CN111380049A

CN111380049A - 一种锅炉低氮排放系统

Info

Publication number: CN111380049A
Application number: CN201911177993.9A
Authority: CN
Inventors: 牟来享; 罗晓; 唐国全; 石朝东
Original assignee: China Tobacco Hubei Industrial LLC
Current assignee: China Tobacco Hubei Industrial LLC
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2020-07-07
Anticipated expiration: 2039-11-27
Also published as: CN111380049B

Abstract

本发明提出了一种锅炉低氮排放系统。本发明利用烟气回流技术，将部分烟气从排烟管道输送至新风入口,混合新风重新回到燃烧室内,风机进气口的风速在该处形成一定负压,从而诱导烟气从排烟管道流向强制送风机,该负压随燃烧用空气速度按比例变化,使烟气再循环速度随燃烧用空气速度自动调节，回流烟气降低了燃烧室内的氧气浓度，升温吸热过程在一定程度上降低燃烧温度，从而抑制了NOx的生成，通常需要15％‑20％的烟气量有效降低NOx水平。同时，通过PLC控制燃气阀开度、风门开度、风机频率配比运行，进一步降低了燃烧过程中NOx生成。由于回流的高温烟气可预热新风，降低升温过程中的天然气消耗，风机变频运行，降低电能消耗，整个系统节能减排效果显著。

Description

一种锅炉低氮排放系统

技术领域

本发明属于烟草技术领域，尤其涉及一种锅炉低氮排放系统。

背景技术

烟气再循环技术通常是用于抑制汽车尾气中氮氧化物排放技术的一种，即将一部分排气返回到送气系统，从而降低混合气体的氧气浓度，起到热量吸收体的作用，不致使燃烧温度变得过高，从而抑制氮氧化物的生成，烟气循环率通常是排气总量的5-20％，是氮氧化物生成量降低10％-90％。

汽车废气再循环装置(Exhaust Gas Re-circulation，EGR)：是指汽车用小型内燃机在燃烧后将排出气体的一部分排出并导人吸气侧使其再度吸人的技术，主要目的是降低排出气体中的氮氧化物(NOx)含量并在部分负荷时提高燃料经济性。

内燃机在燃烧后排出的气体中含氧量极低甚至没有，此排出气体与吸气混合后会使吸气中的氧气浓度降低，因此会产生下列现象：比大气更低的含氧量在燃烧时会使(最高)温度降低，抑制氮氧化物的产生。燃烧温度降低时，气缸与燃烧室壁面、活塞表面的热量传递会减少，另外因热离解造成的损失也会有所降低。燃油发动机其部分负荷与气缸内非EGR相比，为了提供等量的氧气量，需要将油门开大，结果使吸气时的吸油损失较低，且会提高燃油经济性，即活塞在一次行程下吸入的氧气降低时，会取得如同使用小排气量发动机加速前进时一样的效果。EGR的循环率在燃油发动机的情形(在吸气量中)下最大为15％，而怠速与高负载时则会停止废气再循环。以车辆重量来看，发动机输出较小的大型柴油车，其发动机负载较高，为了能够达到排气标准也常会使用到EGR技术。

现有技术没有无法准确检测排放烟气中氮氧化物(NOx)的具体含量。本发明的目的是在检测烟气中氮氧化物(NOx)具体含量的基础上，通过调节回流烟气量的大小来实现低氮排放。现有汽车废气再循环装置气缸与油门的动作搭配，无法实现空气/燃气的最佳配比。本发明通过原PLC控制整个系统运行，风机变频运行搭配燃气阀执行器、风门执行器的自动配比，实现空气/燃气的最佳配比。现有技术无法实现高负载运行下的烟气再循环。本发明的目的是实现各个关键负荷段的烟气回流。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明提出了一种锅炉低氮排放系统。

本发明系统的技术方案为一种锅炉低氮排放系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在排烟管与风机进风口由烟气回流管连接，所述烟气回流管末端安装调节阀，通过控制调节阀的开度从而调节再循环烟气量的大小，以降低氮氧化物的浓度；

步骤2：构建PLC检测系统以空气系数最小值为优化目标，根据不同燃烧率得到优化设置的燃气阀开度、风门开度、风机频率；

步骤3：根据优化设置的燃气阀开度、风门开度、风机频率对锅炉燃气阀执行器、风门执行器及送风机进行控制，从而使锅炉在燃烧率下均能获得燃烧所需的最佳燃气、空气配比，进一步减少燃烧过程中氮氧化物的生成与排放；

作为优选，步骤1中所述通过控制调节阀的开度从而调节再循环烟气量的大小，以降低NOx浓度具体为：

部分烟气将从排烟管的出口回流至风机进风口，通过送风机重新送回燃烧室，由于风机进风口的空气流速在该处形成一定负压，该负压随燃烧用空气速度按比例变化，使烟气再循环速度随燃烧的空气速度自动调节；

加入的烟气混合新风送进锅炉的燃烧室，降低了氧气的浓度，同时由于烟气不助燃，升温过程吸热，反而可在一定程度上降低燃烧温度，减弱了N2的氧化反应，加剧了NOx被还原为N2的反应,从而降低了NOx浓度；

作为优选，步骤2中所述PLC检测系统由氧量检测模块、PLC控制器、触摸屏、风门执行器、燃料阀执行器、风机变频器构成，所述PLC控制器分别于所述的氧量检测模块、触摸屏、燃料阀执行器、风门执行器、风机变频器通过有线方式依次连接；

所述空气系数最小值为优化目标为：氧气浓度、氮氧化物及其他有害化学物质含量达到最佳范围；

根据不同燃烧率优化配置燃气阀开度、风门开度、风机频率具体为：

步骤2.1，所述PLC控制器通过触摸屏设置燃烧率；

步骤2.1所述PLC控制器通过触摸屏设置燃烧率

通过所述触摸屏设置第i等级燃烧率为：

η_i，0.2≤η≤1，i∈[1,9]

步骤2.2，所述PLC控制器计算空气系数，通过初始化燃气阀开度、风门开度、风机频率进行控制；

步骤2.2中PLC控制器计算空气系数具体为：

所述氧量检测模块实时检测烟气含氧量为k，k通过下述公式计算得到空气系数α:α≈21/(21-k)。

步骤2.2中通过初始化燃气阀开度、风门开度、风机频率进行控制为：

所述PLC控制器随机初始化燃气阀开度、风门开度、风机频率依次为：

x_i,y_i,z_i i∈[1,9]

所述PLC控制器通过初始化燃气阀开度控制所述燃料阀执行器，通过所述初始化风门开度控制所述风门执行器，通过所述初始化风机频率控制所述风机变频器；

步骤2.3，所述PLC控制器以空气系数最小化为优化目标，重复执行步骤2.2 直至空气系数达到最小值，得到优化设置的燃气阀开度、风门开度、风机频率；

步骤2.3所述第i等级燃烧率下，优化设置的燃气阀开度、风门开度、风机频率依次为：

x^* _i,y^* _i,z^* _i i∈[1,9]

作为优选，步骤3中所述根据优化设置的燃气阀开度、风门开度、风机频率对锅炉进行控制，具体为：在20％、30％、40％……100％等锅炉燃烧的关键负荷段，分别设置燃气阀开度、风门开度以及风机频率，在调试过程中，通过氧量检测模块的数值反馈，计算烟气中的NOx含量，当含量达到低值时，即锁定该负荷段下的燃气阀开度、风门开度以及风机频率配比。按照此方法，依次设置每个负荷段下的配比，由PLC锁定配比运行，保证锅炉在任何负荷段，NOx的排放量均在降低范围内；

由于天然气燃烧过程中产生的主要为热力型NOx，即空气中的N2在高温下氧化而成，它的生成与燃烧温度和氧气浓度有着密切的关系，燃烧温度和氧气浓度越高，生成的NOx越多。本发明利用回流的烟气与新风混合，降低新风中的氧气浓度，同时由于烟气不助燃，升温过程吸热，降低炉膛内的燃烧温度，通过合理配比，在保证锅炉运行效率的前提下，营造不利于NOx生成的环境和条件，从而大幅度降低NOx的生成与排放。

本发明优点在于：

烟气回流管在锅炉外部添加，无需改动内部结构，材料为不锈钢管，成本低，安装距离短，便于施工。

原风门、燃气阀均为执行器控制，通过风机变频+程序升级，实现了各关键负荷段燃烧所需的最佳空气/燃气配比。

风机变频运行降低了电能消耗，回流烟气预热新风，减少了升温过程天然气的消耗，在减排的同时，带来的节能效果显著。

附图说明

图1：烟气回流示意图；

图2：燃气阀、风门、送风机装置示意图；

图3：配比设置示意图；

图4：PLC控制架构图；

图5：本发明系统流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1至图5介绍本发明的具体实施方式为一种锅炉低氮排放系统，本次我们的试验锅炉型号为EOG-604-2.5。具体包括以下步骤：

步骤1：在排烟管与风机进风口由烟气回流管连接，所述烟气回流管末端安装调节阀，如图1所示，通过控制调节阀的开度从而调节再循环烟气量的大小，以降低氮氧化物的浓度；

步骤1中所述通过控制调节阀的开度从而调节再循环烟气量的大小，以降低 NOx浓度具体为：

所述PLC检测系统由氧量检测模块、PLC控制器、触摸屏、风门执行器、燃料阀执行器、风机变频器构成，如图2所示，所述PLC控制器分别于所述的氧量检测模块、触摸屏、燃料阀执行器、风门执行器、风机变频器通过有线方式依次连接；

所述氧量检测模块选型为奥泰OMS-SNOR4S；所述PLC控制器选型为AB；所述触摸屏选型为KLDC-104B；所述风门执行器选型为西门子SQM50；所述燃料阀执行器选型为西门子SQM40；所述风机变频器选型为AB22P。

步骤2.1，所述PLC控制器通过触摸屏设置燃烧率；

步骤2.1所述PLC控制器通过触摸屏设置燃烧率为：

通过所述触摸屏设置第i等级燃烧率为：

η_i，0.2≤η≤1，i∈[1,9]

步骤2.2中PLC控制器计算空气系数具体为：

x_i,y_i,z_i i∈[1,9]

x^* _i,y^* _i,z^* _i i∈[1,9]

步骤3：根据优化设置的燃气阀开度、风门开度、风机频率对锅炉燃气阀执行器、风门执行器及送风机进行控制，如图3所示，从而使锅炉在燃烧率下均能获得燃烧所需的最佳燃气、空气配比，进一步减少燃烧过程中氮氧化物的生成与排放；

作为优选，步骤3中所述根据优化设置的燃气阀开度、风门开度、风机频率对锅炉进行控制，具体为：在20％、30％、40％……100％等锅炉燃烧的关键负荷段，分别设置燃气阀开度、风门开度以及风机频率，如图4所示，在调试过程中，通过氧量检测模块的数值反馈，计算烟气中的NOx含量，当含量达到低值时，即锁定该负荷段下的燃气阀开度、风门开度以及风机频率配比。按照此方法，依次设置每个负荷段下的配比，由PLC锁定配比运行，保证锅炉在任何负荷段，NOx的排放量均在降低范围内；

由于天然气燃烧过程中产生的主要为热力型NOx，即空气中的N2在高温下氧化而成，它的生成与燃烧温度和氧气浓度有着密切的关系，燃烧温度和氧气浓度越高，生成的NOx越多。本发明利用回流的烟气与新风混合，降低新风中的氧气浓度，同时由于烟气不助燃，升温过程吸热，降低炉膛内的燃烧温度，通过合理配比，在保证锅炉运行效率的前提下，营造不利于NOx生成的环境和条件，从而大幅度降低NOx的生成与排放，整个系统工作原理如图5所示。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种锅炉低氮排放系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤3：根据优化设置的燃气阀开度、风门开度、风机频率对锅炉燃气阀执行器、风门执行器及送风机进行控制，从而使锅炉在燃烧率下均能获得燃烧所需的最佳燃气、空气配比，进一步减少燃烧过程中氮氧化物的生成与排放。

2.根据权利要求1所述的锅炉低氮排放系统，其特征在于：

步骤1中所述通过控制调节阀的开度从而调节再循环烟气量的大小，以降低NOx浓度具体为：

部分烟气将从排烟管的出口回流至风机进风口，通过送风机重新送回燃烧室，由于风机进风口的空气流速在该处形成一定负压，该负压随燃烧用空气速度按比例变化，使烟气再循环速度随燃烧的空气速度自动调节；加入的烟气混合新风送进锅炉的燃烧室，降低了氧气的浓度，同时由于烟气不助燃，升温过程吸热，反而可在一定程度上降低燃烧温度，减弱了N2的氧化反应，加剧了NOx被还原为N2的反应,从而降低了NOx浓度。

3.根据权利要求1所述的锅炉低氮排放系统，其特征在于：

步骤2中所述PLC检测系统由氧量检测模块、PLC控制器、触摸屏、风门执行器、燃料阀执行器、风机变频器构成，所述PLC控制器分别于所述的氧量检测模块、触摸屏、燃料阀执行器、风门执行器、风机变频器通过有线方式依次连接；

步骤2.1，所述PLC控制器通过触摸屏设置燃烧率；

步骤2.1所述PLC控制器通过触摸屏设置燃烧率

通过所述触摸屏设置第i等级燃烧率为：

η_i，0.2≤η≤1，i∈[1,9]

步骤2.2中PLC控制器计算空气系数具体为：

所述氧量检测模块实时检测烟气含氧量为k，k通过下述公式计算得到空气系数α:α≈21/(21-k)；

x_i,y_i,z_i i∈[1,9]

步骤2.3，所述PLC控制器以空气系数最小化为优化目标，重复执行步骤2.2直至空气系数达到最小值，得到优化设置的燃气阀开度、风门开度、风机频率；

x^* _i,y^* _i,z^* _i i∈[1,9]。

4.根据权利要求1所述的锅炉低氮排放系统，其特征在于：

步骤3中所述根据优化设置的燃气阀开度、风门开度、风机频率对锅炉进行控制，具体为：在20％、30％、40％……100％等锅炉燃烧的关键负荷段，分别设置燃气阀开度、风门开度以及风机频率，在调试过程中，通过氧量检测模块的数值反馈，计算烟气中的NOx含量，当含量达到低值时，即锁定该负荷段下的燃气阀开度、风门开度以及风机频率配比；

按照此方法，依次设置每个负荷段下的配比，由PLC锁定配比运行，保证锅炉在任何负荷段，NOx的排放量均在降低范围内。