一种耦合双流化床低氮燃烧装置及方法与流程

本发明属于煤清洁高效燃烧技术领域，具体涉及一种耦合双流化床低氮燃烧装置及方法。

背景技术：

中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，2019年煤炭产量达到37.5亿吨，占一次能源消费的57.7％。从我国的能源资源和经济发展水平看，在相当长的时期内，煤炭仍将是我国最主要的一次能源。据统计，我国氮氧化物(nox)排放量中的70％来自于煤炭的燃烧，因此煤的清洁高效燃烧技术的开发已显得尤为重要与迫切。随着国家《火电厂大气污染物排放标准》(gb13223-2011)的颁布实施，nox的排放将执行100mg/m3的浓度标准，对重点地区甚至严格要求达到50mg/m3的超低排放标准，这将使燃煤锅炉的运行面临着极大的挑战。目前燃煤锅炉降低nox排放技术措施主要分为三类：(1)炉内低氮燃烧技术，包括低nox燃烧器、空气分级与燃料分级技术、浓淡燃烧技术、烟气再循环技术等，如中国专利201610614713.6公开了一种工业煤粉锅炉烟气再循环低氮燃烧方法和系统，在可获得同等减排效果的前提下提高了煤粉着火的稳定性；然而，炉内低氮燃烧技术脱硝效率仅10～30％，远达不到排放标准要求。(2)尾部烟气脱硝技术，包括选择性催化还原(scr)、选择性催化还原(scr)与选择性非催化还原(sncr)联合、活性炭脱硝等技术，尽管脱硝效率可达到70～90％，但需要配置复杂的烟气脱硝处理系统，还需要提供额外的还原剂与催化剂，其系统复杂，投资、运行与维护成本高昂，同时还会带来二次污染，例如氨逃逸问题。(3)开发新型炉膛结构，如中国专利cn201610745593.3公开的一种双炉膛煤粉气化低氮燃烧工业锅炉，采用双炉膛结构，使煤粉燃烧有充分的气化空间和燃尽空间，通过改善床温分布均匀性来降低nox的排放；中国专利cn201811603352.0公开了一种煤粉预热解低nox锅炉燃烧系统，将煤粉预燃、气化、烟气再循环与空气分级等低nox燃烧技术相耦合，使其发挥协同脱硝效应。但新型炉膛结构较复杂，投资开发运行成本高，且对锅炉运行的稳定性具有更高的要求。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种耦合双流化床低氮燃烧装置及方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种耦合双流化床低氮燃烧装置，包括燃烧单元、气化单元、再燃脱硝燃尽区和尾部烟道；所述燃烧单元和气化单元相互独立设置；所述再燃脱硝燃尽区具有两个进口，分别与燃烧单元出口及气化单元出口相连通；所述再燃脱硝燃尽区出口与尾部烟道进口相连通；所述再燃脱硝燃尽区侧墙设有至少一个后燃风喷口。

优选的，所述再燃脱硝燃尽区的两个进口相对布置，使得从所述燃烧单元气相出口流出的物质，与从所述气化单元气相出口流出的物质进入两个所述进口后形成对冲接触。

优选的，所述燃烧单元包括燃烧室和第一旋风分离器；所述气化单元包括气化室和第二旋风分离器；所述第一旋风分离器进口与燃烧室出口相连通，第一旋风分离器气相出口即为所述燃烧单元气相出口，其上设置有第一烟道；所述第二旋风分离器进口与气化室出口相连通，第二旋风分离器上部气相出口即为所述气化室气相出口，其上设置有第二烟道；所述第一烟道出口和第二烟道出口即为所述再燃脱硝燃尽区的两个进口。

优选的，所述第一烟道和第二烟道均为水平烟道，相连通的连接方式为矩形、腰形或棱形。

优选的，所述燃烧单元还包含第一返料器，所述气化单元还包括第二单侧返料器；所述第一返料器进口与第一旋风分离器下部固相出口连通；所述第一返料器出口与所述燃烧室下部后墙返料口连通；所述第二单侧返料器进口与第二旋风分离器下部固相出口通过立管相连通，第二单侧返料器出口与气化室下部后墙返料口相连通。

优选的，所述尾部烟道下部自上至下依次设置有过热器、省煤器、空气预热器；所述过热器出口管道与气化室底部第二风室侧壁水蒸汽喷口相连通；所述空气预热器出口管道与气化室底部风室进风管道相连通；所述再燃脱硝燃尽区下方出口与过热器进口烟道相连通。

优选的，所述燃烧室的主燃区过量空气系数为1.0～1.05；所述气化室的反应温度为900℃～1000℃。

优选的，所述再燃脱硝燃尽区的过量空气系数为1.05～1.15，反应温度为900～1100℃，烟气停留时间为0.5～1.5s，煤气流速不低于烟气流速，煤气热量占总输入热量的比例为10～30％。

优选的，还包括第三旋风分离器和第三返料器；所述第二旋风分离器上部气相出口分别与第二烟道进口、第三旋风分离器进口相连通；所述第三旋风分离器下部固相出口与第三返料器进口相连通，第三旋风分离器上部气相出口连通有尾部煤气管道；所述第三返料器出口与燃烧室下部第一给煤机给料口相连通。

优选的，以热解室替换气化室，以第二双侧返料器替换第二单侧返料器。

优选的，所述燃烧室为流化床炉膛或煤粉炉膛。

优选的，热解室的反应温度为550～650℃，再燃脱硝区热解煤气热量占总输入热量的比例为10～25％。

一种使用上述的耦合双流化床低氮燃烧装置的耦合双流化床低氮燃烧方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，提供耦合双流化床低氮燃烧装置；

步骤二，一级燃料从所述燃烧单元下部给入，在一次热风与二次热风作用下发生燃烧反应；

步骤三，二级燃料从气化单元下部给入，在一次热风与过热蒸汽气化剂作用下发生气化反应；

步骤四，所述燃烧单元产生烟气中的nox与气化单元产生的煤气在所述再燃脱硝区进行脱硝还原反应，将烟气中的绝大部分nox还原成氮气；

步骤五，所述气化单元产生气化底渣在热风输送作用下送入所述燃烧单元下部进行再燃；

步骤六，所述再燃脱硝燃尽区中未燃尽残炭颗粒与一氧化碳气体在后燃风作用下进行充分燃烧反应；高温烟气离开所述再燃脱硝燃尽区经过所述尾部烟道进行换热后，经过除尘净化排空。

优选的，所述燃烧单元和气化单元所用燃料包括烟煤、褐煤、无烟煤、生物质、兰炭/半焦、煤泥、煤矸石、气化飞灰或水煤浆中的一种或几种。

本发明的有益之处在于：

(1)设置再燃脱硝区，通过燃料热化学转化过程中自身产生的大量廉价还原剂(ch4、h2、co、半焦等)，对燃料燃烧过程中产生的nox进行深度脱硝还原反应，系统燃料燃烧过程中产生的nox原始排放浓度、脱硝投资和运行成本显著降低。

(2)燃烧室出口第一烟道与气化室出口第二烟道以对冲方式布置，强化了烟气流与煤气流的掺混强度，提高了烟气中的nox还原效率，显著降低nox原始排放浓度。

(3)燃烧室与气化室的燃料可以是同一种燃料，也可以是不同燃料，气化室采用固废低热值燃料，通过固废的气化为燃煤燃烧脱硝反应提供大量廉价还原剂，实现了固废资源化利用；将气化反应过程中产生的气化灰渣返回燃烧室进行充分燃烧，整个系统没有固废及废水产生，进一步提高了固废资源化利用。

(4)燃烧室与气化室相互独立，燃烧室与气化室可根据各区反应温度与反应气氛的需求进行单独精准调节，提高了系统的调节灵活性与运行的稳定性。

(5)通过加入后燃风，将主燃区与脱硝区未反应完全的co及残炭在后燃高温区进行二次充分燃烧反应，保证了系统的燃烧效率及能源转化效率。

附图说明

图1是本发明耦合双流化床低氮燃烧装置具体实施例1的结构示意图；

图2是图1中耦合双流化床低氮燃烧装置的再燃脱硝区的三种结构示意图；

图3是本发明耦合双流化床低氮燃烧装置具体实施例2的结构示意图；

图4是本发明耦合双流化床低氮燃烧装置具体实施例3的结构示意图；

图5是本发明耦合双流化床低氮燃烧装置具体实施例4的结构示意图。

图中标示的含义为：1-燃烧室；11-第一给煤机；12-循环半焦给料口；2-第一旋风分离器；21-第一烟道；3-第一返料器；4-气化室；4＇-热解室；41-第二给煤机；5-第二旋风分离器；51-第二烟道；52-第三旋风分离器；53-第三返料器；6-第二单侧返料器；6＇-第二双侧返料器；7-过热器；8-省煤器；9-空气预热器；a-主燃区；b-再燃脱硝区；d-后燃燃尽区；c气化区；c1-热解区；pa-一次热风；ta-后燃风；eg-烟气；sw-过热蒸汽；sc-半焦；cg-煤气；bs-底渣；v1—烟气流速；v2—煤气流速。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步具体说明。

实施例1

一种耦合双流化床低氮燃烧装置，如图1所示，包括，燃烧单元、气化单元、再燃脱硝燃尽区和尾部烟道；燃烧单元和气化单元相互独立设置；所述再燃脱硝燃尽区具有两个进口，分别与燃烧单元出口及气化单元出口相连通；所述再燃脱硝燃尽区出口与尾部烟道进口相连通；再燃脱硝燃尽区中下部侧墙设有至少一个后燃风喷口。

其中燃烧单元包括燃烧室1(循环流化床炉膛)、第一旋风分离器2和第一返料器3；气化单元包括气化室4、第二旋风分离器5和第二单侧返料器6；燃烧室1下部前墙设有第一给煤机11给料口，下部后墙设有返料口，上部后墙设有燃烧室出口，底部设有第一风室；第一风室侧壁设有进风口；第一旋风分离器2进口与燃烧室1上部燃烧室出口相连通，第一旋风分离器2上部气相出口与第一烟道21进口相连通；第一返料器3进口与第一旋风分离器2下部固相出口通过立管相连通，第一返料器3出口与燃烧室1下部后墙返料口相连通；气化室4下部前墙设有第二给煤机41给料口，下部后墙设有返料口，上部后墙设有气化室出口，底部设有第二风室；第二风室侧壁设有进风口与水蒸汽喷口；所述第二旋风分离器5进口与气化室4上部气化室出口相连通，第二旋风分离器5上部气相出口与第二烟道51进口相连通；第二单侧返料器6进口与第二旋风分离器5下部固相出口通过立管相连通，第二单侧返料器6出口与气化室4下部后墙返料口相连通。

尾部烟道下部自上至下依次设置有过热器7、省煤器8、空气预热器9；过热器7出口管道与气化室4底部第二风室侧壁水蒸汽喷口相连通；空气预热器9出口管道与气化室4底部风室进风管道相连通。

再燃脱硝燃尽区，其上部为再燃脱硝区b，下部为后燃燃尽区d；燃烧室1与气化室4相互独立，燃烧室1与气化室4可根据各区反应温度与反应气氛的需求进行单独精准调节，提高了系统的调节灵活性与运行的稳定性。

第一烟道21出口和第二烟道51出口即为所述再燃脱硝燃尽区的两个进口，第一烟道21和第二烟道51均为水平烟道，第一烟道21出口及第二烟道51出口对冲方式布置；循环流化床燃烧室1出口第一烟道21与气化室4出口第二烟道51以对冲方式布置，强化了烟气流与煤气流的掺混强度，提高了烟气中的nox还原效率，显著降低nox原始排放浓度。

再燃脱硝燃尽区b下方出口与过热器7进口烟道相连通，中下部侧墙设有后燃风喷口；通过加入后燃风ta，将燃烧室1的主燃区a与再燃脱硝区b未反应完全的co及残炭在后燃高温区进行二次充分燃烧反应，保证了系统的燃烧效率及能源转化效率。

再燃脱硝燃尽区的后燃风喷口沿再燃脱硝燃尽区侧墙四周方向布置，后燃风喷口的数量大于或等于1个。

如图2所示，第一烟道21出口及第二烟道51出口相连通的连接方式为矩形、腰形或棱形。

燃烧室1与气化室4燃料包括烟煤、褐煤、无烟煤、生物质、半焦、煤泥、煤矸石、气化飞灰或水煤浆中的一种或几种；燃烧室1与气化室4的燃料可以是同一种燃料，也可以是不同燃料，气化室4采用固废低热值燃料，通过在位于气化室4气化区c固废的气化，为燃煤燃烧脱硝反应提供大量廉价还原剂，实现了固废资源化利用。

燃烧室1的主燃区a过量空气系数为1.0～1.05。

再燃脱硝燃尽区的过量空气系数为1.05～1.15，反应温度为900～1100℃，烟气停留时间为0.5～1.5s，煤气流速v2不低于烟气流速v1，煤气热量占总输入热量的比例为10～30％。

气化室4的反应温度为900℃～1000℃。

利用上述的耦合双流化床低氮燃烧装置的耦合双流化床低氮燃烧方法，包括以下步骤：

步骤一，提供耦合双流化床低氮燃烧装置；

步骤二，一级燃料从燃烧室1下部给入，在一次热风pa与二次热风作用下发生燃烧反应；

步骤三，二级燃料从气化室4下部给入，在一次热风pa与过热蒸汽sw气化剂作用下发生气化反应；

步骤四，燃烧室1产生烟气中的nox与气化室4产生的煤气在再燃脱硝区b进行脱硝还原反应，将烟气中的绝大部分nox还原成氮气；

步骤五，气化室4产生气化底渣bs在热风输送作用下送入燃烧室1下部进行再燃；将气化反应过程中产生的气化灰渣返回燃烧室进行充分燃烧，整个系统没有固废及废水产生，进一步提高了固废资源化利用；

步骤六，再燃脱硝区b中未燃尽残炭颗粒与一氧化碳气体在后燃风ta作用下进行充分燃烧反应；高温烟气离开后燃燃尽区d，依次与过热器7、省煤器8、空气预热器9换热后，经过除尘净化排空；

通过后燃风ta分级，在后燃燃尽区d上部，提供一个900～1000℃，α＝0.95～1.05的高温低氧环境，提高还原反应速率与nox还原率；通过后燃风ta的喷入，提供高温氧化性气氛(900～1000℃，α＝1.05～1.15)，以保证残炭与co充分燃烧，提高系统燃烧效率，实现高效超低氮燃烧目标。

在本具体实施例中，一级燃料通过第一给煤机11在一次热风pa作用下在主燃区a内进行燃烧反应，燃烧反应后的燃烧产物经过第一旋风分离器2进行气固分离，气固分离后的烟气从第一旋风分离器2上部进入再燃脱硝燃尽区b；二级燃料通过第二给煤机41进入气化室4，空气预热器9预热后的热风及过热器7加热后的过热蒸汽作为气化剂，二级燃料发生气化反应，气化后的产物进入第二旋风分离器5进行气固分离，分离后煤气中的还原性气体，ch4、h2、co等，进入再燃脱硝燃尽区b上部对燃烧室1产生的nox进行脱硝还原，将nox还原成n2。

本发明在煤气化过程中自身产生大量廉价还原剂，通过耦合燃烧室1与气化室4尾部烟道的再燃脱硝燃尽区，分区控制反应温度与反应气氛，实现低成本的高效超低氮燃烧，大幅度降低燃烧过程中产生的nox原始排放浓度，并且在整个系统中无固废与废水的排放。

实施例2

具体实施例2与具体实施例1的区别在于，还包括第三旋风分离器52和第三返料器53；如图3所示，第二旋风分离器5上部气相出口分别与第二烟道51进口、第三旋风分离器52进口相连通；所述第三旋风分离器52下部固相出口与第三返料器53进口相连通，第三旋风分离器52上部气相出口连通尾部煤气管道；所述第三返料器53出口与燃烧室1下部第一给煤机11给料口相连通。

实施例3

具体实施例3与具体实施例1的区别在于，以热解室4＇替换气化室4，以第二双侧返料器6＇替换第二单侧返料器6，如图4所示。

从第二双侧返料器6＇出来的一部分半焦sc返回热解室4＇的热解区c1，继续参与热解反应，从第二双侧返料器6＇出来的另一部分半焦sc在空气预热器9出来的一次热风pa输送作用下通过循环半焦给料口12返回燃烧室1中下部作为再燃燃料，对底部燃烧产生的nox进行第一级脱硝还原反应。从第一旋风分离器2出来的烟气与从第二旋风分离器5出来的热解气在再燃脱硝区b进行强烈掺混发生第二级脱硝还原反应。

再燃脱硝燃尽区出来的一部分800～950℃的高温烟气eg为热解室4＇提供热解反应所需要的热源。

热解室4＇的反应温度为550～650℃，再燃脱硝区b热解煤气热量占总输入热量的比例为10～25％。

实施例4

在实施例一的基础上，将流化床炉膛改为煤粉炉膛，给煤机10与磨煤机9通过管道相连通，磨煤机9与主燃区a燃料喷口通过管道相连通，气化室底部排渣口通过管道与磨煤机9进料口相连通。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。