CN108488785A - 一种分级燃烧增压富氧锅炉*** - Google Patents

一种分级燃烧增压富氧锅炉*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分级燃烧增压富氧锅炉***，所述的锅炉***包括通过连接管道相连的一级锅炉、二级锅炉、三级锅炉和四级锅炉，每级锅炉均由燃烧室和辐射换热室组成，燃烧室的顶部和顶侧部分别设有氧气进口及燃料烧嘴，辐射换热室由膜式水冷壁和屏式受热面组成，膜式水冷壁列管式周向布置在辐射换热室最外圈，所有屏式受热面布置呈中空环状结构均匀布置于辐射换热室内部，各级锅炉的外部均设有压力外壳，压力外壳的底部和底侧部分别设有渣出口及烟气出口，上一级锅炉的烟气出口与下一级锅炉的烟气进口通过连接管道相连。本发明的分级燃烧增压富氧锅炉***具有分级燃烧降温、高压反应能量消耗低、投资成本低等优点。

Description

一种分级燃烧增压富氧锅炉***
技术领域
本发明涉及锅炉富氧燃烧技术领域，尤其是涉及一种分级燃烧增压富氧锅炉***。
背景技术
随着全球变暖的加剧以及气候的变化，作为温室气体主要因素的CO2排放问题逐渐引起了全球的关注。因此，富氧燃烧技术作为最具潜力的有效减排CO2的新型燃烧技术之一，成为了全球研究者关注的热点。在目前的技术水平下，常压富氧燃烧***主要利用空分***制出高浓度的氧气来代替空气作为助燃剂在炉膛内与煤燃烧，出口烟气经除尘、脱硫和脱水后，一部分烟气循环进入炉膛以控制炉温，剩余烟气则进入CO2纯化压缩***，最终出口的CO2在浓度和压力均满足管道运输要求后再送出封存。
在上述燃烧过程中，主要存在以下两个问题：1.需要烟气循环以控制燃烧温度，从而造成烟气循环所配备的循环风机的电量消耗大；2.空分***和CO2纯化压缩***运行过程中，气体需要经历升压、降压以及再升压3个变压过程，造成能耗较高，从而导致净发电效率较低。
因此，在目前的技术条件下，常压富氧燃烧***因受其燃烧效率低下、成本较高等因素的影响，导致其不能较好地实现商业化运作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种分级燃烧增压富氧锅炉***，该锅炉***具有分级燃烧降温、高压反应能量消耗低、投资成本低等优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种分级燃烧增压富氧锅炉***，包括至少两级锅炉，所述的每级锅炉均由位于锅炉上部的燃烧室和位于锅炉下部的辐射换热室组成；所述燃烧室的顶部和顶侧部分别设有烟气进口及燃料烧嘴；所述辐射换热室的底部和底侧部分别设有渣出口及烟气出口；上一级锅炉的烟气出口与下一级锅炉的烟气进口通过连接管道相连。
进一步，所述的辐射换热室内部设有屏式受热面，所述的屏式受热面呈中空环状结构均匀布置于辐射换热室内部。
进一步，所述的辐射换热室由膜式水冷壁组成。
进一步，所述各级锅炉的外部均设有压力外壳。
进一步，所述压力外壳的底部和底侧部分别设有渣出口及烟气出口，上一级锅炉的烟气出口与下一级锅炉的烟气进口通过连接管道相连。
进一步，所述辐射换热室的顶部和底部分别设有上部渣口冷却器及下部渣口冷却器，所述的上部渣口冷却器与燃烧室的底部相通。
进一步，所述屏式受热面相对于锅炉径向倾斜辐射布置。
进一步，所述各级锅炉燃烧室的内壁敷设有耐火砖。
进一步，所述的锅炉***包含通过连接管道依次顺序相连的一级锅炉、二级锅炉、三级锅炉和四级锅炉。
本发明还提供了一种分级燃烧增压富氧锅炉***的运行方法，该方法包括如下步骤：首先，将所有燃料按照锅炉级数进行平均分配，然后将份数与锅炉级数相匹配的燃料通过各级锅炉的燃料烧嘴分别送入到各级锅炉的燃烧室内，之后再将燃烧所有燃料所需的所有氧气通过第一级锅炉的氧气进口一次性送入到第一级锅炉的燃烧室内，最后再将各级锅炉进行分级燃烧，即：当第一级锅炉燃烧完成后，燃烧生成的烟气和过量未燃烧的氧气进入第二级锅炉的燃烧，由于在第二级锅炉燃烧室中加入了燃料，氧气进一步被消耗，依次类推，直到最后一级锅炉燃烧完成后，几乎所有氧气被消耗为止，过量的氧气和上一级燃烧产物充当着控制烟气温度的角色。
本发明的有益效果是：首先，本锅炉***采用多级锅炉分级富氧燃烧，能确保每级锅炉中的燃料均被充分燃烧，能保证锅炉***的燃烧效率；其次，在一级锅炉内燃烧生成的高温烟气和过量氧气会一直在锅炉***内循环，其充当着常压富氧燃烧锅炉中循环烟气控制炉膛温度的角色，因此，本锅炉***无需再单独设置一套烟气循环***，从而有效避免锅炉***因单独配制烟气循环***而造成能量消耗大的问题，进而达到降低锅炉***建造投资成本的目的；再者，通过在每级锅炉内设置由膜式水冷壁组成的辐射换热室以及在辐射换热室内设置屏式受热面，可以使高温烟气和氧气能与辐射换热室受热面内的给水或蒸汽进行换热降温，这样既能通过控制烟气温度来达到控制炉膛温度的目的，还能将高温烟气中富余的热量回收起来，从而提高锅炉***的热能利用率；此外，还在辐射换热室的顶部和底部分别设置一个上部渣口冷却器和下部渣口冷却器，能进一步提高对高温烟气的温度控制能力；最后，通过在各级锅炉的外部均设有一个压力外壳，从而允许通过空分***制造得到的高压纯氧气不需要降压即可直接进入到增压锅炉的燃烧室内与燃料发生反应，带压氧气和燃料在燃烧室内反应生成的带压高温烟气和剩余的氧气经过与屏式受热面和膜式水冷壁换热后，也不需要再对其进行降压过程即可直接进入下一级锅炉燃烧室内，有效地解决了因加压和降压带来的大量能量消耗问题。
附图说明
图1为本发明分级燃烧增压富氧锅炉***的结构示意图；
图2为本发明锅炉的结构示意图；
图3为本发明锅炉中辐射换热室的剖面示意图；
图中标记为：1-燃烧室，2-辐射换热室，3-氧气进口/烟气进口，4-燃料烧嘴，5-渣出口，6-烟气出口，7-连接管道，8-屏式受热面，9-压力外壳，10-上部渣口冷却器，11-下部渣口冷却器，13-耐火砖，14-一级锅炉，15-二级锅炉，16-三级锅炉，17-四级锅炉,18-烟气出口管道,19-膜式水冷壁。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2和图3所示，本发明的分级燃烧增压富氧锅炉***，包括通过连接管道7依次顺序相连的一级锅炉14、二级锅炉15、三级锅炉16和四级锅炉17，所述的各级锅炉均由位于锅炉上部的燃烧室1和位于锅炉下部的辐射换热室2组成；为了使锅炉能够承受一定的燃烧反应压力，在各级锅炉的外部均设有一个压力外壳9，从而允许通过空分***制造得到的高压纯氧气不需要降压即可直接进入到增压锅炉的燃烧室1内与燃料发生反应，带压氧气和燃料在燃烧室1内反应生成的带压高温烟气和剩余的氧气经过与后述的屏式受热面8和膜式水冷壁19换热降温后，也不需要再对其进行降压过程即可直接进入下一级锅炉燃烧室1内，有效地解决了因加压和降压带来的大量能量消耗问题。
具体的，所述一级锅炉14的燃烧室1的顶部和顶侧部分别设有氧气进口3及燃料烧嘴4；所述的辐射换热室2由膜式水冷壁19和屏式受热面8组成，辐射换热室2内部设有屏式受热面8，所述的屏式受热面8呈中空环状结构均匀布置于辐射换热室2内部；辐射换热室2的顶部和底部还分别设有一个上部渣口冷却器10及下部渣口冷却器11，其中，所述的上部渣口冷却器10与燃烧室1的底部相通；所述压力外壳9的底部和底侧部分别设有一个渣出口5及烟气出口6，所述烟气出口6的位置低于下部渣口冷却器11位置，上一级锅炉的烟气出口6与下一级锅炉的烟气进口3通过所述的连接管道7相连。
所述屏式受热面8相对于锅炉径向倾斜辐射布置，可以使从上部渣口冷却器10飞溅出来的灰、渣顺着辐射布置的屏式受热面8管道向下落入到屏式受热面8中间的中空环状通道内，从而确保灰、渣能顺利地从渣出口5排出锅炉外。另外，倾斜布置相比于垂直布置，可以放置更多受热面，增加换热量。
另外，为了使燃烧室1能够承受高温燃烧反应以及避免散热损失，在各级锅炉燃烧室的内壁还敷设有耐火砖13或带有耐火材料的水冷壁结构。
本发明还提供了一种分级燃烧增压富氧锅炉***的运行方法，该方法包括如下步骤：首先，将所有燃料按照锅炉级数进行平均分配，得到四等份燃料，然后将所述的四等份燃料通过一级锅炉、二级锅炉、三级锅炉和四级锅炉的燃料烧嘴分别送入到一级锅炉、二级锅炉、三级锅炉和四级锅炉的燃烧室内，之后再将燃烧所有燃料所需的所有氧气通过一级锅炉的氧气进口一次性送入到一级锅炉的燃烧室内，最后再将一级锅炉、二级锅炉、三级锅炉和四级锅炉进行分级燃烧，即：当一级锅炉燃烧完成后，再进行二级锅炉的燃烧，直到四级锅炉燃烧完成为止。
本发明分级燃烧增压富氧锅炉***的工作原理及过程如下：
首先，将燃料均分为四等份，并将其通过燃料烧嘴分别送入到四级锅炉的燃烧室内，同时，将所有燃料完全燃烧所需要的过量氧气通过一级锅炉的氧气进口一次性送入到一级锅炉的燃烧室内与燃料发生燃烧反应，之后燃烧反应生成的带渣和灰的高温烟气和剩余的过量氧气会从燃烧室底部经上部渣口冷却器进入到辐射换热室内，然后从下部渣口冷却器出来，最后再通过烟气出口和连接管道将其送入到二级锅炉的燃烧室内；由于只向一级锅炉的燃烧室内送入了四分之一燃料，并且还向该燃烧室内送入了完全燃烧所有燃料所需的所有氧气，因此，该部分燃料会在一级锅炉的燃烧室内发生富氧燃烧，燃料被充分燃烧掉，同时相应地消耗掉一部分氧气，之后燃烧反应产生的烟气和剩余的过量氧气被送入到二级锅炉的燃烧室内，因此时的二级锅炉燃烧室内也有四分之一燃料，所以被送入到二级锅炉燃烧室内的过量氧气又会与该部分燃料发生富氧燃烧，从而将部分燃料充分燃烧掉，同时再一次消耗掉相应等份的氧气量，以此类推，直至在四级锅炉的燃烧室内将所有燃料完全燃烧掉，并且消耗掉几乎所有的氧气，最终从四级锅炉的烟气出口排出的烟气中绝大部分为CO2，最后通过设置在锅炉上的烟气出口管道18将烟气排出锅炉***。
本发明分级燃烧增压富氧锅炉***的有益效果为：
首先，本锅炉***采用多级锅炉分级富氧燃烧，能确保每级锅炉中的燃料均被充分燃烧，能保证锅炉***的燃烧效率；其次，在一级锅炉内燃烧生成的高温烟气和过量氧气会一直在锅炉***内循环，其充当着常压富氧燃烧锅炉中循环烟气控制炉膛温度的角色，因此，本锅炉***无需再单独设置一套烟气循环***，从而有效避免锅炉***因单独配制烟气循环***而造成能量消耗大的问题，进而达到降低锅炉***建造投资成本的目的；再者，通过在每级锅炉内设置由膜式水冷壁组成的辐射换热室以及在辐射换热室内设置屏式受热面，可以使高温烟气和氧气能与辐射换热室受热面内的给水或蒸汽进行换热降温，这样既能通过控制烟气温度来达到控制炉膛温度的目的，还能将高温烟气中富余的热量回收起来，从而提高锅炉***的热能利用率；此外，还在辐射换热室的顶部和底部分别设置一个上部渣口冷却器和下部渣口冷却器，能进一步提高对高温烟气的温度控制能力；最后，通过在各级锅炉的外部均设有一个压力外壳，从而允许通过空分***制造得到的高压纯氧气不需要降压即可直接进入到增压锅炉的燃烧室内与燃料发生反应，带压氧气和燃料在燃烧室内反应生成的带压高温烟气和剩余的氧气经过与后述的屏式受热面和膜式水冷壁换热后，也不需要再对其进行降压过程即可直接进入下一级锅炉燃烧室内，有效地解决了因加压和降压带来的大量能量消耗问题。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种分级燃烧增压富氧锅炉***，其特征在于，包括至少两级锅炉，所述的每级锅炉均由位于锅炉上部的燃烧室（1）和位于锅炉下部的辐射换热室（2）组成；所述燃烧室（1）的顶部和顶侧部分别设有烟气进口（3）及燃料烧嘴（4）；所述辐射换热室（2）的底部和底侧部分别设有渣出口（5）及烟气出口（6）；上一级锅炉的烟气出口（6）与下一级锅炉的烟气进口（3）通过连接管道（7）相连。
2.根据权利要求1所述的分级燃烧增压富氧锅炉***，其特征在于，所述的辐射换热室（2）内部设有屏式受热面（8），所述的屏式受热面（8）呈中空环状结构均匀布置于辐射换热室（2）内部。
3.根据权利要求1或2所述的分级燃烧增压富氧锅炉***，其特征在于，所述的辐射换热室（2）由膜式水冷壁（19）组成。
4.根据权利要求1所述的分级燃烧增压富氧锅炉***，其特征在于，所述各级锅炉的外部均设有压力外壳（9）。
5.根据权利要求4所述的分级燃烧增压富氧锅炉***，其特征在于，所述压力外壳（9）的底部和底侧部分别设有渣出口（5）及烟气出口（6），上一级锅炉的烟气出口（6）与下一级锅炉的烟气进口（3）通过连接管道（7）相连。
6.根据权利要求1所述的分级燃烧增压富氧锅炉***，其特征在于，所述辐射换热室（2）的顶部和底部分别设有上部渣口冷却器（10）及下部渣口冷却器（11），所述的上部渣口冷却器（10）与燃烧室（1）的底部相通。
7.根据权利要求2所述的分级燃烧增压富氧锅炉***，其特征在于，所述屏式受热面（8）相对于锅炉径向倾斜辐射布置。
8.根据权利要求1所述的分级燃烧增压富氧锅炉***，其特征在于，所述各级锅炉燃烧室的内壁敷设有耐火砖（13）。
9.根据权利要求1所述的分级燃烧增压富氧锅炉***，其特征在于，所述的锅炉***包含通过连接管道依次顺序相连的一级锅炉（14）、二级锅炉（15）、三级锅炉（16）和四级锅炉（17）。
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