CN217928743U - 一种生物质与燃煤锅炉耦合发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种生物质与燃煤锅炉耦合发电系统，该系统包括依次相连的生物质炉膛、旋风除尘器、高温烟气测量装置、煤粉炉膛和空气预热器；所述煤粉炉膛侧壁连接有主燃烧器、高温烟气燃烧器和分离燃尽风燃烧器。本实用新型耦合系统的生物质能源能量利用效率高，中高温的绝热炉膛提升了燃烧效率，减少底渣和飞灰含碳量，所生成的高温烟气经过燃煤锅炉多级受热面冷却降低温度后排出锅炉，系统热效率高于其它方式的生物质耦合发电技术。

Description

一种生物质与燃煤锅炉耦合发电系统

技术领域

本实用新型属于生物质耦合燃煤发电领域，特别涉及一种生物质与燃煤锅炉耦合发电系统。

背景技术

生物质来自于自然界，通过吸收CO₂和水，在太阳光照作用下生成而形成，因此，作为CO₂循环的载体，将生物质作为燃料燃烧，不会对环境产生额外的CO₂排放，当前替代部门化石能源的消耗，可以减少总体的CO₂排放量。因此，生物质可以作为一种零碳燃料，被用来替代化石能源。特别是在燃料机组上，将生物质燃料耦合燃煤一起燃烧使用，降低燃煤机组的燃煤消耗量，从而实现碳减排。

目前，行业内将生物质与燃煤进行耦合发电的主要技术方式有三种：一是蒸汽侧耦合，将生物质锅炉产生的蒸汽与燃煤机组蒸汽进行耦合，将生物质锅炉生产的蒸汽注入到燃煤机组中，利用大型汽轮发电机组进行发电；二是烟气侧耦合，先将生物质送到气化炉中气化，生成的燃气再送入到燃煤炉膛中，与煤粉耦合一起在炉膛中燃烧；三是燃料侧耦合，将生物质燃料送入到特制的磨煤机中制粉，然后送入到炉膛中，与煤粉耦合一起在炉膛中进行燃烧。

现有技术存在以下缺点：蒸汽侧耦合技术，锅炉容量小、参数低，耦合发电时生物质锅炉蒸汽发电热效率较低，影响整体经济性，并且两者蒸汽参数存在较大的差异，耦合系统的灵活性不高；气化耦合技术存在着气化热损失，燃料适应性差等特性，气化过程容易发生爆炸等风险，气化炉运行不易控制等缺点；燃料侧耦合，需要特制磨煤机，并且生物质研磨中容易析出挥发分，容易发生爆炸等故障，并且存在难以计量生物质投入量等缺点。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型设计了一种生物质与燃煤锅炉耦合发电系统，所述系统包括依次相连的生物质炉膛、旋风除尘器、高温烟气测量装置、煤粉炉膛和空气预热器；其中，所述煤粉炉膛侧壁连接有主燃烧器、高温烟气燃烧器和分离燃尽风燃烧器。

进一步地，所述主燃烧器、高温烟气燃烧器和分离燃尽风燃烧器均在煤粉炉膛侧壁上对称分布；所述高温烟气燃烧器连接在主燃烧器和分离燃尽风燃烧器之间的区域内；或所述高温烟气燃烧器连接在主燃烧器的区域内。

进一步地，所述旋风除尘器内设生物质锅炉飞灰出口、生物质锅炉循环灰出口、生物质锅炉高温含尘烟气入口以及生物质锅炉高温烟气出口；其中，所述生物质锅炉飞灰出口、生物质锅炉循环灰出口均与所述旋风除尘器底部相连；所述生物质锅炉高温含尘烟气入口与所述旋风除尘器入口相连；所述生物质锅炉高温烟气出口与高温烟气测量装置相连。

进一步地，所述高温烟气测量装置包括依次相连的烟气取样装置、烟气预处理装置以及烟气流量和温度及成分测量装置；其中，所述烟气取样装置布置在生物质锅炉高温烟气出口的通道中。

进一步地，所述系统还包括锅炉出口低温烟气测量装置，所述锅炉出口低温烟气测量装置布置在空气预热器出口的烟道上。

进一步地，所述生物质炉膛内设有高温含尘烟气出口和生物质锅炉底渣出口；其中，所述高温含尘烟气出口与所述旋风除尘器内的所述生物质锅炉高温含尘烟气入口相连。

进一步地，所述系统还包括送风装置，所述送风装置包括依次相连的送风机、关断挡板和调节挡板；所述调节挡板与所述生物质炉膛底部连接。

进一步地，所述系统还包括送风装置，所述送风装置包括依次相连的热一次风温度测量装置、热一次风流量测量装置、关断挡板和调节挡板；其中，所述热一次风温度测量装置与燃煤锅炉热一次风出口相连；所述调节挡板与所述生物质炉膛底部连接。

进一步地，所述燃煤锅炉热一次风出口与所述空气预热器热端连接。

进一步地，所述生物质炉膛为绝热炉膛，其内部砌有耐火材料，空气从所述生物质炉膛底部进入。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1)热力系统简单，易于实现，与存量的燃煤锅炉耦合一起发电技术可行，生物质燃烧与燃煤燃烧在两个独立的炉膛内进行，降低了两者燃烧耦合性，提升整体系统运行的灵活性；

2)生物质绝热炉膛提升了生物质燃料的适应性，可以燃烧水分、灰分较高的劣质生物质燃料，对燃料的低位热值不敏感；

3)通过旋风除尘等措施，将生物质燃烧后的飞灰进行分离，减少送入煤粉炉膛内的飞灰含量，减轻因生物质燃料中的碱金属对高温受热面的影响；

4)耦合系统的生物质能源能量利用效率高，中高温的绝热炉膛提升了燃烧效率，减少底渣和飞灰含碳量，所生成的高温烟气经过燃煤锅炉多级受热面冷却降低温度后排出锅炉，系统热效率高于其它方式的生物质耦合发电技术。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本实用新型第一实施例的独立送风系统的生物质和燃煤锅炉耦合发电系统装置图；

图2示出了根据本实用新型第二实施例的独立送风系统的生物质和燃煤锅炉耦合发电系统装置图；

图3示出了根据本实用新型第三实施例的非独立送风系统的生物质和燃煤锅炉耦合发电系统装置图；

图4示出了根据本实用新型第四实施例的非独立送风系统的生物质和燃煤锅炉耦合发电系统装置图；

图5示出了高温烟气测量装置的示意图。

附图标记：1、生物质料仓；2、生物质炉膛；3、旋风除尘器；4、高温烟气测量装置；5、煤粉炉膛；6、主燃烧器；7、高温烟气燃烧器；8、分离燃尽风燃烧器；9、空气预热器；10、锅炉出口低温烟气测量装置；11、关断挡板；12、调节挡板；13、送风机；14、热一次风温度测量装置；15、热一次风流量测量装置；a1、生物质锅炉飞灰出口；a2、生物质锅炉循环灰出口；a3、生物质锅炉底渣出口；a4、生物质锅炉高温含尘烟气出口；a5、生物质锅炉高温烟气出口；a6、燃煤锅炉热一次风出口；4a、烟气取样装置；4b、烟气预处理装置；4c、烟气流量和温度及成分测量装置。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供一种生物质与燃煤锅炉耦合发电系统，该系统包括依次相连的生物质炉膛2、旋风除尘器3、高温烟气测量装置4、煤粉炉膛5和空气预热器9，煤粉炉膛5包括主燃烧器6、高温烟气燃烧器7和分离燃尽风燃烧器8。主燃烧器6、高温烟气燃烧器7和分离燃尽风燃烧器8均在煤粉炉膛5侧壁上对称分布；图1和图3中，高温烟气燃烧器7布置在所述主燃烧器6和分离燃尽风燃烧器8之间的区域内；图2和图4中，高温烟气燃烧器7布置在主燃烧器6区域内。

图1至图4中，生物质炉膛2分别与生物质料仓1和送风装置相连，且生物质炉膛2内设有高温含尘烟气出口a4和生物质锅炉底渣出口a3。旋风除尘器3内设生物质锅炉飞灰出口a1、生物质锅炉循环灰出口a2、生物质锅炉高温含尘烟气入口以及生物质锅炉高温烟气出口a5；生物质锅炉飞灰出口a1、生物质锅炉循环灰出口a2均与旋风除尘器3底部相连；生物质锅炉高温含尘烟气入口与旋风除尘器3入口相连；生物质锅炉高温烟气出口a5与高温烟气测量装置4相连。空气预热器9与锅炉出口低温烟气测量装置10相连，锅炉出口低温烟气测量装置10布置在空气预热器9出口的烟道上。

如图5所示为高温烟气测量装置4的示意图，高温烟气测量装置4有三部分组成，包括依次相连的烟气取样装置4a、烟气预处理装置4b以及烟气流量和温度及成分测量装置4c；烟气取样装置4a布置在生物质锅炉高温烟气出口a5的通道中，用于将高温烟气进行对外抽取和取样。烟气预处理装置4b用于将所抽取的烟气样气进行预处理，进一步进行除尘和保温，确保烟气温度不低于100℃；烟气流量和温度及成分测量装置4c用于对烟气样气进行温度、流量测量及烟气成分分析，烟气成分包括CO₂、N₂、O₂和H₂O。

本实用新型设计的一种生物质与燃煤锅炉耦合发电系统，其送风装置根据送入生物质炉膛2底部的一次风的来源，可设置两种不同形式的装置，如图1和图2所示，送风装置为独立送风系统，包括依次相连的送风机13、关断挡板11和调节挡板12，且调节挡板12与生物质炉膛2底部相连。如图3和图4所示，送风装置为非独立送风系统，包括依次相连的热一次风温度测量装置14、热一次风流量测量装置15、关断挡板11和调节挡板12，调节挡板12与生物质炉膛2底部相连，热一次风温度测量装置14经燃煤锅炉热一次风出口a6与空气预热器9热端相连。

综上，本实用新型将生物质燃料送入到绝热的生物质炉膛2内燃烧，通过控制送入炉底的一次风量，控制生物质炉膛2出口的高温烟气温度和含氧量，从生物质炉膛2生成的高温烟气先经过旋风除尘器3进行净化，净化后的烟气送入到煤粉炉膛5中。根据高温烟气燃烧器7喷口位置不同，分为两种方式：第一种方式将高温烟气燃烧器7布置在主燃烧器6和分离燃尽风燃烧器8之间，第二种方式将高温烟气燃烧器7布置在主燃烧器6中间区域。

送入生物质炉膛2底部的一次风，根据来源不同，分为两种方式：第一种设置独立的送风系统，通过送风机13将冷风增压后送入到生物质炉膛2底部，通过调节挡板12进行风量调节，用于控制生物质炉膛2内的生物质燃料燃烧和控制出口高温烟气温度；第二种方式是将燃煤锅炉空气预热器9出口的热一次风分流一部分，送入到生物质炉膛2底部，作为生物质炉膛2燃烧的热风。第一种方式的优点在于生物质燃烧与煤粉炉膛5燃烧之间关联程度降低，负荷调节不相互干扰，有利于实现两个系统的独立和稳定运行，生物质炉膛2送风压力和流量需求可以灵活调节；第二种方式节省了送风机13的配置，送入生物质炉膛2的送风经过空气预热器9加热后温度较高，有利于生物质在生物质炉膛2内的燃烧，但是为了保持高温烟气温度，需要较多流量的热一次风来冷却烟气。

生物质炉膛2的底部设置有生物质锅炉底渣出口a3，将绝热燃烧后的生物质所形成的大渣排出炉膛，在生物质炉膛2上部出口设置有旋风除尘器3，对生物质燃烧后生成的高温烟气进行除尘净化，然后经过高温烟气测量装置4后，将高温烟气送入到燃煤炉膛5中。被旋风除尘器3捕捉下来的飞灰，根据含碳量高低进行处理，若飞灰含碳量较高(例如飞灰含碳量大于1％)时，将飞灰全部或者部分到生物质炉膛2中继续参与循环燃烧，进一步降低含碳量；当含碳量较低(例如飞灰含碳量小于或等于1％)时，直接将飞灰排放，离开系统，送入到飞灰收集装置中去。

上述的生物质炉膛2为绝热炉膛，内部砌有耐火材料，没有冷却装置和系统，确保生物质在其中充分的燃烧，并生成高温烟气，生物质燃烧后的底渣通过生物质炉膛底部2的排渣口排出锅炉，生物质燃料从生物质料仓1中经过输送装置送入到生物质炉膛中燃烧，其生物质炉膛2的燃烧形式为炉排、鼓泡床、流化床等形式，燃烧所需要的空气从生物质炉膛2底部送入。

上述的高温烟气测量装置，用来检测高温烟气的温度、流量和烟气成分，其中，烟气温度和烟气成分中的O₂浓度还将被用来监控生物质炉膛2的燃烧情况及送风量大小。其主要原理为，通过控制送风管道上的调节挡板12，调节送入生物质炉膛2中的送风量，用于生物质燃烧和调节高温烟气温度，在一定生物质燃料投入量的情况下，当增加送风量时，O₂浓度增加，烟气温度降低；当减小送风量时，O₂浓度降低，烟气温度升高。运行中通过O₂浓度作为送风量的粗略调节，烟气温度为精细调节，采用串级控制调节系统对生物质炉膛2的送风量进行调节。

下面根据高温烟气燃烧器7布置位置和生物质与燃煤锅炉耦合发电系统中是否设置独立的送风机13解释图1至图4的四种装置图的工作原理。

图3示出了根据本实用新型第三实施例的非独立送风系统的生物质和燃煤锅炉耦合发电系统装置图，其工作原理为：存储在生物质料仓1中的生物质燃料被送入到生物质炉膛2中，进行绝热燃烧；生成生物质锅炉高温含尘烟气，经生物质锅炉高温含尘烟气出口a4进入到旋风除尘器3中进行高温粉尘分离。在离心力的作用下，生物质锅炉高温含尘烟气净化后成为生物质锅炉高温烟气，经过生物质锅炉高温烟气出口a5，随后进入高温烟气测量装置4，进行烟气流量、温度和成分测量，之后被送入到煤粉炉膛5中。

设置在煤粉炉膛5中的高温烟气燃烧器7，布置在主燃烧器6和分离燃尽风燃烧器8之间，生物质锅炉高温烟气通过高温烟气燃烧器7，送入到煤粉炉膛5内与主燃烧器6中的煤粉一起在煤粉炉膛5中燃烧和掺混，并且可以降低主燃烧器6区域的燃烧温度，较低含氧量的生物质高温烟气的温度低于煤粉炉膛中央火焰温度，可以有效地降低煤粉燃烧中产生的NOx排放。

被旋风分离器3分离下来的高温飞灰，根据其中含碳量大小，确定流向，当含碳量较低时，比如低于或等于1％，生物质锅炉飞灰经生物质锅炉飞灰出口a1离开系统；当含碳量较高比如大于1％时，旋风分离器分离下来的飞灰经生物质锅炉循环灰出口a2进入到生物质炉膛2中，再次经过燃烧，进一步降低含碳量；生物质锅炉底渣出口a3布置在生物质炉膛2的底部，将生物质炉膛2内生物质燃烧形成的大渣对外排放。

空气预热器9热端出口的燃煤锅炉热一次风分流一部分，依次经过热一次风温度测量装置14和热一次风流量测量装置15，进行热风温度测量和分流热一次风流量的测量后，再依次经过关断挡板11和调节挡板12后，所分流的热一次风被送入到生物质炉膛2底部，用作生物质燃料在炉膛内的燃烧和高温烟气的冷却用风。

在空气预热器9冷端烟气通道上布置锅炉出口低温烟气测量装置10，用来检测锅炉出口的烟气温度，并作为计算生物质高温烟气进入煤粉炉膛5的热量计算基准。通过热力计算方法，可以实时地检测和计量送入煤粉炉膛5中的生物质热量，从而可以精准计量出耦合发电系统中生物质所发出的电功率和发电量。

图4示出了根据本实用新型第四实施例的非独立送风系统的生物质和燃煤锅炉耦合发电系统装置图，该装置与图3的差别之处在于高温烟气燃烧器7的布置位置位于主燃烧器6区域，将生物质炉膛2产生的高温烟气送入到主燃烧器6中间位置，其优点在于可以适应煤粉炉膛5在不同负荷下的燃烧工况要求，生物质锅炉高温烟气可以有效地降低主燃烧器6区域的燃烧温度，实现煤粉的分级燃烧，降低煤粉燃烧过程的产生的NOx。其它热力系统装置连接关系及功能、作用、工作原理与图3相同，不再赘述。

图1示出了根据本实用新型第一实施例的独立送风系统的生物质和燃煤锅炉耦合发电系统装置图；该装置与图3的差别之处在于设立了独立的生物质锅炉送风系统，不再采用煤粉炉膛5的热一次风分流，而是设置独立的送风机13，将冷风增压后，依次经过关断挡板11和调节挡板12，送入到生物质炉膛2的底部。

综上，本实用新型通过设置单独燃烧生物质的炉膛，将生物质燃料燃烧生成高温烟气，经过除尘后，清洁的高温烟气经过计量和成分分析后，送入燃煤锅炉炉膛中，与煤粉一起在煤粉炉膛中进行燃烧，煤粉锅炉由于输入生物质燃烧所形成的高温烟气，可以减低燃煤的消耗量。耦合系统的生物质能源能量利用效率高，中高温的绝热炉膛提升了燃烧效率，减少底渣和飞灰含碳量，所生成的高温烟气经过燃煤锅炉多级受热面冷却降低温度后排出锅炉，系统热效率高于其它方式的生物质利用方式。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种生物质与燃煤锅炉耦合发电系统，其特征在于，所述系统包括依次相连的生物质炉膛(2)、旋风除尘器(3)、高温烟气测量装置(4)、煤粉炉膛(5)和空气预热器(9)；其中，

所述煤粉炉膛(5)侧壁连接有主燃烧器(6)、高温烟气燃烧器(7)和分离燃尽风燃烧器(8)。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主燃烧器(6)、高温烟气燃烧器(7)和分离燃尽风燃烧器(8)均在煤粉炉膛(5)侧壁上对称分布；

所述高温烟气燃烧器(7)连接在主燃烧器(6)和分离燃尽风燃烧器(8)之间的区域内；或

所述高温烟气燃烧器(7)连接在主燃烧器(6)的区域内。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述旋风除尘器(3)内设生物质锅炉飞灰出口(a1)、生物质锅炉循环灰出口(a2)、生物质锅炉高温含尘烟气入口以及生物质锅炉高温烟气出口(a5)；其中，

所述生物质锅炉飞灰出口(a1)、生物质锅炉循环灰出口(a2)均与所述旋风除尘器(3)底部相连；

所述生物质锅炉高温含尘烟气入口与所述旋风除尘器(3)入口相连；

所述生物质锅炉高温烟气出口(a5)与高温烟气测量装置(4)相连。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述高温烟气测量装置(4)包括依次相连的烟气取样装置(4a)、烟气预处理装置(4b)以及烟气流量和温度及成分测量装置(4c)；其中，

所述烟气取样装置(4a)布置在生物质锅炉高温烟气出口(a5)的通道中。

5.根据权利要求1或2或4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括锅炉出口低温烟气测量装置(10)，所述锅炉出口低温烟气测量装置(10)布置在空气预热器(9)出口的烟道上。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述生物质炉膛(2)内设有高温含尘烟气出口(a4)和生物质锅炉底渣出口(a3)；其中，

所述高温含尘烟气出口(a4)与所述旋风除尘器(3)内的所述生物质锅炉高温含尘烟气入口相连。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括送风装置，所述送风装置包括依次相连的送风机(13)、关断挡板(11)和调节挡板(12)；所述调节挡板(12)与所述生物质炉膛(2)底部连接。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括送风装置，所述送风装置包括依次相连的热一次风温度测量装置(14)、热一次风流量测量装置(15)、关断挡板(11)和调节挡板(12)；其中，

所述热一次风温度测量装置(14)与燃煤锅炉热一次风出口(a6)相连；

所述调节挡板(12)与所述生物质炉膛(2)底部连接。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述燃煤锅炉热一次风出口(a6)与所述空气预热器(9)热端连接。

10.根据权利要求1或2或4或6或7或8或9所述的系统，其特征在于，所述生物质炉膛(2)为绝热炉膛，其内部砌有耐火材料，空气从所述生物质炉膛(2)底部进入。

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