CN100464122C - 降低煤粉锅炉氮氧化物排放的方法及其使用的煤粉锅炉 - Google Patents

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Abstract

降低煤粉锅炉氮氧化物排放的方法及其使用的煤粉锅炉。它涉及一种降低锅炉污染物排放的方法及其使用的煤粉锅炉。它解决了目前降低煤粉锅炉NOx排放的措施存在运行成本高、脱氮率低的问题。煤粉锅炉由锅炉炉膛、水平烟道(11)和尾部烟道(17)构成，炉膛内分为主燃区(8)、还原区(9)和燃尽区(10)。降低排放的方法采用分为主燃区(8)、还原区(9)、燃尽区(10)、近燃烧器区域(8-1)、水平烟道(11)和尾部烟道(17)的煤粉锅炉；将氨基还原剂分级喷入还原区(9)、燃尽区(10)和水平烟道(11)；将烃基还原剂分级喷入主燃区(8)和还原区(9)或者分级喷入主燃区(8)、还原区(9)和水平烟道(11)。本发明方法运行成本仅是SCR法的30%～40%，可降低NOx排放量60%～80%。本发明煤粉锅炉可由现有燃煤锅炉改造。

Description

降低煤粉锅炉氮氧化物排放的方法及其使用的煤粉锅炉
技术领域
本发明涉及一种降低锅炉污染物排放的方法及其使用的煤粉锅炉。
背景技术
氮氧化物(NOx)是燃煤锅炉排放的主要大气污染物之一，氮氧化物除了形成酸雨，破坏生态环境，还能形成光化学烟雾，直接危害人类健康。目前，氮氧化物在我国已经成为仅次于二氧化硫的大气污染物，对酸雨、空气质量和地面臭氧浓度的影响越来越大。2004年1月1日开始实施了新的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2003)，此排放标准比过去的标准更加严格。2004年7月1日起国家对氮氧化物按每一污染当量(氮氧化物的排污当量为0.95千克)0.6元直接向排放污染物的单位收费。控制燃煤锅炉NOx排放已经迫在眉睫。
目前控制NOX排放的措施大致分为两类，一类是低NOX燃烧技术，主要包括低过量空气运行技术、烟气再循环技术、浓淡燃烧技术和再燃燃烧技术等。再燃技术的成本在低NOX燃烧技术中是最高的，其降低NOx幅度也最大，可达到50％，而其它的低NOx燃烧技术一般只有10％～30％，燃用低挥发分的无烟煤或劣质烟煤，其降低NOx的效果更加有限。另一类控制NOX排放的措施是烟气脱氮技术，烟气脱氮技术脱氮效率较高，不受燃烧煤种的限制。目前被大规模工业应用的是选择性催化还原(SCR)法和选择性非催化还原(SNCR)法；SCR法脱硝效率较高，但投资巨大，且运行成本高；虽然SNCR法设备简单、运行费用相对于SCR法低，但是在工程应用中氨基还原剂在大炉膛空间和烟气均匀混合是很困难的，同时炉膛的烟气温度梯度大，适合SNCR反应的区域非常小，导致在实际运行中SNCR法脱氮效率不高，一般只有30％～50％。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前降低煤粉锅炉NOX排放的措施存在运行成本高、脱氮率低的问题，而提供的一种降低煤粉锅炉氮氧化物排放的方法及其使用的煤粉锅炉。降低煤粉锅炉氮氧化物排放使用的煤粉锅炉由锅炉炉膛、水平烟道和尾部烟道构成，煤粉锅炉的炉膛内从下至上分为主燃区、还原区和燃尽区3个区域；所述主燃区的锅炉水冷壁上设有锅炉燃烧器和一级燃尽风喷口，在燃烧器上设有一次风喷口、二次风喷口和烃基还原剂一级喷口；所述还原区的锅炉水冷壁上设有氨基还原剂一级喷口、烃基还原剂二级喷口和二级燃尽风喷口；所述燃尽区的锅炉水冷壁上设有氨基还原剂二级喷口；所述水平烟道的侧壁上设有氨基还原剂三级喷口和烃基还原剂三级喷口；所述一级燃尽风喷口在主燃区锅炉水冷壁的最上部，二级燃尽风喷口在还原区锅炉水冷壁的最上部；所有喷口都与其所对应的区域相连通；所述主燃区内有近燃烧器区域。降低煤粉锅炉氮氧化物排放的方法采用分为主燃区、还原区、燃尽区、近燃烧器区域、水平烟道和尾部烟道的煤粉锅炉；将氨基还原剂分级喷入还原区、燃尽区和水平烟道；将烃基还原剂分级喷入主燃区和还原区或者分级喷入主燃区、还原区和水平烟道；其中近燃烧器区域为氧化性气氛，通过配风控制主燃区出口过量空气系数为0.8～0.95、还原区出口过量空气系数为0.9～1、燃尽区出口过量空气系数为1.15～1.2；所述氨基还原剂的喷入总量为主燃区烟气中氮氧化物摩尔量的1～1.6倍，并控制锅炉出口的氨漏失量小于5ppm；所述烃基还原剂喷入总量为锅炉输入热量的2％～9％。
本发明降低煤粉锅炉氮氧化物排放的方法对煤质无特殊要求；在运行过程中煤粉燃烧率高达95％以上；运行成本低，仅是选择性催化还原(SCR)法运行成本的30％～40％；脱氮率高，可降低氮氧化物排放量60％～80％。本发明降低煤粉锅炉氮氧化物排放的方法充分利用整个炉膛空间进行脱氮反应，同时利用空气分级燃烧降低NOx的机理和烃基、氨基还原剂在还原气氛下还原NOx的机理协同反应降低氮氧化物排放。本发明中的氨基还原剂在高温条件下产生NHi与燃烧生成的NOx及含氮中间产物反应，在还原条件下生成分子氮，而在氧化性气氛的的燃尽区和水平烟道发生SNCR反应还原烟气中的NOx；本发明中的烃基物质在高温条件下产生CHi与燃烧生成的NOx及含氮中间产物反应，在还原条件下生成分子氮，减少NOx的生成，而在氧化性气氛的燃尽区和水平烟道，烃基物质高温条件下产生的CHi对SNCR反应有促进作用。本发明降低煤粉锅炉氮氧化物排放的方法分级喷入烃基、氨基还原剂，在烟气流向下游的空间可以利用上游空间未反应的烃基、氨基还原剂进一步还原NOx，增加了烃基、氨基还原剂在炉膛的停留时间，进一步改善了烃基、氨基还原剂和烟气的混合效果。
本发明降低煤粉锅炉氮氧化物排放使用的煤粉锅炉构造简单，可由现有燃煤锅炉改造，节约了大量资金。
附图说明
图1是本发明降低煤粉锅炉氮氧化物排放使用的锅炉的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式采用分为主燃区8、还原区9、燃尽区10、近燃烧器区域8-1、水平烟道11和尾部烟道17的煤粉锅炉；将氨基还原剂分级喷入还原区9、燃尽区10和水平烟道11；将烃基还原剂分级喷入主燃区8和还原区9或者分级喷入主燃区8、还原区9和水平烟道11；其中近燃烧器区域8-1为氧化性气氛，通过配风控制主燃区8出口过量空气系数为0.8～0.95、还原区9出口过量空气系数为0.9～1、燃尽区10出口过量空气系数为1.15～1.2；所述氨基还原剂的喷入总量为主燃区8烟气中氮氧化物摩尔量的1～1.6倍，并控制锅炉出口的氨漏失量小于5ppm；所述烃基还原剂喷入总量为锅炉输入热量的2％～9％。
本实施方式中各级氨基还原剂的喷入量可根据实际情况中NOx的排放量、氨的漏失量和运行成本进行调整。本实施方式通过配风装置控制炉内各区域的过量空气系数。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：氨基还原剂分三级喷入，第一级氨基还原剂从一级燃尽风喷口4或氨基还原剂一级喷口6-1喷入还原区9；第二级氨基还原剂从二级燃尽风喷口5或氨基还原剂二级喷口6-2喷入燃尽区10；第三级氨基还原剂从氨基还原剂三级喷口6-3喷入水平烟道11；其中第一级氨基还原剂的喷入量为氨基还原剂喷入总量的20％～40％、第二级氨基还原剂的喷入量为氨基还原剂喷入总量的20％～40％、第三级氨基还原剂的喷入量为氨基还原剂喷入总量的30％～50％。其它与实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二的不同点是：第一级氨基还原剂从一级燃尽风喷口4喷入还原区9；第二级氨基还原剂从二级燃尽风喷口5喷入燃尽区10。其它与实施方式二相同。
本实施方式氨基还原剂由燃尽风喷口进入炉膛可以改善氨基还原剂与炉膛烟气的混合效果，有利于提高脱氮率。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二的不同点是：第一级氨基还原剂从氨基还原剂一级喷口6-1喷入还原区9；第二级氨基还原剂从氨基还原剂二级喷口6-2喷入燃尽区10。其它与实施方式二相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二的不同点是：第一级氨基还原剂从一级燃尽风喷口4喷入还原区9；第二级氨基还原剂从氨基还原剂二级喷口6-2喷入燃尽区10。其它与实施方式二相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二的不同点是：第一级氨基还原剂从氨基还原剂一级喷口6-1喷入还原区9；第二级氨基还原剂从二级燃尽风喷口5喷入燃尽区10。其它与实施方式二相同。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二的不同点是：第二级氨基还原剂从氨基还原剂二级喷口6-2喷入燃尽区10，氨基还原剂二级喷口6-2处的温度为950～1150℃。其它与实施方式二相同。
具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二的不同点是：第三级氨基还原剂从氨基还原剂三级喷口6-3喷入水平烟道11，氨基还原剂三级喷口6-3处的温度为950～1150℃。其它与实施方式二相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：氨基还原剂为氨、尿素、氰尿酸或碳酸铵；将氨基还原剂配制成质量浓度为5％～10％的水溶液使用。其它与实施方式一或二相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：氨基还原剂为氨、尿素、氰尿酸或碳酸铵；将氨基还原剂配制成质量浓度为6％～9％的水溶液使用。其它与实施方式一或二相同。
具体实施方式十一：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：烃基还原剂分两级喷入，第一级烃基还原剂从烃基还原剂一级喷口7-1、一次风喷口1或二次风喷口2喷入主燃区8；第二级烃基还原剂从一级燃尽风喷口4或烃基还原剂二级喷口7-2喷入还原区9；其中第一级烃基还原剂喷入量为锅炉输入热量的1％～5％，第二级烃基还原剂喷入量为锅炉输入热量的1％～3％。其它与实施方式一相同。
本实施方式烃基还原剂在主燃区8加入起到了助燃、有利于主燃区8中煤粉的燃烧，烃基还原剂在高温条件下产生的CHi可在还原条件下与煤粉燃烧生成的NOx及含氮中间产物反应，将其还原为分子氮，降低主燃区8内氮氧化物的生成；在还原区9中烃基还原剂和氨基还原剂在还原气氛下进一步还原主燃区生成的NOx；在燃尽区10和水平烟道11内喷入的氨基还原剂和还原区9中未反应的氨基还原剂可在氧化气氛下继续对烟气中的NOx进行选择性非催化还原反应。
具体实施方式十二：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：烃基还原剂分三级喷入，第一级烃基还原剂从烃基还原剂一级喷口7-1、一次风喷口1或二次风喷口2喷入主燃区8；第二级烃基还原剂从一级燃尽风喷口4或烃基还原剂二级喷口7-2喷入还原区9；第三级烃基还原剂从烃基还原剂三级喷口7-3喷入水平烟道11；其中第一级烃基还原剂喷入量为锅炉输入热量的1％～5％，第二级烃基还原剂喷入量为锅炉输入热量的1％～3％，第三级烃基还原剂的喷入使水平烟道11内烟气中烃基浓度增加为200ppm～600ppm。其它与实施方式一相同。
本实施方式第三级烃基还原剂在氧化性气氛下对氨基还原剂和烟气中的氮氧化物的选择性非催化还原反应有促进作用，可以扩宽反应的温度窗，整体脱硝效率可以达到80％。
具体实施方式十三：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式十一或十二的不同点是：第一级烃基还原剂从一次风喷口1喷入主燃区8；第二级烃基还原剂从一级燃尽风喷口4喷入还原区9。其它与实施方式十一或十二相同。
具体实施方式十四：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式十一或十二的不同点是：第一级烃基还原剂从二次风喷口2喷入主燃区8；第二级烃基还原剂从烃基还原剂二级喷口7-2喷入还原区9。其它与实施方式十一或十二相同。
具体实施方式十五：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式十一或十二的不同点是：第一级烃基还原剂从一次风喷口1喷入主燃区8；第二级烃基还原剂从烃基还原剂二级喷口7-2喷入还原区9。其它与实施方式十一或十二相同。
具体实施方式十六：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式十一或十二的不同点是：第一级烃基还原剂从二次风喷口2喷入主燃区8；第二级烃基还原剂从一级燃尽风喷口4喷入还原区9。其它与实施方式十一或十二相同。
具体实施方式十七：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式十一或十二的不同点是：第一级烃基还原剂从烃基还原剂一级喷口7-1喷入主燃区8；第二级烃基还原剂从一级燃尽风喷口4喷入还原区9。其它与实施方式十一或十二相同。
具体实施方式十八：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式十一或十二的不同点是：第一级烃基还原剂从烃基还原剂一级喷口7-1喷入主燃区8；第二级烃基还原剂从烃基还原剂二级喷口7-2喷入还原区9。其它与实施方式十一或十二相同。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式十一或十二的不同点是：第一级烃基还原剂喷入量为锅炉输入热量的2％～4％，第二级烃基还原剂喷入量为锅炉输入热量的2％～2.5％。其它与实施方式十一或十二相同。
具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式十二的不同点是：第三级烃基还原剂的喷入使水平烟道11内烟气中烃基浓度增加为300ppm～500ppm。其它与实施方式十二相同。
具体实施方式二十一：本实施方式与具体实施方式一、十一或十二的不同点是：烃基还原剂为天然气、焦炉煤气、生物质煤气或沼气。其它与实施方式一、十一或十二相同。
具体实施方式二十二：本实施方式与具体实施方式一、十一或十二的不同点是：烃基还原剂为天然气。其它与实施方式一、十一或十二相同。
本实施方式所选用的天然气中烃基物质的浓度更高、脱氮效果好，可降低氮氧化物排放量70％～80％。
具体实施方式二十三：本实施方式与具体实施方式二的不同点是：第一级氨基还原剂的喷入量为氨基还原剂喷入总量的25％～35％、第二级氨基还原剂的喷入量为氨基还原剂喷入总量的25％～35％、第三级氨基还原剂的喷入量为氨基还原剂喷入总量的35％～45％。
具体实施方式二十四：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二的不同点是：第二级氨基还原剂从氨基还原剂二级喷口6-2喷入燃尽区10，氨基还原剂二级喷口6-2处的温度为1000～1100℃。其它与实施方式二相同。
具体实施方式二十五：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二的不同点是：第三级氨基还原剂从氨基还原剂三级喷口6-3喷入水平烟道11，氨基还原剂三级喷口6-3处的温度为1000～1100℃。其它与实施方式二相同。
具体实施方式二十六：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：氨基还原剂为氨；将氨配制成质量浓度为5％～10％的水溶液使用。其它与实施方式一或二相同。
具体实施方式二十七：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：氨基还原剂为尿素；将尿素配制成质量浓度为5％～10％的水溶液使用。其它与实施方式一或二相同。
具体实施方式二十八：结合图1说明本实施方式，本实施方式煤粉锅炉由锅炉炉膛、水平烟道11和尾部烟道17构成，降低煤粉锅炉氮氧化物排放使用的煤粉锅炉炉膛内从下至上分为主燃区8、还原区9和燃尽区10三个区域；所述主燃区8的锅炉水冷壁上设有锅炉燃烧器3和一级燃尽风喷口4，在燃烧器3上设有一次风喷口1、二次风喷口2和烃基还原剂一级喷口7-1；所述还原区9的锅炉水冷壁上设有氨基还原剂一级喷口6-1、烃基还原剂二级喷口7-2和二级燃尽风喷口5；所述燃尽区10的锅炉水冷壁上设有氨基还原剂二级喷口6-2；所述水平烟道11的侧壁上设有氨基还原剂三级喷口6-3和烃基还原剂三级喷口7-3；所述一级燃尽风喷口4在主燃区8锅炉水冷壁的最上部，二级燃尽风喷口5在还原区9锅炉水冷壁的最上部；所有喷口都与其所对应的区域相连通；所述主燃区8内有近燃烧器区域8-1。
具体实施方式二十九：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二十八的不同点是：水平烟道11内设有屏式过热器12、过热器13和再热器14。其它与实施方式二十八相同。
具体实施方式三十：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二十八的不同点是：尾部烟道17内设有省煤器15和空气预热器16。其它与实施方式二十八相同。
具体实施方式三十一：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：主燃区8出口过量空气系数为0.85～0.93。其它与实施方式一相同。
具体实施方式三十二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：还原区9出口过量空气系数为0.92～0.97。其它与实施方式一相同。
具体实施方式三十三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：燃尽区10出口过量空气系数为1.16～1.18。其它与实施方式一相同。

Claims (9)

1.一种降低煤粉锅炉氮氧化物排放使用的煤粉锅炉，煤粉锅炉由锅炉炉膛、水平烟道(11)和尾部烟道(17)构成，其特征在于降低煤粉锅炉氮氧化物排放使用的煤粉锅炉炉膛内从下至上分为主燃区(8)、还原区(9)和燃尽区(10)3个区域；所述主燃区(8)的锅炉水冷壁上设有锅炉燃烧器(3)和一级燃尽风喷口(4)，在燃烧器(3)上设有一次风喷口(1)、二次风喷口(2)和烃基还原剂一级喷口(7-1)；所述还原区(9)的锅炉水冷壁上设有氨基还原剂一级喷口(6-1)、烃基还原剂二级喷口(7-2)和二级燃尽风喷口(5)；所述燃尽区(10)的锅炉水冷壁上设有氨基还原剂二级喷口(6-2)；所述水平烟道(11)的侧壁上设有氨基还原剂三级喷口(6-3)和烃基还原剂三级喷口(7-3)；所述一级燃尽风喷口(4)在主燃区(8)锅炉水冷壁的最上部，二级燃尽风喷口(5)在还原区(9)锅炉水冷壁的最上部；所有喷口都与其所对应的区域相连通；所述主燃区(8)内有近燃烧器区域(8-1)。
2.一种降低煤粉锅炉氮氧化物排放的方法，其特征在于降低煤粉锅炉氮氧化物排放的方法采用分为主燃区(8)、还原区(9)、燃尽区(10)、近燃烧器区域(8-1)、水平烟道(11)和尾部烟道(17)的煤粉锅炉；将氨基还原剂分级喷入还原区(9)、燃尽区(10)和水平烟道(11)；将烃基还原剂分级喷入主燃区(8)和还原区(9)或者分级喷入主燃区(8)、还原区(9)和水平烟道(11)；其中近燃烧器区域(8-1)为氧化性气氛，通过配风控制主燃区(8)出口过量空气系数为0.8～0.95、还原区(9)出口过量空气系数为0.9～1、燃尽区(10)出口过量空气系数为1.15～1.2；所述氨基还原剂的喷入总量为主燃区(8)烟气中氮氧化物摩尔量的1～1.6倍，并控制锅炉出口的氨漏失量小于5ppm；所述烃基还原剂喷入总量为锅炉输入热量的2％～9％。
3.根据权利要求2所述的降低煤粉锅炉氮氧化物排放的方法，其特征在于氨基还原剂分三级喷入，第一级氨基还原剂从一级燃尽风喷口(4)或氨基还原剂一级喷口(6-1)喷入还原区(9)；第二级氨基还原剂从二级燃尽风喷口(5)或氨基还原剂二级喷口(6-2)喷入燃尽区(10)；第三级氨基还原剂从氨基还原剂三级喷口(6-3)喷入水平烟道(11)；其中第一级氨基还原剂的喷入量为氨基还原剂喷入总量的20％～40％、第二级氨基还原剂的喷入量为氨基还原剂喷入总量的20％～40％、第三级氨基还原剂的喷入量为氨基还原剂喷入总量的30％～50％。
4.根据权利要求3所述的降低煤粉锅炉氮氧化物排放的方法，其特征在于第二级氨基还原剂从氨基还原剂二级喷口(6-2)喷入燃尽区(10)，氨基还原剂二级喷口(6-2)处的温度为950～1150℃。
5.根据权利要求3所述的降低煤粉锅炉氮氧化物排放的方法，其特征在于第三级氨基还原剂从氨基还原剂三级喷口(6-3)喷入水平烟道(11)，氨基还原剂三级喷口(6-3)处的温度为950～1150℃。
6.根据权利要求2或3所述的降低煤粉锅炉氮氧化物排放的方法，其特征在于氨基还原剂为氨、尿素、氰尿酸或碳酸铵；将氨基还原剂配制成质量浓度为5％～10％的水溶液使用。
7.根据权利要求2所述的降低煤粉锅炉氮氧化物排放的方法，其特征在于烃基还原剂分两级喷入，第一级烃基还原剂从烃基还原剂一级喷口(7-1)、一次风喷口(1)或二次风喷口(2)喷入主燃区(8)；第二级烃基还原剂从一级燃尽风喷口(4)或烃基还原剂二级喷口(7-2)喷入还原区(9)；其中第一级烃基还原剂喷入量为锅炉输入热量的1％～5％，第二级烃基还原剂喷入量为锅炉输入热量的1％～3％。
8.根据权利要求2所述的降低煤粉锅炉氮氧化物排放的方法，其特征在于烃基还原剂分三级喷入，第一级烃基还原剂从烃基还原剂一级喷口(7-1)、一次风喷口(1)或二次风喷口(2)喷入主燃区(8)；第二级烃基还原剂从一级燃尽风喷口(4)或烃基还原剂二级喷口(7-2)喷入还原区(9)；第三级烃基还原剂从烃基还原剂三级喷口(7-3)喷入水平烟道(11)；其中第一级烃基还原剂喷入量为锅炉输入热量的1％～5％，第二级烃基还原剂喷入量为锅炉输入热量的1％～3％，第三级烃基还原剂的喷入使水平烟道(11)内烟气中烃基浓度增加为200ppm～600ppm。
9.根据权利要求2、7或8所述的降低煤粉锅炉氮氧化物排放的方法，其特征在于烃基还原剂为天然气、焦炉煤气、生物质煤气或沼气。
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