CN110094722B - 一种流化床载氧体辅助富氧燃烧系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种流化床载氧体辅助富氧燃烧系统及方法，包括氧气罐、流化床炉膛、旋风分离器、引风机、循环风机和储气罐；氧气罐与风室相连通，燃烧床上铺设载氧体床料和燃料；炉膛空腔顶部的烟气出口与旋风分离器相连通；旋风分离器底部通过下降管和返料阀与燃烧床相连通；旋风分离器顶部设置分离气体出口，该分离气体出口分别与引风机和循环风机的进风口相连通；引风机的出风口与储气罐相连通；循环风机的出风口分别通过气管与返料阀和风室的进气口相连通。本发明采用载氧体作为床料，通过载氧体携带和释放氧的方式调控煤燃烧，提高炉膛热量分布均匀性，保障设备稳定运行，克服了现有流化床富氧燃烧下氧气分布不均等难以处理的难题。

Description

一种流化床载氧体辅助富氧燃烧系统及方法
技术领域
本发明涉及煤燃烧技术领域，特别是一种流化床载氧体辅助富氧燃烧系统及方法。
背景技术
能源是推动我国经济高质量发展的动力源，我国能源结构以煤为主的格局在短时间内不会发生根据性改变，其中，燃煤电站仍将是我国电力的主体来源。提高燃煤效率，实施燃煤碳捕集、封存和利用，对实现我国碳减排目标，构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系具有极其重要的意义。流化床富氧燃烧主要是利用空气分离获得的纯氧替代空气与循环烟气混合后进入流化床炉膛与燃料（煤、生物质等）组织燃烧，生成的烟气经冷凝后CO2体积分数可达90%以上，实现燃煤碳捕集。流化床富氧燃烧具有相对成本低、风险低等优势，是当前最具实施条件的燃煤碳捕集方式。
近年来，国内外学者研究并开发了应运于现存燃煤电站改造的常压流化床富氧燃烧技术，和针对新建燃煤电站的增压流化床富氧燃烧技术。常压和增压流化床富氧燃烧研究显示：富氧气氛下二氧化碳代替氮气后，氧气的扩散速率和气体比容热的改变及气化反应的增强导致了燃料燃烧速率降低、气体和固体不完全燃烧损失增加，富氧气氛下氧气的体积浓度需提高至24-30%才可保障燃料燃烧效率；同时提高氧气浓度还可减小炉膛体积，减少烟气循环量，显著降低建设及运行成本。富氧气氛下提高氧气浓度已经成提升流化床富氧燃烧电站经济性的首选方式。但是，富氧燃烧条件下氧气浓度提高后，受燃料颗粒扩散速率的制约，燃料颗粒和氧气在时间与空间上得不到充分的混合，极易引起流化床燃烧室局部氧气浓度过高、超温，从而引发灰熔融、结焦、积灰、不完全燃烧增加等众多影响流化床锅炉安全、高效运行的现象发生。
这一不足也从极大限制了流化床富氧燃烧商业化进程，不利于国家二氧化碳减排目标的实现。
因此，流化床富氧燃烧条件下，如何在保证燃料燃烧效率的同时，保障流化床锅炉安全、高效、稳定的运行是当前流化床富氧燃烧技术发展所面临的重大挑战。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种流化床载氧体辅助富氧燃烧系统及方法，该流化床载氧体辅助富氧燃烧系统及方法采用载氧体作为床料，通过载氧体携带和释放氧的方式调控煤燃烧，提高炉膛热量分布均匀性，保障设备稳定运行，克服了现有流化床富氧燃烧下氧气分布不均等难以处理的难题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种流化床载氧体辅助富氧燃烧系统，包括氧气罐、流化床炉膛、旋风分离器、引风机、循环风机和储气罐。
流化床炉膛包括从下至上依次布设的风室、燃烧床和炉膛空腔。
氧气罐通过气管与风室相连通，燃烧床上铺设有载氧体床料和燃料；炉膛空腔顶部设置烟气出口，该烟气出口通过管道与旋风分离器的进料口相连通。
旋风分离器底部与下降管相连通，下降管底部与返料阀相连接，返料阀通过管道与燃烧床相连通。
旋风分离器顶部设置分离气体出口，该分离气体出口分别通过气管与引风机和循环风机的进风口相连通；引风机的出风口通过气管与储气罐相连通。
循环风机的出风口分别通过气管与返料阀和风室的进气口相连通。
载氧体床料为金属基氧化物或含有金属氧化物的矿石、废渣。
金属基氧化物中的金属基为铁基、铜基或锰基。
燃料为固体含碳燃料。
燃料为煤、生物质或污泥。
一种流化床载氧体辅助富氧燃烧方法，包括如下步骤。
步骤1，氧气和循环气混合：氧气罐内氧气经气管进入风室，循环风机出口的循环气经气管进入风室，氧气和循环气在风室内相混合，形成混合气。
步骤2，燃料及载氧体氧化：步骤1形成的混合气进入燃烧床，混合气中的氧气一方面与燃料发生燃烧反应，生成二氧化碳、一氧化碳和细小碳颗粒；另一方面同时与载氧体发生氧化反应，氧化后的载氧体因携带氧气，能避免炉膛内出现局部高氧浓度。
步骤3，氧化后的载氧体再次还原：氧化后的载氧体经气流携带向炉膛空腔上部运动，此时，因炉膛空腔上部环境中氧气浓度降低，故而氧化后的载氧体与一氧化碳和细小炭颗粒发生还原反应生成二氧化碳，释放氧气，提高煤燃烧效率。
步骤4，载氧体和二氧化碳分离：步骤3中还原反应生成的载氧体和二氧化碳进入旋风分离器，分离出二氧化碳和载氧体。
步骤5，载氧体回收：步骤4分离出的载氧体经下降管进入返料阀，而后重新回到燃烧床进行氧化反应。
步骤6，二氧化碳回收：步骤4分离出的二氧化碳，分为三部分，分别为：一部分经引风机进入储气罐，实现二氧化碳捕集；一部分经循环风机后再进入风室作为循环气；还有一部分经循环风机后再进入返料阀作为松动气。
本发明具有如下有益效果：
（1）本发明首次提出了流化床富氧燃烧条件下，采用载氧体作为床料，通过载氧体携带和释放氧的方式调控煤燃烧，提高炉膛热量分布均匀性，保障设备稳定运行，克服了现有流化床富氧燃烧下氧气分布不均等难以处理的难题。
（2）本发明创新性结合载氧体对燃料燃烧起到催化作用，达到提高燃烧效率的目的；
（3）本发明系统简单、结构紧凑、易规模化，既可用于改造现有的流化床锅炉又可用于新流化床锅炉的设计，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明一种流化床载氧体辅助富氧燃烧系统的结构示意图。
其中，1-氧气罐，2-风室，3-流化床炉膛，4-旋风分离器，5-下降管，6-返料阀，7-引风机，8-循环风机，9-储气罐
其中，A-氧气；B-循环气；C-燃料；D-载氧体；E-二氧化碳；F-松动气。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种流化床载氧体辅助富氧燃烧系统，包括氧气罐1、流化床炉膛3、旋风分离器4、引风机7、循环风机8和储气罐9。
流化床炉膛包括从下至上依次布设的风室2、燃烧床和炉膛空腔。
氧气罐通过气管与风室相连通，燃烧床上铺设有载氧体床料和燃料。
载氧体床料优选为金属基氧化物或含有金属氧化物的矿石、废渣。其中，金属基氧化物中的金属基优选为铁基、铜基或锰基等。
燃料优选为固体含碳燃料，进一步优选为煤、生物质或污泥等。
炉膛空腔顶部设置烟气出口，该烟气出口通过管道与旋风分离器的进料口相连通。
旋风分离器底部与下降管5相连通，下降管底部与返料阀6相连接，返料阀通过管道与燃烧床相连通。
旋风分离器顶部设置分离气体出口，该分离气体出口分别通过气管与引风机和循环风机的进风口相连通；引风机的出风口通过气管与储气罐相连通。
循环风机的出风口分别通过气管与返料阀和风室的进气口相连通。
一种流化床载氧体辅助富氧燃烧方法，包括如下步骤。
步骤1，氧气和循环气混合：氧气罐内氧气A经气管进入风室，循环风机出口的循环气B经气管进入风室，氧气和循环气在风室内相混合，形成混合气。
步骤2，燃料及载氧体氧化：步骤1形成的混合气进入燃烧床，混合气中的氧气一方面与燃料C发生燃烧反应，生成二氧化碳E、一氧化碳和细小碳颗粒；另一方面同时与载氧体D发生氧化反应，氧化后的载氧体因携带氧气，能避免炉膛内出现局部高氧浓度。
步骤3，氧化后的载氧体再次还原：氧化后的载氧体经气流携带向炉膛空腔上部运动，此时，因炉膛空腔上部环境中氧气浓度降低，故而氧化后的载氧体与一氧化碳和细小炭颗粒发生还原反应生成二氧化碳，释放氧气，提高煤燃烧效率。
步骤4，载氧体和二氧化碳分离：步骤3中还原反应生成的载氧体和二氧化碳进入旋风分离器，分离出二氧化碳和载氧体。
步骤5，载氧体回收：步骤4分离出的载氧体经下降管进入返料阀，而后重新回到燃烧床进行氧化反应。
步骤6，二氧化碳回收：步骤4分离出的二氧化碳，分为三部分，分别为：一部分经引风机进入储气罐，实现二氧化碳捕集；一部分经循环风机后再进入风室作为循环气；还有一部分经循环风机后再进入返料阀作为松动气F。
下面以氧化铁作为载氧体，煤作为燃料，对此发明加以进一步说明。
步骤1，流化床铁矿石载氧体辅助富氧燃烧系统下，氧气罐1内氧气A经管道进入风室2，循环风机8出口循环气B（主要成分为二氧化碳）经管道进入风室2，氧气A和循环气B在风室2内充分混合。
步骤2，混合气进入燃烧床，燃烧床上填充氧化铁作为床料，也即为载氧体床料。从风室出来的氧气A进入流化床密相区后与煤发生燃烧反应生成二氧化碳E、一氧化碳、细小碳颗粒，氧气A同时还与氧化铁发生氧化反应，生成三氧化二铁，三氧化二铁携带氧气A，避免了流化床炉膛3局部高氧浓度；
步骤3，三氧化二铁经气流携带向上运动过程中，周围环境中氧气浓度降低，三氧化二铁与一氧化碳和细小炭颗粒发生还原反应生成氧化铁和二氧化碳，释放氧气，提高了煤燃烧效率。
步骤4，还原反应生成的氧化铁和二氧化碳E进入旋风分离器，分离出二氧化碳E和氧化铁。
步骤5，氧化铁经下降管5进入反料阀6，而后重新回到燃烧床进行氧化反应。
步骤6，一部分二氧化碳E经引风机进入储气罐9，实现了燃煤二氧化碳E的捕集，一部分二氧化碳E经循环风机进入风室2作为循环气B，还有一部分二氧化碳E经循环风机进入返料阀6作为松动气F。至此，氧化铁载氧体在流化床内完成了氧化和还原反应的同时实现了氧的迁移，避免了局部高温的发生，提高了煤燃烧效率。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种流化床载氧体辅助富氧燃烧方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，氧气和循环气混合：氧气罐内氧气经气管进入风室，循环风机出口的循环气经气管进入风室，氧气和循环气在风室内相混合，形成混合气；
步骤2，燃料及载氧体氧化：步骤1形成的混合气进入燃烧床，混合气中的氧气一方面与燃料发生燃烧反应，生成二氧化碳、一氧化碳和细小碳颗粒；另一方面同时与载氧体发生氧化反应，氧化后的载氧体因携带氧气，能避免炉膛内出现局部高氧浓度；
步骤3，氧化后的载氧体再次还原：氧化后的载氧体经气流携带向炉膛空腔上部运动，此时，因炉膛空腔上部环境中氧气浓度降低，故而氧化后的载氧体与一氧化碳和细小炭颗粒发生还原反应生成二氧化碳，释放氧气，提高煤燃烧效率；
步骤4，载氧体和二氧化碳分离：步骤3中还原反应生成的载氧体和二氧化碳进入旋风分离器，分离出二氧化碳和载氧体；
步骤5，载氧体回收：步骤4分离出的载氧体经下降管进入返料阀，而后重新回到燃烧床进行氧化反应；
步骤6，二氧化碳回收：步骤4分离出的二氧化碳，分为三部分，分别为：一部分经引风机进入储气罐，实现二氧化碳捕集；一部分经循环风机后再进入风室作为循环气；还有一部分经循环风机后再进入返料阀作为松动气。
2.一种流化床载氧体辅助富氧燃烧系统，基于权利要求1所述的流化床载氧体辅助富氧燃烧方法，其特征在于：包括氧气罐、流化床炉膛、旋风分离器、引风机、循环风机和储气罐；
流化床炉膛包括从下至上依次布设的风室、燃烧床和炉膛空腔；
氧气罐通过气管与风室相连通，燃烧床上铺设有载氧体床料和燃料；炉膛空腔顶部设置烟气出口，该烟气出口通过管道与旋风分离器的进料口相连通；
旋风分离器底部与下降管相连通，下降管底部与返料阀相连接，返料阀通过管道与燃烧床相连通；
旋风分离器顶部设置分离气体出口，该分离气体出口分别通过气管与引风机和循环风机的进风口相连通；引风机的出风口通过气管与储气罐相连通；
循环风机的出风口分别通过气管与返料阀和风室的进气口相连通。
3.根据权利要求2所述的流化床载氧体辅助富氧燃烧系统，其特征在于：载氧体床料为金属基氧化物或含有金属氧化物的矿石、废渣。
4.根据权利要求3所述的流化床载氧体辅助富氧燃烧系统，其特征在于：金属基氧化物中的金属基为铁基、铜基或锰基。
5.根据权利要求2所述的流化床载氧体辅助富氧燃烧系统，其特征在于：燃料为固体含碳燃料。
6.根据权利要求5所述的流化床载氧体辅助富氧燃烧系统，其特征在于：燃料为煤、生物质或污泥。
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