一种熔渣贫氧燃烧催化氧化的分级燃烧锅炉系统及方法

摘要

本发明公开了一种熔渣贫氧燃烧催化氧化的分级燃烧锅炉系统及方法，包括：贫氧燃烧室和CO催化氧化装置；贫氧燃烧室的内部含有空腔，贫氧燃烧室的上端设置有烟气出口；贫氧燃烧室的烟气出口下游布置有二次燃烧室；二次燃烧室的烟气入口与贫氧燃烧室的烟气出口相连通；二次燃烧室的烟气出口下游布置有补风室；补风室的烟气入口通过与二次燃烧室的烟气出口相连通；补风室的烟气出口下游布置有CO催化氧化装置；CO催化氧化装置的烟气入口与补风室的烟气出口相连通。本发明通过将煤分级燃烧，可达到高效低NOx排放，降低大气污染；不包括SCR脱硝装置，可避免脱硝过程中遇到的催化剂最佳温度限制、喷氨混合均匀性以及催化剂废料处理等严重问题。

说明书

技术领域

本发明涉及锅炉技术领域，特别涉及一种熔渣贫氧燃烧催化氧化的分级燃烧锅炉系统及方法。

背景技术

随着我国国民经济日益增长，各行业用电量逐年增大，各电力行业如雨后春笋般迅猛发展。近年来，火电燃煤机组持续占据领导地位，在今后很长一段时间内不会发生明显变化。这些火电机组带给我们赖以生存的电能同时，消耗了大量不可再生的化石能源，化石燃料燃烧会产生氮氧化物(NO_x)，其是主要大气污染物之一，会对生态环境造成一定的影响。

近年来，国内外燃煤电站低氮燃烧多采用以下方法：空气分级燃烧技术，即燃烧所需空气量分两级送入，使燃烧分两级完成，该方法存在会引起炉膛效率下降，炉膛内结渣腐蚀的问题；低氧燃烧法，即在低过量空气系数下燃烧，能减少燃料型NO_x的生成，但是由于燃烧未完全，烟气中残留部分CO等还原性气体，会导致灰分灰熔点降低，受热面结渣等现象；低NO_x燃烧器法，通过改变风煤比，降低着火区氧温度和浓度，最大限度抑制NO_x的生成，但其存在结构复杂、易结渣的问题。

目前燃煤电站脱硝技术应用最为广泛的是选择性催化还原(SCR)技术，该方面技术较为成熟，在国内外被广泛应用。然而该技术在应用中经常面临很多严重问题，例如SCR催化剂活性温度区间为320℃～400℃，低负荷下脱硝装置入口烟温低于活性温度，脱硝效率较差；SCR催化剂与氨的废料处理问题；脱硝过程中喷氨量对后续受热面的影响问题；喷氨与烟气能否混合均匀等。这些存在的问题会导致燃煤锅炉全负荷下脱硝效率难以到达国家要求水平。

发明内容

本发明的目的在于提供一种熔渣贫氧燃烧催化氧化的分级燃烧锅炉系统和方法，以解决上述存在的技术问题。本发明的熔渣贫氧燃烧催化氧化的分级燃烧锅炉系统通过将煤分级燃烧，可达到高效低NO_x排放，降低大气污染；其不包括SCR脱硝装置，可避免脱硝过程中遇到的催化剂最佳温度限制、喷氨混合均匀性以及催化剂废料处理等严重问题。对于其他煤种，也可采用非熔渣及流化床燃烧室。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种熔渣贫氧燃烧催化氧化的分级燃烧锅炉系统，包括：贫氧燃烧室和CO催化氧化装置；贫氧燃烧室的内部含有空腔，贫氧燃烧室的上端设置有烟气出口；贫氧燃烧室的下部侧壁上设有若干一次风进口；一次风进口与贫氧燃烧室的内部的空腔相连通；贫氧燃烧室的烟气出口下游布置有二次燃烧室；二次燃烧室设置有烟气入口、烟气出口和若干第一高温空气入口，二次燃烧室的烟气入口与贫氧燃烧室的烟气出口相连通；二次燃烧室的烟气出口下游布置有补风室；补风室设置有烟气入口、烟气出口和若干第二高温空气入口，补风室的烟气入口通过与二次燃烧室的烟气出口相连通；补风室的烟气出口下游布置有CO催化氧化装置；CO催化氧化装置设置有烟气入口、烟气出口，CO催化氧化装置的烟气入口与补风室的烟气出口相连通。

进一步的，贫氧燃烧室的烟气出口上部连通有第一竖直烟道；第一竖直烟道中从下至上布置有对流受热面和二次燃烧室；第一竖直烟道的出口连接有水平烟道，水平烟道中布置有对流受热面；水平烟道的出口连通向下设置的第二竖直烟道，第二竖直烟道中从上至下依次布置有补风室、CO催化氧化装置、省煤器、空气预热器及排烟口。

进一步的，贫氧燃烧室的底部设有熔融渣池；熔融渣池的下端设置有液态排渣口；贫氧燃烧室的空腔内部铺设卫燃带构成绝热环境。

进一步的，贫氧燃烧室的内部的空腔为圆柱形，一次风进口的数量为四个，每个一次风进口均设置于贫氧燃烧室的靠近下端的侧壁上，四个一次风进口均与贫氧燃烧室内部空腔的中心轴线成一定夹角，使煤在贫氧燃烧室内形成旋风燃烧。

进一步的，二次燃烧室的若干第一高温空气入口上下分层布置；补风室的若干第二高温空气入口上下分层布置。

进一步的，CO催化氧化装置内CO催化剂采用CeO₂气凝胶担载CuO催化剂。

进一步的，二次燃烧室内保持过量空气系数小于1，但大于贫氧燃烧室内过量空气系数。

进一步的，在贫氧燃烧室内保持过量空气系数为0.7～0.8；二次燃烧室内保持过量空气系数为0.9。

一种熔渣贫氧燃烧催化氧化的分级燃烧方法，包括以下步骤：

步骤A，煤粉、水和空气经一次风进口进入贫氧燃烧室的内部的空腔，采用旋风燃烧方式，在空腔的下部形成高温燃烧气化区，在高温燃烧气化区内保持过量空气系数小于1，维持反应为贫氧燃烧氛围；

步骤B，燃烧产生的煤渣在旋转气流的作用下，甩到贫氧燃烧室的内壁面上，而后流入底部熔融渣池，熔渣量累积一定程度后经冷却从排渣口排出；未完全燃烧的高温烟气上行经烟气出口排出，通过稀疏布置的对流受热面冷却，冷却后的烟气进入二次燃烧室；

步骤C，在二次燃烧室中，由第一高温空气入口分层均匀通入空气，经冷却的烟气在二次燃烧室中继续燃烧，二次燃烧室中过量空气系数为0.9；

步骤D，二次燃烧后的烟气通过对流受热面进行换热后，进入补风室，补风室由第二高温空气入口分层均匀通入空气；

步骤E，混合气体进入CO催化氧化装置，CO催化氧化装置中过量空气系数为1～1.05，在CO催化氧化装置中未完全燃烧的烟气中的CO被全部氧化，而后烟气流经省煤器与空气预热器(8)，温度降低至排烟温度后从排烟口(9)排出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的熔渣贫氧燃烧催化氧化的分级燃烧锅炉系统通过将煤依次在贫氧燃烧室和二次燃烧室内分级进行燃烧以及CO催化氧化，可达到高效低NO_x排放，降低大气污染。本发明的锅炉系统在还原性气氛下高温燃烧，以及在二次燃烧室、补风室内低温燃烧几乎无NO_x的生成，因此无需加装SCR脱硝装置，可避免脱硝过程中遇到的催化剂最佳温度限制、喷氨混合均匀性以及催化剂废料处理等严重问题。煤粉、水和高温空气经一次风口进入贫氧燃烧室的内部的空腔，空腔的下部形成为高温燃烧气化区，熔渣量累积一定程度后经排焦口排出。二次燃烧室中，由高温空气入口通入适量高温空气，经冷却的烟气在二次燃烧室中继续燃烧。烟气冷却装置可降低烟气的温度，对通过的烟气进行冷却。补风室用于补充高温空气，以保证后续催化氧化时的过量空气系数近似为1。CO催化氧化装置中的催化剂载体上附着的CO催化剂，可将烟气中未完全燃烧的CO全部氧化，降低环境污染。贫氧燃烧室内采用熔融贫氧燃烧方式，过量空气系数小于1，维持反应为贫氧高温燃烧氛围，产生的燃料型NO_x大幅减少，将大部分氮转化为氮气，而后未完全燃烧的烟气在二次燃烧室、补风室中继续燃烧，烟气中残余的CO在CO催化氧化装置中被CO催化剂完全氧化，由于烟气经各烟气冷却装置冷却，燃烧温度较低，产生的温度型NO_x减少，利用分级燃烧方式可有效地降低NO_x的排放。

进一步的，通过设置液态排渣装置，采用液态排渣方式，可提高锅炉系统的捕渣率，增加其对煤种的适应范围，提高煤粉燃尽率，可使受热面洁净，烟气含尘量降低，使锅炉尾部受热面沾灰及磨损减少。本发明的锅炉系统采用液态排渣方式，熔融渣池上方反应区温度高于灰熔融温度。燃烧产生的煤渣在旋转气流的作用下甩到贫氧燃烧室内壁面，而后流入底部熔融渣池，经冷却后从液态排渣口排出。渣池中的熔融灰分对残焦的气化燃烧起到催化和提供热源的作用，维持了燃烧的稳定性，并提高了碳的转化率。

进一步的，一次风进口与贫氧燃烧室内部空腔的中心轴线成一定夹角，一次风倾斜送入，贫氧燃烧室下部侧壁上设置的四个一次风进口，可在气化区形成旋风，使煤粉形成旋风燃烧方式。

进一步的，空腔的内部的水冷壁上铺设卫燃带可构成绝热环境，可起到隔热和保温的作用。

进一步的，烟道内稀疏布置的若干对流受热面可降低烟道内烟气的温度；在二次燃烧室采用低温燃烧方式，温度低于贫氧燃烧室温度，温度低于绝大多数煤种的灰熔点，不会引起对流受热面表面沾污，能够保持对流受热面表面的清洁，且对各对流受热面换热效果要求较低，对流受热面稀疏布置，可节省成本，提高技术经济性。

进一步的，二次燃烧室和补风室的高温空气入口分层布置，可均匀通入适量的高温空气，提高均匀性。

进一步的，CO催化氧化装置内的CO催化剂采用CeO₂气凝胶担载CuO催化剂，CuO催化剂价格低廉，有较高的经济性。CuO催化剂活性温度在600℃附近，可将未完全燃烧的烟气中的CO较好地氧化。

进一步的，通过设置省煤器和空气预热器，可提高本发明的锅炉系统的煤的利用率，降低排放的烟气的热量。

本发明的熔渣贫氧燃烧催化氧化的分级燃烧方法，用于上述任一种熔渣贫氧燃烧催化氧化的分级燃烧锅炉系统，可有效降低NO_x的排放。对于其他煤种，也可采用非熔渣及流化床燃烧室。

进一步的，整体过量空气系数较低，可降低排烟热损失，提高锅炉热效率。

附图说明

图1是本发明的一种熔渣贫氧燃烧催化氧化的分级燃烧锅炉系统的结构示意图；

图1中：1、贫氧燃烧室；2、对流受热面；3、二次燃烧室；4、对流受热面；5、补风室；6、CO催化氧化装置；7、省煤器；8、空气预热器；9、排烟口；10、一次风进口；11、液态排渣口；12、卫燃带；13、贫氧燃烧室的烟气出口；14、熔融渣池；15、高温空气入口；16、高温空气入口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细说明。

参阅图1所示，本发明的一种熔渣贫氧燃烧催化氧化的分级燃烧锅炉系统，包括贫氧燃烧室1、CO催化氧化装置6及锅炉本体其他设备。

贫氧燃烧室1位于锅炉系统炉膛位置，锅炉本体其他设备包括稀疏布置的对流受热面2、二次燃烧室3、对流受热面4、补风室5、省煤器7、空气预热器8及排烟口9，CO催化氧化装置6设置在省煤器7与补风室5之间。

贫氧燃烧室1上部连通有第一竖直烟道；第一竖直烟道中从下至上布置有对流受热面2和二次燃烧室3；第一竖直烟道的出口连接有水平烟道，对流受热面4布置于水平烟道中；水平烟道的出口连通向下设置的第二竖直烟道，第二竖直烟道中从上至下依次布置有补风室5、CO催化氧化装置6、省煤器7、空气预热器8及排烟口9。

贫氧燃烧室1为绝热的还原性气化反应氛围，包括一次风进口10、熔融渣池14、液态排渣口11、卫燃带12和贫氧燃烧室的烟气出口13。贫氧燃烧室1为内部空腔，空腔为圆柱形，空腔内部铺设卫燃带12构成绝热环境，卫燃带12内部布置水冷壁构成炉墙。贫氧燃烧室1下部侧壁上共设有四个一次风进口10，四个一次风进口10均与贫氧燃烧室1内部空腔的中心轴线成一定夹角，一次风沿切线方向倾斜送入，使煤在贫氧燃烧室1内形成旋风燃烧方式。在旋转气流的作用下，燃烧产生的煤渣被甩到贫氧燃烧室1的内壁面上，而后流入底部熔融渣池14，熔渣量累积一定程度后经冷却从液态排渣口11排出。渣池中的熔融灰分对残焦的气化燃烧起到催化和提供热源的作用，维持了燃烧的稳定性，并提高了碳的转化率。

在贫氧燃烧室1内，被一次风送入的煤粉在强烈的高温熔渣加热作用下迅速热解并燃烧，在气化空间下部形成为高温燃烧气化区，在该区域内保持过量空气系数小于1，约为0.7～0.8，维持反应为贫氧燃烧氛围，产生的燃料型NO_x大幅减少，将大部分氮转化为氮气。经过该气化反应后，由于过量空气系数较低，煤粉未完全燃烧，含有一部分CO，约10％左右。该烟气上行，经贫氧燃烧室1的上部烟气出口13排出贫氧燃烧室1。贫氧燃烧室1内煤粉在还原性氛围下燃烧，几乎不产生NO_x。

上行的高温烟气通过一段竖直烟道后，通过上部稀疏布置的对流受热面2进行冷却。冷却后的烟气进入二次燃烧室3，此处分层均匀布置输送高温空气的管道，通过第一高温空气入口15分层均匀送入适量高温空气，与烟气完全结合，经冷却后的烟气在二次燃烧室3内继续燃烧。此处过量空气系数小于1，近似为0.9，燃烧温度低于贫氧燃烧室温度，产生的温度型NO_x较少，有效地降低NO_x的生成。且温度低于绝大多数煤种的灰熔点，不会引起各受热面表面沾污，且利于各受热面的设计及布置。

通过锅炉上部水平设置的水平烟道的对流受热面4进行换热后的烟气，下行经过补风室5，通过第二高温空气入口16向补风室5分层均匀通入适量高温空气，保证在CO催化氧化装置6位置过量空气系数约为1～1.05，温度较低，约为500～600℃。在CO催化氧化装置6内未完全燃烧的烟气中的CO被CO催化剂全部氧化。而后烟气流经省煤器7与空气预热器8等装置，与其进行热交换，烟气温度降低至排烟温度后从排烟口9排出。

本发明的锅炉系统为一种利用分级燃烧方式，高效低NO_x排放的技术。无需SCR脱硝装置，避免了SCR脱硝过程中遇到一系列问题。并且采用液态排渣方式，具有捕渣率高，对煤种的适应范围广，煤粉燃尽率高，烟气洁净程度高等优势。

一种熔渣贫氧燃烧催化氧化的分级燃烧锅炉系统，包括贫氧燃烧室1、CO催化氧化装置6及锅炉本体其他设备；贫氧燃烧室1为绝热的还原性气化反应氛围，采用液态排渣方式，贫氧燃烧室1内过量空气系数小于1，送入的煤粉在此处贫氧燃烧，气化燃烧后的烟气经贫氧燃烧室的烟气出口13排出，流经锅炉本体其他设备；CO催化氧化装6内的载体附着CO催化剂，其位于锅炉本体省煤器7之前，此处过量空气系数近似于1；锅炉本体其他设备包括设置于贫氧燃烧室1上部稀疏布置的对流受热面2、二次燃烧室3、锅炉上部对流受热面4、补风室5、省煤器7、空气预热器8及排烟口9等设备。贫氧燃烧室1为绝热的还原性气化反应氛围，包括一次风进口10、熔融渣池14、液态排渣口11、卫燃带12和烟气出口13；贫氧燃烧室1为内部空腔，空腔内部铺设卫燃带12构成绝热环境，卫燃带12内部布置水冷壁构成炉墙。其下部侧壁上设有一次风进口10，贫氧燃烧室1内位于一次风进口10下部设有熔融渣池14，熔融渣池14的底部设有液态排渣口11，冷却后的煤渣从液态排渣口11排出。贫氧燃烧室1内顶部设有烟气出口13，烟气出口13一端连接贫氧燃烧室1，另一端经竖直烟道连接贫氧燃烧室1上部稀疏布置的对流受热面2。一次风进口10与贫氧燃烧室1内部空腔的中心轴线成一定夹角，一次风倾斜送入。贫氧燃烧室1下部侧壁上设有四个用于在气化区形成旋风的一次风进口10，使煤粉形成旋风燃烧方式。系统采用液态排渣方式，燃烧过程产生的煤渣经旋转甩到贫氧燃烧室1内壁面，而后流入底部熔融渣池14，熔渣量累积一定程度后经冷却从液态排渣口11排出。煤粉、水和高温空气经一次风进口10沿切向进入贫氧燃烧室1内部的圆柱形空腔，空腔为气化空间，采用旋风燃烧方式，气化空间的下部为高温燃烧气化区，在高温燃烧气化区内保持过量空气系数小于1(约为0.7～0.8)，维持反应为贫氧燃烧氛围。燃烧产生的煤渣在旋转气流的作用下甩到贫氧燃烧室1内壁面，而后流入底部熔融渣池14，熔渣量累积一定程度后经冷却从排渣口排出。未完全燃烧的高温烟气上行，经烟气出口排出，通过稀疏布置的对流受热面2冷却；在二次燃烧室3，由第一高温空气入口15分层均匀通入适量高温空气，经冷却的烟气在此处继续燃烧，此处过量空气系数约为0.9，燃烧温度较低。而后烟气通过锅炉上部对流受热面4进行换热，下行经过补风室5，此处由第二高温空气入口16分层均匀通入适量高温空气，保证在CO催化氧化装置6位置过量空气系数近似于1，在此处未完全燃烧的烟气中的CO被全部氧化。而后烟气流经省煤器7与空气预热器8等装置，温度降低至排烟温度后从排烟口9排出。CO催化氧化装置6内CO催化剂可采用CeO₂气凝胶担载CuO催化剂。由于锅炉漏风及二次燃烧室、补风区分层送入空气的存在，在CO催化氧化装置位置过量空气系数近似于1，在此处未完全燃烧的烟气中的CO被全部氧化。该锅炉系统由于还原性气氛下高温燃烧无NO_x的生成，因此无需加装SCR脱硝装置。二次燃烧室3位于稀疏布置的对流受热面2之后，此处分层布置输送高温空气的管道，空气从此处分层均匀送入，经冷却后的烟气在此处继续燃烧。补风室位于CO催化氧化装置之前，同样分层布置输送高温空气的管道，保证在CO催化氧化装置位置过量空气系数近似于1，在此处未完全燃烧的烟气中的CO被全部氧化。

一种熔渣贫氧燃烧催化氧化的分级燃烧方法，基于上述的任一种熔渣贫氧燃烧催化氧化的分级燃烧锅炉系统；包括以下步骤：

步骤A，煤粉、水和高温空气经一次风进口10进入贫氧燃烧室1的内部的空腔，采用旋风燃烧方式，在空腔的下部形成高温燃烧气化区，在高温燃烧气化区内保持过量空气系数小于1，维持反应为贫氧燃烧氛围，过量空气系数为0.7-0.8；

步骤B，燃烧产生的煤渣在旋转气流的作用下，甩到贫氧燃烧室1的内壁面上，而后流入底部熔融渣池14，熔渣量累积一定程度后经冷却从排渣口11排出，未完全燃烧的高温烟气上行经烟气出口13排出，通过稀疏布置的对流受热面2冷却，冷却后的烟气进入二次燃烧室3；

步骤C，在二次燃烧室3中，由第一高温空气入口15分层均匀通入适量高温空气，经冷却的烟气在二次燃烧室3中继续燃烧，二次燃烧室3中过量空气系数约为0.9；

步骤D，二次燃烧后的烟气通过对流受热面4进行换热后，进入补风室5，补风室5由第二高温空气入口16分层均匀通入适量高温空气；

步骤E，混合气体进入CO催化氧化装置6，CO催化氧化装置6中过量空气系数等于1，在CO催化氧化装置6中未完全燃烧的烟气中的CO被全部氧化，而后烟气流经省煤器7与空气预热器8，温度降低至排烟温度后从排烟口9排出。