CN111765453A - 空气分级耦合烟气再循环的生物质低氮燃烧器及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空气分级耦合烟气再循环的生物质低氮燃烧器及实现方法，将生物质燃料送入炉膛中，一次空气由一次风给风机3供应，在点火期间，电动调节风门Ⅰ调节一次空气给风量，确保生物质燃料具有良好的燃烧条件；二次空气由二次风给风机提供，使用电动调节风门Ⅱ调节二次空气的给风量；将经过布袋除尘器除尘与降温后的烟气，通过引风机将部分烟气通过烟气循环管引回与一次给风管的一次空气混合后鼓入生物质锅炉中达到降低NOx排放的目的，烟气的循环量通过蝶阀控制调节；充足的一次空气供应，补以较低的二次空气，二次空气低于一次风量的10%，再循环烟气风量控制在10%‑20%范围内可达到最低NOx排放量，即最佳低氮燃烧效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种空气分级耦合烟气再循环的生物质低氮燃烧器及实现方法，用于降低生物质锅炉的氮氧化物（NOx）排放量，以期高效率、低成本的实现生物质锅炉NOx达标排放。
背景技术
能源和环境问题已成为全球关注的焦点，虽然煤、石油和天然气这些常规能源至今仍是燃料的主要来源，但是，全球目前已探明储量的可供开采的石油、天然气和煤炭资源分别将在25、27和97年后用尽耗竭。生物质能作为唯一可储存和运输的可再生绿色能源，其高效转换和洁净利用潜力日益受到世界各国的重视。国家明确提出建立生物质成型燃料生产、储运和使用体系，在城市推广生物质成型燃料集中供热，在农村作为清洁炊事和采暖燃料推广应用。
大部分生物质燃料所含氮元素含量较高，生物质燃料燃烧时大约有70%-100%的氮会转化为一氧化氮（NO）。此外，一氧化碳（CO）排放是传统生物质锅炉的一大重要缺陷，通常通过提高炉膛温度以降低CO的排放量，但是，当火焰温度高于1000℃且为富氧状态时，燃烧过程将生成排放量远高于燃料氮转化的热力型氮氧化物（NOx）。高NOx排放成为影响生物质锅炉更广泛应用的限制因素之一。
2014年，环境保护部与国家质量监督检验检疫总局联合发布了最新的《锅炉大气污染物排放标准》（GB13271-2014）。标准规定，自2014年7月1日起，新建生物质锅炉的NOx排放限值为300 mg/m3。2018年，天津市环境保护局与天津市市场和质量监督管理委员会公布了《生物质成型燃料锅炉大气污染物排放标准》（DB12/765-2018），新标准于2018年2月1日正式实施，生物质锅炉NOx排放应低于150 mg/m3。
目前常用的烟气脱硝技术包括一次技术和二次技术。
一次技术包括空气分级、燃料再燃和烟气再循环等技术。燃料再燃技术尽管有很好的降氮效果，但是该技术对燃烧条件要求较高，操作难度较高，此外，由于不同燃料的燃烧工况不一样，导致普适性较差。目前比较常用的为单独使用空气分级或烟气再循环技术，但降氮效果往往不甚明显，难以达到愈加严格的排放标准。
二次技术主要包括选择性催化还原（SCR）、选择性非催化还原（SNCR）等。SCR技术的关键步骤是通过脱硝催化剂将NO催化氧化为成氮气（N2），虽然脱硝效率很高，但设备和催化剂相对昂贵，催化剂存在使用寿命限制，而且烟气中的二氧化硫（SO2）、碱土金属和蒸汽很容易使得催化剂失活、烟气颗粒物覆盖催化剂的表面会影响催化效果。SNCR技术通常使用尿素或氨来将NOx还原为N2，虽然不使用催化剂而且投资与运营成本低于SCR技术，但整体脱硝效率较低，难以达到日益严格的标准。
专利号为201710574433.1的“富氧燃烧和烟气再循环相结合的生物质直燃装置”，将富氧燃烧和烟气再循环技术相结合，除向炉内输送富氧空气外，使用烟气再循环系统将再循环烟气分别与二次风和燃尽风混合，再分别从锅炉前后四个喷口注入炉内。其优点是使用空气浓缩装置将富氧空气送入一次风，以提高燃料的燃烧效率；再循环烟气引入二次风与燃尽风，再从炉壁喷口送入炉膛，以达到污染物脱除的目的。其不足之处是该锅炉采用左侧进料，会在炉排上堆积形成燃料层，不利于燃料的充分燃烧，因而需使用富氧空气作为助燃气，增加了使用成本；此外，较低温度的再循环烟气与二次风和燃尽风混合，从炉壁的四个喷口注入炉内，会导致二次风分布不均匀，从而影响燃料的充分燃烧与NOx的生成。
为此，开发高效率、低成本的生物质低氮燃烧锅炉是开发商研究的课题。
发明内容
针对当前社会经济需求和现有技术的不足，本发明提供一种空气分级耦合烟气再循环的生物质低氮燃烧器，包括生物质锅炉、一次风给风、二次风给风和烟气再循环系统。一次风由位于炉排下方的鼓风机供应，为使鼓入的一次空气的分布均匀，一次空气在进入锅炉前先通过炉排下方的空气分配板；二次空气由位于锅炉顶部的鼓风机提供，传统的多级补风使用三个甚至更多的位于炉壁上的喷嘴来提供二次空气，然而这种方式的改造成本较高，二次空气分布通常不均匀，考虑到脱硝效果、便利性和经济性，本发明对二次空气风管和燃料进料管的结构进行了创新设计，且燃料供给管没有破坏二次空气风管的密封，从而解决传统空气分级的问题。锅炉排出的烟气首先经过布袋除尘器进行除尘与降温，之后通过引风机将部分烟气引回与一次空气混合后鼓入生物质锅炉中。
本发明采用的技术方案是：一种空气分级耦合烟气再循环的生物质低氮燃烧器，包括炉排、炉膛、一次风给风机、电动调节风门Ⅰ、燃料进料管、螺旋进料系统、锅炉支架、烟道、布袋除尘器，锅炉固定在锅炉支架上，在锅炉的炉膛下端设有炉排，设置在锅炉支架内的一次风给风机通过电动调节风门Ⅰ与一次给风管一端连接，使用电动调节风门Ⅰ调节一次空气给风量，一次给风管另一端设置在炉排下方，燃料进料管从锅炉顶端伸入锅炉的炉膛内，螺旋进料系统与燃料进料管连接；
其特征在于：还包括电动调节风门Ⅱ、二次风给风机、二次风管、蝶阀、引风机、烟气循环管；
所述二次风管套装在燃料进料管外，二次风管的内壁与燃料进料管外壁构成了二次给风管道，二次风管上端与燃料进料管之间为封闭端，二次风管下端与燃料进料管之间为敞开端，
所述二次风给风机固定在锅炉顶端，二次风给风机通过电动调节风门Ⅱ与二次给风机管一端连接，使用电动调节风门Ⅱ调节二次空气给风量，二次给风机管另一端伸入二次风管内；
在与锅炉连接的烟道上设有布袋除尘器，在布袋除尘器的出烟管道上连接烟气循环管一端，烟气循环管另一端依次通过蝶阀和引风机与一次给风管连接。
一种空气分级耦合烟气再循环的生物质低氮燃烧器的实现方法，其特征在于，步骤如下：
将生物质燃料通过螺旋进料系统和燃料进料管送入炉膛中，点燃燃料颗粒，一次空气由位于炉排下方的一次风给风机供应，在点火期间，使用电动调节风门Ⅰ调节一次空气给风量，以确保生物质燃料具有良好的燃烧条件；二次空气由位于锅炉顶部的二次风给风机提供，二次风管嵌套在燃料进料管的外部，从而使二次空气均匀的到达炉膛内燃料上方，避免了传统多级补风成本高、二次空气分布不均匀问题，使用电动调节风门Ⅱ调节二次空气的给风量；考虑到低氮燃烧效果、便利性和经济性，进一步将经过布袋除尘器除尘与降温后的烟气，通过引风机将部分烟气通过烟气循环管引回与一次给风管的一次空气混合后鼓入生物质锅炉中达到降低NOx排放的目的，再循环烟气的风量通过蝶阀控制调节；
充足的一次空气供应，补以较低的二次空气，二次空气低于一次风量的10%，再循环烟气风量控制在10%-20%范围内达到最低NOx排放量，即最佳低氮燃烧效果。
本发明的有益效果是：
本发明将燃料通过螺旋进料系统由锅炉上部向下送入炉排，避免了燃料堆积导致燃烧不充分从而增加污染物的生成；此外，将再循环的烟气引回与一次空气混合，随主引风机鼓入生物质锅炉中，烟气中的NOx直接与燃料混合参与燃烧过程，进一步降低了NOx的生成；且二次空气通入燃料进料管，从而注入炉内，使得二次空气分布均匀，从而适当调整炉内温度场分布，对防止局部烟气温度过高，降低NOx的排放有较大作用。本发明对NOx的降低效率更高，排放烟气NOx浓度达到150 mg/m3以下，且工艺流程简单，大大降低了改造成本。因此，空气分级和烟气再循环耦合的生物质低氮燃烧技术是减少NOx排放的有效且低成本的方法。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明二次风管套装在燃料进料管的结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种空气分级耦合烟气再循环的生物质低氮燃烧器，包括炉排1、炉膛2、一次风给风机3、电动调节风门Ⅰ4、燃料进料管5、螺旋进料系统5-1、锅炉支架6、烟道7，锅炉固定在锅炉支架6上，在锅炉的炉膛2下端设有炉排1，设置在锅炉支架6内的一次风给风机3通过电动调节风门Ⅰ4与一次给风管3-1一端连接，一次给风管3-1另一端设置在炉排1下方，燃料进料管5从锅炉顶端伸入锅炉的炉膛2内，螺旋进料系统5-1与燃料进料管5连接；还包括电动调节风门Ⅱ8、二次风给风机9、二次风管10、布袋除尘器11、蝶阀12、引风机13、烟气循环管14；
将二次风管10套装在燃料进料管5外，二次风管10的内壁与燃料进料管5外壁构成了二次给风管道，二次风管10上端与燃料进料管5之间为封闭端，二次风管10下端与燃料进料管5之间为敞开端；
将二次风给风机9固定在锅炉顶端，二次风给风机9通过电动调节风门Ⅱ8与二次给风机管9-1一端连接，二次给风机管9-1另一端伸入二次风管10内；
在与锅炉连接的烟道7上安装布袋除尘器11，在布袋除尘器11的出烟管道7-1上连接烟气循环管14一端，烟气循环管14另一端依次通过蝶阀12和引风机13与一次给风管3-1连接。
一种空气分级耦合烟气再循环的生物质低氮燃烧器的实现方法，步骤如下：将生物质燃料通过螺旋进料系统5-1和燃料进料管5送入炉膛2中，点燃燃料颗粒，一次空气由位于炉排1下方的一次风给风机3供应，在点火期间，使用电动调节风门Ⅰ4调节一次空气给风量，以确保生物质燃料具有良好的燃烧条件；二次空气由位于锅炉顶部的二次风给风机9提供，二次风管10嵌套在燃料进料管5的外部，从而使二次空气均匀的到达炉膛内燃料上方，避免了传统多级补风成本高、二次空气分布不均匀问题，使用电动调节风门Ⅱ8调节二次空气的给风量；考虑到低氮燃烧效果、便利性和经济性，进一步将经过布袋除尘器11除尘与降温后的烟气，通过引风机13将部分烟气通过烟气循环管14引回与一次给风管3-1的一次空气混合后鼓入生物质锅炉中达到降低NOx排放的目的，再循环烟气的风量可通过蝶阀12控制调节；
充足的一次空气供应，补以较低的二次空气，二次空气低于一次风量的10%，再循环烟气风量控制在10%-20%范围内可达到最低NOx排放量，即最佳低氮燃烧效果。
实施例所使用的中型生物质锅炉，是一个中央供暖锅炉，用于在冬季进行集中供暖。该中型生物质锅炉由1.4 MW固定炉排炉和固定炉排炉、鼓风系统、生物质进料系统组成。一次空气由位于炉排下方的一次风给风机3供应，为了使得鼓入的一次空气的分布均匀，一次空气在进入锅炉前先通过炉排下方的空气分配板；二次空气由位于锅炉顶部的引风机13提供，传统的多级补风使用三个甚至更多的位于炉壁上的喷嘴来提供二次空气，然而传统多级补风方式的改造成本较高，二次空气分布通常不均匀。考虑到低氮燃烧效果、便利性和经济性，对二次空气风管和燃料进料管的结构进行了创新设计，以解决传统多级补风中的问题。值得注意的是，燃料供给管没有破坏二次空气风管的密封。锅炉排出的烟气首先经过布袋除尘器11进行除尘与降温，之后通过引风机13将部分烟气引回与一次空气混合后鼓入生物质锅炉中。
首先，将锅炉烟道与风管的全部阀门打开10-15分钟，以增加新鲜空气并排出锅炉内残余的气体。充分通风过后，将木质颗粒生物质燃料和一些柴油混合后送入炉中，打开火焰点火器点燃燃料颗粒。在点火期间，调节一次空气的供应以确保颗粒具有良好的燃烧条件。燃烧稳定后，逐渐增加燃料进料量直至设定的进料量（260 kg/h），之后，在整个实验期间，燃料的进料量保持不变。在正式实验测试之前，先不间断燃烧1小时来稳定燃烧条件并消除柴油的排放影响。燃烧过程产生的烟气与冷水进行热交换后从出烟管道7-1排出。烟囱上的烟气采样管位于锅炉烟道口，布袋除尘器11之前，用以减少环境空气对烟气浓度的影响。通过调节一次空气、二次空气以及循环烟气管道上的蝶阀来改变空气或烟气的流量以产生不同的燃烧情况，在每个稳态条件下将取样探针通过取样管放入烟囱，使用烟气分析仪（Testo 350，德国）分析生物质锅炉燃烧排放NOx浓度和一次空气、二次空气的流量。
调节一次空气、二次空气与再循环烟气的量，对空气分级和烟气再循环条件进行优化。
表1 1.4 MW中型生物质锅炉燃烧条件与烟气NOx排放
表1列出了五种不同燃烧工况下的NOx排放量，通过优化一次空气、二次空气与循环烟气的量发现，充足的一次空气供应（494.1 m3/h）、补以较低的二次空气（47.0 m3/h，低于一次风量的10%）、再循环烟气风量控制在10%-20%范围内（77.7 m3/h），NOx的排放量最低，为117.3 mg/m3，远低于我国国家标准（300 mg/m3）以及天津地方标准（150 mg/m3）。因此，足够的一次空气叠加适度的二次空气与再烟气循环供应在减少NOx排放方面具有最好的效果。
Claims (2)
1.一种空气分级耦合烟气再循环的生物质低氮燃烧器，包括炉排（1）、炉膛（2）、一次风给风机（3）、电动调节风门Ⅰ（4）、燃料进料管（5）、螺旋进料系统（5-1）、锅炉支架（6）、烟道（7）、布袋除尘器（11），锅炉固定在锅炉支架（6）上，在锅炉的炉膛（2）下端设有炉排（1），设置在锅炉支架（6）内的一次风给风机（3）通过电动调节风门Ⅰ（4）与一次给风管（3-1）一端连接，使用电动调节风门Ⅰ（4）调节一次空气给风量，一次给风管（3-1）另一端设置在炉排（1）下方，燃料进料管（5）从锅炉顶端伸入锅炉的炉膛（2）内，螺旋进料系统（5-1）与燃料进料管（5）连接；
其特征在于：还包括电动调节风门Ⅱ（8）、二次风给风机（9）、二次风管（10）、蝶阀（12）、引风机（13）、烟气循环管（14）；
所述二次风管（10）套装在燃料进料管（5）外，二次风管（10）的内壁与燃料进料管（5）外壁构成了二次给风管道，二次风管（10）上端与燃料进料管（5）之间为封闭端，二次风管（10）下端与燃料进料管（5）之间为敞开端，
所述二次风给风机（9）固定在锅炉顶端，二次风给风机（9）通过电动调节风门Ⅱ（8）与二次给风机管（9-1）一端连接，使用电动调节风门Ⅱ（8）调节二次空气给风量，二次给风机管（9-1）另一端伸入二次风管（10）内；
在与锅炉连接的烟道（7）上设有布袋除尘器（11），在布袋除尘器（11）的出烟管道（7-1）上连接烟气循环管（14）一端，烟气循环管（14）另一端依次通过蝶阀（12）和引风机（13）与一次给风管（3-1）连接。
2.一种采用权利要求1所述的空气分级耦合烟气再循环的生物质低氮燃烧器的实现方法，其特征在于，步骤如下：
将生物质燃料通过螺旋进料系统（5-1）和燃料进料管（5）送入炉膛（2）中，点燃燃料颗粒，一次空气由位于炉排（1）下方的一次风给风机（3）供应，在点火期间，使用电动调节风门Ⅰ（4）调节一次空气给风量，以确保生物质燃料具有良好的燃烧条件；二次空气由位于锅炉顶部的二次风给风机（9）提供，二次风管（10）嵌套在燃料进料管（5）的外部，从而使二次空气均匀的到达炉膛内燃料上方，避免了传统多级补风成本高、二次空气分布不均匀问题，使用电动调节风门Ⅱ（8）调节二次空气的给风量；考虑到低氮燃烧效果、便利性和经济性，进一步将经过布袋除尘器（11）除尘与降温后的烟气，通过引风机（13）将部分烟气通过烟气循环管（14）引回与一次给风管（3-1）的一次空气混合后鼓入生物质锅炉中达到降低NOx排放的目的，再循环烟气的风量通过蝶阀（12）控制调节；
充足的一次空气供应，补以较低的二次空气，二次空气低于一次风量的10%，再循环烟气风量控制在10%-20%范围内达到最低NOx排放量，即最佳低氮燃烧效果。
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