[發(fā)明專利]燃料分級低氮燃燒系統(tǒng)及控制方法

在審

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• 申請日: 2014-07-16
• 公開（公告）號: CN105276610A
• 公開（公告）日: 2016-01-27
• 發(fā)明（設計）人: 曾桃芳;王鳳鳴;茆勝
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳市國創(chuàng)新能源研究院
• 主分類號: F23N5/00
• 分類號: F23N5/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及一種燃燒系統(tǒng)和控制方法，具體涉及用于固體燃料的燃燒控制方法及系統(tǒng)。

背景技術

固體化石燃料例如煤是重要的能源，煤燃燒用于發(fā)電是世界電力的主要來源之一。但是，由煤燃燒排放的污染物也是空氣污染的主要來源之一。例如，煤燃燒排放的氮氧化物(NOx)每年達二千多萬噸，是重要污染源。

煤燃燒過程中所產(chǎn)生的NOx有兩個主要來源：燃料NOx和熱力NOx。燃料NOx為在煤中以化學鍵的方式存在的氮(燃料氮)經(jīng)燃燒轉(zhuǎn)化而形成的NOx。燃料氮(或焦炭-N)在一系列復雜燃燒過程中釋放，其主要初始產(chǎn)物為HCN和/或NHi，然后HCN等初始或中間產(chǎn)物被氧化為NOx或被還原為N2。如果氮的初始產(chǎn)物所處氣氛為氧化性(燃料缺乏)，則NOX將成為燃料氮的主要產(chǎn)物。如果是缺氧(富燃料)氣氛，則HCN與NHi在焦煤表面上通過與CO或C(炭)或其它含氮成分反應轉(zhuǎn)換成N2。

熱力NOx是指由大氣氮的高溫氧化而形成的NOx。熱力NOx的形成是溫度的指數(shù)函數(shù)和氧濃度的平方根函數(shù)。燃燒溫度越低或氧濃度越低產(chǎn)生的NOx越少。因此，可以通過控制反應溫度或氧濃度來控制熱NOx的產(chǎn)生。但是，較低的燃燒溫度或較低的氧濃度使煤的燃燒速率變慢，燃燒效率降低。緩慢的燃燒速率可導致煤的不完全燃燒和煤的延長燃燒。

在普通電站粉煤鍋爐中，因燃燒溫度一般低于1550℃，熱力NOx占總的生成的NOx較小。因此，減少NOx在燃燒過程中的生成主要是減少燃料NOx的形成。為此已經(jīng)開發(fā)了各種燃燒技術。這些技術的要點主要是通過控制爐內(nèi)的燃燒氣氛，使得在燃料氮析出時，氣氛為還原性，因而HCN與NHi等中間產(chǎn)物被還原成氮氣，而不生成NOx。爐內(nèi)低NOx燃燒技術主要包括低NOx燃燒器、空氣分級燃燒、燃料再燃和煙氣再循環(huán)等。

其中直流式煤粉濃淡分離低NOx燃燒器是切圓燃燒鍋爐控制NOx的首選措施。它采取特定機構(gòu)將煤粉濃縮分離，在燃燒初期形成局部的煤粉濃淡偏差燃燒，也即局部的還原氣氛來控制NOx的生成。常見的直流型濃淡燃燒器主要有：利用水平彎頭離心力或強制轉(zhuǎn)向機構(gòu)的水平濃淡濃縮器、利用垂直彎頭離心力的WR型垂直濃淡濃縮器、以及依靠慣性分離的PM型煤粉濃縮器。這些低NOx燃燒器的脫硝(或NOx)效率約為20-40％。

煤粉燃盡前，在低NOx燃燒器的火焰下游維持一定程度的還原氣氛，是進一步控制爐內(nèi)NOx生成的一個常用措施。常規(guī)采用的手段是改變傳統(tǒng)集中送風的方式而將部分氧化劑(空氣)從主燃燒器區(qū)域分離出來，通過燃燒器上方的噴口送入爐內(nèi)，在爐膛高度方向形成空氣分級(OFA)燃燒。分級風主要有緊湊型、單級分離型及多級分離混合型等三種，且大多采用多級分離混合方式。空氣分級與低NOx燃燒器相配合，可降低NOx排放約40-60％。

空氣分級程度及分級風噴口與主燃燒器區(qū)域的距離，決定燃燒器區(qū)域的還原性氣氛程度及煤粉在欠氧條件下的停留時間，從而決定了NOx的生成量。但是，主燃燒器區(qū)域處于欠氧條件：一方面會延遲煤粉的燃燒，降低煤粉的燃盡程度；另一方面會導致水冷壁表面處于還原氣氛，引起水冷壁結(jié)焦和/或高溫煙氣腐蝕。為提高煤粉的燃盡程度，只能強化燃燒器噴口附近的初期燃燒及后期的分級風的煙氣的混合程度。在燃燒器區(qū)域整體處于還原氣氛條件下，為控制水冷壁表面附近的氧量超過2.0％，降低結(jié)渣與煙所腐蝕，切圓燃燒鍋爐的一次風、二次風在爐內(nèi)的入射角度和風量分配至關重要。

此外，在二次風壓不足的情況下，還可利用增壓風機抽取高溫二次風，在距離頂層燃燒器較高的位置作為高速燃盡風噴入爐膛。增壓二次風一方面可起到爐內(nèi)空氣分級燃燒的效果，延長煤粉顆粒在欠氧環(huán)境中的停留時間，提高NOx控制能力；另一方面可強化燃盡風與上游煙氣的充分混合，提高煤粉與CO的燃盡。

空氣分級燃燒使煤粉燃燒初期處于欠氧環(huán)境，會延遲燃燒，降低燃燒效率。為在控制NOx排放的同時，還能不降低煤粉的燃盡，已開發(fā)出另一類低氮燃燒技術--再燃技術。它將高效低NOx燃燒器及燃料再燃入空氣分級燃燒等技術結(jié)合在一起，在爐膛內(nèi)形成三個區(qū)域：主燃區(qū)、再燃區(qū)和燃盡區(qū)。在這里，約80-85％的一次燃料噴入主燃區(qū)，在氧化氣氛(α＝～1.1)下劇烈燃燒；約15-20％的二次燃料(天然氣、油或高揮發(fā)分的超細煤粉)在主燃區(qū)上方噴入爐膛，在強還原氣氛(α＝0.7-0.9)條件下，二次燃料燃燒產(chǎn)生大量碳氫原子團(HCN),與來自主燃燒器區(qū)域的NOx發(fā)生還原反應生成N2；剩余的二次風由OFA噴口送入燃盡區(qū)，富氧(α＝～1.15)燃燒未燃盡碳與CO.