CN110925749B - 实现固体燃料燃烧原始氮氧化物超低排放的解耦燃烧方法 - Google Patents

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Abstract

实现固体燃料燃烧原始氮氧化物超低排放的解耦燃烧方法，该方法通过固体燃料在低温贫氧条件下进行“部分热解”生成具有再燃脱硝能力最大的焦油成分用于高效还原燃烧产生的氮氧化物。通过部分热解‑完全热解、焦炭还原和焦油再燃脱硝，固体燃料燃烧的原始氮氧化物排放浓度满足小于50 mg/Nm3的超低排放指标。本发明不使用烟气脱硝，尤其是氨水、尿素等氨基还原剂，不存在“氨逃逸”，水溶性铵盐、PM2.5排放和设备腐蚀等问题。本发明可用于新型固体燃料燃烧设备，包括循环流化床锅炉、煤粉燃烧锅炉、层燃锅炉、民用炉具的设计，也可用于已有固体燃烧设备的超低排放技术改造。

Description

实现固体燃料燃烧原始氮氧化物超低排放的解耦燃烧方法
技术领域
本发明涉及一种固体燃料的燃烧方法，特别是涉及一种实现原始氮氧化物超低排放的解耦燃烧方法。具体地说是基于解耦燃烧技术，利用焦油再燃脱硝和焦炭还原实现燃烧过程原始氮氧化物超低排放的方法。
背景技术
固体燃料（主要包括煤炭、生物质、有机固体废弃物等）燃烧是许多工业和民用过程获取热能（热水、蒸汽）和电力的重要方式，在其转化利用过程中占有重要地位。固体燃料的燃烧方式通常可分为层状燃烧、沸腾燃烧和悬浮燃烧。层状燃烧的典型方式为各种形式的炉排炉，沸腾燃烧的典型方式为流化床锅炉，而悬浮燃烧主要包括循环流化床和煤粉燃烧锅炉。各种燃烧方式根据燃料特性和用途，可以有不同的设计特征，但均在燃料适应性、燃烧效率和污染物生成与排放等方面存在一定的局限性。例如，作为中小供热锅炉广泛使用的链条排炉，虽然具有燃烧方式简单、投资小等特点，但普遍存在燃烧效率低、污染物排放浓度高的问题。在层燃炉排上，燃料燃烧时热释放集中、燃料层温度高、空气流动性差，锅炉效率低、氮氧化物排放平均400 mg/Nm3，最高达到900 mg/Nm3#1。循环流化床(CFB) 锅炉，作为一种高效、低污染清洁燃烧技术，在热电行业中，尤其是劣质燃料（如煤矸石、煤泥、低热值燃料）的利用方面，得到了广泛应用和发展。由于燃烧温度相对较低，循环流化床锅炉可以兼顾炉内脱硫和低氮燃烧的需求。通过空气分级、低氧、低温等低氮燃烧技术，循环流化床NOx原始排放浓度一般可控制在200-300 mg/Nm3。相比之下，煤粉锅炉使用优质煤粉，燃烧温度高，氮氧化物排放高达500-700 mg/Nm3。通过低氮燃烧技术改造，煤粉锅炉原始NOx排放可以降低到120-250 mg/Nm3#2。
氮氧化物（NOx，包括NO和NO2）是造成酸雨和大气雾霾等环境问题的重要污染物之一。为了控制氮氧化物的排放，各种低氮燃烧技术，如空气分级、烟气再循环、燃料分级（再燃）等已在各种燃烧设备上广泛使用。
除此之外，通过改变燃烧过程中的氧化-还原气氛，能够有效抑制氮氧化物生成。例如，对循环流化床锅炉，岳光溪等建立了流态重构理论#3, 其核心是通过提高旋风分离器分离效率，增加床内有效细颗粒存有量，增大物料循环倍率，提高炉膛上部稀相区颗粒浓度，从而使底部密相区未燃碳和CO等还原性物料上移，从而增强了炉膛空间的还原性气氛，抑制了炉内氮氧化物生成。中国专利CN 108105759、CN 205402693、CN 203082866和CN108105759公开了一种基于流态二次重构实现循环流化床锅炉NOx超低排放的方法。该方法通过调节床料粒度、循环灰粒度、床层压降、床温、炉膛出口处氧含量、分离器出口逃逸颗粒粒度、一次风份额以及流化速度等锅炉运行运行参数，使床料平均粒度比传统循环流化床大幅减小（如：循环灰平均粒度小于等于80μm，飞灰颗粒粒径分布满足d50≤12μm，d90≤54μm），对低挥发分煤种，NOx原始排放浓度基本满足<50 mg/Nm3的超低排放要求，对高挥发分煤种，NOx原始排放浓度可在100-200 mg/Nm3左右##4,5。中国专利CN 206786703公开了一种通过调节一二次风配比，强化锅炉炉内物料循环，重构炉内氧化还原区域并在还原区等位置设置高效无氨催化剂涂层，实现氮氧化物超低排的循环流化床锅炉系统。中国专利CN108954298公开了一种循环流化床锅炉低氮燃烧系统及其改造方法，通过对送料系统、布风系统、二次风系统、烟气再循环系统、分离系统、SNCR系统的改造，以及燃烧过程调整，NOx原始排放达到100mg/Nm3。中国专利CN 100504164、CN 105444198公开了一种低氮氧化物燃烧方法。该方法在煤粉锅炉前设置绝热循环流化床燃烧室为煤粉锅炉提供高温空气，使煤粉在较低温度800-950oC低氧环境中燃烧，从而将氮氧化物排放浓度降低到130 mg/Nm3以下。中国专利CN105805733公开了一种降低氮氧化物排放的循环流化床燃烧方法和燃烧装置。通过控制进入循环流化床的空气量，使燃料在其中进行不完全燃烧，产生的半焦和一氧化碳在后面连接的燃烧室完成完全燃烧，降低氮氧化物排放。该方法的本质是将燃烧过程分解为先部分燃烧（或气化），然后完全燃烧，与空气分级燃烧原理相同，但部分气化和完全燃烧分别在独立的循环流化床和煤粉炉中完成。
解耦燃烧是近年来发展的先进燃烧技术#6，它是通过将燃烧过程分解为低温还原气氛下的部分热解气化和高温氧化条件下的可燃物燃尽两个过程，同时利用低温还原气氛下产生的还原性气体组分和半焦抑制高温氧化条件下燃烧时的氮氧化物生成#7。在中国专利 CN1038446中，李静海等公开了基于解耦燃烧技术的民用小型燃煤炉具，可以在燃烧烟煤时无烟、低尘，与传统正烧式炉具相比，降低氮氧化物排放30-50%。中国专利CN109210528公开了一种解耦燃烧装置及燃烧方法，其中热解风从炉膛中部引入，目的是增加解耦燃烧半焦区范围，使得半焦区和热解气化区通风更易均衡控制，增强对燃料形状和燃烧装置容量的适应性。中国专利CN1403737、CN101368724、CN102563614和CN101650025公开了解耦燃烧技术在层燃排炉的应用，中国专利CN102297421公开了一种W型火焰解耦燃烧炉及解耦燃烧方法，中国专利CN102297425和CN102620291则将解耦燃烧技术应用与煤粉锅炉。在这些解耦燃烧装置中，如图所示，固体燃料在贫氧条件下发生部分热解气化，产出的热解气和半焦不经分离，一起进入高温富氧燃烧区。在富氧燃烧区，在热解区生成的还原性气体和半焦在存在同时燃烧，热量释放集中，导致温度升高，同时存在还原（降低NOx）和氧化（生成NOx）的竞争，还原性气体迅速燃烧被消耗，降低了其对NOx的还原作用。还原性较强的焦炭也同时发生燃烧和还原NOx的竞争反应，由于半焦和NOx接触时间短，半焦对NOx还原能力难以充分发挥，导致NOx排放与传统燃烧方式相比降低了30-50%#8。
中国专利CN102297431公开了一种循环流化床解耦燃烧方法。该方法利用双流化床系统，将反应解耦方法和再燃脱硝相结合。如图所示，固体燃料加入第一流化床中，在循环热载体的加热下发生干燥、热解和部分气化生成热解气，一部份热解气被导入提升管燃烧器上部，作为再燃燃料，在高温下热解形成CH活性基，与来自提升管下部烟气中的NOx发生脱硝反应，半焦流入提升管底部燃烧，生成的烟气向上流动进入再燃区脱硝后，再经过燃尽区燃尽，从而实现高效低氮燃烧#9。该技术已成功应用于泸州老窖6万吨/年高含水白酒丢糟的解耦燃烧#10。与直接燃烧相比，通过解耦燃烧和热解气再燃脱硝，NOx原始排放浓度低于150 mg/Nm3，脱硝效率达到50-80%。然而，由于受再燃燃料需要量的限制，需要协调控制热解程度，即燃料不能完全热解，产生的半焦进入提升管燃烧，半焦对NOx的还原没有充分发挥。况且，半焦中依然含有挥发分，燃烧时也产生NOx。所以，上述方法脱硝潜力还有进一步提升的可能。
综上所述，通过各种低氮燃烧技术能够有效抑制氮氧化物生成，但氮氧化物排放浓度有时仍然不能满足《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)以及《锅炉大气污染物排放标准》（GB13271-2014），尤其是近年来提出的小于50 mg/Nm3的超低排放要求，因此在实际锅炉设计、运行过程中，必须配套尾部烟气脱硝技术，以满足超低排放的要求。
目前锅炉烟气脱硝多采用选择性催化还原(SCR)、或选择性非催化还原（SNCR）或SNCR-SCR联用的方法。SNCR脱硝技术是在合适的温度范围(850‐1100℃)内，向烟气中喷射还原剂( 尿素、氨水等) 将NOx 选择性地还原为N2和H2O。SNCR反应过程对温度条件十分敏感，合适的反应温度是保证SNCR脱硝效率的关键。和SNCR相比，SCR利用催化剂在中低温条件下将NOx催化还原，其脱硝效率较高，但初投资和运行费用较高，占地面积大，催化剂也需要定期更换。另外，无论SNCR还是SCR，都采用氨基还原剂，为了达到较高的脱硝效率，必然需要氨的过量投入，从而产生NH3逃逸。这些逃逸的NH3与燃烧产生的SO3结合生成NH4HSO4或(NH4)2SO4，当温度低于一定值后，凝结在空预器表面，堵塞空预器，并对空预器产生腐蚀。此外，逃逸的NH3与SOx和NOx在湿烟气环境下，生成水溶性无机铵盐排放到大气中，对环境污染严重。
再燃脱硝实际上是一种燃料分级燃烧技术#11,12，即在主燃烧区上部，将主燃料的一部分或完全不同的二次燃料送入锅炉中主燃区上部形成燃料富集的再燃区，强化了还原性气氛，将主燃区燃烧产生的NOx还原成N2。迄今，常用的再燃燃料一般为气体燃料或超细固体粉状燃料，包括天然气、H2、超细煤粉、由生物质或煤气化产生的热解气、气化气等，脱硝效率一般为10-40%。研究表明#13,14,15,16， 当热解气中含有气化过程产生的焦油时，焦油在再燃过程中会裂解生成高热值的烃类气体，这些烃类气体还原NOx的效果比小分子气体明显。与热解气、焦炭相比，焦油再燃脱硝能力最大，当过量空气系数较小、再燃温度较高时，NOx的还原效率可以达到80%以上14, 15, 16。
总之，结合低氮燃烧技术和烟气脱硝技术，虽然可以达到氮氧化物超低排放，但存在成本高和二次污染等问题。为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种实现固体燃料燃烧原始氮氧化物超低排放的方法，在充分发挥传统低氮技术潜力的基础上，采用部分热解、完全热解、焦炭还原和焦油再燃脱硝，降低氮氧化物原始排放浓度稳定达到超低排放要求，从而无需使用氨基烟气脱硝，不仅节约设备投资和运行成本，而且从源头解决二次污染问题，对改善大气环境具有重要意义。
上述所列文献如下：
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发明内容
本发明的目的在于提供一种实现固体燃料燃烧原始氮氧化物超低排放的解耦燃烧方法，本发明通过部分热解-完全热解、焦炭还原和焦油再燃脱硝，固体燃料燃烧原始氮氧化物排放浓度满足超低排放（小于50mg/Nm3）的指标；不使用烟气脱硝，尤其是氨水、尿素等还原剂，不存在“氨逃逸”，水溶性NH4 +排放和设备腐蚀等问题；本发明可用于新型固体燃料燃烧设备，包括循环流化床锅炉、煤粉燃烧锅炉、层燃锅炉、民用炉具的设计，也可用于已有固体燃烧设备的超低排放技术改造。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
实现固体燃料燃烧原始氮氧化物超低排放的解耦燃烧方法，所述方法包括以下步骤：
•固体燃料部分热解生产再燃脱硝能力最大的焦油；部分热解的半焦完全热解生成热解气和焦炭；热解气和焦炭在低温、低氧条件下完全燃烧；产生的含NOx烟气相继通过焦炭还原和焦油再燃脱硝；之后引入适量燃尽风，形成燃尽区，使固体燃料高效燃烧；
•固体燃料首先在低温贫氧条件下进行“部分热解”；与通常的低分子还原性气体相比，热解焦油为大分子脂肪烃、芳香烃、含氧化合物等碳氢化合物，在再燃脱硝温度下裂解产生大量CHi活性基，具有比小分子还原性气体更高的脱硝活性和能力14, 15, 16；为了发挥“焦油再燃脱硝”的最大能力，部分热解的焦油先经过冷凝除去其中的气体产品；气体产品送入后述的热解气燃烧段，而焦油送入再燃脱硝段；
•经过热解的半焦，进入“完全热解”阶段，在此通过控制气化条件使煤中挥发分成分完全转化为热解气，挥发分中的N元素转化；这些小分子可燃气体被送入“热解气燃烧”器燃尽，同时抑制含N组分向NOx的转化；
•完全热解产生的焦炭，进入“焦炭燃烧“段；在焦炭燃烧段，通过控制气体速度和热交换，建立具有低温、低氧、高焦炭浓度、高焦炭存有量等特征的环境，一方面有效抑制焦炭燃烧时焦炭N组分向NOx的转化，同时为“焦炭还原”NO反应提供足够的反应时间。
所述的实现固体燃料燃烧原始氮氧化物超低排放的解耦燃烧方法，所述部分热解和完全热解在两个独立的反应器中，或在同一反应器中的不同区域进行，两个区域独立控制，但互相相连；优选地，所述部分热解区的温度为300-600℃，优选地，500-600℃；所述完全热解区的温度为550-800℃，优选地，600-700℃。
所述的一种实现原始氮氧化物超低排放的解耦燃烧方法，所述热解气燃烧在焦炭燃烧之前或同时进行，或在焦炭燃烧之后辅助焦油再燃脱硝。
所述的实现固体燃料燃烧原始氮氧化物超低排放的解耦燃烧方法，所述热解气燃烧、焦炭燃烧、焦油再燃脱硝和燃尽过程分别在独立的反应器中，或在同一反应器中的不同区域进行，各个区域独立控制，但互相相连。
所述的实现固体燃料燃烧原始氮氧化物超低排放的解耦燃烧方法，所述焦油再燃脱硝，优选地，使用经过冷凝分离得到的焦油，或使用部分热解产生的富含焦油的热解气混合物。
所述的实现固体燃料燃烧原始氮氧化物超低排放的解耦燃烧方法，所述热解气燃烧区的温度为800-1000℃， 优选地，850-900℃，过剩空气系数1.05-1.4，优选地1.05-1.2；所述焦炭燃烧区的温度为800-1000℃， 更优选地，850-900℃；过剩空气系数1.05-1.4，优选地1.05-1.2；所述在锅炉炉膛出口处设置燃尽风，烟气经过燃尽区后，含氧量1.5-5.0%，优选地，2.0-4.0%。
所述的实现固体燃料燃烧原始氮氧化物超低排放的解耦燃烧方法，所述实现氮氧化物超低排放的燃烧装置，包括但不限于，循环流化床锅炉，煤粉锅炉、链条排炉和民用炉具；还包括固体燃料的热解装置，燃烧装置、高效脱硝和燃尽等步骤和设备。
所述的一种实现原始氮氧化物超低排放的解耦燃烧方法，所述热解装置分为部分热解产生富含再燃脱硝能力最大的焦油，和完全热解生成焦炭和富含固体燃料挥发分的热解气，部分热解装置和完全热解装置竖直或并排设置，部分热解装置内设置导流内构件使生成的焦油组分快速排出部分热解反应器。
所述的实现固体燃料燃烧原始氮氧化物超低排放的解耦燃烧方法，所述燃烧装置包括热解气燃烧和焦炭燃烧，亦包括热解气燃烧在焦炭燃烧之前，烟气通过焦炭燃烧，或热解气和焦炭混合燃烧；或热解气作为辅助再燃燃料，在焦炭燃烧区和焦油再燃脱硝区之间进行。
所述的实现固体燃料燃烧原始氮氧化物超低排放的解耦燃烧方法，所述高效脱硝包括焦炭对NO的还原和焦油或富含焦油的热解气再燃脱硝；燃尽是在焦油再燃脱硝区后，通入燃尽风实现可燃物高效燃尽；烟气通过燃尽区后，氮氧化物排放浓度达到超低排放要求。
本发明的优点与效果是：
1.本发明通过部分热解-完全热解、焦炭还原和焦油再燃脱硝，固体燃料燃烧原始氮氧化物排放浓度满足小于 50mg/Nm3的超低排放指标；
2.本发明不使用烟气脱硝，尤其是氨水、尿素等还原剂，和SNCR或SCR相比，不存在“氨逃逸”，水溶性NH4 +排放和设备腐蚀等问题；
3.本发明用于新型固体燃料燃烧设备，包括循环流化床锅炉、煤粉燃烧锅炉、层燃锅炉、民用炉具的设计，也可用于已有固体燃烧设备的超低排放技术改造。
附图说明
图1为现有低氮燃烧设备使用情况图；
图2为现有CN105805733公开文献摘图；
图3为现有CN102297431公开文献摘图；
图4为本发明原理示意图；
图5为本发明实施例1示意图；
图6为本发明实施例2示意图；
图7为本发明实施例3示意图；
图8为本发明实施例4示意图；
图9为本发明实施例5示意图；
图10为本发明实施例6示意图；
图11为本发明实施例7示意图；
图12为本发明实施例8示意图；
图13为本发明实施例9示意图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。
本发明一种实现原始氮氧化物超低排放的解耦燃烧方法，为一种实现固体燃料燃烧NOx超低超低排放的方法。固体燃料（如煤，生物质，固体有机废物等）首先在低温贫氧条件下进行“部分热解”。所谓“部分热解”指的是通过控制热解温度、时间和气氛，定向生成具有再燃脱硝能力最大的焦油成分。与通常的低分子还原性气体（如CO，H2，CH4，C2-C4等）相比，热解焦油为大分子脂肪烃、芳香烃、含氧化合物等碳氢化合物（如苯、二甲苯、萘、蒽等芳香烃），在再燃脱硝温度下裂解产生大量CHi活性基，具有比小分子还原性气体更高的脱硝活性和能力14, 15, 16。为了发挥“焦油再燃脱硝”的最大能力，部分热解的焦油可以先经过冷凝除去其中的气体产品。气体产品送入后述的热解气燃烧段，而焦油送入再燃脱硝段。
根据本发明，经过热解的半焦，进入“完全热解”阶段，在此通过控制气化条件（如温度和停留时间）使煤中挥发分成分完全转化为热解气，包括CO，CH4，CO2，H2O以及少量C2+等，挥发分中的N元素转化为NH3，HCN，N2等。这些小分子可燃气体被送入“热解气燃烧”器，由于良好的燃烧性能，在控制的低温、低氧条件下燃尽，同时有效抑制含N组分向NOx的转化。为了控制热解气燃烧段的氧含量，实际运行时可以采取部分烟气再循环的方法提供燃烧用氧气。根据本发明，热解气燃烧产生的烟气，进入“焦炭燃烧“段。在焦炭燃烧段，通过控制气体速度和热交换，建立具有低温、低氧、高焦炭浓度、高焦炭存有量等特征的环境，一方面有效抑制焦炭燃烧时焦炭N组分向NOx的转化，同时为“焦炭还原”NO反应提供足够的反应时间。热解气完全燃烧产生的NOx经过燃烧中的半焦层，90%以上NO被焦炭还原。通过焦炭还原，烟气中的NOx已经很低，这部分NOx和焦炭燃烧生成的NOx在进入高活性焦油再燃脱硝区后进一步被还原，最终实现NOx超低排放的目标。
根据本发明，上述氮氧化物超低排放燃烧方法中，可以将部分热解产生的富含焦油的热解气直接引入再燃脱硝区。
进一步优选地，上述氮氧化物超低排放燃烧方法中，可以将部分热解产生的富含焦油的热解气直接引入再燃脱硝区，而完全热解产生的热解气，一部份作为再燃燃料，在焦油再燃脱硝区前引入，辅助焦油再燃脱硝。
进一步优选地，上述氮氧化物超低排放燃烧方法中，部分热解产生的富含焦油的热解气直接引入再燃脱硝区，而完全热解产生的热解气与焦炭混合进入燃烧器燃烧。
根据本发明，优选地，部分热解和完全热解可以在两个独立的反应器中，或在同一反应器中的不同区域进行，两个区域可以独立控制，但互相相连。
优选地，热解气燃烧和焦炭燃烧可以在两个独立的反应器中，或在同一反应器中的不同区域进行，也可以在同一区域进行。
优选地，焦油再燃脱硝可以与热解气燃烧和焦炭燃烧反应器单独，或在同一反应器中的不同区域进行，各个区域可以独立控制，但互相相连。
优选地，传统的低氮燃烧技术，如空气分级、烟气再循环、低温、低氧等可以有机地与本发明的技术相结合。
优选地，向部分热解区可以提供空气、水蒸汽或空气与水蒸汽的混合物。部分热解区的温度为300-600℃，更优选地，500-600℃。
优选地，为了定向生成再燃脱硝能力最大的焦油成分，部分热解区可以安装热解气导流内构件。
优选地，完全热解区的温度为500-800℃， 更优选地，600-700℃。
优选地，热解气燃烧区的温度为800-1000℃， 更优选地，800-900℃；过剩空气系数1.05-1.4，优选地1.05-1.2。
优选地，焦炭燃烧区的温度为800-1000℃， 更优选地，850-900℃；过剩空气系数1.05-1.4，优选地1.05-1.2。
进一步，优选地，在锅炉炉膛出口处设置燃尽风，烟气经过燃尽区后，含氧量1.5-5.0%，更优选地，2.0-4.0%。
具体实施例如下：
下面对本发明中的方法及其实施进一步说明和解释。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供的燃烧方法进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。例如，在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。另外，本发明中“部分热解”和“定向热解”，“气体燃烧”和“热解气燃烧”，“焦炭燃烧”和“半焦燃烧”，“焦油再燃脱硝”和“焦油和热解气混合再燃脱硝”，“焦油”和“富含焦油的热解气”等术语，除非另有指明，均具有相同可以互换的含义。
实施例1
根据本发明提供的氮氧化物超低排放固体燃料解耦燃烧方法，本实施例提供一种实现该方法的循环流化床锅炉NOx超低排放装置1。固体燃料从料仓2加入热解装置3。通过合适的方式，如隔板8，热解装置分为部分热解区4和完全热解区5。通过调节高温循环灰32和流化气7，在部分热解区4形成生成富含焦油的热解气的条件。富含焦油的热解气9从热解区顶部导入焦油分离（冷凝）器10。分离后的焦油11被送到焦油再燃脱硝区25，而热解气体12加入气体缓冲罐14。在热解反应器3中，经部分热解后的半焦流向完全热解区5，在流化气体6作用下，产生的热解气13流入气体缓冲罐14，与热解气12混合形成热解气15，送入热解气燃烧段20，与燃烧空气17混合燃烧。在热解气燃烧段空气通过分布器18进入，灰渣19可以从燃烧器底部排出。为了抑制热解气燃烧时含N组分向NOx的转化，燃烧温度控制为800-1000℃， 优选地，800-900℃，过剩空气系数1.05-1.4，优选地1.05-1.2。为了进一步降低气体燃烧时的氧气含量，空气17，优选地可以部分或全部使用烟气再循环代替。为了有效控制燃烧区温度，在热解气燃烧段20可以设置合适的水冷壁或内置换热器（未显示）。
热解气燃烧产生的烟气向上流动，通过气体分布器23进入焦炭燃烧区24。经过完全热解区产生的焦炭，由于孔结构发达，比表面积大，进入焦炭燃烧区后，控制在低温、低氧条件下燃烧。优选地，焦炭燃烧区温度为800-1000℃， 优选地，850-900℃。如此焦炭N向NOx的转化得到有效抑制。由于存量大，气-固接触好，热解气燃烧产生的烟气可以与焦炭有充分的接触时间，提高其对烟气中所含的及其本身燃烧产生的NOx的还原反应。因此，当烟气流过焦炭区时，其中氮氧化物的降低率已达到80%，甚至90%以上。为了提供有效的气-固接触，根据实际需要，焦炭燃烧区24可以为鼓泡流化床，湍动流化床，快速流化床或输送床，可以与气化段相同直径，或不同直径。在焦炭燃烧区，可以设置合适的水冷壁或内置换热器（未显示），根据需要灰渣也可以从21排出以维持系统的物料和热量平衡。在焦炭燃烧区24，可以根据燃烧情况提供燃烧空气22，优选地，控制该段过剩空气系数1.05-1.4，进一步优选地1.05-1.2。
经过焦炭燃烧区24后，烟气继续向上流动进入焦油再燃脱硝区25。在焦油再燃区，大分子焦油在高温下裂解生成高热值的烃类气体，后者进一步裂解生成大量CHi活性基，从而可以有效地将烟气中的NOx还原为N2。在焦油再燃区上部，为了提高未燃成分的燃尽程度，引入燃尽风26形成燃尽区27。燃尽风的控制，结合燃烧效率要求，优选地控制在炉膛出口烟气28中，O2含量在1.5-5.0%，优选地，2.0-4.0%。
烟气28在炉膛出口进入气-固分离器29。根据燃料类型不同，分离器的分离效率可以相应调整，但优选地，分离器效率应当足够高，以实现提高物料循环速率、降低床内物料粒度的目标。优选地，使用高效分离器后，烟气34中夹带的飞灰中粒径小于20 μm，进一步优选地，飞灰的中粒径小于15 μm。经过分离器29捕集的循环物料进入料封装置30，根据部分热解反应器3和完全热解反应器4的温度控制要求，调节高温灰的流量33和32，其余作为循环灰31排出后循环到燃烧器24（未显示），循环灰31也可以提供外置换热器调节温度后循环到燃烧器24（未显示）。
如此，经过部分热解、完全热解、热解气和焦炭燃烧、焦炭和焦油对NOx高效还原，烟气34中NOx排放浓度稳定实现<50 mg/Nm3的目标，从而无需烟气脱硝设施，不仅节省投资和运行成本，而且从源头消除了烟气脱硝造成的二次污染和设备腐蚀等问题。
实施例2
根据本发明提供的氮氧化物超低排放固体燃料解耦燃烧方法，本实施例提供一种实现该方法的循环流化床锅炉NOx超低排放装置1。该实施例和实施例1相似，但部分热解产生的富含焦油的热解气9不经过冷凝分离，直接引入焦油再燃脱硝区25。完全热解产生的热解气13，不经过气体缓冲罐，直接引入气体燃烧器20。
实施例3
根据本发明提供的氮氧化物超低排放固体燃料解耦燃烧方法，本实施例提供一种实现该方法的循环流化床锅炉NOx超低排放装置1。该实施例和实施例1相似，但部分热解产生的富含焦油的热解气9不经过冷凝分离，直接引入焦油再燃脱硝区25。完全热解产生的热解气13，引入焦油再燃脱硝区25和焦炭燃烧区24之间，形成辅助焦油再燃脱硝区22，扩大了再燃脱硝的还原区，有助于实现NOx超低排放。
实施例4
根据本发明提供的氮氧化物超低排放固体燃料解耦燃烧方法，本实施例提供一种实现该方法的循环流化床锅炉NOx超低排放装置1。该实施例和实施例1相似，但部分热解产生的富含焦油的热解气9不经过冷凝分离，直接引入焦油再燃脱硝区25。完全热解产生的热解气13，与空气17混合通过分布器18，进入焦炭燃烧区24。完全热解气从焦炭燃烧区底部进入，可以替代一部份空气，有助于降低燃烧氧含量，延长焦炭-NOx还原反应时间，有助于实现NOx超低排放。
实施例5
根据本发明提供的氮氧化物超低排放固体燃料解耦燃烧方法，本实施例提供一种实现该方法的循环流化床锅炉NOx超低排放装置1。该实施例和实施例1相似，但部分热解产生的富含焦油的热解气9不经过冷凝分离，直接引入焦油再燃脱硝区25。完全热解产生的热解气13和焦炭16，混合进入焦炭燃烧区24。热解气和焦炭混合燃烧，可以有效改善焦炭的燃烧效率。
实施例6
根据本发明提供的氮氧化物超低排放固体燃料解耦燃烧方法，本实施例提供一种实现该方法的煤粉锅炉NOx超低排放装置。固体燃料从料仓2加入热解装置3，其中通过合适的方式，如隔板19，分为部分热解区4和完全热解区5，部分热解区可以通入适量的流化气体7，富含焦油的热解气6从热解区顶部导入到焦油再燃脱硝区15。经部分热解后的半焦流向完全热解反应器5，与流化气体8将产生的热解气9导入热解气燃烧段13，与燃烧空气11混合燃烧。在热解气燃烧段13积累的灰渣可以从排渣12排出。为了抑制热解气燃烧时含N组分向NOx的转化，燃烧温度控制为850-1200℃， 优选地，850-950℃，过剩空气系数1.05-1.4，优选地1.05-1.15。为了进一步降低气化燃烧时的氧气含量，空气11或其一部份，优选地，可以部分或全部使用烟气再循环代替。为了有效控制燃烧区温度，在热解气燃烧段13可以设置合适的水冷壁或内置换热器（未显示）。
热解气燃烧产生的烟气向上流动，进入焦炭燃烧区14。经过完全热解区5产生的焦炭，由于孔结构发达，比表面积大，进入焦炭燃烧区后，控制在低温、低氧条件下燃烧。优选地，焦炭燃烧区温度为900-1200℃， 更优选地，900-1000℃，或850-950℃。如此焦炭N向NOx的转化得到有效抑制。焦炭9可以通过燃烧风10，从锅炉壁面燃烧器、四角切圆燃烧器、或直接喷嘴射入燃烧区，优化低，焦炭燃烧器可以为任何低氮燃烧器。由于气-固接触好，热解气燃烧产生的烟气可以与焦炭有充分的接触时间，提高其对烟气及其本身燃烧产生的NOx的还原反应。因此，当烟气流过焦炭燃烧区时，其中氮氧化物的降低率已达到80%，甚至90%以上。为了提供有效的气-固接触，根据实际需要，焦炭燃烧区14可以与气体燃烧器区相同直径，或不同直径。在焦炭燃烧区，可以设置合适的水冷壁或内置换热器（未显示）。在焦炭燃烧区19，优选地，控制该段过剩空气系数1.05-1.4，进一步优选地1.05-1.15。
经过焦炭燃烧区14后，烟气继续向上流动进入焦油再燃脱硝区15。在焦油再燃区，大分子焦油在高温下裂解生成高热值的烃类气体，后者进一步裂解生成大量CHi活性基，从而可以有效地将烟气中的NOx还原为N2。在再燃区上部，为了提高未燃成分的燃尽程度，引入燃尽风16形成燃尽区17。燃尽风的控制，结合燃烧效率要求，优选地控制在炉膛出口烟气18中，O2含量在1.5-5.0%，更优选地，2.0-4.0%。
与传统的煤粉燃烧锅炉不同，根据本发明，入炉煤粉尺寸可以适当放大，优选地80%过200目，80%过100目，甚至1-3mm。因为入炉燃料经过热解气化生成的焦炭高活性，极易燃烧，所以能实现高效燃尽。因此根据本发明，煤粉炉的燃料适应性大幅提高。
如此，经过部分热解、完全热解、热解气燃烧、焦炭燃烧和对NOx高效还原、焦油再燃脱硝等，烟气25中NOx排放浓度稳定实现<50 mg/Nm3的目标，从而无需烟气脱硝设施，不仅节省投资和运行成本，而且从源头消除了烟气脱硝造成的二次污染和设备腐蚀等问题。
实施例7
根据本发明提供的氮氧化物超低排放固体燃料解耦燃烧方法，本实施例提供一种实现该方法的层燃锅炉NOx超低排放装置。固体燃料从料仓2加入热解装置3，其中通过合适的方式，如隔板8，分为部分热解区4和完全热解区5，部分热解区可以通入适量的流化气体6，热解焦油富集物流21从热解区顶部导入到焦油再燃脱硝区15。经部分热解后的半焦流向完全热解反应器5，流化气体7与产生的热解气经导流管9流入热解气燃烧器10，与燃烧空气11混合燃烧。为了抑制热解气燃烧时含N组分向NOx的转化，燃烧区12温度控制为800-950℃， 优选地，850-900℃，过剩空气系数1.05-1.4，优选地1.05-1.15。为了进一步降低气化燃烧时的氧气含量，空气11或其一部份，优选地可以部分或全部使用烟气再循环代替。为了有效控制燃烧区温度，在热解气燃烧区12可以设置合适的水冷壁或内置换热器（未显示）。
热解气燃烧产生的烟气向上流动，通过炉排14进入焦炭燃烧区13。经过完全热解区产生的焦炭，由于孔结构发达，比表面积大，由气化反应器5经溢流孔16进入焦炭燃烧区13后，控制在低温、低氧条件下燃烧。优选地，焦炭燃烧区温度为900-1200℃， 更优选地，900-1000℃，或850-900℃。如此焦炭N向NOx的转化得到有效抑制。由于气-焦炭接触好，热解气燃烧产生的烟气可以与焦炭有充分的接触时间，提高其对烟气及其本身燃烧产生的NOx的还原反应。因此，当烟气流过焦炭燃烧区时，其中氮氧化物的降低率已达到80%，甚至90%以上。在焦炭燃烧区13，优选地，控制该段过剩空气系数1.05-1.4，进一步优选地1.05-1.15。
经过焦炭燃烧区13后，烟气继续向上流动进入焦油再燃脱硝区15。在焦油再燃区，大分子焦油在高温下裂解生成高热值的烃类气体，后者进一步裂解生成大量CHi活性基，从而可以有效地将烟气中的NOx还原为N2。在再燃区上部，为了提高未燃成分的燃尽程度，引入燃尽风17形成燃尽区18。燃尽风的控制，结合燃烧效率要求，优选地控制在烟气20中，O2含量在1.5-5.0%，更优选地，2.0-4.0%。经过烟气燃尽区18后，烟气20进入对流换热器区19（未显示），产生热水或蒸汽。烟气22最后排出锅炉。
如此，经过部分热解、完全热解、热解气燃烧、焦炭燃烧和对NOx高效还原、焦油高效还原后，烟气25中NOx排放浓度稳定实现<50 mg/Nm3的目标，从而无需烟气脱硝设施，不仅节省投资和运行成本，而且从源头消除了烟气脱硝造成的二次污染和设备腐蚀等问题。
实施例8
根据本发明提供的氮氧化物超低排放固体燃料解耦燃烧方法，其主要特征是通过部分热解产生富含焦油的热解气，冷凝或不冷凝，用于高效再燃脱硝。为了提高焦油产率，优化焦油品质，本实施例提供一种热解装置3，如图所示。固体燃料2加入部分热解器4，与高温灰32混合，快速加热，降低挥发分在燃料颗粒内部的裂解反应。热解介质7，如水蒸汽，通过分布板12加入热解反应器4。部分热解反应器温度控制在300-700℃，优选地，400-600℃。为了减少焦油组分在燃料层内的停留时间，抑制其发生二次反应，在燃料颗粒层内可以设置热解气导流管20，使得生成的焦油组分9快速排出反应器4。
经过部分热解的半焦，向下通过分隔板8流入完全热解反应器5。流化介质6通过分布板11进入反应区5，热解气13从顶部排出。为了实现完全热解，反应区温度控制为550-800℃，优选地，600-700℃，同时保持热解气在半焦层内足够的停留时间。
实施例9
根据本发明提供的氮氧化物超低排放固体燃料解耦燃烧方法，其主要特征是通过部分热解产生富含焦油的热解气，冷凝或不冷凝，用于高效再燃脱硝。为了提高焦油产率，优化焦油品质，本实施例提供一种热解装置3，与实施例8类似。不同的是，部分热解反应器4和完全热解反应器5并列设置，同时在部分热解反应器4和完全热解反应器5中分别设置内部旋风除尘器，将捕集的半焦粉返回料层继续热解。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.实现固体燃料燃烧原始氮氧化物超低排放的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
循环流化床锅炉固体燃料从料仓加入热解装置；通过隔板，将热解装置分为部分热解区和完全热解区；通过调节高温循环灰和流化气，在部分热解区形成生成富含焦油的热解气的条件；富含焦油的热解气从热解区顶部导入焦油分离冷凝器；分离后的焦油被送到焦油再燃脱硝区，而热解气体加入气体缓冲罐；在热解装置中，经部分热解后的半焦流向完全热解区，在流化气体作用下，产生的热解气流入气体缓冲罐，与部分热解区燃烧产生的热解气混合形成热解气，送入热解气燃烧段，与燃烧空气混合燃烧；燃烧温度控制为800-900℃，过剩空气系数1.05-1.2；在热解气燃烧段设置水冷壁或内置换热器；在热解气燃烧段燃烧产生的烟气向上流动，通过分布器进入焦炭燃烧区，经过完全热解区产生的焦炭进入焦炭燃烧区后，控制在低温、低氧条件下燃烧，焦炭燃烧区温度为850-900℃，焦炭燃烧区为鼓泡流化床，湍动流化床，快速流化床或输送床，与气化段相同直径，或不同直径；在焦炭燃烧区设置合适的水冷壁或内置换热器，灰渣从燃烧器底部排出；在焦炭燃烧区控制该段过剩空气系数1.05-1.2，经过焦炭燃烧区后，烟气继续向上流动进入焦油再燃脱硝区，在焦油再燃区上部，为了提高未燃成分的燃尽程度，引入燃尽风形成燃尽区，燃尽风控制在炉膛出口烟气中，O2含量在2.0-4.0%；
烟气在炉膛出口进入高效气-固分离器，经过分离器捕集的循环物料进入料封装置，根据部分热解区和完全热解区的温度控制要求，调节高温灰的流量，其余作为循环灰排出后循环到焦炭燃烧区，循环灰也可以提供外置换热器调节温度后循环到焦炭燃烧区。
2.根据权利要求1所述的实现固体燃料燃烧原始氮氧化物超低排放的方法，其特征在于，所述方法还包括部分热解产生的富含焦油的热解气不经过焦油分离冷凝器，直接引入焦油再燃脱硝区；完全热解产生的热解气，不经过气体缓冲罐，直接引入热解气燃烧段。
3.根据权利要求1所述的实现固体燃料燃烧原始氮氧化物超低排放的方法，其特征在于，所述方法还包括部分热解产生的富含焦油的热解气不经过焦油分离冷凝器，直接引入焦油再燃脱硝区，完全热解产生的热解气，引入焦油再燃脱硝区和焦炭燃烧区之间，形成辅助焦油再燃脱硝区。
4.根据权利要求1所述的实现固体燃料燃烧原始氮氧化物超低排放的方法，其特征在于，所述方法还包括部分热解产生的富含焦油的热解气不经过焦油分离冷凝器，直接引入焦油再燃脱硝区；完全热解产生的热解气与空气混合通过分布器，进入焦炭燃烧区；完全热解气从焦炭燃烧区底部进入，替代一部份空气。
5.根据权利要求1所述的实现固体燃料燃烧原始氮氧化物超低排放的方法，其特征在于，所述方法还包括部分热解产生的富含焦油的热解气不经过焦油分离冷凝器，直接引入焦油再燃脱硝区，完全热解产生的热解气和焦炭，混合进入焦炭燃烧区。
6.实现固体燃料燃烧原始氮氧化物超低排放的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：煤粉锅炉固体燃料从料仓加入热解装置，通过隔板，分为部分热解区和完全热解区，部分热解区通入适量的流化气体，富含焦油的热解气从热解区顶部导入到焦油再燃脱硝区；经部分热解后的半焦流向完全热解区，与流化气体将产生的热解气导入热解气燃烧段，与燃烧空气混合燃烧；在热解气燃烧段积累的灰渣从排渣排出；燃烧温度控制为850-950℃，过剩空气系数1.05-1.15；为了进一步降低气化燃烧时的氧气含量，部分或全部使用烟气再循环代替；为了有效控制燃烧区温度，在热解气燃烧段设置水冷壁或内置换热器；热解气燃烧产生的烟气向上流动，进入焦炭燃烧区，经过完全热解区产生的焦炭，进入焦炭燃烧区后，控制焦炭燃烧区温度为900-1000℃，或850-950℃；焦炭通过燃烧风，从锅炉壁面燃烧器、四角切圆燃烧器、或直接喷嘴射入燃烧区，焦炭燃烧区热解气燃烧段相同直径，或不同直径；在焦炭燃烧区，设置合适的水冷壁或内置换热器；焦炭燃烧区控制该段过剩空气系数1.05-1.15；
经过焦炭燃烧区后，烟气继续向上流动进入焦油再燃脱硝区；在焦油再燃区，为了提高未燃成分的燃尽程度，引入燃尽风形成燃尽区；燃尽风控制控制在炉膛出口烟气中，O2含量在2.0-4.0%。
7.实现固体燃料燃烧原始氮氧化物超低排放的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：层燃锅炉固体燃料从料仓加入热解装置，其中通过隔板，分为部分热解区和完全热解区，部分热解区通入适量的流化气体，热解焦油富集物流从热解区顶部导入到焦油再燃脱硝区；经部分热解后的半焦流向完全热解区，流化气体与产生的热解气经导流管流入热解气燃烧器，与燃烧空气混合燃烧；热解气燃烧区温度控制为850-900℃，过剩空气系数1.05-1.15；为了进一步降低气化燃烧时的氧气含量，部分或全部使用烟气再循环代替；为了有效控制燃烧区温度，在热解气燃烧区设置合适的水冷壁或内置换热器；
热解气燃烧产生的烟气向上流动，通过炉排进入焦炭燃烧区；经过完全热解区产生的焦炭，由气化反应器经溢流孔进入焦炭燃烧区后，焦炭燃烧区温度为900-1000℃，或850-900℃；在焦炭燃烧区控制该段过剩空气系数1.05-1.15；
经过焦炭燃烧区后，烟气继续向上流动进入焦油再燃脱硝区；在焦油再燃区上部，为了提高未燃成分的燃尽程度，引入燃尽风形成燃尽区；燃尽风控制制在烟气20中，O2含量在2.0-4.0%；经过烟气燃尽区后，烟气进入对流换热器区，产生热水或蒸汽；烟气最后排出锅炉。
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