專利名稱：多級還原風(fēng)控制大容量燃煤鍋爐NOx排放的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鍋爐技術(shù)領(lǐng)域的N0x排放方法，尤其是涉及到一種多級還原 風(fēng)控制大容量燃煤鍋爐NOx排放的方法。
技術(shù)背景氮氧化物(N0x，包括N0、 N02、 N20)是一類能造成大氣環(huán)境嚴(yán)重污染的氣 體，被認(rèn)為是大氣污染的主要來源之一。每年在世界范圍因燃燒化石燃料而排放 的氮氧化物在所有氮氧化物排放中占有很大的比例。日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)要求研 究開發(fā)先進(jìn)的燃燒技術(shù)，以減少NOx等污染物的排放。目前我國的能源構(gòu)成的最 大特點是以煤炭為主，占70%以上，這將產(chǎn)生大量的氮氧化物氣體，因此這樣 的能源結(jié)構(gòu)對經(jīng)濟(jì)高效增長及生態(tài)環(huán)境都會產(chǎn)生負(fù)面影響。目前己有的控制常規(guī) 燃煤電站鍋爐NOx排放的技術(shù)措施可分為低NOx燃燒技術(shù)和煙氣凈化技術(shù)兩類。 煙氣凈化技術(shù)是通過脫除煙氣中NOx來降低NOx的最終排放量。國外火電廠NOx 減排主要通過先進(jìn)的運行操作方式、低NOx燃燒技術(shù)與尾部煙氣脫硝技術(shù)來實 現(xiàn)。尾部煙氣脫硝技術(shù)比較徹底，但其投資與運行維護(hù)費用昂貴。先進(jìn)低NOx燃 燒技術(shù)可降低排放濃度到450 650 mg/Nm3以下，而且隨著爐內(nèi)NOx生成量的減 少，也會降低尾部脫硝裝置的運行成本。低NOx燃燒技術(shù)的核心之一是分級燃燒 技術(shù)，包括空氣分級和燃料分級兩種，燃料分級技術(shù)又稱為燃料再燃(還原NO) 技術(shù)。國內(nèi)外煤粉鍋爐采用最廣泛、技術(shù)最為成熟的主流低NOx燃燒技術(shù)是空氣 分級技術(shù)，它在我國的電站鍋爐已得到普遍采用。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，《低氮氧化物燃燒技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r》(畢玉森， 熱力發(fā)電，2000年02期)詳細(xì)介紹了 ABB-CE公司開發(fā)的四角切圓爐膛整體空 氣分級直流燃燒器、同軸燃燒系統(tǒng)(CFS I 、 CFSII)以及兩者組合形式一低NOx同 軸燃燒系統(tǒng)。爐膛整體空氣分級是將燃燒所需的空氣量分成兩級送入，第一級燃 燒區(qū)中為燃燒器提供的空氣占煤粉完全燃燒所需要量的60%至90%，燃料先在 缺氧的富燃料條件下燃燒。在二級燃燒區(qū)內(nèi)，將燃燒用的空氣的剩余部分以二次 空氣(燃盡風(fēng))輸入，成為富氧燃燒區(qū)。在一、二級燃燒區(qū)的中間是氧濃度接近零的具有還原性氣氛的還原區(qū)，這一區(qū)域的還原介質(zhì)對于還原已經(jīng)生成的N0x作 用很明顯。爐內(nèi)整體空氣分級技術(shù)可使N0x生成量降低30X—75X，空氣分級 的程度越大，即燃盡風(fēng)所占的份額越大，NOx減排的程度越大。但是該技術(shù)存在 的不足也顯而易見，隨著空氣分級的程度加大，主燃區(qū)和還原區(qū)欠氧程度也加大， 尤其是還原區(qū)的氧濃度更會接近零，在水冷壁面附近可能更低，形成大片的還原 性氣氛區(qū)域，這樣還原區(qū)域的水冷壁出現(xiàn)結(jié)渣和高溫腐蝕幾率會大大增加。同時 還原與燃盡過程相對分開，煤粉后期燃盡程度受到空氣分級程度影響較大，分級 程度越大，飛灰含碳量會增大。技術(shù)不足引起的這些爐內(nèi)負(fù)面問題都會嚴(yán)重影響 鍋爐的經(jīng)濟(jì)安全運行。對現(xiàn)役的空氣分級燃燒的鍋爐來說，如何進(jìn)行簡單方便的 改造來進(jìn)一步減排NOx也是亟待解決的。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提出了一種多級還原風(fēng)控制大容量燃煤 鍋爐NOx排放的方法，使其在完全繼承了傳統(tǒng)的空氣分級燃燒技術(shù)優(yōu)點的基礎(chǔ) 上，在還原區(qū)域增加多級空氣噴口，具有能實現(xiàn)進(jìn)一步更大程度降低氮氧化物排 放，同時保護(hù)水冷壁避免結(jié)渣、高溫腐蝕，降低因分級帶來的飛灰含碳量增大等 優(yōu)點。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明在爐膛下部的主燃燒器區(qū)與爐膛 上部的燃燼風(fēng)噴口之間的還原區(qū)域，沿程布置若干層系列還原風(fēng)空氣噴口，這些 系列噴口噴出的空氣為鍋爐入爐總空氣量的13% 20%之間，并被分成兩部分， 一部分用來精確控制還原區(qū)域煙氣中氧濃度來減排氮氧化物，一部分用來保護(hù)還 原區(qū)域的水冷壁，使水冷壁周圍具有氧化氣氛來避免結(jié)渣、高溫腐蝕。同一層的 系列噴口根據(jù)這兩種作用分為兩種噴口控制噴口和保護(hù)噴口。所述若干層系列還原風(fēng)空氣噴口的層數(shù)根據(jù)鍋爐的還原區(qū)域的高度確定?？刂七€原區(qū)域的空氣通過控制噴口被逐級地射入到氧濃度接近零的還原區(qū) 域。己有研究表明，煙氣中一定濃度02的存在會明顯強(qiáng)化還原區(qū)煤焦與N0x的還 原反應(yīng)程度和大大提高還原反應(yīng)速率。因此這個區(qū)域存在微量的氧氣，會使得煤 粉燃燒后形成的焦炭和己經(jīng)生成的氮氧化物之間的異相還原作用大大增強(qiáng)，會在 原有的空氣分級的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的有效的減排氮氧化物。同時添加氧氣使煤焦對 NOx還原與自身燃盡同步進(jìn)行，非常利于煤焦后期燃盡。因此，還原區(qū)域系列噴 口定義為還原風(fēng)噴口，送入爐內(nèi)空氣稱為還原風(fēng)。在設(shè)計這些系列噴口的位置、形狀、噴出空氣量時，要考慮到不同的煤種、鍋爐爐膛的設(shè)計、燃燒器的類型等 等諸多影響限制燃燒和還原作用因素。設(shè)計的原則是1. 控制噴口噴入空氣量為鍋爐設(shè)計的總空氣量的8% 15%之間；2. 系列控制噴口中最上層的噴口和最下層燃盡風(fēng)噴口之間的距離~主燃燒器最上層噴口與最下層燃盡風(fēng)噴口之間的距離 >0'1;3. 系列控制噴口中最下層的噴口和主燃燒器最上層噴口之間的距離主燃燒器最上層噴口與最下層燃盡風(fēng)噴口之間的距離 >(U4. 控制噴口噴入的空氣量是上、下兩端噴口少，中間噴口多。噴入速度為 20 65米/秒，必須保證有足夠的穿透力；5. 控制噴口的形狀為扁平狀，能保證噴出的空氣與爐膛軸線垂直的平面上平 鋪開來。保護(hù)還原區(qū)域的水冷壁的空氣通過保護(hù)噴口被噴入到貼著鍋爐水冷壁的區(qū) 域。這部分的空氣主要作用是貼著水冷壁，使之形成非常薄的氧化性氣幕。這部分空氣與鍋爐原有的貼壁風(fēng)相配合，進(jìn)一步來保護(hù)水冷壁。設(shè)計的原則是1. 保護(hù)噴口噴入空氣量為鍋爐設(shè)計的總空氣量的5% 10%。2. 保護(hù)噴口噴入的空氣量應(yīng)上下均勻。噴入速度應(yīng)該為20 65米/秒，必須 保證有足夠的剛性，保證有不被其它氣流攜帶的能力。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可在目前燃用煙煤和貧煤爐內(nèi)整體空氣分級技術(shù)控 制N0x效果250 650mg/m3(煙氣氧濃度6%時)基礎(chǔ)上，實現(xiàn)NOx超低排放，使NOx 生成量降低10 40%左右。完全消除爐內(nèi)整體空氣分級技術(shù)帶來的爐內(nèi)負(fù)面問 題，飛灰可燃物含量不會增加。同時增加空氣分級程度針對不同煤種和負(fù)荷變化 的運行調(diào)節(jié)性能。附說明

圖1為本發(fā)明多級還原風(fēng)控制大容量燃煤鍋爐NOx排放方法的應(yīng)用示意圖。圖2為本發(fā)明還原區(qū)系列噴口射流組織示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本實施例的多級還原風(fēng)控制大容量燃煤鍋爐NOx排放方法原理圖，它包含主燃燒器組、燃盡風(fēng)噴口組、還原風(fēng)系列噴口組。主燃燒器組由多層 一、二次風(fēng)噴口相間組成，噴口布置形式與通常四角切圓燃燒系統(tǒng)相同。根據(jù)煤 粉燃燒區(qū)域特點爐膛被劃分為主燃區(qū)、還原區(qū)和燃盡區(qū)。如圖2所示，為還原區(qū)系列噴口射流組織示意圖，它表示還原區(qū)系列噴口某 層噴口所在爐膛水平截面上的射流組織情況，噴口布置在鍋爐四角上，每個角氣 流按兩條射流軸線射入爐膛， 一條射流軸線在爐膛中心處相切于一假想切圓，另 一條射流軸線平行于其下游爐膛壁面。形成這樣兩條射流的噴口帶導(dǎo)流葉片結(jié) 構(gòu)，噴口形成的射流分為上下兩層。本實施例適應(yīng)于火電廠四角切圓燃煤鍋爐，沿爐膛高度方向，根據(jù)煤粉燃燒 區(qū)域特點爐膛被劃分為主燃區(qū)、還原區(qū)和燃盡區(qū)。在主燃區(qū)由多層一、二次風(fēng)噴 口相間組成主燃燒器組，布置在爐膛四角上，噴口結(jié)構(gòu)和布置形式與通常四角切 圓燃燒系統(tǒng)相同，各次風(fēng)射流軸線切于以爐膛中心為圓心的圓，實際流動將在爐 內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)氣流。主燃區(qū)采用煤粉燃燒器，可以形成穩(wěn)定燃燒。生成的大量焦炭進(jìn)入02濃度極 低的還原區(qū)，在還原區(qū)氣態(tài)還原性介質(zhì)和焦炭等與煙氣中NOx進(jìn)行還原反應(yīng)，降 低N0x最終排放濃度。隨著空氣分級程度加大，主燃區(qū)空氣過量空氣系數(shù)不斷減 小，還原區(qū)中還原性氣氛更強(qiáng)，對N0x還原效果越好。但同時，在此還原性區(qū)域 飛灰熔點會較大程度降低，焦炭中未燃盡碳份額更大，這是形成易結(jié)渣的重要因 素。由于四角切圓燃燒系統(tǒng)在爐內(nèi)形成整體旋轉(zhuǎn)燃燒氣流，氣流中大量飛灰或焦 炭等固體顆粒在離心力和煙氣燃燒膨脹作用下會在旋轉(zhuǎn)煙氣螺旋上升過程中逐 漸運動到水冷壁面附近，因此一旦飛灰和焦炭貼向還原區(qū)水冷壁，水冷壁附近氣 氛中氧含量將基本為0，呈強(qiáng)還原性，必然導(dǎo)致壁面結(jié)渣和高溫腐蝕，影響鍋爐 水冷壁傳熱和安全運行。為解決還原區(qū)存在的結(jié)渣和高溫腐蝕問題，可以從上述 兩方面著手，即一是增加還原區(qū)煙氣中氧濃度以此提高飛灰熔點，二是在水冷壁 面形成一層較高氧濃度的貼壁氣流來阻止飛灰等顆粒貼壁和形成壁面附近較高 氧濃度氣氛。故提出在還原區(qū)送入空氣的技術(shù)措施達(dá)到防結(jié)渣等目的。由于這部 分空氣是在還原區(qū)送入，故稱為還原風(fēng)，當(dāng)然還原風(fēng)還有另一層重要的理論意義 和技術(shù)作用，即起N0x還原作用的空氣一還原風(fēng)的量在適當(dāng)和維持還原區(qū)一定的 氧濃度條件下，在還原區(qū)將不參與燃燒，會起到強(qiáng)化煤焦還原NOx的作用，達(dá)到 更低的N0x排放控制效果。還原風(fēng)噴口噴出的空氣量為鍋爐入爐總空氣量的13% 20%之間，保證還原區(qū)煙氣中平均02濃度不應(yīng)超過5%。還原風(fēng)系列噴口分為兩種噴口控制噴口和保護(hù)噴口?？刂茋娍谒腿胍徊糠?還原風(fēng)用以增加還原區(qū)煙氣中氧濃度，控制噴口噴入空氣量為鍋爐設(shè)計的總空氣 量的8% 15%之間。它可采取與主燃燒器的切圓相同的旋向的切圓或相反方向的切圓，而且系列噴口中的控制噴口形成的控制切圓要比主燃燒區(qū)燃燒器區(qū)噴口設(shè) 計的假想切圓直徑要小，這樣可以在氧濃度較低的還原區(qū)的軸線區(qū)域形成一個控 制區(qū)域。保護(hù)噴口送入另一部分還原風(fēng)用以在水冷壁面形成一層較高氧濃度的貼 壁氣流來阻止飛灰等顆粒貼壁和形成壁面附近較高氧濃度，保護(hù)噴口噴入空氣量為鍋爐設(shè)計的總空氣量的5% 10%。它的噴出方向與下游壁面形成夾角，角度為 0 15° ，保證還原風(fēng)氣流在主旋氣流推動下貼向壁面而保護(hù)壁面。本實施例中，還原風(fēng)分成多層噴入，還原風(fēng)由主燃區(qū)二次風(fēng)箱直接或通過增 壓風(fēng)機(jī)增壓后提供，還原風(fēng)應(yīng)是高速射流，噴入速度為20 65米/秒，噴入后要 有足夠的貫穿力來保證盡量充盈還原區(qū)中煤焦富集且(V濃度接近零的區(qū)域。實際 的還原風(fēng)量的調(diào)節(jié)可以根據(jù)運行條件來進(jìn)行優(yōu)化。燃盡區(qū)布置有多層燃盡風(fēng)噴口，多層燃盡風(fēng)噴口組成列狀，可以布置在爐膛 四角上，也可布置在爐膛四面墻上。燃盡風(fēng)實現(xiàn)分級燃燒，在此區(qū)域?qū)χ魅紵齾^(qū) 未完全燃燒產(chǎn)物進(jìn)行燃盡。燃盡風(fēng)由主燃區(qū)二次風(fēng)箱直接或通過增壓風(fēng)機(jī)增壓后 提供，燃盡風(fēng)要保證較高射流速度，噴入后要有足夠的貫穿力來加強(qiáng)爐膛中心區(qū) 域煙氣與燃盡風(fēng)的有效混合。本發(fā)明中采用在還原區(qū)布量還原風(fēng)系列噴口保證煙氣中一定的02濃度，在水冷壁面形成一層較高氧濃度的貼壁氣流來阻止飛灰等顆粒貼壁和形成壁面附近 較高氧濃度氣氛，解決空氣分級程度加大后還原區(qū)水冷壁更易凸現(xiàn)的結(jié)渣和高溫 腐蝕問題。同時還原區(qū)氧參與還原NOx，強(qiáng)化煤焦對N0x還原效果，N0x還原區(qū) 中煤焦對NOx還原與自身燃盡同步進(jìn)行，利于煤焦后期燃盡。在燃盡區(qū)布置多層 燃盡風(fēng)噴口，燃盡風(fēng)實現(xiàn)分級燃燒，在燃盡區(qū)對主燃燒區(qū)未完全燃燒產(chǎn)物進(jìn)行燃 盡。多級還原風(fēng)控制大容量燃煤鍋爐N0x排放方法可以解決進(jìn)一步加大空氣分級 程度帶來的上述結(jié)渣等負(fù)面問題，實現(xiàn)NOx超低排放，同時又能兼顧防止結(jié)渣、 保證高燃燒效率等特點，是解決燃煤高效燃燒、超低NOx排放的綜合燃燒技術(shù)。
權(quán)利要求
1、一種多級還原風(fēng)控制大容量燃煤鍋爐NOx排放的方法，其特征在于，在爐膛下部的主燃燒器區(qū)與爐膛上部的燃燼風(fēng)噴口之間的還原區(qū)域，沿程布置若干層系列還原風(fēng)空氣噴口，這些系列噴口噴出的空氣為鍋爐燃煤量燃燒所需要總空氣量的13％～20％，并被分成兩部分，一部分用來控制還原區(qū)域煙氣中氧濃度來減排氮氧化物，此部分噴口稱為控制噴口，一部分用來保護(hù)還原區(qū)域的水冷壁，此部分噴口稱為保護(hù)噴口，使水冷壁周圍具有氧化氣氛來避免結(jié)渣、高溫腐蝕。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級還原風(fēng)控制大容量燃煤鍋爐N0x排放的方法， 其特征是，所述控制還原區(qū)域的空氣通過控制噴口被逐級地射入到氧濃度接近零 的還原區(qū)域，控制噴口噴出的風(fēng)量的分配為兩端小、中間大的原則。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多級還原風(fēng)控制大容量燃煤鍋爐N0x排放的 方法，其特征是，所述控制噴口噴出的風(fēng)量為鍋爐燃燒所需要的空氣量的8% 15%。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多級還原風(fēng)控制大容量燃煤鍋爐N0x排放的 方法，其特征是，所述控制噴口中最上層的噴口和最下層燃盡風(fēng)噴口之間的距離， 與主燃燒器最上層噴口與最下層燃盡風(fēng)噴口之間的距離比>0. 1 。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多級還原風(fēng)控制大容量燃煤鍋爐N0x排放的 方法，其特征是，所述控制噴口中最下層的噴口和主燃燒器最上層噴口之間的距 離，與主燃燒器最上層噴口與最下層燃盡風(fēng)噴口之間的距離之比〉0. 1。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多級還原風(fēng)控制大容量燃煤鍋爐NOx排放的 方法，其特征是，所述控制噴口噴出空氣的速度為20米/秒 65米/秒。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多級還原風(fēng)控制大容量燃煤鍋爐N(k排放的 方法，其特征是，所述控制噴口的形狀為扁平狀，噴出的空氣在與爐膛軸線垂直 的平面上平鋪開來。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級還原風(fēng)控制大容量燃煤鍋爐NOx排放的方法， 其特征是，所述保護(hù)噴口噴出的風(fēng)量為鍋爐燃燒所需要總空氣量的5% 10%，這 部分的空氣貼著水冷壁射流，形成非常薄的氧化性氣幕。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的多級還原風(fēng)控制大容量燃煤鍋爐NOx排放的方法，其特征是，所述保護(hù)噴口噴入的空氣量上下均勻，噴入速度為20米/秒 65米/秒。
10、根據(jù)權(quán)利要求1或2或8所述的多級還原風(fēng)控制大容量燃煤鍋爐NOx排 放的方法，其特征是，所述噴口布置在鍋爐四角上，每個角氣流按兩條射流軸線 射入爐膛， 一條射流軸線在爐膛中心處相切于一假想切圓，另一條射流軸線平行 于其下游爐膛壁面，形成這樣兩條射流的噴口帶導(dǎo)流葉片結(jié)構(gòu)，噴口形成的射流 分為上下兩層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域的多級還原風(fēng)控制大容量燃煤鍋爐NOx排放的方法，在爐膛下部的主燃燒器區(qū)與爐膛上部的燃燼風(fēng)噴口之間的還原區(qū)域，沿程布置若干層系列還原風(fēng)空氣噴口，這些系列噴口噴出的空氣等于鍋爐燃煤量燃燒所需要總空氣量的13％～20％，并被分成兩部分，一部分用來控制還原區(qū)域煙氣中氧濃度來減排氮氧化物，此部分噴口稱為控制噴口，一部分用來保護(hù)還原區(qū)域的水冷壁，此部分噴口稱為保護(hù)噴口，使水冷壁周圍具有氧化氣氛來避免結(jié)渣、高溫腐蝕。本發(fā)明能實現(xiàn)進(jìn)一步加大空氣分級程度，更大程度降低氮氧化物排放，保護(hù)還原區(qū)水冷壁避免結(jié)渣、高溫腐蝕，降低因分級帶來的飛灰含碳量增大等優(yōu)點。
文檔編號F23L9/00GK101245919SQ20081003273
公開日2008年8月20日 申請日期2008年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月17日
發(fā)明者吳乃新, 姚丹花, 張建文, 沈引根, 范衛(wèi)東, 高子瑜 申請人:上海交通大學(xué);上海鍋爐廠有限公司