CN105757651A - 一种水煤浆无焰富氧燃烧系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水煤浆无焰富氧燃烧系统，所述系统包括：炉膛、高速雾化燃烧器、供浆系统、供氧系统、烟气循环系统以及烟气排放回收系统。高速雾化燃烧器包括一次风喷嘴、二次风喷嘴、水煤浆雾化喷嘴；供浆系统包括储浆罐、输浆泵、搅拌过滤器、供浆泵；供氧系统包括氧气罐、气体加热器、气体增压泵；烟气循环系统包括烟气换热器、除尘器、循环风机、冷凝器；烟气排放回收系统包括CO2压缩储存装置和烟囱。本发明提供的一种水煤浆无焰富氧燃烧技术，将氧气进行增压升温，与循环烟气混合射入炉内形成容积燃烧，并使水煤浆通过烟气换热器换热，提高其初始温度，降低着火热，可用于解决目前水煤浆锅炉燃烧效率较低、NOx排放高、CO2捕集成本高等问题。

Description

一种水煤浆无焰富氧燃烧系统
技术领域
本发明属于水煤浆燃烧技术领域，更具体地，涉及一种水煤浆无焰富氧燃烧系统。
背景技术
水煤浆是一种由60～70％的煤粉、30～40％的水以及少量化学添加剂组合而成的燃料。与固态煤相比,水煤浆既保持了煤炭原有的物理特性，又具有液态燃料一样的流动性和稳定性。水煤浆的燃烧会产生大量的温室气体CO2和较高浓度的氮氧化物NOx，带来很大的环境问题，因此开发具有CO2捕集和低NOx排放功能的水煤浆燃烧技术十分必要。
无焰富氧燃烧是一种快速发展且颇具前景的燃烧技术，该燃烧利用纯氧与部分循环烟气混合代替空气进行燃烧，通过高速射流卷吸烟气使氧气稀释到较低的浓度，从而达到一种无明显火焰的容积燃烧，相比于传统燃烧，烟气中的CO2浓度可达到80％以上，从而利于CO2的后续捕集与利用。与此同时，它还具有反应速率低、热流分布均匀、峰值温度低等特点，可以同时实现较低的NOx排放和较高的燃烧效率。
目前，传统的水煤浆燃烧技术存在以下问题(1)水煤浆燃烧初期必然有一个水蒸发的过程，着火热较大；(2)采用空气作为氧化剂，由于空气中的N2含量较高，因此烟气中也含有大量N2，不利于CO2的捕集；(3)存在着火不稳定，燃烧不均匀，炉内出现异常高温等问题；(4)空气中N2的存在及炉内局部高温均能导致NOx排放的大幅上升。
发明内容
针对现有技术的以上问题或改进需求，本发明提供了一种水煤浆无焰富氧燃烧系统，通过将水煤浆与高温烟气进行换热，提高了初始温度，降低了着火热；高速射流的卷吸作用将氧气稀释到较低的浓度，在炉内形成无明显火焰的容积燃烧，再结合以纯氧与部分循环烟气混合代替空气进行燃烧的富氧燃烧技术，解决目前水煤浆锅炉燃烧效率较低、NOx排放高、CO2捕集成本高等问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种水煤浆无焰富氧燃烧系统，其特征在于，所述系统包括：炉膛、高速雾化燃烧器、供浆系统、供氧系统、烟气循环系统以及烟气排放回收系统。
所述高速雾化燃烧器的喷嘴包括一次风喷嘴、二次风喷嘴和水煤浆雾化喷嘴，其中水煤浆雾化喷嘴位于喷嘴面的中部，其周围环绕设置一次风喷嘴，二次风喷嘴对称布置在一次风喷嘴外部；
所述烟气循环系统包括串接的烟气换热器、除尘器、循环风机、冷凝器；所述烟气换热器设有高温烟气进口、一次换热烟气出口、水煤浆进口、水煤浆出口、二次换热烟气进口和二次换热烟气出口；
高温烟气进口与炉膛高温烟气出口连接，一次换热烟气出口与除尘器连接；除尘器出口分两路，一路连接烟气排放回收系统，另一路串接循环风机、冷凝器；二次换热烟气进口与冷凝器出口连接，二次换热烟气出口与二次风喷嘴连接；水煤浆进口与供浆泵输出端连接，水煤浆出口与水煤浆雾化喷嘴连接；
炉膛排出的高温烟气经过烟气换热器换热降温后形成一次换热烟气；经除尘器后，一路接烟气排放回收系统，一路经循环风机、冷凝器除去水汽后送回烟气换热器，与高温烟气换热升温后形成二次换热烟气，送入高速雾化燃烧器；
所述供浆系统包括串接的储浆罐、输浆泵、搅拌过滤器、供浆泵；水煤浆由储浆罐经输浆泵、搅拌过滤器、供浆泵，送至烟气换热器，与从炉膛排放出的高温烟气换热升温后，送至水煤浆雾化喷嘴，由其喷射进入炉膛；
所述供氧系统包括氧气罐、气体加热器和气体增压泵，氧气罐输出分两路，一路经过气体加热器升温后，与经气体增压泵增速后的另一路汇合，并由高速雾化燃烧器喷射进入炉膛；
所述烟气排放回收系统包括烟囱和CO2压缩储存装置，两者与除尘器的输出端并联；经过除尘器除尘的烟气，一部分通过烟囱向外排出；另一部分经CO2净化处理装置净化后，由CO2压缩储存装置回收储存；
优选地，在气体加热器至高速雾化燃烧器支路，与氧气罐至气体增压泵支路之间，设有第一流量阀，用于调节送至高速雾化燃烧器氧气的温度和速度。
优选地，所述高速雾化燃烧器为直流燃烧器。
优选地，所述水煤浆雾化喷嘴含有若干圆中心对称布置的圆形喷口，其数量为12～20个。
优选地，所述供氧系统的输出管路与二次换热烟气出口(106)通向二次风喷嘴(21)的管路连接有第二流量阀(72)，用于向二次换热烟气管路供氧；供氧系统的输出分成两路，一路直通一次风喷嘴(22)，另一路与二次换热烟气(20)混合后接二次风喷嘴(21)；通过第二流量阀，能调节送入二次风喷嘴的氧气与二次换热烟气的比例；优先所述供氧系统释放的氧气体积流量占进入炉膛总气体体积流量的20％～36％。
优选地，所述烟气循环系统中设有第三流量阀，可控制二次换热烟气的流量；所述烟气排放回收系统的烟囱支路设有第四流量阀，可控制进入烟囱的烟气流量；所述烟气排放回收系统的CO2压缩储存装置支路设有第五流量阀，可控制进入CO2净化处理装置的烟气流量。
优选地，所述烟气换热器为套管式换热器，且采用三种不同直径组成的同轴心套管换热结构，套管式换热器从内到外的通过的流体依次为水煤浆、高温烟气、二次换热烟气。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明以纯氧与部分循环烟气混合代替空气进行燃烧，一方面解决了传统燃烧中因烟气中含有大量N2、CO2浓度不高而导致CO2捕集成本过高的问题，另一方面，燃烧过程中无热力型NOx的生成，从而大幅降低了NOx的排放。
(2)本发明中氧气经过气体加热器和气体增压泵装置，提高了其初始温度及初始速度，从而在炉内产生高速射流；强烈的卷吸作用将氧稀释到较低的浓度，使炉内形成无明显火焰的容积燃烧，即无焰燃烧。此时，不存在着火不稳定的问题，炉内温度均匀且无局部高温，从而提高了燃烧效率，降低了NOx的排放。
(3)本发明利用水煤浆较好的流动性及较高的比热容，采用三种不同直径组成的同心套管结构的烟气换热器，增加了水煤浆的初始温度，降低了着火热，提高了燃烧效率。
(4)本发明采用的高速雾化燃烧器，采用一、二次风分级送风，降低了主燃区的氧浓度和温度峰值，并在炉内形成再燃区，有利于NOx的还原；特别地，水煤浆雾化喷嘴含有若干对称布置的圆形喷口，在保证水煤浆有较好的雾化效果的同时也增加了其射流速度，从而增强了对炉内烟气的卷吸作用，有利于水煤浆的无焰燃烧。
附图说明
图1为本发明水煤浆无焰富氧燃烧系统的结构示意图；
图2为本发明烟气换热器的结构示意图；
图3为本发明高速雾化燃烧器的结构示意图；
图4为本发明炉内的流场示意图；
在图中，1-炉膛，2-储浆罐，3-输浆泵，4-搅拌过滤器，5-供浆泵，6-氧气罐，7-气体加热器，8-气体增压泵，9-高速雾化燃烧器，10-烟气换热器，11-除尘器12-循环风机，13-冷凝器，14-CO2净化处理装置，15-CO2压缩储存装置，16-烟囱，17-水煤浆，18-高温烟气，19-一次换热烟气，20-二次换热烟气，21-二次风喷嘴，22-一次风喷嘴，23-水煤浆雾化喷嘴，71-第一流量阀，72-第二流量阀，73-第三流量阀，74-第四流量阀，75-第五流量阀。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1～图4所示，一种水煤浆无焰富氧燃烧系统，其特征在于，所述系统包括：炉膛1、高速雾化燃烧器9、供浆系统、供氧系统、烟气循环系统以及烟气排放回收系统。
所述高速雾化燃烧器9包括一次风喷嘴22、二次风喷嘴21、水煤浆雾化喷嘴23。
所述供浆系统包括串接的储浆罐2、输浆泵3、搅拌过滤器4、供浆泵5；水煤浆由储浆罐2经输浆泵3、搅拌过滤器4、供浆泵5，送至烟气换热器10，与从炉膛1排放出的高温烟气18换热升温后，送至水煤浆雾化喷嘴23，由其喷射进入炉膛1。实施例中，锅炉尾部的高温烟气18的温度约为150℃，由供浆泵输出的水煤浆温度约为20℃，进过烟气换热器10换热之后，水煤浆的入射温度可达40℃以上，高温烟气18则变为温度约为50℃的一次换热烟气19。
所述供氧系统包括氧气罐6、气体加热器7和气体增压泵8，氧气由氧气罐6输出，一端经过气体加热器7升温后，与另一路经气体增压泵8增速后汇合，并由高速雾化燃烧器9喷射进入炉膛1。实施例中，可根据第一流量阀71可调节进入气体加热器和气体增压泵的氧气的比例，可以使氧气经加热增压后流速达到60～120m/s，温度达100℃以上。
所述烟气循环系统包括串接的烟气换热器10、除尘器11、循环风机12、冷凝器13；所述烟气换热器10设有高温烟气进口101、一次换热烟气出口102、水煤浆进口103、水煤浆出口104、二次换热烟气进口105和二次换热烟气出口106；
高温烟气进口101与炉膛1高温烟气出口连接，一次换热烟气出口102与除尘器11连接；除尘器11出口分两路，一路连接烟气排放回收系统，另一路串接循环风机12、冷凝器13；二次换热烟气进口105与冷凝器13出口连接，二次换热烟气出口106与二次风喷嘴21连接；水煤浆进口103与供浆泵5输出端连接，水煤浆出口104与水煤浆雾化喷嘴23连接；
炉膛1排出的高温烟气18经过烟气换热器10换热降温后形成一次换热烟气19；经除尘器11后，一路接烟气排放回收系统，一路经循环风机12、冷凝器13除去水汽后送回烟气换热器10，与高温烟气18换热升温后形成二次换热烟气20，送入高速雾化燃烧器9，二次换热烟气的流量由第三流量阀控制；
所述烟气排放回收系统包括烟囱16和CO2压缩储存装置15，两者与除尘器11的输出端并联；经过除尘器11除尘的烟气，一部分烟气通过烟囱16向外排出；另一部分烟气经CO2净化处理装置14净化，除去是SO2、NO、重金属等有害物质后，由CO2压缩储存装置15回收储存；进入烟囱16的烟气流量由第四流量阀74控制，进入CO2净化处理装置14的烟气流量由第五流量阀75控制。
进一步，图2给出了本发明烟气换热器的结构示意图，所述烟气换热器10为套管式换热器，并采用三种不同直径组成的同心套管结构，从内到外的流体依次为水煤浆17、高温烟气18、二次换热烟气19。通过换热增加了水煤浆的初始温度，降低了着火热，经过烟气换热器10换热之后，二次换热烟气19的温度可达60℃以上。
再进一步，图3给出了本发明高速雾化燃烧器的结构示意图，所述高速雾化燃烧器9为直流燃烧器，且其两个二次风喷嘴21为对称布置，一次风喷嘴22为环形结构。这种一、二次风分级送风的设计降低了主燃区的氧浓度和温度峰值，并在炉内形成再燃区，有利于NOx的还原。特别地，所述水煤浆雾化喷嘴23含有若干对称布置的圆形喷口，其数量为12～20个，在保证水煤浆有较好的雾化效果的同时也可使其射流速度增加至160～200m/s。水煤浆的高速射流大大增强了对炉内烟气的卷吸作用，有利于水煤浆在炉内形成无焰燃烧。
作为更进一步地优选，根据水煤浆锅炉的实际情况，所述供氧系统释放的氧气体积流量占进入炉膛1总气体体积流量的20％～36％。经氧气罐6释放的氧气一部分通过一次风喷嘴22直接进入炉膛1，另一部分则与经过烟气换热器的二次换热烟气19混合形成二次风，然后通过二次风喷嘴21进入炉膛1。通过调节第二流量阀72可控制氧气的混合比例，且二次风的入射速度可达30～50m/s。
图4给出了本发明炉内的流场示意图。所述高速雾化燃烧器9为直流燃烧器，且一次风(氧气)入射速度为60～120m/s，二次风入射速度为30～50m/s，水煤浆入射速度为160～200m/s。由于水煤浆的入射速度较高，在其周围形成较大的负压，从而产生了较强的卷吸作用。强烈的内部烟气循环将主燃区氧气稀释到很低的浓度，从而降低了水煤浆的燃烧速率，并在炉内形成了无明显火焰的容积燃烧。由于此时的燃烧没有火焰，所以不存在着火不稳定的问题。与此同时，强烈的烟气卷吸降低了炉内峰值并使炉内温度分布更加均匀；炉内还会形成再燃区，还原性气氛将抑制NOx的生成。所述供氧系统释放的氧气与二次换热烟气19混合形成二次风后由二次风喷嘴21喷射进入炉膛1，并与水煤浆进行反应；随着烟气不断地循环，CO2浓度逐渐上升，待CO2的浓度足够高(大于80％)时，可将烟气通入CO2净化处理装置14和CO2压缩捕集装置15进行捕集，从而大大降低了CO2的捕集成本。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水煤浆无焰富氧燃烧系统，其特征在于，包括炉膛(1)、高速雾化燃烧器(9)、供浆系统、供氧系统、烟气循环系统以及烟气排放回收系统；其中：
所述高速雾化燃烧器(9)的喷嘴包括一次风喷嘴(22)、二次风喷嘴(21)和水煤浆雾化喷嘴(23)，其中水煤浆雾化喷嘴(23)位于喷嘴面的中部，其周围环绕设置一次风喷嘴(22)，二次风喷嘴(21)对称布置在一次风喷嘴(22)外部；
所述烟气循环系统包括串接的烟气换热器(10)、除尘器(11)、循环风机(12)、冷凝器(13)；所述烟气换热器(10)设有高温烟气进口(101)、一次换热烟气出口(102)、水煤浆进口(103)、水煤浆出口(104)、二次换热烟气进口(105)和二次换热烟气出口(106)；
高温烟气进口(101)与炉膛(1)高温烟气出口连接，一次换热烟气出口(102)与除尘器(11)连接；除尘器(11)出口分两路，一路连接烟气排放回收系统，另一路串接循环风机(12)、冷凝器(13)；二次换热烟气进口(105)与冷凝器(13)出口连接，二次换热烟气出口(106)与二次风喷嘴(21)连接；水煤浆进口(103)与供浆泵(5)输出端连接，水煤浆出口(104)与水煤浆雾化喷嘴(23)连接；
炉膛(1)排出的高温烟气(18)经过烟气换热器(10)换热降温后形成一次换热烟气(19)；经除尘器(11)后，一路接烟气排放回收系统，一路经循环风机(12)、冷凝器(13)除去水汽后送回烟气换热器(10)，与高温烟气(18)换热升温后形成二次换热烟气(20)，送入高速雾化燃烧器(9)；
所述供浆系统包括串接的储浆罐(2)、输浆泵(3)、搅拌过滤器(4)、供浆泵(5)；水煤浆由储浆罐(2)经输浆泵(3)、搅拌过滤器(4)、供浆泵(5)，送至烟气换热器(10)，与从炉膛(1)排放出的高温烟气(18)换热升温后，送至水煤浆雾化喷嘴(23)，由其喷射进入炉膛(1)；
所述供氧系统包括氧气罐(6)、气体加热器(7)和气体增压泵(8)，氧气罐(6)输出分两路，一路经过气体加热器(7)升温后，与经气体增压泵(8)增速后的另一路汇合，并由高速雾化燃烧器(9)喷射进入炉膛(1)；
所述烟气排放回收系统包括烟囱(16)和CO2压缩储存装置(15)，两者与除尘器(11)的输出端并联；经过除尘器(11)除尘的烟气，一部分通过烟囱(16)向外排出；另一部分经CO2净化处理装置(14)净化后，由CO2压缩储存装置(15)回收储存；
工作时，氧气罐(6)输出的氧气，经气体加热器(7)和气体增压泵(8)氧气共同作用，提升温度和速度后，一路送入高速雾化燃烧器(9)的一次风喷嘴(22)，一路与二次换热烟气(20)混合后送入二次风喷嘴；供浆系统通过高速雾化燃烧器(9)的水煤浆雾化喷嘴(23)向炉膛(1)供水煤浆；炉膛(1)产生的高温烟气(18)输出至烟气换热器(10)，实现对水煤浆预加热；并经除尘器(11)后，一路送往烟气排放回收系统向外排放和CO2压缩储存，一路送回烟气换热器(10)再次换热，升温形成二次换热烟(20)。
2.根据权利要求1所述的一种水煤浆无焰富氧燃烧系统，其特征在于，在气体加热器(7)至高速雾化燃烧器(9)支路，与氧气罐(6)至气体增压泵(8)支路之间，设有第一流量阀(71)，用于调节送至高速雾化燃烧器(9)氧气的温度和速度。
3.根据权利要求1所述的一种水煤浆无焰富氧燃烧系统，所述高速雾化燃烧器(9)为直流燃烧器。
4.根据权利要求1所述的一种水煤浆无焰富氧燃烧系统，所述水煤浆雾化喷嘴(23)含有若干圆中心对称布置的圆形喷口，其数量为12～20个。
5.根据权利要求1所述的一种水煤浆无焰富氧燃烧系统，所述供氧系统的输出管路与二次换热烟气出口(106)通向二次风喷嘴(21)的管路连接有第二流量阀(72)，用于向二次换热烟气管路供氧；供氧系统的输出分成两路，一路直通一次风喷嘴(22)，另一路与二次换热烟气(20)混合后接二次风喷嘴(21)；通过第二流量阀(72)，能调节送入二次风喷嘴(21)的氧气与二次换热烟气的比例；优先所述供氧系统释放的氧气体积流量占进入炉膛(1)总气体体积流量的20％～36％。
6.根据权利要求1所述的富氧燃烧系统，所述烟气换热器(10)为套管式换热器，且采用三种不同直径组成的同轴心套管换热结构，套管式换热器从内到外的通过的流体依次为水煤浆(17)、高温烟气(18)、二次换热烟气(20)。
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