一种循环流化床增压富氧煤燃烧装置及其应用的制作方法

本发明涉及一种循环流化床增压富氧煤燃烧装置及其应用，属于洁净煤燃烧技术和流化床燃烧技术领域。

背景技术：

我国一次能源以煤炭为主的基本格局在短期内难以改变，推动煤炭清洁高效开发利用是我国能源转型发展的立足点和首要任务，现有洁净煤技术均着重于对常规硫氮污染物进行减排，而对于燃煤过程的碳产物缺乏有效控制方法。在应对气候变化，大力降低二氧化碳排放量的国际背景下，将燃煤过程二氧化碳减排与现有洁净煤技术相结合，实现高效、低污染、低碳的煤燃烧技术是必然的发展方向。

富氧燃烧捕集co2是燃煤电厂co2捕集技术的主要发展方向之一。富氧燃烧捕集co2技术主要包含三个单元：空分制氧单元、燃烧系统单元、co2纯化压缩单元。该技术通过空气压缩分离脱除n2,使用高浓度氧气替换常规空气参与煤燃烧过程，进而产生含高浓度co2的烟气，通过净化处理后，在co2压缩单元中中采用深冷等方式将co2进一步纯化压缩，最终实现零碳排放。然而，这三个基本单元中，空分制氧过程和co2压缩过程均在高压下运行，升压需消耗大量厂用电，而燃烧系统单元通常为常压运行，整个系统压力经历升高——降低——升高，造成严重的能量损失。所以，提高燃烧单元压力是解决该问题的有效途径。

近年来，围绕加压富氧燃烧技术开展了许多研究，但涉及核心反应装置的报道却很少：专利cn106062151a报道了一种加压富氧燃烧方法，其内容基本围绕减少粉尘进行描述，并未涉及具体反应装置。专利cn103076361a报道了一种煤粉加压富氧燃烧沉降炉实验装置，但内容仅局限于通过沉降炉进行煤粉燃烧特性和污染物生成特性研究。专利cn101761915a报道了一种高压富氧燃烧流化床联合循环发电系统,描述了整个系统从空分制氧、锅炉燃烧与换热、高压燃气轮机做功，直到烟气捕集co2的整个过程，但未涉及核心反应器流化床燃烧装置的结构和燃烧方法。专利cn101539037提供了一种增压流化床联合循环发电捕捉二氧化碳的方法，同样的，其未对反应器部分进行描述。专利cn101372635a报道了一种高密度增压流化床煤气化装置及方法，该装置适用于煤气化，并未涉及增压富氧煤燃烧过程。国内外已发表的文献，均是针对增压鼓泡流化床进行研究，并且缺少对包括进料排渣等辅助部分在内的整个装置及运行过程的详细描述。

因此，开发出符合我国国情、具有独立知识产权的增压富氧煤燃烧装置和方法，既保证燃煤过程的高效性，又可同时满足低污染、低碳排放，对实现我国煤炭资源真正高效清洁利用，以及环境保护，减低温室效应都具有重要意义。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的在于提供一种循环流化床增压富氧煤燃烧装置及其应用，旨在解决煤增压燃烧时的压力控制、富氧气氛配置、带压连续进料/排渣等实际问题，实现煤颗粒在流化床内增压富氧条件下的高效清洁燃烧。

技术方案：本发明提供了一种循环流化床增压富氧煤燃烧装置，该装置主要包括压力进料系统ⅰ、流化床燃烧反应系统ⅱ、压力排渣系统ⅲ和压力壳ⅳ四个部分，其中，前三个系统均置于压力壳ⅳ之内；

所述压力进料系统ⅰ自上而下依次分别为加料入口d、补压气体入口c、压力料斗、进料阀、进料转子及进料电机、进料管；其中，加料入口d设置在压力料斗正上方，补压气体入口c设在压力料斗上端，压力料斗的出口通过进料阀与由进料转子和进料电机组成的进料控制装置入口相连，进料控制装置出口端的进料管则与竖直方向成40度角连接至流化床燃烧反应系统ⅱ；

所述流化床反应系统ⅱ自下而上依次为风室、布风板、密相上升管、变径管、稀相上升管；稀相上升管出口与一级旋风分离器相连，一级旋风分离器底部接有一级落料管；一级旋风分离器上部的出口接有二级旋风分离器、二级旋风分离器底部依次接有二级落料管和二级返料管，二级旋风分离器上部接烟气出口e和烟气压力安全阀门；二级返料管与一级落料管呈45～50度角连接至一级落料管下部；一级落料管底部设有返料塞阀和一级返料管，密相上升管的壁面处从下至上分别布置有启动燃烧室、一级返料管和进料管；一级返料管与密相上升管轴线呈40～45度角接入密相上升管，进料管则与竖直方向成40度角连接至密相上升管下部，风室侧面设有一次风入口a；变径管侧面设有二次风入口b，稀相上升管内壁面布置水冷壁管，稀相上升管下部和上部分别设有工质入口g和工质出口h；所述流化床反应系统ⅱ下端风室与压力排渣系统ⅲ相连；

所述压力排渣系统ⅲ自上而下依次为卸渣管、冷渣器、排料阀、排料转子、排料电机和排料塞阀、排渣管；其中卸渣管入口端与布风板中心处相接，并与密相上升管同轴；冷渣器通过水冷形式冷却排渣，冷渣器的下部和上部分别设有工质水的入口i和工质水的出口j，排渣管穿过压力壳ⅳ并可将底渣通过排渣口f排出；

所述压力壳ⅳ主要由压力外壳及分别位于压力外壳顶部和底部的安全泄压阀、充气口k三部分组成。

所述循环流化床增压富氧煤燃烧装置自风室底部至一级旋风分离器出口处水平面总高为l，则风室高l1＝l/10，密相上升管高l2＝3l/10，变径管高为l3＝l/10,稀相上升管高为l4＝l/2，一级旋风分离器高度为l5＝l2，二级旋风分离器高度l6＝4l2/5，一级落料管)长l7＝l2，二级落料管长l8＝3l2/5；一级返料管出口端距离布风板高度l9＝l1，进料管出口端距布风板高度l10＝l2/2，启动燃烧室的烟气出口低于一级返料管出口，其距离布风板高度l11＝l1/2，一级旋风分离器出口中心轴与稀相上升管中心轴距离l12＝l/5，一级旋风分离器、二级旋风分离器出口距中心轴间距l13＝l/6。

所述密相上升管内管径d1＝l/20，稀相上升管内径d2＝1.2d1，一级旋风分离器圆柱段内径d3＝l1，二级旋风分离器圆柱段内径d4＝4d3/5，一级落料管、二级落料管及一级返料管和二级返料管的内径均为密相上升管的一半，即d5＝d6＝d1/2。

所述布风板采用风帽形式布风，布风板中心处为卸渣管入口，风帽呈两级环状均匀分布于卸渣管入口四周，其中内环区布置6个风帽、外环区布置12个风帽，整体开孔率为7.3％，布风板直径与密相上升管内管径相同均为d1，则卸渣口直径d7＝d1/4，风帽底座直径d1＝0.06d1，整体高h＝5d1，壁厚d3＝d1/6；其位于布风板下侧部分长h3＝h/2、直径d2＝5d1/6，风帽四周共有6个开孔方向，呈60度均匀分布；每个方向自下而上有3个孔口，其中中间开孔方向为水平方向，该孔直径φ1＝h/6，与底部距离h2＝3h/4；上下两个孔则呈30度角指向水平方向，直径φ2＝φ3＝φ1/2；风帽中轴线处上表面厚度为h1。

优选的，所述布风板采用风帽形式布风，布风板中心处为卸渣管入口，风帽呈两级环状均匀分布于卸渣管入口四周，其中内环区布置6个风帽、外环区布置12个风帽，整体开孔率为7.3％。布风板直径与密相上升管内管径相同。每个风帽四周共有6个开孔方向，呈60度均匀分布；每个方向自下而上有3个孔口，其中中间开孔方向为水平方向，上下两个孔则呈30度角指向水平方向,直径为中间孔的一半。增压富氧条件下燃烧时，煤颗粒在布风板处结焦堵塞问题处理难度加大。而采用此种布风形式及风帽结构，一方面使得一次风更加均匀；另一方面，当单个出风口发生堵塞时，上下侧孔口的出风速度会增大，有利于吹走堵塞颗粒。同时，风帽与风帽之间形成对吹风，从而防止局部超温现象发生，提高了运行安全性。

除此之外，本发明还提供了一种循环流化床增压富氧煤燃烧装置的操作方法：氧气与co2在设定的压力范围下(0.6-3mpa)以特定比例混合后分别以一次风、二次风的形式分别从一次风入口a和二次风入口b进入流化床燃烧反应器的密相区上升管与变径管。(其中,一次风氧气浓度≥25％，二次风氧气浓度高于一次风)；一次风作为密相区流化风，风量占60％以上,剩余为二次风。粒径小于6mm的煤颗粒通过压力进料系统(可实现炉内带压时连续进料)从流化床燃烧反应器的下部进入，并在一次风的作用下流化上升；密相区燃烧温度为850-900℃、颗粒体积浓度0.35-0.45；稀相区温度小于950℃、颗粒体积浓度小于0.2；煤颗粒在上升管内形成典型环-核结构，其中较大的煤颗粒在上升管内形成内循环；在加压富氧条件下经历流态化燃烧过程后形成的固体废渣沉积在反应器底部形成床料并最终由压力排料系统排出；而大部分未完全燃烧的细颗粒由一级、二级旋风分离器分离后依次通过下降管、电动塞阀、返料管，之后被送回流化床密相区，并在整个反应器内形成循环流动从而继续燃烧。与大多数流化床采用传统的机械阀门搭配松动风的形式不同，本装置采用电动塞阀实现对返料量的精确控制。具体来说，电动塞阀的开度通过下降管内的压差信号控制。当压差大时，表明下降管内堆料较多，此时电动塞阀的阀门开度有所增大；反之亦然。如此，该装置可通过压力进料、排渣系统可以控制连续进料排渣过程，实现床料动态平衡；而电动塞阀对返料量的精准控制则有助于颗粒在整个流化床内形成稳定循环流动结构。最终，含高浓度co2的烟气被送出压力壳，方便后续co2压缩提纯过程。视流化床内部操作压力而定，压力壳内部可为常压或带一定压力。当操作压力较高时，压力壳内部可适当增压以减小流化床管壁所承受的压应力，以此解决材料在高压高温下耐性不足的问题。

有益效果：与现有的常规流化床反应系统相比，本发明具有如下的特色及优点：

1.装置整体置于压力壳之内。在高压条件下运行时，压力壳可承担部分压力从而减少了材料承受的压应力，提高了装置运行的安全性。(流化床反应器内部压力p1，流化床反应器外部与压力壳之间部分压力为p2，即流化床反应器壁面仅需承担p1-p2的压力)

2.采用由压力斗、密封阀、转子及电机组成的进料/排渣系统，可在流化床带压力运行过程中实现连续进料连续排渣，使得流化床内部床料高度动态平衡从而有助于稳定颗粒的流动及燃烧过程。

3.流化床反应装置采用密相区、稀相区两段设计，符合煤颗粒在流化床内的流动结构特征，使得未燃尽的大颗粒停留时间增加，可提高装置燃烧效率5％以上。

4.采用分级配风形式，一、二次风分别从流化床底部和中间进入，从而实现了煤颗粒分级燃烧。其中二次风有助于稀相区煤颗粒的燃烧，而高浓度的氧气使得煤的燃尽时间缩短10％以上。

5.采用两级高效旋风分离器，可有效分离烟气中携带的未燃尽细颗粒(使粒径为10微米以上的颗粒全部被分离下来，总分离效率大于85％，其中第一级大于95％，第二级大于85％)并通过下降管、返料阀等装置将其重新送入流化床炉膛内进行二次燃烧，可减少燃尽损失10％-15％。

6.与传统的j型、u型返料阀不同，本装置采用电动塞阀控制返料过程。其可根据下降管内差压信号实时调节阀门开度从而优化颗粒循环结构。相比于j型、u型返料阀配合松动风的返料控制方式，压差控制更加直接精确，并可有效避免由松动风波动、风口堵塞等情况造成的返料不畅问题。

7.特有的布风形式及风帽结构，能够有效解决加压富氧条件下出风口堵塞及出风不均匀造成的局部超温问题，提高了运行安全性。

8.稳定运行时，850-900℃的炉内温度可有效抑制热力型nox的生成(通常占nox排放总量的20％左右)，从而有效降低氮氧化物排放量。

附图说明

图1为本发明循环流化床增压富氧煤燃烧装置的示意图；

图2为循环流化床增压富氧燃烧装置的尺寸标注示意图；

图3为该装置中布风板结构示意图；

图4为风帽结构示意图；

其中有：1.压力料斗2.进料阀门3进料转子4.进料电机5.进料管6.启动燃烧室7.风室8.布风板9.密相上升管10.变径管11.稀相上升管12.一级旋风分离器13.一级落料管14.二级旋风分离器15.二级落料管16.二级返料管17.电动返料塞阀18.一级返料管19.卸渣管20.冷渣器21.排料阀门22.排渣转子23.排渣电机24.排渣塞阀25.排渣管26.烟气压力安全阀27.压力外壳28.压力壳安全阀a.一次风入口b.二次风入口c.补压气体入口d.燃料入口e.烟气出口f.底渣出口g.水冷壁管工质入口h.水冷壁工质出口i.冷渣器工质入口j.冷渣器工质出口k.压力壳气体入口。

具体实施方式

实施例1

如图1，一种循环流化床增压富氧煤燃烧装置，该装置包括压力进料系统ⅰ、流化床燃烧反应系统ⅱ、压力排渣系统ⅲ和压力壳ⅳ四个部分，其中，前三个系统均在压力壳ⅳ之内；压力进料系统ⅰ自上而下依次分别为加料入口d、补压气体入口c、压力料斗1、进料阀2、进料转子3及进料电机4、进料管5；其中，加料入口d设置在压力料斗1正上方，补压气体入口c设在压力料斗1上端，压力料斗1的出口通过进料阀2与由进料转子3和进料电机4组成的进料控制装置入口相连，进料控制装置出口端的进料管5则与竖直方向成40度角连接至流化床燃烧反应系统ⅱ；流化床反应系统ⅱ自下而上依次为风室7、布风板8、密相上升管9、变径管10、稀相上升管11；稀相上升管11出口与一级旋风分离器12相连，一级旋风分离器12底部接有一级落料管13；一级旋风分离器12上部的出口接有二级旋风分离器14、二级旋风分离器14底部依次接有二级落料管15、二级返料管16，二级旋风分离器14上部接烟气出口e和烟气压力安全阀门26；二级返料管16与一级落料管13呈45～50度角连接至一级落料管13下部；返料塞阀17布置于一级落料管13底部并与一级返料管18相连；一级返料管18与上升管轴线呈40～45度角接入密相上升管9，进料管5则与竖直方向成40度角连接至流化床密相上升管9下部；其中，风室7侧面设有一次风入口a；密相上升管9的壁面处从下至上分别布置有启动燃烧室6、一级返料管18、进料管5；变径管10侧面设有二次风入口b，稀相上升管11内壁面布置水冷壁管，稀相上升管11下部和上部分别设有工质入口g和工质出口h；所述流化床反应系统ⅱ下端风室7与压力排渣系统ⅲ相连；压力排渣系统ⅲ自上而下依次为卸渣管19、冷渣器20、排料阀21、排料转子22、排料电机23和排料塞阀24、排渣管25；其中卸渣管19入口端与布风板8中心处相接，并与密相上升管9同轴；冷渣器20通过水冷形式冷却排渣，冷渣器20的下部和上部分别设有工质水的入口i和工质水的出口j，排渣管25穿过压力壳ⅳ并可将底渣通过排渣口f排出；压力壳ⅳ主要由压力外壳27、及分别位于压力外壳顶部和底部的安全泄压阀28、充气口k三部分组成。

循环流化床增压富氧煤燃烧装置自风室7底部至一级旋风分离器12出口处水平面总高为l，则风室7高l1＝l/10，密相上升管9高l2＝3l/10，变径管10高为l3＝l/10,稀相上升管11高为l4＝l/2，一级旋风分离器12高度为l5＝l2，二级旋风分离器14高度l6＝4l2/5，一级落料管13长l7＝l2，二级落料管15长l8＝3l2/5；一级返料管18出口端距离布风板8高度l9＝l1，进料管5出口端距布风板8高度l10＝l2/2，启动燃烧室6的烟气出口低于一级返料管18出口，其距离布风板8高度l11＝l1/2，一级旋风分离器12出口中心轴与稀相上升管11中心轴距离l12＝l/5，一级旋风分离器12、二级旋风分离器14出口距中心轴间距l13＝l/6。

密相上升管9内管径d1＝l/20，稀相上升管11内径d2＝1.2d1，一级旋风分离器12圆柱段内径d3＝l1，二级旋风分离器14圆柱段内径d4＝4d3/5，一级落料管13、二级落料管15及一级返料管18和二级返料管16的内径均为密相上升管9的一半，即d5＝d6＝d1/2。

布风板8采用风帽形式布风，布风板8中心处为卸渣管19入口，风帽呈两级环状均匀分布于卸渣管19入口四周，其中内环区布置6个风帽、外环区布置12个风帽，整体开孔率为7.3％，布风板8直径与密相上升管9内管径相同均为d1，则卸渣口直径d7＝d1/4，风帽底座直径d1＝0.06d1，整体高h＝5d1，壁厚d3＝d1/6；其位于布风板8下侧部分长h3＝h/2、直径d2＝5d1/6，风帽四周共有6个开孔方向，呈60度均匀分布；每个方向自下而上有3个孔口，其中中间开孔方向为水平方向，该孔直径φ1＝h/6，与底部距离h2＝3h/4；上下两个孔则呈30度角指向水平方向，直径φ2＝φ3＝φ1/2；风帽中轴线处上表面厚度为h1。

一种循环流化床增压富氧煤燃烧装置和操作方法，为流化床高压燃烧时材料的耐性问题及实现连续进料连续排渣等实际问题提供了一种解决方法，从而使得煤在循环流化内增压富氧条件下完成高效流态化燃烧过程更具可行性。

以下参照图1来详细说明本发明的循环流化床增压富氧煤燃烧装置的操作方法。

1)建立稳定燃烧过程(以0.6mpa运行压力为例)：在流化床内加入适量高度的原始床料后(石英砂)，将由常压氧气与co2混合后所得混合气体通过一次风口a送入风室内；点燃启动燃烧室6内的易燃物(油等)，产生的热气进入密相区9来加热床料，当流化床反应器内温度达到300℃后，通过加大一次风量使床料开始流化；继续升高床温至600℃时，开始逐渐提升反应器压力至0.3mpa；当床温升高至700℃时，通过压力进料系统ⅰ加入燃料煤颗粒(进料阀2处于关闭状态，燃料由进料口d加入料斗1后，关闭d，并通过补压气体入口c充入惰性压力气体，使料斗内压力略高于流化床内压力；之后开启进料阀2，在电机4和进料转子3的控制下，煤按照设计参数进入反应器密相管9底部)并缓慢减小启动燃烧室输入的热量，直至新加入的煤进行燃烧所需热量完全由已经着火的煤燃烧放热提供；当床温达到800～850℃时，通过继续增加进气压力从而提高燃烧压力，最终达到0.6mpa的运行压力。

2)稳定燃烧过程(以0.6mpa运行压力为例)：0.6mpa的氧气与co2(一般来自循环烟气)以3:7、4:6比例混合后分别以一次风、二次风的形式分别从a、b进入流化床燃烧反应器的密相区上升管9与变径管10。其中，一次风为流化风，占总风量的70％。燃料煤颗粒及脱硫剂通过压力进料系统ⅰ按照与建立稳定燃烧过程中相同的方式进入密相上升管9底部。煤颗粒在一次风的作用下进行流态化燃烧，达到终端速度的细小颗粒则依次经过密相上升管9、变径管10、稀相上升管11，到达一级旋风分离器12。之后，烟气中较大的颗粒从一级旋风分离器12下部落入一级落料管13，较小的颗粒则跟随烟气进入二级旋风分离器14。被二级旋风分离器14分离所得的小颗粒或细灰通过二级落料管15、二级返料管16后落入一级落料管13。经实际试验，两级高效旋风分离器可有效分离烟气中携带的未燃尽细颗粒，其可使粒径为10微米以上的颗粒全部被分离下来，总分离效率大于85％，其中第一级大于95％，第二级大于85％。之后，由一级、二级旋风分离器共同分离得到的固体颗粒汇合至返料塞阀17处，形成料封。当料封高度达到预设值后(可由压差信号测得)，塞阀17开启，物料经一级返料管18返回至密相上升管9下部继续进行燃烧过程。实际运行时，相比于传统j型、u型返料阀配合松动风的返料控制方式，压差控制更加直接精确，并可有效避免由松动风波动、风口堵塞等情况造成的返料不畅问题，从而使得气固循环过程更加稳定。燃烧过程中产生的灰渣通过压力排渣系统ⅲ排出：排渣时，排渣阀门21开启，灰渣在排渣转子17及电机18的控制下从卸料管19入口下落，经过冷渣器20冷却至安全温度后经由排料转子22到达排料塞阀24处。此时关闭排料阀门21并开启塞阀24，则灰渣可由排渣管25最终从压力壳外的排渣口f排出。在整个过程中，可以通过调节进料量与排渣量的动态平衡使得流化床内床高保持稳定。整个装置均处于压力外壳20之内，压力外壳上端、烟气出口处分别设有安全阀26、28，一旦出现紧急情况，可进行泄压操作；稳定运行过程中流化床密相区的燃烧温度为850-900℃、颗粒体积浓度0.35-0.45；稀相区温度小于950℃、颗粒体积浓度小于0.2；

根据本发明实施的循环流化床增压富氧燃烧装置的主要技术参数如下：燃烧压力≥0.6mpa,碳转化率＞93％,燃烧效率＞90％，燃料氮转化率5％-13％，出口干烟气co2浓度≥90vol％。

实施例2

同实施例1，当操作压力较高时，压力壳可实现承担部分压力的作用，并由此减小系统ⅰ、ⅱ、ⅲ材料所承受的压应力。此时，压力壳内部不再是常压，而是介于大气压力与流化床内部压力之间的压力值。比如当流化床内部运行压力为3mpa，则压力壳内部充入惰性气体直至压力为1.5mpa，这样无论是在流化床或是压力壳的壁面处，内外压差都约等于1.5mpa。控制压力的原则为压力壳内压力始终为流化床反应器内压力的一半，即压力壳内部压力与流化床内部压力同步缓慢上升，密相区的燃烧温度为850-950℃、颗粒体积浓度0.35-0.45；稀相区温度小于950℃、颗粒体积浓度小于0.2。该实施例中的一次风的氧气体积分数为25％，二次风的氧气体积分数为50％，剩余的为二氧化碳。其中，一次风为流化风，占总风量的60％。

其余步骤过程参考实施例1。本发明实施例的循环流化床增压富氧燃烧装置的主要技术参数如下：燃烧压力3mpa,碳转化率＞90％,燃烧效率＞90％，燃料氮转化率10％-20％，出口干烟气co2浓度≥90vol％。

实施例3

同实施例1，针对不同煤种及颗粒粒径，可改变一次风、二次风中的氧气浓度及二者之间的风量比，以保持反应器内良好的气固流动、燃烧状态。如燃料粒径较大时，可适当提高一次风量，保障颗粒能够正常流化；当使用的燃料属于无烟煤或其它不易着火、燃尽的煤时，可提高一、二次风中的氧含量，优化燃烧过程。该实施例中的一次风的氧气体积分数为35％，二次风的氧气体积分数为50％，剩余为二氧化碳。其中，一次风为流化风，占总风量的80％。密相区的燃烧温度为900-1000℃、颗粒体积浓度0.35-0.45；稀相区温度小于1000℃、颗粒体积浓度小于0.2。其余步骤过程参考实施例1。本发明实施例的循环流化床增压富氧燃烧装置的主要技术参数如下：燃烧压力0.6mpa,碳转化率＞93％,燃烧效率＞92％，燃料氮转化率8％-15％，出口干烟气co2浓度≥90vol％。