本發明屬于流化床燃燒技術領域，涉及一種流化床鍋爐低氮燃燒裝置。

背景技術：

流化床燃燒是近二十年來興起的鍋爐新型燃燒技術，具有燃料適應廣、燃燒效率高、負荷變化范圍大，氮氧化物排放相對較低等優勢，是當今潔凈煤燃燒技術的主力爐型，被廣泛的應用于燃煤工業和熱電領域。但隨著環境壓力日益嚴峻，國家對環保排放標準的要求更加嚴格，2015年12月國務院三部委發布的《全面實施燃煤電廠超低排放與節能改造工作方案》規定，全國具備改造條件的燃煤電廠需在2020年前實現超低排放，東部地區需在2017年前完成，超低排放明確要求煙氣中的氮氧化物排放濃度 NOx ≤ 50 mg/Nm³（O₂= 6%）。然而，流化床鍋爐氮氧化物的原始生成濃度，雖然比其它爐型相對較低，但爐膛出口濃度仍為200mg/Nm³-300 mg/Nm³，早期設計制造的流化床鍋爐甚至高達400mg/Nm³，遠遠高于超低排放規定中所要求達到的排放濃度。因此，現有燃煤鍋爐如果不采取任何措施，根本無法滿足目前環保要求。如何在確保鍋爐燃燒效率前提下，大幅度降低氮氧化物排放濃度，滿足燃煤鍋爐超低排放要求，對實現超低排放與節能減排目標具有重要的現實意義。

燃煤鍋爐氮氧化物的控制方法主要有燃燒過程中控制與燃燒后煙氣控制。燃燒過程中控制主要通過空氣分級、燃料分級、濃淡分離、或（與）煙氣再循環等低氮燃燒技術對燃燒器或燃燒區改進，形成還原性氣氛抑制氮氧化物產生，脫銷效率相對較低，但具有設備體積小、初期投資少、基本無運行成本等優點；燃燒后煙氣控制，即在鍋爐排放煙氣中噴入還原劑/氧化劑將已經生成的氮氧化物還原/氧化成為N₂。目前，煙氣脫銷控制主要以SNCR 與SCR脫銷技術最具代表性，具有相對較高的脫硝效率，特別適應于大型燃煤電站鍋爐，但存在于設備體積大、初期投資大、運行成本高，以及長期運行導致氨逃逸引起的二次污染和影響尾部煙道受熱面等問題。同時，環保排放指標要求日益嚴格（如現行GB13223-2011中規定NOx ≤ 100 mg/Nm³，即將實施的超低排放中規定NOx ≤ 50 mg/Nm³，O₂= 6%），由于任何脫銷方法都是具有最佳的脫銷效率，現有燃煤鍋爐雖然滿足現行排放指標，但通常需要重新改造，才能滿足新的排放標準；煙氣脫銷控制雖然脫銷效率較高，即使能夠滿足現行標準，但由于燃煤鍋爐初始生成濃度較高，高于其最佳脫銷效率，難以直接滿足新的超低排放標準，通常需要聯合其它脫銷措施。

為滿足超低排放標準，采用低氮燃燒與煙氣脫銷方式的聯合脫銷技術，引起了人們廣泛關注。聯合脫銷時，低氮燃燒技術除上述優勢外，還具有成本低、施工周期短、對煙氣脫銷系統影響小，減緩煙氣脫銷壓力，降低煙氣脫銷運行成本等優點。但截至目前，有關流化床鍋爐采用低氮燃燒技術的研究報道相對較少，雖然大部分流化床鍋爐，特別是循環流化床鍋爐采用了較為簡單的空氣分級技術，但是早期對環保不夠重視，在設計制造流化床鍋爐時，只關注流化床料層流化特性，注重鍋爐燃燒效率，追求鍋爐熱效率，甚至超負荷運行等傳統設計理念，造成實際運行的一次風配風比偏大，空氣分級效果不明顯，導致分級燃燒效果較低。因此，流化床鍋爐的空氣分級燃燒在空氣分級配比、燃燒區中還原性區域分布、二次風入射特性、以及卷吸效應等方面都有較大改善空間。因此，本發明基于耦合空氣分級與再循環煙氣分級燃燒設計構想，構建一種流化床低氮燃燒鍋爐。

技術實現要素：

本發明主要目的是降低流化床燃燒鍋爐氮氧化物原始生成濃度，提供一種基于空氣與再循環煙氣分級耦合的流化床低氮燃燒鍋爐，同時提供一種利用該裝置進行低氮燃燒的燃燒方法。

本發明裝置包括一次風機、二次風機、風室、爐膛、旋風分離器、受熱面尾部煙道、除塵器、引風機、煙囪、再循環風機。所述爐膛下段為變截面密相區、中上段為等截面稀相區；所述尾部受熱面煙道內自上而下設有過熱器、省煤器、空氣預熱器（一、二次風）。

所述一次風機出口通過一次風管經空氣預熱器（一次風）連接風室左右兩側設有的一次風口入口，二次風機出口通過二次風管連接空氣預熱器（二次風）入口，空氣預熱器（二次風）出口連接的二次風管分成上、下二次風管，上、下二次風管分別連接上、下二次風箱入口，上、下二次風箱出口經上、下二次風支管分別與變截面密相區設有的上、下二次風入口相連，形成爐內空氣分級燃燒。所述引風機出口與煙囪間設有再循環煙氣管道，在再循環煙氣管道上設有再循環風機，再循環風機出口設有并聯再循環煙氣分級管道，分別與風室兩側設有的再循環煙氣入口、下二次風箱入口端連接，形成再循環煙氣分級，再循環風機控制調節煙氣總量，再循環煙氣分級管道分別設有調節閥調節各分級管道煙氣量。

所述變截面密相區設有的上二次風入口設置于密相區中上端，各上二次風入口處于同一標高；變截面密相區設有的下二次風入口設置于密相區中下端，各下二次風入口處于同一標高。

上二次風入口軸線入射方向相對于水平方向向下傾斜0度 - 20度，各上二次風入口入射風速應控制在40m/s - 80m/s；上二次風入射方向傾角為0度時，能夠充分體現上二次風空氣分級效果，并能夠密相區顆粒濃度形成壓制效應，防止大量燃燒顆粒被攜帶到稀相區；上二次風為80m/s時，在保證二次風的穿透性和剛性的同時，如果在增大會導致過分密相區顆粒濃度，導致攜帶到稀相區顆粒物濃度過少，造成爐膛上下溫差過大，造成帶不動燃燒負荷。所述下二次入口軸線入射方向相對于水平方向向下傾斜10度 - 35度，各下二次風入口入射風速應控制在60m/s - 120m/s；下二次風入射方向為向下傾斜為10度，能夠體現下二次風空氣分級效果，如傾角再減小，會造成密相區底部氧量不能及時補充，容易造成底部缺氧，或局部結焦現象；在下二次風傾角較小時，二次風入射風速可提高到120m/s，具有足夠剛度與穿透性，若風速再增加，會導致下二次風箱風大過大，二次風機電耗過大。

所述再循環煙氣分級管道輸送的二級再循環煙氣與下二次風管道輸送的下二次風在下二次風箱入口端混合，增大下二次風風箱靜壓，提高下二次風剛度與穿透性。

所述風室左右兩側設有的再循環煙氣入口，其每一側入口布置方式可為單一入口布置，或雙入口對稱布置一次風口兩側，或多入口圓周布置于一次風入口周圍，充分混合一次風與一級再循環煙氣。

所述風室左右兩側設有再循環煙氣入口軸線方向與一次風入口軸線方向具有一定入射傾角，入射角度為0度-30度；所述再循環煙氣入口煙氣或（和）一次風入口處空氣具有設定流速，對周圍氣體產生卷吸效應。

所述風室兩側設有的再循環煙氣入口，在采用每側單一入口布置時，可與一次風入口形成四角切圓方式布置，入口標高位于風室中下部。

所述風機出口與煙囪之間設有的再循環煙氣管道、再循環風機、以及并聯再循環煙氣分級管道設有防腐與保溫層。

利用本發明裝置進行低氮燃燒方法為所述一次風量、二次風量、再循環煙氣量均可以調節，一次風比、二次風比、再循環煙氣比可控制在25%-60%、40%-75%、10%-40%范圍之間；上、下二次風比調配依據鍋爐負荷增加，下二次風比降低、上二次風比增加原則進行。一、二級再循環煙氣比依據鍋爐負荷與煤種變化分別控制在60%-100%、0%-40%范圍內。基于上述空氣與再循環煙氣分級耦合燃燒，在變截面密相區底部形成過量空氣系數約0.6-0.8的強還原性氣氛，在上下二次風入口之間的密相區過量空氣系數約0.8-1.0的弱還原性氣氛，在上二次風入口以上爐膛區域形成量空氣系數約1.1-1.3的氧化性燃燒區。

利用本發明裝置進行低氮燃燒過程為：所述鍋爐點火正常運行后，開啟再循環風機，依據所述鍋爐負荷、爐膛沸下燃燒溫度、爐膛出口氧量與NOx濃度高低，輸送再循環煙氣，同時降低一次風量，增大二次風量，通過再循環風機調控再循環煙氣總量，采用再循環分級管道上設有的控制調節閥分別調節一、二級再循環煙氣量配比；一級再循環煙氣與一次風機輸送經空預器預熱的一次風在風室內均勻混合后進入爐膛流化床料，在爐膛底部密相區進行低氧燃燒，降低密相區沸下床溫，抑制溫度型氮氧化物生成，同時生成大量還原性氣體CO，形成強還原性氣氛區，抑制燃料型氮氧化物生成；二級再循環煙氣與二次風機輸送經空預熱器預熱的下二次風經下二次風箱均勻混合后，通過下二次風入口高速射入爐膛密相區中下部，產生強烈吸卷效應，增強該區域內的流體擾動，補充燃燒密相區中的氧量，形成弱還原性氣氛區，進一步抑制氮氧化物生成，同時將生成氮氧化物還原；二次風機輸送經空預熱器預熱的上二次風通過上二次風口高速射入爐膛密相區中上部，產生卷吸效應，增強擾動，形成氧化性氣氛的燃盡區；依據所述空氣與再循環煙氣兩級耦合，將爐膛分成密相區底部的強還原性燃燒區、密相區中上部的弱還原性燃燒區、及稀相區氧化性燃盡區的三級燃燒過程，能夠顯著抑制氮氧化物生成，防止氮氧化物二次生成，有利于降低爐膛沸下與爐膛出口之間溫差，提高鍋爐負荷變化范圍。

本發明的優點是本發明依據氮氧化物生成原理，通過耦合空分級氣與再循環煙氣分級燃燒技術，在爐膛高度方向形成強還原性、弱還原性、氧化性的三級燃燒區，同時顯著減緩爐膛密相區燃燒強度，控制爐膛密相區燃燒溫度，提高爐膛整體溫度分布均勻性，抑制溫度型氮氧化產生；同時大大降低燃料型氮氧化物生成，并能將已生成的氮氧化物原為氮氣；通過再循環風機將再循環煙氣直接送入風室與二次風箱，能夠降低一、二次風機電耗，避免再循環煙氣對風機葉片、空氣預熱器換熱管內壁面的腐蝕；避免長時間運行后再循環煙氣中粉塵顆粒對風機葉輪的侵蝕，及阻塞一、二次風管上的風量壓力測量裝置；本發明還具有結構簡單，操作方便，改造施工周期短，成本較低，占地空間較小等優點，特別適應于早期流化床鍋爐低氮燃燒改造。

附圖說明

圖1為本發明結構示意圖；

圖2為一次風與一級再循環煙氣的入射傾角示意圖；

圖3為一次風與一級再循環煙氣之間的布置示意意圖；

圖4為一次風與一級再循環煙氣四角切圓布置示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖1對本發明作詳細說明。

如圖1所示，本發明裝置包括一次風機17、二次風機18、風室1、爐膛3、旋風分離器5、尾部受熱面煙道11、除塵器20、引風機22、煙囪21、再循環風機24。所述爐膛下段為變截面密相區2、中上段為等截面稀相區4；所述尾部受熱面煙道內自上而下設有過熱器10、省煤器12、空氣預熱器13（一、二次風）。

空氣經一次風機入口16通過一次風管15經空氣預熱器（一次風）連接風室左右兩側設有的一次風口入口，二次風機入口19通過對應的出口經二次風管14連接空氣預熱器（二次風）入口，空氣預熱器（二次風）出口連接的二次風管14分成上、下二次風管，上、下二次風管分別連接上二次風箱6入口、下二次風箱7入口，上、下二次風箱出口經上、下二次風支管分別與變截面密相區設有的上、下二次風入口相連，形成爐內空氣分級燃燒；所述引風機22出口與煙囪間設有再循環煙氣管道23，在再循環煙氣管道上設有再循環風機24，再循環風機出口設有并聯再循環煙氣分級管道8、9，分別與風室兩側設有的再循環煙氣入口、下二次風箱入口端連接，形成再循環煙氣分級，再循環風機控制調節煙氣總量，再循環煙氣分級管道分別設有調節閥調節各分級管道煙氣量。

變截面密相區設有的上二次風入口設置于密相區中上端，各上二次風入口處于同一標高；變截面密相區設有的下二次風入口設置于密相區中下端，各下二次風入口處于同一標高。

上二次風入口軸線入射方向相對于水平方向向下傾斜0度 - 20度，各上二次風入口入射風速應控制在40m/s - 80m/s；上二次風入射方向傾角為0度時，能夠充分體現上二次風空氣分級效果，并能夠密相區顆粒濃度形成壓制效應，防止大量燃燒顆粒被攜帶到稀相區。上二次風為80m/s時，在保證二次風的穿透性和剛性的同時，如果在增大會導致過分密相區顆粒濃度，導致攜帶到稀相區顆粒物濃度過少，造成爐膛上下溫差過大，造成帶不動燃燒負荷。所述下二次入口軸線入射方向相對于水平方向向下傾斜10度 - 35度，各下二次風入口入射風速應控制在60m/s - 120m/s；下二次風入射方向為向下傾斜為10度，能夠體現下二次風空氣分級效果，如傾角再減小，會造成密相區底部氧量不能及時補充，容易造成底部缺氧，或局部結焦現象；在下二次風傾角較小時，二次風入射風速可提高到120m/s，具有足夠剛度與穿透性，若風速再增加，會導致下二次風箱風大過大，二次風機電耗過大。

再循環煙氣分級管道輸送的二級再循環煙氣與下二次風管道輸送的下二次風在下二次風箱入口端混合，增大下二次風風箱靜壓，提高下二次風剛度與穿透性。

風室左右兩側設有的再循環煙氣入口，其每一側入口布置方式可為單一入口布置，或雙入口對稱布置一次風口兩側，或多入口圓周布置于一次風入口周圍，充分混合一次風與一級再循環煙氣，見圖3。

風室左右兩側設有再循環煙氣入口軸線方向與一次風入口軸線方向具有一定入射傾角，入射角度為0度-30度；再循環煙氣入口煙氣或（和）一次風入口處空氣具有設定流速，對周圍氣體產生卷吸效應，見圖2。

風室兩側設有的再循環煙氣入口，在采用每側單一入口布置時，可與一次風入口形成四角切圓方式布置，入口標高位于風室中下部，見圖4。

風機出口與煙囪之間設有的再循環煙氣管道、再循環風機、以及并聯再循環煙氣分級管道設有防腐與保溫層。

一次風量、二次風量、再循環煙氣量均可調，一次風比、二次風比、再循環煙氣比可控制在25%-60%、40%-75%、10%-40%范圍內；上、下二次風比調配依據鍋爐負荷增加，下二次風比降低、上二次風比增加原則進行。一、二級再循環煙氣比依據鍋爐負荷與煤種變化分別控制在60%-100%、0%-40%范圍內。基于耦合上述空氣與再循環煙氣分級燃燒，在變截面密相區底部形成過量空氣系數約0.6-0.8的強還原性氣氛，在上、下二次風入口之間的密相區過量空氣系數約0.8-1.0的弱還原性氣氛，在上二次風入口以上爐膛區域形成量空氣系數約1.1-1.3的氧化性燃燒區。如通過再循環煙氣調配，將一次風比降低到25%時（占總風量），一級再循環煙氣量應占80%以上，在保證床料充分流化的同時，在爐膛底部形成強還原性密相區，即過量空氣系數約為0.6-0.8的強還原性氣氛，如果一次風比再降低，會導致密相區底部嚴重缺氧，會造成煤粉顆粒液化，不是直接燃燒，容易出現煤粉顆粒結焦現象，降低流化床燃燒穩定性。

在鍋爐點火正常運行后，開啟再循環風機，依據所述鍋爐負荷、爐膛沸下燃燒溫度、爐膛出口氧量與NOx濃度高低，輸送再循環煙氣，同時降低一次風量，增大二次風量，通過再循環風機調控再循環煙氣總量，采用再循環分級管道上設有的控制調節閥分別調節一、二級再循環煙氣量配比；一級再循環煙氣與一次風機輸送經空預器預熱的一次風在風室內均勻混合后進入爐膛流化床料，在爐膛底部密相區進行低氧燃燒，降低密相區沸下床溫，抑制溫度型氮氧化物生成，同時生成大量還原性氣體CO，形成強還原性氣氛區，抑制燃料型氮氧化物生成；二級再循環煙氣與二次風機輸送經空預熱器預熱的下二次風經下二次風箱均勻混合后，通過下二次風入口高速射入爐膛密相區中下部，產生強烈吸卷效應，增強該區域內的流體擾動，補充燃燒密相區中的氧量，形成弱還原性氣氛區，進一步抑制氮氧化物生成，同時將生成氮氧化物還原；二次風機輸送經空預熱器預熱的上二次風通過上二次風口高速射入爐膛密相區中上部，產生卷吸效應，增強擾動，形成氧化性氣氛的燃盡區；依據所述空氣與再循環煙氣兩級耦合，將爐膛分成密相區底部的強還原性燃燒區、密相區中上部的弱還原性燃燒區、及稀相區氧化性燃盡區的三級燃燒過程，能夠顯著抑制氮氧化物生成，防止氮氧化物二次生成，有利于降低爐膛沸下與爐膛出口之間溫差，提高鍋爐負荷變化范圍。

本發明通過空氣分級與再循環煙氣分級燃燒技術相結合，在爐膛沿高度方向形成明顯的強還原性燃燒、弱還原性燃燒、氧化性燃盡三級燃燒區，降低了燃料型氮氧化物形成，同時顯著減緩爐膛密相區燃燒強度，控制爐膛密相區燃燒溫度，提高爐膛整體溫度分布均勻性，抑制溫度型氮氧化產生。利用再循環風機將再循環煙氣直接送入風室與二次風箱，降低一、二次風機電耗，避免煙氣對風機葉片、空氣預熱器換熱管內壁面的腐蝕；避免長時間運行后煙氣中粉塵顆粒對風機葉輪的侵蝕，以及對風量壓力儀表測量裝置阻塞。本發明還具有結構簡單，操作方便，改造施工周期短，成本較低，占地空間較小等優點，特別適應于早期流化床鍋爐低氮燃燒改造。

通過采用本發明裝置及低氮燃燒方法，可達到如下效果：鍋爐負荷40%-110%之間變化時，爐膛出口氧量可控制在2%-5%，能夠控制氮氧化物原始生成濃度同時，保證鍋爐燃燒效率，鍋爐熱效率影響較小；鍋爐氮氧化物濃度原始生成濃度比改造前50%以上。

本發明適用于燃煤流化床鍋爐。以上所述僅為本發明的較佳實施案例，凡依本發明申請范圍所作的均等變化與修飾，皆應屬于本發明專利的涵蓋范圍。