一种低NOx燃烧与白烟消减耦合的电站系统和方法与流程

本发明属于火力发电技术领域，特别涉及一种低NOx燃烧与白烟消减耦合的电站系统和方法。

背景技术：

在中国，大约30％左右的火力发电是通过燃用无烟煤和贫煤这类低挥发分燃料获得的。同时，随着煤化工产业的迅速发展，每年将产生数亿吨的煤热解半焦和气化残炭，产能严重过剩。这种新型的低挥发分固体产物同样被考虑应用于发电领域进行大规模燃烧利用。但由于此类燃料的挥发分含量很低，实现清洁高效燃烧难度很大，在燃用过程中通常存在着火和稳燃困难、燃尽率低、氮氧化物(NOx)排放高等问题。而随着我国的发展，为应对日益严峻的环境保护压力，火力发电厂大气污染物排放标准日益严苛。从2014年7月1日起，我国火力发电厂的NOx排放量不得高于100mg/Nm³，在未来此标准可能继续降低至50mg/Nm³。为满足排放标准，绝大多数的火力发电厂通常选择空气分等低氮燃烧技术与选择性催化还原(SCR)和选择性非催化还原(SNCR)等脱硝技术联用降低NOx排放。特别是在燃用低挥发分燃料时，运行成本高昂的SCR脱硝装置被更多的倚重，降低电厂经济效益，同时也会造成空预器堵塞，催化剂环境污染等问题。因此，采用更加高效的低NOx燃烧技术来降低炉膛初始NOx生成量明显具有更高的经济和环保效益，同时满足日益严苛的国家标准。

此外，为实现超低的脱硫排放标准，电厂中往往采用多级脱硫塔串联使用，脱硫水耗大大增加，烟温温度降低，湿度增大。而我国水资源分布严重不平衡，水资源短缺问题日益加重，成为制约地方经济发展的重要因素。因此节约水资源，采用措施循环回收利用烟气中的水对提高电厂的经济和环保效益更加势在必行。同时，烟气温度降低和湿度增大会加重烟囱的腐蚀以及产生更加严重的白色烟羽视觉污染，尤其对于燃用高水分煤种的锅炉。而现在社会对白色烟羽视觉污染的消除愈发重视，在进行烟气污染物治理的同时，必须全面考虑节约水资源和消除白色烟羽一体化途径。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低NOx燃烧与白烟消减耦合的电站系统和方法，其可实现在电站锅炉中高效燃用低挥发分燃料，通过墙式辅助风喷口喷入纯氧结合氧气深度分级形成有利于NOx还原的高温强还原气氛，解决低挥发分燃料氮氧化物排放高和着火燃尽性能差的难题，同时充分利用空分装置获得的液氧的冷能，实现冷凝水循环回收利用和消除白色烟羽一体化的电站锅炉低NOx燃烧系统和方法，并且通过墙式风喷入纯氧将炉膛水冷壁附近形成氧化性气氛，减缓炉膛水冷壁的腐蚀。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种低NOx燃烧与白烟消减耦合的电站系统，包括锅炉本体，燃烧器及二次风喷口，燃尽风喷口，主燃区氧气墙式辅助风喷口，燃尽区氧气墙式辅助风喷口，SNCR脱硝装置，省煤器，空预热器，氧气加热器，静电除尘器，脱硫装置，烟气冷凝器，烟气再热器，烟囱，以及自下而上布置在炉膛内的高温主燃区、NOx还原区和燃尽区；其中，

燃烧器及二次风喷口和燃尽风喷口分别设置在锅炉本体的高温主燃区侧壁上和燃尽区侧壁上，主燃区氧气墙式辅助风喷口和燃尽区氧气墙式辅助风喷口分别设置在炉膛内的高温主燃区和燃尽区，SNCR脱硝装置安装在炉膛内850-1150℃温度区间位置，省煤器和空气预热器依次安装在尾部烟道内，烟气流出锅炉后依次通过氧气加热器、静电除尘器、脱硫装置、烟气冷凝器、烟气再热器后通过烟囱排入环境。

本发明进一步的改进在于，还包括空气分离装置、凝汽器和氧气混合器，通过空气分离装置分离空气得到液氮和液氧，部分液氧依次通过烟气冷凝器和氧气加热器加热后通入氧气混合器，另一部分液氧通入凝汽器加热后通入氧气混合器，混合后的氧气通入空气预热器加热后通过主燃区氧气墙式辅助风喷口和燃尽区氧气墙式辅助风喷口送入炉膛。

本发明进一步的改进在于，还包括除氧器和加热器，在凝汽器利用液氧冷能冷凝大量汽轮机排汽，得到的冷凝水依次通入除氧器、加热器和省煤器加热后送入炉膛锅筒或水冷壁。

本发明进一步的改进在于，还包括一次风机和二次风机，一次风机和二次风机抽取的空气经空气预热器加热后分别通过燃烧器及二次风喷口和燃尽风喷口送入炉膛。

本发明进一步的改进在于，还包括集水器，利用液氧冷凝回收烟气中的水分，得到的冷凝水通过集水器收集后通入脱硫装置循环利用。

本发明进一步的改进在于，该电站系统适用于低挥发分燃料，包括无烟煤、半焦和贫煤。

上述电站系统的燃用低挥发分燃料时锅炉低NOx燃烧方法，包括：

通过墙式辅助风喷口将纯氧喷入炉膛主燃区，提高主燃区氧浓度，降低低挥发分燃料着火温度，创造高温区；

调整二次风量保证主燃区过量氧气系数控制在0.5～0.8之间；

提高燃尽风喷口位置，并通过墙式辅助风喷口将纯氧喷入燃尽区，使难燃燃料充分燃尽。

本发明进一步的改进在于，喷入炉膛的氧气由空气分离装置提供，通过环境、电厂凝汽器、空预器及烟气换热器来加热至300～400℃后喷入炉膛。

上述电站系统的液氧冷能利用方法，包括：

利用液氧的冷能，烟气在进入静电除尘器之前通过氧气加热器(9)从120℃～150℃降低至95℃以下以提高静电除尘器效率；

利用液氧冷能通过相变换热将汽轮机排汽冷凝为循环水，减少或省去循环冷却水的使用；

利用液氧的冷能冷凝烟气中的水，通过脱硫装置回收利用；

液氧冷能不足时，通过设置液氮气化器，利用液氮冷能进行补充，同时实现烟气及汽轮机排汽的充分冷凝及液氮的气化输入管网。

上述电站系统的白烟消减方法，包括：

利用液氧的冷能冷凝回收烟气中的水，降低烟气湿度；

通过烟气再热装置加热烟气至所需温度。

本发明具有如下有益的技术效果：

1)该电站锅炉系统通过在主燃区通过墙式辅助风通入纯氧，并控制主燃区过量氧气系数在0.5～0.8之间，显著提高主燃区的氧气浓度和烟气的停留时间。高氧浓度降低低挥发分燃料的着火温度，提高了主燃区的反应速率，创造了高温强还原气氛，并结合延长的还原区显著降低了初始NOx生成量，减少甚至去除了电厂因控制NOx排放而对SCR脱硝装置的依赖，同时克服了采用传统方法燃烧低挥发分燃料时存在的着火困难，稳燃性能差的问题。

2)该系统通过在燃尽区喷入纯氧，显著提高了低挥发分燃料燃尽率，实验研究显示提高燃尽区的氧浓度可显示改善燃料的燃尽特性，同时保证可接受的NOx排放增加，实现这类低挥发分燃料的大规模高效利用。

3)墙式辅助风喷口通入氧气可在炉膛水冷壁附近创造氧化性气氛，减缓水冷壁的腐蚀，提高运行安全性和经济效益。

4)充分利用液氧的冷能，高效冷却静电除尘器之前的烟气温度至95℃以下，大大提高了静电除尘器的工作效率。

5)本系统可利用液氧冷凝大量冷凝回收烟气中的水，大大降低脱硫装置的耗水量，特别适用于高水分燃料。

6)本系统和方法可消除白色烟羽视觉污染，并减缓烟囱腐蚀。

7)充分利用空分装置得到液氧的冷能，通过大温差相变换热冷凝汽轮机排汽，大大减少凝汽器的换热面积，降低凝汽器建造投资，同时可减少或省去循环冷却水，减少或省去晾水塔等装置的大量投资。

8)本燃烧系统方法简单有效，亦简化处理用于现役电厂的改造，只需在原系统中添加空分装置和墙式辅助风喷口即可。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的炉膛燃烧布置方式的俯视图，其中，图2(a)为四角切圆燃烧，图2(b)为前后墙对冲燃烧。

图中1为锅炉本体，2为燃烧器及二次风喷口，3为燃尽风喷口，4为主燃区氧气墙式辅助风喷口，5为燃尽区氧气墙式辅助风喷口，6为SNCR脱硝装置，7为省煤器，8为空预热器，9为氧气加热器，10为静电除尘器，11为脱硫装置，12为烟气冷凝器，13为集水器，14为烟气再热器，15为烟囱，16为空气分离装置，17为凝汽器，18为氧气混合器，19为除氧器，20为加热器，21为一次风机，22为二次风机。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种可实现在电站锅炉中高效燃用低挥发分燃料，通过墙式辅助风喷口喷入纯氧结合氧气深度分级形成有利于NOx还原的高温强还原气氛，解决低挥发分燃料氮氧化物排放高和着火燃尽性能差的难题，同时充分利用空分装置获得的液氧的冷能，实现冷凝水循环回收利用和消除白色烟羽一体化的电站锅炉低NOx燃烧系统和方法，并且通过墙式风喷入纯氧将炉膛水冷壁附近形成氧化性气氛，减缓炉膛水冷壁的腐蚀。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参见图1，本发明提供的一种低NOx燃烧与白烟消减耦合的电站系统，包括锅炉本体1，燃烧器及二次风喷口2，燃尽风喷口3，主燃区氧气墙式辅助风喷口4，燃尽区氧气墙式辅助风喷口5，SNCR脱硝装置6，省煤器7，空预热器8，氧气加热器9，静电除尘器10，脱硫装置11，烟气冷凝器12，集水器13，烟气再热器14，烟囱15，空气分离装置16，凝汽器17，氧气混合器18，除氧器19，加热器20，一次风机21，二次风机22，以及自下而上布置在炉膛内的高温主燃区、NOx还原区和燃尽区。其中，燃烧器及二次风喷口2和燃尽风喷口3分别设置在锅炉本体1的高温主燃区侧壁上和燃尽区侧壁上，主燃区氧气墙式辅助风喷口4和燃尽区氧气墙式辅助风喷口5分别设置在炉膛内的高温主燃区和燃尽区，SNCR脱硝装置6安装在炉膛850-1150℃温度区间位置，在尾部烟道安装有省煤器7和空气预热器8，烟气流出锅炉后依次通过烟气液氧换热器9、静电除尘器10、脱硫装置11、烟气冷凝器12、烟气再热器14后通过烟囱15排入环境。

此外，通过空气分离装置16分离空气得到液氮和液氧，部分液氧依次通过烟气冷凝器12和氧气加热器9加热后通入氧气混合器18，另一部分液氧通入凝汽器17加热后通入氧气混合器18，混合后的氧气通入空气预热器8加热后通过主燃区氧气墙式辅助风喷口4和燃尽区氧气墙式辅助风喷口5送入炉膛。在凝汽器17利用液氧冷能冷凝大量汽轮机排汽，得到的冷凝水依次通入除氧器19、加热器20和省煤器7加热后送入炉膛锅筒或水冷壁。一次风机21和二次风机22抽取的空气经空气预热器8加热后分别通过燃烧器及二次风喷口2和燃尽风喷口3送入炉膛。利用液氧冷凝回收烟气中的水分，得到的冷凝水通过集水器13收集后通入脱硫装置11循环利用。

通过采取下述方法来实施超低NOx燃烧方法，具体为：

1)通过墙式辅助风喷口将纯氧喷入炉膛主燃区，提高主燃区氧浓度，降低低挥发分燃料着火温度，提高主燃区燃烧强度，创造高温的主燃区，促进燃料中燃料氮的提前快速释放；

2)调整二次风量保证主燃区过量氧气系数控制在0.5～0.8之间，使炉膛主燃区总体处于还原性气氛下；过量氧气系数为实际通入氧气量与完全燃烧所需氧气量的比值。

3)适当提高燃尽风喷口位置，延长烟气与未燃尽的燃料在还原区的停留时间，使得已生成的NOx在高温的还原区内被大量还原。

4)通过墙式辅助风喷口将纯氧喷入燃尽区，提高燃尽区的氧浓度，使得未燃尽的低挥发分燃料在燃尽区充分燃烧。

实验及数值模拟研究结果显示，通过上述方法创造的高温强还原性气氛可显著降低炉膛NOx生成量，同时燃尽区喷入纯氧可实现低挥发分燃料的高效燃尽。

可选地，当采用四角切圆燃烧方式时，墙式辅助风喷口的布置位置及形式可参见图2(a)，具体位置可更具锅炉实际情况进行调整。

可选地，当采用前后墙对冲燃烧方式时，墙式辅助风喷口的布置位置及形式可参见图2(b)，具体位置可更具锅炉实际情况进行调整。

可选地，通过墙式辅助风喷口喷入的氧气由空分装置提供。

可选地，通过墙式辅助风喷口喷入由膜分离或分子筛装置得到的含高浓度氧气的空气。

进一步地，墙式辅助风喷口设计为狭长型，保证喷入氧气的流速高于40m/s。

可选地，锅炉每面墙可通过布置多层或多个墙式辅助风喷口进一步加强炉膛主燃区的燃烧情况。

可选地，主燃区纯氧可选择与一次风正切或反切喷入，以强化燃料与氧气混合。

可选地，主燃区纯氧可选择与二次风正切或反切喷入，以强化燃料与氧气混合。

进一步地，由空分装置得到的部分液氧依次通过烟气冷凝器和氧气加热器加热后通入氧气混合器，另一部分液氧通入凝汽器加热后通入氧气混合器，混合后的氧气通入空气预热器加热。氧气主要通过上述凝汽器、空预器及烟气换热器加热至300～400℃后通过主燃区氧气墙式辅助风喷口，燃尽区氧气墙式辅助风喷口送入炉膛。

进一步地，可根据电厂实际运行及经济性情况，通过简化或省去空分装置中富氧空气的精馏过程，通过主燃区或燃尽区墙式风喷口喷入制得的富氧空气来简化工艺流程。

进一步地，简化空分装置后制得的富氧空气可作为二次风或燃尽风喷入炉膛。

进一步地，一次风机抽取空气将空预器加热后进入制粉系统携带燃料进入炉膛主燃区。

进一步地，二次风机抽取的空气经空气预热器加热到300～400℃分别通过二次风喷口和燃尽风喷口送入炉膛，二次风配风方式根据实际情况进行调节

进一步地，炉膛自下而上布置形成高温主燃区、NOx还原区和高氧燃尽区。

进一步地，通过墙式辅助风喷口喷入纯氧可在水冷壁附近形成氧化性气氛，减缓水冷壁的腐蚀。

通过采取下述装置和方法来实施消除白色烟羽的方法，具体为：

1)利用液氧的冷能冷凝回收烟气中的水，降低烟气湿度；

2)通过烟气再热装置加热烟气至适当温度。

进一步地，离开脱硫装置的烟气同时通入烟气冷凝器与液氧进行高效相变换热，烟气温度和湿度降低。

进一步地，烟气再热装置将经过冷凝后的烟气进一步加热至适当温度(60～80℃)，后通过烟囱排入环境。

通过采取下述装置和方法来实施高效回收利用烟气中的水方法，具体为：充分利用液氧的冷能，将空分装置得到的部分液氧通入烟气冷凝器，离开脱硫装置的烟气同时通入烟气冷凝器与液氧进行高效相变换热，烟气温度降低，水分冷凝析出，经集水器收集后，供给脱硫装置循环利用，在控制超低硫排放的标准下，大大降低脱硫装置耗水量。

可选地，烟气冷凝器回收得到的冷凝水可通过水质净化工艺后，作为锅炉补水与汽轮机排汽得到的冷凝水混合后利用。

通过采取下述装置和方法利用液氧冷能方法，具体为：

1)利用液氧的冷能，烟气在进入静电除尘器之前通过氧气加热器从120℃～150℃降低至95℃以下以提高静电除尘器效率；

2)利用液氧冷能通过相变换热将汽轮机排汽冷凝为循环水，减少或省去循环冷却水的使用；

3)利用液氧的冷能冷凝烟气中的水，经过净化处理后可回收利用。

进一步地，凝汽器利用液氧冷能冷凝大量汽轮机排汽，得到的冷凝水依次通入除氧器，加热器和省煤器加热后送入炉膛锅筒或水冷壁。

可选地，液氧可替代凝汽器中的循环冷却水，取消电厂中循环水泵和晾水塔的建设和运行成本。

进一步地，所述系统和方法主要针对低挥发分燃料，如无烟煤、半焦和贫煤等，并可实现高水分燃料燃烧后烟气中水分的高效冷凝回收。

进一步地，设计烟气冷凝器和汽轮机排汽冷凝器时需考虑冷凝器结冰问题，换热面积需留有充足裕量。

进一步地，冷凝器表面结冰可采用机械、吹风、冷凝水大流量喷淋或蒸汽加热等方式进行除冰。

进一步地，需考虑空分装置制氧能力与锅炉容量相匹配，按照具体情况分配烟气冷凝器及汽轮机排汽冷凝器两部分液氧分配系数。

进一步地，液氧冷能不足时，液氮可利用烟气或排汽热量设置气化器，同时实现烟气和排汽的冷凝与液氮的气化。

本发明所述一种低NOx燃烧与白烟消减耦合的方法，具体实施如下：

1)低挥发分燃料经空预器加热后的一次风送入炉膛，二次风通过合适配风方式喷入炉膛主燃区。

2)空气分离装置制得的纯氧经过加热至300～400℃后通过主燃区墙式风辅助风喷口喷入炉膛，提高主燃区氧浓度，降低燃料着火温度，创造高温主燃区。

3)保证主燃区过量氧系数在0.5～0.8之间，创造强还原性气氛。

4)适当提高燃尽风喷入位置，延长燃料和烟气在还原区的停留时间，同样在燃尽区通过墙式辅助风喷口喷入纯氧以实现未燃尽燃料的完全燃烧。

5)燃烧形成的烟气依次通过SNCR脱硝装置、省煤器、空气预热器、氧气加热器、静电除尘器、脱硫塔、烟气冷凝器、烟气再热器后通过烟囱排入环境。

6)空分装置得到的液氧部分通过烟气冷凝器和氧气加热器与烟气进行高效换热，部分通入汽轮机凝汽器冷凝大量的汽轮机排汽，两部分氧气在氧气混合器中混合后通过空气预热器加热后通入炉膛。

7)烟气冷凝器中回收烟气中的水，经收集后通入脱硫装置循环使用。

8)凝汽器得到的冷凝水依次通入除氧器、加热器、省煤器后作为给水通入锅筒或炉膛水冷壁。

通过实施本发明的方法可达到以下效果：

1)改善低挥发分燃料的着火、燃烧和燃尽特性，显著降低了初始NOx生成量，降低SCR脱硝装置建设和运行成本，提高经济效益。

2)墙式辅助风喷口通入氧气可在炉膛水冷壁附近创造氧化性气氛，减缓水冷壁的腐蚀，提高运行安全性和经济效益。

3)充分利用液氧的冷能，高效冷却静电除尘器之前的烟气温度至95℃以下，大大提高了静电除尘器的工作效率。

4)大量冷凝回收烟气中的水，大大降低脱硫装置的耗水量，特别适用于高水分燃料。

5)消除白色烟羽视觉污染，并减缓烟囱腐蚀。

6)大大降低凝汽器的换热面积，减少凝汽器建造投资，同时可减少或省去循环冷却水，减少或省去晾水塔等装置的大量建设和运行成本。

7)易于简化处理用于现役电厂的改造。

应理解，该实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，还应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域的技术人员可以对本发明做出各种改动或修改，然而，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。