CN111006206B - 一种无焰分级富氧低NOx燃烧方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于煤粉燃烧与排放性能控制领域，并具体公开了一种无焰分级富氧低NOx燃烧方法及系统。所述方法为：将参与循环的烟气分为三路，分别通过一次风管道、二次风管道和三次风管道将其携带的预设质量的燃料通入炉膛内燃烧，一次风管道、二次风管道的出气口位于主燃烧区，三次风管道的出气口位于再燃烧区，控制各次风中氧气的注入量以及质量流量，以控制主燃烧区和再燃烧区的过氧系数范围和流动特性，实现燃料分级富氧燃烧模式、燃料‑氧双向分级富氧燃烧模式和无焰富氧燃烧模式。所述系统包括锅炉、烟气预处理模块、烟囱、一次风管道、二次风管道和三次风管道。本发明可达到稳定高效的低NOx排放，并能改善煤粉的着火特性，促进煤粉再燃。

Description

一种无焰分级富氧低NOx燃烧方法及系统
技术领域
本发明属于煤粉燃烧与排放性能控制领域，更具体地，涉及一种无焰分级富氧低NOx燃烧方法及系统。
背景技术
大气中CO2含量增加已经引起较为严重的全球变暖、风暴、干旱、海平面上升和极端天气频发等现象。为此，各国在减少温室气体排放上达成一致，制定了CO2的减排计划，要于2050年实现温室气体排放量减少一半。但中国现阶段的能源结构以及化石能源资源储量决定，短期内依然需要大量使用煤炭进行火力发电，面临着CO2减排的巨大压力和责任。
碳捕集利用与埋存技术(Carbon Capture Utilization and Storage，CCUS被认为是深度降低化石能源利用中碳排放的唯一途径，是煤炭的“未来”。富氧燃烧技术采用高纯氧气与大比例的循环烟气的混合气作为氧化剂，燃烧烟气中富集的CO2体积浓度通常可达80％以上，对该烟气通过简单的除尘，净化，冷凝压缩等处理过程，即可获得95％以上的高纯度CO2，满足大规模管道输送或封存利用要求。该技术应用于现有煤粉火力发电机组具有适应性好、成本低等优点，是目前最具有优势的碳捕集技术之一。
富氧燃烧的氧化剂中CO2浓度高，取代了N2，快速型和热力型NOx相应降低，高CO2氛围促进CO生成，营造还原性氛围，从而促使排放NOx减少。基于NOx的产生机理，一些低NOx燃烧技术(如分级燃烧技术、无焰燃烧技术等)能对其进行燃烧改善和排放抑制，从而减少NOx生成。分级燃烧技术主要分为空气分级和燃料分级技术。空气分级将氧化剂气体分批送入燃烧室，降低了一次燃烧区的氧浓度，从而降低该区域火焰峰值温度，减少热力型NOx生成。在炉膛下游一定距离，通常布置有三次风喷口(OFA)，用于保证一次燃烧区域的未燃尽燃料和产生的碳氢化合物等中间体完全燃烧，实现NOx的总体减排。燃料分级则是将燃料分批送入炉膛，大部分燃料作为一次燃料在主燃烧区域完成燃烧，二次燃料从一次燃料的下游喷入并形成富燃料氛围的再燃区，此区域产生的还原性物质如NH3、HCN和碳氢化合物等可还原一次燃烧区产生的NOx，从而降低50％的NOx或更低，最后送入三次风使其完全燃烧。无焰燃烧技术是低氧稀释条件下的一种温和燃烧模式，其氧化剂量大于理论空气量并且与燃料充分混合，燃烧速度快，火焰透明。由于其较高的燃烧效率和较均匀的温度场，很大程度上降低了高温区峰值温度，从而减少了热力型NOx的生成，同时也能促进燃料的充分燃烧。
富氧燃烧的氧化剂中CO2浓度高，取代了N2，快速型和热力型NOx相应降低，高CO2氛围促进CO生成，营造还原性氛围，从而促使排放NOx减少。基于NOx的产生机理，一些低NOx燃烧技术(如分级燃烧技术、无焰燃烧技术等能对其进行燃烧改善和排放抑制，从而减少NOx生成。分级燃烧技术主要分为空气分级和燃料分级技术。空气分级将氧化剂气体分批送入燃烧室，降低了一次燃烧区的氧浓度，从而降低该区域火焰峰值温度，减少热力型NOx生成。在炉膛下游一定距离，通常布置有三次风喷口(OFA，用于保证一次燃烧区域的未燃尽燃料和产生的碳氢化合物等中间体完全燃烧，实现NOx的总体减排。燃料分级则是将燃料分批送入炉膛，大部分燃料作为一次燃料在主燃烧区域完成燃烧，二次燃料从一次燃料的下游喷入并形成富燃料氛围的再燃区，此区域产生的还原性物质如NH3、HCN和碳氢化合物等可还原一次燃烧区产生的NOx，从而降低50％的NOx或更低，最后送入三次风使其完全燃烧。无焰燃烧技术是低氧稀释条件下的一种温和燃烧模式，其氧化剂量大于理论空气量并且与燃料充分混合，燃烧速度快，火焰透明。由于其较高的燃烧效率和较均匀的温度场，很大程度上降低了高温区峰值温度，从而减少了热力型NOx的生成，同时也能促进燃料的充分燃烧。
申请号为201510442294.8的中国专利公开了一种通过分级燃烧技术增强NOx还原的低NOx燃烧方法以及系统，但其NOx的排放量仅能低于320mg/m3。申请号为201010034027.4的中国专利提出“一种燃用劣质煤的富氧燃烧装置”，其采用富氧燃烧的方式以解决劣质煤的点火与稳定燃烧问题，虽然提高了火焰燃烧温度，但也生成了大量污染物，富氧燃烧在排放方面的优势并未得到较好体现。申请号为201620060866.6的中国专利所提出的富氧燃烧系统在高温循环烟气中注入纯氧，然后再次注入炉膛参与燃烧，其循环烟气的高温可以促进富氧燃烧的稳定性和热效率，但该专利并未阐述其NOx减排优势。申请号为201610041452.3的中国专利公开了一种富氧燃烧系统，通过炉膛出口和磨煤机进口之间的管路上设置烟气冷却装置冷凝烟气中的水蒸气，降低烟气中水分对炉膛和锅炉系统的管束的损害，但其并未突出体现对富氧燃烧排放方面创新与优化。
传统燃烧方式会产生大量的氮氧化物原始排放，不能满足排放标准。现有燃烧系统已能成熟运行传统燃烧工况，但其在运行过程无法做到低NOx排放，同时完成大规模的二氧化碳的捕集工作，提升大型机组的环保经济性和减缓温室效应。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种无焰分级富氧低NOx燃烧方法及系统，其中结合富氧燃烧自身的特征及其烟气进行分级利用工艺特点，相应的在烟气循环的基础上将烟气进行分级以实现无焰分级富氧燃烧，降低NOx排放，同时其运行过程中在燃烧排烟富集大量CO2，从而实现低成本的CO2收集和碳捕集。无焰分级富氧燃烧将循环的烟气进行分级，以一定的循环烟气风率分配一次风、二次风和三次风，分别注入相应的量的氧气进行混合形成氧化剂气流，并通过参数调节来控制其分级程度，改善煤粉的着火特性，促进煤粉再燃，并能达到稳定高效的低NOx排放。本发明可达到稳定高效的低NOx排放，并能改善煤粉的着火特性，促进煤粉再燃。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种无焰分级富氧低NOx燃烧方法，将参与循环的烟气按预设比例分为三路，分别通过一次风管道、二次风管道以及三次风管道将其携带的预设质量的燃料通入炉膛内进行燃烧，其中，所述一次风管道、二次风管道的出气口位于炉膛的主燃烧区，所述三次风管道的出气口位于炉膛的再燃烧区，参与循环的烟气为产生的总烟气的0.71～0.75，通过一次风管道的循环的烟气和纯氧混合形成一次风，通过二次风管道的循环的烟气和纯氧混合形成二次风，通过三次风管道的循环的烟气和纯氧混合形成三次风，通过分别控制一次风、二次风以及三次风中氧气的注入量以及质量流量，以控制主燃烧区和再燃烧区的过氧系数范围和流动特性，实现炉膛内的燃料分级富氧燃烧模式、燃料-氧双向分级富氧燃烧模式以及无焰富氧燃烧模式。
作为进一步优选的，在燃料分级富氧燃烧模式下，所述一次风中参与循环的烟气为总循环烟气的0.17～0.20，所述二次风中参与循环的烟气为总循环烟气的0.62～0.66，剩余的循环烟气均通入三次风管道；所述主燃区与再燃区的燃料质量流量的比例为9:1。
作为进一步优选的，所述一次风在注入氧气后，一次风管道中氧气占循环烟气与氧气体积之和的21％，一次风携带燃料进入炉膛；在所述二次风注入氧气后，二次风管道中氧气占循环烟气与氧气体积之和的30％～36％，三次风管道中不注入氧气，同时，取部分注入氧气后的二次风作为主燃烧区的中心冷却风通入炉膛中，以保护炉膛中的燃烧器；所述主燃区过氧系数范围为1.22～1.34。
所述一次风的质量流率范围为0.18～0.20，二次风的质量流率范围为0.62～0.66，三次风的质量流率范围为0.16～0.18。
此处以及后文中所述质量流率的意思为，某股气流的质量流量占总入炉气流质量流量的比例。
例：一次风质量流率＝(一次风质量流量)/(一次风质量流量+二次风质量流量+三次风质量流量)。
作为进一步优选的，在燃料-氧双向分级富氧燃烧模式下，所述一次风中参与循环的烟气为总循环烟气的0.18～0.22，所述二次风中参与循环的烟气为总循环烟气的0.55～0.62，剩余的循环烟气均通入三次风管道；所述主燃区与再燃区的燃料质量流量的比例为9:1。
作为进一步优选的，所述一次风在注入氧气后，一次风管道中氧气等于循环烟气与氧气体积之和的21％，并携带燃料进入炉膛；在所述二次风注入氧气后，二次风管道中氧气占循环烟气与氧气体积之和的26％～34％，所述三次风在携带燃料进入炉膛之前需要注入氧气，其以预混方式进行注入。由于其需携带燃料，故预混注氧之后的氧气体积分数应不超过21％，当工况需要增加燃料-氧分级程度时，需进一步提高三次风含氧量，此时应在三次管道出口处注入氧气；所述主燃区过氧系数范围为0.9～1.1；
所述一次风的质量流量范围为0.17～0.20，二次风的质量流量范围为0.54～0.62，三次风的质量流量范围为0.19～0.25。
作为进一步优选的，在无焰燃烧模式下，再燃区纯氧的注入速度为70m/s～100m/s，其中，注入的纯氧为Ar和O2的混合气体，O2所占的体积分数不小于95％；所述主燃区过氧系数范围为0.9～1.0。所述一次风的质量流量范围为0.19～0.20，二次风的质量流量范围为0.56～0.57，三次风的质量流量范围为0.23～0.24。
作为进一步优选的，所述燃料经筛分后，筛分出的粒径为70微米至81微米的燃料在所述主燃烧区进行燃烧，筛分出的粒径小于10微米的燃料在所述再燃烧区进行燃烧，其中，主燃烧区的燃料占总燃料的90％。
按照本发明的另一个方面，还提供了一种实现无焰分级富氧低NOx燃烧方法的系统，包括锅炉、烟气预处理模块、烟囱、一次风管道、二次风管道以及三次风管道，其中，所述锅炉、烟气预处理模块和烟囱依次连接，所述锅炉出来的总烟气经烟气预处理模块预处理后分为两路，一路经烟囱排出，另一路参与循环，参与循环的烟气为总烟气的0.71～0.75；
所述一次风管道、二次风管道的出气口位于炉膛的主燃烧区，所述三次风管道的出气口位于炉膛的再燃烧区，参与循环的烟气分为三路，第一路烟气通过一次风管道和注入的氧气形成一次风，第二路烟气通过二次风管道和注入的氧气形成二次风，第三路烟气通过三次风管道和注入的氧气形成三次风，通过分别控制一次风、二次风以及三次风中氧气的注入量以及动量，以控制主燃烧区和再燃烧区的过氧系数范围和流动特性，实现炉膛内的燃料分级富氧燃烧模式、燃料-氧双向分级富氧燃烧模式以及无焰富氧燃烧模式。
作为进一步优选的，该系统还包括依次相连的煤仓、给煤机、球磨机、粗粉分离器和细粉分离器，所述细粉分离器的出口与一次风管道和三次风管道分别连接，用于分别向一次风管道和三次风管道输送煤粉；
煤仓中的煤经给煤机输送至球磨机进行球磨后，经第三路烟气携带依次进入、粗粉分离器和细分分离器进行筛分，经所述粗粉分离器筛分得到的符合要求的煤粉，不符合要求的煤粉，经粗粉分离器的支路回到球磨机进行再次研磨，经细粉分离器将符合粒径的主燃区煤粉和粒径小于10微米的煤粉分离开，粒径小于10微米的煤粉由三次风携带送入炉膛。
作为进一步优选的，所述一次风管道上设置有第一氧气注入阀门和第一空气阀门，用于向一次风管道中输入氧气和控制循环烟气的分配比例；
所述二次风管道上设置有第二氧气注入阀门和第二空气阀门，用于向二次风管道中输入氧气和控制循环烟气的分配比例；
所述三次风管道上设置有第三氧气注入阀门，用于向三次风管道中输入氧气。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明首先一次风入口和二次风入口在炉膛中位置十分接近，一次风携带燃料进入炉膛完成燃烧，二次风带有一定强度的旋流，对火焰结构和燃烧过程起到稳定的作用。三次风接入炉膛的位置和前两者具有一定的高度，在沿炉膛高度方向上形成不同当量比参数的分段燃烧区域，即构造主燃区和再燃区，通过主燃区的富燃料燃烧产生较低的火焰峰值温度，减少热力型NOx生成，促进还原性烃基团和燃料氮向挥发分N组分转化，减少NO产生，并且在燃尽区完成上游燃烧场所有物质的燃尽，提高燃料热利用效率。参与循环的烟气比例设置为0.71-0.75是为了保证进入炉膛内的气体量是足够多的，以保证炉内正常的点火，燃烧过程的实现，维持稳定燃烧和运行，让整个系统得以平稳工作。经过本工作前期的大量实验和计算表明，这个循环倍率可以让本专利所陈述的燃烧方法达到最好的NOx减排效果。
2.本发明在燃料分级富氧燃烧模式下，一次风占循环烟气的比例为0.17～0.20，二次风占循环烟气的比例为0.62～0.66，首先保证炉内燃烧能够稳定进行，然后，一次风的比例设置是经过实验和计算得到的数值，处于这个数值范围的一次风能平稳地向炉内输送煤粉，避免煤粉在管道内沉积和出现质量流量脉动现象。二次风的比例设置是为了制造一定强度的旋流，制造稳定的内回流区，稳定火焰。同时，一次风负责携带燃料，所以氧含量不能高于21％，所以就维持在21％不变，二次风含氧量处于30％～36％是为了助燃主燃区煤粉，使其充分燃烧，并且主燃区的过氧系数大小直接由二次风含氧量所决定。主燃区和再燃区燃料比为9：1比例由实验所确定，再燃燃料的释入可以和主燃区产生的大量NOx反应，促进NOx的减排。同时在富氧燃烧高浓度CO2富集的情况下，利用其与空气氛围截然不同的化学反应效果，在保证机组稳定运行的同时，联合燃料分级达到降低NOx原始生成，促进NOx再次还原，均匀炉内温度分布，增强传热等效果。
3.本发明燃料-氧双向分级富氧燃烧模式下比例设置可保证炉内燃烧能够稳定进行，经过实验和计算一次风的比例处于0.18～0.22能平稳输送煤粉，避免煤粉沉积和出现质量流量脉动。二次风的0.55～0.62比例设置是为了制造一定强度的旋流，制造稳定的内回流区，稳定火焰。一次风负责携带燃料，氧含量不能高于21％。二次风含氧量处于26％～34％，一是助燃主燃区煤粉，二是该模式减少了主燃区的过氧系数(0.9～1.1)(通过减少二次风含氧量达到)，造成主燃区富燃料条件，产生更多还原性烃基团，促进燃料氮向挥发分物质比如HCN或者NH3转化，而不是向NOx转化。主燃区的过氧系数大小直接由二次风含氧量所决定(0.9～1.1)。二次风减少的氧气部分注入三次风，以维持炉内气体量不变，使得燃烧稳定进行。主燃区和再燃区燃料比为9：1比例由实验所确定，再燃燃料释入可以和主燃区产生的大量NOx反应，促进NOx的减排，三次风注入氧气量是为了保持入炉气体量维持在一个比较恒定的水平，来维护机组的正常运行。同时高氧浓度可以促进上游燃烧场产生的不完全燃烧产物全部燃尽，充分利用燃料的能量。同时在富氧燃烧高浓度CO2氛围下，利用和空气燃烧截然不同的化学反应效果，保证机组稳定运行的同时，联合燃料-氧分级达到降低NOx原始生成，促进NOx再还原，均匀温度场，增强传热等效果。
4.本发明在无焰燃烧模式下，由于二次风含氧量进一步降低，使得主燃区过氧系数小于1，为了维持入炉气体量不变将二次风减少的氧气注入三次风，但三次风内环携带燃料，其含氧量不能高于21％，所以不能直接注入，只能改用纯氧管道注入的方式进行注氧。在注入氧气流量范围确定的情况下，限于物理条件，注氧管道的直径为62mm标准耐热钢管，通过计算得到其注入的速度为70m/s～100m/s。由于其高动量、含氧量高的特点，实际助燃的氧化剂已经远大于理论所需要的氧化剂量，并且高速射流引起燃料和氧化剂的均匀、强烈的混合，在实验和计算中可以达到燃烧速度快，火焰均匀的无焰状态。
5.本发明总燃料量根据机组的装机容量和热功率决定，在这个基础上，主燃区和燃尽区比例为9：1则是根据大量实验所确定，在这个比例下燃烧首先可以维持主燃区合适的燃烧温度，然后可以维持过热器、换热器区域较高的传热量，使其稳定高效率地运行。再燃区的颗粒直径较小，更便于三次风携带，作为再燃燃料，较小粒径的煤粉进入炉膛之后可以与氧化剂更加充分的接触，释放更多的还原性基团和HCN、NH3等将NOx进行还原，粒径较小的颗粒表面接触的氧化剂和NOx更多，并且有利于再燃燃料本身的燃尽。
附图说明
图1本发明实施例涉及的一种无焰分级富氧低NOx燃烧方法的具体配风方式示意图；
图2本发明实施例涉及的一种实现无焰分级富氧低NOx燃烧方法的系统的结构示意图；
图3是图2中涉及的锅炉的具体结构的左视图；
图4是图2中涉及的锅炉的具体结构的主视图，其中，图4中的A和B为局部放大图；
图5是图3中涉及的燃烧器三次风气流分配结构示意图；
图6是图3中涉及的燃烧器一次风和二次风气流分配结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-预热器，2-除尘器、3-引风机、4-脱硫塔、5-烟气冷凝器、6-烟囱，7-二次风机，8-一次风机，9-煤仓，10-给煤机，11-球磨机，12-粗粉分离器，13-排粉风机，14-细粉分离器，15-布袋除尘器，16-循环烟气阀、17-湿烟气阀门，18-第二空气阀门，19-第二循环烟气阀门A，20-第二氧气注入阀门，21-第一循环烟气阀门A，22-第一空气阀门，23-第一氧气注入阀门，24-旁通阀，25-排粉旁通阀，26-分离器流量阀，27-除尘器流量阀，28-旁路排烟阀，29-锅炉，30-第三氧气注入阀，31-排烟阀，32-排烟引风机，33-第二烟气出口管路，34-第一烟气出口管路，35-第二循环烟气管路，36-第一循环烟气管路，37-旁通管路，38-第二烟气循环阀门B，39-第一循环烟气阀门B，40-第一循环烟气阀门C，41-排烟旁路，42-排粉旁路，43-旁通管路后段，44-干烟气段，45-第一循环烟气管路一段，46-第一循环烟气管路二段，47-循环二次风段，48-循环一次风段，49-湿烟气段，50-三次风阀门，51-二次风进口，52-一次风进口，53-中心冷却风进口，54-三次风外环进口、55-三次风内环进口、56-注氧管道，57-三次风外环气流、58-三次风内环气流、59-纯氧气流，60-二次风气流、61-一次风气流、62-中心冷却风气流。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1、图2和图3所示，一种无焰分级富氧低NOx燃烧方法，其步骤具体如下：将参与循环的烟气按预设比例分为三路，分别通过一次风管道、二次风管道以及三次风管道将其携带的预设质量的燃料通入炉膛内进行燃烧，其中，所述一次风管道、二次风管道的出气口位于炉膛的主燃烧区，所述三次风管道的出气口位于炉膛的再燃烧区，参与循环的烟气为产生的总烟气的0.71～0.75，通过一次风管道的循环的烟气和注入的氧气形成一次风，通过二次风管道的循环的烟气和注入的氧气形成二次风，通过三次风管道的循环的烟气和注入的氧气形成三次风，通过分别控制一次风、二次风以及三次风中氧气的注入量以及质量流量，以控制主燃烧区和再燃烧区的过氧系数范围和流动特性，实现炉膛内的燃料分级富氧燃烧模式、燃料-氧双向分级富氧燃烧模式以及无焰富氧燃烧模式。
其中，在燃料分级燃烧模式下，所述一次风中参与循环的烟气为总循环烟气的0.17～0.20，所述二次风中参与循环的烟气为总循环烟气的0.62～0.66，剩余的产生的总烟气均通入三次风管道；所述主燃区与再燃区的燃料质量流量的比例为9:1。所述一次风在注入氧气后，一次风管道中氧气占循环烟气与氧气体积之和的21％；在所述二次风注入氧气后，二次风管道中氧气占循环烟气与氧气体积之和的30％～36％，三次风管道中不注入氧气，同时，取部分注入氧气后的二次风作为主燃烧区的中心冷却风通入炉膛中，以保护炉膛中的燃烧器；所述主燃区过氧系数范围为1.22～1.34。所述一次风的质量流量范围为0.18～0.20，二次风的质量流量范围为0.62～0.66，三次风的质量流量范围为0.16～0.18。
在燃料-氧双向分级燃烧模式下，所述一次风中参与循环的烟气为总循环烟气的0.18～0.22，所述二次风中参与循环的烟气为总循环烟气的0.55～0.62，剩余的产生的总烟气均通入三次风管道；所述主燃区与再燃区的燃料质量流量的比例为9:1。所述一次风在注入氧气后，一次风管道中氧气等于循环烟气与氧气体积之和的21％(稳定在21％)，并携带燃料进入炉膛；在所述二次风注入氧气后，二次风管道中氧气占循环烟气与氧气体积之和的26％～34％，所述三次风在携带燃料进入炉膛之前需要注入氧气，其以预混方式注入氧气，并维持注氧后氧气体积分数稳定在21％(为了安全起见，不能使其高于这个数值)。当主燃区过氧系数需要进一步降低的时候，三次风需要注入更多的氧气，所以这部分氧气不能以预混的方式进行注入，就只能通过在三次入口设置纯氧注入管道来进行，这些情况下三次风的含氧量已经分别达到了27％和34％(但是没有与之进行预混)，所述主燃区过氧系数范围为0.9～1.1。所述一次风的质量流量范围为0.17～0.20，二次风的质量流量范围为0.54～0.62，三次风的质量流量范围为0.19～0.25。
在无焰燃烧模式下，再燃区的纯氧注入速度为70m/s～100m/s，其中，注入的纯氧为Ar和O2的混合气体，O2所占的体积分数不小于95％，优选的，在本实施例中所使用的纯氧组成为97％体积分数的O2和3％体积分数的Ar。所述主燃区过氧系数范围为0.9～1.0；所述一次风的质量流量范围为0.19～0.20，二次风的质量流量范围为0.56～0.57，三次风的质量流量范围为0.23～0.24。
所述燃料经筛分后，筛分出的粒径为70μm～81μm的燃料在所述主燃烧区进行燃烧，筛分出的粒径小于10μm的燃料在所述再燃烧区进行燃烧，其中，主燃烧区的燃料占总燃料的90％。
如图2、图3、图4、图5以及图6所示，本发明还提供了一种实现无焰分级富氧低NOx燃烧方法的系统，包括锅炉29、烟气预处理模块、烟囱6、一次风管道、二次风管道以及三次风管道，其中，所述锅炉29、烟气预处理模块和烟囱6依次连接，所述锅炉29出来的总烟气经烟气预处理模块预处理后分为两路，一路经烟囱6排出，另一路参与循环，参与循环的烟气为总烟气的0.71～0.75；所述一次风管道、二次风管道的出气口位于炉膛的主燃烧区，所述三次风管道的出气口位于炉膛的再燃烧区，参与循环的烟气分为三路，第一路烟气通过一次风管道与和注入的氧气形成一次风，第二路烟气通过二次风管道和注入的氧气形成二次风，第三路烟气通过三次风管道和注入的氧气形成三次风，通过分别控制一次风、二次风以及三次风中氧气的注入量以及动量，以控制主燃烧区和再燃烧区的过氧系数范围和流动特性，实现炉膛内的燃料分级富氧燃烧模式、燃料-氧双向分级富氧燃烧模式以及无焰富氧燃烧模式。该系统还包括依次相连的煤仓9、给煤机10、球磨机11、粗粉分离器12和细粉分离器14，所述细粉分离器14的出口与一次风管道、二次风管道和三次风管道分别连接，用于分别向一次风管道、二次风管道和三次风管道输送煤粉；煤仓9中的煤经给煤机10输送至球磨机11进行球磨后，经第三路烟气携带依次进入、粗粉分离器12和细粉分离器14进行筛分，经所述粗粉分离器12筛分得到的符合要求的煤粉，不符合要求的煤粉，经粗粉分离器12的支路回到球磨机11进行再次研磨，经细粉分离器14将符合粒径的主燃区煤粉和较小粒径的煤粉分离开，较小粒径的煤粉由三次风携带送入炉膛。
进一步的，所述一次风管道上设置有第一氧气注入阀门23和第一空气阀门22，用于向一次风管道中输入氧气和控制循环烟气的分配比例；所述二次风管道上设置有第二氧气注入阀门20和第二空气阀门18，用于向二次风管道中输入氧气和控制循环烟气的分配比例；所述三次风管道上设置有第三氧气注入阀门30和旁通阀24，用于向三次风管道中输入氧气和控制循环烟气的分配比例。
具体而言，参考图2、图3、图4、图5以及图6描述基于本发明所实施的无焰分级富氧燃烧中燃料分级模式。以燃料分级模式中某一分级程度的工况为例，所述系统在稳定空气燃烧状况下逐渐开启循环烟气阀16，打开烟气循环的通道，同时逐渐关小排烟阀31、第一空气阀门22、第二空气阀门18，此过程维持入炉循环烟气的比例稳定在0.712。调节第一循环烟气管路36和第二循环烟气管路35上第一循环烟气阀门A21、第二循环烟气阀门A19的开度，控制循环烟气在一次风和二次风上分配的比例分别为0.17和0.62，剩余比例烟气作为三次风，实现循环烟气的分级。逐渐同步增加高浓度氧气量以弥补空气量的减少而造成的氧气量的损失。
所述燃烧系统的一次风和二次风管路注入的氧气量以炉膛出口氧浓度为参照，同时应该兼顾所述燃烧系统供氧注氧的安全因素。打开位于第一循环烟气管路36上的第一氧气注入阀门23，在一次风循环烟气中注入相应量的氧气，维持其氧浓度在21％。打开位于第二循环烟气管路35上的第二氧气注入阀门20，注入相应量的氧气至浓度达36％。本工况中，一次风的质量流量稳定在8.3t/h，二次风质量流量稳定在39.3t/h，三次风质量流量稳定在7.6t/h。在此模式中三次风无需注入氧气，其含氧量与循环烟气相同。
打开旁通管路37上的旁通阀24，调节其开度控制旁通管路37中分配的循环烟气比例，旁通管路37中循环烟气经过给煤机携带相应比例的燃料进入球磨机11，然后经过粗粉分离器12，经过分离器之后的携粉气流继续进入细粉分离器14，在粗粉分离器中粒径过大的煤粉将会被筛除，从粗粉分离器12与给煤机10下游相连通的管道落入球磨机进行再次研磨。携粉气流在细粉分离器14中再次进行颗粒筛选，分离出较细粒径的煤粉，然后与第一循环烟气管路36中气流汇合，携带煤粉送入一次风进口52。
打开排粉旁通阀25，排粉旁路42中气流携带煤粉颗粒进入细粉分离器14进行筛除，合格直径煤粉混入一次风气流61进入一次风进口52。调节三次风阀门50，流过排烟旁路41的部分气流将由管道，携带较细直径煤粉颗粒从三次风内环进口55，送入炉膛进行燃烧。
以上描述可实现本发明描述中的燃料分级模式。
参考图2、图3、图4、图5以及图6描述基于本发明所实施的无焰分级富氧燃烧中燃料氧分级模式。所述系统在稳定空气燃烧状况下逐渐开启循环烟气阀16开启烟气循环，逐渐关小排烟阀31、第一空气阀门22、第二空气阀门18，维持入炉循环烟气的比例稳定在0.712，即循环倍率保持在0.712。调节第一循环烟气管路36和第二循环烟气管路35上第一循环烟气阀门A21、第二循环烟气阀门A19的开度，控制循环烟气分级程度，一次风和二次风循环烟气的分配比例分控制为0.18和0.55。逐渐同步增加高浓度氧气量以弥补空气量的减少而造成的氧气量的损失。打开位于第一循环烟气管路36上的第一氧气注入阀门23，在一次风循环烟气中注入相应量的氧气，维持其氧浓度在21％。打开位于第二循环烟气管路35上的第二氧气注入阀门20，注入相应量的氧气至浓度达33％。本工况中，一次风的质量流量稳定在8.3t/h，二次风质量流量稳定在25t/h，三次风质量流量稳定在9.0t/h。打开旁通管路37上的旁通阀24，调节其开度控制旁通管路37中分配的循环烟气比例，旁通管路37中循环烟气经过给煤机携带相应比例的燃料进入球磨机11，然后经过粗粉分离器12，经过分离器之后的携粉气流继续进入细粉分离器14，在粗粉分离器中粒径过大的煤粉将会被筛除，从粗粉分离器12与给煤机10下游相连通的管道落入球磨机进行再次研磨。携粉气流在细粉分离器14中再次进行颗粒筛选，分离出较细粒径的煤粉，然后与第一循环烟气管路36中气流汇合，携带煤粉送入一次风进口52。打开排粉旁通阀25，调节三次风阀门50开度，三次风气流将携带较细颗粒的煤粉送入三次风内环进口55，进入炉膛进燃烧。在携带煤粉之前所述三次风就已注入氧气，并且维持其氧气浓度为21％。所述燃料氧分级模式加深时，需使三次风含氧量达到27％和33％，优选地，此时超过21％浓度的氧气量使用注氧管道56进行氧气注入。三次风携粉进入三次风内环55时，同时从注氧管道56注入氧气，其速度可分别达到70m/s和98m/s。优选地，注氧管道56均采用耐热304不锈钢无缝钢管，直径为62mm。所述三次风携较细粒径的煤粉时已均匀混合，注入的高动量氧化剂和燃料射流在再燃区域卷吸高温烟气，将燃料和氧化剂充分均匀混合，形成再燃区域的无焰状态。
以上描述可实现本发明描述中的燃料氧分级模式和无焰状态。
优选地，如图2和图3所示，携带煤粉的气流分别为一次风气流61和三次风内环气流58、两者携带煤粉的平均粒径分别为10μm和81μm。
参考图3和图4详细描述本发明所述的无焰分级富氧低NOx燃烧系统。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性，不应以此限制本发明燃烧模式的保护范围。
如参考图2、图3、图4、图5以及图6所示，所述系统主要包括锅炉29、预热器1、除尘器2、引风机3、脱硫塔4、烟气冷凝器5、烟囱6、排烟引风机32、球磨机11、布袋除尘器15、煤仓9、给煤机10、粗粉分离器12、细粉分离器14、第三氧气注入阀30、第一烟气出口管路34、第二烟气出口管路33、第一循环烟气管路36、第二循环烟气管路35、旁通管路37。
锅炉29前墙布置三个主燃烧器，采用尾部双烟道布置、管式空气预热器预热，尾部烟道设有高温省煤器，高温空气预热器，低温省煤器，低温空气预热器。锅炉29具有一次风进口52、二次风进口51、中心冷却风进口53、注氧管道56、三次风内环进口55、三次风外环进口54以及烟气出口。其中，中心冷却风进口53、一次风进口52和二次风进口51均为环状，中心冷却风进口53布置于一次风进口52中间，三次风外环进口54为环状，注氧管道56布置于三次风内环进口55中间。
第一烟气出口管路34连接预热器1的烟气出口、除尘器2、引风机3、脱硫塔4、连接至烟气冷凝器5的烟气进口。第二烟气出口管路33连接烟气冷凝器5出口以及烟囱6。第一循环烟气管路36的一端与第二循环烟气管路35上游相连，然后依次设置第一循环烟气阀门A21、第一空气阀门22、连接一次风机8、设置第一氧气注入阀门23、连接预热器1、连通至一次风进口52。第二循环烟气管路干烟气段44与第二烟气出口管路33相连，依次设置循环烟气阀16、连接第一循环烟气管路36、第二循环烟气阀门A19、第二空气阀门18、第二循环烟气管路35湿烟气段49、二次风机7、第二氧气注入阀门20、预热器1、最后连通至二次风进口51。第二循环烟气管路干烟气段44上的循环烟气阀16和第一循环烟气管路36连接处之间有一个烟气排放管路，上面分别设置有排烟阀31和排烟引风机32。第二循环烟气管路湿烟气段49一端连接第一烟气出口管路34，其连接位置介于第一烟气出口管路上引风机3和脱硫塔4之间，另一端连接于第二循环烟气管路上二次风机7和第二空气阀门18之间，其上设置有湿烟气阀门17。
旁通管路37一端连接于第一循环烟气管路36末端，末端连接处位于预热器1和第一循环烟气阀门C40之间，旁通管路分别连接给煤机10、和球磨机11，然后管路出现分支，旁通管路37继续连通粗粉分离器12、细粉分离器14，然后接入一次风进口52。其中粗粉分离器12与给煤机10下游管道连通，连接处介于给煤机10和球磨机11之间。球磨机11下游旁通管路分支连接排粉旁通阀25，然后继续分支为排粉旁路42和排烟旁路41。排粉旁路42经过排粉风机13、分离器流量阀26、细粉分离器14后与旁通管路汇合送入一次风进口52。排烟旁路41则依次连接除尘器流量阀27、布袋除尘器15和旁路排烟阀28，最后与大气相通。排烟旁路除尘器流量阀27下游引出管路分支连接锅炉29前墙再燃燃烧器，管路上设有三次风阀门50。
应当注意，在本发明中所描述的燃烧系统可以实施无焰分级富氧燃烧模式，但并不局限本发明所述无焰分级富氧燃烧的应用范围，只是为了详细说明实施过程而进行具体地描述。
以图3中35MW锅炉燃烧系统为例，该燃烧系统中，35MW锅炉炉体前墙布置有三只主燃烧器。主燃烧器M1和M2横向间距为1760mm，主燃烧器M3与M1、M2的纵向间距为2100mm。再燃燃烧器O1和O2的横向间距为1760mm，主燃烧器M3和再燃燃烧器O1、O2的纵向间距为1600mm。
通过对所述燃烧系统的运行参数优化，可以达到与空气燃烧情况下相同热负荷，此时循环烟气中的CO2浓度将提高至70％以上。
优选地，在分级富氧工况下使用微正压运行。分级富氧工况下，一、二次风的质量流量均大于传统空气工况，但一、二次风的风速有较大程度下降。分级富氧工况下入炉平均氧分压在28％左右，过氧系数在1.15和1.17之间。
优选地，为了使携带的煤粉能更容易点燃，一次风的氧气浓度可以大于等于18％，同时为防止一次风和煤粉的混合发生爆炸，一次风的氧气浓度应小于23％。
以上所述的氧气浓度均指烟气中氧气的体积占烟气体积的百分比，同理，一次风和二次风中氧气的浓度指的是，其中所含氧气的体积占一次风和二次风的体积的百分比。
本实施例能够在所述大型燃烧系统上实现无焰分级富氧燃烧，能在常规工况运行状态下平稳切入并保证主蒸汽参数无明显变化；在富氧燃烧湿循环全流程运行工况中，CO2的浓度达到了68％～72％，同样实现了CO2的富集。同时，在氧浓度大于3％时，各工况均可以实现较高的燃尽率，各工况下机械不完全燃烧损失相差不大，燃尽率及未燃碳比例基本一致，表明分级富氧燃烧同样可以得到较好的煤粉燃尽特性。
在所进行实施例中炉膛出口NOx排放为：富氧干循环模式NOx排放值为374ppm，相比之下，实施例中燃料分级模式的NOx排放值范围在280ppm～299ppm，实施例中燃料氧分级模式的NOx排放值范围在275ppm～292ppm。最后排放到环境中的NOx值分别为：普通空气工况NOx排放值84mg/MJ，富氧干循环模式36mg/MJ，燃料分级和燃料氧分级模式的排放值分别为27mg/MJ ppm～28mg/MJ，26mg/MJ～28mg/MJ。实施例的结果可以表明本发明系统能通过实现烟气循环的分级燃烧来降低NOx排放，炉膛出口的NOx最大降低幅度可达26％。最终排放到环境中的值可降低57～69％。
需要说明的是，以上所有NOx排放值都是换算到出口氧浓度为6％时对应的排放值。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无焰分级富氧低NOx燃烧方法，其特征在于，将参与循环的烟气按预设比例分为三路，分别通过一次风管道、二次风管道以及三次风管道将其携带的预设质量的燃料通入炉膛内进行燃烧，其中，所述一次风管道、二次风管道的出气口位于炉膛的主燃区，所述三次风管道的出气口位于炉膛的再燃区，参与循环的烟气为产生的总烟气的0.71～0.75，通过一次风管道的循环的烟气和纯氧混合形成一次风，通过二次风管道的循环的烟气和纯氧混合形成二次风，通过三次风管道的循环烟气和纯氧混合形成三次风或所述三次风中不注入氧气，通过分别控制一次风、二次风以及三次风中氧气的注入量以及质量流量，以控制主燃区和再燃区的过氧系数范围和流动特性，实现炉膛内的燃料分级富氧燃烧模式、燃料-氧双向分级富氧燃烧模式以及无焰富氧燃烧模式，其中，燃料分级富氧燃烧模式下主燃区的过氧系数范围为1.22～1.34，所述一次风的质量流率范围为0.18～0.20，二次风的质量流率范围为0.62～0.66，三次风的质量流率范围为0.16～0.18；燃料-氧双向分级富氧燃烧模式下主燃区的过氧系数范围为0.9～1.1，所述一次风的质量流率范围为0.17～0.20，二次风的质量流率范围为0.54～0.62，三次风的质量流率范围为0.19～0.25；无焰富氧燃烧模式下，再燃区纯氧的注入速度为70m/s～100m/s，所述一次风的质量流率范围为0.19～0.20，二次风的质量流率范围为0.56～0.57，三次风的质量流率范围为0.23～0.24。
2.根据权利要求1所述的一种无焰分级富氧低NOx燃烧方法，其特征在于，在燃料分级富氧燃烧模式下，所述一次风中参与循环的烟气为总循环烟气的0.17～0.20，所述二次风中参与循环的烟气为总循环烟气的0.62～0.66，剩余的循环烟气均通入三次风管道；所述主燃区与再燃区的燃料质量流量的比例为9:1。
3.根据权利要求2所述的一种无焰分级富氧低NOx燃烧方法，其特征在于，所述一次风在注入氧气后，一次风管道中氧气占循环烟气与氧气体积之和的21％，一次风携带燃料进入炉膛；在所述二次风注入氧气后，二次风管道中氧气占循环烟气与氧气体积之和的30％～36％，同时，取部分注入氧气后的二次风作为主燃区的中心冷却风通入炉膛中，以保护炉膛中的燃烧器。
4.根据权利要求1所述的一种无焰分级富氧低NOx燃烧方法，其特征在于，在无焰燃烧模式下，其中，注入的纯氧为Ar和O2的混合气体，O2所占的体积分数不小于95％；主燃区过氧系数范围为0.9～1.0。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种无焰分级富氧低NOx燃烧方法，其特征在于，所述燃料经筛分后，筛分出的粒径为70μm～81μm的燃料在所述主燃区进行燃烧，筛分出的粒径小于10μm的燃料在所述再燃区进行燃烧，其中，主燃区的燃料占总燃料的90％。
6.一种实现权利要求1-5任一项无焰分级富氧低NOx燃烧方法的系统，其特征在于，包括锅炉(29)、烟气预处理模块、烟囱(6)、一次风管道、二次风管道以及三次风管道，其中，
所述锅炉(29)、烟气预处理模块和烟囱(6)依次连接，所述锅炉(29)出来的总烟气经烟气预处理模块预处理后分为两路，一路经烟囱(6)排出，另一路参与循环，参与循环的烟气为总烟气的0.71～0.75；
所述一次风管道、二次风管道的出气口位于炉膛的主燃区，所述三次风管道的出气口位于炉膛的再燃区，参与循环的烟气分为三路，第一路烟气通过一次风管道和注入的氧气形成一次风，第二路烟气通过二次风管道和注入的氧气形成二次风，第三路烟气通过三次风管道和注入的氧气形成三次风或所述三次风中不注入氧气，通过分别控制一次风、二次风以及三次风中氧气的注入量以及动量，以控制主燃区和再燃区的过氧系数范围和流动特性，实现炉膛内的燃料分级富氧燃烧模式、燃料-氧双向分级富氧燃烧模式以及无焰富氧燃烧模式。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于,该系统还包括依次相连的煤仓(9)、给煤机(10)、球磨机(11)、粗粉分离器(12)和细粉分离器(14)，所述细粉分离器(14)的出口与一次风管道和三次风管道分别连接，用于分别向一次风管道和三次风管道输送煤粉；
煤仓(9)中的煤经给煤机(10)输送至球磨机(11)进行球磨后，经第三路烟气携带依次进入、粗粉分离器(12)和细分分离器(14)进行筛分，经所述粗粉分离器(12)筛分得到的符合要求的煤粉，不符合要求的煤粉，经粗粉分离器(12)的支路回到球磨机(11)进行再次研磨，经细粉分离器(14)将符合粒径的主燃区煤粉和粒径小于10μm的煤粉分离开，粒径小于10μm的煤粉由三次风携带送入炉膛。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述一次风管道上设置有第一氧气注入阀门(23)和第一空气阀门(22)，用于向一次风管道中输入氧气和控制循环烟气的分配比例；
所述二次风管道上设置有第二氧气注入阀门(20)和第二空气阀门(18)，用于向二次风管道中输入氧气和控制循环烟气的分配比例；
所述三次风管道上设置有第三氧气注入阀门(30)，用于向三次风管道中输入氧气。
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