阅读说明：本技术 一种低NOx排放变截面循环流化床分级燃烧锅炉系统及方法 (Low-NOx-emission variable-section circulating fluidized bed staged combustion boiler system and method ) 是由 刘银河 张彦迪 杨欢 王博 于 2020-06-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低NOx排放变截面循环流化床分级燃烧锅炉系统及方法,该系统包括：变截面积炉膛、流化床活化室和CO催化装置；变截面积炉膛上部烟气出口连接绝热旋风分离器,绝热旋风分离器下部返料机构与富燃料燃烧室之间增设流化床活化室,上部烟气排出后进入竖直烟道,与对流换热面换热之后进入补风燃烧室；补风燃烧室的下游布置CO催化氧化装置。本发明提出的变截面循环流化床锅炉系统,可实现煤的分级高效燃烧,同时降低了NOx原始排放,减轻大气污染；在一定程度上缓解尾部受热面的积灰结渣问题；对反料进行入炉前的活化,提高碳转化率；取消了SCR脱硝装置,节约了建设成本,同时避免了氨逃逸造成的催化剂失活、空预器堵塞等问题。(The invention discloses a low NOx emission variable cross-section circulating fluidized bed staged combustion boiler system and a method, wherein the system comprises: the device comprises a variable-section hearth, a fluidized bed activation chamber and a CO catalytic device; the flue gas outlet at the upper part of the hearth with the variable cross-sectional area is connected with a heat-insulating cyclone separator, a fluidized bed activation chamber is additionally arranged between a material returning mechanism at the lower part of the heat-insulating cyclone separator and the fuel-rich combustion chamber, and the flue gas at the upper part enters a vertical flue after being discharged, and enters an air supplementing combustion chamber after exchanging heat with a convection heat exchange surface; and a CO catalytic oxidation device is arranged at the downstream of the air supplementing combustion chamber. The variable cross-section circulating fluidized bed boiler system provided by the invention can realize the staged and efficient combustion of coal, simultaneously reduce the original emission of NOx and reduce the atmospheric pollution; the problem of ash deposition and slag bonding of the tail heating surface is relieved to a certain extent; the reaction materials are activated before being fed into the furnace, so that the carbon conversion rate is improved; an SCR denitration device is cancelled, the construction cost is saved, and the problems of catalyst inactivation, air preheater blockage and the like caused by ammonia escape are avoided.)

一种低NOx排放变截面循环流化床分级燃烧锅炉系统及方法

技术领域

本发明属于锅炉设计领域，具体涉及一种低NOx排放变截面循环流化床分级燃烧锅炉系统及方法。

背景技术

循环流化床(CFB)锅炉具有低温燃烧、燃尽条件优良、燃料适应性广等优点，与煤粉炉相比具有天然的低NOx排放优势。随着人们对环保的要求不断提升，对燃煤机组严苛的超低排放标准使得CFB锅炉的环保优势不再显著，不得不采用多种低NOx燃烧措施乃至增设选择性非催化还原(SNCR)或者选择性催化还原(SCR)烟气处理设备。而增设SNCR设备或SCR设备，会在一定程度上促进烟气中的SO₂向SO₃转化，与烟气中逃逸的氨形成硫酸氢铵(ABS)，造成催化剂的失活以及空气预热器的堵塞腐蚀等问题。目前针对CFB锅炉低NOx燃烧改造多采用以下方法：提高二次风喷口，降低密相区氧气含量；提高分离器效率；采用烟气再循环技术等。超低NOx排放和低NOx燃烧技术改造的工程实践表明，炉膛采用低过量空气系数可以降低原始NOx排放，但是容易造成燃烧效率的降低和CO的排放，甚至造成后续设备中二次燃烧的安全问题。

一般认为CFB锅炉具有较高的燃烧效率。国外燃烧褐煤等反应活性较高的煤种实践表明，循环流化床飞灰含碳量较低。然而我国绝大多数循环流化床锅炉多燃用贫煤、煤矸石等劣质燃料，飞灰含碳量显著高于期望值，一些锅炉飞灰含碳量甚至高达30％。飞灰含碳量高已经成为严重制约CFB锅炉继续发展的一个重要因素。目前为了降低CFB锅炉飞灰含碳量，多采用以下方法：提高二次风穿透力，加强气固混合；除尘器处飞灰返回炉膛再循环；飞灰水活化团聚再燃等。现有的降低飞灰含碳量技术都以在原来的锅炉中尽量降低飞灰含碳量为着眼点,受到尾部受热面磨损、能耗等的限制，以及飞灰颗粒失活的影响，即使经这类技术处理的飞灰，其含碳量还有较大的降低空间。

发明内容

为解决上述存在的技术问题，本发明的目的在于提出一种低NOx排放变截面循环流化床分级燃烧锅炉系统及方法。本发明的低NOx原始排放低残碳含量循环流化床锅炉系统通过炉膛结构创新设计，采用变截面积炉膛，在其下部形成富燃料贫氧燃烧氛围，降低NOx原始排放，增加大颗粒的内循环次数，提高碳转化率。在返料系统上加装流化床活化室，对绝热旋风分离器分离出的低活性碳组分进行入炉前的活化过程，可进一步降低飞灰含碳量。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案来实现的：

一种低NOx排放变截面循环流化床分级燃烧锅炉系统，包括变截面积炉膛、流化床活化室、返料机构、绝热旋风分离器和CO催化氧化装置；其中，

变截面积炉膛包含自下而上连通的富燃料燃烧室和快速流化燃烧室，富燃料燃烧室的下部布置有布风板，底部设置有一次风入口、循环烟气入口和排渣管；富燃料燃烧室的上端截面积变小，且截面积变小处设置有燃料/脱硫剂入口，富燃料燃烧室顶部的烟气出口连通快速流化燃烧室；富燃料燃烧室的下部侧壁上设有返料口，并与流化床活化室相连；

快速流化燃烧室设置有烟气入口、烟气出口和若干二次风入口，快速流化燃烧室的烟气入口与富燃料燃烧室的烟气出口相连通；快速流化燃烧室的上部经水平烟道与绝热旋风分离器相连接；

绝热旋风分离器经立管连通至返料机构；返料机构的物料出口与流化床活化室的物料入口相连，流化床活化室与富燃料燃烧室相连通；流化床活化室下部布置有若干活化剂入口；

绝热旋风分离器上部烟气出口下游布置有补风燃烧室；补风燃烧室设置有烟气入口、烟气出口和若干分层布置高温空气入口，补风燃烧室的烟气入口通过与绝热旋风分离器的烟气出口相连通；

补风燃烧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燃烧室的烟气出口相连通。

本发明进一步的改进在于，绝热旋风分离器上部烟气出口连通向下设置的竖直烟道，竖直烟道中从上至下依次布置有对流受热面、补风燃烧室、CO催化氧化装置、省煤器、空气预热器及排烟口。

本发明进一步的改进在于，流化床活化室的化学计量空燃比小于1，送入的煤颗粒在此处贫氧燃烧；绝热旋风分离器的化学计量空燃比小于1，且大于富燃料燃烧室的化学计量空燃比，CO催化氧化装置的化学计量空燃比为1～1.05。

本发明进一步的改进在于，在富燃料燃烧室内保持化学计量空燃比为0.7～0.8；快速流化燃烧室内保持化学计量空燃比为0.9；流化床活化室内维持化学计量空燃比在0.95。

本发明进一步的改进在于，布风板的中心位置处设置排渣管；富燃料燃烧室的内部铺设有卫燃带，以减小由于燃料内循环次数增加而造成的对该区域水冷壁的磨损。

本发明进一步的改进在于，补风燃烧室的若干高温空气入口上下分层布置。

本发明进一步的改进在于，CO催化氧化装置内CO催化剂采用CeO₂气凝胶负载CuO催化剂。

一种低NOx排放变截面循环流化床锅炉分级燃烧方法，该方法基于上述一种低NOx排放变截面积循环流化床锅炉系统；包括以下步骤：

S1、燃料和脱硫剂进入富燃料燃烧室的内部空腔，采用流化床燃烧方式，在高温燃烧气化区内保持化学计量空燃比小于1，维持反应为贫氧富燃料燃烧氛围；

S2、富燃料燃烧室上部倒角处理，降低炉膛截面积，大粒径物料经多次内循环之后粒径变小，随烟气进入快速流化燃烧室；快速流化燃烧室内通入适量二次风，继续燃烧，保证该处化学计量空燃比小于1但大于富燃料燃烧室；燃烧后的烟气经水平烟道进入绝热旋风分离器；

S3、绝热旋风分离器分离出的固体物料经立管进入返料机构；返料机构与富燃料燃烧室之间增设流化床活化室，失活物料在此处进行活化提质；

S4、绝热旋风分离器上部烟气连通竖直烟道，燃烧后的烟气通过对流受热面进行换热后，进入补风燃烧室，补风燃烧室由分层布置的高温空气入口均匀通入空气；

S5、补风燃烧室之后的烟气经对流受热面换热之后进入CO催化氧化装置，CO催化氧化装置中化学计量空燃比维持在1～1.05，使烟气中未完全燃烧的CO被全部氧化，而后烟气流经省煤器与空气预热器，温度降低至排烟温度后从排烟口排出。

与现有技术水平相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明的一种低NOx排放变截面循环流化床分级燃烧锅炉系统通过将煤依次在变截面炉膛(下部为富燃料燃烧室，上部为快速流化燃烧室)、补风燃烧室内分级燃烧以及CO催化氧化，同时在流化床活化室内对绝热旋风分离器分离出的低活性残碳颗粒进行活化提升，而后再送入炉膛内燃烧，可以保证锅炉在燃用准东煤等高碱煤种时实现较低的NOx原始排放、较高的碱金属固留率以及高碳转化率。本发明提出的变截面流化床锅炉系统在富燃料还原性气氛下高温燃烧，以及下游的流化床活化室、补风燃烧室几乎没有NOx生成，因此系统无需增设SCR/SNCR脱硝装置，可避免氨逃逸形成硫酸氢铵，造成催化剂的失活以及空气预热器的堵塞腐蚀等问题。流化床活化室用于引入高温气体，对失活残碳进行活化提质，提升其反应活性，便于碳转化率的进一步提高。富燃料燃烧室内化学计量空燃比小于1，燃料在富燃料低温条件下燃烧，燃料型NOx和热力型NOx原始排放大幅降低，部分未完全燃烧的残碳随烟气将在快速流化燃烧室和补风燃烧室继续燃烧，烟气中的CO经CO催化氧化装置被完全氧化，提高了能源的有效利用同时降低了环境污染。富燃料燃烧室还原性气氛抑制了碱金属的释放，能够缓解尾部受热面的积灰结渣问题。

进一步的，本发明提出的变截面炉膛下大上小，下部炉膛截面积较大，为富燃料燃烧室，增加了大粒径燃料内循环次数，延长了燃料炉内停留时间，进而提高了碳转化率；上部为快速流化燃烧室，通过调整合适的二次风入口及风速，提高二次风穿透能力，实现对富燃料燃烧室逸出的小粒径燃料的二次充分燃烧，进一步提高碳转化率。

进一步的，通过设置流化床活化室，通入高温O₂/CO₂/H₂O，在失活残炭表面刻蚀沟痕，使残炭颗粒原来闭塞的孔打开，增加活性点位的数量，提升其反应活性，促进其在富燃料燃烧室进一步转化，降低不完全燃烧热损失。

进一步的，富燃料燃烧室下部布置循环烟气入口，引入烟气调节床层温度，避免因为出现局部高温而产生NOx，同时能够实现CO₂的富集。

进一步的，补风燃烧室的高温气体入口分层布置，引入适量的高温气体，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气凝胶负载CuO催化剂，CuO催化剂价格低廉，成本经济性显著。CuO催化剂活性温度在600℃附近，可将未完全燃烧烟气中的CO较好地氧化。

进一步的，整个锅炉系统的化学计量空燃比较低，可降低锅炉排烟热损失，提高锅炉热效率。

综上所述，本发明燃料适用范围广，对于高碱煤、高灰煤、煤矸石等低品质燃料均适用。本发明提出的锅炉系统同样适用于由此方法变形得到的其它变截面循环流化床锅炉。

附图说明

图1为本发明一种低NOx原始排放低残炭含量循环流化床锅炉系统的示意图。

图2为变截面炉膛的结构示意图。

图3为变截面循环流化床锅炉的结构示意图。

附图标记说明：

1、富燃料燃烧室；2、布风板；3、循环烟气入口；4、一次风口；5、排渣管；6、卫燃带；7、快速流化燃烧室；8、二次风入口；9、燃料/脱硫剂入口；10、活化剂入口；11、流化床活化室；12、返料机构；13、水平烟道；14、绝热旋风分离器；15、对流受热面；16、高温气体入口；17、补风燃烧室；18、CO催化氧化装置；19、省煤器；20、空气预热器；21、排烟口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施案例对本发明做详细说明。

如图1所示，本发明的一种低NOx排放变截面循环流化床分级燃烧锅炉系统，包括富燃料燃烧室1、快速流化燃烧室7、流化床活化室11、CO催化氧化装置18及锅炉本体其它设备。

如图2所示，变截面炉膛分为上下两个部分，下部炉膛截面积较大，为富燃料燃烧室1；上部炉膛截面积较小，为快速流化燃烧室7。锅炉本体其它设备还包括绝热旋风分离器14、返料机构12、对流受热面15、补风燃烧室17、省煤器19、空气预热器20及排烟口21。流化床活化室11布置在返料机构12和富燃料燃烧室1之间。CO催化氧化装置18布置在省煤器19之前。

富燃料燃烧室1上部烟气出口变窄，增加大颗粒的内循环次数；富燃料燃烧室1上部连通快速流化燃烧室7；绝热旋风分离器14经水平烟道13与快速流化燃烧室7相连；绝热旋风分离器14分离出的固体颗粒从下部进入返料机构12，经流化床活化室11返回富燃料燃烧室1，流化床活化室11底部布置若干活化剂入口10，使进入活化室内的残焦颗粒形成流化态，活化剂与残焦充分混合，在失活残焦颗粒的表面刻蚀出痕迹，打开闭塞的孔径，增加活性点位，进而提高其反应活性；绝热旋风分离器14上部烟气出口连接第二竖直烟道，第二竖直烟道从上至下依次布置对流受热面15、补风燃烧室17、CO催化氧化装置18、省煤器19、空气预热器20及排烟口21。

富燃料燃烧室1为绝热的贫氧燃烧氛围，包括布风板2、循环烟气入口3、一次风入口4、排渣管5、卫燃带6及燃料/脱硫剂入口9。富燃料燃烧室1炉墙侧壁覆盖耐火材料形成卫燃带6，帮助燃料着火同时降低由于内循环次数增加而造成的对水冷壁的磨损。富燃料燃烧室1下部对称布置有4个一次风口和4个循环烟气入口，经布风板2在炉内形成稳定的气流场。燃料与脱硫剂经燃料/脱硫剂入口9进入富燃料燃烧室1，在炉内气流的作用下，达到稳定的流态化，实现富燃料燃烧。富燃料燃烧室1采用底部排渣的方式，在布风板2中心区域，去掉部分风帽并布置排渣管5，排除富燃料燃烧室内的大渣，维持床内颗粒存料量保持流化。

在富燃料燃烧室1内，煤颗粒被一次风吹起，进而形成稳定的流态化燃烧过程，在该区域内维持化学计量空燃比小于1，约为0.7～0.8，维持反应在贫氧燃烧氛围，燃烧温度在900℃左右，实现燃料氮选择性定向转化，降低热力型NOx和燃料型NOx的生成量。由于该处化学计量空燃比低，煤颗粒燃烧不充分，形成部分CO，含量在10％左右。此外，部分燃烧不完全的小粒径燃料随烟气上行，进入快速流化燃烧室7。富燃料燃烧室1内煤粉在还原性气氛下燃烧，几乎不产生NOx。

快速流化燃烧室7布置在富燃料燃烧室1上部，且截面积小于富燃料燃烧室截面积，连接处形成45°倒角，以增加大颗粒物料在富燃料燃烧室1内的内循环次数。快速流化燃烧室7靠近下部的位置布置4个输送高温气体的二次风入口8，高温气体与烟气混合后继续燃烧。该处化学计量空燃比小于1，约为0.9，未燃尽的小粒径燃料发生燃烧，进一步提高碳转化率。该处燃烧温度略低于富燃料燃烧室1，温度低于大部分燃料(特别是高碱煤)的灰熔融温度，不会对受热面的表面造成沾污结渣等问题，有利于受热面的设计布置。

变截面炉膛上部设置水平烟道13连通绝热旋风分离器14，烟气中固体颗粒经绝热旋风分离器14分离至返料机构12，该部分固体颗粒经过富燃料燃烧室1和快速流化燃烧室7，其反应活性较高的成分以及反应殆尽，剩余的部分主要低活性组分或者失活残碳。故在富燃料燃烧室1和返料机构12之间增设流化床活化室，经高温气体入口16引入高温O₂/CO₂/H₂O，在失活残炭表面刻蚀沟痕，使残炭颗粒原来闭塞的孔打开，增加活性点位的数量，提高其燃烧反应活性，进一步提高碳转化率，降低飞灰含碳量。

绝热旋风分离器14分离后的烟气经对流受热面15换热后，进入补风燃烧室17，通过分层布置的高温气体入口16向补风燃烧室17通入高温气体，对绝热旋风分离器未分离出的微小粒径的飞灰残碳进行再燃，同时消除部分烟气中的CO。烟气下行经对流受热面之后进入CO催化氧化装置，通过调节补风燃烧室17处引入高温气体量保证在CO催化氧化装置处化学计量空燃比维持在1～1.05之间，烟气中未完全燃烧的CO在CO催化氧化装置18中被完全氧化。之后，烟气流经省煤器19和空气预热器20等设备，与其充分进行热交换，烟气温度降低至排烟温度后从排烟口21排出。

上述锅炉系统同样适用于如图3所示的变截面循环流化床锅炉。

本发明提供的一种低NOx排放变截面循环流化床分级燃烧方法，基于上述的任一种低NOx排放变截面循环流化床分级燃烧锅炉系统，包括以下步骤：

S1、燃料和脱硫剂进入富燃料燃烧室1的内部空腔，发生贫氧流化燃烧，在高温燃烧气化区内保持化学计量空燃比小于1，维持反应为贫氧富燃料燃烧氛围；

S2、富燃料燃烧室1上部倒角处理，降低炉膛截面积，大粒径物料经多次内循环之后粒径变小，随烟气进入快速流化燃烧室7；快速流化燃烧室7内通入适量二次风，继续维持燃烧，保证该处化学计量空燃比小于1但大于富燃料燃烧室1；燃烧后的烟气经水平烟道13进入绝热旋风分离器14；

S3、绝热旋风分离器14分离出的固体物料经立管进入返料机构12；返料机构12与富燃料燃烧室1之间增设流化床活化室11，失活物料在此进行返炉前的活化提质；

S4、绝热旋风分离器14上部烟气连通竖直烟道，燃烧后的烟气通过对流受热面15进行换热后，进入补风燃烧室17，补风燃烧室17由分层布置的高温空气入口均匀通入空气；

S5、补风燃烧室17之后的烟气经稀疏布置的对流受热面换热之后进入CO催化氧化装置18，CO催化氧化装置18中化学计量空燃比维持在1～1.05，使烟气中未完全燃烧的CO被全部氧化，而后烟气流经省煤器19与空气预热器20，温度降低至排烟温度后从排烟口21排出。