CN110657421B - 一种低NOx混燃***及混燃方法 - Google Patents

一种低NOx混燃***及混燃方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低NOx混燃***及混燃方法，混燃***，包括：热解反应器，其入口与煤源连接，用于将煤热解，制备半焦和热解气；热解半焦仓，其进口与所述热解反应器的固体出口连接，内部设置换热器，用于对热解后的半焦降温；磨煤机，其进口分别与所述热解半焦仓的出口和半焦源连接；锅炉，从上到下依次为燃尽区、NOx还原区、主燃烧区和预热着火区，NOx还原区、主燃烧区和预热着火区的侧壁上依次设置有第一燃烧器、第二燃烧器和第三燃烧器；第一燃烧器和第二燃烧器的进口均与所述热解反应器的热解气出口连接；第三燃烧器的进口通过气路与所述磨煤机的出口连接。

Description

一种低NOx混燃***及混燃方法
技术领域
本发明涉及半焦及气化残碳的高效低氮燃烧技术领域，具体涉及一种利用高挥发分煤助燃半焦及气化残碳的电站锅炉低NOx混燃***及方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
我国是一个能源消费和生产大国，而煤炭是我国主要的能源资源，我国煤炭品种很多，从煤化程度最深的无烟煤到煤化程度最低的褐煤都有所储存，其中低阶煤的储量占到了总量的一半左右。直接对低阶煤进行燃烧或气化效率低，污染物和碳排放量大。利用热解技术对低阶煤进行分质转化和梯级利用是低阶煤高效清洁利用的重要方式。在热解过程中煤热解产生的热解气和焦油作为高品位原料实现利用，热解后产生的大量半焦及气化残碳进行燃烧发电，对其进行有效的利用，实现低阶煤碳清洁高效梯级利用。但由于这种热解副产品半焦及气化残碳属于超低挥发分碳基燃料，采用传统的燃烧技术，难以克服着火稳燃困难、燃尽率低、氮氧化物排放高等难题。实现此类燃料的清洁高效燃烧利用，已成为制约低阶煤分级转化的关键技术瓶颈。
利用高挥发煤与半焦(气化残碳)掺混燃烧是利用半焦(气化残碳)燃烧发电的一种有效方法。即在大型电站煤粉锅炉中掺烧一定比例的半焦(气化残碳)来代替动力煤。目前国内已进行了电站锅炉掺混燃烧半焦的工业试验，但掺烧半焦的比例不高，仅为30％左右，并且掺烧后锅炉效率也有所降低。
这主要是由于不同特性的煤种掺混之后送入炉内燃烧，由于煤质的差异性，存在争夺氧气的现象，高挥发分煤种会提前燃烧，使得低挥发分煤种燃烧处于欠氧状态，从而抑制了低挥发分煤种的着火及稳定燃烧，混合燃料的燃尽率降低。发明人经过研究发现通过提高氧浓度的方法，可以使着火特性得到改善，燃烧趋于稳定，燃尽率所有提高，但提高氧浓度后NOx生成量却不断升高。通过提高氧浓度，改善燃烧特性与降低NOx排放相互矛盾。因此提高电站锅炉掺混半焦比例，同时又降低NOx的排放，是实现超低挥发份碳基燃料清洁燃烧的关键。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种低NOx混燃***及混燃方法。该方法可以实现半焦或气化残碳的高效燃烧，同时可以降低NOx的排放。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种低NOx混燃***，包括：
热解反应器，其入口与煤源连接，用于将煤热解，制备半焦和热解气；
热解半焦仓，其进口与所述热解反应器的固体出口连接，内部设置换热器，用于对热解后的半焦降温；
磨煤机，其进口分别与所述热解半焦仓的出口和半焦源连接；
锅炉，从上到下依次为燃尽区、NOx还原区、主燃烧区和预热着火区，NOx还原区、主燃烧区和预热着火区的侧壁上依次设置有第一燃烧器、第二燃烧器和第三燃烧器；
第一燃烧器和第二燃烧器的进口均与所述热解反应器的热解气出口连接；
第三燃烧器的进口通过气路与所述磨煤机的出口连接。
磨煤机中磨细的半焦粉在风的携带作用下，进入第三燃烧器中进行燃烧。
在一些实施例中，所述锅炉的顶部通过管道与所述热解反应器连接。通过管道将锅炉中的高温烟气引入热解反应器中，用于对热解反应器中的煤进行热解，可以节省煤热解所需的能耗。
进一步的，还包括第一干燥器和第二干燥器，分别与热解反应器和磨煤机连接。
第一干燥器和第二干燥器分别对煤和半焦进行干燥，干燥后更有利于后续的燃烧反应。
更进一步的，所述热解反应器的烟气出口分别与第一干燥器和第二干燥器连接。
对煤进行热解后降温的烟气分别进入第一干燥器和第二干燥器中，对煤和半焦进行干燥，可以有效提高烟气的余热利用率。
再进一步的，所述第二干燥器与磨煤机之间连接有半焦仓，半焦仓出口与磨煤机连接。半焦仓用于对干燥后的半焦进行暂时存储，以方便定量供给。
在一些实施例中，所述锅炉的出口端设置有空气预热器，空气预热器出口端与所述磨煤机的一次风入口连接。
空气预热器预热后的空气进入磨煤机，将磨细的半焦粉携带至锅炉中进行燃烧，由于空气的温度较高，对维持锅炉的稳定运行较为有利。
一种低NOx混燃方法，包括如下步骤：
煤经热解得到热解煤气和高温半焦，高温半焦经降温后，与现有的半焦进行混合磨粉，半焦粉体在一次风的预热和携带作用下进入锅炉的预热着火区，与二次风混合后预热着火，经过预热后点燃；
热解煤气分别进入锅炉的NOx还原区和主燃烧区燃烧，形成强还原性气氛，对半焦燃烧产生的NOx进行还原。
在一些实施例中，煤的热解温度为400-600℃。
在一些实施例中，现有半焦占混合后总半焦的质量百分数为40％-60％。
在一些实施例中，所述一次风的温度为380-420℃。
在一些实施例中，通入NOx还原区的热解煤气占通入主燃烧区的热解煤气体积的17％-25％。
在一些实施例中，预热着火区中，过量空气系数为0.85-0.95。
本发明的有益技术效果为：
本发明的电站锅炉***利用高温烟气对烟煤进行热解，产生热解煤气混合物和高温半焦，在将热解生成的高温半焦与原半焦进行混合后送入炉膛中燃烧，克服了不同煤种由于煤质的差异性，混合燃烧时争夺氧气，燃烧不稳定，燃尽率低的问题。
本发明的电站锅炉***在炉膛底部形成了预热着火区，在预热着火区半焦进行预热着火，由于半焦具有丰富的孔隙结构，在预热着火区大量的氧气通过孔隙进入半焦颗粒的内部，使氧气可以与半焦提前充分接触，同时半焦中所含的少量挥发分预热析出燃烧，有利于半焦的着火，同时生成含有一定浓度的NOx烟气。
本发明的电站锅炉***利用热解烟煤生成的煤气混合物喷入到半焦主燃区助燃半焦，在主燃区形成了富燃料燃烧，降低NOx的生成，同时温度达到最高，半焦剧烈燃烧，高温和剧烈燃烧使半焦中大量的固定碳得以反应，氮元素随之释放，实现了半焦的着火、稳燃和燃尽。同时，煤气混合物喷入NOx还原区，形成较强的还原性气氛燃烧区，还原强度增加促使更多的氮元素被还原，大大降低NOx的生成和排放。
本***利用高温烟气作为热解反应器及干燥机的热源，对烟煤进行高效热解和干燥，实现了烟气余热的高效利用，显著降低了热解能耗，节约烟煤的处理成本。
本***利用换热器冷却高温半焦，冷却水流经换热器生成的高温水蒸气送入锅炉继续加热后用于驱动汽轮机发电。实现了对高温半焦余热的利用。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例低NOx混燃***的结构示意图。
其中，1、烟煤传送装置，2、半焦传送装置，3、第一干燥器，4、第二干燥器，5、热解反应器，6、热解半焦仓，7、换热器，8、半焦仓，9、热解半焦给焦机，10、给焦机，11、磨煤机，12、锅炉，13、空气预热器，14、燃尽风喷嘴，15、第一燃烧器，16、第二燃烧器，17、第三燃烧器，18、燃尽区，19、NOx还原区，20、主燃烧区，21、预热着火区，22、风机。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，低NOx混燃***，包括烟煤传送装置1、半焦传送装置2、第一干燥器3、第二干燥器4、热解反应器5、热解半焦仓6、换热器7、半焦仓8、热解半焦给焦机9、给焦机10、磨煤机11、锅炉本体12、空气预热器13、燃尽风喷嘴14、第一燃烧器15、第二燃烧器16、第三燃烧器17和风机22；
所述的烟煤传送装置1及半焦传送装置2分别与第一干燥器3和第二干燥器4相连接；
所述第一干燥器3和第二干燥器包括干燥室和烟气室，干燥室包括物料入口和干燥物料出口，烟气室包括高温烟气入口和降温烟气出口；
第一干燥器3与热解反应器5相连，热解反应器5包括物料入口、供热烟气入口、降温烟气出口、煤气混合物出口和热解半焦出口，且适用于将烟煤在热解反应器内进行热解处理，以便得到煤气混合物和热解半焦，热解得到的煤气混合物送入到锅炉的半焦主燃烧区和NOx还原区，产生的高温半焦送入热解半焦仓6中降温冷却；
所述的热解半焦仓6内设置有换热器7，热解半焦仓6的半焦入口与热解反应器的热解半焦出口相连接；
所述换热器7包括上端的冷却水进口和下端的高温蒸汽出口，所产生的高温蒸汽送入炉膛加热用于驱动汽轮机发电；
高温半焦经过换热器7换热降温为低温半焦，与原半焦仓8内的半焦混合后进入半焦磨煤机11中混合磨制；
所述的第二干燥器与半焦储料仓8相连接；
所述的热解半焦仓6与半焦储料仓8分别于高温半焦给焦机9和半焦给焦机10相连接，运送至半焦磨煤机11磨制成半焦粉；
磨制好的半焦粉在一次风的带动下预热进入锅炉12中燃烧发电；
所述锅炉12中炉膛中布置有半焦预热着火区21、半焦主燃烧区20及NOx还原区19和燃尽区18，在锅炉的尾部烟道安装有空气预热器13，所述的空气预热器13输出的一次风经管道携带半焦粉送入到锅炉半焦预热着火区21，所述的一次风设计温度达400℃，所述锅炉12的水平烟道处设置有高温烟气抽气口，抽取的高温烟气于热解反应器5的供热烟气入口相连，作为热源使用。
利用高挥发分煤助燃半焦的电站锅炉低NOx混燃的方法如下：
烟煤和半焦经第一干燥器3和第二干燥器4得到干燥烟煤和干燥半焦，第二干燥器4中烟气室流经的烟气降温后排出，干燥后的烟煤经输送装置运送至热解反应器5中热解，热解温度为450℃，生成高温半焦和混合煤气。高温半焦进入热解半焦仓6中与换热器7进行换热冷却得到低温半焦，换热器将高温半焦热量传递给冷却水，冷却水经加热后得到高温水蒸汽送入锅炉加热驱动汽轮机发电，热解产生的混合煤气分级喷入到炉膛的半焦煤气燃烧区和NOx还原区。
经热解半焦仓6换热冷却的低温半焦与原半焦混合送入到磨煤机11，原半焦占总混合半焦的质量百分数为50％，研磨后的半焦粉由一次风(温度为380-420℃)预热后携带送入炉膛下部的预热着火区21与二次风混合后预热着火，过量空气系数为0.9左右，由于半焦丰富的孔隙结构以及较低的挥发份，在预热着火阶段氧气可以吸附到半焦大量的孔隙中，孔隙中少量的挥发粉燃烧生成含有一定浓度的NOx烟气，同时对半焦进行了预热。利用热解烟煤生成的热解煤气喷入到半焦主燃烧区20助燃半焦，在主燃区形成了富燃料燃烧，降低NOx的生成，同时温度达到最高，半焦剧烈燃烧，高温和剧烈燃烧使半焦中大量的固定碳得以反应，氮元素随之释放，实现了半焦的着火，稳燃和燃尽。同时煤气混合物的喷入NOx还原区，通入NOx还原区的热解煤气占通入主燃烧区的热解煤气体积的20％，形成较强的还原性气氛燃烧区，还原强度增加促使更多的氮元素被还原，大大降低NOx的生成和排放。
由锅炉水平烟道抽取的高温烟气与热解反应器5加热管相连接，加热管通过通入的高温烟气为热解反应器5提供热源，烟煤在热解反应器中进行热解，所产生的煤气混合物经热解反应器5顶部管道排出。降温烟气与第一干燥器3和第二干燥器4的烟气室烟气入相连接，在干燥器中进一步换热降温，充分利用了烟气余热，显著降低了干燥和热解的能耗，节约原煤的处理成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低NOx混燃***，其特征在于：包括：
热解反应器，其入口与煤源连接，用于将煤热解，制备半焦和热解气；
热解半焦仓，其进口与所述热解反应器的固体出口连接，内部设置换热器，用于对热解后的半焦降温；
磨煤机，其进口分别与所述热解半焦仓的出口和半焦源连接；
锅炉，从上到下依次为燃尽区、NOx还原区、主燃烧区和预热着火区，NOx还原区、主燃烧区和预热着火区的侧壁上依次设置有第一燃烧器、第二燃烧器和第三燃烧器；
第一燃烧器和第二燃烧器的进口均与所述热解反应器的热解气出口连接；
第三燃烧器的进口通过气路与所述磨煤机的出口连接。
2.根据权利要求1所述的低NOx混燃***，其特征在于：所述锅炉的顶部通过管道与所述热解反应器连接；
进一步的，还包括第一干燥器和第二干燥器，分别与热解反应器和磨煤机连接。
3.根据权利要求2所述的低NOx混燃***，其特征在于：所述热解反应器的烟气出口分别与第一干燥器和第二干燥器连接；
进一步的，所述第二干燥器与磨煤机之间连接有半焦仓，半焦仓出口与磨煤机连接。
4.根据权利要求1所述的低NOx混燃***，其特征在于：所述锅炉的出口端设置有空气预热器，空气预热器出口端与所述磨煤机的一次风入口连接。
5.一种低NOx混燃方法，其特征在于：包括如下步骤：
煤经热解得到热解煤气和高温半焦，高温半焦经降温后，与现有的半焦进行混合磨粉，半焦粉体在一次风的预热和携带作用下进入锅炉的预热着火区，与二次风混合后预热着火，经过预热后点燃；
热解煤气分别进入锅炉的NOx还原区和主燃烧区燃烧，形成强还原性气氛，对半焦燃烧产生的NOx进行还原。
6.根据权利要求5所述的低NOx混燃方法，其特征在于：煤的热解温度为400-600℃。
7.根据权利要求5所述的低NOx混燃方法，其特征在于：现有半焦占混合后总半焦的质量百分数为40％-60％。
8.根据权利要求5所述的低NOx混燃方法，其特征在于：所述一次风的温度为380-420℃。
9.根据权利要求5所述的低NOx混燃方法，其特征在于：通入NOx还原区的热解煤气占主燃烧区的热解煤气体积的17％-25％。
10.根据权利要求5所述的低NOx混燃方法，其特征在于：预热着火区中，过量空气系数为0.85-0.95。
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