CN110864280B - 燃烧含碳固体燃料的反应器和装置以及含碳固体燃料的燃烧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及含碳固体燃料领域，具体涉及含碳固体燃料的燃烧装置和方法。该装置包括用于固体燃料燃烧的反应器(1)，反应器包括悬浮燃烧区(11)和层燃区(12)；层燃区设置有用于接收悬浮燃烧区中未燃尽的含碳固体燃料以进行二次燃烧的移动床层(121)，以及穿过移动床层上喷管(122)，所述上喷管的底部和所述移动床层的底部在层燃区的下部相通；悬浮燃烧区(11)设置有下喷管(111)；其中，下喷管和上喷管的设置使得下喷管携带的新鲜含碳固体燃料和第一含氧气体与上喷管携带的来自移动床层的小颗粒物质和第二含氧气体在所述悬浮燃烧区形成对撞气流。采用本发明的装置和方法能够对含碳固体燃料进行高效率燃烧，污染物排放低。
Description
技术领域
本发明涉及含碳固体燃料领域，具体涉及一种燃烧含碳固体燃料的反应器和包括所述反应器的装置以及一种含碳固体燃料的燃烧方法。
背景技术
煤在我国的一次能源中占70％以上，而其中近1/3，即大约4.5吨标准煤又消耗在大约53万台各型工业锅炉的直接燃烧上。目前工业锅炉主要包括流化床锅炉和炉排炉。
流化床炉燃烧技术是本世纪六十年代初得到迅速发展起来的一种新型清洁燃烧技术。采用该技术的焚烧炉的基本特征在于在炉膛下部布置有耐温的布风板，板上装有载热的惰性颗粒，通过床下布风，使惰性颗粒呈沸腾状，形成流化床段，在流化床段上方设有足够高的燃烬段(即悬浮段)。一般物料投入流化床后，颗粒与气体之间传热和传质速率高，物料在床层内几乎呈完全混合状态，投向床层的废弃物能迅速分散均匀。由于载热体贮蓄大量的热量，可以避免投料时炉温急剧变化，床层的温度保持均一，避免了局部过热，因此床层温度易于控制。同时它具有燃料效率高，负荷调节范围宽，污染物排放低，热强度高，适合燃用低热值燃料等优点。循环流化床由于物料的返料循环，烧的更干净一些，炉渣也更纯净，但其维修停炉期长，并且传统流化床燃烧方法只适用于较大规模的工业应用，除渣及粉尘回收装置较复杂，操作过程循环倍率较大，对炉体内耐火层的冲刷较为严重。
炉排炉的优点是不需要对原料进行预处理。其不足之处如下：1.炉排必须耐热，在长期连续运行期间，热应力必须不变，这样炉排对材质要求高，而且炉排加工复杂，由于炉排需转动，可靠性低及能耗高构成其问题。2.对于垃圾处理，二恶英的产生温度在360℃～820℃之间，在炉排炉开车和停炉过程中炉温不可避免地要经过二恶英产生的温度区间，由于炉排炉开停车时间较长，所以这一过程二恶英排放量较大。同时，因炉排炉内需要机械装置，限制了炉排炉内温度的进一步提升，导致炉排炉一直在二恶英产生的温度区间附近工作，在燃烧过程控制不完全的情况下，二恶英将会大量产生；存在污染物排放不达标的现象，此外，炉排炉的燃烧方式较容易导致垃圾燃烧不充分。3.炉排炉的炉排不仅制造复杂，成本高，而且体积庞大，占地面积大。从技术角度来说，炉排炉适应范围广，性能稳定；从经济角度分析，炉排炉设备投资相对较高，但运行成本低，且运行时间久(一般设计年运行时间≥8000h)，经济效益反而好些；流化床设备便宜，但年运行时间少于炉排炉(一般设计年运行时间6600h，主要是要经常停炉维护)，因此经济收益不占优势。
中国专利申请CN101025266A公开了一种煤燃锅炉的燃烧装置，其将燃烧过程分解为煤的流化床部分氧化气化和所生成半焦和可燃气的炉排式燃烧。该技术方案的特点是将煤热解和燃烧过程解耦，但由于仍采用流化床+固定床的形式，反应速率较慢，燃烧效率低，处理量偏低，不适用于工业或较大规模的民用供热的应用场合。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的如上问题，提供一种燃烧含碳固体燃料的反应器和装置，以及一种含碳固体燃料的燃烧方法，采用本发明的反应器、装置和方法能够对含碳固体燃料进行高效率燃烧，污染物排放低。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种燃烧含碳固体燃料的反应器，该反应器包括悬浮燃烧区和层燃区；
其中，层燃区设置有能够对悬浮燃烧区中未燃尽的含碳固体燃料进行二次燃烧的移动床层，以及穿过所述移动床层的上喷管；
悬浮燃烧区设置有用于输送新鲜含碳固体燃料的下喷管；
其中，下喷管和上喷管的设置使得包括新鲜含碳固体燃料和第一含氧气体的第一气固两相流与包括来自移动床层的小颗粒物质和第二含氧气体的第二气固两相流在所述悬浮燃烧区相撞，从而使得新鲜含碳固体燃料和所述小颗粒物质进行悬浮燃烧。
本发明的第二方面提供一种燃烧含碳固体燃料的装置，该燃烧装置包括如上所述的反应器；以及用于接收来自反应器的烟气的烟气处理单元。
本发明第三方面提供一种含碳固体燃料的燃烧方法，该方法包括：
(1)在燃烧条件下，使包括新鲜含碳固体燃料和第一含氧气体的第一气固两相流与包括来自移动床层的小颗粒物质和第二含氧气体的第二气固两相流相撞，从而使得所述新鲜含碳固体燃料和来自移动床层的小颗粒物质进行悬浮燃烧；
(2)将悬浮燃烧后形成的未燃尽的含碳固体燃料引入移动床层，并在第二含氧气体的作用下进行二次燃烧。
本发明可以取得如下的有益效果：
(1)本发明耦合了小颗粒固体燃料的悬浮燃烧和大颗粒固体燃料的移动床层燃，其中悬浮燃烧的反应速率较快，移动床层燃过程较慢。悬浮燃烧通过两股气固两相流的撞击流实现，一股物流为第一含氧气体(优选为第一预热含氧气体)携带新鲜燃料，流动方向为自上而下；另一股物流为第二含氧气体(优选为第二预热含氧气体)携带移动床层中生成的小颗粒物质，流动方向为自下而上。两股物流在移动床层上部撞击，形成撞击区，燃料颗粒在撞击区产生振荡运动，延长燃料颗粒在富氧空间中的停留时间；由于一部分颗粒进入反向气流，气固两相间可以形成较大的速度差，强化传质传热过程；颗粒的撞击和碰撞会造成破碎，减小颗粒体积，加快反应速率，提高燃烧效率。
(2)撞击流悬浮燃烧过程中未燃尽颗粒返回移动床层。进入移动床层的预热空气对燃料床层底部有局部流化作用，床层发生缓慢燃烧，经历燃烧过程体积变小的颗粒逃逸出移动床层并落入层燃区下部，从而被第二含氧气体带入上喷管，被高速气流携带进入撞击区。移动床层的作用还包括：1.利用燃料的蓄热，维持燃烧炉的温度；2.进入燃烧炉的含碳固体燃料一般混有一定比例的脱硫剂，脱除悬浮燃烧和层燃过程中生成的硫化物；3.悬浮燃烧生成的NOx可以在通过移动床层的床层中被还原成N2。
(3)优选的，本发明反应器的炉膛上部四面内墙还设置有换热器，利用移动床层的热辐射和热烟气的热对流换热生产热水或蒸汽；
(4)优选的，本发明还设置有包括除尘器和省煤器的烟气处理装置，以对悬浮燃烧后生成的较轻飞灰随热烟气进入燃烧炉后的除尘器进行气固分离以除尘，除尘后的烟气进入省煤器进行换热，并优选对空气进行预热形成预热空气。
附图说明
图1是本发明提供的一种具体的含碳固体燃料的燃烧装置。
图2是本发明提供的一种具体的层燃区。
图3是本发明提供的一种插入有上喷管的孔板的结构示意图。
附图标记说明
1 反应器 2 烟气处理单元 3 含氧气体供给单元
4 给料单元 11 悬浮燃烧区 12 层燃区
21 除尘器 22 省煤器 41 料仓
42 下降管 43 阀门 121 移动床层
122 上喷管 111 下喷管 123 排渣口
124 孔板 221 过热段 222 换热段
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
根据本发明的第一方面，提供一种燃烧含碳固体燃料的反应器，该反应器1包括悬浮燃烧区11和层燃区12；
其中，层燃区12设置有能够对悬浮燃烧区11中未燃尽的含碳固体燃料进行二次燃烧的移动床层121，以及穿过所述移动床层121的上喷管122；
悬浮燃烧区11设置有用于输送新鲜含碳固体燃料的下喷管111；
其中，下喷管111和上喷管122的设置使得包括新鲜含碳固体燃料和第一含氧气体的第一气固两相流与包括来自移动床层121的小颗粒物质和第二含氧气体的第二气固两相流在所述悬浮燃烧区11相撞，从而使得新鲜含碳固体燃料和所述小颗粒物质进行悬浮燃烧。
根据本发明，所述悬浮燃烧区11设置在所述层燃区12的上方，如此，含碳固体燃料在所述悬浮燃烧区11进行悬浮燃烧后，未燃尽的燃料颗粒在重力的作用下会落入层燃区12，形成移动床层121，但由于上喷管122会源源不断的自下而上喷射气流，未燃尽的燃料颗粒基本不会进入上喷管122中。而在层燃的过程中，由于燃烧使得燃料颗粒进一步变小并逃逸出移动床层，部分落入层燃区12的下部，而由于上喷管122设置为穿过所述移动床层121，优选地，在层燃区12的下部，上喷管122的底部与移动床层121的底部相通，在第二含氧气体的作用下，至少部分逸出移动床层121的小颗粒物质(例如，小颗粒的焦炭，固体燃料因燃烧而释放的夹杂物质或生成的飞灰等)进入上喷管122，并在自下而上的第二含氧气体的作用下带入到悬浮燃烧区11与来自下喷管111的新鲜固体燃料进行对撞。其中，术语“小颗粒”并没有粒径的特别限定，仅是指从移动床层121逃逸出并进入上喷管122中的小颗粒物质。
根据本发明，优选的，所述上喷管122和/或所述下喷管111沿所述反应器的中心线设置。所述上喷管和下喷管的材质优选为耐高温的刚性材质，例如316L SS。
根据本发明，所述层燃区12设置有孔板124，所述孔板124将所述层燃区12分隔为位于所述孔板124上部的上部区域和位于所述124下部的下部区域，所述上部区域接收来自悬浮燃烧区11中未燃尽的含碳固体燃料以形成移动床层121，且所述上喷管122贯穿于所述移动床层121和所述孔板124，所述孔板124上可以设置有多组具有一定孔径的孔，开孔率可以为1-4％。所述孔板124的设置一方面可以使得悬浮燃烧区11中未燃尽的燃料颗粒进入移动床层121，另一方面，可以使得从所述下部区域通入的第二含氧气体部分进入移动床层121以对落入所述移动床层121的未燃尽的颗粒进行二次燃烧；再一方面，还可以使得二次燃烧后颗粒进一步变小的小颗粒物质逃逸出移动床层121而进入所述下部区域，进而进入上喷管122。其中，所述孔板124优选为耐高温的刚性平板，例如，可以为鱼鳞板。
根据本发明一种具体的实施方式，如图2和3所示，孔板124大体呈与反应器1的底部形状相适应的倒梯形，倒梯形上部两端分别与反应器1的相对的两侧内壁连接，从而将层燃区12分为上部区域和下部区域，上部区域接收来自悬浮燃烧区11中未燃尽的含碳固体燃料以形成移动床层121，在下部区域中，孔板124和反应器1的内壁留有一定的空间，从而使得第二含氧气体能够顺利的进入移动床层121中。此外，第二含氧气体对移动床层121底部有局部流化作用，移动床层121发生缓慢燃烧，经历燃烧过程体积变小的小颗粒物质通过孔板124离开移动床层121并进入下部区域，被高速流动的第二含氧气体通过上喷管122携带进入悬浮燃烧区11。其中，上喷管122设于孔板124的中心。
根据本发明，为了有效的提高燃料的燃烧效率，优选的，设D为反应器1的内径，所述下喷管111和上喷管122的设置使得下喷管111携带的新鲜含碳固体燃料和第一含氧气体与上喷管122携带的来自移动床层121的小颗粒物质和第二含氧气体在所述悬浮燃烧区11发生对撞的撞击点位于距离所述层燃区12上端的0.3-0.5D处(所述层燃区12的上端周向在同一水平面上)。
根据本发明，为了有效的提高燃料的燃烧效率，优选的，所述层燃区12的高度为0.1-0.2D。
根据本发明，为了有效的提高燃料的燃烧效率，优选的，所述反应器的高度为1-5D。
根据本发明，为了有效的提高燃料的燃烧效率，优选的，下喷管111的直径为0.02-0.05D，上喷管122的直径为0.02-0.05D。进一步优选的，上喷管122和下喷管111的直径相同，夹角为180°。
含碳固体燃料经悬浮燃烧和二次燃烧后生成烟气和残渣。根据本发明，为了便于反应器1的除渣同时有效的调节移动床层121物料的高度，优选的，在所述层燃区12的下部还周向布置有至少一个排渣口123，同时所述排渣口上还设置有旋转阀，以便对渣的放出速度进行控制，从而可以控制物料的高度。当所述含碳固体燃料为燃料煤时，排出的物料可以含有煤矸石和大颗粒物质的煤渣。其中，所述排渣口123可以为4-6个，优选周向均匀布置。
根据本发明，为了使得燃烧更加充分，所述第一含氧气体优选为第一预热含氧气体，所述第二含氧气体优选为第二预热含氧气体。其中，所述第一含氧气体和/或第二含氧气体可以为任意的含有可以为燃烧提供氧气的气体，例如，空气。
根据本发明的第二方面，提供一种燃烧含碳固体燃料的装置，该燃烧装置包括如上所述的反应器1；以及用于接收来自反应器1的烟气的烟气处理单元。
根据本发明，反应器1中煤燃烧生成的热烟气温度约为800-1000℃，因此，优选的，在所述悬浮燃烧区11的内壁还周向设置有换热器，例如屏式换热器，能够与热烟气换热生产热水或蒸汽，同时保护反应器的金属壳体。
根据本发明，所述烟气处理单元2优选与所述悬浮燃烧区11相通，以将燃烧产生的烟气引入所述烟气处理单元2中进行处理。按照烟气的流向，所述烟气处理单元2优选包括除尘器21和省煤器22，以分别对烟气进行除尘以及利用除尘后的烟气的热值。
其中，所述除尘器21可以为本领域常规的各种除尘器，例如可以为旋风分离器。
省煤器是安装于锅炉尾部烟道下部用于回收所排烟的余热的一种装置，将锅炉给水加热成汽包压力下的饱和水的受热面，由于它吸收高温烟气的热量，降低了烟气的排烟温度，节省了能源，提高了效率，所以称之为省煤器。所述省煤器22可以包括吸收烟气热量的过热段221以及外放热量的换热段222。所述换热段222可以与含氧气体供给单元3提供的含氧气体进行换热，以为所述第一含氧气体和/或第二含氧气体提供至少部分热量。
根据本发明，优选的，经过换热后的烟气温度降至100℃以下，可以通过进一步除尘后排放，所述进一步除尘可以通过布袋除尘器完成。排放的烟气含尘量＜20mg/Nm3，SO2＜50mg/Nm3，NOx＜150mg/Nm3。
本发明提供的装置，由于本发明的悬浮燃烧区11通过气流的对撞以实现物料的快速燃烧，而对撞又可以使得物料(例如，燃料和脱硫剂)在富氧空间的停留时间延长以及颗粒变小。一方面，燃料能够更加充分的燃烧，再与后续的移动床层燃烧相结合，能够有效提高燃烧效率；另一方面，生成的烟气能够更加充分的和脱硫剂接触，以对烟气进行充分的脱硫。此外，脱硫剂最终又会进入移动床层，移动床层中生成的烟气以及悬浮燃烧区生成的部分烟气也会进入移动床层，并且移动床层的反应速度变慢，能够使脱硫剂有充分的时间和烟气接触，从而有效的实现了烟气的脱硫。
此外，移动床层在层燃的过程中会产生焦炭，而渗入移动床层121的烟气中所含的氮氧化物NOx可以和焦炭发生还原反应，被还原为N2，从而提高了系统的脱氮效率。
本发明提供装置可以设置为不同的规模，使其不仅适用于较大规模的工业应用，还适合小规模应用，并且操作以及设备的维护简单。优选的，在炉体内设置换热器有效的减少了对炉体耐火层的冲刷。并且，本发明的设置运行温度较高，例如，悬浮燃烧区温度可高达800-1000℃，在进行垃圾的焚烧时，基本不会或很少产生二噁英。
根据本发明，所述装置还包括有含氧气体供给单元3和给料单元4。
其中，当所述含氧气体供给单元3可以为风机，也即，所述含氧气体为空气，当进入上喷管122的预热空气和进入下喷管111的预热空气的温度设置为基本相同时，所述风机可以为1台，提供的空气经预热至预定温度后提供至上喷管122和下喷管111，当温度设置为不同时，所述风机可以为2台，提供的空气分别经预热至预定温度后提供至上喷管122和下喷管111。其中，以上喷管122和下喷管111的温度不同为例进行说明，用于第一预热空气供给的风机与下喷管111的上端口相通，提供的空气经预热至预定温度后进入下喷管111以提供自上而下的第一预热空气；用于第二预热空气供给的风机与层燃区12的下部区域相通，进入层燃区12下部区域后，部分气流进入上喷管122，剩余部分气流进入移动床层121，以提供自下而上的第二预热空气。
其中，所述给料单元4优选包括料仓41以用于储备新鲜的含碳固体燃料；下降管42，所述下降管42与下喷管111的上端口相通以用于为所述下喷管111提供新鲜含碳固体燃料；以及设置在所述下降管42上的阀门43，以通过阀门43的开度调节物料的供应速度。
本发明的第三方面，提供含碳固体燃料的燃烧方法，该方法包括：
(1)在燃烧条件下，使包括新鲜含碳固体燃料和第一含氧气体的第一气固两相流与包括来自移动床层的小颗粒物质和第二含氧气体的第二气固两相流相撞，从而使得所述新鲜含碳固体燃料和来自移动床层的小颗粒物质进行悬浮燃烧；
(2)将悬浮燃烧后形成的未燃尽的含碳固体燃料引入移动床层，并在第二含氧气体的作用下进行二次燃烧。
根据本发明，如上所述的燃烧方法可以在本发明第一方面提供的含碳固体燃料的燃烧反应器或第二方面提供的含碳固体燃料的燃烧装置中进行。其中，所述含碳固体燃料可以为各种的含有碳的且可以燃烧的物质，例如，可以为煤、垃圾等。所述含碳固体燃料还可以与脱硫剂等物质一同引入，其中，原料的粒度优选在0～10mm之间的宽筛分粒度分布。脱硫剂的加入量优选按原料中硫含量的0～5倍摩尔比计算。其中，所述脱硫剂可以为本领域中常规使用的各种脱硫剂，例如，石灰、石灰石等等。所述脱硫剂的粒径可以为0.1-0.5mm。
优选的，所述悬浮燃烧的温度为800-1000℃。
优选的，所述第一含氧气体为第一预热含氧气体，第一含氧气体的温度为600-800℃。
优选的，所述二次燃烧的温度为500-700℃。
优选的，所述第二含氧气体为第二预热含氧气体，第二含氧气体的温度为600-800℃。
根据本发明，为了使第一气固两相流和第二气固两相流进行充分的对撞，使得含碳固体燃料的悬浮时间延长以及细化所述含碳固体燃料，从而提高燃烧效率和脱硫脱氮效率，优选的，所述第一气固两相流的流速为10-20m/s，例如，可以为10m/s、11m/s、12m/s、13m/s、14m/s、15m/s、16m/s、17m/s、18m/s、19m/s、20m/s；所述第二气固两相流的流速为15-25m/s，例如，可以为15m/s、16m/s、17m/s、18m/s、19m/s、20m/s、21m/s、22m/s、23m/s、24m/s、25m/s。
根据本发明，优选的，引入移动床层中的第二含氧气体的流速仅能够保证床层或床层底部的物料产生局部流化作用，移动床层中第二含氧气体的流速为0.8-1.2m/s。
根据本发明，优选的，为了保证燃烧效果，所述未燃尽的含碳固体燃料在移动床层中的停留时间为10-40min。
根据本发明，在本发明用于供热的场合，通入的空气量应确保燃料完全燃烧，根据燃料性质、移动床层中燃料的停留时间及床层温度等因素，优选的，在第一气固两相流中，相对于所述新鲜含碳固体燃料，所述第一含氧气体的过量空气系数为1.0-1.2；在第二气固两相流中，相对于所述小颗粒物质，所述第二含氧气体的过量空气系数为1.2-1.4；在所述二次燃烧中，相对于移动床层的未燃尽的含碳固体燃料，进入移动床层的第二含氧气体的过量空气系数为1.2-1.4。相对于供应的含碳固体燃料，空气的总过量系数为1-2，以应用于1MW的燃煤锅炉为例，过量总空气系数α＝1.33。
根据本发明，在本发明用于生产低热值燃气的场合，通入的空气量应根据所需燃气的热值、温度及灰渣中残碳量等因素确定过量空气系数。优选的，在第一气固两相流中，相对于所述新鲜含碳固体燃料，所述第一含氧气体的过量空气系数为0.7-0.9；在第二气固两相流中，相对于所述小颗粒物质，所述第二含氧气体的过量空气系数为0.5-0.8；在所述二次燃烧中，相对于移动床层的未燃尽的含碳固体燃料，进入移动床层的第二含氧气体的过量空气系数为0.5-0.8。
根据本发明，该方法还包括将悬浮燃烧后形成的剩余部分烟气进行除尘，所述除尘的方法可以按照本领域常规的方法进行，本发明不再赘述。
根据本发明，优选的，该方法还包括利用燃烧产生的热值，例如，烟气含有的热量以及流化床的辐射热等进行热水或蒸汽的产生，这些方法均为本领域技术人员所公知，本发明不再赘述。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例和对比例中，
煤炭颗粒来自神华的烟煤，含碳量约85重量％，含氢量约5重量％，含氧量约12重量％。
设反应器内径为D，则反应器高度应为2.5D，煤颗粒床层高度为0.15D，上喷管和下喷管的喷管直径为0.03D，夹角为180°，撞击点距离床层顶部约0.4D处。
在本发明用于供热的场合，用于1MW的燃煤锅炉，相对于煤炭颗粒的用量，过量空气系数为1.33。
实施例
现结合图1-3对本发明进行详细说明。
料仓41中的煤炭颗粒与粒径为0.1-0.5mm的石灰石脱硫剂混合物受重力作用进入下降管42，下降管安装有旋转阀43，旋转阀的转速控制给煤速度。原料的粒度在0～10mm之间的宽筛分粒度分布。脱硫剂的加入量按原煤中硫含量的2.5倍摩尔比计算。
反应器1分为悬浮燃烧区11和层燃区12，悬浮燃烧区中心设置有下喷管111，下喷管连接料仓下降管和第一预热空气(600-800℃)。层燃区设置有呈倒梯形的鱼鳞板，倒梯形鱼鳞板的上侧两端分别连接至反应器相对的两个侧壁上，将层燃区分为上部区域和下部区域，且鱼鳞板的两个侧壁与反应器的内壁留有一定的空间。上部区域接收来自悬浮燃烧区中未燃尽的含碳固体燃料以形成移动床层121，上喷管122从移动床层穿过，一端开口于悬浮燃烧区，另一端开口于下部区域，下部区域连接第二预热空气(600-800℃)。
控制上喷管中气体流速为15m/s，下喷管中的气体流速为20m/s。两根喷管喷出的气流在悬浮燃烧区形成撞击流进行悬浮燃烧，悬浮燃烧的温度为800-1000℃。
未燃尽的大颗粒物质落入所述上部区域形成移动床层，第二预热空气从下部区域进入，部分进入上喷管，剩余部分穿过鱼鳞板进入移动床层，但进入移动床层的气体流速仅保证能通过移动床层或在移动床层底部产生局部流化作用，移动床层中的气体流速约为1m/s。
移动床层中的未燃尽的大颗粒物质与进入其中的第二预热空气发生燃烧反应，其燃烧方式为速度较慢的层燃，移动床层的温度为500-700℃，燃烧后生成的较小颗粒物质通过鱼鳞板的孔径逃逸出移动床层，落入下部区域，部分在第二预热空气的作用下进入上喷管后被上喷管中的第二预热空气携带流向撞击区；为了保证燃烧效果，未燃尽的大颗粒物质在移动床层中的停留时间在25min左右，具体的控制方案由反应器上部料仓及下步排渣口的旋转阀控制。
反应器在移动床层下部周向均布5个排渣口，可通过开关旋转阀放出燃料中的煤矸石或大颗粒煤渣，同时起到调节控制床层高度的作用。
反应器中煤燃烧生成的热烟气温度约为800-1000℃，反应器在悬浮燃烧区的内壁四周设置屏式换热器，换热生产热水或蒸汽，同时保护反应器的金属壳体。
热烟气还会渗入移动床层中，与移动床层中燃烧产生的焦炭发生还原反应，将烟气中的NOx还原为N2；烟气中的SO5被床层中的脱硫剂转化为硫酸盐。
热烟气在完成初级放热后从反应器悬浮燃烧区的烟气出口流出，进入除尘器，除尘器采用常用的高温旋风分离器形式，脱除热烟气中携带的煤灰。随后热烟气进入省煤器，换热生产热水或蒸汽，同时对风机送来的空气预热以产生第一预热空气和第二预热空气。换热后的烟气温度降至100℃以下，经布袋除尘器过滤后排放。
烟气中CO和CO2的含量测定，如上方法的碳转化率为99％，排放的烟气含尘量15mg/Nm3，SO2含量20mg/Nm3，NOx含量100mg/Nm3。
对比例1
按照实施例的方法进行煤炭颗粒的燃烧，不同的是，不采用下喷管，而是通过上喷管提供的预热空气使得煤炭颗粒成悬浮状态。
根据烟气中CO和CO2的含量测定，如上方法的碳转化率为80％，排放的烟气含尘量30mg/Nm3，SO2含量50mg/Nm3，NOx含量150mg/Nm3。
对比例2
按照实施例的方法进行煤炭颗粒的燃烧，不同的是，使用CN101025266A公开的装置。
烟气经过除尘后，根据烟气中CO和CO2的含量测定，如上方法的碳转化率为85％，排放的烟气含尘量20mg/Nm3，SO2含量40mg/Nm3，NOx含量120mg/Nm3。
由以上实施例和对比例可以看出，采用本发明特定设置的装置进行含碳颗粒的燃烧，不仅能够有效提高燃烧效率，且最终排放烟气中的硫氮含量以及含尘量均所有下降。且本发明提供装置不仅适用于较大规模的工业应用，还适合小规模应用，不仅适用于供热场合，还可以通过调节过量空气系数，适用于生产低热值燃气的场合，并且操作以及设备的维护简单。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。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简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (25)
1.一种燃烧含碳固体燃料的反应器，其特征在于，该反应器（1）包括悬浮燃烧区（11）和层燃区（12）；
其中，所述层燃区（12）设置有能够对所述悬浮燃烧区（11）中未燃尽的含碳固体燃料进行二次燃烧的移动床层（121），以及穿过所述移动床层（121）的上喷管（122）；
其中，所述悬浮燃烧区（11）设置在所述层燃区（12）的上方；
其中，所述悬浮燃烧区（11）设置有用于输送新鲜含碳固体燃料的下喷管（111）；
其中，所述下喷管（111）内流体流向为自上而下，所述上喷管（122）内流体流向为自下而上；
其中，在所述层燃区（12）的下部，所述上喷管（122）的底部与所述移动床层（121）的底部相通，所述下喷管（111）和所述上喷管（122）的设置使得包括新鲜含碳固体燃料和第一含氧气体的第一气固两相流与包括来自所述移动床层（121）的小颗粒物质和第二含氧气体的第二气固两相流在所述悬浮燃烧区（11）相撞，从而使得新鲜含碳固体燃料和所述小颗粒物质进行悬浮燃烧。
2.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述第一含氧气体为第一预热含氧气体，所述第二含氧气体为第二预热含氧气体，所述第一气固两相流和所述第二气固两相流的撞击点设在距离所述层燃区（12）上端0.3-0.5D处；
其中，D为反应器的内径。
3.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述层燃区（12）的高度为0.1-0.2D；
其中，D为反应器的内径。
4.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述反应器的高度为1-5D；
其中，D为反应器的内径。
5.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述下喷管（111）的直径为0.02-0.05D，所述上喷管（122）的直径为0.02-0.05D；
其中，D为反应器的内径。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的反应器，其中，所述层燃区（12）设置有孔板（124），所述孔板（124）用于接收所述悬浮燃烧区（11）中未燃尽的含碳固体燃料以形成所述移动床层（121），且所述第二含氧气体能够通过所述孔板（124）进入所述移动床层（121）以对未燃尽的含碳固体燃料进行二次燃烧，且所述移动床层（121）中的小颗粒物质能够穿过所述孔板（124）离开所述移动床层（121），并至少部分进入所述上喷管（122）中。
7.根据权利要求6所述的反应器，其中，所述孔板（124）和所述上喷管（122）的设置使得所述第二含氧气体在所述上喷管（122）内的流速为15-25m/s，在所述移动床层（122）中的流速为0.8-1.2 m/s。
8.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述层燃区（12）还周向布置有至少一个用于排出残渣的排渣口（123）。
9.根据权利要求1-5和8中任意一项所述的反应器，其中，所述悬浮燃烧区（11）的内壁还周向设置有换热器，以吸收反应热。
10.根据权利要求1-5和8中任意一项所述的反应器，其中，所述上喷管（122）和/或所述下喷管（111）沿所述反应器的中心线设置。
11.一种燃烧含碳固体燃料的装置，其特征在于，该燃烧装置包括权利要求1-6中任意一项所述的反应器；以及用于接收来自反应器（1）的烟气的烟气处理单元（2）。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，按照烟气的流向，所述烟气处理单元（2）依次包括除尘器（21）和省煤器（22），在所述省煤器（22）中，能够通过与所述烟气换热为所述第一含氧气体和/或所述第二含氧气体提供至少部分热量。
13.根据权利要求11或12所述的装置，其中，该装置还包括含氧气体供给单元（3）和/或给料单元（4）。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述含氧气体供给单元（3）分别连接所述下喷管（111）的上端口和所述层燃区（12）的底部，以为所述下喷管（111）提供自上而下的所述第一含氧气体，以及为所述上喷管（122）和移动床层（121）提供自下而上的所述第二含氧气体。
15.根据权利要求13所述的装置，其中，所述给料单元（4）包括料仓（41）、下降管（42）以及设置在所述下降管上的阀门（43）；其中，所述下降管（42）与所述下喷管（111）的上端口相通以用于为所述下喷管（111）提供新鲜含碳固体燃料。
16.一种含碳固体燃料的燃烧方法，其特征在于，该方法在权利要求11-15中任意一项所述的燃烧含碳固体燃料的装置中实施；
该方法包括：
（1）在燃烧条件下，使包括新鲜含碳固体燃料和第一含氧气体的第一气固两相流与包括来自移动床层的小颗粒物质和第二含氧气体的第二气固两相流相撞，从而使得所述新鲜含碳固体燃料和来自移动床层的小颗粒物质进行悬浮燃烧；
（2）将所述悬浮燃烧后形成的未燃尽的含碳固体燃料引入移动床层，并在第二含氧气体的作用下进行二次燃烧。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第二含氧气体对所述移动床层底部有局部流化作用。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述悬浮燃烧的温度为800-1000℃；和/或
所述二次燃烧的温度为500-700℃；和/或
所述第一含氧气体为第一预热含氧气体，温度为600-800℃；和/或
所述第二含氧气体为第二预热含氧气体，温度为600-800℃。
19.根据权利要求16-18中任意一项所述的方法，其中，所述第一气固两相流的流速为10-20m/s，所述第二气固两相流的流速为15-25m/s。
20.根据权利要求16-18中任意一项所述的方法，其中，步骤（2）中，所述移动床层中第二含氧气体的流速为0.8-1.2 m/s。
21.根据权利要求16-18中任意一项所述的方法，其中，所述未燃尽的含碳固体燃料在移动床层层中的停留时间为10-40min。
22.根据权利要求16-18中任意一项所述的方法，其中，
（1）所述方法应用于供热场合，在所述第一气固两相流中，相对于所述新鲜含碳固体燃料，所述第一含氧气体的过量空气系数为1.0-1.2；在所述第二气固两相流中，相对于所述小颗粒物质，所述第二含氧气体的过量空气系数为1.2-1.4；和/或
在所述二次燃烧中，相对于所述移动床层的未燃尽的含碳固体燃料，进入所述移动床层的所述第二含氧气体的过量空气系数为1.2-1.4；或者
（2）所述方法应用于生产低热值燃料场合，在所述第一气固两相流中，相对于所述新鲜含碳固体燃料，所述第一含氧气体的过量空气系数为0.7-0.9；在所述第二气固两相流中，相对于所述小颗粒物质，所述第二含氧气体的过量空气系数为0.5-0.8；和/或
在所述二次燃烧中，相对于移动床层的未燃尽的含碳固体燃料，进入所述移动床层的所述第二含氧气体的过量空气系数为0.5-0.8。
23.根据权利要求16所述的方法，其中，该方法还包括将所述悬浮燃烧后形成的剩余部分烟气进行除尘。
24.根据权利要求16所述的方法，其中，所述含碳固体燃料为煤，所述第一气固两相流还包括脱硫剂。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述脱硫剂的粒径为0.1-0.5mm。
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