CN103234198B

CN103234198B - 超细煤粉富氧燃烧工艺及***

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Publication number: CN103234198B
Application number: CN201310138427.3A
Authority: CN
Inventors: 刘加勋; 姜秀民; 刘建国; 韩向新
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2033-04-19
Also published as: CN103234198A

Abstract

一种节能减排技术领域的超细煤粉富氧燃烧工艺及***，通过制取平均粒径小于20μm的超细煤粉在总体浓度保持在27%～35%（v/v）的富氧环境下进行燃烧，然后在除尘器后部的烟道中的热烟气中抽取部分并分别用于与氧气一起重新用作助燃介质以及用于循环制备超细煤粉。本发明将超细煤粉应用于富氧燃烧技术，将两者的优点有效结合在一起，达到了扬长补短的效果；本发明实现了超细煤粉富氧燃烧工艺及***，完成了CO₂的高效捕集，是一种既拥有良好的燃烧性质，又具有较好的污染物排放性能的煤粉燃烧新工艺，必将成为一种值得大力推广的污染物协同脱除新兴技术。

Description

超细煤粉富氧燃烧工艺及***

技术领域

本发明涉及的是一种节能减排技术领域的方法及装置，具体是一种平均粒径小于20μm的超细煤粉在O₂的总体浓度保持在27%～35%下的燃烧工艺及***。

背景技术

煤燃烧过程中产生的大量二氧化碳(CO₂)，氮氧化物(NOx)和硫化物(SOx)等对于人类的环境有很大的危害，已引起各国的重视。对于能造成酸雨、光化学烟雾等直接危害的氮氧化物和硫化物等，国内外许多研究者已经开展了许多研究并得到了很多有益的成果。对于CO₂所造成的温室效应，近年来才对其危害有所认识，尽管起步较晚，但国际社会对这方面给予了很大的重视。早在1992年，在巴西里约热内卢举行的***环境与发展大会就通过了《***气候变化框架公约》，这是世界上第一个主张控制二氧化碳等温室气体排放、遏制全球气候变暖的国际公约。1997年底，第三次世界气候大会通过了限制温室气体排放的《京都议定书》，对发达国家规定了温室气体减排的具体指标，并于2005年正式生效。2007年11月，IPCC第四次评估综合报告指出：全球气候变暖的客观事实毋庸置疑，控制温室气体排放量的行动刻不容缓。温室气体中，CO2的温室效应最严重，而我国是温室气体的排放大国之一。作为一个负责任的发展中国家，应从战略高度认识二氧化碳排放，处理和利用问题。而且随着2012年“后京都时代”的到来，我国必将成为全球履约中的一员，因此在当前研究二氧化碳的减排技术已成为当务之急。

以矿物燃料为主要能源的电力生产是目前我国CO₂的主要排放源，因此研究燃煤电厂CO₂的排放控制以及分离回收技术具有十分重大的意义。目前应用于电站锅炉中分离、捕集CO₂的技术主要有四种：燃烧前CO₂捕集技术、富氧燃烧技术、燃烧后烟气净化技术以及化学链燃烧技术。第四种方案是一种回收CO₂与根除NOx生成的新途径，但目前在世界范围内该项技术尚处于初步探索阶段，难以成为近期CO₂减排的主力措施。前三种方案都有大型的试验比较，试验中发现这三种方案都会使电能生产成本增加，电站效率下降；但相较而言，富氧燃烧技术比其他几种方法所需能量要少，电站效率降幅更低，发电成本更少。因此尽管从技术角度来说，燃烧后烟气净化技术是一类可行且相对成熟的技术，IGCC技术是一种效率较高且较有竞争力的技术，但从经济性、***复杂性等综合方面来考虑的话，富氧燃烧技术无疑比它们更有优势。这一新型燃烧方式引起了国际上众多研究机构和研究者的浓厚兴趣。

然而富氧燃烧技术仍然存在一些不足和尚未解决的问题，如将N₂替换为CO₂后，煤粉的燃烧性能有所降低：着火延后，着火点模糊；火焰的温度较低，发光度低，火焰稳定性变差。随着煤粉颗粒粒径的减小，其表面积显著增加，平均孔径减小，孔容积增加。比表面积的增加意味着可以提供更大的燃烧反应面积，孔容积的增加表明燃烧过程中的燃烧物质输运能力增加。煤粉超细化后，着火提前，燃烧强度大，也更易燃尽，因此超细煤粉与富氧燃烧技术的结合将可能使煤粉在富氧气氛中燃烧扬长补短，既拥有良好的燃烧性质，又具有较好的污染物排放性能，可为新一轮的高效低污染燃烧设备的开发提供技术支撑，有可能成为一种值得大力推广的污染物协同脱除的新兴技术。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102913936A，公开日2013-02-06，公开了一种提高O₂/CO₂气氛下煤粉燃烧性能且降低NOx生成的方法，该技术将平均粒径在20微米以下的超细煤粉与平均粒径为70～90微米的普通粒径煤粉在O₂/CO₂气氛下混合燃烧，超细煤粉的混合质量百分比为10%～40%，超细煤粉中的挥发分质量百分比>15%，在不增加O₂/CO₂中O₂浓度前提下，采用超细煤粉与普通粒径煤粉混合燃烧，使得超细煤粉颗粒快速升温，超细煤粉中挥发分快速析出，煤粉周围形成了较高的还原性气氛并消耗掉氧气，形成局部低氧区，使得既提高了煤粉自身燃烧特性，同时又抑制了煤粉燃烧过程中NOx的生成，其运行成本大大低于全部采用超细煤粉燃烧的运行成本。但该技术仅掺混了部分超细煤粉，并不能提高尾部CO₂浓度。常规煤粉燃烧尾部CO₂浓度只有14%左右，使得回收提纯CO₂变得十分困难。

其次，在氧气充分的燃烧条件下，随着煤粉颗粒粒径的减小，挥发分NOx增大，总的氮转化率升高，总NOx生成量增加。因此，对常规燃烧手段而言，超细煤粉在NOx减排方面的优势并不明显；只有当结合低NOx燃烧技术之后，超细煤粉在污染物减排方面的优势才可以有所凸显。此外，对于富氧燃烧技术可以大幅降低NOx排放，很大程度上是由于循环烟气中NOx的还原所造成的，而该技术中没有考虑烟气循环，使得NOx减排效果大打折扣。

第三，对于O₂/CO₂燃烧，由于需要对纯氧进行掺混和控制，使得锅炉负荷调节性变差。由于没有循环烟气的加入，使得排烟损失无法降低。

第四，对于O2/CO2燃烧，由于还原性介质的存在，使得炉膛水冷壁以及对流受热面更易出现高温腐蚀和结渣，而该技术没有考虑掺混比例可能对此问题产生的影响。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种超细煤粉富氧燃烧工艺及***，将超细煤粉应用于富氧燃烧技术，将两者的优点有效结合在一起，达到了扬长补短的效果；本发明实现了超细煤粉富氧燃烧工艺及***，完成了CO₂的高效捕集，是一种既拥有良好的燃烧性质，又具有较好的污染物排放性能的煤粉燃烧新工艺，必将成为一种值得大力推广的污染物协同脱除新兴技术。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种超细煤粉富氧燃烧工艺，通过制取平均粒径小于20μm的超细煤粉在总体浓度保持在27%～35%（v/v）的富氧环境下进行燃烧，然后在除尘器后部的烟道中的热烟气中抽取部分并分别用于与氧气一起重新用作助燃介质以及用于循环制备超细煤粉。

所述的燃烧是指：携带煤粉的一次风以及分级风分别由超细煤粉燃烧器以及分级喷口喷入锅炉进行燃烧产热，通过锅炉的受热面传递给水，将水加热成过热蒸汽作为外供热源和/或送入汽轮机作功发电。

所述的热烟气是指：温度为130～260℃的除尘器后部烟道中燃烧产生的烟气。

所述的用于与氧气一起重新用作助燃介质是指：部分循环烟气经烟气换热器加热至200～420℃后送入流量控制***，与纯氧气一起作为一次风和分级风经超细煤粉燃烧器以及分级风喷口送入锅炉。

所述的用于循环制备超细煤粉是指：部分循环烟气作为一次风由一次风风机抽取，经过烟气换热器以及旁路混合后送入超细煤粉制粉***，为充分干燥煤粉及使得超细粉碎过程顺利进行，应保证超细煤粉制粉***出口温度60～90℃。

所述的除尘器后部的烟道中的热烟气进一步优选其中部分经除尘、除酸以及冷凝等步骤送入CO₂压缩液化***，生成高浓度液态CO₂进行储存及运输。

技术效果

与现有技术相比，本发明优点体现在：

1）将超细煤粉及富氧燃烧技术有机的结合为一体，解决了传统煤粉富氧燃烧中存在的着火延后，着火点模糊，火焰的温度较低，火焰稳定性差等缺点；

2）煤粉粒径减小可以使煤粉颗粒燃尽度显著增加，从而减小炉内受热面结渣的机会；而且，随着煤粉颗粒粒度的减小，对应灰样的平均灰熔点随之升高，从而减少积灰结渣的可能性。因此，超细煤粉富氧燃烧工艺及***可以很大程度上缓解传统煤粉富氧燃烧中存在的炉膛受热面结渣的问题；

3）采用燃烧器为超细煤粉燃烧器，可实现超细煤粉富氧条件下的长寿命、宽煤种适应性、高效、清洁及稳定燃烧，可一定程度上提高锅炉燃烧效率；烟气再循环使得燃烧装置的排烟量大为减少，从而大大减少排烟损失，锅炉热效率得以进一步提高；烟气再循环可实现对锅炉的有效调控，使得锅炉负荷调节范围更广；

4）采用超细煤粉富氧燃烧工艺及***，煤粉更易燃尽，有利于进一步提高排烟中的CO₂浓度，一般可达95%左右，从而使得CO₂的回收处理更容易，能耗更低；

5）采用超细煤粉富氧燃烧工艺及***，随着颗粒粒径减小，硫、氮等污染物的前驱物提前释放，使得***有更充分的时间对其进行还原等处理，有利于SO₂以及NOx等污染物的减排；此外，超细煤粉形成的煤焦还原能力更强，因而更有利于SO₂以及NOx等污染物排放的降低；超细煤粉富氧燃烧工艺及***是一种污染物综合排放低的环境友好型的燃烧方式；

6）超细煤粉富氧燃烧工艺及***，只需将现役常规锅炉进行适当的改造即可使用，有利于该技术的推广应用，提供了一条新型污染物协同脱除的燃烧工艺，丰富了富氧燃烧技术及理论。

本发明实现了超细煤粉与富氧燃烧技术的有机结合，既可以解决传统富氧燃烧燃烧性能降低、燃烧损失增大以及结渣等缺点，又可实现多种污染物一体化协同脱除，完成了CO₂的高效捕集。加之此种技术的易操作性，通过对现役设备进行改造即可实现，使得超细煤粉富氧燃烧技术必将成为一种很有市场前景的技术。

附图说明

图1为超细煤粉富氧燃烧工艺及***流程；

图中：1 超细煤粉制粉***、2 超细煤粉燃烧器、3 锅炉、4 烟气换热器、5 给水加热器、6 氧气预热器、7 除尘器、8 烟气净化***、9 烟气冷凝器、10 鼓风机、11 CO₂压缩液化***、12 CO₂储罐、13 空气分离装置、14 分级风流量控制***、15 分级风喷口、16 烟气循环风机、17 一次风风机、18 烟囱、19 一次风流量控制***、20 制粉辅助风流量控制***。

图2为实施例主燃区过量空气系数对NO_x排放量的影响示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例燃烧***包括：超细煤粉制粉***1、由带有超细煤粉燃烧器2的锅炉3、烟气换热器4、给水加热器5、除尘器7、烟气循环风机16组成的燃烧环路、由依次串联连接的空气分离装置13和氧气预热器6组成的制氧支路、由依次串联连接的烟气净化***8、烟气冷凝器9、鼓风机10、CO₂压缩液化***11以及CO₂储罐12或烟囱18组成的废气排放支路。

所述的燃烧环路中的烟气循环风机16与烟气换热器4之间设有煤粉回收支路，该煤粉回收支路由设置于烟气循环风机16和烟气换热器4之间的一次风流量控制***19以及依次设置于一次风流量控制***19和烟气换热器4之间的一次风风机17和制粉辅助风流量控制***20组成。

所述的燃烧环路中设有分别与制氧支路和烟气循环风机16相连的分级风流量控制***14，对应锅炉3上设有与分级风流量控制***14的输出端相连的分级风喷口15，该分级风喷口15共设4～8层分级风喷口，各分级风喷口均配有风门挡板，通过调整挡板开度调节各分级风流量比例。通过分级风流量控制***14将制氧之路制得的氧气与烟气循环风机抽取的部分烟气充分混合，将10～30%（v/v）混合后的烟气由燃烧器一次风口喷入炉膛，剩余70%～90%（v/v）的混合烟气由燃烧器辅助风口（保证主燃区过量空气系数略小于1）以及锅炉分级风喷口15送入炉膛。

所述的分级风喷口内部均设置导流板，该导流板与炉膛对角线呈15～35°以调节炉膛内部流场。

所述的分级风喷口中上部四层为火上风喷口，占总分级风流量的15%～30%，位置根据实际情况调整使用，如燃用挥发分高的褐煤等煤种，可使用上层喷口；燃用挥发分低的无烟煤等煤种，则使用位置靠下的喷口。

本实施例采用空气分离装置13，分离出高纯度的氧气最佳值97.5%，氧气经过氧气预热器6进行预热后送入分级风流量控制***14。采用烟气循环风机16在除尘器7后部烟道抽取60%～80%的热烟气130～260℃作为循环烟气进行循环使用。一部分循环烟气经烟气换热器4加热至200～420℃后送入分级风流量控制***14，与纯氧气一起作为一次风和分级风经超细煤粉燃烧器2以及分级风喷口15送入锅炉3，其中一次风量占总燃烧介质的20%左右，其余作为分级风送入锅炉。另外一部分循环烟气作为一次风由一次风风机17抽取，经过烟气换热器4以及旁路混合后送入超细煤粉制粉***1，制取粒径小于20μm的超细煤粉，为充分干燥煤粉及使得超细粉碎过程顺利进行，应保证超细煤粉制粉***1出口温度60～90℃。之后与部分纯氧一起作为一次风携带超细煤粉进入超细煤粉燃烧器2在锅炉3内部进行燃烧产热，将水加热成过热蒸汽作为外供热源和/或送入汽轮机作功发电。锅炉3产生的热烟气经烟气换热器4进行换热后送入给水加热器5，对锅炉给水进行加热，之后进入氧气预热器6对氧气进行预热。换热后的烟气经除尘器7进行除尘净化后，一部分60%～80%作为循环烟气由烟气循环风机16抽取进行循环使用，剩余烟气送入烟气净化***8进行除酸净化等过程。洁净烟气送入烟气冷凝器9冷却降温，冷却后的烟气经鼓风机10送入CO₂压缩液化***11，液化后的高纯度CO₂送入CO₂储罐12进行储存使用，剩余烟气经烟囱18排入大气。

针对本发明进行了实验室规模的试验研究，如图2所示，采用多路进风一维炉燃烧***，改变一级燃烧区即主燃区过量空气系数α_M（总的α_T＝1.2保持不变），研究神华煤及内蒙古煤两种粒径的样品，在O₂/CO₂气氛（O₂ 30%,CO₂ 70%）、1000℃的工况下，NO_x排放量随主燃区过量空气系数的变化规律，如图2所示。由图可知，随着一次风过量空气系数的减少，两煤种的NO_x排放浓度均随之降低。对于神华煤以及内蒙古煤的最小粒径样品，NO_x最大下降幅度分别达到58.422%以及69.927%。由此可知，采用分级配风以后，超细煤粉富氧燃烧工艺减排NO_x的效果更为显著。整个试验过程中，尾部烟气中的CO2浓度均在98%以上，使分离捕捉CO2工艺变得十分简单。

Claims

1.一种基于超细煤粉富氧燃烧***的燃烧工艺，其特征在于，所述***包括：超细煤粉制粉***、由带有超细煤粉燃烧器的锅炉、烟气换热器、给水加热器、除尘器、烟气循环风机组成的燃烧环路、由依次串联连接的空气分离装置和氧气预热器组成的制氧支路、由依次串联连接的烟气净化***、烟气冷凝器、鼓风机、CO₂压缩液化***以及CO₂储罐或烟囱组成的废气排放支路；

所述燃烧工艺，通过制取平均粒径小于20μm的超细煤粉在总体浓度保持在27%~35%（v/v）的富氧环境下进行燃烧，然后在除尘器后部的烟道中的热烟气中抽取部分并分别用于与氧气一起重新用作助燃介质以及用于循环制备超细煤粉；

所述的燃烧环路中的烟气循环风机与烟气换热器之间设有煤粉回收支路，该煤粉回收支路由设置于烟气循环风机和烟气换热器之间的一次风流量控制***以及依次设置于一次风流量控制***和烟气换热器之间的一次风风机和制粉辅助风流量控制***组成。

2.根据权利要求1所述的燃烧工艺，其特征是，所述的燃烧是指：携带煤粉的一次风以及分级风分别由超细煤粉燃烧器以及分级喷口喷入锅炉进行燃烧产热，通过锅炉的受热面传递给水，将水加热成过热蒸汽作为外供热源和/或送入汽轮机作功发电。

3.根据权利要求1所述的燃烧工艺，其特征是，所述的热烟气是指：温度为130~260℃的除尘器后部烟道中燃烧产生的烟气。

4.根据权利要求1所述的燃烧工艺，其特征是，所述的用于与氧气一起重新用作助燃介质是指：部分循环烟气经烟气换热器加热至200~420℃后送入分级风流量控制***，与纯氧气一起作为一次风和分级风经超细煤粉燃烧器以及分级风喷口送入锅炉。

5.根据权利要求1所述的燃烧工艺，其特征是，所述的用于循环制备超细煤粉是指：部分循环烟气作为一次风由一次风风机抽取，经过烟气换热器以及旁路混合后送入超细煤粉制粉***，其中：超细煤粉制粉***出口温度60~90℃。

6.根据权利要求1所述的燃烧工艺，其特征是，所述的燃烧环路中设有分别与制氧支路和烟气循环风机相连的分级风流量控制***，对应锅炉上设有与分级风流量控制***的输出端相连的分级风喷口，该分级风喷口共设4~8层分级风喷口，各分级风喷口均配有风门挡板，通过调整挡板开度调节各分级风流量比例；通过分级风流量控制***将制氧之路制得的氧气与烟气循环风机抽取的部分烟气充分混合，将10~30%（v/v）混合后的烟气由燃烧器一次风口喷入炉膛，剩余混合烟气由燃烧器辅助风口以及锅炉分级风喷口送入炉膛。

7.根据权利要求6所述的燃烧工艺，其特征是，所述的分级风喷口内部均设置导流板，该导流板与炉膛对角线呈15~35°以调节炉膛内部流场。