加压富氧燃烧循环流化床锅炉及其方法与流程

2021-02-26 17:02:00|

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本发明涉及一种加压富氧燃烧循环流化床锅炉及其方法。

背景技术：

近年来，co2排放量随着世界经济和工业化的飞速发展急剧上升，由此带来的温室效应对人类生存环境的影响日益严重。根据中国煤炭协会的数据，2016年中国煤炭消费量达34.6亿吨，其中电力行业耗煤量约为18亿吨，是温室气体排放的最大贡献者。

o2/co2富氧燃烧技术作为能够有效控制co2排放的技术之一受到各国学者的重视。o2/co2富氧燃烧将空气中分离出来的o2与再循环烟气混合后送入炉膛与化石燃料燃烧，来提高尾部烟气中co2的浓度，实现co2的高效捕集。富氧燃烧技术被认为是目前减缓燃煤电厂co2排放最具应用前景的技术之一。富氧燃烧循环流化床技术结合了富氧燃烧和循环流化床燃烧这两者的优点：燃料适应性广，能高效燃烧劣质燃料；有效降低so2和nox的排放；循环流化床锅炉中存有大量的惰性床料，更易实现从空气燃烧到富氧燃烧的转换等。然而，传统的常压富氧燃烧技术存在co2捕集能耗较高的问题，制约了该技术的工业应用。近几年提出的加压富氧燃烧co2捕集技术，从空分装置、炉膛燃烧到烟气压缩捕集co2的全过程都在高压条件下完成的。相比常压富氧燃烧，加压富氧燃烧存在几个显著的优势：全过程都在高压条件下完成，降低了因压力大幅度变化引起的能量损失；在高压条件下，能够显著提升尾部烟气中水蒸气的凝结温度，通过回收排烟中水蒸气汽化潜热来降低排烟损失；炉膛燃烧化学反应变快，传热效率提高；设备尺寸减小，初始投资降低。

当采用加压富氧燃烧技术时，在确保一定的炉膛空截面流化速度时，随着炉膛入口氧浓度和压力的升高，烟气体积不断减小，炉膛横截面积减小，炉膛布置受热面能力减弱，炉膛温度控制的问题将更加突出。同时，若锅炉各部分受热面的吸热份额分配不合理，还会带来更多的问题。当随着炉膛入口氧浓度和压力的升高，如果外置式换热器中全部布置过热器，将会带来以下问题。首先，在保证炉膛出口烟温的条件下，尾部烟道过热器的吸热量大幅减小，低温过热器出口烟温升高，省煤器吸热量增加过多，甚至导致省煤器出口工质的沸腾度过高；其次，外置式换热器和屏式过热器吸热量大幅增加也会带来屏式过热器出口汽温过高的问题。

技术实现要素：

为解决加压富氧燃烧循环流化床炉膛温度控制困难、传热温差较低以及蒸汽超温及省煤器沸腾度过高等问题，本发明提供一种加压富氧燃烧循环流化床锅炉，其在高温旋风分离器的下落管与加压流化床炉膛的密相区之间设置分级布置的外置式换热器，以合理分配锅炉各部分的吸热份额，使炉膛温度控制在合适的区间，各受热面的传热温差等在合理的参数范围内运行。解决了因高压力及高氧浓度造成的加压炉膛温度控制困难、屏式过热器出口蒸汽超温及省煤器沸腾度过高等问题，并缓解炉膛布置受热面的压力。

为实现上述的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：

一种加压富氧燃烧循环流化床锅炉，包括按照烟气流向顺序设置的加压流化床炉膛、高温旋风分离器以及尾部烟道，同时，在高温旋风分离器的下落管与加压流化床炉膛的密相区之间，设置有返料器，高温旋风分离器的下落管与加压流化床炉膛的密相区之间，还设置有分级布置的外置式换热器，该分级布置的外置式换热器包括第一、第二级外置式换热器；在高温旋风分离器的下落管出口，通过旁路引出的两根输送管a，一一对应连接至与第一、第二级外置式换热器，第一、第二级外置式换热器串联后，通过输送管b连接至加压流化床炉膛的密相区，输送管a上通过安装针型阀分配引入各级外置式换热器的循环灰量。

进一步地，所述的尾部烟道中，按照烟气流向，顺序布置高温过热器、低温过热器、尾部省煤器以及氧气预热器；所述的第一级外置式换热器中，布置中温过热器以及换热器，而第二级外置式换热器中，则布置蒸发受热面以及外置省煤器；外置省煤器与尾部省煤器并列运行。

进一步地，所述的加压流化床炉膛，从下而上分为两部分，处于下方的部分为密相区，处于上方的部分为稀相区；密相区布置埋管受热面，稀相区四周壁面布置膜式水冷壁。

进一步地，所述密相区的横截面积小于稀相区的横截面积。

进一步地，所述加压流化床炉膛在紧靠着稀相区的出口位置处，布置有屏式过热器.

本发明的另一个技术目的是提供一种基于上述加压富氧燃烧循环流化床锅炉的方法，包括以下步骤：在加压流化床炉膛中，化石燃料燃烧产生的烟气，依次经加压流化床炉膛的密相区、稀相区后，流至高温旋风分离器；在高温旋风分离器中，来自加压流化床炉膛的高温烟气经离心力作用而气固分离，其中：分离后的灰分，一部分经高温旋风分离器的下落管进入返料器，以收集储存来自高温旋风分离器分离出的灰分，并将所收集储存的灰分输送至加压流化床炉膛的密相区，另一部分经高温旋风分离器的下落管旁设的两根输送管a，一一对应输送至第一、第二级外置式换热器中换热，温度降低后，再被输送到加压流化床炉膛的密相区来控制炉膛的温度；分离后的气相，通过中心管引入尾部烟管，依次经过高温过热器、低温过热器、尾部省煤器以及氧气预热器的换热处理后，能够实现co2的高效捕集。

进一步地，通过调整两根输送管a上的针型阀，以调控第一级外置式换热器中中温过热器、再热器以及第二级外置式换热器中蒸发受热器和外置省煤器的吸热比例，以整体调控过热器系统吸热量、再热器系统吸热量、蒸发器的吸热量及省煤器系统吸热量配比，并提高尾部烟道各受热面的传热温差；所述的过热器系统包括分别布置在尾部烟管中的高温过热器、低温过热器以及布置在第一级外置式换热器中的中温过热器；再热器系统包括布置在第一级外置式换热器中的再热器；省煤器系统包括布置在尾部烟管中的尾部省煤器以及布置在第二级外置式换热器中的外置省煤器。

进一步地，当化石燃料在常压下燃烧，随着炉膛入口平均氧浓度从25%上升到40%，且从旋风分离器的下落管输送至第一、第二级外置式换热器中的灰分的进口温度达到炉膛设计温度850℃时，分别调整两根输送管a上的两个针型阀，使得分流输入分级布置的外置式换热器中灰分占比从0.47上升到0.8时，分级布置的外置式换热器的灰分出口温度从500℃下降到430℃时，尾部烟道中低温过热器的出口烟温从300℃逐渐提高到500℃，以逐步提高外置式换热器总吸热份额，有效地控制炉膛温度的同时提高了尾部受热面传热温差。

进一步地，在0.3mpa燃烧下，当炉膛入口平均氧浓度为30%时，外置式换热器灰分进口温度850℃，进入分级布置的外置式换热器的灰分总比例为0.8，其中，分流输入第一级外置式换热器的灰分占比为高温旋风分离器分离后总灰分的0.48，而分流输入第二级外置式换热器的灰分占比为高温旋风分离器分离后总灰分的0.32，使得从第二级外置式换热器中输出的灰分的出口温度控制在430℃时，当中温过热器中的工质温度为400℃-500℃，采用两级外置式换热器布置方式相较于一级外置式换热器能够有效的减少总换热面积20-37.5%。

根据上述的技术方案，相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明在高温旋风分离器的下落管与加压流化床炉膛的密相区之间，还设置有分级布置的外置式换热器，使得高温旋风分离器的下落管输出的循环灰，可以通过该分级布置的外置式换热器分流降温处理后返回加压流化床炉膛的密相区，以合理分配锅炉各部分的吸热份额，使炉膛温度控制在合适的区间，各受热面的传热温差等在合理的参数范围内运行。

2、本发明采用分级布置的外置式换热器，加压（比如0.3mpa）富氧（炉膛入口平均氧浓度为25-40%）的燃烧环境下，可以通过将尾部省煤器的部分受热面移入第二级外置式换热器来降低尾部省煤器的沸腾度。具体地，当炉膛入口平均氧浓度为40%，将部分省煤器受热面移入外置式换热器后，尾部省煤器吸热份额降低到19%，即省煤器沸腾度有所降低，满足省煤器沸腾度的极限要求（当尾部省煤器吸热份额超过20%时，尾部省煤器中沸腾度将超过限制）。

3、本发明中，分级布置的外置式换热器中包括中温过热器、再热器、蒸发受热面和省煤器受热面等多种受热面，将外置式换热器分两级布置，第一级外置式换热器中布置过热器和再热器，第二级外置式换热器中布置蒸发受热面和省煤器，使两级外置式换热器中的受热面获得合适的传热温差，减小传热面积，相对于仅布置一级外置式换热器来说，两级布置的外置式换热器可以有效地降低造价成本。

4、本发明采用分级布置的外置式换热器，在加压富氧的燃烧环境下，可以通过调整引入第一、第二级外置式换热器中的灰分，来缓解炉膛布置受热面的压力，减小尾部过热器吸热份额，提高尾部过热器出口烟温，提高尾部烟道受热面的传热温差。具体地，在常压燃烧下，随着炉膛入口平均氧浓度的升高，外置式换热器循环灰进口温度达到850℃时，通过配置外置式换热器中循环灰的比例，比如外置式换热器中循环灰为总灰分的0.47增加至0.8时，外置式换热器的出口温度（循环灰返回炉膛的温度）从500℃降到430℃，而尾部过热器出口烟温从300℃逐渐提高到500℃，有效的控制炉膛温度同时提高了尾部受热面传热温差，在加压燃烧时，同样合理的分配外置式换热器总吸热份额，也能进一步的改善传热温差。。

5、本发明采用分级布置的外置式换热器，当外置式换热器中过热器工质温度较高时，外置式换热器分级布置能够大幅降低外置式换热器的受热面的布置，比如：过热器工质温度为400℃，外置式分级换热器中总的受热面面积相较于单一的外置式换热器（比如不具有第二级外置式换热器，仅包括一级外置式换热器）减少20%左右；过热器工质温度提高到500℃，外置式分级换热器中总的受热面面积相较于单一的外置式换热器（比如不具有第二级外置式换热器，仅包括一级外置式换热器）减少37.5%左右。

综上所述，本发明所述的加压富氧燃烧循环流化床锅炉具有如下优点：

1、适用于高压力及高氧浓度的加压富氧燃烧，能够合理的控制加压流化床炉膛的温度及炉膛空截面流化速度，确保化石燃烧在炉膛内的停留时间，保证其充分燃烧，即便劣质燃料，也能够高效燃烧，燃料适应性广；

2、能够有效的解决因高压力及高氧浓度造成的加压炉膛温度控制困难、传热温差较低、屏式过热器出口蒸汽超温及省煤器沸腾度过高等问题，缓解炉膛布置受热面的压力。

附图说明

图1为一种新型的加压富氧燃烧循环流化床锅炉。

图中标号：1-加压流化床炉膛；2-密相区；3-稀相区；4-高温旋风分离器；5-中心管；6-返料器；7-下落管；81-针型阀a；82-针型阀b；9-第一级外置式换热器；10-第二级外置式换热器；11-高温过热器；12-低温过热器；13-尾部省煤器；14-氧气预热器；15-屏式过热器；16-埋管受热面；17-膜式水冷壁；18-中温过热器；19-再热器；20-蒸发受热面；21-外置省煤器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)。

本发明的灵感来自于现有加压富氧燃烧技术的技术性缺陷，并以此为基础提出一种新型的加压富氧燃烧循环流化床锅炉。为解决加压富氧燃烧循环流化床炉膛温度控制困难以及蒸汽超温及省煤器沸腾度过高等问题，该锅炉系统中外置式换热器采用分级串联/并联布置方式，省煤器采用并列布置方式，并合理分配锅炉各部件吸热份额，使各部件在合理的参数范围内运行。

具体地，所述的加压富氧燃烧循环流化床锅炉，如图1，包括加压流化床炉膛1、高温旋风分离器4、返料器6、第一级外置式换热器9、第二级外置式换热器和屏式过热器15以及尾部烟道中的高温过热器11、低温过热器12、省煤器13和氧气预热器14等部件。其中：

加压流化床炉膛1、高温旋风分离器4以及尾部烟道按照烟气流向顺序设置，在高温旋风分离器的下落管与加压流化床炉膛的密相区之间，设置有返料器，高温旋风分离器的下落管与加压流化床炉膛的密相区之间，还设置有分级布置的外置式换热器，该分级布置的外置式换热器包括第一、第二级外置式换热器；在高温旋风分离器的下落管出口，通过旁路引出的两根输送管a，一一对应连接至与第一、第二级外置式换热器，第一、第二级外置式换热器串联后，通过输送管b连接至加压流化床炉膛的密相区，输送管a上通过安装针型阀分配引入各级外置式换热器的循环灰量。

高温过热器、低温过热器、尾部省煤器以及氧气预热器，按照烟气流向，顺序布置在所述的尾部烟道中；所述的第一级外置式换热器中，布置中温过热器以及换热器，而第二级外置式换热器中，则布置蒸发受热面以及外置省煤器；外置省煤器与尾部省煤器并列运行。

本发明加压流化床炉膛1从下而上分为两部分，由密相区2和稀相区3组成。为了确保加压流化床炉膛空截面流化速度一定，密相区的横截面积小于稀相区。为了控制加压流化床炉膛的温度，密相区布置埋管受热面16，稀相区四周壁面布置膜式水冷壁17。随着炉膛入口氧浓度和压力的升高，为确保一定的炉膛空截面流化速度时，炉膛横截面积减小，炉膛布置受热面能力减弱，通过外置式换热器降低循环灰的温度以及在炉膛内布置屏式过热器受热面来控制炉膛温度。

所述加压流化床炉膛在紧靠着稀相区的出口位置处，布置有屏式过热器。

本发明所述的加压富氧燃烧循环流化床锅炉，工作原理如下：

加压流化床炉膛中化石燃料燃烧产生的烟气，由稀相区出口进入高温旋风分离器4。高温旋风分离器借助离心力将高温烟气进行气固分离，分离后的循环灰由下落管7进入返料器6，高温烟气通过中心管5进入尾部烟道，与高温过热器、低温过热器、省煤器和氧气预热器换热后实现co2的高效捕集。

返料器收集储存来自高温旋风分离器分离出的循环灰，出口连接到加压流化床炉膛。针型阀8对高温循环灰进行分流控制，一部分高温循环灰通过返料器直接进入加压流化床炉膛；另一部分高温循环灰进入两级外置式换热器进行换热，温度降低后再被送入加压流化床炉膛来控制炉膛的温度。可以通过对针型阀的调整来控制循环灰分流的大小，来满足不同工况下加压流化床炉膛的换热需求。

第一级外置式换热器中布置中温过热器18和再热器19，第二级外置式换热器中布置蒸发受热面20和省煤器21，使两级外置式换热器中的受热面获得合适的传热温差，第二级外置式换热器中的省煤器与尾部烟道的省煤器并列运行。通过调节进入两级外置式换热器的循环灰量，可对外置式换热器中过热器、再热器、蒸发受热面和省煤器的吸热比例进行调控，从而实现锅炉整个过热器系统吸热量、再热器系统吸热量、蒸发吸热量及省煤器吸热量配比的有效调控，并提高尾部烟道各受热面的传热温差，解决由于加压富氧燃烧条件下流化床炉膛横截面减小而带来的炉膛蒸发受热面布置困难和无法维持炉膛合适温度的问题，且避免了尾部烟道省煤器出口工质沸腾度过高的问题。

因此，基于上述加压富氧燃烧循环流化床锅炉，本发明可以提供一种加压富氧燃烧循环流化床锅炉的工作方法，具体包括以下步骤：在加压流化床炉膛中，化石燃料燃烧产生的烟气，依次经加压流化床炉膛的密相区、稀相区后，流至高温旋风分离器；在高温旋风分离器中，来自加压流化床炉膛的高温烟气经离心力作用而气固分离，其中：

分离后的灰分，一部分经高温旋风分离器的下落管进入返料器，以收集储存来自高温旋风分离器分离出的灰分，并将所收集储存的灰分输送至加压流化床炉膛的密相区，另一部分经高温旋风分离器的下落管旁设的两根输送管a，一一对应输送至第一、第二级外置式换热器中换热，温度降低后，再被输送到加压流化床炉膛的密相区来控制炉膛的温度；

分离后的气相，通过中心管引入尾部烟管，依次经过高温过热器、低温过热器、尾部省煤器以及氧气预热器的换热处理后，能够实现co2的高效捕集。

通过调整两根输送管a上的针型阀，调节进入两级外置式换热器的循环灰量，以调控第一级外置式换热器中中温过热器、再热器以及第二级外置式换热器中蒸发受热器和外置省煤器的吸热比例，以整体调控过热器系统吸热量、再热器系统吸热量、蒸发器的吸热量及省煤器系统吸热量配比，并提高尾部烟道各受热面的传热温差；所述的过热器系统包括分别布置在尾部烟管中的高温过热器、低温过热器以及布置在第一级外置式换热器中的中温过热器；再热器系统包括布置在第一级外置式换热器中的再热器；省煤器系统包括布置在尾部烟管中的尾部省煤器以及布置在第二级外置式换热器中的外置省煤器。

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