CN114576647A - 一种燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统及运行方法，锅炉的燃烧器设置为氨煤混燃燃烧器，若干台纯氨燃烧器并联并与氨气供给装置连接，氨煤混燃燃烧器与氨气供给装置连接；氨水多喷嘴喷枪设置于锅炉炉膛内并与氢氨混合调节装置的出口连接，氨水供给装置、氢气供给装置及压缩空气源的出口与氢氨混合调节装置连接，氨水多喷嘴喷枪的上方设有火焰温度可视化测量装置，整流装置、烟气连续在线监测装置依次设置于锅炉的省煤器下游的水平烟道，火焰温度可视化测量装置、氢氨混合调节装置、烟气连续在线监测装置以及所有流量调节装置均与DCS控制中心连接。本发明能够在实现氨煤在炉内稳定高效燃烧的同时，最大程度提高机组降碳降氮水平。

Description

一种燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统及运行方法

技术领域

本发明属于燃煤低碳低氮清洁发电技术领域，具体涉及一种燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统及运行方法。

背景技术

“碳达峰碳中和”目标的提出，对传统碳排放大户燃煤电站锅炉提出了严峻的挑战，当前主流技术路线除碳捕集外，还可用“零碳”燃料代替部分燃煤实现降碳。另一方面，为了充分消纳日益增长的可再生能源发电量，由可再生能源弃电来制取“绿氢”成为新的储能趋势。

作为地球上最清洁的燃料，氢气由于其单位体积能量极低、点火能量低和火焰传播速度较高，在大量储运及替代燃烧方面还不成熟，目前少量应用于燃气轮机掺氢替代天然气降碳。氨气作为一种氢基燃料，相比于氢气，其合成及其配套工艺成熟，储运成本低，安全性高，可在全生命周期内实现零碳排放，是氢和能量的有效载体。但燃煤锅炉掺氨燃烧会面临炉内燃烧状态差及炉后NOx排放浓度高等问题，目前关于燃煤锅炉掺氨降碳的研究较少，且研究主要关注于机组降碳排放方面，尚未涉及掺氨后控制锅炉整体氮氧化物排放水平方面。因此，如何在最大程度实现燃煤锅炉降碳排放的同时精准控制炉温使氮氧化物排放不超标，是未来燃煤机组掺氨降碳排放改造中亟待解决的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统及运行方法，本发明能够在实现氨煤在炉内稳定高效燃烧的同时，最大程度提高机组降碳降氮水平。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统，包括锅炉、氨煤混燃燃烧器、若干台纯氨燃烧器、氨气供给装置、氨水多喷嘴喷枪、氨水供给装置、氢氨混合调节装置、氢气供给装置、压缩空气源、DCS控制中心、整流装置和烟气连续在线监测装置，锅炉的燃烧器设置为氨煤混燃燃烧器，若干台纯氨燃烧器并联连接且连接总管与氨气供给装置连接，氨煤混燃燃烧器与氨气供给装置连接，每台纯氨燃烧器的入口以及每个氨煤混燃燃烧器的入口均设有流量调节装置，若干台纯氨燃烧器设置于锅炉的炉膛侧墙；氨水多喷嘴喷枪设置于锅炉炉膛内并位于氨煤混燃燃烧器以及纯氨燃烧器的上方，氨水多喷嘴喷枪的入口与氢氨混合调节装置的出口连接，氨水供给装置的出口、氢气供给装置的出口和压缩空气源的出口均与氢氨混合调节装置连接，氨水多喷嘴喷枪上设有若干向下喷射氨水的雾化喷嘴，氨水多喷嘴喷枪的上方设有火焰温度可视化测量装置，整流装置设置于锅炉的省煤器下游的水平烟道，烟气连续在线监测装置设置于整流装置的下游，锅炉的SCR系统喷氨格栅的氨水入口设有流量调节装置；

火焰温度可视化测量装置、氢氨混合调节装置、烟气连续在线监测装置以及所有流量调节装置均与DCS控制中心连接。

优选的，氨气供给装置包括氨气储罐，氨气储罐的出口串联有两级加热换热器，末级加热换热器的冷出口与氨煤混燃燃烧器以及纯氨燃烧器连接。

优选的，若干台纯氨燃烧器的连接总管上设有流量调节装置。

优选的，氨水多喷嘴喷枪配备有伸缩装置，该伸缩装置用于可改变雾化喷嘴沿氨水多喷嘴喷枪的长度间距，氨水多喷嘴喷枪还配备有用于对其冷却的冷却水结构。

优选的，烟气连续在线监测装置设置于整流装置下游间距至少2m的位置处，烟气连续在线监测装置用于测量SCR系统喷氨格栅入口前烟气中氮氧化物浓度及截面分布情况并反馈给DCS控制中心。

优选的，氢氨混合调节装置包括氨水计量分配装置和氢气空气计量分配装置，氨水计量分配装置的入口与氨水供给装置连接，氢气空气计量分配装置的入口与氢气供给装置以及压缩空气源连接，氨水计量分配装置和氢气空气计量分配装置的出口连通后通过管路与氨水多喷嘴喷枪和氨水泵，氨水泵的入口与氨水储罐连接，氨水泵的出口与氢氨混合调节装置连接。

优选的，火焰温度可视化测量装置布置于锅炉炉膛上部与屏式过热器下部区域。

本发明所述的燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统的运行方法，包括如下过程：

燃煤锅炉冷态或热态启动时，先控制氨煤混燃燃烧器投入煤粉进行升负荷，待负荷稳定后再逐步投入氨气参与燃烧，然后开始逐台投入纯氨燃烧器；

DCS控制中心接收到火焰温度可视化测量装置实时反馈的喷氨区域炉膛温度数据以及整流装置后的烟气连续在线监测装置实时反馈的SCR入口前烟气中氮氧化物浓度及截面分布情况后，DCS根据温度偏差值来调整氨水多喷嘴喷枪的喷射位置，并根据氮氧化物浓度及截面分布控制氢氨混合调节装置来调节氨水多喷嘴喷枪的当前喷氨量，以实现SCR入口前烟气中氮氧化物浓度满足SCR要求，截面浓度分布均匀；

在锅炉内燃烧波动大导致氮氧化物无法继续调节时，通过调节各纯氨燃烧器以及氨煤混燃燃烧器入口管路上的流量调节装置来调整掺烧量，或者通过调节SCR系统喷氨格栅的喷氨量来使氮氧化物排放浓度达标。

优选的，氨煤混燃燃烧器运行时氨的掺烧比例为0～40％；纯氨燃烧器运行时氨的掺烧比例为0～10％；氨气供给装置供给于氨煤混燃燃烧器与纯氨燃烧器的氨燃料温度范围为80～300℃；火焰温度可视化测量装置的测温范围为-40℃～1500℃；氨水多喷嘴喷枪所喷氨水炉内雾化温度区间为950℃～1150℃，气化后脱硝反应温度区间为850℃～1100℃。

本发明具有以下有益效果：

本发明燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统通过在煤粉锅炉上掺烧氨气及投运SNCR系统，可以在实现燃煤锅炉降碳的同时消除由掺氨引起氮氧化物浓度升高的影响，确保了掺烧后对机组安全高效运行不产生较大影响；通过火焰温度可视化测量装置实时监测喷氨区域炉膛温度分布，依据该动动态可调整各燃烧器的氨气掺烧比例及SNCR系统的喷氨量，确保了掺烧过程中SCR系统前氮氧化物浓度不超标；通过在SCR入口前水平烟道入口处布置整流装置，实时监测SCR入口前烟气中氮氧化物浓度及截面分布情况，动态调节SCR系统各区喷氨量，确保了燃煤锅炉污染物排放浓度达标。综上所述，本发明通过燃煤锅炉掺烧氨气进行大比例替代煤粉，在大幅度减轻碳排放的同时控制氮氧化物排放浓度不超标，对于燃煤机组在双碳目标下实现碳减排具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统示意图。

其中，1-1为氨气储罐、1-2为氨水储罐、2为氢气供给装置、3为氨煤混燃燃烧器、4为纯氨燃烧器、5为火焰温度可视化测量装置、6为氨水多喷嘴喷枪、6-1为雾化喷嘴、7为整流装置、8为烟气连续在线监测装置、9为流量调节装置、10为DCS控制中心、11为SCR系统喷氨格栅、12为氨水计量分配装置、13为氢气空气计量分配装置、14为加热换热器、15为氨水泵，16为锅炉、17为压缩空气源。

具体实施方式

下面将参照附图详细地说明本发明的实施例。附图描述的实施例仅仅是示例性的，仅仅用于解释此发明，而不能解释为对本发明的限制。

为了提高低压低热值气体燃料燃烧稳定性，降低燃料成本和碳排放，本发明提出一种燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统，该系统是燃煤锅炉进行大比例动态掺烧氨气替代部分煤粉燃烧与氮氧化物动态调控系统，参考图1，该系统包括锅炉16、氨煤混燃燃烧器3、若干台纯氨燃烧器4、氨气供给装置、氨水多喷嘴喷枪6、氨水供给装置、氢氨混合调节装置、氢气供给装置2、压缩空气源17、DCS控制中心10、整流装置7和烟气连续在线监测装置8，锅炉的燃烧器设置为氨煤混燃燃烧器3，本发明氨煤混燃燃烧器3取代炉膛四周原有的煤粉燃烧器，实现煤粉与氨气混烧。若干台纯氨燃烧器4并联连接且连接总管与氨气供给装置连接，氨煤混燃燃烧器3与氨气供给装置连接，其中，本发明的氨气供给装置包括氨气储罐1-1，氨气储罐1-1的出口串联有两级加热换热器14，末级加热换热器14的冷出口与氨煤混燃燃烧器3以及纯氨燃烧器4连接。每台纯氨燃烧器4的入口以及每个氨煤混燃燃烧器3的入口均设有流量调节装置9，若干台纯氨燃烧器4的连接总管上设有流量调节装置9，若干台纯氨燃烧器4设置于锅炉的炉膛侧墙；氨水多喷嘴喷枪6设置于锅炉炉膛内并位于氨煤混燃燃烧器3以及纯氨燃烧器4的上方，氨水多喷嘴喷枪6的入口与氢氨混合调节装置的出口连接，氨水多喷嘴喷枪6配备有伸缩装置，该伸缩装置用于可改变雾化喷嘴6-1沿氨水多喷嘴喷枪6的长度间距来控制不同区域的喷氨量，氨水多喷嘴喷枪6还配备有用于对其冷却的冷却水结构。氨水供给装置的出口、氢气供给装置2的出口和压缩空气源17的出口均与氢氨混合调节装置连接，氨水多喷嘴喷枪6上设有若干向下喷射氨水的雾化喷嘴6-1，氨水多喷嘴喷枪6的上方设有火焰温度可视化测量装置5，火焰温度可视化测量装置5布置于锅炉炉膛上部与屏式过热器下部区域。整流装置7设置于锅炉的省煤器下游的水平烟道，烟气连续在线监测装置8设置于整流装置7的下游至少2米处的位置，烟气连续在线监测装置8用于测量SCR系统喷氨格栅入口前烟气中氮氧化物浓度及截面分布情况并反馈给DCS控制中心10，锅炉的SCR系统喷氨格栅11的氨水入口设有流量调节装置；SCR系统喷氨格栅11的氨源为一氨水储罐1-2，通过一氨水泵将该氨水储罐1-2内的氨水溶入SCR系统喷氨格栅11内。火焰温度可视化测量装置5、氢氨混合调节装置、烟气连续在线监测装置8以及所有流量调节装置9均与DCS控制中心10通过电缆连接。氢氨混合调节装置包括氨水计量分配装置12和氢气空气计量分配装置13，氨水计量分配装置12的入口与氨水供给装置连接，氢气空气计量分配装置13的入口与氢气供给装置2以及压缩空气源17连接，氨水计量分配装置12和氢气空气计量分配装置13的出口连通后通过管路与氨水多喷嘴喷枪6的入口连接。上述方案中，氨水供给装置包括氨水储罐1-2和氨水泵15，氨水泵15的入口与氨水储罐1-2连接，氨水泵15的出口与氢氨混合调节装置连接。

具体的，本发明通过氨气占全部燃料掺烧比例为0～40％的氨煤混燃燃烧器3替代锅炉原有的煤粉燃烧器，实现了煤粉与氨气在不同区域浓淡燃烧，若干台氨气占全部燃料掺烧比例为0～10％的纯氨燃烧器4布置于炉膛侧墙作为补充。所掺烧的氨燃料为氨气供给装置供给的液氨气化并加热至80～300℃后的氨气。氨水多喷嘴喷枪6所喷氨水由氨水储罐1-2经氨水泵15以及氨水计量分配装置12供给，并通过压缩空气和氢气的混合气雾化后喷入炉膛。氨水多喷嘴喷枪6所喷氨水炉内雾化温度区间为950℃～1150℃，气化后脱硝反应温度区间为850℃～1100℃。

测温范围为-40℃～1500℃的火焰温度可视化测量装置5布置于炉膛上部与屏式过热器下部区域。整流装置7布置于省煤器后的水平烟道及烟气连续在线监测装置8前，使进入SCR系统的烟气中氮氧化物分布均匀。烟气连续在线监测装置8布置于整流装置7后且水平间距2m以上，快速测量SCR入口前烟气中氮氧化物浓度及截面分布情况并反馈给DCS控制中心10。

具体的，本发明燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统在运行时，燃煤锅炉冷态或热态启动时，先控制氨煤混燃燃烧器3仅投入煤粉进行升负荷，待负荷稳定后再逐步投入高温氨气参与燃烧，并开始逐台投入纯氨燃烧器4，实现燃煤锅炉掺烧氨气降碳；DCS控制中心10接收到火焰温度可视化测量装置5实时反馈的喷氨区域炉膛温度数据以及整流装置7后的烟气连续在线监测装置8实时反馈的SCR入口前烟气中氮氧化物浓度及截面分布情况后，DCS根据温度偏差值控制伸缩装置来调整氨水多喷嘴喷枪6在炉内的位置，并根据氮氧化物浓度及截面分布控制氨水计量分配装置12及氢气空气计量分配装置13来调节当前喷氨量，在动态调节后实现SCR入口前烟气中氮氧化物浓度满足SCR要求，截面浓度分布较为均匀；在炉内燃烧波动大导致氮氧化物无法通过前述方式调节时，可通过调节各个燃烧器前的流量调节装置9来调整掺烧量，还可通过调节SCR系统喷氨格栅11的喷氨量来确保氮氧化物排放浓度达标。

本发明通过将氨气分多个燃烧器掺入燃煤锅炉中，结合多个测量装置实时动态反馈，来达到高的负荷调节性、炉膛及燃料适应性，以实现降碳安全运行的同时控制氮氧化物排放浓度不超标。在具体实施时，本发明为燃煤锅炉提供了一种降本降碳增效的改造技术路线，有效确保了锅炉效率不降低的同时降低企业碳排放、减少运行燃料成本。本发明所述的燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统在不同的氨气掺混比例下实现了炉内燃烧工况稳定和氮氧化物低排放的动态匹配，在大幅度减轻碳排放的同时控制氮氧化物排放浓度不超标，有效确保了锅炉效率不降低的同时降低企业碳排放、减少运行燃料成本，还可进一步耦合可再生能源全生命周期零碳制取氨等氢基燃料。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统，其特征在于，包括锅炉(16)、氨煤混燃燃烧器(3)、若干台纯氨燃烧器(4)、氨气供给装置、氨水多喷嘴喷枪(6)、氨水供给装置、氢氨混合调节装置、氢气供给装置(2)、压缩空气源(17)、DCS控制中心(10)、整流装置(7)和烟气连续在线监测装置(8)，锅炉的燃烧器设置为氨煤混燃燃烧器(3)，若干台纯氨燃烧器(4)并联连接且连接总管与氨气供给装置连接，氨煤混燃燃烧器(3)与氨气供给装置连接，每台纯氨燃烧器(4)的入口以及每个氨煤混燃燃烧器(3)的入口均设有流量调节装置(9)，若干台纯氨燃烧器(4)设置于锅炉的炉膛侧墙；氨水多喷嘴喷枪(6)设置于锅炉炉膛内并位于氨煤混燃燃烧器(3)以及纯氨燃烧器(4)的上方，氨水多喷嘴喷枪(6)的入口与氢氨混合调节装置的出口连接，氨水供给装置的出口、氢气供给装置(2)的出口和压缩空气源(17)的出口均与氢氨混合调节装置连接，氨水多喷嘴喷枪(6)上设有若干向下喷射氨水的雾化喷嘴(6-1)，氨水多喷嘴喷枪(6)的上方设有火焰温度可视化测量装置(5)，整流装置(7)设置于锅炉的省煤器下游的水平烟道，烟气连续在线监测装置(8)设置于整流装置(7)的下游，锅炉的SCR系统喷氨格栅的氨水入口设有流量调节装置；

火焰温度可视化测量装置(5)、氢氨混合调节装置、烟气连续在线监测装置(8)以及所有流量调节装置(9)均与DCS控制中心(10)连接。

2.根据权利要求1所述的一种燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统，其特征在于，氨气供给装置包括氨气储罐(1-1)，氨气储罐(1-1)的出口串联有两级加热换热器(14)，末级加热换热器(14)的冷出口与氨煤混燃燃烧器(3)以及纯氨燃烧器(4)连接。

3.根据权利要求1所述的一种燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统，其特征在于，若干台纯氨燃烧器(4)的连接总管上设有流量调节装置(9)。

4.根据权利要求1所述的一种燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统，其特征在于，氨水多喷嘴喷枪(6)配备有伸缩装置，该伸缩装置用于可改变雾化喷嘴(6-1)沿氨水多喷嘴喷枪(6)的长度间距，氨水多喷嘴喷枪(6)还配备有用于对其冷却的冷却水结构。

5.根据权利要求1所述的一种燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统，其特征在于，烟气连续在线监测装置(8)设置于整流装置(7)下游间距至少2m的位置处，烟气连续在线监测装置(8)用于测量SCR系统喷氨格栅入口前烟气中氮氧化物浓度及截面分布情况并反馈给DCS控制中心(10)。

6.根据权利要求1所述的一种燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统，其特征在于，氢氨混合调节装置包括氨水计量分配装置(12)和氢气空气计量分配装置(13)，氨水计量分配装置(12)的入口与氨水供给装置连接，氢气空气计量分配装置(13)的入口与氢气供给装置(2)以及压缩空气源(17)连接，氨水计量分配装置(12)和氢气空气计量分配装置(13)的出口连通后通过管路与氨水多喷嘴喷枪(6)的入口连接。

7.根据权利要求1所述的一种燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统，其特征在于，氨水供给装置包括氨水储罐(1-2)和氨水泵(15)，氨水泵(15)的入口与氨水储罐(1-2)连接，氨水泵(15)的出口与氢氨混合调节装置连接。

8.根据权利要求1所述的一种燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统，其特征在于，火焰温度可视化测量装置(5)布置于锅炉炉膛上部与屏式过热器下部区域。

9.权利要求1-8任意一项所述的燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统的运行方法，其特征在于，包括如下过程：

燃煤锅炉冷态或热态启动时，先控制氨煤混燃燃烧器(3)投入煤粉进行升负荷，待负荷稳定后再逐步投入氨气参与燃烧，然后开始逐台投入纯氨燃烧器(4)；

DCS控制中心(10)接收到火焰温度可视化测量装置(5)实时反馈的喷氨区域炉膛温度数据以及整流装置(7)后的烟气连续在线监测装置(8)实时反馈的SCR入口前烟气中氮氧化物浓度及截面分布情况后，DCS根据温度偏差值来调整氨水多喷嘴喷枪(6)的喷射位置，并根据氮氧化物浓度及截面分布控制氢氨混合调节装置来调节氨水多喷嘴喷枪(6)的当前喷氨量，以实现SCR入口前烟气中氮氧化物浓度满足SCR要求，截面浓度分布均匀；

在锅炉内燃烧波动大导致氮氧化物无法继续调节时，通过调节各纯氨燃烧器(4)以及氨煤混燃燃烧器(3)入口管路上的流量调节装置(9)来调整掺烧量，或者通过调节SCR系统喷氨格栅(11)的喷氨量来使氮氧化物排放浓度达标。

10.根据权利要求9所述的燃煤锅炉掺氨燃烧与降氮调控系统的运行方法，其特征在于，氨煤混燃燃烧器(3)运行时氨的掺烧比例为0～40％；纯氨燃烧器(4)运行时氨的掺烧比例为0～10％；氨气供给装置供给于氨煤混燃燃烧器(3)与纯氨燃烧器(4)的氨燃料温度范围为80～300℃；火焰温度可视化测量装置(5)的测温范围为-40℃～1500℃；氨水多喷嘴喷枪(6)所喷氨水炉内雾化温度区间为950℃～1150℃，气化后脱硝反应温度区间为850℃～1100℃。

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