一種固體燃料循環(huán)流化床富氧燃燒裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于煤和生物質(zhì)清潔利用領(lǐng)域，特別涉及一種固體燃料循環(huán)流化床富氧燃燒裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]富煤、缺油和少氣的資源稟賦決定了煤炭在可預(yù)見的未來仍然是我國最重要的基礎(chǔ)能源，清潔、高效和低碳燃煤發(fā)電是保證國家可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求。中國煤炭工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)，2013年全國煤炭產(chǎn)量約37億噸，消費(fèi)量36.1億噸左右；國家能源局統(tǒng)計(jì)，2013年全國能源消費(fèi)總量為37.6億噸標(biāo)煤，其中煤炭占65.7%。截至2013年底，我國發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)12.47億千瓦以上，其中火電裝機(jī)容量超過8.6億千瓦，實(shí)際發(fā)電量占總發(fā)電量79%以上，消耗原煤占煤炭消費(fèi)總量50%以上。因此，清潔高效燃煤發(fā)電是國家能源可持續(xù)發(fā)展的重要發(fā)展方向之一。
[0003]生物質(zhì)作為一種二氧化碳凈排放為零的可再生能源，已經(jīng)引起國際社會的普遍關(guān)注。具體來說，生物質(zhì)資源包括種植生產(chǎn)的資源(如:甘蔗、木薯、玉米、油菜籽、甜高粱、油楠、麻風(fēng)樹以及能源林等能源作物)和未利用的資源(如:秸桿、稻殼、蔗渣、蔬菜殘余物、木材加工廢棄物等農(nóng)業(yè)殘余物，畜禽糞便、屠宰場廢棄物等動物糞便，漁業(yè)加工殘余物以及生活垃圾、有機(jī)廢水等城市廢棄物)兩大類。在組成和結(jié)構(gòu)方面，煤和生物質(zhì)均屬于含碳、氫、氧等元素的固體燃料。
[0004]富氧燃燒技術(shù)是最具發(fā)展前景的CO2捕集技術(shù)之一。該技術(shù)將高純氧氣與部分再循環(huán)煙氣送入爐膛替代傳統(tǒng)燃燒中的空氣，由于沒有氮?dú)獾淖⑷耄匀紵鬅煔庵?)2含量較高，實(shí)現(xiàn)了燃燒過程中CO2的富集。富氧燃燒技術(shù)的早期研究主要集中在煤粉爐富氧燃燒，循環(huán)流化床富氧燃燒技術(shù)研究起步較晚，但是循環(huán)流化床富氧燃燒技術(shù)是將循環(huán)流化床潔凈燃燒技術(shù)和富氧燃燒技術(shù)有機(jī)結(jié)合的新型潔凈燃燒技術(shù)，它充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，不但燃燒強(qiáng)度大、NOx排放低和脫硫成本低，尤其適合于煤矸石、煤泥、洗中煤和生物質(zhì)等低熱值固體燃料，同時(shí)燃燒產(chǎn)生高CO2濃度的煙氣。與煤粉爐相比較，由于爐膛內(nèi)部存在大量的惰性物料，CFB富氧燃燒鍋爐更容易實(shí)現(xiàn)從空氣燃燒狀態(tài)到富氧燃燒狀態(tài)的切換。
[0005]傳統(tǒng)的富氧燃燒流化床鍋爐密相區(qū)與稀相區(qū)爐體截面積相同，必須經(jīng)過很長的過渡段才能實(shí)現(xiàn)氣固的分離；由于氧氣濃度的提高和循環(huán)煙氣濃度降低使得鍋爐體積相應(yīng)變小，尤其是尾部煙道體積減小，給鍋爐受熱面布置帶來了很大難題，從而影響了爐膛熱量的吸收，降低了煤的燃燒效率。在富氧燃燒循環(huán)流化床中，高純氧氣與再循環(huán)煙氣如何混合、如何注入爐膛是需重點(diǎn)解決的技術(shù)問題，由于再循環(huán)煙氣存在粒徑在0.5μπι以下的顆粒，其與尚濃度氧氣(50%以上)混合極易發(fā)生爆燃等安全事故。此外如何提尚循環(huán)流化床的脫硫效率也是研究的重點(diǎn)。因此，深入研究循環(huán)流化床富氧燃燒技術(shù)對低熱值煤超低排放發(fā)電和二氧化碳減排具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種固體燃料循環(huán)流化床富氧燃燒裝置及方法，該裝置由風(fēng)室、布風(fēng)裝置、爐膛、高溫旋風(fēng)分離器、返料器、換熱器、省煤器、中溫旋風(fēng)分離器、二級配風(fēng)管組成;其特征在于，風(fēng)室、布風(fēng)裝置、爐膛依次連接，所述爐膛由下部的強(qiáng)混合區(qū)、中間錐形過渡區(qū)和上部的準(zhǔn)平推流區(qū)三部分組成，在強(qiáng)混合區(qū)上部設(shè)有煤或生物質(zhì)等固體燃料與石灰石加料口，在準(zhǔn)平推流區(qū)底部設(shè)有二級配風(fēng)管入口，在準(zhǔn)平推流區(qū)上部通過管道與高溫旋風(fēng)分離器連接，高溫旋風(fēng)分離器下端連接有返料器，返料器通過返料管與爐膛的強(qiáng)混合區(qū)下部相連接，高溫旋風(fēng)分離器頂部連接內(nèi)設(shè)換熱器和省煤器的煙道;省煤器下部的煙道連接中溫旋風(fēng)分離器，中溫旋風(fēng)分離器頂部通過第一煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)分別連接空氣分離裝置和風(fēng)室；空氣分離裝置同時(shí)與二級配風(fēng)管連接;煙道下部通過第二、三煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)分別連接到返料器底部、返料管上部及固體燃料與石灰石加料口。
[0007]所述爐膛的準(zhǔn)平推流區(qū)和強(qiáng)混合區(qū)截面積之比為0.4:1-0.7:1。
[0008]—種循環(huán)流化床富氧燃燒裝置中固體燃料燃燒的方法，其特征在于，該方法是在循環(huán)流化床富氧燃燒裝置中采用富氧燃燒分區(qū)調(diào)控和多級配風(fēng)來實(shí)現(xiàn)固體燃料燃燒，包括:
[0009]采用煤和生物質(zhì)為固體燃料;運(yùn)行過程中，將固體燃料和石灰石通過進(jìn)料裝置輸送至固體燃料與石灰石加料口 7，在播煤風(fēng)的作用下，播撒進(jìn)爐膛，在強(qiáng)混合區(qū)發(fā)生氣固反應(yīng)，在準(zhǔn)平推流區(qū)發(fā)生氣相反應(yīng);高溫旋風(fēng)分離器9經(jīng)內(nèi)設(shè)換熱器10和省煤器11的煙道16輸出的煙氣進(jìn)入中溫旋風(fēng)分離器13，第一煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)14輸出的煙氣與空氣分離裝置15輸出的部分氧氣混合后作為一級風(fēng);空氣分離裝置15輸出的部分氧氣直接作為二級風(fēng)，煙道16下部的煙氣出口 19的部分煙氣經(jīng)第二煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)17和第三煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)18分別進(jìn)入返料器12、返料管20和固體燃料與石灰石加料口 7，其余富含二氧化碳的煙氣用于封存或后續(xù)利用；其中，第一煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)15、第二煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)17和第三煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)18為獨(dú)立裝置，分別控制一級風(fēng)、二級風(fēng)、松動風(fēng)和播煤風(fēng)的風(fēng)量。
[0010]所述固體燃料和石灰石送入爐膛強(qiáng)混合區(qū)，立即被大量處于流化狀態(tài)的高溫床料包圍，充分混合后迅速著火燃燒，此時(shí)運(yùn)行的床溫為800°C—950°C，同時(shí)石灰石煅燒成氧化鈣，氧化鈣與燃燒產(chǎn)生的SO2結(jié)合進(jìn)行脫硫反應(yīng);在準(zhǔn)平推流區(qū)主要包括下部強(qiáng)混合區(qū)所產(chǎn)生O^PH2等氣相燃燒反應(yīng)以及少量被煙氣夾帶未完全反應(yīng)含碳細(xì)微顆粒的氣固燃燒反應(yīng)；燃燒后含有未被高溫旋風(fēng)分離器分離細(xì)小粒子的煙氣，經(jīng)過內(nèi)置換熱器和省煤器吸收熱量后，部分煙氣經(jīng)中溫旋風(fēng)分離器除塵后與空分裝置產(chǎn)生的氧氣混合后形成一級風(fēng)，進(jìn)入流化床下部的風(fēng)室，部分煙氣經(jīng)第二和第三煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)分別作為松動風(fēng)和播煤風(fēng)返回到流化床，其余煙氣經(jīng)尾部除塵器等進(jìn)入CO2壓縮純化裝置壓縮純化后封存或后續(xù)利用;其中一級風(fēng)為含有大量水蒸氣的濕煙氣，起到增濕脫硫的效果，從而可以提高脫硫效率，降低運(yùn)行成本。
[0011]所述一級風(fēng)的組分為氧氣和再循環(huán)煙氣，一級風(fēng)中氧氣體積比為25%—35%;
[0012]所述一級風(fēng)的風(fēng)量占爐膛總風(fēng)量的65%-75%，二級風(fēng)的風(fēng)量占爐膛總風(fēng)量的20% —30%，松動風(fēng)和播煤風(fēng)的風(fēng)量占爐膛總風(fēng)量的5% —10%。
[0013]本發(fā)明的有益效果是通過設(shè)置截面積較大的下部密相鼓泡或湍動強(qiáng)混合區(qū)和截面積較小的上部稀相快速或氣力輸送的準(zhǔn)平推流區(qū)，這種適宜的幾何結(jié)構(gòu)既可以維持固體燃料在截面積較大的下部密相強(qiáng)混合區(qū)足夠長的停留時(shí)間，與02/C02/H20組成的一級風(fēng)發(fā)生充分的熱解、氣化和燃燒反應(yīng)，又可以保證固體燃料熱解和氣化所產(chǎn)生的0)和出等可燃?xì)怏w以及煙氣夾帶的未燃盡含碳細(xì)微顆粒在截面積較小的上部稀相區(qū)與二級風(fēng)O2完全燃燒，避免煙氣中可燃?xì)怏w和減小粉塵的含碳量，提高煤粉的整體燃燒效率，大幅度地減小鍋爐本體體積，減少金屬耗量，降低了鍋爐成本;采用中溫?zé)煔庾⑷胙鯕夂笤傺h(huán)，作為床料流化介質(zhì)和燃燒氧化劑，使排煙中CO2濃度高達(dá)80%以上，利于CO2的捕集及后續(xù)利用；富氧燃燒后煙氣中富含H2O對脫硫具有強(qiáng)化作用；通過多級配風(fēng)實(shí)現(xiàn)了流化床高濃度氧條件下的穩(wěn)定燃燒，解決了再循環(huán)煙氣與氧氣混合形成的高氧濃度混合氣輸送的安全問題;松動風(fēng)和播煤風(fēng)采用未注氧的再循環(huán)煙氣，安全性高;該系統(tǒng)沒有引入和產(chǎn)生新的污染物，也沒有二次污染問題，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，將化石燃料產(chǎn)生的熱量充分利用;此種裝置方法的應(yīng)用也可以有效減少氮氧化物和硫氧化物的排放，減小對環(huán)境的污染。
【附圖說明】
[0014]圖1為一種固體燃料循環(huán)流化床富氧燃燒裝置示意圖。
[0015]圖中:1-風(fēng)室，2-布風(fēng)裝置，3-爐膛，4-強(qiáng)混合區(qū)，5-錐形過渡區(qū)，6-準(zhǔn)平推流區(qū)，7-固體燃料與石灰石加料口，8-二級配風(fēng)管，9-高溫旋風(fēng)分離器，10-換熱器，11-省煤器，12-返料器，13-中溫旋風(fēng)分離器，14-第一煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)，15-空氣分離裝置，16-煙道，17-第二煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)，18-第三煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)，19-煙氣出口，20-返料管。
【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明提出一種固體燃料循環(huán)流化床富氧燃燒裝置及方法，該方法是在循環(huán)流化床富氧燃燒裝置中采用富氧燃燒分區(qū)調(diào)控和多級配風(fēng)來實(shí)現(xiàn)固體燃料燃燒，下面結(jié)合附圖和實(shí)例予以說明。
[0017]實(shí)施例1
[0018]如圖1所示，本實(shí)施例中公開了一種煤和生物質(zhì)等固體燃料流化床富氧燃燒的分區(qū)調(diào)控和多級配風(fēng)裝置，包括風(fēng)室1，設(shè)置在風(fēng)室I上方的布風(fēng)裝置2，布風(fēng)裝置2上方的爐膛3，爐膛3由下部截面積較大的強(qiáng)混合區(qū)4、中間錐形過渡區(qū)5和上部截面積較小的準(zhǔn)平推流區(qū)6三部分組成，在強(qiáng)混合區(qū)4上部設(shè)有煤或生物質(zhì)等固體燃料與石灰石加料口 7，在準(zhǔn)平推流區(qū)6底部設(shè)有二級配風(fēng)管8，在準(zhǔn)平推流區(qū)6上部通過管道連接高溫旋風(fēng)分離器9，高溫旋風(fēng)分離器9下端連接返料器12，返料器12通過返料管與爐膛3的強(qiáng)混合區(qū)4下部相連接，高溫旋風(fēng)分離器9頂部連接煙道16，煙道16內(nèi)設(shè)換熱器10和省煤器11，省煤器11連接中溫旋風(fēng)分離器13，中溫旋風(fēng)分離器13頂部通過第一煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)14分別鏈接空氣分離裝置15和風(fēng)室I，空氣分離裝置15同時(shí)與二級配風(fēng)管8連接，煙道16下部分別通過第二煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)17連接到返料器12底部和返料管20上部，通過第三煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)18連接固體燃料與石灰石加料P7o
[0019]本實(shí)例中，采用煤粉作為燃料，運(yùn)行過程中，燃料與石灰石通過進(jìn)料裝置輸送至固體燃料與石灰石加料口 7，在播煤風(fēng)的作用下，播撒進(jìn)爐膛;高溫旋風(fēng)分離器9經(jīng)內(nèi)設(shè)換熱器10和省煤器11的煙道16輸出的煙氣進(jìn)入中溫旋風(fēng)分離器13，第一次煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)14輸出的煙氣與空氣分離裝置15輸出的部分氧氣混合后作為一級風(fēng);空氣分離裝置15輸出的部分氧氣直接作為二級風(fēng);高溫旋風(fēng)分離器9經(jīng)煙道16下部的煙氣出口 19輸出的部分煙氣經(jīng)第二煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)17和第三煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)18分別與返料器12、返料管20及固體燃料與石灰石加料口 7相連作為松動風(fēng)和播煤風(fēng);第一煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)15、第二煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)17和第三煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)18為獨(dú)立裝置，可以分別控制一級風(fēng)、二級風(fēng)、松動風(fēng)和播煤風(fēng)的風(fēng)量，從而