氮氣濃度對半焦預熱過程的影響

(1. 中國科學院工程熱物理研究所， 北京100190; 2. 中國科學院大學工程科學學院， 北京100049)

我國能源中占比最高的一次燃料仍然且長時間依然為煤炭資源[1]。煤炭資源的傳統(tǒng)利用方式為燃燒放熱。同時，煤炭資源的非燃燒使用，如作為石油化工產(chǎn)品原料、潤滑劑或瀝青，都將成為工業(yè)需求中越來越重要的部分。而隨著油氣資源的占比逐漸升高，煤制氣或煤制油等新興工藝也正在蓬勃發(fā)展。在煤制氣或煤制油的制備過程中，會產(chǎn)生大量的半焦[2-4]。此類半焦的熱值較高，但是揮發(fā)分非常低且著火點高，在常規(guī)的燃燒設備中燃燒并不充分，造成資源的嚴重浪費。

針對(超)低揮發(fā)分碳基燃料如何高效利用的能源問題，中國科學院工程熱物理研究所提出了一種基于循環(huán)流化床預熱燃料的燃燒工藝[5]。工藝流程為：將循環(huán)流化床運行溫度保持在800 ℃以上，煤粉首先在前置循環(huán)流化床內進行部分燃燒和氣化，細小的高溫焦炭和高溫煤氣經(jīng)旋風分離器出口流入后置燃燒室。由于進入燃燒室的高溫燃料溫度已經(jīng)高于自身的燃點，遇到氧化劑就會燃燒，并且結合分級配風的方式實現(xiàn)燃料的高效率燃燒以及超低NOx排放。目前已在在空氣[6]、富氧空氣[7]和富氧O2-CO2氣氛[8]下進行了大量的實驗研究，結果均表明該燃燒工藝不僅可以實現(xiàn)(超)低揮發(fā)分燃料的高效燃燒，并且可以實現(xiàn)低NOx排放，真正實現(xiàn)(超)低揮發(fā)分燃料的高效清潔利用。但是在各類燃燒實驗過程中，為了擴寬預熱燃燒負荷的調節(jié)范圍，前置循環(huán)流化床的預熱溫度可能會超過950 ℃，甚至1 000℃。為了保證實驗的穩(wěn)定長期運行，可以嘗試向循環(huán)流化床內通入氮氣的方法來降低預熱溫度[9]，但是通入氮氣會使預熱燃料(高溫焦炭和高溫煤氣)的成分發(fā)生變化，影響整個燃燒過程。

因此，本文中基于循環(huán)流化床預熱燃燒工藝，通過在預熱過程中加入氮氣的方法，研究氮氣添加對預熱過程溫度及燃料成分的影響規(guī)律，為工程實踐提供理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 實驗燃料

實驗燃料為神木半焦，其為神木煙煤在2段式固定床熱解爐底部排水熄焦。神木半焦的工業(yè)分析和元素分析見表1。

《松綁》這部戲是有一定思想深度、有一定的藝術魅力、能夠吸引人的一部作品。這部戲里講的改革實際也是一場革命，以后的改革仍然如此，改革的目的是什么，就是要突破原來舊的思維，就是要發(fā)展新的發(fā)展思路，就是要不斷地前進、突破自己，才能趕超別人。另外一點，改革不是等來的，而是闖出來的，就是工人在那么一種狀態(tài)下，他們敢于打破舊體制的束縛，能夠幫助私營企業(yè)搞科技改革開始，逐漸認識到在幫助別人的時候怎么改革自己，讓我們工業(yè)產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展這個思路，這個大方向仍然適合我們今天和今后的發(fā)展。尤其是在西方對我們技術封鎖和各種擠壓的大背景下，更應該發(fā)揚這種改革開放的精神，自力更生，壯大自己，超越別人。

表1 神木半焦的工業(yè)分析與元素分析

由于粗過濾器2016年下半年進行過內部檢修，失效可能性較小而且粗過濾器拆檢工程量相對較大，先對細過濾器進行開罐檢查；濾料剩余不到一半，表面的無煙煤基本消失，而且濾料中大量泥土類雜質，基本確定細過濾器失效。

圖1 神木半焦的粒徑分布Fig.1 Size distribution of Shenmu char

1.2 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖2所示，主要由循環(huán)流化床、下行燃燒室和輔助設備組成[10]。其中前置循環(huán)流化床提升管高度為1 500 mm，內徑為φ78 mm。空氣(由空氣壓縮機經(jīng)冷干機過濾后送入)和氮氣(由純度99.9%的氮氣瓶組送入)經(jīng)SV型靜態(tài)混合器充分混合后送入；燃料經(jīng)螺旋給料機送入。

1—空氣壓縮機；2—螺旋給粉機；3—提升管；4—取樣口；5—旋風分離器；6—U型閥；7—下行燃燒室；8—取樣口；9—水箱；10—水冷器；11—布袋除塵器；11—煙氣分析儀。圖2 實驗系統(tǒng)圖Fig.2 Schematic diagram of test system

隨著向前置循環(huán)流化床內逐漸添加氮氣，即氮氣濃度從工況1的79%增加到工況3的81.3%時，高溫煤氣熱值逐漸從1.23 MJ/Nm3減少到1.10 MJ/Nm3，表明添加氮氣會對煤氣熱值有較大的影響。結合預熱過程中的溫度變化結果分析，即使旋風分離器出口的預熱溫度變化很小，但進入后置燃燒室內的煤氣熱值仍有較大降低，會影響燃燒穩(wěn)定性[13]。在工程實踐中，特別是在預熱燃燒穩(wěn)定過程中添加氮氣，需要注意后置燃燒室的燃燒穩(wěn)定性，以防煤氣熱值過低導致熄火現(xiàn)象的發(fā)生。

1.3 工況

實驗工況如表2所示。實驗過程中控制給料量和一次風量不變，即燃料熱輸入量保持不變，向原有的空氣量中添加不同濃度的氮氣，研究溫度和預熱燃料成分隨氮氣濃度變化的規(guī)律。

通過添加生成調度模型，矩陣K修改為Kamend，矩陣L也修改為Lamend=HKamend，可以得到電力系統(tǒng)的線性模型：

表2 實驗工況

2 結果與討論

2.1 溫度的變化

不同工況下循環(huán)流化床內的溫度分布如圖3所示,圖中橫坐標值為100、500、1 450 mm處分別代表提升管布風板上方100、500、1 450 mm處位置。由圖3可以看出， 當一次風氮氣濃度從79.0%變化至81.3%，即向循環(huán)流化床內逐漸添加氮氣，提升管內溫度逐漸降低，從853 ℃降至819 ℃。由于氮氣濃度增加過程中燃料與氧氣“接觸”受到阻礙，化學反應變弱[11]，煙氣量增加也帶走更多的熱量[12]，綜合作用導致溫度降低。

圖3 循環(huán)流化床內溫度分布Fig.3 Temperature distribution during preheating

對旋風分離器固相產(chǎn)物進行取樣分析，預熱燃料的工業(yè)分析和元素分析結果如表4所示。

2.2 煤氣的變化

式中：A1和A2分別是神木半焦和預熱燃料的灰組分比例；X1和X2分別是神木半焦和預熱燃料中組分X的比例。

燃料的粒徑分布范圍為0.1～0.355 mm，其中d50為141 μm，d90為316 μm，神木半焦的粒徑分布如圖1所示。

表3 預熱煤氣成分分析

循環(huán)流化床上布置了4個測溫點(Ni-Cr/Ni-Si熱電偶)： 3處分別在提升管布風板上方100、 500、 1 450 mm處，另1處布置在料腿位置。為了監(jiān)測從旋風分離器流出的預熱燃料溫度，在流入下行燃燒室前的水平聯(lián)通管上安裝1個測溫點(Ni-Cr/Ni-Si熱電偶)。溫度的測量誤差為±5 ℃。循環(huán)流化床出口煤氣成分由氣相色譜分析儀測定，氣體濃度的測量誤差為±2%。

2.3 各組分轉化率

需要注意到，隨著向前置循環(huán)流化床內添加氮氣，旋風分離器出口的預熱燃料溫度從794 ℃降至788 ℃，其溫度降低量僅為6 ℃，遠低于提升管的溫度降低量34 ℃。說明在預熱過程中添加氮氣的過程會對提升管各處的溫度產(chǎn)生較大的影響，而對于旋風出口處的預熱燃料，即流入到后置下行燃燒室內的預熱燃料，溫度影響較小。

第一，“互聯(lián)網(wǎng)+養(yǎng)老”模式有助于促進供需之間的信息流通，實現(xiàn)精準服務達到供需平衡。對于繁雜而零散的各種養(yǎng)老需求相關的信息，可以借助線上信息平臺，發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)的集成和優(yōu)化作用進行分類識別和處理，對養(yǎng)老服務的供需雙方進行有效整合，實現(xiàn)信息的充分共享，提高養(yǎng)老服務供給的針對性，從而避免養(yǎng)老服務中供給方與需求方由于信息不暢而造成的資源浪費問題。

表4 預熱燃料的工業(yè)分析和元素分析

圖4為預熱后各組分轉化率。計算結果對比表明，隨著氮氣濃度增加，各組分轉化率都隨之降低，直接反映了增加氮氣濃度使得流化床內化學反應變緩慢。

(1)

對旋風分離器氣相產(chǎn)物進行取樣分析，預熱煤氣的成分分析見表3。

基于灰分平衡計算循環(huán)流化床內預熱過程中各組分轉換率(Cx)[14-15]為

圖4 預熱后各組分轉化率Fig.4 Conversion ratios after preheating

一方面是因為隨著氮氣濃度增加而降低的反應溫度抑制了化學反應進行[16]，另一方面是因為一次風量的增加導致顆粒停留時間減少，反應不夠充分[17-18]。同時，從圖中可看出，在預熱過程中超過40%的燃料氮發(fā)生了轉化。這部分氮轉化對于實驗系統(tǒng)的NOx排放具有關鍵性作用。

《魯迅小說》前100、字中獨有的17字為：“眼、便、吃、幾、見、老、兩、年、氣、卻、三、聲、十、四、似、太、阿”；《北語字表》獨有的17字為：“種、當、兒、爾、發(fā)、會、開、能、情、如、身、斯、特、現(xiàn)、意、用、把”。

3 結論

通過在循環(huán)流化床預熱實驗平臺展開一系列的實驗研究，對比不同一次風氮氣濃度對實驗系統(tǒng)的影響，結論如下：

1)在預熱過程中，添加氮氣會對提升管各處的溫度產(chǎn)生較大的影響，當一次風中氮氣濃度從79%增加到81.3%時，提升管內溫度下降34 ℃。而對于旋風出口處的預熱燃料，即流入到后置下行燃燒室內的預熱燃料，溫度影響較小，僅為6 ℃。

要加強養(yǎng)殖、運輸、屠宰3個關鍵環(huán)節(jié)的監(jiān)管，進一步落實養(yǎng)殖、屠宰企業(yè)的主體責任。動物衛(wèi)生監(jiān)督部門要加大違法案件查處力度，嚴厲打擊逃避檢疫，出售、販賣病死畜禽，轉讓、偽造或者變造動物檢疫合格證明、檢疫標志，給檢疫不合格或點外私宰的豬肉加施檢疫合格驗訖印花、出具檢疫合格證明等違法行為，對發(fā)現(xiàn)的違法違規(guī)行為做到有案必查，觸犯刑法的及時移送司法機關。

2)在預熱過程中，添加氮氣會導致進入后置燃燒室內的煤氣熱值有較大的降低，氮氣濃度從79%增加到81.3%時，高溫煤氣熱值從1.23 MJ/Nm3減小到1.10 MJ/Nm3，即使燃料溫度變化不明顯，也會直接影響燃燒穩(wěn)定性。這說明在工程實踐中，特別是在預熱燃燒穩(wěn)定過程中，添加氮氣不僅需要注意前置流化床內燃燒穩(wěn)定性，也需要注意后置燃燒室的燃燒穩(wěn)定性，以防煤氣熱值過低導致熄火現(xiàn)象的發(fā)生。

3)隨著一次風氮氣濃度增加，各組分轉化率都隨之減小，直接反映了增加氮氣濃度使得流化床內化學反應變緩慢，并且在預熱過程中超過40%的燃料氮發(fā)生了轉化。這部分氮轉化對于實驗系統(tǒng)的NOx排放具有關鍵性作用。