CN107084401B - 一种氧气/二氧化碳燃烧中高钠高钙煤的预处理提质系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种氧气/二氧化碳燃烧中高钠高钙煤的预处理提质系统及方法，该系统包括氧气/二氧化碳燃烧发电系统等。通过烟气与低温氮气、低温氧气的换热实现冷能的利用，通过将收集的部分CO2通入碳酸/煤粉酸处理反应室制造酸性环境以除去钠、钙元素。该方法能收集并利用空气分离过程所得到的冷能，实现冷‑热能量的梯级利用，并充分利用氧气/二氧化碳燃烧中所产生的CO2。通过控制碳酸/煤粉酸处理反应室内的温度和压力，对高钠高钙煤中的钠元素以及难以通过传统水洗方法脱除的钙元素都可以进行较为高效的脱除，实现了高钠高钙煤粉的脱钠脱钙以及干燥处理。本发明可有效缓解高钠高钙煤在氧气/二氧化碳燃烧的过程中极易出现的积灰结渣等换热面沾污问题。
Description
技术领域：
本发明属于燃煤火力发电系统领域，具体涉及一种氧气/二氧化碳燃烧中高钠高钙煤的预处理提质系统及方法。
背景技术：
随着我国工业水平的持续快速发展，电力需求与日俱增，我国能源短缺问题愈发严重。并且在目前以及可预期的未来，我国的能源结构将长期以煤炭为主。在新疆的准格尔东部地区已发现的煤田预测蕴藏着3900亿吨煤炭资源，能够一定程度上缓解我国煤炭资源短缺的问题。准东煤田是我国乃至全世界迄今为止发现的最大整装煤田。以目前我国煤炭年消耗量计算，准东煤田已探明的煤炭储量预测可供全国使用100年左右。
准东煤具有低灰、低硫、燃烧稳定性强等优点。但是，准东煤田为海洋性沉积型煤田，煤的原生矿物中含有大量钠、钙元素，其含量远高于现有已知动力用煤中相应元素的含量。煤中存在的钠元素直接关系到煤的灰污性质，而钙元素对灰渣的矿物组成和活性有很大的影响。电厂燃用准东煤的过程中，存在着结渣、积灰和腐蚀等问题，尤其是高温过热器和低温再热器区域形成的大面积强粘结性积灰，阻碍受热面的充分换热，严重影响了锅炉的安全正常运行。本发明以准东煤为高钠高钙煤的典例进行讨论。
目前对准东煤的利用主要采用掺烧沾污性弱的煤种这一方法，但这种控制方法只能减缓沾污，无法从根本上解决问题，严重阻碍了准东煤大规模燃用。究其原因，这与准东煤煤灰中高钠高钙含量(其含量大约是常规煤种的数倍至数十倍)密切相关。燃用准东煤过程中，钠会挥发进入气相，烟气中的钠蒸气很容易冷凝在热交换器表面形成冷凝液膜，呈黏稠熔融状，捕集固体颗粒，加速粘结灰的形成，严重影响设备的安全经济运行。
准东煤中钠主要以水溶钠形式存在，水洗可以有效的脱除准东煤中钠元素，改善其积灰结渣特性。但是，水洗的方法难以有效除去准东煤中所含的钙元素，而燃烧产生的氧化钙也是影响积灰结渣的重要因素，所以，必须寻求其他的方法来去除煤粉中的钙元素。
发明内容：
本发明的目的是针对准东煤煤质特性与燃用过程中产生的一系列积灰结渣等换热面沾污问题，提供了一种氧气/二氧化碳燃烧中高钠高钙煤的预处理提质系统及方法。该系统及方法实现了冷、热能量的充分利用，对高钠高钙煤进行酸处理及干燥，并充分利用了氧气/二氧化碳燃烧中的CO2，对高钠高钙煤中的钠元素以及难以用水洗方法除去的钙元素进行了较为高效的脱除，实现了煤粉的脱钠脱钙以及干燥，弥补了水洗方法中无法除去钙元素的不足，从而达到减少换热面积沾污的目的。这对氧气/二氧化碳燃烧中煤粉的提质以及锅炉的安全运行都具有重要意义。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：
一种氧气/二氧化碳燃烧中高钠高钙煤的预处理提质系统，包括第一级气-气换热器、第二级气-气换热器、气-液换热器、CO2压缩液化装置、空气分离器以及煤粉酸处理系统，煤粉酸处理系统包括给煤风机、碳酸/煤粉酸处理反应室、固液分离器、废水净化装置、水泵和风机；其中，
工作时，锅炉的过热器出口连接汽轮机主蒸汽入口，汽轮机驱动发电机发电，汽轮机排汽口连接凝汽器蒸汽入口，从汽轮机抽取高温蒸汽，用来干燥由固液分离器分离出来的湿脱钠脱钙煤；空气分离器出口分别连接第一级气-气换热器和第二级气-气换热器；
烟气首先进入除尘器，部分烟气进行再循环进入锅炉，其余烟气送入第一级气-气换热器，第一级气-气换热器连接气-液换热器，气-液换热器出口连接烟气脱硫装置，烟气脱硫后进入第二级气-气换热器，第二级气-气换热器出口分为两路，一路经CO2压缩液化装置连接CO2液化封存装置，另一路连接风机，风机将CO2送入碳酸/煤粉酸处理反应室；
原煤首先进入碎煤机，碎煤机出口连接磨煤机入口，磨煤机煤粉出口连接给煤风机，给煤风机连接碳酸/煤粉酸处理反应室，碳酸/煤粉酸处理反应室出口连接固液分离器，由固液分离器分出两股管路，一股送出湿脱钠脱钙煤，连接煤粉干燥器；另一股送出待处理废水，连接废水净化装置，废水净化装置连接水泵，水泵将处理完成的水送入碳酸/煤粉酸处理反应室循环使用。
本发明进一步的改进在于，碳酸/煤粉酸处理反应室内置有恒温控制器控制温度；水泵和风机分别与碳酸/煤粉酸处理反应室入口相连。
本发明进一步的改进在于，碳酸/煤粉酸处理反应室上设置有泄压阀，当其内部压力高于安全值时自动释放气体，用于保证风机及水泵的安全运行。
本发明进一步的改进在于，第一级冷却装置由第一级气-气换热器与气-液换热器组成，两台换热器直接相连，冷凝水与冷却水共同回收；第二级冷却装置为第二级气-气换热器。
本发明进一步的改进在于，水泵和风机分别与碳酸/煤粉酸处理反应室相连的管路上布置有单通阀。
一种氧气/二氧化碳燃烧中高钠高钙煤的预处理提质方法，该方法基于上述一种氧气/二氧化碳燃烧中高钠高钙煤的预处理提质系统，包括以下步骤：
将空气分离器分离出来的低温氧气和低温氮气分别收集，经锅炉尾部烟道流出并除尘后的烟气，先后在第一级气-气换热器和气-液换热器中分别与低温氧气和冷却水进行换热，使烟气完成初级冷却，并将烟气中的冷凝水以及冷却水回收，之后烟气进入脱硫环节，完成脱硫的烟气进入下一级烟气冷却器，即第二级气-气换热器，此处采用空气分离过程所产生的低温氮气进行冷却，并将冷凝水与第一级冷却所产生的冷凝水及冷却水共同收集，烟气冷却后得到高纯度的二氧化碳，除去在CO2压缩液化装置中封存利用的二氧化碳之外，抽取部分气态二氧化碳送入碳酸/煤粉酸处理反应室，煤粉中所含大量的钠元素和钙元素在酸性环境下得到脱除；将从碳酸/煤粉酸处理反应室送出的脱钠脱钙煤以及携带的水分在固液分离器中进行分离处理，分离得到的液体在废水净化装置中净化后重新送入碳酸/煤粉酸处理反应室进行水循环利用，而分离得到的固体湿脱钠脱钙煤进入干燥器得到干脱钠脱钙煤，最后送入锅炉炉膛进行燃用。
本发明进一步的改进在于，碳酸/煤粉酸处理反应室中补充的水来自于烟气冷却所产生的冷凝水及冷却水，将其置于空气中进行自然冷却，当碳酸/煤粉酸处理反应室中的水量不足时及时进行补充。
本发明具有以下的优点：
本发明提供的一种氧气/二氧化碳燃烧中高钠高钙煤的预处理提质系统，碳酸/煤粉酸处理反应室中的酸性环境完全由燃烧产物中的CO2提供。现有文献表明，部分高钠高钙煤中的钠元素在水洗条件下可以得到大部分脱除，但钙元素只有在酸性条件下其脱除效果才较为明显，而煤粉中这两种元素的存在是锅炉受热面积灰沾污的重要原因。本发明充分借助了氧气/二氧化碳燃烧中所产生的CO2来提供酸性环境以便煤粉提质。此外，本发明通过第一级气-气换热器、气-液换热器、第二级气-气换热器多部换热器来实现烟气的冷却，相较于传统的水冷，充分地实现了空冷和水冷的协调使用，并且充分地利用了空气分离所产生的氧气氮气所携带的冷量。既节约了冷却水，也使O2在进入富氧预热器前就得到一定程度的升温，有利于高效的燃烧。
进一步，碳酸/煤粉酸处理反应室中的水可以定期更换以保证脱除效果，由于不可避免的煤粉携带所造成的水分消耗完全可以由烟气冷却时的冷凝水及冷却水补充，该做法实现了水资源的节约，并且减少了供水设备的投资。
进一步，在碳酸/煤粉酸处理反应室上方设有泄压阀，以保证反应室内的气压超过安全值时不会发生安全事故。现有理论资料结合实际表明，压力在2～5atm时，钠元素与钙元素的脱除效果比较理想。压力过高时，会对系统设备甚至人身安全带来危害，泄压阀的设置大大提高了系统的安全性。
进一步，与碳酸/煤粉酸处理反应室相连的水泵与风机等设备均需达到特定的扬程或压头要求，碳酸/煤粉酸处理反应室内外压差不能超过水泵或风机的全压，可在其与反应室相连的管路上布置单通阀，以防止流体倒流而引发安全事故。
本发明提供的一种氧气/二氧化碳燃烧中高钠高钙煤的预处理提质方法，烟气的冷却通过空气冷却和水冷却两种方式相配合，机制灵活，相较于传统的水冷，充分利用了空气分离所产生的氧气和氮气所携带的冷量,实现了空气冷却和水冷的协调使用。既节约了冷却水，也使O2在进入富氧预热器前就得到一定程度的升温，最终能够使氧气在进入炉膛时达到更高的温度，有利于高效的燃烧。此外，在低温和2～5atm气压下，碳酸/煤粉酸处理反应室中的氢离子浓度可保持较高的水平，在此基础上，大量钠元素与钙元素以可溶的离子状态存在，便于分离脱除。
经该系统预处理的高钠高钙煤钠元素与钙元素被有效去除，从而能够在一定程度上解决高钠高钙煤燃用过程中产生的换热面沾污问题，提高设备的整体利用率，有助于以准东煤为代表的高钠高钙煤的大规模推广应用，缓解我国煤炭资源短缺问题。
因此，本发明一种氧气/二氧化碳燃烧中高钠高钙煤预处理提质系统及方法，用一种较为简单的方式有效脱除了煤粉中可导致积灰结渣的钠元素和钙元素，具有显著的社会经济效益和环境效益。
附图说明：
图1为本发明一种氧气/二氧化碳燃烧中高钠高钙煤的预处理提质系统的工作原理图。
图中：1-磨煤机；2-碎煤机；3-给煤风机；4-泄压阀；5-水泵；6-发电机；7-汽轮机；8-干燥器；9-凝汽器；10-锅炉；11-富氧预热器；12-第一级气-气换热器；13-气-液换热器；14-空气分离器；15-第二级气-气换热器；16-风机。
具体实施方式：
为了更清楚地理解本发明，以下结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1所示，本发明一种氧气/二氧化碳燃烧中高钠高钙煤的预处理提质系统，包括锅炉10、汽轮机7、发电机6、凝汽器9、干燥器8、除尘器、第一级气-气换热器12、第二级气-气换热器15、气-液换热器13、脱硫装置、CO2压缩液化装置、碎煤机2、磨煤机1、空气分离器14、给煤风机3、碳酸/煤粉酸处理反应室、固液分离器、废水净化装置、水泵5和风机16。
工作时，锅炉10的过热器出口连接汽轮机7主蒸汽入口，汽轮机7驱动发电机6发电，汽轮机7排汽口连接凝汽器9蒸汽入口，从汽轮机7抽取高温蒸汽，用来干燥由固液分离器分离出来的湿脱钠脱钙煤；空气分离器14出口分别连接第一级气-气换热器12和第二级气-气换热器15；烟气首先进入除尘器，部分烟气进行再循环进入锅炉10，其余烟气送入第一级气-气换热器12，第一级气-气换热器12连接气-液换热器13，气-液换热器13出口连接烟气脱硫装置，烟气脱硫后进入第二级气-气换热器15，第二级气-气换热器15出口分为两路，一路经CO2压缩液化装置连接CO2液化封存装置，另一路连接风机16，风机16将CO2送入碳酸/煤粉酸处理反应室；原煤首先进入碎煤机2，碎煤机2出口连接磨煤机1入口，磨煤机1煤粉出口连接给煤风机3，给煤风机3连接碳酸/煤粉酸处理反应室，碳酸/煤粉酸处理反应室出口连接固液分离器，由固液分离器分出两股管路，一股送出湿脱钠脱钙煤，连接煤粉干燥器；另一股送出待处理废水，连接废水净化装置，废水净化装置连接水泵5，水泵5将处理完成的水送入碳酸/煤粉酸处理反应室循环使用。
优选的，碳酸/煤粉酸处理反应室内置有恒温控制器控制温度；水泵5和风机16分别与碳酸/煤粉酸处理反应室入口相连。碳酸/煤粉酸处理反应室中的水可以定期更换以保证脱除效果，由于不可避免的煤粉携带所造成的水分消耗完全可以由烟气冷却时的冷凝水及冷却水补充，该做法实现了水资源的节约，并且减少了供水设备的投资。
优选的，碳酸/煤粉酸处理反应室上设置有泄压阀4，当其内部压力高于安全值时自动释放气体，以保证风机16及水泵5的安全运行。现有理论资料结合实际表明，压力在2～5atm时，钠元素与钙元素的脱除效果比较理想。压力过高时，会对系统设备甚至人身安全带来危害，泄压阀的设置大大提高了系统的安全性。
优选的，第一级冷却装置由第一级气-气换热器12与气-液换热器13组成，两台换热器直接相连，冷凝水与冷却水共同回收；第二级冷却装置为第二级气-气换热器15。
优选的，水泵5和风机16分别与碳酸/煤粉酸处理反应室相连的管路上布置有单通阀，以防止流体倒流而引发安全事故。
其中，一方面，高钠高钙原煤经过碎煤机、磨煤机后得到煤粉，通过给煤风机送入碳酸/煤粉酸处理反应室，在该处钠元素与钙元素得到脱除，之后进入固液分离器，使湿脱钠脱钙煤与液态含有杂质的水分离，湿脱钠脱钙煤与汽轮机抽气进行换热并被干燥，得到干脱钠脱钙煤，之后送入锅炉燃烧。另一方面，由空气分离产生低温氧气与低温氮气，烟气依次与低温氧气、冷却水进行第一级换热，再进入脱硫装置，之后与低温氮气进行第二级换热，被烟气加热的氧气进入富氧预热器(其作用相当于空预器)，而烟气被冷却得到高纯度(纯度大于95％)CO2，CO2一部分送入碳酸/煤粉酸处理反应室创造酸性条件，另一部分进行收集以备利用。
本发明提供的一种氧气/二氧化碳燃烧中高钠高钙煤的预处理提质方法，包括以下步骤：
将空气分离器14分离出来的低温氧气和低温氮气分别收集，经锅炉尾部烟道流出并除尘后的烟气，先后在第一级气-气换热器12和气-液换热器13中分别与低温氧气和冷却水进行换热，使烟气完成初级冷却，并将烟气中的冷凝水以及冷却水回收(注：用来冷却烟气的冷却水是否进行循环使用均可；若循环，则仅回收冷凝水；若不循环，则对冷凝水及冷却水均进行回收，本文以二者均收集为例，下文不再赘述)，之后烟气进入脱硫环节，完成脱硫的烟气进入下一级烟气冷却器，即第二级气-气换热器15，此处采用空气分离过程所产生的低温氮气进行冷却，并将冷凝水与第一级冷却所产生的冷凝水及冷却水共同收集，烟气冷却后得到高纯度的二氧化碳，除去在CO2压缩液化装置中封存利用的二氧化碳之外，抽取部分气态二氧化碳送入碳酸/煤粉酸处理反应室，煤粉中所含大量的钠元素和钙元素在酸性环境下得到脱除；将从碳酸/煤粉酸处理反应室送出的脱钠脱钙煤以及携带的水分在固液分离器中进行分离处理，分离得到的液体在废水净化装置中净化后重新送入碳酸/煤粉酸处理反应室进行水循环利用，而分离得到的固体湿脱钠脱钙煤进入干燥器8得到干脱钠脱钙煤，最后送入锅炉10炉膛进行燃用，另外，碳酸/煤粉酸处理反应室中补充的水来自于烟气冷却所产生的冷凝水及冷却水，将其置于空气中进行自然冷却，当碳酸/煤粉酸处理反应室中的水量不足时及时进行补充。
综上所述，本发明是一种针对高钠高钙煤应用于氧气/二氧化碳燃烧系统中的煤粉预处理提质方式，该系统及方法可以有效地脱除以准东煤为代表的高钠高钙煤中的钠元素、钙元素。需要特别说明的是，在水资源相对匮乏的地区，烟气第一级冷却的冷却水可以进行循环，不取或只取一部分作为碳酸/煤粉酸处理反应室的补充用水以备使用；而在水资源相对丰富的地区，可以无需对冷却烟气的冷却水进行循环，因为这部分冷却水相对于过凝汽器的循环冷却水而言少很多，如果对其进行循环则需要单独设置冷却塔(或其他冷却装置)或将水引入已有冷却塔，导致成本增加。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (7)
1.一种氧气/二氧化碳燃烧中高钠高钙煤的预处理提质系统，其特征在于，包括第一级气-气换热器(12)、第二级气-气换热器(15)、气-液换热器(13)、CO2压缩液化装置、空气分离器(14)以及煤粉酸处理系统，煤粉酸处理系统包括给煤风机(3)、碳酸/煤粉酸处理反应室、固液分离器、废水净化装置、水泵(5)和风机(16)；其中，
工作时，锅炉(10)的过热器出口连接汽轮机(7)主蒸汽入口，汽轮机(7)驱动发电机(6)发电，汽轮机(7)排汽口连接凝汽器(9)蒸汽入口，汽轮机(7)抽气位置连接干燥器(8)高温蒸汽入口，从汽轮机(7)抽气位置抽取高温蒸汽，用来干燥由固液分离器分离出来的湿脱钠脱钙煤；空气分离器(14)出口分别连接第一级气-气换热器(12)和第二级气-气换热器(15)；
烟气首先进入除尘器，部分烟气进行再循环进入锅炉(10)，其余烟气送入第一级气-气换热器(12)，第一级气-气换热器(12)连接气-液换热器(13)，气-液换热器(13)出口连接烟气脱硫装置，烟气脱硫后进入第二级气-气换热器(15)，第二级气-气换热器(15)出口分为两路，一路经CO2压缩液化装置连接CO2液化封存装置，另一路连接风机(16)，风机(16)将CO2送入碳酸/煤粉酸处理反应室；
原煤首先进入碎煤机(2)，碎煤机(2)出口连接磨煤机(1)入口，磨煤机(1)煤粉出口连接给煤风机(3)，给煤风机(3)连接碳酸/煤粉酸处理反应室，碳酸/煤粉酸处理反应室出口连接固液分离器入口，固液分离器有两个出口，一个出口连接干燥器(8)入口，并送出湿脱钠脱钙煤；另一个出口连接废水净化装置入口，并送出待处理废水，废水净化装置连接水泵(5)，水泵(5)将处理完成的水送入碳酸/煤粉酸处理反应室循环使用。
2.根据权利要求1所述的一种氧气/二氧化碳燃烧中高钠高钙煤的预处理提质系统，其特征在于，碳酸/煤粉酸处理反应室内置有恒温控制器控制温度；水泵(5)和风机(16)分别与碳酸/煤粉酸处理反应室入口相连。
3.根据权利要求1所述的一种氧气/二氧化碳燃烧中高钠高钙煤的预处理提质系统，其特征在于，碳酸/煤粉酸处理反应室上设置有泄压阀(4)，当其内部压力高于安全值时自动释放气体，用于保证风机(16)及水泵(5)的安全运行。
4.根据权利要求1所述的一种氧气/二氧化碳燃烧中高钠高钙煤的预处理提质系统，其特征在于，第一级冷却装置由第一级气-气换热器(12)与气-液换热器(13)组成，两台换热器直接相连，冷凝水与冷却水共同回收；第二级冷却装置为第二级气-气换热器(15)。
5.根据权利要求1所述的一种氧气/二氧化碳燃烧中高钠高钙煤的预处理提质系统，其特征在于，水泵(5)和风机(16)分别与碳酸/煤粉酸处理反应室相连的管路上布置有单通阀。
6.一种氧气/二氧化碳燃烧中高钠高钙煤的预处理提质方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至5中任一项所述的一种氧气/二氧化碳燃烧中高钠高钙煤的预处理提质系统，包括以下步骤：
将空气分离器(14)分离出来的低温氧气和低温氮气分别收集，经锅炉尾部烟道流出并除尘后的烟气，先后在第一级气-气换热器(12)和气-液换热器(13)中分别与低温氧气和冷却水进行换热，使烟气完成初级冷却，并将烟气中的冷凝水以及冷却水回收，之后烟气进入脱硫环节，完成脱硫的烟气进入下一级烟气冷却器，即第二级气-气换热器(15)，此处采用空气分离过程所产生的低温氮气进行冷却，并将冷凝水与第一级冷却所产生的冷凝水及冷却水共同收集，烟气冷却后得到高纯度的二氧化碳，除去在CO2压缩液化装置中封存利用的二氧化碳之外，抽取部分气态二氧化碳送入碳酸/煤粉酸处理反应室，煤粉中所含大量的钠元素和钙元素在酸性环境下得到脱除；将从碳酸/煤粉酸处理反应室送出的脱钠脱钙煤以及携带的水分在固液分离器中进行分离处理，分离得到的液体在废水净化装置中净化后重新送入碳酸/煤粉酸处理反应室进行水循环利用，而分离得到的固体湿脱钠脱钙煤进入干燥器(8)得到干脱钠脱钙煤，最后送入锅炉(10)炉膛进行燃用。
7.根据权利要求6所述的一种氧气/二氧化碳燃烧中高钠高钙煤的预处理提质方法，其特征在于，碳酸/煤粉酸处理反应室中补充的水来自于烟气冷却所产生的冷凝水及冷却水，将其置于空气中进行自然冷却，当碳酸/煤粉酸处理反应室中的水量不足时及时进行补充。
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