[发明专利]一种煤粉解耦燃烧器及其解耦燃烧方法

说明书

技术领域

本发明涉及煤粉燃烧设备领域，具体地，本发明涉及一种煤粉解耦燃烧器及其解耦燃烧方法。

背景技术

在煤粉燃烧的实际应用中，随着煤粉空气混合物在燃烧阶段的燃烧温度和氧浓度的提高，煤粉更易快速、充分燃尽，烟气中飞灰可燃物(未燃尽碳和CO)的含量降低；同时，高温富氧又会使燃烧过程中生成的NO_x大幅提高；另一方面，煤粉空气混合物在燃烧阶段的燃烧温度和氧浓度越低越有利于抑制氮氧化物NO_x生成，但煤粉更不易燃尽。因而，解除煤粉燃烧的飞灰可燃物与NO_x的耦合排放问题是燃烧技术上长期存在的技术难点。

目前，已开发的适用于煤粉燃烧锅炉的低NO_x燃烧技术主要有空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术、烟气再循环燃烧技术等。由于前述的耦合排放关系，这几种技术往往只能侧重一个方面问题的解决，不仅不能彻底地解决问题，同时还带来许多其它问题。例如宏观空气分级燃烧技术降低NO_x的效率较低，同时还会使富氧燃烧的阶段拖后，极难燃尽的焦炭和半焦推迟到低温燃烧区去燃尽，致使飞灰可燃物的含量增高，而且炉膛中大范围还原性气氛也使得炉膛结焦和水冷壁的高温腐蚀几率大大增加；燃料分级燃烧技术只有在使用燃气和轻油等以烃类化合物为主的二次燃料时，才有较高的NO_x还原效率和保持较高燃烧效率，但该方案使燃料成本、设备投资和维护费用急剧增加，所以国内应用较少。烟气再循环燃烧技术降低NO_x的效率较低、设备投资和运行维护费用较高，同时也会增加烟气中飞灰可燃物的含量，降低锅炉效率，现在该方案很少采用。

目前已开发的煤粉低氮燃烧器多采用煤粉浓缩后燃烧的方式，一定程度上可降低NO_x的排放，但由于浓缩效率不高，浓缩后的浓煤粉气流的A/C(空气质量与煤粉质量的比值)多在0.8～1.3之间，特别是对于挥发分低于10％～20％的煤，该气流煤粉燃烧时的空气量依然高于或接近煤中挥发分燃烧所需的空气量，挥发分与氧气的气相反应速度较快，因而该燃烧条件必然会使得煤中热解出的氮大量与氧气结合，转化成NO_x。已生成的NO_x虽然可通过控制空气的供给过程，使之利用半焦在还原性气氛中燃烧来部分还原，但此多相反应受气固反应速率限制，该阶段以C、CO等为主的还原剂反应活性较低，气流进入炉膛空间扩大后，还原剂扩散速度以及与NO_x的接触几率极低，因而在炉膛内还原反应难以充分完成，降低NO_x排放的效率较低。

解耦燃烧技术可以实现解除煤炭燃烧的飞灰可燃物与NO_x的耦合排放关系，是同时降低飞灰可燃物和NO_x排放的有效方法。其机理是：将煤炭燃烧过程分为两个阶段，第一阶段，煤炭在很高的还原性气氛下发生热解、气化和煤气燃烧，充分利用煤炭自身的热解和气化产物将燃料型NO_x转化为更为稳定的N₂；第二阶段创造高温富氧但不产生热力型NO_x的环境，再确保煤炭的充分燃尽。

由此可见，解耦燃烧抑制NO_x排放的关键过程，在燃烧初期热解气化产生的挥发份氮的转化过程，该过程主要在一次风内部、二次风混合前的较小空间范围进行，一次风与二次风混合后即开始燃尽阶段，不需要前述的空气分级燃烧产生的大范围炉膛还原性气氛。该过程是属于微观上的分级燃烧，只是机理不同于前述的宏观上的空气分级燃烧，解耦燃烧的还原剂充分利用了热解气化产物，反应活性更高。

目前，人们已对解耦燃烧降低NO_x的机理进行了深入研究，并出现了适用于层状解耦燃烧炉的一系列专利，如一种抑制氮氧化物的无烟燃煤方法及燃煤炉(中国发明专利号：ZL95102081.1)、原煤的层状解耦式燃烧方法及机械层状解耦式燃烧炉(中国发明专利号：ZL01131238.6)、解耦燃烧炉和解耦燃烧方法(中国发明专利申请号：ZL 200810117937.1)和一种预燃式机械炉排解耦燃烧炉及其燃烧方法(中国发明专利申请号：ZL201010526501.5)等。然而，在上述这些专利中，都只适合于层状燃烧技术，仅适用于100t/h以下的层状解耦燃烧炉，难以实现煤粉燃烧的解耦燃烧炉大型化。