燃烧系统及其运行方法与流程

本发明涉及能源与环境的能量转换技术领域，特别涉及一种燃烧系统及其运行方法。

背景技术：

对于燃烧系统，燃烧器的过量空气系数是影响能量利用效率的重要因素之一，过量空气系数过大会造成烟气排放量增加，使排烟热损失增大，同时，还会使烟气的露点降低，从而使得烟气中水蒸气的潜热更加难以回收，而过量空气系数过低，则会引起燃烧不完全，导致CO等可燃成分的生成与排放和不完全燃烧热损失的增加。因此，在保证燃料充分燃烧的前提下，尽可能地使燃烧系统整体的过量空气系数接近于1.0是提高能量转换效率的有效途径。

减少氮氧化物(NOx)排放是现有燃烧系统面临的另一课题。减少NOx排放的技术途径包括低氮燃烧和烟气脱硝。现有的低氮燃烧技术包括空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环、全预混燃烧等。可是，这些技术存在NOx排放浓度仍然较高、能量利用效率下降以及成本较高等问题，此外，对于既有的燃烧系统的低氮燃烧改造，往往由于受到空间的限制而无法实施。在烟气脱硝技术中，NH₃选择性催化还原NOx(NH₃-SCR)已经实现工业化，但也存在着明显的不足：NH₃和NOx的比例要求精确控制在0.8～1.0之间才能达到较好的脱硝效果，添加的NH₃过量会造成NH₃的排放污染，而NH₃不足则会导致NOx脱除率降低；由于反应活性较低，因而所需的脱硝反应温度较高；烟气中含硫物质会使催化剂中毒而失活；液氨或者氨水的储存和使用存在安全生产风险；初期投资成本和运行成本较高。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种燃烧系统及其运行方法，主要目的是在提高燃烧系统的能量利用效率的同时，显著减少燃烧系统的NOx和可燃成分的排放。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种燃烧系统，包括具有燃烧器的燃烧装置和与燃烧装置连接的烟气主管道，所述燃烧器连接空气主管道和燃料主管道，所述空气主管道上设有空气风机，还包括进行烟气中氮氧化物的还原脱除反应和可燃成分燃烧反应的第一反应器，所述第一反应器设于所述烟气主管道上。

作为优选，还包括为所述第一反应器提供空气的第一空气支管道，所述第一空气支管道的末端与所述的第一反应器入口端的烟气主管道连接。

作为优选，所述第一空气支管道的前端与所述空气风机出口侧的所述空气主管道连接，所述第一空气支管道上设有调节空气流量的调节阀。

作为优选，还包括为所述第一反应器提供还原性气体的还原性气体管道，所述的还原性气体管道与第一反应器入口端的烟气主管道连接，所述还原性气体管道上设有用于调节还原性气体流量的调节阀。

作为优选，所述还原性气体包括一氧化碳、氢气、合成气、高炉煤气、转炉煤气以及焦炉煤气等。所述还原性气体还可以通过设置燃料的重整装置(包括部分重整、自热重整、水蒸气重整以及干重整等)，将燃料转化为CO和H₂来产生。

作为优选，所述第一反应器出口端的烟气主管道上设有用于检测第一反应器输出的烟气中残留CO浓度的第一CO传感器。

作为优选，所述第一反应器出口端的烟气主管道上设有用于检测第一反应器输出的烟气中残留O₂浓度的第一O₂传感器。

作为优选，所述第一反应器出口端的烟气主管道上设有用于测量第一反应器输出的烟气温度的温度传感器。

作为优选，所述第一反应器出口端的烟气主管道上设有用于调节燃烧系统背压的引风机。通过设置引风机来克服第一反应器的压力损失，从而使所述燃烧系统的背压处于允许范围之内。

作为优选，所述的第一反应器为充填有载氧体的化学链燃烧反应器，所述的载氧体为以铜为主活性物质的铜基载氧体。

作为优选，还包括进行烟气中残留CO和H₂的燃烧的第二反应器以及为所述第二反应器提供空气的第二空气支管道，所述的第二反应器设置于第一反应器出口端的烟气主管道上，所述的第二空气支管道与第二反应器入口端的烟气主管道连接。

作为优选，所述第二空气支管道的前端与所述空气风机出口侧的空气主管道连接，所述第二空气支管道上设有调节空气流量的调节阀。

作为优选，所述第二反应器出口端的烟气主管道上设有用于检测第二反应器输出的烟气中残留CO浓度的第二CO传感器。

作为优选，所述第二反应器出口端的烟气主管道上设有用于检测第二反应器输出的烟气中残留浓度O₂的第二O₂传感器。

作为优选，所述的燃烧器为设有比例调节阀的比例调节燃烧器。

作为优选，所述燃烧装置为锅炉，所述锅炉还连接热媒输入管道和热媒输出管道，还包括省煤器，所述省煤器的冷流体侧的出口连接所述热媒输入管道，所述省煤器的冷流体侧的入口连接热媒回路管道，所述省煤器的热流体侧的入口与烟气主管道连接，省煤器的热流体侧的出口连接烟气输出管道，所述热媒输入管道通过热媒支管道连接热媒输出管道，所述热媒支管道上设有热媒流量调节阀。

另一方面，本发明还提供了一种上述燃烧系统的运行方法，通过调节空气主管道的空气流量和/或调节燃料管道的燃料流量和/或调节比例阀，将燃烧器的过量空气系数设定于0.9～0.995的范围。

作为优选，根据检测到的第一反应器输出烟气中残留的CO浓度调整燃烧器的过量空气系数，其中，当CO的体积浓度低于0.01％时，通过调节空气主管道的空气流量和/或调节燃料管道的燃料流量和/或调节比例阀降低燃烧器的过量空气系数，而当CO的体积浓度高于0.2％时，通过调节空气主管道的空气流量和/或调节燃料管道的燃料流量和/或调节比例阀增加燃烧器的过量空气系数。

作为优选，通过检测的第一反应器输出烟气的温度调整燃烧器的过量空气系数，当烟气温度低于120℃时，调节空气主管道的空气流量和/或调节燃料管道的燃料流量和/或调节比例阀降低燃烧器的过量空气系数。

作为优选，根据检测的第一反应器输出的烟气中残留CO的浓度调整输入第一反应器的空气量，当CO的体积浓度高于0.2％时，增加输入第一反应器的空气流量，当CO的体积浓度低于0.01％时，减少输入第一反应器的空气流量。

作为优选，根据检测的第一反应器输出的烟气中残留的CO的浓度调整输入第一反应器的还原性气体的量，当CO的体积浓度低于0.01％时，增加输入第一反应器的还原性气体的流量，当CO的体积浓度高于0.2％时，减少输入第一反应器的还原性气体的流量。

作为优选，在第一反应器输出端的烟气主管道上设置有进行烟气中残留CO和H₂的燃烧的第二反应器时，根据检测的第二反应器输出的烟气中残留的CO的浓度调整输入第二反应器的空气量，当CO的体积浓度高于0.01％时，增加输入第二反应器的空气流量。

作为优选，当检测第一反应器输出的烟气温度低于120℃时，通过热媒支管道上的调节阀增加热媒支管道的热媒流量。

本发明与现有技术相比具有如下明显的优点和有益效果：

1、能量利用效率高。通过设置第一反应器，使烟气中的CO等可燃成分得到基本完全的燃烧，进而，通过调整空气流量，使燃烧系统整体的过量空气系数非常接近于1.0，明显减少烟气流量，从而使排烟热损失降低到最小，同时，由于烟气的露点得到了提高，因而烟气中水蒸气的潜热可以得到更完全的回收；

2、NOx生成量减少。过剩空气的减少使得燃烧区内的O₂浓度降低，从而使热力型NOx的生成量减少；

3、NOx近零排放。以烟气中的CO和H₂为还原剂，采用以铜为主要活性物质的铜基载氧体，基于化学链燃烧反应机理的还原脱硝具有很高的NOx脱除率，可以达到NOx近零排放的目标；

4、烟气脱硝反应所需的温度低。本发明的脱硝反应在120℃以上便可发挥良好的脱硝性能。当燃烧装置出口的烟气温度低于120℃时，只要该温度不低于60℃左右的CO化学链燃烧起燃温度，就可通过调低燃烧器的过量空气系数来增加烟气中的CO等可燃成分的浓度，使CO燃烧反应等强放热反应在第一反应器中进行，从而使第一反应器的烟气出口温度高于目标的120℃。因此实质上，本发明的烟气脱硝所需的最低温度仅为60℃；

5、成本低。不同于烟气再循环、分级燃烧等低氮燃烧技术，该技术方案不需要对燃烧器或炉膛等做改动，同时，不同于现有的NH₃-SCR烟气脱硝技术，无需使用NH₃，因而初期投资成本和运行成本低。

附图说明

图1是本发明的燃烧系统的第一实施例的示意图。

图2是本发明的燃烧系统的第二实施例的示意图。

图3是本发明的燃烧系统的第三实施例的示意图。

图4是本发明的燃烧系统的第四实施例的示意图。

图5是本发明的燃烧系统的第五实施例的示意图。

图6是本发明的燃烧系统的第六实施例的示意图。

图7是本发明的燃烧系统的第七实施例的示意图。

图8是本发明的燃烧系统的第七实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

图1至图8是本发明的燃烧系统的不同实施例的结构示意图。参见图1至图8，燃烧系统，包括具有燃烧器10的燃烧装置50和与燃烧装置50连接的烟气主管道15，燃烧器10连接空气主管道12和燃料主管道14，空气主管道12上设有空气风机13，还包括进行烟气中氮氧化物的还原脱除反应和可燃成分燃烧反应的第一反应器11，第一反应器11设于烟气主管道15上。

本发明通过设置第一反应器，使燃烧器排出的烟气中的氮氧化物进行还原脱除反应，并可使CO等可燃成分得到基本完全的燃烧，进而，通过调整空气流量，使燃烧系统整体的过量空气系数非常接近于1.0，使烟气流量明显减少，从而使排烟热损失降低到最小，同时，由于烟气的露点得到了提高，因而烟气中水蒸气的潜热可以得到更完全的回收。因此，燃烧系统的能量利用率得到提高。

作为上述实施例的优选，参见图3至图7，燃烧系统还包括为第一反应器11提供空气的第一空气支管道24，第一空气支管道24的末端与第一反应器11入口端的烟气主管道15连接。本实施例通过第一空气支管道24为第一反应器11提供空气，使可燃组分在第一反应器11内充分燃烧。

参见图4至图7，第一空气支管道24可以是单独设置，或者如图3所示，也可以是第一空气支管道24的前端与空气风机13出口侧的空气主管道12连接，第一空气支管道24上设有调节空气流量的调节阀25。本实施例通过将第一空气支管道24接入空气主管道12，利用一个空气风机13实现为燃烧器和第一反应器24提供空气，可以节省成本。在燃烧系统运行过程中，可以通过调节阀25实现对第一空气支管道24内空气流量的控制。如图4至图7所示，第一空气支管道24单独设置时，在第一空气支管道24上设置第二空气风机16。通过第二空气风机16为第一反应器11输送空气，实现了为燃烧器10和第一反应器11输送空气单独控制，更有利于整个系统的控制。

作为上述实施例的优选，参见图5至图8，本实施例的燃烧系统还包括为第一反应器11提供还原性气体的还原性气体管道34，还原性气体管道34与第一反应器11入口端的烟气主管道15连接，还原性气体管道34上设有用于调节还原性气体流量的调节阀35。在第一反应器11中，燃烧装置50的出口烟气中含有的CO及H₂即可进行氮氧化物的还原和为第一反应器升温的CO及H₂的燃烧。当所述烟气本身含有的CO及H₂不足时，本实施例可通过还原性气体管道34向第一反应器11输入还原性气体，以保证第一反应器11内相关反应对还原性气体的需求。

本发明实施例中，用于烟气中氮氧化物还原和可燃成分燃烧的还原性气体包括一氧化碳、氢气、合成气、高炉煤气、转炉煤气以及焦炉煤气等。通过还原性气体管道34向第一反应器11输入还原性气体可以保证足够的还原性气体将烟气中的氮氧化物还原，或者保证第一反应器11的反应温度。

作为上述实施例的优选，参见图2至图8，第一反应器11出口端的烟气主管道15上设有用于检测第一反应器输11出的烟气中残留CO浓度的第一CO传感器23。本实施例通过在第一反应器11出口端的烟气主管道15上设置第一CO传感器23可以及时获取第一反应器11输出的烟气中CO浓度，进而可以根据获取的该CO浓度及时调整燃烧器的过量空气系数，使燃烧器的过量空气系数在0.9～0.995的范围内，这样，即可为第一反应器提供CO和H₂，还可使烟气流量明显减少，从而使排烟热损失降低到最小，同时，由于烟气的露点得到了提高，因而烟气中水蒸气的潜热可以得到更完全的回收。同时，根据获取的CO浓度及时调整输入第一反应器11的空气量和还原气体量。另外也可以在第一反应器11出口端的烟气主管道15上设置用于检测第一反应器11输出的烟气中残留O₂浓度的第一O₂传感器22，通过检测第一反应器11输出的烟气中残留O₂浓度，进而可以根据获取的该O₂浓度及时调整燃烧器的过量空气系数，使燃烧器的过量空气系数在0.9～0.995的范围内。作为一种优选，在设置第一CO传感器23的同时也设置第一O₂传感器22。

作为上述实施例的优选，参见图3至图7，第一反应器11出口端的烟气主管道15上设有用于测量第一反应器11输出的烟气温度的温度传感器26。通过该温度传感器26可以及时获取第一反应器11输出的烟气温度，并根据获取的烟气温度对调整燃烧器的过量空气系数，使燃烧器的过量空气系数在0.9-0.995范围内。

作为上述实施例的优选，参见图6至图8，第一反应器11出口端的烟气主管道15上设有用于调节燃烧系统背压的引风机60。通过设置引风机60来克服第一反应器11的压力损失，从而使燃烧系统的背压处于允许范围之内。

作为上述实施例的优选，第一反应器11为充填有载氧体的化学链燃烧反应器，载氧体为以铜为主活性物质的铜基载氧体。

当第一反应器11充填的载氧体为以铜为主活性物质的铜基载氧体时，通过氮氧化物与还原态铜基载氧体的氧化反应，可在第一反应器出口温度120℃以上的条件下实现氮氧化物的脱除。

2NO+2Cu＝N₂+2CuO (1)

2NO₂+4Cu＝N₂+4CuO (2)

此时，烟气中的O₂也会与还原态铜基载氧体发生氧化反应：

Cu+0.5O₂＝CuO△H₃₉₃⁰＝-155.3kJ/mol (3)

为了将反应(1)～(3)生成的氧化态铜基载氧体全部还原再生为还原态铜基载氧体以保证氮氧化物脱除的持续进行，第一反应器11入口的烟气中必须含有过量的CO和H₂，以进行如下的还原再生反应。

CuO+CO＝Cu+CO₂△H₃₉₃⁰＝-128.0kJ/mol(4)

CuO+H₂＝Cu+H₂O△H₃₉₃⁰＝-87.4kJ/mol(5)

为此，本发明通过调节主空气管道的空气流量或者燃料管道的燃料流量或者比例阀，将燃烧器的过量空气系数设定于0.9～0.995的范围。也就是说，通过在燃烧器进行一定程度的不完全燃烧，使第一反应器入口的烟气中含有CO和H₂，在数量上CO和H₂的浓度之和为烟气中O₂浓度的2倍以上。

另一方面，按式(3)～(5)进行的反应为强放热反应，且其起燃温度较低，仅为60℃左右。因此，当第一反应器出口的温度传感器测定的烟气温度低于120℃时，只要烟气温度不低于60℃，就可通过调节主空气管道的空气流量或者燃料管道的燃料流量或者比例阀降低燃烧器的过量空气系数，来提高第一反应器入口烟气的CO和H₂的浓度，同时，根据第一CO传感器23检测得到的CO浓度来控制第一空气支管道24的空气流量，便可以在保证第一反应器11输出烟气的CO浓度和O₂浓度的条件下，将烟气温度提高到120℃以上。

进而，当燃烧器10的过量空气系数无法进一步调节时，可以通过还原性气体管道34导入含有CO和/或H₂的还原性气体。

作为上述实施例的优选，参见图6和图7，本实施例的燃烧系统还包括进行烟气中残留CO和H₂的燃烧的第二反应器41以及为第二反应器41提供空气的第二空气支管道44，第二反应器41设置于第一反应器11出口端的烟气主管道15上，第二空气支管道44与第二反应器41入口端的烟气主管道15连接。本实施例通过在第一反应器11出口端的烟气主管道15上设置第二反应器41使烟气中残留的可燃烧组分燃烧完全。

参考第一空气支管道24设置的相关描述。同样，第二空气支管道44可以是单独设置，也可与空气主管道12和/或第一空气支管道24连接。作为上述实施例的优选，参见图6和图7，第二空气支管道44的前端与第二空气风机16出口侧的第一空气支管道24连接，第二空气支管道44上设有调节空气流量的调节阀45。本实施例通过将第二空气支管道44接入第一空气支管道24，利用第二空气风机16为第一反应器11和第二反应器41提供空气。在燃烧系统运行过程中，可以通过调节阀45实现对第二空气支管道44内空气流量的控制。通过设置第二空气风机16，对第一反应器11和第二反应器41的空气供应与燃烧器10的空气供应进行分别控制，可避免流量波动对燃烧装置50内燃烧的影响。当然，第二空气支管道44也可以独立设置，通过在第二空气支管道44上设置第三风机来给第二反应器41供给空气。

作为上述实施例的优选，参见图6和图7，第二反应器41出口端的烟气主管道15上设有用于检测第二反应器41输出的烟气中残留CO浓度的第二CO传感器43。本实施例通过在第二反应器41出口端的烟气主管道15上设置第二CO传感器43可以及时获取第二反应器41输出的烟气中残留CO浓度，进而可以根据获取的该CO浓度及时调整输入第二反应器41的空气量，以使烟气中残留的可燃烧组分充分燃烧。同样，也可以在第二反应器41出口端的烟气主管道15上设置用于检测第二反应器41输出的烟气中残留浓度O₂的第二O₂传感器42，通过第二O₂传感器42检测第二反应器41输出的烟气中残留O₂浓度，并据此调整输入第二反应器41的空气量。优选为，在第二反应器41出口端的烟气主管道15上设置第二CO传感器43的同时，也设置第二O₂传感器42。

作为上述实施例的优选，参见图2至图7，燃烧器10为设有比例调节阀17的比例调节燃烧器。比例调节阀17的具体种类及型号可根据需要确定。并且比例调节阀17的具体连接本领域技术人员可根据现有技术或相关说明书确定，在此不再赘述，也不再提供具体的附图。

本发明的技术可以在多个领域应用，所述燃烧系统包括加热炉系统、燃气轮机发电系统、蒸汽轮机发电系统、燃气轮机-蒸汽轮机联合发电系统以及发动机发电系统以及锅炉系统等。

作为上述实施例的一种优选，燃烧装置50为锅炉，本实施例的燃烧系统即为锅炉系统，参见图7，锅炉50连接热媒输入管道53和热媒输出管道56，该燃烧系统还包括省煤器51，省煤器51的冷流体侧的出口连接热媒输入管道53，省煤器51的冷流体侧的入口连接热媒回路管道52，热媒向外供热后由热媒回路管道输送，流经省煤器51吸收烟气的热量后沿热媒输入管道53输入锅炉50，省煤器51的热流体侧的入口与烟气主管道15连接，省煤器51的热流体侧的出口连接烟气输出管道18，省煤器51与锅炉50之间的热媒输入管道通53过热媒支管道54连接热媒输出管道56，热媒支管道54上设有热媒流量调节阀55。

对于锅炉系统，特别是热水锅炉系统，当第一反应器11出口的温度传感器26测定的烟气温度低于120℃时，还可以在热媒总流量一定的条件下增加热媒支管道54的热媒流量来减少热媒输入管道53的热媒即进入锅炉的热媒的流量，从而使锅炉输出烟气的温度得到提高。

另一方面，本发明还提供了一种上述燃烧系统的运行方法。请同时参考上述燃烧系统的实施例的相关说明。本发明实施例提供的燃烧系统的运行方法如下，通过调节空气主管道的空气流量和/或调节燃料管道的燃料流量和/或调节比例阀，将燃烧器的过量空气系数设定于0.9～0.995的范围。

作为上述实施例的优选，根据检测到的第一反应器输出烟气中残留的CO浓度调整燃烧器的过量空气系数，第一反应器输出烟气中应残留有CO，以便使一氧化氮去除得更加彻底，但第一反应器输出烟气中应残留的CO又不能过多，CO过多会影响燃烧系统的热效率，并增加第二反应器的负荷。因此，通过调整燃烧器的过量空气系数使第一反应器输出烟气中应残留的CO在一定范围内。一般第一反应器输出烟气中残留的CO体积浓度应大于0，小于等于0.2％。作为优选，第一反应器输出烟气中残留的CO体积浓度最小为0.01％，最大为0.1％。具体操作如举例如下：当CO的体积浓度低于0.01％时，降低燃烧器的过量空气系数，而当CO的体积浓度高于0.2％时，通过调节空气主管道的空气流量和/或调节燃料管道的燃料流量和/或调节比例阀增加燃烧器的过量空气系数。或者根据检测到的第一反应器输出烟气中残留的O₂浓度调整燃烧器的过量空气系数，如当O₂体积浓度高于0.01％时，降低燃烧器的过量空气系数。或者以根据CO浓度调整为主，以根据O₂浓度调整为辅。

作为上述实施例的优选，通过检测的第一反应器输出烟气的温度调整燃烧器的过量空气系数，当烟气温度低于120℃时，调节空气主管道的空气流量和/或调节燃料管道的燃料流量和/或调节比例阀降低燃烧器的过量空气系数。

作为上述实施例的优选，根据检测的第一反应器输出的烟气中残留的CO的浓度调整输入第一反应器的空气量，当CO的体积浓度高于0.2％时，增加输入第一反应器的空气流量，当CO的体积浓度低于0.01％时，减少输入第一反应器的空气流量。结合上述燃烧系统的实施例可知，通过第一空气支管道的调节阀25即可实现第一空气支管道的空气流量，进而调整输入第一反应器的空气量。

作为上述实施例的优选，根据检测的第一反应器输出的烟气中残留的CO的浓度调整输入第一反应器的还原性气体的量，当CO的体积浓度低于0.01％时，增加输入第一反应器的还原性气体的流量，当CO的体积浓度高于0.2％时，减少输入第一反应器的还原性气体的流量。或者根据检测的第一反应器输出的烟气中残留的O₂的浓度调整输入第一反应器的还原性气体的量，当O₂浓度高于0.01％时，增加还原性气体的流量。或者以根据CO浓度调整为主，以根据O₂浓度调整为辅。通过还原性气体管道的调节阀即可调整输入第一反应器的还原性气体的流量。

作为上述实施例的优选，在第一反应器输出端的烟气主管道上设置有进行烟气中残留CO和H₂的燃烧的第二反应器时，根据检测的第二反应器输出的烟气中残留的CO的浓度调整输入第二反应器的空气量，当CO的体积浓度高于0.01％时，增加输入第二反应器的空气流量。

作为上述实施例的优选，当检测第一反应器输出的烟气温度低于120℃时，通过热媒支管道上的调节阀增加热媒支管道的热媒流量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。