CN101650025A

CN101650025A - 解耦燃烧炉及解耦燃烧方法

Info

Publication number: CN101650025A
Application number: CN 200810117937
Authority: CN
Inventors: 郝江平; 高士秋; 李静海; 许光文; 董利
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2008-08-15
Filing date: 2008-08-15
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2028-08-15
Also published as: CN101650025B

Abstract

本发明提供一种解耦燃烧方法，包括：a)首先，对燃料进行热解气化，生成半焦和煤气；b)其次，将一部分煤气和半焦燃烧，以进行氧化和还原反应，生成焦炭，并将所产生的热量用于步骤a)的热解气化；c)再次，将所述焦炭和步骤a)所生成煤气的另一部分在过量空气系数小于1的条件下进行燃烧，同时，燃烧还产生烟气；和d)最后，将所述烟气和经过上述各步骤后剩余的煤气进行充分二次燃烧。本发明可在较小的占地面积下，增加解耦燃烧空间和强度，气化区和气化强度的提高，大大提高了解耦燃烧炉增加负荷的能力；另外，由于高温烟气对热解气化室上部的燃料加热很强，具有更高的热解气化强度，因此增大了煤气产量，减小了固态半焦的燃烧量。

Description

解耦燃烧炉及解耦燃烧方法

技术领域

本发明属于原煤燃烧设备领域，特别涉及一种低氮氧化物排放的热解气化解耦燃烧炉及解耦燃烧方法。

背景技术

在燃料燃烧的实际应用中，飞灰可燃物和CO随着燃烧温度和过量空气系数的提高而更易快速、充分燃尽，相反则不易燃尽。同时，燃烧温度和过量空气系数越低越有利于脱硝和固硫，燃烧温度和过量空气系数的提高会使燃烧过程中生成的NO_x大幅提高，同时加大了固硫反应的逆反应并使固硫剂“烧僵”，不利于固硫。因而，解除飞灰可燃物、CO与NO_x、SO₂的耦合排放问题是燃烧技术上长期存在的技术难点。

从技术和经济上考虑，大型电站燃煤锅炉普遍采用的脱硫、脱硝和除尘技术并不适用于燃煤层燃工业锅炉。近年来，适用于燃煤层燃工业锅炉的脱硫和除尘技术取得了一些有价值的实用技术，如湿法除尘脱硫、干法烟气脱硫、废碱液脱硫技术等。但是，针对中小型燃煤工业锅炉的氮氧化物排放控制技术还不成熟。从2002年起实施的适用于65t/h以下锅炉的大气污染物排放标准(GB13271-2001)中，燃煤锅炉NO_x的最高允许排放浓度还是暂缺。

目前，已开发的适用于燃煤工业锅炉的低NO_x燃烧技术主要有低氧燃烧技术、烟气再循环燃烧技术、气体再燃烧技术等。这些技术都是通过采用低氧燃烧技术，来减少NO_x的生成，但由于NO_x和烟气中的CO浓度和飞灰可燃物的耦合排放关系，降低NO_x就必然引起CO浓度和飞灰可燃物的上升，导致锅炉黑烟排放和热效率下降。另外，在燃煤工业锅炉上应用烟气再循环系统，造成风机电耗增大并使使用寿命降低。气体再燃烧技术一般使用天然气作为再燃燃料，不仅导致运行成本的增加，也不适合我国天然气供应紧张的大部分地区。

在中小型燃烧设备的方面，根据煤在燃烧过程中的转化特性，人们开发了降低氮氧化物排放的解耦燃烧技术。解耦燃烧技术根据煤炭在燃烧过程中所具有的阶段性，利用分级转化的方法，优化煤炭的热解和燃烧过程，用煤炭自身产生的热解气和半焦抑制燃烧过程中氮氧化物的生成，解除了常规燃煤中各种污染物生成过程中的耦合关系，显著提高煤炭的燃烧效率，减少一氧化碳、烟黑和粉尘等污染物排放，并能提高燃烧中的脱硫效率。

目前，人们已对解耦燃烧降低NO_x的机理进行了深入研究，并出现了适用于手动机械炉排层状解耦燃烧炉的一系列专利，如一种抑制氮氧化物的无烟燃煤方法及燃煤炉(中国发明专利号：ZL95102081.1)、实现煤炭清洁燃烧的多面立体燃烧炉及其燃烧方法(中国发明专利号：ZL200410098603.6)等。然而，在上述这些专利中，由于解耦燃烧过程中，煤的热解气主要靠下部的半焦燃烧提供热量，空气流程不经过上部煤层空间，煤的热解速度较慢，而且由于单向炉排只能保证热解气化煤气和半焦向一个方向输送，因而解耦燃烧只能在一侧发生，不能充分利用热解气化室的空间加大热解气化的速度，因而仅适用于1吨/h以下的小型解耦燃烧炉，难以实现解耦燃烧炉的大型化(大于1吨/h)。

发明内容

因此，本发明的任务是克服现有技术的缺陷，从而提供一种解耦燃烧方法。

本发明的另一目的是提供一种解耦燃烧炉。

一方面，本发明公开的解耦燃烧方法，包括以下步骤：

a).首先，对燃料进行热解气化，生成半焦和煤气；

b).其次，将一部分煤气和半焦燃烧，以进行氧化和还原反应，生成焦炭，并将所产生的部分热量用于步骤a)的热解气化；

c).再次，将所述焦炭和步骤a)所生成煤气的另一部分在过量空气系数小于1的条件下进行燃烧，同时，燃烧还产生烟气；

d).最后，将所述烟气和经过上述各步骤后剩余的煤气进行充分二次燃烧。

上述方法中，所述步骤c)的过量空气系数优选0.8。

上述方法中，所述步骤c)还优选包括补充空气的步骤，以保证燃烧的进行。

上述方法中，在步骤d)中，还优选包括补充空气的步骤，以保证二次燃烧的充分进行。

另一方面，本发明公开了一种解耦燃烧炉，包括热解气化室以及顺序设置在所述热解气化室下方的半焦燃烧区、焦炭燃烧区和燃尽区，该解耦燃烧炉还包括二次燃烧区、至少一个用于推动燃料的炉排、第一风口和第二风口，其中，所述炉排推动燃料移动依次经过热解气化室、半焦燃烧区、焦炭燃烧区和燃尽区，所述二次燃烧区的下方与所述热解气化室的上方、焦炭区以及燃尽区流体连通，形成燃气通道，所述第一风口设置于所述燃气通道中，用于向所述燃气通道补充空气，所述第二风口设置于所述二次燃烧区，用于向其中补充空气。

上述解耦燃烧炉中，优选使用两个炉排，且所述两个炉排沿相反方向运动。

上述解耦燃烧炉中，优选所述第一风口的进风量可调，且保持所述燃气通道中的过量空气系数小于1，进一步地，优选所述过量空气系数等于0.8。

本发明的解耦燃烧炉和解耦燃烧方法具有以下优点：

1.可在较小的占地面积下，增加解耦燃烧空间和强度，气化区和气化强度的提高，大大提高了解耦燃烧炉增加负荷的能力；

2.由于下部半焦区燃烧的部分高温烟气可从热解气化室上部经过燃气通道进入炉膛，因而对热解气化室上部的燃料加热很强，比传统解耦燃烧炉仅靠自然对流和导热加热方式具有更高的热解气化强度，因此增大了煤气产量，减小了固态半焦的燃烧量；

3.双炉排的使用可以充分利用热解气化室的空间，提高热解气化速度，并使热解气化室的气流场和温度场对称、均匀，更符合解耦燃烧分层、依次的分段燃烧的规律。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1为根据本发明的实施例的解耦燃烧炉的结构示意图。

具体实施方式

由于煤中固有的燃料氮的存在，使得热解气化产生的煤气中含有一定的含氮物质，包括NH₃、HCN等。热解气化煤气若在氧化性气氛下燃烧这些含氮物质将会转化为氮氧化物，若将热解气化煤气作为再燃气体，含氮物质将对NO_x的还原起促进作用。如果在解耦燃烧炉中热解气化室产生的煤气进入半焦燃烧区之前，在适当位置补入适量空气进行预混，使混和气在过量空气系数小于1的条件下燃烧，使主燃烧区氧化性气氛下产生的NO_x还原，燃烧后的混和气与送入的二次风再混合燃尽，从而可以类似分级燃烧和气体再燃烧方式降低氮氧化物的排放。

因此，下面的具体实施例中，给出了根据本发明的一种解耦燃烧方法，该方法主要包括以下步骤：

a).首先，对新加入的燃料如原煤等进行热解气化，经过热解气化后的燃料生成半焦和煤气，根据热解气化的温度不同，产物中半焦和煤气的比例也会随之发生变化，这对本领域技术人员是熟知的；燃料热解气化所需要的热量可以单独供给，但更优选的方式是由下面步骤燃烧所产生的热量来提供，实现热量的循环利用；

b).其次，将所生成煤气的一部分通过半焦，并与半焦一起进行燃烧，以进行氧化和还原反应，燃烧后的半焦成为焦炭，为了节约能耗，燃烧所产生的热量还可被用于步骤a)的热解气化过程；

c).然后，将步骤a)所生成煤气的另一部分与步骤b)得到的焦炭一起，在一定的条件下燃烧，即，控制煤气燃烧的过量空气系数，使其优选小于1，且最优选为过量空气系数等于0.8，同时，在燃烧的过程中还伴随有烟气的产生；

d).最后，将步骤c)产生的烟气和经过上述各步骤后剩余的煤气进行充分二次燃烧，将剩余可燃物彻底燃尽。

在步骤c)的燃烧过程中，为了保持一定的过量空气系数，还可以向其中补充空气，同理，在二次燃烧中，还可以再次通入足够量的空气，以保证充分燃烧。

下面，结合图1所示的解耦燃烧炉的实施例对本发明的解耦燃烧炉及其解耦燃烧过程进行解释和说明。

图1所示的解耦燃烧炉中，具有内壁9的炉膛6、热解气化室2、机械炉排5、设置在所述机械炉排5末端的落渣口8、设置于所述热解气化室2上方的加煤口1，所述炉膛内壁9围绕在所述热解气化室2的四周，所述炉膛内壁9和所述炉排之间形成了燃气通道3，使得热解气化室2上方流出的煤气沿所述燃气通道3进入炉膛6的下部。该解耦燃烧炉还包括用于补充空气的第一风口4和第二风口7，其中，第一风口4设置在所述燃气通道3中，第二风口7设置在所述炉膛6内。

作为一种优选的实施例，本实施例的解耦燃烧炉使用了两个炉排，使其分别沿相反方向运动，这种双炉排的结构可以充分利用热解气化室的空间，提高热解气化速度，并使热解气化室的气流场和温度场对称、均匀，更符合解耦燃烧分层、依次的分段燃烧的规律。当然，本发明也完全可以使用传统的单个炉排的设计，这对本领域技术人员是熟知的，此处就不再赘述。

如图1所示，沿着炉排运动方向，根据燃烧阶段的不同，炉排可以分为热解气化区11、半焦燃烧区12、焦炭燃烧区13和燃尽区16，通过加煤口1加入所述热解气化室2中的原煤经过这几个区域后，最后落入落渣口8中；此外，本实施例的锅炉还包括位于燃气通道3中的煤气燃烧区14和位于炉膛6内的二次燃烧区15。

因此，上述解耦燃烧炉的燃烧过程如下：

a).首先，原煤由加煤口1进入热解气化室2后，在热解气化区11中被热解气化，产生半焦和煤气，所述半焦在炉排5的带动下进入半焦区；

b).其次，一部分热解气化煤气在经过半焦区12时与机械炉排5下进入的空气混合，在半焦参与下，发生复杂的氧化和还原反应，同时生成CO、CO₂、N₂、NH₃和NO_x等气体；

c).再次，另一部分煤气经过燃气通道3进入煤气燃烧区14，与部分由第一风口4进入的空气以及步骤b)中生成的气体混合燃烧；

d).最后，这部分煤气及烟气与焦炭燃烧区13、燃尽区16产生的烟气和过剩空气，以及由第二风口7进入的空气混合进入炉膛6，在二次燃烧区15发生二次燃烧，将剩余可燃物燃尽。

其中，步骤a)的热解气化过程中，在热解气化室2内，由于仅部分供风从其下部通过，因此在还原性气氛下发生燃烧，燃烧产物进入下部的半焦燃烧区，使烟气中的氮氧化物被还原并使可燃性气体和烟黑燃尽；由于下部半焦区燃烧的部分高温烟气可从热解气化室2上部经过燃气通道3进入炉膛6，因而对热解气化室2上部的燃料加热很强，比传统解耦燃烧炉仅靠自然对流和导热加热方式具有更高的热解气化强度，因此增大了煤气产量。所产生的煤气由热解气化室上部引出，经所述燃气通道3进入炉膛6的下部，而半焦区的火焰作为煤气燃烧的稳定火源，燃气通道中的煤气与第一风口进入的空气在煤气燃烧区中混合后，在过量空气系数小于1(最佳为0.8左右)的条件下发生燃烧。进行二次燃烧的空气一部分来自穿过半焦层12的炽热烟气中的过量空气，一部分也可来自炉膛6中增加的可调风量的第二风口7，这样既可确保位于煤气燃烧区最前段的煤气点火区维持高温，又可确保在二次燃烧区充分燃尽可燃气体。

为了配合上述的分级燃烧过程，炉排5下的供风也通过炉排分隔的风室分段供给。热解气化室2和半焦燃烧区12下部的独立风室风压最高，通风最强；焦炭燃烧区13下部风室通风强度减弱；燃尽区16下部通风须根据所需的二次风来调节。炉排下风室由锅炉底座和炉排组合而成，这些都是采用现已成熟的技术，因此不再赘述。

本发明根据煤炭在燃烧过程中所具有的阶段性，将燃烧过程分为煤炭热解和气化、以及煤气和半焦燃烧两个阶段，利用煤炭自身的热解和气化产物抑制煤炭燃烧过程中污染物的生成，解除污染物生成过程中的耦合关系。可显著降低化学不完全燃烧损失，提高燃烧效率，抑制了氮氧化物(NOx)的生成和排放。

由于增大了解耦燃烧过程中的煤气的燃烧量，因而同时减少了固态半焦的燃烧量，并且在半焦进入燃烧区前，大部分粉煤在部分气化中已燃尽或结成较大渣粒(固定床中，细粉煤燃烧易结渣)，因此该燃烧过程能够降低烟尘的排放，减少炉排的漏煤，机械不完全燃烧损失减少。

本发明将传统解耦燃烧方式和热解气化分段燃烧方式有机结合，不仅实现了环保燃烧的要求，还可使解耦燃烧的负荷能力大大提升。热解、气化燃烧与半焦燃烧的一体化设计，提高了气化室上部煤层温度，缩短了煤气行程，通过煤热解气化后输送的高温半焦作为煤气点火续燃的值班火焰，解决了传统气化炉点火源不稳定、焦油清堵困难和对煤质要求高的缺点。

本发明由于二次燃烧的存在，热解气化解耦燃烧炉热解气化室a对热解气化过程要求不严，因而其煤层厚度可以小于传统的气化炉，并且对煤层厚度的均匀性要求较低。这有利于降低煤在热解气化过程的结焦。由于采用煤全部热解、部分气化和半焦机械输送的热解气化方式，更易控制下部高温燃料的结渣。这使得热解气化解耦燃烧炉比煤气炉大大提高了对煤种的适应性。

由于点火和消烟的燃烧方式不同于“从上部点火”的链条炉，本发明在半焦区的新煤点火过程主要为“下点火方式”，因而热解气化室可在低温下稳定热解、气化和部分燃烧，通过控制通风量，可控制热解气化室温度维持在易于脱硫的最佳条件。另外，热解气化室存煤量较大，脱硫时间较长，并且热解气化室的温度和气氛利于脱硫，可以提高型煤中脱硫剂的利用率，提高脱硫效率，降低型煤的制造成本。对于含硫量不太高的煤，可在热解气化室直接加入脱硫剂的方式脱硫。

本发明还变革了传统链条炉等机械炉排层燃炉的燃烧方式。通过热解气化解耦燃烧方式的应用，提高了锅炉中可燃物在空间燃烧的比例，在不提高炉排上煤层温度的情况下可大幅提高炉排燃烧热强度值，炉排面积减少，利用率显著提高；另外，在热解气化解耦燃烧过程中得到的热解气化煤气更容易燃尽，炉膛容积比传统炉大幅减小，炉膛的吸热量和热强度可大幅提高，因而锅炉占地面积大幅减小，成本降低。

本发明中，由于锅炉结构的配合支撑，使得炉排分配负荷更为合理，再加上热解气化解耦燃烧方式煤层比传统层燃炉较厚，温度不高，加之“下点火方式”使得炉排上大部分高温区域都有渣层的保护，可显著提高炉排的使用寿命。

另外，采用下引燃方式可以在较低炉膛温度下稳燃劣质燃料。由于热解气化解耦燃烧炉热解气化室的空间较大，燃烧条件好，热解气化解耦燃烧技术还可燃用各类生物质和垃圾等大小不等、形状复杂的不规则燃料，大大增加了燃料的适应性和应用范围。

最后应当说明的是，本发明的附图及实施例仅用以说明本发明的解耦燃烧炉结构和解耦燃烧方法，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种解耦燃烧方法，包括以下步骤：

a).首先，对燃料进行热解气化，生成半焦和煤气；

b).其次，将一部分煤气和半焦燃烧，以进行氧化和还原反应，生成焦炭，并将所产生的热量用于步骤a)的热解气化；

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述步骤c)的过量空气系数为0.8。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述步骤c)还包括补充空气的步骤，以保证燃烧的进行。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于，在步骤d)中，还包括补充空气的步骤，以保证二次燃烧的充分进行。

5.一种解耦燃烧炉，包括热解气化室以及顺序设置在所述热解气化室下方的半焦燃烧区、焦炭燃烧区和燃尽区，该解耦燃烧炉还包括二次燃烧区、至少一个用于推动燃料的炉排、第一风口和第二风口，其中，所述炉排推动燃料移动依次经过热解气化室、半焦燃烧区、焦炭燃烧区和燃尽区，所述二次燃烧区的下方与所述热解气化室的上方、焦炭区以及燃尽区流体连通，形成燃气通道，所述第一风口设置于所述燃气通道中，用于向所述燃气通道补充空气，所述第二风口设置于所述二次燃烧区，用于向其中补充空气。

6.根据权利要求5所述的解耦燃烧炉，其特征在于，该解耦燃烧炉包括两个炉排，且所述两个炉排沿相反方向运动。

7.根据权利要求5所述的解耦燃烧炉，其特征在于，所述第一风口的进风量可调，且保持所述燃气通道中的过量空气系数小于1。

8.根据权力要求7所述的解耦燃烧炉，其特征在于，所述过量空气系数为0.8。