CN108151051B - 一种大比例掺烧半焦的燃煤电站锅炉系统和掺烧方法 - Google Patents

Abstract

一种大比例掺烧半焦的燃煤电站锅炉系统和掺烧方法。针对低挥发分半焦燃料，在燃烧时存在着火困难、燃尽性能差和NO_x排放高等问题，本发明综合考虑制粉系统优化、半焦燃料浓淡分区域燃烧、半焦和烟煤炉内分层掺烧、纯氧燃尽风布置和冷能综合利用，采用四角切圆燃烧方式，构建锅炉炉膛五区燃烧环境，开发大比例掺烧半焦的电站锅炉系统，实现掺烧半焦比例≥45％，在实现半焦高效燃烧的同时，实现炉膛出口低NO_x排放，利用空分并经空温式气化器后得到的接近0℃的低温O₂和低温N₂实现脱硫净烟气的深度冷凝，最大程度减少净烟气中的水分，减轻烟囱腐蚀并消除白烟，减轻电站周围视觉污染。

Description

一种大比例掺烧半焦的燃煤电站锅炉系统和掺烧方法

技术领域

本发明属于发电设备领域，具体涉及一种大比例掺烧半焦的燃煤电站锅炉系统和掺烧方法。

背景技术

根据煤在不同转化阶段反应性的不同特点，实现煤炭分质分级转化和能量梯级利用是最为合理的煤炭能源利用方式之一。半焦是无粘结性或弱粘结性的高挥发分烟煤在中低温条件下干馏热解得到的较低挥发分的固体炭质产品。我国低阶煤储量接近5000亿吨，约占煤炭探明储量的42％，这是一类煤化程度较低的煤。低阶煤的分级转化是指将煤炭通过热解或气化提取油气，剩余的半焦或残炭作为高品位洁净燃料燃烧发电的煤炭利用方式。随着我国低阶煤分级转化产业的发展，煤气化、制焦等行业每年将产生数亿吨半焦或残炭。目前全国半焦总产能已经超过1亿吨，但由于传统半焦市场需求不足导致半焦产业产能过剩。为扩大半焦的应用范围，推动半焦在电站动力燃料领域的安全高效利用是一种可行的解决之道。

低阶煤热解或气化的副产品热解半焦、气化残炭属于“超低挥发分碳基燃料”，采用传统的燃烧技术，难以克服着火稳燃困难、燃尽效率低、NO_x排放高的难题。实现此类燃料的清洁高效燃烧利用，已成为制约我国低阶煤分级转化的关键技术瓶颈。大量关于半焦作为动力用煤的着火、燃尽、结渣等燃烧特性研究结果显示，半焦和常规煤种的煤质特性和燃烧性能等具有相似性但又不同，在大型煤粉锅炉上掺烧一定比例的半焦在技术上可行。但是，现有燃烧烟煤电站锅炉在掺烧半焦时易引起锅飞灰含碳量升高、不能满负荷运行、NO_x排放偏高等问题。目前，国内能够实现在燃煤机组安全稳定的掺烧30％左右的半焦，但发现随着掺烧比例的增加，燃煤电站锅炉的飞灰含碳量升高，锅炉效率有所降低。由于国内半焦产量较大，实现大比例掺烧(半焦掺烧比例≥45％)，且保持制粉系统的高效性、不显著降低锅炉效率以及低NO_x排放，具有非常重要的意义。若要进行大比例掺烧半焦，首先需要对制粉系统进行优化，主要包括磨煤机的合理选取以及制粉系统的优化，采用分磨制粉，半焦与烟煤炉内分层掺烧组织，空气深度分级。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现大比例掺烧半焦，且掺烧比例可在较大范围内调节，且能够改善半焦的着火和燃尽特性；降低大比例掺烧半焦时炉膛出口NO_x浓度；实现脱硫净烟气的深度冷凝，减轻烟囱腐蚀，并消除白烟，减轻电站周围污染的大比例掺烧半焦的燃煤电站锅炉系统和掺烧方法。

为达到上述目的，本发明的系统包括包括锅炉本体以及在其炉膛内自下而上布置的着火区、半焦浓相区、半焦淡相区、再燃区和燃尽区，烟煤分别经过烟煤磨煤机和再燃燃料磨煤机制粉后送入着火区和再燃区，半焦经半焦磨煤机和浓淡分离器分离出两股不同浓度的半焦气流分别送入半焦浓相区和半焦淡相区，纯氧燃尽风从燃尽区引入炉膛，在锅炉本体的烟道尾部还连接有脱硫净烟气深度冷凝系统；

所述的脱硫净烟气深度冷凝系统包括依次相连的空分系统、空温气化器和烟气深度冷凝系统，空分系统的低温O₂和低温N₂首先经空温式气化器达到0℃左右的工质，作为低温冷却剂进入烟气深度冷凝系统对脱硫净烟气进行深度冷凝，升温后的氧气经氧气风机进入设置在锅炉烟道内的氧气预热器加热后作为纯氧燃尽风进入燃尽区，净烟气经深度冷凝后形成干烟气和冷凝水，干烟气经烟囱排出，分离出的氮气作为工业应用的配气和保护气。

所述的半焦磨煤机、再燃燃料磨煤机和烟煤磨煤机均采用钢球磨煤机。

所述的烟煤采用直吹式送粉系统，半焦采取热风送粉。

所述的掺烧半焦的比例≥45％。

所述的燃尽风引入之前，炉膛过量氧气系数为0.85～0.95。

锅炉烟道位于氧气预热器的上端还安装有与送风机相连的空气预热器，空气预热器的出口的一次风进入制粉系统。

本发明的大比例掺烧半焦的燃煤电站锅炉的掺烧方法过程如下：

步骤1)从锅炉炉膛下部着火区引入的高挥发分烟煤由烟煤磨煤机进行制粉，另一部分烟煤作为再燃燃料由再燃燃料磨煤机进行制粉，得到煤粉细度较小的再燃燃料引入再燃区，半焦燃料通过半焦磨煤机进行制粉，然后经浓淡分离器进行浓淡分离，得到两股不同浓度的半焦气流分别送入半焦浓相区和半焦淡相区；

步骤2)五区燃烧，一部分高挥发分烟煤从炉膛最下方引入，形成初始着火区，建立稳定的燃烧条件，紧接着，浓半焦煤粉进入炉膛，形成半焦浓相区，淡半焦煤粉在半焦浓相区下游引入，形成半焦淡相区，第四区为剩余烟煤作为再燃燃料引入炉膛后形成的再燃区；第五区为纯氧引入后形成的燃尽区，通过燃尽风量控制再燃区处于亚化学当量比气氛，燃尽风引入之前，炉膛过量氧气系数介于0.85～0.95，着火区燃料量根据煤种挥发分含量进行调节；

步骤3)冷能综合利用：利用空分系统得到的低温O₂和低温N₂首先经空温气化器达到0℃左右的工质，作为低温冷却剂进入烟气深度冷凝系统对脱硫净烟气进行深度冷凝，升温后的氧气经氧气风机进入设置在锅炉烟道内的氧气预热器加热后作为纯氧燃尽风进入燃尽区，净烟气经深度冷凝后形成干烟气和冷凝水，干烟气经烟囱排出，分离出的氮气作为工业应用的配气和保护气。

所述步骤1)的烟煤采用直吹式送粉系统，半焦采取热风送粉。

该燃煤电站锅炉系统实现了大比例掺烧半焦，掺烧半焦的比例可以≥45％，且能够实现掺烧比例的大范围调节，而不需要对磨煤机进行重新改造，对不同燃料进行分磨，各燃料的煤粉细度自主控制，克服了传统燃烧半焦时锅炉存在的着火不稳定，燃尽效率低，实现了NO_x减排。烟煤分为两部分引入炉膛，在炉膛底部引入的烟煤燃料能够改善半焦的着火特性，炉膛内组织半焦浓淡分区域燃烧，浓半焦煤粉气流在炉膛下部引入，形成一个低化学当量比燃烧区域，有利于半焦煤粉气流的着火。并采用了烟气深度冷凝，利用空分并经空温式气化器得到的低温O₂和低温N₂将脱硫净烟气中水分充分冷凝，得到水分极少的干烟气，减轻了烟囱腐蚀和石膏雨，同时消除白烟，减轻电站周围视觉污染。

进一步的，为保证浓半焦煤粉区域稳定的旋转动量结构，一、二次风交替布置，同时煤焦能够在低氧气氛下进行充分的气化，有利于焦炭氮的释放和煤粉的燃尽，由于采用深度分级燃烧，燃尽风引入之前保证炉膛过量氧气系数介于0.85～0.95，充分发挥了再燃燃料NO_x减排作用；且深度分级燃烧条件下，炉膛整体温度水平较低，抑制了热力型NO_x的生成。由于采用纯氧燃尽风，燃料可以在深度分级条件下保证燃尽。

本发明将半焦和烟煤采用不同的磨煤机的进行制粉，半焦输送管道和燃烧器能够有效进行特殊防磨处理，半焦和烟煤制粉系统采用不同的介质温度；半焦可采用调节灵活的百叶窗式浓淡分离器进行浓缩，浓淡煤粉气流可控在4:1至7:1，分离装置阻力较小。烟煤采用直吹式送粉系统，半焦采取热风送粉，改善半焦的着火和燃烧特性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图中1为锅炉本体，2为送风机，3为空气预热器，4为氧气风机，5为氧气预热器，6为着火区，7为半焦浓相区，8为半焦淡相区，9为再燃区，10为燃尽区，11为半焦制粉用磨煤机，12为再燃燃料制粉用磨煤机，13为烟煤制粉用磨煤机，14为半焦浓淡分离器，15为烟气深度冷凝系统，16为空分系统，17为空温式气化器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参见图1，本发明的系统包括锅炉本体1以及在其炉膛内自下而上布置的着火区6、半焦浓相区7、半焦淡相区8、再燃区8和燃尽区10，烟煤通过烟煤磨煤机13和再燃燃料磨煤机12分别制粉后送入着火区6和再燃区8；半焦采用半焦磨煤机11制粉，并经浓淡分离器14分离出两股不同浓度的半焦气流分别送入半焦浓相区7和半焦淡相区8；半焦磨煤机11、再燃燃料磨煤机12和烟煤磨煤机13均采用钢球磨煤机，烟煤采用的是高挥发分烟煤，并采用直吹式送粉系统，半焦采取热风送粉，纯氧燃尽风与燃尽区10相连，锅炉烟道位于氧气预热器5的上端还安装有与送风机2相连的空气预热器3，空气预热器3的出口的一次风与制粉系统相连，在锅炉本体1的烟道尾部还连接有脱硫净烟气深度冷凝系统；

所述的脱硫净烟气深度冷凝系统包括依次相连的空分系统16、空温气化器17和烟气深度冷凝系统15，空分系统16的低温O₂和低温N₂首先经空温式气化器17达到0℃左右的工质，作为低温冷却剂进入烟气深度冷凝系统15对脱硫净烟气进行深度冷凝，升温后的氧气经氧气风机4进入设置在锅炉烟道内的氧气预热器5加热后作为纯氧燃尽风进入燃尽区10，净烟气经深度冷凝后形成干烟气和冷凝水，干烟气经烟囱排出，分离出的氮气作为工业应用的配气和保护气。

参见图1，本发明的掺烧方法如下：

步骤1)在对磨煤机和制粉系统进行改进或重新选型时，选取钢球磨煤机，不同燃料分别磨制，采用不同的运行方式；在进行不同掺烧比例时，不需要对磨煤机和制粉系统进行大的改造，只需对不同磨煤机选取不同的筒体转速、钢球数目、钢球直径、通风量等参数。烟煤和半焦采用不同的磨煤机分别进行制粉，由于采用钢球磨煤机，掺烧半焦的比例没有限制。从锅炉炉膛下部着火区6引入的高挥发分烟煤由烟煤磨煤机13进行制粉，另一部分烟煤采用再燃燃料磨煤机12进行制粉，得到煤粉细度较小的再燃燃料引入再燃区8，为了组织炉内半焦浓淡分区域燃烧，半焦燃料通过半焦磨煤机11进行制粉，然后经浓淡分离器14进行浓淡分离，得到两股不同浓度的半焦气流分别送入半焦浓相区7和半焦淡相区9，烟煤采用直吹式送粉系统，半焦采取热风送粉，降低半焦着火热，改善半焦的着火和燃烧特性；

步骤2)五区燃烧，实现大比例掺烧半焦，且掺烧半焦的比例可以≥45％，解决燃尽效率低和NO_x排放高的问题。一部分高挥发分烟煤从炉膛最下方引入，形成初始着火区6，建立稳定的燃烧条件，有利于后续半焦的着火和稳燃；紧接着，浓半焦煤粉进入炉膛，形成半焦浓相区7，该区域组织一、二次风交替布置，淡半焦煤粉在半焦浓相区7下游引入，形成半焦淡相区8，该区域组织一、二次风集中布置；第四区为剩余烟煤作为再燃燃料引入炉膛后形成的再燃区9；第五区为纯氧引入后形成的燃尽区10，在稳定着火区上方引入浓半焦煤粉气流，该区域氧量低，远离化学当量比，有利于低挥发分半焦燃料的异相着火，同时有效控制了燃料氮向NO_x的转化；同时在低氧气氛下半焦与CO₂和H₂O的气化反应得到加强，促进了焦炭氮析出，且在还原性气氛条件下，焦炭氮向NO_x的转化受到抑制；通过燃尽风量来控制再燃区处于亚化学当量比气氛，保证燃尽风引入之前炉膛过量氧气系数介于0.85～0.95，一方面促进半焦在燃尽风引入之前的再燃区的充分气化，另一方面强化再燃燃料还原NO_x的作用，使得主燃区生成的NO_x在具有强还原性气氛的再燃区充分还原为N₂。由于炉膛采取燃料分级和空气分级，炉膛整体温度水平较低，抑制了热力型NO_x的生成；在炉膛上方布置分离式纯氧燃尽风，实现主燃区未燃成分(主要为CO)的燃烧。着火区燃料量根据煤种挥发分含量进行调节；为了保证深度分级燃烧时半焦较高的燃尽效率，燃尽风采用纯氧，且纯氧燃尽风以相对较高的速度引入炉膛，强化燃尽风与主流烟气的传热传质；

步骤3)冷能综合利用：利用空分系统16得到的低温O₂和低温N₂首先经空温气化器17达到0℃左右的工质，作为低温冷却剂进入烟气深度冷凝系统15对脱硫净烟气进行深度冷凝，升温后的氧气经氧气风机4进入设置在锅炉烟道内的氧气预热器5加热后作为纯氧燃尽风进入燃尽区10，净烟气经深度冷凝后形成干烟气和冷凝水，干烟气经烟囱排出，减轻烟囱腐蚀和石膏雨，同时消除白烟，减轻电站周围视觉污染。分离出的氮气可以作为工业应用的配气和保护气。

Claims (8)

1.一种大比例掺烧半焦的燃煤电站锅炉系统，包括锅炉本体(1)、烟煤磨煤机(13)和半焦磨煤机(11)，其特征在于：在锅炉炉膛内自下而上布置有着火区(6)、半焦浓相区(7)、半焦淡相区(8)、再燃区(9)和燃尽区(10)，烟煤分别经过烟煤磨煤机(13)和再燃燃料磨煤机(12)制粉后送入着火区(6)和再燃区(8)，半焦经半焦磨煤机(11)和浓淡分离器(14)分离出两股不同浓度的半焦气流分别送入半焦浓相区(7)和半焦淡相区(8)，纯氧燃尽风从燃尽区(10)引入炉膛，在锅炉本体(1)的烟道尾部还连接有脱硫净烟气深度冷凝系统；

所述的脱硫净烟气深度冷凝系统包括依次相连的空分系统(16)、空温气化器(17)和烟气深度冷凝系统(15)，空分系统(16)的低温O₂和低温N₂首先经空温式气化器(17)达到0℃左右的工质，作为低温冷却剂进入烟气深度冷凝系统(15)对脱硫净烟气进行深度冷凝，升温后的氧气经氧气风机(4)进入设置在锅炉烟道内的氧气预热器(5)加热后作为纯氧燃尽风进入燃尽区(10)，净烟气经深度冷凝后形成干烟气和冷凝水，干烟气经烟囱排出，分离出的氮气作为工业应用的配气和保护气。

2.根据权利要求1所述的大比例掺烧半焦的燃煤电站锅炉系统，其特征在于：所述的半焦磨煤机(11)、再燃燃料磨煤机(12)和烟煤磨煤机(13)均采用钢球磨煤机。

3.根据权利要求1所述的大比例掺烧半焦的燃煤电站锅炉系统，其特征在于：所述的烟煤采用直吹式送粉系统，半焦采取热风送粉。

4.根据权利要求1所述的大比例掺烧半焦的燃煤电站锅炉系统，其特征在于：所述的掺烧半焦的比例≥45％。

5.根据权利要求1所述的大比例掺烧半焦的燃煤电站锅炉系统，其特征在于：所述的燃尽风引入之前，炉膛过量氧气系数为0.85～0.95。

6.根据权利要求1所述的大比例掺烧半焦的燃煤电站锅炉系统，其特征在于：锅炉烟道位于氧气预热器(5)的上端还安装有与送风机(2)相连的空气预热器(3)，空气预热器(3)的出口的一次风进入制粉系统。

7.一种如权利要求1所述系统的大比例掺烧半焦的燃煤电站锅炉的掺烧方法，其特征在于：

步骤1)从锅炉炉膛下部着火区(6)引入的高挥发分烟煤由烟煤磨煤机(13)进行制粉，另一部分烟煤作为再燃燃料由再燃燃料磨煤机(12)进行制粉，得到煤粉细度较小的再燃燃料引入再燃区(8)，半焦燃料通过半焦磨煤机(11)进行制粉，然后经浓淡分离器(14)进行浓淡分离，得到两股不同浓度的半焦气流分别送入半焦浓相区(7)和半焦淡相区(9)；

步骤2)五区燃烧，一部分高挥发分烟煤从炉膛最下方引入，形成初始着火区(6)，建立稳定的燃烧条件，紧接着，浓半焦煤粉进入炉膛，形成半焦浓相区(7)，淡半焦煤粉在半焦浓相区(7)下游引入，形成半焦淡相区(8)，第四区为剩余烟煤作为再燃燃料引入炉膛后形成的再燃区(9)；第五区为纯氧引入后形成的燃尽区(10)，通过燃尽风量控制再燃区(9)处于亚化学当量比气氛，燃尽风引入之前，炉膛过量氧气系数介于0.85～0.95，着火区燃料量根据煤种挥发分含量进行调节；

步骤3)冷能综合利用：利用空分系统(16)得到的低温O₂和低温N₂首先经空温气化器(17)达到0℃左右的工质，作为低温冷却剂进入烟气深度冷凝系统(15)对脱硫净烟气进行深度冷凝，升温后的氧气经氧气风机(4)进入设置在锅炉烟道内的氧气预热器(5)加热后作为纯氧燃尽风进入燃尽区(10)，净烟气经深度冷凝后形成干烟气和冷凝水，干烟气经烟囱排出，分离出的氮气作为工业应用的配气和保护气。

8.根据权利要求7所述的大比例掺烧半焦的燃煤电站锅炉的掺烧方法，其特征在于：所述步骤1)的烟煤采用直吹式送粉系统，半焦采取热风送粉。