CN101865451B - 生物质高温烟气气化联合燃煤锅炉及其低污染燃烧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃煤锅炉技术领域，特别涉及一种生物质高温烟气气化联合燃煤锅炉及其低污染燃烧方法。烟气作为气化剂进入到气化炉，生物质仓待气化的生物质也同时进入气化炉，气化后的生物质燃气进入燃气净化室进行初步净化，脱除H2S、HCl、焦油杂质，经过增压风机提高压头后进入到燃气储存罐，再经过燃气喷口进入到燃煤锅炉的炉膛燃烧；生物质占总燃料比例的0～30％范围内，整个系统仍然可以稳定的运行。生物质的使用有效降低了CO2和SO2的排放；采用高温烟气作为热源气化生物质，减少生物质燃气中的焦油含量，生成的生物质燃气CO2浓度高，且燃气对NOX的还原效果远优于生物质固体对NOX的还原效果，有效降低NOX浓度。
Description
技术领域
本发明属于燃煤锅炉技术领域，特别涉及一种生物质高温烟气气化联合燃煤锅炉及其低污染燃烧方法。
背景技术
燃煤发电厂排放出的烟气富含CO2、SO2、NOX，CO2是主要的温室气体，化石燃料的大量使用排放出大量的CO2造成地球温度升高，SO2和NOX进入大气造成酸雨以及光化学污染，严重破坏生态环境。100MW机组容量以下的煤粉炉机组由于经济性差、污染物排放量大，面临着被强制关闭的政策性压力。而生物质燃料由于其零CO2排放，SO2和NOX排放量很低，作为可再生的新能源，生物质燃料的利用正被政策性的扶持，生物质燃料发电变得日益广泛，但是生物质燃料发热量低，生物质发电机组容量小，生物质燃料供应不稳定，燃烧稳定性相对较差，燃烧效率低，单纯的生物质发电技术难以大规模的应用。将生物质燃料利用和燃煤发电技术结合，将原有的小容量煤粉炉发电机组改造成生物质与煤粉炉联合发电机组，将弥补双方的不足，延长中小煤粉炉机组的使用寿命。现有的生物质及煤粉炉联合发电技术主要有2大类：生物质和燃煤分别处理后复合燃烧；生物质和燃煤混合后统一燃烧。
生物质和燃煤分别处理后分别燃烧的技术，最常见的是生物质和燃煤分别使用各自的破碎制粉系统，分别使用各自的燃烧器组织燃烧。生物质和燃煤可以共用一个燃烧器，也可以分别使用各自的燃烧器。这种技术需要安装生物质燃料的输送管道，控制和维护锅炉比较麻烦。复合燃烧工艺中也可以为生物质燃料单独设计专门的燃烧器。生物质富含碱金属，Cl的含量也很高，混合燃烧后由于碱金属的存在造成灰熔点降低，烧结性积灰增多，导致锅炉水冷壁过热器再热器等受热面的结渣倾向和碱金属高温腐蚀倾向增强，同时HCl的腐蚀问题也很严重。且生物质和煤粉燃烧控制较为困难，生物质燃料品质波动时容易造成燃烧不稳定，火焰中心波动，导致飞灰含碳量和炉渣含碳量增大，燃烧损失增加。复合燃烧方式虽然可以在一定程度上减低NOX的排放量，但是，生物质燃料作二次燃料送入到再燃区，生物质燃料属于固态燃料，其还原NOX的效果有限，NOX的排放浓度降低相对有限。
生物质和燃煤混合后统一燃烧技术，是将生物质和燃煤首先混合，然后经过磨煤机粉碎，再通过制粉系统的管道输送到现有的燃烧器，组织燃烧。此方式可以充分利用原有的制粉系统和燃烧设备，简单易行，投资低。但是它有可能降低锅炉出力，限制生物质种类和使用比例。而煤粉与生物质毕竟是两种物理性质不同的燃料，其着火温度、燃烧时间、在空气中的流动轨迹等都不同，混合后的统一燃烧容易出现燃烧不稳定，火焰中心变化、燃烧效率下降等问题。而且生物质富含碱金属，混合燃烧后由于碱金属的存在造成灰熔点降低，烧结性积灰增多，导致锅炉水冷壁过热器再热器等受热面的结渣倾向和碱金属的高温腐蚀倾向增强，同时HCl的腐蚀问题也很严重。该燃烧方式下排放烟气中NOX的排放浓度较高
发明内容
本发明的目的是提供一种生物质高温烟气气化联合燃煤锅炉及其低污染燃烧方法。
本发明采用的技术方案为：所述生物质高温烟气气化联合燃煤锅炉，其结构为：燃煤锅炉的炉膛出口引出高温烟气管道，燃煤锅炉的空气预热器的烟气入口前引出低温烟气管道，两条烟气管道共同连接到烟气混合器，烟气混合器依次与气化炉、燃气净化室、增压风机、燃气储存罐连接，最后通入燃煤锅炉的再燃区；气化炉上连接有生物质仓。
所述燃煤锅炉与烟气混合器之间设置低温烟气调门，所述空气预热器与烟气混合器之间设置高温烟气调门，所述烟气混合器与气化炉之间设置烟气总门，所述燃气储存罐与燃煤锅炉之间设置燃气调节门。
所述气化炉的侧面偏下位置为生物质入口，气化炉的底部设置多个烟气入口，气化炉的顶部设置生物质燃气出口。
所述燃煤锅炉的炉腔从下到上分为主燃区、再燃区和燃尽区，所述主燃区的炉壁上设置三层煤粉旋流燃烧器，所述再燃区的炉壁上设置一层与燃气储存罐相通的燃气喷口，所述燃尽区的炉壁上设置一层燃尽风OFA喷口。
所述燃气喷口为三个同心圆组成的圆及圆环结构，从内到外分别为内二次风通道、生物质燃气通道和外二次风通道。
一种使用所述生物质高温烟气气化联合燃煤锅炉的低污染燃烧方法，包括以下步骤：
(1)温度为1100～1200℃的高温烟气从燃煤锅炉的炉膛出口处引出，温度为330～370℃的低温烟气从的空气预热器的烟气入口前引出，两股烟气进入烟气混合器；
(2)通过调整低温烟气调门和高温烟气调门的开度，改变低温烟气比例和高温烟气的比例，从而调整混合器出口烟气温度为970～1020℃；
(3)烟气作为气化剂进入到气化炉，生物质仓待气化的生物质也同时进入气化炉，气化后的生物质燃气进入燃气净化室进行初步净化，脱除H2S、HCl、焦油杂质，经过增压风机提高压头后进入到燃气储存罐，再经过燃气喷口进入到燃煤锅炉的炉膛燃烧；
(4)发热量比例在70％以上的主燃料煤通过煤粉燃烧器进入到燃煤锅炉的主燃区燃烧，主燃区的过量空气系数为1.05～1.2；生物质燃气占总燃料比例的0～30％，再燃区的过量空气系数为0.7～0.9，且生物质燃气中不可燃气体含量高，因此生物质燃气的热值低，为4500～5500KJ/m3，再燃区中生物质燃气实现了低温低氧燃烧，燃烧强度低，燃烧过程生成的NOX浓度低；生物质燃气在再燃区不完全燃烧，再燃区呈现为还原性气氛，生物质燃气中的CH4、CO气体直接还原主燃区烟气中的NOX；二次风从燃尽风OFA喷口进入到燃尽区，燃尽区的过量空气系数为1.1～1.3，及时补充空气，保证烟气中未燃尽物质的充分燃烧，使烟气中NOX浓度降低60％以上。
所述烟气中主要气体组分的体积浓度为CO2：14～16％，O2：3～8％，H2O：8～12％，N2：64～75％；所述生物质燃气主要气体组分的体积浓度为CO：18～22％，CH4：2～5％，H2：15％，CO2：12～14％，N2：49～53％。
所述燃气喷口的内二次风通道通入5～10％的内二次风，以及时补充氧气，提高空气与生物质燃气的混合均匀性；生物质燃气从生物质燃气通道喷出，其喷出速度不小于12m/s，以确保锅炉内温度场和烟气流场分布合理；外二次风从外二次风通道通入，其风速不小于20m/s。
本发明的有益效果为：
(1)本发明采用高温烟气作为热源气化生物质，减少生物质燃气中的焦油含量。将生物质燃气经过初步处理后送入煤粉炉相应的再燃区燃烧，减少生物质燃气中碱金属及HCl、H2S的含量，减轻生物质燃气的结渣倾向、碱金属高温腐蚀倾向和氯腐蚀倾向。
(2)本发明采用高温烟气气化生物质，生成的生物质燃气CO2浓度高，进入到特意设计的生物质燃气燃烧器后实现了低温低氧燃烧，形成了强还原性气氛，且燃气对NOX的还原效果远优于生物质固体对NOX的还原效果，有效降低NOX浓度。
(3)生物质气化联合煤粉炉发电具有灵活的运行方式，生物质占总燃料比例的0～30％范围内，整个系统仍然可以稳定的运行。生物质的使用降低了CO2和SO2的排放。
附图说明
图1为所述生物质高温烟气气化煤粉炉低污染燃烧系统结构示意图；
图2为所述气化炉的结构示意图；
图3(a)和图3(b)分别为所述燃气喷口的结构正视图和侧视图；
图4为燃气喷口、煤粉燃烧器、燃尽风OFA喷口的分布示意图。
图中标号：
1-空气预热器；2-低温烟气调门；3-烟气混合器；4-烟气总门；5-高温烟气调门；6-生物质仓；7-气化炉；8-燃气净化室；9-增压风机；10-燃气储存罐；11-燃气调节门；12-燃气喷口；13-煤粉燃烧器；14-燃尽风OFA喷口；15-燃煤锅炉。
具体实施方式
本发明提供了一种生物质高温烟气气化联合燃煤锅炉及其低污染燃烧方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，燃煤锅炉15的炉膛出口引出高温烟气管道，燃煤锅炉15的空气预热器1的烟气入口前引出低温烟气管道，两条烟气管道共同连接到烟气混合器3，烟气混合器3依次与气化炉7、燃气净化室8、增压风机9、燃气储存罐10连接，最后通入燃煤锅炉15的再燃区；气化炉7上连接有生物质仓6。在燃煤锅炉15与烟气混合器3之间设置低温烟气调门2，所述空气预热器1与烟气混合器3之间设置高温烟气调门5，所述烟气混合器3与气化炉7之间设置烟气总门4，所述燃气储存罐10与燃煤锅炉15之间设置燃气调节门11。
如图2所示，气化炉7的侧面偏下位置为生物质入口，气化炉7的底部设置多个烟气入口，气化炉7的顶部设置生物质燃气出口。
如图3(a)和图3(b)所示，燃气喷口12为三个同心圆组成的圆及圆环结构，从内到外分别为内二次风通道、生物质燃气通道和外二次风通道。
如图4所示，燃煤锅炉15的炉腔从下到上分为主燃区、再燃区和燃尽区，总高度为54m；所述燃煤锅炉15标高为15m～18m的主燃区的炉壁上设置三层煤粉旋流燃烧器13，所述燃煤锅炉15标高为21m的再燃区的炉壁上设置一层与燃气储存罐10相通的燃气喷口12，所述燃煤锅炉15标高为24m的燃尽区的炉壁上设置一层燃尽风OFA喷口14。
所述生物质高温烟气气化联合燃煤锅炉工作时，温度约为1100～1200℃的高温烟气从燃煤锅炉15的炉膛出口处引出，温度约为350℃的低温烟气从燃煤锅炉空气预热器1的烟气入口前引出，两股烟气进入烟气混合器3，通过调整低温烟气调门2和高温烟气调门5的开度，改变低温烟气比例和高温烟气的比例，从而调整烟气混合器3出口的烟气温度为970～1020℃。烟气总门4为截止门，气化系统运行时开启，气化系统停运时关闭。烟气中主要气体组分的体积浓度为CO2：14～16％，O2：3～8％，H2O：8～12％，N2：64～75％。
生物质由生物质仓6从气化炉7的侧面入口进入气化炉7；烟气作为气化剂从气化炉7的底部入口进入到气化炉7，通过布风板后均匀的进入气化炉7反应空间，产生的生物质燃气携带大量固体颗粒经过分离器初步分离，生物质燃气引出前往燃气净化室8，而固体颗粒则回到气化炉，重新进行气化，提高生物质燃料的碳转化效率。作为气化剂的高温烟气富含CO2和水蒸气，且温度调整在1100～1200℃内。烟气中富含的水蒸气可以作为气化介质，水蒸气不但加速了炭与水蒸气的反应，而且加强了二次反应的程度，使得在一次反应过程中产生的焦油充分裂解，还能增强重整反应，增强水蒸气与CO的反应等与水蒸气相关的反应，使气体产量增加，焦油及炭的产率降低。在高温烟气的作用下，气化炉在950～1050℃的高温下运行，使得生物质燃气中焦油成分及冷凝物含量很低，有效的提高的气化效率及系统运行的可靠性稳定性。烟气中O2含量较低，有利于控制氧气/生物质比例，提高气化效率。因此，采用高温烟气作为气化剂，气化效率提高，系统经济性好，运行稳定。
气化后的生物质燃气进入净化室8进行初步净化，脱除H2S、HCl、焦油等杂质，经过增压风机9提高压头后进入到燃气储存罐10，根据锅炉运行的需要，调节燃气调节阀开度，生物质燃气经过燃气喷口12进入到燃煤锅炉15的炉膛燃烧。生物质燃气主要气体组分的体积浓度为CO：18～22％，CH4：2～5％，H2：15％，CO2：12～14％，N2：49～53％。
发热量比例在70％以上的主燃料煤通过煤粉燃烧器13进入到主燃区燃烧，主燃区的过量空气系数为1.05～1.2，确保主燃区中煤粉可以在富氧情况下充分燃烧。生物质燃气占总燃料比例的0～30％，燃气喷口12的内二次风通道通入5～10％的内二次风，以及时补充氧气，提高空气与生物质燃气的混合均匀性；生物质燃气从生物质燃气通道喷出，其喷出速度不小于12m/s，以确保锅炉内温度场和烟气流场分布合理；外二次风从外二次风通道通入，其风速不小于20m/s。再燃区的过量空气系数为0.7～0.9，且生物质燃气中不可燃气体含量高，因此生物质燃气的热值低，为4500～5500KJ/m3，再燃区中生物质燃气实现了低温低氧燃烧，燃烧强度低，燃烧过程生成的NOX浓度低；生物质燃气在再燃区不完全燃烧，再燃区呈现为还原性气氛，生物质燃气中的CH4、CO气体直接还原主燃区烟气中的NOX；二次风从燃尽风OFA喷口14进入到燃尽区，燃尽区的过量空气系数为1.1～1.3，及时补充空气，保证烟气中未燃尽物质的充分燃烧，使烟气中NOX浓度降低60％以上。且煤粉燃烧器13、燃气喷口12的三条通道以及燃尽风OFA喷口14均分别设置有挡板，通过调节各个挡板的开合，可以调节煤粉、生物质燃气以及二次风的比例。
正常运行时，煤粉的发热量占燃煤锅炉炉膛总发热量的75％，生物质燃气发热量占总发热量的25％。煤粉在主燃区富氧燃烧，主燃区过量空气系数控制为1.05，生物质燃气在再燃区贫氧燃烧，再燃区过量空气系数控制为0.8，燃尽区过量空气系数控制为1.2。当生物质燃料供应不稳定，可以相应减小再燃区生物质燃气的供应量，同时相应的增加煤粉的供应量。甚至在生物质燃料缺乏时，可以停止生物质燃气的供应，完全采用煤粉作为燃料，此时，燃气喷口12的二次风挡板开度设定为20％，提供一定量的二次风，冷却喷口。同时加大煤粉燃烧器13的二次风挡板开度，增加二次风量，适当减小燃尽风OFA喷口14的挡板开度，减小燃尽风的比例，以保证炉内燃烧的稳定性。不同生物质比例下运行方式如表1：
表1.4种常见工况下的运行方式
| 煤粉比例，％ | 生物质比例，％ | 煤粉燃烧器二风挡板开度，％ | 燃气喷口二次风挡板开度，％ | OFA挡板开度，％ | |
| 工况1 | 70 | 30 | 50 | 60 | 100 |
| 工况2 | 80 | 20 | 70 | 45 | 70 |
| 工况3 | 90 | 10 | 85 | 30 | 40 |
| 工况4 | 100 | 0 | 100 | 20 | 20 |
因此，本发明所述的燃烧方法可以适应不同生物质比例的燃烧工况，燃烧稳定，运行方式灵活。
Claims (8)
1.生物质高温烟气气化联合燃煤锅炉，其特征在于，燃煤锅炉(15)的炉膛出口引出高温烟气管道，燃煤锅炉(15)的空气预热器(1)的烟气入口前引出低温烟气管道，两条烟气管道共同连接到烟气混合器(3)，烟气混合器(3)依次与气化炉(7)、燃气净化室(8)、增压风机(9)、燃气储存罐(10)连接，最后通入燃煤锅炉(15)的再燃区；气化炉(7)上连接有生物质仓(6)。
2.根据权利要求1所述的生物质高温烟气气化联合燃煤锅炉，其特征在于，所述燃煤锅炉(15)与烟气混合器(3)之间设置高温烟气调门(5)，所述空气预热器(1)与烟气混合器(3)之间设置低温烟气调门(2)，所述烟气混合器(3)与气化炉(7)之间设置烟气总门(4)，所述燃气储存罐(10)与燃煤锅炉(15)之间设置燃气调节门(11)。
3.根据权利要求1所述的生物质高温烟气气化联合燃煤锅炉，其特征在于，所述气化炉(7)的侧面偏下位置为生物质入口，气化炉(7)的底部设置多个烟气入口，气化炉(7)的顶部设置生物质燃气出口。
4.根据权利要求1所述的生物质高温烟气气化联合燃煤锅炉，其特征在于，所述燃煤锅炉(15)的炉腔从下到上分为主燃区、再燃区和燃尽区，所述主燃区的炉壁上设置三层煤粉旋流燃烧器(13)，所述再燃区的炉壁上设置一层与燃气储存罐(10)相通的燃气喷口(12)，所述燃尽区的炉壁上设置一层燃尽风OFA喷口(14)。
5.根据权利要求4所述的生物质高温烟气气化联合燃煤锅炉，其特征在于，所述燃气喷口(12)为三个同心圆组成的圆及圆环结构，从内到外分别为内二次风通道、生物质燃气通道和外二次风通道。
6.一种生物质高温烟气气化联合燃煤锅炉低污染燃烧方法，其特征在于，包括以下步骤：
温度为1100～1200℃的高温烟气从燃煤锅炉(15)的炉膛出口处引出，温度为330～370℃的低温烟气从空气预热器(1)的烟气入口前引出，两股烟气进入烟气混合器(3)；
燃煤锅炉(15)与烟气混合器(3)之间设置高温烟气调门(5)，所述空气预热器(1)与烟气混合器(3)之间设置低温烟气调门(2)，通过调整低温烟气调门(2)和高温烟气调门(5)的开度，改变低温烟气比例和高温烟气的比例，从而调整混合器出口烟气温度为970～1020℃；
烟气作为气化剂进入到气化炉(7)，生物质仓(6)待气化的生物质也同时进入气化炉(7)，气化后的生物质燃气进入燃气净化室(8)进行初步净化，脱除H2S、HCl、焦油杂质，经过增压风机(9)提高压头后进入到燃气储存罐(10)，再经过燃气喷口(12)进入到燃煤锅炉的炉膛燃烧；
发热量比例在70％以上的主燃料煤通过煤粉燃烧器(13)进入到燃煤锅炉(15)的主燃区燃烧，主燃区的过量空气系数为1.05～1.2；生物质燃气占总燃料比例的0～30％，再燃区的过量空气系数为0.7～0.9，且生物质燃气中不可燃气体含量高，因此生物质燃气的热值低，为4500～5500KJ/m3，再燃区中生物质燃气实现了低温低氧燃烧，燃烧强度低，燃烧过程生成的NOX浓度低；生物质燃气在再燃区不完全燃烧，再燃区呈现为还原性气氛，生物质燃气中的CH4、CO气体直接还原主燃区烟气中的NOX；二次风从燃尽风OFA喷口(14)进入到燃尽区，燃尽区的过量空气系数为1.1～1.3，及时补充空气，保证烟气中未燃尽物质的充分燃烧，使烟气中NOX浓度降低60％以上。
7.根据权利要求6所述的一种生物质高温烟气气化联合燃煤锅炉低污染燃烧方法，其特征在于，所述混合器出口温度为970～1020℃的烟气中主要气体组分的体积浓度为CO2：14～16％，O2：3～8％，H2O：8～12％，N2：64～75％；所述生物质燃气主要气体组分的体积浓度为CO：18～22％，CH4：2～5％，H2：15％，CO2：12～14％，N2：49～53％。
8.根据权利要求6所述的一种生物质高温烟气气化联合燃煤锅炉低污染燃烧方法，其特征在于，所述燃气喷口(12)为三个同心圆组成的圆及圆环结构，从内到外分别为内二次风通道、生物质燃气通道和外二次风通道；燃气喷口(12)的内二次风通道通入5～10％的内二次风，以及时补充氧气，提高空气与生物质燃气的混合均匀性；生物质燃气从生物质燃气通道喷出，其喷出速度不小于12m/s，以确保锅炉内温度场和烟气流场分布合理；外二次风从外二次风通道通入，其风速不小于20m/s。
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