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CN115164592B - 一种分解炉二次全氧燃烧富集co2的系统与方法 - Google Patents

一种分解炉二次全氧燃烧富集co2的系统与方法 Download PDF

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CN115164592B CN202210774528.9A CN202210774528A CN115164592B CN 115164592 B CN115164592 B CN 115164592B CN 202210774528 A CN202210774528 A CN 202210774528A CN 115164592 B CN115164592 B CN 115164592B
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Abstract

本发明公开了一种分解炉二次全氧燃烧富集CO2的系统与方法，由燃烧器、预热炉、U型管、文丘里喉管、自富集炉、燃料供应管路、低温循环烟气供应管路、中温循环烟气供应管路和工业氧气供应管路组成；一次燃烧区采用煤粉通过低温循环烟气喂入煤粉通道，工业氧气进入内一次风通道和外一次风通道，中温循环烟气从旋流室进口切向旋流进入，煤粉燃烧使循环烟气温度达900℃以上；通过U型管使加热后的循环烟气反向向上运动进入二次燃烧区，在文丘里喉管下部喷入工业氧气、上部喷入煤粉，中部形成射流进行托料，在自富集炉完成生料分解并释放CO2，出分解炉烟气干基CO2浓度富集至80％以上。整个过程同时抑制了煤粉燃烧NOX释放。

Description

一种分解炉二次全氧燃烧富集CO2的系统与方法
技术领域
本发明涉及水泥烧成技术领域，特别是涉及一种分解炉二次全氧燃烧富集CO2的系统与方法。
背景技术
化石能源作为全球最主要的能源来源，其消耗过程所带来的巨大CO2排放成为温室效应的重要排放源。
全氧燃烧是在现有的工业窑炉系统的基础上，用高纯度的氧代替助燃空气，同时采用烟气循环调节炉膛的介质流量和传热特性，可获得高达80％体积浓度的CO2烟气，从而以较小的代价捕集提纯后实现CO2的永久封存或者资源化利用，实现大规模化工业CO2的富集和减排。已有的分析表明，和其他碳捕获方式相比，全氧燃烧技术在投资成本、运行成本、CO2减排成本、大型化和与现有技术的兼容度等方面都具有优越性。
现有的全氧燃烧器多用于浮法玻璃窑、玻纤窑、轧钢加热炉、锻造炉、热处理炉等，燃料主要为天然气。燃煤型全氧燃烧器在工业上应用较少，中国专利公开号CN101825278A提出了一种富氧燃烧器，及美国专利US20110126780A1提出了一种全氧燃烧锅炉煤粉燃烧器，这两个专利主要针对于燃煤发电锅炉的全氧燃烧。对于水泥工业窑炉，由于在生产布置、反应条件上与玻璃、火电窑炉等有较大差异，同时还需要对冷却机以及系统用风等进行特殊设计，目前水泥行业尚未有纯氧燃烧技术投运的实际案例。
水泥生产过程会产生大量的二氧化碳，据统计，生产1t水泥会排放0.6～0.7t二氧化碳。
水泥窑废气中二氧化碳主要来源于以下两个方面：
1、燃料燃烧烟气中生成的二氧化碳，占比约40％；
2、原料中碳酸盐分解产生的二氧化碳，占比约60％。
碳捕集与封存技术是目前水泥行业减少二氧化碳排放最可行的新技术，其中全氧燃烧技术在碳捕集与封存技术中发展前景较好。全氧燃烧相比空气燃烧有如下诸多优点：
1)全氧燃烧过程与空气燃烧相比，空气中约79％的氮气不再参与燃烧，可以提高火焰温度；
2)烟气中氮气含量少，燃烧产物为三原子产物，三原子物质的传热效果高于双原子的物质，提高了加热效率；
3)氮气不再参与排烟，可以大幅减少烟气量，减少排烟热损失。
全氧燃烧技术在水泥窑炉运用有诸多难点。在水泥窑炉全氧燃烧过程中需要将氧气和循环烟气引入窑炉替代空气作为燃烧气体，但是氧气和循环烟气如何注入水泥窑炉是一个关键技术难点。在低氧气浓度下，常规的方式是将氧气和循环烟气进行混合，混合后的气体通过管路进行输运注入水泥窑炉。然而在高氧气浓度全氧燃烧系统中，如果仍然采用将氧气和循环烟气先混合，混合后的气体通过管路输运送再注入水泥窑炉的供风方式，会存在严重的安全问题。因为在烟气循环系统中，即使设置布袋除尘器对循环烟气进行除尘处理，烟气中仍然携带少量粒径微小的含碳颗粒，如果高浓度工业氧气(体积分数约80％～95％)和循环烟气按照常规方法直接进行混合和运输，循环烟气中携带的少量含碳颗粒遇到纯氧后易于发生着火并燃烧，一旦混合气在管道中发生燃烧，将是重大安全事故，不但危及设备本体，同时也对运行人员的安全造成威胁。中国专利公开号CN105650628A提出了一种循环流化床富氧燃烧装置及其富氧燃烧供风方法，其氧气和循环烟气在进入炉体之前不进行混合，在各自管路中分别输送，在炉体不同高度的多个部位供风，解决了氧气输送混合过程中的安全问题。然而，该专利的供风方式仅针对循环流化床，对水泥窑炉全氧燃烧并不适用。
另外，由于水泥分解炉内燃料燃烧和生料分解过程耦合进行，分解炉炉膛内燃烧温度相对较低，一般为900～1100℃，如果出烧成系统的中低温循环烟气(一般为400℃以下)直接进入分解炉，分解炉内燃烧区温度势必很难维持在煤粉的着火温度以上，将导致分解炉内火焰不稳定，甚至熄火。因此，氧气和循环烟气引入水泥分解炉之前先进行升温非常必要。在富氧富碳下，由于燃料理论燃烧温度大幅度提升，燃烧装置的安全性和污染物排放也面临很大挑战，主要存在的问题有：1)燃烧装置内容易出现爆燃、燃烧不稳定及炉壁烧蚀的问题；
2)当富氧状态下火焰温度上升时易引起燃烧过程NOX排放升高，加大了后续废气处理系统烟气脱硝的负荷。
综上，全氧燃烧技术在水泥分解炉应用中存在的问题如下：
1)中低温循环烟气与工业氧气混合输送方式会导致内部残余碳粒着火燃烧引起管道安全问题；
2)生料分解吸热和燃烧放热过程耦合，中低温循环烟气直接入分解炉，会导致燃料难以起燃，火焰不稳定，燃烧过程容易熄火的问题；
3)中低温循环烟气直接入分解炉，由于工况风量少，会导致分解炉生料难以被风托起进而引起塌料的问题。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题，提供了一种分解炉二次全氧燃烧富集CO2的系统与方法，该系统将分解炉分为一次燃烧区和二次燃烧区串联运行，煤粉通过低温循环烟气输送，一次燃烧区不喂入生料，中温循环烟气从预热炉旋流室进口送入预热炉，在预热炉内将中、低温循环烟气升温至900℃以上，实现预热炉内煤粉火焰稳定、预热炉炉壁不烧蚀、低NOX排放以及煤粉的充分燃尽，可解决中低温循环烟气直接入分解炉时燃料难以起燃，火焰不稳定，燃烧过程易熄火问题，同时避免了混合输送引起自燃的安全问题；二次燃烧区带料运行，将高温循环烟气引入二次燃烧区底部，并通过设置的文丘里喉管射流进行均匀供氧、托料，解决了生料塌料和煤粉局部爆燃引起炉壁高温结皮问题。
本发明是这样实现的，一种分解炉二次全氧燃烧富集CO2的系统，由燃烧器、预热炉、U型管、文丘里喉管、自富集炉、燃料供应管路、低温循环烟气供应管路、中温循环烟气供应管路和工业氧气供应管路组成；
所述燃烧器安装在预热炉的顶部，燃烧器的头部伸入预热炉内，所述燃烧器包括由内至外依次同轴套装的油管、内一次风管、煤管和外一次风管，使燃烧器内由内至外依次形成中心油枪通道、内一次风通道、煤粉通道和外一次风通道；所述油管、煤管和外一次风管的头部端口对齐，形成燃烧器的头部；所述内一次风管的头部与燃烧器的头部之间留有距离H0，使内一次风通道和煤粉通道在燃烧器的头部形成风煤预混通道；所述内一次风通道和煤粉通道之间设置有可沿燃烧器轴向前后移动的风煤预混调节环，使所述风煤预混通道的长度可在0～H0之间调节；
所述预热炉从上至下由旋流室、变径段和炉膛组成，所述旋流室为蜗壳式结构，使从旋流室进口进入的烟气为蜗壳式切向旋流进入；
在所述预热炉内形成位于炉膛中心的富燃料区、位于富燃料区外部的富氧区、和位于富氧区与炉壁之间的富碳区；
所述预热炉的底部出口与所述U型管的一端连接，所述U型管的另一端与所述文丘里喉管的底部连接，所述文丘里喉管的顶部与所述自富集炉的柱体底部连接；所述自富集炉的柱体底部设置有生料喂料管；
所述燃料供应管路分为两路，分别为燃料第一供应管路和燃料第二供应管路，所述燃料第一供应管路与煤管连接，所述燃料第二供应管路与文丘里喉管上部的喷煤管连接；
所述低温循环烟气供应管路与燃料第一供应管路、燃料第二供应管路连接；所述中温循环烟气供应管路与所述旋流室的进口连接；
所述工业氧气供应管路分为三路，分别为工业氧气第一供应管路、工业氧气第二供应管路和工业氧气第三供应管路，所述工业氧气第一供应管路与外一次风管连接，所述工业氧气第二供应管路与内一次风管连接，所述工业氧气第三供应管路与文丘里喉管下部的氧气管连接。
优选的，所述风煤预混调节环设置在内一次风管的内侧璧上。
优选的，所述内一次风通道的进口及外一次风通道的出口处均设置有旋流器。
优选的，所述外一次风通道外设有耐火材料层。
优选的，所述旋流室的顶盖中心设置有燃烧器安装孔，所述燃烧器的头部通过燃烧器安装孔伸入至旋流室内。
优选的，所述变径段的内直径从上至下逐渐变大。
优选的，所述工业氧气第一供应管路、工业氧气第二供应管路和工业氧气第三供应管路上均设置有流量控制器。
优选的，所述文丘里喉管从下至上分为下收缩段，喉区高速段和上扩张段，所述下收缩段插入有所述氧气管，所述氧气管向下倾斜插入至靠近文丘里喉管轴向中心，氧气管与水平方向夹角为30～60°，使工业氧气与循环烟气混合均匀；所述上扩张段插入有所述喷煤管，所述喷煤管插入至靠近上扩张段内壁，使循环烟气和煤粉在上扩张段外侧形成的涡流低压区处混合；所述氧气管和喷煤管的数量分别为2～4支，沿圆周对称布置。
一种分解炉二次全氧燃烧富集CO2的方法，包括如下步骤：
步骤一：低温循环烟气携带煤粉进入燃烧器的煤粉通道；工业氧气分两股分别进入燃烧器的内一次风通道和外一次风通道，内一次风通道的工业氧气旋流进入，外一次风通道内的工业氧气旋流喷出，工业氧气供应的量满足预热炉内煤粉燃烧所需的氧气量，使煤粉喷出后在预热炉内燃烧稳定；
步骤二：将中温循环烟气切向旋流引入预热炉的旋流室，在顶部旋流室的离心力下贴壁向下运动；煤粉和工业氧气从燃烧器喷出后在预热炉内着火燃烧，使预热炉内空间形成位于炉膛中心的富燃料区、位于富燃料区外部的富氧区、和位于富氧区与炉壁之间的富碳区；燃烧热量将中、低温循环烟气温度提升至900℃以上；
步骤三：出预热炉的高温循环烟气通过U型管反向向上运动；
步骤四：高温循环烟气进入文丘里喉管，在文丘里喉管进口的下收缩段喷入工业氧气，使中心区氧浓度升高至30％以上；在文丘里喉管出口的上扩张段喷入煤粉，使得在射流作用下上扩张段外侧形成涡流低压区；
步骤五：煤粉随循环烟气进入自富集炉燃烧放热，在自富集炉柱体底部喂入生料，使生料在自富集炉内完成分解，并释放CO2，出自富集炉烟气干基CO2浓度达80％以上，温度为850～1000℃。
优选的，所述煤粉细度控制80um筛余低于20％；所述工业氧气的氧气浓度不低于80％；所述低温循环烟气的温度低于150℃，CO2浓度高于60％，O2浓度低于10％；所述中温循环烟气的温度低于400℃，CO2浓度高于60％，O2浓度低于10％。
优选的，所述步骤一中，根据煤粉的燃烧特性，通过调节风煤预混调节环来调节风煤预混通道的长度，和/或通过调节进入内一次风通道和外一次风通道的工业氧气量，强化煤粉的着火与火焰稳定性，使煤粉喷出后在预热炉内燃烧稳定。
优选的，所述步骤四中，所述文丘里喉管的喉区高速段的截面平均风速为25～50m/s，上扩张段的出口截面平均风速为5～15m/s，喉区高速段风速为上扩张段出口风速的2倍以上。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、本发明通过将分解炉分为串联运行的一次燃烧区和二次燃烧区，在燃烧器和预热炉所在的一次燃烧区，一次燃烧区不喂入生料，煤粉通过低温循环烟气输送，工业氧气分两股在煤粉通道内外侧供风，中温循环烟气从预热炉旋流室贴壁供风，实现预热炉内煤粉火焰稳定、预热炉炉壁不烧蚀、低NOX排放以及煤粉的充分燃尽，在预热炉内将中、低温循环烟气升温至900℃以上；在文丘里喉管和自富集炉所在的二次燃烧区，二次燃烧区带料运行，将高温循环烟气引入二次燃烧区底部，并喷入工业氧气和煤粉，通过设置的文丘里喉管形成射流进行托料，解决了生料塌料和煤粉局部爆燃引起炉壁高温结皮问题，又抑制了煤粉燃烧NOX释放，使出自富集炉时烟气温度为850～1000℃，干基CO2浓度至80％以上，实现生料充分分解。
2、本发明提供的燃烧器，工业氧气与煤粉、循环烟气在输送过程中不接触，且煤粉输送的送煤风采用小于150℃的低温循环烟气，避免循环烟气中未燃尽的碳粒自燃，解决了全氧燃烧系统工业氧气、煤粉混合输送引起自燃的安全问题。
3、本发明提供的燃烧器，在内一次风通道和煤粉通道之间增加可沿燃烧器轴向前后移动的风煤预混调节环，可灵活调节风煤预混通道的长度，使得可根据煤粉的燃烧特性，调节工业氧气与煤粉在燃烧器内是否进行预混合，避免引起火焰不稳定甚至熄火问题，强化煤的着火与火焰稳定性；或避免火焰燃烧速度过快出现火焰回火至预混合区烧坏燃烧器头部问题，防止了煤粉爆燃和回火，在不回火前提下，强化了煤粉的着火与火焰稳定性。
4、本发明提供的燃烧器，还可根据煤粉的燃烧特性，调节进入内一次风通道和外一次风通道的工业氧气量，防止了煤粉爆燃和回火，强化了煤粉的着火与火焰稳定性；且外一次风为高速旋流风，进一步强化了火焰稳定性。
5、本发明提供的预热炉，中温循环烟气(150～400℃)从预热炉顶部旋流室进入，在旋流室内贴壁旋转向下流动，由于中温循环烟气温度相对较低，且氧含量低，使得在炉壁和火焰之前形成一道低温保护气膜，有效保护了预热炉壁面耐火材料，防止被火焰烧蚀。
6、本发明提供的文丘里喉管，煤粉位于文丘里喉管上扩张区，工业氧气引入文丘里喉管下收缩区，工业氧气与循环烟气通过文丘里喉管混合均匀后再与煤粉接触，防止因自富集炉内局部氧浓度高引起煤粉爆燃，导致自富集炉壁面结皮；文丘里喉管出口气体形成射流，使得在射流作用下上扩张段外侧形成涡流低压区，循环烟气和煤粉在该区域返混，外侧循环烟气氧浓度相对低，抑制了煤粉燃烧NOX释放。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些具体实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的分解炉二次全氧燃烧富集CO2的系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的燃烧器和预热炉的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的预热炉的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的旋流室的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的燃烧器的结构示意图一；
图6是图5的A-A剖面的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的燃烧器的结构示意图二；
图8是图7的B-B剖面的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的文丘里喉管的结构示意图；
图10是本发明实施例提供的文丘里喉管的俯视图。
其中：g1-工业氧气；g2-中温循环烟气；g3-低温循环烟气；g4-出自富集炉烟气；F-煤粉；A-富燃料区；B-富氧区；C-富碳区；H-风煤预混区长度；M-生料；
1-燃烧器；101-中心油枪通道；102-内一次风旋流器；103-内一次风通道；104-煤粉通道；105-外一次风通道；106-外一次风旋流器；107-风煤预混通道；108-风煤预混调节环；109-耐火材料层；
2-预热炉；21-旋流室；22-变径段；23-炉膛；211-旋流室进口；212-旋流室顶盖；213-燃烧器安装孔；
3-U型管；
4-文丘里喉管；401-下收缩段；402-喉区高速段；403-上扩张段；404-氧气管；405-喷煤管；
5-自富集炉；501-生料喂料管；
601-内一次风流量控制器；602-外一次风流量控制器；603-二次风流量控制器。
带箭头虚线为气流方向，带箭头实线为煤粉流动方向。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
请参阅图1～图10，本实施例提供一种分解炉二次全氧燃烧富集CO2的系统，由燃烧器1、预热炉2、U型管3、文丘里喉管4、自富集炉5、燃料供应管路、低温循环烟气供应管路、中温循环烟气供应管路和工业氧气供应管路组成。
燃烧器1安装在预热炉2的顶部，燃烧器1的头部伸入预热炉2内，预热炉2用于将中温循环烟气g2、低温循环烟气g3加热。低温循环烟气g3的温度低于150℃，其成分主要为CO2，CO2浓度高于60％，O2浓度低于10％；中温循环烟气g2的温度低于400℃，其成分主要为CO2，CO2浓度高于60％，O2浓度低于10％。所用的燃料为煤粉F，细度控制80um筛余低于20％。燃烧所用氧化剂为工业氧气g1，工业氧气g1浓度不低于80％。
燃烧器1为圆柱形结构，见图5，包括由内至外依次同轴套装的油管、内一次风管、煤管和外一次风管，内部共形成有四个通道，从内到外分别为中心油枪通道101、内一次风通道103、煤粉通道104和外一次风通道105。所述油管、煤管和外一次风管的头部端口对齐，形成燃烧器1的头部；所述内一次风管的头部与燃烧器1的头部之间留有距离H0，使内一次风通道103和煤粉通道104在燃烧器1的头部形成风煤预混通道107；所述内一次风通道103和煤粉通道104之间设置有可沿燃烧器1轴向前后移动的风煤预混调节环108，使所述风煤预混通道107的长度可在0～H0之间调节。本实施例的风煤预混调节环108设置在内一次风管的内侧璧上。
见图3和图4，预热炉2从上至下由旋流室21、变径段22和炉膛23组成。旋流室21为蜗壳式结构，使从旋流室进口211进入的烟气为蜗壳式切向旋流进入。在旋流室顶盖212中心设燃烧器安装孔213，燃烧器1通过燃烧器安装孔213安装在预热炉2的顶部，且燃烧器1的头部伸入至旋流室21内。燃烧器1的外一次风通道105外设耐火材料层109，用于隔热，防止因预热炉2内火焰辐射传热到燃烧器1，使燃烧器1内部温度过高及工业氧气g1在燃烧器1内输送过程中氧化壁面钢材。旋流室21截面周长小于炉膛23周长，变径段22的内直径从上至下逐渐变大，加快了循环烟气旋流运行对炉壁圆周方向的全覆盖。
见图1、图9和图10，所述炉膛23的底部出口与所述U型管3的一端连接，所述U型管3的另一端与所述文丘里喉管4的底部连接，所述文丘里喉管4的顶部与所述自富集炉5的柱体底部连接；所述自富集炉5的柱体底部设置有生料喂料管501。所述文丘里喉管4从下至上分为下收缩段401，喉区高速段402和上扩张段403，所述下收缩段401插入所述氧气管404，所述氧气管404向下倾斜插入至靠近文丘里喉管4轴向中心，氧气管404与水平方向夹角为30～60°，使工业氧气g1与循环烟气混合均匀，本实施例的插入深度为300～1000mm；所述上扩张段403插入有所述喷煤管405，所述喷煤管405水平插入至靠近上扩张段403内壁，使循环烟气和煤粉在上扩张段403外侧形成的涡流低压区处混合，本实施例的插入深度为100～500mm；所述氧气管404和喷煤管405的数量分别为2～4支，沿圆周对称布置。本实施例中，氧气管404和喷煤管405均设置2支，4支管在周向均匀布设。
所述燃料供应管路分为两路，分别为燃料第一供应管路和燃料第二供应管路，所述燃料第一供应管路与煤管连接，所述燃料第二供应管路与文丘里喉管4上部的喷煤管405连接；所述低温循环烟气供应管路与燃料第一供应管路、燃料第二供应管路连接；所述中温循环烟气供应管路与所述旋流室21的进口连接；所述工业氧气供应管路分为三路，分别为工业氧气第一供应管路、工业氧气第二供应管路和工业氧气第三供应管路，所述工业氧气第一供应管路与外一次风管连接，所述工业氧气第二供应管路与内一次风管连接，所述工业氧气第三供应管路与文丘里喉管4下部的氧气管404连接。燃料供应管路内通入煤粉，工业氧气供应管路内通入工业氧气g1，低温循环烟气供应管路内通入低温循环烟气g3，中温循环烟气供应管路内通入中温循环烟气g2。
由于风煤预混调节环108的位置可以沿着燃烧器1轴向前后移动，使风煤预混通道107的长度可以在0～H0之前调节。设风煤预混调节环108头部距离燃烧器1头部的距离为H，当H大于0时，内一次风通道103内的内一次风(即工业氧气g1)与煤粉通道104内的送煤风(即低温循环烟气g3)在风煤预混通道107(即预混合区)内预混合为一股，通过风煤预混通道107后喷出燃烧器1。风煤预混通道107的长度越大，预混合程度越强，煤粉与工业氧气g1的接触更均匀。
见图5和图6，当燃料为难燃煤质(例如无烟煤)时，如果没有风煤预混通道107，煤粉F与工业氧气g1从燃烧器1两个通道独立的喷出，由于送煤风为低温循环烟气g3，可能会导致煤粉燃烧过程中供氧不足，引起火焰不稳定甚至熄火问题。通过调节在内一次风通道103和煤粉通道104之间增加的风煤预混调节环108，将工业氧气g1与煤粉F在燃烧器1内进行预混合，使煤粉F喷出之前与工业氧气g1可以提前接触，可强化煤的着火与火焰稳定性。内一次风进入风煤预混通道107时为旋流，煤粉通道104为直流，在风煤预混通道107，内一次风在旋流离心力作用下与送煤风产生碰撞，提升了工业氧气g1和煤粉的预混合效果。
对于中等易燃性的煤，可通过风煤预混调节环108灵活调节预混合区的长度H，进而在不回火前提下，强化煤的着火与火焰稳定性。
见图7和图8，对于易燃煤质，若工业氧气g1与煤粉F在燃烧器1内提前预混合，会存在火焰燃烧速度过快，出现火焰回火至预混合区，进而烧坏燃烧器1头部的问题。此时，通过调节风煤预混调节环108位置可以解决回火问题，即将风煤预混调节环108插入深度至燃烧器1出口，使预混合区消失，燃烧器1出口有四个通道，工业氧气g1和煤粉F在燃烧器1内无预混合，从各自通道喷出，由于煤粉F与工业氧气g1在喷出之前相互隔离，火焰无法回火至燃烧器1通道内，该状态为非预混模式燃烧，适用于易着火燃烧的煤质，可防止烧坏燃烧器1头部。
此外，内一次风通道103的工业氧气流量可通过内一次风流量控制器601调节，当煤质易燃时，减少内一次风通道103的工业氧气流量，减少与煤粉预混合的工业氧气g1，降低内一次风出口中氧浓度，防止煤粉爆燃和回火。当煤质难燃时，增加内一次风通道103的工业氧气流量，强化煤粉着火的火焰稳定性。
一种分解炉二次全氧燃烧富集CO2的方法，包括如下步骤：
步骤一：低温循环烟气g3携带煤粉F进入燃烧器1的煤粉通道104；工业氧气g1分两股分别进入燃烧器1的内一次风通道103和外一次风通道105，内一次风通道103的工业氧气g1旋流进入，外一次风通道105内的工业氧气g1旋流喷出，工业氧气供应的量满足预热炉2内煤粉燃烧所需的氧气量，使煤粉喷出后在预热炉2内燃烧稳定。
步骤二：将中温循环烟气g2切向旋流引入预热炉2的旋流室21，在顶部旋流室21的离心力下贴壁向下运动；煤粉F和工业氧气g1从燃烧器1喷出后在预热炉2内着火燃烧，使预热炉2内空间形成位于炉膛23中心的富燃料区A、位于富燃料区外部的富氧区B、和位于富氧区与炉壁之间的富碳区C；燃烧热量将中、低温循环烟气温度提升至900℃以上。
步骤三：出预热炉2的高温循环烟气通过U型管3反向向上运动。
步骤四：高温循环烟气进入文丘里喉管4，在文丘里喉管4进口的下收缩段401喷入工业氧气g1，使中心区氧浓度升高至30％以上；在文丘里喉管4出口的上扩张段403喷入煤粉，使得在射流作用下上扩张段403外侧形成涡流低压区。
步骤五：煤粉F随循环烟气进入自富集炉5燃烧放热，在自富集炉5柱体底部喂入生料，使生料在自富集炉5内完成分解，并释放CO2，出自富集炉5烟气干基CO2浓度达80％以上，温度为850～1000℃。
燃烧器1中心的中心油枪通道101用于预热炉2的点火。内一次风通道103和外一次风通道105两个通道供入工业氧气g1，工业氧气g1供应的量满足预热炉2内煤粉燃烧所需的氧气量。内一次风通道103的进口处设置内一次风旋流器102，使进入内一次风通道103进口的工业氧气g1在内一次风旋流器102的作用下向下旋转流动；外一次风通道105位于煤粉通道104的外部，外一次风通道105的出口处设置外一次风旋流器106，使外一次风通道105内的工业氧气g1在外一次风旋流器106的作用下高速旋流喷出，可强化预热炉2内火焰的稳定性。
中温循环烟气g2从旋流室进口211进入，沿壁面旋转向下流动。由于以工业氧气g1为氧化剂，氧含量相对空气提高较多，对应的火焰温度相对较高，高温区可达到1300℃以上，当火焰接触到预热炉2侧壁时，容易导致炉壁面耐火材料烧损。而将中温循环烟气g2旋流进入预热炉2，由于温度相对较低，且氧含量低，使得相当于在炉壁和火焰之前形成一道低温保护气膜，有效保护预热炉2壁面耐火材料被火焰烧蚀。
煤粉通过低温循环烟气g3喂入燃烧器1的煤粉通道104；工业氧气g1分为两股进入燃烧器1，其中一股旋流进入燃烧器1的内一次风通道103，并通过内一次风流量控制器601控制工业氧气流量，另一股进入燃烧器1的外一次风通道105，并通过外一次风流量控制器602控制工业氧气流量，工业氧气g1供应的量满足预热炉2内煤粉燃烧所需的氧气量，使煤粉喷出后在预热炉2内燃烧稳定；中温循环烟气g2从预热炉2的旋流室进口211切向旋流进入，在顶部旋流室21的离心力下贴壁向下运动；使预热炉2内空间形成位于炉膛23中心的富燃料区A、位于富燃料区外部的富氧区B、和位于富氧区与炉壁之间的富碳区C；通过调控喂煤量，煤粉在预热炉2内燃烧，使出预热炉2的烟气从预热炉2底部流出，温度为900℃以上，烟气中CO2浓度大于60％。该供风方式的优势为：1)煤粉F与工业氧气g1在输送过程中不进行混合，且采用低温循环烟气g3输送煤粉，解决了全氧燃烧系统工业氧气g1、煤粉F混合输送引起自燃的安全问题；2)中温循环烟气g2直接进入预热炉2，并贴壁向下运动，在煤粉燃烧火焰和壁面之前起到保护气膜的作用，可防止高温火焰烧损壁面。
通过本发明提供的供风方式，即：低温循环烟气g3作为送煤风输送煤粉F；中温循环烟气g2从预热炉旋流室21贴壁供风；工业氧气g1中两股，在煤粉通道104内侧作为内一次风供风并根据煤粉的燃烧特性确定是否与煤粉提前预混，在煤粉通道104外侧高速旋流喷出作为外一次风。使得可在预热炉2内空间建立三个区域，即富燃料区，位于炉膛23中心；富氧区，位于富燃料区外部；富碳区，位于富燃料区与炉壁之间。该分区燃烧方法的优势为：1、富燃料区内过氧系数小于1，为还原气氛，可抑制NOx的生成；2、富碳区主要为CO2，气体温度相对低，可保护炉壁面，防止火焰烧炉壁。
出预热炉2的高温循环烟气通过U型管3后方向变为垂直向上运动，U型管3出口连接文丘里喉管4。高温循环烟气进入文丘里喉管4，在文丘里喉管4进口的下收缩段401喷入工业氧气g1，使中心区氧浓度升高至30％以上，喉区高速段402截面平均风速为25～50m/s，上扩张段403出口截面平均风速为5～15m/s，喉区高速段402风速是上扩张段403出口风速的2倍以上。高温循环烟气继续向上运动，文丘里喉管4出口气体形成射流，在上扩张段403喷入煤粉，在射流作用下，上扩张段403外侧形成涡流低压区，循环烟气和煤粉在该区域返混，外侧循环烟气氧浓度相对低，抑制了煤粉燃烧NOX释放。
从喷煤管405喷入的煤粉随循环烟气向上运动在自富集炉5中燃烧，为二次燃烧。生料从自富集炉5柱体底部喂料，生料喂料管501位于喷煤管405高度以上。在自富集炉5内实现生料充分分解，并释放CO2，出自富集炉5烟气温度为850～1000℃，出自富集炉5烟气干基CO2浓度至80％以上。
综上，本发明通过将分解炉分为串联运行的一次燃烧区和二次燃烧区，在燃烧器1和预热炉2所在的一次燃烧区，一次燃烧区不喂入生料，煤粉通过低温循环烟气g3输送，工业氧气g1分两股在煤粉通道104内外侧供风，中温循环烟气g2从预热炉2旋流室21贴壁供风，实现预热炉2内煤粉火焰稳定、预热炉2炉壁不烧蚀、低NOX排放以及煤粉的充分燃尽，在预热炉2内将中、低温循环烟气g3升温至900℃以上；在文丘里喉管4和自富集炉5所在的二次燃烧区，二次燃烧区带料运行，将高温循环烟气引入二次燃烧区底部，并喷入工业氧气g1和煤粉，通过设置的文丘里喉管4形成射流进行托料，解决了生料塌料和煤粉局部爆燃引起炉壁高温结皮问题，又抑制了煤粉燃烧NOX释放，使出自富集炉烟气g4温度为850～1000℃，干基CO2浓度至80％以上，实现生料充分分解。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种分解炉二次全氧燃烧富集CO2的系统，其特征在于，由燃烧器、预热炉、U型管、文丘里喉管、自富集炉、燃料供应管路、低温循环烟气供应管路、中温循环烟气供应管路和工业氧气供应管路组成；
所述燃烧器安装在预热炉的顶部，燃烧器的头部伸入预热炉内，所述燃烧器包括由内至外依次同轴套装的油管、内一次风管、煤管和外一次风管，使燃烧器内由内至外依次形成中心油枪通道、内一次风通道、煤粉通道和外一次风通道；所述油管、煤管和外一次风管的头部端口对齐，形成燃烧器的头部；所述内一次风管的头部与燃烧器的头部之间留有距离H0，使内一次风通道和煤粉通道在燃烧器的头部形成风煤预混通道；所述内一次风通道和煤粉通道之间设置有可沿燃烧器轴向前后移动的风煤预混调节环，使所述风煤预混通道的长度可在0~H0之间调节；
所述预热炉从上至下由旋流室、变径段和炉膛组成，所述旋流室为蜗壳式结构，使从旋流室进口进入的烟气为蜗壳式切向旋流进入；
在所述预热炉内形成位于炉膛中心的富燃料区、位于富燃料区外部的富氧区、和位于富氧区与炉壁之间的富碳区；
所述预热炉的底部出口与所述U型管的一端连接，所述U型管的另一端与所述文丘里喉管的底部连接，所述文丘里喉管的顶部与所述自富集炉的柱体底部连接；所述自富集炉的柱体底部设置有生料喂料管；
所述燃料供应管路分为两路，分别为燃料第一供应管路和燃料第二供应管路，所述燃料第一供应管路与燃烧器煤管连接，所述燃料第二供应管路与文丘里喉管上部的喷煤管连接；
所述低温循环烟气供应管路与燃料第一供应管路、燃料第二供应管路连接；所述中温循环烟气供应管路与所述旋流室的进口连接；
所述工业氧气供应管路分为三路，分别为工业氧气第一供应管路、工业氧气第二供应管路和工业氧气第三供应管路，所述工业氧气第一供应管路与外一次风管连接，所述工业氧气第二供应管路与内一次风管连接，所述工业氧气第三供应管路与文丘里喉管下部的氧气管连接；
所述文丘里喉管从下至上分为下收缩段，喉区高速段和上扩张段，所述下收缩段插入有所述氧气管，所述氧气管向下倾斜插入至靠近文丘里喉管轴向中心，氧气管与水平方向夹角为30~60°，使工业氧气与循环烟气混合均匀；所述上扩张段插入有所述喷煤管，所述喷煤管插入至靠近上扩张段内壁，使循环烟气和煤粉在上扩张段外侧形成的涡流低压区处混合；所述氧气管和喷煤管的数量分别为2~4支，沿圆周对称布置。
2.根据权利要求1所述的分解炉二次全氧燃烧富集CO2的系统，其特征在于，所述风煤预混调节环设置在内一次风管的内侧璧上。
3.根据权利要求1所述的分解炉二次全氧燃烧富集CO2的系统，其特征在于，所述内一次风通道的进口及外一次风通道的出口处均设置有旋流器；所述外一次风通道外设有耐火材料层。
4.根据权利要求1所述的分解炉二次全氧燃烧富集CO2的系统，其特征在于，所述旋流室的顶盖中心设置有燃烧器安装孔，所述燃烧器的头部通过燃烧器安装孔伸入至旋流室内；所述变径段的内直径从上至下逐渐变大。
5.根据权利要求1所述的分解炉二次全氧燃烧富集CO2的系统，其特征在于，所述工业氧气第一供应管路、工业氧气第二供应管路和工业氧气第三供应管路上均设置有流量控制器。
6.一种基于权利要求1至5任一项所述的系统进行分解炉二次全氧燃烧富集CO2的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：低温循环烟气携带煤粉进入燃烧器的煤粉通道；工业氧气分两股分别进入燃烧器的内一次风通道和外一次风通道，内一次风通道的工业氧气旋流进入，外一次风通道内的工业氧气旋流喷出，工业氧气供应的量满足预热炉内煤粉燃烧所需的氧气量，使煤粉喷出后在预热炉内燃烧稳定；
步骤二：将中温循环烟气切向旋流引入预热炉的旋流室，在顶部旋流室的离心力下贴壁向下运动；煤粉和工业氧气从燃烧器喷出后在预热炉内着火燃烧，使预热炉内空间形成位于炉膛中心的富燃料区、位于富燃料区外部的富氧区、和位于富氧区与炉壁之间的富碳区；燃烧热量将中、低温循环烟气温度提升至900℃以上；
步骤三：出预热炉的高温循环烟气通过U型管反向向上运动；
步骤四：高温循环烟气进入文丘里喉管，在文丘里喉管进口的下收缩段喷入工业氧气，使中心区氧浓度升高至30%以上；在文丘里喉管出口的上扩张段喷入煤粉，使得在射流作用下上扩张段外侧形成涡流低压区；
步骤五：煤粉随循环烟气进入自富集炉燃烧放热，在自富集炉柱体底部喂入生料，使生料在自富集炉内完成分解，并释放CO2，出自富集炉烟气干基CO2浓度达80%以上，温度为850~1000℃。
7.根据权利要求6所述的分解炉二次全氧燃烧富集CO2的方法，其特征在于，所述煤粉细度控制80um筛余低于20%；所述工业氧气的氧气浓度不低于80%；所述低温循环烟气的温度低于150℃，CO2浓度高于60%，O2浓度低于10%；所述中温循环烟气的温度低于400℃，CO2浓度高于60%，O2浓度低于10%。
8.根据权利要求6所述的分解炉二次全氧燃烧富集CO2的方法，其特征在于，所述步骤一中，根据煤粉的燃烧特性，通过调节风煤预混调节环来调节风煤预混通道的长度，和/或通过调节进入内一次风通道和外一次风通道的工业氧气量，强化煤粉的着火与火焰稳定性，使煤粉喷出后在预热炉内燃烧稳定。
9.根据权利要求6所述的分解炉二次全氧燃烧富集CO2的方法，其特征在于，所述步骤四中，所述文丘里喉管的喉区高速段的截面平均风速为25~50m/s，上扩张段的出口截面平均风速为5~15m/s，喉区高速段风速为上扩张段出口风速的2倍以上。
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