CN101097060A - 一种低氮氧化物排放的燃煤方法 - Google Patents

一种低氮氧化物排放的燃煤方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种低氮氧化物排放的燃煤方法，涉及环保技术，采用绝热的循环流化床燃烧室产生高温富氧烟气作为煤粉锅炉的高温低氧二次风，使煤粉在800～950℃的高温低氧配风中燃烧，大大降低氮氧化物(NOx)的生成量，同时还将循环流化床燃烧室和煤粉炉炉膛的主燃烧区控制在还原性气氛，并控制燃烧温度，也抑制了NOx的生成，从而在保证燃烧稳定性和燃尽性的前提下，实现了燃煤锅炉的低NOx排放，可将NOx排放量降至130mg/Nm3以下。

Description

一种低氮氧化物排放的燃煤方法
技术领域
本发明涉及环保技术领域，是一种燃煤方法，特别涉及一种煤粉锅炉上使用的低污染物排放的方法。
背景技术
煤燃烧过程中，会产生包括NO、NO2、N2O在内的氮氧化物(NOx)。为了降低NOx排放，人们开发了多种低NOx燃煤技术。早期主要是通过炉内的低氧低温燃烧来降低NOx生成，通过降低炉膛出口氧量实现全炉膛低氧燃烧，这种技术对NOx排放的降低有限，燃烧过程推后，飞灰可燃物含量增加。后来，空气分级燃烧技术成为主流技术，即在主燃烧区采用低氧燃烧抑制NOx生成、在燃尽阶段恢复常规燃烧以降低对燃烧经济性的影响；但这种方式对NOx的降低由于需要兼顾经济性而受到限制，对低挥发分煤种的适应性较差，易导致燃烧不稳定，燃尽性也会受到一定影响。此后，又发展了燃料分级燃烧技术，将80～85％的燃料在氧化气氛下燃烧，剩余燃料在主燃烧区上部送入，形成还原气氛，将NOx还原成N2，该技术较前两种技术对NOx的降低效果显著，但距离人们期待的NOx排放水平尚有距离。
20世纪80年代末，高温空气燃烧被提出，这种将预热到800～1000℃的高温空气喷入燃烧室的新型燃烧方式，具有高效节能和低污染排放的双重优越性。目前，高温空气燃烧技术在气体燃料燃烧领域获得了成功应用和推广，可实现节能30～70％，NOx排放低至40～70mg/Nm3。
对于以煤为主要能源的中国而言，迫切需要适用于煤粉锅炉的高温空气燃烧技术。目前，提供高温空气的方法主要是利用蓄热体技术，即将高温烟气的显热传给蓄热体，再在常温空气鼓入时吸收储存在蓄热体中的热量，从而实现所谓“极限余热回收”和助燃空气的高温预热。但由于煤粉燃烧产生的烟气中含有飞灰，无法用来加热蓄热式烧嘴，因此利用蓄热体技术回收烟气预热为煤粉锅炉提供高温空气是不适宜的，这就给高温空气燃烧技术在煤粉锅炉上的应用带来了难题。
中国发明专利200510011811.2披露了一种为煤粉锅炉的煤粉直燃提供高温空气的方法，将过量空气与燃料在绝热的循环流化床燃烧室燃烧产生的高温低氧空气，送入煤粉锅炉的燃烧器，引燃煤粉锅炉中的煤粉，高温低氧空气为800～1400℃，其含氧量为2％～15％；还披露了在一定范围内调节高温低氧空气温度和含氧量的方法，主要用于实现煤粉锅炉无油点火，也可作为低负荷运行以及燃用低挥发份煤的稳燃措施。
中国发明专利93107510.6披露了一种采用流化床煤粉预热加热燃烧器，采用流化床燃烧室将部分或全部煤粉预热到700～1050℃，甚至1100℃以上，作为低负荷助燃和改善煤粉炉煤种适应性的手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种低氮氧化物排放的燃煤方法，应用高温空气燃烧技术，实现燃煤过程的低NOx排放。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种低氮氧化物排放的燃煤方法，采用绝热循环流化床燃烧室产生的高温富氧烟气作为煤粉锅炉的高温低氧配风，其向循环流化床燃烧室中加入燃料，在从燃烧室底部通入的一次风中燃烧，在燃烧室下部形成还原区；从燃烧室中部通入二次风，使燃烧室出口烟气温度控制在800～950℃；出口烟气经分离器分离出循环灰后，作为煤粉锅炉的配风送入煤粉锅炉炉膛，引燃煤粉，并在煤粉锅炉燃烧器区域形成还原区；从煤粉锅炉炉膛燃烧器上方通入燃尽风，使煤粉锅炉炉膛出口空气过量系数达到1.1～1.25。
本发明所依据的原理是：
本发明利用循环流化床燃煤产生高温烟气实现煤粉的高温空气燃烧，并在燃烧过程中控制燃烧气氛和燃烧温度，抑制NOx的生成，同时保证煤粉的燃烧稳定性和燃尽性，从而达到低NOx燃烧的目的。
循环流化床燃烧室采用绝热式，使燃料燃烧产生的热量都用于加热烟气，从而获得“高温”；燃烧室内分级加入过量的空气，使产生的烟气含氧量远高于常规燃烧烟气，从而获得富氧烟气，即“低氧空气”。由于摒弃了蓄热体加热空气的方法，燃料燃烧产生的含有烟尘的烟气可直接用作煤粉锅炉煤粉燃烧的配风，逾越了烟气无法加热蓄热式烧嘴的障碍，获得了可用于煤粉燃烧的高温低氧空气。
循环流化床燃烧室一次风量仅为所加入燃烧室燃料所需的理论空气量的40～60％，使燃料在燃烧室下部燃烧时，处于还原性气氛中；燃烧所需的其余空气从燃烧室中部的二次风口加入，使燃料完全燃烧；同时，通过加入大量二次风将烟气温度控制在NOx生成量较少的800～950℃之间，这样，燃烧室下部的还原性气氛和燃烧温度的控制使得循环流化床燃烧室中NOx生成量很低。
由于循环流化床燃烧室为绝热的，不设受热面，燃烧放出的热量都将用于加热烟气，如果采用常规循环流化床燃烧的1.1～1.2的过量空气系数，燃烧室出口烟气温度将达到1300～1400℃甚至更高，这样的高温下燃烧室内燃料燃烧时的NOx生成量会大大增加。因此，为了将烟气温度控制在800～950℃之间，就需要通入远多于常规循环流化床燃烧二次风量，来燃尽剩余燃料和冷却炉膛中的烟气，循环流化床燃烧室出口的烟气含氧量将高于常规，可以达到10～14％，甚至更大范围，从而形成了高温低氧空气。
将循环流化床燃烧室产生的高温低氧空气作为煤粉锅炉配风，通过燃烧器喷入煤粉炉炉膛，引燃通过燃烧器其它喷口送入炉膛的煤粉，并通过控制一次风与配风总量，在炉膛燃烧器区域形成还原性气氛，抑制煤粉燃烧时NOx的生成。高温低氧空气下，煤粉的燃烧火焰体积大、温度均匀，基本消除了局部高温区，从而避免了局部高温区内NOx的大量生成。
最后，在燃烧器上方区域通入燃尽风，风量按使煤粉炉炉膛出口过量空气系数达到1.1～1.25来确定，以便在炉膛上部形成氧化性气氛，促使煤粉燃尽。
循环流化床燃烧室中还可以加入石灰石粉，利用物料在循环回路中的反复循环、颗粒停留时间长的特性，使石灰石在循环流化床燃烧室中充分煅烧成CaO，部分直接在循环流化床燃烧室中与燃烧生成的SO2反应，剩余进入煤粉炉烟气中，可在煤粉炉尾部进行增湿活化，实现烟气脱硫，降低SO2排放。石灰石粉的加入量根据循环流化床燃烧室内脱硫和尾部增湿活化脱硫所需CaO的量来确定。
煤粉锅炉采用直流燃烧器时，可以将通入煤粉炉炉膛的高温低氧空气的配风风口与仅用于携带煤粉的一次风口上下或左右并列布置，也可采用配风风口环绕煤粉一次风口的布置型式，二者之间留有一定的距离，也可使二者喷出的气流方向形成一微小的夹角：燃用高挥发分的煤种时，该距离应较大，气流夹角应较小，甚至为零，即相互平行，以削弱煤粉与配风的掺混，增加煤粉着火距离，避免燃烧器区域发生结焦；燃用低挥发分煤种时，该距离应较小，气流夹角可稍大，以便迅速引燃煤粉。燃用挥发分低于10％的煤种时，煤粉锅炉可采用旋流燃烧器。
此外，对于常规煤粉锅炉，锅炉的一次风的主要作用是携带煤粉，并作为煤粉初始燃烧的助燃风，所以要求较多的一次风量和较高的一次风温。而对于采用高温空气的煤粉锅炉来说，由于高温低氧空气足以迅速加热和引燃煤粉，一次风主要用于携带煤粉，因此一次风温可大大降低，从而提高了一次风送粉的安全性。
而且，在常规煤粉锅炉中采用分级燃烧时，特别是燃用低挥发分煤种时，易发生燃烧不稳定，燃尽性也可能无法保证。采用高温低氧空气作为配风的分级燃烧，消除了这些问题。
所述的低氮氧化物排放的燃煤方法，其所述向循环流化床燃烧室中加入的燃料量，占总燃料量的10～35％；总燃料量，即加入循环流化床燃烧室的燃料量与加入煤粉锅炉炉膛的燃料量之和。
所述的低氮氧化物排放的燃煤方法，其所述从循环流化床燃烧室底部通入的一次风量，占加入循环流化床燃烧室的燃料量所对应的理论空气量的40～60％。
所述的低氮氧化物排放的燃煤方法，其从煤粉锅炉炉膛燃烧器上方通入的燃尽风风量，占总理论空气量的20～30％；总理论空气量，即总燃料量对应的理论空气量。
所述的低氮氧化物排放的燃煤方法，其还包括向循环流化床燃烧室中加入石灰石粉，在煤粉炉尾部进行增湿活化，用于循环流化床燃烧室内和煤粉锅炉尾部脱硫。
综上所述，本发明可以获得的有益效果是：
利用循环流化床燃烧室的烟气作为煤粉燃烧的高温低氧空气，大大降低煤粉燃烧时的NOx生成，同时还将循环流化床燃烧室和煤粉炉炉膛的主燃烧区控制在还原性气氛，并控制燃烧温度，也抑制了NOx的生成，从而在保证燃烧稳定性和燃尽性的前提下，实现了燃煤锅炉的低NOx排放，可将NOx排放量降至130mg/Nm3以下。
具体实施方式
实施例1
燃用一种热值为4000kcal/kg的烟煤，将总燃料量(记作F)的10％(记作FB)加入到绝热循环流化床燃烧室中，其余90％(记作FP)加入到煤粉锅炉炉膛中。从循环流化床燃烧室底部通入一次风，一次风量为FB所对应的理论空气量(记作AB)的40％，从燃烧室中部通入二次风，风量为AB的273％.由于燃烧室为绝热的，FB燃烧放出的热量都用于加热烟气，燃烧室出口烟气温度将达到800℃，烟气含氧量为14.28％。
煤粉锅炉炉膛中，一次风占FP所对应的理论空气量(记作AP)的45％，二次风占AP的45％，燃尽风占AP的20％，使炉膛出口过量空气系数达到1.1。其中，二次风有一部分是常规二次风，其余是将循环流化床燃烧室产生的高温低氧空气通过燃烧器的二次风口送入煤粉锅炉炉膛，这部分高温低氧空气折合为21％的空气，占二次风总量的55％。
在循环流化床燃烧室内加入石灰石粉，在煤粉炉尾部进行增湿活化，从而在低NOx燃烧的同时实现低SO2排放。
实施例2
燃用一种热值为5000kcal/kg的烟煤，将总燃料量(记作F)的25％(记作FB)加入到绝热循环流化床燃烧室中，其余75％(记作FP)加入到煤粉锅炉炉膛中。从循环流化床燃烧室底部通入一次风，一次风量为FB所对应的理论空气量(记作AB)的50％，从燃烧室中部通入二次风，风量为AB的219％.由于燃烧室为绝热的，FB燃烧放出的热量都用于加热烟气，燃烧室出口烟气温度将达到880℃，烟气含氧量为13.2％。
煤粉锅炉炉膛中，一次风占FP所对应的理论空气量(记作AP)的30％，二次风占AP的60％，燃尽风占AP的25％，使炉膛出口过量空气系数达到1.15。其中，二次风全部是循环流化床燃烧室产生的高温低氧空气。
实施例3
燃用一种热值为6000kcal/kg的无烟煤，将总燃料量(记作F)的35％(记作FB)加入到绝热循环流化床燃烧室中，其余65％(记作FP)加入到煤粉锅炉炉膛中。从循环流化床燃烧室底部通入一次风，一次风量为FB所对应的理论空气量(记作AB)的60％，从燃烧室中部通入二次风，风量为AB的179％.由于燃烧室为绝热的，FB燃烧放出的热量都用于加热烟气，燃烧室出口烟气温度将达到950℃，烟气含氧量为12.2％。
煤粉锅炉炉膛中，一次风占FP所对应的理论空气量(记作AP)的20％，二次风占AP的75％，燃尽风占AP的25％，使炉膛出口过量空气系数达到1.2。其中，二次风有一部分是常规二次风，其余是将循环流化床燃烧室产生的高温低氧空气通过燃烧器的二次风口送入煤粉锅炉炉膛，这部分高温低氧空气折合为21％的空气，占二次风总量的90％。
在循环流化床燃烧室内加入石灰石粉，在煤粉炉尾部进行增湿活化，从而在低NOx燃烧的同时实现低SO2排放。
实施例4
燃用一种热值为5500kcal/kg的贫煤，将总燃料量(记作F)的10％(记作FB)加入到绝热循环流化床燃烧室中，其余90％(记作FP)加入到煤粉锅炉炉膛中。从循环流化床燃烧室底部通入一次风，一次风量为FB所对应的理论空气量(记作AB)的55％，从燃烧室中部通入二次风，风量为AB的184％.由于燃烧室为绝热的，FB燃烧放出的热量都用于加热烟气，燃烧室出口烟气温度将达到950℃，烟气含氧量为12.2％.
煤粉锅炉炉膛中，一次风占FP所对应的理论空气量(记作AP)的35％，二次风占AP的60％，燃尽风占AP的25％，使炉膛出口过量空气系数达到1.2。其中，二次风有一部分是常规二次风，其余是将循环流化床燃烧室产生的高温低氧空气通过燃烧器的二次风口送入煤粉锅炉炉膛，这部分高温低氧空气折合为21％的空气，占二次风总量的27％。
实施例5
燃用一种热值为4500kcal/kg的无烟煤，将总燃料量(记作F)的20％(记作FB)加入到绝热循环流化床燃烧室中，其余80％(记作FP)加入到煤粉锅炉炉膛中。从循环流化床燃烧室底部通入一次风，一次风量为FB所对应的理论空气量(记作AB)的60％，从燃烧室中部通入二次风，风量为AB的255％.由于燃烧室为绝热的，FB燃烧放出的热量都用于加热烟气，燃烧室出口烟气温度将达到800℃，烟气含氧量为14.33％.
煤粉锅炉炉膛中，一次风占FP所对应的理论空气量(记作AP)的20％，二次风占AP的75％，燃尽风占AP的30％，使炉膛出口过量空气系数达到1.25。其中，二次风有一部分是常规二次风，其余是将循环流化床燃烧室产生的高温低氧空气通过燃烧器的二次风口送入煤粉锅炉炉膛，这部分高温低氧空气折合为21％的空气，占二次风总量的79％。
在循环流化床燃烧室内加入石灰石粉，在煤粉炉尾部进行增湿活化，从而在低NOx燃烧的同时实现低SO2排放。

Claims (5)

1.一种低氮氧化物排放的燃煤方法，采用绝热循环流化床燃烧室产生的高温富氧烟气作为煤粉锅炉的高温低氧配风，其特征在于，向循环流化床燃烧室中加入燃料，在从燃烧室底部通入的一次风中燃烧，在燃烧室下部形成还原区；从燃烧室中部通入二次风，使燃烧室出口烟气温度控制在800～950℃；出口烟气经分离器分离出循环灰后，作为煤粉锅炉的配风送入煤粉锅炉炉膛，引燃煤粉，并在煤粉锅炉燃烧器区域形成还原区；从煤粉锅炉炉膛燃烧器上方通入燃尽风，使煤粉锅炉炉膛出口空气过量系数达到1.1～1.25。
2.按权利要求1所述的低氮氧化物排放的燃煤方法，其特征在于，所述向循环流化床燃烧室中加入的燃料量，占总燃料量的10～35％；总燃料量，即加入循环流化床燃烧室的燃料量与加入煤粉锅炉炉膛的燃料量之和。
3.按权利要求1所述的低氮氧化物排放的燃煤方法，其特征在于，所述从循环流化床燃烧室底部通入的一次风量，占加入循环流化床燃烧室的燃料量所对应的理论空气量的40～60％。
4.按权利要求1所述的低氮氧化物排放的燃煤方法，其特征在于，从煤粉锅炉炉膛燃烧器上方通入的燃尽风风量，占总理论空气量的20～30％；总理论空气量，即总燃料量对应的理论空气量。
5.按权利要求1所述的低氮氧化物排放的燃煤方法，其特征在于，还包括向循环流化床燃烧室中加入石灰石粉，在煤粉炉尾部进行增湿活化，用于循环流化床燃烧室内和煤粉锅炉尾部脱硫。
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