燃煤鍋爐前置生物質超高速自平衡氣化混燃裝置的製造方法

2023-06-05 05:03:51 3

燃煤鍋爐前置生物質超高速自平衡氣化混燃裝置的製造方法
【專利摘要】本實用新型屬於生物質利用技術領域，公開了燃煤鍋爐前置生物質超高速自平衡氣化混燃裝置，本實用新型採用生物質超高速自平衡氣化設備將生物質氣化，燃氣通過降溫增壓後送入燃煤鍋爐爐膛內燃燒。燃氣降溫介質採用從汽輪機中壓段抽取的～400℃蒸汽，與燃氣換熱後的蒸汽通過與空氣的二次換熱，產生高溫空氣供給氣化爐。本實用新型實現了生物質氣化耦合大型燃煤發電系統，利用大容量、高參數汽輪發電系統提高了生物質發電參數和效率，解決了現存的生物質直燃工藝發電規模小、效率低的問題，並適用於高鹼性、高水分的生物質，擴大了生物質利用範圍。
【專利說明】
燃煤鍋爐前置生物質超高速自平衡氣化混燃裝置
技術領域
[0001]本實用新型屬於生物質利用技術領域，具體涉及燃煤鍋爐前置生物質超高速自平衡氣化混燃裝置。
【背景技術】
[0002]生物質是傳統的可再生資源，我國生物質能資源非常豐富，發展生物質發電產業大有可為。一方面，我國農作物播種面積有18億畝，年產生物質約7億噸。除部分用於造紙和畜牧飼料外，剩餘部分都可做燃料使用。另一方面，我國現有森林面積約1.75億公頃，森林覆蓋率18.21%，每年通過正常的灌木平茬復壯、森林撫育間伐、果樹綠籬修剪以及收集森林採伐、造材、加工剩餘物等，可獲得生物質資源量約8億至10億噸。此外，我國還有4600多萬公頃宜林地，可以結合生態建設種植農植物，這些都是中國發展生物質發電產業的優勢。
[0003]2006年12月I日投產的國能單縣30兆瓦生物質直燃發電項目是我國第一個生物質直燃發電項目，拉開了國內大規模生物質發電產業發展的序幕。從近幾年的實踐來看，我國生物質直燃發電項目單個裝機規模普遍為12MW-30MW，裝機規模小、受原料限制大、抗風險能力弱，發電效率通常在22%?26%的水平，發電效率非常低。大部分的生物質直燃發電項目即使獲得0.75元/KW.h的電價補貼也難以生存。生物質氣化在我國主要以使用低水分，高熱值、高灰熔點、流動性好的生物質(例如稻殼、木肩等)為原料，其他原料容易導致生物質氣化不穩定、氣化過程中結渣、加料卡阻等問題，裝置無法長期穩定運行。
[0004]因此，需要一種合理的生物利用模式來提高原料利用的廣泛性，提高生物質利用效率。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型的目的在於克服上述現有技術的不足，提供燃煤鍋爐前置生物質超高速自平衡氣化混燃的裝置。
[0006]燃煤鍋爐前置生物質超高速自平衡氣化混燃裝置，包括生物質超高速自平衡氣化設備(I )，所述生物質超高速自平衡氣化設備(I)前端開設入料口( 104)，生物質超高速自平衡氣化設備(I)的燃氣出口與旋風分離器(2)的進口相連，旋風分離器(2)的出口與燃氣換熱器(3)的進口連接，燃氣換熱器(3)的出口與高溫燃氣風機(9)的一端相連，高溫燃氣風機
(9)的另一端與鍋爐(5)內部設置的燃氣燃燒器(501)相連;鍋爐(5)的尾氣出口通過尾氣增壓混風設備(7)與生物質超高速自平衡氣化設備(I)內設置的自平衡返料器風室(102)相連;鍋爐(5)的蒸汽出口與汽輪機(6)相連，汽輪機(6)中壓段設有蒸汽抽氣口，蒸汽抽氣口與燃氣換熱器(3)的進口相連，燃氣換熱器(3)的出口還後進入與空氣換熱器(10)的進口相連，空氣換熱器(10)的出口與除氧器(4)的進口相連，除氧器(4)的出口與鍋爐(5)的進口相連;空氣換熱器(10)還設有空氣進口與空氣出口，空氣進口與鼓風機(8)相連，空氣出口與生物質超高速自平衡氣化設備(I)內設置的自平衡氣化設備風室(101)相連。
[0007]作為上述技術方案的進一步描述:
[0008]生物質超高速自平衡氣化設備(I)底部為錐形。
[0009]作為上述技術方案的進一步描述:
[0010]生物質超高速自平衡氣化設備(I)中部設有二次風入口(103)。
[0011 ]作為上述技術方案的進一步描述:
[0012]尾氣增壓混風設備(7)包括尾氣增壓風機和空氣混比閥。
[0013]作為上述技術方案的進一步描述:
[0014]自平衡氣化設備風室(101)及自平衡返料器風室(102)均設有風帽。
[0015]作為上述技術方案的進一步描述:
[0016]燃氣燃燒器(501)布置在兩層煤粉燃燒器之間。
[0017]本實用新型的原理是:
[0018]根據生物質化學元素分析，生物質是主要由C、H、0等元素組成的，在高溫條件下較易熱解揮發產生可燃性氣體。本實用新型採用生物質超高速自平衡氣化設備，通過控制生物質超高速自平衡氣化設備底部速度，降低底部密相區溫度，同時在生物質超高速自平衡氣化設備中部設置二次風入口，提高稀相區溫度，保證生物質完全氣化，均勻溫度場，避免高鹼性生物質鹼金屬析出造成床料結渣。生物質超高速自平衡氣化設備將生物質熱解氣化成450-900°C具有550-1400Kcal/Nm3熱值的生物質燃氣。由於生物質超高速自平衡氣化設備內生物質反應時間段、反應強度高，必須保證生物質原料的連續供應，為了適應流動性較差的生物質，本實用新型採用負壓給料即控制進料口處壓力為微負壓。負壓壓頭來源於後部高溫燃氣風機。由於燃氣溫度較高，而現階段的高溫燃氣風機穩定運行的工況溫度<550°C，所以本實用新型採用燃氣換熱器對生物質燃氣進行降溫。同時根據生物質燃氣中焦油在350°C以下會大量析出的特殊性，一旦焦油析出將會大量的吸附在燃氣換熱器表面，大大降低換熱效率，導致換熱器失效，風機溫度過高而停運。綜合換熱介質溫度及能源合理利用角度，選用已在高壓段做功後的?400°C中壓蒸汽對高溫燃氣進行降溫，由於已在汽輪機中膨脹做功，所以此時蒸汽的有效焓降已經大大減少。降溫後的燃氣經高溫燃氣風機噴入爐內燃燒。燃氣燃燒器布置在兩層煤粉燃燒器之間，煤粉燃燒器的高溫溫度場保證了低熱值的生物質燃氣的穩定燃燒，而生物質燃氣的燃燒溫度較煤粉的燃燒溫度低200-500°C，能夠有效降低爐膛燃燒的高溫區溫度，平衡溫度場的溫度梯度，從而抑制熱力型NOx的生產。
[0019]蒸汽經燃氣換熱器後，進入空氣預熱器，將空氣加熱至高溫，低溫蒸汽回送至除氧器。通過將能量換熱給空氣，提高生物質超高速自平衡氣化設備氣化劑溫度，改善爐內氣化條件，穩定爐內溫度場，同時回收的能量能通過燃燒再次傳遞至汽輪機做功，提高了能量的品質。生物質超高速自平衡氣化設備自平衡返料器中返料風使用鍋爐尾氣並增加空氣調節配比手段，能控制生物質循環灰中的半焦在自平衡返料器中的反應進程，對於生物質循環灰的溫度已接近於生物質灰熔點溫度，需要控制自平衡返料器處溫度防止二次配風造成的自平衡返料器高溫結渣，則通入低氧高溫的鍋爐尾氣，穩定自平衡返料器的溫度，改善了自平衡返料器工況;對於高生物質灰熔點的生物質，則適當的提高自平衡返料器返料風的氧含量，促進半焦的反應。
[0020]本實用新型的有益效果是:
[0021](I)超高速流化床速度設定為3?7m/s，超過傳統的流化床和高速流化床的I?3m/s的運行速度，大大改善了氣化裝置的原料適應性，通過床料之間的高速碰撞，極大抑制了高鹼生物質結渣的可能性。將生物質氣化後獲得的高溫燃氣通入燃煤鍋爐進行混燃發電，利用大型電站的高參數實現生物質的高效率發電(多35%)，解決了現存的生物質直燃工藝發電規模小、效率低的問題，並適用於高鹼性、高水分的生物質，擴大了生物質利用範圍。
[0022](2)生物質超高速自平衡氣化設備底部採用錐形設計，中部設有二次風入口，使用高溫度預熱空氣作為氣化劑，密相區採用很高的流化速度，大大提高了反應的強度，平衡了氣化設備內的溫度場，加強了原料的適應性，減少了高鹼生物質結渣的風險。
[0023](3)入料口處採用負壓，解決了流動性差的生物質入料和封閉的問題。
[0024](4)通過使用高溫蒸汽作為燃氣換熱器換熱介質，降低了燃氣溫度，同時避免了焦油析出，解決了高溫燃氣輸送的問題；
[0025](5)使用在汽輪機內膨脹做功後的低焓值高溫蒸汽作為燃氣換熱介質。高溫燃氣的熱量依次傳遞給高溫蒸汽、空氣、生物質燃氣，最後燃燒回到鍋爐系統中產生高參數蒸汽，能源得到了最高效的利用。
[0026](6)由於氣化爐內循環的固體物料很大一部分是未完全反應的高溫半焦，採用直接採用空氣作為返料風會導致半焦燃燒，返料器溫度升高造成結渣，採用低氧含量的鍋爐尾氣作為返料風，改善了自平衡返料器溫度場，較蒸汽返料減低了運行成本。同時設有尾氣增壓混風設備，可以控制返料風中氧含量，根據原料變化，改善自平衡返料器的溫度。
[0027](7)鍋爐的燃氣燃燒器布置在兩層煤粉燃燒器之間，能夠保證低熱值生物質燃氣穩定燃燒，有效降低爐膛燃燒的高溫區溫度，平衡溫度場的溫度梯度，從而抑制熱力型NOx的生產。
【附圖說明】

[0028]圖1為本實用新型中燃煤鍋爐前置生物質超高速自平衡氣化混燃裝置的示意圖。
[0029]其中有:生物質超高速自平衡氣化設備I，自平衡氣化設備風室101，自平衡返料器風室102，二次風入口 103，入料口 104，旋風分離器2，燃氣換熱器3，除氧器4，鍋爐5，燃氣燃燒器501，汽輪機6，尾氣增壓混風設備7，鼓風機8，高溫燃氣風機9，空氣換熱器10。
【具體實施方式】
[0030]參見圖1，燃煤鍋爐前置生物質超高速自平衡氣化混燃裝置，包括生物質超高速自平衡氣化設備I，所述生物質超高速自平衡氣化設備I前端開設入料口 104，生物質超高速自平衡氣化設備I的燃氣出口與旋風分離器2的進口相連，旋風分離器2的出口與燃氣換熱器3的進口連接，燃氣換熱器3的出口與高溫燃氣風機9的一端相連，高溫燃氣風機9的另一端與鍋爐5內部設置的燃氣燃燒器501相連;鍋爐5的尾氣出口通過尾氣增壓混風設備7與生物質超高速自平衡氣化設備I內設置的自平衡返料器風室102相連;鍋爐5的蒸汽出口與汽輪機6相連，汽輪機6中壓段設有蒸汽抽氣口，蒸汽抽氣口與燃氣換熱器3的進口相連，燃氣換熱器3的出口還與空氣換熱器10的進口相連，空氣換熱器10的出口與除氧器4的進口相連，除氧器4的出口與鍋爐5的進口相連;空氣換熱器10還設有空氣進口與空氣出口，空氣進口與鼓風機8相連，空氣出口與生物質超高速自平衡氣化設備I內設置的自平衡氣化設備風室101相連。
[0031 ]生物質超高速自平衡氣化設備I底部為錐形。目的在於，提高反應強度，降低密相區溫度，加強原料適應性。
[0032]生物質超高速自平衡氣化設備I中部有二次風入口103。目的在於，提高稀相區溫度。
[0033]尾氣增壓混風設備7包括尾氣增壓風機和空氣混比閥。目的在於，調節返料風的含氧量到合適的範圍。
[0034]自平衡氣化設備風室101及自平衡返料器風室102設有風帽。目的在於，能夠將空氣及煙氣均勻的送入生物質超高速自平衡氣化設備I中，便於高效的完成反應。
[0035]燃氣燃燒器501布置在兩層煤粉燃燒器之間。
[0036]燃煤鍋爐前置生物質超高速自平衡氣化混燃的方法，採用燃煤鍋爐前置生物質超高速自平衡氣化混燃裝置進行生產，包括以下步驟:
[0037](I)生物質原料、床料通過入料口 104加入生物質超高速自平衡氣化設備I，生物質超高速自平衡氣化設備I產生高溫燃氣，底部錐段的運行速度為3-7m/S，燃氣溫度約450-900°C，通過旋風分離器2除塵後，燃氣經燃氣換熱器3換熱，溫度降至350-550°C，高溫燃氣風機9將降溫後的燃氣送入鍋爐5爐膛內燃氣燃燒器501燃燒；
[0038](2)鍋爐5燃燒後的尾氣一部分經過尾氣增壓混風設備7增壓後，供給至自平衡返料器風室102，作為返料風使用，同時利用尾氣增壓混風設備7調整返料風的含氧量；
[0039](3)鍋爐5產生的高參數蒸汽經汽輪機6做功後，從中壓段抽出一部分蒸汽，溫度約300-450 °C，通入燃氣換熱器3將燃氣降溫，換熱後的蒸汽再進入空氣換熱器10與空氣換熱，換熱後的蒸汽進入除氧器4，除氧器4與鍋爐5相連；
[0040](4)鼓風機8將常溫空氣送入空氣換熱器10，得到300-500°C高溫空氣，高溫空氣送入自平衡氣化設備風室101作為氣化劑使用。
[0041 ]其中，所述生物質原料的含水量不高於50%，生物質灰中K、Na含量不超過40%，生物質長度不大於1cm0
[0042]其中，入料口 104處為微負壓，負壓範圍為0~_500Pa。
[0043]其中，所述床料為耐磨粗床料顆粒，包括石英砂和/或氧化鋁球，粒徑為0.5?5_。
[0044]其中，返料風的含氧量為1%?21%。
[0045]實施例1
[0046]原料為枝椏柴，長度5cm，含水量25%，生物質灰中K、Na含量5%，床料為石英砂，粒徑
1.2mm，通過壓力為-200Pa的入料口 104加入生物質超高速自平衡氣化設備I，生物質超高速自平衡氣化設備I底部錐段速度3.5m/s，密相區溫度780°C，中部稀相區溫度825°C，產生的高溫燃氣溫度790°C，通過旋風分離器2除塵後，燃氣經燃氣換熱器3換熱，溫度降至420°C。高溫燃氣風機9將降溫後的燃氣送入鍋爐5爐膛內燃氣燃燒器501燃燒。燃燒後的鍋爐尾氣通過尾氣增壓混風設備7混合為含氧量為21%的返料風，通入自平衡返料器風室102，自平衡返料器風室102溫度765°C。鍋爐5產生的24.2Mpa，538°C蒸汽經汽輪機6做功後，從中壓段抽出400°C蒸汽，通入燃氣換熱器3將燃氣降溫，換熱後的蒸汽再進入空氣換熱器10與空氣換熱，換熱後的蒸汽進入除氧器4，除氧器4與鍋爐5相連。換熱後430°C的高溫空氣送入自平衡氣化設備風室1I。系統發電效率41 %，生物質發電效率36%。
[0047]實施例2
[0048]原料為棉杆，長度5cm，含水量40%，生物質灰中K、Na含量35%，床料為氧化鋁小球，粒徑3mm，通過壓力為OPa的入料口 104加入生物質超高速自平衡氣化設備I，生物質超高速自平衡氣化設備I底部錐段速度7m/s，密相區溫度645°C，中部稀相區溫度678°C，產生的高溫燃氣溫度630°C，通過旋風分離器2除塵後，燃氣經燃氣換熱器3換熱，溫度降至400°C。高溫燃氣風機9將降溫後的燃氣送入鍋爐5爐膛內燃氣燃燒器501燃燒。燃燒後的鍋爐尾氣通過尾氣增壓混風設備7混合為含氧量為1%的返料風，通入自平衡返料器風室102，自平衡返料器風室102溫度622°C。鍋爐5產生的24.2Mpa，538°C蒸汽經汽輪機6做功後，從中壓段抽出380°C蒸汽，通入燃氣換熱器3將燃氣降溫，換熱後的蒸汽再進入空氣換熱器10與空氣換熱，換熱後的蒸汽進入除氧器4，除氧器4與鍋爐5相連。換熱後390°C的高溫空氣送入自平衡氣化設備風室1I。系統發電效率41 %，生物質發電效率35%。
[0049]實施例3
[0050]原料為稻殼，含水量12%，生物質灰中K、Na含量6%，床料為氧化鋁小球，粒徑4mm，通過壓力為-300Pa的入料口 104加入生物質超高速自平衡氣化設備I，生物質超高速自平衡氣化設備I底部錐段速度4.5m/s，密相區溫度780°C，中部稀相區溫度795°C，產生的高溫燃氣溫度755°C，通過旋風分離器2除塵後，燃氣經燃氣換熱器3換熱，溫度降至450°C。高溫燃氣風機9將降溫後的燃氣送入鍋爐5爐膛內燃氣燃燒器501燃燒。燃燒後的鍋爐尾氣通過尾氣增壓混風設備混合為含氧量為7%的返料風，通入自平衡返料器風室102，自平衡返料器風室102溫度750 °C。鍋爐5產生的24.2Mpa，538 °C蒸汽經汽輪機6做功後，從中壓段抽出430 °C蒸汽，通入燃氣換熱器3將燃氣降溫，換熱後的蒸汽再進入空氣換熱器10與空氣換熱，換熱後的蒸汽進入除氧器4，除氧器4與鍋爐5相連。換熱後450°C的高溫空氣送入自平衡氣化設備風室1I。系統發電效率42%，生物質發電效率37%。
[0051 ] 實施例4
[0052]原料為稻杆，長度7cm，含水量50%，生物質灰中K、Na含量40%，床料為石英砂，粒徑
0.5mm，通過壓力為-400Pa的入料口 104加入生物質超高速自平衡氣化設備I，生物質超高速自平衡氣化設備I底部錐段速度3m/s，密相區溫度780°C，中部稀相區溫度600°C，產生的高溫燃氣溫度450°C，通過旋風分離器2除塵後，燃氣經燃氣換熱器3換熱，溫度降至350°C。高溫燃氣風機9將降溫後的燃氣送入鍋爐5爐膛內燃氣燃燒器501燃燒。燃燒後的鍋爐尾氣通過尾氣增壓混風設備7混合為含氧量為1%的返料風，通入自平衡返料器風室102，自平衡返料器風室102溫度765°C。鍋爐5產生的24.2Mpa，538°C蒸汽經汽輪機6做功後，從中壓段抽出300°C蒸汽，通入燃氣換熱器3將燃氣降溫，換熱後的蒸汽再進入空氣換熱器10與空氣換熱，換熱後的蒸汽進入除氧器4，除氧器4與鍋爐5相連。換熱後300°C的高溫空氣送入自平衡氣化設備風室1I。系統發電效率40%，生物質發電效率35%。
[0053]實施例5
[0054]原料為玉米秸杆，長度10cm，含水量15%，生物質灰中K、Na含量18%，床料為粒徑5mm氧化鋁小球和粒徑0.5mm的石英砂，通過壓力為-500Pa的入料口 104加入生物質超高速自平衡氣化設備I，生物質超高速自平衡氣化設備I底部錐段速度6m/s，密相區溫度645 °C，中部稀相區溫度920°C，產生的高溫燃氣溫度900°C，通過旋風分離器2除塵後，燃氣經燃氣換熱器3換熱，溫度降至550°C。高溫燃氣風機9將降溫後的燃氣送入鍋爐5爐膛內燃氣燃燒器501燃燒。燃燒後的鍋爐尾氣通過尾氣增壓混風設備7混合為含氧量為9%的返料風，通入自平衡返料器風室102，自平衡返料器風室102溫度622°C。鍋爐5產生的24.2Mpa，538°C蒸汽經汽輪機6做功後，從中壓段抽出450°C蒸汽，通入燃氣換熱器3將燃氣降溫，換熱後的蒸汽再進入空氣換熱器10與空氣換熱，換熱後的蒸汽進入除氧器4，除氧器4與鍋爐5相連。換熱後500°C的高溫空氣送入自平衡氣化設備風室101。系統發電效率43%，生物質發電效率37%。
[0055]以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，本實用新型的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡屬於本實用新型思路下的技術方案均屬於本實用新型的保護範圍。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。
【主權項】
1.燃煤鍋爐前置生物質超高速自平衡氣化混燃裝置，其特徵在於:包括生物質超高速自平衡氣化設備(I)，所述生物質超高速自平衡氣化設備(I)前端開設入料口( 104)，生物質超高速自平衡氣化設備(I)的燃氣出口與旋風分離器(2)的進口相連，旋風分離器(2)的出口與燃氣換熱器(3)的進口連接，燃氣換熱器(3)的出口與高溫燃氣風機(9)的一端相連，高溫燃氣風機(9)的另一端與鍋爐(5)內部設置的燃氣燃燒器(501)相連;鍋爐(5)的尾氣出口通過尾氣增壓混風設備(7)與生物質超高速自平衡氣化設備(I)內設置的自平衡返料器風室(102)相連;鍋爐(5)的蒸汽出口與汽輪機(6)相連，汽輪機(6)中壓段設有蒸汽抽氣口，蒸汽抽氣口與燃氣換熱器(3)的進口相連，燃氣換熱器(3)的出口還與空氣換熱器(10)的進口相連，空氣換熱器(10)的出口與除氧器(4)的進口相連，除氧器(4)的出口與鍋爐(5)的進口相連；空氣換熱器(10)還設有空氣進口與空氣出口，空氣進口與鼓風機(8)相連，空氣出口與生物質超高速自平衡氣化設備(I)內設置的自平衡氣化設備風室(101)相連。2.根據權利要求1所述的燃煤鍋爐前置生物質超高速自平衡氣化混燃裝置，其特徵在於:所述生物質超高速自平衡氣化設備(I)底部為錐形。3.根據權利要求1所述的燃煤鍋爐前置生物質超高速自平衡氣化混燃裝置，其特徵在於:所述生物質超高速自平衡氣化設備(I)中部設有二次風入口( 103)。4.根據權利要求1所述的燃煤鍋爐前置生物質超高速自平衡氣化混燃裝置，其特徵在於:所述尾氣增壓混風設備(7)包括尾氣增壓風機和空氣混比閥。5.根據權利要求1所述的燃煤鍋爐前置生物質超高速自平衡氣化混燃裝置，其特徵在於:所述自平衡氣化設備風室(101)及自平衡返料器風室(102)均設有風帽。6.根據權利要求1所述的燃煤鍋爐前置生物質超高速自平衡氣化混燃裝置，其特徵在於:所述燃氣燃燒器(501)布置在兩層煤粉燃燒器之間。
【文檔編號】F01K17/00GK205690385SQ201620507226
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年5月23日 公開號201620507226.5, CN 201620507226, CN 205690385 U, CN 205690385U, CN-U-205690385, CN201620507226, CN201620507226.5, CN205690385 U, CN205690385U
【發明人】張守軍, 張齊生, 範曉旭, 周建斌, 張守峰, 莊會永, 魯萬寶, 趙成武, 吳銀龍, 李益瑞
【申請人】合肥德博生物能源科技有限公司