CN109931597B

CN109931597B - 一种燃料分级气化及低nox燃烧锅炉

Info

Publication number: CN109931597B
Application number: CN201811384967.9A
Authority: CN
Inventors: 牛艳青; 李帅飞
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Ningxia Xingjian boiler and vessel Co.,Ltd.
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2020-01-21
Anticipated expiration: 2038-11-20
Also published as: CN109931597A

Abstract

一种燃料分级气化及低NO_X燃烧锅炉，包括气化炉膛，气化炉膛内壁设有耐火层，一次燃料喷口、二次燃料喷口按四角布置切圆燃烧方式分层间隔布置在气化炉膛四角，气化炉膛和燃烧炉膛通过变径烟气通道上下连接，二次风喷口和SOFA喷口分层间隔布置于燃烧炉膛壁面，上集箱位于锅炉顶部，下集箱呈环状布置在变径烟气通道外部，燃烧炉膛内壁设有水冷壁，连通上、下集箱。一次煤粉在过量空气系数小于1的气化炉膛内发生气化析出大量还原性气体，二次煤粉进入气化炉膛并与还原性气体混合后再次发生气化，随后还原性气体进入燃烧炉膛，在二次风和SOFA的作用下分级低温低氧燃烧，所述锅炉燃烧装置从下往上依次形成主气化区、次气化区、还原燃烧区、燃尽区。

Description

一种燃料分级气化及低NOX燃烧锅炉

技术领域

本发明涉及热能与动力工程技术、燃烧气化及环保技术领域，特别涉及一种燃料分级气化及低NO_X燃烧锅炉。

背景技术

NO_X是造成近年来大规模雾霾的元凶之一，此外NO_X还会诱发光化学烟雾、酸雨等一系列环境问题，而燃煤锅炉又是我国NO_X排放的最主要来源之一。由于经济的快速增长，我国燃煤锅炉的氮氧化物排放量一直保持较高的水平，火电NO_X排放约占全国NO_X总排放量的35-40％，给我们的生存环境带来巨大的威胁。为此，国家《煤电节能减排升级与改造行动计划》提出，我国东部、中部与西部地区新建燃煤发电机组NOx排放浓度应分别基本达到、原则上接近或达到、鼓励达到燃气轮机组排放限值(即基准氧含量6％时，NO_x排放浓度不高于50mg/m³)。

在煤粉燃烧过程中产生的氮氧化物主要有两种来源，一种是在燃料燃烧过程中，含氮化合物被氧化生成一部分氮氧化物；另一种是在燃烧过程中高温空气中的氮气和氧气会发生氧化反应生成氮氧化物，煤粉燃烧过程中产生的NOx主要有NO和NO₂。目前常用的氮氧化物的控制技术主要有以下三类：第一类是选择含氮量较低的燃料或者使用洗煤等手段在燃料燃烧前将燃料中的氮进行脱除；第二类是在燃料燃烧过程中通过改变燃烧条件或者使用一些先进技术来控制NOx排放的技术；第三类是在燃料燃烧后，使用SNCR与SCR脱硝技术手段，对燃烧产生的烟气进行处理。其中低NOx燃烧技术是最经济的方式，其使煤粉在燃烧过程中首先在低氧环境下发生热解气化，析出大量的还原性气体并生成半焦，随后尽可能在低温低氧环境下燃尽，使得过量空气系数能够小于并接近理论所需数值，环境中较少的O₂能够抑制NOx 的生成。

目前现有大型电站煤粉锅炉的低氮燃烧技术改造是根据氮氧化物的生成机理，在整个锅炉的空间内进行燃料分级、空气分级，来降低煤粉燃烧过程中氮氧化物的生成量。使炉膛形成主要燃烧区，还原区和燃尽区，其燃烧系统中煤粉的热解过程发生的燃烧器喷口附近极小的区域内，煤粉热解还未完全完成就进入燃烧区燃烧，还原性气体CO、CH₄、H₂、HCN、NH₃等较少，NO_X排放量增加，并且由于还原性气体的减少被还原的NO_X较少，不能充分减少烟气中NO_X的含量。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种燃料分级气化及低NO_X燃烧锅炉，通过煤粉分级气化、强化煤粉热解气化以及多级低温低氧燃烧以减少煤粉在燃烧过程中产生的NO_X。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种燃料分级气化及低NO_X燃烧锅炉，包括气化炉膛4，气化炉膛4内部设置有一次燃料喷口1和二次燃料喷口3，所述的气化炉膛4上部为燃烧炉膛8，气化炉膛4与燃烧炉膛8之间通过变径烟气通道6相连通，燃烧炉膛8内壁分层间隔布置有二次风喷口7和SOFA喷口9，所述的燃烧炉膛8设置有水冷壁10，燃烧炉膛8 顶部设置有上集箱12，变径烟气通道6外部布置有下集箱5，燃烧炉膛8末端尾部设置有烟道11。

所述的一次燃料喷口1和二次燃料喷口3均按照四角布置切圆方式布置在气化炉膛4四角。

所述的一次燃料喷口1包括冷却水管13、煤粉管14、挡板15、煤粉隔板16、冷却水隔板20、冷却水进口17、冷却水出口18、煤粉浓淡分离器19。煤粉管14安装在冷却水管13内部，形成环形的冷却水通道，冷却水隔板20沿垂直方向将冷却水通道分为上、下两层，冷却水经冷却水进口17进入下层通道并向尾部流动，随后进入上层通道最后经冷却水出口18流出。在冷却水管13内壁以及煤粉管14外壁间隔布置有环形的挡板15，煤粉隔板16将煤粉管道分为浓、淡煤粉管道，煤粉浓淡分离器19设置在煤粉管14右端。

所述的气化炉膛4内壁设置有耐火层2。

所述的变径烟气通道6呈沙漏状，上、下两端面直径大，中部直径较小。

所述的二次风喷口7和SOFA喷口9均按照四角布置切圆方式布置在燃烧炉膛8 四角。

所述的一次燃料喷口1喷入炉膛内的煤粉约占煤粉总量的85-90％，过量空气系数为α，0.20<α<0.50。

所述的二次燃料喷口3喷入炉膛内的煤粉约占煤粉总量的10-15％，过量空气系数为α，0.20<α<0.30。

所述的通过二次风喷口7的空气量，还原燃烧区处过量空气系数为α，0.7<α<0.9。

所述的通过SOFA喷口9风量，燃尽区处过量空气系数为α，1.02<α<1.1。

所述的下集箱5呈环状。

所述的燃烧炉膛8内壁设置有水冷壁10。

所述的二次风喷口7以及SOFA喷口9分层间隔布置于燃烧炉膛8内壁。

本发明的有益效果：

本发明提出一种燃料分级气化的低NO_X的锅炉装置，一次煤粉与适量的空气混合后通过一次燃料喷口1喷入主气化区，煤粉在过量空气系数小于1的主气化区发生热解气化，由于主气化区氧气含量较低，煤粉气化析出大量的还原性气体(CO、CH₄、 H₂、HCN、NH₃)并生成半焦。剩余煤粉通过二次燃料喷口3喷入气化炉膛4，并与主气化区产生的还原气以及半焦混合后在次气化区内发生二次气化析出大量的还原性气体。燃料中的大部分氮元素在低氧环境下生成N₂、NH₃等气体，气化过程中NO_X的生成量大大减小；同时在次气化区还原性气体以及煤粉会将部分NO_X还原为N₂，进一步降低烟气中NO_X的含量。还原性气体以及半焦通过变径烟气通道6后进入燃烧炉膛 8的还原燃烧区，保证还原燃烧区内的过量空气系数小于1，同时燃烧炉膛8内壁设置有水冷壁10，吸收热量以降低炉膛温度，实现燃料在还原燃烧区的低温低氧燃烧，减少燃烧过程中NO_X的生成。同时，燃烧还原区内大量的还原性气体在还原性气氛下将烟气中的一部分NO_X还原为N₂，烟气中的NO_X含量进一步降低，未完全燃烧的还原性气体和半焦在过量空气系数大于1的燃尽区和SOFA充分混合后，在低温条件下充分燃烧，提高煤粉的燃烧效率并减少NO_X的生成。

本发明所述的一次燃料喷口为设有水冷套管的浓淡煤粉分离燃烧喷嘴，一次煤粉经过燃烧喷嘴后分为水平浓淡两股煤粉气流，富(浓)煤粉气流煤粉浓度增加，煤粉的着火稳定性变好，有利于煤粉热解气化的进行；同时由于煤粉浓度增大，氧气含量减少，炉膛内的还原性气氛会抑制NO_X的生成。贫(淡)煤粉气流位于炉膛壁面侧，煤粉浓度减小，氧气含量增大，提高灰粒融化温度，防止炉膛壁面及燃烧喷嘴结渣；同时燃烧喷嘴还设有水冷套管，通过增加扰动破坏层流边界层及延长冷却水的行程来强化传热，保证燃烧喷嘴在高温炉膛中安全、高效运行。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是一次燃料喷口结构示意图。

图3是一次燃料喷口A-A截面图。

图4是一次燃料喷口B-B截面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示：所述气化炉膛4内壁设置有耐火层2，防止气化炉膛4内部温度过低，保证煤粉热解气化顺利进行，析出大量的还原气并抑制NO_X的产生。

所述锅炉气化装置在工作过程中，85-90％的煤粉通过一次燃料喷口1喷入气化炉膛4，在炉内形成旋流，强化气体扰动并形成一个较好的空气动力场，此时在气化炉膛4内部形成主气化区。控制风量保证主气化区内的过量空气系数α在0.2-0.5之间，保证煤粉在主气化区的低氧环境下发生热解气化同时能够产生足够的热量维持反应的进行，煤粉气化析出大量还原性气体CO、CH₄、H₂、HCN、NH₃等并同时产生半焦。剩余煤粉通过二次燃料喷口3喷入气化炉膛4与主气化区产生的还原性气体以及半焦混合后在次气化区内发生二次气化，控制风量保证次气化区内的过量空气系数α在0.2-0.3之间。主气化区的高温煤气会对次气化区内煤粉气流加热并迅速提高次气化区内的温度，促进二次气化进行并析出更多的还原性气体，煤粉的分级气化大大增加了煤粉在气化炉膛4内停留的时间，保证煤粉充分气化。煤粉的两次气化均发生在过量空气系数0.2-0.5的情况下，燃料中的大部分氮元素在低氧环境下生成N₂、NH₃等气体，气化过程中NO_X的生成量大大减小，同时在二次气化区还原性气体以及煤粉会将部分NO_X化物还原为N₂，进一步降低烟气中NO_X的含量。

变径烟气通道6位于锅炉锅炉中下部，上下连接燃烧炉膛8和气化炉膛4，所述变径烟气通道6呈沙漏状，上下两端面直径大，中部直径较小。煤粉在气化炉膛4 内热解产生的还原性气体以及半焦在通过变径烟气通道时，气化炉膛4壁面处的还原气以及半焦在上升过程中受到阻碍后形成回流，气化炉膛4内部的气体扰动增加，形成较好的空气动力场，且其在气化炉膛4内部停留时间增加，保证煤粉热解气化充分，尽可能多的析出CO、CH₄、H₂、HCN、NH₃等还原性气体并抑制NO_X的产生。

煤粉在气化炉膛4内热解气化产生的还原气以及半焦通过变径烟气通道6进入燃烧炉膛8后进行多级低温低氧燃烧。所述燃烧炉膛8内壁设置有水冷壁10，吸收煤气燃烧放出的热量以降低炉膛温度，以减少燃烧过程中热力型NOX的生成。二次风喷口7以及SOFA喷口9分层间隔布置于燃烧炉膛8内壁，适量的二次风通过二次风喷口7进入燃烧炉膛8并降低燃烧温度，炉膛内的过量空气系数为α，0.7<α<0.9。此时二次风与进入燃烧炉膛8的还原性气体以及半焦在燃烧还原区内混合后低温低氧燃烧，燃烧还原区内大量的还原性气体在还原性气氛下将烟气中的一部分NO_X还原为N₂，烟气中的NO_X含量进一步降低。SOFA通过SOFA喷口9进入燃烧炉膛8 以降低炉膛温度，炉膛内的过量空气系数为α，1.02<α<1.1，由于燃烧还原区是处于微缺氧环境下(即还原性气氛)燃烧的，过量空气系数是小于1，未完全燃烧的还原性气体和半焦在燃尽区和SOFA充分混合后在燃尽区的低温环境下充分燃烧，提高煤粉的燃烧效率并减少NO_X的生成。

如图2、图3、图4所示，所述的一次燃料喷口1为浓淡煤粉燃烧喷嘴，煤粉浓淡分离器19布置于煤粉管14右端，一次煤粉进入燃烧喷嘴，经过浓淡煤粉分离器 19后分为浓、淡两股煤粉气流喷入气化炉膛4，在保证煤粉总量不变的情况下提高煤粉着火时的浓度，反应速度加快，煤粉气流的着火气化稳定性变好，同时煤粉浓度增大还能降低NO_X的生成；

燃烧喷嘴设有水冷套管，煤粉管14设置于冷却水管13内部形成环形的冷却水通道，冷却水隔板20将冷却水通道分为上下两层，冷却水经冷却水进口17进入下层通道并向尾部流动，随后进入上层通道最后经冷却水出口18流出，大大提高了冷却水的行程，同时在冷却水通道内壁还间隔设置有挡板15，增强扰动，破坏冷却水的层流流动边界层，有效提高传热效率。在煤粉的气化过程中，炉膛内部温度过高，所述冷却水套管能够有效的降低在炉膛内部的喷嘴的温度，防止高温辐射、热气流以及高温熔渣对喷嘴的热损坏，保证煤粉喷嘴长期安全、有效的运行。

本发明的工作原理：

一种燃料分级气化及低NO_X锅炉燃烧装置，包括一次燃料喷口1、二次燃料喷口3、耐火层2、气化炉膛4、下集箱5、水冷壁10、变径烟气通道6、燃烧炉膛8、二次风喷口7、SOFA(远距离燃尽风)喷口9、上集箱12、烟道11；所述气化炉膛 4内壁设置有耐火层2，一次燃料喷口1、二次燃料喷口3均有4个，按照四角布置切圆燃烧方式上、下布置在气化炉膛4四角。气化炉膛4和燃烧炉膛8通过变径烟气通道6上下连接，二次风喷口7和SOFA喷口9分层间隔布置于燃烧炉膛8内壁。燃烧炉膛8设置有水冷系统，上集箱12位于锅炉顶部，下集箱5呈环状，布置在变径烟气通道6外部，燃烧炉膛8内壁设置有水冷壁10，连通上、下集箱，烟道11位于整个燃烧系统尾部。在气化炉膛4以及燃烧炉膛8中依次形成主气化区、次气化区、还原燃烧区、燃尽区。

85-90％的煤粉与适量的空气混合后通过一次燃料喷口1喷入主气化区，保证主气化区内的过量空气系数为α在0.2-0.5之间。煤粉在主气化区发生热解气化，由于主气化区氧气含量较低，煤粉气化析出大量的还原性气体(CO、CH₄、H₂、HCN、 NH₃)并生成半焦。剩余煤粉通过二次燃料喷口3喷入气化炉膛4与主气化区产生的还原气以及半焦混合后在次气化区内发生二次气化并析出大量的还原性气体。控制风量保证次气化区内的过量空气系数α在0.2-0.3之间，煤粉的两次气化均发生在过量空气系数α在0.2-0.5的情况下，燃料中的大部分氮元素在低氧环境下生成N₂、NH₃等气体，气化过程中NO_X的生成量大大减小。同时在次气化区还原性气体以及煤粉会将部分NO_X还原为N₂，进一步降低烟气中NO_X的含量。随后还原性气体以及半焦在通过变径烟气通道6时，气化炉膛4壁面处的还原气以及半焦在上升过程中受到阻碍后形成回流，其在气化炉膛4内部停留时间增加，保证煤粉热解充分，尽可能多的析出CO、CH₄、H₂、HCN、NH₃等还原性气体并抑制NO_X的产生。还原性气体以及半焦通过变径烟气通道6后进入燃烧炉膛8的还原燃烧区，适量的二次风通过二次风喷口7进入燃烧炉膛8，保证炉膛内的过量空气系数小于1，同时燃烧炉膛8 内壁设置有水冷壁10，吸收煤气燃烧放出的热量以降低炉膛温度，实现燃料在炉膛内部低温低氧燃烧，减少燃烧过程中NOX的生成，同时燃烧还原区内大量的还原性气体在还原性气氛下将烟气中的一部分NO_X还原为N₂，烟气中的NO_X含量进一步降低。SOFA通过SOFA喷口9进入燃烧炉膛8，使炉膛上部过量空气系数大于1，未完全燃烧的还原性气体和半焦在燃尽区和SOFA充分混合后在燃尽区的低温环境下充分燃烧，提高煤粉的燃烧效率并减少NO_X的生成。

一次燃料喷口1为浓淡煤粉燃烧喷嘴，煤粉浓淡分离器19布置于煤粉管14右端，一次煤粉进入燃烧喷嘴，在离心力的作用下，浓淡煤粉分离器19将一次煤粉分为浓、淡两股煤粉气流喷入气化炉膛4。浓(富)煤粉气流位于向火侧，煤粉浓度增大反应速度加快，煤粉气流的着火气化稳定性变好，同时向火侧煤粉浓度增大，氧气含量降低，炉膛处于还原性气氛下，抑制气化过程中NO_X的生成，淡(贫)煤粉气流位于背火侧，即炉膛内壁一侧，使煤粉浓度降低，氧浓度增大，提高灰粒熔化温度，防止炉膛及喷嘴处结渣。

一次燃料喷口1设有水冷套管，煤粉管14设置于冷却水管13内部形成环形的冷却水通道，冷却水隔板20将冷却水通道分为上下两层，冷却水经冷却水进口17 进入下层通道并向尾部流动，随后进入上层通道最后经冷却水出口18流出，大大提高了冷却水的行程。同时在冷却水内壁还间隔设置有挡板15，增强扰动，破坏冷却水的层流流动边界层，提高传热效率。在煤粉的气化过程中，炉膛内部温度过高，所述冷却水套管能够有效的降低在炉膛内部的喷嘴的温度，防止高温辐射、热气流以及高温熔渣对喷嘴的热损坏，保证煤粉喷嘴长期安全、有效的运行。

Claims

1.一种燃料分级气化及低NO_X燃烧锅炉，其特征在于，包括气化炉膛(4)，气化炉膛(4)内部设置有一次燃料喷口(1)和二次燃料喷口(3)，所述的气化炉膛(4)上部为燃烧炉膛(8)，气化炉膛(4)与燃烧炉膛(8)之间通过变径烟气通道(6)相连通，燃烧炉膛(8)内壁分层间隔布置有二次风喷口(7)和SOFA喷口(9)，所述的燃烧炉膛(8)设置有水冷壁(10)，燃烧炉膛(8)顶部设置有上集箱(12)，变径烟气通道(6)外部布置有下集箱(5)，燃烧炉膛(8)末端尾部设置有烟道(11)。

2.根据权利要求1所述的一种燃料分级气化及低NO_X燃烧锅炉，其特征在于，所述的一次燃料喷口(1)和二次燃料喷口(3)均按照四角布置切圆方式布置在气化炉膛(4)四角。

3.根据权利要求2所述的一种燃料分级气化及低NO_X燃烧锅炉，其特征在于，所述的一次燃料喷口(1)包括冷却水管(13)、煤粉管(14)、挡板(15)、煤粉隔板(16)、冷却水隔板(20)、冷却水进口(17)、冷却水出口(18)、煤粉浓淡分离器(19)，煤粉管(14)安装在冷却水管(13)内部，形成环形的冷却水通道，冷却水隔板(20)沿垂直方向将冷却水通道分为上、下两层，冷却水经冷却水进口(17)进入下层通道并向尾部流动，随后进入上层通道最后经冷却水出口(18)流出，在冷却水管(13)内壁以及煤粉管(14)外壁间隔布置有环形的挡板(15)，煤粉隔板(16)将煤粉管道分为浓、淡煤粉管道，煤粉浓淡分离器(19)设置在煤粉管(14)右端。

4.根据权利要求1所述的一种燃料分级气化及低NO_X燃烧锅炉，其特征在于，所述的气化炉膛(4)内壁设置有耐火层(2)。

5.根据权利要求1所述的一种燃料分级气化及低NO_X燃烧锅炉，其特征在于，所述的变径烟气通道(6)呈沙漏状，上、下两端面直径大，中部直径较小。

6.根据权利要求1所述的一种燃料分级气化及低NO_X燃烧锅炉，其特征在于，所述的二次风喷口(7)和SOFA喷口(9)均按照四角布置切圆方式布置在燃烧炉膛(8)四角。

7.根据权利要求1所述的一种燃料分级气化及低NO_X燃烧锅炉，其特征在于，所述的一次燃料喷口(1)喷入炉膛内的煤粉占煤粉总量的85-90％，过量空气系数为α，0.20<α<0.50。

8.根据权利要求1所述的一种燃料分级气化及低NO_X燃烧锅炉，其特征在于，所述的二次燃料喷口(3)喷入炉膛内的煤粉占煤粉总量的10-15％，过量空气系数为α，0.20<α<0.30；

控制通过二次风喷口(7)进入炉膛的空气量，保证还原燃烧区处过量空气系数为α，0.7<α<0.9；

控制通过SOFA喷口(9)进入炉膛的空气量，保证燃尽区处过量空气系数为α，1.02<α<1.1。

9.根据权利要求1所述的一种燃料分级气化及低NO_X燃烧锅炉，其特征在于，所述的下集箱(5)呈环状。

10.根据权利要求1所述的一种燃料分级气化及低NO_X燃烧锅炉，其特征在于，所述的燃烧炉膛(8)内壁设置有水冷壁(10)；

所述的二次风喷口(7)以及SOFA喷口(9)分层间隔布置于燃烧炉膛(8)内壁。