一种氧/温宽幅可调的锅炉烟气循环系统及方法

本发明属于燃煤锅炉火力发电领域，具体涉及一种氧/温宽幅可调的锅炉烟气循环系统及方法。

背景技术：

1、近年来火力发电机组逐渐从基核电源加速变为“托底保供”的调峰电源，这就要求锅炉机组负荷大范围灵活可调。我国东部部分煤炭供应难度大、环境承载力差，因此火力发电将越来越集中于西部煤电基地，主要分布在新疆、内蒙古等地区。其中，新疆是我国重要的能源基地，是未来中国煤炭、煤电及相关产业的主要生产和供应基地之一。

2、然而，新疆地区煤炭供应中高碱煤占比高，其典型特征是煤灰中na2o质量分数比较高，锅炉燃用此类煤种存在严重结焦和沾污问题，危及锅炉安全运行。高碱煤的结焦主要是因碱金属的气化和凝结引起，锅炉内部和烟气接触的位置(从顶棚管到冷灰斗)都存在结焦现象。除此之外，在锅炉内部对流受热面，已经凝固成颗粒的灰分由于存在大量碱金属，其固态颗粒也有很强的黏结性，因此很容易出现所谓的沾污现象。高碱煤存在结焦沾污问题会严重影响燃煤锅炉的正常运行，结焦沾污形成的灰层使用吹灰难以解决，导致传热恶化和金属管材快速腐蚀，给锅炉造成极大的安全隐患，同时显著影响机组经济性。

3、为了解决高碱煤的结焦沾污问题，在实际工业生产中常常使用掺烧高岭土的方式燃用高碱煤。其原理是利用高岭土在高温下生成高熔点物质，固化高碱煤碱金属的释放，并提高灰熔点。然而，虽然高岭土能提升机组安全性，但近年高岭土价格逐年升高，掺烧对机组的经济性有一定负面影响。除此之外，由于作为“托底保供”的燃煤锅炉火力发电行业要求锅炉负荷大范围灵活可调，而掺烧高岭土常在高负荷情况下有效，解决大范围灵活可调负荷工况下的高碱煤结焦沾污问题。因此，探索掺烧高岭土之外的高碱煤结焦沾污问题解决方案，已成为高碱煤锅炉火力发电行业的前沿热点问题。

4、除了结焦沾污之外，氮氧化物(nox)排放也是高碱煤应用存在的重要问题之一。众所周知，氮氧化物是造成大气污染的主要污染物之一，会带来酸雨、光化学烟雾等环境问题，严重危害人类健康。因此，我国出台了严格的氮氧化物排放标准，燃烧后氮氧化物排放浓度普遍被严格限制在50mg/m3左右，这对锅炉火力发电机组提出了很大的挑战。

5、为有效地控制nox，燃煤锅炉已普遍采用深度空气分级燃烧系统，大比例空气以燃尽风形式从炉膛上部的燃尽风喷口送入炉内，主燃区至还原区处于欠氧还原气氛状态，燃烧温度也会较低，以此达到低nox燃烧的目的。对于燃用高碱煤，实践表明，燃烧区域火焰平均峰值温度随燃尽风率的增加而降低，而燃尽区域火焰平均峰值温度和烟气出口温度随燃尽风率的增加而升高，燃烧的滞后，必然导致炉膛上部及屏底和对流烟道区域的结焦沾污严重，并且燃烧区域强还原性气氛也加重了中下炉膛的结焦沾污程度。

6、综上所述，在作为“托底保供”的火力发电领域要求机组负荷大范围灵活可调的背景之下，以高碱煤为主要煤种的燃煤锅炉行业急需解决高碱煤的结焦沾污问题、探索除掺烧高岭土之外的解决方案，同时严格控制氮氧化物排放。因此，针对以上问题，需要提出一种实现宽幅灵活调整炉膛内氧含量与温度，达到综合控制高碱煤结焦沾污和nox排放目的的系统，以满足现有要求。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种氧/温宽幅可调的锅炉烟气循环系统及方法，以解决现有技术中难以宽幅、灵活调整燃煤锅炉炉膛内氧含量与温度的不足，本方案通过循环烟气多点喷射结合受热面匹配的结合，实现了对燃煤锅炉炉膛内氧含量与温度宽幅、灵活调整，在控制燃烧速度的同时、调整炉膛内部温度与辐射换热，把煤粉颗粒送入炉膛中央分散燃烧，使炉内形成均匀的燃烧态势，炉内火焰充满度大大提高，达到充分利用现有高碱煤大尺寸锅炉炉膛的优势。燃烧峰值温度得到抑制，炉内形成均匀的温度场以减少热力型氮氧化物生成。空气分级程度减小以使燃烧中心下移，通过循环净烟气送入炉内，进一步降低燃烧的峰值温度，均匀温度场，降低屏底烟温，进而达到综合控制高碱煤燃烧引起的水冷壁结焦和对流受热面沾污和控制nox排放的目的。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、本发明第一方面公开了一种氧/温宽幅可调的锅炉烟气循环系统，包括依次连接的锅炉、除尘器、脱硫塔和烟囱，所述的锅炉内部沿烟气流动方向依次设置有分级换热组件和空气预热器，

4、还包括循环烟气多点喷射装置，

5、所述的循环烟气多点喷射装置包括炉底烟气喷枪、主燃区烟气喷枪、还原区烟气喷枪、屏底烟气喷枪和烟气循环管路；

6、所述的炉底烟气喷枪设置于锅炉炉底，用于抑制炉底超温；

7、所述的主燃区烟气喷枪设置于锅炉主燃区，用于形成区域均匀可控的氧浓度气氛；

8、所述的还原区烟气喷枪设置于锅炉还原区，用于抑制还原区强还原气氛下飞灰或煤焦颗粒在水冷壁的结焦腐蚀；

9、所述的屏底烟气喷枪设置于分级换热组件的上游，用于降低直接接触分级换热组件的烟气温度；

10、所述的烟气循环管路由分级换热组件的下游引出循环烟气，并将循环烟气由炉底烟气喷枪和/或主燃区烟气喷枪和/或还原区烟气喷枪和/或屏底烟气喷枪引入锅炉。

11、优选地，所述的锅炉烟气循环系统还包括设置于烟气循环管路上的烟气循环风机和烟气分配装置，所述的烟气分配装置设置于烟气循环风机下游，用于灵活调控各烟气喷枪流量。

12、优选地，所述的循环烟气由分级换热组件与空气预热器之间引出，和/或，所述的循环烟气由除尘器与脱硫塔之间引出。

13、优选地，所述的循环烟气由分级换热组件与空气预热器之间引出时，所述的烟气循环管路上还设置有除尘组件，并经由加压后通入锅炉。

14、优选地，所述的炉底烟气喷枪对称的布置于锅炉炉底。

15、优选地，所述的主燃区烟气喷枪沿烟气流动方向设置有若干个。

16、优选地，所述的主燃区烟气喷枪沿锅炉主燃区周向环向设置有若干个。

17、主燃区烟气喷枪引入循环烟气后应控制主燃区过量空气系数不低于0.95。

18、优选地，所述的还原区烟气喷枪设置于贴壁风位置，向锅炉还原区的贴壁风引入循环烟气。

19、优选地，所述的分级换热组件包括沿烟气流动方向依次设置的屏式过热器、末级过热器、高温再热器和构成并联烟道的低温再热器以及过热器与省煤器。

20、本发明第二方面公开了一种采用如上任一所述的氧/温宽幅可调的锅炉烟气循环系统的方法，所述的循环烟气多点喷射装置抽取分级换热组件下游的烟气并循环引入至锅炉内：利用低温惰性气体吸收燃烧放热并稀释局部氧量，用以调节煤粉火焰中的氧浓度和温度以及调节全炉膛内部氧含量与温度分布。通过循环烟气对局部氧含量和温度进行控制，以及分级换热组件进行受热面匹配，实现锅炉全炉膛的氧含量及温度宽幅可调。

21、本发明的工作原理为：

22、利用低温惰性气体吸收燃烧放热并稀释局部氧量，用以调节煤粉火焰中的氧浓度和温度以及调节全炉膛内部氧含量与温度分布，在控制煤粉的燃烧速度的同时、调整炉膛内部温度与辐射换热，使炉内火焰充满度大大提高，达到充分利用现有高碱煤大尺寸锅炉炉膛的优势。此外，通过循环净烟气送入炉内，进一步降低燃烧的峰值温度，均匀温度场，降低屏底烟温，进而达到综合控制高碱煤燃烧引起的水冷壁结焦和对流受热面沾污和控制nox排放的目的。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、现有技术中，高碱煤锅炉为了提升火焰充满度、避免火焰过于集中导致局部高温进而造成的结焦沾污，往往采用大尺寸炉膛设计；然而在低负荷情况下燃用高碱煤火焰充满度不高，大尺寸炉膛未能得到有效利用。因此本发明向大尺寸高碱煤炉膛注入循环烟气，提升了炉内火焰充满度，实现了现有高碱煤锅炉大尺寸炉膛的充分利用。

25、本发明通过循环烟气多点喷射装置，可在传统燃煤锅炉系统现有机组的基础上通过加装烟气抽气与循环装置实现低成本改造，省去新建锅炉系统的高昂成本：

26、本发明通过循环烟气多点喷射装置，提供了两种可选方案抽取高温烟气进行烟气再循环，实现全炉膛氧含量温度控制，有助于解决高碱煤结焦沾污问题，不仅提高了机组经济性，同时降低了氮氧化物排放；

27、本发明通过循环烟气多点喷射装置将洁净烟气可控喷入炉膛内部，降低了炉膛整体温度，有助于抑制热力型氮氧化物生成；

28、本发明通过循环烟气多点喷射装置向炉膛内部的炉底喷入低温烟气，提升了全炉烟气温度分布的均匀性，有助于抑制高碱煤结焦沾污；

29、本发明通过循环烟气多点喷射装置向炉膛内部主燃区喷入低温烟气，控制了煤粉燃烧速度，抑制了火焰峰值温度产生导致的碱金属以气相形态释放强度，有助于抑制高碱煤结焦沾污；

30、本发明通过循环烟气多点喷射装置由炉膛贴壁风位置喷入低温烟气，形成了水冷壁面局部缺氧氛围，抑制未燃尽煤粉颗粒在壁面附近燃烧，形成高温熔融形态的颗粒在壁面结焦，采用了再循环烟气入炉思路抑制了氮氧化物生成；

31、本发明通过循环烟气多点喷射装置向炉膛内部的屏底喷入低温烟气，大幅降低了屏底烟气温度，有助于抑制高碱煤燃烧引用的分级换热组件沾污。