一种用于煤粉锅炉的水蒸汽循环调节式富氧燃烧方法.pdf

本发明公开了一种用于煤粉锅炉的水蒸汽循环调节式富氧燃烧方法，该方法的特征为，在整个富氧燃烧过程中：（a）对燃烧所产生的烟气依次执行热能提取、净化和冷凝处理，并利用所提取的热能将冷凝处理后所获得的冷凝水加热转换成水蒸汽，然后将其中一部分水蒸汽作为一次风送入煤粉锅炉的炉膛；（b）将所述水蒸汽的剩余部分与氧气混合后作为二次风送入煤粉锅炉的炉膛。本发明还公开了其他形式的利用水蒸汽执行循环调节的富氧燃烧方式。通过本发明，能够解决现有技术中不易获得高浓度CO2烟气、NOx和SO2等污染物浓度高、系统启停切换繁琐等问题，因而尤其适用于煤粉锅炉等场合的应用。

权利要求书一种用于煤粉锅炉的水蒸汽循环调节式富氧燃烧方法，其特征在于，在整个富氧燃烧过程中：
（a）对燃烧所产生的烟气依次执行热能提取、冷凝和净化处理，并利用所提取的热能将冷凝处理后所获得的冷凝水加热转换成水蒸汽，然后将其中一部分水蒸汽作为一次风送入煤粉锅炉的炉膛；
（b）将所述水蒸汽的剩余部分与氧气混合后作为二次风送入煤粉锅炉的炉膛。
如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（a）中，还可以将所述一部分水蒸汽与氧气混合后作为一次风送入煤粉锅炉的炉膛。
一种用于煤粉锅炉的水蒸汽循环调节式富氧燃烧方法，其特征在于，在整个富氧燃烧过程中：
（i）对燃烧所产生的烟气依次执行热能提取、冷凝和净化处理，并将所获得的冷循环烟气利用所提取的热能予以加热，然后将其作为一次风返回至煤粉锅炉的炉膛；
（ii）将烟气冷凝处理后所获得的冷凝水利用所提取的热能加热转换成水蒸汽，然后将其与氧气混合后作为二次风送入煤粉锅炉的炉膛。
如权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤（i）中，还可以将循环烟气和氧气混合后共同作为一次风送入煤粉锅炉的炉膛。
如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，在步骤（i）中，作为一次风的循环烟气占总热烟气量的20～40%。
如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为一次风的水蒸汽温度为150～200℃。
如权利要求1‑6任意一项所述的方法，其特征在于，作为二次风的水蒸汽温度为120～150℃。
如权利要求1‑7任意一项所述的方法，其特征在于，进入到炉膛中的氧气总量占所有助燃介质的体积比为21%～35%。
如权利要求1‑8任意一项所述的方法，其特征在于，当冷凝水不足时，还可以直接补充水，并利用所述提取的热能将其加热转换成水蒸汽。

说明书一种用于煤粉锅炉的水蒸汽循环调节式富氧燃烧方法
技术领域
本发明属于煤粉燃烧技术领域，更具体地，涉及一种用于煤粉锅炉的水蒸汽循环调节式富氧燃烧方法。
背景技术
富氧燃烧是指利用纯氧或富氧（含氧浓度高于21%的混合气）代替空气作为助燃介质的燃烧技术，由于其相比于传统空气燃烧，可以排除大量不参与反应的氮气，使得干烟气中的CO2浓度达到80%以上，易于实现CO2捕获和储存，因此成为当今燃煤燃烧过程中捕获CO2最有前景的技术。
现有技术中的煤粉锅炉富氧燃烧方式主要包括以下流程：从空气中分离出浓度高达95%以上的氧气与循环烟气相混合，经过预热器加热到适当温度后送入炉膛并与煤粉燃烧反应，所生成的烟气经过换热设备处理后从炉膛出口排出；烟气成分主要是CO2、少量的水蒸汽和少量的O2、N2等，经过除尘设备后流经脱硫、脱硝设备，然后通过冷凝处理得到干燥的高浓度CO2烟气：其中大部分烟气作为循环烟气与O2混合送回炉膛，另外一部分经过压缩设备压缩后予以贮存。
然而，研究发现，现有技术的富氧燃烧方式仍然存在着以下的缺陷或不足：第一、由于大量烟气（60‑80%）的循环，导致烟气中NOx和SO2的含量会随着循环次数的增加而不断富集，同时多次的烟气循环会增加漏风现象，并使得烟气中N2含量增加；第二，上述现象还会大大降低富氧燃烧烟气中CO2的浓度，进而增加后续压缩纯化的难度，降低CO2的捕获效率；第三，大量的烟气循环会导致整体富氧燃烧系统在运行时切换繁琐，并存在辅助设备复杂、难以操控等问题。相应地，在相关领域中存在着对用于煤粉锅炉的水蒸汽循环调节式富氧燃烧方式作出进一步改进的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷和/或技术需求，本发明的目的在于提供一种用于煤粉锅炉的水蒸汽循环调节式富氧燃烧方法，其通过水蒸汽的循环代替或减少烟气的循环量，可以提高燃烧产物中CO2的浓度，同时减少NOx和SO2等污染物的生成和排放。
按照本发明的一个优选实施方式，提供了一种用于煤粉锅炉的水蒸汽循环调节式富氧燃烧方法，其特征在于，在整个富氧燃烧过程中：
（a）对燃烧所产生的烟气依次执行热能提取、冷凝和净化处理，并利用所提取的热能将冷凝处理后所获得的冷凝水加热转换成水蒸汽，然后将其中一部分水蒸汽作为一次风送入煤粉锅炉的炉膛；
（b）将所述水蒸汽的剩余部分与氧气混合后作为二次风送入煤粉锅炉的炉膛。
通过以上构思，由于可以利用烟气冷凝水加热所生成的水蒸汽循环来调节炉膛中火焰的温度和锅炉换热状态，与传统的富氧燃烧方式相比，可以完全避免循环烟气的使用，减少空气泄漏的影响，并提高对烟气中CO2的捕获效果；此外，由于不再使用烟气循环，相应可大大降低烟气中NOx和SO2等污染物浓度，提高环保程度，同时使得电厂锅炉系统中的循环和净化设备得到简化，提高生产效率。
在步骤（a）中，还可以将所述一部分水蒸汽与氧气混合后作为一次风送入煤粉锅炉的炉膛。
按照本发明的另一优选实施方式，提供了一种用于煤粉锅炉的水蒸汽循环调节式富氧燃烧方法，其特征在于，在整个富氧燃烧过程中：
（i）对燃烧所产生的烟气依次执行热能提取、冷凝和净化处理，并将所获得的冷循环烟气利用所提取的热能予以加热，然后将其作为一次风返回至煤粉锅炉的炉膛；
（ii）将烟气冷凝处理后所获得的冷凝水利用所提取的热能加热转换成水蒸汽，然后将其与氧气混合后作为二次风送入煤粉锅炉的炉膛。
通过以上构思，由于可以利用烟气冷凝水加热所生成的水蒸汽循环来调节炉膛中火焰的温度和锅炉换热状态，与传统的富氧燃烧方式相比，可以部分避免循环烟气的使用，并有助于提高对烟气中CO2的捕获效果，降低烟气中NOx和SO2等污染物浓度；此外，通过采用循环烟气作为一次风，能够在实现上述效果的同时，有效保证对煤粉的顺利输送。
作为进一步优选地，在步骤（i）中，还可以将烟气和氧气相混合后共同作为一次风送入煤粉锅炉的炉膛，有利于氧气和煤粉在输运过程中混合，易于煤粉的着火和燃烧。
作为进一步优选地，在步骤（i）中，作为一次风的循环烟气占总热烟气量的20～40%。
通过将作为一次风的循环烟气体积进行以上具体限定，这样既保证一次风有足够的动力输运煤粉，又对于后续的二次风而言，则所需的水蒸汽等介质的调节范围相对较大，由此便于对整体燃烧过程中送风量的调节。
作为进一步优选地，作为一次风的水蒸汽温度为150～200℃。
通过对作为一次风的水蒸汽温度进行以上限定，较多的比较测试表明，这样水蒸汽自身温度较高易于保持为气态，从而便于对煤粉的顺利输送。
作为进一步优选地，作为二次风的水蒸汽温度为120～150℃。
通过对作为二次风的水蒸汽温度进行以上限定，较多的比较测试表明，这样便于利用炉膛中的预热器来进行加热，这样可以减少能量消耗，降低生产成本。
作为进一步优选地，进入到炉膛中的氧气总量占所有助燃气体的体积比为21%～35%。
之所以对进入到炉膛中的氧气总量进行以上限定，主要是对于富氧燃烧技术来说，采用25%‑30%的氧气浓度就能达到良好的燃烧效果；而考虑到本发明中利用水蒸汽来执行循环调节，为了使其与氧气更好地配合并获得更高的燃烧效率，通过试验对比测试后对其体积比作出以上限定。
作为进一步优选地，当冷凝水不足时，还可以直接补充水，并利用所述提取的热能将其加热转换成水蒸汽。
总体而言，按照本发明的水蒸汽循环调节式富氧燃烧方法与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、由于利用烟气冷凝水加热所生成的水蒸汽循环来调节炉膛中火焰的温度和锅炉换热状态，与传统的富氧燃烧方式相比，可以完全或部分避免循环烟气的使用，减少空气泄漏的影响，并可提高对烟气中CO2的捕获效果；
2、由于大量减少或取消了烟气循环，相应还可大大降低烟气中的中NOx和SO2等污染物浓度，提高环保程度，同时使得电厂锅炉系统中的循环和净化设备得到简化，提高生产效率；
3、按照本发明富氧燃烧方式适于与现有设备进行改造，便于操控，在烟气富集CO2的同时能够协同脱除多种污染物，同时有助于提高燃烧效率，因而尤其适用于煤粉锅炉或类似场合的应用。
附图说明
图1是按照本发明一个优选实施方式的流程示意图；
图2是按照本发明另一优选实施方式的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是按照本发明一个优选实施方式的流程示意图。如图1中所示，按照本发明第一优选实施方式的富氧燃烧方法的整体工艺流程及基础设备与传统相类似，其主要区别或特点在于：（a）对燃烧所产生的烟气依次执行热能提取、净化和冷凝处理，并利用所提取的热能将冷凝处理后所获得的冷凝水加热转换成水蒸汽，然后将其中一部分水蒸汽作为一次风送入煤粉锅炉的炉膛；（b）将水蒸汽的剩余部分与氧气混合后作为二次风送入煤粉锅炉的炉膛。
具体而言，煤粉燃烧所产生的烟气会依次执行热能提取、净化和冷凝处理，其中冷凝处理后所获得的冷凝水可以利用热能提取操作所获得的热能，譬如经过预热器加热转换成优选150‑200℃的水蒸汽，然后将其中一部分水蒸汽单独作为一次风送入煤粉锅炉的炉膛；其余的水蒸汽（若需要，也可以直接补充水来生成水蒸汽）则与空气分离所获得的氧气相混合，然后作为二次风（以及三次风）送入炉膛点火燃烧。锅炉燃烧所生成的高温烟气则全部经过上述热能提取、净化和冷凝后压缩成液体。以下为按照第一优选实施方式的具体实施例，可以从该实施例获知相应的技术效果如下。
实施例1
烟气冷凝后获得水蒸汽，经测试表明，每kg煤获得的水蒸气质量为3.7Nm3，该水蒸汽经预热器加热至150℃，其中的30％作为一次风输送煤粉，其余部分作为二次风进入炉膛燃烧；炉膛燃烧后的高温烟气经热交换、冷凝净化后，进压缩系统处理成液态CO2。进入炉膛的氧气含量占整个助燃气体的24.7%，高温烟气中的水蒸汽含量为65.6％，冷凝后的烟气中CO2浓度为91.5%。
图2是按照本发明另一优选实施方式的流程示意图。如图2中所示，按照本发明第二优选实施方式的富氧燃烧方法的的主要特点在于：（i）对燃烧所产生的烟气依次执行热能提取、净化和冷凝处理，并将所获得的冷循环烟气利用所提取的热能予以加热，然后将其作为一次风返回至煤粉锅炉的炉膛；（ii）将烟气冷凝处理后所获得的冷凝水利用所提取的热能加热转换成水蒸汽，然后将其与氧气混合后作为二次风送入煤粉锅炉的炉膛。
具体而言，煤粉燃烧所产生的烟气会依次执行热能提取、净化和冷凝处理，其中冷凝处理后所获得的冷凝水可以利用热能提取操作所获得的热能，譬如经过预热器加热转换成优选120‑150℃的水蒸汽，然后将其作为二次风（以及三次风）送入煤粉锅炉的炉膛；而经过上述热能提取、净化和冷凝后的烟气，其中一部分作为一次风返回至炉膛，另外一部分被压缩制成液体。以下为按照第二优选实施方式的具体实施例，可以从该实施例获知相应的技术效果如下。
实施例2
采用燃烧所产生的烟气作为一次风进入炉膛，然后烟气冷凝后获得水蒸汽，经测试表明，每kg煤获得的水蒸气质量为3.0Nm3，该水蒸汽经预热器加热至120℃，将其与空气分离获得的纯氧混合后作为二次风进入炉膛；炉膛燃烧后的高温烟气经热交换、冷凝净化后，其中的51％（相当于冷凝前的26%）经循环风机作为一次风输送煤粉进入炉膛燃烧，其余部分进压缩系统处理成液态CO2。进入炉膛中的氧气含量占整个助燃气体的25.6％，高温烟气中的水蒸汽含量为56％，冷凝后的烟气中CO2浓度为88.6%。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。