CN111486447A - 降低氮氧化物排放的循环流化床燃烧方法和燃烧装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种降低氮氧化物排放的循环流化床燃烧方法及装置，该方法包括步骤：提供依次相连的循环流化床主燃烧室、气固分离器和返料器，以及连接于气固分离器之后的后燃烧室；向主燃烧室内通入燃料和少于理论燃烧空气量的燃烧用风，使燃料在由主燃烧室、气固分离器、返料器组成的循环回路中进行不完全燃烧而产生半焦和一氧化碳，主燃烧室通入的燃烧用风占理论燃烧空气量的百分比大致等于燃料在循环回路完成的燃烧份额；以及向后燃烧室内通入附加燃烧用风，使来自气固分离器的气体出口的半焦和一氧化碳完全燃烧，在燃烧回路中完成80‑90％的燃烧份额，在后燃室中完成10‑20％的燃烧份额，且主燃烧室内的燃烧温度在1000‑1100℃的范围内。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及降低氮氧化物排放的循环流化床燃烧方法和燃烧装置。
背景技术
我国能源结构以煤为主，燃煤产生大量的氮氧化物气体是主要大气的污染物之一。其中，控制火电厂燃煤锅炉的氮氧化物排放至关重要。
循环流化床锅炉由于采用低温燃烧和二次风分级布置方式，锅炉原始氮氧化物排放浓度多在150mg/Nm3-250 mg/Nm3之间，低于使用相同燃料的煤粉锅炉。随着国家《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)颁布实施，对现有循环流化床锅炉的氮氧化物排放限值为200mg/Nm3，对新建锅炉则执行100mg/Nm3的排放标准，因此，循环流化床锅炉须进一步降低氮氧化物排放。
为了控制循环流化床锅炉的氮氧化物的生成，现有技术通常采用降低燃烧室内燃烧温度、采用低过量空气系数燃烧以及通过燃烧室配风延长还原区停留时间等手段。
采用降低燃烧室内燃烧温度和低过量空气系数燃烧的技术方案，在很大程度上影响了燃料的充分燃烧，增加了锅炉的气体不完全燃烧和固体不完全燃烧损失。通过燃烧室配风延长还原区停留时间的技术方案，主要是提高二次风高度，甚至在二次风上再增加一层燃尽风，在同一个燃烧室内随着空气分级程度加大，受燃烧室高度限制，燃尽时间大大缩短，烟气中飞灰含碳量和CO浓度增加，这同样也导致不完全燃烧损失增加，对于锅炉的经济运行造成不利影响。
中国专利申请201310723729.7公开了一种循环流化床锅炉低氮氧化物排放的燃烧方法，通过降低一次风量和二次风量使烟气氧量保持在2％至3％之间，即保持低氧量运行，同时增加二次风层数、提高二次风喷口高度延长还原区停留时间。但燃烧室内较高的二次风管布置方式，会加速二次风口周围水冷壁管的磨损，影响锅炉的安全运行。
中国专利申请201310539752.0公开了一种循环流化床锅炉多重分级高效低氮燃烧方法及燃烧系统，将燃烧空气分别经相应入口送入燃烧室，将炉膛分为欠氧燃烧、还原、氧化燃烧和燃尽区，分别控制各区域的过量空气系数，使燃料在燃烧室内分散均匀燃烧降低氮氧化物的生成。但是，在同一个燃烧室内进行多重分级，很难真正实现各区域的分区燃烧；同时受燃烧室高度的限制，过高的二次风管布置方式，会使燃料燃尽时间缩短，导致锅炉飞灰含碳量及烟气中可燃气体浓度升高，降低锅炉效率。
这些技术虽然对于控制循环流化床锅炉氮氧化物排放起到了一定的作用，但仍然很难达到日趋严格的循环流化床锅炉氮氧化物排放标准，有的甚至还对锅炉的安全经济运行造成不良影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实现超低氮氧化物排放的循环流化床燃烧方法，适用于煤及其它含氮燃料的燃烧。
根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种降低氮氧化物排放的循环流化床燃烧方法，包括步骤：提供依次相连的循环流化床主燃烧室、气固分离器和返料器，以及连接于气固分离器之后的后燃烧室；向循环流化床主燃烧室内通入燃料和少于理论燃烧空气量的燃烧用风，使燃料在由主燃烧室、气固分离器、返料器组成的循环回路中进行不完全燃烧，所述不完全燃烧产生了半焦和一氧化碳，其中主燃烧室通入的燃烧用风占理论燃烧空气量的百分比大致等于燃料在循环回路完成的燃烧份额；以及向后燃烧室内通入附加燃烧用风，使来自气固分离器的气体出口的半焦和一氧化碳完全燃烧，其中：在燃烧回路中完成所有燃料的80-90％的燃烧份额，在后燃室中完成所有燃料的10-20％的燃烧份额，且主燃烧室内的燃烧温度在1000-1100℃的范围内。
可选地，在上述方法中，后燃烧室的过量空气系数为1.05-1.3。进一步地，后燃烧室的过量空气系数为1.05-1.15。
可选地，在上述方法中，向主燃烧室通入的燃烧用风的过量空气系数为0.8-0.9。
可选的，从气固分离器的气体出口进入后燃室的半焦的粒径在10-20μm的范围内。
可选的，后燃室内的燃烧温度在1000-1100℃的范围内。
可选的，对于挥发分较高的煤种，控制主燃烧室的过量空气系数在0.8-0.85之间，同时选取后燃烧室第一过量空气系数；对于挥发分较低的煤种，控制主燃烧室的过量空气系数在0.85-0.9之间，同时选取后燃室第二过量空气系数，后燃室第二过量空气系数大于后燃室第一过量空气系数。
根据本发明的实施例的另一方面，提出了一种降低氮氧化物排放的循环流化床燃烧装置，包括：循环回路，包括依次相连的循环流化床主燃烧室、气固分离器和返料器；连接于气固分离器之后的后燃烧室，后燃烧室设置有附加燃烧用风入口；以及控制系统，构造成控制进入主燃烧室的燃烧用风量和经由附加燃烧用风入口进入后燃烧室的附加燃烧用风量，使得燃料在循环回路中不完全燃烧以产生半焦和一氧化碳、且使得来自气固分离器的气体出口的半焦和一氧化碳在后燃烧室中完全燃烧以降低氮氧化物排放，其中：所述控制系统控制进入主燃烧室的燃烧用风量和经由附加燃烧用风入口进入后燃烧室的附加燃烧用风量，使得在燃烧回路中完成所有燃料的80-90％的燃烧份额，在后燃室中完成所有燃料的10-20％的燃烧份额，且主燃烧室内的燃烧温度在1000-1100℃的范围内。
可选地，所述控制系统构造成使得后燃烧室的过量空气系数为1.05-1.3。
可选地，所述控制系统构造成使得后燃烧室的过量空气系数为1.05-1.15。
可选地，所述控制系统构造成使得向主燃烧室通入的燃烧用风的过量空气系数为0.8-0.9。
可选的，所述控制系统控制进入主燃烧室的燃烧用风量和经由附加燃烧用风入口进入后燃烧室的附加燃烧用风量，使得后燃室内的燃烧温度在1000-1100℃的范围内。
利用本发明的技术方案，由于燃料在由主燃烧室、气固分离器、返料器组成的循环回路中进行不完全燃烧，所述不完全燃烧产生了半焦和一氧化碳、且来自气固分离器的气体出口的半焦和一氧化碳在后燃烧室中完全燃烧，从而可以显著降低氮氧化物的排放量。在主燃烧室和/或燃烧室的燃烧温度在1000-1100℃范围内的情况下，这样可获得更高的燃烧效率和更大的换热温差，同时仍可保证氮氧化物的低水平排放。
附图说明
图1为本发明的一个示例性实施例的降低氮氧化物排放的循环流化床燃烧装置的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实例性的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。下面参考附图描述的实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
图1示出了一种降低氮氧化物排放的循环流化床燃烧装置。如图1所示，该循环流化床燃烧装置包括：循环流化床主燃烧室1，设有燃料入口11和燃烧用风入口12；气固分离器2，与循环流化床主燃烧室1的出口相通；返料器3，分别与气固分离器2的固体出口和循环流化床主燃烧室1上的返料口相通；后燃烧室4，与气固分离器2的气体出口相通，设有附加燃烧用风入口41。其中：所述气固分离器适于隔离由主燃烧室、气固分离器、返料器组成的循环回路中的还原气氛和所述后燃烧室中的氧化气氛。可以利用控制系统控制进入主燃烧室的燃烧用风量和经由附加燃烧用风入口进入后燃烧室的附加燃烧用风量，使得燃料在循环回路中不完全燃烧以产生半焦和一氧化碳、且使得来自气固分离器的气体出口的半焦和一氧化碳在后燃烧室中完全燃烧以降低氮氧化物排放。
可选地，循环流化床燃烧装置还包括尾部烟道5，与后燃烧室4的出口相通。可选地，附加燃烧用风入口41也可设置在气固分离器2的气体出口烟道上。其中，主燃烧室和后燃烧室以及尾部烟道均可根据热平衡需要适当设置受热面。此外，循环流化床燃烧装置也可直接利用常规尾部烟道作为后燃烧室，即燃烧装置的气固分离器与尾部烟道相连，附加燃烧用风入口41设在尾部烟道上。
基于上述循环流化床燃烧装置，本发明提供了一种降低氮氧化物排放的循环流化床燃烧方法，包括如下步骤：向循环流化床主燃烧室内通入过量空气系数小于1(优选为0.8-0.9)的燃烧用风和燃料，使燃料在由主燃烧室、气固分离器、返料器组成的循环回路中进行不完全燃烧并产生未完全燃烧的燃料颗粒(主要为半焦)和还原性烟气(主要可燃成分为一氧化碳)；产生的还原性烟气携带未完全燃烧的燃料颗粒进入气固分离器，部分颗粒被分离、经返料器重新送回主燃烧室，其余颗粒随烟气一起进入后燃烧室；向后燃烧室通入的燃烧用风使后燃烧室的过量空气系数可达到1.05-1.3(优选为1.05-1.15)，使半焦及一氧化碳完全燃烧。高温烟气可进入尾部烟道放热。
下面进一步说明根据本发明的降低氮氧化物排放的循环流化床燃烧装置及方法。
燃料的循环流化床燃烧过程中，生成的氮氧化物(NOx)主要为一氧化氮(NO)，其比例高达95％。一般煤燃烧生成的NOx的氮来源可以分为燃料N和热力N，燃料氮来自燃料中的N，热力N来自燃烧用空气中的N，只有在高温(1100℃以上)下热力N才有可能转化为NOx。对于循环流化床煤燃烧来说，氮氧化物的生成主要来源于煤中的氮元素，在一般燃烧条件下，煤中氮的化合物首先被热解成HCN和NH3等中间产物，随着挥发分一同从煤种析出，称之为挥发分N，仍残留在焦炭中的氮称之为焦炭N；而在氧化性气氛中，煤燃烧时由挥发分N生成的氮氧化物占的比例可达60％-80％，焦炭燃烧产生的氮氧化物只占20-40％，所以一般认为焦炭N的NO转化率较低，尤其在过量空气增加时，挥发分N生成的氮氧化物占绝大多数。
在燃烧过程中，随燃料挥发分一起析出的挥发分N，遇到氧会发生一系列均相反应，其中的HCN反应生成NCO中间体后依据气氛有两种反应途径；在氧化性气氛中，NCO会进一步氧化成NO；在还原性气氛中则反应生成NH，生成的NH在氧化性气氛中会进一步氧化成NO，同时NH在还原性气氛中有可使已经生成的NO还原成N2。挥发分N中，NH3首先在高温条件下与烟气中的自由基生成NHi，进而在氧化性气氛下生成NO；NHi在还原性气氛下与生成的NO直接反应生成N2。残留在焦炭中的焦炭N，在氧化性气氛下直接生成NO，而在还原性气氛下NO则被还原成N2。由此可见，在煤的整个燃烧过程中，其N元素经历一系列均相、异相反应，在氧化性气氛下，最终的产物是氮氧化物；在还原性气氛下，最终的产物为氮分子。
可见，只要能够控制循环流化床燃烧的气氛为还原性气氛，则可避免氮氧化物的产生，但燃烧如果始终在还原性气氛下进行，则意味着燃烧不充分、燃烧效率降低。
现有技术中，较为常见的低氮燃烧方法是在炉膛局部形成还原区，在其下游形成氧化区燃尽燃料，还原区与燃尽区处于同一腔体中。但本发明与这些方法有着本质的不同，其关键就在于本发明的还原区与燃尽区之间通过气固分离器进行了隔离：
(1)气固分离器限制氧气的流动：
分离器的流动特性决定了气体只能从主燃烧室向后燃烧室单向流动，通入后燃烧室的补燃用的氧气无法进入主燃烧室，因此不仅确保了主燃烧室为还原性气氛，而且主燃烧室与分离器、返料器构成的整个循环回路也都处于还原性气氛中；
还原区与燃尽区处于同一腔体中时，向燃尽区通入的氧气是不能保证不向还原区扩散的，二者之间的界限很模糊、难以精确控制过量空气系数。在还原区与燃尽区处于同一腔体中时，通常还原区过量空气系数会选择0.4-0.6，如果过于接近1，燃尽区氧气一扩散，还原区将难保还原气氛；而本发明优选主燃烧室过量空气系数0.8-0.9，十分接近1，正是因为有气固分离器可确保主燃烧室的还原区气氛。
(2)气固分离器确定还原区燃烧份额：
整个主燃烧室全部处于还原区，挥发分会在主燃烧室中燃尽、不会进入燃尽区；主燃烧室产生的焦炭颗粒中粒径较大的部分都会被气固分离器捕集、在循环回路中反复燃烧、直至可燃成分充分燃尽，或磨损、破碎为极细的颗粒从气固分离器逃逸；因此，主燃烧室通入的空气占理论燃烧空气量的百分比大致等于燃料在循环回路完成的燃烧份额；
而还原区与燃尽区处于同一腔体中时，由于燃料在还原区的停留时间有限，很快会进入其下游的燃尽区，还原区的燃烧份额会显著少于的该区域通入的空气占理论燃烧空气量的百分比；
本发明主燃烧室过量空气系数0.8-0.9，意味着燃料在还原区的燃烧份额约为80-90％，但对于还原区与燃尽区处于同一腔体中的方法，即便采用0.8-0.9的过量空气系数，燃料在还原区的燃烧份额也远远低于80-90％。
(3)气固分离器限定主燃烧室和后燃烧室燃料成分：
全部燃料均从主燃烧室加入，燃料被加热后，首先产生挥发分和焦炭，挥发分十分容易燃尽，会在主燃烧室中燃尽、不会进入后燃烧室，确保了挥发分是在还原性气氛中燃烧，无NO排放；焦炭颗粒中粒径较大的部分被气固分离器捕集、在循环回路中反复燃烧、直至可燃成分充分燃尽，或磨损、破碎为极细的颗粒从气固分离器逃逸；
经气固分离器进入后燃烧室的，则是含有可燃气体成分的还原性烟气和细度为飞灰级的焦炭颗粒，向后燃烧室通入充足空气后，气体成分很容易燃尽，而能从气固分离器逃逸的焦炭颗粒通常d50仅为10-20μm，即便与煤粉燃烧所用的d50约为30μm的煤粉相比，也更易燃尽；
因此，本发明通过气固分离器将较难燃尽的焦炭大颗粒限制在循环回路中反复循环燃烧，留给后燃烧室燃用的则是较易燃尽的气体可燃成分和极细的焦炭颗粒，从而可选用较低的后燃烧室过量空气系数——在现有分级燃烧技术中，通常最后一级配风的过量空气系数需要选择1.2-1.3的范围以保证燃烧效率，本发明的后燃烧室过量空气系数可以低至1.05-1.15，此时，较少过量空气可以进一步降低后燃烧室的NOx生成量。
主燃烧室优选的过量空气系数在0.8-0.9之间，意味着燃料80-90％的燃烧份额在循环回路的还原性气氛下完成，无氮氧化物排放，特别是易转化为NO的挥发分N在还原气氛下都转化成了氮气N2。然后向后燃烧室通入燃料充分燃烧所需的剩余氧气，在后燃烧室内完成10-20％燃烧份额，主要是NO转化率不高的焦炭燃烧。虽然后燃烧室内为氧化性气氛，但由于只有10-20％燃烧份额的焦炭燃烧在后燃烧室完成，这部分焦炭燃烧产生的NO数量较少，所以总体来说，整个燃烧过程仅产生少量的氮氧化物。综上，投入燃烧装置的燃料燃烧过程中，80-90％的燃烧份额不产生氮氧化物，仅10-20％的燃烧份额中的焦炭燃烧产生了少量的氮氧化物，因而锅炉的氮氧化物生成总量大幅下降。
举例如下：
以不采用低NOx技术时燃料燃烧的原始NO排放为1000mg/Nm3计：
如若其中挥发分N转化而来的NO为600mg/Nm3，焦炭N转化而来的为400mg/Nm3，采用本发明的装置及其方法，80-90％的燃烧份额在还原性气氛中完成、不产生氮氧化物，只有10-20％的燃烧份额在氧化性气氛中进行，且仅其中的焦炭燃烧会产生氮氧化物，则仅生成40-80mg/Nm3氮氧化物；
如若其中挥发分N转化而来的NO为800mg/Nm3，焦炭N转化而来的为200mg/Nm3，采用本发明的装置及其方法时，在氧化气氛中进行10-20％燃烧份额仅生成20-40mg/Nm3氮氧化物。
可见，采用本发明的装置及其方法，可以实现燃料燃烧产生的氮氧化物低于100mg/Nm3。
本发明中可灵活调节并分配主燃烧室和后燃烧室的燃烧用风通入量，适应不同的燃料特性需求：对于挥发分较高的煤种，可控制主燃烧室的过量空气系数在0.8-0.85之间，以保证主燃烧室内的强还原性气氛，进一步抑制挥发分N向氮氧化物的转化，同时选取较低的后燃烧室过量空气系数，如1.05，以减少后燃烧室内氮氧化物的生成。对于挥发分较低的煤种，可调节主燃烧室的过量空气系数在0.85-0.9之间，在控制主燃烧室内的还原性气氛前提下，抑制氮氧化物生成的同时提高焦炭的燃尽率，保证锅炉燃烧效率。
本发明通过气固分离器分隔主燃烧室与后燃烧室，保证了循环回路都处于还原气氛中，可实现循环流化床锅炉氮氧化物的超低排放，并可根据燃料特性灵活调节两个燃烧室的燃烧份额；同时保证了燃烧充分燃烧，锅炉燃烧效率不受影响。
此外，由于循环回路完全处于还原气氛，后燃烧室内仅须考虑焦炭燃烧的氮氧化物排放，因此主燃烧室和后燃烧室的燃烧温度可以在现有技术常用的850-900℃基础上提高至1000-1100℃，这样可获得更高的燃烧效率和更大的换热温差，同时仍可保证氮氧化物的低水平排放。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (12)
1.一种降低氮氧化物排放的循环流化床燃烧方法，包括步骤：
提供依次相连的循环流化床主燃烧室、气固分离器和返料器，以及连接于气固分离器之后的后燃烧室；
向循环流化床主燃烧室内通入燃料和少于理论燃烧空气量的燃烧用风，使燃料在由主燃烧室、气固分离器、返料器组成的循环回路中进行不完全燃烧，所述不完全燃烧产生了半焦和一氧化碳，其中主燃烧室通入的燃烧用风占理论燃烧空气量的百分比大致等于燃料在循环回路完成的燃烧份额；以及
向后燃烧室内通入附加燃烧用风，使来自气固分离器的气体出口的半焦和一氧化碳完全燃烧，
其中：
在燃烧回路中完成所有燃料的80-90％的燃烧份额，在后燃室中完成所有燃料的10-20％的燃烧份额，且主燃烧室内的燃烧温度在1000-1100℃的范围内。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
后燃烧室的过量空气系数为1.05-1.3。
3.根据权利要求2所述的方法，其中：
后燃烧室的过量空气系数为1.05-1.15。
4.根据权利要求1所述的方法，其中：
向主燃烧室通入的燃烧用风的过量空气系数为0.8-0.9。
5.根据权利要求1所述的方法，其中：
从气固分离器的气体出口进入后燃室的半焦的粒径在10-20μm的范围内。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中：
后燃室内的燃烧温度在1000-1100℃的范围内。
7.根据权利要求1所述的方法，其中：
对于挥发分较高的煤种，控制主燃烧室的过量空气系数在0.8-0.85之间，同时选取后燃烧室第一过量空气系数；
对于挥发分较低的煤种，控制主燃烧室的过量空气系数在0.85-0.9之间，同时选取后燃室第二过量空气系数，后燃室第二过量空气系数大于后燃室第一过量空气系数。
8.一种降低氮氧化物排放的循环流化床燃烧装置，包括：
循环回路，包括依次相连的循环流化床主燃烧室、气固分离器和返料器；
连接于气固分离器之后的后燃烧室，后燃烧室设置有附加燃烧用风入口；以及
控制系统，构造成控制进入主燃烧室的燃烧用风量和经由附加燃烧用风入口进入后燃烧室的附加燃烧用风量，使得燃料在循环回路中不完全燃烧以产生半焦和一氧化碳、且使得来自气固分离器的气体出口的半焦和一氧化碳在后燃烧室中完全燃烧以降低氮氧化物排放，
其中：
所述控制系统控制进入主燃烧室的燃烧用风量和经由附加燃烧用风入口进入后燃烧室的附加燃烧用风量，使得在燃烧回路中完成所有燃料的80-90％的燃烧份额，在后燃室中完成所有燃料的10-20％的燃烧份额，且主燃烧室内的燃烧温度在1000-1100℃的范围内。
9.根据权利要求8所述的循环流化床燃烧装置，其中：
所述控制系统构造成使得后燃烧室的过量空气系数为1.05-1.3。
10.根据权利要求8所述的循环流化床燃烧装置，其中：
所述控制系统构造成使得后燃烧室的过量空气系数为1.05-1.15。
11.根据权利要求8所述的循环流化床燃烧装置，其中：
所述控制系统构造成使得向主燃烧室通入的燃烧用风的过量空气系数为0.8-0.9。
12.根据权利要求8-11中任一项所述的循环流化床燃烧装置，其中：
所述控制系统控制进入主燃烧室的燃烧用风量和经由附加燃烧用风入口进入后燃烧室的附加燃烧用风量，使得后燃室内的燃烧温度在1000-1100℃的范围内。
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