一种气化耦合低NOx燃烧系统和低NOx燃烧方法及设计方法

技术领域

本发明属于燃烧技术领域，具体涉及一种气化耦合低NOx燃烧系统和低NOx燃烧方法及设计方法。

背景技术

煤炭是主要的一次能源，也是推进经济高速发展的主要动力。目前，煤炭主要利用方式是直接燃烧，然而煤炭的直接燃烧会产生一系列污染物，包括NOx、SOx和颗粒物等，对人体和环境造成极大伤害。其中尤其是NOx尤为难处理，成为重点控制对象，在2020年前对燃煤机组全面要求氮氧化物排放浓度不超过50mg/Nm

煤气化技术是一种重要的煤清洁利用技术，其中气流床气化技术以高温、高压、气固强湍动混合、碳转化率高、产物不含焦油和酚类等特点近些年而被广泛用于化工、发电等领域。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种气化耦合低NOx燃烧系统及低NOx燃烧方法、设计方法，两只烧嘴对撞布置，另外两只烧嘴向异侧偏置特定角度切向布置，使两只对撞布置的烧嘴喷入的固体燃料受高速氧化剂气流携带在烧嘴平面中心撞击后向上向下运动，同时也会被另外两只特定偏置角度布置的烧嘴喷入的高速气流径向分散开，对撞布置烧嘴喷入的氧化剂气流同样会阻碍特定偏置角度布置烧嘴喷入燃料流迅速径向扩散开。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种气化耦合低NOx燃烧系统，包括半对撞半切圆气化炉、浓淡分离器以及下行燃烧室；半对撞半切圆气化炉从上至下依次布置半球形顶盖、气流导向台、烧嘴、圆筒状主体和锥形筒体，锥形筒体底部开设气化炉产物出口；气流导向台从上到下直径呈线性减小，浓淡分离器整体沿水平方向布置，浓淡分离器入口与气化炉产物出口连通；下行燃烧室顶端设置燃烧器，浓淡分离器的浓相产物出口与燃烧器相连通，稀相产物出口与下行燃烧室的中上部连通；稀相产物出口至下行燃烧室的通道上设置有稀相产物通道阀门；燃烧器连通氧化剂通道，下行燃烧室中部设置有切圆布置的燃尽氧化剂喷口，底部设置有产物出口；烧嘴设置有四只，烧嘴均连通燃料通道和氧化剂通道；两只烧嘴只呈180°对撞布置，另外两只烧嘴沿其所在圆的直径方向偏置角度α

圆筒状主体中上部间隔90°均匀布置四台锥形烧嘴罩，烧嘴通过烧嘴罩设置在圆筒状主体上，烧嘴的入射角度水平，α

半对撞半切圆气化炉中圆筒状主体直径D

其中Qar为加入燃料总的高位发热量，H为气化炉总高度，范围为2～5倍D

气流导向台从上到下直径呈线性减小，使气流导向台的侧壁与水平面形成夹角α

圆筒状主体高度为H

浓淡分离器的顶部通过一弯管与半对撞半切圆气化炉底端连通，所述弯管的圆心角β为80°～100°，浓淡分离器为Y形，浓相产物出口位于稀相产物出口的下方；浓相产物出口和稀相产物出口之间有一夹角γ，γ为30～60°。

下行燃烧室的四个燃尽氧化剂喷口的轴线相对于其所在直径方向的偏置夹角θ喷入，θ为3～6°；下行燃烧室的两个稀相气化产物喷口应呈180°对撞布置。

下行燃烧室用四角切圆锅炉、前后墙对冲锅炉或W火焰锅炉替换。

一种气化耦合低NOx燃烧方法，基于本发明所述气化耦合低NOx燃烧系统；

气化后固相产物和合成气的两相混合物进入浓淡分离器，经过浓淡分离器分离为浓相和稀相，浓相通过浓相产物输送管道至下行燃烧室顶部燃烧器，少部分固相产物进入稀相气化产物出口，稀相气化产物通过稀相产物输送管道被输送至下行燃烧室中上部稀相气化产物喷口，分成两股以对撞形式加入下行燃烧室，还原浓淡分离器分离的浓相产物与下行燃烧室一次氧化剂反应产生的氮氧化物；气化产物出口温度为900～1100℃；

烧嘴内侧通入燃料和少量空气，烧嘴外侧通入氧化剂，所述少量空气和燃料质量比在0.2～0.4之间，所述的烧嘴氧化剂入射速度在60m/s～100m/s之间，燃料入射速度在8m/s～15m/s之间，所述的气化炉氧化剂加入量为加入气化炉燃料完全燃烧所需氧化剂化学计量比的0.2～0.6倍。

本发明所述气化耦合低NOx燃烧系统的设计方法，具体如下：

选定系统燃料量并计算所需求氧化剂量，初步计算得到系统各个设备尺寸；

对燃料做热解实验得到产物分布，再对热解固相产物做固相产物气化动力学数据测试，根据传热学理论计算系统理论热损失；

基于各个设备尺寸、热解后固相产物气化动力学数据测试数据以及系统理论热损失数据输入到Aspen Plus和Ansys进行模拟计算，反复优化半对撞半切圆气化炉和下行燃烧室流场、温度场和组分场分布，并相互校核Aspen Plus和Ansys计算半对撞半切圆气化炉1出口的气体组成，直至计算结果相差在5％之内，即认为气化炉内气固停留时间和混合程度可以保证出口组分达到热力学平衡，最后得到合理的系统各部件尺寸参数。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明气化耦合低NOx燃烧系统基于解耦燃烧的思想，将气流床气化技术理念与技术特点引入到固体燃料预热燃烧技术中，并且提出一种半对撞半切圆气化炉，其流场组织方式可以使固体燃料颗粒分散在炉膛高温区，同时炉内具有高强度气固湍动与混合，促进了气化反应发生；气化后气固混合产物通过浓淡分离器进行浓淡分离，分离后浓相气化产物在下行燃烧室顶部燃烧器加入，稀相气化产物在下行燃烧室中部设定位置加入，稀相气化产物中含有的少量气化后拥有较大比表面积和发达孔隙结构的固体颗粒，以及气化后气相中CH

本发明所述半对撞半切圆气化炉的两只烧嘴对撞布置，另外两只烧嘴向异侧偏置特定角度切向布置，如此方式布置避免了四只烧嘴都对撞布置造成颗粒在撞击完后向下流动的颗粒迅速逃逸出气化炉出口和四只烧嘴以切圆方式布置造成颗粒被旋转气流离心力迅速携带至气化炉壁面，迅速逃离高温区，如此方式布置可使两只对撞布置的烧嘴喷入的固体燃料受高速氧化剂气流携带在烧嘴平面中心撞击后向上向下运动，同时也会被另外两只特定偏置角度布置的烧嘴喷入的高速气流径向分散开，对撞布置烧嘴喷入的氧化剂气流同样会阻碍特定偏置角度布置烧嘴喷入燃料流迅速径向扩散开，半对撞半切圆气化炉的气流导向台可以改变沿着半球顶盖壁面流动的燃料和气流运动方向，使向下气流和燃料流向气化炉中心方向运行，部分被撞击后向上的气流再次卷吸进入循环，增加停留时间。

进一步的，半对撞半切圆气化炉尺寸参数，防止或减缓半对撞半切圆气化炉因喷嘴以上部分高度太高造成气化炉内气流不稳定型，或者喷嘴以下部分尺寸不合适导致固相停留时间过短。

进一步的，气流导向台设置的倾角α

附图说明

图1a为本发明一种可实施的燃烧系统结构示意图。

图1b为图1a中的A-A向示意图。

图1c为图1a中的B-B向示意图。

图1d为图1a中的C-C向示意图。

图2为本发明所述燃烧系统的一种设计思路简图。

图3a为四个烧嘴4°切圆布置颗粒浓度分布示意图。

图3b为图3a对应的温度分布示意图。

图4a为四个烧嘴全部对撞布置颗粒浓度分布示意图。

图4b为图4a对应的温度分布示意图。

图5a为四个烧嘴半对撞半切圆布置颗粒浓度和温度分布示意图。

图5b为图5a对应的温度分布示意图。

附图中，1-半对撞半切圆气化炉，2-半球形顶盖，3-气流导向台，4-锥形烧嘴罩，5-烧嘴，6-氧化剂喷口，7-燃料喷口，8-圆筒状主体，9-锥形筒体，10-气化炉产物出口，11-浓淡分离器，12-稀相产物出口，13-浓相产物出口，14-浓相气化产物输送通道，15-稀相产物输送通道，16-下行燃烧室一次氧化剂喷口，17-燃烧器，21-下行燃烧室，22-稀相产物通道阀门

具体实施方式

将气流床气化技术应用于煤粉解耦燃烧理念中，本发明所使用的新型半对撞半切圆气化炉是一种适用于煤粉解耦燃烧的新型气化炉，常规的工业气流床气化炉为了便于液态排渣并获得清洁的合成气，均要求煤粉在气化炉内完成快速热解、挥发分析出、焦炭燃烧和气化后剩余灰分尽可能在熔融状态下被气流携带至气化炉壁面被捕集，形成液态熔融状态渣层流出气化炉。而煤粉解耦燃烧所使用的气化炉因下游有热解产物浓淡分离设备，因此气化炉温度应该控制在灰熔点以下，防止堵塞分离设备。另一方面为了保证气化炉内强烈的湍动与混合，常规四烧嘴气化炉，无论是四只烧嘴异侧偏置较小角度切圆布置的Shell气化炉，还是对撞布置的OMP气化炉和HNCERI气化炉，其高温区位于氧化剂射流区域和气化炉烧嘴平面中心轴附近区域。应用于煤粉解耦燃烧的气化炉不同于以上所述气化炉，其应使煤尽量分散在高温区，以促使气化反应发生。

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。

参考图1a、图1b、图1c和图1d，一种气化耦合低NOx燃烧系统，包括半对撞半切圆气化炉1、浓淡分离器11以及下行燃烧室21；半对撞半切圆气化炉1从上至下依次布置半球形顶盖2、气流导向台3、烧嘴5、圆筒状主体8和锥形筒体9，锥形筒体9底部开设气化炉产物出口10；气流导向台3从上到下直径呈线性减小，浓淡分离器11整体沿水平方向布置，浓淡分离器11入口与气化炉产物出口10连通；下行燃烧室21顶端设置燃烧器17，浓淡分离器11的浓相产物出口13与燃烧器17相连通，稀相产物出口12与下行燃烧室21的中上部连通；浓相产物出口13位于稀相产物出口12的下方；燃烧器17连通氧化剂通道，下行燃烧室21中部设置有切圆布置的燃尽氧化剂喷口19，底部设置有产物出口20。

气化后固相产物和合成气的两相混合物进入浓淡分离器后，由于惯性作用大部分固相产物进入浓淡分离器的浓相气化产物出口，然后通过浓相产物输送管道被输送至下行燃烧室顶部燃烧器外侧通道，少部分固相产物进入稀相气化产物出口，通过稀相产物输送管道被输送至下行燃烧室中上部稀相气化产物喷口，分成两股以对撞形式加入下行燃烧室，以还原浓淡分离器分离的浓相产物与下行燃烧室一次氧化剂反应产生的氮氧化物。

稀相产物出口12至下行燃烧室21的通道上设置有稀相产物通道阀门22，所述的稀相产物出口设置有阀门以调节稀相产物出口输送管道阻力，得到合理的流量分配。

浓淡分离器还可以采用旋风分离器。

圆筒状主体8中上部间隔90°均匀布置四台锥形烧嘴罩4，烧嘴5通过烧嘴罩4设置在圆筒状主体8上，烧嘴5的入射角度水平，两只烧嘴5只呈180°对撞布置，另外两只烧嘴5沿其所在圆的直径方向偏置角度α

半对撞半切圆气化炉1中圆筒状主体8直径D

其中Qar为加入燃料总的高位发热量，H为气化炉总高度，范围为2～5倍D

气流导向台3从上到下直径呈线性减小，使气流导向台3的侧壁与水平面形成夹角α

圆筒状主体8高度为H

浓淡分离器11的顶部通过一弯管与半对撞半切圆气化炉1底端连通，所述弯管的圆心角β为80°～100°，浓淡分离器11为Y形，浓相产物出口13和稀相产物出口12出口之间有一夹角γ，γ为30～60°。

下行燃烧室21的四个燃尽氧化剂喷口19的轴线相对于其所在直径方向的偏置夹角θ喷入，θ为3～6°。

下行燃烧室21的两个稀相气化产物喷口18应呈180°对撞布置。

浓淡分离器入口与半对撞半切圆气化炉气化产物出口相连通，弯管浓淡分离器两个出口截面积分别为浓淡分离器进口截面积的二分之一，浓淡分离器的上下两个出口夹角γ在30～60°之间，弯管部分圆心角β在80～100°之间。

下行燃烧室顶部燃烧器设置有一次氧化剂进口，与浓相固相产物喷口同轴射流，且位于内侧；下行燃烧室顶部一次氧化剂射流速度在18～25m/s之间，浓淡分离器分离的浓相气化产物进入下行燃烧室的射流速度在8～12m/s之间。

下行燃烧室的燃尽氧化剂加入位置应在浓淡分离器分离的稀相气化产物加入位置以下，下行燃烧室燃尽氧化剂的喷入方式为四角切圆式，切圆角度应该在3°～6°之间，且每股燃尽氧化剂入射速度大小在15～30m/s之间。

下行燃烧室加入的氧化剂量和气化炉加入的氧化剂量之和为加入气化炉燃料完全燃烧所需氧化剂化学计量比的1.1～1.3，下行燃烧室一次氧化剂量和燃尽氧化剂量比例可以自由调节。

针对本发明所述气化耦合低NOx燃烧系统设计方法具体为：首先，选定系统燃料量并计算所需求氧化剂量，确定系统各部分氧化剂分配量，然后根据锅炉设计基本原理，选取合适的炉膛容积热负荷值、截面热负荷值，初步计算半对撞半切圆气化炉直径和各个部分高度。

对设计所用燃料进行热解试验，得到热解产物气相组成和固相元素分析，再对热解后固相产物进行气化动力学数据测试。

根据传热学理论计算半对撞半切圆气化炉理论热损失。

将上述选定的系统燃料量和氧化剂量、燃料热解气相产物组成和固相元素分析、热解后固相产物气化动力学数据、半对撞半切圆气化炉热损失作为基本参数输入AspenPlus，预估燃料在气化炉停留时间，建立Aspen Plus系统模拟流程进行热力学平衡计算，得到气化后产物组成、产物温度、产物流量等参数，作为弯管-Y型浓淡分离器和下行燃烧室设计依据。

将上述选定的系统燃料量和氧化剂量、燃料热解气相产物组成和固相元素分析、热解后固相产物气化动力学数据、半对撞半切圆气化炉热损失作为Ansys初始边界条件输入，将初步计算的半对撞半切圆气化炉尺寸在Ansys中进行几何建模和划分网格，然后模拟得到新型半切圆半对撞气化炉的产物组成、流场、温度场分布，并与Aspen Plus热力平衡计算结果进行对比校核，并对半对撞半切圆气化炉各部分尺寸进行反复优化，直至AspenPlus热力学平衡计算结果与Ansys流场计算结果的半对撞半切圆气化炉出口产物组成、温度相差5％之内，即可认为半对撞半切圆气化炉尺寸合理，即可以使得在当前输入工艺参数下达到热力学平衡。

根据上述模拟结果的半对撞半切圆气化炉出口烟气量，设计浓淡分离器尺寸。

以半对撞半切圆气化炉出口产物参数作为下行燃烧室输入边界条件，重复上述步骤对下行燃烧室尺寸、入口流速选取、燃尽氧化剂入口位置进行模拟优化，以最终氮氧化物排放量值作为依据选取合适的下行燃烧室结构参数。

请参阅图1a、图1b、图1c、图1d和图2，本发明的一种气化耦合低NOx燃烧方法，气化后固相产物和合成气的两相混合物进入浓淡分离器，经过浓淡分离器分离为浓相和稀相，浓相通过浓相产物输送管道至下行燃烧室顶部燃烧器，少部分固相产物进入稀相气化产物出口，稀相气化产物通过稀相产物输送管道被输送至下行燃烧室中上部稀相气化产物喷口，分成两股以对撞形式加入下行燃烧室，还原浓淡分离器分离的浓相产物与下行燃烧室一次氧化剂反应产生的氮氧化物；气化产物出口温度为900～1100℃。

更为具体的：半对撞半切圆气化炉1中烧嘴5内侧为空气和燃料入口7，少量空气和燃料质量比为0.2～0.4，所述的烧嘴氧化剂入射速度为70～100m/s，燃料入射速度在8～15m/s之间，半对撞半切圆气化炉加入的燃料为煤粉或者生物质颗粒，粒径小于150微米，氧化剂为空气或氧气与二氧化碳、水蒸气活惰性气体的组合，所述的氧化剂加入量为加入气化炉燃料完全燃烧所需氧化剂化学计量比的0.2～0.6；

下行燃烧室21的四个燃尽氧化剂喷口19的氧化剂喷入速度为20～30m/s。

半对撞半切圆气化炉从上至下依次布置有半球顶盖2、气流导向台3、四台锥形烧嘴罩4、四只烧嘴5、圆筒状主体8、锥形筒体9和气化产物出口10，所述的四台烧嘴罩间隔90°均匀布置在新型半切圆半对撞气化炉圆筒状主体上半部分，四只烧嘴5布置在同一高度，所述的四只烧嘴分别焊接在四台烧嘴罩上，其中两只烧嘴呈180°对撞布置，另外两只分别向异侧偏置3°～7°布置，四只烧嘴都设置有内侧燃料通道和外侧氧化剂通道，氧化剂喷入速度在70～100m/s之间，以使得气化炉内有高强度的气固混合和湍动，在高温高湍动的环境下可以促进燃料中氮元素的析出，同时半对撞半切圆气化炉中是还原性气氛，可以将析出的氮氧化物还原成氮气。通过调节氧化剂加入量与燃料加入量的比例来调节气化强度和产物出口温度，保证气化产物出口温度在900～1100℃之间。

气化后的高温气固两相产物进入浓淡分离器，经过浓淡分离器后，未气化完的燃料颗粒由于惯性大部分进入到浓相气化产物出口，经浓相气化产物管道进入到下行燃烧室燃烧器外侧通道以8～12m/s的速度喷入下行燃烧室，浓相高温气化产物遇到下行燃烧室燃烧器中心高速喷入的一次氧化剂后被卷吸，迅速着火；少部分进入到稀相气化产物输送管道的气化产物，用稀相气化产物输送管道阀门控制浓淡分离器分离效率；在下行燃烧室中上游某位置以对喷的方式经下行燃烧室稀相气化产物喷口加入，稀相气化产物中的CH

下行燃烧室中部设置有四个切圆布置的燃尽氧化剂喷口供燃尽氧化剂喷入，切圆角度应该在3～6°之间，如此布置可以增加停留时间，下行燃烧室底端设置有产物出口。

参考图1a、图1b、图1c、图1d、图2、图3、图4a、图4b、图5a和图5b为四个烧嘴几种不同布置方式通过Ansys计算得到的气化炉内颗粒浓度场和温度温场度分布，图中左边为颗粒浓度和温度坐标，颗粒浓度单位为kg/m

本发明所述气化耦合低NOx燃烧包括新型半切圆半对撞气化炉、浓淡分离器、浓相气化产物输送管道、稀相气化产物输送管道和下行燃烧室，半对撞半切圆气化炉从上至下依次设置有半球形顶盖、气流导向台、圆筒状主体、四台烧嘴罩、四只烧嘴、大锥形筒体9和气化产物出口；浓淡分离器的入口与新型半切圆半对撞气化炉气化产物出口相连通；浓淡分离器的浓相产物出口与浓相产物输送管道连通，将分离的浓相气化产物输送到下行燃烧室顶部燃烧器外侧通道；浓淡分离器的稀相产物出口与稀相产物输送管道连接，将分离的稀相产物输送至下行燃烧室中上游某位置分成两股以对撞形式喷入下行燃烧室；稀相产物输送管道前端设置有阀门，调节分离效率；下行燃烧室顶部燃烧器中心通道加入一次氧化剂，中部设置有四个以切圆形式布置的燃尽氧化剂喷口；下行燃烧室底部有产物出口。本发明气化耦合低NOx燃烧系统基于解耦燃烧的思想，将气流床气化技术理念与技术特点引入到固体燃料预热燃烧技术中，并且提出一种半对撞半切圆气化炉，其流场组织方式可以使固体燃料颗粒分散在炉膛高温区，同时炉内具有高强度气固湍动与混合，促进了气化反应发生。气化后气固混合产物通过浓淡分离器进行浓淡分离，分离后浓相气化产物在下行燃烧室顶部燃烧器加入，稀相气化产物在下行燃烧室中部设定位置加入，稀相气化产物中含有的少量气化后固体颗粒拥有较大的比表面积和发达的孔隙结构，以及气化后气相中CH

还可以将本发明所述气化耦合低NOx燃烧系统中的半对撞半切圆气化炉1和浓淡分离器11用于四角切圆锅炉、前后墙对冲锅炉或W火焰锅炉，采用四角切圆锅炉、前后墙对冲锅炉或W火焰锅炉替换下行燃烧室21，在四角切圆锅炉、前后墙对冲锅炉或W火焰锅炉的中上部开设中上部稀相气化产物喷口；

气化后固相产物和合成气的两相混合物进入浓淡分离器后，由于惯性作用大部分固相产物进入弯管浓淡分离器的浓相气化产物出口，然后通过浓相产物输送管道被输送至四角切圆锅炉、前后墙对冲锅炉或W火焰锅炉的燃烧器外侧通道，少部分固相产物进入稀相气化产物出口，通过稀相产物输送管道被输送至四角切圆锅炉、前后墙对冲锅炉或W火焰锅炉的中上部稀相气化产物喷口，分成两股以对撞形式加入四角切圆锅炉、前后墙对冲锅炉或W火焰锅炉，以还原浓淡分离器分离的浓相产物与下行燃烧室一次氧化剂反应产生的氮氧化物。

本发明还提供一种针对所述气化耦合低NOx燃烧系统的设计方法，具体如下：

选定系统燃料量并计算所需求氧化剂量，初步计算得到系统各个设备尺寸；

对燃料做热解实验得到产物分布，再对热解固相产物做固相产物气化动力学数据测试，根据传热学理论计算系统理论热损失；

将系统各个设备尺寸、热解后固相产物气化动力学数据测试数据以及系统理论热损失数据输入到Aspen Plus和Ansys进行模拟计算，反复优化半对撞半切圆气化炉和下行燃烧室流场、温度场和组分场分布，并相互校核Aspen Plus和Ansys计算的出口气体组成，直至计算结果相差在5％之内，即可认为气化炉内气固停留时间和混合程度可以保证出口组分达到热力学平衡，最后得到合理的系统各部件尺寸参数。