千瓦級煤粉的預熱燃燒負荷變化

王婷婷，朱建國，師永帥，張 震

(1.中國科學院 工程熱物理研究所，北京 100190；2.中國科學院大學 工程科學學院，北京 100049；3.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206)

我國是煤炭能源占比最高的國家，是最大的能源消費國，煤炭是我國的基礎能源和重要原料，煤炭產業關系國家經濟命脈和能源安全。從中國2020年能源消費比例來看，煤炭在未來相當長一段時期內仍是主體性能源[1-3]。

中國政府向世界已莊嚴承諾2030年前實現碳達峰，2060年實現碳中和，國務院等已經印發了2030年前碳達峰行動方案。隨著風電、太陽能等可再生能源并網，可再生能源發電比例不斷升高，且可再生能源具有周期性、波動性和穩定性差的特點，因此燃煤鍋爐電力系統的靈活性要求將大幅度增加，火電機組的調峰將成為運行常態。

目前機組調峰變負荷范圍多為設計功率的40%～100%，當負荷低于40%時，存在燃燒效率低、能耗高、NOx排放量大、燃燒穩定性差等一系列影響運行過程中的主要問題[4-7]。國內外學者針對這些問題進行相應研究[8-10]，低負荷下煤粉的高效清潔燃燒特性也隨之成為當前的主要問題和研究熱點，目前低負荷穩定運行常采用的方法包括柴油輔助點燃、等離子體點燃等助燃技術，但因添加輔助能源或燃料使其經濟性變差。關于低負荷向高負荷的變化過程，相關的試驗研究和燃煤鍋爐數據還較為缺乏，難以掌握負荷調節中的燃燒特性和負荷變化特性。

中國科學院工程熱物理研究所2004年提出了預熱燃燒技術，即煤粉先經過高溫預熱改性、預熱改性燃料入爐燃燒。煤粉在流態化裝置中實現自持預熱，預熱溫度高于800 ℃，超過燃料著火點，燃料預熱為不同負荷的穩定高效燃燒提供了保障。國內外學者以及實驗室已經對煤、半焦、殘炭等不同燃料的預熱燃燒開展了大量實驗研究[11-23]，并應用預熱燃燒技術研制了預熱燃燒器，開發了20～90 t/h煤粉預熱燃燒鍋爐。預熱燃燒技術體現了燃料適應性寬、燃燒效率高和污染物排放低的性能優勢，但在低負荷及變負荷下的一些特性還尚未開展研究。

從預熱燃燒技術的基本原理出發，分析認為預熱燃燒在低負荷下具有燃燒穩定性好的特征，且變負荷下燃料已經預熱到900 ℃以上，因此，變負荷下其煤粉的高效燃燒和低污染排放均應優于常規煤粉燃燒方式。在此背景下，本文中開展煤粉預熱燃燒低負荷及變負荷特性的基礎實驗研究，期望為煤粉預熱燃燒技術在鍋爐調峰中的應用提供一些支撐。

1 實驗

1.1 原料

原料為神木煙煤，來自陜西省榆林市，工業分析及元素分析結果見表1，煤粉粒徑為0～0.355 mm，粒徑累積體積分數為10%、50%、90%所對應的切割粒徑分別為18.54、118.32、301.8 μm。

表1 神木煙煤的元素分析和工業分析

1.2 裝置

千瓦級煤粉預熱燃燒綜合評價實驗平臺流程如圖1所示。平臺主要包括3個部分：一是用于煤粉預熱的循環流化床；二是用于預熱燃料燃燒的臥式燃燒室；三是試驗臺輔助系統即給料系統、煙氣冷卻系統、布袋除塵系統、電輔熱系統、測控系統等。

1—空氣壓縮機；2—螺旋給料機；3—提升管；4—旋風分離器；5—返料器；6—取樣點；7—臥式燃燒室；8—取樣點；9—水箱；10—煙氣冷卻器；11—布袋除塵器。

循環流化床預熱室由提升管、旋風分離器以及返料器組成，預熱室的運行溫度為850～900 ℃，爐體材質為Cr25Ni20，其中提升管內徑為81 mm，高度為1 500 mm。循環流化床預熱采用電爐輔熱形式，循環流化床預熱室共設有5個K型熱電偶溫度測點，其中提升管布置3個溫度測點，分別位于距提升管底部200、500、1 450 mm高度處，旋風分離器出口和返料器底部各有1個溫度測點。一次風從提升管底部供入，一方面用于流化，另一方面為煤粉在預熱室內的氣化燃燒反應提供助燃氣體。

臥式燃燒室內截面為正方形結構，邊長為500 mm，燃燒室長度為2 115 mm，沿燃燒室水平軸線575、825、1 225、1 625、2 025 mm處各有1個溫度測點，用于監測臥式燃燒室內溫度變化。中心風從臥式燃燒室入口中心管給入，在中心口的外圍是預熱燃料給入口，內二次風和外二次風依次從環縫給入，其中中心風、預熱燃料噴口、內二次風和外二次風的內徑分別為20、57、73、159 mm。圖2所示為高溫煤基燃料和二次風噴口結構圖。此外，水平爐膛設有2層三次風口，分別位于距離水平爐膛入口位置600、1 200 mm處，以對沖的方式給入爐膛。

圖2 高溫煤基燃料和二次風噴口結構圖

煤粉首先在循環流化床預熱室進行流態化預熱改性，經過預熱燃燒器預熱到850 ℃，預熱后的高溫氣固燃料溫度已超過燃料著火溫度，通過高溫燃料噴口進入臥式燃燒室與二次風混合，經二次風和三次風配風后進行燃燒，燃盡后生成的煙氣經過煙氣冷卻器冷卻，由布袋除塵器除塵后，經引風機從煙囪排出。

實驗臺所用空氣全部由空氣壓縮機提供，啟用外二次風和離燃燒室入口600 mm位置的三次風。實驗臺分別在提升管和臥式燃燒室設置可控溫電輔熱，以便于開展不同溫度變化的實驗研究。預熱的煤氣和煙氣成分可實時在線測量；尾部排放的煙氣可利用德圖Testo AG 350型便攜式煙氣分析儀實時在線測量；整個裝置的運行由可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)控制。

為方便數據對比，CO和NOx，z的質量濃度折算成統一標態(煙氣中氧氣體積分數為9%，記為@9%O2)，如NOx的質量濃度計算公式為

(1)

式中：ρz(NOx)為@9%O2時的質量濃度折算值，mg/m3；φc(NOx)為NOx的體積分數測量值，0.000 1%；φc(O2)為煙氣中O2體積分數的測量值，100%。如果計算ρ(CO)的質量濃度，則公式中46用28取代即可。

1.3 條件

實驗的工況參數見表2。其中工況1為實驗臺設計功率的30%時預熱燃燒特性實驗參數，工況2為實驗臺設計功率的42%時預熱燃燒特性實驗參數。本實驗對30%負荷時煤粉預熱燃燒的穩定性進行分析，并在此基礎上研究工況1～2的變負荷特性。

表2 實驗工況參數

相關參數的關系為

λCFB=APr/AStioc，

(2)

λSe=ASe/AStioc，

(3)

λTe=ATe/AStioc，

(4)

λ=λCFB+λSe+λTe，

(5)

式中：λCFB為循環流化床預熱室空氣體積流率比；λSe為二次風空氣體積流率比，即給入的空氣體積流率與燃料完全燃燒所需要的理論空氣流率的比；λTe為三次風空氣體積流率比；λ為過量空氣系數；APr為一次風體積流率，m3·h-1；ASe為二次風體積流率，m3·h-1；ATe為三次風體積流率，m3·h-1；AStioc為燃料完全燃燒所需要的理論空氣流率，m3·h-1。

2 結果與分析

2.1 低負荷運行特性

工況1為實驗臺設計功率的30%，工況1的循環流化床預熱室提升管不同位置的溫度分布如圖3所示。由圖可見，提升管內溫度均勻性好，平均溫度為980 ℃，不同高度的溫差低于50 ℃，充分說明30%負荷下循環流化床預熱室內物料混合良好。

圖3 提升管沿縱向溫度分布圖

預熱燃料進入臥式燃燒室后，與同軸噴射的二次風混合，發生燃燒反應，未燃的燃料與三次風混合后燃盡。臥式燃燒室的溫度分布見圖4，燃燒溫度范圍為850～1 000 ℃，不存在高溫區，實現了預熱燃料柔和燃燒。

圖4 臥式燃燒室軸向距離溫度分布圖

平臺在30%負荷穩定運行時的CO和NOx的質量濃度隨時間的變化見圖5。測試結果表明，該工況條件下，煙氣中CO的質量濃度折算值約25 mg/m3(@9%O2)，NOx的質量濃度折算值約150 mg/m3(@9%O2)。

圖5 CO、NOx隨時間排放量

2.2 負荷變化特性

千瓦級煤粉預熱燃燒綜合評價實驗平臺的負荷由30%增加至42%，1 min內完成升負荷操作。

用Vload、VT、t1、t2、T1、T2分別表示負荷響應速率、溫度變化速率、工況1穩定時間、工況2穩定時間、工況1穩定溫度平均值即提升管溫度平均值、工況2穩定溫度平均值。工況穩定以10 min內溫度變化不超過5 ℃作為判定標準，計算公式：

t=t2-t1，

(6)

(7)

(8)

式中t為變負荷過程的響應時間，min。

在此定義下對預熱室和臥式燃燒室的負荷變化特性進行分析。

2.2.1 循環流化床預熱室變負荷特性

循環流化床預熱室的溫度隨著負荷變化的曲線見圖6。根據上述定義，千瓦級煤粉預熱燃燒綜合評價實驗平臺的負荷從30%增加到42%時，負荷變化直至穩定的響應時間為5 min，負荷變化前，工況1的平均溫度為965 ℃，負荷增加后，工況2的平均溫度為981 ℃，計算表明，該工況條件下預熱溫度變化速率為3.2 ℃/min，循環流化床預熱室的升負荷響應速率為2.4%/min。

圖6 循環流化床預熱室溫度隨時間變化

實驗平臺負荷調節過程的預熱煤氣分析結果如圖7所示。煙煤進入到循環流化床預熱室后被高溫的床料迅速加熱到800 ℃以上，此時會發生熱解和部分氣化反應，這個過程中產生的煤氣中主要組分除了N2和CO2外，還包括可燃成分CO、H2、CH4。在變負荷的過程中，隨著給煤量和風量的增加，CH4的體積分數基本不發生變化；CO2的先減少然后再增加，CO和H2的先減少再增加。

圖7 煤氣成分隨時間變化

2.2.2 預熱燃料燃燒變負荷特性

預熱燃料通過噴口進入臥式燃燒室后進行燃燒，負荷變化過程中臥式燃燒室隨時間變化曲線如圖8所示。負荷從30%增加到42%的過程中，臥式燃燒室溫度響應較循環流化床預熱室延遲，負荷變化直至穩定的響應時間為9 min。負荷變化前，工況1的平均溫度為825 ℃，負荷增加后，工況2的平均溫度為862 ℃，依據上述公式計算可得：燃燒室的溫度響應速率為4.1 ℃/min；升負荷響應速率為1.3%/min。

圖8 臥式燃燒室溫度隨時間變化

2.2.3 變負荷煙氣排放特性

圖9所示為升負荷時CO、NOx排放狀況。當負荷增加時，由于大量的燃料在還原區來不及與空氣中的氧氣混合而發生不完全燃燒反應，因此生成更多的CO，增加了NO的還原，降低了NOx的生成，出現CO升高NOx降低的現象；隨后燃料與空氣中的氧氣逐漸混合，CO生成量減少，NOx的生成量增加。負荷從30%增加至42%的過程中，NOx的質量濃度由150 mg/m3(@9%O2)先降低至50 mg/m3(@9%O2)后升高至170 mg/m3(@9%O2)，CO的質量濃度由25 mg/m3(@9%O2)先升高至80 mg/m3(@9%O2)后降低至15mg/m3(@9%O2)。

圖9 污染物排放隨時間變化

3 結論

1)30%負荷運行時，預熱燃燒系統運行穩定，提升管內溫度均勻性好，平均溫度980 ℃，溫差低于50 ℃，展現了低負荷下循環流化床預熱室仍有較好的運行特性。預熱燃料實現柔和燃燒，燃燒溫度范圍是850～1 000 ℃。30%負荷下，預熱燃燒系統中CO質量濃度折算值約為25 mg/m3(@9%O2)，NOx質量濃度測試值約為150 mg/m3(@9%O2)。

2)負荷從設計功率的30%增加至42%，循環流化床預熱室的升溫速率為3.2 ℃/min，負荷響應速率為2.4%/min；在升負荷的過程中，隨著給煤量和風量增加，煤氣成分中CH4的體積分數基本不發生變化；CO2的先減小然后再增大，CO和H2的先減小再增大。

3)負荷從設計功率的30%增加至42%，臥式燃燒室的升溫速率為4.1 ℃/min，負荷響應速率為1.3 %/min。

4)負荷從設計功率的30%增加至42%，煤粉預熱燃燒煙氣中CO質量濃度先升高后降低，NOx的質量濃度先降低后升高。