有效降低碳氧化物排放的循环流化床锅炉

摘要

本发明公开了有效降低碳氧化物排放的循环流化床锅炉，包括燃烧炉、与燃烧炉相连的旋风分离器和用于布置二次风的二次风系统，燃烧炉出口与旋风分离器进口连接，旋风分离器出口设一燃尽室，燃尽室内通入燃尽风，所述二次风系统包括二次风管、置于燃烧炉前墙、后墙外侧的多根二次风立管和设置于水冷壁上与二次风立管连接的二次风喷口，本发明把部分烟气混入到一次风和二次风中，降低NO

说明书

技术领域

本发明属于锅炉燃烧技术领域，特别涉及有效降低碳氧化物排放的循环流化床锅炉。

背景技术

锅炉燃烧过程中产生的氮氧化物中NO占有90%以上，二氧化氮占5%-10%，产生机理一般分为如下三种：（1）热力型：燃烧时，空气中氮在高温下氧化产生，随着反应温度T的升高，其反应速率按指数规律，当T<1500℃时，NO的生成量很少，而当T>1500℃时，T每增加100℃，反应速率增大6-7倍；（2）瞬时反应型：燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基可以和空气中氮气反应生成HCN和N，再进一步与氧气作用以极快的速度生成，其形成时间只需要60ms，所生成的与炉膛压力0.5次方成正比，与温度的关系不大；（3）燃料型NO_x：由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成，由于燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在750－800℃时就会生成燃料型，它在煤粉燃烧NO_x产物中占60－80％，由于煤的燃烧过程由挥发份燃烧和焦炭燃烧两个阶段组成，故燃料型的形成也由气相氮的氧化（挥发分）和焦炭中剩余氮的氧化（焦炭）两部分组成。

一般认为，燃料型NO_x是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中发生热分解，并进一步氧化生成的，同时，还存在着NO的还原反应；燃料型NO_x的生成与还原除了与煤种特性、煤种氮化合物存在的形态、燃料中的氮热解时在挥发分和焦炭中分配的比例和各自的成分有关外，还与氧浓度、温度等因素关系密切。过量空气系数越高，氧气中的氧量越高，燃料型NO_x的生成浓度和转化率也越高，有研究表明，燃料型NOx的生成速率与燃烧区的氧浓度的平方成正比。因此控制燃料型NO_x的转化率和生成量的主要技术措施是降低过量空气系数，在NO_x的生产区采用富燃料燃烧方式，是十分有效且比较方便的减排NO_x的技术措施。一般认为，燃料型NO主要生成在挥发分的析出和燃烧阶段，约在750℃时开始析出，该温度比火焰的温度要低，燃料氮在达到热解温度时均会分解，并最终生成NO_x，在焦炭发生燃烧时的高温下，燃料型NO_x的转化率达到最大值。温度升高时，在焦炭表面上NO的还原反应使部分已经生成的NO还原成N₂，因而，在一定的温度范围内，NO的生成速率和还原速率接近平衡，使NO得生成量变化不大。当温度进一步升高时，NO的还原反应速率大于NO的生成速率，使NO_x得生成量有所降低，但是，温度升高时热力型NO_x的生成量也急剧增加。

循环流化床锅炉具有氮氧化物排放低的显著特点，其主要原因一是燃烧温度低，只有850-1000℃，因此热力型NO_x极少；二是由于在炉膛内的固态床料沿炉膛高度对NO_x的破坏作用；三是循环流化床锅炉一般设计成分级送风方式，使密相区处于还原性气氛。但是循环流化床锅炉仍然有低氮燃烧改造的空间。

申请号为201310351741X的发明专利，公布了一种卧式循环流化床导热油炉，它包括给料装置、主燃室、副燃室、燃尽室、旋风分离器、分离器出口烟道和引风机，在主燃室密相区与稀相区的交界处、副燃室和燃尽室的下方布置二次风装置，通过一次风与二次风的配比，有效控制了氮氧化物的生成，但是在经过锅炉-燃尽室两次燃烧后，进入分离器的时候风量特别大，会影响旋风分离器的效果，使一些大颗粒物未被分离，随烟气直接排出了，飞灰含碳量比较高。

研究表明，减少一次风量及总风量，降低炉膛的氧含量是降低NO_x排放的有效手段，但炉膛出口氧量降低必然会增大飞灰含碳量和排烟CO含量升高，降低锅炉燃烧效率。因此，需要设计出既能降低氮氧化物排放又能有效降低碳氧化物排放、提高燃料燃烧效率的循环流化床锅炉。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种合理布置一次风、二次风、燃尽风，能实现低氮氧化物排放、低碳氧化物排放、燃料燃烧效率高的循环流化床锅炉。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：有效降低碳氧化物排放的循环流化床锅炉，包括炉内四周墙上布设水冷壁的燃烧炉、与燃烧炉相连的旋风分离器和用于布置二次风的二次风系统，水冷壁上开设让管，燃烧炉上部为稀相氧化区、下部为密相还原区，燃烧炉底部设用于一次风布风的水冷布风板，燃烧炉出口与旋风分离器进口连接，旋风分离器通过设在底部的返料装置与燃烧炉密相还原区连接，所述旋风分离器出口设一燃尽室，所述燃尽室内通入燃尽风，所述二次风系统包括二次风管、置于燃烧炉前墙、后墙外侧的多根二次风立管和设置于水冷壁上与二次风立管连接的二次风喷口，二次风喷口包括双喷口和单喷口，二次风喷口分层布置于燃烧炉稀相氧化区，所述二次风为空气与循环烟气的混合物，所述让管包括单孔让管和双孔让管。

进一步的，所述燃尽风为空气，燃尽风占总风量的5-20%。

进一步的，所述二次风管与二次风立管之间设置二次风联箱，保证从各个二次风喷口喷入燃烧炉内的二次风受热均匀，减少热偏差。

进一步的，所述燃烧炉前墙两侧各设一根连接前墙单喷口的立管，中间设两根连接前墙双喷口的立管，中间两根立管的管径是两侧两根立管管径的2-3倍，所述前墙单喷口与前墙双喷口的两个喷口中间位置位于同一水平线上。

进一步的，所述燃烧炉后墙设五根二次风立管，两侧两根二次风立管与中间一根二次风立管连接双喷口，其余两根二次风立管连接单喷口，中间双喷口的两个喷口的间距大于两侧双喷口，连接双喷口的立管的管径是连接单喷口的立管管径的2-3倍，所述单喷口与双喷口的上喷口位于同一水平线上，所述两侧双喷口的下喷口和中间双喷口两个喷口的中间位置位于同一水平线上。

进一步的，所述前墙单喷口通过燃烧炉前墙水冷壁上的单孔让管将二次风喷入燃烧炉，所述前墙双喷口通过燃烧炉前墙水冷壁上的双孔让管将二次风喷入燃烧炉。

进一步的，所述后墙上的单喷口通过锅炉后墙水冷壁上的单孔让管将二次风喷入锅炉，双喷口通过锅炉后墙水冷壁上的双孔让管将二次风喷入锅炉。

进一步的，所述二次风喷口距离水冷壁底部不小于1.5m。

进一步的，所述二次风立管长度为其管径的6-8倍。

与现有技术相比，本发明优点在于：

（1）燃烧炉出口与旋风分离器进口连接，大颗粒物通过旋风分离器底部的返料装置进入燃烧炉，继续燃烧；

（2）在分离器出口设置燃尽室，并喷入燃尽风，分离器出口较细的飞灰中的碳在燃尽室内再次燃烧，降低飞灰含碳量，可有效解决燃烧炉氧含量降低导致的NO_x排放降低和飞灰含碳量高的矛盾；

（3）在总风量一定时，增加了燃尽风量就减少了一次风和二次风量，造成燃烧炉内超低氧燃烧，增加还原区，NO_x在还原区的停留时间长，可以大幅度降低NO_x排放；

（4）把部分烟气混入到二次风中，有利于增加二次风喷口的风速，强化稀相区气固、气气混合，有利于避免形成局部高温区，从而降低NO_x生成；另外采用烟气再循环在一定程度上提高了炉膛及对流换热区的流速，有利于提高旋风分离器效率，提高循环倍率，延长飞灰在炉内的停留时间，有利于飞灰再燃；同时循环灰量增大，也有利于控制料层温度，烟气再循环降低了炉膛的整体温度，也有利于降低氮氧化物；

（5）传统循环流化床锅炉二次风管均匀布置于锅炉内，该种布置形式虽然可以满足锅炉对二次风量的要求，但二次风对炉膛内烟气的扰动作用较差，不利于燃料在炉膛内的充分燃烧，也不利于炉膛内燃料的分级燃烧和分层给风，本发明通过设置双喷口与单喷口、调整二次风喷口立管的管径，不仅实现了二次风高度方向的分级，同时实现水平方向分级，增加了炉膛内烟气的扰动作用，使燃料充分燃烧，降低了NO_x的生成；

（6）通过提高二次风喷口的位置，距离水冷壁底部不小于1.5m，增大下部密相还原区高度，从而增大还原时间，让更多煤炭初期燃烧产生的NO_x还原为N₂；

（7）二次风立管长度为其管径的6-8倍，保证二次风进入炉内能形成良好的射流喷射效果，保持基本射程而不被扩散。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的燃烧炉内二次风喷口的布置示意图；

图3为本发明的前墙水冷壁让管位置图；

图4为本发明的后墙水冷壁让管位置图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1、2、3、4所示，有效降低碳氧化物排放的循环流化床锅炉，包括炉内四周墙上布设水冷壁的燃烧炉1、与燃烧炉1相连的旋风分离器7和用于布置二次风的二次风系统，水冷壁上开设让管，燃烧炉1上部为稀相氧化区、下部为密相还原区，燃烧炉1底部设用于一次风布风的水冷布风板10，燃烧炉1出口与旋风分离器7进口连接，旋风分离器7底部设立管8和返料装置9，返料装置9与燃烧炉1密相还原区连接，旋风分离器7出口设一燃尽室6，燃尽室6内通入燃尽风，燃尽风为空气，燃尽风占总风量的5-20%，二次风系统包括二次风管5、置于燃烧炉前墙11、燃烧炉后墙14外侧的多根二次风立管3和设置于水冷壁上与二次风立管3连接的二次风喷口2，二次风喷口2包括双喷口和单喷口，二次风喷口2分层布置于燃烧炉1稀相氧化区，二次风为空气与循环烟气的混合物，所述让管包括单孔让管和双孔让管。

二次风管5与二次风立管3之间设置二次风联箱4，保证从各个二次风喷口2喷入燃烧炉1内的二次风受热均匀，减少热偏差。

燃烧炉前墙11两侧各设一根连接前墙单喷口12的立管，中间设两根连接前墙双喷口13的立管，中间两根立管的管径是两侧两根立管管径的2-3倍，以达到二次风水平方向的分级，所述前墙单喷口12与前墙双喷口13的两个喷口中间位置位于同一水平线上，以达到二次风高度方向的分级，所述前墙单喷口12通过燃烧炉1的前墙水冷壁18上的前墙单孔让管19将二次风喷入燃烧炉1，前墙双喷口13通过燃烧炉1的前墙水冷壁18上的前墙双孔让管20将二次风喷入燃烧炉1。

燃烧炉后墙14设五根二次风立管，两侧两根二次风立管连接后墙两侧双喷口17，中间一根二次风立管连接后墙中间双喷口15，其余两根二次风立管连接后墙单喷口16，后墙中间双喷口15的两个喷口的间距大于后墙两侧双喷口17的两个喷口，连接后墙两侧双喷口17和后墙中间双喷口15的立管的管径是连接后墙单喷口16的立管管径的2-3倍，以达到二次风水平方向的分级，所述后墙单喷口16、后墙两侧双喷口17的上喷口和后墙中间双喷口15的上喷口位于同一水平线上，后墙两侧双喷口17的下喷口和后墙中间双喷口15两个喷口的中间位置位于同一水平线上，以达到二次风高度方向的分级，所述后墙单喷口16通过燃烧炉1的后墙水冷壁21上的后墙单孔让管23将二次风喷入燃烧炉1，后墙两侧双喷口17通过燃烧炉1的后墙水冷壁21上的后墙两侧双孔让管24将二次风喷入燃烧炉1，后墙中间双喷口15通过燃烧炉1的后墙水冷壁21上的后墙中间双孔让管22将二次风喷入燃烧炉1。

前墙双喷口13距离前墙水冷壁18底部不小于1.5m，后墙中间双喷口15距离后墙水冷壁21底部不小于1.5m，增大下部密相还原区高度，从而增大还原时间，让更多煤炭初期燃烧产生的NO_x还原为N₂。

二次风立管3长度为其管径的6-8倍，以保证能形成良好的二次风进入燃烧炉1的射流喷射效果，保持基本射程而不被扩散。

煤粉在一次风作用下在燃烧炉1密相还原区低氧燃烧，降低了生成NO_x的反应率，抑制了NO_x在这一燃烧中的生成量，通过二次风喷口2将二次风送入炉膛，与密相还原区低氧燃烧条件下所产生的烟气混合，二次风为空气与循环烟气的混合物，把部分烟气混入到二次风中，有利于增加二次风喷口的风速，强化稀相氧化区气固、气气混合，有利于避免形成局部高温区，从而降低NO_x生成，另外采用烟气再循环在一定程度上提高了炉膛及对流换热区的流速，有利于提高旋风分离器效率，提高循环倍率，延长飞灰在炉内的停留时间，有利于飞灰再燃，同时循环灰量增大，也有利于控制料层温度，烟气再循环降低了炉膛的整体温度，也有利于降低氮氧化物。

经过燃烧炉1低氧燃烧后，含尘烟气进入旋风分离器7，大颗粒物通过旋风分离器7底部的立管8、返料装置9进入燃烧炉1，继续燃烧，较细的飞灰随烟气进入分离器7出口的燃尽室6，燃尽室内通入燃尽风，飞灰中的碳在燃尽室6内再次燃烧，降低飞灰含碳量，可有效解决燃烧炉氧含量降低导致的NO_x排放降低和飞灰含碳量高的矛盾。

综上所述，本发明在分离器出口设置燃尽室，并喷入燃尽风，分离器出口较细的飞灰中的碳在燃尽室内再次燃烧，降低飞灰含碳量，可有效解决燃烧炉氧含量降低导致的NO_x排放降低和飞灰含碳量高的矛盾；在总风量一定时，增加了燃尽风量就减少了一次风和二次风量，造成燃烧炉内超低氧燃烧，增加还原区，NO_x在还原区的停留时间长，可以大幅度降低NO_x排放；本发明的二次风系统通过设置双喷口与单喷口、调整二次风喷口立管的管径，不仅实现了二次风高度方向的分级，同时实现水平方向分级，增加了炉膛内烟气的扰动作用，使燃料充分燃烧，降低了NO_x的生成。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。