电站锅炉采用旋风筒分级来实现燃料再燃脱硝的系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种电站锅炉采用旋风筒分级来实现燃料再燃脱硝的系统及方法。该系统以旋风燃烧方式和燃料再燃技术为基础，包括主燃旋风筒、主炉膛、再燃旋风筒或旋风气化炉、燃尽风喷口和液态排渣设备。本发明方法通过采用旋风燃烧的方式，保证了燃料的着火和稳定燃烧。在常规燃料再燃技术的基础上，把部分燃料送入再燃旋风筒或旋风气化炉中进行半气化或完全气化反应，将产生的高温气态产物作为再燃燃料，保证了还原区内所需的反应温度和有效还原基团的数量。同时由于允许更深程度的燃料分级，使得还原区的还原性气氛得到了进一步的增强，提高了系统的脱硝效率，气态的再燃燃料也使得燃尽区的燃烧更加容易。
【专利说明】
电站锅炉采用旋风筒分级来实现燃料再燃脱硝的系统及方法
技术领域
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[0001]本发明涉及一种电站锅炉采用旋风筒分级来实现燃料再燃脱硝的系统及方法。
【背景技术】
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[0002]众所周知，氮氧化物(NOx)是煤燃烧过程中产生的主要污染物之一，近年来，NOx的危害受到全球各国越来越多的重视。为了降低煤电的污染物排放总量，国家环保部出台和颁布了 “史上最严、世界范围内最严”的火电厂大气污染物排放标准(GB13223-2011)，并于2012年I月I日起开始执行。新标准对燃煤锅炉NOx排放提出了十分严格的要求，不得超过10mg.m—3，同时对重点地区以气体为燃料的燃气轮机组提出了NOx排放不得超过50mg.m—3的特别排放限值要求。如此苛刻的排放限值使国内火电行业面临前所未有的压力和挑战。相比费用昂贵的选择性催化还原技术(SCR)，通过燃烧技术的改进，在燃料燃烧过程中降低NOx的生成量是减少NOx排放最为理想和经济的途径。
[0003]目前，国内已有一些通过组织燃烧来脱除NOx的相关技术，包括燃料浓淡分离、低NOx燃烧器、空气分级技术、燃料再燃技术、烟气再循环等。其中，燃料再燃技术是一种公认的非常有效的方法，其脱硝效率一般都在50%?70%。燃料再燃技术发展至今，其主要形式已基本固定，即在锅炉主炉膛内沿高度方向分为三个区域，第一区为主燃区，在这里仅送入锅炉大部分的燃料，约占总量的80 %?85 %，同时在氧化性或弱还原性气氛下燃烧并生成NOx;第二区为再燃区，送入剩余的15%?20 %燃料，形成还原性气氛，在过量空气系数α〈1的条件下将主燃区已生成的NOx还原成Ν2。燃料再燃技术的核心就是，在再燃区内不仅将已生成的NOx进行还原，而且还较为有效的抑制了新的NOx生成，使NOx的排放浓度进一步降低；第三区为燃尽区，此处通入燃尽风，过量空气系数α>1，以完成剩余燃料的燃尽。
[0004]然而近几年在国内，燃料再燃技术的发展和应用却一度受阻，究其原因主要是在工程实际应用中存在以下几个方面的限制:
[0005](I)再燃燃料份额的限制
[0006]为了增强燃料再燃技术对NOx的减排效果，必须在还原区内形成更强的还原性气氛，即需要进一步扩大再燃燃料所占的份额，然而对于传统的煤粉炉来说，再燃燃料份额扩大后会给燃尽区带来很大的燃尽问题，严重影响了燃料的燃烧效率。
[0007](2)再燃区长度的限制
[0008]还原区的长度反映了燃料在还原区内的停留时间，是制约NOx还原效果的另一个重要因素，但是在工程实际中通过增大炉膛高度来满足这一要求的做法会使得整个系统的成本费用大大增加。
[0009](3)主燃区α的限制
[0010]对于常规的燃料再燃技术，主燃区内80%?85 %的燃料是在0.9?1.1的过量空气系数下完成燃烧的，在此过程中必然会生成较多的污染物Ν0Χ，然而如果试图通过降低过量空气系数α来增强主燃区的还原性，以此减少主燃区NOx的生成，那么主燃料在此处的着火和燃烧必然会受到显著影响。
[0011](4)再燃燃料种类的限制
[0012]根据国内已有的研究，为了在保证NOx减排效果的基础上进一步提高燃烧效率，学者们针对常规的燃料再燃技术提出采用超细煤粉或天然气(CH4)等作为再燃燃料的改进方法，这样对于整体的燃烧经济性的确有很大提升。但是超细煤粉的制备所带来的电耗和复杂制粉系统的运行费用都会大大提高成本，同时天然气等气体燃料的大量获取也受到很大的地域限制。
【发明内容】
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[0013]针对目前已有的燃料再燃技术在脱硝方面所存在的不足之处，本发明提供了一种电站锅炉采用旋风筒分级来实现燃料再燃脱硝的系统及方法。其目的在于，克服常规燃料再燃技术的缺点，在兼顾燃料较高燃烧效率的基础上，进一步降低煤粉燃烧锅炉的NOx排放。
[0014]为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的:
[0015]电站锅炉采用旋风筒分级来实现燃料再燃脱硝的系统，包括主燃旋风筒、主炉膛以及再燃旋风筒或旋风气化炉;其中，
[0016]主炉膛自下而上依次分为主燃区、再燃区和燃尽区，在主炉膛主燃区周向上布置有主燃旋风筒，主炉膛再燃区的再燃燃料喷口处布置有再燃旋风筒或旋风气化炉，主炉膛燃尽区周向上布置有燃尽风喷口。
[0017]本发明进一步的改进在于:主炉膛底部布置有渐缩状结构的液态排渣设备。
[0018]本发明进一步的改进在于:主燃旋风筒的一端设置有主燃料一次风喷口，另一端设置有旋风筒凹形出口并与主炉膛相连通，主燃旋风筒的周向上设置有主燃区二次切向风喷口。
[0019]电站锅炉采用旋风筒分级来实现燃料再燃脱硝的方法，包括以下步骤:
[0020]I)由主燃旋风筒的一次风进口送入的燃料气流，与主燃旋风筒侧面送入的切向二次风强烈混合，其中占锅炉总燃料消耗量70%?85%的主燃料在过量空气系数α为0.7?
0.95的还原性气氛下燃烧，并生成含有NOx的烟气；
[0021]2)在炉膛主燃区上方位置的再燃燃料喷口处布置有再燃旋风筒或旋风气化炉，其中在再燃旋风筒内，剩余15%?30%的燃料在过量空气系数α〈1的强还原性气氛下发生半气化反应，或在旋风气化炉中通过气化剂的加入发生气化反应，产物中含有具有还原性的高温气体，将其作为再燃燃料喷入主炉膛，在还原性气氛下与步骤I)生成的含NOx的烟气发生还原反应，从而将NOx还原为Ν2 ；
[0022]3)将燃料完全燃烧所需的剩余空气通过布置在主炉膛上端位置处的燃尽风喷口送入炉膛，在过量空气系数α>1的条件下完成剩余燃料的燃尽。
[0023]本发明进一步的改进在于:所述步骤2)中，对于再燃旋风筒，燃料在过量空气系数α为0.6?0.85的强还原性气氛下燃烧，发生半气化反应;对于旋风气化炉，通过加入空气或水蒸气作为气化剂使燃料在其中发生气化反应，将这些气态燃烧产物作为再燃燃料喷入主炉膛。
[0024]本发明进一步的改进在于:所述步骤3)中的燃尽区过量空气系数α为1.05?1.2。
[0025]本发明进一步的改进在于:在主炉膛的底部设有渐缩状结构的用来承接旋风筒液态渣的液态排渣设备。
[0026]与现有技术相比，本发明提出了一种电站锅炉采用旋风筒分级来实现燃料再燃脱硝的系统及方法，具有以下优点:
[0027]1、得益于旋风筒中优良的着火燃烧条件，相比常规燃料再燃技术，主燃区可以创造相对更小的过量空气系数α，这样既有效抑制了主燃区NOx的大量生成，同时又不会影响筒内主燃料的稳定燃烧。
[0028]2、当电站锅炉中采用旋风炉时，往往一台锅炉可以有数只到数十只旋风筒不等，本发明相比原有的电站锅炉系统，减少了主燃区旋风筒的数量，同时在再燃燃料喷口处布置有I?2个再燃旋风筒或旋风气化炉，这样完全不会使系统变得更加复杂，在锅炉制造方面也不会带来成本增加的问题。
[0029]3、在本发明中，再燃燃料中含有大量具有还原性的可燃气体，既保证了还原区内NOx的还原效率，又使得燃尽区剩余燃料的燃烧更加容易，最重要的是，这种方法解决了常规燃料再燃技术中获取超细煤粉和天然气等再燃燃料时所带来的经济性问题。同时旋风筒中的煤粉颗粒只需简单的破碎，与煤粉炉相比，大大节约了制粉电耗和复杂制粉系统所带来的高额成本。
[0030]4、煤粉在再燃旋风筒或旋风气化炉中的燃烧产物含有大量CO、碳氢化合物等具有还原性的高温气体，相比传统再燃燃料的种类，不仅还原基团的还原效果得到了提升，同时也弥补了常规燃料再燃技术中还原区反应温度不足的缺陷。
[0031]5、对于旋风燃烧锅炉，由于主燃料的燃烧是在旋风筒中进行，为锅炉的主炉膛节省了很多空间，从一定程度上解决了常规燃料再燃技术中还原区长度不足的问题，进一步提升了整个系统的脱硝效率。
[0032]综上所述，本发明通过采用旋风燃烧的方式，保证了燃料的着火和稳定燃烧。在常规燃料再燃技术的基础上，把部分燃料送入再燃旋风筒或旋风气化炉中进行半气化或完全气化反应，将产生的高温气态产物作为再燃燃料，保证了还原区内所需的反应温度和有效还原基团的数量。同时由于允许更深程度的燃料分级，使得还原区的还原性气氛得到了进一步的增强，提高了系统的脱硝效率，气态的再燃燃料也使得燃尽区的燃烧更加容易。主燃料的燃烧是在旋风筒中进行，因而为主炉膛的还原区节约了大量空间，解决了以往还原区长度不足的缺陷。此外，各级旋风筒中的煤粉颗粒只需简单的破碎，大大节约了制粉电耗和复杂制粉系统所带来的成本问题，具有系统简单、成本低廉、实施改造容易等优点。
【附图说明】
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[0033]图1是本发明电站锅炉采用旋风筒分级来实现燃料再燃脱硝的系统的示意图。
[0034]其中:1、主燃旋风筒;2、主炉膛;3、再燃旋风筒或旋风气化炉;4、再燃燃料喷口；5、燃尽风喷口；6、主燃料一次风喷口 ；7、主燃区二次切向风喷口；8、旋风筒凹形出口；9、液态排渣设备。
【具体实施方式】
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[0035]下面结合附图和具体实例对本发明做进一步详细说明:
[0036]本发明电站锅炉采用旋风筒分级来实现燃料再燃脱硝的系统的结构示意图如图1所示。包括有主燃旋风筒1、主炉膛2、再燃旋风筒或旋风气化炉3、再燃燃料喷口 4、燃尽风喷口 5、主燃料一次风喷口 6、主燃区二次切向风喷口 7、旋风筒凹形出口 8以及液态排渣设备9。
[0037]其中主燃旋风筒I和主炉膛2通过旋风筒的凹形出口8无缝连接，主炉膛最下端布置有液态排渣设备9，在主燃区上方的再燃燃料喷口处布置有再燃旋风筒或旋风气化炉3，炉膛上方一定位置处布置有燃尽风喷口 5。
[0038]本发明电站锅炉采用旋风筒分级来实现燃料再燃脱硝的方法，其步骤为:I)由主燃旋风筒的一次风进口送入的燃料气流，与旋风筒侧面送入的二次风强烈混合，在其中完成大部分燃料的燃烧，并生成含有一定浓度NOx的烟气;2)在炉膛主燃区上方一定位置的再燃燃料喷口处布置有再燃旋风筒或旋风气化炉，将剩余煤粉在其中的燃烧产物作为二次燃料从再燃燃料喷口喷入主炉膛，并与步骤I)生成的含NOx的烟气发生还原反应，从而将NOx还原为N2;3)将燃烧所需剩余空气通过布置在炉膛上端一定位置处的燃尽风(OFA)喷口送入炉膛，完成剩余燃料的燃烧。
[0039]其中步骤I)所述的主燃旋风筒中通入总燃料量的70%?85%，并且在过量空气系数α为0.7?0.95的还原性气氛下进行燃烧。相比常规的燃料再燃技术，再燃燃料份额有了一定程度的增大，同时主燃区的过量空气系数可进一步减小。这样在旋风筒内，不仅保证了主燃料良好、稳定的燃烧，而且也有效抑制了NOx的大量生成，同时适当增大的再燃燃料份额也使得在原有基础上再燃区的还原性气氛有了进一步的增强。
[0040]步骤2)中所述的再燃燃料可来源于再燃旋风筒或旋风气化炉中的燃烧产物。其中对于再燃旋风筒，15 %?30 %的剩余燃料在过量空气系数α为0.6?0.85的强还原性气氛下燃烧，发生半气化反应，同时有效抑制了新NOx的生成;对于旋风气化炉，可通过加入空气或水蒸气作为气化剂使燃料在其中发生气化反应，二者的燃烧产物中均含有CO、碳氢化合物等具有还原性的高温气体，将其作为再燃燃料与主燃区烟气中的NOx发生还原反应时，不仅具有足够的还原性基团，同时也提供了还原反应所需的高温环境，使还原效率大大提升。
[0041]步骤3)中燃尽区的过量空气系数α为1.05?1.2，同时由于再燃燃料主要为气体，使得此处的燃尽变的更加容易，进一步提升了整体燃料的燃烧效率。
[0042]该装置在应用时，携带主燃料的一次风与切向高压二次风混合，在炉膛下端的数个主燃旋风筒内形成强烈旋转的流场并在具有一定还原性的气氛下完成燃烧;生成的含有一定浓度NOx的烟气随后与再燃旋风筒或旋风气化炉供给的再燃燃料混合发生还原反应，形成再燃区，使得烟气中的NOx被还原成N2,达到锅炉整体脱硝的目的;最后再与燃尽风喷口送入的燃尽风混合，完成剩余燃料的燃烧。
[0043]在具体实施过程中，首先由一次风携带70%?85%的主燃料从主燃旋风筒的一次风喷口 6喷入，旋风筒前端侧面布置有切向进风的二次风喷口 7，一次风和主燃料在二次风形成的强旋转流场中充分混合，并在过量空气系数α〈1的还原性气氛中燃烧，生成含有一定浓度NOx的烟气，主燃区的过量空气系数α为0.7?0.95，不仅保证了主燃料良好、稳定的燃烧，同时也有效抑制了NOx的大量生成。主燃区上方一定位置处布置有再燃燃料喷口，再燃燃料由再燃旋风筒或旋风气化炉3内的燃烧产物提供，其中在再燃旋风筒内，剩余15%?30 %的燃料在过量空气系数α为0.6?0.85的强还原性气氛下燃烧，发生半气化反应，同时有效抑制了新NOx的生成;或者在旋风气化炉中，通过加入空气或水蒸汽作为气化剂使燃料发生气化反应，反应产物中含有CO、碳氢化合物等大量具有还原性的高温气体，将这些气体产物作为再燃燃料喷入主炉膛，与主燃区的烟气混合，在还原性气氛下发生反应，气体再燃燃料提供了此处还原反应所需的还原基团和高温环境。同时由于再燃燃料份额的适度增大，使得还原区的还原性气氛进一步增强，烟气中含有的NOx将更有效的被还原为Ns。由于主燃料的燃烧是在炉膛以外的旋风筒中进行，大大节省了炉膛的空间，相比于常规燃料再燃技术，本发明中炉膛还原区的长度会有较大的增长，更有效的保证了 NOx的减排效果。在炉膛上端布置有燃尽风(OFA)喷口 5，提供燃料燃烧所需剩余空气，燃尽区的过量空气系数α为1.05?1.2。同时由于再燃燃料成分主要为可燃气体，因此燃尽区剩余燃料的燃烧也变得更加容易。
[0044]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的【具体实施方式】仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
【主权项】
1.电站锅炉采用旋风筒分级来实现燃料再燃脱硝的系统，其特征在于:包括主燃旋风筒(I)、主炉膛(2)以及再燃旋风筒或旋风气化炉(3);其中， 主炉膛(2)自下而上依次分为主燃区、再燃区和燃尽区，在主炉膛(2)主燃区周向上布置有主燃旋风筒(I)，主炉膛(2)再燃区的再燃燃料喷口(4)处布置有再燃旋风筒或旋风气化炉(3)，主炉膛(2)燃尽区周向上布置有燃尽风喷口(5)。2.根据权利要求1所述的电站锅炉采用旋风筒分级来实现燃料再燃脱硝的系统，其特征在于:主炉膛(2)底部布置有渐缩状结构的液态排渣设备(9)。3.根据权利要求1所述的电站锅炉采用旋风筒分级来实现燃料再燃脱硝的系统，其特征在于:主燃旋风筒(I)的一端设置有主燃料一次风喷口(6)，另一端设置有旋风筒凹形出口(8)并与主炉膛相连通，主燃旋风筒(I)的周向上设置有主燃区二次切向风喷口(7)。4.电站锅炉采用旋风筒分级来实现燃料再燃脱硝的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)由主燃旋风筒(I)的一次风进口送入的燃料气流，与主燃旋风筒(I)侧面送入的切向二次风强烈混合，其中占锅炉总燃料消耗量70 %?85 %的主燃料在过量空气系数α为0.7?0.95的还原性气氛下燃烧，并生成含有NOx的烟气； 2)在炉膛主燃区上方位置的再燃燃料喷口(4)处布置有再燃旋风筒或旋风气化炉(3)，其中在再燃旋风筒内，剩余15%?30%的燃料在过量空气系数α〈1的强还原性气氛下发生半气化反应，或在旋风气化炉中通过气化剂的加入发生气化反应，产物中含有具有还原性的高温气体，将其作为再燃燃料喷入主炉膛(2)，在还原性气氛下与步骤I)生成的含NOx的烟气发生还原反应，从而将NOx还原为N2 ； 3)将燃料完全燃烧所需的剩余空气通过布置在主炉膛(2)上端位置处的燃尽风喷口(5)送入炉膛，在过量空气系数α>1的条件下完成剩余燃料的燃尽。5.根据权利要求4所述的电站锅炉采用旋风筒分级来实现燃料再燃脱硝的方法，其特征在于:所述步骤2)中，对于再燃旋风筒，燃料在过量空气系数α为0.6?0.85的强还原性气氛下燃烧，发生半气化反应;对于旋风气化炉，通过加入空气或水蒸气作为气化剂使燃料在其中发生气化反应，将这些气态燃烧产物作为再燃燃料喷入主炉膛(2)。6.根据权利要求4所述的电站锅炉采用旋风筒分级来实现燃料再燃脱硝的方法，其特征在于:所述步骤3)中的燃尽区过量空气系数α为1.05?1.2。7.根据权利要求4所述的电站锅炉采用旋风筒分级来实现燃料再燃脱硝的方法，其特征在于:在主炉膛(2)的底部设有渐缩状结构的用来承接旋风筒液态渣的液态排渣设备(9)0
【文档编号】F23C9/06GK105910097SQ201610397032
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】车得福, 卜宇凡, 吴松, 唐春丽, 邓磊
【申请人】西安交通大学