CN106352325B - 一种层燃炉氮氧化物排放量的复合控制系统 - Google Patents

一种层燃炉氮氧化物排放量的复合控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于锅炉节能与环保的技术领域，并公开了一种层燃炉氮氧化物排放量的复合控制系统，该系统包括层燃炉本体，自带烟气循环的分级燃烧装置、SNCR脱硝装置、多功能烟气在线监测仪和PLC控制系统；分级燃烧装置均匀分布在炉膛两侧的墙上，其进气端的中心设置有进风管，进风管的另一端设置有绝热稳焰钝体，进气端器壁还设置有二次风旋流器，远离进气端的一端还设置有稳燃腔，将适量煤粉或燃气、新鲜空气及循环烟气的混合物通过该分级燃烧装置喷入层燃炉内。该发明的复合控制系统可显著提高燃料氧化反应速度和炉膛温度均匀性，能够实现燃料充分燃烧和低氮燃烧，减少空气过剩系数，实现脱硝效率和热效率的双重提升，达到节能减排的目的。

Description

一种层燃炉氮氧化物排放量的复合控制系统
技术领域
本发明涉及锅炉节能与环保的技术领域，更具体地，涉及一种层燃炉氮氧化物排放量的复合控制系统，其能够实现燃料充分燃烧和低氮燃烧，实现脱硝效率和热效率的双重提升。
背景技术
燃煤锅炉分为层燃炉和室燃炉两类，其中层燃炉容量相对较小，但因结构简单、操作方便和对司炉人员素质要求不高而被广泛使用，据统计其占比高达60～70％，其应用遍及建材、化工、印染、热处理、制药等诸多行业领域。层燃炉在出厂设计时多注重燃烧效率，以节能为主，对NOx(氮氧化物)和SO2排放关注较少。近年来，随着锅炉脱硫脱硝改造逐渐深入，数量众多的层燃炉污染物排放日趋受到关注。按现行标准，重点地区的NOx排放限值为200mg/Nm3，现有层燃炉排放均未达标，亟待开展NOx排放控制改造。
目前，层燃炉NOx排放控制技术主要以烟气再循环和选择性非催化还原(SNCR)为主或其联合技术。
烟气再循环原理是将20～30％的烟气循环加入至助燃空气中，通过降低燃烧空气含氧量的方法降低燃烧区温度，从而抑制NOx的生成，该技术原理简单，投资不大，脱硝效率约10～30％，但限于层燃炉燃烧方式，其燃烧强度低，燃烧速度也不高，烟气再循环技术在应用过程中存在一定得局限性，具体表现如下：①选用烟气再循环技术时，存在灰渣含碳量升高和进一步降低炉膛温度等问题，导致层燃炉热效率下降。②若选用烟气再循环与SNCR联合技术，也会因炉膛温度偏低和反应温度窗口变窄而降低SNCR的脱硝效率。
SNCR技术即选择性非催化还原技术(selective non-catalytic reduction)，使用的还原剂为尿素或氨水，将其喷入炉内，在800～1000℃的温度区间内可与NO和NO2产生还原反应，生成氮气和水。因层燃炉炉膛空间有限和炉温偏低，多选用反应温度较低的氨水为还原剂。但在层燃炉应用SNCR技术时，经常遇到因炉膛温度分布不均匀、空间有限及温度偏低等问题而导致有效喷氨点寻找困难、还原反应时间不足、氨逃逸率上升，进而影响脱硝效率，氨水消耗增加，而且氨逃逸也会产生严重的大气污染问题。
基于以上技术缺陷，本领域亟需对现有的层燃炉结构作出进一步的改进和设计，使其实现燃料充分燃烧和低氮燃烧，显著提高燃料氧化反应速度和炉膛温度均匀性，实现脱硝效率和热效率的双重提升。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种层燃炉氮氧化物排放量的复合控制系统，通过对层燃炉的结构进行改进和设计，采用层燃+多点悬浮分级燃烧+SNCR组合技术，采用分级燃烧装置，将适量煤粉或燃气、新鲜空气及循环烟气的混合物以多点分级燃烧方式喷入层燃炉内，在层燃区上方形成水平和垂直复合燃料空气分级，并在燃烬区布置SNCR氨水喷枪进行还原反应。该发明可单独使用分级燃烧技术或与SNCR脱硝技术联用，均可显著提高燃料氧化反应速度和炉膛温度均匀性，实现燃料充分燃烧和低氮燃烧，减少空气过剩系数，实现脱硝效率和热效率的双重提升。
为了实现上述目的，按照本发明提供了一种层燃炉氮氧化物排放量的复合控制系统，其特征在于，它包括层燃炉本体、自带烟气循环的分级燃烧装置和/或SNCR脱硝装置、多功能烟气在线监测仪和PLC控制系统；
所述分级燃烧装置设置在层燃炉本体炉排的上部，所述SNCR脱硝装置设置在所述分级燃烧装置的上部，所述多功能烟气在线监测仪安装于层燃炉尾部的烟道出口处，所述PLC控制系统与多功能烟气在线监测仪相连；
其中，多个所述分级燃烧装置均匀分布在炉膛两侧的墙上，所述分级燃烧装置进气端的中心设置有进风管，用于引入中心一次风，进风管的另一端设置有绝热稳焰钝体，该绝热稳焰钝体位于所述分级燃烧装置的中心位置，在该分级燃烧装置的进气端紧贴器壁还设置有二次风旋流器，用于引入二次风，在进风管和二次风旋流器之间可引入外一次风，所述分级燃烧装置远离进气端的一端超出绝热稳焰钝体的一截为稳燃腔。
进一步优选地，所述一次风携带燃料，由风扇磨输送；所述二次风为助燃空气，由二次风风机输送，上述一次风与二次风均为新鲜空气、循环烟气与燃料的混合物。
优选地，所述燃料为煤粉、焦炉煤气或瓦斯，在所述一次风和二次风中燃料的含量为5～20％。燃料的粉末状或气态状的形态能够极大地提高燃烧效率，减少浪费和降低污染，还能降低层燃炉的燃料消耗成本。
优选地，SNCR脱硝装置包括还原剂溶液储罐、浓度计、混合器(3-3)、溶液泵、计量分配模块、压缩空气储罐、溶液喷枪和SNCR系统控制模块，所述溶液喷枪设置在层燃炉的燃烬区喷射还原剂溶液进行还原反应。
优选地，所述还原剂溶液为氨水。
优选地，所述复合控制系统还包括鼓风机和引风机，所述鼓风机和引风机分别安装于层燃炉空气预热器的空气侧进口和烟气侧出口。正常工作时通过鼓风机和引风机的频率联合控制实现锅炉炉膛负压调节，控制氧气含量和烟气停留时间，保证燃料在炉内充分燃烧。
优选地，所述PLC控制系统内嵌层燃炉分级燃烧控制系统和基于NOx反馈控制的SNCR系统。
基于负荷变化和温度控制的分级燃烧控制策略：
层燃炉多用于厂区内生产供汽，负荷波动频繁，为最大限度发挥基于多点喷射的分级燃烧装置作用，本发明中采用基于负荷变化和温度控制的分级燃烧控制策略，具体实施方式如下：
1)通过现场测量，获得不同负荷下层燃炉内高度方向的温度场分布，并建立层燃炉温度场数据库；
2)通过数值模拟仿真，结合层燃炉温度场数据库模型，获得一种较优的层燃炉分级燃烧装置分布方案；
3)在生产过程中，根据层燃炉的负荷变化并结合温度场数据库，系统判断需要投入哪一层或几层分级燃烧装置，整体提升炉膛温度及其均匀性，始终维持SNCR反应温度处在一较佳的温度窗口区间内，而炉膛温度提升又可改善炉排上煤层的燃烧状况，兼具节能和环保效益。
具体地，由锅炉分级燃烧装置控制系统执行，自动调节给煤量/给粉量，将鼓风机频率与给煤量/给粉量连锁控制；同时炉膛负压调节由引风机控制炉膛负压调节，由此延长燃料在炉膛内的燃烧时间，保证了燃料充分燃烧，达到了节能的目的，同时保持锅炉内负荷稳定，也提高了锅炉的安全性。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备以下优点和有益效果：
(1)本发明提供的层燃炉氮氧化物排放量的复合控制系统，其采用分级燃烧和SNCR组合技术，前者具有节能和低氮效果，后者为氮氧化物还原技术。二者结合使用，能够显著提高燃料氧化反应速度和炉膛温度均匀性，减少空气过剩系数，实现脱硝效率和热效率的双重提升。而针对不同用户特点，二者均可单独或联合应用，能够充分满足不同情形下的需要。
(2)本发明中提供的自带烟气循环的分级燃烧装置的基于多点喷射分级燃烧和烟气循环送粉方法可增加反应活性、降低燃烧区氧含量和有效消除局部高温区，从而具有较好的低氮燃烧效果。还可整体提升炉膛温度和增大反应区间，使燃料燃烧更充分，有助于提高SNCR脱硝效率，而炉膛温度升高反过来又会改善炉排上煤层的燃烧状况，节能和环保效果明显。
(3)本申请的分级燃烧装置的燃烧器采用扩散燃烧方式，加大燃烧调节范围；其设置绝热稳焰钝体和二次风旋流器，在燃烧室内形成高温低速回流区；还设置前置稳燃腔，保证燃料和空气稳定和充分燃烧；采用高二次风流速和低一次风流速设计，这样可利用流速差提高混合速度，保证燃烧完全性；由于中心一次风气流的存在，其在稳焰钝体出口的高温低速的回流区内首先着火，形成值班火焰，之后点燃主流，大幅度提高了燃烧器燃烧稳定性。所述自带烟气循环的分级燃烧装置基于空气分级和烟气循环的燃烧方法均为低氮燃烧的有效手段，有利于降低燃烧器出口的高温区温度和氧浓度，进而大幅度减少氧化氮的生成量。
(4)本申请还设置有SNCR装置，在层燃炉的燃烬区设置喷枪喷射还原剂溶液进行还原反应，将尾气进行脱硝处理，能够有效减少氮氧化物排放量，满足环保的需求。
(5)本申请的复合控制系统只需在现有的设备上稍作改进即可得到，不需要整体更换设备，节省费用，适合大规模进行推广。
附图说明
图1为本发明的层燃炉氮氧化物排放量的复合控制系统整体结构示意图。
图2为本发明的自带烟气循环的分级燃烧装置的工艺流程图。
图3为本发明的自带烟气循环的分级燃烧装置原理图。
图4为本发明的SNCR脱硝装置控制原理图。
图5为本发明的PLC系统控制流程图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1层燃炉本体，2分级燃烧装置，3SNCR脱硝装置，4多功能烟气在线监测仪，5鼓风机，6引风机，7PLC控制系统，3-1还原剂液储罐，3-2浓度计，3-3混合器，3-4溶液泵，3-5计量分配模块，3-6压缩空气储罐，3-7溶液喷枪，3-8SNCR系统控制模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明提供的层燃炉氮氧化物排放量的复合控制系统的整体结构示意图。如图1所示，该层燃炉氮氧化物排放量的复合控制系统包括层燃炉本体1、自带烟气循环的分级燃烧装置2和/或SNCR脱硝装置3、多功能烟气在线监测仪4和PLC控制系统7；
分级燃烧装置2设置在层燃炉本体1炉排的上部，SNCR脱硝装置3设置在所述分级燃烧装置2的上部，多功能烟气在线监测仪4安装于层燃炉尾部的烟道出口处，PLC控制系统7与多功能烟气在线监测仪4相连；
其中，多个所述分级燃烧装置2均匀分布在炉膛两侧的墙上，分级燃烧装置2进气端的中心设置有进风管，用于引入中心一次风，进风管的另一端设置有绝热稳焰钝体，该绝热稳焰钝体位于所述分级燃烧装置2的中心位置，在该分级燃烧装置2的进气端紧贴器壁还设置有二次风旋流器，用于引入二次风，在进风管和二次风旋流器之间可引入外一次风，分级燃烧装置2远离进气端的一端超出绝热稳焰钝体的一截为稳燃腔。
在本发明的一个具体实施例中，一次风携带燃料，由风扇磨输送；所述二次风为助燃空气，由二次风风机输送，上述一次风与二次风均为新鲜空气、循环烟气与燃料的混合物。
在本发明的另一个具体实施例中，燃料为煤粉、焦炉煤气或瓦斯，在所述一次风和二次风中燃料的含量为5～20％。
在本发明的另一个具体实施例中，SNCR脱硝装置3包括还原剂溶液储罐3-1、浓度计3-2、混合器3-3、溶液泵3-4、计量分配模块3-5、压缩空气储罐3-6、溶液喷枪3-7和SNCR系统控制模块3-8，所述溶液喷枪3-7设置在层燃炉的燃烬区喷射还原剂溶液进行还原反应。
所述SNCR脱硝装置具备氨水流量和浓度调节功能，锅炉NOx控制系统根据测点反馈的NOx排放值，自动调节氨水溶液喷入量，保证层燃炉NOx排放始终控制在设定值以下，能够实时监控NOx的排放量并立刻进行调整，从而降低燃烧中生成的NOx量，达到节能减排的目的。
在本发明的另一个具体实施例中，还原剂溶液为氨水。
在本发明的另一个具体实施例中，复合控制系统还包括鼓风机5和引风机6，所述鼓风机5和引风机6分别安装于层燃炉空气预热器的空气侧进口和烟气侧出口。
在本发明的另一个具体实施例中，PLC控制系统7内嵌层燃炉分级燃烧控制系统和基于NOx反馈控制的SNCR系统。
参见图2和图3，所述自带烟气循环的分级燃烧装置燃料为煤粉或燃气，区别于常规的锅炉掺烧手段，本发明采用多点喷射和分级燃烧方法，在炉膛两侧墙的合适位置多点喷入炉膛燃烧，其燃烧器基于回流区分级着火原理特殊设计，具有较好的稳燃效果。
如图3所示，所述分级燃烧装置的燃烧器采用扩散燃烧方式，加大燃烧调节范围；其设置绝热稳焰钝体和二次风旋流器，在燃烧室内形成高温低速回流区；还设置前置稳燃腔，保证燃料和空气稳定和充分燃烧；采用高二次风流速和低一次风流速设计，这样可利用流速差提高混合速度，保证燃烧完全性；由于中心一次风气流的存在，其在稳焰钝体出口的高温低速的回流区内首先着火，形成值班火焰，之后点燃主流，大幅度提高了燃烧器燃烧稳定性。所述自带烟气循环的分级燃烧装置基于空气分级和烟气循环的燃烧方法均为低氮燃烧的有效手段，有利于降低燃烧器出口的高温区温度和氧浓度，进而大幅度减少氧化氮的生成量。
如图1和4所示，本发明的基于锅炉分级燃烧控制系统工作过程如下：在锅炉工作时，负荷调节以链条炉排层燃燃烧为主，并将燃气或5～20％煤以煤粉形式由分级燃烧装置送入炉膛，恒定炉排转速，通过调整燃气或煤粉喷入量调节锅炉负荷。同时，系统根据位于锅炉省煤器出口的多功能烟气在线监测仪4将实时测量到的CO和O2等数据传输至锅炉分级燃烧控制系统，控制系统根据排放烟气中CO浓度Vco和设定值V0与设定偏差δ0比值，若测量值Vco＜V0-δ0，则根据表明系统氧量富余，系统运算后自动调低鼓风机频率。若Vco＞V0-δ0，则根据表明系统缺氧，系统运算后自动调大鼓风机频率。在控制调节过程中，始终将CO浓度维持在微量状态，使实际燃料接近理论配比，烟气氧量在5％～10％水平。系统在执行燃烧控制过程中同步执行引风机炉膛负压控制。
参见图4，所述SNCR脱硝装置3具有还原剂溶液浓度调节和烟气NOx控制两大功能，可根据锅炉实际情况量身定做，始终保持SNCR工作在合适的温度窗口，保持较高的脱硝效率。SNCR脱硝装置3在工作时具备浓度实时调节和流量实时调节，系统将多功能烟气在线监测仪4检测得到的NOx排放值反馈至PLC控制系统7中的子系统——SNCR系统控制模块，系统判定是否超出设定要求范围值，并根据判定结果和系统控制策略自动调节还原剂溶液喷入量，从而将NOx排放控制在限值以下。当NH3作还原剂时，SNCR还原NOx反应方程式如下：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O
本领域的技术人员容易理解，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 (4)

1.一种层燃炉氮氧化物排放量的复合控制系统，其特征在于，它包括层燃炉本体(1)、自带烟气循环的分级燃烧装置(2)、SNCR脱硝装置(3)、多功能烟气在线监测仪(4)和PLC控制系统(7)；
所述分级燃烧装置(2)整体设置在层燃炉本体(1)炉排的上部，并且其数量为多个，它们均匀分布在层燃炉炉膛两侧的墙上并且形成分层结构；其中对于各个分级燃烧装置而言，其各自在进气端的中心设置有用于引入中心一次风的进风管，在所述进风管的另一端设置有绝热稳焰钝体且该绝热稳焰钝体位于所述分级燃烧装置的中心位置，在所述进气端紧贴器壁还设置有用于引入二次风的二次风旋流器，同时在所述进风管与所述二次风旋流器之间引入外一次风，所述分级燃烧装置远离进气端的一端超出所述绝热稳焰钝体的一截为稳燃腔；此外，所述一次风的流速被设定为低于所述二次风的流速，使得两者之间存在流速差；
所述SNCR脱硝装置(3)设置在所述分级燃烧装置(2)的上部，所述多功能烟气在线监测仪(4)安装于层燃炉尾部的烟道出口处，所述PLC控制系统(7)与多功能烟气在线监测仪(4)相连；其中在生产过程中，所述多功能烟气在线监测仪(4)现场测量获得不同负荷下层燃炉内高度方向的温度场分布，并由所述PLC控制系统(7)自动判断需要投入哪一层或几层所述分级燃烧装置，由此整体提升炉膛的温度及均匀性，进而实现脱硝效率和热效率的双重提升。
2.如权利要求1所述的层燃炉氮氧化物排放量的复合控制系统，其特征在于，所述一次风携带燃料，由风扇磨输送；所述二次风为助燃空气，由二次风风机输送。
3.如权利要求2所述的层燃炉氮氧化物排放量的复合控制系统，其特征在于，所述SNCR脱硝装置(3)包括还原剂溶液储罐(3-1)、浓度计(3-2)、混合器(3-3)、溶液泵(3-4)、计量分配模块(3-5)、压缩空气储罐(3-6)、溶液喷枪(3-7)和SNCR系统控制模块(3-8)，所述溶液喷枪(3-7)设置在层燃炉的燃烬区喷射还原剂溶液进行还原反应。
4.如权利要求3所述的层燃炉氮氧化物排放量的复合控制系统，其特征在于，所述还原剂溶液为氨水。
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