CN105020700B - 一种层燃锅炉组合脱硝装置与方法 - Google Patents

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纪晓瑜
陈佩
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Abstract

一种层燃锅炉组合脱硝装置与方法，属于燃煤层燃锅炉污染物排放控制领域，以实现层燃锅炉NOx达标排放。炉膛内前拱下方设有气化室，炉膛隔墙上设有煤气出口，炉排下方由前至后依次设有气化风室、第一、第二、第三、第四及第五风室，炉膛前墙上位于前拱上方设有二次风口，炉膛的出口与带加速段的卧式旋风分离器的入口连通，带加速段的卧式旋风分离器底部通过回料阀与炉膛下部主燃区连通，带加速段的卧式旋风分离器依次与对流排管、省煤器、空气预热器连通，空气预热器与除尘器连通，除尘器与再循环风机和引风机连通，再循环风机与烟气通道连通，送风机与气化风室、第一、第二、第三、第四、第五风室及二次风口连通。本发明用于层燃锅炉组合脱硝。

Description

一种层燃锅炉组合脱硝装置与方法
技术领域
[0001] 本发明涉及层燃炉控制N〇x排放的装置及方法，属于燃煤层燃锅炉污染物排放控 制领域。
背景技术
[0002] 层燃炉常在城镇居民集中区使用，且多为低空排放，使得工业锅炉对周围环境，特 别是城镇环境污染尤为严重，而N0X在污染物中占据的份额较大，因此经济有效地降低层燃 炉队^排放，对于减轻大气污染具有十分重要的意义。
[0003] 目前层燃锅炉的NOx排放浓度都不能达到GB13271-2014的排放标准，单纯的SNCR 也难以达标，尾部采用SCR虽然能够达标，但投资及运行成本高，用户难以接受，因此，有必 要同时实施多种措施，来满足GB13271-2014的排放标准。
[0004] 现有的层燃炉低N0X燃烧技术主要包括：（1) “燃料分级”燃烧技术，如授权公告号 为CN202993174U、授权公告日为2013年06月12日、名称为《一种燃煤燃气组合型高效低排放 层燃燃烧装置》公开了 一种在层燃炉中采用外加燃气再燃来降低NOx排放的方法，通过引入 外来燃气(天然气、煤气），在主燃区上方形成富燃料区，强化还原N0X。这种方法采用了天然 气作为再燃气体，天然气的价格很高，使得运行成本大幅增加，在实际应用中难以实施。（2) 炉内SNCR脱硝技术，即在炉内喷尿素与已生成的NOx反应生成N2，降低NOx排放，但是由于层 燃炉炉膛截面大，喷入炉膛的尿素很难与炉膛整个截面上的烟气均匀混合，导致脱硝效果 差，脱硝率一般只有40%左右。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种层燃锅炉组合脱硝装置与方法，以实现层燃锅炉NOx达 标排放。
[0006] 实现上述目的，本发明的技术方案是：
[0007] 本发明的一种层燃锅炉组合脱硝装置，包括气化室、炉膛隔墙、烟气通道、炉排、炉 膛前拱、炉膛、喷嘴、带加速段的卧式旋风分离器、对流排管、省煤器、空气预热器、送风机、 再循环风机、除尘器、引风机、回料阀及六个风室；所述六个风室分别是气化风室、第一风 室、第二风室、第三风室、第四风室及第五风室；
[0008] 所述炉膛内的前下部设有气化室，气化室由炉膛前拱、炉膛隔墙及炉膛两侧墙围 成，炉膛隔墙上设有多个煤气出口，气化室通过所述多个煤气出口与炉膛下部主燃区相通， 炉排下方由前至后依次设有气化风室、第一风室、第二风室、第三风室、第四风室及第五风 室，所述气化风室设置在气化室下方，所述第一风室和第二风室设置在炉膛下部主燃区下 方;位于炉膛前拱上方设有二次风口；炉膛的出口与所述带加速段的卧式旋风分离器的入 口连通，带加速段的卧式旋风分离器的入口处设有所述喷嘴，带加速段的卧式旋风分离器 的底部通过所述回料阀与炉膛下部主燃区连通，带加速段的卧式旋风分离器的出口与所述 对流排管的入口相通，对流排管的出口与所述省煤器的入口连通，省煤器的出口与所述空 气预热器的入口连通，空气预热器的出口通过管路与所述除尘器的入口连通，除尘器的出 口分别通过管路与所述再循环风机和引风机的入口连通，再循环风机的出口与设置在炉排 下方的所述烟气通道的入口连通，烟气通道与第一风室及第二风室相通，所述送风机的出 口分别通过管路与每个风室的进风口及二次风口连通。
[0009] 本发明利用层燃锅炉组合脱硝装置实现层燃锅炉组合脱硝的方法，所述方法包括 如下步骤：
[0010] 步骤一:煤自煤斗进入气化室内，煤层在气化室对应的炉排上着火燃烧，在缺氧条 件下热解气化产生煤气，煤气经设置在炉膛隔墙上的煤气出口进入炉膛下部主燃区，在还 原性气氛下实现燃气再燃，还原已生成的N0X;与此同时，所述煤气化后生成的煤焦随炉排 移动至第一风室、第二风室上方的炉排上高温燃烧，燃烧温度达到1300°c〜140CTC，这样会 产生NOx，为了抑制NOx的生成量，分别向第一风室6和第二风室7内通入冷烟气，使之在缺氧 条件下燃烧，使煤焦燃烧温度低于ll〇〇°C，抑制NOx生成量；由于缺氧，所以燃烧过程中产生 C0、H2及CxHy可燃气体，与气化室2产生的煤气汇合，在还原性气氛下二次燃烧，从而进一步 降低NOx排放，煤焦在小于1100°C下和缺氧的环境下燃烧；
[0011] 步骤二:从炉膛前拱上方的二次风口向炉膛下部主燃区的上方通入二次风，使二 次风与未燃尽的可燃成分充分混合燃烧，将未完全燃烧的可燃气体及颗粒进一步燃烧，实 现空气分级燃烧，降低NOx排放；
[0012] 步骤三：烟气经炉膛的上部四周水冷壁换热后，由炉膛的出口流出进入带加速段 的卧式旋风分离器内，在带加速段的卧式旋风分离器的入口处设置喷嘴向烟气中喷入雾化 后尿素水溶液进行SNCR脱硝，所述尿素水溶液的浓度为5〜10%，喷入的尿素液滴在高温烟气 的加热下转化为气态，与高速旋转的烟气在所述卧式旋风分离器内充分混合，在950〜1050 °(：温区范围内脱硝率大于60%;同时，卧式旋风分离器分离出的未完全燃尽的颗粒经回料阀 送回炉膛下部主燃区内再燃;经分离后的烟气进入对流排管换热，之后进入省煤器，经省煤 器吸收烟气热量后进入空气预热器内，再经空气预热器换热后，进入除尘器除尘处理，除尘 后的烟气分成两部分，其中一部分经再循环风机及烟气通道送入第一风室及第二风室，用 于控制炉排上煤焦的燃烧温度，其余的烟气经引风机送入脱硫塔后进入烟囱排入大气中。
[0013] 本发明相对于现有技术的有益效果是：
[0014] (1)炉膛内的前侧（在层燃炉前部）设置一个气化室，煤在气化室内产生煤气代替 天然气，节省了能源，降低了运行成本;煤气进入炉膛下部主燃区，并在还原性气氛下二次 再燃，实现“燃料分级”燃烧，降低N〇x的排放；
[0015] (2)第一风室和第二风室均设置在炉膛下部主燃区，采用冷烟气再循环，再循环烟 气量占总烟气量的10-30%，减少了主燃区进风量，降低了主燃区煤层及其上方燃烧温度，使 得该区在缺氧条件下燃烧，抑制了氮氧化物的生成，同时产生的大量的C〇、H2、CxHy可燃气体 与气化室产生的燃气汇合，在还原性气氛下二次再燃，还原部分N〇x，进一步降低N〇x;
[0016] (3)从炉排下方向六个风室通入的一次风量占总风量的70〜80%，从炉膛前拱上方 的二次风口向炉膛下部主燃区上方通入的二次风量占总风量的2〇〜3〇%，且分别送风，实现 “空气分级”燃烧，降低N0X的排放；
[0017] (4)在炉膛的出口处设置一个带加速段的卧式旋风分离器，将未完全燃烧的颗粒 分离回送炉膛再燃，降低飞灰含碳量，飞灰含碳量由过去的2〇〜3〇%降至10〜丨5%，锅炉热效率 提闻2〜3%;
[0018] (5)在所述卧式旋风分离器入口处喷尿素水溶液进行SNCR脱硝，尿素与高温烟气 在分离器内强烈均匀混合，在950~1050°C温区范围内脱硝率大于60%，大于目前在炉膛截面 上喷尿素脱硝率只有4〇%左右的现状。
[0019] 上述综合脱硝措施的处理效果是NOx排放浓度低于150mg/m3,远低于GB13271-2014规定的NOx排放浓度。
附图说明
[0020] 图1是本发明的层燃锅炉组合脱硝装置的主视结构示意图，炉排为链条炉排；
[0021] 图2是图1的A-A剖视图；
[0022] 图3是图1的M向视图；
[0023]图4是本发明的层燃锅炉组合脱硝装置的主视结构示意图，炉排为往复炉排。
[0024] 图中：主燃区1、气化室2、炉膛隔墙3、煤气出口 4、气化风室5、第一风室6、第二风室 7、第三风室8、第四风室9、第五风室10、进风口 11、烟气通道12、链条炉排13、炉膛前拱14、炉 膛后拱15、二次风口 16、炉膛17、折焰角18、喷嘴19、带加速段的卧式旋风分离器20、对流排 管21、省煤器22、空气预热器23、送风机24、再循环风机25、除尘器26、引风机27、炉膛前墙 28、回料阀29、脱硫塔30、尾部烟道31、煤斗32、烟囱33。
具体实施方式
[0025]
具体实施方式一：如图1〜图4所示，一种层燃锅炉组合脱硝装置，包括气化室2、炉 膛隔墙3、烟气通道12、炉排13、炉膛前拱14、炉膛17、喷嘴19、带加速段的卧式旋风分离器 20、对流排管21、省煤器22、空气预热器23、送风机24、再循环风机25、除尘器26、引风机27、 回料阀29及六个风室;所述六个风室分别是气化风室5、第一风室6、第二风室7、第三风室8、 第四风室9及第五风室10;
[0026] 所述炉膛17内的前下部设有气化室2,气化室2由炉膛前拱14、炉膛隔墙3及炉膛两 侧墙围成，炉膛隔墙3上设有多个煤气出口 4,气化室2通过所述多个煤气出口 4与炉膛17下 部主燃区1相通(多个煤气出口 4沿炉膛隔墙3左侧至右侧均布开设，使气化室2产生的煤气 进入炉膛17下部主燃区1，在还原性气氛下实现燃气再燃，还原已生成的NOx)，炉排13下方 由前至后依次设有气化风室5、第一风室6、第二风室7、第三风室8、第四风室9及第五风室 10,所述气化风室5设置在气化室2下方，所述第一风室6和第二风室7设置在炉膛17下部主 燃区1下方(第一风室6、第二风室7沿炉排13宽度方向均匀通入冷烟气，使之与送入的空气 均匀混合后进入炉膛17下部主燃区1，使炉膛17下部主燃区1缺氧，进而控制燃烧温度，抑制 NOx生成量）；位于炉膛前拱14上方设有二次风口 16 (二次风送入炉膛17下部主燃区1的上方 参与燃烧，将未完全燃烧的可燃气体及颗粒进一步燃尽，实现空气分级燃烧，降低N0x排 放）；炉膛17的出口与所述带加速段的卧式旋风分离器20的入口连通，带加速段的卧式旋风 分离器20的入口处设有所述喷嘴19 (在带加速段的卧式旋风分离器20的入口利用喷嘴I9喷 尿素进行SNCR高效脱硝处理），带加速段的卧式旋风分离器20的底部通过所述回料阀29与 炉膛17下部主燃区1连通，带加速段的卧式旋风分离器20的出口与所述对流排管21 (为现有 技术)的入口相通，对流排管21的出口与所述省煤器22的入口连通，省煤器22的出口与所述 空气预热器23的入口连通(省煤器22和空气预热器23均设置在尾部烟道31内），空气预热器 23的出口通过管路与所述除尘器26的入口连通，除尘器26的出口分别通过管路与所述再循 环风机25和引风机27的入口连通（引风机27的出口与脱硫塔30相通，脱硫塔30出口与烟囱 33连通），再循环风机25的出口与设置在炉排13下方的所述烟气通道12的入口连通，烟气通 道12与第一风室6及第二风室7相通，所述送风机24的出口分别通过管路与每个风室的进风 口 11及二次风口 16连通。
[0027]本实施方式中的带加速段的卧式旋风分离器20结构及运行参数己在公开号为CN 101786050B、公开日为2011年4月6日的发明专利《循环流化床带加速段的水冷或汽冷高温 卧式旋风分离器》中公开。
[0028]具体实施方式二：如图1和图4所示，具体实施方式一所述的层燃锅炉组合脱硝装 置，所述炉排13为链条炉排或往复炉排，所述炉膛隔墙3下表面与链条炉排上表面之间的间 距Hl=450〜550mm(优选500mm)，所述炉膛隔墙3的后侧面的竖直延伸面与往复炉排上表面的 相交线至炉膛隔墙3的下表面之间的间距H2=450〜550mm (优选500mm)。如此设置，一方面可 以阻挡燃气向下扩散，另一方面气化室2产生的热量与外部隔离，用于煤更好的气化，此外， 还方便检修。
[0029]具体实施方式三:如图1和图4所示，具体实施方式一所述的层燃锅炉组合脱硝装 置，所述炉膛17的出口处位于带加速段的卧式旋风分离器20下方设有折焰角18。效果是:一 方面使得炉膛17火焰充满度好，强化辐射换热；另一方面形成卧式旋风分离器2的加速段， 保证卧式旋风分离器2的分离效率大于95%，同时对尿素与烟气的充分混合非常有利。
[0030]
具体实施方式四：如图1〜图4所示，一种利用具体实施方式一、二或三所述的装置 实现层燃锅炉组合脱硝的方法，所述方法包括如下步骤：
[0031] 步骤一:煤自煤斗32进入气化室2内，煤层在气化室2对应的炉排13上着火燃烧，在 缺氧条件下热解气化产生煤气，煤气经设置在炉膛隔墙3上的煤气出口 4进入炉膛17下部主 燃区1 (炉膛17下部主燃区1位于第一风室6、第二风室7的炉排13上方），在还原性气氛下实 现燃气再燃，还原己生成的NOx;与此同时，所述煤气化后生成的煤焦随炉排13移动至第一 风室6、第二风室7上方的炉排13上高温燃烧，燃烧温度达到1300°C〜1400°C，这样会产生(大 量的）NOx，为了抑制NOx的生成量，分别向第一风室6和第二风室7 (沿炉排13宽度方向均匀 通入）内通入冷烟气，使之在缺氧条件下燃烧，使煤焦燃烧温度低于1100°C，抑制NOx生成 量；由于缺氧，所以燃烧过程中产生(大量的）C0、H2及CxHy可燃气体，与气化室2产生的煤气 汇合，在还原性气氛下二次燃烧(实现“燃料分级再燃”），从而进一步降低NOx排放，煤焦在 小于1100°C下和缺氧的环境下燃烧(使得煤焦在炉排13上燃烧时间延长，为了保证燃料燃 尽，需要增加炉排13长度，在原有炉排13的基础上增加0.5〜1.0米）；
[0032] 步骤二:从炉膛前拱14上方的二次风口 16向炉膛17下部主燃区1的上方通入二次 风，使二次风与未燃尽的可燃成分充分混合燃烧，将未完全燃烧的可燃气体及颗粒进一步 燃烧，实现空气分级燃烧，降低N〇x排放；
[0033] 步骤三:烟气经炉膛17的上部四周水冷壁换热后，由炉膛17的出口流出进入带加 速段的卧式旋风分离器20内，在带加速段的卧式旋风分离器20的入口处设置喷嘴19向烟气 中喷入雾化后尿素水溶液进行SNCR脱硝，所述尿素水溶液的浓度为5〜10%，喷入的尿素液滴 在高温烟气(温度为950〜1050°C)的加热下转化为气态，与高速旋转的烟气在所述卧式旋风 分离器2〇内充分混合，在950〜1050 °C温区范围内脱硝率大于60% (这在循环流化床中已经被 广泛采用，是现有成熟技术）；同时，卧式旋风分离器20分离出的未完全燃尽的颗粒经回料 阀29送回炉膛17下部主燃区1内再燃(降低飞灰含碳量，提高锅炉热效率;飞灰含碳量由过 去的20〜30%降至HK15%左右，锅炉热效率提高2〜3%);经分离后的烟气进入对流排管21换 热，之后进入省煤器22，经省煤器22吸收烟气热量后进入空气预热器23内，再经空气预热器 23换热后，进入除尘器26除尘处理，除尘后的烟气分成两部分，其中一部分经再循环风机25 及烟气通道12送入第一风室6及第二风室7,用于控制炉排13上煤焦的燃烧温度，其余的烟 气经引风机27送入脱硫塔30后进入烟囱33排入大气中。
[0034]具体实施方式五：如图1和图4所示，具体实施方式四所述的层燃锅炉组合脱硝的 方法，步骤二中，所述从炉排13下方向六个风室通入的一次风量占总风量的70〜80%，所述从 炉膛前拱14上方的二次风口 16向炉膛17下部主燃区1上方通入的二次风量占总风量的20〜 30%〇
[0035]具体实施方式六：如图1和图4所示，具体实施方式四或五所述的层燃锅炉组合脱 硝的方法，所述从第一风室6及第二风室7送入的再循环烟气量占总烟气量的1 〇〜30%。
[0036]以上的具体实施方式仅为本发明的一则实施例，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之 内。

Claims (6)

  1. L 一种层燃锅炉组合脱硝装置，包括气化室（2)、炉膛隔墙（3)、烟气通道（12)、炉排 (13)、炉膛前拱（14)、炉膛（17)、喷嘴（19)、带加速段的卧式旋风分离器（20)、对流排管 (21)、省煤器（22)、空气预热器（23)、送风机（24)、再循环风机（25)、除尘器（26)、引风机 (27)、回料阀（29)及六个风室;所述六个风室分别是气化风室(5)、第一风室(6)、第二风室 (7)、第三风室⑻、第四风室⑼及第五风室（10); 其特征是:所述炉膛（17)内的前下部设有气化室(2)，气化室(2)由炉膛前拱（14)、炉膛 隔墙(3)及炉膛两侧墙围成，炉膛隔墙(3)上设有多个煤气出口（4)，气化室(2)通过所述多 个煤气出口（4)与炉膛（17)下部主燃区（1)相通，炉排(13)下方由前至后依次设有气化风室 (5)、第一风室(6)、第二风室(7)、第三风室(8)、第四风室(9)及第五风室（10)，所述气化风 室(5)设置在气化室(2)下方，所述第一风室(6)和第二风室(7)设置在炉膛（17)下部主燃区 (1)下方;位于炉膛前拱（14)上方设有二次风口（16);炉膛（17)的出口与所述带加速段的卧 式旋风分离器（20)的入口连通，带加速段的卧式旋风分离器(20)的入口处设有所述喷嘴 (19)，带加速段的卧式旋风分离器(20)的底部通过所述回料阀（29)与炉膛（17)下部主燃区 ⑴连通，带加速段的卧式旋风分离器(20)的出口与所述对流排管(21)的入口相通，对流排 管(21)的出口与所述省煤器(22)的入口连通，省煤器(22)的出口与所述空气预热器(23)的 入口连通，空气预热器(23)的出口通过管路与所述除尘器(26)的入口连通，除尘器(26)的 出口分别通过管路与所述再循环风机(25)和引风机(27)的入口连通，再循环风机(25)的出 口与设置在炉排（13)下方的所述烟气通道（12)的入口连通，烟气通道（12)与第一风室(6) 及第二风室(7)相通，所述送风机(24)的出口分别通过管路与每个风室的进风口（11)及二 次风口（16)连通。
  2. 2. 根据权利要求1所述的层燃锅炉组合脱硝装置，其特征是:所述炉排(13)为链条炉排 或往复炉排，所述炉膛隔墙(3)下表面与链条炉排上表面之间的间距Hl=450〜550mm，所述炉 膛隔墙(3)的后侧面的竖直延伸面与往复炉排上表面的相交线至炉膛隔墙(3)的下表面之 间的间距H2=450〜550mm。
  3. 3. 根据权利要求1所述的层燃锅炉组合脱硝装置，其特征是:所述炉膛（17)的出口处位 于带加速段的卧式旋风分离器(20)下方设有折焰角（18)。
  4. 4. 一种利用权利要求1、2或3所述的装置实现层燃锅炉组合脱硝的方法，其特征是:所 述方法包括如下步骤： 步骤一:煤自煤斗（32)进入气化室（2)内，煤层在气化室（2)对应的炉排（13)上着火燃 烧，在缺氧条件下热解气化产生煤气，煤气经设置在炉膛隔墙(3)上的煤气出口（4)进入炉 膛（17)下部主燃区（1)，在还原性气氛下实现燃气再燃，还原已生成的NOx;与此同时，所述 煤气化后生成的煤焦随炉排（13)移动至第一风室(6)、第二风室(7)上方的炉排(13)上高温 燃烧，燃烧温度达到130(TC〜1400°C，这样会产生NOx，为了抑制NOx的生成量，分别向第一风 室(6)和第二风室(7)内通入冷烟气，使之在缺氧条件下燃烧，使煤焦燃烧温度低于1 l〇(TC， 抑制NOx生成量；由于缺氧，所以燃烧过程中产生CO、H2及CxHy可燃气体，与气化室⑵产生的 煤气汇合，在还原性气氛下二次燃烧，从而进一步降低NOx排放，煤焦在小于1100°C下和缺 氧的环境下燃烧； 步骤二:从炉膛前拱（14)上方的二次风口（16)向炉膛（17)下部主燃区（1)的上方通入 二次风，使二次风与未燃尽的可燃成分充分混合燃烧，将未完全燃烧的可燃气体及颗粒进 一步燃烧，实现空气分级燃烧，降低NOx排放； 步骤三:烟气经炉膛（17)的上部四周水冷壁换热后，由炉膛（17)的出口流出进入带加 速段的卧式旋风分离器(20)内，在带加速段的卧式旋风分离器(20)的入口处设置喷嘴（19) 向烟气中喷入雾化后尿素水溶液进行SNCR脱硝，所述尿素水溶液的浓度为5〜10%，喷入的尿 素液滴在高温烟气的加热下转化为气态，与高速旋转的烟气在所述卧式旋风分离器(2〇)内 充分混合，在950〜1050°C温区范围内脱硝率大于60%;同时，卧式旋风分离器(20)分离出的 未完全燃尽的颗粒经回料阀（29)送回炉膛（17)下部主燃区（1)内再燃;经分离后的烟气进 入对流排管(21)换热，之后进入省煤器(22)，经省煤器(22)吸收烟气热量后进入空气预热 器(23)内，再经空气预热器(23)换热后，进入除尘器(26)除尘处理，除尘后的烟气分成两部 分，其中一部分经再循环风机(25)及烟气通道（12)送入第一风室(6)及第二风室(7)，用于 控制炉排（13)上煤焦的燃烧温度，其余的烟气经引风机(27)送入脱硫塔(30)后进入烟囱 (33)排入大气中。
  5. 5. 根据权利要求4所述的层燃锅炉组合脱硝的方法，其特征是:步骤二中，所述从炉排 (13)下方向六个风室通入的一次风量占总风量的70〜80%，所述从炉膛前拱（14)上方的二次 风口（16)向炉膛(17)下部主燃区（1)上方通入的二次风量占总风量的20〜30%。
  6. 6. 根据权利要求4或5所述的层燃锅炉组合脱硝的方法，其特征是:所述从第一风室(6) 及第二风室(7)送入的再循环烟气量占总烟气量的1〇〜30%。
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