CN105003912A - 低NOx燃烧方法以及低NOx燃烧系统 - Google Patents

Abstract

一种低NOx燃烧方法，在炉膛内通过分区设置煤粉燃烧器以及分离燃尽风燃烧器，并配置喷风口以及燃尽风喷口，在炉膛内形成主燃区、二次燃烧区、NOx还原区，喷风口以及燃尽风喷口提供燃烧用空气；在主燃区的富燃料条件下进行缺氧燃烧，在二次燃烧区进行富氧燃烧；在主燃区燃料燃烧时进行喷入蒸汽操作。该低NOx燃烧方法在不仅强化燃烧的同时控制一次燃烧区域内氧的浓度，在缺氧燃烧下还原NOx达到减排目的。一种低NOx燃烧系统，包括：燃烧炉主体，在其炉膛内依次为主燃区、还原区以及二次燃烧区用于缺氧燃烧和富氧燃烧；供风系统包括有喷风口和燃尽风喷口，于喷风口的上侧设置有燃尽风喷口。该低NOx燃烧系统可进行富燃料缺氧燃烧，达到降低NOx排放的目的。

Description

低NOx燃烧方法以及低NOx燃烧系统

技术领域

本发明涉及燃烧装置技术领域，更具体地说，特别涉及一种低NOx燃烧方法以及一种低NOx燃烧系统。

背景技术

现有技术中的燃烧炉一般都是以煤作为燃料，在煤燃烧后生成的烟气中含有大量的氮氧化物，非常容易造成环境的污染。

为了解决烟气的污染问题，传统的方法是采用水或者药液对烟气进行洗气作业，这样虽然能够消除部分氮氧化物，但是由于每隔一段时就要更换一次药液，会增加生产成本。另外，采用洗气方式消除氮氧化物，烟气的净化效果还是有待提高的。

发明内容

(一)技术问题

如何降低烟气中氮氧化物的含量。

(二)技术方案

本发明提供了一种低NOx燃烧方法，

在炉膛内通过分区设置煤粉燃烧器以及分离燃尽风燃烧器，并配置喷风口以及燃尽风喷口，其中，所述煤粉燃烧器上下分设为两层，在炉膛内设置八只所述煤粉燃烧器，由所述煤粉燃烧器对应的炉膛区域为主燃区，在主燃区上方设置所述分离燃尽风燃烧器，形成二次燃烧区，在所述主燃区与所述二次燃烧区之间具有还原空间形成NOx还原区，所述喷风口以及所述燃尽风喷口均设置到炉膛内用于为所述煤粉燃烧器以及所述分离燃尽风燃烧器提供燃烧用空气；

基于上述结构，本发明在主燃区的富燃料条件下进行缺氧燃烧，在二次燃烧区进行富氧燃烧；

在所述主燃区燃料燃烧时进行喷入蒸汽操作。

优选地，在本发明提供的低NOx燃烧方法中：

在排烟烟囱上设置两个喷嘴，分别用于喷射尿素以及氨水；

设置两个罐体分别用于盛装尿素和氨水，两个罐体分别与所述喷嘴对应连接；

基于上述结构设计，本发明利用尿素以及氨水作为还原剂对烟气进行脱硝。

本发明还提供了一种低NOx燃烧系统，包括：

燃烧炉主体，所述燃烧炉主体内具有炉膛，自下而上所述炉膛依次为主燃区、还原区以及二次燃烧区，于所述主燃区设置有煤粉燃烧器用于缺氧燃烧，所述二次燃烧区设置有分离燃尽风燃烧器用于富氧燃烧；

供风系统，所述供风系统包括有喷风口和燃尽风喷口，所述喷风口采用分层结构，于所述喷风口的上侧设置有所述燃尽风喷口。

优选地，在本发明提供的低NOx燃烧系统中还包括有脱硝装置；

所述脱硝装置包括有用于盛装尿素的第一罐体、用于盛装氨水的第二罐体、喷嘴、控制阀以及流通管路，所述喷嘴包括有尿素喷嘴以及氨水喷嘴，所述第一罐体通过所述流通管路与所述尿素喷嘴连接，所述第二罐体通过所述流通管路与所述氨水喷嘴连接，于所述流通管路上设置有所述控制阀。

优选地，在本发明提供的低NOx燃烧系统中还包括有蒸汽疏导装置；

所述蒸汽疏导装置包括有用于蒸汽流通的蒸汽疏导管，所述蒸汽疏导管设置于所述煤粉燃烧器上。

优选地，在本发明提供的低NOx燃烧系统中：

所述喷风口包括一次风喷口、二次风喷口；

所述一次风喷口、所述二次风喷口以及所述燃尽风喷口的具体设置为：

在所述煤粉燃烧器的上方增加布置二层离燃尽风；

设置在各个角落上的所述煤粉燃烧器与其相对工设置七层喷风口，其中有两层为一次风喷口、三层二次风喷口。

(三)有益效果

在本发明中：

本发明提供的低NOx燃烧方法，基于NOx生成及还原机理的分析，为了降低NOx的生成，不仅强化燃烧，促使挥发份尽快、尽量析出，并在强化燃烧的同时控制一次燃烧区域内氧的浓度，使其进行缺氧燃烧以生成还原介质(CHi)来还原已生成的NOx从而达到降低NOx排放的目的。

本发明提供的低NOx燃烧系统，通过上述结构设计，该燃烧系统在主燃区进行富燃料缺氧燃烧，如此能够强化燃烧同时还原已生成的NOx，达到降低NOx排放的目的。

附图说明

图1为本发明实施例中低NOx燃烧系统的结构示意图；

在图1中，部件名称与附图编号的对应关系为：

燃烧炉主体1、煤粉燃烧器2、分离燃尽风燃烧器3、第一罐体4、第二罐体5、喷嘴6、主燃区a、还原区b、二次燃烧区c。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供的低NOx燃烧方法主要采用回流区蒸汽喷射低NOx煤粉燃烧器加深度分级高效低NOx燃烧系统。

根据目前常用的75t/h锅炉燃用煤质、制粉系统形式、燃烧器布置方式、改造目标和改造范围条件等情况，本发明75t/h锅炉低NOx燃烧器改造推荐采用回流区蒸汽喷射低NOx煤粉燃烧器加深度分级低NOx燃烧系统。通过低NOx燃烧系统改造达到锅炉燃烧的稳定、经济、NOx排放低的要求。

本发明低NOx燃烧系统的改造设计，将基于现有的制粉系统、配风系统和送风设备条件，改造后的低氮燃烧系统适应不同煤种，并在改造设计过程中，尽可能利用现有的燃烧系统设备。

从热力NOx生成条件上看，只有在高温条件下才能发生氧化反应生成NOx，当温度低干1200℃，NOx就不易生成。炉膛内火焰峰面温度最高，可达到1400℃，是生成NOx的主要原因，若能降低火焰峰面温度，就能抑制NOx生成。利用这一点，本发明低NOx分级着火燃烧方法提出在粉煤燃烧的火焰内喷入少量蒸汽抑制NOx的新方法。

在高温缺氧条件下粉煤遇蒸汽产生水煤气吸热反应，吸热反应所产生的气体燃料H₂和CO，降低了火焰峰面温度；H₂和CO有很高的活性，遇氧又燃烧生成H₂O和CO₂，将吸收的热量又还给烟气，能量没有损失，但水煤气吸热反应平郁了火焰峰面温度，又形成火焰峰面的缺氧环境，两者都起到抑制了氮与氧的反应的进行。

由于钝体燃烧器喷入蒸汽后会发生水煤气反应，生成CO和H₂，能有效抑制NO生成和还原NO，H₂和CO有很高的活性，遇氧又燃烧生成H₂O和CO₂，将吸收的热量又还给烟气，能量没有损失，但水煤气吸热反应平郁了火焰峰面温度，又形成火焰峰面的缺氧环境，两者都起到抑制了氮与氧的反应的进行。这显示其能在空气分级技术的基础上能进一步大幅度降低NOx。

燃烧设备改造整体布置：采用四角切圆燃烧方式，原有燃烧器中心标高和燃烧器框架基本不变，煤粉燃烧器分两层，全炉共八只煤粉燃烧器，一、二次风采用原设计几何切圆φ800，一次风喷嘴间隔布置，煤粉燃烧器采用回流区蒸汽喷射低NOx煤粉燃烧器及侧二次风设置。

为防止炉膛结焦，降低燃烧器区域热负荷，一次风喷嘴间隔布置并设置侧二次风。

为降低NOx排放，在主燃烧器上方增加布置一组(二层)分离燃尽风(SOFA)；改造后，每角燃烧器共布置七层喷口，其中有两层一次风喷口，三层二次风喷口，两层燃尽风喷口(SOFA1、SOFA2)。

采用深度分级高效低NOx燃烧系统，通过在燃烧器上方增加布置一组(二层)分离燃尽风(SOFA1、SOFA 2)燃烧器，在炉膛内形成：主燃区、还原区和二次燃烧区(即燃尽区)。从而在初始的富燃料条件下缺氧燃烧减少及控制NOx排放，上部富氧燃烧控制飞灰含碳量。分离燃尽风选取较高的风速，有利于降低锅炉飞灰含碳量，强化炉内燃烧的后期混合。深度分级的分离燃尽风(SOFA)将尽可能布置在距离主燃烧区域较远的位置，其布置高度也受到碳燃尽的影响。根据设计经验及现场实际情况，尽可能绕开障碍物等，如刚性梁等。SOFA1喷口标高将布置在距上层二次风燃烧器2500mm处，SOFA1与SOFA2中心线距离800mm，并采用数值模拟的方法予以优化。

一、二次风喷口根据新配风参数重新设计，燃烧器的设计参数均按燃烧改造煤质进行选取，燃烧器区二次风喷口面积根据主燃烧器区有组织二次风减少的情况进行相应缩小，针对燃用煤质易结焦特性，通过侧二次风设置，有利于形成风包粉模式，以防止水冷壁结渣和高温腐蚀事故的发生，同时有利于防止水冷壁管超温爆管。侧二风在横截面方向形成空气分级，可以降低NOx排放，其主要是建立初期着火和控制氧量的燃料/空气分段燃烧方法。

在燃煤锅炉NOx排放中，燃料型NOx排放量占总NOx排放量的80％～85％以上，它是由燃料中的氮与氧反应生成。煤中的燃料氮在受热时首先随挥发分一起析出的部分被称为挥发分氮，在之后焦炭燃烧过程中析出的部分称为焦炭氮。若挥发分中存在碳氢化合物(CHi)，就会立即将已生成的挥发分NOx还原。而焦炭氮是在燃料燃烧后期焦炭燃烧过程中析出的，多数氧化成NOx，而且很难控制。由于燃料氮转化为挥发分氮的比例越大，越容易在煤粉的挥发分析出和着火阶段通过控制氧的浓度，形成还原性气氛(CHi)来控制NOx的生成。因此，强化燃烧，促进挥发分析出，同时控制主燃烧区域内的氧浓度，就可有效控制总的NOx生成量。

基于NOx生成及还原机理的分析，要降低NOx的生成，首先应强化燃烧，促使挥发份尽快、尽量析出，并在强化燃烧的同时控制一次燃烧区域内氧的浓度以生成还原介质(CHi)来还原已生成的NOx从而达到降低NOx排放的目的。上部富氧燃烧控制飞灰含碳量，分离燃尽风选取较高的风速，有利于降低锅炉飞灰含碳量，强化炉内燃烧的后期混合。

本发明采用选择性非催化还原烟气脱硝工艺，尿素或者氨水为脱硝还原剂。

SNCR工艺是一个燃烧后的脱硝过程，在850～1150℃温度范围内主要反应为：

氨水为还原剂，4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O；尿素为还原剂，2NO+CO(NH2)2+1/2O2→2N2+CO2+2H2O。

该工艺具有投资成本低、运行费用低、反应产物无毒无污染，无副产物排放的特点。

不同还原剂有不同的反应温度范围，此温度范围称为温度窗。尿素的反应最佳温度区为870～1150℃。当反应温度过高时，由于氨的分解会使NOX还原率降低，另一方面，反应温度过低时，氨的逃逸增加，也会使NOX还原率降低。

反应剂利用率是衡量反应剂利用程度的指标，它与NOX脱除效率可用标准化化学计量比率(NSR)的参数来衡量。NSR定义如下：

NSR＝反应剂与入口NOX的实际摩尔比/反应剂与入口NOX的化学计量摩尔比反应剂利用率、NSR和NOX脱除效率之间的关系如下：

反应剂利用率(％)＝NOX脱除效率(％)/NSR

通过性能试验关联的SNCR工艺和设计变量有：

◆NOX还原(减排)率，从设计基线值或以下降到目标水平；

◆反应剂与NOX的摩尔比(NSR)；

◆达到NOX还原(减排)率所需的最大反应剂流量；

◆最大NH3逃逸；

采用SNCR工艺必须具备以下必要条件：

◆机械系统，包括设计合理的设备，例如反应剂储存、计量、分配装置、喷射组件、监视和控制装置等；

◆特定性质的化学反应剂；

◆应用工程包括合理的安装、调试和维护。

只要存在“SNCR反应温度窗”，SNCR工艺可应用于燃烧各种燃料的各种型式的锅炉。因为SNCR是燃烧后烟气处理工艺，燃烧装置的尺寸、类型和燃料类型对SNCR工艺没有较大影响。该工艺在以煤、油、天然气、木质废料、城市固态垃圾或危险垃圾为燃料的燃烧装置上得到成功验证。这些燃烧装置的尺寸和型式各不相同，包括快装锅炉、工艺加热器、垃圾焚化炉、循环或鼓泡流化床、废热锅炉和电站锅炉等。因此，SNCR能应用于几乎所有的燃烧装置，使其NOX排放满足或超过大多NOX排放要求。

为了取得高的NOX还原效率并将氨逃逸降到最低，应该满足下述条件：

1.具有强的穿透能力和合理液滴尺寸的还原反应剂充分分布，与烟气中的NOX混合良好。

2.在反应区内可维持适当温度范围。

3.在反应区内可获得足够的停留时间。

4.具有良好响应特性的对负荷变化敏感跟随的自控系统。

从SNCR系统逃逸的氨可能来自两种情况，一是由于喷入点烟气温度低影响了氨与NOX的反应；另一种可能是喷入的还原剂过量或还原剂分布不均匀。还原剂喷入系统必须能将还原剂喷入到炉内最有效的部位，因为NOX的分布在烟道对流断面上是经常变化的，如果喷入控制点太少或喷到炉内某个断面上的氨不均匀，则会出现分布较高的氨逃逸量。为保证脱硝反应能充分地进行，以最少的喷入NH3量达到最好的还原效果，必须设法使喷入的NH3与烟气良好地混合。若喷入的NH3不充分反应，则逃逸的NH3不仅造成浪费而且排放达大气中也造成了二次污染，因此，SNCR工艺的逃逸氨一般控制在8mg/Nm³以下。

SNCR烟气脱硝技术脱硝效率一般为40％～70％。

本发明的关键设备以模块化整体化，主要有高流量输送模块、稀释计量模块和分配模块。这些模块在我公司工厂完成组装和试验，既保证模块内设备、仪表、阀门的安装质量，又最大程度地减少现场安装、调试工作量，缩短安装工期。

本发明采用独特地双流体雾化喷枪结构使喷枪产生的液滴尺寸小、分布均匀、渗透力强，保证了还原剂能够与烟气中NOX的充分接触，从而获得较高的脱硝效率和较低的氨逃逸率。供方有经验的喷枪安装方式保证不出现还原剂挂须现象。

本发明采用10％浓度的尿素溶液为脱硝还原剂，设计1台尿素溶解罐和1台尿素溶液存储罐脱硝装置进行还原剂公用区。

主要设备

(一)还原剂制备装置

尿素溶解罐

尿素溶解罐采用304不锈钢制造。容器为中凹底部、立式钢制常压容器。罐体内设置全套的人孔、尿素颗粒入口、尿素溶液出口、通风口、搅拌器口、液位表、温度表口和排放口等。

除盐水储罐

除盐水储罐采用304不锈钢制造，为设置磁翻板液位计，浮球阀，6小时供应量。

尿素溶液储罐

设置一座尿素溶液储罐，采用304不锈钢制造，满足5天脱硝系统用量要求。

储罐应采取电加热或者蒸汽伴热并做好保温措施。为避免罐内过压或真空，罐顶安装呼吸阀。储罐设液位、温度、压力监测，通过液位变送器实现就地及远程连续监测。

尿素溶液输送装置

尿素溶液转移输送装置用于将溶解罐内制备好的50％尿素溶液输送到尿素储罐内，本装置设置2台尿素溶液输送泵，一用一备。流量10m3/h。

(二)输送计量装置

用于输送和计量尿素溶液的设备整合在一个钢柜内。NOx控制仪所要求的必须数量的尿素溶液由本装置供应。所需尿素溶液流量由流量计控制、调节阀调节。每个喷射点均由流量计控制，确保分配适当。还原剂混合液的压力由安装的压力计控制。

(三)稀释装置

稀释装置主要适用于锅炉低负荷运行时用于稀释尿素溶液浓度，以保证喷射的刚性及覆盖范围。稀释装置由计量泵、流量计等组成，通过静态混合器与尿素原液进行稀释混合。

(四)分配装置

分配装置采用独立分配支管，用于精确分配到每支喷射器的还原剂和压缩空气的压力及流量，包括电磁阀、调节阀、压力、流量仪表等设备。

(五)喷射装置

还原剂喷射系统采用压缩空气将还原剂雾化喷入高温烟气中。喷枪材质应满足运行工况要求：本项目喷枪安装锅炉顶部口水平烟道上，此工作条件为粉尘浓度高，烟气流速大，烟气温度高，喷嘴选用耐高温316L合金钢；喷枪外护套管并设置保护和吹扫套管以防止喷嘴堵塞和飞灰侵蚀，保护套管采用310制作。对于尿素溶液喷枪，D32一般控制在80μm左右，最大粒径控制在100μm以内，且粒径分布均匀。

双流体喷枪雾化性能如下：喷枪安装于锅炉顶部烟道上，喷枪数量为6支。

请参考图1，图1为本发明实施例中低NOx燃烧系统的结构示意图。

本发明提供的低NOx燃烧系统，包括：燃烧炉主体1，燃烧炉主体1内具有炉膛，自下而上炉膛依次为主燃区a、还原区b以及二次燃烧区c，于主燃区a设置有煤粉燃烧器2用于缺氧燃烧，二次燃烧区c设置有分离燃尽风燃烧器3用于富氧燃烧；供风系统，供风系统包括有喷风口和燃尽风喷口，喷风口采用分层结构，于喷风口的上侧设置有燃尽风喷口。

通过上述结构设计，该燃烧系统能够利用上述的燃烧方法，在主燃区a进行富燃料缺氧燃烧，如此能够强化燃烧同时还原已生成的NOx，达到降低NOx排放的目的。

为了进一步降低烟气中氮氧化物的含量，在本发明提供的低NOx燃烧系统中还包括有脱硝装置；脱硝装置包括有用于盛装尿素的第一罐体4、用于盛装氨水的第二罐体5、喷嘴6、控制阀以及流通管路，喷嘴6包括有尿素喷嘴以及氨水喷嘴，第一罐体4通过流通管路与尿素喷嘴连接，第二罐体5通过流通管路与氨水喷嘴连接，于流通管路上设置有控制阀。

通过对锅炉低氮燃烧改造，采用回流区蒸汽喷射低NOx煤粉燃烧器+深度分级高效低NOx燃烧系统，改造后，预期实现：

1、锅炉NOx排放量≤320mg/Nm3(02＝6％)。

2、锅炉效率达到改造前基准测试值。

3、锅炉运行稳定、经济，锅炉出力及主要运行参数达到设计值。

4、炉膛不发生严重结焦及高温腐蚀等现象。

5、增强锅炉燃煤适应性。

根据改造方案，所涉及到的低NOx燃烧系统改造范围如下

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (6)

1.一种低NOx燃烧方法，其特征在于，

在炉膛内通过分区设置煤粉燃烧器以及分离燃尽风燃烧器，并配置喷风口以及燃尽风喷口，其中，所述煤粉燃烧器上下分设为两层，在炉膛内设置八只所述煤粉燃烧器，由所述煤粉燃烧器对应的炉膛区域为主燃区，在主燃区上方设置所述分离燃尽风燃烧器，形成二次燃烧区，在所述主燃区与所述二次燃烧区之间具有还原空间形成NOx还原区，所述喷风口以及所述燃尽风喷口均设置到炉膛内用于为所述煤粉燃烧器以及所述分离燃尽风燃烧器提供燃烧用空气；

基于上述结构，本发明在主燃区的富燃料条件下进行缺氧燃烧，在二次燃烧区进行富氧燃烧；

在所述主燃区燃料燃烧时进行喷入蒸汽操作。

2.根据权利要求1所述的低NOx燃烧方法，其特征在于，

在排烟烟囱上设置两个喷嘴，分别用于喷射尿素以及氨水；

设置两个罐体分别用于盛装尿素和氨水，两个罐体分别与所述喷嘴对应连接；

基于上述结构设计，本发明利用尿素以及氨水作为还原剂对烟气进行脱硝。

3.一种低NOx燃烧系统，其特征在于，包括：

燃烧炉主体(1)，所述燃烧炉主体内具有炉膛，自下而上所述炉膛依次为主燃区(a)、还原区(b)以及二次燃烧区(c)，于所述主燃区设置有煤粉燃烧器(2)用于缺氧燃烧，所述二次燃烧区设置有分离燃尽风燃烧器(3)用于富氧燃烧；

供风系统，所述供风系统包括有喷风口和燃尽风喷口，所述喷风口采用分层结构，于所述喷风口的上侧设置有所述燃尽风喷口。

4.根据权利要求3所述的低NOx燃烧系统，其特征在于，

还包括有脱硝装置；

所述脱硝装置包括有用于盛装尿素的第一罐体(4)、用于盛装氨水的第二罐体(5)、喷嘴(6)、控制阀以及流通管路，所述喷嘴包括有尿素喷嘴以及氨水喷嘴，所述第一罐体通过所述流通管路与所述尿素喷嘴连接，所述第二罐体通过所述流通管路与所述氨水喷嘴连接，于所述流通管路上设置有所述控制阀。

5.根据权利要求3所述的低NOx燃烧系统，其特征在于，

还包括有蒸汽疏导装置；

所述蒸汽疏导装置包括有用于蒸汽流通的蒸汽疏导管，所述蒸汽疏导管设置于所述煤粉燃烧器上。

6.根据权利要求3所述的低NOx燃烧系统，其特征在于，

所述喷风口包括一次风喷口、二次风喷口；

所述一次风喷口、所述二次风喷口以及所述燃尽风喷口的具体设置为：

在所述煤粉燃烧器的上方增加布置二层离燃尽风；

设置在各个角落上的所述煤粉燃烧器与其相对工设置七层喷风口，其中有两层为一次风喷口、三层二次风喷口。