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(guò)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。空氣帶動(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(guò)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(kāi)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(jiàn)稿)的意見(jiàn)。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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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)?；湟簯B(tài)排渣的粒化水箱4。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(guò)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(kāi)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(kāi)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?；?；5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(jiàn)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(guò)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(guò)量空氣系數(shù)α約為0.6 0.95。在具體實(shí)施過(guò)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(guò)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(guò)量空氣系數(shù)α > 1的條件下達(dá)到完全燃燒，其過(guò)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(guò)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(shuō)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(shuō)，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(shū)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)?；湟簯B(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(guò)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(guò)布置在主爐膛上部的燃盡風(fēng)噴口送入爐膛，在過(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(kāi)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)