CN109058983A - 循环流化床贫氧燃烧催化氧化分级燃烧锅炉系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种循环流化床贫氧燃烧催化氧化分级燃烧锅炉系统及方法，循环流化床贫氧燃烧炉膛的出口与旋风分离器连接，旋风分离器通过回料管，返料系统，循环返料口与循环流化床贫氧燃烧炉膛连通形成循环回路；旋风分离器的烟气出口连通向下设置的尾部竖直烟道，二次燃烧室、补风室和CO催化氧化装置从上至下依次布置在尾部竖直烟道中。本发明整体过量空气系数较低，可降低排烟热损失，提高锅炉热效率。

Description

循环流化床贫氧燃烧催化氧化分级燃烧锅炉系统及方法
技术领域
本发明属于锅炉技术领域，具体涉及一种循环流化床贫氧燃烧催化氧化分级燃烧锅炉系统及方法。
背景技术
随着我国国民经济日益增长，各行业用电量逐年增大，各电力行业如雨后春笋般迅猛发展。近年来，火电燃煤机组持续占据领导地位，在今后很长一段时间内不会发生明显变化。这些火电机组带给我们赖以生存的电能的同时，消耗了大量不可再生的化石能源，化石燃料燃烧会产生氮氧化物(NOx)，其是主要大气污染物之一，会对生态环境造成一定的影响。
近年来，国内外燃煤电站低氮燃烧多采用以下方法：空气分级燃烧技术，即燃烧所需空气量分两级送入，使燃烧分两级完成，该方法存在会引起炉膛效率下降，炉膛内结渣腐蚀的问题；低氧燃烧法，即在低过量空气系数下燃烧，能减少燃料型NOx的生成，但是由于燃烧未完全，烟气中残留部分CO等还原性气体，会导致灰分灰熔点降低，受热面结渣等现象；低NOx燃烧器法，通过改变风煤比，降低着火区氧温度和浓度，最大限度抑制NOx的生成，但其存在结构复杂、易结渣的问题。
目前燃煤电站脱硝技术应用最为广泛的是选择性催化还原(SCR)技术，该方面技术较为成熟，在国内外被广泛应用。然而该技术在应用中经常面临很多严重问题，例如SCR催化剂活性温度区间为320℃～400℃，低负荷下脱硝装置入口烟温低于活性温度，脱硝效率较差；SCR催化剂与氨的废料处理问题；脱硝过程中喷氨量对后续受热面的影响问题；喷氨与烟气能否混合均匀等。这些存在的问题会导致燃煤锅炉全负荷下脱硝效率难以到达国家要求水平。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种循环流化床贫氧燃烧催化氧化分级燃烧锅炉系统及方法，可达到高效低NOx排放，降低大气污染；其不包括SCR脱硝装置，可避免脱硝过程中遇到的催化剂最佳温度限制、喷氨混合均匀性以及催化剂废料处理等严重问题。
本发明采用以下技术方案：
循环流化床贫氧燃烧催化氧化分级燃烧锅炉系统，包括循环流化床贫氧燃烧炉膛、旋风分离器、返料系统、二次燃烧室、补风室和CO催化氧化装置，循环流化床贫氧燃烧炉膛的出口与旋风分离器连接，旋风分离器依次通过回料管，返料系统，循环返料口与循环流化床贫氧燃烧炉膛连通形成循环回路；旋风分离器的烟气出口连通向下设置的尾部竖直烟道，二次燃烧室、补风室和CO催化氧化装置从上至下依次布置在尾部竖直烟道中。
具体的，循环流化床贫氧燃烧炉膛的上部设置有屏式过热器，旋风分离器和返料系统设置在屏式过热器和二次燃烧室之间。
具体的，具体的，循环流化床贫氧燃烧炉膛下部设有一次风入口，一次风从循环流化床贫氧燃烧炉膛下部送入，使煤在循环流化床贫氧燃烧炉膛内形成流化床燃烧。
进一步的，循环流化床贫氧燃烧炉膛内保持过量空气系数小于1；CO催化氧化装置处的过量空气系数为1～1.05。
具体的，旋风分离器设置在循环流化床贫氧燃烧炉膛的烟气出口下游，旋风分离器的烟气入口与循环流化床贫氧燃烧炉膛的烟气出口相连通，返料系统设置在旋风分离器出料口下部，返料系统的进料口与旋风分离器出料口相连通，返料系统的出料口与循环流化床贫氧燃烧炉膛的循环进料口相连通，循环流化床贫氧燃烧炉膛出口的烟气进入旋风分离器后，固体颗粒通过返料系统进入循环流化床贫氧燃烧炉膛构成循环回路，烟气继续前行进入二次燃烧室。
具体的，二次燃烧室位于旋风分离器的烟气出口下游，二次燃烧室的烟气进口与旋风分离器的烟气出口相连通，补风室设置在二次燃烧室的烟气出口下游，二次燃烧室与补风室之间设置有对流过热器，CO催化氧化装置设置在补风室的烟气出口下游，CO催化氧化装置的烟气出口下游依次设置有省煤器和空气预热器。
进一步的，二次燃烧室设置有用于进行CO补风燃烧的空气入口，补风室设置有用于补充空气进行CO催化氧化的补风口。
具体的，CO催化氧化装置内CO催化剂采用CeO2气凝胶担载CuO催化剂。
具体的，循环流化床贫氧燃烧炉膛分别与煤仓和石灰石仓连接，在循环流化床贫氧燃烧炉膛的侧壁开有二次风入口。
一种循环流化床贫氧燃烧催化氧化分级燃烧锅炉系统的分级燃烧方法，包括以下步骤：
S1、煤由煤仓进入循环流化床贫氧燃烧炉膛的内部，一次风从循环流化床贫氧燃烧炉膛下部进入炉膛内形成流化床燃烧方式，在空腔中形成高温燃烧气化区并保持过量空气系数小于1，维持反应为贫氧燃烧氛围；
S2、步骤S1未完全燃烧的高温烟气通过屏式过热器进行换热后，进入旋风分离器，固体颗粒通过返料系统进入循环流化床贫氧燃烧炉膛构成循环回路；
S3、旋风分离器烟气出口的烟气继续前行进入二次燃烧室，通入空气进行CO补风燃烧；
S4、二次燃烧室出口烟气经过对流换热器换热后进入补风室，通入空气用于CO催化氧化；
S5、步骤S4完成后的混合气体进入CO催化氧化装置，CO催化氧化装置中过量空气系数为1～1.05，在CO催化氧化装置中未完全燃烧的烟气中的CO被全部氧化；
S6、CO催化氧化装置出口烟气流经省煤器与空气预热器释放热量，温度降低至排烟温度后排出。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明的循环流化床贫氧燃烧催化氧化分级燃烧锅炉系统，通过将煤在循环流化床贫氧燃烧炉膛进行贫氧燃烧，通过循环回路重复燃烧以及CO催化氧化，达到高效低NOx排放，降低大气污染，对煤种适应性强，在锅炉炉膛中贫氧燃烧生成CO，炉膛内在还原性气氛下进行燃烧，补燃室低温燃烧均无NOx的生成，因此无需加装SCR脱硝装置，可避免脱硝过程中遇到的催化剂最佳温度限制、喷氨混合均匀性以及催化剂废料处理等严重问题。
进一步的，高温空气经一次风口进入循环流化床贫氧燃烧炉膛的内部，循环流化床贫氧燃烧炉膛内流化燃烧形成为高温燃烧气化区，旋风分离器用于将烟气气固分离，固体颗粒返回燃烧室，烟气进入二次燃烧室，二次燃烧室进行补风燃烧，用来调整锅炉各部分受热面的吸热量分配。补风室用于补充高温空气，以保证后续催化氧化时的过量空气系数近似为1。在相对低的温度如省煤器区域的温度下进行CO的催化氧化，CO催化氧化装置中的催化剂载体上附着的CO催化剂，可将烟气中未完全燃烧的CO全部氧化，同时在CO催化氧化的过程中还可以实现CO选择性催化还原NO，降低环境污染。
进一步的，通过采用循环流化床燃烧的方式增加其对煤种的适应范围，燃烧效率高，提高煤的燃尽率，同时可使烟气含尘量降低，使锅炉尾部受热面沾灰及磨损减少。
进一步的，通过贫氧循环流化燃烧配合CO催化氧化装置可使锅炉NOX排放达到排放标准，因此锅炉系统不需要SCR系统，除了避免了SCR系统存在的一系列问题之外，不需要氨水的加入，节省大量经济成本，通过设置省煤器和空气预热器，可提高本发明的锅炉系统的煤的利用率，降低排放烟气的热量。
进一步的，CO催化氧化装置内的CO催化剂采用CeO2气凝胶担载CuO催化剂，CuO催化剂价格低廉，有较高的经济性，CuO催化剂活性温度在600℃附近，可将未完全燃烧的烟气中的CO较好地氧化。
本发明的循环流化床贫氧燃烧催化氧化的分级燃烧方法，用于上述任一种循环流化床贫氧燃烧催化氧化分级燃烧锅炉系统，可有效降低NOx的排放，循环流化床贫氧燃烧炉膛内采用循环流化床贫氧燃烧方式，过量空气系数小于1，维持反应为贫氧燃烧氛围，产生的燃料型NOx大幅减少，将煤粉中含有的大部分氮转化为氮气，而后未完全燃烧的烟气在补风室中进行氧气补充，烟气中残余的CO在CO催化氧化装置中被CO催化剂完全氧化，由于整个过程燃烧温度较低，产生的温度型NOx减少，利用分级燃烧方式可有效地降低NOx的排放。
综上所述，本发明整体过量空气系数较低，可降低排烟热损失，提高锅炉热效率。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的系统示意图。
其中：1.一次风入口；2.循环流化床贫氧燃烧炉膛；3.煤仓；4.石灰石仓；5.二次风入口；6.屏式过热器；7.旋风分离器；8.反料系统；9.循环进料口；10.二次燃烧室；11.空气入口；12.对流过热器；13.补风室；14.补风口；15.CO催化氧化装置；16.省煤器；17.空气预热器。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1，本发明一种循环流化床贫氧燃烧催化氧化分级燃烧锅炉系统，包括循环流化床贫氧燃烧炉膛2，旋风分离器7，返料系统8，二次燃烧室10，补风室13和CO催化氧化装置15，循环流化床贫氧燃烧炉膛2的出口与旋风分离器7连接，旋风分离器7依次通过回料管，返料系统8，循环返料口9与循环流化床贫氧燃烧炉膛2连通形成循环回路；旋风分离器7的烟气出口连通向下设置的尾部竖直烟道，尾部竖直烟道中从上至下依次布置有二次燃烧室10、对流过热器12、补风室13、CO催化氧化装置15、省煤器16及空气预热器17。
循环流化床贫氧燃烧炉膛2的烟气出口下游布置有旋风分离器7；旋风分离器7设置有烟气入口，烟气出口和出料口，旋风分离器7的烟气入口与循环流化床贫氧燃烧炉膛2的烟气出口相连通；
旋风分离器7出料口下部设有返料系统8；返料系统8的进料口与旋风分离器7出料口相连通，返料系统8的出料口与循环流化床贫氧燃烧炉膛2的循环进料口9相连通；
旋风分离器7的烟气出口下游布置二次燃烧室10；二次燃烧室10设置有烟气进口，烟气出口以及空气入口11，空气入口11用于进行CO补风燃烧，从而调整锅炉各部分受热面的吸热量分配，二次燃烧室10的烟气进口与旋风分离器7的烟气出口相连通；
二次燃烧室10的烟气出口下游设有补风室13，补风室13设置有烟气入口、烟气出口和补风口14，补风口14用于补充空气进行CO催化氧化，补风室13的烟气入口与二次燃烧室10的烟气出口相连通；
补风室13的烟气出口下游布置有CO催化氧化装置15；CO催化氧化装置15设置有烟气入口和烟气出口，CO催化氧化装置的烟气入口与补风室13的烟气出口相连通。
循环流化床贫氧燃烧炉膛2分别与煤仓3和石灰石仓4连接，在循环流化床贫氧燃烧炉膛2的侧壁开有二次风入口5。
循环流化床贫氧燃烧炉膛2为贫氧的还原性气化反应氛围，循环流化床贫氧燃烧炉膛2内部四壁布置水冷壁构成炉墙；循环流化床贫氧燃烧炉膛2的上部设置有屏式过热器6，旋风分离器7和返料系统8设置在屏式过热器6和二次燃烧室10之间；循环流化床贫氧燃烧炉膛2下部设有一次风入口1，一次风从循环流化床贫氧燃烧炉膛2下部送入，使煤在循环流化床贫氧燃烧炉膛2内形成流化床燃烧。
循环流化床贫氧燃烧炉膛2内保持过量空气系数小于1；CO催化氧化装置15处的过量空气系数为1～1.05；CO催化氧化装置15内CO催化剂采用CeO2气凝胶担载CuO催化剂。
具体工作过程如下：
在循环流化床贫氧燃烧炉膛2内，被一次风送入的煤在流化状态下迅速热解并燃烧，在气化空间形成高温燃烧气化区，在该区域内保持过量空气系数小于1，约为0.7～0.8，维持反应为贫氧燃烧氛围，产生的燃料型NOx大幅减少，将煤粉中含有的大部分氮转化为氮气。经过该气化反应后，由于过量空气系数较低，煤进行的是未完全燃烧反应，生成一部分CO，约1％左右。该烟气上行，经循环流化床贫氧燃烧炉膛2的上部烟气出口排出循环流化床贫氧燃烧炉膛2。循环流化床贫氧燃烧炉膛2内煤在还原性氛围下燃烧，几乎不产生NOx。
循环流化床贫氧燃烧炉膛2出口的烟气进入旋风分离器7后，固体颗粒通过返料系统8进入循环流化床贫氧燃烧炉膛2构成循环回路，烟气继续前行进入二次燃烧室10。
烟气经过二次燃烧室10补风燃烧后进入补风室13，通过补风口14向补风室13通入适量空气，保证在CO催化氧化装置15位置过量空气系数约为1～1.05，温度较低，约为500～600℃。
在CO催化氧化装置15内，未完全燃烧的烟气中的CO被CO催化剂全部氧化。而后烟气流经省煤器16与空气预热器17等装置，与其进行热交换，烟气温度降低至排烟温度后排出。
本发明利用分级燃烧方式，高效低NOx排放的技术。无需SCR脱硝装置，避免了SCR脱硝过程中遇到一系列问题。并且采用循环流化床燃烧，具有燃烧效率高，对煤种的适应范围广，煤燃尽率高，烟气洁净程度高等优势。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种循环流化床贫氧燃烧催化氧化的分级燃烧方法，基于上述的任一种循环流化床贫氧燃烧催化氧化分级燃烧锅炉系统；包括以下步骤：
S1、煤由煤仓3进入循环流化床贫氧燃烧炉膛2的内部，一次风从循环流化床贫氧燃烧炉膛2下部一次风入口1进入形成流化床燃烧方式，在空腔中形成高温燃烧气化区，在高温燃烧气化区内保持过量空气系数小于1，维持反应为贫氧燃烧氛围；
S2、未完全燃烧的高温烟气通过屏式过热器6进行换热后，进入旋风分离器7，固体颗粒通过返料系统8进入循环流化床贫氧燃烧炉膛2构成循环回路；
S3、旋风分离器7烟气出口的烟气继续前行进入二次燃烧室10，二次燃烧室10由空气入口11通入空气；
S4、二次燃烧室10出口烟气经过换热后进入补风室13，补风室13由补风口14通入空气；
S5、混合气体进入CO催化氧化装置15，CO催化氧化装置15中过量空气系数为1～1.05，在CO催化氧化装置15中未完全燃烧的烟气中的CO被全部氧化；
S6、CO催化氧化装置15出口烟气流经省煤器16与空气预热器17释放热量，温度降低至排烟温度后排出。
本发明通过将煤贫氧分级燃烧，可达到高效低NOx排放，降低大气污染；采用循环流化床燃烧，系统煤种适应性好，燃烧效率高，煤燃尽率高；不包括SCR脱硝装置，可避免脱硝过程中遇到的催化剂最佳温度限制.喷氨混合均匀性以及催化剂废料处理等严重问题，并且不需要氨水的投入，节约成本。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.循环流化床贫氧燃烧催化氧化分级燃烧锅炉系统，其特征在于，包括循环流化床贫氧燃烧炉膛(2)、旋风分离器(7)、返料系统(8)、二次燃烧室(10)、补风室(13)和CO催化氧化装置(15)，循环流化床贫氧燃烧炉膛(2)的出口与旋风分离器(7)连接，旋风分离器(7)依次通过回料管，返料系统(8)，循环返料口(9)与循环流化床贫氧燃烧炉膛(2)连通形成循环回路；旋风分离器(7)的烟气出口连通向下设置的尾部竖直烟道，二次燃烧室(10)、补风室(13)和CO催化氧化装置(15)从上至下依次布置在尾部竖直烟道中。
2.根据权利要求1所述的一种循环流化床贫氧燃烧催化氧化分级燃烧锅炉系统，其特征在于，循环流化床贫氧燃烧炉膛(2)的上部设置有屏式过热器(6)，旋风分离器(7)和返料系统(8)设置在屏式过热器(6)和二次燃烧室(10)之间。
3.根据权利要求1所述的一种循环流化床贫氧燃烧催化氧化分级燃烧锅炉系统，其特征在于，循环流化床贫氧燃烧炉膛(2)下部设有一次风入口(1)，一次风从循环流化床贫氧燃烧炉膛(2)下部送入，使煤在循环流化床贫氧燃烧炉膛(2)内形成流化床燃烧。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种循环流化床贫氧燃烧催化氧化分级燃烧锅炉系统，其特征在于，循环流化床贫氧燃烧炉膛(2)内保持过量空气系数小于1；CO催化氧化装置(15)处的过量空气系数为1～1.05。
5.根据权利要求1所述的一种循环流化床贫氧燃烧催化氧化分级燃烧锅炉系统，其特征在于，旋风分离器(7)设置在循环流化床贫氧燃烧炉膛(2)的烟气出口下游，旋风分离器(7)的烟气入口与循环流化床贫氧燃烧炉膛(2)的烟气出口相连通，返料系统(8)设置在旋风分离器(7)出料口下部，返料系统(8)的进料口与旋风分离器(7)出料口相连通，返料系统(8)的出料口与循环流化床贫氧燃烧炉膛(2)的循环进料口(9)相连通，循环流化床贫氧燃烧炉膛(2)出口的烟气进入旋风分离器(7)后，固体颗粒通过返料系统(8)进入循环流化床贫氧燃烧炉膛(2)构成循环回路，烟气继续前行进入二次燃烧室(10)。
6.根据权利要求1所述的一种循环流化床贫氧燃烧催化氧化分级燃烧锅炉系统，其特征在于，二次燃烧室(10)位于旋风分离器(7)的烟气出口下游，二次燃烧室(10)的烟气进口与旋风分离器(7)的烟气出口相连通，补风室(13)设置在二次燃烧室(10)的烟气出口下游，二次燃烧室(10)与补风室(13)之间设置有对流过热器(12)，CO催化氧化装置(15)设置在补风室(13)的烟气出口下游，CO催化氧化装置(15)的烟气出口下游依次设置有省煤器(16)和空气预热器(17)。
7.根据权利要求6所述的一种循环流化床贫氧燃烧催化氧化分级燃烧锅炉系统，其特征在于，二次燃烧室(10)设置有用于进行CO补风燃烧的空气入口(11)，补风室(13)设置有用于补充空气进行CO催化氧化的补风口(14)。
8.根据权利要求1所述的一种循环流化床贫氧燃烧催化氧化分级燃烧锅炉系统，其特征在于，CO催化氧化装置(15)内CO催化剂采用CeO2气凝胶担载CuO催化剂。
9.根据权利要求1所述的一种循环流化床贫氧燃烧催化氧化分级燃烧锅炉系统，其特征在于，循环流化床贫氧燃烧炉膛(2)分别与煤仓(3)和石灰石仓(4)连接，在循环流化床贫氧燃烧炉膛(2)的侧壁开有二次风入口(5)。
10.一种利用权利要求1至9中任一项所述循环流化床贫氧燃烧催化氧化分级燃烧锅炉系统的分级燃烧方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、煤进入循环流化床贫氧燃烧炉膛的内部，一次风从循环流化床贫氧燃烧炉膛下部进入炉膛内形成流化床燃烧方式，在空腔中形成高温燃烧气化区并保持过量空气系数小于1，维持反应为贫氧燃烧氛围；
S2、步骤S1未完全燃烧的高温烟气通过屏式过热器进行换热后，进入旋风分离器，固体颗粒通过返料系统进入循环流化床贫氧燃烧炉膛构成循环回路；
S3、旋风分离器烟气出口的烟气继续前行进入二次燃烧室，并通入空气进行CO补风燃烧；
S4、二次燃烧室出口烟气经过对流换热器换热后进入补风室，通入空气用于CO催化氧化；
S5、步骤S4完成后的混合气体进入CO催化氧化装置，CO催化氧化装置中过量空气系数为1～1.05，在CO催化氧化装置中未完全燃烧的烟气中的CO被全部氧化；
S6、CO催化氧化装置出口烟气流经省煤器与空气预热器释放热量，温度降低至排烟温度后排出。
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