一种层燃炉多路径脱硝系统及其脱硝方法

摘要

本发明公开了一种层燃炉多路径脱硝系统及其脱硝方法，该系统包括前拱和与之对应的后拱，前拱的水冷壁向炉膛内部凸出使之与前拱炉墙之间形成一空腔，在空腔外的上端处装有前拱二次风装置，在空腔内的上端处装有引射器，其喷射气体为天然气，其喷口水平或下倾，在引射器的下方处装有天然气喷口，其喷射气体为经过增压的天然气，其喷口水平或上倾，在天然气喷口的下方处装有水蒸汽喷口，用于喷射水的气相或液相，其喷口上倾；水冷壁凸出处的下部采用光管水冷壁，管束之间留有空隙，下部的下端处设有采气喇叭口，凸出处的上部采用膜式水冷壁；本发明还提供了该系统的脱销方法；本发明能够主动降低NOX的生成，实现节能和减排的双重技术目标。

权利要求

1.一种层燃炉多路径脱硝系统，包括前拱(1)和与之对应的后拱(2)，所述前拱(1)的水冷壁(1-2)向炉膛内部凸出使之与前拱炉墙(1-1)之间形成一空腔(1-7)，其特征在于：在空腔(1-7)外的上端处装有前拱二次风装置(1-4)，在空腔(1-7)内的上端处装有引射器(1-

3)，用于引射空腔(1-7)内的挥发分气体，引射气体为天然气或低温烟气，其喷口水平或下倾，在引射器(1-3)的下方处装有前拱天然气喷口(1-5)，其喷射气体为经过增压的天然气，其喷口水平或上倾，在前拱天然气喷口(1-5)的下方处装有前拱水蒸汽喷口(1-6)，用于喷射水的气相或液相，其喷口上倾；所述水冷壁(1-2)凸出处的下部(1-2A)采用光管水冷壁，管束之间留有空隙，下部(1-2A)的下端处设有采气喇叭口(1-8)，凸出处的上部采用膜式水冷壁。

2.根据权利要求1所述的一种层燃炉多路径脱硝系统，其特征在于：所述前拱二次风装置(1-4)的喷口水平，其喷射气体为经过增压的空气。

3.根据权利要求1所述的一种层燃炉多路径脱硝系统，其特征在于：在所述后拱(2)的喉口处设有后拱二次风装置(2-1)，该后拱二次风装置(2-1)低于或平齐于引射器(1-3)的高度，其喷射气体为经过增压的空气，后拱二次风装置(2-1)的斜下方设有后拱天然气喷口(2-2)，其喷射气体为经过增压的天然气，其喷口水平或上倾，高度平齐或略低于前拱天然气喷口(1-5)，后拱天然气喷口(2-2)的斜下方处设有后拱水蒸汽喷口(2-3)，用于喷射水的气相或液相，其喷口上倾，高度平齐或略低于前拱水蒸气喷口(1-6)。

4.根据权利要求1所述的一种层燃炉多路径脱硝系统，其特征在于：所述前拱炉墙(1-

1)由耐火材料制成。

5.权利要求1所述的一种层燃炉多路径脱硝系统的脱销方法，其特征在于：由锅炉尾部分成两股抽取烟气进行利用，一股温度为350℃的高温烟气，增压后经过第一风室送入采气喇叭口(1-8)下端,以配合前拱(1)的引燃作用,使燃料受热析出挥发分,采气喇叭口(1-8)对还原性的挥发分进行收集,并将其与热空气隔绝以避免提前燃烧，挥发分从前拱(1)水冷壁(1-2)下部(1-2A)的光管水冷壁管束空隙进入空腔(1-7)；另一股烟气为除尘器出口的干净低温烟气，增压后送入引射器(1-3)中用于引射空腔(1-6)中的挥发分气体，锅炉烟气由引射器(1-3)喷进炉膛完成烟气再循环，以降低锅炉炉膛热负荷，降低NOX的产生，引射器(1-3)与前拱二次风装置(1-4)随层燃炉启动而长时间运行；引射器(1-3)喷射的挥发分气体协同前拱天然气喷口(1-5)和后拱天然气喷口(2-2)喷出的天然气，以及前拱水蒸汽喷口(1-6)和后拱水蒸气喷口(2-3)喷出的水，在炉膛中完成复合再燃燃烧，此系统中前拱天然气喷口(1-5)、拱天然气喷口(2-2)、前拱水蒸汽喷口(1-6)和后拱水蒸气喷口(2-3)选择性运行；后拱二次风装置(2-1)向后拱(2)下方和前拱(1)下方喷射出二次风,强烈地扰动拱下气流，一方面强化前拱(1)和后拱(2)喷出的多种燃料再燃燃烧，另一方面，发生空气分级燃烧，减少气体不完全燃烧损失，后拱二次风亦随层燃炉启动而长时间运行；当NOX排放无法降低到大气污染物排放标准要求时，作为一种补充调节手段，选择在前拱二次风或天然气中添加氨剂或尿素粉末，运用先进再燃燃烧原理，进一步还原锅炉产生的NOX，以提高脱硝效率。

说明书

一种层燃炉多路径脱硝系统及其脱硝方法

技术领域

[0001] 本发明涉及层燃锅炉控制氮氧化物排放技术领域，具体涉及一种层燃炉多路径脱硝系统及其脱硝方法。

背景技术

[0002] 我国目前工业锅炉保有量59万台，其中燃煤工业锅炉约50万台，年耗煤量约7亿吨，约占全国年耗煤总量的20％，燃煤工业锅炉因燃烧和系统配套等问题导致污染物排放较高，2012年排放的烟尘、SO2和NOx分别占全国排放总量32％、26％和15％。。从总体上看，工业锅炉能源消耗和污染排放均位居全国工业行业第二，仅次于电站锅炉，但在全国重点城市工业锅炉排放造成的污染已经超过电站锅炉。

[0003] 燃煤工业锅炉按容量分，70％以上是层燃锅炉，其中以链条锅炉和固定炉排锅炉为主。由于煤质、设计、系统匹配、自控、管理等多方面的因素，同时达到《工业锅炉能效限定值及能效等级》标准Ⅱ级和《锅炉大气污染物排放标准》的锅炉不足5％。随着国家对燃煤工业锅炉能效和环保性能要求的不断提高，原有链条炉排工业锅炉系统技术和在用产品已难以满足要求。

[0004] “十二五”期间，国家在除尘、脱硫技术日益普及的基础上加大了环保投入，出台了控制氮氧化物的严格标准，尽管最先颁布的是控制电站锅炉氮氧化物排放的标准，在环保要求日益严格的未来，工业锅炉和窑炉也会成为氮氧化物排放控制的对象，因此，研究开发综合控制氮氧化物生成和排放的相关技术将成为近期的重点。

[0005] 在我国现行的链条炉排层燃炉中，一般布置有前拱和后拱。前拱接收炉内高温火焰和燃料层的辐射热并集中辐射到新燃料层上，促进新燃料的烘干、析出挥发分和着火；后拱将大量高温烟气和炽热炭粒输送到燃料的主燃烧区和准备区，以维持炉膛的高温，从而使前拱获得更高温度的辐射源，强化了前拱的辐射引燃作用；后拱的另一重要作用是与前拱组成喉口，加强气流扰动，促使可燃物和空气充分混合，以利于燃烧，同时也延长气流在炉内停留的时间，以利于可燃物的燃尽。这种传统的炉拱结构可显著提高锅炉的燃烧效率，但因突出强调引燃和强化燃烧的重要性，忽视了从源头上对燃烧过程中产生的NOX进行主动控制的技术研发，缺乏主动控制NOX生成的相关结构设计技术，而对于工业锅炉而言，若不能主动控制NOX生成，就只能采用在炉膛上部喷氨技术或实施SCR烟气脱硝后处理技术等，而单纯喷氨脱除NOX技术虽然方法简单，但是脱除效率低，时时刻刻都要消耗氨、尿素等物质，运行成本较高。至于SCR不仅要喷氨，还要借助价格昂贵的催化剂加速脱除反应，运行成本更高。因此，如果能通过燃料分级、空气分级和再燃技术主动控制NOX的生成，可以极大地简化脱硝的辅助设备，并极大地降低烟气脱硝的运行成本。

发明内容

[0006] 为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种层燃炉多路径脱硝系统及其脱硝方法，能够主动降低NOX的生成，实现节能和减排的双重技术目标。

[0007] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

[0008] 一种层燃炉多路径脱硝系统，包括前拱1和与之对应的后拱2，所述前拱1的水冷壁1-2向炉膛内部凸出使之与前拱炉墙1-1之间形成一空腔1-7，在空腔1-7外的上端处装有前拱二次风装置1-4，在空腔1-7内的上端处装有引射器1-3，用于引射空腔1-7内的挥发分气体，引射气体为天然气或低温烟气，其喷口水平或下倾，在引射器1-3的下方处装有前拱天然气喷口1-5，其喷射气体为经过增压的天然气，其喷口水平或上倾，在前拱天然气喷口1-5的下方处装有前拱水蒸汽喷口1-6，用于喷射水的气相或液相，其喷口上倾。

[0009] 所述水冷壁1-2凸出处的下部1-2A采用光管水冷壁，管束之间留有空隙，下部1-2A的下端处设有采气喇叭口1-8，凸出处的上部采用膜式水冷壁。

[0010] 所述前拱二次风装置1-4的喷口水平，其喷射气体为经过增压的空气。

[0011] 在所述后拱2的喉口处设有后拱二次风装置2-1，该后拱二次风装置2-1低于或平齐于引射器1-3的高度，其喷射气体为经过增压的空气，后拱二次风装置2-1的斜下方设有后拱天然气喷口2-2，其喷射气体为经过增压的天然气，其喷口水平或上倾，高度平齐或略低于前拱天然气喷口1-5，在后拱天然气喷口2-2的斜下方处设有后拱水蒸汽喷口2-3，用于喷射水的气相或液相，其喷口上倾，高度平齐或略低于前拱水蒸气喷口1-6。

[0012] 所述前拱炉墙1-1由耐火材料制成。

[0013] 上述所述的一种层燃炉多路径脱硝系统的脱销方法，由锅炉尾部分成两股抽取烟气进行利用，一股为约350℃左右的高温烟气，增压后经过第一风室送入采气喇叭口1-8下端,以配合前拱1的引燃作用,使燃料受热析出CHi、H2等烃根挥发分,采气喇叭口1-8对还原性的挥发分进行收集,并将其与热空气隔绝以避免提前燃烧，挥发分从前拱1水冷壁1-2下部1-2A的光管水冷壁管束空隙进入空腔1-7；另一股烟气为除尘器出口的干净低温烟气，增压后送入引射器1-3中用于引射空腔1-6中的挥发分气体，锅炉烟气由引射器1-3喷进炉膛完成烟气再循环，以降低锅炉炉膛热负荷，降低NOX的产生，引射器1-3与前拱二次风装置1-4随层燃炉启动而长时间运行；引射器1-3中的引射气体采用前拱天然气喷口1-5中的增压天然气，引射器1-3喷射的挥发分气体协同前拱天然气喷口1-5和后拱天然气喷口2-2喷出的天然气，以及前拱水蒸汽喷口1-6和后拱水蒸气喷口2-3喷出的水，在炉膛中完成复合再燃燃烧，此系统中前拱天然气喷口1-5、拱天然气喷口2-2、前拱水蒸汽喷口1-6和后拱水蒸气喷口2-3选择性运行；后拱二次风装置2-1向后拱2下方和前拱1下方喷射出二次风,强烈地扰动拱下气流，一方面强化前拱1和后拱2喷出的多种燃料再燃燃烧，另一方面，发生空气分级燃烧，减少气体不完全燃烧损失，后拱二次风亦随层燃炉启动而长时间运行；当NOX排放无法降低到大气污染物排放标准要求时，作为一种补充调节手段，选择在前拱二次风或天然气中添加氨剂或尿素粉末，运用先进再燃燃烧原理，进一步还原锅炉产生的NOX，以提高脱硝效率。

[0014] 本发明和现有技术相比较，有益效果在于：

[0015] 1、不同于《一种协同控制氮氧化物生成的复合炉拱和复合二次风结构》(专利号：201210132143.9)，本发明空腔1-6内的上部出口处的引射器1-3利用热烟气将挥发分引射喷出，不仅利用烟气降低炉膛热负荷，从而减少NOX的产生，而且热烟气引射挥发分可有效杜绝挥发分在引射器内过早燃烧，保证其在锅炉喉口部位进行再燃，使锅炉燃烧过程中产生的NOX还原成N2。

[0016] 2、不同于《一种协同控制氮氧化物生成的复合炉拱和复合二次风结构》(专利号：201210132143.9)，本发明的整体脱硝系统由四个不同作用的喷口多层次构成，每个喷口都可达到一定脱硝作用，其相互独立且可同时运行，形成层燃炉多路径脱硝方法，可满足锅炉负荷变动时多样需求，不同子方案的组合能够满足不同实际需求，从而达到最经济高效的NOx控制效果。

[0017] 3、将再燃脱硝原理运用在工业锅炉领域，布置前拱天然气喷口1-5和后拱天然气喷口2-2，使天然气由此喷进炉膛进行缺氧再燃，形成大量的碳氢等还原性物质还原NOx。

[0018] 4、提出水蒸气脱硝方法，布置前拱水蒸气喷口1-6和后拱水蒸气喷口2-3，使水由此喷进高温炉膛进行水煤气反应，不仅可降低炉膛热负荷，减少NOx反应生成，而且形成具有还原性质的CO和H2，之后发生缺氧再燃，有效还原NOx。

[0019] 5、不同于《一种协同控制氮氧化物生成的复合炉拱和复合二次风结构》(专利号：201210132143.9)，本发明前拱1的水冷壁1-2向炉膛内部凸出形成二段式前拱结构，下部采用光管水冷壁结构，上部采用膜式水冷壁结构，使其与前拱炉墙1-1之间形成一个空腔1-6，燃料受到炉膛回流和第一风室送出的两股热烟气烘烤作用后热解产生的挥发分通过下部的采气喇叭口1-8提前进入空腔1-6，有效保证其与炉排后部回流过来的高温烟气分隔，以避免其未进入空腔1-6前过早混合燃烧。

[0020] 6、利用先进再燃燃烧原理，在前拱天然气喷口1-5和前拱二次风装置1-4的喷射介质中添加氨剂或尿素粉末，进一步抑制再燃区中的含氮基元在燃尽区中形成NOx。

附图说明

[0021] 附图是本发明的一种层燃炉多路径脱硝系统结构示意图。

[0022] 图中：1.前拱，2.后拱，3.炉排，1-1.前拱炉墙，1-2.水冷壁，1-3.引射器，1-4.前拱二次风装置，1-5.前拱天然气喷口，1-6前拱水蒸汽喷口，1-7.空腔，1-2A.水冷壁下部，1-8.采气喇叭口，2-1.后拱二次风装置，2-2.后拱天然气喷口，2-3.后拱水蒸气喷口。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0024] 如附图所示，本发明一种层燃炉多路径脱硝系统，包括前拱1和与之对应的后拱2，所述前拱1的水冷壁1-2向炉膛内部凸出使之与前拱炉墙1-1之间形成一空腔1-7，在空腔1-7外的上端处装有前拱二次风装置1-4，在空腔1-7内的上端处装有引射器1-3，用于引射空腔1-7内的挥发分气体，引射气体为天然气或低温烟气，其喷口水平或下倾，在引射器1-3的下方处装有前拱天然气喷口1-5，其喷射气体为经过增压的天然气，其喷口水平或上倾，在前拱天然气喷口1-5的下方处装有前拱水蒸汽喷口1-6，用于喷射水的气相或液相，其喷口上倾。

[0025] 作为本发明的优选实施方式，所述水冷壁1-2凸出处的下部1-2A采用光管水冷壁，管束之间留有空隙，下部1-2A的下端处设有采气喇叭口1-8，凸出处的上部采用膜式水冷壁。

[0026] 作为本发明的优选实施方式，所述前拱二次风装置1-4的喷口水平，其喷射气体为经过增压的空气。

[0027] 作为本发明的优选实施方式，在所述后拱2的喉口处设有后拱二次风装置2-1，该后拱二次风装置2-1低于或平齐于引射器1-3的高度，其喷射气体为经过增压的空气，后拱二次风装置2-1的斜下方设有后拱天然气喷口2-2，其喷射气体为经过增压的天然气，其喷口水平或上倾，高度平齐或略低于前拱天然气喷口1-5，在后拱天然气喷口2-2的斜下方处装有后拱水蒸汽喷口2-3，用于喷射水的气相或液相，其喷口上倾，高度平齐或略低于前拱水蒸气喷口1-6。

[0028] 作为本发明的优选实施方式，所述前拱炉墙1-1由耐火材料制成。

[0029] 如附图所示，本发明层燃炉多路径脱硝系统的脱销方法，由锅炉尾部分成两股抽取烟气进行利用，一股为约350℃左右的高温烟气，增压后经过第一风室送入采气喇叭口1-8下端,以配合前拱1的引燃作用，另一股烟气为除尘器出口的干净低温烟气，增压后送入引射器1-3中用于引射空腔1-6中的挥发分气体；在层燃锅炉的热力准备阶段，燃料在前拱1的引燃与第一风室送出的高温烟气烘烤的双重作用下析出CHi、H2等烃根挥发分，采气喇叭口
1-8对还原性的挥发分进行收集,并将其与热空气隔绝以避免提前燃烧，挥发分从前拱1水冷壁1-2下部1-2A的光管水冷壁管束空隙进入空腔1-7，然后被引射器1-3中的干净低温烟气携带喷出前拱1的空腔1-7，并协同前拱天然气喷口1-5和后拱天然气喷口2-2喷出的天然气，以及前拱水蒸汽喷口1-6和后拱水蒸气喷口2-3喷出的水，在炉膛中完成复合再燃燃烧，把从炉膛喉口流出的高温烟气中携带的NOX还原成N2，另外锅炉烟气由引射器1-3喷进炉膛完成烟气再循环，以降低锅炉炉膛热负荷，降低NOX的产生,引射器1-3与前拱二次风装置1-
4以及相应的烟气再循环设备随层燃炉启动而长时间运行，根据层燃炉实际运行工况，天然气喷口1-5和水蒸气喷口1-6选择性运行，在喷射天然气时，也可用增压天然气代替低温干净烟气作为引射器1-3的引射气体。向炉膛右下方凸出的前拱水冷壁的作用主要使燃料产生分级燃烧，形成热解段和燃烧燃尽段，析出挥发分之后的燃料随着炉排3向后移动进入燃烧区直至燃尽，燃烧后形成的高温烟气在后拱2作用下向前拱1流动，同时后拱二次风装置
2-1向后拱2下方和前拱1下方喷射出的二次风可强烈地扰动拱下气流，一方面强化前拱1和前拱2喷出的多种燃料再燃燃烧，另一方面，发生空气分级燃烧，减少气体不完全燃烧损失。
高温烟气从喉口部位流出时，与从引射器1-3喷出的还原性的挥发分、前拱天然气喷口1-5和后拱天然气喷口2-2喷出的天然气以及由前拱水蒸汽喷口1-6和后拱天然气喷口2-3喷出的水在高温形成的CO和H2等多种可燃物发生强烈混合，还原性的挥发分能将高温烟气中的NOX还原为氮气，而水平方向的二次风可以更有效地强化高温烟气和多种可燃物的混合扰动，使NOX的还原更加充分。当NOX排放无法降低到大气污染物排放标准要求时，作为一种补充调节手段，可以选择在前拱二次风或天然气中添加氨剂或尿素粉末，运用先进再燃燃烧原理，进一步还原锅炉产生的NOX，以提高脱硝效率。

[0030] 脱硝技术原理介绍：

[0031] 再燃燃烧技术

[0032] 分级燃烧技术其原理如下；由于已生成的NOX在遇到烃根CHi，和未完全燃烧产物CO、H2、C和CnHm时,会发生NO还原反应,这些反应的总反应方程式为；

[0033] 4NO+CH4→2N2+CO2+2H2O

[0034] 2NO+2CnHm+(2n+m/2-1)O2→N2+2nCO2+mH2O

[0035] 2NO+2CO→N2+2CO2

[0036] 2NO+2C→N2+2CO

[0037] 2NO+2H2O→N2+2H2O

[0038] 以上均为总体反应式，其中最主要基元反应式为：

[0039] HCCO+NO→HCNO+CO

[0040] 先进再燃燃烧技术

[0041] 先进再燃技术(Advanced Reburning)把再燃和选择性非催化脱硝协同联合脱硝，集中体现了低NOX燃烧和烟气脱硝的技术优势。该技术投资、运行成本较低，脱硝率达到85％以上，具有较好的技术优势和开发前景。

[0042] 常规的先进再燃是再燃与喷入氨剂协同联合还原NOX。氨剂随同燃尽风喷入，而再燃用于优化氨剂还原NOX的反应条件。通过调整再燃燃料量，再燃区达到合适的燃烧气氛(如还原性气氛),保持一定的CO浓度和拓宽氨剂还原NOX所需的温度窗口。该过程中,再燃有一定的还原NOX效果，但氨剂还原NOX发挥主要作用。