采用三通道分流控制返料器的油页岩半焦流化床燃烧系统

摘要

一种采用三通道分流控制返料器的油页岩半焦流化床燃烧系统，包括半焦输送管（1）、炉膛（2）、料仓（3）、给料机（4）、一次风风箱（5）、冷渣器（6）、二次风口（7）、三通道分流控制返料器（8）、立管（9）、汽包（10）、分离器（11）、尾部烟道（12）、冷灰器（13）、空预器（14）、除尘器（15）、烟筒（16）。采用三通道分流控制返料器（8）对返料灰路径进行定向控制，整个系统可在不同的运行状态（鼓泡流化床与循环流化床）间进行有效切换，使燃烧装置既具有较高的燃烧效率，又具有较稳定的燃料着火特性，从而在较大的热值范围内，实现油页岩半焦的高效、洁净燃烧利用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用三通道分流控制返料器的油页岩半焦流化床燃烧系统，可根据入炉油页岩半焦或油页岩半焦与油页岩细渣混合物的热值大小，通过三通道分流控制返料器改变返料灰路径，从而在较宽泛的热值范围内，实现油页岩半焦的高效、洁净燃烧利用，本发明属于低热值固体燃料燃烧技术领域。

背景技术

油页岩是一种高灰分、低热值的固体可燃有机矿体，呈纹理细密的黑色或棕色片状，低温干馏可获得类似天然石油的页岩油。根据目前全球油页岩资源储量统计结果，将它折算成页岩油，可以达到4,000多亿吨，相当于目前世界天然原油探明可采储量的5.4倍；它的储量折算成发热量仅次于煤而列第二位。其中，我国油页岩资源探明储量换算成页岩油约为24亿吨。因此，从储量和利用价值来看，油页岩是很有发展前途的重要的替代能源。随着油页岩干馏成本相对原油生产成本的相对降低，油页岩作为一种重要的替代能源以其巨大的储量，愈发引起全世界的关注。油页岩资源的大力开发，对于我国缓解能源短缺压力、推动经济持续健康发展、能源发展多元化的战略具有重要意义。目前油页岩的开发利用主要以干馏提取页岩油为主。油页岩干馏后生成的固体物质称为油页岩半焦。油页岩半焦含有一部分的有机物以及较大份额的灰分，由于干馏工艺条件以及原始油页岩物性上的差异，导致干馏后半焦的热值波动性较大，约2500~5000kJ/kg。对于低热值（小于3600kJ/kg）半焦，由于热量难以开发利用，通常与筛分后的油页岩细渣一同回填到开采池中，对环境污染较大。如果能对低热值半焦进行燃烧开发利用，燃烧后产生的油页岩灰渣即可作为水泥添加剂实现综合利用。同时，燃烧产生的热能还能提供热风、热烟气等热介质，可满足不同工艺的要求。因此，如何在保证高热值油页岩半焦利用率的同时，加大对低热值油页岩半焦的开发利用，是一个迫切需要解决的问题。目前尚未有相关技术公开报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术不足，提出一种采用三通道分流控制返料器的油页岩半焦流化床燃烧系统，在保证高热值半焦燃烧利用的同时，兼顾对低热值半焦的燃烧利用（最低可纯燃热值2500kJ/kg的油页岩半焦），实现油页岩半焦的高效、洁净利用。

为实现这一目的，在本发明的流化床燃烧系统中，炉膛内不布置任何受热面，针对不同入炉热值的油页岩半焦以及油页岩半焦与油页岩细渣的混合物，采用三通道分流控制返料器对返料灰路径进行定向控制，整个系统可在不同的运行状态（鼓泡流化床与循环流化床）间进行有效切换，使燃烧装置既具有较高的燃烧效率，又具有较稳定的燃料着火特性，从而在较大的热值范围内，实现油页岩半焦的高效、洁净燃烧利用。

本发明所涉及的一种采用三通道分流控制返料器的油页岩半焦流化床燃烧系统，包括半焦输送管、炉膛、料仓、给料机、一次风风箱、冷渣器、二次风口、三通道分流控制返料器、立管、汽包、分离器、尾部烟道、冷灰器、空预器、除尘器、烟筒。由于油页岩半焦热值很低，为保证炉膛内的稳定燃烧工况，炉膛内不布置任何受热面。通过采用三通道分流控制返料器，调节进入炉膛的返料灰的灰量和灰温，来控制炉膛的燃烧温度，同时回收返料灰的热量。三通道分流控制返料器由三个返料仓（返料仓一仓、返料仓二仓以及返料仓三仓）和一个换热仓组成，分离器分离下来的返料灰经立管首先进入返料仓二仓内，根据炉膛内不同的燃烧工况，结合不同的灰渣流动（溢流或底流）以及隔墙高度的不同，通过风帽配风实现对返料灰流动的定向控制。换热仓内设置有埋管受热管束，受热工质为饱和水或过冷水。炉膛布风板与三通道分流控制返料器换热仓布风板的面积比为0.5~2。返料仓一仓高隔墙与换热仓低隔墙之间的高度差为100mm~500mm。

本发明的原理及工作过程如下：

干馏后的油页岩半焦经半焦输送管直接进入炉膛内进行燃烧，而筛分后产生的油页岩细渣（小于3mm）则存储于料仓内，由给料机送入炉膛内燃烧。炉膛燃烧温度为800℃~950℃，根据入炉油页岩半焦以及油页岩半焦与油页岩细渣混合物的热值，通过三通道分流控制返料器对返料灰流动路径进行定向控制，从而在宽泛的热值范围内，实现半焦的高效、洁净利用。具体方式为：

当油页岩半焦或油页岩半焦与油页岩细渣混合物的热值为2500kJ/kg~3600kJ/kg时，炉膛内处于鼓泡流化床状态，烟气携带少量飞灰进入高温分离器。分离器分离下来的返料灰经立管首先进入三通道分流控制返料器的返料仓二仓。此时返料仓一仓、返料仓二仓和返料仓三仓均处于流化状态，而换热仓处于未流化状态。返料灰以底流方式经底流隔墙进入返料仓一仓和返料仓三仓。返料仓三仓内设置有排灰口，全部返料灰经排灰口进入呈流化床状态的冷灰器内。此时炉膛燃烧所需的空气首先进入冷灰器内的换热管与来自返料仓三仓的热灰进行热交换，经加热后的空气继续进入尾部烟道内的空预器与高温烟气进行热交换，换热后的空气进入带振动、防堵功能的移动式冷渣器内的换热管中，与炉膛排出的高温底渣进行换热。完成换热后的高温空气全部作为流化风进入一次风风箱。给水首先进入尾部烟道内的对流受热面与高温烟气进行换热，换热后产生的热水直接可作为用户的工艺用水。

当油页岩半焦或油页岩半焦与油页岩细渣混合物的热值大于3600kJ/kg且返料灰灰温大于600℃时，分离器分离下来的返料灰经立管首先进入三通道分流控制返料器的返料仓二仓。此时返料仓一仓、返料仓二仓、返料仓三仓和换热仓均处于流化状态，返料灰通过返料仓三仓与换热仓之间的底流孔进入换热仓内。由于换热仓低隔墙的隔墙高度较返料仓一仓高隔墙的隔墙高度低，因此返料灰不能从返料仓一仓以溢流方式经高隔墙返回炉膛内，只能从换热仓以溢流方式经低隔墙返回炉膛内。此时炉膛运行在循环流化床状态。根据炉膛燃烧温度，换热仓中的循环灰可以全部返回炉膛，也可以部分返回炉膛。当返料灰部分返回炉膛时，其余的返料灰也可以排入呈流化床状态的冷灰器中。燃烧所需的空气首先进入冷灰器内的换热管与来自换热仓的热灰进行热交换（如果冷灰器投运），或者燃烧所需空气经空气旁路直接进入尾部烟道内的空预器与高温烟气进行热交换（如果冷灰器未投运），完成换热后的空气进入带振动、防堵功能的移动式冷渣器内的换热管中，与炉膛排出的高温底渣进行换热。完成换热后的高温空气一部分作为二次风从二次风口进入炉膛内，另一部分作为流化风直接进入一次风风箱。给水首先进入尾部烟道内的对流受热面与高温烟气进行换热，换热后的给水首先进入汽包，汽包内的高温水依次流经换热仓内的埋管受热面入口联箱、埋管受热管束、埋管受热面出口联箱，与换热仓内的返料灰进行热交换，换热后产生的汽水混合物回到汽包内进行汽水分离，最终产生的蒸汽可作为用户的工艺用汽（如干燥、取暖、发电等）。

当油页岩半焦或油页岩半焦与油页岩细渣混合物的热值大于3600kJ/kg且返料灰灰温小于600℃时，分离器分离下来的返料灰经立管首先进入三通道分流控制返料器的返料仓二仓。此时返料仓一仓、返料仓二仓和返料仓三仓均处于流化状态，而换热仓处于未流化状态。返料灰以底流方式经底流隔墙进入返料仓一仓和返料仓三仓。返料仓三仓内的排灰口处于关闭状态，全部返料灰从返料仓一仓以溢流方式经高隔墙返回炉膛内。此时炉膛运行在循环流化床状态，而冷灰器与三通道分流控制返料器的换热仓则处于停运状态。燃烧所需的空气经空气旁路直接进入尾部烟道内的空预器与高温烟气进行热交换，完成换热后的空气进入带振动、防堵功能的移动式冷渣器内的换热管，与炉膛排出的高温底渣进行换热。完成换热后的高温空气一部分作为二次风从二次风口进入炉膛内，另一部分作为流化风直接进入一次风风箱。给水首先进入尾部烟道内的对流受热面与高温烟气进行换热，换热后产生的汽水混合物进入汽包内进行汽水分离，最终产生的热水及部分蒸汽可作为用户的工艺用汽（如干燥、取暖、发电等）。

上述三种情况下，燃烧产生的高温烟气经分离器进行气固分离后，与尾部烟道内的受热面依次进行热交换，完成换热的烟气经除尘器除尘后由烟筒排入大气。冷渣器和冷灰器排出的灰渣温度均不高于150℃，与除尘器捕获的飞灰一并送入灰仓内，作为建材储备。

本发明的优点是：（1）通过采用三通道分流控制返料器，调节进入炉膛的返料灰的灰量和灰温，从而控制炉膛的燃烧温度；同时充分利用灰渣流动（溢流或底流）特性以及隔墙高度的不同，通过风帽配风实现对返料灰流动的定向控制。在加大对不同热值半焦适应性的同时，兼顾不同的工艺用能要求，且整个流化床燃烧系统简单、高效、可操作性强；（2）加大对尾部烟气、底渣、返料灰的余热利用，设置多级换热器回收上述余热并最终返送回炉膛，在最大程度上保证了低热值半焦在炉内的连续稳定燃烧；（3）通过改变冷灰器的进灰方式（从返料仓三仓进灰和从换热仓进灰）以及是否投运换热仓，不仅能较大幅度地调节炉膛燃烧温度，也能在一定程度上调节工质（汽水或空气）的吸热比例，从而提高燃烧装置对不同热值半焦的适应性并进一步满足用户工艺对能源种类（热水、蒸汽、高温空气、高温烟气等）的特定要求。（4）采用流化床燃烧技术对油页岩半焦进行开发利用，燃烧效率高且属于低温燃烧，可有效控制NO_X和SO₂的生成与排放，同时有利于保持灰渣的活性。（5）本系统同样适用于与油页岩半焦具有类似物性的低热值固体燃料。

附图说明：

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为三通道分流控制返料器的结构示意图；

图4为图3的B-B剖视图；

上述图中，1为半焦输送管、2为炉膛、3为料仓、4为给料机、5为一次风风箱、6为冷渣器、7为二次风口、8为三通道分流控制返料器、8-1为埋管受热面入口联箱、8-2为埋管受热面出口联箱、8-3为换热仓、8-4为埋管受热管束、8-5为底流孔、8-6为返料仓三仓、8-7为排灰口、8-8为返料仓二仓、8-9为底流隔墙、8-10为风帽、8-11为返料仓一仓、8-12为高隔墙、8-13为低隔墙、9为立管、10为汽包、11为分离器、12为尾部烟道、13为冷灰器、14为空预器、15为除尘器、16为烟筒。

具体实施方式：

下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步描述。

一种采用三通道分流控制返料器的油页岩半焦流化床燃烧系统，如图1、图2、图3、图4所示，该系统包括半焦输送管1、炉膛2、料仓3、给料机4、一次风风箱5、冷渣器6、二次风口7、三通道分流控制返料器8、立管9、汽包10、分离器11、尾部烟道12、冷灰器13、空预器14、除尘器15、烟筒16。由于油页岩半焦热值很低，为保证炉膛2内的稳定燃烧工况，炉膛2内不布置任何受热面。通过采用三通道分流控制返料器8，调节进入炉膛的返料灰的灰量和灰温，来控制炉膛2的燃烧温度，同时回收返料灰的热量。三通道分流控制返料器8由三个返料仓（返料仓一仓8-11、返料仓二仓8-8以及返料仓三仓8-6）和一个换热仓8-3组成，分离器11分离下来的返料灰经立管9首先进入返料仓二仓8-8内，根据炉膛2内不同的燃烧工况，结合不同的灰渣流动（溢流或底流）以及隔墙高度的不同，通过风帽8-10配风实现对返料灰流动的定向控制。换热仓8-3内设置有埋管受热管束8-4，受热工质为饱和水或过冷水。炉膛2布风板与三通道分流控制返料器8换热仓布风板的面积比为0.5~2。返料仓一仓8-11高隔墙8-12与换热仓8-3低隔墙8-13之间的高度差为100mm~500mm。

本系统的原理及工作过程如下：

干馏后的油页岩半焦经半焦输送管1直接进入炉膛2内进行燃烧，而筛分后产生的油页岩细渣（小于3mm）则存储于料仓3内，由给料机4送入炉膛2内燃烧。炉膛2燃烧温度为800℃~950℃，根据入炉油页岩半焦以及油页岩半焦与油页岩细渣混合物的热值，通过三通道分流控制返料器8对返料灰流动路径进行定向控制，从而在宽泛的热值范围内，实现半焦的高效、洁净利用。具体方式为：

当油页岩半焦或油页岩半焦与油页岩细渣混合物的热值为2500kJ/kg~3600kJ/kg时，炉膛2内处于鼓泡流化床状态，烟气携带少量飞灰进入高温分离器11。分离器11分离下来的返料灰经立管9首先进入三通道分流控制返料器8的返料仓二仓8-8。此时返料仓一仓8-11、返料仓二仓8-8和返料仓三仓8-6均处于流化状态，而换热仓8-3处于未流化状态。返料灰以底流方式经底流隔墙8-9进入返料仓一仓8-11和返料仓三仓8-6。返料仓三仓8-6内设置有排灰口8-7，全部返料灰经排灰口8-7进入呈流化床状态的冷灰器13内。此时炉膛2燃烧所需的空气首先进入冷灰器13内的换热管与来自返料仓三仓8-6的热灰进行热交换，经加热后的空气继续进入尾部烟道12内的空预器14与高温烟气进行热交换，换热后的空气进入带振动、防堵功能的移动式冷渣器6内的换热管中，与炉膛2排出的高温底渣进行换热。完成换热后的高温空气全部作为流化风进入一次风风箱5。给水首先进入尾部烟道12内的对流受热面与高温烟气进行换热，换热后产生的热水直接可作为用户的工艺用水。

当油页岩半焦或油页岩半焦与油页岩细渣混合物的热值大于3600kJ/kg且返料灰灰温大于600℃时，分离器11分离下来的返料灰经立管9首先进入三通道分流控制返料器8的返料仓二仓8-8。此时返料仓一仓8-11、返料仓二仓8-8、返料仓三仓8-6和换热仓8-3均处于流化状态，返料灰通过返料仓三仓8-6与换热仓8-3之间的底流孔进入换热仓8-3内。由于换热仓8-3低隔墙8-13的隔墙高度较返料仓一仓8-11高隔墙8-12的隔墙高度低，因此返料灰不能从返料仓一仓8-11以溢流方式经高隔墙8-12返回炉膛2内，只能从换热仓8-3以溢流方式经低隔墙8-13返回炉膛2内。此时炉膛2运行在循环流化床状态。根据炉膛2燃烧温度，换热仓8-3中的循环灰可以全部返回炉膛2，也可以部分返回炉膛2。当返料灰部分返回炉膛2时，其余的返料灰也可以排入呈流化床状态的冷灰器13中。燃烧所需的空气首先进入冷灰器13内的换热管与来自换热仓8-3的热灰进行热交换（如果冷灰器13投运），或者燃烧所需空气经空气旁路直接进入尾部烟道12内的空预器14与高温烟气进行热交换（如果冷灰器13未投运），完成换热后的高温空气一部分作为二次风从二次风口7进入炉膛2内，另一部分作为流化风直接进入一次风风箱5。给水首先进入尾部烟道12内的对流受热面与高温烟气进行换热，换热后的给水首先进入汽包10，汽包10内的高温水依次流经换热仓内的埋管受热面入口联箱8-1、埋管受热管束8-4、埋管受热面出口联箱8-2，与换热仓8-3内的返料灰进行热交换，换热后产生的汽水混合物回到汽包10内进行汽水分离，最终产生的蒸汽可作为用户的工艺用汽（如干燥、取暖、发电等）。

当油页岩半焦或油页岩半焦与油页岩细渣混合物的热值大于3600kJ/kg且返料灰灰温小于600℃时，分离器11分离下来的返料灰经立管9首先进入三通道分流控制返料器8的返料仓二仓8-8。此时返料仓一仓8-11、返料仓二仓8-8和返料仓三仓8-6均处于流化状态，而换热仓8-3处于未流化状态。返料灰以底流方式经底流隔墙8-9进入返料仓一仓8-11和返料仓三仓8-6。返料仓三仓8-6内的排灰口处于关闭状态，全部返料灰从返料仓一仓8-11以溢流方式经高隔墙8-12返回炉膛2内。此时炉膛2运行在循环流化床状态，而冷灰器13与三通道分流控制返料器8的换热仓8-3则处于停运状态。燃烧所需的空气经空气旁路直接进入尾部烟道12内的空预器14与高温烟气进行热交换，完成换热后的空气进入带振动、防堵功能的移动式冷渣器6内的换热管，与炉膛2排出的高温底渣进行换热。完成换热后的高温空气一部分作为二次风从二次风口7进入炉膛2内，另一部分作为流化风直接进入一次风风箱5。给水首先进入尾部烟道12内的对流受热面与高温烟气进行换热，换热后产生的汽水混合物进入汽包10内进行汽水分离，最终产生的热水及部分蒸汽可作为用户的工艺用汽（如干燥、取暖、发电等）。

上述三种情况下，燃烧产生的高温烟气经分离器11进行气固分离后，与尾部烟道12内的受热面依次进行热交换，完成换热的烟气经除尘器15除尘后由烟筒16排入大气。冷渣器6和冷灰器13排出的灰渣温度均不高于200℃，与除尘器15捕获的飞灰一并送入灰仓内，作为建材储备。