朱書駿,田繼林,朱建國,3,呂清剛,3

(1.中國科學(xué)院工程熱物理研究所 煤炭高效低碳利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190;2.大同市煤炭清潔高效利用研究所 煤靈活燃燒與熱轉(zhuǎn)化山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 大同 037000; 3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引 言

我國低階煤儲(chǔ)量豐富,探明儲(chǔ)量占全國總儲(chǔ)量的一半以上[1],煤炭梯級(jí)利用是低階煤高效清潔利用的重要途徑,以熱解為龍頭的低階煤梯級(jí)利用技術(shù)快速發(fā)展,半焦作為主要的固體副產(chǎn)物,占原料煤質(zhì)量的50%～70%[2],所蘊(yùn)含的能量占原煤的80%[3]左右,半焦作為燃料燃燒發(fā)電是實(shí)現(xiàn)低階煤高效梯級(jí)利用的重要組成部分。由于半焦的揮發(fā)分含量低,普遍存在著火困難、著火溫度高、燃燒效率低、低負(fù)荷下燃燒穩(wěn)定性差等問題,現(xiàn)役燃煤鍋爐難以實(shí)現(xiàn)半焦的穩(wěn)定、高效和清潔利用。

針對(duì)半焦在燃煤鍋爐上大規(guī)模清潔高效燃燒的應(yīng)用問題,研究人員開展了相關(guān)研究,主要分為燃煤鍋爐摻燒半焦和純?nèi)及虢?個(gè)方面。在燃煤鍋爐摻燒半焦方面,研究工作者在110[4]、135[5]、300[6-7]和660 MW[8-9]電站煤粉鍋爐機(jī)組上實(shí)現(xiàn)了摻燒半焦的穩(wěn)定運(yùn)行,最高摻燒比例為50%,燃燒效率可達(dá)98%以上。純?nèi)及虢狗矫?目前主要有預(yù)熱燃燒技術(shù)、加壓燃燒技術(shù)[10-11]、富氧燃燒技術(shù)[12-13],其中后2種技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

中國科學(xué)院工程熱物理研究所開發(fā)的預(yù)熱燃燒技術(shù)可將低揮發(fā)分燃料如半焦、氣化飛灰、無煙煤等通過預(yù)熱式燃燒器預(yù)熱至850～950 ℃,再送入鍋爐爐膛燃燒。在實(shí)驗(yàn)室研究方面,該技術(shù)開展了機(jī)理、小試研究,并在2 MW試驗(yàn)平臺(tái)上開展了中試研究[14-17],試驗(yàn)研究表明,熱解半焦和無煙煤(Vdaf<10%)、氣化飛灰(Vdaf<3%)均實(shí)現(xiàn)了順利點(diǎn)火、穩(wěn)定燃燒和高效燃盡,燃燒效率>95%、NOx<200 mg/m3(φ(O2)=6%),驗(yàn)證了該技術(shù)路線的可行性、先進(jìn)性。在工業(yè)化應(yīng)用方面,以半焦為燃料在一臺(tái)35 t/h預(yù)熱燃燒器鍋爐[18]上達(dá)到了燃燒溫度低于1 200 ℃、燃燒效率高于99%、NOx原始排放最低為116 mg/m3(φ(O2)=6%)的指標(biāo);以氣化飛灰為燃料在一臺(tái)20 t/h氣化飛灰預(yù)熱燃燒鍋爐[19]上燃燒溫度低于1 100 ℃、燃燒效率高于98%、NOx原始排放低于200 mg/m3(φ(O2)=6%),體現(xiàn)了預(yù)熱燃燒技術(shù)在低揮發(fā)分燃料穩(wěn)燃、燃盡和低NOx排放方面的優(yōu)勢(shì)。

隨鍋爐容量增大,預(yù)熱燃燒器配備數(shù)量隨之增加。一臺(tái)60 t/h煤粉預(yù)熱燃燒鍋爐配備2個(gè)預(yù)熱燃燒器,燃燒組織方式為對(duì)沖燃燒。筆者在該鍋爐上開展了不同負(fù)荷條件下的純?nèi)紵峤獍虢乖囼?yàn)研究,為純?nèi)及虢诡A(yù)熱燃燒鍋爐的設(shè)計(jì)與工程放大提供數(shù)據(jù)支撐。

1 鍋爐簡(jiǎn)介

1.1 鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

60 t/h煤粉預(yù)熱燃燒鍋爐為一臺(tái)單鍋筒自然循環(huán)過熱蒸汽鍋爐,半露天Π型布置,額定蒸汽量60 t/h,過熱蒸汽溫度450 ℃,蒸汽壓力3.82 MPa,給水溫度105 ℃,排煙溫度150 ℃,設(shè)計(jì)燃料為Ⅲ類煙煤。

鍋爐于2018年6-11月建成并完成調(diào)試,從2019年至今一直處于商業(yè)運(yùn)行狀態(tài),主要用于工業(yè)園區(qū)的生產(chǎn)供汽。鍋爐采用了2個(gè)預(yù)熱燃燒器,側(cè)墻對(duì)沖的布置形式,單個(gè)為單噴口,單個(gè)設(shè)計(jì)熱功率為26 MWth。預(yù)熱燃燒器為絕熱形式,外表面為鋼殼,內(nèi)部采用耐火材料砌筑。鍋爐爐膛全部采用膜式水冷壁結(jié)構(gòu),爐膛為方形截面,爐膛總高20 500 mm,爐膛下部截面尺寸4 640 mm×2 320 mm,上部截面尺寸4 640 mm×4 640 mm。鍋爐總貌如圖1所示。

圖1 鍋爐總貌Fig.1 Photograph of the boiler

1.2 工藝流程

鍋爐的工藝流程如圖2所示,主要包括燃料儲(chǔ)供系統(tǒng)、預(yù)熱燃燒系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、點(diǎn)火燃燒系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)等。

圖2 60 t/h煤粉預(yù)熱燃燒鍋爐工藝流程Fig. 2 Process flow of the 60 t/h preheating combustion boiler

燃料儲(chǔ)供系統(tǒng)包括燃料儲(chǔ)備和輸送系統(tǒng),燃料儲(chǔ)備系統(tǒng)包括2個(gè)粉倉,輸送系統(tǒng)為葉輪給粉的氣力輸送系統(tǒng)。為確保鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行,儲(chǔ)倉和輸送系統(tǒng)均設(shè)置2套,一用一備。

預(yù)熱燃燒器為循環(huán)流化床式結(jié)構(gòu),包括提升管、分離器和返料器等關(guān)鍵部件。2個(gè)預(yù)熱燃燒器位于鍋爐爐膛兩側(cè)墻下部,左側(cè)一只稱為預(yù)熱燃燒器A,右側(cè)一只稱為預(yù)熱燃燒器B。每個(gè)預(yù)熱燃燒器底部分別配置1臺(tái)液化氣點(diǎn)火器。

鍋爐配風(fēng)采用分級(jí)配風(fēng)方式,一次風(fēng)(流化風(fēng))通入預(yù)熱燃燒器提升管底部,送粉風(fēng)攜帶燃料通入提升管,兩路風(fēng)與燃料在預(yù)熱燃燒器中反應(yīng)生成高溫預(yù)熱燃料,預(yù)熱燃料經(jīng)噴口通入爐膛下部,全截面的二次風(fēng)均勻布置于爐膛底部,與預(yù)熱燃料均勻混合后燃燒。爐膛中上部設(shè)置2層三次風(fēng),實(shí)現(xiàn)空間分級(jí)燃燒,2層三次風(fēng)距離噴口高度分別為6 500、12 500 mm。燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈴臓t膛出口依次流經(jīng)過凝渣管束、過熱器、旗式受熱面、SCR脫硝反應(yīng)器和省煤器后,進(jìn)入布袋除塵器,經(jīng)過引風(fēng)機(jī)引至脫硫塔凈化后排至煙囪。再循環(huán)煙氣從引風(fēng)機(jī)后引出送入爐膛底部,必要時(shí)與二次風(fēng)混合后進(jìn)入爐膛。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)物料

本次試驗(yàn)使用的燃料為神木半焦,燃料分析見表1,燃料細(xì)度0～0.075 mm,預(yù)熱燃燒器所用的啟動(dòng)床料為石英砂,粒徑為0.1～0.7 mm。

針對(duì)學(xué)生整體英語基礎(chǔ)差、聽力能力普遍較低、聽力訓(xùn)練投入時(shí)間不足和大學(xué)英語聽力教學(xué)課時(shí)銳減、大學(xué)英語四、六級(jí)考試聽力分值比例增加的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)，獨(dú)立學(xué)院的大學(xué)英語教師應(yīng)積極按照《大學(xué)英語教學(xué)指南》的要求，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，為營造多渠道、多方面的教學(xué)環(huán)境和學(xué)習(xí)環(huán)境；獨(dú)立學(xué)院非英語專業(yè)學(xué)生更應(yīng)積極配合老師，在信息技術(shù)環(huán)境下，積極進(jìn)行聽力練習(xí)，來提高自身的英語聽力能力。

表1 神木半焦的工業(yè)分析與元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of semi-cokes

2.2 試驗(yàn)及測(cè)試

試驗(yàn)過程共73 h,鍋爐主要在40%～90%負(fù)荷運(yùn)行,考察了整個(gè)過程2個(gè)預(yù)熱燃燒器的運(yùn)行狀態(tài),同時(shí)考察了50%、70%和90%負(fù)荷3個(gè)穩(wěn)定工況預(yù)熱燃燒器運(yùn)行特性、鍋爐運(yùn)行特性和NOx排放特性,并開展了3個(gè)工況的能效和環(huán)保測(cè)試,整個(gè)過程2個(gè)預(yù)熱燃燒器同時(shí)運(yùn)行,試驗(yàn)工況見表2。

表2 試驗(yàn)工況Table 2 Operating condition of test

為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài),單個(gè)預(yù)熱燃燒器設(shè)置4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),分別位于提升管底部、中部、上部和返料器處,并在提升管底部設(shè)置1個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)。鍋爐爐膛共布置9個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),距離預(yù)熱燃料噴口5個(gè)不同高度布置分別為-500、1 500、6 500、10 500和15 500 mm,其中-500 mm處有1個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),其余高度位置有2個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)(爐膛左側(cè)、右側(cè)爐墻各1個(gè)),15 500 mm處為爐膛出口。

鍋爐能效測(cè)試執(zhí)行GB/T 10184—2015《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》[20]、GB/T 10180—2017《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》[21],環(huán)保測(cè)試執(zhí)行GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[22]。其中,試驗(yàn)過程中NOx排放測(cè)試均在SCR入口前,且NOx測(cè)試中爐內(nèi)SNCR未投用,即NOx排放數(shù)值為原始排放數(shù)值。NOx濃度的折算計(jì)算公式如下:

(1)

式中,ρ為大氣污染物基準(zhǔn)氧含量排放濃度,mg/m3;ρ′為實(shí)測(cè)的大氣污染物排放濃度,mg/m3;φ′(O2)為實(shí)測(cè)的氧體積分?jǐn)?shù),%;φ(O2)為基準(zhǔn)氧體積分?jǐn)?shù),%。

3 預(yù)熱燃燒器運(yùn)行試驗(yàn)

在預(yù)熱燃燒器運(yùn)行過程中,一次風(fēng)、送粉風(fēng)提供床料和燃料流化所需空氣,并與半焦粉發(fā)生部分燃燒和氣化反應(yīng),生成了大量的可燃?xì)怏w和半焦。半焦粉通過部分燃燒,穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)自持預(yù)熱。細(xì)顆粒燃料隨氣流帶出預(yù)熱燃燒器,從噴口送入爐膛,少量粗顆粒燃料隨石英砂被旋風(fēng)分離器分離,直至返送回提升管后再次預(yù)熱。

試驗(yàn)期間2個(gè)預(yù)熱燃燒器運(yùn)行溫度和料層壓差變化如圖3所示,每個(gè)預(yù)熱燃燒器4個(gè)溫度點(diǎn)溫度接近、曲線平穩(wěn),半焦可穩(wěn)定連續(xù)預(yù)熱達(dá)900 ℃左右,2個(gè)預(yù)熱燃燒器料層壓差始終在2 kPa左右,半焦粉在2個(gè)預(yù)熱燃燒器內(nèi)建立了穩(wěn)定的循環(huán),說明2個(gè)26 MWth預(yù)熱燃燒器不僅適用于預(yù)熱煤粉,也適用于預(yù)熱半焦粉,燃料適應(yīng)性好。

圖3 預(yù)熱燃燒器溫度和料層壓差變化Fig.3 Temperature and pressure changing in the preheating burner

為保證爐膛兩側(cè)溫度分布均勻,在3個(gè)穩(wěn)定工況運(yùn)行中,通過調(diào)整2個(gè)預(yù)熱燃燒器的配風(fēng)、燃料給入量,使2個(gè)預(yù)熱燃燒器運(yùn)行負(fù)荷保持基本一致。各工況預(yù)熱燃燒器4個(gè)不同位置溫度分布如圖4所示,各工況兩側(cè)預(yù)熱燃燒器不同位置溫度分布較接近,即預(yù)熱燃燒器在各工況運(yùn)行非常穩(wěn)定。每個(gè)鍋爐運(yùn)行負(fù)荷分別對(duì)應(yīng)1個(gè)預(yù)熱燃燒器運(yùn)行負(fù)荷,預(yù)熱燃燒器的運(yùn)行參數(shù)見表3,預(yù)熱燃燒器的輸入熱功率采用單位時(shí)間內(nèi)輸入預(yù)熱燃燒器的燃料熱值計(jì)算得出,工況1～3為2個(gè)預(yù)熱燃燒器的運(yùn)行參數(shù)的平均值,3個(gè)穩(wěn)定工況單個(gè)預(yù)熱燃燒器的輸入熱功率為13～23 MWth。

表3 預(yù)熱燃燒器的運(yùn)行負(fù)荷參數(shù)Table 3 Operating parameters of preheating burner loads

圖4 各工況預(yù)熱燃燒器不同部位溫度分布Fig.4 Temperature distribution in the preheating burner with different boiler loads

4 鍋爐運(yùn)行試驗(yàn)

4.1 鍋爐配風(fēng)

本試驗(yàn)采用了預(yù)熱燃燒器風(fēng)(主要為一次風(fēng)和送粉風(fēng))、托底二次風(fēng)、三次風(fēng)深度分級(jí)的配風(fēng)形式,同時(shí)在爐膛底部配入一定量的再循環(huán)煙氣。不同負(fù)荷鍋爐配風(fēng)參數(shù)見表4,各工況下預(yù)熱燃燒器風(fēng)當(dāng)量比為0.12～0.13,為確保半焦燃燒反應(yīng)更充分,二次風(fēng)當(dāng)量比在0.7～0.8,上、下2層三次風(fēng)均處于開啟狀態(tài)。為了使鍋爐爐膛溫度保持在相對(duì)較低的水平,3個(gè)工況均投運(yùn)了煙氣再循環(huán)風(fēng),再循環(huán)煙氣量均在12 000 m3/h以上。

表4 不同負(fù)荷下鍋爐配風(fēng)參數(shù)Table 4 Boiler air distribution parameters with different loads

4.2 爐膛溫度分布

圖5 不同鍋爐負(fù)荷下爐膛溫度變化Fig.5 Temperature changing in combustion chamber with different boiler loads

各工況下鍋爐爐膛溫度沿軸向的分布如圖6所示。各工況爐膛溫度對(duì)稱性較好,隨鍋爐負(fù)荷的提升爐膛溫度逐漸升高。高活性的預(yù)熱燃料噴入爐膛后自身溫度已達(dá)800 ℃以上,高于預(yù)熱燃料自身燃點(diǎn),噴入爐膛后與全截面的二次風(fēng)摻混即可實(shí)現(xiàn)著火和穩(wěn)燃,距離爐膛噴口1 500、6 500和10 500 mm處爐膛的溫差較小,進(jìn)一步驗(yàn)證了預(yù)熱燃燒技術(shù)純?nèi)及虢沟膬?yōu)越性。

圖6 不同鍋爐負(fù)荷下爐膛溫度沿軸向的分布Fig.6 Temperature profiles along the axis of combustion chamber with different boiler loads

不同負(fù)荷下溫度參數(shù)見表5,隨鍋爐負(fù)荷提升,爐膛出口煙溫、排煙溫度逐漸趨于升高和穩(wěn)定。在各工況調(diào)節(jié)中,主燃燒區(qū)總空氣當(dāng)量比在0.85～0.95,由于半焦揮發(fā)分較低,該空氣當(dāng)量比下可較好控制爐內(nèi)燃燒溫度,各工況的爐膛最高溫度均未超過1 150 ℃,能夠維持合理的還原區(qū)氣氛和相對(duì)較低的爐膛溫度水平,較傳統(tǒng)煤粉鍋爐主燃燒區(qū)的火焰中心溫度低200 ℃以上[19]。

表5 不同負(fù)荷下鍋爐溫度參數(shù)Table 5 Boiler temperature parameters with different loads

4.3 鍋爐效率和NOx排放

對(duì)不同負(fù)荷的鍋爐效率和NOx原始排放進(jìn)行了測(cè)試,見表6。

表6 鍋爐熱效率和NOx排放Table 6 Boiler thermal efficiency and NOx emission

經(jīng)預(yù)熱后,預(yù)熱固體燃料的孔隙結(jié)構(gòu)變得更發(fā)達(dá),活性點(diǎn)位增加、粒徑變細(xì),反應(yīng)性顯著提升[13,23],經(jīng)分級(jí)配風(fēng)燃燒,鍋爐燃燒效率均在98%以上,鍋爐效率均在92.5%以上,表現(xiàn)出優(yōu)異的燃燒性能。

在降低NOx排放方面,由于預(yù)熱燃燒器內(nèi)為強(qiáng)還原性氣氛,半焦中部分燃料氮以揮發(fā)分形式析出,被還原為N2,實(shí)現(xiàn)了預(yù)熱燃燒器內(nèi)的脫氮,預(yù)熱燃料進(jìn)入爐膛主燃區(qū)后,該區(qū)域的還原性氣氛進(jìn)一步促進(jìn)了揮發(fā)分和焦炭氮向N2還原[24];同時(shí),在分級(jí)配風(fēng)、再循環(huán)煙氣給入的綜合作用下,各工況爐膛整體溫度水平較低[25],抑制了熱力型NOx的生成。該鍋爐在各工況下NOx原始排放質(zhì)量濃度均低于200 mg/m3(φ(O2)=6%),低氮燃燒性能優(yōu)越。

5 結(jié) 論

1)26 MWth預(yù)熱燃燒器在50%～90%負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定、氣固流動(dòng)特性和循環(huán)狀態(tài)良好,滿足半焦的預(yù)熱要求。

2)60 t/h煤粉預(yù)熱燃燒鍋爐純?nèi)及虢乖诟髫?fù)荷下運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定、爐膛溫度分布合理,進(jìn)一步驗(yàn)證了預(yù)熱燃燒技術(shù)在純?nèi)及虢狗矫娴膬?yōu)越性。

3)60 t/h煤粉預(yù)熱燃燒鍋爐純?nèi)及虢乖诟髫?fù)荷下燃燒效率均在98%以上,鍋爐效率均在92.5%以上,純?nèi)及虢筃Ox原始排放均低于200 mg/m3(φ(O2)=6%),高效、低氮燃燒效果顯著。

4)隨鍋爐容量增加,燃燒器層數(shù)與個(gè)數(shù)均增加。若將該技術(shù)應(yīng)用到更大容量鍋爐且改造后可純?nèi)紵峤獍虢?需將燃燒器均改造成預(yù)熱燃燒器。同時(shí)該研究結(jié)果為對(duì)沖燃燒方式下的燃燒效果,可直接為對(duì)沖鍋爐應(yīng)用提供理論數(shù)據(jù)參考。