CN109724070B

CN109724070B - 一种增压富氧燃煤系统和方法

Info

Publication number: CN109724070B
Application number: CN201910128358.5A
Authority: CN
Inventors: 张立麒; 张泽武; 李小姗; 罗聪; 鲁博文; 赵征鸿; 陈爱玲; 李诗谙
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2039-02-21
Also published as: CN109724070A

Abstract

本发明涉及一种增压富氧燃煤系统和方法，属于煤粉燃烧技术领域；本发明提供一种增压富氧燃煤系统，包括燃烧器、炉膛、换热装置、增压装置、脱硫脱硝装置；经过所述增压装置增压后的一次风和二次风，再经所述换热装置预热，然后经所述燃烧器，分别通入所述炉膛内，进行增压富氧燃烧；所述换热装置连接所述炉膛的烟气出口，以水和空气为介质，降低所述烟气温度，并回收所述烟气余热；通过对循环烟气的加压，增强炉膛内辐射热传导，提高烟气中水蒸气的气化潜热，减少设备尺寸降低基建成本，通过对炉膛出口烟气热量的回收利用，能有效弥补富氧燃烧过程造成的能效降低，本发明尤其适用于煤粉锅炉或者其他类似设备。

Description

一种增压富氧燃煤系统和方法

技术领域

本发明属于煤粉燃烧技术领域，涉及一种增压富氧燃煤系统和方法。

背景技术

富氧燃烧技术能大规模捕集化石燃料燃烧产生的CO₂，发展潜力巨大。其特点在于用燃料燃烧的烟气和纯氧混合(总氧量为25-35vol％)代替空气作为助燃剂。相比于传统的空气燃烧，由于燃前氮气的分离，加之燃烧过程中的不断烟气循环，使得干烟气中的CO₂浓度可达80％以上，有利于CO₂的封存及利用。但是，目前的富氧燃烧技术都在常压下进行，空气分离装置、烟气循环以及烟气净化产生的能耗，这些都导致富氧燃烧系统整体效率降低。

加压富氧燃烧是指在烟气下游安装了换热装置的加压容器里发生的富氧燃烧。其特点在于能回收高压下烟气热量(主要是水蒸气潜热更大)，并且由此产生的高温蒸汽可以耦合到蒸汽循环系统，提高燃煤电厂的发电效率。同时，CO₂捕集与封存过程中需要对CO₂进行加压处理，因此在燃烧过程中加压，从本质上来说，不会带来额外的能耗。此外，在高压下，SO_x、NO_x等污染物更易脱除。更重要的是，相对于常规富氧燃烧，在锅炉相同负荷条件下，加压富氧燃烧需要更小的设备尺寸，建造成本将大大降低。加压富氧燃烧技术作为新一代的富氧燃烧技术，具有巨大的潜力。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种增压富氧燃煤系统和方法，通过对循环烟气的加压，增强炉膛内辐射热传导，提高烟气中水蒸气的气化潜热，减少设备尺寸降低基建成本；通过对炉膛出口烟气热量的回收利用，能有效弥补富氧燃烧过程造成的能效降低。

本发明提供一种增压富氧燃煤系统，包括燃烧器、炉膛、换热装置、增压装置、脱硫脱硝装置；经过所述增压装置增压后的一次风和二次风，再经所述换热装置预热，然后经所述燃烧器，分别通入所述炉膛内，进行增压富氧燃烧；所述换热装置连接所述炉膛的烟气出口，以水和空气为介质，降低所述烟气温度，并回收所述烟气余热。

进一步的，所述燃烧器具有多个燃烧器，优选为三个燃烧器，所述三个燃烧器呈120°角，水平同心分布在所述炉膛内；所述炉膛为压力容器。

进一步的，所述换热装置采用多段式换热，优选为两段式换热，所述两段式换热分为高温段换热和中低温段换热，所述高温段换热为蒸汽-烟气逆流换热，所述中低温段换热为空气-烟气换热；所述二次风在前，所述一次风在后。

进一步的，所述换热装置和所述燃烧器均具有通过所述一次风和所述二次风的通道，所述换热装置和所述燃烧器二者的所述通道对应相连；所述燃烧器的一次风通道为直流风通道，位于所述燃烧器内部，所述燃烧器的二次风通道为旋流风通道，位于所述燃烧器外部。

进一步的，所述增压通过所述增压装置完成，所述增压装置包括第一增压装置和第二增压装置，所述第一增压装置和所述第二增压装置分别对所述一次风和所述二次风进行增压。

进一步的，所述系统还包括空分装置、烟气管道、烟气除尘装置、冷凝装置、CO₂储存容器中的至少一种。

本发明还提供一种增压富氧燃煤方法，包括如下步骤：

将煤粉经所述燃烧器燃烧产生的烟气，经所述换热装置热量回收，然后经烟气除尘装置除尘，得到除尘烟气，将所述除尘烟气分为第一除尘烟气和第二除尘烟气；

将所述第二除尘烟气与氧气混合，作为所述二次风，经所述第二增压装置进行增压，然后经所述换热装置预热，通入所述炉膛内；

将所述第一除尘烟气经冷凝装置冷凝除水，得到干燥烟气，将所述干燥烟气分为第一干燥烟气和第二干燥烟气；

将所述第一干燥烟气与氧气混合，作为所述一次风，经所述第一增压装置进行增压，然后经所述换热装置预热，携带煤粉通入所述炉膛内；

将所述第二干燥烟气通过所述脱硫脱氮装置进行脱硫和/或脱氮，然后压缩储存。

进一步的，向所述第一除尘烟气冷凝除水得到的冷凝水中，加入供给水，作为介质，并通过换热装置，对所述炉膛出口烟气的余热进行回收，回收所述余热过程中，会产生高温蒸汽，将所述高温蒸汽作为热能使用，和/或，将所述热能转换成除所述热能以外的能量使用，优选为电能。

进一步的，所述炉膛操作压力为1.0-8.0MPa，所述一次风压力为1.0-8.0MPa，所述二次风压力为1.0-8.0MPa，所述一次风和所述二次风的体积比为10-15％：85-90％。

进一步的，按体积百分比计，所述一次风含氧量为15-25％，所述二次风含氧量为20-40％，进入所述炉膛的总氧量占总风量的25-35％，过氧系数为1.00-1.15。

相比于现有技术，本发明具有以下优点：

1、本发明通过对循环烟气的加压，增强炉膛内辐射热传导，提高烟气中水蒸气的气化潜热，减少设备尺寸降低基建成本。

2、本发明通过对炉膛出口烟气热量的回收利用，能有效弥补富氧燃烧过程造成的能效降低。

3、本发明在CO₂减排和热量高效利用方面，具有良好的兼容性，尤其适用于煤粉锅炉或者其他类似设备。

附图说明

图1为增压富氧燃煤系统的流程示意图；

其中：1.燃烧器，2.炉膛，3.换热装置，4.烟气除尘装置，5.第二流量调节阀，6.冷凝装置，7.第一流量调节阀，8.脱硫脱硝装置，9.第二增压装置，10.空分装置，11.第一增压装置，12.给煤装置，13.CO₂储存容器。

图2为换热装置图。

具体实施方式

下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。

在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

本发明所述的煤粉加压富氧燃烧方法，在整个燃烧过程中，炉膛操作压力为1.0-8.0MPa，氧气浓度为25-35vol.％。煤粉提供燃烧器燃烧产生的烟气，经换热装置回收烟气余热、烟气除尘装置除灰，抽取一定比例的烟气与空分装置产生的氧气混合作为二次风，经第二增压装置增压、换热装置预热后被送入炉膛；剩余烟气经冷凝装置除水后，抽取一定比例烟气与空分装置产生的氧气混合后作为一次风，经第一增压装置#增压、换热装置预热后，携带煤粉被送入炉膛；最后剩余烟气经脱硫、脱氮后，压缩储存于CO₂储存装置中；同时回收所述的烟气冷凝装置产生的冷凝水，并补充一定的供给水，经换热装置回收高温、高压的烟气中余热(主要是水蒸气的潜热)，产生的高温蒸汽可以用于蒸汽轮机发电及其其他用途。

具体而言，烟气循环方法：在烟气除尘装置和冷凝装置之间抽取的烟气作为二次风循环烟气；在冷凝装置后抽取的烟气作为一次风循环烟气。

具体而言，一次风和二次风加压方法：一次风循环烟气和纯氧混合后在第一增压装置中压力增加至1.0-8.0MPa，作为一次风；二次风循环烟气与纯氧混合后在第二增压装置中压力增加至1.0-8.0MPa，作为二次风。

具体而言，燃烧方法：经增压后的一次风和二次风，经换热装置预热后，在燃烧器中分别经直流、旋流通道进入炉膛。一次风含氧量为15-25vol.％，二次风含氧量为20-40vol.％，进入炉膛的总氧气体积流量占进入炉膛总风量的25％-35％(体积分数)，过氧系数为1.00-1.15。

如图1所示，本发明提供的实现上述煤粉加压富氧燃烧方法的燃烧系统；其中：1.燃烧器，2.炉膛，3.换热装置，4.烟气除尘装置，5.第二流量调节阀，6.冷凝装置，7.第一流量调节阀，8.脱硫脱硝装置，9.第二增压装置，10.空分装置，11.第一增压装置，12.给煤装置，13.CO₂储存容器。

炉膛2结构为压力容器。

三个燃烧器1呈120°角水平分布在炉膛内，同心布置，一次直流风道在内，二次旋流风道在外，与换热装置的一次风通道、二次风通道相连接；将具有温度、压力的一次风、二次风分别通过直流、旋流通道注入炉膛。

换热装置3连接炉膛烟气出口，换热装置采用两段式换热，所述两段式换热，分为高温段换热(Ⅰ)和中低温段换热(Ⅱ)，所述高温段换热为蒸汽-烟气逆流换热，所述中低温段换热为空气-烟气换热；所述二次风在前，所述一次风在后；详细布置如图2所示。

增压装置11位于一次风管路上，增压装置9位于二次风管路上；氧气分别和一次风循环烟气、二次循环风烟气混合后，经增压装置加压至1.0-8.0MPa。

脱硫脱氮装置8布置在CO₂储存容器13之前，该装置处于15个大气压时，喷入水，可实现80％以上SO_x、NO_x的脱除，压力越高，脱除效率越高。

实施例1

锅炉操作压力为1.0MPa，煤粉经燃烧器燃烧后产生的高温、高压的烟气，先经过换热装置3换热回收烟气余热、烟气除尘装置4除尘后，抽取一定比例的烟气作为二次风循环烟气，烟气循环量可由流量调节装置5控制。二次风循环烟气注入氧气后形成二次风，经第二增压装置增压、换热装置3预热后，由燃烧器1的旋流通道进入炉膛(二次风如图1粗实线所示)。二次风压力为1.0MPa，温度为100℃，风速为30m/s，水蒸气体积分数为10vol.％。经冷凝装置5除水后的干、冷烟气，抽取一定比例烟气作为一次风循环烟气，循环烟气量可由流量调节装置7控制。一次风循环烟气注入氧气后形成一次风，经第一增压装置增压、换热装置3预热后，携带煤粉由燃烧器中心直流通道进入炉膛(一次风如图1细实线所示)。一次风压力为1.0MPa，温度为75℃，风速为10-25m/s。一次风和二次风的体积比例为1：9。剩余部分烟气则经脱硫脱氮装置8后，压缩封存于CO₂储存容器13中。回收冷凝装置6中冷凝水，并补充一定量的流经换热装置3(汽、水如图1虚线所示)，产生的高温蒸汽用于蒸汽轮机及其相关设备，从而实现对高温、高压烟气的热量的多级回收利用。

空分装置10产生的氧气一部分与二次风循环烟气在第二增压装置内混合，另一部分氧气与一次风循环烟气在第一增压装置内混合，一次风、二次风中氧气所占比例可通过流量调节装置来控制。一次风含氧量为15vol.％，二次风含氧量为20vol.％，进入炉膛的总氧量占总风量的25vol.％，过氧系数为1.00，氧气的浓度可通过氧化锆测氧仪测得。

实施例2

锅炉操作压力为5.0MPa，煤粉经燃烧器燃烧后产生的高温、高压的烟气，先经过换热装置3换热回收烟气余热、烟气除尘装置4除尘后，抽取一定比例的烟气作为二次风循环烟气，烟气循环量可由流量调节装置5控制。二次风循环烟气注入氧气后形成二次风，经第二增压装置增压、换热装置3预热后，由燃烧器1的旋流通道进入炉膛(二次风如图1粗实线所示)。二次风压力为5.0MPa，温度为200℃，风速为45m/s，水蒸气体积分数为20vol.％。经冷凝装置5除水后的干、冷烟气，抽取一定比例烟气作为一次风循环烟气，循环烟气量可由流量调节装置7控制。一次风循环烟气注入氧气后形成一次风，经第一增压装置增压、换热装置3预热后，携带煤粉由燃烧器中心直流通道进入炉膛(一次风如图1细实线所示)。一次风压力为5.0MPa，温度为110℃，风速为18m/s。一次风和二次风的体积百分比例为12：85。剩余部分烟气则经脱硫脱氮装置8后，压缩封存于CO₂储存容器13中。回收冷凝装置6中冷凝水，并补充一定量的流经换热装置3(汽、水如图1虚线所示)，产生的高温蒸汽用于蒸汽轮机及其相关设备，从而实现对高温、高压烟气的热量的多级回收利用。

空分装置10产生的氧气一部分与二次风循环烟气在第二增压装置内混合，另一部分氧气与一次风循环烟气在第一增压装置内混合，一次风、二次风中氧气所占比例可通过流量调节装置来控制。一次风含氧量为20vol.％，二次风含氧量为30vol.％，进入炉膛的总氧量占总风量的30vol.％，过氧系数为1.1，氧气的浓度可通过氧化锆测氧仪测得。

实施例3

锅炉操作压力为8.0MPa，煤粉经燃烧器燃烧后产生的高温、高压的烟气，先经过换热装置3换热回收烟气余热、烟气除尘装置4除尘后，抽取一定比例的烟气作为二次风循环烟气，烟气循环量可由流量调节装置5控制。二次风循环烟气注入氧气后形成二次风，经第二增压装置增压、换热装置3预热后，由燃烧器1的旋流通道进入炉膛(二次风如图1粗实线所示)。二次风压力为8MPa，温度为300℃，风速为60m/s，水蒸气体积分数为30vol.％。经冷凝装置5除水后的干、冷烟气，抽取一定比例烟气作为一次风循环烟气，循环烟气量可由流量调节装置7控制。一次风循环烟气注入氧气后形成一次风，经第一增压装置增压、换热装置3预热后，携带煤粉由燃烧器中心直流通道进入炉膛(一次风如图1细实线所示)。一次风压力为8MPa，温度为150℃，风速为25m/s。一次风和二次风的体积比例为1：5。剩余部分烟气则经脱硫脱氮装置8后，压缩封存于CO₂储存容器13中。回收冷凝装置6中冷凝水，并补充一定量的流经换热装置3(汽、水如图1虚线所示)，产生的高温蒸汽用于蒸汽轮机及其相关设备，从而实现对高温、高压烟气的热量的多级回收利用。

空分装置10产生的氧气一部分与二次风循环烟气在第二增压装置内混合，另一部分氧气与一次风循环烟气在第一增压装置内混合，一次风、二次风中氧气所占比例可通过流量调节装置来控制。一次风含氧量为25vol.％，二次风含氧量为40vol.％，进入炉膛的总氧量占总风量的35vol.％，过氧系数为1.15，氧气的浓度可通过氧化锆测氧仪测得。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种增压富氧燃煤方法，其特征在于，所述方法与增压富氧燃煤系统配合使用，所述增压富氧燃煤系统包括多个燃烧器、炉膛、换热装置、第一增压装置、第二增压装置、脱硫脱氮装置、烟气除尘装置、冷凝装置；

所述方法包括如下步骤：

将煤粉经所述燃烧器燃烧产生的烟气，经所述换热装置热量回收，然后经所述烟气除尘装置除尘，得到除尘烟气，将所述除尘烟气分为第一除尘烟气和第二除尘烟气；

将所述第二除尘烟气与氧气混合，作为二次风，经所述第二增压装置进行增压，然后经所述换热装置预热，通入所述炉膛内，所述二次风含氧量为20-40％；

将所述第一除尘烟气经所述冷凝装置冷凝除水，得到干燥烟气，将所述干燥烟气分为第一干燥烟气和第二干燥烟气；

将所述第一干燥烟气与氧气混合，作为一次风，经所述第一增压装置进行增压，然后经所述换热装置预热，携带煤粉通入所述炉膛内，所述一次风含氧量为15-25％；

其中，将通入所述炉膛内的所述一次风和所述二次风，进行增压富氧燃烧；所述换热装置连接所述炉膛的烟气出口，以水和空气为介质，降低所述烟气温度，并回收所述烟气余热；所述换热装置采用两段式换热，所述两段式换热分为高温段换热和中低温段换热，所述高温段换热为蒸汽-烟气逆流换热，所述中低温段换热为空气-烟气换热；所述二次风在前，所述一次风在后；

2.根据权利要求1所述的一种增压富氧燃煤方法，其特征在于，向所述第一除尘烟气冷凝除水得到的冷凝水中，加入供给水，作为介质，并通过换热装置，对所述炉膛出口烟气的余热进行回收，回收所述余热过程中，会产生高温蒸汽，将所述高温蒸汽作为热能使用或转换成电能使用。

3.根据权利要求1所述的一种增压富氧燃煤方法，其特征在于，所述炉膛操作压力为1.0-8.0MPa，所述一次风压力为1.0-8.0MPa，所述二次风压力为1.0-8.0Mpa，所述一次风和所述二次风的体积比为2-3：15-16。

4.根据权利要求 1所述的一种增压富氧燃煤方法，其特征在于，按体积百分比计，进入所述炉膛的总氧量占总风量的25-35％，过氧系数为1.00-1.15。

5.根据权利要求1所述的一种增压富氧燃煤方法，其特征在于，所述燃烧器的个数为三个，三个燃烧器呈120°角，水平同心分布在所述炉膛内；所述炉膛为压力容器。

6.根据权利要求1所述的一种增压富氧燃煤方法，其特征在于，所述换热装置和所述燃烧器均具有通过所述一次风和所述二次风的通道，所述换热装置和所述燃烧器的所述通道对应相连；所述燃烧器的一次风通道为直流风通道，位于所述燃烧器内部，所述燃烧器的二次风通道为旋流风通道，位于所述燃烧器外部。