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

我國能源中占比最高的一次燃料仍然且長時(shí)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(shí)，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?yàn)r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(diǎn)高，在常規(guī)的燃燒設(shè)備中燃燒并不充分，造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

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(xué)院工程熱物理研究所提出了一種基于循環(huán)流化床預(yù)熱燃料的燃燒工藝[5]。工藝流程為：將循環(huán)流化床運(yùn)行溫度保持在800 ℃以上，煤粉首先在前置循環(huán)流化床內(nèi)進(jìn)行部分燃燒和氣化，細(xì)小的高溫焦炭和高溫煤氣經(jīng)旋風(fēng)分離器出口流入后置燃燒室。由于進(jìn)入燃燒室的高溫燃料溫度已經(jīng)高于自身的燃點(diǎn)，遇到氧化劑就會燃燒，并且結(jié)合分級配風(fēng)的方式實(shí)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(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果均表明該燃燒工藝不僅可以實(shí)現(xiàn)(超)低揮發(fā)分燃料的高效燃燒，并且可以實(shí)現(xiàn)低NOx排放，真正實(shí)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(shí)驗(yàn)過程中，為了擴(kuò)寬預(yù)熱燃燒負(fù)荷的調(diào)節(jié)范圍，前置循環(huán)流化床的預(yù)熱溫度可能會超過950 ℃，甚至1 000℃。為了保證實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定長期運(yùn)行，可以嘗試向循環(huán)流化床內(nèi)通入氮?dú)獾姆椒▉斫档皖A(yù)熱溫度[9]，但是通入氮?dú)鈺诡A(yù)熱燃料(高溫焦炭和高溫煤氣)的成分發(fā)生變化，影響整個(gè)燃燒過程。

因此，本文中基于循環(huán)流化床預(yù)熱燃燒工藝，通過在預(yù)熱過程中加入氮?dú)獾姆椒?，研究氮?dú)馓砑訉︻A(yù)熱過程溫度及燃料成分的影響規(guī)律，為工程實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)燃料

實(shí)驗(yàn)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(shù)魅力、能夠吸引人的一部作品。這部戲里講的改革實(shí)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(jìn)、突破自己，才能趕超別人。另外一點(diǎn)，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(rèn)識到在幫助別人的時(shí)候怎么改革自己，讓我們工業(yè)產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展這個(gè)思路，這個(gè)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(shù)封鎖和各種擠壓的大背景下，更應(yīng)該發(fā)揚(yáng)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(jìn)行過內(nèi)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(xì)過濾器進(jìn)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(zhì)，基本確定細(xì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)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(shè)備組成[10]。其中前置循環(huán)流化床提升管高度為1 500 mm，內(nèi)徑為φ78 mm?？諝?由空氣壓縮機(jī)經(jīng)冷干機(jī)過濾后送入)和氮?dú)?由純度99.9%的氮?dú)馄拷M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(jī)送入。

1—空氣壓縮機(jī)；2—螺旋給粉機(jī)；3—提升管；4—取樣口；5—旋風(fēng)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.2 Schematic diagram of test system

隨著向前置循環(huán)流化床內(nèi)逐漸添加氮?dú)?，即氮?dú)鉂舛葟墓r1的79%增加到工況3的81.3%時(shí)，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?dú)鈺γ簹鉄嶂涤休^大的影響。結(jié)合預(yù)熱過程中的溫度變化結(jié)果分析，即使旋風(fēng)分離器出口的預(yù)熱溫度變化很小，但進(jìn)入后置燃燒室內(nèi)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(shí)踐中，特別是在預(yù)熱燃燒穩(wěn)定過程中添加氮?dú)?，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(dǎo)致熄火現(xiàn)象的發(fā)生。

1.3 工況

實(shí)驗(yàn)工況如表2所示。實(shí)驗(yàn)過程中控制給料量和一次風(fēng)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?dú)?，研究溫度和預(yù)熱燃料成分隨氮?dú)鉂舛茸兓囊?guī)律。

通過添加生成調(diào)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(shí)驗(yàn)工況

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度的變化

不同工況下循環(huán)流化床內(nèi)的溫度分布如圖3所示,圖中橫坐標(biāo)值為100、500、1 450 mm處分別代表提升管布風(fēng)板上方100、500、1 450 mm處位置。由圖3可以看出， 當(dāng)一次風(fēng)氮?dú)鉂舛葟?9.0%變化至81.3%，即向循環(huán)流化床內(nèi)逐漸添加氮?dú)?，提升管?nèi)溫度逐漸降低，從853 ℃降至819 ℃。由于氮?dú)鉂舛仍黾舆^程中燃料與氧氣“接觸”受到阻礙，化學(xué)反應(yīng)變?nèi)鮗11]，煙氣量增加也帶走更多的熱量[12]，綜合作用導(dǎo)致溫度降低。

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

對旋風(fēng)分離器固相產(chǎn)物進(jìn)行取樣分析，預(yù)熱燃料的工業(yè)分析和元素分析結(jié)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(yù)熱燃料的灰組分比例；X1和X2分別是神木半焦和預(yù)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(yù)熱煤氣成分分析

循環(huán)流化床上布置了4個(gè)測溫點(diǎn)(Ni-Cr/Ni-Si熱電偶)： 3處分別在提升管布風(fēng)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(fēng)分離器流出的預(yù)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(gè)測溫點(diǎn)(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(zhuǎn)化率

需要注意到，隨著向前置循環(huán)流化床內(nèi)添加氮?dú)?，旋風(fēng)分離器出口的預(yù)熱燃料溫度從794 ℃降至788 ℃，其溫度降低量僅為6 ℃，遠(yuǎn)低于提升管的溫度降低量34 ℃。說明在預(yù)熱過程中添加氮?dú)獾倪^程會對提升管各處的溫度產(chǎn)生較大的影響，而對于旋風(fēng)出口處的預(yù)熱燃料，即流入到后置下行燃燒室內(nèi)的預(yù)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(jìn)供需之間的信息流通，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)服務(wù)達(dá)到供需平衡。對于繁雜而零散的各種養(yǎng)老需求相關(guān)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(jìn)行分類識別和處理，對養(yǎng)老服務(wù)的供需雙方進(jìn)行有效整合，實(shí)現(xiàn)信息的充分共享，提高養(yǎng)老服務(wù)供給的針對性，從而避免養(yǎng)老服務(wù)中供給方與需求方由于信息不暢而造成的資源浪費(fèi)問題。

表4 預(yù)熱燃料的工業(yè)分析和元素分析

圖4為預(yù)熱后各組分轉(zhuǎn)化率。計(jì)算結(jié)果對比表明，隨著氮?dú)鉂舛仍黾?，各組分轉(zhuǎn)化率都隨之降低，直接反映了增加氮?dú)鉂舛仁沟昧骰矁?nèi)化學(xué)反應(yīng)變緩慢。

(1)

對旋風(fēng)分離器氣相產(chǎn)物進(jìn)行取樣分析，預(yù)熱煤氣的成分分析見表3。

基于灰分平衡計(jì)算循環(huán)流化床內(nèi)預(yù)熱過程中各組分轉(zhuǎn)換率(Cx)[14-15]為

圖4 預(yù)熱后各組分轉(zhuǎn)化率Fig.4 Conversion ratios after preheating

一方面是因?yàn)殡S著氮?dú)鉂舛仍黾佣档偷姆磻?yīng)溫度抑制了化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行[16]，另一方面是因?yàn)橐淮物L(fēng)量的增加導(dǎo)致顆粒停留時(shí)間減少，反應(yīng)不夠充分[17-18]。同時(shí)，從圖中可看出，在預(yù)熱過程中超過40%的燃料氮發(fā)生了轉(zhuǎn)化。這部分氮轉(zhuǎn)化對于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的NOx排放具有關(guān)鍵性作用。

《魯迅小說》前100、字中獨(dú)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(dú)有的17字為：“種、當(dāng)、兒、爾、發(fā)、會、開、能、情、如、身、斯、特、現(xiàn)、意、用、把”。

3 結(jié)論

通過在循環(huán)流化床預(yù)熱實(shí)驗(yàn)平臺展開一系列的實(shí)驗(yàn)研究，對比不同一次風(fēng)氮?dú)鉂舛葘?shí)驗(yàn)系統(tǒng)的影響，結(jié)論如下：

1)在預(yù)熱過程中，添加氮?dú)鈺μ嵘芨魈幍臏囟犬a(chǎn)生較大的影響，當(dāng)一次風(fēng)中氮?dú)鉂舛葟?9%增加到81.3%時(shí)，提升管內(nèi)溫度下降34 ℃。而對于旋風(fēng)出口處的預(yù)熱燃料，即流入到后置下行燃燒室內(nèi)的預(yù)熱燃料，溫度影響較小，僅為6 ℃。

要加強(qiáng)養(yǎng)殖、運(yùn)輸、屠宰3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的監(jiān)管，進(jìn)一步落實(shí)養(yǎng)殖、屠宰企業(yè)的主體責(zé)任。動物衛(wèi)生監(jiān)督部門要加大違法案件查處力度，嚴(yán)厲打擊逃避檢疫，出售、販賣病死畜禽，轉(zhuǎn)讓、偽造或者變造動物檢疫合格證明、檢疫標(biāo)志，給檢疫不合格或點(diǎn)外私宰的豬肉加施檢疫合格驗(yàn)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(shí)移送司法機(jī)關(guān)。

2)在預(yù)熱過程中，添加氮?dú)鈺?dǎo)致進(jìn)入后置燃燒室內(nèi)的煤氣熱值有較大的降低，氮?dú)鉂舛葟?9%增加到81.3%時(shí)，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(shí)踐中，特別是在預(yù)熱燃燒穩(wěn)定過程中，添加氮?dú)獠粌H需要注意前置流化床內(nèi)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(dǎo)致熄火現(xiàn)象的發(fā)生。

3)隨著一次風(fēng)氮?dú)鉂舛仍黾樱鹘M分轉(zhuǎn)化率都隨之減小，直接反映了增加氮?dú)鉂舛仁沟昧骰矁?nèi)化學(xué)反應(yīng)變緩慢，并且在預(yù)熱過程中超過40%的燃料氮發(fā)生了轉(zhuǎn)化。這部分氮轉(zhuǎn)化對于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的NOx排放具有關(guān)鍵性作用。