CN108561880A - 一种水煤浆及其全快速床流化状态的循环流化床燃烧装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水煤浆及燃烧该水煤浆的全快速床流化状态的循环流化床燃烧装置。水煤浆组分包括40％～30％水、60～70％煤粉和钙基脱硫剂及悬浮稳定剂，且煤粉和钙基脱硫剂的体积平均直径均为20～25微米，且煤粉最大颗粒粒径小于120微米。燃烧装置包括燃烧室、分离器等，燃烧室下部前端设置有15～45°倾斜的水煤浆射流装置。燃烧室内流化风速为4～6m/s，燃烧温度为800～900℃；燃烧室自布风板至炉顶的总压差为4～7kPa，燃烧室上部单位高度压差为30‑100Pa/米。水煤浆射流装置包括进浆主管和设置在进浆主管出口端的若干个进浆喷管。本发明具有水煤浆燃烧效率高、燃尽率高、初始污染物排放浓度低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种水煤浆及燃烧该水煤浆的全快速床流化状态的循环流化床燃烧装置，属于清洁煤燃烧技术领域，特别是循环流化床燃烧技术范围。
背景技术
循环流化床煤燃烧是一种利用化工领域的流态化技术实现中温煤燃烧的过程。其优点在于利用气固两相流高传质传热特性，提高固体燃料燃烧反应速度。因此可以得到宽广的燃料适应性，中温燃烧氮氧化物排放小，炉内加入石灰石可实现燃烧中脱除。
循环流化床燃煤技术自上个世纪70年代产生。世界第一台循环流化床锅炉(德国的Duisburg)曾经采用过全快速床流态设计。燃用粒径为300微米左右的煤。设计流化风速高达9米/秒。由于流化风速高，构成燃烧室的垂直受热面需要全部覆盖上浇注料以防止严重磨损。热量的吸收由设置在外循环回路的分离器下的外置式流化床换热器完成。该技术由于外置式换热床结构复杂，维护困难。加上燃烧室四周的水冷壁受热面没有充分利用，所以该技术很快被放弃。
以后，世界上主流循环流化床燃烧锅炉技术均将流化风速设计在5～6米/秒范围，用以解决高流化风速带来的燃烧室垂直水冷壁磨损问题。燃用煤种的粒度也放大到0～20毫米(对高挥发分褐煤或烟煤)和0～8毫米(对低挥发分无烟煤或高灰分矸石)，因此燃烧后的灰分包含一定比例大于1毫米的灰颗粒。这部分大于1毫米的灰颗粒在设计的燃烧室烟气上升速度条件下不能够达到快速床流化状态条件，而是累积在燃烧室下部构成鼓泡床状态。只有小于200微米的灰颗粒通过旋风分离器分离送回燃烧室循环累计到足够量，从而能在燃烧室上部形成快速床状态。而燃烧室形成快速床状态是完成煤燃烧及炉内的脱硝、脱硫的必要条件。下部的粗颗粒鼓泡床本质上是为了解决大颗粒煤的燃尽所需的较长停留时间。改进的循环流化床燃烧技术自1980年代后迅速发展，得到广泛应用。尽管降低流化风速避免了鲁奇型循环流化床锅炉垂直水冷壁的磨损，但是下部水冷壁磨损仍然存在。原因在于燃用较宽粒度燃料不可避免形成大颗粒的灰分。这些大颗粒灰分在燃烧室密相区表面扬析回落，撞击磨损燃烧室与下部防磨浇注料交界处的水冷壁。至今为止循环流化床锅炉的可用率始终低于煤粉燃烧锅炉的主因即在于此。
水煤浆燃料是上个世纪80年代提出的一种低氮燃烧煤基燃料。水煤浆燃料是采用灰份含量低于10％的烟煤与水混合，通过湿式磨煤机将煤磨成小于20微米的细粉，再加入少量悬浮剂形成的浆液，一般要求浆液内固体浓度大于55％。浆液能长时间静置条件下不会分层沉降，以利于管道输运和储存。水煤浆以雾化形式通过专门设计的燃烧器进入燃烧室，在高温环境下水煤浆液滴快速蒸发，煤粉颗粒着火启燃，形成类似于粉煤燃烧的火焰。燃烧室温度控制在1000度以上。水煤浆燃烧技术的优点在于在燃烧过程中由于有水分吸热蒸发的过程，火焰拖长，高温区域点较少，减少了氮氧化物的生成。此外，水煤浆采用管道输送，液罐存储。锅炉房布置简单，没有粉尘污染。我国在上世纪80年代曾经采用水煤浆燃烧技术解决燃油锅炉的燃煤改造。但是该技术仅能减少氮氧化物的热生成，对煤中有机氮向氮氧化物转换没有抑制作用。降低总氮氧化物生成的能力有限。水煤浆对煤的挥发分含量和灰分均有严格要求，否则不能保证燃烧效率和负荷调节能力。而且水煤浆燃烧无法解决炉内脱硫问题，仍然需要在锅炉出口的烟气流路中设置烟气脱硫装置。所以近20年水煤浆燃烧技术逐渐退出市场。
发明内容
本发明提出一种水煤浆配比成分及用于该水煤浆的给浆及燃烧的全快速床流化状态的循环流化床燃烧装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种水煤浆，所述水煤浆组分包括40％～30％水、60～70％煤粉和钙基脱硫剂及悬浮稳定剂；所述钙基脱硫剂含量按含钙量Ca为所述煤粉含硫量S摩尔量的1.6～3.0倍计算。
上述技术方案中，所述煤粉和钙基脱硫剂的体积平均直径均为20～25微米，且煤粉最大颗粒粒径小于120微米。
上述技术方案中，所述钙基脱硫剂选用石灰石。
一种全快速床流化状态的循环流化床燃烧装置，其用于上述水煤浆的给浆和燃烧，所述装置包括燃烧室、分离器、物料回送装置和尾部受热烟道，所述分离器设置在所述燃烧室的侧面，其入口与所述燃烧室上部出口相连；所述分离器烟气出口与所述尾部受热烟道相连；所述物料回送装置设置在所述分离器下方，并与所述燃烧室下部相连；所述燃烧室下部为从上到下的渐缩式燃烧区，且所述渐缩式燃烧区内壁砌筑有耐火材料；所述燃烧室上部为等截面的水冷壁结构；所述装置还包括设置在所述燃烧室下部前端的水煤浆射流装置；所述水煤浆射流装置呈向下倾斜布置，与水平面的夹角α为15～45°；所述燃烧室底部设布风装置，通过所述布风装置供入的空气使得所述燃烧室内流化风速为4～6m/s。
上述技术方案中，所述水煤浆射流装置在所述燃烧室的入口位于所述布风装置上方1～3m。
上述技术方案中，所述水煤浆射流装置包括进浆主管和设置在进浆主管出口端的若干个进浆喷管：所述水煤浆射流装置的进浆喷管直径为5～30mm。
上述技术方案中，所述水煤浆射流装置包括进浆主管和设置在进浆主管出口端的阻流块；所述进浆主管出口端呈扩散锥形；所述阻流块呈锥形，其锥头对着进浆主管；所述阻流块能够在进浆方向前后移动，使得所述阻流块与所述进浆主管出口端内壁面之间形成5～30mm的进浆通道。
作为进一步改进的技术方案，所述水煤浆射流装置的阻流块上设置有若干个隔断，所述若干个隔断以所述阻流块的中心线呈圆周均匀分布在阻流块表面。
上述技术方案中，所述水煤浆射流装置内水煤浆以高压射流方式喷射进入燃烧室，且射流速度为20～40m/s。
上述技术方案中，所述装置的燃烧室燃烧温度为800～900℃；所述燃烧室自布风板至炉顶的总压差为4～7kPa，燃烧室上部单位高度压差为30-100Pa/米。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：采用全快速床流化状态，使得水煤浆的燃烧效率、燃尽率很高，而且中温运行使得燃烧过程初始污染物排放浓度低。
附图说明
图1为本发明所涉及的全快速床流化状态的循环流化床燃烧装置示意图。
图2为本发明所涉及的水煤浆射流装置不同实施例结构示意图。
图3为本发明所涉及的循环流化床燃烧装置流化状态流型示意图。
图中：1－燃烧室；2－分离器；3－物料回送装置；4－尾部受热烟道；5－水煤浆射流装置；51－进浆主管；52－进浆喷管；53－阻流块；54－隔断；6－布风装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。
本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。
本发明所述的水煤浆是在传统水煤浆基础上发展出的新型清洁燃烧水煤浆。新的水煤浆成分中增加了按照钙硫比为1.6～3计算的石灰石。煤和石灰石的粒度为0～120微米，附加悬浮剂保证浆液短时期不会沉降。该煤/石灰石混合浆对煤的灰分含量和挥发分含量没有要求。灰分含量仅影响水煤浆的热值，不会对燃烧过程有影响。
一种水煤浆，组分包括40％～30％水、60～70％煤粉和钙基脱硫剂及悬浮稳定剂。悬浮稳定剂包括纤维素、高分子表面活性剂、聚丙烯酸盐及可溶性盐类，添加量不等于总煤粉量的1％，使得水煤浆一方面结构松软不结块，另一方面水煤浆流动时粘性小而静止时粘度大。其中，钙基脱硫剂含量按含钙量Ca为煤粉含硫量S摩尔量的1.6～3.0倍计算。即钙基脱硫剂中含钙量与煤粉含硫量摩尔比为1.6～3.0。钙基脱硫剂选用石灰石。
煤粉和钙基脱硫剂的体积平均直径均为20～25微米，且煤粉最大颗粒粒径小于120微米。
如图1所示，一种全快速床流化状态的循环流化床燃烧装置，其用于上述水煤浆的给浆和燃烧，所述装置包括燃烧室1、分离器2、物料回送装置3和尾部受热烟道4。分离器2设置在燃烧室1的一侧，分离器2入口与燃烧室1上部出口相连；分离器2烟气出口与尾部受热烟道4相连。物料回送装置3设置在分离器2下方，并与燃烧室1下部相连。燃烧室1下部为从上到下的渐缩式燃烧区，且渐缩式燃烧区内壁砌筑有耐火材料；燃烧室1上部为等截面的水冷壁结构，优选膜式水冷壁结构。
燃烧室1底部设有布风装置6，通过布风装置6供入的空气使得燃烧室1内流化风速为4～6m/s。该流化速度不但避免燃烧室垂直膜式壁的磨损，同时也基本消除水冷壁与浇注料交界处的磨损。而对应燃用的水煤浆内煤及石灰石粒度分布的范围(0～120微米)远低于鲁奇循环流化床锅炉使用的300微米煤颗粒，能够保证全快速床流态的形成。
燃烧室1下部前端设置有水煤浆射流装置5，用于水煤浆的给料。水煤浆射流装置5在所述燃烧室1的入口位于布风装置6上方1～3m。水煤浆射流装置5呈向下倾斜布置，与水平面的夹角α为15～45°。
水煤浆射流装置5的设置如图2所示至少有两种实施方式。第一种实施方式如图2a所示，所述水煤浆射流装置5包括进浆主管51和设置在进浆主管51出口端的若干个进浆喷管52：所述水煤浆射流装置5的进浆喷管52直径为5～30mm。
第二种实施方式如图2b所示，所述水煤浆射流装置5包括进浆主管51和设置在进浆主管51出口端的阻流块53；所述进浆主管51出口端呈扩散锥形；所述阻流块53呈锥形，其锥头对着进浆主管51；所述阻流块53能够在进浆方向前后移动，使得所述阻流块53与所述进浆主管51出口端内壁面之间形成5～30mm的进浆通道。
作为对上述第二种实施方式的改进技术方案，如图2c所示，阻流块53上设置有若干个隔断54，隔断54顺着进浆方向设置；所述若干个隔断54以所述阻流块53的中心线呈圆周均匀分布在阻流块53表面。
所述水煤浆射流装置内水煤浆以高压射流方式喷射进入燃烧室，且射流速度为20～40m/s。
所述装置的燃烧室温度为800～900℃；所述燃烧室1自布风板至炉顶的总压差在4～7KPa之间，燃烧室1上部(通常在二次风口以上)单位高度压差为30-100Pa/米。
水煤浆射流装置5内水煤浆呈5～30mm的液柱状以高压射流方式喷射进入燃烧室1，且射流速度为20～40m/s。水煤浆的喷射方法区别于传统水煤浆的雾化给入(高速射流，形成数十微米级的液滴)方法，也区别于目前在循环流化床燃用泥煤时采用的泵入方法(低速泵入，形成大于厘米级的团块)。
本发明所述的全快速床流态循环流化床锅炉其内部燃烧室自底部直至燃烧室顶部是由全部可以夹带的、粒径小于120微米的颗粒构成的快速床。其流态化物料浓度曲线介乎于如图3所示的A区范围内的1～15kg/m3床料浓度曲线。
由于燃烧本水煤浆的循环流化床内存在大量热灰颗粒，能够将给入的浆液加热至燃点并维持燃烧完成，因此对挥发分含量没有要求，制备本水煤浆的煤种包括无烟煤、贫煤、烟煤、煤泥、石油焦等。浆液进入本发明所述全快速床循环流化床中温运行(800～900℃)燃烧，既能抑制氮氧化物的热生成，也能降低燃料氮向氮氧化物的转换。同时加入的石灰石可以在中温燃烧条件下实现炉内脱硫。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种水煤浆，其特征在于：所述水煤浆组分包括40％～30％水、60～70％煤粉和钙基脱硫剂及悬浮稳定剂；所述钙基脱硫剂含量按脱硫剂含钙量Ca为所述煤粉含硫量S摩尔量的1.6～3.0倍计算。
2.根据权利要求1所述的一种水煤浆，其特征在于：所述煤粉和钙基脱硫剂的体积平均直径均为20～25微米，且煤粉最大颗粒粒径小于120微米。
3.根据权利要求1或2所述的一种水煤浆，其特征在于：所述钙基脱硫剂选用石灰石。
4.一种全快速床流化状态的循环流化床燃烧装置，其用于如权利要求1所述水煤浆的给浆和燃烧，所述装置包括燃烧室(1)、分离器(2)、物料回送装置(3)和尾部受热烟道(4)，所述燃烧室(1)下部为从上到下的渐缩式燃烧区，且所述渐缩式燃烧区内壁砌筑有耐火材料；所述燃烧室(1)上部为等截面的水冷壁结构；其特征在于：所述装置还包括设置在所述燃烧室(1)下部前端的水煤浆射流装置(5)；所述水煤浆射流装置(5)呈向下倾斜布置，与水平面的夹角α为15～45°；所述燃烧室(1)底部设布风装置(6)，通过所述布风装置(6)供入的空气使得所述燃烧室(1)内流化风速为4～6m/s。
5.根据权利要求4所述的一种全快速床流化状态的循环流化床燃烧装置，其特征在于：所述水煤浆射流装置(5)在所述燃烧室(1)的入口位于所述布风装置(6)上方1～3m。
6.根据权利要求4所述的一种全快速床流化状态的循环流化床燃烧装置，其特征在于：所述水煤浆射流装置(5)包括进浆主管(51)和设置在进浆主管(51)出口端的若干个进浆喷管(52)：所述水煤浆射流装置(5)的进浆喷管(52)直径为5～30mm。
7.根据权利要求4所述的一种全快速床流化状态的循环流化床燃烧装置，其特征在于：所述水煤浆射流装置(5)包括进浆主管(51)和设置在进浆主管(51)出口端的阻流块(53)；所述进浆主管(51)出口端呈扩散锥形；所述阻流块(53)呈锥形，其锥头对着进浆主管(51)；所述阻流块(53)能够在进浆方向前后移动，使得所述阻流块(53)与所述进浆主管(51)出口端内壁面之间形成5～30mm的进浆通道。
8.根据权利要求7所述的一种全快速床流化状态的循环流化床燃烧装置，其特征在于：所述水煤浆射流装置(5)的阻流块(53)上设置有若干个隔断(54)，所述若干个隔断(54)以所述阻流块(53)的中心线呈圆周均匀分布在阻流块(53)表面。
9.根据权利要求4至7任一项所述的一种全快速床流化状态的循环流化床燃烧装置，其特征在于：所述水煤浆射流装置(5)内水煤浆以高压射流方式喷射进入燃烧室(1)，且射流速度为20～40m/s。
10.根据权利要求4所述的一种全快速床流化状态的循环流化床燃烧装置，其特征在于：所述装置的燃烧室(1)温度为800～900℃；所述燃烧室(1)自布风板至炉顶的总压差为4～7kPa。
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