CN108151008A - 一种高温烟气预热半焦的电站锅炉低NOx混燃系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种高温烟气预热半焦的电站锅炉低NO_x混燃系统和方法。采用预热管道和旋风预热分离器，通过高温烟气直接预热半焦，显著提高了半焦喷入炉膛时的温度，同时炉膛下部设置了烟煤燃烧的稳定着火区，便于超低挥发分半焦燃料的着火和稳燃，实现了电站锅炉大比例(≥45％)掺烧半焦燃料，在半焦预热的同时，产出了有较强还原性的预热产物，预热产物由燃器直接喷入炉膛中部，在预热半焦燃烧区上部形成了NO_x还原区，大大降低了NO_x的排放量，有效实现了超低挥发分碳基燃料的低NO_x燃烧。炉膛燃烧区上部喷入空气或纯氧燃尽风，保证燃料的完全燃烧，可有效降低飞灰含碳量和NO_x排放量。

Description

一种高温烟气预热半焦的电站锅炉低NOx混燃系统和方法

技术领域

本发明涉及一种电站锅炉混燃系统和方法，特别涉及一种高温烟气预热半焦的电站锅炉低NO_x混燃系统和方法。

背景技术

煤炭梯级利用是煤炭清洁高效利用的重要途径之一。煤热解和气化副产品半焦和残炭作为高品位洁净燃料燃烧发电，是实现煤炭清洁高效梯级利用的重要组成部分。半焦是无粘结性或弱粘结性的高挥发分烟煤在中低温条件下干馏热解得到的较低挥发分的固体炭质产品。我国低阶煤储量接近5000亿吨，约占煤炭探明储量的42％，这是一类煤化程度较低的煤。低阶煤的分级转化是指将煤炭通过热解或气化提取油气，剩余的半焦或残炭作为高品位洁净燃料燃烧发电的煤炭利用方式。随着我国低阶煤分级转化产业的发展，煤气化、制焦等行业每年将产生数亿吨半焦、残炭。目前有大量这类燃料亟待实现燃烧利用。而半焦在电站动力燃料领域的安全高效利用是一种可行的解决之道。但半焦和残炭的挥发分含量很低，属于超低挥发分碳基燃料，实现清洁高效燃烧难度很大，通常存在着火稳燃困难、燃尽率低、NO_x排放高等问题。因此，如何实现此类超低挥发分碳基燃料的清洁高效燃烧利用，已成为制约我国煤炭清洁高效梯级利用产业化应用的关键技术瓶颈，并亟待解决。

半焦和残炭这类超低挥发分碳基燃料，应用传统的燃烧技术，存在着火稳燃困难、燃尽效率低、氮氧化物排放高的难题。实现此类燃料的清洁高效燃烧利用，已成为制约我国低阶煤分级转化的关键技术瓶颈。目前国内电站锅炉掺烧半焦的工业试验中半焦的掺烧比例不高，仅为30％左右。西安热工院2014年国内首次在银河电厂135MW机组电站煤粉锅炉上实现了烟煤机组安全稳定掺烧33％比例的兰炭，2015年在神皖能源池州电厂2×320MW机组贫煤锅炉上实现了安全稳定掺烧30％比例兰炭，但发现锅炉效率有所降低。低掺烧比例无法实现超低挥发分半焦燃料的大规模利用，因此提高电站锅炉中半焦的掺烧比例，实现在电厂运行中大比例(≥45％)掺烧半焦，是实现超低挥发分碳基燃料清洁高效利用的基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现在电站锅炉中大比例掺烧半焦，同时利用预热产物的强还原特性和空气深度分级可形成有利于NO_x还原的还原区，有望解决氮氧化物排放高的难题的高温烟气预热半焦的电站锅炉低NO_x混燃系统和方法。

为达到上述目的，本发明的系统包括锅炉本体以及自下而上布置其炉膛内的着火区、预热半焦燃烧区、预热产物燃烧及NO_X还原区和燃尽区，在锅炉本体的尾部烟道内还安装有空气预热器，烟煤通过烟煤给煤机、烟煤磨煤机与着火区入口的烟煤燃烧器相连，半焦通过半焦给煤机、半焦磨煤机送入煤粉仓，煤粉仓经煤粉混合器、预热管道与旋风预热分离器相连，在旋风预热分离器下端还安装有与一次风相连的半焦风粉混合器，由空气预热器输出的一次风经管道送入烟煤磨煤机及半焦磨煤机，由锅炉水平烟道抽取的高温烟气与一次风配比后的混合烟气经管路送入煤粉混合器，旋风预热分离器分离出的半焦经半焦风粉混合器与预热半焦燃烧区入口的预热半焦燃烧器相连，旋风预热分离器分离出的携带少量超细半焦和预热气体与预热产物燃烧及NO_X还原区入口的预热产物燃烧器相连，空气或纯氧燃尽风与燃尽区入口的燃尽风喷嘴相连。

所述的锅炉水平烟道的高温烟气由耐高温的风机抽取，该风机为一台或若干台串并联方式连接的风机。

所述的锅炉水平烟道抽取的高温烟气与一次风配比后的烟气温度为700～800℃。

所述的抽取的高温烟气的温度通过选取烟气抽取部位进行调节。

所述的预热管道采用水平和垂直管道组合以延长管道长度。

所述的旋风预热分离器采用并联或串联多个旋风分离器。

所述的旋风预热分离器和预热管道上设置有水冷系统。

本发明的高温烟气预热半焦的电站锅炉低NO_x混燃方法如下：

1)烟煤和半焦采用分磨制粉的方法，其中高挥发分的易燃烟煤经烟煤磨煤机研磨后，得到较粗的烟煤煤粉，从炉膛下部引入着火区，半焦燃料采用中间储仓式制粉系统，通过半焦磨煤机进行制粉，得到较细的半焦煤粉储存在煤粉仓中，后经过煤粉混合器、预热管道和旋风烟气预热分离器后，形成预热半焦和预热产气分级喷入炉膛的预热半焦燃烧区和预热产物燃烧及NO_X还原区；

2)高温烟气从锅炉水平烟道抽取与热一次风配比后调整烟气温度与含氧量送入煤粉混合器，经预热管道加热半焦后送入旋风预热分离器，两者在旋风预热分离器内充分混合，进行热量交换和部分气化反应后，分离产出还原性较强的预热产物携带有少量超细的半焦送入预热产物燃烧及NO_X还原区，高温半焦送入预热半焦燃烧区；

3)由烟煤磨煤机研磨的烟煤煤粉由一次风预热后送入炉膛下部的着火区与二次风强烈混合后，形成初始的着火区，生成含有一定浓度NO_x的烟气，其过量空气系数α为0.6～0.95；

4)预热半焦由热一次风通过半焦风粉混合器送入炉膛的预热半焦燃烧区，通过一二次风配比调节此区域过量空气系数α＜1，形成富燃料燃烧，减少NO_x的生成

5)旋风预热分离器预热产气和少量超细的半焦喷入炉膛上部的预热产物燃烧及NO_x还原区，此区域同时含有部分未燃尽的活化半焦，形成具有较强还原性气氛的预热产物燃烧区；

6)选择空气或纯氧作为燃尽风，由设置在炉膛上部的燃尽分喷口送入炉膛，使燃料在过量空气系数α>1达到完全燃烧。

本发明的效果体现在：

1)该电站锅炉系统采用预热管道和旋风预热分离器，通过高温烟气直接预热半焦，显著提高了半焦喷入炉膛时的温度，同时炉膛下部设置了烟煤燃烧的着火区，用于引燃超低挥发分的半焦燃料，实现了电站锅炉大比例掺烧半焦燃料，克服了采用传统方法燃烧半焦时存在的着火不稳定，燃尽效率低等问题，保证了半焦的着火、稳燃和燃尽，可实现半焦这类超低挥发分碳基燃料的大规模有效利用。

2)本系统在半焦预热的同时，产出了有较强还原性的预热产物，预热产物由燃器直接喷入炉膛中部，在预热半焦燃烧区上部形成了NO_x还原区，大大降低了NO_x的排放量，有效实现了超低挥发分碳基燃料的低NO_x燃烧。还可以通过空气和烟气的比例调节烟气温度和含氧量，从而改变旋风预热分离器产出的预热气体成分，达到与煤种和实际运行工况匹配的目的。

3)炉膛燃烧区上部喷入空气和纯氧燃尽风，保证燃料的完全燃烧，可有效降低飞灰含碳量和NO_x排放量。

4)高温烟气预热系统方法简单有效，亦简化处理用于现役电厂的改造，只需在原系统中添加循环风机和旋风预热分离器即可达到目的。

5)针对半焦和烟煤两种差异性较大的燃料，该电站系统采用不同的磨煤机的进行制粉，可实现两种细度的燃料制粉，节省磨煤机出力，半焦输送管道和燃烧器可有效进行特殊防磨处理，半焦和烟煤制粉系统采用不同的介质温度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图中1为锅炉本体，2为空气预热器，3送风机，4为半焦给煤机，5为磨煤机，6为煤粉仓，7为循环风机，8为烟粉混合器，9为预热管道，10为旋风预热分离器，11为半焦风粉混合器，12为烟煤给煤机，13为烟煤磨煤机，14为烟煤燃烧器，15为预热半焦燃烧器，16为预热产物燃烧器，17为燃尽风喷嘴，18为一次风机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参见图1，本发明包括锅炉本体1以及自下而上布置其炉膛内的着火区、预热半焦燃烧区、预热产物燃烧及NO_X还原区和燃尽区，在锅炉本体1的尾部烟道内还安装有空气预热器2，烟煤通过烟煤给煤机12、烟煤磨煤机13与着火区入口的烟煤燃烧器14相连，半焦通过半焦给煤机4、半焦磨煤机5送入煤粉仓6，煤粉仓6经煤粉混合器8、预热管道9与旋风预热分离器10相连，在旋风预热分离器下端还安装有与一次风相连的半焦风粉混合器11，由空气预热器2输出的一次风经管道送入烟煤磨煤机13及半焦磨煤机5，由锅炉水平烟道抽取的高温烟气与一次风配比后的混合烟气经管路送入煤粉混合器8，旋风预热分离器10分离出的半焦经半焦风粉混合器11与预热半焦燃烧区入口的预热半焦燃烧器15相连，旋风预热分离器10分离出的携带少量超细半焦和预热气体与预热产物燃烧及NO_X还原区入口的预热产物燃烧器16相连，空气或纯氧燃尽风与燃尽区入口的燃尽风喷嘴17相连。

本发明烟煤和半焦两种差异性较大的燃料采用分磨制粉的方法，选取不同磨煤机分别进行制粉，通过调整设备参数和运行参数，得到不同细度的煤粉；

锅炉水平烟道的高温烟气由耐高温的风机抽取，该风机为一台或若干台串并联方式连接的风机，从而提供满足系统所需的烟气流量和压力；

锅炉水平烟道抽取的高温烟气与一次风配比后的烟气温度为700～800℃，此温度范围有利于半焦的活化，抑制NO_x的生成，同时可保证半焦达到一定的预热温度，同时适当的含氧量保证半焦和高温烟气发生部分气化反应；

实际运行中所抽取的高温烟气的温度可根据具体的运行参数和半焦的煤粉特性，抽取的高温烟气的温度通过选取烟气抽取部位进行调节；

混合烟气通过选取多处烟气抽取部位调节混合烟气的温度；

预热管道9预热管道可根据需要设计管道长度，本发明采用水平和垂直管道组合以延长管道长度；

旋风预热分离器可根据实际运行参数采用并联和串联多个旋风分离器；

旋风预热分离器10和预热管道9上设置有水冷系统保证设备正常工作；

着火区生成含有一定浓度NO_x的烟气，其过量空气系数α为0.6～0.95，本区域用于建立稳定的燃烧条件，便于半焦燃料的着火和稳燃。较高温度的预热半焦由热一次风通过燃烧器喷嘴送入炉膛中下部，由于半焦在预热之后具有较高的温度，且下层存在高挥发分的烟煤燃烧区，预热半焦迅速着火燃烧，通过一二次风配比调节区域过量空气系数，形成富燃料燃烧，减少NO_x的生成。预热产气和少量超细的半焦喷入炉膛上部，此区域同时含有部分未燃尽的活化半焦，形成了具有较强还原性气氛的预热产物燃烧区。而预热产气由高温烟气和气化产气组成，含有大量还原性基团，同时超细半焦还原性较强，因此预热产物具有较强的还原性，烟气中的NO_x在此区域被大量还原，可有效降低NO_x的生成量。最后，在炉膛上部喷入空气或纯氧燃尽风，实现未燃成分在过量空气系数α>1的条件下达到完全燃烧，同时降低热力型NO_x的生成，燃尽风以相对较高的速度引入炉膛，强化燃尽风与主流烟气的传热传质。

本发明的方法为：

1)烟煤和半焦采用分磨制粉的方法，其中高挥发分的易燃烟煤经烟煤磨煤机13研磨后，得到较粗的烟煤煤粉，从炉膛下部引入着火区，半焦燃料采用中间储仓式制粉系统，通过半焦磨煤机5进行制粉，得到较细的半焦煤粉储存在煤粉仓6中，后经过煤粉混合器8、预热管道9和旋风烟气预热分离器后，形成预热半焦和预热产气分级喷入炉膛的预热半焦燃烧区和预热产物燃烧及NO_x还原区；

2)高温烟气从锅炉水平烟道抽取与热一次风配比后调整烟气温度与含氧量送入煤粉混合器8，经预热管道9加热半焦后送入旋风预热分离器10，两者在旋风预热分离器10内充分混合，进行热量交换和部分气化反应后，分离产出还原性较强的预热产物携带有少量超细的半焦送入预热产物燃烧及NO_x还原区，高温半焦送入预热半焦燃烧区；

3)由烟煤磨煤机13研磨的烟煤煤粉由一次风预热后送入炉膛下部的着火区与二次风强烈混合后，形成初始的着火区，生成含有一定浓度NO_x的烟气，其过量空气系数α为0.6～0.95；

4)预热半焦由热一次风通过半焦风粉混合器11送入炉膛的预热半焦燃烧区，通过一二次风配比调节此区域过量空气系数α＜1，形成富燃料燃烧，减少NO_x的生成5)旋风预热分离器10预热产气和少量超细的半焦喷入炉膛上部的预热产物燃烧及NO_x还原区，此区域同时含有部分未燃尽的活化半焦，形成具有较强还原性气氛的预热产物燃烧区；

6)选择空气或纯氧作为燃尽风，由设置在炉膛上部的燃尽分喷口送入炉膛，使燃料在过量空气系数α>1达到完全燃烧。

空气通过送风机3和一次风机18送入安装在锅炉本体1尾部的空气预热器2，经过加热后，得到一次风和二次风。烟煤通过给煤机12送入烟煤磨煤机13，同时一次风和空气合理配比后也通入烟煤磨煤机，制得的烟煤煤粉送入炉膛最下部，形成初始着火区，建立稳定燃烧条件，有利于半焦燃料的着火和燃尽。超低挥发分的半焦燃料通过半焦给煤机4送入半焦磨煤机5，研磨后制得的煤粉送入煤粉仓6进行储存，同时从锅炉水平烟道抽取高温烟气经过和一次风适当配比后，由循环风机7输送，与半焦在烟粉混合器8中混合后，经过长度适当的预热管道9后，送入旋风预热分离器10；在旋风预热分离器10和预热管道9内，烟气和半焦强烈掺混，发生热量传递和部分气化反应，分离得到较高温度的预热半焦和具有较强还原性的预热产物；预热半焦由热一次风输送，经由风粉混合器11，通过燃烧器15喷入炉膛中部预热半焦燃烧区；预热产气携带少量的超细半焦煤粉，通过燃烧器16送入预热半焦燃烧区上部区域进行燃烧，由于预热气体具有较强的还原性，有利于烟煤和半焦燃烧产生的NO_x的还原，在炉膛中部形成了NO_x还原区。空气或纯氧通过燃尽风喷嘴17送入炉膛上部，使未燃尽的半焦等燃料继续燃烧，形成燃尽区。

Claims (8)

1.一种高温烟气预热半焦的电站锅炉低NO_x混燃系统，其特征在于：包括锅炉本体(1)以及自下而上布置其炉膛内的着火区、预热半焦燃烧区、预热产物燃烧及NO_X还原区和燃尽区，在锅炉本体(1)的尾部烟道内还安装有空气预热器(2)，烟煤通过烟煤给煤机(12)、烟煤磨煤机(13)与着火区入口的烟煤燃烧器(14)相连，半焦通过半焦给煤机(4)、半焦磨煤机(5)送入煤粉仓(6)，煤粉仓(6)经煤粉混合器(8)、预热管道(9)与旋风预热分离器(10)相连，在旋风预热分离器下端还安装有与一次风相连的半焦风粉混合器(11)，由空气预热器(2)输出的一次风经管道送入烟煤磨煤机(13)及半焦磨煤机(5)，由锅炉水平烟道抽取的高温烟气与一次风配比后的混合烟气经管路送入煤粉混合器(8)，旋风预热分离器(10)分离出的半焦经半焦风粉混合器(11)与预热半焦燃烧区入口的预热半焦燃烧器(15)相连，旋风预热分离器(10)分离出的携带少量超细半焦和预热气体与预热产物燃烧及NO_x还原区入口的预热产物燃烧器(16)相连，空气或纯氧燃尽风与燃尽区入口的燃尽风喷嘴(17)相连。

2.根据权利要求1所述的高温烟气预热半焦的电站锅炉低NO_x混燃系统，其特征在于：所述的锅炉水平烟道的高温烟气由耐高温的风机抽取，该风机为一台或若干台串并联方式连接的风机。

3.根据权利要求1所述的高温烟气预热半焦的电站锅炉低NO_x混燃系统，其特征在于：所述的锅炉水平烟道抽取的高温烟气与一次风配比后的烟气温度为700～800℃。

4.根据权利要求1所述的高温烟气预热半焦的电站锅炉低NO_x混燃系统，其特征在于：所述的抽取的高温烟气的温度通过选取烟气抽取部位进行调节。

5.根据权利要求1所述的高温烟气预热半焦的电站锅炉低NO_x混燃系统，其特征在于：所述的预热管道(9)采用水平和垂直管道组合以延长管道长度。

6.根据权利要求1所述的高温烟气预热半焦的电站锅炉低NO_x混燃系统，其特征在于：所述的旋风预热分离器(10)采用并联或串联多个旋风分离器。

7.根据权利要求1所述的高温烟气预热半焦的电站锅炉低NO_x混燃系统，其特征在于：所述的旋风预热分离器(10)和预热管道(9)上设置有水冷系统。

8.一种如权利要求1所述系统的高温烟气预热半焦的电站锅炉低NO_x混燃方法，其特征在于：

1)烟煤和半焦采用分磨制粉的方法，其中高挥发分的易燃烟煤经烟煤磨煤机(13)研磨后，得到较粗的烟煤煤粉，从炉膛下部引入着火区，半焦燃料采用中间储仓式制粉系统，通过半焦磨煤机(5)进行制粉，得到较细的半焦煤粉储存在煤粉仓(6)中，后经过煤粉混合器(8)、预热管道(9)和旋风烟气预热分离器后，形成预热半焦和预热产气分级喷入炉膛的预热半焦燃烧区和预热产物燃烧及NO_X还原区；

2)高温烟气从锅炉水平烟道抽取与热一次风配比后调整烟气温度与含氧量送入煤粉混合器(8)，经预热管道(9)加热半焦后送入旋风预热分离器(10)，两者在旋风预热分离器(10)内充分混合，进行热量交换和部分气化反应后，分离产出还原性较强的预热产物携带有少量超细的半焦送入预热产物燃烧及NO_x还原区，高温半焦送入预热半焦燃烧区；

3)由烟煤磨煤机(13)研磨的烟煤煤粉由一次风预热后送入炉膛下部的着火区与二次风强烈混合后，形成初始的着火区，生成含有一定浓度NO_x的烟气，其过量空气系数α为0.6～0.95；

4)预热半焦由热一次风通过半焦风粉混合器(11)送入炉膛的预热半焦燃烧区，通过一二次风配比调节此区域过量空气系数α＜1，形成富燃料燃烧，减少NO_x的生成；

5)旋风预热分离器(10)预热产气和少量超细的半焦喷入炉膛上部的预热产物燃烧及NO_x还原区，此区域同时含有部分未燃尽的活化半焦，形成具有较强还原性气氛的预热产物燃烧区；

6)选择空气或纯氧作为燃尽风，由设置在炉膛上部的燃尽分喷口送入炉膛，使燃料在过量空气系数α>1达到完全燃烧。