淺議低揮發(fā)分煤以及Ｗ型火焰鍋爐燃燒技術(shù)

李　勇　鞏鳳美

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)能源需求不斷增長(zhǎng)，資源短缺現(xiàn)象逐漸顯露出來(lái)。因此，研究低揮發(fā)分煤燃燒特性和W型火焰爐燃燒技術(shù)發(fā)展及存在問(wèn)題，對(duì)于發(fā)展我國(guó)資源節(jié)約型社會(huì)有重要意義，也成為學(xué)術(shù)界和電力企業(yè)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。文章探討了低揮發(fā)分煤燃燒特性和W型火焰爐燃燒技術(shù)發(fā)展及存在的問(wèn)題，這對(duì)于建設(shè)我國(guó)資源節(jié)約型社會(huì)有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：低揮發(fā)分煤；“W”型火焰鍋爐；煤粉；干燥無(wú)灰基

中圖分類(lèi)號(hào)：TK229文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374(2009)13-0040-02

我國(guó)是一個(gè)以煤為主要一次能源的國(guó)家，目前煤占能源全消費(fèi)的70％以上。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)能源需求不斷增長(zhǎng)，資源短缺現(xiàn)象逐漸顯露出來(lái)。2003年我國(guó)能源消費(fèi)總量16.78億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，比上年增長(zhǎng)10.1％，其中，原油消費(fèi)量2.52億噸，增長(zhǎng)12％；全年原油進(jìn)口量911263萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)31.1％；出口原油813.33萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)12.84％。2003年全國(guó)生產(chǎn)原煤16.67億噸，其中發(fā)電用煤炭的消費(fèi)已經(jīng)達(dá)到8.5億噸，占全部煤炭消費(fèi)的50％以上；原油產(chǎn)量1．69億噸；天然煙氣產(chǎn)量達(dá)341.28億m3。因此，研究低揮發(fā)分煤燃燒特性和W型火焰爐燃燒技術(shù)發(fā)展及存在問(wèn)題，對(duì)于發(fā)展我國(guó)資源節(jié)約型社會(huì)有重要意義，也成為學(xué)術(shù)界和電力企業(yè)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

一、低揮發(fā)分煤燃燒特性

(一)低揮發(fā)分煤的熱解特性煤粒被加熱超過(guò)一定溫度后。就進(jìn)入了熱解階段

這時(shí)煤粒釋放出焦油和氣體，并形成剩余焦碳。煤粒被加熱時(shí)所釋放出揮發(fā)分的重量和成分與其熱解的條件有關(guān)，即主要取決于加熱的升溫速度、加熱的最終溫度和在此溫度下的持續(xù)時(shí)間。根據(jù)加熱時(shí)升溫速度的不同，一般可把煤的熱分解過(guò)程分為快速、中速和慢速熱分解。這不僅由于熱解是煤燃燒過(guò)程中一個(gè)重要的初始過(guò)程，對(duì)著火過(guò)程有極大的影響，也因?yàn)闊峤馐瞧渌D(zhuǎn)換過(guò)程，如氣化、液化、精煉等的重要步驟，同時(shí)也與污染物的形成有密切關(guān)系。深入研究煤粉的熱解機(jī)理，有助于了解煤粉的著火與燃燒過(guò)程，對(duì)煤粉燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。煤受熱時(shí)，對(duì)構(gòu)出氣體采樣并用氣相色譜法進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度低于200℃～300℃時(shí)，析出的氣體幾乎完全是吸附在微粒及晶格間的水分和結(jié)晶水，隨著溫度的升高，析出的產(chǎn)物依次是CO2．CO、CH4和H2，而后在較高的溫度下析出稱(chēng)之為瀝青的重要碳?xì)浠衔?。同時(shí)，在此升溫的過(guò)程中，析出物在空間著火燃燒，使剩余碳達(dá)到著火條件而發(fā)生氧化反應(yīng)。煤的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，熱解揮發(fā)也是極其復(fù)雜的過(guò)程。在煤粒子被加熱升溫度過(guò)程中，首先將其物理化學(xué)鍵破壞、形成不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物，然后析出部分產(chǎn)物。所以，熱解揮發(fā)必然是與傳質(zhì)、傳熱及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)有關(guān)的過(guò)程。

(二)低揮發(fā)分煤的著火特性對(duì)于煤粉鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行極為重要

煤粉是否快速著火并穩(wěn)定燃燒對(duì)鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性有著極大影響。特別是無(wú)煙煤、貧煤等低揮發(fā)煤，其著火特性不僅決定煤粉火焰的穩(wěn)定性，而且還直接影響火焰的傳播速度和燃燒后期發(fā)展。煤粒的著火方式究竟是均相著火還是異相著火，在長(zhǎng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間內(nèi)，人們一直認(rèn)為煤的著火總是在氣相中發(fā)生的。上世紀(jì)60年代中期以來(lái)，許多學(xué)者進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究，從而證明煤粒的非均相著火方式也是大量存在的。在對(duì)低揮發(fā)分煤進(jìn)行煤粉著火特性的研究過(guò)程中，哈爾濱電站設(shè)計(jì)成套設(shè)計(jì)研究所利用煤粉氣流著火數(shù)裝置測(cè)定了煤粉氣流著火指數(shù)與煤特性及煤粉濃度、煤粉粒度和氧濃度的關(guān)系。同時(shí)也證明，將無(wú)煙煤同其他易燃煙煤混燒能不同程度地改善無(wú)煙煤的著火特性，原因是當(dāng)混合粒子進(jìn)入爐膛以后，煙煤與無(wú)煙煤的著火溫度比無(wú)煙煤低，因而會(huì)先著火燃燒。燃燒放出的熱量進(jìn)一步加熱其周?chē)臒o(wú)煙煤粒子，使其迅速達(dá)到著火溫度，因而促進(jìn)了無(wú)煙煤粒子的著火和燃燒。

(三)低揮發(fā)分煤的燃盡特性按照我國(guó)發(fā)電用煤分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)

干燥無(wú)灰基揮發(fā)分Vdaf小于20％者為低揮發(fā)分煤，其中小于6.5％者為特低揮發(fā)分煤。低揮發(fā)分煤因其煤化程度高、揮發(fā)分含量低、煤發(fā)熱量中揮發(fā)分的發(fā)熱量比率亦低等，從而使煤的著火變得困難；煤化程度加深也使其巖相結(jié)構(gòu)緊密而穩(wěn)定，孔隙率小，使其磨碎性減弱，反應(yīng)性降低，燃盡性能變差。因此，低揮發(fā)分煤種的著火與燃盡都比較困難，需要較高的著火和燃盡溫度，以及較長(zhǎng)的燃盡時(shí)間。此外，還有一些低揮發(fā)分煤的灰熔點(diǎn)較低，易在高溫下形成結(jié)渣。煤的燃燼過(guò)程是那樣的復(fù)雜，所以，現(xiàn)在還不能對(duì)整個(gè)燃燼過(guò)程提出一個(gè)比較完整的物理模型。近年來(lái)，有不少研究者提出了這種或那種物理模型，但是只能解釋某些局部的現(xiàn)象，或者對(duì)燃燼過(guò)程作出了許多簡(jiǎn)化的假設(shè)。對(duì)于燃煤鍋爐，尤其是大型電站鍋爐來(lái)說(shuō)，煤粉的燃盡特性將直接影響鍋爐的燃燒效率和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。而煤粉的燃盡性能取決于碳粒的燃盡。碳粒的反應(yīng)速度則受氧濃度、氣體溫度以及顆粒直徑等因素的影響。

二、W型火焰爐燃燒技術(shù)發(fā)展及存在問(wèn)題

我國(guó)電站鍋爐燃用低揮發(fā)分煤種已有50余年歷史，在上世紀(jì)80年代初投運(yùn)了一批容量為670t／(配200MW機(jī)組)的國(guó)產(chǎn)切圓燃燒干態(tài)排渣爐，上世紀(jì)90年代起投運(yùn)了一批容量為1025t／h(配3MW機(jī)組)的國(guó)產(chǎn)干態(tài)排渣爐，其中大部分為切圓燒，也有少量的墻式燃燒。上述機(jī)組的投運(yùn)標(biāo)志我國(guó)在燃用低揮發(fā)分煤的電站鍋爐大型化方面取得了進(jìn)步，但同時(shí)也存在著機(jī)組可靠性不高、飛灰可物高、負(fù)荷調(diào)節(jié)幅度小等問(wèn)題。

W火焰燃燒過(guò)程分為3個(gè)階段：第一是著火階段。燃料在低擾動(dòng)狀態(tài)下以較低的速度和較小的一次風(fēng)率自上而下引入爐膛，相應(yīng)提高了火焰根部的溫度，延長(zhǎng)了煤粉氣流在著火區(qū)的停留時(shí)間，對(duì)著火有利；第二是燃燒階段。由于二次風(fēng)與三次風(fēng)的高速引入，混合強(qiáng)烈；第三是輻射冷卻階段。煙氣進(jìn)入上部爐膛，除繼續(xù)以低擾動(dòng)狀態(tài)使燃料燃盡外，還受到爐膛輻射受熱面的冷卻。

W型火焰燃燒方式的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)：一是在著火與穩(wěn)燃方面。起始階段，由于煤粉自上而下進(jìn)入爐膛，故一次風(fēng)速低(10～5m／s)，煤粉在低擾動(dòng)狀態(tài)下著火引燃，有利于著火點(diǎn)的形成；采用旋風(fēng)分離式燃燒器，從磨煤機(jī)出口的風(fēng)粉混合物中分離掉一部分空氣，經(jīng)燃燒器送人爐瞠的是高濃度煤粉空氣混合物，使著火熱減少，于著火有利。在前后拱上都可布置燃燒器，使燃燒器數(shù)量增加，單個(gè)燃燒器的容量可設(shè)計(jì)得小一些，有利于著火燃燼；高溫?zé)釤煔庾韵露狭鞒鱿聽(tīng)t膛之前，有一部分熱煙氣回流至燃燒器出口處的著火區(qū)域，對(duì)一次風(fēng)煤粉進(jìn)行加熱。燃燒器出口處水冷壁一般敷設(shè)有衛(wèi)燃帶，提高了著火區(qū)溫度，于著火有利，而且，負(fù)荷變化時(shí)對(duì)爐膛影響不大，故有利于穩(wěn)燃與調(diào)峰。二是在燃燒與燃燼方面。二次風(fēng)沿火焰行程逐漸加入已著火的煤粉氣流中，符合無(wú)煙煤燃燒延緩的特點(diǎn)，對(duì)燃燒和燃燼有利：爐膛充滿(mǎn)度好和爐膛容積熱負(fù)荷低，使煤粉在爐內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)，有利于燃燼。因此，W型火焰燃燒方式尤其適合無(wú)煙煤燃燒，而且可根據(jù)實(shí)際燃煤的揮發(fā)分多少來(lái)調(diào)節(jié)一次風(fēng)煤粉濃度、熱風(fēng)溫度等，改變?nèi)紵鹘Y(jié)構(gòu)和衛(wèi)燃帶面積等，就可擴(kuò)大煤種的適應(yīng)范圍。

當(dāng)然，W型火焰鍋爐也存在一些不足之處，主要有：(1)空氣和煤粉后期混合較差，不利于燃料的燃盡；(2)由于爐瞠下部斷面約為常規(guī)燃燒方式鍋爐的兩倍，為保證著火及火焰穩(wěn)定，必須敷設(shè)大面積的衛(wèi)燃帶，從而導(dǎo)致結(jié)渣；(3)爐膛結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜而且尺寸較大，因而造價(jià)較高；(4)NOx排放量較高，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。