CN106594781B - 一种高钠煤加热脱除炉 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高钠煤加热脱除炉，包括中心层、中间层和外层，所述中心层是燃烧加热室，所述中间层是水煤浆室，所述外层是水冷壁，水煤浆室设置在中心燃烧加热室的外周，所述水冷壁设置在水煤浆室的外周，所述燃烧室下部设置燃烧器，所述燃烧器连接外部燃料输送管道，所述燃烧室上部设置烟气排出口，水煤浆室上游连接制浆装置，所述水煤浆室设置有补水口及蒸气排空口，底部设置有水煤浆排出口；水冷壁层敷设在中间层水煤浆室外壁。本发明优点在于可利用高钠煤主要产区新疆分布广泛的天然气作为外部能源输入，在尽量保持原燃煤电站***完整的基础上，从源头上解决高钠煤燃烧造成的炉内结焦和受热面沾污、腐蚀等问题。装置结构简单，易实现***集成，实用可靠。

Description

一种高钠煤加热脱除炉

技术领域

本发明涉及一种炉窑，尤其是涉及高钠煤加热脱除炉，属于F27D炉窑领域。

背景技术

高钠煤是指煤中碱金属化合物成分较高的一类特殊煤炭。我国高钠煤预测储量高大3900亿吨，主要集中在新疆准东煤田。准东煤属于低灰分、高热值、低变质程度的优质煤炭，作为发电或化工的原料具有低污染、低排放的特点，可有效节约燃烧转化后废物的处理费用，为燃煤电站和煤化工奠定了良好的物质基础。

然而，准东高钠煤用于电站燃煤时，对锅炉的受热面以及烟气管道中的省煤器、空预器会造成严重的沾污以及碱性腐蚀，并且造成排渣困难。因此，燃烧准东煤的电站锅炉在设计时不得不面对高钠煤强结焦与强沾污性这一难以克服的难题，电站锅炉全部燃烧准东煤时造成的锅炉内结焦严重影响锅炉的长期运行，这些问题均与煤灰中碱金属含量高密切相关。

当前，对于高钠煤在锅炉中的燃烧一种方法是通过掺烧其他煤种实现，我国发电企业在准东地区建设的电厂，只能利用长途运输后的其他煤种与大约20～30％的准东煤掺混燃烧，处理量非常有限。长途运输外地优质煤炭又增加了企业的发电成本。另外一种方法是通过往高钠煤中掺混一定数量的硅或三氧化二铝，调节煤的灰熔点，虽然能一定程度的改善锅炉的沾污和结渣问题，但这也增加了锅炉受热面的磨损，减少锅炉使用寿命。掺混进不能燃烧的固体不仅降低了燃煤的发热值，而且增加了电厂的运行成本。

综上，准东高钠煤面临虽储量丰富，但难以大规模应用的尴尬。相比掺混燃烧高钠煤，如果能在煤粉进入锅炉前实现钠的脱除，无疑会对锅炉结渣、碱性腐蚀等起到釜底抽薪的作用，这是当前发电企业燃用准东煤时所需亟待解决的问题。不可否认，目前已有利用加热脱除碱金属的研究，但问题存在于：1)以弱酸等作为溶解液能加强非水溶性钠的脱除率，但同时增加了溶液处理装置的投资以及造成二次污染；2)加热的热量来源于燃煤电站中的高温高压蒸汽或高温烟气，一则涉及到***的大幅改造和深度集成，二则是对高温高压蒸汽高品位能的浪费，不符合节能的要求。

发明内容

针对如上问题，本发明提供了一种运行安全、工艺简单的利用天然气作为外部能源的高钠煤脱除净化装置，用于实现高钠煤燃烧前钠脱除，大幅降低煤中碱金属的含量，从燃煤电站源头解决锅炉面临的结焦和受热面沾污、腐蚀等问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种高钠煤加热脱除炉，包括中心层、中间层和外层，所述中心层是燃烧加热室，所述中间层是水煤浆室，所述外层是水冷壁，水煤浆室设置在中心燃烧加热室的外周，所述水冷壁设置在水煤浆室的外周，所述燃烧室下部设置燃烧器，所述燃烧器连接外部燃料输送管道，所述燃烧室上部设置烟气排出口，水煤浆室上游连接制浆装置，所述水煤浆室设置有补水口及蒸气排空口，底部设置有水煤浆排出口；水冷壁层敷设在中间层水煤浆室外壁。

作为优选，水煤浆室内布置有搅拌器。

作为优选，所述搅拌器从水煤浆室的外壁向水煤浆室内延伸。

作为优选，搅拌器设置为多个，沿着高度方向，搅拌器的搅拌功率越来越小。

作为优选，沿着高度方向，搅拌器的搅拌功率越来越小的幅度不断的增加。

作为优选，水冷壁入口管路设置有调节阀，可根据水煤浆室温度调节水流量。

作为优选，还包括控制器以及温度、压力传感器，所述控制器通过采集水煤浆室温度和压力数据，与调节阀进行指令传递，如果测量的水煤浆室温度上升到的一定温度，则控制器自动增加调节阀的开度，增加和保持进入水冷壁水的流量，如果测量的水煤浆室温度下降到的一定温度，则控制器自动降低调节阀的开度，减少和保持进入水冷壁水的流量。

作为优选，在控制器中设置一个控制函数，控制器根据控制函数自动调整阀门的开度，所述控制函数K＝F(T),其中K是阀门开度，T是水煤浆室温度，其中F(T)’>0,F”(T)>0,其中F(T)’、F”(T)是F(T)的一次导数和二次导数。

作为优选，控制函数如下：假设水煤浆室温度为T，调节阀开度K的时候，表示满足温度条件，上述的调节阀开度K、水煤浆室温度为T是基准数据，所述的基准数据存储在控制器中，

当水煤浆室温度为t的时候，调节阀开度k变化如下：

k＝K*(t/T)^a,其中a为参数，1.05<a<1.12；其中t,T是绝对温度值，优选的，a＝1.08；

0.91<t/T<1.12。

作为优选，水煤浆室的加热温度为300～350℃，高温下搅拌清洗5-30分钟。

作为优选，水煤浆在高温高压状态下搅拌清洗后，关闭燃烧器，可通过蒸汽释放和补水实现水煤浆室温度和压力的剧烈变化，温度降至60-100℃，压力降至常压后，重启燃烧器对水煤浆升温升压。

作为优选，通过温度、压力的变化对高钠煤粉实现反复多次的挤压，促使高钠煤空隙中的钠加速迁移到水溶液中。

与现有技术相比较，本发明余热回收***具有如下的优点：

1)高碱金属含量的原煤经制浆后，在一定的温度和压力下，破坏了原煤结构的稳定性，使得钠发生了迁移和溶解，从而降低碱金属含量。装置结构、工艺简单。

2)过程中利用了简易、廉价的洁净水作为溶解剂，通过搅拌、高温高压以及温压适当波动的的作用加强碱金属的溶解和提高碱金属的脱除率，不需要增加其他诸如弱酸等洗涤溶液，避免二次污染。

3)装置与其他工艺易于实现燃料***集成、汽水***集成和烟气***集成，可广泛应用于燃煤电站以及煤化工工艺***。

4)装置利用了易于获得的的外部能源作为钠脱除所需要的能量，如高钠煤集中区域的新疆地区，天然气资源丰富易于获得；在高钠煤应用于煤化工时又可应用化工过程中产生的可燃气体，如煤气化气等。

5)装置在应用时，一则无需对燃煤电站或工艺***进行大规模改造，二则燃料来源方便可靠，有利于降低投资成本。

6)高钠煤加热脱除炉提出了一种新的智能控制方式和方法，提高了***的智能化程度。

7)通过搅拌装置的功率分布设置，实现了高效快速的钠脱除功能。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为本发明典型的煤粉处理方式

附图标记如下：1-燃烧加热室；2-水煤浆室；3-水冷壁环管；4-水煤浆入口；5-蒸汽释放口；6-补水口；7-烟气排出口；8-搅拌装置；9-燃烧器；10-水煤浆出口

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1公开了一种高钠煤加热脱除炉，如图1所示，所述高钠煤加热脱除炉，包括中心层、中间层和外层，所述中心层是燃烧加热室1，所述中间层是水煤浆室2，所述外层是水冷壁3，水煤浆室2设置在燃烧加热室1的外周，所述水冷壁3设置在水煤浆室2的外周，所述燃烧室1下部设置燃烧器9，所述燃烧器1连接外部燃料输送管道，所述燃烧室1上部设置烟气排出口7，水煤浆室2上游连接制浆装置4，所述水煤浆室2设置有补水口6及蒸气排空口5，底部设置有水煤浆排出口10；水冷壁层3敷设在水煤浆室2的外壁。

本发明设计了一种新式的煤脱钠装置，通过燃烧室燃烧加热水煤浆室2，从而提高水煤浆室2的温度，使水煤浆在水煤浆室中脱钠后通过排出口10排出。

优选的，燃烧加热室1为一端装有通常以天然气为燃料的燃烧机，通过燃烧天然气释放热量加热水煤浆室2中的水煤浆。

优选地，燃烧加热室1宜采用蓄热体填充的多孔介质结构，一方面可以保证燃烧室温度分布均匀，避免局部温度过高，另一方面有利于在脱钠后水煤浆排出时的间歇操作中将热量尽可能的蓄留在装置内部，达到节能目的。

优选地，燃烧器不局限于采用天然气作为燃料，本发明在应用于煤化工***时，可采用煤化工过程中产生的可燃气体作为燃料，实现与煤化工***的集成，如煤气化气。

优选地，燃烧室排烟仍具有一定的温度，一方面可通过省煤器等换热部件充分回收利用，另一方面也可作为水煤浆排出经液固分离器分离后湿煤的干燥气体加以应用，实现外部补充能源(天然气)的梯级利用。

水煤浆室为围绕燃烧加热室的环形筒状结构，其上端连接水煤浆制备单元，下端设置为脱钠后水煤浆排出口，连接固液分离器。水煤浆经水煤浆入口进入本装置水煤浆室，水煤浆室吸收燃烧加热室释放的大量热量，使得水煤浆温度升高，水煤浆室设置有补水口，根据运行情况适当补充水分，水分蒸发后，原煤浆室压力上升，使水煤浆处于高温高压的易于钠清洗和脱除的环境内。通过调节蒸汽释放和补水营造水煤浆室温度压力的波动，使得高钠煤在水煤浆室中经受温度和压力的变化，反复破坏原煤结构的平衡，加速高钠煤表面及毛细孔中钠的迁移和溶解。

水煤浆室外设置水冷壁，通过调节水流量控制水煤浆室内的温升速度和温升高度，避免温度上升过快过高。燃煤电站中，水冷壁的入口水来自冷凝器出口，经吸热升温后的热水或蒸汽与电站汽水***集成，有效增加燃煤发电量。

作为优选，水煤浆室2内布置有搅拌器3。通过设置搅拌器3，可以使得煤中的钠尽快的溶入水中。

作为优选，所述搅拌器3从水煤浆室2的外壁向水煤浆室2内延伸。

作为优选，搅拌器3设置为多个，沿着高度方向，搅拌器3的搅拌功率越来越小。

作为优选，补水口设置在水煤浆室的上部。

环形水煤浆室对称布置多个搅拌器，由外部电机驱动，通过搅拌加强水在煤颗粒间的循环，加速煤中钠的溶解。

通过研究发现，因下部煤粉的堆积，不利于钠的迁移，因此通过设置搅拌功率的变化，将更多的功率分配在下部的搅拌器3中，与功率分配完全相同相比，能够进一步提高钠的脱除。通过实验发现，能够提高12－15％左右的脱除效率。

作为优选，沿着高度方向，搅拌器3的搅拌功率越来越小的幅度不断的增加。通过实验发现，如此设置符合煤中钠的脱除规律，即越往下部走脱除难度越大，通过如此设置能够进一步提高脱除效率。

作为优选，水冷壁2入口管路设置有调节阀，可根据水煤浆室温度调节水流量。

作为优选，水煤浆室2内设置温度传感器，用于测量水煤浆室内水的温度。

本身压力和温度是同时变化的。设定了温度的范围，一般情况下，对应的压力也是确定的。因此本发明只需要控制一个参数的变化即可以控制温度和压力的变化。作为优选，本发明选择控制温度的变化。

作为优选，所述的脱除炉还还包括控制器，所述控制器与调节阀进行数据连接，作为优选，控制器与水煤浆室2内的温度传感器数据连接，如果测量的水煤浆室温度上升到的一定温度，则控制器自动增加调节阀的开度，增加进入水冷壁的水的流量，如果测量的水煤浆室温度下降到的一定温度，则控制器自动降低调节阀的开度，减少进入水冷壁的水的流量。

通过上述的调节阀开度的控制，能够保证水煤浆室的温度在合理范围内，保证脱除的效果，避免温度过低，脱除效果太差，温度过高，浪费能源。

作为优选，在控制器中设置一个控制函数，控制器根据控制函数自动调整阀门的开度，所述控制函数K＝F(T),其中K是阀门开度，T是水煤浆室温度，其中F(T)’>0,F”(T)>0,其中F(T)’、F”(T)是F(T)的一次导数和二次导数。

上述的公式表明，随着水煤浆室温度的增加，调节阀开度越来越大，而且增长的幅度也越来越大。上述公式的关系是通过大量实验得到的，因为随着水煤浆室温度的增加，水冷壁中需要的水流量越来越大，但是水冷壁中的水流量并不是与阀门开度的增加呈正比例增加，而是增加的幅度越来越大，只有这样，才能更好的满足水煤浆室内温度控制的需要。

作为优选，控制函数如下：假设水煤浆室温度为T，调节阀开度K的时候，表示满足温度条件，上述的调节阀开度K、水煤浆室温度为T是基准数据，所述的基准数据存储在控制器中，

当水煤浆室温度为t的时候，调节阀开度k变化如下：

k＝K*(t/T)^a,其中a为参数，1.05<a<1.12；其中t,T是绝对温度值，优选的，a＝1.08；

0.91<t/T<1.12。

通过上述的公式，可以实现根据水煤浆室的温度智能控制水冷壁内水的流量的功能，大大提高了***的智能化。

作为优选，可以在控制器中输入多组基准数据。当出现两组或者多组基准数据情况下，可以提供用户选择的基准数据的界面，优选的，***可以自动选择(1－t/T)²的值最小的一个。

作为优选，水煤浆室的加热温度为300～350℃，高温下搅拌清洗5-30分钟。

作为优选，水煤浆室的加热温度为320～330℃，搅拌清洗15-20分钟。

如图2所示，所述高钠煤加热脱除装置主要应用于燃煤电站和煤化工***，尤其适用于新疆高钠煤燃烧的前处理，装置主要由中心燃烧加热室、中间层水煤浆室以及外层水冷壁组成，中间层水煤浆室侧壁面设置有搅拌装置。

具体实施中，煤粉制浆后经上端水煤浆入口进入水煤浆室，开启中心燃烧加热室燃烧器，天然气或其他燃料燃烧释放热量，加热中间水煤浆室，水煤浆升温升压过程中调节外层水冷壁水流量，平衡加热水煤浆的热量以及燃烧室排烟的出口温度，整个过程能量平衡方程为：

燃烧释放的热量Q＝加热水煤浆的热量Q1+水冷壁带走的热量Q2+排烟带走的热量Q3

在水煤浆室升温升压过程中，同步开启搅拌装置，加速水对煤粉颗粒的冲刷，提高钠的溶解脱除效率。根据脱钠后分析，若钠的脱除效果不能满足要求，可根据水煤浆室的材料以及耐压设计提高水煤浆室的温度。通常，对于钠含量在3.5～12％的准东煤(以灰计)，静止和搅拌时间半小时可控制脱钠后的煤中钠含量不超过2％。

通过调节蒸汽释放和补水营造水煤浆室温度压力的波动，使得高钠煤在水煤浆室中经受温度和压力的变化，反复破坏原煤结构的平衡，加速高钠煤表面及毛细孔中钠的迁移和溶解。

脱钠后的水煤浆排出至液固分离器，其中含有大量碱金属钠的液体流向碱金属溶液回收处理***，仍然含有一定水分的煤粉进入干燥器。其中，碱金属溶液通过浓缩分离后，可作为化工原料生产化工产品，水分经回收后进入水煤浆制备***。煤粉干燥装置宜采用燃烧室燃烧后的热烟气直接接触干燥，以充分利用燃烧排烟的余热，干燥后的湿烟气通过喷淋回收烟气中的水分循环利用，烟气经喷淋降温后排出。本行业技术人员应该清楚，若喷淋后的烟气仍具有较高温度，应进一步进行余热回收，实现能量的梯级利用，提高外部补充能源天然气等燃料的利用效率。

综上所述，本发明应用高温钠脱除技术原理，将燃烧加热室、水煤浆室以及水冷壁集成为一体式高钠煤加热脱除装置，利用新疆地区极易获得天然气作为外部能源，通过能量梯级利用充分回收天然气燃烧释放的热量，实现煤粉高效的直接接触干燥，一举两得；通过热量的有效合理分配保证水煤浆室高温高压的条件；过程中不需增加其它溶剂，有效避免二次污染；装置与燃煤电站的汽水***集成简单，避免了燃煤电站大规模的管路改造以及有效解耦脱钠过程与燃煤电站的深度集成，降低投资成本。

本专业的工程人员应该清楚，燃烧过程可以通过适当的调节空燃比降低燃烧后烟气中氧气的含量以保证煤粉干燥过程的安全性；同时，结合热量平衡原理，根据实际情况调节水冷壁流量、补水等，既考虑经济性因素，又要满足水煤浆室保温保压的需要，实现装置的高性价比。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种高钠煤加热脱除炉，其特征在于：包括中心层、中间层和外层，所述中心层是燃烧加热室，所述中间层是水煤浆室，所述外层是水冷壁，水煤浆室设置在中心燃烧加热室的外周，所述水冷壁设置在水煤浆室的外周，所述燃烧室下部设置燃烧器，所述燃烧器连接外部燃料输送管道，所述燃烧室上部设置烟气排出口，水煤浆室上游连接制浆装置，所述水煤浆室设置有补水口及蒸气排空口，底部设置有水煤浆排出口；水冷壁层敷设在中间层水煤浆室外壁；

水煤浆室内布置有搅拌器；

所述搅拌器从水煤浆室的外壁向水煤浆室内延伸；

搅拌器设置为多个，沿着高度方向，搅拌器的搅拌功率越来越小；

水冷壁入口管路设置有调节阀，可根据水煤浆室温度调节水流量。

2.如权利要求1所述的加热脱除炉，其特征在于：沿着高度方向，搅拌器的搅拌功率越来越小的幅度不断的增加。

3.根据权利要求1所述的高钠煤加热脱除炉，其特征在于：还包括控制器，所述控制器与调节阀进行数据连接，如果测量的水煤浆室温度上升到的一定温度，则控制器自动增加调节阀的开度，增加进入水冷壁的水的流量，如果测量的水煤浆室温度下降到的一定温度，则控制器自动降低调节阀的开度，减少进入水冷壁的水的流量。

4.根据权利要求3所述的高钠煤加热脱除炉，其特征在于：在控制器中设置一个控制函数，控制器根据控制函数自动调整阀门的开度，所述控制函数K＝F(T),其中K是阀门开度，T是水煤浆室温度，其中F(T)’>0,F”(T)>0,其中F(T)’、F”(T)是F(T)的一次导数和二次导数。

5.根据权利要求4所述的高钠煤加热脱除炉，其特征在于：控制函数如下：假设水煤浆室温度为T，调节阀开度K的时候，表示满足温度条件，上述的调节阀开度K、水煤浆室温度为T是基准数据，所述的基准数据存储在控制器中，

当水煤浆室温度为t的时候，调节阀开度k变化如下：

k＝K*(t/T)^a,其中a为参数，1.05<a<1.12；其中t,T是绝对温度值，优选的，a＝1.08；

0.91<t/T<1.12。

6.如权利要求1所述的高钠煤加热脱除炉，其特征在于：水煤浆室的加热温度为300～350℃，高温下搅拌清洗5-30分钟。