專利名稱：一種旋風(fēng)燃燒鍋爐先進(jìn)空氣分級(jí)燃燒脫硝系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種旋風(fēng)燃燒鍋爐先進(jìn)空氣分級(jí)燃燒脫硝方法與系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
氮氧化物(NOx)是化學(xué)工業(yè)、國(guó)防工業(yè)、電力工業(yè)以及鍋爐和內(nèi)燃機(jī)等排放氣體中有毒物質(zhì)之一。NOx以燃料燃燒過程中所產(chǎn)生的數(shù)量最多，約占30%以上，其中70%來(lái)自于煤炭的直接燃燒，固定燃燒源是NOx排放的主要來(lái)源。近幾年，NOx的危害受到全球各國(guó)越來(lái)越多的重視，它不僅是形成酸雨的主要原因之一，而且其經(jīng)紫外線照射后，可與碳氧化合物生成一種淺藍(lán)色的有毒物質(zhì)——硝基化合物，造成光化學(xué)煙霧，對(duì)人的眼、鼻、心、肺及造血組織等均有強(qiáng)烈的刺激和損害作用，也是一種強(qiáng)致癌物質(zhì)，典型事例為被稱為世界八大污染事件之一的1952年美國(guó)洛杉磯光化學(xué)煙霧事件。該事件致使大批居民發(fā)生眼睛紅腫、喉痛咳嗽、皮膚潮紅等癥狀，嚴(yán)重者心肺功能衰竭，有400余名65歲以上的老人因此死亡。此外，氧化亞氮(隊(duì)0)在高空同溫層中會(huì)破壞臭氧層，使較多的紫外線輻射到地面，增加皮膚癌的發(fā)病率，還可能影響人的免疫系統(tǒng)。旋風(fēng)燃燒鍋爐是指采用旋風(fēng)燃燒方式的動(dòng)力用蒸汽鍋爐?？諝鈳?dòng)煤粉顆粒在圓筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)燃燒時(shí)稱為旋風(fēng)燃燒，旋風(fēng)燃燒是人為組織的一種穩(wěn)定的、可控的高速旋轉(zhuǎn)火焰流，它充滿在整個(gè)燃燒室空間，具有極其強(qiáng)烈的擾動(dòng)能力，比一般室燃方式具有更高的熱強(qiáng)度。旋風(fēng)爐中主要進(jìn)行燃燒的圓筒稱為旋風(fēng)筒。一臺(tái)旋風(fēng)爐可以有一只或數(shù)只旋風(fēng)筒。由于旋風(fēng)筒內(nèi)具有很高的燃燒溫度(高達(dá)1650°C以上)和極其強(qiáng)烈的混合強(qiáng)度，會(huì)使得其燃燒過程中生成大量的大氣污染物——氮氧化物(NOx)，這些氣體如果不加以處理直接排入大氣，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的大氣污染。為更好地適應(yīng)“十二五”環(huán)境保護(hù)工作的新要求，進(jìn)一步加大大氣污染防治工作力度，我國(guó)環(huán)境保護(hù)部于2011年1月14日在網(wǎng)上以政府信息公開的方式向有關(guān)單位征求正在修訂中的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(二次征求意見稿)的意見。按二次修訂稿要求，2004年后所有新建機(jī)組NOx排放要達(dá)到100mg/Nm3、2004年前機(jī)組要達(dá)到200mg/Nm3的要求，使幾乎所有機(jī)組必須采用SCR煙氣脫硝技術(shù)。如此嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于旋風(fēng)燃燒鍋爐——鍋爐出口 NOx排放濃度通常在 1200 1500mg/Nm3，要達(dá)到100mg/Nm3排放限值，脫硝效率須在92%以上——目前的SCR技術(shù)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。且大幅提高排放限值水平需大量增加催化劑和還原劑，在運(yùn)行中氨逃逸控制難度加大，并可能引起鍋爐空預(yù)器堵塞等影響運(yùn)行安全性的問題。當(dāng)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，煙氣溫度容易低于脫硝催化劑的反應(yīng)窗口溫度，致使SCR系統(tǒng)無(wú)法正常工作，也難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)旋風(fēng)燃燒鍋爐本身所存在的污染物NOx排放高，以及目前我國(guó)SCR煙氣脫硝關(guān)鍵技術(shù)、原料、儀表等仍需進(jìn)口，且該技術(shù)本身需要昂貴的催化劑，并存在催化劑中毒，更換，增加裝置和占用空間等不利因素，導(dǎo)致其運(yùn)行成本過高，使其應(yīng)用受到很大限制。為此， 本發(fā)明提出一種旋風(fēng)燃燒鍋爐先進(jìn)空氣分級(jí)燃燒脫硝方法與系統(tǒng)，其脫硝效率有望高達(dá) 95 %以上，不僅能大大降低旋風(fēng)燃燒鍋爐的NOx排放，而且與SCR技術(shù)相比，免去了昂貴的催化劑使用和煙氣脫硝裝置的占用空間，具有成本低廉、設(shè)備簡(jiǎn)單、實(shí)施改造容易等優(yōu)點(diǎn)。為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案通過以下方式實(shí)現(xiàn)一種旋風(fēng)燃燒鍋爐先進(jìn)空氣分級(jí)燃燒脫硝方法，其步驟為(1)由一次風(fēng)進(jìn)口送入旋風(fēng)筒的燃料氣流，與二次風(fēng)進(jìn)口送入的二次風(fēng)強(qiáng)烈混合后在過量空氣系數(shù)α < 1的條件下燃燒，形成所謂的富燃料燃燒區(qū)，并生成含有一定濃度NOxW煙氣；( 由布置在鍋爐主爐膛下部一定位置處的氨劑/添加劑噴口送入爐膛的氨劑(氨、尿素等)和增效添加劑(如無(wú)機(jī)鹽Na2CO3等)，在還原性氣氛下與第一階段生成的含NOx的煙氣發(fā)生還原反應(yīng)，從而將NOx還原為N2 ； (3)達(dá)到完全燃燒所需的剩余空氣通過布置在主爐膛上部一定位置處的燃盡風(fēng)(OFA)噴口送入爐膛，在過量空氣系數(shù)α > 1的條件下達(dá)到完全燃燒。其中步驟(1)所述旋風(fēng)筒中的富燃料燃燒區(qū)的過量空氣系數(shù)α為0.6 0.95，同時(shí)考慮到旋風(fēng)燃燒鍋爐在采用常規(guī)空氣分級(jí)燃燒技術(shù)時(shí)，隨著旋風(fēng)筒內(nèi)過量空氣系數(shù)的降低，使得旋風(fēng)筒內(nèi)的溫度水平也跟著具有較大程度的降低，這就有可能對(duì)維持正常的液態(tài)排渣構(gòu)成威脅，因此，作為對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，根據(jù)實(shí)際燃煤的特點(diǎn)，二次風(fēng)進(jìn)口可以根據(jù)需要采用送入“富氧”的空氣(即氧氣濃度大于21%的空氣)，這樣會(huì)使旋風(fēng)筒內(nèi)主燃區(qū)氧濃度得到較大提高，由于氧氣具有極大助燃作用，使得旋風(fēng)筒內(nèi)的燃燒溫度大大提高， 從而可以很好地克服旋風(fēng)燃燒鍋爐在采用常規(guī)空氣分級(jí)燃燒技術(shù)時(shí)所造成的旋風(fēng)筒內(nèi)燃燒溫度與正常燃燒狀況相比會(huì)有所降低，進(jìn)而可能會(huì)對(duì)旋風(fēng)筒內(nèi)正常的液態(tài)排渣構(gòu)成一定威脅這一隱患。步驟⑵中所添加的增效添加劑(如無(wú)機(jī)鹽Na2C03等)能大大提高氨劑還原煙氣中NOx反應(yīng)的反應(yīng)速率，從而大大提高采用該技術(shù)方法的脫硝效率，其脫硝率有望高達(dá)95% 以上，隨著研究開發(fā)的不斷深入，未來(lái)所適用的增效添加劑的種類將不斷增多。步驟(3)中的過量空氣系數(shù)α為1.05 1.2，且送入完全燃燒所需剩余空氣的燃盡風(fēng)(OFA)噴口可以根據(jù)具體需要布置多層，且各層間的送風(fēng)量可以相等或不等。實(shí)現(xiàn)上述一種旋風(fēng)燃燒鍋爐先進(jìn)空氣分級(jí)燃燒脫硝方法與系統(tǒng)，主要包括旋風(fēng)筒 1、鍋爐主爐膛5和液態(tài)渣?；?，其中鍋爐主爐膛5下部一定位置處布置有氨劑/添加劑噴口 6，上部一定位置處布置有燃盡風(fēng)噴口 7，鍋爐主爐膛5的底部布置有用來(lái)粒化其液態(tài)排渣的?；?。作為對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中，可以根據(jù)需要適當(dāng)加長(zhǎng)旋風(fēng)筒的筒體長(zhǎng)度，把氨劑/添加劑噴口布置在旋風(fēng)筒的后半部分，從而充分利用旋風(fēng)筒內(nèi)的強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，使得氨劑、增效添加劑與煙氣充分地混合，最大限度地提高氨劑還原煙氣中 NOx反應(yīng)的脫硝效率。本發(fā)明所提出的一種旋風(fēng)燃燒鍋爐先進(jìn)空氣分級(jí)燃燒脫硝方法與系統(tǒng)，與美國(guó)通用能源與環(huán)境石if究公司(GE-Energy andEnvironmental Research Corporation, GE-EER) 所提出的專利技術(shù)——第二代先進(jìn)再燃技術(shù)(Second Generation Advanced Reburning, SGAR)相比具有本質(zhì)的不同美國(guó)通用能源與環(huán)境研究公司所提出的第二代先進(jìn)再燃技術(shù)是基于燃料分級(jí)技術(shù)(即再燃技術(shù))研究開發(fā)出來(lái)的，其在應(yīng)用中需要一套獨(dú)立的再燃燃料制備、輸送系統(tǒng)；而本發(fā)明所提出的方法是基于空氣分級(jí)燃燒技術(shù)開發(fā)出來(lái)的。本發(fā)明所提出的一種旋風(fēng)燃燒鍋爐先進(jìn)空氣分級(jí)燃燒脫硝方法與系統(tǒng)，并不是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的常規(guī)空氣分級(jí)燃燒技術(shù)與SNCR煙氣脫硝技術(shù)的組合，常規(guī)的SNCR脫硝技術(shù)是一種煙氣處理技術(shù)，只有在一個(gè)較窄的溫度窗口才有效，其典型的溫度窗口是900 1100°C， 且是基于氧化性氣氛下進(jìn)行氨劑與NOx的還原反應(yīng)的；而本發(fā)明中所提到的先進(jìn)空氣分級(jí)燃燒脫硝方法屬于一種燃燒控制技術(shù)，其氨劑、添加劑噴入?yún)^(qū)的爐膛溫度約在1300 1700°C，所發(fā)生的氨劑還原NOx的反應(yīng)是基于還原性氣氛前提下的，同時(shí)所添加的增效鹽添加劑在反應(yīng)中能大大提高脫硝反應(yīng)的反應(yīng)速率，其與SNCR中發(fā)生的氨劑與NOx的還原反應(yīng)在原理上具有本質(zhì)的不同。另一方面，為了應(yīng)對(duì)我國(guó)未來(lái)日趨嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，滿足不同區(qū)域用戶對(duì)旋風(fēng)燃燒鍋爐最終NOx排放濃度的不同要求，作為對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要在采用先進(jìn)空氣分級(jí)燃燒脫硝方法的基礎(chǔ)上再采用SNCR煙氣脫硝技術(shù)，不僅能更進(jìn)一步降低煙氣中的NOx濃度，而且操作實(shí)施起來(lái)非常簡(jiǎn)單方便，只需沿爐膛高度選擇適合SNCR脫硝反應(yīng)的溫度窗口布置氨劑噴口，而其氨劑儲(chǔ)備、輸送系統(tǒng)可以與原先的先進(jìn)空氣分級(jí)燃燒脫硝方法共用一套設(shè)備。本發(fā)明所提出的一種旋風(fēng)燃燒鍋爐先進(jìn)空氣分級(jí)燃燒脫硝方法與系統(tǒng)，具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)成本低廉，脫硝效率高，其脫硝效率有望高達(dá)95%以上，設(shè)備簡(jiǎn)單，實(shí)施容易；(2)易于對(duì)已有鍋爐進(jìn)行改造；(3)與SNCR煙氣脫硝技術(shù)相比，本發(fā)明所提出的方法大大克服了 SNCR在實(shí)際應(yīng)用中脫硝效率較低，且具有明顯的溫度窗口(900 1100°C )限制的缺點(diǎn)；(4)與SCR煙氣脫硝技術(shù)相比，本發(fā)明所提出的方法不僅具有與其相當(dāng)?shù)拿撓跣?，甚至其脫硝率比SCR還要高，而且在應(yīng)用中可以免除昂貴的催化劑使用和煙氣脫硝裝置的占用空間。


圖1是應(yīng)用本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1為旋風(fēng)筒；2為一次風(fēng)進(jìn)口 ；3為二次風(fēng)進(jìn)口 ；4為液態(tài)渣?；洌?為鍋爐主爐膛；6為氨劑/添加劑噴口 ；7為燃盡風(fēng)(OFA)噴口；8為選擇性非催化還原脫硝 (SNCR)噴口。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述參見圖1，本發(fā)明所提出的一種旋風(fēng)燃燒鍋爐先進(jìn)空氣分級(jí)燃燒脫硝方法與系統(tǒng)， 具體是指(1)由一次風(fēng)進(jìn)口送入旋風(fēng)筒的燃料氣流，與二次風(fēng)進(jìn)口送入的二次風(fēng)強(qiáng)烈混合后在過量空氣系數(shù)α < 1的條件下燃燒，形成所謂的富燃料燃燒區(qū)，并生成含有一定濃度 NOx的煙氣，其過量空氣系數(shù)α約為0.6 0.95。在具體實(shí)施過程中，根據(jù)實(shí)際燃煤的特點(diǎn)，二次風(fēng)進(jìn)口可以根據(jù)需要采用送入“富氧”的空氣(即氧氣濃度大于21%的空氣)，以克服旋風(fēng)燃燒鍋爐在采用常規(guī)空氣分級(jí)燃燒技術(shù)時(shí)所造成的旋風(fēng)筒內(nèi)燃燒溫度與正常燃燒狀況相比會(huì)有所降低，進(jìn)而可能會(huì)對(duì)旋風(fēng)筒內(nèi)正常的液態(tài)排渣構(gòu)成一定威脅這一隱患；(2)由布置在鍋爐主爐膛下部一定位置處的氨劑/添加劑噴口送入爐膛的氨劑 (氨、尿素等)和增效添加劑(如無(wú)機(jī)鹽Na2CO3等)，在還原性氣氛下與第一階段生成的含 NOx的煙氣發(fā)生還原反應(yīng)，從而將NOx還原為隊(duì)，其中所送入的添加劑能大大提高氨劑還原煙氣中NOx反應(yīng)的反應(yīng)速率，從而大大提高采用該技術(shù)方法的脫硝效率，其脫硝率有望高達(dá) 95%以上；(3)達(dá)到完全燃燒所需的剩余空氣通過布置在主爐膛上部一定位置處的燃盡風(fēng) (OFA)噴口送入爐膛，在過量空氣系數(shù)α > 1的條件下達(dá)到完全燃燒，其過量空氣系數(shù)α 約為1. 05 1. 2，且送入完全燃燒所需剩余空氣的燃盡風(fēng)(OFA)噴口可以根據(jù)具體需要布置多層，且各層間的送風(fēng)量可以相等或不等。為了應(yīng)對(duì)我國(guó)未來(lái)日趨嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，滿足不同區(qū)域用戶對(duì)旋風(fēng)燃燒鍋爐最終NOx排放濃度的不同要求，作為對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在具體實(shí)施過程中，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要在采用先進(jìn)空氣分級(jí)燃燒脫硝方法的基礎(chǔ)上再采用SNCR煙氣脫硝技術(shù)，不僅能更進(jìn)一步降低煙氣中的NOx濃度，而且操作實(shí)施起來(lái)非常簡(jiǎn)單方便，只需沿爐膛高度選擇適合SNCR脫硝反應(yīng)的溫度窗口布置氨劑噴口，而其氨劑儲(chǔ)備、輸送系統(tǒng)可以與原先的先進(jìn)空氣分級(jí)燃燒脫硝方法共用一套設(shè)備。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施方式
僅限于此，對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種旋風(fēng)燃燒鍋爐先進(jìn)空氣分級(jí)燃燒脫硝系統(tǒng)，其特征在于包括旋風(fēng)筒、鍋爐主爐膛和液態(tài)渣?；?，其中鍋爐主爐膛下部布置有氨劑/添加劑噴口，鍋爐主爐膛上部布置有燃盡風(fēng)噴口，鍋爐主爐膛的底部布置有用來(lái)粒化其液態(tài)排渣的?；洹?br> 2.基于權(quán)利要求1所述的一種旋風(fēng)燃燒鍋爐先進(jìn)空氣分級(jí)燃燒脫硝系統(tǒng)的方法，其特征在于，按照下述步驟(1)由一次風(fēng)進(jìn)口送入旋風(fēng)筒的燃料氣流，與二次風(fēng)進(jìn)口送入的二次風(fēng)強(qiáng)烈混合后在過量空氣系數(shù)α < 1的條件下燃燒，形成富燃料燃燒區(qū)，并生成含有NOx的煙氣；(2)由布置在鍋爐主爐膛下部位置處的氨劑/添加劑噴口送入爐膛的氨劑和增效添加劑，在還原性氣氛下與步驟(1)生成的含NOx的煙氣發(fā)生還原反應(yīng)，從而將NOx還原為N2 ；(3)達(dá)到完全燃燒所需的剩余空氣通過布置在主爐膛上部的燃盡風(fēng)噴口送入爐膛，在過量空氣系數(shù)α > 1的條件下達(dá)到完全燃燒。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述步驟(1)旋風(fēng)筒中的富燃料燃燒區(qū)的過量空氣系數(shù)α為0.6 0.95，根據(jù)實(shí)際燃煤的特點(diǎn)，二次風(fēng)進(jìn)口根據(jù)需要采用送入“富氧”的空氣。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述步驟O)中所添加的增效添加劑是堿 金屬無(wú)機(jī)鹽。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述步驟(3)中的過量空氣系數(shù)α為 1. 05 1. 2，且送入完全燃燒所需剩余空氣的燃盡風(fēng)噴口根據(jù)具體需要布置多層，且各層間的送風(fēng)量可以相等或不等。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于根據(jù)實(shí)際需要在采用先進(jìn)空氣分級(jí)燃燒脫硝方法的基礎(chǔ)上再采用SNCR煙氣脫硝技術(shù)，其中SNCR技術(shù)可以與原先的先進(jìn)空氣分級(jí)燃燒脫硝方法共用一套氨劑儲(chǔ)備和輸送系統(tǒng)。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于根據(jù)需要加長(zhǎng)旋風(fēng)筒的筒體長(zhǎng)度，把氨劑/ 添加劑噴口布置在旋風(fēng)筒的后半部分。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種旋風(fēng)燃燒鍋爐先進(jìn)空氣分級(jí)燃燒脫硝系統(tǒng)與方法。針對(duì)旋風(fēng)燃燒鍋爐本身所存在的污染物NOx排放高，以及目前我國(guó)SCR煙氣脫硝關(guān)鍵技術(shù)、原料、儀表等仍需進(jìn)口，且該技術(shù)本身需要昂貴的催化劑，并存在催化劑中毒，更換，增加裝置和占用空間等不利因素，導(dǎo)致其運(yùn)行成本過高，使其應(yīng)用受到很大限制。為此，本發(fā)明提出一種旋風(fēng)燃燒鍋爐先進(jìn)空氣分級(jí)燃燒脫硝方法與系統(tǒng)，其脫硝效率有望高達(dá)95％以上，不僅能大大降低旋風(fēng)燃燒鍋爐的NOx排放，而且與SCR技術(shù)相比，免去了昂貴的催化劑使用和煙氣脫硝裝置的占用空間，具有成本低廉、設(shè)備簡(jiǎn)單、實(shí)施改造容易等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F23C10/18GK102287812SQ201110197740
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月15日
發(fā)明者劉銀河, 白文剛, 車得福 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)