[发明专利]湿法低氮高效燃烧系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于燃气锅炉节能减排技术领域，具体涉及一种湿法低氮高效燃烧系统及方法。

背景技术

燃气锅炉供热方式面临如下几个方面的问题，一是供热成本高，天然气供热价格远远超过燃煤供热价格；二是利用天然气直接燃烧供暖，从能源阶梯利用角度非常不合理，造成可利用能源巨大浪费；三是天然气供应保障的问题，北京市巨大的天然气消耗量，使整个城市的天然气供应存在安全隐患问题，在冬季连续寒冷天气，燃气供应峰值迭加，极有可能造成因供气不足而停运燃气供热厂的状况，影响社会安定。因此对燃气锅炉进行系统节能改造已经成为当今社会亟待解决的重中之重，也是响应国家推行节能减排政策，建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择。

据统计，目前全市燃气锅炉保有量超过1万台，随着“煤改气”工程的继续推进，燃气锅炉保有量仍将增加。“煤改气”可以有效压减燃煤，降低大气中颗粒物浓度，但是，燃气锅炉在高温下所产生的氮氧化物也是雾霾的重要成因。随着北京市《锅炉大气污染物排放标准》(DB11/139-2015)的颁布和实施，北京市将对燃气锅炉排放的氮氧化物浓度实施更为严苛的新标准，分两个阶段陆续实施：实施之日起至2017年3月31日，新建的，氮氧化物排放必须低于80毫克/立方米，在用的必须低于150毫克/立方米；第二阶段是自2017年4月 1日起，新建锅炉必须低于30毫克/立方米，在用的必须低于80毫克 /立方米。据悉，此指标已接近于欧洲目前平均水平，而现行的标准则限定在200毫克/立方米以下，相比之下则要严苛得多。现在北京燃气锅炉氮氧化物的排放浓度，大致在120毫克/立方米至200毫克/ 立方米之间，如果要限期达到环保部门的要求，对整个北京的燃气锅炉市场都将带来挑战。

燃气锅炉的燃料是天然气，主要成分是甲烷(CH4)，燃烧后的烟气中有大量水蒸气，蒸汽在烟气中占比约18％，当烟气温度降低时，尾气中水蒸气饱和湿度也随之降低；当温度降低至57℃露点温度以下时，燃气锅炉尾气中的蒸气冷凝为液态水，冷凝过程释放大量的汽化潜热。初步统计，烟气中的蒸气显热约占消耗燃气高位发热量的 7.8％。这一比例，远大于锅炉散热损失、燃气不完全燃烧损失在总热量中的比例，因此，需充分回收烟气的余热。

锅炉中产生的NOx一般分为热力型NOx、燃料型NOx及快速型 NOx(或称瞬时型NOx)。

热力型NOx的生成机理

热力型NOx是燃烧时空气中的氮(N2)和氧(O2)在高温下反应生成的NO和NO2的总和，其生成机理可用下列反应式来表达：

N2+O2<＝>2NO(1)

NO+1/2O2<＝>NO2(2)

在燃烧温度大于1200℃的常规燃烧设备中，如果不采取控制措施，将有数百ppm至1000ppm的NO生成，但NO2的生成量几乎可以忽略不计，由于NO的氧化速度很慢，因此即使排入大气时， NOx中的90％～95％仍为NO。实际上热力型的NOx并不是直接按方程式(1)和(2)生成的，而是通过不分支链反应(O+N2 <＝>N+NO)的形式进行的，即氮分子不能直接分解成氮原子，这一反应机理称为捷里多维奇机理。

热力型NOx的生成速度和温度的关系遵从阿累尼乌斯定律，即随温度增加，NOx的生成速度按指数规律迅速增加。在燃烧温度低于1500℃时，几乎观测不到NO的生成反应，只有温度大于1500℃时，NO的生成反应才开始明显。

燃料型NOx的生成机理

燃料中的氮化合物经热分解和氧化反应而生成的NO，称为燃料型NOx。

快速型NOx的生成机理

碳氢化合物燃料在燃烧时，由于燃料过浓，在反应区附近会快速生成NOx。

影响热力型NOx生成的原因主要有三个：1燃烧温度，2在燃烧区域的氧化浓度，3燃烧气体在高温区域的滞留时间。随着燃烧温度的上升，NOx的生成量呈数量级上升；随着过量空气系数增大亦即氧气浓度增加时，NOx的生成量急剧上升；随着燃烧气体在高温区域的滞留时间增加，NOx的生成量随之增加。

燃料型NOx的生成量与燃料中所含氮化合物的多少有直接关系。同时与燃烧时的火焰浓度、氧气浓度等因素有关。

通过对NOx生成原因的分析，本专利申请采用选择合适的过量空气系数、确定合适的空气预热温度来改变锅炉的运行工况，同时将水通过燃烧器喷入炉膛，水吸收潜热蒸发而导致火焰温度下降，起到抑制NOx生成的作用。

发明内容