CN102777895B - 半塔式中温分离生物质循环流化床锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半塔式中温分离生物质循环流化床锅炉，由前部竖井、中间气固分离及循环物料回送单元和尾部烟道组成，前部竖井包括炉膛、对流竖井、烟气转向室，中间气固分离及循环物料回送单元包括气固分离装置、回料立管、回料装置，尾部烟道内沿烟气流向布置有过热器、省煤器和空气预热器，炉膛下部沿高度方向上布置有2-3层二次风，炉膛上部对流竖井内布置有对流受热面，炉膛、对流竖井、烟气转向室、气固分离装置、回料立管和回料装置构成主循环回路。本发明燃料适应性广、燃烧效率高、受热面磨损与腐蚀小，气固分离装置入口的烟气温度在400-750℃之间，能有效避免炉内结渣、挂渣、积灰、堵灰、床料结块和回料装置堵塞。

Description

半塔式中温分离生物质循环流化床锅炉

技术领域

本发明涉及循环流化床锅炉，特别是一种半塔式中温分离生物质循环流化床锅炉。

背景技术

生物质能是利用自然界的植物、粪便以及城乡有机废物转化而成的能源，是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，具有可再生、低污染、分布广和总量大等特点，是一种优质的可再生能源。生物质尤其是农林废弃物作为燃料使用时，具有品种多样性、复杂性，以及可燃基挥发份含量高、含硫量低、含灰量少、堆积密度小、碱金属含量高、灰熔点低等特点。循环流化床锅炉燃烧技术有着良好的燃料适应性，因此，近年来在生物质燃烧发电领域得到了快速的发展。

申请号为200610088935.5的发明专利“一种生物质循环流化床燃烧方法及生物质循环流化床锅炉”公开了一种炉膛内布置屏式辐射受热面，同时掺烧不超过总能量20%的煤，并在燃烧过程中添加惰性床料的生物质循环流化床锅炉及其燃烧方法；专利号为200720309013.2的发明专利“生物质循环流化床锅炉”公开了一种采用高温偏心式旋风分离器的生物质循环流化床锅炉；专利号为200820108769.5的发明专利“燃用秸秆类生物质循环流化床锅炉”公开了一种炉膛内设置水冷蒸发屏并采用高温旋风分离器的生物质循环流化床锅炉；专利号为200820192995.6的发明专利“燃用生物质多通道循环流化床锅炉”和申请号为201110229421.8的发明专利“一种膜式水冷壁四烟道生物质循环流化床锅炉”公开的是一种采用高温旋风分离器、尾部烟道为多通道和四烟道结构的生物质循环流化床锅炉；申请号为201010295030.1的发明专利“低倍率生物质循环流化床锅炉及其燃烧方法”公开的是一种采用中温卧式汽冷旋风分离器、密相区布置埋管受热面、炉膛设有折焰角、炉膛上部设置与水平面垂直的屏式受热面和对流受热面的低倍率生物质循环流化床锅炉及其燃烧方法。

对于高温分离循环流化床锅炉，由于生物质燃料的碱金属含量高、灰熔点低，而主循环回路的各个部分均处于较高的温度环境之中，从而使回路中的燃料灰呈熔融或部分熔融状态，容易造成炉膛密相区、布风装置、分离器和回料装置结渣、结块以及烟气通道或循环物料通道堵塞而导致停炉的现象，也常造成熔渣或高温粘结灰粘结在炉膛内的屏式受热面以及分离器后高温屏式或对流受热面上，出现挂渣和严重的积灰现象，影响锅炉高效、安全地运行。

生物质燃料成分中含有的氯、硫和碱金属等成分，在燃烧过程中将生成硫化氢H₂S、氯化氢HCl、氯Cl₂和氯化钠NaCl、氯化钾KCl等碱金属氯化物，以及钾-三硫酸铁K₃Fe(SO₄)₃和钠-三硫酸铁Na₃Fe(SO₄)₃等碱性硫酸盐络合物等对金属具有腐蚀性的化合物，对锅炉受热面的安全性形成威胁。

当床料中富集二氧化硅SiO₂时，二氧化硅SiO₂可与碳酸钠Na₂CO₃或碳酸钾K₂CO₃等发生反应，形成低温共熔混合物，将会引发床料出现粘结的问题，进而影响床层物料的流化质量，严重时将引起床层大面积结块、结渣，导致锅炉的停运。

一些生物质燃料譬如谷壳等虽然可燃基挥发份含量很高，燃料着火温度低，极易着火，但是，当燃烧温度高于900℃时，燃料灰容易形成碳-硅络合物，阻碍燃烧的进行，燃料难以燃尽。

为解决上述问题，需要将生物质循环流化床锅炉的炉内燃烧温度和烟气停留时间控制在一个适当的范围之内，并尽量降低燃料在炉内燃烧的峰值温度，使整个炉膛维持在一个相对比较均匀的合理温度区间，这样既不影响燃料的充分燃烧，还可以减少进入烟气的气相碱金属和氯元素的量，进而可以有效地减轻受热面的腐蚀，避免炉内结渣、挂渣、积灰、堵灰、床料结块等现象的出现。因此设计出一种燃料适应性广、燃烧效率高、受热面磨损与腐蚀小，并且能有效避免炉内结渣、挂渣、积灰、堵灰、床料结块、回料装置堵塞等现象的半塔式中温分离生物质循环流化床锅炉十分必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料适应性广、燃烧效率高、受热面磨损与腐蚀小，并且能有效避免炉内结渣、挂渣、积灰、堵灰、床料结块、回料装置堵塞等现象的半塔式中温分离生物质循环流化床锅炉。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：半塔式中温分离生物质循环流化床锅炉，由前部竖井、中间气固分离及循环物料回送单元和尾部烟道组成，其特征是所述前部竖井包括炉膛、炉膛上部对流竖井和烟气转向室，炉膛底部为布风装置，布风装置下方为一次风室，炉膛下部沿高度方向上布置有2-3层二次风，炉膛底部还设置有排渣管，炉膛上部对流竖井内布置有对流受热面；所述中间气固分离及循环物料回送单元自上而下设置气固分离装置、回料立管和回料装置；所述尾部烟道内布置有过热器、省煤器和空气预热器；炉膛、炉膛上部对流竖井、烟气转向室、气固分离装置、回料立管和回料装置构成生物质燃料循环燃烧以及固体燃烧产物和床料循环再利用的主循环回路；气固分离装置入口与烟气转向室出口相连，回料装置出口接至炉膛下部，气固分离装置与尾部烟道通过分离器出口烟道连接。

进一步地，在上述方案中，所述炉膛上部对流竖井内还布置有蒸发受热面。

进一步地，在上述方案中，所述对流受热面是过热器或省煤器或过热器与省煤器的组合，所述对流受热面采用工质流向与烟气流向相反的逆流布置或工质流向与烟气流向相同的顺流布置。

进一步地，在上述方案中，所述对流受热面或蒸发受热面为管束或管屏结构，所述管束或管屏与水平面的夹角为0°-35°。

进一步地，在上述方案中，所述对流受热面或蒸发受热面通过悬吊支撑装置吊挂在炉膛上部对流竖井内。

进一步地，在上述方案中，所述悬吊支撑装置为采用水或蒸汽冷却的悬吊管,或采用由构件或构件组合而成的支撑装置。

进一步地，在上述方案中，所述前部竖井由膜式水冷壁包覆而成，所述二次风沿高度方向平行设置或交错设置。

进一步地，在上述方案中，所述过热器、省煤器和空气预热器沿烟气流向依次顺序布置或交叉布置。

进一步地，在上述方案中，所述尾部烟道为单个或多个烟气通道，所述尾部烟道由膜式壁或轻型护板炉墙或膜式壁与轻型护板炉墙组合构成，所述尾部烟道内还布置有蒸发受热面。

本发明通过布置在炉膛上部对流竖井内的蒸发受热面和对流受热面的换热，使前部竖井顶部烟气转向室出口、气固分离装置入口的烟气温度控制在400-750℃之间。本发明由于气固分离装置进口烟温较低，通常处于生物质燃料灰熔点温度以下，可以有效地避免气固分离装置、回料立管和回料装置发生结渣、结块和堵塞现象；由于循环物料返回炉膛下部密相区的温度比较低，可以有效地将床温控制在850℃以下，而无须在炉膛密相区设置埋管，既避免了锅炉低负荷或燃料变化工况下床温过低的问题，又有效防止了炉内结渣和床料结块；由于循环物料温度不高，无须对分离器、回料立管、回料装置采取特殊的冷却处理结构，从而大幅降低了锅炉的造价；由于炉膛上部对流竖井内的蒸发受热面和对流受热面布置在锅炉主循环回路之中，锅炉运行时，大量的循环物料对其进行冲刷，具有自清洁作用，可以有效地防止炉内受热面的积灰和堵灰，此外还能够有效治理尾部烟道对流受热面的积灰和堵灰；由于进入尾部烟道的烟气温度较低，飞灰粘结性大幅降低，在合理配置吹灰装置的情况下，能够有效治理尾部烟道对流受热面的积灰和堵灰；由于炉膛上部对流竖井内布置有蒸发受热面和对流受热面，因此烟气在锅炉前部竖井沿高度方向上存在一个温度梯度，相应地存在一个烟气的速度梯度，可以使一部分未完全燃烧的生物质燃料在进入气固分离装置之前，与部分循环物料一起形成贴壁流，从锅炉前部竖井的上方落入炉膛，加大了锅炉的内循环量，燃料在高温区的停留时间增加，并促使炉膛整体的燃烧温度水平趋于均匀，因而可以较大程度地提高燃烧效率；由于进入气固分离装置的烟气温度降低，烟气的粘度也随之降低，气固分离效率则大幅提高，有利于捕集颗粒度更为细小的未燃尽燃料粒子，锅炉效率可以进一步得到提高；由于炉膛内存有大量高温床料和循环灰，有很大的热惯性，新投入的生物质燃料量占总床料量的比列很小，因而锅炉对燃料的适应性强；炉内温度均匀并处于合理的温度区间，减少了溶渣的产生和进入烟气的气相碱金属及氯元素的量，且进入高温对流受热面的烟气温度相对较低，而布置在炉膛上部对流竖井内的高温受热面，在循环物料自清灰作用下，可以防止飞灰的沉积，减少了飞灰中腐蚀性物质对于管壁金属的侵蚀，加上顺流布置并采用适当的防腐管材，可以减轻受热面的高温腐蚀；主循环回路中的气固分离及循环物料回送单元处在烟温相对较低的区域，炉内防磨耐火材料的防磨性能可以得到更好的发挥，同时合理的烟气流速和防磨盖板等防磨措施的采用，可以有效地解决受热面磨损问题。此外，锅炉前部竖井内设置过热器，还有利于锅炉在低负荷状态下保证合格的过热蒸汽参数。

本发明燃料适应性广、燃烧效率高、受热面磨损与腐蚀小，且能有效避免炉内结渣、挂渣、积灰、堵灰、床料结块、回料装置堵塞等现象。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图；

图2为本发明图另一个实施例的结构示意图。

图中：1-前部竖井，1.1-炉膛，1.2-炉膛上部对流竖井，1.21-对流受热面，1.22-蒸发受热面，1.23-悬吊支撑装置，1.3-烟气转向室，1.4-布风装置，1.5-一次风室，1.6-二次风，1.7-排渣管；2-中间气固分离及循环物料回送单元，2.1-气固分离装置，2.2-回料立管，2.3-回料装置，2.4-分离器出口烟道；3-尾部烟道，3.1-过热器，3.2-省煤器，3.3-空气预热器，3.4-蒸发受热面。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

实施例1：

生物质燃料通过炉前给料装置进入炉膛1.1，一次风由炉底的一次风室1.5经布风装置1.4作为一次燃烧用风和炉内物料的流化介质送入炉膛1.1，二次风1.6在炉膛下部沿高度方向上分3层，各层均采用平行布置，以保证提供给燃料足够的燃烧用空气。

生物质燃料在炉膛下部的密相区着火，在缺氧状态下燃烧并释放出大部分的热量，未燃烬的挥发份和碳粒子经炉膛过渡区进入炉膛稀相区，在二次风形成的氧化性区域内进一步燃烧生成高温烟气，烟气中的SO₂与循环物料中的碱金属氧化物等反应，可以脱除一部分SO₂。由于采用分级送风方式，同时通过合理的炉内燃烧工况组织和燃烧温度控制，还可以大量减少NO_X的生成。

烟气携带大量循环物料向上依次冲刷布置在炉膛上部对流竖井1.2中的蒸发受热面1.22和对流受热面1.21，再经过炉膛顶部的烟气转向室1.3到达气固分离装置2.1入口，此时烟温已被冷却至750℃以下。蒸发受热面1.22和对流受热面1.21通过悬吊管1.23吊挂在炉膛上部对流竖井1.2内。

被冷却后的烟气进入气固分离装置2.1进行“气-固”分离，携带少量飞灰的烟气由分离器中心筒经分离器出口烟道2.4进入尾部烟道3。尾部烟道3分为两个烟气通道。烟气依次流经尾部烟道3中的过热器3.1、省煤器3.2和空气预热器3.3。

被气固分离装置2.1捕捉下来的循环物料、未燃尽的碳粒子及燃料灰，经过气固分离装置2.1下方的回料立管2.2由回料装置2.3根据需要部分或全部被有控制地送回炉膛，实现生物质燃料的循环燃烧以及固体燃烧产物和床料的循环再利用。在不同的负荷下通过调节配风比和回灰量的大小，有效地控制床温维持在850℃以下，保证生物质燃料的着火与稳燃，并防止炉内结渣和床料结块。

炉膛底部还设置有排渣管1.7，用于将底渣排出锅炉，以维持合理的床层压降，并形成高效传热的炉内灰浓度分布场。

实施例2：

本实施例与实施例1的总体布局基本相同，两者的差异在于：本实施例的炉膛上部对流竖井1.2中仅布置有对流受热面1.21，对流受热面1.21是通过支撑装置1.23悬挂在水冷壁上的。炉膛1.1下部前后墙水冷壁上各设2层二次风1.6，采用交错设置，以使密度较小的生物质燃料在交错二次风1.6的扰动下，在炉内的流程形成类似“S”形的运动轨迹，延长其在炉膛高温区的停留时间。尾部烟道3设置为单一的烟气通道，自上而下设有蒸发受热面3.4、交叉布置的过热器3.1、省煤器3.2和空气预热器3.3。

前述实施例中，炉膛上部对流竖井1.2内的对流受热面1.21可以是过热器，也可以是省煤器，或者是两者的组合。对流受热面1.21的布置形式，可以采用其内工质流向与烟气流向相反的逆流布置，也可以采用与烟气流向相同的顺流布置。气固分离装置2.1的结构可以采用绝热形式，也可以采用水、蒸汽或空气冷却形式；可以采用旋风分离器，也可以采用偏心式旋风分离器、方形分离器、蜗壳式分离器、卧式分离器、撞击时分离器或者其它任何形式的气固分离装置。尾部烟道3采用膜式壁或轻型护板炉墙或两者相结合的方式，其内过热器3.1和省煤器3.2可以采用交叉布置，省煤器3.2和空气预热器3.3也可以采用交叉布置。

本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.半塔式中温分离生物质循环流化床锅炉，由前部竖井(1)、中间气固分离及循环物料回送单元(2)和尾部烟道(3)组成，其特征在于：所述前部竖井(1)包括炉膛(1.1)、炉膛上部对流竖井(1.2)和烟气转向室(1.3)，炉膛(1.1)底部为布风装置(1.4)，布风装置(1.4)下方为一次风室(1.5)，炉膛(1.1)下部沿高度方向上布置有2-3层二次风(1.6)，炉膛(1.1)底部还设置有排渣管(1.7)，炉膛上部对流竖井(1.2)内布置有对流受热面(1.21)；所述中间气固分离及循环物料回送单元(2)自上而下设置气固分离装置(2.1)、回料立管(2.2)和回料装置(2.3)；所述尾部烟道(3)内布置有过热器(3.1)、省煤器(3.2)和空气预热器(3.3)；炉膛(1.1)、炉膛上部对流竖井(1.2)、烟气转向室(1.3)、气固分离装置(2.1)、回料立管(2.2)和回料装置(2.3)构成生物质燃料循环燃烧以及固体燃烧产物和床料循环再利用的主循环回路；气固分离装置(2.1)入口与烟气转向室(1.3)出口相连，回料装置(2.3)出口接至炉膛(1.1)下部，气固分离装置(2.1)与尾部烟道(3)通过分离器出口烟道(2.4)连接，气固分离装置(2.1)入口的烟气温度控制在400-750℃之间。

2.根据权利要求1所述的半塔式中温分离生物质循环流化床锅炉，其特征在于：所述炉膛上部对流竖井(1.2)内还布置有蒸发受热面(1.22)。

3.根据权利要求1或2所述的半塔式中温分离生物质循环流化床锅炉，其特征在于：所述对流受热面(1.21)是过热器或省煤器或过热器与省煤器的组合，所述对流受热面(1.21)采用工质流向与烟气流向相反的逆流布置或工质流向与烟气流向相同的顺流布置。

4.根据权利要求2所述的半塔式中温分离生物质循环流化床锅炉，其特征在于：所述对流受热面(1.21)或蒸发受热面(1.22)为管束或管屏结构，所述管束或管屏与水平面的夹角为0°-35°。

5.根据权利要求4所述的半塔式中温分离生物质循环流化床锅炉，其特征在于：所述对流受热面(1.21)或蒸发受热面(1.22)通过悬吊支撑装置(1.23)吊挂在炉膛上部对流竖井(1.2)内。

6.根据权利要求5所述的半塔式中温分离生物质循环流化床锅炉，其特征在于：所述悬吊支撑装置(1.23)为采用水或蒸汽冷却的悬吊管,或采用由构件组合而成的支撑装置。

7.根据权利要求1或2所述的半塔式中温分离生物质循环流化床锅炉，其特征在于：所述前部竖井(1)由膜式水冷壁包覆而成，所述二次风(1.6)沿高度方向平行设置或交错设置。

8.根据权利要求1或2所述的半塔式中温分离生物质循环流化床锅炉，其特征在于：所述过热器(3.1)、省煤器(3.2)和空气预热器(3.3)沿烟气流向依次顺序布置或交叉布置。

9.根据权利要求1所述的半塔式中温分离生物质循环流化床锅炉，其特征在于：所述尾部烟道(3)为单个或多个烟气通道，所述尾部烟道(3)由膜式壁或轻型护板炉墙或膜式壁与轻型护板炉墙组合构成，所述尾部烟道(3)内还布置有蒸发受热面(3.4)。