专利名称：浓相反吹多重分级NOx燃烧方法
技术领域：
本发明涉及一种锅炉技术领域的方法，具体涉及一种浓相反吹多重分级NOx燃烧方法。
背景技术：
目前我国电力能源以燃煤的火力发电为主，煤炭的燃烧会产生大量的氮氧化物，如NO和N2O，一般将这两种物质称为NOx。NOx会破坏环境，造成酸雨和光化学烟雾。目前控制NOx排放的技术分为两大类即控制锅炉炉膛内燃烧过程中NOx的生成和烟气净化技术，虽然烟气净化技术能大幅度地把NOx排放量降低到200mg/m3以下，但存在设备昂贵、运行费用高等问题。一般的低NOx燃烧技术虽然具有实施简单、炉内过程负面影响小等优点，但只能降低NOx排放浓度到450～650mg/Nm3左右，基本不能满足我国的环保要求。
近年来，炉内整体空气分级(或深度空气分级)技术的应用取得了较好的低NOx排放控制效果。它是在炉膛高度方向进行空气深度分级燃烧，具体而言它是把煤粉燃烧所需要的一部分风从离主燃烧器较远的炉膛上部燃尽风喷口送入炉内，主燃烧器的过量空气系数在0.7～0.8左右，燃尽风的过量空气系数在0.4～0.3左右。主燃烧器与燃尽风之间的炉膛区域称为NOx还原区，在此区域实现已生成的NOx和未燃烧煤焦等还原介质的发生还原反应。该技术取得了很好的低NOx排放效果，某些四角切圆燃烧锅炉等的NOx排放几乎都低于300mg/Nm3，但与尾部烟气净化技术还有一定的差距，同时由于主燃区风量‘不够’，对于煤粉气流易贴壁的四角切向燃烧炉膛燃用易结渣煤可能在燃烧器区域水冷壁上将产生较严重结焦或高温腐蚀问题；随着分级程度加大，飞灰含碳量上升也易增大。
经对现有技术的文献检索发现，《低氮氧化物燃烧技术的发展状况》(毕玉森，热力发电，2000年02期)详细介绍了ABB-CE公司开发的四角切圆炉膛整体空气分级直流燃烧器、同轴燃烧系统(CFS I、CFS II)以及两者组合形式—低NOx同轴燃烧系统。CFS I是二次风射流轴线向水冷壁偏转一定角度，在炉内形成一次风煤粉气流在内，二次风在外的同轴同向双切圆燃烧方式。CFS II是一次风煤粉气流与二次风射流方向相反的同轴反向双切圆燃烧方式。低NOx同轴燃烧系统是在同轴燃烧系统(CFS I、CFS II)基础上在燃烧器组上部增加了燃尽风，二次风向水冷壁偏转。但这些技术都采用二次风偏转燃烧方式，二次风偏转若设置不当，并不能有效解决主燃区水冷壁附近缺氧，还可能容易造成受偏置二次风牵引作用，一次风切圆加大，煤粉更易贴壁；炉内旋转动量增强，炉膛出口流动偏差加大。炉内整体空气分级主燃区氧浓度低也影响煤粉前期的强化着火燃烧，对NOx控制不利。虽然炉内整体空气分级NOx还原区设置对炉内NOx排放控制最终效果起着至关重要的作用，但还原区与燃尽区相对分开，煤粉后期燃尽程度将受到影响。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出一种浓相反吹多重分级NOx燃烧方法，使其实现NOx超低排放，同时又能兼顾防止主燃区结渣、保证高燃烧效率等特点，能完全消除炉内整体深度空气分级技术带来的炉内负面问题。本发明可以实现燃烧烟煤四角切圆锅炉的高效超低NOx燃烧，并易于在现有锅炉上进行改造。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明沿炉膛高度方向，根据煤粉燃烧区域特点炉膛被划分为主燃区、还原区和燃尽区。在主燃区采用煤粉燃烧器把一次风分成水平方向的浓淡两股煤粉气流，浓一次风(大角度)反切射入炉膛向火侧(反切入炉内一定距离后受主气流推动，逆转为正转)，而二次风正切入炉膛，和淡一次风共同组织炉内稳定正旋的空气动力场。这一技术是把一次风中大部分煤粉引到炉膛中央区域，最终在炉内形成淡一次风包裹浓一次风，二次风包裹淡一次风的风包粉态势；这样二次风和淡一次风在水冷壁近壁面区域形成氧化性气氛，提高了灰熔点，煤粉在远离水冷壁的区域燃烧，近壁区烟温保持在较低水平，以达到防止结渣和高温腐蚀目的。此外，反吹入炉内后，浓一次风受主气流推动而折转时，煤粉颗粒会先减速，似被气流‘擊’到了高温区，这样煤粉颗粒在高温区的停留时间会延长，大大提高煤粉着火的稳定性和降低飞灰含碳量，由此增强燃烧器低负荷稳燃能力。同时由于煤粉颗粒集中于高温折转区域，着火和初期燃烧是在缺氧状态进行的，因此利于减小氮氧化物生成量。
本发明在还原区送入还原风，所述还原风是在主燃区的燃烧器和炉膛上部燃尽区燃烧器之间设置独立的空气喷口喷出的空气。这部分空气是为了调节还原区的O2浓度。烟气中O2的存在会明显强化还原区煤焦与NOx的还原反应程度和大大提高还原反应速率。同时添加氧气使煤焦对NOx还原与自身燃尽同步进行，非常利于煤焦后期燃尽。还原风可以沿着还原区高度单层或多层布置。喷入后要有足够的贯穿力来保证尽量充盈还原区中煤焦富集且O2浓度接近零的区域。还原区烟气中平均O2浓度不应超过5％，还原风量是可以根据煤的反应特性和炉膛燃烧的需要即时调节。
本发明在燃尽区送入燃尽风，所述燃尽区布置有多层燃尽风喷口，燃尽风实现分级燃烧，在此区域对主燃烧区未完全燃烧产物进行燃尽，燃尽风由主燃区二次风箱直接或通过增压风机增压后提供。
本发明中，煤粉燃烧器保证煤粉初期强化燃烧，利于NOx控制生成；它能延长煤粉颗粒在燃烧器出口高温区域的停留时间，提高煤粉着火的稳定性，增强燃烧器低负荷稳燃能力；将一次风中大部分煤粉引到炉膛中央区域，形成炉内风包粉的态势，提高炉内充满度；使煤粉远离水冷壁，减小煤粉贴壁趋势，降低水冷壁附近区域烟气温度，并形成氧化性气氛，从而有效防止水冷壁结渣和高温腐蚀；在还原区有氧参与还原NOx，强化煤焦对NOx还原效果；NOx还原区中煤焦对NOx还原与自身燃尽同步进行，利于煤焦后期燃尽。这样在炉内形成从燃烧器出口局部到全炉膛多重空气分级条件。本发明能在目前炉内整体空气分级技术控制NOx效果基础上，进一步实现NOx超低排放，同时完全消除炉内整体深度空气分级技术带来的炉内负面问题。
与现有技术相比，本发明可在目前炉内整体空气分级技术控制NOx效果250～350mg/m3(烟气氧浓度6％时)基础上，实现NOx超低排放，使NOx生成量降低30％左右，具有和尾部烟气净化技术NOx排放控制效果与控制成本上比较的优势。同时完全消除炉内整体深度空气分级技术带来的炉内负面问题，飞灰可燃物含量不会增加。
图1为本发明浓相大反吹多重分级NOx燃烧系统原理2为本发明主燃区煤粉燃烧器燃烧射流组织示意图其中浓1为浓一次风，淡1、2为淡一次风、二次风。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例的浓相大反吹多重分级NOx燃烧系统原理图，它包含主燃烧器组、燃尽风喷口组、还原风喷口组。主燃烧器组由多层一、二次风喷口相间组成，二次风喷口布置形式与通常四角切圆燃烧系统相同，采用煤粉燃烧器把一次风分成水平方向的浓淡两股，沿炉膛高度方向，根据煤粉燃烧区域特点炉膛被划分为主燃区、还原区和燃尽区。
如图2所示，为主燃区煤粉燃烧器燃烧射流组织示意图，它表示主燃区某层一次风燃烧器，即煤粉燃烧器所在炉膛水平截面上的射流组织情况，煤粉燃烧器布置在锅炉四角上，每个角向炉膛中心方向有三条射流轴线。
本发明适应于火电厂四角切圆燃煤锅炉，沿炉膛高度方向，根据煤粉燃烧区域特点炉膛被划分为主燃区、还原区和燃尽区。在主燃区由多层一、二次风喷口相间组成主燃烧器组，布置在炉膛四角上，二次风喷口结构和布置形式与通常四角切圆燃烧系统相同，四角二次风射流轴线切于以炉膛中心为圆心的圆，这样实际流动将在炉内形成旋转气流。采用煤粉燃烧器把一次风分成水平方向的浓淡两股煤粉气流，两股煤粉气流射流轴线在水平面方向呈大的夹角，浓煤粉气流喷口射流轴线逆着炉内主旋气流方向大角度偏向向火侧水冷壁，即浓一次风大反切射入炉膛向火侧，与二次风和淡一次风的水平投影夹角大于10度，但不超过30度。淡一次风煤粉气流喷口射流轴线顺着炉内主旋气流方向，与二次风射流轴线偏向一致，但四角淡一次风射流轴线切于以炉膛中心为圆心的圆小于二次风切圆，这样保证在炉内形成二次风包裹淡一次风，淡一次风包裹浓一次风的风包粉态势。
主燃区采用煤粉燃烧器，可以形成稳定燃烧。生成的大量焦炭进入O2浓度极低的还原区。此时在还原区可以加入还原风，本实施例中，还原风分成两层喷入，下部的称为第一层还原风喷口，上部的为第二层。还原风喷口可以布置在炉膛四角上，也可布置在炉膛四面墙上。它们的水平高度中心线位置分别在燃尽风喷口水平高度中心线和煤粉燃烧器水平高度中心线之间的1/3和2/3处。由于第一层喷口接近下部的主要燃烧器出口，此处O2浓度接近零，所以这层喷口的风量应当多于第二层喷口。可以采用第一层喷口风量占二次风总量的1/10，第二层喷口风量占二次风总量的1/15，保证还原区烟气中平均O2浓度不应超过5％。还原风由主燃区二次风箱直接或通过增压风机增压后提供，还原风应是高速射流，喷入后要有足够的贯穿力来保证尽量充盈还原区中煤焦富集且O2浓度接近零的区域。实际的还原风量的调节可以根据运行条件来进行优化。
燃尽区布置有多层燃尽风喷口，多层燃尽风喷口组成列状，可以布置在炉膛四角上，也可布置在炉膛四面墙上。燃尽风实现分级燃烧，在此区域对主燃烧区未完全燃烧产物进行燃尽。燃尽风由主燃区二次风箱直接或通过增压风机增压后提供，燃尽风要保证较高射流速度，喷入后要有足够的贯穿力来加强炉膛中心区域烟气与燃尽风的有效混合。
本发明中采用煤粉燃烧器保证煤粉初期强化燃烧，利于NOx控制生成，在还原区布置单层或多层的还原风喷口保证烟气中一定的O2浓度，NOx还原区氧参与还原，强化煤焦对NOx还原效果，NOx还原区中煤焦对NOx还原与自身燃尽同步进行，利于煤焦后期燃尽。在燃尽区布置多层燃尽风喷口，燃尽风实现分级燃烧，在燃尽区对主燃烧区未完全燃烧产物进行燃尽。这样炉内形成从燃烧器出口局部到全炉膛多重空气分级条件，实现NOx超低排放，同时又能兼顾防止主燃区结渣、保证高燃烧效率等特点，是解决燃煤高效燃烧、超低NOx排放的综合燃烧技术。
权利要求
1.一种浓相反吹多重分级NOx燃烧方法，其特征在于，沿炉膛高度方向，根据煤粉燃烧区域特点炉膛被划分为主燃区、还原区和燃尽区，在主燃区采用煤粉燃烧器把一次风分成水平方向的浓淡两股煤粉气流，浓一次风反切射入炉膛向火侧，反切入炉内后受主气流推动，逆转为正转，而二次风正切入炉膛，和淡一次风共同组织炉内稳定正旋的空气动力场，这样把一次风中大部分煤粉引到炉膛中央区域，最终在炉内形成淡一次风包裹浓一次风、二次风包裹淡一次风的风包粉态势，二次风和淡一次风在水冷壁近壁面区域形成氧化性气氛，煤粉在远离水冷壁的区域燃烧。
2.如权利要求1所述的浓相反吹多重分级NOx燃烧方法，其特征是，在所述主燃区的下部，浓一次风大反切射入炉膛向火侧，与二次风和淡一次风的水平投影夹角大于10度，小于或等于30度。
3.如权利要求1所述的浓相反吹多重分级NOx燃烧方法，其特征是，所述煤粉燃烧器布置在锅炉四角上，每个角向炉膛中心方向有三条射流轴线，即浓一次风射流轴线、淡一次风射流轴线、二次风射流轴线，淡一次风射流轴线顺着炉内主旋气流方向，与二次风射流轴线偏向一致，二次风射流轴线切于以炉膛中心为圆心的圆，四角淡一次风射流轴线切于以炉膛中心为圆心的圆小于二次风切圆。
4.如权利要求1所述的浓相反吹多重分级NOx燃烧方法，其特征是，在所述还原区加入还原风，所述还原风是在主燃区的燃烧器和炉膛上部燃尽区燃烧器之间设置独立的空气喷口喷出的空气。
5.如权利要求4所述的浓相反吹多重分级NOx燃烧方法，其特征是，所述还原区烟气中O2平均浓度小于或着等于5％。
6.如权利要求4所述的浓相反吹多重分级NOx燃烧方法，其特征是，所述还原风的空气喷口沿着还原区高度单层或多层布置。
7.如权利要求4或6所述的浓相反吹多重分级NOx燃烧方法，其特征是，所述还原风的空气喷口，其布置在炉膛四角上，或布置在炉膛四面墙上。
8.如权利要求1所述的浓相反吹多重分级NOx燃烧方法，其特征是，在所述燃尽区送入燃尽风。
9.如权利要求1或8所述的浓相反吹多重分级NOx燃烧方法，其特征是，在所述燃尽区布置有多层燃尽风喷口，喷口喷出燃尽风实现分级燃烧，在此燃尽区对主燃烧区未完全燃烧产物进行燃尽。
10.如权利要求9所述的浓相反吹多重分级NOx燃烧方法，其特征是，所述多层燃尽风喷口组成列状，布置在炉膛四角上，或布置在炉膛四面墙上。
全文摘要
一种环保技术领域的浓相反吹多重分级NOx燃烧方法。本发明沿炉膛高度方向将炉膛划分为主燃区、还原区和燃尽区，在主燃区采用煤粉燃烧器把一次风分成水平方向的浓淡两股，浓一次风反切射入炉膛向火侧，反切入炉内后受主气流推动，逆转为正转，而二次风正切入炉膛，和淡一次风共同组织炉内稳定正旋的空气动力场，这样把一次风中大部分煤粉引到炉膛中央区域，最终在炉内形成淡一次风包裹浓一次风、二次风包裹淡一次风的风包粉态势，二次风和淡一次风在水冷壁近壁面区域形成氧化性气氛，煤粉在远离水冷壁的区域燃烧。本发明能实现NOx超低排放，同时又能兼顾防止主燃区结渣、保证高燃烧效率等特点。
文档编号F23L9/00GK101074775SQ20071004288
公开日2007年11月21日 申请日期2007年6月28日 优先权日2007年6月28日
发明者范卫东, 章明川, 陆杰 申请人:上海交通大学