一种水煤浆低浓度富氧流化悬浮燃烧方法及其锅炉装置与流程

本发明属于水煤浆流化悬浮燃烧技术和水煤浆锅炉技术领域，具体涉及一种水煤浆低浓度富氧流化悬浮燃烧方式及其锅炉装置。

背景技术：
水煤浆燃烧技术被称为煤的洁净燃烧技术，我国从上世纪70年代开始进行水煤浆锅炉试验研究，40年来取得了长足的进步。目前，水煤浆锅炉分为流化悬浮燃烧和雾化悬浮燃烧两种。水煤浆流化悬浮燃烧方式与雾化悬浮燃烧方式相比较具有许多优点，如实现了低温燃烧，解决了水煤浆锅炉容易结焦的世界性的难题，同时抑制了NOx的生成与排放等，因此水煤浆流化悬浮燃烧技术在锅炉领域，尤其是在中小锅炉领域获得了广泛的应用，被称为水煤浆燃烧技术领域的一场革命。但是，水煤浆流化悬浮燃烧方式尚存在对水煤浆燃料的适应性不够宽泛，尤其对掺用劣质煤的水煤浆燃料的适应性差，存在着火燃烧不稳定，燃烧不完全等缺点。传统水煤浆锅炉与其它工业锅炉或炉窑一样，燃料燃烧采用空气进行助燃，从上世纪80年代开始，富氧燃烧作为一种节能技术，在燃煤工业锅炉或电站锅炉上采用富氧局部助燃技术，有见文献报道，对降低燃料的着火温度、提高燃烧温度、改善燃烧稳定性、减少燃料消耗有很好的效果，但是带来了NOx的大幅度增加。及至目前为止，在工业炉窑上有采用氧体积百分比浓度高于50％的富氧空气助燃的试验，所采用的富氧空气制取方法也是目前公认在工业锅炉和工业炉窑上最有应用前途的膜富氧方式和变压吸附方式。于是，有人试图在水煤浆锅炉上采用富氧助燃的方式，如公开号为200410096627.8的《水煤浆大空间燃烧方式及其专用设备》的发明专利，该发明专利针对水煤浆雾化悬浮燃烧方式提出采用氧体积百分浓度高于50%的富氧空气进行助燃，并采用变吸附式装置制取富氧空气，因而存在以下缺点和局限性：1）过高浓度富氧助燃增加了热力NOx的生成及其排放；2）仅限于水煤浆雾化悬浮燃烧方式；3）变吸附式富氧装置设备复杂、能耗过高，达0.4～0.55kWh／m3[O2]，例如燃用1吨水煤浆约需消耗500～600kWh电能，即便采用膜富氧方式电能消耗也与此相当，显然得不偿失。

技术实现要素：
为了充分发挥水煤浆流化悬浮燃烧方式的优点，克服水煤浆燃料适应性不够宽泛、燃烧不够稳定，高浓度富氧助燃又存在NOx生成排放增加、富氧制备设备复杂、能耗过高及成本较高的缺点，本发明提出一种水煤浆低浓度富氧流化悬浮燃烧方法及其锅炉装置。为解决现有技术存在的问题，本发明采用如下技术方案：将传统的流化悬浮燃烧水煤浆锅炉装置，改为低浓度富氧粒化悬浮燃烧水煤浆锅炉装置，即采取水煤浆流化悬浮燃烧、富氧助燃，其包括如下步骤：步骤一:利用沸石分子筛制备低浓度富氧空气；步骤二:通过空气预热器加热低浓度富氧空气；步骤三:经过空气预热器加热后的低浓度富氧空气，以富氧一次风、富氧二次风和富氧粒化风分别通过流化床、二次风口和水煤浆粒化器进入燃烧室，与进入燃烧室的水煤浆燃料混合燃烧。通过步骤一制备的低浓度富氧空气之氧体积浓度为24～30％,通过步骤一制备的低浓度富氧空气总量为水煤浆燃料燃烧所需理论空气量的60～80％，所述步骤二将低浓度富氧空气加热至200～350℃，然后通过供风系统接入燃烧室，其中通过一次风口、二次风口和水煤浆粒化器进入燃烧室的低浓度富氧空气分别占总量的35～45％、45～60％和5～10％。步骤一利用沸石分子筛制备低浓度富氧空气的沸石分子筛富氧装置设有二组或多组，其中的一组用于制备低浓度富氧空气，在该组沸石分子筛吸附饱和时，关闭本组沸石分子筛富氧装置，通入200-350℃热风，同时通过放风阀排放气体，在放风阀排放气体温度为100～150℃时，通入压缩空气冷却至室温，通过真空泵将沸石分子筛抽真空至－50～－80kPa解析再生；同时开启他组沸石分子筛富氧装置制备低浓度富氧空气。一种应用上述任一项权利要求所述的方法的锅炉装置，包括流化悬浮燃烧系统、附设于流化悬浮燃烧系统燃烧室的供风系统、与流化悬浮燃烧系统的燃烧室相通的水煤浆供浆系统，所述供风系统在入风口配设沸石分子筛富氧装置，所述经沸石分子筛富氧装置制备的低浓度富氧空气经连接的空气预热器加热，在通过空气预热器后，分别通过与空气预热器的富氧一次热风道、富氧二次热风道和水煤浆粒化器被送入燃烧室。所述低浓度富氧空气分别通过富氧一次热风道接入流化床，通过富氧二次热风道接入燃烧室密相区，通过水煤浆粒化器接入燃烧室。所述沸石分子筛富氧装置包括沸石分子筛、填充沸石分子筛的管束、外套管束的管壳，所述管壳一端与鼓风机的出口端相通，另一端与空气预热器相通；所述管束配设多根轴向相通的平行圆管，外套管束的平行圆管内填充沸石分子筛，所述管束串联设置二层或多层，所述管束两端径向设置固定孔板，所述固定孔板配合管束内平行圆管设有通孔，所述固定孔板的外周与管壳内径相配，所述固定孔板外固接金属网。所述管壳进气口端和出气口端设有截断阀，所述截断阀配有连接法兰。所述沸石分子筛富氧装置设有两组或多组，所述沸石分子筛富氧装置间并联，所述沸石分子筛富氧装置的管壳通过热风阀通入热风，所述管壳还设有配设真空阀的真空泵，并设有放风阀和压缩空气阀。所述沸石分子筛采用LIX型或LiAgx型沸石分子筛。所述管壳内径为所述鼓风机出口风道直径或当量直径的1.0～1.5倍。所述供风系统在其鼓风机出口配设沸石分子筛富氧装置，所述沸石分子筛富氧装置所产生的低浓度富氧空气经空气预热器加热后，通过设置的富氧一次热风道、富氧二次热风道和水煤浆粒化热风道进入粒化悬浮燃烧系统的燃烧室，所述低浓度富氧空气分别以富氧一次风、富氧二次风、富氧粒化风经富氧一次热风道进入燃烧室床料区，经富氧二次热风道进入燃烧室密相区，经所述的水煤浆供浆系统的水煤浆粒化器之粒化风管与水煤浆同时进入燃烧室稀相区。从燃烧室排出的高温烟气，经省煤器、空气预热器放热，进入排烟除尘系统，经除尘器除尘，通过引风机排入大气。经除氧加热的锅炉给水进入锅炉给水蒸汽系统，锅炉给水通过给水泵、给水管道进入省煤器，通过省煤器预热后，经省煤器出口水管进入锅筒，然后进入配置在燃烧室的蒸发受热面被加热成蒸汽，通过锅筒引出，完成锅炉工作。本发明的方法和装置具有以下优点：一、采用低浓度富氧燃烧，改善了水煤浆锅炉着火和燃烧条件，降低了燃料着火温度，提高了燃烧温度、燃烧速率和燃尽率，提高了燃料着火和燃烧的稳定性；二、拓宽了水煤浆锅炉对水煤浆燃料的适应范围，即可以适应较低劣质的煤制成的水煤浆燃料，也可以适应污泥﹣煤混合水煤浆、污泥﹣煤泥混合水煤浆燃料，不仅对降低燃料及生产成本具有重大的经济价值，而且对改善环境具有重大的社会意义；三、水煤浆粒化用风由传统的冷风改为富氧热风，提高了燃烧室燃烧温度，减少了排烟热损失；四、大幅度降低了进入燃烧室的空气总量及烟气量，进入锅炉总风量减少20～40％，锅炉排烟量减少20～25％，不仅降低了排烟热损失，而且降低了锅炉鼓风机和引风机两机总的电耗；五、提高了锅炉燃烧效率和热效率，降低锅炉燃料消耗3～5％；六、进一步降低了排烟中的烟尘、NOx、SO2含量；七、分子筛富氧装置，安全可靠，使用方便，生产成本低，富氧制备及分子筛再生电耗仅为0.10kWh／m3[O2]，只有变压吸附富氧装置的20％，而且远低于锅炉鼓风机和引风机两机总电耗的减少量。附图图1是本发明的水煤浆低浓度富氧流化悬浮燃烧锅炉装置结构示意图；图2是本发明的沸石分子筛富氧装置结构示意图。沸石分子筛富氧装置1；调节阀2；鼓风机3；富氧冷风管4；空气预热器5；富氧热风集箱6；富氧一次热风管7；富氧一次热风阀8；富氧热风箱9；多孔板10；风帽11；床料区12；炉墙13；燃烧室14；燃烧室密相区15；燃烧室稀相区16；富氧二次热风管17；富氧二次热风阀18；富氧二次热风口19；富氧粒化热风管20；富氧粒化热风阀21；粒化器22；粒化风管23；供浆泵24；供浆管25；粒化管26；烟囱27；漩涡分离器28；回输通道29；给水泵30；给水管道31；省煤器32；省煤器出口水管33；锅筒34；蒸发受热面34；除尘器36；引风机37；管壳38；固定孔板39；金属网40；烟筒41；管束42；沸石分子筛43；入口截断阀44；出口截断阀45；放风阀46；热风阀47；压缩空气阀48；真空阀49；真空泵50；连接法兰51。实施例下面结合附图和实施例对本发明的方法和装置进行进一步的详细说明。如图1、图2所示，在10t／h流化悬浮燃烧水煤浆锅炉上进行了实施，将传统的空气助燃的流化悬浮燃烧水煤浆锅炉改为低浓度富氧助燃的流化悬浮燃烧水煤浆锅炉。一种水煤浆低浓度富氧流化悬浮燃烧锅炉装置，设有流化悬浮燃烧系统，该系统包括燃烧室14、附设于燃烧室14的低浓度富氧供风系统，以及与燃烧室14相通的水煤浆供浆系统；低浓度富氧供风系统之鼓风机3进口配置有调节阀2，鼓风机3出口端配置有两组并列的沸石分子筛富氧装置1，沸石分子筛富氧装置1入口端与鼓风机3的出口端连通，空气通过调节阀2，经鼓风机3进入沸石分子筛富氧装置1，沸石分子筛富氧装置1出口端与空气预热器5连通，空气经过沸石分子筛富氧装置1生成低浓度富氧冷空气，低浓度富氧冷空气经过空气预热器5被加热后成为低浓度富氧热空气，进入富氧热风集箱6，从富氧热风集箱接出三个支管并通过三个支管被称为富氧一次热风、富氧二次热风、富氧粒化热风进入燃烧室14，其中富氧一次风通过富氧一次热风管7和配置在富氧热风管7上的富氧一次热风阀8，进入配置在燃烧室14底部的并与富氧一次热风管7连通的富氧热风箱9，然后通过配置在富氧热风箱9上部的多孔板10、风帽11，进入燃烧室下部的流化床的床料区12；富氧二次热风通过富氧二次热风管17和配置在富氧热风管17上的富氧二次热风阀18，然后通过与富氧二次热风管17连通的富氧二次热风口19，进入燃烧室密相区15；富氧粒化热风通过粒化热风管20，然后通过与粒化热风管连通的供浆系统的粒化器22之粒化风管23，进入燃烧室稀相区16。上述与燃烧室14相通的水煤浆供浆系统，水煤浆由供浆泵24，经供浆管25，通过与供浆管连通的配置在燃烧室14上部的粒化器22之粒化管26，进入燃烧室稀相区16，与上述通过粒化器22之粒化风管23进入燃烧室14的富氧粒化热风相遇、混合被撕成浆粒并洒落燃烧室14的床料区12，被进入床料区的富氧一次热风连同床料一起吹起，与进入燃烧室14的富氧二次热风相遇，低浓度富氧热风包括富氧一次热风、富氧二次热风、富氧粒化热风一起与水煤浆混合形成低浓度富氧悬浮燃烧，与此同时床料中的石灰石被加热分解成氧化钙与水煤浆燃料中的硫反应生成硫酸钙完成脱硫；燃烧生成的烟气经配置于燃烧室14上部出口的烟窗27进入旋涡分离器28，烟气携带的未燃烬的燃料颗粒及未反应完成的石灰石颗粒经旋涡分离器分离，通过回输通道29回入燃烧室14下肚的密相区15，形成低浓度富氧流化悬浮燃烧；经旋涡分离器28分离的烟气，依次通过与燃烧室14出口连通的省煤器31的烟道、与省煤器31的烟道连通的空气预热器5的烟气，烟气温度降至烟气露点以上，然后依次进入与省煤器31的烟道和空气预热器5的烟道相连通的排烟除尘系统的除尘器36、引风机37、烟筒41，排入大气；经除氧加热后的锅炉给水，经由给水泵30加压，通过与省煤器31相连通的给水管31进入省煤器31，被通过省煤器31烟道的烟气加热后，通过与省煤器31连通的省煤器出口水管32，进入锅炉蒸发系统的锅筒33，然后通过与锅筒相连通的配置在燃烧室14内的蒸发受热面管束34，被燃烧室14内的高温烟气加热成为蒸汽，由锅筒33引出，完成锅炉工作。在供风系统的鼓风机3入口配置有调节阀2，鼓风机3出口配置有并列的两组沸石分子筛富氧装置1，沸石分子筛富氧装置1包括沸石分子筛43、填充沸石分子43的管束42、外套管束42的圆柱形管壳38，所述管壳38直径与所述鼓风机3出口风道直径或当量直径的1.0～1.5倍，管壳38一端与鼓风机3的出风口相通，另一端与空气预热器5相通；所述管束42由多根平行圆管组成，管束42的平行圆管总流通截面积与鼓风机3出口风管当量直径相等，平行圆管直径为管壳38直径的0.1倍，平行圆管的长度为管壳38的直径的2.0倍，管束42两端设置有径向位置的固定孔板39，固定孔板39正对着平行圆管处配合均布有多个通孔，通孔孔径与各平行圆管外径相同，管束42的圆管通过两端设计的固定孔板39的管孔固定，管束42的平行圆管总流通截面积不小于管壳流通截面积的50％，固定孔板39的周径与管壳38内径相等，管束42通过两端的固定孔板39与管壳38内壁相配合，管束42在两端固定孔板39两端配置有金属网40，金属网40的孔径采用0.5～1.0mm，以确保管束42的圆管内的沸石分子筛43不发生泄漏，金属网40与管束42之间夹住固定孔板39，在一个管壳38内，设有串联的两层或多层管束42，相邻两层管束间隔距离为管壳直径的0.1～1.0倍，沸石分子筛采用粒度为3.0～5.0mm的LIX型或LiAgx型沸石分子筛。管壳38在进气口端和出气口端分别配置有入口截断阀44和出口截断阀45，其中，两入口截断阀44入口设置连接法兰51与鼓风机3出口连通，两出口截断阀45之出口设置连接法兰51与富氧冷风管4连通，富氧冷风管与空气预热器5入口连通。沸石分子筛富氧装置1的管壳38外配设热风阀、放风阀46、压缩空气阀48、真空泵49和真空阀50，其中真空阀50与真空泵50连通，热风阀48和压缩空气阀49连通。空气经调节阀2控制，通过鼓风机3加压，进入沸石分子筛富氧装置1，先行通过第一层管束42入口的金属网进入圆管内，空气中部分水分和部分氮气分子被圆管内充填的沸石分子筛43吸附，离开第一层管束42出口的金属网，然后通过第二层管束42入口的金属网进入圆管内，空气中部分氮气分子被圆管内充填的沸石分子筛43吸附，离开第二层管束42出口的金属网，最后形成氧体积浓度为24～30％的低浓度富氧空气。沸石分子筛富氧装置1有两组并列而成，一组运行另一组再生备用。当一组沸石分子筛富氧装置1运行，将另一组沸石分子筛富氧装置1的入口截断阀44和出口截断阀45关闭。当需要对沸石分子筛进行再生时，开启放风阀46和热风阀47，通过热风阀47通入200～350℃的热风加热，当放风阀46出口风温度达到100～150℃时关闭热风阀47，3～4小时后开启压缩空气阀48，通入压缩空气冷却，当放风阀46出口风温降至室温时，关闭压缩空气阀48和放风阀46，开启真空阀49，启动真空泵50，当沸石分子筛富氧装置1管壳38内真空压力达到－50～－80kPa时，停止真空泵50，关闭真空阀48即可。本发明在传统的10吨／时流化悬浮燃烧水煤浆锅炉上进行了改造，改为低浓度富氧流化悬浮燃烧水煤浆锅炉，并进行了低浓度富氧流化悬浮燃烧方式与传统空气助燃方式的对比试验。试验用水煤浆燃料特性指标为：水煤浆浓度63.1％；添加剂1.0％；水份Wy35.9％；挥发份Vy26.64％；含碳量Cy39.94％；含氮量Ny0.64％；含硫量Sy0.62％；灰份Ay14.79；低位热值Wy15.36MJ／kg。试验富氧空气氧体积浓度为28﹪。试验结果如表2所列。工业性试验数据均系通过72小时连续运行结果的统计值。试验结果表明，低浓度富氧流化悬浮燃烧方式与传统空气助燃方式比较：1）由于燃烧温度提高，蒸汽量、压力、温度均有所提高：2）燃烧效率提高了1.54％；3）排烟温度下降了57.3℃；4）锅炉热效率提高了6.16%；5）燃料消耗量降低了5.6％；6）鼓风机风量减少了33.3％，由于鼓风机需克服沸石富氧装置的阻力，因此鼓风机功率无增减；7）引风机排烟量减少了20.0％，引风机功率下降了25.5％；8）排烟烟尘、NOx、SO2浓度均有所下降。试验数据如表1所示。表110t／h低浓度富氧流化悬浮燃烧水煤浆锅炉试验结果本领域的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来说明本发明而非对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变形都将落入本发明的保护范围。