CN114151816A - 一种实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧方法与系统 - Google Patents
一种实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧方法与系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于燃气工业锅炉技术领域，公开了一种实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧方法与系统，在炉内和烟道区域分步实施降氮和高效燃烧，首先在炉内于低空气过剩系数条件下采用低氮燃烧控制氮氧化化物的生成并产生高浓度的一氧化碳，其次利用烟气中存在的不完全燃烧产物如一氧化碳、碳烟颗粒等作为还原剂在烟道区域进一步催化还原烟气中的氮氧化物，最后采用催化燃烧的方式消除烟道中残留的不完全燃烧碳氢物质。本发明将分级低氮燃烧技术、低氧(低过剩空气系数)燃烧技术、碳氢催化还原脱硝技术和催化燃烧技术以及深度烟气余热回收技术有机结合，实现了燃气工业锅炉的高效燃烧和低氮排放，同时提高了锅炉效率、降低了燃料消耗。
Description
技术领域
本发明属于燃气工业锅炉技术领域，尤其涉及一种实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧方法与系统。
背景技术
近年来，随着我国煤改气的推进，燃气工业锅炉的数量开始不断增加，相对于燃煤、燃油工业锅炉而言。燃气工业锅炉具有结构简单、节能环保等优点，其颗粒物和二氧化硫排放量大幅度下降，但是气体燃料如天然气、混煤气等燃烧时产生的氮氧化物仍不容忽视。氮氧化物会对空气质量造成严重污染，导致酸雨酸雾的产生、加剧温室效应、破坏臭氧层和产生光化学烟雾，给人们的身体健康造成严重威胁。
2015年北京市颁布的DB11/139-2015锅炉大气污染物排放标准，要求新建燃气工业锅炉NOx排放浓度不得超过30mg/m3。除了氮氧化物排放之外，碳氢燃料的高能耗燃烧同时排放出大量CO2，在碳中和、碳达峰的背景下，通过节能减少CO2排放的方法非常值得关注。
申请号CN 104165361 A中国专利提出了降低氮氧化物排放的燃烧器、燃气锅炉及控制方法，该装置主燃料喷嘴与主空气喷嘴分离，在燃烧室内形成回流涡结构，借助高速空气引射高温烟气回流在炉内形成柔和燃烧，进而降低峰值火焰温度，实现NOx降低。但在燃气工业锅炉中，炉膛水冷壁面温度难以达到燃气的自燃点，极易出现熄火、燃烧不稳定等现象，难以实现燃气工业锅炉的柔和燃烧。
申请号CN 109289465 A中国专利提出了一种富氧无焰燃气燃烧器及其控制方法，该装置在紫外光照射、氨气、催化剂同时存在的情况下，将富氧燃烧中的CO2转换为甲醇或甲烷，同时将NOx转化为氮气。但该专利装置仅针对富氧燃烧进行，且需要采用紫外光，设备及管路系统组成复杂，且运行成本较高，难以在燃气工业锅炉中实现。
虽然目前的低氮燃烧技术很多，但是单一的低氮燃烧技术或尾部烟气脱硝技术都存在这样那样的技术和经济性缺陷，具体阐述如下：
(1)单一的低氮燃烧技术存在一定的缺陷：为了控制NO排放，常用的降氮方式主要有，燃料分级燃烧、空气分级燃烧、烟气再循环燃烧、表面燃烧等，分级燃烧可降低NO排放30～50％，但如果分级燃烧气流组织不好，往往会造成熄火或者CO排放浓度升高；烟气再循环燃烧降低NO排放15～40％左右，但同时会带来燃烧不稳定，燃烧效率降低，再循环量过高还会产生喘振等问题，且烟气再循环系统结构复杂，成本较高，燃烧器头部容易遭受循环烟气的腐蚀；全预混表面燃烧能够在最大程度上抑制燃气工业锅炉的NO排放，火焰沿金属纤维进行均匀分布，极大地减少单位面积上的热量，但全预混表面燃烧技术所需过剩空气系数较大，会增加燃烧器的热量损耗，同时特殊金属质地的纤维燃烧探头易堵塞，后期清理维护难度大，使用寿命难以得到保证，对燃烧器材质和制造要求高，存在预混危险性以及使用寿命较短等问题。
(2)燃烧后的SNCR及SCR技术：烟气从工业锅炉炉膛出来，经过空气预热器吸热后的低温烟气温度通常低于150℃，在加装冷凝式换热器之后烟气温度甚至会低于80℃，由于烟气温度相对较低，工业锅炉的尾部SCR所处烟气温度区域不理想，造成SCR效率不高，且SCR还存在还原剂氨的泄露、催化剂昂贵等问题，使用过程中有潜在的危险；同时由于工业锅炉现场空间有限，没有合适的空间喷氨和尿素区域，因此燃烧后加SNCR也难以有效实施。
(3)目前新兴的无焰燃烧(低氧稀释燃烧)技术虽能有效降低NOx的排放，相对于传统的分级燃烧，烟气中NO的排放可减少70％以上，但其形成条件相对苛刻，仅能在锅炉炉膛壁面温度达到燃气自燃点以上时，才能实现无焰燃烧，因此受制于炉膛水冷壁的存在，燃气工业锅炉中极难实现无焰燃烧。
综合上述，开发新的适用于燃气锅炉的高效低氮燃烧技术和方法具有重要的实际意义和应用价值。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)在燃气工业锅炉中，受制于炉膛水冷壁的存在，炉膛水冷壁面温度难以达到燃气的自燃点，炉内的辐射传热量过大，目前新兴的无焰燃烧或者柔和燃烧在工业锅炉炉膛内部无法稳定，极易出现熄火、燃烧不稳定等现象，因此燃气工业锅炉中极难实现无焰燃烧。
(2)单一的低氮燃烧技术中，为了追求或者达到低氮排放效果，势必会降低燃烧的高效率性能。如果分级燃烧气流组织不好，会造成火焰飘散、或者CO排放浓度升高；同时带来燃烧不稳定甚至熄火，燃烧效率降低；在采用烟气循环燃烧时增大再循环量烟气量有利于氮氧化物的减排，但是再循环烟气量过高会导致燃烧失稳，此外还会产生燃烧器头部遭受循环烟气的腐蚀、锅炉热效率下降、循环风机喘振等问题。
(3)全预混表面燃烧技术所需过剩空气系数较大，会增加燃烧器的热量损耗，同时特殊金属质地的纤维燃烧探头易堵塞，后期清理维护难度大，使用寿命难以得到保证，对燃烧器材质和制造要求高，存在预混危险性以及使用寿命较短等问题。
(4)燃烧后的SNCR及SCR技术中，工业锅炉尾部没有合适的空间喷氨和尿素区域，燃烧后加SNCR也难以有效实施。同时，由于烟气温度相对较低，工业锅炉的尾部SCR所处烟气温度区域不理想，造成SCR效率不高，且SCR还存在还原剂氨的泄露、催化剂昂贵等问题，虽然可以通过其他辅助技术如紫外光等提高催化效率或者转化CO2以降低成本，但是由于工业锅炉现场空间有限，且运行成本较高，难以在燃气工业锅炉中实现。
解决以上问题及缺陷的难度为：对于燃气工业锅炉来说，尾部的烟气催化脱硝或者氧化吸收脱硝技术由于场地、工艺条件限制、经济性等原因并不适用。在炉内控制氮氧化物的生成是最主要的办法，燃气工业锅炉相对燃气炉窑来说，壁面温度低且水冷壁大量吸热，导致新型的超低氮燃烧技术如无焰燃烧、柔和燃烧或者叫做弥散燃烧无法直接应用和稳定燃烧。为了应对日益严格的排放标准，燃气工业锅炉普遍采用低氮燃烧技术(燃料或者空气分级燃烧、多燃料喷口分散燃烧、烟气循环)来控制氮氧化物的排放，确实取得了一些效果，但是在高负荷条件下，往往减排效果有限；此外，如果过于追求低氮氧化物的排放浓度以应对未来更加严格的排放标准，则往往会牺牲燃烧效率，出现燃烧不稳定、燃烧不完全的问题。
简言之，在燃气工业锅炉中，同时达到高效的燃烧(可燃物如CO、碳颗粒等完全燃尽)、超低的氮氧化物排放几乎是不可能的；高效燃烧必然要求高温、燃料氧化剂充分混合、反应剧烈，这必然会促进氮氧化物的形成，二者存在所谓的“trade-off”关系。
鉴于上述分析，从源头上控制氮氧化的生成是治理氮氧化物污染的首选，然而，现有的方法和技术全部集中在通过炉内燃烧来希望达到高效、超低氮排放的综合效果，这是不现实的。
解决以上问题及缺陷的意义为：随着我国煤改气的推进，燃气工业锅炉的数量开始不断增加。氮氧化物是燃气锅炉首要控制的污染物，其排放日益严格；此外，碳氢气体燃料燃烧之后产生的二氧化碳也是全球共同关注的温室气体对象，在我国提出“2030碳达峰，2060碳中和”的宏伟目标下，如何减少燃气工业锅炉的不完全燃烧热损失、提升燃气锅炉的热效率，节约燃料以降低二氧化碳的排放刻不容缓。
综合上述，本发明针对燃气工业锅炉高效燃烧、超低氮排放这2个目标，摒弃以往“在炉内同时实现”的技术思路，提出“在炉内和烟道分步和协同实现”的新方法，将炉内低氮燃烧技术、低氧(即低空气过剩系数)燃烧技术以及炉外烟道区域的催化脱硝技术和催化燃烧技术有机结合，克服了常规低氮燃烧技术在脱硝过程中燃烧不稳定、燃烧不完全的缺点，实现了燃气工业锅炉的高效燃烧、低氮排放，同时提高了锅炉效率，降低了燃料消耗。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧方法与系统。
本发明是这样实现的，一种实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧方法，包括在炉内控制氮氧化化物的生成并产生高浓度的一氧化碳，利用烟气中存在的不完全燃烧产物如一氧化碳、碳烟颗粒等作为还原剂在烟道区域催化还原烟气中的氮氧化物。
进一步，在炉内和烟道区域分步实施降氮和高效燃烧，首先在炉内于低空气过剩系数条件下采用低氮燃烧控制氮氧化化物的生成并产生高浓度的一氧化碳，其次利用烟气中存在的不完全燃烧产物如一氧化碳、碳烟颗粒等作为还原剂在烟道区域进一步催化还原烟气中的氮氧化物，最后采用催化燃烧的方式消除烟道中残留的不完全燃烧碳氢物质。实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧系统包括低氮燃烧器、燃气工业锅炉、催化脱硝装置、增氧调制装置、催化燃烧装置、空气预热器以及烟气冷却器。本发明将分级低氮燃烧技术、低氧(低过剩空气系数)燃烧技术、碳氢催化还原脱硝技术和催化燃烧技术以及深度烟气余热回收技术有机结合，实现了燃气工业锅炉的高效燃烧和低氮排放，同时提高了锅炉效率、降低了燃料消耗。
进一步，所述实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧方法包括以下步骤：
步骤一，根据燃料流量、燃料的成分以及燃烧化学反应理论配比得到助燃空气的理论流量，设定空气过剩系数为0.95～1.05，使得炉膛出口烟气中氧体积浓度小于或者等于1％，在该种燃烧条件下，炉内整体处于弱还原性气氛或者弱氧化气氛，抑制NO的生成，并产生不完全燃烧；
步骤二，将炉膛出口烟气引入催化脱硝装置中，利用自身不完全燃烧产生的CO、碳烟颗粒等碳氢物质在催化剂作用下对NO进行还原，进而减少NO的排放；
步骤三，对催化脱硝装置出来的烟气进行增氧调质，使得烟气中的氧的体积浓度保持在1～2％；
步骤四，将步骤三调质后的烟气引入催化燃烧装置中，利用烟气中含有的氧气将烟气中未燃尽的CO、碳烟颗粒在催化剂作用下进行催化氧化，使得烟气中的可燃物质完全燃尽；
步骤五，将步骤四中催化燃烧装置排出的烟气引入换热器，回收烟气中的热量，并预热空气和给水，减少排烟热损失，使得烟气的温度降低到80～50℃。
本发明的另一目的在于提供一种实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧系统，包括低氮燃烧器、燃气工业锅炉、催化脱硝装置、增氧调制装置、催化燃烧装置、空气预热器以及烟气冷却器。
其中，所述低氮燃烧器与工业锅炉本体相连接，将燃气与空气送入锅炉炉膛进行燃烧，燃烧产生的烟气流向催化脱硝装置；
所述增氧调制装置位于催化脱硝装置与催化燃烧装置之间；
所述空气预热器一端连接到催化燃烧装置出口，一端连接到烟气冷却器。
进一步，所述低氮燃烧器可以采用单一的低氮燃烧技术如空气分级、燃料分级、火焰分割以及浓淡分离，或者是这些单一技术的组合；所述低氮燃烧器可在还原性气氛、弱还原性气氛、弱氧化性气氛以及氧化性气氛下稳定燃烧；
所述从低氮燃烧器进入锅炉炉膛的燃料包括天然气，或者管道煤气、高炉煤气、液化石油气，焦炉煤气，富氢燃气、生物质热解气、生物质气化气在内的碳氢燃料；
所述从燃烧器进入锅炉炉膛的助燃剂或者助燃风、或者助燃空气的来源为：送风机或者鼓风机送入，并经过空气预热器中吸收烟气的余热后出来的热空气、或者含氧浓度高于21％的富氧热空气。
进一步，所述催化脱硝装置采用CO、碳烟颗粒等碳氢物质作为还原剂，同时所述催化脱硝装置内部装填有对碳氢分子还原NO具有催化作用的催化剂，催化剂的活性成分包括但不限于：过渡金属Cu、Mn、Fe、Ni、Co、V、W、Mo、Ti以及稀土Ce、La、Nd、In、Y和贵金属Pd、Pt、Rh的一种或者几种。
进一步，所述增氧调制装置用于对催化脱硝装置出来的烟气进行增氧调质，所采用的增氧调质方法为将空气预热器中出来的热空气、或者富氧热空气的一部分通入烟气中，和烟气均匀混合，根据原烟气的氧气浓度和原烟气的流量，计算出增氧调质所需要的热空气的比例，保证调质后的烟气中氧气的体积浓度不高于2％，不低于1％。
对催化脱硝装置出来的烟气进行增氧调质，所采用的增氧调质方法中的增氧介质除了空气预热器中出来的热空气、或者富氧热空气之外，还包括直接采用氧气瓶、氧气发生器和氧气管道输出纯氧作为增氧介质。
进一步，所述催化燃烧装置为烟气中CO和碳烟脱除装置，所述催化燃烧装置中装填有催化剂，所述催化剂的形状包括蜂窝状、球状、多孔泡沫状、纤维状和不规则成型材料；所述催化剂包括载体和活性组分，采用包括氧化铝、石棉、活性炭、分子筛、碳化硅、泡沫金属、堇青石、硅酸盐以及铝酸盐作为催化剂载体，所述催化剂的活性组分包括非贵金属K、Na、Ca、Cu、Mn、Fe和贵金属Au、Pt、Pd、Rh及稀土元素Ce、La、Y、Nd中的一种或者几种。
根据进入炉膛的燃料量和理论空气量计算，用于确定从尾部空气预热器中进入炉膛的空气量，保证进入炉膛的空气量为理论空气量的95～105％，即炉膛内部燃烧空间中整体空气过剩系数为0.95～1.05，控制炉膛出口烟气中的氧气浓度不大于1％。
进一步，所述空气预热器为助燃风或者助燃空气和尾部烟气的热交换装置，所述空气预热器的形式包括管壳式换热器、间壁式换热器、回转式换热器、相变换热器以及热管式换热器；其中，所述空气预热器优选为真空热管式换热器。
进一步，所述烟气冷却器为锅炉尾部低温烟气和锅炉给水的热交换装置，采用两级余热回收形式，所述烟气冷却器的形式包括管壳式换热器、板式换热器以及高效鳍片冷凝式换热器；其中，所述烟气冷却器第一级优先选用管壳式换热器，第二级采用高效鳍片冷凝式换热器，将锅炉排烟温度降低至80～50℃。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧方法与系统，具体涉及到可以降低燃气工业锅炉尾部烟气中一氧化碳和氮氧化物的方法和系统，将低氮燃烧技术、催化脱硝技术和催化燃烧技术有机结合，旨在实现燃气工业锅炉的高效燃烧、低氮排放，同时提高锅炉效率，达到降低燃料消耗、节约能源以及降低NO和CO、CO2的排放目的。
采用本发明所提供的技术改造后，与原燃气锅炉相比，锅炉的热效率提高3％以上，烟气量下降5％以上，烟气中NO排放浓度低于20mg/m3，烟气中CO排放浓度低于5mg/m3。
本发明所构思的技术方案与现有技术相比，主要具备以下技术优点：
(1)本发明提出从抑制炉内氮氧化物的生成和碳氢催化还原烟气中氮氧化物两个方面实现低氮排放，而且不用外加还原剂，即可实现对NO的高效脱除。
(2)本发明通过采用低氮燃烧器和降低空气过剩系数造成局部的弱还原性气氛从而抑制了炉内氮氧化物的生成，同时利用炉内未完全燃烧形成的CO、碳烟颗粒直接作为还原剂，在尾部烟道中设置碳氢催化脱硝装置，进而在催化剂的作用下实现NO脱除，烟气中的氮氧化物浓度可以降低到10-20mg/m3，与常规的氨法SCR脱硝相比，不需要建设氨储罐，没有氨泄漏逃逸等安全环境风险。
(3)本发明提出将炉膛的明火燃烧和烟道中的催化燃烧有机结合，利用烟气中未完全反应的残氧和增氧装置提供的外加氧作为氧化剂，在催化燃烧装置中布置的催化剂作用下，实现未燃尽CO、碳烟颗粒和氧气的完全氧化反应，达到高效燃烧的目的。排放的烟气中CO浓度为0-5mg/m3。
(4)本发明通过安装催化燃烧装置，将烟气中未完全燃烧的CO、碳烟颗粒进行催化氧化，减少了不完全燃烧热损失，同时燃烧放出的热量被烟气带走，随后通过空气预热器和烟气冷却器进行余热回收，不仅提高了燃烧效率，同时提高了锅炉热效率。
(5)本发明提出采用较低地过剩空气系数进行燃烧，能够在炉内形成弱还原性气氛，不仅抑制了燃烧中氮氧化物的生成，而且减少了烟气量，进而降低了排烟热损失，提高了锅炉效率。
(6)本发明提出烟气冷却器采用两级冷却方式进行最大限度的烟气余热回收，第一级采用管壳式换热器将烟气温度降低至120℃以下，第二级采用高效鳍片冷凝式换热器将烟气温度降低至80℃以下，绝大部分烟气余热以及部分水蒸气气化潜热得到回收利用。
(7)本发明提出采用较低的过剩空气系数进行燃烧，将空燃比控制在当量比附近，炉内整体氧浓度水平下降，促进了CO和炭黑的生成，强化了未燃尽碳颗粒的辐射特性，有利于水冷壁吸热，同时可减少助燃空气的输入，降低送风机的能耗，且烟气量减少，降低了引风机的能耗，运行成本相应降低。
综合上述，本发明将低氮燃烧、低氧(即低空气过剩系数)燃烧、催化燃烧、碳氢催化脱硝、余热深度回收这五种技术有机结合，可以同时实现高效燃烧、低氮排放和节能减碳的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧方法流程图。
图2是本发明实施例提供的实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧系统结构示意图。
图中：1、低氮燃烧器；2、锅炉；3、催化脱硝装置；4、增氧调制装置；5、催化燃烧装置；6、空气预热器；7、烟气冷却器；8、引风机；9、烟囱；10、储水箱；11、加压水泵；12、燃气站；13、三通阀；14、送风机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧方法与系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明在炉内和烟道区域分步实施降氮和高效燃烧，首先在炉内于低空气过剩系数条件下采用低氮燃烧控制氮氧化化物的生成并产生高浓度的一氧化碳，其次利用烟气中存在的不完全燃烧产物如一氧化碳、碳烟颗粒等作为还原剂在烟道区域进一步催化还原烟气中的氮氧化物，最后采用催化燃烧的方式消除烟道中残留的不完全燃烧碳氢物质。实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧系统包括低氮燃烧器、燃气工业锅炉、催化脱硝装置、增氧调制装置、催化燃烧装置、空气预热器以及烟气冷却器。本发明将分级低氮燃烧技术、低氧(低过剩空气系数)燃烧技术、碳氢催化还原脱硝技术和催化燃烧技术以及深度烟气余热回收技术有机结合，实现了燃气工业锅炉的高效燃烧和低氮排放，同时提高了锅炉效率、降低了燃料消耗。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例提供的实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧方法包括以下步骤：
S101，根据燃料流量、燃料的成分以及燃烧化学反应理论配比得到助燃空气的理论流量，设定空气过剩系数为0.95～1.05，使得炉膛出口烟气中氧体积浓度小于或者等于1％，在该种燃烧条件下，炉内整体处于弱还原性气氛或者弱氧化气氛，抑制NO的生成，并产生不完全燃烧；
S102，将炉膛出口烟气引入催化脱硝装置中，利用自身不完全燃烧产生的CO、碳烟颗粒等碳氢物质在催化剂作用下对NO进行还原，进而减少NO的排放；
S103，对催化脱硝装置出来的烟气进行增氧调质，使得烟气中的氧的体积浓度保持在1～2％；
S104，将步骤S103调质后的烟气引入催化燃烧装置中，利用烟气中含有的氧气将烟气中未燃尽的CO、碳烟颗粒在催化剂作用下进行催化氧化，使得烟气中的可燃物质完全燃尽；
S105，将步骤S104中催化燃烧装置排出的烟气引入换热器，回收烟气中的热量，并预热空气和给水，减少排烟热损失，使得烟气的温度降低到80～50℃。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
以天然气采暖锅炉为例，如图2所示，本发明实施例提供的可实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧方法和系统，包括低氮燃烧器1、锅炉2、催化脱硝装置3、增氧调制装置4、催化燃烧装置5、空气预热器6、烟气冷却器7、引风机8、烟囱9、储水箱10、加压水泵11、燃气站12、三通阀13、送风机14。
低氮燃烧器1上设有燃气管道和助燃空气进口，燃气和助燃风通过低氮燃烧器1进入燃气工业锅炉2炉膛燃烧，烟气从炉膛出口流入催化脱硝装置3，在催化脱硝装置3中利用烟气中未完全燃烧的CO、炭黑颗粒对NO进行还原，从催化脱硝装置3排出来的烟气与从空气预热器6经三通阀13流出的一部分空气混合进入增氧调制装置4，增氧后的烟气进入催化燃烧装置5，再进入空气预热器6，从空气预热器6出来的烟气再送入烟气冷却器7，最后经过引风机8送入烟囱9排空。
采用天然气作为燃料，采用储水箱10、加压水泵11组成锅炉给水单元，锅炉给水单元通过变频调节器实现连续给水过程。热水锅炉的低氮燃烧器1为空气分级和燃料分级燃烧器，依靠天然气管道压力将天然气送入燃烧器，采用送风机14、三通阀13组成锅炉供风系统，这样可以使大部分助燃空气直接送入炉膛，三通阀13其两个出口分别与低氮燃烧器和增氧调制装置连接，送风机14将空气经过空气预热器送入低氮燃烧器1和增氧调制装置4，经过增氧调制，烟气中氧浓度提升至1.5％。
低氮燃烧器1点火启动采用过剩空气系数1.0，天然气在锅炉炉膛内燃烧后经炉膛出口排除的烟气温度(400℃)，进入催化脱硝装置，催化脱硝装置出口烟气氧浓度为0.2％。
催化脱硝装置采用以铂负载堇青石作为脱硝催化剂，炉膛出口烟气NO浓度为120mg/m3，炉膛出口烟气CO浓度为2000mg/m3，经催化脱硝装置脱硝后NO浓度降低至15mg/m3；
催化燃烧装置采用以铜基金属/氧化物为主要活性物质的CO、碳烟低温燃烧催化剂，经催化氧化后CO浓度降低到4mg/m3。
经催化燃烧装置5排放的烟气通过空气预热器6预热空气，空气预热器为真空热管形式，一端连接到催化燃烧装置5的烟气出口，另一端与烟气冷却器7连接。此后，从空气预热器出来的烟气在烟气冷却器7中进一步冷却，烟气冷却器7采用两级冷却方式，第一级采用管壳式换热器，第二级采用高效鳍片冷凝换热，将烟气温度降低至70℃后排空。
在热水锅炉系统中采用实时监测控制技术，实时测量燃烧温度、烟气组分(O2、CO和NO)的浓度、燃料量、燃烧器风量、催化燃烧装置中烟气氧量、各路风温、锅炉给水量、水温、炉膛出口烟温、催化燃烧装置出口烟温、空气预热器出口烟温、烟气冷却器出口烟温；通过自动反馈控制实现锅炉天然气热水系统高效稳定运行。
在本发明一实施例中，所述低氮燃烧器可以采用单一的低氮燃烧技术如空气分级、燃料分级、火焰分割以及浓淡分离，或者是这些单一技术的组合；所述低氮燃烧器可在还原性气氛、弱还原性气氛、弱氧化性气氛以及氧化性气氛下稳定燃烧；
所述从低氮燃烧器进入锅炉炉膛的燃料包括天然气，或者管道煤气、高炉煤气、液化石油气，焦炉煤气，富氢燃气、生物质热解气、生物质气化气在内的碳氢燃料；
所述从燃烧器进入锅炉炉膛的助燃剂或者助燃风、或者助燃空气的来源为：送风机或者鼓风机送入，并经过空气预热器中吸收烟气的余热后出来的热空气、或者含氧浓度高于21％的富氧热空气。
在本发明一实施例中所述催化脱硝装置采用CO、碳烟颗粒等碳氢物质作为还原剂，同时所述催化脱硝装置内部装填有对碳氢分子还原NO具有催化作用的催化剂，催化剂的活性成分包括但不限于：过渡金属Cu、Mn、Fe、Ni、Co、V、W、Mo、Ti以及稀土Ce、La、Nd、In、Y和贵金属Pd、Pt、Rh的一种或者几种。
在本发明一实施例中，所述增氧调制装置用于对催化脱硝装置出来的烟气进行增氧调质，所采用的增氧调质方法为将空气预热器中出来的热空气、或者富氧热空气的一部分通入烟气中，和烟气均匀混合，根据原烟气的氧气浓度和原烟气的流量，计算出增氧调质所需要的热空气的比例，保证调质后的烟气中氧气的体积浓度不高于2％，不低于1％。
对催化脱硝装置出来的烟气进行增氧调质，所采用的增氧调质方法中的增氧介质除了空气预热器中出来的热空气、或者富氧热空气之外，还包括直接采用氧气瓶、氧气发生器和氧气管道输出纯氧作为增氧介质。
在本发明一实施例中，所述催化燃烧装置为烟气中CO和碳烟脱除装置，所述催化燃烧装置中装填有催化剂，所述催化剂的形状包括蜂窝状、球状、多孔泡沫状、纤维状和不规则成型材料；所述催化剂包括载体和活性组分，采用包括氧化铝、石棉、活性炭、分子筛、碳化硅、泡沫金属、堇青石、硅酸盐以及铝酸盐作为催化剂载体，所述催化剂的活性组分包括非贵金属K、Na、Ca、Cu、Mn、Fe和贵金属Au、Pt、Pd、Rh及稀土元素Ce、La、Y、Nd中的一种或者几种。
根据进入炉膛的燃料量和理论空气量计算，用于确定从尾部空气预热器中进入炉膛的空气量，保证进入炉膛的空气量为理论空气量的95～105％，即炉膛内部燃烧空间中整体空气过剩系数为0.95～1.05，控制炉膛出口烟气中的氧气浓度不大于1％。
在本发明一实施例中，所述空气预热器为助燃风或者助燃空气和尾部烟气的热交换装置，所述空气预热器的形式包括管壳式换热器、间壁式换热器、回转式换热器、相变换热器以及热管式换热器；其中，所述空气预热器优选为真空热管式换热器。
在本发明一实施例中，所述烟气冷却器为锅炉尾部低温烟气和锅炉给水的热交换装置，采用两级余热回收形式，所述烟气冷却器的形式包括管壳式换热器、板式换热器以及高效鳍片冷凝式换热器；其中，所述烟气冷却器第一级优先选用管壳式换热器，第二级采用高效鳍片冷凝式换热器，将锅炉排烟温度降低至80～50℃。
下面结合本发明的技术方案与现有技术进行对比作进一步详细描述。
根据GB/T 10180-2017工业锅炉热工性能试验规程，对安装常规低氮燃烧器和采用本发明的节能低氮排放燃烧方法之后燃用天然气工业锅炉的运行参数进行比较，结果见表1，从表1可以看出，采用本发明之后，NO的排放浓度降低了75％以上，烟气中氧浓度降低50％，相应的烟气量、空气过剩系数也有所减少，热效率明显提高。
表1采用本发明后的有益效果
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧方法，其特征在于，所述实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧方法在炉内控制氮氧化化物的生成并产生高浓度的一氧化碳，利用烟气中存在的不完全燃烧一氧化碳、碳烟颗粒产物作为还原剂在烟道区域催化还原烟气中的氮氧化物。
2.如权利要求1所述的实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧方法，其特征在于，所述实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧方法具体包括以下步骤：
步骤一，根据燃料流量、燃料的成分以及燃烧化学反应理论配比得到助燃空气的理论流量，设定空气过剩系数为0.95～1.05，使炉膛出口烟气中氧体积浓度小于或者等于1％，在该种燃烧条件下，炉内整体处于弱还原性气氛或者弱氧化气氛，抑制NO的生成，并产生不完全燃烧；
步骤二，将炉膛出口烟气引入催化脱硝装置中，利用自身不完全燃烧产生的CO、碳烟颗粒的碳氢物质在催化剂作用下对NO进行还原；
步骤三，对催化脱硝装置出来的烟气进行增氧调质，使烟气中的氧的体积浓度1～2％；
步骤四，将步骤三调质后的烟气引入催化燃烧装置中，利用烟气中含有的氧气将烟气中未燃尽的CO、碳烟颗粒在催化剂作用下进行催化氧化，使烟气中的可燃物质完全燃尽；
步骤五，将步骤四中催化燃烧装置排出的烟气引入换热器，回收烟气中的热量，并预热空气和给水，减少排烟热损失，使得烟气的温度降低到80～50℃。
3.一种实施权利要求1～2任意一项所述燃烧方法的实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧系统，其特征在于，所述实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧系统包括低氮燃烧器、燃气工业锅炉、催化脱硝装置、增氧调制装置、催化燃烧装置、空气预热器以及烟气冷却器；
所述低氮燃烧器与工业锅炉本体相连接，将燃气与空气送入锅炉炉膛进行燃烧，燃烧产生的烟气流向催化脱硝装置；
所述增氧调制装置位于催化脱硝装置与催化燃烧装置之间；
所述空气预热器一端连接到催化燃烧装置出口，一端连接到烟气冷却器。
4.如权利要求3所述的实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧系统，其特征在于，所述低氮燃烧器采用单一的低氮燃烧技术，包括空气分级、燃料分级、火焰分割以及浓淡分离；或者采用上述单一技术的组合；
所述低氮燃烧器在还原性气氛、弱还原性气氛、弱氧化性气氛以及氧化性气氛下稳定燃烧；
从低氮燃烧器进入锅炉炉膛的燃料包括天然气，或者管道煤气、高炉煤气、液化石油气，焦炉煤气，富氢燃气、生物质热解气、生物质气化气在内的碳氢燃料；
从燃烧器进入锅炉炉膛的助燃剂或者助燃风、或者助燃空气的来源为：送风机或者鼓风机送入，并经过空气预热器中吸收烟气的余热后出来的热空气、或者含氧浓度高于21％的富氧热空气。
5.如权利要求3所述的实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧系统，其特征在于，所述催化脱硝装置采用CO、碳烟颗粒碳氢物质作为还原剂，同时所述催化脱硝装置内部装填有对碳氢分子还原NO具有催化作用的催化剂，催化剂的活性成分包括过渡金属Cu、Mn、Fe、Ni、Co、V、W、Mo、Ti以及稀土Ce、La、Nd、In、Y和贵金属Pd、Pt、Rh的一种或者几种。
6.如权利要求3所述的实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧系统，其特征在于，所述增氧调制装置用于对催化脱硝装置出来的烟气进行增氧调质，所采用的增氧调质方法为将空气预热器中出来的热空气、或者富氧热空气的一部分通入烟气中，和烟气均匀混合，根据原烟气的氧气浓度和原烟气的流量，计算出增氧调质所需要的热空气的比例，使调质后的烟气中氧气的体积浓度1％～2％；
对催化脱硝装置出来的烟气进行增氧调质，采用的增氧调质中的增氧介质包括空气预热器中出来的热空气、富氧热空气、或直接采用氧气瓶、氧气发生器和氧气管道输出纯氧作为增氧介质。
7.如权利要求3所述的实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧系统，其特征在于，所述催化燃烧装置为烟气中CO和碳烟脱除装置，所述催化燃烧装置中装填有催化剂，所述催化剂的形状包括蜂窝状、球状、多孔泡沫状、纤维状和不规则成型材料；所述催化剂包括载体和活性组分，采用包括氧化铝、石棉、活性炭、分子筛、碳化硅、泡沫金属、堇青石、硅酸盐以及铝酸盐作为催化剂载体，所述催化剂的活性组分包括非贵金属K、Na、Ca、Cu、Mn、Fe和贵金属Au、Pt、Pd、Rh及稀土元素Ce、La、Y、Nd中的一种或者几种。
8.如权利要求7所述的实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧系统，其特征在于，根据进入炉膛的燃料量和理论空气量计算，用于确定从尾部空气预热器中进入炉膛的空气量，使进入炉膛的空气量为理论空气量的95～105％，即炉膛内部燃烧空间中整体空气过剩系数为0.95～1.05，控制炉膛出口烟气中的氧气浓度不大于1％。
9.如权利要求3所述的实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧系统，其特征在于，所述空气预热器为助燃风或者助燃空气和尾部烟气的热交换装置，所述空气预热器的形式包括管壳式换热器、间壁式换热器、回转式换热器、相变换热器以及热管式换热器；所述空气预热器优选为真空热管式换热器。
10.如权利要求3所述的实现燃气工业锅炉节能和低氮排放的燃烧系统，其特征在于，所述烟气冷却器为锅炉尾部低温烟气和锅炉给水的热交换装置，采用两级余热回收形式，所述烟气冷却器的形式包括管壳式换热器、板式换热器以及高效鳍片冷凝式换热器；所述烟气冷却器第一级优先选用管壳式换热器，第二级采用高效鳍片冷凝式换热器，将锅炉排烟温度降低至80～50℃。
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