CN106642090A - 流化床锅炉低氮燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流化床锅炉低氮燃烧装置。本发明依据氮氧化物生成原理，通过耦合空分级气与再循环烟气分级燃烧技术，在炉膛高度方向形成强还原性、弱还原性、氧化性的三级燃烧区，同时显著减缓炉膛密相区燃烧强度，控制炉膛密相区燃烧温度，提高炉膛整体温度分布均匀性，抑制温度型氮氧化产生；同时大大降低燃料型氮氧化物生成，并能将已生成的氮氧化物原为氮气。

Description

流化床锅炉低氮燃烧装置

技术领域

本发明属于流化床燃烧技术领域，涉及一种流化床锅炉低氮燃烧装置。

背景技术

流化床燃烧是近二十年来兴起的锅炉新型燃烧技术，具有燃料适应广、燃烧效率高、负荷变化范围大，氮氧化物排放相对较低等优势，是当今洁净煤燃烧技术的主力炉型，被广泛的应用于燃煤工业和热电领域。但随着环境压力日益严峻，国家对环保排放标准的要求更加严格，2015年12月国务院三部委发布的《全面实施燃煤电厂超低排放与节能改造工作方案》规定，全国具备改造条件的燃煤电厂需在2020年前实现超低排放，东部地区需在2017年前完成，超低排放明确要求烟气中的氮氧化物排放浓度 NOx ≤ 50 mg/Nm³（O₂=6%）。然而，流化床锅炉氮氧化物的原始生成浓度，虽然比其它炉型相对较低，但炉膛出口浓度仍为200mg/Nm³-300 mg/Nm³，早期设计制造的流化床锅炉甚至高达400mg/Nm³，远远高于超低排放规定中所要求达到的排放浓度。因此，现有燃煤锅炉如果不采取任何措施，根本无法满足目前环保要求。如何在确保锅炉燃烧效率前提下，大幅度降低氮氧化物排放浓度，满足燃煤锅炉超低排放要求，对实现超低排放与节能减排目标具有重要的现实意义。

燃煤锅炉氮氧化物的控制方法主要有燃烧过程中控制与燃烧后烟气控制。燃烧过程中控制主要通过空气分级、燃料分级、浓淡分离、或（与）烟气再循环等低氮燃烧技术对燃烧器或燃烧区改进，形成还原性气氛抑制氮氧化物产生，脱销效率相对较低，但具有设备体积小、初期投资少、基本无运行成本等优点；燃烧后烟气控制，即在锅炉排放烟气中喷入还原剂/氧化剂将已经生成的氮氧化物还原/氧化成为N₂。目前，烟气脱销控制主要以SNCR 与SCR脱销技术最具代表性，具有相对较高的脱硝效率，特别适应于大型燃煤电站锅炉，但存在于设备体积大、初期投资大、运行成本高，以及长期运行导致氨逃逸引起的二次污染和影响尾部烟道受热面等问题。同时，环保排放指标要求日益严格（如现行GB13223-2011中规定NOx ≤ 100 mg/Nm³，即将实施的超低排放中规定NOx ≤ 50 mg/Nm³，O₂= 6%），由于任何脱销方法都是具有最佳的脱销效率，现有燃煤锅炉虽然满足现行排放指标，但通常需要重新改造，才能满足新的排放标准；烟气脱销控制虽然脱销效率较高，即使能够满足现行标准，但由于燃煤锅炉初始生成浓度较高，高于其最佳脱销效率，难以直接满足新的超低排放标准，通常需要联合其它脱销措施。

为满足超低排放标准，采用低氮燃烧与烟气脱销方式的联合脱销技术，引起了人们广泛关注。联合脱销时，低氮燃烧技术除上述优势外，还具有成本低、施工周期短、对烟气脱销系统影响小，减缓烟气脱销压力，降低烟气脱销运行成本等优点。但截至目前，有关流化床锅炉采用低氮燃烧技术的研究报道相对较少，虽然大部分流化床锅炉，特别是循环流化床锅炉采用了较为简单的空气分级技术，但是早期对环保不够重视，在设计制造流化床锅炉时，只关注流化床料层流化特性，注重锅炉燃烧效率，追求锅炉热效率，甚至超负荷运行等传统设计理念，造成实际运行的一次风配风比偏大，空气分级效果不明显，导致分级燃烧效果较低。因此，流化床锅炉的空气分级燃烧在空气分级配比、燃烧区中还原性区域分布、二次风入射特性、以及卷吸效应等方面都有较大改善空间。因此，本发明基于耦合空气分级与再循环烟气分级燃烧设计构想，构建一种流化床低氮燃烧锅炉。

发明内容

本发明主要目的是降低流化床燃烧锅炉氮氧化物原始生成浓度，提供一种基于空气与再循环烟气分级耦合的流化床低氮燃烧锅炉，同时提供一种利用该装置进行低氮燃烧的燃烧方法。

本发明装置包括一次风机、二次风机、风室、炉膛、旋风分离器、受热面尾部烟道、除尘器、引风机、烟囱、再循环风机。所述炉膛下段为变截面密相区、中上段为等截面稀相区；所述尾部受热面烟道内自上而下设有过热器、省煤器、空气预热器（一、二次风）。

所述一次风机出口通过一次风管经空气预热器（一次风）连接风室左右两侧设有的一次风口入口，二次风机出口通过二次风管连接空气预热器（二次风）入口，空气预热器（二次风）出口连接的二次风管分成上、下二次风管，上、下二次风管分别连接上、下二次风箱入口，上、下二次风箱出口经上、下二次风支管分别与变截面密相区设有的上、下二次风入口相连，形成炉内空气分级燃烧。所述引风机出口与烟囱间设有再循环烟气管道，在再循环烟气管道上设有再循环风机，再循环风机出口设有并联再循环烟气分级管道，分别与风室两侧设有的再循环烟气入口、下二次风箱入口端连接，形成再循环烟气分级，再循环风机控制调节烟气总量，再循环烟气分级管道分别设有调节阀调节各分级管道烟气量。

所述变截面密相区设有的上二次风入口设置于密相区中上端，各上二次风入口处于同一标高；变截面密相区设有的下二次风入口设置于密相区中下端，各下二次风入口处于同一标高。

上二次风入口轴线入射方向相对于水平方向向下倾斜0度 - 20度，各上二次风入口入射风速应控制在40m/s - 80m/s；上二次风入射方向倾角为0度时，能够充分体现上二次风空气分级效果，并能够密相区颗粒浓度形成压制效应，防止大量燃烧颗粒被携带到稀相区；上二次风为80m/s时，在保证二次风的穿透性和刚性的同时，如果在增大会导致过分密相区颗粒浓度，导致携带到稀相区颗粒物浓度过少，造成炉膛上下温差过大，造成带不动燃烧负荷。所述下二次入口轴线入射方向相对于水平方向向下倾斜10度 - 35度，各下二次风入口入射风速应控制在60m/s - 120m/s；下二次风入射方向为向下倾斜为10度，能够体现下二次风空气分级效果，如倾角再减小，会造成密相区底部氧量不能及时补充，容易造成底部缺氧，或局部结焦现象；在下二次风倾角较小时，二次风入射风速可提高到120m/s，具有足够刚度与穿透性，若风速再增加，会导致下二次风箱风大过大，二次风机电耗过大。

所述再循环烟气分级管道输送的二级再循环烟气与下二次风管道输送的下二次风在下二次风箱入口端混合，增大下二次风风箱静压，提高下二次风刚度与穿透性。

所述风室左右两侧设有的再循环烟气入口，其每一侧入口布置方式可为单一入口布置，或双入口对称布置一次风口两侧，或多入口圆周布置于一次风入口周围，充分混合一次风与一级再循环烟气。

所述风室左右两侧设有再循环烟气入口轴线方向与一次风入口轴线方向具有一定入射倾角，入射角度为0度-30度；所述再循环烟气入口烟气或（和）一次风入口处空气具有设定流速，对周围气体产生卷吸效应。

所述风室两侧设有的再循环烟气入口，在采用每侧单一入口布置时，可与一次风入口形成四角切圆方式布置，入口标高位于风室中下部。

所述风机出口与烟囱之间设有的再循环烟气管道、再循环风机、以及并联再循环烟气分级管道设有防腐与保温层。

利用本发明装置进行低氮燃烧方法为所述一次风量、二次风量、再循环烟气量均可以调节，一次风比、二次风比、再循环烟气比可控制在25%-60%、40%-75%、10%-40%范围之间；上、下二次风比调配依据锅炉负荷增加，下二次风比降低、上二次风比增加原则进行。一、二级再循环烟气比依据锅炉负荷与煤种变化分别控制在60%-100%、0%-40%范围内。基于上述空气与再循环烟气分级耦合燃烧，在变截面密相区底部形成过量空气系数约0.6-0.8的强还原性气氛，在上下二次风入口之间的密相区过量空气系数约0.8-1.0的弱还原性气氛，在上二次风入口以上炉膛区域形成量空气系数约1.1-1.3的氧化性燃烧区。

利用本发明装置进行低氮燃烧过程为：所述锅炉点火正常运行后，开启再循环风机，依据所述锅炉负荷、炉膛沸下燃烧温度、炉膛出口氧量与NOx浓度高低，输送再循环烟气，同时降低一次风量，增大二次风量，通过再循环风机调控再循环烟气总量，采用再循环分级管道上设有的控制调节阀分别调节一、二级再循环烟气量配比；一级再循环烟气与一次风机输送经空预器预热的一次风在风室内均匀混合后进入炉膛流化床料，在炉膛底部密相区进行低氧燃烧，降低密相区沸下床温，抑制温度型氮氧化物生成，同时生成大量还原性气体CO，形成强还原性气氛区，抑制燃料型氮氧化物生成；二级再循环烟气与二次风机输送经空预热器预热的下二次风经下二次风箱均匀混合后，通过下二次风入口高速射入炉膛密相区中下部，产生强烈吸卷效应，增强该区域内的流体扰动，补充燃烧密相区中的氧量，形成弱还原性气氛区，进一步抑制氮氧化物生成，同时将生成氮氧化物还原；二次风机输送经空预热器预热的上二次风通过上二次风口高速射入炉膛密相区中上部，产生卷吸效应，增强扰动，形成氧化性气氛的燃尽区；依据所述空气与再循环烟气两级耦合，将炉膛分成密相区底部的强还原性燃烧区、密相区中上部的弱还原性燃烧区、及稀相区氧化性燃尽区的三级燃烧过程，能够显著抑制氮氧化物生成，防止氮氧化物二次生成，有利于降低炉膛沸下与炉膛出口之间温差，提高锅炉负荷变化范围。

本发明的优点是本发明依据氮氧化物生成原理，通过耦合空分级气与再循环烟气分级燃烧技术，在炉膛高度方向形成强还原性、弱还原性、氧化性的三级燃烧区，同时显著减缓炉膛密相区燃烧强度，控制炉膛密相区燃烧温度，提高炉膛整体温度分布均匀性，抑制温度型氮氧化产生；同时大大降低燃料型氮氧化物生成，并能将已生成的氮氧化物原为氮气；通过再循环风机将再循环烟气直接送入风室与二次风箱，能够降低一、二次风机电耗，避免再循环烟气对风机叶片、空气预热器换热管内壁面的腐蚀；避免长时间运行后再循环烟气中粉尘颗粒对风机叶轮的侵蚀，及阻塞一、二次风管上的风量压力测量装置；本发明还具有结构简单，操作方便，改造施工周期短，成本较低，占地空间较小等优点，特别适应于早期流化床锅炉低氮燃烧改造。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为一次风与一级再循环烟气的入射倾角示意图；

图3为一次风与一级再循环烟气之间的布置示意意图；

图4为一次风与一级再循环烟气四角切圆布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明作详细说明。

如图1所示，本发明装置包括一次风机17、二次风机18、风室1、炉膛3、旋风分离器5、尾部受热面烟道11、除尘器20、引风机22、烟囱21、再循环风机24。所述炉膛下段为变截面密相区2、中上段为等截面稀相区4；所述尾部受热面烟道内自上而下设有过热器10、省煤器12、空气预热器13（一、二次风）。

空气经一次风机入口16通过一次风管15经空气预热器（一次风）连接风室左右两侧设有的一次风口入口，二次风机入口19通过对应的出口经二次风管14连接空气预热器（二次风）入口，空气预热器（二次风）出口连接的二次风管14分成上、下二次风管，上、下二次风管分别连接上二次风箱6入口、下二次风箱7入口，上、下二次风箱出口经上、下二次风支管分别与变截面密相区设有的上、下二次风入口相连，形成炉内空气分级燃烧；所述引风机22出口与烟囱间设有再循环烟气管道23，在再循环烟气管道上设有再循环风机24，再循环风机出口设有并联再循环烟气分级管道8、9，分别与风室两侧设有的再循环烟气入口、下二次风箱入口端连接，形成再循环烟气分级，再循环风机控制调节烟气总量，再循环烟气分级管道分别设有调节阀调节各分级管道烟气量。

变截面密相区设有的上二次风入口设置于密相区中上端，各上二次风入口处于同一标高；变截面密相区设有的下二次风入口设置于密相区中下端，各下二次风入口处于同一标高。

上二次风入口轴线入射方向相对于水平方向向下倾斜0度 - 20度，各上二次风入口入射风速应控制在40m/s - 80m/s；上二次风入射方向倾角为0度时，能够充分体现上二次风空气分级效果，并能够密相区颗粒浓度形成压制效应，防止大量燃烧颗粒被携带到稀相区。上二次风为80m/s时，在保证二次风的穿透性和刚性的同时，如果在增大会导致过分密相区颗粒浓度，导致携带到稀相区颗粒物浓度过少，造成炉膛上下温差过大，造成带不动燃烧负荷。所述下二次入口轴线入射方向相对于水平方向向下倾斜10度 - 35度，各下二次风入口入射风速应控制在60m/s - 120m/s；下二次风入射方向为向下倾斜为10度，能够体现下二次风空气分级效果，如倾角再减小，会造成密相区底部氧量不能及时补充，容易造成底部缺氧，或局部结焦现象；在下二次风倾角较小时，二次风入射风速可提高到120m/s，具有足够刚度与穿透性，若风速再增加，会导致下二次风箱风大过大，二次风机电耗过大。

再循环烟气分级管道输送的二级再循环烟气与下二次风管道输送的下二次风在下二次风箱入口端混合，增大下二次风风箱静压，提高下二次风刚度与穿透性。

风室左右两侧设有的再循环烟气入口，其每一侧入口布置方式可为单一入口布置，或双入口对称布置一次风口两侧，或多入口圆周布置于一次风入口周围，充分混合一次风与一级再循环烟气，见图3。

风室左右两侧设有再循环烟气入口轴线方向与一次风入口轴线方向具有一定入射倾角，入射角度为0度-30度；再循环烟气入口烟气或（和）一次风入口处空气具有设定流速，对周围气体产生卷吸效应，见图2。

风室两侧设有的再循环烟气入口，在采用每侧单一入口布置时，可与一次风入口形成四角切圆方式布置，入口标高位于风室中下部，见图4。

风机出口与烟囱之间设有的再循环烟气管道、再循环风机、以及并联再循环烟气分级管道设有防腐与保温层。

一次风量、二次风量、再循环烟气量均可调，一次风比、二次风比、再循环烟气比可控制在25%-60%、40%-75%、10%-40%范围内；上、下二次风比调配依据锅炉负荷增加，下二次风比降低、上二次风比增加原则进行。一、二级再循环烟气比依据锅炉负荷与煤种变化分别控制在60%-100%、0%-40%范围内。基于耦合上述空气与再循环烟气分级燃烧，在变截面密相区底部形成过量空气系数约0.6-0.8的强还原性气氛，在上、下二次风入口之间的密相区过量空气系数约0.8-1.0的弱还原性气氛，在上二次风入口以上炉膛区域形成量空气系数约1.1-1.3的氧化性燃烧区。如通过再循环烟气调配，将一次风比降低到25%时（占总风量），一级再循环烟气量应占80%以上，在保证床料充分流化的同时，在炉膛底部形成强还原性密相区，即过量空气系数约为0.6-0.8的强还原性气氛，如果一次风比再降低，会导致密相区底部严重缺氧，会造成煤粉颗粒液化，不是直接燃烧，容易出现煤粉颗粒结焦现象，降低流化床燃烧稳定性。

在锅炉点火正常运行后，开启再循环风机，依据所述锅炉负荷、炉膛沸下燃烧温度、炉膛出口氧量与NOx浓度高低，输送再循环烟气，同时降低一次风量，增大二次风量，通过再循环风机调控再循环烟气总量，采用再循环分级管道上设有的控制调节阀分别调节一、二级再循环烟气量配比；一级再循环烟气与一次风机输送经空预器预热的一次风在风室内均匀混合后进入炉膛流化床料，在炉膛底部密相区进行低氧燃烧，降低密相区沸下床温，抑制温度型氮氧化物生成，同时生成大量还原性气体CO，形成强还原性气氛区，抑制燃料型氮氧化物生成；二级再循环烟气与二次风机输送经空预热器预热的下二次风经下二次风箱均匀混合后，通过下二次风入口高速射入炉膛密相区中下部，产生强烈吸卷效应，增强该区域内的流体扰动，补充燃烧密相区中的氧量，形成弱还原性气氛区，进一步抑制氮氧化物生成，同时将生成氮氧化物还原；二次风机输送经空预热器预热的上二次风通过上二次风口高速射入炉膛密相区中上部，产生卷吸效应，增强扰动，形成氧化性气氛的燃尽区；依据所述空气与再循环烟气两级耦合，将炉膛分成密相区底部的强还原性燃烧区、密相区中上部的弱还原性燃烧区、及稀相区氧化性燃尽区的三级燃烧过程，能够显著抑制氮氧化物生成，防止氮氧化物二次生成，有利于降低炉膛沸下与炉膛出口之间温差，提高锅炉负荷变化范围。

本发明通过空气分级与再循环烟气分级燃烧技术相结合，在炉膛沿高度方向形成明显的强还原性燃烧、弱还原性燃烧、氧化性燃尽三级燃烧区，降低了燃料型氮氧化物形成，同时显著减缓炉膛密相区燃烧强度，控制炉膛密相区燃烧温度，提高炉膛整体温度分布均匀性，抑制温度型氮氧化产生。利用再循环风机将再循环烟气直接送入风室与二次风箱，降低一、二次风机电耗，避免烟气对风机叶片、空气预热器换热管内壁面的腐蚀；避免长时间运行后烟气中粉尘颗粒对风机叶轮的侵蚀，以及对风量压力仪表测量装置阻塞。本发明还具有结构简单，操作方便，改造施工周期短，成本较低，占地空间较小等优点，特别适应于早期流化床锅炉低氮燃烧改造。

通过采用本发明装置及低氮燃烧方法，可达到如下效果：锅炉负荷40%-110%之间变化时，炉膛出口氧量可控制在2%-5%，能够控制氮氧化物原始生成浓度同时，保证锅炉燃烧效率，锅炉热效率影响较小；锅炉氮氧化物浓度原始生成浓度比改造前50%以上。

本发明适用于燃煤流化床锅炉。以上所述仅为本发明的较佳实施案例，凡依本发明申请范围所作的均等变化与修饰，皆应属于本发明专利的涵盖范围。

Claims (7)

1.流化床锅炉低氮燃烧装置，包括一次风机、二次风机、风室、炉膛、旋风分离器、尾部受热面烟道、除尘器、引风机、烟囱、再循环风机；所述炉膛下段为变截面密相区、中上段为等截面稀相区；所述尾部受热面烟道内自上而下设有过热器、省煤器、一次风空气预热器和二次风空气预热器；其特征在于：一次风机出口通过一次风管经一次风空气预热器连接风室左右两侧设有的一次风口入口，二次风机出口通过二次风管连接二次风空气预热器入口，二次风空气预热器出口连接的二次风管分成上、下二次风管，上、下二次风管分别连接上、下二次风箱入口；上、下二次风箱出口经上、下二次风支管分别与变截面密相区设有的上、下二次风入口相连，形成炉内空气分级燃烧；引风机出口与烟囱间设有再循环烟气管道，在再循环烟气管道上设有再循环风机，再循环风机出口设有并联再循环烟气分级管道，分别与风室两侧设有的再循环烟气入口、下二次风箱入口端连接，形成再循环烟气分级，再循环风机控制调节烟气总量，再循环烟气分级管道分别设有调节阀调节各分级管道烟气量；所述再循环烟气分级管道输送的二级再循环烟气与下二次风管道输送的下二次风在下二次风箱入口端混合，增大下二次风风箱静压，提高下二次风刚度与穿透性。

2.根据权利要求1所述的流化床锅炉低氮燃烧装置，其特征在于：所述变截面密相区设有的上二次风入口设置于密相区中上端，各上二次风入口处于同一标高；变截面密相区设有的下二次风入口设置于密相区中下端，各下二次风入口处于同一标高。

3.根据权利要求2所述的流化床锅炉低氮燃烧装置，其特征在于：所述上二次风入口轴线入射方向相对于水平方向向下倾斜0度 - 20度，各上二次风入口入射风速应控制在40m/s - 80m/s；所述下二次入口轴线入射方向相对于水平方向向下倾斜10度 - 35度，各下二次风入口入射风速应控制在60m/s - 120m/s。

4.根据权利要求1所述的流化床锅炉低氮燃烧装置，其特征在于：所述风室两侧设有的再循环烟气入口，其每一侧入口布置方式可为单一入口布置，或双入口对称布置于一次风口两侧，或多入口圆周布置于一次风入口周围，充分混合一次风与一级再循环烟气。

5.根据权利要求4所述的流化床锅炉低氮燃烧装置，其特征在于：所述风室左右两侧设有再循环烟气入口轴线方向与一次风入口轴线方向具有一定入射倾角；所述再循环烟气入口烟气或/和一次风入口处空气具有设定流速，对周围气体产生卷吸效应。

6.根据权利要求4所述的流化床锅炉低氮燃烧装置，其特征在于：所述风室两侧设有的再循环烟气入口，在采用每侧单一入口布置时，与一次风入口形成四角切圆方式布置，入口标高位于风室中下部。

7.根据权利要求1所述的流化床锅炉低氮燃烧装置，其特征在于：所述风机出口与烟囱之间设有的再循环烟气管道、再循环风机、以及并联再循环烟气分级管道设有防腐与保温层。