國內(nèi)典型煤種在富氧條件下的燃燒性能

張 大 興

(中國神華能源股份有限公司國華惠州熱電分公司,廣東惠州 516086)

0 引 言

由于全球工業(yè)化進(jìn)程加快,大氣中的溫室氣體CO2濃度已經(jīng)從工業(yè)革命之前的280×10-6上升到近390×10-6,相應(yīng)的地表溫度較20世紀(jì)平均增加了(0.74±0.18)℃。我國已成為世界上CO2排放最多的國家,其排放量占全球排放量的1/3左右[1]。煙氣再循環(huán)+富氧燃燒技術(shù)具有降低NOx排放、提高燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)該技術(shù)也是國際上具有發(fā)展前景的一種燃燒后分離捕集CO2技術(shù),既適用于現(xiàn)役常規(guī)燃煤電站鍋爐技術(shù)的改造,又可用于新建大型電站燃煤鍋爐機(jī)組[2-6]。

為了保證煤粉在富氧燃燒條件下仍能滿足鍋爐的安全運(yùn)行,國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究。高建強(qiáng)等[7]研究了300 MW褐煤富氧燃燒鍋爐系統(tǒng)仿真模型;吳海波[8]通過對常規(guī)空氣燃燒鍋爐部分的計(jì)算參數(shù)、公式修正,開發(fā)了新型富氧燃燒計(jì)算模型。廖海燕等[9]研究了200 MW富氧燃煤電廠制粉系統(tǒng)及磨煤機(jī)參數(shù)的選取。煤粉的燃燒特性是鍋爐設(shè)計(jì)的主要依據(jù)之一,采用富氧燃燒方式后,燃燒氣氛的變化必然對煤粉的燃燒性能產(chǎn)生影響。吳迪等[10]研究了CO2的物理化學(xué)屬性對煤粉富氧燃燒著火性能的影響,與N2相比CO2會引起煤粉著火延遲;而劉彥豐等[11]在熱重分析儀上的研究表明,在O2/CO2和O2/N2氣氛下的燃燒性能曲線沒有明顯變化,煤粉著火溫度略有下降。孫青等[12]利用馬弗爐和平面火焰攜帶流反應(yīng)器研究了神華煤在富氧條件下的結(jié)渣性能,表明富氧條件將加重試驗(yàn)煤樣的結(jié)渣。而35 MW富氧燃燒工業(yè)示范工程的建成和調(diào)試成功,標(biāo)志著我國在富氧燃燒的關(guān)鍵裝備研發(fā)、系統(tǒng)集成和調(diào)試運(yùn)行等方面的能力總體達(dá)到了國際前沿[13-14]。

鍋爐采用富氧燃燒技術(shù)后,由于燃燒氣氛及燃燒產(chǎn)物與常規(guī)燃燒有所不同,將影響到鍋爐燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)、爐內(nèi)燃燒過程、火焰輻射特性、傳熱特性、沾污積灰與結(jié)渣特性、鍋爐受熱面設(shè)計(jì)與布置等多個(gè)方面。本文利用一維火焰燃燒試驗(yàn)爐以及煤粉氣流著火溫度試驗(yàn)爐,在更接近實(shí)際鍋爐的燃燒狀態(tài)下,對國內(nèi)典型的煙煤和貧煤進(jìn)行富氧狀態(tài)下的燃燒和結(jié)渣性能測試,以期為富氧燃燒鍋爐設(shè)計(jì)以及現(xiàn)役煤粉鍋爐采用富氧燃燒需進(jìn)行的設(shè)備改造提供參考和依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及測試方法

1.1 煤粉氣流著火溫度試驗(yàn)爐及測試方法

圖1為煤粉氣流著火溫度試驗(yàn)臺,爐體為立式電加熱爐,有效高度610 mm,內(nèi)徑175 mm,2級爐膛均由雙套管碳化硅燒制而成,配有調(diào)壓器以調(diào)節(jié)爐壁溫度,爐頂軸線上裝有1個(gè)一次風(fēng)噴嘴和2個(gè)二次風(fēng)噴口,氣流由上而下流動且被加熱至煤粉著火,送風(fēng)機(jī)送入氣體為空氣。測試方法參見文獻(xiàn)[15]。

圖2為富氧燃燒條件下的煤粉氣流著火溫度試驗(yàn)臺,與圖1的區(qū)別在于送風(fēng)機(jī)送入?yún)⑴c燃燒的氣體為O2/CO2混合物,其余均和圖1一致。常規(guī)燃燒和富氧燃燒時(shí),一次風(fēng)和二次風(fēng)均為常溫狀態(tài)。

1.2 一維火焰燃燒試驗(yàn)爐及測試方法

一維火焰爐燃燒試驗(yàn)臺如圖3所示,系統(tǒng)由爐體、給粉機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、除塵器等設(shè)備組成。氣、粉混合物由錐體頂部引入,爐頂和第1級爐體的錐型漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)使氣粉混合物在加熱過程中均勻膨脹,充滿截面,消除了煙氣回流,形成無軸向混合的柱塞狀流動。因此沿爐膛軸向測定的參數(shù)可表征煤粉氣流燃燒過程的特征。爐膛從上到下分為6級,分別對應(yīng)1～6級測點(diǎn)。具體試驗(yàn)方法參見文獻(xiàn)[16]。

圖1 煤粉氣流著火溫度測試爐及系統(tǒng)示意Fig.1 Pulverized coal ignition temperature test furnace and system schematic diagram

圖2 富氧燃燒下的煤粉氣流著火溫度測試爐及系統(tǒng)示意Fig.2 Pulverized coal ignition temperature test furnace and system schematic diagram at oxy-enriched combustion

圖3 一維火焰爐燃燒試驗(yàn)臺Fig.3 One-dimensional flame furnace combustion test bench

1.3 一維火焰燃燒試驗(yàn)爐改造及富氧燃燒測試方法

由于富氧燃燒會產(chǎn)生極高的燃燒溫度,為使?fàn)t內(nèi)燃燒過程接近常規(guī)燃燒方式,通常需要從鍋爐排煙抽取70% ～80%富含CO2的煙氣再循環(huán),與純氧混合后送入燃燒器。為了模擬實(shí)際鍋爐在富氧狀態(tài)下的燃燒狀態(tài),對一維火焰燃燒試驗(yàn)爐進(jìn)行了改造(圖4)。主要改造包括：① 增加了循環(huán)風(fēng)機(jī),代替原來的送風(fēng)機(jī),將滿足要求的煙氣和純氧混合物送入爐內(nèi)燃燒;② 增加了O2供給設(shè)備;③ 煙氣加熱器,將煙氣和O2混合物溫度控制在120℃左右,保證煙氣中的水分不冷凝;④其他計(jì)量及測量設(shè)備。

圖4 富氧燃燒+煙氣循環(huán)一維火焰爐燃燒試驗(yàn)臺Fig.4 One-dimensional flame furnace combustion test bench

富氧燃燒條件下的試驗(yàn)方法和前述常規(guī)一維火焰爐的試驗(yàn)方法基本一致,只是將煙氣和O2混合物替代原來的空氣,由循環(huán)風(fēng)機(jī)通過給煤機(jī)和二次風(fēng)管道送入爐內(nèi)燃燒。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)煤樣及試驗(yàn)工況

選取國內(nèi)典型煙煤(神華煤)和貧煤(潞安煤)作為試驗(yàn)煤種,其基本煤質(zhì)特性參數(shù)見表1。神華煤為極易著火和燃盡的燃燒性能優(yōu)良的煙煤,但灰熔融溫度低,具有嚴(yán)重的結(jié)渣傾向;潞安煤為難著火和難燃盡的燃燒性能較差的貧煤,但灰熔融溫度高,結(jié)渣傾向較低,試驗(yàn)煤樣為空氣干燥基狀態(tài)。一維火焰爐燃燒試驗(yàn)的電加熱控制的第1～6級最低壁溫分別為800、1 000、1 100、1 100、1 100、1 000 ℃。燃煤入爐熱量控制在46.06 MJ/h,即神華煤和潞安煤的給煤量分別為 29.21、27.92 g/min,爐膛出口O2量為3.5%,具體控制參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)參見表2。

表1 試驗(yàn)煤樣的煤質(zhì)參數(shù)Table 1 Coal quality parameters of test coal

表2 試驗(yàn)工況的入爐風(fēng)量Table 2 Intake air volume of one-dimensional flame furnace

2.2 煤粉氣流著火溫度測試結(jié)果

圖5為試驗(yàn)煤樣在不同工況下的煤粉氣流著火溫度?？梢?隨著O2體積分?jǐn)?shù)的增加,神華煤和潞安煤的煤粉氣流著火溫度均下降,表明煤粉隨著O2體積分?jǐn)?shù)的升高而提前著火,有利于提高煤粉的燃燒穩(wěn)定性,當(dāng)繼續(xù)增加O2體積分?jǐn)?shù),煤粉氣流著火溫度下降幅度逐漸減少。另外,在相同的O2體積分?jǐn)?shù)下,燃燒性能優(yōu)良的神華煤煤粉氣流著火溫度下降幅度更大,表明煤種的燃燒性能更好,煤粉氣流著火溫度受O2體積分?jǐn)?shù)的影響更大。另外,在空氣狀態(tài)下,潞安煤的煤粉氣流著火溫度為790℃,但沒有明顯的著火現(xiàn)象,只是出現(xiàn)較多的火星。而當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)在30%以上時(shí),潞安煤可見明顯的燃燒火焰。當(dāng)煤粉在進(jìn)入爐膛受熱后,短時(shí)間內(nèi)快速升溫,同時(shí)析出大部分揮發(fā)分,揮發(fā)分與一次風(fēng)及煙氣中的O2混合燃燒。當(dāng)環(huán)境中的O2含量較低時(shí),揮發(fā)分的燃燒時(shí)間較長,局部放熱強(qiáng)度降低。隨著O2體積分?jǐn)?shù)的增加,根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)量作用定律,揮發(fā)分的燃燒速度隨O2體積分?jǐn)?shù)的升高而增大,該區(qū)域燃燒反應(yīng)物的放熱速率提高,從而形成局部的高溫區(qū)。局部的高溫區(qū)促使更多的揮發(fā)分析出,并將焦炭更快地加熱到著火狀態(tài),使局部反應(yīng)溫度進(jìn)一步提高,從而形成一次風(fēng)射流邊界著火燃燒的良性循環(huán)。因此通入富氧空氣流,有助于形成局部高溫區(qū),且對燃燒性能優(yōu)良的煙煤效果優(yōu)于燃燒性能較差的貧煤,但需注意燃燒強(qiáng)度增加后帶來的燃煤結(jié)渣性能增強(qiáng)的問題。

圖5 試驗(yàn)煤樣的煤粉氣流著火溫度Fig.5 Ignition temperature of pulverized coal of test coal

氣氛對煤粉氣流的著火也有一定影響,即使都采用21%的O2體積分?jǐn)?shù),神華煤和潞安煤在富氧燃燒+煙氣循環(huán)氣氛下的煤粉氣流著火溫度分別比空氣氣氛下高10℃和20℃,說明CO2對煤粉著火具有延遲作用。主要原因是CO2的比熱容比 N2大,揮發(fā)分在O2/CO2氣氛中的擴(kuò)散速率降低。另外,有研究表明[10],當(dāng)富氧燃燒系統(tǒng) O2分壓在26% ～29%時(shí),煤粉著火溫度與空氣氣氛燃燒接近,這與本試驗(yàn)O2分壓為21%的試驗(yàn)結(jié)果吻合。

2.3 富氧條件下的燃燒溫度

圖6為神華煤和潞安煤的爐膛煙氣溫度。最高煙氣溫度位置表征了煤樣的著火性能,高溫?zé)煔庠娇拷鼱t膛上部則該煤種的著火性能越好。在純空氣狀態(tài)下,神華煤的最高煙氣溫度在第1級,而潞安煤的最高煙氣溫度在第2級,主要是因?yàn)殡y燃煤種的燃燒反應(yīng)速度低,著火滯后。當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)提高后,火焰根部溫度(即第1級爐膛煙氣溫度)迅速提高,著火明顯提前,且O2體積分?jǐn)?shù)越高,第1級爐膛煙氣溫度越高,即使對于燃燒性能較差的潞安煤,當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%以上,煙氣最高溫度也出現(xiàn)在第1級爐膛?？梢?富氧燃燒使火焰變短,燃燒強(qiáng)度提高,燃燒速度加快,因此需注意采取適當(dāng)措施,避免燃燒器的過熱燒損和煙氣減少帶來的局部高溫。

圖6 神華煤和潞安煤在不同工況下的爐膛燃燒溫度Fig.6 Combustion temperature of Shenhua coal and Lu'an coal under different conditions

同時(shí),由圖6可以看出,氣氛對煤樣的著火影響較大,即使均采用21%的O2體積分?jǐn)?shù),神華煤和潞安煤在純空氣狀態(tài)下的第1級爐膛火焰燃燒溫度高于富氧燃燒+煙氣循環(huán)工況,再次說明CO2對煤粉著火具有延遲作用,這與前述煤粉氣流著火溫度的測試結(jié)果一致。采用富氧燃燒+煙氣循環(huán)燃燒方式,隨著O2體積分?jǐn)?shù)的增加,爐膛輻射換熱量增加。一方面隨著O2體積分?jǐn)?shù)增加,三原子氣體成分增加,使得爐內(nèi)輻射能力增強(qiáng),進(jìn)而提高了爐內(nèi)傳熱效率;另一方面,隨著O2體積分?jǐn)?shù)增加,燃燒產(chǎn)物量迅速減少,爐內(nèi)充滿度降低,導(dǎo)致煙氣輻射能力下降。爐內(nèi)輻射換熱系數(shù)受這兩方面的綜合作用,當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)小于30%時(shí),三原子氣體增加帶來的輻射換熱的影響小于燃燒產(chǎn)物減少帶來的輻射能力下降的影響。

2.4 富氧條件下的燃盡性能

圖7為神華煤和潞安煤在不同工況下的飛灰含碳量比較,圖8為試驗(yàn)煤樣在爐膛第6級的燃盡率比較。結(jié)果表明,由于神華煤自身優(yōu)良的燃盡性能,采用富氧燃燒對降低飛灰含碳量、提高燃盡率的作用非常有限。而對于燃盡性能較差的潞安煤,富氧燃燒在降低飛灰含碳量、提高燃盡率方面的作用明顯,當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)從21%增加到30%,第6級飛灰含碳量從15.87%降低到2.57%,相應(yīng)的燃盡率從95.51%提高到99.37%,但隨著 O2體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加,這種改善效果越來越差。

圖7 神華煤和潞安煤在不同工況下的飛灰含碳量Fig.7 Unburned carbon in fly ash of Shenhua coal and Lu'an coal under different conditions

圖8 試驗(yàn)煤樣的第6級燃盡率Fig.8 Burn-out rate at the sixth furnace of test coals

和前述燃燒溫度的現(xiàn)象一致,即使都在21%的O2體積分?jǐn)?shù)下,神華煤和潞安煤均表現(xiàn)出在富氧燃燒+煙氣循環(huán)條件下的飛灰含碳量高于空氣狀態(tài),說明CO2不僅對煤粉著火具有延遲作用,同時(shí)對煤粉的燃盡也起阻礙作用。

2.5 富氧條件下的結(jié)渣性能分析

圖9為神華煤和潞安煤的渣棒渣型,圖中從左到右的渣棒分別對應(yīng)爐膛的第1～6級測點(diǎn)?？梢?隨著O2體積分?jǐn)?shù)的增加,爐內(nèi)結(jié)渣趨于嚴(yán)重,這與高O2體積分?jǐn)?shù)下爐內(nèi)火焰溫度升高有直接關(guān)系。在空氣狀態(tài)下,神華煤的結(jié)渣較為嚴(yán)重,前2級渣棒均為嚴(yán)重的熔融渣型,當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)增加到40%時(shí),爐膛第3級的煙溫也升高至1 250℃,導(dǎo)致前3級渣棒均出現(xiàn)嚴(yán)重的熔融渣型。由于煙氣中氧含量較高,且神華煤灰中的鐵含量也較高,在氧化性氣氛中,鐵往往以Fe2O3的形態(tài)在渣中出現(xiàn),因此渣的顏色由黑色變?yōu)槁詭Ъt色。在循環(huán)煙氣氣氛下,煙氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)較高,空氣條件下煤灰中的鈣主要以CaO的形式存在,而在循環(huán)煙氣燃燒條件下,反應(yīng)產(chǎn)物中存在一定量CaCO3,CaCO3易黏結(jié),并會促進(jìn)低灰熔融溫度鈣黃長石、鈣長石的生成,從而加重結(jié)渣情況。潞安煤為典型的高灰熔融溫度煤,在純空氣狀態(tài)下,最為嚴(yán)重的渣型僅為弱黏聚等級,當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)增加到40%時(shí),出現(xiàn)最為嚴(yán)重的熔融渣型,結(jié)渣趨勢變化規(guī)律與神華煤一致。因此,需注意O2體積分?jǐn)?shù)增大帶來的結(jié)渣加劇問題。

圖9 神華煤和潞安煤在純空氣和40%O2狀態(tài)下的渣棒渣型Fig.9 Slagging type of Shenhua coal and Lu'an coal in pure air condition and 40%O2

3 結(jié) 論

1)采用富氧燃燒+煙氣循環(huán)燃燒方式時(shí),隨著氧氣濃度升高,煤粉氣流著火溫度降低,燃盡率升高,表明富氧燃燒方式可提高煤粉的燃燒穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。但隨著O2體積分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步升高,煤粉氣流著火溫度降低幅度和燃盡率升高幅度都逐漸減小。

2)O2體積分?jǐn)?shù)升高時(shí),燃燒性能優(yōu)異的煙煤降低煤粉氣流著火溫度的效果優(yōu)于燃燒性能較差的貧煤。在改善煤粉燃盡性能、提高燃燒效率方面,燃燒性能較差的貧煤較燃燒性能優(yōu)異的煙煤明顯。

3)隨著O2體積分?jǐn)?shù)升高,燃燒前期火焰溫度增加明顯,也即提高了火焰根部溫度,同時(shí)也增加了煤樣在爐內(nèi)的結(jié)渣傾向,即使對于高灰熔融溫度的潞安煤,當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到40%以后,都出現(xiàn)了最為嚴(yán)重熔融渣型,因此需注意富氧燃燒導(dǎo)致煤樣結(jié)渣加劇帶來的對鍋爐安全運(yùn)行的問題。

4)煤粉鍋爐采用富氧燃燒+煙氣循環(huán)燃燒方式時(shí),結(jié)合煤粉鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性和燃燒安全性,推薦O2體積分?jǐn)?shù)在30%以內(nèi)。實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)具體工程需求,通過實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果權(quán)衡富氧燃燒帶來燃燒效果以及由此增加的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),確定最佳氧含量。

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