CN113154365A - 一种超临界co2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统 - Google Patents

一种超临界co2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，属于锅炉燃烧技术领域。本发明包括燃烧单元、除尘脱硝单元、脱硫单元以及烟气循环单元，其中，所述燃烧单元采用煤粉作为燃烧原料，且燃烧所需的空气由一次风管、二次风管、燃尽风管通入炉体内，同时，通过烟气循环单元将燃烧单元燃烧产生的部分烟气送至炉体内，从而改善煤粉的燃烧环境，实现煤粉的自稳燃烧以及保证煤粉能够充分燃尽；所述燃烧单元产生的烟气经过除尘脱硝单元进行除尘脱硝，之后进入脱硫单元进行脱硫，有效的降低烟气中的污染物含量。

Description

一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统
技术领域
本发明涉及超临界CO2燃煤锅炉(煤粉燃料)燃烧及其污染物排放与控制技术领域，更具体地说，涉及一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统。
背景技术
由于超临界二氧化碳特殊的物理性质，相比水蒸气其具有较小的发电系统和占地面积等优点，而且由于其能量密度比水大，按照现有钢材耐高温水平，超临界二氧化碳锅炉系统效率更高。超临界二氧化碳锅炉相比水蒸气锅炉具有发电系统紧凑、占地面积小、节水以及对钢材侵蚀性小等优点，因而得到国内研究机构的广泛的重视，未来前景广阔。
但是超临界二氧化碳锅炉在使用时，采用的原料为煤炭，其燃烧过程中会产生大量SO2、NOX、粉尘等污染物。为了保护生态环境，建设可持续发展经济，国家与地方政府出台了一系列更加严格的大气污染物排放标准及控制措施，要求大部分的燃煤机组要实现超低排放。目前脱硫脱硝有大量成熟的方法，世界上控制电站锅炉烟气NOX、粉尘、SO2排放的方法可以有是氨选择性催化还原法(SCR)、袋式除尘器、石灰或石灰石湿式脱硫等方式，但是该方法投资和运行费用高，且实际工业运用测试过程复杂、成本昂贵，因而往往需要在实验室中对实际脱硫脱硝除尘设备的性能进行大量的测试和研究。
经检索，如发明专利《一种脱除多污染物的多功能实验系统》(CN201710288935.8)，能够同时测量电袋除尘器的除尘效率、氮氧化物、硫氧化物与汞及其化合物的脱除效率，然而，此实验台所用烟气不是直接燃烧烟气，同时，电袋除尘器温度及脱硫效率较低，脱硝使用吸附剂，与实际情况相差较大；又如发明专利《一种烟气同时脱硫脱硝综合实验装置及其操作方法》(CN201210115569.3)使用吸附剂溶液在多孔球状反应瓶内对SO2，NOX进行吸附脱硫脱硝，过程不涉及除尘，同时温度较低，整体系统与工程实际差别大。
因此，上述申请案虽然在一定程度上能够对烟气中的各污染物进行脱除，但是其烟气本身并不是粉煤燃烧后的产物，由于粉煤燃烧后的产物更加复杂，因而可能与实验中的研究结果并不相同，甚至研究结果天差地别，因而，研发一种固体燃料的燃烧、除尘、脱硝、脱硫全流程过程的实验系统是目前本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
1、发明要解决的技术问题
为解决上述技术问题，本发明的目的提供一种煤粉的燃烧、除尘、脱硝、脱硫全流程测试的实验系统，该实验系统不仅能够实现煤粉的自稳定燃烧实验，保证煤粉充分燃尽，还能够测试燃烧烟气在高温除尘、SCR脱硝、脱硫的除尘效率、脱硝效率、脱硫效率，实现在实验室中对燃烧、除尘、脱硝、脱硫进行全流程测试，在实验室中实现固体燃料燃烧烟气的超低排放。
2、技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，包括燃烧单元、除尘脱硝单元、脱硫单元以及烟气循环单元，其中，所述燃烧单元包括炉体、给粉机和旋流燃烧器，所述旋流燃烧器设置在炉体上端内部，所述给粉机用于将煤粉送至旋流燃烧器中；所述燃烧单元燃烧所需的空气由一次风管、二次风管、燃尽风管通入炉体内，所述一次风管流经给粉机的管路并进入至旋流燃烧器中，所述一次风管中空气温度控制300℃-400℃；所述二次风管与旋流燃烧器中相连通，且二次风管中的空气温度控制300℃-400℃；所述燃尽风管与炉体内相连通；所述燃烧单元产生的烟气经过除尘脱硝单元进行除尘脱硝，之后进入脱硫单元进行脱硫，随后排出；所述烟气循环单元用于将燃烧单元燃烧产生的部分烟气送至炉体内，通过烟气循环单元送至燃烧单元的烟气含量占烟气总量的5％-35％。
作为本发明的更进一步改进，所述烟气循环单元送至燃烧单元的烟气含量占烟气总量的27％。
作为本发明的更进一步改进，所述燃烧单元与除尘脱硝单元之间设有一级换热器，所述除尘脱硝单元与脱硫单元之间设有二级换热器；所述烟气循环单元送至燃烧单元的烟气包括一级换热器与除尘脱硝单元之间管道中的烟气、除尘脱硝单元与二级换热器之间管道中的烟气、以及经脱硫单元脱硫后管道所排出的烟气。
作为本发明的更进一步改进，所述旋流燃烧器包括燃气管、预混管、旋流管，所述燃气管套装在预混管的内部，且燃气管的长度小于预混管的长度，所述燃气管与液化罐相连通，所述预混管的侧壁上开设有一次风口，该一次风口与一次风管相连通；所述旋流管套装在预混管的外部，且旋流管与预混管之间设有旋流叶片，所述旋流管的侧壁上开设有二次风口，该二次风口与二次风管相连通。
作为本发明的更进一步改进，所述燃烧单元与一级换热器之间的管路上设有一级空气预热器和二级空气预热器，所述一级空气预热器用于加热一次风管中的空气，所述二级空气预热器用于加热二次风管中的空气。
作为本发明的更进一步改进，所述一次风管中的空气分为两支路，一支路流经一级空气预热器，另一支路不经过一级空气预热器，两支路的空气在一级空气预热器后混合；同样的，所述二次风管中的空气也分为两支路，一支路流经流经二级空气预热器，另一支路不经过二级空气预热器不经过，两支路的空气在二级空气预热器后混合。
作为本发明的更进一步改进，在炉体中的煤粉燃烧区喷入添加剂，所述添加剂包括防结渣防结焦添加剂、脱NOx剂、固硫剂或燃煤催化剂中的一种或多种。
作为本发明的更进一步改进，所述防结渣防结焦添加剂为异丙氧基钛或硅铝型添加剂，其中，所述硅铝型添加剂可以为高岭土、蛭石、SiO2或粉煤灰中的一种或多种；所述脱NOx剂为氨气或尿素；所述固硫剂为石灰石、CaO、熟石灰或MgO中的一种或多种；所述燃煤催化剂为碱金属、碱土金属和过渡元素的氧化物或氢氧化物及其盐类中的一种或多种。
作为本发明的更进一步改进，在炉体内850℃～950℃区域喷入氨气，该氨气与烟气中的NOX浓度比值控制在0.9-1.05。
作为本发明的更进一步改进，所述除尘脱硝单元包括脱硝塔，所述脱硝塔内部从下往上设有高温除尘机构、低尘SCR脱硝机构，所述高温除尘机构包括多根高温除尘管，所述高温除尘管采用陶瓷管除尘滤芯或Fe-Cr金属除尘滤芯；所述低尘SCR脱硝机构包括喷枪和SCR脱硝催化剂，所述喷枪用于将还原剂存储罐中的液氨喷入烟气中。
作为本发明的更进一步改进，所述脱硫单元包括脱硫塔和浆液池，所述脱硫塔安装在浆液池的上方，所述脱硫塔的内部由下至上依次布置多个喷淋头和一个除雾器，所述浆液池通过浆液泵和管道与喷淋头相连；所述浆液池的一侧设有氧化风机。
3、有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，通过控制进入炉体内部不同管路的空气温度，从而调节煤粉在炉体内部的燃烧环境，实现煤粉的自稳燃烧的同时，保证煤粉能够充分燃尽；更进一步的，通过烟气循环单元将煤粉燃烧过程所产生的部分烟气送至炉体内，从而对煤粉的燃烧环境进行调控，从而有效降低炉体内燃烧产生的NOX；此外，燃烧所产生的烟气通过除尘脱硝单元进行除尘脱硝，之后进入脱硫单元进行脱硫，有效的降低烟气中的污染物含量；
(2)本发明的一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，通过研究发现，当烟气循环单元送至燃烧单元的烟气含量占烟气总量的27％时，煤粉燃烧所产生的NOX含量最低；通过循环单元输送至炉体内部的烟气包括一级换热器与除尘脱硝单元之间管道中的烟气、除尘脱硝单元与二级换热器之间管道中的烟气、以及经脱硫单元脱硫后管道所排出的烟气；
(3)本发明的一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，通过对旋流燃烧器的结构进行设计，使得燃烧过程所需的空气在燃烧器内与煤粉、天然气进行不同的混合，此外，控制不同管道中空气的温度，进一步改善燃烧环境，从而有利于煤粉的自稳燃烧以及燃尽；
(4)本发明的一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，为了进一步降低煤粉燃烧所产生的污染物含量，在煤粉燃烧区喷入添加剂，通过添加剂能够有效降低烟气中SOX含量，同时增加灰熔点，避免结渣，从而有效提高整个实验系统的使用寿命；此外，在炉体内850℃～950℃区域喷入氨气，通过氨气进行还原，进一步减少烟气中NOX的生成；
(5)本发明的一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，其煤粉燃烧产生的烟气以及通过循环单元输送至炉体内的烟气，虽然能够有效的改善燃烧环境，但是炉内和烟道内的烟气总流量变大，使得尾部烟道内的烟气流速较高，为了避免烟气中的粉尘对除尘脱硝单元中的SCR脱硝催化剂冲刷过大，将高温除尘以及SCR脱硝进行一体化设计，使得烟气在脱硝之前进行高温除尘，从而有效减少烟气中的粉尘浓度，提高SCR脱硝催化剂的使用寿命，同时也提高除尘脱硝单元的脱硝除尘效率；
(6)本发明的一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，其脱硫单元通过多个喷淋头将浆液池中的石灰浆液喷入脱硫塔内，使得石灰与烟气中的SO2在氧气的作用下发生反应，从而脱除烟气中的SO2。
附图说明
图1为本发明的一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统的结构示意图；
图2为本发明中旋流燃烧器的结构示意图；
图3为本发明中当空气过量系数为0.9时不同烟气循环量与NOX浓度分布折线图；
图4为本发明中当空气过量系数为0.8时不同烟气循环量与NOX浓度分布折线图；
图5为本发明中当空气过量系数为0.7时不同烟气循环量与NOX浓度分布折线图。
示意图中的标号说明：
110、炉体；120、液化罐；130、给粉机；141、鼓风机；142、主管；143、一次风管；144、二次风管；145、燃尽风管；151、一级空气预热器；152、二级空气预热器；160、旋流燃烧器；161、燃气管；162、一次风口；163、二次风口；164、旋流管；165、旋流叶片；
210、一级换热器；
310、高温除尘管；320、还原剂存储罐；330、SCR脱硝催化剂；
410、二级换热器；
510、氧化风机；520、浆液池；530、浆液泵；540、喷淋头；550、除雾器；
610、引风机；
710、第一循环管；720、第二循环管；730、第三循环管；740、循环引风机；750、混气管。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
结合图1和图2，本实施例的一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，包括燃烧单元、除尘脱硝单元、脱硫单元以及烟气循环单元，其中，所述燃烧单元包括炉体110、给粉机130和旋流燃烧器160，所述旋流燃烧器160设置在炉体110上端内部，所述给粉机130通过管路与旋流燃烧器160相连通，且该给粉机130内装有煤粉，煤粉沿着管路输送至旋流燃烧器160，从而进入炉体110内部，便于后续燃烧，此外，在炉体110的一侧设有液化罐120，该液化罐120内装有液化石油气，所述液化罐120通过管道与旋流燃烧器160相连通，从而为煤粉燃烧提供燃料；此外，其燃烧单元燃烧所需的空气通过鼓风机141将空气鼓入炉体110，从而便于煤粉的燃烧。
虽然本试验系统采用煤粉作为燃烧所需的原料，在燃烧过程中，能够模拟实际粉煤燃烧所产生的烟气，但是由于试验系统与实际工厂装置并不相同，导致煤粉的燃烧程度也不尽相同，因而烟气中的污染物含量也不尽相同，为了对煤粉燃烧产生的烟气进行充分研究，本实施例控制煤粉的燃烧环境，使得煤粉在炉体110内部实现自稳燃烧的同时，保证煤粉能够充分燃尽。
研究发现，将鼓风机141鼓入炉体110的空气分成多路，同时控制每一路中空气的温度，从而有效改善煤粉的燃烧环境；具体的，本实施例的燃烧单元燃烧所需的空气由一次风管143、二次风管144、燃尽风管145通入炉体110内，即空气进入鼓风机141后分成三条支路，其中，一条支路进入一次风管143，该一次风管143流经给粉机130的管路并进入至旋流燃烧器160中，且一次风管143中空气温度控制300℃-400℃；另外一条支路进入二次风管144，该二次风管144直接与旋流燃烧器160相连通，且二次风管144中的空气温度控制300℃-400℃；最后一条支路进入燃尽风管145，该燃尽风管145与炉体110内部相连通，且该燃尽风管145中的空气为正常室温温度。本实施例通过不同管路将空气送至炉体110内部，同时控制各管路中空气的温度，从而对炉体110内的环境进行调节，使得后续煤粉在燃烧过程中，能够实现自稳燃烧以及充分燃尽。
更进一步的，结合图2，本实施例的旋流燃烧器160包括燃气管161、预混管、旋流管164，其中，所述燃气管161套装在预混管的内部，且燃气管161的长度小于预混管的长度，所述燃气管161通过管路与液化罐120相连通，从而使得液化石油气沿着管路进入至燃气管161，从而便于后续天然气与煤粉、空气相混合，控制煤粉的燃烧；所述预混管的侧壁上开设有一次风口162，该一次风口162与一次风管143相连通，由于该一次风管143流经给粉机130的管路并进入至旋流燃烧器160中，从而使得一次风管143中的空气带动煤粉运动，将煤粉送至旋流燃烧器160中，同时在移动过程中，一次风管143中的空气对煤粉进行加热，从而使得煤粉在未进入旋流燃烧器160之前就已经进行预热，有利于后续煤粉的燃烧；此外，所述旋流管164套装在预混管的外部，且旋流管164与预混管之间设有旋流叶片165，所述旋流管164的侧壁上开设有二次风口163，该二次风口163与二次风管144相连通。
当燃烧单元进行燃烧试验时，天然气从燃气管161进入旋流燃烧器160中，一次风管143中的空气携带煤粉通过一次风口162进入预混管中，由于燃气管161套装在预混管内部，空气携带煤粉沿着预混管向下移动的过程中，同时对燃气管161中的天然气进行预热，当天然气从燃气管161流出后，与携带煤粉的空气进行初步混合，初步混合后的混合物继续沿着预混管移动，与此同时，二次风管144中的空气沿着管道从二次风口163进入旋流管164，并沿着旋流管164向下运动，经旋流叶片165将空气送出旋流燃烧器160，经旋流叶片165送出的空气与初步混合后的混合物进行进一步的混合，然后通过点火棒完成点火过程，实现煤粉的自稳燃烧的同时保证煤粉充分燃尽；此外，也有效降低煤粉燃烧所产生烟气中NOX的含量。
值得说明的是，本实施例中燃尽风管145可以沿着炉体110外壁进行移动调整燃尽风的输送位置，从而可以进行不同燃尽风位置的工况实验。
此外，本实施例中的旋流叶片165采用旋风铣加工，旋流角度固定。可根据实际情况，更换旋流叶片165，从而调节旋流角度。在预混管的出口处设有稳燃齿，便于煤粉的燃烧。
本实施例的燃烧单元燃烧产生的烟气从炉体110底部排向除尘脱硝单元，通过除尘脱硝单元对烟气进行除尘脱硝，之后，烟气进入脱硫单元进行脱硫，随后排出，整个过程能够研究煤粉燃烧所产生烟气中污染物的脱除情况，且排出的烟气中污染物的含量低，实现煤粉燃烧烟气的超低排放。
更进一步的，其烟气循环单元用于将燃烧单元燃烧产生的部分烟气送至炉体110内，通过烟气循环单元送至燃烧单元的烟气含量占烟气总量的5％-35％，可以为5％、7％、10％、15％……25％……35％。
如图1所示，本实施例在燃烧单元与除尘脱硝单元之间设有一级换热器210，所述除尘脱硝单元与脱硫单元之间设有二级换热器410；所述一级换热器210和二级换热器410均为立式管式换热器，其燃烧所产生的烟气走换热器的内管道，冷却水沿着换热器的外管道流动，通过冷却水对烟气进行降温，其中一级换热器210的出口烟温调节范围为200～400℃，二级换热器410的出口烟温调节范围为80～150℃。通过调节烟气温度，一方面，便于控制整个试验系统的稳定运行，另一方面，便于脱除烟气中的污染物。
研究发现，当烟气循环单元送至燃烧单元的烟气含量占烟气总量的27％时，其煤粉燃烧所产生的NOX含量最低。具体的，本实施例中烟气循环单元送至燃烧单元的烟气包括一级换热器210与除尘脱硝单元之间管道中的烟气、除尘脱硝单元与二级换热器410之间管道中的烟气、以及经脱硫单元脱硫后管道所排出的烟气，即如图1所示，图中虚线表示各个管道，第一循环管710用于输送一级换热器210与除尘脱硝单元之间管道中的烟气，第二循环管720用于输送除尘脱硝单元与二级换热器410之间管道中的烟气，第三循环管730用于输送经脱硫单元脱硫后管道所排出的烟气，为了便于将烟气输送至炉体110内，第一循环管710、第二循环管720和第三循环管730与一混气管750相连通，该混气管750与炉体110内相连通，且在混气管750上设有循环引风机740。
本实施例中各部分循环的烟气可以根据实际工况进行自由调节，由于三根管道是从不同位置抽出烟气，其烟气成分、污染物浓度和温度都不同。一级换热器(210)与除尘脱硝单元之间管道中的烟气，其温度和污染物浓度最高；除尘脱硝单元与二级换热器(410)之间管道中的烟气经过了除尘脱硝处理，其温度有所降低，飞灰和NOX浓度大幅下降；脱硫后管道的烟气，其温度和污染物都最低，且由于经过石灰石-石膏法脱硫，烟气湿度也大幅增加。此外，在实际燃烧过程中其炉体110内部温度也会发生变化。
因此，从三个不同位置抽出的烟气再送入炉内需根据实际情况进行调整。例如，从三个位置抽取的烟气都可以降低炉内温度，从而降低结渣风险和减少NOX生成。但如果需要考虑减少对SCR催化剂的磨损，则抽取较多脱硫后的烟气。如果负荷不大、炉温不够高，需要考虑稳燃的需要，则从前两个位置抽取烟气较多。
本实施例通过烟气循环单元将煤粉燃烧过程所产生的部分烟气送至炉体110内，同时通过不同的管路将不同温度的空气送至炉体110内，在旋流燃烧器160的共同作用下，对煤粉的燃烧环境进行调控，在保证煤粉自稳燃烧以及充分燃尽的情况下，有效降低燃烧所产生烟气中的NOX，即从源头降低煤粉燃烧所产生烟气中NOX的含量，有利于环境保护。
此外，如图1所示，本实施例在燃烧单元与一级换热器210之间的管路上设有一级空气预热器151和二级空气预热器152，所述一级空气预热器151用于加热一次风管143中的空气，所述二级空气预热器152用于加热二次风管144中的空气。
值得说明的是，本实施例的一级空气预热器151和二级空气预热器152均为管式换热器，且管式换热器都采用煤粉燃烧所产生的烟气作为热源，烟气在管式换热器的内管道流动，一次风管143中的空气流经一级空气预热器151的外管道；同理，二级空气预热器152中，烟气在内管道流动，二次风管144中的空气流经二级空气预热器152的外管道。本实施例通过燃烧的烟气加热相应风管中的空气，从而实现资源的有效利用。
优选的，本实施例中一次风管143中的空气分为两支路，一支路流经一级空气预热器151，另一支路不经过一级空气预热器151，两支路的空气在一级空气预热器151后混合，混合后的空气温度在300～400℃；同样的，所述二次风管144中的空气也分为两支路，一支路流经流经二级空气预热器152，另一支路不经过二级空气预热器152不经过，两支路的空气在二级空气预热器152后混合，混合后的空气温度在300～400℃。
本实施例的炉体110由内到外依次为厚40mm、耐温1550℃刚玉莫来石内胆，厚40mm、耐温1430℃含锆硬保温和厚317.5mm、耐温1260℃硅酸铝纤维毯，刚玉莫来是内胆与硅酸铝纤维毯之间布置电阻丝，减缓水冷壁局部超温带来的危害。炉体110的外钢壳采用201材质，通过法兰连接，聚四氟乙烯材质做垫片，从而保证炉体110的气密性，有利于试验系统的正常运行。
实施例2
本实施例的一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，基本同实施例1，更进一步的，本实施例在炉体110中的煤粉燃烧区喷入添加剂，该添加剂包括防结渣防结焦添加剂、脱NOx剂、固硫剂或燃煤催化剂中的一种或多种；其中，防结渣防结焦添加剂为异丙氧基钛或硅铝型添加剂，且其中的硅铝型添加剂可以为高岭土、蛭石、SiO2或粉煤灰中的一种或多种。当添加异丙氧基钛时，其加入比例占入炉煤量的比例的3％～5％；当加入硅铝型添加剂时，一般控制质量占煤粉总质量的2％-10％，通过硅铝型添加剂或异丙氧基钛可以提高灰熔点，避免或缓解结焦；所述脱NOx剂为氨气或尿素，其脱NOx剂的加入量与烟气中的NOX比值控制在0.9-1.05；所述固硫剂为石灰石、CaO、熟石灰或MgO中的一种或多种，其固硫剂加入量与煤中硫含量相关，使得Ca/S比、MgO比控制在1～2.5之间；所述燃煤催化剂为碱金属、碱土金属和过渡元素的氧化物或氢氧化物及其盐类中的一种或多种，通过燃煤催化剂可改变煤的燃烧性能，促进煤粉的燃烧，提高煤粉的燃尽率，一般控制质量占煤粉总质量的0.1％-2％。
根据实际煤粉燃烧所产生的烟气进行选择，可以为防结渣防结焦添加剂，也可以防结渣防结焦添加剂和固硫剂，也可以为固硫剂和燃煤催化剂。本实施例的添加剂为硅铝型添加剂和固硫剂以及燃煤催化剂。
值得说明的是，本实施例的添加剂可以通过炉体110上的管路输送至炉体110内部，也可以部分控制添加剂通过循环烟气输送至炉体110内部；也可以全部添加剂都通过循环烟气输送至炉体110内部。
优选的，本实施例中的添加剂全部通过循环烟气输送至炉体110内部，使得添加剂能够充分的与煤粉燃烧所生成的烟气相接触，使得添加剂能够有效降低烟气中SOX含量，同时增加灰熔点，避免结渣，从而有效提高整个实验系统的使用寿命，继而发挥添加剂的最大作用。
此外，在炉体110内850℃～950℃区域喷入氨气，且控制氨气浓度与烟气中的NOX浓度比值控制在0.9-1.05，可以为0.9、0.95……0.1、0.105。通过氨气进行还原，进一步减少烟气中NOX的生成，从而进一步降低煤粉燃烧所产生的污染物含量，有利于后续处理整个试验系统的污染物的超低排放。
本实施例中的添加剂采用石灰石和熟石灰；氨气浓度与烟气中的NOX浓度比值控制为0.9。
值得说明的是，虽然烟气循环单元送至燃烧单元的烟气含有未经脱硝、脱硫的烟气，其含有一定含量的NOX，但是，其烟气循环量相对较少，使得NOX的浓度总体有所提高，同时增加NOX在炉体110内停留时间，延长了NOX与还原组分接触时间，从而增大了NOx被还原的可能性；其次，烟气再循环还能降低煤粉主燃区的氧气浓度和燃烧温度，从而减少和抑制热力型NOX的生成，进一步降低烟气中NOX的含量；最后，烟气再循环为循环NOX提供了与煤粉燃烧初、中期组分接触的机会，形成“再燃效应”，使得还原效率大大提高，从而再次降低烟气中NOX的含量，这些组分包括碳氢化合物，NOx前驱物、碳黑、矿物质和活性较高的煤焦。
如图1所示，本实施例的除尘脱硝单元包括脱硝塔，所述脱硝塔内部从下往上设有高温除尘机构、低尘SCR脱硝机构，所述高温除尘机构包括多根高温除尘管310，所述高温除尘管310采用陶瓷管除尘滤芯材质(SiO2/Al2O3/Ti/W/V)或Fe-Cr金属除尘滤芯，由于两种除尘管的滤芯材质使得除尘系统拥有很强的耐磨损能力和耐高温能力，其运行温度：常温～800℃，脉冲清灰，压力损失小于1500Pa。
所述的低尘SCR脱硝机构包括喷枪和SCR脱硝催化剂330，所述喷枪用于将还原剂存储罐320中的液氨喷入烟气中，通过喷枪将喷出的液氨与烟气充分混合，降低烟气中的NOX含量；然后烟气经过SCR脱硝催化剂330，通过SCR脱硝催化剂330进行催化，从而增加脱硝效率，使得脱硝效率达到95％以上。
值得说明的是，烟气从下进入高温除尘管310，从而降低烟气中的飞灰浓度、减小粉尘粒径。SCR脱硝催化剂330在低尘的环境下，能够减少SCR脱硝催化剂330的损耗、避免失活和中毒，从而增加SCR脱硝催化剂330的使用寿命，并且减少烟道堵塞和冲刷磨损，保证后续处理的正常运行。
本实施例中的液氨喷入量可以根据安装在脱硝塔上的CEMS烟气在线监测系统、烟气温度传感器所检测的各参数进行自适应实时控制，并通过MFC质量流量控制器精确控制液氨的流量，整个过程通过PLC控制系统进行控制。
此外，如图1所示，本实施例的脱硫单元包括脱硫塔和浆液池520，所述脱硫塔安装在浆液池520的上方，所述脱硫塔的内部由下至上依次布置多个喷淋头540和一个除雾器550，所述浆液池520通过浆液泵530和管道与喷淋头540相连；所述浆液池520的一侧设有氧化风机510。
优选的，本实施例中的喷淋头540设有3个。
通过氧化风机510将空气鼓入浆液池520，使得空气与石灰浆液相互混合，并通过浆液泵530将浆液池520中的石灰浆液送至喷淋头540中，通过喷淋头540将石灰浆液喷入脱硫塔内，使得石灰与烟气中的SO2在氧气的作用下发生反应，从而脱除烟气中的SO2。
本实施例的一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，其煤粉在炉体110内的点火室产生的实际烟气温度约1300℃，经过辐射和对流换热后到达炉膛尾部的烟气温度约1000℃，然后进入一级空气预热器151并加热一次风管143中的空气，一级空气预热器151的出口烟气温度800～1000℃。然后，进入二级空气预热器152并加热二次风管144中的空气，二级空气预热器152的出口烟气温度700～800℃，接着进入一级换热器210，烟气与水换热后烟温调节至200～400℃，之后进入除尘脱硝单元进行除尘脱硝；接下来进入二级换热器410，烟气换热后烟温调节至100～150℃，随后进入脱硫单元进行脱硫；经脱硫后的实际烟气由引风机610排至外界大气。
在此过程中，通过循环引风机740将燃烧产生的部分烟气通过第一循环管710、第二循环管720和第三循环管730送至混气管750，并最终送向炉体110内部，调节煤粉的燃烧环境。
根据本实施例的一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，进行相关试验，部分数据结果见图3-图5。
对于图3、图4和图5，其横坐标指的是距炉膛入口的距离，即指的是炉体110内部距离旋流燃烧器160的距离，纵坐标指的是烟气中NOX浓度；图中r指的是通过烟气循环单元送至燃烧单元的烟气含量占烟气总量，以r＝0％、r＝10％、r＝15％、r＝20％、r＝27％为例。具体的，图3是在空气过量系数为0.9时所测得的数据，图4是在空气过量系数为0.8时所测得的数据，图5是在空气过量系数为0.7时所测得的数据。
通过图3、图4和图5可以得出，距炉膛入口的距离越远其烟气中的NOX浓度也越来越低，且随着循环烟气含量越高，其烟气中NOX浓度也呈递减的趋势，且从折线图可以看出，当r＝27％时，其煤粉燃烧所产生烟气中的NOX含量最低。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，其特征在于：包括燃烧单元、除尘脱硝单元、脱硫单元以及烟气循环单元，其中，所述燃烧单元包括炉体(110)、给粉机(130)和旋流燃烧器(160)，所述旋流燃烧器(160)设置在炉体(110)上端内部，所述给粉机(130)用于将煤粉送至旋流燃烧器(160)中；所述燃烧单元燃烧所需的空气由一次风管(143)、二次风管(144)、燃尽风管(145)通入炉体(110)内，所述一次风管(143)流经给粉机(130)的管路并进入至旋流燃烧器(160)中，所述一次风管(143)中空气温度控制300℃-400℃；所述二次风管(144)与旋流燃烧器(160)中相连通，且二次风管(144)中的空气温度控制300℃-400℃；所述燃尽风管(145)与炉体(110)内相连通；所述燃烧单元产生的烟气经过除尘脱硝单元进行除尘脱硝，之后进入脱硫单元进行脱硫，随后排出；所述烟气循环单元用于将燃烧单元燃烧产生的部分烟气送至炉体(110)内，通过烟气循环单元送至燃烧单元的烟气含量占烟气总量的5％-35％。
2.根据权利要求1所述的一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，其特征在于：所述烟气循环单元送至燃烧单元的烟气含量占烟气总量的27％。
3.根据权利要求2所述的一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，其特征在于：所述燃烧单元与除尘脱硝单元之间设有一级换热器(210)，所述除尘脱硝单元与脱硫单元之间设有二级换热器(410)；所述烟气循环单元送至燃烧单元的烟气包括一级换热器(210)与除尘脱硝单元之间管道中的烟气、除尘脱硝单元与二级换热器(410)之间管道中的烟气、以及经脱硫单元脱硫后管道所排出的烟气。
4.根据权利要求3所述的一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，其特征在于：所述旋流燃烧器(160)包括燃气管(161)、预混管、旋流管(164)，所述燃气管(161)套装在预混管的内部，且燃气管(161)的长度小于预混管的长度，所述燃气管(161)与液化罐(120)相连通，所述预混管的侧壁上开设有一次风口(162)，该一次风口(162)与一次风管(143)相连通；所述旋流管(164)套装在预混管的外部，且旋流管(164)与预混管之间设有旋流叶片(165)，所述旋流管(164)的侧壁上开设有二次风口(163)，该二次风口(163)与二次风管(144)相连通。
5.根据权利要求4所述的一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，其特征在于：所述燃烧单元与一级换热器(210)之间的管路上设有一级空气预热器(151)和二级空气预热器(152)，所述一级空气预热器(151)用于加热一次风管(143)中的空气，所述二级空气预热器(152)用于加热二次风管(144)中的空气。
6.根据权利要求5所述的一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，其特征在于：所述一次风管(143)中的空气分为两支路，一支路流经一级空气预热器(151)，另一支路不经过一级空气预热器(151)，两支路的空气在一级空气预热器(151)后混合；同样的，所述二次风管(144)中的空气也分为两支路，一支路流经流经二级空气预热器(152)，另一支路不经过二级空气预热器(152)不经过，两支路的空气在二级空气预热器(152)后混合。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，其特征在于：在炉体(110)中的煤粉燃烧区喷入添加剂，所述添加剂包括防结渣防结焦添加剂、脱NOx剂、固硫剂或燃煤催化剂中的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，其特征在于：在炉体(110)内850℃～950℃区域喷入氨气，该氨气与烟气中的NOX浓度比值控制在0.9-1.05。
9.根据权利要求8所述的一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，其特征在于：所述除尘脱硝单元包括脱硝塔，所述脱硝塔内部从下往上设有高温除尘机构、低尘SCR脱硝机构，所述高温除尘机构包括多根高温除尘管(310)，所述高温除尘管(310)采用陶瓷管除尘滤芯或Fe-Cr金属除尘滤芯；所述低尘SCR脱硝机构包括喷枪和SCR脱硝催化剂(330)，所述喷枪用于将还原剂存储罐(320)中的液氨喷入烟气中。
10.根据权利要求9所述的一种超临界CO2燃煤锅炉超低排放研究的实验系统，其特征在于：所述脱硫单元包括脱硫塔和浆液池(520)，所述脱硫塔安装在浆液池(520)的上方，所述脱硫塔的内部由下至上依次布置多个喷淋头(540)和一个除雾器(550)，所述浆液池(520)通过浆液泵(530)和管道与喷淋头(540)相连；所述浆液池(520)的一侧设有氧化风机(510)。
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