[发明专利]燃料分级低氮燃烧系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃烧系统和控制方法，具体涉及用于固体燃料的燃烧控制方法及系统。

背景技术

固体化石燃料例如煤是重要的能源，煤燃烧用于发电是世界电力的主要来源之一。但是，由煤燃烧排放的污染物也是空气污染的主要来源之一。例如，煤燃烧排放的氮氧化物(NOx)每年达二千多万吨，是重要污染源。

煤燃烧过程中所产生的NOx有两个主要来源：燃料NOx和热力NOx。燃料NOx为在煤中以化学键的方式存在的氮(燃料氮)经燃烧转化而形成的NOx。燃料氮(或焦炭-N)在一系列复杂燃烧过程中释放，其主要初始产物为HCN和/或NHi，然后HCN等初始或中间产物被氧化为NOx或被还原为N2。如果氮的初始产物所处气氛为氧化性(燃料缺乏)，则NOX将成为燃料氮的主要产物。如果是缺氧(富燃料)气氛，则HCN与NHi在焦煤表面上通过与CO或C(炭)或其它含氮成分反应转换成N2。

热力NOx是指由大气氮的高温氧化而形成的NOx。热力NOx的形成是温度的指数函数和氧浓度的平方根函数。燃烧温度越低或氧浓度越低产生的NOx越少。因此，可以通过控制反应温度或氧浓度来控制热NOx的产生。但是，较低的燃烧温度或较低的氧浓度使煤的燃烧速率变慢，燃烧效率降低。缓慢的燃烧速率可导致煤的不完全燃烧和煤的延长燃烧。

在普通电站粉煤锅炉中，因燃烧温度一般低于1550℃，热力NOx占总的生成的NOx较小。因此，减少NOx在燃烧过程中的生成主要是减少燃料NOx的形成。为此已经开发了各种燃烧技术。这些技术的要点主要是通过控制炉内的燃烧气氛，使得在燃料氮析出时，气氛为还原性，因而HCN与NHi等中间产物被还原成氮气，而不生成NOx。炉内低NOx燃烧技术主要包括低NOx燃烧器、空气分级燃烧、燃料再燃和烟气再循环等。

其中直流式煤粉浓淡分离低NOx燃烧器是切圆燃烧锅炉控制NOx的首选措施。它采取特定机构将煤粉浓缩分离，在燃烧初期形成局部的煤粉浓淡偏差燃烧，也即局部的还原气氛来控制NOx的生成。常见的直流型浓淡燃烧器主要有：利用水平弯头离心力或强制转向机构的水平浓淡浓缩器、利用垂直弯头离心力的WR型垂直浓淡浓缩器、以及依靠惯性分离的PM型煤粉浓缩器。这些低NOx燃烧器的脱硝(或NOx)效率约为20-40％。

煤粉燃尽前，在低NOx燃烧器的火焰下游维持一定程度的还原气氛，是进一步控制炉内NOx生成的一个常用措施。常规采用的手段是改变传统集中送风的方式而将部分氧化剂(空气)从主燃烧器区域分离出来，通过燃烧器上方的喷口送入炉内，在炉膛高度方向形成空气分级(OFA)燃烧。分级风主要有紧凑型、单级分离型及多级分离混合型等三种，且大多采用多级分离混合方式。空气分级与低NOx燃烧器相配合，可降低NOx排放约40-60％。

空气分级程度及分级风喷口与主燃烧器区域的距离，决定燃烧器区域的还原性气氛程度及煤粉在欠氧条件下的停留时间，从而决定了NOx的生成量。但是，主燃烧器区域处于欠氧条件：一方面会延迟煤粉的燃烧，降低煤粉的燃尽程度；另一方面会导致水冷壁表面处于还原气氛，引起水冷壁结焦和/或高温烟气腐蚀。为提高煤粉的燃尽程度，只能强化燃烧器喷口附近的初期燃烧及后期的分级风的烟气的混合程度。在燃烧器区域整体处于还原气氛条件下，为控制水冷壁表面附近的氧量超过2.0％，降低结渣与烟所腐蚀，切圆燃烧锅炉的一次风、二次风在炉内的入射角度和风量分配至关重要。

此外，在二次风压不足的情况下，还可利用增压风机抽取高温二次风，在距离顶层燃烧器较高的位置作为高速燃尽风喷入炉膛。增压二次风一方面可起到炉内空气分级燃烧的效果，延长煤粉颗粒在欠氧环境中的停留时间，提高NOx控制能力；另一方面可强化燃尽风与上游烟气的充分混合，提高煤粉与CO的燃尽。

空气分级燃烧使煤粉燃烧初期处于欠氧环境，会延迟燃烧，降低燃烧效率。为在控制NOx排放的同时，还能不降低煤粉的燃尽，已开发出另一类低氮燃烧技术--再燃技术。它将高效低NOx燃烧器及燃料再燃入空气分级燃烧等技术结合在一起，在炉膛内形成三个区域：主燃区、再燃区和燃尽区。在这里，约80-85％的一次燃料喷入主燃区，在氧化气氛(α＝～1.1)下剧烈燃烧；约15-20％的二次燃料(天然气、油或高挥发分的超细煤粉)在主燃区上方喷入炉膛，在强还原气氛(α＝0.7-0.9)条件下，二次燃料燃烧产生大量碳氢原子团(HCN),与来自主燃烧器区域的NOx发生还原反应生成N2；剩余的二次风由OFA喷口送入燃尽区，富氧(α＝～1.15)燃烧未燃尽碳与CO.