CN105650628A - 循环流化床富氧燃烧装置及其富氧燃烧供风方法 - Google Patents

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Abstract

一种循环流化床富氧燃烧的供风方法，包括向流化床本体提供再循环烟气和氧气的步骤，所述再循环烟气和氧气分别通入流化床本体后再进行混合，且所述再循环烟气和氧气进入流化床本体前均进行预热。以及一种循环流化床富氧燃烧装置。本发明通过采用高温氧气和高温再循环烟气在进入流化床本体之前并不进行混合，氧气和再循环烟气在各自管路中分别输运，使再循环烟气和氧气在运输和混合过程中不会造成安全事故。

Description

循环流化床富氧燃烧装置及其富氧燃烧供风方法
技术领域
本发明涉及循环流化床技术领域，进一步涉及循环流化床富氧燃烧装置及其富氧燃烧供风方法。
背景技术
随着人类社会和经济的发展，能源生产和消费方式对环境的影响日益突出。而温室效应已经成为人类面临的最严峻和最深远的挑战之一。煤炭等化石燃料在燃烧过程中产生的CO2对温室效应有重要的贡献。利用二氧化碳捕集和封存利用技术(CCUS)可以很好的降低CO2的排放量。CCUS技术主要分为燃烧前捕集、燃烧中捕集和燃烧后捕集三大类。而富氧燃烧技术作为燃烧中的一种CCUS技术，具有成本低、易规模化和可改造现存锅炉机组等诸多优势，被认为是最有可能大规模推广和商业化的CCUS技术。
循环流化床富氧燃烧技术是循环流化床燃烧技术和富氧燃烧技术的有机结合。它继承了循环流化床燃烧技术燃烧适应性广、炉内石灰石脱硫效率高和NOx排放低等优点。而且相比于煤粉炉，循环流化床内颗粒的换热剧烈，而且还可以采用外置换热器，使得循环流化床能实现更高氧气浓度的富氧燃烧。
高氧气浓度循环流化床富氧燃烧技术具有以下优点：1)锅炉本体和辅机设备的缩小，大大降低整个***的占地面积；2)再循环烟气量减小，降低了烟气在再循环烟气管路中热量损失；3)烟气中CO2的浓度高，降低了CO2纯化和压缩的成本。
在高氧气浓度循环流化床富氧燃烧过程中需要氧气和再循环烟气同时注入炉膛替代空气作为燃烧气体，但是氧气和再循环烟气如何注入炉膛是一个关键技术难点之一。在传统的循环流化床富氧燃烧***中，一般将氧气和再循环烟气进行混合，混合后的气体通过管路进行输运后注入炉膛。
循环流化床富氧燃烧***中，预热后的氧气与再循环烟气需先进行充分混合，然后再注入燃烧炉的不同位置，提供燃料燃烧所需的氧化剂。然而在高氧气浓度循环流化床富氧燃烧***中，如果仍然采用将预热后的氧气和再循环烟气先混合，混合后的气体通过管路输运送再注入炉膛的供风方式，存在严重的安全问题。因为在烟气再循环***中，即使设置布袋除尘器对再循环烟气进行除尘处理，但是烟气中仍然携带少量粒径微小的含碳颗粒，如果预热后的氧气(约180℃)和预热后的烟气(约200℃)按照常规方法直接进行混合和运输，特别是混合气中氧气浓度达到50％或者更高时，再循环烟气中携带的少量含碳颗粒遇到纯氧后易于发生着火并燃烧，一旦混合气管道中发生燃烧，将是重大安全事故，不但危及设备本体，同时也对运行人员的安全造成威胁。
目前，为了保证氧气和再循环烟气在混合和输运过程中的安全问题，氧气和再循环烟气通常不进行预热，这样大大降低了锅炉热力***的合理分配。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种循环流化床富氧燃烧装置及富氧燃烧供风方法，以克服现有技术中富氧燃烧供风存在的问题。
基于上述目的，本发明提出一种循环流化床富氧燃烧的供风方法，包括向循环流化床本体提供再循环烟气和氧气的步骤，其中所述再循环烟气和氧气分别通入循环流化床本体后再进行混合，且所述再循环烟气和氧气进入流化床本体前均进行预热。
根据本发明的一种具体实施方案，所述再循环烟气在进行预热前进行烟气过滤。
根据本发明的一种具体实施方案，所述氧气分别对循环流化床本体下部不同高度上的多个部位供风。
根据本发明的一种具体实施方案，所述再循环烟气对循环流化床本体下部不同高度上的多个部位供风。
根据本发明的一种具体实施方案，所述氧气和再循环烟气对循环流化床相同高度上沿周向分布的多个部位交替进行供风。
根据本发明的一种具体实施方案，所述氧气和再循环烟气对循环流化床沿高度方向分布的多个部位交替进行供风。
根据本发明的一种具体实施方案，所述循环流化床燃烧时产生高温烟气，所述高温烟气通过换热器预热所述再循环烟气和氧气。
根据本发明的一种具体实施方案，所述高温烟气通过换热器后，再经过除尘，然后至少被分为两部分烟气，其中至少一部分烟气经纯化压缩后进行回收。
根据本发明的一种具体实施方案，所述高温烟气通过换热器后，再经过除尘，然后至少被分为两部分烟气，其中至少一部分烟气作为再循环烟气为循环流化床富氧燃烧供风。
而且，本发明还一种循环流化床富氧燃烧装置，包括循环流化床本体、氧气输送管路和循环烟气输送管路，其特征在于，所述氧气输送管路和循环烟气输送管路在连入循环流化床本体前并不连通，且所述氧气输送管路和循环烟气输送管路连入循环流化床本体前经过换热器进行换热。
根据本发明的一种具体实施方案，在循环流化床富氧燃烧装置中，所述循环烟气输送管路从所述循环流化床本体的上部引出，且所述循环烟气输送管路通过换热器和除尘器。
根据本发明的一种具体实施方案，在循环流化床富氧燃烧装置中，所述循环烟气输送管路分为至少两条支路，其中至少一条支路连通纯化压缩***。
根据本发明的一种具体实施方案，在循环流化床富氧燃烧装置中，所述氧气输送管路在接入循环流化床本体前分为多个支路，分别向循环流化床本体下部上位于不同高度的多个部位供风。
根据本发明的一种具体实施方案，在循环流化床富氧燃烧装置中，所述循环烟气输送管路在接入循环流化床本体前分为多个支路，分别向循环流化床本体下部上位于不同高度的多个部位供风。
根据本发明的一种具体实施方案，在循环流化床富氧燃烧装置中，所述氧气输送管路在接入循环流化床本体前分为多个氧气支路，所述循环烟气输送管路在接入循环流化床本体前分为多个循环烟气支路，所述多个氧气支路和多个循环烟气支路向循环流化床相同高度上沿周向分布的多个部位交替进行供风。
根据本发明的一种具体实施方案，在循环流化床富氧燃烧装置中，所述氧气输送管路在接入循环流化床本体前分为多个氧气支路，所述循环烟气输送管路在接入循环流化床本体前分为多个循环烟气支路，所述多个氧气支路和多个循环烟气支路向循环流化床沿高度方向分布的多个部位交替进行供风。
通过以上技术方案，本发明的循环流化床和其富氧燃烧的供风方法的有益效果在于：
(1)通过采用高温氧气和高温再循环烟气在进入预混喷口之前并不进行混合，氧气和再循环烟气在各自管路中分别输运，使再循环烟气和氧气在输运和混合过程中不会造成安全事故；
(2)通过循环流化床燃烧产生高温烟气，再通过换热器对再循环烟气和氧气预热，可以进行余热利用，增加了循环流化床富氧燃烧***的经济效率；
(3)通过高温烟气的除尘和进一步的烟气过滤，降低了烟气中小粒径的含碳颗粒，避免含碳颗粒遇到氧气后着火并燃烧；
(4)通过对进入循环流化床的氧气和循环烟气进行预热，使锅炉热力***布置更加合理，也提高了燃烧效率；
(5)通过向循环流化床本体下部不同高度供给氧气和循环烟气且流量可调，因此，可根据循环流化床本体内不同部位的燃烧程度和污染物含量，实现流量调整，能够经济且充分的进行燃烧反应；另外通过在流化床本体相同高度交替供给氧气和循环烟气或者不同高度交替供给氧气和循环烟气，进一步提高了燃烧效率，减少了燃烧成本。
附图说明
图1为根据本发明实施例1的循环流化床富氧燃烧供风方法示意图。
图2为根据本发明实施例2的循环流化床富氧燃烧供风方法示意图。
图3a为本发明实施例2的氧气和再循环烟气的布置方式的俯视截面示意图；图3b为本发明实施例2的氧气和再循环烟气的布置方式的主视截面示意图。
附图标记说明：
炉膛本体1，一次风风室2，返料风风室3，返料器4，烟气换热器5，布袋除尘器6，CO2纯化压缩***7，冷凝器8，加热器9，烟气过滤器10，再循环风机11，空气分离装置12，压力调节阀组13，气动调节阀14，流量计15。
具体实施方式
本发明中的技术术语具有以下含义：“富氧燃烧”是指利用氧气和再循环烟气混合替代空气作为氧化剂进入燃烧炉后进行的燃烧反应；“氧气”是指单纯氧气，或者相对于体积百分比来说氧气浓度为95％以上的含氧气体；“上部”、“下部”为相对概念，“上部”指的是流化床本体的“上部”，该部位具有烟气排出通道；“下部”指的是循环流化床本体的“下部”，该部位具有进风通道和返料器。
本发明的原理是：通过合理的布置氧气和再循环烟气注入炉膛的方式，在保证循环流化床安全稳定运行的前提下，实现氧气和再循环烟气在各自管路中分别单独输运，避免了再循环烟气和氧气的混合气在管路中同时输运，输运安全得到了保证。而且通过特殊的注入布置方式，氧气和再循环烟气的混合转移到燃烧炉内完成，气体混合耦合燃烧炉中的燃料和物料掺混，实现氧气和再循环烟气的充分混合。氧气注入燃烧炉后，和燃料接触后发生燃烧反应，燃烧过程产生的烟气和氧气进行快速混合。而且循环流化床内物料掺混剧烈，氧气和再循环烟气注入燃烧炉后可迅速混合均匀。由此较好的解决了氧气浓度的提高以及氧气和再循环烟气的预热给氧气和再循环烟气在混合和输运过程带来的安全问题。
本发明提供一种循环流化床富氧燃烧的供风方法，包括向流化床本体提供再循环烟气和氧气，所述再循环烟气和氧气分别于通入流化床本体后再进行混合，并且所述再循环烟气和氧气进入流化床本体前均进行预热。
还提供一种循环流化床富氧燃烧装置，包括流化床本体、氧气输送管路和循环烟气输送管路，所述氧气输送管路和循环烟气输送管路在连入流化床本体前并不连通，所述氧气输送管路和循环烟气输送管路连入流化床本体前经过换热器进行换热。
对于预热方式，优选的，预热后的再循环烟气温度为100-200℃，预热后的再循环烟气进入烟气缓冲罐，然后分为一次风、二次风和返料器的返料风注入炉膛。优选的，氧气由空气分离装置产生，并经过烟气换热器进行预热，预热后的氧气温度为100-200℃，预热后的氧气进入氧气缓冲罐，之后从进入循环流化床本体的位置从下往上依次分为一次风、二次风、三次风和四次风直接注入炉膛。
对于再循环烟气通入循环流化床本体的位置，优选的通入循环流化床本体底部，还优选的，从循环流化床本体下部不同高度的多个部位通入。进一步优选的通入一次风风室和返料风风室，且流量可以调节。
对于氧气通入循环流化床本体的位置，优选的通入循环流化床本体下部，进一步优选的从循环流化床本体不同高度的多个部位通入，流量可调。所述多个部位可以与上述循环烟气通入位置在相同的高度上沿周向(沿循环流化床本体的周向)交替分布，即可以均匀布置1+2n个氧气注入点和1+2n个再循环烟气注入点，n为1-5的自然数。或者，氧气与烟气沿高度方向交替通入，即同一高度(可称之为一层)上均为氧气注入点，其上一个高度上均为烟气注入点，再向上为一层氧气注入点，等等。
通过特殊的注入布置方式，氧气和再循环烟气的混合转移到燃烧炉内完成，气体混合耦合燃烧炉中的燃料和物料掺混，实现氧气和再循环烟气的充分混合。氧气注入燃烧炉后，和燃料接触后发生燃烧反应，燃烧过程产生的烟气和氧气进行快速混合。而且循环流化床内含有剧烈的物料掺混，氧气和再循环烟气注入燃烧炉后将被物料所携带，物料的剧烈掺混将有利于氧气和再循环烟气在燃烧炉内的均匀混合。
对于循环烟气的来源，优选的来源于循环流化床本体燃烧后产生的含灰尘的高温烟气。该高温烟气通过换热装置对进入循环流化床的循环烟气和氧气进行供热。优选的，所述烟气经换热后进行除尘器除尘后，一部分气体经纯化压缩后进行收集，即CCUS技术，通过该工艺后CO2压缩纯化***后得到高浓度的CO2液体，CO2浓度大于95％；还优选的，经除尘后的另一部分气体进行冷凝、加热和过滤，通过冷凝进行脱水，使烟气中含水量减少。通过过滤使粉尘含量减少，优选后再循环烟气中粉尘的含量小于30mg/m3。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：
图1示出了本发明实施例1的高氧气浓度循环流化床富氧燃烧供风***方案示意图。锅炉本体1产生携带灰尘的烟气进入烟气管路，烟气中的CO2浓度可以到达90％以上，依次经过烟气换热器5和布袋除尘器6，除尘后的烟气分为两部分，一部分进入CO2纯化压缩***7进行纯化压缩***，经过脱水、纯化和压缩等工艺后的变成高浓度的CO2液体，可以直接利用或者进行封存，达到CO2捕集和封存的目的；另外一部分进入再循环烟气管路，首先经过冷凝器8进行脱水处理，得到含水量小于5％的干再循环烟气；继续经过加热器9后形成过热再循环烟气，防止水在管路运输过程中因温度下降而析出；接着经过烟气过滤器10进行进一步的除尘，再循环烟气中粉尘的含量小于30mg/m3；脱水除尘后的再循环烟气进入再循环风机11进行增压，增压后的再循环烟气进入烟气换热器3进行预热，预热后的再循环烟气温度可达到100-200℃，之后分为两个部分：其中大部分通过压力调节阀组13和气动调节阀14后通过炉膛底部的一次风风室2直接注入炉膛，作为一次风再循环烟气。另外一小部分通过压力调节阀组12和气动调节阀13后通过返料风风室3注入返料器4，而后同循环物料一起注入炉膛，作为返料风。其中一次风再循环烟气压力为10-20kPa，而返料风再循环烟气的压力为30-50kPa。氧气由空气分离装置12产生，经过烟气换热器后进行预热，预热后的氧气温度可达到100-200℃，在通过压力调节阀组13和气动调节阀14，将氧气压力调至5-10kPa后，以二次风、三次风和四次风的形式注入炉膛，其中二次风的高度为给料口上方50mm。一次风再循环烟气，二次风氧气，三次风氧气和四次风氧气的流量都可以利用布置在其管道上的气动调节阀13进行调节，可以实现整体氧气浓度为40％-70％的循环流化床富氧燃烧(整体氧气浓度＝(二次风氧气流量+三次风氧气流量+四次风氧气流量)/(一次风再循环烟气流量+二次风氧气流量+三次风氧气流量+四次风氧气流量))。根据燃烧和污染物排放控制的需要，二次风氧气流量、三次风氧气流量和四次风氧气流量在保证总量不变的前提下，通过气动调节阀13可以实现任意的组合。
实施例2：
图2示出了本发明实施例2的高氧气浓度循环流化床富氧燃烧供风***方案示意图。锅炉本体1产生携带灰尘的烟气进入烟气管路，烟气中的CO2浓度可以到达90％以上，依次经过烟气换热器5和布袋除尘器6，除尘后的烟气分为两部分，一部分进入CO2纯化压缩***7进行纯化压缩***，经过脱水、纯化和压缩等工艺后的变成高浓度的CO2液体，可以直接利用或者进行封存，达到CO2捕集和封存的目的；另外一部分进入再循环烟气管路，首先经过冷凝器8进行脱水处理，得到含水量小于5％的干再循环烟气；继续经过加热器9后形成过热再循环烟气，防止水在管路运输过程中因温度下降而析出；接着经过烟气过滤器10进行进一步的除尘，再循环烟气中粉尘的含量小于30mg/m3；脱水除尘后的再循环烟气进入再循环风机11进行增压，增压后的再循环烟气进入烟气换热器3进行预热，预热后的再循环烟气温度可达到100-200℃，之后分为三个部分：一部分通过压力调节阀组13和气动调节阀14后通过炉膛底部的一次风风室2直接注入炉膛，作为一次风再循环烟气；一部分通过压力调节阀组13和气动调节阀14后分为三层注入炉膛，作为二次风再循环烟气；另一部分通过压力调节阀组13和气动调节阀14后通过返料风风室3注入返料器4，而后同循环物料一起注入炉膛，作为返料风。氧气由空气分离装置12产生，经过烟气换热器后进行预热，预热后的氧气温度可达到100-200℃，之后分为两部分：一部分通过压力调节阀组13和气动调节阀14后通过炉膛底部的一次风风室2直接注入炉膛，作为一次风氧气，一次风氧气和一次风再循环烟气在一次风风室2的注入点布置在同一横截面上；另一部分通过压力调节阀组13和气动调节阀14后分为三层注入炉膛，作为二次风氧气，二次风氧气和二次风再循环烟气在炉膛的注入点布置在同一横截面上。
其中氧气和再循环烟气在一次风风室和炉膛各高度上的注入点布置最为关键，需要保证氧气和再循环烟气在炉膛内快速混合均匀。图3a和3b示出了一种氧气和再循环烟气在一次风风室和炉膛各高度上的布置方式，其中实线代表氧气，虚线代表再循环烟气。在一次风风室和炉膛的同一截面上，氧气和再循环烟气的注入点交叉均布于一次风风室和炉膛上，氧气和再循环烟气的注入点为对冲布置，根据炉膛的尺寸大小，可以交叉均匀布置1+2n个氧气注入点和1+2n个再循环烟气注入点(其中：n＝1，2，3)。在沿炉膛的垂直方向上，氧气和再循环烟气也为交叉布置，如在炉膛的某一垂直方向上，一次风风室布置为再循环烟气注入点，则一层二次风为氧气注入点，二层二次风为再循环烟气注入点，三层二次风为氧气注入点。通过压力调节阀组13后，一次风氧气和一次风再循环烟气的压力为10-20kPa，二次风氧气和二次风再循环烟气的压力为0-10kPa，返料风再循环烟气的压力为30-50kPa。一次风氧气、一次风再循环烟气、二次风氧气和二次风再循环烟气的流量都可以利用布置在其管道上的气动调节阀13进行调节。可以实现整体氧气浓度为40％-70％的循环流化床富氧燃烧(整体氧气浓度＝(一次风氧气流量+二次风氧气流量)/(一次风再循环烟气流量+二次风再循环烟气流量+一次风氧气流量+二次风氧气流量))。在保证整体氧气浓度的前提下，一次风氧气浓度(一次风氧气浓度＝一次风氧气流量/(一次风再循环烟气流量+一次风氧气流量))和二次风氧气浓度(二次风氧气浓度＝二次风氧气流量/(二次风再循环烟气流量+二次风氧气流量))也可以实现可调，一次风氧气浓度为21％-50％，二次风氧气浓度为40％-70％。
对比实验：
在50kW循环流化床富氧燃烧试验装置上开展的试验，对比了传统炉前混合方式与本发明实施例1和2的运行效果。试验表明，本发明实施例1和2的供风方式下，燃烧装置的运行稳定性、炉膛沿高度方向的温度均匀性、燃烧效率和污染物排放浓度等均与传统炉前混合供风方式相差无几，部分指标还优于传统方式。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种循环流化床富氧燃烧的供风方法，包括向循环流化床本体提供再循环烟气和氧气的步骤，其特征在于，所述再循环烟气和氧气分别通入循环流化床本体后再进行混合，且所述再循环烟气和氧气进入流化床本体前均进行预热。
2.根据权利要求1所述的循环流化床富氧燃烧的供风方法，其特征在于，所述再循环烟气在进行预热前进行烟气过滤。
3.根据权利要求1所述的循环流化床富氧燃烧的供风方法，其特征在于，所述氧气分别对循环流化床本体下部不同高度上的多个部位供风。
4.根据权利要求1所述的循环流化床富氧燃烧的供风方法，其特征在于，所述再循环烟气对循环流化床本体下部不同高度上的多个部位供风。
5.根据权利要求1所述的循环流化床富氧燃烧的供风方法，其特征在于，所述氧气和再循环烟气对循环流化床相同高度上沿周向分布的多个部位交替进行供风。
6.根据权利要求1所述的循环流化床富氧燃烧的供风方法，其特征在于，所述氧气和再循环烟气对循环流化床沿高度方向分布的多个部位交替进行供风。
7.根据权利要求1所述的循环流化床富氧燃烧的供风方法，其特征在于，所述循环流化床燃烧时产生高温烟气，所述高温烟气通过换热器预热所述再循环烟气和氧气。
8.根据权利要求7所述的循环流化床富氧燃烧的供风方法，其特征在于，所述高温烟气通过换热器后，再经过除尘，然后至少被分为两部分烟气，其中至少一部分烟气经纯化压缩后进行回收。
9.根据权利要求7所述的循环流化床富氧燃烧的供风方法，其特征在于，所述高温烟气通过换热器后，再经过除尘，然后至少被分为两部分烟气，其中至少一部分烟气作为再循环烟气为循环流化床富氧燃烧供风。
10.一种循环流化床富氧燃烧装置，包括循环流化床本体、氧气输送管路和循环烟气输送管路，其特征在于，所述氧气输送管路和循环烟气输送管路在连入循环流化床本体前并不连通，且所述氧气输送管路和循环烟气输送管路连入循环流化床本体前经过换热器进行换热。
11.根据权利要求10所述的循环流化床富氧燃烧装置，其特征在于，所述循环烟气输送管路从所述循环流化床本体的上部引出，且所述循环烟气输送管路通过换热器和除尘器。
12.根据权利要求10所述的循环流化床富氧燃烧装置，其特征在于，所述循环烟气输送管路分为至少两条支路，其中至少一条支路连通纯化压缩***。
13.根据权利要求10所述的循环流化床富氧燃烧装置，其特征在于，所述氧气输送管路在接入循环流化床本体前分为多个支路，分别向循环流化床本体下部上位于不同高度的多个部位供风。
14.根据权利要求10所述的循环流化床富氧燃烧装置，其特征在于，所述循环烟气输送管路在接入循环流化床本体前分为多个支路，分别向循环流化床本体下部上位于不同高度的多个部位供风。
15.根据权利要求10所述的循环流化床富氧燃烧装置，其特征在于，所述氧气输送管路在接入循环流化床本体前分为多个氧气支路，所述循环烟气输送管路在接入循环流化床本体前分为多个循环烟气支路，所述多个氧气支路和多个循环烟气支路向循环流化床相同高度上沿周向分布的多个部位交替进行供风。
16.根据权利要求10所述的循环流化床富氧燃烧装置，其特征在于，所述氧气输送管路在接入循环流化床本体前分为多个氧气支路，所述循环烟气输送管路在接入循环流化床本体前分为多个循环烟气支路，所述多个氧气支路和多个循环烟气支路向循环流化床沿高度方向分布的多个部位交替进行供风。
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