CN105387458B - 一种降低燃烧设备氮氧化物排放的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种降低燃烧设备氮氧化物排放的系统，其包括带燃烧器和烟道的燃烧设备，燃烧器与燃气源连接的管路上安装有燃气流量调节阀，烟道内设置有检测烟气成份浓度的传感器。所述燃烧器的进风口与一混风器的出风口串接，混风器有两个入风口，其中一个入风口连接有助燃风管道，助燃风管道上安装有风量调节阀；另一个入风口连接有烟气回流管道，烟气回流管道上安装有烟气回流量调节阀，烟气回流管道的另一端与位于燃烧设备与传感器之间的烟道连接，所述鼓风机、风量调节阀、烟气回流量调节阀和燃气流量调节阀均受控于一低氮控制器。本发明还涉及一种降低燃烧设备氮氧化物排放的方法。本发明解决了现有烟气外循环系统运行过程中燃烧不稳定的问题。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧系统节能减排技术，具体是一种利用烟气外循环技术降低燃油燃气燃烧设备氮氧化物排放的系统及方法。
背景技术
随着我国北京地区对氮氧化物排放新标准的发布，燃烧设备的低氮燃烧技术以及控制氮氧化物技术迅速发展，目前主要采用的技术分为四大类：分级燃烧、烟气内循环、预混式燃烧、烟气外循环。其中，分级燃烧、烟气内循环、预混式燃烧都需要更换燃烧器，对于新上燃烧设备可以采用此类方法。但是对于目前数量庞大的在用燃烧设备来说，燃烧设备本体结构的限制导致控制氮氧化物的效果不尽人意，但更换燃烧器的成本高昂。因此，对于在用燃烧设备，降低氮氧化物一般采用烟气外循环方案，即将部分烟气从排烟道引回燃烧室，以降低燃烧室温度，从而减少排烟中热力型的氮氧化合物含量。如CN 104949113A公开的一种燃气锅炉降氮装置，用于对锅炉废气进行处理，其包括锅炉，锅炉包括燃气燃烧器和排烟管，锅炉外部安装有用于烟气循环的外部循环装置，外部循环装置由管道连接排烟管、燃气燃烧器进风阀后。该专利文献使从锅炉内部排出的烟气实现循环，能显著减少氮氧化物的生成量。
但目前的烟气外循环系统一般都缺乏对助燃风量和回流烟气量的自动调节，多采取将燃烧负荷与烟气回流量固定的方法。而燃烧过程是一个非常复杂的过程，燃料量会因为压力的变化发生变化、空气量也会因为环境因素的变化发生变化、燃烧器的风门挡板会发生位移造成助燃风量发生变化等等，这些变化都会造成运行过程中氮氧化物排放值波动以及燃烧过程中空气和燃气的比例波动，甚至会造成燃烧不稳定的状况发生。基于以上原因，现在的低氮控制技术亟待改进，以适应国家日趋严格的低氮排放标准，并确保燃烧设备安全节能运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低燃烧设备氮氧化物排放的系统，其能够实现烟气外循环系统的闭环控制；本发明还提供了一种降低燃烧设备氮氧化物排放的方法，其能够解决现有烟气外循环系统运行过程中氮氧化物排放值波动以及燃烧过程中空气和燃气的比例波动造成的燃烧不稳定的问题。
本发明的技术方案如下：
一种降低燃烧设备氮氧化物排放的系统，包括带燃烧器和烟道的燃烧设备，所述燃烧器连接有鼓风机，燃烧器与燃气源连接的管路上安装有燃气流量调节阀，所述烟道内设置有检测烟气O2、CO、NOx成份浓度的传感器。所述燃烧器的进风口与一混风器的出风口串接，混风器具有两个入风口，其中一个入风口连接有助燃风管道，助燃风管道上安装有风量调节阀；另一个入风口连接有烟气回流管道，烟气回流管道上安装有烟气回流量调节阀，烟气回流管道的另一端与位于燃烧设备与传感器之间的一段烟道连接；经助燃风管道进入混风器的空气以及经烟气回流管道进入混风器的烟气经混风器调节后进入燃烧器的鼓风机入口。
所述鼓风机、风量调节阀、烟气回流量调节阀和燃气流量调节阀均受控于一低氮控制器，传感器实时将监测的烟气成份浓度传输至低氮控制器，由此形成闭环控制。
进一步的，所述低氮控制器包括数据处理单元、控制单元、显示记录单元和通讯单元，所述数据处理单元采集和处理所述传感器输出的信号；所述控制单元控制燃气流量调节阀、风量调节阀和烟气回流量调节阀的开度以及鼓风机频率；所述显示记录单元实时显示包括烟气O2、CO、NOx成份浓度、风量调节阀的开度、烟气回流量调节阀的开度以及燃烧状况分析报告并储存；所述通讯单元通过有线或无线传输方式将实时数据及运行状况上传至数据中心。
进一步的，所述低氮控制器通过调节风量调节阀、烟气回流量调节阀、鼓风机频率、燃气流量调节阀中的一个或多个，在保持稳定燃烧和合理空燃比的基础上控制排出烟气的NOx含量，形成对燃烧的空燃比及NOx的闭环控制。
进一步的，所述低氮控制器根据传感器反馈的O2、CO、NOx的成份浓度，自动控制风量调节阀的开度、烟气回流量调节阀的开度、燃气流量调节阀的开度和鼓风机的频率中的一个或多个，以使排烟烟气成份及燃烧工况达到预期值。
进一步的，所述混风器底部设有冷凝水排水口，及时排出烟风混合器中的冷凝水。
进一步的，在混风器内还可设置有截留冷凝水的孔板。
一种降低燃烧设备氮氧化物排放的方法，首先，调整燃烧器的进风门、燃气流量调节阀的开度、烟气回流量调节阀以及风量调节阀的开度，使烟气回流量调节阀全关和风量调节阀的开度为70％，以及使排烟氧含量为5％。
然后，通过手动调整各阀门的开度，确定燃烧设备排出的NOx含量能达到的最小值，并在低氮控制器上完成该NOx含量的目标值设置。
其次，通过手动调整燃烧器，确定风量调节阀的初始开度；通过手动调整各阀门的开度，确定烟气回流量调节阀的最大开度，并完成设置；通过手动调整各阀门的开度，确定风量调节阀的最小开度，并完成设置；手动对燃烧设备进行大、小火切换，确定烟气回流量调节阀和风量调节阀在转火时的开度，并完成设置；手动调节燃烧器，确定燃烧设备在大、小火状态下O2含量的目标值，并完成设置。
最后，完成以上设置后，切换系统至自动运行状态，低氮控制器根据控制逻辑完成对NOx的控制，其中控制逻辑如下：
第一步，判断烟气中NOx含量，当烟气中NOx含量小于目标值时则进入第二步，当烟气中NOx含量大于目标值时则进入第三步。
第二步，若此时CO含量小于50ppm且O2含量小于目标值，则低氮控制器对各阀门无动作指令。
若此时CO含量小于50ppm而O2含量大于目标值，则首先减小鼓风机的频率；若鼓风机的频率减小至最低时O2含量仍大于目标值，再减小风量调节阀的开度；若风量调节阀的开度减小至最低时O2含量仍大于目标值，则增大烟气回流量调节阀的开度，直至O2含量小于目标值。
若此时CO含量大于50ppm，则首先增大鼓风机的频率；若鼓风机的频率增大至最大时CO含量仍大于50ppm，再增大风量调节阀的开度；若风量调节阀的开度增大至最大时CO含量仍大于50ppm，则减小烟气回流量调节阀的开度，直至CO含量小于50ppm。
第三步，若此时CO含量小于50ppm且O2含量小于目标值，则增大烟气回流量调节阀的开度；若烟气回流量调节阀的开度增大至最大时NOx含量仍大于目标值，则减小风量调节阀的开度；若风量调节阀的开度减小至最低时NOx含量仍大于目标值，则减小鼓风机的频率，直至NOx含量仍小于目标值。
若此时CO含量小于50ppm而O2含量大于目标值，则增大烟气回流量调节阀的开度；若烟气回流量调节阀的开度增大至最大时NOx含量仍大于目标值，则减小风量调节阀的开度；若风量调节阀的开度减小至最小时NOx含量仍大于目标值，则减小鼓风机的频率直至NOx含量仍小于目标值。
若此时CO含量大于50ppm，则首先增大鼓风机的频率；若鼓风机的频率增大至最大时CO含量仍大于50ppm，再增大风量调节阀的开度；若风量调节阀的开度增大至最大时CO含量仍大于50ppm，则减小烟气回流量调节阀的开度，直至CO含量小于50ppm。
进一步的，所述O2含量的目标值为3％。
本发明利用烟气外循环技术降低燃油燃气燃烧设备氮氧化物的排放，对排烟中氮氧化物含量的持续监测，并根据反馈信号形成闭环控制。在有效控制氮氧化物排放的同时，确保燃烧的稳定，以及处于最优空燃比状态，解决目前利用烟气外循环技术控制氮氧化物的系统普遍存在燃烧稳定性差、在燃烧负荷持续变动的情况下NOx得不到有效控制、以及燃烧空燃比失调等状况。其能够解决现有的烟气外循环低氮控制技术无法严格控制氮氧化物排放达标，以及因烟气回流过程控制的问题，导致燃烧不稳定和燃烧空燃比失调的问题，保证了燃烧设备燃烧稳定及空燃比受控，在有效控制NOx排放的同时，使燃烧系统安全节能稳定运行。
本发明降低氮氧化物排放的方法，是根据检测的烟气中O2、CO、NOx成份浓度，综合调节风量调节阀、烟气回流量调节阀、风机频率以及燃气流量调节阀，形成闭环控制，实现对NOx的精确控制。并且，通过控制逻辑，能够确保在燃烧稳定和燃烧负荷持续变动的前提下，NOx得到有效控制。并且，低氮控制器通过有线或无线通讯方式连接至数据中心，实现在线实时监控，通过数据中心的分析软件，可以及时预判和发现燃烧设备异常，确保系统运行的安全稳定。
附图说明
图1是本发明一种降低燃烧设备氮氧化物排放的系统的结构图；
图2是本发明一种降低燃烧设备氮氧化物排放的方法的控制流程表。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
一种降低燃烧设备氮氧化物排放的系统，如图1所示，包括现有的带燃烧器2和烟道9的燃烧设备，所述燃烧器2内含烧嘴且连接鼓风机，鼓风机自带风门调节挡板，燃烧器2与燃气源连接的管路上安装有燃气流量调节阀8，燃气流量调节阀8控制流入燃烧器2的燃料流量，烟道9内设置有检测烟气O2、CO、NOx成份浓度的传感器6。在此基础上，本发明增设了混风器3和作为就地控制端的低氮控制器1，燃烧器2的进风口与混风器3的出风口串接。混风器3具有两个入风口，其中一个入风口连接助燃风管道引入助燃空气，助燃风管道上安装有风量调节阀4控制助燃空气的流量；另一个入风口连接烟气回流管道7，烟气回流管道7的另一端与位于燃烧设备与传感器6之间的一段烟道9连接，将排出的烟气引回燃烧器2再次参与燃烧，烟气回流进燃烧室后会降低燃烧室的温度而达到降低热力型氮氧化物的效果，烟气回流管道7上安装烟气回流量调节阀5以调节回流回燃烧器2的烟气流量。助燃空气和回流烟气在混风器3中混合调节后才进入燃烧器2的鼓风机，有助于提高燃烧稳定性。鼓风机、风量调节阀4、烟气回流量调节阀5和燃气流量调节阀8均由低氮控制器1控制，传感器6实时将监测的烟气成份浓度传输至低氮控制器1，低氮控制器1可根据排烟成份自动寻优计算，控制风量调节阀4、烟气回流量调节阀5以及燃烧器2的鼓风机中的一个或多个，在保持稳定燃烧和合理空燃比的基础上，以达到控制NOx达标排放的同时，由此形成闭环控制系统，实现空燃比的精确调控。
在控制过程中，低氮控制器1根据传感器6反馈的O2、CO、NOx的成份浓度，自动控制风量调节阀4的开度、烟气回流量调节阀5的开度、燃气流量调节阀8的开度和鼓风机的频率中的一个或多个，以使排烟烟气成份及燃烧工况达到预期值。
低氮控制器1包括数据处理单元、控制单元、显示记录单元和通讯单元，主控单元负责对风机、风量调节阀4和烟气回流量调节阀5发送执行指令。数据处理单元计算当前的化学不完全燃烧热损失、排烟热损失、燃烧效率和累计节能效益，自动生成燃烧状况分析报告。显示记录单元实时显示包括烟气O2、CO、NOx成份浓度、温度、燃气压力以及燃烧状况分析报告并储存。通讯单元通过有线或无线传输方式将显示记录单元的实时数据和燃烧状况分析报告上传至数据中心。数据中心根据低氮控制器1上传的实时数据和燃烧状况分析报告，实现现场燃烧数据监测和分析，生成燃烧设备运行及维护指导报告，形成操作指令、报警提示和故障预警，发送至设备维护人员的电脑终端或移动终端上，实时提醒设备维护人员进行相关操作。
本系统的低氮控制器1可以采用单片机微处理器、PLC、PC机等实现控制功能，其在控制燃烧状况的同时，还可以在实现在任意一周期内计算并记录设备效率等更多能反映燃烧工况的功能。本系统针对不同的燃烧设备，如锅炉、导热油炉、热风炉、工业窑炉、透平机、压缩机等，根据其配置的燃烧器2的类型的不同，需在低氮控制器1上进行匹配设置，低氮控制器1选择不同的控制逻辑匹配对应的燃烧器2，以达到有效控制氮氧化物含量和优化燃烧空燃比的功能。总之，根据燃烧器2类型的不同，可以通过在低氮控制器1的硬件上进行设置来选择对应的调控方式，也可在低氮控制器1的软件层面做对应的设置来实现选择。
在对燃烧的调控过程中，必须综合调整风量调节阀4、烟气回流量调节阀5、鼓风机变频以及燃气流量调节阀8中的一个或多个，将上述参数都控制在设定的目标值。这样，通过协调风量调节阀4、烟气回流量调节阀5、鼓风机变频器、燃气流量调节阀8达到降低NOx排放量的同时保证燃烧空燃比的合理。
传感器6可以安装在烟道9上，也可以安装在炉膛或烟箱等位置。此外，混风器3底部设有冷凝水排水口和截留冷凝水的孔板，及时排出烟风混合器中的冷凝水。
上述系统，其低氮控制器1设置触摸屏界面，界面上对NOx含量、烟气回流量调节阀5以及风量调节阀4的开度均有显示。该界面为人机交互触摸屏，可以设置各参数，这些参数有：1、烟气回流量调节阀5状态切换开度(大小火切换时阀门开度)；2、风量调节阀4的初始开度；3、风量调节阀4的状态切换开度(大小火切换时阀门开度)；4、NOx目标量(控制NOx的目标值，根据锅炉不同该值有区别，在调试阶段确定)；5、烟气回流量调节阀5最大开度；6、风量调节阀4的最小开度；7、O2目标值；8、大火最小频率；9、小火最小频率。
对应上述系统，本发明提供一种有效降低氮氧化物排放的方法：
首先，在上述系统安装调试时，调整燃烧器2的进风门、燃气流量调节阀8的开度、烟气回流量调节阀5以及风量调节阀4的开度，使烟气回流量调节阀5全关和风量调节阀4的开度为70％，以及使排烟氧含量为5％。
然后，通过手动调整各阀门的开度，确定燃烧设备排出的NOx含量能达到的最小值，并在低氮控制器1上完成该NOx含量的目标值设置。
其次，通过手动调整燃烧器2，确定风量调节阀4的初始开度；通过手动调整各阀门的开度，
确定烟气回流量调节阀5的最大开度，并完成设置；通过手动调整各阀门的开度，确定风量调节阀4的最小开度，并完成设置；手动对燃烧设备进行大、小火切换，确定烟气回流量调节阀5和风量调节阀4在转火时的开度，并完成设置；手动调节燃烧器2，确定燃烧设备在大、小火状态下O2含量的目标值3％，并完成设置。
最后，完成以上设置后，切换系统至自动运行状态，低氮控制器1根据控制逻辑完成对NOx的控制，其中控制逻辑如图2所示表格，表格中①、②、③代表调节的先后顺序，“↑”代表增大调节，“↓”代表减小调节，如If(V2→min)这类，代表一定条件下才启动调节，If(V2→min)代表当V2调至最小值时，才进行此调整。烟气回流量调节阀5代号为V1，风量调节阀4代号为V2，f指鼓风机的电机频率。
控制逻辑为：
第一步，判断烟气中NOx含量，当烟气中NOx含量小于目标值时则进入第二步，当烟气中NOx含量大于目标值时则进入第三步。
第二步，若此时CO含量小于50ppm且O2含量小于目标值，则低氮控制器1对各阀门无动作指令。
若此时CO含量小于50ppm而O2含量大于目标值，则首先减小鼓风机的频率；若鼓风机的频率减小至最低时O2含量仍大于目标值，再减小风量调节阀4的开度；若风量调节阀4的开度减小至最低时O2含量仍大于目标值，则增大烟气回流量调节阀5的开度，直至O2含量小于目标值；
若此时CO含量大于50ppm，则首先增大鼓风机的频率；若鼓风机的频率增大至最大时CO含量仍大于50ppm，再增大风量调节阀4的开度；若风量调节阀4的开度增大至最大时CO含量仍大于50ppm，则减小烟气回流量调节阀5的开度，直至CO含量小于50ppm。
第三步，若此时CO含量小于50ppm且O2含量小于目标值，则增大烟气回流量调节阀5的开度；若烟气回流量调节阀5的开度增大至最大时NOx含量仍大于目标值，则减小风量调节阀4的开度；若风量调节阀4的开度减小至最低时NOx含量仍大于目标值，则减小鼓风机的频率，直至NOx含量仍小于目标值。
若此时CO含量小于50ppm而O2含量大于目标值，则增大烟气回流量调节阀5的开度；若烟气回流量调节阀5的开度增大至最大时NOx含量仍大于目标值，则减小风量调节阀4的开度；若风量调节阀4的开度减小至最小时NOx含量仍大于目标值，则减小鼓风机的频率直至NOx含量仍小于目标值。
若此时CO含量大于50ppm，则首先增大鼓风机的频率；若鼓风机的频率增大至最大时CO含量仍大于50ppm，再增大风量调节阀4的开度；若风量调节阀4的开度增大至最大时CO含量仍大于50ppm，则减小烟气回流量调节阀5的开度，直至CO含量小于50ppm。
上述氮氧化物含量的调节，同时调控了燃烧空燃比，以避免发生燃烧不稳定、熄火、空燃比失调等一系列问题，这也是本发明的价值所在。
Claims (2)
1.一种采用降低燃烧设备氮氧化物排放的系统进行降低燃烧设备氮氧化物排放的方法，其特征在于：
首先，调整燃烧器的进风门、燃气流量调节阀的开度、烟气回流量调节阀以及风量调节阀的开度，使烟气回流量调节阀全关和风量调节阀的开度为70％，以及使排烟氧含量为5％；
然后，通过手动调整各阀门的开度，确定燃烧设备排出的NOx含量能达到的最小值，并在低氮控制器上完成该NOx含量的目标值设置；
其次，通过手动调整燃烧器，确定风量调节阀的初始开度；通过手动调整各阀门的开度，确定烟气回流量调节阀的最大开度，并完成设置；通过手动调整各阀门的开度，确定风量调节阀的最小开度，并完成设置；手动对燃烧设备进行大、小火切换，确定烟气回流量调节阀和风量调节阀在转火时的开度，并完成设置；手动调节燃烧器，确定燃烧设备在大、小火状态下O2含量的目标值，并完成设置；
最后，完成以上设置后，切换系统至自动运行状态，低氮控制器根据控制逻辑完成对NOx的控制，其中控制逻辑如下：
第一步，判断烟气中NOx含量，当烟气中NOx含量小于目标值时则进入第二步，当烟气中NOx含量大于目标值时则进入第三步；
第二步，若此时CO含量小于50ppm且O2含量小于目标值，则低氮控制器对各阀门无动作指令；
若此时CO含量小于50ppm而O2含量大于目标值，则首先减小鼓风机的频率；若鼓风机的频率减小至最低时O2含量仍大于目标值，再减小风量调节阀的开度；若风量调节阀的开度减小至最低时O2含量仍大于目标值，则增大烟气回流量调节阀的开度，直至O2含量小于目标值；
若此时CO含量大于50ppm，则首先增大鼓风机的频率；若鼓风机的频率增大至最大时CO含量仍大于50ppm，再增大风量调节阀的开度；若风量调节阀的开度增大至最大时CO含量仍大于50ppm，则减小烟气回流量调节阀的开度，直至CO含量小于50ppm；
第三步，若此时CO含量小于50ppm且O2含量小于目标值，则增大烟气回流量调节阀的开度；若烟气回流量调节阀的开度增大至最大时NOx含量仍大于目标值，则减小风量调节阀的开度；若风量调节阀的开度减小至最低时NOx含量仍大于目标值，则减小鼓风机的频率，直至NOx含量仍小于目标值；
若此时CO含量小于50ppm而O2含量大于目标值，则增大烟气回流量调节阀的开度；若烟气回流量调节阀的开度增大至最大时NOx含量仍大于目标值，则减小风量调节阀的开度；若风量调节阀的开度减小至最小时NOx含量仍大于目标值，则减小鼓风机的频率直至NOx含量仍小于目标值；
若此时CO含量大于50ppm，则首先增大鼓风机的频率；若鼓风机的频率增大至最大时CO含量仍大于50ppm，再增大风量调节阀的开度；若风量调节阀的开度增大至最大时CO含量仍大于50ppm，则减小烟气回流量调节阀的开度，直至CO含量小于50ppm；
所述降低燃烧设备氮氧化物排放的系统，包括带燃烧器和烟道的燃烧设备，所述燃烧器连接有鼓风机，燃烧器与燃气源连接的管路上安装有燃气流量调节阀，所述烟道内设置有检测烟气O2、CO、NOx成份浓度的传感器，所述燃烧器的进风口与一混风器的出风口串接，混风器具有两个入风口，其中一个入风口连接有助燃风管道，助燃风管道上安装有风量调节阀；另一个入风口连接有烟气回流管道，烟气回流管道上安装有烟气回流量调节阀，烟气回流管道的另一端与位于燃烧设备与传感器之间的一段烟道连接；经助燃风管道进入混风器的空气以及经烟气回流管道进入混风器的烟气经混风器调节后进入燃烧器的鼓风机入口；
所述鼓风机、风量调节阀、烟气回流量调节阀和燃气流量调节阀均受控于一低氮控制器，传感器实时将监测的烟气成份浓度传输至低氮控制器，由此形成闭环控制；
所述低氮控制器包括数据处理单元、控制单元、显示记录单元和通讯单元，所述数据处理单元采集和处理所述传感器输出的信号；所述控制单元控制燃气流量调节阀、风量调节阀和烟气回流量调节阀的开度以及鼓风机频率；所述显示记录单元实时显示包括烟气O2、CO、NOx成份浓度、风量调节阀的开度、烟气回流量调节阀的开度以及燃烧状况分析报告并储存；所述通讯单元通过有线或无线传输方式将实时数据及运行状况上传至数据中心；
所述低氮控制器通过调节风量调节阀、烟气回流量调节阀、鼓风机频率、燃气流量调节阀中的一个或多个，在保持稳定燃烧和合理空燃比的基础上控制排出烟气的NOx含量，形成对燃烧的空燃比及NOx的闭环控制；
所述低氮控制器根据传感器反馈的O2、CO、NOx的成份浓度，自动控制风量调节阀的开度、烟气回流量调节阀的开度、燃气流量调节阀的开度和鼓风机的频率中的一个或多个，以使排烟烟气成份及燃烧工况达到预期值。
2.根据权利要求1所述的一种降低燃烧设备氮氧化物排放的方法，其特征在于：所述O2含量的目标值为3％。
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