CN212005648U - 一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉，属于NOx减排技术领域。本实用新型克服了现有技术中超临界二氧化碳燃煤锅炉温度高导致脱硝程度不够而带来的不足，提供了一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉，锅炉本体内设置多级喷氨脱硝装置实现炉内分级脱硝，喷氨燃烧器分别向炉内燃烧器主燃区分别喷射燃料和氨基还原剂并形成温度为850～1400℃的环形高温低氧还原区，扩宽了反应温度窗口，排除了氨逃逸形成的二次污染，有利于促进氨基还原剂与燃料产生的烟气充分混合，从而实现超临界二氧化碳燃煤锅炉的深度脱硝。

Description

一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉

技术领域

本实用新型属于NOx减排技术领域，更具体地说，涉及一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉。

背景技术

水作为循环工质的燃煤发电锅炉系统，水蒸气的换热特性不能满足当前需要，因此需要不断提高水蒸气的高温高压等参数，提高循环效率，与此同时对钢材性能又带来更高的要求。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。

根据国家颁布的《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》要求，到2020年，燃煤电厂实现超低排放，NOx、SO₂和烟尘排放限值分别为50mg/Nm³、35mg/Nm³和10mg/Nm³，其中NOx的控制最复杂，污染物超低排放是燃煤锅炉中亟待解决的重要难题。很多学者对降低NOx也采取了多种方法和技术来控制污染物排放，其中主要包括炉内空气分级燃烧，低氮燃烧器燃烧和SNCR、SCR相结合的技术降低NOx的生成。空气分级燃烧技术主要是通过调整燃烧器及附近区域或整个炉膛区域内空气和燃料的混合状态，使燃料经过“富燃料燃烧”和“富氧燃烧”两个阶段，实现降低NOx生成的燃烧控制技术。低氮燃烧器燃烧技术则主要是通过调节燃烧空气和燃料烧量，以获得最佳的燃烧参数和减少NOx生成。炉内SNCR技术则是指在不添加催化剂的条件下，向烟气喷吹氨气或氨基还原剂以达到降低NOx的技术，SCR则是使用催化剂有选择性地将NOx还原为N₂。

针对上述NOx含量高且难以去除的问题，现有技术中已有技术方案公开，如专利申请号：2017108184257，申请日：2017年9月12日，发明创造名称为：带有内直外旋喷氨装置的旋流燃烧器W火焰锅炉，W火焰锅炉的第一级喷氨装置中心置于前炉拱或后炉拱的上边沿上，第二级喷氨装置中心线与前炉拱或后炉拱的上边沿之间的距离L为1m～2m，第一级喷氨装置中心位于同一水平面上，第二级喷氨装置中心位于同一个水平面上；第一级喷氨装置、第二级喷氨装置均包括内管、外管和多个旋流叶片，内管和外管同轴设置，多个旋流叶片均布设置在内管和外管之间，内管为直流喷口，外管与内管之间布置多个旋流叶片为旋流喷口，形成内直流外旋流的喷氨装置。该方案在上炉膛燃尽风下方高温强还原区内布置两级喷氨装置，且每级喷氨装置的内管采用直流喷口，外管内布置有多个旋流叶片，形成了内直流外旋流的内直外旋式喷氨装置，内管直流喷氨的同时外管旋流喷氨，强旋转的氨水加强了与烟气的扰动，提高了氨水与烟气的混合程度，从而提高炉内的脱硝效率。

该方案通过调节燃尽风喷口、乏气风喷口以及分级喷口的角度来改变火焰中心位置，以满足高温还原区喷氨的要求。但是由于超临界二氧化碳锅炉的换热特性与水蒸气锅炉不同，超临界二氧化碳锅炉炉内局部燃烧高温区火焰温度高于水蒸气锅炉，导致超临界二氧化碳锅炉内NOx生成量提高，此外管壁温度也易于超温，此时仅通过调节各喷口的角度来调节高温还原区范围有限，调整手段单一、效率低，降低NOx的效果并不理想，因此其脱硝效果仍然有待提高。

综上所述，如何针对超临界二氧化碳锅炉炉内燃烧高温区火焰进行深度脱硝，是现有技术中亟需解决的技术问题。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本实用新型克服了现有技术中超临界二氧化碳燃煤锅炉温度高导致脱硝程度不够而带来的不足，提供了一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉，锅炉本体内设置多级喷氨脱硝装置实现炉内分级脱硝，喷氨燃烧器向炉内燃烧器主燃区分别喷射燃料和氨基还原剂并形成温度为850～1400℃的环形高温低氧还原区，扩宽了反应温度窗口，促进氨基还原剂与燃料产生的烟气充分混合，从而实现超临界二氧化碳燃煤锅炉的深度脱硝。

2.技术方案

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

本实用新型的一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉，包括锅炉本体，锅炉本体沿其高度方向上依次设有喷氨燃烧器、二级喷氨装置和三级喷氨装置，喷氨燃烧器用于向炉内燃烧器主燃区分别喷射燃料和氨基还原剂并形成温度为850～1400℃的环形高温低氧还原区。

作为本实用新型更进一步的改进，喷氨燃烧器设置于锅炉本体的主燃区内且沿锅炉本体周向对称布置，并根据炉内负荷变化控制喷氨燃烧器的喷射方向和射程以适应环形高温低氧还原区，实现燃烧器主燃区内的一级脱硝。

作为本实用新型更进一步的改进，喷氨燃烧器包括由内向外同轴设置的一次风粉管道、直流二次风管和旋流二次风管，沿旋流二次风管的外周向环形设置带有旋流喷口的喷氨管，喷氨管用于向炉内喷射氨基还原剂。

作为本实用新型更进一步的改进，喷氨管沿锅炉本体的炉壁向中心的一次风粉管道倾斜设置，倾斜角度为0～90°。

作为本实用新型更进一步的改进，二级喷氨装置设置于喷氨燃烧器上方温度反应窗口为850～1400℃的主燃区内以实现主燃区内的二级脱硝。

作为本实用新型更进一步的改进，二级喷氨装置上方温度反应窗口为850～1100℃的燃尽区内设置三级喷氨装置，二级喷氨装置与三级喷氨装置之间还设有燃尽风喷口。

作为本实用新型更进一步的改进，锅炉本体包括小炉膛、大炉膛以及连接于小炉膛与大炉膛之间的过渡炉膛，三级喷氨装置设置于大炉膛内。

作为本实用新型更进一步的改进，喷氨燃烧器与二级喷氨装置均设置于小炉膛内，且两者之间距离L不小于小炉膛高度的三分之一。

3.有益效果

采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本实用新型的一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉，锅炉本体内设置多级喷氨脱硝装置实现炉内分级脱硝，喷氨燃烧器向炉内燃烧器主燃区分别喷射燃料和氨基还原剂并形成温度为850～1400℃的环形高温低氧还原区，扩宽了反应温度窗口，排除了氨逃逸形成的二次污染，有利于促进氨基还原剂与燃料产生的烟气充分混合，从而实现超临界二氧化碳燃煤锅炉的深度脱硝。

(2)本实用新型的一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉，以环形旋流方式将氨基还原剂从喷氨燃烧器外侧送入炉内以形成环形高温低氧还原区，促进了氨基还原剂与烟气在高温低氧还原区的扰动与强烈混合并发生还原反应，实现较好的脱硝效果；燃料与氨基还原剂分别从不同管道喷射可以保证在中心煤粉燃烧后再进行喷氨，此时氨基还原剂可以充分有效的用于还原煤粉燃烧产生的氮氧化物，提高了还原脱硝效率；且环形设置的喷氨管沿炉壁上下调节幅度较大，从而有利于适应环形高温低氧还原区的变化，促进还原脱硝反应的进行。

(3)本实用新型的一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉，三级喷氨脱硝工艺大大降低了锅炉尾部烟气中NOx浓度，三级喷氨装置为选择性非催化还原喷淋装置，采用该种方式进行喷淋脱硝不需借助催化剂进行催化还原，因此其成本大大降低。

附图说明

图1为本实用新型的一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉的结构示意图；

图2为本实用新型中喷氨燃烧器的结构示意图；

图3为本实用新型中喷氨燃烧器的截面示意图；

图4为旋流喷口的截面示意图；

图5为本实用新型中氨气和空气混合布置的结构示意图；

图6为本实用新型中三级喷氨装置喷氨口的结构示意图。

附图标记：

100、小炉膛；110、喷氨燃烧器；111、一次风粉管道；112、直流二次风管；113、旋流二次风管；114、喷氨管；115、旋流喷口；116、环形高温低氧还原区；120、二级喷氨装置；200、过渡炉膛；300、大炉膛；310、燃尽风喷口；320、三级喷氨装置。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型的内容，结合附图和实施例对本实用新型作详细描述。

实施例1

本实施例的一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉，其内部的循环工质为超临界二氧化碳，超临界二氧化碳相比水蒸气其能量密度大，因此其产生的高温区火焰温度也高于普通水蒸气锅炉，炉内NOx含量相较于普通锅炉也更高。

结合图1，本实施例的一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉，包括锅炉本体，锅炉本体沿其高度方向上依次设有喷氨燃烧器110、二级喷氨装置120和三级喷氨装置320，喷氨燃烧器110用于向炉内燃烧器主燃区分别喷射燃料和氨基还原剂并形成温度为850～1400℃的环形高温低氧还原区116。

为了对锅炉进行深度脱硝，本实施例的锅炉内设有分级脱硝装置，三级喷氨脱硝过程具体为：利用喷氨燃烧器110向超临界二氧化碳燃煤锅炉内的燃烧器主燃区分别喷射燃料和氨基还原剂并形成温度为850～1400℃的环形高温低氧还原区116，氨基还原剂和炉内烟气于该环形高温低氧还原区116发生还原反应实现一级脱硝；二级喷氨装置120和三级喷氨装置320分别向环形高温低氧还原区116上部的主燃区和燃尽区喷射氨基还原剂对烟气进行二级脱硝和三级脱硝。

具体在本实施例中，喷氨燃烧器110设置于锅炉本体的主燃区内且沿锅炉本体周向对称布置，并根据炉内负荷变化控制喷氨燃烧器110的喷射方向和射程以适应环形高温低氧还原区116，实现主燃区内的一级脱硝。具体在主燃区布置3～5组喷氨燃烧器110，每组6～10个，前后墙各3～5个对称布置。

结合图2，本实施例中的喷氨燃烧器110包括由内向外同轴设置的一次风粉管道111、直流二次风管112和旋流二次风管113，一次风粉管道111用于吹送风量并输送煤粉燃料，直流二次风管112和旋流二次风管113用于喷吹空气助燃炉内燃烧反应；进一步地，本实施例的喷氨燃烧器110还包括沿旋流二次风管113的外周向环形设置且带有旋流喷口115的喷氨管114，喷氨管114用于向炉内喷射氨基还原剂。

值得说明的是，现有技术中也已公开带有喷氨功能的旋流燃烧器，如专利申请号2017108619418，申请日为2017年9月21日，发明创造名称为：一种用于工业煤粉锅炉的在燃烧器中心喷氨的燃烧装置，该方案中将氨基还原剂和浓煤粉气流在一次风管前端的混合器中混合均匀后，从位于燃烧器中心的一次风管喷口喷入炉内，以使氨基还原剂直达中心回流区中。该方案利用直流风量的冲压作用将氨基还原剂送入炉内中心，一方面位于中心区的一次风管不便调节，氨基还原剂的喷射方向基本局限于一次风管内的直流风区内，导致中心直流喷氨与燃烧烟气的混合程度差，还原效果差；另一方面，氨基还原剂和浓煤粉气流在一次风管一起喷入中心回流区，会导致氨基还原剂的提前氧化消耗，同时会导致煤粉大量未燃烧完全就与氨还原剂接触，氨基还原剂并未起到应有的效果，反而无法实现对炉内煤粉燃烧后的氮氧化物进行高效还原脱硝。

而本实施例则将煤粉燃料与氨基还原剂分别从喷氨燃烧器110的中心和外侧通入炉内，由于喷氨燃烧器110内部的直流风量压强大、射程远，有利于将煤粉燃料充分送入炉内中心以形成燃料区，且本实施例中超临界二氧化碳锅炉内温度高于普通水蒸气锅炉，煤粉燃料也易于着火燃烧，煤粉燃烧后烟气进入高温低氧回流区。喷氨燃烧器110以旋流方式将氨基还原剂送进入环形高温低氧还原区116，旋流方式促进氨还原剂在高温低氧还原区内与烟气的混合，氨基还原剂并不是与煤粉直接一次混合喷入，增强了氨基还原剂的利用效果，提高了脱硝效率。本实施例中喷氨管114设置于喷氨燃烧器110的外侧，其主要作用有三：

①燃料与氨基还原剂分别从不同管道喷射可以保证在中心煤粉燃烧后再进行喷氨，此时氨基还原剂可以充分有效的用于还原煤粉燃烧产生的氮氧化物，提高了还原脱硝效率；

②环形旋流喷氨促进了氨基还原剂与烟气在环形高温低氧还原区116的扰动与强烈混合并发生还原反应，实现较好的脱硝效果；

③环形设置的喷氨管114沿炉壁上下调节幅度较大，从而有利于适应环形高温低氧还原区116的变化，促进还原脱硝反应的进行。

进一步地，本实施例中喷氨管114沿锅炉本体的炉壁向中心的一次风粉管道111倾斜设置，倾斜角度为0～90°。具体在本实施例中，环形设置的喷氨管114进入炉内处设置成角度β可调的弯头，以适应喷氨管114伸进炉内的旋流喷口115角度，旋流喷口115的长度D调节范围0.5～2m，该角度β调节范围90°～180°，从而保证旋流喷口115所喷氨基还原剂处于高温还原的环形回流区内。

此外，结合图3和图4，本实施例中旋流二次风管113内的旋流叶片角度γ可以调节，调节范围10°～60°，以用于改变风流入射角度和旋流强度；环形设置的喷氨管114的喷口以及二级喷氨装置120喷口的旋流叶片角度α也可根据炉型和试验工况调节，调节范围20°～60°，如此设置，用于改变氨基还原剂进入炉内的入射角度和旋流强度，以使其喷射旋流态氨基还原剂，更好的卷吸炉内烟气发生还原反应。

实施例2

本实施例的一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉，其结构基本同实施例1，不同之处在于，本实施例中锅炉本体包括小炉膛100、大炉膛300以及连接于小炉膛100与大炉膛300之间的过渡炉膛200，三级喷氨装置320设置于大炉膛300内。喷氨燃烧器110与二级喷氨装置120均设置于小炉膛100内，具体的，二级喷氨装置120的喷氨口布置一组，每组6～10个，前后墙各3～5个对称布置，且二级喷氨装置120与喷氨燃烧器110之间的距离L不小于小炉膛100高度的三分之一。

进一步地，本实施例中利用三级喷氨装置320对烟气进行SNCR喷淋脱硝。结合图6，三级喷氨装置320具体可设置为：在炉内同一高度布置多根喷氨管，相邻喷管之间的距离为0.5～2m，每根喷氨管布置15～30个喷氨口，每个喷氨口的孔径为5～35mm，喷氨口喷射的氨基还原剂与炉内烟气流动方向相反。且本实施例中三级喷氨装置320所使用的氨基还原剂为氨气与空气的混合气体，氨气与空气的体积比为5％～10％，以保证安全高效的脱除NOx，可以参考图5。

本实施例中的三级喷氨装置320为选择性非催化还原喷淋装置，即SNCR喷淋脱硝，采用该种方式进行喷淋脱硝不需借助催化剂进行催化还原，因此其成本大大降低。优选的，本实施例中三级喷氨管道的材质为金属或耐高温陶瓷，金属材质为镍基合金以及耐温1000℃以上材料，耐高温陶瓷的材质为碳化硅、氧化锆等材料。通过在锅炉内设置分级脱硝装置，大大降低了锅炉尾部烟气中NOx浓度，可以将NOx浓度控制在50mg/Nm³以内；且炉内反应温度窗口较宽，排除了氨逃逸形成的二次污染。

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；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉，其特征在于：包括锅炉本体，所述锅炉本体沿其高度方向上依次设有喷氨燃烧器(110)、二级喷氨装置(120)和三级喷氨装置(320)，所述喷氨燃烧器(110)用于向炉内燃烧器主燃区分别喷射燃料和氨基还原剂并形成温度为850～1400℃的环形高温低氧还原区(116)。

2.根据权利要求1所述的一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉，其特征在于：所述喷氨燃烧器(110)设置于所述锅炉本体的主燃区内且沿锅炉本体周向对称布置，并根据炉内负荷变化控制所述喷氨燃烧器(110)的喷射方向和射程以适应所述环形高温低氧还原区(116)，实现燃烧器主燃区内的一级脱硝。

3.根据权利要求2所述的一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉，其特征在于：所述喷氨燃烧器(110)包括由内向外同轴设置的一次风粉管道(111)、直流二次风管(112)和旋流二次风管(113)，沿所述旋流二次风管(113)的外周向环形设置带有旋流喷口(115)的喷氨管(114)，所述喷氨管(114)用于向炉内喷射氨基还原剂。

4.根据权利要求3所述的一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉，其特征在于：所述喷氨管(114)沿所述锅炉本体的炉壁向中心的一次风粉管道(111)倾斜设置，倾斜角度为0～90°。

5.根据权利要求2所述的一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉，其特征在于：所述二级喷氨装置(120)设置于所述喷氨燃烧器(110)上方温度反应窗口为850～1400℃的主燃区内以实现主燃区内的二级脱硝。

6.根据权利要求5所述的一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉，其特征在于：所述二级喷氨装置(120)上方温度反应窗口为850～1100℃的燃尽区内设置所述三级喷氨装置(320)，所述二级喷氨装置(120)与所述三级喷氨装置(320)之间还设有燃尽风喷口(310)。

7.根据权利要求1～6任一项所述的一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉，其特征在于：所述锅炉本体包括小炉膛(100)、大炉膛(300)以及连接于所述小炉膛(100)与所述大炉膛(300)之间的过渡炉膛(200)，所述三级喷氨装置(320)设置于所述大炉膛(300)内。

8.根据权利要求7所述的一种带有喷氨燃烧器的超临界二氧化碳燃煤锅炉，其特征在于：所述喷氨燃烧器(110)与所述二级喷氨装置(120)均设置于所述小炉膛(100)内，且两者之间距离L不小于所述小炉膛(100)高度的三分之一。

Images