CN105698163A - 一种固体燃料循环流化床富氧燃烧装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于固体燃料清洁利用领域的一种固体燃料循环流化床富氧燃烧装置及方法。该装置主要包括风室、布风装置、炉膛、高温旋风分离器、返料器、换热器、省煤器、中温旋风分离器、二级配风管，其中炉膛由截面积较大的下部密相鼓泡或湍动强混合区和截面积较小的上部稀相快速或气力输送的准平推流区构成，该方法是在循环流化床富氧燃烧装置中采用富氧燃烧分区调控和多级配风来实现固体燃料燃烧；其中，一级风为氧气和再循环烟气混合气，二级风为氧气，播煤风和松动风为再循环烟气；本发明能改善现有技术的不足，使固体燃料燃烧后烟气中CO2浓度达到80％以上，利于燃烧后封存或利用，同时减少了氮氧化物、硫氧化物排放，有广阔的应用前景。

Description

一种固体燃料循环流化床富氧燃烧装置及方法
技术领域
本发明属于煤和生物质清洁利用领域，特别涉及一种固体燃料循环流化床富氧燃烧装置及方法。
背景技术
富煤、缺油和少气的资源禀赋决定了煤炭在可预见的未来仍然是我国最重要的基础能源，清洁、高效和低碳燃煤发电是保证国家可持续发展的重大战略需求。中国煤炭工业协会统计，2013年全国煤炭产量约37亿吨，消费量36.1亿吨左右；国家能源局统计，2013年全国能源消费总量为37.6亿吨标煤，其中煤炭占65.7％。截至2013年底，我国发电总装机容量达12.47亿千瓦以上，其中火电装机容量超过8.6亿千瓦，实际发电量占总发电量79％以上，消耗原煤占煤炭消费总量50％以上。因此，清洁高效燃煤发电是国家能源可持续发展的重要发展方向之一。
生物质作为一种二氧化碳净排放为零的可再生能源，已经引起国际社会的普遍关注。具体来说，生物质资源包括种植生产的资源(如：甘蔗、木薯、玉米、油菜籽、甜高粱、油楠、麻风树以及能源林等能源作物)和未利用的资源(如：秸秆、稻壳、蔗渣、蔬菜残余物、木材加工废弃物等农业残余物，畜禽粪便、屠宰场废弃物等动物粪便，渔业加工残余物以及生活垃圾、有机废水等城市废弃物)两大类。在组成和结构方面，煤和生物质均属于含碳、氢、氧等元素的固体燃料。
富氧燃烧技术是最具发展前景的CO2捕集技术之一。该技术将高纯氧气与部分再循环烟气送入炉膛替代传统燃烧中的空气，由于没有氮气的注入，所以燃烧后烟气中CO2含量较高，实现了燃烧过程中CO2的富集。富氧燃烧技术的早期研究主要集中在煤粉炉富氧燃烧，循环流化床富氧燃烧技术研究起步较晚，但是循环流化床富氧燃烧技术是将循环流化床洁净燃烧技术和富氧燃烧技术有机结合的新型洁净燃烧技术，它充分发挥两者的优势，不但燃烧强度大、NOx排放低和脱硫成本低，尤其适合于煤矸石、煤泥、洗中煤和生物质等低热值固体燃料，同时燃烧产生高CO2浓度的烟气。与煤粉炉相比较，由于炉膛内部存在大量的惰性物料，CFB富氧燃烧锅炉更容易实现从空气燃烧状态到富氧燃烧状态的切换。
传统的富氧燃烧流化床锅炉密相区与稀相区炉体截面积相同，必须经过很长的过渡段才能实现气固的分离；由于氧气浓度的提高和循环烟气浓度降低使得锅炉体积相应变小，尤其是尾部烟道体积减小，给锅炉受热面布置带来了很大难题，从而影响了炉膛热量的吸收，降低了煤的燃烧效率。在富氧燃烧循环流化床中，高纯氧气与再循环烟气如何混合、如何注入炉膛是需重点解决的技术问题，由于再循环烟气存在粒径在0.5μm以下的颗粒，其与高浓度氧气(50％以上)混合极易发生爆燃等安全事故。此外如何提高循环流化床的脱硫效率也是研究的重点。因此，深入研究循环流化床富氧燃烧技术对低热值煤超低排放发电和二氧化碳减排具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种固体燃料循环流化床富氧燃烧装置及方法，该装置由风室、布风装置、炉膛、高温旋风分离器、返料器、换热器、省煤器、中温旋风分离器、二级配风管组成；其特征在于，风室、布风装置、炉膛依次连接，所述炉膛由下部的强混合区、中间锥形过渡区和上部的准平推流区三部分组成，在强混合区上部设有煤或生物质等固体燃料与石灰石加料口，在准平推流区底部设有二级配风管入口，在准平推流区上部通过管道与高温旋风分离器连接，高温旋风分离器下端连接有返料器，返料器通过返料管与炉膛的强混合区下部相连接，高温旋风分离器顶部连接内设换热器和省煤器的烟道；省煤器下部的烟道连接中温旋风分离器，中温旋风分离器顶部通过第一烟气循环风机分别连接空气分离装置和风室；空气分离装置同时与二级配风管连接；烟道下部通过第二、三烟气循环风机分别连接到返料器底部、返料管上部及固体燃料与石灰石加料口。
所述炉膛的准平推流区和强混合区截面积之比为0.4:1--0.7:1。
一种循环流化床富氧燃烧装置中固体燃料燃烧的方法，其特征在于，该方法是在循环流化床富氧燃烧装置中采用富氧燃烧分区调控和多级配风来实现固体燃料燃烧，包括：
采用煤和生物质为固体燃料；运行过程中，将固体燃料和石灰石通过进料装置输送至固体燃料与石灰石加料口7，在播煤风的作用下，播撒进炉膛，在强混合区发生气固反应，在准平推流区发生气相反应；高温旋风分离器9经内设换热器10和省煤器11的烟道16输出的烟气进入中温旋风分离器13，第一烟气循环风机14输出的烟气与空气分离装置15输出的部分氧气混合后作为一级风；空气分离装置15输出的部分氧气直接作为二级风，烟道16下部的烟气出口19的部分烟气经第二烟气循环风机17和第三烟气循环风机18分别进入返料器12、返料管20和固体燃料与石灰石加料口7，其余富含二氧化碳的烟气用于封存或后续利用；其中，第一烟气循环风机15、第二烟气循环风机17和第三烟气循环风机18为独立装置，分别控制一级风、二级风、松动风和播煤风的风量。
所述固体燃料和石灰石送入炉膛强混合区，立即被大量处于流化状态的高温床料包围，充分混合后迅速着火燃烧，此时运行的床温为800℃--950℃，同时石灰石煅烧成氧化钙，氧化钙与燃烧产生的SO2结合进行脱硫反应；在准平推流区主要包括下部强混合区所产生CO和H2等气相燃烧反应以及少量被烟气夹带未完全反应含碳细微颗粒的气固燃烧反应；燃烧后含有未被高温旋风分离器分离细小粒子的烟气，经过内置换热器和省煤器吸收热量后，部分烟气经中温旋风分离器除尘后与空分装置产生的氧气混合后形成一级风，进入流化床下部的风室，部分烟气经第二和第三烟气循环风机分别作为松动风和播煤风返回到流化床，其余烟气经尾部除尘器等进入CO2压缩纯化装置压缩纯化后封存或后续利用；其中一级风为含有大量水蒸气的湿烟气，起到增湿脱硫的效果，从而可以提高脱硫效率，降低运行成本。
所述一级风的组分为氧气和再循环烟气，一级风中氧气体积比为25％--35％；
所述一级风的风量占炉膛总风量的65％--75％，二级风的风量占炉膛总风量的20％--30％，松动风和播煤风的风量占炉膛总风量的5％--10％。
本发明的有益效果是通过设置截面积较大的下部密相鼓泡或湍动强混合区和截面积较小的上部稀相快速或气力输送的准平推流区，这种适宜的几何结构既可以维持固体燃料在截面积较大的下部密相强混合区足够长的停留时间，与O2/CO2/H2O组成的一级风发生充分的热解、气化和燃烧反应，又可以保证固体燃料热解和气化所产生的CO和H2等可燃气体以及烟气夹带的未燃尽含碳细微颗粒在截面积较小的上部稀相区与二级风O2完全燃烧，避免烟气中可燃气体和减小粉尘的含碳量，提高煤粉的整体燃烧效率，大幅度地减小锅炉本体体积，减少金属耗量，降低了锅炉成本；采用中温烟气注入氧气后再循环，作为床料流化介质和燃烧氧化剂，使排烟中CO2浓度高达80％以上，利于CO2的捕集及后续利用；富氧燃烧后烟气中富含H2O对脱硫具有强化作用；通过多级配风实现了流化床高浓度氧条件下的稳定燃烧，解决了再循环烟气与氧气混合形成的高氧浓度混合气输送的安全问题；松动风和播煤风采用未注氧的再循环烟气，安全性高；该系统没有引入和产生新的污染物，也没有二次污染问题，系统正常运行时，将化石燃料产生的热量充分利用；此种装置方法的应用也可以有效减少氮氧化物和硫氧化物的排放，减小对环境的污染。
附图说明
图1为一种固体燃料循环流化床富氧燃烧装置示意图。
图中：1-风室，2-布风装置，3-炉膛，4-强混合区，5-锥形过渡区，6-准平推流区，7-固体燃料与石灰石加料口，8-二级配风管，9-高温旋风分离器，10-换热器，11-省煤器，12-返料器，13-中温旋风分离器，14-第一烟气循环风机，15-空气分离装置，16-烟道，17-第二烟气循环风机，18-第三烟气循环风机，19-烟气出口，20-返料管。
具体实施方式
本发明提出一种固体燃料循环流化床富氧燃烧装置及方法，该方法是在循环流化床富氧燃烧装置中采用富氧燃烧分区调控和多级配风来实现固体燃料燃烧，下面结合附图和实例予以说明。
实施例1
如图1所示，本实施例中公开了一种煤和生物质等固体燃料流化床富氧燃烧的分区调控和多级配风装置，包括风室1，设置在风室1上方的布风装置2，布风装置2上方的炉膛3，炉膛3由下部截面积较大的强混合区4、中间锥形过渡区5和上部截面积较小的准平推流区6三部分组成，在强混合区4上部设有煤或生物质等固体燃料与石灰石加料口7，在准平推流区6底部设有二级配风管8，在准平推流区6上部通过管道连接高温旋风分离器9，高温旋风分离器9下端连接返料器12，返料器12通过返料管与炉膛3的强混合区4下部相连接，高温旋风分离器9顶部连接烟道16，烟道16内设换热器10和省煤器11，省煤器11连接中温旋风分离器13，中温旋风分离器13顶部通过第一烟气循环风机14分别链接空气分离装置15和风室1，空气分离装置15同时与二级配风管8连接，烟道16下部分别通过第二烟气循环风机17连接到返料器12底部和返料管20上部，通过第三烟气循环风机18连接固体燃料与石灰石加料口7。
本实例中，采用煤粉作为燃料，运行过程中，燃料与石灰石通过进料装置输送至固体燃料与石灰石加料口7，在播煤风的作用下，播撒进炉膛；高温旋风分离器9经内设换热器10和省煤器11的烟道16输出的烟气进入中温旋风分离器13，第一次烟气循环风机14输出的烟气与空气分离装置15输出的部分氧气混合后作为一级风；空气分离装置15输出的部分氧气直接作为二级风；高温旋风分离器9经烟道16下部的烟气出口19输出的部分烟气经第二烟气循环风机17和第三烟气循环风机18分别与返料器12、返料管20及固体燃料与石灰石加料口7相连作为松动风和播煤风；第一烟气循环风机15、第二烟气循环风机17和第三烟气循环风机18为独立装置，可以分别控制一级风、二级风、松动风和播煤风的风量，从而能有效控制炉膛3内物料的流化状态，一级风含氧量也能进行调节。一级风占总风比例为65％，一级风中氧气体积比为30％；二级风为纯氧，占总风量比为30％；松动风和播煤风占总风量比为5％。
原料煤和石灰石送入炉膛强混合区，立即被大量处于流化状态的高温床料包围，充分混合，迅速着火燃烧，此时运行的床温为850℃--920℃，石灰石被煅烧成氧化钙，氧化钙与SO2结合进行脱硫反应。在炉膛强混合区所发生流化均匀的主要气固反应包括：煤热解反应方程式Coal＝H2，CH4，H2O，CO2，COetc，煤气化过程的独立反应方程式C+1/2O2＝CO，C+O2＝CO2，C+CO2＝2CO，C+H2O＝CO+H2，C+2H2＝CH4，CO+H2O＝H2+CO2；燃烧后含有未被高温旋风分离器分离细小粒子的烟气，经内置换热器和省煤器吸收热量后，部分烟气经中温旋风分离器除尘后与空分装置产生的氧气混合后形成一级风，进入流化床下部的风室，部分烟气经第二和第三烟气循环风机分别作为松动风和播煤风返回到流化床，其余烟气经尾部除尘器等进入CO2压缩纯化装置压缩纯化后封存或利用；其中一级风为含有大量水蒸气的湿烟气，起到增湿脱硫的效果，从而提高脱硫效率，降低运行成本。
实施例2
本实施例中，所采用的燃烧装置与实施例1中的装置相同。
采用煤粉和玉米秸秆混合颗粒(玉米秸秆占体积分数15％)作为燃料，运行过程中，燃料与石灰石通过进料装置输送至固体燃料与石灰石加料口7，在播煤风的作用下，播撒进炉膛；高温旋风分离器9经内设换热器10和省煤器11的烟道16输出的烟气进入中温旋风分离器13，第一次烟气循环风机14输出的烟气与空气分离装置15输出的部分氧气混合后作为一级风；空气分离装置15输出的部分氧气直接作为二级风；高温旋风分离器9经烟道16输出的烟气经第二烟气循环风机17和第三烟气循环风机18分别与返料器12、返料管20和固体燃料与石灰石加料口7相连作为松动风和播煤风；第一烟气循环风机15、第二烟气循环风机17和第三烟气循环风机18为独立装置，可以分别控制一级风、二级风、松动风和播煤风的风量，从而能有效控制炉膛3内物料的流化状态，一级风含氧量也能进行调节。一级风占总风比例为65％，一级风中氧气体积比为30％；二级风为纯氧，占总风量比为30％；松动风和播煤风占总风量比为5％。
煤粉与玉米秸秆混合颗粒和石灰石送入炉膛强混合区，立即被大量处于流化状态的高温床料包围，充分混合，迅速着火燃烧，此时运行的床温为820℃--900℃，石灰石被煅烧成氧化钙，氧化钙与SO2结合进行脱硫反应。强混合区发生流化均匀的气固反应，准平推流区主要发生气相反应。燃烧后含有未被高温旋风分离器分离细小粒子的烟气，经过内置换热器和省煤器吸收热量后，部分烟气经中温旋风分离器除尘后与空分装置产生的氧气混合后形成一级风，进入流化床下部的风室，部分烟气经第二和第三烟气循环风机分别作为松动风和播煤风返回到流化床，其余烟气经尾部除尘器等进入CO2压缩纯化装置压缩纯化后封存或利用；其中一级风为含有大量水蒸气的湿烟气，起到增湿脱硫的效果，从而可以提高脱硫效率，降低运行成本。
实施例3：
本实施例中，所采用的燃烧装置与实施例1中的装置相同。
采用煤粉和生物质成型颗粒混合燃料(生物质混合颗粒占体积分数30％)作为燃料，运行过程中，燃料与石灰石通过进料装置输送至固体燃料与石灰石加料口7，在播煤风的作用下，播撒进炉膛；高温旋风分离器9经内设换热器10和省煤器11的烟道16输出的烟气进入中温旋风分离器13，第一次烟气循环风机14输出的烟气与空气分离装置15输出的部分氧气混合后作为一级风；空气分离装置15输出的部分氧气直接作为二级风；高温旋风分离器9经烟道18输出的烟气经第二烟气循环风机17和第三烟气循环风机18分别与返料器12、返料管20和固体燃料与石灰石加料口7相连作为松动风和播煤风；第一烟气循环风机15、第二烟气循环风机17和第三烟气循环风机18为独立装置，可以分别控制一级风、二级风、松动风和播煤风的风量，从而能有效控制炉膛3内物料的流化状态，一级风含氧量也能进行调节。一级风占总风比例为65％，一级风中氧气体积比为30％；二级风为纯氧，占总风量比为30％；松动风和播煤风占总风量比为5％。
煤粉与生物质成型颗粒的混合燃料和石灰石送入炉膛强混合区，立即被大量处于流化状态的高温床料包围，充分混合，迅速着火燃烧，此时运行的床温为820℃--900℃，石灰石被煅烧成氧化钙，氧化钙与SO2结合进行脱硫反应。强混合区发生流化均匀的气固反应，准平推流区主要发生气相反应。燃烧后含有未被高温旋风分离器分离细小粒子的烟气，经过内置换热器和省煤器吸收热量后分成两部分，部分烟气经中温旋风分离器除尘后与空分装置产生的氧气混合后形成一级风，进入流化床下部的风室，部分烟气经第二和第三烟气循环风机分别作为松动风和播煤风返回到流化床，其余烟气经尾部除尘器等进入CO2压缩纯化装置压缩纯化后封存或利用；其中一级风为含有大量水蒸气的湿烟气，起到增湿脱硫的效果，从而可以提高脱硫效率，降低运行成本。

Claims (6)

1.一种固体燃料循环流化床富氧燃烧装置，该装置由风室、布风装置、炉膛、高温旋风分离器、返料器、换热器、省煤器、中温旋风分离器、二级配风管组成；其特征在于，风室、布风装置、炉膛依次连接，所述炉膛由下部的强混合区、中间锥形过渡区和上部的准平推流区三部分组成，在强混合区上部设有煤或生物质等固体燃料与石灰石加料口，在准平推流区底部设有二级配风管入口，在准平推流区上部通过管道与高温旋风分离器连接，高温旋风分离器下端连接有返料器，返料器通过返料管与炉膛的强混合区下部相连接，高温旋风分离器顶部连接内设换热器和省煤器的烟道；省煤器下部的烟道连接中温旋风分离器，中温旋风分离器顶部通过第一烟气循环风机分别连接空气分离装置和风室；空气分离装置同时与二级配风管连接；烟道下部通过第二、三烟气循环风机分别连接到返料器底部、返料管上部及固体燃料与石灰石加料口。
2.根据权利要求1所述一种固体燃料循环流化床富氧燃烧装置，其特征在于，所述炉膛的准平推流区和强混合区截面积之比为0.4:1--0.7:1。
3.一种循环流化床富氧燃烧装置中固体燃料燃烧的方法，其特征在于，该方法是在循环流化床富氧燃烧装置中采用富氧燃烧分区调控和多级配风来实现固体燃料燃烧，包括：
采用煤和/或生物质为固体燃料；运行过程中，将固体燃料和石灰石通过加料装置输送至固体燃料与石灰石加料口(7)，在播煤风的作用下，播撒进炉膛，在强混合区发生气固反应，在准平推流区发生气相反应；高温旋风分离器(9)经内设换热器(10)和省煤器(11)的烟道(16)输出的烟气进入中温旋风分离器(13)，第一烟气循环风机(14)输出的烟气与空气分离装置(15)输出的部分氧气混合后作为一级风；空气分离装置(15)输出的部分氧气直接作为二级风；烟道(16)下部的烟气出口(19)的部分烟气经第二烟气循环风机(17)和第三烟气循环风机(18)分别进入返料器(12)、返料管(20)和固体燃料与石灰石加料口(7)，其余富含二氧化碳的烟气用于封存或后续利用；其中，第一烟气循环风机(15)、第二烟气循环风机(17)和第三烟气循环风机(18)为独立装置，分别控制一级风、二级风、松动风和播煤风的风量。
4.根据权利要求3所述一种循环流化床富氧燃烧装置中固体燃料燃烧的方法，其特征在于，所述固体燃料和石灰石送入炉膛强混合区，立即被大量处于流化状态的高温床料包围，充分混合后迅速着火燃烧，此时运行的床温为800℃--950℃，同时石灰石煅烧成氧化钙，氧化钙与燃烧产生的SO2结合进行脱硫反应；在准平推流区主要包括下部强混合区所产生CO和H2等与氧的气相燃烧反应以及少量被烟气夹带未完全反应的含碳细微颗粒的气固燃烧反应；燃烧后含有未被高温旋风分离器分离细小粒子的烟气，经过内置换热器和省煤器吸收热量后，部分烟气经中温旋风分离器除尘后与空分装置产生的氧气混合后形成一级风，进入流化床下部的风室，部分烟气经第二和第三烟气循环风机分别作为松动风和播煤风返回到流化床，其余烟气经尾部除尘器等进入CO2压缩纯化装置压缩纯化后封存或后续利用；其中一级风为含有大量水蒸气的湿烟气，起到增湿脱硫的效果，从而可以提高脱硫效率，降低运行成本。
5.根据权利要求3所述一种循环流化床富氧燃烧装置中固体燃料燃烧的方法，其特征在于，所述一级风的组分为氧气和再循环烟气，一级风中氧气体积比为25％--35％。
6.根据权利要求3所述一种循环流化床富氧燃烧装置中固体燃料燃烧的方法，其特征在于，所述一级风的风量占炉膛总风量的65％--75％，二级风的风量占炉膛总风量的20％--30％，松动风和播煤风的风量占炉膛总风量的5％--10％。
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