本發(fā)明涉及燃燒設(shè)備，特別涉及一種循環(huán)流化床富氧燃燒鍋爐系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
大量化石燃料燃燒產(chǎn)生的溫室效應(yīng)氣體CO2已對全球氣候環(huán)境造成了嚴重的影響。電站行業(yè)在化石燃料使用中占有重要地位，并且以燃煤電站為主，占電站行業(yè)的40％以上。因此，需找到一種適合燃煤電站CO2捕集的技術(shù)方案。在現(xiàn)有的CO2捕集技術(shù)中，富氧燃燒技術(shù)(也稱O2/CO2煙氣再循環(huán)燃燒技術(shù))是可大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的燃煤CO2捕集技術(shù)之一。該技術(shù)用純氧和循環(huán)煙氣代替空氣作為氧化劑進入鍋爐燃燒，燃燒后煙氣中CO2濃度(干基)可達90％以上，便于冷卻壓縮得到液態(tài)CO2，同時去除或回收其它污染物。
近年來，許多國家和地區(qū)都相繼開展了富氧燃燒技術(shù)的研究，取得了較為有成效的進展，并積累了很多有價值的科學(xué)研究數(shù)據(jù)。但現(xiàn)有富氧燃燒技術(shù)只是將空氣中的氮氣換成了含高濃度CO2的尾部煙氣，氧氣所占體積份額變化較小(21％～27％)，所以相對于常規(guī)空氣燃燒機組而言，鍋爐本體(爐膛和尾部受熱面)的投資基本不變，但是由于增加了空氣分離制氧系統(tǒng)和煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，鍋爐島的投資和運行成本將大幅度增加，從而會使全廠經(jīng)濟效率下降約8％～12％左右，這對于各燃煤電站而言是很難接受的，并且也是制約現(xiàn)有富氧燃燒技術(shù)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的主要原因。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種循環(huán)流化床富氧燃燒鍋爐系統(tǒng)，以克服以上所述的至少一項技術(shù)問題。
本發(fā)明提供一種循環(huán)流化床富氧燃燒鍋爐系統(tǒng)，包括：爐膛、旋風(fēng)分離器、外置燃燒室、尾部煙道和供風(fēng)單元，其中
所述爐膛的出口連接至所述旋風(fēng)分離器，用于從爐膛輸出含循環(huán)物料的煙氣；所述旋風(fēng)分離器分離所述含循環(huán)物料的煙氣后，循環(huán)物料從其下部出口進入所述外置燃燒室，煙氣部分從旋風(fēng)分離器的上部出口進入尾部煙道；所述外置燃燒室由旋風(fēng)分離器輸入所述循環(huán)物料和由供風(fēng)單元輸入外置燃燒室流化風(fēng)，外置燃燒室出口連接至所述爐膛的入口端。
進一步的，所述外置燃燒室出口經(jīng)過一返料器連接至所述爐膛的入口端。
進一步的，所述返料器為帶膜式水冷壁的U型返料器。
進一步的，所述外置燃燒室為鼓泡流化床燃燒室。
進一步的，所述供風(fēng)單元還分別輸入氧氣濃度為30-50％的一次風(fēng)和30-70％的二次風(fēng)至所述爐膛的不同高度。
進一步的，所述供風(fēng)單元輸入至外置燃燒室的燃燒室流化風(fēng)氧氣濃度為60-100％。
進一步的，所述爐膛還包括石灰石添加口，以向爐膛內(nèi)添加石灰石進行脫硫。
進一步的，系統(tǒng)還包括再循環(huán)煙氣單元，所述尾部煙道包括尾部受熱面、再循環(huán)煙氣預(yù)熱器、除塵器、引風(fēng)機和CO2回收裝置，由所述旋風(fēng)分離器上部出口進入的煙氣依次進入受熱面，經(jīng)再循環(huán)煙氣預(yù)熱器換熱后經(jīng)除塵器輸出，一部分經(jīng)引風(fēng)機后進入CO2回收裝置，另一部分作為再循環(huán)煙氣進入再循環(huán)煙氣單元。
進一步的，所述再循環(huán)煙氣單元包括再循環(huán)煙氣冷凝器和再循環(huán)風(fēng)機，進入再循環(huán)煙氣單元的煙氣經(jīng)過所述在再循環(huán)煙氣冷凝器和再循環(huán)風(fēng)機后輸送至所述再循環(huán)預(yù)熱器，經(jīng)換熱后作為部分原料輸送至爐膛和外置燃燒室。
進一步的，所述供風(fēng)單元包括外置燃燒室混合器、一次風(fēng)混合器、二次風(fēng)混合器和空分制氧裝置，空分制氧裝置輸出的煙氣與再循環(huán)煙氣單元輸出的換熱后的空氣分別輸入外置燃燒室混合器、一次風(fēng)混合器和二次風(fēng)混合器進行混合，所述外置燃燒室混合器輸出外置燃燒室流化風(fēng)至外置燃燒室；所述一次風(fēng)混合器和二次風(fēng)混合器分別輸出一次風(fēng)和二次風(fēng)至所述爐膛。通過上述技術(shù)方案，可獲知本發(fā)明的系統(tǒng)的有益效果在于：
(1)本循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng)采用入口高氧氣濃度下燃燒，大大減小鍋爐本體和輔機體積，從而可以大大降低鍋爐初投資和運營成本，同時減小鍋爐島的占地面積；
(2)本系統(tǒng)采用帶膜式水冷壁的U型返料器來控制返回爐膛飛灰顆粒的溫度，用于解決在爐膛氧氣濃度提高后爐膛溫度難于控制的問題；
(3)將部分燃料加入外置燃燒室內(nèi)進行燃燒，增加了燃燒系統(tǒng)的換熱量，還可根據(jù)需要調(diào)整外置燃燒室內(nèi)燃燒量，達到調(diào)整換熱量以滿足循環(huán)流化床爐膛吸熱量要求，可有效解決高氧氣濃度下循環(huán)流化床爐膛尺寸變小，爐膛內(nèi)受熱面吸熱量少的問題；
(4)與常規(guī)循環(huán)流化床外置換熱器相比，本系統(tǒng)中的外置燃燒室是一個鼓泡流化床燃燒室，其受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較爐膛內(nèi)受熱面的高；
(5)本系統(tǒng)可以通過對再循環(huán)煙氣冷凝器受熱面進行優(yōu)化設(shè)計，使得少量水蒸氣進入爐內(nèi)，達到對爐內(nèi)增濕的效果，提高爐內(nèi)石灰石脫硫效率，有可能實現(xiàn)尾部不需專門設(shè)置脫硫裝置即可滿足硫氧化物SOX排放要求；
(6)沿爐膛高度方向可實現(xiàn)配風(fēng)和氧氣分級，能有效降低氣體污染物NOx的排放，達到部分節(jié)約循環(huán)流化床鍋爐尾部脫硝成本。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例的循環(huán)流化床富氧燃燒鍋爐系統(tǒng)實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標號：1-爐膛；2-旋風(fēng)分離器；3-外置燃燒室；4-返料器；5-中心筒；
6-尾部受熱面；7-再循環(huán)煙氣預(yù)熱器；8-除塵器；9-引風(fēng)機；10-CO2回收裝置；
11-再循環(huán)煙氣冷凝器；12-再循環(huán)風(fēng)機；
13-空分制氧裝置；14-一次風(fēng)混合器；15-二次風(fēng)混合器；16-外置燃燒室混合器；
17-外置燃燒室給燃料裝置；18-爐膛給燃料裝置；19-爐膛冷渣器；20-壓力平衡管；21-石灰石給料機；22-屏式過熱器
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。在此說明所附附圖簡化過且做為例示用。附圖中所示的組件數(shù)量、形狀及尺寸可依據(jù)實際情況而進行修改，且組件的配置可能更為復(fù)雜。本發(fā)明中也可進行其他方面的實踐或應(yīng)用，且不偏離本發(fā)明所定義的精神及范疇的條件下，可進行各種變化以及調(diào)整。
根據(jù)本發(fā)明基本構(gòu)思，是克服現(xiàn)有富氧燃燒技術(shù)經(jīng)濟性較差的缺陷，提出一種循環(huán)流化床富氧燃燒鍋爐系統(tǒng)，不僅燃燒效率高，煙氣量小，尾部氣體泄漏小，能夠方便地回收煙氣中的CO2，而且鍋爐體積較小，可有效降低鍋爐初投資和運行成本，從而顯著提高燃煤富氧燃燒鍋爐系統(tǒng)的經(jīng)濟性。
本發(fā)明循環(huán)流化床富氧燃燒鍋爐系統(tǒng)一種實施例結(jié)構(gòu)(例如為循環(huán)流化床高氧氣濃度的富氧燃燒鍋爐系統(tǒng))如圖1所示。循環(huán)流化床富氧燃燒鍋爐系統(tǒng)可以由爐膛1、旋風(fēng)分離器2、外置燃燒室3、返料器4、給煤裝置5、石灰石加料裝置6、尾部受熱面7、再循環(huán)煙氣預(yù)熱器8、除塵器9、引風(fēng)機10、CO2回收裝置11、再循環(huán)煙氣冷凝器12、再循環(huán)風(fēng)機13、混合器14、空分制氧裝置15以及外置燃燒室混合器16組成，其中，尾部受熱面7、再循環(huán)煙氣預(yù)熱器8、除塵器9、引風(fēng)機10和CO2回收裝置11作為尾部煙道；再循環(huán)煙氣冷凝器12和再循環(huán)風(fēng)機13作為再循環(huán)煙氣單元；外置燃燒室混合器、一次風(fēng)混合器、二次風(fēng)混合器和空分制氧裝置15作為供風(fēng)單元。
循環(huán)流化床爐膛1頂部出口(對應(yīng)稀相區(qū))與旋風(fēng)分離器2相連，旋風(fēng)分離器2底部出口通過立管與外置燃燒室3頂部開口相連。外置燃燒室3出口通過管道與返料器4進口相連，返料器4出口通過管道與循環(huán)流化床爐膛1底部(對應(yīng)密相區(qū))相連。循環(huán)流化床爐膛1底部與冷渣器19連接。在循環(huán)流化床爐膛1密相區(qū)和旋風(fēng)分離器2底部出口與外置燃燒室3頂部開口之間的連接立管分別設(shè)置給料裝置17和18。壓力平衡管20一端與外置燃燒室4頂部相連，另一端與循環(huán)流化床爐膛1稀相區(qū)相連。
旋風(fēng)分離器2上部出口通過中心筒5與尾部受熱面6相連，尾部受熱面6和再循環(huán)煙氣預(yù)熱器7布置在循環(huán)流化床鍋爐尾部煙道中，再循環(huán)煙氣預(yù)熱器7通過管道與除塵器8相連。從旋風(fēng)分離器2上部出來的含細灰(循環(huán)物料)煙氣先經(jīng)過尾部受熱面6放熱降溫，再經(jīng)過再循環(huán)煙氣預(yù)熱器7將煙氣溫度降低到除塵溫度后(150℃-180℃)，最后進入除塵器8中除塵。
除塵器8后管道一路與引風(fēng)機9和CO2回收裝置10依次相連，另一路與再循環(huán)煙氣冷凝器11、再循環(huán)風(fēng)機12、再循環(huán)煙氣預(yù)熱器7依次通過管道相連。從再循環(huán)煙氣預(yù)熱器7出來的管道一路和空分制氧裝置13與一次風(fēng)混合器14、二次風(fēng)混合器15和外置燃燒室混合器16相連，另一路與返料器4底部風(fēng)室相連。一次風(fēng)混合器14、二次風(fēng)混合器15和外置燃燒室混合器16通過管道分別與循環(huán)流化床爐膛1密相區(qū)風(fēng)室、循環(huán)流化床爐膛1稀相區(qū)和外置燃燒室4風(fēng)室相連接。除塵后的煙氣一部分作為再循環(huán)煙氣經(jīng)過再循環(huán)煙氣預(yù)熱器7進入再循環(huán)風(fēng)機，另一部分煙氣經(jīng)過引風(fēng)機進入CO2回收裝置10。
空分制氧裝置13得到的高濃度氧氣和經(jīng)過再循環(huán)煙氣預(yù)熱器7預(yù)熱后的再循環(huán)煙氣，在一次風(fēng)混合器14、二次風(fēng)混合器15和外置燃燒室混合器16中混合，作為燃料燃燒時的氧化劑，一次風(fēng)混合器14和二次風(fēng)混合器15分別為循環(huán)流化床爐膛1提供一、二次風(fēng)(一次風(fēng)氧氣濃度為30％～50％；二次風(fēng)氧氣濃度為30％～70％)，外置燃燒室混合器16為外置燃燒室提供流化風(fēng)(氧氣濃度為60％～100％)。給料裝置18中的燃料與一、二次風(fēng)在循環(huán)流化床爐膛1中燃燒，燃燒過程中產(chǎn)生的大顆粒爐渣由冷渣器19排出，產(chǎn)生的含灰煙氣在旋風(fēng)分離器2中實現(xiàn)氣固分離，分離下來的固體通過旋風(fēng)分離器2下部出口立管進入外置燃燒室3，同時給料裝置17中的燃料通過立管上的開口也進入外置燃燒室3。外置燃燒室3風(fēng)室向外置燃燒室3提供的高氧氣濃度流化風(fēng)，使得新給入的燃料和旋風(fēng)分離器2分離下來的固體中的可燃物在外置燃燒室3內(nèi)充分燃燒，燃燒后的固體顆粒從外置燃燒室3出口進入返料器4，經(jīng)返料器4冷卻后返回循環(huán)流化床爐膛1密相區(qū)，氣體通過壓力平衡管20進入循環(huán)流化床爐膛1，作為爐內(nèi)燃料的燃盡風(fēng)。
經(jīng)旋風(fēng)分離器2分離后的煙氣主要成分是CO2和水蒸氣，從中心筒3向上進入尾部受熱面6，經(jīng)過尾部受熱面6和再循環(huán)煙氣預(yù)熱器7降溫后，進入除塵器8中進行除塵。除塵后的煙氣含高濃度CO2被分成兩路：一路經(jīng)引風(fēng)機9在CO2回收裝置10中回收，另一路作為再循環(huán)煙氣在再循環(huán)風(fēng)機12的作用下，首先在再循環(huán)煙氣冷凝器11中降溫除水，然后經(jīng)過再循環(huán)風(fēng)機12和再循環(huán)煙氣預(yù)熱器7升壓升溫，最后大部分再循環(huán)煙氣分別進入一次風(fēng)混合器14、二次風(fēng)混合器15和外置燃燒室混合器16中，與空分制氧裝置13得到的高濃度氧氣進行混合，還有一小部分再循環(huán)煙氣直接送人返料器4風(fēng)室作為流化風(fēng)。
壓力平衡管20不僅起到引導(dǎo)外置燃燒室3內(nèi)流化風(fēng)進入循環(huán)流化床爐膛1作為燃盡風(fēng)，還具有分配外置燃燒室3與返料器4工作壓差的作用，因此壓力平衡管20通入循環(huán)流化床爐膛1具體位置需要經(jīng)過精心計算。
通過計算表明：參見圖1中所示，壓力平衡管20在循環(huán)流化床爐膛1最佳接入點(c點)在旋風(fēng)分離器2出口(a點)與返料口(b點)之間的壓差等分點附近，作為可選擇的范圍：ΔPbc占ΔPab的比例在40％～60％之間。
在實際運行過程中，還可以通過調(diào)整系統(tǒng)零壓點位置來調(diào)整外置燃燒室3和返料器4壓差的分配關(guān)系。進入鍋爐1的總氣體中氧氣的體積分數(shù)為45％～50％，氧氣體積分數(shù)提高后，與現(xiàn)有的富氧燃燒技術(shù)相比，在相同的燃料量下，鍋爐1本體體積(爐膛和尾部煙道)約為現(xiàn)有富氧燃燒技術(shù)的1/2，鍋爐本體初投資將大幅縮減；煙氣量將大幅度降低，再循環(huán)系統(tǒng)初投資也將大幅縮減，并且引風(fēng)機和再循環(huán)風(fēng)機運行成本也將減少。
其中，鍋爐爐膛1由膜式水冷壁構(gòu)成，并且在上部沿高度方向在前側(cè)設(shè)置屏式過熱器22。爐膛1燃料量占鍋爐總?cè)剂狭康?0％～70％，流化風(fēng)速為4m/s～6m/s，循環(huán)倍率為20。爐膛1流化風(fēng)由純氧和再循環(huán)煙氣組成，氧氣的體積分數(shù)為30％～50％，風(fēng)量占總風(fēng)量的60％～70％，沿高度方向上分成一、二次風(fēng)送入爐膛，，風(fēng)量之比為6∶4，過氧系數(shù)為1.2。鍋爐排放溫度控制在120℃～130℃，爐膛吸熱量占鍋爐總輸入熱量的20％～23％，尾部煙道吸熱量占鍋爐總輸入熱量的28％～30％，返料器吸熱量占鍋爐總輸入熱量的20％～23％，外置燃燒室吸熱量占鍋爐總輸入熱量的24％～32％。
進一步的，外置燃燒室3采用膜式水冷結(jié)構(gòu)，并且內(nèi)部布置水冷埋管，燃料量占鍋爐總?cè)剂狭康?0％～40％，流化風(fēng)由純氧和再循環(huán)煙氣組成，風(fēng)速一般為0.3m/s～0.5m/s，氧氣的體積分數(shù)為60％～100％，風(fēng)量占總風(fēng)量的30％～40％，過氧系數(shù)為1.2。燃燒后產(chǎn)生的煙氣通過頂部壓力平衡通風(fēng)管引入爐膛的稀相區(qū)，作為三次風(fēng)使用。所述的外置燃燒室實際為鼓泡床燃燒室，床溫以及進出口循環(huán)灰溫度控制在750℃～900℃，橫截面積為爐膛的1.2～1.5倍，高度為爐膛的1/4～1/3。外置燃燒室3中布置高溫過熱器受熱面。
進一步的，返料器4采用膜式水冷結(jié)構(gòu)，流化風(fēng)為再循環(huán)煙氣，風(fēng)速一般為0.3m/s～0.5m/s。所述返料器4進口循環(huán)灰溫度750℃～900℃，出口循環(huán)灰溫度300℃～400℃，作用相當于常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐的外置燃燒室，用于控制爐膛床溫，同時兼有主循環(huán)回路的部分受熱面和送灰器功能。返料器4中布置蒸發(fā)受熱面。
進一步的，返料器4回料腿上布置石灰石添加口，例如布置石灰石給料機21，采用向爐內(nèi)添加石灰石的方式進行脫硫。為了提高爐膛1內(nèi)石灰石利用率和脫硫效率，爐膛1溫度控制在920℃～930℃，有利于在富氧燃燒方式下石灰石粉煅燒成氧化鈣，與二氧化硫結(jié)合達到脫硫效果，并且還通過對再循環(huán)煙氣冷凝器受熱面進行優(yōu)化設(shè)計，使得一次風(fēng)和二次風(fēng)中的再循環(huán)煙氣含有一定量的水蒸氣，進入爐膛內(nèi)后可達到增濕脫硫的效果。采用爐內(nèi)石灰石脫硫后，可顯著簡化尾部脫硫系統(tǒng)，達到節(jié)約成本的目的
本鍋爐系統(tǒng)沿循環(huán)流化床爐膛高度方向分三級進行配風(fēng)，其中由爐膛底部送入一次風(fēng)，組分為氧氣和再循環(huán)煙氣，由爐膛密相區(qū)和稀相區(qū)的過渡段送入二次風(fēng)，組分為氧氣和再循環(huán)煙氣，由爐膛稀相區(qū)壓力平衡通風(fēng)管送入燃盡風(fēng)，組分為外置燃燒室煙氣。配風(fēng)分級后沿爐膛高度方向分成了三個區(qū)域具體為還原區(qū)-燃燒區(qū)-燃盡區(qū)，分級燃燒后可有效降低氣體污染物NOx的生成。
以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。