一种燃煤火电锅炉生物质气化与氢氨协同掺烧系统及方法与流程

本发明涉及火力发电，具体为一种燃煤火电锅炉生物质气化与氢氨协同掺烧系统及方法。

背景技术：

1、火力发电作为电力供应的基础性支撑，在全球能源结构中占据重要地位。燃煤火电机组以其运行稳定、出力可调、技术成熟等优势，长期承担着电网基荷运行与调峰调频的关键职能。然而，燃煤火电的燃料结构以化石煤炭为主体，其燃烧过程不可避免地产生大量二氧化碳等温室气体。因此，如何在维持燃煤火电战略支撑作用的前提下，实质性降低其化石燃料消耗与碳排放强度，已成为能源技术领域亟待突破的核心命题。围绕这一命题，国内外研究者从燃料替代、燃烧优化、末端治理等多个维度开展了大量探索，逐步形成了若干技术路径，其中以低碳乃至零碳燃料部分替代煤炭的掺烧技术尤为引人关注。这类技术的核心思路在于，在不改变锅炉主体结构的前提下，引入生物质、氢气、氨等清洁燃料与煤炭混合燃烧，从而实现化石燃料消耗的削减。

2、在现有燃煤锅炉低碳化改造技术中，生物质能作为可再生能源的重要组成，具有碳中性排放的基本属性，其利用过程不增加大气中二氧化碳的净含量，因而被视为替代化石燃料的理想选择。生物质掺烧的技术路线可大致分为直接掺烧与气化掺烧两类。直接掺烧技术将生物质原料经粉碎处理后直接送入锅炉与煤粉混合燃烧，该路线系统构成简单、设备投资较低、改造周期较短，在早期得到了较多工程尝试。然而，生物质与煤在灰分特性、碱金属含量、挥发分析出行为等方面存在显著差异，直接掺烧容易导致掺混燃烧过程中灰渣对锅炉燃烧器、受热面及尾部烟道设备造成不同程度的腐蚀与结渣；生物质燃料的能量密度低、含水率高且供应受季节和地域因素影响波动较大，致使掺烧比例的提升受到严格限制，通常难以超过热量输入总量的百分之十五；此外，生物质直接掺烧还面临燃烧效率下降、飞灰含碳量升高等问题。气化掺烧技术则通过气化炉将生物质原料先转化为气化气，再将气化气送入锅炉燃烧，以此规避固体生物质直接入炉带来的诸多问题。该路线燃料适应性较强、对原设备影响相对较小，但气化过程本身引入了额外的能量损失和设备投资，气化气存在热值低、成分波动大、焦油含量高等固有缺陷，且少量掺烧生物质气后锅炉效率有所下降。总体而言，无论直接掺烧还是气化掺烧，单一生物质路线在掺烧比例、燃烧稳定性与系统经济性之间难以取得理想的平衡。

3、氢氨燃料作为零碳或低碳燃料，近年来在燃煤锅炉掺烧领域受到越来越多的关注。氢气具有极高的化学反应活性、宽广的可燃极限范围和极高的火焰传播速度，但其储存密度低、储运成本高昂且存在较大的燃爆风险，大规模工程应用受到显著制约。氨作为氢的载体，具有较高的能量密度、成熟的合成工业体系和便利的储运条件，但其自身火焰温度低、燃烧速率慢、着火困难，单独燃烧时火焰稳定性严重不足。更为关键的是，氨分子中含有氮元素，其燃烧过程会生成燃料型氮氧化物，与空气中的氮气在高温下生成的热力型氮氧化物叠加，使得氮氧化物排放控制面临双重挑战。研究表明，向燃料混合物中添加氨会导致氮氧化物排放显著升高，而氢气掺入虽然可以改善氨的燃烧特性，但过高的掺氢比例同样会导致氮氧化物排放急剧增加。目前已有研究探索在燃煤锅炉中通过分级布置氢基燃料喷口实现低负荷助燃或通过多点温度监测动态调控清洁燃料掺烧比例。然而，这些技术路线均以单一氢氨燃料体系为研究对象，未能将生物质气化产物与氢氨燃料纳入统一的协同框架。现有技术中，尚未出现将生物质气化产物与氢氨燃料协同应用于燃煤火电锅炉的系统性技术方案，多燃料协同燃烧的组织机理、不同燃料之间的相互作用规律以及面向多燃料体系的污染物协同控制策略等关键技术问题均缺乏充分的研究与工程验证。

4、因此，亟需开发一种能够将生物质气化产物与氢氨燃料协同应用于燃煤火电锅炉的系统及方法，通过多燃料的优势互补与协同燃烧机理的优化，在保证锅炉安全运行与热效率的前提下，实现化石燃料替代率的显著提升与污染物排放的有效控制。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种燃煤火电锅炉生物质气化与氢氨协同掺烧系统及方法，旨在通过生物质气化产物与氢氨燃料的协同利用，结合分级燃烧与闭环控制策略，实现化石燃料替代率的提升、氮氧化物排放的有效控制以及锅炉运行稳定性与经济性的综合保障。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明提供一种燃煤火电锅炉生物质气化与氢氨协同掺烧系统，包括：

4、生物质气化模块，用于将生物质原料转化为富含一氧化碳、氢气的气化气；

5、氢氨制备与存储模块，用于制备氢氨混合燃料并存储；

6、协同掺烧模块，所述协同掺烧模块设置在燃煤火电锅炉上，包括主燃烧器、分级燃烧喷嘴、燃烧参数监测单元及燃料分配控制单元，所述主燃烧器连接生物质气化模块气化气输出端，用于燃煤与气化气的混合燃烧，所述分级燃烧喷嘴沿锅炉炉膛高度分级布置，所述分级燃烧喷嘴连接氢氨制备与存储模块的氢氨输出端，用于向锅炉炉膛内喷射氢氨混合燃料；所述燃烧参数监测单元包括设置在锅炉炉膛内部的测温装置以及设置在燃煤火电锅炉的烟气出口的烟气成分检测装置；所述燃料分配控制单元分别连接生物质气化模块、氢氨制备与存储模块、测温装置和烟气成分检测装置，用于根据炉膛温度信号和烟气成分信号实时调节燃煤、气化气和氢氨混合燃料的供给比例；

7、尾气处理模块，尾气处理模块与燃煤火电锅炉的烟气出口及氢氨制备与存储模块的氢氨输出端及燃料分配控制单元连接，用于向烟气中喷射氨气以还原氮氧化物实现脱硝；所述尾气处理模块内设氮氧化物浓度监测装置，所述氮氧化物浓度监测装置与燃料分配控制单元连接，燃料分配控制单元根据烟气中氮氧化物浓度信号，控制分级燃烧喷嘴中氨的喷射比例和向烟气中喷射氨气的氨喷射量，实现脱硝与燃烧的协同调控。

8、可选地，所述生物质气化模块包括依次连接的生物质预处理单元、气化炉、气固分离单元及气化气净化单元，所述气化气净化单元的气化气出口通过气化气输送管路连接至协同掺烧模块，以将净化后的气化气供给协同掺烧模块。

9、可选地，所述生物质气化模块采用循环流化床结构，所述气化炉的底部设置气化剂入口，所述气化剂入口连接有空气供给装置和水蒸气供给装置，用于向气化炉内通入空气与水蒸气的混合物作为气化剂，所述气化炉的反应温度控制在850-950℃，所述气化气净化单元出口处的气化气中焦油含量经净化后低于10mg/nm3。

10、可选地，所述氢氨制备与存储模块，包括电解水制氢单元、氨合成单元、空气分离单元及氢氨混合缓冲罐，所述氨合成单元的氢气入口连接电解水制氢单元的氢气出口，氨合成单元的氮气入口连接空气分离单元的氮气出口，所述氨合成单元的氨出口连接氢氨混合缓冲罐的氨入口，所述电解水制氢单元的氢气出口同时连接氢氨混合缓冲罐的氢气入口，所述氢氨混合缓冲罐用于将氢气和氨按设定比例混合为氢氨混合燃料，氢氨混合缓冲罐的氢氨混合燃料出口通过安全输送管路连接至协同掺烧模块，以将氢氨混合燃料输送至协同掺烧模块。

11、可选地，所述氢氨混合缓冲罐内部设置比例调节单元，氢氨混合缓冲罐的氢气入口与氨入口处均设置有流量调节阀，所述比例调节单元分别连接氢气入口与氨入口处的流量调节阀，用于根据预设比例控制氢气与氨的进料流量，氢气与氨的体积混合比例在（1:9）～（4:6）之间连续可调，所述氢氨混合缓冲罐出口处的混合燃料低热值控制在18-25mj/nm3。

12、可选地，所述尾气处理模块包括与燃煤火电锅炉烟气出口依次连接的选择性催化还原反应器、脱硫单元及除尘单元，所述选择性催化还原反应器的入口设置氨喷射格栅，所述氨喷射格栅通过氨输送管路连接至氢氨制备与存储模块，用于向烟气中喷射氨气以还原氮氧化物实现脱硝；所述选择性催化还原反应器与燃料分配控制单元形成闭环控制，燃料分配控制单元根据烟气中氮氧化物浓度信号，控制分级燃烧喷嘴中氨的喷射比例和氨喷射格栅的氨喷射量，以实现脱硝与燃烧的协同调控。

13、可选地，所述氮氧化物浓度监测装置设置于选择性催化还原反应器的烟气出口处，所述氮氧化物浓度监测装置与所述燃料分配控制单元信号连接，所述燃料分配控制单元内部设置比较单元，当氮氧化物浓度监测装置反馈的烟气中氮氧化物浓度高于100mg/nm3时，燃料分配控制单元向氨喷射格栅的氨源输送管路发出增加氨喷射量的控制指令，同时向分级燃烧喷嘴对应氨燃料的分支管路发出降低氨喷射比例的控制指令，形成脱硝用氨与掺烧用氨的动态分配。

14、可选地，所述协同掺烧模块中，所述测温装置设置于燃煤火电锅炉炉膛的不同高度位置，用于采集燃煤火电锅炉炉膛温度分布信号并传输至燃料分配控制单元，所述烟气成分检测装置设置于燃煤火电锅炉尾部烟道，用于采集烟气中氮氧化物浓度、氧含量信号并传输至燃料分配控制单元，所述燃料分配控制单元根据接收到的炉膛温度信号和烟气成分信号，分别输出给煤量调节指令、气化气流量调节指令、氢氨喷射量调节指令，使燃煤、气化气与氢氨三者的热量占比满足：燃煤60%-80%，气化气10%-20%，氢氨10%-20%。

15、可选地，所述分级燃烧喷嘴设置为3-4层，各层沿燃煤火电锅炉炉膛高度方向均匀间隔分布，每层分级燃烧喷嘴的燃料入口分别通过分支管路连接至氢氨制备与存储模块，各分支管路上均设置有独立的与燃料分配控制单元信号连接的流量调节阀，所述燃料分配控制单元控制位于下层的分级燃烧喷嘴的流量调节阀开启至总流量的20%-30%、位于中间层的分级燃烧喷嘴的流量调节阀开启至总流量的40%-50%、位于上层的分级燃烧喷嘴的流量调节阀开启至总流量的20%-30%，实现氢氨混合燃料的分级配给与分级燃烧。

16、本发明还提供一种燃煤火电锅炉生物质气化与氢氨协同掺烧方法，包括以下步骤：

17、将生物质原料经粉碎、干燥、筛分预处理后送入生物质气化模块，生成气化气，并将气化气通过气化气输送管路供给至协同掺烧模块的主燃烧器；

18、制备氢氨混合燃料，存储并将氢氨混合燃料通过安全输送管路供给至协同掺烧模块的分级燃烧喷嘴；

19、将燃煤经磨制后送入主燃烧器与气化气混合燃烧，形成主火焰；将氢氨混合燃料通过沿炉膛高度分级布置的分级燃烧喷嘴分级喷射入炉膛不同高度区域进行燃烧；实时采集燃煤火电锅炉膛温度和烟气成分，并输送至燃料分配控制单元动态调节燃煤供给量、气化气输送量及氢氨喷射量；

20、将锅炉燃烧生成的烟气输送至尾气处理模块进行脱硝处理，同时，根据脱硝处理过程烟气中氮氧化物浓度，利用燃料分配控制单元动态调控分配氨喷射量及分级燃烧喷嘴的氨喷射比例，实现燃煤火电锅炉生物质气化与氢氨协同掺烧。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

22、本发明提供一种燃煤火电锅炉生物质气化与氢氨协同掺烧系统。该系统通过将生物质气化模块、氢氨制备与存储模块、协同掺烧模块和尾气处理模块集成为一个完整系统，首次建立了生物质气化产物与氢氨燃料协同应用于燃煤火电锅炉的技术架构。在该架构下，生物质气化模块将农林废弃物转化为气化气，氢氨制备与存储模块提供零碳/低碳的氢氨混合燃料，两者通过协同掺烧模块实现与燃煤的耦合供给，从而打破单一燃料路线的技术局限，为多燃料协同燃烧的组织机理研究和工程应用奠定了基础。其中，主燃烧器连接生物质气化模块的气化气输出端，用于燃煤与气化气的混合燃烧，分级燃烧喷嘴连接氢氨制备与存储模块的氢氨输出端，用于向炉膛内喷射氢氨混合燃料，二者协同使三种燃料在炉膛内形成协同燃烧：气化气作为基础可再生燃料，与燃煤在主燃烧器区域形成稳定的主火焰；氢氨混合燃料作为高能辅助燃料，通过分级喷嘴在炉膛不同高度区域喷射，弥补了气化气热值低的不足。三种燃料在热量供给上的互补，使整体燃煤替代率可显著高于单一生物质掺烧路线，避免了因单一燃料供应波动或热值不足导致的燃烧不稳定。通过分级燃烧喷嘴将氢氨混合燃料沿炉膛高度分级布置，使氢氨燃料在不同炉膛区域分阶段燃烧，避免局部氢氨浓度过高导致的燃爆风险；同时，氢气与氨的混合燃烧利用了氢气的高反应活性来强化氨的着火与燃烧，克服纯氨燃烧的火焰不稳定问题，使氢氨混合燃料能够在燃煤锅炉中安全、稳定地燃烧利用。利用燃料分配控制单元分别连接生物质气化模块、氢氨制备与存储模块、测温装置和烟气成分检测装置，根据炉膛温度信号和烟气成分信号实时调节燃煤、气化气和氢氨混合燃料的供给比例，使系统能够根据锅炉实时工况动态调整三种燃料的配比，在变工况条件下实现燃料供给、燃烧组织与污染物控制的协同优化。最后，通过尾气处理模块与燃料分配控制单元连接，燃料分配控制单元根据烟气中氮氧化物浓度信号，控制分级燃烧喷嘴中氨的喷射比例和向烟气中喷射氨气的氨喷射量，实现脱硝与燃烧的协同调控，使氨资源在“燃烧掺烧”与“末端脱硝”之间实现统一调配，有效解决了氢氨燃烧中氮氧化物生成风险高的技术难题。

23、所述生物质气化模块包括依次连接的生物质预处理单元、气化炉、气固分离单元及气化气净化单元，且气化气净化单元的气化气出口通过气化气输送管路连接至协同掺烧模块。通过限定气化模块各单元的依次连接关系，建立了从生物质原料到洁净气化气的完整转化路径，保证气化气的连续稳定供给；气化气净化单元的设置确保了进入锅炉的气化气满足燃烧设备对燃料洁净度的要求，避免焦油等杂质对燃烧器及炉膛造成污染与腐蚀。

24、生物质气化模块采用循环流化床结构，以空气与水蒸气的混合物为气化剂，气化温度控制在850-950℃，气化气中焦油含量经净化后低于10mg/nm3。其中，循环流化床气化炉具有良好的燃料适应性与传热传质特性，适用于不同种类的生物质原料；空气与水蒸气的复合气化剂可调节气化气中氢气与一氧化碳的比例，优化气化气组分；850-950℃的气化温度区间既保证了气化反应的充分进行，又避免了过高温度导致的灰分熔融结渣；焦油含量低于10mg/nm³的净化指标确保了气化气在输送管路和燃烧器中不会因焦油冷凝而堵塞设备。

25、氢氨制备与存储模块通过电解水制氢单元、氨合成单元、空气分离单元及氢氨混合缓冲罐的设置，建立了电解水制氢、空气分离制氮、氨合成、氢氨混合的完整燃料制备链，实现氢氨燃料的就地制备与即混即用，避免外部采购氢气和氨的储运风险；氢氨混合缓冲罐同时接收来自电解槽的纯氢和来自氨合成单元的氨，为后续的氢氨比例在线调节提供了物质基础，不依赖外部氢氨燃料供应，提高了燃料自主性与运行经济性。

26、氢氨混合缓冲罐通过比例调节单元调节氢气与氨的体积混合比例在（1:9）～（4:6）之间连续可调，混合燃料低热值控制在18-25mj/nm3，实现了氢氨混合比例的在线连续可调，使系统能够根据锅炉负荷变化、燃烧稳定性需求和氮氧化物排放要求灵活调整混合燃料的组成；氢气比例的提高可增强燃烧稳定性、提升火焰温度，氨比例的提高可降低火焰峰值温度、抑制热力型氮氧化物生成；18-25mj/nm3的低热值范围确保了混合燃料具有足够的能量密度以维持锅炉热负荷，同时避免了热值过高导致的炉膛超温。

27、尾气处理模块括依次连接的选择性催化还原反应器、脱硫单元及除尘单元，选择性催化还原反应器入口设置氨喷射格栅并通过氨输送管路连接至氢氨制备与存储模块，且选择性催化还原反应器与燃料分配控制单元形成闭环控制。其中，氨喷射格栅通过氨输送管路连接至氢氨制备与存储模块，使氨资源在制备端与利用端之间形成统一供给网络；选择性催化还原反应器与燃料分配控制单元的闭环控制使脱硝过程不再是孤立的末端治理环节，而是与燃烧过程形成协同联动，实现了氨在掺烧与脱硝两个用途之间的优化分配。

28、氮氧化物浓度监测与反馈控制机制的设置使系统同时从“末端加强脱硝”（增加scr喷氨量）和“源头减少生成”（降低燃烧侧氨掺烧比例）两个方向协同响应，形成脱硝用氨与掺烧用氨的动态分配，既保证了脱硝效率又避免了过量喷氨导致的氨逃逸二次污染。

29、测温装置设置于炉膛不同高度位置采集温度分布信号，烟气成分检测装置设置于尾部烟道采集氮氧化物浓度与氧含量信号，燃料分配控制单元根据接收信号分别输出给煤量调节指令、气化气流量调节指令和氢氨喷射量调节指令，使三者的热量占比满足燃煤60%-80%、气化气10%-20%、氢氨10%-20%。通过多点温度监测与烟气成分分析，实现对锅炉燃烧状态的全面感知；燃料分配控制单元根据实时感知信号向三个燃料供给通道分别输出独立调节指令，实现多燃料的精准配比控制；60%-80%的燃煤热量占比保证了锅炉热负荷的基本盘与运行稳定性，10%-20%的气化气热量占比实现了生物质能的有效利用，10%-20%的氢氨热量占比保证了替代率提升与氮氧化物抑制效果，三者的协同配合实现了替代率提升与稳定运行的双重目标。

30、分级燃烧喷嘴设置为3-4层并沿炉膛高度方向均匀间隔分布，各层通过独立分支管路连接且设置独立流量调节阀，燃料分配控制单元控制下层喷嘴流量为总流量的20%-30%、中层为40%-50%、上层为20%-30%。3-4层的分级布置使氢氨混合燃料在炉膛不同高度区域分阶段送入，避免了单一平面集中喷射导致的局部高温与氮氧化物激增；中层喷嘴承担主要的燃料供给任务，保证了主燃烧区域的热量供给，下层喷嘴的燃料用于强化着火与燃烧稳定性，上层喷嘴的燃料用于还原已生成的氮氧化物；各层独立流量调节阀的设置实现了各层喷射量的独立精准控制，适应不同工况下的分级燃烧需求。

31、本发明还提供一种燃煤火电锅炉生物质气化与氢氨协同掺烧方法，该方法通过生物质气化、氢氨混合燃料制备与供给、协同掺烧步骤及尾气处理与闭环控制步骤，实现了燃煤火电锅炉生物质气化与氢氨协同掺烧控制。通过先将生物质转化为气化气并供给主燃烧器，同时制备氢氨混合燃料并供给分级燃烧喷嘴，再将燃煤与气化气在主燃烧器混合燃烧形成主火焰、将氢氨混合燃料分级喷射燃烧，最后对烟气进行脱硝处理，使生物质气化与氢氨燃料制备可并行进行、互不干扰，又通过协同掺烧步骤实现了两种燃料在燃烧环节的有机融合，解决了现有技术中生物质气化路线与氢氨燃料路线各自独立、无法协同的问题。通过主燃烧器承担燃煤与气化气的混合燃烧任务，在主燃烧器区域形成稳定的主火焰，保证锅炉热负荷的基本盘和火焰的持续稳定；分级燃烧喷嘴将氢氨混合燃料沿炉膛高度分级喷射至不同区域进行补充燃烧，在主火焰已经建立的基础上，于炉膛不同高度分级补充燃烧，避免氢氨燃料对着火稳定性的过度依赖，同时使氢氨燃料的燃烧热量在整个炉膛空间内均匀分布，避免局部热负荷过高，解决生物质气化气热值低导致的主火焰热量不足问题，也解决了氢氨直燃火焰稳定性差的问题。通过实时采集锅炉炉膛温度和烟气成分并输送至燃料分配控制单元，由燃料分配控制单元动态调节燃煤供给量、气化气输送量及氢氨喷射量，能够在锅炉负荷变化、燃料特性波动或环境条件改变时，快速调整三种燃料的配比，确保锅炉始终运行在最优燃烧状态。相比现有技术中单一燃料掺烧的固定比例供料方式，该动态调节方法显著提高了对变工况的适应能力。在烟气脱硝处理过程中，根据烟气中氮氧化物浓度，利用燃料分配控制单元动态调控分配至尾气处理的氨喷射量及分配至分级燃烧喷嘴的氨喷射比例，实现了氮氧化物排放的有效控制，克服了现有技术中氢氨燃烧氮氧化物生成风险高的技术难题。同时，该动态分配机制还避免了因单一增加scr喷氨量导致的氨逃逸问题，以及因单一降低燃烧侧氨比例导致的替代率下降问题，兼顾了环保效果与燃料替代目标。