宋文浩，李詩(shī)媛，3，歐陽(yáng)子區(qū)*，劉敬樟

（1.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.中國(guó)科學(xué)院潔凈能源創(chuàng)新研究院，遼寧 大連116023）

0 引言

低階煤占據(jù)我國(guó)煤炭探明儲(chǔ)量的55%以上［1］。低階煤分質(zhì)分級(jí)、梯級(jí)利用是我國(guó)煤炭清潔高效利用的戰(zhàn)略方向，其主要龍頭技術(shù)是熱解和氣化［2?3］。熱解是指煤炭通過(guò)脫碳和加氫，直接或間接轉(zhuǎn)化成液體燃料的工藝；氣化制氣是指煤炭與氣化劑反應(yīng)生成煤氣和合成氣的工藝［4?5］。在煤熱解和氣化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生細(xì)粉半焦和殘?zhí)浚洚a(chǎn)量巨大，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，通?？勺鳛楦咂肺粷崈羧剂先紵l(fā)電。這類燃料揮發(fā)分一般低于10%，統(tǒng)稱為超低揮發(fā)分碳基燃料。這類燃料在普通煤粉鍋爐的燃燒方式下，存在著火穩(wěn)燃困難、燃燒效率低、NOx排放量高、低負(fù)荷下燃燒穩(wěn)定性差等問(wèn)題［6?8］。目前這些問(wèn)題已經(jīng)成為低階煤產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，亟待解決。

文獻(xiàn)［9］提出了一種利用循環(huán)流化床預(yù)熱煤粉的新方法。在該技術(shù)中，煤粉在循環(huán)流化床中以較低過(guò)量空氣系數(shù)通過(guò)部分燃燒放出熱量將自身加熱到較高溫度，產(chǎn)生的高溫氣固燃料進(jìn)入到燃燒室中通過(guò)分級(jí)配風(fēng)進(jìn)行燃燒。大量試驗(yàn)研究已經(jīng)驗(yàn)證了煤粉預(yù)熱燃燒技術(shù)的可行性，并且燃燒效率高，NOx排放量低［10?13］。在現(xiàn)有預(yù)熱燃燒工藝的基礎(chǔ)上，本文提出了一種適合細(xì)粉半焦和殘?zhí)糠€(wěn)定預(yù)熱的內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是分離器和返料閥內(nèi)置于提升管。相比于循環(huán)流化床，內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)緊湊，取消了常規(guī)的回路密封閥，運(yùn)行過(guò)程中不再需要調(diào)節(jié)返料風(fēng)。目前，內(nèi)置式分離器結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于石油催化裂化工藝中［14?15］，但在煤燃燒領(lǐng)域還鮮有報(bào)道。如果能夠?qū)?nèi)循環(huán)預(yù)熱器應(yīng)用到現(xiàn)有煤粉鍋爐上，實(shí)現(xiàn)超低揮發(fā)分碳基燃料清潔高效利用，將具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

目前內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器的可行性和穩(wěn)定性尚未得到驗(yàn)證，相關(guān)的氣固流動(dòng)特性和化學(xué)反應(yīng)特性尚不清楚。本文首先通過(guò)冷態(tài)試驗(yàn)探索內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器的運(yùn)行特性，并且在2 MW 內(nèi)循環(huán)預(yù)熱燃燒中試平臺(tái)研究了超低揮發(fā)分碳基燃料預(yù)熱、燃燒和NOx排放特點(diǎn)，最后在16 MW 預(yù)熱式燃燒器測(cè)試平臺(tái)完成了內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器的放大驗(yàn)證，為預(yù)熱燃燒技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器冷態(tài)試驗(yàn)臺(tái)

針對(duì)內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器運(yùn)行特性的探索試驗(yàn)在內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器冷態(tài)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)臺(tái)由內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器本體、給料裝置、羅茨風(fēng)機(jī)、布袋除塵器等組成。

內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器本體材料為防靜電有機(jī)玻璃，提升管高1 000 mm，直徑150 mm，內(nèi)置式氣固分離器（以下簡(jiǎn)稱分離器）與返料閥布置在提升管內(nèi)。與常規(guī)旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)有所不同，內(nèi)置式氣固分離器取消了入口段，改為在旋風(fēng)筒壁開4個(gè)切向進(jìn)氣口。流化風(fēng)攜帶物料從底部進(jìn)入提升管內(nèi)，物料在內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器內(nèi)經(jīng)歷“提升管—分離器—返料閥—提升管”的循環(huán)。從分離器出口逃逸的固體顆粒被布袋除塵器捕捉，氣體經(jīng)過(guò)煙氣管道排入大氣。布袋除塵器下加裝了稱重系統(tǒng)，能夠在線反饋逃逸物料質(zhì)量的實(shí)時(shí)變化。試驗(yàn)過(guò)程為連續(xù)給料，試驗(yàn)物料（包括裝料和給料）選取50%切割粒徑（d50）為37.5 μm 的玻璃微珠，粒徑范圍0～120 μm，真實(shí)密度為2 550 kg/m3。試驗(yàn)主要研究流化風(fēng)速對(duì)內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器出料的影響，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)布袋除塵器物料進(jìn)行收集稱量，具體試驗(yàn)工況見表1。

圖1 內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器冷態(tài)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the internal circulating preheater cold test rig

表1 冷態(tài)試驗(yàn)工況Tab.1 Operating conditions of the cold test

1.2 2 MW內(nèi)循環(huán)預(yù)熱燃燒中試平臺(tái)

基于冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，借助現(xiàn)有的2 MW 預(yù)熱燃燒中試平臺(tái)，設(shè)計(jì)相匹配的內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器進(jìn)行搭載并開展超低揮發(fā)分碳基燃料預(yù)熱燃燒試驗(yàn)。2 MW內(nèi)循環(huán)預(yù)熱燃燒中試平臺(tái)主要由內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器、燃燒室、供粉系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)以及煙風(fēng)系統(tǒng)等組成，該中試平臺(tái)工藝流程示意如圖2所示。

內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器高2 250 mm，直徑430 mm，材料為Cr25Ni20 不銹鋼，外部包裹保溫棉。燃燒室為高17 000 mm，長(zhǎng)800 mm，寬800 mm 的豎直爐膛，由耐火材料澆筑而成。利用氣力輸送的方式將燃料送入內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器中，設(shè)計(jì)熱功率為2 MW。燃燒所需空氣分3 部分供入：流化風(fēng)和送粉風(fēng)送入到內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器，用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器穩(wěn)定運(yùn)行及燃料預(yù)熱；內(nèi)、外二次風(fēng)與預(yù)熱后的高溫氣固燃料通過(guò)二次風(fēng)噴口噴入到燃燒室，噴口采用多通道同軸射流結(jié)構(gòu)；在距離燃燒室底部4 000，5 700，8 500，11 000 mm 布置有4層三次風(fēng)，保證燃料燃盡。在內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器出口設(shè)置取樣點(diǎn)，對(duì)高溫氣體燃料組分使用煤氣分析儀檢測(cè)分析，對(duì)高溫固體燃料進(jìn)行取樣分析。在燃燒室尾部出口煙道上設(shè)有取樣點(diǎn)，使用Gasmet FTIR DX?4000 紅外煙氣分析儀和氧化鋯氧量計(jì)檢測(cè)煙氣成分，對(duì)飛灰進(jìn)行取樣分析。主要測(cè)量組分的量程、精度詳情如下：NO（質(zhì)量濃度量程0～6 696 mg/m3，精度±2%），CO（體積分?jǐn)?shù)量程0～10%，精度±2%），CO2（體積分?jǐn)?shù)量程0～30%，精度±2%），O2（體積分?jǐn)?shù)量程0～25%，精度±0.1%）。根據(jù)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223—2011），本文中尾部煙氣NOx排放的質(zhì)量濃度將依據(jù)體積分?jǐn)?shù)為6%的O2為基準(zhǔn)來(lái)折算。

試驗(yàn)燃料為熱解半焦和氣化殘?zhí)康幕旌先剂?，其元素分析和工業(yè)分析見表2。燃料細(xì)度R90為13%。試驗(yàn)實(shí)際輸入熱功率為1.41 MW。

圖2 2 MW內(nèi)循環(huán)預(yù)熱燃燒中試平臺(tái)工藝流程示意Fig.2 Process of the 2 MW internal circulating preheatingcombustion pilot test rig

1.3 16 MW預(yù)熱式燃燒器測(cè)試平臺(tái)

基于2 MW 內(nèi)循環(huán)預(yù)熱燃燒中試試驗(yàn)結(jié)果，在16 MW 預(yù)熱式燃燒器測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器的放大驗(yàn)證試驗(yàn)，該測(cè)試平臺(tái)工藝流程示意如圖3 所示，主要由內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器、燃燒室、供粉系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)，以及煙風(fēng)系統(tǒng)等組成。

內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器高4 m，直徑1 m，外部包裹保溫棉。燃燒室為水平爐膛，燃燒室寬3 m，高4 m，燃燒長(zhǎng)度達(dá)21 m，由內(nèi)到外由高溫耐火材料、高溫保溫材料及鋼殼包裹。設(shè)計(jì)熱功率為16 MW。送粉風(fēng)和流化風(fēng)送入內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器，內(nèi)外二次風(fēng)、燃?xì)馊紵龣C(jī)保護(hù)風(fēng)及燃盡風(fēng)經(jīng)空氣預(yù)熱器預(yù)熱到350 ℃后噴入燃燒室。二次風(fēng)噴口采用多通道同軸射流結(jié)構(gòu)，燃?xì)馊紵龣C(jī)保護(hù)風(fēng)噴口位于距二次風(fēng)噴口1.5 m處，燃盡風(fēng)噴口位于距二次風(fēng)噴口10.5，13.5 m處。在燃燒室尾部出口煙道上設(shè)有取樣點(diǎn)，使用MRU MGA6plus 紅外煙氣分析儀檢測(cè)煙氣成分，對(duì)飛灰進(jìn)行取樣分析。主要測(cè)量組分的量程、精度詳情如下：NO（質(zhì)量濃度量程0～5 357 mg/m3，精度±1%），CO（質(zhì)量濃度量程0～12 500 mg/m3，精度±1%），CO2（體積分?jǐn)?shù)量程0～40%，精度±1%），O2（體積分?jǐn)?shù)量程0～25%，精度±0.1%）。

表2 混合燃料元素分析及工業(yè)分析1Tab.2 Ultimate and proximate analyses of the blended fuel 1

圖3 16 MW預(yù)熱式燃燒器測(cè)試平臺(tái)工藝流程示意Fig.3 Process of the 16 MW preheater testing platform

試驗(yàn)燃料為熱解半焦和氣化殘?zhí)康幕旌先剂?，其元素分析和工業(yè)分析見表3。燃料細(xì)度R90為15%。試驗(yàn)實(shí)際輸入熱功率為16.86 MW。

2 結(jié)果與討論

2.1 內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器運(yùn)行特性

根據(jù)預(yù)熱燃燒工藝要求，內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器需要穩(wěn)定持續(xù)地向燃燒室提供預(yù)熱燃料。冷態(tài)試驗(yàn)主要研究了流化風(fēng)速對(duì)內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器出料的影響。選取流化風(fēng)速為2 m/s下運(yùn)行8 min后預(yù)熱器存留物料和進(jìn)出物料進(jìn)行粒徑對(duì)比，如圖4 所示。出料、進(jìn)料、預(yù)熱器存留物料三者的中位粒徑d50分別為30.4，37.5 和47.8 μm，預(yù)熱器存留物料粒徑變粗。圖5 為不同流化風(fēng)速下內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器進(jìn)料量（min）、出料量（mout）與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系。由此可見，出料的質(zhì)量流率由高降低并趨于穩(wěn)定。在初始2 min 內(nèi)細(xì)顆粒大量逃逸，由于不同流化風(fēng)速攜帶物料能力的差異，流化風(fēng)速越高這種現(xiàn)象越顯著。在出料流率趨于穩(wěn)定后，流化風(fēng)速為3 m/s下預(yù)熱器出料存在顯著波動(dòng)。

表3 混合燃料元素分析及工業(yè)分析2Tab.3 Ultimate and proximate analyses of the blended fuel 2

圖4 存留物料、進(jìn)料和出料粒徑分布Fig.4 Particle size distribution of the stock feeding andoutput materials

為了直觀地反應(yīng)出料量與進(jìn)料量的差別，在此定義了1 個(gè)無(wú)量綱數(shù)偏差（N）。它表示出料量偏離進(jìn)料量的百分比，表達(dá)式為

圖5 不同流化風(fēng)速下內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器進(jìn)料量、出料量與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Relationship between the feeding material，output material and running time of the internal circulating preheater

圖6為不同流化風(fēng)速下物料出料量與進(jìn)料量偏差（N）的變化。當(dāng)流化風(fēng)速低于1.50 m/s 時(shí)，出料量與進(jìn)料量的偏差低于?20%，這是由于低流化風(fēng)速攜帶物料的能力較低，部分物料在內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器內(nèi)逐漸累積造成的。當(dāng)流化風(fēng)速在1.50～2.25 m/s時(shí)，多數(shù)工況下出料量與進(jìn)料量的偏差在±20%以內(nèi)，結(jié)果表明內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器運(yùn)行較為穩(wěn)定。當(dāng)流化風(fēng)速高于2.25 m/s，出料量與進(jìn)料量的偏差在?50%～100%范圍內(nèi)。試驗(yàn)觀察表明，返料閥排料存在連續(xù)性排料和間歇性排料2種模式。流化風(fēng)速提高到2.25 m/s以上，返料閥很難平衡循環(huán)回路負(fù)壓差，排料模式由連續(xù)性排料轉(zhuǎn)為間歇性排料，這導(dǎo)致運(yùn)行過(guò)程中返回提升管的物料存在較大差異，造成預(yù)熱器出料流率的顯著波動(dòng)。高流化風(fēng)速下進(jìn)料量與出料量偏差大的原因主要與初始階段細(xì)顆粒大量逃逸和間歇性排料有關(guān)。流化風(fēng)速提高到2.25 m/s以上時(shí)，返料閥所出現(xiàn)的間歇性排料是導(dǎo)致出料流率顯著波動(dòng)的原因。內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器的穩(wěn)定運(yùn)行需要合理設(shè)計(jì)流化風(fēng)速，避免出現(xiàn)返料閥間歇性排料。

圖6 不同流化風(fēng)速下物料出料量與進(jìn)料量偏差的變化Fig.6 Difference between feeding and output amount of materials varying with fluidizing air velocity

2.2 超低揮發(fā)分碳基燃料的預(yù)熱、燃燒及NOx排放特點(diǎn)

在2 MW 內(nèi)循環(huán)預(yù)熱燃燒中試試驗(yàn)中，內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器空氣當(dāng)量比保持在0.17左右，提升管流化風(fēng)速為2.00 m/s，燃料在其內(nèi)部發(fā)生部分熱解、氣化及燃燒反應(yīng)。圖7，8 分別為內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器壓降、溫度隨時(shí)間的變化。提升管上、下部分壓降波動(dòng)平穩(wěn)，流化良好。內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器整體溫度穩(wěn)定在900 ℃左右，溫度分布均勻，在其內(nèi)部已經(jīng)建立了穩(wěn)定的循環(huán)回路。這表明內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的預(yù)熱過(guò)程，能夠持續(xù)地將燃料預(yù)熱到850 ℃以上。

圖7 內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器壓降隨時(shí)間的變化Fig.7 Pressure in the internal circulating preheater varying with time

圖8 2 MW內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器溫度隨時(shí)間的變化Fig.8 Temperature in the 2 MW internal circulating preheater varying with time

在內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中對(duì)燃料預(yù)熱后生成的高溫氣體燃料和高溫固體燃料進(jìn)行了取樣分析。預(yù)熱后高溫氣體燃料成分分析見表4，其中可燃?xì)怏w主要包括體積分?jǐn)?shù)為4.00%的H2，12.10%的CO，以及0.28%的CH4。預(yù)熱產(chǎn)生的高溫可燃?xì)怏w有利于高溫固體燃料在燃燒室的快速著火和穩(wěn)定燃燒。在高溫氣體燃料中未檢測(cè)到O2的存在，生成的大量還原性氣體CO，H2等有利于后續(xù)燃燒中通過(guò)均相還原反應(yīng)降低NOx排放［16?17］。此外，高溫氣體燃料的低位熱值為2.14 MJ/m3（標(biāo)態(tài)），說(shuō)明大部分潛在的化學(xué)熱仍留在高溫固體燃料中。

預(yù)熱后高溫固體燃料成分分析見表5。利用灰平衡法［18］對(duì)預(yù)熱過(guò)程中各元素及成分的轉(zhuǎn)化率進(jìn)行計(jì)算。燃料經(jīng)過(guò)預(yù)熱后，絕大多數(shù)的水分和揮發(fā)分釋放，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30.10%的碳元素被釋放并轉(zhuǎn)化為CO，CO2和碳?xì)浠衔?，可燃?xì)怏w和剩余的碳將在下行燃燒室內(nèi)參與燃燒反應(yīng)，其中氮元素的轉(zhuǎn)化率達(dá)到57.08%。文獻(xiàn)［18?19］表明燃料中氮元素在預(yù)熱過(guò)程中轉(zhuǎn)化為N2，HCN，NH3，并且大部分轉(zhuǎn)化為惰性氣體N2。這表明預(yù)熱過(guò)程具有很大的氮還原潛力，是減少NOx排放的有效方法。

表4 預(yù)熱后高溫氣體燃料成分分析Tab.4 Analyses of the high?temperature gas fuel after preheating

表5 預(yù)熱后高溫固體燃料的元素分析和工業(yè)分析Tab.5 Ultimate and proximate analyses of the high?temperature solid fuel after preheating %

燃燒室軸向溫度分布如圖9 所示，其溫度分布分為4個(gè)階段：I——溫度升高階段、II——溫度降低階段、III——溫度二次升高階段、IV——溫度二次降低階段。溫度升高階段：主要原因是高溫氣固燃料進(jìn)入燃燒室和內(nèi)二次風(fēng)混合后迅速著火和燃燒放熱。由于高溫氣固燃料溫度高于自身著火點(diǎn)，因此不存在點(diǎn)火和穩(wěn)燃的問(wèn)題，這是預(yù)熱燃燒不同于常規(guī)煤粉燃燒的地方。溫度降低階段：在距離二次風(fēng)噴口2 000 mm 以上有大量未預(yù)熱的外二次風(fēng)混入主火焰，燃燒放熱量小于加熱外二次風(fēng)消耗的熱量，所以火焰溫度有所降低。溫度二次升高階段：燃燒室軸向溫度在距離二次風(fēng)噴口8 000～11 000 mm 處有明顯的上升趨勢(shì)，這是由于三次風(fēng)通入導(dǎo)致放熱速率加劇。溫度二次降低階段：由可燃物質(zhì)逐步燃盡，水冷管吸收的熱量大于燃燒放熱量造成。對(duì)于高溫燃料同軸射流噴口，在近噴口區(qū)域，溫度梯度會(huì)經(jīng)歷比較劇烈的變化，而沿著燃燒室中心線遠(yuǎn)離噴口的區(qū)域則變化不大［20?21］。

在三次風(fēng)噴入前空氣當(dāng)量比為0.66，即在燃燒室距離二次風(fēng)噴口8 500 mm 以下的區(qū)域?yàn)榈脱鹾瓦€原性氣氛，通過(guò)同相還原反應(yīng)和異相還原反應(yīng)［16?17，22?27］能夠還原已生成的NOx，有效降低NOx排放。經(jīng)過(guò)對(duì)尾部煙氣和飛灰的取樣檢測(cè)，氣體未完全燃燒的熱損失為0.03%，固體未完全燃燒熱損失為2.66%，燃燒效率為97.31%，NOx排放質(zhì)量濃度為112.7 mg/m3（@6%O2）。由此看出，在2 MW 內(nèi)循環(huán)預(yù)熱燃燒中試平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)超低揮發(fā)分碳基燃料的清潔高效燃燒。

2.3 內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器放大驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器的工作性能，在自行搭建的16 MW 預(yù)熱式燃燒器測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行了內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器的放大驗(yàn)證試驗(yàn)。圖10 為內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器溫度隨時(shí)間的變化。內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器溫度分布均勻，波動(dòng)穩(wěn)定。距離提升管底部625，1 875，3 675 mm 處，內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器出口和燃燒室入口溫度分別為842，892，921，907 和902 ℃，溫差在70 ℃以內(nèi)。說(shuō)明內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器內(nèi)部建立了穩(wěn)定的循環(huán)，能夠?qū)⑷剂铣掷m(xù)、穩(wěn)定地預(yù)熱到900 ℃以上。

圖10 16 MW內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器溫度隨時(shí)間的變化Fig.10 Temperature in the 16 MW internal circulating preheater varying with time

在距離二次風(fēng)噴口8.75 m 的位置，燃燒室溫度最高，為1 294 ℃。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)燃燒室火焰進(jìn)行了拍攝，如圖11 所示。火焰初期射流區(qū)、過(guò)渡區(qū)清晰，火焰?zhèn)鞑ズ蜕淞餍螒B(tài)穩(wěn)定?；鹧嬲w長(zhǎng)度為3.5 m 左右，初期射流區(qū)的長(zhǎng)度為500～600 mm?；鹧嬷虚g區(qū)域顯現(xiàn)焦炭燃燒的亮白色和紅色，邊緣區(qū)域呈現(xiàn)可燃?xì)怏w燃燒的藍(lán)色。這與氣固兩相燃料不同的流體動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)有關(guān)，高溫氣體燃料比高溫固體燃料更容易擴(kuò)散和燃燒。因此，可燃?xì)怏w率先擴(kuò)散到燃燒室并迅速燃燒，而高溫固體燃料則是被二次風(fēng)的高速射流攜帶到下游進(jìn)行燃燒。

圖11 燃燒室火焰照片F(xiàn)ig.11 Image of the flame in the combustion chamber

經(jīng)過(guò)對(duì)尾部煙氣和飛灰的取樣檢測(cè)，氣體未完全燃燒熱損失為0.04%，固體未完全燃燒的熱損失為0.69%，燃燒效率為99.27%，NOx排放質(zhì)量濃度為133.4 mg/m3（@6% O2）。試驗(yàn)結(jié)果表明，放大的內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器在16 MW 預(yù)熱式燃燒器測(cè)試平臺(tái)上可較好的運(yùn)行。

循環(huán)流化床鍋爐適合于粒度較粗的顆粒燃料，這類燃料能夠在爐膛形成良好的循環(huán)流態(tài)化狀態(tài)，擁有較長(zhǎng)的停留時(shí)間和較強(qiáng)的湍流度，直接燃燒細(xì)粉燃料的情況較少。普通煤粉鍋爐燃燒需要滿足“三高”，即高溫、高燃料質(zhì)量濃度和高氧氣體積分?jǐn)?shù)。在預(yù)熱燃燒技術(shù)中，由于預(yù)熱燃料溫度高于自身著火點(diǎn)，因此不需要考慮點(diǎn)火和穩(wěn)燃的問(wèn)題，并且燃燒室溫度普遍低于1 400 ℃，能夠有效抑制熱力型NOx的生成。此外，部分燃料N 在預(yù)熱過(guò)程中得以釋放和轉(zhuǎn)化，有利于在源頭降低NOx的生成。

3 結(jié)論

（1）內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器在流化風(fēng)速為1.50～2.25 m/s范圍內(nèi)能夠建立穩(wěn)定循環(huán)并且進(jìn)出物料量平衡。流化風(fēng)速過(guò)高或者過(guò)低，均存在不穩(wěn)定性因素，需要在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中避免。

（2）內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的預(yù)熱過(guò)程，能夠?qū)⑷剂戏€(wěn)定、持續(xù)地預(yù)熱到850 ℃以上，滿足預(yù)熱燃燒工藝的要求。高溫氣體燃料主要由N2，H2，CO，CH4和CO2組成。在內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57.08%的燃料氮被釋放和轉(zhuǎn)化，有利于降低NOx最終排放。

（3）搭載內(nèi)循環(huán)預(yù)熱器的預(yù)熱燃燒試驗(yàn)裝置能實(shí)現(xiàn)超低揮發(fā)分碳基燃料的清潔高效燃燒，燃燒效率高于97%，NOx排放質(zhì)量濃度降低到112.7 mg/m3（@6%O2）。