硝的燃烧装置，包括循环流化床炉膛、旋风分离器和尾部烟道，其中，

所述循环流化床炉膛包括下部区域和上部区域，所述下部区域开设供燃料、脱硫剂和燃烧用风通入的第一通道，所述上部区域开设供燃烧产生的气固混合物流出的第二通道；

所述旋风分离器与所述第二通道连通，旋风分离器顶部开设供分离后的烟气流出的中心筒，所述中心筒经出口烟道连接至尾部烟道；

其中，在所述在循环流化床炉膛距布风板2.5倍～4倍流化速度值的高度处、炉膛上部和/或旋风分离器入口段设置补燃风喷口，供补充燃烧用风通入，其中流化速度单位：长度单位/s。

根据一具体实施方案，在所述中心筒和/或出口烟道外部也设置补燃风喷口，供补充燃烧用风通入。

根据一具体实施方案，所述燃烧装置还包括集风箱，其连接至各补燃风喷口，用于提供补充燃烧用风。

通过上述技术方案，可以得知本发明的有益效果在于：

(1)本发明的燃烧装置具有系统简单、工程投资费用低、占地面积小等特点，适于现有电厂及工业锅炉的改造以及新建锅炉。

(2)脱硫剂在流化床内多次循环，气固间剧烈紊流混合，脱硫剂利用率较高。而且脱硫剂与烟气接触时间长，因此脱硫效率较高，脱硫产物可以综合利用。

附图说明

图1为本发明一实施例的循环流化床脱硫脱硝的燃烧方法流程示意图。

图2为本发明另一实施例的循环流化床脱硫脱硝的燃烧方法流程示意图。

图3为本发明实施例的循环流化床脱硫脱硝的燃烧装置示意图。

具体实施方式

在本领域中，过量空气系数表示燃烧时实际使用的空气量与燃料充分燃烧情况下理论上应当使用的空气量的比值。由于燃烧过程中燃料与空气掺混无法达到理想中的均匀程度，过量空气系数等于1时并不能实现燃料完全燃烧，在锅炉设计和运行的工程实践中，通常炉膛出口处过量空气系数一般选择为1.2左右，因此将过量空气系数等于1时的空气用量称为理论燃烧空气量，过量空气系数等于1.2时的空气用量称为常规燃烧空气量。在本发明中燃烧用风和补燃用风均指空气。

本发明中流化速度是指在流化床燃烧过程中常用的用风流化速度，例如典型的流化速度为4-6m/s，但上述典型的流化速度仅为示例，并不用于限制本发明。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

根据本发明总体上的发明构思，循环流化床脱硫脱硝的燃烧方法及装置，其中，参见图1所示，燃烧方法中包括步骤：

a)向循环流化床炉膛下部区域内通入燃料、脱硫剂和高于理论燃烧空气量但低于常规燃烧空气量的燃烧用风，使循环流化床炉膛下部区域的气氛保持在还原性气氛，其中燃烧用风的一部分从炉膛底部的布风板通入；

b)使循环流化床炉膛内燃烧产生的气固混合物从炉膛上部进入旋风分离器，气固混合物中的颗粒被分离并送回循环流化床炉膛，气固混合物中的烟气经旋风分离器顶部的中心筒，再经出口烟道流入尾部烟道；以及

c)在循环流化床炉膛距布风板2.5倍～4倍流化速度值的高度处、炉膛上部和/或旋风分离器入口段设置补燃风喷口，在所述补燃风喷口通入补充燃烧用风，保证烟气中的二氧化硫和脱硫剂可充分反应，其中流化速度单位：长度单位/s。

作为优选，参见图2所示，上述燃烧方法在步骤c)之后还包含步骤d)：在中心筒和/或出口烟道外部也设置补燃风喷口，通入补充燃烧用风，使烟气中的一氧化碳和飞灰可燃物完全燃烧。

参见图3所示，燃烧装置包括循环流化床炉膛1、旋风分离器2和尾部烟道6，其中：

所述循环流化床炉膛1包括下部区域和上部区域，所述下部区域开设供燃料、脱硫剂和燃烧用风通入的第一通道，所述上部区域开设供燃烧产生的气固混合物流出的第二通道；

所述旋风分离器2与所述第二通道连通，旋风分离器2顶部开设供分离后的烟气流出的中心筒4，所述中心筒经出口烟道5连接至尾部烟道6；

其中，在所述在循环流化床炉膛距布风板2.5倍～4倍流化速度值的高度处、炉膛上部和/或旋风分离器入口段设置补燃风喷口7，供补充燃烧用风通入，其中流化速度单位：长度单位/s。

以下将燃烧装置和燃烧方法结合对本发明进行解释和阐述。

燃料在循环流化床内的燃烧过程中，生成二氧化硫和氮氧化物(NOx)，同时石灰石分解释放出二氧化碳。氮氧化物主要为一氧化氮(NO)，其比例高达95％。一般煤燃烧生成的NOx的氮来源可以分为燃料N和热力N，燃料氮来自燃料中的N，热力N来自燃烧用空气中的N，只有在高温(1100℃以上)下热力N才有可能转化为NOx。对于循环流化床中煤的燃烧来说，氮氧化物的生成主要来源于煤中的氮元素。在一般燃烧条件下，煤中氮的化合物首先被热解成HCN和NH₃等中间产物，随着挥发分一同从煤中析出，称之为挥发分N，仍残留在焦炭中的氮称之为焦炭N；而在氧化性气氛中，循环流化床锅炉中煤燃烧时由挥发分N生成的氮氧化物占的比例可达60％-80％，焦炭燃烧产生的氮氧化物只占20％-40％。

在循环流化床炉膛内的燃烧过程中，主要分为密相区燃烧和稀相区燃烧。在循环流化床密相区，当煤进入炉膛后，经过炉膛高温热解并析出挥发分，挥发分中包含了二氧化硫，以及生成氮氧化物的前驱体HCN和NH₃等含N成分，挥发分N遇到送入炉膛内助燃空气中的氧气，迅速被氧化成NO。由于炉膛内没有通入足够过量的助燃空气，在燃烧过程中产生了一定浓度的CO。密相区燃烧过程的主要反应方程式如下：

S+O₂-＞SO₂

C+O₂-＞CO₂，CO

Fuel-N-＞NH₃，HCN…

NH₃，HCN+O₂-＞NO

Fuel-N+O₂-＞NO

CaCO₃-＞CaO+CO₂

CaO+SO₂+1/2O₂-＞CaSO4

在循环流化床稀相区中，煤热解后的焦炭继续与氧气进行燃烧，在没有充分过量的助燃空气条件下，生成CO₂和CO。另外，在密相区产生的NO在稀相区内被烟气中的CO和焦炭还原，即为控制氮氧化物排放的主要途径。稀相区燃烧过程的主要反应方程式如下：

C+O₂-＞CO₂，CO

NO+CO-＞CO₂+N₂

NO+C-＞CO₂+N₂

CaO+SO₂+1/2O₂-＞CaSO4

可见，只要能够控制循环流化床燃烧的气氛为还原性气氛，则可抑制氮氧化物的产生，但燃烧如果始终在还原性气氛下进行，则意味着燃烧不充分、燃烧效率低，并且通入的石灰石也达不到完全脱硫的效果，燃烧产生的二氧化硫得不到充分抑制。

在图3所示实施例中，在循环流化床炉膛1内距布风板2.5倍～4倍流化速度值(流化速度单位：长度单位/s)的高度处及炉膛上部，旋风分离器入口，中心筒及中心筒出口烟道设置补燃风喷口7，补燃风喷口7与外部通道，将补燃用风通入炉膛1内，旋风分离器2入口段和中心筒4内。

在实现本发明实施例的燃烧方法的过程中，参见图1和图2所示，分别向循环流化床炉膛1的下部通入燃料和脱硫剂，以及高于理论燃烧空气量但低于常规燃烧空气量的燃烧用风，使循环流化床炉膛1下部的燃烧产物中的氮氧化物得到抑制，产生包括具有二氧化硫、少量氮氧化物、一氧化碳的烟气和具有一定量焦炭颗粒物的气固混合物；使循环流化床炉膛1产生的气固混合物进入旋风分离器2，气固混合物中的大部分颗粒被分离、经返料器3和循环流化床炉膛1上的返料口重新送回循环流化床炉膛1，烟气夹带少量细颗粒进入中心筒4；通过补燃风喷口7向炉膛1距布风板2.5倍～4倍流化速度值(流化速度单位：长度单位/s)高度处和/或炉膛上部、和/或旋风分离器2入口段，中心筒4和/或出口烟道5内通入补充燃烧用风，使烟气中的二氧化硫、一氧化碳和飞灰残碳等可燃成分完全燃烧。

根据本发明的一种实施例，向循环流化床炉膛1内通入的燃料和燃烧用风的量为使得过量空气系数为1.05-1.08，这样即可以使循环流化床锅炉1的下部保持在还原性气氛，又保证了大部分可燃成分在炉膛内完成燃烧，剩余可燃成分较少，在炉膛内，旋风分离器入口段和中心筒内即可燃尽。

在一种示例性实施例中，向炉膛1上部和旋风分离器2入口段和中心筒4及出口烟道5内通入的补充燃烧用风的量占燃烧装置总空气量的10％-15％，该风量通过炉膛上部，旋风分离器入口段、中心筒及出口烟道通入时强化烟气流动，通过优化设计的补燃口结构和布置方式，提高烟气与补燃风的掺混，达到提高反应和燃烧效率的目的。向炉膛1距布风板2.5倍～4倍流化速度值(流化速度单位：长度单位/s)的高度处和/或炉膛上部，和/或旋风分离器2入口段，中心筒4和/或出口烟道5内通入的补充燃烧用风的量使燃烧装置中的过量空气系数达到1.15-1.2。这样，可使从循环流化床炉膛1排出的气固混合物中所含的可燃成分充分燃烧，从而保证锅炉燃烧效率。

根据本发明的一个优选实施例，通过集风箱向循环流化床炉膛距布风板2.5倍～4倍流化速度值(流化速度单位：长度单位/s)的高度处及炉膛上部，旋风分离器入口段，中心筒及中心筒出口烟道通入补充燃烧用风，所述集风箱包括：与外部连通的入风口，以及与循环流化床炉膛距布风板2.5倍～4倍流化速度值(流化速度单位：长度单位/s)的高度处及炉膛上部，旋风分离器入口段，中心筒及中心筒出口烟道内部连通的出风口。

在根据本发明的实施例所述的燃烧方法中，通过控制过量空气系数略大于1，特别是1.05-1.08的燃烧用风，并辅以匹配量值的补充燃烧用风，使循环流化床炉膛下部的燃烧处于低氧状态(常规燃烧过量空气系数为1.2)，形成还原性气氛，但随之产生一定浓度的CO(浓度为1000-2000ppm)，燃烧产生的NO被烟气中的CO还原，由此抑制了氮氧化物的排放；而燃烧用风量与补充燃烧用风量的配合，确保了烟气中二氧化硫、氮氧化物的低排放与燃烧效率的平衡。进一步地，本发明实施例所述的燃烧方法还将补充燃烧用风的供应位置设置在循环流化床炉膛距布风板2.5倍～4倍流化速度值(流化速度单位：长度单位/s)的高度处和/或炉膛上部、和/或旋风分离器入口段，为烟气中和循环灰中的二氧化硫与脱硫剂反应提供了富氧区，保证炉内脱硫反应具有充足的氧量和反应时间。同时，还在中心筒和/或出口烟道设置补燃口，为烟气中一氧化碳和飞灰中的残炭提供了足够的燃烧空间和时间，最终使得炉内在同时保证氮氧化物和二氧化硫生成控制的基础上，烟气中未燃烧完全的可燃物充分转化，实现高燃烧效率。

此外，由于将补充燃烧用风的通入位置设置在循环流化床炉膛距布风板2.5倍～4倍流化速度值(流化速度单位：长度单位/s)的高度处和/或炉膛上部、和/或旋风分离器入口段，中心筒和/或出口烟道，因此不再需要附加的燃烧空间(例如后燃烧室)，节约了设备造价和占地空间，而且可通过小规模的改造在常规循环流化床燃烧装置上实现本发明实施例的燃烧方法，拓展了本方法的应用范围。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。