一种应用复合式高效低NO的制作方法

一种应用复合式高效低nox燃烧的生活垃圾焚烧炉
技术领域
1.本实用新型涉及生活垃圾焚烧技术领域，具体涉及一种应用复合式高效低nox燃烧的生活垃圾焚烧炉。


背景技术：

2.城市生活垃圾的焚烧具备占地小、减量化程度高、能量可回收等优点，在焚烧技术的应用和推广过程中，污染物排放问题受到了广泛的关注。nox是垃圾焚烧过程中的一种主要污染物，其中“燃料型nox”占绝大部分，其生成受到高温和高氧的促进。
3.为了满足日益严苛的排放标准，焚烧炉在实际运行过程中需要借助sncr(选择性非催化还原)和scr(选择性催化还原)等烟气净化措施来控制nox的排放。sncr技术是在850
‑
1100℃温度窗口内向炉膛中喷入氨水和尿素等还原剂，通过nh3与nox的反应，使其转化为n2。而scr技术则借助催化剂，在290
‑
400℃低温下利用nh3将nox还原成n2。尽管应用这些技术后可达到排放标准，但由于需要配置额外设备及消耗还原剂和催化剂，显著提高了投资和运行成本。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高效率、低成本，能够在不使用sncr和scr的情况下，实现对nox的高效脱除的应用复合式高效低nox燃烧的生活垃圾焚烧炉。
5.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.本实用新型结合床层燃烧特性和炉膛流动特性，通过对床层燃烧n析出及炉膛燃烧n迁移的复合式调控为生活垃圾焚烧炉提供一种高效率、低成本的nox协同控制方法。
7.具体说来，首先设计人了解到，生活垃圾高挥发分的特点，焚烧炉的设计往往采用大空间的炉膛结构，炉排炉床层气体产物横向分区的特征易在炉膛中形成“烟囱流”，可燃组分与氧的混合较差，为了燃尽会使用较高的空气过量系数，从而导致烟气中nox浓度较高。
8.进一步从原理上分析，焚烧过程中n元素的析出形态中本就存在具备还原nox能力的nh3等，同时燃烧过程中也存在温度适宜的反应环境，故通过对燃烧过程自身的调控也应能达到脱除nox的目的。nox的脱除取决于燃烧过程中n元素的形态，而n的形态又与床层的燃烧状态和炉膛的流动特性密切相关。
9.本实用新型中，尝试使用空气分级和烟气再循环等方法，以降低生活垃圾焚烧炉的nox排放，并从床层的燃烧特性和炉膛的流动特性来综合考虑，使得nox的脱除效果可以保证，同时技术的可复制性也不差，具体方案如下：
10.一种应用复合式高效低nox燃烧的生活垃圾焚烧炉，该焚烧炉包括相互连通的炉膛和位于炉膛顶部的烟囱；
11.所述的炉膛内开设有多个供焦炭层形成的一次风喷嘴，促进nh3和nox的混合的再
循环烟气射流喷嘴，以及实现炉膛内nox逐级还原的二次风喷嘴。
12.进一步地，所述的炉膛包括用于堆积生活垃圾焚烧时生成的固相床层的炉排，分别布设在烟囱两侧的前拱和后拱，以及与后拱相连的尾拱；
13.所述的一次风喷嘴，用于喷出供床层燃烧的空气，并阵列分布于炉排上；
14.所述的再循环烟气射流喷嘴，用于喷出从焚烧炉内抽取的烟气，包括主循环喷嘴，该主循环喷嘴位于尾拱上；
15.所述的二次风喷嘴，用于喷出帮助气相中可燃组分燃尽的空气，包括初级喷嘴，该初级喷嘴位于前拱上。
16.进一步地，所述主循环喷嘴的再循环烟气射流方向与焚烧炉内气体上升方向垂直。
17.进一步地，所述的再循环烟气射流喷嘴还包括副循环喷嘴，该副循环喷嘴位于后拱上。
18.进一步地，所述的二次风喷嘴还包括至少一对次级喷嘴，该次级喷嘴分开成对布设于烟囱下部。
19.进一步地，所述的二次风喷嘴还包括保障气相中可燃组分燃尽的笛形管，该笛形管分开成对布设于烟囱上部。
20.进一步地，所述的二次风喷嘴和/或再循环烟气射流喷嘴，还可以喷出增强反应活性的水。再循环烟气和/或中加入水的比例应根据炉膛温度确定，保障炉膛气相温度在适宜“自生sncr”的850
‑
1100℃范围内。
21.一种利用如上所述应用复合式高效低nox燃烧的生活垃圾焚烧炉的燃烧方法，该方法通过耦合调控固相床层中n元素的析出以及炉膛燃烧过程中n的迁移，并通过床层焦炭、再循环烟气射流及深度分级二次风的协同作用，实现nox的高效脱除。
22.进一步地，该方法包括以下步骤：
23.(1)nox的异相还原：针对生活垃圾在燃烧过程中n元素的析出，调控一次风喷嘴喷出的空气流量，即一次风，在固相床层内形成还原性气氛下的焦炭层，实现对nox的异相还原；
24.所述的焦炭层，为生活垃圾燃烧过程中火焰锋面上方以焦炭为主要组分的固相床层。具体来说，在生活垃圾的燃烧过程中，在炉膛辐射作用下，床层从表面开始着火形成火焰锋面，火焰锋面的热量向下层原料传递，使其升温、干燥、热解、进而着火，使火焰锋面向下传播，如图1所示。在火焰锋面的传播过程中，需控制一次风供给量在合适的范围内，使氧气在火焰锋面的燃烧反应中消耗殆尽，并在其上方形成还原性气氛下的焦炭层。
25.所述的对nox的异相还原，为上述还原气氛下的焦炭层与火焰锋面反应生成的nox发生异相反应，具体为吸附、解离和脱附三个步骤，如图2所示。吸附阶段，no吸附在焦炭表面生成x(no)和x(nno)；随后这两种物质在邻近活性位的作用下，会发生解离反应，解离反应中n
‑
o键断裂，o原子转移到邻近的活性位，生成x(n)、x(nn)和c(o)或氧化态的碱金属；最后x(n)可能直接转变为x(nn)，也可能吸附no生成x(nno)，并在后续反应中转化为x(nn)，x(nn)自发反应脱附出n2，从而完成了nox向n2的转化。
26.(2)nox的均相还原：针对固相床层上方气相中的nox，利用后拱和尾拱上再循环烟气射流喷嘴的再循环烟气射流，引导床层表面nh3和nox的混合，并调节气相温度及氧量，促
进“自生sncr”反应，实现对nox的均相还原；
27.所述的“自生sncr”，是指利用再循环烟气射流引导床层上方气相产物的混合，利用燃料自生的nh3将nox还原为n2。具体来说，炉排燃烧过程中，床层上方的气体产物根据原料不同的转化阶段具有横向分区的特点，在富氧区主要生成nox，而在富燃料区n元素主要以nh3的形态析出。利用尾拱烟气射流的动量，可以促进这些气体产物的混合，并调节反应环境的温度和氧浓度，以促进nh3对nox的还原反应。此外，根据实际需求，还可增加布置在后拱的烟气射流，进一步辅助调节该区域的温度和氧浓度，并优化流场。
28.(3)nox的深度还原：针对炉膛燃烧过程中n的迁移，利用多级、多角度的二次风喷嘴喷出的空气，即二次风，形成流场稳定、温度均匀的强旋燃烧，实现炉膛中nox的深度还原，并保障气相中可燃组分的燃尽。
29.且二次风还可进一步通过笛形管形成笛形管喷流，强化混合和均匀温度场，也可以通过携带水增强反应活性。所述的笛形管喷流，为通过笛形管的方式将二次风或其他辅助介质喷入炉膛，通过喷嘴数量、位置、角度和流速等方面的设计，达到强化混合、均匀温度场的作用，可以进一步提高nox还原效率并促进可燃组分的燃尽。携带水增强反应活性，是指在二次风或再循环烟气加入水，通过水在反应过程中生成h、oh、ho2等高活性自由基，强化nox的还原反应及可燃组分的氧化反应。
30.所述的强旋燃烧，为通过二次风喷入速度、角度和位置方面的设计，利用深度分级的二次风在炉膛内形成均匀稳定的强旋流场。实验研究表明，强旋流场可以强化湍流脉动、延长停留时间、调节炉内温度水平、并提高燃烧效率与强度。基于这些特点，通过二次风的调整，能够创造适宜nh3还原nox的温度，并在限氧条件下控制nh3等前驱物氧化生成nox的速率，根据nox生成与还原的机理，如图5所示，可以使nox逐级还原，从而促进n元素更多地以n2的形态存在。同时，由于强旋对燃烧强度的提高，可保障气相可燃组分的燃尽。
31.进一步地，步骤(1)中，燃烧的温度为900
‑
1200℃，过量空气系数为1.1
‑
1.2；步骤(2)中，再循环烟气取焚烧炉尾部烟气的20
‑
30％，气相温度为25
‑
30℃，氧体积浓度为7
‑
10％；具体由焚烧炉整体过量空气系数决定；步骤(3)中，二次风喷嘴可以布置在炉膛喉口上方，具体位置根据炉膛大小和结构确定，从焚烧炉炉墙四周喷入，二次风喷嘴的喷入角度为0
‑
30
°
，入口速度为80
‑
100米/秒，具体需要根据实际炉内的气体流动情况确定，确保产生强旋流场，使二次风与来自与可燃组分充分混合，确保可燃气体的燃尽，二次风空气过量系数为0.3
‑
0.4。
32.与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
33.(1)本实用新型通过控制一次风供给量在合适的范围内，使氧气在火焰锋面的燃烧反应中消耗殆尽，并在其上方形成还原性气氛下的焦炭层，对于nox具有显著的还原作用；
34.(2)本实用新型通过利用尾部烟气射流的动量，可以促进这些气体产物的混合，并调节反应环境的温度和氧浓度，以促进nh3对nox的还原反应；
35.(3)本实用新型通过二次风的调整，形成流场稳定、温度均匀的强旋燃烧，可以强化湍流脉动、延长停留时间、调节炉内温度水平、并提高燃烧效率与强度，可保障气相可燃组分的燃尽。
附图说明
36.图1为本实用新型炉排上固相床层内反应层分布的示意图；
37.图2为本实用新型焦炭层异相还原nox反应过程的示意图；
38.图3为实施例1中焦炭层异相还原nox的验证实验结果；
39.图4为实施例1中再循环烟气射流对床层上方nh3与no横向混合的促进效果；
40.图5为本实用新型深度分级二次风作用下nox的逐级还原反应路径图；
41.图6为实施例1中应用复合式高效低nox燃烧的生活垃圾焚烧炉结构示意图；
42.图7为实施例1中应用复合式高效低nox燃烧的生活垃圾焚烧炉工作原理图；
43.图中标号所示：炉膛i、烟囱ii、炉排1、一次风喷嘴11、尾拱2、主循环喷嘴21、后拱3、副循环喷嘴31、前拱4、初级喷嘴41、次级喷嘴42、笛形管5。
具体实施方式
44.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
45.实施例1
46.一种应用复合式高效低nox燃烧的生活垃圾焚烧炉，如图6
‑
7，该焚烧炉包括相互连通的炉膛i和位于炉膛i顶部的烟囱ii；
47.炉膛i内开设有多个供焦炭层形成的一次风喷嘴11，促进nh3和nox的混合的再循环烟气射流喷嘴，以及实现炉膛i内nox逐级还原的二次风喷嘴。
48.具体来说，炉膛i包括用于堆积生活垃圾焚烧时生成的固相床层的炉排1，分别布设在烟囱ii两侧的前拱4和后拱3，以及与后拱3相连的尾拱2；一次风喷嘴11，用于喷出供床层燃烧的空气，并阵列分布于炉排1上；再循环烟气射流喷嘴，用于喷出从焚烧炉内抽取的烟气，包括主循环喷嘴21，该主循环喷嘴21位于尾拱2上；二次风喷嘴，用于喷出帮助气相中可燃组分燃尽的空气，包括初级喷嘴41，该初级喷嘴41位于前拱4上。
49.再循环烟气射流喷嘴还包括副循环喷嘴31，该副循环喷嘴31位于后拱3上。二次风喷嘴还包括三对次级喷嘴42，该次级喷嘴42分开成对布设于烟囱ii下部。二次风喷嘴还包括保障气相中可燃组分燃尽的笛形管5，该笛形管5分开成对布设于烟囱ii上部。
50.主循环喷嘴21的再循环烟气射流方向与焚烧炉内气体上升方向垂直。二次风喷嘴和/或再循环烟气射流喷嘴，还可以喷出增强反应活性的水。
51.一种利用如上所述应用复合式高效低nox燃烧的生活垃圾焚烧炉的燃烧方法，该方法通过耦合调控固相床层中n元素的析出以及炉膛燃烧过程中n的迁移，并通过床层焦炭、再循环烟气射流及深度分级二次风的协同作用，实现nox的高效脱除，具体包括以下步骤：
52.(1)nox的异相还原：针对生活垃圾在燃烧过程中n元素的析出，调控一次风喷嘴11喷出的空气流量，即一次风，在固相床层内形成还原性气氛下的焦炭层，实现对nox的异相还原；其中，燃烧的温度为1050℃左右，空气过量系数为1.1，流速根据不同炉排1位置分布在0.10
‑
0.36m/s的范围内；
53.焦炭层，为生活垃圾燃烧过程中火焰锋面上方以焦炭为主要组分的固相床层。具体来说，在生活垃圾的燃烧过程中，在炉膛辐射作用下，床层从表面开始着火形成火焰锋面，火焰锋面的热量向下层原料传递，使其升温、干燥、热解、进而着火，使火焰锋面向下传
播，如图1所示。在火焰锋面的传播过程中，需控制一次风供给量在合适的范围内，使氧气在火焰锋面的燃烧反应中消耗殆尽，并在其上方形成还原性气氛下的焦炭层。
54.本实施例中，测试了床层不同高度位置的no浓度，如图3所示，当火焰锋面传播到床层下部时，尽管火焰锋面位置的no浓度超过了1300ppm，三角所示，该时刻床层表面的no浓度仅为200ppm左右，方块所示，证实焦炭层对于nox具有显著的还原作用。
55.(2)nox的均相还原：针对固相床层上方气相中的nox，利用后拱3和尾拱2上再循环烟气射流喷嘴的再循环烟气射流，引导床层表面nh3和nox的混合，并调节气相温度及氧量，促进“自生sncr”反应，实现对nox的均相还原；其中，再循环烟气射流的流量为尾部烟气的20％，本例中射流流速为18m/s，气相温度为25℃，氧体积浓度为7.87％；
56.对烟气再循环的数值模拟计算结果显示，详见图4，布置再循环烟气射流后，实施例烟气的nox浓度从322mg/nm3下降至了194mg/nm3，同时co的排放也从10mg/nm3下降至了0.44mg/nm3，不仅通过“自生sncr”有效地抑制了nox的生成，同时对混合的强化还促进了气相可燃组分的燃尽。
57.(3)nox的深度还原：针对炉膛燃烧过程中n的迁移，利用四级、多角度的二次风喷嘴喷出的空气，即二次风，形成流场稳定、温度均匀的强旋燃烧，且二次风进一步通过两根笛形管5形成笛形管喷流，强化混合和均匀温度场，并通过携带水增强反应活性，实现炉膛i中nox的深度还原，并保障气相中可燃组分的燃尽；其中，二次风喷口布置在炉膛喉口上方9
‑
11米处，从焚烧炉前墙水平喷入，入口速度为80
‑
100米/秒，使二次风与炉内未燃尽烟气充分混合，确保可燃气体的燃尽，二次风空气过量系数为0.35，再循环烟气中加入水的比例为2％。
58.针对二次风布置开展了数值模拟计算分析，在应用强旋燃烧后，计算案例中的nox烟气浓度进一步从194mg/nm3下降至了113mg/nm3，同时co的排放亦进一步下降至0.1mg/nm3以下。
59.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。