一种循环流化床/鼓泡流化床耦合加压富氧燃烧装置

摘要

本发明公开了一种循环流化床/鼓泡流化床耦合加压富氧燃烧装置，包括循环流化床/鼓泡流化床耦合炉膛、风室、布风板、旋风分离器、返料器、外置式换热器、埋管受热面和屏式受热面，其中炉膛采用分级给风和分级给煤，密相区布置埋管受热面，稀相区出口连接至所述旋风分离器；旋风分离器分离炉膛出口烟气中的固体物料，进入返料器及外置式换热器。本发明的装置适用于加压、高入口氧气浓度下固体燃料的燃烧，兼具鼓泡流化床和循环流化床的优点。通过在炉膛下部的鼓泡流化区布置高容积利用率的埋管受热面，能有效解决受热面布置受限的问题，并通过分级给煤、分级给风和分级返料有效控制炉温及炉内温度分布。

说明书

技术领域

本发明涉及一种循环流化床/鼓泡流化床耦合加压富氧燃烧装置，本发明涉及循环流化床燃烧技术领域，特别涉及增压循环流化床富氧燃烧技术领域。

背景技术

化石燃料的燃烧必然会产生以CO₂为代表的温室气体，大量排放的温室气体已对全球气候造成了严重影响。火电站是消费化石能源的重要行业，而我国燃煤电站装机容量在我国电站行业中的占比超过70%。因此，我国迫切需要寻找一种适用于燃煤电站的CO₂捕集技术。在现有的燃煤电站CO₂捕集技术中，富氧燃烧（又称O₂/CO₂燃烧）技术以其成熟、可靠、经济性好等优点受到广泛关注，燃煤富氧燃烧技术分流化床富氧燃烧技术和煤粉炉富氧燃烧技术两类。富氧燃烧是利用空气分离所获得的O₂和部分循环烟气来代替空气与燃料组织燃烧，通过大幅提高排烟中CO₂的浓度来实现CO₂捕集的技术。同时，由于富氧燃烧技术用循环烟气取代空气中的氮气，因此燃料燃烧过程中产生的NOx全部来自于燃料氮，几乎不会产生热力型和快速型NOx，可从源头上降低NOx的排放。

近年来，随着富氧燃烧技术研究的不断深入，已取得了许多阶段性的进展，炉膛入口平均氧浓度由第一代的25%-28%发展至超过50%，但在工程应用等方面还存在诸多问题和挑战。氧浓度的升高减少了再循环烟气量，使循环风机的能耗下降，但也导致循环烟气带出炉膛的热量减少，炉膛体积和截面积减小，受热面布置的难度增加。另外，第一代富氧燃烧技术均采用常压燃烧方式，炉膛运行压力与空气分离装置和CO₂纯化压缩装置之间的压力变化也会消耗大量能量。采用增压富氧燃烧技术，使炉膛的运行压力适当提高，不但能够部分减少因上述压力变化而造成的能量损失，而且增压提高了水蒸气的冷凝温度，并因此能够更高效利用水蒸气冷凝释放的潜热，从而提高电站效率。因此发展增压富氧燃烧技术成为主流趋势。但采用增压富氧燃烧技术使得炉膛体积进一步减少，受热面布置和炉膛温度控制的问题更加突出，严重制约了增压富氧燃烧技术，特别是增压循环流化床富氧燃烧技术的推广和商业化应用。

为解决增压循环流化床富氧燃烧技术受热面布置和炉膛温度控制困难的突出问题，本发明提出了一种创新性的循环流化床/鼓泡流化床耦合加压富氧燃烧装置，该装置采用了燃料分级给料技术、循环灰分级返料技术和炉膛分级配风技术，并将循环流化床和鼓泡流化床有机耦合，能有效地控制炉膛燃烧份额分布和炉内温度分布，此类技术还未见报道。

发明内容

针对现存技术的局限，本发明提出一种增压循环流化床/鼓泡流化床耦合加压富氧燃烧装置。该装置结合鼓泡流化床的优点，在其下部增设埋管受热面，有效解决增压循环流化床富氧燃烧受热面布置困难的问题。同时采用分级配风、分级给煤和循环灰分级返料的技术以此控制炉膛燃烧份额分布及炉膛温度分布。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种循环流化床/鼓泡流化床耦合加压富氧燃烧装置，包括增压炉膛，所述增压炉膛分为依次连接的鼓泡流化态炉膛、过渡流化态炉膛、快速流化态炉膛，所述鼓泡流化态炉膛底部设置有布风板，风室上开设有下部供风口，鼓泡流化态炉膛内设置有埋管受热面，并在其外壁上开设有下部供煤口；所述过渡流化态炉膛上开设有中部供煤口和中部供风口；所述快速流化态炉膛靠近过渡流化态炉膛的部分上开设有上部供煤口和上部供风口，快速流化态炉膛内安装有屏式受热面，快速流化态炉膛的出口经水平烟道连接旋风分离器，所述旋风分离器上出口经中心筒连接尾部烟道，下出口接有下料管，所述下料管分流设置有返料器和外置式换热器，外置式换热器连接下料管的管路为外置式换热器进料管；所述外置式换热器上分别设置有连接鼓泡流化态炉膛的换热器第一管道，连接过渡流化态炉膛的换热器第二管道，连接快速流化态炉膛的换热器第三管道，所述返料器上分别设置有连接换热器第一管道的第一返料管道，连接换热器第二管道的第二返料管道，连接换热器第三管道的第三返料管道。

作为进一步的优选方案，所述鼓泡流化态炉膛的截面面积大于过渡流化态炉膛和快速流化态炉膛的截面面积。

作为进一步的优选方案，所述埋管受热面为高容积利用率的冷水埋管。

作为进一步的优选方案，所述增压炉膛的燃料给入口沿高度分三级分别布置在鼓泡流化态炉膛、过渡流化态炉膛、快速流化态炉膛。燃料经筛分后所得较粗颗粒经由炉膛底部的加料口送入鼓泡流化态炉膛；筛分所得较细燃料经由炉膛中部和上部的加料口送入炉膛。

作为进一步的优选方案，所述返料器及外置式换热器沿炉膛高度分三级分别向炉膛的鼓泡流化态炉膛、过渡流化态炉膛以及快速流化态炉膛返回固体物料。

通过上述技术方案，可获知本发明装置的有益效果在于：

（1）本增压循环流化床装置适用于高氧气浓度下燃烧，能够减小锅炉本体和辅机的体积，从而降低锅炉投资和运营成本。

（2）通过氧气和循环烟气在炉膛不同高度处通入，实现分级供氧，配合燃料分级给料技术，有效调控燃烧份额分布和炉膛温度分布；根据需要可减少循环烟气量，降低循环风机能耗。

（3）本装置通过外置式换热器补充炉膛受热面的不足和调节炉膛温度，可通过调节循环灰量，将热量带入外置式换热器吸收，用于解决增压富氧条件下炉膛温度难以控制的问题。

（4）本装置增压炉膛鼓泡段采用埋管换热器来增加炉膛换热面，增加了燃烧装置的换热量以控制增压循环流化床炉膛温度及温度分布，可有效解决增压环境下循环流化床炉膛尺寸缩小造成的受热面布置受限和炉内受热面吸热不足的问题。

（5）本装置通过分级供煤、分级返料和分级供氧实现沿炉高控制燃烧份额的分布，使燃料充分稳定的燃烧。进一步结合受热面布置来达到控制炉温及炉膛内温度分布的目的。

（6）本装置的燃料适应性强，可适用于各种品级的煤、生物质和其他化石燃料的增压流化床富氧燃烧。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

其中，101-鼓泡流化态炉膛；102-过渡流化态炉膛；103-快速流化态炉膛；2-风室；3-布风板；4-埋管受热面；5-屏式受热面； 6-旋风分离器；7-下料管；8-中心筒；9-返料器；10-外置式换热器进料管；11-外置式换热器内受热面；12-外置式换热器；13-下部供风口；14-下部供煤口；15-中部供煤口；16-中部供风口；17-上部供煤口；18-上部供风口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明了，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。在此说明附图经简化处理仅作为例示用。附图中的组件数量、形状以及尺寸可依据实际应用情况进行增减和修改。本发明中也可进行其他方面的实践或应用，且不偏离本发明所定义的精神及范畴的条件下，可进行各种变化以及调整。

本发明的灵感来自于现有增压富氧燃烧技术的技术性缺陷，并以此为基础提出一种增压循环流化床/鼓泡流化床耦合加压富氧燃烧装置。本发明装置适用入口高压高氧气浓度下燃烧，大大减小锅炉本体和辅机体积的同时增加炉内受热面布置，能有效解决受增压后炉体减小的影响导致的受热面布置受限问题，并通过分级给煤、分级供风、分级返料和受热面合理匹配调控炉膛内燃烧份额及炉内温度分布从而提高增压炉膛内部的换热量，保证安全稳定的运行。

一种循环流化床/鼓泡流化床耦合加压富氧燃烧装置，包括增压炉膛，增压炉膛四周可由膜式水冷壁构成，并在结构从下至上依次连接的鼓泡流化态炉膛101、过渡流化态炉膛102、快速流化态炉膛103，其中鼓泡流化态炉膛101横截面积较大，实施鼓泡流化态；快速流化态炉膛103横截面积较小实施快速流化态，表现出上窄下宽的结构布局。

鼓泡流化态炉膛101底部设置有布风板3，风室2上开设有下部供风口13，鼓泡流化态炉膛102内设置有埋管受热面4，并在其外壁上开设有下部供煤口14。

炉膛采用分级给风和分级给煤，过渡流化态炉膛102上开设有中部供煤口15和中部供风口16；所述快速流化态炉膛103靠近过渡流化态炉膛102的部分上开设有上部供煤口17和上部供风口18，快速流化态炉膛103内安装有屏式受热面5，快速流化态炉膛103通向外部的管口处设有旋风分离器6，旋风分离器6上出口经中心筒连接尾部烟道，下出口接有下料管7，所述下料管7分流设置有返料器9和外置式换热器12，外置式换热器12连接下料管7的管路为外置式换热器进料管10；所述外置式换热器12上分别设置有连接鼓泡流化态炉膛101的换热器第一管道，连接过渡流化态炉膛102的换热器第二管道，连接快速流化态炉膛103的换热器第三管道，所述返料器9上分别设置有连接换热器第一管道的第一返料管道，连接换热器第二管道的第二返料管道，连接换热器第三管道的第三返料管道。

鼓泡流态化区传热系数在250W/m²℃-300W/m²℃之间，远高于其他流态化循环流化床炉内传热系数（100W/m²℃-150W/m²℃），内部布置3m-5m高水冷埋管，形成埋管受热面4，增加炉膛密相区受热面布置来增大炉膛换热量。上部快速流态化区可布置屏式换热器5来补充受热面。

增压炉膛产生含循环物料的烟气经增压炉膛顶部出口进入旋风分离器6，进行气固分离处理。分离后所得烟气经由旋风分离器上部中心筒8进入尾部受热面换热。分离后所得循环物料通过下料管7进入返料器9或外置式换热器12。

返料器9为带膜式水冷壁的U型结构。返料器及外置式换热器均分三级向炉膛返回固体物料，具体的说，返料器9一侧分三级出口与炉膛相连，上级出口（第三返料管道）连接换热器第三管道，以通向增压炉膛上部（快速流化态炉膛103）；中级出口（第二返料管道）连接换热器第二管道，以通向增压炉膛鼓泡流态化区和快速流态化区的过渡段（过渡流化态炉膛102）；下级出口（第一返料管道）连接换热器第一管道，以通向增压炉膛下部（鼓泡流化态炉膛101）。通过这种结构实现对热循环灰返料过程的调控，达到控制炉内温度分布的目的。

下料管7的另一侧出口经外置式换热器进料管10与外置式换热器12连接，通过下料管7上的针型阀调节进入外置式换热器12内的灰量。进一步的，外置式换热器12四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750℃-900℃，出口循环灰温度300℃-400℃。布置在外置式换热器的受热面11为蒸发器、过热器和再热器。整个外置式换热器既增加了整体结构的换热面，增大换热量，同时兼顾主循环回路的送灰功能。

外置式换热器12布置三级出口，上级出口（换热器第三管道）连接增压炉膛上部（快速流化态炉膛103）；中级出口（换热器第二管道）链接增压炉膛鼓泡流态化区和快速流态化区的过渡段（过渡流化态炉膛102）；下级出口（换热器第一管道）链接增压炉膛下部（鼓泡流化态炉膛101）；燃料经筛分后所得较粗颗粒经由炉膛底部的加料口加入炉膛，筛分所得较细燃料经由炉膛中部（过渡区）和上部（快速流态化区）的加料口加入炉膛，通过这种结构实现冷循环灰分级返料，达到控制炉内温度分布的目的。

增压富氧循环流化床装置沿增压炉膛沿高度方向分别分三级给煤和三级配风。分为氧气和再循环烟气的一次风由下部供风口13送入增压炉膛。在增压炉膛鼓泡流态化区和快速流态化区的过渡段处，由中部供风口16送入二次风。在快速流态化区由上部供风口18送入三次风（燃尽风）。三级给煤口与三级配风口分别匹配，燃料经粗筛分后，下部供煤口14送入较粗粒径燃料，上部供煤口17送入较细粒径燃料。分级配风和分级给煤后可依据实际情况灵活调整炉膛内各区域的燃烧份额，进一步结合炉内受热面布置调节配风比例，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。

燃料分别经三级给煤口送入增压炉膛内（鼓泡流化态炉膛101、过渡流化态炉膛102、快速流化态炉膛103）燃烧，产生的烟气在旋风分离器6中实现气固分离。气体通过中心筒8进入尾部烟道，分离下来的固体物料经下料管7进入返料器9和外置式换热器12；固体物料经三级返料管道送回增压炉膛不同区段。

本发明的装置适用于加压、高入口氧气浓度下固体燃料的燃烧，兼具鼓泡流化床和循环流化床的优点。通过在炉膛下部的鼓泡流化区布置高容积利用率的埋管受热面，能有效解决加压和高入口氧气浓度条件下炉体尺寸大幅减小而导致受热面布置受限的问题，并通过分级给煤、分级给风和分级返料有效控制炉温及炉内温度分布，从而确保加压富氧燃烧装置的高效、环保和安全稳定运行，并通过降低循环烟气量有效降低循环风机能耗，提升增压富氧燃烧系统的经济性；通过上述各级给煤量、各级风量及其氧浓度、进入外置式换热器和返料器的灰量、返料器和外置式换热器沿炉膛不同高度三级返料量的综合调控，使燃料沿炉膛高度燃烧份额的分布和炉膛受热面合理匹配，在有效降低循环烟气量的同时实现加压富氧燃烧装置的高效、环保和安全稳定运行。

以上所述的具体实施方式，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，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，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。