CN114877318A - 适用于深度调峰的循环流化床锅炉氮氧化物脱除工艺系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了适用于深度调峰的循环流化床锅炉氮氧化物脱除工艺系统，包括炉膛，炉膛自下到上依次分为炉膛锥段及炉膛稀相区，炉膛锥段上设置有若干上二次风喷口、若干下二次风喷口及若干脱硝喷枪，其中，各脱硝喷枪、各上二次风喷口及各下二次风喷口位于炉膛锥段上的不同位置处，其中，各脱硝喷枪位于各下二次风喷口的上方，该系统的脱硝效率较高。

Description

适用于深度调峰的循环流化床锅炉氮氧化物脱除工艺系统
技术领域
本发明属于火电机组技术领域，涉及适用于深度调峰的循环流化床锅炉氮氧化物脱除工艺系统。
背景技术
通过大幅提升能源利用效率和大力发展非化石能源，逐步摆脱对化石能源的依赖预计到2035年，中国清洁能源装机占比将占67.5％，全国48％的电力都将由太阳能、风能提供，新能源发电量占比将超过20％。然而，高比例的清洁能源发电，就意味着其波动性、随机性、不确定性给系统带来巨大挑战。因此，大规模发展新能源，就需要匹配一定规模的具有灵活性的火电机组，以促进清洁能源在更大范围的消纳。
促进高比例新能源消纳，就需要推动对现役火电机组尤其是燃煤机组进行灵活性改造，挖掘机组深度调峰潜力，将火电机组的灵活性调峰能力提升与新能源项目的建设进行耦合和匹配，为高比例的可再生能源的电力体系奠定基础，支持我国的中长期的能源低碳转型进程和应对气候变化。
循环流化床锅炉是一种燃料适应性广、负荷调节比大、污染物排放量低的洁净煤发电技术。但其负荷调节范围也是有限制的。其中问题之一，就是随着锅炉负荷的降低，分离器进入烟温低已不能满足脱硝要求，无法实现超低排放。为此，中国专利申请CN202020236796.1公开了一种适用于循环流化床锅炉全负荷脱硝控制系统。根据锅炉运行特性分区布置脱硝喷射装置。在锅炉低负荷时，锅炉下部区域温度满足脱硝要求，则投入在二次风喷口上布置的脱硝喷射装置，实现高效脱除NOx。
但在实践过程中发现，采用这项专利技术后锅炉并未取得较高的脱硝效率。当脱硝喷枪布置在炉膛锥段下二次风喷口时，基本没有脱硝效率。当脱硝喷枪布置在炉膛锥段上二次风喷口时，脱硝效率也只有10％～15％，机组不能实现超低排放。这与预期的脱硝效率相差甚远。从反应温度上看，脱硝剂从二次风喷口进入，脱硝反应的温度窗口是满足要求的。当脱硝剂通过二次风喷口进入时，二次风对脱硝剂的裹挟时间较长，可达数秒时间。根据化学动力学计算，在较高温度下，高浓度的氧(约21％O2)会与脱硝剂发生氧化反应，从而降低脱硝效率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了适用于深度调峰的循环流化床锅炉氮氧化物脱除工艺系统，该系统的脱硝效率相比现有技术大幅提升。
为达到上述目的，本发明所述的适用于深度调峰的循环流化床锅炉氮氧化物脱除工艺系统包括炉膛，炉膛自下到上依次分为炉膛锥段及炉膛稀相区，炉膛锥段上设置有若干上二次风喷口、若干下二次风喷口及若干脱硝喷枪，其中，各脱硝喷枪、各上二次风喷口及各下二次风喷口位于炉膛锥段上的不同位置处；
脱硝喷枪的最低布置位置h2为：
h2＝(P-布风板阻力)/(ρgε)+hy (1)
其中，P为风室的压力，ρ为床料密度，g为重力加速度，ε为床料孔隙率，hy为设计余量；
脱硝喷枪的最高布置位置h3为：
h3＝(v3+v5)/2*t+hy (2)
其中，v3为A3水平面处烟气流速，v5为炉膛锥段上表面处的烟气流速，t为脱硝反应时间，hy为设计余量。
炉膛的顶部出口经炉膛出口烟道与分离器的入口相连通，分离器底部的粗颗粒出口与炉膛的入口相连通。
分离器底部的粗颗粒出口经立管、返料装置及返料斜管与炉膛的入口相连通。
炉膛的底部设置有风室。
所述风室与炉膛之间设置有布风板。
所述脱硝喷枪包括喷枪套管以及喷枪套管内的喷枪芯管及喷枪枪头，其中，喷枪枪头与所述喷枪芯管相连接。
喷枪套管的规格为DN25～125之间。
h2大于2m，且小于2.5m。h3大于0.25m。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的适用于深度调峰的循环流化床锅炉氮氧化物脱除工艺系统在具体操作时，各脱硝喷枪、各上二次风喷口及各下二次风喷口位于炉膛锥段上的不同位置处，同时通过对脱硝喷枪的布置高度进行限定，从而提高脱硝效率，保证深度调峰下NOx实现超低排放，运行成本较低。
附图说明
图1为本发明的示意图；
图2为本发明中前墙二次风喷口的布置示意图；
图3为本发明中炉膛锥段的结构示意图；
图4为本发明中脱硝喷枪的结构示意图。
其中，1为炉膛、1A为炉膛锥段、1B为炉膛稀相区、2为炉膛出口烟道、3为分离器、4为立管、5为返料装置、6为返料斜管、7为二次风喷口、7A为下二次风喷口、7B为上二次风喷口、8为布风板、9为风室、10为炉膛锥段上表面、21为脱硝喷枪、22为喷枪套管、23为喷枪芯管、24为喷枪枪头、h为炉膛锥段的总高度、h1为脱硝喷枪与布风板之间的距离、h2为脱硝喷枪的最低布置位置、h3为脱硝喷枪的最高布置位置、h4为下二次风与布风板之间的距离、A2为h2处水平面，A3为h3处水平面，v3为A3水平面处烟气流速，v5为炉膛锥段上表面处的烟气流速。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图1至图4，本发明所述的适用于深度调峰的循环流化床锅炉氮氧化物脱除工艺系统包括炉膛1、炉膛出口烟道2、分离器3、立管4、返料装置5及返料斜管6；
炉膛1的顶部出口与经炉膛出口烟道2与分离器3的入口相连通，分离器3底部的粗颗粒出口经立管4、返料装置5及返料斜管6与炉膛1的入口相连通。
炉膛1自下到上依次分为炉膛锥段1A及炉膛稀相区1B，其中，炉膛1的底部设置有风室9，所述风室9与炉膛1之间设置有布风板8；炉膛锥段1A上设置有若干上二次风喷口7B、下二次风喷口7A及若干脱硝喷枪21，其中，所述各脱硝喷枪21、各上二次风喷口7B及各下二次风喷口7A位于炉膛锥段1A上的不同位置处；所述脱硝喷枪21包括喷枪套管22以及喷枪套管22内的喷枪芯管23及喷枪枪头24，其中，喷枪枪头24与所述喷枪芯管23相连接。
图1及图2所示的循环流化床锅炉在低负荷时炉膛锥段1A的区域温度在750～850℃，分离器3的进口温度在750℃以下，分离器3的进口烟温不能满足脱硝要求，原始氮氧化物排放量超过50mg/Nm3，脱硝喷枪21布置在炉膛锥段1A的前后墙和两侧墙处，脱硝喷枪21布置必须满足如下要求：
1)脱硝喷枪21布置在炉膛锥段1A，保证脱硝反应温度和增加混合效果。
在低负荷下，炉膛锥段1A的区域温度会降低到750℃以下，甚至700℃以下，通过采取其他额外技术手段将其提升到750～850℃，则可满足脱硝反应温度窗口要求。一般地，炉膛锥段1A四周覆盖有导热性能较差的耐磨耐火浇筑料，传热弱，烟温基本保持不变。当烟气继续向上流动进入炉膛稀相区1B时，由于炉膛稀相区1B内布置大量受热面，例如，四周水冷壁、双面水冷壁、屏式过热器及屏式再热器等，烟气温度会快速降低。烟气进入炉膛稀相区1B后温度会很快不能满足脱硝要求。
2)根据风室9的压力P、物料的堆积密度ρ及孔隙率ε，计算脱硝喷枪21的最低布置位置h2，即脱硝喷枪21布置位置必须高于h2。当脱硝喷枪21布置位置低于h2，则会由于脱硝剂无法充分扩散，未与烟气中NOx进行良好混合，从而导致脱硝效率低。同时，床料中氧化性物料还会与脱硝剂进行反应，脱硝剂无谓消耗，即：
h2＝(P-布风板阻力)/(ρgε)+hy (1)
其中，h2为脱硝喷枪21的最低布置位置，P为风室9的压力，ρ为床料密度，g为重力加速度，ε为床料孔隙率，hy为设计余量，取0.5-1m，h2需大于2m。
3)根据需达到的深度调峰负荷下烟气量Q及炉膛锥段1A的截面A3，计算脱硝喷枪的最高布置位置h3，即脱硝喷枪21的布置位置必须低于h3，当脱硝喷枪21的布置位置高于h3，则会由于脱硝剂还未与NOx进行充分混合和反应，烟气温度就已降低至反应窗口以下，而导致脱硝效率低。
h3＝(v3+v5)/2*t+hy (2)
其中，v3为A3水平面处烟气流速，v5为炉膛锥段上表面处的烟气流速，t为脱硝反应时间，hy为设计余量，取0-0.25m，一般地，h3需大于0.25m。
4)脱硝喷枪21布置位置还需位于下二次风喷口7A上方，否则，则会由于下二次风喷口7A位置下区域的强还原气氛，而导致脱硝效率降低。
5)在h2(或h4)与h3的布置区域内，脱硝喷枪21布置位置必须避开各上二次风喷口7B及各下二次风喷口7A所在位置。当利用锅炉现有二次风口布置脱硝喷枪21，虽然改造工程量会大幅降低，以及利用二次风的携带穿透混合能力，但实际上脱硝剂早已被空气中所含的大量氧气氧化，从而导致脱硝效率低。
根据数值模拟结果，当脱硝剂通过二次风喷口进入时，二次风对脱硝剂的裹挟时间较长，可达数秒时间。根据化学动力学计算，在较高温度下，高浓度的氧(约21％O2)会与脱硝剂发生氧化反应，从而降低脱硝效率。
脱硝剂+O2＝NO (3)
6)脱硝喷枪21采用较大的喷枪套管22，喷枪套管22内引入引射风，以增加脱硝剂的穿透能力，增加混合效果，继而提高脱硝效率。引射风采用一次风及压缩空气。喷枪套管22的规格可在DN25～125之间，冷却风喷口的流速在10～80m/s之间，脱硝剂为液氨、氨水或尿素溶液。
7)脱硝喷枪21可突出炉膛锥段1A四壁一定距离，增加穿透力和混合效果。为保证脱硝喷枪21防磨，突出部分可采用耐磨耐火浇注料、或碳化硅套管等措施防磨。
本发明通过确定脱硝喷枪21的布置位置，保证脱硝反应温度，增加混合效果，反应时间也足够，最终提高脱硝效率，保证深度调峰下NOx实现超低排放。
本发明具有以下特点：
1)低负荷脱硝效率高，保证深度调峰下NOx实现超低排放；
2)系统改动小，可以广泛应用于新建循环流化床锅炉机组和原有循环流化床锅炉机组的改造；
3)脱硝剂消耗量低，运行成本低。

Claims (8)

1.一种适用于深度调峰的循环流化床锅炉氮氧化物脱除工艺系统，其特征在于，包括炉膛(1)，炉膛(1)自下到上依次分为炉膛锥段(1A)及炉膛稀相区(1B)，炉膛锥段(1A)上设置有若干上二次风喷口(7B)、若干下二次风喷口(7A)及若干脱硝喷枪(21)，其中，各脱硝喷枪(21)、各上二次风喷口(7B)及各下二次风喷口(7A)位于炉膛锥段(1A)上的不同位置处；
脱硝喷枪(21)的最低布置位置h2为：
h2＝(P-布风板阻力)/(ρgε)+hy (1)
其中，P为风室(9)的压力，ρ为床料密度，g为重力加速度，ε为床料孔隙率，hy为设计余量；
脱硝喷枪(21)的最高布置位置h3为：
h3＝(v3+v5)/2*t+hy (2)
其中，v3为A3水平面处烟气流速，v5为炉膛锥段(1A)上表面处的烟气流速，t为脱硝反应时间，hy为设计余量。
2.根据权利要求1所述的适用于深度调峰的循环流化床锅炉氮氧化物脱除工艺系统，其特征在于，炉膛(1)的顶部出口经炉膛出口烟道(2)与分离器(3)的入口相连通，分离器(3)底部的粗颗粒出口与炉膛(1)的入口相连通。
3.根据权利要求2所述的适用于深度调峰的循环流化床锅炉氮氧化物脱除工艺系统，其特征在于，分离器(3)底部的粗颗粒出口经立管(4)、返料装置(5)及返料斜管(6)与炉膛(1)的入口相连通。
4.根据权利要求1所述的适用于深度调峰的循环流化床锅炉氮氧化物脱除工艺系统，其特征在于，炉膛(1)的底部设置有风室(9)。
5.根据权利要求4所述的适用于深度调峰的循环流化床锅炉氮氧化物脱除工艺系统，其特征在于，所述风室(9)与炉膛(1)之间设置有布风板(8)。
6.根据权利要求1所述的适用于深度调峰的循环流化床锅炉氮氧化物脱除工艺系统，其特征在于，所述脱硝喷枪(21)包括喷枪套管(22)以及喷枪套管(22)内的喷枪芯管(23)及喷枪枪头(24)，其中，喷枪枪头(24)与所述喷枪芯管(23)相连接。
7.根据权利要求6所述的适用于深度调峰的循环流化床锅炉氮氧化物脱除工艺系统，其特征在于，喷枪套管(22)的规格为DN25～125之间。
8.根据权利要求1所述的适用于深度调峰的循环流化床锅炉氮氧化物脱除工艺系统，其特征在于，h2大于2m，且小于2.5m，h3大于0.25m。
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