CN103076361A

CN103076361A - 一种煤粉加压富氧燃烧沉降炉实验装置

Info

Publication number: CN103076361A
Application number: CN2013100099385A
Authority: CN
Inventors: 何伯述; 裴晓辉; 严林博; 李旭升; 姚放; 王超俊; 梁化鑫
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2013-05-01

Abstract

本发明公开了一种煤粉加压富氧燃烧沉降炉实验装置，进气系统包括氧气供给单元和二氧化碳供给单元；沉降炉包括从上至下依次相连的压力容器、反应管和储渣罐，压力容器内固设有煤粉给料机，该煤粉给料机通过下料管与反应管相连通，反应管的外壁上套设有加热炉；烟气分析系统包括依次通过管路相连接的冷却装置、烟气流量计和烟气分析仪；进气系统通过进气管路与下料管连通，储渣罐通过出气管路与冷却装置连通。本发明实现了加压富氧条件下煤粉的连续给料，能准确的得到不同压力、不同O₂/CO₂比例条件下，煤粉的着火点、燃烧温度、碳燃尽率等燃烧特性参数；同时能对煤粉燃烧的烟气成分进行分析，得到加压富氧条件下污染物的生成特性。

Description

一种煤粉加压富氧燃烧沉降炉实验装置

技术领域

本发明涉及一种煤粉燃烧沉降炉，特别涉及一种煤粉加压富氧燃烧沉降炉实验装置。

背景技术

众所周知，全球变暖是由于以CO₂为代表的温室气体大量排放造成的。有关数据显示：火力发电耗煤量占我国原煤产量的50%以上，煤粉直接燃烧产生的CO₂是我国碳排放的主要来源。因此，如何降低火力发电中CO₂的排放量对我国节能减排具有重要意义。

目前，针对燃煤电站CO₂的捕集技术主要有以下三个方面：

(1)燃烧后捕集：这种捕集方式理论上适合任何一种火力电站。首先，要采用有效的办法将CO₂从烟气中分离出来，但是，通过燃烧系统产生的烟气压力通常接近于大气压，而且CO₂的浓度较低(一般为10%～15%)，烟气中含有大量的氮气，产生的气体流量巨大，不论采用化学或物理的分离方法，均存在捕集系统庞大，工艺复杂、成本高的问题。

(2)燃烧前捕集：燃烧前捕集主要运用于整体煤气化联合循环（IGCC）系统中。由于IGCC一般为高压富氧气化(>2MPa)，产生的煤气经过水煤气变换后，主要含有H₂和CO₂，气体压力和CO₂浓度都很高。在此时对CO₂进行富集，捕集系统小、能耗低，加上在其他污染物控制以及效率上的潜力，这种路线得到了广泛关注。目前美国未来电力、日本鹰计划、澳大利亚的零排放发电和中国的绿色煤电都将采用IGCC为基础，进行燃烧前脱碳。但IGCC发电技术仍存在投资成本高、可靠性还有待提高等问题。

(3)燃烧中富集：燃烧中富集典型的技术方法就是富氧燃烧技术，富氧燃烧仍采用传统燃煤电站的技术流程，只是通过空分装置（ASU）将空气中N₂大比例去除，直接采用高浓度的氧气与再循环烟气的混合气体来替代空气，这样烟气中CO₂的浓度可以达到90%以上，可直接进行处理和封存。现在，在欧洲已有在小型电厂进行改造的富氧燃烧的项目。富氧燃烧技术不仅能使分离收集CO₂和处理SO₂容易进行，还能减少NO_X排放，是一种能够综合控制污染物排放的新型洁净燃烧技术。

综上所述，在燃煤电站的各种CO₂的捕集技术中，煤粉富氧燃烧技术更有技术优势。然而，富氧燃烧技术仍存在空气分离制氧和压缩CO₂这两个流程能耗较高的问题。煤粉加压富氧燃烧技术是在富氧燃烧技术的基础上提出来的，现有富氧燃烧技术的空气分离制氧与压缩高浓度CO₂烟气的过程均在较高压力下进行，而整个燃烧与换热过程均在常压下进行，系统压力经历升-降-升的过程，这样势必会造成能量的浪费，使得CO₂的回收成本偏高，经济性差，富氧燃烧技术在CO₂回收利用上的优越性难以体现出来。另一方面，随着对煤燃烧过程的深入研究，学者们发现通过加压燃烧能够进一步提高热效率，同时由于压力的增加缩小了煤粉颗粒尺寸，在满足动力需求的同时能够降低煤炭使用量，从而进一步降低CO₂的排放。加压富氧燃烧的概念是在全过程中均维持较高的压力，一方面避免了压力大幅度变化而导致的损失；另一方面也大大提高了烟气中水蒸气的凝结温度，使得从锅炉排烟中回收水蒸气的气化潜热成为可能，锅炉效率可提高约3-4个百分点，可以部分弥补制氧与压缩CO₂所损失的发电效率；同时，在保证煤粉高效充分燃烧的情况下，还大大简化了系统和缩小了部件尺寸。目前，加压富氧燃烧的实验研究装置压力已经达到1-2MPa，已经表现出明显的技术与经济优势，但尚处于研发与中试阶段，未投入商业化示范与应用，加压富氧燃烧的目标是要达到6-8MPa的压力，其经济性将更好。总之，与常压富氧燃烧技术相比，加压富氧燃烧技术综合发电效率更高、经济性更好，具有很好的应用前景。

目前，国内外对煤粉加压富氧燃烧技术的研究还处于实验阶段，对压力条件下的煤粉燃烧特性的研究多用加压热重分析仪设备，加压热重分析仪设备的缺点在于：1）加压热重分析仪的缺点是煤粉样品是固定的，不能研究流动状态下的煤粉燃烧情况，而煤粉锅炉中煤粉是随空气一起进入燃烧室，是流动状态的，所以用热重分析仪的实验结果与真实情况有很大误差；2）加压热重分析仪存在样品量较小、压力较低、升温速率较慢的缺点，与实际锅炉中煤粉的燃烧情况有较大区别，不能真实反映压力状态下煤粉的燃烧特性参数。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种煤粉加压富氧燃烧沉降炉实验装置；该实验装置可在加压富氧条件下，研究流动状态煤粉的燃烧特性和污染物生成特性，并且可以得到加压富氧条件下煤粉燃烧的着火温度、燃烧温度、碳燃尽率以及烟气成分。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种煤粉加压富氧燃烧沉降炉实验装置，所述装置包括进气系统、沉降炉和烟气分析系统；

所述进气系统包括氧气供给单元和二氧化碳供给单元；

所述沉降炉包括从上至下依次相连的压力容器、反应管和储渣罐，所述压力容器内固设有煤粉给料机，该煤粉给料机通过下料管与反应管相连通，所述反应管的外壁上套设有加热炉；

所述烟气分析系统包括依次通过管路相连接的冷却装置、烟气流量计和烟气分析仪；

所述进气系统通过进气管路与所述下料管连通，所述储渣罐通过出气管路与所述冷却装置连通。

进一步的，所述反应管内固设有温度传感器。

进一步的，所述出气管路上设有减压阀。

进一步的，所述的温度传感器设有至少10个温度探头，且每个温度探头之间的距离为30mm。这样设置的好处是能够准确的测量出沉降炉炉体内的温度分布情况，以及测量煤粉的着火点。

进一步的，所述氧气供给单元通过管路A与所述进气管路相连通，且该管路A上设有质量流量计；所述二氧化碳供给单元通过管路B与所述进气管路相连通，且该管路B上设有质量流量计。

进一步的，所述下料管为三通管，该下料管的第一管口与煤粉给料机连通连接，第二管口设置于反应管内，第三管口设置于所述压力容器内，且所述第三管口与所述进气管路连通连接。

进一步的，所述的压力容器上设有给料机接线柱和传感器接线柱；所述煤粉给料机的动力线通过给料机接线柱与设置在压力容器外部的控制开关相连接；所述温度传感器通过传感器接线柱与设置在压力容器外部的显示屏连接。

进一步的，所述反应管上部与压力容器下部通过法兰A相连，所述反应管下部与储渣罐上部通过法兰B相连；所述的温度传感器固设在所述法兰A上。

进一步的，所述烟气流量计和烟气分析仪之间的管路上设有烟气排出支管路。

进一步的，所述冷却装置和烟气流量计之间的管路上设有温度传感器。

本发明的有益效果：

1、本发明能实现加压富氧条件下煤粉的连续给料，压力最高可达10MPa，能准确的得到不同压力、不同O₂/CO₂比例条件下，煤粉的着火点、燃烧温度、碳燃尽率等燃烧特性参数。

2、可以在线分析燃烧产物的成分，得到加压富氧条件下，研究流动状态煤粉的煤粉燃烧污染物生成特性，为将来加压富氧燃烧技术的工业应用提供理论依据和技术支持。

3、对烟气成分进行分析，得到NOX、SOX、CO等污染物的生成特性。

4、能够研究流动状态下的煤粉燃烧情况是本设备相比加压热重分析仪的优势

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中进气系统的结构示意图。

图3为本发明中沉降炉的整体结构示意图。

图4为本发明中烟气分析系统的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1至4所示，一种煤粉加压富氧燃烧沉降炉实验装置，所述实验装置包括进气系统1、沉降炉2和烟气分析系统3；

进气系统1包括氧气供给单元11和二氧化碳供给单元12；氧气供给单元11通过管路A111与进气管路5相连通，且该管路A111上设有质量流量计112；二氧化碳供给单元12通过管路B121与进气管路5相连通，且该管路B121上设有质量流量计122。

所述沉降炉2包括从上至下依次相连的压力容器21、反应管22和储渣罐23；所述反应管22上部与压力容器21下部通过法兰A9相连，所述反应管22下部与储渣罐23上部通过法兰B10相连，反应管22的外壁上套设有加热炉25；所述的压力容器21内固设有煤粉给料机211，该煤粉给料机211通过下料管24与反应管22相连通；所述下料管24为三通管，该下料管24的第一管口241与煤粉给料机211连通连接，第二管口242设置于反应管22内，第三管口243设置于所述压力容器21内，且所述第三管口243与所述进气管路5连通连接。

在所述反应管22内固设有温度传感器221，该温度传感器221固设在所述法兰A9上，所述的温度传感器221设有至少10个温度探头，且每个温度探头之间的距离为30mm。这样设置后能够准确的测量出沉降炉2炉体内的温度分布情况，以及测量煤粉的着火点。

在所述的压力容器21上设有给料机接线柱212和传感器接线柱213；煤粉给料机211的动力线2111通过给料机接线柱212与设置在压力容器21外部的控制开关7相连接；设置在反应管22内的温度传感器221通过传感器接线柱213与设置在压力容器21外部的显示屏8连接。

烟气分析系统3包括依次通过管路4相连接的冷却装置31、烟气流量计32和烟气分析仪33；所述储渣罐23通过出气管路6与所述冷却装置31连通，所述出气管路6上设有减压阀61；所述烟气流量计32和烟气分析仪33之间的管路4上还分设有烟气排出支管路34，所述冷却装置31和烟气流量计32之间的管路4上设有温度传感器41。

实际操作过程中，氧气供给单元11所提供的氧气和二氧化碳供给单元12所提供的二氧化碳气体分别通过各自的质量流量计112、122按照一定的比例混合后从进气管路5进入设置在压力容器21中的下料管24内；煤粉给料机211能实现煤粉5g/min~20g/min的连续给料，进入压力容器21的氧气和二氧化碳的混合气在下料管24内与煤粉颗粒混合进入反应管22中，加热炉25的最高加热温度可达到1200℃，通过加热炉25的加热可实现煤粉的燃烧，煤粉燃烧后的灰分通过自然沉降储存在储渣罐23中，煤粉燃烧的烟气通过出气管路6上的过滤装置进入烟气分析系统3。

整个进气系统1和沉降炉2均在高压下运行，沉降炉2主要由压力容器21、反应管22和储渣罐23通过法兰A9和法兰B10连接构成，整个系统的最高设计压力为10MPa，可实现0.1 MPa ~10 MPa不同压力条件下煤粉的燃烧过程。固定在法兰A9上的温度传感器221有十个温度探头测点，可以监测煤粉燃烧过程中反应管22不同位置的温度分布情况，同时可以测量不同煤种不同压力条件、不同O₂/CO₂比例条件下的着火点。

通过对储渣罐23中灰分的分析可以得到煤粉的碳燃尽率。进入烟气分析系统3中的烟气首先经过减压阀61泄压到常压状态，经过冷却装置31冷却到合适温度后进入烟气流量计32测量烟气的体积流量，最后一部分烟气进过烟气分析仪33在线测量煤粉燃烧后的烟气成分，其余烟气通过烟气排出支管路34排出整个实验装置。

本发明实现了加压富氧条件下煤粉的连续给料，能准确的得到不同压力、不同O₂/CO₂比例条件下，煤粉的着火点、燃烧温度、碳燃尽率等燃烧特性参数，同时可以在线分析燃烧产物的成分，得到加压富氧条件下煤粉燃烧污染物生成特性。

本文中所采用的描述方位的词语“上”、“下”、“左”、“右”等均是为了说明的方便基于附图中图面所示的方位而言的，在实际装置中这些方位可能由于装置的摆放方式而有所不同。

综上所述，本发明所述的实施方式仅提供一种最佳的实施方式，本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本发明所揭示的内容而作各种不背离本发明创作精神的替换及修饰；因此，本发明的保护范围不限于实施例所揭示的技术内容，故凡依本发明的形状、构造及原理所做的等效变化，均涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种煤粉加压富氧燃烧沉降炉实验装置，其特征在于：所述装置包括进气系统（1）、沉降炉（2）和烟气分析系统（3）；

所述进气系统（1）包括氧气供给单元（11）和二氧化碳供给单元（12）；

所述沉降炉（2）包括从上至下依次相连的压力容器（21）、反应管（22）和储渣罐（23），所述压力容器（21）内固设有煤粉给料机（211），该煤粉给料机（211）通过下料管（24）与反应管（22）相连通，所述反应管（22）的外壁上套设有加热炉（25）；

所述烟气分析系统（3）包括依次通过管路（4）相连接的冷却装置（31）、烟气流量计（32）和烟气分析仪（33）；

所述进气系统（1）通过进气管路（5）与所述下料管（24）连通，所述储渣罐（23）通过出气管路（6）与所述冷却装置（31）连通。

2.根据权利要求1所述的一种煤粉加压富氧燃烧沉降炉实验装置，其特征在于：所述反应管（22）内固设有温度传感器（221）。

3.根据权利要求1或2所述的一种煤粉加压富氧燃烧沉降炉实验装置，其特征在于：所述出气管路（6）上设有减压阀（61）。

4.根据权利要求2所述的一种煤粉加压富氧燃烧沉降炉实验装置，其特征在于：所述的温度传感器（221）设有至少10个温度探头，且每个温度探头之间的距离为30mm。

5.根据权利要求3所述的一种煤粉加压富氧燃烧沉降炉实验装置，其特征在于：所述氧气供给单元（11）通过管路A（111）与所述进气管路（5）相连通，且该管路A（111）上设有质量流量计（112）；所述二氧化碳供给单元（12）通过管路B（121）与所述进气管路（5）相连通，且该管路B（121）上设有质量流量计（122）。

6.根据权利要求3所述的一种煤粉加压富氧燃烧沉降炉实验装置，其特征在于：所述下料管（24）为三通管，该下料管（24）的第一管口（241）与煤粉给料机（211）连通连接，第二管口（242）设置于反应管（22）内，第三管口（243）设置于所述压力容器（21）内，且所述第三管口（243）与所述进气管路（5）连通连接。

7.根据权利要求5所述的一种煤粉加压富氧燃烧沉降炉实验装置，其特征在于：所述的压力容器（21）上设有给料机接线柱（212）和传感器接线柱（213）；所述煤粉给料机（211）的动力线（2111）通过给料机接线柱（212）与设置在压力容器（21）外部的控制开关（7）相连接；所述温度传感器（221）通过传感器接线柱（213）与设置在压力容器（21）外部的显示屏（8）连接。

8.根据权利要求7所述的一种煤粉加压富氧燃烧沉降炉实验装置，其特征在于：所述反应管（22）上部与压力容器（21）下部通过法兰A（9）相连，所述反应管（22）下部与储渣罐（23）上部通过法兰B（10）相连；所述的温度传感器（221）固设在所述法兰A（9）上。

9.根据权利要求8所述的一种煤粉加压富氧燃烧沉降炉实验装置，其特征在于：所述烟气流量计（32）和烟气分析仪（33）之间的管路（4）上设有烟气排出支管路（34）。

10.根据权利要求9所述的一种煤粉加压富氧燃烧沉降炉实验装置，其特征在于：所述冷却装置（31）和烟气流量计（32）之间的管路（4）上设有温度传感器（41）。