CN105276610A

CN105276610A - 燃料分级低氮燃烧系统及控制方法

Info

Publication number: CN105276610A
Application number: CN201410339371.2A
Authority: CN
Inventors: 曾桃芳; 王凤鸣; 茆胜
Original assignee: INSTITUTE OF NEW ENERGY SHENZHEN
Current assignee: INSTITUTE OF NEW ENERGY SHENZHEN
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2014-07-16
Publication date: 2016-01-27

Abstract

本发明公开了一种燃料分级低氮燃烧控制方法，包括SNCR控制步骤，所述SNCR控制步骤包括如下步骤：从来自主燃烧区域的NO含量传感器读取信号，生成还原剂和促进剂喷射量控制信号，从尾部烟气中的NO含量传感器中读取信号，将该信号通过信号控制器生成尾部烟气NO含量控制信号，将该控制信号反馈至之前的控制信号，以修正还原剂和促进剂喷射量控制信号；从而控制所述还原剂和促进剂喷射量控制器，调节喷射进入炉膛的还原剂和促进剂的量，使得尾部烟气中的NO含量不超过设定值。本发明还公开了相应的控制系统，使得氮氧化物的排放降到了最低，实现了安全环保性燃烧。

Description

燃料分级低氮燃烧系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种燃烧系统和控制方法，具体涉及用于固体燃料的燃烧控制方法及系统。

背景技术

固体化石燃料例如煤是重要的能源，煤燃烧用于发电是世界电力的主要来源之一。但是，由煤燃烧排放的污染物也是空气污染的主要来源之一。例如，煤燃烧排放的氮氧化物(NOx)每年达二千多万吨，是重要污染源。

煤燃烧过程中所产生的NOx有两个主要来源：燃料NOx和热力NOx。燃料NOx为在煤中以化学键的方式存在的氮(燃料氮)经燃烧转化而形成的NOx。燃料氮(或焦炭-N)在一系列复杂燃烧过程中释放，其主要初始产物为HCN和/或NHi，然后HCN等初始或中间产物被氧化为NOx或被还原为N2。如果氮的初始产物所处气氛为氧化性(燃料缺乏)，则NOX将成为燃料氮的主要产物。如果是缺氧(富燃料)气氛，则HCN与NHi在焦煤表面上通过与CO或C(炭)或其它含氮成分反应转换成N2。

热力NOx是指由大气氮的高温氧化而形成的NOx。热力NOx的形成是温度的指数函数和氧浓度的平方根函数。燃烧温度越低或氧浓度越低产生的NOx越少。因此，可以通过控制反应温度或氧浓度来控制热NOx的产生。但是，较低的燃烧温度或较低的氧浓度使煤的燃烧速率变慢，燃烧效率降低。缓慢的燃烧速率可导致煤的不完全燃烧和煤的延长燃烧。

在普通电站粉煤锅炉中，因燃烧温度一般低于1550℃，热力NOx占总的生成的NOx较小。因此，减少NOx在燃烧过程中的生成主要是减少燃料NOx的形成。为此已经开发了各种燃烧技术。这些技术的要点主要是通过控制炉内的燃烧气氛，使得在燃料氮析出时，气氛为还原性，因而HCN与NHi等中间产物被还原成氮气，而不生成NOx。炉内低NOx燃烧技术主要包括低NOx燃烧器、空气分级燃烧、燃料再燃和烟气再循环等。

其中直流式煤粉浓淡分离低NOx燃烧器是切圆燃烧锅炉控制NOx的首选措施。它采取特定机构将煤粉浓缩分离，在燃烧初期形成局部的煤粉浓淡偏差燃烧，也即局部的还原气氛来控制NOx的生成。常见的直流型浓淡燃烧器主要有：利用水平弯头离心力或强制转向机构的水平浓淡浓缩器、利用垂直弯头离心力的WR型垂直浓淡浓缩器、以及依靠惯性分离的PM型煤粉浓缩器。这些低NOx燃烧器的脱硝(或NOx)效率约为20-40％。

煤粉燃尽前，在低NOx燃烧器的火焰下游维持一定程度的还原气氛，是进一步控制炉内NOx生成的一个常用措施。常规采用的手段是改变传统集中送风的方式而将部分氧化剂(空气)从主燃烧器区域分离出来，通过燃烧器上方的喷口送入炉内，在炉膛高度方向形成空气分级(OFA)燃烧。分级风主要有紧凑型、单级分离型及多级分离混合型等三种，且大多采用多级分离混合方式。空气分级与低NOx燃烧器相配合，可降低NOx排放约40-60％。

空气分级程度及分级风喷口与主燃烧器区域的距离，决定燃烧器区域的还原性气氛程度及煤粉在欠氧条件下的停留时间，从而决定了NOx的生成量。但是，主燃烧器区域处于欠氧条件：一方面会延迟煤粉的燃烧，降低煤粉的燃尽程度；另一方面会导致水冷壁表面处于还原气氛，引起水冷壁结焦和/或高温烟气腐蚀。为提高煤粉的燃尽程度，只能强化燃烧器喷口附近的初期燃烧及后期的分级风的烟气的混合程度。在燃烧器区域整体处于还原气氛条件下，为控制水冷壁表面附近的氧量超过2.0％，降低结渣与烟所腐蚀，切圆燃烧锅炉的一次风、二次风在炉内的入射角度和风量分配至关重要。

此外，在二次风压不足的情况下，还可利用增压风机抽取高温二次风，在距离顶层燃烧器较高的位置作为高速燃尽风喷入炉膛。增压二次风一方面可起到炉内空气分级燃烧的效果，延长煤粉颗粒在欠氧环境中的停留时间，提高NOx控制能力；另一方面可强化燃尽风与上游烟气的充分混合，提高煤粉与CO的燃尽。

空气分级燃烧使煤粉燃烧初期处于欠氧环境，会延迟燃烧，降低燃烧效率。为在控制NOx排放的同时，还能不降低煤粉的燃尽，已开发出另一类低氮燃烧技术--再燃技术。它将高效低NOx燃烧器及燃料再燃入空气分级燃烧等技术结合在一起，在炉膛内形成三个区域：主燃区、再燃区和燃尽区。在这里，约80-85％的一次燃料喷入主燃区，在氧化气氛(α＝～1.1)下剧烈燃烧；约15-20％的二次燃料(天然气、油或高挥发分的超细煤粉)在主燃区上方喷入炉膛，在强还原气氛(α＝0.7-0.9)条件下，二次燃料燃烧产生大量碳氢原子团(HCN),与来自主燃烧器区域的NOx发生还原反应生成N2；剩余的二次风由OFA喷口送入燃尽区，富氧(α＝～1.15)燃烧未燃尽碳与CO.

再燃技术在控制NOx排放的同时，兼顾燃尽、结渣与腐蚀等锅炉性能，是目前较先进的低NOx燃烧技术，NOx降低率约为50-70％。再燃技术的NOx控制能力与炉膛沿高程上的氧量控制密切相关，这对锅炉的运行操作方式及控制精度要求较高。但是，迄今为止还没有针对再燃技术的控制方法。此外，一般的再燃技术所使用的燃料大多为气体燃料，费用较高。另一方法采用超细煤粉，因所要求的煤粉的粒度较细，也制约了在工程领域的大规模有效应用。

此外，在尾部烟气中，其主要成分为NO，而现有技术不能有效地控制NO的排放量，造成NO排放量过大，不利于生态环境。这一方面也是需要亟待解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术不足，本发明的目的在于提供一种能使尾部烟气NO的含量降到设定值，保证排放绿色环保，同时又兼具经济性与安全性的燃烧控制方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为，一种燃料分级低氮燃烧控制方法，包括SNCR控制步骤，所述SNCR控制步骤(即SelectiveNon-CatalyticReduction:选择性非催化反应)包括如下步骤：

从来自主燃烧区域的NO含量传感器读取信号，将该信号通过信号发生器生成还原剂和促进剂喷射量控制信号，将所述控制信号传输至还原剂和促进剂喷射量控制器；

从尾部烟气中的NO含量传感器中读取信号，将该信号通过信号控制器生成尾部烟气NO含量控制信号，将该控制信号传输至所述信号发生器，得到修正后的还原剂和促进剂喷射量控制信号；

将所述修正后的还原剂和促进剂喷射量控制信号传输至所述还原剂和促进剂喷射量控制器，从而调节喷射进入炉膛的还原剂和促进剂的量，使得尾部烟气中的NO含量不超过设定值。

上述技术方案可以形成反馈调节过程，有效地实现对喷入炉膛的还原剂和促进剂的量的控制，以保证尾部烟气中NO含量不超过设定值，减少了有害气体NO的排放量。

进一步地，对上述技术方案进行改进，所述燃料分级低氮燃烧控制方法，还包括二次风分配控制步骤，这样在上述技术方案的基础上，还可以将包括NO在内的所有NO_x的排放降到最低且做到准确有控。所述二次风分配控制步骤包括如下步骤：

(11)从每个工作中燃烧器的二次风流量传感器读取信号并进行求和，得出二次风流量总和；

(12)从每个工作中燃烧器的燃料流量传感器读取信号并求和，得出燃料总流量；

(13)将单个给定燃料流量传感器的信号与所述燃料总流量进行除法运算，得出该单个给定对应燃烧器的燃料流量比例；

(14)将所述燃料流量比例与二次风流量总和进行乘法运算，得出单个给定对应燃烧器所需二次风流量信号；

(15)将所述所需二次风流量信号传输至单个给定对应燃烧器的二次风风门控制器。

再进一步地，还包括火上风控制步骤，所述火上风控制步骤包括如下步骤：

(21)从氧含量传感器读取信号并转换为机组总化学当量信号；

(22)从机组负载传感器读取信号并转化为燃烧区域化学当量信号；

(23)将燃烧区域化学当量信号与机组总化学当量信号进行除法运算，得出燃烧区域化学当量比例信号；

(24)生成参考信号，并与所述燃烧区域化学当量比例信号进行求和，得出火上风区域化学当量比例信号；

(25)分别从风箱流量传感器和一次风流量传感器读取信号并求和，得出空气总流量信号；

(26)将所述火上风区域化学当量比例信号和空气总流量信号进行乘法运算，得出火上风所需流量信号；

(27)将所述火上风所需流量信号发送至火上风风门控制器。

所述火上风控制步骤中，作为进一步改进，还包括如下步骤：

(28)分别从二次风流量传感器、再燃燃料辅助空气流量传感器和火上风流量传感器读取信号，并求和得出不含一次风的空气总流量信号；

(29)将从火上风流量传感器读取的信号与所述不含一次风的空气总流量信号进行除法运算，得出火上风流量比例信号；

所述步骤(24)具体为，生成参考信号，并与所述燃烧区域化学当量比例信号进行求和，得出火上风区域化学当量比例信号；所述火上风区域化学当量比例信号与火上风流量比例信号进行差分运算，并把差分结果与火上风区域化学当量比例信号进行求和；

所述步骤(26)具体为，将所述火上风区域化学当量比例信号和加上差分结果后的空气总流量信号进行乘法运算，得出火上风所需流量信号。

作为另一改进，还可以包括再燃燃料控制步骤，所述再燃燃料控制步骤包括如下步骤：

(31)生成预设再燃燃料比例信号；

(32)分别从再燃燃料流量传感器和每个工作中燃烧器的燃料流量传感器读取信号并求和，得出实际消耗燃料总流量信号；

(33)将从再燃燃料流量传感器读取的信号与所述实际消耗燃料总流量信号进行除法运算，得出实际再燃燃料比例信号；

(34)将所述预设再燃燃料比例信号与所述实际再燃燃料比例信号进行差分运算，并将差分结果与所述预设再燃燃料比例信号进行求和，得出补偿后再燃燃料设定比例信号；

(35)从燃料总流量传感器读取信号，并把该信号与所述补偿后再燃燃料设定比例信号进行乘法运算，得出所需再燃燃料流量信号；

(36)将所述所需再燃燃料流量信号发送至再燃燃料流量控制器。

上述二次风分配控制步骤、火上风控制步骤、再燃燃料控制步骤可以同时与所述SNCR控制步骤结合，有效减少氮氧化物的排放，也可选择其中一种或多种控制步骤与所述SNCR控制步骤结合，同样可以达到减少Nox的排放的效果，因为上述各个控制步骤都是独立可调可控的。

本发明还提出了一种相对应的燃烧系统，包括控制模块、分别安装在主燃烧区域和尾部烟气中的NO含量传感器，以及还原剂和促进剂喷射量控制器；

所述控制模块用于：从来自主燃烧区域的NO含量传感器读取信号，将该信号通过信号发生器生成还原剂和促进剂喷射量控制信号，将所述控制信号传输至还原剂和促进剂喷射量控制器；从尾部烟气中的NO含量传感器中读取信号，将该信号通过信号控制器生成尾部烟气NO含量控制信号，将该控制信号传输至所述信号发生器，得到修正后的还原剂和促进剂喷射量控制信号；将所述修正后的还原剂和促进剂喷射量控制信号传输至所述还原剂和促进剂喷射量控制器，从而调节喷射进入炉膛的还原剂和促进剂的量，使得尾部烟气中的NO含量不超过设定值。

进一步地，相对应地，所述燃烧系统还包括控制器模块、若干用于分别安装在不同燃烧器中的二次风流量传感器、若干用于分别安装在不同燃烧器管道中的燃料流量传感器以及用于调整控制二次风风门位置的二次风风门控制器；

所述控制器模块用于：从每个工作中燃烧器的二次风流量传感器读取信号并进行求和，得出二次风流量总和；从每个工作中燃烧器的燃料流量传感器读取信号并求和，得出燃料总流量；将单个给定燃料流量传感器的信号与所述燃料总流量进行除法运算，得出该单个给定对应燃烧器的燃料流量比例；将所述燃料流量比例与二次风流量总和进行乘法运算，得出单个给定对应燃烧器所需二次风流量信号；将所述所需二次风流量信号传输至单个给定对应燃烧器的二次风风门控制器。

进一步的技术方案为，还包括氧含量传感器、机组负载传感器、风箱流量传感器、一次风流量传感器以及用于调节控制火上风风门位置的火上风风门控制器；

所述控制器模块还用于：从氧含量传感器读取信号并转换为机组总化学当量信号；从机组负载传感器读取信号并转化为燃烧区域化学当量信号；将燃烧区域化学当量信号与机组总化学当量信号进行除法运算，得出燃烧区域化学当量比例信号；生成参考信号，并与所述燃烧区域化学当量比例信号进行求和，得出火上风区域化学当量比例信号；分别从风箱流量传感器和一次风流量传感器读取信号并求和，得出空气总流量信号；将所述火上风区域化学当量比例信号和空气总流量信号进行乘法运算，得出火上风所需流量信号；将所述火上风所需流量信号发送至火上风风门控制器。

再进一步的技术方案为，还包括再燃燃料辅助空气流量传感器和火上风流量传感器；

所述控制器模块还用于：分别从二次风流量传感器、再燃燃料辅助空气流量传感器和火上风流量传感器读取信号，并求和得出不含一次风的空气总流量信号；将从火上风流量传感器读取的信号与所述不含一次风的空气总流量信号进行除法运算，得出火上风流量比例信号；所述火上风区域化学当量比例信号与火上风流量比例信号进行差分运算，并把差分结果与火上风区域化学当量比例信号进行求和；将所述火上风区域化学当量比例信号和加上差分结果后的空气总流量信号进行乘法运算，得出火上风所需流量信号。

进一步的技术方案还可以为，还包括用于安装在再燃区域管道的再燃燃料流量传感器、用于安装在主管道的燃料总流量传感器以及用于调节再燃燃料流量的再燃燃料流量控制器；

所述控制器模块还用于：生成预设再燃燃料比例信号；分别从再燃燃料流量传感器和每个工作中燃烧器的燃料流量传感器读取信号并求和，得出实际消耗燃料总流量信号；将从再燃燃料流量传感器读取的信号与所述实际消耗燃料总流量信号进行除法运算，得出实际再燃燃料比例信号；将所述预设再燃燃料比例信号与所述实际再燃燃料比例信号进行差分运算，并将差分结果与所述预设再燃燃料比例信号进行求和，得出补偿后再燃燃料设定比例信号；从燃料总流量传感器读取信号，并把该信号与所述补偿后再燃燃料设定比例信号进行乘法运算，得出所需再燃燃料流量信号；将所述所需再燃燃料流量信号发送至再燃燃料流量控制器。

再燃燃料控制系统中，优选地，还包括细颗粒燃料获取机构，所述细颗粒燃料获取机构包括分离弯管、细粉分离器以及研磨器；所述分离弯管的一端为燃料流入口，另一端设有粗颗粒燃料出口和细颗粒燃料出口；所述细颗粒燃料出口与所述细粉分离器的入口连通，所述细粉分离器的出口与所述研磨器的入口连通，所述研磨器的出口与所述细粉分离器的入口连通；其中，所述燃料流入口与安装有所述燃料总流量传感器的主管道相通，所述细粉分离器的出口与安装有所述再燃燃料流量传感器的再燃区域管道相通。

发明人基于对现有技术的认识，认识到现有的问题之一为：尾部烟气中NO含量不能有效控制，且虽然减少NOx的现有技术(主要指分级燃烧技术)基于已被证明的理论知识，但是这些技术的所需要或使用的过程方法与设备通常达不到最优NOx减少。在应用再燃燃料与火上风的燃烧系统的典型配置中，氧化剂(助燃空气)先由引风机注入到一垂直集气室(风箱)中；之后通过一系列平行风道被分配到炉膛里。独立分布的风门可以调整助燃空气的流速。按照控制目的的不同，风门可以分为四种：燃料/空气风门，位于燃料喷口高度附近；辅助空气风门，位于燃料喷口之间；火上风风门，布置在燃料喷口之上；再燃燃料风门。注入炉膛的二次风(除去燃料流以外的空气流)总量是由引风机控制的。辅助空气风门则用来控制风箱与炉膛之间的压差，该压差是机组总空气流量的函数。燃料/空气风门的位置是给煤机转速的函数，而火上风风门的位置则是机组负载或者机组空气流量的函数。

现行的控制火上风与二次风的控制系统由流入炉膛的空气总量的测定方法及预设的程控火上风的方法所组成。火上风的风门开度随机组机组负载与空气流量而变化。现有的燃烧控制技术没有监测或者控制主燃烧器区域的化学当量。因此，主燃烧器区域的化学当量和机组总化学当量没有也不能被独立地调整。而再燃料区的化学当量控制则取决于主燃烧器区域的化学当量。这四种风门的相互关联性使得NOx的排放(降低)与燃烧效率之间相互矛盾，即NOX排放量的降低，CO和飞灰中碳的含量会增加，因二者变化趋势相同。

问题之二是现行的再燃燃料方法既(气体燃料和超细煤粉)昂贵又没有或不能随主燃料的变化而改变:再燃燃料一经设定(种类、流量、流速)，便再难以调节。然而，主燃料的变化与风量的变化都将使再燃燃料的量与化学当量值区偏离设定(较佳)工作值。

合理解决第一个问题，需要得到在空间与时间两方面所需要的(理想的可能的)燃烧化学当量，精确控制每个燃烧区域(即：主燃烧区、再燃燃料区、火上风区)，最好是控制每个燃烧器(的空/燃比)。火电厂通行操作是一个磨煤机通过多个供应管输煤管供煤给多个燃烧器，因而很难得到输送到一个给定燃烧器的煤的实际的精确的质量流量，也就无法得知精确的空气/燃料比。一直用来测定煤的质量流量的一个方法是测定进入单个磨煤机的供煤量，再除以连接磨煤机的输煤管的个数。或者用传感器测定流出磨煤机的煤的质量流量，用测定结果除输煤管的个数，从而得知流过每个管道的理论质量流量。但是，因为管和管间尺寸的不同，而且在某些管道内的阻碍和堆积，和其他导致流过某个管道的煤的流量不同的因素，流过每个燃烧器的煤量相同的假定是不正确的，导致对给定燃烧器大大偏离最佳空/燃比的量。

本发明通过设立尾部烟气NO含量反馈调节机制，以及一种可以精确控制每个燃烧区域(即：主燃烧区、再燃燃料区、火上风区)的方法—分立式控制系统，解决上述第一个技术问题。除NO含量控制的SNCR控制系统外，整个控制系统还包括火上风系统、二次风系统和再燃燃料燃烧系统。这四个系统相互独立，可以分别单独控制。火上风子系统用来控制输送入炉膛的火上风占所需总空气量的比例。二次风子系统用来控制二次风在不同燃烧器间的分配，即主燃烧区的化学当量比。再燃燃料子系统用来控制输入炉膛的再燃燃料占所需燃料总量的比例。分立式控制系统的优势是可以单独调节与优化每个燃烧区域，简化锅炉操作人员的操作，从而在实际中实现最优化(NO_x降低及高的燃烧效率)。

二次风子系统被用来计算维持主燃烧器区域理想化学当量比所需要的质量流速。二次风子系统的输入信号是锅炉机组总空气流量的传感器，以及单个燃烧器空气流量传感器。本发明所述二次风子系统中在不同燃烧器间的分配主要是考虑到每个燃烧器实际消耗的燃料(此处为煤粉)量来分配二次风，这是通过直接测量经过该输煤管输送到该燃烧器中的煤粉的流量得到的。现在已有可以精确测定某种物质，例如是煤粉流过管道的质量流量的传感器。例如一些传感器是用电极来测量流过输煤管的煤粉的电荷数量，还有一些是检测微波吸收，可以直接测定携带煤粉或者不携带煤粉的空气的流量。另一种类型的传感器是在进料管中设置一个交变电场，通过测定电场来测定煤粉的质量流量。已经证明，这些传感器是适用于本发明的，例如在美国专利No.6,109,097中公布的一个典型的设备。该传感器位于各个输煤管中，测定煤粉质量流量。流过各个燃烧器输煤管的煤粉的质量流量可以被测定并且汇总，则输送到炉膛中的煤粉的总质量流量就可以确定。流过一个特定的燃烧器输煤管的煤的流量与所有工作中的燃烧器的输煤管的平均流量的比值也可以确定。锅炉产生的蒸汽流量也可以确定，并可以用来决定每个燃烧器需要的总的理论燃烧空气量，包括一次风、二次风和边际风。基于流过每个燃烧器的煤粉实际流量，燃烧空气需求量就可以被修正，因此就可以更好维持燃烧空气与燃料的化学当量比，

火上风子系统根据锅炉设备运行状态、煤种，燃料燃烧状态和NOx排放设定的最佳值来运行。火上风系统将两类信号作为输入信号，其一是来自二次风与再燃燃烧子系统的信号，表示所需要的火上风质量流速；其二是来自锅炉设备的一些传感器，这些传感器主要测定风箱到炉膛压差、风箱压力、风箱温度和火上风流量。火上风子系统结合风门控制子系统对这些信号进行处理，并输出所需要的火上风风门位置，使得在此位置下，空气可以在火上风中合理分配，并且可以维持主燃烧器区域的化学当量比。

再燃燃料子系统用来控制输入炉膛的再燃燃料占所需燃料总量的比例。该子系统的输入信号是燃料总流量信号，单个燃烧器中煤粉流量信号和再燃煤粉流量信号。这些信号与锅炉设备运行状态、机组的煤种，燃料燃烧状态和NOx排放等相结合可以用来调节再燃燃料的流量与再燃燃料的风量。

同时，再燃燃料子系统的设计可以用来解决第二个问题(即：现行的再燃燃料燃烧方法的高成本与刚性运行)，而它的实现则必须结合具体装置与设备。本发明的一个优选实施方案中，燃烧系统可以包括分离装置，其被设计用来将来自制粉系统的空气/燃料流分成浓空气/燃料流和稀空气/燃料流。所述分离装置连接燃烧器，为燃烧器提供浓空气/燃料流。而所述稀空气/燃料流则包含较细的煤粉直接作为再燃燃料。我们的实验经验表明，这股稀空气/燃料流煤粉颗粒的平均直径为一次风中煤粉颗粒的平均直径的1/4到1/2，因而可以满足煤粉作为再燃燃料对颗粒大小的要求。这里，稀空气/燃料流煤粉含有的空气与煤粉的浓度之比转换成化学当量比为0.3到1.0，具体数值取决于一次风流过弯管的速度、从磨煤机出来的煤粉细度、煤粉的种类、弯管内浓稀流挡板开度以及弯管的弯曲度。其中一个最优选的方案是这股稀空气/燃料流煤粉颗粒的平均直径为一次风中煤粉颗粒的平均直径的1/4到1/3，且其煤粉含量占总煤粉量的10～20％。此方案使得经济的产生再燃燃料成为可能。

为在任何工况下都能使锅炉保持在NOx尽量小及燃烧效率尽量高的状况，再燃燃料的另一优选方案是其浓度(占总的一次风的比)与化学当量可调。这可以通过在前述细粉(浓/稀相)分离装置之外，再增加一套装置：从磨煤系统引入一股煤粉流与弯管分离器来的煤粉一起送入一粉煤尺寸分类器，经过此分类器，大的颗粒送入一小(微)型磨煤机继续粉粹，细的煤粉则送入再燃燃烧器进入炉膛。为使化学当量可调，在再燃燃料喷口引入一再燃辅助风。这样，根据前述再燃燃烧控制子系统的方法，可以方便且灵活地调节再燃流量及化学当量。

在此，术语“NO_x”是指氮的氧化物，包括NO、NO₂、NO₃、N₂O、N₂O₃、N₂O₄、N₃O₄和它们的混合物。

在此，术语“NHi”是指NH、NH₂及NH₃和它们的混合物。

在此，术语“燃料氮”是指作以分子形式在煤中存在的氮元素，该分子由碳和氮和可能的氧组成。

在此，术语“化学当量α”是指燃料(本文以煤为代表)燃烧时所用空气量与完成燃烧时所需要的理论空气量之比，α＝1表示完成燃烧时所需要的理论空气量。

本发明的燃料分级低氮燃烧控制方法及系统，能有效、及时地进行燃料流量，将空气分级、再燃烧以及浓淡燃烧能技术有机结合，维持理想化化学当量，达到燃烧的最优化，把氮排放量降至最低。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明燃料分级低氮燃烧系统的结构示意图；

图2是本发明燃料分级低氮燃烧系统的应用示意图；

图3是本发明燃料分级低氮燃烧系统的二次风分配控制子系统的原理示意图；

图4是本发明燃料分级低氮燃烧系统的火上风控制子系统的原理示意图；

图5是本发明燃料分级低氮燃烧系统的再燃燃料控制子系统的原理示意图；

图6是本发明燃料分级低氮燃烧系统的用于再燃燃烧控制子系统的浓淡分离装置原理图；

图7是本发明燃料分级低氮燃烧系统的SNCR控制系统的原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例与附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明公开一种燃料分级低氮燃烧控制方法，包括SNCR控制步骤，所述SNCR控制步骤包括如下步骤：

进一步地，还包括二次风分配控制步骤、火上风控制步骤和再燃燃料控制步骤。

所述二次风分配控制步骤包括如下步骤：

所述火上风控制步骤包括如下步骤：

(21)从氧含量传感器读取信号并转换为机组总化学当量信号；

(24)生成参考信号，并与所述燃烧区域化学当量比例信号进行求和，得出火上风区域化学当量比例信号；所述火上风区域化学当量比例信号与火上风流量比例信号进行差分运算，并把差分结果与火上风区域化学当量比例信号进行求和；

(26)将所述火上风区域化学当量比例信号和加上差分结果后的空气总流量信号进行乘法运算，得出火上风所需流量信号；

(27)将所述火上风所需流量信号发送至火上风风门控制器。

所述再燃燃料控制步骤包括如下步骤：

(31)生成预设再燃燃料比例信号；

本发明还提出了相对应的燃料分级低氮燃烧系统，下面将结合附图，对本发明提出的方法及系统作进一步详细描述。

如图1所示，本发明的燃料分级低氮燃烧系统，包括控制器模块100，所述控制器模块100包括二次风分配控制模块300、火上风控制模块200、再燃燃料控制模块400和SNCR控制模块500，需要说明的是，二次风分配控制模块300、火上风控制模块200、再燃燃料控制400和SNCR控制模块500都可以由硬件器件实现也可以由软件模块实现，例如每个模块中的各个运算逻辑可以通过实际的硬件逻辑运算器来实现，也可以是控制器模块100直接由一个控制芯片组实现，在控制芯片组内加载运行各个逻辑的程序。下文将以逻辑器件的形式进行描述。

如图2所示为本发明的燃料分级低氮燃烧控制系统应用于中间储仓式煤粉炉的例子，本实施例中所述的燃料为煤粉燃料。燃料经燃烧器和再燃装置进入炉膛内燃烧。燃料的输送方式如下：研磨好的煤粉从煤粉仓11落入混合器12中，在混合器中与经空气预热器24预热后的热风混合，随后进入到浓淡(粗细)分离器13中，在浓淡分离器内分离后，分为较浓(粗)煤粉流33和较淡(细)煤粉流34，较浓(粗)煤粉流33随后作为一次风被分为各个燃烧器喷管中(图中数字18表示一次风风门，为简洁只画出两个)，喷入炉膛22中进行燃烧，较淡(细)煤粉流34、循环烟气35、微磨之后的煤粉流36随后都经管道37的输送，进入细粉分离器14，经分离得到的稍细煤粉。辅助热风从风门19中流出；细粉分离器分离出的稍粗的煤粉流38进入研磨机16中进行研磨，研磨后的细分也经管道36进入细粉分离器，这样，细粉分离器和研磨机之间形成一个小循环，保证最终进入再燃喷口20的煤粉流39有恰当的且足够的煤粉细度。另外，细粉分离器入口也通入了循环烟气35，整个再燃过程煤粉流流动的动力由风机25驱动。

图2中煤粉炉空气的后续供应都是通过主风箱27提供的，主要有二次风17(每个燃烧器中都有，图中仅画出两个)和火上风21，此外还有再燃燃料所需的少量辅助空气19。在送风机23的作用下，冷空气经位于尾部烟道的空气预热器24加热，形成热风，热风一部分用于干燥和输送煤粉的作用，经管道31进入混合器12中，另一部分则进入风箱27中，经过风箱中的各个风门分配到炉膛里，从而为煤粉的着火、稳定燃烧和燃尽提供空气，图1中40表示风箱中的热风被分配到火上风风门。图2中15为锁气器，目的是防止煤粉流由某一压力范围进入另一压力范围时，发生空气窜流现象，从而维持粉粒顺利流通，26代表逆止阀，防止煤粉流经管道34倒流回混合器。

其中，火上风的下游会喷入一定量的还原剂和促进剂，所述促进剂用于促进还原反应的进行。图2中28表示还原剂添加装置，28’表示促进剂添加装置，29表示还原剂和促进剂研磨装置，30表示还原剂和促进剂喷口。还原剂和促进剂的喷入需要少量的稀释空气，用管道43来表示，管道41内为还原剂，管道42内为促进剂，通过管道43将还原剂和促进剂加入炉膛。

本发明还包括若干用于分别安装在不同燃烧器中的二次风流量传感器55、若干用于分别安装在不同燃烧器管道中的燃料流量传感器53以及用于调整控制二次风风门位置的二次风风门控制器308’，上述器件与二次风分配控制模块300配合；氧含量传感器59、机组负载传感器60、风箱流量传感器54、一次风流量传感器52以及用于调节控制火上风风门位置的火上风风门控制器218’，还包括再燃燃料辅助空气流量传感器56和火上风流量传感器58，以上器件与火上风控制模块200配合；用于安装在再燃区域管道的再燃燃料流量传感器57、用于安装在主管道的燃料总流量传感器51以及用于调节再燃燃料流量的再燃燃料流量控制器408’，以上器件用于与再燃燃料控制400配合。来自主燃烧区域的NO含量传感器61、尾部烟气中的NO含量传感器62以及还原剂和促进剂喷射控制器504’，以上器件与SNCR控制模块500配合。

如图3所示，控制器模块100中的二次风分配控制模块300，从每个工作中燃烧器的二次风流量传感器55读取信号76，多路信号76进入加法器305进行求和得出二次风流量总和(信号306)，即306代表所有工作中燃烧器的二次风流量的总和。从每个工作中燃烧器的燃料流量传感器53读取信号81，多路信号81进入加法器301进行求和得出燃料总流量(信号302)，信号302代表该煤粉炉工作中的燃烧器消耗的煤粉总的流量。其中一路信号81(给定的单个燃料流量传感器53)与信号302进入除法器303进行除法运算，得出该单个给定对应燃烧器的燃料流量比例(信号304)，即信号304代表单个给定燃烧器的煤粉流量占煤粉炉所有工作中的燃烧器消耗的煤粉总流量的比例。信号306和信号304进入乘法器307进行乘法运算，得出单个给定对应燃烧器所需二次风流量信号(信号308)，即信号308代表给定的单个燃烧器所需的二次风流量；将信号308发送至二次风风门控制器308’。需要注意的是，最优实施时，可以对每个燃烧器均设置一个二次风风门控制器308’，针对各个对应的燃料流量传感器53计算一个信号308，控制对应的二次风风门控制器308’。而实际实施中，若难以各个燃烧器均设二次风风门控制器308’，可以以单个进行控制，此控制策略仍比现有技术中单纯地预设平均值要有效。这样的控制保证通过给定的单个燃烧器进入炉膛的二次风是给燃烧器的燃烧所需的二次风，以便优化燃料与风量的配比，减少NO_x的排放。

如图4所示，控制器模块100中的火上风控制模块200，从氧含量传感器59读取信号71，经过信号发生器201后，得到信号202，信号202表示机组总化学当量。从机组负载传感器60读取信号72，经过信号发生器203后得到信号204，信号204表示煤粉炉燃烧区域的化学当量。信号204与信号202进入除法器207进行除法运算，得出燃烧区域化学当量比例信号(信号208)，即信号208表示煤粉炉燃烧区域的化学当量占机组总化学当量的比例。信号发生器205产生参考信号206，该参考信号206可以是根据燃料种类、管道尺寸能参考因素而定的参考值，也可以是由其他传感器反馈得出的参考值。信号208和信号206进入加法器209进行求和，得出火上风区域化学当量比例信号(信号210)。从二次风流量传感器55读取的信号76、从再燃燃料辅助空气流量传感器56读取的信号75和从火上风流量传感器58读取的信号74均进入加法器217进行求和运算，得出不含一次风的空气总流量信号(信号221)。信号74和信号221进入除法器219进行除法运算，得出火上风流量比例信号(信号220)。信号210和信号220进入差分器213进行差分运算，得出差分结果信号214，信号210与信号214在加法器211中求和，得出信号212，信号212则是补偿了风门特性中不确定因素后的所需火上风区域化学当量占机组总化学当量的比例。取消加法器217、差分器213等步骤，则取消了补偿机制，信号的精确度会有所降低，但仍比现有技术能有效降低氮排放。风箱流量传感器54的信号73、一次风流量传感器52的信号77进入加法器215得出空气总流量信号(信号216)，信号216与信号212进入乘法器217进行乘法运算得出信号218，则信号218代表所需火上风的流量，信号218被输入到火上风风门控制器218’，从而控制火上风风门的位置和到此位置需要做出的调整，保证进入炉膛的火上风流量是所需的火上风流量。

如图5所示，控制器模块100中的再燃燃料控制模块400，从再燃燃料流量传感器57读取信号91和从每个工作中燃烧器的燃料流量传感器53读取信号81，进入加法器409进行求和，得出实际消耗燃料总流量信号(信号410)，信号91和信号410进入除法器411进行除法运算，得出实际再燃燃料比例信号(信号412)。再燃燃料控制模块400内还包括信号发生器401，该信号发生器401用于生成预设再燃燃料比例信号(信号402)。将信号402与信号412进入差分器403中进行差分运算，得出差分结果信号404。信号404与信号402进入加法器405得出补偿后再燃燃料设定比例信号(信号406)。从燃料总流量传感器51读取信号92，信号92和信号406进入乘法器407进行乘法运算，得出所需再燃燃料流量信号(信号408)，信号408输入到再燃燃料流量控制器408’中，实现对煤粉流39的流量控制。

如图6所示，本实施例中的再燃燃料流量控制器408’为一挡板。经混合器12后的煤粉流32经浓淡分离器13，在离心力的作用下，被分为较浓(粗)煤粉流33和较淡(细)煤粉流34。较浓燃料流33随即作为一次风通过一次风门18进入燃烧器中，高浓度煤粉的射流可以降低气流着火温度，提高反应速度，保证了初期的快速稳定燃烧，并降低NOx的排放；较淡燃料流34是更为细的煤粉，经由细粉分离器14分离出更细的煤粉39，进入燃烧器上方的再燃装置中，通过射流进入炉膛燃烧，优选地，为获取细煤粉，可以采取一种细颗粒燃料获取机构，参见图2，所述细颗粒燃料获取机构包括分离弯管、细粉分离器14以及研磨器16；所述分离弯管的一端为入口(供燃料流32进入)，另一端设有粗颗粒燃料出口(供燃料流33流出)和细颗粒燃料出口(供燃料流34流出)；分离弯管的细颗粒燃料出口与细粉分离器14的入口连通；细粉分离器14的出口与研磨器16的入口连通(即管道38)，研磨器16的出口与细粉分离器14的入口连通(即管道36)。需要说明的是，最优的情况下，仅通过管道分离即可实现所要求的细煤粉，无需额外增加细粉分离器14和研磨器16这样的装置，降低成本；但实际中，难以一步到位实现最优，通过与细粉分离器14、研磨器16的组合，可以有效实现获取细煤粉，以满足降低氮排放的需求。本实施例中以获取细煤粉为目的，更细的煤粉颗粒也应该理解为上文所述的细颗粒；此外对于其他类型的固体燃料，也可以获取细颗粒燃料，例如煤矸石粉。

再燃燃料的补燃作用可以降低烟气中氧气的含量，从而降低NOx的排放，燃烧过程中要根据再燃燃料的具体比例来调节再燃燃料辅助空气风门的开度，以保证在此(再燃燃烧)区域再燃燃料在缺氧状态下(α〈1)燃烧。空气量及化学当量值具体的调节过程可经过再燃燃料辅助空气流量传感器56和风门开度控制器来实现。所述浓淡(粗细)分离装置在弯头处设置挡板，该挡板受挡板调节器(即再燃燃料流量控制器408’)控制，控制策略已经在图5中说明。在图6中，当挡板由图中位置顺时针转动时，较浓煤粉流开度减小，较淡煤粉流开度增大，从而调节浓淡燃料的比例；反之，当挡板由图中位置逆时针转动时，较浓煤粉流开度增大，较淡煤粉流开度减小。理论上，当煤质变差时，可以通过控制将挡板稍向上转动，从而提高通过燃烧器射流进入炉膛的煤粉浓度，有利于煤粉气流的着火燃烧。因而，浓淡分离器大大增加了燃烧器对于煤种变化的适应性。需要说明的是，通过挡板调节燃料流33和燃料流34从而控制燃料流39仅为一种既容易实施又成本低的手段之一，实际实施时，还可以通过控制风机25或者有燃料流32的管道直接引管道至燃料流37等其他技术手段实现。

如图7所示，燃料分级低氮燃烧系统的SNCR控制系统的原理示意图，其中，控制器模块100中的SNCR控制模块500，该模块实现了反馈调节。从来自主燃烧区域的NO含量传感器61读取信号93，信号93可以进入信号发生器503，该信号发生器用于生成还原剂和促进剂喷射量的控制信号(信号504)，信号504随即可输入到还原剂和促进剂喷射量控制器504’中，从而控制喷射进入炉膛的还原剂和促进剂的量。进入炉膛的还原剂和促进剂可以显著降低尾部烟气中的NO含量。从尾部烟气中NO含量传感器62中读取信号94，信号94表示尾部烟气中的NO含量。信号94经信号控制器501的作用，输出控制信号502，信号控制器501用来控制尾部烟气中NO含量不超过设定值，其输出信号502随即也被输入到信号发生器503中，从而修正控制信号504，被修正后的信号504可以调节喷射进入炉膛的还原剂和促进剂的量，使得传感器62处监测到的尾部烟气中的NO含量不超过设定值。通过上述反馈调节过程，SNCR控制模块可以实现对喷入炉膛的还原剂和促进剂的量的控制。

本实施例中仅以中间储仓式煤粉炉作为一个应用的例子来描述本发明的技术内容，实际中可以以不同类型的锅炉作为本发明的应用，此外，对于不具有多个燃烧区域(例如没有火上风区域或没有再燃燃料区域等)的锅炉，可以适当地减少本发明中提及的对应控制模块及控制步骤。另一方面，本实施例中仅以煤粉作为燃料例子，实际中可以应用于其他固体燃料(例如煤矸石、生物质燃料、垃圾等)的燃烧控制，只需选用的传感器适合即刻。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种燃料分级低氮燃烧控制方法，其特征在于：包括SNCR控制步骤，所述SNCR控制步骤包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的燃料分级低氮燃烧控制方法，其特征在于：还包括二次风分配控制步骤，所述二次风分配控制步骤包括如下步骤：

3.根据权利要求1所述的燃料分级低氮燃烧控制方法，其特征在于：还包括火上风控制步骤，所述火上风控制步骤包括如下步骤：

(21)从氧含量传感器读取信号并转换为机组总化学当量信号；

(27)将所述火上风所需流量信号发送至火上风风门控制器。

4.根据权利要求3所述的燃料分级低氮燃烧控制方法，其特征在于：所述火上风控制步骤中，还包括如下步骤：

5.根据权利要求1-4任意一项所述的燃料分级低氮燃烧控制方法，其特征在于：还包括再燃燃料控制步骤，所述再燃燃料控制步骤包括如下步骤：

(31)生成预设再燃燃料比例信号；

6.一种燃料分级低氮燃烧系统，其特征在于：包括控制模块、分别安装在主燃烧区域和尾部烟气中的NO含量传感器，以及还原剂和促进剂喷射量控制器；

7.根据权利要求6所述的燃料分级低氮燃烧系统，其特征在于：还包括控制器模块、若干用于分别安装在不同燃烧器中的二次风流量传感器、若干用于分别安装在不同燃烧器管道中的燃料流量传感器以及用于调整控制二次风风门位置的二次风风门控制器；

8.根据权利要求6所述的燃料分级低氮燃烧系统，其特征在于：还包括氧含量传感器、机组负载传感器、风箱流量传感器、一次风流量传感器以及用于调节控制火上风风门位置的火上风风门控制器；

9.根据权利要求8所述的燃料分级低氮燃烧系统，其特征在于：还包括再燃燃料辅助空气流量传感器和火上风流量传感器；

10.根据权利要求6-9任意一项所述的燃料分级低氮燃烧系统，其特征在于：还包括用于安装在再燃区域管道的再燃燃料流量传感器、用于安装在主管道的燃料总流量传感器以及用于调节再燃燃料流量的再燃燃料流量控制器；

11.根据权利要求10所述的燃料分级低氮燃烧系统，其特征在于：还包括细颗粒燃料获取机构，所述细颗粒燃料获取机构包括分离弯管、细粉分离器以及研磨器；所述分离弯管的一端为燃料流入口，另一端设有粗颗粒燃料出口和细颗粒燃料出口；所述细颗粒燃料出口与所述细粉分离器的入口连通，所述细粉分离器的出口与所述研磨器的入口连通，所述研磨器的出口与所述细粉分离器的入口连通；其中，所述燃料流入口与安装有所述燃料总流量传感器的主管道相通，所述细粉分离器的出口与安装有所述再燃燃料流量传感器的再燃区域管道相通。