第31卷第8期中國電機工程學報voL31 No 8 Mar 15. 201120ll年3月15日ngs of the CSEEC2011 Chin. Soc. for Elec Eng. 13文章編號:0258-8013(2011)08001305中圖分類號:TK16文獻標志碼:A學科分類號:47020水煤漿空氣分級燃燒及N○排放特性試驗研究趙琛杰,周俊虎,劉建忠,周志軍,黃鎮(zhèn)宇,岑可法能源清潔利用國家重點實驗室(浙江大學),浙江省杭州市310027)Experiment Study on Characteristics of Combustion and NO, Emission in Coal Water SlurryAir-staged CombustingZHAO Chenjie, ZHOU Junhu, LIU Jianzhong, ZHOU Zhijun, HUANG Zhenyu, CEN KefaState Key Laboratory of Clean Energy Utilization(Zhejiang University), Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China)ABSTRACT: An air-staged and low No2 emission coal water排放技術主要集中在煤粉燃燒技術上,包括了低slurry(CWS)technology was studied on a 0.5 MW large-scale No燃燒技術和煙氣凈化技術。其中煤粉燃燒低laboratory fumace. The impacts of staged-air proportion and No,燃燒技術又可以分為:低氧燃燒技術、燃料分input-pattern to the NO, emission were analyzed. The impacts級燃燒技術、空氣分級燃燒技術、低NO燃燒器of flue gas components and slagging were also studied. Asstaged-air proportion and input-pattern optimized, the nitrogen煙氣再循環(huán)等技術。目前水煤漿低NO燃燒技術oxide emission of CwS is reduced to 212 mg/m (6%O2)at the主要有燃料分級燃燒即再燃技術和空氣分級燃燒技OFA proportion of 18%, increasing OFA proportion does術,水煤漿再燃技術已進行了一定的機制研究2并fit the combustion stabilization of the main combust實現(xiàn)了工業(yè)化的應用22),而對水煤漿空氣分級燃zone. with the air-staged combustion, the no2 emission IS燒技術的試驗研究還不多。本文以05MW燃燒試reduced, the bumout rate does not reduce and the slagging is驗臺為基礎,進行了水煤漿空氣分級燃燒試驗,研not deteriorated究了空氣分級分配比例、空氣分級分配方式、分級KEY WORDS;: coal water slurry(cws; air-staged空氣投入位置對水煤漿燃燒NO2排放特性的影響。combustion; low NO boiler1試驗系統(tǒng)和方法摘要:在05MW水煤漿燃燒試驗臺上進行水煤漿空氣分級燃燒試驗研究,研究空氣分級配風比例、分級風送入方式對05MW燃燒試驗臺主要由臥式燃燒爐本體、水煤漿燃燒NO2排放量的影響規(guī)律,分析空氣分級燃燒對供漿系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。該試驗爐為臥式圓筒型煙氣中其他成分、結(jié)渣等的影響。通過燃盡風比例和投入位布置,燃燒器布置在爐前,為旋流燃燒器;燃燒煙置的調(diào)整,當燃盡風比例為18%時,NO2的排放量降低到氣由臥式爐水平煙道轉(zhuǎn)入垂直煙道后,經(jīng)尾部煙道212mgm(折算到o(O2)=6%),進一步提高燃盡風比例會造和除塵器后,由引風機送入煙囪。助燃空氣經(jīng)二級成主燃區(qū)燃燒不穩(wěn)定。采用空氣分級燃燒技術后,能夠降低預熱后,溫度可達200℃以上。一級預熱器為專門水煤漿燃燒NO排放量,對水煤漿燃燒燃盡效果沒有產(chǎn)生設計制造的電加熱器,另一級是利用煙氣余熱的空不利影響,沒有造成結(jié)渣的問題。氣預熱器。供漿系統(tǒng)由儲漿和攪拌罐、供漿泵、流關鍵詞:水煤漿:空氣分級;燃燒;低NO2鍋爐量計、壓力表等組成。制備好的水煤漿儲存在儲罐0引言或攪拌罐里,利用供漿的壓力,把水煤漿送到爐前噴嘴中;爐前布置水煤漿回路,與泵的轉(zhuǎn)速結(jié)合起火力發(fā)電過程中產(chǎn)生的NO對環(huán)境有著巨大來進行水碳漿流量調(diào)節(jié)。試驗臺配有空氣壓縮機的危害,國內(nèi)外研究者就降低煤粉燃燒NO排放技其為水煤風門掉制氣動裝置、其他相關設術進行了大量的理論和試驗研究工作1。水煤漿備提中國煤化工系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測、作為一種新型燃油替代燃料已完成了試驗室和工試驗CNMHG業(yè)性試驗階段,并且實現(xiàn)了工業(yè)化應用,具有良好臥式燃燒爐如圖1所示,沿軸線方向依次有12的經(jīng)濟效益和社會效益820。但是目前控制NO2個測量孔,測量孔可以放入煙氣抽氣槍進行煙氣取中國電機工程學報第31卷2實驗結(jié)果和分析射土1#12#測量孔冷卻水熱)←}←冷卻水?冷)21空氣分級比例對NOx排放的影響水冷套水煤園圖國圖園國民圖分級風噴槍對于現(xiàn)有的煤粉空氣分級燃燒技術,燃燒所需燃燒器分級風←的空氣分成兩部分送入爐膛,一部分主燃區(qū)送入占水煤漿噴霧→至尾部煙道二次風總風量的0%-85%,另一部分在燃盡區(qū)送水煤漿分級風入占二次風總風量的15%30%水煤漿由于含有較多的水分,實際燃燒過程中存在一個水分蒸發(fā)揮發(fā)分析出、焦炭燃燒的過程,同時由于含水分較1臥式爐結(jié)構(gòu)及分級空氣噴口圖(mm)多,水分蒸發(fā)后對煤粉顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響不同于通ig. 1 Structure of the horizontal furnace andstage air injection(mm)常的煤粉燃燒過程,因此需要對水煤漿采用空氣分樣,也可以作為空氣分級燃燒試驗中分級后的空氣級燃燒后NO生成規(guī)律進一步細化研究送入位置,同時也可以測量臥式爐沿爐膛軸線方向試驗將水煤漿燃燒所需空氣分成兩部分,一部各處的溫度。1#12測量孔在正常試驗時保持密封分從位于爐前的旋流燃燒器送入爐內(nèi),一部分在臥狀態(tài),以降低爐外漏風對空氣分級效果的影響。結(jié)式爐1|測量孔位置送入(以下簡稱為燃盡風合現(xiàn)有的煤粉空氣分級燃燒技術42可以看到,進OFA)。在保證水煤漿燃燒穩(wěn)定的前提下,調(diào)節(jié)送入行空氣分級燃燒時,分級空氣送入爐膛內(nèi)與主流煙旋流燃燒器和11測量孔燃盡風的比例,尾部的氣混合的效果會直接影響爐內(nèi)煙氣成分分布和空NO2排放如圖2所示?？諝獠环旨墪r尾部NO2排放氣分級燃燒,降低NO2排放效果,因此本試驗中采量為519mgm(折算到O2)=6%),當11孔燃盡用了如圖所示的分級空氣噴槍,分級空氣沿爐膛徑風空氣比例提高到181%時,NO2的排放量降低到向方向均分成4個噴口噴入爐內(nèi),以提高分級空氣212mg/m2(折算到g(O2)=6%0)。與煙氣的均勻混合效果。同時分級空氣噴槍帶有水冷套進行冷卻,保證了噴槍在爐內(nèi)高溫區(qū)域長時間正常工作。煙氣經(jīng)臥式爐尾部進入尾部煙道后可以采用煙氣分析儀(型號: Testo350XL:精度:O2:±080%,CO:±10mLm3,NO:±5mLm3)對煙氣■中的CO、NO2等成分進行測量(測量不確定度:O2燃盡風比例%09%,CO;1.5%,NO:1.2%),尾部煙道內(nèi)可以圖2燃盡風比例對NO2排放的影響布置飛灰取樣裝置抽取飛灰樣品。Fig. 2 NO, emission to the influence of OFA proportion試驗以兗州煤作為制漿用煤,試驗設計水煤漿當進一步提高11孔燃盡風比例后,主燃區(qū)水濃度為66%,實際試驗時水煤漿濃度65.5%66%。煤漿燃燒穩(wěn)定性下降,爐膛溫度下降較快,說明試濃度為66%時水煤漿燃料特性如表1所示。驗中11#孔燃盡風比例不宜過高,過高后對水煤漿表1水煤漿的工業(yè)分析與元素分析的穩(wěn)定燃燒不利。未采用空氣分級時煙氣中CO含Tab. 1 Ultimate and proximate analysis of the CwS量較低((CO)<103),對煙氣中NO2還原效果較工業(yè)分析元素分析%差。水煤漿進行空氣分級燃燒后,當11#孔燃盡風952099546174914672995806705比例為11%時,主燃區(qū)煙氣中CO含量較未分級時圖1中所示的水煤漿燃燒器為漿/油兩用燃燒要高((CO)=103-12x102),主燃區(qū)的過量空氣系器,水煤漿采用壓縮空氣霧化。在實際試驗中中心數(shù)小于1,主燃區(qū)的還原性氣氛增強,對于NO2的風基本關閉只留冷卻用風,通過二次風風門調(diào)節(jié)以還原反應有促進效果,導致NO2的快速減少;而當控制二次風風量。在1#測量孔內(nèi)布置的分級風也11#孔然盡風比例提高至時,主燃區(qū)氧濃度比配有風門調(diào)節(jié)機構(gòu),試驗過程中結(jié)合二次風門和燃山中國煤化工量更高(oco分級風風門的調(diào)節(jié),控制主燃區(qū)和燃盡區(qū)的空氣分154CNMHG但當1#孔燃盡級比例,各個試驗工況均控制總過量空氣系數(shù)在比例進一步提高后,主燃區(qū)的燃燒由于局部的過115左右進行。度缺氧造成燃燒初期的燃燒效率不高,燃燒放熱量第8期趙琛杰等:水煤漿空氣分級燃燒及NO2排放特性試驗研究不足以維持正常的燃燒而導致水煤漿整體燃燒穩(wěn)措施:而在高比例燃盡風條件下,燃盡風投入位置定性下降,這與常規(guī)的煤粉空氣分級燃燒技術有所的后移對進一步降低NO2排放效果不明顯,這些可差別,通常煤粉燃燒視煤種的不同燃盡區(qū)的空氣比以對水煤漿空氣分級燃燒器設計提供參考。例可以到達20%以上,這點可能與水煤漿含有較多水分、爐膛整體燃燒溫度較低有關試驗過程中對主燃區(qū)煙氣溫度采用鉑銠鉑熱電偶進行測量,燃盡風比例為0,11%,18%時,主燃區(qū)最高煙氣溫度平均值分別為1179,12251285℃,主燃區(qū)溫度有所提高,這對水煤漿的初期燃盡風10#1#比例)穩(wěn)定著火燃燒是有利的圖3中等比例OFA送入位置對NO2排放的影響2.2燃盡風送入位置對Nox排放量的影響Fig 3 NO, emission to the influence of OFA injectionposition at medium proportion空氣分級燃燒技術中要求了主燃區(qū)到燃盡區(qū)有一定的間隔距離,這個間隔的距離保證了水煤漿在主燃區(qū)低氧高還原性氣氛中有足夠的停留時間煙氣中NO2成分能夠被及時的還原為N2。對于煤粉空氣分級燃燒,根據(jù)煤種的不同主燃區(qū)和燃盡區(qū)的間距有半經(jīng)驗性的公式可以用作計算。由于水煤989漿燃燒時水煤漿初期有一個水分蒸發(fā)的過程,煙氣(燃盡風10#11#比例y%圖4高比例OFA送入位置對NO2排放的影響中水分含量較煤粉燃燒髙,燃盡風的送入位置也需Fig. 4 NO emission to the influence of oFA injection要通過具體試驗確定osition at high proportion試驗在高燃盡風比例和中等燃盡風比例的2種23空氣分級燃燒對飛灰含碳量的影響條件下釆用了固定燃盡風比例調(diào)整燃盡風送入位已有報道煤粉燃燒采用空氣分級技術后飛灰置的比較試驗方法。通過數(shù)據(jù)對比可以看出,在總含碳量會有所增加,但是對燃燒效率影響不大,而燃盡風比例為11%,燃盡風從全部由10#孔投入過水煤漿采用空氣分級燃燒技術后對飛灰含碳量影渡到10#孔、11#孔各半再過渡到全部由11#孔3種響的報道還比較少。試驗中水煤漿各種空氣分級燃投入方式條件下NO2排放量依次為351,322,燒方式下飛灰含碳量如表2所示276mgm(折算到O2)=6%),如圖3所示。在這表2配風方式對飛灰含碳量的影響種中等的燃盡風比例時,燃盡風投入位置的后移對Tab 2 Burnout rate at different oFA pattern降低NO2排放量有較明顯的作用。但是當燃盡風比工況編夢空氣分級方式燃盡風比例%燃盡風送入孔位飛灰含碳%不分級例為18%時,如圖4所示,燃盡風從全部由10#孔11#孔各半過渡到全部由11#孔3種投入,NO2排放量僅從231降低到212mg/m(折算到(O2)=6%)分級555510#、11#燃盡風投入位置對降低NO2排放量的影響較中等分級9698燃盡風比例時的弱。不采用空氣分級技術時飛灰含碳量為285%當燃盡風在中等比例水平時,主燃區(qū)的氧含量用燃盡風單級1送入配風比例18%時,主燃較燃盡風高比例時要高,CO濃度較低((CO)=區(qū)缺氧燃燒情況比較嚴重,燃盡程度受到影響,飛103-1.2×102),還原性氣氛不強。在這樣的還原灰含碳量提高到532%;而當燃盡風11#送入、性氣氛下NO2被還原成N2需要更多的時間,主燃配風比例11%時,主燃區(qū)的氧濃度雖然下降,但是區(qū)至燃盡區(qū)的間距也需要增加。而提高燃盡風比例由于主燃區(qū)空氣量的減少,主燃區(qū)溫度有所提高,后,主燃區(qū)至燃盡區(qū)之間的區(qū)域氧量更低,還原性對水煤漿的燃盡有一定的促進作用,飛灰含碳量降氣氛較濃((CO)>15×102),NO2能夠較為容易地低至中國煤化工比例從10#孔送被還原成N2,主燃區(qū)與燃盡區(qū)之間的間距適當減小入后CNMHG能是由于燃盡風對NO2影響不大。在中等比例燃盡風條件下要降低的過早投入使主燃區(qū)的溫度提前降低,從而導致燃NO2的排放,燃盡風投入位置的后移是一個有效的燒不充分。當燃盡風分成2部分送入時如工況7和中國電機工程學報第31卷工況8,飛灰含碳量也能夠有所降低,對空氣分級灰含碳量,還可以降低飛灰含碳量,提高水煤漿的燃燒后水煤漿燃盡效果是有利的。且當燃盡風總比燃盡效果例較高時,分成2級送入相對單級送入燃盡效果更5)水煤漿燃燒采用空氣分級燃燒技術后不會好,設計燃燒器時對于燃盡風比例較高條件下,選造成爐膛結(jié)渣惡化的問題,能夠?qū)崿F(xiàn)鍋爐長期連續(xù)擇分成2級燃盡風送入爐內(nèi)對提高燃盡較為有利。穩(wěn)定運行2.4空氣分級燃燒對煙氣中其他成分的影響本試驗是以一種水煤漿作為試驗燃料,在實際水煤漿釆用空氣分級燃燒后煙氣中的CO排放工程應用中應根據(jù)不同水煤漿燃料品質(zhì)變化特性,量與不采用空氣分級變化不大,分級后CO排放量通過對水煤漿燃燒主燃區(qū)和燃盡區(qū)過量空氣系數(shù)、沒有增加,CO排放量均小于5×103,說明空氣分燃盡區(qū)與主燃區(qū)間隔距離的調(diào)整以實現(xiàn)低NO2排級燃燒對可燃氣體未完全燃燒熱損失影響不大,不放和高效穩(wěn)定燃燒會提高可燃氣體未完全燃燒熱損失。而采用空氣分級燃燒后,SO2的排放量也沒有明顯的變化,空氣參考文獻分級燃燒主要是針對燃燒過程中NO2的控制。[]岑可法,姚強.高等燃燒學M.杭州:浙江大學出版社,2002:25空氣分級燃燒對結(jié)渣的影響Cen 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Journal of Engineering for Thermal Energy風比例時,燃盡風投入的推遲對降低NO1排放有促m00661(Chm,劉業(yè)雄,等.300MW機組鍋爐低氮燃燒的改造進作用,而在高燃盡風比例條件下,燃盡風投入位中國煤化工置的進一步后移對降低NO2排放效果不明顯。CNMHGg a Renovation of4)采用空氣分級燃燒后,通過對燃盡風比例Electric Power, 2008, 21(3): 68-71(in Chinese和投入位置的合理調(diào)整,不僅可以不提高水煤漿飛[1o孫國超,鄙曉忠,陳冬林,等.電站燃煤鍋爐NO2控制技術的現(xiàn)第8期趙琛杰等:水煤漿空氣分級燃燒及NO2排放特性試驗研究狀及發(fā)展門電站系統(tǒng)工程,2008,24(2):14.的研究門新江大學學報:工學版,2006,48):14391442.Sun Guochao, Yan Xiaozhong, Chen Donglin, et al. Present statusWeng Weiguo, Zhou Junhu, Yang Weijuan, et al. Research onand development of de-nitrification technology on coal-fired utilitycharacteristics of NO emission for 220 th CwS fired utility boilerboiler J]. Power System Engineering, 2008, 24(2): 1-4(in Chinese).[] Joumal of Zhejiang University: Engineering Science, 2006, 40(8)[1]秦裕琨,李爭起,孫銳,等.風包粉煤粉燃燒原理及實驗研究U1439-1442 (in Chinese中國電機工程學報,2000,205):5962[20]吉登高,王祖訥,付曉恒,等,水煤漿懸浮燃燒燃料氮的釋放特Yukun, Li Zhengqi. Sun Rui, ct al. 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