專利名稱：燃煤鍋爐的低污染高效率燃燒方法及燃燒裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于潔凈能源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)用于燃煤鍋爐的無煙、抑制氮氧化物和有效進行爐內(nèi)脫硫的高效率燃燒方法及基于該燃燒方法的燃燒裝置。該燃燒方法和燃燒裝置特別適合應(yīng)用于各種大容量的燃煤工業(yè)鍋爐。
背景技術(shù)：
煤在我國的一次能源中占70％以上，而其中近1/3，即大約4.5噸標準煤又消耗在大約53萬臺各型工業(yè)鍋爐的直接燃燒上。我國的工業(yè)鍋爐現(xiàn)今所采用的主要燃燒技術(shù)仍是鏈條和往復(fù)式爐排層燃(占所有鍋爐的95％以上)，不僅熱效率低下(55-65％)，其排放的煙塵和SO2也占到了我國煙塵和SO2總排放量的30％以上，而且還排放大量的NOx。出于環(huán)保因素的考慮，2002年國家環(huán)保法已禁止容量0.7MW以下的小型手燒鍋爐使用原煤，但對于1.0蒸噸以上的工業(yè)用鍋爐將仍不得不以原煤為燃料。這不僅由我國的“多煤、貧氣、少油”的資源狀況所決定，近年的油氣價格高漲更使得使用煤是企業(yè)唯一可行的選擇。因此，提高工業(yè)鍋爐的效率和降低其污染排放是我國潔凈煤技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵內(nèi)容和不可缺少的重要環(huán)節(jié)。如果我國工業(yè)鍋爐能達到發(fā)達國家同類產(chǎn)品的同等效率(80-85％)，則每年可節(jié)省1億噸原煤左右、節(jié)約開支大約300億元(對現(xiàn)在的煤價來說)、而且相對于目前的總污染排放量可減少SO2，煙塵，NOx和CO2排放量5-10％。
鏈條或往復(fù)爐排層燃鍋爐熱效率低下的關(guān)鍵原因是不完全燃燒和過大的過?？諝庀禂?shù)(＞2.0)?，F(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn)在很多情況下爐排灰渣含炭量達30-40％，而鍋爐飛灰含炭量高至60-70％。除燃燒控制以外，爐排灰渣含炭量高的重要原因是所使用原煤中的細顆粒(如＜5mm)大量透過爐排縫隙而于未燃狀態(tài)掉入灰渣室。另一方面，層燃技術(shù)本身難于實現(xiàn)爐內(nèi)脫硫和低NOx燃燒，因為燃料層為固定床形式。在固定床中不利于脫硫劑分散并與SOx接觸反應(yīng)，而所發(fā)生燃燒為自下而上的溫度漸低單向方式。由此，這種層燃方式使燃料熱解產(chǎn)生的黑煙無法經(jīng)過高溫燃燒區(qū)而予以充分燃燒。即使采用二次空氣，也可能致使大量黑煙和NOx排放。為此，克服現(xiàn)今工業(yè)鍋爐的低效率和高污染問題必須依賴于新燃燒方法的應(yīng)用和操作控制的程序化。
本申請人于1995年的專利技術(shù)CN95102081.1中提出了一種抑制NOx生成的無煙燃煤方法和燃煤爐。它通過將煤的燃燒過程分解為絕氧熱解干餾和干餾生成氣通過所生成半焦層燃燒兩個步驟，成功地降低了燃燒過程中的NOx生成。最近的研究表明(Jingdong He et a1.，2005，投稿于Fuel Processing Technology)，其降低NOx生成的主要原因在于通過單獨的熱解干餾使在該干餾中所釋放的氮化合物(如NH3，HCN等)在進入燃燒的焦炭層時被快速氧化生成NOx，而該NOx進而在通過焦炭層時與炭相互作用被還原成N2。這里所指的熱解干餾和半焦燃燒是在相互連通的固定床中進行的。干餾半焦在自身重力作用下進入半焦燃燒區(qū)，而熱解干餾的生成氣則通過密閉干餾室而使其逆重力方向進入半焦燃燒區(qū)。所以，煤熱解干餾所需的熱量主要來自由半焦及干餾生成氣燃燒所產(chǎn)生的高溫燃燒區(qū)的熱輻射和熱傳導(dǎo)。顯然，這些熱傳遞途徑是緩慢和有限的(因無熱對流)，以致使煤熱解干餾進行的很慢。受此局限，運用1995年的專利技術(shù)目前僅成功開發(fā)了0.5MW以下的小容量熱水鍋爐。
為了在更大容量的層燃爐上運用上述專利技術(shù)所發(fā)明的低NOx燃燒方法，中國專利CN01131238.6通過在鏈條爐排層燃爐的前方追加一往復(fù)爐排煤熱解氣化器將煤燃燒分解為部分氧化氣化和氣化生成半焦及可燃氣燃燒兩步，從而實現(xiàn)了類似原理的低NOx燃燒(稱為解耦燃燒)。這里，部分氧化氣化通過使用空氣作為氧化劑，解決了CN95102081.1技術(shù)中向熱解干餾區(qū)供熱慢而難的問題。但是，部分氧化仍在固定床爐中進行，使得自煤部分氧化氣化區(qū)向鏈條爐半焦燃燒區(qū)的半焦移動依然困難。由此，專利CN01131238.6所發(fā)明的技術(shù)仍難應(yīng)用于大容量工業(yè)鍋爐。實際上，現(xiàn)場試驗曾發(fā)現(xiàn)于往復(fù)爐排上的部分氧化氣化嚴重滯后、使得對鏈條爐排半焦燃燒爐的燃料供應(yīng)跟不上是該2001年專利技術(shù)所存在的最大缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無煙、抑制NOx生成、實施有效爐內(nèi)脫硫、并可應(yīng)用于各種不同能量容量，特別是大容量工業(yè)鍋爐的低污染燃煤方法，解決傳統(tǒng)鏈條和往復(fù)爐排層燃鍋爐的高煙塵、高SOx、高NOx的排放問題，并通過實現(xiàn)燃料的完全燃燒而提高鍋爐的熱效率。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的用于燃煤鍋爐的低污染高效率燃燒方法，特點在于，該燃燒方法將煤燃燒分解為煤的上游流化床部分氧化氣化和其所生成半焦及可燃氣于下游爐排式燃燒爐中的燃燒兩步進行；所述上游的流化床部分氧化氣化為在流化床氣化爐中供入煤燃料，并使所供入的煤燃料在流化床氣化爐中被從該流化床氣化爐底部供入的空氣流化，進而通過與所供入空氣中的氧氣相互作用發(fā)生部分氧化氣化，生成半焦和可燃氣；所述下游的半焦及可燃氣于爐排式燃燒爐中的燃燒為經(jīng)上游流化床部分氧化氣化所生成的半焦和可燃氣不經(jīng)分離、于高溫狀態(tài)下通過移動床式輸送通道被輸送到爐排式燃燒爐，在那里與通過該燃燒爐爐排而供入該爐的一次空氣和供于該燃燒爐燃燒室的二次空氣中的氧氣相互作用而進行快速燃燒、完全燃燒，以轉(zhuǎn)化煤燃料化學(xué)能為鍋爐可利用的燃燒熱。
在所述上游的流化床部分氧化氣化中，與所供入流化床氣化爐的煤燃料一起按煤中的含硫量摩爾比的0-5倍加入含有金屬碳酸鹽、氫氧堿以及氧化物的脫硫劑，脫除在該流化床氣化爐中所生成的硫化物和在下游半焦及可燃氣于爐排式燃燒爐中燃燒而生成的硫氧化物；在所述下游的半焦和可燃氣于爐排式燃燒爐的燃燒中，可燃氣的燃燒在移動床式輸送通道和爐排式半焦燃燒爐中的高溫半焦層及該高溫半焦層表面附近進行。
在所述上游的流化床部分氧化氣化中，經(jīng)流化床氣化爐底部所供入的空氣量以維持該氣化爐的溫度于500至1000℃之間而調(diào)控。
本發(fā)明提供的用于燃煤鍋爐的低污染高效率燃燒裝置，包括一個置于上游的流化床部分氧化氣化爐1，一個置于該流化床化爐1下游的鏈條爐排燃燒爐2，以及連通所述兩爐并置于兩爐之間的輸送通道3；所述流化床氣化爐1底部設(shè)風(fēng)箱91，中部為流化顆粒床層7，上部為顆粒層上部空間71；在所述流化床氣化爐1上遠離輸送通道3的一側(cè)設(shè)煤燃料和脫硫劑供給口A，自流化顆粒層7的底部設(shè)通向輸送通道3的底部排出口50；所述顆粒層上部空間71與輸送通道3相通；所述風(fēng)箱91頂部為流化床分散板11，在該分散板11下的風(fēng)箱91的底部或側(cè)面設(shè)空氣供給9；所述鏈條爐排燃燒爐2為活動式鏈條爐排燃燒爐，其鏈條爐排12始于輸送通道3正下方，在所述鏈條爐排12下方設(shè)燃燒爐2的一次空氣供給10，在所述燃燒爐2的燃燒室14中設(shè)二次空氣供給15，所述燃燒室14連通鍋爐換熱器4，鏈條爐排12的未端接排灰渣口13。
所述輸送通道3由流化床氣化爐1的流化床后墻51和該流化床的風(fēng)箱后墻52構(gòu)成其左側(cè)壁，由鍋爐換熱器4的前墻6構(gòu)成其右側(cè)壁；底部排出口50位于所述流化床后墻51和風(fēng)箱后墻52之間；鍋爐換熱器前墻6的下端高于風(fēng)箱后墻52的下端，該前墻6的下端接近鏈條爐排12的上表面，在該換熱器前墻6的下端和鏈條爐排12的上表面之間有半焦燃燒層8。
所述輸送通道3的右側(cè)壁由下段的燃氣火箅子16和上段的鍋爐換熱器前墻61組合而成；所述構(gòu)成輸送通道3的左側(cè)臂的流化床后墻51和風(fēng)箱后墻52自下而上向鏈條爐燃燒爐2方向傾斜，其傾斜角度為0-20°。
本發(fā)明提供的用于燃煤鍋爐的低污染高效率燃燒裝置，包括一個置于上游的流化床部分氧化氣化爐1，一個置于該流化床化爐1下游的固定床燃燒爐22，以及連通所述兩爐并置于兩爐之間的輸送通道3；所述流化床氣化爐1底部設(shè)風(fēng)箱91，中部為流化顆粒床層7，上部為顆粒床層上部空間71；在所述流化床氣化爐1上遠離輸送通道3的一側(cè)設(shè)煤燃料和脫硫劑供給口A，自流化顆粒層7的底部設(shè)通向輸送通道3的底部排出口50；所述顆粒層上部空間71與輸送通道3相通；所述風(fēng)箱91頂部為流化床分散板11，在該分散板11下的風(fēng)箱91的底部或側(cè)面設(shè)空氣供給9；所述固定床燃燒爐22的排輸為固定式爐排212，所述輸送通道3向下開口于固定床燃燒爐22，所述固定式爐排212之下設(shè)第一灰渣倉213，所述灰渣倉213底端設(shè)該燃燒爐22的一次空氣供給210，在該燃燒爐的燃燒室214中設(shè)置二次空氣供給215，燃燒室214連通鍋爐換熱器24，其右下角設(shè)置燃燒室第二灰渣倉217。
所述的輸送通道3由流化床氣化爐1的流化床后墻51和該流化床的風(fēng)箱后墻52構(gòu)成其左側(cè)壁，由鍋爐換熱器24的前墻62構(gòu)成其右側(cè)壁；鍋爐換熱器前墻62下端低于風(fēng)箱后墻52下端，在橫向位置上位于固定床燃燒爐22橫斷面的中央或中央稍偏換熱器24方向。
所述輸送通道3的右側(cè)壁由下段的燃氣火箅子16和上段的鍋爐換熱器前墻61組合而成；所述固定床燃燒爐22的燃燒口設(shè)在該爐內(nèi)固定床半焦層28與該爐燃燒室214在自換熱器前墻62向右的交接面處，具有燃燒口火箅子216；燃燒口火箅子216自換熱器前墻62向右朝下傾斜，其傾斜小于45度。
所述固定式爐排212朝向鍋爐換熱器24方向向下傾斜；在固定床燃燒爐22靠近燃燒口火箅子216高端位置的另一側(cè)設(shè)有輔助空氣310。
本發(fā)明所述方法的工作原理示于附圖1。煤的燃燒過程分兩步依次進行流化床部分氧化氣化和其生成半焦及可燃氣體于爐排式燃燒爐中的燃燒。煤燃料供給設(shè)于上游的流化床部分氧化氣化爐上，通常從該氣化爐內(nèi)被空氣流化的燃料顆粒床層表面以上供入。在該流化床中經(jīng)與來自流化床底部分散板的空氣相互作用發(fā)生部分氧化氣化。所生成的半焦和可燃氣體(包括焦油)不經(jīng)分離、于高溫狀態(tài)下通過同一移動床式的輸送通道被送往下游的爐排式燃燒爐。因此，可燃氣的燃燒可被設(shè)計在其通過輸送通道及爐排式燃燒爐中的半焦燃料層時或在這些半焦層的表面附近進行。根據(jù)需要，可燃氣燃燒可于還原狀態(tài)下發(fā)生于爐排上的半焦燃燒層之上，進而在該還原燃燒區(qū)之上供給二次空氣實現(xiàn)氣體燃料完全燃燒。爐排可以為固定爐排(小容量情形)或運動爐排(大容量情形)。運動爐排通常指通過機械而運動的鏈條或往復(fù)式爐排。半焦和可燃氣的燃燒產(chǎn)生高溫燃燒氣，同時在爐排上形成炙熱的燃燒半焦堆積層，產(chǎn)生熱輻射。應(yīng)用于鍋爐時，這些高溫燃燒氣和熱輻射被進一步用來與鍋爐的換熱器進行熱交換，生產(chǎn)熱水或蒸汽。而半焦完全燃燒后所殘留的灰渣將自爐排式燃燒爐相對于半焦和可燃氣送入端的另一端排出爐排式燃燒爐。高溫燃燒氣中的飛灰的捕集與傳統(tǒng)鍋爐相同。即在鍋爐后通過靜電除塵器或布袋過濾器等予以捕集(圖中未示)。
流化床部分氧化氣化爐和爐排式半焦及可燃氣燃燒爐具有獨立的空氣供給，可按各自的要求進行調(diào)控。供入流化床氣化爐的空氣應(yīng)足以流化所處理的煤顆粒(通過設(shè)計適當(dāng)?shù)牧骰步孛娲笮《_保足夠高的氣速)，同時作為氧化劑燃燒部分由煤熱解氣化生成的可燃氣或半焦，以維持該流化床部分氧化氣化爐的溫度于所希望的值。鍋爐用煤的粒徑一般在25mm以下(最大不超過40mm)，其中可能含有大約50％的小于6mm的顆粒。因此，流化這種煤在技術(shù)上毫無問題。供入下游的半焦/可燃氣燃燒爐的空氣(包括還原燃燒區(qū)之上的二次空氣)應(yīng)足以保證所有燃料的完全燃燒、但又應(yīng)使過剩空氣系數(shù)盡可能低。過大的過?？諝庀禂?shù)會增大隨煙氣排放的熱損失，從而降低整體熱效率。原則上，燃燒爐的一次空氣必須確保爐排上半焦的完全燃燒，由此可確定一次空氣的量。進而，通過測量排煙中的氧濃度來計算實際的過?？諝庀禂?shù)，由此可確定二次空氣的量。最理想的過空氣系數(shù)是1.0。但為在實際應(yīng)用中實現(xiàn)完全燃燒，過?？諝庀禂?shù)必定大于1.0。實際可能的最優(yōu)過?？諝庀禂?shù)是1.2至1.5，其對應(yīng)的煙氣中的氧氣濃度在3-6％。所以，本發(fā)明限定爐排式半焦及可燃氣燃燒爐的過?？諝庀禂?shù)為1.0-2.0。
流化床部分氧化氣化爐的操作要求煤顆粒在床中不發(fā)生由于煤灰的熔融引起的顆粒熔聚。這實際上決定了部分氧化氣化爐的實際可操作溫度上限。對于煤來說，不發(fā)生灰熔融的最高溫度通常在1000℃左右，即部分氧化氣化爐的操作溫度應(yīng)通常在該溫度以下。另一方面，該部分氧化氣化爐應(yīng)確保完成煤顆粒的熱分解，以釋放其可能導(dǎo)致黑煙的所有揮發(fā)分。這要求流化床氣化爐溫度必須在一定的值以上，如高于500℃。否則煤的熱解速度將過于緩慢。向該流化床氣化爐所供給的空氣應(yīng)使床內(nèi)的煤顆粒達到該所指定的溫度，即500-1000℃。這通常通過調(diào)節(jié)相對煤供給速率的空氣比來控制。對于流化床部分氧化氣化來說，該空氣比一般介于0.1至0.5之間，通常為0.3(隨燃料水分、揮發(fā)分、熱值等而不同)。很多流化床氣化研究表明，在所指定的空氣比下床內(nèi)的溫度通常為700-1000℃。這也正是本發(fā)明所希望的流化床部分氧化氣化爐的通常溫度。
爐排式半焦燃燒爐的溫度控制等與現(xiàn)存的同類型工業(yè)鍋爐相同。因此，可采用現(xiàn)有鍋爐的對應(yīng)部分所采用的構(gòu)型、材料及控制手法等。如，對于鏈條爐來說，鏈條爐排的回轉(zhuǎn)速度必須與半焦的燃燒速度協(xié)調(diào)，進而使半焦層厚度在很大程度上決定燃燒室及半焦燃料層本身的溫度(均可參考現(xiàn)有鏈條工業(yè)鍋爐進行控制)。
相比于固定床部分氧化氣化(CN01131238.6采用)，流化床部分氧化氣化可使生成的半焦向爐排燃燒爐的輸送變得容易，而且在流化床中比在固定床中能更快完成燃料熱分解和快速均勻提升煤顆粒溫度到設(shè)定值，如上述的700-1000℃。同時，流化床可對應(yīng)靈活的能量容量，使得基于本發(fā)明燃燒方法的燃燒裝置不僅可應(yīng)用于大容量的鏈條爐排工業(yè)鍋爐，還可將其燃燒原理推廣到小型固定床燃燒式鍋爐。
流化床部分氧化氣化中將釋放部分燃料氮生成NH3，HCN等含氮氣體組分。在同其它可燃性氣體組分一道流經(jīng)半焦輸送通道(移動床式)和下游爐排式燃燒爐中的高溫半焦層時它們可在炭的作用下被轉(zhuǎn)換成N2，從而降低燃燒過程NOx的生成。同時，可燃氣的燃燒可能在所指半焦層的表面附近發(fā)生，以在爐排式燃燒爐中的半焦燃燒之上形成燃燒還原區(qū)(即發(fā)生俗稱的燃料再燃)。這將進一步降低由爐排上的半焦燃燒所發(fā)生的NOx。所以，本發(fā)明的燃燒方法同專利技術(shù)CN95102081.1和CN01131238.6所發(fā)明的燃燒方法一樣，能有效抑制煤燃燒中氮氧化物的生成，屬于低NOx燃燒方法。其降低NOx的技術(shù)途徑包括解耦燃燒和燃料再燃。
依據(jù)所使用煤的種類，流化床部分氧化氣化中所產(chǎn)生的可燃氣體中可能含有黑煙成分(特別對煙煤)。在流經(jīng)半焦輸送通道(移動床式)和下游的爐排式燃燒爐中的燃燒半焦層時或在這些半焦層表面附近，通過與供入爐排式燃燒爐中的空氣(一次+二次)相接觸會在完全燃燒可燃氣體的同時被完全燒掉，使燃燒排氣無煙。所以，本發(fā)明的燃燒方法也同CN95102081.1和CN01131238.6所發(fā)明的方法一樣，屬于無煙燃燒方法。無黑煙燃燒不僅可減輕環(huán)境污染，也有利于燃燒效率的改善，因為黑煙含有未燃盡的炭黑和可燃性氣體。
流化床部分氧化氣化爐中溫度均勻，可控制在高至800-1000℃的高溫。而在煤的部分氧化氣化中會生成H2S，COS等含硫氣體。為此，可與燃料煤一起供入含Ca、Mg、Fe等金屬元素的碳酸鹽(通常礦物質(zhì))、氫氧堿或氧化物作為脫硫劑。這些脫硫劑在常壓、800-1000℃的部分氧化氣化爐中會很快被熱分解(即燒成)為活性的氧化物(如果其本身不是氧化物的話)，進而現(xiàn)場吸收前述各種含硫的還原性硫化物以實現(xiàn)爐內(nèi)脫硫。顯然，于流化床中進行所述脫硫劑的燒成活化及其與氣相硫化物的反應(yīng)較在固定床爐中更容易和更快。在固定床和傳統(tǒng)鏈條爐排燃燒爐中，除非預(yù)先混合煤和脫硫劑它是難以實現(xiàn)爐內(nèi)脫硫的。同時，于普通爐排燃燒爐中直接燃燒煤，揮發(fā)分和半焦同時發(fā)生燃燒使燃料層的溫度可能局部達到1000-1500℃。在這些高溫下前述脫硫劑會發(fā)生燒結(jié)，使其具有極低的吸收硫氧化物，即SOx的能力。所以，對于現(xiàn)有各種鍋爐，即使預(yù)先在煤中混合脫硫劑其所能達到的脫硫效果將遠不如本發(fā)明的燃燒方法可能實現(xiàn)的效果。在本發(fā)明燃燒方法中通過分離揮發(fā)分和半焦的燃燒可在一定程度上降低半焦燃燒層的溫度，抑制脫硫劑的燒結(jié)。另一方面，于上游的流化床部分氧化氣化爐中所活化的脫硫劑可均勻分散于半焦顆粒之間，或更進一步吸附于半焦顆粒表面及其所擁有的微孔中。由此，所加入的脫硫劑在無局部高溫(＞1000℃)的下游爐排式半焦燃燒爐中可更有效地脫除半焦燃燒所產(chǎn)生的SOx。而在流化床部分氧化氣化爐中吸收氣相硫化物所生成的CaS、MgS等金屬硫化物在下游的半焦及可燃氣燃燒中將很難被氧化成SO2而排放為酸性雨氣體。即使被氧化也是被轉(zhuǎn)換成CaSO4、MgSO4等硫酸鹽。所以，相對傳統(tǒng)的鍋爐燃燒，具有上游前置的流化床部分氧化氣化爐的本發(fā)明燃燒方法可實現(xiàn)更高效率的爐內(nèi)脫硫。
而所應(yīng)加入的脫硫劑量類似已經(jīng)工業(yè)化的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)，依據(jù)所期望的脫硫效果和所燃燒煤中的含硫量而確定。對于本發(fā)明來說，原則上可加入不足以影響燃燒的任意量，如通?？砂聪鄬γ褐泻蛄康?至5倍摩爾比而加入。加入量越多越利于脫硫，但成本會更高，而且一定程度量以上所增加的脫硫效果會有限。按摩爾比小于1.0加入脫硫劑時不可能完全除去氣化和燃燒中產(chǎn)生的硫化物和硫氧化物，但能最有效利用脫硫劑。值得指出的是，所指摩爾比0實際上意味著不加入脫硫劑進行爐內(nèi)脫硫。
通過前置的流化床部分氧化氣化，半焦和可燃氣可在高至800-1000℃的溫度下被送到后續(xù)的爐排式燃燒爐。而傳統(tǒng)的鏈條爐排燃燒爐直接被加入原煤，鏈條的前半部分必定處于低溫狀態(tài)，直到所供給原煤的溫度被升到能開始燃燒的程度。即使開始了燃燒，最初的燃燒速度也很慢。這部分低溫鏈條爐排，如低于800℃，可能占整個爐排的1/3至1/2，而且隨操作變動大。其結(jié)果使鏈條爐排本身巨長，而所供給的燃料也難于實現(xiàn)完全燃燒。這可能是我國工業(yè)鍋爐效率低下的最根本原因之一。通過本發(fā)明的燃燒方法，所述問題能得以充分改善，因為進入爐排的燃料(即半焦/可燃氣)具有達800-1000℃的高溫，致使整個爐排可進行快速燃燒。另一方面，這也說明本發(fā)明的燃燒方法可使用更短的鏈條爐排，或說整個爐排的快速燃燒可保證燃料的完全燃燒，因此可顯著降低灰渣的含碳量和提高燃燒效率。
上述特點所蘊含的另一個優(yōu)點是即使本發(fā)明在鏈條爐排燃燒爐上游使用了流化床部分氧化氣化爐，但整個燃燒裝置的成本可能沒有明顯增加。即，被縮短的鏈條爐排部分與上游的流化床氣化爐可以在成本上相抵消，以使設(shè)備投入不會有太多增加。而且，將所添加的燃料顆粒升到同樣的溫度，在流化床中無疑比在鏈條爐排上更快。說明基于本發(fā)明燃燒方法的燃燒設(shè)備甚至?xí)o湊和小型。
我國自制的傳統(tǒng)鏈條/往復(fù)爐排燃燒爐中的細燃料顆粒(如＜3mm)經(jīng)常透過爐排而落入灰渣箱，造成低燃燒效率。通過本發(fā)明的燃燒方法，細燃料顆?？赡茉诹骰矚饣癄t及在向爐排燃燒爐被輸送的過程中被完全轉(zhuǎn)換，可望降低透過爐排的小顆粒燃料損失。這無疑也是獲得高燃燒效率的保證之一。
上游的流化床部分氧化氣化爐無氣固分離，且細顆粒燃料可能在該流化床氣化中被完全轉(zhuǎn)換。少量未完成轉(zhuǎn)換、經(jīng)氣流夾帶出的細顆粒燃料又可隨飛灰在氣流通過輸送通道中的半焦層時被截住，在那里隨可燃氣的燃燒一起被進一步完全轉(zhuǎn)換。所以，雖然本發(fā)明所使用的上游流化床部分氧化氣化爐操作在鼓泡流化流域，但它沒有通常的鼓泡流化燃燒鍋爐所可能有的細顆粒燃料飛散問題，為高效率燃燒提供了重要保證。同時，由于流化床部分氧化氣化爐的氣流最后經(jīng)下游的爐排式半焦/可燃氣燃燒爐排出，所以本發(fā)明所使用的流化床氣化爐不會增加任何飛灰排放。相反，在該流化床中由轉(zhuǎn)換細小顆粒形成的飛灰在經(jīng)過輸送通道時可被通道中的半焦層過濾和攔截，使進入爐排式燃燒爐的飛灰得以一定程度上的控制。因此，對于本發(fā)明燃燒方法來說飛灰的控制可采用現(xiàn)有工業(yè)鍋爐中所使用的相同技術(shù)。
很明顯，上述本發(fā)明的燃燒方法可應(yīng)用于任何操作壓力，但應(yīng)用于燃煤工業(yè)鍋爐時通常操作在常壓下。而所指的煤燃料為各種可被流化的原煤。其粒徑、水分等特性可等同現(xiàn)在鏈條工業(yè)鍋爐所使用的煤，如粒徑小于30mm、6mm以下50％左右。
綜上所述，本發(fā)明的低污染高效率煤燃燒方法的技術(shù)特點可概括如下燃燒過程被分為兩步順次進行流化床部分氧化氣化和其生成半焦及可燃氣體于爐排式燃燒爐中的燃燒。燃料被供入上游的流化床部分氧化氣化爐，經(jīng)按空氣比為0.1-0.5供入該流化床的空氣流化并發(fā)生貧氧燃燒(即部分氧化氣化)而升溫至500-1000℃，完成煤熱解而產(chǎn)生半焦和可燃氣體。所產(chǎn)生的半焦和可燃氣體不經(jīng)分離，一同于所述的高溫狀態(tài)被輸送到下游的固定或運動爐排燃燒爐中，在那里與充分但被優(yōu)化控制的空氣相互作用而被完全燃燒。所指可燃氣燃燒以發(fā)生于燃燒的半焦層中或在其表面附近為特點，而隨同燃料煤供給可同時向流化床部分氧化氣化爐加入脫硫劑。運動爐排通常指利用機械而運動的鏈條或往復(fù)式爐排。
利用本發(fā)明的上述技術(shù)特點所能實現(xiàn)的技術(shù)效果是(1)消除燃燒黑煙和抑制燃燒中NOx的生成。通過分解燃燒過程為部分氧化氣化和其所生成半焦及可燃氣在爐排式燃燒爐中的燃燒，可使在部分氧化氣化中產(chǎn)生的含黑煙和NH3、HCN等還原性氮化合物的可燃氣體在穿過燃燒中的高溫半焦層時或在這些半焦層表面附近進行燃燒，因此能完全消除燃燒黑煙。而所指可燃氣中的氮化合物通過與高溫半焦炭相互作用被轉(zhuǎn)換成N2(解耦燃燒原理)，并且通過爐排式半焦燃燒爐的燃燒室中形成還原性可燃氣燃燒區(qū)進一步除去由于半焦燃燒產(chǎn)生的NOx(燃料再燃技術(shù)原理)。
(2)能應(yīng)用于不同能量容量的工業(yè)鍋爐。通過使用流化床部分氧化氣化爐，可簡單實現(xiàn)自上游的該部分氧化氣化爐向下游爐排式燃燒爐的高溫半焦輸送，從而使所發(fā)明燃燒技術(shù)不僅適于小容量民用鍋爐，還可同樣應(yīng)用于大容量工業(yè)鍋爐。
(3)實現(xiàn)高效率燃燒。通過在上游使用流化床部分氧化氣化爐，可使所供給的煤燃料經(jīng)過快速熱解轉(zhuǎn)換成溫度為500-1000℃，通常800-1000℃的高溫半焦，該半焦并于所述高溫狀態(tài)下被輸送到下游固定或運動爐排燃燒爐中進行快速燃燒。相對于普通的爐排式燃燒爐，如鏈條爐，在爐排上無緩慢的燃料升溫過程而使快速燃燒發(fā)生于整個爐排上，因而可保證半焦的完全燃燒。同時，于燃燒的半焦層中或其表面附近完全燃燒由部分氧化氣化所產(chǎn)生的可燃氣不僅控制了污染物(黑煙、NOx)的發(fā)生，還實現(xiàn)了所供給燃料揮發(fā)分的完全燃燒。并且，上游無氣固分離流化床部分氧化氣化爐可有效轉(zhuǎn)換小顆粒燃料，因此可減少在普通鏈條爐排燃燒爐中經(jīng)常發(fā)生的細顆粒燃料透過爐排落入灰渣箱所引起的燃料損失。無疑，所有這些由本發(fā)明所產(chǎn)生的效果能保證高效率燃燒，從而提高運用本發(fā)明燃燒技術(shù)的鍋爐的熱效率。
(4)使爐排式燃燒爐小型化。按本發(fā)明的燃燒技術(shù)，爐排式燃燒爐將不再有緩慢的燃料顆粒升溫過程。因此，對于鏈條爐排而言可采用更短的鏈條爐排，從而使爐排式燃燒爐小型化。雖然本發(fā)明所使用的上游流化床氣化爐會加大整個燃燒裝置，但小型化的爐排燃燒爐可抵消因為流化床氣化爐所加大的部分，從而使燃燒裝置整體具有可與普通鏈條/往復(fù)爐排燃燒爐相比擬的尺寸和設(shè)備成本。
(5)使爐內(nèi)脫硫更加有效。本發(fā)明所使用的上游流化床部分氧化氣化爐可有效實施脫硫劑燒成活化、脫硫劑對含硫氣體(H2S、COS)的吸收、以及活性脫硫劑在半焦顆粒之間及半焦顆粒上的分散。同時，通過分離揮發(fā)分和半焦燃燒到不同空間，可一定程度抑制下游的半焦燃燒層的局部超高溫(可使脫硫劑燒結(jié)的高于1000℃的溫度)，從而使在流化床氣化爐中被分散的活性脫硫劑可在半焦燃燒中較有效地實施爐內(nèi)脫硫。因此，通過同燃料供給一起向上游的流化床部分氧化氣化爐添加脫硫劑(通常為含Ca、Mg、Fe等的碳酸鹽，氫氧堿及氧化物)，如按相對于所燃燒煤中含硫量的0至5倍摩爾比添加(0意味不添加脫硫劑)，可望實現(xiàn)比普通鏈條/往復(fù)爐排燃燒爐效率更高的爐內(nèi)脫硫。


附圖1本發(fā)明的低污染高效率燃煤鍋爐的燃燒方法原理示意圖；附圖2實施本發(fā)明燃燒方法的一種具有鏈條燃燒爐的燃燒裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖3實施本發(fā)明燃燒方法的另一種具有鏈條燃燒爐的燃燒裝置結(jié)構(gòu)示意圖；附圖4實施本發(fā)明燃燒方法的第三種具有鏈條燃燒爐的燃燒裝置結(jié)構(gòu)示意圖；附圖5實施本發(fā)明燃燒方法的一種具有固定床燃燒爐的燃燒裝置結(jié)構(gòu)示意圖；附圖6實施本發(fā)明燃燒方法的另一種具有固定床燃燒爐的燃燒裝置結(jié)構(gòu)示意圖；具體實施方式
附圖2為實施附圖1所示本發(fā)明燃燒方法的一種應(yīng)用于大容量工業(yè)鍋爐的具有鏈條爐排燃燒爐的燃燒裝置結(jié)構(gòu)示意圖。該燃燒裝置主要由流化床氣化爐1，鏈條爐排半焦燃燒爐2，鏈條燃燒爐2的燃燒室14的上部空間所連通的鍋爐換熱器4，和由左側(cè)壁的顆粒流化床后墻51和該流化床的風(fēng)箱后墻52與右側(cè)壁的鍋爐換熱器前墻6(被向下延伸)所形成的輸送通道3構(gòu)成。煤燃料以及脫硫劑從相對于輸送通道3的另一側(cè)供入流化床氣化爐1。為方便該燃料及脫硫劑供給，供給口A設(shè)在氣化爐1中被空氣供給9所流化的物料床層7的上表面以上。在流化床氣化爐1中所供給煤與來自空氣供給9的氧氣相互作用而發(fā)生貧氧燃燒。其所生成的高溫半焦和可燃氣溢流過流化床后墻51而進入輸送通道3。同時，在流化床的顆粒床層7的底部(正好流化床分散板11的上面)設(shè)置底部排出口50，以排放原煤中可能含有的石頭及由大煤顆粒生成的大半焦顆粒(即排出口50的大小限制在僅排出所使用煤中的大顆粒燃料部分)。溢流和底部排出的半焦在輸送通道3中形成充填半焦層31，其上表面一般在流化床底部排出口50的附近(通過合適的設(shè)計和控制保證)。隨著回轉(zhuǎn)的鏈條爐排12自左向右的運動將緊貼爐排上的半焦帶走后，輸送通道3中充填的半焦依靠自身重力由上至下而移動到新轉(zhuǎn)來的鏈條爐排12之上，以實現(xiàn)自流化床氣化爐1向鏈條燃燒爐2的半焦移動和輸送。同時，在流化床氣化爐1中所產(chǎn)生的可燃氣也同樣經(jīng)輸送通道3而由上至下流動(因流化床氣化爐1無其它出口，其中的壓力會稍高于燃燒爐2中的壓力)。受鍋爐換熱器前墻6對氣體流動的限制作用，該可燃氣可在附圖2中虛線圓環(huán)所圈定的區(qū)域中與來自燃燒爐空氣供給10的空氣相接觸。由于半焦和可燃氣本身具有500-1000℃，通常800-1000℃(即900℃左右)的溫度，可燃氣因此可在所圈定的區(qū)域中被快速燃燒，表明可燃氣燃燒發(fā)生于高溫的半焦層中和這些半焦層的表面附近。由于大量的可燃氣匯于虛線所示有限區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域可能發(fā)生氧氣不足的還原性燃燒。因此，在該可燃氣還原燃燒的上部(在實際爐可依據(jù)火焰高度確定位置)供給二次空氣15，以實現(xiàn)可燃氣的完全燃燒。
流化床氣化爐1和鏈條爐排燃燒爐2具有各自獨立的空氣供給9和10，并且相對10設(shè)置二次空氣供給15。這使得對兩爐的空氣供給量可以獨立調(diào)節(jié)和控制。正如在發(fā)明原理中所述，向流化床氣化爐1的空氣供給9的量應(yīng)以維持該爐的溫度于500-1000℃(通常900℃左右)為調(diào)控基準，而供于鏈條爐排燃燒爐2的空氣10和15應(yīng)足以完全燃燒半焦和可燃氣，并同時確保盡可能低的過?？諝庀禂?shù)。在實際操作上，向流化床氣化爐1的空氣供給9以相對燃料煤供給速率的空氣比來定量。對于部分氧化氣化來說，該空氣比通常為0.1-0.5，但具體的微調(diào)節(jié)應(yīng)依據(jù)流化床氣化爐中的燃料顆粒溫度而進行。溫度太高時調(diào)低空氣比，太低時則增大空氣比。對于鏈條燃燒爐2，二次空氣15的目的是實現(xiàn)可燃氣的完全燃燒，而一次空氣10必須保證爐排上半焦的完全燃燒。因此，一次空氣10應(yīng)根據(jù)供入爐排的半焦的量而決定，如相對送入半焦速率的空氣比為1.2-1.5。這樣，二次空氣就可基于整個燃燒爐的過?？諝庀禂?shù)或自鍋爐換熱器4的排氣(煙氣)中的氧氣濃度來確定。即，根據(jù)所測得的煙氣氧濃度計算過?？諝庀禂?shù)。該系數(shù)太高時應(yīng)調(diào)低空氣供給15，反之應(yīng)加大供給15。而過?？諝庀禂?shù)應(yīng)盡可能低。本發(fā)明限定其為1.0-2.0，而對過剩空氣系數(shù)的調(diào)低依賴于燃燒溫度、半焦在爐中停留時間(即鏈條長度/回轉(zhuǎn)速度)等因素。值得注意的是，對鏈條燃燒爐2實施所述空氣控制的前提是空氣供給10提供了足以完全燃燒鏈條爐排12上的半焦的空氣(相對半焦的空氣比為1.2-1.5)。
很明顯，在實際鍋爐中上述對空氣供給9，10和15的調(diào)控應(yīng)通過反饋式控制程序而實施。對應(yīng)所述空氣供給，附圖2所示燃燒裝置正好實現(xiàn)附圖1所示的低污染高效率燃燒方法。具體為煤燃料經(jīng)過在流化床氣化爐1中的貧氧燃燒被轉(zhuǎn)換成高溫半焦和可燃氣。二者自該氣化爐1溢流進入輸送通道3，并通過流化床底部排出口50將不可燃物和大尺寸半焦也同時送入該通道。半焦和可燃氣經(jīng)過輸送通道3被輸送到鏈條爐排12。在那里與來自空氣供給10的空氣相作用立即開始高速燃燒(因移入的半焦和可燃氣保持著高溫)?？扇細馊紵l(fā)生于圖中虛線圓環(huán)所標示的高溫半焦層中和半焦層表面附近，并通過進一步與燃燒爐二次空氣15相互作用可完全燃燒可燃氣和徹底消除黑煙。同時，籍與半焦層中的炭和在半焦層表面附近形成的可燃氣還原燃燒區(qū)的作用還能有效抑制燃燒中NOx的生成(工作原理見前述燃燒方法的有關(guān)論述)。而發(fā)生于整個鏈條爐排上的高速半焦燃燒(因無燃料升溫和預(yù)熱過程)又能保證其完全燃燒。通過燃料完全燃燒，即半焦完全燃燒+可燃氣完全燃燒可實現(xiàn)燃燒的高效率。同時，與煤燃料供給可同時簡單地添加脫硫劑于流化床氣化爐1中，如按相對所燃燒原煤中含硫量的0至5倍摩爾比加入(0意味不加入脫硫劑)。遵循前述燃燒方法中的工作原理該脫硫劑可實施較有效的爐內(nèi)脫硫。由于自上游部分氧化氣化爐1向下游鏈條爐排燃燒爐2的半焦輸送主要通過被流化顆粒的溢流和移動床式輸送通道3，所發(fā)明的該燃燒裝置因此可克服上下游間燃料移動的困難，從而使該燃燒裝置能應(yīng)用于不同能量容量的鍋爐。
因此，流化床氣化爐1的設(shè)計基本要求是確保所供給煤燃料在其中的完全熱解，以釋放可能導(dǎo)致燃燒黑煙的各種揮發(fā)分。熱解能否進行完全取決于流化床氣化爐1的操作溫度和所供給煤燃料在該氣化爐中的停留時間。溫度越高，煤熱解進行速度越快，由此允許煤顆粒在流化床氣化爐中停留較短的時間。在上述中指出，流化床氣化爐1的操作溫度通常在800-1000℃或說900℃左右。因此，依據(jù)這些溫度下的煤部分氧化熱解動力學(xué)參數(shù)確定煤顆粒在氣化爐1中所必需的的停留時間，進而確定對應(yīng)的流化床尺寸是設(shè)計該流化床氣化爐的必要步驟。流化床氣化爐1中的燃料停留時間也是被流化的燃料層7的高度的函數(shù)。而燃料層7的高度可通過調(diào)節(jié)流化床后墻5的高度而進行調(diào)節(jié)。
相應(yīng)地，對鏈條爐排燃燒爐2的基本要求是包括最大尺寸的半焦在該爐中停留足夠長的時間以使其能完全燃燒，因相對于給定燃料處理量(噸/小時)所供入該爐的空氣量(一次+二次)基本一定，如相對于半焦及可燃氣的空氣比為1.2-1.5。這即要求鏈條爐排12應(yīng)有足夠的長度。但從設(shè)備小型化和降低成本來說，該鏈條爐排又應(yīng)盡可能短。為此，燃燒爐2的設(shè)計要求半焦燃燒的動力學(xué)數(shù)據(jù)并通過實際的爐燃燒試驗予以驗證和優(yōu)化。
對于所發(fā)明燃燒裝置的另一個重要部件是輸送通道3的大小。它應(yīng)保證從流化床氣化爐1至鏈條爐排燃燒爐2的半焦和可燃氣的無障礙輸送，并同時在輸送通道3中保持一定高度的半焦充填床層，以實現(xiàn)可燃氣通過半焦層后而燃燒。因此，輸送通道3的截面大小可以根據(jù)換熱器前墻6下所存在的鏈條爐排12上的燃料層縱向截面來決定，即大致相同或更大。輸送通道3的截面越大，越有利于半焦的順利輸送和確保可燃氣通過高溫半焦層而燃燒(在半焦層中和其表面附近)。另一方面，鏈條爐排上燃料層截面的大小必須與燃料處理量(供給速率)相協(xié)調(diào)，特別是在鏈條爐排回轉(zhuǎn)速度已由半焦所要求的停留時間所決定的情況下。實際上，所供入的煤燃料經(jīng)過流化床氣化爐1熱解氣化后，被轉(zhuǎn)變?yōu)榘虢购涂扇細舛?jīng)過輸送通道3被輸送到鏈條爐排燃燒爐2。物料平衡必須要求在流化床和鏈條爐排上的燃料運動速度相互協(xié)調(diào)。這就需要研究流化床熱解氣化后的物質(zhì)分配規(guī)律，以作為設(shè)計鍋爐換熱器前墻6下端與鏈條爐排12間的間距的基礎(chǔ)。
附圖2所示本發(fā)明的低污染高效率燃燒裝置的啟動和連續(xù)運轉(zhuǎn)方法基本同一般的鏈條工業(yè)鍋爐燃燒裝置。不同之處僅在于啟動時煤的燃燒首先從流化床氣化爐1開始。當(dāng)流化床氣化爐1所生成的半焦通過溢流被輸送到鏈條爐排12之上并于輸送通道3中充填到所希望高度的半焦層后才開始鏈條爐排12的運動。而運動鏈條爐排12而啟動鏈條燃燒爐2的技術(shù)方法同一般的鏈條爐排工業(yè)鍋爐。
所發(fā)明的低污染高效率燃燒裝置可操作在加壓環(huán)境下，但作為工業(yè)鍋爐用的煤燃燒裝置時將主要操作在常壓下。但是，流化床氣化爐1和鏈條爐排燃燒爐2間具有微小的壓差，以實現(xiàn)氣體由氣化爐1，經(jīng)輸送通道3至燃燒爐2的流動。
由此可見，在技術(shù)上附圖2所示本發(fā)明的低污染高效率燃燒裝置是完全可行的，從而使得所發(fā)明的燃燒裝置在應(yīng)用于工業(yè)鍋爐時可使燃燒無煙化、抑制NOx生成、在爐內(nèi)有效脫除SOx和實現(xiàn)燃燒高效率化。這些可使我國工業(yè)鍋爐的低效率和高污染現(xiàn)狀予以徹底改善。值得一提的是，應(yīng)用本發(fā)明燃燒裝置的工業(yè)鍋爐的換熱器4可以采用現(xiàn)在所使用的技術(shù)和系統(tǒng)。也即是說，本發(fā)明的燃燒方法可用來改裝現(xiàn)有的工業(yè)鍋爐，以最低的成本獲得高效率化和低污染化。
附圖3至附圖6為實施附圖1所示本發(fā)明所述低污染高效率燃煤方法的其它幾種燃燒裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。他們也同樣實施本發(fā)明的方法原理和技術(shù)路線，但具有下述各自相對于附圖2所示實施例的技術(shù)或工藝特征。
在附圖2所示的燃燒裝置中，可燃氣全部被引到鏈條爐排12上的半焦燃料層，并通過該燃料層而燃燒。這可能在輸送通道中導(dǎo)致較大壓降，增大流化床氣化爐1與鏈條燃燒爐間的壓差。同時，大量可燃氣的燃燒發(fā)生于鍋爐換熱器前墻6的下端附近，可致使該區(qū)域的極端高溫。不但有燒壞附近的爐壁的可能性，還會導(dǎo)致高NOx生成。為此，附圖3所示燃燒裝置通過采用更短的換熱器前墻61(具有小的向下延伸)，而在該前墻的下端設(shè)置一燃氣火箅子16進一步擴大了可燃氣的燃燒區(qū)域。該火箅子的高度與輸送通道3中半焦層31的高度相當(dāng)，以保持可燃氣經(jīng)半焦層而發(fā)生燃燒(即燃氣火箅子16的上端通常在輸送通道3中半焦充填層31的上表面附近)。很明顯，取決于來自空氣供給10的空氣于半焦層31中的分布，可燃氣燃燒可發(fā)生于輸送通道半焦層31中和在火箅子16向燃燒室14的整個側(cè)面上。后者使燃燒室中在爐排半焦燃燒層以上形成一可燃氣燃燒區(qū)。在該燃燒區(qū)通常進行還原性燃燒，而可燃氣的完全燃燒發(fā)生于二次空氣供給15處。所述還原燃燒區(qū)的存在可轉(zhuǎn)換大部分來自于爐排12上的半焦燃燒所產(chǎn)生的NOx為N2，并降低N2O的生成(燃料再燃技術(shù)原理)。相對于附圖2所示的燃燒裝置，本裝置具有更大的可燃氣流出界面和可燃氣燃燒區(qū)(參見虛線環(huán)圈定的區(qū)域)，能降低由于可燃氣流動所引起的壓降并分散由燃燒該可燃氣所產(chǎn)生的熱量。其結(jié)果是使流化床氣化爐1與鏈條燃燒爐2可操作在極小的壓差下，而輸送通道3和爐排12上的半焦層中將不形成極度高溫區(qū)，有利于燃燒控制和抑制燃燒中NOx的生成。
附圖3所示燃燒裝置的另一個特點是通過使用向輸送通道3傾斜的分散板110，可促進大顆粒碳渣及半焦顆粒自燃料輸入口A側(cè)移動到輸送通道3側(cè)通過流化床底部排出口50進入輸送通道3。由于鏈條爐所使用的原煤中可能含有直徑高達30-40mm的矸石和原煤，他們可能難以被完全流化。為此，傾斜的分散板可利用大顆粒自身重力，使其在流化床底部被氣流振動的同時被運送到排出口50。
附圖4所示實施本發(fā)明燃燒方法的燃燒裝置經(jīng)由進一步改進附圖3所示燃燒裝置而形成。其特點是它具有自左下向右上，即自下而上向鏈條爐排燃燒爐2方向傾斜的流化床氣化后墻510和風(fēng)箱后墻520。傾斜程度以不影響流化床后墻510上的燃料顆粒流化為限，如不大于20度。傾斜的流化床后墻510可使從流化床底部排出口50而排出的大顆粒半焦及矸石位于輸送通道3中的半焦層31的左側(cè)。當(dāng)鏈條爐排12自左向右移動以剪切方式帶走半焦燃料時這些較大顆粒的物料能被置于爐排的最低部。相應(yīng)地，通過溢流而進入到輸送通道3的較小半焦顆粒則處于輸送通道半焦層31的右側(cè)。在被向右運動的鏈條爐排12帶走時可能被置于半焦層31左側(cè)大顆粒燃料的上面。這種在鏈條爐排上的下大上小的燃料層有利于減少透過爐排縫隙而掉入灰渣室的燃料損失，從而進一步保證高燃燒效率。值得一提的是，雖然經(jīng)過上游的流化床部分氧化氣化會完全轉(zhuǎn)換大部分特別細的顆粒，但大顆粒煤可能發(fā)生爆破進一步產(chǎn)生小顆粒。所以，進入鏈條爐排12的仍可能有直徑小于5mm的小半焦顆粒，它們有未經(jīng)燃燒而掉入灰渣室的可能。所以，使用附圖4所示傾斜流化床后墻510而實現(xiàn)半焦燃料在爐排12上的下大上小的層次分布是必要的。另外，在本發(fā)明的鏈條燃燒爐2中無燃料升溫和干燥過程，且鏈條爐排短。這些無疑也可減少小顆粒燃料透過爐排的損失。
采用傾斜的氣箱后墻520可在鏈條爐排12上于燃氣火箅子16與該氣箱后墻520之間形成更大的半焦容納空間。該更大的半焦容納空間至少有以下兩方面功能。首先是提供更大的半焦充填層以燃燒在流化床氣化爐1中產(chǎn)生的、通過輸送通道3而被送來的可燃氣體，有利于實現(xiàn)低NOx燃燒。其次是它使燃燒控制更容易，因為輸送通道3和鏈條爐排12間的空間實際上是連接流化床氣化爐1和鏈條半焦燃燒爐2的半焦儲存緩沖空間。該空間越大就越能緩和兩爐間在處理速率對等性上所要求的嚴格性，允許更有余地地控制兩爐的燃料處理速度。如，即使自氣化爐1來的半焦供給速度一時較慢，也不至于使在鏈條爐排上進行的半焦燃燒立即受到影響，因為緩沖空間內(nèi)的半焦可在一段時間內(nèi)補充上所要求的半焦。在這一段時間內(nèi)系統(tǒng)控制能使氣化爐恢復(fù)正常，從而維持整個燃燒裝置所設(shè)計的低污染高效率燃燒。
附圖2至4所示本發(fā)明的低污染高效率燃燒裝置采用了機械鏈條爐排燃燒爐2來燃燒來自上游流化床氣化爐1的半焦和可燃氣。這種煤燃燒裝置適合于1蒸噸以上的較大能量容量工業(yè)鍋爐。基于附圖1所示本發(fā)明低污染高效率燃燒方法的基本原理和技術(shù)路線，下游的半焦和可燃氣燃燒同樣可于固定床燃燒爐中進行。附圖5所示實施例就是整合流化床氣化爐1和固定床半焦燃燒爐22的煤燃燒裝置。其中，流化床氣化爐1與附圖2至4所示燃燒裝置中的氣化爐1相同。同樣通過被流化燃料顆粒的溢流和底部排出口50將在氣化爐1中所生成的半焦送入到輸送通道3。輸送通道3同樣由左側(cè)壁的流化床后墻51和風(fēng)箱后墻52與右側(cè)壁的鍋爐換熱器前墻62(被向下延伸)之間的間隔空間而形成，向下開口于固定床燃燒爐22。換熱器前墻62在橫向位置上幾乎處于固定床燃燒爐22斷面的中央位置或稍偏向鍋爐換熱器24。而固定床燃燒爐22的燃燒口設(shè)在該燃燒爐內(nèi)固定床半焦層28與該爐燃燒室214在自換熱器前墻62向右的交接面處，并為向下傾斜的燃燒口。為該燃燒口也設(shè)置火箅子216以防止燃料(半焦)顆粒大量溢入該燃燒爐燃燒室214。燃燒室的右下部有燃燒室灰渣倉217，收集在燃燒室沉降的飛灰和通過燃燒口火箅子216而可能溢出的碳渣和未燃盡半焦。固定床燃燒爐的爐排212可能為任何形式固定爐排或手動/機械往復(fù)和轉(zhuǎn)動爐排。其空氣供給210通過爐排下灰渣倉213和爐排212而進行(鏈條爐排12下幾乎無灰渣)。
為保證于流化床氣化爐1中產(chǎn)生的可燃氣于通過該爐燃燒口火箅子216以下的半焦層時和在其表面附近進行燃燒，固定床半焦燃燒爐中的半焦充填高度應(yīng)高于燃燒口及其火箅子216。由此，換熱器前墻62的下端通常應(yīng)低于風(fēng)箱后墻52的下端(參見附圖5)。這可使超過燃燒口的半焦層能常時維持于兩墻下端之間的空間而使來自于氣化爐1的可燃氣確實在通過半焦層時和這之后而被燃燒，達到有效抑制NOx生成的目的。同樣，附圖5用虛線環(huán)標示了可燃氣的可能燃燒區(qū)域，并在固定床燃燒爐22的燃燒室214設(shè)置二次空氣215確保可燃氣的完全燃燒。
附圖5所示燃燒裝置的固定床燃燒爐的燃燒口及其火箅子216設(shè)于燃燒爐的上端面的右側(cè)。因此，自灰渣室213的空氣供給210經(jīng)爐排212后必定偏流于設(shè)置有燃燒口的右半側(cè)，從而使得在右半側(cè)的半焦燃燒速度快。而另一方面，本燃燒爐所使用的爐排(固定或手動/機械往復(fù)和轉(zhuǎn)動爐排)水平安裝，致使燃料由左至右的水平移動幾乎不可能。所以，附圖5所示燃燒裝置僅適用于較小型的鍋爐。對于較此更大容量的鍋爐，可采用附圖6所示改進型具有固定床半焦燃燒爐的燃燒裝置。
相對附圖5所示燃燒裝置，所述改進型具有固定床半焦燃燒爐的燃燒裝置的特點是其固定床燃燒爐22具有向該爐燃燒口火箅子216方向逐漸向下傾斜的爐排312，而在該燃燒爐上的燃燒口火箅子216對側(cè)設(shè)置輔助空氣供給310，以向左則的半焦燃料層供給空氣。傾斜爐排312不僅可使半焦燃料易于從左至右移動，而且在固定床燃燒爐22中形成相對于燃燒口及其火箅子216厚度均勻的半焦充填層。這可使空氣供給210在燃料層中更均勻地流動到燃燒口，抑制向右側(cè)(燃燒口火箅子216側(cè))的偏流。其結(jié)果是在燃燒爐的整個燃料床層上形成更均勻的燃燒，致使燃料層的消耗速度更一致。但是，依靠傾斜爐排312很難完全抑制空氣供給210向燃燒口火箅子216方向的偏流。為此，在附圖6所示的傾斜爐排固定床半焦燃燒爐中右側(cè)的燃料消耗速度仍會在一定程度上高于左側(cè)的速度。在有的情況下這種燃燒不均勻是可以接受的，因為自左向下而傾斜的爐排正好能使燃燒慢的左側(cè)半焦向燃燒快的右側(cè)區(qū)域移動。同時，通過在固定床燃燒爐左側(cè)(燃燒口火箅子216對側(cè))向那里的半焦燃料層供給輔助空氣310可使左側(cè)的燃燒速度加快，從而使自左向右的整個燃料層的燃燒均勻。這里，輔助空氣供給310的使用應(yīng)相應(yīng)減少空氣供給210，以保持向燃燒爐22的空氣總供給量恒定。
相比于附圖2至4所示采用連續(xù)運動的鏈條爐排半焦燃燒爐的燃燒裝置而言，附圖5和6所示采用固定床半焦燃燒爐22的燃燒裝置更易于控制，因為后者在半焦燃燒速度和流化床氣化速度上不要求有嚴格的對等關(guān)系。也即，二者的對應(yīng)關(guān)系可在更大的允許范圍內(nèi)調(diào)節(jié)控制，因下游的固定床半焦燃燒爐22具有較大的容積，有較大能力(余地)適應(yīng)來自流化床氣化爐1的半焦在量上的變動。但是，這種利用固定床半焦燃燒爐的燃燒裝置僅適合小容量、小負荷的應(yīng)用，如應(yīng)用于1.0蒸噸以下的熱水鍋爐和小型蒸汽鍋爐。對于附圖5所示的燃燒裝置，固定床燃燒爐22在橫端面上的不均勻燃燒使得其僅適用于特別小規(guī)模的熱水鍋爐。
最后需要提及的是，對于附圖3至6所示本發(fā)明的各種燃燒裝置，它們的爐內(nèi)脫硫的實施將按發(fā)明原理中所論述的方式和方法同樣進行(因此脫硫劑供給同樣示于附圖3-6中)，并遵循相同的工作原理和過程實現(xiàn)有效的爐內(nèi)脫硫。而所有這些燃燒裝置實現(xiàn)無煙、低NOx和高效率燃燒的工作過程和方式也類似或等同于對附圖2所示燃燒裝置所作的相應(yīng)說明。為此，在說明附圖3至6時未再重復(fù)。
雖然在附圖2至6示意了實施本發(fā)明應(yīng)用于燃煤鍋爐的低污染高效率燃燒方法的幾種具體燃燒裝置，依據(jù)本發(fā)明的基本原理和技術(shù)工藝要點還可有很多其它不同的實施方式。例如，本說明書在利用固定床燃燒爐實施半焦燃燒時，僅圖示了平面狀的固定式爐排來說明所發(fā)明的技術(shù)，但固定床燃燒爐也可使用其他非平面狀的爐排。而且，示于附圖3和4的流化床氣化爐1的傾斜分散板、傾斜風(fēng)箱后墻等可以同樣原理和方法適用于附圖5和6所示的具有固定床爐排燃燒爐的燃燒裝置。本說明書通過鏈條爐排來說明了所發(fā)明的低污染高效率燃燒方法對大型機械爐排燃燒爐的應(yīng)用，實際上該應(yīng)用可擴展到任何其他大型爐排的燃燒爐。同樣，按本發(fā)明原理的上游流化床氣化爐和下游爐排式半焦燃燒爐可利用不同于本說明書所示意的各種其他技術(shù)方法和工藝進行耦合，以實現(xiàn)低污染和高效率的煤燃燒。但是，在所有這些變動和變形中，只要采用上游流化床熱解氣化、下游爐排式半焦燃燒和通過半焦層及在半焦層表面附近燃燒可燃氣的技術(shù)路線，它們將均隸屬于本發(fā)明的方法和原理，不超出本發(fā)明的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種燃煤鍋爐的低污染高效率燃燒方法，其特征在于，該燃燒方法將煤燃燒分解為煤的上游流化床部分氧化氣化和其所生成半焦及可燃氣于爐排式燃燒爐中的燃燒兩步進行；所述上游的流化床部分氧化氣化為在流化床氣化爐中供入煤燃料，并使所供入的煤燃料在流化床氣化爐中被從該流化床氣化爐底部供入的空氣流化，進而通過與所供入空氣中的氧氣相互作用發(fā)生部分氧化氣化，生成半焦和可燃氣；所述下游的半焦及可燃氣于爐排式燃燒爐中的燃燒為經(jīng)上游流化床部分氧化氣化所生成的半焦和可燃氣不經(jīng)分離、于高溫狀態(tài)下通過移動床式輸送通道被輸送到爐排式燃燒爐，在那里與通過該燃燒爐爐排而供入該爐的一次空氣和供于該燃燒爐燃燒室的二次空氣中的氧氣相互作用而進行快速燃燒、完全燃燒，以轉(zhuǎn)化煤燃料化學(xué)能為鍋爐可利用的燃燒熱。
2.按權(quán)利要求1所述的燃煤鍋爐的低污染高效率燃燒方法，其特征在于，在所述上游的流化床部分氧化氣化中，與所供入流化床氣化爐的煤燃料一起按煤中的含硫量摩爾比的0-5倍加入含有金屬碳酸鹽、氫氧堿以及氧化物的脫硫劑，脫除在該流化床氣化爐中所生成的硫化物和在下游半焦及可燃氣于爐排式燃燒爐中燃燒而生成的硫氧化物；在所述下游的半焦和可燃氣于爐排式燃燒爐的燃燒中，可燃氣的燃燒在移動床式輸送通道和爐排式半焦燃燒爐中的高溫半焦層及該高溫半焦層表面附近進行。
3.按權(quán)利要求1所述的燃煤鍋爐的低污染高效率燃燒方法，其特征在于，在所述上游的流化床部分氧化氣化中，經(jīng)流化床氣化爐底部所供入的空氣量以維持該氣化爐的溫度于500至1000℃之間而調(diào)控。
4.一種權(quán)利要求1所述燃燒方法的燃煤鍋爐的低污染高效率燃燒裝置，其特征在于，包括一個置于上游的流化床部分氧化氣化爐(1)，一個置于該流化床化爐(1)下游的鏈條爐排燃燒爐(2)，以及連通所述兩爐并置于兩爐之間的輸送通道(3)；所述流化床氣化爐(1)底部設(shè)風(fēng)箱(91)，中部為流化顆粒床層(7)，上部為顆粒層上部空間(71)；在所述流化床氣化爐(1)上遠離輸送通道(3)的一側(cè)設(shè)煤燃料和脫硫劑供給口(A)，自流化顆粒層(7)的底部設(shè)通向輸送通道(3)的底部排出口(50)；所述顆粒層上部空間(71)與輸送通道(3)相通；所述風(fēng)箱(91)頂部為流化床分散板(11)，在該分散板(11)下的風(fēng)箱(91)的底部或側(cè)面設(shè)空氣供給(9)；所述鏈條爐排燃燒爐(2)為活動式鏈條爐排燃燒爐，其鏈條爐排(12)始于輸送通道(3)正下方，在所述鏈條爐排(12)下方設(shè)燃燒爐(2)的一次空氣供給(10)，在所述燃燒爐(2)的燃燒室(14)中設(shè)二次空氣供給(15)，所述燃燒室(14)連通鍋爐換熱器(4)，鏈條爐排(12)的未端接排灰渣口(13)。
5.按權(quán)利要求4所述的燃燒裝置，其特征在于，所述輸送通道(3)由流化床氣化爐(1)的流化床后墻(51)和該流化床的風(fēng)箱后墻(52)構(gòu)成其左側(cè)壁，由鍋爐換熱器(4)的前墻(6)構(gòu)成其右側(cè)壁；底部排出口(50)位于所述流化床后墻(51)和風(fēng)箱后墻(52)之間；鍋爐換熱器前墻(6)的下端高于風(fēng)箱后墻(52)的下端，該前墻(6)的下端接近鏈條爐排(12)的上表面，在該換熱器前墻(6)的下端和鏈條爐排(12)的上表面之間有半焦燃燒層(8)。
6.按權(quán)利要求4或5所述的燃燒裝置，其特征在于，所述輸送通道(3)的右側(cè)壁由下段的燃氣火箅子(16)和上段的鍋爐換熱器前墻(61)組合而成；所述構(gòu)成輸送通道(3)的左側(cè)臂的流化床后墻(51)和風(fēng)箱后墻(52)自下而上向鏈條爐燃燒爐(2)方向傾斜，其傾斜角度為0-20°。
7.一種權(quán)利要求1所述燃燒方法的用于燃煤鍋爐的低污染高效率燃燒裝置，其特征在于，包括一個置于上游的流化床部分氧化氣化爐(1)，一個置于該流化床化爐(1)下游的固定床燃燒爐(22)，以及連通所述兩爐并置于兩爐之間的輸送通道(3)；所述流化床氣化爐(1)底部設(shè)風(fēng)箱(91)，中部為流化顆粒床層(7)，上部為顆粒床層上部空間(71)；在所述流化床氣化爐(1)上遠離輸送通道(3)的一側(cè)設(shè)煤燃料和脫硫劑供給口(A)，自流化顆粒層(7)的底部設(shè)通向輸送通道(3)的底部排出口(50)；所述顆粒層上部空間(71)與輸送通道(3)相通；所述風(fēng)箱(91)頂部為流化床分散板(11)，在該分散板(11)下的風(fēng)箱(91)的底部或側(cè)面設(shè)空氣供給(9)；所述固定床燃燒爐(22)的排輸為固定式爐排(212)，所述輸送通道(3)向下開口于固定床燃燒爐(22)，所述固定式爐排(212)之下設(shè)第一灰渣倉(213)，所述灰渣倉(213)底端設(shè)該燃燒爐(22)的一次空氣供給(210)，在該燃燒爐的燃燒室(214)中設(shè)置二次空氣供給(215)，燃燒室(214)連通鍋爐換熱器(24)，其右下角設(shè)置燃燒室第二灰渣倉(217)。
8.按權(quán)利要求7所述的燃燒裝置，其特征在于，所述的輸送通道(3)由流化床氣化爐(1)的流化床后墻(51)和該流化床的風(fēng)箱后墻(52)構(gòu)成其左側(cè)壁，由鍋爐換熱器(24)的前墻(62)構(gòu)成其右側(cè)壁；鍋爐換熱器前墻(62)下端低于風(fēng)箱后墻(52)下端，在橫向位置上位于固定床燃燒爐(22)橫斷面的中央或中央稍偏換熱器(24)方向。
9.按權(quán)利要求7或8所述的燃燒裝置，其特征在于，所述輸送通道(3)的右側(cè)壁由下段的燃氣火箅子(16)和上段的鍋爐換熱器前墻(61)組合而成；所述固定床燃燒爐(22)的燃燒口設(shè)在該爐內(nèi)固定床半焦層(28)與該爐燃燒室(214)在自換熱器前墻(62)向右的交接面處，具有燃燒口火箅子(216)；燃燒口火箅子(216)自換熱器前墻(62)向右朝下傾斜，其傾斜小于45度。
10.按權(quán)利要求7至9所述的燃燒裝置，其特征在于，所述固定式爐排(212)朝向鍋爐換熱器(24)方向向下傾斜；在固定床燃燒爐(22)靠近燃燒口火箅子(216)高端位置的另一側(cè)設(shè)有輔助空氣(310)。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃煤鍋爐的低污染高效率燃燒方法及裝置，將煤燃燒分解為煤的流化床部分氧化氣化和所生成半焦和可燃氣于爐排式燃燒爐中燃燒兩步；流化床部分氧化氣化生成的半焦和可燃氣不經(jīng)分離、在高溫下通過移動床式輸送通道輸送到爐排式燃燒爐進行燃燒；可燃氣燃燒發(fā)生在輸送通道和爐排式半焦燃燒爐中的高溫半焦層中和該半焦層表面附近，可消除燃燒黑煙并抑制NO
文檔編號F23B10/02GK101025266SQ20061001135
公開日2007年8月29日 申請日期2006年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月23日
發(fā)明者許光文, 高士秋, 劉新華 申請人:中國科學(xué)院過程工程研究所