一种燃用高氮生物质的低NOx排放循环流化床锅炉 |
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| 申请号 | CN201810455062.X | 申请日 | 2018-05-11 | 公开(公告)号 | CN108592016B | 公开(公告)日 | 2024-03-26 |
| 申请人 | 清华大学; | 发明人 | 邓博宇; 张缦; 单露; 杨海瑞; 吕俊复; | ||||
| 摘要 | 一种燃用高氮 生物 质 的低NOx循环 流化床 锅炉 ，包括 炉膛 、物料分离与回送装置、尾部烟道和给料与 燃料 预处理装置。给料与燃料预处理装置包括至少一个给料装置和至少一个燃料预处理装置，给料装置布置在燃料预处理装置侧面，而燃料预处理装置则设置在炉膛与物料分离与回送装置之间，并与炉膛通过返料管连通，且其顶部设置 热解 气态产物通道与物料分离与回送装置入口相连。物料分离与回送装置的料腿横截面积是炉膛横截面积的1/60～1/40。本 发明 通过在回料管之间设置燃料预处理装置利用热灰做载体对高氮生物质燃料预热解，实现高氮生物质燃料的清洁燃烧。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种燃用高氮生物质的低NOx排放循环流化床锅炉，所述锅炉包括炉膛(1)、物料分离与回送装置(2)、尾部烟道(3)和给料与燃料预处理装置(4)，所述炉膛(1)上部与所述物料分离与回送装置(2)的入口相连，所述物料分离与回送装置(2)的烟气出口与所述尾部烟道(3)相连，尾部烟道(3)内部布置有换热面，其特征在于：所述给料与燃料预处理装置(4)包括至少一个给料装置(5)和至少一个燃料预处理装置(6)，所述给料装置(5)布置在所述燃料预处理装置(6)侧面；所述燃料预处理装置(6)设置在所述炉膛(1)与所述物料分离与回送装置(2)之间；所述燃料预处理装置(6)与所述炉膛(1)下部通过返料管(7)连通；所述燃料预处理装置(6)顶部设置有热解气态产物通道(8)与所述物料分离与回送装置(2)入口相连；所述物料分离与回送装置(2)通过料腿(12)与所述燃料预处理装置(6)相连；所述炉膛(1)底部设置第一布风装置(11)，用于通入氧化剂；所述燃料预处理装置(6)底部设置第二布风装置(10)，用于通入氧化剂和/或气化剂，使燃料预处理装置(6)内发生热解反应，并使燃料预处理装置(6)内流化风速保持在1～2m/s；所述料腿(12)底部设置第三布风装置(9)，用于通入松动风。 |
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| 说明书全文 | 一种燃用高氮生物质的低NOx排放循环流化床锅炉技术领域[0001] 本发明介绍了一种燃用高氮生物质的低NOx排放循环流化床锅炉，属于燃烧设备领域， 尤其涉及循环流化床锅炉领域。 背景技术[0002] 在我国经济飞速发展、一次能源消耗量持续增加和环境保护压力日益加大的背景下，近 年来，可再生能源已成为我国能源结构调整的主要推手。作为可再生能源中的重要一环，据 统计，我国可开发的生物质能资源总量约为7亿吨标准煤。而在各种生物质能利用技术中，生物质发电技术目前又是技术成熟度最高、发展规模最大的一种。 [0003] 目前，生物质直燃发电技术主要包括层燃和流态化燃烧两种方式，其中层燃发电方式以 水冷振动炉排炉为主，具有操作简单、运行费用低等优点，但也存在燃烧效率低、受热面积 灰和腐蚀严重等问题；而流态化燃烧发电方式中的循环流化床锅炉方案，由于其技术的日趋成熟，其在燃料适应性、负荷调节性能、污染物排放水平等方面的优势正逐步凸显，成为了 当前我国生物质直燃发电锅炉的首选。 [0004] 对于N元素含量较高的生物质燃料，如酒糟等，其有机氮的质量分数高达3％以上，尽 管循环流化床锅炉具有氮氧化物原始排放低的特点，但仍然无法满足目前污染物超低3 排放的 要求(NOx≤50mg/m)，为此仍需为该类型的循环流化床锅炉配备复杂的烟气脱硝处理系统 (SNCR脱硝设备甚至SCR脱硝设备)，使得机组的初始投资和运行成本大大增加，严重地 削弱了循环流化床机组的经济优势和竞争力。正是在这样的背景下，我们需要着眼于生物质 燃料特别是高氮燃料的燃烧特性，并结合循环流化床锅炉自身的结构和运行特点，对原有设备进行改进，在不大幅增加成本的前提下，有效地降低锅炉原始排放中NOx的浓度，真正实 现可再生能源利用的经济效益、社会效益和环境效益的统一。 发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种成本和排放均较低的燃用高氮生物质的循环流化床锅炉，来 实现高氮含量生物质燃料的清洁燃烧，以满足可再生能源利用的经济效益、社会效益和环境 效益的统一。 [0006] 本发明通过如下技术方案实现： [0007] 一种燃用高氮生物质的低NOx排放循环流化床锅炉，所述锅炉包括炉膛、物料分离与回 送装置、尾部烟道和给料与燃料预处理装置，所述炉膛上部与所述物料分离与回送装置的入 口相连，所述物料分离与回送装置的烟气出口与所述尾部烟道相连，尾部烟道内部布置有换热面，其特征在于：所述给料与燃料预处理装置包括至少一个给料装置和至少一个燃料预处 理装置，所述给料装置布置在所述燃料预处理装置侧面；所述燃料预处理装置设置在所述炉 膛与所述物料分离与回送装置之间；所述燃料预处理装置与所述炉膛下部通过返料管连通； 所述燃料预处理装置顶部设置有热解气态产物通道与所述物料分离与回送装置入口相连；所述物料分离与回送装置通过料腿与所述燃料预处理装置相连。 [0008] 上述技术方案中，所述物料分离与回送装置的料腿横截面积是所述炉膛横截面积的 1/60～1/40。 [0009] 上述技术方案中，以装置在炉膛与料腿间的延展距离为宽度，而在炉膛纵深方向延展距 离为深度，所述燃料预处理装置的深度B为所述物料分离与回送装置的料腿直径D的1～1.5 倍，即B＝(1～1.5)D；所述燃料预处理装置的宽度L为所述物料分离与回送装置的料腿直径D 的4～6倍，即L＝(4～6)D；所述燃料预处理装置的高度H为所述物料分离与回送装置的料腿直径D的3.8～4.2倍，即H＝(3.8～4.2)D。 [0010] 上述技术方案中，根据锅炉容量，所述物料分离与回送装置设置两个以上。 [0011] 上述技术方案中，根据锅炉容量，所述燃料预处理装置并列设置两个以上，且每个燃料 预处理装置至少对应设置一个物料分离与回送装置并通过物料分离与回送装置的料腿连接。 [0012] 作为进一步改进的技术方案，所述返料管设置两个以上，所述两个以上的返料管均匀且 对称地布置在所述燃料预处理装置上，且与所述燃料预处理装置连接处的中心高度h为所述 物料分离与回送装置的料腿直径D的2.3～2.7倍，即h＝(2.3～2.7)D。 [0013] 所述给料装置设置若干个，所述若干个给料装置对称地布置在所述燃料预处理装置两侧。 [0016] 所述炉膛选用水冷壁结构，优选膜式水冷壁结构。 [0017] 本发明具有以下优点及有益效果：1)将高氮生物质燃料的化学反应过程分为了燃料预处 理和炉膛内补燃两个阶段，通过营造两个氧含量不同的反应区，使得高氮生物质燃料先后经 历热解和燃烧两个化学反应过程，从而有效地减少其NOx的生成，实现超低排放；2)通过 料腿、燃料预处理装置和返料管等部件合理的布置，实现了燃料和循环灰在宏观上的对冲式流动，促进了两者间的混合和传热，并延长了燃料的停留时间，进一步强化了高氮生物质燃 料在燃料预处理装置中的热解作用，客观上营造出了更强的还原性气氛，极大地抑制燃料在 热解阶段的NOx生成；3)将高氮生物质燃料热解后生成的气态产物，其主要是CO、H2和 CH4等还原性气体，通入物料分离与回送装置，以还原已生成的NOx，进一步降低NOx的原 始排放。 附图说明 [0018] 图1是本发明所涉及的一种燃用高氮生物质的低NOx排放循环流化床锅炉示意图。 [0019] 图2是本发明所涉及的其中一种实施方式的给料与燃料预处理装置的布置示意图。 [0020] 图中：1―炉膛；2―物料分离与回送装置；3―尾部烟道；4―给料与燃料预处理装置； 5―给料装置；6―燃料预处理装置；7―返料管；8―热解气态产物通道；9―第三布风装置； 10―第二布风装置；11―第一布风装置；12―料腿。 具体实施方式[0021] 下面将结合附图对本发明的具体实施方式及其工作流程作进一步的说明。 [0023] 如图1所示，一种燃用高氮生物质的低NOx排放循环流化床锅炉，包括炉膛1、物料分 离与回送装置2、尾部烟道3和给料与燃料预处理装置4等部分。炉膛1上部与物料分离与 回送装置2的入口相连，物料分离与回送装置2的烟气出口与尾部烟道3相连，尾部烟道3内部布置有换热面，如过热器、省煤器、空气预热器等。给料与燃料预处理装置4包括至少 一个给料装置5和至少一个燃料预处理装置6，给料装置5对称布置在燃料预处理处理装置 6两侧，燃料预处理装置6设置在炉膛1与物料分离与回送装置2之间。燃料预处理装置6 中部与炉膛1下部通过返料管7连通，其顶部通过热解气态产物通道8与物料分离与回送装 置2入口相连，其下部与物料分离与回送装置2下部的料腿12相连。 [0024] 锅炉运行时，经给料装置4，如螺旋给料机，将高氮生物质燃料送入燃料预处理装置6， 燃料预处理装置6底部装设有第二布风装置10，空气等氧化剂或气化剂经第二布风装置10 进入燃料预处理装置6，通过控制氧化剂或气化剂的流量可使燃料预处理装置6内流化风速 保持在1～2m/s左右。此时，高氮生物质燃料在燃料预处理装置6内将因缺氧而发生热解反 应，部分析出的挥发分将热解生成CO、H2和CH4等还原性气体，在装置中营造出较强的还 原性气氛，从而能够有效地抑制NOx生成。热解后的产物将分别从两条路径离开燃料预处理 装置6，未完全反应的固体燃料连同循环灰将从返料管7溢流进入炉膛1，而热解的气态产物 则将与适量水蒸气混合后通过热解气态产物通道8进入物料分离与回送装置2，还原燃料在 炉膛1内燃烧后生成的NOx。溢流进入炉膛1的燃料和循环灰将借由第一布风装置11送入 的氧化剂，以3～5m/s左右的流化风速向上运动。在向上运动过程中未完全反应的高氮生物质燃料将进一步发生燃烧反应，由于此时燃料的挥发分已基本脱除，故燃料燃尽阶段NOx生成 量也较少，从而能够实现高氮含量生物质燃料的清洁燃烧。炉膛1的中上部可根据需要布置 二次风口和三次风口，以提高燃料燃尽率。燃烧后的含尘烟气将从炉膛1上部与热解的气态 产物混合后进入物料分离与回送装置2，如旋风分离器，进行气固分离。分离后得到的固体颗 粒将借由第三布风装置9送入的氧化剂，以流化风速0.2～0.5m/s左右通过料腿12回送到燃料 预处理装置6下部，以继续参与下一次的物料循环过程。而分离后得到的高温烟气则将进入尾部烟道3，与布置在其中受热面换热降温后排入大气。 [0025] 作为优化的技术方案，物料分离与回送装置2的料腿12截面积是炉膛1截面积的 1/60～1/40。 [0026] 以装置在炉膛与料腿间的延展距离为宽度，而在炉膛纵深方向延展距离为深度，燃料预 处理装置6的深度B为物料分离与回送装置2的料腿12直径D的1～1.5倍，即B＝(1～1.5)D； 燃料预处理装置6的宽度L为物料分离与回送装置2的料腿12直径D的4～6倍，即L＝(4～6)D； 燃料预处理装置6的高度H为物料分离与回送装置2的料腿12直径D的3.8～4.2倍，即 H＝(3.8～4.2)D。 [0027] 根据锅炉容量，物料分离与回送装置2并列设置两个以上。 [0028] 根据锅炉容量，燃料预处理装置6并列设置两个以上，且每个燃料预处理装置6至少对 应设置一个物料分离与回送装置2并通过物料分离与回送装置2的料腿12连接。 [0029] 作为进一步改进的技术方案，返料管7设置两个以上，两个以上的返料管均匀且对称地 布置在燃料预处理装置6上，且与燃料预处理装置6连接处的中心高度h为物料分离与回送 装置2的料腿12直径D的2.3～2.7倍，即h＝(2.3～2.7)D。 [0030] 给料装置5设置若干个，若干个给料装置对称地布置在燃料预处理装置6两侧。优选的， 给料装置5与燃料预处理装置6连接处的中心高度h2为所述物料分离与回送装置2的料腿12 直径D的1.8～2.2倍。 [0031] 燃料预处理装置6上部设置有气化剂入口，且气化剂入口设置在热解气态产物通道8下 方，并通入水蒸气作为气化剂。 [0032] 炉膛1底部设置第一布风装置11，用于通入氧化剂；燃料预处理装置6底部设置第二布 风装置10，用于通入氧化剂和/或气化剂；料腿12底部设置第三布风装置9，用于通入松动 风。优选的技术方案是，炉膛1内的流化风速为3～5m/s，燃料预处理装置6内的流化风速控 制在1～2m/s。 [0033] 如图2所示的其中一种实施方式，物料分离与回送装置2选用绝热形式，且左右各布置 一个，其料腿12的截面积取为炉膛1截面积的1/50；一个燃料预处理装置6与上述两个物料 分离与回送装置2分别相连，且其深度、宽度和高度分别取为料腿12直径的1.5、4和4倍； 两个返料管7均匀且对称地布置在燃料预处理装置6的前端面，其直径d取为料腿12的直径 D，且与燃料预处理装置6连接处的中心高h1取为料腿12直径D的2.5倍；两个给料装置5 对称地布置在燃料预处理装置6的两个侧端面，且与燃料预处理装置6连接处的中心高h2取 为料腿12直径D的2倍。此外，炉膛1采用膜式水冷壁结构并布置有屏式过热器以进行工 质与床侧的换热，且在其底部设置有一个床料补给口，根据运行需要补充床料，以保证炉内 灰循环的建立。 |
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