本发明涉及燃烧设备，特别涉及一种循环流化床富氧燃烧锅炉系统。
背景技术：
大量化石燃料燃烧产生的温室效应气体CO2已对全球气候环境造成了严重的影响。电站行业在化石燃料使用中占有重要地位，并且以燃煤电站为主，占电站行业的40％以上。因此，需找到一种适合燃煤电站CO2捕集的技术方案。在现有的CO2捕集技术中，富氧燃烧技术(也称O2/CO2烟气再循环燃烧技术)是可大规模工业应用的燃煤CO2捕集技术之一。该技术用纯氧和循环烟气代替空气作为氧化剂进入锅炉燃烧，燃烧后烟气中CO2浓度(干基)可达90％以上，便于冷却压缩得到液态CO2，同时去除或回收其它污染物。
近年来，许多国家和地区都相继开展了富氧燃烧技术的研究，取得了较为有成效的进展，并积累了很多有价值的科学研究数据。但现有富氧燃烧技术只是将空气中的氮气换成了含高浓度CO2的尾部烟气，氧气所占体积份额变化较小(21％～27％)，所以相对于常规空气燃烧机组而言，锅炉本体(炉膛和尾部受热面)的投资基本不变，但是由于增加了空气分离制氧系统和烟气再循环系统，锅炉岛的投资和运行成本将大幅度增加，从而会使全厂经济效率下降约8％～12％左右，这对于各燃煤电站而言是很难接受的，并且也是制约现有富氧燃烧技术大规模商业化应用的主要原因。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种循环流化床富氧燃烧锅炉系统，以克服以上所述的至少一项技术问题。
本发明提供一种循环流化床富氧燃烧锅炉系统，包括：炉膛、旋风分离器、外置燃烧室、尾部烟道和供风单元，其中
所述炉膛的出口连接至所述旋风分离器，用于从炉膛输出含循环物料的烟气；所述旋风分离器分离所述含循环物料的烟气后，循环物料从其下部出口进入所述外置燃烧室，烟气部分从旋风分离器的上部出口进入尾部烟道；所述外置燃烧室由旋风分离器输入所述循环物料和由供风单元输入外置燃烧室流化风，外置燃烧室出口连接至所述炉膛的入口端。
进一步的，所述外置燃烧室出口经过一返料器连接至所述炉膛的入口端。
进一步的，所述返料器为带膜式水冷壁的U型返料器。
进一步的，所述外置燃烧室为鼓泡流化床燃烧室。
进一步的，所述供风单元还分别输入氧气浓度为30-50％的一次风和30-70％的二次风至所述炉膛的不同高度。
进一步的，所述供风单元输入至外置燃烧室的燃烧室流化风氧气浓度为60-100％。
进一步的，所述炉膛还包括石灰石添加口，以向炉膛内添加石灰石进行脱硫。
进一步的，系统还包括再循环烟气单元，所述尾部烟道包括尾部受热面、再循环烟气预热器、除尘器、引风机和CO2回收装置，由所述旋风分离器上部出口进入的烟气依次进入受热面，经再循环烟气预热器换热后经除尘器输出，一部分经引风机后进入CO2回收装置，另一部分作为再循环烟气进入再循环烟气单元。
进一步的，所述再循环烟气单元包括再循环烟气冷凝器和再循环风机，进入再循环烟气单元的烟气经过所述在再循环烟气冷凝器和再循环风机后输送至所述再循环预热器，经换热后作为部分原料输送至炉膛和外置燃烧室。
进一步的，所述供风单元包括外置燃烧室混合器、一次风混合器、二次风混合器和空分制氧装置，空分制氧装置输出的烟气与再循环烟气单元输出的换热后的空气分别输入外置燃烧室混合器、一次风混合器和二次风混合器进行混合，所述外置燃烧室混合器输出外置燃烧室流化风至外置燃烧室；所述一次风混合器和二次风混合器分别输出一次风和二次风至所述炉膛。通过上述技术方案，可获知本发明的系统的有益效果在于：
(1)本循环流化床锅炉系统采用入口高氧气浓度下燃烧，大大减小锅炉本体和辅机体积，从而可以大大降低锅炉初投资和运营成本，同时减小锅炉岛的占地面积；
(2)本系统采用带膜式水冷壁的U型返料器来控制返回炉膛飞灰颗粒的温度，用于解决在炉膛氧气浓度提高后炉膛温度难于控制的问题；
(3)将部分燃料加入外置燃烧室内进行燃烧，增加了燃烧系统的换热量，还可根据需要调整外置燃烧室内燃烧量，达到调整换热量以满足循环流化床炉膛吸热量要求，可有效解决高氧气浓度下循环流化床炉膛尺寸变小，炉膛内受热面吸热量少的问题；
(4)与常规循环流化床外置换热器相比，本系统中的外置燃烧室是一个鼓泡流化床燃烧室，其受热面传热系数较炉膛内受热面的高；
(5)本系统可以通过对再循环烟气冷凝器受热面进行优化设计，使得少量水蒸气进入炉内，达到对炉内增湿的效果，提高炉内石灰石脱硫效率，有可能实现尾部不需专门设置脱硫装置即可满足硫氧化物SOX排放要求；
(6)沿炉膛高度方向可实现配风和氧气分级，能有效降低气体污染物NOx的排放，达到部分节约循环流化床锅炉尾部脱硝成本。
附图说明
图1为本发明实施例的循环流化床富氧燃烧锅炉系统实施例的结构示意图。
图中标号：1-炉膛；2-旋风分离器；3-外置燃烧室；4-返料器；5-中心筒；
6-尾部受热面；7-再循环烟气预热器；8-除尘器；9-引风机；10-CO2回收装置；
11-再循环烟气冷凝器；12-再循环风机；
13-空分制氧装置；14-一次风混合器；15-二次风混合器；16-外置燃烧室混合器；
17-外置燃烧室给燃料装置；18-炉膛给燃料装置；19-炉膛冷渣器；20-压力平衡管；21-石灰石给料机；22-屏式过热器
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，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。在此说明所附附图简化过且做为例示用。附图中所示的组件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且组件的配置可能更为复杂。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。
根据本发明基本构思，是克服现有富氧燃烧技术经济性较差的缺陷，提出一种循环流化床富氧燃烧锅炉系统，不仅燃烧效率高，烟气量小，尾部气体泄漏小，能够方便地回收烟气中的CO2，而且锅炉体积较小，可有效降低锅炉初投资和运行成本，从而显著提高燃煤富氧燃烧锅炉系统的经济性。
本发明循环流化床富氧燃烧锅炉系统一种实施例结构(例如为循环流化床高氧气浓度的富氧燃烧锅炉系统)如图1所示。循环流化床富氧燃烧锅炉系统可以由炉膛1、旋风分离器2、外置燃烧室3、返料器4、给煤装置5、石灰石加料装置6、尾部受热面7、再循环烟气预热器8、除尘器9、引风机10、CO2回收装置11、再循环烟气冷凝器12、再循环风机13、混合器14、空分制氧装置15以及外置燃烧室混合器16组成，其中，尾部受热面7、再循环烟气预热器8、除尘器9、引风机10和CO2回收装置11作为尾部烟道；再循环烟气冷凝器12和再循环风机13作为再循环烟气单元；外置燃烧室混合器、一次风混合器、二次风混合器和空分制氧装置15作为供风单元。
循环流化床炉膛1顶部出口(对应稀相区)与旋风分离器2相连，旋风分离器2底部出口通过立管与外置燃烧室3顶部开口相连。外置燃烧室3出口通过管道与返料器4进口相连，返料器4出口通过管道与循环流化床炉膛1底部(对应密相区)相连。循环流化床炉膛1底部与冷渣器19连接。在循环流化床炉膛1密相区和旋风分离器2底部出口与外置燃烧室3顶部开口之间的连接立管分别设置给料装置17和18。压力平衡管20一端与外置燃烧室4顶部相连，另一端与循环流化床炉膛1稀相区相连。
旋风分离器2上部出口通过中心筒5与尾部受热面6相连，尾部受热面6和再循环烟气预热器7布置在循环流化床锅炉尾部烟道中，再循环烟气预热器7通过管道与除尘器8相连。从旋风分离器2上部出来的含细灰(循环物料)烟气先经过尾部受热面6放热降温，再经过再循环烟气预热器7将烟气温度降低到除尘温度后(150℃-180℃)，最后进入除尘器8中除尘。
除尘器8后管道一路与引风机9和CO2回收装置10依次相连，另一路与再循环烟气冷凝器11、再循环风机12、再循环烟气预热器7依次通过管道相连。从再循环烟气预热器7出来的管道一路和空分制氧装置13与一次风混合器14、二次风混合器15和外置燃烧室混合器16相连，另一路与返料器4底部风室相连。一次风混合器14、二次风混合器15和外置燃烧室混合器16通过管道分别与循环流化床炉膛1密相区风室、循环流化床炉膛1稀相区和外置燃烧室4风室相连接。除尘后的烟气一部分作为再循环烟气经过再循环烟气预热器7进入再循环风机，另一部分烟气经过引风机进入CO2回收装置10。
空分制氧装置13得到的高浓度氧气和经过再循环烟气预热器7预热后的再循环烟气，在一次风混合器14、二次风混合器15和外置燃烧室混合器16中混合，作为燃料燃烧时的氧化剂，一次风混合器14和二次风混合器15分别为循环流化床炉膛1提供一、二次风(一次风氧气浓度为30％～50％；二次风氧气浓度为30％～70％)，外置燃烧室混合器16为外置燃烧室提供流化风(氧气浓度为60％～100％)。给料装置18中的燃料与一、二次风在循环流化床炉膛1中燃烧，燃烧过程中产生的大颗粒炉渣由冷渣器19排出，产生的含灰烟气在旋风分离器2中实现气固分离，分离下来的固体通过旋风分离器2下部出口立管进入外置燃烧室3，同时给料装置17中的燃料通过立管上的开口也进入外置燃烧室3。外置燃烧室3风室向外置燃烧室3提供的高氧气浓度流化风，使得新给入的燃料和旋风分离器2分离下来的固体中的可燃物在外置燃烧室3内充分燃烧，燃烧后的固体颗粒从外置燃烧室3出口进入返料器4，经返料器4冷却后返回循环流化床炉膛1密相区，气体通过压力平衡管20进入循环流化床炉膛1，作为炉内燃料的燃尽风。
经旋风分离器2分离后的烟气主要成分是CO2和水蒸气，从中心筒3向上进入尾部受热面6，经过尾部受热面6和再循环烟气预热器7降温后，进入除尘器8中进行除尘。除尘后的烟气含高浓度CO2被分成两路：一路经引风机9在CO2回收装置10中回收，另一路作为再循环烟气在再循环风机12的作用下，首先在再循环烟气冷凝器11中降温除水，然后经过再循环风机12和再循环烟气预热器7升压升温，最后大部分再循环烟气分别进入一次风混合器14、二次风混合器15和外置燃烧室混合器16中，与空分制氧装置13得到的高浓度氧气进行混合，还有一小部分再循环烟气直接送人返料器4风室作为流化风。
压力平衡管20不仅起到引导外置燃烧室3内流化风进入循环流化床炉膛1作为燃尽风，还具有分配外置燃烧室3与返料器4工作压差的作用，因此压力平衡管20通入循环流化床炉膛1具体位置需要经过精心计算。
通过计算表明：参见图1中所示，压力平衡管20在循环流化床炉膛1最佳接入点(c点)在旋风分离器2出口(a点)与返料口(b点)之间的压差等分点附近，作为可选择的范围：ΔPbc占ΔPab的比例在40％～60％之间。
在实际运行过程中，还可以通过调整系统零压点位置来调整外置燃烧室3和返料器4压差的分配关系。进入锅炉1的总气体中氧气的体积分数为45％～50％，氧气体积分数提高后，与现有的富氧燃烧技术相比，在相同的燃料量下，锅炉1本体体积(炉膛和尾部烟道)约为现有富氧燃烧技术的1/2，锅炉本体初投资将大幅缩减；烟气量将大幅度降低，再循环系统初投资也将大幅缩减，并且引风机和再循环风机运行成本也将减少。
其中，锅炉炉膛1由膜式水冷壁构成，并且在上部沿高度方向在前侧设置屏式过热器22。炉膛1燃料量占锅炉总燃料量的60％～70％，流化风速为4m/s～6m/s，循环倍率为20。炉膛1流化风由纯氧和再循环烟气组成，氧气的体积分数为30％～50％，风量占总风量的60％～70％，沿高度方向上分成一、二次风送入炉膛，，风量之比为6∶4，过氧系数为1.2。锅炉排放温度控制在120℃～130℃，炉膛吸热量占锅炉总输入热量的20％～23％，尾部烟道吸热量占锅炉总输入热量的28％～30％，返料器吸热量占锅炉总输入热量的20％～23％，外置燃烧室吸热量占锅炉总输入热量的24％～32％。
进一步的，外置燃烧室3采用膜式水冷结构，并且内部布置水冷埋管，燃料量占锅炉总燃料量的30％～40％，流化风由纯氧和再循环烟气组成，风速一般为0.3m/s～0.5m/s，氧气的体积分数为60％～100％，风量占总风量的30％～40％，过氧系数为1.2。燃烧后产生的烟气通过顶部压力平衡通风管引入炉膛的稀相区，作为三次风使用。所述的外置燃烧室实际为鼓泡床燃烧室，床温以及进出口循环灰温度控制在750℃～900℃，横截面积为炉膛的1.2～1.5倍，高度为炉膛的1/4～1/3。外置燃烧室3中布置高温过热器受热面。
进一步的，返料器4采用膜式水冷结构，流化风为再循环烟气，风速一般为0.3m/s～0.5m/s。所述返料器4进口循环灰温度750℃～900℃，出口循环灰温度300℃～400℃，作用相当于常规循环流化床锅炉的外置燃烧室，用于控制炉膛床温，同时兼有主循环回路的部分受热面和送灰器功能。返料器4中布置蒸发受热面。
进一步的，返料器4回料腿上布置石灰石添加口，例如布置石灰石给料机21，采用向炉内添加石灰石的方式进行脱硫。为了提高炉膛1内石灰石利用率和脱硫效率，炉膛1温度控制在920℃～930℃，有利于在富氧燃烧方式下石灰石粉煅烧成氧化钙，与二氧化硫结合达到脱硫效果，并且还通过对再循环烟气冷凝器受热面进行优化设计，使得一次风和二次风中的再循环烟气含有一定量的水蒸气，进入炉膛内后可达到增湿脱硫的效果。采用炉内石灰石脱硫后，可显著简化尾部脱硫系统，达到节约成本的目的
本锅炉系统沿循环流化床炉膛高度方向分三级进行配风，其中由炉膛底部送入一次风，组分为氧气和再循环烟气，由炉膛密相区和稀相区的过渡段送入二次风，组分为氧气和再循环烟气，由炉膛稀相区压力平衡通风管送入燃尽风，组分为外置燃烧室烟气。配风分级后沿炉膛高度方向分成了三个区域具体为还原区-燃烧区-燃尽区，分级燃烧后可有效降低气体污染物NOx的生成。
以上所述的具体实施例，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，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，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。