CN1276215C - 以水煤浆为燃料的循环流化床油田注汽锅炉 - Google Patents

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Abstract

以水煤浆为燃料的循环流化床油田注汽锅炉，用螺杆泵以0.2～0.4MPa压力从锅炉上部高位供燃料；采用单汽包，自然循环方式的热工设计获得17.5～21MPa高压蒸汽；用石英砂和石灰石粉粒为流化介质，以6～8低倍率循环；配入相应量石灰石和控制在850～950℃下洁净燃烧；本发明锅炉采用了水冷炉壁，在不同区位上实施敷耐高温、耐磨蚀的耐火浇注料和在管壁上喷涂镍铬耐高温、耐磨合金；采用由锅炉前墙水冷壁向后弯曲制成管式锅炉顶，螺旋助片管结构省煤器，以及敷设了耐磨材料的旋风分离器；在水冷壁中使用了内螺纹管，在高温高压区段选用耐高温合金钢材料；以焊接框架结构组成了支撑构架；在重要的接合部位安装软性三向膨胀节；并在炉膛出口处和点火燃烧风箱设置防爆装置。

Description

以水煤浆为燃料的循环流化床油田注汽锅炉
技术领域
根据国际专利分类表，本发明属于流体燃料燃烧设备中的流化床燃烧设备技术领域，特别涉及到以水煤浆为燃料额定蒸发量7-25吨/小时循环流化床锅炉，该种锅炉可以产生17.5～21MPa的高压蒸汽，主要用于油田注汽。
背景技术
油田地下贮藏的石油经过多年开采后，通常采用向地下注入高温、高压蒸汽来增加产量，或是来开采通过其它方法无法开采的石油。目前油田注汽锅炉都采用油或天然气为能源，运行成本高。以压力为17.5MPa 20吨/小时中型的蒸汽锅炉计，每生产1吨高压蒸汽要消耗66.5kg燃油，一个大型油田每年仅此项就要消耗柴油120万吨。能否用水煤浆代替燃油或天然气，创造出小时产生7～25吨17.5MPa～21MPa高压蒸汽的锅炉供油田使用，并作到洁净燃烧，这一技术问题至今尚未解决。
发明内容
本发明针对以上问题，提出了一种用水煤浆为燃料的循环流化床油田注汽锅炉，它是在循环流态化锅炉基础上添加多项技术，做到了能烧水煤浆。开发出额定蒸发量7～25吨/小时系列中、小型高压蒸汽锅炉。
锅炉结构如附图1所示，它主要由锅炉构架1，点火燃烧风箱2，燃油预热筒3，飞灰返料器4，水冷布风板5，石英砂、石灰石粉粒加料器6，炉膛浓相区水冷壁7，敷管炉墙8，锅炉水冷壁9，水煤浆加料器10，锅炉燃烧室11，防爆安全孔12，汽包13，锅炉炉顶管组14，低温再热器炉烟道15，低温再热器管组16，软性三向膨胀节17，旋风分离器18，尾部竖井烟道19，第二级省煤器20，第一级省煤器21，一次空气预热器22，二次空气预热器23组成。
构成水煤浆锅炉加燃料机构以及锅炉辅机的联接流程如附图2所示，卸浆用螺杆泵24，水煤浆储罐25，锅炉定量供浆螺杆泵27，水煤浆循环流化床锅炉28，一次空气预热器鼓风机29，二次空气预热鼓风机30，除尘器31，飞灰输送装置32，飞灰贮仓33，引风机34，烟囱35，防风、防雨烟囱帽36组成。在水煤浆储罐顶部安装有搅拌装置26，定时搅拌以防止水煤浆发生硬沉淀。
1、本发明的燃烧热工系统采用如下技术：
(1)采用螺杆泵将水煤浆打到循环流化床油田注汽锅炉的上部，从高位、低压、定量向炉膛供给水煤浆。
依据水煤浆燃料的性质，是含水份的固体乳液，有一定的固含、有一定的粘度，选择了从锅炉的上部、高位、低压供给水煤浆的技术方案。水煤浆由螺杆泵24送入水煤浆贮储罐25，再由锅炉定量供浆螺杆泵27输送到水煤浆循环流化床油田注汽锅炉28的上部，由设在锅炉上部的水煤浆加料器10低压注入锅炉炉膛，锅炉定量供料螺杆泵27的供料压力为0.2MPa～0.4MPa；这种从锅炉28上部、低压定量供给水煤浆的方式充分利用了锅炉的高度，加快了水煤浆中的水份和挥发份的析出，有利于燃烧点火，同时低压定量供给水煤浆，水煤浆在管道中输送，速度相对较低，不仅供浆安全、供浆设备容易解决而且管道和设备磨损较小。
(2)采用单汽包自然循环方式的锅炉热工设计获得17.5～21MPa的高压蒸汽；锅炉为低循环倍率，其值为6～8倍。
本发明采用单汽包，自然循环，在锅炉燃烧室11的后面紧接着一个旋风分离器18，把烟气中的固相没有燃尽的飞灰收集下来，通过旋风分离器18下的飞灰返料器4来调整循环流化床锅炉的循环倍率。以水煤浆为燃料的循环流化床油田注汽锅炉28采用低倍率工艺，循环倍率为6～8倍，降低磨损，保证锅炉经济、安全、稳定地运行。
以水煤浆为燃料的循环流化床油田注汽锅炉28的热力系统中水、汽侧流程为：给水→省煤器进口集箱→省煤器管束→省煤器出口集箱→汽包→下降管→水冷壁下集箱→上升管→水冷壁上集箱→汽水连接管→汽包→饱和蒸汽引出管→吊挂管入口集箱→吊挂管管束→低温过热器入口集箱→低温过热器管束→低温过热器出口集箱→连接管→汇汽集箱，确定的热力分布，得以平稳获得17.5～21MPa高压蒸汽。
锅炉尾部竖井烟道19受热面采用单级布置，上部为一、二级省煤器20、21，下部为一、二次空气预热器22、23。一、二级省煤器20、21利用烟道中550℃和330℃左右的高温烟气把进入锅炉的水预热到255℃后送入锅炉汽包13。
一、二次空气预热器22、23分别预热由鼓风机29和鼓风机30送入锅炉的空气。一次空气预热器22预热的热风主要经点火燃烧风箱2，水冷布风板5供给锅炉的流化床。二次空气预热器23预热后的热风，经过位于锅炉燃烧室四周二次风口送入炉膛，补充燃烧空气，加强燃料和空气扰动，并且起到控制炉膛温度的作用，炉膛温度要控制在850～950℃之间。
(3)以石英砂和石灰石粉粒为流化介质，根据水煤浆中含硫量的大小，配入0.4～0.6倍的水煤浆量的石灰石，将炉膛温度控制在850～950℃，使水煤浆在锅炉28中洁净燃烧，烟气排放的有害物小于国家允许的排放标准。锅炉28采用水冷等压风室和水冷布风板5。布风板5上部风流速＞5m/s，锅炉28采用流化床下助燃油点火，在等压风箱即点火燃烧风箱2接口风道两侧布置燃油预热筒3。
2、为实施本发明的锅炉必需设有相应的锅炉结构，本发明采用了如下的锅炉结构。
(1)在锅炉本体结构上：
在炉膛浓相区水冷壁7上，焊接密排销钉，敷耐高温耐磨浇注料。浓相区与稀相区交接处(即耐高温耐磨浇注料上部)水汽壁管上喷涂一层高度为500mm，厚度为1～3mm的耐高温、高强度耐磨Ni-Cr合金后，提高了锅炉炉膛使用寿命和保证了锅炉28连续运行。
在锅炉28的顶部锅炉前墙水冷壁9向后弯曲形成炉顶管14，降低炉顶温度，同时确保各受热面的自由膨胀，金属件不开裂，减少炉墙膨胀，对炉顶实行可靠密封。炉顶管外部采用复合炉墙，复合炉墙是耐火浇注料、保温材料构成，这种复合炉墙绝热、保温、膨胀性能好；在复合炉墙的外部安装有炉墙钢护板。
省煤器20、21管采用螺旋肋片管结构，增加防磨作用。在省煤器20、21的第一、二排管上加装金属防磨瓦板。省煤器排管的弯头埋入炉墙内。在一级省煤器顶部尾部竖井烟道19设置耐磨铸铁匀气孔板。使进入省煤器的烟气流均匀，避免了一级省煤器因烟气偏流造成局部磨损；烟气的流速被控制在6～8.5m/s之间。
旋风分离器18的主体采用高温耐磨异形砖砌筑，其顶部中心管入口处及底部下灰处采用高温、耐磨耐火浇注料。
锅炉水冷壁9使用内螺纹管，防止和克服膜态沸腾，锅炉管子采用高压钢管，材料有SA213-T91、钢102、12CrMoV或15CrMo管材。低温再热器16管材质为12CrMoWVTiB，空气预热器21、22材料采用Q215A。
(2)在锅炉构架结构上：
锅炉构架1采用焊接框架结构，柱脚与地基为固定连接，锅炉构架1是锅炉的主要承重部件，锅炉本体主要受压部件、旋风分离器18、返料器4、敷管炉墙8及护板等都由锅炉构架1来支撑。锅炉水冷壁9设置钢性梁，以保证锅炉水冷壁9的刚性和避免锅炉水冷壁9在运行时发生晃动。锅炉沿高度设有止晃装置，通过钢性平台和构架横梁将力传递到构架，释放至锅炉基础。锅炉在炉室部分采用敷管护墙8，过热器炉烟道15和过渡烟道及尾部竖井烟道19均采用轻型护板炉墙，重量均由构架来支撑。
(3)消除热应力的技术措施
在锅炉燃烧室11与旋风分离器18烟道接合部位，以及旋风分离器18与尾部竖井烟道19接合部分都采用了软性三向膨胀节15连接。膨胀节15由耐高温陶瓷纤维绝热材料及102耐热不锈钢制造，外包碳钢护板，避免了锅炉的这些部位因膨胀系数不同而造成的密封不严，引起烟气泄漏。锅炉炉膛为水冷壁悬吊结构，设置有膨胀中心，使水冷壁整体向下膨胀；之外还设置膨胀指示器。在锅炉旋风分离器18下部及飞灰返料器4的回料管上部位都分别设置了耐高温钢制作的膨胀节。
(4)确保锅炉安全运行的技术措施
锅炉燃烧室11出口处安装防爆安全孔12，点火燃烧风箱2也设防爆装置；锅炉设计停电保护措施；在锅炉上配有保证锅炉安全、稳定运行所需的各种阀门和操作监视所需的仪表。
3、锅炉运行：
先对流化床预热，采用助燃油在流态化床下点火，由燃烧风箱2加热热风的方式，当流化床被预热到400℃时加入水煤浆，不断增加水煤浆的加入量，逐渐提高锅炉燃烧室11的温度直至850℃以上，正常加水煤浆。
水煤浆经供水煤浆加料器10进入锅炉28后打散变成一定粒度的液浆滴；由于炉膛内的流化热气流扰动，滴状水煤浆在炉膛内变成更细小的颗粒，在850～950℃温度的炉膛中向下翻腾、坠落；在坠落过程中浆滴被加热、分解开始燃烧。再进入由石英砂和石灰石构成的流化床中，在炽热的流化床料的继续加热过程中，迅速完成析出水分、挥发份，着火燃烧及焦碳燃烧。在流化状态下颗粒状的水煤浆团进一步解体，转化成了碳的细颗粒。由热烟气带出密相区，进入悬浮室继续燃烧。在燃烧室出口设有旋风分离器18和飞灰返料器4，由热烟气带出的流化介质物料和较大的未燃尽颗粒被旋风分离器18分离、捕捉，通过旋风分离器18下部设置的飞灰返送器4，送回燃烧室密相区循环燃烧，燃烧效率达到98％。
水煤浆在炉膛内850～950℃下低温燃烧，有效地抑制了燃料在燃烧过程中热力型NOx的生成，由于炉膛内加石英砂和石灰石作为媒体物料，石灰石在高温下分解生成CaO与水煤浆煤粉中的硫燃烧后生成的SO2反应生成CaSO4。其反应是：
              
抑制了烟气中SO2的排放，实现了在以水煤浆为燃料的循环流化床油田注汽锅炉28内直接脱硫，锅炉28加入的脱硫剂石灰石的粒径选择在1～2mm左右，在钙/硫摩尔比为1.5～2.5时，脱硫效率达到85％～95％。
锅炉28烟气中含有已燃尽的飞灰，由除尘器31收集，除尘率可达99％以上，使烟气中的烟尘排放浓度＜80mg/Nm3，烟气中SO2排放浓度＜100mg/Nm3，NOx排放浓度＜150mg/Nm3，烟气林格曼黑度＜1，达到国家标准的大气环保要求。
水煤浆燃烧后经除尘器31收集下来的粉煤灰可以被利用，水煤浆在锅炉28中燃烧后产生的飞灰由除尘器31收集，通过密封的输送装置输送到密封的飞灰储仓33内，达到一定数量后由粉煤灰车运走，完全避免了飞灰对环境的污染。飞灰具有很高的综合利用价值，主要有以下用途：飞灰具有胶凝性，含有CaSO4，是制造水泥所需的矿渣和石膏的替代品，补充矿渣资源不足；与50％的水泥熟料配合即可制成325#水泥，CaSO4含量高的飞灰还可以制成特种水泥和或膨胀剂。
附图说明
图1：以水煤浆为燃料循环流化床油田注汽锅炉结构图；
图2：以水煤浆为燃料循环流化床油田注汽锅炉及辅机联接流程图；
具体实施方式
已经利用本发明制造了17.5MPa压力，额定蒸发量为7t/h、10t/h、15t/h、20t/h、25t/h以水煤浆为燃料的循环流化床油田注汽锅炉。仅以20t/h锅炉为例说明本发明实施情况：
(1)使用燃料
符合GB/718855-2002标准的水煤浆：固相浓度66％，粘度：1.2pas，煤粉平均粒度d50：38～45μm，灰份：6％，硫份：0.35％，挥发份＞30％，热值20935k J/kg。
(2)根据本发明内容所述的锅炉结构制造的20t/h、17.5MPa以水煤浆为燃料的循环流化床油田注汽锅炉，由螺杆泵从锅炉炉体上部用高位向炉膛内供给水煤浆，供水煤浆压力为0.3MPa；采用单汽包，自然循环方式的锅炉热工设计获得17.5MPa的高压蒸汽；锅炉为低循环倍率，其值为6倍。
                   该锅炉所达到的热工数据
  序号   锅炉热工区位   介质温度℃   烟气温度℃
  1   汽包   255
  2   水冷壁炉膛   255   900
  3   低温再热器汽入口   255   710
  4   低温再热器汽出口   370   550
  5   第二级省煤器出口   255   550
  6   第二级省煤器进口   210   330
  7   第一级省煤器出口   210   330
  8   第一级省煤器进口   150   225
  9   一次空气预热器出口   121   225
  10   二次空气预热器出口   220   330
  11   冷空气进口   20   140
以石英砂和石灰石粉粒为流化介质，根据水煤浆硫含量配入了水煤浆量0.4倍的石灰石，并控制在850～950℃下燃烧，得到了如下的技术指标。
(3)运行后的技术指标：
锅炉床温：                   850～950℃
额定工作压力：               17.5MPa
蒸汽干度：                   85±5％
锅炉热效率：                 91％
蒸汽温度：                   370℃
一次预热空气温度：           121℃
二次预热空气温度：           220℃
冷空气温度：                 20℃
排烟温度：                   140℃
入炉石英砂粒度：             1～5mm
入炉石灰石粒度：             1～2mm
燃料消耗量：                 2.824t/h(按热值20935kJ/kg水煤浆计)
石英砂消耗量：               20kg/h
排放烟气烟尘浓度：           73mg/Nm3
排放烟气的SO2浓度：        64mg/Nm3
排放烟气的NOx浓度：        140mg/Nm3

Claims (2)

1、以水煤浆为燃料的循环流化床油田注汽锅炉，其特征在于锅炉结构特征为：
(1)采用水冷炉壁，并根据锅炉部件所在位置的热工状态在其上或是敷耐高温、耐磨蚀、耐火浇注料，或是在管壁上喷涂耐高温、耐磨的镍铬合金；在锅炉顶部采用锅炉前墙水冷壁向后弯曲形成管式炉顶；采用螺旋肋片管结构的省煤器；以及主体砌筑高耐磨异形砖，而在其顶部中心管入口处和底部下灰处采用高温耐磨、耐火浇注料的旋风分离器；在锅炉水冷却壁中使用内螺纹管，而在高温、高压部分选用耐高温合金结构钢；
(2)以焊接框架结构组成了锅炉构架支撑锅炉炉体；设置了钢性梁来支撑锅炉水冷壁，并且沿着锅炉高度设置了止晃装置；
(3)在锅炉的重要接合部位，由耐高温的膨胀节连接以消除热应力；在锅炉燃烧室与旋风分离器烟道接合部位，装备了由耐高温陶瓷纤维绝热材料及102耐热不锈钢制造，而外包碳素钢护板的软性三向膨胀节；
(4)在锅炉炉膛出口处安装了防爆装置，在点火燃烧风箱上也设置了防爆装置。
2、权利要求1所述的以水煤浆为燃料的循环流化床油田注汽锅炉的应用，其特征在于依据水煤浆燃料特点采用从锅炉炉体上部，以螺杆泵高位向炉膛内供给燃料的方案；供水煤浆压力为0.2～0.4MPa；采用单汽包，自然循环方式的锅炉热工设计获得17.5～21MPa高压蒸汽；锅炉选择低循环倍率，其值为6～8倍；以石英砂和石灰石粉粒为流化介质，根据水煤浆含硫量的多少配入水煤浆量0.4～0.6倍的石灰石并控制燃料在850～950℃下燃烧。
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