CN102003701B - 基于火下风和燃尽风的低NOx煤粉燃烧方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃煤工业锅炉的燃烧改进技术，旨在提供一种基于火下风和燃尽风的低NOx煤粉燃烧方法和装置。该方法包括将部分燃烧所需空气分两股自锅炉冷灰斗喷入炉膛，与斜向下喷入的主燃料射流强烈混合，充分利用冷灰斗的空间延长烟气停留时间，燃料在低温氧化区燃烧，抑制挥发分向氮氧化物的转化。上层燃料斜向上喷入形成还原区，将以生成的氮氧化物还原为N2，降低氮氧化物排放量。本发明还提供了实现该方法的锅炉装置。本发明可在基本不影响锅炉原来燃烧状况的条件下，有效地降低氮氧化物的排放，且易于对现有锅炉进行改造。
Description
技术领域
本发明涉及燃煤工业锅炉的燃烧改进技术，尤其涉及一种基于火下风和燃尽风的低NOx煤粉燃烧方法，及其实现该方法的装置。
背景技术
氮氧化物NOx(NO、NO2、N2O)是造成大气污染的主要污染源之一。NO可破坏人体血红蛋白造成缺氧，还具有致癌作用，它与平流层中的臭氧发生反应破坏臭氧层，也可被氧气缓慢氧化为NO2；NO、NO2是酸性污染物，除引起酸雨酸雾外，还能与碳氢化合物在近地大气层在光的作用下产生对人体和环境危害更大的光化学烟雾。化石燃料的燃烧是氮氧化物的重要来源之一。我国的能源结构组成中70％为煤炭，煤炭的燃烧将产生大量的NOx。日益严格的环保法规要求研究开发先进NOx减排技术控制NOx排放源尤其是燃煤工业锅炉的NOx排放量。
现行的低NOx排放控制技术主要可分为两类：低NOx燃烧技术和烟气脱硝技术。低NOx燃烧技术的原理基本相同：都是通过燃料或者空气的分级实现NOx的控制。目前国内采用的分级燃烧一般会使燃烧火焰拉长，导致飞灰含碳量超标，使锅炉经济性下降，甚至造成电厂飞灰资源化利用困难而带来飞灰的堆放问题。对于新建电厂，可以在设计时增大炉膛高度，延长煤粉颗粒在炉内的停留时间来解决上述问题，而且炉膛容积增大也有利于NOx的控制。但是扩大炉膛容积必然增加锅炉制造成本。烟气脱硝技术主要应用包括选择性催化还原(SCR)和选择性非催化还原(SNCR)。SCR技术虽然技术成熟，脱硝效率可达90％以上，但其缺点是占地大、系统复杂、初投资大、运行成本过高，且存在氨逃逸问题，不适合中国国情。SNCR技术虽然初投资低、工艺简单，但它最大的缺陷就是脱硝率仅有30％～50％，且它和SCR技术一样存在氨逃逸引起二次污染的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于火下风和燃尽风的低NOx煤粉燃烧方法和装置，从而通过直接利用锅炉燃用煤粉，在不影响锅炉原有燃烧效率、锅炉性能、不增大炉膛容积的前提下，实现电站锅炉的超低NOx排放，同时保证飞灰含碳量不增大。
本发明为解决上述技术问题，所提供的技术方案包括：
提供一种基于火下风和燃尽风的低NOx煤粉燃烧方法：锅炉炉膛中从下往上依次为低温氧化区、着火初期的还原区、后期还原区和燃尽区；
将作为燃料的煤粉按占全部燃料发热量比例，分为占70％～80％的主燃料和20％～30％的上层燃料；其中，主燃料斜向下喷入着火初期的还原区(燃料在还原性气氛下热解，抑制了挥发分NOx的形成)，上层燃料斜向上喷入后期还原区，在过量空气系数α小于1的条件下形成还原性气氛还原已生成的NOx；后期还原区中过量空气系数小于1，二次风进入燃尽区；
将燃料燃烧所需空气量按占风量分为占20％～40％的火下风和20％～30％的燃尽风，余量为二次风及输送煤粉的一次风；其中火下风分为两股，分别自锅炉的冷灰斗斜坡和冷灰斗上部喷入炉膛，在低温氧化区形成两个垂直对称旋涡，该区域中过量空气系数为1.0～1.1；(此时，火下风与燃料射流强烈混合，降低了燃烧温度，控制主燃料燃烧过程NOx的形成，且将锅炉冷灰斗的空间加以充分利用，延长了煤粉在炉内的停留时间。)燃尽风在上层燃料喷出位置的上端喷入，促使煤粉燃烧后的剩余焦炭燃尽。
本发明中，所述上层燃料喷入炉内时，其喷口处的温度在1200～1600℃范围内。
本发明中，为了提高氮氧化物(NOx)的脱除率，后期还原区内的过量空气系数α为0.8～1.0，停留时间不少于0.4s；为了保证焦炭的燃尽率，燃尽区的过量空气系数α为1.15～1.25，停留时间不少于1s。
进一步地，本发明还提供了用于实现前述方法的装置，包括锅炉炉体和安装在炉体内的冷灰斗、燃烧器，根据燃料的燃烧情况将炉膛从下往上依次分为低温氧化区、着火初期的还原区、后期还原区和燃尽区四个区域；所述燃烧器包括从下至上依次分层布置的各喷口：1～2个火下风喷口、2～3个主燃料喷口、1～2个上层燃料喷口、3～4个二次风喷口和1～2个燃尽风喷口；其中，火下风喷口的安装角度为上倾0～30°，主燃料喷口的安装角度为下倾0～30°，上层燃料喷口的安装角度为上倾0～30°，燃尽风喷口的安装角度为下倾0°～30°；所述安装角度上倾或下倾均指喷口的中心线与水平线之间的夹角。各喷口高度则根据锅炉炉膛实际情况，按照惯常方式进行合理布置即可。其中，火下风喷口位于冷灰斗的斜坡或上部，主燃料喷口位于着火初期的还原区，上层燃料喷口位于后期还原区，二次风喷口位于燃尽区，燃尽风喷口位于上层燃料喷口的上端。
在上述技术方案中，所述主燃料和上层燃料均为煤粉，无需经过特别的加工处理，或采用其他的燃料。
本发明与现有技术比较所具有的优点是：
1、直接利用锅炉燃煤，在基本不影响锅炉燃烧的条件下，可将NOx排放量降低到400mg/Nm3以下。
2、使用该技术对切圆燃烧工业锅炉进行改造，飞灰含碳量不高于14％。
3、易于对现有锅炉进行改造，无需增大炉膛容积，仅需要改造燃烧器，在锅炉冷灰斗处引入部分二次风，将锅炉冷灰斗的空间加以充分利用，延长了煤粉在炉内的停留时间，并将现有燃烧器喷口角度做出相应的调整，即可实现相应的环保要求，对于现运行燃烟煤、褐煤锅炉基本都很适用。
4、该项技术在实施上方便易行，运行可靠且不增加运行操作量。
附图说明
图1是本发明的技术原理图。
图中的附图标记为：低温氧化区1、着火初期的还原区2、后期还原区3、燃尽区4、火下风射流5、主燃料射流6、上层燃料射流7、燃尽风射流8和冷灰斗9。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
基于火下风和燃尽风的低NOx煤粉燃烧方法在电站工业锅炉主燃烧器上实施，如图1所示。改进后的锅炉把炉膛从下往上依此分为低温氧化区1、着火初期的还原区2、后期还原区3和燃尽区4四部分。
应用过程中，采取如下的降低氮氧化物的方法：
(1)占全部燃料发热量70％～80％的主燃料6斜向下喷入炉膛，燃料在着火初期还原区2的还原性气氛下热解，抑制了挥发分NOx的形成；
(2)将20％～40％的热风作为火下风，分两股分别自锅炉冷灰斗9斜坡和冷灰斗9上部喷入炉膛，在冷灰斗9区域形成两个垂直对称旋涡，在过量空气系数为1.0～1.1的条件下，火下风5与主燃料射流6强烈混合，降低了燃烧温度，控制主燃料燃烧过程NOx的形成，且将锅炉冷灰斗9的空间加以充分利用，延长了煤粉在炉内的停留时间；
(3)将其余20％～30％的燃料作为上层燃料7斜向上喷入炉膛在过量空气系数α小于1的条件下形成还原性区3，将已生成的NOx还原为N2；
(4)在燃尽区4加入燃尽风射流8，过量空气系数恢复到正常值1.15～1.25，使未完全燃烧产物充分燃烧，以保证燃尽效果。
本发明的方法及装置实际应用后，不仅可以有效的降低氮氧化物排放40～60％，易于操作及控制，不增加运行操作量。而且对现有锅炉仅需适当改造或加装必要的喷嘴、喷口，几乎无额外的运行成本，因此该方法及其装置具有广泛的应用推广价值。
在本发明的一个具体实施例中，占全部燃料发热量比例：主燃料为80％，上层燃料为20％，上层燃料射流7喷口距离主燃料射流6喷口上方1.0m高处喷入，燃尽风射流8在上层燃料射流7喷口上方2.4m处从四面炉墙中心喷入炉膛；后期还原区3以下区域的过量空气系数α为1.05，后期还原区3的过量空气系数为0.8；上层燃料射流7喷口处的温度为1350℃，上层燃料在后期还原区3内的停留时间为0.5s；NOx排放量由空白试验的670mg/m3降至344mg/m3，NOx脱除率达48％，飞灰含碳量为11％。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本发明可用其它的不违背本发明的精神和主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述事实方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明，权利要求书指出了本发明的范围，而上述的说明并未指出本发明的范围，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。
Claims (5)
1.基于火下风和燃尽风的低NOx煤粉燃烧方法，其特征在于：
锅炉炉膛中从下往上依次为低温氧化区、着火初期的还原区、后期还原区和燃尽区；
将作为燃料的煤粉按占全部燃料发热量比例，分为占70％～80％的主燃料和占20％～30％的上层燃料；其中，主燃料斜向下喷入着火初期的还原区，上层燃料斜向上喷入后期还原区；后期还原区中过量空气系数小于1，二次风进入燃尽区；
将燃料燃烧所需空气量按占风量分为占20％～40％的火下风和20％～30％的燃尽风，余量为二次风及输送煤粉的一次风；其中火下风分为两股，自锅炉的冷灰斗斜坡喷入炉膛，在低温氧化区形成两个垂直对称旋涡，该区域中过量空气系数为1.0～1.1；燃尽风在上层燃料喷出位置的上端喷入，促使煤粉燃烧后的剩余焦炭燃尽。
2.根据权利要求1所述基于火下风和燃尽风的低NOx煤粉燃烧方法，其特征在于：所述上层燃料喷入炉内时，其喷口处的温度在1200℃～1600℃范围内。
3.根据权利要求1所述基于火下风和燃尽风的低NOx煤粉燃烧方法，其特征在于：所述后期还原区内的过量空气系数α为0.8～1.0，停留时间不少于0.4s。
4.根据权利要求1所述基于火下风和燃尽风的低NOx煤粉燃烧方法，其特征在于：所述燃尽区的过量空气系数α为1.15～1.25，停留时间不少于1s。
5.一种用于实现权利要求1所述方法的装置，包括锅炉炉体和安装在炉体内的冷灰斗、燃烧器，其特征在于：根据燃料的燃烧情况将炉膛从下往上依次分为低温氧化区、着火初期的还原区、后期还原区和燃尽区四个区域；
所述燃烧器包括从下至上依次分层布置的各喷口：2个火下风喷口、2～3个主燃料喷口、1～2个上层燃料喷口、3～4个二次风喷口和1～2个燃尽风喷口；
其中，火下风喷口的安装角度为上倾0°～30°，主燃料喷口的安装角度为下倾0°～30°，上层燃料喷口的安装角度为上倾0°～30°，燃尽风喷口的安装角度为下倾0°～30°；所述安装角度上倾或下倾均指喷口的中心线与水平线之间的夹角。
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