100 t/d氣化飛灰預(yù)熱燃燒鍋爐設(shè)計(jì)與運(yùn)行

2021-07-03 02:14:06滿承波朱建國呂清剛歐陽子區(qū)劉敬樟

潔凈煤技術(shù) 2021年3期

滿承波，朱建國，2，呂清剛，2，歐陽子區(qū)，劉敬樟

(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)，北京 100049)

0 引言

煤氣化技術(shù)是煤炭梯級(jí)利用的主要方式之一，近年來發(fā)展迅速、使用廣泛。流化床煤氣化是較常見的一種煤氣化工藝[1-3]，其產(chǎn)生的煤氣熱值為5 000～6 300 kJ/m3，作為工業(yè)燃?xì)庠诨ぁ⒁苯稹⑻沾傻阮I(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但流化床煤氣化產(chǎn)生的氣化飛灰低位發(fā)熱量可達(dá)12～25 MJ/kg，且產(chǎn)量巨大，若能加以利用將大幅提高流化床煤氣化工藝的煤炭利用率。由于流化床氣化爐產(chǎn)生的氣化飛灰揮發(fā)分極低(Vdaf<3%)，傳統(tǒng)燃燒方式很難處理。

國內(nèi)外針對(duì)氣化飛灰直接燃燒的研究與應(yīng)用較少，較為相近的研究主要是針對(duì)低揮發(fā)分無煙煤和蘭炭。無煙煤的燃燒技術(shù)研究主要集中在W火焰鍋爐技術(shù)方面，但W火焰鍋爐燃燒溫度較高，因此NOx排放均普遍較高(>800 mg/m3)[4-5]。國內(nèi)通過引進(jìn)和改進(jìn)國外技術(shù)，在W火焰鍋爐技術(shù)、旋流燃燒技術(shù)等方面對(duì)燃用無煙煤、貧煤等低揮發(fā)分煤種也開展了研究和工程實(shí)踐，部分W火焰鍋爐已能將NOx原始排放降至800 mg/m3以下，最低達(dá)547 mg/m3[6-11]。流化床鍋爐的煤種適應(yīng)性廣，也被用于燃用無煙煤，但其燃燒溫度偏低，因此燃燒效率較低。Adanez等[12]在循環(huán)流化床試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，無煙煤的燃燒效率僅在90.5%～93.0%。何宏舟等[13-15]研究了福建無煙煤在循環(huán)流化床中的燃盡特性，表明燃燒效率一般不超過90%。可見，循環(huán)流化床技術(shù)可解決無煙煤的著火和穩(wěn)燃問題，但燃燒效率偏低。20世紀(jì)80年代，日本學(xué)者提出高溫空氣燃燒技術(shù)，將空氣預(yù)熱至800 ℃以上，然后與燃料混合燃燒[16]，Suda等[17]研究結(jié)果表明，該技術(shù)可縮短煤粉的著火時(shí)間，提高燃燒穩(wěn)定性，對(duì)于揮發(fā)分較低(9.8%)的無煙煤可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的著火燃燒。但該技術(shù)多用于氣體燃料燃燒，煤粉燃燒并未進(jìn)入工程實(shí)踐。蘭炭也是一種超低揮發(fā)分碳基燃料，近年來作為煤干餾等工藝的副產(chǎn)品也面臨處理問題。我國對(duì)蘭炭的大比例摻燒開展了相關(guān)研究，在135[18]、300[19-20]和660 MW[21-22]煤粉鍋爐上實(shí)現(xiàn)了煙煤摻燒蘭炭的穩(wěn)定運(yùn)行，蘭炭的揮發(fā)分約為10%，最高摻燒比例為50%，燃燒效率可達(dá)98%以上，但尚無法實(shí)現(xiàn)更高比例蘭炭的摻燒。

因此，目前無煙煤和蘭炭等低揮發(fā)分燃料的燃燒難以實(shí)現(xiàn)高效低氮，電站鍋爐摻燒比例低于50%，工業(yè)鍋爐鮮見相關(guān)研究，揮發(fā)分低于3%的超低揮發(fā)分燃料在工業(yè)鍋爐中100%純?nèi)减r見報(bào)道。本文針以一臺(tái)100 t/d氣化飛灰鍋爐的設(shè)計(jì)、建設(shè)和調(diào)試運(yùn)行情況為例，對(duì)預(yù)熱燃燒技術(shù)在氣化飛灰燃燒方面的工程應(yīng)用進(jìn)行介紹，闡述了一種超低揮發(fā)分燃料高效低NOx利用的可行技術(shù)路線。

1 鍋爐設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

預(yù)熱燃燒技術(shù)是由中國科學(xué)院工程熱物理研究所提出的創(chuàng)新性燃燒技術(shù)。該技術(shù)將煤粉燃燒分為2個(gè)階段：第1階段為預(yù)熱階段，將煤粉通入流化床式的燃燒器中，配以較低當(dāng)量比的空氣，煤粉在強(qiáng)還原性氣氛下發(fā)生熱解、氣化和部分燃燒，反應(yīng)生成焦炭和煤氣的混合物，釋放的熱量將燃料自身加熱至800 ℃以上；第2階段為燃燒階段，將預(yù)熱產(chǎn)生的高溫焦炭與煤氣混合物通入爐膛，與空氣混合進(jìn)行燃燒，實(shí)現(xiàn)燃料燃盡。該技術(shù)路線利用流化床燃料適應(yīng)性廣的優(yōu)點(diǎn)，首先將燃料加熱至自身燃點(diǎn)以上的溫度，再送入爐膛配風(fēng)進(jìn)行燃燒，從而解決了超低揮發(fā)分燃料著火困難的問題。

近年來，在30～2 000 kW試驗(yàn)平臺(tái)上開展了機(jī)理、小試和中試試驗(yàn)研究[23-26]，燃用的燃料包括無煙煤和熱解半焦(Vdaf<10%)、氣化飛灰(Vdaf<3%)，均實(shí)現(xiàn)了燃料的順利點(diǎn)火、穩(wěn)定燃燒和高效燃盡，燃燒效率>95%、NOx<200 mg/m3(6% O2)，證明了該技術(shù)路線的可行性和先進(jìn)性。在前期機(jī)理研究和中試試驗(yàn)的數(shù)據(jù)支撐下，于2017年在廣西河池市建成了100 t/d氣化飛灰預(yù)熱燃燒鍋爐示范工程，用于處理2臺(tái)2.5萬m3/h流化床煤氣化爐產(chǎn)生的氣化飛灰，氣化飛灰干燥無灰基揮發(fā)分約2.82%，低位發(fā)熱量為23.59 MJ/kg。該鍋爐于2018年調(diào)試運(yùn)行，2019年通過(72+48) h運(yùn)行考核。

1.2 燃料成分

氣化飛灰鍋爐的燃料受其前端煤氣化工藝的影響很大，該100 t/d鍋爐與其前端的煤氣化爐同時(shí)開展設(shè)計(jì)，無法獲得準(zhǔn)確的燃料成分，因此最初采用類似的其他煤氣化爐的氣化飛灰燃料成分開展設(shè)計(jì)(表1)。但項(xiàng)目投運(yùn)后由于煤氣化爐入爐煤質(zhì)和運(yùn)行參數(shù)不同，其產(chǎn)生的氣化飛灰成分與設(shè)計(jì)參數(shù)有較大不同，最終運(yùn)行按照實(shí)際燃料成分進(jìn)行校核和調(diào)整。

表1 氣化飛灰成分分析

實(shí)際燃料的工業(yè)分析、元素分析和發(fā)熱量見表1。可知該種燃料的低位發(fā)熱量高達(dá)23.59 MJ/kg，熱值與動(dòng)力用煤相當(dāng)，說明氣化飛灰中的殘留可燃物含量仍較高，具有進(jìn)一步燃燒利用的價(jià)值。但氣化飛灰的干燥無灰基揮發(fā)分極低，僅為2.82%，現(xiàn)有煤粉燃燒技術(shù)均無法燃用該種燃料。另外，氣化飛灰的水分較低，這是由于該種燃料是粉煤在流化床煤氣化爐內(nèi)900 ℃左右高溫條件下發(fā)生煤氣化反應(yīng)后產(chǎn)生的副產(chǎn)品，直接經(jīng)倉泵輸送至儲(chǔ)倉，避免了吸水過程，這為燃料的輸送提供了有利條件。

由于預(yù)熱燃燒技術(shù)的燃燒器為循環(huán)流化床型式，因此燃料粒徑可能對(duì)燃燒器的運(yùn)行產(chǎn)生一定影響。本文采用FRITSCH Analysette 22 NanoTec 激光粒度儀+干法測(cè)量，獲得了氣化飛灰的粒徑分布，如圖1所示。全部燃料顆粒直徑在0～120 μm，其中d90和d50分別為74 μm和38 μm，與傳統(tǒng)煤粉爐燃用的煤粉粒徑較相似。

圖1 氣化飛灰的粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of gasification fly ash

1.3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

氣化飛灰鍋爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。該鍋爐設(shè)為一臺(tái)飽和蒸汽鍋爐，額定蒸汽量為20 t/h，額定溫度和壓力分別為249 ℃、3.82 MPa，設(shè)計(jì)燃料消耗量為100 t/d。但由于實(shí)際產(chǎn)生的氣化飛灰熱值與設(shè)計(jì)之初偏差較大(表1)，因此該鍋爐在運(yùn)行時(shí)的實(shí)際燃料消耗量與設(shè)計(jì)消耗量有較大差別。由于鍋爐的燃燒器熱功率、爐膛受熱面等已確定，因此按照輸入熱功率不變估算，實(shí)際的氣化飛灰消耗量約為57.6 t/d。

表2 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.4 工藝流程

鍋爐的工藝流程如圖2所示，主要包括煙風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)、物料系統(tǒng)、點(diǎn)火燃燒系統(tǒng)和尾部煙氣處理系統(tǒng)。鍋爐的現(xiàn)場(chǎng)照片如圖3所示。

圖2 鍋爐工藝流程Fig.2 Technical process of the boiler

圖3 鍋爐實(shí)物圖Fig.3 Photograph of the boiler

氣化飛灰從煤氣化爐產(chǎn)生后輸送至一個(gè)儲(chǔ)倉，通過給粉機(jī)落入送粉管，由送粉風(fēng)攜帶送入預(yù)熱燃燒器。燃料在預(yù)熱燃燒器中與一次風(fēng)混合后實(shí)現(xiàn)流態(tài)化高溫預(yù)熱反應(yīng)，形成的高溫預(yù)熱燃料從爐膛底部進(jìn)入爐膛。二次空氣從爐膛底部配入，與高溫預(yù)熱燃料混合進(jìn)行燃燒。三次風(fēng)經(jīng)低溫空氣預(yù)熱器和高溫空氣預(yù)熱器預(yù)熱后在爐膛不同高度位置水平送入爐內(nèi)，促進(jìn)燃料燃盡。燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)余熱回收及廢氣處理系統(tǒng)后由引風(fēng)機(jī)送至煙囪。再循環(huán)煙氣從袋式除塵器后面抽出，在必要時(shí)送入爐底，與二次風(fēng)混合進(jìn)入爐膛，以調(diào)節(jié)燃燒溫度和NOx排放。

2 鍋爐運(yùn)行情況

作為基于預(yù)熱燃燒技術(shù)路線的鍋爐示范項(xiàng)目，該鍋爐于2018年進(jìn)行多次調(diào)試，于2019年通過運(yùn)行考核，在60%～100%負(fù)荷下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行(72+48) h。

2.1 燃燒器運(yùn)行情況

燃燒器為循環(huán)流化床結(jié)構(gòu)。送粉風(fēng)攜帶氣化飛灰進(jìn)入燃燒器，一次風(fēng)提供床料和燃料的流化所需空氣，燃燒器內(nèi)總的空氣當(dāng)量比約為0.2。在最初升溫引燃過程完成后，氣化飛灰在燃燒器內(nèi)0.2當(dāng)量比的強(qiáng)還原性氣氛下發(fā)生熱解、氣化和部分燃燒反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)自維持預(yù)熱。循環(huán)流化床燃燒器內(nèi)設(shè)有4個(gè)K型熱電偶，其中3個(gè)設(shè)置在提升管的上、中、下部，另一個(gè)在U型返料器內(nèi)。4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化如圖4所示。可以看出，在120 h運(yùn)行過程中，4個(gè)溫度點(diǎn)溫度相近且曲線平滑，說明燃燒器運(yùn)行穩(wěn)定、溫度均勻，物料循環(huán)正常，氣化飛灰可穩(wěn)定連續(xù)預(yù)熱到900 ℃左右，達(dá)到預(yù)熱效果。

圖4 燃燒器內(nèi)的溫度變化Fig.4 Change of temperature in the CFB burner

2.2 爐膛運(yùn)行情況

鍋爐爐膛中沿高度方向布置7個(gè)熱電偶，插深為300 mm，即測(cè)量距離壁面300 mm處的溫度，其120 h溫度變化曲線如圖5所示。二、三次風(fēng)為預(yù)熱后的燃料提供了充足的氧氣，實(shí)現(xiàn)了爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定，因此圖5中各溫度曲線均穩(wěn)定變化。為了分析爐膛內(nèi)的溫度分布，選取2個(gè)不同運(yùn)行負(fù)荷下不同爐膛高度的特征溫度進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。可見，鍋爐在70%和80%負(fù)荷下爐膛內(nèi)的溫度分布趨勢(shì)大致相同，且溫度沿爐膛高度方向變化不大，高度400～10 000 mm的溫度在800～1 050 ℃，與傳統(tǒng)煤粉鍋爐相比，溫度分布更均勻。除溫度沿高度分布較為均勻外，該鍋爐的最高燃燒溫度也較低。采用紅外測(cè)溫槍測(cè)得的爐內(nèi)火焰最高溫度約為1 200 ℃，明顯低于傳統(tǒng)煤粉鍋爐主燃燒區(qū)的最高溫度(一般超過1 400 ℃)。

圖5 爐膛內(nèi)的溫度變化Fig.5 Temperature changing in the furnace

圖6 爐膛內(nèi)沿高度方向的溫度變化Fig.6 Change of temperature along the height in the furnace

該鍋爐能夠?qū)崿F(xiàn)燃燒溫度較低的原因是其爐膛配風(fēng)方式和比例與傳統(tǒng)煤粉鍋爐不同。傳統(tǒng)煤粉鍋爐的二次風(fēng)當(dāng)量不低于0.6～0.8，主燃燒區(qū)總空氣當(dāng)量比在1.0左右，實(shí)現(xiàn)主燃燒區(qū)的高溫高氧濃度燃燒，以確保燃料的著火和穩(wěn)燃。鍋爐采用預(yù)熱燃燒技術(shù)，預(yù)熱燃料的燃燒具有特殊性[27]。由于氣化飛灰進(jìn)入爐膛前，已在預(yù)熱燃燒器中被預(yù)熱至850 ℃以上，高于燃料自身的燃點(diǎn)，因此在進(jìn)入爐膛后只要將二次風(fēng)合理配入即可點(diǎn)燃。鍋爐二次風(fēng)當(dāng)量比為0.2～0.4，主燃燒區(qū)總空氣當(dāng)量比僅為0.4～0.6，仍可實(shí)現(xiàn)良好的著火和穩(wěn)燃效果，燃料燃盡所需的空氣再由爐膛上部不同高度布置的三次風(fēng)提供。因此，在這種配風(fēng)形式和比例下，鍋爐在保持燃燒效率的前提下，爐內(nèi)的最高溫度較低且整體溫度分布較均勻，有利于降低NOx排放。

2.3 燃燒效率

工程試驗(yàn)研究了2種不同負(fù)荷下氣化飛灰的燃燒效率(表3)，可以看出，在70%和80%兩個(gè)負(fù)荷下，氣化飛灰均獲得了較高的燃燒效率。氣化飛灰的揮發(fā)分極低、灰分高，但飛灰含碳量和底渣含碳量均控制在較低水平。這是因?yàn)闅饣w灰在預(yù)熱燃燒器中進(jìn)行高溫預(yù)熱過程中，燃料顆粒的性質(zhì)發(fā)生改變，顆粒內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)變大，化學(xué)反應(yīng)表面積增加，達(dá)到了燃料改性效果，提高了燃盡性能，進(jìn)而獲得了較高的燃燒效率。

表3 燃燒效率

2.4 NOx排放

在保證鍋爐燃燒效率條件下，對(duì)二次風(fēng)比例進(jìn)行調(diào)整。在70%和80%兩個(gè)負(fù)荷下，控制二次風(fēng)當(dāng)量比低于0.4，NOx排放情況見表4。可以看出，2個(gè)工況的NOx原始排放均低于300 mg/m3(6% O2)，其中80%負(fù)荷較70%負(fù)荷的NOx原始排放略有升高，一方面是由于80%負(fù)荷的二次風(fēng)當(dāng)量比略高，且主燃燒區(qū)溫度略高，2個(gè)因素均造成了NOx略有升高。但這2個(gè)工況的NOx原始排放均遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)[6-11]中無煙煤燃燒的NOx排放水平，甚至低于絕大多數(shù)煙煤鍋爐的NOx排放水平，這主要是因?yàn)椋孩?氣化飛灰在預(yù)熱燃燒器內(nèi)預(yù)熱過程中，部分燃料氮在高溫強(qiáng)還原性氣氛下脫出，被還原為N2，實(shí)現(xiàn)了第1階段脫氮；② 在爐膛主燃燒區(qū)，二次風(fēng)當(dāng)量比低于0.4，主燃燒區(qū)總空氣當(dāng)量比低于0.6，仍屬于強(qiáng)還原性氣氛，進(jìn)一步抑制了NOx的生成。