CN110307561A - 煤粉流态化自预热装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种煤粉流态化自预热装置及方法，该装置包括：流态化预热室，其内部装有大量能被流态化的床料；喷煤管，设置于流态化预热室底部位置，向流态化预热室输送煤粉；以及流化风管，其一端伸入至流态化预热室底部，提供使床料和煤粉流态化的流化风；其中，利用由床料和煤粉间的粒径差异而产生的颗粒终端速度差异，在流态化预热室中结合不同气流速度分布完成床料和预热后的煤粉的分离。进一步提供了一种使用该装置进行煤粉预热的方法。本公开利用大量炽热的床料将煤粉快速预热至着火点以上，并利用贫氧燃烧的部分热量维持床料温度，运行稳定，工艺简单。

Description

煤粉流态化自预热装置及方法

技术领域

本公开涉及燃烧技术领域，尤其涉及一种煤粉流态化自预热装置及方法。

背景技术

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。然而半焦和残炭的挥发分含量很低，实现清洁高效燃烧难度很大，通常存在着火稳燃困难、燃尽率低、NO_X排放高等问题。如何清洁高效燃烧利用此类超低挥发分碳基燃料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。因此，开发一种燃烧稳定性好、燃烧效率高和氮氧化物排放低的煤粉燃烧技术是亟待解决的问题。

煤粉通过预热后达到一定温度后再进行燃烧是一种实现煤粉稳定、高效和低氮燃烧的有效方法。中国专利申请200710175526.3提出一种煤粉高温预热方法，其基于循环流化床贫氧燃烧技术，在绝热的循环流化床燃烧室下部加入煤粉，在其底部通过风帽通入少量空气，煤粉部分燃烧，将煤粉加热到800～1300℃。其中，循环流化床设有布风板和风帽，循环流化床中有惰性的床料，煤粉通过给粉机加入，其粒径为0.2～10mm，返料器需要松动风和返料风，这些特点无法适应电厂锅炉中煤粉制备要求，且装置涉及到输送、分离和返料，工艺过于庞大和复杂，运行稳定性较差，且不能很好的与现有的煤粉锅炉实现对接，导致该技术无法实现有效的应用和推广。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种煤粉流态化自预热装置及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种煤粉流态化自预热装置，包括：流态化预热室，其内部装有能被流态化的床料，该床料在流态化预热室形成热容池，该热容池的高度占流态化预热室高度的1/5～1/3；喷煤管，连接至流态化预热室底部，向流态化预热室输送煤粉；以及流化风管，其一端伸入至流态化预热室底部，提供使床料和煤粉流态化的流化风；其中，床料的粒径大于煤粉的粒径，利用由床料和煤粉间的粒径差异而产生的颗粒终端速度差异，在流态化预热室中结合不同气流速度分布完成床料和煤粉的分离。

在本公开的一些实施例中，流态化预热室为呈中间宽、上下窄的三段式变截面型结构，其中，流态化预热室的上部为渐变截面型结构，在流态化预热室内形成不同气流速度分布。

在本公开的一些实施例中，床料的粒径为3mm～5mm，煤粉的粒径小于100μm。

在本公开的一些实施例中，喷煤管连接至流化风管，通过该流化风管与流态化预热室底部连通；或者喷煤管与流态化预热室的侧壁呈10～70度设置，使煤粉自上而下进入流态化预热室中。

在本公开的一些实施例中，所述煤粉流态化自预热装置还包括启动燃烧器，与流态化预热室底部连通，用于产生高温气体以对床料进行加热。

在本公开的一些实施例中，该启动燃烧器设置于流化风管上，其产生的高温气体通过流化风管输送至流态化预热室底部。

在本公开的一些实施例中，流化风管位于流态化预热室底部的该端与布风装置连接，在流态化预热室底部形成均匀向上的流化风。

在本公开的一些实施例中，流态化预热室顶部还设置有高温燃料喷口，用于将在流态化预热室内产生的高温煤粉喷出，以便进入煤粉锅炉进行燃烧。

在本公开的一些实施例中，床料为石英砂或氧化铝小球。

根据本公开的另一个方面，提供了一种使用如上所述的煤粉流态化自预热装置进行煤粉预热的方法，包括：将热容池的床料加热至700℃以上，并将流化风通过流化风管通入流态化预热室底部，将床料流态化；将煤粉利用送粉风通过喷煤管输送至流态化预热室底部，所述煤粉与炽热的床料充分混合后被预热至着火点以上，在缺氧环境下发生燃烧和气化反应，释放部分热量维持床料的温度；利用由所述煤粉和床料的粒径差异而产生的颗粒终端速度差异，通过控制流态化预热室内气流速度分布，使床料停留于流态化预热室内，而将预热后的煤粉通入煤粉锅炉中进行燃烧。

在本公开的一些实施例中，煤粉的粒径小于100μm，其颗粒终端速度小于0.5m/s；床料的粒径为3mm～5mm，其颗粒终端速度大于1.0m/s。

在本公开的一些实施例中，流态化预热室内的气流速度呈三段式分布，其中：流态化预热室的下部的气流速度为0.5～1.5m/s；中部的气流速度为0.5～1m/s；上部的气流速度大于1m/s。

在本公开的一些实施例中，送粉风与流化风的风量之和占煤粉完全燃烧理论风量的15～25％，其中：送粉风的风量量占煤粉完全燃烧理论风量的10～15％；流化风的风量占煤粉完全燃烧理论风量的5～10％。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开煤粉流态化自预热装置及方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)在流态化预热室中设置大量的热容池床料，蓄热量大，运行稳定，无论是易燃的褐煤和烟煤还是难燃的无烟煤、贫煤和半焦等，都可以通过本发明所述的煤粉预热方法将自身温度预热到着火点以上。

(2)结合床料和煤粉之间颗粒终端速度的差异利用气流将预热后的煤粉和热容池床料分离，无需再通过旋风分离返料至流态化预热室中，使工艺简化。

(3)利用煤粉自身蕴含的能量维持热容池床料的温度，并加热自身至着火点以上，解决了煤粉的着火稳定性问题，实现了难燃煤种的高效、稳定燃烧，可有效拓宽煤粉锅炉的煤种适应性，该煤粉预热方法可实现大部分煤种的高效和稳定燃烧。

(4)在本公开煤粉流态化自预热装置中，煤粉中的部分煤氮析出转化为N₂，能够降低煤粉锅炉的NO_X排放，同时预热过程中产生大量的还原性气体，这部分气体也进入到锅炉中，可以还原煤粉燃烧中生成的NO_X。

附图说明

图1为本公开实施例煤粉流态化自预热装置的示意图。

图2为本公开实施例使用流化风供粉的流态化自预热装置的示意图。

图3为本公开实施例带有布风板结构的煤粉流态化自预热装置的示意图。

图4为本公开实施例煤粉流态化自预热方法的流程图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-启动燃烧器； 2-流化风管；

3-布风装置； 4-喷煤管；

5-流态化预热室； 6-高温燃料喷口。

具体实施方式

本公开提供了一种煤粉流态化自预热装置及方法，在流态化预热室内设置大量的床料，蓄热量大，利用炽热的床料将煤粉预热至着火点以上，并利用贫氧燃烧的部分热量维持床料的温度，运行稳定；利用由所述床料和煤粉间的粒径差异而产生的颗粒终端速度差异，结合流态化预热室中的气流速度分布在流态化预热室中完成床料和煤粉的分离，简化了工艺，有利于有效的应用和推广。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

图1为本公开实施例煤粉流态化自预热装置的示意图。如图1所示，本公开煤粉流态化自预热装置，主要包括：流态化预热室5，其内部装有能被流态化的床料，该床料在流态化预热室形成热容池，该热容池的高度占流态化预热室5高度的1/5～1/3；喷煤管4，连接至流态化预热室5底部，向流态化预热室5输送煤粉；以及流化风管2，其一端伸入至流态化预热室5底部，提供使床料和煤粉流态化的流化风；其中，床料的粒径大于煤粉的粒径，利用由床料和煤粉间的粒径差异而产生的颗粒终端速度差异，在流态化预热室中结合不同气流速度分布完成床料和煤粉的分离。

以下对本公开煤粉流态化自预热装置的各个组成部分作详细说明：

流态化预热室5采用绝热的圆筒结构，在一较优实施例中，流态化预热室5为呈中间宽、上下窄的三段式变截面型结构，在流态化预热室内形成不同气流速度分布，以保证位于流态化预热室5底部的热容池床料被流化，在流态化预热室中部保证煤粉能被携带出流态化预热室的同时防止床料的逃逸，在流态化预热室上部保证煤粉不会由于团聚作用而重新掉落；尤其地，可将流态化预热室5的上部设置为渐变截面型结构，有利于防止截面突变引起流场混乱导致预热后煤粉团聚和结焦，并且也有利于在流态化预热室5顶部与高温燃料喷口6的连接。

在一些实施例中，所用的煤粉粒径小于100μm，也即最大粒径小于100μm，与一般煤粉锅炉所用的煤粉的粒径相似，经计算得到的颗粒终端速度小于0.5m/s；为了保证热容池床料的料层厚度，并防止床料逃逸，所用的床料粒径为3～5mm，经计算得到的颗粒终端速度大于1.0m/s。颗粒终端速度的定义为单个颗粒在无限大流体中自由下降达到等速运动时的速度，在流态化过程中，可以理解为使颗粒产生流态化现象的最小气流速度。结合颗粒终端速度的差异，在流态化预热室5中利用不同气流速度分布完成床料和煤粉的分离。例如，可控制流态化预热室5下部的气流速度为1.5m/s；中部的气流速度为0.5m/s；上部的气流速度大于1m/s。为了减少床料的磨损程度，选用石英砂或氧化铝小球等耐磨材质的颗粒作为床料。

喷煤管4的喷煤口位于热容池的上平面以下，如图1所示，喷煤管4与流态化预热室5的侧壁呈10～70度设置，使煤粉由送粉风携带自上而下进入流态化预热室5中，以便煤粉与热容池床料充分混合。喷煤管4可与煤粉锅炉的制粉系统(图中未画出)通过管道相连，用于将来自制粉系统的风粉混合物直接通入流态化预热室进行部分燃烧和预热。当然，还可以将喷煤管设置在其他位置，例如，如图2所示，喷煤管4连接至流化风管2，通过该流化风管2与流态化预热室5底部连通，送入煤粉。

流化风管2伸入流态化预热室5底部的一端连接布风装置3，在流态化预热室底部5形成均匀的上升气流，保证流态化预热室顶部流化的均匀性。在一些实施例中，如图1中所示，布风装置3为风管式；也可采用如图3中所示，布风装置3为布风板式；在一些实施例中，流化风管2和布风装置3为一体化结构。

如图1所示，煤粉流态化自预热装置中还还包括启动燃烧器1，与流态化预热室5底部连通，用于产生高温气体以对热容池的床料进行加热；启动燃烧器1设置在流化风管2上，其产生的高温气体通过流化风管2进入流态化预热室5中，对热容池的床料进行加热，使其能将煤粉预热至着火点以上。容易理解，启动燃烧器1可只在最初加热床料时使用，在后续过程中的流化风管2并不输送高温气体，故将喷煤管4连接至流化风管2是可以实现的。在其他实施例中，启动燃烧器1也可通过其他管道连接至流态化预热室底部，只是相较于前者的结构复杂一些。

在流态化预热室5的顶部还设置有高温燃料喷口6，煤粉与炽热的床料掺混后在缺氧环境下发生燃烧和气化反应，释放部分热量维持热容池床料的温度，同时生成高温焦炭和煤气，由烟气携带从高温燃料喷口6喷出，进入煤粉锅炉，进行燃烧。而热容池的床料将停留在流态化预热室中继续作为蓄热介质参与煤粉的预热。

至此，本公开煤粉流态化自预热装置介绍完毕。实际上，本公开煤粉流态化自预热方法是通过上述的煤粉流态化自预热装置实现的，以下对本公开煤粉流态化自预热方法作详细说明。

图4为本公开实施例煤粉流态化自预热方法的流程图。如图4所示，本公开煤粉流态化自预热方法包括：

步骤A：利用启动燃烧器1将热容池的床料加热至700℃以上，并将流化风通过流化风管2通入流态化预热室5底部，将床料流态化。

步骤B：将煤粉利用送粉风通过喷煤管4输送至流态化预热室5底部，煤粉与炽热的床料充分混合后被预热至着火点以上，在缺氧环境下发生燃烧和气化反应，释放部分热量维持所述床料的温度。

具体地，煤粉可采用直吹送粉的给料方式，由送粉风将煤粉送入流态化预热室内。送粉风主要为空气，也包括再循环烟气，还可包括磨煤乏气等。在一较优实施例中，控制送粉风的风量与流化风的风量之和占煤粉完全燃烧理论风量的15～25％，其中，送粉风的风量占煤粉完全燃烧理论风量的10～15％；流化风的风量占煤粉完全燃烧理论风量的5～10％，使煤粉与炽热的热容池床料掺混后在缺氧的环境下发生燃烧和气化反应，释放部分热量维持热容池床料的温度，同时生成高温的焦炭和煤气。

煤粉的预热温度可以通过调整给煤量、流化风量和送粉风量在700～1000℃的范围内灵活调节。由于流态化预热室5中热容池热容量较大，可迅速将煤粉从常温加热到设定温度，同时可以利用煤粉部分燃烧放出的热量保持温度，本方法可以解决大部分煤种着火燃烧的问题。

步骤C：利用由煤粉和床料的粒径差异而产生的颗粒终端速度差异，通过控制流态化预热室5内气流速度分布，使床料停留于流态化预热室5内，而将预热后的煤粉通入煤粉锅炉中进行燃烧，完成床料与预热后的煤粉的分离。

在一些实施例中，所用的煤粉粒径小于100μm，也即最大粒径小于100μm，经计算得到的颗粒终端速度小于0.5m/s；所用的床料粒径为3～5mm，经计算得到的颗粒终端速度大于1.0m/s；控制流态化预热室内气流速度分布，使流态化预热室的下部的气流速度为0.5～1.5m/s；中部的气流速度为0.5～1.0m/s；上部的气流速度大于1.0m/s。因此，在流态化预热室中生成的高温煤粉将从高温燃料喷口喷出，进入煤粉锅炉，进行燃烧，而热容池的床料将停留在流态化预热室5中继续作为蓄热介质参与煤粉的预热。

预热后产生的高温煤粉气流进入煤粉炉中燃烧，由于其温度高于自身的着火温度，且预热后的煤粉气流中含有大量的高温煤气，导致煤粉气流在煤粉炉中的燃烧均匀和稳定，炉膛整体温度分布均匀，不存在局部高温区，有效的降低热力型NO_X的产生，并可以解决锅炉局部高温引发的结焦和腐蚀。同时，由于预热后的煤粉温度高于着火温度，煤粉锅炉不存在熄火的问题。

至此，本公开煤粉流态化自预热方法介绍完毕。

以下列举具体实施例以对本公开的技术方案作进一步说明。

第一实施例：

本实施例中使用的煤粉为易燃的褐煤煤粉，煤粉粒径为0～100μm，流态化预热室热容池床料粒径为3～5mm，通入的流化风量和送粉风量之和占煤粉理论燃烧风量的15％，煤粉经预热后生成的高温煤焦颗粒和高温煤气的温度为700℃，高温煤焦及高温煤气通过高温燃料喷口进入燃烧炉中燃烧。

第二实施例：

本实施例中使用的煤粉为易燃的烟煤煤粉，煤粉粒径为0～100μm，流态化预热室热容池床料粒径为3～5mm，通入的流化风量和送粉风量之和占煤粉理论燃烧风量的18％，煤粉经预热后生成的高温煤焦颗粒和高温煤气的温度为800℃，高温煤焦及高温煤气通过高温燃料喷口进入燃烧炉中燃烧。

第三实施例：

本实施例中使用的煤粉为难燃的半焦粉或无烟煤粉，燃料颗粒粒径为0～100μm，流态化预热室热容池床料粒径为3～5mm，通入的流化风量和送粉风量之和占煤粉理论燃烧风量的22％，煤粉经预热后生成的高温煤焦颗粒和高温煤气的温度为900℃，高温煤焦及高温煤气通过高温燃料喷口进入燃烧炉中燃烧。

第四实施例：

本实施例中使用的煤粉为极难燃的气化残炭粉，燃料颗粒粒径为0～100μm，流态化预热室热容池床料粒径为3～5mm，通入的流化风量和送粉风量之和占煤粉理论燃烧风量的25％，煤粉经预热后生成的高温煤焦颗粒和高温煤气的温度为1000℃，高温煤焦及高温煤气通过高温燃料喷口进入燃烧炉中燃烧。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开煤粉流态化自预热装置及方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种煤粉流态化自预热装置及方法，使用大量床料，蓄热量大，可将煤粉温度快速加热到着火点以上，预热后的高温煤粉在锅炉中与空气接触后直接进行燃烧，不存着火和稳燃问题。无论是易燃的褐煤和烟煤还是难燃的无烟煤、贫煤和半焦等，都可以通过本发明所述的煤粉预热方法将自身温度预热到着火点以上。并且在预热过程中，绝大部分挥发分析出，煤颗粒变得疏松多孔，燃烧特性得到较大改善，高温煤粉进入锅炉与空气混合后可以迅速的燃烧放热，对于不同的煤种其效果相同，因此所述的煤粉预热方法可以有效拓宽锅炉对煤种的适应性。同时，煤粉预热装置内为强还原性气氛，煤粉中的氮将被还原为N2，且在预热过程中会生成大量的还原性气体如CO、H₂和NH₃等，可以显著降低煤粉燃烧中NO_X的排放。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示尺寸、温度等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种煤粉流态化自预热装置，包括：

流态化预热室，其内部装有能被流态化的床料，所述床料在所述流态化预热室形成热容池，该热容池的高度占所述流态化预热室高度的1/5～1/3；

喷煤管，连接至所述流态化预热室底部，向所述流态化预热室输送煤粉；以及

流化风管，其一端伸入至所述流态化预热室底部，提供使所述床料和煤粉流态化的流化风；

其中，所述床料的粒径大于煤粉的粒径，利用由所述床料和煤粉间的粒径差异而产生的颗粒终端速度差异，在所述流态化预热室中结合不同气流速度分布完成床料和煤粉的分离。

2.根据权利要求1所述的煤粉流态化自预热装置，其中，所述流态化预热室为呈中间宽、上下窄的三段式变截面型结构，其中，所述流态化预热室的上部为渐变截面型结构，在流态化预热室内形成不同气流速度分布。

3.根据权利要求1所述的煤粉流态化自预热装置，其中，所述床料的粒径为3mm～5mm，所述煤粉的粒径小于100μm。

4.根据权利要求1所述的煤粉流态化自预热装置，其中：

所述喷煤管连接至流化风管，通过该流化风管与所述流态化预热室底部连通；或者

所述喷煤管与所述流态化预热室的侧壁呈10～70度设置，使所述煤粉自上而下进入所述流态化预热室中。

5.根据权利要求1所述的煤粉流态化自预热装置，还包括启动燃烧器，与所述流态化预热室底部连通，用于产生高温气体以对所述床料进行加热。

6.根据权利要求5所述的煤粉流态化自预热装置，其中，所述启动燃烧器设置于流化风管上，其产生的高温气体通过流化风管输送至所述流态化预热室底部。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的煤粉流态化自预热装置，其中：

所述流化风管位于流态化预热室底部的该端与布风装置连接，在所述流态化预热室底部形成均匀向上的流化风；和/或

所述流态化预热室顶部还设置有高温燃料喷口，用于将在流态化预热室内产生的高温煤粉喷出，以便进行后续燃烧；和/或

所述床料为石英砂或氧化铝小球。

8.一种使用如权利要求1至7中任一项所述的煤粉流态化自预热装置进行煤粉预热的方法，包括：

将热容池的床料加热至700℃以上，并将流化风通过流化风管通入流态化预热室底部，将床料流态化；

将煤粉利用送粉风通过喷煤管输送至流态化预热室底部，所述煤粉与炽热的床料充分混合后被预热至着火点以上，在缺氧环境下发生燃烧和气化反应，释放部分热量维持所述床料的温度；

利用由所述煤粉和床料的粒径差异而产生的颗粒终端速度差异，通过控制所述流态化预热室内气流速度分布，使床料停留于所述流态化预热室内，而将预热后的煤粉通入煤粉锅炉中进行燃烧。

9.根据权利要求8所述的方法，其中：

所述煤粉的粒径小于100μm，其颗粒终端速度小于0.5m/s；

所述床料的粒径为3mm～5mm，其颗粒终端速度大于1.0m/s；

所述流态化预热室内的气流速度呈三段式分布，其中：

所述流态化预热室的下部的气流速度为0.5～1.5m/s，中部的气流速度为0.5～1m/s，上部的气流速度大于1m/s。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述送粉风和流化风的风量之和占煤粉完全燃烧理论风量的15～25％，其中：

所述送粉风的风量占煤粉完全燃烧理论风量的10～15％；

所述流化风的风量占煤粉完全燃烧理论风量的5～10％。