CN110094725B - 一种燃煤发电机组超低氮燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种燃煤发电机组超低氮燃烧方法，其特点是，包括：设置燃煤锅炉煤粉可控高温预热解装置；设置热解风粉气固分离装置：设置燃煤锅炉煤粉可控高温预热解温度控制系统和设置燃煤锅炉超低氮燃烧控制系统等内容：突破了现有燃煤锅炉NO_x排放无法大幅度降低的技术瓶颈，能够满足不同煤种、不同出力、不同工况下稳定、可靠、安全工作，其方法科学合理，适用性强，效果佳，能够降低燃煤发电机组对环境的污染，实现煤炭的清洁高效利用。

Description

一种燃煤发电机组超低氮燃烧方法

技术领域

本发明涉及燃煤发电机组，是一种燃煤发电机组超低氮燃烧方法。

背景技术

煤炭资源仍为当今世界的主体能源，燃煤发电机组以其可控、稳定、安全等优势，在未来相当长的一段时间仍将占据发电系统的主体地位。燃煤发电机组带来的主要问题是燃烧过程污染物的排放，其主要污染物为NO_x。燃煤发电机组NO_x的排放量很大程度取决于锅炉的燃烧方法，因此，燃煤发电机组急需实现超低氮燃烧。

目前，大部分燃煤发电机组低氮燃烧方法很难实现低NO_x排放，同时，对于锅炉燃烧煤种、燃烧过程控制、燃烧负荷等提出更高的要求，此外，部分低氮燃烧方法相对复杂，难以实现工程应用。针对燃煤发电机组超低氮燃烧，还没有一套完整、有效、通用的方法。

发明内容

本发明的目的是，针对现有技术存在的问题，结合锅炉原理、燃烧学、传热学、热工自动控制等多学科知识，深入剖析煤粉燃烧NO_x生成机理，考虑燃烧过程安全性、可控性、经济性等影响因素，提供一种科学合理，适用性强，效果佳，能够大幅度降低锅炉燃烧过程NO_x排放量，降低燃煤发电机组对环境的污染，实现煤炭的清洁高效利用的燃煤发电机组超低氮燃烧方法。

为实现本发明目的采用的技术方案是：一种燃煤发电机组超低氮燃烧方法，其特征是，

1)设置燃煤锅炉煤粉可控高温预热解装置：

在锅炉炉膛外部设置煤粉高温可控预热解装置，煤粉与一次风进入煤粉可控高温预热解装置，而后通过热解风粉气固分离装置进入炉膛；煤粉可控高温预热解装置内设有耐火层和保温隔热层；煤粉可控高温预热解装置启动运行时，由点火器点燃煤粉，部分一次风粉的燃烧所产生的热量用以热解煤粉和维持煤粉可控高温预热解装置内的高温热力平衡。其次，携带煤粉的一次风中的氧与部分煤粉进行燃烧反应，产生的热量将进入煤粉可控高温预热解装置的全部风粉混合物加热至900℃-1000℃，在缺氧含水情况下，高温热解煤粉会产生大量的氢、一氧化碳、甲烷，煤粉燃烧会将挥发份燃烧时生成的NO_x全部还原为N₂，最后，实现燃煤锅炉NO_x排放量的首次降低；

2)设置热解风粉气固分离装置：

在可控高温预热解装置与锅炉之间设置热解风粉气固分离装置，热解风粉气固分离装置利用重力分离的原理，将煤粉可控高温预热解装置高温预热解过程产生的含有氢、一氧化碳、甲烷气相物质分离一部分引入锅炉炉膛的还原反应区，气固两相流全部喷入锅炉炉膛的主燃区继续燃烧；

3)设置燃煤锅炉煤粉可控高温预热解温度控制系统：

煤粉可控高温预热解装置内部风粉的温度需要实现相对平稳的控制，需要将风粉混合物加热至900℃-1000℃，以实现预热解过程产生氢、一氧化碳、甲烷，采用结构分层优化控制方法，形成煤粉可控高温预热解温度的控制；

①按照煤粉可控高温预热解装置结构高度，安装多台热电偶，将煤粉可控高温预热解装置按照高度平均分为三个区域，在区域1四周均匀安装4台热电偶、在区域2四周均匀安装4台热电偶、在区域3四周均匀安装4台热电偶；

②计算煤粉可控高温预热解装置不同区域热电偶测得的平均温度，与设定值相比较得到的差值作为比例积分控制器的输入；

③将空气预热器出口部分烟气引流至送风风箱，并在引流管道设置烟气挡板。比例积分控制器的输出经过速率限制环节和阈值限制环节后，作为烟气挡板开度指令，通过调节引入煤粉可控高温预热解装置尾部烟气流量，实现煤粉可控高温预热解装置内部温度的调节；

④在煤粉可控高温预热解装置顶部安装喷水减温器，引入凝结水作为减温水源，比例积分控制器的输出，作为减温水流量的指令，当煤粉可控高温预热解装置内部温度超出阈值时，通过开启、调节减温水，降低煤粉可控高温预热解装置内部温度，防止温度过高；

4)设置燃煤锅炉超低氮燃烧控制系统：

燃煤锅炉超低氮燃烧控制系统基于煤粉在炉膛内部主燃区、还原区、燃尽区NO_x生成和还原机理，合理配置二次风和燃尽风，实现煤粉燃烧过程NO_x的二次降低，达到超低NO_x排放；

①通过煤粉可控高温预热解装置的风粉气固两相流通过气固分离器后，部分气相成分分离出来引入锅炉炉膛内的还原区，大量高温未完全燃烧的物质引入炉膛的主燃烧区；

②在通过二次配风进行主燃烧过程，此时过量空气系数小于1，由于煤粉中挥发分燃烧时生成的NO_x在预热解过程中被全部还原为N₂，在主燃烧过程中，由于煤粉所生成的NO_x再经过还原区进一步深度还原，能够使NO_x的浓度深度降低；

③引入燃尽风使未燃尽的CO完全燃烧，从而通过这种燃烧过程设计来实现NO_x的超低排放和高效燃烧的正向耦合，实现降低NO_x排放浓度，同时降低CO浓度的目标。

本发明一种燃煤发电机组超低氮燃烧方法的有益效果体现在：

1.深入剖析传统燃煤锅炉煤粉燃烧过程，即着火--燃烧--燃尽的三阶段。旨在降低NO_x的排放，将煤粉燃烧过程设计为点火燃烧--高温热解--气固分离--主燃烧--还原燃烧--燃尽燃烧过程。其中，点火燃烧--高温热解--气固分离三个阶段是在炉膛外的煤粉可控高温预热解装置中完成，主燃烧--还原燃烧--燃尽燃烧三个阶段是在炉膛内完成。实现了煤粉燃烧产生NO_x的二次还原，在进入炉膛之前，通过可控高温预热解装置实现了NO_x排放大幅降低；

2.本发明的一种燃煤发电机组超低氮燃烧方法，突破了现有燃煤锅炉NO_x排放无法大幅度降低的技术瓶颈，该方法能够满足不同煤种、不同出力、不同工况下稳定、可靠、安全工作，是一种具有实际应用价值的燃煤锅炉超低氮燃烧方法；

3.其方法科学合理，适用性强，效果佳，能够降低燃煤发电机组对环境的污染，实现煤炭的清洁高效利用。

附图说明

图1为一种燃煤发电机组超低氮燃烧方法所涉及的煤粉可控高温预热解装置结构框图；

图2为一种燃煤发电机组超低氮燃烧方法所涉及的煤粉可控高温预热解装置热电偶布置结构示意图；

图3为一种燃煤发电机组超低氮燃烧方法所涉及的煤粉可控高温预热解装置温度控制系统结构示意图；

图4为一种燃煤发电机组超低氮燃烧方法所涉及的锅炉燃烧系统结构示意图。

图中，1点火器，2煤粉可控预热解装置燃料燃烧本体，3煤粉可控预热解装置喷水减温器，4热解风粉气固分离装置，5热解风粉气固分离装置浓相输送管道，6热解风粉气固分离装置稀相输送管道，7锅炉炉膛，8锅炉二次风口a，9锅炉二次风口b，10锅炉炉膛底部，11脱硝装置，12空气预热器，13尾部引流烟气挡风板，14给粉装置，15空气预热器烟气引流管道，16风箱，17风机，18挡风板，19风箱出口管道，20锅炉脱硝装置进口部分，21空气预热器出口，22第一热电偶，23第二热电偶，24第三热电偶，25第四热电偶，26第五热电偶，27第六热电偶，28第七热电偶，29第八热电偶，30第九热电偶，31第十热电偶，32第十一热电偶，33第十二热电偶，34煤粉可控预热解装置，p1煤粉可控高温预热解装置触发喷水减温阀开启的温度设定值，p2煤粉可控高温预热解装置运行温度设定值，p3可控高温预热解装置尾部烟气引流烟气流量，p4煤粉煤粉可控高温预热解装置减温喷水流量，p5煤粉可控高温预热解装置内部燃料平均温度，p6-p9分别为煤粉可控高温预热解装置燃料燃烧本体按高度均匀划分的第1区域第一热电偶22、第二热电偶23、第三热电偶24、第四热电偶25对应的输出温度，p10-p13分别为煤粉可控高温预热解装置燃料燃烧本体按高度均匀划分的第2区域第五热电偶26、第六热电偶27、第七热电偶28、第八热电偶29对应的输出温度，p14-p17分别为煤粉可控高温预热解装置燃料燃烧本体按高度均匀划分的第3区域第九热电偶30、第十热电偶31、第十一热电偶32、第十二热电偶33对应的输出温度，35锅炉炉膛主燃区，36锅炉炉膛还原区，37锅炉炉膛燃尽区38第一比例微分控制器，39第二比例微分控制器，40第三比例微分控制器。

具体实施方式

以下结合图1-图4和具体实施例对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，本发明一种燃煤发电机组超低氮燃烧方法，在锅炉炉膛7外部安装煤粉可控高温预热解装置34，所述煤粉可控高温预热解装置34包括：点火器1，喷水减温汽3，煤粉可控高温预热解装置燃料燃烧本体2，热解风粉气固分离装置4。煤粉与一次风进入煤粉可控高温预热解装置34，而后通过热解风粉气固分离装置4进入锅炉炉膛7。煤粉可控高温预热解装置34启动运行时，由点火器1点燃煤粉，部分一次风粉的燃烧所产生的热量用以热解煤粉和维持煤粉可控高温预热解装置内的高温热力平衡。其次，携带煤粉的一次风中的氧与部分煤粉在煤粉可控高温预热解装置燃料燃烧本体2进行燃烧反应，产生的热量将进入煤粉可控高温预热解装置的全部风粉混合物加热至900℃-1000℃，在缺氧含水情况下，高温热解煤粉会产生大量的氢、一氧化碳、甲烷等还原物质，煤粉燃烧会将挥发份燃烧时生成的NO_x全部还原为N₂。最后，实现燃煤锅炉NO_x排放量的首次降低。在煤粉可控高温预热解装置34与锅炉之间设置热解风粉气固分离装置4。热解风粉气固分离装置4利用重力分离的原理，热解风粉气固分离器稀相输送管道6引入锅炉炉膛的还原反应区，将煤粉可控高温预热解装置34高温预热解过程产生的含有氢、一氧化碳、甲烷等气相物质分离一部分通过热解风粉气固分离装置浓相输送管道5全部喷入锅炉炉膛的主燃区继续燃烧。

参照图2，在煤粉可控高温预热解装置34外部安装热电偶，安装依据是按照预热解装置高度均匀划分为三个区域，在每个区域四周均匀安装四台热电偶。在第1个区域安装4台热电偶，即：第一热电偶22、第二热电偶23、第三热电偶24和第四热电偶25。第2个区域安装4台热电偶，即：第五热电偶26、第六热电偶27、第七热电偶28和第八热电偶29。第3个区域安装4台热电偶，即第九热电偶30、第十热电偶31、第十一热电偶32和第十二热电偶33。

参照图3，①计算预热解装置不同区域热电偶测得的平均温度p5，与可控高温预热解装置温度设定值p1相比较得到的差值作为第一比例积分控制器38的输入，通过调节尾部引流烟气挡风板13调节煤粉可控高温预热解装置尾部烟气引流烟气流量，进而调节可控高温预热解平均温度，使其运行过程平均温度保持在一定温度之间稳定运行。

②在煤粉可控高温预热解装置34顶部安装喷水减温器3，引入凝结水作为减温水源。煤粉可控高温预热解装置不同区域热电偶测得的平均温度p5与煤粉可控高温预热解装置触发喷水减温阀开启的温度设定值p2作差值，经过第二比例积分控制器39后经过喷水减温器3，调节减温水流量p4。当煤粉可控高温预热解装置内部温度超出阈值时，通过开启、调节减温水，降低装置内部温度，防止温度过高。

参照图4，燃煤锅炉超低氮燃烧控制系统基于煤粉在炉膛内部主燃区35、还原区36、燃尽区37内部NO_x生成和还原机理，合理配置二次风和燃尽风，实现煤粉燃烧过程NO_x的二次降低，达到超低NO_x排放的目的。

①通过煤粉可控高温预热解装置34的风粉气固两相流通过热解风粉气固分离装置4后，部分气相成分分离出来引入锅炉炉膛内的还原区36，大量高温未完全燃烧的物质引入炉膛的主燃烧区35。

②在通过二次配风进行主燃烧过程，此时过量空气系数小于1。由于煤粉中挥发分燃烧时生成的NO_x在预热解过程中被全部还原为N₂，在主燃烧过程中，由于其他固相所生成的NO_x再经过还原区进一步深度还原，可使NO_x的浓度深度降低。

③引入燃尽风使未燃尽的CO完全燃烧。从而通过这种燃烧过程设计来实现NO_x的超低排放和高效燃烧的正向耦合，达到不提高CO浓度的情况下使得NO_x浓度大幅度降低的目标。

本实施例的一种燃煤发电机组超低氮燃烧方法，以某600MW机组为例，其中，锅炉燃烧方式为四角切圆，汽轮发电机额定功率600MW。

第一步，根据本发明内容，在锅炉炉膛外部安装煤粉可控高温预热解装置，同时，引流空气预热器出口烟气温度作为煤粉可控高温预热解装置温度控制量。预热解装置竖直高度为9m，直径为1.2m。

第二步，在煤粉可控高温与热解装置1.5m高度四周均匀安装4台热电偶，在可控高温与热解装置4.5m高度四周均匀安装4台热电偶，在可控高温与热解装置7.5m高度四周均匀安装4台热电偶。

第三步，设定煤粉可控高温预热解装置运行温度为950℃，将16台热电偶测量得到温度取平均值后与设定温度做差值，差值通过比例积分后调节尾部烟气引流挡风板开度，以此实现尾部烟气引流流量的调节。

第三步，设定煤粉可控高温预热解装置喷水减温器开启临界温度为1200℃，将16台热电偶测量得到温度取平均值后与设定温度做差值，差值通过比例积分后调节煤粉可控高温预热解装置喷水减温器开度，以此调节进入煤粉可控高温预热解装置内减温水的流量。

第四步，在锅炉机组满负荷工况下，煤粉可控高温预热解装置开启运行，一次风粉进入煤粉可控高温预热解装置，当煤粉可控高温预热解装置达到一定的出力后，点火器可以停止工作，喷入的一次风粉实现自持反应。煤粉可控高温预热解装置利用重力分离的原理，将热解产生的含有氢、一氧化碳、甲烷等气相物质分离15％左右出来引入炉膛内的还原反应区。其它固气物质全部喷入主燃区继续燃烧。

最后，本发明方法将煤粉燃烧过程设计为点火燃烧--高温热解--气固分离--主燃烧--还原燃烧--燃尽燃烧过程。主燃烧--还原燃烧--燃尽燃烧三个阶段是在炉膛内完成。实现了煤粉燃烧产生NO_x的二次还原，在进入炉膛之前，通过可控高温预热解装置实现了NO_x排放大幅降低。突破了现存燃煤锅炉NO_x无法大幅度降低的技术瓶颈。在一定程度上有效降低了煤炭燃烧污染物的排放，提高了煤炭清洁利用效率。

以上所述仅是本发明的优选实施例，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种燃煤发电机组超低氮燃烧方法，其特征是，

1)设置燃煤锅炉煤粉可控高温预热解装置：

在锅炉炉膛外部设置煤粉高温可控预热解装置，煤粉与一次风进入煤粉可控高温预热解装置，而后通过热解风粉气固分离装置进入炉膛；煤粉可控高温预热解装置内设有耐火层和保温隔热层；煤粉可控高温预热解装置启动运行时，由点火器点燃煤粉，部分一次风粉的燃烧所产生的热量用以热解煤粉和维持煤粉可控高温预热解装置内的高温热力平衡，其次，携带煤粉的一次风中的氧与部分煤粉进行燃烧反应，产生的热量将进入煤粉可控高温预热解装置的全部风粉混合物加热至900℃-1000℃，在缺氧含水情况下，高温热解煤粉会产生大量的氢、一氧化碳、甲烷，煤粉燃烧会将挥发份燃烧时生成的NO_x全部还原为N₂，最后，实现燃煤锅炉NO_x排放量的首次降低；

2)设置热解风粉气固分离装置：

在可控高温预热解装置与锅炉之间设置热解风粉气固分离装置，热解风粉气固分离装置利用重力分离的原理，将煤粉可控高温预热解装置高温预热解过程产生的含有氢、一氧化碳、甲烷气相物质分离一部分引入锅炉炉膛的还原反应区，气固两相流全部喷入锅炉炉膛的主燃区继续燃烧；

3)设置燃煤锅炉煤粉可控高温预热解温度控制系统：

煤粉可控高温预热解装置内部风粉的温度需要实现相对平稳的控制，需要将风粉混合物加热至900℃-1000℃，以实现预热解过程产生大量的氢、一氧化碳、甲烷，采用结构分层优化控制方法，形成煤粉可控高温预热解温度的控制；

①按照煤粉可控高温预热解装置结构高度，安装多台热电偶，将煤粉可控高温预热解装置按照高度平均分为三个区域，在区域1四周均匀安装4台热电偶、在区域2四周均匀安装4台热电偶、在区域3四周均匀安装4台热电偶；

②计算煤粉可控高温预热解装置不同区域热电偶测得的平均温度，与设定值相比较得到的差值作为比例积分控制器的输入；

③将空气预热器出口部分烟气引流至送风风箱，并在引流管道设置烟气挡板，比例积分控制器的输出经过速率限制环节和阈值限制环节后，作为烟气挡板开度指令，通过调节引入煤粉可控高温预热解装置尾部烟气流量，实现煤粉可控高温预热解装置内部温度的调节；

④在煤粉可控高温预热解装置顶部安装喷水减温器，引入凝结水作为减温水源，比例积分控制器的输出，作为减温水流量的指令，当煤粉可控高温预热解装置内部温度超出阈值时，通过开启、调节减温水，降低煤粉可控高温预热解装置内部温度，防止温度过高；

4)设置燃煤锅炉超低氮燃烧控制系统：

燃煤锅炉超低氮燃烧控制系统基于煤粉在炉膛内部主燃区、还原区、燃尽区NO_x生成和还原机理，合理配置二次风和燃尽风，实现煤粉燃烧过程NO_x的二次降低，达到超低NO_x排放；

①通过煤粉可控高温预热解装置的风粉气固两相流通过气固分离器后，部分气相成分分离出来引入锅炉炉膛内的还原区，大量高温未完全燃烧的物质引入炉膛的主燃烧区；

②在通过二次配风进行主燃烧过程，此时过量空气系数小于1，由于煤粉中挥发分燃烧时生成的NO_x在预热解过程中被全部还原为N₂，在主燃烧过程中，由于煤粉所生成的NO_x再经过还原区进一步深度还原，能够使NO_x的浓度深度降低；

③引入燃尽风使未燃尽的CO完全燃烧，从而通过这种燃烧过程设计来实现NO_x的超低排放和高效燃烧的正向耦合，实现降低NO_x排放浓度，同时降低CO浓度的目标。

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