CN113028445A - 一种基于局部气化技术的生物质低氮燃烧锅炉 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于局部气化技术的生物质低氮燃烧锅炉，该锅炉在前拱和后拱分别布置有前蒸汽喷淋系统和后蒸汽喷淋系统，蒸汽喷淋系统设置有阀门、导气管、布气管、喷头及热电偶。本发明通过在前拱及后拱布置水蒸气雾化喷头，向炉内高温氧化区域喷射雾化蒸汽，实现了生物质为燃烧的颗粒局部气化，产生还原性气体，从而实现了燃烧过程中对NOx的还原脱出，解决了小型生物质锅炉NOx等污染物排放的问题。
Description
技术领域
本发明属于生物质锅炉技术领域，具体涉及一种基于局部气化技术的生物质低氮燃烧锅炉。
背景技术
我国华北及东北村镇地区供暖方式以散煤为主。生物质具有污染物排放小的优点，开发基于散煤替代的生物质多源物料是清洁供暖的重要方向。我国农村农林废弃物等生物质资源丰富、分布广泛、种类多样。由于燃料种类的多样性，使得生物质锅炉在推广过程中普遍存在燃料适应性差、排烟中NOx浓度高的现象。在日益趋严的环保政策下，现有的生物质能供暖技术已不能符合各地环保要求，亟需研制生物质低氮燃烧技术，为推动农村生物质能源低氮燃烧清洁供暖提供重要技术基础。
目前，我国关于生物质混合物料燃烧组织、低氮燃烧控制技术及相关燃烧设备的设计研发尚属空白。一些单位为燃用生物质燃料盲目地把原有的燃煤设备进行改造，改造后的燃烧设备普遍存在燃料燃烧不匹配的情况，致使燃烧效率及热效率较低，排烟中污染物含量高，尤其是氮氧化物排放长期处于超标状态。
此外，为适应冬季村镇供暖锅炉的负荷寻求，生物质供暖锅炉以小型层燃炉为主(<5t/h)。生物质锅炉的小型化使得燃烧产生的烟气难以消化高额的烟气净化处理成本，难以达到目前的NOx排放标准(如，山东地区NOx排放低于150mg/m3)。如何通过锅炉燃烧过程中进行低氮燃烧组织，是小型生物质锅炉清洁燃烧的技术开发重点。当前，在直燃锅炉中，通过燃烧过程进行低氮控制的技术主要包括空气分级燃烧、燃料分级燃烧及烟气再循环技术等。上述技术均在燃煤锅炉中应用成熟，然而嫁接至小型生物质层燃锅炉时，存在燃烧效率低、氮氧化物排放高等问题。一种应用于小型生物质层燃锅炉的新型低氮燃烧技术亟待开发。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于局部气化技术的生物质低氮燃烧锅炉，可以实现清洁高效燃烧的目标，解决了小型生物质锅炉燃烧效率低、烟气氮氧化物排放高的技术问题。本发明的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种基于局部气化技术的生物质低氮燃烧锅炉，包括前蒸汽喷淋系统和后蒸汽喷淋系统：其中，前蒸汽喷淋系统位于锅炉前拱、后蒸汽喷淋系统位于锅炉后拱，且二者均与锅炉的换热管束/汽包连接；前蒸汽喷淋系统设置有前阀、前导气管、前布气管、前喷头及热电偶；后蒸汽喷淋系统设置有后阀、后导气管、后布气管、后喷头及热电偶。前喷头与后喷头的出口方向均向下倾斜。
另一方面，本发明提供一种生物质低氮燃烧的控制方法，包括如下步骤：
(1) 前拱及后拱的热电偶实时监测炉内烟气温度；
(2) 当炉内检测温度高于前拱设定温度或后拱设定温度时，前蒸汽喷淋系统的前阀或者后喷淋系统的后阀打开，水蒸气通过喷头向炉内的燃烧区喷淋雾化水蒸汽；
(3) 炉内未完全燃烧的碳粒与水蒸气发生气化反应（如式1所示），生成具有还原性的CO和H2气体，CO和H2，燃烧区内的NOx被还原为N2（如式2、3所示）和其他含氮还原性基团(如HCN和NH3)；
C+H2O(g)=CO(g)+H2(g) (1)
NOx(g)+xCO(g)=(1/2)N2(g)+(x/2)CO2(g) (2)
NOx(g)+H2(g)= (1/2)N2(g)+xH2O+ (3)
(4) 当炉内检测温度低于前拱设定温度或后拱设定温度时，前蒸汽喷淋系统的前阀或者后喷淋系统的后阀关闭。
所述步骤(1)中前拱设定温度或后拱设定温度为1000~1200℃；
所述步骤(2)中炉内燃烧区位于炉排1/3~2/3位置处上部；
所述步骤(2)中前拱与后拱设置有1个或者多个喷头，前拱喷头与水平炉排的夹角为60~85°；后拱喷头与水平炉排夹角为110~150°。
与现有技术相比，本发明的以上一个或多个技术方案取得了以下有益效果：
(1) 提高燃烧效率：在前拱和后拱上设置两排蒸汽喷淋系统，两排喷淋系统喷出的水蒸气冲击气化气时，会使气化气形成旋流，加速气化气与氧气的混合，进而有利于气化气的充分燃烧。利用本发明技术方案炉内热效率在80%以上。
(2)降低NOx排放：炉内部配有水蒸气雾化喷头，生物质颗粒经过炉排底部高温区燃烧后易发生局部高温气化，进而产生污染性的NOx。同时，生物质颗粒质轻，在炉排底部送风的作用下容易被向上吹离燃烧区，造成部分生物质碳颗粒燃烧不充分。设置的水蒸气喷淋系统产生的气化反应生成了还原性气体，促使NOx含量降低，进而又提高了生物质颗粒的燃烧程度，较大程度上减轻了生物质锅炉黑烟的问题。利用本发明技术方案NOx可降低至150mg/m3以下。
附图说明
图1为一种基于局部气化技术的生物质低氮锅炉示意图。其中，1-锅炉前拱，2-锅炉后拱，3-炉排，1-1前阀，1-2前导气管，1-3前布气管，1-4前喷头，1-5热电偶A，2-1后阀，2-2后导气管，2-3后布气管，2-4后喷头，2-5热电偶B。
具体实施方式
实施例1
本发明提供一种基于局部气化技术的生物质低氮燃烧锅炉，包括前蒸汽喷淋系统和后蒸汽喷淋系统：其中，前蒸汽喷淋系统位于锅炉前拱1、后蒸汽喷淋系统位于锅炉后拱2，且二者均与锅炉的换热管束/汽包连接。前蒸汽喷淋系统设置有前阀1-1、前导气管1-2、前布气管1-3、前喷头1-4及热电偶1-5；后蒸汽喷淋系统设置有后阀2-1、后导气管2-2、后布气管2-3、后喷头2-4及热电偶B2-5。
前拱1设置有1个前喷头1-4，后拱设置有2个后喷头2-4，前喷头1-4与炉排3的夹角为70°；后拱喷头与水平炉排夹角为150°。
工作过程包括如下步骤：
(1) 热电偶A1-5，热电偶B2-5实时监测炉内烟气温度；
(2) 当炉内检测温度高于前拱1设定温度1000℃时，前蒸汽喷淋系统的前阀1-1打开，水蒸气经过前导气管1-2、前布气管1-3，并通过前喷头1-4向炉内的燃烧区喷淋雾化水蒸汽；当炉内检测温度高于后拱2设定温度1100℃时，后蒸汽喷淋系统的后阀2-1打开，水蒸气经过后导气管2-2、后布气管2-3，并通过后喷头2-4向炉内的燃烧区喷淋雾化水蒸汽；
(4) 锅炉内未完全燃烧的碳粒与水蒸气发生气化反应，生成具有还原性的CO和H2气体，CO和H2，燃烧区内的NOx被还原为N2和其他含氮还原性基团(如，HCN和NH3)；
(4) 当炉内热电偶A1-5检测温度低于前拱设定温度950℃时，前蒸汽喷淋系统的前阀1-1关闭；当炉内热电偶B2-5检测温度低于后拱设定温度1050℃时，后蒸汽喷淋系统的后阀2-1关闭。
在此实施例中，生物质锅炉热效率可在85%以上，NOx排放量低于150mg/m3。
实施例2
本发明提供一种基于局部气化技术的生物质低氮燃烧锅炉，区别在于前拱1设置有2个前喷头1-4，后拱设置有3个后喷头2-4，前喷头1-4与炉排3的夹角为85°；后拱喷头与水平炉排夹角为110°。
工作过程包括如下步骤：
(1) 热电偶A1-5，热电偶B2-5实时监测炉内烟气温度；
(2) 当炉内检测温度高于前拱1设定温度1000℃时，前蒸汽喷淋系统的前阀1-1打开，水蒸气经过前导气管1-2、前布气管1-3，并通过前喷头1-4向炉内的燃烧区喷淋雾化水蒸汽；当炉内检测温度高于后拱2设定温度1000℃时，后蒸汽喷淋系统的后阀2-1打开，水蒸气经过后导气管2-2、后布气管2-3，并通过后喷头2-4向炉内的燃烧区喷淋雾化水蒸汽；
(4) 锅炉内未完全燃烧的碳粒与水蒸气发生气化反应，生成具有还原性的CO和H2气体，CO和H2，燃烧区内的NOx被还原为N2和其他含氮还原性基团(如，HCN和NH3)；
(4) 当炉内热电偶A1-5检测温度低于前拱设定温度950℃时，前蒸汽喷淋系统的前阀1-1关闭；当炉内热电偶B2-5检测温度低于后拱设定温度950℃时，后蒸汽喷淋系统的后阀2-1关闭。
在此实施例中，生物质锅炉热效率可在80%以上，NOx排放量低于150mg/m3。
Claims (4)
1.一种基于局部气化技术的生物质低氮燃烧锅炉，其特征在于所述锅炉包括前蒸汽喷淋系统和后蒸汽喷淋系统：其中，前蒸汽喷淋系统位于锅炉前拱、后蒸汽喷淋系统位于锅炉后拱，且二者均与锅炉的换热管束/汽包连接；前蒸汽喷淋系统设置有前阀、前导气管、前布气管、前喷头及热电偶；后蒸汽喷淋系统设置有后阀、后导气管、后布气管、后喷头及热电偶。
2.根据权利要求1所述的一种基于局部气化技术的生物质低氮燃烧锅炉，其特征在于：本发明提供一种生物质低氮燃烧的控制方法，包括如下步骤：
(1) 前拱及后拱的热电偶实时监测炉内烟气温度；
(2) 当炉内检测温度高于前拱设定温度或后拱设定温度时，前蒸汽喷淋系统的前阀或者后喷淋系统的后阀打开，水蒸气通过喷头向炉内的燃烧区喷淋雾化水蒸汽；
(3) 炉内未完全燃烧的碳粒与水蒸气发生气化反应（如式1所示），生成具有还原性的CO和H2气体；
(4) 当炉内检测温度低于前拱设定温度或后拱设定温度时，前蒸汽喷淋系统的前阀或者后喷淋系统的后阀关闭。
3.根据权利要求2所述步骤(2)中前拱设定温度或后拱设定温度为1000~1200℃。
4.根据权利要求2所述步骤(2)及步骤(3)前拱与后拱设置有1个或者多个喷头，前拱喷头与水平炉排的夹角为60~85°；后拱喷头与水平炉排夹角为110~150°。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210625 |