CN204388042U - 低NOx燃烧系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种低NOx燃烧系统，包括炉体，所述炉体具有炉膛，所述炉膛包括从上游至下游依次设置的过量空气系数小于1的主燃区、过量空气系数小于1的再燃区和过量空气系数大于1燃尽区，所述低NOx燃烧系统包括分别安装于所述炉体上的一次风喷口、二次风喷口、燃尽风喷口和再燃燃烧器，所述一次风喷口和所述二次风喷口位于所述主燃区，所述再燃燃烧器位于所述再燃区，所述燃尽风喷口位于所述燃尽区。本实用新型在主燃区和燃尽区进行空气分级燃烧的基础上合理结合再燃技术，可以可靠地实现炉膛出口NOx低排放的目的，从而实现较高的NOx减排率。
Description
技术领域
本实用新型涉及热力机械领域，特别涉及一种低NOx燃烧系统。
背景技术
煤炭的主要成分是C、H、O、N、S等，煤炭对环境的污染主要是其燃烧产生的污染物对环境的污染。煤炭燃烧后会产生大量的污染物如粉尘、SOx(硫氧化物，包括SO2、SO3、S2O3、SO、S2O7及SO4)、NOx(氮氧化物，包括NO、NO2及N2O)及CO2等。在NOx中，N2O会导致温室效应，NO及NO2被认为是导致地面臭氧、光化学烟雾和酸雨形成的重要原因。因此，NOx被认为是大气污染物的主要来源之一。
在世界范围内因燃烧化石燃料而排放的NOx在所有NOx排放中占有很大比例，例如，煤炭燃烧产生的NOx占我国烟尘排放NOx总量的67％。如何有效地控制NOx的生成与排放，进而改善大气环境质量是当今社会亟待解决的重要问题之一。同时，日益严格的环保法规要求开发先进的技术以减少NOx等污染物的排放(从2014年7月起，环保法规要求现有火力发电厂锅炉NOx排放浓度不超过100mg/m3)。因此，低NOx燃烧技术对我国的节能减排具有十分重要的意义。
现有技术中控制燃料燃烧产生的NOx排放的措施是在燃烧中控制NOx生成或在燃烧后将NOx还原。
燃煤燃烧后控制NOx排放的方法是采用SCR(SelectiveCatalytic Reduction，选择性催化还原法)。该方法虽然减排率高，可使NO变为N2的转化率达到80％以上，但其缺点是初投资大、运行成本过高，一些基于氨基的烟气脱氮技术还会发生氨的漏失，影响下游设备安全运行。
在燃煤燃烧过程中的控制一般采用低NOx燃烧技术，如空气分级燃烧、低过量空气系数运行、低NOx燃烧器燃烧、烟气再循环和再燃技术等等。
一些低NOx燃烧技术，如空气分级燃烧、低过量空气系数运行、低NOx燃烧器燃烧、烟气再循环等低NOx燃烧技术的NOx减排率在10～40％。这些低NOx燃烧技术控制NOx生成的反应条件和保证煤粉充分燃烧的反应条件相矛盾。
再燃技术作为低NOx燃烧技术的一种，因NOx减排率最高可以达到50％、成本低，还可以保证主燃区煤粉良好的燃烧条件，因此日益得到广泛应用。虽然如此，但是再燃技术的NOx减排率仍需配合较大容量的燃煤燃烧后控制NOx排放的设备(如SCR脱硝设备)才能达到NOx排放的要求。而且，由于采用再燃技术的主燃区过量空气系数大于1，多余的氧进入再燃区会消耗更多的再燃燃料，不利于再燃区还原气氛的形成，增加了再燃燃料占总燃料的份额。
再燃技术中再燃燃料一般选择反应活性较高的天然气或褐煤、烟煤。从再燃技术本身来看，气体再燃由于其还原反应发生在气相间，反应速度极快，用气体燃烧再燃的效果优于煤粉再燃，因此气体燃料为再燃燃料较好的选择。国外多采用天然气为再燃燃料。除天然气外，焦炉煤气、生物质气、地下煤层气等都可以作为气体再燃燃料。
由于我国气体燃烧资源分布不均、供应相对短缺，在没有气源的电厂，对于特定的煤粉炉往往受到气体再燃燃料来源的限制，存在投入产出比方面的忧虑，难以采用气体作为再燃燃料实施再燃技术。
而再燃燃料直接采用煤基燃料为再燃燃料存在一定的问题，采用常规煤粉为再燃燃料燃尽率较低，飞灰可燃物含量高，影响燃烧效率并会有二次污染。为了更广泛地应用再燃技术，国内科技人员针对超细粉再燃、水煤浆再燃等技术开展了广泛的研究。
例如，中国专利CN1240965C使用烟气输送从给粉机来的超细粉到炉内主燃区之后的再燃区进行再燃脱硝，人为的将主燃区和再燃区隔离，再燃区离炉膛出口太近造成烟气飞灰含碳量增加，不同给粉方式协调运行的调整及管理难度大，影响了该技术应用的通用性。而且，超细粉对于容量较小的中储式制粉系统电站锅炉比较方便(三次风中的超细煤粉)，但是大容量锅炉出于安全和占地考虑采用直吹式制粉系统，因此，没有大量稳定的超细煤粉来源。
综上，如何利用再燃技术，对再燃技术进行改进以适合我国以煤为主要燃料的国情成为在我国推广再燃技术的关键。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种低NOx燃烧系统，旨在实现较高的NOx减排率。
本实用新型提供一种低NOx燃烧系统，包括炉体，所述炉体具有炉膛，所述炉膛包括从上游至下游依次设置的过量空气系数小于1的主燃区、过量空气系数小于1的再燃区和过量空气系数大于1燃尽区，所述低NOx燃烧系统包括分别安装于所述炉体上的一次风喷口、二次风喷口、燃尽风喷口和再燃燃烧器，所述一次风喷口和所述二次风喷口位于所述主燃区，所述再燃燃烧器位于所述再燃区，所述燃尽风喷口位于所述燃尽区。
进一步地，所述炉膛还包括位于所述主燃区和所述再燃区之间的预燃尽区，所述低NOx燃烧系统还包括设置于所述炉体上的预燃尽风喷口，所述预燃尽风喷口位于所述预燃尽区。
进一步地，所述低NOx燃烧系统还包括气化反应器，所述气化反应器的反应器出口与所述再燃燃烧器连通。
进一步地，所述低NOx燃烧系统还包括气固分离器，所述气固分离器包括气固分离器筒体和分别设置于所述气固分离器筒体上的气固混合物入口、气体出口和残碳出口，所述气化反应器的反应器出口与所述气固混合物入口连通，所述气体出口与所述再燃燃烧器连通。
进一步地，所述低NOx燃烧系统还包括设置于所述炉体上的残碳燃烧器，所述残碳燃烧器位于所述主燃区，所述残碳出口与所述残碳燃烧器连通。
进一步地，所述气化反应器为等离子体反应器，所述等离子体反应器包括等离子体反应器筒、等离子体发生器、一次风粉入口、水汽混合物喷口和反应器出口，所述等离子体发生器设置于所述等离子体反应器筒内，所述一次风粉入口、所述水汽混合物喷口和所述反应器出口设置于所述等离子体反应器筒上。
进一步地，所述等离子体发生器的功率可调节地设置；和/或所述水汽混合物喷口的喷射位置可调节地设置。
进一步地，所述等离子体反应器具有反应器中轴线，所述反应器中轴线竖直设置或者与竖直方向具有夹角b，其中，0<b≤90°。
进一步地，所述低NOx燃烧系统包括设置于所述炉体上的煤粉燃烧器，所述煤粉燃烧器位于所述主燃区并包括所述一次风喷口和所述二次风喷口，其中，所述煤粉燃烧器还包括辅助气体燃料喷口，所述辅助气体燃料喷口位于所述一次风喷口和所述二次风喷口之间。
基于本实用新型提供的低NOx燃烧系统，炉膛包括从上游至下游依次设置的过量空气系数小于1的主燃区、过量空气系数小于1的再燃区和过量空气系数大于1燃尽区，一次风喷口和二次风喷口位于主燃区，再燃燃烧器位于再燃区，燃尽风喷口位于燃尽区。本实用新型在主燃区和燃尽区进行空气分级燃烧的基础上合理结合再燃技术，可以可靠地实现炉膛出口NOx低排放的目的，从而实现较高的NOx减排率。
通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1为本实用新型第一实施例的低NOx燃烧系统布置结构示意图。
图2为本实用新型第二实施例的低NOx燃烧系统布置结构示意图。
图3为本实用新型第三实施例的低NOx燃烧系统布置结构示意图。
图4为本实用新型第四实施例的低NOx燃烧系统布置结构示意图。
图5为本实用新型第五实施例的低NOx燃烧系统的等离子体气化反应器布置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
第一实施例
图1为本实用新型第一实施例的低NOx燃烧系统布置结构示意图。第一实施例的低NOx燃烧系统包括炉体、等离子体反应器21、气固分离器31、再燃燃烧器41、残碳燃烧器51、煤粉燃烧器61、燃尽风喷口71和预燃尽风喷口72。其中，炉体内部的空间形成炉膛91。炉膛91具有炉膛中轴线81，炉膛中轴线81竖直设置。
再燃燃烧器41、残碳燃烧器51、煤粉燃烧器61、预燃尽风喷口72和燃尽风喷口71均安装于炉体上且通入炉膛91内。
第一实施例中，煤粉燃烧器61分为下层煤粉燃烧器和上层煤粉燃烧器共两层布置；残碳燃烧器51一层布置；再燃燃烧器41一层布置；预燃尽风喷口72一层布置；燃尽风喷口71一层布置。再燃燃烧器41、残碳燃烧器51、煤粉燃烧器61、预燃尽风喷口72和燃尽风喷口71的布置顺序从下到上依次为：下层煤粉燃烧器、上层煤粉燃烧器、残碳燃烧器51、预燃尽风喷口72、再燃燃烧器41和燃尽风喷口71。
第一实施例中，炉膛91内，下层煤粉燃烧器至残碳燃烧器51之间的区域形成主燃区；残碳燃烧器51至预燃尽风喷口72之间的区域形成还原区；预燃尽风喷口72至再燃燃烧器41之间的区域形成预燃尽区；再燃燃烧器41至燃尽风喷口71之间的区域形成再燃区；燃尽风喷口71至炉膛出口之间的区域形成燃尽区。
煤粉燃烧器61优选地为低氮燃烧器。采用低氮燃烧器可以在空气分级燃烧和再燃技术合理结合的基础上进一步降低燃料燃烧过程中的NOx排放。
本实施例中，等离子体反应器21中的煤粉一次通过，没有循环过程，等离子体反应器21的反应温度范围为900～1200K。
等离子体反应器21包括等离子体发生器211、一次风粉入口212、等离子体反应器筒213、水汽混合物喷口214、反应器出口216及弯头217。等离子体发生器211用于发生等离子体火焰215。等离子体反应器21具有反应器中轴线11，第一实施例中反应器中轴线11竖直设置。一条用于输送一次风粉混合物的输送煤粉管道连接于等离子体反应器21的一次风粉入口212上。水汽混合物喷口214安装在等离子体反应器筒213上。本实施例中，水汽混合物喷口214位于等离子体火焰215的下游，水汽混合物喷口214与等离子体反应器筒213顶部的一次风粉入口212之间的距离占等离子体反应器筒213的全长的1/3至1/2的范围内。
通过一次风粉入口212进入等离子体反应器筒213的一次风粉混合物在等离子体火焰215的作用下进行热解气化。当煤粉与热的等离子体火焰215进行热交换时，煤粉被瞬时加热，在温度为900～1200K时，挥发性物质从煤中爆发性释放，产生大量的CO、CO2及少量的H2和CH4。通过水汽混合物喷口214喷入水汽混合物，未被等离子体火焰215热解气化的半焦则继续与水蒸气发生反应，继续生成大量CO和H2，最后等离子体反应器21的产物通过反应器出口216和弯头217喷出。
因此，在等离子体反应器21中可以生成大量的具有CO、H2及少量的CH4等气体成分的还原性气体，从而等离子体反应器21可以为炉膛91的再燃区提供大量的用于还原NOx的还原性气体，解决了没有气源的电站锅炉深度还原NOx的问题。
在其它未示出的实施例中，可以采用其它形式的气化反应器，例如流化床气化炉等。但是，采用等离子体反应器21可以比采用其它形式的气化反应器生产出组分更适于还原NOx的气体产物。
等离子体反应器21中在产生具有还原性气体的气体产物的同时还生成一定量的未燃尽碳、半焦、焦油等非气体成分，在以下的描述中，将这些非气体成分统称为残碳。残碳与气体产物一起从反应器出口216和弯头217喷出。
等离子体发生器211的功率可以进行调节控制，以保证等离子体反应器21内合理的反应温度。另外，水汽混合物喷口214的位置可调，以保证气化反应正常进行的条件。优选地，等离子发生器211的功率和水汽混合物喷口214的位置两者相互调整控制优化，以保证等离子体反应器21内气体成分的稳定性和连续性，从而为深度降低NOx排放量提供有利条件。具体地可以将水汽混合物喷口214设置为角度可调的方式来实现调节水汽混合物喷口214的位置。
如图1所示，气固分离器31包括气固分离器筒体312、气固混合物入口311、气体出口313、残碳出口314。气固混合物入口311、气体出口313、残碳出口314均与气固分离器筒体312连接并与气固分离器筒体312的内腔连通。
经过等离子体反应器21气化产生的多相混合物通过气固混合物入口311进入气固分离器筒体312，在气固分离器筒体312内将可作为再燃气体的包括CO、H2、CH4等还原性气体在内的气体产物和残碳分离开来。气体产物作为再燃燃料通过气体出口313进入再燃燃烧器41，喷入炉膛内91的再燃区。而残碳作为主燃料的一部分通过残碳出口314进入残碳燃烧器51，喷入炉膛91的主燃区内。
再燃燃烧器41包括再燃气体喷口411和再燃气体管道412。再燃气体喷口411的位置可以根据不同煤种、炉型的炉内污染物生成情况进行调整。
等离子体反应器21产生的气体产物通过再燃气体管道412输送至再燃气体喷口411，经加速后喷入炉膛91的再燃区，与主烟气中的NO、NO2等污染物进行还原反应，生成N2，而且在该区域中形成较强的还原性气氛，有效抑制NO中间产物向NO转变的趋势，生成N2。因此，第一实施例实现了在煤粉燃烧器61和燃尽风喷口71形成的炉内整体空气分级燃烧的基础上，结合再燃技术，达到了深度还原NOx的目的。
另外，第一实施例中，包括预燃尽风喷口72和燃尽风喷口71。再燃气体喷口411在炉体上的位置布置在预燃尽风喷口72和燃尽风喷口71之间。这样设置的目的是：主燃料在炉膛91内经过煤粉燃烧器61和预燃尽风喷口72形成的初步的空气分级燃烧后，炉膛91内的烟气中NOx在经过还原区时已被大部分还原，但经过预燃尽风喷口72后，烟气在预燃尽区内部分NOx中间产物重新生成了NOx，再燃气体喷口411在预燃尽风喷口72和燃尽风喷口71之间布置，将经过预燃尽风喷口72后的烟气中重新生成的NOx还原，同时进一步深度还原在主燃区形成的烟气中NOx。
为了提高NOx的减排率，作为再燃燃料的气体产物在再燃区内的停留时间不小于0.3秒。根据炉膛91内气流速度不同，再燃气体喷口411与燃尽风喷口71之间的再燃区的高度为1～3m。
残碳燃烧器51包括残碳燃烧器喷口511和残碳输送管道512。从气固分离器31的残碳出口314中喷出的残碳通过残碳输送管道512利用一次风气流输送至残碳燃烧器喷口511，并喷入炉膛91的主燃区，继续完成燃烧过程。
本实施例的低NOx燃烧系统中将大部分的主燃料送入炉膛91的主燃区，在主燃区的空气过量系数a为0.8～0.95的条件下燃烧生成NOx。将其余的燃料通过等离子体反应器21气化，等离子体反应器21产生的气体产物中，热量占全部燃料热量的5～12％的气体产物作为再燃燃料输送到炉膛91的再燃区燃烧，还原在上游已生成的NOx，从而降低NOx的排放水平。
本实施例中，煤粉燃烧器61包括一次风喷口和二次风喷口。煤粉燃烧器61具体为墙式对冲锅炉的旋流燃烧器。其中，等离子体反应器21产生的气体产物全部作为再燃燃料输送至再燃区。
在一个未示出的实施例中，煤粉燃烧器61是旋流燃烧器，包括一次风喷口、二次风喷口和辅助气体燃料喷口，辅助气体燃料喷口位于一次风喷口和二次风喷口之间。等离子体反应器21产生的气体产物可以是一部分作为再燃燃料输送至再燃区，其余气体产物从旋流燃烧器的辅助气体燃料喷口送入一次风和二次风之间，以推迟旋流燃烧器的一次风与二次风的混合时机，从而形成旋流燃烧器的初期还原性气氛，降低主燃区内的NOx总量。当然，如果有其它燃料气来源，从辅助气体燃料喷口送入旋流燃烧器中的气体燃料也可以是其它燃料气，而仍将等离子体反应器21产生的气体产物全部作为再燃燃料输送至再燃区。
第一实施例与现有技术中利用再燃技术的低NOx燃烧系统不同的是，在空气分级燃烧的基础上进行再燃燃烧，主燃区的过量空气系数a小于1，优选地为0.8～0.95。再燃区的过量空气系数a小于1，从而在还原性气氛下喷入再燃燃料，因此，相较于现有技术中的再燃技术而言，可以深度还原在主燃区产生的NOx及还原与预燃尽风混合后产生的NOx。而且，相对于现有技术可以消耗更少的再燃燃料。
预燃尽风喷口72和燃尽风喷口71均可以单独控制流量。在再燃区的上方布置燃尽风喷口71，可以保证未完全燃烧气体充分燃烧，提高锅炉燃烧效率。燃尽风喷口71以上至炉膛出口的区域为燃尽区，在燃尽区的过量空气系数为1.05～1.20，为了使未燃尽的主燃料和再燃燃料充分燃尽，需保证未燃尽的主燃料和再燃燃料在燃尽区的停留时间大于1秒。为此，燃尽风喷口71与炉膛出口的距离优选地为7～11m，例如为10m。
本实施例在空气分级燃烧的电站燃煤锅炉的炉前安装等离子体反应器21作为常压部分煤气化发生装置，将等离子体反应器21产生的气体产物用于再燃燃料还原NOx。以下说明第一实施例的反应机理。
在等离子体反应器21内的气化机理如下：
C+O2→CO2
C+CO2→CO
C+H2O→CO+H2
在炉膛内的还原机理如下：
上式中，(1)代表在氧化性气氛下发生的反应，(2)代表在还原性气氛下会发生的反应，其中a代表过量空气系数。
H+NO+M→HNO+M
HNO→NHi
NHi+NO→N2
CO+NO→CO2+N2
CH4→CH
CH+NO→HCN
HCN+OH→NH2
NH2+NO→N2
第一实施例的低NOx燃烧方法包括：将主燃料输入炉膛91的主燃区，主燃区的过量空气系数小于1；将预燃尽风输入炉膛91的位于主燃区和再燃区之间的预燃尽区；将再燃燃料输入炉膛91的位于主燃区下游的再燃区，再燃区的过量空气系数小于1；将燃尽风输入炉膛的位于再燃区下游的燃尽区，燃尽区的过量空气系数大于1。
第一实施例的低NOx燃烧方法中其它未说明的部分均可参照第一实施例的低NOx燃烧系统中的相关内容。
第一实施例可以使电站锅炉烟气中的NOx的减排率达到50～70％，NOx减排效果十分明显。
第二实施例
图2为本实用新型第二实施例的低NOx燃烧系统布置结构示意图。
如图2所示，第二实施例的低NOx燃烧系统包括炉体、等离子体反应器21、气固分离器31、再燃燃烧器41、残碳燃烧器51、煤粉燃烧器61和燃尽风喷口71。其中，炉体内部的空间形成炉膛91。再燃燃烧器41、残碳燃烧器51、煤粉燃烧器61、燃尽风喷口71均安装于炉体上且通入炉膛91内。炉膛91具有炉膛中轴线81，等离子体反应器21具有反应器中轴线11。
第二实施例中，煤粉燃烧器61分为下层煤粉燃烧器和上层煤粉燃烧器共两层布置；残碳燃烧器51一层布置；再燃燃烧器41一层布置；燃尽风喷口71分为下层燃尽风喷口和上层燃尽风喷口两层布置。再燃燃烧器41、残碳燃烧器51、煤粉燃烧器61和燃尽风喷口71的布置顺序从下到上依次为：下层煤粉燃烧器、上层煤粉燃烧器、残碳燃烧器51、再燃燃烧器41、下层燃尽风喷口和上层燃尽风喷口。
第二实施例中，炉膛91内，下层煤粉燃烧器至残碳燃烧器51之间的区域形成主燃区；残碳燃烧器51至再燃燃烧器41之间的区域形成还原区；再燃燃烧器41至下层燃尽风喷口之间的区域形成再燃区；下层燃尽风喷口至炉膛出口之间的区域形成燃尽区。
第二实施例与第一实施例的低NOx燃烧系统不同的是，本实用新型再燃燃烧器41布置在了残碳燃烧器51与下层燃尽风喷口71之间。
第二实施例中，通过煤粉燃烧器61和燃尽风喷口71进行空气分级燃烧，经过主燃区和还原区后的主烟气中NOx被大部分还原，但仍存在部分未还原的NOx产物及HCN、NHi等NOx中间产物，再燃燃烧器41布置在残碳燃烧器51与下层燃尽风喷口之间，可以在残碳燃烧器51与燃尽风喷口71之间的区域内喷入再燃燃料，消耗主烟气中的氧，从而使主烟气形成更为强烈的还原性气氛，再燃燃料中CO、H2及CH4等还原性气体与主烟气中NOx充分混合后，起到深度还原NOx的作用，使得NOx排放浓度在原空气分级燃烧的基础上可以再下降50％左右，从而保证炉膛出口NOx的较低排放。
第二实施例的低NOx燃烧方法包括：将主燃料输入炉膛的主燃区，主燃区的过量空气系数小于1；将再燃燃料输入炉膛的位于主燃区下游的再燃区，再燃区的过量空气系数小于1；将燃尽风输入炉膛的位于再燃区下游的燃尽区，燃尽区的过量空气系数大于1。
第二实施例的低NOx燃烧方法中其它未说明的部分均可参照第二实施例的低NOx燃烧系统中的相关内容。
第二实施例中其它未说明的部分可参考第一实施例的相关描述。
第三实施例
图3为本实用新型第三实施例的低NOx燃烧系统布置结构示意图。
如图3所示，第三实施例的低NOx燃烧系统包括炉体、等离子体反应器21、再燃燃烧器41、煤粉燃烧器61、预燃尽风喷口72和燃尽风喷口71。其中，炉体内部的空间形成炉膛91。再燃燃烧器41、煤粉燃烧器61、预燃尽风喷口72和燃尽风喷口71均安装于炉体上且通入炉膛91内。炉膛91具有炉膛中轴线81，等离子体反应器21具有反应器中轴线11。
第三实施例中，煤粉燃烧器61分为下层煤粉燃烧器、中层和上层煤粉燃烧器共三层布置；再燃燃烧器41一层布置；预燃尽风喷口72一层布置；燃尽风喷口71一层布置。煤粉燃烧器61、再燃燃烧器41、预燃尽风喷口72和燃尽风喷口71的布置顺序从下到上依次为：下层煤粉燃烧器、中层煤粉燃烧器、上层煤粉燃烧器、预燃尽风喷口72、再燃燃烧器41和燃尽风喷口71。
第三实施例中，炉膛91内，下层煤粉燃烧器至上层煤粉燃烧器之间的区域形成主燃区；上层煤粉燃烧器至预燃尽风喷口72之间的区域形成还原区；预燃尽风喷口72至再燃燃烧器41之间的区域形成预燃尽区；再燃燃烧器41至燃尽风喷口71之间的区域形成再燃区；燃尽风喷口71至炉膛出口之间的区域形成燃尽区。
第三实施例与第一实施例的低NOx燃烧系统不同的是，未采用气固分离器和残碳燃烧器，而是将等离子体反应器21的反应器出口216通过弯头217和管路与再燃燃烧器41连通，从而将等离子体反应器21的全部产物输送至再燃区。另外，第三实施例的等离子体发生器211功率可以进行宽范围调节控制，而且水汽混合物喷口214中水汽混合物的比例可根据化学反应机理条件进行适当调整，从而使等离子体反应器21内的温度和压力可根据上述参数进行调节，以保证合理范围的还原性气体成分。并且优选地，等离子体反应器21在等离子体发生器211退出时可以实现自稳燃。
由于第三实施例中等离子体反应器21内所产生的气体产物与残碳的比例可以改变，当等离子体反应器21中形成的残碳随等离子体反应器21内的压力、温度参数的改变所产生的量较小或微小时，喷入炉膛91后对锅炉运行参数及燃烧效率不会产生明显的影响。因此，即使第三实施例的低NOx燃烧系统不采用气固分离器和残碳燃烧器，等离子体反应器21中形成的气体产物和少量残碳一起喷入炉膛91的再燃区内进行还原反应，也不会对锅炉的燃烧、燃尽过程产生明显影响。在等离子体反应器21内生成的少量残碳与气体产物一起直接喷入炉膛91内，加大了再燃燃料中NOx还原剂的量，因此，可以强化炉内深度还原NOx的程度。
第三实施例与第一实施例的低NOx燃烧系统相比，设备组成更加简单，工艺流程更加简化，系统维护工作量小。
第三实施例的低NOx燃烧方法包括：将主燃料输入炉膛的主燃区，主燃区的过量空气系数小于1；将预燃尽风输入炉膛的位于主燃区和再燃区之间的预燃尽区；将再燃燃料输入炉膛的位于主燃区下游的再燃区，再燃区的过量空气系数小于1；将燃尽风输入炉膛的位于再燃区下游的燃尽区，燃尽区的过量空气系数大于1。
第三实施例的低NOx燃烧方法中其它未说明的部分均可参照第三实施例的低NOx燃烧系统中的相关内容。
第三实施例中其它未说明的部分可参考第一实施例和第二实施例的相关描述。
第四实施例
图4为本实用新型第四实施例的低NOx燃烧系统布置结构示意图。
如图4所示，第四实施例的低NOx燃烧系统包括炉体、等离子体反应器21、再燃燃烧器41、煤粉燃烧器61、燃尽风喷口71。其中，炉体内部的空间形成炉膛91。煤粉燃烧器61、再燃燃烧器41、燃尽风喷口71均安装于炉体上且通入炉膛91内。炉膛91具有炉膛中轴线81，等离子体反应器21具有反应器中轴线11。
第四实施例中，煤粉燃烧器61分为下层煤粉燃烧器、中层煤粉燃烧器和上层煤粉燃烧器共三层布置；再燃燃烧器41一层布置；燃尽风喷口71分为下层燃尽风喷口和上层燃尽风喷口两层布置。再燃燃烧器41、煤粉燃烧器61和燃尽风喷口71的布置顺序从下到上依次为：下层煤粉燃烧器、中层煤粉燃烧器、上层煤粉燃烧器、再燃燃烧器41、下层燃尽风喷口和上层燃尽风喷口。
第四实施例中，炉膛91内，下层煤粉燃烧器至上层煤粉燃烧器之间的区域形成主燃区；上层煤粉燃烧器至再燃燃烧器41之间的区域形成还原区；再燃燃烧器41至下层燃尽风喷口之间的区域形成再燃区；下层燃尽风喷口至炉膛出口之间的区域形成燃尽区。
第四实施例与第一实施例的低NOx燃烧系统不同的是，第四实施例的低NOx燃烧系统不采用气固分离器和残碳燃烧器，等离子体反应器21中形成的包括气体产物与少量残碳在内的全部产物一起喷入炉膛91内进行还原反应。
第四实施例与第三实施例的低NOx燃烧系统不同的是，再燃燃烧器41布置在煤粉燃烧器61与燃尽风喷口71之间。
第四实施例中，煤粉在主燃区和还原区燃烧后，主烟气中的NOx被大部分还原，但仍存在部分未还原的NOx产物及HCN、NHi等NOx中间产物，再燃燃烧器41将再燃燃料喷入煤粉燃烧器61与燃尽风喷口71之间，消耗主烟气中的氧，形成更为强烈的还原性气氛，再燃燃料中CO、H2及CH4等气体成分与主烟气中NOx充分混合后，起到深度还原NOx的作用，使得NOx排放浓度在原空气分级燃烧的基础上下降50％左右，保证炉膛出口NOx的较低排放。
第四实施例的低NOx燃烧方法包括：将主燃料输入炉膛的主燃区，主燃区的过量空气系数小于1；将再燃燃料输入炉膛的位于主燃区下游的再燃区，再燃区的过量空气系数小于1；将燃尽风输入炉膛的位于再燃区下游的燃尽区，燃尽区的过量空气系数大于1。
第四实施例的低NOx燃烧方法中其它未说明的部分均可参照第四实施例的低NOx燃烧系统中的相关内容。
第四实施例中其它未说明的部分可参考第一实施例至第三实施例的相关描述。
第五实施例
第五实施例是第一实施例的变形例，其中图5仅示出了第五实施例的低NOx燃烧系统的等离子体反应器布置结构示意图。而第五实施例的其它部分均可参照第一实施例的相关内容。
如图5所示，等离子体反应器21包括等离子体发生器211、一次风粉入口212、等离子体反应器筒213、水汽混合物喷口214、反应器出口216及弯头217。等离子体反应器21具有反应器中轴线11，第五实施例中反应器中轴线11相对于竖直方向具有夹角b。夹角b的角度范围为组成及份额有较大影响，同时夹角b的角度变化可以根据实际锅炉空间位置进行变化，因此根据锅炉主烟气中所需还原性气体组成及份额、低NOx燃烧系统空间布置位置等参数的改变，等离子体反应器21的角度可进行适当合理的调整。本实施例中0＜b≤90°。一条用于输送一次风粉混合物的输送煤粉管道连接于等离子体反应器21的一次风粉入口212上。
第五实施例中其它未说明的部分可参考第一实施例的相关描述。
需要说明的是，第五实施例虽然是对第一实施例的变形例，但第五实施例的等离子体反应器布置方式同样适用于第二至第四实施例。
另外，本实用新型还可以通过其它多种方式实现。例如：
在第一第五实施例的基础上，主燃料和再燃燃料的种类均可以改变，煤粉燃烧器、再燃燃烧器、预燃尽风喷口、燃尽风喷口的布置层数也均可改变。
在第一至第五实施例中，采用的均是煤粉燃烧器61，在一个替代实施方式中，可以用一次风喷口和二次风喷口代替煤粉燃烧器61。例如在四角切圆锅炉中，将一次风喷口(煤粉喷口)和二次风喷口安装于炉体上并位于主燃区，包括一次风喷口、预燃尽风喷口(也可以不设置预燃尽风喷口)和燃尽风喷口在内的各空气喷口和煤粉喷口采用空气分级燃烧技术进行合理布置，并将再燃燃烧器对应布置于再燃区。各空气喷口与风箱连接，风箱可以为槽型风箱。各燃料喷口均穿过风箱同各自的燃料系统连接。
以上各实施例的低NOx燃烧系统利用等离子体反应器中煤气化产生的具有大量还原性气体的气体产物或气体产物及少量残碳作为再燃燃料喷入空气分级燃烧系统的主燃区和燃尽区之间的再燃区，在不影响炉内空气分级燃烧的原有NOx还原效果，以及基本不改变空气分级燃烧的过量空气系数配比的基础上，使锅炉烟气中NOx的减排率达到50％以上，一般在60％～70％范围内，进一步降低SCR脱硝系统入口的NOx排放浓度，实现煤粉燃烧的低NOx排放，在不投入SCR脱硝系统的情况下，NOx排放量通常可控制在100～150mg/m3范围内，甚至可以达到100mg/m3以下，大大降低了SCR脱硝系统的投资和运行费用。甚至可以在不投用SCR脱硝系统的情况下，使电站锅炉烟气中NOx排放达到国家环境排放标准以下。特别是对于没有气源的电厂提供一种电站自制煤气用于再燃来深度还原NOx的低NOx燃烧系统。
另外，等离子体反应器占地面积小，常压或微正压运行，安全可靠，粉煤部分气化后生成的气体成分和份额满足气体再燃所需，达到深度还原NOx的效果，并有取代尾部脱硝系统的可能，从而解决了采用SCR脱硝系统带来的投资及运行费用昂贵、影响下游设备安全等问题。
该体系统和方法所需的再燃燃料相对于现有技术的再燃技术份额少，最高不超过锅炉总热量的12％，优选不超过锅炉总热量的10％，并有大量的空气逐级混入，提高锅炉燃烧效率。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。
Claims (9)
1.一种低NOx燃烧系统，包括炉体，所述炉体具有炉膛(91)，其特征在于，所述炉膛(91)包括从上游至下游依次设置的过量空气系数小于1的主燃区、过量空气系数小于1的再燃区和过量空气系数大于1燃尽区，所述低NOx燃烧系统包括分别安装于所述炉体上的一次风喷口、二次风喷口、燃尽风喷口(71)和再燃燃烧器(41)，所述一次风喷口和所述二次风喷口位于所述主燃区，所述再燃燃烧器(41)位于所述再燃区，所述燃尽风喷口(71)位于所述燃尽区。
2.根据权利要求1所述的低NOx燃烧系统，其特征在于，所述炉膛(91)还包括位于所述主燃区和所述再燃区之间的预燃尽区，所述低NOx燃烧系统还包括设置于所述炉体上的预燃尽风喷口(72)，所述预燃尽风喷口(72)位于所述预燃尽区。
3.根据权利要求1所述的低NOx燃烧系统，其特征在于，所述低NOx燃烧系统还包括气化反应器，所述气化反应器的反应器出口(216)与所述再燃燃烧器(41)连通。
4.根据权利要求3所述的低NOx燃烧系统，其特征在于，所述低NOx燃烧系统还包括气固分离器(31)，所述气固分离器(31)包括气固分离器筒体(312)和分别设置于所述气固分离器筒体(312)上的气固混合物入口(311)、气体出口(313)和残碳出口(314)，所述气化反应器的反应器出口(216)与所述气固混合物入口(311)连通，所述气体出口(313)与所述再燃燃烧器(41)连通。
5.根据权利要求4所述的低NOx燃烧系统，其特征在于，所述低NOx燃烧系统还包括设置于所述炉体上的残碳燃烧器(51)，所述残碳燃烧器(51)位于所述主燃区，所述残碳出口(314)与所述残碳燃烧器(51)连通。
6.根据权利要求3所述的低NOx燃烧系统，其特征在于，所述气化反应器为等离子体反应器(21)，所述等离子体反应器(21)包括等离子体反应器筒(213)、等离子体发生器(211)、一次风粉入口(212)、水汽混合物喷口(214)和反应器出口(216)，所述等离子体发生器(211)设置于所述等离子体反应器筒(213)内，所述一次风粉入口(212)、所述水汽混合物喷口(214)和所述反应器出口(216)设置于所述等离子体反应器筒(213)上。
7.根据权利要求6所述的低NOx燃烧系统，其特征在于，所述等离子体发生器(211)的功率可调节地设置；和/或所述水汽混合物喷口(214)的喷射位置可调节地设置。
8.根据权利要求6所述的低NOx燃烧系统，其特征在于，所述等离子体反应器(21)具有反应器中轴线(11)，所述反应器中轴线(11)竖直设置或者与竖直方向具有夹角b，其中，0＜b≤90°。
9.根据权利要求1所述的低NOx燃烧系统，其特征在于，所述低NOx燃烧系统包括设置于所述炉体上的煤粉燃烧器(61)，所述煤粉燃烧器(61)位于所述主燃区并包括所述一次风喷口和所述二次风喷口，其中，所述煤粉燃烧器(61)还包括辅助气体燃料喷口，所述辅助气体燃料喷口位于所述一次风喷口和所述二次风喷口之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned | ||
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Granted publication date: 20150610 Effective date of abandoning: 20180921 |