燃煤电站锅炉掺混nh3燃烧降低碳排放强度的方法和装置
阅读说明：本技术 燃煤电站锅炉掺混nh3燃烧降低碳排放强度的方法和装置 (Coal-fired power plant boiler blending NH3Method and device for reducing carbon emission intensity by combustion ) 是由 王智化 何勇 朱燕群 辛世荣 张彦威 杨卫娟 周志军 刘建忠 周俊虎 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及燃煤电站锅炉技术,旨在提供一种燃煤电站锅炉掺混NH-(3)燃烧降低碳排放强度的方法和装置。该方法是将气态NH-(3)作为燃料添加剂加入锅炉中,通过NH-(3)与燃煤掺混燃烧减少燃煤的使用量；根据锅炉总输入热量调控NH-(3)原料的掺混量,使NH-(3)燃烧输入的热量占比在0.5～50％；燃烧区过量空气系数控制在1.18～1.2。本发明充分利用零碳燃料NH-(3)的燃烧热值,减少电厂煤炭用量,能减少电厂二氧化碳排放水平。本发明能够根据不同锅炉的类型灵活地布置了氨存储与释放设备、NH-(3)供应管路、一次风与二次风调节管路等设备布置方案,有效保障燃烧设备的安全稳定运行；能够广泛应用于燃煤火力发电站,保障燃烧设备的安全稳定运行,在结构低碳转型发展领域具有广泛市场前景。(The invention relates to a coal-fired power plant boiler technology, and aims to provide a coal-fired power plant boiler blended NH 3 Method and apparatus for combustion to reduce carbon emission intensity. The method is to add gaseous NH 3 As fuel additive, into the boiler, by NH 3 The coal is mixed with the fire coal and combusted, so that the use amount of the fire coal is reduced; regulating NH according to total input heat of boiler 3 The amount of the raw materials is such that NH is 3 The heat input during combustion accounts for 0.5-50%; the excess air coefficient of the combustion zone is controlled to be 1.18-1.2. The invention makes full use of the zero-carbon fuel NH 3 The combustion heat value of the coal burning device reduces the coal consumption of the power plant and can reduce the carbon dioxide emission level of the power plant. The invention can flexibly arrange ammonia storage and release equipment and NH according to the types of different boilers 3 The arrangement schemes of the supply pipeline, the primary air and secondary air adjusting pipeline and the like effectively ensure the safe and stable operation of the combustion equipment; can be widely applied to coal-fired thermal power stations, ensures the safe and stable operation of combustion equipment, and is transformed at low carbon of the structureThe exhibition field has wide market prospect.)
技术领域
本发明涉及燃煤电站锅炉技术，特别涉及一种燃煤电站锅炉掺混NH3燃烧降低碳排放强度的方法及装置。
背景技术
降低碳排放强度是全球的共识，中国也在积极加大碳排放减排力度，意味着中国将经历能源结构转型，发展碳减排技术。中国能源以煤炭资源为主，煤电装机量约为全球煤电的一半，燃煤火电燃烧产生的二氧化碳排放是未来减碳的主要目标。因此，在碳中和目标和碳排放配额政策下，发展煤电低碳改造方法是目前一种快速有效的减排方式。
目前燃煤电站中减少碳排放的方法，主要是在烟气排放端采用化学碳捕集法直接收集二氧化碳，但投资和运行成本过高。在锅炉中掺混零碳燃料与煤共同燃烧，可以在满足燃煤锅炉负荷基本需求的前提下减少煤炭的投入量，从源头燃烧端减少碳排放强度，也可以减少电站后续的化学碳捕集成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种燃煤电站锅炉掺混NH3燃烧降低碳排放强度的方法和装置。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种燃煤电站锅炉掺混NH3燃烧降低碳排放强度的方法，是将气态NH3作为燃料添加剂加入锅炉中，通过NH3与燃煤掺混燃烧减少燃煤的使用量；根据锅炉总输入热量调控NH3原料的掺混量，使NH3燃烧输入的热量占比在0.5～50％；燃烧区过量空气系数控制在1.18～1.2。
作为优选方案，所述气态NH3的来源是液氨、氨气、氨水、尿素中的任意一种或几种。
作为优选方案，所述燃煤电站锅炉是煤粉锅炉、循环流化床锅炉、W型火焰锅炉、煤粉链条炉中的任意一种。
作为优选方案，所述燃煤电站锅炉是循环流化床锅炉或煤粉链条炉，将氨气通过单独喷口直接送入炉膛参与燃烧。
作为优选方案，所述燃煤电站锅炉是煤粉锅炉或W型火焰锅炉；将氨气与热空气混合后送入一次风煤粉管道，使氨气、空气和煤粉充分混合后经一次风喷口送入炉膛燃烧。在利用一次风携带NH3掺混时，NH3掺混安全热值占比不应低于0.5％，以避开氨气的爆炸极限。
作为优选方案，一次风喷口的出料速度为18～24m/s。
进一步地，本发明还提供了一种用于实现前述方法的燃煤电站锅炉掺混NH3燃烧降低碳排放强度的装置，包括燃煤电站锅炉和制粉系统；该装置还包括氨存储与释放设备，在该设备中设有氨释放器，并通过管路接至燃煤电站锅炉的炉膛或一次风煤粉管道。
作为优选方案，所述燃煤电站锅炉是循环流化床锅炉或煤粉链条炉；所述氨释放器通过管路接至设于炉膛中的单独喷口。
作为优选方案，所述燃煤电站锅炉是煤粉锅炉或W型火焰锅炉；所述氨释放器上接有空气输入管路和混合气输出管路，混合气输出管路与一次风煤粉管道相连，后者接至设于炉膛中的一次风喷口。(在氨释放器中实现氨气与空气混合后，在一次风煤粉管道中使氨气、空气和煤粉充分混合，再送入炉膛燃烧)。
作为优选方案，该装置还包括加热与分离设备，用于将氨水或尿素转换为气态NH3。由于属于现有技术且非本发明核心创新内容，本发明对此不再详述。
发明原理描述：
NH3(氨)作为一种零碳燃料，相比H2具有较高氢负载密度、较高体积能量密度、大气压下低液化温度、常温下低液化压力等优点，如表1所示。NH3直接燃烧不产生CO2(4NH3+3O2→2N2+6H2O)；燃烧应用过程安全，燃烧特性不活泼；作为H2的载体，在存储、运输、应用等方面具有优势，可以作为长期的储能燃料。由于在SCR/SNCR等烟气脱硝技术也使用大量NH3，燃煤电站普遍对于NH3的运输、存储、安全等方面也具备丰富的硬件设施和使用经验。
表1 NH3和H2的部分性质
国内外有关利用NH3作为燃料添加剂减少煤炭投入使用量的研究仍然局限在氨燃烧性质(氨层流火焰速度、氨燃烧排放等)的认知，具体应用也停留在普通燃烧装置，关于燃煤电站的氨与煤粉共燃利用的参数调配方案以及对应的碳排放减少强度研究的专利目前尚无相关具体报道。
为此，本发明提供了适用于电站煤粉锅炉的煤粉掺混NH3燃烧的参数调配方案和适合煤粉掺混NH3共燃的布置方法。在具体应用中，要需考虑NH3的添加量在NH3/煤粉共燃中的作用。
本发明中，NH3热值占比为0.5～50％，这一参数设置是为了保证燃煤电站各项指标变化不大以及减少电厂改造成本，并且兼顾了氨气在氧化剂中混合的安全性。以NH3热值占比20％的情况为例：在该工况下可保证火焰形状、流场结构与纯煤粉燃烧接近，可以使炉内热量分布保持相近；20％的NH3热值占比相应工况下的飞灰未燃炭含量、排烟NOx浓度、未反应NH3浓度变化较小；保持氨气热值占比在0.5％以上，避开氨气的爆炸极限。在实际应用中，可根据需要在NH3热值占比为0.5～50％的范围内调整掺混比。掺混时通过控制系统调节NH3释放流量，利用一次热风带出NH3，随后与煤粉充分混合，一起进入一次风通道燃烧。
在具体的实际应用中，需要根据现场情况考虑一次风空气系数的调节。通过调节一次风与二次风的阀门，调节与NH3/煤粉混合的风量，根据运行负荷控制一次风/二次风在1.2～1.5之间，其余燃尽风通过二次风管道进入二次风通道参与燃烧，总体过量空气系数保持在1.18左右。另外，一次风通道出口(一次风喷口)速度保持在18～24m/s。
以上进料方式适用于煤粉锅炉或W型火焰锅炉。
针对循环流化床锅炉或者煤粉链条炉，本发明提出另一种氨气喷入方案：在锅炉中设置氨气专用单独喷入口，纯氨气经过风机增速后由专用管道喷入口喷入炉膛，随后掺入粗煤颗粒燃烧火焰中燃烧，参与燃尽过程。
本发明将NH3与煤送入炉膛，通过调整各管路参数进行掺混燃烧，以达到减少锅炉煤粉投入使用量和在对应负荷下锅炉输入热值保持一致的效果。从而在燃料利用端就可以直接解决燃煤电站高水平二氧化碳排放等问题，并保障燃烧设备的安全稳定运行，在燃煤电站能源结构低碳转型发展领域具有广泛的市场前景。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明充分利用零碳燃料NH3的燃烧热值，减少电厂煤炭用量，进而减少电厂二氧化碳排放水平。
2、本发明能够保障燃煤电站锅炉的运行参数在合理波动范围内变化，减少电厂运营改造成本。
3、本发明能够根据不同锅炉的类型灵活地布置了氨存储与释放设备、NH3供应管路、一次风与二次风调节管路等设备布置方案，有效保障燃烧设备的安全稳定运行；
4、本发明能够广泛应用于燃煤火力发电站，保障燃烧设备的安全稳定运行，在燃煤电站能源结构低碳转型发展领域具有广泛的市场前景。
附图说明
图1是直吹式煤粉锅炉掺混NH3燃烧系统的示意图；
图2是中储式煤粉锅炉掺混NH3燃烧系统的示意图；
图3是循环流化床锅炉中NH3单独喷的炉膛结构示意图；
图4是W型火焰锅炉掺混NH3燃烧系统的示意图；
图5是煤粉链条锅炉中NH3单独喷入的炉膛结构示意图。
附图标记：1送风机；2空气预热器；3锅炉；4燃烧器；5给煤机；6氨存储与释放设备；7磨煤机；8分离器。10送风机；11空气预热器；12锅炉；13燃烧器；14细粉分离器；15储煤仓；16给粉机；17氨存储与释放设备；18粗粉分离器；19磨煤机；20给煤机。21一次送风机；22二次送风机；23空气预热器；24循环流化床锅炉炉膛；25氨存储与释放设备；26单独氨喷入口；27原煤破碎装置；28布风板。29氨存储和释放器；30W型火焰锅炉燃烧室。31氨存储与释放设备；32原煤破碎装置。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整的描述，显然，所述的实施例仅是发明的一部分实例，而不是全部的实施案例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
图1示出了根据本发明实施例1的直吹式煤粉燃烧系统NH3掺混处理办法。在本实施例中，仅需在现有电站运行的直吹式制粉系统中增加NH3缓冲和释放系统及其配套的氨储存室即可。该系统使用的锅炉类型为直吹式煤粉锅炉。
下面说明其工作过程：先根据热值配比方案确定NH3的投料量，NH3热值比0.5～50％，再控制氨释放器6的集控流量阀投入准确的纯氨气流，并通过控制流量阀调节空气预热器2分流到氨释放器6的热风，使热风与氨初步混合。该部分热风的功能是用于携带出氨气使其快速均匀汇入主气路中，因此该热风量的多少不影响后续过程；理论上假如氨气释放器的压力较高，这部分风也可以不用(以下同)。经过磨煤机7和分离器8之后的煤粉空气流与氨气空气流相遇并充分混合，送入一次风通道，出口速度保持18～24m/s，随后点燃并开始初步燃烧。来自空气预热器的二次热风被送入二次风通道，使燃料完全燃烧。总空气过量系数保持1.18左右。
实施例2
图2示出了根据本发明实施例2的中储式煤粉燃烧系统NH3掺混处理办法。在本实施例中，仅需在现有电站运行的中储式制粉系统中增加NH3缓冲和释放系统及其配套的氨储存室即可。该系统使用的锅炉类型为中储式煤粉锅炉。
下面说明其工作过程：先根据热值配比方案确定NH3的投料量，NH3热值比0.5～50％，再控制氨释放器17的集控流量阀投入准确的纯氨气流，并通过控制流量阀调节空气预热器11分流到氨释放器17的热风，使热风与氨初步混合。经过磨煤机19和分离器18之后的煤粉空气流先进入细粉分离器14分离，之后进入储煤仓15。氨气/一次风气流与给粉机16出来的煤粉空气流相遇并充分混合，送入一次风通道，出口速度保持18～24m/s，随后点燃并开始初步燃烧。来自空气预热器的二次热风被送入二次风通道，使燃料完全燃烧。总空气过量系数保持1.18左右。
实施例3
图3示出了根据本发明实施例3的循环流化床锅炉NH3单独喷入口喷入炉膛实施方法。在本实施例中，需在现有电站运行的循环流化床锅炉中增设NH3单独喷入口，并增加NH3缓冲和释放系统及其配套的氨储存室。
下面说明其工作过程：先根据热值配比方案确定NH3的投料量，再控制氨释放器25的集控流量阀投入准确的纯氨气流，并通过单独氨喷入口26送入锅炉。原煤破碎装置27将研磨的粗煤送入流化床中。底部布风板28出来的一次风气流与粗煤颗粒和纯氨气流相遇，一次风出口速度保持18～24m/s，随后点燃并开始初步燃烧。来自空气预热器的二次热风被送入二次风通道，使燃料完全燃烧。总空气过量系数保持1.18左右。
实施例4
图4示出了根据本发明实施例4的W型火焰锅炉燃烧系统NH3掺混实施方法。在本实施例中，仅需在现有电站运行的W型火焰锅炉制粉系统中增加NH3缓冲和释放系统及其配套的氨储存室即可。
下面说明其工作过程：先根据热值配比方案确定NH3的投料量，再控制氨释放器29的集控流量阀投入准确的纯氨气流，并通过控制流量阀调节空气预热器分流到氨释放器29的热风，使热风与氨初步混合。此后，氨气/一次风气流与煤粉空气流相遇并充分混合，送入一次风通道，出口速度保持18～24m/s，随后点燃并开始初步燃烧。其余燃尽风通过其他通道进入。
实施例5
图5示出了根据本发明实施例5的煤粉链条锅炉燃烧系统NH3单独喷入口喷入炉膛实施方法。在本实施例中，需在煤粉链条锅炉中增设NH3单独喷入口，并增加NH3缓冲和释放系统及其配套的氨储存室。
下面说明其工作过程：先根据热值配比方案确定NH3的投料量，再控制氨释放器31的集控流量阀投入准确的纯氨气流，并通过单独氨喷入口送入锅炉。原煤破碎装置32将粗煤送入炉中，与空气混合。随后氨气与煤-空气流共同燃烧。
在实施例1-5中，根据锅炉总输入热量调控NH3原料的掺混量，使NH3燃烧输入的热量占比在0.5～50％；燃烧区过量空气系数控制在1.18～1.2。经实际生产装置改造后进行运行试验模拟。
其中，实施例1为600MW直吹式煤粉锅炉，实施例2为330MW低挥发分煤种中储式煤粉锅炉，实施例3为660MW超超临界循环流化床锅炉，实施例4为350MW的W型火焰锅炉，实施例5为小型35t/h的煤粉链条发电锅炉。以上所述锅炉均为各锅炉种类中的典型锅炉实例，投入氨热值占比20％，具体效果应视实际生产环境而讨论，这里仅作效果的可能性分析。
在完全相同的生产控制条件下，实施例1-5所述锅炉燃烧系统的改造前后的锅炉燃烧数据如表2所示。
表2
从表2中可以看出，改造后进行运行试验模拟中煤年投入量在各种锅炉都有所减少，并且锅炉功率越大节省燃煤用量越多，这与氨气可以直接作为燃料进行燃烧从而等效替代部分燃煤热值的功能有关；改造后碳排放强度有所降低，且锅炉功率越大效果越显著，这是因为氨气作为零碳燃料燃烧过程中不产生CO2，投入氨气燃烧之后的锅炉的CO2年排放量降低，并且锅炉体量越大，减排量则相应增大。
碳排放算例
表3是以某600MW机组的直吹式煤粉锅炉为例计算，NH3热值占比20％。该表内的数据本发明用于计算掺混NH3燃烧降低碳排放强度的直观展示，其计算公式适用于燃煤发电锅炉。
表3碳排放强度降低算例
*算表中的每小时发电量E、电厂热效率η、一次风通道流速、设计煤种、锅炉机械不完全燃烧损失、机组年利用小时数、NH3热值占比x需要根据具体例子设置。
从表3中可以看出，针对典型的600MW机组的直吹式煤粉锅炉，其碳减排效果与氨投入量、设计煤种、发电功率、年利用小时数等有关。为了取得较好的CO2减排量，可以根据实际情况使用高热值煤种或者提高氨的投入比例。理论上，较高的氨投入量将有利于CO2减排的显著增加，氨作为零碳燃料燃烧过程不产生CO2，从而取代部分燃煤在锅炉中燃烧释放热量，在保持锅炉运行工况不发生较大变化的情况下可以减少燃煤用量，进而降低碳排放强度。在表3的计算中可以看到，氨投入仅20％的热值占比，就可以减少燃煤年投入量33.1万吨，直接减少CO2年排放72.5万吨，可以看到显著的碳排放强度减弱的效果。
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