CN104089279A - 低氮燃烧系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低氮燃烧系统，所述系统包括：加湿器，用于提供水蒸气；二次风总管，与加湿器相导通，用于引导加湿器中的水蒸气；主燃烧区，与二次风总管相导通，将水蒸气导入主燃烧区，使得在主燃烧区中利用水煤气反应和水气变换反应生成氢气，利用氢气从氮氧化物中还原出氮气；过渡区，与主燃烧区相导通，并且与主燃烧区的连接部具有二次增氢喷口，用于向过渡区喷射二次增氢介质，利用二氧化碳的还原反应和水煤气反应再次生成氢气，再次利用氢气从氮氧化物中还原出氮气；燃尽区，与过渡区相导通，用于排出过渡区生成的气体。本发明低氮燃烧系统，在降低氮氧化物的生成的同时，实现高效的燃烧。

Description

低氮燃烧系统

技术领域

本发明涉及清洁燃烧的领域，尤其涉及一种低氮燃烧系统。

背景技术

燃煤锅炉是火力发电厂的主机，也是主要的NO_X排放源。目前，控制燃煤锅炉NO_X排放的技术路径，分为低氮燃烧技术和烟气脱硝技术.

现有的低氮技术在实际使用时，往往造成锅炉燃烧效率的下降。为了消除低氮燃烧造成的能效损失，而且受到气源供应和运行成本的限制。

各种低氮燃烧技术中，例如将空气分级燃烧技术用于低挥发分煤种(比如无烟煤和贫煤)时，由于燃料的燃尽性能较差，燃尽风后置使得残炭的燃尽时间大幅度下降，通常会造成飞灰含碳量大幅度升高的不良后果，造成极其严重的能源浪费和经济损失。

中国的火力发电行业，有大量燃用无烟煤或贫煤的锅炉机组，每年消耗无烟煤和贫煤2亿多吨，这些煤种的着火和燃尽性能很差，与燃用烟煤相比需要更高的炉膛温度以保证稳定着火和飞灰燃尽，造成热力型NO_X的大量生成，所以这些锅炉机组在常规燃烧方式下，烟气中的NO_X浓度皆在1000ppm以上(是烟煤锅炉的2～3倍)，造成严重的环境污染。

由于初始NO_X浓度极高，这些锅炉欲达到排放标准则需要使用庞大的烟气脱硝装置，同时消耗大量的昂贵并有毒性催化剂。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种低氮燃烧系统，可以降低氮氧化物的生成，而且可以实现高效的燃烧效果。

为实现上述目的，本发明提供了一种低氮燃烧系统，所述系统包括：

加湿器，用于提供水蒸气；

二次风总管，与所述加湿器相导通，用于引导所述加湿器中的水蒸气；

主燃烧区，与所述二次风总管相导通，将所述水蒸气导入所述主燃烧区，使得在所述主燃烧区中利用水煤气反应和水气变换反应生成氢气，利用氢气从氮氧化物中还原出氮气；

过渡区，与所述主燃烧区相导通，并且与所述主燃烧区的连接部具有二次增氢喷口，用于向所述过渡区喷射二次增氢介质，利用二氧化碳的还原反应和水煤气反应再次生成氢气，再次利用氢气从氮氧化物中还原出氮气；

燃尽区，与所述过渡区相导通，用于排出所述过渡区生成的气体。

本发明低氮燃烧系统采用空气加湿与过渡区二次增氢，是一种成本低廉的能够兼顾燃烧效率和低氮燃烧的技术措施，可以在基本不增加能耗的前提下，调节烟气中C-H-O的比例，其作用相当于将低挥发份煤种转变为高挥发份煤种，使之具有类似的燃烧性能和NO_X排放性能。

附图说明

图1为本发明低氮燃烧系统的示意图；

图2为本发明低氮燃烧系统对应的低氮燃烧方法的流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

在典型的空气分级型低氮炉膛中燃用低挥发分煤种时，必然会造成飞灰含碳量大幅度升高，从而使得空气分级技术失去实用价值。为了解决上述问题，在常规的空气分级型低氮燃烧系统的基础上，本发明提出以空气增湿为手段增加烟气中氢元素的含量，在低氧燃烧区(主燃烧区)利用水蒸气的水煤气反应和水气变换反应，增加当地的氢气浓度，在还原NO_X的同时，使得难以燃尽的残碳和一氧化碳转变为容易燃尽的氢气，在低氧燃烧区的出口利用不含氧气但富含氢元素的气体作为搅拌射流的介质，在燃尽风之前的过渡区内对NO_X进行二次还原，过渡区内同时还有飞灰残碳二次气化和一氧化碳的二次变换，则烟气到达燃尽区时，烟气中的一氧化碳和飞灰中的残炭皆被大幅度削减，烟气中残余的可燃物主要为容易燃尽的氢气。采用以上技术措施之后，可以同时达到低氮和高效燃烧的效果。

本发明涉及一种能够大幅度降低燃煤锅炉氮氧化物(NO_X)初始浓度的低氮燃烧系统，特别是一种燃用低挥发分煤种时，在降低NO_X初始浓度的同时能够降低飞灰含碳量的低氮燃烧系统。在不升高飞灰含碳量的前提下，通过低氮燃烧技术削减烟气中NO_X的初始浓度，对燃用无烟煤和贫煤的锅炉机组具有特别重要的意义。

图1为本发明低氮燃烧系统的示意图，如图所示，本发明具体包括：加湿器1、二次风总管3、主燃烧区21、过渡区22、燃尽区23和二次增氢喷口4。

加湿器1用于提供水蒸气；二次风总管3与加湿器相导通，用于引导加湿器1中的水蒸气。

再如图1所示，加湿器1具有热水入口10和热水排放口11。热水入口10用于注入热水，热水排放口11用于排放无用的热水。

主燃烧区21，与二次风总管相3导通，将水蒸气导入主燃烧区21，使得在主燃烧区21中利用水煤气反应和水气变换反应生成氢气，利用氢气从氮氧化物中还原出氮气。

在典型的空气分级型低氮炉膛中燃用低挥发分煤种时，必然会造成飞灰含碳量大幅度升高，从而使得空气分级技术失去实用价值。本发明利用加湿器以空气增湿为手段，增加主燃烧区烟气中氢元素的含量，因为主燃烧区是低氧燃烧区，利用水蒸气的水煤气反应和水气变换反应，增加当地的氢气浓度，在还原NO_X的同时，使得难以燃尽的残碳和一氧化碳转化为容易燃尽的氢气。

过渡区22与主燃烧区21相导通，并且与主燃烧区21的连接部具有二次增氢喷口4，用于向过渡区22喷射二次增氢介质，利用二氧化碳的还原反应和水煤气反应再次生成氢气，再次利用氢气从氮氧化物中还原出氮气。

进一步的，过渡区22具有燃尽风喷口5。

在主燃烧区21过渡区22的结合处，具有二次增氢喷口4喷射二次增氢介质，而二次增氢介质是过热蒸汽与超细煤粉的混合物，这样就可以以过热蒸汽为介质，输送超细煤粉形成搅拌射流，在燃尽风喷口之前的过渡区内进行二次增氢，实现对NO_X的二次还原，过渡区内同时还有飞灰残碳二次气化和一氧化碳的二次变换，则烟气到达燃尽区时，烟气中的一氧化碳和飞灰中的残炭皆被大幅度削减，烟气中残余的可燃物主要为容易燃尽的氢气。采用以上技术措施之后，可以同时达到低氮和高效燃烧的效果。

燃尽区23与过渡区22相导通，用于排出过渡区22生成的气体。

在本发明的低氮燃烧系统中，如果着火过程顺利，则在燃料中添加少量水分即可显著提高燃烧效率，因为氢原子浓度对C-H-O燃烧反应体系的反应进程和反应速率有决定性影响，低挥发分煤种难以燃尽的主要原因是反应体系中氢原子浓度过低，所以通过向烟气中补充氢元素，高温条件下可以大幅度加快反应速率。

本发明起作用的化学反应主要有三个：

第一，二氧化碳的还原反应，反应物是残碳和二氧化碳，生成物是一氧化碳，其作用是将残碳转变为一氧化碳；

第二，水煤气反应，反应物是水蒸气和残碳，生成物是氢气和一氧化碳，其作用是将残碳转变为一氧化碳和氢气；

第三，水气变换反应，反应物是水蒸气和一氧化碳，生成物是氢气和二氧化碳，其作用是将一氧化碳变换为氢气。

以上三个反应在1250℃以上的高温环境中皆有极高的反应速率，在炉膛常见的烟气气氛中，这三个反应所需的反应时间皆小于100毫秒，最终产物的浓度平衡完全取决于烟气中的氢元素含量，只要氢元素含量足够高，则残碳和一氧化碳皆可变换为容易燃尽的氢气，燃烧效率随之升高，而氢气对NO_X有极强的还原能力，所以只要在低氧环境中有足够的氢气浓度，则烟气中的NO_X浓度可以大幅度下降。以上是以增氢为手段同时达到低氮和高效燃烧的基本依据。

以低氮燃烧为目标时，过渡区内的反应不宜在含有氧气的气氛中进行，这是因为氧气必然会就地消耗氢气，大幅度降低氢气的寿命，削弱氢气还原NO_X的能力，所以在炉膛内单独设置一个无氧过渡区并在该区域增氢是必要的，该区域的烟气停留时间至少需要100毫秒。考虑到流场的不均匀性，则该区域的烟气停留时间设计为200毫秒以上是合理的。

现有的空气分级低氮燃烧技术，副作用主要在于降低了一氧化碳和飞灰残碳的有效燃烧反应的时间，燃烧效率随之的下降。本发明中，通过两次增氢，在燃尽区之前一氧化碳和残碳已经被基本耗尽，剩余的气相可燃组分主要是氢气，需要的燃尽时间大幅度降低，这对于低挥发份煤种特别重要。

图2为本发明低氮燃烧系统对应的低氮燃烧方法的流程图，如图所示，本发明具体包括如下步骤：

步骤100，利用加湿器向二次风总管提供水蒸气；

步骤101，利用二次风总管，向主燃烧区导入水蒸气；

本发明设置一个单独的二次风回路，在二次风回路中对空气增湿，湿分来自热水的蒸发，蒸发过程的热源来自热水的显热。在火力发电厂中，循环冷却水、锅炉的冲灰水等热水水源极其丰富，所含的余热占燃料燃烧热的60％以上，但由于温度较低，这部分余热难以回收利用而排放到大气之中，空气增湿系统取用这部分余热的3％左右即可满足加湿的要求。

步骤102，在主燃烧区中，利用水煤气反应和水气变换反应生成氢气，然后利用氢气从氮氧化物中还原出氮气；

在主燃烧区中，可以接受的烟气露点大约为50℃左右而不会对锅炉受热面带来不利影响，所以，空气加湿的上限大约为空气加湿到45℃的饱和空气。设计计算规范中，取用的空气含湿量为0.0161kg/kg(或10.6g/Nm3)，加湿到45℃的饱和空气时，空气携湿量从10.6g/Nm3上升到78.3g/Nm3，增加了67.7g/Nm3。对于燃用无烟煤的锅炉，典型数据为：无水无灰基氢元素含量2.0％、无水无灰基低位发热量在32MJ/kg、无水无灰基理论空气量为9.0Nm3/kg、实际空气量为11.7Nm3/kg，则有：经过空气加湿之后，每燃用1千克无水无灰基的无烟煤，炉膛烟气中增加了791克水蒸气，则烟气中的氢原子浓度高于燃用烟煤所产生的烟气。新增水蒸气的质量占烟气总质量的5％左右，可以有效改善烟气的反应性能。低氧的主燃烧区(即下部炉膛)处于高温的环境，NO_X还原、残碳气化、一氧化碳变换等三个反应过程皆得以强化。特别需要指出的是，上述空气增湿系统运行时，并未增加锅炉的能耗，热水蒸发所需的热量主要来自发电厂内部无法利用的余热。

按照典型工况下的加湿量为67.7g/Nm3计算，则有：新增水蒸气的质量大约占烟气总质量的5％，绝热火焰温度大约会下降80℃，烟气中的三原子气体的浓度有显著升高，辐射换热量增加，其结果是炉膛温度大约会下降100℃左右，所以空气加湿后，需要对炉膛受热面进行调整，卫燃带大约需要增加6％左右的面积。烟气流量的增加，还会使得排烟热损失增加，锅炉热效率将因此降低约0.036％，这是空气增湿所付出的代价，但是与飞灰含碳量下降相比，排烟热损失的增加量可以忽略不计：飞灰含碳量每下降1％，锅炉热效率可增加0.2，一般而言，通过空气增湿可以将无烟煤的飞灰含碳量降低3％以上，锅炉效率可以提高0.6％左右，而支付的代价仅仅是排烟热损失增加0.036％，综合而言，空气增湿可以提高无烟煤锅炉的热效率0.5％以上。

步骤103，从二次增氢喷口向过渡区喷射二次增氢介质；

具体的，从二次增氢喷口向过渡区喷射过热蒸汽与超细煤粉的混合物，超细煤粉浓度在0～0.5kg/kg之间，喷二次增氢喷口的出口流速不小于60m/s。

步骤104，在过渡区中，利用二氧化碳的还原反应和水煤气反应再次生成氢气，然后再次利用氢气从氮氧化物中还原出氮气。

具体的，燃尽区具有燃尽风喷口，二次增氢喷口和燃尽风喷口之间的距离满足步骤S4中的二氧化碳的还原反应和水煤气反应。

因为设置了二次增氢喷口，二次增氢喷口与燃尽风喷口之间应当有足够大的间距，至少保证上述两组喷口之间有足够的烟气停留时间。二次增氢的射流介质为过热蒸气与超细煤粉的混合物，煤粉浓度在0～0.5kg/kg之间可调，喷口出口流速不低于60m/s。蒸汽汽源取自汽轮机的低压级抽汽，抽汽量占汽轮机总流量的0.5％左右，节流后成为过热蒸汽；超细煤粉取自乏气(中间仓储式制粉系统)或一次风(直吹式制粉系统)，所用的超细煤粉占总煤耗的1％左右。

该低氮燃烧方法在某电厂W火焰煤粉炉(300MW火电机组)上的实际使用表明，燃用无烟煤时，烟气中NO_X的浓度下降了50％以上，飞灰含碳量下降了3个百分点以上，能够同时达到提高燃烧效率和降低NO_X的效果。

本发明低氮燃烧系统与现有技术的实质区别在于：利用对参与燃烧的空气进行加湿的方法在下部炉膛中完成对烟气的增氢，在过渡区内注入以过热蒸汽与超细煤粉混合物为介质的射流，实现对烟气的二次增氢。通过对烟气进行两次增氢，同时实现NO_X还原、残碳气化、一氧化碳变换等三个过程，达成低挥发分煤种低氮高效燃烧的技术目标。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低氮燃烧系统，其特征在于，所述系统包括：

加湿器，用于提供水蒸气；

二次风总管，与所述加湿器相导通，用于引导所述加湿器中的水蒸气；

主燃烧区，与所述二次风总管相导通，将所述水蒸气导入所述主燃烧区，使得在所述主燃烧区中利用水煤气反应和水气变换反应生成氢气，利用氢气从氮氧化物中还原出氮气；

过渡区，与所述主燃烧区相导通，并且与所述主燃烧区的连接部具有二次增氢喷口，用于向所述过渡区喷射二次增氢介质，利用二氧化碳的还原反应和水煤气反应再次生成氢气，再次利用氢气从氮氧化物中还原出氮气；

燃尽区，与所述过渡区相导通，用于排出所述过渡区生成的气体。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加湿器具有热水入口，用于注入热水。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加湿器具有热水排放口，用于排放无用的热水。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述二次增氢介质为过热蒸汽与超细煤粉的混合物。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述超细煤粉浓度在0～0.5kg/kg之间。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述二次增氢喷口的出口流速不小于60m/s。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统具有燃尽风喷口。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述二次增氢喷口和燃尽风喷口之间的距离满足过渡区中的二氧化碳的还原反应和水煤气反应。