一种循环流化床锅炉低氮燃烧排放系统及其改造方法与流程

本发明涉及锅炉技术领域，具体为一种循环流化床锅炉低氮燃烧排放系统及其改造方法。

背景技术

循环流化床锅炉是工业化程度最高的洁净煤燃烧装置，循环流化床锅炉锅炉总体上分为前部及尾部两个竖井。前部竖井为总吊结构，四周由膜式水冷壁组成，自下而上，依次为一次风室、密相区、稀相区，尾部烟道自上而下依次为高温过热器、低温过热器及省煤器。尾部竖井采用支撑结构，两竖井之间由立式旋风分离器相连通，分离器下部联接循环灰输送系统，循环灰输送系统主要由回料管、回送装置，溢流管及灰冷却器等几部分组成。

现有技术中的循环流化床锅炉一般燃料为混煤，锅炉负荷较低，总体工况下nox初始排放值偏高，只能依靠全炉膛低氧运行来实现nox的达标排放（无法实现超低），但全炉膛低氧势必影响锅炉燃烧效率，造成炉效降低。

如何将高效燃烧与低氮排放实现有效的结合，是现有技术中的循环流化床锅炉改造的重点。

技术方案

为解决上述现有技术中存在的问题，本专利提供了一种循环流化床锅炉低氮燃烧排放系统，具体技术方案如下：

一种循环流化床锅炉低氮燃烧排放系统，包括锅炉、高温旋风分离器、尾部烟道，所述锅炉通过转向室与高温旋风分离器的入口烟道连接，所述高温旋风分离器的出口烟道与尾部烟道连接，所述尾部烟道的出口烟道通过除尘器、引风机与烟囱连接，所述高温旋风分离器的底部通过返料管与锅炉上的返料口连接，还包括烟气再循环系统、sncr脱硝系统、生物质燃料掺烧系统；所述烟气再循环系统包括与引风机的出风口连接的循环风机，所述循环风机通过管道分别与一次风机入口和二次风机入口连接；所述sncr脱硝系统包括：转向室上设置的sncr脱硝喷枪、高温旋风分离器出口烟道上设置的sncr脱硝喷枪、锅炉炉墙中部设置的sncr脱硝喷枪、返料管上设置的sncr脱硝喷枪；所述生物质燃料掺烧系统包括锅炉两侧设置的生物质燃料输送系统与煤粉输送系统；所述高温旋风分离器的出口处设置有插入所述高温旋风分离器内的中心筒、连接中心筒与尾部烟道的出口烟道，所述中心筒偏心设置。

作为优选，所述中心筒插入高温旋风分离器内的深度为1700m-1800mm、所述高温旋风分离器的入口尺寸为820mm*2400mm、中心筒在第四象限偏离分离器筒体中心50-100mm、中心筒直径为1100mm-1300mm。

作为优选，所述转向室上设置有两只sncr脱硝喷枪、高温旋风分离器出口烟道上设置4只sncr脱硝喷枪、锅炉炉墙中部设置两只sncr脱硝喷枪、返料管上设置两只sncr脱硝喷枪。

作为优选，所述生物质燃料为废棉渣，所述废棉渣的掺烧比例为10%-15%。

作为优选，所述循环风机与一次风机入口和二次风机入口之间的管道上设置有循环风流量计和循环风调节阀，所述一次风机出口和二次风机出口处的管道上均设置有总风流量计和总风调节阀。

作为优选，所述尾部烟道内设置有空气预热器，所述一次风机、二次风机通过空气预热器分别与一次风入口和二次风入口连接。

作为优选，所述尾部烟道内设置有激波吹灰器。

作为优选，所述锅炉内设置有两片水冷屏。

本发明还公开了一种循环流化床锅炉低氮燃烧排放改造方法，包括：

（1）送料系统改造：在锅炉两侧设置废棉渣掺烧系统，废棉渣掺烧系统包括料仓和螺旋给料机，料仓内的废棉渣通过螺旋给料机进入锅炉，废棉渣掺烧比例为10%-15%；

（2）布风系统改造：缩小锅炉底部布风板的面积，降低一次风率10%-15%；

（3）二次风系统改造:二次风立体分级，在炉膛相对的两个方向上设置多个二次风管；

（4）增加烟气再循环系统：在引风机的出风口处通过管道连接循环风机，循环风机通过管道分别与一次风机入口和二次风机入口连接，根据负荷控制再循环烟气的烟气量及再循环烟气与一次风、二次风的配比；

（5）分离系统改造：更换所述高温旋风分离器的中心筒，所述中心筒插入高温旋风分离器内的深度为1700m-1800mm、所述高温旋风分离器的入口尺寸为820mm*2400mm、中心筒在第四象限偏离分离器筒体中心50-100mm、中心筒直径为1100mm-1300mm；

（6）sncr系统改造：在连接锅炉与高温旋风分离器的转向室上设置两只sncr脱硝喷枪、高温旋风分离器出口烟道上设置4只sncr脱硝喷枪、锅炉炉墙中部设置两只sncr脱硝喷枪、返料管上设置两只sncr脱硝喷枪；

（7）在尾部烟道内设置激波吹灰器，锅炉内增加两片自然循环的水冷屏。

有益效果

本发明采用烟气再循环的方法，将再循环烟气引至一次风管道和二次风管道内，利用再循环烟气所具有的低温低氧特点，将部分烟气再次喷入锅炉，控制再循环烟气的烟气量及再循环烟气与一次风、二次风的配比，降低锅炉炉膛内局部温度，形成局部还原性气氛，抑制氮氧化物的生成，改善锅炉炉膛内炉渣结焦现象，并改善锅炉炉排高温腐蚀。烟气再循环在一定程度上提高了炉膛及对流换热区的流速，有利于提高旋风分离器效率，提高循环倍率，延长飞灰在炉内的停留时间，有利于飞灰再燃；同时循环灰量增大，也有利于控制料层温度，烟气再循环降低了炉膛的整体温度，也有利于降低氮氧化物，进而有效地改善锅炉的炉膛内炉渣的结焦现象，同时控制炉膛温度，并改善锅炉的炉排的高温腐蚀，同时，由于减少了氮氧化物的生成率，可以减少sncr的氨水使用量，节约了运行成本；另外，再循环烟气取自引风机后的干净烟气，可以减少设备、一次风管道、二次风管道及循环烟道的积灰风险。

对于cfb锅炉来说，二次风的优化不仅可以提高其流态化整体均匀性，还可以在一定程度上抑制“翻床”形成的源头，将密相区上部的4mm以下颗粒的飞升高度加以限制，并将颗粒向垂直段燃烧室壁面转移，减少越过“裤衩”顶部尖峰处的几率，使二次风穿透作用进一步提高。

二次风立体分级，可实现炉内温度均衡，消除局部高温峰值，实现理想的880～940℃最佳低氮温度环境；分区燃烧，实现还原氧化分段，强化了已生成nox的逆向过程，即co作用下的n2+o2的还原分解能力；局部氧量均匀，实现了炉内整体低氮环境还原性气氛；

二次风立体分级，实现分级送风时的空间需求，改善了高效燃烧所需要的三维颗粒移动的传热传质，发挥了二次风射流基本穿透能力下的燃料氧量携带作用。

通过对分离系统的改造，提高了分离器效率，炉膛出口温度升高到900-930℃之间，优化了sncr反应条件，大幅提高sncr系统的脱硝效率，减少氨逃逸；通过以上改造，提高了锅炉的带负荷能力。

对布风系统改造，降低一次风率，实现深度的空气分级燃烧，少量的一次风既可以达到良好的流化，从而为空气分级燃烧提供了基础。一次风率降低后，一次风机电耗明显下降，节电效果显著。

增加吹灰系统，保证尾部烟道少积灰，保证尾部烟道的换热效果，降低排烟温度。

增加两片自然循环的水冷屏受热面，一方面增加炉内受热面，保证锅炉负荷；另一方面，可以有效降低炉膛出口温度，防止分离器结焦。

本发明通过设备改造和燃烧调整过程，产生cfb沿物料流程的温度均衡、还原区有效降氮与氧化区高效脱硫的有机结合、保障燃尽率的局部风煤比均匀、二次风射流立体布局的分级供风和整体低氧燃烧过程的良好燃料适应性。通过炉内高效低氮燃烧，nox原始排放达到在100mg/nm³以下，再通过对sncr系统优化，在炉内高效低氮燃烧基础上实现>80%的脱除效率，使nox排放降低至20mg/nm³以下，满足nox超低排放需求。锅炉高效低氮燃烧改造后，实现煤+棉渣拟定比例的稳定燃烧，锅炉效率提高10%-15%，锅炉带负荷能力提高10%-15%。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图；

图2为实施例1的结构示意图；

图3为sncr脱硝喷枪插入位置图；

图4为高温旋风分离器与锅炉的横截面结构示意图；

图5为二次风管设置的结构示意图；

图中，1：锅炉、2：高温旋风分离器、3：尾部烟道、4：转向室、5：除尘器、6：引风机、7：烟囱、8：返料管、9：循环风机、10：一次风机、11：二次风机、12：中心筒、13：出口烟道、14：生物质燃料输送系统、15：煤粉输送系统、16：高温过热器、17：低温过热器、18：省煤器、19：空气预热器、20：sncr脱硝喷枪、21：循环风流量计、22：循环风调节阀、23：总风流量计、24：总风调节阀、25：激波吹灰器、26：水冷屏、27：布风板、28：一次风入口、29：二次风入口、30：炉膛、31：二次风管。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

实施例1

如图1所示，一种循环流化床锅炉低氮燃烧排放系统，包括锅炉1、高温旋风分离器2、尾部烟道3，所述锅炉1通过转向室4与高温旋风分离器2的入口烟道连接，所述高温旋风分离器的出口烟道与尾部烟道3连接，所述尾部烟道3的出口烟道通过除尘器5、引风机6与烟囱7连接，所述高温旋风分离器2的底部通过返料管8与锅炉上的返料口连接，还包括烟气再循环系统、sncr脱硝系统、生物质燃料掺烧系统；所述烟气再循环系统包括与引风机的出风口连接的循环风机9，所述循环风机通过管道分别与一次风机10入口和二次风机11入口连接。

如图3所示，所述sncr脱硝系统包括：转向室上设置的sncr脱硝喷枪、高温旋风分离器出口烟道上设置的sncr脱硝喷枪、锅炉炉墙中部设置的sncr脱硝喷枪、返料管上设置的sncr脱硝喷枪。

所述生物质燃料掺烧系统包括锅炉两侧设置的生物质燃料输送系统14与煤粉输送系统15；所述生物质燃料为废棉渣，所述废棉渣的掺烧比例为10%-15%。

所述高温旋风分离器的出口处设置有插入所述高温旋风分离器内的中心筒12、连接中心筒与尾部烟道的出口烟道13，所述中心筒12偏心设置。

本发明采用烟气再循环的方法，把部分洁净的烟气混入到一次风中，利用再循环烟气所具有的低温低氧特点，通过保证低负荷时密相区的流化风速，改善低负荷运行时密相区的流化特性，强化密相区的混合，并把较多的煤粉颗粒带到稀相区，降低密相区燃烧份额和温度，使整个炉膛内的温度更加均匀；在高负荷时，把部分烟气混入到一次风中，丰富密相区调温手段，降低密相区氧浓度，有利于减少nox的生成。采用烟气再循环的方法，把部分洁净的烟气混入到二次风中，用再循环烟气所具有的低温低氧特点，有利于增加二次风喷口的风速，强化稀相区气固、气气混合，降低锅炉的炉膛内局部温度，有利于避免形成局部高温区，并形成局部还原性气氛，从而降低nox生成。

锅炉两侧设置料仓，在锅炉两侧墙密相区上部设置两个给料口，废棉渣从锅炉两侧入炉。棉渣掺烧比例10%-15%（与煤热量比），在该运行工况下，本着少掺烧，勤掺烧的原则，锅炉改造工程量小，造价低，锅炉可安全稳定运行。废渣棉由料仓进入到螺旋给料机(2.2kw，7m³/h)后，通过螺旋给料机送入锅炉。通过变频器调节螺旋给料机转速，以控制送入锅炉内的废棉渣量。通过接回锅炉一次风，将废棉料送入炉膛。气动闸板门起保护作用，在闸板们之前设置有热电偶传感器，当温度过高，可认为发生回火，及时关闭闸板门、停止给料电机。

生物质燃料与煤比较有以下特性：氯含量及碱金属含量高、挥发份高、氧含量高、水分含量高、固定炭低、灰分低、热值低、硫含量低。生物质因钾、氯含量较高，所以燃烧后灰中含有大量碱金属盐，作为肥料是很好的底肥，但是在燃烧过程中因为这些碱金属盐熔点低，容易在水冷壁以及尾部受热面上结渣、积灰。采用循环流化床燃烧方式时，这些钾盐会与砂床料或秸秆夹带的泥土（含砂子）反应生成硅酸钾类玻璃，容易造成床料结焦或颗粒长大，因此运行过程中应及时排除燃烧过程中形成的大颗粒物，补充合适的床料，维持炉内物料粒度的相对均匀。纯烧或大比例掺烧的情况下，尾部受热面的积灰和过热器的腐蚀会非常严重。在后期的尾部受热面改造或更换时，将高温过热器布置于炉内（过热屏形式），过热器高温段采用tp347h材质。余出的尾部空间，将低温过热器和省煤器横向节距加大，减少受热面积灰搭桥的机会。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，所述中心筒12插入高温旋风分离器内的深度为1700m-1800mm、所述高温旋风分离器的入口尺寸为820mm*2400mm、中心筒在第四象限偏离分离器筒体中心50-100mm、中心筒直径为1100mm-1300mm。高温旋风分离器与锅炉的横截面结构示意图如图4所示。

影响高温旋风分离器分离效率的因素包括：

（1）中心筒直径

在相同入口气速下，中心筒直径变小，分离器内颗粒切向速度会随着中心筒直径的减小而增大，中心筒入口短路流量减小，有利于分离，且减弱了流场的非轴对称性，旋流的不稳定性降低，但分离器的总压降将增加。

（2）分离器入口速度

分离器入口速度过低时，粉尘中的颗粒没有足够的动量，无法与分离器碰撞降低动量落入分离器中，大部分小颗粒无法分离，导致分离效率底下。入口速度过高时，气流脉动加剧，颗粒的扩散增大，造成颗粒的弹跳、碰撞、分散，颗粒返混现象加剧，反使分离效率下降，不利于颗粒分离，分离效率不是随入口速度的提高而单调上升；分离器的磨损量与入口速度的三次方正正比，入口气流速度越高则分离器磨损越大，分离器入口流速存在最优设计值。

（3）中心筒插入深度

由于旋流在中心管与壁面之间运动，中心筒长度和插入深度对分离器性能均有较大影响。中心筒插入过深，会缩短中心筒与锥体底部的距离，增加二次夹带机会；当中心筒插入过浅，会造成正常旋流核心弯曲，使其处于不稳定状态，也易造成气体短路而降低分离效率。

sncr脱硝喷枪插入位置如图3所示，所述转向室上设置有两只sncr脱硝喷枪、高温旋风分离器出口烟道上设置4只sncr脱硝喷枪、锅炉炉墙中部设置两只sncr脱硝喷枪、返料管上设置两只sncr脱硝喷枪。分离器入口烟道截面较小，喷枪喷出的雾化氨水气流很容易覆盖大部分烟气，混合均匀；氨水和烟气混合后进入到分离器，在烟气留旋转作用下进一步混合，并能保持足够的停留时间以利于反应完成；温度窗口合适，在设备正常情况下，分离器入口烟温约为920℃，是合适的温度窗口，并且进入分离器后，该温度保持很好，利于氨水与nox的反应。

所述循环风机与一次风机入口和二次风机入口之间的管道上设置有循环风流量计和循环风调节阀，所述一次风机出口和二次风机出口处的管道上均设置有总风流量计和总风调节阀。

所述尾部烟道内设置有空气预热器，所述一次风机、二次风机通过空气预热器分别与一次风入口和二次风入口连接。

所述尾部烟道内设置有激波吹灰器。所述锅炉内设置有两片水冷屏。

可以降低一次风率的情况下，提高二次风率增强分级效果，无论是对燃尽率提高、炉内减缓磨损、提高煤质适应性、保证炉效，还是对提高石灰石脱硫效果、增强de-nox能力、改善循环流化状态，都十分有益。

通过数值模拟对高速旋流分离器进行了优化分析，得出最优方案为：中心筒插入深度在1700m-1800mm、入口尺寸820mm*2400mm、中心筒在第四象限偏离分离器筒体中心50-100mm时、中心筒直径在1100mm-1300mm时，分离器的效率既高效压力损失又较小。在不改变风室汽水系统的前提下，实现燃烧的高效。低氮燃烧改造后，炉膛上部的燃烧份额会提高，炉膛出口烟气温度与床温相差很小，这更加有利于实现后期sncr所要求的温度窗口和飞灰的燃尽。

实施例3

一种循环流化床锅炉低氮燃烧排放改造方法，包括：

（1）送料系统改造：在锅炉两侧设置废棉渣掺烧系统，废棉渣掺烧系统包括料仓和螺旋给料机，料仓内的废棉渣通过螺旋给料机进入锅炉，废棉渣掺烧比例为10%-15%；

（2）布风系统改造：缩小锅炉底部布风板的面积，降低一次风率10%-15%；

（3）二次风系统改造:二次风立体分级，如图5所示，在炉膛相对的两个方向上设置多个二次风管，大大增加了二次风在锅炉内的穿透深度，使锅炉燃烧充分稳定；

（4）增加烟气再循环系统：在引风机的出风口处通过管道连接循环风机，循环风机通过管道分别与一次风机入口和二次风机入口连接，根据负荷控制再循环烟气的烟气量及再循环烟气与一次风、二次风的配比；

（5）分离系统改造：更换所述高温旋风分离器的中心筒，所述中心筒插入高温旋风分离器内的深度为1700m-1800mm、所述高温旋风分离器的入口尺寸为820mm*2400mm、中心筒在第四象限偏离分离器筒体中心50-100mm、中心筒直径为1100mm-1300mm；

（6）sncr系统改造：在连接锅炉与高温旋风分离器的转向室上设置两只sncr脱硝喷枪、高温旋风分离器出口烟道上设置4只sncr脱硝喷枪、锅炉炉墙中部设置两只sncr脱硝喷枪、返料管上设置两只sncr脱硝喷枪；

（7）在尾部烟道内设置激波吹灰器，锅炉内增加两片自然循环的水冷屏。

本发明通过设备改造和燃烧调整过程，产生cfb沿物料流程的温度均衡、还原区有效降氮与氧化区高效脱硫的有机结合、保障燃尽率的局部风煤比均匀、二次风射流立体布局的分级供风和整体低氧燃烧过程的良好燃料适应性。通过炉内高效低氮燃烧，nox原始排放达到在100mg/nm³以下，再通过对sncr系统优化，在炉内高效低氮燃烧基础上实现>80%的脱除效率，使nox排放降低至20mg/nm³以下，满足nox超低排放需求。