燃煤锅炉分级燃烬风深度空气分级燃烧低NOx控制方法与流程

本发明涉及的是一种锅炉燃烧领域的技术，具体是一种燃煤锅炉分级燃烬风深度空气分级燃烧低nox控制方法。

背景技术：

目前燃煤锅炉主要采用空气分级燃烧和深度空气分级燃烧降低炉内nox排放浓度，即在主燃烧区与燃烬区之间的nox还原区空间，氧气浓度迅速降低到5％以下甚至接近于零的程度，形成的强还原性气氛将主燃烧区已生成的nox还原成氮气，还原区出口的nox浓度降低到较低的水平。但由于还原区出口仍存在大量未燃烬的还原性气相含氮中间体和未完全释放的焦炭氮，随着燃烬风的喷入，燃烧气氛从缺氧的还原性气氛过渡到富氧的氧化性气氛，这些残留的含氮化合物在燃烬区氧化性气氛下又氧化再生成nox，使得燃烬区出口最终的nox排放浓度大幅度地抬升。已有研究表明，燃烬区再生成的nox浓度相对于还原区出口有100～150ppm的抬升。这是目前采用空气分级燃烧和深度空气分级燃烧时还原区出口的nox浓度已经降得很低而炉膛出口实际排放的nox浓度仍然较高的主要原因。对于现有的空气分级燃烧和深度空气分级燃烧的燃煤锅炉来说，如何解决燃烬区nox再生成而引起的最终nox排放浓度大幅度增加是控制燃煤锅炉nox最终排放浓度的一个重要问题。

技术实现要素：

本发明针对现有燃煤锅炉空气分级燃烧和深度空气分级燃烧存在的燃烬区nox再生成而引起的nox排放浓度大幅度抬升的问题，提出一种燃煤锅炉分级燃烬风深度空气分级燃烧低nox控制方法，能够最大限度地减少燃烬区nox的再生成和最终的nox排放浓度，同时避免还原区锅炉水冷壁的结渣和高温腐蚀，降低因空气分级燃烧引起的飞灰含碳量，同时实现nox排放浓度和飞灰含碳量的降低。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明通过对燃煤锅炉炉膛高度方向各个燃烧反应区域风量分配和过量空气系数进行优化控制，在炉膛下部的主燃烧器区实现深度空气分级燃烧；在主燃烧器区与燃烬区之间的低氧燃烧与还原区设置多级辅助燃烬风喷口，各辅助燃烬风喷口布置在锅炉炉膛前后墙和左右侧墙上，逐级分区送入适量的燃烧空气量；在炉膛上部的燃烬区设置多层主燃烬风喷口，有利于煤粉的燃烬和逐级降低nox的再生成。

所述的深度空气分级燃烧是指：控制炉膛下部的主燃烧器区的过量空气系数小于1.0，进一步优选为：根据不同煤种和燃烧方式控制主燃烧器区的过量空气系数为0.60～0.85，实现主燃烧器区的深度空气分级燃烧。

所述的不同煤种和燃烧方式是指：对于燃烧高挥发分烟煤的四角切圆燃烧或墙式燃烧方式，其主燃烧器区的过量空气系数为0.70～0.85，对于燃烧低挥发分贫煤和无烟煤的四角切圆燃烧或墙式燃烧方式，其主燃烧器区的过量空气系数为0.60～0.75。

所述的多级辅助燃烬风喷口，通过以下方式实现：在主燃烧器区与燃烬区之间的低氧燃烧与还原区，沿炉膛高度烟气流动方向设置多层辅助燃烬风喷口；在各层辅助燃烬风喷口中逐级送入适量的燃烧空气量，在低氧燃烧与还原区维持较低的氧气浓度和较宽的还原性区域，逐级实现未燃的气相含氮中间体与主燃烧器区已生成的nox的均相还原。同时促进了焦炭的不完全燃烧和气化，提高了还原区的温度水平和co浓度，有效地强化了焦炭的燃烧和焦炭氮的释放与转化。在较低的氧气浓度和较高的烟气温度条件下焦炭与已生成的nox的异相还原能力也明显增强。因此，还原区出口的nox浓度和残留的未燃含氮化合物量均明显降低，进入炉膛上部的燃烬区后其nox再生成量将大幅度地减少，最大限度地降低了炉内最终的nox排放浓度，实现炉内nox的超低排放。

所述的多级辅助燃烬风喷口，为均匀布置或不等间距布置，优选为相邻两层辅助燃烬风喷口之间的距离、最下层辅助燃烬风喷口与主燃烧器最上层喷口之间的距离以及最上层辅助燃烬风喷口与燃烬风最下层喷口之间的距离控制在主燃烧器最上层喷口与燃烬风最下层喷口之间距离的0.1～0.6倍。

所述的适量的燃烧空气量是指：辅助燃烬风喷口喷入的总空气量为锅炉煤粉燃烧总空气量的10％～20％之间，喷入的空气量可按相同的质量流量均匀分配或按逐级递减的塔型分配，维持低氧燃烧与还原区较低的氧气浓度。各喷口喷出的空气流速为20～60m/s，保证射流足够强的穿透深度以及与炉膛内上升气流的均匀混合。

所述的维持较低的氧气浓度是指：低氧燃烧与还原区烟气中平均氧气浓度为1％～3％，并与主燃烧器区过量空气系数配合使用。

优选地，沿炉膛高度烟气流动方向布置1～3层辅助燃烬风喷口，每层辅助燃烬风喷口布置在同一高度的炉膛横截面上，在锅炉前后墙上至少布置一个辅助燃烬风喷口，同时在锅炉左右侧墙上至少布置一个辅助燃烬风喷口：每个辅助燃烬风喷口射流方向与锅炉炉墙垂直或成不超过10°的射流角度，在炉膛内形成对冲射流或较小切圆直径的旋转射流，强化辅助燃烬风与炉膛内上升烟气流的强烈均匀混合；左右侧墙布置的辅助燃烬风喷口还补充锅炉炉膛左右侧墙水冷壁附近区域一定的空气量，解决了低氧燃烧与还原区炉膛水冷壁附近氧气浓度过低和一氧化碳浓度偏高而造成的结渣和高温腐蚀问题。

所述的辅助燃烬风喷口包括：位于中心的直流射流喷口和位于直流射流喷口周围的旋流的二次风喷口和/或三次风喷口，其中：中心的直流射流辅助燃烬风有利于到达炉膛中心区域，旋流的二次风和/或三次风有利于维持炉膛水冷壁附近合适的氧化性气氛。

优选地，所述的燃烬区设有1～3层主燃烬风喷口以通入焦炭后期燃烧和燃烬所需的空气量。

所述的燃烬区总的过量空气系数为1.1～1.2，燃烧气氛由缺氧的还原性气氛逐渐过渡到富氧的氧化性气氛。低氧燃烧与还原区出口进入燃烬区的未燃的气相含氮中间体和残留的焦炭氮的量明显减少，燃烬区生成的nox浓度虽然有所升高，但与现有空气分级燃烧技术相比，

nox再生成量已经大幅度地减少，燃烬区出口最终的nox排放浓度将明显降低。

优选地，每层主燃烬风喷口布置在同一高度的炉膛横截面上，在锅炉前后墙上布置多个主燃烬风喷口，同时在锅炉左右侧墙上至少布置一个主燃烬风喷口。主燃烬风喷口射流方向与锅炉炉墙垂直或成不超过10°的射流角度，在炉膛内形成对冲射流或较小切圆直径的旋转射流，强化主燃烬风与炉膛内上升的烟气流的强烈均匀混合。左右侧墙布置的主燃烬风还补充锅炉炉膛左右侧墙水冷壁附近区域一定的空气量，解决了燃烬区炉膛水冷壁附近氧气浓度低和一氧化碳浓度高而造成的结渣和高温腐蚀问题。

所述的主燃烬风喷口包括：位于中心的直流射流喷口和位于直流射流喷口周围的旋流的二次风喷口和/或三次风喷口，其中：中心的直流射流主燃烬风有利于到达炉膛中心区域，旋流的二次风和/或三次风有利于维持炉膛水冷壁附近合适的氧化性气氛。

技术效果

与现有技术相比，本发明强化了低氧燃烧与还原区已生成的nox的逐级还原和焦炭氮的释放与转化，燃烬区nox再生成量大幅度地减少，炉内最终的nox排放浓度降低10％～40％左右，实现了炉内煤粉燃烧超低nox排放。同时优化控制低氧燃烧与还原区较低的氧气浓度可避免炉膛水冷壁的结渣和高温腐蚀，降低了因空气分级燃烧引起的飞灰含碳量，能够同时实现nox排放浓度和飞灰含碳量的降低。

附图说明

图1为本发明燃煤锅炉分级燃烬风深度空气分级燃烧低nox控制方法的示意图。

图2是图1中辅助燃烬风系统实施例1辅助燃烬风喷口布置的示意图。

图3是图1中辅助燃烬风系统实施例2辅助燃烬风喷口布置的示意图。

图4是图1中主燃烬风系统实施例1主燃烬风喷口布置的示意图。

图5是图1中主燃烬风系统实施例2主燃烬风喷口布置的示意图。

图中：1锅炉炉膛、2主燃烧器喷口、3主燃烬风喷口、4辅助燃烬风喷口、5炉膛前墙、6炉膛后墙、7炉膛左侧墙、8炉膛右侧墙。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，为本实施例应用环境，其中包含：锅炉炉膛1、主燃烧器喷口2、主燃烬风喷口3和辅助燃烬风喷口4。

本实施例通过对煤粉锅炉炉膛高度方向各个燃烧反应区域风量分配和过量空气系数的优化控制，根据炉内煤粉气流的燃烧和nox生成与还原特性，将锅炉炉膛沿炉膛高度烟气流动方向分为三个区域：炉膛下部的主燃烧器区、炉膛中部的低氧燃烧与还原区和炉膛上部的燃烬区。

所述的炉膛下部的主燃烧器区，对于不同燃烧方式采用不同的煤粉燃烧器，对于四角切圆燃烧方式采用直流煤粉燃烧器，对于前后墙对冲燃烧方式采用旋流煤粉燃烧器，是煤粉强烈燃烧的主要区域。在主燃烧器区，其过量空气系数小于1.0，根据不同煤种和燃烧方式控制主燃烧器区的过量空气系数为0.60～0.85，实现主燃烧器区的深度空气分级燃烧。对于燃烧高挥发分烟煤的四角切圆燃烧或墙式燃烧方式，其主燃烧器区的过量空气系数优选为0.70～0.85，对于燃烧低挥发分贫煤和无烟煤的四角切圆燃烧或墙式燃烧方式，其主燃烧器区的过量空气系数优选为0.60～0.75。

所述的炉膛中部的低氧燃烧与还原区设有1～3层分级辅助燃烬风喷口4，逐级送入适量的燃烧空气到氧气浓度很低的低氧燃烧与还原区，使得各层辅助燃烬风喷口截面之间的炉膛区域氧气浓度适当增加，维持较低氧气浓度的还原性气氛。较低氧气浓度的还原性气氛有利于强化了未燃的气相含氮中间体(hcn、nhi等)以及碳氢自由基chi与主燃烧器区已生成的nox的均相还原，提高了nox均相还原效率，降低了低氧燃烧与还原区出口气相含氮中间体的浓度。同时较低的氧气浓度促进了煤焦的不完全燃烧和气化反应，提高了焦炭的低氧燃烧、还原区的温度水平和co浓度，强化了焦炭的燃烧和焦炭氮的释放与转化。焦炭与已生成的nox的异相还原反应增强，提高了焦炭与nox的异相还原效率，促进了焦炭的燃烬。因此，低氧燃烧与还原区出口的nox浓度明显降低，进入燃烬区的未燃的气相含氮中间体和残留的焦炭氮的量明显减少。

在本实施例中，所述的分级辅助燃烬风喷口4具体位于主燃烧器最上层喷口与主燃烬风最下层喷口之间的低氧燃烧与还原区炉膛空间，沿炉膛高度烟气流动方向布置两层辅助燃烬风喷口，下部的是第一层辅助燃烬风喷口，上部的是第二层辅助燃烬风喷口。

每层辅助燃烬风喷口在低氧燃烧与还原区炉膛空间等间距均匀布置或不等间距布置，相邻两层辅助燃烬风喷口之间的距离、下层辅助燃烬风喷口与主燃烧器最上层喷口之间的距离以及上层辅助燃烬风喷口与主燃烬风最下层喷口之间的距离控制在主燃烧器最上层喷口与主燃烬风最下层喷口之间距离的0.1～0.6倍。

①当采用等间距均匀布置时，第一层和第二层辅助燃烬风喷口分别布置在主燃烧器最上层喷口与主燃烬风最下层喷口之间高度的1/3和2/3位置。

②当采用不等间距布置时，第一层辅助燃烬风喷口与主燃烧器最上层喷口之间的距离为主燃烧器最上层喷口与主燃烬风最下层喷口之间距离的1/4～1/3，第二层辅助燃烬风喷口与主燃烧器最上层喷口之间的距离为主燃烧器最上层喷口与主燃烬风最下层喷口之间距离的1/2～2/3，其具体间距根据不同煤种和燃烧方式优化确定。

本实施例中的分级辅助燃烬风喷口4喷入的空气量为锅炉煤粉燃烧总空气量的10％～20％，维持低氧燃烧与还原区烟气中平均氧浓度为1％～3％，并与主燃烧器区的过量空气系数配合使用。由于主燃烧器最上层喷口出口氧气浓度已经很低，需要喷入的辅助燃烬风风量更多，各层辅助燃烬风喷口喷入的空气量按相同的质量流量均等配风或按逐级递减的塔型配风，维持低氧燃烧与还原区各喷口之间的区域较低的氧气浓度。在本实施例中第一层辅助燃烬风风量占煤粉燃烧总风量的1/8～1/16，第二层辅助燃烬风风量占煤粉燃烧总风量的1/12～1/20。

各层辅助燃烬风喷口4喷出的空气流速为20～60m/s，保证射流足够强的穿透深度，强化与炉膛内上升气流的强烈均匀混合。

每层辅助燃烬风喷口4布置在同一高度的炉膛横截面上，在锅炉前后墙上至少布置一个辅助燃烬风喷口，同时在锅炉左右侧墙上至少布置一个辅助燃烬风喷口。每个辅助燃烬风喷口射流方向与锅炉炉墙垂直或成不超过10°的射流角度，在炉膛内形成对冲射流或较小切圆直径的旋转射流，强化辅助燃烬风与炉膛内上升的烟气流的强烈均匀混合。左右侧墙布置的辅助燃烬风喷口还补充锅炉炉膛左右侧墙水冷壁附近区域一定的空气量，解决了低氧燃烧与还原区炉膛水冷壁附近氧气浓度低和一氧化碳浓度高而造成的结渣和高温腐蚀问题。图2是图1中辅助燃烬风系统实施例1辅助燃烬风喷口布置的示意图，在锅炉炉膛前后墙5、6和左右侧墙7、8各布置一个辅助燃烬风喷口，辅助燃烬风喷口4与锅炉炉墙垂直或成不超过10°的射流角度，在炉膛内形成对冲射流或较小切圆直径的旋转射流。

每层主燃烬风喷口布置在同一高度的炉膛横截面上，在锅炉前后墙上布置多个主燃烬风喷口，同时在锅炉左右侧墙上至少布置一个主燃烬风喷口。主燃烬风喷口射流方向与锅炉炉墙垂直或成不超过10°的射流角度，在炉膛内形成对冲射流或较小切圆直径的旋转射流，强化主燃烬风与炉膛内上升的烟气流的强烈均匀混合。左右侧墙布置的主燃烬风还补充锅炉炉膛左右侧墙水冷壁附近区域一定的空气量，解决了燃烬区炉膛水冷壁附近氧气浓度低和一氧化碳浓度高而造成的结渣和高温腐蚀问题。

如图4所示，为本实施例主燃烬风喷口布置的示意图，在锅炉炉膛前后墙5、6上各布置与现有煤粉锅炉相同的四个主燃烬风喷口，在左右侧墙7、8上各增加一个主燃烬风喷口，左右侧墙7、8上的主燃烬风喷口3送入炉膛中心煤粉燃烬所需要的空气量，并提高了左右侧墙附近氧气浓度和降低co浓度以避免左右侧墙水冷壁面的结渣和高温腐蚀。

实施例2

如图3所示，为本实施例辅助燃烬风喷口布置的示意图。本实施例在锅炉炉膛前后墙5、6上和左右侧墙7、8上各布置两个辅助燃烬风喷口4，辅助燃烬风喷口4与锅炉炉墙垂直或成不超过10°的射流角度，各股辅助燃烬风射流相互作用并与炉膛内上升的烟气流强烈均匀混合，使得炉膛截面氧气浓度分布更加均匀。

所述的辅助燃烬风喷口包括：位于中心的直流射流喷口和位于直流射流喷口周围的旋流的二次风喷口和/或三次风喷口，其中：中心的直流射流辅助燃烬风有利于到达炉膛中心区域，旋流的二次风和/或三次风有利于维持炉膛水冷壁区域合适的氧化性气氛。

所述的炉膛上部的燃烬区设有1～3层主燃烬风喷口3，通入焦炭后期燃烧和燃烬所需的空气量，控制燃烬区总的过量空气系数为1.1～1.2，燃烧气氛由缺氧的还原性气氛逐步过渡到富氧的氧化性气氛。由于低氧燃烧与还原区出口进入燃烬区的未燃的气相含氮中间体和残留的焦炭氮的量明显减少，燃烬区生成的nox虽然有所升高，但由于nox再生成量已经大幅度地减少，燃烬区最终的nox排放浓度明显降低。

如图5所示，为本实施例主燃烬风喷口布置的示意图，在锅炉炉膛前后墙5、6上各布置与现有煤粉锅炉相同的四个主燃烬风喷口3，在左右侧墙7、8上各增加两个主燃烬风喷口，煤粉燃烬所需要的空气与炉内上升烟气流更加均匀地混合，并避免左右侧墙水冷壁结渣和高温腐蚀。

所述的主燃烬风喷口3包括：位于中心的直流射流喷口和位于直流射流喷口周围的旋流的二次风喷口和/或三次风喷口，其中：中心的直流射流主燃烬风有利于到达炉膛中心区域，旋流的二次风和三次风有利于维持炉膛水冷壁区域合适的氧化性气氛。

本发明实施例通过采用多级辅助燃烬风强化了炉膛中部的低氧燃烧与还原区nox的逐级还原和焦炭氮的释放与转化，解决了现有技术中燃烧烟煤和低挥发分贫煤和无烟煤锅炉空气分级燃烧和深度空气分级燃烧存在的燃烬区大量nox再生成而引起的nox浓度大幅度抬升的问题，炉内最终的nox排放浓度可降低10％～40％左右，实现炉内nox浓度超低排放。同时合理地控制低氧燃烧与还原区适当的低氧浓度，避免了炉膛水冷壁的结渣和高温腐蚀，降低了因空气分级燃烧引起的飞灰含碳量，能够同时实现nox排放浓度和飞灰含碳量的降低。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。