第46卷第5期鍋爐技術(shù)Vol.46, No. 52015年9月BOILER TECHNOLOGYSept.，2015[燃料與燃燒]煤氣化殘?zhí)康念A(yù)熱燃燒試驗(yàn)研究周祖旭'2，么瑤12， 朱建國(guó)'，歐陽(yáng)子區(qū)'，賀坤'2， 呂清剛'(1.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，北京100190; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)摘要:循環(huán)流化床煤氣化技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅猛，飛灰中所含的氣化殘?zhí)渴敲簹饣母碑a(chǎn)物,揮發(fā)分含量接近零,常規(guī)燃燒技術(shù)難以利用,實(shí)現(xiàn)氣化殘?zhí)康母咝鍧嵢紵敲禾菁?jí)利用技術(shù)路線的重要補(bǔ)充和必要延伸。采用循環(huán)流化床預(yù)熱燃燒技術(shù),利用循環(huán)流化床預(yù)熱室將氣化殘?zhí)款A(yù)熱到800 C以上,再送人下行燃燒室燃燒,實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定高效燃燒,同時(shí)對(duì)氮氧化物的排放特性開(kāi)展了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,在循環(huán)流化床預(yù)熱室中氣化殘?zhí)靠梢酝ㄟ^(guò)預(yù)熱和部分燃燒將自身溫度加熱到900 C ,在下行燃燒室中可以穩(wěn)定燃燒,燃燒的最高溫度為1126。C ,燃燒效率為95. 3%;預(yù)熱和分級(jí)配風(fēng)相結(jié)合的預(yù)熱燃燒技術(shù)可以有效降低氣化殘?zhí)咳紵齆O,的排放濃度，本試驗(yàn)中NO排放值為102 mg/m2 ,燃料N向NO的轉(zhuǎn)化率為7. 92%。利用循環(huán)流化床預(yù)熱燃燒技術(shù),實(shí)現(xiàn)了氣化殘?zhí)康母咝У蚇O,燃燒,為氣化殘?zhí)咳紵夹g(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論支撐。關(guān)鍵詞:氣化殘?zhí)? 預(yù)熱燃燒;氮氧化物中圖分類(lèi)號(hào):TK229.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672 -4763(2015)05-0039-05物生成特性亟待研究。0前言本文正是基于這一背景,利用試驗(yàn)現(xiàn)有的30氣化殘?zhí)渴茄h(huán)流化床煤氣化工藝中煤氣kW循環(huán)流化床預(yù)熱燃燒熱態(tài)試驗(yàn)臺(tái),開(kāi)展氣化除塵器捕集的細(xì)顆粒廢棄物,含有部分可燃物，殘?zhí)款A(yù)熱燃燒試驗(yàn)研究,分析氣化殘?zhí)康念A(yù)熱特?fù)]發(fā)分含量接近零,著火點(diǎn)高,用常規(guī)燃燒技術(shù)性、燃燒特性和氮氧化物生成規(guī)律,為氣化殘?zhí)侩y以高效潔凈燃燒。實(shí)現(xiàn)氣化殘?zhí)康母咝崈舻娜紵夹g(shù)開(kāi)發(fā)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論支撐。燃燒,是煤梯級(jí)利用技術(shù)路線的重要補(bǔ)充和必要1試驗(yàn)系統(tǒng)與裝置延伸,也關(guān)乎循環(huán)流化床煤氣化技術(shù)的發(fā)展,是需要研究的課題。1.1 試驗(yàn)裝置中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所提出了一種試驗(yàn)裝置^°]如圖1所示?；谘h(huán)流化床的煤粉預(yù)熱燃燒工藝以,歐陽(yáng)子7區(qū)(2]基于此工藝對(duì)無(wú)煙煤粉和神木半焦粉的預(yù)熱燃燒特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:循環(huán)流化床預(yù)熱燃燒技術(shù)可以有效提高無(wú)煙煤粉和神木半焦粉的燃燒穩(wěn)定性,燃燒效率能夠達(dá)到97%以上,并且可以實(shí)現(xiàn)NO,超低排放。相對(duì)于無(wú)煙煤和神木半焦而言,氣化殘?zhí)烤?有揮發(fā)分含量低、熱值小和可燃性差的特點(diǎn),且經(jīng)過(guò)煤氣化后,氣化殘?zhí)康奈锢斫Y(jié)構(gòu)和化學(xué)特性較原煤發(fā)生了很大變化，因此循環(huán)流化床預(yù)熱燃1-空氣壓縮機(jī);2一電爐;3-螺旋給料機(jī);4-循環(huán)流化床;5-下燒工藝是否可以實(shí)現(xiàn)氣化殘?zhí)康姆€(wěn)定、高效和清行燃燒室;6--次風(fēng);7-二次風(fēng):8-三次風(fēng)圖1試驗(yàn)裝置潔燃燒以及氣化殘?zhí)康念A(yù)熱燃燒特性和氮氧化中國(guó)煤化工收稿日期:2014-12-10MYHCNM HG基金項(xiàng)目:中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(A類(lèi))資助(XDA07030100)作者簡(jiǎn)介:周祖旭(1988 -),男,碩士研究生,主要從事循環(huán)流化床潔凈燃燒技術(shù)的研究。.4(鍋爐技術(shù)第46卷由循環(huán)流化床、下行燃燒室和輔助系統(tǒng)組燒室頂部通人下行燃燒室,三次風(fēng)從下行燃燒成。其中,循環(huán)流化床為預(yù)熱部分,氣化殘?zhí)吭谑?00 mm、600 mm和1000 mm處通人下行循環(huán)流化床中預(yù)熱到800 C以上再進(jìn)入下行燃燃燒室。二次風(fēng)與三次風(fēng)的分級(jí)配風(fēng)用于創(chuàng)燒室中燃燒。建缺氧燃燒環(huán)境,以減少氮氧化物的生成。將循環(huán)流化床和下行燃燒室均由Cr25Ni20二次風(fēng)加人點(diǎn)和下行燃燒室1 000 mm處三次耐溫鋼制造,外用巖棉保溫,試驗(yàn)系統(tǒng)在正常運(yùn)風(fēng)加入點(diǎn)之間的區(qū)域定義為還原區(qū),1000 mm行階段所需熱量全部來(lái)自氣化殘?zhí)康娜紵盘幦物L(fēng)加人點(diǎn)到下行燃燒室出口的區(qū)域定熱,沒(méi)有外界輸人熱量。其中循環(huán)流化床的提義為燃盡區(qū)。升管內(nèi)徑設(shè)計(jì)為90 mm、總高度為1 500 mm,試驗(yàn)裝置共設(shè)置10個(gè)熱電偶,循環(huán)流化床下行燃燒室的內(nèi)徑設(shè)計(jì)為260mm、高度為設(shè)置有4個(gè)K型鎧裝熱電偶，下行燃燒室設(shè)置有3000mm。5個(gè)S型熱電偶。下行燃燒室距頂部100mm、試驗(yàn)裝置供風(fēng)分為一次風(fēng)、二次風(fēng)和三次400 mm、900 mm、1 400 mm、2 400 mm和3000風(fēng)。一次風(fēng)輸送氣化殘?zhí)窟M(jìn)入循環(huán)流化床,一mm處共設(shè)置6個(gè)煙氣取樣點(diǎn)，所取煙氣經(jīng)干燥次風(fēng)量為氣化殘?zhí)客耆紵碚擄L(fēng)量的20%后通過(guò)GASMETFTIRDX4000分析儀和~40%,氣化殘?zhí)吭谘h(huán)流化床內(nèi)部分燃燒放KM9106煙氣分析儀進(jìn)行在線連續(xù)分析。熱,維持燃料預(yù)熱溫度。氣化殘?zhí)拷?jīng)循環(huán)流化1.2試驗(yàn)樣品床預(yù)熱后產(chǎn)生的高溫氣體和固體混合物稱為試驗(yàn)所用的氣化殘?zhí)繛槟逞h(huán)流化床煤氣預(yù)熱燃料。預(yù)熱燃料進(jìn)人到下行燃燒室中通化爐的煤氣除塵器捕集的飛灰,其工業(yè)分析和元過(guò)分級(jí)配風(fēng)的方式進(jìn)行燃燒,二次風(fēng)從下行燃素分析結(jié)果見(jiàn)表1。表1氣化殘?zhí)康娜剂咸匦怨I(yè)分析/%元素分析/%項(xiàng)目w(M.s) w(Va) w(FCu) w(Au) w(C.a) w(H2) w(Oa) w(Na) w(S.s)Qu.a/(MJ.kg ))數(shù)值0. 060.638. 6160.66 39.08 0. 200. 261.6213. 47由表1可見(jiàn)，氣化殘?zhí)康膿]發(fā)分僅為型X射線光電子能譜儀(XPS)分析氣化殘?zhí)恐?. 67% ,熱值為13. 47 MJ/kg。N的賦存形態(tài)(見(jiàn)圖3)。采用馬爾文粒度分布儀分析的氣化殘?zhí)苛0p徑見(jiàn)圖2,粒徑范圍是0~100μm,50%的切割粒徑dso為41.6 μm，90%的切割粒徑dgo為20050-72. 3 μm.I0 t? 150s7100承1009(20。8(50口2|鑒70否601110肥5390395400405410 吡啶吡咯季氬氧化型氮b)結(jié)合能/eV晰30-圖3氣化殘?zhí)坎煌?態(tài)氮化合物比例XPS是基于光電效應(yīng)的電子能譜圖，當(dāng)利用0.11000粒徑/μmX射線輻射中國(guó)煤化工層電子激發(fā)圖2氣化殘?zhí)苛椒治龀鰜?lái),通過(guò)對(duì)MHCNMH(以獲得樣品表面成分信息,強(qiáng)度信虧僅映」瓜件表面處于相采用意大利Thermo公司的ES CALAB250應(yīng)結(jié)合能范圍內(nèi)的元素含量。氣化殘?zhí)恐械?第5期周祖旭,等:煤氣化殘?zhí)康念A(yù)熱燃燒試驗(yàn)研究1合物的XPS測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3(a),其中吡啶型氮當(dāng)量比為0.35的條件下,可在循環(huán)流化床中穩(wěn)結(jié)合能為398.7士0. 3eV,吡咯型氮結(jié)合能為定的部分燃燒,同時(shí)將自身溫度加熱到900C左400. 5士0.3eV,季氮結(jié)合能為401. 3士0.3eV,氧右。因此,利用循環(huán)流化床對(duì)氣化殘?zhí)窟M(jìn)行預(yù)熱化氮結(jié)合能為403. 1士0.3eV[4-5],通過(guò)XPS測(cè)的方法是可行的。試結(jié)果計(jì)算得到氣化殘?zhí)坎煌螒B(tài)氮化合物的其他研究[2]表明，對(duì)于無(wú)煙煤粉，一次風(fēng)比例,見(jiàn)圖3(b),可以看出季氮的比例最大，當(dāng)量比為0.25時(shí),預(yù)熱溫度為900 C,對(duì)于神為57%。木半焦粉,一次風(fēng)當(dāng)量比為0.3時(shí),預(yù)熱溫度1.3試驗(yàn)工況為900 C?？梢?jiàn),在同樣預(yù)熱溫度的條件下,氣試驗(yàn)工況見(jiàn)表2。其中一次風(fēng)的風(fēng)量為通人化殘?zhí)康囊灰淮物L(fēng)空氣當(dāng)量比高于無(wú)煙煤粉和神循環(huán)流化床的總風(fēng)量。一次風(fēng)空氣當(dāng)量比是通木半焦粉,這與氣化殘?zhí)康膿]發(fā)含量低和熱值低人循環(huán)流化床的總風(fēng)量與氣化殘?zhí)客耆紵龝r(shí)有關(guān)。所需理論空氣量的比值。二次風(fēng)空氣當(dāng)量比是2.2預(yù)熱燃料在下行燃燒室的燃燒特性一 次風(fēng)量和二次風(fēng)量之和與氣化殘?zhí)客耆紵邷氐念A(yù)熱燃料進(jìn)入下行燃燒室,與二次風(fēng)時(shí)所需理論空氣量的比值。和三次風(fēng)混合后直接燃燒。下行燃燒室的溫度分布見(jiàn)圖5,最高溫度在表2試驗(yàn)工況項(xiàng)目數(shù)值下行燃燒室400mm處,為1126C,最低溫度在下行燃燒室出口,為874 C。給料量/(kg.h-)9.54一次風(fēng)量/(m2●h-")11. 7一次風(fēng)空氣當(dāng)量比0. 35二次風(fēng)量/(m'.h-')7.51000二次風(fēng)空氣當(dāng)量比0. 58800 t三次風(fēng)量200 mm處(m'.h-1)6.0i 600-三次風(fēng)量600 mm處(m'.h"').5三次風(fēng)量1 200 mm處(m'●h-')00 t過(guò)量空氣系數(shù)1.202試驗(yàn)結(jié) 果與討論500 1000 1 5002000 2 500下行距離/mm2.1氣化殘?zhí)吭谘h(huán)流化床中的預(yù)熱特性圖5下行燃燒室溫度沿程分 布循環(huán)流化床的溫度分布曲線如圖4所示。因循環(huán)流化床出口的預(yù)熱燃料溫度達(dá)到900 C ,已超過(guò)燃料著火點(diǎn)。因此，預(yù)熱的氣化殘!!!!其其炭進(jìn)入下行燃燒室與空氣混合后直接燃燒,不存在火焰熄滅和火焰穩(wěn)定性問(wèn)題。從圖5可以看出,在下行燃燒室100 mm處,燃燒溫度為1 100C,說(shuō)明預(yù)熱燃料與二次風(fēng)混合后發(fā)生了快速燃00 F一提升管 100 mm燒放熱反應(yīng),不存在著火過(guò)程。另外,下行燃燒二福升幢 400mm室頂部沒(méi)有觀察到明顯的溫度升高也可以得到_ 。_旋風(fēng)分離器出口驗(yàn)證。整個(gè)下行燃燒室溫度分布均勻,沒(méi)有明顯0406080100120140160180的局部高溫區(qū),這是因?yàn)槎物L(fēng)和三次風(fēng)間隔配時(shí)間/min風(fēng),可控制預(yù)熱燃料的熱量釋放，從而控制燃燒圖4 循環(huán)流化床溫度分布溫度分布。循環(huán)流化床運(yùn)行穩(wěn)定,溫度分布均勻,表明穩(wěn)定工中國(guó)煤化工然物含量測(cè)揮發(fā)分含量為0.67%、熱值為13.47 MJ/kg.平.定,含碳量為;YH.CNM HG測(cè)試值為均粒徑為41.6 μm的氣化殘?zhí)吭谝淮物L(fēng)量空氣209 mg/m',計(jì)算得到氣化殘?zhí)康娜紵?第5期周祖旭,等:煤氣化殘?zhí)康念A(yù)熱燃燒試驗(yàn)研究13(4)氣化殘?zhí)款A(yù)熱燃燒中NO排放值為1995 ,74(9):1363- 1368.102 mg/m'(@6%O2) ,燃料N向NO的轉(zhuǎn)化率[8]蘇亞欣,毛如玉,徐璋.燃煤氮氧化物排放控制技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.為7.92 %。[9]新井紀(jì)男.燃燒生成物的發(fā)生與抑制技術(shù)[M].趙黛青,等譯.北京:科學(xué)出版社,2001 :68-75.參考文獻(xiàn):[10]梁秀俊,高正陽(yáng),閻維平.煤粉再燃過(guò)程中HCN與NH3的[1]呂清剛,朱建國(guó)，牛天鈺,等.煤粉高溫預(yù)熱方法:中國(guó)，反應(yīng)機(jī)理分析[J].華北電力技術(shù)，2004(4);19-21.200710 175526. 3[P]. 2008 -04 -09.[11] HULGAARD T, DAM-JOHANSCN K. 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The effective combustion of the residual carbon is an important supplementary tothe path of coal cascading technology. The residual carbon was preheated to 800 C using theCFB preheating technology, then it was transported to a down fired combustor continuing itscombustion process. Nitrogen dioxide emissions were analyzed at the same time. The resultsshowed that the residual carbon can be preheated to 900 C by a CFB preheater with partialcombustion, and it can burn well in the down fired combustor; The maximum combustiontemperature of the residual carbon in the down fired combustor is 1 126 C and its combustionefficiency is 95. 3%; NO. emission values can be declined by the combination of preheatingand air classification; NO emission value in the exhaust is 102 mg/ m3 and the conversion ratioof fuel N to NO is 7. 92%. The preheated combustion process can achieve high efficiencycombustion and low NO, emission for the residual carbon.中國(guó)煤化工Key words: residual carbon; preheated combustion;MHCNMHG