煤氣化殘炭的預熱燃燒試驗研究

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]煤氣化殘炭的預熱燃燒試驗研究周祖旭'2，么瑤12， 朱建國'，歐陽(yáng)子區'，賀坤'2， 呂清剛'(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)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炭是煤氣化的副產(chǎn)物,揮發(fā)分含量接近零,常規燃燒技術(shù)難以利用,實(shí)現氣化殘炭的高效清潔燃燒是煤梯級利用技術(shù)路線(xiàn)的重要補充和必要延伸。采用循環(huán)流化床預熱燃燒技術(shù),利用循環(huán)流化床預熱室將氣化殘炭預熱到800 C以上,再送人下行燃燒室燃燒,實(shí)現了穩定高效燃燒,同時(shí)對氮氧化物的排放特性開(kāi)展了試驗研究。結果表明,在循環(huán)流化床預熱室中氣化殘炭可以通過(guò)預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定燃燒,燃燒的最高溫度為1126。C ,燃燒效率為95. 3%;預熱和分級配風(fēng)相結合的預熱燃燒技術(shù)可以有效降低氣化殘炭燃燒NO,的排放濃度，本試驗中NO排放值為102 mg/m2 ,燃料N向NO的轉化率為7. 92%。利用循環(huán)流化床預熱燃燒技術(shù),實(shí)現了氣化殘炭的高效低NO,燃燒,為氣化殘炭燃燒技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應用提供了試驗數據和理論支撐。關(guān)鍵詞:氣化殘炭; 預熱燃燒;氮氧化物中圖分類(lèi)號:TK229.6文獻標識碼:A文章編號: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,利用試驗現有的30氣化殘炭是循環(huán)流化床煤氣化工藝中煤氣kW循環(huán)流化床預熱燃燒熱態(tài)試驗臺,開(kāi)展氣化除塵器捕集的細顆粒廢棄物,含有部分可燃物，殘炭預熱燃燒試驗研究,分析氣化殘炭的預熱特揮發(fā)分含量接近零,著(zhù)火點(diǎn)高,用常規燃燒技術(shù)性、燃燒特性和氮氧化物生成規律,為氣化殘炭難以高效潔凈燃燒。實(shí)現氣化殘炭的高效潔凈的燃燒技術(shù)開(kāi)發(fā)提供試驗數據和理論支撐。燃燒,是煤梯級利用技術(shù)路線(xiàn)的重要補充和必要1試驗系統與裝置延伸,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 試驗裝置中國科學(xué)院工程熱物理研究所提出了一種試驗裝置^°]如圖1所示?；谘h(huán)流化床的煤粉預熱燃燒工藝以,歐陽(yáng)子7區(2]基于此工藝對無(wú)煙煤粉和神木半焦粉的預熱燃燒特性進(jìn)行了研究。結果表明:循環(huán)流化床預熱燃燒技術(shù)可以有效提高無(wú)煙煤粉和神木半焦粉的燃燒穩定性,燃燒效率能夠達到97%以上,并且可以實(shí)現NO,超低排放。相對于無(wú)煙煤和神木半焦而言,氣化殘炭具.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,氣化殘炭的物理結構和化學(xué)特性較原煤發(fā)生了很大變化，因此循環(huán)流化床預熱燃1-空氣壓縮機;2一電爐;3-螺旋給料機;4-循環(huán)流化床;5-下燒工藝是否可以實(shí)現氣化殘炭的穩定、高效和清行燃燒室;6--次風(fēng);7-二次風(fēng):8-三次風(fēng)圖1試驗裝置潔燃燒以及氣化殘炭的預熱燃燒特性和氮氧化中國煤化工收稿日期:2014-12-10MYHCNM HG基金項目:中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項(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)流化床為預熱部分,氣化殘炭在室200 mm、600 mm和1000 mm處通人下行循環(huán)流化床中預熱到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,試驗系統在正常運風(fēng)加入點(diǎn)之間的區域定義為還原區,1000 mm行階段所需熱量全部來(lái)自氣化殘炭的燃燒放處三次風(fēng)加人點(diǎn)到下行燃燒室出口的區域定熱,沒(méi)有外界輸人熱量。其中循環(huán)流化床的提義為燃盡區。升管內徑設計為90 mm、總高度為1 500 mm,試驗裝置共設置10個(gè)熱電偶,循環(huán)流化床下行燃燒室的內徑設計為260mm、高度為設置有4個(gè)K型鎧裝熱電偶，下行燃燒室設置有3000mm。5個(gè)S型熱電偶。下行燃燒室距頂部100mm、試驗裝置供風(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)輸送氣化殘炭進(jìn)入循環(huán)流化床,一mm處共設置6個(gè)煙氣取樣點(diǎn)，所取煙氣經(jīng)干燥次風(fēng)量為氣化殘炭完全燃燒理論風(fēng)量的20%后通過(guò)GASMETFTIRDX4000分析儀和~40%,氣化殘炭在循環(huán)流化床內部分燃燒放KM9106煙氣分析儀進(jìn)行在線(xiàn)連續分析。熱,維持燃料預熱溫度。氣化殘炭經(jīng)循環(huán)流化1.2試驗樣品床預熱后產(chǎn)生的高溫氣體和固體混合物稱(chēng)為試驗所用的氣化殘炭為某循環(huán)流化床煤氣預熱燃料。預熱燃料進(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)分級配風(fēng)的方式進(jìn)行燃燒,二次風(fēng)從下行燃素分析結果見(jiàn)表1。表1氣化殘炭的燃料特性工業(yè)分析/%元素分析/%項目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 ))數值0. 060.638. 6160.66 39.08 0. 200. 261.6213. 47由表1可見(jiàn)，氣化殘炭的揮發(fā)分僅為型X射線(xiàn)光電子能譜儀(XPS)分析氣化殘炭中0. 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炭粒s0p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)結合能/eV晰30-圖3氣化殘炭不同形 態(tài)氮化合物比例XPS是基于光電效應的電子能譜圖，當利用0.11000粒徑/μmX射線(xiàn)輻射中國煤化工層電子激發(fā)圖2氣化殘炭粒徑分析出來(lái),通過(guò)對MHCNMH(以獲得樣品表面成分信息,強度信虧僅映」瓜件表面處于相采用意大利Thermo公司的ES CALAB250應結合能范圍內的元素含量。氣化殘炭中氮化.第5期周祖旭,等:煤氣化殘炭的預熱燃燒試驗研究1合物的XPS測試結果見(jiàn)圖3(a),其中吡啶型氮當量比為0.35的條件下,可在循環(huán)流化床中穩結合能為398.7士0. 3eV,吡咯型氮結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,季氮結合能為401. 3士0.3eV,氧右。因此,利用循環(huán)流化床對氣化殘炭進(jìn)行預熱化氮結合能為403. 1士0.3eV[4-5],通過(guò)XPS測的方法是可行的。試結果計算得到氣化殘炭不同形態(tài)氮化合物的其他研究[2]表明，對于無(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，當量比為0.25時(shí),預熱溫度為900 C,對于神為57%。木半焦粉,一次風(fēng)當量比為0.3時(shí),預熱溫度1.3試驗工況為900 C?？梢?jiàn),在同樣預熱溫度的條件下,氣試驗工況見(jiàn)表2。其中一次風(fēng)的風(fēng)量為通人化殘炭的一一次風(fēng)空氣當量比高于無(wú)煙煤粉和神循環(huán)流化床的總風(fēng)量。一次風(fēng)空氣當量比是通木半焦粉,這與氣化殘炭的揮發(fā)含量低和熱值低人循環(huán)流化床的總風(fēng)量與氣化殘炭完全燃燒時(shí)有關(guān)。所需理論空氣量的比值。二次風(fēng)空氣當量比是2.2預熱燃料在下行燃燒室的燃燒特性一 次風(fēng)量和二次風(fēng)量之和與氣化殘炭完全燃燒高溫的預熱燃料進(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試驗工況項目數值下行燃燒室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)空氣當量比0. 35二次風(fēng)量/(m'.h-')7.51000二次風(fēng)空氣當量比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1.202試驗結 果與討論500 1000 1 5002000 2 500下行距離/mm2.1氣化殘炭在循環(huán)流化床中的預熱特性圖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(xiàn)如圖4所示。因循環(huán)流化床出口的預熱燃料溫度達到900 C ,已超過(guò)燃料著(zhù)火點(diǎn)。因此，預熱的氣化殘!!!!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,不存在著(zhù)火過(guò)程。另外,下行燃燒二福升幢 400mm室頂部沒(méi)有觀(guān)察到明顯的溫度升高也可以得到_ 。_旋風(fēng)分離器出口驗證。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,這是因為二次風(fēng)和三次風(fēng)間隔配時(shí)間/min風(fēng),可控制預熱燃料的熱量釋放，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)流化床運行穩定,溫度分布均勻,表明穩定工中國煤化工然物含量測揮發(fā)分含量為0.67%、熱值為13.47 MJ/kg.平.定,含碳量為;YH.CNM HG測試值為均粒徑為41.6 μm的氣化殘炭在一次風(fēng)量空氣209 mg/m',計算得到氣化殘炭的燃燒效率.第5期周祖旭,等:煤氣化殘炭的預熱燃燒試驗研究13(4)氣化殘炭預熱燃燒中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:[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，牛天鈺,等.煤粉高溫預熱方法:中國，反應機理分析[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.中國煤化工Key words: residual carbon; preheated combustion;MHCNMHG