高濃度煤粉燃燒技術(shù)

高濃度煤粉燃燒技術(shù)

低蒸發(fā)污染和低固體含碳量的能源裝置的燃燒溫度和含火量高，火災(zāi)速度低，因此燃燒延遲，導(dǎo)致爐溫降低，使焦碳燃燒和燃燒，并增加碳含量。因此,尋求一種高效穩(wěn)燃的燃燒方式,是解決電站鍋爐難燃煤燃燒問題的關(guān)鍵。由于高濃度煤粉輸送燃燒技術(shù)有常規(guī)稀相系統(tǒng)無與倫比的優(yōu)越性,從根本上改變了鍋爐的輸粉燃燒系統(tǒng),擺脫了常規(guī)一次風(fēng)粉流的煤粉濃度限制,可直接調(diào)節(jié)煤粉濃度控制燃燒,明顯縮短著火時(shí)間,強(qiáng)化穩(wěn)燃,阻礙NOx的形成,降低NOx排放,實(shí)現(xiàn)清潔燃燒,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。因此,提高一次風(fēng)煤粉濃度被普遍認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)和最直接的穩(wěn)定和強(qiáng)化措施。1高濃度煤粉燃燒高濃度煤粉輸送燃燒技術(shù)是在煤粉離開煤粉倉時(shí),通過一些措施使煤粉濃度提高,用獨(dú)立風(fēng)源而不是常規(guī)一次風(fēng),通過比常規(guī)一次風(fēng)管細(xì)得多的送粉管道,將煤粉經(jīng)混合器后組成煤粉濃度高達(dá)50kgc/kga以上的煤粉氣流,直接送至燃燒器,在燃燒器內(nèi)與二次風(fēng)混合成1.0kgc/kga左右的煤粉氣流,在著火區(qū)域進(jìn)行高濃度燃燒。高濃度煤粉燃燒系統(tǒng)從改善給粉到降低NOx,再到強(qiáng)化穩(wěn)燃,幾乎都采取了高濃度煤粉燃燒技術(shù)。高濃度煤粉燃燒系統(tǒng)如下圖1所示。2系統(tǒng)特征分析2.1濃相給粉的特點(diǎn)高濃度煤粉輸送系統(tǒng)徹底改變了傳統(tǒng)的輸送方式,突破了常規(guī)輸粉系統(tǒng)存在的局限性,大大改善了傳統(tǒng)輸送系統(tǒng)存在的磨損、混合、能耗和成本等一系列問題,其主要特性主要體現(xiàn)在以下八個(gè)方面:(1)輸送濃度高(固氣比在50kgc/kga以上),濃相給粉的輸粉空氣量不超過燃燒空氣量的0.1%～0.3%,耗氣量少,使輸送終端的料、氣分離容易,空氣過濾設(shè)備也小得多;(2)輸送速度低(7m/s左右),因磨損與速度的2～4次方成正比,故管道磨損大大減少;(3)因輸送速度慢,物料在輸送過程仔破損率少,對(duì)降低物料等級(jí)的影響小;(4)輸送距離遠(yuǎn)(可達(dá)1km以上);(5)給粉管徑只須40～80mm,比常規(guī)300～500mm要小得多,且管線也短,系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化,金屬和保溫材料耗量減少,投資和運(yùn)行費(fèi)用低,操作與維護(hù)簡(jiǎn)單,工作運(yùn)行可靠;(6)粒子的靜電荷減少,有助于防止諸如粉塵爆炸和壓降逐漸增加的問題;(7)系統(tǒng)穩(wěn)定性有較大提高;(8)動(dòng)力消耗低,一般約為稀相輸送的1/4左右。2.2強(qiáng)化燃料取樣功能2.2.1反應(yīng)物分子數(shù)的測(cè)定由質(zhì)量作用定律可知:在溫度不變的條件下,任何瞬間的化學(xué)反應(yīng)速度與該瞬間的反應(yīng)物的濃度乘積成正比,而各反應(yīng)物濃度的冪次即為化學(xué)反應(yīng)式中反應(yīng)物的分子數(shù)?；瘜W(xué)反應(yīng)起因于能起反應(yīng)的各組成分子(活化分子)的有效碰撞,因此,在單位體積中分子數(shù)愈多,也即反應(yīng)物質(zhì)的濃度愈大,分子碰撞的次數(shù)就愈多,因而反應(yīng)過程進(jìn)行就愈迅速。2.2.2煤粉濃度對(duì)全煤粉溫升的影響當(dāng)煤粉濃度較低時(shí),顆粒升溫速度很慢,煤粉可用于析出揮發(fā)份的時(shí)間較長(zhǎng),熱解產(chǎn)出的揮發(fā)份少,不足以引起整個(gè)煤粉氣流的均相著火,著火只能是非均相的,因而著火溫度也較高。當(dāng)煤粉濃度升高時(shí),升溫速度加快,且整個(gè)煤粉氣流中顆粒析出揮發(fā)份也多,均相著火可能發(fā)生,因而造成了著火溫度的逐漸降低。當(dāng)煤粉濃度很高時(shí),濃度的增加使得升溫速度明顯減慢,揮發(fā)份的濃度不足以抵消升溫速度的降低,導(dǎo)致著火溫度很少提高甚至降低。煤粉濃度和著火溫度的關(guān)系如下表1所示:由表1可知:隨著煤粉濃度的增加,煤粉-空氣混合物的著火溫度是降低的。2.2.3氣流的加熱煤粉氣流的著火熱,就是將煤粉氣流加熱到可著火的臨界狀態(tài)所需的熱量。煤粉氣流的加熱主要由火焰及爐壁的輻射熱和高溫?zé)煔獾膶?duì)流熱兩部分組成,但整個(gè)加熱過程主要由高溫?zé)煔獾幕亓骷訜崴刂?。煤粉濃度提?化學(xué)反應(yīng)速度加快,著火溫度降低,從而使所需的熱量減少(圖2)。2.2.4氣流的加熱條件煤粉濃度提高后,著火熱減少,著火溫度降低,整個(gè)氣流的加熱條件強(qiáng)化了。因此,在相同的時(shí)間內(nèi),煤粉可被加熱到更高的溫度,或者說,煤粉氣流加熱到著火所需要的時(shí)間減少了,著火提前了。2.2.5煤粉濃度對(duì)全煤火工藝距離的影響在鍋爐燃燒中稱著火距離為“黑龍”,盡量縮短這段距離有著非常重要的實(shí)際意義。由于煤粉濃度的提高,使反應(yīng)速度加快,火焰溫度升高,著火時(shí)間縮短,最終的結(jié)果是使著火距離縮短。著火距離除跟煤粉濃度有關(guān)外,還與煤種和壁溫有很大的關(guān)系(表2)。煤粉過濃和過稀都會(huì)增大著火距離,因此存在一個(gè)最佳煤粉濃度(約為1.0～1.5kgc/kga)。2.2.6煤粉濃度的影響當(dāng)煤粉濃度由高向低逐漸變化時(shí),煤粉氣流的著火方式會(huì)由均相著火、經(jīng)聯(lián)合著火向多相著火過渡。這是由于煤粉濃度高時(shí),加熱過程中煤粉中析出的揮發(fā)份較多,因而氣相氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量相對(duì)較多,使氣體升溫速度較顆粒表面升溫速度快而先著火,從而形成均相著火。當(dāng)煤粉濃度降低時(shí),析出的揮發(fā)份少而不足以引起著火,從而使著火從碳顆粒表面開始而形成多相著火。煤質(zhì)不同,著火方式發(fā)生過渡的濃度界限也不一樣?！銚]發(fā)份含量越高的煤,發(fā)生過渡的濃度界限越低。2.2.7煤粉濃度對(duì)火焰溫度的影響MasayasuSakai等對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c煤粉濃度的關(guān)系進(jìn)行過研究,試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著煤粉濃度升高,火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?當(dāng)達(dá)到某一濃度時(shí),火焰?zhèn)鞑ニ俣扔幸粋€(gè)最大值,若煤粉濃度再增加,火焰?zhèn)鞑ニ俣确炊兴档?。隨著煤粉濃度的增加,火焰溫度升高。如青山煙煤在煤粉濃度為0.63～1.36kgc/kga時(shí),火焰溫度升高150℃～180℃;對(duì)黃石貧煤,煤粉濃度為0.84～1.42kgc/kga時(shí),火焰溫度也升高80℃～90℃。2.3煤粉濃度對(duì)nox的影響高濃度煤粉燃燒技術(shù)對(duì)環(huán)保的改善主要體現(xiàn)在降低N0x的排放特性上,隨著煤粉濃度的提高,煤粉氣流的著火方式會(huì)由多相著火逐漸過渡到均相著火,著火方式的改變將對(duì)N0x的生成產(chǎn)生強(qiáng)烈而顯著的影響。一維爐中煤粉濃度與NOx的排放關(guān)系如圖3所示:由圖3可知:NOx主要在著火初期形成,在隨后的燃燒區(qū),NOx變化不大。在其它條件不變的情況下,隨煤粉濃度的增加,即O2濃度的減少,生成的NOx量是單調(diào)減少的。這是因?yàn)楦邼舛让悍廴紵龝r(shí)大量還原性CO氣體和大量的揮發(fā)份氣體的存在。這將使煤粒周圍生成的NOx被還原分解,從而大大地抑制了NOx的生成。因此,高濃度煤粉燃燒技術(shù)可使NOx排放水平從常規(guī)輸粉系統(tǒng)的800～900mg/m3降低到350～450mg/m3,效果顯著。3燃燒煤粉帶來的挑戰(zhàn)雖然高濃度煤粉輸送燃燒技術(shù)具有輸粉系統(tǒng)簡(jiǎn)化、穩(wěn)定強(qiáng)化燃燒和降低NOx排放三大優(yōu)勢(shì),但由于濃度比常規(guī)煤粉濃度高得多,所以必然會(huì)帶來一些新的問題。3.1流態(tài)化裝置設(shè)計(jì)電站鍋爐燃用的煤粉通常很細(xì),屬于難以流化的C類顆粒,而且煤粉本身亦具有較強(qiáng)的粘附性。因此,煤粉難以正常流化,從而引起給粉不均勻,給粉多時(shí)容易積粉,可能引起局部地區(qū)爆燃,爐內(nèi)壓力增加而噴火。給粉少時(shí)容易造成滅火,燃燒不穩(wěn)定。給料的均勻性和連續(xù)性是保證試驗(yàn)高穩(wěn)定性、高精度和高重現(xiàn)性的關(guān)鍵。基于流態(tài)化的基本原理,提出了一種新型的流化裝置(圖4)。該裝置的主要的特點(diǎn)就是在罐頂加了1個(gè)磁傳動(dòng)攪拌裝置,可實(shí)現(xiàn)零泄漏攪拌。同時(shí)在罐體下部采用流化風(fēng),以保證氣固二相的充分混合;在罐體上部采用充壓風(fēng),以完成罐內(nèi)的充壓和輸送過程中的穩(wěn)壓。通過這些措施可有效消除溝流存在的條件,抑制局部溝流、死角和局部大氣泡或騰涌現(xiàn)象,解決煤粉難以正常流化的問題,從而形成超濃相穩(wěn)定連續(xù)輸送。3.2煤的加標(biāo)回收反應(yīng)中存在的問題煤粉濃度提高后一方面使著火提前,有利于煤粉的燃盡;另一方面將使煤粉與空氣混合不均,影響煤粉的燃盡。雖然著火提前可部分地抵償由于煤粉濃度提高后在后期混合不好而使燃燒效率的降低,這對(duì)反應(yīng)性好及固定碳含量較低的煤來說,如高揮發(fā)份的煙煤、劣質(zhì)煙煤及褐煤等,可能問題不大,甚至?xí)癸w灰含碳量下降。但對(duì)低揮發(fā)份煤來說,矛盾就顯得尖銳了。因此,燃盡問題是高濃度煤粉燃燒存在的一個(gè)突出問題。通過采用交叉射流的燃燒方式可以解決高濃度煤粉燃燒的后期混合問題,在交叉射流燃燒方式下,由于投入副射流產(chǎn)生了回流,增加了湍流度,強(qiáng)化了著火區(qū),縮短了著火區(qū)長(zhǎng)度,相應(yīng)地使燃盡區(qū)延長(zhǎng)。同時(shí),由于爐膛溫度水平提高(幅度最大可達(dá)830℃),因而大大提高了燃燒速度和煤粉燃盡度,提高了燃燒效率。3.3提高煤粉質(zhì)量。在煤粉燃燒煤粉濃度的提高對(duì)煤粉燃燒將會(huì)產(chǎn)生一些不利的影響:首先在燃燒初期易出現(xiàn)局部還原性氣氛,而還原性氣氛或低氧氣氛的出現(xiàn)將延長(zhǎng)黃鐵礦的熱分解時(shí)間和磁黃鐵礦的氧化時(shí)間,增加玻璃體的生成量。其次是含鐵顆粒的富集。煤粉濃度提高,煤粉氣流中含鐵顆粒特別是粗顆粒有顯著的提高;煤粉料徑越大,慣性越大,處于熔融態(tài)或半熔融態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng),更傾向于結(jié)渣沉積。由于這是高濃度煤粉燃燒技術(shù)所固有的特性,因此,在一定程度上高濃度煤粉燃燒起著促進(jìn)結(jié)渣的作用。因此,為了抑制爐膛結(jié)渣,首先應(yīng)考慮一、二風(fēng)的合理配置,使二次風(fēng)能及時(shí)混合,以防止一次風(fēng)貼壁。其次重視周邊風(fēng)的防渣作用。周邊風(fēng)應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充氧氣,防止一次風(fēng)偏斜而與煤粉發(fā)生離折現(xiàn)象。4負(fù)壓高濃度系統(tǒng)的汽耗以10臺(tái)320t/h的鍋爐為例,對(duì)高濃度系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較(表3)。由表3可知:正壓、負(fù)壓高濃度系統(tǒng)的年費(fèi)用分別是常規(guī)系統(tǒng)的62.6%和69.9%。由此可見,實(shí)行高濃度系統(tǒng)后,系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性顯著提高了。濃度提高后,雖然系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性提高了,但對(duì)負(fù)壓高濃度系統(tǒng),并不是濃度越高,經(jīng)濟(jì)性越好(圖5),它主要與系統(tǒng)的汽耗量有關(guān)。由于常規(guī)系統(tǒng)和正壓高濃度系統(tǒng)都不必額外消耗蒸汽,所以年費(fèi)用基本保持不變,且正壓高濃度系統(tǒng)比常規(guī)系統(tǒng)的費(fèi)用低得多。由圖5可知,當(dāng)汽耗低于60kg/h時(shí),負(fù)壓高濃度系統(tǒng)的年費(fèi)用最低;當(dāng)汽耗處于60～144kg/h時(shí),正壓高濃度系統(tǒng)年費(fèi)用低于負(fù)壓高濃度系統(tǒng)年費(fèi)用;當(dāng)汽耗大于144kg/h時(shí),負(fù)壓高濃度系統(tǒng)已完全喪失了經(jīng)濟(jì)性。因此,在選擇系統(tǒng)時(shí),應(yīng)該注意系統(tǒng)汽耗的影響,這是系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。5高濃度煤粉燃燒技術(shù)(1)高濃度煤粉燃燒技術(shù)具有輸粉系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化、燃燒過程得到強(qiáng)化和穩(wěn)定,污染物NOx排放降低等特點(diǎn),是一種高效、穩(wěn)燃、低污染的新型燃燒技術(shù)。(2)高濃度煤粉燃燒技術(shù)可以加快化學(xué)反應(yīng)速度、降低著火溫度和著火熱、減少著火時(shí)間、縮短著火距離、改變著火方式、提高火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧鏈囟?這些特性為劣質(zhì)煤的高效、清潔、穩(wěn)定燃燒開辟了一條新的思路。(3)由于煤粉濃度比常