CN106556007A - 一种采用浓淡粗细深度分离及可控涡稳燃技术燃烧煤气化半焦颗粒的方法 - Google Patents

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Abstract

一种采用浓淡粗细深度分离及可控涡稳燃技术燃烧煤气化半焦颗粒的方法，将携带气化半焦的低阶煤一次风半焦粉流进行浓淡分离，得到浓相半焦粉流和稀相半焦粉流；将浓相半焦粉流进行粗细分离，得到浓相粗半焦粉流和浓相细半焦粉流；将稀相半焦粉流与二次风混合后导入燃烧室的外层喷口；将浓相细半焦粉流、浓相粗半焦粉流分别导入燃烧室的内层喷口、中间层喷口，然后喷入燃烧室，燃烧室内层喷口内部安装可控涡钝体装置和辅助增氧二次风喷口，点火时，首先点燃燃烧室内层喷口喷出的浓相细半焦粉流。本发明将有效改善气化半焦的着火、燃烧及燃尽特性，减轻污染物排放，可以有效防止炉壁结渣和水冷壁高温腐蚀。

Description

一种采用浓淡粗细深度分离及可控涡稳燃技术燃烧煤气化半 焦颗粒的方法
技术领域
本发明涉及一种低阶煤气化产生的气化半焦颗粒燃烧方法，尤其是一种采用浓淡粗细深度分离及可控涡稳燃技术燃烧煤气化半焦颗粒的方法。
背景技术
我国煤炭储量虽然丰富，但低阶煤在产量中的占比却很高，接近50％，而经统计褐煤、长焰煤、不粘煤、等低阶煤资源的地质储量达到了5000多亿吨。长期以来，以循环流化床气化为主的低阶煤热解气化技术为实现煤炭资源化高效清洁利用提供了一种可能,但热解后产生的大量半焦颗粒,需要通过燃烧的方式回收利用。热解产生的气化半焦颗粒粒径范围为0-10mm，挥发分含量很低(Vdaf<10％),含碳量较高(Fad：30％-40％)，且燃料发热值低(Qnet,ar:6-15MJ/kg)。此外，气化后生成的煤半焦由于在气化炉中停留时间较长，导致反应活性下降，具有着火困难、难以燃尽的特点，因此研究如何实现气化半焦的稳定着火燃烧、高效燃尽的燃烧方法和工艺，是低阶煤资源化清洁高效利用的必要延伸，也是急需解决的研究课题。
为解决气化半焦稳燃和燃尽困难的问题，国内相关学者对气化半焦的燃烧反应特性进行了研究，提出了一些改善气化半焦着火、燃烧特性的工艺及方法。东南大学针对气化半焦的加压燃烧特性进行了试验研究，研究发现半焦粒径、总压及氧浓度等对气化半焦的着火和燃烧稳定性有较大影响，并得到了影响规律。(1)随着总压的增加，氧分压增加，着火温度明显下降，但下降趋势逐渐减缓；在0.7MPa之前，随总压的增加，半焦燃烧稳定性显著增强，但总压超过0.7MPa以后，燃烧稳定性几乎不随总压变化。(2)随半焦粒径增加，着火温度增加，且半焦在0.3-0.45mm内燃烧稳定性最好。(3)在一定范围内(氧浓度<45％)，随氧浓度增加，着火温度下降，燃烧稳定性增加。针对气化半焦着火困难等特点，哈尔滨工业大学提出了高温空气燃烧的方法，该方法将炉膛高温烟流道和高温空气预热装置相连通，利用烟气余热预热空气/部分烟气混合气，使之温度达到600-800℃，然后将混合气的一部分作为一次风与粉状半焦混合，另一部分作为二次风或燃尽风喷入炉膛。该方法已申请专利，专利公开号为CN101666490A。中国科学院提出了循环流化床预热燃烧技术，该技术首先利用循环流化床预热室将气化残炭预热到800℃以上，然后再送入下行燃烧室燃烧，实现气化半焦稳定高效燃烧。目前，中国科学院已经搭建了实验平台，并针对神木半焦粉进行了预热燃烧实验，结果表明：通过预热燃烧技术有效提高了神木半焦粉的燃烧稳定性，其燃烧效率可以达到97％以上，并且有效控制了NOx的排放。
煤粉浓淡分离技术因其稳燃、高效、防结渣、高温腐蚀及低污染等优点，已被锅炉厂和电厂广泛采用。其技术基本原理为：采用分离结构使一次风管中的风煤混合物分离，在射入炉膛之后，浓粉流的空气量少，抑制了燃料型NOx的生成；淡粉流因空气量多，因此燃料型NOx生成增多，但由于浓粉流有效降低了着火温度，热力型NOx减少，最终使总的NOx排放降低，同时煤粉浓缩后强化了煤粉的着火和燃烧。而新近提出的煤粉粗细分离技术，将煤粉分离为细煤粉流和粗煤粉流，着火时，首先点燃易着火的细煤粉流，然后利用已燃烧的细煤粉流作为稳定热源去点燃粗煤粉流，最终使煤粉气流稳定着火和燃烧。煤粉浓淡/粗细分离技术可有效改善煤粉的着火燃烧过程，扩大稳燃范围，在燃烧低挥发分难燃固体燃料领域有着广泛的应用前景。
可以看出，为实现气化半焦的高效、稳定、清洁燃烧，需要采用行之有效的稳燃技术，而目前将气化半焦燃烧前和燃烧过程相耦合的稳燃技术研究较少，因此研究开发气化半焦燃烧前和燃烧过程中耦合稳燃技术及方法，对实现气化半焦的稳定着火、高效燃尽、低污染排放等具有重要意义，也是急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服低阶煤气化后固体产物气化半焦着火困难、难以燃尽等缺陷，提供一种低阶煤气化半焦燃烧前和燃烧过程中高效、稳定、清洁燃烧的技术及方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种采用浓淡粗细深度分离及可控涡稳燃技术燃烧煤气化半焦颗粒的方法，其具体步骤是：
1)将携带气化半焦的低阶煤一次风半焦粉流进行浓淡分离，得到浓相半焦粉流和稀相半焦粉流；
2)将所述浓相半焦粉流进行粗细分离，得到浓相粗半焦粉流和浓相细半焦粉流；
3)将所述步骤1)中得到的稀相半焦粉流与二次风混合后导入燃烧室的外层喷口，并由外层喷口喷入燃烧室；
4)将步骤2)中得到的浓相细半焦粉流、浓相粗半焦粉流分别导入燃烧室的内层喷口、中间层喷口，然后喷入燃烧室；
5)燃烧室内层喷口内部安装可控涡钝体装置和辅助增氧二次风喷口，在钝体后形成可控回流区，同时辅助增氧二次风通过增氧喷口喷出以提高氧浓度，使浓相细半焦粉流的着火和燃烧过程得到强化。
6)点火时，首先点燃燃烧室内层喷口喷出的浓相细半焦粉流，浓相细半焦粉流着火后将形成稳定热源使中间层喷口喷出的浓相粗半焦粉流和外层喷口喷出的稀相半焦粉流着火燃烧。
优选的，步骤1)中所述的一次风半焦粉流经浓淡分离后，将得到两股不同半焦粉浓度的气流，其中，浓相半焦粉流浓度为0.45-0.85kg.kg-1，稀相半焦粉流浓度为0.15-0.35kg.kg-1，浓淡比约为2:1-3:1。
优选的，所述的控涡钝体装置为空心的三角形，在三角形的两个角上设有辅助增氧二次风喷口。
优选的，在步骤2)中，浓相细半焦粉流中半焦粉粒径小于60μm，优选30-56μm，浓相粗半焦粉流中半焦粉粒径大于细半焦粉粒径，优选75-150μm。
优选的，在步骤5)中，辅助增氧二次风中氧浓度为25％-45％。
优选的，所述辅助增氧二次风速与浓相细半焦粉流风速比值为0-3。
优选的，所述辅助增氧二次风温度为380℃-450℃，可根据负荷稳燃要求进行调控，负荷稳燃范围为40％-100％。
优选的，所述半焦粉来自于低阶煤热解气化后的固体产物或气化系统二级除尘器下取得的气化半焦等。
本发明具有以下优点：
将一次风气化半焦粉流进行浓淡、粗细深度分离，并将分离得到的三股气流：浓相细半焦粉流、浓相粗半焦粉流和稀相半焦粉流由内到外依次由内层喷口、中间层喷口和外层喷口喷出，形成“风包粉”的燃烧方式。
(1)将浓相粗半焦粉流分布在浓相细半焦粉流周围，一方面，充分利用浓相细半焦粉流升温速率快，着火温度低的特点，使浓相细半焦粉流首先着火，浓相细半焦粉颗粒着火释放的热量可用来加热浓相粗半焦粉气流，使粗粉颗粒能够及时着火；另一方面可以将浓相细半焦粉气流和温度较低的炉膛空间隔离开来，使散热速率较慢的粗粉颗粒把散热速率较快的细粉颗粒包裹在整个一次风气流中心，减少点火阶段的散热量，同时浓相粗半焦粉流着火后产生的热量可以维持中心浓相细半焦粉流的高温，更有利于浓相细半焦粉气流的稳定着火。另外，最外层为稀相半焦粉流，可有效防止炉膛结渣和水冷壁高温腐蚀。
(2)浓相半焦粉流的空气量少，燃料型NOx的生成得到抑制；尽管稀相半焦粉流因空气量多，导致燃料型NOx生成增多，但由于浓相半焦粉流有效降低了着火温度，从而热力型NOx生成减少，最终使NOx排放会降低，因此具有低NOx排放特性。
(3)可控涡钝体装置使得钝体后形成回流区并配合辅助增氧二次风，进一步强化了浓相细半焦粉流的着火燃烧过程，提高了燃烧稳定性；同时通过调节辅助增氧二次风速(W1)与浓相细半焦粉流风速(W0)比，可以有效调节回流区的大小、回流量等，提高了燃烧不同气化半焦粉流的适应性和低负荷稳燃特性。
附图说明
图1是本发明的流程框图。
图2是可控涡钝体装置的结构示意图。
图中，1-三角形空心钝体，2-辅助增氧二次风喷口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示：一种采用浓淡粗细深度分离及可控涡稳燃技术燃烧煤气化半焦颗粒的方法，该方法中对半焦粉流进行了浓淡、粗细深度分离，并将分离得到的浓相细半焦粉流、浓相粗半焦粉流、稀相半焦粉流由内到外，依次由内层喷口(加装可控涡钝体及辅助增氧二次风喷口)、中间层喷口、外层喷口喷出，在炉膛内形成“风包粉”的燃烧方式。
该方法包括以下步骤：
1)将携带气化半焦的一次风粉流通过浓淡分离装置进行浓淡分离，得到浓相半焦粉流和稀相半焦粉流；
2)将所述浓相半焦粉流通过粗细分离装置进行粗细分离，得到浓相粗半焦粉流和浓相细半焦粉流；
3)将所述步骤1)中得到的稀相半焦粉流与二次风混合后导入外层喷口，并由外层喷口喷入燃烧室；
4)将步骤2)中得到的浓相细半焦粉流、浓相粗半焦粉流分别导入内层喷口、中间层喷口，然后喷入燃烧室；
5)内层喷口内部安装可控涡钝体装置和辅助二次风增氧喷口，在钝体后形成可控回流区，同时辅助增氧二次风通过增氧喷口喷出以提高氧浓度，辅助增氧二次风中氧浓度为25％-45％，使浓相细半焦粉流的着火和燃烧过程得到强化。
6)点火时，首先点燃内层喷口喷出的浓相细半焦粉流，浓相细半焦粉流着火后将形成稳定热源使中间层喷口喷出的浓相粗半焦粉流和外层喷口喷出的稀相半焦粉流着火燃烧。
在步骤1)中，一定浓度和半焦粉粒径范围(0-10mm)的一次风半焦粉流经浓淡分离装置分离后，将得到两股不同半焦粉浓度的气流，其中，浓相半焦粉流浓度为0.45-0.85kg.kg-1，稀相半焦粉流浓度为0.15-0.35kg.kg-1，浓淡比约为2:1-3:1。在本发明中所述半焦粉浓度是指每kg空气中含半焦粉的重量。
经步骤1)分离得到的浓相半焦粉流中，仍存在粗细两种颗粒。细颗粒着火温度低，升温速率快，有较好的着火特性，但比表面积大，散热速率大，不易燃尽；粗颗粒着火温度高，但散热速率比细颗粒小，有较好的燃尽特性。而粗细颗粒混在一起，既不利于快速着火，也难以实现燃尽。在步骤2)中，浓相半焦粉流通过粗细分离装置，进一步深度分离得到浓相细半焦粉流和浓相粗半焦粉流，其中浓相细半焦粉流粒径小于60μm，优选30-56μm，浓相粗半焦粉流中半焦粉粒径大于细半焦粉粒径，优选75-150μm。
在步骤5)中，为了强化浓相半焦粉流的着火和燃尽，在内层喷口内加装三角形空心的可控涡钝体装置1，在三角形的两个角上设有辅助增氧二次风喷口2(如图2所示)。可控涡是指在空心钝体中引入增氧二次风，并从狭缝的辅助增氧二次风喷口喷出，以促进浓相细半焦粉流的着火及燃烧过程。辅助增氧二次风氧浓度为25％-45％，温度可控制在380℃-450℃，辅助增氧二次风可由烟气加热。通过调节辅助增氧二次风速(W1)与浓相细半焦粉流风速(W0)比，可以调节钝体后回流区大小、回流量等，以适应不同半焦粉的燃烧和实现较好地低负荷稳燃，辅助增氧二次风速(W1)与浓相细半焦粉流风速(W0)比值为0-3。此外，钝体结构除了三角形空心结构外，也可以采用其他钝体结构形式，如船形空心钝体结构等，但必须说明辅助增氧二次风喷口均设置在空心钝体狭缝中。
在步骤6)中，首先使浓相细半焦粉流先着火，使之形成稳定热源并点燃周围的浓相粗半焦粉流，进而使稀相半焦粉流着火燃烧，最终形成“风包粉”的燃烧方式。
在步骤3)和步骤5)中，稀相半焦粉流与二次风混合后，由外层喷口送入燃烧室，补充二次风的目的是为了后期浓相粗半焦粉流的燃烧提供足够的空气。内层喷口、中间层喷口和外层喷口与燃烧室相连接，燃烧器内层喷口、中间层喷口和外层喷口既可以水平布置，也可以竖直布置，喷口的布置方式取决于炉膛的型式及设计要求。喷口的布置方式可根据炉膛及具体设计要求，并配合步骤1)浓淡分离方式(水平浓淡或径向浓淡)进行布置。但无论何种布置，需保证由内到外，依次为浓相细半焦粉流、浓相粗半焦粉流和稀相半焦粉流，总体上形成“风包粉”的燃烧方式。燃烧时，首先使浓相细半焦粉流先着火，使之形成稳定热源并点燃周围的浓相粗半焦粉流，进而使稀相半焦粉流着火燃烧。

Claims (8)

1.一种采用浓淡粗细深度分离及可控涡稳燃技术燃烧煤气化半焦颗粒的方法，其具体步骤是：
1)将携带气化半焦的低阶煤一次风半焦粉流进行浓淡分离，得到浓相半焦粉流和稀相半焦粉流；
2)将所述浓相半焦粉流进行粗细分离，得到浓相粗半焦粉流和浓相细半焦粉流；
3)将所述步骤1)中得到的稀相半焦粉流与二次风混合后导入燃烧室的外层喷口，并由外层喷口喷入燃烧室；
4)将步骤2)中得到的浓相细半焦粉流、浓相粗半焦粉流分别导入燃烧室的内层喷口、中间层喷口，然后喷入燃烧室；
5)燃烧室内层喷口内部安装可控涡钝体装置和辅助增氧二次风喷口，在钝体后形成可控回流区，同时辅助增氧二次风通过增氧喷口喷出以提高氧浓度，使浓相细半焦粉流的着火和燃烧过程得到强化；
6)点火时，首先点燃燃烧室内层喷口喷出的浓相细半焦粉流，浓相细半焦粉流着火后将形成稳定热源使中间层喷口喷出的浓相粗半焦粉流和外层喷口喷出的稀相半焦粉流着火燃烧。
2.如权利要求1所述的一种采用浓淡粗细深度分离及可控涡稳燃技术燃烧煤气化半焦颗粒的方法，其特征在于：步骤1)中所述的一次风半焦粉流经浓淡分离后，将得到两股不同半焦粉浓度的气流，其中，浓相半焦粉流浓度为0.45-0.85kg.kg-1，稀相半焦粉流浓度为0.15-0.35kg.kg-1，浓淡比约为2:1-3:1。
3.如权利要求1所述的一种采用浓淡粗细深度分离及可控涡稳燃技术燃烧煤气化半焦颗粒的方法，其特征在于：所述的可控涡钝体装置为空心的三角形，在三角形的两个角上设有辅助增氧二次风喷口。
4.如权利要求1所述的一种采用浓淡粗细深度分离及可控涡稳燃技术燃烧煤气化半焦颗粒的方法，其特征在于：在步骤2)中，浓相细半焦粉流中半焦粉粒径小于60μm，优选30-56μm，浓相粗半焦粉流中半焦粉粒径大于细半焦粉粒径，优选75-150μm。
5.如权利要求1所述的一种采用浓淡粗细深度分离及可控涡稳燃技术燃烧煤气化半焦颗粒的方法，其特征在于：在步骤5)中，辅助增氧二次风中氧浓度为25％-45％。
6.如权利要求1所述的一种采用浓淡粗细深度分离及可控涡稳燃技术燃烧煤气化半焦颗粒的方法，其特征在于：所述辅助增氧二次风速与浓相细半焦粉流风速比值为0-3。
7.如权利要求1所述的一种采用浓淡粗细深度分离及可控涡稳燃技术燃烧煤气化半焦颗粒的方法，其特征在于：所述辅助增氧二次风温度为380℃-450℃，根据负荷稳燃要求进行调控，负荷稳燃范围为40％-100％。
8.如权利要求1所述的一种采用浓淡粗细深度分离及可控涡稳燃技术燃烧煤气化半焦颗粒的方法，其特征在于：所述半焦粉来自于低阶煤热解气化后的固体产物或气化系统二级除尘器下取得的气化半焦。
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