一種高鈉煤加熱脫除爐與燃煤電站的集成裝置及其方法與流程

2023-06-09 14:50:16

本發明涉及一種爐窯及其集成裝置，尤其是涉及一體式高鈉煤加熱脫除裝置在燃煤工藝系統中的集成方法。

背景技術：
高鈉煤是指煤中鹼金屬化合物成分較高的一類特殊煤炭。我國高鈉煤預測儲量高大3900億噸，主要集中在新疆準東煤田。準東煤屬於低灰分、高熱值、低變質程度的優質煤炭，作為發電或化工的原料具有低汙染、低排放的特點，可有效節約燃燒轉化後廢物的處理費用，為燃煤電站和煤化工奠定了良好的物質基礎。然而，高鈉煤在燃燒及轉化利用時，會對系統內的受熱面如省煤器、煙氣冷卻器、空預器等造成嚴重的沾汙和鹼性腐蝕，並且造成排渣困難。高鈉煤強結焦與強沾汙性這一難以克服的難題，成為制約電站鍋爐裝置長期運行的關鍵。對於如何防止結渣和沾汙，一方面有學者從其結渣和沾汙的機理方面開展了大量的研究，多集中於提出結渣判定指數這一判定值，然而在實際應用中有著很大的局限性，不能從根本上解決沾汙對鍋爐的危害問題。另一方面，有研究人員開展通過調節鍋爐燃燒來緩解結渣的問題，這在實際中並不便於操作也未得到推廣。當然，摻燒是目前來看高鈉煤在鍋爐中的燃燒唯一可行的方法，但這種僅僅利用20～30％的高鈉煤與長途運輸後的其他煤中純混的方法處理量非常有限，對於如準東地區儲存巨大的高鈉煤而言無疑是杯水車薪。此外，在高鈉煤中摻混一定數量的矽或三氧化二鋁，可以調節煤的灰熔點減少沾汙，這種方法雖然能一定程度的改善鍋爐的沾汙和結渣問題，但也增加了鍋爐受熱面的磨損，減少鍋爐使用壽命。這種摻混方式不僅降低了燃煤的發熱值，而且增加了電廠的運行成本。綜上的處理方式都聚焦在高鈉煤燃燒或轉化過程中進行，相比而言，在高鈉煤進入鍋爐燃燒前實現鈉的脫除，反而是一種釜底抽薪式的解決方法。燃燒或反應前脫鈉原理較為簡單，即通過高溫水洗即可溶解掉煤粉中含有的大部分鈉，如準東煤的鈉含量在3.5～12％，通過中溫水洗處理後，含鈉量的降低到2％以下，通過調節溫度及壓力促進鈉的溶解以及通過攪拌作用促進液體對煤粉的衝刷可進一步降低煤中鈉的含量。許多研究及專利提出利用鍋爐排放的高溫煙氣或者汽輪機系統中的高溫高壓蒸汽來加熱水煤漿，這種方法從某種程度上增加了系統的複雜性，而且，高溫煙道及高溫高壓蒸汽管路的改造及與脫鈉過程的過度集成增加了系統運行的不可靠性，破壞了原系統的獨立性，在發生局部設備或系統故障時容易造成整個系統停車，帶來巨大的經濟損失。綜上所述，燃燒前脫鈉更具有徹底改善鍋爐運行質量的潛力，目前的加熱脫鈉過程與燃煤工藝系統過度集成，影響了系統運行的獨立和可靠性。這些決定了高鈉煤的大規模應用亟需一種獨立有效的脫鈉裝置和簡單可靠的集成方法。

技術實現要素：
針對如上問題，本發明提出了一體式高鈉煤加熱脫除裝置與燃煤工藝系統的集成方法。通過一體式高鈉煤加熱脫除裝置的發明，實現高鈉煤脫除過程的獨立性，通過結合高鈉煤加熱脫除裝置的物料進出口的特點實現其與工藝系統簡單可靠的集成。為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：一種高鈉煤加熱脫除爐與燃煤電站集成裝置，包括高鈉煤加熱脫除爐系統和燃煤電站系統，所述高鈉煤加熱脫除爐系統包括高鈉煤加熱脫除爐、液固分離器、水煤漿製備單元、鹼金屬溶液回收處理系統、煤粉乾燥裝置、煙氣噴淋冷卻及熱回收裝置，所述高鈉煤加熱脫除爐上端連接水煤漿製備單元，下部連接液固分離器，所述液固分離器一端連接煤粉乾燥裝置，另一端連接鹼金屬溶液回收處理系統，所述煤粉乾燥裝置連接煙氣噴淋冷卻及熱回收裝置，所述煙氣噴淋冷卻及熱回收裝置連接鹼金屬溶液回收處理系統，所述鹼金屬溶液回收處理系統連接水煤漿製備單元；所述燃煤電站系統包括鍋爐、汽輪機及汽水循環管路上的各換熱部件，所述鍋爐連接汽輪機，所述汽輪機連接汽水循環管路上的換熱部件，水經汽水循環管路上凝汽器、除氧器及加熱器連接鍋爐；所述燃煤乾燥裝置連接鍋爐。作為優選，高鈉煤加熱脫除爐的排煙口連接煤粉乾燥裝置。作為優選，所述鍋爐中設置空氣預熱器、省煤器、過熱器和再熱器，所述的汽水循環管路設置包括除氧器、凝汽器和換熱器。作為優選，所述高鈉煤加熱脫除爐包括中心層、中間層，所述中心層是燃燒加熱室，所述中間層是水煤漿室，水煤漿室設置在中心燃燒加熱室的外周，所述水冷壁設置在水煤漿室的外周，所述燃燒室下部設置燃燒器，所述燃燒器連接外部燃料輸送管道，所述燃燒室上部設置煙氣排出口，水煤漿室上遊連接製漿裝置，所述水煤漿室設置有補水口及蒸氣排空口，底部設置有水煤漿排出口；水冷壁層敷設在中間層水煤漿室外壁。作為優選，水煤漿室內布置有攪拌器，攪拌器設置為多個，沿著高度方向，攪拌器的攪拌功率越來越小。作為優選，沿著高度方向，攪拌器的攪拌功率越來越小的幅度不斷的增加。如前面的集成裝置的所述的集成方法，所述水煤漿製備單元生成的水煤漿進入高鈉煤加熱脫除爐中進入脫鈉操作，脫鈉後的水煤漿進入液固分離器，在液固分離器中將水煤漿分離成溼煤和鹼金屬溶液，所述溼煤進入煤粉乾燥裝置中進行乾燥，乾燥後生成的煤粉進入鍋爐中，煤粉乾燥裝置中的煙氣進入煙氣噴淋冷卻及熱回收裝置，在進入煙氣噴淋冷卻及熱回收裝置進行噴淋冷卻和熱回收，噴淋冷卻後的廢水進入鹼金屬溶液回收處理系統，鹼金屬溶液回收處理系統中處理後的水進入水煤漿製備單元；所述鍋爐產生的蒸汽進入汽輪機中，從汽輪機中出來的蒸汽進入汽水循環管路，蒸汽經冷凝器冷凝成水、水除氧器除氧以及加熱器餘熱後進入鍋爐。作為優選，所述水冷壁入口的水通常來自凝汽器或除氧器後的水，吸熱後產生的熱水或蒸汽分別進入除氧器或相應參數的汽水循環管路中。作為優選，水冷壁入口管路設置有調節閥，可根據水煤漿室溫度調節水流量；還包括控制器，所述控制器與調節閥進行數據連接，如果測量的水煤漿室溫度上升到的一定溫度，則控制器自動增加調節閥的開度，增加進入水冷壁的水的流量，如果測量的水煤漿室溫度下降到的一定溫度，則控制器自動降低調節閥的開度，減少進入水冷壁的水的流量；在控制器中設置一個控制函數，控制器根據控制函數自動調整閥門的開度，所述控制函數K＝F(T),其中K是閥門開度，T是水煤漿室溫度，其中F(T)』>0,F」(T)>0,其中F(T)』、F」(T)是F(T)的一次導數和二次導數。作為優選，所述攪拌器從水煤漿室的外壁向水煤漿室內延伸。作為優選，水冷壁入口管路設置有調節閥，可根據水煤漿室溫度調節水流量。作為優選，還包括控制器以及溫度壓力傳感器，所述控制器通過採集水煤漿室溫度和壓力數據，與調節閥進行指令傳遞，如果測量的水煤漿室溫度上升到的一定溫度，則控制器自動增加調節閥的開度，增加和保持進入水冷壁的水的流量，如果測量的水煤漿室溫度下降到的一定溫度，則控制器自動降低調節閥的開度，減少和保持進入水冷壁的水的流量。作為優選，控制函數如下：假設水煤漿室溫度為T，調節閥開度K的時候，表示滿足溫度條件，上述的調節閥開度K、水煤漿室溫度為T是基準數據，所述的基準數據存儲在控制器中，當水煤漿室溫度為t的時候，調節閥開度k變化如下：k＝K*(t/T)a,其中a為參數，1.05<a<1.12；其中t,T是絕對溫度值，優選的，a＝1.08；0.91<t/T0,F」(T)>0,其中F(T)』、F」(T)是F(T)的一次導數和二次導數。上述的公式表明，隨著水煤漿室溫度的增加，調節閥開度越來越大，而且增長的幅度也越來越大。上述公式的關係是通過大量實驗得到的，因為隨著水煤漿室溫度的增加，水冷壁中需要的水流量越來越大，但是水冷壁中的水流量並不是與閥門開度的增加呈正比例增加，而是增加的幅度越來越大，只有這樣，才能更好的滿足水煤漿室內溫度控制的需要。作為優選，控制函數如下：假設水煤漿室溫度為T，調節閥開度K的時候，表示滿足溫度條件，上述的調節閥開度K、水煤漿室溫度為T是基準數據，所述的基準數據存儲在控制器中，當水煤漿室溫度為t的時候，調節閥開度k變化如下：k＝K*(t/T)a,其中a為參數，1.05<a<1.12；其中t,T是絕對溫度值，優選的，a＝1.08；0.91<t/T<1.12。通過上述的公式，可以實現根據水煤漿室的溫度智能控制水冷壁內水的流量的功能，大大提高了系統的智能化。作為優選，可以在控制器中輸入多組基準數據。當出現兩組或者多組基準數據情況下，可以提供用戶選擇的基準數據的界面，優選的，系統可以自動選擇(1－t/T)2的值最小的一個。作為優選，水煤漿室的加熱溫度為300～350℃，高溫下攪拌清洗5-30分鐘。作為優選，水煤漿室的加熱溫度為320～330℃，高溫下攪拌清洗15-20分鐘。具體實施中，煤粉製漿後經上端水煤漿入口進入水煤漿室，開啟中心燃燒加熱室燃燒器，天然氣或其他燃料燃燒釋放熱量，加熱中間水煤漿室，水煤漿升溫升壓過程中調節外層水冷壁水流量，平衡加熱水煤漿的熱量以及燃燒室排煙的出口溫度，整個過程能量平衡方程為：燃燒釋放的熱量Q＝加熱水煤漿的熱量Q1+水冷壁帶走的熱量Q2+排煙帶走的熱量Q3在水煤漿室升溫升壓過程中，同步開啟攪拌裝置，加速水對煤粉顆粒的衝刷，提高鈉的溶解脫除效率。根據脫鈉後分析，若鈉的脫除效果不能滿足要求，可根據水煤漿室的材料以及耐壓設計提高水煤漿室的溫度。通常，對於鈉含量在3.5～12％的準東煤，靜止和攪拌時間半小時可控制脫鈉後的煤中鈉含量不超過2％。通過調節蒸汽釋放和補水營造水煤漿室溫度壓力的波動，使得高鈉煤在水煤漿室中經受溫度和壓力的變化，反覆破壞原煤結構的平衡，加速高鈉煤表面及毛細孔中鈉的遷移和溶解。脫鈉後的水煤漿排出至液固分離器，其中含有大量鹼金屬鈉的液體流向鹼金屬溶液回收處理系統，仍然含有一定水分的煤粉進入乾燥器。其中，鹼金屬溶液通過濃縮分離後，可作為化工原料生產化工產品，水分經回收後進入水煤漿製備系統。煤粉乾燥裝置宜採用燃燒室燃燒後的熱煙氣直接接觸乾燥，以充分利用燃燒排煙的餘熱，乾燥後的溼煙氣通過噴淋回收煙氣中的水分循環利用，煙氣經噴淋降溫後排出。本行業技術人員應該清楚，若噴淋後的煙氣仍具有較高溫度，應進一步進行餘熱回收，實現能量的梯級利用，提高外部補充能源天然氣等燃料的利用效率。綜上所述，本發明應用高溫鈉脫除技術原理，將燃燒加熱室、水煤漿室以及水冷壁集成為一體式高鈉煤加熱脫除裝置，利用新疆地區極易獲得天然氣作為外部能源，通過能量梯級利用充分回收天然氣燃燒釋放的熱量，實現煤粉高效的直接接觸乾燥，一舉兩得；通過熱量的有效合理分配保證水煤漿室高溫高壓的條件；過程中不需增加其它溶劑，有效避免二次汙染；裝置與燃煤電站的汽水系統集成簡單，避免了燃煤電站大規模的管路改造以及有效解耦脫鈉過程與燃煤電站的深度集成，降低投資成本。本專業的工程人員應該清楚，燃燒過程可以通過適當的調節空燃比降低燃燒後煙氣中氧氣的含量以保證煤粉乾燥過程的安全性；同時，結合熱量平衡原理，根據實際情況調節水冷壁流量、補水等，既考慮經濟性因素，又要滿足水煤漿室保溫保壓的需要，實現裝置的高性價比。雖然本發明已以較佳實施例披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。