CN103980943B - 电厂煤基锅炉碳分子气化燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的煤基锅炉碳分子气化燃烧发电方法，主要优势是：(1)气化燃烧过程实现了从源头防控、元素减量，科学根治燃煤污染，保护大气环境；(2)气化燃烧系统的成本低(比煤粉、流化床燃烧系统节电50％以上；锅炉启动和低负荷稳燃都不要用油)，效率高(比煤粉、流化床燃烧排烟热损失降低10％以上)；(3)碳分子气化产量大(气化强度1000～2600kg/m²·h，)，运行成本低(电耗是同产量气流床的1/千)，燃料适应广(可气化各种煤和其它有机物)，长周期运行稳定(一次连续运行达30个月以上)，设备投资小(比国内外同产量技术节省投资50％以上)，可大型化(单炉几千吨/天)发展。因此，本发明的应用面极其广阔，几乎所有产煤国和用煤、油、气、电作燃料热源的设备都可用，而且环保效益和经济效益巨大。

Description

电厂煤基锅炉碳分子气化燃烧方法

技术领域

本发明涉及一种电厂煤基锅炉高效清洁燃烧方法，特别是关于一种电厂煤基锅炉的碳分子气化燃烧方法。

背景技术

我国发电用煤已经突破全国煤炭消耗总量的55％，工业发达国家也是依煤为主来发电。公知的国内外煤基电厂，均是采用提高煤炭比表面的煤粉和流化床等直接燃煤方法发电(供热)。这种燃烧方式的特征是：它把煤炭中的全部固相元素和生成的气相物混杂在同一室内一起进行燃烧，违背了气固两相物各自燃烧的规律。要进行燃料的完全燃烧，就得采用较高的空气压力(一般在2kpa左右)和较高的过量空气(α≥1.2)，结果顾此失彼，反而造成在燃烧过程要大量产生与氧有关的有毒有害气体(SO_x、NO_x等)和烟尘污染大气。为了排放达标，煤粉锅炉要在尾部加装污染治理设备；流化床因为是在有过量氧(α=1.2)的环境中脱硫，存在资源消耗大，除硫效率差的问题。这样的末端和燃烧中污染治理技术都存在投资大，成本高，环保不节能的难题。如煤粉锅炉加装治理设备后，燃烧系统的电耗在原有基础上要增加50％以上。因此，用户一般都不愿意搞。我国为了鼓励火电脱硫、脱硝，国家增加了这类电厂的上网电价。尽管如此，有些电厂宁愿受罚也顶着不搞(如2013年环保部通报的无治理锅炉就属这种情况)；有的电厂“勉强上得起，但确运行不起”，有的还出现了严重的“治污又生污”、排放难达标的状况。可见，沿用自从有火以来的这种直接燃煤技术，存在先制造污染再治理的严重先天缺陷。

目前发展的煤基IGCC技术，虽然发电效率高，但因投资大、成本高，推广也很困难。其根本原因是由传统的高比表面、高温、高压煤气化技术所致。

发明内容

针对上述问题，本发明提出并采用以下能源效益理念：

进行全面科学量化，创新发展工艺，提出了一种低成本从源头防控污染、环保节能的煤基锅炉碳分子气化燃烧方法发电(供热)。

为实现这个目的，本发明采取以下技术方案：①先将进场的煤炭过筛，筛下的粉煤加钙制球烘干和筛出的块煤一起送入煤仓；②用加煤机把含钙煤送进碳分子气化炉造气，所述的碳分子气化炉采用大界面薄料层完全氧化反应耦合小截面厚料层正向还原反应机理(这种有序、有益的气化机理，可增加反应物分子间的有效碰撞几率，从而低成本提高产量和煤炭的转化率)造气；气化剂从炉底内外两个炉篦气室送进；为了确保炉内反应温度及时、均衡满足工艺要求，所述的碳分子气化炉进行了改进，在上部还原区环形布置了数个测温点，相应在下部氧化区也布置了同数量的蒸汽喷孔，当测点温度超过工艺规定数值和环形测点温差超过一定数量(根据煤质定)时，控制系统自动开启下部蒸汽进行调控(这种区域调控及时、有效)；所述的改进型碳分子气化炉是在缺氧条件下使用含钙煤炭(根据煤炭含硫量和排放指标，设定Ca/S接近1配比组份)固硫造气；炉渣从炉底排出；③气化炉造出的热煤气经高温除尘器(根据排放指标确定除尘方法)除尘；④清洁热煤气送燃烧器与低过量空气(α接近1)混合喷进锅炉燃烧；⑤高温烟气经锅炉受热面换热通过引风机从烟囱达标排出；⑥锅炉产生的蒸汽(热水)用于发电(供热)。

上述①到③所述的改进型碳分子气化炉和气化方法，可配套应用在燃气内燃机和燃气轮机发电系统，可低成本制造所需的清洁冷煤气(比现有的高压、高温、高比表面法的气化技术成本降低60％以上)。

附图说明

附图1是本发明一种典型的煤基锅炉碳分子气化燃烧工艺流程图。

附图2是本发明一种改进的煤基碳分子气化炉和控制系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细叙述：

(1)原料煤进场后，经过(2)过筛分出块煤，(3)筛下的10mm以下的粉煤加钙(Ca/S接近1配比组份)制成煤球，(4)用烟气废热烘干煤球，(5)用输煤机把块煤和干煤球一起送入(6)密封煤仓(这种备煤系统比煤制粉系统节电50％以上)，再用加煤机(7)送入改进的碳分子气化炉(8)造气(热燃料气炉底风压<0.5kpa，比煤粉和流化床燃烧风压降低60％以上，相应节电60％以上)，所述的碳分子气化炉(8)采用大界面薄料层完全氧化反应耦合小截面厚料层正向还原反应机理(这种有序、有益的气化机理，可增加反应物分子间的有效碰撞几率，从而提高造气产量和煤炭的转化率，比传统比表面法的气流床和流化床的无序反应科学、先进，同产量的电耗可降低90％以上)造气；所述的碳分子气化炉(8)下部氧化段采用大斜面低空间腔体(8-6)结构，将燃料大面积摊成薄层，这就使它与内外两个炉篦气室喷进的气化剂(18)一次接触面增大，从而加快氧化反应：C+O₂=CO₂+Q进行的速度，使之更加完全，炉渣(17)的含碳量也随之降低；所述的碳分子气化炉(8)上部采用小截面高空间腔体(8-5)结构，使原料煤呈细高形状，这就使：CO₂+C=2CO-Q反应物之间的接触时间延长，并提高了上升热流体的流速，加快对流换热和传质效果，使还原段燃料柱的温度升高，同时又快速补足了反应物二氧化碳的数量；为了确保炉内反应温度及时、均衡满足工艺要求，所述的碳分子气化炉进行了改进(8)在上部还原区环形布置了数个测温点(8-2)，对称在下部氧化区也布置了同数量的蒸汽喷孔(8-1)，当测点温度超过工艺规定值和环形测点温差超过一定数量(根据煤质定)时，控制系统自动开启下部蒸汽进行调控(这种区域调控及时、准确、有效、可靠)；这些因素必然稳定加快还原反应的速度，使反应进行的既充分又完全；由于改进的碳分子气化炉(8)是在缺氧条件下用加钙煤炭固硫(Ca/S接近1配比组份，资源消耗降低80％以上)造气，这就实现从燃烧前达标(或接近100％)除硫；含钙炉渣(17)从炉底排出(可作为水泥原料)；(9)热煤气进高温除尘器除尘(可根据排放指标确定除尘方法)，灰尘(16)从除尘器底部排出，清洁热煤气进燃烧器(10)与(15)低氧空气(α接近1)混合喷进锅炉(11)燃烧(这种低氧和煤气燃烧比煤炭直接燃烧节约空气10％以上，排烟热损失相应也可减少10％以上，同时还可防控与氧有关的有害气体产生)；高温烟气经锅炉受热面换热通过引风机(12)从烟囱(13)达标(优标)排出。锅炉产生的高温、高压蒸汽通过管道(14)进汽轮机带动发电机发电。

图2是一种典型的改进型碳分子气化炉和控制系统示意图，8-1是蒸汽喷孔；8-2是测温孔；8-3是加煤口；8-4是煤气出口；8-5是还原反应区；8-6是氧化反应区；8-7是外炉篦气室；8-8是内炉篦气室；17是炉渣；18是气化剂。

本发明由于采取上述改进型碳分子气化燃烧技术方案，其优势是：

(1)实现了在煤炭气化燃烧过程从源头防控、元素减量，科学根治燃煤污染(Ca/S接近1配比组份固硫，资源消耗降低80％以上；α接近1燃烧，节约空气10％以上，相应可防控与氧有关的有毒有害气体产生)，保护大气环境；

(2)碳分子气化燃烧成本低(比煤粉和流化床燃烧技术系统节电50％以上；锅炉启动不用油点火，低负荷稳燃也不需要掺油)、效率高(比煤粉和流化床燃烧排烟热损失降低10％以上)；

(3)碳分子气化炉产气量大(低压气化强度是1000～2600kg/m²·h，加压强度相应还可提高)，运行成本低(气化系统电耗是同产量气流床的1/千)，燃料适应性广(可以气化各种煤和其它固体有机物)，长周期运行稳定(一次连续运行周期长达30个月以上，比现有技术延长数倍)，设备投资小(比国内外同产量气化技术节省投资50％以上)，可以大型化(单炉几千吨/天)发展。

因此，煤基碳分子气化燃烧技术的应用面极其广阔，几乎所有产煤国和用煤、油、气、电作燃料热源的设备都可用，而且环保效益和经济效益巨大。

Claims (5)

1.一种电厂煤基锅炉碳分子气化燃烧方法，主要工艺包括：

①将粉煤加钙制球烘干和块煤，先在碳分子气化炉内除硫气化；其特征在于：碳分子气化炉是把加脱硫剂原料煤加进炉内，采用大界面薄料层完全氧化反应耦合小截面厚料层正向还原反应机理气化，并在缺氧条件下除硫造气；所述的碳分子气化炉增设了炉内区域调控方法，在上部还原区增设环形测温孔，下部氧化区对应增设环形蒸汽喷孔；根据测点温度变化，采用蒸汽及时进行调控，确保碳分子气化炉内大界面薄料层完全氧化反应耦合小截面厚料层正向还原反应有序、稳定的进行；

②热煤气经除尘与低过量空气混合，在锅炉的炉膛燃烧，高温烟气经锅炉受热面换热，从烟囱达标排出，锅炉产生的蒸汽/或热水带动汽轮机发电/或供热。

2.根据权利要求1所述的电厂煤基锅炉碳分子气化燃烧方法，其特征在于：所述的碳分子煤气炉是在缺氧条件下固硫，并根据煤炭含硫量按Ca/S接近1加钙。

3.根据权利要求1所述的电厂煤基锅炉碳分子气化燃烧方法，其特征在于：所述的热煤气采用高温除尘；低压、低过量空气(α接近1)混合燃烧。

4.权利要求1所述的电厂煤基锅炉碳分子气化燃烧方法，其特征在于：步骤①得到的煤气，可用于制造燃气内燃机和燃气轮机燃料气。

5.根据权利要求1-4任一项所述的电厂煤基锅炉碳分子气化燃烧方法，是按照能源效益理念：

Q_{实用煤炭能量}/(Q_{煤炭原始总能量}+Q _{利用煤炭过程的总能耗量} )＝最大

(B_{利用煤炭污染排放量}+B _{治污排放总量} )/B_{煤炭原始污染物总量}＝最小

进行工艺设计和发展。