CN105387453A - 一种烟气再循环和超细煤粉再燃的层燃炉及其燃烧工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种烟气再循环和超细煤粉再燃的层燃炉及其燃烧工艺，将煤粉和固硫剂充分混合通过料斗送入层燃炉内，降低SOx生成；采用引射射流技术，利用再循环烟气作为引射气流将超细煤粉直接从煤斗与大颗粒煤分离，并将超细煤粉引射入炉膛再燃区，达到还原NOx的目的；利用烟气再循环技术来热解煤产生还原气体，使主燃区呈现还原性气氛，降低NOx的产生；同时，能够实现燃料的分级燃烧，增大煤层的孔隙率，减小煤层压降，提高燃烧效率。本发明通过将超细煤粉再燃技术引入层燃炉，能够有效抑制NOx生成，并实现炉内脱硫，达到NOx脱除率为55％～60％，SOx脱除率为85％以上，并提高锅炉的效率2％～3％。

Description

一种烟气再循环和超细煤粉再燃的层燃炉及其燃烧工艺

技术领域

本发明属于洁净能源燃烧领域，具体涉及一种烟气再循环和超细煤粉再燃的层燃炉及其燃烧工艺。

背景技术

我国现有燃煤工业锅炉年用煤量约6亿吨，约占全国年用煤总量的20％。燃煤工业锅炉的平均效率只有60-65％，具有平均提高运行效率25-30个百分点的节能潜力。目前，燃煤工业锅炉每年的总能源消耗和污染排放均位居全国第二。由于我国燃料是以煤为主，因而大多数工业锅炉为燃煤锅炉，并且主要是层燃炉。由于设计及运行等方面的原因，我国工业锅炉的热效率普遍较低。层燃炉的低效、高污染已经成为亟待解决的重要节能和环境保护课题。

现阶段SCR技术是脱硝效率最高的方法，但是其投资成本和运行成本较高，不适用于工业锅炉。烟气再循环是在锅炉的空气预热器前抽取一部分低温烟气直接送入炉内，或者是与一次风或二次风混合后送入炉内，利用烟气所具有的低氧及温度较低的特点，将部分烟气再循环喷入炉膛合适的位置，降低局部温度及形成局部还原性气氛，从而抑制NOx的生成。

发明专利“一种低排放高效层燃燃烧装置及方法”(申请号：201110319044.7)申请公开一种利用烟气再循环实现高效低污染的层燃燃烧方法。该专利利用烟气再循环和喷水蒸汽相结合的技术来迅速热解煤粉产生还原气体，且通过再循环烟气用来携带还原性气体和部分小颗粒半焦进入炉内的再燃区，达到还原NOx的目的，在炉膛内实现炉内燃料分级燃烧，同时还可以提高层燃炉的燃烧效率。但是，随着环保要求的日益提高，对NOx排放将会更加严格，该专利不能满足日益严格的环保要求。

实用新型“一种烟气再循环和再燃技术协同作用的低氮燃烧系统”(201320606708.2)公开了一种针对煤粉炉的烟气再循环与再燃技术相结合的低氮燃烧系统。该实用新型利用再循环烟气将超细煤粉仓中的超细煤粉吹入炉膛，达到还原NOx的目的。但该实用新型适用于煤粉炉，且由于再循环烟气温度相对较低，用来携带超细煤粉还原NOx的效果较弱；结构复杂，改造成本较高。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种烟气再循环和超细煤粉再燃的层燃炉及其燃烧工艺。本发明将再循环烟气分为两部分，一部分作为引射气流将煤斗中的超细煤粉分离并被吸入炉膛(引射的气流周围产生负压区)利用超细煤粉的还原性能及循环烟气低氧的特点，产生一个富燃料低氧气浓度的还原性区域，达到还原NOx的目的；另一部分吹入炉排底部，热解煤产生还原气体(NHi、HCN、CHi、H2和CO等)，使主燃区呈现还原性气氛，降低NOx的生成；同时，能够实现燃料的分级燃烧，增大煤层的孔隙率，减小煤层压降，提高燃烧效率。本发明能够有效抑制NOx生成，并同时实现高效炉内脱硫，解决传统链条层燃炉和采用与其相近原理的层燃炉高NOx、高SOx的排放问题，并通过实现燃料的完全燃烧提高锅炉的效率。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种烟气再循环和超细煤粉再燃的层燃炉，包括炉排、炉膛和与炉膛相连通的若干个煤斗；

至少一个煤斗通过超细煤粉管道与炉膛相连通，超细煤粉管道内设有引射喷嘴，引射喷嘴通过引射风喷管与烟气再循环管道连接，引射喷嘴的喷口方向朝向炉膛；

所述炉排底部设有烟气再循环风箱，炉排底部通过烟气再循环风箱与再循环烟气管道相连通；

所述层燃炉产生的再循环烟气通过再循环烟气管道进入超细煤粉管道和炉排底部。

所述炉膛内的上部分设有炉膛换热面，下部分为燃烧室，燃烧室内分为主燃区、主燃区上方的再燃区和再燃区上方的燃尽区。

优选的，所述超细煤粉管道设置在炉膛外并且靠近炉膛内再燃区的位置。通过在煤斗设置引射装置将超细煤粉吸入炉膛内的再燃区，在燃烧室的主燃区上方形成富燃料区，还原主燃区燃烧生成的NOx，减少燃料氮向NOx的转化。

优选的，与超细煤粉管道相连通的煤斗装有超细煤粉和大颗粒煤的混合物，或者只装有超细煤粉。当所述煤斗内装有超细煤粉和大颗粒煤的混合物时，此时可以采用一个煤斗。当与超细煤粉管道相连通的煤斗只装有超细煤粉时，此时炉膛至少还需连接另外一个装有大颗粒煤的煤斗。

优选的，所述引射喷嘴与超细粉管道平行，喷射再循环烟气的效率提高，从而使还原NOx的效率提高。

优选的，所述炉排为链条炉排，其靠近排焦管的一侧安装闸板，用于控制煤层厚度。本发明的保护范围不仅仅限于链条炉排。

优选的，所述引射风喷管上设有拉法尔管。再循环烟气通过引射风喷管进入煤斗的过程中，拉法尔喷管的作用是增加再循环烟气流速，使得超细煤粉与大颗粒煤分离，并进入炉膛内。

优选的，所述引射风喷管为多根平行排列，相邻两根间距100-200mm。设置多根引射风喷管，有利于加强煤斗中超细煤粉的分离程度。

优选的，所述再循环烟气管道还连接水蒸气管道，适量的水蒸气能够促进煤的气化过程，使NHi、HCN、CHi、CO、H₂等还原性气体的量增加。

优选的，所述再循环烟气管道内为烟气或者空气和烟气的混合物。

优选的，所述炉排靠近进料口的部分底部设有烟气再循环风箱。当再循环烟气通入炉排靠近进料口的部分时，热解刚进入炉膛内的大颗粒煤产生还原性气体，使主燃区呈现还原性气氛，使得NOx的脱除率更高。

优选的，所述炉排底部还设有空气风箱，将空气高效率的鼓入炉膛内，使煤充分燃烧。

优选的，所述再循环烟气管道上还设有再循环风机，设置的再循环风机使得再循环烟气有一定的流动速率，便于提高脱硝脱硫效率。

一种烟气再循环和超细煤粉再燃的燃烧工艺，炉膛内煤和脱硫剂混合燃烧，一部分再循环烟气利用射流引射的方式将煤斗中的超细煤粉与大颗粒煤分离，超细煤粉与再循环烟气一起进入炉膛内的再燃区，利用超细煤粉的还原性在低氧气气氛下还原炉膛内产生的NOx，大颗粒煤随着煤斗继续下降到炉膛内进行排燃烧；另一部分再循环烟气通入炉排底部热解煤，产生还原气体，使炉膛内的主燃区呈现还原性气氛，降低NOx的生成。

由于采用本发明的燃烧工艺，所以能够实现燃料的分级燃烧，增大煤层的孔隙率，减小煤层压降，实现炉内的高效脱硫。

所述的超细煤粉粒径小于等于100μm。

所述的大颗粒煤粒径大于100μm。

优选的，引射气体流速为15m/s～30m/s，使得煤斗中超细煤粉有较高的分离效率。

优选的，所述脱硫剂的质量为煤的1.5％～2.5％，采用此比例范围的脱硫剂，炉膛内脱硫效果好。

优选的，所述再循环烟气内为烟气或空气和烟气的混合物，或者还喷入部分水蒸气，适量的水蒸气能够促进煤的气化过程，使NHi、HCN、CHi、CO、H₂等还原性气体的量增加。

所述煤粉再燃还原NO主要包括同相还原反应和异相还原反应，主要反应如下：

还原性气体还原NOx的同相化学反应途径如下：

还原气氛中NO与氨类(NHi)和氮原子(N)反应生成N2，主要反应有：

NO+NH→N₂+OH(1)

NO+NH₂→N₂+H₂O(2)

NO+N→N₂+O(3)

还原气氛中NO与烃根(CHi)结合生成氰(HCN)

NO+CH→HCN(4)

NO+CH₂→HCN+OH(5)

NO+CH₃→HCN+H₂O(6)

HCN与O、OH、H按下反应生成中间产物氰氧化物：

HCN+O→NCO+H(7)

HCN+OH→HNCO+H(8)

氰氧化物在还原性气氛中转化为氨类：

NCO+H→NH+CO(9)

HNCO+H→NH₂+CO(10)

NH+H→N+H₂(11)

NH₂+NH₂→NH₃+NH(12)

生成的NHi在还原气氛中如遇到NO则会按式(1)、(2)、(3)将NO还原为N2。

H₂与NO的反应主要通过以下反应途径进行：

H₂+O₂→H+H₂O(13)

H₂+H₂O→H+H+H₂O(14)

H+NO+M→HNO+M(15)

H₂+HNO→H₂O+NH(16)

HNO+H→NH+OH(17)

在高温条件下，CO还原NO主要通过以下反应：

CO+NO→CO₂+N(18)

超细煤粉还原NOx的异相化学反应途径如下：

NO+CO→CO₂+1/2N₂(19)

NO+-Cfas→-C(NO)(20)

2-C(NO)→2-C(O)+N₂(21)

-C(NO)→-(CN)+-C(O)(22)

2-(CN)→N₂+2-Cfas(23)

CO+-C(O)→CO₂+-Cfas(24)

-C(O)→CO+-Cfas(25)

-Cfas代表超细煤粉表面活性位置，-C(NO)、-C(O)代表超细煤粉表面化合物。

本发明的有益效果是：

根据层燃炉的燃烧特点，本发明首次将超细煤粉再燃技术与烟气再循环技术相结合应用在层燃炉上，两种技术经过合理的配合，共同降低了污染物排放浓度和提高层燃炉的燃烧效率。

本发明的层燃炉装置结构简单新颖，通过在煤斗设置引射装置以及相关结构，使层燃炉能够合理巧妙利用超细煤粉再燃技术，与烟气再循环技术配合使用，以达到提高层燃炉的燃烧效率和降低污染排放物浓度的目的。

本发明不仅有较好的NOx脱除效果，并且由于采用了两种技术使得在炉膛内实现炉内燃料分级燃烧，并且增大了煤层的孔隙率，减小了煤层阻力，所以其SOx脱除率也较高，层燃炉燃烧效率相对于现有技术中的层燃炉有了大幅度的提高。

本发明将超细煤粉再燃技术引入层燃炉，一方面通过在煤斗设置引射装置将超细煤粉吸入炉膛内的再燃区，在燃烧室的主燃区上方形成富燃料区，还原主燃区燃烧生成的NOx，减少燃料氮向NOx的转化，在炉膛内实现炉内燃料分级燃烧，并且增大了煤层的孔隙率，减小了煤层阻力，提高层燃炉的燃烧效率；另一方面利用再循环烟气引入到烟气再循环风箱迅速热解煤，产生大量的还原气体(NHi、HCN、CHi、H2和CO等)，降低NOx的生成。所述的NOx脱除率为55％～60％，SOx脱除率为85％以上，由于特殊的燃烧工艺使得层燃炉燃烧效率提高了2％～3％。

附图说明

图1是本发明实施例1装置的结构示意图。

图2是本发明实施例2装置的结构示意图。

其中1.炉膛换热面，2.炉膛，3.煤斗，4.超细煤粉管道，5.引射喷嘴，6.引射风管道，7.拉法尔管，8.再循环烟气管道I，9.燃烧室，10.炉排，11.再循环烟气风箱，12.再循环烟气管道II，13.空气风箱，14.再循环风机，15.再循环烟气出口，16.超细煤粉煤斗，17.大颗粒煤煤斗，A为主燃区，B为再燃区，C为燃尽区。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种烟气再循环和超细煤粉再燃的层燃炉，包括与煤斗3相连接的炉膛2，和炉膛2下方设有的炉排10。

炉膛2内的上部分设有炉膛换热面1，下部分为燃烧室9，燃烧室9内分为主燃区A、主燃区A上方的再燃区B和再燃区B上方的燃尽区C，所述煤斗3的侧面设有与炉膛2相连通的超细煤粉管道4，所述超细煤粉管道4设置在炉膛2外并且靠近炉膛2内再燃区B的位置，超细煤粉管道4内设置引射喷嘴5，引射喷嘴5通过引射风喷管6与烟气再循环管道I8连通，引射喷嘴5与超细煤粉管道4平行，引射喷嘴5喷口方向朝向炉膛2的再燃区B；所述引射风喷管6上设有拉法尔管7；所述炉排10靠近进料口的部分底部设烟气再循环风箱11，烟气再循环风箱11与再循环烟气管道II12相通；所述再循环烟气管道的两个分支管道包括再循环烟气管道I8和再循环烟气管道II12，再循环烟气管道通过再循环风机14与尾部烟道再循环烟气出口15连通。

炉排10为链条炉排，其靠近排焦管的一侧安装闸板，用于控制煤层厚度。引射风喷管6为多根平行排列，相邻两根间距100-200mm。再循环烟气管道I内为烟气或空气和烟气的混合物，或者还喷入部分水蒸气，此时再循环烟气管道I连接水蒸气管道，适量的水蒸气能够促进煤的气化过程，使NHi、HCN、CHi、CO、H2等还原性气体的量增加。

工作流程是：经炉膛尾部烟道引出的再循环烟气经过再循环风机14分为两路，一路进入再循环烟气风箱11，将炉排上的煤颗粒热解；另一路进入再循环烟气管道I8，通过拉法尔管7，将煤斗3中的超细煤粉引射入炉膛的再燃区B。

引射喷嘴5的作用是通过射流引射的作用将煤斗中的细煤粉与大颗粒煤粉分离，并将超细煤粉吸入炉膛2内的再燃区B。一方面利用超细煤粉的还原作用，还原主燃区A产生的NOx；另一方面能够实现燃料的分级燃烧，并且增大炉排10上方煤层的孔隙率，提高燃烧效率，同时减小炉排煤层压降，减小风机出力。

本实施例利用超细煤粉再燃技术与烟气再循环技术相结合，炉膛2内煤和脱硫剂混合燃烧，所述脱硫剂的质量为煤的2.5％。面通过在煤斗3设置引射喷嘴5，其中，引射气体流速为30m/s。利用再循环烟气作为引射气流将超细煤粉分离并被吸入炉膛内的再燃区B，在燃烧室的主燃区A上方形成富燃料区，还原主燃区A燃烧生成的NOx，减少燃料氮向NOx的转化，在炉膛内实现炉内燃料分级燃烧，并且增大了煤层的孔隙率，提高层燃炉的燃烧效率；另一方面将循环烟气引入到烟气再循环风箱11迅速热解大颗粒煤，产生还原气体，使主燃区A呈现还原性气氛，减少NOx的生成；通过向煤中添加脱硫剂的方式，进行气化固硫。所述的NOx脱除率为55％，SOx脱除率为85％以上，层燃炉燃烧效率提高2％～3％。

实施例2

如图2所示，一种烟气再循环和超细煤粉再燃的层燃炉，包括超细颗粒煤斗16、大颗粒煤煤斗17、炉膛2和炉排10。

炉膛2内的上部分设有炉膛换热面1，下部分为燃烧室9、，燃烧室9内分为主燃区A、主燃区A上方的再燃区B和再燃区B上方的燃尽区C，所述超细煤粉煤斗16和大颗粒煤煤斗17中的煤由筛煤机分离；超细煤粉煤斗16通过超细煤粉管道4与炉膛2相连通，所述超细煤粉管道4设置在炉膛2外并且靠近炉膛2内再燃区B的位置，超细煤粉管道4内设置引射喷嘴5，引射喷嘴5通过引射风喷管6与烟气再循环管道8连通，引射喷嘴5与超细煤粉管道4平行，引射喷嘴5喷口方向朝向炉膛2内的再燃区B；所述引射风喷管6通过拉法尔管7与再循环烟气管道I8连通；所述的炉排10靠近进料口的部分底部设烟气再循环风箱11，所述烟气再循环风箱11与再循环烟气管道II12相通；所述再循环烟气管道的两个分支管道是再循环烟气管道I8和再循环烟气管道II12，所述再循环烟气管道通过再循环风机14与尾部烟道再循环烟气出口15连通。

炉排10为链条炉排，其靠近排焦管的一侧安装闸板，用于控制煤层厚度。引射风喷管6为多根平行排列，相邻两根间距100～200mm。

工作流程是：经炉膛尾部烟道引出的再循环烟气经过再循环风机14分为两路，一路进入再循环烟气风箱11，将炉排10上的煤颗粒热解；另一路进入再循环烟气管道I8，通过拉法尔管7，将超细煤粉煤斗16中的超细煤粉引射入炉膛2的再燃区B。

引射喷嘴5的作用是将超细煤粉吹入炉膛2内的再燃区B。一方面利用超细煤粉的还原作用和再循环烟气低氧的特点，还原主燃区A产生的NOx；另一方面能够实现燃料的分级燃烧，并且增大炉排10上方煤层的孔隙率，提高燃烧效率，同时减小炉排煤层压降，减小风机出力。

本实施例利用烟气再循环技术与超细煤粉再燃技术相结合的手段，利用筛煤机将煤进行粗细分离，分别通入超细煤粉煤斗16和大颗粒煤煤斗17，炉膛2内煤和脱硫剂混合燃烧，述脱硫剂的质量为煤的2％。一方面入通过利用再循环烟气作为引射气流将超细煤粉煤斗16中的超细煤粉吹入炉内的再燃区B，其中，引射气体流速为25m/s，燃烧室的主燃区A上方形成富燃料区，还原主燃区A燃烧生成的NOx，减少燃料氮向NOx的转化，在炉膛内实现炉内燃料分级燃烧，并且增大了煤层的孔隙率，提高层燃炉的燃烧效率；另一方面将循环烟气引入到烟气再循环风箱11迅速热解大颗粒煤，产生还原气体，使主燃区A呈现还原性气氛，减少NOx的生成；通过向煤中添加脱硫剂的方式，进行气化固硫。所述的NOx脱除率为60％，SOx脱除率为85％以上，层燃炉燃烧效率提高2％～3％。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种烟气再循环和超细煤粉再燃的层燃炉，包括炉排和炉膛，其特征是：还包括与炉膛相连通的若干个煤斗，其中至少一个煤斗通过超细煤粉管道与炉膛相连通，超细煤粉管道内设有引射喷嘴，引射喷嘴通过引射风喷管与烟气再循环管道连接，引射喷嘴的喷口方向朝向炉膛；

所述炉排底部设有烟气再循环风箱，炉排底部通过烟气再循环风箱与再循环烟气管道相连通；

所述层燃炉产生的再循环烟气通过再循环烟气管道进入超细煤粉管道和炉排底部。

2.如权利要求1所述的层燃炉，其特征是：所述引射喷嘴与超细粉管道平行。

3.如权利要求1所述的层燃炉，其特征是：所述超细煤粉管道设置在炉膛外并且靠近炉膛内再燃区的位置。

4.如权利要求1所述的层燃炉，其特征是：所述引射风喷管上设有拉法尔管。

5.如权利要求1所述的层燃炉，其特征是：所述的引射风喷管为多根平行排列，相邻两根间距100-200mm。

6.一种烟气再循环和超细煤粉再燃的燃烧工艺，其特征是：炉膛内煤和脱硫剂混合燃烧，一部分再循环烟气利用射流引射的方式将煤斗中的超细煤粉与大颗粒煤分离，超细煤粉与再循环烟气一起进入炉膛内的再燃区，利用超细煤粉的还原性在低氧气气氛下还原炉膛内产生的NOx，大颗粒煤随着煤斗继续下降到炉膛内进行排燃烧；另一部分再循环烟气通入炉排底部热解煤，产生还原气体，使炉膛内的主燃区呈现还原性气氛，降低NOx的生成。

7.如权利要求1所述的燃烧工艺，其特征是：所述的超细煤粉粒径小于等于100μm。

8.如权利要求1所述的燃烧工艺，其特征是：所述的大颗粒煤粒径大于100μm。

9.如权利要求1所述的燃烧工艺，其特征是：引射气体流速为15m/s～30m/s。

10.如权利要求1所述的燃烧工艺，其特征是：所述脱硫剂的质量为煤的1.5％～2.5％。