CN107289444B - 一种超低挥发分碳基燃料和褐煤低NOx掺烧的系统及方法 - Google Patents

一种超低挥发分碳基燃料和褐煤低NOx掺烧的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种褐煤和超低挥发分碳基燃料低NOx混烧的系统及方法，包括由粉碎机、干燥箱体、小粒径干燥褐煤仓、大粒径干燥褐煤仓、蒸汽泵、尾气净化单元、热烟气管道和蒸汽管道等构成的褐煤干燥系统和由风扇磨煤机、超低挥发分碳基燃料粉仓、燃料喷嘴、燃烧器二次风喷嘴、燃尽风喷嘴、过热器、尾部烟道、省煤器、空气预热器、除尘器、脱硫装置和燃尽风管道等构成的超低挥发分碳基燃料与干燥褐煤的掺烧系统。本发明通过将褐煤干燥技术和超低挥发分碳基燃料与干燥褐煤掺烧系统有机地结合起来，使褐煤在安全有效利用的同时，解决了超低挥发分碳基燃料难以着火、燃尽的问题，降低了NOx的排放。该系统经济环保，简单可靠，适应性范围广，具有广阔的应用前景。

Description

一种超低挥发分碳基燃料和褐煤低NOx掺烧的系统及方法
技术领域
本发明属于褐煤提质和煤炭高效清洁利用领域，特别涉及一种超低挥发分碳基燃料和褐煤低NOx掺烧的系统及方法。
背景技术
目前，煤炭梯级利用是煤炭清洁高效利用的重要途径之一。煤热解和气化副产品半焦和残炭作为高品位洁净燃料燃烧发电，是实现煤炭清洁高效梯级利用的重要组成部分。随着我国煤化工行业的快速发展，目前有大量这类燃料亟待实现燃烧利用。然而热解半焦和气化残炭(以下称为“超低挥发分碳基燃料”) 的挥发分含量很低，通常热解半焦的挥发分含量低于8％，气化残炭的挥发分含量在3％以下，对于现有的燃烧技术和燃烧装备而言，燃烧过程存在着火困难、燃尽率低、NOx排放高等问题。因此，如何实现此类超低挥发分碳基燃料的清洁高效燃烧利用，已成为制约我国煤炭清洁高效梯级利用产业化应用的关键技术瓶颈，并亟待解决。
我国褐煤的探明储量在1000亿吨以上，占全国煤炭总储量的13％左右。但褐煤水分含量高(全水分约为25-60％)，发热量低，使其直接燃烧的热效率低，温室气体排放量高；同时，褐煤挥发分高达40％以上，易风化碎裂、易氧化自燃，难以储存和大规模开发利用。因此，在燃烧前对褐煤进行干燥预处理已成为褐煤高效开发利用的有效手段。结合褐煤易燃和燃料氮含量低等特点，掺烧利用超低挥发分碳基燃料，将有望推动我国煤炭清洁高效梯级利用技术的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超低挥发分碳基燃料和褐煤低NOx掺烧的系统及方法，其同时利用锅炉排烟余热和汽轮机抽汽的热量干燥褐煤，利用干燥褐煤和超低挥发分碳基燃料在炉内分层掺烧的方式，并结合燃料空气深度分级燃烧技术，在提高褐煤燃烧效率的同时，改善超低挥发份碳基燃料难着火、燃尽差的特性，并降低锅炉NOx的排放。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案来实现：
一种超低挥发分碳基燃料和褐煤低NOx掺烧的系统，包括褐煤干燥系统和超低挥发分碳基燃料与干燥褐煤的掺烧系统；其中，
褐煤干燥系统包括原褐煤仓、粉碎机、干燥箱体、滑轮、传送带、小粒径干燥褐煤仓、大粒径干燥褐煤仓、蒸汽泵、风机、冷凝器、尾气净化单元、汽轮机、热烟气管道和蒸汽管道；
超低挥发分碳基燃料与干燥褐煤的掺烧系统包括风扇磨煤机、超低挥发分碳基燃料粉仓、第一层至第五层主燃烧器燃料喷嘴、再燃燃烧器燃料喷嘴、燃烧器二次风喷嘴、燃尽风喷嘴、屏式过热器、对流过热器、省煤器、空气预热器、除尘器和燃尽风管道；
原褐煤仓通过输送管道与粉碎机相连，粉碎机的出口与干燥箱体上部的煤粒入口相连，干燥箱体下部的煤粒出口与小粒径干燥褐煤仓相连，传送带下游与大颗粒褐煤仓相连，小粒径干燥褐煤仓和大颗粒干燥褐煤仓都与风扇磨煤机的入口相连，蒸汽泵的入口与汽轮机抽汽相连，蒸汽泵的出口与干燥箱体的蒸汽入口相连，风机的入口与烟气管道相连，风机的出口与干燥箱体的烟气入口相连，干燥箱体的尾气出口与冷凝器相连，冷凝器与尾气净化单元相连；
风扇磨煤机出口与第一层主燃烧器燃料喷嘴、第五层主燃烧器燃料喷嘴和再燃燃烧器燃料喷嘴相连，超低挥发分碳基燃料粉仓与第二层至第四层主燃烧器燃料喷嘴相连，燃烧所需的二次风分别在各层燃烧器二次风喷嘴喷入炉膛，燃尽风管道经空气预热器与燃尽风喷嘴相连。
本发明进一步的改进在于，干燥箱体向下倾斜放置，且干燥箱体内的传送带采用向下倾斜的带孔洞结构。
本发明进一步的改进在于，褐煤干燥系统采用来自汽轮机的蒸汽和锅炉除尘器后的烟气两种不同品位热源作为褐煤的干燥热源。
本发明进一步的改进在于，风扇磨煤机磨制后的干燥褐煤粉分别作为引燃燃料和再燃燃料在第一层主燃烧器燃料喷嘴、第五层主燃烧器燃料喷嘴和再燃燃烧器燃料喷嘴喷入炉膛，超低挥发分碳基燃料从第二层至第四层主燃烧器燃料喷嘴喷入炉膛，形成了“易燃燃料包难燃燃料”的燃烧布置方式。
本发明进一步的改进在于，燃尽风管道经过空气预热器将空气或纯氧送入燃尽风喷嘴，进而喷入炉膛。
一种超低挥发分碳基燃料和褐煤低NOx掺烧的方法，包括以下步骤：
1)原褐煤仓中的褐煤经过粉碎机粉碎后，从煤粒入口进入干燥箱体进行干燥，在传送带的带动下，小粒径褐煤漏在干燥箱体下部，大粒径褐煤仍停留在传送带上方；汽轮机抽汽在蒸汽泵的作用下，从蒸汽入口进入干燥箱体上部干燥大粒径褐煤，锅炉排烟在风机的作用下，从烟气入口进入干燥箱体下部干燥小粒径褐煤；
2)干燥后的小粒径褐煤从煤粒出口输送至小粒径干燥褐煤仓，干燥后的大粒径褐煤经传送带输送至大粒径干燥褐煤仓，干燥尾气从干燥箱体上部尾气出口排出，经冷凝器将尾气中的水回收，经尾气净化单元净化后将洁净气体排空；
3)干燥褐煤经风扇磨煤机磨粉后分别作为引燃燃料和再燃燃料送入第一层主燃烧器燃烧喷嘴、第五层主燃烧器燃料喷嘴和再燃燃烧器燃料喷嘴组织燃烧，超低挥发分碳基燃料送入炉膛的第二层至第四层主燃烧器燃料喷嘴，燃烧所需二次风由燃烧器二次风喷嘴送入；
4)燃尽风管道经过空气预热器将空气或纯氧预热后送入燃尽风喷嘴，进而喷入炉膛，结合炉膛燃料深度分级、主燃区空气分级和燃烧后期局部补氧，进一步降低了NOx的排放；
5)完全燃烧后的烟气依次经过屏式过热器、对流过热器、省煤器、空气预热器、除尘器、脱硫装置到烟囱排出。
本发明进一步的改进在于，还包括以下步骤：
6)高温烟气将工质水加热至过热蒸汽状态，通过主蒸汽管道送入汽轮机中膨胀做功，驱动汽轮机转动，汽轮机带动发电机发电。
本发明进一步的改进在于，传送带上设有开孔，用于筛选出小粒径褐煤，且开孔的孔径为5-10mm。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
本发明提供的一种超低挥发分碳基燃料和褐煤低NOx掺烧的系统，其中褐煤干燥系统采用向下倾斜的干燥装置，原褐煤在重力和带孔洞的传送带作用下向下流动的过程中，被分成传送带上部的大粒径褐煤和干燥箱体下部的小粒径褐煤；同时利用温度较低的锅炉排烟和温度较高的汽轮机抽汽两种不同品位热源分别干燥小粒径褐煤和大粒径褐煤，该设计不仅使大、小粒径褐煤都得到了充分干燥，而且使得不同品位的能量得到了充分利用；此外还减弱了单纯用汽轮机抽汽干燥褐煤对发电效率带来的不利影响，也避免了单纯使用锅炉排烟干燥褐煤时出力不足和干燥过程不安全的问题。
本发明提供的一种超低挥发分碳基燃料和褐煤低NOx掺烧的方法，超低挥发分碳基燃料与干燥褐煤掺烧烧过程中，采用“炉内分层掺混”和“燃料再燃”相结合的燃烧方式，将干燥褐煤作为引燃和再燃燃料在炉膛燃烧器的底层和顶层喷入，将超低挥发分碳基燃料在中间层燃烧器喷入，充分利用了干燥褐煤燃烧特性优、含氮量低的特性，改善了超低挥发分碳基燃料的燃烧和燃尽性能，并降低了NOx的排放。结合炉膛主燃烧器区域空气深度分级和燃烧后期局部补氧，实现了平衡燃烧效率和控制NOx排放的目的。
综上所述，本发明解决了褐煤和超低挥发分碳基燃料分别燃烧存在的诸多问题，实现了能量的充分利用，且不受地区和环境限制，系统简单可靠、经济环保，便于管理。
附图说明
图1为本发明的结构原理图。
图中：1为原褐煤仓，2为粉碎机，3为干燥箱体，3-1为煤粒入口，3-2为煤粒出口，3-3为蒸汽入口，3-4为烟气入口，3-5为尾气出口，4为滑轮，5为传送带，6为小粒径干燥褐煤仓，7为大粒径干燥褐煤仓，8为蒸汽泵，9为风机，10为冷凝器，11为尾气净化单元，12为风扇磨煤机，13为超低挥发分碳基燃料仓，14-第一层主燃烧器燃料喷嘴，15-第二层主燃烧器燃料喷嘴，16-第三层主燃烧器燃料喷嘴，17-第四层主燃烧器燃料喷嘴，18-第一层主燃烧器燃料喷嘴，19为再燃燃烧器燃料喷嘴，20为燃烧器二次风喷嘴，21为燃尽风喷嘴， 22为屏式过热器，23为对流过热器，24为锅炉尾部烟道，25为省煤器，26为空气预热器，27为燃尽风管道，28为除尘器，29为脱硫装置，30为烟囱，31 为汽轮机，32为发电机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的详细说明
如图1所示，本发明一种超低挥发分碳基燃料和褐煤低NOx掺烧的系统，包括褐煤干燥系统和超低挥发分碳基燃料与干燥褐煤的掺烧系统。
褐煤干燥系统包括原褐煤仓1、粉碎机2、干燥箱体3、滑轮4、传送带5、小粒径干燥褐煤仓6、大粒径干燥褐煤仓7、蒸汽泵8、风机9、冷凝器10、尾气净化单元11、汽轮机31、热烟气管道和蒸汽管道。
超低挥发分碳基燃料与干燥褐煤的掺烧系统采取“分磨制粉，炉内分层掺混”结合“燃料再燃”的方式，包括风扇磨煤机12、超低挥发分碳基燃料粉仓13、第一层至第五层主燃烧器燃料喷嘴14-18、再燃燃烧器燃料喷嘴19、燃烧器二次风喷嘴20、燃尽风喷嘴21、屏式过热器22、对流过热器23、尾部烟道24、省煤器25、空气预热器26、除尘器28、脱硫装置29、烟囱30和燃尽风管道27。
原褐煤仓1通过输送管道与粉碎机2相连，粉碎机2的出口与干燥箱体3 上部的煤粒入口3-1相连，干燥箱体3下部的煤粒出口3-2与小粒径干燥褐煤仓 6相连，传送带5下游与大颗粒褐煤仓7相连，小粒径干燥褐煤仓和大粒径干燥褐煤仓都与风扇磨煤机12的入口相连，蒸汽泵8的入口与汽轮机抽汽相连，蒸汽泵8的出口与干燥箱体3的蒸汽入口3-3相连，风机9的入口与烟气管道相连，风机9的出口与干燥箱体3的烟气入口3-4相连，干燥箱体3的尾气出口3-5与冷凝器10相连，冷凝器10与尾气净化单元11相连。
风扇磨煤机12出口与第一层主燃烧器燃料喷嘴14、第五层主燃烧器燃料喷嘴18和再燃燃烧器燃料喷嘴19相连，超低挥发分碳基燃料粉仓13与第二层至第四层主燃烧器燃料喷嘴15、16、17相连，燃烧所需的二次风分别在各层燃烧器二次风喷嘴20喷入炉膛，燃尽风管道27经过空气预热器26，与燃尽风喷嘴 21相连。
进一步的，干燥箱体是向下倾斜放置的，且干燥箱体内的传送带是向下倾斜的带孔洞结构。
进一步的，干燥系统采用来自汽轮机抽汽的蒸汽和除尘器后的烟气两种不同品位热源作为褐煤的干燥热源。
进一步的，干燥后的大粒径褐煤和小粒径褐煤分区干燥、分仓储存。
进一步的，风扇磨煤机磨制后的干燥褐煤粉分别作为引燃燃料和再燃燃料在炉膛主燃区的底层燃烧器燃料喷嘴、顶层燃烧器燃料喷嘴和再燃燃烧器燃料喷嘴喷入炉膛，超低挥发分碳基燃料从中间层燃烧器燃料喷嘴喷入炉膛，形成了“易燃燃料包难燃燃料”的燃烧布置方式。
进一步的，燃尽风管道经过空气预热器将空气或纯氧送入燃尽风喷嘴，进而喷入炉膛。
本发明一种超低挥发分碳基燃料和褐煤低NOx掺烧的方法，包括如下步骤：
1)原褐煤仓1中的褐煤经过粉碎机2粉碎后，从干燥箱体煤粒入口3-1进入干燥箱体3进行干燥，在倾斜带孔的传送带5的带动下，小粒径褐煤漏在干燥箱体下部，大粒径褐煤仍停留在传送带上方。汽轮机抽汽在蒸汽泵8的作用下，从蒸汽入口3-3进入干燥箱体上部干燥大粒径褐煤，锅炉排烟在风机9的作用下，从烟气入口3-4进入干燥箱体下部干燥小粒径褐煤。控制传送带5上的孔径为5-10mm，控制烟气流速为1-2m/s，蒸汽流速为10-20m/s，烟气来自锅炉除尘器之后，温度为110-130℃，蒸汽来自汽轮机低压缸抽汽，温度为200-300℃。
2)干燥后的小粒径褐煤从干燥箱体下部出口3-2输送至小粒径干燥褐煤仓 6，干燥后的大粒径褐煤经传送带5输送至大粒径干燥褐煤仓7，干燥尾气从干燥箱体3上部尾气出口3-5排出，经冷凝器10将尾气中的水回收，经尾气净化单元11净化后将废气回收，将洁净气体排空。
3)大粒径干燥褐煤经风扇磨煤机磨粉后分别作为引燃燃料和再燃燃料送入炉膛的第一层主燃烧器燃料喷嘴14、第五层主燃烧器燃料喷嘴18和再燃燃烧器燃料喷嘴19组织燃烧，超低挥发分碳基燃料送入炉膛的第二层至第四层主燃烧器燃料喷嘴15、16、17，炉膛燃烧所需二次风由燃烧器二次风喷嘴20送入。干燥褐煤易燃和氮含量低的特性结合本专利提出的“易燃燃料包难燃燃料”燃烧布置方式，不仅改善了超低挥发分碳基燃料的燃烧特性，而且降低了NOx的排放。
4)燃尽风管道27经过空气预热器将空气或纯氧预热后送入燃尽风喷嘴21，进而喷入炉膛，结合炉膛燃料空气深度分级和局部补氧，进一步降低了NOx的排放。
5)完全燃烧后的烟气依次经过屏式过热器22、对流过热器23、省煤器25、空气预热器26、除尘器28、脱硫装置29到烟囱30排出。
6)高温烟气将工质水加热至过热蒸汽状态，通过主蒸汽管道送入汽轮机31 中膨胀做功，驱动汽轮机31转动，汽轮机31带动发电机32发电。
概括来说，本发明同时利用温度较低的锅炉排烟和温度较高的汽轮机抽汽两种不同品位热源分别干燥小粒径褐煤和大粒径褐煤；干燥褐煤作为引燃燃料和再燃燃料与超低挥发分碳基燃料在锅炉内采用“易燃燃料包难燃燃料”分层掺烧与燃料分级燃烧相结合的方式；采用空气或纯氧作为燃尽风，结合炉膛燃料空气深度分级和局部补氧，实现平衡燃烧效率和NOx排放控制的目的。该系统设计既解决了褐煤由于水分高导致的难以直接燃烧利用的问题，又克服了超低挥发分碳基燃料着火燃尽困难的问题，同时降低了燃煤锅炉NOx的排放。本发明充分利用了不同品位能量，适应范围广，经济环保，便于管理。
应理解，该实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，还应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域的技术人员可以对本发明做出各种改动或修改，然而，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种超低挥发分碳基燃料和褐煤低NOx掺烧的系统，其特征在于，包括褐煤干燥系统和超低挥发分碳基燃料与干燥褐煤的掺烧系统；其中，
褐煤干燥系统包括原褐煤仓(1)、粉碎机(2)、干燥箱体(3)、滑轮(4)、传送带(5)、小粒径干燥褐煤仓(6)、大粒径干燥褐煤仓(7)、蒸汽泵(8)、风机(9)、冷凝器(10)、尾气净化单元(11)、汽轮机(31)、热烟气管道和蒸汽管道；
超低挥发分碳基燃料与干燥褐煤的掺烧系统包括风扇磨煤机(12)、超低挥发分碳基燃料粉仓(13)、第一层至第五层主燃烧器燃料喷嘴(14-18)、再燃燃烧器燃料喷嘴(19)、燃烧器二次风喷嘴(20)、燃尽风喷嘴(21)、屏式过热器(22)、对流过热器(23)、省煤器(25)、空气预热器(26)、除尘器(28)和燃尽风管道(27)；
原褐煤仓(1)通过输送管道与粉碎机(2)相连，粉碎机(2)的出口与干燥箱体(3)上部的煤粒入口(3-1)相连，干燥箱体(3)下部的煤粒出口(3-2)与小粒径干燥褐煤仓(6)相连，传送带(5)下游与大颗粒褐煤仓(7)相连，小粒径干燥褐煤仓和大颗粒干燥褐煤仓都与风扇磨煤机(12)的入口相连，蒸汽泵(8)的入口与汽轮机抽汽相连，蒸汽泵(8)的出口与干燥箱体(3)的蒸汽入口(3-3)相连，风机(9)的入口与烟气管道相连，风机(9)的出口与干燥箱体(3)的烟气入口(3-4)相连，干燥箱体(3)的尾气出口(3-5)与冷凝器(10)相连，冷凝器(10)与尾气净化单元(11)相连；
风扇磨煤机(12)出口与第一层主燃烧器燃料喷嘴(14)、第五层主燃烧器燃料喷嘴(18)和再燃燃烧器燃料喷嘴(19)相连，超低挥发分碳基燃料粉仓(13)与第二层至第四层主燃烧器燃料喷嘴(15、16、17)相连，燃烧所需的二次风分别在各层燃烧器二次风喷嘴(20)喷入炉膛，燃尽风管道(27)经空气预热器(26)与燃尽风喷嘴(21)相连；
干燥箱体(3)向下倾斜放置，且干燥箱体(3)内的传送带(5)采用向下倾斜的带孔洞结构。
2.根据权利要求1所述的一种超低挥发分碳基燃料和褐煤低NOx掺烧的系统，其特征在于，褐煤干燥系统采用来自汽轮机(31)的蒸汽和锅炉除尘器(28)后的烟气两种不同品位热源作为褐煤的干燥热源。
3.根据权利要求1所述的一种超低挥发分碳基燃料和褐煤低NOx掺烧的系统，其特征在于，风扇磨煤机(12)磨制后的干燥褐煤粉分别作为引燃燃料和再燃燃料在第一层主燃烧器燃料喷嘴(14)、第五层主燃烧器燃料喷嘴(18)和再燃燃烧器燃料喷嘴(19)喷入炉膛，超低挥发分碳基燃料从第二层至第四层主燃烧器燃料喷嘴(15、16、17)喷入炉膛，形成了“易燃燃料包难燃燃料”的燃烧布置方式。
4.根据权利要求1所述的一种超低挥发分碳基燃料和褐煤低NOx掺烧的系统，其特征在于，燃尽风管道(27)经过空气预热器(26)将空气或纯氧送入燃尽风喷嘴(21)，进而喷入炉膛。
5.一种超低挥发分碳基燃料和褐煤低NOx掺烧的方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至4中任一项所述的一种超低挥发分碳基燃料和褐煤低NOx掺烧的系统，包括以下步骤：
1)原褐煤仓(1)中的褐煤经过粉碎机(2)粉碎后，从煤粒入口(3-1)进入干燥箱体(3)进行干燥，在传送带(5)的带动下，小粒径褐煤漏在干燥箱体(3)下部，大粒径褐煤仍停留在传送带(5)上方；汽轮机抽汽在蒸汽泵(8)的作用下，从蒸汽入口(3-3)进入干燥箱体(3)上部干燥大粒径褐煤，锅炉排烟在风机(9)的作用下，从烟气入口(3-4)进入干燥箱体(3)下部干燥小粒径褐煤；
2)干燥后的小粒径褐煤从煤粒出口(3-2)输送至小粒径干燥褐煤仓(6)，干燥后的大粒径褐煤经传送带(5)输送至大粒径干燥褐煤仓(7)，干燥尾气从干燥箱体(3)上部尾气出口(3-5)排出，经冷凝器(10)将尾气中的水回收，经尾气净化单元(11)净化后将洁净气体排空；
3)干燥褐煤经风扇磨煤机(12)磨粉后分别作为引燃燃料和再燃燃料送入第一层主燃烧器燃烧喷嘴(14)、第五层主燃烧器燃料喷嘴(18)和再燃燃烧器燃料喷嘴(19)组织燃烧，超低挥发分碳基燃料送入炉膛的第二层至第四层主燃烧器燃料喷嘴(15、16、17)，燃烧所需二次风由燃烧器二次风喷嘴(20)送入；
4)燃尽风管道(27)经过空气预热器(26)将空气或纯氧预热后送入燃尽风喷嘴(21)，进而喷入炉膛，结合炉膛燃料深度分级、主燃区空气分级和燃烧后期局部补氧，进一步降低了NOx的排放；
5)完全燃烧后的烟气依次经过屏式过热器(22)、对流过热器(23)、省煤器(25)、空气预热器(26)、除尘器(28)、脱硫装置(29)到烟囱(30)排出。
6.根据权利要求5所述的一种超低挥发分碳基燃料和褐煤低NOx掺烧的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
6)高温烟气将工质水加热至过热蒸汽状态，通过主蒸汽管道送入汽轮机(31)中膨胀做功，驱动汽轮机(31)转动，汽轮机(31)带动发电机(32)发电。
7.根据权利要求5所述的一种超低挥发分碳基燃料和褐煤低NOx掺烧的方法，其特征在于，传送带(5)上设有开孔，用于筛选出小粒径褐煤，且开孔的孔径为5-10mm。
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