低氮燃燒系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低氮燃燒系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括:加濕器,用于提供水蒸氣;二次風(fēng)總管,與加濕器相導(dǎo)通,用于引導(dǎo)加濕器中的水蒸氣;主燃燒區(qū),與二次風(fēng)總管相導(dǎo)通,將水蒸氣導(dǎo)入主燃燒區(qū),使得在主燃燒區(qū)中利用水煤氣反應(yīng)和水氣變換反應(yīng)生成氫氣,利用氫氣從氮氧化物中還原出氮?dú)?;過渡區(qū),與主燃燒區(qū)相導(dǎo)通,并且與主燃燒區(qū)的連接部具有二次增氫噴口,用于向過渡區(qū)噴射二次增氫介質(zhì),利用二氧化碳的還原反應(yīng)和水煤氣反應(yīng)再次生成氫氣,再次利用氫氣從氮氧化物中還原出氮?dú)?;燃盡區(qū),與過渡區(qū)相導(dǎo)通,用于排出過渡區(qū)生成的氣體。本發(fā)明低氮燃燒系統(tǒng),在降低氮氧化物的生成的同時(shí),實(shí)現(xiàn)高效的燃燒。
【專利說明】低氮燃燒系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及清潔燃燒的領(lǐng)域,尤其涉及一種低氮燃燒系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 燃煤鍋爐是火力發(fā)電廠的主機(jī),也是主要的N0X排放源。目前,控制燃煤鍋爐N0 X 排放的技術(shù)路徑,分為低氮燃燒技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù).
[0003] 現(xiàn)有的低氮技術(shù)在實(shí)際使用時(shí),往往造成鍋爐燃燒效率的下降。為了消除低氮燃 燒造成的能效損失,而且受到氣源供應(yīng)和運(yùn)行成本的限制。
[0004] 各種低氮燃燒技術(shù)中,例如將空氣分級燃燒技術(shù)用于低揮發(fā)分煤種(比如無煙煤 和貧煤)時(shí),由于燃料的燃盡性能較差,燃盡風(fēng)后置使得殘?zhí)康娜急M時(shí)間大幅度下降,通常 會造成飛灰含碳量大幅度升高的不良后果,造成極其嚴(yán)重的能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。
[0005] 中國的火力發(fā)電行業(yè),有大量燃用無煙煤或貧煤的鍋爐機(jī)組,每年消耗無煙煤和 貧煤2億多噸,這些煤種的著火和燃盡性能很差,與燃用煙煤相比需要更高的爐膛溫度以 保證穩(wěn)定著火和飛灰燃盡,造成熱力型N0 X的大量生成,所以這些鍋爐機(jī)組在常規(guī)燃燒方式 下,煙氣中的N0X濃度皆在lOOOppm以上(是煙煤鍋爐的2?3倍),造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。
[0006] 由于初始N0X濃度極高,這些鍋爐欲達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)則需要使用龐大的煙氣脫硝裝 置,同時(shí)消耗大量的昂貴并有毒性催化劑。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷,提供一種低氮燃燒系統(tǒng),可以降低氮氧化 物的生成,而且可以實(shí)現(xiàn)高效的燃燒效果。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供了一種低氮燃燒系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括:
[0009] 加濕器,用于提供水蒸氣;
[0010] 二次風(fēng)總管,與所述加濕器相導(dǎo)通,用于引導(dǎo)所述加濕器中的水蒸氣;
[0011] 主燃燒區(qū),與所述二次風(fēng)總管相導(dǎo)通,將所述水蒸氣導(dǎo)入所述主燃燒區(qū),使得在所 述主燃燒區(qū)中利用水煤氣反應(yīng)和水氣變換反應(yīng)生成氫氣,利用氫氣從氮氧化物中還原出氮 氣;
[0012] 過渡區(qū),與所述主燃燒區(qū)相導(dǎo)通,并且與所述主燃燒區(qū)的連接部具有二次增氫噴 口,用于向所述過渡區(qū)噴射二次增氫介質(zhì),利用二氧化碳的還原反應(yīng)和水煤氣反應(yīng)再次生 成氫氣,再次利用氫氣從氮氧化物中還原出氮?dú)猓?br>
[0013] 燃盡區(qū),與所述過渡區(qū)相導(dǎo)通,用于排出所述過渡區(qū)生成的氣體。
[0014] 本發(fā)明低氮燃燒系統(tǒng)采用空氣加濕與過渡區(qū)二次增氫,是一種成本低廉的能夠兼 顧燃燒效率和低氮燃燒的技術(shù)措施,可以在基本不增加能耗的前提下,調(diào)節(jié)煙氣中C-H-0 的比例,其作用相當(dāng)于將低揮發(fā)份煤種轉(zhuǎn)變?yōu)楦邠]發(fā)份煤種,使之具有類似的燃燒性能和 N0X排放性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明低氮燃燒系統(tǒng)的示意圖;
[0016] 圖2為本發(fā)明低氮燃燒系統(tǒng)對應(yīng)的低氮燃燒方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面通過附圖和實(shí)施例,對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0018] 在典型的空氣分級型低氮爐膛中燃用低揮發(fā)分煤種時(shí),必然會造成飛灰含碳量大 幅度升高,從而使得空氣分級技術(shù)失去實(shí)用價(jià)值。為了解決上述問題,在常規(guī)的空氣分級型 低氮燃燒系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,本發(fā)明提出以空氣增濕為手段增加煙氣中氫元素的含量,在低氧 燃燒區(qū)(主燃燒區(qū))利用水蒸氣的水煤氣反應(yīng)和水氣變換反應(yīng),增加當(dāng)?shù)氐臍錃鉂舛龋?還原N0 X的同時(shí),使得難以燃盡的殘?zhí)己鸵谎趸嫁D(zhuǎn)變?yōu)槿菀兹急M的氫氣,在低氧燃燒區(qū)的 出口利用不含氧氣但富含氫元素的氣體作為攪拌射流的介質(zhì),在燃盡風(fēng)之前的過渡區(qū)內(nèi)對 N0X進(jìn)行二次還原,過渡區(qū)內(nèi)同時(shí)還有飛灰殘?zhí)级螝饣鸵谎趸嫉亩巫儞Q,則煙氣到 達(dá)燃盡區(qū)時(shí),煙氣中的一氧化碳和飛灰中的殘?zhí)拷员淮蠓认鳒p,煙氣中殘余的可燃物主 要為容易燃盡的氫氣。采用以上技術(shù)措施之后,可以同時(shí)達(dá)到低氮和高效燃燒的效果。
[0019] 本發(fā)明涉及一種能夠大幅度降低燃煤鍋爐氮氧化物(N0X)初始濃度的低氮燃燒系 統(tǒng),特別是一種燃用低揮發(fā)分煤種時(shí),在降低N0 X初始濃度的同時(shí)能夠降低飛灰含碳量的低 氮燃燒系統(tǒng)。在不升高飛灰含碳量的前提下,通過低氮燃燒技術(shù)削減煙氣中N0 X的初始濃 度,對燃用無煙煤和貧煤的鍋爐機(jī)組具有特別重要的意義。
[0020] 圖1為本發(fā)明低氮燃燒系統(tǒng)的示意圖,如圖所示,本發(fā)明具體包括:加濕器1、二次 風(fēng)總管3、主燃燒區(qū)21、過渡區(qū)22、燃盡區(qū)23和二次增氫噴口 4。
[0021] 加濕器1用于提供水蒸氣;二次風(fēng)總管3與加濕器相導(dǎo)通,用于引導(dǎo)加濕器1中的 水蒸氣。
[0022] 再如圖1所示,加濕器1具有熱水入口 10和熱水排放口 11。熱水入口 10用于注 入熱水,熱水排放口 11用于排放無用的熱水。
[0023] 主燃燒區(qū)21,與二次風(fēng)總管相3導(dǎo)通,將水蒸氣導(dǎo)入主燃燒區(qū)21,使得在主燃燒區(qū) 21中利用水煤氣反應(yīng)和水氣變換反應(yīng)生成氫氣,利用氫氣從氮氧化物中還原出氮?dú)狻?br>
[0024] 在典型的空氣分級型低氮爐膛中燃用低揮發(fā)分煤種時(shí),必然會造成飛灰含碳量大 幅度升高,從而使得空氣分級技術(shù)失去實(shí)用價(jià)值。本發(fā)明利用加濕器以空氣增濕為手段,增 加主燃燒區(qū)煙氣中氫元素的含量,因?yàn)橹魅紵齾^(qū)是低氧燃燒區(qū),利用水蒸氣的水煤氣反應(yīng) 和水氣變換反應(yīng),增加當(dāng)?shù)氐臍錃鉂舛龋谶€原N0 X的同時(shí),使得難以燃盡的殘?zhí)己鸵谎趸?碳轉(zhuǎn)化為容易燃盡的氫氣。
[0025] 過渡區(qū)22與主燃燒區(qū)21相導(dǎo)通,并且與主燃燒區(qū)21的連接部具有二次增氫噴口 4,用于向過渡區(qū)22噴射二次增氫介質(zhì),利用二氧化碳的還原反應(yīng)和水煤氣反應(yīng)再次生成 氫氣,再次利用氫氣從氮氧化物中還原出氮?dú)狻?br>
[0026] 進(jìn)一步的,過渡區(qū)22具有燃盡風(fēng)噴口 5。
[0027] 在主燃燒區(qū)21過渡區(qū)22的結(jié)合處,具有二次增氫噴口 4噴射二次增氫介質(zhì),而 二次增氫介質(zhì)是過熱蒸汽與超細(xì)煤粉的混合物,這樣就可以以過熱蒸汽為介質(zhì),輸送超細(xì) 煤粉形成攪拌射流,在燃盡風(fēng)噴口之前的過渡區(qū)內(nèi)進(jìn)行二次增氫,實(shí)現(xiàn)對N0 X的二次還原, 過渡區(qū)內(nèi)同時(shí)還有飛灰殘?zhí)级螝饣鸵谎趸嫉亩巫儞Q,則煙氣到達(dá)燃盡區(qū)時(shí),煙氣 中的一氧化碳和飛灰中的殘?zhí)拷员淮蠓认鳒p,煙氣中殘余的可燃物主要為容易燃盡的氫 氣。采用以上技術(shù)措施之后,可以同時(shí)達(dá)到低氮和高效燃燒的效果。
[0028] 燃盡區(qū)23與過渡區(qū)22相導(dǎo)通,用于排出過渡區(qū)22生成的氣體。
[0029] 在本發(fā)明的低氮燃燒系統(tǒng)中,如果著火過程順利,則在燃料中添加少量水分即可 顯著提高燃燒效率,因?yàn)闅湓訚舛葘-H-0燃燒反應(yīng)體系的反應(yīng)進(jìn)程和反應(yīng)速率有決定 性影響,低揮發(fā)分煤種難以燃盡的主要原因是反應(yīng)體系中氫原子濃度過低,所以通過向煙 氣中補(bǔ)充氫元素,高溫條件下可以大幅度加快反應(yīng)速率。
[0030] 本發(fā)明起作用的化學(xué)反應(yīng)主要有三個(gè):
[0031] 第一,二氧化碳的還原反應(yīng),反應(yīng)物是殘?zhí)己投趸?,生成物是一氧化碳,其?用是將殘?zhí)嫁D(zhuǎn)變?yōu)橐谎趸迹?br>
[0032] 第二,水煤氣反應(yīng),反應(yīng)物是水蒸氣和殘?zhí)?,生成物是氫氣和一氧化碳,其作用?將殘?zhí)嫁D(zhuǎn)變?yōu)橐谎趸己蜌錃猓?br>
[0033] 第三,水氣變換反應(yīng),反應(yīng)物是水蒸氣和一氧化碳,生成物是氫氣和二氧化碳,其 作用是將一氧化碳變換為氫氣。
[0034] 以上三個(gè)反應(yīng)在1250°C以上的高溫環(huán)境中皆有極高的反應(yīng)速率,在爐膛常見的煙 氣氣氛中,這三個(gè)反應(yīng)所需的反應(yīng)時(shí)間皆小于100毫秒,最終產(chǎn)物的濃度平衡完全取決于 煙氣中的氫元素含量,只要?dú)湓睾孔銐蚋?,則殘?zhí)己鸵谎趸冀钥勺儞Q為容易燃盡的 氫氣,燃燒效率隨之升高,而氫氣對N0 X有極強(qiáng)的還原能力,所以只要在低氧環(huán)境中有足夠 的氫氣濃度,則煙氣中的N0X濃度可以大幅度下降。以上是以增氫為手段同時(shí)達(dá)到低氮和 高效燃燒的基本依據(jù)。
[0035] 以低氮燃燒為目標(biāo)時(shí),過渡區(qū)內(nèi)的反應(yīng)不宜在含有氧氣的氣氛中進(jìn)行,這是因?yàn)?氧氣必然會就地消耗氫氣,大幅度降低氫氣的壽命,削弱氫氣還原N0 X的能力,所以在爐膛 內(nèi)單獨(dú)設(shè)置一個(gè)無氧過渡區(qū)并在該區(qū)域增氫是必要的,該區(qū)域的煙氣停留時(shí)間至少需要 1〇〇毫秒。考慮到流場的不均勻性,則該區(qū)域的煙氣停留時(shí)間設(shè)計(jì)為200毫秒以上是合理 的。
[0036] 現(xiàn)有的空氣分級低氮燃燒技術(shù),副作用主要在于降低了一氧化碳和飛灰殘?zhí)嫉挠?效燃燒反應(yīng)的時(shí)間,燃燒效率隨之的下降。本發(fā)明中,通過兩次增氫,在燃盡區(qū)之前一氧化 碳和殘?zhí)家呀?jīng)被基本耗盡,剩余的氣相可燃組分主要是氫氣,需要的燃盡時(shí)間大幅度降低, 這對于低揮發(fā)份煤種特別重要。
[0037] 圖2為本發(fā)明低氮燃燒系統(tǒng)對應(yīng)的低氮燃燒方法的流程圖,如圖所示,本發(fā)明具 體包括如下步驟:
[0038] 步驟100,利用加濕器向二次風(fēng)總管提供水蒸氣;
[0039] 步驟101,利用二次風(fēng)總管,向主燃燒區(qū)導(dǎo)入水蒸氣;
[0040] 本發(fā)明設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的二次風(fēng)回路,在二次風(fēng)回路中對空氣增濕,濕分來自熱水 的蒸發(fā),蒸發(fā)過程的熱源來自熱水的顯熱。在火力發(fā)電廠中,循環(huán)冷卻水、鍋爐的沖灰水等 熱水水源極其豐富,所含的余熱占燃料燃燒熱的60%以上,但由于溫度較低,這部分余熱難 以回收利用而排放到大氣之中,空氣增濕系統(tǒng)取用這部分余熱的3%左右即可滿足加濕的 要求。
[0041] 步驟102,在主燃燒區(qū)中,利用水煤氣反應(yīng)和水氣變換反應(yīng)生成氫氣,然后利用氫 氣從氮氧化物中還原出氮?dú)猓?br>
[0042] 在主燃燒區(qū)中,可以接受的煙氣露點(diǎn)大約為50°C左右而不會對鍋爐受熱面帶來不 利影響,所以,空氣加濕的上限大約為空氣加濕到45°C的飽和空氣。設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)范中,取用 的空氣含濕量為0. 〇161kg/kg (或10. 6g/Nm3),加濕到45°C的飽和空氣時(shí),空氣攜濕量從 10. 6g/Nm3上升到78. 3g/Nm3,增加了 67. 7g/Nm3。對于燃用無煙煤的鍋爐,典型數(shù)據(jù)為:無 水無灰基氫元素含量2. 0%、無水無灰基低位發(fā)熱量在32MJ/kg、無水無灰基理論空氣量為 9. 0Nm3/kg、實(shí)際空氣量為11. 7Nm3/kg,則有:經(jīng)過空氣加濕之后,每燃用1千克無水無灰基 的無煙煤,爐膛煙氣中增加了 791克水蒸氣,則煙氣中的氫原子濃度高于燃用煙煤所產(chǎn)生 的煙氣。新增水蒸氣的質(zhì)量占煙氣總質(zhì)量的5%左右,可以有效改善煙氣的反應(yīng)性能。低氧 的主燃燒區(qū)(即下部爐膛)處于高溫的環(huán)境,N0 X還原、殘?zhí)細(xì)饣?、一氧化碳變換等三個(gè)反應(yīng) 過程皆得以強(qiáng)化。特別需要指出的是,上述空氣增濕系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),并未增加鍋爐的能耗,熱 水蒸發(fā)所需的熱量主要來自發(fā)電廠內(nèi)部無法利用的余熱。
[0043] 按照典型工況下的加濕量為67. 7g/Nm3計(jì)算,則有:新增水蒸氣的質(zhì)量大約占煙 氣總質(zhì)量的5%,絕熱火焰溫度大約會下降80°C,煙氣中的三原子氣體的濃度有顯著升高, 輻射換熱量增加,其結(jié)果是爐膛溫度大約會下降KKTC左右,所以空氣加濕后,需要對爐膛 受熱面進(jìn)行調(diào)整,衛(wèi)燃帶大約需要增加6%左右的面積。煙氣流量的增加,還會使得排煙熱 損失增加,鍋爐熱效率將因此降低約〇. 036%,這是空氣增濕所付出的代價(jià),但是與飛灰含 碳量下降相比,排煙熱損失的增加量可以忽略不計(jì):飛灰含碳量每下降1%,鍋爐熱效率可 增加0.2, 一般而言,通過空氣增濕可以將無煙煤的飛灰含碳量降低3%以上,鍋爐效率可 以提高0. 6 %左右,而支付的代價(jià)僅僅是排煙熱損失增加0. 036%,綜合而言,空氣增濕可 以提高無煙煤鍋爐的熱效率〇. 5%以上。
[0044] 步驟103,從二次增氫噴口向過渡區(qū)噴射二次增氫介質(zhì);
[0045] 具體的,從二次增氫噴口向過渡區(qū)噴射過熱蒸汽與超細(xì)煤粉的混合物,超細(xì)煤粉 濃度在〇?〇. 5kg/kg之間,噴二次增氫噴口的出口流速不小于60m/s。
[0046] 步驟104,在過渡區(qū)中,利用二氧化碳的還原反應(yīng)和水煤氣反應(yīng)再次生成氫氣,然 后再次利用氫氣從氮氧化物中還原出氮?dú)狻?br>
[0047] 具體的,燃盡區(qū)具有燃盡風(fēng)噴口,二次增氫噴口和燃盡風(fēng)噴口之間的距離滿足步 驟S4中的二氧化碳的還原反應(yīng)和水煤氣反應(yīng)。
[0048] 因?yàn)樵O(shè)置了二次增氫噴口,二次增氫噴口與燃盡風(fēng)噴口之間應(yīng)當(dāng)有足夠大的間 距,至少保證上述兩組噴口之間有足夠的煙氣停留時(shí)間。二次增氫的射流介質(zhì)為過熱蒸氣 與超細(xì)煤粉的混合物,煤粉濃度在〇?〇. 5kg/kg之間可調(diào),噴口出口流速不低于60m/s。蒸 汽汽源取自汽輪機(jī)的低壓級抽汽,抽汽量占汽輪機(jī)總流量的〇. 5%左右,節(jié)流后成為過熱蒸 汽;超細(xì)煤粉取自乏氣(中間倉儲式制粉系統(tǒng))或一次風(fēng)(直吹式制粉系統(tǒng)),所用的超細(xì) 煤粉占總煤耗的1%左右。
[0049] 該低氮燃燒方法在某電廠W火焰煤粉爐(300MW火電機(jī)組)上的實(shí)際使用表明,燃 用無煙煤時(shí),煙氣中N0 X的濃度下降了 50%以上,飛灰含碳量下降了 3個(gè)百分點(diǎn)以上,能夠 同時(shí)達(dá)到提高燃燒效率和降低N0X的效果。
[0050] 本發(fā)明低氮燃燒系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)質(zhì)區(qū)別在于:利用對參與燃燒的空氣進(jìn)行加 濕的方法在下部爐膛中完成對煙氣的增氫,在過渡區(qū)內(nèi)注入以過熱蒸汽與超細(xì)煤粉混合物 為介質(zhì)的射流,實(shí)現(xiàn)對煙氣的二次增氫。通過對煙氣進(jìn)行兩次增氫,同時(shí)實(shí)現(xiàn)N0X還原、殘 碳?xì)饣⒁谎趸甲儞Q等三個(gè)過程,達(dá)成低揮發(fā)分煤種低氮高效燃燒的技術(shù)目標(biāo)。
[0051] 以上所述的【具體實(shí)施方式】,對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步 詳細(xì)說明,所應(yīng)理解的是,以上所述僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】而已,并不用于限定本發(fā)明 的保護(hù)范圍,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種低氮燃燒系統(tǒng),其特征在于,所述系統(tǒng)包括: 加濕器,用于提供水蒸氣; 二次風(fēng)總管,與所述加濕器相導(dǎo)通,用于引導(dǎo)所述加濕器中的水蒸氣; 主燃燒區(qū),與所述二次風(fēng)總管相導(dǎo)通,將所述水蒸氣導(dǎo)入所述主燃燒區(qū),使得在所述主 燃燒區(qū)中利用水煤氣反應(yīng)和水氣變換反應(yīng)生成氫氣,利用氫氣從氮氧化物中還原出氮?dú)猓? 過渡區(qū),與所述主燃燒區(qū)相導(dǎo)通,并且與所述主燃燒區(qū)的連接部具有二次增氫噴口, 用于向所述過渡區(qū)噴射二次增氫介質(zhì),利用二氧化碳的還原反應(yīng)和水煤氣反應(yīng)再次生成氫 氣,再次利用氫氣從氮氧化物中還原出氮?dú)猓? 燃盡區(qū),與所述過渡區(qū)相導(dǎo)通,用于排出所述過渡區(qū)生成的氣體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于,所述加濕器具有熱水入口,用于注入熱 水。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于,所述加濕器具有熱水排放口,用于排放無 用的熱水。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于,所述二次增氫介質(zhì)為過熱蒸汽與超細(xì)煤 粉的混合物。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng),其特征在于,所述超細(xì)煤粉濃度在0?0. 5kg/kg之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于,所述二次增氫噴口的出口流速不小于 60m/s。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于,所述系統(tǒng)具有燃盡風(fēng)噴口。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于,所述二次增氫噴口和燃盡風(fēng)噴口之間的 距離滿足過渡區(qū)中的二氧化碳的還原反應(yīng)和水煤氣反應(yīng)。
【文檔編號】F23L7/00GK104089279SQ201410323416
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】張家安, 劉心志, 張后雷, 譚光偉, 梁志偉, 李潤林 申請人:北京科電瑞通科技股份有限公司