一种半焦低NOx抗结渣掺烧的系统及方法与流程

本发明属于固体碳基燃料清洁高效利用领域，特别涉及一种半焦低nox抗结渣掺烧的系统及方法。

背景技术：

煤热解副产品半焦作为高品位洁净燃料燃烧发电，是实现煤炭清洁高效梯级利用的重要组成部分。随着我国煤化工行业的快速发展，目前有大量这类燃料亟待实现燃烧利用。然而半焦的挥发分含量很低，实现清洁高效燃烧难度很大，通常存在着火稳燃困难、燃尽率低、nox排放高等问题。因此，如何实现此类燃料的清洁高效燃烧利用，已成为制约我国煤炭清洁高效梯级利用产业化应用的关键技术瓶颈，并亟待解决。另一方面，我国生物质能分布广泛、污染小，且可有效缓减“温室效应”，但由于生物质挥发分高且含有大量易挥发的碱性金属和氯元素，其燃烧过程中易引起严重的炉内结渣、沉积及腐蚀等与灰分相关的问题，极大地制约了生物质的大规模利用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种半焦低nox抗结渣掺烧的系统及方法，其结合富氧燃烧技术，借助抗结渣生物质颗粒，采用生物质和半焦在炉内分层掺烧的方式，并利用燃料分级和氧气分级燃烧技术，在改善半焦难着火、燃尽差并降低锅炉nox生成的同时，缓减了生物质高碱金属带来的结渣问题，且充分利用了烟气余热，并节约了水资源。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案来实现：

一种半焦低nox抗结渣掺烧的系统，包括半焦-生物质混燃系统和抗结渣生物质颗粒制备装置；其中，

半焦-生物质混燃系统包括生物质仓、生物质烘干装置、生物质磨粉机、半焦仓、半焦磨粉机、锅炉底层燃烧器、中间层燃烧器、再燃燃烧器、燃尽风喷嘴、循环风机、混气器、化学处理装置、补给水泵、汽轮机和蒸汽泵，依次设置在烟气管道内的屏式过热器、对流过热器和省煤器，以及与烟气管道出口依次连接的锅炉尾部除尘器、氧气预热器、脱硫装置、烟气冷凝器和co2压缩装置；

抗结渣生物质颗粒制备装置包括抗结渣剂制备桶和生物质与抗结渣剂混合罐；

生物质仓通过输送管道与生物质烘干装置的上入口相连，蒸汽泵的入口与汽轮机的抽汽管道相连，蒸汽泵的出口与生物质烘干装置的侧入口相连，生物质烘干装置的出口与生物质磨粉机的入口相连，生物质磨粉机的出口与锅炉底层燃烧器的燃料喷嘴相连；半焦仓通过输送管道与半焦磨粉机的入口相连，半焦磨粉机的出口与锅炉中间层燃烧器的燃料喷嘴相连；抗结渣剂制备桶的出口与生物质与抗结渣剂混合罐的入口相连，生物质与抗结渣剂混合罐的出口与再燃燃烧器的燃料喷嘴相连；

锅炉尾部除尘器后的部分热烟气通过烟气管道与循环风机的入口相连，循环风机的出口通过三通阀分别与再燃燃烧器的进风喷嘴和混气器的下入口相连，空气分离器的入口接大气，下出口通过三通阀分别与锅炉底层燃烧器的一次风喷嘴和混气器的侧入口相连，混气器的出口分别与锅炉底层燃烧器的二次风喷嘴、中间层燃烧器的一、二次风喷嘴及燃尽风喷嘴相连；

烟气冷凝器的冷凝水出口连接至化学处理装置的入口，化学处理装置的出口通过补给水泵连接至省煤器。

本发明进一步的改进在于，生物质烘干装置采用来自汽轮机的蒸汽作为干燥热源。

本发明进一步的改进在于，生物质磨粉机是风扇磨，磨制后的干燥生物质颗粒和抗结渣剂制备桶中的抗结渣剂在生物质与抗结渣剂混合罐中混合，形成抗结渣生物质颗粒。

本发明进一步的改进在于，生物质磨粉机磨制后的干燥生物质颗粒和生物质与抗结渣剂混合罐中的抗结渣生物质颗粒分别作为引燃燃料和再燃燃料在锅炉底层燃烧器和再燃燃烧器的燃料喷嘴喷入炉膛，半焦磨粉机磨制后的半焦粉从锅炉中间层燃烧器的燃料喷嘴喷入炉膛，形成了“易燃燃料包难燃燃料”的分层燃烧布置方式。

本发明进一步的改进在于，锅炉底层燃烧器的一次风喷嘴喷入经空气分离器分离得到的氧气，底层燃烧器的二次风喷嘴、中间层燃烧器的一二次风喷嘴及燃尽风喷嘴中喷入氧气和锅炉尾部循环烟气的混合气，再燃燃烧器的一二次风喷嘴喷入锅炉尾部除尘器后的循环烟气。

本发明进一步的改进在于，从烟气冷凝器得到的冷凝水在化学处理装置中净化和除氧处理之后，作为锅炉补给水经补给水泵供给省煤器。

一种半焦低nox抗结渣掺烧的方法，该方法基于所述的一种半焦低nox抗结渣掺烧的系统，包括：

生物质仓中的生物质经输送管道进入生物质烘干装置进行干燥，干燥的热源来源于汽轮机的部分抽汽；

干燥的生物质进入生物质磨粉机进行磨制，磨制完成的生物质颗粒部分作为引燃燃料从锅炉底层燃烧器的燃料喷嘴进入炉膛，经空气分离器分离得到的部分氧气从锅炉底层燃烧器的一次风喷嘴喷入炉膛，低着火点的生物质与高浓度氧气结合促进了燃料的着火和放热；燃烧所需二次风为锅炉尾部除尘器后的部分循环烟气与经空气分离器分离得到的氧气的混合气；半焦仓中的半焦经半焦磨粉机磨制后从锅炉中间层燃烧器的燃料喷嘴进入炉膛，燃烧所需一、二次风均为循环热烟气和氧气的混合气；

经生物质磨粉机磨制得到的剩余生物质颗粒进入生物质与抗结渣剂混合罐，制备抗结渣的生物质颗粒，将其作为再燃燃料从再燃燃烧器的燃料喷嘴进入炉膛，燃烧所需一、二次风均为锅炉尾部除尘器后的部分循环热烟气，抗结渣生物质颗粒在贫氧环境下再燃，降低灰的结渣率，以及降低燃烧过程中nox的生成；

锅炉尾部循环热烟气和经空气分离器分离得到氧气的混合气从燃尽风喷嘴喷入炉膛，结合炉膛燃料深度分级、氧气分级和燃烧后期局部补氧，进一步降低了nox的生成；

完全燃烧后的烟气依次经过屏式过热器、对流过热器、省煤器、锅炉尾部除尘器、氧气预热器、脱硫装置、烟气冷凝器和co2压缩装置，最终将co2封存处理；

经空气分离器分离得到的氧气在氧气预热器中预热后进入炉膛助燃，利用烟气余热的同时提高了锅炉效率；

烟气冷凝器得到的冷凝水在化学处理装置中净化和除氧之后，作为锅炉补给水经补给水泵供给省煤器。

本发明进一步的改进在于，还包括：

高温烟气将工质水加热至过热蒸汽状态，通过主蒸汽管道送入汽轮机中膨胀做功，驱动汽轮机转动，汽轮机带动发电机发电。

本发明进一步的改进在于，抗结渣剂为多孔陶瓷和白云石粉末的混合物，多孔陶瓷与白云石粉末的质量比为1:0.1-10，抗结渣剂粒径为生物质颗粒粒径的1/10-1/20，以保证抗结渣剂和生物质颗粒能同步悬浮于锅炉炉膛内燃烧。

相对于现有技术，本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种半焦低nox抗结渣掺烧的系统，其中半焦-生物质混燃系统采用分层掺混和富氧燃烧技术相结合的方式，利用除尘后的锅炉尾部热烟气和空气分离后制得纯氧的混合气代替助燃空气，且氧气浓度可根据燃烧器区域变化进行灵活调节，用布置在锅炉尾部除尘器之后的氧气预热器代替传统的空气预热器，充分利用了烟气余热；收集净化烟气凝结水作为锅炉补给水，变废为宝；抗结渣剂采用多孔陶瓷和白云石粉末的混合物，原料成分简单、成本低廉，且生物质抗结渣颗粒制作过程方便快捷，只需控制各成分粒径并掺混均匀，使其能同步悬浮于锅炉炉膛内进行燃烧。抗结渣剂不仅能通过提高生物质灰熔点而缓减结渣，其成分还有脱硫和吸附有害气体的功效。

本发明提供的一种半焦低nox抗结渣掺烧的方法，半焦与生物质掺烧过程中，采用“生物质抗结渣处理”、“炉内分层掺烧”、“燃料再燃”和“燃烧后期局部补氧”相结合的燃烧方式，将部分生物质作为引燃燃料在炉膛的底层燃烧器喷入，并利用纯氧作为一次风，高氧浓度环境和低着火点特征会促进生物质的着火放热，对应的区域形成着火区或助燃区，该区域温度较低，结渣和nox生成均较少；将半焦在中间层燃烧器喷入，并将循环烟气和纯氧的混合气作为半焦的一、二次风，对应区域形成主燃区，该过程半焦可充分利用生物质燃烧放出的热量进行点燃，结合生物质含氮量低和富氧燃烧技术，可降低半焦nox的生成，同时该区域生物质较少，结渣也较少；将剩余生物质进行抗结渣处理，该部分生物质作为再燃燃料经锅炉的再燃燃烧器喷入炉膛，将循环烟气作为一、二次风，对应的区域形成再燃区或气化区，适当降低的区域温度和抗结渣的生物质颗粒共同缓减了生物质的结渣，生物质颗粒以及生物质气化生成的还原性气体会还原半焦在主燃区生成的nox；将循环烟气和纯氧的混合气作为燃尽风，保证了燃料的燃烧效率；氧气预热器结构简单，体积较小，且布置在锅炉尾部除尘器之后，较传统空气预热器节省材料，且充分利用了烟气的余热，整体提高了锅炉的效率；烟气凝结水经化学净化和除氧处理后作为锅炉补给水，节约了水资源。

综上所述，本发明解决了半焦和生物质单独燃烧时存在的诸多问题，实现了能量的充分、梯级利用，且不受地区和环境限制，系统简单可靠、经济环保，便于管理。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

附图标记说明：

1为生物质仓，2为生物质烘干装置，3为生物质磨粉机，4为半焦仓，5为半焦磨粉机，6为抗结渣剂制备桶，7为生物质与抗结渣剂混合罐，8为空气分离器，9为混气器，10为循环风机，11为锅炉底层燃烧器，12为锅炉中间层燃烧器，13为再燃燃烧器，14为燃尽风喷嘴，15为屏式过热器，16为对流过热器，17为省煤器，18为锅炉尾部除尘器，19为氧气预热器，20为脱硫装置，21为烟气冷凝器，22为co2压缩装置，23为化学处理装置，24为补给水泵，25为汽轮机，26为发电机，27为蒸汽泵。

a为空气，b为氮气，c为氧气，d为压缩的co2封存处置，e为循环烟气。

a为着火区或助燃区，b为主燃区，c为再燃区或气化区，d为燃尽区。

实线为半焦、生物质等固体输运路线，虚线为气体(烟气、蒸汽或氧气输运路线)，双点划线为补给水输运路线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的详细说明

如图1所示，本发明提供的一种半焦低nox抗结渣掺烧的系统，包括半焦-生物质混燃系统和抗结渣生物质颗粒制备装置。

其中，半焦-生物质混燃系统包括生物质仓1、生物质烘干装置2、生物质磨粉机3、半焦仓4、半焦磨粉机5、锅炉底层燃烧器11、中间层燃烧器12、再燃燃烧器13、燃尽风喷嘴14、屏式过热器15、对流过热器16、省煤器17、锅炉尾部除尘器18、氧气预热器19、循环风机10、混气器9、汽轮机25、蒸汽泵27、燃尽风管道、热烟气管道和蒸汽管道。

抗结渣生物质颗粒制备装置包括抗结渣剂制备桶6和生物质与抗结渣剂混合罐7。

生物质仓1通过输送管道与生物质烘干装置2的上入口相连，蒸汽泵24的入口与汽轮机22的抽汽管道相连，蒸汽泵27的出口与生物质烘干装置2的侧入口相连，生物质烘干装置2的出口与生物质磨粉机3的入口相连，生物质磨粉机3的出口与锅炉底层燃烧器11的燃料喷嘴相连；半焦仓4通过输送管道与半焦磨粉机5的入口相连，半焦磨粉机5的出口与锅炉中间层燃烧器12的燃料喷嘴相连。抗结渣剂制备桶6的出口与生物质与抗结渣剂混合罐7的入口相连，生物质与抗结渣剂混合罐7的出口与再燃燃烧器13的燃料喷嘴相连。

锅炉尾部除尘器18后的部分热烟气通过烟气管道与循环风机10的入口相连，循环风机10的出口通过三通阀分别与再燃燃烧器13的进风喷嘴和混气器9的下入口相连，空气分离器8的入口接大气，下出口通过三通阀分别与锅炉底层燃烧器11的一次风喷嘴和混气器9的侧入口相连，混气器9的出口分别与锅炉底层燃烧器11的二次风喷嘴、中间层燃烧器12的一、二次风喷嘴及燃尽风喷嘴14相连。

屏式过热器15、对流过热器16和省煤器17依次设置在烟气管道内，锅炉尾部除尘器18、氧气预热器19、脱硫装置20、烟气冷凝器21和co2压缩装置22与烟气管道出口依次连接，烟气冷凝器21的冷凝水出口连接至化学处理装置23的入口，化学处理装置23的出口通过补给水泵24连接至省煤器17。

进一步的，生物质烘干装置2采用来自汽轮机25的蒸汽作为干燥热源。

进一步的，生物质磨粉机3是风扇磨，磨制后的干燥生物质颗粒和抗结渣剂在生物质与抗结渣剂混合罐7中混合，形成抗结渣生物质颗粒，抗结渣剂为多孔陶瓷和白云石粉末的混合物，多孔陶瓷与白云石粉末的质量比为1:0.1-10，其粒径为生物质颗粒粒径的1/10-1/20，以保证抗结渣剂和生物质颗粒能同步悬浮于锅炉炉膛内燃烧。

进一步的，生物质磨粉机3磨制后的干燥生物质颗粒和生物质与抗结渣剂混合罐7中的抗结渣生物质颗粒分别作为引燃燃料和再燃燃料在锅炉底层燃烧器11和再燃燃烧器13的燃料喷嘴喷入炉膛，半焦磨粉机5磨制后的半焦粉从锅炉中间层燃烧器12的燃料喷嘴喷入炉膛，形成“易燃燃料包难燃燃料”的分层燃烧布置方式。

进一步的，锅炉底层燃烧器11的一次风喷嘴喷入经空气分离器8分离得到的氧气，底层燃烧器11的二次风喷嘴、中间层燃烧器12的一二次风喷嘴及燃尽风喷嘴14中喷入氧气和锅炉尾部循环烟气的混合气，再燃燃烧器13的一二次风喷嘴喷入锅炉尾部除尘器18后的循环烟气。

进一步的，在锅炉尾部除尘器18后设置结构较传统烟气预热器简单的氧气预热器，利用除尘烟气的余热加热进入炉膛的氧气，减少了能量损失且提高锅炉效率。

进一步的，从烟气冷凝器21得到的冷凝水在化学处理装置23中净化和除氧处理之后，作为锅炉补给水经补给水泵24供给省煤器17。

本发明一种超低挥发分碳基燃料和褐煤低nox掺烧的方法，包括：

1)生物质仓1中的生物质经输送管道进入生物质烘干装置2进行干燥，干燥的热源来源于汽轮机的部分抽汽；

2)干燥的生物质进入生物质磨粉机3进行磨制，磨制完成的生物质颗粒部分作为引燃燃料从锅炉底层燃烧器11的燃料喷嘴进入炉膛，经空气分离器8分离得到的部分氧气从锅炉底层燃烧器11的一次风喷嘴喷入炉膛，低着火点的生物质与高浓度氧气结合促进了燃料的着火和放热；燃烧所需二次风为锅炉尾部除尘器18后的部分循环烟气与经空气分离器8分离得到的氧气的混合气；半焦仓4中的半焦经半焦磨粉机5磨制后从锅炉中间层燃烧器12的燃料喷嘴进入炉膛，燃烧所需一、二次风均为循环热烟气和氧气的混合气；

3)经生物质磨粉机3磨制得到的剩余生物质颗粒进入生物质与抗结渣剂混合罐7，制备抗结渣的生物质颗粒，将其作为再燃燃料从再燃燃烧器13的燃料喷嘴进入炉膛，燃烧所需一、二次风均为锅炉尾部除尘器18后的部分循环热烟气，抗结渣生物质颗粒在贫氧环境下再燃不仅可以降低灰的结渣率，还能降低燃烧过程中so2和nox的生成；

4)锅炉尾部循环热烟气和经空气分离器8分离得到氧气的混合气从燃尽风喷嘴14喷入炉膛，结合炉膛燃料深度分级、氧气分级和燃烧后期局部补氧，进一步降低了nox的生成；

5)完全燃烧后的烟气依次经过屏式过热器15、对流过热器16、省煤器17、锅炉尾部除尘器18、氧气预热器19、脱硫装置20、烟气冷凝器21和co2压缩装置22，最终将co2封存处理；

6)经空气分离器8分离得到的氧气在氧气预热器19中加热后进入炉膛助燃，利用烟气余热的同时提高了锅炉效率；

7)烟气冷凝器得到的冷凝水在化学处理装置23中净化和除氧之后，作为锅炉补给水经补给水泵24供给省煤器17。

8)高温烟气将工质水加热至过热蒸汽状态，通过主蒸汽管道送入汽轮机25中膨胀做功，驱动汽轮机转动，汽轮机带动发电机26发电。

概括来说，本发明借助富氧燃烧技术和抗结渣生物质颗粒制备技术，将干燥的生物质颗粒和抗结渣生物质颗粒分别作为引燃燃料和再燃燃料与半焦在锅炉内形成“易燃燃料包难燃燃料”的分层掺烧方式，结合炉膛燃料氧气深度分级和燃烧后期局部补氧技术，炉膛从下到上分为着火/助燃区、主燃区、再燃/气化区和燃尽区四个燃烧区域。该系统设计既解决了半焦着火燃尽困难和nox生成量大的问题，又克服了生物质碱金属含量高导致的严重结渣问题，同时降低了燃煤锅炉co2的排放。本发明充分利用了不同品位能量，适应范围广，经济环保，便于管理。

应理解，该实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，还应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域的技术人员可以对本发明做出各种改动或修改，然而，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。