一種低NOx煤粉燃燒系統及方法與流程
2023-05-17 00:18:36
本發明涉及一種煤粉燃燒技術，特別涉及一種適用於煤粉鍋爐的煤粉燃燒技術，具體地說是一種低NOx煤粉燃燒系統及燃燒方法。
背景技術：
目前，我國現有的工業鍋爐大多為燃煤鍋爐，由於煤在燃燒的過程中會產生大量的NOx，面對日益嚴峻的環境問題，尤其是霧霾天氣的影響，國家對NOx的排放要求日益嚴格。環保部最新發布的《鍋爐大氣汙染物排放標準》中規定，新建燃煤工業鍋爐NOx排放小於300mg/m3，重點地區鍋爐排放小於200mg/m3。
為了使鍋爐煙氣NOx濃度達到國家規定排放標準，需要對鍋爐產生的NOx進行控制。現有的NOx燃燒控制手段為空氣分級燃燒、燃料分級燃燒，對NOx的降低有一定的效果，但同時帶來了飛灰含碳量增加、鍋爐燃燒效率降低、鍋爐結焦等問題，主要原因在於分段進風導致了鍋爐中下部風量較小，氣體動能損失大，爐內湍流強度低，風粉混合效果不好，導致部分煤粉有效反應時間縮短。
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有的燃煤鍋爐存在的鍋爐煙氣NOx濃度過高，不能適應環境要求的問題，設計一種能大幅度降低NOx排放濃度的低NOx煤粉燃燒系統，同時提供一種相應的燃燒方法。
本發明的技術方案之一是：
一種低NOx煤粉燃燒系統，其特徵在於它包括燃燒器1、制粉給粉系統13、鍋爐本體2、空氣預熱器3、除塵器4、主引風機5、煙氣循環風機6、一次風機7、一次風管8、煙氣回流管9、內一次風管10、外一次風管11和煙囪12；所述鍋爐本體2、除塵器4、主引風機5、煙囪12依次相連；所述鍋爐本體2由爐膛21和對流換熱段22組成，爐膛21自下而上分為強還原區、還原主燃區和燃盡區；所述燃燒器1安裝在爐膛21的強還原區外部，所述還原主燃區和燃盡區分別設有數個進風口；所述空氣預熱器3安裝在對流換熱段22內下部；所述一次風管8由一次風機7引出，經過空氣預熱器3後分別連接內一次風管10和外一次風管11，所述內一次風管11經過制粉給粉系統13後與燃燒器1對應的進風管相連，所述外一次風管11直接與燃燒器1對應的進風口相連通；所述煙氣回流管9從主引風機5和煙囪12之間的管道上引出，經過煙氣循環風機6、空氣預熱器3、制粉給粉系統13後與燃燒器1相連。
所述的除塵器為布袋除塵器。
所述的爐膛21和對流換熱段22並行布置，兩者之間通過一水平通道相連通。
所述的還原主燃區設有二次風進風口，燃盡區設有燃盡風進風口。
所述燃燒器包括中心點火器101、內一次風粉管102、外一次進風管103、循環煙氣管104、煙氣環道105、混風環106、風粉通道107、外一次風腔108、耐火層109、一次燃燒室110；所述一次燃燒室110為一圓筒形燃燒室，外壁為鋼管，內壁設有耐火層109，其前端設有中心點火器101以及與中心點火器同軸並套裝在外側的內一次風粉管102；所述內一次風管10與所述內一次風粉管102相連通，所述中心點火器101與內一次風粉管102之間形成風粉通道107，所述風粉通道107與一次燃燒室110相連通；所述外一次進風管103一端與所述外一次風管11連通，另一端與外一次風腔108相連通；外一次風腔108與內一次風粉管102同軸設置，並與一次燃燒室110相連通；所述煙氣環道105是設置在一次燃燒室110外圍的環形通道，所述循環煙氣管104是煙氣進入煙氣環道105的通道，所述煙氣回流管9與循環煙氣管104相連通；所述混風環106設置在一次燃燒室110的末端，並與煙氣環道105及一次燃燒室110相連通。
所述燃燒器1呈多層分布在爐膛周圍，且每層以多點切圓的形式布置。
本發明的技術方案之二是：
一種低NOx煤粉燃燒方法，其特徵是：超細煤粉由內一次風粉管噴入一次燃燒室，由中心點火器進行點火燃燒，外一次進風管為一次燃燒室補入適量空氣，循環煙氣攜帶煤粉經煙氣環道，在混風環處與一次燃燒室的高溫燃燒產物混合，並一同噴入爐膛的強還原區參與燃燒，整個強還原區處於高溫、極低氧、高惰性氣體的環境，煤粉在高溫貧氧的條件下反應和乾餾熱解形成還原性氣體，將一次燃燒室及循環煙氣中原有的NOx還原成N2；還原主燃區為貧氧富燃燃燒區域，外部均勻鼓入二次風，煤粉和熱解生成的氣氛在貧氧狀態下持續將煙氣中的NOx還原成N2，此區域內空氣過剩係數為0.85~0.9；燃盡區內由外部均勻鼓入燃盡風及足量的空氣以保證未燃盡的組分完全燃燒，燃盡區內的過量空氣係數為1.15~1.2；爐膛中燃燒產生的高溫煙氣進入對流換熱段將空氣預熱器中的空氣和煙氣進行預熱到280℃~300℃，之後煙氣經過除塵器進行氣固分離，一部分煙氣通過主引風機排放至煙囪，另一部分煙氣進入煙氣循環風機回流至空氣預熱器；循環煙氣經過空氣預熱器、制粉給粉系統後進入循環煙氣管，再進入煙氣環道，一次燃燒室內的燃燒產物與上述循環煙氣在混風環處進行混合後噴入爐膛的強還原區；其特徵在於，所述一次燃燒室為煤粉充分燃燒區域，該區域內煤粉在富氧條件下進行完全燃燒，產生大量熱量及NOx，此區域過剩空氣係數為1.05~1.15。
燃燒器的一次燃燒室內設有耐火層，可防止燃燒室壁超溫。
外一次風由外一次風腔沿燃燒室壁環形噴入，以對耐火層進行冷卻，循環煙氣進入煙氣環道後能對一次燃燒室外壁進行衝刷冷卻，同時有利於提高循環煙氣溫度。
所述的循環煙氣中含氧量為3%~3.5%。
本發明的有益效果：
1、煤粉著火提前，增加了燃燒穩定性，增大了煤粉的反應區域。
2、煙氣再循環提高了強還原區的氣流量，增加了區域內的湍流度和擾動，同時循環煙氣攜帶的NOx得到了進一步的還原，減少總NOx的排放。
3、燃燒器採用多點切圓布置方案，煙氣與煤粉在強還原區內混合強烈，使區域內各相組分更加均勻。
4、強還原區內過量空氣係數極低，有利於煤粉生成還原性氣氛和乾餾熱解，抑制燃料型NOx的產生。
5、還原主燃區內發生貧氧反應，煤粉熱解產生的氣氛易產生二次還原性氣氛，持續對NOx進行還原。
6、爐膛內整個反應過程中由於存在循環煙氣，惰性氣體的吸熱有利於避免局部高溫，抑制熱力型NOx的產生。
綜上所述，本發明能夠在不影響燃燒穩定性和燃燒效率的前提下，有效的營造爐內強還原區，提高煙氣在還原區內的有效停留時間，使煤粉在極低過量空氣係數時保證鍋爐內一定的湍流度，保證爐內不完全燃燒產物的分布場，有利於抑制和還原燃燒過程中的NOx，同時對排放的部分煙氣進行循環，對煙氣中攜帶的NOx進一步還原，實現高效的NOx減排。
附圖說明
圖1為本發明一種低NOx煤粉燃燒系統的結構示意圖。
圖2為本發明燃燒器的結構示意圖。
圖3為本發明燃燒器安裝在鍋爐本體上的結構示意圖。
圖4為本發明鍋爐爐膛結構示意圖。
圖5為本發明燃燒器安裝分布示意圖。
圖中：1-燃燒器，2-鍋爐本體，3-空氣預熱器，4-除塵器，5-主引風機，6-煙氣循環風機，7-一次風機，8-一次風管，9-煙氣回流管，10-內一次風管，11-外一次風管，12-煙囪，13-制粉給粉系統，21-爐膛，22-對流換熱段，101-中心點火器，102-內一次風粉管，103-外一次進風管，104-循環煙氣管，105-煙氣環道，106-混風環，107風粉通道，108-外一次風腔，109-耐火層，110-一次燃燒室。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
實施例一。
如圖1-5所示。
一種低NOx煤粉燃燒系統，它包括燃燒器1（如圖2）、制粉給粉系統13（與現有技術相同，可直接從市場購置）、鍋爐本體2、空氣預熱器3、除塵器4（可採用布袋式除塵器）、主引風機5、煙氣循環風機6、一次風機7、一次風管8、煙氣回流管9、內一次風管10、外一次風管11和煙囪12，如圖1；所述鍋爐本體2、除塵器4、主引風機5、煙囪12依次相連；所述鍋爐本體2由爐膛21和對流換熱段22組成，爐膛21和對流換熱段22並行布置，兩者之間通過一水平通道相連通。爐膛21自下而上分為強還原區、還原主燃區和燃盡區，還原主燃區設有二次風進風口，燃盡區設有燃盡風進風口，如圖4所示；所述燃燒器1安裝在爐膛21的強還原區外部，呈多層分布在爐膛周圍，且每層以多點切圓的形式布置如圖5，本實施例共採用三層布置。所述還原主燃區和燃盡區分別設有數個進風口；所述空氣預熱器3安裝在對流換熱段22內下部；所述一次風管8由一次風機7引出，經過空氣預熱器3後分別連接內一次風管10和外一次風管11，所述內一次風管11經過制粉給粉系統13後與燃燒器1對應的進風管相連，所述外一次風管11直接與燃燒器1對應的進風口相連通；所述煙氣回流管9從主引風機5和煙囪12之間的管道上引出，經過煙氣循環風機6、空氣預熱器3、制粉給粉系統13後與燃燒器1相連。所述燃燒器1如圖2所示，它包括中心點火器101、內一次風粉管102、外一次進風管103、循環煙氣管104、煙氣環道105、混風環106、風粉通道107、外一次風腔108、耐火層109、一次燃燒室110；所述一次燃燒室110為一圓筒形燃燒室，外壁為鋼管，內壁設有耐火層109，其前端設有中心點火器101以及與中心點火器同軸並套裝在外側的內一次風粉管102；所述內一次風管10與所述內一次風粉管102相連通（如圖3），所述中心點火器101與內一次風粉管102之間形成風粉通道107，所述風粉通道107與一次燃燒室110相連通；所述外一次進風管103一端與所述外一次風管11連通（如圖3），另一端與外一次風腔108相連通；外一次風腔108與內一次風粉管102同軸設置，並與一次燃燒室110相連通；所述煙氣環道105是設置在一次燃燒室110外圍的環形通道，所述循環煙氣管104是煙氣進入煙氣環道105的通道，所述煙氣回流管9與循環煙氣管104相連通（如圖3）；所述混風環106設置在一次燃燒室110的末端，並與煙氣環道105及一次燃燒室110相連通。
詳述如下：
圖1是本發明一種低NOx煤粉燃燒系統的結構示意圖，如圖所示，本發明包括燃燒器1、鍋爐本體2、空氣預熱器3、除塵器4、主引風機5、煙氣循環風機6、一次風機7、一次風管8、煙氣回流管9、內一次風管10、外一次風管11、煙囪12、制粉給粉系統13。所述鍋爐本體、除塵器、主引風機、煙囪依次相連；所述鍋爐本體2由爐膛21和對流換熱段22組成，所述燃燒器1安裝在爐膛21的下部，可根據爐膛的容量設計燃燒器的布置層數，本實施例中燃燒器以三層布置，且每層以多點切圓的形式布置六臺燃燒器；所述空氣預熱器3安裝在對流換熱段22內的下部，所述一次風管8由一次風機7引出，經過空氣預熱器3後分為內一次風管10和外一次風管11，所述內一次風管10經過制粉給粉系統13後與燃燒器1相連，所述外一次風管11直接與燃燒器1相連；所述煙氣回流管9由主引風機5和煙囪12之間管道上引出，經過煙氣循環風機6、空氣預熱器3、制粉給粉系統13後與燃燒器1相連；所述除塵器4為布袋除塵器。
圖2是本發明燃燒器1的結構示意圖，如圖所示，燃燒器1包括中心點火器101、內一次風粉管102、外一次進風管103、循環煙氣管104、煙氣環道105、混風環106、風粉通道107、外一次風腔108、耐火層109、一次燃燒室110。所述一次燃燒室110為一圓筒形燃燒室，外壁為鋼管，內壁設有耐火層109，所述一次燃燒室110的前端設有中心點火器101以及與中心點火器101同軸並套裝在其外側的內一次風粉管102，所述中心點火器101與內一次風粉管102之間形成的通道為風粉通道107，所述風粉通道107與一次燃燒室110相連通。所述外一次進風管103與所述外一次風腔108相連通，所述外一次風腔108與內一次風粉管102同軸設置，並與一次燃燒室110相連通。所述煙氣環道105是設置在一次燃燒室101外圍的環形通道，所述循環煙氣管104設置在所述煙氣環道105上，並與煙氣環道105相連通，所述混風環106設置在一次燃燒室101的末端，並與煙氣環道105及一次燃燒室110相連通。
圖3是本發明中燃燒器1安裝在鍋爐本體2上的結構示意圖，如圖所示，所述燃燒器1安裝在鍋爐本體2的爐膛21的下部，所述內一次風管10與所述內一次風粉管102相連通，所述外一次風管11與所述外一次進風管103相連通，所述煙氣回流管9與所述循環煙氣管104相連通。
圖4是本發明鍋爐爐膛結構示意圖，爐膛21由下至上分為強還原區、還原主燃區、燃盡區，燃燒器1集中安裝在強還原區，在還原主燃區內設置有數個二次風的進風口，在燃盡區內設置有數個燃盡風的進風口。
實施例二。
本發明的燃燒方法和過程如下：
一種低NOx煤粉燃燒方法，超細煤粉由內一次風粉管噴入一次燃燒室，由中心點火器進行點火燃燒，外一次進風管為一次燃燒室補入適量空氣，循環煙氣攜帶煤粉經煙氣環道，在混風環處與一次燃燒室的高溫燃燒產物混合，並一同噴入爐膛的強還原區參與燃燒，整個強還原區處於高溫、極低氧、高惰性氣體的環境，煤粉在高溫貧氧的條件下反應和乾餾熱解形成還原性氣體，將一次燃燒室及循環煙氣中原有的NOx還原成N2；還原主燃區為貧氧富燃燃燒區域，外部均勻鼓入二次風，煤粉和熱解生成的氣氛在貧氧狀態下持續將煙氣中的NOx還原成N2，此區域內空氣過剩係數為0.85~0.9；燃盡區內由外部均勻鼓入燃盡風及足量的空氣以保證未燃盡的組分完全燃燒，燃盡區內的過量空氣係數為1.15~1.2；爐膛中燃燒產生的高溫煙氣進入對流換熱段將空氣預熱器中的空氣和煙氣進行預熱到280℃~300℃，之後煙氣經過除塵器進行氣固分離，一部分煙氣通過主引風機排放至煙囪，另一部分煙氣進入煙氣循環風機回流至空氣預熱器；循環煙氣經過空氣預熱器、制粉給粉系統後進入循環煙氣管，再進入煙氣環道，一次燃燒室內的燃燒產物與上述循環煙氣在混風環處進行混合後噴入爐膛的強還原區；其特徵在於，所述一次燃燒室為煤粉充分燃燒區域，該區域內煤粉在富氧條件下進行完全燃燒，產生大量熱量及NOx，此區域過剩空氣係數為1.05~1.15。
詳述如下：
內一次風和外一次風均由一次風機7提供，空氣通過一次風機7、一次風管8、空氣預熱器3後被分配為經過內一次風管10的內一次風和經過外一次風管11的外一次風；內一次風混合制粉給粉系統13提供的超細煤粉，由內一次風粉管102進入風粉通道107，在進入一次燃燒室110入口時由中心點火器101進行穩定點火燃燒；外一次風通過外一次風管11以及外一次進風管103進入外一次風腔108，外一次風腔108與一次燃燒室110相連通，兩者的連接處為環形通道，外一次風補充了一次煤粉燃燒所需空氣量，使得一次燃燒室內的過剩空氣係數達到1.05~1.15，為富氧燃燒。
煤粉在一次燃燒室110中燃燒，產生的燃燒產物被噴入爐膛21，煤粉在爐膛21中充分燃燒，產生的高溫煙氣進入對流換熱段22將空氣預熱器3中的空氣和煙氣預熱到280℃~300℃，之後煙氣經過除塵器4進行氣固分離，一部分煙氣通過主引風機5排放至煙囪12，另一部分煙氣進入煙氣循環風機6回流經過空氣預熱器3後變為循環煙氣進入煙氣回流管9，循環煙氣與制粉給粉系統13提供的煤粉混合後進入循環煙氣管104，再進入煙氣環道105，此時煙氣環道105中的煙氣溫度較低，對一次燃燒室外壁有衝刷冷卻的作用；一次燃燒室110內的燃燒產物與上述循環煙氣在混風環106處進行混合後噴入爐膛21的強還原區，本實施例中燃燒器集中安裝在強還原區，以三層布置，且每層以多點切圓的形式布置六臺燃燒器，如此布置有利於煙氣在強還原區的混合，使得各組分在強還原區內分布更加均勻。
所述燃燒器1中一次燃燒室110內，中心點火器101點燃內一次風攜帶的超細煤粉，外一次風補足燃燒所需空氣，使煤粉在一次燃燒室101內快速充分燃燒，著火穩定，增加了燃燒穩定性。一次燃燒室110的燃燒產物及循環煙氣攜帶的煤粉進入爐膛21的強還原區後，由於一次燃燒室110內過剩空氣係數不大，循環煙氣中含氧量較低，使得煤粉在強還原區內為極度貧氧反應，生成了大量的還原性氣氛，與此同時煤粉在惰性氣體的條件下易發生乾餾熱解，生成CO、H2、CH4等氣體，將一次燃燒室110中產生的NOx以及循環煙氣中攜帶的NOx還原成N2。本發明中，循環煙氣的加入一方面營造了強還原區的低氧環境，另一方面增加了噴入強還原區的氣體流量，增強了該區域內的氣體湍流度，使煤粉分布較為均勻，有效的改善了爐內CO等不完全燃燒產物在爐內的分布場，從而有利於煙氣在還原主燃區的反應。
還原主燃區內設置數個二次風進風口，可均勻鼓入二次風，使得該區域內過剩空氣係數為0.85~0.9。該區域內的反應依然為貧氧富燃反應，強還原區內的還原性氣體部分被完全燃燒，部分乾餾熱解生成CH4等氣氛，在貧氧狀態下易反應生成二次還原性氣氛，從而在還原主燃區內持續抑制NOx的生成，延長煙氣在還原區的停留時間。
燃盡區內設置數個燃盡風進風口，可均勻鼓入燃盡風，使得該區域內空氣過剩係數達到1.15~1.2。該區域內的反應為貧燃富氧反應，未燃盡的燃燒產物在此區域內進行完全燃燒，同時由於循環煙氣的惰性氣體吸熱作用，有利於避免燃燒局部高溫，降低熱力型NOx的生成。
本發明未涉及部分均與現有技術相同或可採用現有技術加以實現。