國內典型煤種在富氧條件下的燃燒性能

張 大 興

(中國神華能源股份有限公司國華惠州熱電分公司,廣東惠州 516086)

0 引 言

由于全球工業化進程加快,大氣中的溫室氣體CO2濃度已經從工業革命之前的280×10-6上升到近390×10-6,相應的地表溫度較20世紀平均增加了(0.74±0.18)℃。我國已成為世界上CO2排放最多的國家,其排放量占全球排放量的1/3左右[1]。煙氣再循環+富氧燃燒技術具有降低NOx排放、提高燃燒穩定性和燃燒效率等優點,同時該技術也是國際上具有發展前景的一種燃燒后分離捕集CO2技術,既適用于現役常規燃煤電站鍋爐技術的改造,又可用于新建大型電站燃煤鍋爐機組[2-6]。

為了保證煤粉在富氧燃燒條件下仍能滿足鍋爐的安全運行,國內外相關研究機構進行了大量的理論和試驗研究。高建強等[7]研究了300 MW褐煤富氧燃燒鍋爐系統仿真模型;吳海波[8]通過對常規空氣燃燒鍋爐部分的計算參數、公式修正,開發了新型富氧燃燒計算模型。廖海燕等[9]研究了200 MW富氧燃煤電廠制粉系統及磨煤機參數的選取。煤粉的燃燒特性是鍋爐設計的主要依據之一,采用富氧燃燒方式后,燃燒氣氛的變化必然對煤粉的燃燒性能產生影響。吳迪等[10]研究了CO2的物理化學屬性對煤粉富氧燃燒著火性能的影響,與N2相比CO2會引起煤粉著火延遲;而劉彥豐等[11]在熱重分析儀上的研究表明,在O2/CO2和O2/N2氣氛下的燃燒性能曲線沒有明顯變化,煤粉著火溫度略有下降。孫青等[12]利用馬弗爐和平面火焰攜帶流反應器研究了神華煤在富氧條件下的結渣性能,表明富氧條件將加重試驗煤樣的結渣。而35 MW富氧燃燒工業示范工程的建成和調試成功,標志著我國在富氧燃燒的關鍵裝備研發、系統集成和調試運行等方面的能力總體達到了國際前沿[13-14]。

鍋爐采用富氧燃燒技術后,由于燃燒氣氛及燃燒產物與常規燃燒有所不同,將影響到鍋爐燃燒系統設計、制粉系統設計、爐內燃燒過程、火焰輻射特性、傳熱特性、沾污積灰與結渣特性、鍋爐受熱面設計與布置等多個方面。本文利用一維火焰燃燒試驗爐以及煤粉氣流著火溫度試驗爐,在更接近實際鍋爐的燃燒狀態下,對國內典型的煙煤和貧煤進行富氧狀態下的燃燒和結渣性能測試,以期為富氧燃燒鍋爐設計以及現役煤粉鍋爐采用富氧燃燒需進行的設備改造提供參考和依據。

1 試驗設備及測試方法

1.1 煤粉氣流著火溫度試驗爐及測試方法

圖1為煤粉氣流著火溫度試驗臺,爐體為立式電加熱爐,有效高度610 mm,內徑175 mm,2級爐膛均由雙套管碳化硅燒制而成,配有調壓器以調節爐壁溫度,爐頂軸線上裝有1個一次風噴嘴和2個二次風噴口,氣流由上而下流動且被加熱至煤粉著火,送風機送入氣體為空氣。測試方法參見文獻[15]。

圖2為富氧燃燒條件下的煤粉氣流著火溫度試驗臺,與圖1的區別在于送風機送入參與燃燒的氣體為O2/CO2混合物,其余均和圖1一致。常規燃燒和富氧燃燒時,一次風和二次風均為常溫狀態。

1.2 一維火焰燃燒試驗爐及測試方法

一維火焰爐燃燒試驗臺如圖3所示,系統由爐體、給粉機、送風機、引風機、除塵器等設備組成。氣、粉混合物由錐體頂部引入,爐頂和第1級爐體的錐型漸擴結構使氣粉混合物在加熱過程中均勻膨脹,充滿截面,消除了煙氣回流,形成無軸向混合的柱塞狀流動。因此沿爐膛軸向測定的參數可表征煤粉氣流燃燒過程的特征。爐膛從上到下分為6級,分別對應1～6級測點。具體試驗方法參見文獻[16]。

圖1 煤粉氣流著火溫度測試爐及系統示意Fig.1 Pulverized coal ignition temperature test furnace and system schematic diagram

圖2 富氧燃燒下的煤粉氣流著火溫度測試爐及系統示意Fig.2 Pulverized coal ignition temperature test furnace and system schematic diagram at oxy-enriched combustion

圖3 一維火焰爐燃燒試驗臺Fig.3 One-dimensional flame furnace combustion test bench

1.3 一維火焰燃燒試驗爐改造及富氧燃燒測試方法

由于富氧燃燒會產生極高的燃燒溫度,為使爐內燃燒過程接近常規燃燒方式,通常需要從鍋爐排煙抽取70% ～80%富含CO2的煙氣再循環,與純氧混合后送入燃燒器。為了模擬實際鍋爐在富氧狀態下的燃燒狀態,對一維火焰燃燒試驗爐進行了改造(圖4)。主要改造包括：① 增加了循環風機,代替原來的送風機,將滿足要求的煙氣和純氧混合物送入爐內燃燒;② 增加了O2供給設備;③ 煙氣加熱器,將煙氣和O2混合物溫度控制在120℃左右,保證煙氣中的水分不冷凝;④其他計量及測量設備。

圖4 富氧燃燒+煙氣循環一維火焰爐燃燒試驗臺Fig.4 One-dimensional flame furnace combustion test bench

富氧燃燒條件下的試驗方法和前述常規一維火焰爐的試驗方法基本一致,只是將煙氣和O2混合物替代原來的空氣,由循環風機通過給煤機和二次風管道送入爐內燃燒。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗煤樣及試驗工況

選取國內典型煙煤(神華煤)和貧煤(潞安煤)作為試驗煤種,其基本煤質特性參數見表1。神華煤為極易著火和燃盡的燃燒性能優良的煙煤,但灰熔融溫度低,具有嚴重的結渣傾向;潞安煤為難著火和難燃盡的燃燒性能較差的貧煤,但灰熔融溫度高,結渣傾向較低,試驗煤樣為空氣干燥基狀態。一維火焰爐燃燒試驗的電加熱控制的第1～6級最低壁溫分別為800、1 000、1 100、1 100、1 100、1 000 ℃。燃煤入爐熱量控制在46.06 MJ/h,即神華煤和潞安煤的給煤量分別為 29.21、27.92 g/min,爐膛出口O2量為3.5%,具體控制參數及運行參數參見表2。

表1 試驗煤樣的煤質參數Table 1 Coal quality parameters of test coal

表2 試驗工況的入爐風量Table 2 Intake air volume of one-dimensional flame furnace

2.2 煤粉氣流著火溫度測試結果

圖5為試驗煤樣在不同工況下的煤粉氣流著火溫度。可見,隨著O2體積分數的增加,神華煤和潞安煤的煤粉氣流著火溫度均下降,表明煤粉隨著O2體積分數的升高而提前著火,有利于提高煤粉的燃燒穩定性,當繼續增加O2體積分數,煤粉氣流著火溫度下降幅度逐漸減少。另外,在相同的O2體積分數下,燃燒性能優良的神華煤煤粉氣流著火溫度下降幅度更大,表明煤種的燃燒性能更好,煤粉氣流著火溫度受O2體積分數的影響更大。另外,在空氣狀態下,潞安煤的煤粉氣流著火溫度為790℃,但沒有明顯的著火現象,只是出現較多的火星。而當O2體積分數在30%以上時,潞安煤可見明顯的燃燒火焰。當煤粉在進入爐膛受熱后,短時間內快速升溫,同時析出大部分揮發分,揮發分與一次風及煙氣中的O2混合燃燒。當環境中的O2含量較低時,揮發分的燃燒時間較長,局部放熱強度降低。隨著O2體積分數的增加,根據化學反應的質量作用定律,揮發分的燃燒速度隨O2體積分數的升高而增大,該區域燃燒反應物的放熱速率提高,從而形成局部的高溫區。局部的高溫區促使更多的揮發分析出,并將焦炭更快地加熱到著火狀態,使局部反應溫度進一步提高,從而形成一次風射流邊界著火燃燒的良性循環。因此通入富氧空氣流,有助于形成局部高溫區,且對燃燒性能優良的煙煤效果優于燃燒性能較差的貧煤,但需注意燃燒強度增加后帶來的燃煤結渣性能增強的問題。

圖5 試驗煤樣的煤粉氣流著火溫度Fig.5 Ignition temperature of pulverized coal of test coal

氣氛對煤粉氣流的著火也有一定影響,即使都采用21%的O2體積分數,神華煤和潞安煤在富氧燃燒+煙氣循環氣氛下的煤粉氣流著火溫度分別比空氣氣氛下高10℃和20℃,說明CO2對煤粉著火具有延遲作用。主要原因是CO2的比熱容比 N2大,揮發分在O2/CO2氣氛中的擴散速率降低。另外,有研究表明[10],當富氧燃燒系統 O2分壓在26% ～29%時,煤粉著火溫度與空氣氣氛燃燒接近,這與本試驗O2分壓為21%的試驗結果吻合。

2.3 富氧條件下的燃燒溫度

圖6為神華煤和潞安煤的爐膛煙氣溫度。最高煙氣溫度位置表征了煤樣的著火性能,高溫煙氣越靠近爐膛上部則該煤種的著火性能越好。在純空氣狀態下,神華煤的最高煙氣溫度在第1級,而潞安煤的最高煙氣溫度在第2級,主要是因為難燃煤種的燃燒反應速度低,著火滯后。當O2體積分數提高后,火焰根部溫度(即第1級爐膛煙氣溫度)迅速提高,著火明顯提前,且O2體積分數越高,第1級爐膛煙氣溫度越高,即使對于燃燒性能較差的潞安煤,當O2體積分數達到30%以上,煙氣最高溫度也出現在第1級爐膛。可見,富氧燃燒使火焰變短,燃燒強度提高,燃燒速度加快,因此需注意采取適當措施,避免燃燒器的過熱燒損和煙氣減少帶來的局部高溫。

圖6 神華煤和潞安煤在不同工況下的爐膛燃燒溫度Fig.6 Combustion temperature of Shenhua coal and Lu'an coal under different conditions

同時,由圖6可以看出,氣氛對煤樣的著火影響較大,即使均采用21%的O2體積分數,神華煤和潞安煤在純空氣狀態下的第1級爐膛火焰燃燒溫度高于富氧燃燒+煙氣循環工況,再次說明CO2對煤粉著火具有延遲作用,這與前述煤粉氣流著火溫度的測試結果一致。采用富氧燃燒+煙氣循環燃燒方式,隨著O2體積分數的增加,爐膛輻射換熱量增加。一方面隨著O2體積分數增加,三原子氣體成分增加,使得爐內輻射能力增強,進而提高了爐內傳熱效率;另一方面,隨著O2體積分數增加,燃燒產物量迅速減少,爐內充滿度降低,導致煙氣輻射能力下降。爐內輻射換熱系數受這兩方面的綜合作用,當O2體積分數小于30%時,三原子氣體增加帶來的輻射換熱的影響小于燃燒產物減少帶來的輻射能力下降的影響。

2.4 富氧條件下的燃盡性能

圖7為神華煤和潞安煤在不同工況下的飛灰含碳量比較,圖8為試驗煤樣在爐膛第6級的燃盡率比較。結果表明,由于神華煤自身優良的燃盡性能,采用富氧燃燒對降低飛灰含碳量、提高燃盡率的作用非常有限。而對于燃盡性能較差的潞安煤,富氧燃燒在降低飛灰含碳量、提高燃盡率方面的作用明顯,當O2體積分數從21%增加到30%,第6級飛灰含碳量從15.87%降低到2.57%,相應的燃盡率從95.51%提高到99.37%,但隨著 O2體積分數繼續增加,這種改善效果越來越差。

圖7 神華煤和潞安煤在不同工況下的飛灰含碳量Fig.7 Unburned carbon in fly ash of Shenhua coal and Lu'an coal under different conditions

圖8 試驗煤樣的第6級燃盡率Fig.8 Burn-out rate at the sixth furnace of test coals

和前述燃燒溫度的現象一致,即使都在21%的O2體積分數下,神華煤和潞安煤均表現出在富氧燃燒+煙氣循環條件下的飛灰含碳量高于空氣狀態,說明CO2不僅對煤粉著火具有延遲作用,同時對煤粉的燃盡也起阻礙作用。

2.5 富氧條件下的結渣性能分析

圖9為神華煤和潞安煤的渣棒渣型,圖中從左到右的渣棒分別對應爐膛的第1～6級測點。可見,隨著O2體積分數的增加,爐內結渣趨于嚴重,這與高O2體積分數下爐內火焰溫度升高有直接關系。在空氣狀態下,神華煤的結渣較為嚴重,前2級渣棒均為嚴重的熔融渣型,當O2體積分數增加到40%時,爐膛第3級的煙溫也升高至1 250℃,導致前3級渣棒均出現嚴重的熔融渣型。由于煙氣中氧含量較高,且神華煤灰中的鐵含量也較高,在氧化性氣氛中,鐵往往以Fe2O3的形態在渣中出現,因此渣的顏色由黑色變為略帶紅色。在循環煙氣氣氛下,煙氣中的CO2體積分數較高,空氣條件下煤灰中的鈣主要以CaO的形式存在,而在循環煙氣燃燒條件下,反應產物中存在一定量CaCO3,CaCO3易黏結,并會促進低灰熔融溫度鈣黃長石、鈣長石的生成,從而加重結渣情況。潞安煤為典型的高灰熔融溫度煤,在純空氣狀態下,最為嚴重的渣型僅為弱黏聚等級,當O2體積分數增加到40%時,出現最為嚴重的熔融渣型,結渣趨勢變化規律與神華煤一致。因此,需注意O2體積分數增大帶來的結渣加劇問題。

圖9 神華煤和潞安煤在純空氣和40%O2狀態下的渣棒渣型Fig.9 Slagging type of Shenhua coal and Lu'an coal in pure air condition and 40%O2

3 結 論

1)采用富氧燃燒+煙氣循環燃燒方式時,隨著氧氣濃度升高,煤粉氣流著火溫度降低,燃盡率升高,表明富氧燃燒方式可提高煤粉的燃燒穩定性和經濟性。但隨著O2體積分數的進一步升高,煤粉氣流著火溫度降低幅度和燃盡率升高幅度都逐漸減小。

2)O2體積分數升高時,燃燒性能優異的煙煤降低煤粉氣流著火溫度的效果優于燃燒性能較差的貧煤。在改善煤粉燃盡性能、提高燃燒效率方面,燃燒性能較差的貧煤較燃燒性能優異的煙煤明顯。

3)隨著O2體積分數升高,燃燒前期火焰溫度增加明顯,也即提高了火焰根部溫度,同時也增加了煤樣在爐內的結渣傾向,即使對于高灰熔融溫度的潞安煤,當O2體積分數達到40%以后,都出現了最為嚴重熔融渣型,因此需注意富氧燃燒導致煤樣結渣加劇帶來的對鍋爐安全運行的問題。

4)煤粉鍋爐采用富氧燃燒+煙氣循環燃燒方式時,結合煤粉鍋爐燃燒經濟性和燃燒安全性,推薦O2體積分數在30%以內。實際應用中,應根據具體工程需求,通過實際試驗結果權衡富氧燃燒帶來燃燒效果以及由此增加的經濟負擔,確定最佳氧含量。

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