水煤漿空氣分級燃燒及NOx排放特性試驗研究

第31卷第8期中國電機工程學(xué)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(lèi)號:TK16文獻標志碼:A學(xué)科分類(lèi)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,黃鎮宇,岑可法能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室(浙江大學(xué)),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(shù)主要集中在煤粉燃燒技術(shù)上,包括了低slurry(CWS)technology was studied on a 0.5 MW large-scale No燃燒技術(shù)和煙氣凈化技術(shù)。其中煤粉燃燒低laboratory fumace. The impacts of staged-air proportion and No,燃燒技術(shù)又可以分為:低氧燃燒技術(shù)、燃料分input-pattern to the NO, emission were analyzed. The impacts級燃燒技術(shù)、空氣分級燃燒技術(shù)、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(shù)。目前水煤漿低NO燃燒技術(shù)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(shù)和空氣分級燃燒技OFA proportion of 18%, increasing OFA proportion does術(shù),水煤漿再燃技術(shù)已進(jìn)行了一定的機制研究2并fit the combustion stabilization of the main combust實(shí)現了工業(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(shù)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(jìn)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試驗系統和方法摘要:在05MW水煤漿燃燒試驗臺上進(jìn)行水煤漿空氣分級燃燒試驗研究,研究空氣分級配風(fēng)比例、分級風(fēng)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排放量的影響規律,分析空氣分級燃燒對供漿系統和控制系統組成。該試驗爐為臥式圓筒型煙氣中其他成分、結渣等的影響。通過(guò)燃盡風(fēng)比例和投入位布置,燃燒器布置在爐前,為旋流燃燒器;燃燒煙置的調整,當燃盡風(fēng)比例為18%時(shí),NO2的排放量降低到氣由臥式爐水平煙道轉入垂直煙道后,經(jīng)尾部煙道212mgm(折算到o(O2)=6%),進(jìn)一步提高燃盡風(fēng)比例會(huì )造和除塵器后,由引風(fēng)機送入煙囪。助燃空氣經(jīng)二級成主燃區燃燒不穩定。采用空氣分級燃燒技術(shù)后,能夠降低預熱后,溫度可達200℃以上。一級預熱器為專(zhuān)門(mén)水煤漿燃燒NO排放量,對水煤漿燃燒燃盡效果沒(méi)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(méi)有造成結渣的問(wèn)題。氣預熱器。供漿系統由儲漿和攪拌罐、供漿泵、流關(guān)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,與泵的轉速結合起火力發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的NO對環(huán)境有著(zhù)巨大來(lái)進(jìn)行水碳漿流量調節。試驗臺配有空氣壓縮機的危害,國內外研究者就降低煤粉燃燒NO排放技其為水煤風(fēng)門(mén)掉制氣動(dòng)裝置、其他相關(guān)設術(shù)進(jìn)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參數監測、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(shí)現了工業(yè)化應用,具有良好臥式燃燒爐如圖1所示,沿軸線(xiàn)方向依次有12的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益820。但是目前控制NO2個(gè)測量孔,測量孔可以放入煙氣抽氣槍進(jìn)行煙氣取中國電機工程學(xué)報第31卷2實(shí)驗結果和分析射土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(fēng)噴槍對于現有的煤粉空氣分級燃燒技術(shù),燃燒所需燃燒器分級風(fēng)←的空氣分成兩部分送入爐膛,一部分主燃區送入占水煤漿噴霧→至尾部煙道二次風(fēng)總風(fēng)量的0%-85%,另一部分在燃盡區送水煤漿分級風(fēng)入占二次風(fēng)總風(fēng)量的15%30%水煤漿由于含有較多的水分,實(shí)際燃燒過(guò)程中存在一個(gè)水分蒸發(fā)揮發(fā)分析出、焦炭燃燒的過(guò)程,同時(shí)由于含水分較1臥式爐結構及分級空氣噴口圖(mm)多,水分蒸發(fā)后對煤粉顆粒內部結構影響不同于通ig. 1 Structure of the horizontal furnace andstage air injection(mm)常的煤粉燃燒過(guò)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生成規律進(jìn)一步細化研究送入位置,同時(shí)也可以測量臥式爐沿爐膛軸線(xiàn)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(shí)保持密封分從位于爐前的旋流燃燒器送入爐內,一部分在臥狀態(tài),以降低爐外漏風(fēng)對空氣分級效果的影響。結式爐1|測量孔位置送入(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為燃盡風(fēng)合現有的煤粉空氣分級燃燒技術(shù)42可以看到,進(jìn)OFA)。在保證水煤漿燃燒穩定的前提下,調節送入行空氣分級燃燒時(shí),分級空氣送入爐膛內與主流煙旋流燃燒器和11測量孔燃盡風(fēng)的比例,尾部的氣混合的效果會(huì )直接影響爐內煙氣成分分布和空NO2排放如圖2所示?？諝獠环旨墪r(shí)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(fēng)空氣比例提高到181%時(shí),NO2的排放量降低到向方向均分成4個(gè)噴口噴入爐內,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(shí)分級空氣噴槍帶有水冷套進(jìn)行冷卻,保證了噴槍在爐內高溫區域長(cháng)時(shí)間正常工作。煙氣經(jīng)臥式爐尾部進(jìn)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(jìn)行測量(測量不確定度:O2燃盡風(fēng)比例%09%,CO;1.5%,NO:1.2%),尾部煙道內可以圖2燃盡風(fēng)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?xún)贾菝鹤鳛橹茲{用煤,試驗設計水煤漿當進(jìn)一步提高11孔燃盡風(fēng)比例后,主燃區水濃度為66%,實(shí)際試驗時(shí)水煤漿濃度65.5%66%。煤漿燃燒穩定性下降,爐膛溫度下降較快,說(shuō)明試濃度為66%時(shí)水煤漿燃料特性如表1所示。驗中11#孔燃盡風(fēng)比例不宜過(guò)高,過(guò)高后對水煤漿表1水煤漿的工業(yè)分析與元素分析的穩定燃燒不利。未采用空氣分級時(shí)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(jìn)行空氣分級燃燒后,當11#孔燃盡風(fēng)952099546174914672995806705比例為11%時(shí),主燃區煙氣中CO含量較未分級時(shí)圖1中所示的水煤漿燃燒器為漿/油兩用燃燒要高((CO)=103-12x102),主燃區的過(guò)量空氣系器,水煤漿采用壓縮空氣霧化。在實(shí)際試驗中中心數小于1,主燃區的還原性氣氛增強,對于NO2的風(fēng)基本關(guān)閉只留冷卻用風(fēng),通過(guò)二次風(fēng)風(fēng)門(mén)調節以還原反應有促進(jìn)效果,導致NO2的快速減少;而當控制二次風(fēng)風(fēng)量。在1#測量孔內布置的分級風(fēng)也11#孔然盡風(fēng)比例提高至時(shí),主燃區氧濃度比配有風(fēng)門(mén)調節機構,試驗過(guò)程中結合二次風(fēng)門(mén)和燃山中國煤化工量更高(oco分級風(fēng)風(fēng)門(mén)的調節,控制主燃區和燃盡區的空氣分154CNMHG但當1#孔燃盡級比例,各個(gè)試驗工況均控制總過(guò)量空氣系數在比例進(jìn)一步提高后,主燃區的燃燒由于局部的過(guò)115左右進(jìn)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措施:而在高比例燃盡風(fēng)條件下,燃盡風(fēng)投入位置定性下降,這與常規的煤粉空氣分級燃燒技術(shù)有所的后移對進(jìn)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(diǎn)可能與水煤漿含有較多水分、爐膛整體燃燒溫度較低有關(guān)試驗過(guò)程中對主燃區煙氣溫度采用鉑銠鉑熱電偶進(jìn)行測量,燃盡風(fēng)比例為0,11%,18%時(shí),主燃區最高煙氣溫度平均值分別為1179,12251285℃,主燃區溫度有所提高,這對水煤漿的初期燃盡風(fēng)10#1#比例)穩定著(zhù)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(fēng)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(shù)中要求了主燃區到燃盡區有一定的間隔距離,這個(gè)間隔的距離保證了水煤漿在主燃區低氧高還原性氣氛中有足夠的停留時(shí)間煙氣中NO2成分能夠被及時(shí)的還原為N2。對于煤粉空氣分級燃燒,根據煤種的不同主燃區和燃盡區的間距有半經(jīng)驗性的公式可以用作計算。由于水煤989漿燃燒時(shí)水煤漿初期有一個(gè)水分蒸發(fā)的過(guò)程,煙氣(燃盡風(fēng)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(fēng)的送入位置也需Fig. 4 NO emission to the influence of oFA injection要通過(guò)具體試驗確定osition at high proportion試驗在高燃盡風(fēng)比例和中等燃盡風(fēng)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(fēng)比例調整燃盡風(fēng)送入位已有報道煤粉燃燒采用空氣分級技術(shù)后飛灰置的比較試驗方法。通過(guò)數據對比可以看出,在總含碳量會(huì )有所增加,但是對燃燒效率影響不大,而燃盡風(fēng)比例為11%,燃盡風(fēng)從全部由10#孔投入過(guò)水煤漿采用空氣分級燃燒技術(shù)后對飛灰含碳量影渡到10#孔、11#孔各半再過(guò)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(fēng)方式對飛灰含碳量的影響種中等的燃盡風(fēng)比例時(shí),燃盡風(fēng)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(fēng)比工況編夢(mèng)空氣分級方式燃盡風(fēng)比例%燃盡風(fēng)送入孔位飛灰含碳%不分級例為18%時(shí),如圖4所示,燃盡風(fēng)從全部由10#孔11#孔各半過(guò)渡到全部由11#孔3種投入,NO2排放量?jì)H從231降低到212mg/m(折算到(O2)=6%)分級555510#、11#燃盡風(fēng)投入位置對降低NO2排放量的影響較中等分級9698燃盡風(fēng)比例時(shí)的弱。不采用空氣分級技術(shù)時(shí)飛灰含碳量為285%當燃盡風(fēng)在中等比例水平時(shí),主燃區的氧含量用燃盡風(fēng)單級1送入配風(fēng)比例18%時(shí),主燃較燃盡風(fēng)高比例時(shí)要高,CO濃度較低((CO)=區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(fēng)11#送入、性氣氛下NO2被還原成N2需要更多的時(shí)間,主燃配風(fēng)比例11%時(shí),主燃區的氧濃度雖然下降,但是區至燃盡區的間距也需要增加。而提高燃盡風(fēng)比例由于主燃區空氣量的減少,主燃區溫度有所提高,后,主燃區至燃盡區之間的區域氧量更低,還原性對水煤漿的燃盡有一定的促進(jìn)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,主燃區與燃盡區之間的間距適當減小入后CNMHG能是由于燃盡風(fēng)對NO2影響不大。在中等比例燃盡風(fēng)條件下要降低的過(guò)早投入使主燃區的溫度提前降低,從而導致燃NO2的排放,燃盡風(fēng)投入位置的后移是一個(gè)有效的燒不充分。當燃盡風(fēng)分成2部分送入時(shí)如工況7和中國電機工程學(xué)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(fēng)總比燃盡效果例較高時(shí),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(shù)后不會(huì )好,設計燃燒器時(shí)對于燃盡風(fēng)比例較高條件下,選造成爐膛結渣惡化的問(wèn)題,能夠實(shí)現鍋爐長(cháng)期連續擇分成2級燃盡風(fēng)送入爐內對提高燃盡較為有利。穩定運行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(shí)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(guò)對水煤漿燃燒主燃區和燃盡區過(guò)量空氣系數、沒(méi)有增加,CO排放量均小于5×103,說(shuō)明空氣分燃盡區與主燃區間隔距離的調整以實(shí)現低NO2排級燃燒對可燃氣體未完全燃燒熱損失影響不大,不放和高效穩定燃燒會(huì )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(méi)有明顯的變化,空氣參考文獻分級燃燒主要是針對燃燒過(guò)程中NO2的控制。[]岑可法,姚強.高等燃燒學(xué)M.杭州:浙江大學(xué)出版社,2002:25空氣分級燃燒對結渣的影響Cen Kefa, Yao Qiang. 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Thermal Power Generation, 200實(shí)際現場(chǎng)結果顯示結渣情況沒(méi)有惡化,水煤漿燃燒36(4): 61-64(in Chinese).[4]龐水梅,王腎權,郭建,等.空氣分級燃燒降低鍋爐排放控制技時(shí)整體的溫度水平較煤粉燃燒時(shí)低,采用空氣分級.電力科學(xué)與工程,207,234:46燃燒后不會(huì )產(chǎn)生結渣惡化問(wèn)題。Pang Yongmei, Wang Jinquan, Guo Jian, et al. Technology on結論Power Scicnce and Engineering, 2007, 23(4): 4649(in Chinese1)在控制總的過(guò)量空氣系數在115左右的試的tis,可副, nization典嗎aMwtangentially fired pulverized coal furnace]. Fuel Processing驗條件下,當燃盡風(fēng)比例達到18%時(shí),NO2的排放rhoy,.o.090916量降低到212mgm(折算到g(O2)=6%),水煤漿燃 Ribeirete A.,cosM, Detailed measurements in a pulverized-coal燒采用空氣分級技術(shù)可以有效地降低NO2的排fired large-scale Laboratory furmace with air staging J]. Fuel, 2009放量88(l):40[7] Ribeirete A, Costa M. Impact of the air staging on the performance of2)采用空氣分級燃燒技術(shù)時(shí)燃盡風(fēng)的比例存pulverized coal fired fumace]. Proceedings of the Combustion在一個(gè)有效的范圍,燃盡風(fēng)比例過(guò)低不能有效地降Institute,2009,32(2):2667-2673低NO排放量,而燃盡風(fēng)比例過(guò)高會(huì )影響水煤漿整9張曉,孫銳,孫紹增,等,200爐空氣分級低NO燃燒體的燃燒穩定性Zhang Xiaohui, Sun Rui, Sun Shaozeng, et al. Experimental study3)在不同燃盡風(fēng)比例條件下燃盡風(fēng)的送入位an air staged and low NO, emission based combustion modification置對降低NO2的排放影響規律有所不同,中等燃盡to a 200MW boiler[]. Journal of Engineering for Thermal Energy風(fēng)比例時(shí),燃盡風(fēng)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(jìn)作用,而在高燃盡風(fēng)比例條件下,燃盡風(fēng)投入位中國煤化工置的進(jìn)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(guò)對燃盡風(fēng)比例Electric Power, 2008, 21(3): 68-71(in Chinese和投入位置的合理調整,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(shù)的現第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(mén)電站系統工程,2008,24(2):14.的研究門(mén)新江大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2006,48):14391442.Sun Guochao, Yan Xiaozhong, Chen Donglin, et al. Present statusWeng Weiguo, Zhou Junhu, Yang Weijuan, et al. 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