阅读说明：本技术 一种循环流化床加压富氧燃烧装置及方法 (Pressurizing oxygen-enriched combustion device and method for circulating fluidized bed ) 是由 陈晓平 昝海峰 吴影 刘道银 马吉亮 梁财 于 2020-05-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种循环流化床加压富氧燃烧装置及方法,结构上包括风室、布风板、炉膛、旋风分离器、返料器、外置式换热器,其中炉膛内不布置受热面,系统以循环灰作为传热介质,将炉膛内燃料燃烧产生的大部分热量输运至外置式换热器中释放,通过调节循环灰量及冷热灰的比例控制炉膛温度。与现有技术相比,本发明将燃料燃烧过程和热量传递过程分离,锅炉炉膛内只进行燃料的燃烧,燃烧产生的热量全部由外置式换热器和下游的受热面吸收,适用于加压、高炉膛入口氧浓度条件下的固体燃料的富氧燃烧,能有效解决循环流化床富氧燃烧锅炉炉膛尺寸因高压和高炉膛入口氧浓度而大幅减小,并导致炉膛受热面布置困难及炉膛温度难以控制的问题。(The invention discloses a pressurized oxygen-enriched combustion device and a pressurized oxygen-enriched combustion method for a circulating fluidized bed, which structurally comprise an air chamber, an air distribution plate, a hearth, a cyclone separator, a material returning device and an external heat exchanger, wherein a heating surface is not arranged in the hearth, circulating ash is used as a heat transfer medium in a system, most of heat generated by fuel combustion in the hearth is transported to the external heat exchanger to be released, and the temperature of the hearth is controlled by adjusting the circulating ash quantity and the ratio of cold ash to hot ash. Compared with the prior art, the invention separates the fuel combustion process from the heat transfer process, only performs the combustion of the fuel in the boiler furnace, and the heat generated by the combustion is completely absorbed by the external heat exchanger and the downstream heating surface, so that the invention is suitable for the oxygen-enriched combustion of the solid fuel under the conditions of pressurization and high furnace inlet oxygen concentration, and can effectively solve the problems that the size of the circulating fluidized bed oxygen-enriched combustion boiler furnace is greatly reduced due to high pressure and high furnace inlet oxygen concentration, the arrangement of the heating surface of the furnace is difficult, and the temperature of the furnace is difficult to control.)

一种循环流化床加压富氧燃烧装置及方法

技术领域

本发明涉及一种循环流化床加压富氧燃烧装置及方法，本发明涉及循环流化床燃烧技术领域，特别涉及循环流化床加压富氧燃烧装置及方法。

背景技术

以CO₂为代表的温室气体源头中，燃煤电站被认为是温室气体的主要来源之一。为缓解日益严重的环境压力，迫切需要寻找一种适用于燃煤电站的CO₂捕集技术。在众多的燃煤电站碳捕集与封存（CCS）方法中，富氧燃烧技术被认为是最具应用前景的技术之一。富氧燃烧技术包括煤粉炉富氧燃烧技术和流化床富氧燃烧技术两大类，相比前者，流化床富氧燃烧技术在燃料适应性、污染物控制等方面更具优势。富氧燃烧技术中，进入炉膛的气体由空分装置（ASU）分离出来的纯氧和再循环烟气（RFG）混合而成，富氧燃烧产生的烟气中CO₂浓度以干基计量可达90％以上，可有效降低烟气净化和压缩工艺的投资和运行成本。尽管如此，富氧燃烧技术在工程应用方面仍存在诸多问题和挑战。

通过减少炉膛的再循环烟气量，可降低再循环风机的能耗，从而提高富氧燃烧系统的运行经济性。随着再循环烟气量的降低，炉膛入口平均氧浓度提高，炉膛内的烟气流量也相应减少。为确保循环流化床锅炉炉膛内固体物料的正常流化和较高的固体物料循环量，锅炉运行时，炉膛必须有足够的烟气流速。因此，随着再循环烟气量的下降，富氧燃烧循环流化床锅炉的炉膛截面积需同步减小，而炉膛高度受炉膛压降和设备成本等限制也不宜过高，从而导致炉膛内无法布置控制炉膛温度所需的足够的换热面。另一方面，烟气量减少还导致炉膛出口烟气带走的热量同步降低，进一步加剧了炉膛受热面布置的困难。

此外，常压富氧燃烧技术中，炉膛运行压力与空气分离装置（ASU）和CO₂纯化压缩装置（CPU）之间的压力变化会导致一定的能量损失。增压富氧燃烧技术其燃烧过程在高压下进行，不但可减少因系统中各部分压力变化而造成的能量损耗，同时烟气中水蒸气的冷凝温度也会提高，有利于汽化潜热的回收利用，从而有效提高系统的运行效率。但炉膛压力升高会使流化床锅炉炉膛的截面积和体积进一步缩小，导致炉内受热面布置及温度控制问题更加突出。

为解决循环流化床增压富氧燃烧技术的上述问题，本发明提出了一种创新性的循环流化床加压富氧燃烧装置及方法。本发明摆脱了传统的炉膛设计理念，将燃料燃烧和热量传递两个过程分离，炉膛内不再布置换热面，只需考虑燃料燃烧和气固流动的合理组织。通过调节循环灰量以及返回炉膛内的冷热灰的比例控制炉膛温度。燃料燃烧产生的热量全部由烟气和循环灰带出。外置式换热器中可布置蒸发受热面、过热器、再热器和省煤器。本方法将燃料的燃烧和热量传递过程分离，在合理组织加压富氧流化床炉内燃烧和气固流动过程的同时有效控制炉膛温度，本技术还未见报道。

发明内容

鉴于上述现存的技术局限，本发明提出一种循环流化床加压富氧燃烧装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种循环流化床加压富氧燃烧装置，包括增压炉膛、下料管、返料器、外置式换热器进料管、外置式换热器，所述增压炉膛为立式的，其一端设有供煤口以及下部供风口，另一端设有水平烟道，水平烟道上连接有旋风分离器；

所述下料管的上端连接于旋风分离器，所述返料器位于下料管的另一端，所述外置式换热器进料管的一端连接于下料管的中间位置，所述外置式换热器连接外置式换热器进料管的另一端；

所述外置式换热器与增压炉膛之间设有第一返料管，所述返料器与第一返料管之间设有第二返料管。

作为更进一步的优选方案，所述供煤口的上部开设有上部供风口。

作为更进一步的优选方案，所述供煤口的下部管口内设有布风板，布风板位于供煤口和下部供风口之间，布风板与下部供风口形成风室。

作为更进一步的优选方案，所述旋风分离器上设有中心筒。

作为更进一步的优选方案，所述下料管设有控制阀，控制阀位于外置式换热器进料管与下料管连接处和返料器之间。

一种循环流化床加压富氧燃烧方法，包括：

步骤一：燃料由供煤口送入增压炉膛燃烧；

步骤二：循环床料、循环灰及未燃尽燃料携带热量经过水平烟道进入旋风分离器进行气固分离；

步骤三：旋风分离器中的高温烟气经中心筒进入下游受热面，循环物料则通过下料管分别进入返料器和外置式换热器；

步骤四：循环物料在外置式换热器中释放热量后形成低温循环灰经过第二返料管与第一返料管中的高温循环灰混合后进入增压炉膛完成一次循环过程。

通过上述技术方案，可获知本发明装置的有益效果在于：

（1）本装置适用于高压、高氧气浓度下的煤颗粒燃烧，能够减小锅炉本体和辅机的体积，从而降低锅炉初投资和运营成本。

（2）通过氧气和循环烟气在炉膛不同高度处通入能有效调控燃烧份额分布和炉膛温度分布；根据氧煤化学计量比可相应减少循环烟气量，降低循环风机能耗。

（3）本装置通过外置式换热器及下游受热面完全取代炉膛内的受热面，利用高浓度循环灰携带炉膛内热量，用于解决加压富氧燃烧技术中炉膛体积减小导致的换热面布置困难的问题。

（4）本装置通过调节灰循环倍率增加循环灰量，将循环灰作为主要载热介质，通过控制循环灰返料比例从而控制循环流化床炉膛温度分布。该方法可有效解决增压环境下烟气量不足导致的热量难以控制问题。

（5）本装置和方法适用范围广泛，可适用于各种品级的煤、生物质和其他化石燃料的循环流化床加压富氧燃烧。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图中：1-增压炉膛；2-风室；3-下部供风口；4-布风板；5-供煤口；6-上部供风口；7-水平烟道； 8-旋风分离器；9-下料管；10-中心筒；11-返料器；12-外置式换热器进料管；13-外置式换热器；14-过热器；15-再热器；16-省煤器；17-控制阀，18-第一返料管，19-第二返料管。

具体实施方式

以下具体实施例将参照附图对本发明作进一步的详细说明，旨在更清晰的说明本发明的目的、技术方案和优点。在此说明附图为结构简图，仅作为示例用。附图中的结构组件数量、外形结构以及尺寸不受限制，可根据实际应用需要进行增减和修改。本发明不限制其他方面的实践和应用，且在不偏离本发明所定义的精神及范畴条件下，可依据实际情况进行各种变化和调整。

本发明针对现存富阳燃烧技术的局限性并以此为基础提出一种循环流化床加压富氧燃烧装置及方法。本发明装置适用于高压或高氧浓度循环流化床燃烧，通过选取较细粒径燃料，床料及调整灰循环倍率，以循环灰作为载热介质，利用灰循环将炉膛内热量输送至外置式换热器13和下游受热面。本发明能够大大减小锅炉本体及辅机体积，并彻底解决炉膛内因受热面布置不充分导致温度难以控制的问题。

本发明循环流化床加压富氧燃烧装置的一种实施例结构如图1所示。该装置由风室2、布风板4、增压炉膛1、旋风分离器8、返料器11和外置式换热器13构成。

增压炉膛1分为下部密相区和上部稀相区，锅炉炉膛1内只进行燃料的燃烧，内部不设置任何形式的受热面，增压炉膛1的供风沿炉膛高度分两级送入炉膛，即下部供风口3和上部供风口6，各级供风的氧浓度可通过调节氧气和循环烟气的比例进行控制。

增压炉膛1出口烟温设定为850℃-900℃。炉膛内携带着循环物料的高温烟气经炉膛顶部水平烟道7进入旋风分离器8，高温、高压烟气携带着未完全燃尽的燃料颗粒、细颗粒床料、循环灰及炉膛内的热量经过增压炉膛尾部出口和水平烟道进入旋风分离器8，进行气固分离处理。

旋风分离器8对所述含有循环物料的高温烟气进行气固分离，调高旋风分离器8的分离效率，使烟气中更多循环物料被分离。分离后的高温灰颗粒通过下料管9经控制阀17调节进入返料器11或外置式换热器13。分离后的高温烟气经旋风分离器8上部中心筒10将部分热量带入下游受热面。

下游受热面可由再热器、空预器和省煤器构成，高温烟气在此处释放热量。

返料器11为U型结构，四周由膜式水冷壁构成。返料器11出口连接炉膛下部，起维持循环的作用。

外置式换热器13四周由膜式水冷壁构成，流化风为再循环烟气，入口处循环灰温度850℃-900℃，出口循环灰温度设定为400℃-450℃。

布置在外置式换热器13的受热面为蒸发器、过热器14和再热器15。外置换热器内通过布置过热器14、再热器15和省煤器16等吸收循环灰夹带的热量，同时兼顾主循环回路的送灰功能，外置式换热器13从上至下依次为过热器14、再热器15、省煤器16，过热器14与外置式换热器进料管12连接，省煤器16与第一返料管18连接。

进一步的，所述返料器及外置式换热器分别向炉膛的下部返回循环物料。低温循环灰返料量根据炉内燃烧状况经调控进入炉膛下部，达到利用循环灰携带炉膛热量控制炉膛温度分布的目的。

进一步的，布置在外置式换热器中的受热面可以为过热器、再热器、蒸发受热面和省煤器。所述外置式换热器吸收高温循环灰携带的热量。

本循环流化床加压富氧燃烧装置为保证足够的物料循环给煤的平均粒径控制在0.5-1mm之间，并视需要添加部分平均粒径较细的惰性床料增加循环灰量。选择煤种的低位发热量为24300(kJ/kg)。掺混床料的燃料经炉膛的下部给煤口送入。

循环流化床加压富氧燃烧装置沿炉膛高度分二级配风。一次风由下部供风口3经风室2、布风板4送入增压炉膛1。二次风口布置在增压炉膛1稀相区底部。分级配风后可依据实际情况灵活调整炉膛内各区域的燃烧份额，进一步结合炉内循环状况调节配风比例，从而在控制炉膛温度分布的同时减少循环烟气量，降低循环风机能耗。

具体的加压富氧燃烧方法，包括：

步骤一：燃料由供煤口5送入增压炉膛1燃烧；

步骤二：循环床料、循环灰及未燃尽燃料携带热量经过水平烟道7进入旋风分离器8进行气固分离；

步骤三：旋风分离器8中的高温烟气经中心筒10进入下游受热面，循环物料则通过下料管9分别进入返料器11和外置式换热器13；

步骤四：循环物料在外置式换热器13中释放热量后形成低温循环灰经过第二返料管19与第一返料管18中的高温循环灰混合后进入增压炉膛1完成一次循环过程。

为保证装置内存在足够的物料循环量，供煤口5输送燃料的平均粒径控制在0.5mm-1mm之间；视需要可添加部分平均粒径较细的惰性床料（河沙、石英砂等）

装置运行过程中不排渣或仅排粗渣，使用较细粒径燃料并视需要掺混细颗粒床料，并调节循环倍率达到100以上，从而大量增加装置内的循环灰量。调整炉膛出口烟温和返料温，使投料的低位发热量和返料焓的总热量近似等于外置式换热器13释放的热量，通过循环灰带走炉膛内的热量，从而实现炉膛内的热量平衡。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。