CN109690188A - 锅炉设施及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种锅炉设备，包括：锅炉，锅炉包括燃烧室，在燃烧室中设置燃烧器；燃料管，燃料通过燃料管供应至燃烧器；用于将由鼓风机抽吸的空气供应至锅炉的风管；氧气供应部，氧气供应部包括连接至风管的氧气管和设置在氧气管上的流量控制器；和控制单元。控制单元设置小于用于燃料燃烧的标准空气量的空气量，控制鼓风机使得设置的空气量供应至锅炉，设置用于燃料燃烧的氧气量，和控制流量控制器使得设置的氧气量供应至风管。

Description

锅炉设施及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种锅炉设施，更具体地涉及一种锅炉设施及其操作方法，能够最优地操作安装在锅炉后的环境设施。

背景技术

从发电设施的锅炉排放的废气包含污染物，例如氮氧化物(NOx),粉尘和硫氧化物(SOx)。因此，锅炉设施在燃烧室后装配有环境设施，例如用于移除氮氧化物的脱硝设施，用于移除粉尘的静电除尘器，和用于移除硫氧化物的脱硫设施。

近来，随着环境法规的加强，已经在脱硝设施中增加了催化剂。在静电除尘器中，增装了袋式过滤器以通过混合法增强收集效率。此外，在脱硫设施中，已经通过增加石灰岩的量或增加反应器的容积增加脱硫效率。

但是，由于增加这些环境设施导致锅炉的压力损失增加，因此必须增加锅炉鼓风机的能力或减少锅炉的负载。而且，由于老化导致环境设施的退化，通过减少负载而操作锅炉的情况越来越多以符合环境法规。

近来，随着煤的质量已经下降，已经增加了供应至锅炉的空气量以增加锅炉中煤的燃烧效率。但是，在这种情况下，增加了废气量，并且环境设施难以处理增加的废气量。因此，存在减少锅炉的负载以降低废气量的情况。

另一方面，存在这样的情况，由于能量缺乏，发电设施以高于锅炉的设计能力的输出而被操作。在这种情况下，加速了对环境设施的损害，并且由于对环境设施的主设备的损害，锅炉可能会突然停止。因此，需要通过抑制锅炉的废气量的增加来降低环境设施的负担。

发明内容

技术问题

本发明提供一种锅炉设施及其操作方法，能够减少锅炉的废气量而不引起锅炉输出的减少，从而能够通过减少环境设施的负担而最优地操作环境设施。

技术方案

根据本发明的实施例的锅炉设施包括锅炉、燃料管、风管、氧气供应器和控制单元。锅炉包括燃烧室，在燃烧室中安装燃烧器，燃料管供应燃料至燃烧器。风管将由鼓风机抽吸的空气供应至锅炉。氧气供应器包括连接至风管的氧气管和设置在氧气管中的流量控制器，且增加供应至锅炉的空气中的氧气率。控制单元设置小于用于燃烧燃料的参考空气量的空气量和待增加到空气的氧气量，并且根据设置的空气量和设置的氧气量控制鼓风机和流量控制器。设置的氧气量是以下氧气量中的任何一个：待供应至锅炉的氧气量，其中从燃烧室排出的废气总量变得与当供应参考空气量时排出的参考废气量相等；和待供应至锅炉的氧气量，其中锅炉的输出变得与当供应参考空气量时产生的输出相等。

热交换器可以安装在位于燃烧室的后端处的废气管中，风管可以经由热交换器连接至锅炉。热交换器可以从废气中回收废热并加热风管中的空气。氧气管可以连接至风管中的热交换器的前端或后端。

根据本发明的实施例的操作锅炉设施的方法包括两个步骤。在一个步骤中，控制单元设置待供应至锅炉的供应空气量，其中锅炉排放小于参考废气量的废气量，并且控制安装在风管中的鼓风机的输出以将设置的供应空气量供应至锅炉。在另一个步骤中，控制单元设置待供应至锅炉的氧气量，其中废气的总量变得与参考废气量相等，并且控制设置在氧气管中的流量控制器以进一步将设置的氧气量供应至风管。

热交换器可以安装在位于燃烧室的后端处的废气管中，风管可以经由热交换器连接至锅炉。热交换器可以从废气回收废热并加热待供应至锅炉的空气。氧气管可以连接至风管中的热交换器的前端，并且增加氧气的空气可以在热交换器中加热。

根据本发明的另一实施例的操作锅炉设施的方法包括两个步骤。在一个步骤中，控制单元设置待供应至锅炉的供应空气量，其中锅炉排放小于参考废气量的废气量，并且控制安装在风管中的鼓风机的输出以将设置的供应空气量供应至锅炉。在另一个步骤中，控制单元设置待供应至锅炉的氧气量，其中锅炉的输出变得与当供应参考空气量时产生的输出相等，并且控制设置在氧气管中的流量控制器以进一步将设置的氧气量供应至风管。

热交换器可以安装在位于燃烧室的后端处的废气管中，风管可以经由热交换器连接至锅炉。热交换器从废气回收废热并加热待供应至锅炉的空气。氧气管可以连接至风管中的热交换器的前端，并且增加氧气的空气在热交换器中加热。

有益效果

根据一个实施例，可以改善锅炉的输出而不增加燃烧室中的废气量。在这种情况下，能够平衡电力的供需而不增加环境设施的负担。根据另一实施例，可以降低燃烧室中废气量，同时保持锅炉的相同输出。这种情况下，可以提高脱硝设施的脱硝效率，抑制催化剂的退化现象，避免烟气再热器的阻塞，并且稳定操作脱硫设施。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的锅炉设施的构造图。

图2是根据本发明第二实施例的锅炉设施的构造图。

具体实施方式

在下文中，将会参照附图详细描述本发明的示例性实施例，对本发明所属领域的普通技术人员来说是显而易见的。本发明可具体体现为很多不同的形式而不被限制为本文中描述的实施例。

图1是根据本发明第一实施例的锅炉设施的构造图。

参照图1，第一实施例的锅炉设施100包括有燃烧室12的锅炉10，其中燃烧器11安装在燃烧室12中，和安装在燃烧室12后的环境设施以处理燃烧室12的废气。燃料通过燃料管21供应至燃烧器11，由鼓风机23抽吸的空气通过风管22供应至燃烧器11和燃烧室12。

锅炉10的燃料可以是矿物燃料，例如煤粉或重油。当燃料是煤粉时，可使用煤粉燃烧器。煤粉燃烧器将煤粉和空气注射到燃烧室12中，注射到燃烧室12中的煤粉以漂浮状态悬浮燃烧。煤粉燃烧器可以是具有低氮氧化物燃烧的低氮氧化物燃烧器。

锅炉10利用燃烧室12的热能产生蒸汽，蒸汽供应至蒸汽轮机(未示出)。从燃烧室12排出的废气包含污染物，当废气经过环境设施后污染物减少。

环境设施可以包括用于移除氮氧化物(NOx)的脱硝设施30，用于移除粉尘的静电除尘器40，和用于移除硫氧化物(SOx)的脱硫设施50。通过脱硝设施30，静电除尘器40和脱硫设施50已经将污染物移除的废气通过烟囱排放到大气。

脱硝设施30可以构造为为选择性催化还原装置。选择性催化还原单元将还原剂(氨，尿素等)注射到废气中以在催化剂上将氮氧化物转化为水和氮气。脱氮设施30的反应式如下：

4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O

静电除尘器40适合于大规模废气处理，此外可以额外设置袋式过滤器(未示出)来以混合的方式增强集尘效率。随着通过脱硝设施30的废气量增加，脱硝效率降低且催化器磨损现象变得更差。随着废气量的增加，静电除尘器40的效率也降低。

热交换器60可以安装在脱硝设施30和静电除尘器40之间的废气管中，风管22可以经由热交换器60连接至锅炉10。热交换器60从废气中回收废热以加热待供应至锅炉10的空气，从而增强锅炉10的燃烧效率。热交换器60可以称为空气预热器。

由于矿物燃料中的硫的燃烧，燃烧室12的废气包含大量的硫氧化物。通过利用石灰石的湿式工艺，脱硫设施50能移除硫氧化物，反应式如下。

CaCO₃+SO₂+1/2H₂O→CaSO₃·1/2H₂O+CO₂

在脱硫设施50中，废气的硫氧化物通过与石灰石的反应中和并转化成石膏，且石膏被回收以用于工业用途。环形除雾器52可以安装在脱硫设施50的反应器51的顶部。除雾器52防止反应器51内部的石膏浆流出反应器51。

如果多于除雾器52的设计允许量的废气通过除雾器52，废气的流量将超过除雾器52的设计临界流量，且大量的石膏浆可溢出安装在反应器51后的烟气再热器(或烟气换热器)53侧。在这种情况下，烟气再热器53被石膏浆堵住，烟气再热器53的堵塞导致废气管的压力上升。

进一步地，由于随着使用时间的增加，除雾器52的功能退化，石灰浆粘在环形边缘和与废气的通道的界面上。在这种情况下，由于废气集中在除雾器52的中心部分，除雾器52的中心部分的流量增加，且石灰浆可能溢出烟气再热器53侧。这时，如果废气量降低，是可能阻止石灰浆溢流的。

如上所述，随着锅炉10的废气量的增加，脱硝设施30和静电集尘器40的效率变低且脱硫设施50中可能发生异常。当这样的问题出现后，惯例地，已经有通过减少锅炉10的载荷降低废气量的方法处理。但是在这种情况下，发电设施的输出被降低。

第一实施例的锅炉设施包括氧气供应器70和控制单元80。氧气供应器70可以包括氧气存储部71，连接氧气存储部71和风管22的氧气管72，以及安装在氧气管72中的流量控制器73。氧气供应器70能使用液氧或氧气分离膜简单地产生氧气。

氧气管72可以连接至所有风管22之中的热交换器60的前部。在这种情况下，增加氧气的空气在热交换器60中加热，然后供应到锅炉10。

控制单元80控制鼓风机23和流量控制器73。具体地，控制单元80设置小于用于燃料燃烧的参考空气量的空气量，并降低鼓风机23的输出，以使得设置的空气量供应至锅炉10。这时，控制单元80设置燃烧所需的氧气量并控制流量控制器73将设置的氧气量供应至风管22。也就是说，控制单元80增加空气中的氧气率而不是降低待供应至锅炉10的空气的量。

用于燃料燃烧的参考空气量定义为用于燃料燃烧的理论空气量与过量空气量之和。理论空气量是根据燃料燃烧在理论上计算的以完全燃烧燃料。但是，如果只供应理论空气量，实际上是不完全燃烧。因此，在实际燃烧中，过量空气量被增加到理论空气量以供应比理论空气量更多的空气。

控制单元80的设置的空气量可以等于或稍微大于理论空气量。也就是说，控制单元80可以通过从参考空气量减去过量空气量或降低过量空气量来设置待供应到锅炉10的空气量。

即使当供应到锅炉10的空气量降低时，由于氧气供应器70供应了适当量的氧气，燃料的燃烧不会被阻碍，并且从燃烧室12排放的废气量不会增加。进一步，由于废气的流量在脱硝设施30或脱硫设施50中降低，能提高脱硝效率和脱硫效率。此外，可以有效避免脱硝催化器的磨损现象和热交换器60以及烟气再热器53的堵塞。

第一实施例的锅炉设施100能够增大锅炉10的输出，同时维持与供应参考空气量至锅炉10的废气量相同的废气量。或者，第一实施例的锅炉设施100能够降低废气量，同时维持锅炉10的输出与当供应参考空气量至锅炉10时相同。从燃烧室12排放的废气量是供应空气量的接近1.1倍。

图2是根据本发明第二实施例的锅炉设施的构造图。

参考图2，在第二实施例的锅炉设施200中，氧气管72可以连接至所有风管22之间的热交换器60的后端。也就是说，氧气管72可以连接至在热交换器60和锅炉10之间的风管22。在这种情况下，只有由鼓风机23抽吸的空气在通过热交换器60时被加热，氧气被直接供应至锅炉10。除了氧气供应器70的位置，第二实施例的锅炉设施200和第一实施例的锅炉设施的构造相同。

接下来，将描述根据第一实施例和第二实施例的操作锅炉设施(100,200)的操作方法。

如果由于夏季的冷负荷或冬季的热负荷电量供需困难，可以操作发电设施以获得比额定发电量更高的输出。但是，如果锅炉10和环境设施中没有设计余量，在这些设施中可能发生损坏或故障。在这种情况下，通过增大锅炉10的输出来操作锅炉设施100和200，同时维持与供应参考空气量至锅炉10时的废气量相同的废气量。

例如，当参考空气量输入到500MW燃煤发电厂时，产生的废气量通常为1,600,000Nm³/h(为方便起见，称为“参考废气量”)。当锅炉10的输出增加10％时，废气量也增加接近10％，使得在安装在燃烧室12后的环境设施上强加庞大的负载。

在这种情况下，控制单元80可以设置排放比参考废气量少的废气量(例如1,557,468Nm³/h)的空气量，并降低鼓风机23的输出，以使设置的空气量可以供应至锅炉10。同时，控制单元80可以设置氧气量(例如60,760kg/h)，其中，废气的总量变得与参考废气量相等，并且控制流量控制器73以使设置的氧气量可以进一步供应至风管22。

然后，来自燃烧室12的废气的总量是1,600,000Nm³/h，能够将锅炉10的输出提高接近10％，同时维持锅炉10的设计标准。空气的氧气率从21％增大到23.1％。由于废气量是供应空气量的接近1.1倍，控制单元80可以通过利用该关系设置与目标废气量对应的供应空气量。

作为另一个示例，控制单元80可以设置排放比参考废气量少的废气量(例如1,515,200Nm³/h)的空气量，并减少鼓风机23的输出，以使设置的空气量供应至锅炉10。同时，控制单元80可以设置氧气量(例如121,440kg/h)，其中，废气的总量变得与参考废气量相等，并且可以控制流量控制器73以使设置的氧气量可以进一步供应至风管22。

然后，来自燃烧室12的废气的总量是1,600,000Nm³/h，能够将锅炉10的输出提高接近20％，同时维持锅炉10的设计标准。空气的氧气率从21％增大到25％。众所周知的是，当空气的氧气率增大到25％时，节能效率约30％或更多，所以预期锅炉10的输出实际上增加超过20％。

根据上述方法，可以增加锅炉10的输出而不增加废气量。因此，能够平衡电力的供需而不增加环境设施的负担。

然后，随着安装在燃烧室12后的环境设施的运行时间增加，由于催化剂的污染和退化，催化剂的性能可能退化。在这种情况下，应该替换或再生催化剂，但是在运行期间替换和再生催化剂是困难的。此外，为了符合环境法规，最常见的操作是降低锅炉10的载荷。

但是，在这种情况下，不可避免地会降低锅炉10的输出，且由于废气的低温，脱硝设施30的催化剂易于更快地被污染，使得长远来看，脱硝设施30的稳定运行变得困难。在这种情况下，如此操作锅炉设施100和200，使得降低废气量同时维持锅炉10的输出与在供应参考空气量至锅炉10的情况下相同。

例如，在500MW燃煤发电厂中，控制单元89可以设置排放约1,360,000Nm³/h的空气量，比参考废气量低15％，且降低了鼓风机23的输出，使得设置的空气量可以供应至锅炉10。同时，控制单元80可设置氧气量(例如72,000kg/h)，其中锅炉10的输出变得与当输入参考空气量时产生的输出相等，并且控制流量控制器73以进一步供应设置的氧气量至风管22。

然后，实际的废气量是1,440,000Nm³/h，接近参考废气量的90％。废气的总量降低了接近10％，且锅炉10的输出能保持相同。

在一般的脱硝设施30中，当废气的量降低约10％时，脱硝效率增加约5％。随着供应空气量降低，氮氧化物的量也降低，使得脱硝设施30的入口处的氮氧化物的浓度降低。进一步地，由于废气量降低，从燃烧室12排出的废气的温度升高。因此，由于脱硝设施30的入口温度升高，可以抑制催化剂的性能退化。

另一方面，当安装在脱硝设施30后的热交换器60被硫酸铵等堵塞时，压力损失增加并且锅炉的运行变得困难。但是，当通过这些设施的废气量被上述方法减少时，能够操作脱硝设施30而不减少锅炉的输出。

此外，由于除雾器52设置在脱硫设施50的反应器51的上部，可以避免来自反应器51的石膏浆流至烟气再热器53侧。但是，当由于除雾器52的退化或清洗装置的缺陷导致除雾器52的部分阻塞时，废气的流量可以局部地超过除雾器52的临界流量。在这种情况下，由于石膏浆流过烟气再热器53侧，可能发生烟气再热器53的阻塞。

即使在这种情况下，使用本实施例的方法，能够降低通过脱硫设施50的废气量而不减少锅炉10的输出。然后，除雾器52中的废气的流量能够保持低于设计流量，并且能够有效地防止石膏浆溢出反应器51。

尽管已经参考本发明的示例性实施例部分地示出和描述了本发明，可以理解的是，本发明不限于所公开的示例性实施例，并且在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以做出各种改变和变型。

Claims (9)

1.一种锅炉设施，包括：

锅炉，所述锅炉具有燃烧室，在所述燃烧室中安装燃烧器；

燃料管，所述燃料管用于供应燃料至所述燃烧器；

风管，所述风管用于将由鼓风机抽吸的空气供应至所述锅炉；

氧气供应器，所述氧气供应器包括连接至所述风管的氧气管，和设置在氧气管中的流量控制器，以增加供应至所述锅炉的空气中的氧气率；和

控制单元，所述控制单元用于设置小于用于燃烧燃料的参考空气量的空气量和待增加到空气的氧气量，并且用于根据设置的空气量和设置的氧气量控制所述鼓风机和所述流量控制器，其中

所述设置的氧气量是以下氧气量中的任何一个：待供应至所述锅炉的氧气量，其中从所述燃烧室排出的废气总量变得与当供应所述参考空气量时排出的参考废气量相等；和待供应至所述锅炉的氧气量，其中所述锅炉的输出变得与当供应所述参考空气量时产生的输出相等。

2.根据权利要求1所述的锅炉设施，其中

热交换器安装在位于所述燃烧室的后端处的废气管中，所述风管经由所述热交换器连接至所述锅炉；和

所述热交换器从废气中回收废热并加热所述风管中的空气。

3.根据权利要求2所述的锅炉设施，其中

所述氧气管连接至所述风管中的所述热交换器的前端或后端。

4.一种操作锅炉设施的方法，所述锅炉设施包括锅炉，连接至所述锅炉的燃料管和风管，连接至所述风管的氧气管，和用于控制空气和氧气的供应的控制单元，所述方法包括：

所述控制单元设置待供应至所述锅炉的供应空气量的步骤，其中所述锅炉排放小于参考废气量的废气量，并且控制安装在所述风管中的鼓风机的输出以将设置的供应空气量供应至所述锅炉；和

所述控制单元设置待供应至所述锅炉的氧气量的步骤，其中废气的总量变得与参考废气量相等，并且控制设置在所述氧气管中的流量控制器以进一步将设置的氧气量供应至所述风管。

5.根据权利要求4所述的方法，其中

热交换器安装在位于所述燃烧室的后端处的废气管中，所述风管经由所述热交换器连接至所述锅炉；和

所述热交换器从废气回收废热并加热待供应至所述锅炉的空气。

6.根据权利要求5所述的方法，其中

所述氧气管连接至所述风管中的所述热交换器的前端，并且增加氧气的空气在所述热交换器中加热。

7.一种操作锅炉设施的方法，所述锅炉设施包括锅炉，连接至所述锅炉的燃料管和风管，连接至所述风管的氧气管，和用于控制空气和氧气的供应的控制单元，所述方法包括：

所述控制单元设置待供应至所述锅炉的供应空气量的步骤，其中所述锅炉排放小于参考废气量的废气量，并且控制安装在所述风管中的鼓风机的输出以将设置的供应空气量供应至所述锅炉；和

所述控制单元设置待供应至所述锅炉的氧气量的步骤，其中所述锅炉的输出变得与当供应参考空气量时产生的输出相等，并且控制设置在所述氧气管中的流量控制器以进一步将设置的氧气量供应至所述风管。

8.根据权利要求7所述的方法，其中

热交换器安装在位于所述燃烧室的后端处的废气管中，所述风管经由所述热交换器连接至所述锅炉；和

所述热交换器从废气回收废热并加热待供应至所述锅炉的空气。

9.根据权利要求8所述的方法，其中

所述氧气管连接至所述风管中的所述热交换器的前端，并且增加氧气的空气在所述热交换器中加热。